JP6561373B2 - Tunable surface emitting laser - Google Patents
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Description
本発明は、波長可変型面発光レーザに関する。 The present invention relates to a wavelength tunable surface emitting laser.
一般に、面発光半導体レーザは、活性層の上部と下部とに、それぞれ分散ブラッグ反射層(DBR層)を備え、一対のDBR層の間で光を共振させることにより、活性層の法線方向にレーザ光を発振させるよう構成されている。
そして、面発光レーザの中でも、発振させる光の波長を変動させることができる、波長可変型面発光レーザ(VCSEL)が種々開発されている。特許文献1に開示された可変波長型面発光レーザは、活性層の下方に下部DBR層を配置してなる下側積層部と、下側積層部の上側にギャップを介して対向配置された上部DBR層を備えた上側ミラー部と、を有する。そして、下側積層部に対して、上側ミラー部を上下動できるよう構成することで、上部DBR層と下部DBR層との間のキャビティ長を変化させることができるように構成されている。これにより、上部DBR層と下部DBR層との間で共振させる光の波長を変化させ、発振させるレーザ光の波長を変化させながら出力することができる。
In general, a surface emitting semiconductor laser includes a distributed Bragg reflection layer (DBR layer) on each of an upper portion and a lower portion of an active layer, and resonates light between a pair of DBR layers in the normal direction of the active layer. It is configured to oscillate laser light.
Among surface emitting lasers, various types of wavelength tunable surface emitting lasers (VCSELs) that can change the wavelength of light to be oscillated have been developed. A variable wavelength surface emitting laser disclosed in
このような波長可変型面発光レーザは、特許文献1に開示されているように、例えば、波長走査型光源タイプの光断層画像表示システム(SS−OCT)の光源として用いることが検討されている。この場合、OCTによる深さ方向の分解能を向上させるべく、発振させるレーザ光の波長帯域を広くすることが望まれる。OCTに限らず、例えば、ガスセンシング、光学デバイスの評価等、種々の用途において、波長可変型面発光レーザが発振するレーザ光の波長帯域の拡大、すなわち、高強度のレーザ光を放出することができる波長帯域の拡大が、要望されている。
Such a wavelength tunable surface emitting laser is considered to be used as a light source of a wavelength scanning light source type optical tomographic image display system (SS-OCT), for example, as disclosed in
しかしながら、波長可変型面発光レーザにおいて、レーザ光の波長帯域を拡げるためには、上部DBR層及び下部DBR層の反射波長帯域(高い反射率を得ることができる波長帯域)を拡げる必要があるが、下部DBR層は、製造上の観点から、反射波長帯域を拡げることが困難である。すなわち、下部DBR層は、半導体基板上に活性層等と共に成膜されるため、下部DBR層の材料等には制約が生じる。そのため、従来の成膜方法では、下部DBR層の反射波長帯域を拡げることは困難である。 However, in the wavelength tunable surface emitting laser, in order to widen the wavelength band of the laser light, it is necessary to widen the reflection wavelength band (wavelength band capable of obtaining a high reflectance) of the upper DBR layer and the lower DBR layer. The lower DBR layer is difficult to expand the reflection wavelength band from the viewpoint of manufacturing. That is, since the lower DBR layer is formed on the semiconductor substrate together with the active layer and the like, there are restrictions on the material and the like of the lower DBR layer. Therefore, it is difficult to expand the reflection wavelength band of the lower DBR layer by the conventional film forming method.
また、DBR層の形成方法として、低屈折率層を酸化層とすることで、高屈折率層と低屈折率層との間の屈折率の差を大きくして、反射波長帯域を拡げることが検討されている。このような酸化DBR層を製造するにあたっては、例えば、ガリウム砒素(GaAs)からなる層とアルミニウム砒素(AlAs)からなる層とを交互に成膜(結晶成長)し、その上に活性層等を形成した後、アルミニウム砒素の層を酸化させることで、酸化アルミニウム(AlxOy)の層とガリウム砒素の層とを積層してなるDBR層を形成する手法がある。このような、DBR層を形成する方法として、酸化処理前のDBR層におけるAlAs層を、その端面から酸化ガス(水蒸気)を供給することで酸化して、AlxOy層とする手法が開示されている(非特許文献1)。 In addition, as a method for forming the DBR layer, the difference in refractive index between the high refractive index layer and the low refractive index layer can be increased by using the low refractive index layer as an oxide layer, thereby expanding the reflection wavelength band. It is being considered. In manufacturing such an oxide DBR layer, for example, a layer made of gallium arsenide (GaAs) and a layer made of aluminum arsenic (AlAs) are alternately formed (crystal growth), and an active layer or the like is formed thereon. There is a method of forming a DBR layer formed by stacking an aluminum oxide (Al x O y ) layer and a gallium arsenide layer by oxidizing the aluminum arsenic layer after the formation. As a method for forming such a DBR layer, a method is disclosed in which an AlAs layer in an untreated DBR layer is oxidized by supplying an oxidizing gas (water vapor) from its end face to form an Al x O y layer. (Non-Patent Document 1).
しかしながら、後の酸化処理によって低屈折率層とするAlAsは、端面から順に酸化されていくが、層全体を酸化させることができないと、酸化した領域と、酸化していない領域とが形成されることとなり、両者の境界部に応力が生じることとなる。その結果、場合によっては、境界部を起点として、下部DBR層にクラックが生じるなどの不具合を招く原因となりうる。 However, AlAs to be made into a low refractive index layer by the subsequent oxidation treatment is sequentially oxidized from the end face, but if the whole layer cannot be oxidized, an oxidized region and a non-oxidized region are formed. As a result, stress is generated at the boundary between the two. As a result, in some cases, it may cause a problem such as a crack occurring in the lower DBR layer starting from the boundary.
本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、下部DBR層における内部応力の発生を抑制しつつ、発振するレーザ光を広い波長帯域にわたって変化させることができる波長可変型面発光レーザを提供しようとするものである。 The present invention has been made in view of such a background, and provides a wavelength tunable surface emitting laser capable of changing an oscillating laser beam over a wide wavelength band while suppressing generation of internal stress in a lower DBR layer. It is something to try.
本発明の一態様は、固定基板と、
該固定基板の上面に順次成膜された下部DBR層、下部コンタクト層、活性層、上部コンタクト層と、
上記固定基板の上側に対向配置されると共に該固定基板に対して上下方向に変位することができるよう配置された上部DBR層と、を有し、
上記下部DBR層は、酸化物からなる複数の低屈折率層と、該低屈折率層よりも屈折率の高い複数の高屈折率層とを交互に積層してなり、
上記下部DBR層には、上下方向の全体に形成されると共に上方に開口した開口穴が、上記下部DBR層の広がり方向の全域にわたって分散配置されており、
上記下部コンタクト層と上記活性層と上記上部コンタクト層とからなる積層部には、広がり方向において他の部位と隔離された状態で立設された柱状部が形成されており、該柱状部の一部には、酸化物からなるアパーチャが、外周面から中心側へ向かって環状に形成されており、
上記柱状部の周囲には、上記上部コンタクト層から上記下部コンタクト層までの深さ分、環状の溝部が形成されていることを特徴とする波長可変型面発光レーザにある。
One embodiment of the present invention includes a fixed substrate;
A lower DBR layer, a lower contact layer, an active layer, and an upper contact layer sequentially formed on the upper surface of the fixed substrate;
An upper DBR layer disposed on the upper side of the fixed substrate and disposed so as to be vertically displaced with respect to the fixed substrate;
The lower DBR layer is formed by alternately laminating a plurality of low refractive index layers made of oxide and a plurality of high refractive index layers having a higher refractive index than the low refractive index layer,
In the lower DBR layer, opening holes that are formed in the entire vertical direction and open upward are distributed over the entire area in the spreading direction of the lower DBR layer ,
In the laminated portion composed of the lower contact layer, the active layer, and the upper contact layer, a columnar portion that is erected in a state of being separated from other portions in the spreading direction is formed. In the part, an aperture made of oxide is formed in an annular shape from the outer peripheral surface toward the center side,
In the wavelength tunable surface emitting laser, an annular groove is formed around the columnar portion by a depth from the upper contact layer to the lower contact layer .
上記波長可変型面発光レーザにおいて、下部DBR層における低屈折率層を、酸化物からなる層としている。これにより、高屈折率層と低屈折率層との間の屈折率差を容易に大きくすることができる。その結果、下部DBR層の反射波長帯域を拡げることができ、発振するレーザ光を広い波長帯域にわたって変化させることができる波長可変型面発光レーザを得ることが可能となる。 In the wavelength tunable surface emitting laser, the low refractive index layer in the lower DBR layer is an oxide layer. Thereby, the refractive index difference between the high refractive index layer and the low refractive index layer can be easily increased. As a result, it is possible to obtain a wavelength tunable surface emitting laser that can broaden the reflection wavelength band of the lower DBR layer and can change the oscillating laser light over a wide wavelength band.
そして、上記波長可変型面発光レーザは、開口穴が、下部DBR層の広がり方向の全域にわたって分散配置されている。そのため、下部DBR層を形成するにあたり、低屈折率層を、その広がり方向の全体にわたって確実に酸化させることができる。 In the wavelength tunable surface emitting laser, the aperture holes are distributed over the entire area of the lower DBR layer. Therefore, in forming the lower DBR layer, the low refractive index layer can be reliably oxidized over the entire spreading direction.
すなわち、低屈折率層の酸化処理は、固定基板上に、酸化前の下部DBR層と、下部コンタクト層と、活性層と、上部コンタクト層とを成膜した後に行うことができる。ここで、上方に開口した開口穴が下部DBR層に形成されていることにより、開口穴を通じて、酸化ガス(例えば水蒸気)を酸化前の各低屈折率層に供給することができる。そして、開口穴が、下部DBR層の広がり方向の全域にわたって分散配置されていることにより、低屈折率層を、その広がり方向の全体にわたって確実に酸化させやすくなる。その結果、低屈折率層に酸化部と未酸化部とが存在する状態が形成されることを防ぎ、内部応力が生じることを防ぐことができる。そのため、下部DBR層に、酸化部と未酸化部との間の境界部を起点としたクラックが生じるなどの不具合を防ぐことができる。 That is, the oxidation treatment of the low refractive index layer can be performed after the lower DBR layer before oxidation, the lower contact layer, the active layer, and the upper contact layer are formed on the fixed substrate. Here, since the opening hole opened upward is formed in the lower DBR layer, the oxidizing gas (for example, water vapor) can be supplied to each low refractive index layer before oxidation through the opening hole. And since the opening hole is distributed and arranged over the whole area of the spreading direction of the lower DBR layer, the low refractive index layer can be easily oxidized reliably over the whole spreading direction. As a result, it is possible to prevent a state in which an oxidized portion and an unoxidized portion exist in the low refractive index layer, and to prevent internal stress from being generated. Therefore, it is possible to prevent problems such as a crack starting from the boundary portion between the oxidized portion and the unoxidized portion in the lower DBR layer.
以上のごとく、本発明によれば、下部DBR層における内部応力の発生を抑制しつつ、発振するレーザ光を広い波長帯域にわたって変化させることができる波長可変型面発光レーザを提供することができる。 As described above, according to the present invention, it is possible to provide a wavelength tunable surface emitting laser capable of changing the oscillating laser light over a wide wavelength band while suppressing the generation of internal stress in the lower DBR layer.
(実施形態1)
波長可変型面発光レーザの実施形態につき、図1〜図7を用いて説明する。
波長可変型面発光レーザ1は、図1に示すごとく、固定基板2と、固定基板2の上面に順次成膜された下部DBR層3、下部コンタクト層4、活性層5、上部コンタクト層6と、固定基板2の上側に対向配置されると共に該固定基板2に対して上下方向に変位することができるよう配置された上部DBR層7と、を有する。
(Embodiment 1)
An embodiment of a wavelength tunable surface emitting laser will be described with reference to FIGS.
As shown in FIG. 1, the wavelength tunable
図3に示すごとく、下部DBR層3は、酸化物からなる複数の低屈折率層31と、低屈折率層31よりも屈折率の高い複数の高屈折率層32とを交互に積層してなる。
図4、図5に示すごとく、下部DBR層3には、上下方向の全体に形成されると共に上方に開口した開口穴33が、下部DBR層3の広がり方向の全域にわたって分散配置されている。
As shown in FIG. 3, the
As shown in FIGS. 4 and 5, in the
本明細書において、上下は、便宜的な表現であり、固定基板2に対して活性層5等が積層された側を上方とし、その反対側を下方として説明する。
また、本実施形態において、下部コンタクト層4はnコンタクト層であり、上部コンタクト層6はpコンタクト層である。ただし、下部コンタクト層4と上部コンタクト層6の極性は逆にすることもできる。
In the present specification, the upper and lower are expressions for convenience, and the side on which the
In the present embodiment, the
下部DBR層3は、低屈折率層31と高屈折率層32とを複数ペア積層してなり、例えば、2ペア〜8ペア積層してなることが好ましい。ただし、本実施形態においては、低屈折率層31と高屈折率層32との積層数は、6ペアである。
The
低屈折率層31は、例えば酸化アルミニウム(AlxOy)、又は、酸化アルミニウム(AlxOy)とガリウム砒素(GaAs)との合金からなり、高屈折率層32は、例えばガリウム砒素(GaAs)からなる。また、低屈折率層31及び高屈折率層32は、それぞれ、発振させるレーザ光の波長の1/4程度の光学厚みを有するよう構成されている。
The low
また、上部DBR層7も、下部DBR層3と同様に、低屈折率層と高屈折率層とを複数ペア積層してなる。
図1に示すごとく、上部DBR層7は、固定基板2に対して、上下方向に変位可能に配された可動基板11に設けられている。本実施形態においては、上部DBR層7は、可動基板11の下面に設けられている。また、可動基板11の上面には、AR層(反射防止膜)12が形成されている。
Similarly to the
As shown in FIG. 1, the
可動基板11は、例えばSi(シリコン)からなると共に、図1、図2に示すごとく、固定基板2に対してスペーサ13を介して固定される外周部111と、外周部111の内側において上下方向に振動する振動部112とを有する。振動部112と外周部111とは、複数のヒンジ部113によって部分的に連結されている。そして、振動部112に、上部DBR層7及びAR層12が配設されている。図2は、上部DBR層7を設けた可動基板11を下側から見た平面図である。
The
可動基板11の上方には、絶縁層14を介してハンドル基板15が配設されている。絶縁層14は、例えばSiO2(酸化珪素)からなり、ハンドル基板15は、例えばSiからなる。ハンドル基板15は、上部DBR層7の上方となる位置に開口部を備えている。そして、可動基板11とハンドル基板15との間に電圧源16が接続されている。この電圧源16の電圧は、振動部112を静電引力によって上下に変位させることができる程度とされる。このように、ハンドル基板15と可動基板11と電圧源16とによって構成されたMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)によって、上部DBR層7が活性層5及び下部DBR層3に対して上下に振動するよう構成されている。
A
なお、固定基板2と上部コンタクト層6との間には、電流源17が接続されている。そして活性層5に電流源17より電流を注入することによって、上部DBR層7と下部DBR層3との間のキャビティで、キャビティ長の整数分の一と一致した波長でレーザ発振する。このレーザ光がハンドル基板15の中央の開口部より上方に向けて出力される。
A
ここで、波長可変型面発光レーザ1は、上述のような構成を備えるため、下部コンタクト層4、活性層5、上部コンタクト層6を挟んで、上下方向に対向配置された下部DBR層3と上部DBR層7との間のキャビティ長を変動させることができる。すなわち、ハンドル基板15と可動基板11との間に印加する電圧を変化させることによって、静電引力により振動部112の位置を上下方向に変化させる。これにより、下部DBR層7に対する上部DBR層7の位置を変動させ、キャビティ長を変化させる。その結果、下部DBR層3と上部DBR層7との間において共振する光の波長を変動させることができ、発振させるレーザ光の波長を変化させることができる。
Here, since the wavelength tunable
本実施形態においては、固定基板2の上面において、その全面にわたって、下部DBR層3、下部コンタクト層4、活性層5、上部コンタクト層6が形成されている。すなわち、下部DBR層7の全面にわたって、下部コンタクト層4、活性層5、上部コンタクト層6が形成されている。それゆえ、上述したように、図4、図5に示すごとく、下部DBR層7に形成された開口穴33は、下部コンタクト層4、活性層5、上部コンタクト層6にも、連続して形成されている。つまり、下部DBR層3、下部コンタクト層4、活性層5、上部コンタクト層6からなる積層体に、その厚み方向の全体にわたって貫通するように、開口穴33が形成されている。
In the present embodiment, the
開口穴33は、図5に示すごとく、固定基板2(下部DBR層3)の広がり方向の全体にわたって、万遍なく形成されている。すなわち、複数の開口穴33は、等間隔に配設されている。ただし、複数の開口穴33の配置は、等間隔であることが好ましいが、必ずしもこれに限定されるものではない。 As shown in FIG. 5, the opening holes 33 are uniformly formed over the entire spreading direction of the fixed substrate 2 (lower DBR layer 3). That is, the plurality of opening holes 33 are arranged at equal intervals. However, the arrangement of the plurality of opening holes 33 is preferably equidistant, but is not necessarily limited thereto.
図4、図5に示すごとく、下部コンタクト層4と活性層5と上部コンタクト層6とからなる積層部には、広がり方向において他の部位と隔離された状態で立設された柱状部8(メサ構造部)が形成されている。柱状部8の一部には、酸化物からなるアパーチャ81が、外周面から中心側へ向かって環状に形成されている。
As shown in FIGS. 4 and 5, the stacked portion including the
アパーチャ81は、活性層5と上部コンタクト層6との間に形成されている。また、環状のアパーチャ81の内周側に、酸化されていない導電性の非酸化部811が形成されている。アパーチャ81は、例えば、酸化アルミニウム(AlxOy)とガリウム砒素(GaAs)との合金からなる。また、非酸化部811は、AlyGa1‐yAsからなる(yは0.6〜0.99程度)。
The
柱状部8の周囲には、上部コンタクト層6から下部コンタクト層4までの深さ分、環状の溝部83が形成されている。
本実施形態において、柱状部8は略円柱形状を有し、アパーチャ81は略円環状に形成されている。開口穴33は、柱状部8が形成された部分とは異なる領域において、固定基板2の広がり方向に、多数、分散配置されている。
An
In the present embodiment, the
そして、柱状部8の直径をLm、アパーチャ81の内径をDm、下部DBR層3における任意の点から最寄りの開口穴33又は下部DBR層3の端縁35までの距離をLx、としたとき、Lx/(Lm−Dm)≦5が満たされる。すなわち、開口穴33は、この条件が満たされるように、互いの間隔や端縁35との位置関係を考慮して、分散配置されている。より好ましくは、Lx/(Lm−Dm)≦2.5が満たされるようにする。
When the diameter of the
ここで、距離Lxは、下部DBR層3の法線方向から見たとき、下部DBR層3において任意に選んだ点から、複数の開口穴33及び下部DBR層3の端縁35のうち最も近い部位までの距離を意味する。したがって、上記条件が満たされる下部DBR層3の構成としては、下部DBR層3上の何れの点を選んでも、Lx/(Lm−Dm)≦5が満たされるように、開口穴33が分散配置された構成である。
また、柱状部8の形状が円柱形状でない場合には、「柱状部の直径Lm」とは、柱状部8の外形の内接円を意味する。同様に、アパーチャ81の内周輪郭の形状が円形でない場合には、「アパーチャの内径Dm」とは、アパーチャ81の内接円を意味する。
Here, the distance Lx is the closest among the plurality of opening holes 33 and the
Further, when the shape of the
次に、本実施形態の波長可変型面発光レーザ1の製造方法につき、説明する。
まず、図6に示すごとく、例えばGaAsからなる固定基板2の上面に、酸化処理前の状態の下部DBR層3を形成する。酸化処理前の状態の下部DBR層3とは、低屈折率層31を酸化させる前の状態の下部DBR層3であり、以下において、適宜「未酸化DBR層30」という。すなわち、例えば、固定基板2の上面に、アルミニウム砒素(AlAs)からなる層とガリウム砒素(GaAs)からなる層とを交互に成膜(結晶成長)することにより、未酸化DBR層30を形成する。AlAsからなる層(低屈折率層31とする層)については、AlAsにGaをドープしたAlxGa1-xAsを用いることもできる(xは0.8〜1.0程度)。
Next, a manufacturing method of the wavelength tunable
First, as shown in FIG. 6, the
次いで、例えばnドープされたガリウム砒素からなる下部コンタクト層4と、例えばガリウム砒素およびインジウムガリウム砒素からなる活性層5とを、順次成膜する。次いで、アパーチャ81を形成するためのアパーチャ前駆体層810を形成する。ここで、アパーチャ前駆体層810とは、後の工程において部分的に酸化させることによって一部をアパーチャ81とするための層を意味する。アパーチャ前駆体層810は、例えば、AlyGa1-yAsを用いることができる。
Next, a
次いで、例えばpドープされたガリウム砒素からなる上部コンタクト層6を成膜する。
以上により得られたもの(図6)を、便宜的に、成膜基板101という。
本実施形態においては、固定基板2の全面にわたって、酸化処理前の状態の下部DBR層3、下部コンタクト層4、活性層5、アパーチャ前駆体層810、上部コンタクト層6を形成する。
Next, the
The substrate obtained as described above (FIG. 6) is referred to as a
In the present embodiment, the
次いで、図7に示すごとく、エッチングによって、上部コンタクト層6とアパーチャ前駆体層810と活性層5と下部コンタクト層4とを部分的に除去して、環状の溝部83を形成して、その内側に柱状部8を形成する。また、エッチングによって、上部コンタクト層6から下部DBR層3までを貫通するように、開口穴33を多数形成する。この状態のものを、便宜的に、未酸化基板102という。
Next, as shown in FIG. 7, the
次いで、未酸化基板102を、所定の酸化雰囲気(例えば約450℃の水蒸気雰囲気)中に所定時間置くことにより、未酸化DBR層30の低屈折率層31及びアパーチャ前駆体層810の一部を酸化させる。なお、未酸化DBR層30の低屈折率層31は、酸化処理前の低屈折率層31であるが、これについても適宜、単に低屈折率層31というものとする。
Next, the
低屈折率層31及びアパーチャ前駆体層810には、開口穴33を通じて酸化ガス(水蒸気)が送り込まれる。つまり、開口穴33の内側面に露出した低屈折率層31及びアパーチャ前駆体層810の端縁に、水蒸気が接触し、低屈折率層31及びアパーチャ前駆体層810の広がり方向に酸化が進む。また、溝部83からも、同様に、水蒸気が侵入し、低屈折率層31及びアパーチャ前駆体層810の端縁から酸化が進む。なお、未酸化基板102の端面からも、低屈折率層31及びアパーチャ前駆体層810の端縁に水蒸気が接触し、同様に酸化が内側へ進む。
Oxidizing gas (water vapor) is fed into the low
ここで、アパーチャ前駆体層810については、柱状部8における酸化範囲が正確に行われることが重要である。つまり、柱状部8におけるアパーチャ前駆体層810は、図4に示すごとく、柱状部8の外周面から所定の領域までを酸化して、アパーチャ81とし、それよりも内側の領域を酸化させずに、非酸化部811として残す必要がある。すなわち、アパーチャ81の内径は、例えば5〜10μmとし、その内側の部分を非酸化部811とする。なお、柱状部8以外におけるアパーチャ前駆体層810についても、一部に酸化部812が形成され、未酸化部813が残る。
Here, regarding the
一方、低屈折率層31については、全体を酸化させる。つまり、低屈折率層31に未酸化の状態の領域が残らないようにする。
なお、アパーチャ前駆体層810の一部が酸化されて形成された、酸化部812と未酸化部813との境界部においては、層の厚みが数十nm程度と十分薄いため、問題となるような内部応力は生じない。
On the other hand, the entire low
A part of the
このような状態を得るために、開口穴33の配設密度、柱状部8の直径、アパーチャ前駆体層810及び低屈折率層31の酸化速度等を適宜調整している。
具体的には、本実施形態においては、アパーチャ前駆体層810と低屈折率層31との酸化速度を異ならせるために、両者の組成を適宜調整する。具体的には、アパーチャ前駆体層810をAlyGa1-yAsによって構成し、低屈折率層31をAlAs又はAlxGa1-xAsとし、xは0.8〜1.0程度、yは0.6〜0.99程度の間で、それぞれ適宜調整する。
In order to obtain such a state, the arrangement density of the opening holes 33, the diameter of the
Specifically, in the present embodiment, in order to make the oxidation rates of the
ただし、アパーチャ前駆体層810及び低屈折率層31の組成及び膜厚の調整には限界があるため、上述のように、開口穴33を適切な配設間隔にて形成することにより、アパーチャ81と下部DBR層3との酸化を適切に行えるようにする。すなわち、アパーチャ前駆体層810と低屈折率層31とを一度に酸化させたときにアパーチャ81の内径を適切な大きさに確保することができるようにすべく、開口穴33を適切な配設間隔にて形成する。その条件として、「柱状部8の直径Lm」と、「アパーチャ81の内径Dm」と、「下部DBR層3における任意の点から最寄りの開口穴33又は下部DBR層3の端縁35までの距離Lx」との関係を、Lx/(Lm−Dm)≦5としている。これにより、アパーチャ81が適切な大きさとなるまでアパーチャ前駆体層810が酸化した時点で、確実に低屈折率層31が全体にわたって酸化した状態とすることができる。
また、より好ましくは、Lx/(Lm−Dm)≦2.5とすることにより、一層確実に、低屈折率層31の全体を酸化させることができる。
However, since there is a limit to the adjustment of the composition and film thickness of the
More preferably, by setting Lx / (Lm−Dm) ≦ 2.5, the entire low
一方、距離Lxを小さくすればするほど、低屈折率層31の全体を早期に酸化させることができ、未酸化部のない状態をより確実に防ぎやすいが、固定基板2に対する下部DBR層3の密着性を考慮して、下部DBR層3における開口穴33の形成密度は、面積比率において、例えば30%以下とすることが好ましい。
On the other hand, the smaller the distance Lx, the faster the entire low
本実施形態の波長可変型面発光レーザ1は、波長走査型光源タイプの光断層画像表示システム(SS−OCT)の光源として用いることができる。また、本実施形態の波長可変型面発光レーザ1が発振するレーザ光は、赤外線レーザ光とすることができ、例えば、その波長を980〜1200nmの間で走査できるよう構成することができる。
The wavelength tunable
次に、本実施形態の作用効果につき説明する。
上記波長可変型面発光レーザ1において、下部DBR層3における低屈折率層31を、酸化物からなる層としている。これにより、高屈折率層32と低屈折率層31との間の屈折率差を容易に大きくすることができる。本実施形態においては、例えば、高屈折率層32の屈折率を3.5程度、低屈折率層31の屈折率を1.5〜1.7程度とすることができる。その結果、下部DBR層3の反射波長帯域を拡げることができ、発振するレーザ光を広い波長帯域にわたって変化させることができる波長可変型面発光レーザ1を得ることが可能となる。
Next, the effect of this embodiment is demonstrated.
In the wavelength tunable
そして、波長可変型面発光レーザ1は、開口穴33が、下部DBR層3の広がり方向の全域にわたって分散配置されている。そのため、下部DBR層3を形成するにあたり、低屈折率層31を、その広がり方向の全体にわたって確実に酸化させることができる。
In the wavelength tunable
すなわち、低屈折率層31の酸化処理は、固定基板2上に、酸化前の下部DBR層3と、下部コンタクト層4、活性層5と、上部コンタクト層6とを成膜した後に行うことができる。ここで、上方に開口した開口穴33が下部DBR層3に形成されていることにより、開口穴33を通じて、酸化ガス(水蒸気)を酸化前の各低屈折率層31に供給することができる。そして、開口穴33が、下部DBR層3の広がり方向の全域にわたって分散配置されていることにより、低屈折率層31を、その広がり方向の全体にわたって確実に酸化させることができる。その結果、低屈折率層31に酸化部と未酸化部とが存在する状態が形成されることを防ぎ、内部応力が生じることを防ぐことができる。そのため、下部DBR層3に、酸化部と未酸化部との間の境界部を起点としたクラックが生じるなどの不具合を防ぐことができる。
That is, the oxidation treatment of the low
また、下部コンタクト層4、活性層5、上部コンタクト層6からなる積層部には、柱状部8が形成されており、柱状部8の一部にアパーチャ81が形成されている。これにより、下部コンタクト層4と上部コンタクト層6との間に流れる電流の絞込みと、光の横モードを抑制して、シングルモードのレーザ光の発振を効率的に行うことができる。そして、かかる構造において、下部DBR層31に開口穴33を形成した構造を採用することにより、アパーチャ81の酸化と下部DBR層3における低屈折率層31の酸化とを一つの工程にて行いやすくなる。
Further, a
特に、柱状部8の直径Lm、アパーチャ81の内径Dmとの関係において、下部DBR層3における任意の点から最寄りの開口穴33又は下部DBR層3の端縁35までの距離Lxは、Lx/(Lm−Dm)≦5を満たす。これにより、アパーチャ81を正確に形成すると共に、下部DBR層3における低屈折率層31の全体をより確実に酸化させることができる。
In particular, in relation to the diameter Lm of the
すなわち、アパーチャ81の機能上、アパーチャ81の内側には、非酸化部(導電部)を適切な大きさに残す必要がある。つまり、アパーチャ81の内径Dmの大きさは、その内側の非酸化部811からシングルモードのレーザ光を出射させるために適切な大きさ(例えば5〜10μm)があり、設計上の制約がある。それゆえ、アパーチャ81の酸化と低屈折率層31の酸化とを一つの工程で行う場合、アパーチャ81の内径が適切な大きさとなるまで、アパーチャ81の酸化を進めた時点で、確実に低屈折率層31の全体を確実に酸化させる必要がある。アパーチャ81の酸化速度と、低屈折率層31の酸化速度とは、材料の調整等によってある程度は調整することができるが、成膜状態等の観点から限界がある。そこで、Lx/(Lm−Dm)≦5とすることにより、アパーチャ81の内径Dmが適切な大きさとなった時点で、確実に低屈折率層31の全体が酸化した状態とすることができる。したがって、アパーチャ81と低屈折率層31とを一度に、より確実に形成することができ、波長可変型面発光レーザ1の生産効率を向上させることができる。
That is, in view of the function of the
以上のごとく、本実施形態によれば、下部DBR層における内部応力の発生を抑制しつつ、発振するレーザ光を広い波長帯域にわたって変化させることができる波長可変型面発光レーザを提供することができる。 As described above, according to the present embodiment, it is possible to provide a wavelength tunable surface emitting laser capable of changing the oscillating laser light over a wide wavelength band while suppressing the generation of internal stress in the lower DBR layer. .
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の実施形態に適用することが可能である。
例えば、固定基板2、下部DBR層3、下部コンタクト層4、活性層5、上部コンタクト層6の積層体は、その機能を阻害しない限り、各層の間に他の層を介在させていてもよい。また、上部コンタクト層6の上面には、光学膜が形成されていてもよい。
In addition, this invention is not limited to the said embodiment, In the range which does not deviate from the summary, it is possible to apply to various embodiment.
For example, in the stacked body of the fixed
また、波長可変型面発光レーザは、OCT用の光源に限らず、例えば、ガスセンシング、光学デバイスの評価等、種々の用途において用いることができる。
また、固定基板に対する上部DBR層の上下方向の変位は、実施形態に示した機構に限らず、種々の機構を採用することができる。また、上部DBR層は、可動基板の上面に形成することもできるし、可動基板自身が上部DBR層を構成してもよい。
また、柱状部の周囲の溝部は、開口穴と接続されていてもよい。
The wavelength-tunable surface emitting laser is not limited to the OCT light source, and can be used in various applications such as gas sensing and optical device evaluation.
The vertical displacement of the upper DBR layer relative to the fixed substrate is not limited to the mechanism shown in the embodiment, and various mechanisms can be employed. Further, the upper DBR layer can be formed on the upper surface of the movable substrate, or the movable substrate itself may constitute the upper DBR layer.
Moreover, the groove part around a columnar part may be connected with the opening hole.
(比較例1)
本比較例は、図8、図9に示すごとく、下部DBR層3に、開口穴を設けていない例である。
ただし、柱状部8の周囲の溝部830が、下部DBR層3にまで、連続形成されている。
(Comparative Example 1)
This comparative example is an example in which no opening hole is provided in the
However, the
かかる構成の固定基板2と下部DBR層3(未酸化DBR層30)と下部コンタクト層4と活性層5とアパーチャ81(アパーチャ前駆体層810)と上部コンタクト層6との積層体9を、実施形態1に示した方法と同様の方法にて、酸化処理を行うと、下部DBR層3に、未酸化部39が残ってしまう。すなわち、柱状部8におけるアパーチャ81の酸化と共に下部DBR層3を酸化させる場合、アパーチャ81についても、下部DBR層3についても、溝部83及び積層体9の外周端から酸化が進むこととなる。この場合、アパーチャ81の内側に非酸化部811を適切な大きさで残すために、酸化処理を途中で止めることとなる。この段階で、下部DBR層3の酸化も止まる。この時点で、下部DBR層3の全体が酸化されている状態が得られないと、図9に示すごとく、酸化部34と未酸化部39との境界部38が、下部DBR層3(低屈折率層31)に形成されることとなる。
The
上述のごとく、アパーチャ前駆体層810及び未酸化DBR層30の材料等を調整することで、ある程度は酸化速度に差をつけることが可能であるが、それには限界がある。それゆえ、上記構成においては、適切な大きさの内径を有するアパーチャ81と下部DBR層3とを同一工程にて酸化させると、境界部38が形成されやすい。その結果、境界部38に内部応力が生じ、クラック等の要因となりうる。
As described above, by adjusting the materials of the
これに対し、実施形態1の波長可変型面発光レーザ1のように、下部DBR層3に開口穴33を設けることにより、上記のような不具合を防ぐことができる。
On the other hand, by providing the
1 波長可変型面発光レーザ
2 固定基板
3 下部DBR層
31 低屈折率層
32 高屈折率層
33 開口穴
4 下部コンタクト層
5 活性層
6 上部コンタクト層
7 上部DBR層
DESCRIPTION OF
Claims (3)
該固定基板の上面に順次成膜された下部DBR層、下部コンタクト層、活性層、上部コンタクト層と、
上記固定基板の上側に対向配置されると共に該固定基板に対して上下方向に変位することができるよう配置された上部DBR層と、を有し、
上記下部DBR層は、酸化物からなる複数の低屈折率層と、該低屈折率層よりも屈折率の高い複数の高屈折率層とを交互に積層してなり、
上記下部DBR層には、上下方向の全体に形成されると共に上方に開口した開口穴が、上記下部DBR層の広がり方向の全域にわたって分散配置されており、
上記下部コンタクト層と上記活性層と上記上部コンタクト層とからなる積層部には、広がり方向において他の部位と隔離された状態で立設された柱状部が形成されており、該柱状部の一部には、酸化物からなるアパーチャが、外周面から中心側へ向かって環状に形成されており、
上記柱状部の周囲には、上記上部コンタクト層から上記下部コンタクト層までの深さ分、環状の溝部が形成されていることを特徴とする波長可変型面発光レーザ。 A fixed substrate;
A lower DBR layer, a lower contact layer, an active layer, and an upper contact layer sequentially formed on the upper surface of the fixed substrate;
An upper DBR layer disposed on the upper side of the fixed substrate and disposed so as to be vertically displaced with respect to the fixed substrate;
The lower DBR layer is formed by alternately laminating a plurality of low refractive index layers made of oxide and a plurality of high refractive index layers having a higher refractive index than the low refractive index layer,
In the lower DBR layer, opening holes that are formed in the entire vertical direction and open upward are distributed over the entire area in the spreading direction of the lower DBR layer ,
In the laminated portion composed of the lower contact layer, the active layer, and the upper contact layer, a columnar portion that is erected in a state of being separated from other portions in the spreading direction is formed. In the part, an aperture made of oxide is formed in an annular shape from the outer peripheral surface toward the center side,
An annular groove is formed around the columnar portion by a depth from the upper contact layer to the lower contact layer .
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