JP7364214B2

JP7364214B2 - 波長可変面発光レーザおよび光源装置

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Publication number: JP7364214B2
Application number: JP2019190214A
Authority: JP
Inventors: 二三夫小山; 暁冬顧
Original assignee: Tokyo Institute of Technology NUC
Current assignee: Tokyo Institute of Technology NUC
Priority date: 2019-10-17
Filing date: 2019-10-17
Publication date: 2023-10-18
Anticipated expiration: 2039-10-17
Also published as: JP2021064767A

Description

本発明は、面発光型半導体レーザに関する。

面発光レーザは、光断層像（OCT：Optical Coherence Tomography）用の波長掃引用光源、中長距離光通信用光源、自動車、ドローン、ロボットなどに搭載されるレーザレーダー（LIDAR）用光源、監視システム、製造現場での自動検査装置、プリンタのレーザ乾燥器など様々な用途が期待されている。

多くの用途において、面発光レーザの発振波長を制御することが望まれている。面発光レーザの発振波長は、チップ温度に応じて変化する。チップ温度は、面発光レーザに流れるレーザ電流による自己発熱で変化するため、レーザ電流を制御することにより発振波長を変化させることができる。

A. Haglund、 "Single Fundamental-Mode Output Power Exceeding 6 mW From VCSELs With a Shallow Surface Relief、" IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL. 16, NO. 2, FEBRUARY 2004. Jean-Francois Seurin et al., "High-power vertical-cavity surface-emitting lasers for solid-state laser pumping," Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers XVI, edited by Chun Lei, Kent D. Choquette、 Proc. of SPIE Vol. 8276, 2012. Kazuyoshi Hirose, et. al., "Watt-class high-power, high-beam-quality photonic-crystal lasers," NATURE PHOTONICS, VOL 8, p.406 MAY 2014. Toshikazu Shimada, et. al., "Lateral integration of vertical-cavity surface-emitting laser and slow light Bragg reflector waveguide devices," APPLIED OPTICS, Vol. 53, No. 9, p.1766, March 2014. M. Nakahama, "Lateral integration of MEMS VCSEL and slow light amplifier boosting single mode power," IEICE ELEX, vol. 9, no.6, pp.544-551, 2012. M. Nakahama,et.al., "Slow Light VCSEL Amplifier for High-resolution Beam Steering and High-power Operations," CLEO 2016,SF1L.5, 2016. M. Nakahama,et.al.," High Power Non-mechanical Beam Scanner based on VCSEL Amplifier," OECC/PS 2016,MD2-5, 2016. X. Gu,et.al., "VCSEL-Integrated Bragg Reflector Waveguide Amplifier with Single-mode Output Power over 10 mW," OECC/PS 2016,MD2-4, 2016.

ＯＣＴ応用では、軸方向分解能Δｚは、以下の式で表される。したがって可変波長幅Δλを大きくすることが重要である。
Δｚ＝２ｌｎ２／π・λ^２／Δλ

面発光レーザに流すことができるレーザ電流の電流量には上限があるため、自己発熱による波長の可変幅Δλは自ずと制約される。また、レーザ電流を大きくすると、シングルモードで発振させることが難しくなるため、ビーム品質の観点からも、電流量、すなわち可変幅Δλが制約される場合もある。

レーザ電流の制御のみによる波長の可変幅Δλが、アプリケーションが要求する幅に達していない場合、チップ温度をより大きく変化させるために、ヒータ素子を追加する必要がある。ヒータ素子は、たとえば抵抗などの損失体に電流を供給してジュール熱を発生させる構造を有する。

面発光レーザの製造プロセスは、標準で抵抗素子の形成をサポートしていない場合が多く、製造プロセスを変更すればコストアップは避けられない。またヒータ素子を、面発光レーザに外付けする場合もやはりコストアップの要因となる。

本発明はかかる課題に鑑みてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、低コストな波長可変面発光レーザの提供にある。

本発明のある態様は、波長可変面発光レーザに関する。波長可変面発光レーザは、ＶＣＳＥＬ（垂直共振器面発光レーザ）構造を有する主光源と、主光源と活性層が連続するＶＣＳＥＬ構造を有し、主光源と光学的に遮断されるヒータと、を備える。

この態様によると、面発光レーザの標準的なプロセスを用いて、ヒータを主光源と同じチップ上に集積化できる。そのため追加のヒータが不要となり、低コストな波長可変面発光レーザを提供できる。またヒータに大電流を流しても、主光源のモードに影響を与えないという利点がある。

主光源とヒータは電気的に絶縁されていてもよい。これにより、ヒータ用の電流が主光源側にリークするのを防止できる。

主光源とヒータは、絶縁構造を有する接続部を介して接続されてもよい。接続部を設けることで、主光源とヒータの絶縁性を高めることができる。

絶縁構造は、プロトンイオンを含んでもよい。

絶縁構造は、電流狭窄層を含んでもよい。接続部の幅を、電流狭窄層の選択的酸化幅の二倍より狭くすることで、主光源とヒータの絶縁性を高めることができる。

ヒータの上面は遮蔽部によって遮蔽されていてもよい。これにより余計な光が出射されるのを防止できる。

遮蔽部は、ヒータの電極を兼ねていてもよい。

本発明の別の態様は光源装置に関する。光源装置は、波長可変面発光レーザと、主光源と活性層が連続するＶＣＳＥＬ構造を有し、主光源と光学的に結合しており、主光源からの光をスローライト伝搬させる光増幅器と、を備える。

この態様によると、光増幅器は、ＶＣＳＥＬ構造の一端に、主光源からコヒーレントなシード光を受け、シード光をＶＣＳＥＬ構造内で垂直方向に多重反射させながら、ＶＣＳＥＬ構造の長手方向にスローライト伝搬させ、ＶＣＳＥＬ構造の上面から出力光を取り出すことができる。これにより、面発光レーザを小型化、低コスト化できる。ＶＣＳＥＬ構造の光増幅器をレーザ発振させた状態で、シード光を増幅する光増幅器として動作させることにより、高出力を得ることができる。この態様では、光増幅器から出射されるビームの出射角は、波長可変面発光レーザの波長に応じて制御可能であるところ、波長の可変幅を大きくすることで、スキャン角を大きくできる。

なお、以上の構成要素を任意に組み合わせたもの、あるいは本発明の表現を、方法、装置などの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明のある態様によれば、良好なビーム品質、狭いスペクトル幅、高出力の少なくともひとつ得ることができる。

実施の形態に係る波長可変面発光レーザの斜視図である。波長可変面発光レーザの平面図である。駆動電流Ｉ_Ｖおよびヒータ電流Ｉ_ｈと、発振波長λの関係（測定結果）を示す図である。変形例１に係る波長可変面発光レーザの平面図である。図５（ａ）、（ｂ）は、変形例２に係る波長可変面発光レーザの平面図および斜視図である。図６（ａ）、（ｂ）は、変形例３に係る波長可変面発光レーザの平面図である。図６（ａ）の波長可変面発光レーザにおける駆動電流Ｉ_Ｖおよびヒータ電流Ｉ_ｈと、発振波長λの関係（測定結果）を示す図である。図８（ａ）～（ｇ）は、主光源およびヒータの形状の変形例を示す図である。図９（ａ）、（ｂ）は、波長可変面発光レーザを備える光源装置の平面図および断面図である。

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

図１は、実施の形態に係る波長可変面発光レーザ１の斜視図である。波長可変面発光レーザ１は、主光源１０およびヒータ３０を備える。主光源１０は、活性層１４、下部ＤＢＲ層１６、上部ＤＢＲ層１８を含むＶＣＳＥＬ（垂直共振器面発光レーザ）構造１２を有する。主光源１０のＶＣＳＥＬ構造１２の上面には、レーザ光を取り出すための出射口２０が設けられており、出射口２０の周囲には、レーザ駆動用の電極２２が形成される。なお、主光源１０の半導体基板２における底面側には、主光源１０の電極が形成されている。

ヒータ３０は、主光源１０と同様にＶＣＳＥＬ構造３２を有しており、ＶＣＳＥＬ構造３２は、活性層３４、下部ＤＢＲ層３６、上部ＤＢＲ層３８を含む。ＶＣＳＥＬ構造３２の活性層３４は、主光源１０のＶＣＳＥＬ構造１２の活性層１４と連続である。

ヒータ３０からはレーザ光を取り出す必要がないため、出射口は設けられず、その上面には遮蔽部４０が形成される。また遮蔽部４０と隣接して、ヒータ駆動用のヒータ電極４２が形成される。遮蔽部４０とヒータ電極４２は、連続的に形成された金属膜であってもよい。ヒータ３０の半導体基板２における底面側には、ヒータ駆動用の電極が形成されている。主光源１０とヒータ３０の電極は、独立していてもよいし、共通化されてもよい。

主光源１０とヒータ３０は、光学的に遮断（decoupled）され、熱的に結合（coupled）されている。たとえば主光源１０とヒータ３０は、接続部５０を介して接続されている。接続部５０も、主光源１０およびヒータ３０と同様にＶＣＳＥＬ構造５２を有している。ＶＣＳＥＬ構造５２は、活性層５４、下部ＤＢＲ層５６、上部ＤＢＲ層５８を含む。主光源１０、ヒータ３０、接続部５０は、共通の半導体基板２上にモノリシックに集積化され、同一の製造プロセスによって形成されている。

主光源１０、ヒータ３０、接続部５０のＶＣＳＥＬ構造１２，３２，５２は、活性層１４，３４，５４同士が連続となる構成を有する。図１では、活性層のみでなく、下部ＤＢＲ層同士、上部ＤＢＲ層同士が連続となるよう構成を有する。

接続部５０は、主光源１０とヒータ３０の間を電気的に絶縁する絶縁構造を有している。図２は、波長可変面発光レーザ１の平面図である。接続部５０の絶縁構造６０は、活性層５４に対するプロトンイオン注入によって形成することができ、絶縁構造６０はプロトンイオンを含みうる。

以上が波長可変面発光レーザ１の構成である。続いてその動作を説明する。主光源１０に駆動電流Ｉ_Ｖを供給し、主光源１０を発振させる。このとき、ヒータ３０には、駆動電流Ｉ_Ｖと独立したヒータ電流Ｉ_ｈを供給する。ヒータ電流Ｉ_ｈが流れることにより、ヒータ３０の活性層３４においてジュール熱が発生する。このジュール熱は、接続部５０を介して主光源１０に伝導し、主光源１０の温度を上昇させ、主光源１０の発振波長を変化させる。ジュール熱は、ヒータ電極４２に印加する電流（電圧）に応じて制御することが可能であり、したがって主光源１０の温度を、ヒータ電流Ｉ_ｈに応じて制御することができる。

接続部５０の主たる発熱源は、活性層３４である。本実施の形態において活性層３４は、活性層５４を介して、活性層１４と連続的に形成されているため、ヒータ３０の熱は、連続的な活性層を介して主光源１０へと直接的に低損失で伝導する。

図３は、駆動電流Ｉ_Ｖおよびヒータ電流Ｉ_ｈと、発振波長λの関係（測定結果）を示す図である。ヒータ電流Ｉ_ｈを０ｍＡに固定した場合、駆動電流Ｉ_Ｖを０．５～３ｍＡの範囲で変化させると、自己発熱によって波長を変化させることができるが、そのときの波長可変幅はΔλ＝４ｎｍ程度である。駆動電流Ｉ_Ｖの制御に加えて、ヒータ電流Ｉ_ｈを０～２５ｍＡの範囲で変化させると、波長可変幅を９ｎｍまで拡張することが可能となり、二倍程度に増やすことが可能となる。

あるいは、駆動電流Ｉ_Ｖを固定した状態で、ヒータ電流Ｉ_ｈのみを変化させた場合でも、Δλ＝５ｎｍの波長制御が可能となる。

以上が波長可変面発光レーザ１の動作である。続いてその利点を説明する。

この波長可変面発光レーザ１によると、面発光レーザの標準的なプロセスを用いて、ヒータ３０を主光源１０と同じチップ上に集積化できる。そのため追加のヒータが不要となり、低コストな波長可変面発光レーザを提供できる。

またヒータ３０に大電流を流しても、主光源１０のモードに影響を与えないという利点がある。これによりレーザの駆動電流Ｉ_Ｖをシングルモードで発振可能な範囲に制限した状態で、ヒータ電流Ｉ_ｈによって波長を制御することができ、高品質なビームを得ることができる。

さらに主光源１０とヒータ３０の間を、絶縁構造を有する接続部５０を介して接続することとした。これにより、ヒータ電流Ｉ_ｈが主光源１０側にリークするのを防止できる。

以上、本発明について、実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例について説明する。

（変形例１）
図４は、変形例１に係る波長可変面発光レーザ１の平面図である。接続部５０における絶縁構造を、プロトン注入に代えて、あるいはそれに加えて、選択酸化による電流狭窄層６２を利用して形成してもよい。この場合、接続部５０の幅Ｗを、電流狭窄層６２の選択的な酸化幅Ｌの二倍より狭くすることで、主光源１０とヒータ３０の絶縁性を一層高めることができる。

（変形例２）
図５（ａ）、（ｂ）は、変形例２に係る波長可変面発光レーザ１の平面図および斜視図である。この変形例では、主光源１０とヒータ３０の距離が近く、接続部５０が省略されている。この場合であっても、主光源１０とヒータ３０の間の絶縁性を高めるために、絶縁構造６０を設けるとよい。絶縁構造６０は、プロトン注入により形成してもよいし、電流狭窄層の選択酸化を用いて形成してもよい。

（変形例３）
図６（ａ）、（ｂ）は、変形例３に係る波長可変面発光レーザ１の平面図である。図６（ａ）の波長可変面発光レーザ１は、主光源１０に対して、２個以上のヒータ３０＿１，３０＿２が接続される。図６（ｂ）の波長可変面発光レーザ１は、主光源１０に対して４個のヒータ３０＿１～３０＿４が接続される。

図７は、図６（ａ）の波長可変面発光レーザ１における駆動電流Ｉ_Ｖおよびヒータ電流Ｉ_ｈと、発振波長λの関係（測定結果）を示す図である。ヒータ３０の個数を２個に増やした場合、波長可変幅Δλを１１ｎｍに増やすことができる。

このようにヒータ３０の個数を増やすことで、ヒータ３０全体に流すことができる電流量、ひいてはジュール熱を増やすことができ、したがって波長可変幅Δλをさらに広げることができる。

（変形例４）
主光源１０やヒータ３０の形状は特に限定されない。図８（ａ）～（ｇ）は、主光源１０およびヒータ３０の形状の変形例を示す図である。主光源１０とヒータ３０は異なる形状を有してもよく、たとえばヒータ３０は、図８（ｇ）に示すような形状を有してもよい。

（変形例５）
図１では、主光源１０、ヒータ３０、接続部５０のＶＣＳＥＬ構造が同一であったがその限りでなく、少なくとも活性層が連続する構成であればよい。たとえば接続部５０については、上部ＤＢＲ層５８を省略してもよい。

（変形例６）
実施の形態では、主光源１０からの光を、主光源１０の上面の出射口２０から取り出す構成としたがその限りでない。図９（ａ）、（ｂ）は、波長可変面発光レーザ１を備える光源装置４の平面図および断面図である。光源装置４は、主光源１０およびヒータ３０に加えて、光増幅器７０を備える。

光増幅器７０は、主光源１０と活性層を共有するＶＣＳＥＬ構造７２を有し、主光源１０と光学的に結合している。主光源１０において生成される光Ｌ_１の一部は、光増幅器７０に染み出す。光増幅器７０は、そのＶＣＳＥＬ構造７２の一端に、主光源１０からコヒーレントなシード光Ｌ_１を受け、シード光Ｌ_１をＶＣＳＥＬ構造内で垂直方向に多重反射させながら、ＶＣＳＥＬ構造７２の長手方向（図中、右方向）にスローライト伝搬させ、ＶＣＳＥＬ構造７２の上面７８から出力光Ｌ_２を取り出すことができる。ＶＣＳＥＬ構造７２を有する光増幅器７０をレーザ発振させた状態で、シード光を増幅する光増幅器として動作させることにより、高出力を得ることができる。主光源１０の発振波長を制御することで、光源装置４の出射光Ｌ_２の波長を制御することができる。

なお、図９の光源装置４において、光増幅器７０から出射されるビームＬ_２の出射角は、波長可変面発光レーザの波長λ_１に応じて制御可能であるから、光源装置４を光スキャナーとして用いてもよい。この場合、波長λ_１の可変幅を大きくすることができるため、スキャン角を大きくできる。

実施の形態にもとづき、具体的な語句を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。

１波長可変面発光レーザ
２半導体基板
４光源装置
１０主光源
１２ＶＣＳＥＬ構造
１４活性層
１６下部ＤＢＲ層
１８上部ＤＢＲ層
２０出射口
２２電極
３０ヒータ
３２ＶＣＳＥＬ構造
３４活性層
３６下部ＤＢＲ層
３８上部ＤＢＲ層
４０遮蔽部
４２ヒータ電極
５０接続部
５２ＶＣＳＥＬ構造
５４活性層
５６下部ＤＢＲ層
５８上部ＤＢＲ層
６０絶縁構造
６２電流狭窄層
７０光増幅器

Claims

ＶＣＳＥＬ（垂直共振器面発光レーザ）構造を有する主光源と、
前記主光源と活性層が連続するＶＣＳＥＬ構造を有し、前記主光源と光学的に遮断されるヒータと、
を備え、
前記主光源と前記ヒータは、接続部を介して接続され、
前記接続部は、前記主光源と前記ヒータの間の熱的な結合を維持しつつ、前記主光源と前記ヒータの間を前記活性層において絶縁する絶縁構造を有することを特徴とする波長可変面発光レーザ。
前記絶縁構造は、プロトンイオンを含むことを特徴とする請求項１に記載の波長可変面発光レーザ。
前記絶縁構造は、電流狭窄層を含むことを特徴とする請求項１に記載の波長可変面発光レーザ。
前記ヒータの上面は遮蔽部によって遮蔽されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の波長可変面発光レーザ。
前記遮蔽部は、前記ヒータの電極を兼ねていることを特徴とする請求項４に記載の波長可変面発光レーザ。
請求項１から５のいずれかに記載の波長可変面発光レーザと、
前記主光源と活性層が連続するＶＣＳＥＬ構造を有し、前記主光源と光学的に結合しており、前記主光源からの光をスローライト伝搬させる光増幅器と、
を備えることを特徴とする光源装置。