JP7396643B2 - 波長可変面発光レーザ - Google Patents

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Description

本発明は、波長可変面発光レーザに関する。
垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）において、波長可変技術は、熱制御によるものと可動鏡を付加するものとの２種類に大別される。前者の熱制御による手法では、ＶＣＳＥＬの構成材料の温度特性を活用し、レーザ発振のための注入電流を増減させて、ジュール熱により波長を変化させている。この熱制御による手法では、波長を制御するために、冷却機構を付加するか、自然冷却を有効に活用できるように予熱を与える必要がある。熱制御による手法は、原子時計システムのようにＶＣＳＥＬを恒温環境で動作させる場合、その波長可変範囲が制限されることがある。
後者の可動鏡を付加する手法では、反射膜を機械的に駆動することで、熱を用いずに波長を制御できる（特許文献１及び非特許文献１）。特許文献１に記載の手法では、一方の多層ブラッグ反射膜と活性層とで構成されるハーフＶＣＳＥＬに、静電引力で可動（移動）する可動鏡を張り合わせることで、波長の制御を実現している。
また、非特許文献１に記載のＶＣＳＥＬ９では、図６に示すように、多層ブラッグ反射膜９２を活性層１０２から分離し、静電引力で多層ブラッグ反射膜９２を光軸方向に可動することで、波長の制御を実現している。なお、図６には、可動鏡駆動端子９０，９４、絶縁層９１，９５、犠牲層９３、低屈折率化合物半導体９６，９８，１００、高屈折率化合物半導体９７、多重量子井戸構造(ＭＱＷ：Multi Quantum Well)９９、光閉じ込め層１０１、多層ブラッグ反射膜１０３、化合物基板１０４、電流注入端子１０５を図示した。また、低屈折率化合物半導体９８，１００、ＭＱＷ９９及びで活性層１０２を構成する。
特許第４２００４３１号
M. C. Y. Huang et. al., "Monolithic Integrated Piezoelectric MEMS-Tunable VCSEL", IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics ,Vol.13(2), pp.374-380, 2007
前記した従来手法では、反射膜を一方向にしか可動できないため、波長可変範囲が狭いという問題があった。
そこで、本発明は、波長可変範囲が広い波長可変面発光レーザを提供することを課題とする。
前記課題を解決するため、本発明に係る波長可変面発光レーザは、第１基板と、エアギャップを介して、前記第１基板と対向するように設けられた薄板基板と、可動用ギャップを介して、前記薄板基板と対向するように設けられた第２基板と、を備える波長可変面発光レーザであって、前記第１基板は、前記第１基板の一方の平面に形成された第１反射層と、前記第１反射層に形成された活性層と、絶縁層を介して、前記活性層に形成された第１可動電極と、を備え、前記薄板基板は、前記活性層と対向する平面に形成された第２反射層、を備え、前記第２基板は、前記可動用ギャップと反対側の平面に形成された第２可動電極、を備え、前記薄板基板及び前記第２反射層は、前記エアギャップ及び前記可動用ギャップの間に位置する一部領域が、前記第１可動電極に電圧が印加された場合に前記エアギャップ側に稼働し、前記第２可動電極に電圧が印加された場合に前記可動用ギャップ側に可動する構成とした。
かかる構成によれば、第１可動電極に電圧が印加された場合、エアギャップ側への静電引力が発生し、第２可動電極に電圧が印加された場合、可動用ギャップ側への静電引力が発生し、これら静電引力により第２反射層が両方向に可動する。このように、波長可変面発光レーザによれば、第２反射層がエアギャップ側と可動用ギャップ側との両方向に可動するので、波長可変範囲を広くすることができる。
本発明によれば、波長可変範囲を広くすることができる。
第１実施形態に係る波長可変面発光レーザの断面図、及び、上方可動電極の正面図である。 可動鏡がエアギャップ側に可動するときの説明図である。 可動鏡が可動用ギャップ側に可動するときの説明図である。 第２実施形態に係る波長可変面発光レーザの断面図、及び、上方可動電極の正面図である。 第３実施形態に係る波長可変面発光レーザの断面図である。 第４実施形態に係る波長可変面発光レーザの断面図、及び、上方可動電極の正面図である。 従来のＶＣＳＥＬの断面図である。
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。但し、以下に説明する形態は、本発明の技術思想を具体化するためのものであって、特定的な記載がない限り、本発明を以下のものに限定しない。また、図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため、誇張していることがある。また、実施形態において、同一の手段には同一の符号を付し、説明を省略することがある。
（第１実施形態）
［波長可変面発光レーザの構成］
図１を参照し、第１実施形態に係る波長可変面発光レーザ１の構成について説明する。
なお、水平方向をｘ軸、垂直方向をｙ軸、及び、奥行き方向をｚ軸として図示した。
図１に示すように、波長可変面発光レーザ１は、レーザ光を下方向に出射する波長可変ＶＣＳＥＬであり、上部基板（第１基板）１１と、エアギャップＧ１を介して、上部基板１１と対向するように設けられた薄板基板２２と、可動用ギャップＧ２を介して、薄板基板２２と対向するように設けられた下部基板（第２基板）２４と、を備える。より具体的には、波長可変面発光レーザ１は、陽極側発光電極（第１発光電極）１０と、上部基板１１と、ＤＢＲ層１２と、活性層１３と、絶縁層１４と、上方可動電極１５と、陰極側発光電極（第２発光電極）１６と、エアギャップ形成部１７と、可動電極端子１８と、発光電極端子１９と、可動鏡２０と、基準電位端子２１と、薄板基板２２と、可動用ギャップ形成部２３と、下部基板２４と、下方可動電極（第２可動電極）２５とを備える。
陽極側発光電極１０は、波長可変面発光レーザ１を発光させる電圧を印加する電極（＋電極）である。また、陽極側発光電極１０は、上部基板１１の他方の平面（上側平面）に形成されている。この陽極側発光電極１０としては、アルミ電極や銅電極を例示できる。
上部基板１１は、上側平面に陽極側発光電極１０が形成され、下側平面にＤＢＲ層１２が形成された基板である。この上部基板１１としては、ｎ型のＩｎＰ（リン化インジウム）基板を例示できる。
ＤＢＲ層１２は、上部基板１１の一方の平面に形成された分布反射（Distributed Bragg Reflector）層である。例えば、ＤＢＲ層１２は、上部基板１１における陽極側発光電極１０と反対側の平面（下側平面）に形成されている。このＤＢＲ層１２としては、ｎ型のＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ（インジムガリウムヒ素）の多層膜、及び、ＧａＡｓ（ガリウムヒ素）／ＡｌＡｓ（ヒ化アルミニウム）の多層膜を例示できる。
活性層１３は、ＤＢＲ層１２に形成された活性層である。例えば、活性層１３は、ＤＢＲ層１２における上部基板１１と反対側の平面（下側平面）に形成されている。この活性層１３としては、多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の活性層を例示できる。
絶縁層１４は、活性層１３におけるＤＢＲ層１２と反対側の平面（下側平面）に形成された絶縁層である。また、絶縁層１４は、波長可変面発光レーザ１の発光領域αに重なる範囲に形成しない。この絶縁層１４としては、アルミニウム酸化膜を例示できる。ここで、活性層１３及び絶縁層１４の中央付近には光閉じ込め部材１３Ａが形成されており、活性層１３の中央部が絶縁層１４から露出している。光閉じ込め部材１３Ａは、発光領域αに光電子を閉じ込めるものであり、例えば、ＳｉＯ２で形成された円環状の部材である。
なお、発光領域αとは、波長可変面発光レーザ１がレーザ光を発光（出射）する領域のことであり、例えば、水平方向及び奥行き方向の略中央に位置する。
上方可動電極１５は、可動鏡２０をエアギャップＧ１側（上方向）に可動させるための電極である。すなわち、上方可動電極１５は、陰極側発光電極１６に接触しないように、ハーフＶＣＳＥＬ側（上部基板１１側）に追加した電極である。ここで、上方可動電極１５は、絶縁層１４を介して、活性層１３に形成されている。より具体的には、上方可動電極１５は、絶縁層１４における活性層１３と反対側の平面（下側平面）に形成されている。この上方可動電極１５としては、アルミ電極や銅電極を例示できる。
陰極側発光電極１６は、波長可変面発光レーザ１を発光させるための電極であり、陽極側発光電極１０と対になる電極（－電極）である。また、陰極側発光電極１６は、活性層１３における上方可動電極１５と同一平面（例えば、絶縁層１４の下側平面）に形成されている。この陰極側発光電極１６としては、アルミ電極や銅電極を例示できる。
＜上側可動電極及び陰極側発光電極の詳細＞
以下、上方可動電極１５及び陰極側発光電極１６を詳細に説明する。
上方可動電極１５及び陰極側発光電極１６は、互いに接触しないように、垂直方向で同一高さ、かつ、水平方向及び奥行き方向で同一平面上に形成されている。
上方可動電極１５は、平面視において、円弧状の可動電極本体部１５Ａと、可動電極延長部１５Ｂとを有する。
可動電極本体部１５Ａは、発光領域αを中心として、発光領域αを囲むように配置されている。また、可動電極本体部１５Ａは、一方の端点１５ＣＳと他方の端点１５ＣＥとを接続させないように、隙間１５Ｄが設けられている。つまり、可動電極本体部１５Ａは、周方向で所定の幅を有し、隙間１５Ｄが左方向に設けられているので、逆Ｃ字状の形状になる。
可動電極延長部１５Ｂは、可動電極本体部１５Ａから周方向（右方向）に延長されている。また、可動電極延長部１５Ｂは、正方形状の端部を有し、この端部下面にエアギャップ形成部１７が形成されている。
陰極側発光電極１６は、平面視において、円状の発光電極本体部１６Ａと、発光電極延長部１６Ｂとを有する。
発光電極本体部１６Ａは、可動電極本体部１５Ａと発光領域αとの間に形成されている。つまり、発光電極本体部１６Ａは、可動電極本体部１５Ａに囲われるように可動電極本体部１５Ａの内周側に位置している。また、発光電極本体部１６Ａは、発光領域αに重なる範囲に形成しない。
発光電極延長部１６Ｂは、可動電極本体部１５Ａに設けられた隙間１５Ｄを通過するように、発光電極本体部１６Ａから周方向（左方向）に延長されている。また、発光電極延長部１６Ｂは、正方形状の端部を有し、この端部下面にエアギャップ形成部１７が形成されている。
図１上段に戻り、波長可変面発光レーザ１の説明を続ける。
エアギャップ形成部１７は、活性層１３と可動鏡２０との間にエアギャップＧ１を形成するものであり、可動電極延長部１５Ｂと可動電極端子１８との間に設けられている。図１には２個のエアギャップ形成部１７を図示した。このエアギャップ形成部１７としては、半田を例示できる。
可動電極端子１８は、可動鏡２０の上側平面に形成された上方可動電極１５の端子である。つまり、可動電極端子１８は、エアギャップ形成部１７を介して、可動電極延長部１５Ｂと電気的に接続されている。この可動電極端子１８としては、アルミ電極や銅電極を例示できる。
発光電極端子１９は、可動鏡２０の上側平面に形成された陰極側発光電極１６の端子である。つまり、発光電極端子１９は、エアギャップ形成部１７を介して、発光電極延長部１６Ｂと電気的に接続されている。この発光電極端子１９としては、アルミ電極や銅電極を例示できる。
可動鏡２０は、薄板基板２２における活性層１３と対向する平面（上側平面）に形成された反射層である。つまり、可動鏡２０は、エアギャップＧ１を介して、活性層１３と対向するように薄板基板２２に設けられている。また、可動鏡２０は、後記する薄板基板２２の一部領域と共に、エアギャップＧ１側（上方向）及び可動用ギャップＧ２側（下方向）に可動する。また、可動鏡２０は、基準電位端子２１を配置するための凹部を有する。この可動鏡２０は、ＤＢＲ層１２と同様の分布反射層（ＤＢＲ層）である。
なお、可動用ギャップＧ２とは、エアギャップＧ１との反対方向（下方向）に可動鏡２０を可動させるための空間のことである。
基準電位端子２１は、陽極側発光電極１０、上方可動電極１５及び下方可動電極２５に対して、基準電位（ＧＮＤ）となる端子である。この基準電位端子２１としては、アルミ電極や銅電極を例示できる。
薄板基板２２は、エアギャップＧ１を介して、上部基板１１と対向するように設けられた基板である。また、薄板基板２２は、エアギャップＧ１側の平面（上側平面）に可動鏡２０が形成されており、可動用ギャップＧ２側の平面（下側平面）に可動用ギャップ形成部２３が形成されている。また、薄板基板２２は、エアギャップＧ１及び可動用ギャップＧ２の間に位置する一部領域が、エアギャップＧ１側（上方向）及び可動用ギャップＧ２側（下方向）に可動する。この薄板基板２２としては、膜厚が１ミクロン程度のＳｉ基板を例示できる。
なお、可動鏡２０及び薄板基板２２は、少なくとも５００ナノメートル程度の範囲が上下方向に可動すればよく、これら以外の領域が上下方向に可動してもよい。
可動用ギャップ形成部２３は、薄板基板２２と下部基板２４との間に可動用ギャップＧ２を形成するものであり、薄板基板２２と下部基板２４との間に設けられている。図１には２個の可動用ギャップ形成部２３を図示した。この可動用ギャップ形成部２３としては、ＳｉＯ２で形成された形成層を例示できる。
下部基板２４は、可動用ギャップＧ２を介して、薄板基板２２と対向するように設けられた基板である。また、下部基板２４は、レーザ光の出射孔βが中央部に設けられている。なお、図１には下部基板２４を２個図示したが、平面視においては、中央部に出射孔βが形成された１枚の基板となる。また、下部基板２４は、上側平面の左右に可動用ギャップ形成部２３が形成され、下側平面の左右に下方可動電極２５が形成されている。この下部基板２４としては、ｎ型のＳｉ基板を例示できる。
下方可動電極２５は、可動鏡２０を可動用ギャップＧ２側（下方向）に可動させるための電極である。また、下方可動電極２５は、下部基板２４における可動用ギャップＧ２と反対側の平面（下側平面）に形成されている。この下方可動電極２５としては、アルミ電極や銅電極を例示できる。
＜レーザ光の出射＞
以下、波長可変面発光レーザ１がレーザ光を出射する動作について詳細に説明する。
陽極側発光電極１０と陰極側発光電極１６（発光電極端子１９）との間に電圧を印加した場合を考える。この場合、波長可変面発光レーザ１では、絶縁層１４が形成されていない発光領域αにおいて、上部基板１１とＤＢＲ層１２と活性層１３とを通過し、陽極側発光電極１０から陰極側発光電極１６まで電流（正孔）が流れる。一方、波長可変面発光レーザ１では、発光領域αにおいて、陰極側発光電極１６から陽極側発光電極１０まで電子が流れる。
すると、波長可変面発光レーザ１では、正孔と電子との結合により発光領域αで発光し、ＤＢＲ層１２と可動鏡２０との間で形成される光共振器によって光増幅され、レーザ光を出射する。このとき、波長可変面発光レーザ１が出射するレーザ光の波長は、エアギャップＧ１の幅に依存する。従って、波長可変面発光レーザ１では、エアギャップＧ１の幅を変化させることで、レーザ光の波長を制御できる。
＜レーザ光の波長制御＞
図２を参照し、波長可変面発光レーザ１がレーザ光の波長を制御する動作について詳細に説明する。
図２Ａに示すように、上方可動電極１５と基準電位端子２１（図１）との間に電圧を印加した場合を考える。この場合、波長可変面発光レーザ１では、薄板基板２２及び可動鏡２０と上方可動電極１５との間に静電引力Ｆが発生し、薄板基板２２及び可動鏡２０がエアギャップＧ１側（上方向）に可動する。その結果、波長可変面発光レーザ１では、エアギャップＧ１の幅Ｗが狭くなる。
図２Ｂに示すように、下方可動電極２５と基準電位端子２１との間に電圧を印加した場合を考える。この場合、波長可変面発光レーザ１では、薄板基板２２及び可動鏡２０と下方可動電極２５との間に静電引力Ｆが発生し、薄板基板２２及び可動鏡２０が可動用ギャップＧ２側（下方向）に可動する。その結果、波長可変面発光レーザ１では、エアギャップＧ１の幅Ｗが広くなる。
このように、波長可変面発光レーザ１では、エアギャップＧ１の幅Ｗを増減させることで、レーザ光の波長を制御することができる。
［上方可動電極及び陰極側発光電極の製造方法］
波長可変面発光レーザ１は、フォトリソグラフィ、エッチング等の一般的な手法で製造することができる。例えば、ＤＢＲ層１２及び活性層１３は、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法により積層できる。また、上方可動電極１５及び陰極側発光電極１６の材料をスパッタ法で製膜した後、上方可動電極１５及び陰極側発光電極１６を示すパターンでマスクする。そして、マスク後の積層膜をエッチングすれば、上方可動電極１５及び陰極側発光電極１６を形成できる。
［作用・効果］
以上のように、波長可変面発光レーザ１では、活性層１３に近づける方向と活性層１３から遠ざける方向とに可動鏡２０を可動させるので、レーザ光の波長を正負に制御することができる。すなわち、波長可変面発光レーザ１では、可動鏡２０がエアギャップＧ１側と可動用ギャップＧ２側との両方向に可動するので、エアギャップＧ１の幅を増減させて、波長可変範囲を広くすることができる。
ここで、ＶＣＳＥＬは、ウェハープロセスで製造するチップ部品であるため、ウェハー面内で発振波長にバラツキが発生し、その用途によって許容される発振波長のバラツキが異なる。例えば、スマートフォンに搭載される顔認証用光源の用途であれば、±数１０ｎｍまで発振波長のバラツキが許容される。一方、原子時計システムの用途であれば、発振波長のバラツキの許容範囲が±数ｎｍまで厳しくなり、部品選別による収率が低下し、製造コストの増大につながる。そこで、波長可変面発光レーザ１によれば、波長可変範囲が広いため、発振波長のバラツキの中心値を設定値に一致させることが容易となり、製造コストを低下させることができる。
さらに、波長可変面発光レーザ１は、熱制御による手法ではないため、恒温環境で動作させる必要のある原子時計システムに容易に適用することができる。
さらに、波長可変面発光レーザ１は、上方可動電極１５及び可動鏡２０を別の工程で製造できるので、上方可動電極１５に様々な工夫を施すことができる。
（第２実施形態）
［波長可変面発光レーザの構成］
図３を参照し、第２実施形態に係る波長可変面発光レーザ１Ｂの構成について、第１実施形態と異なる点を説明する。
波長可変面発光レーザ１Ｂでは、可動鏡２０の撓みを平均化するため、上方可動電極３５を複数に分割している。
図３に示すように、波長可変面発光レーザ１Ｂは、図１の上方可動電極１５に代えて、上方可動電極３５を備える。
なお、上方可動電極３５以外の構成は、第１実施形態と同様のため、説明を省略する。
上方可動電極３５は、可動電極本体部３５Ａ及び可動電極延長部３５Ｂが複数組設けられたものである。本実施形態では、３組の可動電極本体部３５Ａ１～３５Ａ３及び可動電極延長部３５Ｂ１～３５Ｂ３が、内周側から外周側に順に設けられている。
なお、可動電極本体部３５Ａ及び可動電極延長部３５Ｂは、２組又は４組以上であってもよい。
３層の可動電極本体部３５Ａ１～３５Ａ３は、発光領域αを中心として同心円状に形成されている。また、隙間３５Ｄは、可動電極本体部３５Ａ１～３５Ａ３の両端点を接続させないように、全ての可動電極本体部３５Ａ１～３５Ａ３に渡って、同一軸線上に設けられている。例えば、隙間３５Ｄは、発光領域αから周方向（左方向）に設けられている。
可動電極延長部３５Ｂ１～３５Ｂ３は、互いに接触しないように奥行き方向で異なる位置で、可動電極本体部３５Ａ１～３５Ａ３から周方向（右方向）に延長されている。また、可動電極延長部３５Ｂ１～３５Ｂ３は、正方形状の端部を有し、この端部下面にエアギャップ形成部１７が形成されている。ここで、内周側の可動電極本体部３５Ａ１に設けられた可動電極延長部３５Ｂ１が、絶縁膜３５Ｅ１を介して、外周側の可動電極本体部３５Ａ２，３５Ａ３を跨ぐように形成されている。このようにして、可動電極延長部３５Ｂ１と可動電極本体部３５Ａ２，３５Ａ３とが電気的に接触することを避けている。この可動電極延長部３５Ｂ１と同様、内周側の可動電極延長部３５Ｂ２は、絶縁膜３５Ｅ２を介して、外周側の可動電極本体部３５Ａ３の表面に形成されている。
発光電極本体部１６Ａは、最も内周側の可動電極本体部３５Ａ１と発光領域αとの間に形成されている。つまり、発光電極本体部１６Ａは、可動電極本体部３５Ａ１に囲われるように可動電極本体部３５Ａ１の内周側に配置されている。
発光電極延長部１６Ｂは、３層の可動電極本体部３５Ａ１～３５Ａ３に設けられた隙間３５Ｄを通過するように、発光電極本体部１６Ａから周方向（左方向）に延長されている。また、発光電極延長部１６Ｂは、正方形状の端部を有し、この端部下面にエアギャップ形成部１７が形成されている。
［作用・効果］
以上のように、上方可動電極３５は、３組の可動電極本体部３５Ａ１～３５Ａ３及び可動電極延長部３５Ｂ１～３５Ｂ３が互いに接触しないので、可動電極本体部３５Ａ１～３５Ａ３に異なる電圧を印加できる。また、可動鏡２０と上方可動電極３５との距離が短くなる程、静電引力が強くなるので、可動鏡２０が可動したときの撓みは、可動鏡２０の外周側よりも内周側の方が強くなる。そこで、可動鏡２０を一様に可動させる（撓ませる）ためには、内周側から外周側に向かって、可動電極本体部３５Ａ１～３５Ａ３に印加する電圧を高すればよい。例えば、内周側の可動電極本体部３５Ａ１に印加する電圧を低く、外周側の可動電極本体部３５Ａ３に印加する電圧を高く、中間の可動電極本体部３５Ａ２に印加する電圧を両方の間とする。このように、波長可変面発光レーザ１Ｂは、可動鏡２０の撓みを平均化することができる。
なお、第２実施形態に係る波長可変面発光レーザ１Ｂは、第１実施形態と同様の効果を奏することは言うまでもない。
（第３実施形態）
［波長可変面発光レーザの構成］
図４を参照し、第３実施形態に係る波長可変面発光レーザ１Ｃの構成について、第１実施形態と異なる点を説明する。
図４に示すように、波長可変面発光レーザ１Ｃは、可動鏡２０Ｃに凸部２６を設けたものである。
なお、可動鏡２０Ｃ以外の構成は、第１実施形態と同様のため、説明を省略する。
可動鏡２０Ｃは、エアギャップＧ１が位置する側の平面に凸部２６が形成されている。つまり、凸部２６は、可動鏡２０Ｃの上側平面に設けられた微小な突起である。例えば、凸部２６は、発光領域αに重ならないように左右に３個ずつ、計６個形成されている。
なお、凸部２６の個数及び位置は、特に制限されない。また、凸部２６の形状も制限されず、長方形状の他、台形状又は三角形状であってもよい。
なお、凸部２６は、フォトリソグラフィ、エッチング等の一般的な手法で製造することができる。例えば、凸部２６の材料となるＳｉＯ２をＣＶＤ法で製膜する。次に、凸部２６を示すパターンでマスクする。そして、マスク後の積層膜をエッチングすれば、凸部２６を形成できる。
［作用・効果］
以上のように、波長可変面発光レーザ１Ｃでは、可動鏡２０Ｃの上側平面に凸部２６を設けたので、可動鏡２０Ｃが上方向に可動した際、可動鏡２０Ｃと上方可動電極１５及び陰極側発光電極１６との張り付きによる破損を抑制することができる。
なお、第３実施形態に係る波長可変面発光レーザ１Ｃは、第１実施形態と同様の効果を奏することは言うまでもない。
なお、凸部２６は、可動鏡２０Ｃの上側平面の代わりに、上方可動電極１５及び陰極側発光電極１６の下側平面に設けてもよい。
また、第２実施形態においても同様に凸部２６を適用することができる。
（第４実施形態）
［波長可変面発光レーザの構成］
図５を参照し、第４実施形態に係る波長可変面発光レーザ１Ｄの構成について、第１実施形態と異なる点を説明する。
図５上段に示すように、波長可変面発光レーザ１Ｄは、レーザ光を上方向に出射する波長可変ＶＣＳＥＬである。
図５に示すように、図１の陽極側発光電極１０、上部基板１１、下部基板２４及び下方可動電極２５に代えて、陽極側発光電極１０Ｄ、上部基板１１Ｄ、下部基板２４Ｄ及び下方可動電極２５Ｄを備える。
なお、陽極側発光電極１０Ｄ、上部基板１１Ｄ、下部基板２４Ｄ及び下方可動電極２５Ｄ以外の構成は、第１実施形態と同様のため、説明を省略する。
陽極側発光電極１０Ｄ及び上部基板１１Ｄは、レーザ光を妨害しないように発光領域αの上側には形成されていない。例えば、上部基板１１Ｄは、発光領域αの上側に位置するＤＢＲ層１２の平面が露出するように、逆台形状の出射孔βが形成されている。また、陽極側発光電極１０Ｄは、上部基板１１Ｄの上側平面において、出射孔βの左右に形成されている。他の点、陽極側発光電極１０Ｄ及び上部基板１１Ｄは、第１実施形態と同様のため、これ以上の説明を省略する。
下部基板２４Ｄ及び下方可動電極２５Ｄは、中央部に出射孔βが形成されておらず、平板状となっている。他の点、下部基板２４Ｄ及び下方可動電極２５Ｄは、第１実施形態と同様のため、これ以上の説明を省略する。
以上のように、波長可変面発光レーザ１Ｄは、上方出射の場合であっても、第１実施形態と同様に波長可変範囲を広くすることができる。
（変形例）
以上、本発明の各実施形態を詳述してきたが、本発明は前記した各実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
前記した各実施形態では、薄板基板を単純な薄膜構造の例で説明したが、これに限定されない。例えば、より柔軟に可動するように、薄板基板をミアンダ状のスプリングで支持してもよい。
なお、前記した各実施形態では、ｎ型半導体の例で説明したが、本発明に係る波長可変面発光レーザは、ｐ型半導体でも実現することができる。
また、波長可変面発光レーザの積層構造は、前記した各実施形態に制限されない。
また、上方可動電極の形状は、前記した各実施形態に制限されない。
本発明は、様々な用途の半導体レーザとして利用することができる。特に、本発明は、安定、かつ、波長制御性に優れた性能が要求される原子時計に利用することができる。
１～１Ｄ 波長可変面発光レーザ
１０，１０Ｄ 陽極側発光電極（第１発光電極）
１１，１１Ｄ 上部基板（第１基板）
１２ ＤＢＲ層（第１反射層）
１３ 活性層
１３Ａ 光閉じ込め部材
１４ 絶縁層
１５ 上方可動電極（第１可動電極）
１５Ａ 可動電極本体部
１５Ｂ 可動電極延長部
１６ 陰極側発光電極（第２発光電極）
１６Ａ 発光電極本体部
１６Ｂ 発光電極延長部
１７ エアギャップ形成部
１８ 可動電極端子
１９ 発光電極端子
２０，２０Ｃ 可動鏡（第２反射層）
２１ 基準電位端子
２２ 薄板基板
２３ 可動用ギャップ形成部
２４，２４Ｄ 下部基板（第２基板）
２５，２５Ｄ 下方可動電極（第２可動電極）
２６ 凸部
３５ 上方可動電極（第１可動電極）
３５Ａ，３５Ａ１～３５Ａ３ 可動電極本体部
３５Ｂ，３５Ｂ１～３５Ｂ３ 可動電極延長部

Claims (6)

  1. 第１基板と、エアギャップを介して、前記第１基板と対向するように設けられた薄板基板と、可動用ギャップを介して、前記薄板基板と対向するように設けられた第２基板と、を備える波長可変面発光レーザであって、
    前記第１基板は、前記第１基板の一方の平面に形成された第１反射層と、前記第１反射層に形成された活性層と、絶縁層を介して、前記活性層に形成された第１可動電極と、を備え、
    前記薄板基板は、前記活性層と対向する平面に形成された第２反射層、を備え、
    前記第２基板は、前記可動用ギャップと反対側の平面に形成された第２可動電極、を備え、
    前記薄板基板及び前記第２反射層は、前記エアギャップ及び前記可動用ギャップの間に位置する一部領域が、前記第１可動電極に電圧が印加された場合に前記エアギャップ側に稼働し、前記第２可動電極に電圧が印加された場合に前記可動用ギャップ側に可動することを特徴とする波長可変面発光レーザ。
  2. 前記第１可動電極は、
    発光領域を中心として配置され、一方の端点と他方の端点とを接続させないように隙間が設けられた円弧状の可動電極本体部と、
    前記可動電極本体部から周方向に延長された可動電極延長部と、
    を有する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。
  3. 前記第１可動電極は、
    複数の前記可動電極本体部が、前記発光領域を中心として同心円状に形成され、
    複数の前記可動電極本体部から延長された隙間が、前記発光領域から周方向に伸びる同一軸線上に位置し、
    内周側の前記可動電極本体部に設けられた可動電極延長部が、絶縁膜を介して、外周側の前記可動電極本体部を跨ぐように形成されたことを特徴とする請求項２に記載の波長可変面発光レーザ。
  4. 前記第１基板の他方の平面に形成された第１発光電極と、
    前記活性層の前記第１可動電極と同一平面に形成された第２発光電極と、をさらに備え、
    前記第２発光電極は、
    最も内周側に位置する前記可動電極本体部と前記発光領域との間に形成された発光電極本体部と、
    複数の前記可動電極本体部から延長された隙間を通過するように、前記発光電極本体部から周方向に延長された発光電極延長部と、
    を有することを特徴とする請求項３に記載の波長可変面発光レーザ。
  5. 前記第２反射層は、前記エアギャップが位置する側の平面に凸部が形成されたことを特徴とする請求項１から請求項４の何れか一項に記載の波長可変面発光レーザ。
  6. 前記活性層と前記第２反射層との間に前記エアギャップを形成するエアギャップ形成部と、
    前記薄板基板と前記第２基板との間に前記可動用ギャップを形成する可動用ギャップ形成部と、
    をさらに備えることを特徴とする請求項１から請求項５の何れか一項に記載の波長可変面発光レーザ。
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004281733A (ja) 2003-03-17 2004-10-07 Yokogawa Electric Corp 面発光レーザ
JP2005223111A (ja) 2004-02-05 2005-08-18 Yokogawa Electric Corp 波長可変レーザー
JP2009170736A (ja) 2008-01-18 2009-07-30 Yokogawa Electric Corp 面発光レーザおよびその波長制御方法
JP2016523444A (ja) 2013-07-03 2016-08-08 インフェニックス インコーポレイテッドＩｎｐｈｅｎｉｘ， Ｉｎｃ． 掃引源光干渉断層撮影システム用の波長同調型垂直キャビティ面発光レーザー
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Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004281733A (ja) 2003-03-17 2004-10-07 Yokogawa Electric Corp 面発光レーザ
JP2005223111A (ja) 2004-02-05 2005-08-18 Yokogawa Electric Corp 波長可変レーザー
JP2009170736A (ja) 2008-01-18 2009-07-30 Yokogawa Electric Corp 面発光レーザおよびその波長制御方法
JP2016523444A (ja) 2013-07-03 2016-08-08 インフェニックス インコーポレイテッドＩｎｐｈｅｎｉｘ， Ｉｎｃ． 掃引源光干渉断層撮影システム用の波長同調型垂直キャビティ面発光レーザー
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