(57)【要約】【課題】  実際の使用環境に近い条件で半導体レーザ装置の特性評価を行うことが可能なレーザ装置を提供する。【解決手段】  光共振器を画定する２つの反射面を有する発振波長λ［ｎｍ］、実効屈折率ｎ0のレーザ媒質の少なくとも１つの反射面上に、酸化シリコンからなる厚さｄ1［ｎｍ］の第１の層が形成されている。第１の層の表面上に、屈折率ｎSiのシリコンからなる厚さｄ2［ｎｍ］の第２の層が形成されている。第２の層の表面上に、酸化シリコンからなる厚さｄ3［ｎｍ］の第３の層が形成されている。実効屈折率ｎ0が３．１８以上３．２８以下であり、膜厚ｄ1が、（０．１１−９．２×１０-3Ｒ＋２．２×１０-4Ｒ2）λ／１．４５±１５の範囲内であり、膜厚ｄ2が、（−８．７×１０-3＋３．５×１０-3Ｒ−１．２×１０-5Ｒ2）×（−３．６＋１７／ｎSi）λ±１５の範囲内であり、膜厚ｄ3が、（０．２３−４．９×１０-3Ｒ＋７．７×１０-5Ｒ2）λ／１．４５±１５の範囲内であり、上式中のＲ［％］が１５以上３０以下である。【選択図】  図４
2010045404.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光共振器を画定する２つの反射面を有する発振波長λ［ｎｍ］、実効屈折率ｎ0のレーザ媒質と、
前記レーザ媒質の少なくとも１つの反射面上に形成された酸化シリコンからなる厚さｄ1［ｎｍ］の第１の層と、
前記第１の層の表面上に形成された屈折率ｎSiのシリコンからなる厚さｄ2［ｎｍ］の第２の層と、
前記第２の層の表面上に形成された酸化シリコンからなる厚さｄ3［ｎｍ］の第３の層と
を有し、実効屈折率ｎ0が３．１８以上３．２８以下であり、膜厚ｄ1が、
（０．１１−９．２×１０-3Ｒ＋２．２×１０-4Ｒ2）λ／１．４５±１５
の範囲内であり、膜厚ｄ2が、
（−８．７×１０-3＋３．５×１０-3Ｒ−１．２×１０-5Ｒ2）×（−３．６＋１７／ｎSi）λ±１５
の範囲内であり、膜厚ｄ3が、
（０．２３−４．９×１０-3Ｒ＋７．７×１０-5Ｒ2）λ／１．４５±１５
の範囲内であり、上式中のＲ［％］が１５以上３０以下であるレーザ装置。
【請求項２】
反射面を有し、屈折率ｎ0が３．１８以上３．２８以下である光学媒質を準備する工程と、
反射すべき光の波長λ及び反射率Ｒ［％］を決定する工程と、
前記光学媒質の反射面上に、酸化シリコンからなる厚さｄ1［ｎｍ］の第１の層であって、該厚さｄ1が、
（０．１１−９．２×１０-3Ｒ＋２．２×１０-4Ｒ2）λ／１．４５±１５
の範囲内である第１の層を形成する工程と、
前記第１の層の表面上に、屈折率ｎSiのシリコンからなる厚さｄ2［ｎｍ］の第２の層であって、該厚さｄ2が、
（−８．７×１０-3＋３．５×１０-3Ｒ−１．２×１０-5Ｒ2）×（−３．６＋１７／ｎSi）λ±１５
の範囲内である第２の層を形成する工程と、
前記第２の層の表面上に、酸化シリコンからなる厚さｄ3［ｎｍ］の第３の層であって、該厚さｄ3が、
（０．２３−４．９×１０-3Ｒ＋７．７×１０-5Ｒ2）λ／１．４５±１５
の範囲内である第３の層を形成する工程と
を有する反射膜の製造方法。
【請求項３】
光共振器を画定する２つの反射面を有する発振波長λ［ｎｍ］、実効屈折率ｎ0のレーザ媒質と、
前記レーザ媒質の少なくとも１つの反射面上に形成された酸化アルミニウムからなる厚さｄ1［ｎｍ］の第１の層と、
前記第１の層の表面上に形成された屈折率ｎSiのシリコンからなる厚さｄ2［ｎｍ］の第２の層と、
前記第２の層の表面上に形成された酸化アルミニウムからなる厚さｄ3［ｎｍ］の第３の層と
を有し、実効屈折率ｎ0が３．１８以上３．２８以下であり、膜厚ｄ1が、
（１．７×１０-3＋１．１×１０-3Ｒ＋３．１×１０-5Ｒ2）×λ／１．７２±１５
の範囲内であり、膜厚ｄ2が、
（２．３×１０-2＋３．５×１０-3Ｒ−５．６×１０-5Ｒ2）×（−１．４＋８．９／ｎSi）λ±１５
の範囲内であり、膜厚ｄ3が、
（０．２１−１．９×１０-3Ｒ＋２．１×１０-5Ｒ2）λ／１．７２±１５
の範囲内であり、上式中のＲ［％］が１５以上３０以下であるレーザ装置。
【請求項４】
反射面を有し、屈折率ｎ0が３．１８以上３．２８以下である光学媒質を準備する工程と、
反射すべき光の波長λ及び反射率Ｒ［％］を決定する工程と、
前記光学媒質の反射面上に、酸化アルミニウムからなる厚さｄ1［ｎｍ］の第１の層であって、該厚さｄ1が、
（１．７×１０-3＋１．１×１０-3Ｒ＋３．１×１０-5Ｒ2）×λ／１．７２±１５
の範囲内である第１の層を形成する工程と、
前記第１の層の表面上に、屈折率ｎSiのシリコンからなる厚さｄ2［ｎｍ］の第２の層であって、該厚さｄ2が、
（２．３×１０-2＋３．５×１０-3Ｒ−５．６×１０-5Ｒ2）×（−１．４＋８．９／ｎSi）λ±１５
の範囲内である第２の層を形成する工程と、
前記第２の層の表面上に、酸化アルミニウムからなる厚さｄ3［ｎｍ］の第３の層であって、該厚さｄ3が、
（０．２１−１．９×１０-3Ｒ＋２．１×１０-5Ｒ2）λ／１．７２±１５
の範囲内である第３の層を形成する工程と
を有する反射膜の製造方法。
【請求項５】
光共振器を画定する２つの反射面を有する発振波長λ［ｎｍ］、実効屈折率ｎ0のレーザ媒質と、
前記レーザ媒質の少なくとも１つの反射面上に形成された酸化シリコンからなる厚さｄ1［ｎｍ］の第１の層と、
前記第１の層の表面上に形成された屈折率ｎSiのシリコンからなる厚さｄ2［ｎｍ］の第２の層と、
前記第２の層の表面上に形成された酸化アルミニウムからなる厚さｄ3［ｎｍ］の第３の層と
を有し、実効屈折率ｎ0が３．１８以上３．２８以下であり、膜厚ｄ1が、
（−３．１×１０-5＋３．６×１０-3Ｒ−３．５×１０-5Ｒ2）×λ／１．４５±１５
の範囲内であり、膜厚ｄ2が、
（３．５×１０-2＋２．５×１０-3Ｒ−３．６×１０-5Ｒ2）
×（−２．６＋１．４／ｎSi）λ±１５
の範囲内であり、膜厚ｄ3が、
（０．２１−１．９×１０-3Ｒ＋２．１×１０-5Ｒ2）λ／１．７２±１５
の範囲内であり、上式中のＲ［％］が１５以上３０以下であるレーザ装置。
【請求項６】
反射面を有し、屈折率ｎ0が３．１８以上３．２８以下である光学媒質を準備する工程と、
反射すべき光の波長λ及び反射率Ｒ［％］を決定する工程と、
前記光学媒質の反射面上に、酸化シリコンからなる厚さｄ1［ｎｍ］の第１の層であって、該厚さｄ1が、
（−３．１×１０-5＋３．６×１０-3Ｒ−３．５×１０-5Ｒ2）×λ／１．４５±１５
の範囲内である第１の層を形成する工程と、
前記第１の層の表面上に、屈折率ｎSiのシリコンからなる厚さｄ2［ｎｍ］の第２の層であって、該厚さｄ2が、
（３．５×１０-2＋２．５×１０-3Ｒ−３．６×１０-5Ｒ2）×（−２．６＋１．４／ｎSi）λ±１５
の範囲内である第２の層を形成する工程と、
前記第２の層の表面上に、酸化アルミニウムからなる厚さｄ3［ｎｍ］の第３の層であって、該厚さｄ3が、
（０．２１−１．９×１０-3Ｒ＋２．１×１０-5Ｒ2）λ／１．７２±１５
の範囲内である第３の層を形成する工程と
を有する反射膜の製造方法。
【請求項７】
光共振器を画定する２つの反射面を有する発振波長λ［ｎｍ］、実効屈折率ｎ0のレーザ媒質と、
前記レーザ媒質の少なくとも１つの反射面上に形成された酸化アルミニウムからなる厚さｄ1［ｎｍ］の第１の層と、
前記第１の層の表面上に形成された屈折率ｎSiのシリコンからなる厚さｄ2［ｎｍ］の第２の層と、
前記第２の層の表面上に形成された酸化シリコンからなる厚さｄ3［ｎｍ］の第３の層と
を有し、実効屈折率ｎ0が３．１８以上３．２８以下であり、膜厚ｄ1が、
（０．１２−１．２×１０-2Ｒ＋３．２×１０-4Ｒ2）λ／１．７２±１５
の範囲内であり、膜厚ｄ2が、
（−２．７×１０-2＋３．４×１０-3Ｒ＋２．４×１０-5Ｒ2）×（−３．８＋２．８／ｎSi）λ±１５
の範囲内であり、膜厚ｄ3が、
（０．２３−４．９×１０-3Ｒ＋７．７×１０-5Ｒ2）λ／１．４５±１５
の範囲内であり、上式中のＲ［％］が１５以上３０以下であるレーザ装置。
【請求項８】
反射面を有し、屈折率ｎ0が３．１８以上３．２８以下である光学媒質を準備する工程と、
反射すべき光の波長λ及び反射率Ｒ［％］を決定する工程と、
前記光学媒質の反射面上に、酸化アルミニウムからなる厚さｄ1［ｎｍ］の第１の層であって、該厚さｄ1が、
（０．１２−１．２×１０-2Ｒ＋３．２×１０-4Ｒ2）λ／１．７２±１５
の範囲内である第１の層を形成する工程と、
前記第１の層の表面上に、屈折率ｎSiのシリコンからなる厚さｄ2［ｎｍ］の第２の層であって、該厚さｄ2が、
（−２．７×１０-2＋３．４×１０-3Ｒ＋２．４×１０-5Ｒ2）×（−３．８＋２．８／ｎSi）λ±１５
の範囲内である第２の層を形成する工程と、
前記第２の層の表面上に、酸化シリコンからなる厚さｄ3［ｎｍ］の第３の層であって、該厚さｄ3が、
（０．２３−４．９×１０-3Ｒ＋７．７×１０-5Ｒ2）λ／１．４５±１５
の範囲内である第３の層を形成する工程と
を有する反射膜の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、反射膜の製造方法、及び反射膜を用いたレーザ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
反射すべき光の波長の１／４の光学膜厚を有する２種類以上の薄膜を積層した多層膜構造の反射膜が知られている。この多層膜構造の反射膜を、レーザダイオードの光共振器の端面に形成することにより、低しきい値化、高出力化等を図ることができる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
一対の共振器端面を有する半導体レーザ装置のレーザ特性の指標となる基本的なパラメータとして、しきい値利得、外部微分量子効率、前後比、及びスロープ効率が挙げられる。しきい値利得ｇthは、
ｇth＝αi＋（１／Ｌ）ｌｎ（１／（ＲfＲr）1/2）
と定義される。ここで、αiは、光共振器内の内部損失、Ｌは共振器長、Ｒf及びＲrは、それぞれ前端面及び後端面の反射率である。
【０００４】
外部微分量子効率ηdは、
ηd＝ηi×ｌｎ（１／Ｒ）／（αiＬ＋ｌｎ（１／Ｒ））
と定義される。ここで、ηiは、内部量子効率であり、Ｒ＝Ｒf＝Ｒrと仮定した。
【０００５】
前後比ｒは、
ｒ＝（（１−Ｒf）／（１−Ｒr））×（Ｒr／Ｒf）1/2
と定義される。
スロープ効率Ｓdは、
Ｓd＝１．２４×ηd／λ
と定義される。ここで、λは、発振波長である。
【０００６】
上記定義式から分かるように、反射率Ｒf及びＲrが低下すると、外部微分量子効率ηd及びスロープ効率Ｓdは向上するが、しきい値利得ｇthが増加する。すなわち、しきい値電流が増加してしまう。特に、高温動作環境においては、しきい値電流の増加により光出力特性が損なわれる場合がある。
【０００７】
通常、レーザダイオードの特性評価は、大気もしくは不活性ガス雰囲気中で行われる。ところが、実際の動作時には、レーザダイオードを実装基板上に実装した後、樹脂等で被覆する。光共振器の反射端面を樹脂で被覆すると、反射率が低下し、しきい値利得ｇthが増加してしまう。このため、実際の使用環境下における光出力特性を評価することが困難である。
【０００８】
本発明の目的は、実際の使用環境に近い条件で半導体レーザ装置の特性評価を行うことが可能な反射膜の製造方法、及びレーザ装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一観点によると、
光共振器を画定する２つの反射面を有する発振波長λ［ｎｍ］、実効屈折率ｎ0のレーザ媒質と、
前記レーザ媒質の少なくとも１つの反射面上に形成された酸化シリコンからなる厚さｄ1［ｎｍ］の第１の層と、
前記第１の層の表面上に形成された屈折率ｎSiのシリコンからなる厚さｄ2［ｎｍ］の第２の層と、
前記第２の層の表面上に形成された酸化シリコンからなる厚さｄ3［ｎｍ］の第３の層と
を有し、実効屈折率ｎ0が３．１８以上３．２８以下であり、膜厚ｄ1が、
（０．１１−９．２×１０-3Ｒ＋２．２×１０-4Ｒ2）λ／１．４５±１５
の範囲内であり、膜厚ｄ2が、
（−８．７×１０-3＋３．５×１０-3Ｒ−１．２×１０-5Ｒ2）×（−３．６＋１７／ｎSi）λ±１５
の範囲内であり、膜厚ｄ3が、
（０．２３−４．９×１０-3Ｒ＋７．７×１０-5Ｒ2）λ／１．４５±１５
の範囲内であり、上式中のＲ［％］が１５以上３０以下であるレーザ装置が提供される。
【００１０】
本発明の他の観点によると、
反射面を有し、屈折率ｎ0が３．１８以上３．２８以下である光学媒質を準備する工程と、
反射すべき光の波長λ及び反射率Ｒ［％］を決定する工程と、
前記光学媒質の反射面上に、酸化シリコンからなる厚さｄ1［ｎｍ］の第１の層であって、該厚さｄ1が、
（０．１１−９．２×１０-3Ｒ＋２．２×１０-4Ｒ2）λ／１．４５±１５
の範囲内である第１の層を形成する工程と、
前記第１の層の表面上に、屈折率ｎSiのシリコンからなる厚さｄ2［ｎｍ］の第２の層であって、該厚さｄ2が、
（−８．７×１０-3＋３．５×１０-3Ｒ−１．２×１０-5Ｒ2）×（−３．６＋１７／ｎSi）λ±１５
の範囲内である第２の層を形成する工程と、
前記第２の層の表面上に、酸化シリコンからなる厚さｄ3［ｎｍ］の第３の層であって、該厚さｄ3が、
（０．２３−４．９×１０-3Ｒ＋７．７×１０-5Ｒ2）λ／１．４５±１５
の範囲内である第３の層を形成する工程と
を有する反射膜の製造方法が提供される。
【００１１】
第１〜第３の層の膜厚を上述の式を満足するように選ぶと、空気中に配置されている場合の反射率と、樹脂封止した後の反射率との差を小さくすることができる。
【発明の効果】
【００１２】
反射膜の外部媒質が取り替えられた場合でも、特定の波長の光に対する反射率の変動幅を少なくすることができる。この反射膜をレーザダイオードの光共振器の端面に適用すると、大気中でしきい値を測定することにより、樹脂封止後のしきい値を高精度に予測することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１の実施例による光学装置の断面図である。
【図２】第２の実施例による半導体レーザ装置の断面図である。
【図３】第２の実施例及び比較例による半導体レーザ装置の、樹脂封止前後のしきい値の変動幅の温度特性を示すグラフである。
【図４】第３の実施例による光学装置の断面図である。
【図５】第３の実施例による光学装置の反射膜に用いられる多層膜の膜厚を示すグラフである。
【図６】第３の実施例及び比較例による反射膜を適用した半導体レーザ装置の、樹脂封止前後のしきい値の変動幅の温度特性を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１は、本発明の第１の実施例による反射膜の断面図を示す。屈折率ｎ0の光学媒質１の反射面上に、積層構造を有する反射膜５が形成されている。反射膜５は、屈折率ｎ1の第１の層２と屈折率ｎ2の第２の層３とが交互にｋ組積層され、最上の第２の層３の表面上に、屈折率ｎ1の第３の層４が形成された積層構造を有する。ここで、ｋは、正の整数である。
【００１５】
反射すべき光の波長をλとしたとき、第１の層２の膜厚ｄ1は、
ｄ1＝（λ／４＋（λ／２）×Ｎ1）／ｎ1 （Ｎ1は０または正の整数）・・・（６５）
である。第２の層３の膜厚ｄ2は、
ｄ2＝（λ／４＋（λ／２）×Ｎ2）／ｎ2 （Ｎ2は０または正の整数）・・・（６６）
である。
【００１６】
外部の媒質（第３の層４に接している媒質）の屈折率がｎｓ1である場合とｎｓ2である場合との反射率が等しくなるように反射膜５を設計する方法について説明する。第３の層４の膜厚ｄ3は、
ｄ3＝ｄ＋（λ／２ｎ1）×Ｎ3 （Ｎ3は０または正の整数）・・・（６７）
及び、
【００１７】
【数１】
2010045404.tif 000003
【００１８】
（ｋは０または正の整数）
を満足するように選択されている。
【００１９】
波長λの光に対する反射膜５の反射率Ｒ［％］は、
【００２０】
【数２】
2010045404.tif 000004
【００２１】
と表される。ここで、ｎｓは、第３の層４に接触している外部媒質の屈折率である。
【００２２】
式（６８）を満足するように第３の層４の膜厚を設定しておくと、式（６９）からわかるように、外部媒質の屈折率がｎｓ1の場合の反射率と、屈折率がｎｓ2の場合の反射率とが等しくなる。例えば、ｎｓ1＝１とし、ｎｓ2を、反射膜５の実際の使用時における外部媒質の屈折率に等しくしておくと、大気中または不活性ガス中における反射膜５の反射率が、実際の使用時における反射率に等しくなる。
【００２３】
このため、大気中で反射率の評価実験を行うことにより、実際の使用時における反射率を高精度で予測することができる。なお、第１の層２、第２の層３、及び第３の層４を、これらの膜厚が上述の計算で得られた理想膜厚と等しくなるように成膜することは困難である。現実的には、各層の膜厚が、理想膜厚から±２０％程度相違している場合であっても、良好な効果が得られるであろう。従って、本明細書において、薄膜の「膜厚」は、計算式により与えられる理想膜厚から±２０％増減した膜厚を含むものとする。
【００２４】
図２は、上記第１の実施例による反射膜を用いた第２の実施例による半導体レーザ装置の断面図を示す。上部が開口した外枠１０内にプラットホーム１３が配置されている。プラットホーム１３は、例えばシリコン基板により構成される。プラットホーム１３の表面上に、レーザダイオード８及びフォトダイオード１４が搭載されている。レーザダイオード８は、例えばＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系の発振波長１．３μｍのファブリペロー型レーザ装置である。この光共振器の等価屈折率ｎ0は３．２３である。
【００２５】
レーザダイオード８の光共振器の両端面には、上記第１の実施例による反射膜５Ａ及び５Ｂが成膜されている。図１における第１の層２及び第３の層４はＳｉＯ2で形成され、その屈折率ｎ1は１．４５であり、第２の層３はＳｉで形成され、その屈折率ｎ2は３．８である。ＳｉＯ2膜及びＳｉ膜は、例えばイオンアシスト蒸着、プラズマ励起型化学気相成長、熱化学気相成長、またはスパッタリング等により形成することができる。
【００２６】
反射膜５Ｂを透過して後方に放射されたレーザ光は、フォトダイオード１４に入射する。フォトダイオード１４の出力信号を測定することにより、レーザダイオード８の発振状況を監視することができる。
【００２７】
反射膜５Ａを透過して前方に放射されたレーザ光の一部は、光ファイバ１２に入射する。光ファイバ１２は、プラットフォーム１３の表面上に載置され、押え板１５により、その位置が固定されている。光ファイバ１２は、外枠１０の側面を貫通して、外枠１０の外まで導出されている。光ファイバ１２の、外枠１０を貫通する部分は、ホルダ１１で保護されている。
【００２８】
フォトダイオード１４、レーザダイオード８、及び光ファイバ１２の端部を、封止樹脂１６が覆う。封止樹脂１６は、例えばシリコーン樹脂等で形成される。シリコーン樹脂の屈折率は、１．３８である。外枠１０の開口部は、蓋１７で塞がれている。外枠１０の底に、複数の信号入出力用端子１８が取り付けられている。
【００２９】
式（４４）及び式（４５）から、図１における第１の層２の膜厚ｄ1は２２４ｎｍ、第２の層２の膜厚ｄ2は８６ｎｍとなる。なお、ここでは、Ｎ1＝Ｎ2＝０とした。式（６８）のｎｓ1＝１、ｎｓ2＝１．３８とすると、ｃｏｓ2Δ＝０．３９５になる。これから、第３の層４の膜厚ｄ3は、一例として、１２７ｎｍと求められる。このとき、式（６９）から、反射率Ｒ［％］は、７６．７％となる。
【００３０】
図３は、上記第２の実施例によるレーザダイオードの、樹脂封止前後のしきい値の変化を、動作温度の関数として示す。横軸は、動作温度を単位℃で表し、縦軸はシリコーン樹脂で封止する前後のしきい値の変動幅を単位％で表す。グラフ中の実線ａは、上記第２の実施例によるレーザダイオードのしきい値変動幅を示し、実線ｂは、図１に示す第３の層４を設けない反射膜を用いたレーザダイオードのしきい値変動幅を示す。
【００３１】
第１の実施例による反射膜を用いた場合には、しきい値変動幅が５％以下である。これに対し、第３の層を設けない場合には、しきい値変動幅が２０〜４５％程度になる。このように、第１の実施例の反射膜を用いることにより、樹脂封止前後のしきい値変動幅を少なくすることができる。特に、動作温度が高い場合に、その効果が高いことがわかる。
【００３２】
これは、第１の実施例による反射膜の大気中における反射率と、樹脂封止後における反射率とがほぼ等しいためである。図１に示す第３の層４を用いない場合には、大気中における反射率と樹脂封止後における反射率とが異なるため、樹脂封止前後でしきい値が大きく変動する。第１の実施例による反射膜を用いると、大気中でレーザダイオードのしきい値を評価し、樹脂封止後のしきい値を高精度に予測することができる。
【００３３】
上記第２の実施例では、図１の第１及び第２の層２及び３として、ＳｉＯ2とＳｉを用いたが、その他の材料、例えばＡｌ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｚｎ、Ｍｇ、またはＬｉの酸化物、窒化物、または弗化物を用いてもよい。また、反射膜をレーザダイオードの光共振器端面に形成する場合には、端面に直接接する第１の層を絶縁材料で形成することが好ましい。
【００３４】
上記第２の実施例では、ファブリペロー型レーザを例にとって説明したが、第１の実施例による反射膜は、その他のレーザダイオード、例えば分布帰還型レーザダイオード、分布ブラッグ反射型レーザダイオードに適用することも可能である。
【００３５】
通常の材料の屈折率は１以上であるため、式（６８）のｎｓ1及びｎｓ2は共に１以上である。また、一般的にレーザダイオードの発振波長域で使用され得る反射膜材料の屈折率は４以下である。このため、一般的には、
１≦（ｎｓ1×ｎｓ2）≦１６・・・（７０）
と考えられる。
【００３６】
この条件と、式（６８）から、
【００３７】
【数３】
2010045404.tif 000005
【００３８】
及び
【００３９】
【数４】
2010045404.tif 000006
【００４０】
が得られる。すなわち、図１の第３の層４の膜厚をｄ3とした時、膜厚ｄ3は、式（６７）、（７１）、及び（７２）を満足するように制約を受ける。例えば、ｋ＝１、ｎ0＝３．２３、ｎ1＝１．４５、ｎ2＝３．８の場合、
４９ｎｍ≦ｄ≦１３８ｎｍ、または、３１１ｎｍ≦ｄ≦４１１ｎｍ・・・（７３）
が得られる。
【００４１】
上記第２の実施例では、レーザダイオードの反射端面に適用する反射膜について説明したが、第１の実施例による反射膜は、レーザダイオード以外の屈折率ｎｓ1の光学媒質の反射面上に形成してもよい。このとき、反射膜を屈折率ｎｓ2の光学媒質で覆う。反射膜がレーザダイオードに適用されている場合には、そのレーザダイオードの発振波長が、この反射膜の反射すべき光の波長に相当する。反射膜が、光学媒質の反射端面上に形成されている場合には、その反射膜の反射すべき光の波長は、下記の方法で特定することができる。
【００４２】
図１に示す第１の層２及び第２の層３の光学膜厚は、共に、
λ／４＋（λ／２）×Ｎ  （Ｎは０または正の整数）・・・（７４）
である。ここで、光学膜厚とは、実際の膜厚に、その膜の屈折率を乗じた膜厚を意味する。反射膜を構成する第１の層２と第２の層３の膜厚を測定し、光学膜厚を求める。この第１及び第２の層の光学膜厚に対し、式（７４）のＮを種々変化させて波長λを特定する。このとき、第１の層に関するＮと第２の層に関するＮとは、等しくなくてもよい。
【００４３】
反射すべき波長が特定されると、ｎｓ1＝１を代入した式（６８）、及び式（６７）から、図１に示す第３の層４の好適な膜厚ｄ3を求めることができる。このように形成された反射膜においては、屈折率が１の雰囲気中、例えば大気中における反射率と、屈折率ｎｓ2の媒質中における反射率とが等しい。このため、大気中で反射率を評価することにより、屈折率ｎｓ2の媒質中における反射率を高精度に予測することができる。
【００４４】
次に、本発明の第３の実施例による光学装置の構成について説明する。上記第１の実施例の反射膜は、基本的に、対象とする光の波長の１／４の厚さの膜の積層を含んでいる。第３の実施例による反射膜は３層構造を有し、各膜の厚さは波長の１／４にこだわることなく決定される。
【００４５】
図４に、第３の実施例による光学装置の断面図を示す。光学媒質２０の表面上に、第１の層２１、第２の層２２、及び第３の層２３が積層されている。第１〜第３の層２１〜２３の３層により反射膜２４が構成される。光学媒質２０は、等価屈折率３．２３、発振波長１．３１μｍのレーザダイオードであり、第１の層２１及び第３の層２３は、屈折率１．４５のＳｉＯ2で形成され、第２の層２２は、屈折率３．８のシリコンで形成されている。
【００４６】
第１〜第３の層２１〜２３の膜厚を種々変化させて、上記３層構造の反射膜２４を大気中に置いた場合の波長１．３１μｍ及びその近傍の波長の光に対する反射率と、屈折率１．３８の樹脂で被覆した場合のそれとを計算により求めた。
【００４７】
図５は、大気中に配置した場合の反射率と樹脂封止した場合の反射率とがほぼ等しくなり、かつ対象とする光の波長が変動した場合の反射率の変動が比較的少ないという条件を満足する膜厚の組み合わせを、反射率Ｒ［％］の関数として示す。横軸は反射率Ｒを単位％で表し、縦軸は膜厚を単位ｎｍで表す。図中の実線ａ１、ａ２、及びａ３は、それぞれ第１、第２、及び第３の層２１、２２、及び２３の膜厚を示す。
【００４８】
一般的に、レーザダイオードの劈開面と空気との界面の反射率は３０％程度である。通常、レーザダイオードに適用される反射膜は、劈開面と空気との界面の反射率以下とされる。このため、図５の反射率の上限を３０％としている。また、反射率が１５％以下となる領域では、所望の解が得られなかった。すなわち、３層構造の反射膜を用いる場合には、反射膜の設計値を１５％以上とすることが好ましい。このため、図５の反射率の下限を１５％としている。
【００４９】
第１の層２１の膜厚ｄ1（曲線ａ１）を反射率Ｒ［％］の２次式で近似すると、
ｄ1＝（０．１１−９．２×１０-3Ｒ＋２．２×１０-4Ｒ2）λ0／ｎ1・・・（７５）
となる。ここで、λ0は対象とする光の波長、すなわち１．３１μｍであり、ｎ1は第１の層２１の屈折率、すなわち１．４５である。なお、膜厚ｄ1は波長λ0にほぼ比例すると考えられるため、膜厚ｄ1を波長λ0の一次式として表した。
【００５０】
同様に、第２の層２２の膜厚ｄ2（曲線ａ２）は、
ｄ2＝（−８．７×１０-3＋３．５×１０-3Ｒ−１．２×１０-5Ｒ2）×（−３．６＋１７／ｎ2）λ0・・・（７６）
と近似される。ここで、ｎ2は第２の層２２の屈折率、すなわち３．８である。なお、（−３．６＋１７／ｎ2）の項は、屈折率ｎ2を３．６から３．８５まで変化させて得られた図５と同様のグラフから導き出された項である。
【００５１】
実際に、プラズマ励起型化学気相成長、スパッタリング等により形成したシリコン膜の屈折率は、成膜条件のばらつき等により、概ね３．６〜３．８５の範囲内で変動する。従って、第２の層２２の膜厚は、実際の成膜条件に適合した屈折率ｎ2を式（７６）に代入して決定することが好ましい。
【００５２】
第３の層２３の膜厚ｄ3（曲線ａ３）は、
ｄ3＝（０．２３−４．９×１０-3Ｒ＋７．７×１０-5Ｒ2）λ0／ｎ3・・・（７７）
と近似される。ここで、ｎ3は第３の層２３の屈折率、すなわち１．４５である。
【００５３】
また、各膜厚ｄ1〜ｄ3が、式（７５）〜（７７）から求まる値を中心として±１５ｎｍの範囲（図５の破線の範囲）で増減した場合、計算結果によると、反射率は±３％程度の範囲内で変動する。例えば、反射率が２５％となるように膜厚を設定した場合、膜厚の１５ｎｍ程度の変動により反射率が２２％と２８％との間で変動する。この程度の反射率の変動は、許容範囲内である。
【００５４】
また、各膜厚ｄ1〜ｄ3が、目標値から±１５ｎｍ程度増減した場合、レーザダイオードを空気中に配置した場合の反射率と樹脂封止した場合の反射率との差は、高々２％程度であるという計算結果が得られた。これに対し、単層反射膜を用いた場合には、その差は１０％にもなる。すなわち、各膜厚ｄ1〜ｄ3が±１５ｎｍの範囲で増減しても、空気中における反射率と樹脂封止後の反射率との差を小さくするという十分な効果が期待される。例えば、反射率を２６％としたい場合の好適な膜厚ｄ1、ｄ2、及びｄ3は、それぞれ２８．２ｎｍ以下、６６．２〜９６．２ｎｍ、及び１２１．２〜１５１．２ｎｍとなる。
【００５５】
なお、第１の層２１の膜厚を目標値から−１５ｎｍだけ薄くすると、膜厚ｄ1が０ｎｍになってしまう場合がある。ただし、実際には第１の層２１を成膜するため、現実には膜厚ｄ1が０ｎｍになることはなく、０ｎｍよりも厚くなる。現実的には、少なくとも２ｎｍ以上の膜厚になるであろう。
【００５６】
上記第３の実施例では、図５からわかるように、第１の層２１の膜厚ｄ1の取りうる範囲は４０ｎｍ以下である。従来の多層反射膜では、各層の厚さが１／４波長を基準に決定されるため、一般的なレーザダイオードに用いられる反射膜の各層の膜厚は２２０ｎｍ以上である。光学媒体に接する第１の層の膜厚を４０ｎｍ以下としていることは、第３の実施例の大きな特徴といえる。
【００５７】
なお、第３の実施例では、光学媒質の実効屈折率を３．２３とした場合について考察したが、光学媒質の屈折率が３．２３±０．０５の範囲内である場合に、好適な膜厚は、上述の式（７５）〜（７７）で近似することができる。
【００５８】
上記第３の実施例では、光学媒質に接する第１の層２１をＳｉＯ2で形成し、その上の第２の層２２をシリコンで形成し、その上の第３の層２３をＳｉＯ2で形成した。その他の材料についても、好ましい膜厚の組み合わせを計算により求めた。以下、他の材料を用いた場合の第１〜第３の変形例による光学装置の膜厚の組み合わせについて説明する。なお、第１〜第３の変形例で使用される光学媒質の屈折率は、第３の実施例の場合と同様である。
【００５９】
まず、第３の実施例の第１の変形例について説明する。第１の変形例においては、図４の第１の層２１及び第３の層２３を酸化アルミニウムで形成し、第２の層２２をシリコンで形成する。なお、酸化アルミニウムで形成された第１及び第３の層の屈折率ｎ1及びｎ3を１．７２とした。
【００６０】
第１の層２１の好適な膜厚ｄ1、第２の層２２の好適な膜厚ｄ2、及び第３の層２３の好適な膜厚ｄ3は、それぞれ、
ｄ1＝（１．７×１０-3＋１．１×１０-3Ｒ＋３．１×１０-5Ｒ2）λ0／ｎ1
ｄ2＝（２．３×１０-2＋３．５×１０-3Ｒ−５．６×１０-5Ｒ2）×（−１．４＋８．９／ｎ2）λ0
ｄ3＝（０．２１−１．９×１０-3Ｒ＋２．１×１０-5Ｒ2）λ0／ｎ3・・・（７８）
となる。
【００６１】
この場合の、各膜厚の許容範囲は、上述の式から求められた目標膜厚ｄ1〜ｄ3の±１５ｎｍである。また、第１の層の膜厚の上限は６０ｎｍである。例えば、反射率を２６％にするための好適な膜厚ｄ1、ｄ2、及びｄ3は、それぞれは、２３．８〜５３．８ｎｍ、７５．８〜１０５．８ｎｍ、及び１１７．５〜１４７．５ｎｍとなる。
【００６２】
次に、第３の実施例の第２の変形例について説明する。第２の変形例においては、図４の第１の層２１を酸化シリコンで形成し、第２の層２２をシリコンで形成し、第３の層２３を酸化アルミニウムで形成する。すなわち、ｎ1＝１．４５、ｎ2＝３．６〜３．８５、ｎ3＝１．７２である。
【００６３】
第１の層２１の好適な膜厚ｄ1、第２の層２２の好適な膜厚ｄ2、及び第３の層２３の好適な膜厚ｄ3は、それぞれ、
ｄ1＝（−３．１×１０-5＋３．６×１０-3Ｒ−３．５×１０-5Ｒ2）λ0／ｎ1
ｄ2＝（３．５×１０-2＋２．５×１０-3Ｒ−３．６×１０-5Ｒ2）×（−２．６＋１．４／ｎ2）λ0
ｄ3＝（０．２１−１．９×１０-3Ｒ＋２．１×１０-5Ｒ2）λ0／ｎ3・・・（７９）
となる。
【００６４】
この場合の、各膜厚の許容範囲は、上述の式から求められた目標膜厚ｄ1〜ｄ3の±１５ｎｍである。また、第１の層の膜厚の上限は４０ｎｍである。例えば、反射率を２６％にするための好適な膜厚ｄ1、ｄ2、及びｄ3は、それぞれは、２０．４〜５０．４ｎｍ、７３．４〜１０３．４ｎｍ、及び１１７．５〜１４７．５ｎｍとなる。
【００６５】
次に、第３の実施例の第３の変形例について説明する。第３の変形例においては、図４の第１の層２１を酸化アルミニウムで形成し、第２の層２２をシリコンで形成し、第３の層２３を酸化シリコンで形成する。すなわち、ｎ1＝１．７２、ｎ2＝３．６〜３．８５、ｎ3＝１．４５である。
【００６６】
第１の層２１の好適な膜厚ｄ1、第２の層２２の好適な膜厚ｄ2、及び第３の層２３の好適な膜厚ｄ3は、それぞれ、
ｄ1＝（０．１２−１．２×１０-2Ｒ＋３．２×１０-4Ｒ2）λ0／ｎ1
ｄ2＝（−２．７×１０-2＋３．４×１０-3Ｒ＋２．４×１０-5Ｒ2）×（−３．８＋２．８／ｎ2）λ0
ｄ3＝（０．２３−４．９×１０-3Ｒ＋７．７×１０-5Ｒ2）λ0／ｎ3・・・（８０）
となる。
【００６７】
この場合の、各膜厚の許容範囲は、上述の式から求められた目標膜厚ｄ1〜ｄ3の±１５ｎｍである。また、第１の層の膜厚の上限は５０ｎｍである。例えば、反射率を２６％にするための好適な膜厚ｄ1、ｄ2、及びｄ3は、それぞれは、０．９〜３０．９ｎｍ、６９．６〜９９．６ｎｍ、及び１２１．２〜１５１．２ｎｍとなる。
【００６８】
上述のように、第１〜第３の層の材料の組み合わせを変えると、各層の好適な膜厚も変わる。種々の材料の組み合わせについて、図５と同様のグラフを求めることにより、樹脂封止前の反射率と樹脂封止後の反射率との差の小さな３層反射膜を得ることが可能になる。
【００６９】
図６は、第３の実施例（第１〜第３の変形例を含む）による反射膜を図２に示すレーザダイオードに適用した場合の、樹脂封止前と樹脂封止後とのしきい値の変動量を、樹脂封止前のしきい値に対する比率で示す。横軸及び縦軸は、図３のそれらと同様である。
【００７０】
図６中の折れ線群ｃが、第３の実施例による３層反射膜を用いた場合のしきい値の変動幅を示し、折れ線群ｄが、従来の単層反射膜を用いた場合のしきい値の変動幅を示す。従来の場合には、樹脂封止することによりしきい値が２０％以上上昇している。これに対し、第３の実施例による３層反射膜を用いた場合には、しきい値変動率が±５％以下である。このように、第３の実施例による３層反射膜を用いることにより、樹脂封止することによって生ずるしきい値の変動を抑制することができる。
【００７１】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【符号の説明】
【００７２】
１、２０  光学媒質
２、２１  第１の層
３、２２  第２の層
４、２３  第３の層
５、２４  反射膜
１０  外枠
１１  ホルダ
１２  光ファイバ
１３  プラットホーム
１４  フォトダイオード
１５  押え板
１６  封止樹脂
１７  蓋
１８  信号入出力用端子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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