(57)【要約】【課題】熱伝導効率を高くし、大出力を得ることを可能にした波長可変型の面発光レーザを提供すること。【解決手段】成長層に垂直な方向にレーザ光を出射する面発光レーザにおいて、第一基板の一方の面上に成長層が積層されて形成され、第一基板の他方の面からレーザ光を出射する面発光レーザ素子と、第二基板に形成され、面発光レーザ素子と第二基板を接合することにより面発光レーザ素子の他方の面に共振用ギャップを形成した状態で対向配置される可動鏡、とを具備し、可動鏡は、第二基板上に駆動用ギャップを介して形成された可動梁上に形成され、可動梁を駆動用ギャップ方向に駆動して共振用ギャップの大きさを変化させることにより面発光レーザ素子から出射したレーザ光の波長を可変としたことを特徴とする面発光レーザ。【選択図】      図１
2004281733.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
成長層に垂直な方向にレーザ光を出射する面発光レーザにおいて、
第一基板の一方の面上に前記成長層が積層されて形成され、前記第一基板の他方の面から前記レーザ光を出射する面発光レーザ素子と、
第二基板に形成され、前記面発光レーザ素子と前記第二基板を接合することにより前記面発光レーザ素子の他方の面に共振用ギャップを形成した状態で対向配置される可動鏡、とを具備し、
前記可動鏡は、前記第二基板上に駆動用ギャップを介して形成された可動梁上に形成され、
前記可動梁を前記駆動用ギャップ方向に駆動して前記共振用ギャップの大きさを変化させることにより前記面発光レーザ素子から出射した前記レーザ光の波長を可変としたことを特徴とする面発光レーザ。
【請求項２】
請求項１記載の面発光レーザにおいて、
前記可動梁は、両端固定梁状、片持ち梁状または中空膜状に形成されることを特徴とする面発光レーザ。
【請求項３】
請求項１記載の面発光レーザにおいて、
前記可動鏡は、誘電体多層膜、金属膜、または誘電体多層膜と金属膜の組合わせによって構成され、前記可動梁との接続部には金属膜が設けられていることを特徴とする面発光レーザ。
【請求項４】
請求項１記載の面発光レーザにおいて、
前記第一基板の他方の面をエッチングすることにより形成された溝部を設けたことを特徴とする面発光レーザ。
【請求項５】
請求項１記載の面発光レーザにおいて、
前記可動鏡は凹面状に形成されていることを特徴とする面発光レーザ。
【請求項６】
請求項１記載の面発光レーザにおいて、
前記面発光レーザ素子は、
前記第一基板の一方の面上に形成された分布反射層と、前記分布反射層上あるいはクラッド層を介して前記分布反射層上に形成される活性層と、前記活性層上あるいはクラッド層を介して前記活性層上に形成され開口部を有する第一発光用電極と、前記第一基板の他方の面上に形成され光取出口を有する第二発光用電極、とを具備し、
前記第二基板の一方の面上には駆動用ギャップ形成層及び導電層が順次形成され、前記駆動用ギャップ形成層が選択的にエッチングされて前記駆動用ギャップが形成されることにより前記導電層が前記可動梁として形成され、
前記可動梁上には前記可動鏡及び第一駆動用電極が形成されると共に、前記第二基板の他方の面上には第二駆動用電極が形成され、
前記可動鏡が前記開口部に前記共振用ギャップを形成した状態で対向配置されるように前記第二発光用電極と前記第一駆動用電極とが接合され、
前記面発光レーザ素子は、前記第一発光用電極と前記第二発光用電極との間に通電することにより前記光取出口から前記レーザ光を出射し、
前記第一駆動用電極と前記第二駆動用電極との間に駆動電圧を印加することにより前記可動梁を前記駆動用ギャップの方向に駆動して前記共振用ギャップの大きさを変化させ、前記面発光レーザ素子から出射した前記レーザ光の波長を可変としたことを特徴とする面発光レーザ。
【請求項７】
請求項６記載の面発光レーザにおいて、
前記第一基板の他方の面をエッチングすることにより前記分布反射層に達するように形成された溝部を設けたことを特徴とする面発光レーザ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、成長層に垂直な方向にレーザ光を出射する面発光レーザに関し、特にレーザ光の波長を任意所望の波長に可変とすると共に、面発光レーザ素子の放熱特性を改善し、光共振器の動作を安定させることが可能な面発光レーザに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Ｖｅｒｔｉｃａｌ  Ｃａｖｉｔｙ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｌａｓｅｒ）は光通信用光源や光計測用光源として用いられ、特にＷＤＭ（Ｗａｖｅ  Ｌｅｎｇｔｈ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ：波長分割多重）等の波長多重通信に適用されている。
【０００３】
従来の可変波長型の面発光レーザは例えば特表２００２−５１１６６１号公報（特許文献１）に開示されている。
【０００４】
【特許文献１】
特表２００２−５１１６６１号公報
【０００５】
図５は従来の可変波長型の面発光レーザの縦断面図である。
図５において、３１はｎ型のＩｎＰ基板、３２はＩｎＰ基板３１の一方の面上に形成されたｎ型のＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ及びｎ型のＧａＡｓ／ＡｌＡｓの多層膜で構成される分布反射層（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｂｒａｇｇ  Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ、以下ＤＢＲ層と記す）、３３はＤＢＲ層３２上に形成されたＭＱＷ（Ｍｕｌｔｉ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｗｅｌｌ：多重量子井戸）等を用いた活性層である。
【０００６】
そして、３４は活性層３３上に形成された絶縁膜、３５は絶縁膜３４上に片持ち梁状に形成されたｎ型のＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ及びｎ型のＧａＡｓ／ＡｌＡｓの多層膜で構成されるＤＢＲ層、ｇはＤＢＲ層３５と活性層３３との間に形成されたエアギャップ、３６は活性層３３上に形成された上部電極、３７はＩｎＰ基板３１の他方の面に形成された下部電極、３８はＤＢＲ層３５上に形成された駆動電極、３９は下部電極３７に接合された金属マウントである。
【０００７】
次に、図５に示した可変波長型の面発光レーザの動作について説明する。
上部電極３６と下部電極３７との間に電圧が印加されると、上部電極３６から、活性層３３、ＤＢＲ層３２及びＩｎＰ基板３１を通り下部電極３７まで電流（正孔）が流れる。また、逆に下部電極３７から上部電極３６に向かって電子が流れる。
【０００８】
そして、バンドギャップの最も狭い活性層３３において正孔と電子の結合が生じて光が発光し、ＤＢＲ層３２とＤＢＲ層３５との間に形成される光共振器によって光増幅され、ＤＢＲ層３５側から出射される。
【０００９】
この場合、出射されるレーザ光の波長は、ＤＢＲ層３５と活性層３３との間に形成されるエアギャップｇの大きさに対応するので、このエアギャップｇの大きさを変化させることによりレーザ光の波長を変化させることができる。
【００１０】
次に、レーザ光の波長を変化させる動作について説明する。
ＤＢＲ層３５上に形成された駆動電極３８と上部電極３６との間に駆動電圧を印加すると、両者の間に静電気力が働き、片持ち梁状のＤＢＲ層３５は活性層３３側に変位し、エアギャップｇの大きさは小さくなる。
従って、駆動電圧を制御してエアギャップｇの大きさを制御することにより、任意所望のレーザ光の波長を得ることができる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このような可変波長型の面発光レーザにおいては、次のような問題点があった。
ＩｎＰ基板３１上の多層反射膜（ＤＢＲ層３２）の製膜においては、ＩｎＰと格子整合したＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓなどの材料の単結晶エピタキシャル層を積層する必要がある。
そして、これらの材料の組合わせでは屈折率を大きくとることができないため、大きな反射率を得るためにはその層数を多くする必要があり、結果として多層反射膜（ＤＢＲ層３２）における熱伝導率が低くなる。
【００１２】
面発光レーザは、レーザ光を発生させる活性層３３で発熱するが、上述の面発光レーザにおいては、熱伝導率の低いＤＢＲ層３２を介して活性層３３から遠いＩｎＰ基板３１及びヒートシンクとして機能する金属マウント３９側から発熱した熱を放熱するため、放熱の効率が低い。
従って、放熱の効率が低いため素子に大電流を流すことはできず、レーザ光の出力を大きく取ることが困難である。
【００１３】
本発明は上述した問題点を解決するためになされたものであり、熱伝導効率を高くし、大きな電流を流すことにより大出力を得ることを可能にした波長可変型の面発光レーザを提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１においては、成長層に垂直な方向にレーザ光を出射する面発光レーザにおいて、第一基板の一方の面上に前記成長層が積層されて形成され、前記第一基板の他方の面から前記レーザ光を出射する面発光レーザ素子と、第二基板に形成され、前記面発光レーザ素子と前記第二基板を接合することにより前記面発光レーザ素子の他方の面に共振用ギャップを形成した状態で対向配置される可動鏡、とを具備し、前記可動鏡は、前記第二基板上に駆動用ギャップを介して形成された可動梁上に形成され、前記可動梁を前記駆動用ギャップ方向に駆動して前記共振用ギャップの大きさを変化させることにより前記面発光レーザ素子から出射した前記レーザ光の波長を可変としたことを特徴とする面発光レーザである。
【００１５】
本発明の請求項２においては、請求項１記載の面発光レーザにおいて、前記可動梁は、両端固定梁状、片持ち梁状または中空膜状に形成されることを特徴とする面発光レーザである。
【００１６】
本発明の請求項３においては、請求項１記載の面発光レーザにおいて、前記可動鏡は、誘電体多層膜、金属膜、または誘電体多層膜と金属膜の組合わせによって構成され、前記可動梁との接続部には金属膜が設けられていることを特徴とする面発光レーザである。
【００１７】
本発明の請求項４においては、請求項１記載の面発光レーザにおいて、前記第一基板の他方の面をエッチングすることにより形成された溝部を設けたことを特徴とする面発光レーザである。
【００１８】
本発明の請求項５においては、請求項１記載の面発光レーザにおいて、前記可動鏡は凹面状に形成されていることを特徴とする面発光レーザである。
【００１９】
本発明の請求項６においては、請求項１記載の面発光レーザにおいて、前記面発光レーザ素子は、前記第一基板の一方の面上に形成された分布反射層と、前記分布反射層上あるいはクラッド層を介して前記分布反射層上に形成される活性層と、前記活性層上あるいはクラッド層を介して前記活性層上に形成され開口部を有する第一発光用電極と、前記第一基板の他方の面上に形成され光取出口を有する第二発光用電極、とを具備し、前記第二基板の一方の面上には駆動用ギャップ形成層及び導電層が順次形成され、前記駆動用ギャップ形成層が選択的にエッチングされて前記駆動用ギャップが形成されることにより前記導電層が前記可動梁として形成され、前記可動梁上には前記可動鏡及び第一駆動用電極が形成されると共に、前記第二基板の他方の面上には第二駆動用電極が形成され、前記可動鏡が前記開口部に前記共振用ギャップを形成した状態で対向配置されるように前記第二発光用電極と前記第一駆動用電極とが接合され、前記面発光レーザ素子は、前記第一発光用電極と前記第二発光用電極との間に通電することにより前記光取出口から前記レーザ光を出射し、前記第一駆動用電極と前記第二駆動用電極との間に駆動電圧を印加することにより前記可動梁を前記駆動用ギャップの方向に駆動して前記共振用ギャップの大きさを変化させ、前記面発光レーザ素子から出射した前記レーザ光の波長を可変としたことを特徴とする面発光レーザである。
【００２０】
本発明の請求項７においては、請求項６記載の面発光レーザにおいて、前記第一基板の他方の面をエッチングすることにより前記分布反射層に達するように形成された溝部を設けたことを特徴とする面発光レーザである。
【００２１】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施例について図面を用いて説明する。
図１は、本発明による波長可変型の面発光レーザの構成を示す断面図である。
【００２２】
図１において、１は面発光レーザ素子であり、２は第一基板としてのｎ型のＩｎＰ基板、３はＩｎＰ基板２の一方の面上に形成された例えばｎ型のＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓの多層膜からなる分布反射層（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｂｒａｇｇ  Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ、以下ＤＢＲ層と記す）、４はＤＢＲ層３上に形成されたＭＱＷ（Ｍｕｌｔｉ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｗｅｌｌ：多重量子井戸）等を用いた活性層である。
【００２３】
そして、５はｐ型の不純物として例えばＺｎが活性層４及びＤＢＲ層３に渡って拡散されているＺｎ拡散領域である。
６は例えばＺｎ拡散領域５に円形に取り囲まれたＺｎが拡散されていない発光領域、７は活性層４上に形成された第一発光用電極である。
【００２４】
そして、８は第一発光用電極７を形成する膜の発光領域６に対向する部分が例えばエッチング等により取り除かれて例えば円形に形成された開口部、９はＩｎＰ基板２の他方の面上に形成される第二発光用電極である。
【００２５】
そして、１０ａは第二発光用電極９を形成する膜の発光領域６に対向する部分がエッチング等により取り除かれて例えば円形に形成された光取出口である。
１０ｂは第二発光用電極９をマスクとしてＩｎＰ基板２をＤＢＲ層３に達するようにエッチングすることにより形成された溝部である。
【００２６】
尚、ＤＢＲ層３上に例えばｎ型のＩｎＰ層からなるクラッド層（図示しない）を形成し、このクラッド層を介して活性層４を形成しても良く、また、活性層４上に例えば不純物がドーピングされていないｕ−ＩｎＰからなるクラッド層（図示しない）を形成し、このクラッド層を介して第一発光用電極７を形成しても良い。
【００２７】
この場合、ＤＢＲ層３、活性層４、クラッド層は、ＩｎＰ基板２上に、例えば有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ：Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｖａｐｏｒ  Ｐｈａｓｅ  Ｅｐｉｔａｘｙ）法により成長層として順次積層される。
【００２８】
そして、１１は第二基板としてのｎ型のＳｉ基板、１２はｐ型のＳｉからなる駆動用ギャップ形成層、１３は高濃度のｐ型不純物がドープされて導電性を有するｐ＋＋型のＳｉからなる導電層である。
【００２９】
そして、１４は駆動用ギャップ形成層１２を異方性エッチング、濃度差エッチング、犠牲層エッチング等により加工して形成された駆動用ギャップであり、この駆動用ギャップ１４を形成することにより、導電層１３に可動梁１３ａが形成される。
【００３０】
そして、１５は駆動用ギャップに対向する可動梁１３ａ上に形成された例えばＴｉＯ２／ＳｉＯ２等の誘電体多層膜からなる可動鏡、１５ａは可動梁１３ａとの接続部に設けられた金属膜である。
【００３１】
そして、１６は導電層１３上に中央部が例えば円形に除去されて形成された第一駆動用電極であり、１７はＳｉ基板１１の他方の面に形成された第二駆動用電極である。
【００３２】
そして、第一発光用電極７と第一駆動用電極１６とを例えば半田１８により接合することにより、可動鏡１５が、面発光レーザ素子１の開口部８に共振用ギャップｇを形成した状態で対向配置されるように、面発光レーザ素子１とＳｉ基板１１とが接合されている。
【００３３】
また、可動梁１３ａは、図１に示したような両端固定梁に限らず、片持ち梁状または中空膜状となるように導電層１３を加工して形成しても良い。
【００３４】
次に、図１に示した面発光レーザの動作について説明する。
【００３５】
第一発光用電極７と第一駆動用電極１６は半田１８により接合されているので、第一駆動用電極１６と第二発光用電極９との間に電圧を印加すると、第一発光用電極７から活性層４、ＤＢＲ層３及びＩｎＰ基板２を通り第二発光用電極９まで電流（正孔）が流れる。また、逆に第二発光用電極９から第一発光用電極７に向かって電子が流れる。
【００３６】
尚、この場合、Ｚｎ拡散領域５に流れ込んだ電流は、横方向から発光領域６に流れ込み、ＤＢＲ層３及びＩｎＰ基板２を通り第二発光用電極９に流れる。
【００３７】
そして、バンドギャップの最も狭い発光領域６において正孔と電子の結合が生じて光が発光領域６より発光され、ＤＢＲ層３と可動鏡１５との間に形成される光共振器によって光増幅され、光取出口１０ａより出射される。
【００３８】
この場合、出射されるレーザ光の波長は、可動鏡１５と面発光レーザ素子１の開口部８との間に形成される共振用ギャップｇの大きさに対応するので、このギャップｇの大きさを変化させることによりレーザ光の波長を変化させることができる。
【００３９】
次に、レーザ光の波長を変化させる動作について説明する。
第一駆動用電極１６と第二駆動用電極１７との間に駆動電圧を印加すると、可動梁１３ａとＳｉ基板１１との間に静電気力が働き、可動梁１３ａは駆動用ギャップ１４を小さくする方向に変位し、共振用ギャップｇの大きさは大きくなる。従って、駆動電圧を制御して共振用ギャップｇの大きさを制御することにより、任意所望のレーザ光の波長を得ることができる。
【００４０】
上述のような面発光レーザにおいては、活性層４で発生した熱は、熱源（活性層４）から近く熱伝導率の高い金属の第一発光用電極７、半田１８、第一駆動用電極１６を介して、ヒートシンクとしてのＳｉ基板１１へ放熱されるので、熱源から遠く、熱伝導率の低いＤＢＲ層３を介して放熱を行っていた従来の場合と比較してその放熱効率を高くすることができる。
【００４１】
従って、放熱効率が高いので大電流を面発光レーザに供給することができ、結果として、大出力のレーザ光を得ることが可能となる。
【００４２】
また、可動梁１３ａをＳｉ基板１１側（駆動用ギャップ１４側）に駆動した場合、可動鏡１５の表面は凹面となるため、光共振器の回折損失を低減することができる。
【００４３】
ところで、図２に示すようにＩｎＰ基板２にＤＢＲ層３に達する溝部が形成されていない場合、ＩｎＰ基板１の光取り出し口１０ａを構成する面からの反射光が共振器内に戻ってくる。
【００４４】
また、可動鏡１５の可動梁１３ａとの接続部に金属膜が設けられていない場合、可動鏡１５を透過した光が駆動用ギャップ１４を構成する２つの面（Ｓｉ基板１１の表面と可動梁１３ａの下面）及びＳｉ基板１１の裏面からの反射光が共振器内に戻ってくる。
【００４５】
これらの場合、正常な多重反射に対して光路長の異なる共振系が発生し、光共振器が不安定になる。
【００４６】
しかし、図１に示した面発光レーザにおいては、ＩｎＰ基板２にＤＢＲ層３に達する溝部１０ｂが形成され、可動鏡１５の可動梁１３ａとの接続部に金属膜１５ａが透過防止膜として設けられているため、不正常な反射光の発生を防止することができ、結果として光共振器の動作を安定化させることができる。
【００４７】
次に、本発明による他の実施例について説明する。
尚、以下の図面において、図１と重複する部分は同一番号を付してその説明は適宜に省略する。
【００４８】
図３はＳＯＩ基板を使用した場合の構成図である。
２０はＳＯＩ基板であり、Ｓｉ基板２１上にＳｉＯ２膜２４を介してｐ型Ｓｉ単結晶からなる駆動用ギャップ形成層２２及びｐ＋＋型Ｓｉ単結晶からなる導電層２３から構成されている。
【００４９】
この場合、導電層２３は、ＳＯＩ基板の活性層に高濃度のｐ型不純物をドーピングすることにより形成され、活性層の不純物濃度が低い部分が駆動用ギャップ形成層２２、濃度が高い部分が導電層２３として形成される。
【００５０】
そして、２５はＳｉＯ２膜２４をエッチングストップ層として駆動用ギャップ形成層２２を異方性エッチング、濃度差エッチング等によりエッチングすることにより形成される駆動用ギャップであり、この駆動用ギャップ２４を形成することにより、導電層２３に可動梁２３ａが形成される。
【００５１】
図４は、図３に示した面発光レーザの可動鏡を凹面とした場合の構成図である。
図４において、可動梁２３ａを凹面上に加工し、その上部に誘電体多層膜からなる可動鏡１５を凹面上に形成したものである。
【００５２】
この場合、可動鏡１５は予め凹面状に形成されているので、光共振器の回折損失を低減することができる。
【００５３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、面発光レーザ素子と波長可変用の可動鏡が形成されるＳｉ基板とを半田により接合し、Ｓｉ基板に可動鏡の駆動用配線を形成すると共に、Ｓｉ基板を面発光レーザ素子のヒートシンクと機能するように構成したので、面発光レーザ素子の放熱効率を向上させることができ、大きな電流を流すことにより大出力を得ることを可能にした波長可変型の面発光レーザを提供することができる。
【００５４】
また、本発明によれば、可動鏡をＳｉ基板側へ駆動するようにしたので、可動鏡表面は凹面となり、光共振器の回折損失の低下を防止することができる。
【００５５】
また、本発明によれば、ＩｎＰ基板にＤＢＲ層に達する溝部を形成し、可動鏡の可動梁との接続部に透過防止膜としての金属膜を設けたので、不正常な反射光の発生を防止することができ、結果として光共振器の動作を安定化させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による波長可変型の面発光レーザの構成を示す断面図である。
【図２】本発明による波長可変型の面発光レーザの動作を説明するための図である。
【図３】本発明による他の実施例の構成を示す断面図である。
【図４】本発明による他の実施例の構成を示す断面図である。
【図５】従来の波長可変型の面発光レーザの構成を示す図である。
【符号の説明】
１  面発光レーザ素子
２  ＩｎＰ基板
３  ＤＢＲ層
４  活性層
６  発光領域
７  第一発光用電極
８  開口部
９  第二発光用電極
１０ａ  光取出口
１０ｂ  溝部
１１  Ｓｉ基板
１２  駆動用ギャップ形成層
１３  導電層
１３ａ  可動梁
１４  駆動用ギャップ
１５  可動鏡
１５ａ  金属膜
１６  第一駆動用電極
１７  第二駆動用電極
１８  半田
ｇ  共振用ギャップ
【図１】
2004281733.tif 000003
【図２】
2004281733.tif 000004
【図３】
2004281733.tif 000005
【図４】
2004281733.tif 000006
【図５】
2004281733.tif 000007