(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、第一基板に成長層が積層されて形成され、一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ギャップを形成した状態で対向配置される可動ミラー、とを具備し、可動ミラーを駆動して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
2004087903.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、
第一基板に前記成長層が積層されて形成され、一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ギャップを形成した状態で対向配置される可動ミラー、とを具備し、
前記可動ミラーを駆動して前記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、
前記可動ミラーは、両端固定梁状、片持ち梁状または中空膜状に前記第二基板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、
前記可動ミラーは、静電力またはバイメタル効果によって駆動され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、
前記可動ミラーは、誘電体多層膜、金属、または誘電体多層膜と金属の組合わせによって構成される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し口を有する第二発光用電極、とを具備し、
前記第二基板は、前記可動ミラーが前記開口部及び前記第一発光用電極に対向するように前記面発光レーザ素子に接合され、
前記可動ミラーは、前記第一発光用電極と対向する位置に形成される駆動用電極を具備すると共に、前記第一発光用電極と前記駆動用電極の間に印加される駆動電圧により発生する静電力によって駆動され、
前記レーザ光は、前記第二発光用電極に形成された光取出し口より取出される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法熱特性を改善す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　ＤｉｖｉｓｉｏｎＭｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ：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号公報に開示されている。
【０００４】
図６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６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。
【０００５】
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。
【０００６】
次に、図６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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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用電極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。
【００１０】
【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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
【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、第一基板に前記成長層が積層されて形成され、一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ギャップを形成した状態で対向配置される可動ミラー、とを具備し、前記可動ミラーを駆動して前記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。
【００１４】
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、前記可動ミラーは、両端固定梁状、片持ち梁状または中空膜状に前記第二基板に形成される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、前記可動ミラーは、静電力またはバイメタル効果によって駆動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、前記可動ミラーは、誘電体多層膜、金属、または誘電体多層膜と金属の組合わせによって構成され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し口を有する第二発光用電極、とを具備し、前記第二基板は、前記可動ミラーが前記開口部及び前記第一発光用電極に対向するように前記面発光レーザ素子に接合され、前記可動ミラーは、前記第一発光用電極と対向する位置に形成される駆動用電極を具備すると共に、前記第一発光用電極と前記駆動用電極の間に印加される駆動電圧により発生する静電力によって駆動され、前記レーザ光は、前記第二発光用電極に形成された光取出し口より取出されることを特徴とする面発光レーザである。
【００１８】
【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（ａ），（ｂ）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。
尚、図１（ｂ）は図１（ａ）の紙面に垂直方向の断面図である。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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、１０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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
そして、１１は第二基板としてのＳｉ基板であり、Ｓｉ基板１１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のマイクロ加工技術により加工することにより例えば高濃度のボロンがドーピングされたＳｉ梁１２、Ｖ字状の溝部１３が形成されている。
【００２５】
１４はＳｉ梁１２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ミラー、１５ａ、１５ｂは可動ミラー１４上に形成された第一駆動用電極、１６は第一駆動用電極１５ａの中央部が例えば円形に除去されて可動ミラー１４の表面が露出するように形成された光反射部である。
そして、１７は第一駆動用電極１５ａ、１５ｂを構成する膜がパターニングされて形成された接合電極であり、１８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。
【００２６】
そして、第一発光用電極７と接合電極１７とを例えば半田１９により接合することにより、可動ミラー１４の光反射部１６が、面発光レーザ素子１のレーザ光を出射する面である開口部８にエアギャップｇを形成した状態で対向配置されると共に、第一駆動用電極１５ａと第一発光用電極７とが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。
そして、金属マウント２０と第二駆動用電極１８とが例えば半田２１により接続される。
【００２７】
尚、第一発光用電極７と第二駆動用電極１８とはＳｉ基板１１を介して電気的に接続されており、第一駆動用電極１５ｂは第一駆動用電極１５ａに外部から電圧を印加するための電極である。
従って、第一駆動用電極１５ｂと第二駆動用電極１８との間に駆動電圧を印加すると、第一発光用電極７と第一駆動用電極１５ａとの間に駆動電圧を印加することができる。
【００２８】
また、可動ミラー１４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Ｓｉ基板２を加工して形成しても良い。
【００２９】
図２〜図４は可動ミラーの作成方法の例を示す図である。
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。
【００３０】
図２（ａ）において、Ｓｉ基板１１にＳｉ梁１２及び面発光レーザ素子１との接続部２１ａ，２１ｂに高濃度のボロンをドーピングし、図２（ｂ）において、Ｓｉ基板１１をアルカリ異方性エッチングすることによりＳｉ梁１２、溝部１３を形成する。
【００３１】
図３（ａ）において、２２は、Ｓｉ層２２ａ、酸化膜層２２ｂ、Ｓｉ層２２ｃからなるＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ　Ｏｎ　Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板であり、図３（ｂ）において、Ｓｉ層２２ａをフォトエッチングしてＳｉ梁１２及び面発光レーザ素子１との接続部２１ａ，２１ｂを形成し、図３（ｃ）において酸化膜層２２ｂをエッチングすることによりＳｉ梁１２、溝部１３を形成する。この場合は、溝部は方形状に形成される。
【００３２】
図４（ａ）において、２３は酸化膜層、２４はＰｏｌｙ−Ｓｉ層であり、図４（ｂ）において、Ｐｏｌｙ−Ｓｉ層２４をフォトエッチングしてＳｉ梁１２及び面発光レーザとの接続部２１ａ，２１ｂを形成し、図４（ｃ）において酸化膜層２３をエッチングすることによりＳｉ梁１２、溝部１３を形成する。この場合は、溝部は方形状に形成される。
【００３３】
また、可動ミラーは、図１に示したようなＴｉＯ２／ＳｉＯ２等の誘電体多層膜に限らず、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ等の金属、または誘電体多層膜と金属の組合わせ、あるいは誘電体多層膜のみによって構成されるようにしても良い。
【００３４】
図５（ａ）は、可動ミラー１４をＳｉ梁１２上に金属膜のみを製膜することによりして形成した場合を示す図であり、図５（ｂ）は可動ミラー１４をＳｉ梁を形成せず、誘電体多層膜のみで形成した場合を示す図である。
図５（ｂ）に示したように可動ミラー１４を誘電体多層膜のみで形成した場合は、誘電体多層膜の膜応力により可動ミラー１４は凹面となる。
【００３５】
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。
第一発光用電極７と第二発光用電極９との間に電圧が印加されると、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と可動ミラー１４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１０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、可動ミラー１４の光反射部１６と面発光レーザ素子１のレーザ光を出射する面である開口部８との間に形成されるギャップ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１５ｂと第二駆動用電極１８との間に駆動電圧を印加すると、第一発光用電極７と第一駆動用電極１５ａとの間に駆動電圧が印加され、第一発光用電極７と第一駆動用電極１５ａとの間に静電気力が働き、可動ミラー１４は第一光取出口８の方向に変位し、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】
尚、可動ミラー１４は、静電力に限らず、例えば可動ミラー１４に金属を設けバイメタル効果によって駆動することも可能である。
【００４１】
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１９、接合電極１７を介して、Ｓｉ基板を経由して金属マウント２０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。
【００４２】
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。
【００４３】
【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ミラーが形成されるＳｉ基板とを半田により接合し、Ｓｉ基板に可動ミラー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。
【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】可動ミラーの作成方法の例を示す図である。
【図３】可動ミラーの作成方法の例を示す図である。
【図４】可動ミラーの作成方法の例を示す図である。
【図５】可動ミラーの構成の例を示す図である。
【図６】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
１０　光取出口
１１　Ｓｉ基板
１２　Ｓｉ梁
１３　溝部
１４　可動ミラー
１５ａ，１５ｂ　第一駆動用電極
１６　光反射部
１７　接合電極
１８　第二駆動用電極
１９　半田
ｇ　ギャップ
【図１】
2004087903.tif 000003
【図２】
2004087903.tif 000004
【図３】
2004087903.tif 000005
【図４】
2004087903.tif 000006
【図５】
2004087903.tif 000007
【図６】
2004087903.tif 000008