波長可変半導体レーザ
【課題】比較的簡単な構成で、出力光をより広い波長可変範囲にわたって高速で連続的に掃引変化させることができ、低消費電力で駆動できる小型の波長可変半導体レーザを提供すること。
【解決手段】 アクチュエータが形成されたＳＯＩ基板上に端面出射型半導体レーザが実装され、前記アクチュエータには前記端面出射型半導体レーザのレーザ光出射端面と対向するように可動ミラー部が設けられた波長可変半導体レーザにおいて、
前記端面出射型半導体レーザには、光軸方向に沿ってＤＢＲが形成されていることを特徴とするもの。
【解決手段】 アクチュエータが形成されたＳＯＩ基板上に端面出射型半導体レーザが実装され、前記アクチュエータには前記端面出射型半導体レーザのレーザ光出射端面と対向するように可動ミラー部が設けられた波長可変半導体レーザにおいて、
前記端面出射型半導体レーザには、光軸方向に沿ってＤＢＲが形成されていることを特徴とするもの。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、波長可変半導体レーザに関し、詳しくは、可動ミラーを用いた端面出射型波長可変半導体レーザの改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信や光を応用した各種の計測分野における光源として、出力光をより広い波長可変範囲にわたって高速で連続的に掃引変化させることができ、低消費電力で駆動できる小型の波長可変半導体レーザが求められている。
【０００３】
図５は、特許文献１に記載されている従来の波長可変半導体レーザの一例を示す構成説明図である。図５において、シリコン基板１１上には半導体レーザ１２がボンディングされ、一方の共振器として形成されている。この一方の共振器の近傍には、外部ミラー１３を形成する可動の両持ち梁１４が形成されている。
【０００４】
両持ち梁１４は、部分的に形成された絶縁膜１５上にアンカー１６を有するものであって、その一方の側面は垂直で外部ミラー１３として形成されている。他方の側面は少なくとも１つ以上の凹凸形状の櫛形部１７を有し、この櫛形部１７に対向して絶縁膜１５上に凹凸形状の固定櫛形部１８が形成されている。これらにより、マイクロアクチュエータ１９が構成されている。
【０００５】
半導体レーザ１２に電極パッド２０を形成する。そして、可動両持ち梁１４と固定櫛形部１８にそれぞれ電極パッド２１，２２を貼着し、両者の間に電圧を印加する。これにより、その静電力によって可動両持ち梁１４が駆動され、レーザ光を反射する外部ミラー１３が光軸方向に変位し、縦モードの制御を行うことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第３１９６７９１号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、このように構成される従来の端面出射型（水平共振器型）半導体レーザの共振器長は波長の１０００倍程度と長いため、その出力波長特性に注目すると、図６（Ａ）に示すように、半導体利得波長帯域ＧＢ中に多数のファブリペローモードＦＰＭが存在することなる。
【０００８】
ところが、図６（Ａ）に示す出力波長特性は単一波長モードではないため、そのままでは光通信や光を応用した各種の計測分野における光源として用いることはできない。
【０００９】
そこで、図６（Ａ）に示す出力波長特性を有する端面出射型波長可変レーザに、単一のファブリペローモードを選択するためのファブリペローモード選択手段と、選択されたファブリペローモードにおける波長を変化させるための波長可変手段を設け、図６（Ｂ）に示すような単一波長モードの出力波長特性を得ている。
【００１０】
しかし、これらファブリペローモード選択手段と波長可変手段を組み合わせる従来の構成は、離散的なファブリペローモードを選択するために連続的に波長変化させることができないという問題がある。
【００１１】
また、装置全体の構成が極めて複雑な構造になり、波長可変制御動作も複雑になるという課題もある。
【００１２】
本発明は、このような課題を解決するもので、その目的は、比較的簡単な構成で、出力光をより広い波長可変範囲にわたって高速で連続的に掃引変化させることができ、低消費電力で駆動できる小型の波長可変半導体レーザを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
アクチュエータが形成されたＳＯＩ基板上に端面出射型半導体レーザが実装され、前記アクチュエータには前記端面出射型半導体レーザのレーザ光出射端面と対向するように可動ミラー部が設けられた波長可変半導体レーザにおいて、
前記端面出射型半導体レーザには、光軸方向に沿ってＤＢＲが形成されていることを特徴とする。
【００１４】
請求項２記載の発明は、
請求項１記載の波長可変半導体レーザにおいて、
前記ＤＢＲは、光軸に対して垂直方向にエッチングされた溝により形成されていることを特徴とする。
【００１５】
請求項３記載の発明は、
請求項２記載の波長可変半導体レーザにおいて、
前記エッチング溝の深さは、前記端面出射型半導体レーザの活性層に達していないことを特徴とする。
【００１６】
請求項４記載の発明は、
請求項２記載の波長可変半導体レーザにおいて、
前記エッチング溝の深さは、前記端面出射型半導体レーザの活性層を越えていることを特徴とする。
【００１７】
請求項５記載の発明は、
請求項１から請求項４のいずれかに記載の波長可変半導体レーザにおいて、
前記可動ミラー部は、前記端面出射型半導体レーザのレーザ光出射端面との対向面が光軸方向に沿って周期的に配列されたＤＢＲとして形成されていることを特徴とする。
【００１８】
請求項６記載の発明は、
請求項１から請求項５のいずれかに記載の波長可変半導体レーザにおいて、
前記可動ミラー部は、前記端面出射型半導体レーザのレーザ光出射端面との対向面が凹面に形成されていることを特徴とする。
【００１９】
請求項７記載の発明は、
請求項１記載の波長可変半導体レーザにおいて、
前記アクチュエータは、可動くし型部と固定くし型部よりなるくし型アクチュエータであることを特徴とする。
【００２０】
請求項８記載の発明は、
請求項１記載の波長可変半導体レーザにおいて、
前記アクチュエータにはヒータとして機能する抵抗パターン層を設けたことを特徴とする。
【００２１】
請求項９記載の発明は、
請求項１記載の波長可変半導体レーザにおいて、
前記アクチュエータにはピエゾ圧電素子層を設けたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
アクチュエータを用いた可動ミラーと端面出射型半導体レーザを組み合わせた波長可変レーザにおいて、端面出射型半導体レーザの光軸方向に沿ってＤＢＲを形成し、これを光共振器の一方のミラーとすることで、素子を組立て可能な大きさに保ちながら出射端面とミラーとの距離を短くでき、ＤＢＲミラーと可動ミラーで形成される光共振器の共振器長を短くできる。共振器長が短くなることにより、半導体の利得波長帯域ＧＢ中にはファブリペローモードが一つだけ存在することになり、外部からファブリペローモード選択手段や波長可変手段を設けないこのままの構造で単一モード発振を行う。
【００２３】
また、アクチュエータに電圧を印加して共振器長を変化させることにより、発振波長を変化させることができる。
【００２４】
これらにより、出力光をより広い波長可変範囲にわたって高速で連続的に掃引変化させることができ、小型で低消費電力の波長可変レーザを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の一実施例を示す構成説明図である。
【図２】本発明の他の実施例を示す構成説明図である。
【図３】本発明の他の実施例を示す構成説明図である。
【図４】本発明の他の実施例を示す構成説明図である。
【図５】従来の波長可変半導体レーザの一例を示す構成説明図である。
【図６】波長可変半導体レーザの出力波長特性図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明の一実施例を示す構成説明図であって、端面出射型レーザがジャンクションアップでボンディングされた例であり、（Ａ）は上面図、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ断面図を示している。
【００２７】
図１において、端面出射型半導体レーザとして用いるＩｎＰ系の量子カスケード半導体レーザ１０の長手方向に沿って周期的に等間隔で垂直方向のエッチング（本実施例では４列の溝穴部）が施され、一方のミラーとして機能するＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector;分布反射器）１１が形成されている。
【００２８】
ＤＢＲ１１の一端には利得領域１２が形成され、他端には量子カスケード半導体レーザ１０をチップボンディングするときのハンドリング部１３が形成されている。なお、利得領域１２の端面には、実現したい波長可変半導体レーザの特性によっては、必要に応じて無反射コートが形成される。
【００２９】
ＤＢＲ１１の基板幅および溝穴幅は、屈折率値を考慮し、それぞれの光路長が出力波長帯中央波長の１／４となるように設定される。ただし、幅が狭くなりすぎて加工が困難な場合には、ｎを整数として光路長を波長の（１／４＋ｎ／２）としてもよい。溝穴部の深さは、図１の例では活性層１４を越えているが、実現したい波長可変半導体レーザの特性によっては、活性層１４を越えない場合もある。
【００３０】
なお、量子カスケード半導体レーザ１０のハンドリング部１３を除くＤＢＲ１１と利得領域１２の表面には電極層１５が形成され、裏面には全面にわたって電極層１６が形成されている。
【００３１】
量子カスケード半導体レーザ１０は、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板２０上に積層されたＳｉＯ２層２１および電極層２２を介して、ジャンクションアップの状態でチップボンディングされる。
【００３２】
アクチュエータ３０は、くし型アクチュエータの例を示している。くし型アクチュエータ３０は、ＳＯＩ基板２０のシリコン層がＭＥＭＳ技術に基づくエッチングにより所定のパターンに形成され、シリコン層下部のＳｉＯ２層が選択的に除去された可動くし型部３１と固定くし型部３２とで構成されている。
【００３３】
可動くし型部３１は、梁部分が変位可能なように両持ち梁状に形成されている。梁のほぼ中央部分には、チップボンディングされる量子カスケード半導体レーザ１０の利得領域１２の端面と対向するように、可動ミラー部３１ａが形成されている。
【００３４】
可動ミラー部３１ａは、利得領域１２の端面との対向面が凹面に形成されていて、梁と直交する光軸の方向に沿って周期的に等間隔で複数列（本実施例では目の字状に４列）設けられている。可動ミラー部３１ａもＤＢＲとして機能するものであり、列幅および溝幅は、前述のＤＢＲ１１と同様に、屈折率値を考慮し、それぞれの光路長が出力波長帯中央波長の１／４となるように設定される。ただし、幅が狭くなりすぎて加工が困難な場合には、ｎを整数として光路長を波長の（１／４＋ｎ／２）としてもよい。
【００３５】
可動ミラー部３１ａの両側近傍には、それぞれ等間隔のくしの歯パターン３１ｂ、３１ｃが形成されている。
【００３６】
固定くし型部３２の可動くし型部３１の可動ミラー部３１ａと対向する部分は、可動ミラー部３１ａが光軸方向に沿って自由に変位できる凹部３２ａとして、可動ミラー部３１ａよりも大きく切り欠かれている。この凹部３２ａの両側近傍には、それぞれ等間隔のくしの歯パターン３２ｂ、３２ｃが、対向する可動くし型部３１のくしの歯パターン３１ｂ、３１ｃと互いに嵌め合うように形成されている。
【００３７】
そして、これら可動くし型部３１と固定くし型部３２間には、静電気によりくし型アクチュエータ３０として駆動するための可変直流電源Ｅが接続されている。
【００３８】
量子カスケード半導体レーザ１０には、光軸方向に沿って屈折率差が非常に大きい空気と半導体が交互に配列することにより、少ない繰返し周期（本実施例では４列の溝穴部）で広い波長帯域で高反射率を有するＤＢＲ１１を形成し、これを光共振器の一方のミラーとしているので、量子カスケード半導体レーザ１０を組立て可能な大きさに保ちながら出射端面とミラーとの距離を短くでき、ＤＢＲ１１のミラーと可動くし型部３１の可動ミラー部３１ａとで形成される光共振器の共振器長を短くできる。
【００３９】
光共振器の共振器長が短くなることにより、量子カスケード半導体レーザ１０の利得波長帯域中にはファブリペローモードが一つだけ存在することになり、このままの構造で単一モード発振させることができる。
【００４０】
このような構成において、可動くし型部３１と固定くし型部３２間に接続されている可変直流電源Ｅの出力電圧を調整して、可動くし型部３１と固定くし型部３２間に発生する静電気による吸引力を変化させることにより、量子カスケード半導体レーザ１０の端面から出力されるレーザ光の波長を、ＤＢＲ１１を設けていない共振器長の長い従来の構成よりも広い範囲にわたって連続して変化させることができる。
【００４１】
可動ミラー部３１ａに着目すると、屈折率差が非常に大きい空気とシリコンが交互に配列されているので、量子カスケード半導体レーザ１０のＤＢＲ１１と同様に、広い波長帯域で高反射率を有するミラーが形成できる。
【００４２】
また、可動ミラー部３１ａの量子カスケード半導体レーザ１０の利得領域１２の端面との対向面が凹面に形成されているので、量子カスケード半導体レーザ１０の利得領域１２の端面から照射される出力光を効率よく集光でき、光損失を少なくできる。
【００４３】
また、くし型アクチュエータ３０は、ＳＯＩ基板２０のシリコンを用いてＳＯＩ基板２０に作りこまれているので、半導体製造シリコンプロセスとの整合性がよく、大量生産が図れる。
【００４４】
また、ＳＯＩ基板２０上に量子カスケード半導体レーザ１０をチップボンディングするので、波長可変半導体レーザ全体としての小型化が図れる。
【００４５】
図２は本発明の他の実施例を示す構成説明図であって、端面出射型レーザがジャンクションダウンでボンディングされた例であり、（Ａ）は上面図、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ断面図を示している。なお、図１と共通する部分には同一の符号を付けている。
【００４６】
図２において、ジャンクションダウンでボンディングされた量子カスケード半導体レーザ１０のハンドリング部１３にはスペーサ層１７が形成されている。そして、ＳＯＩ基板２０には、可動くし型部３１に設けられている可動ミラー部３１ａの端面と対向するように、光ファイバ４０を固定するための溝部２３が形成されている。
【００４７】
図２のように構成することにより、波長可変半導体レーザと光ファイバ４０との位置合わせを簡単に行える。
【００４８】
また、ジャンクションダウンでボンディングするので、量子カスケード半導体レーザ１０の発熱は効率よくＳＯＩ基板２０を介して放熱されることになり、量子カスケード半導体レーザ１０の発熱による影響を大幅に軽減でき、波長可変半導体レーザとしての出力波長の安定性や出力の安定性を改善できる。
【００４９】
図３も本発明の他の実施例を示す構成説明図であって、端面出射型レーザがジャンクションアップでボンディングされた例であり、（Ａ）は上面図、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ断面図を示している。なお、図１と共通する部分には同一の符号を付けている。
【００５０】
図３において、可動ミラー部３１ａが形成されている可動部３１の表面には、図１のくし型パターン３１ｂ、３１ｃに代えて、ヒータとして機能するたとえばミランダ状の抵抗パターン層３３ａ、３３ｂが被着形成されている。これら抵抗パターン層３３ａ、３３ｂには、発熱駆動するための可変直流電源Ｅが接続されている。
【００５１】
このような構成において、抵抗パターン層３３ａ、３３ｂは、接続されている可変直流電源Ｅの出力電圧値に応じて発熱駆動される。抵抗パターン層３３ａ、３３ｂが発熱駆動されることにより可動部３１が加熱されて膨張し、可動ミラー部３１ａは量子カスケード半導体レーザ１０の光軸方向に沿って変位する。
【００５２】
これにより、可変直流電源Ｅの出力電圧値に応じて、量子カスケード半導体レーザ１０の端面から出力されるレーザ光の波長を、任意の値に調整できる。
【００５３】
そして、このような構成によれば、図１や図２のくし型アクチュエータを構成するためのくし型部３２が不要になり、構成の大幅な簡略化が図れる。
【００５４】
なお、図３の抵抗パターン層３３ａ、３３ｂに代えて、ペルチェ素子を設けてもよい。ペルチェ素子を用いることにより、可変直流電源Ｅの出力電圧極性に応じて加熱冷却も行えることから、可動部３１を抵抗パターン層３３ａ、３３ｂの加熱だけで変位させる場合に比べて大きく変位させることができる。
【００５５】
図４も本発明の他の実施例を示す構成説明図であって、端面出射型レーザがジャンクションアップでボンディングされた例であり、（Ａ）は上面図、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ断面図を示している。なお、図１と共通する部分には同一の符号を付けている。
【００５６】
図４において、可動ミラー部３１ａが形成されている可動部３１の表面には、図１のくし型パターン３１ｂ、３１ｃに代えて、ピエゾ圧電素子３５ａ、３５ｂを挟むように電極層３４ａ、３４ｂと３６ａ、３６ｂが被着積層形成されている。これら電極層３４ａ、３４ｂと３６ａ、３６ｂには、可変直流電源Ｅが接続されている。
【００５７】
このような構成において、これら電極層３４ａ、３４ｂと３６ａ、３６ｂに接続されている可変直流電源Ｅの出力電圧を調整することによりピエゾ圧電素子３５ａ、３５ｂの変位量が変化し、可変直流電源Ｅの出力電圧の値に応じて可動部３１の可動ミラー部３１ａは量子カスケード半導体レーザ１０の光軸方向に沿って変位する。
【００５８】
これにより、可変直流電源Ｅの出力電圧値に応じて、量子カスケード半導体レーザ１０の端面から出力されるレーザ光の波長を、任意の値に調整することができる。
【００５９】
なお、上記各実施例では、端面出射型半導体レーザとして量子カスケード半導体レーザを用いる例について説明したが、これに限るものではなく、その他の端面出射型半導体レーザを用いてもよい。
【００６０】
また、上記各実施例では、ＤＢＲとして垂直方向にエッチングされた溝穴部を用いる例について説明したが、これに限るものではなく、その他の構造のＤＢＲを用いてもよい。
【００６１】
以上説明したように、本発明によれば、端面出射型半導体レーザの光軸方向に沿ってＤＢＲを形成して光共振器の一方のミラーとし、アクチュエータに設けられた可動ミラーを光共振器の他方のミラーとすることで光共振器の共振器長を短くでき、半導体の利得波長帯域中に一つだけ存在するファブリペローモードをこのままの構造で単一モード発振させることができ、アクチュエータに電圧を印加して共振器長を変化させることにより発振波長を変化させることができ、出力光をより広い波長可変範囲にわたって高速で連続的に掃引変化させることができる小型で低消費電力の波長可変レーザを実現でき、光通信や光を応用した各種の計測分野における光源として好適である。
【符号の説明】
【００６２】
１０ 端面出射型レーザ（量子カスケード半導体レーザ）
１１ ＤＢＲ
１２ 利得領域
１３ ハンドリング部
２０ ＳＯＩ基板
２１ ＳｉＯ２層
２２ 電極層
２３ 溝部
３０ アクチュエータ
３１ 可動部
３１ａ 可動ミラー部
３１ｂ、３１ｃ くしの歯パターン
３２ 固定部
３２ａ 凹部
３２ｂ、３２ｃ くしの歯パターン
３３ 抵抗パターン層
３４、３６ 電極層
３５ ピエゾ圧電素子
４０ 光ファイバ
Ｅ 可変直流電源
【技術分野】
【０００１】
本発明は、波長可変半導体レーザに関し、詳しくは、可動ミラーを用いた端面出射型波長可変半導体レーザの改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信や光を応用した各種の計測分野における光源として、出力光をより広い波長可変範囲にわたって高速で連続的に掃引変化させることができ、低消費電力で駆動できる小型の波長可変半導体レーザが求められている。
【０００３】
図５は、特許文献１に記載されている従来の波長可変半導体レーザの一例を示す構成説明図である。図５において、シリコン基板１１上には半導体レーザ１２がボンディングされ、一方の共振器として形成されている。この一方の共振器の近傍には、外部ミラー１３を形成する可動の両持ち梁１４が形成されている。
【０００４】
両持ち梁１４は、部分的に形成された絶縁膜１５上にアンカー１６を有するものであって、その一方の側面は垂直で外部ミラー１３として形成されている。他方の側面は少なくとも１つ以上の凹凸形状の櫛形部１７を有し、この櫛形部１７に対向して絶縁膜１５上に凹凸形状の固定櫛形部１８が形成されている。これらにより、マイクロアクチュエータ１９が構成されている。
【０００５】
半導体レーザ１２に電極パッド２０を形成する。そして、可動両持ち梁１４と固定櫛形部１８にそれぞれ電極パッド２１，２２を貼着し、両者の間に電圧を印加する。これにより、その静電力によって可動両持ち梁１４が駆動され、レーザ光を反射する外部ミラー１３が光軸方向に変位し、縦モードの制御を行うことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第３１９６７９１号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、このように構成される従来の端面出射型（水平共振器型）半導体レーザの共振器長は波長の１０００倍程度と長いため、その出力波長特性に注目すると、図６（Ａ）に示すように、半導体利得波長帯域ＧＢ中に多数のファブリペローモードＦＰＭが存在することなる。
【０００８】
ところが、図６（Ａ）に示す出力波長特性は単一波長モードではないため、そのままでは光通信や光を応用した各種の計測分野における光源として用いることはできない。
【０００９】
そこで、図６（Ａ）に示す出力波長特性を有する端面出射型波長可変レーザに、単一のファブリペローモードを選択するためのファブリペローモード選択手段と、選択されたファブリペローモードにおける波長を変化させるための波長可変手段を設け、図６（Ｂ）に示すような単一波長モードの出力波長特性を得ている。
【００１０】
しかし、これらファブリペローモード選択手段と波長可変手段を組み合わせる従来の構成は、離散的なファブリペローモードを選択するために連続的に波長変化させることができないという問題がある。
【００１１】
また、装置全体の構成が極めて複雑な構造になり、波長可変制御動作も複雑になるという課題もある。
【００１２】
本発明は、このような課題を解決するもので、その目的は、比較的簡単な構成で、出力光をより広い波長可変範囲にわたって高速で連続的に掃引変化させることができ、低消費電力で駆動できる小型の波長可変半導体レーザを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
アクチュエータが形成されたＳＯＩ基板上に端面出射型半導体レーザが実装され、前記アクチュエータには前記端面出射型半導体レーザのレーザ光出射端面と対向するように可動ミラー部が設けられた波長可変半導体レーザにおいて、
前記端面出射型半導体レーザには、光軸方向に沿ってＤＢＲが形成されていることを特徴とする。
【００１４】
請求項２記載の発明は、
請求項１記載の波長可変半導体レーザにおいて、
前記ＤＢＲは、光軸に対して垂直方向にエッチングされた溝により形成されていることを特徴とする。
【００１５】
請求項３記載の発明は、
請求項２記載の波長可変半導体レーザにおいて、
前記エッチング溝の深さは、前記端面出射型半導体レーザの活性層に達していないことを特徴とする。
【００１６】
請求項４記載の発明は、
請求項２記載の波長可変半導体レーザにおいて、
前記エッチング溝の深さは、前記端面出射型半導体レーザの活性層を越えていることを特徴とする。
【００１７】
請求項５記載の発明は、
請求項１から請求項４のいずれかに記載の波長可変半導体レーザにおいて、
前記可動ミラー部は、前記端面出射型半導体レーザのレーザ光出射端面との対向面が光軸方向に沿って周期的に配列されたＤＢＲとして形成されていることを特徴とする。
【００１８】
請求項６記載の発明は、
請求項１から請求項５のいずれかに記載の波長可変半導体レーザにおいて、
前記可動ミラー部は、前記端面出射型半導体レーザのレーザ光出射端面との対向面が凹面に形成されていることを特徴とする。
【００１９】
請求項７記載の発明は、
請求項１記載の波長可変半導体レーザにおいて、
前記アクチュエータは、可動くし型部と固定くし型部よりなるくし型アクチュエータであることを特徴とする。
【００２０】
請求項８記載の発明は、
請求項１記載の波長可変半導体レーザにおいて、
前記アクチュエータにはヒータとして機能する抵抗パターン層を設けたことを特徴とする。
【００２１】
請求項９記載の発明は、
請求項１記載の波長可変半導体レーザにおいて、
前記アクチュエータにはピエゾ圧電素子層を設けたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
アクチュエータを用いた可動ミラーと端面出射型半導体レーザを組み合わせた波長可変レーザにおいて、端面出射型半導体レーザの光軸方向に沿ってＤＢＲを形成し、これを光共振器の一方のミラーとすることで、素子を組立て可能な大きさに保ちながら出射端面とミラーとの距離を短くでき、ＤＢＲミラーと可動ミラーで形成される光共振器の共振器長を短くできる。共振器長が短くなることにより、半導体の利得波長帯域ＧＢ中にはファブリペローモードが一つだけ存在することになり、外部からファブリペローモード選択手段や波長可変手段を設けないこのままの構造で単一モード発振を行う。
【００２３】
また、アクチュエータに電圧を印加して共振器長を変化させることにより、発振波長を変化させることができる。
【００２４】
これらにより、出力光をより広い波長可変範囲にわたって高速で連続的に掃引変化させることができ、小型で低消費電力の波長可変レーザを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の一実施例を示す構成説明図である。
【図２】本発明の他の実施例を示す構成説明図である。
【図３】本発明の他の実施例を示す構成説明図である。
【図４】本発明の他の実施例を示す構成説明図である。
【図５】従来の波長可変半導体レーザの一例を示す構成説明図である。
【図６】波長可変半導体レーザの出力波長特性図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明の一実施例を示す構成説明図であって、端面出射型レーザがジャンクションアップでボンディングされた例であり、（Ａ）は上面図、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ断面図を示している。
【００２７】
図１において、端面出射型半導体レーザとして用いるＩｎＰ系の量子カスケード半導体レーザ１０の長手方向に沿って周期的に等間隔で垂直方向のエッチング（本実施例では４列の溝穴部）が施され、一方のミラーとして機能するＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector;分布反射器）１１が形成されている。
【００２８】
ＤＢＲ１１の一端には利得領域１２が形成され、他端には量子カスケード半導体レーザ１０をチップボンディングするときのハンドリング部１３が形成されている。なお、利得領域１２の端面には、実現したい波長可変半導体レーザの特性によっては、必要に応じて無反射コートが形成される。
【００２９】
ＤＢＲ１１の基板幅および溝穴幅は、屈折率値を考慮し、それぞれの光路長が出力波長帯中央波長の１／４となるように設定される。ただし、幅が狭くなりすぎて加工が困難な場合には、ｎを整数として光路長を波長の（１／４＋ｎ／２）としてもよい。溝穴部の深さは、図１の例では活性層１４を越えているが、実現したい波長可変半導体レーザの特性によっては、活性層１４を越えない場合もある。
【００３０】
なお、量子カスケード半導体レーザ１０のハンドリング部１３を除くＤＢＲ１１と利得領域１２の表面には電極層１５が形成され、裏面には全面にわたって電極層１６が形成されている。
【００３１】
量子カスケード半導体レーザ１０は、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板２０上に積層されたＳｉＯ２層２１および電極層２２を介して、ジャンクションアップの状態でチップボンディングされる。
【００３２】
アクチュエータ３０は、くし型アクチュエータの例を示している。くし型アクチュエータ３０は、ＳＯＩ基板２０のシリコン層がＭＥＭＳ技術に基づくエッチングにより所定のパターンに形成され、シリコン層下部のＳｉＯ２層が選択的に除去された可動くし型部３１と固定くし型部３２とで構成されている。
【００３３】
可動くし型部３１は、梁部分が変位可能なように両持ち梁状に形成されている。梁のほぼ中央部分には、チップボンディングされる量子カスケード半導体レーザ１０の利得領域１２の端面と対向するように、可動ミラー部３１ａが形成されている。
【００３４】
可動ミラー部３１ａは、利得領域１２の端面との対向面が凹面に形成されていて、梁と直交する光軸の方向に沿って周期的に等間隔で複数列（本実施例では目の字状に４列）設けられている。可動ミラー部３１ａもＤＢＲとして機能するものであり、列幅および溝幅は、前述のＤＢＲ１１と同様に、屈折率値を考慮し、それぞれの光路長が出力波長帯中央波長の１／４となるように設定される。ただし、幅が狭くなりすぎて加工が困難な場合には、ｎを整数として光路長を波長の（１／４＋ｎ／２）としてもよい。
【００３５】
可動ミラー部３１ａの両側近傍には、それぞれ等間隔のくしの歯パターン３１ｂ、３１ｃが形成されている。
【００３６】
固定くし型部３２の可動くし型部３１の可動ミラー部３１ａと対向する部分は、可動ミラー部３１ａが光軸方向に沿って自由に変位できる凹部３２ａとして、可動ミラー部３１ａよりも大きく切り欠かれている。この凹部３２ａの両側近傍には、それぞれ等間隔のくしの歯パターン３２ｂ、３２ｃが、対向する可動くし型部３１のくしの歯パターン３１ｂ、３１ｃと互いに嵌め合うように形成されている。
【００３７】
そして、これら可動くし型部３１と固定くし型部３２間には、静電気によりくし型アクチュエータ３０として駆動するための可変直流電源Ｅが接続されている。
【００３８】
量子カスケード半導体レーザ１０には、光軸方向に沿って屈折率差が非常に大きい空気と半導体が交互に配列することにより、少ない繰返し周期（本実施例では４列の溝穴部）で広い波長帯域で高反射率を有するＤＢＲ１１を形成し、これを光共振器の一方のミラーとしているので、量子カスケード半導体レーザ１０を組立て可能な大きさに保ちながら出射端面とミラーとの距離を短くでき、ＤＢＲ１１のミラーと可動くし型部３１の可動ミラー部３１ａとで形成される光共振器の共振器長を短くできる。
【００３９】
光共振器の共振器長が短くなることにより、量子カスケード半導体レーザ１０の利得波長帯域中にはファブリペローモードが一つだけ存在することになり、このままの構造で単一モード発振させることができる。
【００４０】
このような構成において、可動くし型部３１と固定くし型部３２間に接続されている可変直流電源Ｅの出力電圧を調整して、可動くし型部３１と固定くし型部３２間に発生する静電気による吸引力を変化させることにより、量子カスケード半導体レーザ１０の端面から出力されるレーザ光の波長を、ＤＢＲ１１を設けていない共振器長の長い従来の構成よりも広い範囲にわたって連続して変化させることができる。
【００４１】
可動ミラー部３１ａに着目すると、屈折率差が非常に大きい空気とシリコンが交互に配列されているので、量子カスケード半導体レーザ１０のＤＢＲ１１と同様に、広い波長帯域で高反射率を有するミラーが形成できる。
【００４２】
また、可動ミラー部３１ａの量子カスケード半導体レーザ１０の利得領域１２の端面との対向面が凹面に形成されているので、量子カスケード半導体レーザ１０の利得領域１２の端面から照射される出力光を効率よく集光でき、光損失を少なくできる。
【００４３】
また、くし型アクチュエータ３０は、ＳＯＩ基板２０のシリコンを用いてＳＯＩ基板２０に作りこまれているので、半導体製造シリコンプロセスとの整合性がよく、大量生産が図れる。
【００４４】
また、ＳＯＩ基板２０上に量子カスケード半導体レーザ１０をチップボンディングするので、波長可変半導体レーザ全体としての小型化が図れる。
【００４５】
図２は本発明の他の実施例を示す構成説明図であって、端面出射型レーザがジャンクションダウンでボンディングされた例であり、（Ａ）は上面図、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ断面図を示している。なお、図１と共通する部分には同一の符号を付けている。
【００４６】
図２において、ジャンクションダウンでボンディングされた量子カスケード半導体レーザ１０のハンドリング部１３にはスペーサ層１７が形成されている。そして、ＳＯＩ基板２０には、可動くし型部３１に設けられている可動ミラー部３１ａの端面と対向するように、光ファイバ４０を固定するための溝部２３が形成されている。
【００４７】
図２のように構成することにより、波長可変半導体レーザと光ファイバ４０との位置合わせを簡単に行える。
【００４８】
また、ジャンクションダウンでボンディングするので、量子カスケード半導体レーザ１０の発熱は効率よくＳＯＩ基板２０を介して放熱されることになり、量子カスケード半導体レーザ１０の発熱による影響を大幅に軽減でき、波長可変半導体レーザとしての出力波長の安定性や出力の安定性を改善できる。
【００４９】
図３も本発明の他の実施例を示す構成説明図であって、端面出射型レーザがジャンクションアップでボンディングされた例であり、（Ａ）は上面図、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ断面図を示している。なお、図１と共通する部分には同一の符号を付けている。
【００５０】
図３において、可動ミラー部３１ａが形成されている可動部３１の表面には、図１のくし型パターン３１ｂ、３１ｃに代えて、ヒータとして機能するたとえばミランダ状の抵抗パターン層３３ａ、３３ｂが被着形成されている。これら抵抗パターン層３３ａ、３３ｂには、発熱駆動するための可変直流電源Ｅが接続されている。
【００５１】
このような構成において、抵抗パターン層３３ａ、３３ｂは、接続されている可変直流電源Ｅの出力電圧値に応じて発熱駆動される。抵抗パターン層３３ａ、３３ｂが発熱駆動されることにより可動部３１が加熱されて膨張し、可動ミラー部３１ａは量子カスケード半導体レーザ１０の光軸方向に沿って変位する。
【００５２】
これにより、可変直流電源Ｅの出力電圧値に応じて、量子カスケード半導体レーザ１０の端面から出力されるレーザ光の波長を、任意の値に調整できる。
【００５３】
そして、このような構成によれば、図１や図２のくし型アクチュエータを構成するためのくし型部３２が不要になり、構成の大幅な簡略化が図れる。
【００５４】
なお、図３の抵抗パターン層３３ａ、３３ｂに代えて、ペルチェ素子を設けてもよい。ペルチェ素子を用いることにより、可変直流電源Ｅの出力電圧極性に応じて加熱冷却も行えることから、可動部３１を抵抗パターン層３３ａ、３３ｂの加熱だけで変位させる場合に比べて大きく変位させることができる。
【００５５】
図４も本発明の他の実施例を示す構成説明図であって、端面出射型レーザがジャンクションアップでボンディングされた例であり、（Ａ）は上面図、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ断面図を示している。なお、図１と共通する部分には同一の符号を付けている。
【００５６】
図４において、可動ミラー部３１ａが形成されている可動部３１の表面には、図１のくし型パターン３１ｂ、３１ｃに代えて、ピエゾ圧電素子３５ａ、３５ｂを挟むように電極層３４ａ、３４ｂと３６ａ、３６ｂが被着積層形成されている。これら電極層３４ａ、３４ｂと３６ａ、３６ｂには、可変直流電源Ｅが接続されている。
【００５７】
このような構成において、これら電極層３４ａ、３４ｂと３６ａ、３６ｂに接続されている可変直流電源Ｅの出力電圧を調整することによりピエゾ圧電素子３５ａ、３５ｂの変位量が変化し、可変直流電源Ｅの出力電圧の値に応じて可動部３１の可動ミラー部３１ａは量子カスケード半導体レーザ１０の光軸方向に沿って変位する。
【００５８】
これにより、可変直流電源Ｅの出力電圧値に応じて、量子カスケード半導体レーザ１０の端面から出力されるレーザ光の波長を、任意の値に調整することができる。
【００５９】
なお、上記各実施例では、端面出射型半導体レーザとして量子カスケード半導体レーザを用いる例について説明したが、これに限るものではなく、その他の端面出射型半導体レーザを用いてもよい。
【００６０】
また、上記各実施例では、ＤＢＲとして垂直方向にエッチングされた溝穴部を用いる例について説明したが、これに限るものではなく、その他の構造のＤＢＲを用いてもよい。
【００６１】
以上説明したように、本発明によれば、端面出射型半導体レーザの光軸方向に沿ってＤＢＲを形成して光共振器の一方のミラーとし、アクチュエータに設けられた可動ミラーを光共振器の他方のミラーとすることで光共振器の共振器長を短くでき、半導体の利得波長帯域中に一つだけ存在するファブリペローモードをこのままの構造で単一モード発振させることができ、アクチュエータに電圧を印加して共振器長を変化させることにより発振波長を変化させることができ、出力光をより広い波長可変範囲にわたって高速で連続的に掃引変化させることができる小型で低消費電力の波長可変レーザを実現でき、光通信や光を応用した各種の計測分野における光源として好適である。
【符号の説明】
【００６２】
１０ 端面出射型レーザ（量子カスケード半導体レーザ）
１１ ＤＢＲ
１２ 利得領域
１３ ハンドリング部
２０ ＳＯＩ基板
２１ ＳｉＯ２層
２２ 電極層
２３ 溝部
３０ アクチュエータ
３１ 可動部
３１ａ 可動ミラー部
３１ｂ、３１ｃ くしの歯パターン
３２ 固定部
３２ａ 凹部
３２ｂ、３２ｃ くしの歯パターン
３３ 抵抗パターン層
３４、３６ 電極層
３５ ピエゾ圧電素子
４０ 光ファイバ
Ｅ 可変直流電源
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アクチュエータが形成されたＳＯＩ基板上に端面出射型半導体レーザが実装され、前記アクチュエータには前記端面出射型半導体レーザのレーザ光出射端面と対向するように可動ミラー部が設けられた波長可変半導体レーザにおいて、
前記端面出射型半導体レーザには、光軸方向に沿ってＤＢＲが形成されていることを特徴とする波長可変半導体レーザ。
【請求項２】
前記ＤＢＲは、光軸に対して垂直方向にエッチングされた溝により形成されていることを特徴とする請求項１記載の波長可変半導体レーザ。
【請求項３】
前記エッチング溝の深さは、前記端面出射型レーザの活性層に達していないことを特徴とする請求項２記載の波長可変半導体レーザ。
【請求項４】
前記エッチング溝の深さは、前記端面出射型レーザの活性層を越えていることを特徴とする請求項２記載の波長可変半導体レーザ。
【請求項５】
前記可動ミラー部は、前記端面出射型半導体レーザのレーザ光出射端面との対向面が光軸方向に沿って周期的に配列されたＤＢＲとして形成されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の波長可変半導体レーザ。
【請求項６】
前記可動ミラー部は、前記端面出射型半導体レーザのレーザ光出射端面との対向面が凹面に形成されていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の波長可変半導体レーザ。
【請求項７】
前記アクチュエータは、可動くし型部と固定くし型部よりなるくし型アクチュエータであることを特徴とする請求項１に記載の波長可変半導体レーザ。
【請求項８】
前記アクチュエータにはヒータとして機能する抵抗パターン層を設けたことを特徴とする請求項１に記載の波長可変半導体レーザ。
【請求項９】
前記アクチュエータにはピエゾ圧電素子層を設けたことを特徴とする請求項１に記載の波長可変半導体レーザ。
【請求項１】
アクチュエータが形成されたＳＯＩ基板上に端面出射型半導体レーザが実装され、前記アクチュエータには前記端面出射型半導体レーザのレーザ光出射端面と対向するように可動ミラー部が設けられた波長可変半導体レーザにおいて、
前記端面出射型半導体レーザには、光軸方向に沿ってＤＢＲが形成されていることを特徴とする波長可変半導体レーザ。
【請求項２】
前記ＤＢＲは、光軸に対して垂直方向にエッチングされた溝により形成されていることを特徴とする請求項１記載の波長可変半導体レーザ。
【請求項３】
前記エッチング溝の深さは、前記端面出射型レーザの活性層に達していないことを特徴とする請求項２記載の波長可変半導体レーザ。
【請求項４】
前記エッチング溝の深さは、前記端面出射型レーザの活性層を越えていることを特徴とする請求項２記載の波長可変半導体レーザ。
【請求項５】
前記可動ミラー部は、前記端面出射型半導体レーザのレーザ光出射端面との対向面が光軸方向に沿って周期的に配列されたＤＢＲとして形成されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の波長可変半導体レーザ。
【請求項６】
前記可動ミラー部は、前記端面出射型半導体レーザのレーザ光出射端面との対向面が凹面に形成されていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の波長可変半導体レーザ。
【請求項７】
前記アクチュエータは、可動くし型部と固定くし型部よりなるくし型アクチュエータであることを特徴とする請求項１に記載の波長可変半導体レーザ。
【請求項８】
前記アクチュエータにはヒータとして機能する抵抗パターン層を設けたことを特徴とする請求項１に記載の波長可変半導体レーザ。
【請求項９】
前記アクチュエータにはピエゾ圧電素子層を設けたことを特徴とする請求項１に記載の波長可変半導体レーザ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−７４４４６（Ｐ２０１２−７４４４６Ａ）
【公開日】平成２４年４月１２日（２０１２．４．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２１６７０４（Ｐ２０１０−２１６７０４）
【出願日】平成２２年９月２８日（２０１０．９．２８）
【出願人】（０００００６５０７）横河電機株式会社 (4,443)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年４月１２日（２０１２．４．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月２８日（２０１０．９．２８）
【出願人】（０００００６５０７）横河電機株式会社 (4,443)
【Ｆターム（参考）】
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