JP2009117510A - 光モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】高効率な波長変換を行うことのできる光モジュールを提供する。
【解決手段】本発明に係る光モジュール１００は，垂直外部共振器面発光レーザ１５０と、分極反転型の波長変換素子１２０と、を含み、垂直外部共振器面発光レーザは、発光部１１０と、発光部の上方に、波長変換素子を介して設けられた外部ミラー１６０と、を有し、発光部は、下部ミラーと、下部ミラーの上方に形成された活性層と、活性層の上方に形成された上部ミラーと、を備え、発光部から出射される光Ｌ１は、直線偏光であり、波長変換素子の分極反転方向Ｐ２は，発光部から出射される光の電界ベクトルの振動方向Ｐ１と同じである。
【選択図】図１

Description

本発明は、光モジュールに関する。

近年、半導体レーザの高出力化や青色半導体レーザの登場に伴い、レーザ光源を使ったプロジェクタやディスプレイなどの表示素子が検討されている。表示素子の光源としては、Ｒ（赤色）、Ｇ（緑色）、Ｂ（青色）の３色のレーザ光源が必要である。Ｒ及びＢについては半導体レーザによる原振が存在するが、Ｇについては原振が存在しない。このため、Ｇについては、赤外レーザを非線形光学素子に入射させて発生する第２次高調波（ＳＨＧ）を利用することが考えられている。

例えば、下記特許文献１には、垂直外部キャビティ面放射レーザ（ＶＥＣＳＥＬ）と内部キャビティ非線形結晶とを組み合わせた構成が開示されている。この構成においては、変換効率を高めるために、共振器内部に波長変換素子が置かれている。
特表２００１−５０２１１９号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示されたＶＥＣＳＥＬから出射される光は、無偏光または偏波面が特定されない光である。波長変換素子の変換効率は、入射光の偏波面に依存する。このため、入射光の偏波面と、波長変換素子の変換効率が最大となる偏波面とが一致しない場合には、変換光の出力を低下させることになる。

本発明の目的の１つは、高効率な波長変換を行うことのできる光モジュールを提供することにある。

本発明に係る光モジュールは、
垂直外部共振器面発光レーザと、
分極反転型の波長変換素子と、を含み、
前記垂直外部共振器面発光レーザは、
発光部と、
前記発光部の上方に、前記波長変換素子を介して設けられた外部ミラーと、を有し、
前記発光部は、
下部ミラーと、
前記下部ミラーの上方に形成された活性層と、
前記活性層の上方に形成された上部ミラーと、を備え、
前記発光部から出射される光は、直線偏光であり、
前記波長変換素子の分極反転方向は、前記発光部から出射される光の電界ベクトルの振動方向と同じである。

本発明に係る光モジュールでは、前記波長変換素子の分極反転方向は、前記発光部から出射される光の電界ベクトルの振動方向と同じである。その結果、前記波長変換素子の波長の変換効率を最大にすることができる。従って、本発明に係る光モジュールによれば、高効率な波長変換を行うことができる。

なお、本発明において、前記波長変換素子の分極反転方向が、前記発光部から出射される光の電界ベクトルの振動方向と「同じである」場合とは、完全に同じである場合と、ほぼ同じである場合と、を含むものとする。前記波長変換素子の分極反転方向が、前記発光部から出射される光の電界ベクトルの振動方向と「ほぼ同じである」場合とは、例えば、設計値と実測値とに誤差が生じる場合である。この場合に、これらの方向の成す角度は、例えば±１度である。

また、本発明に係る記載では、「上方」という文言を、例えば、「特定の部材（以下「Ａ部材」という）の「上方」に形成された他の特定の部材（以下「Ｂ部材」という）」などと用いている。本発明に係る記載では、この例のような場合に、Ａ部材上に直接Ｂ部材が形成されているような場合と、Ａ部材上に他のものを介してＢ部材が形成されているような場合とが含まれるものとして、「上方」という文言を用いている。

本発明に係る光モジュールにおいて、
前記発光部から出射される光の電界ベクトルの振動方向は、前記波長変換素子の変換効率が最大となる方向であることができる。

なお、本発明において、最大となる場合とは、完全に最大となる場合と、ほぼ最大となる場合と、を含むものとする。

本発明に係る光モジュールにおいて、
少なくとも前記上部ミラーは、柱状部を構成し、
前記柱状部の平面形状が異方性を有することにより、前記発光部から出射される光は直線偏光となることができる。

なお、本発明において、「異方性」とは、所定の方向に長さや大きさなどの偏りが存在することをいう。

本発明に係る光モジュールにおいて、
前記下部ミラーは、ＧａＡｓ基板の上方に形成され、
前記ＧａＡｓ基板の面方位が（１００）面方位に対して傾斜したものであることにより、前記発光部から出射される光は直線偏光となることができる。

本発明に係る光モジュールにおいて、
前記ＧａＡｓ基板は、ＧａＡｓ（３１１）Ｂ基板またはＧａＡｓ（４１１）Ａ基板であることができる。

本発明に係る光モジュールにおいて、
前記活性層内の応力分布が異方性を有することにより、前記発光部から出射される光は直線偏光となることができる。

本発明に係る光モジュールにおいて、
前記発光部は、前記活性層内の応力分布に異方性を与える溝を有することができる。

本発明に係る光モジュールにおいて、
少なくとも前記上部ミラーは、柱状部を構成し、
平面視において、前記柱状部の中心が前記発光部の中心から偏って配置されることにより、前記活性層内の応力分布に異方性を与えることができる。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照しながら説明する。

１． まず、本実施形態に係る光モジュール１００について説明する。

図１は、光モジュール１００を概略的に示す斜視図である。光モジュール１００は、図１に示すように、垂直外部共振器面発光レーザ（ＶＥＣＳＥＬ）１５０と、波長変換素子１２０と、を含む。ＶＥＣＳＥＬ１５０は、発光部１１０と、外部ミラー１６０と、を有する。

図２は、発光部１１０を概略的に示す平面図であり、図３は、発光部１１０を概略的に示す断面図である。なお、図３は、図２のIII−III線断面図である。

発光部１１０は、下部ミラー１０２と、活性層１０３と、上部ミラー１０４と、を備える。発光部１１０は、さらに、例えば、基板１０１と、絶縁層１１２と、第１電極１０７と、第２電極１０９と、を備えることができる。

基板１０１としては、例えば、第１導電型（例えばｎ型）ＧａＡｓ（１００）基板などを用いることができる。

下部ミラー１０２は、基板１０１上に形成されている。下部ミラー１０２は、例えば、ｎ型ＡｌＡｓ層とｎ型ＧａＡｓ層とを交互に積層した４０ペアの分布ブラッグ反射型（ＤＢＲ）半導体ミラーである。

活性層１０３は、下部ミラー１０２上に形成されている。活性層１０３は、例えば、ＩｎＧａＡｓウェル層とＧａＡｓバリア層とから構成される量子井戸構造を３つ重ねた多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有する。ＭＱＷ構造は、例えば、ｎ型Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓコンファインメント層とｐ型Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓコンファインメント層とに挟まれていることができる。

上部ミラー１０４は、活性層１０３上に形成されている。上部ミラー１０４は、例えば、ｐ型（第２導電型）ＡｌＡｓ層とｐ型ＧａＡｓ層とを交互に積層した１０ペアのＤＢＲ半導体ミラーである。

なお、下部ミラー１０２、活性層１０３、及び上部ミラー１０４を構成する各層の組成および層数は特に限定されるわけではない。ｐ型の上部ミラー１０４、不純物がドーピングされていない活性層１０３のＭＱＷ構造、及びｎ型の下部ミラー１０２により、ｐｉｎダイオードが構成される。下部ミラー１０２の一部、活性層１０３、及び上部ミラー１０４は、柱状の半導体堆積体（以下「柱状部」という）１３０を構成することができる。なお、柱状部１３０は、少なくとも上部ミラー１０４の一部から構成されることができる。

柱状部１３０の平面形状は、例えば、図２に示すように、異方性を有することができる。図２に示す例では、柱状部１３０の平面形状は楕円（真円を除く）である。柱状部１３０の平面形状が異方性を有することにより、複屈折性などが利用され、発光部１１０から出射される光Ｌ１は直線偏光となる。該直線偏光の電界ベクトルの振動方向Ｐ１（図１参照）は、図２に示す例では、柱状部１３０の平面形状である楕円の長軸方向（Ｙ方向）である。即ち、柱状部１３０の平面形状を調整することにより、偏波面の方向Ｐ１を制御することができる。なお、偏波面の方向Ｐ１とは、発光部１１０から出射される光Ｌ１の電界ベクトルの大きさが最大となる方向である。柱状部１３０の平面形状は異方性を有すれば良く、例えば以下のような変形が可能である。

図４及び図５は、本変形例に係る光モジュールの主要部を概略的に示す平面図である。例えば、図４に示すように、柱状部１３０の平面形状は、矩形（正方形を除く）であることができる。また、例えば、図５に示すように、柱状部１３０の平面形状は、真円が２つの矩形で挟まれており、真円と矩形との一部が重なり合っている形状であることができる。なお、上述した変形例は一例であって、これらに限定されるわけではない。

基板１０１の下面下には、図３に示すように、第１電極１０７が形成されている。第１電極１０７は、基板１０１を介して、下部ミラー１０２と電気的に接続されている。なお、図示の例では、第１電極１０７は、基板１０１の下面下に設けられているが、例えば、第１電極１０７を下部ミラー１０２上に設けても良い。

上部ミラー１０４および絶縁層１１２の上には、第２電極１０９が形成されている。第２電極１０９は、上部ミラー１０４と電気的に接続されている。第２電極１０９は、例えば、図２に示すように、接触部１０９ａと、引き出し部１０９ｂと、パッド部１０９ｃとから構成されることができる。第２電極１０９は、接触部１０９ａにおいて上部ミラー１０４と接触している。接触部１０９ａは、柱状部１３０上に開口部１８１を有する。開口部１８１によって、上部ミラー１０４の上面上に接触部１０９ａの設けられていない領域が形成される。発光部１１０から出射される光Ｌ１の出射面は、この領域内に位置する。第２電極１０９の引き出し部１０９ｂは、接触部１０９ａとパッド部１０９ｃとを接続している。第２電極１０９のパッド部１０９ｃは、電極パッドとして外部の配線等と接続される。

絶縁層１１２は、下部ミラー１０２上であって、柱状部１３０の周囲に形成されている。絶縁層１１２上には、第２電極１０９の引き出し部１０９ｂ及びパッド部１０９ｃが形成されている。絶縁層１１２は、第２電極１０９と下部ミラー１０２とを電気的に分離している。

発光部１１０の上方には、図１に示すように、波長変換素子１２０を介して、外部ミラー１６０が設けられている。外部ミラー１６０としては、例えば誘電体ミラーなどを用いることができる。発光部１１０と波長変換素子１２０との間、及び、波長変換素子１２０と外部ミラー１６０との間には、それぞれ空間が設けられている。発光部１１０、波長変換素子１２０、及び外部ミラー１６０は、例えば、図示しない支持部材によって固定されている。該支持部材は、例えば、各種樹脂材料、各種金属材料などからなる。

下部ミラー１０２、活性層１０３、上部ミラー１０４、及び外部ミラー１６０は、垂直共振器を構成することができる。この垂直共振器によって、例えば外部ミラー１６０の上面から上方向にレーザ光Ｌ２が出射される。

波長変換素子１２０は、発光部１１０と外部ミラー１６０との間の光が該波長変換素子１２０内を通る位置に設けられている。波長変換素子１２０は、発光部１１０から出射された光Ｌ１の波長を変換することができる。波長変換素子１２０は、例えば、ニオブ酸リチウムからなるＳＨＧ（Second Harmonic Generation）素子である。波長変換素子１２０は、例えば、発光部１１０から出射される光Ｌ１の波長１０６０ｎｍを、ＶＥＣＳＥＬ１５０から出射されるレーザ光Ｌ２の波長５３０ｎｍに変換することができる。

波長変換素子１２０は、分極反転型のものである。即ち、波長変換素子１２０は、反対の分極方向を有する層が上下方向に交互に配列されたものである。該分極方向が分極反転方向である。本実施形態に係る光モジュール１００では、図１に示すように、波長変換素子１２０の分極反転方向Ｐ２は、発光部１１０から出射される光Ｌ１の電界ベクトルの振動方向Ｐ１と同じである。

２． 次に、本実施形態に係る光モジュール１００の製造方法の一例について説明する。

（１）まず、基板１０１として、例えばｎ型ＧａＡｓ基板を用意する。次に、基板１０１の上に、組成を変調させながらエピタキシャル成長させることにより、半導体多層膜を形成する。半導体多層膜は、下部ミラー１０２、活性層１０３、及び上部ミラー１０４を構成する半導体層を順に積層したものである。

（２）次に、半導体多層膜をパターニングし、所望の形状の下部ミラー１０２、活性層１０３、及び上部ミラー１０４を形成する。これにより、柱状部１３０が形成される。半導体多層膜のパターニングは、例えば、リソグラフィ技術およびエッチング技術を用いて行われる。

（３）次に、下部ミラー１０２上であって、柱状部１３０の周囲に絶縁層１１２を形成する。具体的には、まず、例えばスピンコート法を用いて全面にポリイミド樹脂等からなる絶縁層を形成する。次に、例えばＣＭＰ（Chemical Mechanical Polish）法を用いて柱状部１３０の上面を露出させる。次に、例えばリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いて絶縁層をパターニングする。このようにして所望の形状の絶縁層１１２を形成することができる。

次に、第１電極１０７および第２電極１０９を形成する。各電極は、例えば真空蒸着法およびリフトオフ法を用いて形成されることができる。

（４）次に、図１に示すように、発光部１１０、波長変換素子１２０、及び外部ミラー１６０を、例えば、支持部材（図示せず）に接着固定する。

（５）以上の工程により、図１に示すように、本実施形態の光モジュール１００が得られる。

３． 本実施形態に係る光モジュール１００では、上述したように、波長変換素子１２０の分極反転方向Ｐ２は、発光部１１０から出射される光Ｌ１の電界ベクトルの振動方向Ｐ１と同じである。その結果、波長変換素子１２０の波長の変換効率を最大にすることができる。従って、本実施形態に係る光モジュール１００によれば、高効率な波長変換を行うことができる。

４． 次に、本実施形態に係る光モジュールの変形例について説明する。なお、上述した図１〜図３に示す光モジュール１００（以下「光モジュール１００の例」という）と異なる点について説明し、同様の点については説明を省略する。

（１）まず、第１の変形例について説明する。

光モジュール１００の例では、柱状部１３０の平面形状を調整することにより、偏波面の方向Ｐ１を制御する場合について説明した。これに対し、本変形例では、基板１０１として傾斜基板を用いることにより、活性層１０３の利得に異方性を与えることができ、偏波面の方向Ｐ１を制御することができる。傾斜基板としては、例えば、面方位が（１００）面方位に対して傾斜したＧａＡｓ基板などが挙げられる。特に、傾斜基板として、ＧａＡｓ（３１１）Ｂ基板やＧａＡｓ（４１１）Ａ基板を用いることが好ましい。これにより、偏波面の方向Ｐ１を、ＧａＡｓ（３１１）Ｂ基板の場合には［−２３３］方向に、ＧａＡｓ（４１１）Ａ基板の場合には［−１２２］方向にすることができる。本変形例では、基板１０１として傾斜基板を用いて偏波面の方向Ｐ１を制御できるため、柱状部１３０の平面形状は、異方性を有しなくても良い。

（２）次に、第２の変形例について説明する。

光モジュール１００の例では、柱状部１３０の平面形状を調整することにより、偏波面の方向Ｐ１を制御する場合について説明した。これに対し、本変形例では、活性層１０３内の応力分布に異方性を与えることにより、偏波面の方向Ｐ１を制御することができる。

図６は、本変形例の一例に係る光モジュールの主要部を概略的に示す斜視図である。本変形例では、支持部材（以下「サブマウント」という）２０１上に発光部１１０が設置されている。本変形例に係るサブマウント２０１の平面形状は、異方性を有する。図６に示す例では、サブマウント２０１の平面形状は矩形（正方形を除く）である。サブマウント２０１の平面形状が異方性を有することにより、サブマウント２０１の熱伝導率や熱膨張係数が異方性を有することになり、サブマウント２０１上に設けられた発光部１１０の活性層１０３内の応力分布に異方性を与えることができる。活性層１０３内の応力分布が異方性を有することにより、発光部１１０から出射される光Ｌ１は直線偏光となる。該直線偏光の電界ベクトルの振動方向Ｐ１は、図６に示す例では、サブマウント２０１の平面形状である矩形の長辺方向である。即ち、サブマウント２０１の平面形状を調整することにより、偏波面の方向Ｐ１を制御することができる。

また、図７は、本変形例の他の例に係る光モジュールの発光部３１０をアレイ化したものを概略的に示す平面図であり、図８は、発光部３１０を概略的に示す断面図である。なお、図８は、図７のVIII−VIII線断面図である。本変形例では、発光部３１０が溝３０２を有する。これにより、発光部３１０の活性層１０３内の応力分布に異方性を与えることができる。図７及び図８に示す例では、溝３０２の平面形状は矩形であり、溝３０２は、絶縁層１１２を貫通している。平面視（図７）において、溝３０２の各々の間の領域は、異方性を有する。図７に示す例では、該領域は矩形であり、偏波面の方向Ｐ１は、該矩形の長辺方向（Ｙ方向）である。

また、図９は、本変形例の他の例に係る光モジュールの発光部４１０をアレイ化したものを概略的に示す平面図である。本変形例では、平面視（図９）において、柱状部１３０の中心が発光部４１０の中心から偏って（離れて）配置されている。これにより、発光部４１０の活性層１０３内の応力分布に異方性を与えることができる。図９に示す例では、偏波面の方向Ｐ１は、柱状部１３０の中心が発光部４１０の中心から偏っている方向（Ｙ方向）に直交する方向（Ｘ方向）である。

上述した第２の変形例では、活性層１０３内の応力分布に異方性を与えて偏波面の方向Ｐ１を制御できるため、柱状部１３０の平面形状は、異方性を有しなくても良い。

（３）次に、第３の変形例について説明する。

本変形例では、図示しないが、例えば、エピタキシャルリフトオフ（ＥＬＯ）法などを用いて、光モジュール１００の例の発光部１１０の基板１０１を切り離すことができる。即ち、発光部１１０は、基板１０１を有しないことができる。

（４）次に、第４の変形例について説明する。

本変形例では、図示しないが、例えば、上部ミラー１０４を構成する層のうちの少なくとも１層を電流狭窄層とすることができる。電流狭窄層は、例えば、中央に開口部を有する絶縁層である。

（５）なお、上述した変形例は一例であって、これらに限定されるわけではない。例えば、各変形例を適宜組み合わせることも可能である。また、ＶＥＣＳＥＬ１５０の偏波面方向Ｐ１の制御手段として、例えば、垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）の偏波面方向の制御手段を用いることができる。

５． 上記のように、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項および効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できよう。従って、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれるものとする。

本実施形態の光モジュールを概略的に示す斜視図。 本実施形態の光モジュールの発光部を概略的に示す平面図。 本実施形態の光モジュールの発光部を概略的に示す断面図。 変形例の光モジュールの主要部を概略的に示す平面図。 変形例の光モジュールの主要部を概略的に示す平面図。 第２変形例の光モジュールの主要部を概略的に示す斜視図。 第２変形例の光モジュールのアレイ化された発光部を概略的に示す平面図。 第２変形例の光モジュールの発光部を概略的に示す断面図。 第２変形例の光モジュールのアレイ化された発光部を概略的に示す平面図。

符号の説明

１００ 光モジュール、１０１ 基板、１０２ 下部ミラー、１０３ 活性層、１０４ 上部ミラー、１０７ 第１電極、１０９ 第２電極、１１０ 発光部、１１２ 絶縁層、１２０ 波長変換素子、１３０ 柱状部、１５０ 垂直外部共振器面発光レーザ（ＶＥＣＳＥＬ）、１６０ 外部ミラー、１８１ 開口部、２０１ サブマウント、３０２ 溝、３１０ 発光部，４１０ 発光部

Claims (8)

1. 垂直外部共振器面発光レーザと、
   分極反転型の波長変換素子と、を含み、
   前記垂直外部共振器面発光レーザは、
   発光部と、
   前記発光部の上方に、前記波長変換素子を介して設けられた外部ミラーと、を有し、
   前記発光部は、
   下部ミラーと、
   前記下部ミラーの上方に形成された活性層と、
   前記活性層の上方に形成された上部ミラーと、を備え、
   前記発光部から出射される光は、直線偏光であり、
   前記波長変換素子の分極反転方向は、前記発光部から出射される光の電界ベクトルの振動方向と同じである、光モジュール。
2. 請求項１において、
   前記発光部から出射される光の電界ベクトルの振動方向は、前記波長変換素子の変換効率が最大となる方向である、光モジュール。
3. 請求項１または２において、
   少なくとも前記上部ミラーは、柱状部を構成し、
   前記柱状部の平面形状が異方性を有することにより、前記発光部から出射される光は直線偏光となる、光モジュール。
4. 請求項１乃至３のいずれかにおいて、
   前記下部ミラーは、ＧａＡｓ基板の上方に形成され、
   前記ＧａＡｓ基板の面方位が（１００）面方位に対して傾斜したものであることにより、前記発光部から出射される光は直線偏光となる、光モジュール。
5. 請求項４において、
   前記ＧａＡｓ基板は、ＧａＡｓ（３１１）Ｂ基板またはＧａＡｓ（４１１）Ａ基板である、光モジュール。
6. 請求項１乃至５のいずれかにおいて、
   前記活性層内の応力分布が異方性を有することにより、前記発光部から出射される光は直線偏光となる、光モジュール。
7. 請求項６において、
   前記発光部は、前記活性層内の応力分布に異方性を与える溝を有する、光モジュール。
8. 請求項６または７において、
   少なくとも前記上部ミラーは、柱状部を構成し、
   平面視において、前記柱状部の中心が前記発光部の中心から偏って配置されることにより、前記活性層内の応力分布に異方性を与える、光モジュール。

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