JP7579174B2 - 外部共振型レーザモジュール - Google Patents

Description

本発明は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）回折格子を備える外部共振型レーザモジュールに関する。

外部共振型レーザモジュールとして、量子カスケードレーザと、揺動可能な回折格子と、量子カスケードレーザと回折格子との間に配置されたレンズと、を備えるものが知られている（例えば特許文献１参照）。このような外部共振型レーザモジュールでは、量子カスケードレーザからの光が回折格子によって回折及び反射され、当該光のうち特定波長の光が量子カスケードレーザに帰還する。これにより、量子カスケードレーザの端面と回折格子とによって外部共振器が構成され、特定波長の光が増幅されて外部に出力される。回折格子を揺動させて出力光の波長を変化させることで、所定の波長範囲において波長掃引を行うことができる。

米国特許公開２００９／０２２５８０２号公報

上述したような外部共振型レーザモジュールには、波長掃引範囲の拡大のために、駆動力を大きくし、回折格子の振れ角を大きくすることが求められる。特に、量子カスケードレーザを用いる場合、量子カスケードレーザから出射される光のビーム径は大きいため、回折格子の面積を大きくする必要があり、大きな駆動力が必要となる。また、外部共振型レーザモジュールには、良好な波長掃引のために回折格子を安定的に動作させることが求められると共に、小型化が併せて求められる。

そこで、本発明は、小型化を図ることができると共に、振れ角を大きく確保しつつＭＥＭＳ回折格子を安定的に動作させることができる外部共振型レーザモジュールを提供することを目的とする。

本発明の外部共振型レーザモジュールは、量子カスケードレーザと、所定の軸線周りに揺動可能な可動部と、可動部上に形成された回折格子部と、を有し、量子カスケードレーザから出射された光を回折格子部によって回折及び反射させて光の一部を量子カスケードレーザに帰還させるＭＥＭＳ回折格子と、量子カスケードレーザとＭＥＭＳ回折格子との間に配置されたレンズと、ＭＥＭＳ回折格子に対して量子カスケードレーザとは反対側に配置された磁石と、磁石と共に磁気回路を形成するヨークと、を備え、ＭＥＭＳ回折格子は、磁石の磁力が作用するコイルを更に有し、コイルは、回折格子部の法線に平行な法線方向から見た場合に、軸線に対して一方側と他方側とにそれぞれ配置された一対のコイルを含み、一対のコイルの各々は、軸線に沿って延在する内側部分を有し、磁石におけるＭＥＭＳ回折格子の側の表面には凹部が形成されており、凹部の少なくとも一部は、法線方向から見た場合に、一対のコイルの各々の内側部分と重なっている。

この外部共振型レーザモジュールでは、磁石が、ＭＥＭＳ回折格子に対して量子カスケードレーザとは反対側に配置されている。これにより、例えば、磁石がＭＥＭＳ回折格子の側方に配置される場合と比べて、モジュールの小型化を図ることができる。また、ＭＥＭＳ回折格子に設けられたコイルが、法線方向から見た場合に軸線に対して一方側と他方側とにそれぞれ配置された一対のコイルを含んでいる。この場合、一対のコイルの各々は、軸線に沿って延在する内側部分と、可動部の外縁側を延在する外側部分と、を有する。このような構成によれば、各コイルの外側部分に対して同一の方向に電流を流すことができ、駆動力（ひいては振れ角）を大きく確保することができる。一方、内側部分には外側部分とは反対の方向に電流が流れるため、可動部に軸線周りの振動以外の振動モードが生じ、ＭＥＭＳ回折格子の動作が不安定になる可能性がある。この点、この外部共振型レーザモジュールでは、磁石におけるＭＥＭＳ回折格子の側の表面に凹部が形成されており、凹部の少なくとも一部が、法線方向から見た場合に一対のコイルの各々の内側部分と重なっている。これにより、コイルの内側部分に作用する磁力を低減することができ、動作を安定化することができる。また、磁石においてコイルの内側部分と重なる部分のみに凹部が形成されるため、磁石の総体積を確保してコイルの外側部分に作用する磁力を確保することができ、駆動力を大きく確保することができる。よって、この外部共振型レーザモジュールによれば、小型化を図ることができると共に、振れ角を大きく確保しつつＭＥＭＳ回折格子を安定的に動作させることができる。

凹部は、軸線に平行な方向に沿って延在する溝であってもよい。この場合、コイルの内側部分に作用する磁力を低減しつつ、コイルの外側部分に作用する磁力を確保することができる。

凹部は、底面を有する穴であってもよい。この場合、コイルの内側部分に作用する磁力を低減しつつ、コイルの外側部分に作用する磁力を確保することができる。

磁石の表面は、軸線に平行な方向から見た場合に、軸線から離れるほど可動部から離れるように傾斜した一対の傾斜面を含んでいてもよい。この場合、揺動時に可動部が磁石に接触することを抑制しつつ、磁石をＭＥＭＳ回折格子に近づけることができ、コイルに作用する磁力を大きく確保することができる。

磁石は、法線方向における一方側と他方側とに異なる磁極を有する単一の部材からなっていてもよい。この場合、ＭＥＭＳ回折格子と向かい合うのが一方の磁極のみとなり、磁力線がＭＥＭＳ回折格子を法線方向に沿って貫くように磁気回路を形成することができ、可動部を軸線周りに揺動させるための回転トルクを好適に発生させることができる。

法線方向から見た場合に、凹部の幅は、一対のコイルの内側部分の幅よりも広くてもよい。この場合、コイルの内側部分に作用する磁力を低減しつつ、コイルの外側部分に作用する磁力を確保することができる。

一対のコイルの各々は、可動部の外縁に沿って内側部分と平行に延在する外側部分を有し、凹部は、法線方向から見た場合に、一対のコイルの各々の外側部分と重なっていなくてもよい。この場合、コイルの内側部分に作用する磁力を低減しつつ、コイルの外側部分に作用する磁力を確保することができる。

アクチュエータ装置は、所定の軸線周りに揺動可能な可動部と、可動部上に形成された光学面と、を有するＭＥＭＳアクチュエータと、可動部に対してＭＥＭＳアクチュエータとは反対側に配置された磁石と、磁石と共に磁気回路を形成するヨークと、を備え、ＭＥＭＳアクチュエータは、磁石の磁力が作用するコイルを更に有し、コイルは、光学面の法線に平行な法線方向から見た場合に、軸線に対して一方側と他方側とにそれぞれ配置された一対のコイルを含み、一対のコイルの各々は、軸線に沿って延在する内側部分を有し、磁石におけるＭＥＭＳアクチュエータの側の表面には凹部が形成されており、凹部の少なくとも一部は、法線方向から見た場合に、一対のコイルの各々の内側部分と重なっている。このアクチュエータ装置によれば、上述した理由により、小型化を図ることができると共に、振れ角を大きく確保しつつＭＥＭＳ回折格子を安定的に動作させることができる。

本発明によれば、小型化を図ることができると共に、振れ角を大きく確保しつつＭＥＭＳ回折格子を安定的に動作させることができる外部共振型レーザモジュールを提供することが可能となる。

実施形態に係るレーザモジュールの斜視図である。 図１のII－II線に沿っての断面図である。 回折格子ユニットの斜視図である。 ＭＥＭＳ回折格子を法線方向から見た図である。 ＭＥＭＳ回折格子を法線方向から見た図である。 図５のVI－VI線に沿っての回折格子部の断面図である。 磁石の斜視図である。 （ａ）は磁石の平面図であり、（ｂ）は磁石の側面図である。 （ａ）及び（ｂ）は、第１変形例及び第２変形例のＭＥＭＳ回折格子の平面図である。 第３変形例の回折格子ユニットを法線方向から見た図である。 第３変形例の磁石の斜視図である。 （ａ）は第３変形例の磁石の平面図であり、（ｂ）は第３変形例の磁石の側面図である。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。以下の説明において、同一又は相当要素には同一符号を用い、重複する説明を省略する。便宜上、各図に示されるようにＸ方向、Ｙ方向及びＺ方向を設定する。

図１及び図２に示されるように、外部共振型レーザモジュール１（以下、「レーザモジュール１」という）は、筐体２と、マウント部材３と、量子カスケードレーザ４（以下、「ＱＣＬ４」という）と、回折格子ユニット５と、レンズ６，７と、を備えている。筐体２は、マウント部材３、ＱＣＬ４、回折格子ユニット５及びレンズ６，７を内部に収容している。筐体２は、例えばバタフライパッケージを構成している。一例として、筐体２の各辺の長さは３０ｍｍ以下である。筐体２は、開口２１ａを有する本体部２１と、開口２１ａを塞ぐ蓋部２２と、を有し、箱状に形成されている。筐体２は、レーザモジュール１の出力光Ｌを外部へ出力するための出射窓２ａを有している。

マウント部材３は、筐体２の底面に固定されている。マウント部材３には、ＱＣＬ４、回折格子ユニット５及びレンズ６，７が固定されている。より具体的には、マウント部材３は、本体部３１と、本体部３１からＺ方向に突出した突出部３２と、を有している。ＱＣＬ４は、突出部３２の頂面に固定されている。本体部３１には、配置孔３３が形成されている。回折格子ユニット５は、後述するヨーク５３の一部が配置孔３３内に配置された状態で、本体部３１に固定されている。レンズ６，７は、それぞれレンズホルダ１１，１２により保持されている。レンズ６は、レンズホルダ１１を介して本体部３１に固定され、ＱＣＬ４と回折格子ユニット５のＭＥＭＳ回折格子５１との間に配置されている。レンズ７は、レンズホルダ１２を介して本体部３１に固定され、ＱＣＬ４と出射窓２ａとの間に配置されている。出射窓２ａ、レンズ７、ＱＣＬ４、レンズ６及びＭＥＭＳ回折格子５１は、Ｙ方向においてこの順に並んでいる。

ＱＣＬ４は、第１端面４ａと、第１端面４ａとは反対側の第２端面４ｂと、を有し、中赤外領域（例えば４μｍ～１２μｍ）の光を第１端面４ａ及び第２端面４ｂの各々から出射する。第１端面４ａ及び第２端面４ｂは、例えばＹ方向に垂直な平坦面である。第１端面４ａには無反射コーティングが施されている。

ＱＣＬ４は、半導体基板４１と、半導体基板４１上に形成された積層構造４２と、を有している。積層構造４２は、活性層と、活性層を挟む一対のクラッド層と、を含んでいる。活性層は、例えば、ＩｎＧａＡｓからなる複数の量子井戸層と、ＩｎＡｌＡｓからなる複数の量子障壁層と、を含んでいる。クラッド層は、例えばＩｎＰからなる。活性層及びクラッド層は、結晶成長により半導体基板４１上に形成されている。結晶成長の際、活性層及びクラッド層はＺ方向（積層方向、成長方向）に沿って半導体基板４１上に形成される。成長方向は活性層の厚さ方向である。ＱＣＬ４から出射される光は、積層方向に平行な直線偏光の光である。なお、積層構造４２は互いに異なる中心波長を有する複数の活性層と一対のクラッド層とを含んでいてもよい。

レンズ６，７は、例えば、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）からなる非球面レンズである。レンズ６，７の表面には無反射コーティングが施されている。レンズ６は、ＱＣＬ４に対して第１端面４ａの側に配置されており、第１端面４ａから出射される光をコリメートする。レンズ７は、ＱＣＬ４に対して第２端面４ｂの側に配置されており、第２端面４ｂから出射される光をコリメートする。レンズ７によりコリメートされた光は、筐体２の出射窓２ａを通り、出力光Ｌとして外部に出力される。

レンズ６によりコリメートされた光は、回折格子ユニット５のＭＥＭＳ回折格子５１に入射する。ＭＥＭＳ回折格子５１は、この入射光を回折及び反射させることにより、当該入射光のうち特定波長の光をＱＣＬ４の第１端面４ａに帰還させる。レーザモジュール１では、ＭＥＭＳ回折格子５１と第２端面４ｂとによりリトロー型の外部共振器が構成されている。これにより、レーザモジュール１は、特定波長の光を増幅させて外部に出力することができる。

また、ＭＥＭＳ回折格子５１では、後述するように、入射光を回折及び反射させる回折格子部６４の向きを高速に変化させることができる。これにより、ＭＥＭＳ回折格子５１からＱＣＬ４の第１端面４ａに帰還する光の波長が可変となっており、ひいてはレーザモジュール１の出力光Ｌの波長が可変となっている。出力光Ｌの波長を変化させることで、例えば、ＱＣＬ４のゲインバンドの範囲内において波長掃引を行うことができる。

回折格子ユニット５は、ＭＥＭＳ回折格子５１と、磁石５２と、ヨーク５３と、を備えている。ＭＥＭＳ回折格子５１は、略板状に形成されている。磁石５２は、ＭＥＭＳ回折格子５１に対してＱＣＬ４とは反対側に配置されている。ＭＥＭＳ回折格子５１はヨーク５３に固定されており、磁石５２はヨーク５３内に収容されている。これによりＭＥＭＳ回折格子５１、磁石５２及びヨーク５３は一体化されており、１つのユニットを構成している。

図３～図６に示されるように、ＭＥＭＳ回折格子５１は、支持部６１と、一対の連結部６２と、可動部６３と、回折格子部６４と、一対のコイル６５，６６と、を備えている。ＭＥＭＳ回折格子５１は、軸線Ａ周りに可動部６３を揺動させるＭＥＭＳデバイスとして構成されている。ＭＥＭＳ回折格子５１は、ＭＥＭＳ技術（パターニング、エッチング等）を用いて半導体基板を加工することにより形成される。

支持部６１は、平面視において（後述する法線方向ＤＮから見た場合に）矩形状を呈する平板状の枠体である。支持部６１は、一対の連結部６２を介して可動部６３を支持している。各連結部６２は、平面視において矩形棒状を呈する平板状の部材であり、軸線Ａに沿って真っ直ぐに延在している。各連結部６２は、可動部６３が軸線Ａ周りに揺動自在となるように、軸線Ａ上において可動部６３を支持部６１に連結している。

可動部６３は、支持部６１の内側に位置している。可動部６３は、上述したように軸線Ａ周りに揺動可能となっている。可動部６３は、平面視において略矩形状を呈する平板状の部材であり、４つの隅部６３ａを有している。可動部６３は各隅部６３ａにおいてＲ状に面取りされており、各隅部６３ａは丸く形成されている。例えば、各隅部６３ａは平面視において円弧状に湾曲している。これにより、可動部６３の慣性モーメントを低減することができ、可動部６３の揺動を高速化することができる。この例では、可動部６３は、長辺が第１方向Ｄ１に平行な略長方形状に形成されており、第１方向Ｄ１における可動部６３の長さは、第２方向Ｄ２における可動部６３の長さよりも長くなっている。一例として、第１方向Ｄ１における可動部６３の長さは４ｍｍ程度、第２方向Ｄ２における可動部６３の長さは３ｍｍ程度、厚さは３０μｍ程度である。支持部６１、連結部６２及び可動部６３は、例えば１つのＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板に作り込まれることにより、一体に形成されている。

可動部６３におけるＱＣＬ４の側の表面には、回折格子部６４が設けられている。回折格子部６４は、複数の格子溝６４ａを有し、ＱＣＬ４から出射された光を回折及び反射させる。回折格子部６４は、例えば、可動部６３の表面上に設けられ、回折格子パターンが形成された樹脂層と、当該回折格子パターンに沿うように樹脂層の表面上にわたって設けられた金属層と、を含んでいる。或いは、回折格子部６４は、可動部６３上に設けられると共に回折格子パターンが形成された金属層のみにより構成されてもよい。回折格子パターンは、この例では回折効率を高めるために鋸歯状断面のブレーズドグレーティングとなっているが、矩形状断面のバイナリグレーティング、又は正弦波状断面のホログラフィックグレーティング等であってもよい。回折格子パターンは、例えばナノインプリントリソグラフィ法により樹脂層に形成される。金属層は、例えば、金からなる金属反射膜であり、蒸着により形成される。

図５に示されるように、複数の格子溝６４ａは、第１方向Ｄ１に等間隔で並んでいる。各格子溝６４ａは、第１方向Ｄ１に垂直な第２方向Ｄ２に真っ直ぐに延在している。第２方向Ｄ２は、軸線Ａに平行な方向である。第１方向Ｄ１における格子溝６４ａの繰り返し周期（隣り合う格子溝６４ａ間の距離）ｄは、例えば４μｍ～１０μｍである。回折格子部６４の法線（格子面Ｓに垂直な直線）Ｎに平行な法線方向ＤＮに対する格子溝６４ａの角度（ブレーズド角）θは、例えば２０度～３５度である。

回折格子部６４は、平面視において可動部６３よりも一回り小さく形成されており、回折格子部６４の外縁は、可動部６３の外縁から一定の間隔を空けて、可動部６３の外縁に沿って延在している。この例では、回折格子部６４は、平面視において可動部６３と相似な略長方形状に形成されている。すなわち、回折格子部６４は、長辺が第１方向Ｄ１に平行な略長方形状に形成されており、第１方向Ｄ１における回折格子部６４の長さＬ１は、第２方向Ｄ２における回折格子部６４の長さＬ２よりも長くなっている。

コイル６５，６６は、例えば、銅等の金属材料からなり、可動部６３の表面に形成された溝内に埋め込まれたダマシン構造を有している。平面視において、コイル６５は軸線Ａに対して一方側（図４中の上側）に配置されており、コイル６６は軸線Ａに対して他方側（図４中の下側）に配置されている。

コイル６５，６６の各々は、平面視において渦巻き状に複数回巻回されている。コイル６５の外側端部は、支持部６１上に設けられた電極パッド７１に配線７２を介して電気的に接続されている。配線７２は、支持部６１、一方の連結部６２及び可動部６３にわたって延在している。コイル６６の外側端部は、支持部６１上に設けられた電極パッド７３に配線７４を介して電気的に接続されている。配線７４は、支持部６１、他方の連結部６２及び可動部６３にわたって延在している。

コイル６５の内側端部は、コイル６６の内側端部と電気的に接続されている。この例では、コイル６５，６６の内側端部同士が多層配線６７により電気的に接続されている。多層配線６７はコイル６５，６６の一部を構成しているとみなすこともでき、１本のコイル配線（多層配線）が平面視において８の字状に折り返されるように延在していることで一対のコイル６５，６６が構成されているとみなすこともできる。なお、コイル６５，６６は互いに一体に形成されてもよい。

コイル６５は、軸線Ａに沿って延在する内側部分６５ａと、可動部６３の外縁側を延在する外側部分６５ｂと、を有している。内側部分６５ａ及び外側部分６５ｂは、第２方向Ｄ２に沿って互いに平行に直線状に延在している。内側部分６５ａは、軸線Ａから一定の間隔を空けて、軸線Ａに沿って延在している。外側部分６５ｂは、可動部６３の外縁から一定の間隔を空けて、可動部６３の外縁に沿って延在している。

コイル６６は、軸線Ａに沿って延在する内側部分６６ａと、可動部６３の外縁側を延在する外側部分６６ｂと、を有している。内側部分６６ａ及び外側部分６６ｂは、第２方向Ｄ２に沿って互いに平行に直線状に延在している。内側部分６６ａは、軸線Ａから一定の間隔を空けて、軸線Ａに沿って延在している。外側部分６６ｂは、可動部６３の外縁から一定の間隔を空けて、可動部６３の外縁に沿って延在している。

磁石５２は、コイル６５，６６に作用する磁界（磁力）を発生させる。図２、図７及び図８に示されるように、磁石５２は、略直方体状に形成されたネオジウム磁石（永久磁石）であり、表面５４を有している。表面５４は、ＭＥＭＳ回折格子５１の側の表面であり、法線方向ＤＮにおいてＭＥＭＳ回折格子５１と向かい合う。磁石５２は、法線方向ＤＮにおける一方側と他方側とに異なる磁極を有する単一の部材からなる。すなわち、磁石５２は、複数の部材が組み合わせられて構成された磁石ではなく、厚さ方向に磁化された一体型のバルク磁石である。この例では、磁石５２は、ＭＥＭＳ回折格子５１の側にＮ極部分５７を有し、ＭＥＭＳ回折格子５１とは反対側にＳ極部分５８を有している。図８ではＮ極部分５７とＳ極部分５８との間の境界線が二点鎖線で示されている。

表面５４は、一対の傾斜面５５を含んでいる。各傾斜面５５は、第２方向Ｄ２から見た場合に、軸線Ａから離れるほどＭＥＭＳ回折格子５１の可動部６３から離れるように傾斜している。傾斜面５５の傾斜角度（法線方向ＤＮに垂直な平面に対する角度）は、ＭＥＭＳ回折格子５１における可動部６３の最大機械傾斜角度の半分に設定されている。これにより、可動部６３の軸線Ａ周りに揺動した場合に可動部６３が磁石５２と干渉することを抑制することができ、可動部６３の揺動角度を大きくすることができる。例えば、最大機械傾斜角度が１０度である場合、傾斜面５５の傾斜角度は５度に設定される。図８（ｂ）に示されるように、第２方向Ｄ２から見た場合に、一対の傾斜面５５を仮想的に延長した直線は、軸線Ａを通り法線方向ＤＮに平行な直線上の交点Ｂで交差する。

表面５４には、凹部５６が形成されている。この例では、凹部５６は、第２方向Ｄ２に沿って真っ直ぐに延在する溝である。凹部５６は、例えば、第２方向Ｄ２に関して一様な矩形状の断面を有し、法線方向ＤＮと垂直かつ平坦な底面５６ａを有している。第１方向Ｄ１において、凹部５６は、一対の傾斜面５５の間に配置され、一対の傾斜面５５に連なっている。第２方向Ｄ２において、凹部５６は、磁石５２の両端部に至るように延在している。凹部５６内の空間は空隙であるが、非磁性体が配置（充填）されていてもよい。凹部５６は、Ｎ極部分５７内において止まるようにＮ極部分５７に形成されており、Ｓ極部分５８には至っていない。これは、凹部５６がＳ極部分５８に至るように形成されているか、又は凹部５６が貫通孔であると、磁力線が複雑になり安定的な動作が阻害される可能性があるためである。

図４を参照しつつ、法線方向ＤＮから見た場合におけるＭＥＭＳ回折格子５１と磁石５２との間の位置関係について説明する。第１方向Ｄ１におけるＭＥＭＳ回折格子５１の長さは、第１方向Ｄ１における磁石５２の長さよりも長い。第１方向Ｄ１における磁石５２の長さは、第１方向Ｄ１における回折格子部６４の長さと略等しい。第２方向Ｄ２におけるＭＥＭＳ回折格子５１の長さは、第２方向Ｄ２における磁石５２の長さと略等しい。第２方向Ｄ２における磁石５２の長さは、第２方向Ｄ２における回折格子部６４の長さよりも長い。このような位置関係とすることにより、磁石５２を可能な限り大きくしつつ、可動部６３が軸線Ａ周りに揺動した際にＱＣＬ４からの光が磁石５２に入射することを回避することができる。

凹部５６（底面５６ａ）の少なくとも一部は、法線方向ＤＮから見た場合に、コイル６５，６６の内側部分６５ａ，６６ａと重なっている。この例では、凹部５６における軸線Ａの側の一部が、内側部分６５ａ，６６ａの全体と重なっている。すなわち、法線方向ＤＮから見た場合に、凹部５６の幅Ｗ１は、内側部分６５ａ，６６ａの幅Ｗ２よりも広い。幅Ｗ１，Ｗ２とは、第１方向Ｄ１における幅である。凹部５６は、法線方向ＤＮから見た場合に、コイル６５，６６の外側部分６５ｂ，６６ｂよりも軸線Ａの側に位置しており、外側部分６５ｂ，６６ｂと重なっていない。一例として、第１方向Ｄ１における磁石５２の長さは４ｍｍ、第２方向Ｄ２における磁石５２の長さは６ｍｍである。凹部５６の幅Ｗ１は１ｍｍ～２ｍｍ程度であり、例えば２ｍｍである。凹部５６の深さ（底面５６ａと交点Ｂとの間の距離）は１ｍｍ程度であり、法線方向ＤＮにおける磁石５２の厚さは３ｍｍ～３．５ｍｍである。

ヨーク５３は、磁石５２の磁力を増幅させ、磁石５２と共に磁気回路を形成する。図２に示されるように、ヨーク５３は、傾斜面５３ａを有している。傾斜面５３ａは、法線方向ＤＮと垂直かつ平坦に延在しており、ＱＣＬ４の第１端面４ａに対して傾斜している。このような傾斜面５３ａ上にＭＥＭＳ回折格子５１が固定されることにより、ＭＥＭＳ回折格子５１の回折格子部６４の法線Ｎを第１端面４ａに対して傾斜させることができる。この例ではＺ方向の一方側（筐体２の蓋部２２の側）を向くように回折格子部６４が傾斜しているが、Ｚ方向の他方側（筐体２の底面側）を向くように回折格子部６４が傾斜していてもよい。傾斜面５３ａの傾斜角度（第１端面４ａに対する角度）は、ＱＣＬ４の発振波長、回折格子部６４における格子溝６４ａの溝本数、及び角度θに応じて設定される。例えば、発振波長が７μｍ帯、溝本数が１５０本／ｍｍである場合、傾斜面５３ａの傾斜角度は３０度程度に設定される。

ヨーク５３は、Ｘ方向から見た場合に略コ字状（逆Ｃ字状）に形成されており、傾斜面５３ａに開口した配置空間ＳＰを画定している。この配置空間ＳＰ内に磁石５２が配置されて、磁石５２がヨーク５３内に収容されている。ヨーク５３は、Ｘ方向から見た場合に磁石５２を包囲している。ＭＥＭＳ回折格子５１は、配置空間ＳＰの開口を覆うように、支持部６１の縁部において傾斜面５３ａに固定されている。ＭＥＭＳ回折格子５１は、Ｙ方向から見た場合に第１方向Ｄ１がＺ方向（ＱＣＬ４の積層構造４２の積層方向）に沿い（平行となり）、かつ第２方向Ｄ２（軸線Ａ）がＸ方向に平行となるように、配置されている。

ＱＣＬ４は、積層構造４２の積層方向に長尺なビーム形状を有する光を出射する。レーザモジュール１では、ＱＣＬ４から出射されてレンズ６を介してＭＥＭＳ回折格子５１に入射する光は、回折格子部６４の位置において、第１方向Ｄ１における長さが第２方向Ｄ２における長さよりも長い楕円形状のビーム形状を有する。また、ＭＥＭＳ回折格子５１は、可動部６３の軸線Ａ周りの揺動角度にかかわらずに、ＱＣＬ４から出射されてレンズ６を透過した光の全てが回折格子部６４に入射するように、配置されている。すなわち、可動部６３が軸線Ａ周りに最大機械傾斜角度まで揺動した状態においても、当該光の全てが回折格子部６４に入射する。

図３に示されるように、磁石５２及びヨーク５３により、ＭＥＭＳ回折格子５１を通る磁界Ｍが形成される。この例では、磁界Ｍは、軸線Ａの側から可動部６３の縁部側に向けて可動部６３を横切るように形成される。ヨーク５３は、炭素が添加された鉄材により形成されている。これにより、傾斜面５３ａの加工工程を容易化することができる。ヨーク５３の表面は、劣化防止のために亜鉛メッキ等により保護されていてもよい。

ＭＥＭＳ回折格子５１では、コイル６５，６６に電流が流れると、磁石５２及びヨーク５３により形成される磁界Ｍにより、コイル６５，６６内を流れる電子に所定の方向にローレンツ力が生じる。これにより、コイル６５は所定の方向に力を受ける。このため、コイル６５に流れる電流の向き又は大きさ等を制御することで、可動部６３（回折格子部６４）を軸線Ａ周りに揺動させることができる。また、可動部６３の共振周波数に対応する周波数の電流をコイル６５，６６に流すことで、可動部６３を共振周波数レベルで（例えば１ｋＨｚ以上の周波数で）高速に揺動させることができる。このように、コイル６５，６６、磁石５２及びヨーク５３は、可動部６３を揺動させるアクチュエータ部として機能する。

図４では、コイル６５，６６を流れる電流の方向が矢印により示されている。図４に示されるように、ＭＥＭＳ回折格子５１では、コイル６５，６６の外側部分６５ｂ，６６ｂに同一方向の電流が流れる。これにより、可動部６３を揺動させるための駆動力を大きく確保することができる。
［作用及び効果］

レーザモジュール１では、磁石５２が、ＭＥＭＳ回折格子５１に対してＱＣＬ４とは反対側に配置されている。これにより、例えば、磁石５２がＭＥＭＳ回折格子５１の側方に配置される場合と比べて、モジュールの小型化を図ることができる。また、ＭＥＭＳ回折格子５１に、法線方向ＤＮから見た場合に軸線Ａに対して一方側と他方側とにそれぞれ配置された一対のコイル６５，６６が設けられている。これにより、コイル６５，６６の外側部分６５ｂ，６６ｂに対して同一の方向に電流を流すことができ、駆動力（ひいては振れ角）を大きく確保することができる。また、回折格子部６４における軸線Ａから遠い部分（外側部分６５ｂ，６６ｂ）においてコイル６５，６６の巻き数を多くすることができ、これによっても駆動力を大きく確保することができる。一方、内側部分６５ａ，６６ａには外側部分６５ｂ，６６ｂとは反対の方向に電流が流れるため、可動部６３に軸線Ａ周りの振動以外の振動モード（例えば前後方向や横方向の共振モード）が生じ、ＭＥＭＳ回折格子５１の動作が不安定になる可能性がある。この点、レーザモジュール１では、磁石５２におけるＭＥＭＳ回折格子５１の側の表面５４に凹部５６が形成されており、凹部５６の少なくとも一部が、法線方向ＤＮから見た場合にコイル６５，６６の内側部分６５ａ，６６ａと重なっている。これにより、内側部分６５ａ，６６ａに作用する磁力を低減することができ、動作を安定化することができる。特に、駆動力を大きくするためにコイル６５，６６の巻き数を多くした場合には動作が不安定になり易いが、レーザモジュール１では、巻き数を増やして駆動力を大きくした場合でも動作を安定化することができる。また、磁石５２において内側部分６５ａ，６６ａと重なる部分のみに凹部５６が形成されるため、磁石５２の総体積を確保して外側部分６５ｂ，６６ｂに作用する磁力を確保することができ、駆動力を大きく確保することができる。よって、レーザモジュール１によれば、小型化を図ることができると共に、振れ角を大きく確保しつつＭＥＭＳ回折格子５１を安定的に動作させることができる。内側部分６５ａ，６６ａに作用する磁力を低減するためには磁石５２に凹部ではなく貫通孔を形成することも考えられるが、貫通孔を形成すると磁界Ｍが乱れてしまうおそれがある。これに対し、レーザモジュール１では、磁石５２に底面５６ａを有する凹部５６が形成されているため、磁界Ｍを良好に形成することができる。

凹部５６が、軸線Ａに平行なＸ方向に沿って延在する溝である。これにより、コイル６５，６６の内側部分６５ａ，６６ａに作用する磁力を低減しつつ、コイル６５，６６の外側部分６５ｂ，６６ｂに作用する磁力を確保することができる。

磁石５２の表面５４が、Ｘ方向から見た場合に、軸線Ａから離れるほど可動部６３から離れるように傾斜した一対の傾斜面５５を含んでいる。これにより、揺動時に可動部６３が磁石５２に接触することを抑制しつつ、磁石５２をＭＥＭＳ回折格子５１に近づけることができ、コイル６５，６６に作用する磁力を大きく確保することができる。

磁石５２が、法線方向ＤＮにおける一方側と他方側とに異なる磁極を有する単一の部材からなっている。これにより、ＭＥＭＳ回折格子５１と向かい合うのが一方の磁極（上記例ではＮ極）のみとなり、磁力線がＭＥＭＳ回折格子５１を法線方向ＤＮに沿って貫くように磁気回路を形成することができ、可動部６３を軸線Ａ周りに揺動させるための回転トルクを好適に発生させることができる。

法線方向ＤＮから見た場合に、凹部５６の幅Ｗ１が、コイル６５，６６の内側部分６５ａ，６６ａの幅Ｗ２よりも広い。これにより、内側部分６５ａ，６６ａに作用する磁力を低減しつつ、外側部分６５ｂ，６６ｂに作用する磁力を確保することができる。

凹部５６が、法線方向ＤＮから見た場合に、コイル６５，６６の外側部分６５ｂ，６６ｂと重なっていない。これにより、内側部分６５ａ，６６ａに作用する磁力を低減しつつ、外側部分６５ｂ，６６ｂに作用する磁力を確保することができる。
［変形例］

ＭＥＭＳ回折格子５１は、図９（ａ）に示される第１変形例、又は図９（ｂ）に示される第２変形例のように構成されてもよい。第１変形例及び第２変形例では、各連結部６２が蛇行して延在している。第１変形例では、一対の連結部６２が平面視において可動部６３の中心を通り軸線Ａに垂直な直線に関して対称に形成されており、第２変形例では、一対の連結部６２が平面視において当該直線に関して非対称に形成されている。第１変形例及び第２変形例によっても、上記実施形態と同様に、小型化を図ることができると共に、振れ角を大きく確保しつつＭＥＭＳ回折格子５１を安定的に動作させることができる。また、第１変形例及び第２変形例は、可動部６３を非共振モードで動作させる場合に好適に用いることができる。可動部６３を非共振モードで動作させる場合、出力光Ｌの波長を制御することができ、任意の波長に固定することができる。

磁石５２は、図１０～図１２に示される第３変形例のように構成されてもよい。第３変形例では、凹部５６が溝ではなく穴によって構成されている。凹部５６は、例えば、法線方向ＤＮに関して一様な円形状の断面を有する略円柱状の穴であり、法線方向ＤＮと垂直かつ平坦な底面５６ａを有している。凹部５６の直径は１ｍｍ～２ｍｍ程度であり、例えば２ｍｍである。凹部５６（底面５６ａ）の少なくとも一部は、法線方向ＤＮから見た場合に、コイル６５，６６の内側部分６５ａ，６６ａと重なっている。この例では、凹部５６における軸線Ａの側の一部が、内側部分６５ａ，６６ａの一部と重なっている。凹部５６の幅Ｗ１は、内側部分６５ａ，６６ａの幅Ｗ２よりも広い。凹部５６は、法線方向ＤＮから見た場合に、コイル６５，６６の外側部分６５ｂ，６６ｂと重なっていない。第３変形例によっても、上記実施形態と同様に、小型化を図ることができると共に、振れ角を大きく確保しつつＭＥＭＳ回折格子５１を安定的に動作させることができる。なお、凹部５６の形状は円柱状以外の任意の形状であってよく、例えば、凹部５６は矩形状の断面を有する略角柱状の穴であってもよい。

本発明は、上記実施形態及び変形例に限られない。例えば、各構成の材料及び形状には、上述した材料及び形状に限らず、様々な材料及び形状を採用することができる。上記実施形態では直列に接続された１本のコイル配線により一対のコイル６５，６６が構成されていたが、コイル６５，６６は別体に構成されて別々に外部に引き出されていてもよい。ただし、コイル６５，６６が１本のコイル配線により構成されているほうが、大電流化及び制御性向上の観点から好ましい。

凹部５６の少なくとも一部が法線方向ＤＮから見た場合にコイル６５，６６の内側部分６５ａ，６６ａと重なっていればよく、凹部５６の全体が内側部分６５ａ，６６ａと重なっていてもよい。凹部５６の幅Ｗ１は内側部分６５ａ，６６ａの幅Ｗ２よりも狭くてもよいし、幅Ｗ２と等しくてもよい。可動部６３の形状は長方形状に限らず、例えば楕円形状であってもよいし、円形又は正方形状であってもよい。回折格子部６４の形状は長方形状に限らず、例えば楕円形状であってもよいし、円形又は正方形状であってもよい。

ＭＥＭＳ回折格子５１は、光学面（回折格子部６４）を駆動させるＭＥＭＳアクチュエータとみなすことができ、回折格子ユニット５は、アクチュエータ装置とみなすことができる。すなわち、アクチュエータ装置は、所定の軸線Ａ周りに揺動可能な可動部６３と、可動部６３上に形成された光学面と、を有するＭＥＭＳアクチュエータと、可動部６３に対してＭＥＭＳアクチュエータとは反対側に配置された磁石５２と、磁石５２と共に磁気回路を形成するヨーク５３と、を備える。ＭＥＭＳアクチュエータは、磁石５２の磁力が作用するコイルを更に有し、コイル６５，６６は、光学面の法線に平行な法線方向ＤＮから見た場合に、軸線Ａに対して一方側と他方側とにそれぞれ配置された一対のコイル６５，６６を含み、コイル６５，６６の各々は、軸線Ａに沿って延在する内側部分６５ａ，６６ａを有する。磁石５２におけるＭＥＭＳアクチュエータの側の表面には凹部５６が形成されており、凹部５６の少なくとも一部は、法線方向ＤＮから見た場合に、コイル６５，６６の各々の内側部分６５ａ，６６ａと重なっている。このようなアクチュエータ装置によれば、上記実施形態と同様に、小型化を図ることができると共に、振れ角を大きく確保しつつＭＥＭＳアクチュエータを安定的に動作させることができる。光学面は、回折格子面に限らず、ミラー面であってもよい。

１…外部共振型レーザモジュール、４…量子カスケードレーザ、６…レンズ、５１…ＭＥＭＳ回折格子、５２…磁石、５３…ヨーク、５４…表面、５５…傾斜面、５６…凹部、６３…可動部、６４…回折格子部、６５，６６…コイル、６５ａ，６６ａ…内側部分、６５ｂ，６６ｂ…外側部分、Ａ…軸線、ＤＮ…法線方向、Ｎ…法線、Ｗ１，Ｗ２…幅。

Claims (7)

1. 量子カスケードレーザと、
   所定の軸線周りに揺動可能な可動部と、前記可動部上に形成された回折格子部と、を有し、前記量子カスケードレーザから出射された光を前記回折格子部によって回折及び反射させて前記光の一部を前記量子カスケードレーザに帰還させるＭＥＭＳ回折格子と、
   前記量子カスケードレーザと前記ＭＥＭＳ回折格子との間に配置されたレンズと、
   前記ＭＥＭＳ回折格子に対して前記量子カスケードレーザとは反対側に配置された磁石と、
   前記磁石と共に磁気回路を形成するヨークと、を備え、
   前記可動部は、板状に形成されており、前記ＭＥＭＳ回折格子は、支持部と、前記可動部が前記軸線周りに揺動自在となるように前記軸線上において前記可動部を前記支持部に連結する連結部と、を有し、前記可動部は、１自由度振動系として振動可能となっており、
   前記ＭＥＭＳ回折格子は、前記可動部に形成されて前記磁石の磁力が作用するコイルを更に有し、前記コイルは、前記回折格子部の法線に平行な法線方向から見た場合に、前記軸線に対して一方側と他方側とにそれぞれ配置された一対のコイルを含み、前記一対のコイルの各々は、前記軸線に沿って延在する内側部分を有し、
   前記磁石における前記ＭＥＭＳ回折格子の側の表面には凹部が形成されており、前記凹部の少なくとも一部は、前記法線方向から見た場合に、前記一対のコイルの各々の前記内側部分と重なっている、外部共振型レーザモジュール。
2. 量子カスケードレーザと、
   所定の軸線周りに揺動可能な可動部と、前記可動部上に形成された回折格子部と、を有し、前記量子カスケードレーザから出射された光を前記回折格子部によって回折及び反射させて前記光の一部を前記量子カスケードレーザに帰還させるＭＥＭＳ回折格子と、
   前記量子カスケードレーザと前記ＭＥＭＳ回折格子との間に配置されたレンズと、
   前記ＭＥＭＳ回折格子に対して前記量子カスケードレーザとは反対側に配置された磁石と、
   前記磁石と共に磁気回路を形成するヨークと、を備え、
   前記ＭＥＭＳ回折格子は、前記磁石の磁力が作用するコイルを更に有し、前記コイルは、前記回折格子部の法線に平行な法線方向から見た場合に、前記軸線に対して一方側と他方側とにそれぞれ配置された一対のコイルを含み、前記一対のコイルの各々は、前記軸線に沿って延在する内側部分を有し、
   前記磁石における前記ＭＥＭＳ回折格子の側の表面には凹部が形成されており、前記凹部の少なくとも一部は、前記法線方向から見た場合に、前記一対のコイルの各々の前記内側部分と重なっており、
   前記磁石の前記表面は、前記軸線に平行な方向から見た場合に、前記軸線から離れるほど前記可動部から離れるように傾斜した一対の傾斜面を含んでいる、外部共振型レーザモジュール。
3. 前記凹部は、前記軸線に平行な方向に沿って延在する溝である、請求項１又は２に記載の外部共振型レーザモジュール。
4. 前記凹部は、底面を有する穴である、請求項１又は２に記載の外部共振型レーザモジュール。
5. 前記磁石は、前記法線方向における一方側と他方側とに異なる磁極を有する単一の部材からなる、請求項１～４のいずれか一項に記載の外部共振型レーザモジュール。
6. 前記法線方向から見た場合に、前記凹部の幅は、前記一対のコイルの前記内側部分の幅よりも広い、請求項１～５のいずれか一項に記載の外部共振型レーザモジュール。
7. 前記一対のコイルの各々は、前記可動部の外縁に沿って前記内側部分と平行に延在する外側部分を有し、
   前記凹部は、前記法線方向から見た場合に、前記一対のコイルの各々の前記外側部分と重なっていない、請求項１～６のいずれか一項に記載の外部共振型レーザモジュール。

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