JP2014060384A - 面発光レーザー、光源装置、光源装置の駆動方法及び光干渉断層撮像装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 共振器長によって決定されるFSRに律則される波長範囲を超える広帯域な波長掃引を可能とする波長可変VCSELの提供
【解決手段】 第1のレーザーと第2のレーザーそれぞれの前記半導体層は共通であり、第1のレーザーはn+1次(nは1以上の整数)の縦モードで夫々発振する共振器長を有し、第2のレーザーは、n次の縦モードで夫々発振する共振器長を有し、第1のレーザーと前記第2のレーザーがそれぞれ発振する光の発振波長帯域は異なる。
【選択図】 図1
【解決手段】 第1のレーザーと第2のレーザーそれぞれの前記半導体層は共通であり、第1のレーザーはn+1次(nは1以上の整数)の縦モードで夫々発振する共振器長を有し、第2のレーザーは、n次の縦モードで夫々発振する共振器長を有し、第1のレーザーと前記第2のレーザーがそれぞれ発振する光の発振波長帯域は異なる。
【選択図】 図1
Description
本発明は光の発振波長を可変とする面発光レーザーに関する。
レーザー光源については、発振波長を可変とするものが通信ネットワーク分野や検査装置の分野で種々利用されてきている。
通信ネットワーク分野では、高速な波長切替、また、検査装置の分野では高速で広範な波長掃引等が、要望されている。
検査装置における波長可変(掃引)光源の用途としては、レーザー分光器、分散測定器、膜厚測定器、波長掃引型光干渉トモグラフィー(Swept Source Optical Coherence Tomography:SS−OCT)装置等がある。
光干渉トモグラフィーは、光干渉を用いて検体の断層像を撮像するもので、ミクロンオーダーの空間分解能が得られることや無侵襲性等の理由から医用分野における研究が近年、盛んになってきている撮像技術である。
波長掃引型光干渉トモグラフィーでは、深さ情報を得るのにスペクトル干渉を用い、分光器を用いないことから光量のロスが少なく高SN比の像取得も期待されている。
また、このSS−OCT装置での断層方向の分解能は、波長掃引範囲によって決まることが知られており、波長掃引範囲が広いほど分解能は向上する。そのため広帯域の波長掃引光源の実現が望まれている。
SS−OCT装置に適用可能な波長掃引光源の一つに、非特許文献1に開示されたMEMs技術により反射鏡が可動し共振器長を変化させて発振波長を可変とする垂直共振器型面発光レーザー(Vertical−Cavity Surface−Emitting Laser:VCSEL)がある。
また、面発光レーザーとしては、2個の発光領域を1チップに形成したもので、活性層を挟んで上部反射層と下部反射層を設けて光共振器を構成し、上下の方向に間隔が異なるエアギャップを設けることが特許文献1に記載されている。
"Surface micromachined tunable1.55μm−VCSEL with 102nm continuous single−mode tuning"Optics Express,vol.19,2011,pp.17336−17343
非特許文献1では、波長可変な面発光レーザー(VCSEL)の波長掃引範囲を制限する一つの要素として自由スペクトル領域(Free Spectral Range:FSR)があるとしている。
そして、FSRは波長可変VCSELの共振器長Lと波長λによって決定され、以下の(式1)で表され、共振器長Lは、共振波長の縦モードの次数をqとして、(式2)で表されるとしている。
即ち、この縦モード次数qと発振させたい波長λを決定すると、共振器長Lが決定され、FSRも決まることとなる。
そして、このFSRよりも広い波長範囲で発振できる共振器となっている場合には、複数の縦モードでの同時発振や、縦モード間で不安定な発振状態が生ずることとなる。
例えば、図10に示すように一対の反射鏡で挟まれたある固定の共振器長L1は、λ1の波長ではq=4、λ2の波長ではq=5の共振器として振る舞うことができる。このような共振器では、活性層の利得帯域が両方の波長にある場合、λ1、λ2での同時発振や、不安定な発振状態が生ずる。
ところで、共振器長Lを小さな値とすることで、このFSRは大きくでき複数の縦モードの同時発振や縦モード間で不安定な発振状態を抑制する事ができる。しかしながら、波長可変VCSELの励起方法として電流注入方式を用いようとすると、電流注入のために必要なコンタクト層や電流拡散層等の層構成が必要となり、共振器長が長くなる傾向にある。共振器長が長くなるとFSRは狭くなり、これにより波長掃引範囲も小さくなる。
特許文献1では、異なる複数のエアギャップを設けることでエアギャップごとに異なる発振波長を実現する面発光レーザーが開示されているが、これは製造歩留りを向上させるためであり、波長掃引範囲の拡大については、何ら着目がなされていない。
そこで、本発明は、広範囲な波長掃引を可能とする面発光レーザーを提供することを目的とする。
本発明の面発光レーザーは、第1のレーザーと第2のレーザーを有する面発光レーザーであって、
前記第1のレーザーと前記第2のレーザーはそれぞれ、対をなす反射鏡で構成された光共振器と、該光共振器の内側に配された、光を放出する半導体層と、を備え、前記反射鏡の位置を前記半導体層の層厚方向に変位させて光の発振波長が可変であり、
前記第1のレーザーと前記第2のレーザーそれぞれの前記半導体層は共通であり、
前記第1のレーザーはn+1次(nは1以上の整数)の縦モードで夫々発振する共振器長を有し、
前記第2のレーザーは、n次の縦モードで夫々発振する共振器長を有し、
前記第1のレーザーと前記第2のレーザーがそれぞれ発振する光の発振波長帯域は異なることを特徴とする面発光レーザー。
前記第1のレーザーと前記第2のレーザーはそれぞれ、対をなす反射鏡で構成された光共振器と、該光共振器の内側に配された、光を放出する半導体層と、を備え、前記反射鏡の位置を前記半導体層の層厚方向に変位させて光の発振波長が可変であり、
前記第1のレーザーと前記第2のレーザーそれぞれの前記半導体層は共通であり、
前記第1のレーザーはn+1次(nは1以上の整数)の縦モードで夫々発振する共振器長を有し、
前記第2のレーザーは、n次の縦モードで夫々発振する共振器長を有し、
前記第1のレーザーと前記第2のレーザーがそれぞれ発振する光の発振波長帯域は異なることを特徴とする面発光レーザー。
本発明によれば、広範囲な波長掃引を可能とする面発光レーザーを提供することができる。
以下、図1、図2等を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図1は、本発明の面発光レーザーの一例を示す模式図である。
図1の面発光レーザーは、対をなす反射鏡である上部反射鏡110−1,110−2と下部反射鏡102とで構成された光共振器を備え、この光共振器の内側に光を放出する半導体層である活性層104等を配して構成されている。この面発光レーザーでは反射鏡の位置を半導体層の層厚方向に変位させることで共振器長を変化させ、光の発振波長を可変とする。
この面発光レーザーでは、光を放出する半導体層である活性層104を共通として対をなす反射鏡を複数対備え、第1のレーザーと第2のレーザーが構成されている。
対をなす反射鏡は、上部反射鏡110−1と下部反射鏡102とで一対、上部反射鏡110−2と下部反射鏡102とで一対、の複数対である。
そして第1のレーザーと第2のレーザーは、一方がn次(nは1以上の整数)の縦モード次数、他方がn+1次の縦モード次数で夫々発振する共振器長を有すると共に、第1のレーザーの発振波長帯域と、第2のレーザーの発振波長帯域と、が異なっている。また、第1のレーザーの発振波長帯域と、第2のレーザーの発振波長帯域とが、全部ではなく一部重複していることが好ましい。なお、本発明において、レーザーの発振波長帯域、あるいは発振する光の波長帯域とは、そのレーザーが発振しうる波長帯域である。よって、実際にレーザーを駆動して発振させる波長帯域は、発振しうる波長帯域と同じでもよいし、発振しうる波長帯域よりも狭くてもよい。
この点については、後述するが、先に図1の面発光レーザーの構成部位について簡単に説明する。図1において、101は第2の導電型のGaAs等の基板であり、102は誘電体多層膜等で形成される複数の面発光レーザーに共通の下部反射鏡である。103は第1の導電型のAlGaAs等で形成される下部スペーサ層、104はInGaAsの量子井戸等で形成される活性層であり、105は第2の導電型のAlGaAs等で形成される上部スペーサ層である。106は選択酸化等によって形成される電流狭窄部、107はGaAs等で形成されるコンタクト層であり、108、109は電流注入のための電極である。110−1及び110−2は、それぞれ誘電体多層膜等で形成される上部反射鏡であり、111は上部反射鏡110を支持するGaAsやSi等で形成される支持部材である。
コンタクト層107の上方には、コンタクト層107に接しない状態(離間して)で支持部材111に支持された上部反射鏡110が形成されている。そして、上部反射鏡110とコンタクト層107との間にエアギャップ125が形成され、上部反射鏡110が上下(活性層104の層厚方向)に変位可能となっている。
下部反射鏡102は、基板101が図示の通り除去された部分に形成され、二つの面発光レーザーの下部反射鏡として作用する様に、二つの面発光レーザーが存在する領域にまたがって形成されている。
下部スペーサ層103、活性層104、上部スペーサ層105、コンタクト層107を構成するそれぞれの半導体層は、基板101上に一括に形成されており、二つの面発光レーザーにおいて同一の構成となっている。
第2の導電型のGaAs基板101に接して形成された電極109と第1の導電型のコンタクト層107に接して形成された電極108との間に通電し、電流狭窄構部106を通って活性層で発光再結合を生起させて、発光を得るべく電流注入を行う。
ここで、上述したように下部反射鏡、及び、活性層等の半導体層を共通の部材で構成した二つの面発光レーザーを用意するだけでは、共振器長によって決定されるFSRに律則される波長範囲を超える広帯域化は実現しない。
本発明では、共振器長によって決定されるFSRに律則される波長範囲を超える広帯域化を一つのデバイスで実現するため、以下の構成を採っている。すなわち、第1のレーザーと第2のレーザーは、一方がn次(nは1以上の整数)の縦モード次数、他方がn+1次の縦モード次数で夫々発振する共振器長を有している。さらに、第1のレーザーの発振波長帯域と、第2のレーザーの発振波長帯域と、が異なっている。
共振器長を変化させることによって発振する波長を変化させる形態の面発光レーザーは、複数の縦モードが共振条件を満たす場合、発振波長が不安定になる、若しくは、同時に複数の波長で発振することになる。
そのため一つの面発光レーザーでは、縦モードが一つであることが望ましい。特にSS−OCT装置に用いる波長可変レーザーでは、SS−OCT装置が分光器等の波長の弁別機構を有さず、支持部材111の移動に同期して、信号を取得するタイミングを決定し波長を推定する。そのため、同時に複数の波長が光源から出射されると、検出器にて複数の波長の干渉信号が入射するため不都合が生ずる。
本発明で規定する面発光レーザーの発振する波長範囲及び共振器長、二つの面発光レーザーの発振する波長帯域において、二つの面発光レーザーの発振する波長帯域が重なる帯域の具体的な決め方の例について以下に説明する。
SS−OCT装置では等波数間隔で干渉信号を取得するため、複数の面発光レーザー間でレーザー光として出力されない波長帯域が生じると、干渉信号の測定データが連続的にならず、データ抜けが発生し問題となる。そのため、複数の面発光レーザー間で同じ波長を発振させることを可能とすることで、各面発光レーザー間における発振波長の間隙をなくすことが大事になる。以下、図2を参照して第1のレーザーと第2のレーザーの発振波長帯域を決定する方法について説明する。
図2は、各縦モード次数において共振器長とその共振器長の時に共振条件を満たす波長についてのグラフである。二つの面発光レーザー(第1及び第2のレーザー)の発振波長が重複する波長帯域の幅をΔλ3とし、重複する波長帯域の中心波長λcを決定する。重なる範囲をある程度広げることで、面発光レーザーの作製時や駆動時の誤差により生じる可能性のある、各レーザー間の波長の間隙を抑えることができる。
二つの面発光レーザーのうち、発振波長が短波長側の面発光レーザー(第1のレーザー)の発振する波長、発振波長が長波長側の面発光レーザー(第2のレーザー)の発振する波長を各々、λ1、λ2とする。また、第1のレーザーの発振波長帯域の下限と上限をそれぞれλ1min、λ1max、第2のレーザーの発振波長帯域の下限と上限をそれぞれλ2min、λ2maxとする。λ1min<λ2min≦λ1max<λ2maxの関係を満たすことで、第1のレーザーの発振波長帯域と第2のレーザーの発振波長帯域とが異なっている。また、図2では、λ1min<λ2min<λ1max<λ2maxの関係を満たしており、第1のレーザーの発振波長帯域と第2のレーザーの発振波長帯域とが一部重複している。
二つの面発光レーザーが各々異なった隣り合う縦モード次数(n次、n+1次)で且つ、単一縦モードで発振する場合、発振波長が短波長側の面発光レーザー(第1のレーザー)の発振する波長λ1の範囲は、以下の(式3)を満足する。このλ1の範囲を第1のレーザーの波長帯域といい、その幅をΔλ1(=λ1max−λ1min)とする。なお、式3の最左辺がλ1minであり、最右辺がλ1maxに対応する。
また、発振波長が長波長側の面発光レーザー(第2のレーザー)の発振する波長λ2の範囲(波長帯域)は、以下の(式4)を満足する。このλ2の範囲を第2のレーザーの波長帯域といい、その幅をΔλ2(=λ2max−λ2min)とする。なお、式4の最左辺がλ2minであり、最右辺がλ2maxに対応する。
この範囲で各面発光レーザーが発振する場合、各々の面発光レーザーでは単一縦モードで発振する。
上記の式は、n次の縦モードで発振する場合、λ2の波長帯域で異なる縦モードが存在しない領域を示している。
つまり、長波長側と短波長側でn+1次、n−1次の縦モードが存在しない範囲となる。
つまり、長波長側と短波長側でn+1次、n−1次の縦モードが存在しない範囲となる。
λ2の波長帯域の下限はすでに設定しているため、上限を設定すれば良い。この上限は、n次の縦モードを挟んだn−1次とn+1次に対するn次との波長差(FSRに相当)に応じて決定される。
λ2の下限値に対応する共振器長と同じ共振器長を有するn−1次の縦モードにおける発振波長とλ2の下限値との波長差と、λ2の下限値と同じ発振波長のn+1次の縦モードの共振器長に対応するn次の縦モードにおける発振波長とλ2の下限値との波長差のうち、波長差の狭い方を基にλ2の上限値が決まる。具体的には、λ2の下限値に対応する共振器長と同じ共振器長を有するn−1次の縦モードにおける発振波長とλ2の下限値との波長差が狭い場合には、λ2の上限値は、λ2の下限値に対応する共振器長と同じ共振器長を有するn−1次の縦モードにおける発振波長と同じ値となる。一方、λ2の下限値と同じ発振波長のn+1次の縦モードの共振器長に対応するn次の縦モードにおける発振波長とλ2の下限値との波長差が狭い場合には、λ2の上限値は、λ2の下限値と同じ発振波長のn+1次の縦モードの共振器長に対応するn次の縦モードにおける発振波長の値となる。λ1の上限、下限においても、同様の思想で波長範囲が制限される。つまり、波長帯域幅Δλ1及びΔλ2は、単一縦モードで発振させるために、FSRよりも小さい値となる。
また、本発明の目的とする共振器長によって決定されるFSRに律則される波長範囲を超える広帯域の波長掃引を確実に達成するためには、以下の要件を満たすのが好ましい。つまり、λ1の波長範囲の下限とλ2の波長範囲の上限で規定される範囲(Δλ1+Δλ2−Δλ3)が、FSRよりも広く設定されることが好適である。
具体的には、以下の2式を満足することが好適である。
Δλ1<FSR1<Δλ1+Δλ2−Δλ3 ・・・(式5)
Δλ2<FSR2<Δλ1+Δλ2−Δλ3 ・・・(式6)
Δλ1<FSR1<Δλ1+Δλ2−Δλ3 ・・・(式5)
Δλ2<FSR2<Δλ1+Δλ2−Δλ3 ・・・(式6)
ここで、第1のレーザーにおける自由スペクトル領域をFSR1、第2のレーザーにおける自由スペクトル領域をFSR2としている。また、第1のレーザーの発振する光の波長帯域幅はΔλ1、第2のレーザーの発振する光の波長帯域幅はΔλ2、Δλ1とΔλ2とが重複する波長範囲幅はΔλ3である。
なお、λ1max、λ1min、λ2max、λ2minを用いると、式5,6はそれぞれ式5’、6’と書き換えられる。
λ1max−λ1min<FSR1<λ2max−λ1min ・・・(式5’)
λ2max−λ2min<FSR2<λ2max−λ1min ・・・(式6’)
なお、λ1max、λ1min、λ2max、λ2minを用いると、式5,6はそれぞれ式5’、6’と書き換えられる。
λ1max−λ1min<FSR1<λ2max−λ1min ・・・(式5’)
λ2max−λ2min<FSR2<λ2max−λ1min ・・・(式6’)
これらの上限、下限の波長で面発光レーザーを発振させなくするためには、幾つかの手法があげられる。一つは、面発光レーザーの共振器を構成する一対の反射鏡の反射帯域を制限する手法である。面発光レーザーは、活性層体積が小さいため端面発光レーザーと異なり利得を大きくすることが困難であり、反射鏡は99%以上の反射率を必要とすることが一般的である。
この高い反射率を有する波長範囲を制限することで、発振可能な範囲を決定することができる。例えば、上限、下限の間の波長帯域で99%以上の反射率を、その他の波長帯域で99%未満とすることで、発振可能な波長範囲を制限することができる。
本発明では、下部反射鏡を複数の面発光レーザーで共通のものを使用することが好適で、これにより低コスト化が図れる。一方、発振可能な波長が重なる波長帯域では、制限を加えるために可動する反射鏡で反射帯域を制限する必要がある。例えば、上限・下限共に可動する反射鏡の反射帯域を制限しても良い。
また、波長帯域が重なる領域は可動する反射鏡で発振可能な波長帯域を制限しながら、他の制限(重なる波長帯域が、各面発光レーザーでの下限であれば上限。各面発光レーザーの上限であれば下限。)については、下部反射鏡で発振可能範囲を制限しても良い。つまり、上部反射鏡及び下部反射鏡の両者ともに、99%以上の反射率を有する波長範囲が、発振可能な波長帯域となる。
例えば、上部反射鏡の反射率が、各レーザーの波長帯域内で99%以上であることが好適であり、また、下部反射鏡の反射率が、各レーザーの波長帯域内で99%以上であることが好適である。
別の手法として、可動反射鏡が変位し、共振器長が発振させる波長帯域に対応した際に、各面発光レーザーへの電流注入のON/OFFを切り替えるなどで、各面発光レーザーが発振する波長範囲に制限を加える手法を採用しても良い。
上記の発振する波長に制限を加えた面発光レーザーを複数並べることで、共振器が有するFSRに律則されない広い波長範囲で波長掃引が可能な面発光レーザーを形成することができる。複数の面発光レーザーにおいて同一の活性層と下部反射鏡が使用できる構成となるため、低コストで波長掃引範囲の広い面発光レーザーを形成することができる。
以下、具体的な実施例を挙げて本発明をより詳しく説明する。
(実施例1)
図3を参照して本実施例の面発光レーザーについて説明する。
図3を参照して本実施例の面発光レーザーについて説明する。
本実施例は、面発光レーザーの発振可能範囲を、可動する反射鏡の反射帯域によって制限するものであり、発振可能範囲が異なる2つの面発光レーザーを備えて構成されている例である。
図3の面発光レーザーは、活性層104、スペーサ層103及び105、コンタクト層107を形成した第1の基板101を有して構成されている。
第1の基板101の裏面に面発光レーザーを形成する箇所の基板部を取り除いた箇所に、下部反射鏡102となる誘電体多層膜を形成する。第1の基板101のコンタクト層107上に空気の間隙を介して、2つの上部反射鏡110−1及び110−2が形成されている。
この上部反射鏡110−1及び110−2は、弾性体の梁(支持部材111)によって支持されており、半導体層である活性層104の層厚方向(基板の法線方向)に変位可能となっている。この上部反射鏡110は、例えば誘電体多層膜反射鏡で構成される。上部反射鏡110−1と下部反射鏡102とで第1の光共振器が構成され、第1の光共振器の内側に位置する活性層104等を含んで第1のレーザーが構成されている。また、上部反射鏡110−2と下部反射鏡102とで第2の光共振器が構成され、第2の光共振器の内側に位置する活性層104等を含んで第2のレーザーが構成されている。
ここで、2つの面発光レーザーの発振波長帯域の中心波長λcを例えば850nmとし、重複する発振波長帯域幅Δλ3を20nmとし、縦モード次数nを12とする。すると、実施の形態で記述したように短波長側の第1のレーザーと、長波長側の第2のレーザーの発振可能範囲を決定することができる。
第1のレーザーの発振波長λ1の波長帯域は、
798.5nm<λ1<860nm
となる。また、第2のレーザーの発振波長λ2の波長帯域は、
840nm<λ2<910nm
となる。
798.5nm<λ1<860nm
となる。また、第2のレーザーの発振波長λ2の波長帯域は、
840nm<λ2<910nm
となる。
この発振波長帯域を実現するために、第1のレーザー及び第2のレーザーの上部反射鏡が反射率99%以上となる反射帯域を有する様設計を行う。
例えば、上述の波長範囲において吸収を持たない材料である、SiO2とSiONによって形成される多層膜反射鏡を用いれば良い。例えば、SiO2の屈折率を1.45、SiONの屈折率を1.77とし、828nmの1/4波長の厚さで17ペア形成することで、第1のレーザーの波長帯域において99%以上の反射帯域を得ることができる。
また、第2の面発光レーザーの波長帯域を実現する上部反射鏡としては、SiO2の屈折率を1.45、SiONの屈折率を1.77とし、874nmの1/4波長の厚さで17ペア形成する。これにより、第1のレーザー及び第2のレーザーの上部反射鏡によって発振可能範囲を決定することができる。
また、下部反射鏡に用いる誘電体多層膜102は、SiO2の屈折率を1.45、SiNの屈折率を2.00とし、850nmの1/4波長の厚さで25ペア形成する。この構成により、第1のレーザーと第2のレーザーそれぞれの波長帯域幅の全域において、上部反射鏡の反射率よりも高い反射率を得ることができる。こうすることで、上部反射鏡と比較して下部反射鏡の反射率を高くすることにより、上部反射鏡側から大きな光出力を得ることができる。
縦モード次数nを12とした事により、共振器長は以下の(式7)に従って決定される。式7で、qは次数を意味し、λqはその次数における共振波長を意味する。
12次の縦モードを用いる第2の面発光レーザーの場合、λ2の波長帯域から共振器長L2は、
5040nm<L2<5460nm
となる。
5040nm<L2<5460nm
となる。
n+1次の縦モード、即ち13次の縦モードを用いる第1のレーザーの場合、λ1の波長範囲から共振器長L1は、
5190.25nm<L1<5590nm
となる。
5190.25nm<L1<5590nm
となる。
可動変位する上部反射鏡110−1及び110−2を上述の範囲の共振器長を実現するべく駆動することによって、第1のレーザー及び第2のレーザーから当初決定した波長範囲の光が射出されることとなる。
仮にこの共振器長以上の幅で変位可動する上部反射鏡を動かしたとしても、上部反射鏡の反射帯域を制限することによって、発振可能な波長範囲は決定されるため縦モードが変化することなく連続的な波長掃引が可能となっている。
例えば、駆動電極301と電極108の間に電圧を印加することによって、支持部材111とコンタクト層107との間に静電引力を発生させ、上部反射鏡110を基板側に変位させることが可能となる。
この場合、最も共振器長が長い5590nmに初期状態でなるように上部反射鏡110を配置し、上部反射鏡110を基板側に移動させることで、短い共振器長を実現することが可能となる。
本発明において、縦モードの次数nは、得ようとする発振波長と共振器長とを考慮して一般的には5乃至30の範囲内とすることが好適である。
また、重複する発振波長帯域幅Δλ3は、一般的には0nm乃至70nmの範囲内、更には、5nm乃至40nmの範囲内とすることが、広範囲の波長掃引を行うという観点から好適である。
上述した共振器長は、共振器を形成する4つの箇所の光路長の合計長さによって決定される。
一つ目は、エアギャップの長さである。これは、上部反射鏡とコンタクト層等からなる半導体層との間に形成する空隙の間隔であり、上部反射鏡を駆動することによって変化する間隔となっている。
二つ目は、上部反射鏡を構成する誘電体多層膜への光の侵入長がある。この侵入長Lpenは、誘電体多層膜を構成する材料の屈折率(n1,n2)とその厚さ(L1,L2)によって、以下の(式8)でおおよその値が決定される。
上記の式8は、LARRY.COLDREN等によって編纂された、“Vertical−Cavity Surface−Emitting Lasers”(CAMBRIDGE UNIVERSITY PRESS)に記載されている。
この式では、誘電体多層膜の反射帯域の中心波長における侵入長のおおよその値を導出するが、本実施例では中心波長以外での波長においても誘電体多層膜を反射鏡として使用するため、各々の波長において侵入長は変化する。
三つ目は、コンタクト層や活性層の半導体層の厚さ、及びその材料が有する屈折率で決定される。
四つ目は、下部反射鏡を構成する誘電体多層膜への光の侵入長である。これは、二つ目の上部反射鏡への侵入長と同様である。
本実施例では、上部・下部反射鏡の侵入長、及び、半導体層の光路長、エアギャップの空隙が合計して5590nmの光路長となる様に共振器を構成する。
ここで半導体層としては、例えば、基板上面から、コンタクト層、電流拡散層、電流狭窄層、活性層、電流拡散層の順で積層される。
この中の活性層は、例えば、障壁層にAl0.15Ga0.85Asを、量子井戸層として8nmのIn0.08Ga0.92Asを用いることで780nm〜910nmの波長範囲に利得を有するものとすることができる。
この他、量子井戸層として、AlGaInP系、AlGaAs系、InGaAsP系、InGaAs系などの既知の化合物半導体を用いることにより、680nm帯、700nm帯、1300nm帯、1500nm帯などの波長帯での面発光レーザーを実現することができる。この時、上部・下部反射鏡には、その波長帯域に対応して高い反射率を有する反射鏡を用意する事が必要となる。このような共振器長で形成した第1及び第2の面発光レーザー上部反射鏡110−1及び110−2を、基板の法線方向に基板側に向けて変位移動させて共振器長を短くすることで、各々の発振波長を短くすることができる。
この上部反射鏡110−1及び110−2を、550nm基板側に変位移動させることで上述の発振可能波長範囲を実現できる。
本実施例では、上部反射鏡を変位移動させる手段として、上部反射鏡を支持する梁に電極を形成し、コンタクト層との間に電圧を印加することにより生じる静電引力を採用した。上部反射鏡の変位移動手段としては、この他にも、上部反射鏡を支持する梁に高抵抗な電流経路を形成し、電流を流すことで発熱させ、熱膨張による梁の長さに変化を与えても良い。また、この他、圧電部材を用いたり、電磁駆動を起こす部材を加える等して上部反射鏡を変位移動させることが可能である。
また、本実施例では上部反射鏡及び下部反射鏡に誘電体多層膜反射鏡を用いたが、反射鏡を構成する手法として他の手法を用いても良い。
例えば、M.C.Huang,Y.Zhou,and C.J.Chang−Hasnain,“Single mode high−contrast subwavelength grating vertical cavity surface,”APPLIED PHYSICS LETTERS 92,171108に記載の、HCG(High−Contrast Grating)を、本実施例の波長帯域に合わせて設計して、上部反射鏡及び下部反射鏡の一方、若しくは両者に用いても良い。
このHCGを反射鏡に用いることで、反射鏡の薄膜化、軽量化が行える。軽量化によって可動する上部反射鏡の駆動速度が向上するなど利点が挙げられる。
本実施例では、第1及び第2の面発光レーザーの発振可能波長帯域としてモードホップの起こらない最大の波長範囲を示したが、用途に応じて必要な波長範囲を選択して発振可能波長範囲を設定しても良い。
例えば、発振波長帯域幅が100nmあれば良い用途に本発明の光源を用いる場合、λ1及びλ2を近い値で規定することもできる。
(実施例2)
実施例1では、レーザーの発振可能帯域を上部反射鏡110の99%以上の高い反射率の帯域で制限していた。本実施例は、この発振可能範囲を上部反射鏡110、及び、下部反射鏡102の両者を用いて制限することに特徴がある。実施例1と本実施例2の反射鏡について、99%以上の反射帯域を有する波長範囲と、発振が可能な波長範囲を比較した図を、図4に示す。
実施例1では、レーザーの発振可能帯域を上部反射鏡110の99%以上の高い反射率の帯域で制限していた。本実施例は、この発振可能範囲を上部反射鏡110、及び、下部反射鏡102の両者を用いて制限することに特徴がある。実施例1と本実施例2の反射鏡について、99%以上の反射帯域を有する波長範囲と、発振が可能な波長範囲を比較した図を、図4に示す。
本実施例は、上部反射鏡と下部反射鏡の高い反射率の帯域が異なる他は、実施例1の面発光レーザーと同一の構成となっている。
2つのレーザー1及び2に共通な下部反射鏡102は、屈折率1.45のSiO2と屈折率1.77のSiONの誘電体多層膜で構成される。各々の厚さは、850nmの1/4波長の厚さとし31ペア積層する。これにより、99%以上の反射率を有する波長範囲が、799.2nm乃至907.7nmとなる。
また、第1のレーザー1の上部反射鏡110−1としては、屈折率1.45のSiO2と屈折率1.78のSiONの誘電体多層膜で構成される。各々の厚さは、815nmの1/4波長の厚さとし20ペア積層する。これにより、99%以上の反射率を有する波長範囲が、860nm以下となる。
同様に、第2のレーザー2の上部反射鏡110−2としては、屈折率1.45のSiO2と屈折率1.78のSiONの誘電体多層膜で構成される。各々の厚さは、885nmの1/4波長の厚さとし20ペア積層する。これにより、99%以上の反射率を有する波長範囲が、840nm以上となる。
このように、面発光レーザー1及び2の発振波長帯域が重なる波長域の波長制限は、上部反射鏡を用いて行い、発振波長帯域の外側の波長制限には下部反射鏡を用いて行うことも可能である。本実施例では、発振波長帯域の外側を下部反射鏡を用いて制限している。この共通の下部反射鏡は、上部反射鏡から光を取り出すために多数のSiO2/SiONのペアを積層して反射率を大きくしている。このような誘電体多層膜反射鏡は、反射帯域から外れると急激に反射率が低下する。そのため、面発光レーザー1及び2の波長制限をより明確にすることが可能となる。
(実施例3)
実施例1では、レーザーの発振可能帯域幅を上部反射鏡の99%以上の高い反射率の帯域で制限していた。本実施例は、この発振可能帯域を上部反射鏡と電流注入を行うタイミングで制御する。そのために、上部反射鏡の変位に応じて変化する第1のレーザーの共振器長及び第2のレーザーの共振器長の変化に応じて、第1のレーザーと第2のレーザーへの電流注入を行うタイミングを制御する制御部を有している。具体的には、実施例1におけるλ1の上限、及び、λ2の下限に関しては実施例1と同様に上部反射鏡の反射帯域によって制限する。
実施例1では、レーザーの発振可能帯域幅を上部反射鏡の99%以上の高い反射率の帯域で制限していた。本実施例は、この発振可能帯域を上部反射鏡と電流注入を行うタイミングで制御する。そのために、上部反射鏡の変位に応じて変化する第1のレーザーの共振器長及び第2のレーザーの共振器長の変化に応じて、第1のレーザーと第2のレーザーへの電流注入を行うタイミングを制御する制御部を有している。具体的には、実施例1におけるλ1の上限、及び、λ2の下限に関しては実施例1と同様に上部反射鏡の反射帯域によって制限する。
実施例1におけるλ1の下限、及びλ2の上限に関しては、電流注入を行うタイミングを制御することで発振する波長範囲を制限する。
第1のレーザー1の上部反射鏡を変位移動させ、共振器長を5040nm乃至5590nmの間で変化させる。この間、例えば、図5に示した様に、共振器長が5040nm以上5191nm未満の時には電流注入を行わない。そして、共振器長が5191nm(発振波長では798.6nm)となったタイミングで電流注入を開始し、共振器長が5590nm(発振波長では860nm)となった時点で電流注入を停止する。
第2のレーザー2の上部反射鏡も第1のレーザー1と同様に、共振器長が5040nm乃至5590nmの間を変動させる。この間、共振器長が5040nm以上5460nm未満(発振波長では840nm以上910nm未満に対応)の間は電流注入を行い、共振器長が5460nmとなったタイミングで電流注入を停止する。
このように、2つのレーザー1及び2の発振波長帯域が重なる波長域の波長制限は、上部反射鏡を用いて行い、発振波長帯域の外側の波長制限には電流注入を行うタイミングの制御によって行うことも可能である。
本実施例では、上部反射鏡と電流注入のタイミング制御によって発振する波長帯域に制限を加えていたが、発振する波長へ制限を加える方法として、全て電流注入を行うタイミングによって制限を加えても良い。
つまり、上部反射鏡が移動してλ1の上限、及びλ2の下限の波長となる共振器長となった時に電流注入のON/OFFを行っても良い。
実施例1及び2では、高い反射率の波長帯域によって発振する波長帯域を制限していた。この手法では、発振波長帯域の端となる波長の反射率がなだらかに変化する場合には、発振するレーザー光の出力が徐々に小さくなる傾向があり、そのため波長帯域が明確になり難い。
これに対して電流注入のON/OFFによって発振波長帯域を制限する本実施例は、発振する波長域において反射率を変化させる必要が無いため、電流注入のON/OFFで明確に波長帯域を規定することが可能となる。
(実施例4)
本実施例は、実施例1の面発光レーザーの上部反射鏡の反射率を変化させることで、閾電流値のバラツキを抑える例である。
本実施例は、実施例1の面発光レーザーの上部反射鏡の反射率を変化させることで、閾電流値のバラツキを抑える例である。
実施例1の面発光レーザーで採用した活性層の利得スペクトルを図6に示す。
図6より、波長870nmのピークを境に短波長側の利得が小さくなっている事が理解される。このような活性層に対して、全ての発振可能な波長帯域にて同じ反射率の反射鏡で共振器を構成すると、利得の大小に応じて閾電流値が異なる。
利得が大きな波長では閾電流値が小さく、利得が小さな波長では閾電流値が大きくなり、ひいては、光出力に差が生じることとなる。
実施例1の短波長側の波長帯域で発振する第1のレーザー1では、発振可能な波長帯域を798.5nm<λ1<860nm
とした。また、長波長側の波長帯域で発振する第2のレーザー2では、発振可能な波長帯域を
840nm<λ2<910nm
とした。
とした。また、長波長側の波長帯域で発振する第2のレーザー2では、発振可能な波長帯域を
840nm<λ2<910nm
とした。
例えば、上述したように実施例1で用いている活性層では、短波長側の利得が長波長側の利得よりも小さくなっており、両者共上部反射鏡が同じ反射率を有していると、短波長側の第1のレーザー1の閾電流値が大きくなる。
そこで、本実施例では第1のレーザー1と第2のレーザー2の上部反射鏡の反射率を異ならせる。例えば、第2のレーザー2の上部反射鏡を構成する誘電体多層膜のペア数を22ペアと少なくする。
このように、レーザー1及び2の間で活性層が有する利得の波長依存性に着目し、利得の大小によって反射率に大小をつけることによって、2つのレーザー間での閾電流値の差を小さくでき、駆動回路への負荷も小さくすることが可能となる。
(実施例5)
本発明の面発光レーザーをSS−OCT装置に用いる例について説明する。
本発明の面発光レーザーをSS−OCT装置に用いる例について説明する。
本実施例は、本発明の面発光レーザーを光干渉断層撮像装置の光源として用いた例である。
図7は本例のOCT装置を示す模式図である。
図7のOCT装置は、基本的には光源部(1501等)、光源部からの光を検体に照射し、検体部からの反射光を伝達させる検体測定部(1507等)、光を参照ミラーに照射し、参照ミラーからの反射光を伝達させる参照部(1502等)を有する。さらに、OCT装置は、2つの反射光を干渉させる干渉部(1503)、干渉部により得られた干渉光を検出する光検出部(1509等)、光検出部で検出された光に基づいて画像処理を行う(断層像を得る)画像処理部(1511)を有する。
以下、各構成要素を説明する。
光源部は、波長可変光源1501と該波長可変光源を制御する光源制御部1512を有して構成され、波長可変光源1501は光照射用の光ファイバ1510を介して干渉部を構成するファイバカップラ1503に接続されている。
干渉部のファイバカップラ1503は、光源の波長帯域でシングルモードのもので構成し、各種ファイバカップラは3dBカップラで構成した。
反射ミラー1504は、参照光光路用ファイバ1502に接続されて参照部を構成し、ファイバ1502は、ファイバカップラ1503に接続されている。
検査光光路用1505ファイバ、照射集光光学系1506、照射位置走査用ミラー1507により測定部が構成され、検査光光路用1505ファイバは、ファイバカップラ1503に接続されている。ファイバカップラ1503では、検査物体1514の内部及び表面から発生した後方散乱光と、参照部からの戻り光とが干渉して干渉光となる。
光検出部は、受光用ファイバ1508とフォトディテクタ1509で構成され、ファイバカップラ1503で生ずる干渉光をフォトディテクタ1509に導く。
フォトディテクタ1509で受光された光は信号処理装置1511にてスペクトル信号に変換され、さらにフーリエ変換を施すことで検体(被験物体)の奥行き情報を取得する。
取得された奥行き情報は画像出力モニター1513に断層画像として表示される。
ここで、信号処理装置1511は、パーソナルコンピュータ等で構成することができ、画像出力モニター1513は、パーソナルコンピュータの表示画面等で構成できる。
本実施例で特徴的なのは光源部であり、波長可変光源1501は光源制御装置1512によりその発振波長や強度及びその時間変化が制御される。
光源制御装置1512は、照射位置走査用ミラー1507の駆動信号等をも制御する信号処理装置1511に接続され、走査用ミラー1507の駆動と同期して波長可変光源1501が制御される。
例えば、実施例1で説明した面発光レーザーを本例の波長可変光源1501として用いる際には、以下の様に波長可変光源1501を制御する。
実施例1の面発光レーザーは第1のレーザー1と第2のレーザー2の二つのレーザーから構成されている。各々発振する波長帯域が異なっているため、二つのレーザーの駆動タイミングを調整する必要がある。
図8を用いて、その駆動タイミングについて説明する。この図は、横軸に時間を、縦軸に電流注入のON/OFF、若しくは、発振波長を、レーザー1、2の各々について示している。
上部反射鏡の駆動については、第1のレーザー1の片側の反射鏡である上部反射鏡110−1を一定の周期で駆動し、この駆動周期と180°位相の異なる同一周期で第2のレーザー2の上部反射鏡110−2を駆動する。これは一方のレーザーの片側の反射鏡を一定の周期で駆動する第1の駆動工程と、他方のレーザーの片側の反射鏡を前記周期と180°位相が異なる同一周期で駆動する第2の駆動工程に相当する。
波長可変光源1501からの光出力を波長の短波から長波へ変化させる場合、第1のレーザー1の可動反射鏡を駆動して共振器長を変化させ、短波長から長波長へ発振波長を変化させる。
まず、共振器長が、λ1の最も短い波長である798.5nm(図中λbと記載)に対応する5190.25nmとなるタイミングで電流注入を開始する。その後、上部反射鏡を移動して共振器長が5525nmとなり、実施例1で決定したλc=850nmとなった時点で電流注入を停止する。これは第1の駆動工程中に重複する波長範囲Δλ3中の特定の波長λzで電流注入を停止する第1の電流注入工程に相当する。次に、第2のレーザー2の発振波長が短波から長波へと変化するタイミングにおいて、上部反射鏡が移動して共振器長が5100nmとなり、実施例1で決定したλc=850nmとなった時点で電流注入を開始する。これは第2の駆動工程中に特定の波長λzで電流注入を開始する第2の電流注入工程に相当する。結局のところ、第1及び第2の電流注入工程が2つのレーザーの発振波長の変化が同じ向きの変化時に行われていることになる。
次に、λ2の最も長い波長である910nm(図中λaと記載)となる共振器長5460nmとなったタイミングで電流注入を停止する。
このような駆動方法にて、111nmの波長掃引を連続的に実現することができる。この一連の波長掃引駆動を1セットとし、この1セットを上述した走査用ミラー1507の駆動と同期して、波長可変光源1501として使用することができる。
このように実施例1で説明した光源装置を本例の波長可変光源1501として用いると、この光源装置は広帯域で波長掃引が可能であるため、奥行き分解能が高解像な断層画像情報を取得可能である。このOCT装置は、眼科、歯科、皮膚科等における断層画像撮影に有用である。また、実施例1の面発光レーザーを本実施例の光源1501として使用する場合、2つのレーザー1、2から射出される光を合波させる光結合器が必要となる。
そして、光結合器を用いて合波した光を光照射用の光ファイバ1510に結合させる。即ち、2つのレーザーと、これらのレーザーより夫々射出されるレーザー光を合波させるための光結合器と、を備えたものを光源装置として捉えることもできる。
光結合器の例としては、図9(A)に示したファイバ結合用レンズ1520と、光ファイバ1520、1521と、ファイバカプラ1523と、を組み合わせたものが挙げられる。
また、2つのレーザー1、及び2は同一基板上に形成することができ、非常に近接した形成が可能なことから図9(B)に示すように、2つのレーザー1及び2からの射出光を一つの結合用レンズ1525を用いて光照射用の光ファイバ1510へ結合しても良い。
110−1、110−2、102 反射鏡
104 半導体層
104 半導体層
Claims (21)
- 第1のレーザーと第2のレーザーを有する面発光レーザーであって、
前記第1のレーザーと前記第2のレーザーはそれぞれ、対をなす反射鏡で構成された光共振器と、該光共振器の内側に配された、光を放出する半導体層と、を備え、前記反射鏡の位置を前記半導体層の層厚方向に変位させて光の発振波長が可変であり、
前記第1のレーザーと前記第2のレーザーそれぞれの前記半導体層は共通であり、
前記第1のレーザーはn+1次(nは1以上の整数)の縦モードで夫々発振する共振器長を有し、
前記第2のレーザーは、n次の縦モードで夫々発振する共振器長を有し、
前記第1のレーザーと前記第2のレーザーがそれぞれ発振する光の発振波長帯域は異なることを特徴とする面発光レーザー。 - 前記第1のレーザーの発振波長帯域の下限と上限をそれぞれλ1min、λ1max、前記第2のレーザーの発振波長帯域の下限と上限をそれぞれλ2min、λ2maxとすると、下記式を満たすことを特徴とする請求項1に記載の面発光レーザー。
λ1min<λ2min≦λ1max<λ2max - 前記第1のレーザーと前記第2のレーザーそれぞれの発振波長帯域は一部重複することを特徴とする請求項1又は2に記載の面発光レーザー。
- 前記第1のレーザーの発振波長帯域の下限と上限をそれぞれλ1min、λ1max、前記第2のレーザーの発振波長帯域の下限と上限をそれぞれλ2min、λ2maxとすると、下記式を満たすことを特徴とする請求項3に記載の面発光レーザー。
λ1min<λ2min<λ1max<λ2max - 前記第1のレーザーにおける自由スペクトル領域をFSR1、前記第2のレーザーにおける自由スペクトル領域をFSR2、前記第1のレーザーの発振波長帯域の幅をΔλ1、前記第2のレーザーの発振波長帯域の幅をΔλ2、前記Δλ1と前記Δλ2とが重複する波長範囲幅をΔλ3として、以下の2式
Δλ1<FSR1<Δλ1+Δλ2−Δλ3 ・・・(式5)
Δλ2<FSR2<Δλ1+Δλ2−Δλ3 ・・・(式6)
を満足することを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の面発光レーザー。 - 前記対をなす反射鏡は、上部反射鏡と下部反射鏡とで構成され、前記上部反射鏡が変位可能に構成されていることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の面発光レーザー。
- 前記下部反射鏡が、前記第1のレーザーと前記第2のレーザーとで共通であることを特徴とする請求項7に記載の面発光レーザー。
- 前記第1のレーザー及び前記第2のレーザーの前記上部反射鏡の反射率それぞれが、前記第1のレーザー及び前記第2のレーザーの前記発振波長帯域の範囲内で99%以上であることを特徴とする請求項7または8に記載の面発光レーザー。
- 前記第1のレーザー及び前記第2のレーザーの前記下部反射鏡の反射率それぞれが、前記第1のレーザー及び前記第2のレーザーの前記発振波長帯域の範囲内で99%以上であることを特徴とする請求項7乃至9のいずれか1項に記載の面発光レーザー。
- 前記上部反射鏡の変位に応じて変化する前記第1のレーザーの共振器長及び前記第2のレーザーの共振器長の変化に応じて、前記第1のレーザーと、前記第2のレーザーへの電流注入のタイミングを制御する制御部を有することを請求項7乃至10のいずれか1項に記載の面発光レーザー。
- 前記上部反射鏡の変位が、静電引力により生じることを特徴とする請求項7乃至11のいずれか1項に記載の面発光レーザー。
- 前記対をなす反射鏡の少なくとも一方がHCGで構成される反射鏡であることを特徴とする請求項1乃至12のいずれか1項に記載の面発光レーザー。
- 前記対をなす反射鏡の少なくとも一方が多層膜反射鏡であることを特徴とする請求項1乃至12のいずれか1項に記載の面発光レーザー。
- 前記nは、5乃至30の範囲内にあることを特徴とする請求項1乃至14のいずれか1項に記載の面発光レーザー。
- 前記第1のレーザーと前記第2のレーザーそれぞれの発振波長帯域は一部重複し、前記重複する波長帯域の幅Δλ3は、0nm乃至70nmの範囲内にあることを特徴とする請求項1乃至15のいずれか1項に記載の面発光レーザー。
- 前記重複する波長帯域の幅Δλ3は、5nm乃至40nmの範囲内にあることを特徴とする請求項16に記載の面発光レーザー。
- 請求項1乃至17のいずれか1項に記載の面発光レーザーと、該面発光レーザーの前記第1のレーザー及び第2のレーザーより夫々射出されるレーザー光を合波させるための光結合器と、を備えたことを特徴とする光源装置。
- 請求項18に記載の光源装置の駆動方法であって、
前記2つのレーザーの一方のレーザーの前記片側の反射鏡を一定の周期で駆動する第1の駆動工程と、
他方のレーザーの前記片側の反射鏡を前記周期と180°位相が異なる同一周期で駆動する第2の駆動工程と、
第1の駆動工程中に前記重複する波長範囲の中の特定の波長で電流注入を停止する第1の電流注入工程と、
第2の駆動工程中に前記特定の波長で電流注入を開始する第2の電流注入工程と、を有し、
第1及び第2の電流注入工程が前記2つのレーザーの発振波長の変化が同じ向きの変化時に行われることを特徴とする光源装置の駆動方法。 - 請求項18に記載の光源装置と、
前記光源装置からの光を検体に照射し、検体からの反射光を伝達させる検体測定部と、
前記光源装置からの光を参照ミラーに照射し、該参照ミラーからの反射光を伝達させる参照部と、
前記検体測定部からの反射光と前記参照部からの反射光とを干渉させる干渉部と、
前記干渉部からの干渉光を検出する光検出部と、
前記光検出部で検出された光に基づいて、前記検体の断層像を得る画像処理部と、
を有することを特徴とする光干渉断層撮像装置。 - 第1のレーザーと第2のレーザーを有する面発光レーザーであって、
前記第1のレーザーと前記第2のレーザーはそれぞれ、対をなす反射鏡で構成された光共振器と、該光共振器の内側に配された、光を放出する半導体層と、を備え、前記反射鏡の位置を前記半導体層の層厚方向に変位させて光の発振波長が可変であり、
前記第1のレーザーと前記第2のレーザーそれぞれの前記半導体層は共通であり、
前記第1のレーザーと前記第2のレーザーがそれぞれ発振する光の発振波長帯域は異なることを特徴とする面発光レーザー。
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