JP2017017276A - Wavelength-variable laser, information acquisition device, and imaging apparatus - Google Patents

Wavelength-variable laser, information acquisition device, and imaging apparatus Download PDF

Info

Publication number
JP2017017276A
JP2017017276A JP2015135246A JP2015135246A JP2017017276A JP 2017017276 A JP2017017276 A JP 2017017276A JP 2015135246 A JP2015135246 A JP 2015135246A JP 2015135246 A JP2015135246 A JP 2015135246A JP 2017017276 A JP2017017276 A JP 2017017276A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
wavelength
light
region
gain
active region
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2015135246A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
雄一郎 堀
Yuichiro Hori
雄一郎 堀
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Canon Inc
Original Assignee
Canon Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Canon Inc filed Critical Canon Inc
Priority to JP2015135246A priority Critical patent/JP2017017276A/en
Publication of JP2017017276A publication Critical patent/JP2017017276A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
  • Semiconductor Lasers (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a wavelength-variable laser having a wide wavelength sweeping band by single element.SOLUTION: A wavelength-variable laser includes: a pair of reflection mirrors 102 and 113; active layers 105 and 106 arranged between the pair of reflection mirrors; and driving means deviating at least one of the pair of reflection mirrors. The active layers include a first active region 105 which profits for a first profit wavelength region and a second active region 106 which profits for a second profit wavelength region. The first profit wavelength region and second profit wavelength region are at least partially overlapped, and the reflection mirror has a reflection rate that a reflection spectrum can oscillate in the first and second profit wavelength regions. The wavelength-variable laser is constructed so that a first resonance optical and a second resonance optical which is derived from the first active region and the second active region, and can be oscillated is resonated in a resonator formed by the pair of reflection mirrors at a region where overlaps a wavelength region so as to resonate while phase synchronizing.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、波長可変レーザ、情報取得装置及び撮像装置に関する。   The present invention relates to a wavelength tunable laser, an information acquisition device, and an imaging device.

近年、波長可変レーザが盛んに研究されている。波長可変レーザには様々な方式のものがあるが、その中の1つにMEMS(Micro Electoric Mechanical Systems)機構を用いた波長可変レーザがある。例えば、面発光レーザ(VCSEL:Vertical Cavity Surface Emitting Laser)のミラーにMEMS機構を付け、ミラーを可動とすることで共振器長を変えて波長掃引可能としたもの等がある。上記MEMS機構を用いたレーザは、他方式に比べ掃引波長領域が広いことが特徴である。MEMSの駆動方式としては、静電力を用いたものや熱歪みを用いたものなど、様々な方式のものが提案されている。   In recent years, tunable lasers have been actively studied. There are various types of wavelength tunable lasers, and one of them is a wavelength tunable laser using a MEMS (Micro Electrical Mechanical Systems) mechanism. For example, there is a type in which a MEMS mechanism is attached to a mirror of a surface emitting laser (VCSEL: Vertical Cavity Surface Emitting Laser), and the wavelength can be swept by changing the resonator length by moving the mirror. The laser using the MEMS mechanism is characterized in that the sweep wavelength region is wider than other systems. Various MEMS driving methods have been proposed, such as those using electrostatic force and those using thermal distortion.

非特許文献1には、このようなMEMS機構を用いたレーザとして、VCSELの片方のミラーにMEMS機構を付加し、静電力を用いて片方のミラーを上下に動かすレーザ素子が開示されている。こうしたMEMS機構を用いた波長可変レーザの一つの応用として、主に眼科診断に用いる光干渉断層撮像装置(OCT装置:Optical Coherence Tomography)がある。OCTには色々な方式が存在するが、波長可変レーザを用いるのは、SS−OCT(Swept Source−OCT)と呼ばれる、光源の波長を高速で掃引しながら計測を行う方式のOCTである。これは他方式に比べ、高速、高S/N比などの優位点を持ち、次世代のOCTとして注目を集めている。OCTでは、波長可変範囲が広いほど、得られる画像の奥行き分解能が高くなるため有利となる。   Non-Patent Document 1 discloses a laser element using such a MEMS mechanism, in which a MEMS mechanism is added to one mirror of a VCSEL, and one mirror is moved up and down using electrostatic force. One application of a wavelength tunable laser using such a MEMS mechanism is an optical coherence tomography apparatus (OCT apparatus: Optical Coherence Tomography) mainly used for ophthalmologic diagnosis. There are various types of OCT, but a tunable laser is used in OCT called SS-OCT (Swept Source-OCT), which performs measurement while sweeping the wavelength of a light source at high speed. This has advantages such as high speed and high S / N ratio compared to other methods, and is attracting attention as the next generation OCT. In OCT, the wider the wavelength variable range, the more advantageous the depth resolution of the obtained image, which is advantageous.

Proceedings of SPIE Vol. 8276, 82760P (2012)Proceedings of SPIE Vol. 8276, 82760P (2012)

波長可変レーザは、一般に波長可変範囲が広いほど、応用範囲も広がり光源として優れていると言えるため、より広い可変範囲を得るための開発が行われている。本発明は、MEMS機構などのミラー駆動手段を用い、広い波長可変範囲を有する波長可変レーザ等を提供することを目的とする。   In general, it can be said that a wavelength tunable laser has a wider application range and is excellent as a light source as the wavelength tunable range is wider. Therefore, development has been performed to obtain a wider tunable range. An object of the present invention is to provide a wavelength tunable laser or the like having a wide wavelength tunable range using mirror driving means such as a MEMS mechanism.

本発明の波長可変レーザは、一対の反射ミラーと、前記一対の反射ミラーの間に配置された活性層と、前記一対の反射ミラーの少なくとも1つを変位させる駆動手段と、を有する波長可変レーザである。前記活性層は、第1の利得波長領域に利得のある第1の活性領域と第2の利得波長領域に利得のある第2の活性領域とを含み、前記第1の利得波長領域と前記第2の利得波長領域は少なくとも部分的に重なっている。前記反射ミラーは、その反射スペクトルが前記第1の利得波長領域と前記第2の利得波長領域で発振を可能とする反射率を有する。そして、それぞれ前記第1の活性領域と前記第2の活性領域に由来する発振可能な第1の共振光と第2の共振光が、前記利得波長領域の重なり領域で、前記一対の反射ミラーで形成される共振器において、互いに位相同期しながら共振して発振する。   The wavelength tunable laser according to the present invention includes a pair of reflecting mirrors, an active layer disposed between the pair of reflecting mirrors, and a drive unit that displaces at least one of the pair of reflecting mirrors. It is. The active layer includes a first active region having a gain in a first gain wavelength region and a second active region having a gain in a second gain wavelength region, wherein the first gain wavelength region and the first gain wavelength region The two gain wavelength regions overlap at least partially. The reflection mirror has a reflectance that allows the reflection spectrum to oscillate in the first gain wavelength region and the second gain wavelength region. Then, the oscillating first resonant light and second resonant light respectively derived from the first active region and the second active region are overlapped by the gain wavelength region, and the pair of reflecting mirrors. In the formed resonator, the resonators oscillate while resonating in phase with each other.

本発明によれば、異なる波長可変範囲をもつ複数の素子を別々に駆動する方法を用いるのではなく、1素子の中で適宜の位相同期手段を用いて波長可変範囲を広げているので、広い波長可変範囲を有する単一のレーザ素子を得ることができる。   According to the present invention, instead of using a method of separately driving a plurality of elements having different wavelength tunable ranges, the wavelength tunable range is widened by using appropriate phase synchronization means in one element, so that the wide A single laser element having a wavelength tunable range can be obtained.

波長可変レーザの一実施形態の素子構成を示す模式断面図。FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing an element configuration of an embodiment of a wavelength tunable laser. 波長可変レーザの一実施形態の波長に対する活性層の利得分布を示す図。The figure which shows the gain distribution of the active layer with respect to the wavelength of one Embodiment of a wavelength tunable laser. レーザ素子の共振光の強度分布と電流狭窄部の径の関係を示す図。The figure which shows the relationship between the intensity distribution of the resonant light of a laser element, and the diameter of a current confinement part. 非対称量子井戸構造の活性層のエネルギーと膜厚方向位置の関係を示す図。The figure which shows the relationship between the energy of the active layer of an asymmetric quantum well structure, and a film thickness direction position. 波長可変レーザの一実施形態の波長に対する共振光の強度分布を示す図。The figure which shows intensity distribution of the resonant light with respect to the wavelength of one Embodiment of a wavelength variable laser. 波長可変レーザの他の実施形態の素子構成を示す模式断面図。The schematic cross section which shows the element structure of other embodiment of a wavelength variable laser. 波長可変レーザの他の実施形態の活性層付近の共振光の光強度分布を示す図。The figure which shows the light intensity distribution of the resonant light of the active layer vicinity of other embodiment of a wavelength variable laser. 波長可変レーザの他の実施形態の位相調整層導入のパターンを示す図。The figure which shows the pattern of the phase adjustment layer introduction of other embodiment of a wavelength variable laser. 本発明の第1の実施例の素子構成を示す模式上面図。1 is a schematic top view showing an element configuration of a first embodiment of the present invention. 本発明の第1の実施例の素子構成を示す模式断面図。1 is a schematic cross-sectional view showing an element configuration of a first example of the present invention. FIG. 本発明の第1の実施例の素子構成を示す他の模式断面図。FIG. 5 is another schematic cross-sectional view showing the element configuration of the first embodiment of the present invention. 非対称量子井戸構造の活性層における利得分布の例を示す図。The figure which shows the example of the gain distribution in the active layer of an asymmetric quantum well structure. 本発明の第2の実施例の素子構成を示す模式断面図。The schematic cross section which shows the element structure of the 2nd Example of this invention. 本発明の第2の実施例の素子構成を示す他の模式断面図。FIG. 6 is another schematic cross-sectional view showing the element configuration of the second embodiment of the present invention. 本発明の第3の実施例の素子構成を示す模式断面図。The schematic cross section which shows the element structure of the 3rd Example of this invention. 波長掃引型の光干渉断層撮像装置の実施形態の構成を示す図。The figure which shows the structure of embodiment of a wavelength sweep type | mold optical coherence tomography apparatus.

以下の実施形態及び実施例の広い波長掃引帯域を有する単一素子の波長可変レーザでは、利得波長領域の少なくとも一部が重なり合うよう複数の活性領域を設計する。そして、重なり合った領域において、複数の活性領域からの発振可能な共振光を互いに位相同期させることで、広帯域で連続的な波長掃引が可能なレーザ素子を得ることができる。   In the following embodiments and examples, in a single-element tunable laser having a wide wavelength sweep band, a plurality of active regions are designed so that at least a part of the gain wavelength region overlaps. A laser element capable of continuous wavelength sweeping in a wide band can be obtained by phase-synchronizing oscillating resonant lights from a plurality of active regions in the overlapping region.

(第1の実施形態)
本発明の第1の実施形態について説明する。図1は、面発光型の波長可変レーザの第1の実施形態の素子構成を表す概念図である。図1には、素子全体の主要構成を示す模式的断面が記載されている。101は基板であり、基板上、基板垂直方向に、下部反射ミラー102、下部クラッド層103が設けられ、その上に下部スペーサ層104が積層されている。その上には、複数の活性領域を含む活性層が積層されており、同一面内で、第1の活性領域である第1の活性層105と第2の活性領域である第2の活性層106とに分割されて積層されている。更にその上に、上部スペーサ層107、上部クラッド層108の順に積層されている。上部クラッド層108中に、駆動電流狭窄のための電流狭窄層109が設けられ、第1の電流狭窄部110と第2の狭窄部111が形成されている。第1の電流狭窄部110と第2の電流狭窄部111は、それぞれ、第1の活性層105と第2の活性層106の上部に位置する。上部クラッド層108の上方には、エアギャップ112を挟んで上部反射ミラー113が設けられている。上部反射ミラー113は、不図示のMEMS梁構造により支持されており、静電引力などの外力を受けて上下に移動する可動ミラー構造となっている。MEMS梁構造の詳細な構造は図9−1から図9−3に示されている。
(First embodiment)
A first embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 is a conceptual diagram showing an element configuration of a first embodiment of a surface-emitting type wavelength tunable laser. FIG. 1 shows a schematic cross section showing the main configuration of the entire device. Reference numeral 101 denotes a substrate. A lower reflecting mirror 102 and a lower cladding layer 103 are provided on the substrate in a direction perpendicular to the substrate, and a lower spacer layer 104 is laminated thereon. On top of that, an active layer including a plurality of active regions is stacked, and the first active layer 105 as the first active region and the second active layer as the second active region in the same plane. It is divided into 106 and stacked. Further thereon, an upper spacer layer 107 and an upper cladding layer 108 are laminated in this order. A current confinement layer 109 for confining the drive current is provided in the upper clad layer 108, and a first current confinement portion 110 and a second confinement portion 111 are formed. The first current confinement part 110 and the second current confinement part 111 are located above the first active layer 105 and the second active layer 106, respectively. An upper reflection mirror 113 is provided above the upper cladding layer 108 with an air gap 112 interposed therebetween. The upper reflecting mirror 113 is supported by a MEMS beam structure (not shown), and has a movable mirror structure that moves up and down in response to external force such as electrostatic attraction. The detailed structure of the MEMS beam structure is shown in FIGS. 9-1 to 9-3.

本実施形態の波長可変レーザは、一対の反射ミラー間で形成された共振器を有する面発光型の波長可変レーザである。これは、上記のようにMEMS梁構造により一対のミラーのうちの少なくとも1つのミラーが上下に移動することで共振器長が変化し、発振する波長が変化するMEMS VCSELである。MEMS構造において可動ミラーに印加する外力を制御することで、発振光の波長を任意に変化させることができる。   The wavelength tunable laser of the present embodiment is a surface-emitting type wavelength tunable laser having a resonator formed between a pair of reflecting mirrors. This is a MEMS VCSEL in which the resonator length is changed and the oscillation wavelength is changed by moving at least one of the pair of mirrors up and down by the MEMS beam structure as described above. By controlling the external force applied to the movable mirror in the MEMS structure, the wavelength of the oscillation light can be arbitrarily changed.

本実施形態の波長可変レーザにおいては、上記第1の活性層由来の第1の利得波長領域(閾値利得以上の利得の波長領域)と上記第2の活性層由来の第2の利得波長領域のいずれかの波長領域の発振波長でレーザ発振する(それらが重なった領域を含む)。本実施形態では、第1の利得波長領域の発振光は、第1の活性層由来で第1の電流狭窄部110より放射され、第2の利得波長領域の発振光は、第2の活性層由来で第2の電流狭窄部111より放射される。通常、異なる活性層からレーザ発振する素子はそれぞれ個別のレーザ素子として振る舞うが、本実施形態のような構成をとることにより、同一の波長可変レーザ素子として駆動させることが可能となる。さらに本実施形態においては、第1の活性層の利得波長領域と第2の活性層の利得波長領域を一部重ねることにより、1つの素子において広い可変波長範囲を得ることが可能である。   In the wavelength tunable laser according to the present embodiment, the first gain wavelength region derived from the first active layer (the wavelength region having a gain equal to or greater than the threshold gain) and the second gain wavelength region derived from the second active layer. The laser oscillates at an oscillation wavelength in any wavelength region (including a region where they overlap). In this embodiment, the oscillation light in the first gain wavelength region is emitted from the first current confinement unit 110 from the first active layer, and the oscillation light in the second gain wavelength region is emitted from the second active layer. Originated and emitted from the second current constriction 111. Normally, elements that oscillate from different active layers behave as individual laser elements, but by adopting the configuration of the present embodiment, it is possible to drive the same wavelength variable laser element. Furthermore, in this embodiment, it is possible to obtain a wide variable wavelength range in one element by partially overlapping the gain wavelength region of the first active layer and the gain wavelength region of the second active layer.

(原理)
以下、本実施形態の波長可変レーザの原理について説明する。図2は、本実施形態の波長可変レーザの各活性領域の利得分布を表す模式図である。201は、第1の活性層による第1の利得波長領域を表す曲線、202は、第2の活性層による第2の利得波長領域を表す曲線、203は、発振に必要な利得(閾値利得)を表す線、204は、閾値利得以上の利得の重なり部分の利得波長領域を表している。それぞれの活性層では閾値利得以上の利得でレーザ発振するため、第1の利得波長領域では第1の活性層による発振可能な第1の共振光に由来する発振が起こり、第2の利得波長領域では第2の活性層による発振可能な第2の共振光に由来する発振が起こる。閾値利得以上の利得の重なり部分の波長領域(重なり波長領域とも呼ぶ)では、両方の共振光に由来する発振が起こり得る。通常、この重なり波長領域で起こる発振では、レーザ光同士の位相が揃わず、それぞれの発振があたかも別々のレーザとして発振しているような振る舞いを示す。この別々に発振しているレーザ光について、レーザ光の位相同期という現象を用いることでそれぞれの位相を揃え、2つのレーザが単一のレーザとして発振する状況を生み出すことができる。本実施形態においては、具体的には、2つのレーザ光が発振している電流狭窄層の第1及び第2の電流狭窄部110、111の距離をレーザ光の波長オーダーに近づけることにより、この位相同期現象を引き起こすことができる。
(principle)
Hereinafter, the principle of the wavelength tunable laser according to this embodiment will be described. FIG. 2 is a schematic diagram showing the gain distribution of each active region of the wavelength tunable laser according to the present embodiment. 201 is a curve representing the first gain wavelength region due to the first active layer, 202 is a curve representing the second gain wavelength region due to the second active layer, and 203 is a gain necessary for oscillation (threshold gain). A line 204 represents a gain wavelength region in an overlapping portion of gains equal to or higher than the threshold gain. Since each active layer oscillates with a gain equal to or higher than the threshold gain, oscillation derived from the first resonance light that can be oscillated by the first active layer occurs in the first gain wavelength region, and the second gain wavelength region. Then, oscillation derived from the second resonance light that can be oscillated by the second active layer occurs. In a wavelength region (also referred to as an overlapping wavelength region) where the gain is equal to or higher than the threshold gain, oscillation derived from both resonance lights can occur. Ordinarily, in the oscillation occurring in this overlapping wavelength region, the phases of the laser beams are not aligned, and each oscillation behaves as if it were oscillating as a separate laser. With respect to the separately oscillated laser beams, the phase of the laser beams can be used to align the respective phases, thereby creating a situation where the two lasers oscillate as a single laser. In the present embodiment, specifically, the distance between the first and second current confinement portions 110 and 111 of the current confinement layer in which the two laser beams oscillate is made closer to the wavelength order of the laser beam, thereby A phase synchronization phenomenon can be caused.

通常、この位相同期を用いたレーザ(位相同期レーザとも呼ぶ)は、同一の発振波長をもつレーザ光同士を位相同期させ、高出力の単一レーザとして動作させるために用いられる。本実施形態においては、活性層の波長領域を敢えてずらして部分的に重ならせ、その重なり波長領域でのみ位相同期現象を起こす。このことでその重なり波長領域においても同一のレーザとして動作させる。こうすることで、利得の重なり波長領域を小さくとっておけば、それぞれの活性層における元々の波長領域をほぼ足し合わせた、広範囲の波長領域を有するレーザを単一素子として実現することができる。   Usually, a laser using this phase synchronization (also referred to as phase-locked laser) is used for phase-locking laser beams having the same oscillation wavelength and operating as a high-power single laser. In the present embodiment, the wavelength region of the active layer is intentionally shifted and partially overlapped, and the phase synchronization phenomenon occurs only in the overlapping wavelength region. Thus, the same laser is operated even in the overlapping wavelength region. In this way, if the overlapping wavelength region of gain is kept small, a laser having a wide wavelength region, which is almost the sum of the original wavelength regions in the respective active layers, can be realized as a single element.

発振波長は、共振器長により厳密な制御が可能である。例えば、短波長側から長波長側へ徐々に発振波長が変化していくよう上部反射ミラー113をMEMS梁構造により移動させて共振器長を制御した場合、最初は第1の電流狭窄部110より短波長の光が発振する。発振波長を長くしていき利得の重なり波長領域204に達すると、第1及び第2の電流狭窄部110の両方から発振するが、上述した位相同期現象によりここでも単一のレーザとして動作する。さらに波長を長くし第2の活性層106の利得波長領域に達すると、第2の電流狭窄部111より発振する。このように、全ての利得波長領域において単一のレーザとして機能するため、全体で広帯域なレーザ素子を得ることが可能となる。   The oscillation wavelength can be strictly controlled by the resonator length. For example, when the resonator length is controlled by moving the upper reflection mirror 113 by the MEMS beam structure so that the oscillation wavelength gradually changes from the short wavelength side to the long wavelength side, the first current confinement part 110 first Short wavelength light oscillates. When the oscillation wavelength is lengthened and the gain overlapping wavelength region 204 is reached, oscillation occurs from both the first and second current confinement portions 110, but here also operates as a single laser due to the phase synchronization phenomenon described above. When the wavelength is further increased and the gain wavelength region of the second active layer 106 is reached, the second current confinement portion 111 oscillates. Thus, since it functions as a single laser in all gain wavelength regions, it is possible to obtain a laser device having a wide band as a whole.

(設計方法)
図3に、本実施形態における共振光の光振幅分布(強度分布)の様子を表す模式図を示す。301は第1の共振光の振幅分布、302の網掛け部は第1の電流狭窄部110の直径を表す。303の網掛けは第2の電流狭窄部111の直径、304は第2の共振光の振幅分布を表す。位相同期を生じるためには共振光同士を互いに近接させ、それぞれの光が互いに結合するように配置する必要がある。本実施形態では、共振光のモードフィールドを決定しているのは電流狭窄層109の位置である。電流狭窄層109の第1及び第2の電流狭窄部110、111においては、その部分のみに電流が流れ利得が生じるが、通常、狭窄層自体が、高屈折率の半導体層中に低屈折率の酸化層などにより構成されるため、屈折率差による光閉じ込めが生じる。従って、電流狭窄層109は利得導波または屈折率導波による一種の導波路構造と見ることができる。図3における網掛け部302、303は、上記導波路をイメージしたものである。
(Design method)
FIG. 3 is a schematic diagram showing a state of the optical amplitude distribution (intensity distribution) of the resonance light in the present embodiment. 301 represents the amplitude distribution of the first resonance light, and the shaded portion 302 represents the diameter of the first current confinement portion 110. A shaded area 303 represents the diameter of the second current confinement portion 111, and a numeral 304 represents the amplitude distribution of the second resonance light. In order to generate phase synchronization, it is necessary to place the resonant lights close to each other so that the lights are coupled to each other. In the present embodiment, it is the position of the current confinement layer 109 that determines the mode field of the resonant light. In the first and second current confinement portions 110 and 111 of the current confinement layer 109, a current flows only in those portions and a gain is generated. Usually, the confinement layer itself has a low refractive index in a high refractive index semiconductor layer. Therefore, optical confinement occurs due to a difference in refractive index. Therefore, the current confinement layer 109 can be regarded as a kind of waveguide structure by gain waveguide or refractive index waveguide. The shaded portions 302 and 303 in FIG. 3 are images of the waveguide.

上記のような導波路を考えると、狭窄構造中の共振光も導波光の一種とみなすことができ、共振光同士の結合を議論する際、導波路結合の理論を適用することが可能となる。具体的には、図3の共振光の裾部分が隣の導波路とどれだけ重なるかに伴い、結合度合いが変化する。光の裾の長さは、本実施形態では、レーザ素子の共振器長、素子を構成する半導体の屈折率、電流狭窄層109の厚さや狭窄部110、111の直径などをパラメータとして決まる。そして、その裾の長さと導波路間の距離により、重なりすなわち結合度合いを制御することができる。結合度合いを表す指標としては、文献(ELECTRONICS LETERS 21st June 1990 Vol. 26 No. 13 pp896(1990))に記載されているような結合係数がある。また、別文献(IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS, VOL. QE−21, NO. 5, pp458(1985))は、この結合係数が10-5以上の値を持つときに、安定した位相同期が実現すると報告している。 Considering the above-mentioned waveguide, the resonant light in the constricted structure can also be regarded as a kind of guided light, and the theory of waveguide coupling can be applied when discussing the coupling between the resonant lights. . Specifically, the degree of coupling changes according to how much the skirt portion of the resonant light in FIG. 3 overlaps the adjacent waveguide. In this embodiment, the length of the bottom of the light is determined using parameters such as the resonator length of the laser element, the refractive index of the semiconductor constituting the element, the thickness of the current confinement layer 109, the diameter of the constrictions 110 and 111, and the like. The overlap, that is, the degree of coupling can be controlled by the length of the bottom and the distance between the waveguides. As an index representing the degree of coupling, there is a coupling coefficient as described in the literature (ELECTRONICS LETERS 21st June 1990 Vol. 26 No. 13 pp 896 (1990)). Another document (IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS, VOL. QE-21, NO. 5, pp458 (1985)) shows that stable phase synchronization is realized when this coupling coefficient has a value of 10 −5 or more. Reporting.

例えば、共振器長が3.5λ、半導体部の屈折率が3.4、酸化層(電流狭窄層)の屈折率が1.5、層厚が0.0286λ、狭窄部が円形で直径2.86λのときを考える。まず、共振光の光振幅分布を、共振光が単独で存在した場合を考え計算する。そして狭窄部間の距離を1.43λとしたとき、それぞれの光の振幅分布同士を近づけた場合を想定し、光振幅分布と導波路構造部との重なり積分を計算することで、結合効率を得ることができる。上記の条件の場合、結合効率を計算すると、9×10−5となる。ここでのλは、前記2つの利得波長領域がカバーする領域の中心波長から±20%内の波長を指す。さらに好ましくは±10%、さらに好ましくは±5%の範囲の波長を指す。結合係数は10-5以上であるため、安定した位相同期が実現すると考えられる。 For example, the resonator length is 3.5λ, the refractive index of the semiconductor portion is 3.4, the refractive index of the oxide layer (current confinement layer) is 1.5, the layer thickness is 0.0286λ, the confinement portion is circular and the diameter is 2. Consider the case of 86λ. First, the optical amplitude distribution of the resonant light is calculated considering the case where the resonant light exists alone. Assuming that the distance between the constricted portions is 1.43λ, assuming that the amplitude distributions of the respective lights are close to each other, calculating the overlap integral between the light amplitude distribution and the waveguide structure portion, the coupling efficiency is Can be obtained. In the case of the above conditions, the coupling efficiency is calculated to be 9 × 10 −5 . Here, λ indicates a wavelength within ± 20% from the center wavelength of the region covered by the two gain wavelength regions. More preferably, it refers to a wavelength in the range of ± 10%, more preferably ± 5%. Since the coupling coefficient is 10 −5 or more, it is considered that stable phase synchronization is realized.

(レーザの種類)
本実施形態においては、レーザ素子はVCSEL構成としたが、例えば活性媒体として共振器内に利得チップを設置し、外部ミラーにより共振器を形成する外部共振器型のレーザ構成とすることも可能である。この場合は共振器内部に狭帯域な波長可変式のバンドパスフィルタなどを配置することで、波長可変機能を持たせることが可能である。
(Laser type)
In this embodiment, the laser element has a VCSEL configuration. However, for example, an external resonator type laser configuration in which a gain chip is installed in the resonator as an active medium and a resonator is formed by an external mirror can be used. is there. In this case, a wavelength tunable function can be provided by arranging a tunable bandpass filter having a narrow band inside the resonator.

(材料)
本実施形態において、用いている材料は、GaAs/InGaAs/GaAsP系のIII−V族化合物半導体である。その他、GaAs/AlGaAs系、InGaAsP/InP系などのIII−V族、GaN/AlGaN/InGaNなどのIII−V族窒化物半導体、ZnSeなどのII−VI族半導体を用いることもできる。用いることのできる材料は、活性媒体としての利得チップの場合でも同様である。
(material)
In this embodiment, the material used is a GaAs / InGaAs / GaAsP group III-V group compound semiconductor. In addition, III-V group semiconductors such as GaAs / AlGaAs series and InGaAsP / InP series, III-V nitride semiconductors such as GaN / AlGaN / InGaN, and II-VI group semiconductors such as ZnSe can also be used. The same material can be used for a gain chip as an active medium.

(活性層の種類)
本実施形態で用いることのできる活性層構造に関して説明する。本実施形態における活性層は、第1の活性層及び第2の活性層が同一面内に配置された構造となっている。この活性層は、同一面内に別々の活性層を成長することで得られる。第1及び第2の共振光はそれぞれ第1及び第2の活性層で発光するため、所望の波長の光を得たい位置に、所望の活性層が対応して設けられることが必要である。具体的な配置としては、例えば、それぞれの共振光の間に活性層の境界部が位置するようにし、共振光と活性層を対応させる。後述する、電流注入量を狭窄部ごとに変化させるための構成として、こうした境界部に沿って、例えば、図1の電流狭窄層109と活性層間において上下方向に伸びる絶縁層を形成してもよい。
(Type of active layer)
The active layer structure that can be used in this embodiment will be described. The active layer in the present embodiment has a structure in which the first active layer and the second active layer are arranged in the same plane. This active layer is obtained by growing separate active layers in the same plane. Since the first and second resonance lights are emitted from the first and second active layers, respectively, it is necessary to provide a desired active layer corresponding to a position where light having a desired wavelength is desired. As a specific arrangement, for example, the boundary portion of the active layer is positioned between the respective resonant lights, and the resonant light and the active layer are made to correspond to each other. As a configuration for changing the current injection amount for each constriction, which will be described later, for example, an insulating layer extending in the vertical direction between the current confinement layer 109 and the active layer in FIG. 1 may be formed along such a boundary. .

第1及び第2の利得波長領域を形成する2つの活性領域はそれぞれ別の構造の活性層でも良いが、より簡便、低コストに作製するために、同一構造の非対称量子井戸で形成することもできる。図4は非対称量子井戸構造の空間位置(x)とエネルギー(E)を表す模式図である。401は井戸層、402は障壁層である。「非対称」とは、「対称」多重量子井戸に対する表現であり、各井戸層または障壁層の「井戸幅及び/又は井戸深さが異なる」、「障壁層幅及び/又は障壁層高さが異なる」、「井戸層及び/又は障壁層の歪量が異なる」、などという条件を含む概念である。即ち、こうした条件の少なくとも1つを満たすものが非対称量子井戸構造層である。通常の同一井戸層のみで構成された「対称」の多重量子井戸構造に対して、図4のように、例えば、異なる複数の活性層が基板の層厚方向に非対称に積層されていることから、非対称多重量子井戸と呼ぶ。この非対称量子井戸活性層はキャリア注入密度及びキャリア分布によって利得分布が大きく変化する性質を持つ。これを利用し、例えば、発振波長に応じて、共振器長を変化させるのに連動して注入電流を変化させられる構成にすることにより、第1及び第2の共振光が感じる実質的な利得に差を設け、効果を出すことができる。活性層への注入電流の変化は、2つの狭窄部の径に大小をつけたり、素子への注入電流を変化させたりすることで行う。詳細は、図10の例で説明する。   The two active regions forming the first and second gain wavelength regions may be active layers having different structures, but they may be formed of asymmetric quantum wells having the same structure in order to manufacture the active regions more simply and at low cost. it can. FIG. 4 is a schematic diagram showing the spatial position (x) and energy (E) of the asymmetric quantum well structure. 401 is a well layer and 402 is a barrier layer. “Asymmetric” is an expression for “symmetric” multi-quantum wells, where each well layer or barrier layer has a different well width and / or depth, or different barrier layer width and / or barrier layer height. ”And“ the strain amount of the well layer and / or the barrier layer is different ”. That is, an asymmetric quantum well structure layer satisfies at least one of these conditions. For example, as shown in FIG. 4, a plurality of different active layers are asymmetrically stacked in the layer thickness direction of the substrate as opposed to a “symmetrical” multiple quantum well structure composed of only the same well layer. This is called an asymmetric multiple quantum well. This asymmetric quantum well active layer has the property that the gain distribution varies greatly depending on the carrier injection density and the carrier distribution. By utilizing this, for example, by adopting a configuration in which the injection current can be changed in conjunction with changing the resonator length in accordance with the oscillation wavelength, the substantial gain felt by the first and second resonant lights can be realized. A difference can be made to produce an effect. The change in the injection current to the active layer is performed by increasing or decreasing the diameters of the two constriction portions or changing the injection current to the element. Details will be described with reference to the example of FIG.

(利得付与方法)
本実施形態では、活性層への利得の付与方法は、活性層近傍に設けられた電流狭窄部を介した電流注入を用いている。この狭窄部110、111は、水蒸気などによる半導体層の選択酸化、イオン注入による高抵抗化などの方法を用いて、形成することができる。また、外部光源から励起光を集光して照射し、その集光部においてレーザ発振させる光励起型の形態(図12の例参照)をとることも可能である。この場合には、電流狭窄構造は必ずしも必要でなく、励起光の照射スポットの大きさが電流狭窄部と同様の機能を果たす。導波路構造としては、利得は生じるが屈折率による閉じ込めはないため、利得導波型の導波路構造と見立てることができる。
(Granting method)
In the present embodiment, a method of applying gain to the active layer uses current injection through a current confinement portion provided in the vicinity of the active layer. The narrowed portions 110 and 111 can be formed by using a method such as selective oxidation of a semiconductor layer by water vapor or the like, or high resistance by ion implantation. It is also possible to adopt a light excitation type (see the example of FIG. 12) in which excitation light is condensed and irradiated from an external light source, and laser oscillation is performed at the condensing part. In this case, the current confinement structure is not necessarily required, and the size of the excitation light irradiation spot performs the same function as the current confinement portion. The waveguide structure can be regarded as a gain waveguide type waveguide structure because gain occurs but is not confined by the refractive index.

(上下のミラー)
本実施形態においては、利得波長領域と同様、1対のミラーの高反射帯域も広くする必要がある。例えば、化合物半導体のAlAs/GaAs(50ペア)からなる半導体多層膜は、中心波長1060nmとした場合、100nm以上の波長帯域で99%以上の反射率となるミラーとして機能する。多層膜ミラーを誘電体で形成すると、さらに反射波長領域を広げることが可能である。また、波長の1/5程度の厚さの高屈折率層に、波長の半分程度のピッチでグレーティング構造を設けた構造も、一枚で広帯域反射率を持つミラーとして機能することが近年報告されている。このミラーはHCG(High Contrast Grating)と呼ばれ、本実施形態において用いることも可能である。上記に挙げたようなミラーを任意に組み合わせることにより、共振器を構成することが可能である。
(Upper and lower mirrors)
In the present embodiment, it is necessary to widen the high reflection band of the pair of mirrors as in the gain wavelength region. For example, a semiconductor multilayer film made of compound semiconductor AlAs / GaAs (50 pairs) functions as a mirror having a reflectance of 99% or more in a wavelength band of 100 nm or more when the center wavelength is 1060 nm. If the multilayer mirror is formed of a dielectric, the reflection wavelength region can be further expanded. In recent years, it has been reported that a structure in which a grating structure is provided at a pitch of about half the wavelength on a high refractive index layer having a thickness of about 1/5 of the wavelength also functions as a mirror having a single broadband reflectance. ing. This mirror is called HCG (High Contrast Grating) and can also be used in this embodiment. A resonator can be configured by arbitrarily combining the mirrors listed above.

(MEMSの方式)
ミラー移動用のMEMS構造としては、静電力駆動方式、ピエゾ素子による駆動方式、さらには熱膨張率の違いを利用した熱駆動方式などを用いることが可能である。
(MEMS system)
As the MEMS structure for moving the mirror, an electrostatic force driving method, a driving method using a piezoelectric element, a thermal driving method using a difference in thermal expansion coefficient, or the like can be used.

(波長重なり領域の制御)
本実施形態におけるレーザ素子の、副次的な機能について説明する。図5は、上記第1及び第2の共振光の波長と光出力との関係を表す模式図である。501は第1の共振光からの光放射強度を表す曲線、502は第2の共振光からの光放射強度を表す曲線、503は両方の合成光放射強度を表す曲線である。図5に示すように、光放射強度の重なり波長領域はそれぞれの光強度が積算され強度が大きくなる。従ってレーザ素子全体としては、503に示すような形の合成光強度が得られる。曲線503は、光放射強度の重なり波長領域の大きさを制御することにより、形状を変化させることが可能である。重なり波長領域が広い場合は、503は波長領域の中央部で強度が大きくなり、端部で強度の小さい形状を得ることが可能である。また重なり波長領域を狭くしていくと、各共振光の光放射強度の弱い部分(光放射強度の裾部)で重なるようになり、波長領域全体に渡り凹凸の少ない光強度とすることができる。さらに重なり領域を狭くし、裾部の最下部の波長領域でのみ重なるようにすると、二山の合成光強度を得ることも可能である。
(Control of wavelength overlap region)
A secondary function of the laser element in this embodiment will be described. FIG. 5 is a schematic diagram showing the relationship between the wavelengths of the first and second resonance lights and the optical output. Reference numeral 501 is a curve representing the light emission intensity from the first resonance light, 502 is a curve representing the light emission intensity from the second resonance light, and 503 is a curve representing both combined light emission intensities. As shown in FIG. 5, in the overlapping wavelength region of the light emission intensity, the respective light intensities are integrated and the intensity is increased. Therefore, as a whole laser element, a combined light intensity as shown in 503 is obtained. The shape of the curve 503 can be changed by controlling the size of the overlapping wavelength region of the light emission intensity. When the overlapping wavelength region is wide, it is possible to obtain a shape in which 503 has a high strength at the center of the wavelength region and a low strength at the end. In addition, when the overlapping wavelength region is narrowed, the light emission intensity of each resonance light is overlapped at a weak portion (bottom portion of the light emission intensity), and the light intensity with less unevenness can be obtained over the entire wavelength region. . If the overlapping region is further narrowed so that it overlaps only in the wavelength region at the bottom of the skirt, it is possible to obtain two combined light intensities.

(作製方法)
本実施形態におけるレーザ素子は、通常の半導体レーザ作製技術(エピタキシャル結晶成長、リソグラフィー、ドライエッチング、蒸着、リフトオフ、水蒸気酸化、イオン注入等)を用いて作製することができる。
(Production method)
The laser element in the present embodiment can be manufactured using a normal semiconductor laser manufacturing technique (epitaxial crystal growth, lithography, dry etching, vapor deposition, lift-off, water vapor oxidation, ion implantation, etc.).

(第2の実施形態)
本発明の第2の実施形態について説明する。図6は第2の実施形態の素子構成を表す概念図である。本実施形態では、601の基板から613の上部反射ミラーまでの構成要素は、全て第1の実施形態と同様である。本実施形態においては、第1の実施形態と異なり、第1及び第2の活性層が同一平面上にはなく、別々の平面内に分離されており、基板601に対し上側が第1の活性層605、下側が第2の活性層606となっている。さらに本実施形態では、第1の電流狭窄部610側の共振器において、活性層を挟んで両側に位相調整層がある。すなわち、上側に上部位相調整層615、下側に下部位相調整層614が設けられている。
(Second Embodiment)
A second embodiment of the present invention will be described. FIG. 6 is a conceptual diagram showing the element configuration of the second embodiment. In the present embodiment, all components from the substrate 601 to the upper reflection mirror 613 are the same as those in the first embodiment. In the present embodiment, unlike the first embodiment, the first and second active layers are not on the same plane but are separated in different planes, and the upper side of the substrate 601 is the first active layer. The layer 605 and the lower side are the second active layer 606. Furthermore, in this embodiment, in the resonator on the first current confinement portion 610 side, there are phase adjustment layers on both sides of the active layer. That is, the upper phase adjustment layer 615 is provided on the upper side, and the lower phase adjustment layer 614 is provided on the lower side.

(第2の実施形態の効果)
上記位相調整層がもたらす効果を、図7を用いて説明する。図7は、共振器内部の活性層付近における、共振光と活性層の位置関係を表した模式的な概念図である。図7の左側が基板に対して上側、右側が基板に対して下側を表す。第1の活性層605と第2の活性層606は、図6でも示した通り上下に位置がずれている。これに対して、第1の共振光の強度分布を表す曲線703及び第2の共振光の強度分布を表す曲線704も、強度の大小(山と谷)の位置が活性層605、606の位置ずれと同じだけずれている。これは図6の上下の位相調整層により、活性層付近での共振光の位置が実質的にずれたことによる。本実施形態では、第2の共振光側に対して、第1の共振光側では、上部位相調整層615は光路長が長く、下部位相調整層は光路長が短くなっている。そのため、第1の共振光側の共振器長に対して、第2の共振光側では上側の共振器長が短く、下側の共振器長が長くなる。共振器長のうち実質的に長くなった部分と短くなった部分では、その変化分は等しいものとしている。活性層605、606付近での共振光の位置は、この変化分だけずれることとなり、こうすることで、第1の共振光703は第1の活性層605に、第2の共振光704は第2の活性層606に、山が位置するようになる。従って、それぞれ、第1の共振光703は第1の活性層605の、第2の共振光704は第2の活性層606の、利得を主に感じるようになり、活性層同士が上下に分離されていても、第1の実施形態と同様の効果が得られる。
(Effect of 2nd Embodiment)
The effect brought about by the phase adjustment layer will be described with reference to FIG. FIG. 7 is a schematic conceptual diagram showing the positional relationship between the resonant light and the active layer in the vicinity of the active layer inside the resonator. The left side of FIG. 7 represents the upper side with respect to the substrate, and the right side represents the lower side with respect to the substrate. The first active layer 605 and the second active layer 606 are displaced in the vertical direction as shown in FIG. On the other hand, in the curve 703 representing the intensity distribution of the first resonance light and the curve 704 representing the intensity distribution of the second resonance light, the positions of the magnitudes (mountains and valleys) are the positions of the active layers 605 and 606. Deviation is the same as the deviation. This is because the position of the resonant light in the vicinity of the active layer is substantially shifted by the upper and lower phase adjustment layers in FIG. In the present embodiment, the upper phase adjustment layer 615 has a longer optical path length and the lower phase adjustment layer has a shorter optical path length on the first resonance light side than the second resonance light side. Therefore, the upper resonator length is shorter and the lower resonator length is longer on the second resonant light side than on the first resonant light side. It is assumed that the change is equal between the part of the resonator length that is substantially longer and the part that is shorter. The position of the resonance light in the vicinity of the active layers 605 and 606 is shifted by this change, and as a result, the first resonance light 703 is transferred to the first active layer 605 and the second resonance light 704 is changed to the second resonance light 704. A mountain is located in the second active layer 606. Accordingly, the first resonant light 703 comes to feel mainly the gain of the first active layer 605, and the second resonant light 704 comes to feel mainly the gain of the second active layer 606, and the active layers are separated vertically. Even if it is done, the same effect as the first embodiment can be obtained.

本実施形態における位相調整層の条件に関して以下に説明する。第1の共振光に対する第2の共振光の光路長の変化分を、活性層の上下についてそれぞれΔu、Δdとする。すると、本実施形態においては、共振光の波長を変えないようにΔu+Δd=Nλ/2(N:整数、|Δu|、|Δd|はそれぞれ上部共振器、下部共振器の共振器長以上にはならない)となることが必要である。また、Δu=Nu・λ/2+δ、Δd=-Nd・λ/2−δ(Nu、Nd:整数、0<|δ|<λ/2)となり、Δu、Δd≠0より、活性層の上下で、両共振光に必ず光路差が付いていることが必要である。特にN=0、すなわちΔu=−Δdの場合は、それぞれ必要な光路長差の値Δu、Δdをλ/2以上にすることなく小さくできるため、実用上は好ましい。さらに第1の活性層が第1の共振光に対して山の位置、第2の活性層が節の位置、第2の共振光に対してはこれらと逆の関係となることが好ましいので、Δu=λ/4、Δd=−λ/4となることが好ましい。この場合、第1及び第2の活性層間の距離も光路長でλ/4離れていることが好ましい。   The conditions of the phase adjustment layer in this embodiment will be described below. Changes in the optical path length of the second resonant light with respect to the first resonant light are denoted by Δu and Δd, respectively, above and below the active layer. Then, in this embodiment, Δu + Δd = Nλ / 2 (N: integer, | Δu |, | Δd | is greater than or equal to the resonator length of the upper resonator and the lower resonator so as not to change the wavelength of the resonant light. Must be). Δu = Nu · λ / 2 + δ, Δd = −Nd · λ / 2−δ (Nu, Nd: integer, 0 <| δ | <λ / 2). From Δu and Δd ≠ 0, Thus, it is necessary that both resonant lights always have an optical path difference. In particular, when N = 0, that is, Δu = −Δd, the necessary optical path length difference values Δu and Δd can be reduced without making them λ / 2 or more, respectively. Furthermore, it is preferable that the first active layer has a crest position with respect to the first resonance light, the second active layer has a node position, and the second resonance light has an inverse relationship with these, It is preferable that Δu = λ / 4 and Δd = −λ / 4. In this case, it is preferable that the distance between the first and second active layers is also λ / 4 apart in terms of the optical path length.

位相調整層の配置に関して、本実施形態で示したもの以外のバリエーションを、図8を用いて説明する。図8は、共振器における位相調整層の位置を簡略に表すための概念図であり、導入する調整層の一部の例を示している。図8には、下部反射ミラー602、上部反射ミラー613で挟まれた共振器の略図が示されている。Δu、Δd≠0であるから、位相調整層は活性層605、606に対して上下にそれぞれ設けられ、隣接する共振光に対して光路長を長くする位相調整層が615の位相調整層+、短くする調整層が614の位相調整層−である。共振器の左側に位置する調整層は第1の共振光に作用する調整層、右側に位置する調整層は第2の共振光に作用する調整層を表している。   With respect to the arrangement of the phase adjustment layer, variations other than those shown in this embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 8 is a conceptual diagram for simply representing the position of the phase adjustment layer in the resonator, and shows an example of a part of the adjustment layer to be introduced. FIG. 8 shows a schematic diagram of a resonator sandwiched between a lower reflection mirror 602 and an upper reflection mirror 613. Since Δu and Δd ≠ 0, the phase adjustment layer is provided above and below the active layers 605 and 606, respectively, and the phase adjustment layer +615 has a phase adjustment layer that increases the optical path length with respect to the adjacent resonance light. The adjustment layer to be shortened is the phase adjustment layer 614. The adjustment layer located on the left side of the resonator represents the adjustment layer acting on the first resonance light, and the adjustment layer located on the right side represents the adjustment layer acting on the second resonance light.

本実施形態では、第1の共振光に対して上部位相調整層がプラス、下部位相調整層がマイナスとしていたが、図8の左側の例のように、上下の位相調整層のプラス、マイナスを入れ替えることも可能である。また中央の例のように、両方の共振光に対して、活性層の上下にそれぞれ符号を入れ替えた位相調整層を入れても同様の効果が得られる。ただしこの場合は、両方の共振光の位置に調整層が入っていることから、互いの共振光の相対的なずれ量は、片側のみに調整層を入れる場合の倍になる。従って、片側のみに調整層を入れる場合に対して、その半分の量の光路長差をつけるよう、調整量を設定することで同様の効果が得られる。また共振光間で光路長差がつけばよいので、右の例のように第1の共振光、第2の共振光のそれぞれ上側、下側の共振器に同種の(例ではプラスが2つ)調整層を入れることも可能である。図8の中央、右の例においても、調整層を上下入れ替えたものや、符号を反転させたものなども使用することができる。   In the present embodiment, the upper phase adjustment layer is positive and the lower phase adjustment layer is negative with respect to the first resonant light. However, as in the example on the left side of FIG. It is also possible to replace it. In addition, as in the center example, the same effect can be obtained by inserting a phase adjustment layer in which the signs are changed above and below the active layer for both resonance lights. However, in this case, since the adjustment layer is included at the position of both resonance lights, the relative shift amount of the resonance light of each other is double that when the adjustment layer is inserted only on one side. Therefore, the same effect can be obtained by setting the adjustment amount so that the optical path length difference is half that of the case where the adjustment layer is provided only on one side. In addition, since it is sufficient if the optical path length difference is provided between the resonant lights, the same type of resonator is used for the upper and lower resonators of the first resonant light and the second resonant light as in the right example (two pluses in the example). ) It is also possible to put an adjustment layer. Also in the center and right examples in FIG. 8, it is possible to use one in which the adjustment layers are switched upside down or one in which the sign is inverted.

実際に用いる位相調整層の具体例を説明する。位相調整層+としては、共振器を構成する化合物半導体層中の同族で組成を変えた高屈折率の半導体層、または異種の高屈折率半導体、誘電体などがある。また位相調整層−としては、化合物半導体中に形成した酸化物などの誘電体、または空気層などを用いることができる。更に、共振器中にエアギャップを有する面発光レーザ素子に対しては、半導体とエアギャップの境界部の半導体を削り、窪みを形成することで、位相調整層−とすることも可能である。   A specific example of the phase adjustment layer actually used will be described. Examples of the phase adjustment layer + include a high refractive index semiconductor layer whose composition is changed in the same family in the compound semiconductor layer constituting the resonator, a different high refractive index semiconductor, and a dielectric. As the phase adjusting layer, a dielectric such as an oxide formed in a compound semiconductor or an air layer can be used. Furthermore, for a surface emitting laser element having an air gap in the resonator, it is possible to form a phase adjustment layer by cutting the semiconductor at the boundary between the semiconductor and the air gap to form a recess.

動作は次の通りである。電流注入状態で、上部反射ミラー613を移動する。これにより、第1または/及び第2の共振光であって、第1または第2の活性層に山の位置が来る波長の光が大きな利得を得て発振する。この波長は、上部反射ミラー613の移動による共振器長の変化に従って変化する。重なり波長領域では、第1及び第2の共振光が位相同期して発振する。すなわち、共振器長の共振波長が、第1の活性層の利得分布の非重なり波長領域の波長であるとき、前記波長の第1の共振光は第1の活性層に略山の位置が来て発振する。また、共振器長の共振波長が、第2の活性層の利得分布の非重なり波長領域の波長であるとき、前記波長の第2の共振光は第2の活性層に略山の位置が来て発振する。さらに、共振器長の共振波長が、第1及び第2の活性層の利得分布の重なり波長領域の波長であるとき、前記波長の第1及び第2の共振光はそれぞれ第1及び第2の活性層に略山の位置が来て発振する。このとき第1及び第2の共振光が位相同期するように、電流狭窄部が形成されている。以上の如くなるように位相調整層(部)が設けられている。   The operation is as follows. The upper reflection mirror 613 is moved in the current injection state. Thereby, the light of the first or / and second resonance light having the wavelength at which the peak position reaches the first or second active layer oscillates with a large gain. This wavelength changes according to the change in the resonator length due to the movement of the upper reflecting mirror 613. In the overlapping wavelength region, the first and second resonant lights oscillate in phase synchronization. That is, when the resonance wavelength of the resonator length is a wavelength in the non-overlapping wavelength region of the gain distribution of the first active layer, the first resonance light of the wavelength is located at a substantially peak position in the first active layer. Oscillates. In addition, when the resonance wavelength of the resonator length is a wavelength in the non-overlapping wavelength region of the gain distribution of the second active layer, the second resonance light of the wavelength has a substantially peak position in the second active layer. Oscillates. Further, when the resonance wavelength of the resonator length is a wavelength in the overlapping wavelength region of the gain distribution of the first and second active layers, the first and second resonance lights having the wavelength are respectively the first and second resonance lights. The active layer oscillates with an approximate mountain position. At this time, the current confinement part is formed so that the first and second resonance lights are phase-synchronized. The phase adjustment layer (part) is provided as described above.

(第1の実施例)
本発明における第1の実施例について説明する。図9−1は、本実施例の素子構造を表す模式上面図、図9−2は、本実施例の素子構造を表すA−A’模式断面図、図9−3は、本実施例の素子構造を表すB−B’模式断面図である。本実施例では、レーザ素子は両持ち梁のMEMS VCSEL構造となっている。901の基板から913の上部反射ミラーまでは、第1の実施形態と同様の構成であるため、逐一の説明は省略する。本実施例では、素子の基板裏面に裏面電極914が設けられ、上部クラッド層908上に中間電極915が設けられ、上部反射ミラー913の上に上部電極917が設けられている。図9−3において、918は、半円形の第1及び第2の活性層905、906の境界部を示す。第1の電流狭窄部910により規定される共振光が第1の共振光であり、第2の電流狭窄部911により規定される共振光が第2の共振光である。
(First embodiment)
A first embodiment of the present invention will be described. FIG. 9A is a schematic top view showing the element structure of this example, FIG. 9-2 is an AA ′ schematic cross-sectional view showing the element structure of this example, and FIG. It is a BB 'schematic sectional view showing element structure. In this embodiment, the laser element has a doubly-supported MEMS VCSEL structure. Since the structure from the substrate 901 to the upper reflecting mirror 913 is the same as that of the first embodiment, the explanation thereof is omitted. In this embodiment, a back electrode 914 is provided on the back surface of the substrate of the element, an intermediate electrode 915 is provided on the upper cladding layer 908, and an upper electrode 917 is provided on the upper reflecting mirror 913. In FIG. 9C, reference numeral 918 denotes the boundary between the semicircular first and second active layers 905 and 906. The resonance light defined by the first current confinement part 910 is the first resonance light, and the resonance light defined by the second current confinement part 911 is the second resonance light.

裏面電極914と中間電極915はレーザ素子のVCSEL部分の駆動を行うための電極である。本実施例においては、MEMS部の駆動は静電力の印加により行い、中間電極915と上部電極917は前記MEMS部を駆動するために用いられる。本実施例では、中間電極915をグランドとしている。エアギャップ912は、犠牲層の一部をエッチングプロセスにより除去することで形成され、残りの犠牲層916は上部反射ミラー913を含む梁部を支える支柱の役割を果たす。また本実施例では、レーザ素子はメサ構造をとっており、側壁は不図示のパッシベーション膜で覆われている。   The back electrode 914 and the intermediate electrode 915 are electrodes for driving the VCSEL portion of the laser element. In this embodiment, the MEMS portion is driven by applying an electrostatic force, and the intermediate electrode 915 and the upper electrode 917 are used to drive the MEMS portion. In this embodiment, the intermediate electrode 915 is the ground. The air gap 912 is formed by removing a part of the sacrificial layer by an etching process, and the remaining sacrificial layer 916 serves as a column supporting a beam portion including the upper reflecting mirror 913. In this embodiment, the laser element has a mesa structure, and the side wall is covered with a passivation film (not shown).

本実施例のレーザの中心発振波長λは1100nmである。それぞれの部位を構成する材料は、基板901がn型GaAs、下部、上部クラッド層903、908がそれぞれn型、p型Al0.7Ga0.3Asである。また、下部、上部スペーサ層904、907がアンドープAl0.25Ga0.75As、電流狭窄層909がAlO、第1及び第2の電流狭窄部910、911がp−Al0.98Ga0.02As、犠牲層916がアンドープGaAsである。第1の活性層905は、井戸層/バリア層がIn0.27Ga0.73As/Ga0.22As0.75Pの3層多重量子井戸構成、第2の活性層906は、井戸層/バリア層がIn0.30Ga0.70As/Ga0.28As0.72Pの3層多重量子井戸構成である。井戸層/バリア層それぞれの厚さは、8nm/10nmである。下部反射ミラー902は、n−GaAs/AlAsのλ/4厚の半導体膜が30ペア積層された多層膜ミラー、上部反射ミラー913はp−GaAs/AlAsの40ペア積層ミラーである。共振器長は全長が3.5λの光路長であり、そのうち半導体材料部分の光路長は2.25λである。 The center oscillation wavelength λ of the laser of this example is 1100 nm. The material constituting each part is n-type GaAs for the substrate 901, n-type for the lower and upper cladding layers 903 and 908, and p-type Al 0.7 Ga 0.3 As. The lower and upper spacer layers 904 and 907 are undoped Al 0.25 Ga 0.75 As, the current confinement layer 909 is AlO x , and the first and second current confinement portions 910 and 911 are p-Al 0.98 Ga. 0.02 As, the sacrificial layer 916 is undoped GaAs. The first active layer 905 has a three-layer multiple quantum well structure in which the well layer / barrier layer is In 0.27 Ga 0.73 As / Ga 0.22 As 0.75 P, and the second active layer 906 has a well The layer / barrier layer has a three-layer multiple quantum well configuration of In 0.30 Ga 0.70 As / Ga 0.28 As 0.72 P. The thickness of each well layer / barrier layer is 8 nm / 10 nm. The lower reflection mirror 902 is a multilayer mirror in which 30 pairs of λ / 4-thick semiconductor films of n-GaAs / AlAs are stacked, and the upper reflection mirror 913 is a 40-pair stacked mirror of p-GaAs / AlAs. The resonator length is an optical path length of 3.5λ, and the optical path length of the semiconductor material portion is 2.25λ.

本実施例においては、酸化狭窄層(電流狭窄層)909の厚さは30nmであり、狭窄部910、911は直径3μmの円形、狭窄部間の距離は、狭窄部中心間で4.5μmである。これらのパラメータを基に光結合係数を計算すると0.9×10−4となり、前述した10−5以上が得られているので、位相同期を安定して得ることが可能である。 In this embodiment, the thickness of the oxidized constriction layer (current confinement layer) 909 is 30 nm, the constrictions 910 and 911 are circular with a diameter of 3 μm, and the distance between the constrictions is 4.5 μm between the centers of the constrictions. is there. When the optical coupling coefficient is calculated based on these parameters, it becomes 0.9 × 10 −4 , and the above 10 −5 or more is obtained, so that phase synchronization can be obtained stably.

本レーザ素子は、電流注入駆動することで、第1の活性層、第2の活性層の全利得波長領域を用い、それらの重なり波長領域部分は位相同期により、全体として1つの波長掃引レーザとして機能する。MEMS両持ち梁部の位置を変位させ波長が短波長側と長波長側との間で掃引されるとき、利得波長領域の重なり部に光がさしかかった際も、位相同期により、位相が不規則に変化することがない。こうして、第1の共振光と第2の共振光との両共振光間で一定の位相関係を保持することができる。   This laser element is driven by current injection to use the entire gain wavelength region of the first active layer and the second active layer, and the overlapping wavelength region portion as a whole is one wavelength swept laser by phase synchronization. Function. When the position of the MEMS both-end supported beam is displaced and the wavelength is swept between the short wavelength side and the long wavelength side, the phase is also irregular due to the phase synchronization even when light reaches the overlapping part of the gain wavelength region. Will not change. In this way, a constant phase relationship can be maintained between both the resonant light of the first resonant light and the second resonant light.

前述したように結合係数は10−5以上が必要だが、この条件を満たしていれば、なるべく小さい方が好ましい。位相同期が起こると共振光の実効屈折率が変化するため、元の波長に対して波長が僅かに変化する。この変化量は、結合係数に比例するため、結合係数が小さいほど、小さくなる。よって、掃引時の波長とびを抑えるためにも、結合効率は、位相同期が起こる範囲で小さい事が好ましい。本実施例の素子では、結合係数が10−5のとき、予想される波長とびは、〜0.01nm以下に抑えることが可能である。この値は、光装置への応用を考慮すると、該装置で用いられる波数取得干渉計の波長分解能(波数分解能)は0.1nm程度であるため、干渉計でも測定できない程度のずれ量である。結合係数を10倍にしても0.1nm以上にはならないので、10−4まではOCT装置応用では十分に小さな結合係数であると言える。また上記波長とびは、例えば、共振器の光路長調整用に設けた電極から素子に電流を流し光路長調整を行う事でも、影響を軽減することができる。 As described above, the coupling coefficient needs to be 10 −5 or more. However, it is preferable that the coupling coefficient is as small as possible if this condition is satisfied. When phase synchronization occurs, the effective refractive index of the resonant light changes, so the wavelength slightly changes with respect to the original wavelength. Since this change amount is proportional to the coupling coefficient, the smaller the coupling coefficient, the smaller. Therefore, it is preferable that the coupling efficiency is small in the range where phase synchronization occurs in order to suppress the wavelength jump during the sweep. In the device of this example, when the coupling coefficient is 10 −5 , the expected wavelength jump can be suppressed to −0.01 nm or less. Considering application to an optical device, this value is a deviation that cannot be measured by the interferometer because the wavelength resolution (wave number resolution) of the wave number acquisition interferometer used in the device is about 0.1 nm. Even if the coupling coefficient is increased by a factor of 10, it does not become 0.1 nm or more. Therefore, it can be said that 10 −4 is a sufficiently small coupling coefficient for OCT apparatus application. The influence of the wavelength jump can also be reduced, for example, by adjusting the optical path length by passing a current from the electrode provided for adjusting the optical path length of the resonator to the element.

本実施例では、上部反射ミラー部913のMEMS構造は両持ち梁としたが、片持ち梁の構造とすることも可能である。また本実施例においては、上部反射ミラーは多層膜反射鏡自体が梁を形成しているが、反射鏡ではない梁専用部に、別途、多層膜ミラーまたはHCGミラーを形成する構成も可能である。   In this embodiment, the MEMS structure of the upper reflecting mirror portion 913 is a double-supported beam, but it can be a cantilever structure. In this embodiment, the upper reflecting mirror has a beam formed by the multilayer film reflecting mirror itself. However, a structure in which a multilayer film mirror or an HCG mirror is separately formed in a beam dedicated portion that is not a reflecting mirror is also possible. .

本実施例において、異なる組成の第1及び第2の活性層を基板面内方向で空間的に分けることで、それぞれの電流狭窄部910、911からの発振波長を制御しているが、前述したような非対称量子井戸構造を用いることも可能である。以下、それについて説明する。図10は非対称量子井戸構造層の利得分布を表す模式図である。1001は高キャリア注入域における利得分布、1002は低注入域における利得分布である。1003は利得波長領域の中心を表す。非対称量子井戸は、非常に広い利得波長領域を実現することが可能だが、図10に示すように高キャリア注入域においては短波長側の利得が大きくなり、低注入域では長波長側の利得が大きくなる特性を持つ。この性質を利用し、短波長側の波長で発振させたい場合には電流密度を上げ、長波長側の波長で発振させたい場合には電流密度を下げるように制御する。こうすることで、それぞれの共振光が感じる利得に差をつけることができる。こうした非対称量子井戸構造は、活性領域の少なくとも一方を構成するのに用いることもできる。   In this embodiment, the first and second active layers having different compositions are spatially separated in the substrate in-plane direction to control the oscillation wavelengths from the respective current confinement portions 910 and 911. It is also possible to use such an asymmetric quantum well structure. This will be described below. FIG. 10 is a schematic diagram showing the gain distribution of the asymmetric quantum well structure layer. 1001 is a gain distribution in a high carrier injection region, and 1002 is a gain distribution in a low injection region. Reference numeral 1003 represents the center of the gain wavelength region. The asymmetric quantum well can realize a very wide gain wavelength region. However, as shown in FIG. 10, the gain on the short wavelength side becomes large in the high carrier injection region, and the gain on the long wavelength side in the low injection region. Has the property of becoming larger. Utilizing this property, control is performed to increase the current density when it is desired to oscillate at the shorter wavelength side and to decrease the current density when desired to oscillate at the longer wavelength side. By doing so, it is possible to make a difference in the gain felt by each resonance light. Such an asymmetric quantum well structure can also be used to construct at least one of the active regions.

具体的には、2つの活性層を共通の単一の非対称量子井戸で構成し、掃引が長波長側にある場合には、第1の狭窄部を低注入、第2の狭窄部を高注入とし、第1の共振光が感じる長波長側の利得を増やし、第2の共振光が感じる長波長側の利得を減らす。掃引が短波長側にある場合には、それぞれの低注入、高注入を入れ替える。こうしたことは、2つの狭窄部への電流注入を別個の電極で行うことなどで実現できる。このように掃引波長に合わせて注入レベルを変化させることで、利得の波長依存性をリアルタイムに制御し、2つの活性領域を実質的に空間的に分離することのない同一の活性層にしても効果を得ることができる。本実施例において、近接した狭窄部間で、活性層の組成を変えることの難易度は高いため、活性層を同一にできることは、作製難易度を下げられるメリットがある。   Specifically, when the two active layers are composed of a single common asymmetric quantum well, and the sweep is on the long wavelength side, the first constriction is injected low and the second constriction is high injection The gain on the long wavelength side felt by the first resonance light is increased, and the gain on the long wavelength side felt by the second resonance light is reduced. When the sweep is on the short wavelength side, the low injection and the high injection are switched. This can be realized by, for example, performing current injection into the two constricted portions with separate electrodes. In this way, by changing the injection level in accordance with the sweep wavelength, the wavelength dependence of the gain is controlled in real time, and the two active regions are made to be the same active layer that is not substantially spatially separated. An effect can be obtained. In this embodiment, since it is difficult to change the composition of the active layer between adjacent constricted portions, the ability to make the active layer the same has the merit of reducing the manufacturing difficulty.

(第2の実施例)
本発明の第2の実施例について説明する。図11−1は、本実施例の波長可変レーザ素子の構造を示す、図9−1のA−A’に相当する線における模式断面図、図11−2は、同じく図9−1のB−B’ に相当する線における模式断面図である。本実施例の上面図は図9−1と同様である。本実施例では、第1の活性層1105と第2の活性層1106が上下に分かれた構造となっている。そして、第1の電流狭窄部1110と第1及び第2の活性層の下側に、第1の位相調整層1118が形成され、第2の電流狭窄部1111と第1及び第2の活性層の上側に、第2の位相調整層(部)1119が形成されている。第2の位相調整層は、上部クラッド層1108の表面から、クラッド層に窪みをつけることで形成されているため、位相調整部と呼んでもよい。
(Second embodiment)
A second embodiment of the present invention will be described. FIG. 11A is a schematic cross-sectional view taken along a line corresponding to AA ′ in FIG. 9-1, showing the structure of the wavelength tunable laser element of this example, and FIG. It is a schematic cross section in the line corresponded to -B '. The top view of the present embodiment is the same as FIG. In this embodiment, the first active layer 1105 and the second active layer 1106 are divided into upper and lower parts. A first phase adjustment layer 1118 is formed below the first current confinement part 1110 and the first and second active layers, and the second current confinement part 1111 and the first and second active layers are formed. A second phase adjustment layer (part) 1119 is formed on the upper side of the first phase adjustment layer. Since the second phase adjustment layer is formed by making a depression in the cladding layer from the surface of the upper cladding layer 1108, it may be referred to as a phase adjustment unit.

上記活性層と位相調整層以外の構成、材料、及び寸法は、第1の実施例と同様である。活性領域においては、形状は異なるが第1及び第2の活性層1105、1106の材料及び寸法はそれぞれ第1の実施例のものと同様である。両活性層間の基板垂直方向の距離は、光路長にしてレーザ帯域中心波長λのλ/4、実厚さにして82nmである。第1の位相調整層1118はAlOであり、厚さ174nmである。この位相調整層1118により、第1の電流狭窄部1110に位置する共振器長において、第2の電流狭窄部1111に位置する共振器長に対し、−λ/4の光路長差をつけることが可能である。さらに、第2の位相調整層の厚さ(位相調整部1119の深さ)は116nmであり、第1の電流狭窄部に位置する共振器長において、第2の電流狭窄部に位置する共振器長に対し、+λ/4の光路長差をつけることが可能である。 Configurations, materials, and dimensions other than the active layer and the phase adjustment layer are the same as those in the first embodiment. In the active region, although the shapes are different, the materials and dimensions of the first and second active layers 1105, 1106 are the same as those in the first embodiment. The distance in the substrate vertical direction between both active layers is λ / 4 of the laser band center wavelength λ in terms of the optical path length, and 82 nm in terms of the actual thickness. The first phase adjustment layer 1118 is AlO x and has a thickness of 174 nm. With this phase adjustment layer 1118, the optical path length difference of −λ / 4 can be given to the resonator length located in the second current confinement part 1111 in the resonator length located in the first current confinement part 1110. Is possible. Further, the thickness of the second phase adjustment layer (the depth of the phase adjustment unit 1119) is 116 nm, and the resonator located in the second current confinement portion is the resonator length located in the first current confinement portion. It is possible to add an optical path length difference of + λ / 4 to the length.

以上のような構成を用い、第1の電流狭窄部1110に位置する第1の共振光が、第2の電流狭窄部1111に位置する第2の共振光に対し、活性領域の上側で+λ/4、活性領域の下側で−λ/4の光路長差がつく。よって、前記第2の実施形態で述べたように、共振光の山、谷を互いにずらすことができる。本実施例のレーザを駆動すると、利得波長領域の重なり部のみで位相同期が生じ、広帯域な波長可変レーザを得ることができる。本実施例の構成を用いることで、活性層を上下に分けた形態で、本発明の要旨の範囲内のレーザ素子を実現できる。   Using the configuration as described above, the first resonance light located in the first current confinement portion 1110 is + λ // upper the active region than the second resonance light located in the second current confinement portion 1111. 4. An optical path length difference of −λ / 4 is formed below the active region. Therefore, as described in the second embodiment, the peaks and valleys of the resonance light can be shifted from each other. When the laser of this embodiment is driven, phase synchronization occurs only at the overlapping portion of the gain wavelength region, and a broadband wavelength tunable laser can be obtained. By using the configuration of this example, a laser element within the scope of the present invention can be realized in a form in which the active layer is divided into upper and lower parts.

(第3の実施例)
本発明の第3の実施例について説明する。図12は、本実施例の波長可変レーザ素子の構造を示す模式断面図である。本実施例は、レーザの駆動を、電流注入ではなく、光励起により行うところが特徴である。そのため、本実施例の素子は、注入電流の狭窄部は有さず、代わりに励起光1212を照射するための励起光照射レンズ1211を有している。その他の構成、材料及び寸法は、第1の実施例と同様である。
(Third embodiment)
A third embodiment of the present invention will be described. FIG. 12 is a schematic cross-sectional view showing the structure of the wavelength tunable laser element of this example. This embodiment is characterized in that the laser is driven not by current injection but by photoexcitation. For this reason, the element of this embodiment does not have a narrowed portion of the injected current, but has an excitation light irradiation lens 1211 for irradiating the excitation light 1212 instead. Other configurations, materials, and dimensions are the same as those in the first embodiment.

励起光照射レンズ1211は、不図示のレンズ偏向機構により、照射場所を調整できるようになっている。これにより、第1及び第2の共振光同士の間隔を自由に調整できるため、共振光の結合効率を自由に制御することが可能となる。また、活性層に非対称量子井戸構造を用いた場合、波長掃引時の発振波長に応じた励起強度の調整は、本実施例では励起光強度を変えることで容易に行うことができる。   The excitation light irradiation lens 1211 can adjust the irradiation place by a lens deflection mechanism (not shown). Thereby, since the space | interval of 1st and 2nd resonance light can be adjusted freely, it becomes possible to control the coupling efficiency of resonance light freely. In addition, when an asymmetric quantum well structure is used for the active layer, adjustment of the excitation intensity according to the oscillation wavelength at the time of wavelength sweeping can be easily performed in this embodiment by changing the excitation light intensity.

本実施例のレーザ素子を駆動すると、励起用光源の集光部にある活性層でそれぞれ利得波長領域が形成され、第1の共振光及び第2の共振光が得られる。それらを用いると共に上部反射ミラー1209を移動することで、広波長領域の波長可変レーザを実現することができる。本実施例で用いることができる励起用光源としては、半導体レーザ、固体レーザ、ガスレーザなどのレーザ光源、スーパールミネッセントダイオード、フラッシュランプなどの高パワー、非レーザ光源がある。また、励起用光源として、独立のもの2つを用いても良いし、1つの光源からの光を2つに分岐して外部の変調手段により独立に2つの光の強度を調整しても良い。   When the laser element of this embodiment is driven, gain wavelength regions are formed in the active layers in the light condensing part of the excitation light source, and the first resonance light and the second resonance light are obtained. By using them and moving the upper reflection mirror 1209, a wavelength tunable laser in a wide wavelength region can be realized. Examples of excitation light sources that can be used in this embodiment include laser light sources such as semiconductor lasers, solid-state lasers, and gas lasers, and high-power, non-laser light sources such as superluminescent diodes and flash lamps. Further, two independent light sources may be used as excitation light sources, or the light from one light source may be branched into two and the intensity of the two lights may be adjusted independently by an external modulation means. .

以上第1から第3の実施例は例示的なものであり、本発明によるレーザ素子の構造、材料、大きさ、形状などの諸条件は、以上の実施例により何ら限定されるものではない。   The first to third embodiments are illustrative, and various conditions such as the structure, material, size, and shape of the laser element according to the present invention are not limited by the above embodiments.

(第3の実施形態)
本実施形態では、上記実施形態ないし実施例の波長可変レーザを光源装置として用いた情報取得装置の例について説明する。波長可変型の光源装置は、光通信用光源や光計測用光源として利用することができる。さらに、波長可変型の光源装置は、非侵襲、非破壊で測定対象物の内部の情報を取得する情報取得装置の光源装置として利用することができる。以下では、本実施形態の光源装置を用いた情報取得装置の一例として、光干渉断層撮像装置(以下、OCT装置という)について図13を用いて説明する。これは、波長掃引レーザとして上述の波長可変レーザを備えていることを特徴とする波長掃引型の光干渉断層撮像装置である。
(Third embodiment)
In this embodiment, an example of an information acquisition apparatus using the wavelength tunable laser of the above embodiment or example as a light source device will be described. The wavelength variable light source device can be used as a light source for optical communication or a light source for optical measurement. Furthermore, the wavelength tunable light source device can be used as a light source device of an information acquisition device that acquires information inside a measurement object in a non-invasive and non-destructive manner. Hereinafter, an optical coherence tomography apparatus (hereinafter referred to as an OCT apparatus) will be described with reference to FIG. 13 as an example of an information acquisition apparatus using the light source device of the present embodiment. This is a wavelength sweep type optical coherence tomographic imaging apparatus including the above-described wavelength tunable laser as a wavelength sweep laser.

図13は、本実施形態に係るOCT装置を示す模式図である。OCT装置は、光源装置801、干渉光学系802、光検出部803、測定対象物の内部情報を取得する情報取得部804、を少なくとも有する。光源装置801として、上記実施形態ないし実施例の波長可変レーザを用いることができる。また、図示していないが、情報取得部804はフーリエ変換器を有する。ここで、情報取得部804がフーリエ変換器を有するとは、情報取得部804が入力されたデータに対してフーリエ変換する機能を有していれば形態は特に限定されない。一例は、情報取得部804が演算部を有し、この演算部がフーリエ変換する機能を有する場合である。具体的には、演算部がCPUを有するコンピュータであり、このコンピュータが、フーリエ変換機能を有するアプリケーションを実行する場合である。他の例は、情報取得部804がフーリエ変換機能を有するフーリエ変換回路を有する場合である。   FIG. 13 is a schematic diagram showing an OCT apparatus according to this embodiment. The OCT apparatus includes at least a light source device 801, an interference optical system 802, a light detection unit 803, and an information acquisition unit 804 that acquires internal information of the measurement target. As the light source device 801, the wavelength tunable lasers of the above embodiments or examples can be used. Although not shown, the information acquisition unit 804 has a Fourier transformer. Here, the information acquisition unit 804 having a Fourier transformer is not particularly limited as long as the information acquisition unit 804 has a function of performing Fourier transform on the input data. An example is a case where the information acquisition unit 804 has a calculation unit, and this calculation unit has a function of performing Fourier transform. Specifically, this is a case where the arithmetic unit is a computer having a CPU, and this computer executes an application having a Fourier transform function. Another example is a case where the information acquisition unit 804 has a Fourier transform circuit having a Fourier transform function.

光源装置801から出た光は干渉光学系802を経て測定対象の物体812の情報を有する干渉光となって出力される。干渉光は光検出部803において受光される。なお光検出部803は差動検出型でも良いし単純な強度モニタ型でも良い。受光された干渉光の強度の時間波形の情報は光検出部803から情報取得部804に送られる。情報取得部804では、受光された干渉光の強度の時間波形のピーク値を取得してフーリエ変換をし、物体812の情報(例えば断層像の情報)を取得する。なお、ここで挙げた光源装置801、干渉光学系802、光検出部803、情報取得部804を任意に設けることができる。   The light emitted from the light source device 801 passes through the interference optical system 802 and is output as interference light having information on the object 812 to be measured. The interference light is received by the light detection unit 803. The light detection unit 803 may be a differential detection type or a simple intensity monitor type. Information on the time waveform of the intensity of the received interference light is sent from the light detection unit 803 to the information acquisition unit 804. The information acquisition unit 804 acquires the peak value of the time waveform of the intensity of the received interference light and performs Fourier transform to acquire information on the object 812 (for example, information on a tomographic image). Note that the light source device 801, the interference optical system 802, the light detection unit 803, and the information acquisition unit 804 can be arbitrarily provided.

以下、光源装置801から光が照射されてから、測定対象の物体の内部の情報を得るまでについて詳細に説明する。光源装置801から出た光は、ファイバ805を通って、カップラ806に入り、照射光用のファイバ807を通る照射光と、参照光用のファイバ808を通る参照光とに分岐される。カップラ806は、光源の波長帯域でシングルモード動作のもので構成し、各種ファイバカップラは3dBカップラで構成することができる。照射光はコリメーター809を通って平行光になり、ミラー810で反射される。ミラー810で反射された光はレンズ811を通って物体812に照射され、物体812の奥行き方向の各層から反射される。   Hereinafter, a detailed description will be given of the process from when light is emitted from the light source device 801 until information inside the object to be measured is obtained. Light emitted from the light source device 801 passes through the fiber 805, enters the coupler 806, and is branched into irradiation light passing through the irradiation light fiber 807 and reference light passing through the reference light fiber 808. The coupler 806 can be configured with a single mode operation in the wavelength band of the light source, and the various fiber couplers can be configured with 3 dB couplers. Irradiation light passes through the collimator 809 to become parallel light and is reflected by the mirror 810. The light reflected by the mirror 810 is irradiated to the object 812 through the lens 811 and reflected from each layer in the depth direction of the object 812.

一方、参照光はコリメーター813を通ってミラー814で反射される。カップラ806では、物体812からの反射光とミラー814からの反射光による干渉光が発生する。干渉した光はファイバ815を通り、コリメーター816を通って集光され、光検出部803で受光される。光検出部803で受光された干渉光の強度の情報は電圧などの電気的な情報に変換されて、情報取得部804に送られる。情報取得部804では、干渉光の強度のデータを処理、具体的にはフーリエ変換し断層像の情報を得る。このフーリエ変換する干渉光の強度のデータは通常、等波数間隔にサンプリングされたデータであるが、等波長間隔にサンプリングされたデータを用いることも可能である。   On the other hand, the reference light is reflected by the mirror 814 through the collimator 813. In the coupler 806, interference light is generated by reflected light from the object 812 and reflected light from the mirror 814. The interfered light passes through the fiber 815, is collected through the collimator 816, and is received by the light detection unit 803. Information on the intensity of the interference light received by the light detection unit 803 is converted into electrical information such as a voltage and sent to the information acquisition unit 804. In the information acquisition unit 804, data on the intensity of the interference light is processed, specifically, Fourier transform is performed to obtain tomographic image information. The data on the intensity of the interference light to be Fourier-transformed is usually data sampled at equal wave intervals, but it is also possible to use data sampled at equal wavelength intervals.

得られた断層像の情報は、情報取得部804から画像表示部817に送って画像として表示させてもよい。なお、ミラー810を照射光の入射する方向と垂直な平面内で走査することで、測定対象の物体812の3次元の断層像を得ることができる。また、光源装置801の制御は、情報取得部804が電気回路818を介して行ってもよい。また図示しないが、光源装置801から出る光の強度を逐次モニタリングし、そのデータを干渉光の強度の信号の振幅補正に用いてもよい。   The obtained tomographic image information may be sent from the information acquisition unit 804 to the image display unit 817 and displayed as an image. Note that a three-dimensional tomographic image of the object 812 to be measured can be obtained by scanning the mirror 810 in a plane perpendicular to the direction in which the irradiation light is incident. The light source device 801 may be controlled by the information acquisition unit 804 via the electric circuit 818. Although not shown, the intensity of the light emitted from the light source device 801 may be monitored successively and the data may be used for amplitude correction of the signal of the intensity of the interference light.

OCT装置は、眼科、歯科、皮膚科等の分野において、動物や人のような生体内の断層像を取得する際に有用である。生体の断層像に関する情報とは、生体の断層像のみならず、断層像を得るために必要な数値データをも含む。特に、測定対象を人体の眼底や歯、血管とし、それらの断層像に関する情報を取得することに用いられることが好適である。   The OCT apparatus is useful in obtaining tomographic images in a living body such as an animal or a person in fields such as ophthalmology, dentistry, and dermatology. Information on a tomographic image of a living body includes not only a tomographic image of a living body but also numerical data necessary for obtaining a tomographic image. In particular, it is preferable that the measurement target is a fundus, tooth, or blood vessel of a human body and that it is used to acquire information about their tomographic images.

(その他の実施形態)
上記実施形態や実施例による波長可変レーザは、上記のOCT装置以外にも、光通信用光源や光計測用光源として利用できる。また、上記実施形態を適用したVCSEL構造を同一平面上に複数配列してアレイ光源として使用してもよい。
(Other embodiments)
The wavelength tunable laser according to the above-described embodiment or example can be used as a light source for optical communication or a light source for optical measurement in addition to the above OCT apparatus. A plurality of VCSEL structures to which the above embodiment is applied may be arranged on the same plane and used as an array light source.

101:基板、102:下部反射ミラー、105:第1の活性層(第1の活性領域)、106:第2の活性層(第2の活性領域)、109:電流狭窄層、110:第1の電流狭窄部、111:第2の電流狭窄部、113:上部反射ミラー   101: substrate, 102: lower reflecting mirror, 105: first active layer (first active region), 106: second active layer (second active region), 109: current confinement layer, 110: first Current confinement portion, 111: second current confinement portion, 113: upper reflection mirror

Claims (14)

一対の反射ミラーと、前記一対の反射ミラーの間に配置された活性層と、前記一対の反射ミラーの少なくとも1つを変位させる駆動手段と、を有する波長可変レーザであって、
前記活性層は、第1の利得波長領域に利得のある第1の活性領域と第2の利得波長領域に利得のある第2の活性領域とを含み、
前記第1の利得波長領域と前記第2の利得波長領域は少なくとも部分的に重なり、
前記反射ミラーは、その高反射帯域が前記第1の利得波長領域と前記第2の利得波長領域で発振を可能とする反射率を有し、
それぞれ前記第1の活性領域と前記第2の活性領域に由来する発振可能な第1の共振光と第2の共振光が、前記利得波長領域の重なり領域で、前記一対の反射ミラーで形成される共振器において、互いに位相同期しながら共振するように構成されていることを特徴とする波長可変レーザ。
A tunable laser having a pair of reflecting mirrors, an active layer disposed between the pair of reflecting mirrors, and a driving unit that displaces at least one of the pair of reflecting mirrors,
The active layer includes a first active region having a gain in a first gain wavelength region and a second active region having a gain in a second gain wavelength region,
The first gain wavelength region and the second gain wavelength region at least partially overlap;
The reflection mirror has a reflectance that allows a high reflection band to oscillate in the first gain wavelength region and the second gain wavelength region;
First oscillating light and second resonant light originating from the first active region and the second active region, respectively, are formed by the pair of reflecting mirrors in the overlapping region of the gain wavelength region. The tunable laser is configured to resonate in phase synchronization with each other.
基板上に、前記基板の垂直方向に前記反射ミラー及び前記活性層を積層することで前記垂直方向に発振可能な面発光レーザとして構成されたことを特徴とする請求項1に記載の波長可変レーザ。 2. The wavelength tunable laser according to claim 1, wherein the tunable laser is configured as a surface emitting laser capable of oscillating in the vertical direction by laminating the reflection mirror and the active layer in a direction perpendicular to the substrate. . 前記反射ミラーは、多層膜ミラー又はHCGミラーであることを特徴とする請求項1又は2に記載の波長可変レーザ。 The wavelength tunable laser according to claim 1, wherein the reflection mirror is a multilayer film mirror or an HCG mirror. 前記第1の共振光と前記第2の共振光が、前記波長領域の重なり領域で、互いに位相同期しながら共振するように、前記活性層の近傍に、発振光の波長オーダーで近接して2つの電流狭窄部が設けられていることを特徴とする請求項1から3の何れか1項に記載の波長可変レーザ。 2 in the vicinity of the active layer in the order of the wavelength of the oscillation light so that the first resonant light and the second resonant light resonate in phase overlap with each other in the overlapping region of the wavelength regions. The wavelength tunable laser according to claim 1, wherein two current confinement portions are provided. 前記2つの電流狭窄部に独立に電流注入して前記第1の活性領域と前記第2の活性領域に独立に利得を与え、それぞれ、前記第1の共振光と前記第2の共振光が発生するように構成されていることを特徴とする請求項4に記載の波長可変レーザ。 Independently injecting current into the two current confinement portions to independently give gain to the first active region and the second active region, respectively, the first resonant light and the second resonant light are generated, respectively. The wavelength tunable laser according to claim 4, wherein the wavelength tunable laser is configured as described above. 外部光源からの光を、前記第1の活性領域と前記第2の活性領域の少なくとも一方に照射することで、該少なくとも一方の活性領域に利得を与えられるように構成されていることを特徴とする請求項1から3の何れか1項に記載の波長可変レーザ。 The light source is configured to irradiate at least one of the first active region and the second active region with light from an external light source so as to give a gain to the at least one active region. The wavelength tunable laser according to any one of claims 1 to 3. 前記活性層の第1の活性領域と第2の活性領域の少なくとも一方は、非対称量子井戸構造層で構成されていることを特徴とする請求項1から6の何れか1項に記載の波長可変レーザ。 The wavelength tunable according to any one of claims 1 to 6, wherein at least one of the first active region and the second active region of the active layer is configured by an asymmetric quantum well structure layer. laser. 前記活性層の第1の活性領域と第2の活性領域は、異なる組成または構造の活性層で構成されていることを特徴とする請求項1から7の何れか1項に記載の波長可変レーザ。 The wavelength tunable laser according to any one of claims 1 to 7, wherein the first active region and the second active region of the active layer are configured by active layers having different compositions or structures. . 前記活性層の第1の活性領域と第2の活性領域は、同一の平面内に形成されていることを特徴とする請求項1から8の何れか1項に記載の波長可変レーザ。 9. The wavelength tunable laser according to claim 1, wherein the first active region and the second active region of the active layer are formed in the same plane. 前記第1の活性領域と前記第2の活性領域はそれぞれ別々の平面内に設けられ、前記第1の共振光と前記第2の共振光は、それぞれ、前記第1の活性領域と前記第2の活性領域から主に利得を得ることを特徴とする請求項1から8の何れか1項に記載の波長可変レーザ The first active region and the second active region are provided in different planes, respectively, and the first resonant light and the second resonant light are respectively the first active region and the second active region. The wavelength tunable laser according to any one of claims 1 to 8, wherein gain is mainly obtained from the active region. 前記第1の共振光と前記第2の共振光が、それぞれ、前記第1の活性領域と前記第2の活性領域から主に利得を得るように、前記活性層を挟んで両側に、共振光に対して光路差をつけるための位相調整層が設けられていることを特徴とする請求項10に記載の波長可変レーザ Resonant light on both sides of the active layer so that the first resonant light and the second resonant light obtain gain mainly from the first active region and the second active region, respectively. The wavelength tunable laser according to claim 10, further comprising a phase adjustment layer for providing an optical path difference with respect to 前記位相調整層によりつけることのできる、前記第1の共振光に対する前記第2の共振光の光路長の変化分を、前記活性層の両側についてそれぞれΔu、Δdとするとき、それぞれが以下の関係を満たしていることを特徴とする請求項10又は11に記載に記載の波長可変レーザ。
Δu+Δd=Nλ/2(N:整数、λ:レーザ帯域の中心波長)
Δu=Nu・λ/2+δ、Δd=−Nd・λ/2−δ(Nu、Nd:整数、0<|δ|<λ/2)
When changes in optical path length of the second resonant light with respect to the first resonant light, which can be applied by the phase adjustment layer, are Δu and Δd on both sides of the active layer, respectively, The wavelength tunable laser according to claim 10 or 11, wherein:
Δu + Δd = Nλ / 2 (N: integer, λ: center wavelength of laser band)
Δu = Nu · λ / 2 + δ, Δd = −Nd · λ / 2−δ (Nu, Nd: integer, 0 <| δ | <λ / 2)
請求項1乃至12のいずれか1項に記載の波長可変レーザと、
測定対象物の内部情報を取得する情報取得部と、を有することを特徴とする情報取得装置。
The tunable laser according to any one of claims 1 to 12,
And an information acquisition unit that acquires internal information of the measurement object.
請求項1乃至12のいずれか1項に記載の波長可変レーザと、
前記波長可変レーザからの光を測定対象物へ照射する照射光と参照光とに分岐させ、前記測定対象物に照射された光の反射光と前記参照光による干渉光を発生させる干渉光学系と、
前記干渉光を受光する光検出部と、
前記光検出部からの信号に基づき、前記測定対象物の情報を取得する情報取得部と、を有することを特徴とする撮像装置。
The tunable laser according to any one of claims 1 to 12,
An interference optical system for branching light from the wavelength tunable laser into irradiation light for irradiating the measurement object and reference light, and generating reflected light of the light irradiated on the measurement object and interference light by the reference light; ,
A light detector that receives the interference light;
An imaging apparatus comprising: an information acquisition unit that acquires information of the measurement object based on a signal from the light detection unit.
JP2015135246A 2015-07-06 2015-07-06 Wavelength-variable laser, information acquisition device, and imaging apparatus Pending JP2017017276A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2015135246A JP2017017276A (en) 2015-07-06 2015-07-06 Wavelength-variable laser, information acquisition device, and imaging apparatus

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2015135246A JP2017017276A (en) 2015-07-06 2015-07-06 Wavelength-variable laser, information acquisition device, and imaging apparatus

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2017017276A true JP2017017276A (en) 2017-01-19

Family

ID=57831020

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2015135246A Pending JP2017017276A (en) 2015-07-06 2015-07-06 Wavelength-variable laser, information acquisition device, and imaging apparatus

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2017017276A (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2021527945A (en) * 2018-06-19 2021-10-14 エクセリタス テクノロジーズ コーポレイション Quantum well placement in tunable VCSEL

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2021527945A (en) * 2018-06-19 2021-10-14 エクセリタス テクノロジーズ コーポレイション Quantum well placement in tunable VCSEL

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6611487B2 (en) Surface emitting laser and optical coherence tomography using the surface emitting laser
JP6730783B2 (en) Tunable laser device and optical coherence tomography
JP2015103740A (en) Surface emitting laser and optical coherence tomography using the same
US9853419B2 (en) Optical amplifying element, light source device, and image pickup device
JP2016027648A (en) Surface emitting laser and optical interference tomograph meter using the same
JP6576092B2 (en) Surface emitting laser, information acquisition device, and imaging device
US9379520B2 (en) Surface emitting laser and optical coherence tomography apparatus
JP2014197672A (en) Surface emitting laser and optical coherence tomography using surface emitting laser
US20050031002A1 (en) High coherent power, two-dimensional surface-emitting semiconductor diode array laser
US9972971B2 (en) Surface emitting laser, information acquisition apparatus, and imaging apparatus
JP2015026645A (en) Surface emitting laser and optical coherence tomography
JP2017017276A (en) Wavelength-variable laser, information acquisition device, and imaging apparatus
JP6650961B2 (en) Surface emitting laser and optical coherence tomography using the same
US9991675B2 (en) Surface emitting laser, laser array, light source device, information acquisition device, and optical coherence tomography apparatus
US10290994B2 (en) Laser device, information acquisition device, and imaging system
JP6608203B2 (en) Surface emitting laser, information acquisition device, and imaging device
JP6608202B2 (en) Surface emitting laser, information acquisition device, and imaging device
JP2017098303A (en) Laser device and imaging apparatus
JP2017143201A (en) Light source device and information acquisition device
JP6282094B2 (en) Surface emitting laser and optical coherence tomography using the same
WO2017188364A1 (en) Optical amplifier, optical coherence tomography device comprising optical amplifier, and optical amplification method using optical amplifier
JP2015106607A (en) Wavelength variable service emitting laser and manufacturing method therefor, and optical interference tomographic image acquisition device
JP2017092189A (en) Surface light emitting laser, information acquisition apparatus, and imaging device
JP2017107982A (en) Surface emitting laser, imaging device, and method for manufacturing surface-emitting laser
JP2017085066A (en) Laser apparatus, information acquisition apparatus, and imaging apparatus