CN103633561A - 可变波长表面发射激光器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及可变波长表面发射激光器。一种表面发射激光器包括第一激光器以及第二激光器，其中第一激光器和第二激光器中的每一个包括光谐振腔以及半导体层，所述光谐振腔包括一对反射镜，所述半导体层被配置为发射光并且布置在光谐振腔内，光的振荡波长通过使反射镜的位置在半导体层的厚度方向上移位而变化，半导体层由第一激光器和第二激光器共用，第一激光器具有用于以（n+1）阶（n为1或更大的整数）纵模振荡的谐振腔长度，第二激光器具有用于以n阶纵模振荡的谐振腔长度，以及由第一激光器和第二激光器振荡的光的各个波长带不同。

Description

可变波长表面发射激光器

技术领域

实施例的一个公开的方面涉及光的振荡波长可以变化的表面发射激光器。

背景技术

已经在通信网络和检查装置的领域中使用了可以改变振荡波长的各种激光源。

在通信网络的领域中期望波长的高速切换，并且在检查装置的领域中期望高速和宽的波长扫描。

用于检查装置的可变波长（扫描）光源的应用包括激光分光器、色散测量仪器、膜厚计、以及扫描光源光学相干层析术（SS-OCT）装置。

光学相干层析术是用于使用光学相干性对对象的层析图像（tomogram）进行成像的成像技术。近年来，已经在医学领域中进行了对光学相干层析术的许多研究，这是因为该技术提供了微米量级的空间分辨率以及非侵入的处理。

SS-OCT被预期为，因为SS-OCT使用用于获得深度信息的谱干涉而不使用分光器，所以光量的损失很少并且可以以高信噪比捕获图像。

此外，已知的是由SS-OCT成像的层析图像的分辨率由波长扫描范围确定，并且分辨率随着波长扫描范围越宽而越高。因此，期望获得宽带波长扫描光源。

适用于SS-OCT的波长扫描光源之一是垂直腔表面发射激光器（VCSEL），其通过使用微机电系统（MEMS）的技术移动反射镜改变谐振腔长度来提供可变振荡波长，这在“Surface micromachinedtunable1.55μm-VCSEL with102nm continuous single-mode tuning”,Optics Express,vol.19,2011,pp.17336-17343中被讨论。

此外，日本专利申请公开No.2005-183871讨论包括在芯片上形成的两个发光区域的表面发射激光器。在这个表面发射激光器中，上反射器层和下反射器层被设置在有源层的两侧以便构成光谐振腔，并且具有不同的间隙长度的空气间隙被设置在垂直方向上，以便对于每个空气间隙获得不同的振荡波长。

根据“Surface micromachined tunable1.55μm-VCSEL with102nm continuous single-mode tuning”,Optics Express,vol.19,2011,pp.17336-17343，自由谱范围（free spectral range，FSR）是限制可变波长表面发射激光器（VCSEL）的波长扫描范围的因素之一。

此外，FSR由谐振腔长度L和可变波长VCSEL的波长λ确定，如公式1所表示的。谐振腔长度L用公式2表示，其中q是谐振波长的纵模的阶次（order）。

$\mathrm{FSR}=\frac{{\mathrm{\λ}}^2}{2L+\mathrm{\λ}}$     …公式1

L=qλ/2    …公式2换句话说，在确定了要振荡的波长λ和纵模的阶次q时，确定谐振腔长度L，由此确定FSR。

对于可以在比FSR宽的波长范围中振荡的谐振腔，可能出现以多个纵模同时振荡或者在纵模之间不稳定的振荡状态。

例如，如图10中所示出的在一对反射镜之间具有固定谐振腔长度L₁的谐振腔在波长是λ₁时可以工作为q=4的谐振腔，并且在波长是λ₂时可以工作为q=5的谐振腔。在这种谐振腔中，在两个波长中存在有源层的增益带时，可以出现λ₁和λ₂的同时振荡或者不稳定的振荡状态。

可以通过减少谐振腔长度L而使FSR变宽，使得可以抑制以多个纵模同时振荡或者在纵模之间不稳定的振荡状态。然而，在电流注入方法要被用作激励可变波长VCSEL的方法时，谐振腔长度倾向于增大，这是因为层应该被配置为包括电流注入所必需的电流扩散层和接触层。对于更大的谐振腔长度，FSR更窄，波长扫描范围变得更小。

日本专利申请公开No.2005-183871讨论如下的表面发射激光器，其中设置多个不同的空气间隙以便对于每个空气间隙获得不同的振荡波长。然而，这意图用于提高制造成品率，而没有关注于波长扫描范围的变宽。

发明内容

实施例的一个公开的方面涉及能够在宽的范围中扫描波长的可变波长VCSEL。

根据实施例的一个方面，一种表面发射激光器包括第一激光器以及第二激光器，其中第一激光器和第二激光器中的每一个包括光谐振腔以及半导体层，所述光谐振腔包括一对反射镜，所述半导体层被配置为发射光并且布置在光谐振腔内，光的振荡波长能够通过使反射镜的位置在半导体层的厚度方向上移位而变化，半导体层由第一激光器和第二激光器共用，第一激光器具有用于以（n+1）阶（n为1或更大的整数）纵模振荡的谐振腔长度，第二激光器具有用于以n阶纵模振荡的谐振腔长度，以及由第一激光器和第二激光器振荡的光的各个波长带不同。

根据一个实施例的表面发射激光器具有如下的谐振腔长度，在该谐振腔长度的情况下，第一激光器和第二激光器中的一个以n阶（n是1或更大的整数）纵模振荡，并且另一个以（n+1）阶纵模振荡。因此，两个激光器可以以两个不同阶次的纵模振荡，这两个不同的阶次彼此相差一个阶次。此外，因为两个激光器的振荡波长带在一定区域中交迭，所以可以通过改变两个激光器的谐振腔长度来获得宽的波长扫描范围。宽的波长扫描范围以在振荡纵模相差一个阶次的情况下交迭的振荡波长为中心从短波长侧延伸到长波长侧。

从以下参考附图的示例性实施例的详细描述中本公开的更多的特征将变得清晰。

附图说明

图1是示出根据示例性实施例的表面发射激光器的示例的示意图。

图2是示出根据示例性实施例的激光器的纵模的阶次、谐振腔长度和振荡波长之间的关系的图。

图3是示出根据第一示例性实施例的表面发射激光器的示意图。

图4是示出根据第一示例性实施例和第二示例性实施例的反射镜的反射带和激光器的振荡波长范围的示意图。

图5是示出根据第三示例性实施例的表面发射激光器的驱动定时的示意图。

图6是示出根据第一到第四示例性实施例的激光器中使用的有源层的增益谱的图。

图7是示出根据第五示例性实施例的SS-OCT设备的示意图。

图8是示出在第五示例性实施例中使用的表面发射激光器的驱动定时的示意图。

图9A和图9B是示出根据示例性实施例的用于耦合从表面发射激光器发射的光的耦合器的示例的示意图。

图10是示出在包括一对反射镜的光谐振腔内产生的纵模的状态的示意图。

具体实施方式

下面将参考图1和图2描述本公开的示例性实施例。实施例的一个公开的特征可以被描述为通常被描绘为时序图的过程。时序图可以示出若干实体（诸如信号、事件等）的定时关系。虽然时序图可以将操作描述为顺序的过程，但是可以并行地或者同时执行一些操作。另外，除非特别地陈述，否则操作或者定时时刻的顺序可以被重新排列。此外，定时或者时间的距离可以不按比例绘制或者不以精确的比例描绘定时关系。

图1是示出根据示例性实施例的表面发射激光器的示例的示意图。

图1中示出的表面发射激光器包括光谐振腔，并且包括发射光且布置在光谐振腔内的半导体层（即，有源层104），该光谐振腔包括一对反射镜，即，上反射镜110和下反射镜102。关于表面发射激光器，可以通过在半导体层的厚度方向上使反射镜的位置移位由此改变谐振腔长度而改变光的振荡波长。

表面发射激光器包括共用发射光的有源层104（即，半导体层）的多对反射镜，以便构成第一激光器和第二激光器。

多对反射镜包括由上反射镜110-1和下反射镜102组成的一对反射镜、以及由上反射镜110-2和下反射镜102组成的一对反射镜。

此外，第一激光器和第二激光器中的一个具有用于以n阶（n为1或更大的整数）纵模振荡的谐振腔长度，而另一个具有用于以（n+1）阶纵模振荡的谐振腔长度。第一激光器的振荡波长带和第二激光器的振荡波长带不同。此外，第一激光器的振荡波长带和第二激光器的振荡波长带的不是全部但是一部分优选地可以交迭。在本示例性实施例中，激光器的振荡波长带或者振荡光的波长带为激光器可以振荡的波长带。因此，通过驱动激光器振荡的实际波长带可以比上述波长带更窄。

下面将描述上述事项。首先，将简短地描述图1中示出的表面发射激光器的组成部分。

在图1中，衬底101是例如第二导电类型的GaAs衬底，而下反射镜102由电介质多层膜等形成并且在多个表面发射激光器之间被共用。

第一导电类型的下间隔物（spacer）层103由例如AlGaAs形成，有源层104由InGaAs等的量子阱形成，并且第二导电类型的上间隔物层105由例如AlGaAs形成。

电流限制部106是通过选择性氧化等来形成的，接触层107由GaAs等形成，并且电极108和109被用于电流注入。

上反射镜110-1和110-2分别由电介质多层膜等形成，并且支撑部件111由GaAs、Si等形成，并且支撑上反射镜110。

由支撑部件111支撑的上反射镜110被形成在接触层107上方，不与接触层107接触（与接触层107分隔）。空气间隙125被形成在上反射镜110与接触层107之间，并且上反射镜110可以在垂直方向上（在有源层104的厚度方向上）被移位。

如图1中所示出的，下反射镜102被形成在衬底101被去除的部分中，并且延伸穿过其中分别存在两个表面发射激光器的区域，以便用作两个表面发射激光器的下反射镜。

构成下间隔物层103、有源层104、上间隔物层105和接触层107的各个半导体层被一起形成在衬底101上，以便构成具有相同配置的两个表面发射激光器。

通过在与第二导电类型的GaAs衬底101接触形成的电极109和与第一导电类型的接触层107接触形成的电极108之间流动电流来执行电流注入，以便通过电流限制部106在有源层中实现辐射复合，由此获得发光。

利用如上所述的公共地具有下反射镜和半导体层（诸如有源层）的两个表面发射激光器，带可以不被变宽为宽于通过由谐振腔长度确定的自由谱范围（FSR）限制的波长范围。

为了利用单个装置使带变宽为宽于通过由谐振腔长度确定的FSR限制的波长范围，在本示例性实施例中，第一激光器和第二激光器中的一个具有用于以n阶（n为1或更大的整数）纵模振荡的谐振腔长度，并且另一个具有用于以（n+1）阶纵模振荡的谐振腔长度。此外，在本示例性实施例中，第一激光器的振荡波长带和第二激光器的振荡波长带不同。

对于具有其中通过改变谐振腔长度来改变振荡的波长的配置的表面发射激光器，当多个纵模满足谐振条件时，振荡波长变得不稳定，或者同时使多个波长振荡。

因此，单个纵模可以期望地被用于单个表面发射激光器。特别地，对于用于SS-OCT设备的可变波长激光器，SS-OCT设备不具有对于波长的辨别机构（诸如分光器），并且与支撑部件111的移动同步地确定获得信号的定时以估计波长。因此，当从光源同时发射多个波长时，由多个波长所引起的干涉信号被输入到检测器中，这引起问题。

下面将描述用于确定表面发射激光器的谐振腔长度和振荡波长范围的具体方法的示例、以及在本示例性实施例中由两个表面发射激光器振荡的波长带交迭的带。

在SS-OCT设备中，因为以特定波数的间隔获得干涉信号，所以在多个表面发射激光器之间产生没有激光输出的波长带时，在所测量的干涉信号的数据中出现数据的不连续性和缺少，这引起问题。因此，重要的是通过使得多个表面发射激光器能够以相同波长振荡来消除表面发射激光器之间的振荡波长的间隙。下面将参考图2描述用于确定第一激光器和第二激光器的振荡波长带的方法。

图2是示出对于纵模的每个阶次的谐振腔长度和在谐振腔长度处满足谐振条件的波长的图。

Δλ₃是两个表面发射激光器（第一激光器和第二激光器）的交迭的振荡波长的波长带宽，并且确定交迭的波长带的中心波长λ_c。通过使交迭的范围在一定程度上变宽，可以抑制激光器之间的波长的间隙，该间隙可能由于表面发射激光器的驱动或者制作期间出现的误差而产生。

在两个表面发射激光器中，具有较短波长的振荡波长的表面发射激光器（第一激光器）以λ₁的波长振荡，并且具有较长波长的振荡波长的表面发射激光器（第二激光器）以λ₂的波长振荡。λ_1min和λ_1max分别是第一激光器的振荡波长带的下限和上限，并且λ_2min和λ_2max分别是第二激光器的振荡波长带的下限和上限。当满足公式λ_1min<λ_2min≤λ_1max<λ_2max时，第一激光器的振荡波长带和第二激光器的振荡波长带不同。在图2中，满足公式λ_1min<λ_2min<λ_1max<λ_2max，其意味着第一激光器的振荡波长带和第二激光器的振荡波长带部分地交迭。

当两个表面发射激光器以彼此相差一个阶次的阶次（n阶和（n+1）阶）的纵模振荡时，并且在单个纵模中，由具有较短振荡波长的表面发射激光器（第一激光器）振荡的波长λ₁的范围满足公式3。λ₁的范围被称为第一激光器的波长带，并且该带的宽度被确定为Δλ₁（=λ_1max-λ_1min）。公式3的最左侧对应于λ_1min并且公式3的最右侧对应于λ_1max。

$\frac{(n+1)({\mathrm{\&lambda;}}_c+{\mathrm{\&Delta;\&lambda;}}_3/2)}{(n+2)}<{\mathrm{\&lambda;}}_1<{\mathrm{\&lambda;}}_c+{\mathrm{\&Delta;\&lambda;}}_3/2$     …公式3

此外，由具有较长振荡波长的表面发射激光器（第二激光器）振荡的波长λ₂的范围（波长带）满足公式4。λ₂的范围被称为第二激光器的波长带，并且该带的宽度被确定为Δλ₂（=λ_2max-λ_2min）。公式4的最左侧对应于λ_2min并且公式4的最右侧对应于λ_2max。

${\mathrm{\&lambda;}}_c-{\mathrm{\&Delta;\&lambda;}}_3/2<{\mathrm{\&lambda;}}_2<\frac{(n+1)({\mathrm{\&lambda;}}_c-{\mathrm{\&Delta;\&lambda;}}_3/2)}{n}$     …公式4

每个表面发射激光器以这些范围中的单个纵模振荡。

上述公式表示当以n阶的纵模振荡时在λ₂的波长带内不存在不同的纵模的范围。

换句话说，在较长波长侧不存在（n+1）阶纵模，并且在较短波长侧中不存在（n-1）阶纵模。

因为已经确定了λ₂的波长带的下限，所以要确定λ₂的波长带的上限。根据FSR，即，（n-1）阶或（n+1）阶与n阶之间的纵模的波长的差别，确定上限。

基于在λ₂的下限和具有与对应于λ₂的下限的谐振腔长度相同的谐振腔长度的（n-1）阶纵模中的振荡波长之间的波长差别、以及在λ₂的下限和具有与λ₂的上限相同的波长的（n+1）阶纵模的谐振腔长度对应的n阶纵模中的振荡波长之间的波长差别之中的更小的波长差别，确定λ₂的上限。具体地，如果在λ₂的下限和具有与对应于λ₂的下限的谐振腔长度相同的谐振腔长度的（n-1）阶纵模中的振荡波长之间的波长差别窄，则λ₂的上限等于作为具有与对应于λ₂的下限的谐振腔长度相同的谐振腔长度的（n-1）阶纵模中的值的值。另一方面，如果在λ₂的下限和具有与λ₂的下限相同的波长的（n+1）阶纵模的谐振腔长度对应的n阶纵模中的振荡波长之间的波长差别窄，则λ₂的上限等于与具有与λ₂的下限相同的振荡波长的（n+1）阶纵模的谐振腔长度对应的n阶纵模中的振荡波长的值。对于λ₁的上限和下限，以类似的方式限制波长范围。

从而，波长带宽Δλ₁和Δλ₂小于FSR，这是因为以单个纵模执行振荡。

此外，为了确保实现比由通过谐振腔长度确定的FSR限制的波长范围更宽的范围中的宽的波长扫描，优选地，由λ₁的波长范围的下限和λ₂的波长范围的上限确定的范围（Δλ₁+Δλ₂-Δλ₃）可以被优选地确定为比FSR宽。

因此，可以优选地满足下面表示的两个公式。

Δλ₁<FSR₁<Δλ₁+Δλ₂-Δλ₃    公式5

Δλ₂<FSR₂<Δλ₁+Δλ₂-Δλ₃    公式6

FSR₁是第一激光器的FSR，并且FSR₂是第二激光器的FSR。Δλ₁是由第一激光器振荡的光的波长带宽，Δλ₂是由第二激光器振荡的光的波长带宽，并且Δλ₃是Δλ₁和Δλ₂交迭的波长范围宽度。

公式5和6可以通过使用λ_1max、λ_1min、λ_2max和λ_2min以公式5’和6’的形式表示。

λ_1max-λ_1min<FSR₁<λ_2max-λ_1min    公式5’

λ_2max-λ_2min<FSR₂<λ_2max-λ_1min    公式6’

存在限制上限和下限的每个波长中的表面发射激光器的振荡的一些方法。

一个这种方法是约束构成表面发射激光器的谐振腔的一对反射镜的反射带。

因为表面发射激光器的有源层的体积小，所以不同于边发射激光器，难以具有大增益。为此，表面发射激光器的反射镜通常要求99%或更大的反射率。

通过限制具有高反射率的波长范围，可以确定可振荡范围。例如，可以通过在上限和下限之间的波长带中提供99%或更大的反射率并且在波长带外提供小于99%的反射率，来限制可振荡波长范围。

根据本示例性实施例，优选地可以在多个表面发射激光器之间共用下反射镜，这可以有助于降低成本。另一方面，在可振荡波长交迭的波长带中，应该由可移动的反射镜限制反射带以便添加限制。

例如，可移动的反射镜的反射带可以被用来限制上限和下限。

此外，在波长带交迭的区域中由可移动的反射镜限制可振荡波长带的同时，可以由下反射镜提供另一个限制（上限，在表面发射激光器的下限被包括在交迭的波长带内时；或者下限，在表面发射激光器的上限被包括在交迭的波长带内时），以便限制可振荡范围。因此，其中上反射镜和下反射镜两者具有99%或更大的反射率的波长范围是可振荡波长带。

例如，上反射镜的反射率可以优选地在每个激光器的波长带内是99%或更大，并且下反射镜的反射率可以优选地在每个激光器的波长带内是99%或更大。

可以采用另一种方法，在该方法中，当可移动的反射镜被移位以便调节谐振腔长度到要振荡的波长带时，通过切换给每个表面发射激光器的电流注入的通/断（on/off），给每个表面发射激光器的振荡波长范围添加限制。

如上所述的向其添加有对振荡波长的限制的多个表面发射激光器可以被排列（align）以便形成能够在宽的波长范围（没有由谐振腔的FSR引起的限制）中进行波长扫描的表面发射激光器。因为在多个表面发射激光器之间共用有源层和下反射镜，所以可以以低成本形成具有宽的波长扫描范围的表面发射激光器。

下面将参考具体的示例性实施例更详细地描述本示例性实施例。

参考图3，将描述本示例性实施例的表面发射激光器。

在本示例性实施例中，表面发射激光器的可振荡范围由可移动的反射镜的反射带约束，并且提供具有不同的可振荡范围的两个表面发射激光器。

图3中示出的表面发射激光器包括第一衬底101，在其上形成有源层104、间隔物层103和105以及接触层107。

在第一衬底101的背面的其中形成表面发射激光器的区域中，衬底被去除，并且电介质多层膜被形成以便提供下反射镜102。两个上反射镜110-1和110-2被形成在第一衬底101的接触层107上方，在上反射镜与接触层之间具有空气间隙。

上反射镜110-1和110-2中的每一个由弹性梁（支撑部件111）支撑并且在作为半导体层的有源层104的厚度方向（与衬底垂直的方向）上可移位。上反射镜110包括例如电介质多层膜反射镜。第一光谐振腔包括上反射镜110-1和下反射镜102，并且第一表面发射激光器包括位于第一光谐振腔内的有源层104。第二光谐振腔包括上反射镜110-2和下反射镜102，并且第二表面发射激光器包括位于第二光谐振腔内的有源层104。

例如，当两个表面发射激光器的振荡波长带的中心波长λ_c为850nm，交迭的振荡波长带宽度Δλ₃为20nm，并且纵模的阶次n为12时，短波长侧的第一表面发射激光器和长波长侧的第二表面发射激光器的每个可振荡范围可以如在本示例性实施例中描述地确定。

第一表面发射激光器的振荡波长λ₁的波长带为：

798.5nm<λ₁<860nm。

第二表面发射激光器的振荡波长λ₂的波长带为：

840nm<λ₂<910nm。

为了实现振荡波长带，第一表面发射激光器和第二表面发射激光器的上反射镜中的每一个被设计成具有99%或更大的反射率的反射带。

例如，可以使用由作为在上述的波长范围中没有光吸收率的材料的SiO₂和SiON形成的多层膜反射镜。例如，当SiO₂的折射率为1.45，SiON的折射率为1.77，并且以828nm波长的四分之一的厚度形成17对时，可以在第一表面发射激光器的波长带内获得具有99%或更大的反射率的反射带。

此外，关于上反射镜，以874nm波长的四分之一的厚度利用具有1.45的折射率的SiO₂和具有1.77的折射率的SiON形成17对，以便获得第二表面发射激光器的波长带。

以这样的方式，可以由第一表面发射激光器和第二表面发射激光器的上反射镜确定可振荡范围。

此外，关于用作下反射镜的电介质多层膜102，以850nm波长的四分之一的厚度、利用具有1.45的折射率的SiO₂和具有2.00的折射率的SiON形成25对，由此获得在第一表面发射激光器和第二表面发射激光器的整个波长带上比上反射镜高的反射率。

通过提供比上反射镜高的反射率的下反射镜，如上所述，可以从上反射镜侧获得大的光学输出。

因为纵模的阶次n被确定为12，所以可以通过公式7确定谐振腔长度。在公式7中，q表示阶次并且λ_q表示处于q阶的谐振波长。

L=qλ/2    …公式7

在使用12阶纵模的第二表面发射激光器的情况下，谐振腔长度L₂的范围通过λ₂的波长带来确定并且为：

5040nm<L₂<5460nm。

在使用（n+1）阶纵模（即，13阶纵模）的第一表面发射激光器的情况下，谐振腔长度L₁的范围通过λ₁的波长范围来确定并且为：

5190.25nm<L₁<5590nm。

通过驱动可移动的上反射镜110-1和110-2以便提供上述范围内的谐振腔长度，从第一表面发射激光器和第二表面发射激光器发射具有初始确定的波长范围的光。

即使在进一步移动可移动的上反射镜使得长度将大于谐振腔长度时，通过限制上反射镜的反射带确定可振荡波长范围。因此，可以在没有改变纵模的情况下执行连续波长扫描。

例如，通过在驱动电极301和电极108之间施加电压以便在支撑部件111和接触层107之间产生静电吸引，上反射镜110可以向衬底侧移位。

在该情况下，上反射镜110可以初始被布置为产生5590nm的最大谐振腔长度，并且随后向衬底侧移动以便获得更短的谐振腔长度。

根据本示例性实施例，考虑要获得的谐振腔长度和振荡波长，优选的可以是纵模的阶次n通常在从5到30的范围之内。

此外，根据执行宽的波长扫描的观点，交迭的振荡波长带宽Δλ₃通常在从0nm到70nm的范围内，或者可以优选地在从5nm到40nm的范围之内。

上述谐振腔长度通过形成谐振腔的四个位置处的光路长度的和来确定。

第一长度是空气间隙的长度。这是在包括接触层的半导体层和上反射镜之间形成的间隙的长度。该间隙通过驱动上反射镜而改变。

第二长度是到构成上反射镜的电介质多层膜中的光的穿透（penetration）长度。穿透长度Lpen的近似值通过下面表示的公式8由构成电介质多层膜的材料的厚度（L₁，L₂）和折射率（n1，n2）确定。

$\mathrm{Lpen}=\frac{(L1+L2)}{4}\frac{n1+n2}{n1-n2}$ ……公式8。

公式8在由Larry.Coldren等人编辑的“Vertical-CavitySurface-Emitting Lasers”(Cambridge University Press)中被讨论。

使用公式8，可以计算在电介质多层膜的反射带的中心波长处的穿透长度的近似值。然而，在本示例性实施例中，电介质多层膜被用作用于除中心波长以外的波长的反射镜。因此，用于每个波长的穿透长度变化。

由半导体层（诸如接触层和有源层）的厚度以及这种层的材料的折射率确定第三长度。

第四长度是到构成下反射镜的电介质多层膜中的光的穿透长度。这个长度可以以与第二长度（其是到上反射镜中的穿透长度）类似的方式表示。

在本示例性实施例中，谐振腔被配置为使得光路长度是5590nm，其中光路长度是到上下反射镜中的穿透长度、半导体层的光路长度以及空气间隙的长度的总和。

例如，在衬底的上表面上，作为半导体层依次层叠接触层、电流扩散层、电流狭窄层、有源层以及电流扩散层。

例如，通过在阻挡层中使用Al_0.15Ga_0.85As以及使用8nm的In_0.08Ga_0.92As作为量子阱层，有源层可以在780nm到910nm的波长范围内具有增益。

此外，通过使用已知的化合物半导体（诸如AlGaInP系、AlGaAs系、InGaAsP系和InGaAs系），可以获得用于680nm带、700nm带、1300nm带或者1500nm带的表面发射激光器。在该情况下，应该为上下反射镜制备具有与波长带对应的高反射率的反射镜。形成为提供如上所述的谐振腔长度的第一和第二表面发射激光器的上反射镜110-1和110-2可以在与衬底垂直的方向上朝向衬底被移位以便减小谐振腔长度，由此减小每个振荡波长。

通过使上反射镜110-1和110-2朝向衬底侧移位550nm，可以获得上述的可振荡波长范围。

在本示例性实施例中，采用如下的用于使上反射镜移位的手段，在该手段中，电极被形成在支撑上反射镜的梁上，并且通过在电极和接触层之间施加电压来产生静电吸引。可以采用如下的用于使上反射镜移位的另一种手段，在该手段中，具有高电阻的电流路径被形成在支撑上反射镜的梁上，并且通过使电流流动通过该路径产生热以便产生梁的热膨胀从而改变梁的长度。此外，在另一种手段中，可以通过使用压电部件或者添加电磁驱动部件来使上反射镜移位。

在本示例性实施例中，电介质多层膜反射镜被用作上反射镜和下反射镜。然而，其它方法可以被用来构成反射镜。

例如，在M.C.Huang,Y.Zhou和C.J.Chang-Hasnain的“Singlemode high-contrast subwavelength grating vertical cavity surface”,APPLIED PHYSICS LETTERS92,171108中讨论的高对比度光栅（High-Contrast Grating，HCG）可以针对本示例性实施例的波长带被重新设计并且被用于上反射镜和下反射镜中的任一个或两者。

通过将HCG用于反射镜，可以使得反射镜薄而且重量轻。存在诸如通过重量减少而增大可移动的上反射镜的驱动速度之类的优点。

在本示例性实施例中，其中不出现跳模（mode hopping）的最大波长范围被用作第一和第二表面发射激光器的可振荡波长带。然而，可以根据应用的要求选择波长范围以便确定可振荡波长范围。

例如，当根据本示例性实施例的光源被用于要求大至100nm的振荡波长带宽度的应用时，λ₁和λ₂可以被确定为彼此接近的值。

在第一示例性实施例中，激光器的可振荡带被限制在其中上反射镜110的反射率高达99%或更大的带内。第二示例性实施例的区别在于，通过上反射镜110和下反射镜102两者限制可振荡范围。图4是其中对于第一示例性实施例和第二示例性实施例的反射镜比较可振荡波长范围和具有99%或更大的反射带的反射镜的波长范围的图。

除了下反射镜和上反射镜的具有高反射率的每个带不同之外，本示例性实施例具有与第一示例性实施例的表面发射激光器相同的配置。

在表面发射激光器1和2之间共用的下反射镜102包括电介质多层膜，该电介质多层膜包括具有1.45的折射率的SiO₂和具有1.77的折射率的SiON。每个具有850nm波长的四分之一的厚度并且层叠其31对。因此，具有99%或更大的反射率的波长范围为从799.2nm到907.7nm的范围。

表面发射激光器1的上反射镜110-1包括电介质多层膜，该电介质多层膜包括具有1.45的折射率的SiO₂和具有1.78的折射率的SiON。每个具有815nm波长的四分之一的厚度并且层叠其20对。因此，具有99%或更大的反射率的波长范围为小于等于860nm的范围。

类似地，表面发射激光器2的上反射镜110-2包括电介质多层膜，该电介质多层膜包括具有1.45的折射率的SiO₂和具有1.78的折射率的SiON。每个具有885nm波长的四分之一的厚度并且层叠其20对。因此，具有99%或更大的反射率的波长范围为大于等于840nm的范围。

如上所述，在表面发射激光器1和2的振荡波长带交迭的波长带中，波长可以通过使用上反射镜被限制，并且下反射镜可以被用来限制振荡波长带外的波长。在本示例性实施例中，下反射镜被用于振荡波长带外的限制。共用的下反射镜通过层叠多对SiO₂/SiON而具有高反射率以便从上反射镜取出光。如上所述的这种电介质多层膜反射镜的反射率在反射带外急剧地减少。这可以显然地区分表面发射激光器1和2的波长的限制。

在第一示例性实施例中，激光器的可振荡带宽被限制在其中上反射镜的反射率高达99%或更大的带内。在第三示例性实施例中，通过上反射镜和执行电流注入的定时来控制可振荡带。为此，本示例性实施例包括控制单元，该控制单元用于依照根据上反射镜的移位而改变的第一激光器的谐振腔长度和第二激光器的谐振腔长度的变化来控制执行给第一激光器和第二激光器的电流注入的定时。

具体地，第一示例性实施例中的λ₁的上限和λ₂的下限通过上反射镜的反射带被限制。

对于第一示例性实施例中的λ₁的下限和λ₂的上限，振荡波长范围通过控制执行电流注入的定时而被限制。

表面发射激光器1的上反射镜被移位以便在5040nm和5590nm之间改变谐振腔长度。

在该时段期间，如图5中所示出的，例如，当谐振腔长度为大于等于5040nm且小于5191nm时不执行电流注入，在谐振腔长度为5191nm（798.6nm的振荡波长）的时候开始电流注入，并且随后当谐振腔长度为5590nm（860nm的振荡波长）时停止电流注入。

表面发射激光器2的上反射镜以与表面发射激光器1类似的方式被移位，使得谐振腔长度在5040nm和5590nm之间变化。在该时段期间，当谐振腔长度为大于等于5040nm且小于5460nm（对应于大于等于840nm且小于910nm的振荡波长）时执行电流注入，并且在谐振腔长度为5460nm的时候停止电流注入。

以这样的方式，在表面发射激光器1和2的振荡波长带交迭的波长带中，波长可以通过使用上反射镜被限制，并且可以通过控制电流注入的定时限制振荡波长带外的波长。

在本示例性实施例中，通过上反射镜和电流注入的定时控制，将限制添加到振荡波长带。然而，可以仅仅通过电流注入的定时来将限制添加到振荡波长。

换句话说，当上反射镜移动以获得对应于λ₁的上限或λ₂的下限的谐振腔长度时，可以切换电流注入的通/断。

在第一和第二示例性实施例中，通过具有高反射率的波长带限制振荡波长带。在这个方法中，当振荡波长带的边界处的波长的反射率逐渐地改变时，振荡的激光的输出倾向于逐渐地减少，这通常使得波长带不清晰。

另一方面，在本示例性实施例中，通过切换电流注入的通/断来限制振荡波长带，并且不必要改变振荡波长带中的反射率。因此，可以通过切换电流注入的通/断来清晰地限定波长带。

在第四示例性实施例中，第一示例性实施例的表面发射激光器的上反射镜的反射率被改变以便限制阈值电流值的偏差。

图6示出在根据第一示例性实施例的表面发射激光器中采用的有源层的增益谱。

根据图6，可以理解，短波长侧的增益从870nm的波长处的峰值开始减少。当谐振腔包括此类有源层以及对于整个可振荡波长带具有相同的反射率的反射镜时，阈值电流值根据增益的值而改变。

对于具有大增益的波长，阈值电流值小，并且对于具有小增益的波长，阈值电流值大。这产生光学输出的变化。

在第一示例性实施例中，对于在短波长侧的波长带中振荡的表面发射激光器1，可振荡波长带被确定为：

798.5nm<λ₁<860nm。

对于在长波长侧的波长带中振荡的表面发射激光器2，可振荡波长带被确定为：

840nm<λ₂<910nm。

例如，如上所述，在第一示例性实施例中使用的有源层在短波长侧具有比长波长侧的增益更小的增益。因此，当上反射镜对于两个波长侧具有相同的反射率时，短波长侧的表面发射激光器1的阈值电流值更大。

在本示例性实施例中，表面发射激光器1和表面发射激光器2的上反射镜具有不同的反射率。例如，构成表面发射激光器2的上反射镜的电介质多层膜的对的数量被减少到22对。

如上所述，聚焦于表面发射激光器1和2的振荡波长带中的有源层的增益的波长依赖性，可以通过根据增益的值提供不同的反射率的值来减少两个表面发射激光器之间的阈值电流值的差别以便减少驱动电路上的负载。

将描述其中根据第五示例性实施例的表面发射激光器被用于SS-OCT设备的示例。

在本示例性实施例中，根据本示例性实施例的表面发射激光器被用作光学相干层析成像设备的光源。

图7是示出根据本示例性实施例的OCT设备的示意图。

图7中示出的OCT设备基本上包括光源单元（可变波长光源1501）、对象测量单元（照射位置扫描镜1507）、参考单元（光纤1502）、干涉单元（光纤耦合器1503）、光检测单元（光电检测器1509）以及图像处理单元（信号处理装置1511）。光源单元1501利用来自光源单元的光照射对象并且传送从对象反射的光。参考单元（光纤1502）利用光照射参考镜并且传送从参考镜反射的光。干涉单元（光纤耦合器1503）在两个反射光之间产生干涉。光检测单元（光电检测器1509）检测由干涉单元（光纤耦合器1503）获得的干涉光。图像处理单元（信号处理装置1511）基于由光检测单元（光电检测器1509）检测的光来处理图像（获得层析图像）。

下面将描述每个组件。

光源单元包括可变波长光源1501以及用于控制可变波长光源1501的光源控制装置1512。可变波长光源1501经由用于光照射的光纤1510连接到构成干涉单元的光纤耦合器1503。

干涉单元的光纤耦合器1503包括在光源的波长带中的一类单模，并且每个类型的光纤耦合器包括3dB耦合器。

反射镜1504连接到用于参考光路的光纤1502以便构成参考单元，并且光纤1502连接到光纤耦合器1503。

测量单元包括用于检查光路的光纤1505、照射集光光学系统1506以及照射位置扫描镜1507。用于检查光路的光纤1505连接到光纤耦合器1503。在光纤耦合器1503中，检查对象1514的内部和表面上产生的背散射光以及来自参考单元的光反馈干涉从而引起干涉光。

光检测单元包括光接收光纤1508和光电检测器1509，并且将由光纤耦合器1503所引起的干涉光引入到光电检测器1509。

由光电检测器1509接收的光被信号处理装置1511转换为谱信号。对谱信号执行傅里叶变换，以便获得对象（待测试的被摄体）的深度信息。

所获得的深度信息作为层析图像被显示在图像输出监视器1513上。

信号处理装置1511可以由个人计算机构成，并且图像输出监视器1513可以由个人计算机的显示器构成。

光源单元在本示例性实施例中的区别在于，由可变波长光源1501振荡的光的振荡波长、强度和时间变化由光源控制装置1512控制。

光源控制装置1512连接到信号处理装置1511，该信号处理装置1511还控制照射位置扫描镜1507的驱动信号。光源控制装置1512与照射位置扫描镜1507的驱动同步地控制可变波长光源1501。

例如，当第一示例性实施例中描述的表面发射激光器被用作本示例性实施例的可变波长光源1501时，以下面描述的方式控制可变波长光源1501。

根据第一示例性实施例的表面发射激光器包括两个表面发射激光器，即，表面发射激光器1和表面发射激光器2。因为两个表面发射激光器的振荡波长带不同，所以需要调节两个表面发射激光器的驱动定时。

将参考图8描述驱动定时。在图8中，纵轴表示振荡波长或电流注入的通/断状态，并且横轴表示时间，针对表面发射激光器1和2示出每一个。

对于上反射镜，上反射镜101-1，即，表面发射激光器1的两个反射镜之一以一定周期被驱动。以与上述一定周期相同的驱动周期，并且以180度相位差，驱动表面发射激光器2的上反射镜101-2。上述两个处理分别对应于以一定周期驱动激光器的两个反射镜中的一个的第一驱动步骤，以及以与第一驱动步骤相同的周期并且以与第一驱动步骤180度相位差来驱动另一个激光器的两个反射镜中的一个的第二驱动步骤。

为了将来自可变波长光源1501的光学输出的波长从短波变为长波，表面发射激光器1的可移动的反射镜被驱动以改变谐振腔长度，由此将振荡波长从短波长变为长波长。

首先，在谐振腔长度为5190.25nm（对应于作为798.5nm的λ₁的最小波长（在图8中被称为λ_b））的时候开始电流注入。然后，上反射镜移动，并且当谐振腔长度为5525nm并且如第一示例性实施例中确定的λ_c为850nm时停止电流注入。这对应于第一电流注入步骤，在该第一电流注入步骤中当在第一驱动步骤期间波长具有包括在交迭的波长范围Δλ₃内的特定的波长λ_z时停止电流注入。然后，在表面发射激光器2的振荡波长从短波长改变为长波长时，并且当上反射镜移动并且谐振腔长度为5100nm且如第一示例性实施例中确定的λ_c为850nm时，开始电流注入。这对应于第二电流注入步骤，在该第二电流注入步骤中当在第二驱动步骤期间波长具有特定的波长λ_z时开始电流注入。因此，在其中振荡波长的改变方向相同的每个时段期间执行第一和第二电流注入步骤中的每一个。

然后，在谐振腔长度为5460nm（对应于作为910nm的λ₂的最大波长（在图8中示出为λ_a））时候停止电流注入。

使用这个驱动方法，可以连续地执行111nm的波长扫描。波长扫描的一系列驱动可以被设置为一组。该组可以与上述的照射位置扫描镜1507的驱动同步地被用作可变波长光源1501。

当第一示例性实施例中描述的光源装置被用作本示例性实施例的可变波长光源1501时，可以以深度方面的高分辨率而获得层析图像信息，这是因为光源装置可以执行宽带中的波长扫描。OCT设备对于在眼科、牙科和皮肤科领域捕获层析图像是有用的。此外，当第一示例性实施例的表面发射激光器被用作本示例性实施例的光源1501时，耦合从表面发射激光器1和2发射的光的光耦合器是必要的。

然后，由光耦合器耦合的光连接到用于光照射的光纤1510。也就是说，包括两个表面发射激光器和用于耦合从每个激光器发射的光的光耦合器的这种装置可以被认为是光源装置。

光耦合器的示例被示出在图9A中，其中光纤组合透镜1520、光纤1521和1524、以及光纤耦合器1523被组合。

此外，因为表面发射激光器1和2可以在彼此非常接近的情况下被形成在同一个衬底上，所以从表面发射激光器1和2发射的每一个光可以通过使用组合透镜1525连接到用于光照射的光纤1510，如图9B中所示出的。

虽然已经参考示例性实施例描述了本公开，但是应当理解，本公开不限于所公开的示例性实施例。以下权利要求的范围将被给予最宽的解释从而包括所有这样的修改、等同的结构与功能。

Claims (21)

1.一种表面发射激光器，包括：

第一激光器；以及

第二激光器，

其中第一激光器和第二激光器中的每一个包括光谐振腔以及半导体层，所述光谐振腔包括一对反射镜，所述半导体层被配置为发射光并且布置在光谐振腔内，

光的振荡波长通过使反射镜的位置在半导体层的厚度方向上移位而变化，

半导体层由第一激光器和第二激光器共用，

第一激光器具有用于以（n+1）阶纵模振荡的谐振腔长度，n为1或更大的整数，

第二激光器具有用于以n阶纵模振荡的谐振腔长度，以及

由第一激光器和第二激光器振荡的光的各个振荡波长带不同。

2.根据权利要求1所述的表面发射激光器，其中满足下面表示的公式，其中λ_1min和λ_1max分别为第一激光器的振荡波长带的下限和上限，并且λ_2min和λ_2max分别为第二激光器的振荡波长带的下限和上限：

λ_1min<λ_2min≤λ_1max<λ_2max。

3.根据权利要求1所述的表面发射激光器，其中由第一激光器和第二激光器振荡的光的波长带的一部分交迭。

4.根据权利要求3所述的表面发射激光器，其中满足下面表示的公式，其中λ_1min和λ_1max分别为第一激光器的振荡波长带的下限和上限，并且λ_2min和λ_2max分别为第二激光器的振荡波长带的下限和上限：

λ_1min<λ_2min<λ_1max<λ_2max。

5.根据权利要求1所述的表面发射激光器，其中满足下面表示的两个公式，其中FSR₁为第一激光器的自由谱范围，FSR₂为第二激光器的自由谱范围，Δλ₁为由第一激光器振荡的光的波长带的宽度，Δλ₂为由第二激光器振荡的光的波长带的宽度，并且Δλ₃为Δλ₁和Δλ₂交迭的范围的宽度：

Δλ₁<FSR₁<Δλ₁+Δλ₂-Δλ₃    公式5

Δλ₂<FSR₂<Δλ₁+Δλ₂-Δλ₃    公式6。

6.根据权利要求1所述的表面发射激光器，其中由第一激光器振荡的波长λ₁满足下面表示的公式3，并且由第二激光器振荡的波长λ₂满足下面表示的公式4，其中Δλ₃为交迭的波长带的宽度并且λ_c为交迭的波长带的中心波长：

$\frac{(n+1)({\mathrm{\&lambda;}}_c+{\mathrm{\&Delta;\&lambda;}}_3/2)}{(n+2)}<{\mathrm{\&lambda;}}_1<{\mathrm{\&lambda;}}_c+{\mathrm{\&Delta;\&lambda;}}_3/2$     …公式3

${\mathrm{\&lambda;}}_c-{\mathrm{\&Delta;\&lambda;}}_3/2<{\mathrm{\&lambda;}}_2<\frac{(n+1)({\mathrm{\&lambda;}}_c-{\mathrm{\&Delta;\&lambda;}}_3/2)}{n}$     …公式4。

7.根据权利要求1所述的表面发射激光器，其中该对反射镜包括上反射镜和下反射镜，并且上反射镜被配置为是可移位的。

8.根据权利要求7所述的表面发射激光器，其中下反射镜由第一激光器和第二激光器共用。

9.根据权利要求7所述的表面发射激光器，其中用于第一激光器的上反射镜的反射率在振荡波长带内为99%或更大，并且用于第二激光器的上反射镜的反射率在振荡波长带内为99%或更大。

10.根据权利要求7所述的表面发射激光器，其中用于第一激光器的下反射镜的反射率在振荡波长带内为99%或更大，并且用于第二激光器的上反射镜的反射率在振荡波长带内为99%或更大。

11.根据权利要求7所述的表面发射激光器，还包括控制单元，所述控制单元被配置为响应于由上反射镜的移位引起的第一激光器和第二激光器的谐振腔长度的改变而控制给第一激光器和给第二激光器的电流注入的定时。

12.根据权利要求7所述的表面发射激光器，其中上反射镜的移位由静电吸引造成。

13.根据权利要求1所述的表面发射激光器，其中该对反射镜中的至少一个为包括HCG的反射镜。

14.根据权利要求1所述的表面发射激光器，其中该对反射镜中的至少一个为多层膜反射镜。

15.根据权利要求1所述的表面发射激光器，其中n在5到30的范围内。

16.根据权利要求1所述的表面发射激光器，其中交迭的波长带的宽度Δλ₃在从0nm到70nm的范围之内。

17.根据权利要求16所述的表面发射激光器，其中交迭的波长带的宽度Δλ₃在从5nm到40nm的范围之内。

18.一种光源装置，包括：

根据权利要求1所述的表面发射激光器；以及

光耦合器，被配置为耦合分别从表面发射激光器的第一激光器和第二激光器发射的激光。

19.一种用于驱动根据权利要求18所述的光源装置的方法，包括：

以一定周期执行两个激光器中的一个激光器的两个反射镜中的一个反射镜的第一驱动；

以与所述一定周期相同的周期，并且以与所述一定周期180度相位差，来执行另一个激光器的两个反射镜中的一个反射镜的第二驱动；

在第一驱动期间在交迭的波长范围内的特定波长处停止电流注入；以及

在第二驱动期间在所述特定波长处开始电流注入，

其中在振荡波长在对于第一激光器和第二激光器相同的一定方向上变化时执行停止电流注入和开始电流注入中的每一个。

20.一种光学相干层析成像设备，包括：

根据权利要求17所述的光源装置；

对象测量单元，被配置为利用来自光源单元的光照射对象并且传送从对象反射的光；

参考单元，被配置为利用来自光源单元的光照射参考镜并且传送从参考镜反射的光；

干涉单元，被配置为在来自对象测量单元的反射光与来自参考单元的反射光之间引起干涉；

光检测单元，被配置为检测来自干涉单元的干涉光；以及

图像处理单元，被配置为基于由光检测单元检测的光来获得对象的层析图像。

21.一种表面发射激光器，包括：

第一激光器；以及

第二激光器，

其中第一激光器和第二激光器中的每一个包括光谐振腔以及半导体层，所述光谐振腔包括一对反射镜，所述半导体层被配置为发射光并且布置在光谐振腔内，

光的振荡波长通过使反射镜的位置在半导体层的厚度方向上移位而变化，

半导体层由第一激光器和第二激光器共用，以及

由第一激光器和第二激光器振荡的光的各个波长带不同。

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