CN104253376B - 表面发射激光器及使用其的光学相干层析测量设备 - Google Patents

表面发射激光器及使用其的光学相干层析测量设备 Download PDF

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Abstract

本发明涉及表面发射激光器以及使用表面发射激光器的光学相干层析测量设备。可操作为改变发射光的波长的表面发射激光器包括第一反射镜、第二反射镜、在腔内形成的有源层、在腔内形成的区域和位于该区域内的可移动部分，其中腔沿着表面发射激光器的光轴形成于第一反射镜和第二反射镜之间，可移动部分具有与所述区域的折射率不同的折射率。通过在所述区域内改变可移动部分的沿着光轴的方向的位置能改变发射光的波长。

Description

表面发射激光器及使用其的光学相干层析测量设备
技术领域
本发明涉及波长可调谐的表面发射激光器，以及使用表面发射激光器的光学相干层析测量设备。
背景技术
最近关于发射光波长可调谐的波长可调谐激光器进行了大量的研究，这是因为预见了其适用于各种领域，比如通信、感测、成像等等。
一种已知类型的波长可调谐激光器是在日本专利公开No.9-270556中公开的波长可调谐表面发射激光器元件，其中利用具有悬臂结构的镜子控制垂直腔表面发射激光器(以下可简称为“VCSEL”)的激光振荡波长。
VCSEL一般被配置为使得有源层被置于一对分布式布拉格反射器(以下可简称为“DBR”)之间。激光振荡在对应于腔长度的波长处发生，所述腔长度由这对DBR之间的距离确定。
在日本专利公开No.9-270556中公开的激光器元件可操作为通过改变腔长度来改变激光振荡波长，改变腔长度是通过机械移动带有悬臂结构的镜子的位置来执行的。在下文中，发射光波长可被改变的VCSEL也可称为“波长可调谐VCSEL”。
日本专利公开No.2007-0183643公开了波长可调谐VCSEL适合作为用于光学相干层析(以下可简称为“OCT”)的光源。
在使用波长可调谐VCSEL作为OCT光源的情况下，为了提高OCT的深度分辨率，宽范围的可调谐波长是优选的。此外，为了减少OCT测量时间，快速的波长调谐速度是期望的。
但是，本申请发明人已经发现关于波长可调谐VCSEL要解决的问题。
为了拓宽用于波长可调谐VCSEL的可调谐波长范围，上反射镜或下反射镜被机械移动的位移量需要增加。如果此时反射镜的弹簧常数过大，为了获得较大的位移量必须施加较大的力，因此优选地弹簧常数不大。
另外，为了加速用于波长可调谐VCSEL的波长可调谐性，反射镜必须被快速振动。提高用于要被振动的反射镜的谐振频率是有效的。
也就是说，为了实现用于波长可调谐VCSEL的可调谐波长的更宽范围和更快的波长调谐速度两者，需要提高谐振频率而不提高反射镜的谐振频率。
弹簧常数和谐振频率之间的关系如下。弹簧常数k和簧片(reed)状悬臂的谐振频率f可分别如表达式(1)和(2)所阐述的那样被表示，
其中w代表悬臂的宽度，d代表悬臂的厚度，l代表悬臂的长度，E代表形成悬臂的材料的杨氏模量，而ρ代表该材料的密度。
从上述表达式(1)和(2)可以理解，通过形成薄而短的悬臂，可以增大谐振频率而不具有大的弹簧常数。更具体的说，通过将悬臂的长度和厚度减半，可以使谐振频率增大至两倍而不改变弹簧常数。
然而，在一般的波长可调谐VCSEL的情况下难以实际实现这种配置。
图13示出了一般的波长可调谐VCSEL的示意性截面图。有源层1320和间隙1330被设置在上反射镜1300和下反射镜1310之间。附图标记1360和1370分别表示第一间隔层和第二间隔层。
相对于图13中附图的平面垂直地移动上反射镜1300改变了间隙1330的长度(即，上反射镜1300和第二间隔层1370之间的距离)，从而改变腔长度，因此激光振荡波长可以被改变。
具有电介质或半导体的多层配置的DBR一般被用作反射镜，以获得激光振荡所需的高反射率。
一般的DBR是通过以1/4波长的光学厚度交替放置两种具有不同折射率的层而形成的。DBR的折射率由这两种层的折射率差异和层数决定。所需的反射率越大，所要求的层数越大。
尤其是，在利用没有提供和电介质一样大的折射率差异的半导体形成DBR的情况下，需要大量的层来获得VCSEL中反射镜所需的高反射率。取决于材料的折射率，厚度可以是数微米或更大。
如上所述，从提高谐振频率而不提高弹簧常数的角度来看，减少DBR的厚度是期望的。实现更薄的DBR要求将构成DBR的各个层形成得更薄，或者减少层数。
构成DBR的每层的厚度被设计成使得光学厚度是光学波长的1/4。也就是说，每一层的厚度由要被反射的光的波长和所使用材料的折射率决定，所以这些不能被改变很多。
减少DBR的层数减少了反射率，并导致激光振荡阈值增大，所以DBR的层数不能被减少很多。
因此，在实践中难以减少DBR的厚度，并且存在对在不增加弹簧常数的情况下谐振频率可增大的程度的限制。所以，在根据相关技术的可变波长的VCSEL的情况下难以实现更宽范围的可调谐波长和更快的波长调谐速度两者。
发明内容
已经发现期望的是提供如下的新的表面发射激光器，通过该表面发射激光器可以在不驱动上反射镜或下反射镜的情况下改变发射光的波长。
可操作为改变发射光波长的表面发射激光器包括第一反射镜、第二反射镜、在腔内形成的有源层、在腔内形成的区域、以及位于该区域内的可移动部分，其中沿着表面发射激光器的光轴在第一反射镜和第二镜之间形成腔，该可移动部分具有与所述区域的折射率不同的折射率。通过在所述区域中改变可移动部分的沿着光轴的方向的位置能改变发射光的波长。
从以下参照附图的实施例的描述中将明白本发明的其它特征。下面描述的本发明的每个实施例可被单独实现，或者在需要时或在单个实施例中组合来自各个实施例的元素或特征是有利的时作为多个实施例或其特征的组合被实现。
附图说明
图1是根据本发明第一实施例的表面发射激光器的配置的示意性截面图。
图2是用于描述根据本发明第一实施例的表面发射激光器的波长可调谐性的原理的图。
图3是根据本发明第二实施例的表面发射激光器的配置的示意性截面图。
图4是根据本发明第三实施例的表面发射激光器的配置的示意性截面图。
图5是用于描述使用根据本发明实施例的表面发射激光器的OCT的示图。
图6是示出了根据本发明第一详细实施例的表面发射激光器的振荡波长的计算结果的图。
图7是示出了根据本发明第三详细实施例的表面发射激光器的振荡波长的计算结果的图。
图8是示出了根据本发明第四详细实施例的表面发射激光器的振荡波长的计算结果的图。
图9是示出了在根据本发明第五详细实施例的表面发射激光器中，在可移动部分的折射率被改变时的波长可调谐范围的变化的图。
图10A和10B是示出了在根据本发明第六详细实施例的表面发射激光器中，在谐振长度被改变时的波长可调谐范围的变化的图。
图11是示出了在根据本发明第七详细实施例的表面发射激光器中的可移动部分的位置、激光振荡波长和阈值增益之间的关系的图。
图12是示出了在根据本发明第八详细实施例的表面发射激光器中，根据可移动部分的厚度的波长可调谐范围的变化的图。
图13是根据相关技术的波长可调谐VCSEL的配置的示意性截面图。
具体实施方式
第一实施例
表面发射激光器
将参照图1描述根据本发明第一实施例的波长可调谐表面发射激光器，其能够改变发射光的波长。请注意，在本说明书中，激光元件的衬底侧将被定义为“底侧”，而与衬底相对的一侧被定义为“顶侧”。另外，在本说明书中，术语“可调谐波长激光器”不局限于波长随着时间被连续改变的波长扫描激光器，还包括波长随着时间被非连续地改变的激光器、以及波长可简单地被切换而非振荡波长被改变的激光器。由于快速的波长调谐速度，本发明适合被用在波长扫描激光器中。
在本说明书中，术语“中心波长”用于意指处于表面发射激光器可发射的激光束的波长范围的中心的波长，即处于激光振荡可执行的最短波长和最长波长之间的中心处的波长。激光振荡可执行的波长由腔长度的变化的宽度、反射镜的反射带、有源层的增益带等决定。在设计的时候，基本上中心波长被设定，并且围绕此来确定部件的配置。
在本说明书中，光在谐振器内谐振的方向(即垂直于衬底和有源层表面的方向)被定义为光轴方向。根据本实施例的表面发射激光器依次包括：由DBR形成的下反射镜110、有源层120、间隙(或区域)130和由DBR形成的上反射镜100。第一间隔层160被置于下反射镜110和有源层120之间，第二间隔层170被置于有源层120和间隙130之间。
本实施例的一个特征是具有与间隙130的折射率不同的折射率的可移动部分140被置于表面发射激光器的间隙130中的光路中。尽管间隙130在此被称为间隙，但它可简单地被认为是可移动部分(140)被设置的区域(130)，并且在该间隙内部可移动部分(140)可以沿着表面发射激光器的光轴被移动。根据本实施例的表面发射激光器的谐振器或腔是由上反射镜100和下反射镜110形成的。更特别地，在图1所示的情况中，谐振器形成于上反射镜100与间隙130之间在光轴上的界面、和下反射镜110与第一间隔层160之间在光轴上的界面之间。从而在上反射镜和下反射镜之间形成光学腔。该谐振器的光路长度被称为“腔长度”。
可移动部分140在间隙130中沿着光轴的位置被改变，从而在上反射镜100与第二间隔层170之间在光轴方向上来回移动。不同于相关技术，上反射镜100和下反射镜110不移动，因此腔长度没有可见的变化，但是在间隙130内的光路中设置具有与间隙130的折射率不同的折射率的可移动部分140改变了有效腔长度。有效腔长度根据可移动部分140的位置而变化，这可用于改变激光振荡波长。可移动部分140的位置由略去图示的驱动单元进行改变。
可移动部分140被形成为在光轴方向上薄于上反射镜100，在光轴方向上也薄于下反射镜110，因此谐振频率可在不增加弹簧常数的情况下被提高，如上所述。也就是说，更宽范围的可调谐波长和更快的波长调谐速度两者都可实现而不改变上反射镜与下反射镜的配置。
形成可移动部分140使得其重量小于上反射镜100并小于下反射镜110的重量，这允许比改变上反射镜100或下反射镜110的位置更快地改变可移动部分140的位置。结果是更快的波长调谐速度。例如，由具有比上反射镜100和下反射镜110更小的密度的材料形成可移动部分140，这允许即使可移动部分140比上反射镜100和下反射镜110更厚，可移动部分140的位置也被快速改变。
如果表面发射激光器可发射的束的波长范围的中心波长为1个波长，那么由上反射镜100与下反射镜110形成的腔长度优选地是10个波长或更少，并且更为优选地是3个波长或更少。
波长可调谐性的原理
将参照图2所示的图对根据本实施例的表面发射激光器的波长可调谐性的原理作出定性描述。
图的左半部分表示VCSEL结构的折射率分布的示例，其中间隙130被夹于上反射镜100和下反射镜110之间，所述上反射镜100和下反射镜110都由DBR形成。图的右半部分表示了计算在VCSEL结构的谐振波长上的光强度分布的结果的示例。我们现在考虑在间隙130中插入可移动部分的情况。让我们考虑将可移动部分插入到这个结构的间隙中的情况。
如果可移动部分被插在作为光分布的节点的位置200处，则光与可移动部分之间的相互作用弱，因此光没有受到可移动部分的很大影响，并且由于插入可移动部分导致的腔长度方面的有效变化小。
另一方面，如果可移动部分被插在作为光分布的腹点的位置210处，则光与可移动部分之间的相互作用强，因此光受到可移动部分的影响较大，并且有效腔长度变化较大。
也就是说，有效谐振长度可根据在间隙130中可移动部分被放置的位置而改变，并且通过适当地控制可移动部分的位置，激光振荡波长可被控制。
请注意如果位于间隙130中的可移动部分的折射率与间隙中的背景折射率相同，该效果不会出现。因此，可移动部分和间隙130中的背景的折射率需要为不同。另外，可移动部分需要位于间隙130的光通过的区域中，即在光路上。
可移动部分
在根据本实施例的表面发射激光器中的间隙中要设置的可移动部分不被特别限制，只要它的折射率不同于间隙的折射率即可。间隙的结构也不被特别限制，并且通过所使用的制造方法被容易地制造的结构可被使用。例如，在通过外延生长和选择性湿法刻蚀形成间隙的情况下，位于其中的可移动部分优选地是平板(slab)，本实施例中的术语“平板”意指薄板形状。
本实施例中可移动部分的折射率的合适范围取决于可移动部分的厚度，但更大的折射率是优选的，这是因为波长可调谐的范围更大。
可移动部分的形状可根据所需的位移量和谐振频率被设计。
悬臂的厚度和长度可由计算决定，所述计算将材料密度和杨氏模量代入上述表达式(1)和(2)中。
可移动部分的光学厚度优选地在表面发射激光器可发射的束的波长范围的中心波长的1/4±20％的范围内，并且更为优选地在1/4±10％的范围内，这将在之后描述的实施例中被示出。
AlxGa(1-x)As(其中x是不小于0且不大于1的数)是可用于形成根据本实施例的可移动部分的材料示例。
当使用柠檬酸水溶液和过氧化氢溶液的混合物作为刻蚀剂来进行AlxGa(1-x)As的选择性湿法刻蚀时，Al组分越低，材料越易被溶解。例如，这可用于由GaAs形成牺牲层，所述牺牲层之后将变成间隙，并且由AlxGa(1-x)As形成刻蚀后变成可移动部分的层，其中x为0.5或更大。
当使用缓冲氢氟酸作为刻蚀剂时，Al组分越高，材料越易被溶解。例如，这可用于由其中x为0.8或更大的AlxGa(1-x)As形成牺牲层，所述牺牲层之后将变成间隙，并且由其中x为0.5或更小的AlxGa(1-x)As形成要变成可移动部分的层。
上反射镜与下反射镜
在根据本实施例的表面发射激光器中的上反射镜与下反射镜不被特别限制，只要可获得足够用于激光振荡的反射率即可。将DBR、特别是具有很多层的DBR用于上反射镜和下反射镜中的至少一个是优选的，因为反射率高并且激光振荡阈值可被保持为低。
根据相关技术的反射镜驱动方法，使用诸如DBR的具有很多层的厚反射镜难以在不提高弹簧常数的情况下提高谐振频率。相比之下，根据本实施例的表面发射激光器的优势是显著的。
上反射镜与下反射镜可以是高对比度光栅(HCG)镜。HCG镜具有如下的配置，在该配置中具有高折射率的材料与具有低折射率的材料在面内方向上周期性地交替排列。例如，HCG镜的示例是其中具有高折射率的材料被周期性设置在具有低折射率的层上的配置。
还应该注意的是根据本实施例的上反射镜和下反射镜的结构可彼此独立地被选择。
在本实施例中，当从上方观看时的上反射镜、下反射镜和可移动部分的形状不被特别限制。上反射镜或下反射镜可与可移动部分是相同形状，上反射镜或下反射镜可比可移动部分大，或相反地，可移动部分可比上反射镜或下反射镜大。
另外，上反射镜、下反射镜和可移动部分可各自部分重叠。
有源层
本实施例中的有源层可与用于一般表面发射激光器中的有源层相同。有源层的构成可以根据期望发射的波长适当选择。可用于有源层的材料的示例包括AlxGa(1-x)As(其中x是不小于0且不大于1的数)和InyGa(1-y)As(其中y是不小于0且不大于1的数)。此外，可使用其中复数个有源层根据光分布被布置的所谓的周期性增益结构。
电流可从示图中被省略的电极注入到有源层。电极的位置不被特别限制，只要电流可被注入到有源层即可。位置的一个示例是位于第一间隔层和间隙之间的界面处，和位于衬底的底侧上。
根据本实施例的有源层可以具有量子阱层，或者可以具有复数个量子阱层。
间隙
根据本实施例的间隙或区域一般由空气组成，但是可由其他气体、或液体、或真空组成，只要根据本实施例的表面发射激光器发射所期望波长的光的振荡即可。
如果位于间隙中的根据本实施例的可移动部分较薄，在振动时遇到的空气阻力不可忽略，并且可以设想到高速振动较难的情况。在这种情况下，可移动部分的区域可被制作成真空状态，并且更优选地间隙可被制作成真空状态，由此减少空气阻力和实现进一步的高速振动。注意此处使用的术语“真空”指的是气压为低于标准大气压的负压的状态。另外，间隙可用具有比空气平均分子量更小的分子量的气体(例如氦气)填充，从而减少空气摩擦。
第一间隔层和第二间隔层
根据本实施例的第一间隔层可由AlxGa(1-x)As(其中x是不小于0且不大于1的数)形成。第一间隔层用来调节下反射镜和有源层之间的光学路径长度。光学路径长度的调节通过改变该层的厚度和由上述x的值决定的折射率来进行。根据本实施例的第二间隔层可由AlxGa(1-x)As(其中x是不小于0且不大于1的数)形成。第二间隔层用来调节上反射镜和有源层之间的光学路径长度。间隔层有时候被称作“包覆(clad)层”。
在本实施例中，可为第一或第二间隔层设置包括氧化区和非氧化区的电流狭窄层。当电流狭窄层被设置时，从电极注入的电流不能流入氧化区(该氧化区由于已被氧化而呈现绝缘性能)中，并因此集中在导电的非氧化区内。通过此电流狭窄结构将注入的电流集中在中间的狭窄区域内使得表面发射激光器的激光振荡能够在低注入电流的情况下出现，同时也实现单横模振荡。例如Al组分为0.95或更多的AlGaAs层可用于形成非氧化区。
驱动单元
在微机电系统(MEMS)领域中常用的技术可用于本实施例中的驱动单元，以垂直驱动位于间隙中的可移动部分。例如，使用静电、电压、热、电磁、流体压力等的驱动单元可用来驱动可移动部分。
第二实施例
将参照图3描述根据第二实施例的表面发射激光器。将描述与第一实施例不同的事项，而对共同事项的描述将被省略。
本实施例包括抗反射膜300，该抗反射膜300在间隙130中的可移动部分140在光轴方向上的两侧上形成。抗反射膜300具有比可移动部分140的折射率更小的折射率。
在光在可移动部分140的表面处的反射过强的情况下，可移动部分140本身可用作反射镜，并形成复合谐振器，导致表面发射激光器表现出复杂的光学特性。本实施例被配置为包括形成在可移动部分140的表面上的抗反射膜300，由此减少光在可移动部分140的表面处的反射，从而抑制复合谐振器的形成。虽然图3示出了在可移动部分140的在光轴方向上的两面上形成的抗反射膜300，但是可以做出其中为可移动部分140的一侧或另一侧设置抗反射膜300的布置。
第三实施例
将参照图4描述根据第三实施例的表面发射激光器。将描述与第一实施例不同的事项，而对共同事项的描述将被省略。
本实施例被配置为具有布置在间隙130中的两个可移动部分440，并且所有其他的配置与第一实施例的配置相同。与只设置一个可移动部分的配置相比，在间隙130中设置两个可移动部分440使得能够实现更宽的波长可调谐性。为了简要陈述该原因，使移动部分位于谐振器中的光分布的腹点或节点处确实使有效腔长度能够被改变，如参照图2所述，但是一个移动部分在同一时间只能被放在一个腹点或节点位置处。另一方面，复数个可移动部分可同时被放在复数个位置处。因此，多个可移动部分的效果被复合，并且相比于只有一个可移动部分的情况，波长可调谐性可被进一步拓宽。
当设置复数个可移动部分时布置在间隙中的可移动部分的数量不局限于两个。三个或更多个可移动部分可被设置。
在设置复数个可移动部分的情况中，可移动部分可各自被独立驱动，或者可以在它们之间的距离被固定的情况下是可驱动的。使得能够独立驱动的优势是每一个可移动部分可以位于最佳位置。例如，当激光振荡波长被改变时，在谐振器中的光分布的腹点的间隔改变，因此可移动部分可分别被相应地定位。另一方面，在它们之间的距离被固定的情况下驱动可移动部分不允许这种最佳放置，但是可使用单个驱动单元，因此配置简单，这从实用角度是有利的。
复数个可移动部分的配置可以是相同的，或者可以是不同的。在三个或更多个可移动部分被使用的情况中，所述三个或更多个可移动部分中的一些可以是相同的。
用途
根据上述第一到第三实施例的表面发射激光器可被用作诸如OCT设备等的测量设备的光源。
复数个根据第一到第三实施例的表面发射激光器元件可在平面上排列，以形成光源阵列。
根据第一到第三实施例的表面发射激光器的可移动部分的位置的变化被反映在激光振荡波长中。这意味着反过来，可移动部分的位置的变化可根据激光振荡波长的变化被检测。因此，根据第一到第三实施例的表面发射激光器也可被用作位置传感器以检测谐振器中可移动部分的位置的变化。
光学相干层析(OCT)测量设备
将参照图5描述把根据第一到第三实施例的表面发射激光器应用到OCT的示例。
根据本示例的OCT设备至少包括光源单元501、干涉光学系统502、光检测单元503和信息获取单元504。光源单元501是根据上述实施例的表面发射激光器。尽管在图示中被省略，但是信息获取单元504包括傅里叶变换器。傅里叶变换器被包括的方式不被特别限制，只要信息获取单元504具有对输入数据进行傅里叶变换的功能即可。作为一个示例，信息获取单元504可以包括计算单元并且该计算单元进行傅里叶变换。更具体地，可制作其中计算单元为包括中央处理单元(CPU)的计算机并且具有傅里叶变换功能的软件安装在此计算机中的布置。另一个示例是在信息获取单元504中包括傅里叶变换电路。从光源单元501发射的光在干涉光学系统502处变为干涉光，其具有待测量的对象512的信息，并被输出。干涉光在光检测单元503处被接收。光检测单元503可以是差异检测型或简单的强度监视型。所接收的干涉光的强度的时间波形信息从光检测单元503被传输到信息获取单元504。信息获取单元504获取所接收的干涉光的强度的时间波形信息的峰值，进行傅里叶变换，并获取对象512的信息(即，层析图像信息)。可选地还可以设置除了这里描述的光源单元501、干涉光学系统502、光检测单元503和信息获取单元504之外的部件。
接下来，将详细描述来自光源单元501的光的振荡到待测量对象的层析图像信息的获取。
从改变光波长的光源单元501发射的光通过光纤505并进入耦合器506，并被分岔为通过照射光纤507的照射光和通过参照光纤508的参照光。耦合器506是在光源的波长带处的单模耦合器。可使用3dB耦合器配置各种类型的光纤耦合器。照射光通过准直器509以变为平行光，该平行光在镜子510处被反射。在镜子510处被反射的光通过透镜511并照射到对象512上，并在其深度方向上从对象512的每层被反射。另一方面，参照光通过准直器513，并且在镜子(或参照表面)514处被反射。由于来自对象512的反射光与来自镜子514的反射光之间的干涉，在耦合器506处生成干涉光。干涉光通过光纤515，通过准直器516被收集，并在光检测单元503处被接收。在光检测单元503处接收的干涉光的强度的信息被转换成诸如电压之类的电信息，并被传输至信息获取单元504。信息获取单元504进行干涉光的强度数据的傅里叶变换，并获取层析图像信息。要经受傅里叶变换的干涉光的强度数据通常是以等波数间隔采样的数据，但是以等频率间隔采样的数据可以被使用。
获取的层析图像信息可以从信息获取单元504传输至图像显示单元517，并作为图像被显示。注意，待测量的对象512的三维层析图像通过在与入射照射光的方向垂直的平面上扫描镜子511被获取。信息获取单元504可以通过电路518进行光源单元501的控制。尽管在图示中被省略，但是还可作出如下的布置，在该布置中从光源单元501输出的光的强度适当地被监视，并且该数据用于干涉光强度信号的幅度校正。
根据本示例的OCT使用根据上述第一到第三实施例的表面发射激光器作为光源单元501。因此，可以获得较宽的波长可调谐范围，并且波长调谐速度较快。因此，可提供高深度分辨率的OCT，并且层析图像可被快速获得。
详细实施例
现在将描述本发明的详细实施例。应该注意的是本发明不局限于下面描述的详细实施例的配置。例如，材料的种类和构成、形状和尺寸可在本发明的范围内适当地被改变。下面的每个示范实施例中的计算结果是通过考虑麦克斯韦方程的边界条件以及使用传递矩阵方法计算每个谐振腔中的电磁场分布而获得的。
虽然在下面的详细实施例中将关于850nm和1060nm周围的激光振荡波长作出描述，但是可作出通过选择合适的材料和结构在任选的波长处操作的布置。
第一详细实施例
将描述根据第一详细实施例的表面发射激光器。根据本详细实施例的表面发射激光器具有图1中所示的第一实施例的配置。
根据本详细实施例的表面发射激光器被设计为改变在850nm的中心波长周围的波长。更具体地，在GaAs衬底150上形成用作下反射镜的下DBR110、有源层120、间隙130、可移动部分140和用作上反射镜的上DBR100。
腔长度为两个波长的值，其中中心波长850nm为一个波长。
上DBR100是叠层，905nm厚，其通过交替层叠5对Al0.15Ga0.85As和AlAs氧化物被配置。
下DBR110是叠层，1267nm厚，其通过交替层叠7对Al0.15Ga0.85As和AlAs氧化物被配置。上DBR和下DBR的每一层的光学膜厚度被形成为中心波长的1/4。
有源层120由In0.08Ga0.92As形成至8nm的厚度。
由Al0.30Ga0.70As形成至60nm的厚度的平板状可移动部分140被置于间隙130中，并被布置为可通过施加电压下的静电力垂直移动。可移动部分140的厚度为大约1/4中心波长。第一详细实施例被设计为使得可移动部分140的折射率为3.43。
间隙130中存在空气。间隙130在光轴方向上的厚度被配置为使得除去可移动部分140的厚度以外的空气部分的厚度为600nm。
根据本详细实施例的配置可通过外延生长和选择性湿法刻蚀来形成。用作间隙的部分通过在进行外延生长时沉积GaAs的牺牲层来形成。
使用柠檬酸水溶液和过氧化氢溶液的混合物作为刻蚀剂使得能够进行根据AlGaAs的Al组分的选择性湿法刻蚀。
在本详细实施例的情况中，通过将包含等重量的水和柠檬酸的柠檬酸水溶液和浓度为30％的过氧化氢溶液以2:1的比例混合而获得的混合物被用作刻蚀剂。该浓度使得GaAs层和Al0.30Ga0.70As层的刻蚀速率的选择性能够足够大。因此，间隙130和可移动部分140可通过在保留可移动部分140的同时去除GaAs牺牲层来形成。
图6示出了根据本详细实施例的表面发射激光器的振荡波长的计算结果。注意在假设有源层不管波长如何都产生恒定增益的情况下作出这些计算，以单独比较谐振器特性。
图6中的图的水平轴代表可移动部分的位置，垂直轴代表激光振荡波长。间隙130中的最低位置，即可移动部分140和第二间隔层170之间的接触面被设为原点，并且可移动部分的位置被定义为从原点向上，即朝向上反射镜的位置。
当可移动部分140从距离间隙130的最低位置100nm的位置移动到其上的300nm的位置时，激光振荡波长可从802nm变化至888nm。
因此，激光振荡波长根据可移动部分140的位置连续变化，并因此已确认应用本发明的表面发射激光器作为可调谐波长激光器操作。另外，相比于上反射镜和下反射镜，可移动部分140是极薄的，也轻，因此可移动部分140可被高速移动。因此，应用本发明的表面发射激光器可快速地并在宽范围上改变波长。
第二详细实施例(在可移动部分的两面上具有抗反射膜的配置)
将描述根据第二详细实施例的表面发射激光器。根据本详细实施例的表面发射激光器具有图3中所示的第二实施例的配置。
根据本详细实施例的表面发射激光器在可移动部分140在轴方向上的两面上具有抗反射膜300。两个抗反射膜300都由具有比可移动部分140更高的Al组分的Al0.80Ga0.20As形成。其他配置与第一实施例相同。
根据本详细实施例，在可移动部分140的表面上形成抗反射膜300减少了在可移动部分140的表面处的反射光，从而抑制复合谐振器的形成。
第三详细实施例(具有复数个可移动部分的配置)
将描述根据第三详细实施例的表面发射激光器。根据本详细实施例的表面发射激光器具有图4中所示的第三实施例的配置，具有复数个可移动部分。腔长度为4个波长的值。
与第一实施例中相比，本详细实施例中的间隙130的厚度增加了1个波长值(850nm)，并且2至4个与第一实施例中的间隙130中使用的可移动部分相同的可移动部分140被设置，并且可移动部分之间的距离在光轴方向上被固定为350nm。其他配置与第一实施例相同。
图7示出了在4个波长的腔长度中设置1至4个可移动部分的情况中振荡波长变化的计算结果。可以理解的是相比于具有1个可移动部分，通过具有复数个可移动部分，波长可调谐性更宽。标记为可移动部分位置的水平轴代表该复数个可移动部分中的最接近衬底的可移动部分的下表面的位置。
从图7中的图我们可以看到，当可移动部分的数量为1时，波长可调谐性宽度为50.3nm，可移动部分的数量为2时，波长可调谐性宽度为68.4nm，可移动部分的数量为3时，波长可调谐性宽度为72.4nm，可移动部分的数量为4时，波长可调谐性宽度为68.2nm。
这些结果证实，相比于具有一个可移动部分，通过在间隙中设置复数个可移动部分，波长可调谐性更宽。
第四详细实施例(具有1060nm周围的中心波长的可调谐波长配置)
将描述根据第四详细实施例的表面发射激光器。根据本详细实施例的VCSEL被设计为使得波长可在1060nm的中心波长周围调谐。根据本详细实施例的表面发射激光器大体上与图1中所示的第一详细实施例中示出的配置相同。
有4点不同：有源层120由In0.30Ga0.70As形成；在光轴方向上平板状可移动部分140的厚度为80nm；除去可移动部分140以外的间隙130的空气部分的厚度为950nm；以及构成上DBR100和下DBR110的层的光学厚度为1060nm的中心波长的1/4。
图8示出了在根据本详细实施例的配置中当可移动部分140的位置被改变时激光振荡波长变化的情况。移动位置的定义与第一详细实施例中的相同。
当可移动部分140从距离间隙130的最低位置300nm的位置移动至在间隙130的最低位置上方550nm的位置时，该配置的激光振荡波长可从1012nm变化至1118nm。
第五详细实施例(在可移动部分的折射率被改变的情况下的配置)
将描述根据第五详细实施例的表面发射激光器。根据本详细实施例的表面发射激光器大体上与根据第一详细实施例的表面发射激光器的配置相同，但是关于以下点不同：可移动部分140的折射率被改变为3.0、3.5和4.0；可移动部分140的厚度被改变。
图9示出了计算可移动部分的折射率与波长可调谐性的宽度之间的关系的结果。
波长可调谐性的宽度(为图9中的图的垂直轴)用规格化的值表示，所述规格化的值通过将在可移动部分140被垂直移动时变化的激光振荡波长的最高值和最低值之间的差除以中心波长而获得。
从图9中的计算结果可以看到两件事。一个是可移动部分140的折射率越高，波长可调谐性的宽度越大。这可理解为间隙130中的介质(在该情况下为空气)与可移动部分140之间的折射率差异越大，位置关系的变化的影响越大。
第二个是可使波长可调谐性的宽度最大化的可移动部分的厚度取决于可移动部分的折射率。当可移动部分140的折射率为3.0时，可移动部分140的厚度为70nm时波长可调谐性的宽度最大，当可移动部分140的折射率为3.5时，可移动部分140的厚度为60nm时波长可调谐性的宽度最大，当可移动部分140的折射率为4.0时，可移动部分140的厚度为50nm时波长可调谐性的宽度最大。这表明在设计可移动部分140的厚度时，通过将实际厚度(可移动部分的厚度)乘以折射率而获得的光学厚度是重要的。
根据这些计算结果，可移动部分140的最佳光学厚度为大约210nm。这是约为中心波长的1/4的值。
另外，我们可以看到在每个折射率情况下波长可调谐性的宽度从相距最佳厚度±20％左右开始突然下降。因此，可移动部分140的光学厚度优选地在表面发射激光器可发射的光的波长范围的中心波长的1/4±20％的范围内，并且更优选地在中心波长的1/4±10％的范围内。换句话说，可移动部分140的光学厚度nd优选地用下面表达式(3)表示，其中λ0是根据本实施例的表面发射激光器可发射的光的波长范围的中心波长，并且更优选地，用表达式(4)表示。
λ0/4×0.8≤nd≤λ0/4×1.2 (3)
λ0/4×0.9≤nd≤λ0/4×1.1 (4)
第六详细实施例(在改变腔长度的情况下的配置)
图10A示出了在与图1所示相同的VCSEL结构中改变腔长度(λ)时波长可调谐性的宽度的计算结果，该VCSEL结构被设计为波长可在850nm的中心波长周围被改变。波长可调谐性的宽度(为图10A和10B中的图中的垂直轴)用规格化的值表示，所述规格化的值通过将在可移动部分140被垂直移动时变化的激光振荡波长的最高值和最低值之间的差除以中心波长而获得。可移动部分140的折射率被设为3.5。从图10A中的计算结果可以看到两件事。
一个是可使波长可调谐性的宽度最宽时的可移动部分140的厚度不管腔长度如何都为60nm。这表明即使腔长度改变，可移动部分的最佳厚度也不改变。认为这是因为与波长相关地确定可移动部分的最佳厚度。
第二个是腔长度越长，波长可调谐性的宽度变得越窄。图10B示出了绘制当可移动部分的厚度为60nm时腔长度与波长可调谐性的宽度之间的关系的结果，以便于理解。腔长度以多少个波长值来表示，其中中心波长λ＝850nm是一个波长。可从图中看出腔长度越长，波长可调谐性的宽度越窄。
即使应用了本详细实施例，腔长度超过100个波长的长谐振结构也几乎不表现出改变激光振荡波长的任何优势。另一方面，波长可调谐性的宽度从腔长度短于10个波长处周围开始突然增加。因此，根据本详细实施例的表面发射激光器的腔长度优选地在100个波长内，更为优选地在10个波长内，并特别优选地在3个波长内。如果在3个波长内，大约0.08μm的波长可调谐性宽度可被实现。
由此可从图10A和10B看出腔长度的上限由波长可调谐性的所需宽度确定。例如，为了获得等同于中心波长的10％的波长可调谐性宽度，需要使用具有2个波长内的长度的谐振器；对于等同于中心波长的6％的波长可调谐性宽度，需要使用在4个波长内的腔长度；对于等同于中心波长的4％的波长可调谐性宽度，需要使用在6个波长内的腔长度；对于等同于中心波长的3％的波长可调谐性宽度，需要使用在10个波长内的腔长度；对于等同于中心波长的1％的波长可调谐性宽度，需要使用在30个波长内的腔长度，如计算结果所表明的。
另一方面，如果腔长度过短，间隙将过短，并且可能存在可移动部分不能垂直移动的问题，因此腔长度优选地为例如2个波长值或更长。
第七详细实施例
将描述根据第七详细实施例的表面发射激光器。在本详细实施例中，图11示出了可移动部分在间隙中的光轴上的位置、激光振荡波长和阈值增益之间的关系的计算结果。关于具有与第一详细实施例中所述配置相同的配置的表面发射激光器进行计算。
在有源层处布置一个量子阱层至8nm厚，并且在假设增益均匀分布在量子阱层处的情况下进行计算。阈值增益(cm-1)是表示为了出现激光振荡在量子阱层处每单位长度需要多少增益的指标。
在波长850nm附近改变波长的情况下，对于可移动部分的位置有两个选项：一个是在200nm附近，另一个是在400nm附近。相比之下，在200nm附近的阈值增益小得多。也就是说，将可移动部分放在200nm附近的位置处更容易引起振荡，因此从实用角度看更为有利。
如从本详细实施例可看到的，应用第一详细实施例的配置表现出2个或更多个可获得相同波长的位置，如图11所示。从中可选择和使用产生更低阈值增益的位置。
可能有在连续改变波长时阈值增益变化的情况。例如，当可移动部分的位置从200nm被改变至250nm时，激光振荡波长从850nm移到874nm。伴随这个，阈值增益近似翻倍。
根据以上结果，优选地设置用于根据阈值增益的变化调节被激发的光强度和向有源层注入的电流值的控制单元，以在改变将要发射的光的波长时获得稳定的光发射。
第八详细实施例
将描述根据第八详细实施例的表面发射激光器。图12示出了关于本实施例的当改变第一详细实施例中描述的表面发射激光器的可移动部分的厚度时波长可调谐性宽度的变化。根据本实施例的表面发射激光器的配置除了以下之外都与第一详细实施例中所述的相同：去除可移动部分以外的间隙的厚度为1450nm，以及可移动部分的折射率为3.5。
波长可调谐性的宽度(为图12中的图中的垂直轴)以规格化的值表示，所述规格化的值通过将在可移动部分140被垂直移动时变化的激光振荡波长的最高值和最低值之间的差除以中心波长而获得。
从图12可以看到当可移动部分的光学厚度为通过将λ/2的整数倍加到中心波长的1/4而获得的数值时，波长可调谐性的宽度表现出最大值。m的绝对值越大，波长可调谐性的宽度的最大值越小。因此，已经发现可移动部分的光学厚度nd优选地由下面的表达式(5)表示。
nd＝λ0/4+mλ0/2 (5)
其中λ0是表面发射激光器可发射的光的波长范围的中心波长，以及m是整数。
根据本实施例和第五详细实施例的结果，可移动部分的光学厚度nd优选地由下面的表达式(6)表示，并且更为优选地由下面的表达式(7)表示。
λ0/4×0.8+mλ0/2≤nd≤λ0/4×1.2+mλ0/2 (6)
λ0/4×0.9+mλ0/2≤nd≤λ0/4×1.1+mλ0/2 (7)
其中参数与表达式(5)的参数相同。
根据本发明的表面发射激光器提供了新型表面发射激光器，通过该新型表面发射激光器可以在不驱动上反射镜或下反射镜的情况下改变发射光的波长。该新型表面发射激光器不驱动上反射镜或下反射镜，因此可实现更宽的可调谐波长范围和更快的波长调谐速度两者，而不改变配置。
虽然本发明已参照实施例和详细实施例被描述，但是应该理解的是本发明不限于公开的实施例。下列权利要求的范围应被赋予最宽泛的解释，从而涵盖所有这样的变更方式和等同的结构与功能。

Claims (13)

1.一种表面发射激光器，可操作为改变发射光的波长，所述表面发射激光器包括：
第一反射镜；
第二反射镜，其中腔沿着表面发射激光器的光轴形成于第一反射镜和第二反射镜之间；
在所述腔内形成的有源层；
在所述腔内形成的区域；以及
位于所述区域内的可移动部分，所述可移动部分具有与所述区域的折射率不同的折射率；
其中能通过在不改变第一反射镜与第二反射镜(100)之间的距离的情况下在所述区域中改变所述可移动部分的沿着光轴的方向的位置来改变发射光的波长；以及
其中形成于第一反射镜和第二反射镜之间的腔长度为10个波长或更少，1个波长是表面发射激光器可发射的光的波长范围的中心波长。
2.根据权利要求1所述的表面发射激光器，
其中可移动部分的在光轴方向上的厚度比第一反射镜的在光轴方向上的厚度更薄并且比第二反射镜的在光轴方向上的厚度更薄。
3.根据权利要求1所述的表面发射激光器，
其中可移动部分的重量比第一反射镜的重量更小并且比第二反射镜的重量更小。
4.根据权利要求1所述的表面发射激光器，
其中第一反射镜和第二反射镜中的至少一个是分布式布拉格反射器。
5.根据权利要求1所述的表面发射激光器，
其中可移动部分的在光轴方向上的光学厚度nd被表示为
λ0/4×0.8+mλ0/2≤nd≤λ0/4×1.2+mλ0/2(6)
其中λ0是表面发射激光器可发射的光的波长范围的中心波长，并且m是整数。
6.根据权利要求1所述的表面发射激光器，
其中腔长度为3个波长或更少。
7.根据权利要求1所述的表面发射激光器，
其中腔长度为2个波长或更多。
8.根据权利要求1所述的表面发射激光器，
其中为可移动部分的在光轴方向上的至少一面设置具有比可移动部分的折射率更小的折射率的抗反射膜。
9.根据权利要求1所述的表面发射激光器，
其中在所述区域中设置多个可移动部分。
10.根据权利要求1所述的表面发射激光器，还包括：
控制单元，用于根据所述区域内的可移动部分的沿着光轴的位置，调节被激发的光强度和向有源层注入的电流值。
11.根据权利要求1所述的表面发射激光器，
其中所述区域内是真空状态。
12.根据权利要求1所述的表面发射激光器，
其中所述区域内填充有具有比空气的平均分子量更小的分子量的气体。
13.一种光学相干层析测量设备，包括：
可操作为改变发射光的波长的光源单元，其中光源单元包括根据权利要求1所述的表面发射激光器；
干涉光学系统，被配置为将来自光源的光分岔为要照射到对象上的照射光和要照射到参照表面上的参照光，并且被布置为根据从对象反射的照射光和从参照表面反射的参照光来生成干涉光；
被配置为接收干涉光的光检测单元；以及
信息获取单元，被配置为基于干涉光的强度的时间波形获取对象的信息。
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