CN105379034A - 表面发射激光器和光学相干断层扫描装置 - Google Patents

表面发射激光器和光学相干断层扫描装置 Download PDF

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Abstract

提供了需要更少组件并且可以降低成本的表面发射激光器。表面发射激光器包括由第一反射镜(101)和第二反射镜(102)构成的腔体，并且具有通过用第一反射镜(101)在面对第二反射镜的方向上的移动(106)改变腔长而改变的谐振波长。该表面发射激光器还包括活性层(105)、第三反射镜(103)和光接收元件(104)，活性层(105)被布置在腔体中并且发射光，第三反射镜(103)相对于第二反射镜(102)被布置在活性层(105)的相对侧，光接收元件(104)被布置为接收经过第三反射镜的光。波长扫描VCSEL可以包括可变形支撑构件(303)上的第一DBR(101)，可变形支撑构件(303)又由另一个支撑构件(302)支撑。活性层(105)可以是在基板(107)上的第二DBR(102)上的MQW，基板(107)具有用于辐射物的背面发射以便被光电二极管(104)检测的孔。所检测到的辐射物被Fabry-Perot过滤频率，所述Fabry-Perot由第二DBR(102)和低反射率的第三反射器(103)生成，其中所述低反射率的第三反射器(103)由石英基板(103)的未涂覆的下表面和空气之间的界面实现。另一个外表面上的抗反射涂层(301，306)防止不期望的其他Fabry-Perot谐振器。通过相应地选择所述Fabry-Perot的FSR，可以从VCSEL的经Fabry-Perot过滤和检测的背面发射获得用于OCT应用的时钟信号。

Description

表面发射激光器和光学相干断层扫描装置
技术领域
本发明涉及表面发射激光器(垂直腔表面发射激光器)以及包括作为波长扫描光源(wavelength-sweptlightsource)的该表面发射激光器的光学相干断层扫描装置。
背景技术
光学相干断层扫描(OpticalCoherenceTomography,OCT)装置是能够基于低相干的干涉测量法使用光以非侵入性的方式来获得测试对象的断层扫描图像的装置。虽然OCT装置被用在各种领域中，但是特别地由于可以以非侵入性的方式观察测试对象的断层扫描图像并且可以减轻患者的负担的原因，它在医疗领域中非常有用。
OCT装置的使用已经快速地变得普及，特别是在眼科保健中，在眼科保健中，从外部进行观察是主要的诊断方法。
OCT主要分为被称作时域OCT和傅立叶域OCT(FD-OCT)的两种方法。此外，作为FD-OCT，存在被称作频域OCT(SD-OCT)和扫描源OCT(SS-OCT)的两种方法。
在SS-OCT装置中，使用具有在宽带上可随时间改变的波长的光源，并且在每个波长处获得探测光和参照光之间的干涉光的强度。使关于波长的干涉条纹经受傅立叶变换，并且计算在光轴上反射面在深度方向上的位置，从而形成断层扫描图像。
在SS-OCT装置中需要用于监视从波长可变的光源输出的光的波长(光频率)的设备，以掌握在各时间处的干涉信号的强度和光频率之间的关系。这是因为，在FD-OCT装置中，深度轴的方向上的断层扫描图像是通过对关于光频率的光学干涉信号进行傅立叶变换而形成的。换句话说，如果不存在指示哪个光频率对应于所获得的干涉信号的信息，则不能用傅立叶变换来获得断层扫描图像。
特别地，在离散傅立叶变换的过程中需要以均匀的光频率间隔对干涉信号进行采样。为了创建用于以均匀的光频率间隔进行采样的触发信号，在SS-OCT装置中利用了NPL1中所述的被称作k时钟的光频率监视器。
另外，在NPL1中，通过驱动反射镜来改变谐振器长度(腔长)从而改变谐振频率的表面发射激光器被用作波长可变的光源。
【引用列表】
【非专利文献】
【NPL1】I.Grulkowski、J.J.Liu、B.Potsaid、VJayaraman、C.D.Lu、J.Jiang、A.E.Cable、J.S.Duker和J.G.Fujimoto,“Retinal,anteriorsegmentandfulleyeimagingusingultrahighspeedsweptsourceOCTwithvertical-cavitysurfaceemittinglasers”，OpticsExpress,第3期，2012年，第1213-1229页。
【NPL2】R.Magnusson、S.S.Wang和S.S.Wang,“Newprincipleforopticalfilters”，AppliedPhysicsLetters,第61期，1992年，第1022页。
【NPL3】Y.Zhou、M.C.Huang和C.J.Chang-hasnain,“TunableVCSELwithultra-thinhighcontrastgratingforhigh-speedtuning”，OpticsExpress,第16期，2008年，第14221页。
发明内容
技术问题
然而，SS-OCT装置具有需要更多组件并且成本增加的问题。
更具体地说，在任何类型的SS-OCT装置中，用于获得信号的触发是由光频率监视器使用被称作k时钟的干涉仪产生的，以便以均匀的光频率间隔对干涉信号进行采样。
如NPL1中所示，k时钟被构造为使得在使来自光源的光分支之后，通过光纤、透镜和倍增器使被分支的光彼此干涉，并且由光接收元件将干涉光的强度信号转换为电信号。
因此，k时钟需要许多组件以及以高精度组装这些组件的步骤。因此，SS-OCT装置的成本增加。
本发明提供需要更少组件并且可以降低成本的表面发射激光器和光学相干断层扫描装置。
问题的解决方案
根据本发明，提供一种表面发射激光器，该表面发射激光器包括由第一反射镜和第二反射镜构成的腔体，并且具有通过用第一反射镜在面对第二反射镜的方向上的移动改变腔长而改变的谐振波长，其中，表面发射激光器还包括被布置在腔体中的活性层、相对于第二反射镜被布置在活性层的相对侧的第三反射镜和被布置为接收经过第三反射镜的光的光接收元件。
根据本发明，还提供一种光学相干断层扫描装置，该光学相干断层扫描装置包括光源、测试对象光路、参照光光路、干涉单元、光学检测单元和算术处理单元，光源由上述波长可变的表面发射激光器构成，来自光源的光通过测试对象光路被施加于测试对象，并且来自测试对象的反射光被传送通过测试对象光路，来自光源的光被传送通过参照光光路，干涉单元被配置为使被传送通过测试对象光路的反射光和被传送通过参照光光路的光彼此干涉，光学检测单元被配置为检测来自干涉单元的干涉光，并且算术处理单元被配置为与从光源输出的触发信号同步地获得干涉信号并且提供测试对象的断层扫描图像。
参照附图阅读以下对示例性实施例的描述，本发明的其他特征将变得清楚。
本发明的有益效果
利用本发明，实现了需要更少组件并且可以降低成本的表面发射激光器和光学相干断层扫描装置。
附图说明
图1是用于说明根据本发明实施例的波长可变的表面发射激光器的结构示例的截面图。
图2是用于说明本发明实施例中的Fabry-Perot标准具(etalon)结构的特性的曲线图。
图3是用于说明根据本发明的示例1的波长可变的表面发射激光器的结构示例的截面图。
图4是表示在本发明的示例1中取决于上反射镜和外反射镜之间的反射率比而改变的阈值增益系数的曲线图。
图5是用于说明根据本发明的示例1的SS-OCT装置的结构示例的框图。
图6是用于说明根据本发明的示例2的波长可变的表面发射激光器的结构示例的截面图。
具体实施方式
下面将参照图1来描述根据本发明实施例的波长可变的表面发射激光器的结构示例。
根据本发明实施例的波长可变的表面发射激光器包括腔体，在该腔体中，一对反射镜(即，第一反射镜和第二反射镜)被布置为彼此面对。第一反射镜在面对第二反射镜的方向上移动以改变谐振器长度(腔长)，从而改变谐振波长。
更详细地说，如图1中所示，发射光的活性层105和下反射镜(第二反射镜)102(这两者都形成在基板107上)被布置在面对上反射镜(第一反射镜)101的位置处，上反射镜101能够在垂直于基板的方向上(即，在图纸的向上和向下方向上)移动，气隙106介于两个反射镜之间。基板107支撑下反射镜102，并且它在与活性层105对应的部分中被钻孔。
活性层105位于由上反射镜101和下反射镜102形成的腔体内，使得可以通过放大从活性层105产生的光来发展出激光振荡。用于高效地传输载流子(在电流注入的情况下)的分隔层108形成在活性层105上，并且电流局限结构109形成在保护层108中。载流子从位于活性层105两侧的一对电极(未示出)被注入。当载流子在活性层中重新结合时，活性层105发射光。
通过驱动上反射镜101来改变由上反射镜101和下反射镜102构成的腔体的长度。作为结果，可以改变激光器的谐振波长。
在本发明的实施例中，还设置有另一个反射镜与下反射镜102配对。
更具体地说，在根据该实施例的波长可变的表面发射激光器中，外反射镜(第三反射镜)103被布置在与活性层105相对的一侧，其中下反射镜102介于它们之间。此外，光接收元件104接收已经经过第三反射镜的光。
Fabry-Perot标准具由上述波长可变的表面发射激光器的下反射镜102和外反射镜103形成。
Fabry-Perot标准具具有这样的特性：如图2中所示，透射率按一定的光频率周期变化，该光频率周期被称作自由光谱范围(FSR)，其根据镜间隔而被确定。
FSR由c/2L表示，其中c是光速，L是构成Fabry-Perot标准具的反射镜之间的光路长度。光路长度L由L＝nd表示，其中n是Fabry-Perot标准具中的介质的折射率，d是反射镜之间的距离。当在Fabry-Perot标准具中存在多个介质时，构成Fabry-Perot标准具的反射镜之间的光路长度L由这些介质的折射率和厚度的乘积的总和表示。
因此，当波长可变的表面发射激光器的上反射镜101在与其垂直的方向上相对于活性层105和下反射镜102移动时，谐振器长度(腔长)改变，由此谐振长度也改变。因此，从由下反射镜102和外反射镜103构成的Fabry-Perot标准具输出(即，从外反射镜103的与第二反射镜102相对的一侧输出)的光的强度被调制。这种调制被生成为与FSR的间隔协调。
因为如上所述，光强度的调制被生成为与FSR的间隔(在光频率轴上是恒定的)协调，所以它可以作为所谓的k时钟信号被用于以均匀的光频率间隔执行采样。
例如，从Fabry-Perot标准具输出的光的强度的峰可以被检测为k时钟信号。可替代地，光强度的谷可以被检测。
当根据该实施例的波长可变的表面发射激光器被用作光学相干断层扫描装置的光源时，以上提及的根据下反射镜102和外反射镜103之间的光学距离而确定的自由光谱范围(FSR)可取地比由c/4x表示的光频率间隔窄，其中，x(m)是光学相干断层扫描装置中预定的深度图像捕捉范围，c(m/s)是光速。
此外，假定光学相干断层扫描装置中预定的深度轴向图像分辨率由y表示，并且光速由c表示，那么以上提及的自由光谱范围(FSR)可取地比光频率间隔c/2Ny宽，光频率间隔c/2Ny是通过把由c/2y表示的光频率范围除以经受傅立叶变换的数据的数量N得到的。
这里使用的外反射镜103可以是基板和周围介质之间的界面，基板由折射率与周围介质的折射率不同的透明材料制成。周围介质和基板之间的折射率的差异越小，反射率越小。可替代地，外反射镜103例如可以是通常用作反射镜的金属膜或DBR(分布式布拉格反射器)。
当外反射镜103的反射率低时，从外反射镜103反射的光的强度弱，并且返回到活性层105的光的量减小。因此，与返回到表面发射激光器的光一起产生的噪声降低，并且激光束本身的相对强度的噪声的增大可以被抑制。因此，整个SS-OCT装置中的噪声的增大也可以被抑制。
外反射镜103的反射率可取地被设定为10％或更小。
当外反射镜103的反射率高时，来自Fabry-Perot标准具侧的光输出的波长特性锐化，并且提取k时钟信号的精度可以提高。
可以通过用光激发活性层的光学激发方法或者通过形成在半导体上的电极电激发活性层的电流施加激发方法来执行载流子到波长可变的表面发射激光器的活性层105的注入。
在本发明中，可以使用上述激发方法中的任何一个，只要载流子可以被注入至以下这样的程度：通过由上反射镜101和下反射镜102形成的腔体发展出激光振荡。
可移动的上反射镜101可以被支撑在由例如被称作MEMS(微电子机械系统)的微型结构制成并且可以被电驱动和磁驱动的驱动机构上。
可替代地，上反射镜101可以被固定到压电材料等，使得它可以按微小的量被驱动。
此外，可以通过用其折射率能够通过某种工具改变的构件代替空气填充以上提及的气隙来构成波长可变的表面发射激光器，以使得夹在上反射镜101和下反射镜102之间的腔体的有效光路长度可以改变。
因此，波长可变的表面发射激光器可以是包括如上所述的能够改变有效腔体长度的工具的任何类型。
这里使用的上反射镜101可以是通过交替地堆叠具有不同折射率的材料而获得的多层膜的形式的众所周知的DBR(分布式布拉格反射器)。
可替代地，如NPL2中所公开的，反射镜可以具有以下结构：该结构具有在平面方向上形成的周期性折射率分布，并且实现高反射率。
NPL2中所公开的使用反射镜的表面发射激光器近年来一直被研究(参见NPL3)。
形成在基板107上的活性层105可以由发射出在OCT装置中有用的波长带中的光的材料制成。
在眼科保健中使用的OCT装置中，例如，使用其中水对光的吸收小的波长带，因为眼球的玻璃体等中含有大量水。
更具体地说，780至920nm的波长带和980至1120nm的波长带被频繁地使用。在使用内窥镜的OCT装置中，1300nm的波长带被频繁地使用，因为这种波长带中的光被生物组织散射的程度较小，并且能够进入更深的部分。
用于工业用途的OCT装置被用在例如半导体芯片和喷涂的检查中，并且使用适合于检查目标的波长。活性层105的材料的实际示例包括AlGaAs、InGaAs、GaInAsP和GaInNAs。
类似于上反射镜101，形成在基板107上的下反射镜102可以是DBR。在许多情况下，由于DBR可以通过在半导体基板上交替地发展具有相互不同的成分的材料的晶体生长来形成，所以通过利用DBR作为反射镜来制造表面发射激光器。在一些制造方法中，可以例如在发光单元的移除了基板的区域中通过真空气相沉积来形成下反射镜102。
可替代地，可以形成以上引用的NPL2中所公开的反射镜，并将其用作下反射镜102。
通过激光振荡而产生的激光束在许多情况下通常从上反射镜侧输出。
因此，下反射镜102的反射率被设计为尽可能地高，以使得光仅从一个反射镜侧输出。
然而，在本发明的实施例中，k时钟中使用的激光束需要从下反射镜侧取出。因此，将下反射镜102的反射率设置为尽可能地接近100％是不可取的，因为光学输出极大地减小。
换句话说，可取的是，下反射镜102的反射率被设置为这样的水平：在该水平，从下反射镜侧输出的激光束可以在不埋藏于噪声中的情况下被光接收元件接收。
为了从下反射镜侧取出波长可变的表面发射激光器的激光束，基板需要被部分地移除，以便当下反射镜102的支撑基板对于激光束不透明时形成光取出窗口。
下面将描述SS-OCT装置。
在SS-OCT装置中，如上所述，通过宽波长(光频率)带中的干涉信号的傅立叶变换来形成断层扫描图像。
因此，其图像将被SS-OCT装置捕捉的对象的深度轴向图像分辨率和深度图像捕捉范围也受到由傅立叶变换导致的约束。
更详细地说，深度图像捕捉范围受干涉信号的采样光频率间隔的约束，深度轴向图像分辨率受经历傅立叶变换的光学频带的约束。
因此，由上述Fabry-Perot标准具形成的k时钟信号的光频率间隔也需要根据SS-OCT装置所需的深度图像捕捉范围而被设定为适当的光频率间隔。
此外，外反射镜103和下反射镜102之间的光学距离需要被设定为获得适合于SS-OCT装置的光频率间隔。
假定深度图像捕捉范围由X(m)表示并且光速由c(m/s)表示，那么光频率间隔用c/4X(Hz)表示。
例如，当需要就光路长度而言的10mm的深度图像捕捉范围时，需要7.5GHz的光频率间隔。因为深度图像捕捉范围所需的光频率间隔和用于推导Fabry-Perot标准具的FSR的上述公式是相同的，所以要理解的是，Fabry-Perot标准具的反射镜之间的光路长度正好需要与断层扫描系统中所需的深度图像捕捉范围的光路长度相同。
假定用于形成断层扫描图像的光频率范围是Nu并且光速是c，那么SS-OCT装置中所需的深度轴向图像分辨率由c/2(Nu)表示。例如，当断层扫描图像被形成在800至900nm的波长范围内时，得到41.6THz的频率范围，因为(Nu)800nm＝c/800nm～374.7THz并且(Nu)900nm～333.1THz，并且深度轴向图像分辨率约为3.6微米。
在根据该实施例的波长可变的表面发射激光器中，可以容易地形成具有被设定为期望值的光路长度的k时钟。
可以仅通过在外反射镜103和基板107之间插入具有预定厚度的间隔件的情况下将外反射镜103接合到基板107来设定光路长度。
可替代地，反射面可以形成在附加基板的对于激光束透明的一侧，并且该透明基板可以在与反射面相对的一侧被接合到基板107，以使得与该附加基板的厚度对应的光路长度被设定。因此，可以仅通过选择并且接合具有适合于断层扫描系统的厚度的间隔件或透明基板来将k时钟信号的频率间隔设定为期望值。
上述用于计算深度轴向图像分辨率和深度图像捕捉范围的公式都受到傅立叶变换的约束。
在实际的SS-OCT装置中，深度轴向图像分辨率和深度图像捕捉范围进一步不仅受到波长带和光谱形状的约束，而且受到波长可变的表面发射激光器的瞬间谱线宽度(相干长度)的约束。
假定Fabry-Perot标准具中使用的外反射镜103的反射率由R2表示，并且上反射镜101的反射率由R1表示，那么优选地满足R1>R2的关系。原因是，如图4中所示，当上反射镜101的反射率和外反射镜103的反射率变为彼此相等时，波长可变的表面发射激光器的阈值增益系数骤然增大，从而使表面发射激光器的特性劣化。
示例
下面将描述本发明的示例。
示例1
参照图1和图3，作为示例1，将描述应用本发明的波长可变的表面发射激光器的结构示例。
在示例1的波长可变的表面发射激光器中，如图3中所示，通过在GaAs基板上堆叠29对具有1050nm的中心波长的n型GaAs/AlAs-DBR来形成下反射镜102。
在下反射镜102上，连续地形成作为熔覆层的74.6nm的n型Al0.4GaAs、作为间隔件层的50nm的无掺杂GaAs、用作活性层105的分别形成势垒层/量子阱层的10nm的GaAs/8nm的InGaAs、作为间隔件层的50nm的无掺杂GaAs、以及作为熔覆层的74.6nm的p型Al0.4GaAs。
在以上提及的层上，进一步连续地形成由30nm的p型Al0.98GaAs制成并且通过选择性氧化形成电流局限结构的选择性氧化层、以及作为熔覆层的364.6nm的p型Al0.4GaAs。
电流局限结构通过以下方式来形成：将以上提及的层结构的晶圆向下蚀刻到选择性氧化层的下表面以提供台面形部分，并且通过湿式氧化来使选择性氧化层氧化。
之后，如在一般的VCSEL(垂直腔表面发射激光器)中那样形成绝缘膜和具有用作光出射开口的窗口的电极305。
另外，形成用作围绕台面形部分的支撑构件302的SiO2，并且按光束的形状形成由支撑构件302支撑的用作弹性的可变形支撑构件303的非晶硅。
五对AlOx/GaAs-DBR由弹性的可变形支撑构件303支撑作为上反射镜101。
通过在弹性的可变形支撑构件303和驱动电极304之间施加电压时产生的静电吸引力，使弹性的可变形支撑构件303折曲。通过弹性的可变形支撑构件303的折曲，上反射镜101更接近台面形部分，由此气隙改变。
从而形成其中波长通过上述结构而可变的表面发射激光器。
在上述表面发射激光器的GaAs基板介于外反射镜103和下反射镜102之间的情况下，外反射镜103被布置在与下反射镜102相对的一侧。
在该示例中，折射率约为1.45的石英玻璃基板被用作作为本发明的特征的外反射镜103。
外反射镜103的反射面由石英玻璃和空气之间的界面给定。因为石英玻璃和空气之间的界面处的折射率的差值很小，所以该界面在1050nm的波长处具有约3.5％的反射率。
另外，因为具有有限的厚度，所以除了以上提及的界面之外，石英玻璃还具有也发生光反射的另一个界面。因此需要在该另一个界面处形成抗反射膜301。
当抗反射膜301以众所周知的简单的单层结构形成时，在空气的折射率为1并且石英玻璃的折射率为1.45的条件下，它可以被形成为1/4个波长的光学厚度的、折射率可取地约1.2的膜。
可以通过利用一般的多层设计技术用多个膜来形成抗反射膜301。作为替代方案，抗反射膜可以以如下方式构成，即，通过利用远小于波长的结构(被称为子波长结构(SWS))来适度地改变界面处的有效折射率。换句话说，可以使用任何类型的技术，只要防止玻璃-空气界面处的反射即可。
作为结果，只有一个反射面充当外反射镜103。Fabry-Perot标准具被构造在该一个反射面和下反射镜102之间。
Fabry-Perot标准具的反射镜对之间的距离需要根据将用SS-OCT装置实现的规范来确定。
此外，在SS-OCT装置中，因为断层扫描图像是通过傅立叶变换(逆变换)从所检测到的信号构造的，所以可取地通过能够执行高速信号处理的FFT(快速傅立叶变换)来执行处理。因此，用于信号处理的对象的采样数需要为2的N次幂。
在作为OCT装置要求10mm的深度图像捕捉范围和6微米的深度轴向图像分辨率的条件下，类似于深度图像捕捉范围，Fabry-Perot标准具的反射镜之间的距离就光路长度而言要求为20mm或更大(即，就光频率分辨率而言要求为7.5GHz或更小)。
根据所要求的6微米的深度轴向图像分辨率，用于执行傅立叶变换的光频率范围为25THz或更大。
假设光频率分辨率为7.5GHz，那么在25THz的范围内采样数为3333个。
当采样数被设为2的12次幂(即，4096)时，有必要通过零填充来补偿缺少的763个点并且使傅立叶变换中的计算范围变宽。
根据采样数来确定Fabry-Perot标准具的反射镜之间的距离的上限。因此，当采样数被设为2的12次幂(即，4096)时，光频率分辨率的极限为6.1GHz，该极限是根据25THz/4096个点得到的。
如果以高于以上提及的极限的光频率分辨率执行采样，则由于采样数为4096的约束，用于执行计算的光频率范围将比25THz窄。因此，深度轴向图像分辨率将劣化到不满足OCT装置的需求的程度。
由于该原因，在该示例中，Fabry-Perot标准具的反射镜之间的距离期望在就光路长度而言等于或大于10mm(即，就光频率分辨率而言等于或小于7.5GHz)并且就光路长度而言等于或小于24.6mm(即，就光频率分辨率而言等于或大于6.1GHz)的范围内。
在该示例中，石英玻璃基板被用作外反射镜103。抗反射膜形成在石英玻璃基板的一个界面处，而另一个界面被用作反射面。
这里考虑将石英玻璃基板接合到GaAs基板的情况。根据该示例的波长可变的表面发射激光器的谐振波长范围约为1000nm至1100nm，并且GaAs基板在这种波长带中为透明材料。
因此，在该示例的波长可变的表面发射激光器中，光束能够透射通过基板，并且可以从基板的后表面取出。
外反射镜103的形成有抗反射膜301的表面和GaAs基板的后表面被平行地接合到彼此。
就光路长度而言，Fabry-Perot标准具的反射镜之间的距离是根据折射率为3.65的GaAs基板的625微米和折射率为1.45的石英玻璃基板的厚度来确定的。
因此要理解，厚度为15.4mm的石英玻璃基板将被用来获得所需的24.6mm的光路长度。
类似于上述形成在石英玻璃基板上的抗反射膜，可取地同样在GaAs的后表面上形成抗反射膜。
可以如上所述那样形成共享波长可变的表面发射激光器的下反射镜102的Fabry-Perot标准具。
用作光接收元件104的光电二极管被布置在外反射镜103的外部。抗反射膜306形成在光电二极管104的在更靠近外反射镜103的一侧的表面上。
光电二极管监视通过Fabry-Perot标准具从波长可变的表面发射激光器输出的激光束的强度。
根据Fabry-Perot标准具的FSR的光频率间隔来对所监视的信号的强度进行调制。
通过以6.1GHz的间隔检测光强度的峰，并且用检测定时作为触发来对OCT干涉信号的强度进行采样，可以获得均匀光频率间隔的干涉信号。
下面将参照图5来描述使用以这种方式输出k时钟信号的波长可变表面发射激光器的SS-OCT装置。
根据本发明的波长可变的表面发射激光器被用作波长扫描光源501。从波长扫描光源501输出的具有随时间改变的波长的激光束经过光纤耦合器502，光纤耦合器502使激光束分支为两个光束。一个激光束通过透镜被施加于测试对象。另一个激光束经过准直器透镜506，并且进入光路长度调整机构507。之后，所述另一个激光束通过准直器透镜508会聚到光纤耦合器。
来自测试对象的反射光也通过测试对象光路被汇集到光纤耦合器，其中来自测试对象的反射光被传送通过测试对象光路。换句话说，来自测试对象的反射光再次经过透镜以返回到光纤耦合器502，并且通过光纤耦合器502被引导到光纤耦合器504。
此外，所述另一个激光束在被传送通过光路长度调整机构之后沿着参照光光路被汇集到光纤耦合器。换句话说，已经经过光路长度调整机构507的参照光也被汇集到光纤耦合器504。
来自测试对象的信号光和已经经过光路长度调整机构507的参照光在光纤耦合器(干涉部分)504中彼此组合，从而产生干涉信号(干涉光)。干涉信号被光纤耦合器504分支为两个部分，并且只有干涉分量被差分检测器(光学检测器)509以高S/N比检测为干涉信号。
根据从差分检测器509产生的干涉信号，与从根据本发明的波长可变的表面发射激光器输出的k时钟信号(触发信号)同步地获得期望的干涉信号。
通过以均匀的光频率间隔对干涉光谱数据执行傅立叶变换，所获得的干涉信号在算术处理单元510中被处理，并且算术处理单元510获得测试对象的深度信息。所获得的深度信息被图像显示设备511显示为断层扫描图像。
【示例2】
下面将参照图6来描述作为示例2的用于接收用于k时钟的光学输出的光接收元件104和反射镜307彼此集成的结构示例。
虽然示例2的波长可变的表面发射激光器具有与示例1类似的基本结构，但是示例2的特征在于，构成Fabry-Perot标准具的反射镜307被形成在光接收元件104的表面上。
在该示例中，因为波长可变的表面发射激光器具有1050nm的波长带，所以InGaAs-PIN光电二极管被用作光接收元件104。
在该示例中用作光接收元件104的光电二极管中，通过堆叠由SiO2/TiO2制成的两对DBR来将用作反射镜307的反射膜形成在光电二极管的表面上，每对DBR具有Lambda/4n的膜厚度(其中，Lambda是1050nm，n是每层的折射率)。
基板107由对于表面发射激光器的谐振波长透明的材料制成。因此，基板107无需具有让光通过其进入Fabry-Perot标准具的开口，即，孔。抗反射膜308被形成在基板107的更靠近光接收元件104的一侧的表面上。
在基板107的与活性层105相对的一侧，布置上述包含反射膜的光电二极管，而不是示例1中的外反射镜103和光接收元件104，其中波长可变的表面发射激光器的下反射镜102介于基板107和活性层105之间。波长可变的表面发射激光器的基板107和包含反射膜的光电二极管在间隔件310介于它们之间的情况下彼此接合。
按如下形状来形成间隔件310：该形状在激光束出射部分中具有孔，以使得从波长可变的表面发射激光器的下反射镜侧输出的激光束可以通过间隔件。
通过上述结构，Fabry-Perot标准具被形成在下反射镜和形成在光电二极管上的反射膜之间。
间隔件310的厚度根据将用SS-OCT装置实现的规范来选择。在与示例1中的规范类似的规范的条件下，间隔件的厚度被设为24.6mm，以使得获得提供6.1GHz的光频率的FSR的、24.6mm的光路长度。
虽然这里使用具有允许激光束通过的孔的间隔件310，但是当由光学透明材料制成的基板用作间隔件时，利用没有孔的间隔件310也没有问题。
在这种情况下，间隔件的厚度需要考虑基板的折射率来确定。
另外，如果在间隔件和波长可变的表面发射激光器的基板之间的界面处发生不必要的反射，则将不会获得期望的k时钟信号。因此，需要抑制该界面处的反射，例如，通过在该界面处形成抗反射膜来抑制。
虽然已经参照示例性实施例描述了本发明，但是要理解，本发明不限于所公开的示例性实施例。权利要求的范围应被赋予最宽泛的解释，以便涵盖所有这种修改以及等同的结构和功能。
本申请要求2013年7月12日提交的日本专利申请No.2013-146953的优先权，其全文内容通过引用并入于此。
【附图标记列表】
101上反射镜
102下反射镜
103外反射镜
104光接收元件
105活性层
106气隙
107基板

Claims (12)

1.一种表面发射激光器，包括：
第一反射镜；
第二反射镜；以及
活性层，被设置在第一反射镜和第二反射镜之间，
所述表面发射激光器具有随着第一反射镜相对于第二反射镜的移动而改变的谐振波长，
其中，所述表面发射激光器还包括：
第三反射镜，相对于第二反射镜被布置在活性层的相对侧；以及
光接收元件，被布置为接收经过第三反射镜的光。
2.根据权利要求1所述的表面发射激光器，其中，所述表面发射激光器构成在光学相干断层扫描装置中使用的光源。
3.根据权利要求2所述的表面发射激光器，其中，根据第二反射镜和第三反射镜之间的光学距离而确定的自由光谱范围(FSR)比由c/4x表示的频率间隔窄，其中，x(m)是光学相干断层扫描装置中预定的深度图像捕捉范围，c(m/s)是光速。
4.根据权利要求2所述的表面发射激光器，其中，根据第二反射镜和第三反射镜之间的光学距离而确定的自由光谱范围(FSR)比c/2Ny的频率间隔宽，所述c/2Ny的频率间隔是通过把由c/2y表示的频率范围除以在光学相干断层扫描装置中经受傅立叶变换的数据的数量N而得到的，其中，y是光学相干断层扫描装置中预定的深度轴向图像分辨率，c是光速。
5.根据权利要求1至4中的任何一个所述的表面发射激光器，其中，假定R1是第一反射镜的反射率，R2是第三反射镜的反射率，那么满足R1>R2的关系。
6.根据权利要求1至5中的任何一个所述的表面发射激光器，其中，第三反射镜包括对于从所述表面发射激光器输出的激光束透明的基板，并且
用于所述激光束的抗反射膜被形成在基板的一个表面上。
7.根据权利要求6所述的表面发射激光器，其中，形成有所述抗反射膜的表面是基板的在更靠近第二反射镜的一侧的表面。
8.根据权利要求1至5中的任何一个所述的表面发射激光器，其中，第三反射镜被形成在光接收元件的表面上。
9.根据权利要求1至8中的任何一个所述的表面发射激光器，其中，第三反射镜的反射率为10％或更小。
10.根据权利要求1至9中的任何一个所述的表面发射激光器，其中，第二反射镜和第三反射镜之间的光学距离为等于或大于20mm且等于或小于24.6mm。
11.根据权利要求1至10中的任何一个所述的表面发射激光器，还包括被布置在第二反射镜和第三反射镜之间以支撑第二反射镜的基板，
其中，该基板在与活性层对应的部分中被钻孔。
12.一种光学相干断层扫描装置，包括：
光源，由根据权利要求1至11中的任何一个所述的表面发射激光器构成；
测试对象光路，来自光源的光通过测试对象光路被施加于测试对象，并且来自测试对象的反射光被传送通过测试对象光路；
参照光光路，来自光源的光被传送通过参照光光路；
干涉单元，被配置为使被传送通过测试对象光路的反射光和被传送通过参照光光路的光彼此干涉；
光学检测单元，被配置为检测来自干涉单元的干涉光并且产生干涉信号；以及
算术处理单元，被配置为根据与从光源输出的触发信号同步地获得的干涉信号来获得测试对象的断层扫描图像。
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