CN106207750A - 表面发射激光器和包含它的光学相干断层成像装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及表面发射激光器和包含它的光学相干断层成像装置。一种表面发射激光器包括：依次布置的下反射器、活性层和上反射器；设置在活性层与上反射器之间的空气间隙；和设置在空气间隙的光路上并且具有比空气间隙的折射率高的折射率的板部件。上反射器与下反射器中的至少一个的光轴方向的位置改变以改变发射光的波长。在上反射器的位置改变的情况下，板部件的光轴方向的中心位于在空气间隙中形成的驻波的任意波腹与邻接波腹的上反射器侧的驻波的波节之间。

Description

表面发射激光器和包含它的光学相干断层成像装置
技术领域
本发明涉及波长可调的表面发射激光器和包括表面发射激光器的光学相干断层成像装置。
背景技术
能够改变其激光振荡波长的波长可调激光器有望适用于诸如通信、感测、成像等的各种领域，并因此在近年受到广泛研究和开发。
波长可调垂直腔表面发射激光器(VCSEL)结构是波长可调激光器的例子。波长可调VCSEL结构通过使用微电机系统(MEMS)技术控制垂直腔表面发射激光器(VCSEL)的激光振荡波长。
VCSEL一般包括夹在一对诸如分布Bragg反射器(DBR)的反射器之间的活性层，并且，激光束以与由反射器之间的光学距离确定的腔长度对应的波长振荡。在根据现有技术的波长可调VCSEL中，通过在反射器中的一个与另一层(一般是半导体层)之间设置空气间隙的同时移动反射器中的一个来改变腔长度，使得激光振荡波长因此改变(参见美国专利No.6549687)。
波长可调VCSEL的激光振荡波长关于反射器的移动量的变化量有时被称为波长调谐效率。当波长调谐效率增加时，导致一定的波长变化所需要的反射器的移动量减小。因此，机械驱动反射器所需要的电压减小。为了增加波长调谐速度，可以增加反射器的共振频率。在这种结构中，一般增加弹性常数，并且，减小反射器的移动量。当波长调谐效率高时，由于导致一定的波长变化所需要的反射器的移动量小，因此，波长可调范围和波长调谐速度可同时增加。
发明内容
本发明的发明人发现，在根据现有技术的波长可调VCSEL中，对波长调谐效率可增加多少存在限制。更具体而言，在空气间隙的长度固定的情况下，随着腔长度的不包含空气间隙长度的部分(有时称为半导体腔长度)降低，波长调谐效率增加。但是，在电极被设置在半导体层的上下端面上且活性层在通过电极被注入电流时发光的VCSEL中，如果半导体腔长度小，那么不能提供足够电流扩散和限制的层厚。因此，存在电流将不必要地流向发光区域以外的区域或者电流将通过电极仅注入到活性层的一部分中的风险。结果，相对于注入的电流量，发光效率降低。换句话说，当半导体腔长度小时，发光效率可能降低。因此，本发明的发明人发现，希望提供用于在不减小半导体腔长度的情况下增加波长调谐效率的方法。
鉴于上述情况，本发明提供可在不减小半导体腔长度的情况下增加波长调谐效率的表面发射激光器。
根据本发明的一个方面的表面发射激光器包括：依次布置的下反射器、活性层和上反射器；设置在活性层与上反射器之间的空气间隙；以及，设置在空气间隙的光路上并且具有与空气间隙的折射率不同的折射率的板部件(slab)。上反射器与下反射器中的至少一个的光轴方向的位置改变以改变发射光的波长。在上反射器的位置改变的情况下，板部件的光轴方向的中心位于在空气间隙中形成的驻波的任意波腹与波腹的上反射器侧的驻波的波节之间。在下反射器的位置改变的情况下，板部件的光轴方向的中心位于在空气间隙中形成的驻波的任意波腹与波腹的下反射器侧的驻波的波节之间。
从参照附图对示例性实施例的以下描述，本发明的其它特征将变得清晰。
附图说明
图1是示出根据本发明的实施例的表面发射激光器的结构的示意图。
图2是示出根据本发明的实施例的表面发射激光器的光学特性的计算结果的示图。
图3A～3D是示出用于描述根据本发明的表面发射激光器中的板部件与光强度分布之间的位置关系的影响的计算结果的示图。
图4A～4F是示出根据本发明的实施例的表面发射激光器中的板部件周围的光强度分布的计算结果的示图。
图5是示出用于描述根据本发明的实施例的表面发射激光器中的腔长度的影响的计算结果的示图。
图6是示出用于描述根据本发明的实施例的表面发射激光器中的板部件的光学厚度的影响的计算结果的示图。
图7是示出用于描述在根据本发明的实施例的表面发射激光器中的板部件的下侧(下反射器侧)的层的折射率的影响的计算结果的示图。
图8是示出根据本发明的第一例子的表面发射激光器的结构的示意性截面图。
图9是示出根据现有技术的波长可调VCSEL的结构的示意性截面图。
图10是示出根据现有技术的波长可调VCSEL的光学特性的示图。
图11A和图11B是示出波长调谐效率与纵模间隔之间的关系的示图。
图12是示出根据本发明的实施例的光学相干断层成像装置的示意图。
图13是示出根据本发明的第二例子的表面发射激光器的结构的示意性截面图。
图14是示出根据本发明的第三例子的表面发射激光器的结构的示意性截面图。
具体实施方式
实施例
将描述根据本发明的实施例的波长可调垂直腔表面发射激光器(VCSEL)。
首先，将描述在本说明书中使用的术语的定义。
在本说明书中，激光器元件的基板侧被定义为下侧，并且，与基板侧相对的一侧被定义为上侧。
在本说明书中，中心波长是可从表面发射激光器发射的激光束的波长范围的中心处的波长。换句话说，中心波长是激光束可振荡的最小与最大波长之间的平均值。激光束可振荡的波长可依赖于例如腔长度的可变范围、反射器的反射范围和活性层的增益范围。基本上，在设计阶段中，设定中心波长并因此确定部件的结构。在本说明书中，活性层或“板部件”的中心意指沿光轴方向的厚度的中点。光轴方向是连接后面将描述的上反射器与下反射器的线的方向，并且，与基板的主表面垂直。
在本说明书中，1λ意指单个波长。这里，除非另外规定，否则波长是表面发射激光器的中心波长。
在本说明书中，通过考虑Maxwell方程的边界条件用传送矩阵方法计算微腔中的电磁场分布，获得计算结果。
现有技术的问题的描述
首先，将详细描述根据现有技术的波长可调VCSEL的问题。图9是根据现有技术的波长可调VCSEL的示意性截面图。
图9所示的波长可调VCSEL由作为基材的包含GaAs的化合物半导体形成，并且，被设计为使得中心波长为1060nm且波长在中心波长周围是可调的。在上反射器900和下反射器910之间设置活性层920和空气间隙930的微腔结构被设置在基板940上。上反射器900和下反射器910中的每一个是由多层膜形成的分布Bragg反射器(DBR)。活性层920被夹在下盖层950与上盖层960之间。上反射器900和下反射器910之间的光学距离被称为腔长度970，并且，上盖层和空气间隙之间的界面与下反射器910和下盖层950之间的界面之间的光学距离被称为半导体腔长度980。可通过沿光轴方向移动上反射器900以改变空气间隙930的长度来改变腔长度。因此，激光振荡波长改变。这里，光轴方向是连接上反射器与下反射器的线的方向，并且，与基板的主表面垂直。在图9中，光轴方向与垂直方向对应。图10示出图9所示的波长可调VCSEL结构的空气间隙的长度(空气间隙长度)与激光振荡波长之间的关系。对具有不同的半导体腔长度980的三种类型的结构执行计算。
从计算结果可以清楚地看出，随着半导体腔长度980减小，曲线的斜率增加。曲线的斜率()示出关于空气间隙长度(dair)的变化量的激光振荡波长(λ)的变化量，并且，称为波长调谐效率。因此，可以说，当半导体腔长度减小时，波长调谐效率增加。
波长调谐效率的增加导致纵模间隔的增加。当纵模间隔小时，由于模态跳跃，激光振荡波长可间歇变化，或者可同时在多个波长处出现振荡。因此，波长可调范围在单模态中受限。可通过增加纵模间隔减少这种限制。
将参照图11A和图11B所示的计算结果描述波长调谐效率对纵模间隔的影响。
图11A和图11B是示出波长调谐效率(在中心波长周围)分别为约0.015和约0.12的微腔结构的计算结果的示图。两个波长可调VCSEL被设计，使得其波长在1065nm的中心波长周围是可调的，但是，由于微腔结构的不同，具有不同的波长调谐效率。
在图11A中，相邻的阶数的纵模之间的波长间隙为约25nm。在图11B中，相邻的阶数的纵模之间的波长间隙为约60nm。
因此，当波长调谐效率增加时，纵模间隔增加。
将更详细地描述上述的问题。
如以上参照图10所示的计算结果描述的那样，已知波长调谐效率依赖于半导体腔长度。虽然可通过减小半导体腔长度有效地增加波长调谐效率，但实践上对波长调谐效率可增加多少存在限制。
实际上，在通过注入电流使激光束振荡的结构中，需要设置用于电流扩散和限制的层。因此，半导体腔长度需要比在通过光致激发使激光束振荡的结构中大。因此，难以增加波长调谐效率。
因此，需要用于在不减小半导体腔长度的情况下增加波长调谐效率的方法。在根据本实施例的表面发射激光器中，可通过在微腔的空气间隙中的适当位置处布置用于放大有效腔长度变化的部件(板部件)，增加波长调谐效率。有效腔长度是通过将实际长度乘以折射率并且考虑光强度获得的腔长度。
这里，所述适当位置是板部件的光轴方向的中心位于在空气间隙中形成并且具有中心波长的驻波的任何波腹与邻接波腹的上反射器侧的驻波的波节之间的位置。
换句话说，所述适当位置是在空气间隙中形成并且具有中心波长的驻波中板部件的光轴方向的中心处的光强度当在空气间隙的光轴方向的长度为A时比当在空气间隙的光轴方向的长度为比A小的B时高的位置。即，所述适当位置是在发射在中心波长周围的波长处振荡的激光束的波长可调VCSEL中板部件的光强度分布随着空气间隙长度增加而增加且随着空气间隙长度减小而减小的位置。在图1中，空气间隙的光轴方向的长度由d示出。
驻波的波腹和波节的位置由激光振荡波长、到下反射器的光学距离和在下反射器反射时导致的相位变化确定。因此，板部件的位置可因此被确定。
有效腔长度变化的放大是当腔长度根据由上反射器的移动导致的空气间隙长度的变化改变时使有效光学厚度变化比腔长度的实际变化量大的量的效果。
为了使得板部件具有上述的效果，板部件需要具有比背景即空气间隙的折射率高的折射率。
空气间隙可任意地填充气体或液体或者被抽真空。这里，抽真空意指将空气压力降低到低于标准大气压力的负压。
在本说明书中，在假定空气间隙填充空气且折射率为1的情况下执行计算。
表面发射激光器
将参照图1描述根据本发明的实施例的表面发射激光器。
根据本实施例的表面发射激光器1包括依次布置的基板150、下反射器110、下盖层170、活性层120、上盖层180、抗反射膜160和上反射器100。空气间隙130被设置在活性层120与上反射器100之间。
折射率与空气间隙130的折射率不同的板部件140被设置在空气间隙130的光路上。在本实施例中，上反射器100和下反射器110中的每一个是由多层膜形成的分布Bragg反射器(DBR)。上反射器100与下反射器110之间的区域用作在其中形成驻波的微腔。上反射器100沿光轴方向(图1中的双向箭头L所示的方向)可动。可通过改变上反射器100与抗反射膜160之间的空气间隙130的长度d(有时称为空气间隙长度)改变腔长度，并且，共振波长因此改变。空气间隙的长度d是包含活性层120和下反射器110的半导体多层体与上反射器100之间的沿光轴的距离。例如，在图1中，当不设置抗反射膜160时，长度d是上反射器100与上盖层180之间的距离。当不设置抗反射膜和上盖层时，长度d是上反射器100与活性层120之间的距离。
因此，在根据本实施例的表面发射激光器1中，通过使用用于移动上反射器100的驱动单元190沿光轴方向改变上反射器100的位置，使得空气间隙长度改变并且发射光的波长因此改变。
在根据本实施例的表面发射激光器中，可通过在光轴方向(图1中的L所示的方向)的适当位置处布置板部件140增加波长调谐效率。
适当位置是板部件140沿光轴方向的中心位于在空气间隙130中形成并且具有中心波长的驻波的任何波腹与邻接波腹的上反射器100侧的驻波的波节之间的位置。在下反射器110的位置改变的情况下，板部件140的光轴方向的中心位于在空气间隙130中形成的驻波的任何波腹与波腹的下反射器110侧的驻波的波节之间。
图2是示出用于描述本实施例的表面发射激光器的效果的计算结果的例子的示图。
该示图示出根据现有技术的不在空气间隙中布置板部件的波长可调VCSEL结构、根据本实施例的在空气间隙中的适当位置a处布置板部件的表面发射激光器的结构和在空气间隙中的不适当位置b处布置板部件的比较结构的计算结果。所有这些结构是被设计为使得波长可在1065nm的中心波长周围可调的波长可调VCSEL结构。
不布置板部件的结构的波长调谐效率在中心波长周围的范围中为约0.05。
在空气间隙中的适当位置a处布置板部件的结构的波长调谐效率在中心波长周围的范围中为约0.24。
在空气间隙中的不适当位置b处布置板部件的结构的波长调谐效率在中心波长周围的范围中为约0.006。
因此，通过在空气间隙中的适当位置处布置板部件，可增加波长调谐效率。
现在将描述应用本发明的结构中的板部件的适当位置。
图3A～3D是示出用于描述板部件与驻波(光强度分布)之间的位置关系对波长调谐效率的影响的计算结果的示图。
对应用本发明且被设计为使得波长在800～900nm周围的波长范围中可调的波长可调VCSEL执行计算。
图3D是示出激光振荡波长与空气间隙长度之间的关系的计算结果的示图。在图3D中，曲线的斜率即波长调谐效率在中间位置处改变，并且，曲线具有弯曲形状。
图3A～3C是示出三个代表性的点处的板部件周围的区域中的折射率分布与光强度分布的计算结果的示图，这三个代表性的点是波长调谐效率高的点(点A)、曲线弯曲的点(点B)和波长调谐效率低的点(点C)。虚线示出折射率分布，实线示出光强度分布。折射率高的区域与布置于空气间隙中的板部件对应。
为了方便，图3A～3C中的左右方向与实际的波长可调VCSEL结构的垂直方向对应。
在点A处，板部件的中心303位于驻波的波腹301与邻接波腹301的上反射器侧的驻波的波节302之间。换句话说，在这种情况下，板部件处于空气间隙中的适当位置a处。
在点B处，板部件的中心303位于驻波的波腹301附近。
在点C处，板部件的中心303位于驻波的波腹301与邻接波腹301的下反射器侧的驻波的波节302之间。换句话说，在这种情况下，板部件处于空气间隙中的不适当位置b处。
如上所述，在执行计算的结构中，位于空气间隙中的板部件上的反射器(上反射器)沿光轴方向可动。
换句话说，板部件被设置在驻波的波腹与邻接波腹的上反射器侧的驻波的波节之间的状态与点A对应。
提高波长调谐效率的原理
将定性描述当在上述的位置处布置板部件时增加波长调谐效率的原因。
在应用本发明的波长可调VCSEL中，存在根据空气间隙长度的变化导致激光振荡波长改变的两种因素。
第一种因素是由微腔的视觉长度的变化导致的影响。
当空气间隙长度增加时，视觉腔长度也增加。微腔的光学厚度表达为视觉腔长度与折射率的积。因此，当视觉腔长度增加时，光学腔长度基本上增加，并且激光振荡波长因此增加。这是公知的原理，基于该原理，在根据现有技术的波长可调VCSEL中改变激光振荡波长。
第二种因素是由有效折射率的变化导致的影响。
在布置于空气间隙中的板部件的折射率与背景即空气间隙的折射率不同的情况下，当存在于板部件中的光的比例改变时，光的有效折射率也改变。
例如，在板部件的折射率大于背景即空气间隙的折射率的情况下，当存在于板部件中的光的比例增加时，对于光的有效折射率增加。
结果，有效光学厚度增加，并且，激光振荡波长因此增加。
波长调谐效率在上述的两种影响相互增强时增加，并且在上述的两种影响相互弱化时减小。根据本实施例的表面发射激光器被构建为使得两种影响相互增强。
换句话说，表面发射激光器被构建为使得板部件中的光强度分布在空气间隙长度增加时增加且在空气间隙长度减小时减小。
更具体而言，表面发射激光器被构建为使得板部件的中心位于在微腔中形成且具有中心波长的驻波的任意波腹与邻接波腹的上反射器侧的驻波的波节之间。
现在将参照图4A～4F描述由于根据本实施例的表面发射激光器的结构导致的波长调谐效率的提高的原理。
图4A～4F是示出被设计为使得波长在1065nm的中心波长周围可调的波长可调VCSEL结构中的、布置于空气间隙中的板部件周围的区域中的折射率和驻波(光强度分布)的计算结果的示图。虚线示出折射率分布，实线示出光强度分布。折射率高的区域与布置于空气间隙中的板部件对应。
图4A～4C示出与根据本实施例的表面发射激光器的结构不同的在不适当位置处布置板部件的比较结构的计算结果。在图4A～4C中的每一个中，板部件403沿光轴的中心位于光强度分布的波腹401与邻接波腹401的下反射器侧的光强度分布的波节402之间。
图4B示出空气间隙长度使得激光束在接近中心波长的波长处振荡的情况下的计算结果。
图4A示出空气间隙长度比图4B中的空气间隙长度短100nm的情况下的计算结果。
图4C示出空气间隙长度比图4B中的空气间隙长度长100nm的情况下的计算结果。
图4D～4F示出在适当位置处布置板部件的结构即根据本实施例的表面发射激光器的结构的计算结果。在4D～4F中的每一个中，板部件403沿光轴的中心位于光强度分布的波腹401与邻接波腹401的上反射器侧的光强度分布的波节402之间。
图4E示出空气间隙长度使得激光束在接近中心波长的波长处振荡的情况下的计算结果。
图4D示出空气间隙长度比图4E中的空气间隙长度短100nm的情况下的计算结果。
图4F示出空气间隙长度比图4E中的空气间隙长度长100nm的情况下的计算结果。
在各图中，光强度分布与板部件重叠的区域由阴影示出。该区域的面积与存在于板部件中的光的比例对应。
为了方便，图4A～4F中的左右方向与实际波长可调VCSEL结构的垂直方向对应。
在图4A～4C所示的计算结果中，当空气间隙长度增加时，存在于板部件中的光的量减少。这与上述的对激光振荡波长的两种影响相互弱化的情况对应。因此，波长调谐效率降低。
在图4D～4F所示的计算结果中，当空气间隙长度增加时，存在于板部件中的光的量增加。这与上述的对激光振荡波长的两种影响相互增强的情况对应。因此，波长调谐效率增加。
结果，出现以上参照图2和图3A～3D描述的波长调谐效率的差异。
驻波的波腹和波节的位置由激光振荡波长λ、到下反射器的光学距离和在下反射器反射时导致的相位变化确定。因此，可相应地确定板部件的位置。
当在下反射器反射时导致的相位变化为0的自由端反射的情况下，在到下反射器的上端的距离为λ/2×m的位置处提供波腹，并且，在到下反射器的上端的距离为λ/2×m+λ/4的位置处提供波节(这里以及以下，m是自然数)。
当在反射时导致的相位变化为π的固定端反射的情况下，在到下反射器的上端的距离为λ/2×m+λ/4的位置处提供波腹，并且，在到下反射器的上端的距离为λ/2×m的位置处提供波节。
假定中心波长是λc，当从下反射器的上端到板部件的光轴方向的中心的距离L满足λc/2×m＜L＜λc/2×m+λc/4(在自由端反射的情况下)或者λc/2×(m-1)+λc/4＜L＜λc/2×m(在固定端反射的情况下)，那么波长调谐效率在中心波长λc周围的范围中增加。
当在下反射器反射时导致的相位变化既不为0也不为π时，板部件可根据相位变化量布置于上述的两种情况的位置之间的中间位置处。
在本说明书中，除非另外规定，否则假定上下反射器的界面处的光反射是自由端反射。
如以上参照图10描述的那样，在VCSEL结构中，当半导体腔长度增加时，波长调谐效率降低。这里，半导体腔长度是在上反射器与下反射器之间形成的微腔的除空气间隙以外的部分的光轴方向的长度。图5是示出腔长度(包含半导体微腔和空气间隙的光路的长度)与波长调谐效率之间的关系的计算结果的的示图。
所述示图在顶部和底部具有两个横轴。横轴中的一个代表实际腔长度，另一个代表通过中心波长λc归一化的腔长度。
参照图5，波长调谐效率在半导体腔长度变得小于或等于根据本实施例的表面发射激光器的中心波长的20倍(20λ或更小)时突然增加，并且在半导体腔长度变得小于或等于中心波长的10倍(10λ或更小)时进一步增加。为了进一步增加波长调谐效率并且保持活性层的发光效率，半导体腔长度可小于或等于中心波长的三倍。
板部件
在本实施例中，只要板部件的折射率与空气间隙的板部件不同使得微腔中的光强度分布可改变，关于板部件没有特别的限制。板部件的折射率可比空气间隙的折射率大。可考虑从表面发射激光器发射的光的波长和用于形成板部件的工艺适当地选择板部件的材料。更具体而言，板部件的材料可以例如为AlxGa1-xAs(0＜x＜1，优选0.6≤x≤0.8)、GaAs、Si或GaN。在执行牺牲层处理以通过使用这些材料形成板部件的情况下，板部件、牺牲层和蚀刻剂的材料的组合可以如下。即，“板部件；牺牲层；以及蚀刻剂”的材料可以为“AlxGa1-xAs(0＜x＜1)；GaAs；以及柠檬酸和过氧化氢溶液的水溶液”、“GaAs；AlGaInP或AlInP或GaInP；以及盐酸”、“GaAs；AlxGa1-xAs(0.9≤x)；以及BHF”、“Si；SiO2；以及BHF”、或者“GaN；(AlInN)Ox；以及NTA：KOH”。
板部件可例如通过上述的MEMS机构移动。
现在将描述根据本实施例的板部件的最佳光学厚度。
图6是示出根据本实施例的板部件的光学厚度与1060nm的中心波长周围的范围中的波长调谐效率之间的关系的计算结果的例子的示图。在计算中，假定板部件的折射率为3.12。从示图可以清楚地看出，当板部件的光学厚度为约70nm时，波长调谐效率处于最大值，并且，当板部件太薄或者太厚时，不能获得最大效果。波长调谐效率处于最大值的板部件的光学厚度为中心波长的约1/4，并且，当光学厚度在该值周围时，可以增加效果。
计算结果表明，为了确保板部件的有效性，板部件的光学厚度优选处于大于0且小于表面发射激光器的中心波长的1/2的范围内，并且，更优选处于大于中心波长的1/8且小于中心波长的3/8的范围中。
当光学厚度为被设定为上述范围中的值与中心波长的整数倍的一半的和时，也可获得类似的光学效果。
并且，从图6可以清楚地看出，本实施例中的板部件的厚度优选处于大于等于40nm且小于等于100nm的范围中、更优选处于大于等于60nm且小于等于80nm的范围中。
在根据本实施例的表面发射激光器中，板部件可被设置在空气间隙的底部，使得不在板部件下面设置空气间隙的一部分。在这种情况下，也假定板部件被设置在空气间隙中。
在这种情况下，邻接板部件且在板部件下面的层的折射率是重要的。
图7是示出邻接板部件且在板部件下面的层的折射率与波长调谐效率之间的关系的计算结果的例子的示图。
假定板部件的折射率为3.12且板部件的折射率由图中的虚线示出。虚线的左侧的区域与邻接板部件且在板部件下面的层的折射率比板部件的折射率低的情况对应，并且，虚线的右侧的区域与邻接板部件且在板部件下面的层的折射率比板部件的折射率高的情况对应。
根据现有技术的不在空气间隙中设置板部件的结构的波长调谐效率计算为约0.23。该值由图中的水平虚线示出。波长调谐效率比计算值高的范围匹配板部件下面的层的折射率比板部件的折射率小的范围。
因此，在板部件布置于空气间隙的底部的情况下，邻接板部件且在板部件下面的层的折射率需要比板部件的折射率小。
活性层
在本实施例中，只要活性层由当被注入电流时发光的材料制成，对活性层没有特别的限制，并且，可以使用在共用的表面发射激光器中使用的材料。适当地根据希望的激光振荡波长选择活性层的材料的成分、厚度等。
在要发射具有约850nm的波长范围的光的情况下，由AlnGa(1-n)As(0≤n≤1)制成的具有量子阱结构的材料可被用作活性层的材料。在要发射具有约1060nm的波长范围的光的情况下，由InnGa(1-n)As(0≤n≤1)制成的材料可被用作活性层的材料。
根据本实施例，活性层可在足够宽的范围上、更具体而言在比上下反射器的反射范围宽的波长范围上具有增益。这种活性层可为例如具有可至少在两个不同的能级处发射光的量子阱结构的活性层。量子阱结构可包含由多个层形成的多量子阱或单量子阱。
可根据想要的振荡波长适当地选择根据本实施例的活性层的材料和结构。
根据本实施例的活性层可被配置为在活性层通过光照射被激励时或者当电流被注入到活性层中时发光。根据本实施例的表面发射激光器或将在后面描述的光学相干断层成像装置可包括用于激励活性层的激励光源或用于将电流注入到活性层中的电源。在当将电流注入到活性层中时发光的情况下，需要电极。但是，在本说明书和附图中，省略电极以简化描述。
第一盖层和第二盖层
在本实施例的实施例中，盖层被设置为俘获光和载流子。另外，在本发明的实施例中，盖层用作用于调整腔长度的间隔件。
在本实施例中，作为第一和第二盖层，可以使用根据发射光的波长范围适当地选择Al成分的AlGaAs层。例如，在要发射具有约850nm的波长范围的光的情况下，可以使用Al成分为30％或更多的AlGaAs层以避免光吸收。在要发射具有约1060nm的波长范围的光的情况下，不需要考虑光吸收。因此，可以使用GaAs层或任意成分的AlGaAs层。在当将电流注入到活性层中时发射光的结构中，第一和第二盖层可具有不同的导电类型。第一和第二盖层的厚度不需要相等，并且，可考虑电流扩散所需要的厚度被适当地选择。
电流限制层
在本实施例中，可根据需要设置限制注入到激光器中的电流流动的区域的电流限制层(未示出)。可例如通过注入氢离子或者选择性地氧化设置在盖层中并具有90％或更多的Al成分的AlGaAs层形成电流限制层。在本实施例中，在当通过光照射来激励活性层时发光的情况下，不需要电流限制层。电流限制层适用于当将电流注入到活性层中时发光的情况。
空气间隙
根据本实施例的空气间隙一般不在其中设置固体材料。根据空气间隙的气氛，空气间隙可被抽真空或者填充诸如空气、惰性气体或诸如水的液体的流体。这里，抽真空意指将空气压力降低到低于标准大气压力的负压。在本说明书中，在假定空气间隙填充空气且折射率为1的情况下执行计算。
可考虑可调波长范围和可动反射镜的拉入确定空气间隙的长度(图1中的d)。例如，在被构建为使得空气间隙填充空气、中心波长为1060nm且可调波长范围为100nm的具有3λ或4λ的腔长度的微腔中，空气间隙的长度d为约1μm。
驱动单元
在应用本发明的结构中，可通过使用常用于MEMS领域中的技术沿垂直方向移动上反射器和板部件。例如，可以使用静电力、压电力、热力、或者电磁力或流体压力。
例如，驱动单元可包含当被施加电压被激励的MEMS机构、或者压电材料。更具体而言，可在上反射器或上面设置上反射器的层与层叠下反射器、活性层等的多层体之间沿光轴方向施加静电力。可通过改变静电力的大小移动上反射器。这也可被应用于移动驱动单元或下反射器的情况。
驱动单元可具有悬臂结构或双支撑梁结构。
根据本实施例的驱动单元可被配置为移动上反射器、下反射器、或者上反射器和下反射器两者。驱动可被配置为移动板部件。在本实施例中，用于控制上反射器和板部件的位置的控制器可被设置为适当地控制上反射器与板部件之间的位置关系。
根据本实施例的多个表面发射激光器可布置于相同面上并且被用作阵列光源。
光学相干断层成像装置
包括波长可调光源的光学相干断层(OCT)装置不包括分光计，并因此有望能够以高的SN比和低的光量损失获取断层图像。现在将参照图12描述根据本实施例的表面发射激光器被用作OCT装置的光源单元的例子。
根据本实施例的OCT装置12至少包括光源单元1201、干涉光学系统1202、光检测单元1203和信息获取单元1204。光源单元1201可以是上述的表面发射激光器。虽然没有示出，但信息获取单元1204包含傅立叶变换器。只要信息获取单元1204具有对其输入数据进行傅立叶变换的功能，包含于信息获取单元1204中的傅立叶变换器的形式就不被特别限制。例如，信息获取单元1204可包含计算单元，并且，计算单元可具有进行傅立叶变换的功能。更具体而言，计算单元是包括中央处理单元(CPU)的计算机，并且，计算机执行具有傅立叶变换功能的应用。作为另一例子，信息获取单元1204可包含具有傅立叶变换功能的傅立叶变换电路。从光源单元1201发射的光穿过干涉光学系统1202并且作为具有测量物体1212的信息的干涉光被输出。干涉光被光检测单元1203接收。光检测单元1203可任意地为差动检测类型或简单强度监测类型。关于接收的干涉光的强度的时间波形的信息从光检测单元1203被传送到信息获取单元1204。信息获取单元1204获取接收的干涉光的强度的时间波形，并且，进行傅立叶变换以获取物体1212的信息(例如，断层图像的信息)。也能够可选地设置这里描述的光源单元1201、干涉光学系统1202、光检测单元1203和信息获取单元1204以外的部件。
下面，将详细描述从振荡光源单元1201中的光到获取测量物体的断层图像的信息的动作。
从波长可调光源单元1201发射的光穿过光纤1205、进入耦合器1206，在那里，光被分割成穿过照射光纤107的照射光和穿过参照光纤1208的参照光。耦合器1206可被配置为在光源的波长范围中在单模态中动作，并且，可以使用3dB耦合器作为光纤耦合器。照射光穿过准直器1209，使得照射光准直化并且被反射镜1210反射。被反射镜1210反射的光穿过透镜1211、入射于物体1212上并且被沿物体1212的深度方向的物体1212的各层反射。参照光穿过准直器1213并且被反射镜1214反射。耦合器1206通过使来自物体1212的反射光和来自反射镜1214的反射光相互干涉产生干涉光。干涉光穿过光纤1215、通过准直器1216被收集，并且，被光检测单元1203接收。关于被光检测单元1203接收的干涉光的强度的信息被转换成诸如电压的电信息，并且，被传送到信息获取单元1204。信息获取单元1204处理干涉光的强度的数据，更具体而言，进行数据的傅立叶变换以获取断层图像的信息。经受傅立叶变换的干涉光的强度的数据通常是通过使用k时钟以等波数间隔采样的数据。但是，也可使用以等波长间隔采样的数据。
获取的断层图像的信息可从信息获取单元1204被传送到图像显示器1217并且显示为图像。可通过沿与照射光的入射方向垂直的面扫描反射镜1210来获得测量物体1212的三维断层图像。信息获取单元1204可通过电路1218控制光源单元1201。虽然图12没有示出，但从光源单元1201发射的光的强度可被监测，并且，监测的数据可被用于校正代表干涉光的强度的信号的振幅。根据本发明的实施例的表面发射激光器能够在抑制用于发射激光束的阈值电流的增加和发光效率的降低的同时在宽的波长范围上执行激光束振荡。这里，抑制阈值电流的增加和发光效率的降低的事实未必意指它们减小到零。
因此，当在OCT装置中包括根据本实施例的表面发射激光器时，用于输出激光束的电流可减少，并且，可以获得具有高的轴向分辨率的断层图像。
在眼科、齿科或皮肤科等的领域中，根据实施例的OCT装置可用于获得诸如动物或人的活体的断层图像。关于活体的断层图像的信息不仅包括活体的断层图像，而且包括获得断层图像所需要的数值数据。
特别地，OCT装置可被用于通过将眼底设定为测量对象获取人的眼底的断层图像的信息。
根据本发明的实施例的表面发射激光器不仅可被用作OCT装置的光源，而且可用作用于光学通信或光学测量的光源。
例子
现在将描述本发明的例子。本发明不限于以下描述的例子的结构。例如，在本发明的范围内，可适当地改变材料的类型、成分、形状和尺寸。
在以下描述的例子中，激光振荡波长被设定为1060nm周围或850nm周围。但是，可通过选择适当的材料和结构将激光振荡波长设定到任何波长。
第一例子
将参照图8描述根据第一例子的表面发射激光器。图8是示出根据第一例子的VCSEL的层结构的示意性截面图。
在本例子中，VCSEL由以GaAs为基材的化合物半导体形成，并且，被设计为使得可在1060nm的中心波长周围执行波长扫描。
从顶部依次布置上反射器800、空气间隙830、活性层820、下反射器810和GaAs基板840。板部件850被设置在空气间隙830中。
上反射器800是包含通过交替层叠Al0.4Ga0.6As层和Al0.9Ga0.1As层形成的36.5对层的叠层的DBR。
上反射器800可通过在施加电压时产生的静电力沿垂直方向移动。在图8中，省略用于施加电压的电极。
空气间隙830填充空气，并且，空气间隙的长度(空气间隙长度)在1650nm周围可变。
活性层820具有三个周期的层被层叠在一起的多量子阱结构，每个周期包含由GaInAs制成的量子阱层和由GaAsP制成的势垒层。
活性层在被注入电流时发光。在图8中，省略用于注入电流的电极。
当中心波长1060nm是1λ时，设置在空气间隙830与下反射器110之间且包含活性层的半导体多层膜的光学厚度与约3λ对应。
下反射器810是在通过交替层叠GaAs层和AlAs层形成的30对层的叠层上设置通过交替层叠Al0.4Ga0.6As层和Al0.9Ga0.1As层形成的5对层的叠层的DBR。
通过外延生长和选择性湿蚀刻形成本例子的空气间隙830。现在将描述形成空气间隙830的过程。
当执行外延生长时，与空气间隙对应的部分形成为GaAs的牺牲层。
当使用水、柠檬酸和过氧化氢溶液的混合溶液作为蚀刻剂时，可根据AlGaAs的Al成分执行选择性蚀刻。在本例子中，使用通过混合水和柠檬酸(重量比1∶1)获得的柠檬酸溶液与浓度为30％的过氧化氢溶液的4∶1比的混合物作为蚀刻剂。可通过使用该蚀刻剂执行GaAs和Al0.7Ga0.3As的选择性蚀刻，并且，可通过仅去除GaAs牺牲层形成空气间隙。
根据计算，在不设置板部件850的情况下，1060nm的中心波长周围的范围中的波长调谐效率为约0.05。相反，当设置板部件850时，波长调谐效率可增加到0.24。
因此，通过应用本发明的结构，可以获得比现有技术高的波长调谐效率。
第二例子
图13示出根据第二例子的表面发射激光器的结构的示意图。在图13中，在由作为第III-V族化合物半导体的GaAs层形成的n型半导体基板1301上设置n型多层反射镜1302。n型多层反射镜(DBR)1302具有45对层被层叠在一起的多层体，每对包含作为第III-V族化合物半导体的Al0.8GaAs层(68.1nm厚)和Al0.3GaAs层(62nm厚)。
由Al0.8GaAs层(102.6nm厚)形成的n型盖层1303被设置在DBR 1302上。组合GaAs阱层(10nm厚)和Al0.3GaAs势垒层(10nm厚)的具有三量子阱结构的活性层1304被设置在n型盖层1303上。由Al0.8GaAs层(337.4nm厚)形成的p型盖层1305被设置在活性层1304上。
可动反射镜1306被设置在硅悬臂(2μm厚)1307的端部的底面上。硅悬臂1307在基板1301之上的其间设置一些层的位置处被氧化硅层1308(1μm厚)、硅悬臂(2μm厚)1307、氧化硅膜(2.5μ厚)1309和硅基板1310支撑。可动反射镜1306是将10对层层叠在一起的电介质DBR，每个对包含SiO2层(145.5nm厚)和TiO2层(90nm厚)。氧化硅层1308的厚度等于空气间隙的厚度，并且，当可动反射镜不被驱动时，腔长度为3λ。Ti/Au电极1311和Ti/Au电极1312被设置为施加用于通过静电吸引驱动硅悬臂的电压。
在本例子中，可动反射镜1306被设置在硅悬臂1307的端部的底面上。但是，可动反射镜1306也可被设置在硅悬臂1307的端部的顶面上。并且，在可动反射镜1306被设置在悬臂1307的端部的顶面或底面上之后，硅悬臂1307的端部的一部分可被去除。
盖层1305包含通过将质子离子注入到p型盖层1305的一部分中形成的电流限制层1313。因此，从电极1316供给的电流通过电流限制层1313中的开口1315流入到活性层1304中。关于本例子的用于激活波长可调VCSEL的电极，由Ti层(20nm)和Au层(100nm)形成的金属多层膜被用作电极1316，并且，由Au和Ge的混晶(100nm)、Ni(20nm)和Au(100nm)形成的金属多层膜被用作电极1317。VCSEL通过电源1319被驱动。
由Ti层(20nm)和Au层(100nm)形成的金属多层膜被用作电极1314和1312。
在本例子中，通过处理绝缘体上硅(SOI)基板形成的硅MEMS结构被用作上面形成出射侧反射镜(上反射器)1306的驱动单元。通过接合驱动单元与上面形成下多层反射镜(DBR)1302、下盖层1303、活性层1304和上盖层1305等的化合物半导体基板1301，形成波长可调VCSEL。
在本例子中，由质子注入区域限定的发光区域即通过质子离子注入形成的电流限制结构中的开口1315具有直径为5μm的圆形形状。
在本例子中，设置板部件1318。通过以上述的方式移动上反射器1306，可以抑制模态跳跃并且可增加波长可调范围。结构也可使得板部件1318和下反射器1302移动。
现在将描述本例子的波长可调VCSEL的制造方法。
首先，在由GaAs层形成的n型半导体基板1301上通过MOCVD晶体生长方法依次形成n型DBR 1302、n型盖层1303、活性层1304和p型盖层1305。
然后，在p型盖层1305上形成氧化硅膜并且通过光刻和蚀刻进行处理，使得该膜用作用于形成电流限制结构的离子注入时的掩模。在形成用作掩模的氧化硅膜(未示出)之后，执行离子注入以形成电流限制结构。为了形成电流限制结构，可在盖层1305中形成具有90％或更多的Al成分的AlGaAs层(30nm厚)，并且，可通过从其侧面沿x轴方向选择性地氧化所述层的一部分并且将该部分转化成氧化铝形成高电阻区域。
然后，通过光刻、真空沉积和剥离形成电极1316。
然后，通过真空沉积在半导体基板1301的后侧形成用于驱动VCSEL的阴极电极1317。因此，完成化合物半导体发光器件。
在本例子中，半导体层的导电类型可颠倒。换句话说，p型半导体层可变为n型半导体层，并且，n型半导体层可变为p型半导体层。p型半导体层的掺杂物可以为Zn，并且，n型半导体层的掺杂物可以为C。但是，掺杂物不限于此。
在本例子的波长可调VCSEL中，假定在以850nm的波长为中心的±50nm的波长范围中执行波长扫描。但是，波长范围不限于此，并且，也可通过选择包含于VCSEL中的层的适当材料，在例如以1060nm的波长为中心的±50nm的波长范围中执行波长扫描。
本发明提供可通过适当地在空气间隙中布置板部件增加波长调谐效率的波长可调的表面发射激光器，该板部件具有与空气间隙的折射率不同的折射率。
第三实施例
将参照图14描述根据第三实施例的表面发射激光器。图14是示出根据第三例子的VCSEL的层结构的示意性截面图。
根据本例子的VCSEL 1400包括依次布置的用于驱动VCSEL的阴极电极1401、由GaAs制成的n型基板1402、作为通过交替层叠AlAs层和GaAs层形成的40.5对层的叠层的n型下DBR 1403、由Al0.7Ga0.3As制成的n型下间隔件层1404、由包含由InGaA和GaAsP势垒层制成的量子阱的多量子阱层形成的未掺杂活性层1405、以及由Al0.7Ga0.3As制成的p型上间隔件层1406。在上间隔件层1406上形成用于驱动VCSEL和上DBR的电极1407。还在上间隔件层1406上设置未掺杂GaAs层1408、由Al0.7Ga0.3As制成的未掺杂板部件1409、未掺杂GaAs层1410、n型上DBR层1411和用于驱动上DBR的电极1412。n型上DBR 1411包含通过交替层叠Al0.9Ga0.1As层和Al0.4Ga0.6As层形成的30对层的叠层和设置为夹着所述叠层的最上层和最下层的Al0.7Ga0.3As层。
与第一和第二例子类似，通过诸如外延生长、光刻、干蚀刻、湿蚀刻和真空沉积的常见半导体处理制造本例子的结构。
通过外延生长，在基板1402上形成半导体多层膜，直到与上DBR1411的高度对应的高度。
然后，通过光刻和干蚀刻形成包含板部件1409和上DBR 1411的梁结构的图案。执行干蚀刻的深度被设定为露出GaAs牺牲层1408的深度。
然后，通过借助于使用柠檬酸溶液和过氧化氢溶液的混合物的湿蚀刻去除GaAs牺牲层1408和GaAs牺牲层1410的多个部分，形成梁结构。在该处理中，牺牲层可在某个区域中被光致抗蚀剂等覆盖，使得它们在该区域中保持不被蚀刻。
然后，通过光刻、真空沉积和剥离形成电极1407和1412。
然后，通过真空沉积在半导体基板1402的后侧形成用于驱动VCSEL的阴极电极1401。因此，完成化合物半导体发光器件。
虽然已参照示例性实施例说明了本发明，但应理解，本发明不限于公开的示例性实施例。所附权利要求的范围应被赋予最宽的解释以包含所有这样的修改以及等同的结构和功能。

Claims (10)

1.一种表面发射激光器，其特征在于包括：
依次布置的下反射器、活性层和上反射器；
设置在活性层与上反射器之间的空气间隙；和
设置在空气间隙的光路上并且具有与空气间隙的折射率不同的折射率的板部件，
其中，上反射器与下反射器中的至少一个被配置为沿光轴方向可动，使得发射的光的波长根据上反射器和下反射器中的所述至少一个的光轴方向的位置的变化改变，
在上反射器的位置改变的情况下，板部件的光轴方向的中心位于在空气间隙中形成的驻波的任意波腹与波腹的上反射器侧的驻波的波节之间，并且，
其中，在下反射器的位置改变的情况下，板部件的光轴方向的中心位于在空气间隙中形成的驻波的任意波腹与波腹的下反射器侧的驻波的波节之间。
2.根据权利要求1所述的表面发射激光器，其中，在上反射器与下反射器之间形成的微腔的光轴方向的光学厚度小于或等于表面发射激光器的中心波长的10倍。
3.根据权利要求1所述的表面发射激光器，其中，在上反射器与下反射器之间形成的微腔的光轴方向的光学厚度小于或等于表面发射激光器的中心波长的3倍。
4.根据权利要求1所述的表面发射激光器，其中，板部件的光轴方向的光学厚度处于大于0且小于表面发射激光器的中心波长的1/2倍的范围中，或者为该范围中的光学厚度与中心波长的整数倍的一半的和。
5.根据权利要求1所述的表面发射激光器，其中，板部件的光轴方向的光学厚度处于大于表面发射激光器的中心波长的1/8且小于中心波长的3/8的范围中，或者为该范围中的光学厚度与中心波长的整数倍的一半的和。
6.根据权利要求1所述的表面发射激光器，其中，板部件的光轴方向的厚度大于等于40nm且小于等于100mm。
7.根据权利要求1所述的表面发射激光器，其中，板部件的光轴方向的厚度大于等于60nm且小于等于80mm。
8.根据权利要求1所述的表面发射激光器，其中，板部件是可动的。
9.一种表面发射激光器，其特征在于包括：
依次布置的下反射器、活性层和上反射器；
设置在活性层与上反射器之间的空气间隙；和
设置在空气间隙的光路上并且具有比空气间隙的折射率高的折射率的板部件，
其中，上反射器与下反射器中的至少一个的光轴方向的位置改变以改变发射光的波长，并且，
其中，板部件被设置在一位置，在该位置，在空气间隙中形成的驻波中，板部件的中心处的光强度在空气间隙的光轴方向的长度为A时比在空气间隙的光轴方向的长度为比A小的B时高。
10.一种光学相干断层成像装置，其特征在于包括：
光源单元，所述光源单元改变光的波长；
干涉光学系统，所述干涉光学系统将来自光源的光分割成要照射物体的照射光和参照光，并且通过使已照射物体的照射光的反射光与参照光相互干涉来产生干涉光；
光检测单元，所述光检测单元接收干涉光；和
信息获取单元，所述信息获取单元通过处理来自光检测单元的信号获取物体的信息，
其中，光源单元是根据权利要求1的表面发射激光器。
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