JP2015026645A - 面発光レーザおよび光干渉断層計 - Google Patents
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Abstract
【課題】 レーザ光横モードの検出精度を向上させる。【解決手段】 上部反射鏡(105)と、下部反射鏡(101)と、それらの間に設けられた活性層(103)と、を有する面発光レーザ(1、2)において、前記上部反射鏡と前記下部反射鏡とで形成される共振器内の光路(L)に、レーザ光を検出するための、互いに独立した複数の受光部(150)が設けられていることを特徴とする。【選択図】 図1
Description
本発明は面発光レーザおよび光干渉断層計に関する。
面発光レーザの1つに、垂直共振器型面発光レーザ(Vertical Cavity Surface Emitting Laser、以下、VCSELと呼ぶことがある)がある。VCSELは、活性層の上下を二つの反射鏡で挟み、基板の表面に対して垂直な方向に共振器を形成し、基板の表面に対して垂直な方向にレーザ光を出射する。さらに、出射光の波長を変更することができる波長可変VCSELというものがあり、その一例として、VCSELにおける上部反射鏡と活性層との間に空隙部を設け、上部反射鏡をレーザ光の光路方向に移動させることで、共振器長を変更し、出射光の波長を変えることができるレーザがある。
ここで、VCSELを光干渉断層計用光源やレーザービームプリンタ用の光源として用いる場合、出力される光の強度はできるだけ変動がないように所定の範囲内に収め、横モードはシングルモードであることが好ましい。
特許文献1には、面発光レーザとしての面発光型半導体レーザにおいて、図9のようにレーザ内部の光導波路内に設けられた光吸収層1を受光部として用い、レーザ光の光出力をモニタすることが、開示されている。図9(a)は上面図、図9(b)は断面図である。また、符号15は活性領域、符号13及び17は共振器を構成するDBRミラー、符号21、22及び23は電極をそれぞれ示す。この面発光型半導体レーザは、図9(a)のように円筒形であり、光吸収層(受光部)は1つである。また、この光吸収層(受光部)を用いて、出射される光の横モードがシングルモードからマルチモードへ変化したことを検出できる。
上述のように、特許文献1に開示の面発光型半導体レーザが有する光吸収層(受光部)は1つのみであるため、出力される光横モードがシングルモードであるかマルチモードであるかの区別を十分な精度で行うことができない。すなわち、出射される光の横モードがシングルモードであって且つ光路が変化した場合と、光路が不変であって且つ横モードがシングルモードからマルチモードへと変化した場合とを区別できないという課題を、本発明者は見出したのである。特に波長可変VCSELでは、上部反射鏡を移動させる際に、シングルモードの光の光路が変化してしまう可能性があり、前述の課題が生じやすい。
そこで本発明は、出力される光の横モード検出を、従来技術より精度良く行うことができる面発光レーザ、および光干渉断層計を提供することを目的とする。
本発明に係る面発光レーザは、上部反射鏡と、下部反射鏡と、それらの間に設けられた活性層と、を有する面発光レーザにおいて、前記上部反射鏡と前記下部反射鏡とで形成される共振器内の光路に、レーザ光を検出するための、互いに独立した複数の受光部が設けられていることを特徴とする。
本発明に係る面発光レーザによれば、それぞれ独立してレーザ光を検出できる受光部が、共振器内の光路に複数が設けられているため、レーザ光の横モードをより精度よく検出することができる。
本発明の実施形態について説明する。
(実施形態1)
実施形態1に係る面発光レーザについて説明する。図1(a)は本実施形態に係る面発光レーザの上面図であり、図1(b)は図1(a)中のA−A’断面における断面図である。なお、図1(a)では、上部反射鏡105を除いた図を示している。
実施形態1に係る面発光レーザについて説明する。図1(a)は本実施形態に係る面発光レーザの上面図であり、図1(b)は図1(a)中のA−A’断面における断面図である。なお、図1(a)では、上部反射鏡105を除いた図を示している。
面発光レーザは、基板160上に、下部反射鏡101と、下部反射鏡101の上に形成された第一のクラッド層102と、第一のクラッド層102の上に形成された活性層103と、活性層103の上に形成された第二のクラッド層104と、第二のクラッド層104上に設けられた円盤状の上部反射鏡105とを有する。また、基板160の下には第一の電極120が設けられている。また、第二のクラッド層104の上には円環状の第二の電極121が設けられている。第一の電極120、および第二の電極121を用いて活性層103に電流が注入されると、そこで発光が生じ、その光が下部反射鏡101と上部反射鏡105とで形成される共振器内を往復し誘導放出を引き起こす。共振器内で誘導放出された光は、基板160の表面に対して垂直な方向、即ちy方向に、上部反射鏡105を透過して、特定の波長のレーザ光として出射される。本実施形態に係る面発光レーザは、上部反射鏡105と下部反射鏡101とで構成される共振器内の光路に、レーザ光の横モードを検出するための複数の受光部150を有する。ここで共振器内の光路とは、下部反射鏡101と上部反射鏡105とで形成される共振器の間で光が共振する際に光が通過する領域のことである。図1において共振器内の光路は、上部反射鏡105および下部反射鏡101とで構成される共振器内の領域L(点線で示した領域)である。
図1の面発光レーザ1では第二のクラッド層104の上に一対の受光部150が設けられた構成である。また、図1では基板160の表面と平行なx軸方向において、受光部150が設けられている位置をXi,Xjで示す。本実施形態においてXi,Xjは、クラッド層104上の円環状の電極121に囲まれた円状の領域内にあり、その円状の領域の中心Xcを挟んで中心Xcからの距離が等しい対称な位置にある。
制御部170は、面発光レーザ1を駆動するために電極121、120間に電流を注入(または電圧を印加)する駆動回路と、一対の受光部150からの光電変換信号を個別に受けて光強度をそれぞれ測定するための測定回路と、を内蔵し、検出された一対の受光部150からのそれぞれの光電変換信号に基づいて、面発光レーザ1の駆動電流を変更することができる。
次に、本実施形態に係る面発光レーザを用いて、光出力の強度と横モードの動作状態を判定する方法について図2を用いて説明する。図2の各グラフの横軸は、図1のx方向における位置であり、縦軸はレーザ光の光強度である。ここでレーザ光の光出力の強度とは、本実施形態に係る面発光レーザから最終的に出射される光の強度(出射光量)であり、言い換えると、出射されるレーザ光の強度分布の積分値である。例えば、図2(a)の光強度分布のグラフにおいて斜線で示すIoutが光出力の強度である。
図2(a)は、シングルモードで発振し、中心Xcにおいて所望の光強度が得られている場合の光強度分布を示している。これに対して、図2(b)は、シングルモード動作で発振しているものの、中心Xcにおける光強度が低下して所望の光強度が得られていない場合の光強度分布を示している。更に、図2(c)は、シングルモードではなくマルチモードで発振している場合を示している。そして、図2(d)は、シングルモードで発振はしているものの、光強度のピーク位置が中心Xcからシフトしている場合の光強度分布を示している。これらが面発光レーザの代表的な光強度分布である。
本実施形態によれば、複数の受光部を用いて所定の位置における複数の光信号を検出することにより、光強度分布を推定する。そして、その推定結果に基づいてレーザ光の横モードがシングルモードであるか、マルチモードであるかを判定することができる。更に、本実施形態によれば、推定結果により光出力の強度の測定や、必要な位置で必要な光強度が得られているか否かの検知もできる。このように面発光レーザの動作状態に基づいて、必要に応じて面発光レーザの注入電流を変更する制御を行う。
以下、具体的に説明する。
図2(a)で示すような光強度分布にてレーザが発振している場合、XiまたはXjに設けられた受光部で検出される光強度はI2である。本実施形態では、I2がIAよりも小さい場合、レーザがシングルモードで発振していると判断する。また、IAより小さい光強度がXiまたはXjのいずれか一方のみで検出された場合も、シングルモードであると判断する。一方、IAより大きい光強度がXi及びXjの両方で検出された場合には、マルチモードであると判断する。
IAの値は、レーザがシングルモードで発振しているか否かを判断するための値であり、例えば、活性層への電流注入量と光出力の強度との関係から求めて、予め定めておくことができる。活性層への電流注入量の変化量に対する光強度の変化量は、シングルモードの時に比べて、マルチモードの時の方が大きい。そのため、活性層への電流注入量を漸増させながら中心位置での光強度を測定する。その測定結果より活性層への電流注入量の変化量に対する光強度の変化量の傾きの大きさが大きくなるときの光強度を求めてIAとする。即ち、電流注入量に対する光強度の2階微分値から、IAを定めることができる。これがIAを定める一つの方法である。なお、活性層への電流注入量の変化量に対する光強度の変化量の傾きの大きさが大きくなるときの、電流注入量の値(モード変化時の電流値)は活性層の経時劣化によって低下する可能性がある。そのため、活性層の経時劣化によって想定されるモード変化時の電流値の低下を考慮して、IAを先の方法によって決めた値よりも低く設定することが好ましい。
XiまたはXjで検出された光強度I2から、レーザ光の光強度分布を推定する方法について詳述する。例えば、図1に示した構造から一対の受光部150を省いた面発光レーザを用意し、x軸方向の各位置における光強度を面発光レーザとは別途設けられた光検出器で測定する。そして、活性層への電流注入量を変更して同様の測定を行うことで、電流注入量に依存した光強度分布を知ることができる。この情報をデータテーブルとして保存しておけば、図1に示した面発光レーザにおいて、一対の受光部150で光信号を検出しその検出結果を、データテーブルにフィッティングすることにより、光強度分布を測定することができる。なお、上記別途設けられた光検出器を共振器外において測定する場合、測定される光強度分布はFFP(Far Field Pattern)である。そのため、予めFFPの光強度分布とNFP(Near Field Pattern)の光強度分布との対応関係に関するデータを取得し、電流注入量に依存したNFPの光強度分布の情報をデータテーブルとして保存しておく。あるいは、顕微鏡などの光学系を介した別途設けた共振器外の光検出器(例えば電荷結合素子:CCD)を用いて、電流注入量に依存したNFPの光強度分布を取得し、その情報をデータテーブルとして保存しておく。
図2(b)に示すように、何らかの要因でレーザ光の強度が全体的に小さくなり、Xcの位置における光強度がI1からI1’へと低下し、Xi,Xjの位置における光強度もI2からI2’へと低下した場合には、XiまたはXjにおける検出結果である強度I2’から、Xcの位置における光強度I1’をデータテーブルから求め、また、横モードがシングルモードであるかマルチモードであるかを判定する。
図2(c)に示すように、Xi、およびXjの位置で検出されるレーザ光の強度I2’’が共にIAに比べて大きい場合は、データテーブルを参照して、横モードがマルチモードであると判定する。また、Xi及びXjの位置における検出結果である光強度I2’’からXcの位置における光強度I1’’をデータテーブルから求めることができる。図2(d)に示すように、何らかの要因でレーザ光の光強度分布のピークの位置がシフトする場合がある。
このような場合、Xjの位置で検出される光強度I2’’’はIAよりも大きくなっている。また、Xiの位置で検出される光強度は、IAよりも小さくなる。よって、Xi,Xjのどちらか一方の位置のみの光強度がIAよりも大きい場合には、横モードがマルチモードであると判断せずに、横モードがシングルモードであると判断する。また、中心Xcの光強度I1’’’及び/またはピーク値をデータテーブルから求めることもできる。
加えて、図2(d)に示すような光強度分布の場合は、光路が変化した場合に現れることが多いため、横モードの判定や、中心位置における光強度の推定だけでなく、シングルモードであって光路変化が生じている場合と、マルチモードの場合とを区別することができる。光路の変化は、例えば、活性層の温度変化などにより活性層の発光領域の位置が変化した場合などに生じる可能性がある。
なお、シングルモードの状態を維持するために、本発明のように光信号を検出することなく、活性層への電流注入量を制御する手法も考えられる。しかしながら、シングルモードの状態を維持できる電流注入量モード変化時の電流値は、VCSELの温度や出射される光の波長によって変化するため、光信号を検出せずにシングルモード動作状態を維持することは難しい。
以上説明した実施形態は、中心Xcとは異なる位置においた複数の受光部にて検出された光信号によって、所定の値IAに対する大小関係によってシングルモードかマルチモードかを判断したが、中心Xcにおいた受光部にて検出された光信号と、中心以外の位置において受光部にて検出された光信号から判断することもできる。その場合は、中心Xc位置において検出された光強度と、例えば中心以外の位置Xjでされた光強度との比率を求め、それを予め測定しておいた比率と比較することにより、横モードの判断を行うことができる。
一方、受光部が1つのみである場合、光出力の強度と横モードの動作状態とを同時に検出できない。その理由について、受光部が上記のXjの位置にのみ設けられている場合を例に説明する。この場合、図2(c)の場合に位置Xjで検出される光強度I2’’と、図2(d)の場合に位置Xjで検出される光強度I2’’’とは、ともにIAよりも大きい。そのため、受光部が1つのみの場合には、横モードがシングルモードであるのかマルチモードであるのかが判定できないことがある。
また、より簡便な別の制御形態について具体的に説明する。
本実施形態に係る波長固定あるいは波長可変面発光レーザにおいて、この面発光レーザに注入する電流を変化させていった際の出射光出力を、別途用意した外部光検出器(大型のフォトダイオードや積分球など)で検出し、その際同時にこの面発光レーザに供えられたXiの位置における受光部を用いてXiの位置における光強度も検出する。そして、この面発光レーザに注入する電流を変化させていった際の、この検出した二つの光強度の関係を予めテーブルとして用意しておく(実際の使用においては、後述するように記憶部にテーブルを収納して置く)。この面発光レーザの実際の使用(例えば光干渉断層計での使用)の際には別途用意した外部検出器は無いため、Xiの位置における受光部の信号と、予め用意したテーブルとを用いて、注入電流を変化させていった際の本実施形態に係る面発光レーザからの出射光量を見積ることが可能となる。
また、モード状態の検出については、図7(a)に示したようなXiと等価の位置に配置した二つ以上の受光部からの信号が変化するか否かでモード状態が変化しているか否かを判断することができる。例えば、注入電流を変化させて、図2(a)に示すようなNFPの強度分布から図2(c)に示すようなNFPの強度分布にモードが変化(シングルモード動作からマルチモード動作への変化)場合には、XiおよびXjにおける信号は強くなる。このようにXiとXj(Xiと等価な位置に配置してある)からの信号の両方が強くなる場合にはマルチモード動作していると判断できる。しかし、Xiと等価な位置に配置した光検出器や、Xiと等価な位置の更に外側の検出器を含めても信号が強くなる受光部が一つしかない場合には、シングルモード動作していると判断できまる。このような場合は、図2(d)に示すようなNFPの強度分布、つまり発光点(発光強度ピーク)が電流狭窄構造の中心から偏ったシングルモード動作していると判断できる。
なお、シングルモード動作しているときのXiにおける信号強度は、上記テーブルを用意する際に、電流−光出力(出射光量)特性を、外部検出器を用いて取得し、その特性カーブにkink(ΔL/ΔIの二階微分と電流の関係を示すグラフを描くとピークが現れる電流値でみられる特性カーブの変曲点)が現れたときのXiにおける信号強度よりも小さいものとなる。図2(a)においては、このkinkが現れた時のXiにおける信号強度を、IAとして示している。
また、図2(b)に示したようなNFPの強度分布の場合では、IAよりも強い信号が検出される受光部は無いが、XiあるいはXjの位置にある検出器からの信号は、図2(a)の場合に比べ小さくなっているため、光出力の低下したシングルモード動作であると判断される。
以上説明したように、IAより強い強度の点が一つしかない、あるいはゼロの場合はシングルモード動作していることを表し、二つ以上ある場合はマルチモード動作していると判断することができる。ただし、発光強度ピークが電流狭窄構造の中心から外れてシングルモード動作している場合には、IAより強い強度の点が複数計測される可能性があるが、その場合には最も強度が強い検出器の周囲の検出器の強度が等価であれば、シングルモード動作していると判断することができる。
受光部150に入射した光の強度の測定は後で詳述するように制御部170によって行う。制御部170は受光部150で検出された光信号に基づいて、電極121、120間に注入する電流を制御する。また横モードの状態も、活性層に注入する電流を変えることによって変えることができる。例えば、受光部150によって検出された光信号の検出結果から、横モードがマルチモードである場合には制御部170は電極121、120間に注入する電流を小さくすることで、シングルモードとなるように制御する。また、検出された光信号より、所望の位置における光強度が所望の値に達していないと判断された場合には、電極121、120間に印加する電圧を大きくすることで、光出力を上げることができる。もちろん、シングルモードであると判断され、且つ、所望の位置における光強度を下げたい場合には、注入電流を小さくすればよい。
このようにして制御部170は、複数の受光部150からの光電変換信号に基づいて、面発光レーザの光出力強度、および横モードを所望の状態に制御することができる。
以上のように、本実施形態に係る面発光レーザは、横モードの判定精度がより高くなるだけではなく、光出力の強度の計測と横モードの動作状態の判定を同時に行うこともできる。また、光出力の強度を所望の範囲の値とし、横モードを所望の状態に制御することができる。
(実施形態2)
実施形態2に係る面発光レーザについて図3を用いて説明する。図3(a)は本実施形態に係る面発光レーザの上面図であり、図3(b)は図3(a)中のB−B’断面における断面図である。図3において、図1と同一の部材には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
実施形態2に係る面発光レーザについて図3を用いて説明する。図3(a)は本実施形態に係る面発光レーザの上面図であり、図3(b)は図3(a)中のB−B’断面における断面図である。図3において、図1と同一の部材には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
本実施形態に係る面発光レーザ2は、波長可変VCSELであり、第二のクラッド層104と、上部反射鏡105との間が離れており、光路に空隙部を有する。第二のクラッド層104と空隙部310との界面から、上部反射鏡105と空隙部310との界面までの距離(図3の距離α)を変えると、共振器長が変わるため、発振されるレーザ光の波長、を変えることができる。したがって、距離αを変化させる駆動制御機構を用いれば、発振されるレーザ光、即ち発振波長を変化させることができる。図3に示す例では、即ち発振波長を変化させることができる。
さらに、電流を注入して活性層103にて発光させながら、上部反射鏡105をy方向に高速に往復運動させることより、発振波長を高速に掃引することができる。
本実施形態のような波長可変VCSELにおいては、可動ミラーの動き、可動ミラーの取り付け誤差、あるいは発光部作製バラツキ、駆動時の注入電流量により、必ずしも発光領域の中心に強度のピークがあるシングルモードで発振するとは限らない。例えば、可動ミラーがカンチレバーで駆動されるような構成の場合には、カンチレバーが湾曲することによって、y方向に往復していた光の光路が変わることがある。また、電流が注入される領域がシフトすると発光領域の位置や大きさが変わることがある。そのため、発光領域の中心から偏った領域においてシングルモードで発振することがある。
そのため、本実施形態のような波長可変型の面発光レーザにおいても、複数の受光部を設けて光出力の強度や横モードの動作状態を判定することは好適である。受光部を複数設け、光出力強度、および横モードを判定し、所望の状態に制御することで、安定した出力の面発光レーザを実現することができる。
受光部による光出力の強度の計測、および横モードの判定は実施形態1と同じであるため、ここでは説明を省略する。
以下、本発明の実施形態による波長固定あるいは波長可変の面発光レーザの各構成要素について詳細に説明する。
(受光部)
本発明の本実施形態に用いられる受光部は、レーザ光を検出するための、互いに独立した複数の受光部である。本実施形態において複数の受光部を設ける位置Xi,Xjは光出力の強度、および横モードの動作状態を判定することができる位置であれば、特に限定されない。実施形態1で示したように、クラッド層104上の電極121に囲まれた円の領域のうち、発光強度が高くなる中心Xcには設けず、中心Xcの周囲に設ける場合には、光出力の強度の損失が少なくて済むためより好ましい。
本発明の本実施形態に用いられる受光部は、レーザ光を検出するための、互いに独立した複数の受光部である。本実施形態において複数の受光部を設ける位置Xi,Xjは光出力の強度、および横モードの動作状態を判定することができる位置であれば、特に限定されない。実施形態1で示したように、クラッド層104上の電極121に囲まれた円の領域のうち、発光強度が高くなる中心Xcには設けず、中心Xcの周囲に設ける場合には、光出力の強度の損失が少なくて済むためより好ましい。
また、光強度のピークがある位置に受光部を設ける場合、受光部が設けられている位置の光のみが吸収されて光強度が低下する一方、その周辺の位置の光強度が維持されるため、出力される光強度分布が本来の分布から乱れることとなる。したがって、光強度のピークがある位置以外に受光部を設けることが好ましい。ただし、Xcの位置から離れすぎると、横モードの変化を検出しにくくなるため、最終的に出射される光出力の強度の低下を少なくし、かつ、横モードを精度よく判定できる位置に受光部を設けることが好ましい。
受光部を設ける位置Xi,Xjは例えば、Xcで検出される光強度の1/10以下の光強度となる位置とすることができ、1/100以下となる位置とすることが好ましい。光強度のピーク値の1/10以下、1/100の光強度となる位置は、前述したとおり、例えば、受光部がないこと以外は同じ構成の面発光レーザを作製し、作製した面発光レーザを用いて光出力の強度の分布を測定することで特定することができる。
本発明の実施形態において複数の受光部150のうち少なくともいずれか1つは、第二のクラッド層104上に設けられていてもよいし、上部反射鏡105上に設けられてもよい。また、それぞれが、上部反射鏡105上と第二のクラッド層104上の両方に設けられていてもよい。また、第二のクラッド層104上に設ける場合には、図1のように上部反射鏡に埋め込まれるように設けられていてもよく、図3に示すように第二のクラッド層104上に上部反射鏡105とは離れて設けられてもよい。
また、複数の受光部のうち少なくともいずれか1つは、上記クラッド層104上の光路の中心から半径10μmの領域の内部に設けられていることが好ましい。シングルモード動作状態からマルチモード動作状態に変化したときに出現する光強度のピークは発光の中心から半径10μm以内に生じやすいからである。
また、複数の受光部のうち少なくともいずれか1つは上記クラッド層上の光路の中心から半径2μmの領域の外部に設けられていることが好ましい。
図4に本発明の実施形態における面発光レーザについて、受光部を設ける位置の別の例を示す。図4(a)乃至(d)の各図は、図3の面発光レーザの構成の一部の変形例を示し、図3と同一の部材には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
図4(a)は、上記Xcの位置、およびXjの位置に受光部450を設けた例である。図4(a)の構成によって、光出力の強度の計測と横モードの動作状態の判定をする方法について図2を用いて説明する。
まず、図2(a)の場合には、Xjに設けられた受光部450で検出される光強度がIAよりも小さい場合、シングルモードと判断する。
図2(c)の場合には、Xjの位置で検出されるレーザ光の強度がIAに比べて大きいため、マルチモードと判断する。
図2(d)の場合には、Xjの位置で検出される光強度I2’’’はIAよりも大きい。この場合は、横モードがマルチモードではなく、シングルモードであって光の光路が変化した発振状態と判断する。
以上のようにして、図4(a)のような構成においても、光出力の強度の計測と横モードの判定とを同時に行うことができる。
なお図2(c)の光強度分布がx軸の正方向にシフトし、XcでI2’’、XjでI1’’の光強度が検出される場合には、Xjよりもさらにx軸の正方向に受光部を設けておき、マルチモード、且つ光路が変化していると判定するようにしてもよい。
図4(b)は3つの受光部を設けた形態であり、Xc、Xi、Xjの位置にそれぞれ受光部451が設けられている。この形態では、先に説明した2つの受光部の場合に比べて、光強度分布をより精度よく測定できる。また、データテーブルをより簡略化することもできる。また、この形態の場合、Xcの位置に設けられた受光部によって光強度を検出し、検出された光強度から光出力の強度を計測し、XiおよびXjの位置に設けられた受光部によって横モードを判定するといったように、受光部からの光電変換信号を用いて判定する対象を分けても良い。
更に、複数の受光部は基板の面と垂直な方向において同じ位置に設ける必要はない。具体的には、図4(c)のように、上部反射鏡105上のXi、Xjの位置に受光部452を設けてもよいし、図4(d)のように、上部反射鏡105上のXiの位置、および第二のクラッド層104上のXjの位置に受光部453を設ける構成としてもよいということである。
また、複数の受光部の数を3つ以上とし、それらを、レーザ光の放射方向と交差する面に、2次元状に配置、すなわち3つの受光部が同一直線状に並ばないように配置してもよい。その一例の詳細は後述する。
本実施形態に係る受光部の構成は光の強度を検出できるものであれば特に限定されない。光検出器として動作する受光部としては、光起電力素子などの光電変換素子を用いることができる。又、光電変換素子は面発光レーザと別に作成したものを面発光レーザに取り付けた構成で有り得る。
或いは、面発光レーザを構成している層と別の層を設け、それらの層が協働して光電変換動作を行う構成であってもよい。すなわち、第一のクラッド層および第二のクラッド層が半導体層を有し、複数の受光部のうち少なくともいずれか1つは、第一のクラッド層または第二のクラッド層と隣接しており、隣接する第一のクラッド層または第二のクラッド層の導電型とは異なる導電型の半導体層を有する構成であってもよい。例えば、第二のクラッド層を第一の導電型(p型またはn型)からなる半導体層とし、第一の導電型とは異なる第二の導電型(n型またはp型)の半導体層を有する層を第二のクラッド層上に設けてもよい。このような形態の場合、第一の導電型の第二のクラッド層とその上に設けた第二の導電型の半導体層とで構成されるpn接合部位がフォトダイオードとして機能する。
図5を用いて本発明の実施形態における光信号の検出とレーザの駆動法について一例を挙げて説明する。図5において、図3と同一の部材には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
図5は図1(b)の面発光レーザの一部を拡大した図である。第二のクラッド層104がp型の半導体からなり、pnフォトダイオードとするため、受光部150はn型の半導体からなる。電極501と電極121とは制御部170に接続されている。
制御部170は、測定部171と、記憶部172と、差分検出部173とを有する。受光部150を構成する材料としては、レーザ光を吸収できるバンドギャップをもつ材料であればよく、例えばGaAsやInGaAsなどの化合物半導体を用いることができ、各層の組成比は検出したい光の波長帯域によって適宜選択することができる。また、第二のクラッド層104としてn型の半導体を用いる場合には、受光部150としてp型の半導体を用いればよい。
まず、第二のクラッド層104を通過した光は、第二のクラッド層104よりバンドギャップが狭い受光部150に入射すると光吸収により電子・正孔対を発生する。電子はn型半導体の受光部150を通り、受光部150の上に設けられた電極501に集められる。ホールはp型半導体の第二のクラッド層104を通って電極121に到達する。測定部171では、電極501および電極121間に流れる光電流を測定する。なお、電極501には正電圧が印加され受光部150には逆バイアスが掛けられている。記憶部172には、受光部からの光電変換信号としての光電流と光強度との関係がデータテーブルとして記憶されている。測定部171によって測定された光電流はデータテーブルを用いて光強度に換算することができる。差分検出部173は、換算された光強度と所定の光強度との差を検出し、その差に基づいて、面発光レーザを構成する電極121と電極120との間に注入する電流を変更する。
例えば図2(c)のように、所定の光強度をIAとして設定しておくことで、検出された光強度がI2となった場合はマルチモードであると判断できるため、電極121と電極120との間に印加する電圧を小さくして、シングルモードに遷移させる。そして、中心における光強度が所定の範囲内であるか否かを判定したり、光出力の強度が所定の範囲内であるか否かを判定して、駆動電圧を更に変更する調整を行ってもよい。
このように、測定された光強度から本実施形態に係る面発光レーザの光出力の強度の計測と、横モードの判定とを同時に行うことができる。
また、光電変換信号として光電流を測定する例を挙げて説明したが、測定部171としては、受光部による光起電力を測定するものであってもよい。なお、制御部170は面発光レーザの駆動電流を変更することが好ましいが、駆動電圧を変更する構成であってもよい。
(上部反射鏡、および下部反射鏡)
本実施形態において上部反射鏡および下部反射鏡は共振器を構成するために、必要な反射率を有しているものであれば特に限定されない。例えば低屈折率層と高屈折率層とが交互に形成された多層膜ミラーを用いることができる。また、少なくとも上部反射鏡の反射率はレーザ光を透過できる反射率とする。
本実施形態において上部反射鏡および下部反射鏡は共振器を構成するために、必要な反射率を有しているものであれば特に限定されない。例えば低屈折率層と高屈折率層とが交互に形成された多層膜ミラーを用いることができる。また、少なくとも上部反射鏡の反射率はレーザ光を透過できる反射率とする。
また、本実施形態に係る上部反射鏡、および下部反射鏡として、HCG(High Contrast Grating)ミラーを用いることができる。HCGミラーは、高屈折率の材料と低屈折率の材料とが面内方向に交互に周期的に並んだ構成である。HCGミラーとして、例えばAlGaAs層のような半導体層を加工して周期的な空隙を設けた、高屈折率領域(AlGaAs部)と低屈折領域(空隙部)の周期構造体が挙げられる。なお、本実施形態に係る上部反射鏡と下部反射鏡の構造や材料は各々独立に選ぶことができる。
なお、本実施形態に係る上部反射鏡と下部反射鏡の構造や材料は各々独立に選ぶことができる。
波長可変VCSELの場合、移動させる方の反射鏡(図1では上部反射鏡)を軽量なミラーとすることが、波長可変速度を高速にするという観点から好ましいため、上部反射鏡として厚い(重い)構成となる多層膜ミラーではなく、薄い(軽い)構成のHCGミラーを用いることが好ましい。
誘電体多層膜ミラーの例として、酸化シリコン層としてのSiO2層と酸化チタン層としてのTiO2層のペアを複数組有する誘電体多層膜が挙げられる。一方、半導体多層膜ミラーの例としては、AlGaAs層とGaAs層のペアを複数組有する半導体多層膜が挙げられる。なお、多層膜ミラーのペア数を適宜変えることによって高反射率の帯域幅や反射率を制御することが可能である。
また、本発明の実施形態においては、可動ミラーは静電引力で駆動するシリコンカンチレバーや梁構造のHCGミラーといったMEMS(Micro Electro Mechanical System)構造を用いることができる。
(活性層)
本実施形態における活性層は電流を注入することで光を発生する材料であれば特に限定されない。850nm付近の波長帯域の光を出射させる場合、AlnGa(1−n)As(nは0以上1以下の数)からなる量子井戸構造を有する材料を用いることができる。また、1050nm付近の波長帯域の光を出射させる場合、InnGa(1−n)As(nは0以上1以下の数)からなる材料などを用いることができる。また活性層は、単量子井戸または多重量子井戸を有するように複数の層で構成されたものであってもよい。
本実施形態における活性層は電流を注入することで光を発生する材料であれば特に限定されない。850nm付近の波長帯域の光を出射させる場合、AlnGa(1−n)As(nは0以上1以下の数)からなる量子井戸構造を有する材料を用いることができる。また、1050nm付近の波長帯域の光を出射させる場合、InnGa(1−n)As(nは0以上1以下の数)からなる材料などを用いることができる。また活性層は、単量子井戸または多重量子井戸を有するように複数の層で構成されたものであってもよい。
(第一のクラッド層、および第二のクラッド層)
本発明の実施形態においては、光やキャリアを閉じ込めるためにクラッド層が設けられる。また本発明の実施形態においては、共振器長を調整するためのスペーサとしての役割もクラッド層が担っている。
本発明の実施形態においては、光やキャリアを閉じ込めるためにクラッド層が設けられる。また本発明の実施形態においては、共振器長を調整するためのスペーサとしての役割もクラッド層が担っている。
本実施の形態における第一のクラッド層、第二のクラッド層として、出射する波長帯域によりAlの組成を適宜選択したAlGaAs層や、Al組成を変えたAlGaAs層の積層としてもよい。例えば、850nm付近の波長帯域の光を出射させる場合にはAl0.8GaAs層を用いることができ、1050nm付近の波長帯域の光を出射させる場合は、Al0.4GaAs層とGaAs層との積層を用いることができる。なお、第一のクラッド層と第二のクラッド層とは導電型が互いに異なるものである。また、共振器長については、波長固定VCSELではλ共振器であったり、5λ程度の長共振器とすることができるため、共振器長を確保するためにクラッド層厚を調整する。一方で、波長可変VCSELにおいては、可動ミラーの可動領域(後述の空隙部)や駆動、また電流狭窄構造を考慮すると3乃至は4λ共振器とすることが好ましく、クラッド層厚を調整する。なおクラッド層厚を調整する際には必ずしも第一のクラッド層と第二のクラッド層の厚さを同じにする必要はなく、共振器長を調整できれば適宜選択できる。
(電流狭窄層)
本発明の実施形態においては、レーザに注入された電流が流れる領域を制限するための電流狭窄層を必要に応じて設けることができる。電流狭窄層は水素イオン打ち込み、あるいはクラッド層内に設けたAl組成90%以上のAlGaAs層を選択的に酸化することで形成される。そして、複数の受光部のうち少なくとも1つが、電流狭窄層の上方に設けられることも好ましいものである。また、複数の受光部は、X方向において、一方の電極(例えば、上述した電極121や後述する電極721)とは重ならない位置に設けることも好ましいものである。こうすることで、電流狭窄層がないことにより注入電流密度が高まり光強度のピークが存在する位置と、受光部の位置とを互いにずらすことができる。
本発明の実施形態においては、レーザに注入された電流が流れる領域を制限するための電流狭窄層を必要に応じて設けることができる。電流狭窄層は水素イオン打ち込み、あるいはクラッド層内に設けたAl組成90%以上のAlGaAs層を選択的に酸化することで形成される。そして、複数の受光部のうち少なくとも1つが、電流狭窄層の上方に設けられることも好ましいものである。また、複数の受光部は、X方向において、一方の電極(例えば、上述した電極121や後述する電極721)とは重ならない位置に設けることも好ましいものである。こうすることで、電流狭窄層がないことにより注入電流密度が高まり光強度のピークが存在する位置と、受光部の位置とを互いにずらすことができる。
(制御部)
本発明の実施形態において、制御部は、上述したとおり、面発光レーザ1を駆動するための駆動回路と、複数の受光部からの光電変換信号を個別に受けてレーザ光の強度をそれぞれ測定するための測定回路と、を有する。そして、測定回路は、レーザ光の横モードを検出するための回路になっており、複数の受光部がそれぞれ接続されている。
本発明の実施形態において、制御部は、上述したとおり、面発光レーザ1を駆動するための駆動回路と、複数の受光部からの光電変換信号を個別に受けてレーザ光の強度をそれぞれ測定するための測定回路と、を有する。そして、測定回路は、レーザ光の横モードを検出するための回路になっており、複数の受光部がそれぞれ接続されている。
また、複数の受光部で検出された信号を前記面発光レーザの駆動にフィードバックするためのフィードバックループが形成されている。こうして、複数の受光部により検出された複数の光電変換信号に基づいて、面発光レーザの駆動電流を変更することができる。
更に、レーザ光の横モードがシングルモードであるか、マルチモードであるかを判定するために、検出された少なくとも2種類の光電変換信号をフィッティングさせて、レーザ光の強度分布や光出力の強度(積分値)を計測する。このような機能が実現できるものであれば、制御部が、測定部と、記憶部と、差分検出部とを有するハードウエアである必要はなく、マイクロプロセッサで実行されるプログラムによりソフトウエアでこのような機能を実現することも可能である。
更に、レーザ光の横モードがシングルモードであるか、マルチモードであるかを判定するために、検出された少なくとも2種類の光電変換信号をフィッティングさせて、レーザ光の強度分布や光出力の強度(積分値)を計測する。このような機能が実現できるものであれば、制御部が、測定部と、記憶部と、差分検出部とを有するハードウエアである必要はなく、マイクロプロセッサで実行されるプログラムによりソフトウエアでこのような機能を実現することも可能である。
(空隙部)
本実施形態における空隙部には通常固体が存在しない。よって、その雰囲気により空隙部は真空であってもよいし、空気、不活性ガス、水のような液体といった流体が存在してもよい。なお、空隙部の長さ(Y方向のギャップ長)は、波長可変帯域幅や可動ミラーのプルインを考慮して決定することができる。例えば、空隙部を空気とした1050nmを中心として波長可変帯域幅100nmで可変する3ないしは4λ共振器においては、空隙部の長さは1μm程度となる。
本実施形態における空隙部には通常固体が存在しない。よって、その雰囲気により空隙部は真空であってもよいし、空気、不活性ガス、水のような液体といった流体が存在してもよい。なお、空隙部の長さ(Y方向のギャップ長)は、波長可変帯域幅や可動ミラーのプルインを考慮して決定することができる。例えば、空隙部を空気とした1050nmを中心として波長可変帯域幅100nmで可変する3ないしは4λ共振器においては、空隙部の長さは1μm程度となる。
(光干渉断層計)
波長可変光源を用いた光干渉断層計(Optical Coherence Tomography、以下、OCTと略すことがある)は、分光器を用いないことから、光量のロスが少なく高SN比の断層像の取得が期待されている。
波長可変光源を用いた光干渉断層計(Optical Coherence Tomography、以下、OCTと略すことがある)は、分光器を用いないことから、光量のロスが少なく高SN比の断層像の取得が期待されている。
実施形態による面発光レーザをOCTの光源部に用いた例について図6を用いて説明する。
本実施形態に係るOCT装置6は、光源部601、干渉光学系602、光検出部603、情報取得部604、を少なくとも有する構成であり、光源部601として上述した面発光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604はフーリエ変換器を有する。ここで、情報取得部604がフーリエ変換器を有するとは、情報取得部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604が演算部を有し、該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、該演算部が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604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。光源部601から出た光は干渉光学系602を経て測定対象の物体612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603において受光される。なお光検出部603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603から情報取得部604に送られる。情報取得部604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612の情報(例えば断層像の情報)を取得する。なお、ここで挙げた光源部601、干渉光学系602、光検出部603、情報取得部604を任意に設けることができる。
以下、光源部601から光が発振されてから、測定対象の物体の断層像の情報を得るまでについて詳細に説明する。
光の波長を変化させる光源部601から出た光は、ファイバ605を通って、カップラ606に入り、照射光用のファイバ607を通る照射光と、参照光用のファイバ608を通る参照光とに分岐される。カップラ606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609を通って平行光になり、ミラー610で反射される。ミラー610で反射された光はレンズ611を通って物体612に照射され、物体612の奥行き方向の各層から反射される。一方、参照光はコリメーター613を通ってミラー614で反射される。カップラ606では、物体612からの反射光とミラー614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615を通り、コリメーター616を通って集光され、光検出部603で受光される。光検出部603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604に送られる。情報取得部604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。
得られた断層像の情報は、情報取得部604から画像表示部617に送って画像として表示させてもよい。なお、ミラー611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612の3次元の断層像を得ることができる。また、光源部601の制御は情報取得部604が電気回路618を介して行ってもよい。また図示しないが、光源部601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。
本発明の実施形態による面発光レーザは、光出力の強度を計測し、所望の範囲内とすることができるため、OCT装置に用いた場合、十分なS/Nを有する断層像を取得できる。
また、上記の方法により、出射される光の横モードをシングルモードに維持することができるため、出力が安定である。
本実施形態に係る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とし、眼底の断層像に関する情報を取得するために用いることが好適である。
特に測定対象を人体の眼底とし、眼底の断層像に関する情報を取得するために用いることが好適である。
(他用途)
本発明の実施形態による面発光レーザは、上記のOCT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。
本発明の実施形態による面発光レーザは、上記のOCT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。
以下に本発明の実施例について説明する。
(実施例1)
実施例1においては、共振器内部に複数の受光部を備えるカンチレバー型のMEMS構造とした可動ミラーを有する波長可変面発光素子としての波長可変VCSELについて説明する。
実施例1においては、共振器内部に複数の受光部を備えるカンチレバー型のMEMS構造とした可動ミラーを有する波長可変面発光素子としての波長可変VCSELについて説明する。
図7に、本実施例における波長可変VCSELの構成を説明する模式図を示す。図7(a)は本実施例に係る波長可変VCSELの上面図であり、図7(b)は図7(a)中のC−C’断面における断面図である。図7(a)は、図7(b)に示す波長可変VCSELの可動ミラーを除く部分を上部方向(紙面上方向)から見たときの受光部周辺を示している。
図7(b)において、
III−V族化合物半導体としてのGaAs層からなるn型の半導体基板760の上には、III−V族化合物半導体としてのAl0.8GaAs層(68.1nm厚)とAl0.3GaAs層(62nm厚)とのペアが45組繰り返し積層されたn型の多層膜ミラー701が設けられている。
III−V族化合物半導体としてのGaAs層からなるn型の半導体基板760の上には、III−V族化合物半導体としてのAl0.8GaAs層(68.1nm厚)とAl0.3GaAs層(62nm厚)とのペアが45組繰り返し積層されたn型の多層膜ミラー701が設けられている。
多層膜ミラー701の上には、Al0.8GaAs層(102.6nm厚)からなるn型のクラッド層702が設けられている。n型のクラッド層702の上には、GaAs井戸層(10nm厚)とAl0.3GaAsバリア層(10nm厚)の組み合わせからなる三重量子井戸構造からなる活性層703が、活性層703の上には、Al0.8GaAs層(337.4nm厚)からなるp型のクラッド層704が、更に設けられている。
p型のクラッド層704の上には、GaAs層(25nm厚)からなるn型の受光部750が多数設けられている。
更に、この波長可変VCSEL7は、レーザの駆動および受光部750からの光電変換信号測定のためのアノード電極721と、レーザの駆動用のカソード電極720と、を有し、制御部としての電流可変の駆動電源770に接続されている。
可動ミラー706は、シリコンカンチレバー(2um厚)731の先端側の部位の下方の面に設けられており、酸化シリコン層730(1μm厚)、シリコンカンチレバー(2um厚)731、酸化シリコン膜(2.5um厚)732、シリコン基板733により基板760上に、間に幾つかの層を介して支持されている。可動ミラー706は。SiO2層(145.5nm厚)とTiO2層(90nm厚)とのペアが10組繰り返し積層された誘電体多層膜ミラーである。図7において共振器内の光路は、上部反射鏡706および下部反射鏡701とで構成される共振器内の領域L(点線で示した領域)である。なお、酸化シリコン層730の層厚が空隙部の厚さとなり、可動ミラーが駆動していない状態での共振器長は3λとしている。またシリコンカンチレバーを静電引力で駆動するために電圧を印加するためのTi/Au電極734とTi/Au電極735を形成している。
本実施例では、シリコンカンチレバー731の先端側の部位の下方の面に可動ミラー706を設けたが、上方の面に可動ミラー706を設けた後に、シリコンカンチレバー731の先端側の部位の一部を除去する構成としてもよい。
図7に示すように、クラッド層704の上面側には、26個の受光部750が設けられており、そのうち、8個は領域F2内に、12個は領域F3内に、2個は領域F3より外部に、4個は領域F3の内外に亘って向けられており、中心を含む領域F1には、受光部は設けられていない。
図8に、複数の受光部750付近の模式的断面図を示す。本実施例における複数の受光部750は、それぞれp層(p−Al0.8GaAs,50nm厚)753、i層(i−GaAs,50nm厚)752、n層(n−Al0.3GaAs,100nm厚)751からなるpinフォトダイオードであり、クラッド層704の上に設けられている。また、pinフォトダイオードには、光電変換信号を読み出すための検出用の個別カソード電極755と、レーザのアノード電極とフォトダイオードのアノード電極とを兼ねるコモン電極721が接続されている。図8において各pinフォトダイオード間には絶縁層(酸化シリコン、200nm厚)754が設けられ複数の受光部705は互いに素子分離されている。各pinフォトダイオードはバイアス電源により逆バイアス電圧が印加されており、図7では不図示の測定部により光電変換信号が測定可能である。
また、クラッド層704は、p型のクラッド層704の一部にプロトンのイオン打ち込みにより形成された電流狭窄層716を有しているため、電極721から供給された電流は、電流狭窄層706の開口部分707を通って、活性層703に注入される。図7(b)においては、1つの受光部750への配線のみ示しているが、他の受光部750にも配線がされているものとする。なお、本実施例の波長可変VCSELを駆動する電極として、は、電極721はTi層(20nm)およびAu層(100nm)からなる金属の多層膜を用い、電極720はAuとGeの混晶(100nm)、Ni(20nm)、およびAu(100nm)からなる金属の多層膜を用いる。また、波長850nmを中心とした±50nmの波長帯域で掃引するための可動ミラーを駆動するための電極734及び735としてTi層(20nm)およびAu層(100nm)からなる金属の多層膜を用いる。
本実施例では、SOI(Silicon on Insulator)基板を加工して形成したシリコンMEMS構造を出射側ミラー(上部ミラー)705が形成された駆動部として利用している。駆動部には、下部の多層膜ミラー(半導体DBRミラー)701、下部のクラッド層702、活性層703、上部のクラッド層704、複数の受光部750等が形成された化合物半導体基板706が接合されて、波長可変VCSELを構成している。
本実施例では、プロトン注入領域で規定される発光領域、すなわちプロトンのイオン打ち込みによって形成される電流狭窄構造の開口部707は5μm直径の円形とする。また、受光部750は、発光領域の中心から半径2μmの円形領域F1には形成せず、この円形領域の周囲にある半径2〜5μmの円環状の領域F2、および半径5μm〜8μmの円環状の領域F3に複数個形成し、F2,F3で示される領域のさらに外側の領域にも設けており、それぞれが個別に駆動するように配線(不図示)を設置している。このように複数の受光部750を配置することにより、NFP(Near Field Pattern)に対応した光強度分布を観測することが可能な受光部を形成できる。この複数の受光部からの信号強度がNFPに対応した光強度分布と対応しており、横モードの状態(シングルモードか、あるいはマルチモードか)を判断することが可能となる。
ここで、図2を用いて本実施例における面発光レーザの光出力の強度の計測、および横モードの判定のプロセスについて説明する。
まず、図2(a)に示すような光強度分布の場合、F2の領域にある複数の受光部で光強度I2に相当する光信号が検出される。この場合、I2<IAであるため、シングルモード動作であると判断する。また、データテーブルとのフィッティングにより、I2の値から光出力の強度を算出できる。
次に、図2(c)に示すような光強度分布の場合、F2の領域にある受光部群P1及び受光部群P2で光強度I2’’に相当する光信号が検出される。この場合、I2’’>IAであるため、マルチモード動作であると判断される。
次に、図2(d)に示すような光強度分布の場合、F2の領域にある受光部のうちの一部の受光部群P1で光強度I2’’’、に相当する光信号が検出され、受光部群P2では光信号が検出されなかったとする。このような場合、図2(d)に示すようなNFPが想定され、電流狭窄領域の中心から外れた点で単峰性のピークを有するシングルモード動作の出射光と判断できる。このように受光部を複数設けているため、中心から偏ったNFPに対応した光強度分布は、複数の受光部からの信号強度分布に対応しているため、単一の受光部を設置した場合と比べ、モード状態の判断精度を高くすることが可能となる。
さらに、本実施例においては、F2よりもさらに外側のF3の領域やF3よりもさらに外側の領域にも受光部を複数個設置しているため、F3の領域にピークが生じるような、より高次のマルチモード動作を検知することができる。また、図7のように受光部を3つ以上設けることで、一部を光出力の強度のモニタ用とし、その他を横モードのモニタ用と機能を別にすることもできる。
以上説明したように、波長可変VCSELの共振器内部に複数の受光部を設け、複数の受光部からの信号強度をモニタし、発光部へ注入する電流量を調節することにより、波長可変範囲の光出力を5±0.5mWの範囲に収め、且つ全波長域においてシングルモードで動作するよう、波長可変駆動させながら安定駆動を実現することが可能となる。
次に、本実施例の波長可変VCSELの製造方法について説明する。
まず、GaAs層からなるn型の半導体基板760上に、n型の半導体多層膜ミラー701、n型のクラッド層702、活性層703、p型のクラッド層704を、MOCVD結晶成長技術を用いて順次積層する。
次に、p型のクラッド層704上に酸化シリコン膜を成膜し、電流狭窄構造を形成するためのプロトン注入時のマスクとして機能するようフォトリソグラフィー技術とエッチング技術を用いて加工する。この酸化シリコン膜のマスク(不図示)を形成後にプロトン注入を行い、電流狭窄構造を形成する。なお、電流狭窄構造を形成する別の手法としては、クラッド層704の内部にAl組成が90%以上のAlGaAs層(30nm厚)を介在させておいて、その部分を側面からx軸方向に選択的に酸化させて酸化アルミニウムに転化して高抵抗な領域として形成してもよい。
次に、酸化シリコン膜のマスクを除去した後に、受光部750を形成するために、受光部750を構成するp型Al0.8GaAs層753、i型GaAs層752、n型Al0.3GaAs層751を順次積層し、n型Al0.3GaAs層751上にエッチング用のレジストパターンを形成する。そのパターンを転写するようにp型Al0.8GaA層753、i型GaAs層752、n型Al0.3GaAs層751をエッチングして、それぞれがpinフォトダイオードとして機能する26個の島状の部分(受光部)を形成する。この時のエッチングはドライエッチングでもウエットエッチングでもよい。
次に、コモン電極と可動ミラー部の接合部とを兼ねた金属層721(以下、単にコモン電極と略すことがある)をフォトリソグラフィー技術、真空蒸着技術、及びリフトオフ技術を用いて形成する。
次に、複数の受光部750の個別カソード電極755を形成するために、コモン電極721が形成されたVCSELの表面を酸化シリコン膜(不図示)で覆い、その後フォトリソグラフィー技術、及びエッチング技術を用いて、受光部のn型Al0.3GaAs層751の一部を露出させる。また、コモン電極と可動ミラー部の接合部とを兼ねた金属層721の一部も露出させる。その後、個別カソード電極755をフォトリソグラフィー技術、真空蒸着技術、及びリフトオフ技術を用いて形成する。
次に、VCSEL駆動用のカソード電極720を半導体基板760の裏面に真空蒸着技術を用いて形成し、化合物半導体発光素子が完成する。なお、受光部のカソード電極755には正電圧が印加され、VCSEL駆動用のカソード電極720には負電圧が印加される。
また、上記本実施例の各々の半導体層の導電型を逆にした構成とてもよい。すなわち、p型の半導体層はn型の半導体層とし、n型の半導体層は、p型の半導体層としてもよい。また、p型の半導体層のドーパントはZn、n型はCを用いることができるが、これに限るものではない。
なお、本実施例の波長可変VCSELは、波長850nmを中心としていた±50nmの可変波長帯域で掃引するものを想定しているがこの波長帯域に限定されるものではなく、各層の材料を適切に選択することにより、後述する実施例2のように波長1μmを中心とした±50nmの波長帯域で波長掃引してもよい。
(実施例2)
本実施例では、実施例1における面発光レーザを構成する各半導体層の材料組成を変えて、1μm帯の波長帯域において波長掃引可能な面発光レーザとしての波長可変VCSELについて説明する。本実施例の波長可変VCSELの基本的な構成は実施例1に示した構成と同じであり、異なる点を以下に示す。本実施例では、具体的には、基板760上のn型の下部反射鏡701として、GaAs層(71.9nm厚)およびAlAs層(89.9nm厚)とで構成されたDBRを用いる。又、n型の第一のクラッド層702として、Al0.4GaAs層(74.6nm厚)とGaAs層(50nm厚)を用いる。そして、活性層703として、In0.32GaAs井戸層(8nm厚)、およびGaAsバリア層(10nm厚)で構成される多重量子井戸層を用いる。更に、p型の第二のクラッド層704として、GaAs層(50nm厚)とAl0.4GaAs層(470nm厚)を用いる。
本実施例では、実施例1における面発光レーザを構成する各半導体層の材料組成を変えて、1μm帯の波長帯域において波長掃引可能な面発光レーザとしての波長可変VCSELについて説明する。本実施例の波長可変VCSELの基本的な構成は実施例1に示した構成と同じであり、異なる点を以下に示す。本実施例では、具体的には、基板760上のn型の下部反射鏡701として、GaAs層(71.9nm厚)およびAlAs層(89.9nm厚)とで構成されたDBRを用いる。又、n型の第一のクラッド層702として、Al0.4GaAs層(74.6nm厚)とGaAs層(50nm厚)を用いる。そして、活性層703として、In0.32GaAs井戸層(8nm厚)、およびGaAsバリア層(10nm厚)で構成される多重量子井戸層を用いる。更に、p型の第二のクラッド層704として、GaAs層(50nm厚)とAl0.4GaAs層(470nm厚)を用いる。
そして、受光部750として、InGaAs層(25nm厚)からなるn型の半導体を用いる。このような構成とすることで、波長1μmを中心とした±50nmの波長帯域での波長掃引が可能となる。
1 面発光レーザ
2、7 波長可変VCSEL
6 光干渉断層計
101 下部反射鏡
102 第一のクラッド層
103 活性層
104 第二のクラッド層
105 上部反射鏡
120 第一の電極
121 第二の電極
150 受光部
160 基板
2、7 波長可変VCSEL
6 光干渉断層計
101 下部反射鏡
102 第一のクラッド層
103 活性層
104 第二のクラッド層
105 上部反射鏡
120 第一の電極
121 第二の電極
150 受光部
160 基板
Claims (19)
- 上部反射鏡と、下部反射鏡と、それらの間に設けられた活性層と、を有する面発光レーザにおいて、
前記上部反射鏡と前記下部反射鏡とで形成される共振器内の光路に、レーザ光を検出するための、互いに独立した複数の受光部が設けられていることを特徴とする面発光レーザ。 - 前記活性層と前記下部反射鏡との間に第一のクラッド層が、前記上部反射鏡と前記活性層との間に第二のクラッド層が設けられ、前記上部反射鏡との間の光路に空隙部を有し、
前記下部反射鏡と前記上部反射鏡との間の距離を変化させる駆動部を有することを特徴とする請求項1に記載の面発光レーザ。 - 前記活性層と前記下部反射鏡との間に第一のクラッド層が、前記上部反射鏡と前記活性層との間に第二のクラッド層が設けられ、
前記複数の受光部のうち少なくともいずれか1つが、前記第二のクラッド層上に設けられている請求項1または2に記載の面発光レーザ。 - 前記複数の受光部のうち少なくともいずれか1つが、前記上部反射鏡の上に設けられている請求項1乃至3のいずれか一項に記載の面発光レーザ。
- 前記複数の受光部のうち少なくともいずれか1つは、前記面発光レーザから出射される光の光強度のピーク値の1/10以下の光強度となる位置に設けられている請求項1乃至4のいずれか一項に記載の面発光レーザ。
- 前記複数の受光部のうち少なくともいずれか1つは、前記面発光レーザから出射される光強度のピーク値の1/100以下の光強度となる位置に設けられている請求項1乃至5のいずれか一項に記載の面発光レーザ。
- 前記複数の受光部のうち少なくともいずれか1つは、前記光路の中心から半径10μmの領域の内部に設けられている請求項1乃至6のいずれか一項に記載の面発光レーザ。
- 前記複数の受光部のうち少なくともいずれか1つは、前記光路の中心から半径2μmの領域の外側に設けられている請求項1乃至7のいずれか一項に記載の面発光レーザ。
- 前記活性層と前記下部反射鏡との間に半導体層を有する第一のクラッド層が、前記上部反射鏡と前記活性層との間に半導体層を有する第二のクラッド層が設けられ、
前記複数の受光部のうち少なくともいずれか1つは、前記第一のクラッド層または前記第二のクラッド層と隣接しており、隣接する前記第一のクラッド層または前記第二のクラッド層の導電型とは異なる導電型の半導体層を有する請求項1乃至8のいずれか一項に記載の面発光レーザ。 - 前記複数の受光部は、レーザ光の横モードを検出するための回路に接続されている請求項1乃至9のいずれか一項に記載の面発光レーザ。
- 前記複数の受光部は、レーザ光の強度を測定するための回路に接続されている請求項1乃至10のいずれか一項に記載の面発光レーザ。
- 前記複数の受光部で検出された信号を前記面発光レーザの駆動にフィードバックするためのフィードバックループが形成されている請求項1乃至11のいずれか一項に記載の面発光レーザ。
- 前記複数の受光部のうち少なくとも1つが、電流狭窄層の上方に設けられている請求項1乃至12のいずれか一項に記載の面発光レーザ。
- 前記複数の受光部の数は3つ以上であり、それらが、レーザ光の放射方向と交差する面に、2次元状に設けられている請求項1乃至13のいずれか一項に記載の面発光レーザ。
- 前記複数の受光部で検出した光強度に基づいて前記面発光レーザの横モードを制御する制御部を有する請求項1乃至14のいずれか一項に記載の面発光レーザ。
- 前記制御部は、前記面発光レーザから出射される光の横モードがシングルモードとなるように制御する請求項15に記載の面発光レーザ。
- 光の波長を変化させる光源部と、
前記光源部からの光を物体へ照射する照射光と参照光とに分岐させ、前記物体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を処理して、前記物体の情報を取得する情報取得部と、
を有する光干渉断層計において、
前記光源部が請求項1乃至16のいずれか一項に記載の面発光レーザであることを特徴とする光干渉断層計。 - 前記情報取得部が生体の断層像に関する情報を取得する請求項17に記載の光干渉断層計。
- 前記生体の断層像に関する情報は眼底の断層像に関する情報である請求項18に記載の光干渉断層計。
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