JP2015103741A - 面発光レーザ、およびそれを用いた光干渉断層計 - Google Patents

Abstract

【課題】 広い波長帯域にわたって閾値電流が大きくならない面発光レーザの提供を目的とする。
【解決手段】 下部反射鏡と、活性層と、空隙部と、上部反射鏡と、をこの順に有し、前記下部反射鏡、前記上部反射鏡との間の距離を変化させることによって出射する光の波長を可変とする面発光レーザであって、前記下部反射鏡と前記上部反射鏡のいずれか一方を前記出射する光の光軸方向に変位させる駆動部を有し、前記下部反射鏡および前記上部反射鏡の少なくともいずれか一方は、第一の層と、前記第一の層より小さい屈折率を有する第二の層とが交互に積層され、かつ、両端の層が前記第一の層である積層体を有し、前記積層体の両端の少なくともいずれか一方に、第三の層がさらに設けられていることを特徴とする面発光レーザ。
【選択図】 図１

Description

本発明は、面発光レーザ、および面発光レーザを用いた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 ＣａｖｉｔｙＳｕｒｆａｃｅ 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、出射光の波長を変化させることができる波長可変ＶＣＳＥＬというものがある。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。この、出射光の波長を変えることができる面発光レーザを、以下では、波長可変ＶＣＳＥＬということがある。

一方、波長可変ＶＣＳＥＬは光干渉断層計（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ、以下ＯＣＴと略すことがある）用の光源として好適であることが知られている。波長可変ＶＣＳＥＬをＯＣＴ用の光源に利用する場合、ＯＣＴの深さ分解能の向上のために、波長可変幅のさらなる広帯域化が望まれている。波長可変ＶＣＳＥＬの波長可変幅を広くする手段の１つとして、活性層の上下に設けられる反射鏡において、広い反射帯域で高反射率とすることが挙げられる。

非特許文献１では、一対の分布ブラッグ反射鏡（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ、以下ＤＢＲと略すことがある）が活性層の上下に設けられた構成を有する波長可変ＶＣＳＥＬを開示している。

ＩＥＥＥ ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＮ ＳＥＬＥＣＴＥＤ ＴＯＰＩＣＳ ＩＮ ＱＵＡＮＴＵＭ ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ，Ｖｏｌ．６，Ｎｏ．６，Ｎｏｖ．２０００

ここで、反射鏡としては、レーザ発振に必要な高反射率を得るために、誘電体または半導体の多層膜で構成されたＤＢＲを使用する事が一般的である。一般的なＤＢＲは、屈折率の異なる２種類の層を、その光学厚さを、レーザ光の波長帯域の中心波長の１／４となるようにして、交互に積層することで形成される。ここで光学厚さとは、その層の厚さに、層を構成する物質の屈折率を掛けた値である。ＤＢＲの反射率、反射帯域は２種類の層の屈折率差と積層数で決まり、２種類の層の屈折率差が大きいほど、また、積層数が多いほど広帯域で高反射率な反射特性を得ることができる（図９（ａ）（ｂ））。このとき、反射率の高い波長範囲を広げようとすると、反射率自体も高くなる（図９（ａ）（ｂ））。一方、レーザにおいて光取り出し側の反射鏡の反射率が高すぎると光取り出しができず、反射率が低すぎるとレーザ発振の閾値が増大する。そのため、光取り出し側の反射鏡の反射率は適切なものとする必要がある。

すなわち、広帯域にわたって高反射率にするために、ＤＢＲを構成する各層の積層数を増やすと、反射率が高くなり過ぎ、光をレーザの外に取り出すことが難しくなることがある。一方、反射率が低いと共振器外に出る光が増え、レーザ発振しにくくなる。したがって、反射率が高過ぎる場合には発光効率が小さくなり、反射率が低い場合にはレーザ光を出射させるための閾値電流が増大する、といったことが生じうる。

そこで本発明は、上記課題に鑑み、広い波長帯域にわたって発光効率が小さくならない、または閾値電流が大きくならない反射率の反射鏡を有する面発光レーザの提供を目的とする。

本発明に係る面発光レーザは、
下部反射鏡と、活性層と、空隙部と、上部反射鏡と、をこの順に有し、前記下部反射鏡、前記上部反射鏡との間の距離を変化させることによって出射する光の波長を可変とする面発光レーザであって、
前記下部反射鏡と前記上部反射鏡のいずれか一方を前記出射する光の光軸方向に変位させる駆動部を有し、
前記下部反射鏡および前記上部反射鏡の少なくともいずれか一方は、第一の層と、前記第一の層より小さい屈折率を有する第二の層とが交互に積層され、かつ、両端の層が前記第一の層である積層体を有し、
前記積層体の両端の少なくともいずれか一方に、前記出射する光の中心波長をλ_０としたときに、光学厚さｎｄが、０＜ｎｄ＜λ_０／２である第三の層がさらに設けられ、前記第三の層の屈折率は前記第一の層より小さく、かつ、前記第三の層の隣接する層のうち前記積層体とは逆側の層よりも大きいことを特徴とする。

本発明に係る面発光レーザによれば、面発光レーザを構成する反射鏡に、反射を抑制する層を設けることで、広い波長帯域にわたって発光効率が小さくならない、または閾値電流が大きくならない面発光レーザを提供することができる。

本発明の実施形態に係る波長可変ＶＣＳＥＬの構成を示す断面図。 本発明の実施形態における上部反射鏡の構成を示す断面図。 本発明の実施形態に係る波長可変ＶＣＳＥＬの反射率低減効果を説明するための図。 本発明の実施形態における上部反射鏡の反射率の波長依存性を示す計算結果。 （ａ）本発明の実施形態における上部反射鏡の別の構成を示す図。（ｂ）本発明の実施形態における上部反射鏡の別の構成を用いた場合の反射率の波長依存性を示す計算結果。 本発明の実施形態に係る光干渉断層計の構成を示す図。 本発明の実施例２に係る波長可変ＶＣＳＥＬの構成を示す断面図。 本発明の実施例３に係る波長可変ＶＣＳＥＬの構成を示す断面図。 本発明の課題について説明するための図。

以下に、本発明の実施形態に係る波長可変ＶＣＳＥＬについて説明する。図１は本実施形態に係る面発光レーザの断面図である。

本実施形態に係る面発光レーザは図１のように、下部電極１０１と、下部電極１０１の上に形成された基板１０２と、基板１０２の上に形成された下部反射鏡１１０と、下部反射鏡１１０の上に形成された下部クラッド層１０３と、下部クラッド層１０３の上に形成された活性層１０４と、活性層１０４の上に形成された上部クラッド層１２０と、上部クラッド層１２０の上に形成された上部電極１０５とを有する。また、上部クラッド層１２０の上に、絶縁層１０６が形成され、絶縁層１０６の上には、上部反射鏡１３０が形成されている。また、上部クラッド層１２０と上部反射鏡１３０との間は離間しており、空隙部１０７を有する。下部電極１０１、および上部電極１０５を用いて活性層１０４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１１０と上部反射鏡１３０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１０２の表面に対して垂直な方向に、すなわちｙ方向に、上部反射鏡１３０を透過して、特定の波長のレーザ光として出射される。また、上部クラッド層１２０は、電流狭窄層１２１を有するため、電極１０５から供給された電流は、電流狭窄層１２１の開口部分１２２を通って、活性層１０４に注入される。

ここで、上部クラッド層１２０と空隙部１０７との界面から、上部反射鏡１３０と空隙部１０７との界面までの距離（図１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を変化させる駆動部１４０を用いれば、出射されるレーザ光の波長を変化させることができる。別の言い方をすれば、駆動部１４０を用いて、上部反射鏡１３０を光軸方向（図１のｙ方向）に上部反射鏡１３０を変位させることでレーザ光の波長を変化させることができる。

本実施形態に係る面発光レーザにおいて、下部反射鏡１１０と上部反射鏡１３０はともにＤＢＲである。下部反射鏡１１０は、高屈折率の層と低屈折率の層とが交互に積層された多層膜で構成されている。

上部反射鏡１３０について、上部反射鏡１３０の拡大図である図２を用いて説明する。上部反射鏡１３０は、第一の層１３１と第二の層１３２とが交互に積層された積層体１３４を有し、第二の層１３２の屈折率（ｎ_２）は第一の層１３１の屈折率（ｎ_１）よりも小さい（ｎ_１＞ｎ_２）。また、積層体１３４の積層方向の両端の層が第一の層１３１である。なお、図１、２に示す上部反射鏡１３０を構成する層の積層数は一例であり、実際にはより多くの層を有する。なお、第一の層１３１、第二の層１３２は本実施形態に係る面発光レーザの中心波長λ_０の１／４の光学厚さとしている。

なお、本明細書において中心波長とは、面発光レーザから出射される光の波長範囲の中心の波長という意味で使用する。つまり、面発光レーザから出射される光の最短波長と最長波長の中心の波長を意味する。レーザから出射される光の波長は共振器長の変動幅、反射鏡の反射帯域、活性層の利得帯域などの要素によって決まる。設計時は、基本的には中心波長を設定して、それに合わせて各要素の構成を決める。

上部反射鏡１３０を構成する第一の層１３１と第二の層１３２の積層数を増やすことで、上部反射鏡１３０に、広帯域にわたって高反射率な反射特性をもたせることができる。しかし、上述したように、広帯域にわたって高反射率な反射特性をもたせたときに、反射率が高くなりすぎてしまい、光が取り出される側の反射鏡である上部反射鏡１３０を光が透過しにくくなり、レーザ光を出射する際の発光効率が小さくなる。

そこで本実施形態に係る面発光レーザでは、積層体１３４の反射スペクトルにおいて特に反射率が高くなってしまう、中心波長付近の反射を抑制する層を設ける。

具体的には、積層体１３４の両端の両方に、中心波長付近の反射を抑制するために光学厚さｎｄが０＜ｎｄ＜λ_０／２である第三の層１３３がさらに設けられる。第三の層１３３は、第一の層１３１の屈折率より小さく、かつ、前記第三の層１３３の隣接する層（１３１または１０８）のうち積層体１３４とは逆側の層、すなわち空気の層１０８の屈折率よりも大きい屈折率（ｎ_３）を有する。なお、屈折率ｎ_１、ｎ_２、ｎ_３はいずれも空気の層１０８の屈折率（≒１）よりも大きい。なお、第三の層の光学厚さｎｄは、面発光レーザの中心波長をλ_０としたときに、λ_０／８＜ｎｄ＜３λ_０／８であることが好ましく、λ_０／４であることが特に好ましい。なぜなら、第三の層１３３の光学厚さがλ_０／４であるとき、中心波長における反射抑制効果が高く、λ_０／４よりも厚くなるにつれて、反射抑制効果が高い領域が長波長側にシフトし、薄くなるにつれて短波長側にシフトするからである。本実施形態では、第三の層１３３は本実施形態に係る面発光レーザの中心波長λ_０の１／４の光学厚さとしている。次に図３（ａ）（ｂ）を用いて、第三の層１３３を設けることにより、反射抑制効果を得られる理由について説明する。まず、図３（ａ）のように、第三の層１３３が設けられていない場合、第一の層１３１と空気の層１０８との界面で反射した光Ｌ_１と第二の層１３２と第一の層１３１との界面で反射した光Ｌ_２とは、同じ位相を有するため強めあい、反射光が残る。なぜなら光Ｌ_１は光Ｌ_２に比べて光路長がλ_０／２大きく、かつ光Ｌ_２は低屈折率（ｎ_２）の層からきて高屈折率（ｎ_１）の層の界面で反射する際に位相がλ_０／２ずれるからである。結果的にＬ_１とＬ_２とは同じ位相を有する。

一方、図３（ｂ）のように、第三の層１３３が設けられている場合、第三の層１３３と空気の層１０８との界面で反射した光Ｌ_１’と第一の層１３１と第三の層１３３との界面で反射した光Ｌ_２’とは、位相がλ_０／２異なるため弱めあい反射が起きないからである。なぜなら光Ｌ_１’は光Ｌ_２に比べて光路長がλ_０／２大きく、かつ光Ｌ_２は高屈折率（ｎ_１）の層からきて低屈折率（ｎ_３）の層の界面で反射する際に位相がずれないからである。結果的にＬ_１とＬ_２とは異なる位相を有する。

また、このような反射の抑制効果は中心波長λ_０に近いほど大きいため、特に反射率が高くなる中心波長付近の反射率が低くなり、中心波長λ_０に比べて反射率が低い波長帯域においては、反射の抑制効果が小さい。

その結果、広い波長帯域にわたって反射率が高くなりすぎず、また、低くならず、レーザ光を出射させるための閾値電流の増大や発光効率の低下を抑制できる。

ここで、第三の層１３３を設けることにより、反射率が抑制されることを示す計算結果を示す（図４）。計算では、高屈折率層である第一の層にはＡｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ、低屈折率層である第二の層にはＡｌ_０．８Ｇａ_０．２Ａｓ、第三の層にはＡｌ_０．５５Ｇａ_０．４５Ａｓを用いた。屈折率はそれぞれ、ｎ_１＝３．３５、ｎ_２＝３．０５、ｎ_３＝３．１４である。図４に、上記第一の層と第二の層を交互に２２ペア積層した構造にさらに第一の層を積層して積層体の両端の層が第一層となるようにした反射鏡（２２．５ペア）の反射率の波長依存性を点線で示す。また、上記第一の層と第二の層を交互に４７ペア積層した構造にさらに第一の層を積層して積層体の両端の層が第一層となるように構成される反射鏡（４７．５ペア）の反射率の波長依存性を一点鎖線で示す。さらに、上記反射鏡（４７．５ペア）の両端にさらに第三の層を設けた構成の反射鏡（４７．５ペア＋第三の層）を実線で示す。なお、第一乃至第三の各層の光学厚さは、中心波長（１０６０ｎｍ）の１／４とした。図４によると、反射鏡（２２．５ペア）のピーク反射率は９９．５％程度、反射鏡（４７．５ペア）のピーク反射率は９９．９％程度となる。反射鏡（２２．５ペア）は光取り出しのために適当なピーク反射率を有しているが、反射帯域が狭い。一方、反射鏡（４７．５ペア）を用いた場合、反射帯域は広いが、ピーク反射率が９９．９％程度と高いため、光取り出し効率が良くない。本実施形態における反射鏡（４７．５ペア＋第三の層）では反射帯域が広く、かつ、最適範囲の反射率を有している。このような反射鏡を取り出し側の反射鏡に用いることで、面発光レーザにおいて、広帯域にわたってレーザ光を効率的に発振することができる。

上記では、上部反射鏡１３０が積層体１３４の両端にさらに第三の層１３３が設けられた多層膜構造について説明したが、下部反射鏡１１０がこのような第三の層を有する多層膜構造であってもよい。また、上部、下部の両方の反射鏡がこのような第三の層を有する多層膜構造であってもよい。また、上部反射鏡１３０あるいは下部反射鏡１１０において、両端の両方ではなく、両端のいずれか一方に第三の層１３３が設けられていてもよい。

図５（ａ）に、積層体１３４の両端の一方に第三の層１３３が設けられた構造を有する上部反射鏡１３０の例を示す。また、先と同様、第三の層１３３を設けることにより、反射率が抑制されることを示す計算結果を示す（図５（ｂ））。計算では、高屈折率層である第一の層１３１にはＡｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ、低屈折率層である第二の層１３２にはＡｌ_０．８Ｇａ_０．２Ａｓ、第三の層１３３にはＡｌ_０．４５Ｇａ_０．５５Ａｓを用いた。屈折率はそれぞれ、ｎ_１＝３．３５、ｎ_２＝３．０５、ｎ_３＝３．２である。

図５（ｂ）に、上記第一の層と第二の層を交互に２２ペア積層した構造にさらに第一の層を積層して、両端の層が第一の層１３１となるようにした反射鏡（２２．５ペア）の反射率の波長依存性を点線で示す。また、上記第一の層と第二の層を交互に４０ペア積層した構造にさらに第一の層を積層して両端の層が第一層となるようにした反射鏡（４０ペア）の反射率の波長依存性を一点鎖線で示す。さらに、上記反射鏡（４０ペア）の両端の層である第一の層にさらに第三の層を設けた構成の反射鏡（４０ペア＋第三の層）の反射率の波長依存性を実線で示す。なお、第一乃至第三の各層の光学厚さは、中心波長（１０６０ｎｍ）の１／４とした。

図５（ｂ）によると、図４と同様、積層体の両端の両方に第三の層を設ける場合と同様な効果を得ることが確認できる。すなわち、反射鏡（２２．５ペア）のピーク反射率は９９．５％程度、反射鏡（４０．５ペア）のピーク反射率は９９．９％程度となる。反射鏡（２２．５ペア）は光取り出しのために適当なピーク反射率を有しているが、反射帯域が狭い。一方、反射鏡（４０．５ペア）は、反射帯域は広いが、ピーク反射率が９９．９％程度と高いため、光取り出し効率が良くない。本実施形態における反射鏡（４０．５ペア＋第三の層）では反射帯域が広く、かつ、適切な範囲内の反射率を有している。このような反射鏡を取り出し側の反射鏡に用いることで、面発光レーザにおいて、広帯域にわたってレーザ光を効率的に発振することができる。図５（ａ）のように、第三の層が一方だけに設けられた構成の反射鏡は、下部反射鏡に適用する場合に好適である。下部反射鏡として用いる場合、第三の層１３３は積層体１３４と、（ｉ）下部クラッド層１０３、（ｉｉ）基板１０２、（ｉｉｉ）基板１０２と電極１０１をくり抜かれていれば空気の層１０９、のいずれかと接する。このとき、第三の層１３３は、下部クラッド層１０３、基板１０２、空気の層１０９よりも屈折率が高い。

（ｉｉｉ）の場合、基板から半導体層をエピタキシャル成長させたあとに基板を下部反射鏡までエッチング等でくり抜くことで、第三の層の界面を屈折率差の大きい空気とすることができる。

（上部反射鏡、および下部反射鏡）
本実施形態においては上部反射鏡および下部反射鏡は、少なくともいずれか一方が上記のような多層膜を有する積層体であればよく、両方ともに上記のような多層膜を有する積層体であってもよい。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。

また、上部反射鏡および下部反射鏡の一方が、回折格子、例えば高屈折率差サブ波長回折格子（Ｈｉｇｈ Ｃｏｎｔｒａｓｔ Ｇｒａｔｉｎｇ、以下ＨＣＧと略すことがある）ミラーであってもよい。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ミラーの例として、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。

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。そのため、本実施形態において、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。

また、上部反射鏡および下部反射鏡で用いる多層膜を有する積層体は半導体多層膜ミラーに限らず、誘電体多層膜ミラーを用いてもよい。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ＳｉＯ_２層と酸化チタン層としてのＴｉＯ_２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、すなわち第一の層、第二の層、および第三の層がいずれも半導体層である場合、半導体層を構成する材料がＡｌｘＧａ_{（１−ｘ）}Ａｓ（０≦ｘ≦１）で表わされる材料を有することが好ましい。例えば、高屈折率層としてのＧａＡｓ層と低屈折率層としてのＡｌ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ａｓ層（０．９≦ｘ≦１）とのペアを複数組有する半導体多層膜が挙げられる。また、上記高屈折率層としてｘ＝１となるＡｌＡｓを用いることもできる。

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反射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のようなＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）構造を用いることができる。

上記本実施形態における面発光レーザでは、上部反射鏡１３０を光取り出し側の反射鏡として用いているが、下部反射鏡１１０を光取り出し側の反射鏡として用いてもよい。光取り出し側の反射鏡のピーク反射率は、他方の反射鏡の反射率よりも低い。

ここで、光を取り出す側の反射鏡としては、反射率の値が９９．０％から９９．５％の間であることが好ましい。通常の設計では、ＤＢＲ、すなわち、高屈折率層である第一の層１３１と低屈折率層である第二の層１３２のペア数を増やすことで反射率が大きくなるため、高屈折率層と低屈折率層の材料が決まるとおおよそのペア数が決まる。本実施形態では、上部反射鏡１３０のペア数を通常の光取り出し側の反射鏡で用いられる設計のＤＢＲのペア数より多くする。すなわち、反射率のピークが９９．５％以上となるためのペア数で構成されるＤＢＲにさらに同一材料の数１０ペアの積層を付加する。そして、光取り出し側の反射鏡のペア数の範囲として、第三の層を配置したときに、反射率の適切な範囲の一例である９９．０％から９９．５％の間となるようなペア数であることが好ましい。

上記本発明の実施形態において、第三の層１３３は空気の層１０８と接している構成を示したが、第三の層１３３よりも屈折率の低いＳｉＯ_２等の誘電体材料を用いてもよい。ＳｉＯ_２を用いた場合でも第三の層との屈折率差は大きくすることができ、また、誘電体材料を用いることで直接空気に半導体層（第三の層）が接触する場合よりも耐環境性を向上させることができる。

また一般的に、誘電体で構成されるＤＢＲと半導体で構成されるＤＢＲとでは、誘電体の方が屈折率差を大きくしやすいため、少ない積層数で高い反射率を実現できる。一方で、半導体で構成されるＤＢＲでは誘電体で構成されるＤＢＲに比べてペア数が多くなってしまうが、結晶成長中に同時に成膜できる、ドーピングにより電流を流すことができる等のプロセス上の利点がある。誘電体に比べて屈折率差を大きくとれない半導体でＤＢＲを形成する場合では、積層数を多くすることによって高い反射率、広い反射帯域を得ることができる。例えば、高屈折率層である第一の層と低屈折率である第二の層とが交互に３５ペア以上積層された構造を有することが好ましい。

（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、Ａｌ_ｎＧａ_{（１−ｎ）}Ａｓ（０≦ｎ≦１）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、１０６０ｎｍ付近の波長帯域の光を出射させる場合、Ｉｎ_ｎＧａ_{（１−ｎ）}Ａｓ（０≦ｎ≦１）からなる材料などを用いることができる。

また、本実施形態における活性層は十分に広い利得を有するものであることが好ましく、具体的には上部反射鏡および下部反射鏡の反射帯域より広い波長領域において利得を有することが好ましい。そのような活性層としては、例えば、少なくとも２つ以上の異なるエネルギー準位で発光が可能な量子井戸構造を有する活性層が挙げられる。また、量子井戸構造は、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の材料・構造は、発振波長させたい波長に応じて適宜選択できる。

また、本実施形態における活性層は光が照射されて励起されることによって発光してもよいし、電流が注入されることによって発光してもよい。したがって、本実施形態における面発光レーザまたは、後述する光干渉断層計は、活性層を励起するための励起光源を有していてもよいし、活性層に電流を注入するための電源を有していてもよい。

（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。

本実施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層を用いることができる。例えば、８５０ｎｍ付近の波長帯域の光を出射させる場合にはＡｌ_０．８ＧａＡｓ層を用いることができ、１０６０ｎｍ付近の波長帯域の光を出射させる場合は、Ａｌ_０．４ＧａＡｓ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共振器や、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。本実施形態において電流狭窄層は、活性層に光が照射されて励起されることによって発光するような構造の場合には特に必要でなく、電流注入により発光するような構造の場合に好適に用いられる。

（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（図１のα）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１０６０ｎｍ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。

（駆動部）
駆動部は、本実施形態に係る波長可変ＶＣＳＥＬの共振器長を変化させることができるものであれば特に限定されない。例えば、ＭＥＭＳ機構を用いて電圧を印加することで駆動する駆動部や、ピエゾ等の圧電材料を用いて駆動する駆動部が挙げられる。また、本実施形態において片持ち梁構造となっているが、両持ち梁構造となっていてもよい。

本実施形態における駆動部は、上部反射鏡を変位させる構成であってもよいし、下部反射鏡を変位させる構成であってもよいし、両方を変位させる構成であってもよい。

（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。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レーザ光を出射させるための閾値電流の増大、発光効率の低下を抑制しつつ、広帯域にわたるレーザ光を発振できる。そのため、本実施形態における面発光レーザをＯＣＴ装置に用いた場合、レーザ光を出力するための電流を小さくしつつ、深さ分解能の高い断層像を取得できる。

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。

（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。

以下に本発明の実施例を示す。以下の実施例で示す活性層構造や層構造はあくまで一例であり、それらに限定されるものではない。また、面発光レーザの製造方法は、実施例に具体的に示したが、レーザの各構成要素の寸法、製造の各工程、装置、各種パラメータは実施例に限定されない。また、半導体材料、電極材料、誘電体材料などに関しても実施例で開示したものに限らない。

（実施例１）
本発明の実施例１に係る、１０６０ｎｍを中心波長とする波長可変ＶＣＳＥＬの構成について、図１を用いて説明する。本実施例に係る波長可変ＶＣＳＥＬは、図１に示すように、片持ち梁構造である。

本実施例における面発光レーザは、基板１０２としてｎ型ＧａＡｓ基板、下部反射鏡１１０としてｎ型半導体ＤＢＲ、活性層１０４として量子井戸構造を有するＩｎＧａＡｓ層、絶縁層１０６としてＧａＡｓ層、上部反射鏡１３０としてｎ型半導体ＤＢＲを用いる。

下部反射鏡１１０はＧａＡｓとＡｌＡｓとが交互に４０ペア積層された構造である。

また、電流狭窄層１２１としてＡｌ_０．９８Ｇａ_０．０２Ａｓ層を用いており、選択酸化により電流狭窄構造を形成している。レーザ駆動用の電極は、下部電極１０１としてＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕからなるｎ型電極、上部電極１０５としてＴｉ／Ａｕからなるｐ電極を用いる。これらの電極によって、活性層１０４に電流を注入して発光させ、レーザ発振させる。さらに、駆動部１４０を用いてＭＥＭＳ駆動させることで上部反射鏡１３０をｙ方向に変位させることで、レーザ光の波長を変化させることができる。

次に、上部反射鏡１３０の構成について図２を用いて説明する。

本実施例における上部反射鏡１３０は、第一の層１３１と第二の層１３２が交互に４７ペア積層された構造にさらに、第二の層１３２上に第一の層１３１が設けた積層体１３４を有する。さらに、積層体１３４の両方の最表面に第三の層１３３が設けられている。第一の層１３１として高屈折率であるＡｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ層、第二の層１３２として低屈折率であるＡｌ_０．８Ｇａ_０．２Ａｓ層、第三の層１３３として、Ａｌ_０．５５Ｇａ_０．４５Ａｓ層を用いる。第一の層１３１、第二の層１３２、第三の層１３３の屈折率はそれぞれ、３．３５、３．０５、３．１５である。また、第一の層１３１、第二の層１３２、第三の層１３３はともに、光学厚さが上記中心波長の１／４である。

以上のような上部反射鏡の反射率の波長依存性の計算結果を、図４のグラフの実線で示す。本実施例における反射鏡（４７．５ペア＋第三の層）では反射帯域が広く、かつ、適切な範囲内の反射率を有している。このような反射鏡を取り出し側の反射鏡に用いることで、面発光レーザにおいて、広帯域にわたってレーザ光を効率的に発振することができる。

なお、本実施例に係る波長可変ＶＣＳＥＬは、エピタキシャル成長と選択ウエットエッチングを用いて製造することができる。空隙部１０７はＧａＡｓを犠牲層として成膜し、選択ウエットエッチングによって形成することができる。ＧａＡｓのエッチャントとしては、水とクエン酸と過酸化水素の混合液を用いることで、ＡｌＧａＡｓのＡｌ組成に応じた選択エッチングが可能である。本実施例では水とクエン酸（重量比１：１）を混ぜ合わせたクエン酸溶液と、濃度３０％の過酸化水素水を４：１の割合で混ぜたものをエッチャントとして用いた。エッチング時間を制御することで、上部反射鏡１３０の梁を支えるＧａＡｓ層１０６と上部反射鏡１３０を残した本実施例に係る波長可変ＶＣＳＥＬを形成することができる。

（実施例２）
本発明の実施例２に係る波長可変ＶＣＳＥＬついて図７を用いて説明する。実施例２では、実施例１と異なる点について説明し、共通する点については、説明を省略する。本実施例では、下部反射鏡７１０として以下のようなｎ型半導体ＤＢＲを用いる。

本実施例における下部反射鏡７１０は、第一の層７３１と第二の層７３２が交互に４０ペア積層された構造にさらに、第二の層７３２上に第一の層７３１が設けた積層体７３４を有する。さらに、その積層体７３４の両端の一方の面に第三の層７３３が設けられている。このとき、第三の層７３３は、積層体７３４と空気の層７０９とに接している。

また、第一の層７３１として高屈折率であるＡｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ層、第二の層７３２として低屈折率であるＡｌ_０．８Ｇａ_０．２Ａｓ層、第三の層７３３として、Ａｌ_０．４５Ｇａ_０．５５Ａｓ層を用いる。第一の層７３１、第二の層７３２、第三の層７３３の屈折率はそれぞれ、３．３５、３．０５、３．２である。また、第一の層７３１、第二の層７３２、第三の層７３３はともに、光学厚さが中心波長の１／４である。

本実施例においては、上部反射鏡７３０としてＨＣＧミラーを用いる。本実施例に係る波長可変ＶＣＳＥＬは、下部反射鏡７１０を透過して光が出射される構成となっており、基板７０２、および下部電極７０１はレーザ光の進行を妨げないように、くりぬかれている。

上記上部反射鏡７３０としてのＨＣＧミラーには、Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３Ａｓ層を用い、図７のように、空気（白い長方形部分と、それと隣接する白い長方形部分との間）とＡｌ_０．７Ｇａ_０．３Ａｓ層（白い長方形部分）とが交互に並び、格子を形成している。このようなＨＣＧミラーを製造するために、Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３Ａｓ層の下にＧａＡｓからなる犠牲層を形成しておき、ＥＢ描画により、パターンを形成して、ドライエッチングにてＡｌ_０．７Ｇａ_０．３Ａｓ層をエッチングする。そして、ＧａＡｓからなる犠牲層を選択ウエットエッチングにて除去することで、図７のように、平面方向にＡｌ_０．７Ｇａ_０．３Ａｓと空気の周期構造が形成される。

本実施例に係る波長可変ＶＣＳＥＬは、実施例１と同様に、上部反射鏡７３０がｙ方向に変位することで、出射される光の波長が変化する。本実施例のように、ＨＣＧミラーを用いることで、半導体ＤＢＲを駆動部として用いる場合に比べて、変位させる部材が薄い層で構成されるため、高速駆動、すなわち高速な波長可変を実現できる。

（実施例３）
本発明の実施例３に係る波長可変ＶＣＳＥＬについて図８を用いて説明する。実施例３では、実施例２と異なる点について説明し、共通する点については、説明を省略する。

本実施例では、上部反射鏡８６０として、誘電体ＤＢＲを用いる。誘電体ＤＢＲはＡｌ_０．７Ｇａ_０．３Ａｓからなる半導体層８５０の上に設けられる。また、誘電体ＤＢＲは、高屈折率層８６１と低屈折率層８６２とを交互に５ペア形成した構造にさらに、低屈折率層８６２上に高屈折率層８６１を設ける。高屈折率層８６１としてＴｉＯ_２層、低屈折率層８６２としてＳｉＯ_２層を用いる。

本実施例のように、上部反射鏡として誘電体ＤＢＲを用いることで、半導体ＤＢＲに比べて高屈折率層と低屈折率層のペア数が少なくても、広い反射帯域において高反射率を得ることができる。したがって、半導体ＤＢＲに比べて、少ない層数で形成することが可能なため、駆動させるミラーとして用いる場合に好適である。なお、誘電体ＤＢＲは、誘電体ＤＢＲ以外の半導体からなる層を一括形成した後にさらに誘電体ＤＢＲを形成することができる。

１０１ 下部電極
１０２ 基板
１０３ 下部クラッド層
１０４ 活性層
１０５ 上部電極
１０６ 絶縁層
１０７ 空隙部
１２０ 上部クラッド層
１２１ 電流狭窄層
１３０ 上部反射鏡
１３１ 第一の層
１３２ 第二の層
１３３ 第三の層
１３４ 積層体
１４０ 駆動部

Claims (17)

1. 下部反射鏡と、
   活性層と、
   空隙部と、
   上部反射鏡と、をこの順に有し、前記下部反射鏡、前記上部反射鏡との間の距離を変化させることによって出射する光の波長を可変とする面発光レーザであって、
   前記下部反射鏡と前記上部反射鏡のいずれか一方を前記出射する光の光軸方向に変位させる駆動部を有し、
   前記下部反射鏡および前記上部反射鏡の少なくともいずれか一方は、第一の層と、前記第一の層より小さい屈折率を有する第二の層とが交互に積層され、かつ、両端の層が前記第一の層である積層体を有し、
   前記積層体の両端の少なくともいずれか一方に、前記出射する光の中心波長をλ_０としたときに、光学厚さｎｄが、０＜ｎｄ＜λ_０／２である第三の層がさらに設けられ、前記第三の層の屈折率は前記第一の層より小さく、かつ、前記第三の層の隣接する層のうち前記積層体とは逆側の層よりも大きい屈折率を有することを特徴とする面発光レーザ。
2. 前記隣接する層は空気であることを特徴とする請求項１に記載の面発光レーザ。
3. 前記光学厚さｎｄが、λ_０／８＜ｎｄ＜３λ_０／８であることを特徴とする請求項１または２に記載の面発光レーザ。
4. 前記光学厚さｎｄがλ_０／４であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の面発光レーザ。
5. 前記積層体の、前記中心波長λ_０に対する反射率が９９．５％以上であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の面発光レーザ。
6. 前記積層体は前記第一の層と前記第二の層とが交互に３５ペア以上積層された構造を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の面発光レーザ。
7. 前記第一の層、前記第二の層、および前記第三の層はいずれも半導体層であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の面発光レーザ。
8. 前記半導体層がＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ａｓ（０≦ｘ≦１）で表わされる材料を有することを特徴とする請求項７に記載の面発光レーザ。
9. 前記駆動部は、前記上部反射鏡を変位させることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の面発光レーザ。
10. 前記上部反射鏡が回折格子であることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載の面発光レーザ。
11. 前記駆動部は、前記下部反射鏡を変位させることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の面発光レーザ。
12. 前記下部反射鏡が前記積層体を有することを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の面発光レーザ。
13. 前記積層体の両端のいずれか一方に前記第三の層が設けられていることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の面発光レーザ。
14. 前記積層体の両端の両方に前記第三の層が設けられていることを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の面発光レーザ。
15. 前記活性層は光が照射されて励起されることによって発光する請求項１乃至１４のいずれか一項に記載の面発光レーザ。
16. 前記活性層は電流が注入されることによって発光する請求項１乃至１４のいずれか一項に記載の面発光レーザ。
17. 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。

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