JP2017085066A - レーザ装置、情報取得装置及び撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 波長可変帯域が広い面発光レーザを提供することである。【解決手段】 活性層１３を有する波長可変型の面発光レーザ１と、面発光レーザ１を励起する励起手段２、３と、を備え、励起手段２、３は、ＸＹ面内方向において、面発光レーザ１の活性層１３の異なる領域で異なる波長を発振しうるエネルギー準位のキャリア占有状態が得られるように面発光レーザ１の活性層１３を励起する。【選択図】 図１

Description

本発明は、レーザ装置、情報取得装置及び撮像装置に関する。

発振波長を変えることのできる波長可変レーザは、通信やセンシング、イメージングなどの様々な分野への応用が期待できることから、近年盛んに研究開発が行われている。波長可変レーザとしては、Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ（以下、ＭＥＭＳという）技術により垂直共振器型面発光レーザ（以下、ＶＣＳＥＬという）の発振波長を制御する、いわゆるＭＥＭＳ−ＶＣＳＥＬが知られている。ＭＥＭＳ−ＶＣＳＥＬでは、具体的には、一対の反射鏡の一方を機械的に動かすことで共振器長を変動させ、レーザ発振波長を変化させている。非特許文献１には、外部光源を用いて活性層を励起するＭＥＭＳ−ＶＣＳＥＬについて開示されている。

米国特許第８０５９６９０号明細書 米国特許第８１８９６４３号明細書 特開２０１４−０８２４８５号公報

Ｄ．Ｖａｋｈｓｃｈｏｏｒｉ、他６名、「２ｍＷ ＣＷ ｓｉｎｇｌｅｍｏｄｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｔｕｎａｂｌｅ １５５０ｎｍ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｃａｖｉｔｙ ｓｕｒｆａｃｅ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｌａｓｅｒ ｗｉｔｈ ５０ｎｍ ｔｕｎｉｎｇ ｒａｎｎｇｅ」、ＥＬＥＣＴＯＲＯＮＩＣＳ ＬＥＴＴＥＲＳ ２７ｔｈ Ｍａｙ １９９９ Ｖｏｌ．３５ Ｎｏ．１１ ｐ．９００−９０１

波長可変レーザの様々な応用を考えると、波長可変帯域が広い波長可変レーザが望まれており、本発明の目的は、波長可変帯域が広い面発光レーザを提供することである。

本発明のレーザ装置は、活性層を有する波長可変型の面発光レーザと、前記面発光レーザの前記活性層を励起する励起手段と、を備え、前記励起手段は、前記面発光レーザの光射出方向と交差する面内方向において、前記面発光レーザの前記活性層の異なる領域で異なる波長を発振しうるエネルギー準位のキャリア占有状態が得られるように前記面発光レーザの前記活性層を励起することを特徴とする。

本発明によれば、波長可変帯域が広い面発光レーザを得ることができる。

本発明のレーザ装置の概要を説明するための図 本発明の実施形態１に係るレーザ装置の一例を示す模式図 本発明の実施形態２に係るレーザ装置の一例を示す模式図 本発明の実施形態３に係るレーザ装置の一例を示す平面模式図 本発明の実施形態４に係るレーザ装置の一例を示す模式図 本発明の実施形態５に係る光干渉断層撮像装置の一例を示す模式図

以下に、本発明のレーザ装置、情報取得装置及び撮像装置について述べる。図１は、本発明のレーザ装置の概要を説明する模式図である。

本発明のレーザ装置は、波長可変型の面発光レーザ１と、面発光レーザ１を励起する励起手段を有している。図１において、励起手段は、第１の励起光源２と第２の励起光源３である。また、第１の励起光源２と第２の励起光源３は、面発光レーザ１に含まれる活性層の異なる位置を励起するように配置されている。また、第１の励起光源２は、ピーク波長λ_１の光を射出し、一方、第２の励起光源３は、ピーク波長λ_１より長いピーク波長λ_２の光を射出する構成である。つまり、第１の励起光源２と第２の励起光源３は、異なるピーク波長を射出する構成である。また、第１の励起光源２が射出する光のスペクトルと第２の励起光源３が射出する光のスペクトルは異なっている。

面発光レーザ１は、上述したＭＥＭＳ−ＶＣＳＥＬを用いることができる。具体的には、面発光レーザ１は、第１の反射鏡１１と第２の反射鏡１２とからなる一対の反射鏡と、一対の反射鏡の間に配置された活性層１３と、を有している。そして、面発光レーザ１は、一対の反射鏡と活性層１３とが積層された方向（図１（ａ）のＺ方向）に光を射出する。また、第１の反射鏡１１が可動鏡であり、この可動鏡を動かすことによって、一対の反射鏡で構成される共振器の共振器長を変えて、面発光レーザ１の発振波長を変えることができる。可動鏡の駆動には、例えば、静電気力や熱膨張などの公知の方法を用いることができる。また、可動鏡を駆動するために、可動鏡と面発光レーザ１の活性層との間には間隙１４が設けられている。なお、面発光レーザ１は、活性層１３と第２の反射鏡１２との間、活性層１３と間隙１４との間に、共振器長を調整するスペーサ層を設けてもよい。

また、面発光レーザ１の活性層は、単一の量子井戸層を有する構成でもよいし、多重量子井戸層を有する構成されていてもよい。また、波長可変幅を広げるために、活性層が非対称多重量子井戸層を有することがより好ましい。

非対称多重量子井戸層とは、多重量子井戸層を構成する複数の井戸層のうち、少なくとも１つの井戸層の、幅、深さと基板に対する歪み量のうち少なくとも１つが、残りの井戸層のそれと異なっているものを指す。もしくは、非対称多重量子井戸層は、多重量子井戸層を構成する複数の障壁層のうち、少なくとも１つの障壁層の、幅、高さと基板に対する歪み量のうち少なくとも１つが、残りの障壁層のそれと異なっているものを指す。井戸層の幅や障壁層の幅を変えるには、それぞれ井戸層の厚さ、障壁層の厚さを変えればよい。また、井戸層の深さ、障壁層の高さは、障壁層と井戸層の伝導帯エネルギーまたは価電子帯エネルギーの差で決まる。このため、井戸層の深さ、障壁層の高さを変えるには、井戸層や障壁層に用いられる材料あるいは組成を変えればよい。井戸層や障壁層に用いられる材料あるいは組成を変えれば、井戸層、障壁層の歪み量も変えることができる。

第１の励起光源２、第２の励起光源３は、面発光レーザ１を励起することができればどんな構成でもよい。第１の励起光源２、第２の励起光源３は、例えば、発光ダイオードやスーパールミネッセンスダイオード（以下、ＳＬＤという）、端面発光型レーザや面発光レーザを用いることができる。

以下では、本発明の効果について説明する。上述したように、本発明では、第１の励起光源２と第２の励起光源３は、面発光レーザ１に含まれる活性層の異なる位置を励起するように配置されている。この構成により、第１の励起光源２と第２の励起光源３から射出される光によって、面発光レーザ１の活性層が励起される。ピーク波長λ_１の方がピーク波長λ_２よりも短波長であるため、励起エネルギーが大きい。そのため、活性層１３内で、第１の励起光源２側の、ピーク波長λ_１が照射された第１の領域Ａの方が、第２の励起光源３側の、ピーク波長λ_２が照射された第２の領域Ｂよりも活性層が励起されて電子と正孔であるキャリアの生成量が多くなる。

図１（ｂ）は、活性層１３が井戸層の深さが異なる２つの量子井戸層で構成されている場合において、量子井戸層の各エネルギー準位のキャリア占有状態を表している。以下では、活性層１３が井戸層の深さが異なる２つの量子井戸層を有する場合、いわゆる非対称多重量子井戸層を有する場合で例示する。図１（ｂ）の状態Ａは、上述した第１の領域Ａにおける活性層１３の各井戸層におけるエネルギー準位のキャリア占有状態を表している。第１の領域Ａでは、励起するエネルギーが大きく、また発生するキャリアが多いため、各量子井戸層の高次の準位にまでキャリア（電子）が占有することができる。このため、第１の領域Ａでは、高次の準位に起因する、短波長で発振しやすい状態になっている。言い換えると、活性層１３の第１の領域Ａでは、短波長で光利得係数が大きくなっていると言える。

一方、図１（ｂ）の状態Ｂは、上述した第２の領域Ｂにおける活性層１３の各井戸層におけるエネルギー準位のキャリア占有状態を表している。第２の領域Ｂでは、励起するエネルギーが小さく、また発生するキャリアが少ないため、エネルギーの小さい基底準位にしかキャリア（電子）が占有できない。このため、第２の領域Ｂでは、基底準位に起因する、長波長で発振しやすい状態になっている。言い換えると、活性層１３の第２の領域Ｂでは、長波長で光利得係数が大きくなっていると言える。

このように、第１の励起光源２、第２の励起光源３は、第１の領域Ａと第２の領域Ｂとで活性層１３の各井戸層におけるエネルギー準位のキャリア占有状態が異なるように、面発光レーザ１の活性層１３を励起している。そして、面発光レーザ１の活性層１３の面内方向（図１（ａ）のＸＹ面内方向）において、第１の領域Ａと第２の領域Ｂとで異なる波長で発振しやすい領域になるように、活性層１３の各井戸層におけるエネルギー準位のキャリア占有状態が形成されている。この構成により、活性層１３としては、短波長、長波長ともに発振しやすい状態になっている。つまり、本発明において、活性層１３内に、上記のキャリア占有状態が形成されるため、短波長から長波長にわたって光利得係数が大きくなっており、可動鏡の駆動に合わせて、モードホップすることなく、波長可変が可能となり、波長可変幅が広がる。なお、活性層１３の面内方向とは、面発光レーザ１の光射出方向（図１（ａ）のＺ方向）と交差する面内方向である。

仮に、第１の励起光源２と第２の励起光源３とから同じピーク波長を有する光を射出して面発光レーザ１を励起させる構成では、上記のような各井戸層におけるエネルギー準位のキャリア占有状態が形成されない。例えば、第１の励起光源２と第２の励起光源３とからピーク波長λ_１の光を射出する場合、活性層１３では、第１の領域Ａ、第２の領域Ｂともに、短波長で発振しやすいエネルギー準位のキャリア占有状態となり、短波長においては光利得係数が大きくなる。しかし、長波長において光利得係数が小さいため、長波長での発振のために、可動鏡を駆動させて、共振器長を長くする位置に可動鏡を配置しても、長波長での発振が生じず、モードホップして短波長の発振が生じる恐れがある。このため、波長可変幅が小さくなってしまう。第１の励起光源２と第２の励起光源３とからピーク波長λ_２の光を射出する場合は、短波長での閾値が小さくなり、短波長での発振が得にくくなる。また、第１の励起光源２と第２の励起光源３とから、ピーク波長λ_１とピーク波長λ_２の間の波長で射出する場合も、同様に、短波長や長波長で本発明よりも閾値が高くなるため、モードホップや非発振によって、本発明よりも波長可変幅が小さくなる。

なお、図１（ｂ）では、活性層１３が非対称多重量子井戸層を有する例を用いたが、これに限らない。活性層１３が単層の量子井戸層や対称多重量子井戸層（非対称多重量子井戸層の条件を満たさないもの）であっても、第１の励起光源２側の活性層１３内の第１の領域Ａでは、より高次の準位までキャリア（電子）が占有するので、短波長が発振しやすくなる。そして、第２の励起光源３側の活性層１３内の第２の領域Ｂでは、基底準位あるいは低次の準位までしかキャリアが占有されないので、長波長が発振しやすい部分となる。このように、面発光レーザ１の活性層１３において、異なる領域で、異なる波長で発振しうるエネルギー準位のキャリア占有状態が得られるように、励起手段が面発光レーザ１の活性層１３を励起すれば、本発明の効果が得られる。

ピーク波長λ_１は可変波長幅の中心波長より短い波長であり、ピーク波長λ_２は可変波長幅の中心波長より長い波長であることが好ましい。また、ピーク波長λ_１は、活性層１３を構成する量子井戸層の高次のエネルギー準位に相当する波長以下であることが好ましい。また、ピーク波長λ_２は、活性層１３を構成する量子井戸層の基底のエネルギー準位に相当する波長以下であることが好ましい。また、ピーク波長λ_２は、活性層１３を構成する量子井戸層の高次のエネルギー準位に相当する波長より長いことが好ましい。

また、活性層１３内にエネルギー準位のキャリア占有状態の面内分布を形成する方法としては、電流注入によって行う方法がある。詳細には後述するが、面発光レーザ１を電流注入型として、面発光レーザ１に活性層１３にキャリアを注入する複数の電極を異なる位置に配置し、その複数の電極から異なる電流量を注入する方法が挙げられる。

（活性層）
活性層は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−ｎＡｓ（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−ｎＡｓ（０≦ｎ≦１）からなる材料などを用いることができる。

また、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、具体的には第１の反射鏡および第２の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、上述したように、非対称量子井戸構造を有する活性層が挙げられる。本実施形態における活性層の材料・構造は、発振させたい波長に応じて適宜選択できる。

（第１の反射鏡および第２の反射鏡）
第１の反射鏡および第２の反射鏡は、例えば、高屈折率の層と低屈折率の層とが光学厚さ１／４波長で交互に積層された分布ブラッグ反射鏡（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ：以下ＤＢＲという）で構成されている。反射鏡は、波長可変範囲を広くするためには、出来る限り広帯域において高反射率を有することが好ましい。第１の反射鏡および第２の反射鏡には、半導体で構成されたＤＢＲ、誘電体で構成されたＤＢＲのどちらを用いることもできる。一般的に、誘電体で構成されたＤＢＲの方が半導体で構成されたＤＢＲよりも、高屈折率の層と低屈折率の層の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、半導体で構成されたＤＢＲは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、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。

エピタキシャル成長で一括形成するためには、第２の反射鏡に半導体ＤＢＲ、第１の反射鏡にも半導体ＤＢＲを用いることができるが、より広帯域で高反射率を得るために誘電体ＤＢＲを第１の反射鏡に用いてもよい。なお、誘電体ＤＢＲを第１の反射鏡として用いる際に、半導体層の上に誘電体ＤＢＲを形成する構成とすることができる。上記の第１の反射鏡の材料の例として、半導体ＤＢＲではＡｌ_０．４Ｇａ_０．６ＡｓとＡｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ、誘電体ＤＢＲでは酸化シリコンと酸化チタンを用いることができる。第２の反射鏡としてはＧａＡｓとＡｌＡｓを用いることができる。

また、反射鏡として、高屈折率差サブ波長回折格子（Ｈｉｇｈ ＩｎｄｅｘＣｏｎｔｒａｓｔ Ｓｕｂｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｇｒａｔｉｎｇ：以下ＨＣＧという）を用いてもよい。ＨＣＧ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の例として、ＡｌＧａＡｓ層のような半導体層を加工して周期的な間隙を設けた、高屈折率領域（ＡｌＧａＡｓ部）と低屈折領域（間隙部）の周期構造体が挙げられる。高速な波長可変を行う観点から、可動鏡である第１の反射鏡を軽量な反射鏡とすることが求められており、ＨＣＧを用いることが好ましい。なお、ＨＣＧとして、特許文献１及び２に記載されているものを用いることができる。

（間隙）
間隙には、通常固体が存在しない。よって、その雰囲気により間隙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、間隙の構造体の厚さ方向の長さは、波長可変幅や可動鏡のプルインを考慮して決定することができる。例えば、間隙を空気とした１０６０ｎｍを中心として波長可変幅１００ｎｍで可変する際には、間隙の長さは２μｍ程度となる。

以下に、本発明の実施形態について説明する。なお、本明細書中では、面発光レーザの基板側を下側、基板と反対側を上側とする。

［実施形態１］
図２は、本実施形態のレーザ装置の一例を示す模式図である。図２（ａ）は、本実施形態のレーザ装置の断面模式図を示している。図２（ｂ）は、本実施形態のレーザ装置の上面模式図を示しており、図２（ａ）は図２（ｂ）のＣ−Ｃ’断面に対応する。図２（ａ）、（ｂ）で示すように、本実施形態のレーザ装置は、面発光レーザ１３２と、面発光レーザ１３２を励起するための励起光源１３０、１４０、１５０、１６０と、を有している。本実施形態では、励起光源１３０、１４０、１５０、１６０は、いずれも端面発光レーザである。励起光源１３０、１４０は、ともにピーク波長λ_１を射出し、励起光源１５０、１６０は、ともに励起光源１３０、１４０のピーク波長λ_１とは異なるピーク波長λ_２の光を射出する。つまり、励起光源１３０、１４０は、図１（ａ）の第１の励起光源２に相当し、励起光源１５０、１６０は、図１（ａ）の第２の励起光源３に相当する。なお、本実施形態において、励起光源は４つの例を示したが、異なるピーク波長を射出する励起光源が少なくとも１つずつあればよく、励起光源は２つ以上であればよい。また、２種類の光源を用いたが、ピーク波長が互いに異なる３種類以上の励起光源を用いてもよい。また、励起光源がレーザであるため、本実施形態におけるピーク波長とは、発振波長に相当する。

図２（ａ）で示すように、面発光レーザ１３２は、下部反射鏡（第２の反射鏡に相当）１０２と、第１下部スペーサ層１２２と、活性層１２４と、第１上部スペーサ層１２６と、上部反射鏡（第１の反射鏡に相当）１１０と、を基板１００側から順に有している。上部反射鏡１１０は、梁１２０に支持され、梁１２０は、第１上部スペーサ層１２６上に形成された支持層１１８に支持されている。梁１２０の上には第１電極１１６が形成されている。第１上部スペーサ層１２６の上に第２電極１２８が形成されている。

梁１２０は、導電性を有する部材で構成されている。そして、第１電極１１６と第２電極１２８との間に交流電圧を印加することによって、梁１２０が活性層１２４の厚さ方向（Ｚ方向）に振動する。この結果、上部反射鏡１１０も活性層１２４の厚さ方向に振動し、上部反射鏡１１０と下部反射鏡１０２からなる一対の反射鏡の共振器長が変動し、活性層１２４で発光した光のうち共振器長に応じた特定の波長の光が外部に射出される。このようにして、面発光レーザの発振波長が可変となる。

なお、活性層１２４は、後述する励起光源によって励起されることで発光する。

励起光源１３０（１４０）は、第２下部スペーサ層１０４と、活性層１０６と、第２上部スペーサ層１０８と、を基板１００側から順に有する構成である。図２（ａ）には不図示の、図２（ｂ）の励起光源１５０、１６０も同様の構成である。励起光源１３０、１４０、１５０、１６０は、面発光レーザ１３２と同一の基板１００上に形成されている。また、励起光源１３０（１４０、１５０、１６０）の第２下部スペーサ層１０４、活性層１０６、第２上部スペーサ層１０８はそれぞれ、面発光レーザの第１下部スペーサ層１２２、活性層１２４、第１上部スペーサ層１２６と同じ材料で構成されていてもよい。その場合には、再成長が不要となり、同一工程で面発光レーザ１３２と励起光源１３０（１４０、１５０、１６０）を構成する各層を形成することができる。なお、励起光源１３０（１４０、１５０、１６０）の第２下部スペーサ層１０４、活性層１０６、第２上部スペーサ層１０８はそれぞれ、面発光レーザの第１下部スペーサ層１２２、活性層１２４、第１上部スペーサ層１２６と異なる材料でもよい。また、同一の基板１００上に面発光レーザ１３２と励起光源１３０（１４０、１５０、１６０）が形成されていなくてもよい。

また、第２上部スペーサ層１０８の上部には、第３電極１１４が形成されている。また、基板１００の下部に、第４電極１１２が形成されている。第３電極１１４と第４電極１１２の間に電流を印加することで、活性層１０６が発光する。なお、第４電極１１２は、面発光レーザ１３２の領域にまで形成されているが、第４電極１１２と第２電極１２８は同電位に設定（接地）されている。このため第２電極１２８と第４電極１１２との間には電流が印加されることがないため、面発光レーザ１３２において、電流が流れることはない。

また、図２（ｃ）には、励起光源１３０（１４０、１５０、１６０）の斜視模式図が示されている。励起光源１３０（１４０、１５０、１６０）は、リッジ１３４と呼ばれる光導波路となる構造としてもよく、第２上部スペーサ層１０８に形成されている。また第３電極１１４はリッジ１３４の上に形成されている。

また、励起光源１３０、１４０と励起光源１５０、１６０は、共振器長が異なるように形成されている。つまり、励起光源１３０、１４０の発振方向であるＸ方向の長さよりも励起光源１５０、１６０発振方向であるＹ方向の長さの方が大きくなっている。この構成により、励起光源１３０、１４０と励起光源１５０、１６０の発振波長を変えることができる。具体的には、励起光源１５０、１６０ピーク波長（発振波長）λ_２は、励起光源１３０、１４０のピーク波長（発振波長）λ_１よりも長くなっている。

よって、励起光源１３０、１４０、１５０、１６０の励起光の同時照射により、面発光レーザ１３２の活性層１２４内で、面発光レーザ１３２が異なる波長で発振し得るようなエネルギー準位のキャリア占有状態の面内分布が形成される。このため、上述したように、波長可変幅を大きくすることができる。

なお、励起光源１３０、１４０は、面発光レーザ１３２を挟むように対向して配置されており、励起光源１５０、１６０は、面発光レーザ１３２を挟むように対向して配置されている。このように、同じピーク波長の光を射出する２つの励起光源を配置する場合には、それら２つの励起光源が、面発光レーザ１３２を挟むように対向して配置されることが好ましい。

面発光レーザ１３２、励起光源１３０、１４０、１５０、１６０は、公知のエピタキシャル成長法や犠牲層エッチング法、フォトリソグラフィ法などを用いて形成することができる。また、励起光源１３０、１４０、１５０、１６０の射出面とは反対側に高反射率コートを施すことで、射出面からレーザ光を効率良く射出させることが可能となる。

（梁）
梁は、２箇所の支持領域で支持されていてもよいし、３箇所以上の支持領域で支持されていてもよい。また、梁は、シリコンカンチレバーのような１箇所で支持する構成も構わない。また、梁には、結晶成長時の歪みや、動作環境温度に由来する応力などを緩和するための構造が形成されていてもよい。

梁は、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、本実施形態のように静電気力で梁を駆動する方法でもよいし、ピエゾ等の圧電材料を用いて機械的に梁を駆動する方法、熱による膨張、伸縮を用いて梁を駆動する方法でもよい。

また、梁は、本実施形態のように、上部反射鏡を兼ねる構成であってもよいし、上部反射鏡とは別に構成されていてもよい。後者の場合、梁の発光部領域と対応する位置、つまり発光領域と対応する位置に、上部反射鏡が配置されていればよく、上部反射鏡は梁の上でも下でどちらにでも配置されていてもよい。また梁の発光領域と対応する位置に貫通孔が形成され、その貫通孔に上部反射鏡が配置されている構成でもよい。

（第１電極、第２電極、第３電極及び第４電極）
第１電極、第２電極、第３電極及び第４電極は、チタンや金などの単体の金属や合金、または金属膜の積層体を用いることができる。例えば、Ｔｉ／Ａｕ、ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕを電極材料として用いることができる。第２電極は、第１上部スペーサ層の上であれば、どこに配置されていてもよい。

（第１上部スペーサ層、第１下部スペーサ層、第２上部スペーサ層及び第２下部スペーサ層）
第１上部スペーサ層と第２上部スペーサ層は、同じ半導体材料で構成されていてもよいし、異なる半導体材料で構成されていてもよい。同様に、第１下部スペーサ層と第２下部スペーサ層は、同じ半導体材料で構成されていてもよいし、異なる半導体材料で構成されていてもよい。半導体材料は、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓなどを用いることができる。

また、第２上部スペーサ層と第２下部スペーサ層は、導電性を有している。例えば、ｐ型であれば、Ｍｇなどのアクセプターが適量ドープされている。一方、ｎ型であれば、Ｓｉなどのドナーが適量ドープされている。なお、第１上部スペーサ層と第１下部スペーサ層にもアクセプターやドナーがドープされていてもよい。これらのスペーサ層は、単層で構成されていてもよいし、複数の層で構成されていてもよい。

（励起光源の活性層）
励起光源の活性層は、面発光レーザの活性層と同じ半導体材料を用いてもよいし、異なる半導体材料を用いてもよい。また、励起光源の活性層は、非対称多重量子井戸層を有していてもよいし、単層の量子井戸層、対称多重量子井戸層を有していてもよい。また、励起光源の射出するピーク波長に応じて、活性層の材料、厚さなどの構成を適宜変えてもよいし、それらは同じであってもよい。半導体材料は、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓなどを用いることができる。

［実施形態２］
図３は、本実施形態のレーザ装置の一例を示す模式図である。図３（ａ）は、本実施形態のレーザ装置の断面模式図を示している。図３（ｂ）は、本実施形態のレーザ装置の上面模式図を示しており、図３（ａ）は図３（ｂ）のＤ−Ｄ’断面に対応する。図３（ａ）、（ｂ）で示すように、本実施形態のレーザ装置は、面発光レーザ１３２と、面発光レーザ１３２を励起するための励起光源３３０、３４０、３５０、３６０と、を有している。実施形態１では、励起光源１３０、１４０、１５０、１６０は端面発光レーザであったが、本実施形態では、励起光源３３０、３４０、３５０、３６０は、ＳＬＤである。これ以外の構成は、実施形態１と同様である。

励起光源３３０、３４０は、ともにピーク波長λ_１を射出し、励起光源３５０、３６０は、ともに、励起光源３３０、３４０のピーク波長λ_１とは異なるピーク波長λ_２の光を射出する。つまり、励起光源３３０、３４０は図１（ａ）の第１の励起光源２に相当し、励起光源３５０、３６０は図１（ａ）の第２の励起光源３に相当する。

励起光源３３０、３４０、３５０、３６０は同一構成である。励起光源３３０、３４０、３５０、３６０の各第３電極は、第１分割電極３１４ａ、第２分割電極３１４ｂ、第３分割電極３１４ｃに分割されている。そして、第１分割電極３１４ａ、第２分割電極３１４ｂ、第３分割電極３１４ｃの電流注入密度を調整することにより、励起光源３３０、３４０、３５０、３６０のピーク波長を調整することができる。例えば、第１分割電極３１４ａから注入される電流注入密度を、第２分割電極３１４ｂ、第３分割電極３１４ｃに注入される電流注入密度より大きくすることで、ピーク波長を短波長化することができる。また、第３分割電極３１４ｃに注入される電流注入密度を、第１分割電極３１４ａ、第２分割電極３１４ｂに注入される電流注入密度より大きくすることで、ピーク波長を長波長化することができる。このように、第１分割電極３１４ａ、第２分割電極３１４ｂ、第３分割電極３１４ｃの電流注入密度を調整することで、励起光源３３０、３４０は、ともにピーク波長λ_１を射出し、励起光源３５０、３６０はともに、ピーク波長λ_２の光を射出するようにできる。また、このような電流調整を行うことで、ピーク波長だけでなく、スペクトルの調整を行うことができ、活性層１３内において所望のエネルギー準位のキャリア占有状態の面内分布を形成することが可能となる。なお、複数の分割電極を有するＳＬＤは、特許文献３に記載されているものを用いることができる。

さらに、第１分割電極３１４ａ、第２分割電極３１４ｂ、第３分割電極３１４ｃその電流注入密度の調整に加えて、ＳＬＤのリッジの長さをピーク波長に対応させることも好ましい。この構成によれば、より効率よく、励起光源が射出する光のピーク波長やスペクトルを所望の値にすることができ、所望のキャリア密度分布を活性層内に形成することができる。

なお、複数の励起光源としては、実施形態１に示した端面発光レーザと本実施形態のＳＬＤとを両方備える構成であってもよい。

［実施形態３］
図４は、本実施形態のレーザ装置の一例を示す上面模式図である。図４で示すように、本実施形態のレーザ装置は、面発光レーザ４３２と、面発光レーザ４３２を励起するための励起光源３３０、３４０、３５０、３６０と、を有している。本実施形態では、励起光源３３０、３４０、３５０、３６０の光射出面と、面発光レーザ４３２の光入射面との間で共振器が形成されている点が、実施形態２と異なる。それ以外は、実施形態２と同様である。なお、励起光源３３０、３４０、３５０、３６０は、実施形態１の励起光源１３０、１４０、１５０、１６０と同様に端面発光レーザであってもよい。

本実施形態では、面発光レーザ４３２の励起光源３３０から射出された光が入射する光入射面４３４は、励起光源３３０の光射出面４４２に対して略平行となる平面に形成される。面発光レーザ４３２の光入射面４３６、４３８、４４０もそれぞれ、励起光源３３０の光射出面４４４、４４６、４４８に対して略平行となる平面に形成される。さらに、励起光源３３０の光射出面４４２と光入射面４３４の間の距離は、ピーク波長λ_１を共振する共振器となる距離である。また、励起光源３３０の光射出面４４４と光入射面４３６の間の距離は、ピーク波長λ_１を共振する共振器となる距離である。また、励起光源３３０の光射出面４４６と光入射面４３８の間の距離は、ピーク波長λ_２を共振する共振器となる距離、励起光源３３０の光射出面４４８と光入射面４４０の間の距離は、ピーク波長λ_２を共振する共振器となる距離である。このような構成によって、励起光源３３０、３４０、３５０、３６０から射出される光のピーク波長を強めることができ、効率よくエネルギー準位のキャリア占有状態の面内分布を面発光レーザ４３２の活性層内に形成することができる。

［実施形態４］
図５は、本実施形態のレーザ装置の一例を示す模式図である。図５（ａ）は、本実施形態のレーザ装置の断面模式図を示している。図５（ｂ）は、本実施形態のレーザ装置の上面模式図を示しており、図５（ａ）は図５（ｂ）のＥ−Ｅ’断面に対応する。

実施形態１乃至３では、光励起によって面発光レーザの活性層を励起する構成について述べたが、本実施形態では、電流注入型の面発光レーザ５３２についての形態である。具体的には、図５（ｂ）で示すように、面発光レーザ５３２は、第１上部スペーサ層１２６上に、上部反射鏡１１０を挟むように、第５電極が形成されている。第５電極は、２つの分割電極５２８ａ、５２８ｂを有している。分割電極５２８ａ、５２８ｂはそれぞれ独立して電流を注入する構成である。また、分割電極５２８ａ、５２８ｂは、実施形態１乃至４とは異なり、第４電極１１２と同電位ではない。そのため、分割電極５２８ａ、５２８ｂと第４電極１１２との間に電流を印加することで、活性層１２４に電子とホールが供給されて再結合し、活性層１２４で発光が生じる。

また、本実施形態では、分割電極５２８ａ、５２８ｂから、異なる電流注入密度でキャリアを第１上部スペーサ層１２６に注入する構成である。このため、活性層１２４のＸＹ面内方向において、異なる領域で異なる波長を発振しうるエネルギー準位のキャリア占有状態の面内分布が形成される。なお、面発光レーザ５３２は電流狭窄層５２５を備えている。これは、活性層１２４内の発光領域に電流を流し、発光効率を向上させるためである。

（電流狭窄層）
電流狭窄層は、選択酸化プロセスにより選択的に酸化される酸化領域を高抵抗部、酸化されない非酸化領域を低抵抗部として構成されている。選択酸化プロセスにより酸化されるためには、ＡｌＡｓ層またはＡｌ組成比の高い、例えばＡｌ_０．９８Ｇａ_０．０２Ａｓ層ｗ用いることが好ましい。高温水蒸気雰囲気中でその層を選択酸化することで、Ａｌ_ｘＯ_ｙが形成され、電流狭窄層が形成される。非酸化領域の形状を制御することによって発光形状を制御できる。非酸化領域、すなわち発光領域の大きさは５μｍ乃至１５μｍ程度である。

また、電流狭窄層の位置は、第１上部スペーサ層または第１下部スペーサ層の中に形成されていればよい。また、電流狭窄層は複数あってもよい。その場合には、複数の電流狭窄層は、活性層の上側、下側のいずれか一方にあってもよいし、両方にあってもよい。

（コンタクト層）
本実施形態では、第５電極と第４電極とを用いて、活性層にキャリアを注入するため、第５電極と直接接するコンタクト層を有することが好ましい。コンタクト層は、第５電極からキャリアが注入されやすい構成あれば特に限定されない。例えば、コンタクト層は、ドーパントを含有する半導体層が挙げられる。この場合、例えば、ドーパントのドーピング濃度が３×１０^１８ｃｍ^−３以上であることが好ましい。また、活性層で発光された光の吸収を抑えるために、ドーピング濃度は５×１０^１８ｃｍ^−３以下であることが好ましい。

キャリア移動度を高めるために、コンタクト層以外の例えばスペーサ層などの半導体層にドーパントが含まれていてもよいが、第５電極と第４電極の間にある半導体層の中では、コンタクト層のドーピング濃度が最も高いことが好ましい。

［実施形態５］
本実施形態では、実施形態１乃至４のいずれかのレーザ装置を光源装置として用いた情報取得装置の例について説明する。波長可変型の光源装置は、光通信用光源や光計測用光源として利用することができる。さらに、波長可変型の光源装置は、非侵襲、非破壊で測定対象物の内部の情報を取得する情報取得装置の光源装置として利用することができる。以下では、本実施形態の光源装置を用いた情報取得装置の一例として、光干渉断層撮像装置（以下、ＯＣＴ装置という）について図６を用いて説明する。

図６は、本実施形態に係るＯＣＴ装置を示す模式図である。ＯＣＴ装置は、光源装置８０１、干渉光学系８０２、光検出部８０３、測定対象物の内部情報を取得する情報取得部８０４、を少なくとも有する。光源装置８０１として、実施形態１乃至３のいずれかのレーザ装置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８０４はフーリエ変換器を有する。ここで、情報取得部８０４がフーリエ変換器を有するとは、情報取得部８０４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８０４が演算部を有し、この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、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８０４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。

光源装置８０１から出た光は干渉光学系８０２を経て測定対象の物体８１２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８０３において受光される。なお光検出部８０３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８０３から情報取得部８０４に送られる。情報取得部８０４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８１２の情報（例えば断層像の情報）を取得する。なお、ここで挙げた光源装置８０１、干渉光学系８０２、光検出部８０３、情報取得部８０４を任意に設けることができる。

以下、光源装置８０１から光が照射されてから、測定対象の物体の内部の情報を得るまでについて詳細に説明する。光源装置８０１から出た光は、ファイバ８０５を通って、カップラ８０６に入り、照射光用のファイバ８０７を通る照射光と、参照光用のファイバ８０８を通る参照光とに分岐される。カップラ８０６は、光源の波長帯域でシングル状態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８０９を通って平行光になり、ミラー８１０で反射される。ミラー８１０で反射された光はレンズ８１１を通って物体８１２に照射され、物体８１２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８１３を通ってミラー８１４で反射される。カップラ８０６では、物体８１２からの反射光とミラー８１４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８１５を通り、コリメーター８１６を通って集光され、光検出部８０３で受光される。光検出部８０３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８０４に送られる。情報取得部８０４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８０４から画像表示部８１７に送って画像として表示させてもよい。なお、ミラー８１０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８１２の３次元の断層像を得ることができる。また、光源装置８０１の制御は、情報取得部８０４が電気回路８１８を介して行ってもよい。また図示しないが、光源装置８０１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。

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内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や歯、血管とし、それらの断層像に関する情報を取得することに用いられることが好適である。

１ 波長可変型の面発光レーザ
２ 第１の励起光源
３ 第２の励起光源

Claims (18)

1. 活性層を有する波長可変型の面発光レーザと、
   前記面発光レーザを励起する励起手段と、を備え、
   前記励起手段は、前記面発光レーザの光射出方向と交差する面内方向において、前記面発光レーザの前記活性層の異なる領域で異なる波長を発振しうるエネルギー準位のキャリア占有状態が得られるように前記面発光レーザの前記活性層を励起することを特徴とするレーザ装置。
2. 前記励起手段は、
   前記面発光レーザを励起する、ピーク波長λ_１の光を射出する第１の励起光源と、
   前記面発光レーザを励起する、前記ピーク波長λ_１と異なるピーク波長λ_２の光を射出する第２の励起光源と、を備え、
   前記第１の励起光源と前記第２の励起光源は、前記面発光レーザの前記活性層の異なる位置を励起するように配置されていることを特徴とする請求項１に記載のレーザ装置。
3. 前記第１の励起光源と前記第２の励起光源はともに、第１電極と、第２電極と、前記第１電極と前記第２電極の間に配置された活性層と、を有し、前記第１電極と前記第２電極と前記活性層とが積層された方向とは垂直な方向に光を射出することを特徴とする請求項２に記載のレーザ装置。
4. 前記第１の励起光源の活性層と前記第２の励起光源の活性層の少なくとも一方は、非対称多重量子井戸層を有することを特徴とする請求項３に記載のレーザ装置。
5. 前記第１の励起光源の活性層と前記第２の励起光源の活性層のうち少なくとも一方は、前記面発光レーザの活性層と同じ構成の活性層であることを特徴とする請求項３又は４に記載のレーザ装置。
6. 前記第１の励起光源の活性層と前記第２の励起光源の活性層は、異なる構成の活性層であることを特徴とする請求項３乃至５のいずれか１項に記載のレーザ装置。
7. 前記第１の励起光源の活性層と前記第２の励起光源の活性層は、同じ構成の活性層であることを特徴とする請求項３乃至５のいずれか１項に記載のレーザ装置。
8. 前記第１の励起光源の第１電極と前記第２の励起光源の第１電極の少なくとも一方は、複数の分割電極を有することを特徴とする請求項３乃至７のいずれか１項に記載のレーザ装置。
9. 前記第１の励起光源の第１電極は、複数の分割電極を有し、
   前記第１の励起光源の第１電極の前記複数の分割電極それぞれにおける電流注入密度は、前記第１の励起光源が前記ピーク波長λ_１の光を射出するように調整されていることを特徴とすることを特徴とする請求項８に記載のレーザ装置。
10. 前記第２の励起光源の第１電極は、複数の分割電極を有し、
    前記第２の励起光源の第１電極の前記複数の分割電極それぞれにおける電流注入密度は、前記第２の励起光源が前記ピーク波長λ_２の光を射出するように調整されていることを特徴とすることを特徴とする請求項８又は９に記載のレーザ装置。
11. 前記第１の励起光源の光射出面と、前記第１の励起光源から射出された光が前記面発光レーザに入射される前記面発光レーザの光入射面と、の間で、前記ピーク波長λ_１の光を共振させる共振器が形成されていることを特徴とする請求項２乃至１０のいずれか１項に記載のレーザ装置。
12. 前記第２の励起光源の光射出面と、前記第２の励起光源から射出された光が前記面発光レーザに入射される前記面発光レーザの光入射面と、の間で、前記ピーク波長λ_２の光を共振させる共振器が形成されていることを特徴とする請求項２乃至１１のいずれか１項に記載のレーザ装置。
13. 前記面発光レーザは、前記面発光レーザの前記活性層を挟むように配置された一対の電極を有し、
    前記一対の電極の一方は、前記活性層の同じ側に形成された複数の分割電極を有し、
    前記励起手段は、前記複数の分割電極であり、
    前記複数の分割電極からの電流注入密度が変えられることで、前記面発光レーザの光射出方向と交差する面内方向において、前記面発光レーザの前記活性層の異なる領域で異なる波長を発振しうるエネルギー準位のキャリア占有状態が得られることを特徴とする請求項１に記載のレーザ装置。
14. 前記面発光レーザは、一対の反射鏡と、前記一対の反射鏡の間に配置された前記活性層と、を有し、前記一対の反射鏡と前記活性層とが積層された方向に光を射出することを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか１項に記載のレーザ装置。
15. 前記面発光レーザの前記活性層は、非対称多重量子井戸層を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のレーザ装置。
16. 活性層を有する波長可変型の面発光レーザと、
    前記面発光レーザを励起する、ピーク波長λ_１の光を射出する第１の励起光源と、
    前記面発光レーザを励起する、前記ピーク波長λ_１と異なるピーク波長λ_２の光を射出する第２の励起光源と、を備え、
    前記第１の励起光源と前記第２の励起光源は、前記面発光レーザの光射出方向と交差する面内方向において、前記面発光レーザの前記活性層の異なる領域を励起するように配置されていることを特徴とするレーザ装置。
17. 請求項１乃至１６のいずれか１項に記載のレーザ装置と、
    測定対象物の内部情報を取得する情報取得部と、を有することを特徴とする情報取得装置。
18. 請求項１乃至１６のいずれか１項に記載のレーザ装置と、
    前記面発光レーザからの光を測定対象物へ照射する照射光と参照光とに分岐させ、前記測定対象物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検出部と、を有することを特徴とする撮像装置。

Images