JP2017175157A - 掃引源光干渉断層撮影システム用の波長同調型垂直キャビティ面発光レーザー - Google Patents

掃引源光干渉断層撮影システム用の波長同調型垂直キャビティ面発光レーザー Download PDF

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Abstract

【課題】微小電気機械システム(MEMS)技術を用いた波長同調型垂直キャビティ面発光レーザー(VCSEL)を、光干渉断層撮影(OCT)用掃引源として提供する。
【解決手段】波長同調型VCSELは、VCSELの下側ミラーと、活性領域と、静電偏向により可動なMEMS同調型上側ミラーとを備える。GaAs系分布ブラッグ反射器(DBR)スタックを含む下側ミラーと、GaAs系量子ドット(QD)層の複数スタックを含む活性領域とを、GaAs基板上にエピタキシャル成長させる。MEMS同調型上側ミラーは、サスペンションビームに支持される膜部と、誘電体DBRスタックを含む上側ミラーとを備える。MEMS同調型量子ドットVCSELは、100nmを超える動作波長範囲をカバーすることができ、好ましくは250〜1950nmの中心波長を持つ。掃引レートは、数kHz〜数100kHzであってもよく、数MHzまでであってもよい。
【選択図】図2

Description

本明細書に記載の技術は、概して光干渉断層撮影システムに関し、特に垂直キャビティ
面発光レーザー装置に基づくそのようなシステムに関する。
優先権主張
本願は、2013年7月3日に出願された米国仮出願61/842,389号のパリ条
約による優先権を主張するものであり、当該出願の開示全体を、ここに参照のために取り
込む。
光干渉断層撮影(Optical Coherence Tomography(OC
T))は、試料(組織、器官、生体等の生物試料や、ポリマー、薄膜等の産業試料)の高
分解能深さプロファイリングのための技術である。2種類のOCT、すなわち、時間領域
OCT(TD−OCT)と周波数領域OCT(FD−OCT)とがある。TD−OCTで
は、通常、広帯域光源は、多波長を同時に発するスーパールミネセントダイオードであり
、参照ミラーの位置を走査することによって、試料からの反射光における干渉成分の周波
数を分析する。FD−OCTでは、広帯域源として波長同調型レーザーを採用する掃引源
(swept source)型OCT(SS−OCT)がより広く普及してきた。SS
−OCTにおいて、どの時点においても波長は1つだけであり、参照ミラーの機械的走査
の代わりに、レーザー波長の掃引を行う。SS−OCTの信号対雑音比は、TD−OCT
よりも根本的に良好である。
SS−OCT用同調型レーザーの要件には、単一モード動作、広い同調範囲、高い波長
走査速度、および、同調制御信号の単純な単調関数である波長同調が含まれる。
2つの分布ブラッグ反射器(distributed Bragg reflecto
r(DBR))を利用する微小電気機械システム(microelectromecha
nical system(MEMS))付き同調型VCSELが報告されている。この
装置は、AlGaInAsおよびInPの交互の複数の層で構成される下側DBRと、I
nP系多重量子井戸(multiple quantum well(MQW))および
障壁で構成される活性層とから成る下部ミラーであって、全てInP基板上で成長する下
部ミラーと、MEMS同調型上側DBRとを用いる。本装置は、およそ1550nmの中
心波長で55nmの同調範囲を持つ。この同調範囲は、多くの用途において不十分である
図1は、そのような公知のMEMS付き同調型VCSELを示す。InP基板1上に、
40対を超える(一部図示なし)AlGaInAs2a(InPに格子整合)およびIn
P2bの交互の層から成るnドープ分布ブラッグ反射器(DBR)2をエピタキシャル成
長させ、これにn型AlGaInAsクラッド層3が続く。クラッド層3の上に、複数(
6つ)のAlGaInAs量子井戸(QW)4aおよび複数(7つ)のAlGaInAs
障壁4bから成る活性層4を成長させ、これにp型AlGaInAsクラッド層5が続く
。p型クラッド層5の上方に、p++ドープAlGaInAs/n++ドープAlGaI
nAsトンネル接合層6を成長させ、トンネル接合により電子を正孔に変換できることか
ら、p型InP層をnドープInP層に入れ替えることを可能にする。これに、nドープ
InP層7およびn++ドープGaInAsコンタクト層8が続く。コンタクト層8上に
VCSELp電極9を形成し、基板1上にn電極10を形成して、「半VCSEL」構造
を完成する。半VCSEL構造の上に、個別に製造した上側ミラー部を接合する。個別に
製造した上側ミラー部は、2つの層を接合する「ハンドル」Si基板11上に形成される
。SiO層12を絶縁層として形成し、これにSiのビーム支持層13が続く。SiO
層12を犠牲層としてエッチングすることによって、薄膜14を形成する。膜14の一
方側に、上側誘電体DBR15を付着させ、他方側に、反射防止(AR)コーティング1
6を付着させる。MEMS電極17とAuバンプ18とを形成してMEMS電圧を供給し
、これによって、コンタクト層8と上側DBR15との間の空隙を変えることができる。
電圧源19を、MEMS電極17およびp電極9と接続する。こうして、電圧源19が誘
起する静電力によって膜14が可動になり、上側および下側DBRミラー間のキャビティ
長を変えることができ、よってレージング波長を変えることができる。電流源20を、半
VCSEL部への電流注入用に接続する。
図1に示すような装置の詳細については、非特許文献1に記載があり、ここに参照のた
めに取り込む。先行技術で用いられる固定レージング波長1310nmおよび1550n
mのVCSELは、非特許文献2に記載があり、ここに参照のために取り込む。
図1の先行技術構造では、およそ1550nmの中心波長で55nmの同調範囲が示さ
れている。最大同調範囲は、下側DBRの反射率帯域幅によって制限され、これは、高屈
折率および低屈折率材料の屈折率の比によって決まる。AlGaInAs(高屈折率材料
)およびInP(低屈折率材料)の交互の層で構成されるDBRの反射率帯域幅は、13
10nmおよび1550nmの中心波長で、それぞれ約50nmおよび70nmである。
しかし、SS−OCTでは、100nm超の同調範囲が必要である。よって、AlGaI
nAsおよびInPで構成されるDBRと量子井戸を含む活性層とを用いるVCSELは
、OCT用途に適さない。
この同調範囲の制限を克服するべく、AlGaAs(高屈折率材料)および約1300
nmを中心とする200nm超の反射率帯域幅を有するAl(低屈折率材料)の交
互の層で構成されるDBRから成る下側ミラーを用いたMEMS付き同調型VCSELが
提案されている。このタイプの同調型VCSELは、光ポンピングにより100nm超の
同調範囲を得ている。詳細については、非特許文献3に記載があり、ここに参照のために
取り込む。この手法では、活性領域は、InP基板上でエピタキシャル成長したInP系
多重量子井戸(MQW)を備える。下側DBRは、GaAs基板上でエピタキシャル成長
する。このように、活性領域およびDBR部における材料を、単一種の基板上で成長させ
ることができない。2つのウェーハを接合し、それから、半VCSEL部を形成するため
にInP基板を除去する必要がある。GaAsおよびInPウェーハの接合およびInP
ウェーハの除去は、非常に複雑なプロセスを要し、信頼性の問題を引き起こす可能性があ
る。
従来の量子井戸レーザーに代わるものとして、量子ドット(quantum dot(
QD))レーザーが研究されている。QDレーザーは、三次元量子サイズ効果のため、超
低閾値電流や低温感受性といった独自の特徴を持つ。量子ドット技術は、大型GaAs基
板上でのInAsQDの自己集合成長技術によって、著しく進歩してきた。従来の端面発
光レーザー(VCSELシステムと対照的に)へのQDの適用は、活性層の量子井戸をQ
Dで置き換えることによって達成されている。最近では、1.3μmQD分布帰還型(d
istributed feedback(DFB))レーザーの高性能が報告されてい
る。これらのレーザーは、p型GaAs基板上のpドープGaAs層を有する高密度QD
層の8スタックの分子線エピタキシー(molecular beam epitaxy
(MBE))によって製造される。利得スペクトルを測定すると、およそ1280nmで
最大正味モード利得が42cm-1に達し、3dB利得帯域幅が、およそ65nmである
。詳細については、非特許文献4に記載があり、ここに参照のために取り込む。
固定波長用途のQDを備える1.3μmVCSELも最近報告されている。GaAs基
板上に、33.5対のnドープAlGaAs層およびnドープGaAs層で構成され
る下側DBRと、InAs/InGaAsQDで構成される非ドープ活性領域と、pドー
プAlGaAs酸化層と、22対のpドープAlGaAs層およびpドープGaAs
層で構成される上側DBRとを、MBEで成長させる。レージング波長は、室温でおよそ
1279nmである。0.48の低い線幅増大係数も報告されており、これによって、O
CT用途に不可欠な狭線幅が得られる。詳細については、非特許文献5に記載があり、こ
こに参照のために取り込む。
T. Yano, H. Saitou, N. Kanbara, R. Noda, S. Tezuka, N. Fujimura, M. Ooyama, T. Watanabe, T. Hirata, and Nishiyama,"Wavelength modulation over 500 kHz of micromechanically tunable InP−based VCSELs with Si−MEMS technology", IEEE J., Selected Topics in Quantum Electronics, vol. 15, pp. 528−534, May/June 2009 N. Nishiyama, C. Caneau, B. Hall, G. Guryanov, M. H. Hu, X. S. Liu, M.−J. Li, R. Bhat, and C. E. Zah, "Long−wavelength vertical−cavity surface−emitting lasers on InP with lattice matched AlGaInAs−InP DBR grown by MOCVD", IEEE J., Selected Topics in Quantum Electronics, vol. 11, pp. 990−998, Sept./Oct. 2005 V. Jayaraman, J. Jiang, H. Li, P. J. S. Heim, G. D. Cole, B. Potsaid, J. G. Fujimoto, and A. Cable, "OCT imaging up to 760 kHz axial scan rate using single−mode 1310 nm MEMS−tunable VCSEL with >100 nm tuning range", CLEO: 2011 - Laser Science to Photonic Applications, PDPB2, 2011 K. Takada, Y. Tanaka, T. Matsumoto, M. Ekawa, H. Z. Song, Y. Nakata, M. Yamaguchi, K. Nishi, T. Yamamoto, M. Sugawara, and Y. Arakawa, "10.3 Gb/s operation over a wide temperature range in 1.3 μm quantum−dot DFB lasers with high modal gain", Optical Fiber Communication Conference/National Fiber Optic Engineers Conference, (2010), Technical Digest P.−C. Peng, G. Lin, H.−C. Kuo, C.E. Yeh, J.−N. Liu, C.−T. Lin, J. Chen, S. Chi, J. Y. Chi, S.−C. Wang, "Dynamic characteristics and linewidth enhancement factor of quantum−dot vertical−cavity surface−emitting lasers", IEEE J. Selected Topics in Quantum Electronics, vol. 15, pp. 844−849, May/June 2009
本明細書における背景技術の記述は、本技術のコンテキストを説明するためのものであ
る。これは、参照される資料のいずれかが、添付の請求項のいずれかの優先日に公開され
ていた、既知であった、あるいは共通の一般的知識の一部であったことを認めるものでは
ない。
本明細書の説明および請求項において、「含む」や「備える」という語は、その他の添
加物、構成要素、整数、ステップ等を除外するものではない。
本発明は、1以上の量子ドット層を備える、微小電気機械システム(MEMS)同調型
垂直キャビティ面発光レーザー(VCSEL)を含む。
本発明は、より高い軸分解能を伴うより深い断層撮像に必要な、広い同調範囲の狭動的
線幅を有する新規のMEMS同調型量子ドットVCSEL掃引源構造を含む。本発明は、
先行技術の少なくとも以下2つの問題点を解決するMEMS同調型量子ドットVCSEL
を提供する:(1)InP系DBRの不十分なDBR反射率帯域幅;(2)2つの異なる
種類のウェーハ(例えば、InP系活性領域ウェーハとGaAs系DBRウェーハ)に必
要な複雑なウェーハ接合。本発明では、高反射率帯域幅のGaAs系DBRと光利得ピー
ク波長(およそ1300nmを中心とした例示的実施形態を含む)の活性領域とを、ウェ
ーハ接合なしに連続してGaAs基板上にエピタキシャル成長させることができる。
MEMS同調型VCSELは、上側垂直可動ミラー部と、下半分VCSEL部とを備え
る。上側ミラー部は、サスペンションビームに支持された膜部と、光を反射するため膜上
に配された上側DBRとを含む。下半分VCSEL部は、下側GaAs系DBRと、下側
DBR上にエピタキシャル成長した量子ドットからなり、間隙を介して上側ミラー部の上
側DBR層に対向する位置に形成された活性領域とを含む。上側DBRと下側DBRとの
間のキャビティのキャビティ長は、膜へ静電力を印加して間隙距離を変化させることによ
って変えることができる。こうして、レージング波長を高速で連続して変えることが可能
になる。VCSELは単一モードで発振するため、試料検出感度は高く、SS−OCTシ
ステムにおける内部検出可能深度は50mmに達する。
先行技術のMEMS同調型VCSELの略図である。 本発明の一例示的実施形態にかかるMEMS同調型量子ドットVCSELの略図である。 本発明の第2例示的実施形態にかかるMEMS同調型量子ドットVCSELの略図である。 (a)本発明の実施形態にかかるMEMS同調型VCSELの上側ミラー部の上面図である、(b)図4aの実施形態における上側ミラー部のA−A線断面図である。 本発明のMEMS同調型量子ドットVCSELに基づく掃引源光干渉断層撮影システム(SS−OCT)の略図である。 ファイバーベースMEMS同調型量子ドットVCSEL掃引源の略図である。 自由空間ベースMEMS同調型量子ドットVCSEL掃引源の略図である。
図面における同じ参照符号は、同じ要素を指す。
本発明の技術を、それぞれ図2および3に示す2つの実施形態で例示する。図2および
3の各実施形態は、それぞれVCSEL下半分と上側MEMS部とに1対のDBRを含む
。2つの実施形態は、各装置の上半分(MEMS)の構造が異なる。両上側部とも、同一
の全体的機能を有し、膜と、空隙と、上側(誘電体)DBRとを含有する。レーザー周波
数は、2つのDBRとそれらの間の空隙との組み合わせから生じる。
図2は、本発明のMEMS同調型量子ドットVCSELの例示的実施形態の略図である
。GaAs基板321上に、30〜40対のGaAs322aおよびGaAsに格子整合
したAlGaAs322bの交互の層から成るnドープDBR322をエピタキシャル成
長させ、これにnドープGaAsクラッド層323が続く。次に、InAs量子ドット(
QD)324a(例えば、横方向サイズ約20nmおよび高さ約5nm)およびInGa
As障壁層324bの交互の多層スタックから成る活性層324を成長させ、これにpド
ープAlGaAsクラッド層325が続く。他のサイズの量子ドットも許容され、平均径
5〜8nm(10nmのサイズ)のもの、または30nmまでのサイズのものであっても
よい。各層324aにおけるドット密度は、典型的に、1010〜1011個/cm
ある。各層が通常単一のドット層のみを支持することから、当該密度を「表面積密度」と
して表す。活性層にはスタック毎に通常8〜20層あり、各層は、厚さ約40nmまでで
あり、好ましくは厚さ10〜30nmである。他の層数も、本明細書における装置に用い
ることができる。量子ドットは、好ましくはInAsから成るが、InGaAsから成っ
てもよく、技術全体の動作に整合する。よって、従来技術で使用された量子井戸に比べて
、量子ドットは、活性層に異なる特性および機能を与える。活性層における量子ドットは
、異なる組成だけでなく異なるサイズを有するドットから成ってもよい。いくつかの実施
形態では、量子ドットは、第2量子化エネルギー状態(利用可能スペクトルを短波長へと
広げるため、有用である)を有する。
クラッド層325の上方に、AlGaAs酸化層326および他のpドープAlGaA
sクラッド層325aを成長させる。酸化層326は、中心領域を除いて部分酸化してい
る。中心領域は、径3〜8μmの開口部326aであり、注入電流(325aから325
の中心領域まで)が閉じ込められる(326は、酸化により電流を抑制する)。クラッド
層325a上に、pドープGaAsコンタクト層327を成長させる。VCSELp電極
328およびn電極329(それぞれ、典型的にTi、Pt、またはAu、および、Cr
、Ni、またはAuから成る)を、コンタクト層327の上および基板321の下にそれ
ぞれ形成して、半VCSEL構造を完成する。
GaAsコンタクト層327上に反射防止(AR)コーティング51を付着させた後、
例えばアモルファスGeで構成されるスペーサ層52を付着させ、続いて、例えば窒化ケ
イ素(SiN)で構成されるフレーム構造53を形成することによって、上半分MEM
Sを形成する。スペーサ層52をエッチングすることによって、膜54を形成する。図2
における要素53および54はそれぞれ、図4(a)におけるフレーム構造332および
膜333に対応する。膜54の一方側に、例えばTiOおよびSiOの交互の層また
はAlおよびa−Si(アモルファスシリコン)の交互の層から成る上側誘電体D
BR55を付着させる。MEMS電極56を、フレーム構造53上に形成する。電圧源5
7を電極56とp金属(典型的に、Ti、Pt、またはAu)電極328との間に接続し
て、MEMS電圧を供給する。こうして、電圧源57が誘起する静電力によって膜54を
垂直偏向することが可能になる。この偏向により、上側DBR55と下側DBR322と
の間のキャビティ長を変えることができ、レージング波長を変えることができる。図2の
構造の種々の層及び部分に特定の材料を指定したが、当業者の理解する考慮に応じて、同
等の機能や特性を持つ他の材料を用いてもよい。
図3は、本発明のMEMS同調型量子ドットVCSELの他の例示的実施形態の略図で
ある。GaAs基板321上に、30〜40対のGaAs322aおよびGaAsに格子
整合したAlGaAs322bの交互の層から成るnドープDBR322をエピタキシャ
ル成長させ、これにnドープGaAsクラッド層323が続く。次に、InAs量子ドッ
ト(QD)324a(例えば、横方向サイズ約20nmおよび高さ約5nm)およびIn
GaAs障壁層324bの交互の多層スタックから成る活性層324を成長させ、これに
pドープAlGaAsクラッド層325が続く。クラッド層325の上方に、AlGaA
s酸化層326およびpドープAlGaAs層325aを成長させる。酸化層326は、
中心領域を除いて部分酸化している。中心領域は、径3〜8μmの開口部326aであり
、注入電流(325aから325の中心領域まで)が閉じ込められる。酸化物は不良導体
であるため、酸化層326は電流を抑制する。クラッド層325a上に、pドープGaA
sコンタクト層327を成長させる。
VCSELp電極328およびn電極329を、コンタクト層327の上および基板3
21の下にそれぞれ形成して、半VCSEL構造を完成する。ここまでは、図3の構造は
図2と同じである。図3の実施形態において、半VCSEL構造の上に、個別に製造した
上側ミラー部を、熱圧着等の方法で接合する。このように、図3の実施形態は図2と異な
る。図2では、装置は、下部から最上層まで(すなわち、単一の基板をベースとして)製
造可能である。対して、図3の装置は、2つの部分で作られる。VCSEL下半分を基板
上に層毎に付着させる一方、上側MEMS部分を別に作製してから、下半分に取り付ける
図4aは、図3の実施形態にかかるVCSELの垂直可動上側ミラー部の上面図である
。図4bは、図4aのA−A線断面図である。図4bに示す部分は、図3の装置の上側部
分に対応し、製造の仕方(基板330上に層を付着させた後、基板330が装置の上部に
なる)を図示するために図3に対して反転している。以下の通り、可動上側ミラー部をハ
ンドルSi基板330上に形成する。MEMS部を、半VCSEL部と別に作製し、Au
バンプ338を介して半VCSEL部に接合する。こうして、Si基板330は、2つの
部分を互いに接合するハンドルのように機能する。SiO層331を絶縁層として形成
し、これにフレーム構造332が続く。円形薄膜333を形成し、SiO層331を犠
牲層としてエッチングして形成された4つのサスペンションビーム334(図4a)で支
持する。例えばTiOおよびSiOの交互の層またはAlおよびa−Siの交
互の層から成る上側誘電体DBR335を膜333の一方側に付着させ、反射防止(AR
)コーティング336を他方側に付着させる。図3に示すように、MEMS電極337を
基板330上に形成し、金(Au)バンプ338を膜333上に形成する。典型的に、上
側MEMS部において、層331、332/333、および338を順にSi基板330
上に形成する。
上側ミラー部(図4a)を、(熱圧着等により)Auバンプ338を介してp電極32
8に接合する。電圧源339をMEMS電極337とp金属(典型的に、Ti、Pt、ま
たはAu)電極328との間に接続して、MEMS電圧を供給する。こうして、電圧源3
39が誘起する静電力によって膜333を垂直偏向することが可能になる。この偏向によ
り、上側DBR335と下側DBR322との間のキャビティ長を変えることができ、レ
ージング波長を変えることができる。電流源340を、活性領域324への電流注入用に
接続する。図3、4a、および4bの構造の種々の層及び部分に特定の材料を指定したが
、当業者の理解する考慮に応じて、同等の機能や特性を持つ他の材料を用いてもよい。
図5は、図2や3、4a、および4bに示すようなMEMS同調型量子ドットVCSE
Lを利用したMEMS同調型量子ドットVCSEL掃引源に基づく掃引源光干渉断層撮影
システム(SS−OCT)の略図である。本実施形態において、MEMS同調型量子ドッ
トVCSEL掃引源100は、光出力209を有し、光出力209は、光ファイバー結合
器101を介して2つの部分に分かれる。波出力の一部は、サーキュレータ102を通っ
て試料アーム103へと向かう。光ファイバー結合器101からの他部は、サーキュレー
タ104を通って参照アーム105へと向かう。試料アーム103および参照アーム10
5からの反射波は、光ファイバー結合器106を通じて再結合され、再結合波は、平衡検
波器107で検出されて、干渉信号112が与えられる。波長モニタ/kクロック出力2
10は、光ファイバー結合器108を介して2つの部分に分かれて、光ファイバー結合器
109を通じて再結合され、平衡検波器110で検出されて、kクロック信号111が与
えられる。データ取得カード(data acquisition card(DAQ)
)113を用いて干渉信号112およびkクロック信号111を回収し、処理・ディスプ
レイモジュール114により再構築深さプロファイルを表示する。結合器、平衡検波器、
サーキュレータ等の部品は、典型的に市販の部品であり、ほとんど変更を加えずに、本明
細書に記載の技術に利用可能である。
図5に示すMEMS同調型量子ドットVCSEL掃引源100について、2つの例示的
実施形態(ファイバーベースおよび自由空間ベース)がある。図6aは、例示のファイバ
ーベースMEMS同調型量子ドットVCSEL掃引源(100a)の略図である。本実施
形態は、(図2や3、4a、および4bに示すような)量子ドット同調型VCSEL20
1と、アイソレータ202と、光ファイバー結合器203と、半導体光増幅器(semi
conductor optical amplifier(SOA))206と、アイ
ソレータ207と、光ファイバー結合器208とを含む。光出力209aおよび他の波長
モニタ/kクロック出力210aは、光ファイバー結合器208から生じる。結合器20
3からの付加的出力を増幅後波長モニタ205に加えてもよく、偏光制御204を用いて
SOA206を介した増幅後の力を最大にしてもよい。要素202、203、206、2
07、208、209a、および210は、市販品であり、ほとんど変更を加えずに利用
可能である。
図6bは、光出力209bを生じる本発明の自由空間ベースMEMS同調型量子ドット
VCSEL掃引源(100b)の略図である。本実施形態は、(図2や3、4a、および
4bに示すような)MEMS同調型量子ドットVCSEL201と、アイソレータ211
と、SOA212と、アイソレータ213と、ビームスプリッタ214とを含む。本実施
形態において、光出力215bおよび波長モニタ/kクロック210bの2つの出力は、
ビームスプリッタ214により生成される。要素211、212、213、214、21
5b、および210bは、市販品であり、ほとんど変更を加えずに利用可能である。
波長同調範囲
図2や3に例示した本明細書に記載のQD活性領域とMEMS同調型DBRとの組み合
わせは、従来報告されていない。このような組み合わせからの掃引源の波長同調範囲は、
好ましくは、100nmを超える。典型的に、単一掃引源の波長同調範囲は、100〜2
00nmであり、110nmまで、120nmまで、150nmまで、または180nm
であってもよい。例えば、量子ドットの組成を変えたり、異なる組成の量子ドットを組み
合わせて用いることによって、変形物が得られる。同調範囲は、典型的に、3または4つ
の異なる帯域のうちの1つを中心とし、これらは、中心波長250〜1950nm、例え
ば、850nm、1,050nm(「1ミクロン」と大まかに呼ばれることもある)、1
,300nm、1,500、および1,700nm、を非限定的に含む。異なる中心波長
の関連する適用は、装置が発するレーザー光で分析される組織やその他の物質に依る。以
下に説明するように、本発明は、記載の同調範囲を実現することができる。
QDの光利得のピーク波長は、QDの周りの障壁だけでなく、QDのサイズや形状およ
びその組成によって決まる。実際のQDの形状は直方体ではないが、x、y、z方向それ
ぞれにa×b×cのサイズで作られたQDの利得ピーク波長は、以下のようにして比較的
直接的に計算することができる。同一量子数の伝導および価電子帯の量子化エネルギーレ
ベル間の遷移に対応する発光波長は、数式(1)で与えられる:
ここで、E mnlおよびE m’n’l’はそれぞれ、QDの伝導および価電子帯にお
ける量子化エネルギーレベルである。利得ピーク波長は、キャリア関連広がり効果のため
、数式(1)で与えられる発光波長よりも少し短い。便宜上QDの無限障壁ポテンシャル
を想定すると、E mnlおよびE m’n’l’は解析的に次のように表すことができ
る:
ここで、Ec0は、伝導帯端エネルギー、Ev0は価電子帯端エネルギー、m および
はそれぞれ電子および正孔の有効質量、
は「hバー」(プランク定数hを2πで除算)である。整数l、m、およびnは、量子化
エネルギーレベルのラベルを示す量子数である。最低エネルギーレベルは、l=m=n=
1(または、l’=m’=n’=1)にあたる。当該量子化エネルギーレベル付近に利得
ピークが現れる。このように、利得ピーク波長は、ドットサイズと寸法a、b、およびc
とによって決まる。よって、QDサイズを変えることによって、利得ピーク波長を変える
ことができる。より大きいサイズのQDは、より短波長側で利得ピークを持つより高いエ
ネルギーの第2量子化状態(l、m、n(またはl’、m’、n’)のいずれかが1より
大きい)を有する。
QDの利得スペクトルの詳細については、S. L. Chuang, Physic
s of Photonic Devices, John Wiley & Sons
2009,pp.376〜381に記載があり、ここに参照のために取り込む。数式(
1)および(2)にあるように、エネルギーレベルは、キャリアの有効質量m および
、および、帯端エネルギーEc0およびEv0によっても決まり、これらは、QD
およびそれぞれの障壁の組成に関連する。各QD層におけるQDのサイズおよび形状は、
結晶成長条件や組成選択を変えることによって調整可能である。このように、利得ピーク
波長は、より広い利得スペクトルを生じる分布を有することができる。利得帯域幅65n
mが、Takada, et al., “10.3 Gb/s operation
over a wide temperature range in 1.3 μm
quantum−dot DFB lasers with high modal g
ain”, Optical Fiber Communication Confer
ence/National Fiber Optic Engineers Conf
erence, Technical Digest(2010)において報告されてお
り、ここに参照のために取り込む。
別の研究において、QDと量子井戸(QW)とを組み合わせることにより、QDの利得
帯域幅をさらに広げることができる。QWの量子化エネルギーレベルを、QDの第2量子
化エネルギーレベルよりも高くなるように選択して、別の利得ピークを与えて利得帯域幅
を広げる。この方法により、200nmを超える全利得帯域幅が得られている。この研究
では、QDのみからの利得帯域幅は160nmであった。詳細については、S. Che
n, K. Zhou, Z. Zhang, J. R. Orchard, D.
T. D. Childs, M. Hugues, O. Wada, and R.
A. Hogg, “Hybrid quantum well/quantum d
ot structure for broad spectral bandwidt
h emitters”, IEEE J. Selected Topics of
Quantum Electron., vol. 19, No.4, July/A
ug. 2013に記載があり、ここに参照のために取り込む。しかし、本段落及び前段
落で引用した両参照文献に記載の構造は、広同調型レーザーや掃引源のレージング波長同
調を実現するのに不十分である。
上記の通り、本発明は、MEMS同調型量子ドットVCSEL(およそ1,300nm
の中心波長を発する例示的実施形態)を提供する。本発明は、先行技術の少なくとも2つ
の問題を解決する。第一に、先行技術におけるInP系DBRの不十分なDBR反射率帯
域幅の問題は、より広い反射率帯域幅を持つGaAs系DBRを用いることで解決する。
第二に、先行技術においてInP系活性領域ウェーハをGaAs系DBRウェーハに接合
するために必要とされていた複雑なウェーハ接合プロセスの問題は、GaAs基板上に成
長するGaAs系DBRの上に連続的に成長する量子ドット活性領域を用いることで回避
される。
本明細書で引用する全ての参考文献の全体を参照のために取り込む。
先の記載は、本技術のさまざまな態様を説明するものであり、本明細書に記載の例は添
付の請求項の範囲を限定するものではない。発明が十分に説明されたことから、添付の請
求項の精神や範囲から逸脱することなく多くの変更や変形が可能であることは、当業者に
は自明であろう。
図3は、本発明のMEMS同調型量子ドットVCSELの他の例示的実施形態の略図である。GaAs基板321上に、30〜40対のGaAs322aおよびGaAsに格子整合したAlGaAs322bの交互の層から成るnドープDBR322をエピタキシャル成長させ、これにnドープGaAsクラッド層323が続く。次に、InAs量子ドット(QD)324a(例えば、横方向サイズ約20nmおよび高さ約5nm)およびInGaAs障壁層324bの交互の多層スタックから成る活性層324を成長させ、これにpドープAlGaAsクラッド層325が続く。クラッド層325の上方に、AlGaAs酸化層326およびpドープAlGaAs層325aを成長させる。酸化層326は、中心領域を除いて部分酸化している。中心領域は、径3〜8μmの開口部326aであり、注入電流(325aから325の中心領域まで)が閉じ込められる。酸化物は不良導体であるため、酸化層326は電流を抑制する。クラッド層325a上に、pドープGaAsコンタクト層327を成長させる。その後、GaAsコンタクト層327上に、反射防止(AR)コーティング336を付着させる。
図4aは、図3の実施形態にかかるVCSELの垂直可動上側ミラー部の上面図である。図4bは、図4aのA−A線断面図である。図4bに示す部分は、図3の装置の上側部分に対応し、製造の仕方(基板330上に層を付着させた後、基板330が装置の上部になる)を図示するために図3に対して反転している。以下の通り、可動上側ミラー部をハンドルSi基板330上に形成する。MEMS部を、半VCSEL部と別に作製し、Auバンプ338を介して半VCSEL部に接合する。こうして、Si基板330は、2つの部分を互いに接合するハンドルのように機能する。SiO層331を絶縁層として形成し、これにフレーム構造332が続く。円形薄膜333を形成し、SiO層331を犠牲層としてエッチングして形成された4つのサスペンションビーム334(図4a)で支持する。例えばTiOおよびSiOの交互の層またはAlおよびa−Siの交互の層から成る上側誘電体DBR335を膜333の一方側に付着させる。図3に示すように、MEMS電極337を基板330上に形成し、金(Au)バンプ338を膜333上に形成する。典型的に、上側MEMS部において、層331、332/333、および338を順にSi基板330上に形成する。

Claims (14)

  1. 微小電気機械システム(MEMS)同調型垂直キャビティ面発光レーザー(VCSEL
    )であって、
    1以上の量子ドット層を備える、MEMS同調型VCSEL。
  2. 前記1以上の量子ドット層は、InAsまたはInGaAs量子ドットを含み、InG
    aAs障壁層によって隔てられている、請求項1に記載のMEMS同調型VCSEL。
  3. 上側および下側の分布ブラッグ反射器(DBR)を有し、前記DBRはGaAsまたは
    AlGaAs系である、請求項1に記載のMEMS同調型VCSEL。
  4. 前記1以上の量子ドット層は、DBR上で連続して成長した活性領域にある、請求項1
    に記載のMEMS同調型VCSEL。
  5. 100nmを超える同調範囲を有する、請求項1に記載のMEMS同調型VCSEL。
  6. 掃引源光干渉断層撮影用の同調型VCSELであって、
    MEMS同調型VCSELを備え、
    前記MEMS同調型VCSELは、
    下半分VCSEL部と、
    上側ミラー部と
    を備え、
    前記下半分VCSEL部は、
    GaAs基板上でエピタキシャル成長した下側DBRと、
    前記下側DBR上でエピタキシャル成長した量子ドットの複数の層から成る活性層と
    を備え、
    前記上側ミラー部は、
    ビームに支持された垂直可動膜と、
    上側光反射器として、前記垂直可動膜上に配された上側DBRと、
    前記上側DBR層と前記下側DBR層との間のキャビティのキャビティ長を変えるため
    に、前記垂直可動膜と前記ハンドル基板との間に電圧を供給する電極と
    を備える、同調型VCSEL。
  7. 前記活性層は、2以上のサイズの量子ドットを含む複数の層を備える、請求項6に記載
    の同調型VCSEL。
  8. 前記活性層は、2以上の組成の量子ドットを含む複数の層を備える、請求項6に記載の
    同調型VCSEL。
  9. 前記活性層は、第2量子化エネルギー状態を有する量子ドットから成る複数の層を備え
    る、請求項6に記載の同調型VCSEL。
  10. 前記活性層は、InAsまたはInGaAs量子ドットから成る複数の層を備える、請
    求項6に記載の同調型VCSEL。
  11. 前記活性層は、250〜1950nmの範囲の中心波長を有する量子ドットの複数の層
    を備える、請求項6に記載の同調型VCSEL。
  12. 前記活性層は、850〜1700nmの範囲の中心波長を有する量子ドットの複数の層
    を備える、請求項6に記載の同調型VCSEL。
  13. 前記活性層は、1100〜1350nmの範囲の中心波長を有する量子ドットの複数の
    層を備える、請求項6に記載の同調型VCSEL。
  14. 光干渉断層撮影システムであって、
    請求項1に記載の同調型VCSELを備える、光干渉断層撮影システム。

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