JP2019201179A - 面発光レーザおよび検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ発振する波長範囲を広げること。【解決手段】放出光を反射し、積層方向の位置が変化することにより前記放出光の波長を変化させる第１反射層と、前記第１反射層の前記積層方向に設けられ前記放出光を反射する第２反射層と、前記積層方向において前記第１反射層および前記第２反射層に挟まれた半導体層と、前記半導体層のバンドギャップエネルギーより小さいエネルギー準位差を有し、前記半導体層内の前記積層方向に配置され、前記エネルギー準位差に相当する前記放出光を放出する複数の発光層と、を備え、前記複数の発光層のうち第１発光層のエネルギー準位差は、前記複数の発光層のうち前記第１発光層より前記第１反射層側に位置する第２発光層のエネルギー準位差より大きいことを特徴とする面発光レーザ。【選択図】図８

Description

本発明は、面発光レーザおよび検査装置に関する。

面発光レーザは、基板上に設けられた発光層と発光層を挟む一対の反射層とを有している。反射層を駆動することで波長を掃引する面発光レーザが知られている（例えば非特許文献１）。面発光レーザにおいて、定在波の分布のピークと活性層の中心とを異ならせることが知られている（例えば特許文献１）。

特開２０１６−７６５３９号公報

IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUNTUM ELECTRONICS VOL. 23, NO. 6 1700516 (2017)

非特許文献１のような波長掃引が可能な面発光レーザでは、波長の掃引範囲が狭い。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、レーザ発振する波長範囲を広げることを目的とする。

本発明は、放出光を反射し、積層方向の位置が変化することにより前記放出光の波長を変化させる第１反射層と、前記第１反射層の前記積層方向に設けられ前記放出光を反射する第２反射層と、前記積層方向において前記第１反射層および前記第２反射層に挟まれた半導体層と、前記半導体層のバンドギャップエネルギーより小さいエネルギー準位差を有し、前記半導体層内の前記積層方向に配置され、前記エネルギー準位差に相当する前記放出光を放出する複数の発光層と、を備え、前記複数の発光層のうち第１発光層のエネルギー準位差は、前記複数の発光層のうち前記第１発光層より前記第１反射層側に位置する第２発光層のエネルギー準位差より大きいことを特徴とする面発光レーザである。

上記構成において、前記放出光の波長が第１波長のとき前記第１反射層と前記第２反射層との間に形成される定在波の腹の位置は前記第１発光層と重なり、前記放出光の波長が前記第１波長より長い第２波長のとき前記定在波の腹の位置は前記第２発光層と重なる構成とすることができる。

上記構成において、前記複数の発光層のエネルギー準位差は前記第１反射層側に行くにしたがい小さくなる構成とすることができる。

上記構成において、各々前記複数の発光層を有する複数の発光層群を備え、前記複数の発光層群内の前記複数の発光層の間隔は、前記複数の発光層群の間隔より小さい構成とすることができる。

上記構成において、前記複数の発光層群は、前記第１反射層と前記第２反射層との間に形成される定在波の複数の腹にそれぞれ重なる構成とすることができる。

本発明は、放出光を反射し、積層方向の位置が変化することにより前記放出光の波長を変化させる第１反射層と、前記第１反射層の前記積層方向に設けられ前記放出光を反射する第２反射層と、前記積層方向において前記第１反射層および前記第２反射層に挟まれた半導体層と、各々の発光層群が、前記半導体層のバンドギャップエネルギーより小さなエネルギー準位差を有し前記積層方向に配置され、前記エネルギー準位差に相当する前記放出光を放出する複数の発光層を有し、前記積層方向に配置された複数の発光層群と、を備え、前記複数の発光層群のうち隣接する発光層群の中心の間隔は、前記放出光の波長の可動範囲の中心の波長の１／２と異なり、前記隣接する発光層群のうち第１発光層群内の複数の発光層のエネルギー準位差と、前記隣接する発光層群のうち第２発光層群内の複数の発光層のエネルギー準位差と、は異なることを特徴とする面発光レーザである。

上記構成において、前記第１発光層群内の複数の発光層のエネルギー準位差は、前記第２発光層群内の複数の発光層のエネルギー準位差より大きく、前記放出光の波長が第１波長のとき前記第１反射層と前記第２反射層との間に形成される定在波の腹の少なくとも１つは前記第１発光層群の中心と重なり、前記放出光の波長が前記第１波長より長い第２波長のとき前記定在波の腹の少なくとも１つは前記第２発光層群の中心と重なる構成とすることができる。

上記構成において、前記隣接する発光層群の中心の間隔は、前記可動範囲の中心の波長の１／２より長く、前記第１発光層群は、前記第２発光層群より前記第２反射層側に位置する構成とすることができる。

上記構成において、前記隣接する発光層群の中心の間隔は、前記可動範囲の中心の波長の１／２より短く、前記第１発光層群は、前記第２発光層群より前記第１反射層側に位置する構成とすることができる。

上記構成において、前記複数の発光層群の各々の発光層群内の複数の発光層のエネルギー準位差は略同じである構成とすることができる。

上記構成において、前記複数の発光層は、量子井戸層または量子ドット層である構成とすることができる。

本発明は、上記面発光レーザを含む検査装置である。

本発明によれば、レーザ発振する波長範囲を広げることができる。

図１は、実施例１における半導体レーザの断面図である。 図２は、実施例１における共振層の断面図である。 図３（ａ）から図３（ｃ）は、実施例１における位置ｚに対するバンドダイアグラムおよび定在波光強度を共振層の断面図である。 図４（ａ）から図４（ｃ）は、比較例１におけるエネルギーダイアグラムおよび定在波光強度を示す図である。 図５（ａ）から図５（ｃ）は、比較例１における波長λに対する材料利得ｇ、光閉じ込め係数Γおよびモード利得Γｇを示す図である。 図６（ａ）から図６（ｃ）は、比較例２におけるエネルギーダイアグラムおよび定在波光強度を示す図である。 図７（ａ）から図７（ｃ）は、比較例２における波長λに対する材料利得ｇ、光閉じ込め係数Γおよびモード利得Γｇを示す図である。 図８（ａ）から図８（ｃ）は、実施例１におけるエネルギーダイアグラムおよび定在波光強度を示す図である。 図９（ａ）から図９（ｃ）は、実施例１における波長λに対する材料利得ｇ、光閉じ込め係数Γおよびモード利得Γｇを示す図である。 図１０は、実施例１の変形例１における共振層を示す断面図である。 図１１（ａ）から図１１（ｃ）は、実施例１の変形例１におけるエネルギーダイアグラムおよび定在波光強度を示す図である。 図１２（ａ）から図１２（ｃ）は、実施例２におけるエネルギーダイアグラムおよび定在波光強度を示す図である。 図１３（ａ）から図１３（ｃ）は、比較例３におけるエネルギーダイアグラムおよび定在波光強度を示す図である。 図１４（ａ）から図１４（ｃ）は、実施例２の変形例１におけるエネルギーダイアグラムおよび定在波光強度を示す図である。 図１５は、実施例３に係る検査装置のブロック図である。

以下、図面を参照し、本発明の実施例について説明する。

図１は、実施例１における半導体レーザの断面図である。半導体レーザは、面発光レーザである。図１に示すように、基板１０上に反射層１２、共振層１４および反射層１６が順に設けられている。共振層１４と反射層１６との間にはエアギャップ１８が形成されている。反射層１６は支持層１７により共振層１４に支持されている。基板１０の下面、共振層１４の上面および反射層１６の上面には、それぞれ電極３０、３２および３４が設けられている。共振層１４にはアイソレーション溝３６が設けられている。アイソレーション溝３６の内面には絶縁膜３７が設けられている。共振層１４内には電流狭窄層２６が設けられている。電流狭窄層２６の開口下の共振層１４が利得領域５４となる。

基板１０は例えばｎ型ＧａＡｓ層等の半導体層である。反射層１２は例えばｎ型半導体層であり、高屈折率層１２ａと高屈折率層１２ａより屈折率の低い低屈折率層１２ｂとが交互に積層されている。反射層１６は例えばｎ型またはドープしていない（真正）半導体層であり、高屈折率層１６ａと高屈折率層１６ａより屈折率の低い低屈折率層１６ｂとが交互に積層されている。

電極３０に対し電極３２に負の電圧を印加すると、共振層１４内の利得領域５４においてキャリアが励起し、共振層１４は光を放射する。反射層１２および１６は共振層１４が放射した光を反射する。反射層１２の上面と１６の下面との間の光学長を光の波長λの０．５×自然数倍とする。これにより、反射層１２の上面と１６の下面との間の内に定在波が発生し共振層１４内において光が共振する。反射層１６の反射率を１よりやや小さくすることで、反射層１６の上面からレーザ光５０が出射される。

電極３２に対し電極３４に電圧を印加すると、電極３２と３４との間の静電力により反射層１６が曲がる。これにより、矢印５１のように利得領域５４上のエアギャップ１８の厚さが変化する。例えば電極３２に負電圧が印加され、電極３４に正電圧が印加されると、エアギャップ１８の厚さは小さくなる。これにより、反射層１２と１６との間の生成される定在波の波長が変化する。よって、レーザ光５０の波長が変化する。反射層１６が駆動できればエアギャップ１８の代わりに液体または固体からなる層が設けられていてもよい。

高屈折率層１２ａおよび１６ａは例えば膜厚が７５ｎｍのＧａＡｓ層であり、低屈折率層１２ｂおよび１６ｂは例えば膜厚が８７ｎｍのＡｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ層である。反射層１２では高屈折率層１２ａと低屈折率層１２ｂとは例えば３５対である。反射層１６では高屈折率層１６ａと低屈折率層１６ｂとは例えば２２対である。高屈折率層１２ａおよび１６ａ並びに低屈折率層１２ｂおよび１６ｂをＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層（０≦ｘ≦１、ｘ＝０のときはＧａＡｓ、ｘ＝１のときはＡｌＡｓ）とする。このとき、高屈折率層１２ａおよび１６ａのｘを低屈折率層１２ｂおよび１６ｂのｘより小さくする。低屈折率層１６ｂのｘが大きいと低屈折率層１６ｂが酸化されやすい。そこで、低屈折率層１６ｂが空気に露出しないように、反射層１６の最上層は高屈折率層１６ａとする。反射層１６は誘電体ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）でもよい。誘電体ＤＢＲでは、例えば低屈折率層として酸化シリコン膜、高屈折率層として窒化シリコン膜または酸化チタン膜を用いることができる。

図２は、実施例１における共振層の断面図である。図２に示すように、共振層１４は、半導体層２４、複数の発光層２２ａから２２ｃおよび電流狭窄層２６を有している。半導体層２４内に複数の発光層２２ａから２２ｃが設けられている。発光層２２ａから２２ｃ上の半導体層２４層内に電流狭窄層２６が設けられている。電極３０と３２との間を流れる電流は電流狭窄層２６の開口を流れる。このため、利得領域５４内の発光層２２ａ、２２ｂおよび２２ｃから光が放出される。各層の積層方向をｚ方向とする。各々の発光層２２ａから２２ｃは量子井戸層として機能し、半導体層２４がバリア層として機能する。発光層２２ａから２２ｃは量子ドット層でもよい。発光層２２ａから２２ｃのバンドギャップエネルギーは半導体層２４のバンドギャップエネルギーより小さい。半導体層２４内において電流の注入によりキャリア（電子とホール）が励起される。発光層２２ａから２２ｃにおいてキャリアが再結合することにより、発光層２２ａから２２ｃから光が放出する。放出された光が反射層１２と１６との間で共振することで、発光層２２ａから２２ｃから誘導放出が生じ放出光となる。

半導体層２４は例えばＧａＡｓ層であり、発光層２２ａから２２ｃは例えばＩｎＧａＡｓまたはＩｎＡｓである。半導体層２４はＡｌＧａＡｓ層でもよい。電流狭窄層２６は、絶縁層または半導体層２４よりバンドギャップエネルギーの大きな半導体層であり、例えば酸化アルミニウム層またはＡｌＡｓ層である。

図３（ａ）から図３（ｃ）は、実施例１における位置ｚに対するバンドダイアグラムおよび定在波光強度を共振層の断面図である。図３（ａ）から図３（ｃ）は、反射層１６がｚ方向に駆動することにより、エアギャップ１８の厚さが異なっている。図３（ａ）ではエアギャップ１８の厚さが図３（ｂ）より大きく、図３（ｃ）ではエアギャップ１８の厚さが図３（ｂ）より小さい。バンドダイアグラムでは、伝導体の底のエネルギーＥｃおよび価電子帯の頂点のエネルギーＥｖを示している。定在波光強度は、反射層１２と１６との間に生成される共振層１４およびエアギャップ１８内の定在波の光強度を示す。定在波光強度上の太線矢印は定在波の腹の位置を示す。

反射層１２の上端および反射層１６の下端は定在波の腹となる。図３（ｂ）のときに、共振層１４の厚さが２λ（波長）となり、エアギャップ１８の厚さがλとなるようにする。このとき、共振層１４の上端は定在波の腹となり、共振層１４内に３つの腹が形成される。定在波の腹の１つが発光層２２ｂと重なるようにする。このときの波長λは例えば半導体レーザの波長の可変範囲の中心の波長である。例えば、波長の可変範囲が１０５０ｎｍ±５０ｎｍのとき、可変範囲の中心の波長は１０５０ｎｍである。

図３（ａ）のように、反射層１６と共振層１４との間のエアギャップ１８が厚くなると、定在波の波長λが長くなる。共振層１４は２λより短くなる。このとき、定在波の腹の１つが発光層２２ａに重なる。図３（ｃ）のように、反射層１６と共振層１４との間のエアギャップ１８が薄くなると、定在波の波長λが短くなる。共振層１４は２λより長くなる。このとき、定在波の腹の１つが発光層２２ｃに重なる。このように、発光層２２ａから２２ｃを複数設けることで、定在波の波長が変化しても効率的に光学利得を得ることができる。

実施例１の効果を説明するために比較例１について説明する。図４（ａ）から図４（ｃ）は、比較例１におけるエネルギーダイアグラムおよび定在波光強度を示す図である。図４（ａ）から図４（ｃ）は、それぞれ図３（ａ）から図３（ｃ）の定在波の状態に対応する。図４（ａ）から図４（ｃ）に示すように、発光層２２ａから２２ｃのバンドギャップエネルギーは同じである。発光層２２ａから２２ｃの量子井戸内の電子の量子準位に電子の波動関数４０ａを図示し、正孔の量子準位に正孔の波動関数４０ｂを示す。発光層２２ａ、２２および２２ｃからは電子の量子準位と正孔の量子準位との差（エネルギー準位差）に相当する光が放出される。発光層２２ａから２２ｃのバンドギャップエネルギーおよび膜厚が互いに同じであれば、発光層２２ａから２２ｃのエネルギー準位差は同じとなる。

図４（ａ）のように、定在波の波長λがλａのとき、発光層２２ａは定在波の腹に位置する。図４（ｂ）のように、定在波の波長λがλｂのとき、発光層２２ｂは定在波の腹に位置する。図４（ｃ）のように、定在波の波長λがλｃのとき、発光層２２ｃは定在波の腹に位置する。定在波の波長λａ、λｂおよびλｃの関係は、λａ＞λｂ＞λｃである。

図５（ａ）から図５（ｃ）は、比較例１における波長λに対する材料利得ｇ、光閉じ込め係数Γおよびモード利得Γｇを示す図である。図５（ａ）に示すように、各発光層２２ａから２２ｃのバンドギャップエネルギー（すなわちエネルギー準位差）は同じであるため、各発光層２２ａから２２ｃの波長λに対する材料利得（Material Gain）は同じ曲線となる。波長λｂを発光層２２ｂのエネルギー準位差となるようにすると、定在波の波長λがほぼλｂのとき材料利得ｇは最大となる。３つの発光層２２ａから２２ｃの合計の材料利得ｇは急峻なピークを有する曲線となる。

図５（ｂ）に示すように、光閉じ込め係数（Optical Confinement Factor）Γは図４（ｂ）のように、発光層２２ｂが定在波の腹の位置となる波長λｂにおいて最大となる曲線となる。

図５（ｃ）に示すように、モード利得(Modal gain)Γｇは、光閉じ込め係数Γと材料利得ｇの積となる。これにより、波長λがλｂのときモード利得Γｇが最大となる急峻なピークを有する曲線となる。

レーザ発振するためには、モード利得Γｇがｇｔｈより大きいことが条件となる。ｇｔｈは、ｇｔｈ＝α_{ｍｉｒｒｏｒ}＋α_ｉｎｔである。α_{ｍｉｒｒｏｒ}はミラー損失であり、α_{ｍｉｒｒｏｒ}＝（１／２Ｌ）ｌｎ（１／（Ｒ１・Ｒ２））である。Ｌは光の反射層１２および１６への染み出しを考慮した共振器長、Ｒ１およびＲ２はそれぞれ反射層１２および１６のミラー反射率である。α_ｉｎｔは内部損失であり、共振層１４のドーパント等による光吸収および回折損等による光散乱に起因する損失である。

モード利得Γｇのピークが急峻であると、Γｇ＞ｇｔｈとなる波長範囲Δλが小さくなる。このように、比較例１では、レーザ発振可能な波長範囲Δλが狭い。

図６（ａ）から図６（ｃ）は、比較例２におけるエネルギーダイアグラムおよび定在波光強度を示す図である。図６（ａ）から図６（ｃ）に示すように、発光層２２ａのバンドギャップエネルギーが最も大きく、発光層２２ｃのバンドギャップエネルギーが最も小さい。その他は比較例１の図４（ａ）から図４（ｃ）と同じであり説明を省略する。

図７（ａ）から図７（ｃ）は、比較例２における波長λに対する材料利得ｇ、光閉じ込め係数Γおよびモード利得Γｇを示す図である。図７（ａ）に示すように、波長λｃからλａを、それぞれ発光層２２ａから２２ｃの電子と正孔の量子準位差のエネルギーとなるようにする。発光層２２ａから２２ｃの材料利得は、それぞれ波長λｃからλａのとき最大となる。比較例２における発光層２２ａから２２ｃの合計の材料利得ｇは、比較例１より緩やかなピークを有する曲線となる。

図６（ｂ）のように、波長λがλｂのとき、定在波の腹は発光層２２ｂに位置する。このとき、発光層２２ｂの量子準位差は波長λｂに相当する。よって、図７（ｂ）において、波長λがλｂのとき光閉じ込め係数Γが大きくなる。図６（ａ）のように、波長λがλａのときは、定在波の腹は発光層２２ａに位置するが、発光層２２ａの量子準位差は波長λｃに対応する。このように発光層２２ａの量子準位差に対応する波長と定在波の波長λａが異なるため、光閉じ込め係数Γは小さくなる。図６（ｃ）のように、波長λがλｃのときは、定在波の腹は発光層２２ｃに位置するが、発光層２２ｃの量子準位差は波長λａに対応する。このように発光層２２ｃの量子準位差に対応する波長と定在波の波長λｃが異なるため、光閉じ込め係数Γは小さくなる。これにより、比較例２の光閉じ込め係数Γは比較例１に比べ小さくなる。

図７（ｃ）に示すように、比較例２の光閉じ込め係数Γが小さいため、比較例２のモード利得Γｇは、比較例１より小さくなる。モード利得Γｇがｇｔｈより小さくなると、レーザ発振する波長範囲は存在しなくなる。

図８（ａ）から図８（ｃ）は、実施例１におけるエネルギーダイアグラムおよび定在波光強度を示す図である。図８（ａ）から図８（ｃ）に示すように、発光層２２ａのバンドギャップエネルギーが最も小さく、発光層２２ｃのバンドギャップエネルギーが最も大きい。すなわち、発光層２２ａから２２ｃのバンドギャップエネルギーはこの順に小さい。その他は比較例１の図４（ａ）から図４（ｃ）と同じであり説明を省略する。

図９（ａ）から図９（ｃ）は、実施例１における波長λに対する材料利得ｇ、光閉じ込め係数Γおよびモード利得Γｇを示す図である。図９（ａ）に示すように、波長λａからλｃが、それぞれ発光層２２ａから２２ｃの電子と正孔の量子準位差のエネルギーとなるようにする。発光層２２ａから２２ｃの材料利得は、それぞれ波長λａからλｃのとき最大となる。実施例１における発光層２２ａから２２ｃの合計の材料利得ｇは、比較例２と同様に、比較例１に比べ、ピークの高さは低いが、ピークの幅は広くなる。

図８（ｂ）のように、波長λがλｂのとき、定在波の腹は発光層２２ｂに位置する。このとき、発光層２２ｂの量子準位差は波長λｂに相当する。よって、図９（ｂ）において、波長λがλｂのとき光閉じ込め係数Γが大きくなる。図８（ａ）のように、波長λがλａのときは、定在波の腹は発光層２２ａに位置する。発光層２２ａの量子準位差は波長λａに対応する。このように発光層２２ａの量子準位差に対応する波長と定在波の波長λａとの差が比較例２より小さくなる。このため、図９（ｂ）において、波長λがλａのときの光閉じ込め係数Γは比較例２の図７（ｂ）に比べ大きくなる。図８（ｃ）のように、波長λがλｃのときは、定在波の腹は発光層２２ｃに位置する。発光層２２ｃの量子準位差は波長λｃに対応する。このように発光層２２ｃの量子準位差に対応する波長と定在波の波長λｃとの差が比較例２より小さくなる。このため、図９（ｂ）において波長λがλｃのときの光閉じ込め係数Γは比較例２の図７（ｂ）に比べ大きくなる。これにより実施例１の光閉じ込め係数Γは、ピークの高さは比較例１に比べ小さいが、比較例１より幅の広いピークとなる。また、実施例１の光閉じ込め係数Γは、比較例２に比べ幅の広いピークとなる。

図９（ｃ）に示すように、実施例１のモード利得Γｇは、比較例１に比べ、ピークの高さは低いが幅が広い曲線となる。これにより、モード利得Γｇがｇｔｈより大きい波長の範囲Δλは、比較例１より広くなる。よって、比較例１よりレーザ発振する波長範囲Δλを広くできる。

実施例１の発光層２２ａから２２ｃの例を以下に示す。
発光層２２ａから２２ｃ：膜厚が７ｎｍのＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ層（ｘ＝０．２５５）
発光層間の半導体層２４：膜厚が１５ｎｍのＧａＡｓ層
発光層２２ａのｘ：０．２９ λａ：１０８０ｎｍ
発光層２２ｂのｘ：０．２５５ λｂ：１０５０ｎｍ
発光層２２ｃのｘ：０．２２ λｃ：１０２０ｎｍ

実施例１によれば、反射層１６（第１反射層）は、発光層２２ａから２２ｃが放出した放出光を反射し、ｚ方向（積層方向）の位置が変化することにより放出光の波長を変化させる。反射層１２（第２反射層）は、反射層１６のｚ方向に設けられエネルギー準位差に相当する放出光を反射する。半導体層２４は、ｚ方向において反射層１６および１２に挟まれている。複数の発光層２２ａから２２ｃは半導体層２４のバンドギャップエネルギーより小さいエネルギー準位差を有し、半導体層２４内のｚ方向に配置されている。

このような半導体装置において、図８（ａ）から図８（ｃ）のように、複数の発光層２２ａから２２ｃのうち発光層２２ｂ（第１発光層）のエネルギー準位差は、発光層２２ｂより反射層１６側に位置する発光層２２ａ（第２発光層）のエネルギー準位差より大きい。これにより、レーザ光５０の波長が長いときに図９（ｂ）のように、光閉じ込め係数Γの波長依存がなだらかになり、図９（ｃ）のように発振可能な波長範囲Δλを広くできる。

図８（ｂ）のように、レーザ光５０（すなわち放出光）の波長が波長λｂ（第１波長）のとき反射層１６と１２との間に形成される定在波の腹の位置は発光層２２ｂと重なる。図８（ａ）のように、レーザ光５０の波長が波長λｂより長い波長λａ（第２波長）のとき、定在波の腹の位置は発光層２２ａと重なる。これにより、図９（ｂ）のように、光閉じ込め係数γの波長依存がなだらかになり、図９（ｃ）のように発振可能な波長範囲Δλを広くできる。

図８（ａ）から図８（ｃ）のように、複数の発光層２２ａから２２ｃのバンドギャップエネルギーは反射層１６側に行くにしたがい小さくなる。これにより、図９（ｃ）のように発振可能な波長範囲Δλを広くできる。

実施例１では、発光層２２ａから２２ｃを３層としたが発光層２２ａから２２ｃは２層または４層以上でもよい。

［実施例１の変形例１］
実施例１の変形例１における半導体レーザ全体の断面図は図１と同じであり説明を省略する。図１０は、実施例１の変形例１における共振層を示す断面図である。図１０に示すように、半導体層２４内に複数の発光層群２０ａから２０ｃが設けられている。発光層群２０ａから２０ｃは、各々発光層２２ａから２２ｃを備えている。

図１１（ａ）から図１１（ｃ）は、実施例１の変形例１におけるエネルギーダイアグラムおよび定在波光強度を示す図である。図１１（ｂ）に示すように，波長λが可変範囲のほぼ中心の波長λｂのとき、定在波の３つの腹に発光層群２０ａから２０ｃの発光層２２ｂがほぼ位置する。図１１（ａ）に示すように、波長λがλａのとき、定在波の３つの腹に発光層群２０ａから２０ｃの発光層２２ａがほぼ位置する。図１１（ｃ）に示すように、波長λがλｃのとき、定在波の３つの腹に発光層群２０ａから２０ｃの発光層２２ｃがほぼ位置する。

このように、発光層群２０ａから２０ｃの間隔をλｂ／２とすると、波長λがλｂのとき、発光層群２０ａから２０ｃの発光層２２ｂを定在波の腹に設けることができる。これにより、モード利得が大きくなる。波長λがλａおよびλｃのときは、定在波の腹はそれぞれ発光層２２ａおよび２２ｃにほぼ位置する。これによりモード利得が大きくなる。よって、実施例１と同様にレーザ発振する波長範囲を広くできる。

実施例１の変形例１のように、半導体層２４に複数の発光層群２０ａから２０ｃを備え、複数の発光層群２０ａから２０ｃは各々実施例１の複数の発光層２２ａから２２ｃを有していてもよい。複数の発光層群２０ａから２０ｃ内の複数の発光層２２ａから２２ｃの間隔は、複数の発光層群２０ａから２０ｃの間隔より小さい。これにより、レーザ発振する波長範囲を広くできる。

図１１（ａ）から図１１（ｃ）のように、複数の発光層群２０ａから２０ｃは定在波の複数の腹にそれぞれ重なる。これにより、各発光層群２０ａから２０ｃにおいて放出光が放出されるため、レーザ発振する波長範囲を広くできる。

実施例２における半導体レーザ全体の断面図は図１と同じであり、共振層１４の断面は図１０と同じであり説明を省略する。

図１２（ａ）から図１２（ｃ）は、実施例２におけるエネルギーダイアグラムおよび定在波光強度を示す図である。図１２（ａ）から図１２（ｃ）に示すように、各々の発光層群２０ａから２０ｃ内の発光層２２ａから２２ｃのバンドギャップエネルギーはほぼ同じである。反射層１６側の発光層群２０ａ内の発光層２２ａから２２ｃのバンドギャップエネルギーは、発光層群２０ｂ内の発光層群２０ａから２０ｃのバンドギャップエネルギーより小さい。反射層１２側の発光層群２０ｃ内の発光層２２ａから２２ｃのバンドギャップエネルギーは、発光層群２０ｂ内の発光層２２ａから２２ｃのバンドギャップエネルギーより大きい。反射層１６の方に行くにしたがい発光層群２０ａから２０ｃ内の複数の発光層２２ａから２２ｃのバンドギャップエネルギーは小さくなる。

図１２（ｂ）に示すように，波長λが可変範囲のほぼ中心の波長λｂのとき、発光層群２０ａから２０ｃの周期は、波長の可変範囲のほぼ中心である波長λｂの１／２より大きい（矢印７０）。このため、定在波の３つの腹のうち真ん中の腹は発光層群２０ｂの中心の発光層２２ｂ付近に位置する。他の２つの腹は発光層群２０ａおよび２０ｃの発光層２２ｂに位置しない。これにより、発光層群２０ｂの光閉じ込め係数Γは大きい。発光層群２０ａおよび２０ｃの光閉じ込め係数Γは小さい。

図１２（ａ）に示すように、波長λがλｂより長いλａのとき、定在波の１つの腹が発光層群２０ａの中心の発光層２２ｂ付近に位置する。これにより、発光層群２０ａの光閉じ込め係数Γが大きくなる。発光層群２０ｂおよび２０ｃの光閉じ込め係数Γは小さい。

図１２（ｃ）に示すように、波長λがλｂより短いλｃのとき、定在波の１つの腹が発光層群２０ｃの中心の発光層２２ｂ付近に位置する。これにより、発光層群２０ｃの光閉じ込め係数Γが大きくなる。発光層群２０ａおよび２０ｂの光閉じ込め係数Γは小さい。

以上のように、実施例２では、いずれかの発光層群２０ａから２０ｃにおいて光閉じ込め係数Γが大きくなる。これにより、図９（ｂ）と同様に、Γは幅広いピークとなる。よって、図９（ｃ）と同様に、発振可能な波長範囲Δλが大きくなる。

［比較例３］
図１３（ａ）から図１３（ｃ）は、比較例３におけるエネルギーダイアグラムおよび定在波光強度を示す図である。図１３（ａ）から図１３（ｃ）に示すように、発光層群２０ａから２０ｃの周期は、波長の可変範囲のほぼ中心である波長λｂの１／２とほぼ同じである。その他の構成は実施例２と同じである。

図１３（ｂ）に示すように、定在波の３つの腹はいずれも発光層群２０ａから２０ｃの中心の発光層２２ｂ付近に位置する。これにより、各発光層群２０ａから２０ｃの光閉じ込め係数Γは大きい。

図１３（ａ）に示すように、波長λがλｂより長いλａのとき、定在波の３つの腹はいずれも発光層群２０ａから２０ｃの発光層２２ａ付近に位置する。これにより、各発光層群２０ａから２０ｃの光閉じ込め係数Γが小さくなる。

図１３（ｃ）に示すように、波長λがλｂより短いλｃのとき、定在波の３つの腹はいずれも発光層群２０ａから２０ｃの発光層２２ｃ付近に位置する。これにより、各発光層群２０ａから２０ｃの光閉じ込め係数Γが小さくなる。

このように、比較例３では、波長がλｂのときはΓが大きいが、波長がλａおよびλｃのときはいずれの発光層群２０ａから２０ｃにおいてもΓが小さくなる。よって、Γはλｂ以外では小さくなる。よって、発振可能な波長範囲が狭くなる。

比較例３のように、発光層群２０ａから２０ｃの周期が波長λｂの１／２と同じ場合、発振可能な波長は狭くなる。
［実施例２の変形例１］

図１４（ａ）から図１４（ｃ）は、実施例２の変形例１におけるエネルギーダイアグラムおよび定在波光強度を示す図である。図１４（ａ）から図１４（ｃ）に示すように、発光層群２０ａから２０ｃの周期は、波長の可変範囲のほぼ中心である波長λｂの１／２より小さい（図１４（ｂ）の矢印７２参照）。反射層１６側の発光層群２０ａ内の発光層２２ａから２２ｃのバンドギャップエネルギーは、発光層群２０ｂ内の発光層群２０ａから２０ｃのバンドギャップエネルギーより大きい。反射層１２側の発光層群２０ｃ内の発光層２２ａから２２ｃのバンドギャップエネルギーは、発光層群２０ｂ内の発光層２２ａから２２ｃのバンドギャップエネルギーより小さい。その他の構成は実施例２と同じである。

図１４（ｂ）に示すように、波長λがλｂのとき、定在波の１つの腹が発光層群２０ｂの中心付近の発光層２２ｂ付近に位置する。これにより、各発光層群２０ｂの光閉じ込め係数Γが大きくなる。

図１４（ａ）に示すように、波長λがλｂより長いλａのとき、定在波の１つの腹が発光層群２０ｃの中心付近の発光層２２ｂ付近に位置する。これにより、各発光層群２０ｃの光閉じ込め係数Γが大きくなる。

図１４（ｃ）に示すように、波長λがλｂより短いλｃのとき、定在波の１つの腹が発光層群２０ａの中心付近の発光層２２ｂ付近に位置する。これにより、各発光層群２０ａの光閉じ込め係数Γが大きくなる。

以上のように、実施例２の変形例１では、いずれかの発光層群２０ａから２０ｃにおいて光閉じ込め係数Γが大きくなる。これにより、実施例２と同様に、発振可能な波長範囲Δλが大きくなる。

実施例２およびその変形例１によれば、複数の発光層群２０ａから２０ｃは、各々ｚ方向に配置された複数の発光層２２ａから２２ｃを有する。図１２（ａ）から図１２（ｃ）および図１４（ａ）から図１４（ｃ）のように、発光層群２０ｂ（第１発光層群）内の複数の発光層２２ａから２２ｃのエネルギー準位差と、発光層群２０ａ（第２発光層群）内の複数の発光層２２ａから２２ｃのエネルギー準位差と、は異なる。さらに、図１２（ｂ）および図１４（ｂ）のように、複数の発光層群２０ａから２０ｃのうち隣接する発光層群２０ａと２０ｂとの間隔は、レーザ光５０の波長の可動範囲の中心の波長λｂの１／２と異なる。

これにより、波長が変化しても発光層群２０ａおよび２０ｂのいずれかにおいて光閉じ込め係数Γが大きくなる。よって、発振可能な波長範囲Δλを広くできる。なお、レーザ光５０の波長の可動範囲は、例えば半導体レーザにおいて保証されるレーザ光の波長範囲である。例えば保証されるレーザ光の波長範囲が１０００ｎｍから１１００ｎｍのとき、波長範囲の中心は１０５０ｎｍである。

また、図１２（ａ）および図１２（ｂ）のように、発光層群２０ｂ（第１発光層群）内の複数の発光層２２ａから２２ｃのエネルギー準位差は、発光層群２０ａ（第２発光層群）内の複数の発光層２２ａから２２ｃのエネルギー準位差より大きい。図１２（ｂ）のように、レーザ光５０の波長が波長λｂ（第１波長）のとき定在波の腹の少なくとも１つは発光層群２０ｂの発光層２２ｂ（中心）と重なる。図１２（ａ）のように、レーザ光５０の波長がλｂより長い波長λａ（第２波長）のとき、定在波の腹の少なくとも１つは発光層群２０ａの発光層２２ｂ（中心）と重なる。これにより、波長が変化しても発光層群２０ａおよび２０ｂのいずれかにおいて光閉じ込め係数Γが大きくなる。よって、発振可能な波長範囲Δλを広くできる。発光層群の中心は、例えば、発光層が奇数のときは真ん中の発光層の位置であり、発光層が偶数のときは、中央付近の２つの発光層の中心の位置である。

図１２（ａ）および図１２（ｂ）のように、発光層群２０ａと２０ｂとの中心の間隔は、可動範囲の中心の波長λｂの１／２より長い。発光層群２０ｂは、発光層群２０ａより反射層１２側に位置する。これにより、レーザ光５０の波長がλｂのとき、定在波の腹の少なくとも１つは発光層群２０ｂの発光層２２ｂと重なり、レーザ光５０の波長がλａのとき、定在波の腹の少なくとも１つは発光層群２０ａの発光層２２ｂと重る。

図１４（ａ）および図１４（ｂ）のように、発光層群２０ａと２０ｂとの中心の間隔は、可動範囲の中心の波長λｂの１／２より短い。発光層群２０ｂは、発光層群２０ａより反射層１６側に位置する。これにより、レーザ光５０の波長がλｂのとき、定在波の腹の少なくとも１つは発光層群２０ｂの発光層２２ｂと重なり、レーザ光５０の波長がλａのとき、定在波の腹の少なくとも１つは発光層群２０ａの発光層２２ｂと重る。

発光層群２０ａから２０ｃの各々の発光層群内の複数の発光層２２ａから２２ｃのエネルギー準位差は製造誤差程度に略同じであることが好ましい。

実施例１、２およびその変形例において、複数の発光層２２ａから２２ｃとして、量子井戸層を例に説明したが、複数の発光層２２ａから２２ｃは量子ドット層でもよい。発光層２２ａから２２ｃが量子ドットのとき、エネルギー準位差は、量子ドットにより生成される電子の量子準位と正孔の量子準位の差となる。また、実施例１および２では、発光層に電流を注入する電流注入型の半導体レーザを例に説明したが、発光層に光を照射する光励起型の半導体レーザでもよい。

実施例３は、実施例２に係る波長可変レーザ装置を用いる検査装置として、ＯＣＴ（Optical Coherence Tomography）装置の例である。図１５は、実施例３に係る検査装置のブロック図である。図１５に示すように、波長を掃引する（または波長が可変である）光源６０から出射された光はハーフミラー６２により反射光と透過光とに分割される。反射光はミラー６４で反射し参照光となる。ミラー６４の位置により参照光の位相を変更できる。参照光はハーフミラー６２を透過する。ハーフミラー６２を透過した透過光は対象物６８に照射され信号光となる。対象物６８は例えば生体の部位であり、例えば眼である。信号光はハーフミラー６２で反射する。検出器６６は、信号光と参照光とが干渉した光強度を検出する。光源６０は、光の波長を変更できる。処理部６５は、検出器６６の信号に基づき光干渉断層を生成する。

波長可変レーザ装置を用いる検査装置の例として、ＯＣＴ装置について説明したがＯＣＴ装置以外の医療用または他の検査装置でもよい。検査装置は実施例１または２の半導体レーザを含めばよい。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０ 基板
１２、１６ 反射層
１４ 共振層
１８ エアギャップ
２０ａ−２０ｃ 発光層群
２２ａ−２２ｃ 発光層
２４ 半導体層
２６ 電流狭窄層
３０、３２、３４ 電極
５０ レーザ光
５４ 利得領域

Claims (12)

1. 放出光を反射し、積層方向の位置が変化することにより前記放出光の波長を変化させる第１反射層と、
   前記第１反射層の前記積層方向に設けられ前記放出光を反射する第２反射層と、
   前記積層方向において前記第１反射層および前記第２反射層に挟まれた半導体層と、
   前記半導体層のバンドギャップエネルギーより小さいエネルギー準位差を有し、前記半導体層内の前記積層方向に配置され、前記エネルギー準位差に相当する前記放出光を放出する複数の発光層と、
   を備え、
   前記複数の発光層のうち第１発光層のエネルギー準位差は、前記複数の発光層のうち前記第１発光層より前記第１反射層側に位置する第２発光層のエネルギー準位差より大きいことを特徴とする面発光レーザ。
2. 前記放出光の波長が第１波長のとき前記第１反射層と前記第２反射層との間に形成される定在波の腹の位置は前記第１発光層と重なり、
   前記放出光の波長が前記第１波長より長い第２波長のとき前記定在波の腹の位置は前記第２発光層と重なることを特徴とする請求項１に記載の面発光レーザ。
3. 前記複数の発光層のエネルギー準位差は前記第１反射層側に行くにしたがい小さくな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. 各々前記複数の発光層を有する複数の発光層群を備え、
   前記複数の発光層群内の前記複数の発光層の間隔は、前記複数の発光層群の間隔より小さいことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の面発光レーザ。
5. 前記複数の発光層群は、前記第１反射層と前記第２反射層との間に形成される定在波の複数の腹にそれぞれ重なることを特徴とする請求項４に記載の面発光レーザ。
6. 放出光を反射し、積層方向の位置が変化することにより前記放出光の波長を変化させる第１反射層と、
   前記第１反射層の前記積層方向に設けられ前記放出光を反射する第２反射層と、
   前記積層方向において前記第１反射層および前記第２反射層に挟まれた半導体層と、
   各々の発光層群が、前記半導体層のバンドギャップエネルギーより小さなエネルギー準位差を有し前記積層方向に配置され、前記エネルギー準位差に相当する前記放出光を放出する複数の発光層を有し、前記積層方向に配置された複数の発光層群と、
   を備え、
   前記複数の発光層群のうち隣接する発光層群の中心の間隔は、前記放出光の波長の可動範囲の中心の波長の１／２と異なり、
   前記隣接する発光層群のうち第１発光層群内の複数の発光層のエネルギー準位差と、前記隣接する発光層群のうち第２発光層群内の複数の発光層のエネルギー準位差と、は異なることを特徴とする面発光レーザ。
7. 前記第１発光層群内の複数の発光層のエネルギー準位差は、前記第２発光層群内の複数の発光層のエネルギー準位差より大きく、
   前記放出光の波長が第１波長のとき前記第１反射層と前記第２反射層との間に形成される定在波の腹の少なくとも１つは前記第１発光層群の中心と重なり、
   前記放出光の波長が前記第１波長より長い第２波長のとき前記定在波の腹の少なくとも１つは前記第２発光層群の中心と重なることを特徴とする請求項６に記載の面発光レーザ。
8. 前記隣接する発光層群の中心の間隔は、前記可動範囲の中心の波長の１／２より長く、
   前記第１発光層群は、前記第２発光層群より前記第２反射層側に位置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. 前記隣接する発光層群の中心の間隔は、前記可動範囲の中心の波長の１／２より短く、
   前記第１発光層群は、前記第２発光層群より前記第１反射層側に位置することを特徴とする請求項７に記載の面発光レーザ。
10. 前記複数の発光層群の各々の発光層群内の複数の発光層のエネルギー準位差は略同じであることを特徴とする請求項６から９のいずれか一項に記載の面発光レーザ。
11. 前記複数の発光層は、量子井戸層または量子ドット層であることを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載の面発光レーザ。
12. 請求項１から１１のいずれか一項に記載の面発光レーザを含むことを特徴とする検査装置。

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