JP6297557B2 - 量子井戸チューナブル短共振器レーザ - Google Patents

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Description

関連出願の相互参照
本願は、２０１２年７月２７日に提出され、現在係属中である米国仮特許出願第６１／６７６７１２号の権利を主張する。米国仮特許出願第６１／６７６７１２号の開示は参照により本明細書に組み込まれる。
本発明は、チューナブルレーザ、広域チューナブルレーザ、波長掃引光源、増幅チューナブルレーザ、高速同調レーザ、およびこれらの装置によって可能になる光学システムに関する。
広域で高速なチューナブルレーザは、様々な検出、通信、測定、治療、サンプル修正、撮像システムにとって重要である。たとえば、掃引光源光コヒーレンス断層撮影（ＳＳＯＣＴ）システムは反復掃引チューナブルレーザを採用して、広範な素材の表面下微細構造画像を生成する。ＳＳ−ＯＣＴでは、広い同調範囲にわたる軸方向測定分解能を向上させ、高同調速度により大規模データセットのリアルタイム取得が可能になる。また、可変同調速度により、各種用途で要求されるような撮像範囲と分解能のトレードオフが実現される。最後に、狭い線幅に相当する長いコヒーレンス長は撮像範囲を拡げることができる。高速広域チューナブルレーザを必要とするシステムのもう１つの例は、たとえば（Ｓｔｅｉｎ，Ｂ．Ａ．、Ｊａｙａｒａｍａｎ，Ｖ．Ｊｉａｎｇ，Ｊ．Ｊら、「単一モードＭＥＭＳチューナブルＶＣＳＥＬを使用する５５ｋＨｚ反復レートでの１３２１〜１３５４ｎｍ範囲掃引によるドップラー制限Ｈ２０およびＨＦ吸収分光」、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｂ：Ｌａｓｅｒｓ ａｎｄ Ｏｐｔｉｃｓ １０８（４）、７２１〜５（２０１２））に記載されるような過渡ガス分光である。ガス分光では、速度同調により、エンジン温度測定等において時間変動プロセスを特徴付けることができる。狭スペクトル幅は、たとえば低ガス温で発生するような狭吸収特徴の分解能を可能にする。その他の過渡分光用途には、爆発性またはその他の非反復プロセスの監視などがある。
広い同調性と長いコヒーレンス長以外にも、チューナブルレーザにとって重要なパラメータは同調速度と同調速度の可変性である。ＳＳ−ＯＣＴでは、同調速度を速めることで、時間変動生理学的プロセスの撮像だけでなく大規模データセットのリアルタイムの容量の撮像を実現することができる。また、ＳＳ−ＯＣＴでは、同調速度の可変性のおかげで、高速で高分解能狭範囲の撮像と、低速で低分解能広域撮像との間のスイッチングを、単独の装置で行うことができ、このことは、たとえば（Ｇｒｕｌｋｏｗｓｋｉ，Ｉ．、Ｌｉｕ，Ｊ．Ｊ．、Ｐｏｔｓａｉｄ，Ｂ．ら、「垂直共振器表面発光レーザを備える超高速掃引光源ＯＣＴを用いた網膜および前区ならびに眼全体の撮像」、Ｂｉｏｍｅｄ．Ｏｐｔ．Ｅｘｐｒｅｓｓ、３（１１）、２７３３〜２７５１（２０１２））に記載されるような眼の撮像において非常に有益である。分光またはその他の検出用途も同様に、高速および可変速度から恩恵を得る。
広域チューナブルレーザのその他の望ましい特性は、高出力パワー、中心波長の柔軟性、スペクトル成形出力、一体型の低コスト製造、およびアレイ技術との両立性などである。高パワーは、ほぼすべての用途で信号対雑音比を増大させる。中心波長の柔軟性は、より幅広い用途での実用性向上につながる。スペクトル成形出力は信号対雑音比を増大させ、熱管理を向上させる。一体型の低コスト製造は明らかに有用であり、アレイ技術は複数の光源が多重化される用途を簡易化する。
上記の所望の特性に関する従来技術のチューナブルレーザの限界は、３つの代表例を検討して理解できる。３つの例とは、フーリエドメインモードロック（ＦＤＭＬ）レーザ、外部共振器チューナブルレーザ（ＥＣＴＬ）、およびサンプルグレーティング分布ブラッグ反射器（ＳＧＤＢＲ）レーザである。ＦＤＭＬレーザは（Ｈｕｂｅｒ，Ｒ．、Ａｄｌｅｒ，Ｄ．Ｃ．、Ｆｕｊｉｍｏｔｏ，Ｊ．Ｇ．、「緩衝フーリエドメインモードロッキング：３７０，０００線／秒での光コヒーレンス断層撮影用一方向掃引レーザ源」、Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ、３１（２０）、２９７５〜２９７７（２００６））に記載される。ＳＳＯＣＴシステムにおける市販ＥＣＴＬの使用は（Ｇｅｏｒｇｅ，Ｂ．、Ｐｏｔｓａｉｄ，Ｂ．、Ｂａｕｍａｎｎ，Ｂ．、Ｈｕａｎｇ，Ｄ．ら、「１００，０００〜４００、０００軸方向走査／秒での超高速１０５０ｎｍ掃引光源／フーリエドメインＯＣＴ網膜および前区撮像」、Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ、１８（１９）、２００２９〜２００４８（２０１０））に記載される。ＳＧＤＢＲレーザの動作は（Ｄｅｒｉｃｋｓｏｎ，Ｄ．、「ＯＣＴ分解能向上に向けてサンプル格子分布ブラッグ反射器レーザダイオード源を使用する周波数傾斜の高速連結」、ＳＰＩＥ−国際光工学会議事録、７５５４，（２０１０））に記載されている。ＦＤＭＬおよびＥＣＴＬ装置は本質的に、同調範囲全体にわたって単一モードの代わりに一団のモードを掃引する多縦モード装置である。この結果、ＳＳＯＣＴでは撮像範囲が制限され、分光用途ではスペクトル分解能が制限される。ＦＤＭＬとＥＣＴＬはいずれも非一体形光源であり、別々の構成要素から組み立てられるため、低コストの装置ではなく、アレイ製造とも両立しない。さらに、（Ｈｕｂｅｒ，Ｒ．、Ｗｏｊｔｋｏｗｓｋｉ，Ｍ．、Ｔａｉｒａ，Ｋ．ら、「周波数ドメイン反射光測定用増幅周波数掃引レーザおよびＯＣＴ撮像：設計とスケーリング原理」、Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ、１３（９）、３５１３−３５２８（２００５））に記載されるように、ＥＣＴＬは外部共振器の長期遅延のため約１００ｋＨｚ反復速度以下の速度制限を受ける。ＥＣＴＬ装置のさらなる速度制限は、たとえば市販のＴｈｏｒｌａｂｓモデルＳＬ１３２５−Ｐ１６格子同調レーザの場合、格子同調素子の大質量から生じる。ＦＤＭＬは中心波長と同調速度の柔軟性の欠如という欠点も備える。ＦＤＭＬは長ファイバ系共振器を採用するため、低損失光ファイバが容易に利用できる波長でしか動作することができない。第２に、ＦＤＭＬ掃引速度はファイバ外部共振器での光の往復時間によって固定されるため、単独の装置では可変掃引速度を実現できない。
ＳＧＤＢＲは単一縦横モード装置であり、長撮像範囲および狭スペクトル幅向けである。しかしながら、同調は各種モードの間を不連続にホッピングすることによって達成され、測定アーチファクトを招きがちである。モードホッピングは複数の同調電極、複雑な駆動回路、それに関連する速度制限も必要とする。さらに、ＳＧＤＢＲは外部共振器とＦＤＭＬレーザに対して同調範囲が制限されるという欠点も有する。というのは後者が無損失同調機構であるのに対して、ＳＧＤＢＲは自由キャリヤの注入によって同調されて、自由キャリヤの損失を招き、同調範囲を制限するためである。また不都合なことに、ＳＧＤＢＲはリン化インジウム材料系でのみ発展した複雑な再成長製造技術を必要とするため、中心波長の柔軟性に欠ける。
ＦＤＭＬ、ＥＣＴＬ、およびＳＧＤＢＲに関する上述の課題は、当該技術において既知な大半のチューナブルレーザが遭遇する代表的な課題である。
ＭＥＭＳチューナブル垂直共振器レーザ（ＭＥＭＳ−ＶＣＳＥＬ）は上述の課題に対する可能な解決策を提供する。ＭＥＭＳ−ＶＣＳＥＬの短共振器は、大きな縦モード空間とモードホップへの相対的な耐性につながる。ＭＥＭＳ−ＶＣＳＥＬは同調範囲全体にわたって単一モードを掃引するのに１つの同調電極しか必要としないため、最小の測定アーチファクトで広ＳＳ−ＯＣＴ撮像範囲と高速同調とを保証する。短共振器とＭＥＭＳミラーの小質量は超高速の可能性を提供する。また、ＭＥＭＳ−ＶＣＳＥＬ技術は、その他多くの種類の光源ではアクセスが困難であった幅広い波長帯へと拡張して、それらの波長帯をその他の種類の分光、診断、および検出システムにとって適切なものにすることができる。ＭＥＭＳ−ＶＣＳＥＬのＳＳ−ＯＣＴ撮像への適用は、最初に米国特許第７４６８９９７号明細書に記載されている。ＭＥＭＳ−ＶＣＳＥＬは米国特許第７４６８９９７号明細書に記載されるとおり広い同調範囲を可能にする。しかしながら、（Ｍａｔｓｕｉ，Ｙ．、Ｖａｋｈｓｈｏｏｒｉ，Ｄ．、Ｐｅｉｄｏｎｇ，Ｗ．ら、「６５ｎｍ超、最大１４ｍＷ出力パワーのチューナブル垂直発振器表面発光レーザの完全偏波モード制御」、ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ、３９（９）、１０３７−１０４８１０４８（２００３）に記載されるように、２０１１年までに達成された最も広いＭＥＭＳ−ＶＣＳＥＬ同調範囲は約１５５０ｎｍのあたりで６５ｎｍであった。これは、約４．２％の部分的な同調範囲、すなわちＳＳ−ＯＣＴ撮像で必要とされる同調範囲の２分の１未満である。（Ｊａｒａｍａｎ，Ｖ．、Ｊｉａｎｇ，Ｊ．、Ｌｉ，Ｈ．ら、「１００ｎｍを越える同調範囲である単一モード１３１０ｎｍＭＥＭＳチューナブルＶＣＳＥＬを使用する最大７６０ｋＨｚ軸方向走査速度でのＯＣＴ撮像」、ＣＬＥＯ：２０１１−Ｌａｓｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ ｔｏ Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ、２ｐｐ．〜２ｐｐ．２ｐｐ．（２０１１））に記載されるように、２０１１年、１１１ｎｍの同調範囲が１３１０ｎｍＭＥＭＳ−ＶＣＳＥＬで実証され、その後ＳＳＯＣＴ撮像システムに適用された。
２０１１年にＪａｙａｒａｍａｎらによって発表されたＭＥＭＳ−ＶＣＳＥＬは広域チューナブル短共振器レーザに大きな革新をもたらした。しかしながら、市販の光学システムに適した性能と信頼性を達成するには、同調速度、同調の周波数応答、同調範囲、同調曲線のスペクトル形状、出力パワー対波長、増幅後性能、ゲインとミラー設計、および共振器の全体設計などを最適化する必要がある。従来技術を改良して、市販のシステムに必要な性能と信頼性を達成するためには数多くの設計の改良を要する。
上記のことから、ＳＳＯＣＴ撮像システム、分光検出システム、その他の種類の光学システムの性能と信頼性を最適化した、三次元共振器および材料設計を備えた広域チューナブル短共振器レーザが必要とされることは明らかである。
本明細書は、ＳＳＯＣＴ撮像システム、分光検出システム、その他の種類の検出および感知システムにおいて性能および信頼性を最適化した短共振器レーザを備えるチューナブル源のいくつかの好適な実施形態を提示する。本明細書は、大型自由スペクトル領域共振器、高速同調応答、単一横、縦、偏波モード動作を備える短共振器レーザを提示する。本開示は、高速かつ広域の同調と最適なスペクトル成形のための実施形態を含む。好適な実施形態は、広同調、高出力パワー、様々な好適な波長帯向けに最適化されたミラーおよびゲイン領域を有するＭＥＭＳ−ＶＣＳＥＬ形状における電気ポンピングと光ポンピングの両方を含む。その他の好適な実施形態は、短共振器レーザと組み合わされて高パワーのスペクトル成形動作を実行する半導体光増幅器を含む。いくつかの好適な撮像および検出システムの実施形態は、最適動作のためにこのチューナブル源を利用する。
一実施形態は、中心波長を有する放出波長帯にわたって、前記波長帯にわたる出力パワースペクトルと平均放出パワーでチューナブル放射を放出するチューナブルレーザであって、第１および第２のミラーを含む光共振器と、前記第１および第２のミラー間に介在し、少なくとも１つの量子井戸を備える量子井戸ゲイン領域と、同調領域と、前記同調領域の光路長の調節手段とを備え、前記光共振器の自由スペクトル領域（ＦＳＲ）が前記中心波長の５％を超え、前記チューナブルレーザが前記波長帯にわたって略単一縦横モードで動作し、前記光路長の調節手段が約１ｋＨｚ超の６ｄＢ帯域幅の波長同調周波数応答を有し、前記少なくとも１つの量子井戸のそれぞれが前記光共振器の光定常波パターンのピークとほぼ位置合わせされる、チューナブルレーザを提供する。
一実施形態に係る広域チューナブル短共振器レーザの一実施形態を示す図である。
広域チューナブル短共振器レーザの出力パワースペクトルを示す図である。
自由スペクトル領域の定義を示す図である。
１３３０〜１３６５ｎｍ範囲の吸湿スペクトルを示す図である。
ＯＣＴ点広がり関数のロールオフ対撮像深度によって得られる測定動的コヒーレンス長を示す図である。
閉ループ制御を有する広域チューナブル短共振器レーザの一実施形態を示す図である。
１３１０ｎｍ近傍で動作するチューナブル短共振器レーザのＭＥＭＳ−ＶＣＳＥＬ実施例を示す図である。
共振器の２つのミラー間に４つの定常波ピークを有する短共振器レーザの軸方向屈折率プロファイルを示す図である。
図７に示すＭＥＭＳ−ＶＣＳＥＬの静的および動的同調応答を示す図である。
様々なＭＥＭＳ−ＶＣＳＥＬアクチュエータの周波数応答を示す図である。
圧電同調を有する広域チューナブル短共振器レーザを示す図である
様々なアクチュエータ形状を示す図である。
２つのエッチングされた穴から進行する完全酸化ミラーの酸化を示す図である。
１０５０ｎｍでのポンピングをサポートする１３１０ｎｍ反射スペクトルを示す図である。
光増幅器に結合された広域チューナブル短共振器レーザの一実施形態を示す図である。
２量子状態半導体光増幅器からのＡＳＥスペクトルを示す図である。
光増幅器に結合され、出力が同期同調光フィルタに結合される広域チューナブル短共振器レーザを示す図である。
レーザと増幅器との間にチューナブル光フィルタを有する増幅広域チューナブル短共振器レーザを示す図である。
２つの増幅段を有する広域チューナブル短共振器レーザの一実施形態を示す図である。
２つの増幅段と段間のチューナブル光フィルタとを有する広域チューナブル短共振器レーザの一実施形態を示す図である。
広域チューナブル短共振器レーザの増幅スペクトルおよび増幅前スペクトルを示す図である。
１３１０ｎｍ近傍で動作する広域チューナブル短共振器レーザの様々な出力パワースペクトルを示す図である。
１０６０ｎｍ近傍で動作する広域チューナブル短共振器レーザのＭＥＭＳ−ＶＣＳＥＬ実施例を示す図である。
図２３のＭＥＭＳ−ＶＣＳＥＬの静的および動的同調スペクトルを示す図である。
ＭＥＭＳ−ＶＣＳＥＬとして実現される広域チューナブル短共振器レーザの製造におけるステップ１〜４を示す図である。
ＭＥＭＳ−ＶＣＳＥＬとして実現される広域チューナブル短共振器レーザの製造におけるステップ５〜６を示す図である。
広域チューナブル短共振器レーザの電気ポンピングＭＥＭＳ−ＶＣＳＥＬ実施例を示す図である。
多重掃引速度を生成するために挿入される２つの短共振器レーザからの波長掃引を示す図である。
本発明の原理による例示の実施形態の説明は、記載される説明全体について考察された部分である添付図面と併せて読まれることを意図する。本明細書に開示する発明の実施形態の記載においては、方向または配向の言及は単に便宜的なものであり、本発明の範囲を限定することを全く意図していない。「下」、「上」、「水平」、「垂直」、「上方」、「下方」、「上へ」、「下へ」、「上側」、「下側」ならびにそれらの派生語（たとえば、「水平に」、「下方へ」、「上方へ」など）の相対的用語は、説明される、あるいは説明中に図面に示される配向を指すものと解釈すべきである。これらの相対的用語は単に説明のためであり、特に指摘されないかぎり装置が特定の配向で構成または動作されることを要求するものではない。「装着」、「固着」、「接続」、「結合」、「相互接続」やそれらに類似する用語は、特に明示されないかぎり、構造物が、介在構造物ならびに可動または固定連結具または関係を通じて直接的または間接的に相互に固定または固着されることを指す。さらに、本発明の特徴と利点を例示の実施形態を参照して説明する。したがって、本発明は、特に、単独で、または組み合わせて存在し得る特徴のいくつかの可能な非限定的組み合わせを示す例示の実施形態に限定すべきではない。本発明の範囲は添付の特許請求の範囲によって定義される。
本開示は、現在企図されるような発明を実行する最適な態様について記載している。本明細書は限定的に理解されることを意図せず、添付図面を参照して単に例示のための発明例を示し、当業者に本発明の利点と構造を提言するものである。図面全体を通じて、同様の参照符号は同様または類似の部分を指す。
図１〜図３は本発明に係る短共振器チューナブルレーザの好適な実施形態の特性を示す。図１に示すように、レーザ１００は第１のミラー１３０と第２のミラー１４０との間に介在するゲイン領域１１０と同調領域１２０とを備える。レーザ発振動作をサポートするエネルギーは、レーザの当業者によって周知なとおり光または電気ポンピングの形でゲイン領域に供給することができる。さらに、一方のミラーに隣接する、好ましくは金、金−スズ、インジウムなどの金属、またはインジウム含有半田から成る伝熱性熱拡散層１５０を、チューナブル短共振器レーザの平均出力パワーを増大させるために採用することができる。ＧａＡｓ基板上の垂直共振器レーザの場合、たとえば、基板バイアをエッチングし、第２のミラー上で停止し、基板バイアを通じて第２のミラーに熱拡散層を堆積させることができる。
図１を参照すると、同調領域の有効光路長の調節によってレーザ波長が同調される。レーザは第１のミラーを通じて放出される波長チューナブル放射を放出する。標準的な放出パワースペクトル２００は、図２に示すように波長の関数として放出されるパワーである。スペクトルは、各波長でのチューナブル放出および強度での波長範囲を表す。波長チューナブル放出は中心波長２２０を有する波長放出範囲２１０全体に及ぶ。図１に示す好適な実施形態では同調領域は調節可能な空隙であり、光路が屈折率の調節によって変更できる液晶または半導体などのその他の実施形態も可能である。
図１の短共振器チューナブルレーザの好適な一実施形態は垂直共振器レーザ（ＶＣＬ）であるが、短共振器端面発光レーザを含むがそれに限定されないその他の実施形態も採用可能である。垂直共振器レーザの当業者にとって周知なとおり、ＶＣＬは、複数の光源を必要とする光学システムにとって有効な一体形の一次元および二次元アレイとして製造することができる。最近のウェハ規模の光学製造技術は、レーザエミッタアレイだけでなく、これらのアレイからの光学機器の製造をサポートする光学部品の精密な配置を可能にする。
一実施形態で採用される短共振器は、共振器長に反比例する広い自由スペクトル領域（ＦＳＲ）を実現する。本実施形態は、本発明では図２に示す中心波長の５％超のＦＳＲを開示する。図３に示すように、自由スペクトル領域は、図１の層によって画定される光共振器のレーザ発振方向での透過ピーク間、または縦モード間の距離として定義される。チューナブルレーザの最大連続モード−無ホッピング単一モード同調範囲はＦＳＲによって制限される。よって、中心波長の５％であるＦＳＲを有するレーザは、中心波長の５％である最大同調範囲を有すると予測できる。同調領域の光路長の最大達成可能変化、またはゲイン領域の利用可能なゲイン帯域幅などのその他の考慮事項も、連続単一モード同調範囲をより小さなＦＳＲに制限する場合があるが、ＦＳＲは上限を表す。
好適な実施形態では、反射防止コーティングがゲイン領域と同調領域との間に配置されて、装置内の反射を防止し、同調範囲を拡張する。この反射防止コーティングは、同調領域が空気であり、ゲイン領域が半導体である好適なケースでは、窒化ケイ素または酸窒化ケイ素などの材料の１／４波長とすることができる。
図１は、上側ミラー１３０が、（Ｔａｙｅｂａｔｉ，Ｐ．、Ｗａｎｇ，Ｐ．、Ｖａｋｈｓｈｏｏｒｉ，Ｄ．ら、「単一空間モードの半対称共振器チューナブル微少電気機械ＶＣＳＥＬ」、ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ、１０（１２）、１６７９〜１６８１（１９９８））に記載されるように１つの湾曲ミラーと１つの平坦ミラーを含む半対称共振器を形成するように湾曲させることができることも示している。その理由は、短共振器と大型ＦＳＲは単一縦動作を促進するが、湾曲ミラーはさらに単一横モード動作も促進し、このことは撮像および分光用途にとって重要だからである。湾曲ミラーの機能は、図１に示すように共振器内マイクロレンズ１６０によっても達成することができる。通常、マイクロレンズ１６０または湾曲ミラー１３０のいずれかを使用することができるが、両者の組み合わせも使用することができる。マイクロレンズは、（Ｓｔｒｚｅｌｅｃｋａ，Ｅ．Ｍ．、Ｒｏｂｉｎｓｏｎ，Ｇ．Ｄ．、Ｃｏｌｄｒｅｎ，Ｌ．Ａ．ら、「反応性イオンエッチングにおけるマスクパターン転写による半導体内の屈折マイクロレンズの製造」、Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ、３５（１−４）、３８５〜３８８（１９９７））に記載され、当業者にとって既知であるように、レジストまたはポリマー材料をリフローした後、その形状を下の材料にパターン転写することによって形成することができる。同様に、湾曲ミラーは、リフローおよびパターン転写技術、上側ミラーの堆積、犠牲層の除去によって犠牲層を構築することで形成することができる。このようなプロセスにおける犠牲層は好ましくはシリコンまたはゲルマニウムから成り、リフローされたレジスト層のパターン転写はＣＦ４／酸素ガス混合物を用いた誘導結合型プラズマエッチングによって達成される。犠牲層に結果として生じる表面の曲率はこれらのガスの比の関数であり、この比を直接最適化することで調節可能である。
図１に示すチューナブル短共振器レーザの単一横モード動作を達成するには、湾曲ミラー曲率半径と、２つのミラー間のゲイン領域と同調領域との合計厚とを入念に制御する必要がある。ＩｎＰベースの素材から成る半導体ゲイン領域を使用する１３１０ｎｍ近傍の空隙同調領域と動作の場合、一般的な寸法はゲイン領域厚が約１ミクロン、空隙厚が約１．６μｍ、ミラー曲率半径が約１ｍｍである。レーザの製造および設計の当業者であれば、この範囲で数値を調節して、特定の波長レジームにおいて特定の設計に関してより具体的な数値を達成することができる。これらに近いパラメータを使用すると４０〜５０ｄＢの単一縦横モード圧縮となる。
一実施形態に係る短共振器レーザによって達成される単一縦横モード動作は、極めて長い動的コヒーレンス長を有する光源を可能にする。このコヒーレンス長は動的動作下で１００ｍｍを超える。コヒーレンス長はレーザ線幅に反比例する。長コヒーレンス長は、狭スペクトル特徴の測定を必要とする分光用途において重要である。掃引光源光コヒーレンス断層撮影（ＳＳ−ＯＣＴ）などの撮像用途では、長コヒーレンス長は長撮像範囲に相当する。図５は、図１によるチューナブルレーザの６０ｋＨｚでの反復掃引によって得られるＳＳ−ＯＣＴシステムのコヒーレンス長の検出制限測定値を示し、ＦＳＲは中心波長の約８〜９％であり、コヒーレンス長の測定値としてＯＣＴ点広がり関数を使用している。５０ｍｍでの実質的な振幅低下がないことは、コヒーレンス長が１００ｍｍを超えることを示している。この測定方法はＳＳ−ＯＣＴの当業者にとっては周知である。
用途によっては、コヒーレンス長を低減して、光学システムにおける望んでいない反射からの干渉を除去することが有益である。コヒーレンス長は雑音波形を同調領域または光源変調する振幅または相を追加することによって調節することができる。外部手段はたとえば時間拡散器とすることができる。
一実施形態では、同調領域の光路長の印加同調信号に対する周波数応答は、約１ｋＨｚを超える６ｄＢ帯域幅を有する。通常、この６ｄＢ帯域幅はＤＣから開始されるが、いくつかのゼロ以外の周波数から開始することもできる。１ｋＨｚ帯域幅は、（Ｇｉｅｒｌ，Ｃ．、Ｇｒｕｅｎｄｌ，Ｔ．、Ｄｅｂｅｒｎａｒｄｉ，Ｐ．ら、「１０２ｎｍ連続単一モード同調での表面微細加工チューナブル１．５５ｍｕ ｍ−ＶＣＳＥＬ」、Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ、１９（１８）、１７３３６〜１７３４３（２０１１））に記載される電熱同調などの従来技術で採用されるその他の種類の同調機構と本発明とを区別する。同調領域が空隙である好適なケースでは、空隙は、静電力を通じて空隙を収縮させるＭＥＭＳベースアクチュエータによって同調させることができる。ＭＥＭＳベース同調機構は、（Ｊａｙａｒａｍａｎ，Ｖ．、Ｃｏｌｅ，Ｇ．Ｄ．、Ｒｏｂｅｒｔｓｏｎ，Ｍ．ら、「１５０ｎｍ連続同調範囲を備える高掃引速度１３１０ｎｍのＭＥＭＳ−ＶＣＳＥＬ」、Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ、４８（１４）、８６７〜９（２０１２））に記載されるように５００ｋＨｚを超える６ｄＢ帯域幅を有することが実証されている。後述するように、ＭＥＭＳ−アクチュエータの帯域幅は１ＭＨｚを越えるまで拡張することができる。このような広帯域幅のおかげで、ＤＣ〜１ＭＨｚ超の周波数範囲での反復掃引動作が可能になる。また、様々な走査速度での非反復的波長同調も可能になる。単独のレーザ源内でレーザの基本同調周波数を変動させることができると、機器はそれぞれが好適な同調速度を有する様々な用途にとって適切になる。たとえば、微弱な分光信号の測定は低走査速度を必要とし、強力な分光信号は動的な時間影響を捕捉できるように監視され得る。ＳＳＯＣＴでの多数の用途は、撮像分解能および撮像範囲と撮像速度とのトレードオフを可能にする可変走査周波数からも恩恵を受けることができる。
空隙のＭＥＭＳ同調が本発明の好適な実施形態であるが、別の実施形態は、（米国特許第６２６３００２号明細書）に記載されるように圧電アクチュエータを通じて空隙を同調することができる。この構造は図１１にも示され、上側ミラー１１１０が圧電アクチュエータに配置され、空隙１１２０によってゲイン領域１１３０と下側ミラー１１４０から分離している。第１のミラー１１１０は空隙１１２０の同調領域、ひいてはレーザ発振波長を変更する圧電制御によってゲイン領域１１３０に対して移動させられる。この構造において、第１のミラーは、ポンプ放射を送出し、レーザ放射を回収することができるファイバに装着される。圧電同調はＭＥＭＳ同調の帯域幅よりも通常小さな数ｋＨｚの帯域幅を提供することもできるが、より大きな空隙変化も生成することができ、二方向性となり得る。３端子装置を通じてＭＥＭＳ装置で二方向同調を取得することもできる。さらに別の実施形態では、圧電同調とＭＥＭＳ同調はいずれも低速の大ストローク同調機構と高速の小ストローク同調機構との組み合わせを提供するために使用される。これらの同調機構は、さらに半導体におけるキャリヤ注入同調などのその他の同調機構とも組み合わせることができる。
同調領域は様々な波形で駆動して、各種用途のために短共振器レーザから様々な波長軌道対時間を生成することができる。たとえば、同調領域は基本周波数を有する反復波形で駆動して、掃引光源光コヒーレンス断層撮影（ＳＳＯＣＴ）などの用途のための波長の周期的変動対時間を生成することができる。周期的波形は正弦波あるいは任意の波形として、線形波長掃引対時間または時間に伴う任意の波長軌道を生成することができる。同調領域の応答は印加波形に対して非線形としてもよい。従来例は、静電駆動メンブレンの移動が印加電圧の自乗として変動するＭＥＭＳである。この場合、線形移動を生成するには、ＭＥＭＳアクチュエータの非線形応答に相当する印加波形を予め歪ませる必要がある。任意の波形をＭＥＭＳ応答を線形化するように生成することは、ＭＥＭＳ装置駆動の当業者にとっては周知であり、その線形化原理を他の同調機構にも適用することができる。
同調領域に適用される波形は通常、代表例として半導体または液晶の物理路長の変化または屈折率の変化のいずれであっても、同調領域および同調機構の性質そのものに応じた印加電圧または電流対時間の変動である。たとえば、超低質量のＭＥＭＳベースの同調素子を使用すると、連続掃引と非連続掃引の両方でレーザ波長を掃引するのに必要なパワーが低減される。ＭＥＭＳ同調素子の使用には、導かれる電流が非常に小さな駆動電圧が必要である。
反復波長掃引に加えて、同調領域は、外部トリガまたは任意の反復または非反復波形に応答して非反復波形によって駆動することができる。この例は、爆発、化学反応、または生物学的事象などの事象直後の材料の透過、吸収、または反射スペクトルを測定することが有効である過渡分光に見られる。さらに、非反復走査は新たな動作モードも簡易化することによって、対象外の大領域によって分離されるいくつかの狭い領域をレーザを用いて最適に識別することができる。その１例が、大領域が高速で走査される際に大領域によって分離される狭分光特徴の一連の低速走査である。好ましいケースのＭＥＭＳ同調では、多数の新たな動作モードが、レーザ同調速度の高速な加速および減速を可能にする超低質量の同調素子によって実現され得る。
外部トリガに応答する走査に関して、本発明のＭＥＭＳ実施例の利点を、市販のＴｈｏｒｌａｂｓモデルＳＬ１３２５−Ｐ１６掃引光源レーザ（短共振器レーザではない）と比較して明らかにする。この従来技術のレーザは１０ｍｍ２全体を測定する共振走査光格子を同調素子として使用することで、本発明の低質量ＭＥＭＳ素子に対して低速の応答時間を提供する。本発明に係る一実施形態では、超低質量の同調素子は動作パラメータの柔軟性、たとえばレーザの外部事象に対する応答速度やレーザが外部事象の結果として同調される波長領域を向上させる。レーザの動作を外部事象と同期させることが望ましい場合、この柔軟性が新たな動作モードを提供する。
レーザを広域に対応可能な同調プロファイルにわたって同調させることで、多くの用途の需要を満たすようにレーザの性能を調節することができる。たとえば、ある用途では、レーザが光学素子の波長依存性を測定するために使用されている場合、レーザ波長を時間的に線形に走査することが望ましく、光コヒーレンス断層撮影のような別の用途では、周波数で均等に間隔をおいて配置されたサンプルで最適な測定が行われる場合、レーザを光周波数的に線形に走査することが望ましいであろう。
分光は、非常に柔軟な同調プロファイルが有用であるもう１つの例を提供する。多くの分光用途では、不均等に間隔をおいて配置された複数の可変線幅線をある範囲の波長全体にわたって測定することが必要である。信号対雑音比全体を最大化するため、情報が多い（たとえば、多数のより細い線）スペクトル領域では低走査速度、情報が存在しないまたは少ないスペクトル領域では高走査速度が必要である。図４は１３３０〜１３６５ｎｍ範囲での吸湿スペクトルの１例を示す。
上述したような多数の用途で、現在の領域に関するチューナブル短共振器レーザの同調領域は、位置または波長フィードバックのない開ループで駆動することができる。しかしながら、波長安定性がより重要なその他の用途では、フィードバック制御を採用することができる。これは、波長が特定の原子吸収線またはその他の原子基準に固定される静的動作において有効になり得る。もしくは、波長は最初に原子基準に固定してから、次に既知のフリンジスペーシングを有するファブリーペローまたはマッハツェンダー干渉計などの、オフセット距離を測定する別の素子を用いてこの基準からオフセットさせることができる。動的動作では閉ループ制御も有効になり得る。
図６は、本発明に係る閉ループ制御の好適な実施形態を示す。図示するように、チューナブル短共振器レーザから放出される光の一部は、プリズム、回折格子、光フィルタ、または光干渉計などの素子を含むことができる波長感知素子６１０に分割される。プリズムまたは回折格子などの分散素子の場合、検出器アレイなどの位置感知素子が分散素子と組み合わされて、回折角または屈折角を検出し、所望の位置から波長オフセットを推定し、この誤差信号を同調駆動波形６２０に供給する。用途が、送出される固定波長または一連の固定波長を除く特定の波長を必要としない場合、波長分散素子と位置感知素子を分散素子の較正なしに使用することができる。光フィルタの場合、光検出器によって測定されるようなフィルタの透過または反射を使用して、所望のロック位置から波長オフセットを決定し、誤差信号を同調領域駆動波形に戻す。動的閉ループ動作は、（Ｒｏｏｓ，Ｐ．Ａ．、Ｒｅｉｂｅｌ，Ｒ．Ｒ．、Ｂｅｒｇ，Ｔ．ら、「精密度量用途のための超広帯域光学チャープ線形化」、Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ、３４（２３）、３６９２〜３６９４（２００９））の図１に示す従来技術のレーザのように誤差信号を走査することによって実行することができる。閉ループ制御は、変動性を生み出す可能性のある自然共鳴をはるかに下回る速度で同調領域を駆動す際に特に有効である。たとえば、１００ｋＨｚで駆動される５００ｋＨｚ共鳴のＭＥＭＳアクチュエータは変動しやすく、閉ループ制御によってより良好な同調を行うことができる。
図７は、本発明の一実施形態に係る１３１０ｎｍで動作する短共振器レーザの好適な実施例のいくつかの細部を示し、図９および図１０は図７の実施例のいくつかの追加の性能上の特徴を実証している。図７は、垂直共振器レーザ（ＶＣＬ）のサブセットである垂直共振器表面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）として構成された半導体レーザを示す。ＶＣＬは下方または上方、ＶＣＳＥＬは上方に、つまり基板と反対の方向に放出する。図７のＶＣＳＥＬは、低および高屈折率材料の交互する１／４波長層から成る２つの分布型ブラッグ反射器（ＤＢＲ）ミラー７１０および７２０を採用する。ＤＢＲは両方のミラーにとって好ましいが、従来技術のレーザで使用されるようなハイコントラスト回折格子を採用することもでき、その例が（Ｃｈａｓｅ，Ｃ．、Ｒａｏ，Ｙ．、Ｈｏｆｍａｎｎ，Ｗ．ら、「１５５０ｎｍハイコントラスト回折格子ＶＣＳＥＬ」、Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ、１８（１５）、１５４６１〜１５４６６（２０１０））に記載されている。
図１の第２のミラー１４０に対応する図７の下側ミラー７１０は、ＧａＡｓおよびアルミニウム酸化物（ＡｌｘＯｙ）の交互する１／４波長層から成る。この種のミラーは、（ＭａｃＤｏｕｇａｌ，Ｍ．Ｈ．、Ｄａｐｔａｋｕｓ，Ｐ．Ｄ．、Ｂｏｎｄ，Ａ．Ｅ．ら、「ＡｌｘＯｙ−ＧａＡｓ ＤＢＲのＶＣＳＥＬの設計および製造」、ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｅｌｅｃｔｅｄ Ｔｏｐｉｃｓ ｉｎ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ、３（３）、９０５〜９１５９１５（１９９７））に記載されるようにＧａＡｓ／ＡｌＡｓのエピタキシャル成長スタックの側方酸化によって形成される。ＧａＡｓ／ＡｌｘＯｙミラーは少数のミラー周期の高反射率および広帯域幅を有する。光が図７のように上側ミラー外で結合されるとき、後部ミラーの好適な数のミラー周期は６または７の周期であり、９９．９％超の理論的に無損失の反射率を実現する。このミラーの他の実施例では、ＡｌＧａＡｓ中のアルミニウム含有量が約９２％未満であるＡｌＧａＡｓ／ＡｌｘＯｙを使用することができるため、ＡｌＡｓの側方酸化中に感知できるほど酸化してＡｌｘＯｙを形成しない。低率材料のためＧａＡｓの代わりにＡｌＧａＡｓを使用することは、低率材料のバンドギャップを増大させて、レーザ発振波長、またはレーザが光ポンピングされる場合にはポンプ波長で非吸収とするのに有効である。
図１の第１のミラー１３０に対応する図７の上側の懸架ミラー７２０は、ＳｉＯ２やＴａ２Ｏ５などの低および高屈折率堆積材料を互い違いに配置することによって構成される。その他の堆積材料も使用することができ、ＴｉＯ２、ＨｆＯ２、Ｓｉ、Ａｇ、Ａｌ、Ａｕ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＣｄＦ２、Ａｌ２Ｆ３、およびＣｄＳからなる群を含むがそれらに限定されない。これらの材料は電子ビーム蒸着、イオンビームスパッタリング、プラズマ支援堆積、または当業者にとって周知のその他の手段によって堆積させることができる。たとえば、それぞれ１．４６／２．０７の屈折率を有し、約７００ｎｍ〜約１６００ｎｍの範囲を中心とする１０周期のＳｉＯ２／Ｔａ２Ｏ５周期ミラーの場合、ミラー設計の当業者によって算出されるように、理論的に無損失の反射率が中心波長の少なくとも１０％の範囲にわたって９９．５％を超える。
図７の実施例はＭＥＭＳ駆動を利用して、空隙同調領域の厚さを制御し、装置の出力波長を１３１０ｎｍの範囲に制御する。図示するアクチュエータ接触子７３０、７４０間に電圧を印加して、空隙を収縮し、レーザをより短い波長に同調させる。図示するＭＥＭＳ構造は、剛体支持構造７５０と懸架上側ミラー７２０が配置される懸架変形可能誘電メンブレン７６０とから成る。誘電メンブレン７６０の上側は金属化されて、アクチュエータ接触子７３０、７４０によって静電力を印加させることができる。メンブレン自体は透光性であり、懸架ミラーの下方で動作し、懸架ミラーと一体化され、構造的に懸架ミラーの反射率に寄与する。理想的には、メンブレン厚は放出される同調放射の中心波長では、１／４波長の奇数倍である。６００〜２５００ｎｍ範囲など、関連の多数の波長にとって、理想的な厚さは約３／４波長である。
好適な実施形態では、誘電メンブレンは、応力処理されて所望の周波数応答を生成することができる頑丈な材料の窒化ケイ素である。理想的には、窒化ケイ素は約１００〜約１０００ＭＰａの範囲の引張り応力を有する。この応力範囲は、後述するように応力によって増大させることができるＭＥＭＳアクチュエータの最下位桁共振周波数を実現する。引張り応力が好ましいが、圧縮応力も採用することができ、さほど好ましくないものの、ＭＥＭＳ解放後のメンブレンの反りにつながる。他の著者らは、たとえば（Ｍａｔｓｕｉ，Ｙ．、Ｖａｋｈｓｈｏｏｒｉ，Ｄ．、Ｐｅｉｄｏｎｇ，Ｗ．ら、「６５ｎｍ超、最大１４ｍＷ出力パワーの長波長チューナブル垂直共振器表面発光レーザの完全偏波モード制御」、ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ、３９（９）、１０３７〜１０４８１０４８（２００３））に記載されるようにこのボーイングを有効活用して半対称共振器を作製した。
図７に示す典型的な好適な実施形態は１３１０ｎｍで動作するように構成される。したがって、この構造は、ゲイン領域に少なくとも１つの量子井戸を備えるＩｎＰベース多量子井戸（ＭＱＷ）領域を使用する。下側完全酸化ＧａＡｓ／ＡｌｘＯｙミラーはＩｎＰの代わりにＧａＡｓ上で成長するため、ＩｎＰベースのＭＱＷ領域は、（Ｊａｙａｒａｍａｎ，Ｖ．、Ｍｅｈｔａ，Ｍ．、Ｊａｃｋｓｏｎ，Ａ．Ｗ．ら、「トンネル接合を有する高パワー１３２０ｎｍウェハ接合ＶＣＳＥＬ」、ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ、１５（１１）、１４９５〜１４９７１４９７（２００３））に記載される固定波長１３１０ｎｍＶＣＳＥＬの場合のように、ウェハ接合プロセスによってＧａＡｓベースの完全酸化ミラーに結合させなければならない。多量子井戸領域は好ましくは、歪みの範囲が１〜１．５％である複数の圧縮歪みＡｌＩｎＧａＡｓ量子井戸から成る。別の実施形態では、約１３１０ｎｍを放出し、ＧａＡｓ上で成長してウェハ接合の必要性を排除するＧａＩｎＮＡｓ量子井戸を使用することができる。しかしながら、ＡｌＩｎＧａＡｓ量子井戸は高ゲインであり、波長がより柔軟であるために好ましい。
図２５および図２６は、図７の１３１０ｎｍチューナブル短共振器レーザの好適な実施例を製造するのに使用される製造シーケンスの主要ステップを示す。６５０〜２３００ｎｍの波長帯での装置のプロセスは、ミラーとゲイン領域を１ステップでエピタキシャル成長させることができるため、ＧａＡｓベース装置が図２５に示す第１のウェハ接合ステップを必要としないことを除き、同じように進めることができる。図２５に示すように、１３１０ｎｍまたはＩｎＰに成長される活性領域を使用する任意の波長で、第１のステップ２５１０は、ＩｎＰ基板にエピタキシャル成長されるＭＱＷ領域とＧａＡｓ基板にエピタキシャル成長されるＧａＡｓ／ＡｌＡｓミラー構造とのウェハ接合を含む。このプロセスは、従来技術の研究者らによって（Ｂｌａｃｋ，Ａ．、Ｈａｗｋｉｎｓ，Ａ．Ｒ．、Ｍａｒｇａｌｉｔ，Ｎ．Ｍ．ら、「ウェハ融合：材料の問題と装置の結果」、ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｅｌｅｃｔｅｄ Ｔｏｐｉｃｓ ｉｎ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ、３（３）、９４３〜９５１（１９９７））により詳細に記載されるように、約５７０℃で約１５分間圧力を印加することによって達成することができる。ＭＱＷとミラー構造はウェハ接合境界面で接合される。接合後、第２のステップ２５２０で、ＩｎＧａＡｓ停止エッチング層上にＨＣＬベースのエッチング停止を使用してＩｎＰ基板が除去される。その後、硫酸ベースのエッチングによってエッチング停止層が除去される。
第３の一連のステップ２５３０において、好ましくはチタンを終端として次のステップでのゲルマニウムの接着を促進する下側ＭＥＭＳ接触子と、反射防止コーティングとが堆積およびパターン化され、ＧａＡｓ／ＡｌＡｓミラー構造の酸化のために穴がエッチングされる。酸化はＡｌＡｓをＡｌｘＯｙに変換して６または７周期の高反射ミラーを形成する。ミラー酸化後、ゲルマニウム犠牲層が第４のステップ２５４０で堆積され、ゲルマニウムは光発振領域に湾曲面を有するように構成される。この湾曲面は、酸素を豊富に含んだＣＦ４／Ｏ２誘導結合型プラズマエッチングプロセスを使用するフォトレジストリフローおよびパターン転写プロセスによって形成される。図２６は、第５の一連のステップ２５５０において、どのように窒化ケイ素メンブレン層、上側アクチュエータ接触子、上側懸架ミラーがゲルマニウム犠牲層上に堆積およびパターン化されるかを示す。上側接触層は好ましくはアルミニウムである。
第６の一連のステップ２５６０において、ゲルマニウム犠牲層が二フッ化キセノン（ＸｅＦ２）ガスを用いて解放され、縁部に剛体ゲルマニウム支持構造を有する懸架構造を形成する。ゲルマニウム解放前に上側および下側アクチュエータの金属と結合する、図７に示すワイヤ接合パッドが堆積されて、解放前の処理を完了させる。アクチュエータの崩壊を招くおそれがあるため、解放後の処理は通常推奨されない。多くの場合、ゲルマニウムメンブレンの解放前に、素子をダイシングし、パッケージング用のサブマウントにワイヤ接合することが好ましい。
図７に示す好適な実施形態のゲイン領域の設計は装置性能にとって重要である。構造が光ポンピングされる場合、量子井戸は光定常波のピークと位置合わせして、従来技術の（Ｃｏｒｚｉｎｅ，Ｓ．Ｗ．、Ｇｅｅｌｓ，Ｒ．Ｓ．、Ｓｃｏｔｔ，Ｊ．Ｗ．ら、「周期的ゲイン構造を有するファブリ−ペロー表面発光レーザの設計」、ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ、２５（６）、１５１３〜１５２４（１９８９））に記載されるように周知の周期的ゲイン効果を通じてゲインを向上させることができる。もう１つの周期的ゲインの利点は、量子井戸間の広い間隔が歪みの蓄積を防止し、歪み補正の必要性を低減することである。図示する１３１０ｎｍチューナブルＶＣＳＥＬにとって理想的なポンプ波長は約８５０〜１０５０ｎｍの範囲である。光ポンピング構造では、３つの量子井戸を３つの別々の定常波ピークに配置することができ、ピーク間の領域はｉｎＰに略格子整合されたＡｌＩｎＧａＡｓと、入射ポンプ放射を吸収する成分とによって形成することができる。よって、ゲイン領域は吸収領域から分離され、吸収領域の光生成キャリヤはゲイン領域に分散する。もしくは、構造のＦＳＲは単独の定常波ピークに３つの量子井戸を配置することによって増大させることができる。この場合、引張り歪みＡｌＩｎＧａＡｓを有する圧縮歪みＡｌＩｎＧａＡｓ井戸の歪み補正が必要になる場合がある。吸収は量子井戸でのみ発生するため、より薄い吸収領域が生成される。このような構造は光ポンピング装置においてより多くのポンプパワーを必要とするが、より広い同調範囲を提供する。単独定常波ピークに３つの量子井戸を使用する図７の実施例は、図９の同調結果に示すように中心波長の１２．３％を表す１３１０ｎｍ近傍で１６１ｎｍのＦＳＲを有する構造を可能にした。この装置の連続単一モード同調範囲は、図９に示し後で詳述するように１５０ｎｍであった。図９は、超広域チューナブルＭＥＭＳ−ＶＣＳＥＬの静的および動的同調応答を示す。１３７２ｎｍでの長波長スペクトル９１０は１２１１ｎｍで完了モードを表し、共振器の１６１ｎｍのＦＳＲを示す。曲線９２０は５００ｋＨｚでの正弦波掃引下の時間平均スペクトルを表す。静的応答も動的応答もいずれも、１５０ｎｍ全体にわたる連続単一横縦モードレーザ発振動作を実証している。１３１０ｎｍ装置での１４０〜１７０ｎｍの範囲のＦＳＲにより、掃引光源光コヒーレンス断層撮影システムに極めて適した装置同調が提供される。大型のＦＳＲはレーザの同調範囲を増大させる手段としてだけではなく、後述するように他のチューナブル短共振器レーザからの同調プロファイルを追加できるようにレーザのデューティファクタを低減する手段としても望ましい。たとえば、レーザのゲイン帯域幅がＦＳＲの５０％未満に制限され、ＦＳＲ全体が掃引される場合、レーザは自動的に掃引の半分超オフになり、（Ｋｌｅｉｎ，Ｔ．、Ｗｉｅｓｅｒ，Ｗ．、Ｅｉｇｅｎｗｉｌｌｉｇ，Ｃ．Ｍ．ら、「１０５０ｎｍフーリエドメインモードロックレーザでの超広域網膜撮像用メガヘルツＯＣＴ」、Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ、１９（４）、３０４４〜３０６２３０６２（２０１１））に記載されるように、別のレーザからの掃引または掃引の時間遅延コピーを挿入する余地を残す。
極めて広い同調範囲（中心波長の１０％超）にわたってレーザ発振を維持することが望ましい場合、（米国特許第７６７１９９７号明細書）に記載されるようにより広い量子井戸を使用することによって井戸に第２の閉込量子状態を含めることで量子井戸のゲインを拡大することが有益である。なお、採用される図９の結果をもたらす幅広のＦＳＲ構造は、レーザ発振動作中にミラー間に形成される光定常波のピークの数によって特徴付けることができる。図９の結果は、下側ミラーと懸架ミラー間の共振器に５つの定常波ピークを有する構造によってもたらされた。５つ未満の定常波ピークに共振器の厚さを低減することで、１３１０ｎｍ装置の場合２００ｎｍに近い大きなＦＳＲをもたらすことができる。図８は、たとえば２つのミラー間に４つの定常波ピークを有する１３１０ｎｍ設計の場合のレーザ発振軸に沿った屈折率対深度の変動を示す。図８の左側の周期的構造は完全酸化ミラーを表し、図８の右側の周期的構造は窒化ケイ素メンブレンである厚い第１の層を含む懸架誘電ミラーを表す。ミラー間のＭＱＷゲイン領域および空隙同調領域も図８に示す。
上述の段落に記載の特徴は１３１０ｎｍ範囲のＶＣＳＥＬにのみ適用されるのではなく、同様の原理が、ＧａＡｓベースのミラー領域と併せてＩｎＰベースのゲイン領域を使用可能な１１５０〜２５００ｎｍ波長帯全体にわたって適用され得る。１２００〜１４００ｎｍ範囲は、内視鏡用途、血管の撮像、癌の撮像などの多くの掃引光源光コヒーレンス断層撮影用途にとって特に重要である。１８００〜２５００ｎｍ範囲はガス分光法にとって重要である。この後者の範囲は好ましくは、インジウムリン化物基板上に圧縮歪みＩｎＧａＡｓ量子井戸を使用する。
図２３は図７と似ているが、代わりに約１０６０ｎｍの波長帯で動作する別のＭＥＭＳチューナブルＶＣＳＥＬを示す。１３１０ｎｍのＶＣＳＥＬと同様、この装置は下側ミラーとして完全酸化ＡｌＧａＡｓ／ＡｌｘＯｙミラー２３１０を採用する。この下側ミラーのＡｌＧａＡｓ層のアルミニウム含有量は好ましくは光ポンピング構造におけるポンプビームの吸収を防止するように１０％超であり、理想的には約８５０ｎｍのポンプ波長を有する。この場合、ゲイン領域の圧縮歪みＩｎＧａＡｓ量子井戸は完全酸化ミラーと同じＧａＡｓ基板上にエピタキシャル成長するため、ウェハ接合は不要である。図２３のような非ウェハ接合構造は、約６００ｎｍ〜約１１５０ｎｍの範囲で波長範囲にアクセスする他の量子井戸構造を有するように構成される。これらは、ＩｎＧａＡｓの他に、ＡｌＩｎＧａＰ、ＡｌＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＡｓを含むがそれらに限定されない。ＧａＡｓ量子井戸は約８００〜８７０ｎｍ範囲で使用され、ＡｌＧａＡｓ井戸は約７３０〜８００ｎｍ範囲で使用される。ＡｌＩｎＧａＰとＩｎＧａＰは約６００〜７３０ｎｍ範囲、代替材料のＩｎＧａＡｓＰまたはＡｌＩｎＧａＡｓは約８００〜９００ｎｍ範囲で使用される。７００〜１１００ｎｍの波長帯は特にＳＳＯＣＴ眼科撮像と酸素感知に関連し、約９９０〜１１１０ｎｍの範囲の波長帯は眼科学に最も関連する。
１３１０ｎｍ構造の場合と同様、周期的ゲインを図２３の構造でも採用することができる。９９０〜１１１０ｎｍ範囲では、共振器の３つの定常波ピークに、ポンプ放射を吸収し、量子井戸に分散する電子と正孔を生成するＧａＡｓ障壁によって分離される３つのＩｎＧａＡｓ量子井戸２３２０を有する周期的ゲイン構造を使用することが有益である。標準的な量子井戸幅は６〜１２ｎｍであり、標準的なインジウムパーセントは約２０％である。約８ｎｍより大きな量子井戸幅は第２の閉じ込め量子状態と拡張ゲインにつながる。このアプローチを使用する構造は、１０６０ｎｍ近傍で１００ｎｍの同調範囲を示す図２４の同調結果を実現した。この構造のＦＳＲは約１００ｎｍ、または中心波長の約９．４％である。ＦＳＲは１３１０ｎｍ構造のように、単独の定常波ピークにすべての量子井戸を配置する、あるいは２つの定常波ピークに４つの量子井戸を配置することによって１０％超へ増大させることができる。これらの後者のケースでは、従来技術の固定波長ＶＣＳＥＬ（Ｈａｔａｋｅｙａｍａ，Ｈ．、Ａｎａｎ，Ｔ．、Ａｋａｇａｗａ，Ｔ．ら、「ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＰ−ＭＱＷを備える高信頼性／高速１．１−ｍｕ ｍ−範囲ＶＣＳＥＬ」、ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ、４６（６）、８９０〜８９７（２０１０））に記載されるように、引張り歪みＧａＡｓＰを有するＩｎＧａＡｓの歪み補正を採用することができる。
図７に示す構造と図２４に示す構造はいずれも、図９および図２４の関連結果にそれぞれ示すように、装置のＦＳＲの９０％を超える同調範囲を達成する。さらに、図９および図２４は主要ピークから１〜３ｎｍ離れた肩部として表される横モードの抑圧も示しており、通常は主要ピークで４０ｄＢより下である。単一横モードポンプビームを採用する光ポンピング構造では、ポンプビームが図１の半対称共振器の光軸に沿って良好に整合されている場合、横モード抑圧は同調範囲全体にわたって４５ｄＢ超まで増加させることができる。
図７、図９、図２３、図２４に示す実施形態の特定の実施例は、ＧａＡｓおよびＩｎＰ基板に関連する材料と波長帯を採用する。本発明のいくつかの実施形態を実行するために他の材料も使用することができる。たとえば、従来技術の研究者らが（Ｋａｓｈａｎｉ−Ｓｈｉｒａｚｉ，Ｋ．、Ｂａｃｈｍａｎｎ，Ａ．、Ｂｏｅｈｍ，Ｇ．ら、「電気ポンピングされるｃｗ−動作ＧａＳｂベースのＶＣＳＥＬ用活性領域のＭＢＥ成長」、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ、３１１（７）、１９０８〜１９１１（２００９））において固定波長ＶＣＳＥＬを用いて実行したように、約２０００〜２５００ｎｍ中赤外範囲でのチューナブル放出はＧａＳｂ基板上の材料を用いて獲得することができる。もしくは、固定波長ＶＣＳＥＬを使用する研究者らが（Ｈｉｇｕｃｈｉ，Ｙ．、Ｏｍａｅ，Ｋ．、Ｍａｔｓｕｍｕｒａ，Ｈ．ら、「電流注入によるＧａＮ系垂直共振器表面発光レーザの室温ＣＷレーザ発振」、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ、１（１２）、（２００８））に記載するように、４００〜５５０ｎｍ範囲で動作する本発明の一実施形態に係るチューナブル短共振器レーザはＧａＮ基板上で成長した材料を用いて実現することができる。４００〜７００ｎｍの可視範囲での本発明の実施形態の実施例は、光度量器具や生物学的および医学的分光の用途を有する。
上述のすべての波長帯にとって好適な一実施形態は、上述した多くの例と同様、光ポンプがレーザ発振用のエネルギーを供給する光ポンピング実施形態である。５５０〜７００ｎｍ範囲での動作の場合、光ポンプの波長の範囲は好ましくは約４００ｎｍ〜約６００ｎｍである。７００〜１１００ｎｍ範囲での動作の場合、好適なポンプ波長の範囲は約６００〜１０００ｎｍである。１２００〜１４００ｎｍ範囲での動作の場合、好適なポンプ波長の範囲は約７００〜１２００ｎｍである。１８００〜２５００ｎｍ範囲での動作の場合、好適なポンプ波長の範囲は約１０００〜２０００ｎｍである。なお、図２４の１０５０ｎｍＭＥＭＳ−ＶＣＳＥＬに示されるように、上側ミラーを通じてポンピングすることが有益な場合が多い。ミラー周囲の側方ポンピングも可能だが、上側ミラーを通じたポンピングはより小型のパッケージにつながる。この場合、上側ミラーはポンプ波長で最小の反射率を有する必要がある。図１４は、１０５０ｎｍでの光ポンプで１２００〜１４００ｎｍの範囲で放出するように構成されるチューナブル短共振器レーザに関して、例示の上側ミラーの反射率を示す。図１４に示すように、上側ミラーは、所望の１２００〜１４００ｎｍ放出波長帯で高反射率１４２０を有しつつ、１０５０ｎｍのポンプ波長で最小反射率１４１０を有するように作製することができる。
光ポンピング装置に関して主に説明してきたが、垂直共振器レーザにとって周知の処理方法を使用して光ポンピングから電気ポンピングに移行することができる。図２４に示す１０６０ｎｍの例のように、ＧａＡｓベースのＭＱＷゲイン領域２７１０と完全酸化ミラーとを有するＭＥＭＳチューナブルＶＣＳＥＬである、本発明の一実施形態に係る電気ポンピング構造の例を図２７に示す。図２７に示すように、下側ＭＥＭＳ接触子２７４０は上側レーザダイオード接触子としても機能する。光ポンピング構造では、光学キャリヤの閉じ込めは、光ポンプビームの側方範囲の制限によって達成されるが、電気ポンピング構造では、電流開口２７２０を設けなければならない。通常、この開口２７２０は図２７に示すように、完全酸化ミラーの上方の別の部分酸化層によって設けられる。他の研究者らによって採用されるように、電流開口はパターン化され埋め込まれたトンネル接合によって提供することもできる。いずれのケースも、固定波長ＶＣＳＥＬに関する従来技術の研究者らが（Ｓｃｏｔｔ，Ｊ．Ｗ．、Ｇｅｅｌｓ，Ｒ．Ｓ．、Ｃｏｒｚｉｎｅ，Ｓ．Ｗ．ら、「垂直共振器表面発光レーザの性能を最適化する温度効果と空間ホールバーニングのモデリング」、ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ、２９（５）、１２９５〜１３０８（１９９３））で記載するように、広がり抵抗を処理し、電流集中を回避するように注意を払わねばならない。
図２７に示すように、注入不活性化層２７３０と酸化物電流開口２７２０との組み合わせにより構造の電気ポンピングが可能になる。通電は、中間ＭＥＭＳ接触子２７４０から電流開口２７２０を通り、下側ミラーの完全酸化領域の周辺で裏側基板接触子２７５０まで進行する。好ましくは３つの歪み補正ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＰ量子井戸を備えるＭＱＷ領域でのキャリヤ再結合によってレーザ発振用のゲインが生成される。
関連する多くの用途にとって、チューナブル短共振器レーザから放出される出力パワースペクトルのスペクトル形状を制御することが望ましい。この出力パワー成形は様々な方法で達成することができる。１つの方法が上側ミラー反射スペクトルの形状の制御である。一般に、低反射率領域は光共振器からの光が多く、高反射率領域は光共振器からの光が少ない。よって、波長帯全体にわたって目標スペクトル形状またはパワー変動を定義し、このスペクトルで達成されるミラー反射の形状を調節することができる。目標パワー変動はガウス形状とすることができる。図２２は、懸架上側ミラーの反射スペクトルを調節することによって、図７のＭＥＭＳ−ＶＣＳＥＬで達成された複数のスペクトル形状の例を示す。これらのスペクトルは、両縁のパワーピーク、すなわち青色縁のパワーピークおよび、赤色縁のパワーピークに及ぶ。他のスペクトル形状も同じ方法で達成可能である。
スペクトル形状を変更するもう１つの方法は、波長同調中にポンプエネルギーをゲイン領域へ動的に制御することである。光ポンピング装置の場合、これはポンプエネルギーを装置内へ制御することであり、電気ポンピング装置の場合、駆動電流が制御される。ポンプエネルギーの成形は装置の熱管理も向上させることができる。
ＭＥＭＳアクチュエータを使用する特定の実施形態の場合、装置性能を向上させるようにＭＥＭＳアクチュエータをさらに設計することができる。上述したように、変形可能誘電メンブレンは好ましくは窒化ケイ素から成り、無応力設計に対して大幅に増加させた共振周波数を提供し、かつ解放後のメンブレンの反りを最小化するため、１００〜１０００ＭＰａの引張り応力が好ましい。共振周波数という場合、我々はアクチュエータの所望の「ピストン」運動に対応する装置の最下位機械モードを指している。これは装置性能にとって重要なパラメータである。好適なアクチュエータ形状の１つは、図７、図１２、および図２３に示すような支持アームを有する中央板である。この特定の形状にとって重要なパラメータは、図２３に示すように、アクチュエータ径、中央板径、アーム幅、および懸架ミラー径である。４つおよび８つの支持アーム間の約２２０μｍのアクチュエータ径、約１６μｍのアクチュエータアーム幅、約３４μｍの懸架ミラー径、１３１０ｎｍを中心とする約１１周期のＳｉＯ２／Ｔａ２Ｏ５から成る懸架ミラー、約５０μｍ〜約１１０μｍの中央板径、約２００ＭＰａ〜約４５０ＭＰａの応力範囲の３／４波長窒化ケイ素メンブレンを用いて、図１０のサンプリングによって表される様々な周波数応答を取得することができる。図１２は、図１０の周波数応答をもたらすアクチュエータ形状のサンプリングを示す。図１２は、４つまたは８つの支柱１２１０を有するいくつかのＭＥＭＳチューナブルＶＣＳＥＬ構造の上面図である。図１０はＭＥＭＳ駆動空隙同調機構に印加される駆動周波数の関数であるＭＥＭＳ−ＶＣＳＥＬ波長の同調を示す。図示するように、共振周波数の範囲は約２００ｋＨｚ〜約５００ｋＨｚであり、最速の装置の６ｄＢ帯域幅は１ＭＨｚに近づく。
共振時のピーク変動量によって表されるアクチュエータのダンピングの変動も示される。ダンピングは主に、粘性空気との相互作用を表すスクイーズ膜ダンピングによって生じる。アクチュエータ面積が増大する、あるいは空隙が減少するにつれ、スクイーズ膜ダンピングが上昇して周波数応答を平坦化する。平坦な広周波数応答は、可変速度駆動、および複数の高調波を通じた駆動の線形化にとって望ましい。ＭＥＭＳ装置でのスクイーズ膜効果によるダンピングが図１０に示されているが、同様の効果は圧力駆動装置などのその他の空隙同調装置でも見ることができる。概して、アクチュエータ面積または形状を変更して粘性空気との相互作用を変更する、背景ガス組成またはガス圧を変更してスクイーズ膜ダンピングの寄与をさらに変更する、空隙厚を変更する、アクチュエータの穴または開口のサイズを変更して、乱流から非乱流レジームへ穴を通る流体流のレジームを変更するなど、様々な方法によってＭＥＭＳアクチュエータのダンピングを制御することができる。また、アクチュエータのアニーリングによって、ダンピング効果を有するアクチュエータの各種材料の応力を変更することができる。
図１０に示す周波数応答は典型であり、限定ではない。共振周波数は、引張り応力の増加、厚さの増加（たとえば、５／４波長）、懸架ミラーの径と厚の低減、またはアームの短縮によるメンブレンの強化によって上昇させることができ、これにより有限要素モデリングの当業者によって算出されるように２ＭＨｚを超える６ｄＢ帯域幅が達成可能である。同様に、共振周波数は同一パラメータを反対方向に変更することによって１００ｋＨｚをはるかに下回るように低下させることもできる。なお、共振周波数を低下させる螺旋状アーム形状や、明確に線引きされた支柱を持たない有穴メンブレンなど、その他の形状も可能である。図１２では、中央板１２２０の径を外側リング１２３０アクチュエータ径まで拡大して、穴を追加することによって、明確に線引きされた支柱を持たない有穴メンブレンを実現している。
上述の窒化ケイ素メンブレンは非常に絶縁性が高いため、帯電および静電ドリフトを起こしやすい。メンブレンにわずかに導電性を加えることで帯電傾向を低減することができる。窒化ケイ素の場合、この導電性は、不定比ケイ素を豊富に含んだ膜を使用するか、あるいは窒化ケイ素膜をケイ素でドープすることによって導入することができる。
図９および図２４に示す同調結果は、特にスペクトルと共に装置を同調するのに必要な電圧を示す。これらの電圧は、ＦＳＲの完全同調のために最大約６５Ｖに及び、これは中心波長の約半分のメンブレンの反り、または１３１０ｎｍ装置の場合は約６５０ｎｍ、１０５０ｎｍ装置の場合は５２５ｎｍに相当する。これらの電圧は、図１０および図１２を参照し、約１．６μｍの範囲の名目ゼロ電圧空隙と共に、上述のＭＥＭＳアクチュエータの寸法および窒化ケイ素応力レベルとに関連付けられる。
なお、半導体におけるキャリヤ注入同調など、ＧＨｚ範囲を実現できる、空隙の機械的収縮または膨張よりも高速の同調機構を採用することができる。しかしながら、通常、この機構は光路長の約１％の変動に限定されるため、広域の同調範囲には適さない。
本発明の一実施形態におけるいくつかのその他構造および性能上の特徴は、図１および図２をさらに参照して理解することができる。多くの用途にとって、図２に示すような周期的変動のない強度対波長プロファイルを有することが望ましい。本開示は、リップルが平均パワーの約１％未満の短共振器チューナブルレーザを記載している。一般に「リップル」という用語はこうした変動を説明するために使用される。スペクトル周期と用途に応じて、このリップルは様々な程度の悪影響を及ぼすおそれがある。たとえば、掃引光源ＯＣＴ（ＳＳＯＣＴ）システムでは、平均パワーに対して１％以上のリップルの振幅を有する特定のスペクトル周期は、ＳＳＯＣＴ画像において明白な距離でスプリアス反射として表れる可能性がある。通常、リップルはレーザ共振器外のスプリアス反射によって生じる。こうした反射は光学システム内の光学レンズまたはその他の光学素子から生じる、あるいは垂直共振器レーザ内の基板反射から生じる。たとえば、図７のレーザでは、第２のミラーの下方から、たとえばこの装置を配置するＧａＡｓ基板７７０の底部からの反射によってリップルが発生することがある。基板反射振幅は、第２のミラーの反射率の増大、基板内ドーパントによる損失の導入、散乱を増加させる基板厚の増加または基板裏側の粗化などを含むがそれらに限定されない各種手段によって抑制することができる。散乱を増加させる基板粗化のための最適グリッドは、９００〜１４００ｎｍのチューナブル放出の範囲では３０μｍ超のグリットサイズである。また、７以上の周期を有し、９９．５％超の理論的に無損失の反射率を有する完全酸化下側ミラーを使用することで、リップルを１％未満のレベルまで抑えることができる。
本発明の一実施形態のもう１つの重要な性能特徴は、波長掃引放出の同調範囲全体を通じた固定偏波状態での動作である。垂直共振器レーザなどの、レーザ発振放出が歪み量子井戸の面に直交して発生する半導体レーザは、多少の非対称が共振器に導入されないかぎり、自然の好適な偏波を含まない。偏波選択光増幅器などの光学システムにおける偏波感応性要素と動作する際、単一偏波状態での動作は重要である。このようなシステムは、偏波維持ファイバと組み合わせて本発明の一実施形態に係る偏波安定装置を採用することができる。放出波長帯にわたる偏波スイッチングは、ＳＳ−ＯＣＴシステムでのパワー低下や画像アーチファクトを招き、動的コヒーレンス長を損なう可能性がある。十分に画定された偏波状態により、交番する偏波状態を要するレーザシステムを構築することができる。
装置の同調範囲全体にわたる単一偏波状態での動作は様々な方法によって達成することができる。１つの方法は、装置の光共振器と一体化された１つ以上のナノ細線を導入することである。図７に関しては、このナノ細線は、光路の中心でチューナブル空隙に隣接するＭＱＷゲイン領域７８０の上に配置することができる。あるいは、懸架ミラーの上に配置することができる。ナノ細線は、光の偏波依存性散乱または吸収を生じさせる素子である。典型的な寸法は５０ｎｍ幅、数ミクロン長、１０ｎｍ厚とすることができる。ナノ細線は金属で構成することができる、あるいは単に屈折率摂動を満たすものとすることができる。通常、ナノ細線の長手方向に沿って偏光する光はナノ細線と垂直に偏光する光とは異なる力と相互作用する。レーザ共振器はモード選択のために少量の損失異方性を必要とするため、単独共振器内ナノ細線は別の偏波での低損失を維持しつつ一方の偏波を抑制するのに十分である。ナノ細線に関して異なる偏波の損失はたとえば（Ｗａｎｇ，Ｊ．Ｊ．、Ｚｈａｎｇ，Ｗ．、Ｄｅｎｇ，Ｘ．Ｇ．ら、「高性能ナノ細線−グリッド偏光子」、Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ、３０（２）、１９５〜１９７（２００５））に記載されるような当業者にとって既知の手段によって算出することができる。ナノ細線のグリッドを有することで損失異方性は増加するが、好ましい偏波の損失も増加する。したがって、たとえばＶＣＳＥＬ共振器では、好適な偏波に導入される過剰な損失は０．１％より少なくすべきである。つまり、１本またはごく少数のナノ細線を示唆する。ＶＣＳＥＬまたはＶＣＬの場合、理想的には、ナノ細線は、ＶＣＳＥＬが配置される半導体の結晶軸と整合されるべきである。これは通常、（１００）または近（１００）方位で成長されるウェハにとって［１１０］方向または［１１０］方向に直交する方向を意味する。その理由は、微弱偏波選択効果が結晶軸の１つに沿ってＶＣＬ偏波を整合させるように存在するからであり、他の偏波制御方法はこの効果と競合するのではなく、この効果を強化するように働くべきである。
その他の偏波制御手段は、（Ｍａｔｓｕｉ，Ｙ．、Ｖａｋｈｓｈｏｏｒｉ，Ｄ．、Ｐｅｉｄｏｎｇ，Ｗ．ら、「６５ｎｍ超の同調、最大１４ｍＷ出力パワーの長波長チューナブル垂直共振器表面発光レーザの完全偏波モード制御」、ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ、３９（９）、１０３７〜１０４８１０４８（２００３））に記載されるような異方性応力、固定波長ＶＣＳＥＬ（Ｚｈｅｎｇ，Ｙ．、Ｌｉｎ，Ｃ．Ｈ．、Ｃｏｌｄｒｅｎ，Ｌ．Ａ．，「低閾値偏波スイッチングＶＣＳＥＬでの偏波相オフセット制御」、ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ、２３（５）、３０５〜３０７（２０１１））に記載されるような側方電流注入、あるいは、図１３を参照して説明するような図７の完全酸化ミラーを形成する非円形対称酸化プロセスの導入を含む。図１３に示すように、酸化１３１０は２つのエッチングされた穴１３２０から外側へと進行し、酸化の前線は本図の破線１３３０によって示す線に沿って進行する。この破線に沿って、５ｎｍの窪みの屈折率ナノ細線が形成されＶＣＳＥＬ偏波を選択することができる。図１３の屈折ナノ細線は、穴が結晶軸と並んでいるかぎり、結晶軸と並ぶ。
偏波制御は、ウェハ接合装置において接合ウェハの結晶軸が接合プロセス中に確実に整合させるように確保することによってさらに向上させることができる。１つの結晶軸は他の結晶軸よりもわずかに優先されることがあるため、接合中に結晶軸を整合させることで、整合が乱れることで効果が相殺されることなく、効果が倍増される。
本明細書に記載のチューナブル短共振器レーザはアレイ状に組み合わせて、光学特性を向上させた複合チューナブルレーザ源を形成することができる。レーザがＭＥＭＳチューナブル垂直共振器レーザである特定の実施例では、アレイは一体形に製造することができる。ＳＳ−ＯＣＴにおいて非常に有用なこうした組み合わせの例を、図２８を参照して説明する。図２８Ａに示すように、第１のチューナブル短共振器レーザＴＣＳＬ１と第２のチューナブル短共振器レーザＴＣＳＬ２は、ビームスプリッタ、ファイバカプラ、またはその他の既知の結合素子２８１０を使用して共通光路に多重化される。各ＴＣＳＬは、図２８ＣでＴＣＳＬ１に関しては実線の波長軌道２８２０で、図２８ＣでＴＣＳＬ２に関しては破線の軌道２８３０で示すように、同調範囲全体にわたって二方向同調を有するように駆動される。各レーザは反復周期Ｔ中、反復的に走査されるが、ＴＣＳＬ２の走査は半反復周期分、ＴＣＳＬ１の走査から時間遅延される。また、２つのＴＣＳＬのそれぞれのためのポンプエネルギー２８４０および２８５０（電気ポンプまたは光ポンプのいずれか）は後方波長走査中に切断されるため、ポンプエネルギーがゼロでないとき、波長走査の前半のみがレーザ放射を放出する。場合によっては、ＦＳＲが支持材料のゲイン帯域幅よりもずっと大きい場合、材料のゲイン帯域幅を超えて同調素子を走査すると、ポンプエネルギーを切断しなくてもレーザが自動的にオフになる。
ＴＣＳＬ１（実線）２８６０とＴＣＳＬ２（破線）２８７０の両方からの成分を備え、各ＴＣＳＬの最初の周期Ｔの半分である新たな反復周期Ｔ／２での一方向走査を示す、多重出力の波長軌道を図２８Ｄに示す。このように、掃引速度は２倍となる。同じ原理をＮ個のレーザに適用して、掃引速度をＮ倍にすることができる。また、ＴＣＳＬの挿入原理は掃引速度の倍増だけではなく、同調範囲の倍増、異なる同調範囲、同調速度、または同調軌道の挿入、あるいはＳＳＯＣＴ、分光、通信、または光検出の当業者にとって明白な様々なその他の目的のために適用することができる。
上述のチューナブル短共振器レーザは光増幅器と組み合わせて、高出力パワーとその他の撮像に有益な特性とを有する増幅チューナブル源を作製することができる。増幅器は、半導体増幅器、約１３００ｎｍのウィンドウで動作するプラセオジムをドープしたファイバ増幅器などのファイバ増幅器、約１０５０ｎｍのウィンドウで動作するイッテルビウムをドープした増幅器、１０５０ｎｍ近傍のフッ化物をドープした拡張帯域幅ファイバ増幅器、または任意の種類の光増幅器とすることができる。さらに、増幅器の使用により上述の挿入スキームが可能になり、高消光比光増幅器を使用して、光源へのポンプエネルギーを切断する代わりに、適時に光源をオンにすることができる。
本発明の一実施形態に係るチューナブル短共振器レーザ１５１０が、光増幅器１５３０の入力側に向けられる入力チューナブル放射１５２０を放出する基本構造を図１５に示す。この入力チューナブル放射は入力平均パワー、入力パワースペクトル、入力波長帯、および入力中心波長を有する。増幅器が入力チューナブル放射を増幅して、出力平均パワー、出力中心波長、出力波長帯、出力パワースペクトルを有する出力チューナブル放射を生成する。
好適な実施形態では、増幅器は、光増幅器の当業者にとって周知なとおり飽和レジームで動作する。飽和レジームは入力チューナブル放射に存在する雑音変動を抑制し、出力チューナブル放射の半値全幅（ＦＷＨＭ）が出力チューナブル放射のＦＷＨＭを超過し得る有益なスペクトル成形を提供することができる。この１例を図２１に示し、増幅チューナブルスペクトル２１１０がチューナブル短共振器レーザからの入力チューナブル放射２１２０よりも広いＦＷＨＭを有する。
好適な実施形態では、光増幅器は、低雑音、広ゲイン帯域幅、高ゲインを提供可能な半導体量子井戸増幅器である。半導体量子井戸増幅器は４０ｄＢを超える超高消光比を提供し、上述するように装置をオンオフするスイッチとして使用することができる。量子井戸は好ましくは、より広いゲイン帯域幅をサポートするように２つの閉込量子状態を有する。図１６は、３つのＡｌＩｎＧａＡｓ圧縮歪み量子井戸を備える、１３１０ｎｍでの２量子状態半導体光増幅器からの増幅自然放出光を示し、スペクトルの第２の量子状態拡張に相当するスペクトルの短い端部での隆起１６１０を示す。この増幅自然放出光（ＡＳＥ）の３−ｄＢスペクトル幅は１１０ｎｍであり、同値の３ｄＢ小信号ゲイン帯域幅を示唆する。
半導体光増幅器は、すべての圧縮歪みまたは引張り歪み量子井戸を使用することによって偏波感応性とし、単独構造における両方の種類の歪みを使用して全偏波でのゲインを提供することによって偏波不感応性とすることができる。
好適な構造では、入力チューナブル放射の中心波長は増幅器によって放出される増幅自然放出光（ＡＳＥ）の中心波長よりも長い波長を有する。増幅器ＡＳＥは通常、増幅器ゲインスペクトルに対して青色偏移するため、この構造により、入力チューナブル放射のスペクトルは増幅器ゲインスペクトルに対してより適切に配向する。概して、増幅器ＡＳＥの入力パワースペクトルに対する配向を変動することで、有益なスペクトル成形を提供することができる。
図１５の基本構造は様々な形状のフィルタリングで補強して低雑音の増幅掃引光源を形成することができる。度量衡、分光、生物フォトニクスにおける多くの掃引光源レーザ用途は、広帯域ＡＳＥの抑制と側モード抑制の向上からの恩恵を得ることができる。レーザ共振器の内側、レーザと増幅器との間、システムの出力のいずれかでシステムにチューナブルスペクトルフィルタを追加することは、これに関連して性能を向上させる手段の１つである。好適な一実施形態では、図１５に示す増幅器は、（Ｃｏｌｅ，Ｇ．Ｄ．、ＢｊｏｒＬｉｎ，Ｅ．Ｓ．、Ｃｈｅｎ，Ｑ．ら、「ＭＥＭＳチューナブル垂直共振器ＳＯＡ」、ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ、４１（３）、３９０〜４０７（２００５））に記載されるような垂直共振器増幅器などのチューナブル共振増幅器とすることができ、狭帯域の波長でのみ増幅し、チューナブル短共振器レーザの入力チューナブル放射と同期して同調されるため、増幅器の通過帯域が入力チューナブル放射波長に常に合致する。
いくつかの好適な構造を図１７〜図２０に示す。図１７では、通過帯域が入力チューナブル放射の波長と常に位置合わせされる同期同調光フィルタ１７１０が広帯域光増幅器１７２０の後に配置されて、残りのＡＳＥ雑音を低減し、増幅チューナブル放射の信号対雑音比を向上させる。図１８では、同じ同期同調光フィルタ１８１０がチューナブル短共振器レーザ１８３０と光増幅器１８２０との間に配置されて、増幅前に入力チューナブル放射の側モード抑制を向上させる。
２つの増幅段１９１０および１９２０が使用される別の構造を図１９に示す。これらの段は、２つの別個の増幅器、または分割増幅器接点を有する単独の導波路増幅器として実現することができる。２つの増幅段１９１０および１９２０の使用でスペクトル成形がさらに柔軟になる。たとえば、２つの増幅器のゲインスペクトルは、同一のエピタキシャル構造を別々に付勢する、あるいは２つの増幅器で異なるエピタキシャル構造を使用することによって相互にシフトさせることができる。また、２つの増幅段の使用により、高ゲインと高出力パワーが実現される。
図２０は、同期して同調される光増幅器２０３０が２つの増幅器段２０１０および２０２０間に配置されるさらに別の２段増幅器構造を示す。これは、出力チューナブル放射の信号対雑音比を向上させる役割を果たす。
実際に関連するほとんどのケースで、ＳＳＯＣＴや光波分光などの光学システムでは、入力平均パワーの好適な範囲は約０．０５〜２ｍＷであり、結果的に出力平均パワーの好適な範囲は約１０〜１２０ｍＷとなる。正確な数字は増幅器のゲインと飽和出力に依存するが、この範囲は通常、光学システムにとって良好な信号対雑音比を有する増幅チューナブル放射を生成する。
増幅器と組み合わせたチューナブル短共振器レーザの基本構造は、様々な波長帯に適した様々な材料を採用する半導体光増幅器を使用して実現することができる。たとえば、増幅器は、ＳＳＯＣＴおよび吸湿分光に適した１２００〜１４００ｎｍ範囲で動作することができる。この範囲では、ＩｎＰ上にＡｌＩｎＧａＡｓまたはＩｎＧａＡｓＰ量子井戸を使用することで所要のゲインが生成される。あるいは、増幅器は少なくとも１つの圧縮歪みＩｎＧａＡｓ量子井戸を採用する眼科ＳＳＯＣＴに適した約８００〜１１００ｎｍ範囲で動作することができる。
本開示に記載のチューナブル短共振器レーザは多数の光学システムにおいて有効であり、そのうちいくつかは先の説明で概説した。それらのシステムの代表例をいくつか説明する。ＳＳＯＣＴ用のシステムは、チューナブルレーザからのチューナブル放射を基準路とサンプル路とに分割する手段と、前記サンプルから反射され前記基準路を横断する光間の干渉信号を検出する光検出器と組み合わせて、上述のチューナブル短共振器レーザを備えるチューナブルレーザを採用することができる。その後、ＳＳＯＣＴの当業者にとって周知なように、この干渉信号の信号処理を利用してサンプルに関する構造上または組成上の情報を再構成することができる。
光波分光用システムは光検出器と併せて上述のチューナブル短共振器レーザを採用して、固体、液体、気体、プラズマ、または任意の状態の任意の物質であるサンプルの吸収、透過、散乱、または反射スペクトルを測定することができる。また、チューナブル短共振器レーザの可変同調速度を利用して可変速度で光スペクトル全体を走査し、情報の豊富な領域では減速、情報の乏しい領域では加速することによって、測定時間を最小化しつつ所望の信号対雑音比を取得することができる。
上述のチューナブル短共振器レーザは、光ビームステアリング用システムで採用される分散光学素子と組み合わせて使用することができる。たとえば、回折格子の回折角が入力チューナブル放射の波長の関数であることは周知である。よって、放射の同調は回折角を走査し、光ビームステアリングを達成する。プリズムなどのその他の分散素子も採用することができる。
本発明の一実施形態に係る短共振器レーザを採用することのできるその他の光学システムは、２つ以上の波長間のスイッチングを利用して距離を推定する距離干渉計である。
本発明の一実施形態を使用して、固定波長基準レーザで短共振器レーザのチューナブル出力をビーティングすることによってチューナブル発振器を構成することができる。このビーティングは、たとえば、入射光パワーに応答する光検出器によって達成することができる。２つの同一線上レーザビームがこの検出器に衝突する場合、検出器出力は２つのレーザビーム間の光周波数の差で振動し、差周波数は検出器帯域内に収まる。１つのレーザが同調されると、この差周波数が同調して、光周波数から低周波にシフトダウンされたチューナブル発振器も構成する。
本発明はいくつかの上述の実施形態に関してある程度具体的に説明したが、本発明を上記の詳細または実施形態、あるいは任意の実施形態に限定すべきであると意図しておらず、従来技術に鑑み特許請求の範囲を最も広く解釈し、意図される発明の範囲を有効に包含するように添付の特許請求の範囲を参照して解釈すべきである。さらに、有効である記載が利用可能であったとするために、発明者が予見する実施形態に関して本発明について説明したが、現在予見されてない本発明のわずかな変更も、本発明の等価物を表すことができる。

Claims (15)

  1. 中心波長を有する放出波長帯にわたって、前記波長帯にわたる出力パワースペクトルと平均放出パワーでチューナブル放射を放出するチューナブルレーザであって、
    第１および第２のミラーを含む光共振器と、
    前記第１および第２のミラー間に介在し、少なくとも１つの量子井戸を備える量子井戸ゲイン領域と、
    同調領域と、
    前記同調領域の光路長の調節手段と
    を備え、
    前記光共振器の自由スペクトル領域（ＦＳＲ）が前記中心波長の５％を超え、
    前記チューナブルレーザが前記波長帯にわたって略単一縦横モードで動作し、
    前記光路長の調節手段が約１ｋＨｚ超の６ｄＢ帯域幅の波長同調周波数応答を有し、
    前記少なくとも１つの量子井戸のそれぞれが前記光共振器の光定常波パターンのピークとほぼ位置合わせされ、
    前記光路長の調節手段は、１００〜１０００ＭＰａの引張り応力を有し、４〜８つの支持アームを有する中央板を有する、ＭＥＭＳアクチュエータを含み、
    前記光路長の調節手段の周波数応答は，スクイーズ膜ダンピングによって実質的に増加するダンピングを有する，
    チューナブルレーザ。
  2. 前記量子井戸ゲイン領域が圧縮歪み材料の少なくとも１つの量子井戸を備える、
    請求項１に記載のチューナブルレーザ。
  3. 前記少なくとも１つの量子井戸がＡｌＩｎＧａＡｓから成る、
    請求項２に記載のチューナブルレーザ。
  4. 前記量子井戸ゲイン領域が圧縮歪みＡｌＩｎＧａＡｓのまさに３つの量子井戸を備える、
    請求項１に記載のチューナブルレーザ。
  5. 前記量子井戸ゲイン領域がＧａＩｎＮＡｓの少なくとも１つの量子井戸を備える、
    請求項１に記載のチューナブルレーザ。
  6. 前記チューナブルレーザが光ポンピングされ、前記少なくとも１つの量子井戸のそれぞれが別個の共振器内光定常波ピークに配置される、
    請求項１に記載のチューナブルレーザ。
  7. 前記チューナブルレーザが光ポンピングされ、３つの前記量子井戸すべてが単独の光定常波ピークにほぼ位置合わせされる、
    請求項４に記載のチューナブルレーザ。
  8. 前記チューナブルレーザが１４０〜１７０ｎｍの範囲のＦＳＲを有する、
    請求項７に記載のチューナブルレーザ。
  9. 前記量子井戸が２つの量子閉込状態を有する、
    請求項７に記載のチューナブルレーザ。
  10. 前記中心波長の範囲が７００〜１１００ｎｍである、
    請求項１に記載のチューナブルレーザ。
  11. 前記少なくとも１つの量子井戸が圧縮歪みＩｎＧａＡｓから成る、
    請求項１０に記載のチューナブルレーザ。
  12. 前記少なくとも１つの量子井戸が、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＰ、ＡｌＩｎＧａＡｓ、およびＩｎＧａＡｓＰから成る化合物群から選択される少なくとも１つである、
    請求項１０に記載のチューナブルレーザ。
  13. 前記量子井戸ゲイン領域が丁度３つの量子井戸を備える、
    請求項１１に記載のチューナブルレーザ。
  14. 前記丁度３つの量子井戸が少なくとも２つの閉込量子状態を備える、
    請求項１３に記載のチューナブルレーザ。
  15. 前記ＩｎＧａＡｓ量子井戸が、引張り歪みＧａＡｓＰの少なくとも１つの障壁を有する、
    請求項１１に記載のチューナブルレーザ。
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