JP6548365B2 - 面発光レーザ及び光干渉断層計 - Google Patents

Description

本発明は、波長可変型の面発光レーザ、それを用いた光干渉断層計に関する。

レーザ発振波長を変えることが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。
波長可変レーザの一種として、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）技術により垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）のレーザ発振波長を制御する、いわゆるＭＥＭＳ−ＶＣＳＥＬという構造が知られている。

ＶＣＳＥＬは一般的に、一対の分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ）などの反射鏡で活性層を挟みこんで構成され、反射鏡の間の光学的距離によって定まる共振器長に応じた波長でレーザ発振する。ＭＥＭＳ−ＶＣＳＥＬでは、一方の反射鏡の位置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ることができる（例えば、特許文献１参照）。
ＭＥＭＳ−ＶＣＳＥＬにおいて、反射鏡の位置の変化量に対するレーザ発振波長の変化量を波長チューニング効率と呼ぶことがある。波長チューニング効率の大きさは、共振器長や表面コーティングの種類によって影響を受けることが知られている（非特許文献１）。

米国特許第６５４９６８７号明細書

ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｖｏｌ．４６， ｐ．１２４５ （２０１０）

ＭＥＭＳ−ＶＣＳＥＬの波長掃引速度の高速化や波長可変範囲の広帯域化のために、波長チューニング効率向上が望まれる。
本発明は、上記課題に鑑み、波長チューニング効率を向上させることが可能となる波長可変型面発光レーザの提供を目的とする。

本発明の一態様によれば、
上部反射鏡と、活性層を含む半導体共振器と、下部反射鏡と、をこの順に備え、上部反射鏡と半導体層との間に空隙部が形成されており、共振器長が可変である面発光レーザであって、
前記空隙部と前記半導体共振器の間に高反射率構造を備え、
前記半導体共振器の上部および下部の界面での光反射時の位相変化が無い場合に換算した前記半導体共振器の光学厚さＬが、
λ／２×ｍ＋λ／８ ＜ Ｌ ＜ λ／２×ｍ＋３λ／８ （ｍは１以上の整数、λはレーザ発振の中心波長）
であることを特徴とする面発光レーザが提供される。

本発明によれば、波長チューニング効率を向上させることが可能となる波長可変型面発光レーザを得ることができる。

本発明の実施形態におけるＭＥＭＳ−ＶＣＳＥＬの構造を示す断面模式図である。 本発明を適用した構成の光学特性を示す計算結果である。 本発明を適用した構成の光学特性を示す計算結果である。 本発明の実施形態のＭＥＭＳ−ＶＣＳＥＬを備えた光干渉断層計を示す模式図である。 比較例のＭＥＭＳ−ＶＣＳＥＬの構造を示す断面模式図である。 比較例のＭＥＭＳ−ＶＣＳＥＬの光学特性を示す計算結果である。 波長チューニング効率と縦モード間隔の関係を説明するための計算結果である。 比較例のＭＥＭＳ−ＶＣＳＥＬの光学特性を示す計算結果である。

（実施形態１）
以下に、本発明の実施形態における波長可変型の垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）について説明する。
はじめに、本明細書中で使用する用語等について定義しておく。
本明細書中ではレーザ素子の基板側を下側、基板と反対側を上側と定義する。
本明細書中では、中心波長とは、面発光レーザから出射可能なレーザ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、中心波長とは、レーザ発振可能な最短波長と最長波長の中心の波長を意味する。レーザ発振可能な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。
本明細書中では、上部反射鏡と下部反射鏡で構成された共振器中の、空隙部と下部反射鏡との間に位置する半導体層を半導体共振器と呼び、その光学厚さを半導体共振器長と呼ぶ。空隙部と半導体共振器の間に反射防止膜や高反射率構造を設ける場合は、その反射防止膜や高反射率構造は半導体共振器には含めず、半導体共振器長はその反射防止膜や高反射率構造を含めない部分の光学厚さを指すこととする。

ここで言う反射防止膜とは、半導体共振器から空隙部側に光が入射する場合に、半導体共振器を構成する主材料の屈折率と空隙部の屈折率との差によって生じる光反射（フレネル反射）の反射率よりも反射率を小さくする構造をいう。反射防止膜の例としては、半導体共振器を構成する主材料の屈折率と空隙部の屈折率との中間的な屈折率を持つ材料を、中心波長をλとして、光学厚さλ／４の奇数倍で成膜された層などが挙げられる。また、多層膜により反射防止膜を構成することで、より広帯域な波長範囲で反射を抑制することも可能である。

一方、高反射率構造とは、反射防止膜とは逆に、半導体共振器を構成する主材料の屈折率と空隙部の屈折率との差によって生じる光反射（フレネル反射）の反射率を大きくする構造をいう。高反射率構造の例としては、屈折率の異なる２種類の層を、各層の光学厚さがλ／４の奇数倍となるように２層以上積層した構造などが挙げられる。具体的には、高反射構造の反射率は、中心波長において５０％以上であることが好ましい。さらには、高反射構造の反射率は、中心波長において６０％以上であることがより好ましい。最適には、高反射構造の反射率は、中心波長において７０％以上である。

図５（ａ）に、一般的なＭＥＭＳ−ＶＣＳＥＬの断面模式図を示す。
図５（ａ）のＭＥＭＳ−ＶＣＳＥＬは、ＧａＡｓをベースとした化合物半導体で構成されており、中心波長を１０６５ｎｍに設定し、その付近で波長可変となるように設計されている。上部反射鏡６００と下部反射鏡６１０の間に活性層６２０が配置された共振器構造が基板６４０上に配置されている。この共振器構造内、具体的には、上部反射鏡６００と活性層６２０の間に、上部反射鏡６００が駆動できるように空隙部６３０がある。上部および下部反射鏡には、多層膜で形成した分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ）を使用している。
上部反射鏡６００と下部反射鏡６１０の間の光学厚さを共振器長と呼ぶ。上部反射鏡６００を光軸方向に動かすことで空隙部６３０の長さを変え、共振器長を変えることができる。それに伴ってレーザ発振波長が変化する。なお、ここでいう光軸方向とは、上部反射鏡と下部反射鏡を結ぶ方向であり、基板の主面に垂直な方向である。図中では上下方向に相当する。
下部反射鏡６１０と空隙部６３０の間の活性層６２０を含む半導体層６５０を半導体共振器と呼び、その光学厚さを半導体共振器長と呼ぶこととする。つまり、半導体共振器長は、下部反射鏡６１０と半導体層６５０との界面と、空隙部６３０と半導体層６５０との界面と、の間の光学的距離のことである。なお、共振器全体の共振器長は、半導体共振器長に空隙部の光学厚さを加えた長さとなる。

図６に、図５（ａ）に示したＭＥＭＳ−ＶＣＳＥＬ構造の空隙部の長さ（エアギャップ長）とレーザ発振波長の関係を計算した結果を示す。ここでは、中心波長をλとした場合に半導体共振器長が２λ、３λ、４λに相当する３種類の構造について計算した。
この計算結果から、半導体共振器長が長くなるほどグラフの傾きが小さくなることがわかる。グラフの傾きは、空隙部の長さ（ｄ_ａｉｒ）の変化に対するレーザ発振波長（λ）の変化（∂λ／∂ｄ_ａｉｒ）を表しており、これを波長チューニング効率と呼ぶ。

波長チューニング効率が大きいことはＭＥＭＳ−ＶＣＳＥＬにおいて以下の点で有利となる。
波長チューニング効率が大きいほど、同程度の発振波長変化をさせるのに必要な反射鏡の変位量を小さくすることができるので、反射鏡の機械的駆動のために必要な電圧などを下げることが可能になる。あるいは同程度の電圧で反射鏡を駆動する場合でも、ばね定数が大きく共振周波数が大きい構造を採用することが可能となるので、高速波長掃引に有利となる。

また、波長チューニング効率を大きくすることは縦モード間隔を広げることにもつながる。縦モード間隔が狭い場合、モードホップによってレーザ発振波長が不連続的に跳んでしまったり、複数波長で同時に発振してしまったりして、シングルモードでの波長可変幅を制限する要因となる。縦モード間隔を広げることで、この制限を解消することが可能となる。

波長チューニング効率が縦モード間隔に与える影響について、図７に示した計算結果を用いて説明する。
図７（ａ）と（ｂ）は、共振器構造の異なる２種類のＭＥＭＳ−ＶＣＳＥＬ構造についての計算結果である。どちらも中心波長１０６５ｎｍ付近で波長可変となるように設計したＭＥＭＳ−ＶＣＳＥＬであるが、共振器構造の違いにより波長チューニング効率が異なっている。
図７（ａ）の中心波長付近での波長チューニング効率は約０．０１５であり、隣の次数の縦モードとの波長間隔は約２５ｎｍとなっている。一方、図７（ｂ）の中心波長付近での波長チューニング効率は約０．１２であり、隣の次数の縦モードとの波長間隔は約６０ｎｍとなっている。
このように、波長チューニング効率が大きい方が縦モード間隔も広がる傾向にあることが確認できる。

図６に示した計算結果を用いて説明したように、波長チューニング効率の大きさは半導体共振器長に依存することが知られている。波長チューニング効率を大きくするためには半導体共振器長を短くすることが有効であるが、現実的には限界がある。
特に、電流注入によってレーザ発振する構造の場合は電流の拡散や狭窄のための層を設ける必要があるため、光励起によってレーザ発振する構造に比べて半導体共振器長を長くする必要があり、波長チューニング効率を大きくすることが難しい。

半導体共振器長を短くする以外の手段で波長チューニング効率を大きくする例として、空隙部と半導体共振器の界面に反射防止（ＡＲ）膜を設けた構成が一般に知られている。一方、空隙部と半導体共振器の界面に分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ）などの反射率を増大させるような構造を設けると、波長チューニング効率が小さくなることも一般に知られている（非特許文献１）。

図５と図８を用いてこのことを説明する。
図５（ａ）〜（ｃ）に、ＧａＡｓをベースとして波長１０６５ｎｍ付近で波長可変となるように構成したＭＥＭＳ−ＶＣＳＥＬ構造の断面模式図を示す。
図５（ａ）に示した構造は基本構造であり、空隙部６３０と半導体共振器６５０の界面に何も設けていない構造である。
図５（ｂ）に示した構造は、図５（ａ）に示した構造の空隙部６３０と半導体共振器６５０の界面に反射防止（ＡＲ）膜６６０として酸化ＡｌＡｓ層を光学厚さ１／４波長だけ付加した構造である。
図５（ｃ）に示した構造は、図５（ａ）に示した構造の空隙部６３０と半導体共振器６５０の界面にＧａＡｓ層と酸化ＡｌＡｓ層を光学厚さ１／４波長ずつ積層したＤＢＲ６７０を１ペア付加した構造である。
図５（ａ）〜（ｃ）に示した構造全て、反射防止膜やＤＢＲを除いた半導体共振器長は、中心波長１０６５ｎｍを１．００λとした時に３．００λとなるように設計した。

なお、図５（ａ）〜（ｃ）に示した各構造において、波長１０６５ｎｍの光が半導体共振器６５０から空隙部６３０側に入射する場合の、半導体共振器６５０の空隙部６３０側の界面での反射率の計算値を以下に示す。図５（ａ）の構造では、半導体共振器６５０の空隙部６３０側の界面、つまり、半導体共振器６５０と空隙部６３０との界面の反射率は２８．４％である。図５（ｂ）の構造では、半導体共振器６５０の空隙部６３０側の界面、つまり、半導体共振器６５０と反射防止膜６６０との界面の反射率は０．１％である。図５（ｃ）の構造では、半導体共振器６５０の空隙部６３０側の界面、つまり、半導体共振器６５０とＤＢＲ６７０（高反射構造）との界面の反射率は７３．５％である。

図８に、図５（ａ）〜（ｃ）に示した各構造について、波長１０６５ｎｍ付近を基準に空隙部の長さ（エアギャップ長）の変化量とレーザ発振波長の関係を計算した結果を示す。
基本構造（図５（ａ）に相当）に対して、ＡＲ膜を付加した構造（図５（ｂ）に相当）は波長チューニング効率が大きくなっており、ＤＢＲを付加した構造（図５（ｃ）に相当）は逆に波長チューニング効率が小さくなっていることが確認される。

以上説明したように、ＭＥＭＳ−ＶＣＳＥＬの共振器長をできるだけ短くしたり、空隙部と半導体共振器の界面にＡＲ膜を設けたりすることで波長チューニング効率を向上できることが一般に知られてきた。
しかしながら、より高速かつ広帯域に波長を変えられるＭＥＭＳ−ＶＣＳＥＬを実現するためには、さらなる波長チューニング効率の向上が望まれている。

本発明を適用した構成では、従来の構成とは異なる半導体共振器長の選択と、空隙部と半導体共振器の界面の反射率増大とを組み合わせることで、従来の構成よりさらに波長チューニング効率を大きくすることが可能になる。
具体的には、半導体共振器長がλ／２×ｍ＋λ／４近傍となるように構成し、空隙部と半導体共振器の界面に高反射率構造を設けることで、上記の効果を得ることができる。（ｍは１以上の整数、λは中心波長。以下同じ。）
ここで言う高反射率構造とは、半導体共振器を構成する主成分である半導体材料の屈折率と空隙部の屈折率の差によって界面で生じる光反射よりも反射率を大きくするように構成された構造のことである。例を挙げると、相対的に高屈折率の材料からなる高屈折率層と相対的に低屈折率の材料からなる低屈折率層が少なくとも１ペア積層された構造である。より好ましくは、ＤＢＲのように相対的に高屈折率の材料と低屈折率の材料が中心波長をλとした時に光学厚さλ／４の奇数倍となる厚さで交互に積層された多層膜構造である。
また、半導体共振器は、高反射率構造と下部反射鏡との間に配置された全ての半導体層の積層体である。

図１に、本発明を適用したＭＥＭＳ−ＶＣＳＥＬの一例を示して説明する。
上から順に上部反射鏡１００、空隙部１３０、高反射率構造１７０、活性層１２０を含む半導体共振器１５０、下部反射鏡１１０、基板１４０が配置されている。半導体共振器１５０の光学厚さを半導体共振器長と呼ぶ。つまり、半導体共振器長は、高反射率構造１７０と半導体共振器１５０との界面と、半導体共振器１５０と下部反射鏡１１０との界面と、の間の光学的距離のことである。
本発明を適用した構成において、中心波長をλとした場合に半導体共振器長はλ／２×ｍ＋λ／４となるように構成されている。
本発明において、ＭＥＭＳ−ＶＣＳＥＬは、不図示の電極により活性層１２０に電流が注入されて発光する電流注入型であってもよいし、不図示の外部光源により活性層１２０に励起光が照射される光励起型であってもよい。
また、上部反射鏡１００は、不図示の電極の間に電圧が印加されることで静電気力によりＭＥＭＳ−ＶＣＳＥＬの厚さ方向に駆動される。

なお、本明細書中での半導体共振器長の表記は、半導体共振器の上部および下部の界面での光反射時の位相変化が無い、自由端反射の場合に換算している。換算とは、半導体共振器の上部および下部の界面での光反射時の位相変化がある場合には、半導体共振器長の光学厚さを、その位相変化分を考慮した光学厚さにすることである。具体的な換算の方法は、例えば非特許文献１の第３パラグラフなどに記載されている。
反射時の位相変化がある場合は、それに応じて実効的な光路長が伸び縮みすることとなり、実際の半導体共振器長を調整する必要がある。例えば、反射時の位相変化がπである固定端反射の場合、自由端反射の場合に比べてλ／２分だけ実効的な光路長がずれる。共振器の往復でλ／２分の光路長差を付けるためにはλ／４分だけ共振器長を変える必要がある。
例えば半導体共振器の上部または下部の界面のどちらか一方が固定端反射となる場合には、本発明に適した半導体共振器長はλ／２×ｍ＋λ／４からλ／４を引いた値（またはλ／４を足した値）であり、λ／２×ｍとなる。
本明細書中では、特に言及しないかぎり半導体共振器の上部および下部の界面での光反射は自由端反射となるような構成になっているものとする。

なお、一般的に、屈折率が大きい材料からなる層から屈折率が小さい材料からなる層へ光が入射する場合は、その２つの層の界面での光反射は自由端反射となる。一方、屈折率が小さい材料からなる層から屈折率が大きい材料からなる層へ光が入射する場合は固定端反射となる。
また、多層膜の場合は各界面からの反射光が合波されたものとなるため、明確な自由端や固定端とはならない場合がある。ＤＢＲの場合、基本的にはＤＢＲの活性層に最も近い層の屈折率がその層と接する入射側の層の媒質に比べて屈折率が大きい場合には、固定端反射になる。一方、ＤＢＲの活性層に最も近い層の屈折率がその層と接する入射側の層の媒質に比べて屈折率が小さい場合には、自由端反射になる。しかし、ＤＢＲの各層の光学厚さがλ／４からずれるにつれて少しずつ固定端反射や自由端反射と言えなくなる。また、膜厚変調ＤＢＲのような、高屈折率層がλ／４より厚く低屈折率層がλ／４より薄いＤＢＲなどでは、中心波長でも自由端反射や固定端反射にならない。
この点を踏まえて、本発明のＭＥＭＳ−ＶＣＳＥＬでは、自由端反射の場合に換算して、中心波長をλとした場合に半導体共振器長がλ／２×ｍ＋λ／４となるように構成されている。

上部反射鏡１００および下部反射鏡１１０には、多層膜で形成した分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ）を使用している。上部反射鏡１００と下部反射鏡１１０に挟まれた領域が共振器となっており、光定在波が形成される。上部反射鏡１００は光軸方向（図の上下方向）に可動となっており、空隙部１３０の長さ（以下、エアギャップ長と呼ぶ）が変わることで共振器長が変化し、レーザ発振波長が変わる。

図２に、図１に示した構造および比較用の構造について、エアギャップ長の変化量とレーザ発振波長の関係を計算した結果を示す。
図５や図８を用いて説明した時と同様、基本構造は空隙部と半導体共振器の界面に何も設けていない構造である。ＡＲ膜付加は空隙部と半導体共振器の界面にＡＲ膜を形成した構造である。ＤＢＲ付加は空隙部と半導体共振器の界面に高反射率構造としてＤＢＲを形成した構造である。ＤＢＲ付加が本発明を適用した構成であり、基本構造とＡＲ膜付加が比較用の構成である。
なお、ＡＲ膜やＤＢＲを除いた半導体共振器長は、中心波長１０６５ｎｍを１．００λとした時に３．２５λとなるように設計した。

図２に示した計算結果は、先ほど図８を用いて説明した比較例の構造の計算結果と比較すると大きな違いが見られる。
その違いを明瞭にするために、図２と図８に示した計算結果から各構造の波長チューニング効率を読み取って、大きい順に並べた表を表１に示す。

この表から読み取れることは以下のことである。
まず、半導体共振器長を３．００λから３．２５λにすることで、共振器長が長くなるにも関わらず基本構造の波長チューニング効率が向上する。
基本構造にＡＲ膜を付加した構造について、従来の半導体共振器長３．００λの場合は波長チューニング効率が大きくなるが、本発明を適用した半導体共振器長３．２５λの構造の場合では逆に波長チューニング効率が小さくなる結果が得られた。
一方、基本構造にＤＢＲを付加した構造について、従来の半導体共振器長３．００λの場合は波長チューニング効率が小さくなるが、本発明を適用した半導体共振器長３．２５λの構造の場合では逆に波長チューニング効率が大きくなる結果が得られた。
この結果は、半導体共振器長によって波長チューニング効率が変化し、空隙部と半導体共振器の界面の反射率によってその変化量が拡大されたり縮小されたりするということであると理解できる。

このことについて、図３を用いてより詳しく説明する。
図３に、様々な構造のＭＥＭＳ−ＶＣＳＥＬについて、中心波長１０６５ｎｍにおける波長チューニング効率と半導体共振器長の関係を計算した結果を示す。
空隙部と半導体共振器の界面に何も設けない基本構造と、界面にＤＢＲを１ペア、３ペア、５ペア設けた構造と、界面にＡＲ膜を設けた構造の、中心波長１０６５ｎｍ付近における波長チューニング効率の半導体共振器長依存性を計算したものである。
図３を見ると、半導体共振器長がλ／４変わるごとに波長チューニング効率が増減を繰り返すことがわかる。また、細かい増減を繰り返しながら、全体的な傾向としては半導体共振器長が長くなるほど波長チューニング効率が下がることも見て取れる。
ここで、ＡＲ膜を設けた構造では半導体共振器長の変化に対する波長チューニング効率の増減の幅が小さくなっている。
一方、ＤＢＲを設けた構造では半導体共振器長の変化に対する波長チューニング効率の増減の幅が大きくなっている。また、ＤＢＲのペア数が増えるにつれてさらに波長チューニング効率の増減の幅が大きくなる。

従来、空隙部と半導体共振器の界面にＡＲ膜を付加することで波長チューニング効率が向上すると言われてきたが、これまでに検討されたのは半導体共振器長がλ／２×ｍの場合に限られていた。
図３を用いて説明したように、λ／２×ｍ＋λ／４の半導体共振器長にＡＲ膜を付加すると、逆に波長チューニング効率が悪化してしまうということが本発明者らの検討により判明した。
この結果について定性的な考察を試みる。
ＡＲ膜などの反射率を低減する構造は、半導体共振器長の違いに対して鈍感にさせる効果を持つと理解できる。それにより、どのような半導体共振器長であっても、ＡＲ膜を形成しない場合の波長チューニング効率の大きい半導体共振器長と小さい半導体共振器長の中間的な特性が得られる。
つまり、もともと波長チューニング効率の小さい半導体共振器長（λ／２×ｍ）の場合にはＡＲ膜を付加することで波長チューニング効率を大きくすることができる。一方、もともと波長チューニング効率の大きい半導体共振器長（λ／２×ｍ＋λ／４）の場合はＡＲ膜を付加することで波長チューニング効率が小さくなってしまう。
逆に、ＤＢＲなどの反射率を増大させる構造は半導体共振器長の違いに対して敏感にさせる効果を持つと理解できる。つまり、もともと波長チューニング効率の小さい半導体共振器長（λ／２×ｍ）の場合にはＤＢＲを付加することで波長チューニング効率がさらに小さくなる。一方、もともと波長チューニング効率の大きい半導体共振器長（λ／２×ｍ＋λ／４）の場合はＤＢＲを付加することで波長チューニング効率がさらに大きくなる。
結果として、波長チューニング効率を大きくするという観点では、λ／２×ｍ＋λ／４の半導体共振器長にＤＢＲなどの高反射率構造を付加した構造が最適となる。

本発明を適用した構成において、半導体共振器長は厳密にλ／２×ｍ＋λ／４に一致していなくても、ある程度の範囲内であれば本発明の効果を得ることができる。λ／２×ｍよりもλ／２×ｍ＋λ／４に近い値であればよい。つまり、半導体共振器長をＬとすると、
λ／２×ｍ＋λ／８ ＜ Ｌ ＜ λ／２×ｍ＋３λ／８（ｍは１以上の整数、λはレーザ発振の中心波長）
を満たす範囲であれば本発明の効果が得られる。
さらに、
λ／２×ｍ＋７λ／４０ ≦ Ｌ ≦ λ／２×ｍ＋１３λ／４０
を満たす範囲であれば、基本構造よりも波長チューニング効率が向上するため好ましい。
さらに、
λ／２×ｍ＋３λ／１６ ≦ Ｌ ≦ λ／２×ｍ＋５λ／１６
を満たす範囲であれば、よりλ／２×ｍ＋λ／４に近い範囲であり、好適である。

本発明を適用した構成において、上部反射鏡および下部反射鏡は、レーザ発振に足る反射率を得られるものであれば特に制限はない。例えば、誘電体や半導体多層膜で構成されたＤＢＲ、金属膜、回折格子などを使用することができる。

本発明を適用した構成において、空隙部と半導体共振器の界面に設けた高反射率構造は、反射率を増大させるものであればよい。例えば、誘電体や半導体多層膜で構成されたＤＢＲ、金属膜、回折格子などを使用することができる。
この中でも、半導体多層膜で構成されたＤＢＲ（いわゆる半導体ＤＢＲ）を使用する場合は、次のような理由から、特に好ましい。すなわち、結晶成長により半導体共振器の後に続けて一括で形成できるという製造上の利点や、導電性を持っているため電流を拡散させることができ電流注入の均一化に役立つといった利点が挙げられる。
また、誘電体多層膜で構成されたＤＢＲ（いわゆる誘電体ＤＢＲ）を使用する場合は、導電性を持たせることができないという点で半導体ＤＢＲに劣るが、半導体多層膜より大きな屈折率差を得ることができ、容易に高い反射率を得やすいという点で優れている。そのため、用途によっては半導体ＤＢＲより誘電体ＤＢＲを用いる方が好ましい場合もある。

本発明を適用した構成において、活性層は一般的な面発光レーザに使用されているものを使用することができる。活性層を構成する材料の組成や層厚などはレーザ発振させたい波長に応じて適宜選択することができる。

本発明を適用した構成において、上部反射鏡を光軸方向に沿って上下に変位させる手段は、ＭＥＭＳ分野で一般的に使用されている技術を利用することができる。例えば静電、圧電、熱、電磁、流体圧などを利用することができる。

本発明を適用した構成において、空隙部には気体や液体を充填することができ、真空にすることもできる。ここで言う真空とは、気圧が標準大気圧より低い負圧の状態を指すこととする。本明細書中では、空隙部には空気が充填されているものと想定し、屈折率は１であるとして計算を行った。

本発明を適用した面発光レーザは、光励起または電流注入でレーザ発振させることができる。電流注入を行う場合は電極を設ける必要があるが、本明細書および図面では記載を簡潔にするために電極は省略している。

また、本発明を適用した面発光レーザを同一平面上に複数配列してアレイ光源として使用してもよい。

（実施形態２）
本実施形態では、実施形態１で示した面発光レーザを備えた光源装置の応用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。また、この光源装置は、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、光干渉断層計（以下、ＯＣＴ装置という）について図４を用いて説明する。
図４は、本実施形態に係るＯＣＴ装置８を示す模式図である。ＯＣＴ装置８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の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。

以下に、本発明の実施例について説明する。なお、本発明は以下に説明する実施例の構成に限定されるものではない。例えば、材料の種類や組成、形状や大きさは本発明の範囲内で適宜変更できる。
以下の実施例では、レーザ発振波長として１０６０ｎｍ付近のものを示したが、適切な材料・構造の選択により、任意の波長での動作も可能である。

［実施例１］
実施例１として、本発明を適用したＶＣＳＥＬについて、図１を用いて説明する。図１は、本実施例におけるＶＣＳＥＬの層構造を示す断面模式図である。
本実施例におけるＶＣＳＥＬは、ＧａＡｓをベースとした化合物半導体で構成されており、中心波長１０６０ｎｍ付近で波長掃引できるように設計されたものである。
上から順に上部反射鏡１００、空隙部１３０、高反射率構造１７０、活性層１２０を含む半導体共振器１５０、下部反射鏡１１０、ＧａＡｓ基板１４０が配置されている。
上部反射鏡１００は、Ａｌ_０．４Ｇａ_０．６ＡｓとＡｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓを交互に３６．５ペア積層したＤＢＲで構成されている。
上部反射鏡１００は電圧印加による静電力で上下方向の位置を変えることができるようになっている。図中では電圧印加用の電極は省略している。
空隙部１３０には空気が充填されており、空隙部１３０の長さ（エアギャップ長）は１６００ｎｍ付近で可変となっている。高反射率構造１７０は、上部反射鏡１００と同様にＡｌ_０．４Ｇａ_０．６ＡｓとＡｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓを交互に５ペア積層したＤＢＲで構成されている。
活性層１２０はＧａＩｎＡｓからなる量子井戸層とＧａＡｓＰからなる障壁層を３周期積層した多重量子井戸構造で構成されている。
活性層１２０は電流注入により発光する。なお、図中では電流注入のための電極は省略している。
半導体共振器長は、中心波長１０６０ｎｍを１．００λとしたときに１．７５λ付近に相当するように構成されている。
下部反射鏡１１０はＧａＡｓとＡｌＡｓを交互に３０ペア積層した上にＡｌ_０．４Ｇａ_０．６ＡｓとＡｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓを交互に５ペア積層したＤＢＲで構成されている。

本実施例の空隙部１３０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形成した。その手順の概要を説明する。
エピタキシャル成長を行う際、空隙部に相当する部分をＧａＡｓの犠牲層として成膜しておく。
水とクエン酸と過酸化水素水との混合液をエッチャントとして用いることで、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、水およびクエン酸（重量比１：１）を混ぜ合わせたクエン酸溶液と、濃度３０％の過酸化水素水とを４：１の割合（体積比）で混ぜたものをエッチャントとして用いた。このエッチャントでＧａＡｓとＡｌ_０．７Ｇａ_０．３Ａｓの選択エッチングが可能であり、ＧａＡｓ犠牲層だけを除去することで空隙部を形成することができる。

波長１０６０ｎｍの光に対する高反射率構造１７０の反射率は約６０％であり、高反射率構造を設けない場合の空隙部と半導体共振器の界面における反射率（約２８％）に比べて大きい。それにより、波長チューニング効率を大きくすることができる。
計算によると、高反射率構造１７０を設けない場合の波長チューニング効率は０．２４６であるが、本実施例のように高反射率構造１７０を設けることで波長チューニング効率を０．２６２に改善できる。
このように、本発明を適用した構成では、従来よりも優れた波長チューニング効率を有する波長可変型の面発光レーザが得られる。

１００：上部反射鏡
１１０：下部反射鏡
１２０：活性層
１３０：空隙部
１４０：基板
１５０：半導体共振器
１７０：高反射率構造

Claims (11)

1. 上部反射鏡と、活性層を含む半導体共振器と、下部反射鏡と、をこの順に備え、上部反射鏡と半導体層との間に空隙部が形成されており、共振器長が可変である面発光レーザであって、
   前記空隙部と前記半導体共振器の間に高反射率構造を備え、
   前記高反射率構造と前記半導体共振器との界面と前記半導体共振器と前記下部反射鏡との界面との間の光学的距離である前記半導体共振器の光学厚さＬが、前記半導体共振器の該上部および下部の界面での光反射時の位相変化が無い場合に換算して、
   λ／２×ｍ＋λ／８ ＜ Ｌ ＜ λ／２×ｍ＋３λ／８ （ｍは１以上の整数、λはレーザ発振の中心波長）
   であり、
   前記高反射率構造が、相対的に高屈折率の材料からなる高屈折率層と相対的に低屈折率の材料からなる低屈折率層が少なくとも１ペア積層された構造であることを特徴とする面発光レーザ。
2. 上部反射鏡と、活性層を含む半導体共振器と、下部反射鏡と、をこの順に備え、上部反射鏡と半導体層との間に空隙部が形成されており、共振器長が可変である面発光レーザであって、
   前記空隙部と前記半導体共振器の間に高反射率構造を備え、
   前記高反射率構造と前記半導体共振器との界面または前記半導体共振器と前記下部反射鏡との界面のどちらか一方が固定端反射となり、
   前記半導体共振器の該上部の界面と該下部の界面との間の光学的距離である前記半導体共振器の光学厚さＬが、
   λ／２×ｍ−λ／８ ＜ Ｌ ＜ λ／２×ｍ＋λ／８ （ｍは１以上の整数、λはレーザ発振の中心波長）
   であり、
   前記高反射率構造が、相対的に高屈折率の材料からなる高屈折率層と相対的に低屈折率の材料からなる低屈折率層が少なくとも１ペア積層された構造であることを特徴とする面発光レーザ。
3. 前記高反射率構造がＤＢＲで構成されてい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. 前記高反射率構造が半導体ＤＢＲで構成されていることを特徴とする請求項３に記載の面発光レーザ。
5. 前記高反射率構造が誘電体ＤＢＲで構成されていることを特徴とする請求項３に記載の面発光レーザ。
6. 前記半導体共振器の光学厚さＬが
   λ／２×ｍ＋７λ／４０ ≦ Ｌ ≦ λ／２×ｍ＋１３λ／４０
   であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の面発光レーザ。
7. 前記半導体共振器の光学厚さＬが
   λ／２×ｍ＋３λ／１６ ≦ Ｌ ≦ λ／２×ｍ＋５λ／１６
   であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の面発光レーザ。
8. 前記半導体共振器は、前記高反射率構造と前記下部反射鏡との間に配置された全ての半導体層の積層体であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の面発光レーザ。
9. 前記高反射率構造は、レーザ発振の中心波長において５０％以上の反射率を有することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の面発光レーザ。
10. 請求項１乃至９のいずれか１項に記載の面発光レーザと、
    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。
11. 請求項１乃至９のいずれか１項に記載の面発光レーザと、
    光源装置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光検出部と、
    前記光検出部からの信号に基づき、前記測定対象物の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光干渉断層計。

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