JP6608203B2 - 面発光レーザ、情報取得装置及び撮像装置 - Google Patents
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Description
図1(a)は、本実施形態に係る波長可変型の面発光レーザの一例であるMEMS−VCSELの一例を示す上面模式図、図1(b)は、本実施形態のVCSELの一例を示す断面模式図である。図1(b)は、図1(a)のA−A’断面図に対応する。
上部反射鏡116は、高屈折率差サブ波長回折格子(HCG)を用いることができる。この構成であれば、後述する製造方法によって、第1の梁110、第2の梁114のパターニングと同じ工程でパターン形成することができる。HCGは高屈折率の材料(高屈折率部)と低屈折率の材料(低屈折率部)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、可動鏡である上部反射鏡116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としては、非特許文献1の他、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。
第1の梁110は、少なくともX方向の2箇所で固定されている。第1の梁110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。第1の梁110には、上部反射鏡116が配置されるための開口部130が形成されている。この開口部130は、活性層103の発光領域と対応させて形成されている。開口部130の面積は、発光領域の面積よりも大きい。
第2の梁114は、第1の梁110の開口部130に、上部反射鏡116とともに配置されている。そして、第1の梁110から上部反射鏡116に向かって、X方向に延びて、上部反射鏡116と接続されている。第2の梁114は2箇所に1つずつ配置されている。この2つの第2の梁114の中心軸が大きく異なっていると、上部反射鏡116にねじれの力が加わり、上部反射鏡116の変形に原因になるため、2つの第2の梁114の中心軸は、ほぼ一致ことが好ましい。また、2つの第2の梁114の中心軸は、上部反射鏡116のX方向の中心軸とほぼ一致していることが好ましい。なお、ほぼ一致とは、中心軸のX方向のずれが、第2の梁114のX方向の長さの半分以下のことをいう。
第2電極112は、チタンや金、アルミニウム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。また、第2電極112は、第1の梁110のX方向に繋がって形成されていればよい。第2電極112の電気抵抗を小さくするため、第2電極112は、第1の梁110の上の全面に形成されることが好ましい。第2電極112は、上部反射鏡116の上には形成されない。
間隙140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140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140のZ方向の長さは、波長可変帯域幅や可動反射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140を空気とした1060nmを中心として波長可変帯域幅100nmで可変する際には、間隙140の長さは1μm以上2μm程度となる。
スペーサ層は、導電性を有している。例えば、p型である上部スペーサ層104には、Mgなどのアクセプターが適量ドープされている。一方n型の下部スペーサ層102には、Siなどのドナーが適量ドープされている。スペーサ層は、GaAs系の半導体材料を用いることができる。
活性層103は、特に限定されない。本実施形態では、電流注入型を示したが、光励起型の構成でも構わない850nm付近の波長帯域の光を出射させる場合、AlnGa1−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、InnGa1−nAs(0≦n≦1)からなる材料などを用いることができる。
電流狭窄層105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電流狭窄層105を形成している。選択酸化プロセスにより電流狭窄層105となる被酸化層は、AlAs層またはAl組成比の高い、例えばAl0.98Ga0.02As層が好ましい。高温水蒸気雰囲気中で被酸化層を選択酸化することで、AlxOyが形成され、電流狭窄層105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。
下部反射鏡101は、上述したDBRを用いることができる。下部反射鏡101としては、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。下部反射鏡101として半導体DBRを用いる場合には、GaAsとAlAsの積層膜を用いることができる。また、誘電体DBRでは酸化シリコンと酸化チタン(または酸化タンタル)を用いることができる。また、下部反射鏡101として、HCGを用いることも可能である。
第1電極118と第3電極113は、チタンや金、アルミニウム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。また、第1電極118は、キャリアが注入できれば、下部反射鏡101の下側ではなく、下部反射鏡101の上側であってもよい。
次に、図2を用いて、本実施形態に係るMEMS−VCSELの製造方法の一例を説明する。各図内では図1(a)のA−A’、B−B’断面に対応する模式図を示している。なお、以下では、上部反射鏡がHCGで構成される例を用いて説明するが、上部反射鏡は、これに限れない。
本実施形態では、実施形態1の面発光レーザ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3を用いて説明する。
実施形態1による面発光レーザは、上記のOCT装置以外にも、光通信用光源や光計測用光源として利用できる。また、実施形態1を適用したVCSEL構造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。
103 活性層
110 第1の梁
112 第2電極
114 第2の梁
116 上部反射鏡(第2の反射鏡)
Claims (15)
- 第1の反射鏡と、
前記第1の反射鏡の上に配置された活性層と、
前記活性層の上に間隙を介して配置された第1の梁と、
前記第1の梁に形成された開口部に配置された第2の反射鏡と、
前記開口部に配置され、前記第1の梁の短手方向に延びて、前記第2の反射鏡と前記第1の梁とを接続する第2の梁と、
前記第1の梁の上の前記開口部を除く領域に配置された第1の電極と、
前記第1の電極と前記活性層との間に設けられた第2の電極と、
を有し、
前記第1の電極と前記第2の電極との間に電圧を印加し、静電引力によって前記第2の反射鏡を動かすことで、前記第1の反射鏡と前記第2の反射鏡の共振器長を変動させて、発振波長を変化させる面発光レーザであって、
前記第1の梁は、少なくとも長手方向の両端が固定されており、
前記第2の梁の前記第1の梁の長手方向の長さは、前記第2の反射鏡の前記第1の梁の長手方向の長さよりも小さく、
前記第2の反射鏡と前記第1の梁とは、前記第2の梁のみで接続されており、前記第2の反射鏡は、前記第1の電極と電気的に接続されていないことを特徴とする面発光レーザ。 - 前記第1の電極は、前記第1の梁の長手方向に繋がって形成されていることを特徴とする請求項1に記載の面発光レーザ。
- 前記第2の梁の体積抵抗率は、1×105Ωcm以上であることを特徴とする請求項1又は2に記載の面発光レーザ。
- 前記第2の反射鏡の体積抵抗率は、1×105Ωcm以上であることを特徴とする請求項3に記載の面発光レーザ。
- 前記第1の梁の体積抵抗率は、1×105Ωcm以上であることを特徴とする請求項4に記載の面発光レーザ。
- 前記開口部は、前記第1の梁の長手方向における中央部に位置し、
前記第2の梁は、前記開口部の前記第1の梁の長手方向における中央部で前記第1の梁と前記第2の反射鏡とを接続す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。 - 前記第2の反射鏡は、前記活性層の発光領域に対応する位置に配置されていることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の面発光レーザ。
- 前記第2の反射鏡は、回折格子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。
- 前記回折格子の格子は、前記第1の梁の短手方向に周期的に配置されていることを特徴とする請求項8に記載の面発光レーザ。
- 前記第2の反射鏡は、誘電体で構成された分布ブラッグ反射鏡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。
- 前記第1の梁が前記活性層側に引きつけられた状態において、前記第1の梁の短手方向から見た場合、前記第1の梁の前記長手方向における中央部における前記第1の梁の一部の形状と、前記第2の反射鏡の形状と、が異なっていることを特徴とする請求項1乃至10のいずれか1項に記載の面発光レーザ。
- 前記第1の梁が前記活性層側に引きつけられた状態において、前記第1の梁の前記長手方向における中央部における前記第1の梁の一部の形状よりも前記第1の反射鏡の形状の方が、歪みが小さいことを特徴とする請求項11に記載の面発光レーザ。
- 前記第2の反射鏡は、前記第1の梁と前記第1の梁の長手方向で支持されていないことを特徴とする請求項1乃至12のいずれか1項に記載の面発光レーザ。
- 請求項1乃至13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。 - 請求項1乃至14のいずれか1項に記載の面発光レーザと、
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撮像装置。
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