JP6730783B2 - 波長可変レーザ装置及び光干渉断層計 - Google Patents

Description

本発明は、波長可変レーザ装置及びその波長可変レーザ装置を用いた光干渉断層計に関する。

近時では、出射するレーザ光の波長を変化させ得る波長可変レーザ装置が注目を集めている。波長可変レーザ装置の１つとして、垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting LASER）装置が提案されている。垂直共振器型面発光レーザ装置では、２つの反射鏡のうちの一方を変位させることにより、２つの反射鏡の間隔を変化させ、これにより、レーザ光の発振波長、即ち、共振波長を変化させる。反射鏡を変位させるための可動部（可動機構）としては、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ：Micro Electro Mechanical Systems）技術を応用したものが提案されている。ＭＥＭＳ技術を応用した垂直共振器型面発光レーザ装置は、ＭＥＭＳ−ＶＣＳＥＬと称される。

ＭＥＭＳ−ＶＣＳＥＬは、波長を連続的に変化させることが可能である。また、ＭＥＭＳ−ＶＣＳＥＬは、可動部が微細であるため、可動部を高速で変位させることができ、従って、波長を高速で変化させることが可能である。また、ＭＥＭＳ−ＶＣＳＥＬは、消費電力も低い。このような特徴を有しているため、ＭＥＭＳ−ＶＣＳＥＬは大きな注目を集めている。

Connie J. Chang-Hasnain, Fellow, IEEE, "Tunable VCSEL", IEEE Journal on Selected Topics in Quantum Electronics, Vol. 6, No. 6, pp.978-987, 2000.

しかしながら、従来の垂直共振器型面発光レーザ装置は、必ずしも十分に広い波長可変幅が得られなかった。

本発明の目的は、波長可変幅を向上し得る波長可変レーザ装置及びその波長可変レーザ装置を用いた光干渉断層計を提供することにある。

実施形態の一観点によれば、第１の反射鏡と、第２の反射鏡と、前記第１の反射鏡と前記第２の反射鏡との間に形成された活性層と、を有し、前記活性層と前記第２の反射鏡との間に間隙が形成され、前記間隙の長さが変化することで共振波長が変化する波長可変レーザ装置であって、前記活性層は、第１の活性層と、利得スペクトルのピーク波長が前記第１の活性層の利得スペクトルのピーク波長と異なる第２の活性層と、を有し、前記間隙の長さに応じて、前記第１の活性層と前記第２の活性層の各々に対する励起が制御されることを特徴とする波長可変レーザ装置が提供される。

本発明によれば、第１の反射鏡と第２の反射鏡との間隙の長さに応じて、第１の活性層と第２の活性層の各々に対する励起が制御される。比較的長い波長で発振させる際には、比較的長い波長域において大きな利得を実現する活性層を励起することにより、比較的長い波長での確実な発振を実現する。一方、比較的短い波長で発振させる際には、比較的短い波長域において大きな利得を実現する活性層を励起することにより、比較的短い波長での確実な発振を実現する。このため、本発明によれば、可変波長幅の広い波長可変レーザ装置及びその波長可変レーザを用いた光干渉断層計を提供することができる。

本発明の第１実施形態による波長可変レーザ装置を示す平面図及び断面図である。 間隙の長さと発振波長とモードとの関係を示すグラフである。 本発明の第１実施形態による波長可変レーザ装置における初期の間隙の長さと波長可変幅との関係を示すグラフである。 本発明の第１実施形態による測定装置を示す概略図である。 本発明の第２実施形態による波長可変レーザ装置を示す断面図である。 本発明の第３実施形態による波長可変レーザ装置を示す断面図である。 本発明の第４実施形態による波長可変レーザ装置を示す断面図である。 本発明の第５実施形態による波長可変レーザ装置の駆動方法を示す図である。 参考例による垂直共振型面発光レーザ装置におけるシミュレーション結果を示すグラフである。 比較例による波長可変レーザ装置における間隙の長さと発振波長とモードとの関係を示すグラフである。

上述したように、従来の垂直共振器型面発光レーザ装置では、必ずしも十分に広い波長可変幅が得られなかった。従来の垂直共振器型面発光レーザ装置において必ずしも十分に広い波長可変幅が得られなかったのは、以下のような理由によるものである。

即ち、垂直共振器型面発光レーザ装置においては、例えば上部反射鏡を支持する梁状の支持部に電圧を印加することにより、梁状の支持部を変位させる。梁状の支持部に電圧が印加されると、静電引力が生じ、上部反射鏡と下部反射鏡との間に存在している間隙の長さが小さくなる方向に梁状の支持部が変位する。梁状の支持部におけるばねの反発力と静電引力とがつりあった状態で、梁状の支持部が保持される。梁状の支持部に印加する電圧がある電圧を超えると、梁状の支持部におけるばねの反発力と静電引力とのつりあいがとれなくなり、梁状の支持部の下方に存在する部材に梁状の支持部が接触してしまう。一般的には、初期の間隙の長さの３分の１程度の変位が梁状の支持部に生じると、梁状の支持部におけるばねの反発力と静電引力とのつりあいがとれなくなり、梁状の支持部の下方に存在する部材に梁状の支持部が接触してしまう。このように、梁状の支持部の変位は、初期の間隙の長さの３分の１程度に制限される。このような制限は、３分の１制限と称される。初期の間隙の長さの３分の１程度に梁状の支持部の変位量が制限されるため、３分の１制限の観点からは、初期の間隙の長さは大きい方が好ましい。

一方、単に下部反射鏡と上部反射鏡との間隔を変化させた場合には、あるモードから他のモードへの移行、即ち、モードホッピングが生じてしまう。モードホッピングは、レーザ発振が可能な波長域内に複数の縦モードが存在するために生ずる。レーザ発振が可能な波長域よりも縦モード間隔の方が広ければ、モードホッピングは生じない。即ち、レーザ発振が可能な波長域内に他の縦モードが存在しなければ、ホッピング先のモードが存在しないため、モードホッピングは生じない。レーザ発振が可能な波長域内に他の縦モードが存在しなければ、レーザ発振が可能な波長域の全体において発振波長、即ち、共振波長を変化させることができる。縦モード間隔を広げるための手法としては、下部反射鏡と上部反射鏡との間隔を狭めることが挙げられる。下部反射鏡と上部反射鏡との間隔を狭めれば、間隙の長さも狭まる。従って、モードホッピングを抑制するという観点からは、間隙の長さは小さくする方が好ましい。

このように、垂直共振器型面発光レーザ装置においては、３分の１制限の観点からは、初期の間隙の長さは大きくする方がよく、モードホッピングを抑制するという観点からは、初期の間隙の長さは小さくする方がよい。即ち、垂直共振器型面発光レーザ装置においては、初期の間隙の長さに関してトレードオフの関係が存在している。

図９は、参考例による垂直共振型面発光レーザ装置におけるシミュレーション結果を示すグラフである。一点鎖線のプロットは、初期の間隙の長さの３分の１の変位を梁状の支持部に生じさせた際に生ずる発振波長の変化量を示している。即ち、一点鎖線のプロットは、変位前の発振波長と変位後の発振波長との差、即ち、変位の前後における発振波長の波長差を示している。破線のプロットは、初期の間隙の長さに対応する縦モード間隔、即ち、初期の間隙の長さに対応するモード間の波長差を示している。

図９から分かるように、初期の間隙の長さの３分の１の変位を生じさせた際の波長差は、初期の間隙の長さが長いほど大きくなる。一方、初期の間隙の長さに対応する縦モード間隔は、初期の間隙の長さが長くなるほど小さくなる。

３分の１制限とモードホッピングの抑制の両観点を考慮すると、最も大きい波長差が得られるのは、図９から分かるように、初期の間隙の長さを１．７μｍ程度とした場合である。初期の間隙の長さを１．７μｍ程度に設定すれば、７０ｎｍ程度の波長差、即ち、７０ｎｍ程度の波長可変幅が得られる。

なお、図９に示すシミュレーション結果は、波長可変域の中心波長が１０６０ｎｍ程度の場合のものである。波長可変域の中心波長が１０６０ｎｍではない垂直共振器型面発光レーザ装置においては、初期の間隙の長さの最適値は必ずしも１．７μｍ程度とはならない。例えば、８５０ｎｍ帯の垂直共振器型面発光レーザ装置の発振波長は、１０６０ｎｍ帯の垂直共振器型面発光レーザ装置の発振波長に対して、２割程度小さい。このため、８５０ｎｍ帯の垂直共振器型面発光レーザ装置の共振器の寸法（光が往復する方向の寸法）は、１０６０ｎｍ帯の垂直共振器型面発光レーザ装置の共振器の寸法に対して、２割程度小さくなる。従って、８５０ｎｍ帯の垂直共振器型面発光レーザ装置における初期の間隙の長さの最適値は、１０６０ｎｍ帯の垂直共振器型面発光レーザ装置における初期の間隙の長さの最適値に対して２割程度小さくなる。

このような傾向があるため、初期の間隙の長さの最適値をＬ_ｇａｐとし、波長可変域の中心波長をλ_Ｌとすると、以下のような式が成立する。
Ｌ_ｇａｐ ≒ １．６ × λ_Ｌ ・・・（１）

上記のような理由により、従来の波長可変レーザ装置では、必ずしも十分に広い波長可変幅が得られなかった。

本願発明者は、鋭意検討した結果、以下のようにして波長可変幅を向上することに想到した。

［第１実施形態］
本発明の第１実施形態による波長可変レーザ装置及びその波長可変レーザ装置を用いた測定装置について図１乃至図５を用いて説明する。

（波長可変レーザ装置）
まず、本実施形態による波長可変レーザ装置１０について説明する。

本実施形態による波長可変レーザ装置１０は、ＭＥＭＳ技術を応用した波長可変レーザ装置、より具体的には、ＭＥＭＳ技術を応用した垂直共振器型面発光レーザ装置（ＭＥＭＳ−ＶＣＳＥＬ）である。

図１（ａ）は、本実施形態による波長可変レーザ装置を示す平面図である。図１（ａ）は、本実施形態による波長可変レーザ装置１０を上面側から見たものである。

図１（ａ）に示すように、基板１０１上には、２つの支持部１２１が互いに離間して配されている。ＭＥＭＳ技術を用いて形成された梁状の可動部１２２の両端が、支持部１２１によって固定されている。梁状の可動部１２２は、後述する反射鏡１０６を変位可能に支持するためのものである。本実施形態では、梁状の可動部１２２によって、下部反射鏡１０２と上部反射鏡１０６との間隔を変化させる機構（可動機構、支持機構）が構成されている。換言すれば、梁状の可動部１２２によって、下部反射鏡１０２と上部反射鏡１０６との間の間隙の長さを変化させる機構が構成されている。

図１（ａ）において破線で示された領域１２３は、発光が生ずる領域を概念的に示している。

第１の半導体層１４１上には、活性層１４０（図１（ｂ）参照）に電流を注入するための電極１５０が形成されている。電極１５０は、第１の半導体層１４１に電気的に接続されている。また、第２の半導体層１４３上には、活性層１４２（図１（ｂ）参照）に電流を注入するための電極１５１が形成されている。電極１５１は、第２の半導体層１４３に電気的に接続されている。また、支持部１２１上には、梁状の可動部１２２に電圧を印加するための電極１１３が形成されている。電極１１３は、梁状の可動部１２２に電気的に接続されている。

図１（ｂ）は、本実施形態による波長可変レーザ装置の断面図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ′線断面に対応している。

図１（ｂ）に示すように、基板１０１上には、反射鏡（第１の反射鏡、下部反射鏡）１０２が形成されている。基板１０１としては、例えばｎ型のＧａＡｓ基板が用いられている。下部反射鏡１０２としては、例えばＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector、分布ブラッグ反射鏡）が形成されている。下部反射鏡１０２は、例えば、光学膜厚がそれぞれ１／４λｃ１のＧａＡｓ層及びＡｌＡｓ層を１ペアとし、これを３０ペア含む交互積層膜によって構成されている。λｃ１は、下部反射鏡１０２の高反射帯域の中心波長であり、本実施形態では例えば１０６０ｎｍ程度となっている。なお、本願明細書において、反射鏡の高反射帯域とは、レーザ発振を可能とするのに十分な反射率が反射鏡において得られる波長帯域のことであり、具体的には、９８％以上の反射率が反射鏡において得られる波長帯域を意味する。なお、基板１０１の裏面（下面）には、電極（裏面電極）１１０が形成されている。

下部反射鏡１０２上、即ち、第１の反射鏡上には、活性層（第１の活性層）１４０が形成されている。第１の活性層１４０は、例えば、ＩｎＧａＡｓ層（図示せず）がＧａＡｓＰ層（図示せず）によって挟まれた量子井戸構造の活性層である。ＩｎＧａＡｓ層の厚さは、例えば８ｎｍ程度とする。第１の活性層１４０においては、ＩｎＧａＡｓ層のＩｎ組成が例えば２４％に設定されている。第１の活性層１４０における励起準位と基底準位とのエネルギー差に対応する発光波長は、例えば１０５０ｎｍ程度となっている。換言すれば、第１の活性層１４０の励起スペクトルのピーク波長は、例えば１０５０ｎｍ程度となっている。第１の活性層１４０における励起準位と基底準位とのエネルギー差に対応する発光波長は、反射鏡１０２，１０６の高反射帯域の中心波長である１０６０ｎｍより小さくなっている。Ｐ（燐）は、ＧａＡｓに対して格子定数を小さくする作用がある。一方、Ｉｎ（インジウム）は、ＧａＡｓに対して格子定数を大きくする作用がある。このため、ＩｎＧａＡｓ層とＧａＡｓＰ層とを含む活性層１４０においては、累積歪が抑制されている。第１の活性層１４０の導電型は、例えばｉ型（アンドープ）とする。

活性層１４０上、即ち、第１の活性層上には、半導体層（第１の半導体層）１４１が形成されている。第１の半導体層１４１の導電型は、例えばｐ型とする。

第１の半導体層１４１上には、活性層（第２の活性層）１４２が形成されている。第２の活性層１４２は、例えば、ＩｎＧａＡｓ層（図示せず）がＧａＡｓＰ層（図示せず）によって挟まれた量子井戸構造の活性層である。ＩｎＧａＡｓ層の厚さは、例えば８ｎｍ程度とする。第１の活性層１４０と第２の活性層１４２とは、基本的な材料は同じであるが、組成は異なっている。具体的には、第１の活性層１４０内のＩｎＧａＡｓ層のＩｎ組成と、第２の活性層１４２内のＩｎＧａＡｓ層のＩｎ組成とが互いに異なっている。第２の活性層１４２内においては、ＩｎＧａＡｓ層のＩｎ組成が例えば２７％に設定されている。第２の活性層１４２における励起準位と基底準位とのエネルギー差に対応する発光波長は、例えば１０７０ｎｍ程度となっている。換言すれば、第２の活性層１４２の励起スペクトルのピーク波長は、例えば１０７０ｎｍ程度となっている。第２の活性層１４２の励起スペクトルのピーク波長は、第１の活性層１４０の励起スペクトルのピーク波長と異なっている。第２の活性層１４２における励起準位と基底準位とのエネルギー差に対応する発光波長は、反射鏡１０２，１０６の高反射帯域の中心波長である１０６０ｎｍより大きくなっている。上述したように、Ｐは、ＧａＡｓに対して格子定数を小さくする作用がある。一方、Ｉｎは、ＧａＡｓに対して格子定数を大きくする作用がある。このため、ＩｎＧａＡｓ層とＧａＡｓＰ層とを用いた第２の活性層１４２においても、累積歪が抑制されている。第２の活性層１４２の導電型は、例えばｉ型（アンドープ）とする。

第２の活性層１４２上には、半導体層（第２の半導体層）１４３が形成されている。第２の半導体層１４３の導電型は、第１の半導体層１４１の導電型とは反対の導電型とする。ここでは、第２の半導体層１４３の導電型を、例えばｎ型とする。

このように、下部反射鏡１０２上には、第１の活性層１４０と第１の半導体層１４１と第２の活性層１４２と第２の半導体層１４３とを含む積層体１０３が形成されている。

積層体１０３の上方には、ＭＥＭＳ技術を用いて形成された梁状の支持部（梁）１２２が位置している。梁状の可動部１２２は、上述したように、上部反射鏡１０６を変位可能に支持するためのものである。積層体１０３と可動部１２２との間には、間隙１０４、即ち、空隙（エアギャップ）１０４が存在している。換言すれば、下部反射鏡１０２と上部反射鏡１０６との間には、間隙１０４が存在している。このため、可動部１２２は、基板１０１の主面の法線方向に変位自在となっている。梁状の可動部１２２に電圧を印加していない状態における間隙１０４の長さ（高さ）は、例えば３．８μｍ程度となっている。即ち、本実施形態では、梁状の可動部１２２に電圧を印加していない状態、即ち、下部反射鏡１０２と上部反射鏡１０６との間隔を変化させていない状態における間隙１０４の長さは、１．７μｍに対して大きくなっている。即ち、梁状の可動部１２２に電圧を印加していない際における間隙１０４の長さは、１．７μｍより大きくなっている。また、梁状の可動部１２２に電圧を印加していない状態における間隙１０４の長さは、反射鏡１０２、１０６の高反射帯域の中心波長の１．６倍より大きくなっている。なお、間隙１０４の長さは、エアギャップ長とも称される。梁状の可動部１２２の両端は、上述したように、基板１０１上に形成された２つの支持部（固定部、保持部）１２１によって固定されている。即ち、梁状の可動部１２２は、両端が支持部１２１によって固定された両端固定梁（両持ち梁）である。なお、ここでは、電圧を印加していない状態における間隙１０４の長さが３．８μｍ程度となっている場合を例として説明するが、電圧を印加していない状態における間隙１０４の長さは、３．８μｍ程度に限定されるものでなく、適宜設定し得る。

上述したように、第１の半導体層１４１上には、第１の活性層１４０に電流を注入するための電極１５０が形成されている。また、上述したように、第２の半導体層１４３上には、第２の活性層１４２に電流を注入するための電極１５１が形成されている。

梁状の可動部１２２上には、反射鏡（第２の反射鏡、上部反射鏡）１０６が形成されている。上部反射鏡１０６は、梁状の可動部１２２によって変位可能に支持されている。上部反射鏡１０６としては、例えばＤＢＲが形成されている。上部反射鏡１０６は、例えば、光学膜厚がそれぞれ１／４λｃ２のＳｉＯ_２層及びＴｉＯ_２層を１ペアとし、これを１０ペア含む交互積層膜によって構成されている。λｃ２は、上部反射鏡１０６の高反射帯域の中心波長であり、本実施形態では例えば１０６０ｎｍ程度となっている。

本実施形態による波長可変レーザ装置１０の共振器１２は、下部反射鏡１０２と、第１の活性層１４０と、第２の活性層１４３と、上部反射鏡１０６と、下部反射鏡と上部反射鏡との間隔を変化させる機構１２２とを含んでいる。そして、下部反射鏡１０２と上部反射鏡１０６との間隔に応じて長さが変化する間隙１０４が、下部反射鏡１０２と上部反射鏡１０６との間に存在している。こうして、本実施形態による波長可変レーザ装置１０が構成されている。

図２は、間隙の長さと発振波長とモードとの関係を示すグラフである。横軸は間隙１０４の長さを示している。縦軸は、レーザ光の発振波長を示している。

図２から分かるように、梁状の支持部１２２に電圧が印加されていない状態では、間隙１０４の長さは、例えば３．８μｍ程度となっている。間隙１０４の長さが３．８μｍ程度の際には、例えば波長１０９８ｎｍ程度で共振するモードが存在する。この共振モード（縦モード）を、ここでは、モードＢと称することとする。図２から分かるように、間隙１０４の長さが３．８μｍ程度の際には、１０９８ｎｍよりも短い波長で共振するモードが更に存在する。この共振モードを、ここでは、モードＡと称することとする。

間隙１０４の長さが例えば３．０μｍ程度となるまで反射鏡１０２と反射鏡１０６との間隔を小さくすると、モードＢの発振波長は例えば１００７ｎｍ程度となる。図２から分かるように、間隙１０４の長さが３．０μｍ程度の際には、１００７ｎｍよりも長い波長で共振するモードが更に存在する。この共振モードを、ここでは、モードＣと称することとする。

本実施形態では、レーザ光の発振波長を変化させ得る範囲内に複数のモード、即ち、２つ以上のモードが存在する。より具体的には、本実施形態では、レーザ光の発振波長を変化させ得る範囲内に、３つのモードが存在する。このため、単に下部反射鏡１０２と上部反射鏡１０６との間隔を変化させた場合には、モードＢから他のモードＡ，Ｃへの移行、即ちモードホッピングが生じ得る。

そこで、本実施形態では、下部反射鏡１０２と上部反射鏡１０６との間の間隙の長さに応じて第１の活性層１４０と第２の活性層１４２の各々に対する励起を制御することにより、モードホッピングを防止し、広い波長帯域でモードＢでの発振が維持されるようにしている。

具体的には、比較的長い波長で発振させる際には、比較的長い波長域において利得が得られる第２の活性層１４２に電流を注入する。第２の活性層１４２に電流を注入すると、第２の活性層１４２が励起され、比較的長い波長において利得が得られる。このため、比較的長い波長での確実な発振が実現される。

一方、比較的短い波長で発振させる際には、比較的短い波長域において利得が得られる第１の活性層１４０に電流を注入する。第１の活性層１４０に電流を注入すると、第１の活性層１４０が励起され、比較的短い波長において利得が得られる。このため、比較的短い波長での確実な発振が実現される。

下部反射鏡１０２の高反射帯域の中心波長λｃ１及び上部反射鏡１０６の高反射帯域の中心波長λｃ２は、いずれも１０６０ｎｍである。ここでは、反射鏡１０２、反射鏡１０６の高反射帯域の中心波長λｃ１，λｃ２である１０６０ｎｍより長い波長で共振させる際には、中心波長λｃ１，λｃ２より長い波長域において大きな利得を実現する第２の活性層１４２を励起させる。一方、反射鏡１０２、１０６の高反射帯域の中心波長λｃ１，λｃ２である１０６０ｎｍより短い波長で共振させる際には、中心波長λｃ１，λｃ２より短い波長域において大きな利得を実現する第１の活性層１４０を励起させる。

例えば反射鏡１０２、１０６の高反射帯域の中心波長λｃ１，λｃ２である１０６０ｎｍに対応する間隙１０４の長さは、例えば３．４μｍ程度である。従って、間隙１０４の長さが例えば３．４μｍ以上である際には、中心波長λｃ１，λｃ２より長い波長域において大きな利得を実現する第２の活性層１４２を励起させる。一方、間隙１０４の長さが例えば３．４μｍ未満である際には、中心波長λｃ１，λｃ２より短い波長域において大きな利得を実現する第１の活性層１４０を励起させる。間隙１０４の長さが所定値以上の際における第２の活性層１４２の励起強度は、間隙１０４の長さが所定値未満の際における第２の活性層１４２の励起強度より強くなる。また、間隙１０４の長さが所定値以上の際における第１の活性層１４０の励起強度は、間隙１０４の長さが所定値未満の際における第１の活性層１４０の励起強度より弱くなる。

間隙１０４の長さは、梁状の可動部１２２に印加する電圧を変化させることにより変化させ得る。即ち、間隙１０４の長さは、電極１１３に印加する電圧を変化させることにより変化させ得る。なお、梁状の可動部１２２に印加する電圧を変化させると、間隙１０４の長さが変化するのは、梁状の可動部１２２に印加する電圧を変化させると、梁状の可動部１２２に働く静電引力が変化するためである。

間隙１０４の長さが例えば３．４μｍとなる際における電極１１３への印加電圧は、予め求めることが可能である。従って、電極１１３への印加電圧が間隙１０４の長さが３．４μｍ以上となるような電圧である場合には、中心波長λｃ１，λｃ２より長い波長域において大きな利得を実現する第２の活性層１４２を励起させる。即ち、電極１１３への印加電圧が所定電圧以下である場合には、中心波長λｃ１，λｃ２より長い波長域において大きな利得を実現する第２の活性層１４２を励起させる。一方、間隙１０４の長さが３．４μｍ未満となるような電圧が電極１１３に印加されている場合には、中心波長λｃ１，λｃ２より短い波長域において大きな利得を実現する第１の活性層１４０を励起させる。即ち、電圧１１３への印加電圧が所定電圧より大きい場合には、中心波長λｃ１，λｃ２より短い波長域において大きな利得を実現する第１の活性層１４０を励起させる。

上述したように、第２の活性層１４２における励起準位と基底準位とのエネルギー差に対応する発光波長は、例えば１０７０ｎｍ程度となっている。換言すれば、第２の活性層１４２の励起スペクトルのピーク波長は、例えば１０７０ｎｍ程度となっている。第２の活性層１４２に電流を注入することにより第２の活性層１４２を励起させた際には、例えば１０６０ｎｍ〜１１００ｎｍ程度の波長域において比較的大きい利得を得ることが可能である。この際、第１の活性層１４０には電流の注入が行われないため、第１の活性層１４０においては吸収が生じる。第１の活性層１４０における励起準位と基底準位とのエネルギー差に対応する発光波長は、第２の活性層１４２における励起準位と基底準位とのエネルギー差に対応する発光波長より低い。上述したように、第１の活性層１４０では、励起準位と基底準位とのエネルギー差に対応する発光波長は、１０５０ｎｍ程度となっている。換言すれば、第１の活性層１４０の励起スペクトルのピーク波長は、例えば１０５０ｎｍ程度となっている。このため、１０５０ｎｍ付近の波長域での発振が、第１の活性層１４０によって抑制される。このため、第１の活性層１４０に電流を注入することなく第２の活性層１４２に電流を注入した際には、１０６０ｎｍ〜１１００ｎｍ程度の波長域においてモードＢでの発振を確実に行わせることができる。このため、本実施形態では、モードＡへのモードホッピングを確実に防止することができる。

一方、上述したように、第１の活性層１４０における励起準位と基底準位とのエネルギー差に対応する発光波長は、１０５０ｎｍ程度となっている。

即ち、第１の活性層１４０の利得スペクトルのピーク波長は、１０５０ｎｍ程度となっている。第１の活性層１４０の励起強度を十分に大きくすることで、短波長側における利得を十分に大きくすることができる。これは、量子井戸が矩形の状態密度を有しており、且つ、Ｉｎ_０．２４ＧａＡｓ量子井戸層とＧａＡｓＰ障壁層のバンドギャップの差が大きいことによって実現されている。第１の活性層１４０に電流を注入することにより第１の活性層１４０を励起した際には、例えば１００７ｎｍ〜１０６０ｎｍ程度の波長域において比較的大きい利得が得られる。このため、活性層１４２に電流を注入することなく活性層１４０に電流を注入した際には、１００７ｎｍ〜１０６０ｎｍ程度の波長域においてモードＢでの発振を確実に行わせることができ、モードＣへのモードホッピングを確実に防止することができる。

本実施形態では、例えば、反射鏡１０２、１０６の高反射帯域の中心波長λｃ１，λｃ２を中心として、レーザ光の発振波長が掃引される。

モードＡとモードＢとの波長差、即ち、モードＡとモードＢとの間における縦モード間隔は、３０ｎｍより大きいことが好ましい。また、モードＢとモードＣとの波長差、即ち、モードＢとモードＣとの間における縦モード間隔は、３０ｎｍより大きいことが好ましい。バルクや量子井戸等の一般的な活性層においては、利得スペクトルの幅を３０ｎｍに対して十分に狭くすることは困難である。このため、縦モード間隔が３０ｎｍ以下の場合には、複数の縦モードのうちの１つが選択されるように活性層１４０，１４２を制御することが困難である。従って、縦モード間隔は、３０ｎｍより大きいことが好ましい。

但し、上記の３０ｎｍという数値は、１０６０ｎｍ帯の波長可変レーザ装置の場合の数値である。３０ｎｍという数値は、量子井戸内のキャリアのエネルギー分布に起因するものであり、室温では、波長１０６０ｎｍにおいて約３０ｎｍである。このため、１０６０ｎｍ以外の波長帯の波長可変レーザ装置においては、波長差で表現するのではなく、エネルギー差で表現することが妥当である。１０６０ｎｍ帯で３０ｎｍの波長差に相当するエネルギー差は、３３ｍｅＶである。従って、縦モード間隔は、発振波長での３３ｍｅＶのエネルギー差に相当する波長差より大きいことが好ましい。

このように、本実施形態では、比較的長い波長で発振させる際には、比較的長い波長域において大きな利得を実現する第２の活性層１４２を励起することにより、比較的長い波長での確実な発振を実現する。一方、比較的短い波長で発振させる際には、比較的短い波長域において大きな利得を実現する第１の活性層１４０を励起することにより、比較的短い波長での確実な発振を実現する。このため、本実施形態によれば、モードホッピングを確実に防止することができ、可変波長幅の広い波長可変レーザ装置を得ることができる。

（評価結果）
次に、本実施形態による波長可変レーザ装置の評価結果について説明する。

図１０は、比較例による波長可変レーザ装置における間隙の長さと発振波長とモードとの関係を示すグラフである。比較例は、下部反射鏡と上部反射鏡との間隔を単に変化させることにより発振波長を変化させるものである。即ち、比較例では、活性層への電流の注入を下部反射鏡と上部反射鏡との間の間隙の長さに応じて調整していない。

比較例では、初期の間隙の長さは、１．５μｍ程度とした。初期の間隙の長さが１．５μｍの場合、初期の間隙の長さの３分の１の変位を生じさせると、間隙の長さは１．０μｍとなる。

図１０から分かるように、間隙の長さを１．５μｍから１．０μｍまで変化させると、発振波長は６８ｎｍ程度変化する。間隙の長さを１．０μｍより小さくすると、３分の１制限を満たさなくなり、梁状の支持部におけるばねの反発力と静電引力とのつりあいがとれなくなる虞があるため、間隙の長さを１．０μｍより小さくすることは好ましくない。このため、比較例による波長可変レーザ装置では、波長可変幅は６８ｎｍ程度であった。

これに対し、本実施形態では、下部反射鏡と上部反射鏡との間の間隙の長さに応じて、第１の活性層と第２の活性層の各々に対する励起の制御を行うため、モードホッピングを確実に防止することができる。従って、本実施形態では、図９において破線でプロットしたような縦モード間隔による制約が存在しない。従って、本実施形態によれば、梁状の可動部１２２に電圧を印加していない際における間隙１０４の長さを、反射鏡１０２、１０６の高反射帯域の中心波長λｃ１，λｃ２の１．６倍に対して著しく大きくすることができる。本実施形態によれば、初期の間隙１０４の長さを著しく大きくすることができるため、初期の間隙１０４の長さの３分の１程度の長さも十分に長くなる。このため、本実施形態によれば、極めて広い波長域で発振波長、即ち、共振波長を変化させることが可能となる。

間隙１０４の長さを例えば３．８μｍから３．０μｍに変化させた場合には、図２から分かるように、例えば１００７ｎｍ〜１０９８ｎｍ程度の波長域において、モードＢから他のモードＡ，Ｃへのモードホッピングを生じることなく、発振波長を変化させ得る。波長１０９８ｎｍと波長１００７ｎｍとの波長差は９１ｎｍである。即ち、本実施形態では、例えば９１ｎｍ程度の波長可変幅が得られる。

図３は、本実施形態による波長可変レーザ装置における初期の間隙の長さと波長可変幅との関係を示すグラフである。横軸は、初期の間隙の長さを示しており、縦軸は、波長可変幅を示している。

図３から分かるように、初期の間隙１０４の長さを３．８μｍに設定した場合には、波長可変幅を９１ｎｍ程度とすることができる。

発振波長を１０９８ｎｍから１００７ｎｍまで変化させた際には、間隙１０４の長さは３．８μｍから３．０μｍまで変化する。長さ３．８μｍと長さ３．０μｍとの差、即ち、間隙１０４の長さの変化量は０．８μｍ程度である。０．８μｍという間隙１０４の長さの変化量は、初期の間隙１０４の長さの３分の１に対して十分に小さい。従って、発振波長を１０９８ｎｍから１００７ｎｍまで変化させても、３分の１制限に対する余裕は十分に存在する。

このように、本実施形態によれば、波長可変幅の極めて広い波長可変レーザ装置を得ることができる。

（測定装置）
次に、本実施形態による波長可変レーザ装置を用いた測定装置について図４を用いて説明する。図４は、本実施形態による測定装置を示す概略図である。

なお、ここでは、光干渉断層計（ＯＣＴ：Optical Coherence Tomography）の光源部８０１に本実施形態による波長可変レーザ装置１０を用いる場合を例に説明するが、これに限定されるものではない。本実施形態による波長可変レーザ装置１０は、光干渉断層計の光源部８０１に限定されるものではなく、様々な用途に用いることが可能である。波長可変レーザ装置を光源部８０１に用いた光干渉断層計は、分光器を用いることを要しないため、光量のロスが少なく、高Ｓ／Ｎ比の断層像の取得が可能である。

図４に示すように、本実施形態による測定装置（ＯＣＴ装置）８は、光源部８０１と、干渉光学系８０２と、光検出部８０３と、情報取得部８０４とを有している。

光源部８０１には、本実施形態による波長可変レーザ装置１０が用いられる。

情報取得部８０４は、フーリエ変換器（図示せず）を有している。ここで、情報取得部８０４がフーリエ変換器を有しているとは、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ることを意味し、フーリエ変換器の態様は特に限定されるものではない。一つの例は、情報取得部８０４が演算部（図示せず）を有しており、当該演算部がフーリエ変換する機能を有している場合である。より具体的には、当該演算部がＣＰＵ（Central Processing Unit）を有するコンピュータであり、当該コンピュータが、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している場合である。

光源部８０１から出力された光は、干渉光学系８０２を経て、測定対象（測定対象物）である物体８１２の情報を含む干渉光となり、当該干渉光は光検出部８０３において受光される。

なお、光検出部８０３は、差動検出型の光検出器でもよいし、単純な強度モニタ型の光検出器でもよい。

光検出部８０３によって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に出力される。

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行うことにより、物体８１２の情報（例えば断層像の情報）を取得する。

以下、光源部８０１から光が発せられてから、測定対象である物体８１２の断層像の情報が得られるまでについて、詳細に説明する。

光源部８０１から出た光は、ファイバ８０５内を通って、カップラ８０６に入り、照射光用のファイバ８０７内を通る照射光と、参照光用のファイバ８０８内を通る参照光とに分岐される。カップラ８０６としては、分岐比が１：１のカップラである３ｄＢカップラが用いられている。カップラ８０６は、光源部８０１から発せられる光の波長帯域においてシングルモードで動作し得る。

ファイバ８０７内を伝搬する照射光は、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で反射される。

一方、ファイバ８０８内を伝搬する参照光は、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からの反射光とによる干渉光が発生する。こうして干渉した光は、ファイバ８１５内を通り、コリメーター８１６を通って集光され、光検出部８０３によって受光される。

光検出部８０３によって受光された干渉光の強度の情報は、電圧等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し、具体的には、フーリエ変換を行い、断層像の情報を得る。フーリエ変換が行われる干渉光の強度のデータは、通常は、等波数間隔にサンプリングされたデータであるが、これに限定されるものではなく、等波長間隔にサンプリングされたデータであってもよい。

こうして取得された断層像の情報は、情報取得部８０４から画像表示部８１７に送られ、画像として表示することができる。

なお、照射光の入射する方向に対して垂直な方向にミラー８１０を走査することで、測定対象の物体８１２の３次元の断層像を得ることもできる。

また、図示しないが、光源部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るようにしてもよい。

情報取得部８０４は、電気回路８１８を介して、光源部８０１の制御を行うことができる。上述したように、本実施形態では、比較的長い波長で波長可変レーザ装置を発振させる際には、比較的長い波長域において利得が得られる第２の活性層１４２が励起される。一方、比較的短い波長で波長可変レーザ装置を発振させる際には、比較的短い波長域において利得が得られる第１の活性層１４０が励起される。第１の活性層１４０と第２の活性層１４２の各々に対する励起の制御は、例えば情報取得部８０４によって行うことができる。即ち、情報取得部８０４は、第１の活性層１４０と第２の活性層１４２の各々に対する励起を制御する制御部として機能し得る。情報取得部（制御部）８０４は、電気回路８１８を介して電極１５０，１５１に電圧を適宜印加することにより、第１の活性層１４０と第２の活性層１４２の各々に対する励起を制御する。また、情報取得部（制御部）８０４は、電気回路８１８を介して電極１１３に電圧を適宜印加することにより、梁状の可動部１２２を変位させ、これにより波長可変レーザ装置から発せられるレーザ光の発振波長を変化させる。

なお、ここでは、情報取得部８０４が第１の活性層１４０と第２の活性層１４２の各々に対する励起を制御する場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。情報取得部８０４とは別個の制御部（図示せず）を用いて、第１の活性層１４０と第２の活性層１４２の各々に対する励起を制御するようにしてもよい。また、情報取得部８０４とは別個の制御部によって、梁状の可動部１２２に接続された電極１１３に印加する電圧を制御し、波長可変レーザ装置から発せられるレーザ光の発振波長を変化させてもよい。この場合、情報取得部８０４とは別個の制御部は、光源部８０１内に設けられていてもよいし、光源部８０１と別個に設けられていてもよい。

本実施形態による測定装置８は、例えば、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の断層像に関する情報を取得する際に有用である。なお、生体の断層像に関する情報とは、生体の断層像自体のみならず、生体の断層像を得るために必要な数値データをも含む。特に、本実施形態による測定装置８は、測定対象が人体の眼底であり、眼底の断層像に関する情報を取得する際に好適である。

本実施形態による波長可変レーザ装置１０は、上述したように波長可変幅が極めて広い。このため、本実施形態による波長可変レーザ装置１０を用いれば、高分解の断層像を取得し得る測定装置８を実現することができる。

なお、ここでは、本実施形態による波長可変レーザ装置１０を、ＯＣＴ装置８の光源に用いる場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。例えば、本実施形態による波長可変レーザ装置１０を、光通信用の光源に用いるようにしてもよいし、光計測用の光源に用いるようにしてもよい。

［第２実施形態］
本発明の第２実施形態による波長可変レーザ装置について図５を用いて説明する。図５は、本実施形態による波長可変レーザ装置を示す断面図である。図１乃至図４に示す第１実施形態による波長可変レーザ装置等と同一の構成要素には、同一の符号を付して説明を省略または簡潔にする。

本実施形態による波長可変レーザ装置は、励起光を照射することにより第２の活性層２４２を励起するものである。

図５に示すように、本実施形態では、第１の半導体層１４１と第２の半導体層１４３との間に、第２の活性層２４２が形成されている。第２の活性層２４２は、所定の波長の光を照射した際に励起されるものである。本実施形態では、励起光源８２０から発せられる光（励起光）が第２の活性層２４２に照射されるようになっている。励起光源８２０としては、例えば、端面発光型の半導体レーザ装置を用いることができる。励起光源８２０から発せられる励起光の波長は、例えば６７０ｎｍ程度とする。第２の活性層２４２の障壁層は、励起光を吸収してキャリアを生成する吸収層として機能する。第２の活性層２４２の障壁層の組成は、例えばＡｌ_０．２５ＧａＡｓとする。

本実施形態では、励起光源８２０から発せられる励起光によって第２の活性層２４２を励起させ得るため、第２の活性層２４２に電流を注入するための電極１５１（図１（ｂ）参照）は設けられていない。

本実施形態によれば、第２の活性層２４２に電流を注入するための電極１５１（図１（ｂ）参照）を形成することを要しないため、基板１０１上に形成すべき電極の数を少なくすることができる。基板１０１上に形成することを要する電極の数が少ないため、製造の難易度が低くなり、また、加工工程が少なくなる。従って、本実施形態によれば、製造歩留りを向上することができ、また、製造コストを低減することができる。

本実施形態では、比較的長い波長で発振させる際には、比較的長い波長域において利得が得られる第２の活性層２４２に、励起光源８２０から光が照射される。第２の活性層２４２に光が照射されると、第２の活性層２４２が励起され、比較的長い波長において利得が得られる。このため、比較的長い波長での確実な発振が実現される。

一方、比較的短い波長で発振させる際には、比較的短い波長域において利得が得られる第１の活性層１４０に電流が注入される。第１の活性層１４０に電流を注入すると、第１の活性層１４０が励起され、比較的短い波長において利得が得られる。このため、比較的短い波長での確実な発振が実現される。

このため、本実施形態においても、モードホッピングを確実に防止し、極めて広い波長域で発振波長を可変させることができる。

なお、励起光源８２０に対する制御は、情報取得部（制御部）８０４によって行ってもよいし、情報取得部８０４とは別個に設けられた制御部によって行うようにしてもよい。

このように、第２の活性層２４２に対する励起を光の照射によって行うようにしてもよい。本実施形態においても、第１実施形態による波長可変レーザ装置と同様に、極めて広い波長域で発振波長を可変させることができる。

［第３実施形態］
本発明の第３実施形態による波長可変レーザ装置について図６を用いて説明する。図６は、本実施形態による波長可変レーザ装置を示す断面図である。図１乃至図５に示す第１又は第２実施形態による波長可変レーザ装置等と同一の構成要素には、同一の符号を付して説明を省略または簡潔にする。

本実施形態による波長可変レーザ装置は、第２の活性層３４２を励起させる際のみならず、第１の活性層３４０を励起させる際にも光の照射を用いるものである。

図６に示すように、下部反射鏡１０２と第１の半導体層１４１との間には、第１の活性層３４０が形成されている。第１の活性層３４０のＩｎ組成は、例えば２４％程度に設定されている。第１の活性層３４０における励起準位と基底準位とのエネルギー差に対応する発光波長は、例えば１０５０ｎｍ程度である。活性層３４０の障壁層は、例えばＡｌ_０．０５ＧａＡｓにより構成されている。

第１の半導体層１４１と第２の半導体層１４３との間には、第２の活性層３４２が形成されている。第２の活性層３４２のＩｎ組成は、例えば２７％に設定されている。第２の活性層３４２における励起準位と基底準位とのエネルギー差に対応する発光波長は、例えば１０７０ｎｍ程度である。第２の活性層３４２の障壁層は、例えばＡｌ_０．２５ＧａＡｓにより構成されている。

本実施形態では、励起光源８２１から発せられる光（励起光）が、第２の活性層３４２や第１の活性層３４０に照射されるようになっている。第１の活性層３４０を励起させる際には、例えば、波長が比較的長い励起光が照射される。ここでは、第１の活性層３４０を励起させる際に用いる励起光の波長を、例えば８０８ｎｍ程度とする。一方、第２の活性層３４２を励起させる際には、例えば波長が比較的短い励起光が照射される。ここでは、第２の活性層３４２を励起させる際に用いる励起光の波長を、例えば６７０ｎｍ程度とする。これらの励起光は、梁状の可動部１２２が形成された側、即ち、基板１０１の上方から同軸で入射される。このように、本実施形態では、波長の異なる２つの励起光が適宜照射される。波長が異なる２つの励起光の各々の光源としては、第２実施形態と同様に、例えば、端面発光型の半導体レーザ装置等を用いることができる。

励起光源８２１から発せられる励起光は、第１の活性層３４０よりも上方に存在する第２の活性層３４２にまず到達する。第２の活性層３４２の厚みの大部分は障壁層が占めており、第２の活性層３４２の障壁層のバンドギャップは、例えば１．７３ｅＶ程度である。波長が６７０ｎｍの励起光のフォトンのエネルギーは、第２の活性層３４２の障壁層のバンドギャップのエネルギーより大きい。このため、波長が６７０ｎｍの励起光が照射された際には、波長が６７０ｎｍの励起光は主として第２の活性層３４２によって吸収される。このため、波長が６７０ｎｍの励起光が照射された際には、第２の活性層３４２が主として励起されることとなる。波長が６７０ｎｍの励起光が第２の活性層３４２において十分に吸収されるため、第２の活性層３４２の下方に存在する第１の活性層３４０は殆ど励起されない。

波長が８０８ｎｍの励起光のフォトンのエネルギーは、第２の活性層３４２のバンドギャップより小さい。このため、波長が８０８ｎｍの励起光は、第２の活性層３４２によっては吸収されず、第２の活性層３４２を透過する。波長８０８ｎｍの励起光のフォトンのエネルギーは、第１の活性層３４０の障壁層Ａｌ_０．０５ＧａＡｓのバンドギャップのエネルギーより大きい。このため、波長が８０８ｎｍの励起光が照射された際には、波長が８０８ｎｍの励起光は第１の活性層３４０の障壁層において吸収される。このため、波長が８０８ｎｍの励起光が照射された際には、第１の活性層３４０が励起されることとなる。

このように、本実施形態では、波長の異なる２つの励起光を適宜照射することにより、各々の活性層３４０，３４２を選択的に励起することができる。

このように、第２の活性層３４２を励起させる際のみならず、第１の活性層３４０を励起させる際にも光の照射を用いてもよい。本実施形態においても、第１実施形態による波長可変レーザ装置と同様に、極めて広い波長域で発振波長を可変させることができる。

［第４実施形態］
本発明の第４実施形態による波長可変レーザ装置について図７を用いて説明する。図７は、本実施形態による波長可変レーザ装置を示す断面図である。図１乃至図６に示す第１乃至第３実施形態による波長可変レーザ装置等と同一の構成要素には、同一の符号を付して説明を省略または簡潔にする。

図７に示すように、本実施形態では、第１の活性層１４０と第２の活性層１４２との間に半導体層１４１（図１（ｂ）参照）が存在していない。本実施形態では、第１の活性層１４０の上に、第２の活性層１４２が直接形成されている。第２の活性層１４２上には、半導体層４４３が形成されている。半導体層４４３の導電型は、例えばｐ型とする。半導体層４４３上には、電極４５０が形成されている。

本実施形態では、基板１０１の導電型が例えばｎ型となっており、活性層１４０，１４２の導電型がｉ型（アンドープ）となっており、半導体層４４３の導電型が例えばｐ型となっている。つまり、本実施形態では、導電型がｎ−ｉ−ｐ型となっている。換言すれば、本実施形態では、ｎ型領域１０１とｐ型領域４４３との間のｉ型領域に、２つの異なる量子井戸（活性層）１４０，１４２が存在している。

活性層１４０、１４２上に形成された電極４５０が１個の場合であっても、以下のように、キャリアのオーバーフローを利用すれば、利得スペクトルの制御を行うことは可能である。

電極４５０に電圧を印加すると、ｎ型領域１０１から注入される電子とｐ型領域４４３から注入される正孔とが、活性層１４０と活性層１４２とによって構成されるｉ型領域（アンドープ領域）に達する。正孔の移動度は電子の移動度より低いため、ｉ型領域１４０，１４２のうちのｐ型領域４４３に近い部分にキャリアが溜まりやすい。このため、注入電流が比較的小さい場合には、ｉ型領域１４０，１４２のうちのｐ型領域４４３に近い部分、即ち、第２の活性層１４２に多くのキャリアが溜まり、第２の活性層１４２において大きな利得が生じる。利得スペクトルのピーク波長が比較的長い第２の活性層１４２において大きな利得が生ずるため、注入電流が比較的小さい場合には、比較的長い波長での確実な発振が実現される。

一方、注入電流が比較的大きい場合には、第２の活性層１４２においてキャリア飽和が生じ、第１の活性層１４０にもキャリアが十分に流れ込むようになる。そして、第１の活性層１４０において生じる利得が、第２の活性層１４２において生じる利得を上回る。利得スペクトルのピーク波長が比較的短い第１の活性層１４０において大きな利得が生ずるため、注入電流が比較的大きい場合には、比較的短い波長域での確実な発振が実現される。

本実施形態では、レーザ光の定在波の腹の位置に対応するように、第１の活性層１４０と第２の活性層１４２とが位置している。具体的には、波長可変域（高反射帯域）の中心波長である１０６０ｎｍで発振している際に生じる定在波の腹の位置に対応するように、第１の活性層１４０と第２の活性層１４２とがそれぞれ位置している。第１の活性層１４０と第２の活性層１４２とは、定在波の隣り合う腹の位置に対応するように位置していている。定在波の腹の位置に対応するように第１の活性層１４０と第２の活性層１４２とを位置させるのは、光の十分な重なりが得られるようにするためである。

レーザ光の定在波の腹の位置に対応するように活性層１４０，１４２を位置させる際には、活性層１４０、１４２を構成する量子井戸のグループの中心位置が定在波の腹の最大値に一致することが好ましい。ただし、現実には、製造誤差等によってずれが生じる。

隣接する２つの定在波の腹の中間の位置には、節が位置する。このため、１つの定在波の山（ある節と、当該節の隣の節との間の範囲）は、ある腹と、当該腹の隣の腹との間隔を１とすると、１／２（ある節の位置）から３／２（当該節の隣の節の位置）までの範囲と表現できる。このため、第１の活性層１４０がある定在波の山の中に位置しており、第２の活性層１４２が当該山の隣の山の中に位置するための条件は、以下のようになる。即ち、第１の活性層１４０及び第２の活性層１４２がこのように位置するための条件は、第１の活性層１４０に対応する腹の位置を基準として、定在波の腹の間隔の１／２から３／２の範囲と表現することができる。

また、定在波の互いに離れた腹の位置に対応するように、第１の活性層１４０と第２の活性層１４２とが位置させてもよい。この場合、第２の活性層１４２の位置は、第１の活性層１４０が存在する定在波の山の最大値となる位置から定在波の腹の間隔の１/２以上離れた位置と表現することができる。

本実施形態による波長可変レーザ装置１０は、注入する電流の大きさを変化させことにより発振波長を変化させるため、注入する電流量の変化に応じてレーザ光の出力が変化する。安定したレーザ光を得たい場合には、本実施形態による波長可変レーザ装置１０の後段に図示しない半導体光増幅器（ＳＯＡ：Semiconductor Optical Amplifier）を配すればよい。波長可変レーザ装置１０の後段に半導体光増幅器を配し、当該半導体光増幅器における増幅率を適宜制御すれば、安定した出力のレーザ光を最終的に半導体光増幅器から出射することができる。

このように、本実施形態では、電極４５０を介して注入する電流の大きさを制御することにより、第１の活性層１４０と第２の活性層１４２の各々に対する励起を制御する。本実施形態によっても、第１の活性層１４０と第２の活性層１４２の各々に対する励起を制御することができるため、モードホッピングを確実に防止し、極めて広い波長域において発振波長を変化させることができる。本実施形態によれば、基板１０１上に形成することを要する電極の数が少ないため、製造の難易度が低くなり、また、加工工程が少なくなる。従って、本実施形態によれば、製造歩留りを向上することができ、また、製造コストを低減することができる。

［第５実施形態］
本発明の第５実施形態による波長可変レーザ装置について図８を用いて説明する。図８は、本実施形態による波長可変レーザ装置の駆動方法を示す図である。図１乃至図７に示す第１乃至第４実施形態による波長可変レーザ装置等と同一の構成要素には、同一の符号を付して説明を省略または簡潔にする。

本実施形態による波長可変レーザ装置の構成は、例えば、第１実施形態による波長可変レーザ装置１０と同様である。但し、本実施形態では、第１の活性層１４０と第２の活性層１４２の励起のバランスを調整することにより、モードＡからモードＢへのモードホッピングを敢えて生じさせるようにしている。

本実施形態では、梁状の可動部１２２を変位させるための電極１１３に印加する電圧を０Ｖから徐々に上昇させ、電極１１３に印加する電圧が所定電圧に達するまでは、第２の活性層１４２に電流を注入する。かかる所定電圧は、例えば、発振波長が波長可変域の中心波長である１０６０ｎｍとなるときの電圧とする。第２の活性層１４２に電流を注入している際には、第２の活性層１４２が励起され、比較的長い波長において利得が得られる。このため、波長可変域の中心波長である１０６０ｎｍより長い波長で発振させる際には、モードＢで発振することとなる。第２の活性層１４２に電流を注入する一方、第１の活性層１４０には電流を注入しないため、第２の活性層１４２の励起強度が第１の活性層１４０の励起強度より高い状態で、間隙１０４の長さが減少させられる。

そして、梁状の可動部１２２を変位させるための電極１１３に印加する電圧が、所定電圧に達した際には、第２の活性層１４２への電流の注入を中止し、第１の活性層１４０に電流を注入する。即ち、本実施形態では、電極１１３への印加電圧が所定電圧に達した際に、電流の注入先を、第２の活性層１４２から第１の活性層１４０に切り替える。そうすると、モードＢより短波長側のモードＡが発振しやすくなり、モードＢからモードＡへの移行、即ち、モードホッピングが生ずる。モードＢからモードＡへのモードホッピングが生ずると、発振波長は例えば１００７ｎｍ程度となる。第１の活性層１４０の利得スペクトルのピーク波長が、波長可変域の中心波長である１０６０ｎｍに対して十分に低く設定されているため、モードＢからモードＡへのモードホッピングを確実に生じさせることができる。

モードホッピングが生じた後には、梁状の可動部１２２を変位させるための電極１１３への印加電圧は徐々に低下させる。電極１１３への印加電圧を徐々に低下させる際には、モードＡでの発振が維持され、電極１１３への印加電圧が０Ｖになると、発振波長は１０５０ｎｍ程度となる。第１の活性層１４０に電流を注入する一方、第２の活性層１４２には電流を注入しないため、第１の活性層１４０の励起強度が第２の活性層１４２の励起強度より高い状態で、間隙１０４の長さが増加させられる。

この後、電流の注入先を第１の活性層１４０から第２の活性層１４２に切り替えると、発振波長は１０９８ｎｍ程度となる。即ち、電流の注入先を第１の活性層１４０から第２の活性層１４２に切り替えると、発振波長が初期状態に戻る。第２の活性層１４２の利得スペクトルのピーク波長が、波長可変域の中心波長である１０６０ｎｍに対して十分に大きく設定されているため、モードＡからモードＢへのモードホッピングを確実に生じさせることができる。

このように、本実施形態では、敢えてモードホッピングを生じさせる。本実施形態において梁状の可動部１２２を往復させることにより得られる波長可変幅は、第１実施形態において得られる波長可変幅と同様である。従って、本実施形態のように波長可変レーザ装置を動作させてもよい。本実施形態では、モードホッピングを生じさせた後には、梁状の可動部１２２を変位させるための電極１１３に印加させる電圧を徐々に低下させるため、梁状の可動部１２２の変位量は第１実施形態の場合の約半分である。本実施形態によれば、梁状の可動部１２２に印加する電圧が小さくてもよいため、消費電力の低減等を図ることができる。

［変形実施形態］
上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。

例えば、第５実施形態では、第１実施形態の波長可変レーザ装置において敢えてモードホッピングを生じさせる場合を例に説明したが、第２乃至第４実施形態による波長可変レーザ装置においても、敢えてモードホッピングを生じさせてもよい。第２乃至第４実施形態による波長可変レーザ装置においても、互いに異なる２つの活性層１４０，１４２が設けられている。このため、第２乃至第４実施形態による波長可変レーザ装置においても、これらの活性層１４０，１４２の励起のバランスを適宜制御することにより、第５実施形態のように利得スペクトルを適宜制御することが可能である。従って、第２乃至第４実施形態による波長可変レーザ装置においても、第５実施形態のように動作させることは可能である。また、敢えてモードホッピングを生じさせるための手法は、活性層１４０，１４２の励起のバランスを適宜調整することに限定されるものではない。例えば、第５実施形態における第１の活性層１４０の利得スペクトルのピーク波長を、第１実施形態の場合よりも小さく設定してもよい。第１の活性層１４０の利得スペクトルのピーク波長を低めに設定すれば、モードＢからモードＡへのモードホッピングを確実に生じさせることが可能である。また、反射鏡１０２，１０６の高反射帯域の中心波長よりも若干高い波長において、電流の注入先を第２の活性層２４２から第１の活性層１４０に変更してもよい。このようにすることによっても、モードＢからモードＡへのモードホッピングを確実に生じさせることが可能である。

また、上記実施形態では、波長可変域の中心波長が１０６０ｎｍの波長可変レーザ装置、即ち、１０６０ｎｍ帯の波長可変レーザ装置を例に説明したが、これに限定されるものではない。例えば、波長可変域の中心波長が８５０ｎｍの波長可変レーザ装置、即ち、８５０ｎｍ帯の波長可変レーザ装置に本発明を適用することも可能である。第２実施形態や第３実施形態において、波長可変域の中心波長を１０６０ｎｍとは異なる波長に設定する場合には、各構成要素のバンドギャップに応じて、励起光の波長を適宜設定すればよい。

また、上記実施形態では、活性層１４０，１４２の構造が量子井戸構造である場合を例に説明したが、活性層１４０、１４２の構造は量子井戸構造に限定されるものではない。例えば、バルクや量子ドットなど、他の構造の活性層であってもよい。

また、上記実施形態では、反射鏡１０２，１０６としてＤＢＲを用いる場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。例えば、高屈折率差サブ波長グレーティング（ＨＣＧ：High-index Contrast subwavelength Grating）等を反射鏡１０２，１０６として用いるようにしてもよい。

また、第２実施形態では、励起光の照射により第２の活性層２４２の励起を制御し、電流の注入により第１の活性層１４０の励起を制御する場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。例えば、電流の注入により第２の活性層２４２の励起を制御し、励起光の照射により第１の活性層１４０の励起を制御するようにしてもよい。即ち、第１の活性層１４０及び第２の活性層２４２の一方に注入される電流を、第１の反射鏡１０２と第２の反射鏡１０６との間の間隙の長さに応じて制御することにより、第１の活性層１４０及び第２の活性層２４２の一方に対する励起が制御されるようにすればよい。また、光の照射を、第１の反射鏡１０２と第２の反射鏡１０６との間の間隙の長さに応じて制御することにより、第１の活性層１４０及び第２の活性層２４２のうちの他方に対する励起が制御されるようにすればよい。

また、上記実施形態では、反射鏡１０２、１０６の高反射帯域の中心波長λｃ１，λｃ２を中心として発振波長を掃引する場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。例えば、反射鏡１０２、１０６の高反射帯域の中心波長λｃ１，λｃ２と、発振波長を変化させる帯域の中心波長とがずれていてもよい。

また、上記実施形態では、第１の反射鏡１０２の高反射領域の中心波長λｃ１と第２の反射鏡１０６の高反射領域の中心波長λｃ２とが同じである場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。例えば、第１の反射鏡１０２の高反射領域の中心波長λｃ１と第２の反射鏡１０６の高反射領域の中心波長λｃ２とがずれていてもよい。

また、第１実施形態では、第１の活性層１４０に電流を注入している際には第２の活性層１４２に電流を注入せず、第２の活性層１４２に電流を注入している際には第１の活性層１４０に電流を注入しない場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。例えば、比較的長い波長で発振させる際には、第２の活性層１４２に注入する電流の大きさを第１の活性層１４０に注入する電流の大きさより大きく設定するようにしてもよい。また、比較的短い波長で発振させる際には、第１の活性層１４０に注入する電流の大きさを、第２の活性層１４２に注入する電流の大きさより大きく設定するようにしてもよい。即ち、第１の活性層１４０と第２の活性層１４２とに注入する電流の大小関係を適宜調整するようにしてもよい。第２乃至第５実施形態に対しても、同様の考え方を適用し得る。即ち、比較的長い波長で発振させる際には、第２の活性層１４２，２４２，３４２における利得を第１の活性層１４０，３４０における利得に対して相対的に大きくすればよい。一方、比較的短い波長で発振させる際には、第１の活性層１４０，３４０における利得を第２の活性層１４２，２４２，３４２における利得に対して相対的に大きくすればよい。

また、上記実施形態では、比較的短い波長域において大きな利得を実現する活性層を第１の活性層１４０，３４０に用い、比較的長い波長域において大きな利得を実現する活性層を第２の活性層１４２，２４２，３４２に用いたが、これに限定されるものではない。比較的長い波長域において大きな利得を実現する活性層を第１の活性層１４０，３４０に用い、比較的短い波長域において大きな利得を実現する活性層を第２の活性層１４２，２４２，３４２に用いてもよい。この場合には、比較的長い波長で発振させる際には、比較的長い波長域において大きな利得を実現する第１の活性層１４０，３４０を励起することにより、比較的長い波長での確実な発振を実現する。一方、比較的短い波長で発振させる際には、比較的短い波長域において大きな利得を実現する第２の活性層１４２，２４２，３４２を励起することにより、比較的短い波長での確実な発振を実現する。

また、上記実施形態では、梁状の可動部１２２上に上部反射鏡１０６が配されている場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。例えば、梁状の可動部１２２の下面側に上部反射鏡１０６を固定するようにしてもよい。

また、上記実施形態では、梁状の可動部１２２と上部反射鏡１０６とが別個である場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。例えば、上部反射鏡１０６が梁状の支持部を兼ねていてもよい。

また、上記実施形態では、梁状の可動部１２２の両端が固定されている場合、即ち、梁状の可動部１２２が両端固定梁である場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。例えば、梁状の可動部１２２が、片側だけが固定された片持ち梁であってもよい。

また、上記実施形態では、梁状の可動部１２２によって下部反射鏡１０２と上部反射鏡１０６との間隔を変化させる場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。下部反射鏡１０２と上部反射鏡１０６との間隔を変化させることが可能な様々な機構（可動機構、支持機構）を、適宜用いることができる。

８…測定装置
１０…波長可変レーザ装置
１２…共振器
１０１…基板
１０２…下部反射鏡
１０３…積層体
１０４…間隙、エアギャップ
１０６…上部反射鏡
１１０、１１３…電極
１２２…梁状の支持部、可動機構
１４０…第１の活性層
１４１…第１の半導体層
１４２…第２の活性層
１４３…第２の半導体層
１５０，１５１…電極

Claims (14)

1. 第１の反射鏡と、第２の反射鏡と、前記第１の反射鏡と前記第２の反射鏡との間に形成された活性層と、を有し、前記活性層と前記第２の反射鏡との間に間隙が形成され、前記間隙の長さが変化することで共振波長が変化する波長可変レーザ装置であって、
   前記活性層は、第１の活性層と、前記第１の活性層の上に形成され、利得スペクトルのピーク波長が前記第１の活性層の利得スペクトルのピーク波長と異なる第２の活性層と、
   を有し、
   前記第１の反射鏡と前記第２の反射鏡とで構成される共振器における縦モード間隔が、前記活性層のレーザ発振可能な波長帯域よりも狭く、
   前記間隙の長さに応じて、前記共振器における複数の縦モードのうちの第１の縦モードの波長の利得が、その他の縦モードの波長の利得よりも大きくなるように、前記第１の活性層と前記第２の活性層の各々に対する励起が制御される
   ことを特徴とする波長可変レーザ装置。
2. 前記第１の活性層と前記第２の活性層との間に形成された第１の半導体層と、
   前記第２の活性層の上に形成された、前記第１の半導体層とは反対の導電型の第２の半導体層と、
   前記第１の半導体層に電気的に接続された第１の電極と、
   前記第２の半導体層に電気的に接続された第２の電極と、を更に有し、
   前記第１の電極を介して前記第１の活性層に注入される電流と、前記第２の電極を介して前記第２の活性層に注入される電流とを、前記間隙の長さに応じてそれぞれ制御することにより、前記第１の活性層と前記第２の活性層の各々に対する励起が制御される
   ことを特徴とする請求項１記載の波長可変レーザ装置。
3. 前記第１の活性層及び前記第２の活性層のうちの一方に接続された半導体層と、
   前記半導体層に電気的に接続された電極と、を更に有し、
   前記電極を介して前記第１の活性層及び前記第２の活性層のうちの前記一方に注入される電流を、前記間隙の長さに応じて制御することにより、前記第１の活性層及び前記第２の活性層のうちの前記一方に対する励起が制御され、
   光の照射を、前記間隙の長さに応じて制御することにより、前記第１の活性層及び前記第２の活性層のうちの他方に対する励起が制御される
   ことを特徴とする請求項１記載の波長可変レーザ装置。
4. 前記間隙の長さに応じて第１の波長の光を照射することにより、前記第１の活性層及び前記第２の活性層のうちの一方の励起が制御され、
   前記間隙の長さに応じて、前記第１の波長とは異なる第２の波長の光を照射することにより、前記第１の活性層及び前記第２の活性層のうちの他方の励起が制御される
   ことを特徴とする請求項１記載の波長可変レーザ装置。
5. 前記第２の活性層上に形成された半導体層と、
   前記半導体層に電気的に接続された電極と、を更に有し、
   前記電極を介して注入する電流の大きさを、前記間隙の長さに応じて制御することにより、前記第１の活性層と前記第２の活性層の各々に対する励起が制御される
   ことを特徴とする請求項１記載の波長可変レーザ装置。
6. 前記間隙の長さが所定値以上の際における前記第１の活性層及び前記第２の活性層のうちの一方の励起強度は、前記間隙の長さが前記所定値未満の際における前記第１の活性層及び前記第２の活性層のうちの前記一方の励起強度より強く、
   前記間隙の長さが前記所定値以上の際における前記第１の活性層及び前記第２の活性層のうちの他方の励起強度は、前記間隙の長さが前記所定値未満の際における前記第１の活性層及び前記第２の活性層の前記他方の励起強度より弱い
   ことを特徴とした請求項１乃至５のいずれか１項に記載の波長可変レーザ装置。
7. 前記間隙を減少させる際における前記第１の活性層及び前記第２の活性層のうちの一方の励起強度は、前記第１の活性層及び前記第２の活性層のうちの他方の励起強度より高く、
   前記間隙を増加させる際における前記第１の活性層及び前記第２の活性層のうちの前記他方の励起強度は、前記第１の活性層及び前記第２の活性層のうちの前記一方の励起強度より高い
   ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の波長可変レーザ装置。
8. 前記第１の活性層の前記利得スペクトルの前記ピーク波長及び前記第２の活性層の前記利得スペクトルの前記ピーク波長のうちの一方は、前記第１の反射鏡又は前記第２の反射鏡の高反射帯域の中心波長より長く、
   前記第１の活性層の前記利得スペクトルの前記ピーク波長及び前記第２の活性層の前記利得スペクトルの前記ピーク波長のうちの他方は、前記第１の反射鏡又は前記第２の反射鏡の高反射帯域の中心波長より短い
   ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の波長可変レーザ装置。
9. 前記第１の反射鏡と前記第２の反射鏡とを含む前記共振器における前記縦モード間隔は、前記第１の反射鏡の高反射帯域及び前記第２の反射鏡の高反射帯域のいずれよりも小さい
   ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の波長可変レーザ装置。
10. １０６０ｎｍを含む波長域で発振波長が掃引され、
    前記第１の反射鏡と前記第２の反射鏡とを含む前記共振器における前記縦モード間隔は３０ｎｍより大きい
    ことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の波長可変レーザ装置。
11. 前記第１の反射鏡と前記第２の反射鏡とを含む前記共振器における前記縦モード間隔は、発振波長での３３ｍｅＶのエネルギー差に相当する波長差より大きい
    ことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の波長可変レーザ装置。
12. １０６０ｎｍを含む波長域で発振波長が掃引され、
    前記第１の反射鏡と前記第２の反射鏡との間隔を変化させていない状態における前記間隙の長さは、１．７μｍより大きい
    ことを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の波長可変レーザ装置。
13. 前記第１の反射鏡と前記第２の反射鏡との間隔を変化させていない状態における前記間隙の長さは、前記第１の反射鏡又は前記第２の反射鏡の高反射帯域の中心波長の１．６倍より大きい
    ことを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の波長可変レーザ装置。
14. 請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の波長可変レーザ装置と、
    前記波長可変レーザ装置からの光を、測定対象物へ照射され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前記照射光の反射光と前記参照光と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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