JP2017017276A - 波長可変レーザ、情報取得装置及び撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】単一素子で広い波長掃引帯域を有する波長可変レーザ等を提供する。【解決手段】波長可変レーザは、一対の反射ミラー１０２、１１３と、一対の反射ミラーの間に配置された活性層１０５、１０６、一対の反射ミラーの少なくとも１つを変位させる駆動手段を有する。活性層は、第１の利得波長領域に利得のある第１の活性領域１０５と第２の利得波長領域に利得のある第２の活性領域１０６とを含む。第１の利得波長領域と第２の利得波長領域は少なくとも部分的に重なっており、反射ミラーは、その反射スペクトルが第１の利得波長領域と第２の利得波長領域で発振を可能とする反射率を有する。それぞれ第１の活性領域と第２の活性領域に由来する発振可能な第１の共振光と第２の共振光が、波長領域の重なり領域で、一対の反射ミラーで形成される共振器において、互いに位相同期しながら共振するように波長可変レーザは構成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、波長可変レーザ、情報取得装置及び撮像装置に関する。

近年、波長可変レーザが盛んに研究されている。波長可変レーザには様々な方式のものがあるが、その中の１つにＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｏｒｉｃ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）機構を用いた波長可変レーザがある。例えば、面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ）のミラーにＭＥＭＳ機構を付け、ミラーを可動とすることで共振器長を変えて波長掃引可能としたもの等がある。上記ＭＥＭＳ機構を用いたレーザは、他方式に比べ掃引波長領域が広いことが特徴である。ＭＥＭＳの駆動方式としては、静電力を用いたものや熱歪みを用いたものなど、様々な方式のものが提案されている。

非特許文献１には、このようなＭＥＭＳ機構を用いたレーザとして、ＶＣＳＥＬの片方のミラーにＭＥＭＳ機構を付加し、静電力を用いて片方のミラーを上下に動かすレーザ素子が開示されている。こうしたＭＥＭＳ機構を用いた波長可変レーザの一つの応用として、主に眼科診断に用いる光干渉断層撮像装置（ＯＣＴ装置：Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ)がある。ＯＣＴには色々な方式が存在するが、波長可変レーザを用いるのは、ＳＳ−ＯＣＴ（Ｓｗｅｐｔ Ｓｏｕｒｃｅ−ＯＣＴ）と呼ばれる、光源の波長を高速で掃引しながら計測を行う方式のＯＣＴである。これは他方式に比べ、高速、高Ｓ／Ｎ比などの優位点を持ち、次世代のＯＣＴとして注目を集めている。ＯＣＴでは、波長可変範囲が広いほど、得られる画像の奥行き分解能が高くなるため有利となる。

Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＳＰＩＥ Ｖｏｌ. ８２７６, ８２７６０Ｐ （２０１２）

波長可変レーザは、一般に波長可変範囲が広いほど、応用範囲も広がり光源として優れていると言えるため、より広い可変範囲を得るための開発が行われている。本発明は、ＭＥＭＳ機構などのミラー駆動手段を用い、広い波長可変範囲を有する波長可変レーザ等を提供することを目的とする。

本発明の波長可変レーザは、一対の反射ミラーと、前記一対の反射ミラーの間に配置された活性層と、前記一対の反射ミラーの少なくとも１つを変位させる駆動手段と、を有する波長可変レーザである。前記活性層は、第１の利得波長領域に利得のある第１の活性領域と第２の利得波長領域に利得のある第２の活性領域とを含み、前記第１の利得波長領域と前記第２の利得波長領域は少なくとも部分的に重なっている。前記反射ミラーは、その反射スペクトルが前記第１の利得波長領域と前記第２の利得波長領域で発振を可能とする反射率を有する。そして、それぞれ前記第１の活性領域と前記第２の活性領域に由来する発振可能な第１の共振光と第２の共振光が、前記利得波長領域の重なり領域で、前記一対の反射ミラーで形成される共振器において、互いに位相同期しながら共振して発振する。

本発明によれば、異なる波長可変範囲をもつ複数の素子を別々に駆動する方法を用いるのではなく、１素子の中で適宜の位相同期手段を用いて波長可変範囲を広げているので、広い波長可変範囲を有する単一のレーザ素子を得ることができる。

波長可変レーザの一実施形態の素子構成を示す模式断面図。 波長可変レーザの一実施形態の波長に対する活性層の利得分布を示す図。 レーザ素子の共振光の強度分布と電流狭窄部の径の関係を示す図。 非対称量子井戸構造の活性層のエネルギーと膜厚方向位置の関係を示す図。 波長可変レーザの一実施形態の波長に対する共振光の強度分布を示す図。 波長可変レーザの他の実施形態の素子構成を示す模式断面図。 波長可変レーザの他の実施形態の活性層付近の共振光の光強度分布を示す図。 波長可変レーザの他の実施形態の位相調整層導入のパターンを示す図。 本発明の第１の実施例の素子構成を示す模式上面図。 本発明の第１の実施例の素子構成を示す模式断面図。 本発明の第１の実施例の素子構成を示す他の模式断面図。 非対称量子井戸構造の活性層における利得分布の例を示す図。 本発明の第２の実施例の素子構成を示す模式断面図。 本発明の第２の実施例の素子構成を示す他の模式断面図。 本発明の第３の実施例の素子構成を示す模式断面図。 波長掃引型の光干渉断層撮像装置の実施形態の構成を示す図。

以下の実施形態及び実施例の広い波長掃引帯域を有する単一素子の波長可変レーザでは、利得波長領域の少なくとも一部が重なり合うよう複数の活性領域を設計する。そして、重なり合った領域において、複数の活性領域からの発振可能な共振光を互いに位相同期させることで、広帯域で連続的な波長掃引が可能なレーザ素子を得ることができる。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態について説明する。図１は、面発光型の波長可変レーザの第１の実施形態の素子構成を表す概念図である。図１には、素子全体の主要構成を示す模式的断面が記載されている。１０１は基板であり、基板上、基板垂直方向に、下部反射ミラー１０２、下部クラッド層１０３が設けられ、その上に下部スペーサ層１０４が積層されている。その上には、複数の活性領域を含む活性層が積層されており、同一面内で、第１の活性領域である第１の活性層１０５と第２の活性領域である第２の活性層１０６とに分割されて積層されている。更にその上に、上部スペーサ層１０７、上部クラッド層１０８の順に積層されている。上部クラッド層１０８中に、駆動電流狭窄のための電流狭窄層１０９が設けられ、第１の電流狭窄部１１０と第２の狭窄部１１１が形成されている。第１の電流狭窄部１１０と第２の電流狭窄部１１１は、それぞれ、第１の活性層１０５と第２の活性層１０６の上部に位置する。上部クラッド層１０８の上方には、エアギャップ１１２を挟んで上部反射ミラー１１３が設けられている。上部反射ミラー１１３は、不図示のＭＥＭＳ梁構造により支持されており、静電引力などの外力を受けて上下に移動する可動ミラー構造となっている。ＭＥＭＳ梁構造の詳細な構造は図９−１から図９−３に示されている。

本実施形態の波長可変レーザは、一対の反射ミラー間で形成された共振器を有する面発光型の波長可変レーザである。これは、上記のようにＭＥＭＳ梁構造により一対のミラーのうちの少なくとも１つのミラーが上下に移動することで共振器長が変化し、発振する波長が変化するＭＥＭＳ ＶＣＳＥＬである。ＭＥＭＳ構造において可動ミラーに印加する外力を制御することで、発振光の波長を任意に変化させることができる。

本実施形態の波長可変レーザにおいては、上記第１の活性層由来の第１の利得波長領域（閾値利得以上の利得の波長領域）と上記第２の活性層由来の第２の利得波長領域のいずれかの波長領域の発振波長でレーザ発振する（それらが重なった領域を含む）。本実施形態では、第１の利得波長領域の発振光は、第１の活性層由来で第１の電流狭窄部１１０より放射され、第２の利得波長領域の発振光は、第２の活性層由来で第２の電流狭窄部１１１より放射される。通常、異なる活性層からレーザ発振する素子はそれぞれ個別のレーザ素子として振る舞うが、本実施形態のような構成をとることにより、同一の波長可変レーザ素子として駆動させることが可能となる。さらに本実施形態においては、第１の活性層の利得波長領域と第２の活性層の利得波長領域を一部重ねることにより、１つの素子において広い可変波長範囲を得ることが可能である。

（原理）
以下、本実施形態の波長可変レーザの原理について説明する。図２は、本実施形態の波長可変レーザの各活性領域の利得分布を表す模式図である。２０１は、第１の活性層による第１の利得波長領域を表す曲線、２０２は、第２の活性層による第２の利得波長領域を表す曲線、２０３は、発振に必要な利得（閾値利得）を表す線、２０４は、閾値利得以上の利得の重なり部分の利得波長領域を表している。それぞれの活性層では閾値利得以上の利得でレーザ発振するため、第１の利得波長領域では第１の活性層による発振可能な第１の共振光に由来する発振が起こり、第２の利得波長領域では第２の活性層による発振可能な第２の共振光に由来する発振が起こる。閾値利得以上の利得の重なり部分の波長領域（重なり波長領域とも呼ぶ）では、両方の共振光に由来する発振が起こり得る。通常、この重なり波長領域で起こる発振では、レーザ光同士の位相が揃わず、それぞれの発振があたかも別々のレーザとして発振しているような振る舞いを示す。この別々に発振しているレーザ光について、レーザ光の位相同期という現象を用いることでそれぞれの位相を揃え、２つのレーザが単一のレーザとして発振する状況を生み出すことができる。本実施形態においては、具体的には、２つのレーザ光が発振している電流狭窄層の第１及び第２の電流狭窄部１１０、１１１の距離をレーザ光の波長オーダーに近づけることにより、この位相同期現象を引き起こすことができる。

通常、この位相同期を用いたレーザ（位相同期レーザとも呼ぶ）は、同一の発振波長をもつレーザ光同士を位相同期させ、高出力の単一レーザとして動作させるために用いられる。本実施形態においては、活性層の波長領域を敢えてずらして部分的に重ならせ、その重なり波長領域でのみ位相同期現象を起こす。このことでその重なり波長領域においても同一のレーザとして動作させる。こうすることで、利得の重なり波長領域を小さくとっておけば、それぞれの活性層における元々の波長領域をほぼ足し合わせた、広範囲の波長領域を有するレーザを単一素子として実現することができる。

発振波長は、共振器長により厳密な制御が可能である。例えば、短波長側から長波長側へ徐々に発振波長が変化していくよう上部反射ミラー１１３をＭＥＭＳ梁構造により移動させて共振器長を制御した場合、最初は第１の電流狭窄部１１０より短波長の光が発振する。発振波長を長くしていき利得の重なり波長領域２０４に達すると、第１及び第２の電流狭窄部１１０の両方から発振するが、上述した位相同期現象によりここでも単一のレーザとして動作する。さらに波長を長くし第２の活性層１０６の利得波長領域に達すると、第２の電流狭窄部１１１より発振する。このように、全ての利得波長領域において単一のレーザとして機能するため、全体で広帯域なレーザ素子を得ることが可能となる。

（設計方法）
図３に、本実施形態における共振光の光振幅分布（強度分布）の様子を表す模式図を示す。３０１は第１の共振光の振幅分布、３０２の網掛け部は第１の電流狭窄部１１０の直径を表す。３０３の網掛けは第２の電流狭窄部１１１の直径、３０４は第２の共振光の振幅分布を表す。位相同期を生じるためには共振光同士を互いに近接させ、それぞれの光が互いに結合するように配置する必要がある。本実施形態では、共振光のモードフィールドを決定しているのは電流狭窄層１０９の位置である。電流狭窄層１０９の第１及び第２の電流狭窄部１１０、１１１においては、その部分のみに電流が流れ利得が生じるが、通常、狭窄層自体が、高屈折率の半導体層中に低屈折率の酸化層などにより構成されるため、屈折率差による光閉じ込めが生じる。従って、電流狭窄層１０９は利得導波または屈折率導波による一種の導波路構造と見ることができる。図３における網掛け部３０２、３０３は、上記導波路をイメージしたものである。

上記のような導波路を考えると、狭窄構造中の共振光も導波光の一種とみなすことができ、共振光同士の結合を議論する際、導波路結合の理論を適用することが可能となる。具体的には、図３の共振光の裾部分が隣の導波路とどれだけ重なるかに伴い、結合度合いが変化する。光の裾の長さは、本実施形態では、レーザ素子の共振器長、素子を構成する半導体の屈折率、電流狭窄層１０９の厚さや狭窄部１１０、１１１の直径などをパラメータとして決まる。そして、その裾の長さと導波路間の距離により、重なりすなわち結合度合いを制御することができる。結合度合いを表す指標としては、文献（ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ ＬＥＴＥＲＳ ２１ｓｔ Ｊｕｎｅ １９９０ Ｖｏｌ. ２６ Ｎｏ. １３ ｐｐ８９６（１９９０））に記載されているような結合係数がある。また、別文献（ＩＥＥＥ ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＱＵＡＮＴＵＭ ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ, ＶＯＬ. ＱＥ−２１, NO. 5, ｐｐ４５８（１９８５））は、この結合係数が１０^-５以上の値を持つときに、安定した位相同期が実現すると報告している。

例えば、共振器長が３．５λ、半導体部の屈折率が３．４、酸化層（電流狭窄層）の屈折率が１．５、層厚が０．０２８６λ、狭窄部が円形で直径２．８６λのときを考える。まず、共振光の光振幅分布を、共振光が単独で存在した場合を考え計算する。そして狭窄部間の距離を１．４３λとしたとき、それぞれの光の振幅分布同士を近づけた場合を想定し、光振幅分布と導波路構造部との重なり積分を計算することで、結合効率を得ることができる。上記の条件の場合、結合効率を計算すると、９×１０^−５となる。ここでのλは、前記２つの利得波長領域がカバーする領域の中心波長から±２０％内の波長を指す。さらに好ましくは±１０％、さらに好ましくは±５％の範囲の波長を指す。結合係数は１０^-５以上であるため、安定した位相同期が実現すると考えられる。

（レーザの種類）
本実施形態においては、レーザ素子はＶＣＳＥＬ構成としたが、例えば活性媒体として共振器内に利得チップを設置し、外部ミラーにより共振器を形成する外部共振器型のレーザ構成とすることも可能である。この場合は共振器内部に狭帯域な波長可変式のバンドパスフィルタなどを配置することで、波長可変機能を持たせることが可能である。

（材料）
本実施形態において、用いている材料は、ＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＰ系のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体である。その他、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡs系、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系などのＩＩＩ−Ｖ族、ＧａＮ／ＡｌＧａＮ／ＩｎＧａＮなどのＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体、ＺｎＳｅなどのＩＩ−ＶＩ族半導体を用いることもできる。用いることのできる材料は、活性媒体としての利得チップの場合でも同様である。

（活性層の種類）
本実施形態で用いることのできる活性層構造に関して説明する。本実施形態における活性層は、第１の活性層及び第２の活性層が同一面内に配置された構造となっている。この活性層は、同一面内に別々の活性層を成長することで得られる。第１及び第２の共振光はそれぞれ第１及び第２の活性層で発光するため、所望の波長の光を得たい位置に、所望の活性層が対応して設けられることが必要である。具体的な配置としては、例えば、それぞれの共振光の間に活性層の境界部が位置するようにし、共振光と活性層を対応させる。後述する、電流注入量を狭窄部ごとに変化させるための構成として、こうした境界部に沿って、例えば、図１の電流狭窄層１０９と活性層間において上下方向に伸びる絶縁層を形成してもよい。

第１及び第２の利得波長領域を形成する２つの活性領域はそれぞれ別の構造の活性層でも良いが、より簡便、低コストに作製するために、同一構造の非対称量子井戸で形成することもできる。図４は非対称量子井戸構造の空間位置（ｘ）とエネルギー（Ｅ）を表す模式図である。４０１は井戸層、４０２は障壁層である。「非対称」とは、「対称」多重量子井戸に対する表現であり、各井戸層または障壁層の「井戸幅及び／又は井戸深さが異なる」、「障壁層幅及び／又は障壁層高さが異なる」、「井戸層及び／又は障壁層の歪量が異なる」、などという条件を含む概念である。即ち、こうした条件の少なくとも１つを満たすものが非対称量子井戸構造層である。通常の同一井戸層のみで構成された「対称」の多重量子井戸構造に対して、図４のように、例えば、異なる複数の活性層が基板の層厚方向に非対称に積層されていることから、非対称多重量子井戸と呼ぶ。この非対称量子井戸活性層はキャリア注入密度及びキャリア分布によって利得分布が大きく変化する性質を持つ。これを利用し、例えば、発振波長に応じて、共振器長を変化させるのに連動して注入電流を変化させられる構成にすることにより、第１及び第２の共振光が感じる実質的な利得に差を設け、効果を出すことができる。活性層への注入電流の変化は、２つの狭窄部の径に大小をつけたり、素子への注入電流を変化させたりすることで行う。詳細は、図１０の例で説明する。

（利得付与方法）
本実施形態では、活性層への利得の付与方法は、活性層近傍に設けられた電流狭窄部を介した電流注入を用いている。この狭窄部１１０、１１１は、水蒸気などによる半導体層の選択酸化、イオン注入による高抵抗化などの方法を用いて、形成することができる。また、外部光源から励起光を集光して照射し、その集光部においてレーザ発振させる光励起型の形態（図１２の例参照）をとることも可能である。この場合には、電流狭窄構造は必ずしも必要でなく、励起光の照射スポットの大きさが電流狭窄部と同様の機能を果たす。導波路構造としては、利得は生じるが屈折率による閉じ込めはないため、利得導波型の導波路構造と見立てることができる。

（上下のミラー）
本実施形態においては、利得波長領域と同様、１対のミラーの高反射帯域も広くする必要がある。例えば、化合物半導体のＡｌＡｓ／ＧａＡｓ（５０ペア）からなる半導体多層膜は、中心波長１０６０ｎｍとした場合、１００ｎｍ以上の波長帯域で９９%以上の反射率となるミラーとして機能する。多層膜ミラーを誘電体で形成すると、さらに反射波長領域を広げることが可能である。また、波長の１／５程度の厚さの高屈折率層に、波長の半分程度のピッチでグレーティング構造を設けた構造も、一枚で広帯域反射率を持つミラーとして機能することが近年報告されている。このミラーはＨＣＧ（Ｈｉｇｈ Ｃｏｎｔｒａｓｔ Ｇｒａｔｉｎｇ）と呼ばれ、本実施形態において用いることも可能である。上記に挙げたようなミラーを任意に組み合わせることにより、共振器を構成することが可能である。

（ＭＥＭＳの方式）
ミラー移動用のＭＥＭＳ構造としては、静電力駆動方式、ピエゾ素子による駆動方式、さらには熱膨張率の違いを利用した熱駆動方式などを用いることが可能である。

（波長重なり領域の制御）
本実施形態におけるレーザ素子の、副次的な機能について説明する。図５は、上記第１及び第２の共振光の波長と光出力との関係を表す模式図である。５０１は第１の共振光からの光放射強度を表す曲線、５０２は第２の共振光からの光放射強度を表す曲線、５０３は両方の合成光放射強度を表す曲線である。図５に示すように、光放射強度の重なり波長領域はそれぞれの光強度が積算され強度が大きくなる。従ってレーザ素子全体としては、５０３に示すような形の合成光強度が得られる。曲線５０３は、光放射強度の重なり波長領域の大きさを制御することにより、形状を変化させることが可能である。重なり波長領域が広い場合は、５０３は波長領域の中央部で強度が大きくなり、端部で強度の小さい形状を得ることが可能である。また重なり波長領域を狭くしていくと、各共振光の光放射強度の弱い部分（光放射強度の裾部）で重なるようになり、波長領域全体に渡り凹凸の少ない光強度とすることができる。さらに重なり領域を狭くし、裾部の最下部の波長領域でのみ重なるようにすると、二山の合成光強度を得ることも可能である。

（作製方法）
本実施形態におけるレーザ素子は、通常の半導体レーザ作製技術（エピタキシャル結晶成長、リソグラフィー、ドライエッチング、蒸着、リフトオフ、水蒸気酸化、イオン注入等）を用いて作製することができる。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態について説明する。図６は第２の実施形態の素子構成を表す概念図である。本実施形態では、６０１の基板から６１３の上部反射ミラーまでの構成要素は、全て第１の実施形態と同様である。本実施形態においては、第１の実施形態と異なり、第１及び第２の活性層が同一平面上にはなく、別々の平面内に分離されており、基板６０１に対し上側が第１の活性層６０５、下側が第２の活性層６０６となっている。さらに本実施形態では、第１の電流狭窄部６１０側の共振器において、活性層を挟んで両側に位相調整層がある。すなわち、上側に上部位相調整層６１５、下側に下部位相調整層６１４が設けられている。

（第２の実施形態の効果）
上記位相調整層がもたらす効果を、図７を用いて説明する。図７は、共振器内部の活性層付近における、共振光と活性層の位置関係を表した模式的な概念図である。図７の左側が基板に対して上側、右側が基板に対して下側を表す。第１の活性層６０５と第２の活性層６０６は、図６でも示した通り上下に位置がずれている。これに対して、第１の共振光の強度分布を表す曲線７０３及び第２の共振光の強度分布を表す曲線７０４も、強度の大小（山と谷）の位置が活性層６０５、６０６の位置ずれと同じだけずれている。これは図６の上下の位相調整層により、活性層付近での共振光の位置が実質的にずれたことによる。本実施形態では、第２の共振光側に対して、第１の共振光側では、上部位相調整層６１５は光路長が長く、下部位相調整層は光路長が短くなっている。そのため、第１の共振光側の共振器長に対して、第２の共振光側では上側の共振器長が短く、下側の共振器長が長くなる。共振器長のうち実質的に長くなった部分と短くなった部分では、その変化分は等しいものとしている。活性層６０５、６０６付近での共振光の位置は、この変化分だけずれることとなり、こうすることで、第１の共振光７０３は第１の活性層６０５に、第２の共振光７０４は第２の活性層６０６に、山が位置するようになる。従って、それぞれ、第１の共振光７０３は第１の活性層６０５の、第２の共振光７０４は第２の活性層６０６の、利得を主に感じるようになり、活性層同士が上下に分離されていても、第１の実施形態と同様の効果が得られる。

本実施形態における位相調整層の条件に関して以下に説明する。第１の共振光に対する第２の共振光の光路長の変化分を、活性層の上下についてそれぞれΔｕ、Δｄとする。すると、本実施形態においては、共振光の波長を変えないようにΔｕ＋Δｄ＝Ｎλ／２（Ｎ：整数、|Δu|、|Δd|はそれぞれ上部共振器、下部共振器の共振器長以上にはならない）となることが必要である。また、Δｕ＝Ｎｕ・λ／２＋δ、Δｄ＝-Ｎｄ・λ／２−δ（Ｎｕ、Ｎｄ：整数、０＜｜δ｜＜λ／２）となり、Δｕ、Δｄ≠０より、活性層の上下で、両共振光に必ず光路差が付いていることが必要である。特にＮ＝０、すなわちΔｕ＝−Δｄの場合は、それぞれ必要な光路長差の値Δｕ、Δｄをλ／２以上にすることなく小さくできるため、実用上は好ましい。さらに第１の活性層が第１の共振光に対して山の位置、第２の活性層が節の位置、第２の共振光に対してはこれらと逆の関係となることが好ましいので、Δｕ＝λ／４、Δｄ＝−λ／４となることが好ましい。この場合、第１及び第２の活性層間の距離も光路長でλ／４離れていることが好ましい。

位相調整層の配置に関して、本実施形態で示したもの以外のバリエーションを、図８を用いて説明する。図８は、共振器における位相調整層の位置を簡略に表すための概念図であり、導入する調整層の一部の例を示している。図８には、下部反射ミラー６０２、上部反射ミラー６１３で挟まれた共振器の略図が示されている。Δｕ、Δｄ≠０であるから、位相調整層は活性層６０５、６０６に対して上下にそれぞれ設けられ、隣接する共振光に対して光路長を長くする位相調整層が６１５の位相調整層＋、短くする調整層が６１４の位相調整層−である。共振器の左側に位置する調整層は第１の共振光に作用する調整層、右側に位置する調整層は第２の共振光に作用する調整層を表している。

本実施形態では、第１の共振光に対して上部位相調整層がプラス、下部位相調整層がマイナスとしていたが、図８の左側の例のように、上下の位相調整層のプラス、マイナスを入れ替えることも可能である。また中央の例のように、両方の共振光に対して、活性層の上下にそれぞれ符号を入れ替えた位相調整層を入れても同様の効果が得られる。ただしこの場合は、両方の共振光の位置に調整層が入っていることから、互いの共振光の相対的なずれ量は、片側のみに調整層を入れる場合の倍になる。従って、片側のみに調整層を入れる場合に対して、その半分の量の光路長差をつけるよう、調整量を設定することで同様の効果が得られる。また共振光間で光路長差がつけばよいので、右の例のように第１の共振光、第２の共振光のそれぞれ上側、下側の共振器に同種の（例ではプラスが２つ）調整層を入れることも可能である。図８の中央、右の例においても、調整層を上下入れ替えたものや、符号を反転させたものなども使用することができる。

実際に用いる位相調整層の具体例を説明する。位相調整層＋としては、共振器を構成する化合物半導体層中の同族で組成を変えた高屈折率の半導体層、または異種の高屈折率半導体、誘電体などがある。また位相調整層−としては、化合物半導体中に形成した酸化物などの誘電体、または空気層などを用いることができる。更に、共振器中にエアギャップを有する面発光レーザ素子に対しては、半導体とエアギャップの境界部の半導体を削り、窪みを形成することで、位相調整層−とすることも可能である。

動作は次の通りである。電流注入状態で、上部反射ミラー６１３を移動する。これにより、第１または／及び第２の共振光であって、第１または第２の活性層に山の位置が来る波長の光が大きな利得を得て発振する。この波長は、上部反射ミラー６１３の移動による共振器長の変化に従って変化する。重なり波長領域では、第１及び第２の共振光が位相同期して発振する。すなわち、共振器長の共振波長が、第１の活性層の利得分布の非重なり波長領域の波長であるとき、前記波長の第１の共振光は第１の活性層に略山の位置が来て発振する。また、共振器長の共振波長が、第２の活性層の利得分布の非重なり波長領域の波長であるとき、前記波長の第２の共振光は第２の活性層に略山の位置が来て発振する。さらに、共振器長の共振波長が、第１及び第２の活性層の利得分布の重なり波長領域の波長であるとき、前記波長の第１及び第２の共振光はそれぞれ第１及び第２の活性層に略山の位置が来て発振する。このとき第１及び第２の共振光が位相同期するように、電流狭窄部が形成されている。以上の如くなるように位相調整層（部）が設けられている。

（第１の実施例）
本発明における第１の実施例について説明する。図９−１は、本実施例の素子構造を表す模式上面図、図９−２は、本実施例の素子構造を表すＡ−Ａ’模式断面図、図９−３は、本実施例の素子構造を表すＢ−Ｂ’模式断面図である。本実施例では、レーザ素子は両持ち梁のＭＥＭＳ ＶＣＳＥＬ構造となっている。９０１の基板から９１３の上部反射ミラーまでは、第１の実施形態と同様の構成であるため、逐一の説明は省略する。本実施例では、素子の基板裏面に裏面電極９１４が設けられ、上部クラッド層９０８上に中間電極９１５が設けられ、上部反射ミラー９１３の上に上部電極９１７が設けられている。図９−３において、９１８は、半円形の第１及び第２の活性層９０５、９０６の境界部を示す。第１の電流狭窄部９１０により規定される共振光が第１の共振光であり、第２の電流狭窄部９１１により規定される共振光が第２の共振光である。

裏面電極９１４と中間電極９１５はレーザ素子のＶＣＳＥＬ部分の駆動を行うための電極である。本実施例においては、ＭＥＭＳ部の駆動は静電力の印加により行い、中間電極９１５と上部電極９１７は前記ＭＥＭＳ部を駆動するために用いられる。本実施例では、中間電極９１５をグランドとしている。エアギャップ９１２は、犠牲層の一部をエッチングプロセスにより除去することで形成され、残りの犠牲層９１６は上部反射ミラー９１３を含む梁部を支える支柱の役割を果たす。また本実施例では、レーザ素子はメサ構造をとっており、側壁は不図示のパッシベーション膜で覆われている。

本実施例のレーザの中心発振波長λは１１００ｎｍである。それぞれの部位を構成する材料は、基板９０１がｎ型ＧａＡs、下部、上部クラッド層９０３、９０８がそれぞれｎ型、ｐ型Ａｌ_０.７Ｇａ_０.３Ａｓである。また、下部、上部スペーサ層９０４、９０７がアンドープＡｌ_０.２５Ｇａ_０.７５Ａｓ、電流狭窄層９０９がＡｌＯ_ｘ、第１及び第２の電流狭窄部９１０、９１１がｐ−Ａｌ_０.９８Ｇａ_０.０２Ａｓ、犠牲層９１６がアンドープＧａＡｓである。第１の活性層９０５は、井戸層／バリア層がＩｎ_０.２７Ｇａ_０.７３Ａｓ／Ｇａ_０.２２Ａｓ_０.７５Ｐの３層多重量子井戸構成、第２の活性層９０６は、井戸層／バリア層がＩｎ_０.３０Ｇａ_０.７０Ａｓ／Ｇａ_０.２８Ａs_０.７２Ｐの３層多重量子井戸構成である。井戸層／バリア層それぞれの厚さは、８ｎｍ／１０ｎｍである。下部反射ミラー９０２は、ｎ−ＧａＡs／ＡｌＡｓのλ／４厚の半導体膜が３０ペア積層された多層膜ミラー、上部反射ミラー９１３はｐ−ＧａＡｓ／ＡｌＡｓの４０ペア積層ミラーである。共振器長は全長が３．５λの光路長であり、そのうち半導体材料部分の光路長は２．２５λである。

本実施例においては、酸化狭窄層（電流狭窄層）９０９の厚さは３０ｎｍであり、狭窄部９１０、９１１は直径３μｍの円形、狭窄部間の距離は、狭窄部中心間で４．５μｍである。これらのパラメータを基に光結合係数を計算すると０．９×１０^−４となり、前述した１０^−５以上が得られているので、位相同期を安定して得ることが可能である。

本レーザ素子は、電流注入駆動することで、第１の活性層、第２の活性層の全利得波長領域を用い、それらの重なり波長領域部分は位相同期により、全体として１つの波長掃引レーザとして機能する。ＭＥＭＳ両持ち梁部の位置を変位させ波長が短波長側と長波長側との間で掃引されるとき、利得波長領域の重なり部に光がさしかかった際も、位相同期により、位相が不規則に変化することがない。こうして、第１の共振光と第２の共振光との両共振光間で一定の位相関係を保持することができる。

前述したように結合係数は１０^−５以上が必要だが、この条件を満たしていれば、なるべく小さい方が好ましい。位相同期が起こると共振光の実効屈折率が変化するため、元の波長に対して波長が僅かに変化する。この変化量は、結合係数に比例するため、結合係数が小さいほど、小さくなる。よって、掃引時の波長とびを抑えるためにも、結合効率は、位相同期が起こる範囲で小さい事が好ましい。本実施例の素子では、結合係数が１０^−５のとき、予想される波長とびは、〜０．０１ｎｍ以下に抑えることが可能である。この値は、光装置への応用を考慮すると、該装置で用いられる波数取得干渉計の波長分解能（波数分解能）は０．１ｎｍ程度であるため、干渉計でも測定できない程度のずれ量である。結合係数を１０倍にしても０．１ｎｍ以上にはならないので、１０^−４まではＯＣＴ装置応用では十分に小さな結合係数であると言える。また上記波長とびは、例えば、共振器の光路長調整用に設けた電極から素子に電流を流し光路長調整を行う事でも、影響を軽減することができる。

本実施例では、上部反射ミラー部９１３のＭＥＭＳ構造は両持ち梁としたが、片持ち梁の構造とすることも可能である。また本実施例においては、上部反射ミラーは多層膜反射鏡自体が梁を形成しているが、反射鏡ではない梁専用部に、別途、多層膜ミラーまたはＨＣＧミラーを形成する構成も可能である。

本実施例において、異なる組成の第１及び第２の活性層を基板面内方向で空間的に分けることで、それぞれの電流狭窄部９１０、９１１からの発振波長を制御しているが、前述したような非対称量子井戸構造を用いることも可能である。以下、それについて説明する。図１０は非対称量子井戸構造層の利得分布を表す模式図である。１００１は高キャリア注入域における利得分布、１００２は低注入域における利得分布である。１００３は利得波長領域の中心を表す。非対称量子井戸は、非常に広い利得波長領域を実現することが可能だが、図１０に示すように高キャリア注入域においては短波長側の利得が大きくなり、低注入域では長波長側の利得が大きくなる特性を持つ。この性質を利用し、短波長側の波長で発振させたい場合には電流密度を上げ、長波長側の波長で発振させたい場合には電流密度を下げるように制御する。こうすることで、それぞれの共振光が感じる利得に差をつけることができる。こうした非対称量子井戸構造は、活性領域の少なくとも一方を構成するのに用いることもできる。

具体的には、２つの活性層を共通の単一の非対称量子井戸で構成し、掃引が長波長側にある場合には、第１の狭窄部を低注入、第２の狭窄部を高注入とし、第１の共振光が感じる長波長側の利得を増やし、第２の共振光が感じる長波長側の利得を減らす。掃引が短波長側にある場合には、それぞれの低注入、高注入を入れ替える。こうしたことは、２つの狭窄部への電流注入を別個の電極で行うことなどで実現できる。このように掃引波長に合わせて注入レベルを変化させることで、利得の波長依存性をリアルタイムに制御し、２つの活性領域を実質的に空間的に分離することのない同一の活性層にしても効果を得ることができる。本実施例において、近接した狭窄部間で、活性層の組成を変えることの難易度は高いため、活性層を同一にできることは、作製難易度を下げられるメリットがある。

（第２の実施例）
本発明の第２の実施例について説明する。図１１−１は、本実施例の波長可変レーザ素子の構造を示す、図９−１のＡ−Ａ’に相当する線における模式断面図、図１１−２は、同じく図９−１のＢ−Ｂ’ に相当する線における模式断面図である。本実施例の上面図は図９−１と同様である。本実施例では、第１の活性層１１０５と第２の活性層１１０６が上下に分かれた構造となっている。そして、第１の電流狭窄部１１１０と第１及び第２の活性層の下側に、第１の位相調整層１１１８が形成され、第２の電流狭窄部１１１１と第１及び第２の活性層の上側に、第２の位相調整層（部）１１１９が形成されている。第２の位相調整層は、上部クラッド層１１０８の表面から、クラッド層に窪みをつけることで形成されているため、位相調整部と呼んでもよい。

上記活性層と位相調整層以外の構成、材料、及び寸法は、第１の実施例と同様である。活性領域においては、形状は異なるが第１及び第２の活性層１１０５、１１０６の材料及び寸法はそれぞれ第１の実施例のものと同様である。両活性層間の基板垂直方向の距離は、光路長にしてレーザ帯域中心波長λのλ／４、実厚さにして８２ｎｍである。第１の位相調整層１１１８はＡｌＯ_ｘであり、厚さ１７４ｎｍである。この位相調整層１１１８により、第１の電流狭窄部１１１０に位置する共振器長において、第２の電流狭窄部１１１１に位置する共振器長に対し、−λ／４の光路長差をつけることが可能である。さらに、第２の位相調整層の厚さ（位相調整部１１１９の深さ）は１１６ｎｍであり、第１の電流狭窄部に位置する共振器長において、第２の電流狭窄部に位置する共振器長に対し、＋λ／４の光路長差をつけることが可能である。

以上のような構成を用い、第１の電流狭窄部１１１０に位置する第１の共振光が、第２の電流狭窄部１１１１に位置する第２の共振光に対し、活性領域の上側で＋λ／４、活性領域の下側で−λ／４の光路長差がつく。よって、前記第２の実施形態で述べたように、共振光の山、谷を互いにずらすことができる。本実施例のレーザを駆動すると、利得波長領域の重なり部のみで位相同期が生じ、広帯域な波長可変レーザを得ることができる。本実施例の構成を用いることで、活性層を上下に分けた形態で、本発明の要旨の範囲内のレーザ素子を実現できる。

（第３の実施例）
本発明の第３の実施例について説明する。図１２は、本実施例の波長可変レーザ素子の構造を示す模式断面図である。本実施例は、レーザの駆動を、電流注入ではなく、光励起により行うところが特徴である。そのため、本実施例の素子は、注入電流の狭窄部は有さず、代わりに励起光１２１２を照射するための励起光照射レンズ１２１１を有している。その他の構成、材料及び寸法は、第１の実施例と同様である。

励起光照射レンズ１２１１は、不図示のレンズ偏向機構により、照射場所を調整できるようになっている。これにより、第１及び第２の共振光同士の間隔を自由に調整できるため、共振光の結合効率を自由に制御することが可能となる。また、活性層に非対称量子井戸構造を用いた場合、波長掃引時の発振波長に応じた励起強度の調整は、本実施例では励起光強度を変えることで容易に行うことができる。

本実施例のレーザ素子を駆動すると、励起用光源の集光部にある活性層でそれぞれ利得波長領域が形成され、第１の共振光及び第２の共振光が得られる。それらを用いると共に上部反射ミラー１２０９を移動することで、広波長領域の波長可変レーザを実現することができる。本実施例で用いることができる励起用光源としては、半導体レーザ、固体レーザ、ガスレーザなどのレーザ光源、スーパールミネッセントダイオード、フラッシュランプなどの高パワー、非レーザ光源がある。また、励起用光源として、独立のもの２つを用いても良いし、１つの光源からの光を２つに分岐して外部の変調手段により独立に２つの光の強度を調整しても良い。

以上第１から第３の実施例は例示的なものであり、本発明によるレーザ素子の構造、材料、大きさ、形状などの諸条件は、以上の実施例により何ら限定されるものではない。

（第３の実施形態）
本実施形態では、上記実施形態ないし実施例の波長可変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１３を用いて説明する。これは、波長掃引レーザとして上述の波長可変レーザを備えていることを特徴とする波長掃引型の光干渉断層撮像装置である。

図１３は、本実施形態に係るＯＣＴ装置を示す模式図である。ＯＣＴ装置は、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、上記実施形態ないし実施例の波長可変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。

（その他の実施形態）
上記実施形態や実施例による波長可変レーザは、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、上記実施形態を適用した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。

１０１：基板、１０２：下部反射ミラー、１０５：第１の活性層（第１の活性領域）、１０６：第２の活性層（第２の活性領域）、１０９：電流狭窄層、１１０：第１の電流狭窄部、１１１：第２の電流狭窄部、１１３：上部反射ミラー

Claims (14)

1. 一対の反射ミラーと、前記一対の反射ミラーの間に配置された活性層と、前記一対の反射ミラーの少なくとも１つを変位させる駆動手段と、を有する波長可変レーザであって、
   前記活性層は、第１の利得波長領域に利得のある第１の活性領域と第２の利得波長領域に利得のある第２の活性領域とを含み、
   前記第１の利得波長領域と前記第２の利得波長領域は少なくとも部分的に重なり、
   前記反射ミラーは、その高反射帯域が前記第１の利得波長領域と前記第２の利得波長領域で発振を可能とする反射率を有し、
   それぞれ前記第１の活性領域と前記第２の活性領域に由来する発振可能な第１の共振光と第２の共振光が、前記利得波長領域の重なり領域で、前記一対の反射ミラーで形成される共振器において、互いに位相同期しながら共振するように構成されていることを特徴とする波長可変レーザ。
2. 基板上に、前記基板の垂直方向に前記反射ミラー及び前記活性層を積層することで前記垂直方向に発振可能な面発光レーザとして構成されたことを特徴とする請求項１に記載の波長可変レーザ。
3. 前記反射ミラーは、多層膜ミラー又はＨＣＧミラーであることを特徴とする請求項１又は２に記載の波長可変レーザ。
4. 前記第１の共振光と前記第２の共振光が、前記波長領域の重なり領域で、互いに位相同期しながら共振するように、前記活性層の近傍に、発振光の波長オーダーで近接して２つの電流狭窄部が設けられていることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の波長可変レーザ。
5. 前記２つの電流狭窄部に独立に電流注入して前記第１の活性領域と前記第２の活性領域に独立に利得を与え、それぞれ、前記第１の共振光と前記第２の共振光が発生するように構成されていることを特徴とする請求項４に記載の波長可変レーザ。
6. 外部光源からの光を、前記第１の活性領域と前記第２の活性領域の少なくとも一方に照射することで、該少なくとも一方の活性領域に利得を与えられるように構成されていることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の波長可変レーザ。
7. 前記活性層の第１の活性領域と第２の活性領域の少なくとも一方は、非対称量子井戸構造層で構成されていることを特徴とする請求項１から６の何れか１項に記載の波長可変レーザ。
8. 前記活性層の第１の活性領域と第２の活性領域は、異なる組成または構造の活性層で構成されていることを特徴とする請求項１から７の何れか１項に記載の波長可変レーザ。
9. 前記活性層の第１の活性領域と第２の活性領域は、同一の平面内に形成されていることを特徴とする請求項１から８の何れか１項に記載の波長可変レーザ。
10. 前記第１の活性領域と前記第２の活性領域はそれぞれ別々の平面内に設けられ、前記第１の共振光と前記第２の共振光は、それぞれ、前記第１の活性領域と前記第２の活性領域から主に利得を得ることを特徴とする請求項１から８の何れか１項に記載の波長可変レーザ
11. 前記第１の共振光と前記第２の共振光が、それぞれ、前記第１の活性領域と前記第２の活性領域から主に利得を得るように、前記活性層を挟んで両側に、共振光に対して光路差をつけるための位相調整層が設けられていることを特徴とする請求項１０に記載の波長可変レーザ
12. 前記位相調整層によりつけることのできる、前記第１の共振光に対する前記第２の共振光の光路長の変化分を、前記活性層の両側についてそれぞれΔｕ、Δｄとするとき、それぞれが以下の関係を満たしていることを特徴とする請求項１０又は１１に記載に記載の波長可変レーザ。
    Δｕ＋Δｄ＝Ｎλ／２（Ｎ：整数、λ：レーザ帯域の中心波長）
    Δｕ＝Ｎｕ・λ／２＋δ、Δｄ＝−Ｎｄ・λ／２−δ（Ｎｕ、Ｎｄ：整数、０＜｜δ｜＜λ／２）
13. 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。
14. 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と、
    前記波長可変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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