(57)【要約】【課題】中心波長から離れた波長においてレーザ発振の閾値利得の上昇を抑制することが可能となる面発光レーザを提供する。【解決手段】  上部反射鏡と下部反射鏡と、それらの間に活性層を備えている面発光レーザであって、前記上部反射鏡と前記活性層との間の光学的距離を第１の距離とし、前記下部反射鏡と前記活性層との間の光学的距離を第２の距離とした場合、前記第１の距離と前記第２の距離の比が一定の値から±２５％以内の範囲を保つように、前記上部反射鏡、前記下部反射鏡、前記活性層からなる群から選択される少なくとも２つの位置を変えるように構成されていることを特徴とする面発光レーザ。【選択図】            図１
2015038934.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上部反射鏡と下部反射鏡と、それらの間に活性層を備えている面発光レーザであって、
前記上部反射鏡と前記活性層との間の光学的距離を第１の距離とし、前記下部反射鏡と前記活性層との間の光学的距離を第２の距離とした場合、
前記第１の距離と前記第２の距離の比が一定の値から±２５％以内の範囲を保つように、前記上部反射鏡、前記下部反射鏡、前記活性層からなる群から選択される少なくとも２つの位置を変えるように構成されていることを特徴とする面発光レーザ。
【請求項２】
前記第１の距離と前記第２の距離の比が、一定の値から±２０％以内の範囲を保つように構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。
【請求項３】
前記第１の距離と前記第２の距離の比が、一定の値から±５％以内の範囲を保つように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。
【請求項４】
前記上部反射鏡と前記下部反射鏡を同一周期かつ逆位相で振動させることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の面発光レーザ。
【請求項５】
前記第１の距離と前記第２の距離の比が、整数比となるように構成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の面発光レーザ。
【請求項６】
前記上部反射鏡と前記下部反射鏡が同一振幅で振動し、前記上部反射鏡及び前記下部反射鏡の間の中心位置に前記活性層が配置されてい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。
【請求項７】
前記第１の距離と前記第２の距離の比が、１：２または２：１となるように構成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の面発光レーザ。
【請求項８】
前記活性層から発光させるために前記活性層に光を入射させる光励起部をさらに有す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。
【請求項９】
前記上部反射鏡と前記下部反射鏡のうち少なくとも一方が分布ブラッグ反射鏡で構成されてい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。
【請求項１０】
前記上部反射鏡と前記下部反射鏡のうち少なくとも一方が回折格子で構成されてい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。
【請求項１１】
光の波長を変化させる光源部と、
前記光源部からの光を物体へ照射する照射光と参照光とに分岐させ、前記物体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を処理して、前記物体の情報を取得する情報取得部と、
を有する光干渉断層計において、
前記光源部が請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の面発光レーザであることを特徴とする光干渉断層計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、面発光レーザ、およびそれを有する光干渉断層計に関する。
【背景技術】
【０００２】
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と呼ばれる構造が知られている。
【０００３】
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（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第５２９１５０２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし特許文献１のような従来のＶＣＳＥＬでは、中心波長から離れた波長においてレーザ発振の閾値利得が上昇してしまうという課題がある。
本発明は、上記課題に鑑み、中心波長から離れた波長においてレーザ発振の閾値利得の上昇を抑制できる面発光レーザの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る面発光レーザは、上部反射鏡と下部反射鏡と、それらの間に活性層を備えている面発光レーザであって、
前記上部反射鏡と前記活性層との間の光学的距離を第１の距離とし、前記下部反射鏡と前記活性層との間の光学的距離を第２の距離とした場合、前記第１の距離と前記第２の距離の比が一定の値から±２５％以内の範囲を保つように、前記上部反射鏡、前記下部反射鏡、前記活性層からなる群から選択される少なくとも２つの位置を変えるように構成されていることを特徴とする。
また、本発明に係る光干渉断層計は、光の波長を変化させる光源部と、前記光源部からの光を物体へ照射する照射光と参照光とに分岐させ、前記物体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を処理して、前記物体の情報を取得する情報取得部と、を有する光干渉断層計において、前記光源部が上記面発光レーザであることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、中心波長から離れた波長においてレーザ発振の閾値利得の上昇を抑制することが可能となる面発光レーザを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施形態に係るＶＣＳＥＬの構造を示す断面模式図である。
【図２】本発明の実施形態に係る面発光レーザを適用した構成における光強度分布を説明するための模式図である。
【図３】本発明の実施形態に係る面発光レーザの効果を説明するためのグラフである。
【図４】本発明の実施形態に係る面発光レーザの効果を説明するためのグラフである。
【図５】本発明の実施形態に係る面発光レーザを適用した構成における光強度分布を説明するための模式図である。
【図６】本発明の実施形態に係る面発光レーザの効果が得られる範囲を説明するためのグラフである。
【図７】本発明の実施例１に係るＶＣＳＥＬの構造を示す断面模式図である。
【図８】本発明の実施例２に係るＶＣＳＥＬの構造を示す模式図である。
【図９】本発明の実施例２に係る反射鏡の特性を説明するためのグラフである。
【図１０】従来のＭＥＭＳ−ＶＣＳＥＬの構造を示す断面模式図である。
【図１１】従来のＭＥＭＳ−ＶＣＳＥＬが抱える課題を説明するためのグラフである。
【図１２】従来のＭＥＭＳ−ＶＣＳＥＬが抱える課題を説明するためのグラフである。
【図１３】本発明の実施形態に係る波長可変型面発光レーザをＯＣＴの光源部に用いた例について説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明の実施形態について説明する。
まず、従来のＭＥＭＳ−ＶＣＳＥＬが有する課題について説明する。
図１０に、一般的なＭＥＭＳ−ＶＣＳＥＬの断面模式図を示す。
図１０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８５０ｎｍ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１０００と下部反射鏡１０１０の間に活性層１０２０と空隙部１０３０を挟んだ構成が基板１０５０上に配置されている。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１０００を上下方向に動かすことで空隙部１０３０の長さを変え、共振器長を変えることができる。それによって共振波長が変化するので、レーザ発振波長を変えることができる。
【００１０】
図１１に、図１０に示したＭＥＭＳ−ＶＣＳＥＬにおけるレーザ発振波長とレーザ発振に必要な利得（閾値利得）の関係を計算した一例を示す。
なお、本計算では、活性層は厚さ８ｎｍのＩｎＧａＡｓからなる１層の量子井戸層で構成されており、その活性層に均一に利得が生じると仮定して、レーザ発振に必要な単位長さあたりの利得を計算した。
また、本計算ではモードホップの影響は無視し、同一次数の縦モードについて計算を行った。
【００１１】
図１１の計算結果から、波長８５０ｎｍ付近で最も閾値利得が小さく、そこから離れるにつれて閾値利得が上昇することが見て取れる。これは、中心波長から離れた波長でレーザ発振させるためには、より大きな利得が必要であることを意味する。
活性層で現実的に得られる利得の大きさには限界があるので、中心波長からある程度離れた波長では活性層で得られる利得を閾値利得が上回ってしまい、レーザ発振が不可能になる。このことが、ＭＥＭＳ−ＶＣＳＥＬの波長可変範囲を広帯域化することを妨げる一因となっている。
上記のように中心波長から離れるにつれて閾値利得が上昇してしまう原因について説明する。
ＶＣＳＥＬは一般に、共振器内で光強度の強い位置、つまり光定在波の腹の位置と、活性層の位置が一致するように構成される。活性層と光の相互作用を最大化し、効率的に光を増幅させるためである。
ところが、従来のＭＥＭＳ−ＶＣＳＥＬでは、光定在波の腹の位置と活性層の位置を常に
合わせておくことは困難である。
【００１２】
図１２に、図１０のＭＥＭＳ−ＶＣＳＥＬの活性層付近における光分布の波長依存性を示す。グラフ中に、屈折率を実線で、光分布をシンボル付き線で示している。
なお、図１２は図１０とは向きが９０°異なる配置で図示しており、図１２の左側が図１０の上側、図１２の右側が図１０の下側に相当する。
図１２のグラフ中で屈折率の最も高い部分が、活性層である量子井戸層に相当する。
光分布は、レーザ発振波長λが７７６ｎｍ、８５０ｎｍ、９２３ｎｍの３つの場合について計算して図示している。
図１０のＭＥＭＳ−ＶＣＳＥＬは中心波長８５０ｎｍにおいて光定在波の腹と活性層位置が一致するように設計しており、設計どおりの位置関係が得られている。
図１０のＭＥＭＳ−ＶＣＳＥＬのレーザ発振波長を変える時には、上部反射鏡１０００の位置を変えて空隙部１０３０の長さを変える。具体的には、空隙部の長さを縮めると共振器長が縮まるので、レーザ発振波長が短波長側に変化する。逆に、空隙部の長さを伸ばすと共振器長が伸びるので、レーザ発振波長が長波長側に変化する。
ここで、共振器長の変化とそれによるレーザ発振波長の変化にともない、光分布も変化する。
【００１３】
図１２において、中心波長より長波長の９２３ｎｍでは活性層から見て空隙部に近い側、つまり上側に光定在波の腹の位置がずれている。一方、中心波長より短波長の７７６ｎｍでは空隙部から遠い側、つまり下側に光定在波の腹の位置がずれている。
このように、従来のＭＥＭＳ−ＶＣＳＥＬでは、中心波長以外の波長では光定在波の腹の位置と活性層の位置がずれてしまう。
光定在波の腹の位置と活性層の位置がずれると、活性層と光の相互作用が弱まるので、同程度の光増幅効果を得るためには活性層がより大きな利得を持つ必要が生じる。
中心波長からの波長ずれが大きいほど上記の影響も大きくなる。
以上のことが、図１１に示したように中心波長から離れるほど閾値利得が上昇してしまう一因になっていると考えられる。
本発明者は、図１２などに示す分析によって、波長によって光定在波の腹の位置と活性層の位置がずれてしまうことが、閾値利得が波長依存性をもつことの原因だという課題を見出した。
本実施形態に係る面発光レーザは、閾値利得の波長依存性、具体的には、中心波長から離れた波長においてレーザ発振の閾値利得の上昇を抑制することが可能となる。
【００１４】
以下に、本発明の実施形態における面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）について詳細を説明する。なお、以下では、面発光レーザはＶＣＳＥＬや波長可変型面発光レーザと呼ぶことがある。
はじめに、本明細書中で使用する用語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、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。
本明細書中で距離について言及する場合、特に断りが無ければ、実際の距離と屈折率の積である光学的距離を意味することとする。
本発明を適用した構成では、レーザ発振波長が変わっても光定在波の腹と活性層との相対位置がずれにくくなり、閾値利得の上昇を低減することができる。
具体的には、活性層と、活性層を挟んで配置した上部反射鏡と下部反射鏡の位置関係を適切に制御部により制御することで、活性層と光定在波の腹の位置がずれにくい構成を実現
できる。なお、上部反射鏡、下部反射鏡、活性層の、光路方向の位置を変えるために、複数の制御部を用いてもよいし、１つの制御部を用いてもよい。
【００１５】
ここで言う適切に制御するとは、上部反射鏡、下部反射鏡、活性層からなる群から選択される少なくとも２つの位置を適切に変動させる。具体的には、上部反射鏡と活性層間の光学的距離を第１の距離とし、下部反射鏡と活性層間の光学的距離を第２の距離とした場合、第１の距離と第２の距離の比が一定の値を保つように位置を制御する。また、一定の値から±２５％以内の範囲を保つように位置を制御する。また、第１の距離と第２の距離の比が一定の値から±２０％以内の範囲を保つように位置を制御することが好ましく、±５％以内とすることがさらに好ましい。
【００１６】
以下、本明細書中では上部反射鏡と活性層間の光学的距離を第１の距離、下部反射鏡と活性層間の光学的距離を第２の距離と呼ぶこととする。
図１に、本実施形態に係る波長可変型面発光レーザの簡単な例を示して説明する。
上から順に上部反射鏡１００、上部空隙部１３０、活性層１２０、下部空隙部１４０、下部反射鏡１１０が配置されている。
上部空隙部１３０と下部空隙部１４０の厚さは等しく、活性層１２０を挟んで等距離に上部反射鏡１００と下部反射鏡１１０が配置されている。
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、共振波長において光の定在波が形成される。
本実施形態において上部反射鏡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）を使用した例を示している。
【００１７】
図２に、図１の構造における光強度分布を説明するための模式図を示す。
なお、図を単純化するために、図２では上部反射鏡の端面２００、下部反射鏡の端面２１０、活性層１２０以外の構造は省略した。
光強度分布は、第１の波長における光強度分布２６０と、それよりも長い第２の波長における光強度分布２７０の例を示している。
なお、図２における光強度分布は概略的に示したものであり、各々の曲線が右側にいくほど光強度が強く、左側にいくほど光強度が弱い位置であることを示している。つまり、光強度が右に凸となっている位置は光定在波の腹の位置に、左に凸となっている位置は節の位置に相当する。
第１の波長における光強度分布２６０に着目すると、光定在波の腹が複数存在し、そのうちの１つが上部反射鏡と下部反射鏡から等距離の位置、つまり共振器の中心に位置している。共振器の中心位置には活性層が配置されているため、光定在波の腹の１つと活性層の位置が重なっている。
【００１８】
ここで、第１の波長から第２の波長に共振波長を変える場合を考える。第１の波長より長い第２の波長に共振波長を変えるためには、反射鏡の位置を変位させて共振器長を伸ばす必要がある。
その際、上部反射鏡と下部反射鏡を、第１の波長における位置からの変位量は等しく向きが逆となるように変位させると、活性層からの光学的距離を等距離に保つことができる。その結果、光強度分布２７０として示したように、共振器の中心で光定在波の腹の１つと活性層の位置が重なった状態を保つことができる。
このように、共振器長を変化させた場合でも、活性層に対して上下対称の共振器構造を保つように制御することで、共振器の中心位置で光定在波の腹の１つと活性層の位置が重なった状態を保つことができる。
その結果、光定在波の腹と活性層との相対的な位置ずれに由来する閾値利得の上昇を低減できる。
計算結果をもとに、本実施形態に係る波長可変型面発光レーザの効果について説明する。
図３に、本実施形態に係る波長可変型面発光レーザの活性層付近における光分布を計算した一例を示す。
グラフ中に、屈折率を実線で、光分布をシンボル付き線で示している。
なお、図３は図１２と同様の向きで図示している。
図１２と同様に、図３のグラフ中で屈折率が最も高い部分が、活性層である量子井戸層に相当する。
【００１９】
光分布は、図１２に示したものとほぼ同じ波長である７７７ｎｍ、８４８ｎｍ、９２４ｎｍの３つの場合について図示している。
図１２を用いて説明したように、従来のＶＣＳＥＬでは発振波長が変わると光定在波の腹の位置と活性層の相対的な位置がずれるという課題があった。
一方、図３から明らかなように、本実施形態に係る波長可変型面発光レーザでは発振波長が変わっても光定在波の腹と活性層との相対的な位置ずれが生じにくい。そのため、位置ずれに起因する閾値利得の増大が起こりにくいと考えられる。
【００２０】
図４に、従来技術を適用したＶＣＳＥＬと本実施形態に係る波長可変型面発光レーザの閾値利得を比較した計算結果を示す。
どちらも中心波長８５０ｎｍ付近で波長可変となるように設計されたＭＥＭＳ−ＶＣＳＥＬである。
従来技術に比べ本実施形態に係る波長可変型面発光レーザの方が、中心波長から離れた波長における閾値利得の上昇が緩やかである。
【００２１】
このように、本実施形態に係る波長可変型面発光レーザが、中心波長から離れた波長においてレーザ発振の閾値利得上昇を生じにくい構造であることが示された。
なお、図４から見て取れるように、本実施形態に係る波長可変型面発光レーザを用いた場合でも閾値利得の上昇を完全に抑えることはできていないが、これはＤＢＲの反射帯域が波長８５０ｎｍを中心に設計されており、８５０ｎｍから離れるにつれて反射率が低下してしまうことが原因である。本実施形態に係る波長可変型面発光レーザを用いることで前述の位置ずれに起因する閾値利得の上昇は抑えられており、それが従来技術との差分として表れている。
以上、簡単な例として、活性層に対して上下対称となる構造を示したが、本発明の効果が得られる構造はこれに限らない。先に定義した第１の距離と第２の距離の比が、一定の値を保つように構成されていればよい。
図５を用いて、このことを簡単に説明する。
図５は図１とは異なる構成の、本実施形態に係る波長可変型面発光レーザにおける光強度分布を説明するための模式図である。なお、図２と同様、上部反射鏡の端面５００、下部反射鏡の端面５１０、活性層５２０以外の構造は省略した。
また、光強度分布も図２と同様に概略的に図示したもので、第１の波長における光強度分布５６０と、それより長い第２の波長における光強度分布５７０の例を示している。
第１の波長における光強度分布５６０に着目すると、光定在波の腹が複数存在し、そのうちの１つと重なる位置に活性層５２０が配置されている。この活性層５２０の、上部反射鏡５００からの光学的距離（第１の距離）と下部反射鏡５１０からの光学的距離（第２の距離）の比は３：１とする。
【００２２】
ここで、第１の波長から第２の波長に変える場合を考える。第１の波長より長い第２の波長に共振波長を変えるためには、反射鏡の位置を変位させて共振器長を伸ばす必要がある。その際、上部反射鏡と下部反射鏡を、第１の波長における位置からの変位量の比が３：１であり向きが逆となるように変位させると、活性層からの光学的距離を３：１に保つことができる。その結果、光強度分布５７０として示したように、光定在波の腹の１つと活性層の位置が重なった状態を保つことができる。
ここで、各々の反射鏡の活性層からの光学的距離と変位量の比は、どちらも３：１となり、対応している。
【００２３】
このように、上下それぞれの反射鏡から活性層までの光学的距離と、上下それぞれの反射鏡の変位量の比を対応させて制御することで、光定在波の腹の１つと活性層の位置が重なった状態を保つことができる。
その結果、光定在波の腹と活性層との相対的な位置ずれに由来する閾値利得の上昇を低減できる。
以上、上部および下部反射鏡を動かして活性層位置は固定した構成の例を示したが、上部または下部反射鏡のうち一方を固定して、もう一方の反射鏡と活性層を動かす構成にしてもよい。その場合も、上部反射鏡と活性層間の光学的距離（第１の距離）と、下部反射鏡と活性層間の光学的距離（第２の距離）が一定の比を保つように制御することが重要である。
本実施形態に係る波長可変型面発光レーザにおいて、反射鏡から活性層までの光学的距離を決める際には、空隙部だけでなく反射防止膜やクラッド層なども含め、間にある全ての層の光路長を考慮する必要がある。
また、上部および下部反射鏡で光が反射する際に位相が変化する場合は、その分も考慮した実効的な光路長を考慮する必要がある。
【００２４】
本実施形態に係る波長可変型面発光レーザにおいて、連続的に波長掃引を行う場合などは、各々の反射鏡を一定周波数で振動させることもできる。一定周波数とは、共振周波数であってもよいし、それ以外の周波数であってもよい。
その際、上部反射鏡と下部反射鏡が同一周期かつ逆位相で、各々の反射鏡の振幅が各々の反射鏡から活性層までの光学的距離の比に対応するように振動させることで、本実施形態に係る波長可変型面発光レーザを実現することができる。活性層に対して上下対称となる構造の場合は、上部反射鏡と下部反射鏡は同一振幅で振動させる。
なお、本明細書中では、変位の向きが常に逆になるように振動させることを、逆位相で振動させると表現している。
【００２５】
本実施形態に係る波長可変型面発光レーザにおいて、活性層と、活性層を挟んで配置した上部および下部反射鏡の位置関係を適切に制御するために、各々の位置を制御する制御部を設けてもよい。本実施形態に係る波長可変型面発光レーザにおいて、上部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形成されたＤＢＲ、金属膜、回折格子などを使用することができる。
しかしながら、先に述べたように、反射鏡の反射率低下によっても閾値利得の上昇は起こる。反射鏡の反射帯域が狭い場合は、中心波長から離れた波長で位置ずれによる閾値利得の上昇が顕著になる前に、反射率の低下による閾値利得の上昇が支配的となる。つまり、本発明を適用する意義が薄くなってしまう。
したがって、明確に本発明の効果を得るためには、広い反射帯域を持つ誘電体ＤＢＲや、ＨＣＧ（Ｈｉｇｈ−Ｃｏｎｔｒａｓｔ  Ｇｒａｔｉｎｇ）と呼ばれるサブ波長の周期構造を持つ回折格子を使用することがより好ましい。
本実施形態に係る波長可変型面発光レーザにおいて、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。
なお、活性層が薄いほど光分布の位置ずれに敏感になるので、本発明の効果が顕著にあらわれる。活性層が１層の量子井戸で構成されている場合などはその典型である。
本実施形態に係る波長可変型面発光レーザにおいて最大の効果を得るには、第１の距離と第２の距離の比が、一定の値を保つ必要がある。
しかしながら、厳密に一定の比を保っていなくても、そこからある程度の範囲に収まっていれば、従来の構造に比べて位置ずれを低減でき、中心波長から離れた波長においてレー
ザ発振の閾値利得上昇を生じにくくする効果が得られる場合がある。
【００２６】
図６に示した計算結果を用いてこのことを説明する。
図６に示した計算結果は、中心波長８５０ｎｍ付近で波長可変となるように設計された、本実施形態に係る波長可変型面発光レーザについて計算されたものである。図１に示したものと同様の、本実施形態に係る波長可変型面発光レーザにおいて、上側空隙部と下側空隙部の合計の厚さを一定に保ったまま、上側空隙部と下側空隙部の厚さの比を変えた場合の閾値利得の変化を計算した。
横軸は、上部空隙部の厚さを示している。横軸の値が１の場合は上部空隙部と下部空隙部の厚さが１：１の場合に相当する。横軸の値が１に近いほど上下対称に近く、１より小さい場合は上側空隙部の厚さが薄く、１より大きい場合は下側空隙部の厚さが薄い。
縦軸は、波長８００ｎｍにおける閾値利得が中心波長８５０ｎｍにおける閾値利得に比べて何倍であるかを示している。縦軸の値が１に近いほど、中心波長から離れた波長においても閾値利得の増大が起こりにくい構造であると言える。
【００２７】
図１１に示した計算結果から読み取ると、従来の構造において波長８００ｎｍにおける閾値利得は波長８５０ｎｍの約１．２１倍である。それを基準値とし、図６中に点線で示した。横軸の値が０．７〜１．３の範囲で点線を下回っており、従来の構造より閾値利得の上昇を抑えられている。
つまり、本発明の効果が得られる範囲は、第１の距離と第２の距離の比が、一定の値から±２５％以内の範囲であると言える。
また、横軸の値が±２０％以内の範囲では縦軸の値が１．１５以下となり、より好ましい。
【００２８】
本実施形態に係る波長可変型面発光レーザにおいて、第１の距離と第２の距離が保つ一定の比は、整数比をとることができる。特に、上部および下部反射鏡で光が反射する際の位相変化が０またはπとなる場合は整数比とすることが好ましい。また、第１の距離と第２の距離の比が、１：２または２：１となるように構成されていてもよい。
本実施形態に係る波長可変型面発光レーザにおいて、反射鏡や活性層を上下方向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。
また、本実施形態に係る波長可変型面発光レーザは、活性層から発光させるために活性層に光を入射させる光励起部、または活性層に電流を注入する電源をさらに有していてもよい。本実施形態に係る波長可変型面発光レーザは、上部反射鏡、下部反射鏡、活性層からなる群から選択される少なくとも２つの位置を変えるため、電極、配線の配置などを考慮せずに済む光励起によって発光させることが好ましい。
本実施形態に係る波長可変型面発光レーザは、測定光を照射した被検査物からの戻り光と、該測定光に対応する参照光とを合波した光に基づいて前記被検査物の断層画像を取得するＯＣＴ（光断層撮像装置）などの光源として利用することができる。ＯＣＴの詳細は後述する。
また、本実施形態に係る波長可変型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。
【００２９】
（光干渉断層計）
波長可変光源を用いた光干渉断層計（Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ  Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ、以下、ＯＣＴと略すことがある）は、分光器を用いないことから、光量のロスが少なく高ＳＮ比の断層像の取得が期待されている。
実施形態による波長可変型面発光レーザをＯＣＴの光源部に用いた例について図１３を用いて説明する。
本実施形態に係るＯＣＴ装置１３は、光源部１３０１、干渉光学系１３０２、光検出部
１３０３、情報取得部１３０４、を少なくとも有する構成であり、光源部１３０１として上述した波長可変型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１３０４はフーリエ変換器を有する。ここで、情報取得部１３０４がフーリエ変換器を有するとは、情報取得部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１３０４が演算部を有し、該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、該演算部が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１３０４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。光源部１３０１から出た光は干渉光学系１３０２を経て測定対象の物体１３１２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１３０３において受光される。なお光検出部１３０３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１３０３から情報取得部１３０４に送られる。情報取得部１３０４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１３１２の情報（例えば断層像の情報）を取得する。なお、ここで挙げた光源部１３０１、干渉光学系１３０２、光検出部１３０３、情報取得部１３０４を任意に設けることができる。
【００３０】
以下、光源部１３０１から光が発振されてから、測定対象の物体の断層像の情報を得るまでについて詳細に説明する。
光の波長を変化させる光源部１３０１から出た光は、ファイバ１３０５を通って、カップラ１３０６に入り、照射光用のファイバ１３０７を通る照射光と、参照光用のファイバ１３０８を通る参照光とに分岐される。カップラ１３０６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１３０９を通って平行光になり、ミラー１３１０で反射される。ミラー１３１０で反射された光はレンズ１３１１を通って物体１３１２に照射され、物体１３１２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１３１３を通ってミラー１３１４で反射される。カップラ１３０６では、物体１３１２からの反射光とミラー１３１４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１３１５を通り、コリメーター１３１６を通って集光され、光検出部１３０３で受光される。光検出部１３０３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１３０４に送られる。情報取得部１３０４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。
【００３１】
得られた断層像の情報は、情報取得部１３０４から画像表示部１３１７に送って画像として表示させてもよい。なお、ミラー１３１１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１３１２の３次元の断層像を得ることができる。また、光源部１３０１の制御は情報取得部１３０４が電気回路１３１８を介して行ってもよい。また図示しないが、光源部１３０１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。
本実施形態に係る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とし、眼底の断層像に関する情報を取得するために用いることが好適である。
（他用途）
本発明の実施形態による波長可変型面発光レーザは、上記のＯＣＴ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。
【実施例】
【００３２】
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８５０ｎｍ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、本発明を適用した反射鏡を分布ブラッグ反射鏡で構成するようにしたＶＣＳＥＬの構成例について、図７を用いて説明する。図７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、中心波長８５０ｎｍで波長掃引できるように設計したものである。
上から順に上部反射鏡７００、上部空隙部７３０、活性層７２０、下部空隙部７４０、下部反射鏡７１０が配置されている。
上部空隙部７３０と下部空隙部７４０の厚さは等しく、活性層７２０を挟んで等距離に上部反射鏡７００と下部反射鏡７１０が配置されている。
共振器長は、中心波長８５０ｎｍを１波長としたときに２波長分に相当するように構成されている。
【００３３】
上部反射鏡はＡｌ0.15Ｇａ0.85Ａｓと酸化ＡｌＡｓを交互に５ペア積層して構成されたＤＢＲであり、厚さは約９００ｎｍである。
下部反射鏡はＡｌ0.15Ｇａ0.85Ａｓと酸化ＡｌＡｓを交互に７ペア積層して構成されたＤＢＲであり、厚さは約１２６０ｎｍである。
活性層は厚さ８ｎｍのＩｎ0.08Ｇａ0.92Ａｓで構成されている。
上部および下部反射鏡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。
その際、上部空隙部と下部空隙部の厚さは常に同じになるように制御される。
上下の空隙部の厚さが２１０ｎｍの時に波長８５０ｎｍでレーザ発振し、上下の空隙部をそれより薄くすれば短波長に、厚くすれば長波長側にレーザ発振波長をシフトさせることができる。
【００３４】
本実施例の空隙部は、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、水とクエン酸（重量比１：１）を混ぜ合わせたクエン酸溶液と、濃度３０％の過酸化水素水を２：１の割合で混ぜたものをエッチャントとして用いた。この濃度であれば、ＧａＡｓとＡｌ0.15Ｇａ0.85Ａｓ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。
本実施例の構成において、レーザ発振波長を８５０ｎｍから８００ｎｍまで掃引する際の閾値利得の変動は１．１２倍である。
【００３５】
［実施例２］
実施例２として、本発明を適用した反射鏡の少なくとも一方を回折格子で構成するようにしたＶＣＳＥＬの構成例について、図８を用いて説明する。
本実施例におけるＶＣＳＥＬは、中心波長８５０ｎｍで波長掃引できるように設計したものである。
本実施例における実施例１との差異は、上部反射鏡がＨＣＧ（Ｈｉｇｈ−Ｃｏｎｔｒａｓ
ｔ  Ｇｒａｔｉｎｇ）と呼ばれるサブ波長の周期構造を持つ回折格子により構成されている点である。それ以外の部分は実施例１と同様に構成されている。
図８（ａ）は、本実施例において上部反射鏡８００として用いたＨＣＧ構造の上面模式図である。図８（ｂ）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。上部反射鏡８００は厚さ２５０ｎｍのＡｌ0.7Ｇａ0.3Ａｓ層に、幅１３７ｎｍの溝を周期３９０ｎｍで周期的に刻んだＨＣＧにより構成されている。なお、下部反射鏡８１０も上部反射鏡８００と同様のＨＣＧにより構成されている。
【００３６】
図９に、本実施例におけるＨＣＧの反射率を計算した結果を示す。波長８５０ｎｍ付近で１００％近い反射率が得られている。
反射率９９％以上が得られる波長幅は約１３５ｎｍであり、非常に広い波長範囲で高反射率が得られている。
本実施例のように反射鏡としてＨＣＧを使用する利点は、ＤＢＲ等に比べて薄い層で高反射率を得られる点と、高反射率を得られる波長範囲が広い点である。
反射鏡が薄くて軽量であれば、高速振動が可能となり、波長掃引速度の高速化に有利である。
また、高反射率が得られる波長範囲が広ければ、波長掃引できる波長範囲を広げることにつながる。
したがって、本実施例のように反射鏡としてＨＣＧを使用した構成は、高速かつ広帯域な波長掃引に適した構成であると言える。
【符号の説明】
【００３７】
１００：上部反射鏡
１１０：下部反射鏡
１２０：活性層
１３０：上部空隙部
１４０：下部空隙部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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