(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
約９５０ｎｍと約１１５０ｎｍの間の波長スパンに含まれる波長の範囲にわたって波長可変放射を放出するように動作する波長可変光源であって、
当該波長可変光源は、インジウム、ガリウム及びヒ素を含む少なくとも１つの圧縮歪量子井戸を有する利得領域（１２０）を有する垂直キャビティレーザ（ＶＣＬ）を備え、
前記垂直キャビティレーザは、第１のミラー（１３０）を含む第１の部分（１１０）と、支持構造（１８５）を有する柔軟性のある膜（１７０）を含む機械構造に取り付けられた第２のミラー（１４０）を含む第２の部分（１００）と、前記第２の部分（１００）と前記第１の部分（１１０）との間に設けられた調節可能なエアギャップ（１５０）と、電子及びホールを前記利得領域に注入する第１の手段と、前記エアギャップを調節する第２の手段と、前記波長の調整範囲にわたって実質的に単一の縦方向及び横方向のモード動作をさせる第３の手段と、前記エアギャップ（１５０）に配置された粘性空気と、をさらに備え、
前記量子井戸の歪が１から１．８％までの範囲であるように、前記利得領域のピークの室温フォトルミネッセンス波長は、可変である前記レーザの最大動作波長よりも約２０ｎｍ超だけ短く、
前記柔軟性のある膜（１７０）は、１００ＭＰａを超える引張り応力を生じ、
前記機械構造の周波数応答は、前記粘性空気の影響を受けてスクイーズフィルム減衰によって平坦化される、
波長可変光源。
【請求項２】
前記利得領域のピークの室温フォトルミネッセンス波長は、可変である前記レーザの最大動作波長よりも約５０ｎｍ超だけ短い、
請求項１に記載の波長可変光源。
【請求項３】
前記利得領域のピークの室温フォトルミネッセンス波長は、可変である前記レーザの最大動作波長よりも約７０ｎｍ超だけ短い、
請求項１に記載の波長可変光源。
【請求項４】
前記第１のミラーは、
Ａｌ（ｘ１）Ｇａ（１−ｘ１）Ａｓの第１の層とＡｌ（ｘ２）Ｇａ（１−ｘ２）Ａｓの第２の層とを含む交互のスタックを備え、
ｘ１及びｘ２は、０から１の範囲にある、
請求項１に記載の波長可変光源。
【請求項５】
前記第１のミラーは、
アルミニウム及び酸素を含む第１の材料とＡｌ（ｘ）Ｇａ（１−ｘ）Ａｓである第２の材料とを含む交互のスタックを備え、
ｘは、０から１の範囲にある、
請求項１に記載の波長可変光源。
【請求項６】
約９５０ｎｍと約１１５０ｎｍの間の波長スパンに含まれる波長の範囲にわたって波長可変放射を放出するように動作する波長可変光源であって、
当該波長可変光源は、インジウム、ガリウム及びヒ素を含む少なくとも１つの圧縮歪量子井戸を有するＶＣＬ利得領域（１２０）を有する垂直キャビティレーザ（ＶＣＬ）を備え、
前記垂直キャビティレーザは、第１のミラー（１３０）を含む第１の部分（１１０）と、支持構造（１８５）を有する柔軟性のある膜（１７０）を含む機械構造に取り付けられた第２のミラー（１４０）を含む第２の部分（１００）と、前記第２の部分（１００）と前記第１の部分（１１０）との間に設けられた調節可能なエアギャップ（１５０）と、電子及びホールを前記利得領域に注入する第１の手段と、前記エアギャップを調節する第２の手段と、前記波長の調整範囲にわたって実質的に単一の縦方向及び横方向のモード動作をさせる第３の手段と、前記エアギャップ（１５０）に配置された粘性空気と、をさらに備え、
当該波長可変光源は、インジウム、ガリウム及びヒ素を含む、少なくとも１つの半導体光増幅器（ＳＯＡ）の量子井戸を備えるＳＯＡをさらに備え、
前記少なくとも１つのＳＯＡの量子井戸は、約１０５０ｎｍから１０８５ｎｍの範囲において室温フォトルミネッセンス波長を有し、
前記圧縮歪量子井戸の歪が１から１．８％までの範囲であるように、前記利得領域のピークの室温フォトルミネッセンス波長は、可変である前記レーザの最大動作波長よりも約２０ｎｍ超だけ短く、
前記柔軟性のある膜（１７０）は、１００ＭＰａを超える引張り応力を生じ、
前記機械構造の周波数応答は、前記粘性空気の影響を受けてスクイーズフィルム減衰によって平坦化される、
波長可変光源。
【請求項７】
前記半導体光増幅器は、インジウム、ガリウム及びヒ素を含む厳密に１つの圧縮歪ＳＯＡの量子井戸を含む、
請求項６に記載の波長可変光源。
【請求項８】
前記少なくとも１つのＳＯＡの量子井戸の厚さは、約５から１０ｎｍの範囲にある、
請求項６に記載の波長可変光源。
【請求項９】
前記半導体光増幅器は、少なくとも１つの引張歪の障壁を有する厳密に２つのＳＯＡの量子井戸を含む、
請求項６に記載の波長可変光源。
【請求項１０】
前記少なくとも１つのＳＯＡの量子井戸は、２つの閉じ込められた量子状態を有する、
請求項６に記載の波長可変光源。
【請求項１１】
前記半導体光増幅器の垂直ビームの発散は、半値全幅で約２５°よりも小さい、
請求項６に記載の波長可変光源。
【請求項１２】
前記第１のミラーは、
Ａｌ（ｘ１）Ｇａ（１−ｘ１）Ａｓの第１の層とＡｌ（ｘ２）Ｇａ（１−ｘ２）Ａｓの第２の層とを含む交互のスタックを備え、
ｘ１及びｘ２は、０から１の範囲にある、
請求項６に記載の波長可変光源。
【請求項１３】
前記第１のミラーは、
アルミニウム及び酸素を含む第１の材料とＡｌ（ｘ）Ｇａ（１−ｘ）Ａｓである第２の材料とを含む交互のスタックを備え、
ｘは、０から１の範囲にある、
請求項６に記載の波長可変光源。
【請求項１４】
約９５０ｎｍと約１１５０ｎｍの間の波長スパンに含まれる波長の範囲にわたって波長可変放射を放出するように動作する波長可変光源であって、
前記波長可変光源は、インジウム、ガリウム及びヒ素を含む少なくとも１つの圧縮歪量子井戸を有する利得領域（１２０）を有する垂直キャビティレーザ（ＶＣＬ）を備え、
前記垂直キャビティレーザは、第１のミラー（１３０）を含む第１の部分（１１０）と、支持構造（１８５）を有する柔軟性のある膜（１７０）を含む機械構造に取り付けられた第２のミラー（１４０）を含む第２の部分（１００）と、前記第２の部分（１００）と前記第１の部分（１１０）との間に設けられた調節可能なエアギャップ（１５０）と、電子及びホールを前記利得領域に注入する第１の手段と、前記エアギャップを調節する第２の手段と、当該垂直キャビティレーザを取り囲む真空環境と、前記エアギャップ（１５０）に配置された粘性空気と、をさらに備え、
前記量子井戸の歪が１から１．８％までの範囲であるように、前記利得領域のピークの室温フォトルミネッセンス波長は、可変である前記レーザの最大動作波長よりも約２０ｎｍ超だけ短く、
前記柔軟性のある膜（１７０）は、１００ＭＰａを超える引張り応力を生じ、
前記機械構造の周波数応答は、前記粘性空気の影響を受けてスクイーズフィルム減衰によって平坦化される、
波長可変光源。
【請求項１５】
前記真空環境は、真空バタフライパッケージによって提供される、
請求項１４に記載の波長可変光源。
【請求項１６】
前記真空環境は、真空トランジスタアウトライン（ＴＯ）パッケージによって提供される、
請求項１４に記載の波長可変光源。
【請求項１７】
前記波長の範囲は、前記機械構造の機械的共振周波数で繰り返しスキャンされる、
請求項１４に記載の波長可変光源。
【請求項１８】
前記波長の範囲は、約１０Ｖより低い最高電圧でカバーされる、
請求項１４に記載の波長可変光源。
【請求項１９】
約９５０ｎｍと約１１５０ｎｍの間の波長スパンに含まれる波長の範囲にわたって波長可変放射を放出するように動作する波長可変光源であって、
前記波長可変光源は、インジウム、ガリウム及びヒ素を含む少なくとも１つの圧縮歪量子井戸を有する利得領域（１２０）を有する垂直キャビティレーザ（ＶＣＬ）を備え、
前記垂直キャビティレーザは、第１のミラー（１３０）を含む第１の部分（１１０）と、支持構造（１８５）を有する柔軟性のある膜（１７０）を含む機械構造に取り付けられた第２のミラー（１４０）を含む第２の部分（１００）と、前記第２の部分（１００）と前記第１の部分（１１０）との間に設けられた調節可能なエアギャップ（１５０）と、電子及びホールを前記利得領域に電気的注入する手段であって、トンネル接合を含む、第１の手段と、前記エアギャップを調節する第２の手段と、前記波長の調整範囲にわたって実質的に単一の縦方向及び横方向のモード動作をさせる第３の手段と、前記エアギャップ（１５０）に配置された粘性空気と、をさらに備え、
前記量子井戸の歪が１から１．８％までの範囲であるように、前記利得領域のピークの室温フォトルミネッセンス波長は、可変である前記レーザの最大動作波長よりも約２０ｎｍ超だけ短く、
前記柔軟性のある膜（１７０）は、１００ＭＰａを超える引張り応力を生じ、
前記機械構造の周波数応答は、前記粘性空気の影響を受けてスクイーズフィルム減衰によって平坦化される、
波長可変光源。
【請求項２０】
開口部への電流の注入を抑制する第４の手段をさらに備える、
請求項１９に記載の波長可変光源。
【請求項２１】
前記第４の手段は、酸化開口部を備える、
請求項２０に記載の波長可変光源。
【請求項２２】
前記第４の手段は、埋込みトンネル接合を備える、
請求項２０に記載の波長可変光源。
【請求項２３】
電流が注入される前記開口部の上部にｎ型の電流拡散層をさらに備える、
請求項２０に記載の波長可変光源。
【請求項２４】
前記トンネル接合は、前記ＶＣＬのキャビティ内の定常波のプロファイルが最小であるように実質的に配置される、
請求項１９に記載の波長可変光源。
【請求項２５】
前記酸化開口部は、前記ＶＣＬの定常波のプロファイルが最小であるように実質的に配置される、
請求項２１に記載の波長可変光源。
【請求項２６】
前記第１のミラーは、
Ａｌ（ｘ１）Ｇａ（１−ｘ１）Ａｓの第１の層とＡｌ（ｘ２）Ｇａ（１−ｘ２）Ａｓの第２の層とを含む交互のスタックを備え、
ｘ１及びｘ２は、０から１の範囲にある、
請求項１９に記載の波長可変光源。
【請求項２７】
前記第１のミラーは、
アルミニウム及び酸素を含む第１の材料とＡｌ（ｘ）Ｇａ（１−ｘ）Ａｓである第２の材料とを含む交互のスタックを備え、
ｘは、０から１の範囲にある、
請求項１９に記載の波長可変光源。
【請求項２８】
電荷がアルミニウム及び酸素を含む少なくとも１つの絶縁層の周囲を移動し、基板のコンタクトに至る、
請求項１９に記載の波長可変光源。
【請求項２９】
インジウム、ガリウム及びヒ素を含む厳密に３つの圧縮歪量子井戸と、
ガリウム、ヒ素及びリンを含む少なくとも１つの引張歪障壁と、
を備える、
請求項１９に記載の波長可変光源。
【請求項３０】
前記波長可変放射が第１の波長反復周波数及び第１の反復周期で時間と共に周期的な波長の変化をするように、前記ＶＣＬは前記エアギャップを周期的に調整する周期的な調整波形によって駆動される、波長可変光源であって、
少なくとも１つの前記波長可変放射の時間的に遅延した複製を生成する少なくとも１つの光学的遅延線と、
多重化された波長掃引放射を生成するためにすべての前記時間的に遅延した複製を組み合わせて１つの共通の光路にするコンバイナと、
前記第１の反復周期の時間的ウインドウの間、前記ＶＣＬをオフにする第５の手段と、
をさらに備え、
前記多重化された波長掃引放射は前記第１の波長反復周波数の整数倍である第２の波長反復周波数を有する、
請求項１に記載の波長可変光源。
【請求項３１】
前記第５の手段は電気的にポンピングされるＶＣＬにおいて駆動電流を変化させることを備える、
請求項３０に記載の波長可変光源。
【請求項３２】
少なくとも１つの請求項１に記載の波長可変光源であって、前記波長可変放射が前記波長の範囲にわたって繰り返し調整されるように、前記ＶＣＬは、前記エアギャップを周期的に調節する周期的な調整波形によって駆動される、波長可変光源と、
前記波長可変放射をサンプル及び基準光路に分割するスプリッタと、
前記サンプルからの反射と前記基準光路を横切る光との間の干渉信号を検出する光検出器と、
前記干渉信号からイメージを構成する信号処理システムと、
を備える、光コヒーレンストモグラフィのためのシステム。
【請求項３３】
前記サンプルは、生体内のヒトの眼である、
請求項３２に記載のシステム。
【請求項３４】
前記イメージは、前眼部及び網膜の両方の部分を含む、
請求項３３に記載のシステム。
【請求項３５】
波長掃引放射の動的コヒーレンス長は、１００ｍｍを超える、
請求項３２に記載のシステム。
【請求項３６】
少なくとも１つの請求項６に記載の波長可変光源であって、前記波長可変放射が前記波長の範囲にわたって繰り返し調整されるように、前記ＶＣＬは、前記エアギャップを周期的に調節する周期的な調整波形によって駆動される、波長可変光源と、
前記波長可変放射をサンプル及び基準光路に分割するスプリッタと、
前記サンプルからの反射と前記基準光路を横切る光との間の干渉信号を検出する光検出器と、
前記干渉信号からイメージを構成する信号処理システムと、
を備える、光コヒーレンストモグラフィのためのシステム。
【請求項３７】
前記サンプルは、生体内のヒトの眼である、
請求項３６に記載のシステム。
【請求項３８】
前記イメージは、前眼部及び網膜の両方の部分を含む、
請求項３７に記載のシステム。
【請求項３９】
波長掃引放射の動的コヒーレンス長は、１００ｍｍを超える、
請求項３６に記載のシステム。
【請求項４０】
少なくとも１つの請求項１４に記載の波長可変光源であって、前記波長可変放射が前記波長の範囲にわたって繰り返し調整されるように、前記ＶＣＬは、前記エアギャップを周期的に調節する周期的な調整波形によって駆動される、波長可変光源と、
前記波長可変放射をサンプル及び基準光路に分割するスプリッタと、
前記サンプルからの反射と前記基準光路を横切る光との間の干渉信号を検出する光検出器と、
前記干渉信号からイメージを構成する信号処理システムと、
を備える、光コヒーレンストモグラフィのためのシステム。
【請求項４１】
前記サンプルは、生体内のヒトの眼である、
請求項４０に記載のシステム。
【請求項４２】
前記イメージは、前眼部及び網膜の両方の部分を含む、
請求項４１に記載のシステム。
【請求項４３】
波長掃引放射の動的コヒーレンス長は、１００ｍｍを超える、
請求項４０に記載のシステム。
【請求項４４】
少なくとも１つの請求項１９に記載の波長可変光源であって、前記波長可変放射が前記波長の範囲にわたって繰り返し調整されるように、前記ＶＣＬは、前記エアギャップを周期的に調節する周期的な調整波形によって駆動される、波長可変光源と、
前記波長可変放射をサンプル及び基準光路に分割するスプリッタと、
前記サンプルからの反射と前記基準光路を横切る光との間の干渉信号を検出する光検出器と、
前記干渉信号からイメージを構成する信号処理システムと、
を備える、光コヒーレンストモグラフィのためのシステム。
【請求項４５】
前記サンプルは、生体内のヒトの眼である、
請求項４４に記載のシステム。
【請求項４６】
前記イメージは、前眼部及び網膜の両方の部分を含む、
請求項４５に記載のシステム。
【請求項４７】
波長掃引放射の動的コヒーレンス長は、１００ｍｍを超える、
請求項４４に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願への相互参照）
本出願は、現在係属中である、２０１３年３月１５日にされた米国仮特許出願第６１／７９３７３０号の優先権を主張する。米国仮特許出願第６１／７９３７３０号の開示事項は、ここで参照によって取り込まれる。
【０００２】
（連邦によって支援された研究又は開発に関する宣言）
本発明は、国立衛生研究所の助成第Ｒ４４ＣＡ１０１０６７号及び第Ｒ４４ＥＹ０２２８６４号によりなされた。米国政府は本発明に関し、一定の権利を有する。
【０００３】
本発明は、一般的に光コヒーレンストモグラフィ及び可変レーザに関する。
【背景技術】
【０００４】
光コヒーレンストモグラフィ（ＯＣＴ）は、サンプルの表面下のそのサンプルの高解像度の深度プロファイリングのための技術である。近年では、掃引光源光コヒーレンストモグラフィ（ＳＳＯＣＴ）システムが優れたイメージング速度、イメージング範囲及び画像品質を実証してきている。ＳＳＯＣＴシステムの重要な技術要素は波長掃引レーザ源である。ＭＥＭＳ可変垂直キャビティレーザ（ＭＥＭＳ−ＶＣＬ）は、例えば、非特許文献１に記述されているように、１３００ｎｍ及び１０５０ｎｍにおいてＳＳ−ＯＣＴの重要な波長掃引光源であると証明された。ＳＳ−ＯＣＴシステムが商業的に実現可能であるためには、１０５０ｎｍのＶＣＬに基づく掃引光源が、広い調整範囲にわたって縦方向、横方向、及び偏光の、実質的に単一モード動作を提供し、数百ｋＨｚで数千億サイクルにわたり掃引されなければならない。そして、掃引光源は、ＳＳＯＣＴイメージングに十分な出力強度を提供し、且つ、製造可能で長期間信頼可能でなければならない。
【０００５】
前述した事項から、１０５０ｎｍで動作するＭＥＭＳ−ＶＣＬが調整範囲、速度、コヒーレンス長及び出力強度のＳＳ−ＯＣＴシステムの必要条件を満たし、且つ、製造可能で長期間信頼可能であることの両方が必要とされることは明らかである。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Ｉ．  Ｇｒｕｌｋｏｗｓｋｉ、  Ｊ  Ｌｉｕ、  Ｂ．  Ｐｏｔｓａｉｄ、  Ｖ．  Ｊａｙａｒａｍａｎ、  Ｃ．Ｄ．  Ｌｕ、  Ｊ．  Ｊｉａｎｇ、  Ａ．Ｅ．  Ｃａｂｌｅ、  Ｊ．Ｓ．  Ｄｕｋｅｒ及びＪ．Ｇ．  Ｆｕｊｉｍｏｔｏ著  「Ｒｅｔｉｎａｌ，  ａｎｔｅｒｉｏｒ  ｓｅｇｍｅｎｔ，ａｎｄ  ｆｕｌｌ−ｅｙｅ  ｉｍａｇｉｎｇ  ｕｓｉｎｇ  ｕｌｔｒａ−ｈｉｇｈ  ｓｐｅｅｄ  ｓｗｅｐｔ  ｓｏｕｒｃｅ  ＯＣＴ  ｗｉｔｈ  ｖｅｒｔｉｃａｌ  ｃａｖｉｔｙ  ｓｕｒｆａｃｅ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ  ｌａｓｅｒｓ」  Ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ  Ｏｐｔｉｃｓ  Ｅｘｐｒｅｓｓ  第３巻  第１１号  Ｐ２７３３〜Ｐ２７５１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、可変の１０５０ｎｍ付近のＶＣＬに基づく、高速で、単一モードの、強力で、信頼性が高く且つ製造可能な掃引レーザ源の、好適で代替的に製造可能で信頼性の高い複数の実施形態を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
１つの実施形態は、約９５０ｎｍと約１１５０ｎｍの間の波長スパンに含まれる波長の範囲にわたって波長可変放射を放出するように動作する波長可変光源であって、当該波長可変光源は、インジウム、ガリウム及びヒ素を含む少なくとも１つの圧縮歪量子井戸を有する利得領域を有する垂直キャビティレーザ（ＶＣＬ）を備え、前記垂直キャビティレーザは、第１のミラーを含む第１の部分と、支持構造を有する柔軟性のある膜を含む機械構造に取り付けられた第２のミラーを含む第２の部分と、前記第２の部分と前記第１の部分との間に設けられた調節可能なエアギャップと、電子及びホールを前記利得領域に注入する第１の手段と、前記エアギャップを調節する第２の手段と、前記波長の調整範囲にわたって実質的に単一の縦方向及び横方向のモード動作をさせる第３の手段と、をさらに備え、前記利得領域のピークの室温フォトルミネッセンス波長は、可変である前記レーザの最大動作波長よりも約２０ｎｍ超だけ短い、波長可変光源を提供する。
【０００９】
別の実施形態は、約９５０ｎｍと約１１５０ｎｍの間の波長スパンに含まれる波長の範囲にわたって波長可変放射を放出するように動作する波長可変光源であって、前記波長可変光源は、インジウム、ガリウム及びヒ素を含む少なくとも１つの圧縮歪量子井戸を有する利得領域を有する垂直キャビティレーザ（ＶＣＬ）を備え、前記垂直キャビティレーザは、第１のミラーを含む第１の部分と、支持構造を有する柔軟性のある膜を含む機械構造に取り付けられた第２のミラーを含む第２の部分と、前記第２の部分と前記第１の部分との間に設けられた調節可能なエアギャップと、電子及びホールを前記利得領域に注入する第１の手段と、前記エアギャップを調節する第２の手段と、当該垂直キャビティレーザを取り囲む真空環境と、をさらに備える、波長可変光源を提供する。
【００１０】
別の実施形態は、約９５０ｎｍと約１１５０ｎｍの間の波長スパンに含まれる波長の範囲にわたって波長可変放射を放出するように動作する波長可変光源であって、前記波長可変光源は、インジウム、ガリウム及びヒ素を含む少なくとも１つの圧縮歪量子井戸を有する利得領域を有する垂直キャビティレーザ（ＶＣＬ）を備え、前記垂直キャビティレーザは、第１のミラーを含む第１の部分と、支持構造を有する柔軟性のある膜を含む機械構造に取り付けられた第２のミラーを含む第２の部分と、前記第２の部分と前記第１の部分との間に設けられた調節可能なエアギャップと、電子及びホールを前記利得領域に電気的注入する手段であって、トンネル接合を含む、第１の手段と、前記エアギャップを調節する第２の手段と、前記波長の調整範囲にわたって実質的に単一の縦方向及び横方向のモード動作をさせる第３の手段と、をさらに備える、波長可変光源を提供する。
【００１１】
別の実施形態は、約９５０ｎｍと約１１５０ｎｍの間の波長スパンに含まれる波長の範囲にわたって波長可変放射を放出するように動作する波長可変光源であって、当該波長可変光源は、インジウム、ガリウム及びヒ素を含む少なくとも１つの圧縮歪量子井戸を有する利得領域を有する垂直キャビティレーザ（ＶＣＬ）を備え、前記垂直キャビティレーザは、第１のミラーを含む第１の部分と、支持構造を有する柔軟性のある膜を含む機械構造に取り付けられた第２のミラーを含む第２の部分と、前記第２の部分と前記第１の部分との間に設けられた調節可能なエアギャップと、電子及びホールを前記利得領域に注入する第１の手段と、前記エアギャップを調節する第２の手段と、前記波長の調整範囲にわたって実質的に単一の縦方向及び横方向のモード動作をさせる第３の手段と、をさらに備え、当該波長可変光源は、１つの半導体光増幅器をさらに備える、波長可変光源を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施形態に係る光学的にポンピングされるＭＥＭＳ−ＶＣＬデバイスの説明図である。
【図２】本発明の実施形態に係るＭＥＭＳ−ＶＣＬの上部ミラーのスペクトルである。
【図３】本発明の実施形態に係るＷＤＭ分波を備えたデバイスの説明図である。
【図４】本発明の実施形態に係る底部放射デバイスの説明図である。
【図５】本発明の実施形態に係る軸外のポンピングのデバイスの説明図である。
【図６】本発明の実施形態に係るデバイスの伝導帯及びＶＣＬの定常波のプロファイルを示す図である。
【図７】本発明の別の実施形態に係るデバイスの伝導帯及びＶＣＬの定常波のプロファイルを示す図である。
【図８】本発明の別の実施形態に係るデバイスの伝導帯及びＶＣＬの定常波のプロファイルを示す図である。
【図９】ＦＳＲの定義及び好ましいゼロバイアスの波長を示す図である。
【図１０】本発明の実施形態に係る静的及び動的調整範囲を示す図である。
【図１１】本発明の実施形態に係る電気的にポンピングされるＭＥＭＳ−ＶＣＬデバイスの概略図である。
【図１２】本発明の実施形態に係る埋込みトンネル接合を伴う電気的にポンピングされるＭＥＭＳ−ＶＣＬデバイスの概略図である。
【図１３】本発明の実施形態に係る蒸着底部ミラーを伴う電気的にポンピングされるＭＥＭＳ−ＶＣＬデバイスの概略図である。
【図１４】本発明の実施形態に係るデバイスの前置及び後置増幅されたＶＣＬのスペクトルを示す図である。
【図１５】本発明の実施形態に係るリッジ導波半導体光増幅器を示す図である。
【図１６】本発明の実施形態に係るデバイスの構成、駆動電流、波長軌跡及び時間に対する多重化された出力を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１に、本発明に係る、性能が高く、製造可能で且つ信頼性が高い波長掃引光源の好適な実施形態の概略図を示す。調整機構と利得媒質の両方の設計が、平均故障間隔が１０００時間をはるかに上回ることを可能にする。故障とは達成可能な調整範囲又は出力強度のいずれかが１０％以上低下する時点として定義される。応用によっては、１００時間などのより短い平均故障間隔でも十分であろう。この掃引光源は、平均出力強度及びピーク強度波長を伴う約９５０ｎｍから約１１５０ｎｍの間の範囲に含まれる波長の調整範囲にわたって、波長掃引放射を放出する。光学的にポンピングされるＭＥＭＳ−ＶＣＬは、固定された第１の部分１１０及び可動の第２の部分１００を含む。示された好適な調整機構はＭＥＭＳ調整機構であるが、抵抗加熱を用いる展開膜による電熱アクチュエーションなどの他の調整機構も可能である。第１の部分は、ＧａＡｓの障壁を備えた、少なくとも１つ、理想的には３つの圧縮歪インジウムガリウムヒ素（ＩｎＧａＡｓ）量子井戸が設けられたＩｎＧａＡｓのＭＱＷ利得領域１２０を有するが、それは光学的にポンピングされるレーザ源１２５からのポンプ放射を吸収するであろう。ＩｎＧａＡｓ量子井戸は利得帯域幅の強化のために２つの量子状態を持ち得る。光学的にポンピングされるレーザ源１２５は約７５０から８７０ｎｍの波長範囲の波長を有し、好ましくは約８５０ｎｍであり、レーザ発振を可能とするように電子及びホールを利得領域１２０に注入する役割を果たす。第１の部分１１０は、底部ミラー１３０をも含むが、それは十分に酸化されたＧａＡｓ／ＡｌｘＯｙミラーであり、ＧａＡｓ／ＡｌＡｓの交互の堆積を横方向に酸化することによって形成される。このミラーの低い屈折率の部分は、ｘが好ましくは０．９より大きい、Ａｌ（ｘ）Ｇａ（１−ｘ）Ａｓの酸化によっても形成され得る。高い屈折率の部分もまたＧａＡｓである必要はなく、ＡｌＧａＡｓでもよい。可動である第２の部分１００は、上部の浮遊する誘電体のミラー１４０を含み、エアギャップ１５０によって第１の部分１１０から分離されている。第１の部分１１０とエアギャップ１５０との間の界面に位置する反射防止（ＡＲ）コーティング１６０は、不要な反射を抑制し、且つ、レーザの調整範囲を広くする。五酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）は、ニオブ、ハフニウム、チタンの酸化物によって、ケイ素によって、又は、ＶＣＳＥＬの設計及び製造の分野における当業者によく知られている多数の他の高い屈折率を有する材料によって置き換えられ得るが、誘電体のミラー１４０は、理想的には二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）と五酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）との４分の１波長の堆積によって形成される。誘電体のミラーはさらに、高い能力の単一モード動作を促進する、半対称のキャビティを提供するように曲げられている。誘電体のミラーは膜１７０上に配置されているが、それは好ましくは窒化ケイ素であり、末端で支持構造１８５によって支持され、それは好ましくはゲルマニウムである。この支持構造は、理想的には膜１７０をアンダーカットする犠牲層として使われるものと同一の物質である。支持構造に適した他の候補材料は、ケイ素、ポリイミド、フォトレジスト又はＳＵ−８を含む。窒化ケイ素の膜を用いることにより、多数の高速ＳＳ−ＯＣＴシステムにおいて必要とされるような、１兆サイクルを超えるたわみに耐え得る極めて信頼性の高い膜が提供される。理想的な支持構造は、湿式化学エッチングの代わりに、二フッ化キセノン又は酸素などの乾燥気体によってアンダーカットされ得るものである。アンダーカットに用いられる気体は、実質上、ＶＣＬ構造の他の要素をエッチングすべきではない。湿式化学エッチングされる犠牲層の使用は、臨界点乾燥を必要とするが、それは、デバイスのプロセス、ダイシング及びパッケージングを複雑化させる。例えば、構造に取扱時の丈夫さを維持することを可能とするため、犠牲層をアンダーカットする前に複数のＶＣＬの処理済みウェハを個々のＶＣＬにダイシングすることが望ましい。もし臨界点乾燥が必要ならば、ダイレベルでの犠牲層のアンダーカットは非常に困難である。
【００１４】
窒化ケイ素の膜１７０は、理想的には誘電体のミラーに統合され、実際にはその誘電体のミラーの第１の層を形成する。さらに、浮遊する誘電体のミラー１４０の横方向の広がり１６５は、膜１７０の横方向の広がり１５５より小さい。これは、ＭＥＭＳアクチュエータの質量を低減し、且つ、その共振周波数を上昇させる。窒化ケイ素の厚さは、理想的には波長範囲の中央における４分の１波長の奇数個であり、好ましくは４分の３波長の厚さである。可変ＶＣＬ出力１８０（１０６０ｎｍの可変放射）は、光コヒーレンストモグラフィ及びスペクトル分析などの様々な応用に用いられ得る強力な波長可変放射１９５を生成するために半導体光増幅器１９０によって増幅される。波長の調整はエアギャップ１５０の調節により、理想的には図１のＭＥＭＳ構造における電極間に電圧を与えることにより達成される。図１のようなうまく設計された構造は、約１００Ｖ未満の最大調整電圧を要する。
【００１５】
図１におけるＶＣＬのミラーの選択は、広いミラーの帯域幅のため、幅広い調整を促進する。十分に酸化されたミラーの代わりに、ｘ１及びｘ２が０と１の間である、より標準的なＡｌ（ｘ１）Ｇａ（１−ｘ１）Ａｓ／Ａｌ（ｘ２）Ｇａ（１−ｘ２）Ａｓの半導体ミラーを用いるなどの、他のミラーの組合せが可能である。理想的には出力の浮遊ミラーは調整範囲にわたって９９．０から９９．９％の間の反射率、固定ミラーは９９．９％より高い反射率を有するよう設計される。あまり好ましくない別のミラーの実装では、浮遊ミラーの代わりに高コントラスト格子（ＨＣＧ）を用いる。
【００１６】
光ポンプ源１２５が図１におけるＶＣＬへ効率的に光結合するためには、上部の誘電体のミラー１４０がポンプの波長において透明であるスペクトルを有することを要する。例示のスペクトルが図２に示されている。そのミラーの設計は、上位層として８分の１波長のＳｉＯ２層を伴う、４分の３波長のＳｉＮ膜の上に堆積した４分の１波長のＳｉＯ２／Ｔａ２Ｏ５の１０．２５周期から構成されている。この８分の１波長の層は８５０ｎｍのポンプの波長付近のスペクトルを平らにする。
【００１７】
図１のレーザ源の１つの必要条件は、９５０ｎｍから１１５０ｎｍの範囲において望ましい放射からポンプ光を分離することである。これは図３に示されているようにＷＤＭカプラによって達成され得るが、入力ファイバ２００がＷＤＭカプラ２２０に８５０ｎｍのポンプ光をもたらし、出力ファイバ２１０が可変ＶＣＬ２４０から可変の１０５０ｎｍの放射を取り出す。光ファイバ２３０は、入射する８５０ｎｍのポンプ光と、ＧａＡｓの基板２５０に配置されている可変ＶＣＬ２４０から出て行く１０５０ｎｍのＶＣＬの放射の両方を導く。図４の代替的な分離方法において、ＶＣＬ２４０は底部放射であるように構成され、ＧａＡｓの基板２５０は可変の１０５０ｎｍのＶＣＬの放射だけを透過させつつ、８５０ｎｍのポンプ放射を吸収する。図５のまた別の実施形態において、可変ＶＣＬ２４０は、その可変ＶＣＬの光軸２６０とは異なる軸に沿ってポンピングされる。
【００１８】
図１の構造の多数の特徴が、低雑音の単一モード動作を促進する。まず、単一の横方向及び縦方向のモードのポンプレーザを用いることは、単一横モード動作と雑音の相対強度の低減の両方を促進する。ポンプのビームをＶＣＬの最低次の横方向のモードの位置に慎重に合わせることも、高次の横方向のモードを理想的には４５ｄＢをより良くなる（下回る）までに十分抑制することを確実にするために極めて重要である。この抑制は、ＳＳＯＣＴイメージングのための長いコヒーレンス長を維持し、且つ、イメージに誤りの線が出現しないようにするために重要である。エアギャップを約０．７から１．８μｍの範囲に保ちながら、半対称のキャビティの曲面を約０．５から３ｍｍの範囲に適切に制御することも、横方向の単一モード動作を促進する。単一縦モード動作は、キャビティの空きスペクトル範囲（ＦＳＲ）の端付近の回り込み点の端から離しておくことによって保証される。ＦＳＲはさらに後述され、図９の助けを借りて説明される。理想的にはレーザの調整範囲は、単一縦モード動作を促進するために、ＦＳＲの約９５％未満であるべきである。
【００１９】
図１は、ＧａＡｓの基板１７５の裏面に存在する金属層１９８をも示す。金属層は電気的な接触のためには必要ではないが、その金属がチタン、クロム又は白金ならば、裏面反射の低減を促進する。低い裏面反射は、出力強度のスペクトル上の周期的なリプルを約１％未満に抑えながら、調整範囲にわたって調整を可能とするために必要である。このリプルは、レーザが調整される際に底部ミラー１３０で位相が合ったり外れたりする基板反射によって引き起こされる。このリプルは、基板１７５の裏面をラッピングペーパー又は約３０μｍから約１２０μｍの範囲の大きさの粒子の入った溶液で覆うことでさらに低減される。その上、リプルの低減は、ＧａＡｓ−ＡｌｘＯｙミラーの反射率を向上させることによって達成される。もし、理論的な損失のないミラーの反射率が約９９．９５％よりも向上されれば、裏面の覆いは通常、依然として必要であるが、基板による反射はあまり重要ではなくなる。理論的な損失のない反射率とは、ミラー層における損失をゼロと仮定した計算上の反射率を意味する。この反射率は、６又はそれより多い周期のＧａＡｓ−ＡｌｘＯｙミラーの使用を通して達成され得る。十分に酸化されたミラーもまた異方性応力の取込みのため、定常の偏光状態における動作を促進する。
【００２０】
図１の好適な実施形態の多数の他の特徴は、高い性能、信頼性及び製造可能性を促進する。まず、利得領域は、量子井戸が、レーザの最大動作波長よりも実質的に短い室温フォトルミネッセンス（ＲＴＰＬ）のピーク波長を有するように設計される。例えば、もし、図１に示されているレーザの波長調整範囲が１０００から１１００ｎｍならば、ＲＴＰＬのピークは１０２０ｎｍにまで短くされ得る。これは量子井戸において必要とされる歪を低減し、信頼性を高める。量子井戸の歪は約１から１．８％の範囲であるべきである。一般に、ＲＴＰＬのピークをレーザの最大動作波長よりも少なくとも２０ｎｍ短くすることは、デバイスの信頼性を高める。そして、ＰＬの波長が短くなればなるほど、そのデバイスの信頼性も向上する。
【００２１】
図１に示されている波長掃引光源及び図１１乃至１３において後述する電気的にポンピングされる実施形態の調整範囲は、主としてＶＣＬの調整範囲によって決められる。最大調整範囲は空きスペクトル範囲（ＦＳＲ）であるから、ＶＣＬの調整範囲は広いＦＳＲを有する薄いキャビティによって最大化される。ＦＳＲは、Δλ＝λ２／２Ｌｅｆｆとして計算される。ここで、Ｌｅｆｆは空気中における有効キャビティ長であり、反射率及びデバイスのミラーへの進入を説明する。これは、図９に示されているように、縦方向のキャビティモード同士の波長の間隔である。眼科のＳＳＯＣＴにおいて使用するには、ＦＳＲは１００ｎｍ程度の調整範囲での高解像度イメージングのために１００ｎｍより大きいことが理想的であるが、７０ｎｍ又は４０ｎｍを超えるＦＳＲもまた、例えば長いイメージング範囲における低解像度イメージングのための有益なデバイスを提供し得る。
【００２２】
図９には、好ましいゼロバイアスの波長３７０も破線で示されている。ＭＥＭＳ構造においては、小さいバイアスを印加するとモードが短い側に同調し、３８０におけるＦＳＲの長い側のエッジまで包み込むため、ゼロバイアスの波長の理想的な位置は１つのＦＳＲの左側のエッジ３６０までである。これにより、調整の際、ＦＳＲ全体にアクセスすることが可能となる。ＭＥＭＳ構造における電圧の印加は一般的にエアギャップを短くし得るだけなので、もし、ゼロバイアスの位置３７０が３８０における右側のエッジにより近ければ、完全な調整は達成困難であろう。もし、ゼロバイアスの波長が３８０における右側のエッジに近ければ、次のＦＳＲを巻き込むために極めて高い電圧が必要とされるであろう。そのような電圧はおそらくデバイスのスナップダウン電圧を超えるであろう。慣性効果を通して動的な反復掃引動作でデバイスのゼロバイアスの波長を飛び越え、この方法でゼロバイアスの波長をよりも長い波長にアクセスし得ることに注意されたい。しかしながら、これはＳＳ−ＯＣＴイメージングには好ましくない。
【００２３】
全体の調整範囲にアクセスするには、最初のエアギャップを適切に設計する必要もある。１つのＦＳＲをカバーするためには、１０６０ｎｍ付近で半波長、すなわち約０．５３μｍに等しい膜のたわみを必要とするため、そして全ギャップの３分の１を超える静的なたわみは、ＭＥＭＳ構造におけるスナップダウンにより禁じられているため、理想的なエアギャップは３半波長、すなわち約１．６μｍを超えるべきである。ＳＳＯＣＴシステムの実際においては、調整はスナップダウンを超過する可能性のある動的動作中に行われる。このように、２乃至３半波長の範囲内の空隙は、スナップダウンの問題なしに数１００ｋＨｚでの動的動作中の完全な調整を保証するに十分である。図１０は１０５０ｎｍのＶＣＬにおける静的及び動的調整の例を示し、ここで１００ｎｍの動的調整範囲は９０ｎｍの静的調整範囲を超える。
【００２４】
キャビティ内部の量子井戸の、レーザキャビティにおける光定常波に対する配置もまた、性能及び信頼性を促進する。図６乃至８は、図１の構造における量子井戸の配置の３つの好ましい設計を説明する。これらの図の横軸はＶＣＬのキャビティの光伝搬軸に沿った距離である。それぞれの図の上部は、量子井戸及び吸収体の位置を説明する構造における材料の伝導帯を示す。それぞれの図の下部はそれぞれの構造におけるキャビティ内放射の定常波を示す。図６において、多重量子井戸領域３００に関する３つの量子井戸が、光キャビティの定常波の波形３１０の３つの離れた極大値と整列している。この周期的な利得構造においては、利得が定常波のピークから離れた量子井戸の配置に対して向上するだけでなく、これらの井戸が歪の蓄積に対して結合しないように十分に分離されている。これは、量子井戸の歪と厚さの積の総計が通常の歪と厚さの積の限界である２００オングストローム％を超え得ることを意味する。約０．４５μｍの厚さを有する吸収領域３１５も示されているが、それは８５０ｎｍのポンプの強度の４０％を超える吸収につながる。吸収の大部分は量子井戸のＧａＡｓ障壁３０５で起こり、井戸中ではほんの少量の吸収しか起こらない。すべての光生成電子及びホールは量子井戸３００の中に拡散するので、吸収されたポンプ光は可変ＶＣＬの光に効率的に変換される。
【００２５】
別の好適なＭＱＷの実施形態が図７によって示されている。ここにおいて、ＭＱＷ領域３２０の３つのすべての量子井戸は、ＶＣＬの光キャビティ内部の定常波の波形３３０の単一の定常波のピークと整列している。この場合、引張歪のＧａＡｓＰの歪補償障壁が圧縮歪のＩｎＧａＡｓの量子井戸を補償するために提供される。図７の長所は、キャビティの厚さを低減できることであり、より大きいキャビティの空きスペクトル範囲及びより広い範囲の調整につながることである。短所は、低減された厚さの吸収領域３３５は、約０．１μｍの厚さのため、必要とされるポンプの強度の増大を引き起こすことである。ここで、大部分の吸収は、構造の井戸と障壁の両方で起こる。
【００２６】
３番目の好適な実施形態が図８に示されているが、ＭＱＷ領域３４０における２セットの２量子井戸が光定常波の波形３５０の２つの定常波のピークに沿っている。ここで、厚さが約０．３μｍの吸収体３５５が用いられるため、ポンプの吸収と広い空きスペクトル範囲との間で妥協することにつながる。この構造も引張歪ＧａＡｓＰ障壁を用いる。
【００２７】
図１に示されているＶＣＬの信頼できる動作は、ＶＣＬに供給されるポンプの強度を限定することによっても促進される。０．３から３０ｍＷの吸収強度が信頼性の高い動作を維持することが好ましく、約１５ｍＷ未満の吸収ポンプ強度が理想的である。
【００２８】
図１１は本発明に係る波長掃引光源の別の好適な実施形態を説明する。この図において、電子及びホールが光学的ポンプの代わりに電気的ポンプの電流を通して利得領域に供給される。底部のＭＥＭｓコンタクト４００は、量子井戸への電流の注入のための上部コンタクトとしての役割も果たす。コンタクト４００はｎ領域４１０に電子を注入するが、その電子は、好ましくはｎ＋ＧａＡｓ／ｐ＋ＧａＡｓであるｎ＋／ｐ＋トンネル接合４２０を通して、ｐ型領域４３０においてホールに変換される。ｎ層４１０へのコンタクトは、電流の効率的な横方向への拡散を可能にし、単一モード動作を促進する。ｐ型領域４３０は、ＡｌＧａＡｓの横方向の酸化によって形成される電流狭窄酸化開口部４４０を備える。キャリアは、領域４３０から電流開口部４４０を通してＧａＡｓＰ障壁４６０を備えるＩｎＧａＡｓの多重量子井戸（ＭＱＷ）４５０で構成される利得領域に注入される。反対の電荷を有するキャリアは、基板コンタクト４７０から、絶縁ＡｌｘＯｙ層からなる十分に酸化されたミラー５００の周囲にあるＧａＡｓ基板４８０及びＧａＡｓのクラッド４９０を通して、ＭＱＷに注入される。この構造において、トンネル接合４２０は、高濃度にドープされた領域における自由キャリアの損失に対する感度を低減するために、好ましくはキャビティ内部の光学的定常波の波形の節に位置する。加えて、節の付近に酸化開口部４４０を配置することは、酸化物の導波路の閉じ込めを低減するため、単一モード動作を促進する。
【００２９】
この構造の偏光の制御は、十分に酸化されたミラーの異方性応力によって部分的に提供されるが、さらなる偏光の選択が浮遊するＤＢＲの上部又は下部における１若しくは複数のナノワイヤ４８５又はサブ波長格子４７５の組込みによって提供され得る。これらの手法は図１のような光学的にポンピングされる構造においても用いられ得る。電気的にポンピングされる構造においては、以前の作業者は固定波長構造において非対称な電流の注入を用いてきたが、それは、この電気的にポンピングされる可変ＶＣＬにも用いられ得る。
【００３０】
代替となる好適な電気的にポンピングされる実施形態が図１２に示されるが、それにおいては、図１１の酸化開口部４４０の代わりに、狭窄は限定された横方向の広がりを有する埋込みトンネル接合５１０によって提供される。埋込みトンネル接合は、リソグラフィ的に決められ、それゆえ、酸化時間及び温度によって決定される酸化開口部４４０よりも制御しやすいという長所を有するが、トンネル接合を埋めるための再成長ステップを必要とするという欠点を有する。理想的には、埋込みトンネル接合５１０は自由キャリアの損失を最小化するために、定常波の節に沿って配置される。
【００３１】
図１３は、電気的ポンピングされるＶＣＬの３番目の好適な実施形態を示す。ここで、十分に酸化されたミラー５００は、基板のビアホール５３０を通して蒸着された蒸着ミラー５２０によって置き換えられている。蒸着ミラーの好適な実施形態は、フッ化アルミニウム及び硫化亜鉛の４分の１波長のスタックであり、金などの金属層によって終端される。他の高屈折率差の広帯域幅蒸着スタックは、フッ化マグネシウムなどの他のフッ素化合物を低屈折率の層として含む。
【００３２】
図１及び１１乃至１３に示された電気的又は光学的にポンピングされる実施形態は、すべてがＶＣＬによって放出された可変放射を増幅する半導体光増幅器（ＳＯＡ）を有する。ＳＯＡはすべての応用に必要とされるわけではないが、波長範囲にわたって高い平均強度を要する多くの掃引光源ＯＣＴの応用において望まれる。ＳＯＡの設計は性能、信頼性及び製造可能性に対して極めて重要である。図１４は、ＳＯＡの利得飽和が、前置増幅のＶＣＬ放射の半値全幅（ＦＷＨＭ）６１０に対して、どれほど後置増幅のＶＣＬ放射の改善されたＦＷＨＭ６００を提供し得るかを説明する。スペクトルのピーク波長も前置増幅のピーク波長６２０から後置増幅のピーク波長６３０に移動している。この移動も、多数の応用にとって有利になり得る。
【００３３】
好適なＳＯＡは圧縮歪ＩｎＧａＡｓの量子井戸を歪レベル約１から１．８％の範囲で用いる。好適なＳＯＡは偏光に鋭敏でもあるため、１方向の偏光だけを増幅する。あまり好ましくない別の実装は、ＩｎＧａＡｓの量子ドット増幅器を用いる。１つの好適な設計は、図１５の発散角度の例に示されているように、ＦＷＨＭの垂直ビームの発散が２５°未満の導波路において、引張歪のＧａＡｓＰ障壁を備えた２つのＩｎＧａＡｓの量子井戸を有するリッジ導波路の設計を使用する。発散角度は、スーパールミネッセントダイオードとして動作しているときの、増幅器により放出される増幅された自発的な放射の角度として定義される。低発散角度はファイバ結合の効率及びＳＯＡのチップ間の利得を改善する。利得は２つの量子井戸を用いることによっても補助される。いくつかの応用には、より小さい利得を提供する単一の量子井戸が用いられ得、１つの量子井戸では歪補償は不要である。ＩｎＧａＡｓを用いるすべての歪ＱＷＳＯＡにおいては、好適な井戸の幅は５から１０ｎｍの範囲にある。より薄い量子井戸によって信頼性が改善するが、約８から１０ｎｍの幅の範囲の井戸に現れる第２の量子状態が利得帯域幅を改善する。信頼性は、量子井戸の室温フォトルミネッセンス（ＲＴＰＬ）の波長を最小化することによっても改善するところ、約１０５０から１０８５ｎｍの範囲が良好な信頼性のために望ましく、約９８０ｎｍから約１１２０ｎｍの波長範囲は高利得である。
【００３４】
ＩｎＧａＡｓの量子井戸のＳＯＡの設計における別の要素は、信頼性を犠牲にすることなく高い利得を提供することである。これは適切な範囲のデバイス長及び動作電流における動作を必要とする。理想的には、デバイス長は約１．２ｍｍから約２．０ｍｍの間であるべきであり、且つ、駆動電流は約２００ｍＡから約７００ｍＡの間であるべきである。このことは、０．３から３ｍＷの入力電流で１０から３０ｍＷの出力強度を可能とする。
【００３５】
上述の図１、１１乃至１３における波長掃引光源の設計における別の考慮事項は、調整速度である。ＭＥＭＳ可変構造において、設計の選択が多数あることは、調整速度を改善する。その１つは、ＳｉＮの膜１７０において応力を利用することである。１００ＭＰａを超える引張り応力が好ましく、ゼロ応力のフィルムに対して実質的に向上した機械的共振を提供する。４００ＭＰａを超える引張り応力は、５００ｋＨｚに近づく非常に高い共振につながり、形状により高く依存する。圧縮歪もまた利用され得るが、引張歪はより良好な波長の制御を可能とする。応力が加えられた膜は、犠牲層のアンダーカットの量を通して、ゼロバイアスの波長の制御も可能とする。ゼロバイアスの波長は犠牲層のアンダーカットの量の関数であり、それは製造中にゼロバイアスの波長の調整を可能とする。増大した応力と小さい形状を結びつけることは、ＭＥＭＳの機械的共振を１ＭＨｚ超まで高め得る。重要な共振領域は１０ｋＨｚ、１００ｋＨｚ、２００ｋＨｚ、４００ｋＨｚ及び１ＭＨｚである。これらのすべてが形状及び応力の制御によって達成され得る。図１の構造は３つの支持アームを説明しているが、２、４又は８は、様々な応用にとって望ましい支持アームの数である。複数の支持アームを有する中央板の基本的形状は、アームの長さがゼロになり、穿孔が中央板に導入される限界において、穴の開いたダイヤフラムに変更され得る。
【００３６】
機械的共振に加えて、ＭＥＭＳ構造の周波数応答は、粘性空気によって導かれるスクイーズフィルム減衰を利用して平らにされ得る。これは、バックグラウンド気体若しくは圧力を調整することにより、又は、中央板及びアームの領域を制御することによって制御され得る。一般に、高められた圧力、より重い気体、そして、より広いアーム及び板は減衰を増大させ、周波数応答を平らにする。これらのパラメータを用いれば、臨界制動に近い動作が達成され得る。いくつかの応用においては、完全な調整のために必要とされる電圧を典型的には１０Ｖ未満に下げるので、真空における高度な不足減衰の共振動作が望まれる。真空環境は真空バタフライ又はトランジスタアウトライン（ＴＯ）パッケージによって提供され得る。
【００３７】
図１、１１乃至１３の光学的又は電気的にポンピングされる掃引光源の速度は、１又は複数の遅延線の組合せ及び時間遅延出力の多重化によっても向上され得る。掃引レートを２倍にするこの１つの遅延線の例が図１６に示されている。第１の波長反復周期７００を有する電気的にポンピングされるＶＣＬ出力が図に示されている。１６Ｃは第１の光路７１０と第２の時間遅延する光路７２０とに分割されるが、図１６Ａに示されているように、経路７２０は反復周期の半分だけ遅延する。波長は、図１６Ｃに示されているように双方向にスキャンされるが、ＶＣＳＥＬは、図１６Ｂに示されているように後方掃引の間、駆動電流７３０をオフにすることによりオフにされる。ＶＣＬの出力及び遅延出力の両方を含む多重化された出力が図１６Ｄに示されている。複製は空きの後方掃引の間に挿入され、１００％近くのデューティサイクルで、反復周期７００（反復周波数の２倍）の半分である反復周期７４０によって最終的な一方向のスキャンとなる。図１６の技術は、元のＶＣＬ掃引の反復周波数のＮ倍である反復周波数を有する最終的な多重化された掃引を有するＮ個の遅延線に展開され得る。
【００３８】
ここで記述された波長掃引光源は、ヒトの眼の掃引光源ＯＣＴ（ＳＳＯＣＴ）イメージングにおいて応用される。単一モード動作は１００ｍｍを超える長いコヒーレンス長を保証し、前眼部及び網膜層の両方を含む眼全体のイメージングを可能とする。
【００３９】
ここで記述された発明は９５０ｎｍから約１１５０ｎｍのウインドウに注目してきたが、開示された多数の設計の基本は、他の波長領域にも応用され得る。さらに、電気的にポンピングされるデバイスに関して記述された多数の設計の基本は、光学的にポンピングされるデバイスに応用され得、且つ、逆もまた同様である。この発明は、特にその好適且つ代替可能な実施形態との関係で示され、説明されてきたが、付属する請求の範囲によって定義される発明の本質及び範囲からかい離することなく、その中で形式及び詳細における様々な変更が施されてもよいことが当業者によって理解されるであろう。
【００４０】
図１は、光学的にポンピングされる１０５０ｎｍのＭＥＭＳ−ＶＣＬを示す。
図２は、１０５０ｎｍのＭＥＭＳ−ＶＣＬの上部のミラーのスペクトルを表し、８５０ｎｍのポンプの波長での低反射率を示す。
図３は、ＷＤＭの分離を示す。
図４は、底部放射デバイスを示す。
図５は、軸外のポンピングを示す。
図６は、３つの異なる光定常波のピークに沿った３つのＱＷを有する光学的にポンピングされるＶＣＬの伝導帯（上）及び定常波のプロファイル（下）を示す。
図７は、１つの光定常波のピークに沿った３つのＱＷを有する光学的にポンピングされるＶＣＬの伝導帯（上）及び定常波のプロファイル（下）を示す。
図８は、２つの光定常波のピークに沿った４つのＱＷを有する光学的にポンピングされるＶＣＬの伝導帯（上）及び定常波のプロファイル（下）を示す。
図９は、ＦＳＲの定義及び望ましいゼロバイアスの波長を示す。
図１０は、１０５０ｎｍのＶＣＬの静的（９０ｎｍ）及び動的（１００ｎｍの青い曲線）調整範囲を示す。
図１１は、電気的にポンピングされる１０５０ｎｍのＭＥＭＳ−ＶＣＬを示す。
図１２は、埋込みトンネル接合を有する電気的にポンピングされる１０５０ｎｍのＭＥＭＳ−ＶＣＬを示す。
図１３は、電気的にポンピングされる１０５０ｎｍのＭＥＭＳ−ＶＣＬの蒸着された底部のミラーを示す。
図１４は、前置及び後置増幅されたＶＣＬのスペクトルを示す。
図１５は、リッジ導波路の半導体光増幅器を表し、垂直ビームの発散が２５°未満であることを示す。
図１６は、時間的に遅延した複製を伴うＶＣＬを用いた波長掃引光源を示す。Ａは、デバイスの構成を示しており、光学的遅延は反復周期の半分である。Ｂは、適切な時点においてＶＣＬをオン及びオフにすることを表すＶＣＳＥＬへの駆動電流を示す。Ｃは、ＶＣＬの出力及び時間的に遅延した複製の波長軌跡を示す。Ｄは、ＶＣＬの出力及び時間的に遅延した複製の両方を含む多重化された出力を示す。
［付記］
［付記１］
約９５０ｎｍと約１１５０ｎｍの間の波長スパンに含まれる波長の範囲にわたって波長可変放射を放出するように動作する波長可変光源であって、
当該波長可変光源は、インジウム、ガリウム及びヒ素を含む少なくとも１つの圧縮歪量子井戸を有する利得領域（１２０）を有する垂直キャビティレーザ（ＶＣＬ）を備え、
前記垂直キャビティレーザは、第１のミラー（１３０）を含む第１の部分（１１０）と、支持構造（１８５）を有する柔軟性のある膜（１７０）を含む機械構造に取り付けられた第２のミラー（１４０）を含む第２の部分（１００）と、前記第２の部分（１００）と前記第１の部分（１１０）との間に設けられた調節可能なエアギャップ（１５０）と、電子及びホールを前記利得領域に注入する第１の手段と、前記エアギャップを調節する第２の手段と、前記波長の調整範囲にわたって実質的に単一の縦方向及び横方向のモード動作をさせる第３の手段と、をさらに備え、
前記利得領域のピークの室温フォトルミネッセンス波長は、可変である前記レーザの最大動作波長よりも約２０ｎｍ超だけ短い、
波長可変光源。
［付記２］
前記利得領域のピークの室温フォトルミネッセンス波長は、可変である前記レーザの最大動作波長よりも約５０ｎｍ超だけ短い、
付記１に記載の波長可変光源。
［付記３］
前記利得領域のピークの室温フォトルミネッセンス波長は、可変である前記レーザの最大動作波長よりも約７０ｎｍ超だけ短い、
付記１に記載の波長可変光源。
［付記４］
前記第１のミラーは、
Ａｌ（ｘ１）Ｇａ（１−ｘ１）Ａｓの第１の層とＡｌ（ｘ２）Ｇａ（１−ｘ２）Ａｓの第２の層とを含む交互のスタックを備え、
ｘ１及びｘ２は、０から１の範囲にある、
付記１に記載の波長可変光源。
［付記５］
前記第１のミラーは、
アルミニウム及び酸素を含む第１の材料とＡｌ（ｘ）Ｇａ（１−ｘ）Ａｓである第２の材料とを含む交互のスタックを備え、
ｘは、０から１の範囲にある、
付記１に記載の波長可変光源。
［付記６］
約９５０ｎｍと約１１５０ｎｍの間の波長スパンに含まれる波長の範囲にわたって波長可変放射を放出するように動作する波長可変光源であって、
当該波長可変光源は、インジウム、ガリウム及びヒ素を含む少なくとも１つの圧縮歪量子井戸を有するＶＣＬ利得領域（１２０）を有する垂直キャビティレーザ（ＶＣＬ）を備え、
前記垂直キャビティレーザは、第１のミラー（１３０）を含む第１の部分（１１０）と、支持構造（１８５）を有する柔軟性のある膜（１７０）を含む機械構造に取り付けられた第２のミラー（１４０）を含む第２の部分（１００）と、前記第２の部分（１００）と前記第１の部分（１１０）との間に設けられた調節可能なエアギャップ（１５０）と、電子及びホールを前記利得領域に注入する第１の手段と、前記エアギャップを調節する第２の手段と、前記波長の調整範囲にわたって実質的に単一の縦方向及び横方向のモード動作をさせる第３の手段と、をさらに備え、
当該波長可変光源は、インジウム、ガリウム及びヒ素を含む、少なくとも１つの半導体光増幅器（ＳＯＡ）の量子井戸を備えるＳＯＡをさらに備え、
前記少なくとも１つのＳＯＡの量子井戸は、約１０５０ｎｍから１０８５ｎｍの範囲において室温フォトルミネッセンス波長を有する、
波長可変光源。
［付記７］
前記半導体光増幅器は、インジウム、ガリウム及びヒ素を含む厳密に１つの圧縮歪ＳＯＡの量子井戸を含む、
付記６に記載の波長可変光源。
［付記８］
前記少なくとも１つのＳＯＡの量子井戸の厚さは、約５から１０ｎｍの範囲にある、
付記６に記載の波長可変光源。
［付記９］
前記半導体光増幅器は、少なくとも１つの引張歪の障壁を有する厳密に２つのＳＯＡの量子井戸を含む、
付記６に記載の波長可変光源。
［付記１０］
前記少なくとも１つのＳＯＡの量子井戸は、２つの閉じ込められた量子状態を有する、
付記６に記載の波長可変光源。
［付記１１］
前記半導体光増幅器の垂直ビームの発散は、半値全幅で約２５°よりも小さい、
付記６に記載の波長可変光源。
［付記１２］
前記第１のミラーは、
Ａｌ（ｘ１）Ｇａ（１−ｘ１）Ａｓの第１の層とＡｌ（ｘ２）Ｇａ（１−ｘ２）Ａｓの第２の層とを含む交互のスタックを備え、
ｘ１及びｘ２は、０から１の範囲にある、
付記６に記載の波長可変光源。
［付記１３］
前記第１のミラーは、
アルミニウム及び酸素を含む第１の材料とＡｌ（ｘ）Ｇａ（１−ｘ）Ａｓである第２の材料をと含む交互のスタックを備え、
ｘは、０から１の範囲にある、
付記６に記載の波長可変光源。
［付記１４］
約９５０ｎｍと約１１５０ｎｍの間の波長スパンに含まれる波長の範囲にわたって波長可変放射を放出するように動作する波長可変光源であって、
前記波長可変光源は、インジウム、ガリウム及びヒ素を含む少なくとも１つの圧縮歪量子井戸を有する利得領域（１２０）を有する垂直キャビティレーザ（ＶＣＬ）を備え、
前記垂直キャビティレーザは、第１のミラー（１３０）を含む第１の部分（１１０）と、支持構造（１８５）を有する柔軟性のある膜（１７０）を含む機械構造に取り付けられた第２のミラー（１４０）を含む第２の部分（１００）と、前記第２の部分（１００）と前記第１の部分（１１０）との間に設けられた調節可能なエアギャップ（１５０）と、電子及びホールを前記利得領域に注入する第１の手段と、前記エアギャップを調節する第２の手段と、当該垂直キャビティレーザを取り囲む真空環境と、をさらに備える、
波長可変光源。
［付記１５］
前記真空環境は、真空バタフライパッケージによって提供される、
付記１４に記載の波長可変光源。
［付記１６］
前記真空環境は、真空トランジスタアウトライン（ＴＯ）パッケージによって提供される、
付記１４に記載の波長可変光源。
［付記１７］
前記波長の範囲は、前記機械構造の機械的共振周波数で繰り返しスキャンされる、
付記１４に記載の波長可変光源。
［付記１８］
前記波長の範囲は、約１０Ｖより低い最高電圧でカバーされる、
付記１４に記載の波長可変光源。
［付記１９］
約９５０ｎｍと約１１５０ｎｍの間の波長スパンに含まれる波長の範囲にわたって波長可変放射を放出するように動作する波長可変光源であって、
前記波長可変光源は、インジウム、ガリウム及びヒ素を含む少なくとも１つの圧縮歪量子井戸を有する利得領域（１２０）を有する垂直キャビティレーザ（ＶＣＬ）を備え、
前記垂直キャビティレーザは、第１のミラー（１３０）を含む第１の部分（１１０）と、支持構造（１８５）を有する柔軟性のある膜（１７０）を含む機械構造に取り付けられた第２のミラー（１４０）を含む第２の部分（１００）と、前記第２の部分（１００）と前記第１の部分（１１０）との間に設けられた調節可能なエアギャップ（１５０）と、電子及びホールを前記利得領域に電気的注入する手段であって、トンネル接合を含む、第１の手段と、前記エアギャップを調節する第２の手段と、前記波長の調整範囲にわたって実質的に単一の縦方向及び横方向のモード動作をさせる第３の手段と、をさらに備える、
波長可変光源。
［付記２０］
開口部への電流の注入を抑制する第４の手段をさらに備える、
付記１９に記載の波長可変光源。
［付記２１］
前記第４の手段は、酸化開口部を備える、
付記１９に記載の波長可変光源。
［付記２２］
前記第４の手段は、埋込みトンネル接合を備える、
付記１９に記載の波長可変光源。
［付記２３］
電流が注入される前記開口部の上部にｎ型の電流拡散層をさらに備える、
付記１９に記載の波長可変光源。
［付記２４］
前記トンネル接合は、前記ＶＣＬのキャビティ内の定常波のプロファイルが最小であるように実質的に配置される、
付記１９に記載の波長可変光源。
［付記２５］
前記酸化開口部は、前記ＶＣＬの定常波のプロファイルが最小であるように実質的に配置される、
付記２１に記載の波長可変光源。
［付記２６］
前記第１のミラーは、
Ａｌ（ｘ１）Ｇａ（１−ｘ１）Ａｓの第１の層とＡｌ（ｘ２）Ｇａ（１−ｘ２）Ａｓの第２の層とを含む交互のスタックを備え、
ｘ１及びｘ２は、０から１の範囲にある、
付記１９に記載の波長可変光源。
［付記２７］
前記第１のミラーは、
アルミニウム及び酸素を含む第１の材料とＡｌ（ｘ）Ｇａ（１−ｘ）Ａｓである第２の材料とを含む交互のスタックを備え、
ｘは、０から１の範囲にある、
付記１９に記載の波長可変光源。
［付記２８］
電荷がアルミニウム及び酸素を含む少なくとも１つの絶縁層の周囲を移動し、基板のコンタクトに至る、
付記１９に記載の波長可変光源。
［付記２９］
インジウム、ガリウム及びヒ素を含む厳密に３つの圧縮歪量子井戸と、
ガリウム、ヒ素及びリンを含む少なくとも１つの引張歪障壁と、
を備える、
付記１９に記載の波長可変光源。
［付記３０］
前記波長可変放射が第１の波長反復周波数及び第１の反復周期で時間と共に周期的な波長の変化をするように、前記ＶＣＬは前記エアギャップを周期的に調整する周期的な調整波形によって駆動される、波長可変光源であって、
少なくとも１つの前記波長可変放射の時間的に遅延した複製を生成する少なくとも１つの光学的遅延線と、
多重化された波長掃引放射を生成するためにすべての前記時間的に遅延した複製を組み合わせて１つの共通の光路にするコンバイナと、
前記第１の波長反復周期の時間的ウインドウの間、前記ＶＣＬをオフにする第５の手段と、
をさらに備え、
前記多重化された波長掃引放射は前記第１の波長反復周波数の整数倍である第２の波長反復周波数を有する、
付記１に記載の波長可変光源。
［付記３１］
前記第５の手段は電気的にポンピングされるＶＣＬにおいて駆動電流を変化させることを備える、
付記３０に記載の波長可変光源。
［付記３２］
少なくとも１つの付記１に記載の波長可変光源であって、前記波長可変放射が前記波長範囲にわたって繰り返し調整されるように、前記ＶＣＬは、前記エアギャップを周期的に調節する周期的な調整波形によって駆動される、波長可変光源と、
前記波長可変放射をサンプル及び基準光路に分割するスプリッタと、
前記サンプルからの反射と前記基準光路を横切る光との間の干渉信号を検出する光検出器と、
前記干渉信号からイメージを構成する信号処理システムと、
を備える、光コヒーレンストモグラフィのためのシステム。
［付記３３］
前記サンプルは、生体内のヒトの眼である、
付記３２に記載のシステム。
［付記３４］
前記イメージは、前眼部及び網膜の両方の部分を含む、
付記３３に記載のシステム。
［付記３５］
前記波長掃引放射の動的コヒーレンス長は、１００ｍｍを超える、
付記３２に記載のシステム。
［付記３６］
少なくとも１つの付記６に記載の波長可変光源であって、前記波長可変放射が前記波長範囲にわたって繰り返し調整されるように、前記ＶＣＬは、前記エアギャップを周期的に調節する周期的な調整波形によって駆動される、波長可変光源と、
前記波長可変放射をサンプル及び基準光路に分割するスプリッタと、
前記サンプルからの反射と前記基準光路を横切る光との間の干渉信号を検出する光検出器と、
前記干渉信号からイメージを構成する信号処理システムと、
を備える、光コヒーレンストモグラフィのためのシステム。
［付記３７］
前記サンプルは、生体内のヒトの眼である、
付記３６に記載のシステム。
［付記３８］
前記イメージは、前眼部及び網膜の両方の部分を含む、
付記３７に記載のシステム。
［付記３９］
前記波長掃引放射の動的コヒーレンス長は、１００ｍｍを超える、
付記３６に記載のシステム。
［付記４０］
少なくとも１つの付記１４に記載の波長可変光源であって、前記波長可変放射が前記波長範囲にわたって繰り返し調整されるように、前記ＶＣＬは、前記エアギャップを周期的に調節する周期的な調整波形によって駆動される、波長可変光源と、
前記波長可変放射をサンプル及び基準光路に分割するスプリッタと、
前記サンプルからの反射と前記基準光路を横切る光との間の干渉信号を検出する光検出器と、
前記干渉信号からイメージを構成する信号処理システムと、
を備える、光コヒーレンストモグラフィのためのシステム。
［付記４１］
前記サンプルは、生体内のヒトの眼である、
付記４０に記載のシステム。
［付記４２］
前記イメージは、前眼部及び網膜の両方の部分を含む、
付記４１に記載のシステム。
［付記４３］
前記波長掃引放射の動的コヒーレンス長は、１００ｍｍを超える、
付記４０に記載のシステム。
［付記４４］
少なくとも１つの付記１９に記載の波長可変光源であって、前記波長可変放射が前記波長範囲にわたって繰り返し調整されるように、前記ＶＣＬは、前記エアギャップを周期的に調節する周期的な調整波形によって駆動される、波長可変光源と、
前記波長可変放射をサンプル及び基準光路に分割するスプリッタと、
前記サンプルからの反射と前記基準光路を横切る光との間の干渉信号を検出する光検出器と、
前記干渉信号からイメージを構成する信号処理システムと、
を備える、光コヒーレンストモグラフィのためのシステム。
［付記４５］
前記サンプルは、生体内のヒトの眼である、
付記４４に記載のシステム。
［付記４６］
前記イメージは、前眼部及び網膜の両方の部分を含む、
付記４５に記載のシステム。
［付記４７］
前記波長掃引放射の動的コヒーレンス長は、１００ｍｍを超える、
付記４４に記載のシステム。
【図１】
0006553019.tif 000002
【図２】
0006553019.tif 000003
【図３】
0006553019.tif 000004
【図４】
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【図５】
0006553019.tif 000006
【図６】
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【図７】
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【図８】
0006553019.tif 000009
【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】
0006553019.tif 000014
【図１４】
0006553019.tif 000015
【図１５】
0006553019.tif 000016
【図１６】
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