(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
下部反射鏡と、活性層と、上部反射鏡と、をこの順に有し、前記活性層と前記上部反射鏡との間に空隙部を備える面発光レーザであって、前記空隙部の光路上に、前記空隙部の屈折率よりも大きい屈折率を有するスラブ部が設けられており、前記スラブ部のうち、光軸方向の上端及び下端が前記空隙部と接しており、
前記上部反射鏡及び前記下部反射鏡の少なくともいずれか一方の光軸方向の位置を変化させることで、出射する光の波長を変化させるために、前記上部反射鏡及び前記下部反射鏡の少なくともいずれか一方の光軸方向の位置が変化するように構成されており、前記上部反射鏡の位置を変化させる場合は、前記空隙部内に形成される光定在波の任意の一つの腹と、前記腹の前記上部反射鏡側の節との間に、前記スラブ部の光軸方向の中心が位置し、前記下部反射鏡の位置を変化させる場合は、前記空隙部内に形成される光定在波の任意の一つの腹と、前記腹の前記下部反射鏡側の節との間に、前記スラブ部の光軸方向の中心が位置している面発光レーザ。
【請求項２】
前記上部反射鏡と前記下部反射鏡とで形成される共振器の光軸方向の光学厚さが、前記面発光レーザの中心波長の１０倍以下である請求項１に記載の面発光レーザ。
【請求項３】
前記共振器の光軸方向の光学厚さが、前記面発光レーザの中心波長の３倍以下である請求項２に記載の面発光レーザ。
【請求項４】
前記スラブ部の前記光軸方向の光学厚さが、０より大きく、前記面発光レーザの中心波長の１／２より小さい範囲、またはその光学厚さに前記中心波長の整数倍の半分を加えた厚さである請求項１乃至３のいずれか一項に記載の面発光レーザ。
【請求項５】
前記スラブ部の前記光軸方向の光学厚さが、前記面発光レーザの中心波長の１／８より大きく３／８より小さい範囲、またはその光学厚さに前記中心波長の整数倍の半分を加えた厚さである請求項１乃至４のいずれか一項に記載の面発光レーザ。
【請求項６】
前記面発光レーザの中心波長を１０６０ｎｍ、前記スラブ部の屈折率を３．１２としたときに、前記スラブ部の光軸方向の厚さが、４０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である請求項１乃至５のいずれか一項に記載の面発光レーザ。
【請求項７】
前記面発光レーザの中心波長を１０６０ｎｍ、前記スラブ部の屈折率を３．１２としたときに、前記スラブ部の光軸方向の厚さが、６０ｎｍ以上８０ｎｍ以下である請求項１乃至６のいずれか一項に記載の面発光レーザ。
【請求項８】
前記スラブ部を変位させるように構成されている請求項１乃至７のいずれか一項に記載の面発光レーザ。
【請求項９】
下部反射鏡と、活性層と、上部反射鏡と、をこの順に有し、前記活性層と前記上部反射鏡との間に空隙部を備える面発光レーザであって、前記空隙部の光路上に前記空隙部の屈折率よりも大きい屈折率を有するスラブ部が設けられており、前記スラブ部のうち、光軸方向の上端及び下端が前記空隙部と接しており、
前記上部反射鏡及び前記下部反射鏡の少なくともいずれか一方の光軸方向の位置を変化させることで、出射する光の波長を変化させる面発光レーザであって、
前記空隙部に形成される光定在波の、前記スラブ部の中心における光強度が、前記空隙部の光軸方向の距離がＡである状態の方が、前記空隙部の光軸方向の距離が前記Ａより小さいＢである状態よりも大きくなるような位置に、前記スラブ部が設けられている面発光レーザ。
【請求項１０】
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９のいずれか一項に記載の面発光レーザである光干渉断層計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、波長可変型面発光レーザ、及び前記面発光レーザを用いた光干渉断層計に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ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。
【０００３】
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波長可変のＶＣＳＥＬ構造が知られている。
【０００４】
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。従来の波長可変ＶＣＳＥＬでは、一方の反射鏡と、それ以外の層（通常は半導体層）との間にエアギャップを設けた構成で、一方の反射鏡を変位させる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（特許文献１）。
【０００５】
ここで、波長可変ＶＣＳＥＬにおいて、反射鏡の変位量に対するレーザ発振波長の変化量を波長チューニング効率と呼ぶことがある。波長チューニング効率が大きいほど、ある幅の波長変化をさせるために必要な反射鏡の変位量を小さくできるので、反射鏡の機械的駆動のための電圧を下げられる。また、波長可変速度を高めるために、反射鏡の共振周波数を大きくなるような構成にすることが考えられるが、そのような構成では一般にばね定数も大きくなってしまい、反射鏡の変位量が小さくなってしまう。しかし、波長チューニング効率が大きい場合、ある幅の波長変化をさせるために必要な反射鏡の変位量が小さいため、広い波長可変幅を確保しつつ、波長可変速度を高くできる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第６５４９６８７号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明者は、従来の波長可変ＶＣＳＥＬでは、波長チューニング効率向上に限界があるという課題を見出した。すなわち、波長チューニング効率は、エアギャップ長を固定したとき、共振器長のうち、エアギャップ以外の長さ（半導体共振器長ということがある）が短い構成ほど、波長チューニング効率が大きくなる。しかし、半導体層の上下端面に電極を設けて、それらの電極によって活性層に電流を注入して発光させるＶＣＳＥＬにおいて、半導体共振器長が短い場合、電流の拡散や狭窄を行うための層を十分に設けることができない。そのため、発光領域以外への無駄な電流が生じたり、電極から活性層の一部の領域のみしか電流が注入されないといったことが起こりえるため、電流注入量に対する発光効率が悪くなる。つまり、半導体の共振器長が短いと発光効率が悪くなる場合がある。したがって、本発明者は、半導体共振器長を短くすることなく、波長チューニング効率を上げる方法が必要であることを見出したのである。
【０００８】
本発明は、上記課題に鑑み、半導体共振器長を短くすることなく、波長チューニング効率を向上させることが可能とな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】
【０００９】
本発明に係る面発光レーザは、下部反射鏡と、活性層と、上部反射鏡と、をこの順に有し、前記活性層と前記上部反射鏡との間に空隙部を備える面発光レーザであって、前記空隙部の光路上に前記空隙部の屈折率と異なる屈折率を有するスラブ部が設けられており、前記上部反射鏡及び前記下部反射鏡の少なくともいずれか一方の光軸方向の位置を変化させることで、出射する光の波長を変化させる面発光レーザであって、前記空隙部内に形成される光定在波の任意の一つの腹と、前記腹の前記上部反射鏡側に隣接する節との間に、前記スラブ部の光軸方向の中心が位置していることを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態に係る面発光レーザ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の光学特性を示す計算結果である。
【図３】本発明の実施形態に係る面発光レーザおいてスラブ部と光強度分布の位置関係が及ぼす影響を説明するための計算結果である。
【図４】本発明の実施形態に係る面発光レーザにおける、スラブ部付近の光強度分布を説明するための計算結果である。
【図５】本発明の実施形態に係る面発光レーザにおける、共振器長が及ぼす影響を説明するための計算結果である。
【図６】本発明の実施形態に係る面発光レーザにおけるスラブ部の光学厚さが及ぼす影響を説明するための計算結果である。
【図７】本発明の実施形態に係る面発光レーザにおいて、スラブ部の下の層（下部反射鏡側の層）の屈折率が及ぼす影響を説明するための計算結果である。
【図８】本発明の実施例１における面発光レーザの構成を示す断面模式図である。
【図９】従来の波長可変ＶＣＳＥＬの構造を示す断面模式図である。
【図１０】従来の波長可変ＶＣＳＥＬの光学特性を示す計算結果である。
【図１１】波長チューニング効率と縦モード間隔の関係を説明するための計算結果である。
【図１２】本発明の実施形態に係る光干渉断層計を示す模式図である。
【図１３】本発明の実施例２における面発光レーザの構成を示す模式断面図である。
【図１４】本発明の実施例３における面発光レーザの構成を示す模式断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
（実施形態１）
以下に、本発明の実施形態における波長可変型の垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）について説明する。
はじめに、本明細書中で使用する用語について定義する。
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。
【００１２】
本明細書中で、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。また、本明細書中で、スラブ部や活性層の「中心」と言うときは、光軸方向における厚みの半分の位置を意味する。なお、光軸方向とは、後述する上部反射鏡と下部反射鏡を結ぶ方向であり、基板の主面に垂直な方向である。
【００１３】
また、本明細書において１λは１波長を意味する。このときの波長は特に断らない限り面発光レーザの中心波長である。
なお、本明細書における計算結果は、マクスウェル方程式の境界条件を考慮し、転送行列法を用いて共振器内の電磁場の分布を計算することで得た。
【００１４】
（従来技術の課題の説明）
まず、従来の波長可変ＶＣＳＥＬの有する課題について詳細を説明する。図９に、従来の波長可変ＶＣＳＥＬの断面模式図を示す。
【００１５】
図９の波長可変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１０６０ｎｍ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９００と下部反射鏡９１０の間に活性層９２０と空隙部９３０を挟んだ共振器構造が基板９４０上に配置されている。上部および下部反射鏡９００、９１０には、多層膜で形成した分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ）が用いられている。活性層９２０は、下部クラッド層９５０と上部クラッド層９６０とに狭持されている。ここで、上部反射鏡９００と下部反射鏡９１０の間の光学厚さを共振器長９７０と呼び、上部クラッド層と空隙部との界面から下部反射鏡９１０と下部クラッド層９５０との界面までの光学厚さを半導体共振器長と呼ぶ。上部反射鏡９００を光軸方向に動かすことで空隙部９３０の長さを変え、共振器長を変えることができる。それに伴ってレーザ発振波長が変化する。なお、ここでいう光軸方向とは、上部反射鏡と下部反射鏡を結ぶ方向であり、基板の主面に垂直な方向であり、図中では上下方向に相当する。図１０に、図９に示した波長可変ＶＣＳＥＬ構造の空隙部の長さ（エアギャップ長）とレーザ発振波長との関係を計算した結果を示す。計算は半導体共振器長９８０の異なる３種類の構造について行った。
【００１６】
この計算結果から、半導体共振器長９８０が短くなるほどグラフの傾きが大きくなることがわかる。グラフの傾きは、エアギャップ長（ｄａｉｒ）の変化に対するレーザ発振波長（λ）の変化（∂λ／∂ｄａｉｒ）を表しており、これを波長チューニング効率と呼ぶ。したがって、半導体共振器長が短くなるほど、波長チューニング効率が大きくなると言える。
【００１７】
波長チューニング効率を大きくすることは縦モード間隔を広げることにもつながる。縦モード間隔が狭い場合、モードホップによってレーザ発振波長が不連続的に跳んでしまったり、複数波長で同時に発振してしまったりして、シングルモードでの波長可変幅を制限する要因となる。縦モード間隔を広げることで、この制限を解消することが可能となる。
【００１８】
波長チューニング効率が縦モード間隔に与える影響について、図１１に示した計算結果を用いて説明する。
【００１９】
図１１（ａ）と（ｂ）はそれぞれ、波長チューニング効率（中心波長付近）、約０．０１５、約０．１２である共振器構造の計算結果である。どちらも中心波長１０６５ｎｍ付近で波長可変となるように設計した波長可変ＶＣＳＥＬであるが、共振器構造の違いにより波長チューニング効率が異なっている。
【００２０】
図１１（ａ）によると、
隣の次数の縦モードとの波長間隔は約２５ｎｍとなっている
図１１（ｂ）によると、
隣の次数の縦モードとの波長間隔は約６０ｎｍとなっている
このように、波長チューニング効率が大きい方が縦モード間隔も広がる傾向にあることが確認できる。
【００２１】
先に述べた課題についてより詳しく説明する。
【００２２】
図１０に示した計算結果を用いて説明したように、波長チューニング効率の大きさは半導体共振器長に依存することが知られている。波長チューニング効率を大きくするためには半導体共振器長を短くすることが有効であるが、現実的には限界がある。
【００２３】
特に、電流注入によってレーザ発振する構造の場合は電流の拡散や狭窄のための層を設ける必要があるため、光励起によってレーザ発振させる構造に比べて半導体共振器長を長くする必要があり、波長チューニング効率を大きくすることが難しい。
【００２４】
そのため、半導体共振器長を短くする以外の方法で波長チューニング効率を向上させる方法が望まれている。本実施形態に係る面発光レーザでは、共振器中の空隙部の適切な位置に実効共振器長変化の増幅用の部材（スラブ部）を配置することで、波長チューニング効率を向上させることができる。実効共振器長とは、実際の長さにその屈折率をかけ、さらに光強度を考慮したときの共振器長である。
【００２５】
ここで言う適切な位置とは、中心波長において空隙部内に形成される光定在波の任意の一つの腹と、その腹の上部反射鏡側に隣接する節との間にスラブ部の光軸方向の中心が配置されるような位置のことである。
【００２６】
すなわち、中心波長において空隙部内に形成される光定在波の、スラブ部の光軸方向の中心における光強度が、空隙部の光軸方向の距離がＡである状態の方が、空隙部の光軸方向の距離がＡより小さいＢである状態よりも大きくなるような位置である。すなわち、中心波長付近でレーザ発振している波長可変ＶＣＳＥＬにおいて、エアギャップ長を大きくした場合にスラブ部の光強度分布が増し、エアギャップ長を縮めた場合にスラブ部の光強度分布が減るような位置のことである。ここで、空隙部の光軸方向の距離は、図１ではｄで示される。
【００２７】
光定在波の腹や節の位置は、レーザ発振波長と、下部反射鏡からの光学距離と、下部反射鏡での反射時の位相変化によって決まるので、それに合わせてスラブ部の位置を決めることができる。
【００２８】
実効共振器長変化の増幅という意味は、上部反射鏡の変位によってエアギャップ長が変わって共振器長が変化する際に、実際に変化した長さ以上に実効的な光学厚さが変化するような効果を持たせることである。
【００２９】
スラブ部に上記の効果を持たせるためには、バックグラウンドである空隙部の屈折率よりも大きい屈折率を部材が有する必要がある。
空隙部は気体や液体を充填することができ、真空にすることもできる。ここで言う真空とは、気圧が標準大気圧より低い負圧の状態を指すこととする。
本明細書中では、空隙部には空気が充填されているものと想定し、屈折率は１であるとして計算を行った。
【００３０】
（面発光レーザ）
本発明の実施形態１に係る面発光レーザについて、図１を用いて説明する。
【００３１】
本実施形態に係る面発光レーザ１は、基板１５０、下部反射鏡１１０、下部クラッド層１７０、活性層１２０、上部クラッド層１８０、反射防止膜１６０、上部反射鏡１００と、をこの順に有する。そして、活性層１２０と上部反射鏡１００との間に空隙部１３０を備える。
【００３２】
空隙部１３０の光路上には、空隙部１３０の屈折率と異なる屈折率を有するスラブ部１４０が設けられている。本実施形態では、上部反射鏡１００および下部反射鏡１１０として、多層膜で形成した分布ブラッグ反射鏡（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｂｒａｇｇ  Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ、ＤＢＲ）を使用している。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、光定在波が形成される。上部反射鏡１００は光軸方向（図１の両矢印Ｌで示す方向）に変位させることができる。そして、上部反射鏡１００と反射防止膜１６０との間の空隙部１３０の長さｄ（エアギャップ長と呼ぶことがある）が変わることで共振器長が変化し、共振波長が変わる。なお、空隙部の長さｄは、活性層１２０や下部反射鏡１１０を含む半導体積層体と、上部反射鏡１００との間の光軸上の距離である。例えば、図１において、反射防止膜１６０が形成されていない場合、上部反射鏡１００と上部クラッド層１８０との間の距離であり、反射防止膜も上部クラッド層も設けられていない場合、上部反射鏡１００と活性層１２０との間の距離である。
【００３３】
したがって、本実施形態に係る面発光レーザ１は例えば、上部反射鏡１００の位置を変える駆動部１９０を用いて、上部反射鏡１００の光軸方向の位置を変化させることでエアギャップ長が変わり、出射する光の波長を変化させることができる。
【００３４】
本実施形態に係る面発光レーザでは、スラブ部１４０の光軸方向（図１のＬ）の位置を適切に配置することで、波長チューニング効率を向上させることができる。
【００３５】
適切に配置するとは具体的には、中心波長において空隙部１３０内に形成される光定在波の任意の一つの腹と、それに隣接する上部反射鏡１００側の節との間に、スラブ部１４０の光軸方向の中心が位置するようにすることである。
【００３６】
なお、下部反射鏡１１０の位置を変化させる場合は、空隙部１３０内に形成される光定在波の任意の一つの腹と、この腹の下部反射鏡１１０側の節との間に、スラブ部１４０の光軸方向の中心が位置するようにする。
【００３７】
図２に、本実施形態に係る面発光レーザで得られる効果を説明するための計算結果の一例を示す。
【００３８】
空隙部にスラブ部が配置されていない従来の波長可変ＶＣＳＥＬ構造と、本実施形態に係る面発光レーザにおける空隙部の適切な位置ａにスラブ部を配置した構造と、比較用に空隙部の適切ではない位置ｂにスラブ部を配置した構造の計算結果の例を示している。全て中心波長１０６５ｎｍ付近で波長可変となるように設計された波長可変ＶＣＳＥＬ構造である。
【００３９】
スラブ部を配置していない構造の、中心波長付近での波長チューニング効率は約０．０５である。
【００４０】
空隙部の適切な位置ａにスラブ部を配置した構造の、中心波長付近での波長チューニング効率は約０．２４である。
【００４１】
空隙部の適切ではない位置ｂにスラブ部を配置した構造の、中心波長付近での波長チューニング効率は約０．００６である。
【００４２】
このように、空隙部の適切な位置にスラブ部を配置することで波長チューニング効率を向上させることができる。
【００４３】
本発明を適用した構成における適切なスラブ部の位置について説明する。
【００４４】
図３に、スラブ部と光定在波（光強度分布）の位置関係が波長チューニング効率に与える影響を説明するための計算結果を示す。
【００４５】
本発明を適用した、波長８００〜９００ｎｍ付近で波長可変となるように設計された波長可変ＶＣＳＥＬについて計算したものである。
【００４６】
図３（ｄ）は、レーザ発振波長とエアギャップ長の関係を計算したものである。図３（ｄ）のグラフでは、グラフの傾き、つまり波長チューニング効率が途中で変わり、折れ曲がった形になっている。
【００４７】
波長チューニング効率の大きい点（ａ）、グラフの折れ曲がる点（ｂ）、波長チューニング効率の小さい点（ｃ）の代表的な３点における、スラブ部付近の屈折率分布と光強度分布を計算した結果を図３（ａ）〜（ｃ）に示す。破線が屈折率分布を示し、実線が光強度分布を示す。屈折率が高くなっている部分が空隙部に配置されたスラブ部に相当する。
【００４８】
なお、図示の都合上、図３（ａ）〜（ｃ）の左右方向が実際の波長可変ＶＣＳＥＬ構造の上下方向に対応する。
【００４９】
点（ａ）においては、光定在波の腹３０１と、その上部反射鏡側の隣接する節３０２との間にスラブ部の中心３０３が位置している。すなわち、スラブ部が、空隙部の適切な位置ａに設けられている場合である。
（ｂ）においては、光定在波の腹３０１付近にスラブ部の中心３０３が位置している。
（ｃ）においては、光定在波の腹３０１と、その下部反射鏡側の隣接する節３０２との間にスラブ部の中心３０３が位置している。すなわち、スラブ部が、空隙部の適切でない位置ｂに設けられている場合である。
【００５０】
なお、先に述べたように、本計算に用いた構造において、空隙部に配置されたスラブ部から見て上側の反射鏡（上部反射鏡）が光軸方向に可動となっている。
【００５１】
つまり、光定在波の腹と、それに隣接する上部反射鏡側の節との間にスラブ部を配置した状態が点（ａ）に相当する。
【００５２】
（波長チューニング効率向上の原理）
上記の位置にスラブ部を配置することで波長チューニング効率が向上する理由を定性的に説明する。
【００５３】
本発明を適用した波長可変ＶＣＳＥＬにおいて、エアギャップ長の変化に伴ってレーザ発振波長が変わる要因は２つある。
【００５４】
１つ目は、共振器の見た目の長さが変わることによる影響である。
【００５５】
エアギャップ長が伸びると、見た目の共振器長が伸びる。共振器の光学厚さは、見た目の共振器長に屈折率をかけた値で表されるので、見た目の共振器長が伸びると基本的には光学的な共振器長が伸び、レーザ発振波長が長波長側に変化する。これは従来の波長可変ＶＣＳＥＬにおいてレーザ発振波長を変える原理として一般に知られているものである。
【００５６】
２つ目は、実効的な屈折率が変わることによる影響である。
【００５７】
空隙部に配置されたスラブ部の屈折率がバックグラウンドである空隙部の屈折率と異なる場合、スラブ部内に存在する光の割合が変わると光が感じる実効的な屈折率が変わる。
【００５８】
例えば、スラブ部の屈折率がバックグラウンドである空隙部の屈折率より大きい場合、スラブ部内に存在する光の割合が増すと、光が感じる実効的な屈折率が増す。
【００５９】
その結果、実効的な光学厚さが伸びてレーザ発振波長が伸びる。
【００６０】
上記の２つの影響が強め合う場合は波長チューニング効率が大きくなり、弱めあう場合は波長チューニング効率が小さくなる。本実施形態に係る面発光レーザの構成では、上記２つの影響が強めあうような構成にする。
【００６１】
つまり、エアギャップ長を伸ばした場合にスラブ部中の光強度分布が増し、エアギャップ長を縮めた場合にスラブ部中の光強度分布が減るような構成のことである。
【００６２】
より具体的に言うと、中心波長において共振器内に形成される光定在波の任意の一つの腹と、その腹の上部反射鏡側に隣接する節との間に前記スラブ部の中心が配置されるような構成のことである。
【００６３】
本実施形態に係る面発光レーザの構成によって波長チューニング効率が向上する原理について、図４を用いて説明する。
【００６４】
図４には、中心波長１０６５ｎｍ付近で波長可変となるように設計された波長可変ＶＣＳＥＬ構造の空隙部に配置したスラブ部付近の屈折率と光定在波（光強度分布）の計算結果を示している。破線が屈折率分布を示し、実線が光強度分布を示す。屈折率が高くなっている部分が空隙部に配置されたスラブ部に相当する。
【００６５】
図４（ａ）〜（ｃ）は適切ではない位置にスラブ部を配置した構成についての計算結果であり、本実施形態に係る面発光レーザの構成との比較用に示したものである。図４（ａ）〜（ｃ）のいずれも、光強度分布の腹４０１と下部反射鏡側に隣接する節４０２との間に、スラブ部４０３の光軸上の中心が位置している。
【００６６】
図４（ｂ）は、中心波長付近でレーザ発振するようなエアギャップ長を持った構成についての計算結果である。
【００６７】
図４（ａ）は、図４（ｂ）よりエアギャップ長が１００ｎｍ短い構成についての計算結果である。
【００６８】
図４（ｃ）は、図４（ｂ）よりエアギャップ長が１００ｎｍ長い構成についての計算結果である。
【００６９】
図４（ｄ）〜（ｆ）は適切な位置にスラブ部を配置した構成、つまり本実施形態に係る面発光レーザの構成についての計算結果である。図４（ｄ）〜（ｆ）のいずれも、光強度分布の腹４０１と上部反射鏡側に隣接する節４０２との間に、スラブ部４０３の光軸上の中心が位置している。
【００７０】
図４（ｅ）は、中心波長付近でレーザ発振するようなエアギャップ長を持った構成についての計算結果である。
【００７１】
図４（ｄ）は、図４（ｅ）よりエアギャップ長が１００ｎｍ短い構成についての計算結果である。
【００７２】
図４（ｆ）は、図４（ｅ）よりエアギャップ長が１００ｎｍ長い構成についての計算結果である。
【００７３】
光強度分布がスラブ部と重なっている範囲にハッチングをかけている。この範囲の面積がスラブ部内に存在する光の割合に対応している。
【００７４】
なお、図示の都合上、図４の左右方向が実際の波長可変ＶＣＳＥＬ構造の上下方向に対応する。
【００７５】
図４（ａ）〜（ｃ）に示した計算結果では、エアギャップ長が伸びるにつれてスラブ部内に存在する光が小さくなっていく。これは、先に説明したレーザ発振波長を変える２つの影響が弱めあう場合に相当し、波長チューニング効率が小さくなる。
【００７６】
一方、図４（ｄ）〜（ｆ）に示した計算結果では、エアギャップ長が伸びるにつれてスラブ部内に存在する光が大きくなっていく。これは、先に説明したレーザ発振波長を変える２つの影響が強め合う場合に相当し、波長チューニング効率が大きくなる。
【００７７】
その結果、図２や図３を用いて説明したような波長チューニング効率の違いが生じる。
【００７８】
光定在波の腹や節の位置は、レーザ発振波長λと、下部反射鏡からの光学距離と、下部反射鏡での反射時の位相変化によって決まるので、それに合わせてスラブ部の位置を決めることができる。
【００７９】
下部反射鏡での光反射時の位相変化が０で自由端反射となる場合、下部反射鏡の上端からの距離がλ／２×ｍとなる場所に腹、λ／２×ｍ＋λ／４となる場所に節が位置する。（ｍは自然数、以下同じ。）
光反射時の位相変化がπで固定端反射となる場合、下部反射鏡の上端からの距離がλ／２×ｍ＋λ／４となる場所に腹、λ／２×ｍとなる場所に節が位置する。
【００８０】
中心波長λｃにおいて、下部反射鏡の上端からスラブ部の光軸方向の中心までの距離Ｌが、
λｃ／２×ｍ＜Ｌ＜λｃ／２×ｍ＋λｃ／４（自由端反射の場合）λｃ／２×（ｍ−１）＋λｃ／４＜Ｌ＜λｃ／２×ｍ（固定端反射の場合）の関係にある時に、中心波長λｃ付近で波長チューニング効率が大きくなる。
【００８１】
下部反射鏡での光反射時の位相変化が０やπではない場合は、その位相変化量に応じて上記２つの場合の中間的な位置にスラブ部を置くことができる。
【００８２】
本明細書中では、特に言及しないかぎり上部および下部反射鏡の界面での光反射は自由端反射となるような構成になっているものとする。
【００８３】
先に図１０を用いて説明したように、ＶＣＳＥＬ構造においては半導体共振器長が長くなるほど波長チューニング効率が小さくなることが知られている。ここで、半導体共振器長は、上部反射鏡と下部反射鏡とで形成される共振器のうち、空隙部を除いた光軸方向の長さのことである。図５に、共振器長（半導体共振器と空隙部を合わせた光路長）と波長チューニング効率の関係を計算した結果を示す。
【００８４】
横軸は、共振器の実際の長さと、中心波長λｃで規格化した値の２つを上下の軸に示している。
【００８５】
図５によると、半導体共振器長が、本実施形態に係る面発光レーザの中心波長の２０倍以下（２０λ以下）、１０倍以下（１０λ以下）になると波長チューニング効率が急激に増大する。また、波長チューニング効率をさらに向上させ、活性層の発光効率を維持するために、半導体共振器長が例えば中心波長の３倍以下であることが好ましい。
【００８６】
（スラブ部）
本実施形態においてスラブ部は、共振器内の光強度分布を変化させるために、空隙部の屈折率と異なる屈折率を有するものであれば特に限定されない。また、スラブ部の屈折率が、空隙部の屈折率よりも大きいことが好ましい。
【００８７】
スラブ部の材料としては、面発光レーザの出射する光の波長や、スラブ部を作製するプロセスなどを考慮して適切に選択することが好ましい。スラブ部の具体的な材料としては、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０＜ｘ＜１、好ましくは０．６≦ｘ≦０．８））、ＧａＡｓ、Ｓｉ、ＧａＮが挙げられる。これらの材料を用いてスラブ部を作製するために犠牲層プロセスを用いる場合、スラブ部の材料と犠牲層とエッチャントの組み合わせとしては以下のものが挙げられる。すなわち、「スラブ部、犠牲層、エッチャント」の材料をそれぞれ「ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０＜ｘ＜１）、ＧａＡｓ、クエン酸水溶液及び過酸化水素水」、「ＧａＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰまたはＡｌＩｎＰまたはＧａＩｎＰ、塩酸」、「ＧａＡｓ、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０．９≦ｘ）、ＢＨＦ」、「Ｓｉ、ＳｉＯ２、ＢＨＦ」、「ＧａＮ、（ＡｌＩｎＮ）Ｏｘ、ＮＴＡ：ＫＯＨ」とすることが好ましい。
【００８８】
スラブ部は、後述のＭＥＭＳ機構などによって変位させることができる。
【００８９】
本実施形態におけるスラブ部の最適な光学厚さについて説明する。
【００９０】
図６に、本実施形態におけるスラブ部の光学厚さと中心波長１０６０ｎｍ付近での波長チューニング効率の関係を計算した結果の一例を示す。本計算ではスラブ部の屈折率は３．１２であるとした。スラブ部の光学厚さが７０ｎｍ付近で波長チューニング効率が最大値をとり、スラブ部が薄すぎても厚すぎても最大の効果を得られなくなることがわかる。なお、波長チューニング効率が最大値を取るスラブ部の光学厚さは、概ね中心波長の１／４となっており、その前後で効果が高いことがわかる。
【００９１】
この計算結果から、効果を得るためには、スラブ部の光学厚さが０より大きく面発光レーザの中心波長の１／２より小さいことが好ましく、中心波長の１／８より大きく３／８より小さいことが好ましい。
【００９２】
また、上記の値に中心波長の整数倍の半分の厚さを加えた光学厚さであっても、光学的に同等の効果が得られる。
【００９３】
また、図６に示すように、本実施形態におけるスラブ部の厚さは、４０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることが好ましく、６０ｎｍ以上８０ｎｍ以下であることがさらに好ましい。
【００９４】
本実施形態に係る面発光レーザにおいて、スラブ部が空隙部の下端に配置されており、スラブ部の下側が空隙部ではない構成も取り得る。その場合も、空隙部内にスラブ部が配置されていると解釈する。
【００９５】
そのような構成を採る場合は、スラブ部の下に隣接する層の屈折率が重要になる。
【００９６】
図７に、スラブ部の下に隣接する層の屈折率と波長チューニング効率の関係を計算した結果の一例を示す。
【００９７】
スラブ部の屈折率を３．１２と想定しており、グラフ中に縦方向の破線で示している。この破線より左側はスラブ部の下に隣接する層の屈折率がスラブ部の屈折率より小さく、右側はスラブ部の下に隣接する層の屈折率がスラブ部の屈折率より大きい領域に相当する。
【００９８】
空隙部にスラブ部を配置しない従来構造での波長チューニング効率の計算値は約０．２３であった。その値をグラフ中に横方向の破線で示している。それより大きい波長チューニング効率を持つ範囲は、スラブ部の下の屈折率がスラブ部の屈折率より小さい範囲と一致した。
【００９９】
したがって、スラブ部が空隙部の下端に配置されている構成の場合、スラブ部の下に隣接する層の屈折率はスラブ部の屈折率より小さい必要がある。
【０１００】
（活性層）
本実施形態における活性層は電流を注入することで光を発生する材料であれば特に限定されず、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。活性層を構成する材料の組成や層厚などはレーザ発振させたい波長に応じて適宜選択することができる。
【０１０１】
８５０ｎｍ付近の波長帯域の光を出射させる場合、活性層としてＡｌｎＧａ（１−ｎ）Ａｓ（０≦ｎ≦１）からなる量子井戸構造を有する材料を用いることができる。また、１０６０ｎｍ付近の波長帯域の光を出射させる場合、活性層としてＩｎｎＧａ（１−ｎ）Ａｓ（０≦ｎ≦１）からなる材料などを用いることができる。
【０１０２】
また、本実施形態における活性層は十分に広い利得を有するものであることが好ましく、具体的には上部反射鏡および下部反射鏡の反射帯域より広い波長領域において利得を有することが好ましい。そのような活性層としては、例えば、少なくとも２つ以上の異なるエネルギー準位で発光が可能な量子井戸構造を有する活性層が挙げられる。また、量子井戸構造は、単量子井戸または多重量子井戸を有するように複数の層で構成されたものであってもよい。
【０１０３】
本実施形態における活性層の材料・構造は、発振させたい波長に応じて適宜選択できる。
【０１０４】
また、本実施形態における活性層は光が照射されて励起されることによって発光してもよいし、電流が注入されることによって発光してもよい。したがって、本実施形態における面発光レーザまたは、後述する光干渉断層計は、活性層を励起するための励起光源を有していてもよいし、活性層に電流を注入するための電源を有していてもよい。電流注入によって発光させる場合は電極を設ける必要があるが、本明細書および図面では記載を簡潔にするために電極は省略している。
【０１０５】
（第一のクラッド層、および第二のクラッド層）
本発明の実施形態においては、光やキャリアを閉じ込めるためにクラッド層が設けられる。また本発明の実施形態においては、共振器長を調整するためのスペーサとしての役割もクラッド層が担っている。
【０１０６】
本実施形態における第一のクラッド層、第二のクラッド層として、出射する波長帯域によりＡｌの組成を適宜選択したＡｌＧａＡｓ層を用いることができる。例えば、８５０ｎｍ付近の波長帯域の光を出射させる場合には光吸収を避けるためにＡｌ組成３０％以上のＡｌＧａＡｓ層を用いることができる。また、１０６０ｎｍ付近の波長帯域の光を出射させる場合には、光吸収を考慮する必要が無いためＧａＡｓ層または任意の組成のＡｌＧａＡｓ層を用いることができる。なお、電流注入により活性層を発光させる構成の場合は、第一のクラッド層と第二のクラッド層とは導電型が互いに異なるものである。なおクラッド層厚を調整する際には必ずしも第一のクラッド層と第二のクラッド層の厚さを同じにする必要はなく、電流拡散に必要な厚さなどを考慮して適宜選択できる。
【０１０７】
（電流狭窄層）
本実施形態において、レーザに注入された電流が流れる領域を制限するための電流狭窄層（不図示）を必要に応じて設けることができる。電流狭窄層は水素イオン打ち込み、あるいはクラッド層内に設けたＡｌ組成９０％以上のＡｌＧａＡｓ層を選択的に酸化することで形成される。本実施形態において電流狭窄層は、活性層に光が照射されて励起されることによって発光するような構造の場合には特に必要でなく、電流注入により発光するような構造の場合に好適に用いられる。
【０１０８】
（空隙部）
本実施形態における空隙部には通常固体が存在しない。よって、その雰囲気により空隙部は真空であってもよいし、空気、不活性ガス、水のような液体といった流体が存在してもよい。ここで言う真空とは、気圧が標準大気圧より低い負圧の状態を指すこととする。本明細書中では、空隙部には空気が充填されているものと想定し、屈折率は１であるとして計算を行った。
【０１０９】
なお、空隙部の長さ（図１のｄ）は、波長可変帯域幅や可動ミラーのプルインを考慮して決定することができる。例えば、空隙部に空気が充填され中心波長１０６０ｎｍ付近で波長可変幅１００ｎｍとなるように構成された３λないしは４λの共振器長の共振器においては、空隙部の長さｄは１μｍ程度となる。
【０１１０】
（駆動部）
本発明を適用した構成において、上部反射鏡やスラブ部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。
【０１１１】
例えば、ＭＥＭＳ機構を用いて電圧を印加することで駆動する駆動部や、ピエゾ等の圧電材料を用いて駆動する駆動部が挙げられる。すなわち、上部反射鏡または上部反射鏡が設けられた層と、下部反射鏡や活性層などが積層された積層体との間に光軸方向に静電力を発生させ、その静電力の大きさを変えることで、上部反射鏡を変位させることができる。駆動部や、下部反射鏡を変位させる場合も同様である。
【０１１２】
なお、片持ち梁構造でも、両持ち梁構造でもよい。
【０１１３】
本実施形態における駆動部は、上部反射鏡を変位させる構成であってもよいし、下部反射鏡を変位させる構成であってもよいし、両方を変位させる構成であってもよい。また、スラブ部を変位させるように構成されていてもよい。なお、本実施形態において、上部反射鏡とスラブ部と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。
【０１１４】
また、本実施形態に係る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。
【０１１５】
（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。実施形態による面発光レーザをＯＣＴの光源部に用いた例について図１２を用いて説明する。
【０１１６】
本実施形態に係るＯＣＴ装置１２は、光源部１２０１、干渉光学系１２０２、光検出部１２０３、情報取得部１２０４、を少なくとも有する構成であり、光源部１２０１として上述した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１２０４はフーリエ変換器を有する。ここで、情報取得部１２０４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１２０４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１２０４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１２０１から出た光は干渉光学系１２０２を経て測定対象の物体１２１２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１２０３において受光される。なお光検出部１２０３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１２０３から情報取得部１２０４に送られる。情報取得部１２０４では、受光された干渉光の強度の時間波形を取得してフーリエ変換をし、物体１２１２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１２０１、干渉光学系１２０２、光検出部１２０３、情報取得部１２０４を任意に設けることができる。
【０１１７】
以下、光源部１２０１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。
【０１１８】
光の波長を変化させる光源部１２０１から出た光は、ファイバ１２０５を通って、カップラ１２０６に入り、照射光用のファイバ１２０７を通る照射光と、参照光用のファイバ１２０８を通る参照光とに分岐される。カップラ１２０６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１２０９を通って平行光になり、ミラー１２１０で反射される。ミラー１２１０で反射された光はレンズ１２１１を通って物体１２１２に照射され、物体１２１２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１２１３を通ってミラー１２１４で反射される。カップラ１２０６では、物体１２１２からの反射光とミラー１２１４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１２１５を通り、コリメーター１２１６を通って集光され、光検出部１２０３で受光される。光検出部１２０３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１２０４に送られる。情報取得部１２０４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、ｋクロックを用いて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。
【０１１９】
得られた断層像の情報は、情報取得部１２０４から画像表示部１２１７に送って画像として表示させてもよい。なお、ミラー１２１０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１２１２の３次元の断層像を得ることができる。また、光源部１２０１の制御は情報取得部１２０４が電気回路１２１８を介して行ってもよい。また図示しないが、光源部１２０１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。本発明の実施形態による面発光レーザはレーザ光を出射させるための閾値電流の増大、発光効率の低下を抑制しつつ、広帯域にわたるレーザ光を発振できる。ここで言う抑制とは、完全にゼロにすることに限定されない。
【０１２０】
そのため、本実施形態における面発光レーザをＯＣＴ装置に用いた場合、レーザ光を出力するための電流を小さくしつつ、深さ分解能の高い断層像を取得できる。
【０１２１】
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。
【０１２２】
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。
【０１２３】
（他用途）
本発明の実施形態による面発光レーザは、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】
【０１２４】
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。
【０１２５】
以下の実施例では、レーザ発振波長として１０６０ｎｍ付近および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。
【０１２６】
（実施例１）
実施例１に係る面発光レーザについて、図８を用いて説明する。図８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。
【０１２７】
本実施例における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１０６０ｎｍ付近で波長掃引できるように設計されたものである。
【０１２８】
上から順に上部反射鏡８００、空隙部８３０、活性層８２０、下部反射鏡８１０、ＧａＡｓ基板８４０が配置されている。空隙部８３０中にはスラブ部８５０が配置されている。
上部反射鏡８００は、Ａｌ０．４Ｇａ０．６ＡｓとＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓを交互に３６．５ペア積層したＤＢＲで構成されている。
上部反射鏡８００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。図中では電圧印加用の電極は省略している。
【０１２９】
空隙部８３０には空気が充填されており、空隙部の長さ（エアギャップ長）は１６５０ｎｍ付近で可変となっている。
【０１３０】
活性層８２０はＧａＩｎＡｓからなる量子井戸層とＧａＡｓＰからなる障壁層を３周期積層した多重量子井戸構造で構成されている。
【０１３１】
活性層は電流注入により発光する。なお、図中では電流注入のための電極は省略している。
【０１３２】
空隙部８３０と下部反射鏡８１０の間の活性層を含む半導体多層膜の光学厚さは、中心波長１０６０ｎｍを１λとしたときに３λ付近に相当するように構成されている。
【０１３３】
下部反射鏡８１０はＧａＡｓとＡｌＡｓを交互に３０ペア積層した上にＡｌ０．４Ｇａ０．６ＡｓとＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓを交互に５ペア積層したＤＢＲで構成されている。
【０１３４】
本実施例の空隙部８３０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。
【０１３５】
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。
【０１３６】
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４：１の割合で混ぜたものをエッチャントとして用いた。このエッチャントでＧａＡｓとＡｌ０．７Ｇａ０．３Ａｓ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。
【０１３７】
計算によると、スラブ部８５０を設けない場合の中心波長１０６０ｎｍ付近での波長チューニング効率は約０．０５であるが、スラブ部８５０を設けることで０．２４に改善できる。
【０１３８】
このように、本発明を適用した構成では、従来よりも優れた波長チューニング効率が得られる。
【０１３９】
（実施例２）
図１３に、実施例２における面発光レーザの構成を説明する模式図を示す。図１３において、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体としてのＧａＡｓ層からなるｎ型の半導体基板１３０１の上には、ｎ型の多層膜ミラー１３０２が設けられている。ｎ型の多層膜ミラー（ＤＢＲ）１３０２はＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体としてのＡｌ０．８ＧａＡｓ層（６８．１ｎｍ厚）とＡｌ０．３ＧａＡｓ層（６２ｎｍ厚）とのペアが４５組繰り返し積層された積層体である。
【０１４０】
ＤＢＲ１３０２の上には、Ａｌ０．８ＧａＡｓ層（１０２．６ｎｍ厚）からなるｎ型のクラッド層１３０３が設けられている。ｎ型のクラッド層１３０３の上には、ＧａＡｓ井戸層（１０ｎｍ厚）とＡｌ０．３ＧａＡｓバリア層（１０ｎｍ厚）の組み合わせからなる三重量子井戸構造からなる活性層１３０４が設けられている。また、活性層１３０４の上には、Ａｌ０．８ＧａＡｓ層（３３７．４ｎｍ厚）からなるｐ型のクラッド層１３０５が、更に設けられている。
【０１４１】
可動ミラー１３０６は、シリコンカンチレバー（２μｍ厚）１３０７の先端側の部位の下方の面に設けられている。シリコンカンチレバー１３０７は、酸化シリコン層１３０８（１μｍ厚）、シリコンカンチレバー（２μｍ厚）１３０７、酸化シリコン膜（２．５μｍ厚）１３０９、シリコン基板１３１０により基板１３０１上に、間に幾つかの層を介して支持されている。可動ミラー１３０６は、ＳｉＯ２層（１４５．５ｎｍ厚）とＴｉＯ２層（９０ｎｍ厚）とのペアが１０組繰り返し積層された誘電体ＤＢＲである。なお、酸化シリコン層１３０８の層厚が空隙部の厚さとなり、可動ミラーが駆動していない状態での共振器長は３λとしている。またシリコンカンチレバーを静電引力で駆動するために電圧を印加するためのＴｉ／Ａｕ電極１３１１とＴｉ／Ａｕ電極１３１２を形成している。
【０１４２】
本実施例では、シリコンカンチレバー１３０７の先端側の部位の下方の面に可動ミラー１３０６を設けたが、上方の面に可動ミラー１３０６を設けてもよい。またミラーを設けた後に、シリコンカンチレバー１３０７の先端側の部位の一部を除去する構成としてもよい。
【０１４３】
また、クラッド層１３０５は、ｐ型のクラッド層１３０５の一部にプロトンのイオン打ち込みにより形成された電流狭窄層１３１３を有している。そのため、電極１３１６から供給された電流は、電流狭窄層１３１３の開口部分１３１５を通って、活性層１３０４に注入される。なお、本実施例の波長可変ＶＣＳＥＬを駆動する電極としては、電極１３１６はＴｉ層（２０ｎｍ）およびＡｕ層（１００ｎｍ）からなる金属の多層膜を用いる。そして、電極１３１７はＡｕとＧｅの混晶（１００ｎｍ）、Ｎｉ（２０ｎｍ）、およびＡｕ（１００ｎｍ）からなる金属の多層膜を用いる。１３１９はＶＣＳＥＬ駆動用の電源である。
【０１４４】
また、電極１３１４及び１３１２としてＴｉ層（２０ｎｍ）およびＡｕ層（１００ｎｍ）からなる金属の多層膜を用いる。
【０１４５】
本実施例では、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を加工して形成したシリコンＭＥＭＳ構造を出射側ミラー（上部ミラー）１３０６が形成された駆動部として利用している。駆動部には、下部の多層膜ミラー（ＤＢＲ）１３０２、下部のクラッド層１３０３、活性層１３０４、上部のクラッド層１３０５、等が形成された化合物半導体基板１３０１が接合されて、波長可変ＶＣＳＥＬを構成している。
【０１４６】
本実施例では、プロトン注入領域で規定される発光領域、すなわちプロトンのイオン打ち込みによって形成される電流狭窄構造の開口部１３１５は５μｍ直径の円形とする。
【０１４７】
本実施例において、スラブ部１３１８が設けられている。上部反射鏡１３０６を上記のように変位させることで、モードホップを抑制でき、波長可変幅を広くすることができる。スラブ部１３１８や下部反射鏡１３０２を変位させる構成であってもよい。
【０１４８】
次に、本実施例の波長可変ＶＣＳＥＬの製造方法について説明する。
【０１４９】
まず、ＧａＡｓ層からなるｎ型の半導体基板１３０１上に、ｎ型のＤＢＲ１３０２、ｎ型のクラッド層１３０３、活性層１３０４、ｐ型のクラッド層１３０５を、ＭＯＣＶＤ結晶成長技術を用いて順次積層する。
【０１５０】
次に、ｐ型のクラッド層１３０５上に酸化シリコン膜を成膜し、電流狭窄構造を形成するためのプロトン注入時のマスクとして機能するようフォトリソグラフィー技術とエッチング技術を用いて加工する。この酸化シリコン膜のマスク（不図示）を形成後にプロトン注入を行い、電流狭窄構造を形成する。なお、電流狭窄構造ために、クラッド層１３０５の内部にＡｌ組成が９０％以上のＡｌＧａＡｓ層（３０ｎｍ厚）を介在させておき、その部分を側面からｘ軸方向に選択的に酸化させて酸化アルミニウムに転化して高抵抗な領域として形成してもよい。
【０１５１】
次に、電極１３１６をフォトリソグラフィー技術、真空蒸着技術、及びリフトオフ技術を用いて形成する。
【０１５２】
次に、ＶＣＳＥＬ駆動用のカソード電極１３１７を半導体基板１３０１の裏面に真空蒸着技術を用いて形成し、化合物半導体発光素子が完成する。
【０１５３】
また、上記本実施例の各々の半導体層の導電型を逆にした構成とてもよい。すなわち、ｐ型の半導体層はｎ型の半導体層とし、ｎ型の半導体層は、ｐ型の半導体層としてもよい。また、ｐ型の半導体層のドーパントはＺｎ、ｎ型はＣを用いることができるが、これに限るものではない。
【０１５４】
なお、本実施例の波長可変ＶＣＳＥＬは、波長８５０ｎｍを中心としていた±５０ｎｍの可変波長帯域で掃引するものを想定している。しかしこの波長帯域に限定されるものではなく、ＶＣＳＥＬを構成する各層の材料を適切に選択することにより、例えば波長１０６０ｎｍを中心とした±５０ｎｍの波長帯域で波長掃引してもよい。
【０１５５】
本発明に係る面発光レーザによれば、エアギャップとは異なる屈折率のスラブ部を、エアギャップ内に適切に配置することで、波長チューニング効率を向上させることが可能となる波長可変型面発光レーザを提供することができる。
【０１５６】
（実施例３）
実施例３に係る面発光レーザについて、図１４を用いて説明する。図１４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。
【０１５７】
本実施例におけるＶＣＳＥＬ１４００は、ＶＣＳＥＬ駆動用のカソード電極１４０１、ＧａＡｓで構成されるｎ型の基板１４０２、ＡｌＡｓとＧａＡｓを交互に４０．５ペア積層してなるｎ型の下部ＤＢＲ１４０３、Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ａｓで構成されるｎ型の下部スペーサ層１４０４、ＩｎＧａＡｓの量子井戸層、及びＧａＡｓＰのバリア層からなる多重量子井戸層で構成されるアンドープの活性層１４０５、Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ａｓで構成されるｐ型の上部スペーサ層１４０６、の順に有する。また、上部スペーサ層１４０６には、ＶＣＳＥＬ駆動及び上部ＤＢＲ駆動用の電極１４０７が形成されている。さらに上部スペーサ層１４０６には、アンドープのＧａＡｓ層１４０８、Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ａｓで構成されるアンドープのスラブ部１４０９、アンドープのＧａＡｓ層１４１０、上下の最外層がＡｌ０．７Ｇａ０．３Ａｓで、その間にＡｌ０．９Ｇａ０．１ＡｓとＡｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓとが交互に３０ペア積層されてなるｎ型の上部ＤＢＲ１４１１、上部ＤＢＲ駆動用の電極１４１２が形成されている。
【０１５８】
本実施例の構造は、実施例１や実施例２に示したものと同様に、エピタキシャル成長、フォトリソグラフィー、ドライエッチング、ウエットエッチング、真空蒸着など、一般的な半導体プロセス技術を用いて作製される。
【０１５９】
基板１４０２上に、エピタキシャル成長により上部ＤＢＲ１４１１まで半導体多層膜を成膜する。
【０１６０】
次に、フォトリソグラフィーとドライエッチングにより、スラブ部１４０９および上部ＤＢＲ１４１１を含む梁構造をパターニングする。その際、ドライエッチングの深さはＧａＡｓ犠牲層１４０８が露出する深さとする。
【０１６１】
次に、クエン酸水溶液と過酸化水素水の混合液によるウエットエッチングでＧａＡｓ犠牲層１４０８およびＧａＡｓ犠牲層１４１０の一部を除去し、梁構造を形成する。その際、フォトレジスト等で覆っておくことで一部の領域だけ犠牲層を除去せず残すこともできる。
【０１６２】
次に、フォトリソグラフィー、真空蒸着、リフトオフを用いて電極１４０７と電極１４１２を形成する。
【０１６３】
次に、ＶＣＳＥＬ駆動用のカソード電極１４０１を半導体基板１４０２の裏面に真空蒸着技術を用いて形成し、化合物半導体発光素子が完成する。
【符号の説明】
【０１６４】
１００  上部反射鏡
１１０  下部反射鏡
１２０  活性層
１３０  空隙部
１４０  基板
１５０  スラブ部
【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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【図１４】
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