(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
波長掃引可能レーザー光源であって、該レーザー光源はレージング波長のレーザー光を生成するように構成される半導体レーザー光源であり、
前記レーザー光源は、
基板と、
第１の反射器と、
第２の反射器と、
を備え、
前記第１の反射器及び前記第２の反射器はともに光学キャビティを画定し、前記基板に垂直な方向の光学経路に沿った前記光学キャビティ内の光発振をサポートするように配置され、前記光学キャビティは前記光学経路内に空洞を備え、前記第２の反射器は前記第１の反射器から或る距離にサスペンションによって弾力的に取り付けられ、静止位置を有し、前記第２の反射器及び前記サスペンションはともにマイクロエレクトロメカニカル（ＭＥＭＳ）発振器を画定し、該ＭＥＭＳ発振器は或る共振周波数を有するとともに前記静止位置の両側に前記第２の反射器を発振させるように構成され、
前記レーザー光源は、電気的接続と、前記電気的接続に接続されるとともに前記第２の反射器の前記静止位置と比較して前記第１の反射器に近づける方へ及び前記第１の反射器から遠ざける方の双方に前記ＭＥＭＳ発振器を掃引するように構成され、交流（ＡＣ）変調電圧又は脈動直流変調電圧を前記ＭＥＭＳ発振器に印加するように構成される、電源と、を更に備え、
前記レーザー光源は前記ＭＥＭＳ発振器を少なくとも動作中に２００Ｔｏｒｒ以下の圧力を有する真空下に保持するようにパッケージ封入され、該パッケージ封入されたＭＥＭＳ発振器の機械的品質係数は少なくとも１０である、波長掃引可能レーザー光源。
【請求項２】
前記第２の反射器は、サブ波長格子であるか又はサブ波長格子を含む、請求項１に記載の波長掃引可能レーザー光源。
【請求項３】
前記第２の反射器は、高屈折率差サブ波長格子（ＨＣＧ）であるか又は高屈折率差サブ波長格子（ＨＣＧ）を含む、請求項１乃至２のいずれか一項に記載の波長掃引可能レーザー光源。
【請求項４】
前記第２の反射器は、分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）であるか又は分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）を含む、請求項１に記載の波長掃引可能レーザー光源。
【請求項５】
前記キャビティ内の前記光学経路内に反射防止コーティングを備える、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の波長掃引可能レーザー光源。
【請求項６】
前記反射防止コーティングはＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ層を酸化することによって作製され、ここで、ｘは０．７より大きい、請求項５に記載の波長掃引可能レーザー光源。
【請求項７】
前記レーザー光源は、前記キャビティの前記光学経路内に活性領域を備え、
該活性領域は、少なくとも、第１のゲイン波長域に対応するバンドギャップを有するように構成される第１の量子井戸（ＱＷ）領域を備え、
該第１のＱＷ領域は、前記第１の反射器から第１の距離に配置される、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の波長掃引可能レーザー光源。
【請求項８】
前記活性領域は、第２のゲイン波長域に対応するバンドギャップを有するように構成される第２の量子井戸（ＱＷ）領域を更に備え、
前記第２のＱＷ領域は前記第１の反射器から第２の距離に配置され、前記第２のゲイン波長は前記第１のゲイン波長より長く、前記第２の距離は前記第１の距離より大きい、請求項７に記載の波長掃引可能レーザー光源。
【請求項９】
前記レーザー光源は、第１のレーザーモード及び第２のレーザーモードをサポートし、
前記第１の距離は前記第１のＱＷ領域と前記第１のレーザーモードとの間の第１のオーバーラップが前記第１のＱＷ領域と前記第２のレーザーモードとの間の第２のオーバーラップより大きいように選択される、請求項７又は８に記載の波長掃引可能レーザー光源。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれか一項に記載の波長掃引可能レーザー光源の使用方法であって、前記レーザー光源は垂直キャビティ面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）を備え、該ＶＣＳＥＬは第１の反射器とマイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）の第２の反射器とを備え、該第２の反射器は前記ＶＣＳＥＬキャビティの一部分であるとともに前記ＭＥＭＳへの印加電圧によって作動可能であり、前記ＭＥＭＳは共振周波数を有し、
該方法は、前記第２の反射器の前記位置を作動させるように電源からの変調電圧を前記レーザー光源の前記ＭＥＭＳに印加することを含み、前記電圧は前記共振周波数又は前記共振周波数の高調波に実質的に等しい変調周波数を有する、請求項１乃至９のいずれか一項に記載の波長掃引可能レーザー光源の使用方法。
【請求項１１】
掃引レーザー光源システムであって、該システムはレーザー光源と電源とを備え、前記レーザー光源はレージング波長のレーザー光を生成するように構成される半導体レーザー光源であり、
前記レーザー光源は、
基板と、
第１の反射器と、
第２の反射器と、
を備え、
前記第１の反射器及び前記第２の反射器はともに光学キャビティを画定し、前記基板に垂直な方向の光学経路に沿った前記光学キャビティ内の光発振をサポートするように配置され、前記光学キャビティは前記光学経路内に空洞を備え、前記第２の反射器は前記第１の反射器から或る距離にサスペンションによって弾力的に取り付けられ、静止位置を有し、前記第２の反射器及び前記サスペンションはともにマイクロエレクトロメカニカル（ＭＥＭＳ）発振器を画定し、該ＭＥＭＳ発振器は或る共振周波数を有するとともに前記静止位置の両側に前記第２の反射器を発振させるように構成され、
前記レーザー光源は、前記ＭＥＭＳ発振器に電界を印加するように構成される電気的接続を更に備え、
前記電源は、前記レーザー光源の前記電気的接続を介して脈動直流変調電圧を前記ＭＥＭＳ発振器に印加するように構成され、
前記脈動直流変調電圧は、前記ＭＥＭＳ発振器が残余空隙幅の５０％より大きい振幅で機械的発振を持続し、前記第１の反射器への前記ＭＥＭＳ発振器のスナップインを防止するように、選択されたデューティーサイクルを有する、掃引レーザー光源システム。
【請求項１２】
前記電源は、前記共振周波数にマッチングする変調周波数を用いて前記変調電圧を変調するように構成される、請求項１１に記載の掃引レーザー光源システム。
【請求項１３】
前記変調電圧は、パルス列であるか又はパルス列を含む波形によって変調される、請求項１１又は１２に記載の掃引レーザー光源システム。
【請求項１４】
前記パルス列は、１５％より小さいデューティーサイクルを有する、請求項１３に記載の掃引レーザー光源システム。
【請求項１５】
ハウジングを備え、
前記レーザー光源は前記ハウジング内に配置され、
前記ハウジングは、該ハウジング内を２００Ｔｏｒｒ以下の圧力を有する真空に維持するように動作可能である、請求項１１乃至１４のいずれか一項に記載の掃引レーザー光源システム。
【請求項１６】
前記脈動直流変調電圧は、前記第２の反射器が該第２の反射器の静止位置を横切り、前記第１の発振器に向かって移動するときに電圧パルスを与えるように構成される、請求項１１乃至１５のいずれか一項に記載の掃引レーザー光源システム。
【請求項１７】
レーザー光源の使用方法であって、前記レーザー光源は垂直キャビティ面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）を備え、該ＶＣＳＥＬは第１の反射器とマイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）の第２の反射器とを備え、該第２の反射器は前記ＶＣＳＥＬキャビティの一部分であるとともに前記ＭＥＭＳへの印加電圧によって作動可能であり、前記ＭＥＭＳは共振周波数を有し、
該方法は、前記第２の反射器の前記位置を作動させるように電源からの変調された脈動直流電圧を前記レーザー光源の前記ＭＥＭＳに印加することを含み、前記変調された電圧は前記共振周波数にマッチングする変調周波数を有し、前記脈動直流変調電圧は、前記ＭＥＭＳ発振器が残余空隙幅の５０％より大きい振幅で機械的発振を持続し、前記第１の反射器への前記ＭＥＭＳ発振器のスナップインを防止するように、選択されたデューティーサイクルを有する、レーザー光源の使用方法。
【請求項１８】
前記ＭＥＭＳ発振器を少なくとも動作中に中真空下又は低真空下に保持することを含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記電源は、前記第２の反射器が前記光学キャビティの空隙の１／３より大きい偏位を有するとき、前記変調電圧を除去するように構成される、請求項１１に記載の掃引レーザー光源システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は波長掃引可能レーザー光源、レーザー光源システム及びレーザー光源の使用方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
スペクトロスコピー及びスペクトル干渉計等の多くの用途において、広い光学帯域幅と迅速なチューニング速度とを有する波長可変光源が必要とされている。このような用途の多くにおいて、例えば、動的なコヒーレンス長（dynamic coherence length）の減少に見られるような寄生信号を回避するために、光源のスペクトル純度が重要である。
【０００３】
波長可変垂直キャビティ面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）等の波長可変レーザー光源はスペクトロスコピー及び光学コヒーレンストモグラフィー（ＯＣＴ）等の多くの用途にとって魅力的である。マイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）波長可変垂直キャビティ面発光ダイオード（ＶＣＳＥＬ）は、真の単一モード波長チューニングを１０％よりも高い相対可変範囲で可能にし、及び／又は単一モード波長チューニングを１００ＭＨｚのチューニングレートまで可能にする潜在能力を有している。ＶＣＳＥＬ光源がコンパクトであることは、多くの産業用途にとって魅力的なもう１つの特徴である。電気的注入ＶＣＳＥＬを作製することによって作られるコンパクトな掃引光源は、ウェハスケールの試験を更に可能にする。
【０００４】
しかしながら、ＭＥＭＳ波長可変ＶＣＳＥＬの上記の特性（properties）のいくつかを達成するために、若干の対処すべき問題点が残っている。第１に、波長可変ＶＣＳＥＬの空隙平行平板コンデンサーの電気機械的な不安定性によって、達成可能な光学帯域幅が制限される。波長可変ＶＣＳＥＬレーザーの動作は、波長可変反射器が基礎をなす基板上に倒壊する、いわゆる「プルイン（pull-in）」又は「スナップダウン（snap-down）」のリスクを含み、レーザー光源の永久的な損傷のリスクを含んでいる。その結果として、従来技術によるレーザー光源は、通常、波長可変反射器の最大のチューニング振幅のうちの一部分のみを利用している。特に、平行平板エレクトロメカニカルアクチュエーターはプルイン現象によって制限を受けることがわかっており、この場合、静電力が機械的な復元力を超えて増加するとき、平行平板が基板（この事例ではＶＣＳＥＬ基板）にスナップする。第２に、平行平板アクチュエーターの可動部分の偏位の幅が広いことが望ましい。
【０００５】
非特許文献１から、上部ＤＢＲ反射器と底部ＤＢＲ反射器とを備え、キャビティ内に抗反射コーティングを含む短波長のＭＥＭＳ波長可変ＶＣＳＥＬが知られている。３０ｎｍの波長チューニング範囲が報告されている。
【０００６】
非特許文献２及び非特許文献３から、チューニングが可能な他のレーザー光源が知られている。
【０００７】
非特許文献４から、交流（ＡＣ）電圧を用いてＭＥＭＳ発振器を静止位置の両側に発振させて、これによって波長のブルーシフト及びレッドシフトの双方をもたらすことができることが知られている。空隙は、１．４１μｍ、又は空中のλの３／２となるように設計され、結果としてＭＥＭＳ発振器の安全なストローク長４７０ｎｍ（プルインが起こる前に適応させることができるストローク長）が得られる。Vail他は、ＭＥＭＳ発振器を共振点においてピーク電圧１６Ｖの矩形波を用いて駆動することによって、所与の波長変化に必要とされる電圧を減少させることができることを記載している。このようにして、ＶＣＳＥＬは１２ｎｍの全チューニング範囲にわたって掃引することができる。０．０４の波長チューニング効率の場合、ＭＥＭＳ発振器が全チューニング範囲を達成するために必要とされるストロークは３００ｎｍである。ＭＥＭＳ発振器が静止位置の両側に偏位することを所与として、必要とされる１５０ｎｍの下方への偏向は安定領域内であり、プルインの不安定性が回避される。矩形波を用いてＭＥＭＳ発振器をより大きく偏位させることは、結果として動的なプルインとなる。動的なプルイン不安定性は、例えば非特許文献５から知られており、非特許文献５は、ＭＥＭＳ発振器共振点での矩形波励起の場合、静止位置における空隙の５６％においてプルインが起こることを教示している。
【０００８】
Jayaraman他は、非特許文献６、非特許文献７において、反復的な正弦波掃引の下で１／３ギャップ則（1/3 gap rule）をどのように凌ぐことができるかを教示している。静的なスナップダウン不安定性は反復的な掃引によって凌ぐことができるが、動的なスナップダウン不安定性は依然としてチューニング範囲を制限する。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】Cole他、Optics Express, vol.16, (2008), p. 16093
【非特許文献２】Vail他、Electronics Letters 32 (1996) 1888
【非特許文献３】Jayaraman他、Electronics Letters 48 (2012)
【非特許文献４】Vail他、IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, vol.3 (1997) pp.691
【非特許文献５】Seeger他、Solid-State Sensor, Actuator and Microsystems Workshop June 2-6 (2002) 0-9640024-4-2
【非特許文献６】Jayaraman他、Proc. SPIE vol.8276 (2012) pp.82760D
【非特許文献７】Jayaraman他、Electronics Letters vol.48 (2012) pp.867-869
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
したがって、改良されたレーザー光源及びレーザー光源システムが有利であり、特に、チューニング範囲が拡張されたレーザー光源及びレーザー光源システムが有利である。
【００１１】
レーザー光源が動作中に損傷を受けるリスクを軽減することが更に好ましい。
【００１２】
特に、従来技術のレーザー光源のチューニング範囲を増加させるレーザー光源、レーザー光源システム及びレーザー光源の使用方法を提供することが、本発明の目的であると見なすことができる。
【００１３】
本発明の更なる目的は、従来技術の代替を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
第１の態様によれば、本明細書において波長掃引可能レーザー光源の実施形態が開示される。レーザー光源は、レージング波長においてレーザー光を生成するように構成される半導体レーザー光源である。レーザー光源は基板と、第１の反射器と、第２の反射器とを備える。第１の反射器及び第２の反射器はともに光学キャビティを画定し、基板に垂直な方向の光学経路に沿った光学キャビティ内の光発振をサポートするように配置される。光学キャビティは光学経路内に空洞を備える。第２の反射器は第１の反射器から或る距離にサスペンションによって弾力的に取り付けられ、静止位置を有する。第２の反射器及びサスペンションはともにマイクロエレクトロメカニカルＭＥＭＳ発振器を画定し、ＭＥＭＳ発振器は或る共振周波数を有するとともに第２の反射器を静止位置の両側に発振させるように構成される。レーザー光源はＭＥＭＳ発振器に電界を印加するように構成される電気的接続を更に備える。このようにして、電源は、基板と第２の反射器との間に静電引力を誘発することによって、ＭＥＭＳ発振器を発振させることができる。これによって、第２の反射器を、その静止位置と比較して第１の反射器に近づける方及び第１の反射器から遠ざける方の双方に掃引させることができる。キャビティの長さによってレーザーから放射される光の波長が決まるので、したがって、光の波長は、第２の反射器が静止位置にあるときのレーザー光源の波長と比較してより短い波長、及びより長い波長の双方に掃引することができる。加えて、このようにしてＭＥＭＳ発振器を空洞の大部分又は空洞の更に全体にわたって掃引して、キャビティ長の変動、ひいては、レーザー光源によって得られる波長の変動を増大させることができる。したがって、動作中、レーザー光源はレージング波長でレーザー光を放射する。ここで、レージング波長は、振動している第２の反射器の振幅によって規定されるチューニング帯域幅にわたって前後に掃引する。掃引速度は第２の反射器が発振する周波数によって決定される。
【００１５】
本明細書において開示される第１の態様によるレーザー光源は、ＭＥＭＳ発振器を、少なくとも動作中に２００Ｔｏｒｒ以下の圧力を有する低真空中又は中真空中下に保持するように、パッケージ封入される。この目的を達成するために、レーザー光源は、内部を２００Ｔｏｒｒ以下の圧力を有する部分真空に維持するように動作可能なハウジング内に配置することができる。パッケージ封入は、レーザー光がハウジングの外部へ出て行くことを可能にする窓を有する金属ハウジングによって提供することができる。
【００１６】
レーザー光源をハウジング内にパッケージ封入して反射器周囲に低真空又は中真空を形成することによって、ＭＥＭＳ発振器の機械的品質係数を著しく増加させることができる。さらに、無用に高い駆動電圧を必要とせずに、高い共振周波数、ひいては迅速な波長掃引サイクルを有する発振器を提供することができる。
【００１７】
さらに、本発明者らは、高い機械的品質係数を有するＭＥＭＳ発振器は、短いパルスを含み低い平均電圧を有する変調電圧波形によって、すなわち、ＭＥＭＳ発振器の発振をＭＥＭＳ発振器の静止位置に対して及び第１の反射器に向かって著しく非対称にすることなく、駆動することができることを認識している。結果として、発振器のプルインのリスクを著しく減少させることができる。
【００１８】
したがって、レーザー光源の実施形態は波長可変ＶＣＳＥＬのＭＥＭＳ発振器の対称作動を可能にし、さらには波長チューニング範囲を増加させることを可能にする。ＭＥＭＳ発振器の作動は電圧波形の二乗に基づき、この作動が、ＭＥＭＳ発振器の偏位において一定のオフセットと、重ね合わされた複数の高調波項とを発生させる。この一定のオフセットは、広い帯域幅が望まれるとき、望ましくない作用である。この一定のオフセットは電圧波形の振幅に依存し、ＭＥＭＳ発振器の静止位置に対して対称な作動を達成するために、ピック電圧は小さくすべきである。小さいピーク電圧で十分な作動を得るために、ＭＥＭＳ発振器は高い機械的品質係数を有するべきである。このことは、ＭＥＭＳ発振器を部分真空内にパッケージ封入することによって達成される。
【００１９】
レーザー光源のいくつかの実施形態において、半導体レーザーは垂直キャビティ面発光レーザーＶＣＳＥＬを備える。このようにして、著しく短いキャビティを達成することができ、これは長い自由スペクトル領域（ＦＳＲ）、ひいては拡張された波長掃引範囲を得るのに魅力的である。
【００２０】
レーザー光源のいくつかの実施形態において、半導体レーザーは電気的にポンプ送出される。
【００２１】
レーザー光源のいくつかの実施形態において、第１の反射器は分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）であるか又は分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）を含む。このようにして、レーザー光源の製造は簡略化される。
【００２２】
いくつかの実施形態によれば、ＤＢＲは半導体材料を含む（便宜上、本明細書を通して「半導体ＤＢＲ」と呼ぶ）。
【００２３】
いくつかの実施形態において、ＤＢＲは誘電体材料を含む（いわゆる「誘電体ＤＢＲ」）。
【００２４】
レーザー光源のいくつかの実施形態において、第１の反射器は高屈折率差サブ波長格子（ＨＣＧ）であるか又は高屈折率差サブ波長格子（ＨＣＧ）を含む。
【００２５】
レーザー光源のいくつかの実施形態において、第２の反射器はサブ波長格子であるか又はサブ波長格子を含む。サブ波長格子は偏光安定化構造体として振る舞うことができる一方、反射性は代替の構造体によって提供することができる。１つの実施形態において、代替の構造体はＤＢＲである。
【００２６】
レーザー光源のいくつかの実施形態において、第２の反射器は高屈折率差サブ波長格子（ＨＣＧ）であるか又は高屈折率差サブ波長格子（ＨＣＧ）を含む。このようにして、著しく短い貫通深度と軽量とを有する効率的な反射器を達成することができる。したがって、著しく短いキャビティ長を達成することができる。その結果、より高い共振周波数とより幅広い波長掃引範囲とを得ることができる。
【００２７】
レーザー光源のいくつかの実施形態において、第２の反射器は分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）であるか又は分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）を含む。本発明の１つの実施形態において、ＤＢＲは半導体ＤＢＲである。本発明の代替の実施形態において、ＤＢＲは誘電体ＤＢＲである。
【００２８】
レーザー光源のいくつかの実施形態において、レーザー光源はキャビティ内の光学経路内に抗反射コーティングを備える。このようにして、レーザー光源は拡張された波長掃引範囲を達成することができる。
【００２９】
レーザー光源のいくつかの実施形態において、抗反射コーティングはＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ層を酸化することによって作製され、ここで、ｘは０．７より大きい。このようにして、抗反射コーティングをモノリシックに形成されるレーザー光源内に組み込むことができる。
【００３０】
レーザー光源のいくつかの実施形態において、レーザー光源はキャビティ内の光学経路内に活性領域を備え、活性領域は少なくとも、第１のゲイン波長域に対応するバンドギャップを有するように構成される第１の量子井戸ＱＷ領域を備え、第１のＱＷ領域は第１の反射器から第１の距離に配置される。特定の実施形態において、レーザーが第１のゲイン波長域内の波長にて動作するとき、第１の距離は、第１の電界の波腹と実質的に一致する第１のＱＷ領域を形成するように選択される。このようにして、第１のゲイン波長域が最大化される。
【００３１】
レーザー光源のいくつかの実施形態において、活性領域は第２のゲイン波長域に対応するバンドギャップを有するように構成される第２の量子井戸ＱＷ領域を更に備え、第２のＱＷ領域は第２の反射器から第２の距離に配置され、第２のゲイン波長は第１のゲイン波長より長く、第２の距離は第１の距離より大きい。このようにして、レーザー光源は、掃引範囲内のスペクトル成分の範囲にわたる光学ゲインを提供するように２つ以上のＱＷ材料を構成することによって、拡張された掃引範囲にわたる光学ゲインを提供するように構成することができる。ＱＷ材料を空間的にシフトさせることにより、レーザー内の定在波との改良されたオーバーラップが得られ、これによって、様々な波長にて光学ゲインを改良することができる。１つの実施形態において、レーザー光源は、ゲインを改良する一方、第１のゲイン波長域又は第２のゲイン波長域のそれぞれにおいて、定在波とのオーバーラップを改良するために、キャビティ内の光学経路に沿ってインターリーブされる多重の第１のＱＷ領域及び第２のＱＷ領域を備える。
【００３２】
レーザー光源のいくつかの実施形態において、レーザー光源は第１のレーザーモード及び第２のレーザーモード、特に第１の縦方向レーザーモード及び第２の縦方向レーザーモードをサポートし、第１の距離は第１のＱＷ領域と第１のレーザーモードとの間の第１のオーバーラップが第１のＱＷ領域と第２のレーザーモードとの間の第２のオーバーラップより大きいように選択される。このようにして、レーザー光源は第２のレーザーモードを差別化して、レーザー光源が第１のモードに対応する放射光から第２のモードに対応する放射光へ突然シフトするモードホップを防止するか又は制限するように構成することができる。
【００３３】
レーザー光源のいくつかの実施形態において、ＭＥＭＳ発振器は約８０以上等の約２以上、約５以上又は約１０以上の品質係数Ｑを有し、及び／又はＭＥＭＳ発振器は約１２０以下等の約３００以下又は約２００以下の品質係数を有する。このようにして、ＭＥＭＳ発振器は、共振周波数からの変調周波数の小さな偏位を受け入れる一方で、発振させることができることが好都合である。以下で説明するように、品質係数はＭＥＭＳ発振器を部分真空内にパッケージ封入することによって増加させることができ、代替的に又は付加的に、品質係数は発振器を綿密に設計することにより調節することができる。品質係数Ｑは、共振子中心周波数と、３ｄＢレベルにおける帯域幅とを測定することによって、例えば、変動する周波数にて小さな変調電圧を印加している間にＭＥＭＳ発振器の変調振幅を測定することによって測定することができる。このとき、品質係数は中心周波数を３ｄＢレベルにおける帯域幅によって除算した値として求めることができる。
【００３４】
第１の態様によれば、ＭＥＭＳ発振器は、少なくとも動作中は中真空下又は低真空下に保持される。このようにして、空気抵抗を減少させることによりＭＥＭＳ発振器の品質係数Ｑを著しく増加させることができる。レーザー光源のいくつかの実施形態において、その圧力は約１５０Ｔｏｒｒ以下、又は更に約１００Ｔｏｒｒ以下である。いくつかの実施形態において、この低圧力は約０．００１Ｔｏｒｒ以上等、約０．１Ｔｏｒｒ以上等、約０．５Ｔｏｒｒ以上等又は更に約１Ｔｏｒｒ以上等の約０．０００１Ｔｏｒｒ以上である。特定の実施形態において、低圧力は中真空又は低真空である。これらの圧力レベルにおいて、適切な機械的品質係数Ｑを達成することができ、さらに、そのようなレベルでのレーザー光源のパッケージ封入は、例えばトランジスタアウトライン（ＴＯ）缶によって比較的簡単に達成することができる。例えば、パッケージ封入プロセスは、所望のレベルの真空度に制御された真空チャンバー内において実行することができる。パッケージ封入されたレーザー光源の真空レベルは、パッケージ封入されたレーザー光源のＭＥＭＳ発振器のＱ値を測定することによって検証することができる。
【００３５】
一般に、基板は基板面内に延在し、基板面内の各方向に基板厚より大きな広がりを有することができる。したがって、基板に垂直な方向は基板面に垂直な方向として定義することができる。レーザー光源は第２の反射器の表面とともに空隙を画定する表面を有する境界層を含む層状構造体を備えることができる。境界層は基板又は層状構造体の別の層とすることができる。空隙は、基板面に垂直な方向にギャップ幅を有する。残余空隙幅（rest gap width）は、第２の反射器がその静止位置にあるときの境界層と第２の反射器との間の距離として定義することができる。
【００３６】
レーザー光源のいくつかの実施形態において、レーザーＭＥＭＳ発振器は交流（ＡＣ）変調電圧によって駆動される。このようにして、変調電圧を特に簡潔に制御することを実現することができる。この実施形態において、変調周波数は共振周波数の実質的に半分の周波数に選択されることが好ましい。レーザー光源のいくつかの実施形態において、変調電圧は脈動直流（ＤＣ）である。
【００３７】
本開示は、上記及び以下で説明されるレーザー光源を含む様々な態様に関する。レーザー光源システム並びに対応するシステム、デバイス、方法及び製品のそれぞれは、本明細書に記載する利益及び利点のうちの１つ又は複数をもたらし、最初に述べた態様に関連して説明される実施形態、及び／又は特許請求の範囲の従属請求項又は本明細書において開示される実施形態に対応する１つ又は複数の実施形態を有する。
【００３８】
第２の態様によれば、本明細書において掃引レーザー光源システムが開示される。本システムはレーザー光源と電源とを備え、このレーザー光源はレージング波長のレーザー光を生成するように構成される半導体レーザー光源である。このレーザー光源は、基板と、第１の反射器と、第２の反射器とを備え、第１の反射器及び第２の反射器はともに光学キャビティを画定し、基板に垂直な方向の光学経路に沿った光学キャビティ内の光発振をサポートするように配置され、光学キャビティは光学経路内に空洞を備え、第２の反射器は第１の反射器から或る距離にサスペンションによって弾力的に取り付けられ、静止位置を有し、第２の反射器及びサスペンションはともにマイクロエレクトロメカニカル（ＭＥＭＳ）発振器を画定し、このＭＥＭＳ発振器は或る共振周波数を有するとともに静止位置の両側に第２の反射器を発振させるように構成される。レーザー光源は、ＭＥＭＳ発振器に電界を印加するように構成される電気的接続を更に備える。
【００３９】
電源はレーザー光源の電気的接続を介して脈動直流変調電圧（ＤＣ）をＭＥＭＳ発振器に印加するように構成される。電源は変調電圧をパルス列として変調するように構成することができる。脈動直流電圧を用いることによって、駆動電圧の実効平均ＤＣオフセットが減少されて、静止位置に対する発振の非対称性を削減することが可能になる。これにより、所与のギャップ幅に対して、ＭＥＭＳ発振器ストロークを増加させることが可能になる。
【００４０】
特に、本明細書に記載されるレーザー光源システムの実施形態は、ＭＥＭＳ発振器ストロークを静止位置における空隙の実質的に２００％まで増加させることを可能にする。いくつかの実施形態において、低いデューティーサイクルのパルス列波形を用いてＭＥＭＳ発振器を共振に励起することによって、この増加を得ることができ、これにより、正弦波ＡＣ波形が用いられるときに現れる動的なプルインの不安定性を回避することができる。このことによって、上述のチューニング範囲を達成することができる４分の１波長空隙を有するＭＥＭＳ波長可変ＶＣＳＥＬを設計することが可能になる。
【００４１】
したがって、いくつかの実施形態において、パルス列は共振周波数にマッチングする変調周波数を有する。共振周波数にマッチングする変調周波数は、特に、通常の制限及び測定の許容範囲内の共振周波数に等しい変調周波数を含むことを意図する。変調周波数を共振周波数にマッチングさせる別の例は、発振器が発振の或る周期の間だけ、例えば、１つおきの周期の間だけ、すなわち、発振器の共振周波数の半分において、駆動パルスを提供することによって駆動される実施形態を含む。したがって、いくつかの実施形態において、変調周波数は共振周波数に等しい、若しくは少なくとも実質的に等しいとすることができるか、又は変調周波数は共振周波数の整数分の１とすることができる。ここで、実質的に等しいという用語は変調周波数が共振周波数からｆ／２Ｑより大きく偏位しないことを指し、ここで、ｆは共振周波数を示し、Ｑは発振器の品質係数である。
【００４２】
この目的を達成するために、いくつかの実施形態において、レーザー光源システムは脈動直流の周波数をＭＥＭＳ発振器の共振周波数にマッチングさせるように構成された周波数制御回路を備える。例えば、周波数制御回路は位相ロックループを実施することができる。
【００４３】
従来技術のレーザーシステムの動的なプルインの不安定性は、半導体キャビティが電流注入層及び電流閉じ込め層も取り囲む電気的注入ＶＣＳＥＬに対して、チューニング範囲を著しく制限する。電流注入層及び電流閉じ込め層を追加しても光学キャビティ長を一定に保持するために、空隙を減少させることができる。いくつかの実施形態において、空隙はレーザー光源の中心波長の半分より短い幅、例えば、中心波長の約４分の１を有する。４分の１λの空隙を有する設計を用いることによって、自由スペクトル領域（ＦＳＲ）を通常１λの空隙を有する従来技術のレーザーシステムと比較して７０％より多く増加させることができる。このことは、１０％未満のデューティーサイクルを有するパルス作動を用いて空隙全体、ひいては、全スペクトル範囲をチューニングすることができるので、実現可能である。レーザー光源システムのいくつかの実施形態において、ＭＥＭＳ発振器は少なくとも動作中は中真空下又は低真空下に保持される。このようにして、空気抵抗を減少させることによりＭＥＭＳ発振器の品質係数Ｑを著しく増加させることができる。いくつかの実施形態において、真空は約１５０Ｔｏｒｒ以下又は更に約１００Ｔｏｒｒ以下等の２００Ｔｏｒｒ以下の圧力を有し、及び／又は、この圧力は約０．００１Ｔｏｒｒ以上等、約０．１Ｔｏｒｒ以上等、約０．５Ｔｏｒｒ以上等又は更に約１Ｔｏｒｒ以上等の約０．０００１Ｔｏｒｒ以上である。これらの圧力レベルにおいて適切な機械的品質係数Ｑを達成することができ、さらに、そのような圧力レベルにおいてレーザー光源をパッケージ封入することは、例えば、ＴＯ缶によって、比較的簡単に達成することができる。
【００４４】
いくつかの実施形態において、電源は、例えば、第２の反射器が基板に向かう方向に静止位置を通過するときにパルスを提供することによって、第２の反射器が第１の反射器に向かう方向に静止位置を通過するときのみ非ゼロの変調電圧を印加するように構成される。したがって、スナップインの発生リスクを有することなく実質的に空隙の全範囲を第２の反射器に掃引させることができる。このことは、第２の反射器が不安定領域にあるとき、すなわち、偏位が空隙の１／３より大きいときに変調電圧が除去されるので、達成される。いくつかの実施形態において、パルス列は、１２％未満等、１１％未満等、１０％未満等、５％未満等、１％未満等の１５％未満のデューティーサイクルを有する。デューティーサイクルは、パルスの持続時間とパルスの周期との比として測定することができる。パルスの持続時間はパルスの半値全幅（ＦＷＨＭ）として求めることができる。パルス列のパルスは、四角形、ガウス形等の様々なパルス形態を有することができることは理解されるであろう。いくつかの実施形態において、各パルスは、第２の反射器がその静止位置を通過する前に開始し、通過した後に停止することができる。例えば、パルスは第２の反射器がその静止位置を通過する前後で対称とすることができる。パルスは反射器の静止位置を通過する反射器に対して非対称とすることができ、反射器が基板に向かって静止位置を通過する前又は後にパルスが発生するように時間決めすることができることは理解されるであろう。いずれの事例においても、パルス列の位相及びデューティーサイクルは、第２の反射器が不安定領域にあるとき、すなわち、空隙の１／３より大きい偏位を有するときに変調電圧が除去されるように制御されることが好ましい。
【００４５】
レーザー光源システムのいくつかの実施形態において、レーザー光源は上述の実施形態のうちの任意のものに従う。
【００４６】
レーザー光源システムのいくつかの実施形態において、変調電圧は機械的発振を維持する波形によって変調される。したがって、いくつかの実施形態において、レーザーシステムは、機械的発振を所定の振幅に維持するようパルスの幅及び／又は振幅を制御するように構成されるパルス制御回路を備える。この目的を達成するために、パルス制御回路は、ＭＥＭＳ発振器の品質係数及びレーザー光源システムの掃引帯域幅（又は、これらの数量のうちの１つ又は複数を示す測定されたパラメーター）のうちの少なくとも１つに応じて、パルスの振幅及び／又は持続時間を制御することができる。概して、ＭＥＭＳ発振器の発振の振幅は残余空隙幅より小さい。いくつかの実施形態において、ＭＥＭＳ発振器の発振を、残余空隙幅の７５％より大きい等、残余空隙幅の８０％より大きい、例えば、残余空隙幅の９０％より大きい等の残余空隙幅の５０％より大きい振幅に維持するように、電源が制御される。
【００４７】
周波数制御回路及びパルス制御回路は別個の制御回路として、又は組み合わされた制御回路として実施することができる。各制御回路は配線接続された回路類によって、及び／又はデジタルシグナルプロセッサ等のプログラム可能マイクロプロセッサによって実施することができる。制御回路（複数の場合もある）は測定された１つ又は複数のセンサー信号を受信し、センサー信号（複数の場合もある）に応じて、パルスの周波数及び／又はデューティーサイクル及び／又は振幅を制御するように構成することができる。センサー信号（複数の場合もある）は、例えば、放射されるレーザー光のチューニング帯域幅、及び／又はチューニング周波数、及び／又は放射されるレーザー光のチューニング位相とすることができる。この目的を達成するために、レーザー光源システムは、生成されるレーザー光の一部分を分散素子、バンドパスフィルター又は別の適切な光学素子を介して、感光性センサー又は感光性センサーアレイに向けるように構成されるビームスプリッターを備えることができる。代替的に又は付加的に、センサーは変形センサー、例えば、ＭＥＭＳ発振器の実際の変形を測定する光学変形センサーを含むことができる。変形センサーの更なる例は、ピエゾ抵抗センサー又は圧電センサーを含み、ＡｌＧａＡｓを用いたＭＥＭＳ内に組み込むことができることが好都合である。
【００４８】
第３の態様によれば、本明細書においてレーザー光源の使用の方法が開示される。レーザー光源は垂直キャビティ面発光レーザーＶＣＳＥＬを備え、このＶＣＳＥＬは第１の反射器とマイクロエレクトロメカニカルシステムＭＥＭＳの第２の反射器とを備え、この第２の反射器はＶＣＳＥＬキャビティの一部分であるとともにＭＥＭＳへの印加電圧によって作動可能であり、ＭＥＭＳは共振周波数を有する。本方法は、第２の反射器の位置を作動させるように電源からの変調された脈動直流電圧をレーザー光源のＭＥＭＳに印加することを含み、この変調された電圧は共振周波数にマッチングする変調周波数を有する。
【００４９】
いくつかの実施形態において、レーザー光源は上述の実施形態のうちの任意のものに従い、電源は上述の実施形態のうちの任意のものに従う。
【００５０】
本発明は、特に拡張された波長チューニング範囲を得るのに有利であるが、これに限定されるものではない。本明細書において開示される種々の実施形態は特に、超高解像度光学コヒーレンストモグラフィー、及び中心波長の回りで１０％よりも高い相対チューニング範囲が要求される他の用途に適しているが、これに限定されるものではない。矩形の強度スペクトルを有する掃引光源に対して、スペクトル領域ＯＣＴの現行の５μｍの組織距離分解能にマッチングさせるのに要求されるチューニング範囲は、８５０ｎｍの中心波長において１００ｎｍ、１０６０ｎｍの中心波長において１６０ｎｍ及び１３１０ｎｍの中心波長において２４０ｎｍである。
【００５１】
本明細書において開示される第１の態様、第２の態様及び第３の態様の実施形態は、それぞれが他の態様のうちの任意のものと組み合わせることができる。本発明のこれらの態様及び他の態様は、本明細書において以下で説明する実施形態を参照することにより明白かつ明瞭となる。
【００５２】
次に、本明細書において開示されるレーザー光源、レーザー光源システム及び使用方法の実施形態を、添付の図面を参照してより詳細に説明する。図面及び付随する説明は、本明細書において開示される種々の態様を実施する１つの方法を示し説明しており、添付の特許請求の範囲一式の範囲内にある他の可能な実施形態を限定しているものとして解釈されるべきではない。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】レーザー光源の概略断面図である。
【図２】ＶＣＳＥＬの第２の反射器及びＭＥＭＳの一実施形態の上面図である。
【図３】レーザー光源の一実施形態の、機械的応答の結果としての波長変化を変調周波数の関数として示す図である。
【図４】レーザー光源の発光スペクトルを示す図である。
【図５】本明細書において開示されるレーザー光源の実施形態に対応する計算された反射率スペクトルを示す図である。
【図６】本明細書において開示されるレーザー光源の一実施形態について計算された屈折率及び電界プロファイルを示す図である。
【図７】レーザーデバイスの例の概略ブロック図を示す図である。
【図８】レーザー光源システムの例の概略ブロック図を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００５４】
図１において、本明細書において開示されるレーザー光源の一実施形態に係るレーザー光源１００の概略断面図を示す。ここに示す実施形態は垂直キャビティ面発光レーザータイプ(ＶＣＳＥＬ)のものであり、分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）の形式の底部（第１の）反射器１０２と空気で取り囲まれた上部（第２の）高屈折率差サブ波長格子（ＨＣＧ）１０４とを備える。第２の反射器はサスペンション１２０によって弾力的に構造体に据え付けられており、マイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）を備えている。内部キャビティレーザーの陽極としての役割も果たす第１のＭＥＭＳコンタクト１０６と第２の反射器に近接する第２のＭＥＭＳコンタクト１０８との間に電圧を印加することにより、第２の反射器１０４を第１の反射器１０２に向かって引きつけるように使用する静電力が生じる場合がある。静電力は第１の反射器を引きつけることができるだけで、したがって第１の反射器をはね返すことはできないので、２つの反射器によって画定されるキャビティは静電チューニングによって短くすることしかできない。第２の反射器は、システムを不安定にすることなく静的な静電チューニングによって空隙１１２の距離の約１／３より多く偏位させることができないことはよく知られている。この限界を超えた場合、「プルイン」が起きる可能性があり、第２の反射器は空隙の接面に向かって衝突する場合がある。これは、この１／３地点において、引きつける力が増加してサスペンションからの復元力を超過することの結果である。しかしながら、本発明者らは、レーザー光源を動的に操作することによって、この制限を改良することができるということを認識した。第２の反射器及びサスペンションは、一体となって或る機械的共振周波数を有するＭＥＭＳ発振器を形成する。ＭＥＭＳ発振器を適切な高い機械的品質係数（Ｑ値）を有するように構成することによって、第２の反射器は、ＭＥＭＳの静止位置の前後に実質的に対称な振動を開始することができる。このことは、共振周波数に等しいか、そうでない場合は共振周波数にマッチングする周波数を有する変調電圧がＭＥＭＳコンタクト間に印加されることを必要とする。したがって、第２の反射器の動きは、振動している間、キャビティを短くすることと長くすることとの双方に作用し、このことはひいては、キャビティをそれぞれ、より短い波長及びより長い波長をサポートするように変化させる。
【００５５】
レーザー陽極１０６はレーザー陰極１０９と一体となり活性領域１１０へのキャリア注入を可能にし、これにより、ここでは多重量子井戸（ＭＱＷ）構造体を形成している。換言すれば、この実施形態において、レーザーは電気的にポンプ送出される。しかしながら、他の実施形態ではレーザー光源は光学的にポンプ送出される場合もある。
【００５６】
図２は、本明細書において開示されるレーザー光源の一実施形態に係るＶＣＳＥＬの上面図を示している。この実施形態は図１に示されているものに対応する実施形態である。ＨＣＧの形式である第２の反射器１０４が明確に見て取れる。さらに、サスペンション１２０はＨＣＧの各辺上に１つずつ、４偏位ビームであることも明白である。レーザー光源１００は拡張キャビティ設計タイプのものとして選択されており、この構成はスレショルド材料ゲイン（threshold material gain）とチューニング効率との最良のトレードオフである。底部のｎ型にドープされたＤＢＲ反射器１０２は３５個のＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ／ＧａＡｓの反射鏡対を有している。上面発光構造を達成するために、ＤＢＲ反射率は上部のＨＣＧ反射率より大きく作られる。活性領域１１０は、波長１０６０ｎｍの電界の波腹に配置されるＩｎ０．３Ｇａ０．７ＡｓのＭＱＷを備える。Ｉｎ０．３Ｇａ０．７Ａｓ層は強く引っ張られていて、相殺するためにＧａＡｓ０．８Ｐ０．２が障壁層として用いられる。５５ｎｍのＡｌ０．９８Ｇａ０．０２Ａｓ層を酸化して酸化物開口部１１４を導入することによって、電流閉じ込めを達成する。８μｍの酸化物開口部は単一モード動作を確実にすることがわかっている。適度にｐ型ドープされたＧａＡｓの電流拡散層１１６はｐｉｎ接合ダイオードの陽極を構成する。高屈折率差の半導体空気界面における寄生反射を減少させるために、Ａｌ２Ｏ３の抗反射コーティング（ＡＲＣ）１１８を利用している。最終的な空隙１１２の高さは、犠牲層１１９によって規定され、犠牲層１１９は処理中に取り除かれる。ｎ型にドープされたＧａＡｓの最後の層はＨＣＧ反射器となる構造であり、ここでは、厚さ２８０ｎｍ、周期４６０ｎｍ及びデューティーサイクル０．７２である。
【００５７】
図３は図１及び図２のＶＣＳＥＬの小信号変調応答を示している。ＭＥＭＳ発振器は、３ＶｐｐのＡＣ成分が重ね合わされた６ＶのＤＣオフセットを用いて変調された。応答は、約１０５Ｈｚまでの周波数に対して概ね一定であるように見え、その後、共振のピーク１３０を示し始める。共振周波数は８５０ｋＨｚであるとわかり、大気中で動作しているこの発振器に対するＱ値は４であるとわかる。対照的に、部分真空中ではＱ値は２４９０と求められた。
【００５８】
図４は図１のＶＣＳＥＬの時間平均された発光スペクトルを示している。静的チューニングが用いられる場合、ここでは１０６９ｎｍのレーザー線に対応する単一のピーク１４０を示すスペクトルが得られる。しかし、周波数８５０ｋＨｚで７Ｖｐｐの変調電圧が印加される場合は、広がったスペクトル１４２が見られ、ここでは約１２ｎｍのスペクトル幅を有している。変調電圧が１０Ｖｐｐに増加された場合は、更に広いスペクトル１４４が観察され、レーザー光源は約２４ｎｍにて掃引される。
【００５９】
図５は３０対のＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ／ＧａＡｓのＤＢＲ１５０及びＨＣＧ反射器１５２のそれぞれの計算された反射率スペクトルを示している。双方の反射器はＶＣＳＥＬに対して上記で説明したものと同様であるが、ＤＢＲが有する対の数が上述より少ない。ＨＣＧスペクトル１５２が、４０ｎｍの帯域幅の外側において、ＤＢＲより高い反射率を示していることがわかる。レーザー光源が上部方向に光を放射するために、第２の反射器の反射率は第１の反射器より小さくなければならない。
【００６０】
図６は、レーザー光源構造体全体にわたる屈折率及び電界プロファイルを示している。電界は波長１０６０ｎｍに対応する。オーバーラップ、ひいては増幅（amplification）を最大化するために、ＱＷは電界の波腹に対応して配置されることがわかる。レーザー光源がチューニングされたとき、電界は構造体内のプロファイルを変化させる。したがって、より短い波長に対しては波腹が第１の反射器により近く、一方、より長い波長に対しては波腹が第１の反射器から更に離れるように、波腹の位置もシフトする。本発明の１つの実施形態において、異なる波長におけるゲインを提供するＱＷが構造体に備えられる。別の実施形態では、短い波長に対応するＱＷが第１の反射器の最も近くに配置され、一方、より長い波長に対応するＱＷは第１の反射器から更に離れるように配置される。
【００６１】
図７はレーザーデバイスの例の概略ブロック図を示している。レーザーデバイスは、全体として７００で指定されており、本明細書で説明するようなレーザー光源１００、例えば、図１及び図２に関連して説明されるようなレーザー光源を備える。レーザー光源１００はレーザービーム７０４を放射するように構成される。レーザー光源１００は、レーザー光源１００が取り付けられる底板７０２と、底板７０２によって覆われる開口端を有する、ドーム又はカップの形状のカバー７０１とによって形成されるハウジング内に封入される。カバー７０１は、レーザービーム７０４がハウジングから出て行くことができるようにする窓７０３を備える。底板１０２とカバー（窓以外の部分）は、ハウジング内部を中真空若しくは低真空に維持することを可能にし、レーザー光源が生成する熱を放散させることを可能にする金属又は別の適切な材料から作製される。窓７０３はガラス、例えば、ホウケイ酸ガラスから作製することができる。いくつかの実施形態において、窓はレンズとして形成することができ、及び／又はデバイスはレンズ等の１つ又は複数の追加の光学素子を備えることができる。レーザー光源１００への電気的なコンタクト７０５は底板を通して導くことができる。一般に、ハウジングはトランジスタアウトライン（ＴＯ）缶として形成することができる。
【００６２】
組立中、ハウジングの内部は、少なくとも部分真空とすることができ、それにより、ハウジング内部に低真空又は中真空を提供する。例えば、ハウジング内部は１５０Ｔｏｒｒ以下、又は更に約１００Ｔｏｒｒ以下等の２００Ｔｏｒｒ以下に維持することができる。いくつかの実施形態において、この低圧力は約０．００１Ｔｏｒｒ以上等、約０．１Ｔｏｒｒ以上等、約０．５Ｔｏｒｒ以上等又は更に約１Ｔｏｒｒ以上等の約０．０００１Ｔｏｒｒ以上である。一般に、ウェハーレベルでの真空パッケージ封入等の他の形式のパッケージ封入が可能であることが理解されるであろう。
【００６３】
図８はレーザー光源システムの例の概略ブロック図を示している。レーザー光源システムはレーザーデバイス７００、例えば、図７に関連して説明したレーザーデバイスを備える。システムは、レーザーデバイスに接続され、かつパルス列の形態で変調された電圧をレーザー光源デバイスに提供するように動作可能なパルス発生器電源８１０を更に備える。この変調された電圧はレーザー光源のＭＥＭＳ発振器をその共振周波数にて駆動する。システムは、パルス発生器８１０に接続され、かつパルス発生器８１０によって生成されたパルスの振幅を制御するように動作可能な電圧制御ユニット８１９を更に備える。システムは、パルス発生器８１０に接続され、かつパルス発生器８１０によって生成されたパルスの周波数を制御するように動作可能な周波数制御ユニット８１８を更に備える。システムはフォトダイオード８１５及び８１７のそれぞれと、光学バンドパスフィルター８１２及び８１６のそれぞれと、ビームスプリッター８１３及び８１４のそれぞれとを備える。ビームスプリッター８１３は、出力ビーム７０４の一部分をレーザーデバイスから診断ビームとして他のビームスプリッター８１４の方向に向けるように構成される一方、出力ビームの残りの部分はレーザーシステムの出力ビームとして放射される。ビームスプリッター８１４は、診断ビームを２つの部分診断ビームに分割し、そのうちの一方はバンドパスフィルター８１２を通ってフォトダイオード８１５の方向に向けられ、他の部分診断ビームはバンドパスフィルター８１６を通ってフォトダイオード８１７の方向に向けられる。
【００６４】
バンドパスフィルター８１２は中心波長λ０の周囲の狭い波長域のみを通過させるように構成される。結果として、フォトダイオード８１５は、ＭＥＭＳ発振器がその静止位置を通るたびにパルスを生成する。したがって、フォトダイオード８１５からのパルスはＭＥＭＳ発振器の発振の周波数及び位相を反映する。パルスは周波数制御回路８１８に供給され、周波数制御回路８１８は、フォトダイオード８１５からの信号に基づいて、パルス発生器のパルスをトリガーするトリガー信号を生成する。例えば、周波数制御回路８１８は、パルス列の周波数と位相とを制御するように位相ロックループを実施することができる。
【００６５】
バンドパスフィルター８１６は中心波長λ０から変位した波長の周囲の狭い波長域のみを通過させるように構成される。結果として、フォトダイオード８１７は、ＭＥＭＳ発振器が所与の変位位置を通過するたびにパルスを生成する。したがって、フォトダイオード８１５及び８１７によって生成されるパルス間の位相差は、ＭＥＭＳ発振器の静止位置を通過する速度の測定値である。フォトダイオード８１５及び８１７からの信号は電圧制御回路へ供給される。この電圧制御回路はパルス発生器８１０によって生成されるパルスのパルス振幅を制御し、それによりそれぞれのフォトダイオードからのパルス間の位相差を一定に維持し、こうしてＭＥＭＳ発振器の発振を所望の振幅に維持する。
【００６６】
したがって、通常、レーザー光源システムは、ＭＥＭＳ反射器の発振周波数及び／又は発振振幅を制御し、オプションで発振の位相も制御する制御回路を備える。受信した検出信号に応答して、制御回路は電源の動作パラメーターを制御することができ、それにより発振器の共振周波数において発振器を駆動し、所望の発振振幅、すなわち、所望の掃引範囲を維持することができる。
【００６７】
いくつかの実施形態において、電圧パルスの振幅はデューティーサイクル、ＭＥＭＳ発振器の品質係数Ｑ及びプルインが発生する臨界の静電電圧ＶＰＩの関数として制御される。デューティーサイクルはパルス持続時間τとパルス周期Ｔとの比として規定することができる。
【００６８】
特に、発振器の共振周波数において駆動されるとき、電圧パルスの振幅Ｖ０は以下のように求めることができる。
【数１】
0006434406.tif 000002
ここで、臨界の静電プルイン電圧は以下の様になる。
【数２】
0006434406.tif 000003
また、ここで、ｋは発振器のばね定数、ｇ０は残余空隙幅、εは空隙内に残留しているガスの誘電率及びＡはコンデンサーのコンデンサー面積である。デューティーサイクルは１１％より小さく選択されることが好ましい。
【００６９】
レーザー光源システムのいくつかの実施形態は、追加の制御回路類及び／又は信号の取得及び処理をする回路類等の追加の又は代替の回路類を備えることができることが理解されるであろう。例えば、レーザー光源システムの実施形態は、データ収集プロセスにおいて自走ＭＥＭＳ発振器からの時間を用いて波長の非線形掃引を補償する回路類を備えることができる。このことは、例えば、R. Huber、M. Wojtkowski、K. Taira、J. Fujimoto、及びK. Hsu、「Amplified, frequency swept lasers for frequency domain reflectometry and OCT imaging: design and scaling principles」、Opt. Express 13, 3513-3528 (2005)に記載されているように、例えば、時間に対する波長を事前測定すること（pre-measuring）によって、又はいわゆる「ｋクロック」を実施することによって、すなわち、レーザー出力光を、小さな自由スペクトル領域を有するファブリペローキャビティー若しくは不均衡干渉計を通してフォトダイオードに送出し、この信号を取得するトリガーとして用いることによって実行することができる。
【００７０】
本明細書において開示される幾つかの態様を以下に要約する。一態様によれば、波長掃引可能レーザー光源の実施形態が開示される。このレーザー光源はレージング波長のレーザー光を生成するように構成される半導体レーザー光源であり、
基板と、
第１の反射器と、
第２の反射器と、
を備える。第１の反射器及び第２の反射器はともに光学キャビティを画定し、基板に垂直な方向の光学経路に沿った光学キャビティ内の光発振をサポートするように配置され、光学キャビティは光学経路内に空洞を備え、第２の反射器は第１の反射器から或る距離にサスペンションによって弾力的に取り付けられ、静止位置を有し、第２の反射器及びサスペンションはともにマイクロエレクトロメカニカルＭＥＭＳ発振器を画定し、このＭＥＭＳ発振器は或る共振周波数を有するとともに静止位置の両側に第２の反射器を発振させるように構成される。レーザー光源は、
ＭＥＭＳ発振器に電界を印加するように構成される電気的接続、
を更に備える。
【００７１】
レーザー光源のいくつかの実施形態において、第２の反射器はサブ波長格子であるか又はサブ波長格子を含む。
【００７２】
レーザー光源のいくつかの実施形態において、第２の反射器は高屈折率差サブ波長格子ＨＣＧであるか又は高屈折率差サブ波長格子ＨＣＧを含む。
【００７３】
レーザー光源のいくつかの実施形態において、第２の反射器は分布ブラッグ反射器ＤＢＲであるか又は分布ブラッグ反射器ＤＢＲを含む。
【００７４】
レーザー光源のいくつかの実施形態において、このレーザー光源は、キャビティ内の光学経路内に抗反射コーティングを備える。レーザー光源のいくつかの実施形態において、抗反射コーティングはＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ層を酸化することによって作製され、ここで、ｘは０．７より大きい。
【００７５】
レーザー光源のいくつかの実施形態において、レーザー光源はキャビティの光学経路内に活性領域を備え、この活性領域は少なくとも、第１のゲイン波長域に対応するバンドギャップを有するように構成される第１の量子井戸ＱＷ領域を備え、この第１のＱＷ領域は第１の反射器から第１の距離に配置される。いくつかの実施形態において、活性領域は第２のゲイン波長域に対応するバンドギャップを有するように構成される第２の量子井戸ＱＷ領域を更に備え、第２のＱＷ領域は第１の反射器から第２の距離に配置され、第２のゲイン波長は第１のゲイン波長より長く、第２の距離は第１の距離より大きい。いくつかの実施形態において、レーザー光源は第１のレーザーモード及び第２のレーザーモードをサポートし、第１の距離は第１のＱＷ材料と第１のレーザーモードとの間の第１のオーバーラップが第１のＱＷ材料と第２のレーザーモードとの間の第２のオーバーラップより大きいように選択される。
【００７６】
レーザー光源のいくつかの実施形態において、ＭＥＭＳ発振器は約８０以上等の約２以上又は約１０以上の品質係数Ｑを有し、及び／又はＭＥＭＳ発振器は約１２０以下等の約３００以下又は２００以下の品質係数を有する。
【００７７】
レーザー光源のいくつかの実施形態において、少なくとも動作状態にあるＭＥＭＳ発振器は、中真空下又は低真空下に維持される。
【００７８】
別の態様によれば、掃引レーザー光源システムの実施形態が開示され、このシステムは、
先行する請求項のいずれか一項に記載のレーザー光源と、
レーザー光源の電気的接続を介して変調電圧をＭＥＭＳに印加するように構成される電源と、
を備え、電源は変調周波数を用いて変調電圧を変調するように構成され、変調周波数は実質的に共振周波数に等しいか又は実質的に共振周波数の高調波である。
【００７９】
レーザー光源システムのいくつかの実施形態において、変調電圧は脈動直流ＤＣである。
【００８０】
レーザー光源システムのいくつかの実施形態において、変調電圧は機械的発振を持続する波形によって変調され、波形はディラックのデルタ関数のパルスの列等のパルス列であるか又はそれらのパルス列を含む。
【００８１】
更に別の態様によれば、レーザー光源の使用方法の実施形態が開示され、レーザー光源は垂直キャビティ面発光レーザーＶＣＳＥＬを備え、ＶＣＳＥＬは第１の反射器とマイクロエレクトロメカニカルシステムＭＥＭＳの第２の反射器とを備え、第２の反射器はＶＣＳＥＬキャビティの一部分であるとともにＭＥＭＳへの印加電圧によって作動可能であり、ＭＥＭＳは共振周波数を有し、本方法は、第２の反射器の位置を作動させるように電源からの変調電圧をレーザー光源のＭＥＭＳに印加することを含み、この電圧は共振周波数か又は共振周波数の高調波に実質的に等しい変調周波数を有する。
【００８２】
本明細書において説明する様々な態様の実施形態は、スペクトロスコピー及び光学コヒーレンストモグラフィー（ＯＣＴ）等の多くの用途において用いることができる。特に、これらの実施形態は、幅広いチューニング範囲、単一モード動作及びチューニング帯域幅にわたる迅速な掃引を可能にするので、ＯＣＴ用途において魅力的である。さらに、これらの実施形態はコンパクトな設計を可能にする。
【００８３】
本発明は、特定の実施形態に関連して説明してきたが、提示された例にいかようにも限定されるものと解釈されるべきではない。本発明の範囲は添付の特許請求の範囲一式によって定められる。特許請求の範囲との関連で、用語「備えている（含んでいる）」又は「備える（含む）」は他の可能性のある構成要素又はステップを排除しない。また、数量を特定しない表記（"a" or "an" etc.）等を用いて参照することは複数であることを排除すると解釈されるべきではない。特許請求の範囲において図面に示される構成要素に対する参照符号を用いることは、本発明の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。さらに、異なる特許請求の範囲において言及される個々の特徴は、おそらく有利には結合することができ、異なる特許請求の範囲におけるそれらの特徴への言及は、特徴の組合せが可能でなく、有利でもないことを排除しない。
【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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