(57)【要約】【課題】  縦モードのモードホップを抑制することで、シングルモードでの波長可変幅を拡大す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。【解決手段】  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、出射する光の波長を変化可能な面発光レーザであって、前記空隙部の光路上に、前記面発光レーザの出射光の波長範囲において、光吸収または光利得のある光強度調整部が設けられており、前記光強度調整部、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２つを変位させることで、出射する光の波長を変化させる面発光レーザ。【選択図】  図１
2016027648.tif 000002
【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、出射する光の波長を変化可能な面発光レーザであって、
前記空隙部の光路上に、前記面発光レーザの出射光の波長範囲において、光吸収または光利得のある光強度調整部が設けられており、
前記光強度調整部、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２つを変位させることで、出射する光の波長を変化させる面発光レーザ。
【請求項２】
前記光強度調整部が、前記面発光レーザの出射光の波長範囲において、光吸収のある部材を有し、
前記上部反射鏡および前記下部反射鏡により構成される共振器内に形成される光定在波の特定のモードの任意の節の位置から光軸方向に、前記面発光レーザの中心波長の±１／８倍の範囲に前記光強度調整部の光軸方向の中心が位置するように構成されている請求項１に記載の面発光レーザ。
【請求項３】
前記光強度調整部の吸収係数が２０ｃｍ−１以上である請求項２に記載の面発光レーザ。
【請求項４】
前記光強度調整部の吸収係数が１００ｃｍ−１以上である請求項２に記載の面発光レーザ。
【請求項５】
前記光強度調整部が、前記面発光レーザの出射光の波長範囲において、光利得のある部材を有し、
前記上部反射鏡および前記下部反射鏡により構成される共振器内に形成される光定在波の任意の腹の位置から光軸方向に、前記面発光レーザの中心波長の±１／８倍の範囲に前記光強度調整部の光軸方向の中心が位置するように構成されている請求項１に記載の面発光レーザ。
【請求項６】
前記光強度調整部の吸収係数が−２０ｃｍ−１以下である請求項５に記載の面発光レーザ。
【請求項７】
前記光強度調整部の吸収係数が−１００ｃｍ−１以下である請求項５に記載の面発光レーザ。
【請求項８】
前記光強度調整部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１／４より小さい請求項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】
前記光強度調整部、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２つを同期させて変位させる請求項１乃至８のいずれか一項に記載の面発光レーザ。
【請求項１０】
前記光強度調整部、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２つを同一周期で変位させる請求項１乃至９のいずれか一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のいずれか一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、波長可変型の面発光レーザ、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。
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。以下、垂直共振器型面発光レーザ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ  Ｃａｖｉｔｙ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｌａｓｅｒ）をＶＣＳＥＬ、ＭＥＭＳを用いた波長可変のＶＣＳＥＬをＭＥＭＳ−ＶＣＳＥＬと呼ぶことがある。
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、一対の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）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【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】
【０００４】
本発明者は、特許文献１に記載されている従来のＶＣＳＥＬにおいて、連続的に波長を変化させていくと、モードホップ現象が起こることを見出した。モードホップとは、発振するレーザ光が、ある縦モードから別の縦モードに変わる現象である。具体的には、発振波長が長くなるように変化していく途中で発振波長が急激に短くなったり、発振波長が短くなるように変化していく途中で発振波長が急激に長くなったりする現象である。このようなモードホップが生じると、発振波長が変化していったときに、あるモードで発振し続けにくくなる結果、発振波長の可変幅が小さくなってしまう。
【０００５】
上記課題に鑑み、本発明は縦モードのモードホップを抑制することで波長可変幅を大きく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、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、出射する光の波長を変化可能な面発光レーザであって、前記空隙部の光路上に、前記面発光レーザの出射光の波長範囲において、光吸収または光利得のある光強度調整部が設けられており、前記光強度調整部、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２つを変位させることで、出射する光の波長を変化させることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明に係る面発光レーザによれば、面発光レーザの空隙部に設けた光強度調整部と、上部反射鏡、下部反射鏡の少なくともいずれか２つを光軸方向に適切に変位させることで、ある縦モードで発振し続けやすくなる。具体的には、特定の縦モードの光に対する光吸収をそれに隣接する縦モードの光に対する光吸収より相対的に小さく、または特定の縦モードの光に対する光利得をそれに隣接する縦モードの光に対する光利得より相対的に大きくする。その結果、縦モードのモードホップを抑制でき、波長可変幅を大きくできる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施形態におけ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おける面発光レーザの駆動パターンを説明するための図である。
【図３】本発明の実施形態における面発光レーザの光強度分布を示す計算結果である。
【図４】本発明の実施形態における面発光レーザの光学特性を示す計算結果である。
【図５】本発明の実施形態における光強度調整部厚さ依存を示す計算結果である。
【図６】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７】本発明の実施例１におけるＶＣＳＥＬの構造を示す断面模式図である。
【図８】本発明の実施例１におけるＶＣＳＥＬの光学特性を示す計算結果である。
【図９】従来のＭＥＭＳ−ＶＣＳＥＬの構造を示す断面模式図である。
【図１０】従来のＭＥＭＳ−ＶＣＳＥＬの課題を説明するための計算結果である。
【図１１】本発明の実施例２における面発光レーザの構成の一例を説明する模式断面図である。
【図１２】本発明の実施例３における面発光レーザの構成の一例を説明する模式断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
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。
【００１０】
はじめに、本明細書中で使用する用語について定義する。
【００１１】
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、光強度調整部や活性層の「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中心波長である。
【００１４】
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。
【００１５】
（面発光レーザ）
図１は本実施形態に係る出射する波長を変化可能な面発光レーザの構成を示す断面模式図である。
【００１６】
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、空隙部１３０、上部反射鏡１００と、をこの順に有する。
【００１７】
空隙部１３０の光路上には、面発光レーザの出射光の波長範囲において、光吸収または光利得のある光強度調整部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（以下、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。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。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。図１では、空隙部の長さｄは、反射防止膜１６０と上部反射鏡１００との間の光軸上の距離であるが、半導体積層体の層構成によって空隙部の長さｄは異なってくる。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、ｄは、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。
【００１８】
本実施形態に係る面発光レーザでは、光強度調整部１４０と、上部反射鏡１００及び下部反射鏡１１０の少なくともいずれか一方との、光路上の位置、または、上部反射鏡１００及び下部反射鏡１１０の光路上の位置を変化させる。それによって、特定の縦モードの閾値利得を他の縦モードに比べて相対的に小さくすることで、モードホップを抑制して波長可変幅を拡大することができる。
【００１９】
具体的には、エアギャップ長の変化とそれに伴う共振波長（レーザ発振波長）の変化に応じて、上部反射鏡、光強度調整部、下部反射鏡の位置関係を適切に制御することで、上記の効果を得ることができる。
【００２０】
適切に制御する方法として以下の２つ挙げられる。１つは、光強度調整部１４０としての光吸収のある部材（光吸収部材）を、特定の縦モードの光分布の節の位置で、かつ、該特定の縦モードに隣接する１つ低次および１つ高次の縦モードの光分布の腹の位置に設ける方法である。すなわち、隣接する縦モードにおいて光強度の大きい腹に光強度調整部１４０が設けられる場合、共振器内の光強度の減少は大きい。一方、該特定の縦モードにおいて光強度の小さい節に光強度調整部が設けられる場合、共振器内の光強度の減少は小さい。すなわち、特定の縦モードと隣接する縦モードとの光強度の差が大きくなり、発振閾値の差は大きくなるため、特定の縦モードでの発振がしやすくなり、モードホップが抑制される。
【００２１】
もう１つは、光強度調整部１４０として光利得のある部材（光利得媒体）を、特定の縦モードの光分布の腹の位置で、かつ、該特定の縦モードに隣接する１つ低次および１つ高次の縦モードの光分布の節の位置に設ける方法である。すなわち、隣接する縦モードにおいて光強度の小さい節に光強度調整部１４０が設けられる場合、光強度の増幅は小さい。一方、該特定の縦モードにおいて光強度の大きい腹に光強度調整部１４０が設けられる場合、光強度の増幅は大きい。すなわち、特定の縦モードと隣接する縦モードとの光強度の差が大きくなり、発振閾値の差は大きくなるため、特定の縦モードでの発振がしやすくなり、モードホップが抑制される。ただし、光強度調整部１４０に光利得を持たせるためには、光利得媒体に電流注入や光励起を行うために、電流注入構造や光励起用光源を設ける必要がある。一方で、光吸収部材を用いる場合、電流注入構造や光源を設ける必要がないためより好ましい。そこで以下では、特に断りのない限り、光強度調整部として光吸収部材を用いる形態について説明する。
【００２２】
次に、上記のように、特定の縦モードの光分布の腹の位置で、かつ、該特定の縦モードに隣接する１つ低次および１つ高次の縦モードの光分布の節の位置に設けられるようにするためのいくつかの方法について、図２を用いて説明する。図２は、図１の面発光レーザの図のうち、上部反射鏡１００、光強度調整部（光吸収部材）１４０、下部反射鏡１１０のみを示した模式図であり、上部反射鏡１００と下部反射鏡１１０との間に形成された特定の縦モードの光定在波も示している。図２（ａ）〜（ｃ）における、光定在波（波線）は、光強度を表し、光強度とは電界強度振幅の２乗に比例した値である。２０１は光定在波の腹、２０２は節であり、図２（ｂ）、図２（ｃ）の対応する位置についても同様である。
【００２３】
図２（ａ）は初期状態である。図２（ａ）の初期状態から反射鏡や光強度調整部を変位させた後の図が、図２（ｂ）、図２（ｃ）である。
【００２４】
図２（ｂ）では、上部反射鏡１００が光軸上に変位し、光定在波の形が変わり、波長が長くなる。波長が長くなるに伴って、光定在波の節の位置が変わるため、上部反射鏡１００の変位に合わせて光強度調整部１４０を光軸上に変位させて、光定在波の節の位置に常に光強度調整部１４０が設けられた状態にする。それによって、上記のようにモードホップが抑制された状態を維持できる。
【００２５】
また、図２（ｃ）のように、光強度調整部１４０を変位させなくても同様の効果を得ることができる。すなわち、上部反射鏡１００と下部反射鏡１１０とを両方変位させて波長は変化させるが、変位量を適切に制御することで、節の位置に常に光強度調整部１４０に設けられた状態を維持すればよい。
【００２６】
（原理の説明）
本発明の効果が生じる原理について計算例を用いて詳細に説明する。
【００２７】
図３に、本実施形態に係る面発光レーザにおいて、異なる縦モード間で光分布に違いが生じることを説明するための計算結果の一例を示す。図３（ａ）〜（ｃ）において、光強度とは、電界強度振幅の２乗に比例した値であり、３０１は光定在波の腹、３０２は節であり、図３（ｂ）、図３（ｃ）の対応する位置についても同様である。
【００２８】
計算対象となった面発光レーザの構成は、図１に示した面発光レーザにおいて、エアギャップ長が３５００ｎｍの場合である。
【００２９】
図３では、空隙部１３０付近の光強度分布のグラフを示しており、屈折率分布を破線で、光強度分布を太実線で図示している。グラフに付記した番号は、１４０が光強度調整部の各位置を表している。
【００３０】
図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ、共振器長が５λ、５．５λ、６λとなるような３つの異なる縦モードの光強度分布を示している。図３（ａ）と（ｃ）では、光強度調整部（光吸収部材）１４０が光分布の腹の近くに位置している。一方、図３（ｂ）では、光強度調整部１４０が光分布の節の近くに位置している。
【００３１】
図３（ａ）と（ｃ）のように光分布の腹、つまり光が集まっている位置に光強度調整部を設けると、光が多く吸収される。その結果、共振器内を行き来する光に損失が生じ、それを補うためには活性層でより大きな利得が必要となる。
【００３２】
一方、図３（ｂ）のように光分布の節、つまり光がほとんど存在しない位置に光強度調整部を設けても、光はあまり吸収されない。そのため、共振器内を行き来する光の損失も大きくならない。
【００３３】
以上により、図３（ｂ）に示した縦モードと比較して、図３（ａ）や図３（ｃ）に示した一つ低次や高次の縦モードの閾値利得が相対的に大きくなり、モードホップを抑制する効果が生まれる。
【００３４】
隣接する縦モード間の閾値利得の差を大きくするには、縦モード間の光吸収の差を大きくしてやればよい。そのためには、上部反射鏡と下部反射鏡で構成される共振器の光路長の中心付近に光強度調整部１４０を設けることが効果的である。この場合、隣の次数の縦モード間では、共振器全体で光定在波１周期分（腹と腹の間隔）に相当する差がある。共振器の中心付近では、その差の半分である腹と節の間隔に相当する差が生じている。つまり、同じ位置に、ある次数の縦モードの腹と、その隣の次数の縦モードの節があらわれ、その位置に光強度調整部を配置する場合が最も光吸収の差を大きくすることができる。
【００３５】
光定在波の腹や節の位置と、光強度調整部の光軸方向の中心位置は、正確に一致している場合が最も本発明の効果を得やすいが、必ずしも正確に一致していなくても本発明の効果を得ることは可能である。光強度調整部を光分布の節付近に配置する場合、腹と節の間で節に近い側に光強度調整部の光軸方向の中心位置があれば、隣の次数の縦モードに比べて閾値利得を小さくして本発明の効果を得ることはできる。光定在波の腹と節の距離は１／４波長に相当するので、節からの距離がその半分より小さければよい。つまり、任意の節の位置から光軸方向に、面発光レーザの中心波長の±１／８倍の範囲に光強度調整部の光軸方向の中心が位置していればよい。
【００３６】
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、それに合わせて光強度調整部の位置を決めることができる。
【００３７】
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−１）＋λ／４となる場所に節が位置する（ｍは自然数、以下同じ）。
【００３８】
下部反射鏡での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−１）＋λ／４となる場所に腹、λ／２×（ｍ−１）となる場所に節が位置する。
【００３９】
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場所に腹や節が位置する。
【００４０】
また、上部反射鏡を周期的に変位させて繰り返し波長掃引するように駆動する場合、光強度調整部と上部反射鏡とを同期させて変位させることが好ましく、同一周期で変位にさせることが好ましい。
【００４１】
（従来技術の課題についての詳細説明）
以下に、本発明者が見出した課題について詳細に説明する。課題とは、上記で示す光強度調整部１４０が設けられておらず、適切な光強度分布が形成されていない従来のＶＣＳＥＬの有する課題である。
【００４２】
図９に、従来のＭＥＭＳ−ＶＣＳＥＬの断面模式図を示す。
【００４３】
図９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９５０上に配置されている。また、活性層９２０は下部クラッド層９７０と上部クラッド層９８０に狭持されている。
【００４４】
また、上部反射鏡、下部反射鏡として、多層膜で形成した分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ）を用いている。空隙部９３０と上部クラッド層９８０との間には反射防止膜９６０が形成されている。
【００４５】
上部反射鏡９００と下部反射鏡９１０の間の光学的距離が共振器長である。また、上部反射鏡９００を光軸方向（Ｌ）に動かすことで空隙部９３０の長さｄを変え、共振器長を変えることができる。それによってレーザ発振波長を変えることができる。
【００４６】
一般に、共振器中には複数の光モードが存在するが、共振器の光軸方向の光分布の違いで分類したモードを縦モードと呼び、光軸と垂直な方向の光分布の違いで分類したモードを横モードと呼ぶ。
【００４７】
光軸方向の光学的距離（共振器長）が光波長の何個分の長さになっているかによって縦モードの次数が定義され、より少ない個数となるモードを低次の縦モード、より多い個数となるモードを高次の縦モードと呼ぶ。
【００４８】
ここで、ある一つの縦モードでレーザ発振が起こっている状態を考える。その状態から上部反射鏡９００を上方向に動かすと共振器長が伸び、レーザ発振波長が長波長側にシフトする。上部反射鏡の変位量に応じてレーザ発振波長が連続的に変化するが、上部反射鏡９００の変位量がある値を超えると、一つ高次の縦モードでレーザ発振が起こるようになり、レーザ発振波長が不連続的に短波長側に跳んでしまう。
【００４９】
同様に上部反射鏡９００を下方向に動かすと共振器長が縮み、レーザ発振波長が短波長側にシフトする。しかし、上部反射鏡９００の変位量がある値を超えると、一つ低次の縦モードでレーザ発振が起こるようになり、レーザ発振波長が不連続的に長波長側に跳んでしまう。
【００５０】
このようにレーザ発振するモードが変わることで波長が不連続的に変化することを一般にモードホップと呼ぶ。
【００５１】
ＭＥＭＳ−ＶＣＳＥＬにおいて、連続的に波長を変化させていくと、波長がある程度以上変化したところでモードホップが起こって逆方向に波長が変化してしまうので、波長可変幅が制限されてしまうという課題がある。この、モードホップが生じることによって、波長幅が狭くなる理由についてより詳しく説明する。
【００５２】
図１０（ａ）に、図９に示したＭＥＭＳ−ＶＣＳＥＬの空隙部９３０の長さｄ（エアギャップ長）に対する共振波長および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。活性層で閾値利得以上の利得が得られる場合には共振波長においてレーザ発振する。
【００５３】
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。
【００５４】
計算した波長およびエアギャップ長の範囲では、共振器長が５λ〜６．５λに相当する縦モードが見られる。図１０（ａ）の上のグラフには、エアギャップ長と閾値利得との関係をプロットしている。エアギャップ長が変化すると閾値利得が変化しており、縦モードごとに異なるエアギャップ長において閾値利得の極小値を持つことがわかる。
【００５５】
ある一つの縦モードの閾値利得の極小値に注目すると、その極小値からのエアギャップ長の変化がある範囲より小さい間は、その縦モードの閾値利得が他の縦モードの閾値利得より小さい。しかし、ある範囲を超えてエアギャップ長が変化すると、隣の次数の縦モードの閾値利得の方が小さくなり、閾値利得の大小関係が逆転してしまう。
【００５６】
図１０（ａ）の下のグラフには、エアギャップ長と共振波長との関係をプロットしている。各縦モードの共振波長の計算結果を破線で示しており、エアギャップ長が変化するとそれに比例するように各モードの共振波長が変化することがわかる。
【００５７】
各モード間はある程度の波長間隔を持っている。なお、この縦モード同士の間隔を自由スペクトル領域（Ｆｒｅｅ  Ｓｐｅｃｔｒａｌ  Ｒａｎｇｅ、ＦＳＲ）と呼ぶこともある。
【００５８】
なお、共振器長が長くなるほど縦モード間隔が狭くなり、エアギャップ長の変化に対する共振波長の変化も小さくなる（つまり、図１０（ａ）下側のグラフの傾きが小さくなる）ことが知られている。そのため、波長可変レーザとして動作させることを考慮すると、共振器長は１０波長以下であることが好ましい。
【００５９】
図１０（ａ）上側から読み取った、閾値利得の最も小さい縦モードとして発振される共振波長を図１０（ａ）下側にシンボル付き線で示した。
【００６０】
図１０（ａ）によると、エアギャップ長が大きくなると、共振波長が長波長側にシフトしていき、波長変化量がある程度以上になると一つ高次の縦モードの閾値利得の方が小さくなり、図中に矢印で示したようにモードホップが起こってしまう。
【００６１】
モードホップが起こると波長が逆方向に変化する。すなわち、波長が大きくなるように変化していた場合は、波長が不連続的に小さくなり、その波長から再び波長が大きくなっていくので、波長可変幅が制限されてしまう。例えば、共振器長が５．５λに相当する縦モードでモードホップを起こさず連続的に波長を変えられるエアギャップ長は３６００〜４０５０ｎｍの範囲に限定されており、その場合の波長可変幅は約６５ｎｍとなる。
【００６２】
図１０（ｂ）は、横軸を共振波長、縦軸を閾値利得として図１０（ａ）の計算結果をプロットし直したものである。図１０（ｂ）によると、中心波長の８５０ｎｍ付近で最も閾値利得が小さくなっている。この理由は２つ挙げられる。理由の１つ目は、上部および下部反射鏡のＤＢＲが中心波長８５０ｎｍに合わせて設計されているので、波長８５０ｎｍに近づくほど反射率が高くなっているからである。一般に反射鏡の反射率が高いほど、より小さい利得でレーザ発振を起こすことができる。
【００６３】
理由の２つ目は、活性層の位置が中心波長８５０ｎｍにおいて光分布の腹と一致するように設計されているので、波長８５０ｎｍから離れるほど活性層と光分布の腹との位置ずれが大きくなるからである。活性層における光分布が小さくなると光増幅の効率が低下する結果、閾値利得が大きくなる。
【００６４】
ここで、図１０（ｂ）をみると縦モードごとにプロットした線がほぼ全て重なっていることがわかる。つまり、閾値利得に縦モードごとの差はほとんど無く、主に波長によって閾値利得が決まることがわかる。ある縦モードで、中心波長付近でレーザ発振している場合に、エアギャップ長を変えると共振波長（レーザ発振波長）が中心波長から離れ、それにしたがって閾値利得が上昇する。一方、それに伴って一つ高次または低次の縦モードのいずれかの共振波長は中心波長に近づくので、閾値利得が減少する。エアギャップ長の変化がある値を超えたところで閾値利得の大小関係が逆転し、その結果、モードホップが起こる。
【００６５】
つまり、エアギャップ長の変化に伴って中心波長に近い縦モードが移り変わる事がモードホップの原因であると言える。
【００６６】
なお、上記の説明では複数の縦モードが同時にレーザ発振を起こすマルチモードの状態については考慮していない。多くの用途においてマルチモード発振は好ましくなく、シングルモード動作するように何らかの対策を施している場合がほとんどである。例えば各モード間の閾値利得の差を利用して、最も発振しやすいモードだけが発振してそれ以外のモードが発振しないように電流値等を調整することでシングルモード発振させることができる。
【００６７】
本明細書中では、一つの縦モードのみが発振するシングルモード動作の状態において、相対的に最も閾値利得が低くレーザ発振を起こしやすいモードが他の縦モードに移り変わる現象をモードホップと呼んでいる。
【００６８】
以上説明したように、従来のＭＥＭＳ−ＶＣＳＥＬのシングルモードでの波長可変幅は縦モードのモードホップにより制限される。図４に、図１に示した構造のエアギャップ長の変化に対する共振波長およびレーザ発振に必要な利得（閾値利得）の関係を計算した結果を示す。
【００６９】
図４（ａ）の上のグラフによると、図１０とは異なり特定の縦モードだけ相対的に閾値利得が小さくなっていることがわかる。
【００７０】
計算した波長およびエアギャップ長の範囲では、共振器長が５．５λに相当する縦モードの閾値利得が常に小さく、１４０ｎｍより広い波長範囲に亘って閾値利得の大小関係が逆転せず、モードホップが抑制されていることが確認できる。
【００７１】
図１０に示した従来のＶＣＳＥＬの計算結果と比較すると、本実施形態に係る面発光レーザでは従来構造の２倍以上の波長可変幅が得られることがわかる。
【００７２】
図４（ｂ）に、横軸を共振波長、縦軸を閾値利得として図４（ａ）の計算結果をプロットしなおしたグラフを示す。
【００７３】
共振器長が５λと６λの縦モードについてプロットした線はほぼ重なっているが、５．５λの縦モードの線だけ相対的に閾値利得が小さくなっている。
【００７４】
このように、本実施形態に係る面発光レーザでは、広い波長範囲に亘って特定の縦モードだけ閾値利得が小さく、モードホップを起こさずに広帯域の波長掃引が可能な特性が得られることがわかる。なお、本実施形態に係る面発光レーザはモードホップを抑制できるという効果だけでなく、図４（ｂ）と図１０（ｂ）を比較すると特定の縦モードにおいて従来構造より閾値利得が小さくなり、レーザ発振しやすくなるという効果も得られる場合がある。
【００７５】
（光強度調整部）
本実施形態において光強度調整部は、光吸収のある部材（光吸収部材）または、光利得のある部材（光利得媒体）を有するものであれば良い。
【００７６】
本実施形態において光吸収部材とは、その部材の吸収係数が正の値を持つ部材である。
【００７７】
例えば吸収係数が２０ｃｍ−１以上、５０ｃｍ−１以上、１００ｃｍ−１以上、１０００ｃｍ−１以上の光吸収部材を用いることができる。
【００７８】
一方、光利得媒体とは、その部材の吸収係数が負の値を持つ部材である。例えば、吸収係数が−２０ｃｍ−１以下、−５０ｃｍ−１以下、−１００ｃｍ−１以下、−１０００ｃｍ−１以下の光利得媒体を用いることができる。
【００７９】
なお、光強度調整部全体が光吸収部材または光利得媒体で構成されていてもよいし、光強度調整部の一部に光吸収または光利得を有する層が挟まれている構成であってもよい。またその場合は、光吸収または光利得のある層は１層であってもよいし、多層構造であってもよい。
【００８０】
本発明の効果を得るために適した光強度調整部の厚さについて説明する。
【００８１】
本発明の効果を得るための好ましい条件は、レーザ発振させたい縦モードとその隣の次数の縦モードとの閾値利得の差が大きいという事に加え、レーザ発振させたい縦モードの閾値利得が大きくなりすぎないという事も重要である。たとえ光分布の節の位置であっても、光強度調整のある有限の厚さの光強度調整部を配置した場合の光吸収をゼロにすることは不可能であり、光強度調整部を構成する材料の吸収係数や厚さに応じて光が吸収される。
【００８２】
図５に、図４（ｂ）に示した構造の光強度調整部１４０の光軸方向の厚さと、閾値利得の関係を計算した結果の一例を示す。光強度調整部１４０が均一な光吸収部材で構成されており、吸収係数が１５００ｃｍ−１であると想定して計算を行った。
【００８３】
光強度調整部の厚さが６０ｎｍ程度までは閾値利得の上昇はほとんど見られないが、光強度調整部の厚さが７０ｎｍ付近から閾値利得が急激に増大する。この厚さは、光学厚さで表すと面発光レーザの中心波長の１／４に相当する。
【００８４】
以上より、光強度調整部の光軸方向の光学厚さが中心波長の１／４以下であることが好ましいと言える。
【００８５】
光強度調整部の材料としては、面発光レーザの出射する光の波長や、光強度調整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。光強度調整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光強度調整部を作製するために犠牲層プロセスを用いる場合、光強度調整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、「光強度調整部、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。
【００８６】
（上部反射鏡、および下部反射鏡）
本実施形態に係る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有す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。
【００８７】
誘電体多層膜の例として、低屈折率層としての酸化シリコン層としての（ＳｉＯ２層）と高屈折率層としての酸化チタン層（ＴｉＯ２層）のペアを複数組有する膜が挙げられる。
【００８８】
一方、半導体多層膜を用いる場合、半導体層を構成する材料がＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ａｓ（０≦ｘ≦１）で表わされる材料を有することが好ましい。例えば、高屈折率層としてのＧａＡｓ層と低屈折率層としてのＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ａｓ層（０．９≦ｘ≦１）とのペアを複数組有する半導体多層膜が挙げられる。また、上記低屈折率層としてｘ＝１となるＡｌＡｓを用いることもできる。
【００８９】
なお、多層膜ミラーのペア数を適宜変えることによって高反射率の反射帯域幅や反射率を制御することが可能である。
【００９０】
なお、本実施形態に係る上部反射鏡と下部反射鏡の構造や材料は各々独立に選ぶことができる。
【００９１】
また、上部反射鏡および下部反射鏡の一方が、回折格子、例えば高屈折率差サブ波長回折格子（Ｈｉｇｈ  Ｃｏｎｔｒａｓｔ  Ｇｒａｔｉｎｇ、以下ＨＣＧと略すことがある）ミラーであってもよい。ＨＣＧミラーは、高屈折率の材料と低屈折率の材料とが面内方向に交互に周期的に並んだ構成である。ＨＣＧミラーの例として、ＡｌＧａＡｓ層のような半導体層を加工して周期的な空隙を設けた、高屈折率領域（ＡｌＧａＡｓ部）と低屈折領域（空隙部）の周期構造体が挙げられる。
【００９２】
波長可変ＶＣＳＥＬの場合、移動させる方の反射鏡（図１では上部反射鏡）を軽量な反射鏡とすることが、波長可変速度を高速にするという観点から好ましい。そのため、本実施形態において、上部反射鏡として厚い（重い）構成となる多層膜ミラーではなく、薄い（軽い）構成のＨＣＧミラーを用いることが好ましい。
【００９３】
上記本実施形態における面発光レーザでは、上部反射鏡を光取り出し側の反射鏡として用いているが、下部反射鏡を光取り出し側の反射鏡として用いてもよい。光取り出し側の反射鏡のピーク反射率は、他方の反射鏡の反射率よりも低い。
【００９４】
ここで、光を取り出す側の反射鏡としては、反射率の値が９９．０％から９９．５％の間であることが好ましい。
【００９５】
また一般的に、誘電体で構成されるＤＢＲと半導体で構成されるＤＢＲとでは、誘電体の方が屈折率差を大きくしやすいため、少ない積層数で高い反射率を実現できる。一方で、半導体で構成されるＤＢＲには、結晶成長で下部反射鏡や活性層や上部反射鏡を一括で成膜できる、ドーピングにより導電性を持たせることができる等のプロセス上の利点がある。誘電体に比べて屈折率差を大きくとれない半導体でＤＢＲを形成する場合では、積層数を多くすることによって高い反射率、広い反射帯域を得ることができる。
【００９６】
なお、本実施形態に係る面発光レーザは上部反射鏡と光強度調整部とを駆動する例を示したが、上部反射鏡と下部反射鏡の少なくともいずれか一方と、光強度調整部とを駆動させる形態であってもよい。
【００９７】
なお、本実施形態に係る面発光レーザは、レーザ発振波長に応じて共振器中の光分布が変わるので、光強度調整部の位置はレーザ発振波長に応じて変える必要がある場合がある。レーザ発振波長は上部反射鏡や下部反射鏡の位置に応じて変わるため、光強度調整部の位置は上部反射鏡や下部反射鏡の位置に応じて変える必要がある場合がある。つまり両者が連動して駆動するような構成になっていることが好ましいことがある。
【００９８】
上部反射鏡や下部反射鏡を周期的に振動させて繰り返し波長掃引するように駆動する場合、光強度調整部も上部反射鏡や下部反射鏡と同一周期で振動させることが好ましい。
【００９９】
その際、振動の周波数は上部反射鏡や下部反射鏡、光強度調整部の機械的な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。
【０１００】
本実施形態に係る面発光レーザでは、光強度調整部の変位量よりも上部反射鏡や下部反射鏡の変位量を大きくする必要がある。そのため、光強度調整部の共振周波数よりも上部反射鏡や下部反射鏡の共振周波数に近い周波数で振動させる方が上部反射鏡や下部反射鏡の振幅を大きくすることが容易になり、都合がよい場合もある。
【０１０１】
（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。
【０１０２】
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。
【０１０３】
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。
【０１０４】
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。
【０１０５】
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。
【０１０６】
（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。
【０１０７】
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。
【０１０８】
（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。
【０１０９】
（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。
【０１１０】
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。
【０１１１】
（駆動部）
本発明を適用した構成において、上部反射鏡や光強度調整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。
【０１１２】
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。また、片持ち梁構造でも、両持ち梁構造でもよい。
【０１１３】
なお、本実施形態において、上部反射鏡と光強度調整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６を用いて説明する。
【０１１６】
本実施形態に係るＯＣＴ装置６は、光源部６０１、干渉光学系６０２、光検出部６０３、情報取得部６０４、を少なくとも有する構成であり、光源部６０１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６０４はフーリエ変換器を有する。ここで、情報取得部６０４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６０４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６０４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６０１から出た光は干渉光学系６０２を経て測定対象の物体６１２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６０３において受光される。なお光検出部６０３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６０３から情報取得部６０４に送られる。情報取得部６０４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６１２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６０１、干渉光学系６０２、光検出部６０３、情報取得部６０４を任意に設けることができる。
【０１１７】
以下、光源部６０１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６０１から出た光は、ファイバ６０５を通って、カップラ６０６に入り、照射光用のファイバ６０７を通る照射光と、参照光用のファイバ６０８を通る参照光とに分岐される。カップラ６０６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６０９を通って平行光になり、ミラー６１０で反射される。ミラー６１０で反射された光はレンズ６１１を通って物体６１２に照射され、物体６１２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６１３を通ってミラー６１４で反射される。カップラ６０６では、物体６１２からの反射光とミラー６１４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６１５を通り、コリメーター６１６を通って集光され、光検出部６０３で受光される。光検出部６０３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６０４に送られる。情報取得部６０４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６０４から画像表示部６１７に送って画像として表示させてもよい。なお、ミラー６１０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６１２の３次元の断層像を得ることができる。また、光源部６０１の制御は情報取得部６０４が電気回路６１８を介して行ってもよい。また図示しないが、光源部６０１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。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。
【０１２０】
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。
【０１２１】
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。
【０１２２】
（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】
【０１２３】
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。
【０１２４】
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。
【０１２５】
（実施例１）
実施例１として、本実施例に係るＶＣＳＥＬ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。
【０１２６】
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。
【０１２７】
上から順に上部反射鏡７００、空隙部７３０、反射防止膜７６０、上部クラッド層７８０、活性層７２０、下部クラッド層７７０、下部反射鏡７１０、ＧａＡｓ基板７５０が配置されている。空隙部７３０中には光強度調整部７４０が配置されている。光強度調整部７４０は厚さ７５ｎｍのＡｌ０．７Ｇａ０．３Ａｓ層で構成されており、不純物のドーピングによっておよそ５００ｃｍ−１の吸収係数を持たせてある。
【０１２８】
反射防止膜７６０は、本実施例に係る面発光レーザの中心波長の１／４の光学厚さの酸化ＡｌＡｓ層で形成されている。
【０１２９】
共振器長は、中心波長１０６０ｎｍを１λとしたときに７．５λ付近に相当するように構成されている。
【０１３０】
上部反射鏡はＡｌ０．４Ｇａ０．６ＡｓとＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓを交互に３６．５ペア積層して構成されたＤＢＲである。
【０１３１】
下部反射鏡は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ペア積層して構成されたＤＢＲである。
【０１３２】
活性層は厚さ８ｎｍのＩｎ０．２７Ｇａ０．７３Ａｓと厚さ１０ｎｍのＧａＡｓＰ層を交互に３周期積層した量子井戸構造で構成されている。
【０１３３】
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。
【０１３４】
上部反射鏡７００および光強度調整部７４０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。こちらも図中では電圧印加用の電極は省略している。
【０１３５】
上部反射鏡７００から約３λ離れた位置に光強度調整部７４０を配置し、上部反射鏡７００の変位量の６０％だけ光強度調整部７４０が変位するように位置を制御する。
【０１３６】
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。
【０１３７】
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。
【０１３８】
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。
【０１３９】
図８（ａ）に、図７に示した構造のエアギャップ長に対する共振波長およびレーザ発振に必要な利得（閾値利得）の関係を計算した結果を示す。
【０１４０】
図８（ａ）上側のグラフを見ると、共振器長が７．５λに相当する縦モードは８λに相当する縦モードに比べて閾値利得が小さくなっていることがわかる。
【０１４１】
計算した波長およびエアギャップ長の範囲の大部分では、共振器長が７．５λに相当する縦モードの閾値利得が相対的に小さく、モードホップが抑制されていることが確認できる。
【０１４２】
図８（ｂ）に、図８（ａ）の計算結果を別の形で表したグラフを示す。横軸を共振波長、縦軸を閾値利得として図８（ａ）の計算結果をプロットしなおしたものである。
【０１４３】
共振器長が７．５λと８λの縦モードについてプロットしているが、７．５λの縦モードの線は相対的に閾値利得が小さくなっている。
【０１４４】
このように、本発明を適用した構成では、広い波長範囲に亘って特定の縦モードだけ閾値利得が小さく、モードホップを起こさずに広帯域の波長掃引が可能な特性が得られる。
【０１４５】
（実施例２）
図１１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１１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１１０１の上には、ｎ型の多層膜ミラー１１０２が設けられている。ｎ型の多層膜ミラー（ＤＢＲ）１１０２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。
【０１４６】
ＤＢＲ１１０２の上には、Ａｌ０．８ＧａＡｓ層（１０２．６ｎｍ厚）からなるｎ型のクラッド層１１０３が設けられている。ｎ型のクラッド層１１０３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１１０４が設けられている。また、活性層１１０４の上には、Ａｌ０．８ＧａＡｓ層（３３７．４ｎｍ厚）からなるｐ型のクラッド層１１０５が、更に設けられている。
【０１４７】
可動ミラー１１０６は、シリコンカンチレバー（２ｕｍ厚）１１０７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１１０７は、酸化シリコン層１１０８（１μｍ厚）、シリコンカンチレバー（２ｕｍ厚）１１０７、酸化シリコン膜（２．５ｕｍ厚）１１０９、シリコン基板１１１０により基板１１０１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１１０６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１１０８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１１１１とＴｉ／Ａｕ電極１１１２を形成している。
【０１４８】
本実施例では、シリコンカンチレバー１１０７の先端側の部位の下方の面に可動ミラー１１０６を設けたが、上方の面に可動ミラー１１０６を設けた後に、シリコンカンチレバー１１０７の先端側の部位の一部を除去する構成としてもよい。また、クラッド層１１０５は、ｐ型のクラッド層１１０５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１１１３を有している。そのため、電極１１１６から供給された電流は、電流狭窄層１１１３の開口部分１１１５を通って、活性層１１０４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１１１６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１１１７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。１１１９はＶＣＳＥＬ駆動用の電源である。
【０１４９】
また、電極１１１４及び１１１２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。
【０１５０】
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）１１０６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）１１０２、下部のクラッド層１１０３、活性層１１０４、上部のクラッド層１１０５、等が形成された化合物半導体基板１１０１が接合されて、波長可変ＶＣＳＥＬを構成している。
【０１５１】
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１１１５は５μｍ直径の円形とする。
【０１５２】
本実施例において、光強度調整部１１１８が設けられている。光強度調整部１１１８、上部反射鏡１１０６、下部反射鏡１１０２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。
【０１５３】
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。
【０１５４】
まず、ＧａＡｓ層からなるｎ型の半導体基板１１０１上に、ｎ型の半導体ＤＢＲ１１０２、ｎ型のクラッド層１１０３、活性層１１０４、ｐ型のクラッド層１１０５を、ＭＯＣＶＤ結晶成長技術を用いて順次積層する。
【０１５５】
次に、ｐ型のクラッド層１１０５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、電流狭窄構造を形成するために、クラッド層１１０５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。
【０１５６】
次に、電極１１１６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。
【０１５７】
次に、ＶＣＳＥＬ駆動用のカソード電極１１１７を半導体基板１１０１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。
【０１５８】
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。
【０１５９】
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がこの波長帯域に限定されるものではない。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。
【０１６０】
（実施例３）
実施例３に係る面発光レーザについて、図１２を用いて説明する。図１２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。
【０１６１】
本実施例におけるＶＣＳＥＬ１２００は、ＶＣＳＥＬ駆動用のカソード電極１２０１、ＧａＡｓで構成されるｎ型の基板１２０２、ＡｌＡｓとＧａＡｓを交互に４０．５ペア積層してなるｎ型の下部ＤＢＲ１２０３、Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ａｓで構成されるｎ型の下部スペーサ層１２０４、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１２０５、Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ａｓで構成されるｐ型の上部スペーサ層１２０６、の順に有する。また、上部スペーサ層１２０６には、ＶＣＳＥＬ駆動及び上部ＤＢＲ駆動用の電極１２０７が形成されている。さらに上部スペーサ層１２０６には、アンドープのＧａＡｓ層１２０８、Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ａｓで構成されるｎ型のスラブ部１２０９、アンドープのＧａＡｓ層１２１０、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ＤＢＲ１２１１、上部ＤＢＲ駆動用の電極１２１２、１２１３が形成されている。
【０１６２】
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。
【０１６３】
基板１２０２上に、エピタキシャル成長により上部ＤＢＲ１２１１まで半導体多層膜を成膜する。
【０１６４】
次に、フォトリソグラフィーとドライエッチングを２回に分けて行い、スラブ部１２０９および上部ＤＢＲ１２１１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１２０８が露出する深さとする。
【０１６５】
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１２０８およびＧａＡｓ犠牲層１２１０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。
【０１６６】
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１２０７、電極１２１２および電極１２１３を形成する。
【０１６７】
次に、ＶＣＳＥＬ駆動用のカソード電極１２０１を半導体基板１２０２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。
【図１】
2016027648.tif 000003
【図２】
2016027648.tif 000004
【図３】
2016027648.tif 000005
【図４】
2016027648.tif 000006
【図５】
2016027648.tif 000007
【図６】
2016027648.tif 000008
【図７】
2016027648.tif 000009
【図８】
2016027648.tif 000010
【図９】
2016027648.tif 000011
【図１０】
2016027648.tif 000012
【図１１】
2016027648.tif 000013
【図１２】
2016027648.tif 000014