[發明專利]表面發射激光器及使用其的光學相干層析測量設備

有效

• 申請號: 201410302248.3
• 申請日: 2014-06-27
• 公開（公告）號: CN104253376B
• 公開（公告）日: 2017-10-13
• 發明（設計）人: 長友靖浩
• 申請（專利權）人: 佳能株式會社
• 主分類號: H01S5/183
• 分類號: H01S5/183
• 代理公司: 中國國際貿易促進委員會專利商標事務所11038
• 代理人: 歐陽帆

技術領域

本發明涉及波長可調諧的表面發射激光器，以及使用表面發射激光器的光學相干層析測量設備。

背景技術

最近關于發射光波長可調諧的波長可調諧激光器進行了大量的研究，這是因為預見了其適用于各種領域，比如通信、感測、成像等等。

一種已知類型的波長可調諧激光器是在日本專利公開No.9-270556中公開的波長可調諧表面發射激光器元件，其中利用具有懸臂結構的鏡子控制垂直腔表面發射激光器(以下可簡稱為“VCSEL”)的激光振蕩波長。

VCSEL一般被配置為使得有源層被置于一對分布式布拉格反射器(以下可簡稱為“DBR”)之間。激光振蕩在對應于腔長度的波長處發生，所述腔長度由這對DBR之間的距離確定。

在日本專利公開No.9-270556中公開的激光器元件可操作為通過改變腔長度來改變激光振蕩波長，改變腔長度是通過機械移動帶有懸臂結構的鏡子的位置來執行的。在下文中，發射光波長可被改變的VCSEL也可稱為“波長可調諧VCSEL”。

日本專利公開No.2007-0183643公開了波長可調諧VCSEL適合作為用于光學相干層析(以下可簡稱為“OCT”)的光源。

在使用波長可調諧VCSEL作為OCT光源的情況下，為了提高OCT的深度分辨率，寬范圍的可調諧波長是優選的。此外，為了減少OCT測量時間，快速的波長調諧速度是期望的。

但是，本申請發明人已經發現關于波長可調諧VCSEL要解決的問題。

為了拓寬用于波長可調諧VCSEL的可調諧波長范圍，上反射鏡或下反射鏡被機械移動的位移量需要增加。如果此時反射鏡的彈簧常數過大，為了獲得較大的位移量必須施加較大的力，因此優選地彈簧常數不大。

另外，為了加速用于波長可調諧VCSEL的波長可調諧性，反射鏡必須被快速振動。提高用于要被振動的反射鏡的諧振頻率是有效的。

也就是說，為了實現用于波長可調諧VCSEL的可調諧波長的更寬范圍和更快的波長調諧速度兩者，需要提高諧振頻率而不提高反射鏡的諧振頻率。

彈簧常數和諧振頻率之間的關系如下。彈簧常數k和簧片(reed)狀懸臂的諧振頻率f可分別如表達式(1)和(2)所闡述的那樣被表示，

其中w代表懸臂的寬度，d代表懸臂的厚度，l代表懸臂的長度，E代表形成懸臂的材料的楊氏模量，而ρ代表該材料的密度。

從上述表達式(1)和(2)可以理解，通過形成薄而短的懸臂，可以增大諧振頻率而不具有大的彈簧常數。更具體的說，通過將懸臂的長度和厚度減半，可以使諧振頻率增大至兩倍而不改變彈簧常數。

然而，在一般的波長可調諧VCSEL的情況下難以實際實現這種配置。

圖13示出了一般的波長可調諧VCSEL的示意性截面圖。有源層1320和間隙1330被設置在上反射鏡1300和下反射鏡1310之間。附圖標記1360和1370分別表示第一間隔層和第二間隔層。

相對于圖13中附圖的平面垂直地移動上反射鏡1300改變了間隙1330的長度(即，上反射鏡1300和第二間隔層1370之間的距離)，從而改變腔長度，因此激光振蕩波長可以被改變。

具有電介質或半導體的多層配置的DBR一般被用作反射鏡，以獲得激光振蕩所需的高反射率。

一般的DBR是通過以1/4波長的光學厚度交替放置兩種具有不同折射率的層而形成的。DBR的折射率由這兩種層的折射率差異和層數決定。所需的反射率越大，所要求的層數越大。

尤其是，在利用沒有提供和電介質一樣大的折射率差異的半導體形成DBR的情況下，需要大量的層來獲得VCSEL中反射鏡所需的高反射率。取決于材料的折射率，厚度可以是數微米或更大。

如上所述，從提高諧振頻率而不提高彈簧常數的角度來看，減少DBR的厚度是期望的。實現更薄的DBR要求將構成DBR的各個層形成得更薄，或者減少層數。

構成DBR的每層的厚度被設計成使得光學厚度是光學波長的1/4。也就是說，每一層的厚度由要被反射的光的波長和所使用材料的折射率決定，所以這些不能被改變很多。

減少DBR的層數減少了反射率，并導致激光振蕩閾值增大，所以DBR的層數不能被減少很多。

因此，在實踐中難以減少DBR的厚度，并且存在對在不增加彈簧常數的情況下諧振頻率可增大的程度的限制。所以，在根據相關技術的可變波長的VCSEL的情況下難以實現更寬范圍的可調諧波長和更快的波長調諧速度兩者。

發明內容