MEMS-VCSEL波長掃引レーザー光源

VCSEL概要
垂直共振器型面発光レーザ(VCSEL)は、チップ表面に対して垂直方向に光を出力する半導体ベースの光デバイスです(図1を参照)。VCSELは元々、端面発光型半導体レーザに代わる、低コスト、低出力の半導体として、主に大容量データ通信用に開発されました。その後、多くのVCSELの利点が明らかとなり、様々な用途において、端面発光型半導体レーザに代わる使用方法が検討されてきました。端面発光型の光源と比較して、VCSELは優れたビーム品質と縦シングルモード動作をもたらします。　

MEMS波長可変VCSEL では、MEMSミラーでレーザの共振器長を変えて出力波長を調整します。MEMS波長可変VCSELは数年前から存在していますが、可変波長域と出力が制限されることが、OCT用途での使用を妨げてきました。Praevium Research社は、当社およびMIT との協力のもと、こうした制限のないMEMS波長可変VCSELを開発しました。

MEMS波長可変VCSELがOCTの用途に使用できるためには、以下の基準を満たす必要があります。

• 高速な掃引速度　
• 広いチューニングレンジ
• 長いコヒーレンス長
• 高いレーザ出力

高速な掃引速度
OCTでは、画質を劣化させることなく高速にイメージングできることが要求されます。高速な画像取得レートにより、時間分解能の向上、高密度の3次元データセット収集、試料へのレーザ照射時間の減少が可能となります。

現在では、高速走査を可能にする波長掃引レーザ光源がいくつかあります。例えば、フーリエドメインモード同期レーザは非常に高速なイメージング速度を可能としますが、レーザ共振器内で光ファイバによる長い光遅延を必要とし、ファイバ損失が小さい波長範囲でしか動作できません。市販の高速掃引レーザは、その多くがマルチ縦モードまたは長い共振器長で動作するので、コヒーレンス長または掃引速度が制限されます。　

MEMS波長可変VCSEL内のMEMS調整ミラーは、質量が小さく共振器長が短いため、高速動作に適しています。また、短い共振器長によって、利得スペクトル内には1つのモードしかないため、シングルモードでの連続的な掃引も可能になります。当社では、MEMS波長可変VCSELの試作品を使用して、掃引速度を上げるために、光多重化を用いることなく、500 kHzを超える掃引レートの計測を実現しました。　

広い波長掃引幅　
高分解能イメージングの性能は、レーザ光源の波長掃引幅に依存します。Praevium社は、これまで開発されてきた中で最も広い掃引幅を持つMEMS波長可変VCSELを開発しました。広帯域の酸化ミラー、広帯域の利得領域、薄いアクティブ領域などのユニークな設計により、中心波長1300 nm付近で、100 nmを超える連続的なモードホップフリーの波長掃引幅を実現しました。詳細は図3をご参照ください。

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図4：上図は200 kHz動作、中心波長1310 nm付近で、ポストアンプにSOAを使用して増幅されたMEMS波長可変VCSELのスペクトルです。

長いコヒーレンス長
多くのOCTシステムで顕著に見られる性能限界の1つが可視深度(イメージングの最大深度)です。特に、試料の厚さ、患者の動き、試料位置が制御できない医療用途では、深くまでイメージングできることは強みとなります。しかしコヒーレンス長を長くするだけでは不十分です。イメージ感度が全ての深さで実質的に影響を受けない必要があります。当社のMEMS波長可変VCSELは、マイクロメートルスケールの共振器長と、縦シングルモードのモードホップフリー動作によって、信号の劣化がほとんどない、100 mmを超えるコヒーレント長を実現しました。現在、イメージング深度はディテクタの帯域幅によって制限されていますが、当社では MEMS波長可変VCSELがこれまでにない深いイメージング深度を達成すると考えています。この優れたイメージング深度は医療用OCTイメージングに役立つだけでなく、大きな物体の表面形状計測、高速な周波数領域の反射率測定、高スペクトル分解能での高速分光計測のように他の用途での使用を可能にします。

高いレーザ出力
イメージング速度の高速化は、しばしばレーザ出力や試料に照射する光強度の減少につながります。端面発光型光源がVCSEL に優る利点の1つは、出力強度を大きくできることです。一般に、ほとんどのOCT イメージング用途では、高速走査レートのイメージング時でも画質を維持するため、少なくとも20 mW のレーザの出力パワーを必要とします。この目標を達成するため、MEMS波長可変VCSELを半導体光増幅器(SOA)と組み合わせて、25 mWを上回る出力を得られるようにしました。ポストアンプSOAによりMEMS-VCSELの出力スペクトルの形がより均一に整えられるという利点もあります。

その他　
MEMS波長可変VCSELならではの特長は、異なる波長範囲に拡張できることです。利得媒質と誘電体反射ミラーの革新的な組み合わせによって、可視域や近赤外域における広い波長範囲の対応が可能となり、この新しい光源製品はこれからラインナップを増強していきます。

当社では今後もこの光源の開発を継続しながら、このVCSEL光源を用いた新しい用途を追及してまいります。MEMS波長可変VCSELの詳細については当社までお問い合せください。

MEMS波長可変VCSEL の製造　

レーザの安全性とクラス分類

レーザを取り扱う際には、安全に関わる器具や装置を適切に取扱い、使用することが重要です。ヒトの目は損傷しやすく、レーザ光のパワーレベルが非常に低い場合でも障害を引き起こします。当社では豊富な種類の安全に関わるアクセサリをご提供しており、そのような事故や負傷のリスクの低減にお使いいただけます。可視域から近赤外域のスペクトルでのレーザ発光がヒトの網膜に損傷を与えうるリスクは極めて高くなります。これはその帯域の光が目の角膜やレンズを透過し、レンズがレーザーエネルギを、網膜上に集束してしまうことがあるためです。

安全な作業および安全に関わるアクセサリ

• クラス3または4のレーザを取り扱う場合は、必ずレーザ用保護メガネを装着してください。
• 当社では、レーザのクラスにかかわらず、安全上無視できないパワーレベルのレーザ光線を取り扱う場合は、ネジ回しなどの金属製の器具が偶然に光の方向を変えて再び目に入ってしまうこともあるので、レーザ用保護メガネを必ずご使用いただくようにお勧めしております。
• 特定の波長に対応するように設計されたレーザ保護眼鏡は、装着者を想定外のレーザ反射から保護するために、レーザ装置付近では常に装着してください。
• レーザ保護眼鏡には、保護機能が有効な波長範囲およびその帯域での最小光学濃度が刻印されています。
• レーザ保護カーテンやレーザー安全保護用布は実験室内での高エネルギーレーザの遮光にご使用いただけます。
• 遮光用マテリアルは、直接光と反射光の両方を実験装置の領域に封じ込めて外に逃しません。
• 当社の筺体システムは、その内部に光学セットアップを収納し、レーザ光を封じ込めて危険性を最小限に抑えます。
• ピグテール付き半導体レーザは、他のファイバに接続、もしくは他のファイバとの接続を外す際には、レーザ出力をOFFにしてください。パワーレベルが10 mW以上の場合には特にご注意ください。
• いかなるビーム光も、テーブルの範囲で終端させる必要があります。また、レーザ使用中には、研究室の扉は必ず閉じていなければなりません。
• レーザ光の高さは、目線の高さに設定しないでください。
• 実験は光学テーブル上で、全てのレーザービームが水平を保って直進するように設定してください。
• ビーム光路の近くで作業する人は、光を反射する不要な装飾品やアクセサリ(指輪、時計など)をはずしてください。
• レンズや他の光学装置が、入射光の一部を、前面や背面で反射する場合がありますのでご注意ください。
• あらゆる作業において、レーザは必要最小限のパワーで動作するようにご留意ください。
• アライメントは、可能な限りレーザの出力パワーを低減して作業を行ってください。
• ビームパワーを抑えるためにビームシャッタや フィルタをお使いください。
• レーザのセットアップの近くや実験室には、適切なレーザ標識やラベルを掲示してください。
• クラス3Rやクラス4のレーザ(安全確保用のインターロックが必要となるレーザーレベルの場合)で作業する場合は、警告灯をご用意ください。
• ビームトラップの代用品としてレーザービュワーカードを使用したりしないでください。

レーザ製品のクラス分け

レーザ製品は、目などの損傷を引き起こす可能性に基づいてクラス分けされています。国際電気標準会議(The International Electrotechnical Commission 「IEC」)は、電気、電子工学技術関連分野の国際規格の策定および普及を行う国際機関で、IEC60825-1は、レーザ製品の安全性を規定するIEC規格です。レーザ製品のクラス分けは下記の通りです

Class	Description	Warning Label
1	ビーム内観察用の光学機器の使用を含む、通常の条件下での使用において、安全とみなされているクラス。このクラスのレーザ製品は、通常の使用範囲内では、人体被害を及ぼすエネルギーレベルのレーザを発光することがないので、最大許容露光量(MPE)を超えることはありません。このクラス1のレーザ製品には、筐体等を開かない限り、作業者がレーザに露光することがないような、完全に囲われた高出力レーザも含まれます。
1M	クラス1Mのレーザは、安全であるが、望遠鏡や顕微鏡と併用した場合は危険な製品になり得ます。この分類に入る製品からのレーザ光は、直径の大きな光や拡散光を発光し、ビーム径を小さくするために光を集束する光学素子やイメージング用の光学素子を使わない限り、通常はMPEを超えることはありません。しかし、光を再び集光した場合は被害が増大する可能性があるので、このクラスの製品であっても、別の分類となる場合があります。
2	クラス2のレーザ製品は、その出力が最大1 mWの可視域での連続放射光に限定されます。瞬目反射によって露光が0.25秒までに制限されるので、安全と判断されるクラスです。このクラスの光は、可視域(400～700 nm)に限定されます。
2M	このクラスのレーザ製品のビーム光は、瞬目反射があるので、光学機器を通して見ない限り安全であると分類されています。このクラスは、レーザ光の半径が大きい場合や拡散光にも適用されます。
3R	クラス3Rのレーザ製品は、直接および鏡面反射の観察条件下で危険な可視光および不可視光を発生します。特にレンズ等の光学機器を使用しているときにビームを直接見ると、目が損傷を受ける可能性があります。ビーム内観察が行われなければ、このクラスのレーザ製品は安全とみなされます。このクラスでは、MPE値を超える場合がありますが、被害のリスクレベルが低いクラスです。可視域の連続光のレーザの出力パワーは、このレベルでは5 mWまでとされています。
3B	クラス3Bのレーザは、直接ビームを見た場合に危険なクラスです。拡散反射は通常は有害になることはありませんが、高出力のクラス3Bレーザを使用した場合、有害となる場合もあります。このクラスで装置を安全に操作するには、ビームを直接見る可能性のあるときにレーザ保護眼鏡を装着してください。このクラスのレーザ機器にはキースイッチと安全保護装置を設け、さらにレーザ安全表示を使用し、安全照明がONにならない限りレーザがONにならないようにすることが求められます。Class 3Bの上限に近いパワーを出力するレーザ製品は、やけどを引き起こすおそれもあります。
4	このクラスのレーザは、皮膚と目の両方に損傷を与える場合があり、これは拡散反射光でも起こりうるとみなされています。このような被害は、ビームが間接的に当たった場合や非鏡面反射でも起こることがあり、艶消し面での反射でも発生することがあります。このレベルのレーザ機器は細心の注意を持って扱われる必要があります。さらに、可燃性の材質を発火させることもあるので、火災のリスクもあるレーザであるとみなされています。クラス4のレーザには、キースイッチと安全保護装置が必要です。
全てのクラス2以上のレーザ機器には、上記が規定する標識以外に、この三角の警告標識が表示されていなければいけません。