光半導体素子、該光半導体素子を用いた波長可変光源および光断層画像取得装置
【課題】製造容易で広帯域な利得スペクトル幅を有し、長時間安定して発光する光半導体素子を実現する。
【解決手段】素子内における共振が抑制され、GaAs基板１１上に０．９μｍ以上かつ１．２μｍ以下の中心波長λｃで発光する発光層が積層されている光半導体素子１０において、発光層が、第１の中心波長例えば１．０６μｍで発光する第１のInXGa1-XAs量子ドット層（0≦ｘ≦１）、第１の中心波長とは異なる第２の中心波長例えば１．０９μｍで発光する第２のInXGa1-XAs量子ドット層（0≦ｘ≦１）とを含む多重量子ドット層である。このため、多重量子ドット層間の転位が回避される。
【解決手段】素子内における共振が抑制され、GaAs基板１１上に０．９μｍ以上かつ１．２μｍ以下の中心波長λｃで発光する発光層が積層されている光半導体素子１０において、発光層が、第１の中心波長例えば１．０６μｍで発光する第１のInXGa1-XAs量子ドット層（0≦ｘ≦１）、第１の中心波長とは異なる第２の中心波長例えば１．０９μｍで発光する第２のInXGa1-XAs量子ドット層（0≦ｘ≦１）とを含む多重量子ドット層である。このため、多重量子ドット層間の転位が回避される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、素子内における共振が抑制され、ＳＬＤ（Super Luminescent Diode）やＳＯＡ（Semiconductor Optical Amplifier：半導体光増幅器）等として利用可能である光半導体素子に関するものである。また、この光半導体素子を用いた波長可変光源および光断層画像取得装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光半導体素子の中で、素子内における共振が抑制され、広い波長帯域の光を射出可能な光半導体素子として、ＳＬＤ（Super Luminescent Diode）やＳＯＡ（Semiconductor Optical Amplifier：半導体光増幅器）が知られている。これらの光半導体素子は、半導体レーザに近い構造を有しているが、素子内において光が共振して、レーザ光が射出されることがないように、種々の工夫がなされている。例えば、光が射出する端面に無反射コーティングを施す、あるいは光導波路を素子端面の法線方向から数度(3〜12度程度)傾斜させること等により、素子内における共振が抑制されている。
【０００３】
ＳＬＤでは、半導体レーザ同様に注入キャリアの再結合により生じた自然放出光が、光出射端面方向に進む間に誘導放出による高い利得を受けて増幅され、光出射端面から放出される。ＳＬＤは、半導体レーザ同様に数十mW程度までの光出力を得ることが可能であり、また通常の発光ダイオード同様にインコヒーレントでかつ広い波長帯域を有する光を射出することのできる光半導体素子である。このため、ＳＬＤは、主にファイバジャイロやＯＣＴ（Optical Coherence Tomography）計測を利用した光断層画像取得装置等の光計測の分野でインコヒーレント光源として使用されている。
【０００４】
またＳＯＡ（Semiconductor Optical Amplifier：半導体光増幅器）は、ＳＬＤと非常に良く似たデバイスであり、光通信の分野において光信号を増幅するための光増幅器として研究されていたが、最近では波長可変光源の利得媒体としての応用検討が盛んである。波長可変光源の一例をあげると、ＳＯＡの一方の端面からの出射光をレンズにより平行光に変換し、この平行光を回折格子で波長分散した後、ミラーにより回折格子に戻すことにより波長選択してＳＯＡに帰還させることでレーザ発振させている。回折格子とＳＯＡの他方の端面の外部に設置された出力ミラーにより外部共振器が構成されている。出力ミラーから射出されたレーザ光はレンズにより平行光に変換され、光アイソレータを通過して、外部装置例えば光ファイバへ伝送される。なお、レーザ光の波長は、回折格子へ対するミラーの角度を変化させることにより変更へでき、またその波長可変幅はＳＯＡが有する利得スペクトル幅によって制限される。
【０００５】
一方、上述のＯＣＴ計測を利用した光断層画像取得装置は、光源から射出された光を測定光と参照光とに分割した後、該測定光が測定対象に照射されたときの測定対象からの反射光と参照光とを合波し、該反射光と参照光との干渉光の強度に基づいて光断層画像を取得するものである。
【０００６】
このような光断層画像取得装置では、参照光の光路長を変更することにより、測定対象に対する深さ方向の位置（以下、深さ位置という）を変更し光断層画像を取得するＴＤ−ＯＣＴ（Ｔｉｍｅ ｄｏｍａｉｎ ＯＣＴ）計測を利用した装置がある。
【０００７】
また、近年では、上述した参照光の光路長を変更することなく高速に光断層画像を取得するＳＤ−ＯＣＴ（Ｓｐｅｃｔｒａｌ Ｄｏｍａｉｎ ＯＣＴ）計測を利用したＳＤ−ＯＣＴ装置が提案されている(特許文献１)。このＳＤ−ＯＣＴ装置は、マイケルソン型干渉計等を用いて、広帯域の低コヒーレント光を測定光と参照光とに分割した後、測定光を測定対象に照射させ、そのとき戻って来た反射光と参照光とを干渉させ、この干渉光を各周波数成分に分解したチャンネルドスペクトルをフーリエ変換することにより、深さ方向の走査を行わずに光断層画像を構成するようにしたものである。
【０００８】
さらに、参照光の光路長の変更を行うことなく高速に光断層画像を取得する装置として、ＳＳ−ＯＣＴ（Ｓｗｅｐｔ ｓｏｕｒｃｅ ＯＣＴ）計測による光断層画像化装置も提案されている。このＳＳ−ＯＣＴ装置は、光源から射出されるレーザ光の周波数を掃引させて、反射光と参照光とを各波長において干渉させ、一連の波長に対する干渉スペクトルをフーリエ変換することにより測定対象の深さ位置における反射光強度を検出し、これを用いて光断層画像を構成するようにしたものである。
【０００９】
このような光断層画像取得装置においては、スペクトル半値幅が広い低コヒーレンス光を用いることにより分解能が向上することが知られている。また中心波長０．９μｍ〜１．２μｍの帯域の低コヒーレンス光は、生体における吸収損失および散乱損失が少なく、かつ生体の主な構成物質である水による分散の影響を受けにくいため、中心波長０．９μｍ〜１．２μｍの帯域の低コヒーレンス光が有効であることが知られている。
【特許文献１】特開平１１−３２５８４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上述したＯＣＴ計測による光断層画像取得装置で用いられる光源として、化合物光半導体素子を用いたＳＬＤ（スーパールミネッセントダイオード）や、光半導体素子を光増幅器として用いる波長掃引レーザがあげられる。しかしながら、中心波長が、１．２μｍ付近の波長は、発光層にInGaAs系量子井戸層を使用したデバイスで作製できる波長の長波側限界に近く、結晶学的に良質な発光層を有するデバイスを作製することが困難である。ゆえにこの波長帯域では、ＯＣＴ計測に必要とされる長時間安定して発光する半導体発光デバイスの作製は達成されていない。
【００１１】
またＯＣＴ計測による光断層画像取得装置における計測分解能を向上させるには光源の発光波長帯域（スペクトル幅）を広げる必要があることがわかっている。例えば特願２００６−１６１０４５では、発光波長帯域の中心波長をλｃとし、スペクトル半値全幅をΔλとした場合、λｃ２／Δλ≦１５であることが望ましいことが開示されている。
【００１２】
量子井戸構造を有する光半導体素子において、発光層の発光波長帯域を広げる方法としては、発光層の量子井戸数を増やし組成を変化させることが挙げられるが、この方法では発光層の結晶にさらに負担がかかり、良質な結晶をもち、長時間安定して発光する光半導体素子を作製することは非常に困難であった。また、発光層が、積層された複数枚の量子井戸層から形成されている多重量子井戸層型の光半導体素子も知られているが、例えば組成を変えることにより発光波長が異なる量子井戸層を積層した場合、井戸層間に転位が発生するため、やはり長時間安定して発光する光半導体素子を製造することが難しいという問題がある。
【００１３】
本発明は上記の事情に鑑みて、中心波長０．９μｍ以上かつ１．２μｍ以下の範囲の波長で発光し、発光波長帯域が広く、かつ数十mW程度までの出力が出せ、長時間安定して発光する光半導体素子を実現することを目的とするものである。
【００１４】
本発明はまた、上記光半導体素子を用いた波長可変光源および光断層画像取得装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の光半導体素子は、素子内における共振が抑制され、GaAs基板上に０．９μｍ以上かつ１．２μｍ以下の中心波長λｃで発光する発光層が積層されている光半導体素子において、
前記発光層が、第１の中心波長λ１で発光する第１のInXGa1-XAs量子ドット層（0≦ｘ≦１）および第１の中心波長λ１とは異なる第２の中心波長λ２で発光する第２のInXGa1-XAs量子ドット層（0≦ｘ≦１）とを備える多重量子ドット層であることを特徴とするものである。
【００１６】
前記第１の中心波長λ１と前記第２の中心波長λ２とは、３０ｎｍ以上離れていてもよい。また、前記第１の中心波長λ１と前記第２の中心波長λ２とは、５０ｎｍ以上離れているもよいし、あるいは１００ｎｍ以上離れていてもよい。
【００１７】
前記発光層の発光中心波長λｃは、１．１μｍ以上であってもよい。また１．１５μｍ以上であってもよい。
【００１８】
前記発光層の発光スペクトル半値全幅をΔλとしたときに、
λｃ２／Δλ≦１５
であってもよい。
【００１９】
前記発光層において、第１のInXGa1-XAs量子ドット層の組成と前記第２のInXGa1-XAs量子ドット層の組成とが略同一であり、前記第１のInXGa1-XAs量子ドット層のドットの高さと、前記第２のInXGa1-XAs量子ドット層のドットの高さとが異なるものであってもよい。
【００２０】
また、前記第１のInXGa1-XAs量子ドット層の高さと前記第２のInXGa1-XAs量子ドット層の高さとが略同一であり、前記第１のInXGa1-XAs量子ドット層の組成と、前記第２のInXGa1-XAs量子ドット層の組成とが異なるものであってもよい。
【００２１】
本発明の波長可変光源は、共振器内に、光増幅器および該光増幅器により増幅される光の波長を選択する波長選択手段を備えた外部共振器型の波長可変光源において、
前記光増幅器が、素子内における共振が抑制され、GaAs基板上に０．９μｍ以上かつ１．２μｍ以下の中心波長λｃで発光する発光層が積層され、該発光層が、中心発光波長が異なる第１の中心波長λ１で発光する第１のInXGa1-XAs量子ドット層（0≦ｘ≦１）および第１の中心波長λ１とは異なる第２の中心波長λ２で発光する第２のInXGa1-XAs量子ドット層（0≦ｘ≦１）とを備える多重量子ドット層である光半導体素子を有していることを特徴とするものである。
【００２２】
また、本発明の光断層画像取得装置は、低コヒーレンス光を射出する光源と、
前記光源から射出された光を測定光と参照光とに分割する光分割手段と、
前記測定光を測定対象に照射する照射手段と、
前記測定光が前記測定対象に照射されたときの該測定対象からの反射光と前記参照光とを重ね合わせる合波手段と、
該合波手段により合波された前記反射光と前記参照光との干渉光を検出する干渉光検出手段と、
該干渉光検出手段により検出された前記干渉光から前記測定対象の断層画像を取得する画像取得手段とを備えた光断層画像取得装置において、
前記光源が、素子内における共振が抑制され、GaAs基板上に０．９μｍ以上かつ１．２μｍ以下の中心波長λｃで発光する発光層が積層され、該発光層が、中心発光波長が異なる第１の中心波長λ１で発光する第１のInXGa1-XAs量子ドット層（0≦ｘ≦１）および第１の中心波長λ１とは異なる第２の中心波長λ２で発光する第２のInXGa1-XAs量子ドット層（0≦ｘ≦１）とを備える多重量子ドット層である光半導体素子を有していることを特徴とするものである。
【００２３】
本発明の他の光断層画像取得装置は、波長を一定の周期で掃引させながらレーザ光を射出する波長掃引光源と、
該波長掃引光源から射出された前記レーザ光を測定光と参照光とに分割する光分割手段と、
前記測定光を測定対象に照射する照射手段と、
前記測定光の前記測定対象からの反射光と前記参照光とを重ね合わせる合波手段と、
該合波手段により重ねあわされた前記反射光と前記参照光との干渉光の周波数および強度に基づいて、前記測定対象の各深さ位置における前記反射光の強度を検出する干渉光検出手段と、
該干渉光検出手段により検出された前記各深さ位置における前記反射光の強度を用いて前記測定対象の断層画像を取得する画像取得手段とを有する光断層画像取得装置において、
前記波長掃引光源が、光増幅器および該光増幅器により増幅される光の波長を掃引する波長掃引手段を備え、
前記光増幅器が、素子内における共振が抑制され、GaAs基板上に０．９μｍ以上かつ１．２μｍ以下の中心波長λｃで発光する発光層が積層され、該発光層が、中心発光波長が異なる第１の中心波長λ１で発光する第１のInXGa1-XAs量子ドット層（0≦ｘ≦１）および第１の中心波長λ１とは異なる第２の中心波長λ２で発光する第２のInXGa1-XAs量子ドット層（0≦ｘ≦１）とを備える多重量子ドット層である光半導体素子を有していることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の光半導体素子は、素子内における共振が抑制され、GaAs基板上に０．９μｍ以上かつ１．２μｍ以下の中心波長λｃで発光する発光層が積層され、前記発光層が、中心発光波長が異なる第１の中心波長λ１で発光する第１のInXGa1-XAs量子ドット層（0≦ｘ≦１）および第１の中心波長λ１とは異なる第２の中心波長λ２で発光する第２のInXGa1-XAs量子ドット層（0≦ｘ≦１）とを備える多重量子ドット層であるため、転位の発生を回避することができるので、中心波長０．９μｍ以上かつ１．２μｍ以下の範囲の波長で発光し、かつ数十mW程度までの出力が出せ、長時間安定して発光する光半導体素子を実現することができる。
【００２５】
また、共振器内に、光増幅器および該光増幅器により増幅される光の波長を選択する波長選択手段を備えた外部共振器型の波長可変光源において、光増幅器として本発明の光半導体素子を用いることにより容易に広帯域に渡り射出光の波長を変更することができ、かつ長時間安定して動作する波長可変光源を実現することができる。
【００２６】
また、低コヒーレンス光を射出する光源から射出された光を用いて光断層画像を取得する光断層画像取得装置において、光源として本発明の光半導体素子を有するものを用いることにより、容易に低コヒーレンス光の波長帯域を広帯域化することができるので、分解能の高い光断層画像を取得することができる。また長時間安定して動作する光断層画像取得装置を実現することができる。
【００２７】
さらに、波長を一定の周期で掃引させながらレーザ光を射出する波長掃引光源から射出された光を用いて光断層画像を取得する光断層画像取得装置において、光源として本発明の光半導体素子を有するものを用いることにより、容易に掃引波長帯域を広帯域化することができ、分解能の高い光断層画像を取得することができる。また長時間安定して動作する光断層画像取得装置を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
図面を参照して、本発明の第１の実施形態である光半導体素子１０について説明する。図１は、光半導体素子１０の全体斜視図である。光半導体素子１０は、有機金属気相成長(MOCVD)法を用いて結晶成長を行って作成した埋め込み型リッジ構造を有する光半導体素子である。
【００２９】
有機金属気相成長(MOCVD)法の原料ガスとしては、TEG(トリエチルガリウム)、TMA(トリメチルアルミニウム)、TMI(トリメチルインジウム)、AsH3(アルシン)、PH3(ホスフィン)等を用いている。また、ドーパントとしては、SiH4(シラン)、DEZ(ジエチル亜鉛)を用いている。
【００３０】
まず、光半導体素子１０の層構造について説明する。光半導体素子１０は、n型GaAs基板１１上に、n型GaAsバッファ層１２、n型In0.49Ga0.51P下部クラッド層１３、ノンドープGaAs下部光ガイド層１４、InｘGa1-xAs/GaAs多重量子ドット発光層１５、ノンドープGaAs上部光ガイド層１６、p型In0.49Ga0.51P上部第1クラッド層１７、p型 GaAsエッチングストップ層１８が順に積層されている。
【００３１】
p型 GaAsエッチングストップ層１８上には、リッジ形状のp型In0.49Ga0.51P上部第2クラッド層１９が形成されている。このリッジ（p型In0.49Ga0.51P上部第2クラッド層１９）の側面にはn型InAlGaP電流ブロック層２０が形成され、さらにリッジおよびn型InAlGaP電流ブロック層２０の上面にはp型In0.49Ga0.51P上部第3クラッド層２１およびp型GaAsコンタクト層２２が形成されている。
【００３２】
以下光半導体素子１０の作成方法について説明する。まず、n型GaAs基板1１上に、MOCVD法により成長温度600℃、成長温度10.3kPaの条件下にてn型GaAsバッファ層(０．０５μm厚キャリア濃度７．０×１０17cm-3)１２、n型In0.49Ga0.51P下部クラッド層(２．０μm厚キャリア濃度７．０×１０17cm-3)１３、ノンドープGaAs下部光ガイド層(０．０３４μm厚)１４ を積層し、さらにInXGa1-XAs／GaAs多重量子ドット層１５を成長させる。この層は自己形成されたInGaAsドット層が３層構造になっていて、In組成を０．７〜０．８で変化させながら成長させている。このとき、多重量子ドット層の高さは統一されている。フォトルミネッセンス測定にて、層ごとに中心発光波長が１．０６μｍ、１．０９μｍ、１．１２μｍになり、また、本光半導体素子１０から出射される光の半値幅が１５０ｎｍになるように各層の組成が設計されている。
【００３３】
その後、ノンドープGaAs上部光ガイド層(０．０３４μm厚)１６、p型In0.49Ga0.51P上部第1クラッド層(０．２μm厚、キャリア濃度７．０×１０17cm-3)１7、p型 GaAsエッチングストップ層(１００Å厚、キャリア濃度７．０×１０17cm-3)１８、In0.49Ga0.51P上部第2クラッド層(０．５μm厚、キャリア濃度７．０×１０17cm-3)１９およびp型GaAsキャップ層(0.１μm厚、キャリア濃度７．０×１０17cm-3)をこの順で1回目の成長により積層配置する。
【００３４】
次にストライプ上にSiO2などの誘電体膜を形成し、この誘電体膜をマスクとしてGaAsキャップ層、p型In0.49Ga0.51P上部第2クラッド層１９をエッチングして、メサストライプ状のリッジ構造を下端の幅が３μｍ、かつ光出射端面に対し６度傾くように形成する。その後、選択成長法により、前記p-GaAsエッチングストップ層１８の上でかつ前記ストライプの上を除く部分にn-In0.49(Al0.12Ga0.88)0.51P電流ブロック層(０．５μm厚、キャリア濃度１．０×１０18cm-3)２０を成長温度600℃で2回目の結晶成長により形成する。さらに、前記誘電体マスクとその下のGaAsキャップ層を除去した後に、前記ストライプ及び電流ブロック層の全面に対してp型In0.49(Al0.12Ga0.88)0.51P上部第3クラッド層(１．３μm厚、キャリア濃度７．０×１０17cm-3)２１、p-GaAsコンタクト層(０．５μm厚、キャリア濃度１．０×１０19cm-3)２２を成長温度600℃で3回目の結晶成長により形成する。その後全体の厚みが１００μm程度になるまで基板の研磨を行い、n側電極２４を基板裏面に、p側電極２３をコンタクト層上に蒸着し、さらに熱処理により形成する。そして、共振器長０．７mmになるように光半導体素子バ−を劈開により切り出し、共振器面へAR膜(素子自体からの発光波長に対して０．５%以下の反射率)のコ−ティングを行う。チップは、放熱効果を高めるため発光部のあるpn接合部を下にしてヒートシンクに実装を行い、光半導体素子１０が形成される。
【００３５】
なお、上述したように、光半導体素子１０は、素子内における光の共振を抑制するために、図２に示すように、光Ｌが射出する端面２５および２６にARコーティングが施されている。また、導波路であるメサストライプ状のリッジ構造を端面２５および２６の法線方向から６度傾斜させることにより、素子内における光の共振を抑制している。このように、光半導体素子内における光の共振を抑制することにより、光半導体素子１０がその素子内においてレーザ発振することを防止することができる。素子内における共振が抑制されているため、光半導体素子１０は、自然放出光を射出するＳＬＤあるいは光信号を増幅するＳＯＡとして機能することができる。
【００３６】
素子内における光の共振を抑制するためには、上記以外にも種々の方法が可能であり、例えば端面に凹凸を形成する、端面近傍で光導波路構造を消失させる、素子内部で光を吸収または拡散する領域を設ける等の手段によっても、光導波路内における共振を抑制することができる。
【００３７】
このように作製した光半導体素子１０をＳＬＤとして発光させたところ、３０ｍWの出力で、発光中心波長１．１０２μｍ、発光スペクトル半値全幅１５０nmであった。素子寿命を評価するため室温で連続駆動したところ、出力が初期の９０%になったのは約１３０００時間後であった。
【００３８】
素子性能を比較するために、発光層以外の部分は上記のものと全く同一にして、発光層はInGaAs材料で出射光の中心波長１．１μｍになるように井戸幅を調整した多重量子井戸発光層からなる光半導体素子を作製した。発光層の組成はIn0.2Ga0.8Asを用いた。この光半導体素子をＳＬＤとして発光させたところ、発光スペクトル半値全幅は４８nmであり、出力が初期の90％になったのは、で約７０００時間後であった。
【００３９】
以上の説明から、発光層が、中心波長が異なる３層のInGaAsドット層から形成されている光半導体素子１０は、各ドッド層間に転位が発生することが回避されているため、長時間安定して発光することがわかる。さらに、従来の発光層構造では、素子寿命が短くなる中心波長が１．１μｍ以上の場合においても、長時間安定して発光することがわかる。また、上記実施の形態の変形では、発光層を形成する各量子ドッド層のIn組成を変えることにより、各量子ドッド層から射出される光の中心波長を変えていたが、例えば各量子層において、組成は固定して、各量子ドット層のドットの高さを変えることにより各量子ドッド層から射出される光の中心波長を変えることもできる。
【００４０】
本発明者は、Ga1-XInXAs／GaAs多重量子ドット層１５のIn組成を固定し、各層のドットの高さを2.8ML〜3.5MLに振って、層ごとに中心発光波長１．０６μｍ、１．０９μｍ、１．１６μｍになり、また、出射される光の半値幅が１５０ｎｍになるように各層のドッド高さを設計して、光半導体素子１０を作成した。。素子寿命を評価するため室温で連続駆動したところ、出力が初期の９０％になったのは約9500時間であった。このことから、各量子ドット層のドットの高さを変えることにより各量子ドッド層から射出される光の中心波長を変えて発光層を形成した場合であっても、各ドッド層間に転位が発生することが回避されているため、長時間安定して発光することがわかる。なお、各量子ドット層の組成およびドット高さの両方を変更して、各量子ドッド層から射出される光の中心波長を変えてもよい。
【００４１】
さらに、本発明者は、Ga1-XInXAs／GaAs多重量子ドット層１５のIn組成を０．７〜０．８２にし各ドット層の高さは統一し、出射される光の中心波長が１．１５μｍになるよう設計して、光半導体素子10を作成した。この光半導体素子１０を発光させたところ、波高中心波長は１．１５３μｍとなり、発光スペクトル半値全幅は１６０nmであった。素子寿命を評価するため室温で連続駆動したところ、出力が初期の９０％になったのは約１００００時間後であった。
【００４２】
素子性能を比較するために、発光層以外の部分は上記のものと全く同一にして、発光層はInGaAs材料で出射光の中心波長１．１５μｍになるように井戸幅を調整した多重量子井戸発光層からなる光半導体素子を作成した。発光層の組成はIn0.27Ga0.73Asであった。そして信頼性を評価したところ、出力が初期の90％になったのは、約３８００時間後であった。
【００４３】
これから、従来の発光層構造では、素子寿命が非常に短くなる中心波長が１．１５μｍ以上の場合においても、長時間安定して発光することがわかる。
【００４４】
なお、本実施の形態では、結晶成長方法にMOCVD法を用いたが、これに限定されるものではなく、分子線エピタキシー法など他の成長方法を用いることもできる。また、本実施の形態において、光ガイド層の材料組成および層厚、電流ブロック層の材料組成および層厚、クラッド層の材料組成および層厚は発光波長が単一モードで発光する条件の1例を示したものであり、本発明を前述の材料組成、層厚に限定したものではない。またここでは埋込型リッジストライプ構造による光半導体素子を実施の形態として挙げたが、内部ストライプ構造など他の構造であってもよい。
【００４５】
次に、本発明における第２の実施例である波長可変レーザ装置３０を示す。波長可変レーザ装置３０は、第１の実施の形態に記載されている光半導体素子１０を光増幅器として用い、回折格子３２を波長選択手段として用いるリトロー配置型の外部共振器型波長可変レーザ装置であり、その概略構成図を図３に示す。
【００４６】
波長可変レーザ装置３０では、回折格子３２および出力ミラー３１（透過率５０％）により共振器が構成されている。光半導体素子１０から回折格子３２側へ射出された自然放出光はレンズ３３により集光されて平行光となり、回折格子３２へ入射する。回折格子３２により波長分散された光の中から、入射光軸方向へ分散された光が戻り光として光半導体素子１０へ帰還する。この光が、回折格子３２および出力ミラー３１からなる共振器内で共振してレーザ光Ｌとして出力ミラー３１から光アイソレータ３５側へ射出される。光アイソレータ３５は光ファイバＦＢ１より遠端の反射光が光半導体素子１０に結合しないようにする働きを持つ。光アイソレータ３５を透過したレーザ光Ｌは、集光レンズ３４により集光されて光ファイバＦＢ１へ入射する。回折格子３２を回転させることにより、戻り光の波長を変更し、共振光周波数(レーザ発振波長)を変えることができる。なお、レーザ光の波長可変範囲は、光増幅器である光半導体素子１０の利得スペクトル幅と略一致するものである。
【００４７】
また、光半導体素子１０の発光層であるInXGa1-XAs／GaAs多重量子ドット層１５のIn組成は０．７〜０．８２で、電流で駆動させたときの発光中心波長が１．１５μｍ、発光スペクトル半値全幅が１６０ｎｍになるように設計した。そして回折格子３２を１．１５μｍの光が取り出せる角度に調整した。
【００４８】
素子寿命を評価するため、室温で、１０ｍWの出力で連続駆動したところ、出力が初期の90%になったのは約２８０００時間後であった。
【００４９】
素子性能を比較するために、発光層をIn0.27Ga0.73As（電流駆動での発光波長は１．１５μｍ）で作製した光半導体素子を使用して同様の波長可変光源を用意し、室温で１０ｍWの出力で、連続駆動したところ、出力が初期の90%になったのは約９０００時間後であった。
【００５０】
このことから、波長可変光源において、発光層をInXGa1-XAs／GaAs多重量子ドット層で作成した光半導体素子を増幅器として用いた場合には、信頼性が向上することがわかった。またこのような波長可変光源は、容易に広帯域に渡り射出光の波長を変更することができ、かつ長時間安定して動作することができる。
【００５１】
また、図４に本実施の形態の変形例である波長掃引レーザ装置４０を示す。波長掃引レーザ装置４０では、回折格子３２の角度を周期的に変更する波長掃引部４１が設けられている。回折格子３２の角度が周期的に変化することにより波長掃引レーザ装置４０から射出されるレーザ光Ｌａの発振波長が周期的に掃引される。
【００５２】
さらに上記実施例では波長可変レーザの例としてリトロー配置型の波長可変レーザを説明したが、これに限定されるものではなくリットマン配置型の波長可変レーザであってもよい。
【００５３】
次に、本発明における第３の実施例である波長可変リングレーザ装置５０について、図５を用いて説明する。波長可変リングレーザ装置５０は、共振器の構成をリング状にしたレーザ装置であり、第１の実施の形態に記載されている光半導体素子１０を光増幅器として用い、多層誘電体膜からなる光フィルタ５１を波長選択手段として用いている。光フィルタ５１は、光軸に対する多層誘電体膜の角度により透過する波長が定まるものであり、光フィルタ５１の角度を変更することにより、透過する光の波長を変更することができる。
【００５４】
光半導体素子１０からの自然放出光は、レンズ５６により平行光化され、光フィルタ５１に入射されて特定の波長（発振波長）のみが透過する。この光フィルタ５１を透過した光はレンズ５６により集光されて光ファイバ５３入射し、さらに光カプラ５４を透過して、レンズ５８により平行光化され光アイソレータ５２を透過し、レンズ５９により集光されて、光半導体素子１０へ戻る。光アイソレータ５２は光の周回方向を決めるほか、リングレーザ装置５０の安定な発振動作に寄与する。光半導体素子１０のもつ光利得がリングレーザ共振器の全損失を上回る状態になるとレーザ発振が生じる。前述したように、発振波長は光フィルタ５４の透過中心波長により決まることから、光軸に対する光フィルタ５４の角度を変えることで発振波長を可変できる。また波長可変リングレーザ装置５０内の光は光カプラ５６により取り出すことができる。このような波長可変光源においても、容易に広帯域に渡り射出光の波長を変更することができ、かつ長時間安定して動作することができる。
【００５５】
また、図６に本実施の形態の変形例である波長掃引リングレーザ装置６０を示す。この波長掃引リングレーザ６０は、光フィルタ５４に接続され、光軸に対する光フィルタ５４の角度を周期的に変更する光フィルタ掃引部６１を備えている。光フィルタの角度が周期的の変更されることにより、発振波長が周期的に掃引される。
【００５６】
以下、本発明による光半導体素子を有する光源を用いて光断層画像を取得する光断層画像取得装置について説明する。従来、生体組織の光断層画像を取得する際に、ＯＣＴ計測を利用した光断層画像取得装置が用いられることがある。この光断層画像取得装置は、光源から射出された低コヒーレント光を測定光と参照光とに分割した後、該測定光が測定対象に照射されたときの測定対象からの反射光と参照光とを合波し、該反射光と参照光との干渉光の強度に基づいて光断層画像を取得するものである。
【００５７】
上記のような光断層画像取得装置では、参照光の光路長を変更することにより、測定対象に対する深さ方向の位置（以下、深さ位置という）を変更し光断層画像を取得するＴＤ−ＯＣＴ（Ｔｉｍｅ ｄｏｍａｉｎ ＯＣＴ）計測を利用した装置がある。
【００５８】
また、近年では、上述した参照光の光路長を変更することなく高速に光断層画像を取得するＳＤ−ＯＣＴ（Ｓｐｅｃｔｒａｌ Ｄｏｍａｉｎ ＯＣＴ）計測を利用したＳＤ−ＯＣＴ装置が提案されている。このＳＤ−ＯＣＴ装置は、マイケルソン型干渉計等を用いて、広帯域の低コヒーレント光を測定光と参照光とに分割した後、測定光を測定対象に照射させ、そのとき戻って来た反射光と参照光とを干渉させ、この干渉光を各周波数成分に分解したチャンネルドスペクトルをフーリエ変換することにより、深さ方向の走査を行わずに光断層画像を構成するようにしたものである。
【００５９】
さらに、参照光の光路長の変更を行うことなく高速に光断層画像を取得する装置として、ＳＳ−ＯＣＴ（Ｓｗｅｐｔ ｓｏｕｒｃｅ ＯＣＴ）計測による光断層画像化装置も提案されている。このＳＳ−ＯＣＴ装置は、光源から射出されるレーザ光の周波数を掃引させて、反射光と参照光とを各波長において干渉させ、一連の波長に対する干渉スペクトルをフーリエ変換することにより測定対象の深さ位置における反射光強度を検出し、これを用いて光断層画像を構成するようにしたものである。
【００６０】
図７に示す光断層画像取得装置１００は、上述のいわゆるＳＳ−ＯＣＴ（Ｓｗｅｐｔ ｓｏｕｒｃｅ ＯＣＴ）により断層画像を取得するものであって、１．０μｍを中心波長とした８０ｎｍの波長範囲において一定周期で波長を掃引しながら測定光Ｌ１を、測定対象Ｓへ射出するものである。そして、光断層画像取得装置１００は、測定光Ｌ１が照射対象に照射されたときの照射対象Ｓからの反射光（後方散乱光）Ｌｒに基づいて断層画像を生成し、表示装置４に表示するようになっている。
【００６１】
本装置における光源としては、図４に示す、第３の実施形態の変形例である波長掃引レーザ装置４０が用いられている。波長掃引レーザ装置４０からは、１．０μｍを中心波長として、８０ｎｍの波長範囲において一定周期で波長が掃引されるレーザ光Ｌｂが光ファイバＦＢ１へ射出される。
【００６２】
光分割手段３は、例えば２×２の光ファイバカプラから構成されており、波長掃引レーザ装置４０から光ファイバＦＢ１を介して導波した光Ｌｂを測定光Ｌ１と参照光Ｌ２とに分割する。この光分割手段３は、２本の光ファイバＦＢ２、ＦＢ３にそれぞれ光学的に接続されており、測定光Ｌ１は光ファイバＦＢ２を導波し、参照光Ｌ２は光ファイバＦＢ３を導波する。なお、本例におけるこの光分割手段３は、合波手段４としても機能するものである。
【００６３】
光ファイバＦＢ２には、光プローブ１３０が光学的に接続されており、測定光Ｌ１は光ファイバＦＢ２から光プローブ１３０へ導波する。光プローブ１３０は、例えば鉗子口から鉗子チャンネルを介して体腔内に挿入されるものであって、光学コネクタ１３６により光ファイバＦＢ２に対して着脱可能に取り付けられている。
【００６４】
光プローブ１３０は、先端が閉じられた円筒状のプローブ外筒１３１と、このプローブ外筒１３１の内部空間に、該外筒１３１の軸方向に延びる状態に配設された１本の光ファイバ１３２と、光ファイバ１３２の先端から出射した測定光Ｌ１をプローブ外筒１３１の周方向に偏向させるプリズムミラー１３３と、光ファイバ１３２の先端から出射した測定光Ｌ１を、プローブ外筒１３１の周外方に配された被走査体としての測定対象Ｓにおいて収束するように集光するロッドレンズ１３４と、光ファイバ１３２を該光ファイバ１３２の光軸を回転軸として回転させるモータ１３５とを備えている。なお、ロッドレンズ１３４およびプリズムミラー１３３は、光ファイバ１３２とともに回転するように配設されている。
【００６５】
一方、光ファイバＦＢ３の参照光Ｌ２の射出側には光路長調整手段１２０が配置されている。光路長調整手段１２０は、断層画像の取得を開始する位置を調整するために、参照光Ｌ２の光路長を変更するものであって、光ファイバＦＢ３から射出された参照光Ｌ２を反射させる反射ミラー１２２と、反射ミラー１２２と光ファイバＦＢ３との間に配置された第１光学レンズ１２１ａと、第１光学レンズ１２１ａと反射ミラー１２２との間に配置された第２光学レンズ１２１ｂとを有している。
【００６６】
第１光学レンズ１２１ａは、光ファイバＦＢ３のコアから射出された参照光Ｌ２を平行光にするとともに、反射ミラー１２２により反射された参照光Ｌ２を光ファイバＦＢ３のコアに集光する機能を有している。また、第２光学レンズ１２１ｂは、第１光学レンズ２１ａにより平行光にされた参照光Ｌ２を反射ミラー１２２上に集光するとともに、反射ミラー１２２により反射された参照光Ｌ２を平行光にする機能を有している。つまり、第１光学レンズ１２１ａと第２光学レンズ１２１ｂとにより共焦点光学系が形成されている。
【００６７】
したがって、光ファイバＦＢ３から射出した参照光Ｌ２は、第１光学レンズ１２１ａにより平行光になり、第２光学レンズ１２１ｂにより反射ミラー１２２上に集光される。その後、反射ミラー１２２により反射された参照光Ｌ２は、第２光学レンズ１２１ｂにより平行光になり、第１光学レンズ１２１ａにより光ファイバＦＢ３のコアに集光される。
【００６８】
さらに光路長調整手段１２０は、第２光学レンズ１２１ｂと反射ミラー１２２とを固定した基台１２３と、該基台１２３を第１光学レンズ１２１ａの光軸方向に移動させるミラー移動手段１２４とを有している。そして基台１２３が矢印Ａ方向に移動することにより、参照光Ｌ２の光路長が変えられるようになっている。
【００６９】
また合波手段４は、前述の通り２×２の光ファイバカプラからなり、光路長調整手段１２０により周波数シフトおよび光路長の変更が施された参照光Ｌ２と、照射対象Ｓからの反射光Ｌ３とを合波し、光ファイバＦＢ４を介して干渉光検出手段１４０側に射出するように構成されている。
【００７０】
干渉光検出手段１４０は、合波手段４により合波された反射光Ｌ３と参照光Ｌ２との干渉光Ｌ４を検出する。そして、画像取得手段１５０は、干渉光検出手段１４０により検出された干渉光Ｌ４をフーリエ変換することにより、照射対象Ｓの各深さ位置における反射光Ｌ３の強度を検出し、照射対象Ｓの断層画像を取得する。そして、この取得された断層画像が表示装置１６０に表示される。なお本例の装置は、干渉光Ｌ４を光ファイバカプラ３で二分した光をそれぞれ光検出器１４２ａと１４２ｂに導き、演算手段１４１においてバランス検波を行う機構を有している。以上の通り本例では、光検出器１４２ａ、１４２ｂおよび演算手段１４１により干渉光検出手段１４０が構成されている。
【００７１】
ここで、干渉光検出手段１４０および画像取得手段１５０における干渉光Ｌ４の検出および画像の生成について簡単に説明する。なお、この点の詳細については「武田 光夫、「光周波数走査スペクトル干渉顕微鏡」、光技術コンタクト、２００３、Ｖｏｌ.４１、Ｎｏ.７、ｐ４２６−ｐ４３２」に詳しい記載がなされている。
【００７２】
測定光Ｌ１は光プローブ１３０から体腔内に向けて射出され、測定対象Ｓに照射される。このとき、光プローブ１３０により、そこから出射した測定光Ｌ１が測定対象Ｓを１次元に走査する。そして、測定対象Ｓからの反射光Ｌ３が光路長調整手段１２０の反射ミラー１２２において反射した参照光Ｌ２と合波され、反射光Ｌ３と参照光Ｌ２との干渉光Ｌ４が干渉光検出手段１４０によって検出される。
【００７３】
測定光Ｌ１が照射対象Ｓに照射されたとき、照射対象Ｓの各深さからの反射光Ｌ３と参照光Ｌ２とがいろいろな光路長差をもって干渉しあう際の各光路長差ｌに対する干渉縞の光強度をＳ（ｌ）とすると、干渉光検出手段１４０において検出される光強度Ｉ（ｋ）は、
Ｉ（ｋ）＝∫０∞Ｓ（ｌ）［１＋ｃｏｓ（ｋｌ）］ｄｌ
で表される。ここで、ｋは波数、ｌは光路長差である。上式は波数ｋ＝ω／ｃを変数とする光周波数領域のインターフェログラムとして与えられていると考えることができる。このため、画像取得手段１５０において、干渉光検出手段１４０が検出したスペクトル干渉縞をフーリエ変換を行い、干渉光Ｌ４の光強度Ｓ（ｌ）を決定することにより、照射対象Ｓの測定開始位置からの距離情報と反射強度情報とを取得し、断層画像を生成することができる。
【００７４】
このように、波長を一定の周期で掃引させながらレーザ光を射出する波長掃引光源から射出された光を用いて光断層画像を取得する光断層画像取得装置１００において、光源として本発明の光半導体素子を有する波長掃引レーザ装置４０を用いることにより、容易に掃引波長帯域を広帯域化することができ、分解能の高い光断層画像を取得することができる。また長時間安定して動作する光断層画像取得装置を実現することができる。
【００７５】
なお、実施の形態においては、光源として波長掃引レーザ装置４０を用いたが、図６に示す波長掃引リングレーザ６０を用いることもできる。
【００７６】
次に、図８を用いて本発明による光半導体素子を光源として用いた光断層画像取得装置の別の例について説明する。図８に示す光断層画像取得装置２００は、例えば体腔内の生体組織や細胞等の測定対象の断層画像を前述のＳＤ−ＯＣＴ（Ｓｐｅｃｔｒａｌ Ｄｏｍａｉｎ ＯＣＴ）計測により取得するものであって、具体的に図７の光断層画像取得装置１と異なる点は、光源ユニットおよび干渉光検出手段の構成である。
【００７７】
光Ｌｂを射出する光源ユニット２１０と、光源ユニット２１０から射出された光Ｌｂを測定光Ｌ１と参照光Ｌ２とに分割する光分割手段３と、光分割手段３により分割された参照光Ｌ２の光路長を調整する光路長調整手段２２０と、光分割手段３により分割された測定光Ｌ１を照射対象Ｓに照射する光プローブ１３０と、こうして照射対象Ｓに測定光Ｌ１が照射されたとき照射対象Ｓで反射した反射光Ｌ３と参照光Ｌ２とを合波する合波手段４と、合波された反射光Ｌ３と参照光Ｌ２との間の干渉光Ｌ４を検出する干渉光検出手段２４０とを有している。
【００７８】
光源ユニット２１０は、図２に示した光半導体素子１０と、この光半導体素子１０からから射出された低コヒーレンス光Ｌｂを光ファイバＦＢ１内に入射させるための光学系２１２とを有している。なお、光半導体素子１０はＳＬＤとして機能するものであり、光半導体素子１０からは中心波長1.0μｍ、スペクトル線幅８０ｎｍの低コヒーレンス光Ｌｂが射出される。
【００７９】
一方、干渉光検出手段２４０は、合波手段４により合波された反射光Ｌ３と参照光Ｌ２との干渉光Ｌ４を検出するものであって、光ファイバＦＢ４から出射した干渉光Ｌ４を平行光化するコリメータレンズ２４１と、複数の波長帯域を有する干渉光Ｌ４を各波長帯域毎に分光する分光手段２４２と、分光手段２４２により分光された各波長帯域の干渉光Ｌ４を検出する光検出手段２４４とを有している。
【００８０】
分光手段２４２は例えば回折格子素子等から構成されており、そこに入射した干渉光Ｌ４を分光して、光検出手段２４４に向けて射出する。また光検出手段２４４は、例えば１次元もしくは２次元に光センサが配列されてなるＣＣＤ等の素子から構成され、各光センサが、上述のように分光された干渉光Ｌ４を波長帯域毎にそれぞれ検出するようになっている。
【００８１】
上記光検出手段２４４は例えばパーソナルコンピュータ等のコンピュータシステムからなる画像取得手段２５０に接続され、この画像取得手段２５０はＣＲＴや液晶表示装置等からなる表示装置１６０に接続されている。
【００８２】
以下、上記構成を有する光断層画像取得装置２００の作用について説明する。断層画像を取得する際には、まず基台１２３を矢印Ａ方向に移動させることにより、測定可能領域内に照射対象Ｓが位置するように光路長の調整が行われる。その後、光源ユニット２１０から光Ｌｂが射出され、この光Ｌaは光分割手段３により測定光Ｌ１と参照光Ｌ２とに分割される。測定光Ｌ１は光プローブ１３０から体腔内に向けて射出され、照射対象Ｓに照射される。このとき、該光プローブ１３０により、そこから出射した測定光Ｌ１が照射対象Ｓを１次元に走査する。そして、照射対象Ｓからの反射光Ｌ３が反射ミラー２２において反射した参照光Ｌ２と合波され、反射光Ｌ３と参照光Ｌ２との干渉光Ｌ４が干渉光検出手段２４０によって検出される。この検出された干渉光Ｌ４が画像取得手段２５０において適当な波形補償、ノイズ除去を施した上でフーリエ変換されることにより、照射対象Ｓの深さ方向の反射光強度分布情報が得られる。
【００８３】
そして、光プローブ１３０により上述のように測定光Ｌ１を照射対象Ｓ上で走査させれば、この走査方向に沿った各部分において照射対象Ｓの深さ方向の情報が得られるので、この走査方向を含む断層面についての断層画像を取得することができる。このようにして取得された断層画像は、表示装置１６０に表示される。なお、例えば光プローブ１３０を図８の左右方向に移動させて、照射対象Ｓに対して測定光Ｌ１を、上記走査方向に対して直交する第２の方向に走査させることにより、この第２の方向を含む断層面についての断層画像をさらに取得することも可能である。
【００８４】
このように、低コヒーレンス光を射出する光源から射出された光を用いて光断層画像を取得する光断層画像取得装置２００において、光源として本発明の光半導体素子１０を用いることにより、容易に低コヒーレンス光の波長帯域を広帯域化することができ、分解能の高い光断層画像を取得することができる。また長時間安定して動作する光断層画像取得装置を実現することができる。
【００８５】
次に、本発明による光半導体素子を光源として用いた光断層画像取得装置のさらに別の例について説明する。図９に示す光断層画像取得装置３００は、測定対象の断層画像を前述のＴＤ−ＯＣＴ計測により取得するものであって、レーザ光Ｌｂを射出する光半導体素子１０および集光レンズ１２１からなる光源ユニット２１０と、光源ユニット２１０から射出されて光ファイバＦＢ１を伝搬する低コヒーレンス光ＫＬｂを分割する光分割手段２と、ここを通過した低コヒーレンス光Ｌｂを測定光Ｌ１と参照光Ｌ２とに分割する光分割手段３と、光分割手段３により分割されて光ファイバＦＢ３を伝搬した参照光Ｌ２の光路長を調整する光路長調整手段３２０と、光分割手段３により分割されて光ファイバＦＢ２を伝搬した測定光Ｌ１を照射対象Ｓに照射する光プローブ１３０と、光プローブ１３０から測定光Ｌ１が照射対象Ｓに照射されたときの測定対象からの反射光Ｌ３と参照光Ｌ２とを合波する合波手段４（光分割手段３が兼ねている）と、合波手段４により合波されて反射光Ｌ３と参照光Ｌ２との干渉光Ｌ４を検出する干渉光検出手段３３０とを備えている。
【００８６】
上記光路長調整手段３２０は、光ファイバＦＢ３から出射した参照光Ｌ２を平行光化するコリメータレンズ３２１と、このコリメータレンズ３２１との距離を変えるように図中矢印Ａ方向に移動可能とされたミラー３２３と、このミラー３２３を移動させるミラー移動手段３２４とから構成されて、照射対象Ｓ内の測定位置を深さ方向に変化させるために、参照光Ｌ２の光路長を変える機能を有している。そして、光路長調整手段３２０により光路長の変更がなされた参照光Ｌ２が合波手段４に導波されるようになっている。
【００８７】
干渉光検出手段３３０は、合波手段４から光ファイバＦＢ２を伝搬して来た干渉光Ｌ４の光強度を検出する。具体的には、測定光Ｌ１の全光路長と照射対象Ｓのある点で反射、もしくは後方散乱された反射光Ｌ３の合計と、参照光Ｌ２の光路長差が光源のコヒーレンス長よりも短い場合にのみ、反射光量に比例した振幅の干渉信号が検出される。また、光路長調整手段３２０により光路長を走査することで、干渉信号が得られる照射対象Ｓの反射点位置（深さ）が変わって行き、それにより、干渉光検出手段３３０が照射対象Ｓの各測定位置における反射率信号を検出するようになっている。なお、測定位置の情報は光路長調整手段３２０から画像取得手段へ出力されるようになっている。そして、ミラー移動手段３２４における測定位置の情報と干渉光検出手段３３０により検出された信号とに基づいて、画像取得手段３５０により照射対象Ｓの深さ方向の反射光強度分布情報が得られる。
【００８８】
そして、光プローブ１３０により上述のように測定光Ｌ１を照射対象Ｓ上で走査させれば、この走査方向に沿った各部分において照射対象Ｓの深さ方向の情報が得られるので、この走査方向を含む断層面についての断層画像を取得することができる。このようにして取得された断層画像は、表示装置１６０に表示される。なお、例えば光プローブ１３０を図９の左右方向に移動させて、照射対象Ｓに対して測定光Ｌ１を、上記走査方向と直交する第２の方向に走査させることにより、この第２の方向を含む断層面についての断層画像をさらに取得することも可能である。
【００８９】
このように、低コヒーレンス光を射出する光源から射出された光を用いて光断層画像を取得する光断層画像取得装置３００において、光源として本発明の光半導体素子１０を用いることにより、容易に低コヒーレンス光の波長帯域を広帯域化することができ、分解能の高い光断層画像を取得することができる。また長時間安定して動作する光断層画像取得装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】本発明の第１実施形態による光半導体素子の概略立断面図
【図２】本発明の第１実施形態による光半導体素子の概略測断面図
【図３】本発明の第２の実施形態による波長可変レーザ装置の概略構成図
【図４】波長掃引レーザ装置の概略構成図
【図５】本発明の第３実施形態による波長可変リングレーザ装置の概略構成図
【図６】波長掃引リングレーザ装置の概略構成図
【図７】ＳＳ−ＯＣＴ計測による光断層画像取得装置の一例を示す概略構成図
【図８】ＳＤ−ＯＣＴ計測による光断層画像取得装置の一例を示す概略構成図
【図９】ＴＤ−ＯＣＴ計測による光断層画像取得装置の一例を示す概略構成図
【符号の説明】
【００９１】
１０ 光半導体素子
１１ ｎ型GaAs基板
１２ ｎ型GaAsバッファ層
１３ ｎ型In0.49Ga0.51P下部クラッド層
１４ ノンドープGaAs下部光ガイド層
１５ InXGa1-XAs／GaAs多重量子ドット発光層
１６ ノンドープGaAs上部光ガイド層
１７ ｐ型In0.49Ga0.51P上部第一クラッド層
１８ ｐ型GaAsエッチングストップ層
１９ ｐ型In0.49Ga0.51P上部第二クラッド層
２０ ｎ型InAlGaP電流ブロック層
２１ ｐ型In0.49Ga0.51P上部第三クラッド層
２２ ｐ型GaAsコンタクト層
２３ ｐ側電極
２４ ｎ側電極
２５、２６ 端面
３０ 波長可変レーザ装置
３１ 出力ミラー
３２ 回折格子
４０ 波長掃引レーザ装置
５０ 波長可変リングレーザ装置
５１ 光フィルタ
６０ 波長掃引リングレーザ装置
１００、２００、３００ 光断層画像取得装置
１２０、３２０ 光路長調整手段
１３０ プローブ
１４０、２４０、３３０ 干渉光検出手段
Ｌａ レーザ光
Ｌｂ 低コヒーレンス光
【技術分野】
【０００１】
本発明は、素子内における共振が抑制され、ＳＬＤ（Super Luminescent Diode）やＳＯＡ（Semiconductor Optical Amplifier：半導体光増幅器）等として利用可能である光半導体素子に関するものである。また、この光半導体素子を用いた波長可変光源および光断層画像取得装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光半導体素子の中で、素子内における共振が抑制され、広い波長帯域の光を射出可能な光半導体素子として、ＳＬＤ（Super Luminescent Diode）やＳＯＡ（Semiconductor Optical Amplifier：半導体光増幅器）が知られている。これらの光半導体素子は、半導体レーザに近い構造を有しているが、素子内において光が共振して、レーザ光が射出されることがないように、種々の工夫がなされている。例えば、光が射出する端面に無反射コーティングを施す、あるいは光導波路を素子端面の法線方向から数度(3〜12度程度)傾斜させること等により、素子内における共振が抑制されている。
【０００３】
ＳＬＤでは、半導体レーザ同様に注入キャリアの再結合により生じた自然放出光が、光出射端面方向に進む間に誘導放出による高い利得を受けて増幅され、光出射端面から放出される。ＳＬＤは、半導体レーザ同様に数十mW程度までの光出力を得ることが可能であり、また通常の発光ダイオード同様にインコヒーレントでかつ広い波長帯域を有する光を射出することのできる光半導体素子である。このため、ＳＬＤは、主にファイバジャイロやＯＣＴ（Optical Coherence Tomography）計測を利用した光断層画像取得装置等の光計測の分野でインコヒーレント光源として使用されている。
【０００４】
またＳＯＡ（Semiconductor Optical Amplifier：半導体光増幅器）は、ＳＬＤと非常に良く似たデバイスであり、光通信の分野において光信号を増幅するための光増幅器として研究されていたが、最近では波長可変光源の利得媒体としての応用検討が盛んである。波長可変光源の一例をあげると、ＳＯＡの一方の端面からの出射光をレンズにより平行光に変換し、この平行光を回折格子で波長分散した後、ミラーにより回折格子に戻すことにより波長選択してＳＯＡに帰還させることでレーザ発振させている。回折格子とＳＯＡの他方の端面の外部に設置された出力ミラーにより外部共振器が構成されている。出力ミラーから射出されたレーザ光はレンズにより平行光に変換され、光アイソレータを通過して、外部装置例えば光ファイバへ伝送される。なお、レーザ光の波長は、回折格子へ対するミラーの角度を変化させることにより変更へでき、またその波長可変幅はＳＯＡが有する利得スペクトル幅によって制限される。
【０００５】
一方、上述のＯＣＴ計測を利用した光断層画像取得装置は、光源から射出された光を測定光と参照光とに分割した後、該測定光が測定対象に照射されたときの測定対象からの反射光と参照光とを合波し、該反射光と参照光との干渉光の強度に基づいて光断層画像を取得するものである。
【０００６】
このような光断層画像取得装置では、参照光の光路長を変更することにより、測定対象に対する深さ方向の位置（以下、深さ位置という）を変更し光断層画像を取得するＴＤ−ＯＣＴ（Ｔｉｍｅ ｄｏｍａｉｎ ＯＣＴ）計測を利用した装置がある。
【０００７】
また、近年では、上述した参照光の光路長を変更することなく高速に光断層画像を取得するＳＤ−ＯＣＴ（Ｓｐｅｃｔｒａｌ Ｄｏｍａｉｎ ＯＣＴ）計測を利用したＳＤ−ＯＣＴ装置が提案されている(特許文献１)。このＳＤ−ＯＣＴ装置は、マイケルソン型干渉計等を用いて、広帯域の低コヒーレント光を測定光と参照光とに分割した後、測定光を測定対象に照射させ、そのとき戻って来た反射光と参照光とを干渉させ、この干渉光を各周波数成分に分解したチャンネルドスペクトルをフーリエ変換することにより、深さ方向の走査を行わずに光断層画像を構成するようにしたものである。
【０００８】
さらに、参照光の光路長の変更を行うことなく高速に光断層画像を取得する装置として、ＳＳ−ＯＣＴ（Ｓｗｅｐｔ ｓｏｕｒｃｅ ＯＣＴ）計測による光断層画像化装置も提案されている。このＳＳ−ＯＣＴ装置は、光源から射出されるレーザ光の周波数を掃引させて、反射光と参照光とを各波長において干渉させ、一連の波長に対する干渉スペクトルをフーリエ変換することにより測定対象の深さ位置における反射光強度を検出し、これを用いて光断層画像を構成するようにしたものである。
【０００９】
このような光断層画像取得装置においては、スペクトル半値幅が広い低コヒーレンス光を用いることにより分解能が向上することが知られている。また中心波長０．９μｍ〜１．２μｍの帯域の低コヒーレンス光は、生体における吸収損失および散乱損失が少なく、かつ生体の主な構成物質である水による分散の影響を受けにくいため、中心波長０．９μｍ〜１．２μｍの帯域の低コヒーレンス光が有効であることが知られている。
【特許文献１】特開平１１−３２５８４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上述したＯＣＴ計測による光断層画像取得装置で用いられる光源として、化合物光半導体素子を用いたＳＬＤ（スーパールミネッセントダイオード）や、光半導体素子を光増幅器として用いる波長掃引レーザがあげられる。しかしながら、中心波長が、１．２μｍ付近の波長は、発光層にInGaAs系量子井戸層を使用したデバイスで作製できる波長の長波側限界に近く、結晶学的に良質な発光層を有するデバイスを作製することが困難である。ゆえにこの波長帯域では、ＯＣＴ計測に必要とされる長時間安定して発光する半導体発光デバイスの作製は達成されていない。
【００１１】
またＯＣＴ計測による光断層画像取得装置における計測分解能を向上させるには光源の発光波長帯域（スペクトル幅）を広げる必要があることがわかっている。例えば特願２００６−１６１０４５では、発光波長帯域の中心波長をλｃとし、スペクトル半値全幅をΔλとした場合、λｃ２／Δλ≦１５であることが望ましいことが開示されている。
【００１２】
量子井戸構造を有する光半導体素子において、発光層の発光波長帯域を広げる方法としては、発光層の量子井戸数を増やし組成を変化させることが挙げられるが、この方法では発光層の結晶にさらに負担がかかり、良質な結晶をもち、長時間安定して発光する光半導体素子を作製することは非常に困難であった。また、発光層が、積層された複数枚の量子井戸層から形成されている多重量子井戸層型の光半導体素子も知られているが、例えば組成を変えることにより発光波長が異なる量子井戸層を積層した場合、井戸層間に転位が発生するため、やはり長時間安定して発光する光半導体素子を製造することが難しいという問題がある。
【００１３】
本発明は上記の事情に鑑みて、中心波長０．９μｍ以上かつ１．２μｍ以下の範囲の波長で発光し、発光波長帯域が広く、かつ数十mW程度までの出力が出せ、長時間安定して発光する光半導体素子を実現することを目的とするものである。
【００１４】
本発明はまた、上記光半導体素子を用いた波長可変光源および光断層画像取得装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の光半導体素子は、素子内における共振が抑制され、GaAs基板上に０．９μｍ以上かつ１．２μｍ以下の中心波長λｃで発光する発光層が積層されている光半導体素子において、
前記発光層が、第１の中心波長λ１で発光する第１のInXGa1-XAs量子ドット層（0≦ｘ≦１）および第１の中心波長λ１とは異なる第２の中心波長λ２で発光する第２のInXGa1-XAs量子ドット層（0≦ｘ≦１）とを備える多重量子ドット層であることを特徴とするものである。
【００１６】
前記第１の中心波長λ１と前記第２の中心波長λ２とは、３０ｎｍ以上離れていてもよい。また、前記第１の中心波長λ１と前記第２の中心波長λ２とは、５０ｎｍ以上離れているもよいし、あるいは１００ｎｍ以上離れていてもよい。
【００１７】
前記発光層の発光中心波長λｃは、１．１μｍ以上であってもよい。また１．１５μｍ以上であってもよい。
【００１８】
前記発光層の発光スペクトル半値全幅をΔλとしたときに、
λｃ２／Δλ≦１５
であってもよい。
【００１９】
前記発光層において、第１のInXGa1-XAs量子ドット層の組成と前記第２のInXGa1-XAs量子ドット層の組成とが略同一であり、前記第１のInXGa1-XAs量子ドット層のドットの高さと、前記第２のInXGa1-XAs量子ドット層のドットの高さとが異なるものであってもよい。
【００２０】
また、前記第１のInXGa1-XAs量子ドット層の高さと前記第２のInXGa1-XAs量子ドット層の高さとが略同一であり、前記第１のInXGa1-XAs量子ドット層の組成と、前記第２のInXGa1-XAs量子ドット層の組成とが異なるものであってもよい。
【００２１】
本発明の波長可変光源は、共振器内に、光増幅器および該光増幅器により増幅される光の波長を選択する波長選択手段を備えた外部共振器型の波長可変光源において、
前記光増幅器が、素子内における共振が抑制され、GaAs基板上に０．９μｍ以上かつ１．２μｍ以下の中心波長λｃで発光する発光層が積層され、該発光層が、中心発光波長が異なる第１の中心波長λ１で発光する第１のInXGa1-XAs量子ドット層（0≦ｘ≦１）および第１の中心波長λ１とは異なる第２の中心波長λ２で発光する第２のInXGa1-XAs量子ドット層（0≦ｘ≦１）とを備える多重量子ドット層である光半導体素子を有していることを特徴とするものである。
【００２２】
また、本発明の光断層画像取得装置は、低コヒーレンス光を射出する光源と、
前記光源から射出された光を測定光と参照光とに分割する光分割手段と、
前記測定光を測定対象に照射する照射手段と、
前記測定光が前記測定対象に照射されたときの該測定対象からの反射光と前記参照光とを重ね合わせる合波手段と、
該合波手段により合波された前記反射光と前記参照光との干渉光を検出する干渉光検出手段と、
該干渉光検出手段により検出された前記干渉光から前記測定対象の断層画像を取得する画像取得手段とを備えた光断層画像取得装置において、
前記光源が、素子内における共振が抑制され、GaAs基板上に０．９μｍ以上かつ１．２μｍ以下の中心波長λｃで発光する発光層が積層され、該発光層が、中心発光波長が異なる第１の中心波長λ１で発光する第１のInXGa1-XAs量子ドット層（0≦ｘ≦１）および第１の中心波長λ１とは異なる第２の中心波長λ２で発光する第２のInXGa1-XAs量子ドット層（0≦ｘ≦１）とを備える多重量子ドット層である光半導体素子を有していることを特徴とするものである。
【００２３】
本発明の他の光断層画像取得装置は、波長を一定の周期で掃引させながらレーザ光を射出する波長掃引光源と、
該波長掃引光源から射出された前記レーザ光を測定光と参照光とに分割する光分割手段と、
前記測定光を測定対象に照射する照射手段と、
前記測定光の前記測定対象からの反射光と前記参照光とを重ね合わせる合波手段と、
該合波手段により重ねあわされた前記反射光と前記参照光との干渉光の周波数および強度に基づいて、前記測定対象の各深さ位置における前記反射光の強度を検出する干渉光検出手段と、
該干渉光検出手段により検出された前記各深さ位置における前記反射光の強度を用いて前記測定対象の断層画像を取得する画像取得手段とを有する光断層画像取得装置において、
前記波長掃引光源が、光増幅器および該光増幅器により増幅される光の波長を掃引する波長掃引手段を備え、
前記光増幅器が、素子内における共振が抑制され、GaAs基板上に０．９μｍ以上かつ１．２μｍ以下の中心波長λｃで発光する発光層が積層され、該発光層が、中心発光波長が異なる第１の中心波長λ１で発光する第１のInXGa1-XAs量子ドット層（0≦ｘ≦１）および第１の中心波長λ１とは異なる第２の中心波長λ２で発光する第２のInXGa1-XAs量子ドット層（0≦ｘ≦１）とを備える多重量子ドット層である光半導体素子を有していることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の光半導体素子は、素子内における共振が抑制され、GaAs基板上に０．９μｍ以上かつ１．２μｍ以下の中心波長λｃで発光する発光層が積層され、前記発光層が、中心発光波長が異なる第１の中心波長λ１で発光する第１のInXGa1-XAs量子ドット層（0≦ｘ≦１）および第１の中心波長λ１とは異なる第２の中心波長λ２で発光する第２のInXGa1-XAs量子ドット層（0≦ｘ≦１）とを備える多重量子ドット層であるため、転位の発生を回避することができるので、中心波長０．９μｍ以上かつ１．２μｍ以下の範囲の波長で発光し、かつ数十mW程度までの出力が出せ、長時間安定して発光する光半導体素子を実現することができる。
【００２５】
また、共振器内に、光増幅器および該光増幅器により増幅される光の波長を選択する波長選択手段を備えた外部共振器型の波長可変光源において、光増幅器として本発明の光半導体素子を用いることにより容易に広帯域に渡り射出光の波長を変更することができ、かつ長時間安定して動作する波長可変光源を実現することができる。
【００２６】
また、低コヒーレンス光を射出する光源から射出された光を用いて光断層画像を取得する光断層画像取得装置において、光源として本発明の光半導体素子を有するものを用いることにより、容易に低コヒーレンス光の波長帯域を広帯域化することができるので、分解能の高い光断層画像を取得することができる。また長時間安定して動作する光断層画像取得装置を実現することができる。
【００２７】
さらに、波長を一定の周期で掃引させながらレーザ光を射出する波長掃引光源から射出された光を用いて光断層画像を取得する光断層画像取得装置において、光源として本発明の光半導体素子を有するものを用いることにより、容易に掃引波長帯域を広帯域化することができ、分解能の高い光断層画像を取得することができる。また長時間安定して動作する光断層画像取得装置を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
図面を参照して、本発明の第１の実施形態である光半導体素子１０について説明する。図１は、光半導体素子１０の全体斜視図である。光半導体素子１０は、有機金属気相成長(MOCVD)法を用いて結晶成長を行って作成した埋め込み型リッジ構造を有する光半導体素子である。
【００２９】
有機金属気相成長(MOCVD)法の原料ガスとしては、TEG(トリエチルガリウム)、TMA(トリメチルアルミニウム)、TMI(トリメチルインジウム)、AsH3(アルシン)、PH3(ホスフィン)等を用いている。また、ドーパントとしては、SiH4(シラン)、DEZ(ジエチル亜鉛)を用いている。
【００３０】
まず、光半導体素子１０の層構造について説明する。光半導体素子１０は、n型GaAs基板１１上に、n型GaAsバッファ層１２、n型In0.49Ga0.51P下部クラッド層１３、ノンドープGaAs下部光ガイド層１４、InｘGa1-xAs/GaAs多重量子ドット発光層１５、ノンドープGaAs上部光ガイド層１６、p型In0.49Ga0.51P上部第1クラッド層１７、p型 GaAsエッチングストップ層１８が順に積層されている。
【００３１】
p型 GaAsエッチングストップ層１８上には、リッジ形状のp型In0.49Ga0.51P上部第2クラッド層１９が形成されている。このリッジ（p型In0.49Ga0.51P上部第2クラッド層１９）の側面にはn型InAlGaP電流ブロック層２０が形成され、さらにリッジおよびn型InAlGaP電流ブロック層２０の上面にはp型In0.49Ga0.51P上部第3クラッド層２１およびp型GaAsコンタクト層２２が形成されている。
【００３２】
以下光半導体素子１０の作成方法について説明する。まず、n型GaAs基板1１上に、MOCVD法により成長温度600℃、成長温度10.3kPaの条件下にてn型GaAsバッファ層(０．０５μm厚キャリア濃度７．０×１０17cm-3)１２、n型In0.49Ga0.51P下部クラッド層(２．０μm厚キャリア濃度７．０×１０17cm-3)１３、ノンドープGaAs下部光ガイド層(０．０３４μm厚)１４ を積層し、さらにInXGa1-XAs／GaAs多重量子ドット層１５を成長させる。この層は自己形成されたInGaAsドット層が３層構造になっていて、In組成を０．７〜０．８で変化させながら成長させている。このとき、多重量子ドット層の高さは統一されている。フォトルミネッセンス測定にて、層ごとに中心発光波長が１．０６μｍ、１．０９μｍ、１．１２μｍになり、また、本光半導体素子１０から出射される光の半値幅が１５０ｎｍになるように各層の組成が設計されている。
【００３３】
その後、ノンドープGaAs上部光ガイド層(０．０３４μm厚)１６、p型In0.49Ga0.51P上部第1クラッド層(０．２μm厚、キャリア濃度７．０×１０17cm-3)１7、p型 GaAsエッチングストップ層(１００Å厚、キャリア濃度７．０×１０17cm-3)１８、In0.49Ga0.51P上部第2クラッド層(０．５μm厚、キャリア濃度７．０×１０17cm-3)１９およびp型GaAsキャップ層(0.１μm厚、キャリア濃度７．０×１０17cm-3)をこの順で1回目の成長により積層配置する。
【００３４】
次にストライプ上にSiO2などの誘電体膜を形成し、この誘電体膜をマスクとしてGaAsキャップ層、p型In0.49Ga0.51P上部第2クラッド層１９をエッチングして、メサストライプ状のリッジ構造を下端の幅が３μｍ、かつ光出射端面に対し６度傾くように形成する。その後、選択成長法により、前記p-GaAsエッチングストップ層１８の上でかつ前記ストライプの上を除く部分にn-In0.49(Al0.12Ga0.88)0.51P電流ブロック層(０．５μm厚、キャリア濃度１．０×１０18cm-3)２０を成長温度600℃で2回目の結晶成長により形成する。さらに、前記誘電体マスクとその下のGaAsキャップ層を除去した後に、前記ストライプ及び電流ブロック層の全面に対してp型In0.49(Al0.12Ga0.88)0.51P上部第3クラッド層(１．３μm厚、キャリア濃度７．０×１０17cm-3)２１、p-GaAsコンタクト層(０．５μm厚、キャリア濃度１．０×１０19cm-3)２２を成長温度600℃で3回目の結晶成長により形成する。その後全体の厚みが１００μm程度になるまで基板の研磨を行い、n側電極２４を基板裏面に、p側電極２３をコンタクト層上に蒸着し、さらに熱処理により形成する。そして、共振器長０．７mmになるように光半導体素子バ−を劈開により切り出し、共振器面へAR膜(素子自体からの発光波長に対して０．５%以下の反射率)のコ−ティングを行う。チップは、放熱効果を高めるため発光部のあるpn接合部を下にしてヒートシンクに実装を行い、光半導体素子１０が形成される。
【００３５】
なお、上述したように、光半導体素子１０は、素子内における光の共振を抑制するために、図２に示すように、光Ｌが射出する端面２５および２６にARコーティングが施されている。また、導波路であるメサストライプ状のリッジ構造を端面２５および２６の法線方向から６度傾斜させることにより、素子内における光の共振を抑制している。このように、光半導体素子内における光の共振を抑制することにより、光半導体素子１０がその素子内においてレーザ発振することを防止することができる。素子内における共振が抑制されているため、光半導体素子１０は、自然放出光を射出するＳＬＤあるいは光信号を増幅するＳＯＡとして機能することができる。
【００３６】
素子内における光の共振を抑制するためには、上記以外にも種々の方法が可能であり、例えば端面に凹凸を形成する、端面近傍で光導波路構造を消失させる、素子内部で光を吸収または拡散する領域を設ける等の手段によっても、光導波路内における共振を抑制することができる。
【００３７】
このように作製した光半導体素子１０をＳＬＤとして発光させたところ、３０ｍWの出力で、発光中心波長１．１０２μｍ、発光スペクトル半値全幅１５０nmであった。素子寿命を評価するため室温で連続駆動したところ、出力が初期の９０%になったのは約１３０００時間後であった。
【００３８】
素子性能を比較するために、発光層以外の部分は上記のものと全く同一にして、発光層はInGaAs材料で出射光の中心波長１．１μｍになるように井戸幅を調整した多重量子井戸発光層からなる光半導体素子を作製した。発光層の組成はIn0.2Ga0.8Asを用いた。この光半導体素子をＳＬＤとして発光させたところ、発光スペクトル半値全幅は４８nmであり、出力が初期の90％になったのは、で約７０００時間後であった。
【００３９】
以上の説明から、発光層が、中心波長が異なる３層のInGaAsドット層から形成されている光半導体素子１０は、各ドッド層間に転位が発生することが回避されているため、長時間安定して発光することがわかる。さらに、従来の発光層構造では、素子寿命が短くなる中心波長が１．１μｍ以上の場合においても、長時間安定して発光することがわかる。また、上記実施の形態の変形では、発光層を形成する各量子ドッド層のIn組成を変えることにより、各量子ドッド層から射出される光の中心波長を変えていたが、例えば各量子層において、組成は固定して、各量子ドット層のドットの高さを変えることにより各量子ドッド層から射出される光の中心波長を変えることもできる。
【００４０】
本発明者は、Ga1-XInXAs／GaAs多重量子ドット層１５のIn組成を固定し、各層のドットの高さを2.8ML〜3.5MLに振って、層ごとに中心発光波長１．０６μｍ、１．０９μｍ、１．１６μｍになり、また、出射される光の半値幅が１５０ｎｍになるように各層のドッド高さを設計して、光半導体素子１０を作成した。。素子寿命を評価するため室温で連続駆動したところ、出力が初期の９０％になったのは約9500時間であった。このことから、各量子ドット層のドットの高さを変えることにより各量子ドッド層から射出される光の中心波長を変えて発光層を形成した場合であっても、各ドッド層間に転位が発生することが回避されているため、長時間安定して発光することがわかる。なお、各量子ドット層の組成およびドット高さの両方を変更して、各量子ドッド層から射出される光の中心波長を変えてもよい。
【００４１】
さらに、本発明者は、Ga1-XInXAs／GaAs多重量子ドット層１５のIn組成を０．７〜０．８２にし各ドット層の高さは統一し、出射される光の中心波長が１．１５μｍになるよう設計して、光半導体素子10を作成した。この光半導体素子１０を発光させたところ、波高中心波長は１．１５３μｍとなり、発光スペクトル半値全幅は１６０nmであった。素子寿命を評価するため室温で連続駆動したところ、出力が初期の９０％になったのは約１００００時間後であった。
【００４２】
素子性能を比較するために、発光層以外の部分は上記のものと全く同一にして、発光層はInGaAs材料で出射光の中心波長１．１５μｍになるように井戸幅を調整した多重量子井戸発光層からなる光半導体素子を作成した。発光層の組成はIn0.27Ga0.73Asであった。そして信頼性を評価したところ、出力が初期の90％になったのは、約３８００時間後であった。
【００４３】
これから、従来の発光層構造では、素子寿命が非常に短くなる中心波長が１．１５μｍ以上の場合においても、長時間安定して発光することがわかる。
【００４４】
なお、本実施の形態では、結晶成長方法にMOCVD法を用いたが、これに限定されるものではなく、分子線エピタキシー法など他の成長方法を用いることもできる。また、本実施の形態において、光ガイド層の材料組成および層厚、電流ブロック層の材料組成および層厚、クラッド層の材料組成および層厚は発光波長が単一モードで発光する条件の1例を示したものであり、本発明を前述の材料組成、層厚に限定したものではない。またここでは埋込型リッジストライプ構造による光半導体素子を実施の形態として挙げたが、内部ストライプ構造など他の構造であってもよい。
【００４５】
次に、本発明における第２の実施例である波長可変レーザ装置３０を示す。波長可変レーザ装置３０は、第１の実施の形態に記載されている光半導体素子１０を光増幅器として用い、回折格子３２を波長選択手段として用いるリトロー配置型の外部共振器型波長可変レーザ装置であり、その概略構成図を図３に示す。
【００４６】
波長可変レーザ装置３０では、回折格子３２および出力ミラー３１（透過率５０％）により共振器が構成されている。光半導体素子１０から回折格子３２側へ射出された自然放出光はレンズ３３により集光されて平行光となり、回折格子３２へ入射する。回折格子３２により波長分散された光の中から、入射光軸方向へ分散された光が戻り光として光半導体素子１０へ帰還する。この光が、回折格子３２および出力ミラー３１からなる共振器内で共振してレーザ光Ｌとして出力ミラー３１から光アイソレータ３５側へ射出される。光アイソレータ３５は光ファイバＦＢ１より遠端の反射光が光半導体素子１０に結合しないようにする働きを持つ。光アイソレータ３５を透過したレーザ光Ｌは、集光レンズ３４により集光されて光ファイバＦＢ１へ入射する。回折格子３２を回転させることにより、戻り光の波長を変更し、共振光周波数(レーザ発振波長)を変えることができる。なお、レーザ光の波長可変範囲は、光増幅器である光半導体素子１０の利得スペクトル幅と略一致するものである。
【００４７】
また、光半導体素子１０の発光層であるInXGa1-XAs／GaAs多重量子ドット層１５のIn組成は０．７〜０．８２で、電流で駆動させたときの発光中心波長が１．１５μｍ、発光スペクトル半値全幅が１６０ｎｍになるように設計した。そして回折格子３２を１．１５μｍの光が取り出せる角度に調整した。
【００４８】
素子寿命を評価するため、室温で、１０ｍWの出力で連続駆動したところ、出力が初期の90%になったのは約２８０００時間後であった。
【００４９】
素子性能を比較するために、発光層をIn0.27Ga0.73As（電流駆動での発光波長は１．１５μｍ）で作製した光半導体素子を使用して同様の波長可変光源を用意し、室温で１０ｍWの出力で、連続駆動したところ、出力が初期の90%になったのは約９０００時間後であった。
【００５０】
このことから、波長可変光源において、発光層をInXGa1-XAs／GaAs多重量子ドット層で作成した光半導体素子を増幅器として用いた場合には、信頼性が向上することがわかった。またこのような波長可変光源は、容易に広帯域に渡り射出光の波長を変更することができ、かつ長時間安定して動作することができる。
【００５１】
また、図４に本実施の形態の変形例である波長掃引レーザ装置４０を示す。波長掃引レーザ装置４０では、回折格子３２の角度を周期的に変更する波長掃引部４１が設けられている。回折格子３２の角度が周期的に変化することにより波長掃引レーザ装置４０から射出されるレーザ光Ｌａの発振波長が周期的に掃引される。
【００５２】
さらに上記実施例では波長可変レーザの例としてリトロー配置型の波長可変レーザを説明したが、これに限定されるものではなくリットマン配置型の波長可変レーザであってもよい。
【００５３】
次に、本発明における第３の実施例である波長可変リングレーザ装置５０について、図５を用いて説明する。波長可変リングレーザ装置５０は、共振器の構成をリング状にしたレーザ装置であり、第１の実施の形態に記載されている光半導体素子１０を光増幅器として用い、多層誘電体膜からなる光フィルタ５１を波長選択手段として用いている。光フィルタ５１は、光軸に対する多層誘電体膜の角度により透過する波長が定まるものであり、光フィルタ５１の角度を変更することにより、透過する光の波長を変更することができる。
【００５４】
光半導体素子１０からの自然放出光は、レンズ５６により平行光化され、光フィルタ５１に入射されて特定の波長（発振波長）のみが透過する。この光フィルタ５１を透過した光はレンズ５６により集光されて光ファイバ５３入射し、さらに光カプラ５４を透過して、レンズ５８により平行光化され光アイソレータ５２を透過し、レンズ５９により集光されて、光半導体素子１０へ戻る。光アイソレータ５２は光の周回方向を決めるほか、リングレーザ装置５０の安定な発振動作に寄与する。光半導体素子１０のもつ光利得がリングレーザ共振器の全損失を上回る状態になるとレーザ発振が生じる。前述したように、発振波長は光フィルタ５４の透過中心波長により決まることから、光軸に対する光フィルタ５４の角度を変えることで発振波長を可変できる。また波長可変リングレーザ装置５０内の光は光カプラ５６により取り出すことができる。このような波長可変光源においても、容易に広帯域に渡り射出光の波長を変更することができ、かつ長時間安定して動作することができる。
【００５５】
また、図６に本実施の形態の変形例である波長掃引リングレーザ装置６０を示す。この波長掃引リングレーザ６０は、光フィルタ５４に接続され、光軸に対する光フィルタ５４の角度を周期的に変更する光フィルタ掃引部６１を備えている。光フィルタの角度が周期的の変更されることにより、発振波長が周期的に掃引される。
【００５６】
以下、本発明による光半導体素子を有する光源を用いて光断層画像を取得する光断層画像取得装置について説明する。従来、生体組織の光断層画像を取得する際に、ＯＣＴ計測を利用した光断層画像取得装置が用いられることがある。この光断層画像取得装置は、光源から射出された低コヒーレント光を測定光と参照光とに分割した後、該測定光が測定対象に照射されたときの測定対象からの反射光と参照光とを合波し、該反射光と参照光との干渉光の強度に基づいて光断層画像を取得するものである。
【００５７】
上記のような光断層画像取得装置では、参照光の光路長を変更することにより、測定対象に対する深さ方向の位置（以下、深さ位置という）を変更し光断層画像を取得するＴＤ−ＯＣＴ（Ｔｉｍｅ ｄｏｍａｉｎ ＯＣＴ）計測を利用した装置がある。
【００５８】
また、近年では、上述した参照光の光路長を変更することなく高速に光断層画像を取得するＳＤ−ＯＣＴ（Ｓｐｅｃｔｒａｌ Ｄｏｍａｉｎ ＯＣＴ）計測を利用したＳＤ−ＯＣＴ装置が提案されている。このＳＤ−ＯＣＴ装置は、マイケルソン型干渉計等を用いて、広帯域の低コヒーレント光を測定光と参照光とに分割した後、測定光を測定対象に照射させ、そのとき戻って来た反射光と参照光とを干渉させ、この干渉光を各周波数成分に分解したチャンネルドスペクトルをフーリエ変換することにより、深さ方向の走査を行わずに光断層画像を構成するようにしたものである。
【００５９】
さらに、参照光の光路長の変更を行うことなく高速に光断層画像を取得する装置として、ＳＳ−ＯＣＴ（Ｓｗｅｐｔ ｓｏｕｒｃｅ ＯＣＴ）計測による光断層画像化装置も提案されている。このＳＳ−ＯＣＴ装置は、光源から射出されるレーザ光の周波数を掃引させて、反射光と参照光とを各波長において干渉させ、一連の波長に対する干渉スペクトルをフーリエ変換することにより測定対象の深さ位置における反射光強度を検出し、これを用いて光断層画像を構成するようにしたものである。
【００６０】
図７に示す光断層画像取得装置１００は、上述のいわゆるＳＳ−ＯＣＴ（Ｓｗｅｐｔ ｓｏｕｒｃｅ ＯＣＴ）により断層画像を取得するものであって、１．０μｍを中心波長とした８０ｎｍの波長範囲において一定周期で波長を掃引しながら測定光Ｌ１を、測定対象Ｓへ射出するものである。そして、光断層画像取得装置１００は、測定光Ｌ１が照射対象に照射されたときの照射対象Ｓからの反射光（後方散乱光）Ｌｒに基づいて断層画像を生成し、表示装置４に表示するようになっている。
【００６１】
本装置における光源としては、図４に示す、第３の実施形態の変形例である波長掃引レーザ装置４０が用いられている。波長掃引レーザ装置４０からは、１．０μｍを中心波長として、８０ｎｍの波長範囲において一定周期で波長が掃引されるレーザ光Ｌｂが光ファイバＦＢ１へ射出される。
【００６２】
光分割手段３は、例えば２×２の光ファイバカプラから構成されており、波長掃引レーザ装置４０から光ファイバＦＢ１を介して導波した光Ｌｂを測定光Ｌ１と参照光Ｌ２とに分割する。この光分割手段３は、２本の光ファイバＦＢ２、ＦＢ３にそれぞれ光学的に接続されており、測定光Ｌ１は光ファイバＦＢ２を導波し、参照光Ｌ２は光ファイバＦＢ３を導波する。なお、本例におけるこの光分割手段３は、合波手段４としても機能するものである。
【００６３】
光ファイバＦＢ２には、光プローブ１３０が光学的に接続されており、測定光Ｌ１は光ファイバＦＢ２から光プローブ１３０へ導波する。光プローブ１３０は、例えば鉗子口から鉗子チャンネルを介して体腔内に挿入されるものであって、光学コネクタ１３６により光ファイバＦＢ２に対して着脱可能に取り付けられている。
【００６４】
光プローブ１３０は、先端が閉じられた円筒状のプローブ外筒１３１と、このプローブ外筒１３１の内部空間に、該外筒１３１の軸方向に延びる状態に配設された１本の光ファイバ１３２と、光ファイバ１３２の先端から出射した測定光Ｌ１をプローブ外筒１３１の周方向に偏向させるプリズムミラー１３３と、光ファイバ１３２の先端から出射した測定光Ｌ１を、プローブ外筒１３１の周外方に配された被走査体としての測定対象Ｓにおいて収束するように集光するロッドレンズ１３４と、光ファイバ１３２を該光ファイバ１３２の光軸を回転軸として回転させるモータ１３５とを備えている。なお、ロッドレンズ１３４およびプリズムミラー１３３は、光ファイバ１３２とともに回転するように配設されている。
【００６５】
一方、光ファイバＦＢ３の参照光Ｌ２の射出側には光路長調整手段１２０が配置されている。光路長調整手段１２０は、断層画像の取得を開始する位置を調整するために、参照光Ｌ２の光路長を変更するものであって、光ファイバＦＢ３から射出された参照光Ｌ２を反射させる反射ミラー１２２と、反射ミラー１２２と光ファイバＦＢ３との間に配置された第１光学レンズ１２１ａと、第１光学レンズ１２１ａと反射ミラー１２２との間に配置された第２光学レンズ１２１ｂとを有している。
【００６６】
第１光学レンズ１２１ａは、光ファイバＦＢ３のコアから射出された参照光Ｌ２を平行光にするとともに、反射ミラー１２２により反射された参照光Ｌ２を光ファイバＦＢ３のコアに集光する機能を有している。また、第２光学レンズ１２１ｂは、第１光学レンズ２１ａにより平行光にされた参照光Ｌ２を反射ミラー１２２上に集光するとともに、反射ミラー１２２により反射された参照光Ｌ２を平行光にする機能を有している。つまり、第１光学レンズ１２１ａと第２光学レンズ１２１ｂとにより共焦点光学系が形成されている。
【００６７】
したがって、光ファイバＦＢ３から射出した参照光Ｌ２は、第１光学レンズ１２１ａにより平行光になり、第２光学レンズ１２１ｂにより反射ミラー１２２上に集光される。その後、反射ミラー１２２により反射された参照光Ｌ２は、第２光学レンズ１２１ｂにより平行光になり、第１光学レンズ１２１ａにより光ファイバＦＢ３のコアに集光される。
【００６８】
さらに光路長調整手段１２０は、第２光学レンズ１２１ｂと反射ミラー１２２とを固定した基台１２３と、該基台１２３を第１光学レンズ１２１ａの光軸方向に移動させるミラー移動手段１２４とを有している。そして基台１２３が矢印Ａ方向に移動することにより、参照光Ｌ２の光路長が変えられるようになっている。
【００６９】
また合波手段４は、前述の通り２×２の光ファイバカプラからなり、光路長調整手段１２０により周波数シフトおよび光路長の変更が施された参照光Ｌ２と、照射対象Ｓからの反射光Ｌ３とを合波し、光ファイバＦＢ４を介して干渉光検出手段１４０側に射出するように構成されている。
【００７０】
干渉光検出手段１４０は、合波手段４により合波された反射光Ｌ３と参照光Ｌ２との干渉光Ｌ４を検出する。そして、画像取得手段１５０は、干渉光検出手段１４０により検出された干渉光Ｌ４をフーリエ変換することにより、照射対象Ｓの各深さ位置における反射光Ｌ３の強度を検出し、照射対象Ｓの断層画像を取得する。そして、この取得された断層画像が表示装置１６０に表示される。なお本例の装置は、干渉光Ｌ４を光ファイバカプラ３で二分した光をそれぞれ光検出器１４２ａと１４２ｂに導き、演算手段１４１においてバランス検波を行う機構を有している。以上の通り本例では、光検出器１４２ａ、１４２ｂおよび演算手段１４１により干渉光検出手段１４０が構成されている。
【００７１】
ここで、干渉光検出手段１４０および画像取得手段１５０における干渉光Ｌ４の検出および画像の生成について簡単に説明する。なお、この点の詳細については「武田 光夫、「光周波数走査スペクトル干渉顕微鏡」、光技術コンタクト、２００３、Ｖｏｌ.４１、Ｎｏ.７、ｐ４２６−ｐ４３２」に詳しい記載がなされている。
【００７２】
測定光Ｌ１は光プローブ１３０から体腔内に向けて射出され、測定対象Ｓに照射される。このとき、光プローブ１３０により、そこから出射した測定光Ｌ１が測定対象Ｓを１次元に走査する。そして、測定対象Ｓからの反射光Ｌ３が光路長調整手段１２０の反射ミラー１２２において反射した参照光Ｌ２と合波され、反射光Ｌ３と参照光Ｌ２との干渉光Ｌ４が干渉光検出手段１４０によって検出される。
【００７３】
測定光Ｌ１が照射対象Ｓに照射されたとき、照射対象Ｓの各深さからの反射光Ｌ３と参照光Ｌ２とがいろいろな光路長差をもって干渉しあう際の各光路長差ｌに対する干渉縞の光強度をＳ（ｌ）とすると、干渉光検出手段１４０において検出される光強度Ｉ（ｋ）は、
Ｉ（ｋ）＝∫０∞Ｓ（ｌ）［１＋ｃｏｓ（ｋｌ）］ｄｌ
で表される。ここで、ｋは波数、ｌは光路長差である。上式は波数ｋ＝ω／ｃを変数とする光周波数領域のインターフェログラムとして与えられていると考えることができる。このため、画像取得手段１５０において、干渉光検出手段１４０が検出したスペクトル干渉縞をフーリエ変換を行い、干渉光Ｌ４の光強度Ｓ（ｌ）を決定することにより、照射対象Ｓの測定開始位置からの距離情報と反射強度情報とを取得し、断層画像を生成することができる。
【００７４】
このように、波長を一定の周期で掃引させながらレーザ光を射出する波長掃引光源から射出された光を用いて光断層画像を取得する光断層画像取得装置１００において、光源として本発明の光半導体素子を有する波長掃引レーザ装置４０を用いることにより、容易に掃引波長帯域を広帯域化することができ、分解能の高い光断層画像を取得することができる。また長時間安定して動作する光断層画像取得装置を実現することができる。
【００７５】
なお、実施の形態においては、光源として波長掃引レーザ装置４０を用いたが、図６に示す波長掃引リングレーザ６０を用いることもできる。
【００７６】
次に、図８を用いて本発明による光半導体素子を光源として用いた光断層画像取得装置の別の例について説明する。図８に示す光断層画像取得装置２００は、例えば体腔内の生体組織や細胞等の測定対象の断層画像を前述のＳＤ−ＯＣＴ（Ｓｐｅｃｔｒａｌ Ｄｏｍａｉｎ ＯＣＴ）計測により取得するものであって、具体的に図７の光断層画像取得装置１と異なる点は、光源ユニットおよび干渉光検出手段の構成である。
【００７７】
光Ｌｂを射出する光源ユニット２１０と、光源ユニット２１０から射出された光Ｌｂを測定光Ｌ１と参照光Ｌ２とに分割する光分割手段３と、光分割手段３により分割された参照光Ｌ２の光路長を調整する光路長調整手段２２０と、光分割手段３により分割された測定光Ｌ１を照射対象Ｓに照射する光プローブ１３０と、こうして照射対象Ｓに測定光Ｌ１が照射されたとき照射対象Ｓで反射した反射光Ｌ３と参照光Ｌ２とを合波する合波手段４と、合波された反射光Ｌ３と参照光Ｌ２との間の干渉光Ｌ４を検出する干渉光検出手段２４０とを有している。
【００７８】
光源ユニット２１０は、図２に示した光半導体素子１０と、この光半導体素子１０からから射出された低コヒーレンス光Ｌｂを光ファイバＦＢ１内に入射させるための光学系２１２とを有している。なお、光半導体素子１０はＳＬＤとして機能するものであり、光半導体素子１０からは中心波長1.0μｍ、スペクトル線幅８０ｎｍの低コヒーレンス光Ｌｂが射出される。
【００７９】
一方、干渉光検出手段２４０は、合波手段４により合波された反射光Ｌ３と参照光Ｌ２との干渉光Ｌ４を検出するものであって、光ファイバＦＢ４から出射した干渉光Ｌ４を平行光化するコリメータレンズ２４１と、複数の波長帯域を有する干渉光Ｌ４を各波長帯域毎に分光する分光手段２４２と、分光手段２４２により分光された各波長帯域の干渉光Ｌ４を検出する光検出手段２４４とを有している。
【００８０】
分光手段２４２は例えば回折格子素子等から構成されており、そこに入射した干渉光Ｌ４を分光して、光検出手段２４４に向けて射出する。また光検出手段２４４は、例えば１次元もしくは２次元に光センサが配列されてなるＣＣＤ等の素子から構成され、各光センサが、上述のように分光された干渉光Ｌ４を波長帯域毎にそれぞれ検出するようになっている。
【００８１】
上記光検出手段２４４は例えばパーソナルコンピュータ等のコンピュータシステムからなる画像取得手段２５０に接続され、この画像取得手段２５０はＣＲＴや液晶表示装置等からなる表示装置１６０に接続されている。
【００８２】
以下、上記構成を有する光断層画像取得装置２００の作用について説明する。断層画像を取得する際には、まず基台１２３を矢印Ａ方向に移動させることにより、測定可能領域内に照射対象Ｓが位置するように光路長の調整が行われる。その後、光源ユニット２１０から光Ｌｂが射出され、この光Ｌaは光分割手段３により測定光Ｌ１と参照光Ｌ２とに分割される。測定光Ｌ１は光プローブ１３０から体腔内に向けて射出され、照射対象Ｓに照射される。このとき、該光プローブ１３０により、そこから出射した測定光Ｌ１が照射対象Ｓを１次元に走査する。そして、照射対象Ｓからの反射光Ｌ３が反射ミラー２２において反射した参照光Ｌ２と合波され、反射光Ｌ３と参照光Ｌ２との干渉光Ｌ４が干渉光検出手段２４０によって検出される。この検出された干渉光Ｌ４が画像取得手段２５０において適当な波形補償、ノイズ除去を施した上でフーリエ変換されることにより、照射対象Ｓの深さ方向の反射光強度分布情報が得られる。
【００８３】
そして、光プローブ１３０により上述のように測定光Ｌ１を照射対象Ｓ上で走査させれば、この走査方向に沿った各部分において照射対象Ｓの深さ方向の情報が得られるので、この走査方向を含む断層面についての断層画像を取得することができる。このようにして取得された断層画像は、表示装置１６０に表示される。なお、例えば光プローブ１３０を図８の左右方向に移動させて、照射対象Ｓに対して測定光Ｌ１を、上記走査方向に対して直交する第２の方向に走査させることにより、この第２の方向を含む断層面についての断層画像をさらに取得することも可能である。
【００８４】
このように、低コヒーレンス光を射出する光源から射出された光を用いて光断層画像を取得する光断層画像取得装置２００において、光源として本発明の光半導体素子１０を用いることにより、容易に低コヒーレンス光の波長帯域を広帯域化することができ、分解能の高い光断層画像を取得することができる。また長時間安定して動作する光断層画像取得装置を実現することができる。
【００８５】
次に、本発明による光半導体素子を光源として用いた光断層画像取得装置のさらに別の例について説明する。図９に示す光断層画像取得装置３００は、測定対象の断層画像を前述のＴＤ−ＯＣＴ計測により取得するものであって、レーザ光Ｌｂを射出する光半導体素子１０および集光レンズ１２１からなる光源ユニット２１０と、光源ユニット２１０から射出されて光ファイバＦＢ１を伝搬する低コヒーレンス光ＫＬｂを分割する光分割手段２と、ここを通過した低コヒーレンス光Ｌｂを測定光Ｌ１と参照光Ｌ２とに分割する光分割手段３と、光分割手段３により分割されて光ファイバＦＢ３を伝搬した参照光Ｌ２の光路長を調整する光路長調整手段３２０と、光分割手段３により分割されて光ファイバＦＢ２を伝搬した測定光Ｌ１を照射対象Ｓに照射する光プローブ１３０と、光プローブ１３０から測定光Ｌ１が照射対象Ｓに照射されたときの測定対象からの反射光Ｌ３と参照光Ｌ２とを合波する合波手段４（光分割手段３が兼ねている）と、合波手段４により合波されて反射光Ｌ３と参照光Ｌ２との干渉光Ｌ４を検出する干渉光検出手段３３０とを備えている。
【００８６】
上記光路長調整手段３２０は、光ファイバＦＢ３から出射した参照光Ｌ２を平行光化するコリメータレンズ３２１と、このコリメータレンズ３２１との距離を変えるように図中矢印Ａ方向に移動可能とされたミラー３２３と、このミラー３２３を移動させるミラー移動手段３２４とから構成されて、照射対象Ｓ内の測定位置を深さ方向に変化させるために、参照光Ｌ２の光路長を変える機能を有している。そして、光路長調整手段３２０により光路長の変更がなされた参照光Ｌ２が合波手段４に導波されるようになっている。
【００８７】
干渉光検出手段３３０は、合波手段４から光ファイバＦＢ２を伝搬して来た干渉光Ｌ４の光強度を検出する。具体的には、測定光Ｌ１の全光路長と照射対象Ｓのある点で反射、もしくは後方散乱された反射光Ｌ３の合計と、参照光Ｌ２の光路長差が光源のコヒーレンス長よりも短い場合にのみ、反射光量に比例した振幅の干渉信号が検出される。また、光路長調整手段３２０により光路長を走査することで、干渉信号が得られる照射対象Ｓの反射点位置（深さ）が変わって行き、それにより、干渉光検出手段３３０が照射対象Ｓの各測定位置における反射率信号を検出するようになっている。なお、測定位置の情報は光路長調整手段３２０から画像取得手段へ出力されるようになっている。そして、ミラー移動手段３２４における測定位置の情報と干渉光検出手段３３０により検出された信号とに基づいて、画像取得手段３５０により照射対象Ｓの深さ方向の反射光強度分布情報が得られる。
【００８８】
そして、光プローブ１３０により上述のように測定光Ｌ１を照射対象Ｓ上で走査させれば、この走査方向に沿った各部分において照射対象Ｓの深さ方向の情報が得られるので、この走査方向を含む断層面についての断層画像を取得することができる。このようにして取得された断層画像は、表示装置１６０に表示される。なお、例えば光プローブ１３０を図９の左右方向に移動させて、照射対象Ｓに対して測定光Ｌ１を、上記走査方向と直交する第２の方向に走査させることにより、この第２の方向を含む断層面についての断層画像をさらに取得することも可能である。
【００８９】
このように、低コヒーレンス光を射出する光源から射出された光を用いて光断層画像を取得する光断層画像取得装置３００において、光源として本発明の光半導体素子１０を用いることにより、容易に低コヒーレンス光の波長帯域を広帯域化することができ、分解能の高い光断層画像を取得することができる。また長時間安定して動作する光断層画像取得装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】本発明の第１実施形態による光半導体素子の概略立断面図
【図２】本発明の第１実施形態による光半導体素子の概略測断面図
【図３】本発明の第２の実施形態による波長可変レーザ装置の概略構成図
【図４】波長掃引レーザ装置の概略構成図
【図５】本発明の第３実施形態による波長可変リングレーザ装置の概略構成図
【図６】波長掃引リングレーザ装置の概略構成図
【図７】ＳＳ−ＯＣＴ計測による光断層画像取得装置の一例を示す概略構成図
【図８】ＳＤ−ＯＣＴ計測による光断層画像取得装置の一例を示す概略構成図
【図９】ＴＤ−ＯＣＴ計測による光断層画像取得装置の一例を示す概略構成図
【符号の説明】
【００９１】
１０ 光半導体素子
１１ ｎ型GaAs基板
１２ ｎ型GaAsバッファ層
１３ ｎ型In0.49Ga0.51P下部クラッド層
１４ ノンドープGaAs下部光ガイド層
１５ InXGa1-XAs／GaAs多重量子ドット発光層
１６ ノンドープGaAs上部光ガイド層
１７ ｐ型In0.49Ga0.51P上部第一クラッド層
１８ ｐ型GaAsエッチングストップ層
１９ ｐ型In0.49Ga0.51P上部第二クラッド層
２０ ｎ型InAlGaP電流ブロック層
２１ ｐ型In0.49Ga0.51P上部第三クラッド層
２２ ｐ型GaAsコンタクト層
２３ ｐ側電極
２４ ｎ側電極
２５、２６ 端面
３０ 波長可変レーザ装置
３１ 出力ミラー
３２ 回折格子
４０ 波長掃引レーザ装置
５０ 波長可変リングレーザ装置
５１ 光フィルタ
６０ 波長掃引リングレーザ装置
１００、２００、３００ 光断層画像取得装置
１２０、３２０ 光路長調整手段
１３０ プローブ
１４０、２４０、３３０ 干渉光検出手段
Ｌａ レーザ光
Ｌｂ 低コヒーレンス光
【特許請求の範囲】
【請求項１】
素子内における共振が抑制され、GaAs基板上に０．９μｍ以上かつ１．２μｍ以下の中心波長λｃで発光する発光層が積層されている光半導体素子において、
前記発光層が、第１の中心波長λ１で発光する第１のInXGa1-XAs量子ドット層（0≦ｘ≦１）および第１の中心波長λ１とは異なる第２の中心波長λ２で発光する第２のInXGa1-XAs量子ドット層（0≦ｘ≦１）とを備える多重量子ドット層であることを特徴とする光半導体素子。
【請求項２】
前記第１の中心波長λ１と前記第２の中心波長λ２とは、３０ｎｍ以上離れていることを特徴とする請求項１記載の光半導体素子。
【請求項３】
前記発光層の発光中心波長λｃが、１．１μｍ以上であることを特徴とする請求項１または２いずれか1項記載の光半導体素子。
【請求項４】
前記発光層の発光中心波長λｃが、１．１５μｍ以上であることを特徴とする請求項３記載の光半導体素子。
【請求項５】
前記発光層の発光スペクトル半値全幅をΔλとしたときに、
λｃ２／Δλ≦１５
であることを特徴とする請求項１から４いずれか1項記載の光半導体素子。
【請求項６】
前記第１のInXGa1-XAs量子ドット層の組成と前記第２のInXGa1-XAs量子ドット層の組成とが略同一であり、前記第１のInXGa1-XAs量子ドット層のドットの高さと、前記第２のInXGa1-XAs量子ドット層のドットの高さとが異なるものであることを特徴とする請求項1から５いずれか1項記載の光半導体素子。
【請求項７】
前記第１のInXGa1-XAs量子ドット層の高さと前記第２のInXGa1-XAs量子ドット層の高さとが略同一であり、前記第１のInXGa1-XAs量子ドット層の組成と、前記第２のInXGa1-XAs量子ドット層の組成とが異なるものであることを特徴とする請求項1から５いずれか1項記載の光半導体素子。
【請求項８】
共振器内に、光増幅器および該光増幅器により増幅される光の波長を選択する波長選択手段を備えた外部共振器型の波長可変光源において、
前記光増幅器が、素子内における共振が抑制され、GaAs基板上に０．９μｍ以上かつ１．２μｍ以下の中心波長λｃで発光する発光層が積層され、該発光層が、中心発光波長が異なる第１の中心波長λ１で発光する第１のInXGa1-XAs量子ドット層（0≦ｘ≦１）および第１の中心波長λ１とは異なる第２の中心波長λ２で発光する第２のInXGa1-XAs量子ドット層（0≦ｘ≦１）とを備える多重量子ドット層である光半導体素子を有していることを特徴とする波長可変光源。
【請求項９】
低コヒーレンス光を射出する光源と、
前記光源から射出された光を測定光と参照光とに分割する光分割手段と、
前記測定光を測定対象に照射する照射手段と、
前記測定光が前記測定対象に照射されたときの該測定対象からの反射光と前記参照光とを重ね合わせる合波手段と、
該合波手段により合波された前記反射光と前記参照光との干渉光を検出する干渉光検出手段と、
該干渉光検出手段により検出された前記干渉光から前記測定対象の断層画像を取得する画像取得手段とを備えた光断層画像取得装置において、
前記光源が、素子内における共振が抑制され、GaAs基板上に０．９μｍ以上かつ１．２μｍ以下の中心波長λｃで発光する発光層が積層され、該発光層が、中心発光波長が異なる第１の中心波長λ１で発光する第１のInXGa1-XAs量子ドット層（0≦ｘ≦１）および第１の中心波長λ１とは異なる第２の中心波長λ２で発光する第２のInXGa1-XAs量子ドット層（0≦ｘ≦１）とを備える多重量子ドット層である光半導体素子を有していることを特徴とする光断層画像取得装置。
【請求項１０】
波長を一定の周期で掃引させながらレーザ光を射出する波長掃引光源と、
該波長掃引光源から射出された前記レーザ光を測定光と参照光とに分割する光分割手段と、
前記測定光を測定対象に照射する照射手段と、
前記測定光の前記測定対象からの反射光と前記参照光とを重ね合わせる合波手段と、
該合波手段により重ねあわされた前記反射光と前記参照光との干渉光の周波数および強度に基づいて、前記測定対象の各深さ位置における前記反射光の強度を検出する干渉光検出手段と、
該干渉光検出手段により検出された前記各深さ位置における前記反射光の強度を用いて前記測定対象の断層画像を取得する画像取得手段とを有する光断層画像取得装置において、
前記波長掃引光源が、光増幅器および該光増幅器により増幅される光の波長を掃引する波長掃引手段を備え、
前記光増幅器が、素子内における共振が抑制され、GaAs基板上に０．９μｍ以上かつ１．２μｍ以下の中心波長λｃで発光する発光層が積層され、該発光層が、中心発光波長が異なる第１の中心波長λ１で発光する第１のInXGa1-XAs量子ドット層（0≦ｘ≦１）および第１の中心波長λ１とは異なる第２の中心波長λ２で発光する第２のInXGa1-XAs量子ドット層（0≦ｘ≦１）とを備える多重量子ドット層である光半導体素子を有していることを特徴とする光断層画像取得装置。
【請求項１】
素子内における共振が抑制され、GaAs基板上に０．９μｍ以上かつ１．２μｍ以下の中心波長λｃで発光する発光層が積層されている光半導体素子において、
前記発光層が、第１の中心波長λ１で発光する第１のInXGa1-XAs量子ドット層（0≦ｘ≦１）および第１の中心波長λ１とは異なる第２の中心波長λ２で発光する第２のInXGa1-XAs量子ドット層（0≦ｘ≦１）とを備える多重量子ドット層であることを特徴とする光半導体素子。
【請求項２】
前記第１の中心波長λ１と前記第２の中心波長λ２とは、３０ｎｍ以上離れていることを特徴とする請求項１記載の光半導体素子。
【請求項３】
前記発光層の発光中心波長λｃが、１．１μｍ以上であることを特徴とする請求項１または２いずれか1項記載の光半導体素子。
【請求項４】
前記発光層の発光中心波長λｃが、１．１５μｍ以上であることを特徴とする請求項３記載の光半導体素子。
【請求項５】
前記発光層の発光スペクトル半値全幅をΔλとしたときに、
λｃ２／Δλ≦１５
であることを特徴とする請求項１から４いずれか1項記載の光半導体素子。
【請求項６】
前記第１のInXGa1-XAs量子ドット層の組成と前記第２のInXGa1-XAs量子ドット層の組成とが略同一であり、前記第１のInXGa1-XAs量子ドット層のドットの高さと、前記第２のInXGa1-XAs量子ドット層のドットの高さとが異なるものであることを特徴とする請求項1から５いずれか1項記載の光半導体素子。
【請求項７】
前記第１のInXGa1-XAs量子ドット層の高さと前記第２のInXGa1-XAs量子ドット層の高さとが略同一であり、前記第１のInXGa1-XAs量子ドット層の組成と、前記第２のInXGa1-XAs量子ドット層の組成とが異なるものであることを特徴とする請求項1から５いずれか1項記載の光半導体素子。
【請求項８】
共振器内に、光増幅器および該光増幅器により増幅される光の波長を選択する波長選択手段を備えた外部共振器型の波長可変光源において、
前記光増幅器が、素子内における共振が抑制され、GaAs基板上に０．９μｍ以上かつ１．２μｍ以下の中心波長λｃで発光する発光層が積層され、該発光層が、中心発光波長が異なる第１の中心波長λ１で発光する第１のInXGa1-XAs量子ドット層（0≦ｘ≦１）および第１の中心波長λ１とは異なる第２の中心波長λ２で発光する第２のInXGa1-XAs量子ドット層（0≦ｘ≦１）とを備える多重量子ドット層である光半導体素子を有していることを特徴とする波長可変光源。
【請求項９】
低コヒーレンス光を射出する光源と、
前記光源から射出された光を測定光と参照光とに分割する光分割手段と、
前記測定光を測定対象に照射する照射手段と、
前記測定光が前記測定対象に照射されたときの該測定対象からの反射光と前記参照光とを重ね合わせる合波手段と、
該合波手段により合波された前記反射光と前記参照光との干渉光を検出する干渉光検出手段と、
該干渉光検出手段により検出された前記干渉光から前記測定対象の断層画像を取得する画像取得手段とを備えた光断層画像取得装置において、
前記光源が、素子内における共振が抑制され、GaAs基板上に０．９μｍ以上かつ１．２μｍ以下の中心波長λｃで発光する発光層が積層され、該発光層が、中心発光波長が異なる第１の中心波長λ１で発光する第１のInXGa1-XAs量子ドット層（0≦ｘ≦１）および第１の中心波長λ１とは異なる第２の中心波長λ２で発光する第２のInXGa1-XAs量子ドット層（0≦ｘ≦１）とを備える多重量子ドット層である光半導体素子を有していることを特徴とする光断層画像取得装置。
【請求項１０】
波長を一定の周期で掃引させながらレーザ光を射出する波長掃引光源と、
該波長掃引光源から射出された前記レーザ光を測定光と参照光とに分割する光分割手段と、
前記測定光を測定対象に照射する照射手段と、
前記測定光の前記測定対象からの反射光と前記参照光とを重ね合わせる合波手段と、
該合波手段により重ねあわされた前記反射光と前記参照光との干渉光の周波数および強度に基づいて、前記測定対象の各深さ位置における前記反射光の強度を検出する干渉光検出手段と、
該干渉光検出手段により検出された前記各深さ位置における前記反射光の強度を用いて前記測定対象の断層画像を取得する画像取得手段とを有する光断層画像取得装置において、
前記波長掃引光源が、光増幅器および該光増幅器により増幅される光の波長を掃引する波長掃引手段を備え、
前記光増幅器が、素子内における共振が抑制され、GaAs基板上に０．９μｍ以上かつ１．２μｍ以下の中心波長λｃで発光する発光層が積層され、該発光層が、中心発光波長が異なる第１の中心波長λ１で発光する第１のInXGa1-XAs量子ドット層（0≦ｘ≦１）および第１の中心波長λ１とは異なる第２の中心波長λ２で発光する第２のInXGa1-XAs量子ドット層（0≦ｘ≦１）とを備える多重量子ドット層である光半導体素子を有していることを特徴とする光断層画像取得装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００８−２７０５８５（Ｐ２００８−２７０５８５Ａ）
【公開日】平成２０年１１月６日（２００８．１１．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１１２６６８（Ｐ２００７−１１２６６８）
【出願日】平成１９年４月２３日（２００７．４．２３）
【出願人】（３０６０３７３１１）富士フイルム株式会社 (25,513)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１１月６日（２００８．１１．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年４月２３日（２００７．４．２３）
【出願人】（３０６０３７３１１）富士フイルム株式会社 (25,513)
【Ｆターム（参考）】
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