(57)【要約】【課題】0.9〜1.2μｍの中心波長の光を発光する、高出力化可能な光半導体素子を得る。【解決手段】  光半導体素子１を、InP基板10と、InP基板10の上に積層された第一導電型クラッド層１１と、第一導電型クラッド層１１の上に積層された量子井戸活性層１３であって、InGaAsPあるいはAlGaInAsからなる量子井戸層１３ａと、量子井戸層１３ａを挟むように積層されているInPあるいはGaInPからなる障壁層１３ｂとを備えた量子井戸活性層１３と、量子井戸活性層１３の上に積層された第二導電型クラッド層１５とを備える構成とする。【選択図】図１
2009094372.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
InP基板と、
該InP基板の上に積層された第一導電型クラッド層と、
該第一導電型クラッド層の上に積層された量子井戸活性層であって、InGaAsPあるいはAlGaInAsからなる量子井戸層と、該量子井戸層を挟むように積層されているInPあるいはGaInPからなる障壁層とを備えた量子井戸活性層と、
該量子井戸活性層の上に積層された第二導電型クラッド層とを備えてなることを特徴とする光半導体素子。
【請求項２】
前記第一導電型および第二導電型クラッド層が、AlInAs、AlGaInAsおよびAlGaInAsPのうちのいずれかからなるものであ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】
前記量子井戸層がInGaAsPからなり、
前記障壁層がInPからなり、
前記第一導電型および第二導電型クラッド層がAlInAsからな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】
中心波長が1.0〜1.2μｍの光を出力する発光素子であることを特徴とする請求項１から３いずれか１項記載の光半導体素子。
【請求項５】
1.1〜1.3μｍの中心波長を有する光を変調する光変調器であることを特徴とする請求項１から３いずれか１項記載の光半導体素子。
【請求項６】
光源ユニットから射出された光を測定光と参照光に分割し、該測定光を測定対象に照射して、該測定光の前記測定対象からの反射光と前記参照光との干渉光を検出し、該干渉光から光断層画像を取得する光断層画像取得装置において、
前記光源ユニットが、InP基板と、該InP基板の上に積層された第一導電型クラッド層と、該第一導電型クラッド層の上に積層された量子井戸活性層であって、InGaAsPあるいはAlGaInAsからなる量子井戸層と、該量子井戸層を挟むように積層されているInPあるいはGaInPからなる障壁層とを備えた量子井戸活性層と、該量子井戸活性層の上に積層された第二導電型クラッド層とを備えてな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７】
前記光源ユニットが、低コヒーレント光を射出するものであり、
前記干渉光を周波数解析することにより前記測定対象の断層画像を取得するものであることを特徴とする請求項６記載の光断層画像取得装置。
【請求項８】
前記光源ユニットが、前記光半導体素子から発光された光の波長を掃引する波長掃引手段を備え、波長を一定の周期で掃引したレーザ光を射出するものであり、
前記干渉光を周波数解析することにより前記測定対象の断層画像を取得するものであることを特徴とする請求項６記載の光断層画像取得装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザ、スーパールミネッセントダイオード、光増幅器などを含む光半導体素子に関するものである。また、本発明は光半導体素子を用いた干渉断層画像装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、生体組織の光断層画像を取得する際に、ＯＣＴ（Optical Coherence Tomography）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。
【０００３】
このような光断層画像取得装置のなかには、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。
【０００４】
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、広帯域の低コヒーレント光をマイケルソン型干渉計等を用いて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。
【０００５】
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取得装置が提案されている。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。
【０００６】
さて、これらのＯＣＴ装置は内視鏡への応用を目指してさらに研究開発が進められており、光源波長としては、従来、主として0.8μｍ帯のものが用いられていた。この波長帯は、生体における吸収特性を主に考慮して選択されたものである。しかしながら、近年、ＯＣＴ装置では、生体内部の後方散乱反射光を検出するため、散乱特性も計測深度を律束することが明らかにされた。生体組織での主な散乱はレーリー散乱であり、レーリー散乱では散乱強度は波長の４乗に逆比例する。ＯＣＴ信号を取得する際の全損失は、吸収損失と散乱損失の和である。このような生体組織における光の全損失を考慮して、全損失が最長となる波長帯である、1.3μｍ帯の光を光源波長として用いることが提案され、1.3μｍ帯の光を用いたＯＣＴ装置の研究開発が進められている。
【０００７】
しかし、内視鏡へＯＣＴ装置を応用する場合、被測定部の多くは水分を多く含む物質に覆われている。例えば被測定部が胃壁であれば胃液や胃粘膜に覆われており、被測定部が大腸壁であれば粘液や腸粘膜に覆われており、さらに、被測定部が膀胱壁であれば腸あるいは測定のために用いる生理食塩水等に覆われている。これらの水分を多く含む物質に覆われている被測定部においては、水による吸収の影響が大きいため、1.3μｍ帯の光を用いた場合、所望の深度までの光断層画像が取得できない、あるいは取得した断層画像の信頼度が低下する恐れがある。
【０００８】
これに対し、本出願人は、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を見出している。
【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】
【０００９】
上述したＯＣＴ計測による光断層画像取得装置などに用いられる光源としては、化合物光半導体素子からなるスーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ：Super Luminescent Diode）や、光半導体素子からなる半導体光増幅器（ＳＯＡ：Semiconductor Optical Amplifier）を利得媒質として用いる波長掃引レーザが考えられる。
【００１０】
しかしながら、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中心波長0.9μｍ〜1.2μｍで発光する光半導体素子として、ＯＣＴ計測による光断層画像取得装置で用いるだけの素子特性をもつものは報告例がない。
【００１１】
化合物光半導体素子の基板としては、一般にGaAs基板、InP基板が用いられているが、GaAs基板は0.8μｍ帯より短波長の波長帯、InP基板は1.3μｍ帯より長波長の波長帯の光を出力する素子に用いられるものとして知られている。
【００１２】
1.2μｍで発光する従来知られている活性層材料はGaAs基板の格子定数から大きくずれてしまうため、GaAs基板を用いた場合には、大きな歪を有し、良好な結晶を成長できないという問題がある。例えば、0.9μｍ〜1.2μｍで発光する光半導体素子として、GaAs基板上に作成された圧縮歪InGaAs活性層を用いたものが考えられるが、GaAs基板上に、GaAsよりも格子定数の大きいInGaAsを活性層として用いる場合、発振波長を長くしようとすればするほど、InGaAs活性層に大きな歪応力を加える必要が生じる。このように、歪が大きくなりすぎると、結晶学的に良質な発光層（活性層）を有する光半導体素子を作成することが困難である。また、このような素子が作成できたとしても、結晶中に大きな歪が存在すると結晶として不安定であり、高出力化が達成できず、また、劣化しやすいため実用に耐えられない恐れが高い。
【００１３】
さらに、ＯＣＴの分解能を向上させるには、光源の発光帯域を広くすることが望まれており、その方法としては、発光層に、異なる組成の量子井戸層を複数備えることが挙げられるが、発光層に複数の量子井戸層を備えようとすると、歪量が相対的に大きくなるために発光層にさらに負担がかかり、良質な結晶をもつデバイスを作製することがさらに困難となる。
【００１４】
一方、InP基板を用いた半導体発光装置としては光通信用としてこれまでに1.3〜1.55μｍ帯波長が研究され、実用化に至っている。しかし本材料系で波長帯を1.3μｍより短波長化すると、電子がオーバーフローし易くなり、十分なキャリアの閉じ込めができず、実用性の高い素子特性を得るのは困難であった。
【００１５】
本発明は上記の事情に鑑みて、中心波長が0.9〜1.2μｍ帯の光を射出可能な、作成しやすくかつ高出力化が可能な光半導体素子を提供することを目的とするものである。
【００１６】
また、本発明は上記光半導体素子を用いた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】
【００１７】
本発明の光半導体素子は、InP基板と、
該InP基板の上に積層された第一導電型クラッド層と、
該第一導電型クラッド層の上に積層された量子井戸活性層であって、InGaAsPあるいはAlGaInAsからなる量子井戸層と、該量子井戸層を挟むように積層されているInPあるいはGaInPからなる障壁層とを備えた量子井戸活性層と、
該量子井戸活性層の上に積層された第二導電型クラッド層とを備えてなることを特徴とするものである。
【００１８】
前記第一導電型および第二導電型クラッド層が、AlInAs、AlGaInAsおよびAlGaInAsPのうちのいずれかからなるものとすることが好ましい。
【００１９】
特に、前記量子井戸活性層がInGaAsPからなり、前記障壁層がInPからなり、前記第一導電型および第二導電型クラッド層がAlInAsからなることが好ましい。
【００２０】
ここで、「InP、GaInP、InGaAsPおよびAlGaInAs」、「InGaAsPあるいはAlGaInAs」などで表した組成は、各層を構成する材料の元素の組合せを示すものであり、その組成比は、基板との格子整合性および他の層との関係において、それぞれ活性層、障壁層、クラッド層などとしての役割を担うエネルギーギャップ（遷移波長）を有するように定められる。例えば、クラッド層は障壁層のエネルギーギャップより大きなエネルギーギャップを有する組成および組成比であり、障壁層は活性層のエネルギーギャップより大きなエネルギーギャップを有する組成および組成比である。  
また、活性層は0.9μｍから1.2μｍの中心波長を有する光を出力するように組成比を選択すればよい。  
なお、基板、クラッド層、量子井戸活性層の各層間には他の層が設けられていてもよい。
【００２１】
また上記において、第一導電型および第二導電型とは、互いに逆極性を示すものであり、第一導電型がｎ型であれば第二導電型はｐ型であり、第一導電型がｐ型であれば第二導電型はｎ型であることを意味する。
【００２２】
本発明の光半導体素子は、光半導体素子は、端面間で光を共振させる光共振器構造を備えることにより半導体レーザ素子として利用可能であり、端面間での共振を抑制することにより、ＳＬＤあるいはＳＯＡとして利用することも可能である。ＳＬＤあるいはＳＯＡとして利用する場合には、光出射端面に反射防止膜を施したり、端面に対して斜め方向に光導波路を構成するなどにより、光共振器構造をなくすことにより、素子内での共振を抑制すればよい。ＳＯＡは、入力された光を増幅するのみならず、光波長変換（光変調）や光スイッチング等の信号処理にも応用可能である。
【００２３】
発光素子として利用する場合には、特に1.0〜1.2μｍの中心波長の光を出力するものであることが好ましい。
【００２４】
光変調器として利用する場合には、1.1〜1.3μｍの中心波長の光を変調するものであることが好ましい。
【００２５】
本発明の光断層画像取得装置は、光源ユニットから射出された光を測定光と参照光に分割し、該測定光を測定対象に照射して、該測定光の前記測定対象からの反射光と前記参照光との干渉光を検出し、該干渉光から光断層画像を取得する光断層画像取得装置において、前記光源ユニットが、InP基板と、該InP基板の上に積層された第一導電型クラッド層と、該第一導電型クラッド層の上に積層された量子井戸活性層であって、InGaAsPあるいはAlGaInAsからなる量子井戸層と、該量子井戸層を挟むように積層されているInPあるいはGaInPからなる障壁層とを備えた量子井戸活性層と、該量子井戸活性層の上に積層された第二導電型クラッド層とを備えてな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。
【００２６】
光断層画像取得装置としては、前記光源ユニットが、低コヒーレント光を射出するものであり、前記干渉光を周波数解析することにより前記測定対象の断層画像を取得するものとすることができる。
【００２７】
またさらに、前記光源ユニットが、前記光半導体素子から発光された光の波長を掃引する波長掃引手段を備え、波長を一定の周期で掃引したレーザ光を射出するものであり、前記干渉光を周波数解析することにより前記測定対象の断層画像を取得するものとすることもできる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明の光半導体素子は、InP基板を備え、量子井戸層としてInGaAsP、あるいはAlGaInAsを用い、量子井戸層を挟むようにInPあるいはGaInP障壁層を備えたことにより、量子井戸層から障壁層への電子のオーバーフローを効果的に抑制することができ、高出力化が可能である。
【００２９】
InGaAsPあるいはAlGaInAからなる量子井戸層を備えることにより0.9μｍ〜1.2μｍの光を出力する発光素子を得ることができる。InP基板に対しInGaAsPあるいはAlGaInAsは格子整合系であることから、これらの量子井戸層を備えるものであれば、GaAs基板上に圧縮歪のInGaAs量子井戸活性層を製膜する場合と比較して、良質な結晶が得られ易く製造が容易となる。良質な結晶品質の素子が得られるために、高出力化が達成でき、さらに耐久性にも優れた素子を得ることができる。
【００３０】
また、クラッド層として、AlInAs、AlGaInAsあるいはAlGaInAsPからなるものを用いれば、活性層からの電子のオーバーフローを効果的に抑制することができ、素子特性を向上させることができる。
【００３１】
量子井戸層をInGaAsPからなるものとし、障壁層をInPからなるものとし、クラッド層をAlInAsからなるものとした場合、InPとAlInAsとのバンドギャップの差が大きいことから、活性層とクラッド層との間により高いエネルギー障壁を築くことができ、キャリアの閉じ込め効果をより大きくすることができる。また、障壁層が二元であるため、製造が容易となると共に、製造コストを抑えることができる。
【００３２】
本発明の光断層画像取得装置は、光源ユニットが、上述の本発明の光半導体素子を備えており、これを光源、あるいは利得媒質として用いているため、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とされる中心波長0.9μｍ〜1.2μｍで発光する光を測定光として用いることができるため、良好な画質の断層画像を取得することができる。
【００３３】
ここで、光源ユニットが、低コヒーレント光を射出するものであり、干渉光を周波数解析することにより測定対象の断層画像を取得するものであれば、ＳＳ−ＯＣＴ計測を利用した装置とすることができ、参照光の光路長を変更することなく高速に断層画像を取得することができる。
【００３４】
またさらに、光源ユニットが、光半導体素子から発光された光の波長を掃引する波長掃引手段を備え、波長を一定の周期で掃引したレーザ光を射出するものであり、干渉光を周波数解析することにより測定対象の断層画像を取得するものであれば、ＳＤ−ＯＣＴ計測を利用した装置とすることができ、参照光の光路長を変更することなく高速に断層画像を取得することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００３６】
＜第１の実施形態＞
図１は本発明の第１の実施形態に係る光半導体素子１を模式的に示す斜視図である。本素子１はＳＬＤである。
【００３７】
光半導体素子１はｎ型InP基板１０上に、ｎ型AlInAsクラッド層１１（厚さ1.2μｍ、Ndドープ濃度：1×1018ｃｍ-3）、AlGaInAs光ガイド層１２（厚さ0.4μｍ、λ＝0.9μｍ）、５層のInGaAsP量子井戸層１３ａ（厚さ6ｎｍ、λ＝1.25μｍ）が６層のInP障壁層１３ｂ（厚さ10ｎｍ）で挟まれた多重量子井戸活性層１３、AlGaInAs光ガイド層１４（0.4μｍ、λ＝0.9μｍ）、ｐ型AlInAsクラッド層１５（厚さ1.2μｍ、Naドープ濃度：１×1018ｃｍ-3）、ｐ型InGaAsコンタクト層１６（厚さ0.2μｍ、Naドープ濃度：１×1019ｃｍ-3）が積層されてなる。ここで、λは各層材料のバンドギャップを波長で示すものであり、この波長組成により各層の組成は一義的に特定される。
【００３８】
ｐ型AlInAsクラッド層１５の、発光領域に対応する箇所には幅２μｍのストライプ状リッジが形成されており、リッジ上面のInGaAsPコンタクト層１６を除く領域には、SiO2絶縁膜１７が形成されている。更にリッジ上およびSiO2絶縁膜１７上にはTi/Pt/Auからなるｐ電極１８が、ｎ型InP基板10にはAu/Ge/Ni/Auからなるｎ電極１９が形成されている。
【００３９】
上記構造の素子１において、素子長（端面２１、２２間の長さ）を２ｍｍとし、端面２１、２２には無反射膜をコーティングした。素子１の実装に際しては、素子１をSi製ヒートシンクにジャンクションアップにてハンダ融着し、更にチップキャリヤにPbSnハンダで固定した。この素子１は中心波長1.2μｍ、出力20ｍＷにて発光するスーパールミネッセントダイオードとしての特性を示した。
【００４０】
本実施の形態ではリッジ構造を採用したが、本発明の半導体素子はリッジ構造を備えるものに限定されるものではなく、例えば埋め込み構造など他の構造であってもよい。またストライプ幅を２μｍより広い幅広のリッジ構造としてもよい。
【００４１】
本実施形態の光半導体素子では障壁層にInPを用いたが、障壁層の材料はこれに限定されるものではなく、InP基板に対し引っ張り歪となるGaInPを用いてもよいし、InGaAsPあるいは、AlGaInAsを用いてもよい。
【００４２】
障壁層にInPを用いれば、２元であることから製造が容易となり製造コストを抑制することができる。また、障壁層にInP、GaInPあるいはInGaAsPを用いる場合、材料にアルミニウムを含まないために結晶品質が高く、耐久性の高い素子とすることができる。また、GaInPはInPと比較してバンドギャップエネルギーが高いため、障壁層としてGaInPを備えれば電子のオーバーフローを抑制する効果を向上させることができる。
【００４３】
本実施形態では、量子井戸層にInGaAsPを用いたがAlGaInAsを用いてもよい。但しここで量子井戸層に用いる材料は発振波長を1.0μｍ〜1.2μｍとするために、波長組成としては1.2μｍ〜1.3μｍ程度となる材料を選択することが重要である。なお、複数備えている量子井戸層の組成比を互いに少しずつずらすことにより、発振波長範囲を広くすることができる。
【００４４】
また、本実施形態ではクラッド層にAlInAsからなるものを用いたが、AlGaInAsあるいはAlGaInAsPを用いてもよい。いずれの場合にも、クラッド層としては、バンドギャップエネルギーが障壁層よりも大きくなるような組成比とする必要がある。
【００４５】
＜第２の実施形態＞
図２は本発明の第２の実施形態の光半導体素子２を模式的に示す斜視図である。本素子２は半導体レーザである。
【００４６】
本光半導体素子２はｎ型InP基板３０上に、InPに格子整合したｎ型AlGaInAsクラッド層３１（厚さ1.5μｍ、λ＝0.86μｍ）、AlGaInAsP光ガイド層３２（厚さ0.2μｍ、λ＝0.92μｍ）、７層のGaInP引っ張り歪障壁層３３ｂ（歪量Δa/a＝−0.5％、厚さ5ｎｍ）と該障壁層３３ｂに挟まれて積層される６層のGaInAsP圧縮歪量子井戸層３３ａ（歪量Δa/a＝1.5％、厚さ４ｎｍ、λ＝1.3μｍ）より構成される多重量子井戸活性層３３、AlGaInAsP光ガイド層３４（厚さ0.2μｍ、λ＝0.92μｍ）、InPに格子整合したｐ型AlGaInAsクラッド層３５（厚さ0.5μｍ、λ＝0.86μｍ）、ｐ型ＩｎＰ上部クラッド層３８およびｐ型GaInAsPコンタクト層３９（厚さ0.2μｍ、λ＝１μｍ）が順に積層されてなる。
【００４７】
さらに、ｐ型GaInAsPコンタクト３９層上、およびｎ型ＩｎＰ基板３０裏面にはそれぞれ電極４０、４１が形成されている。
【００４８】
なお、本素子２においては、活性層の一部に電流を集中して流すための電流狭窄構造が形成されており、発光部となる活性層３３の両脇に、ｐ型InP層３６、ｎ型InP層３７が埋め込まれた埋め込み構造をなしている。この埋め込み構造により、レーザ共振器内を伝搬する光は電流が注入されるメサ部に閉じ込められ、単峯性の光強度分布が得られる。
【００４９】
また本素子では、電流が注入されるメサ部の幅を１μｍ程度としており、低しきい値電流特性が実現可能となっている。
【００５０】
上記構造の素子２において、共振器長（端面４２、４３間の長さ）を３００μｍとし、共振器端面の一方の端面４２には反射率３０％、他方の端面４３には反射率８０％となる膜を形成した。実装の際には、ジャンクションダウンにてヒートシンクに固定した。本素子２は、しきい値電流２０ｍＡにて発振し、５ｍＷ出力時の発振中心波長が1.2μｍのレーザ特性を示した。
【００５１】
＜第３の実施形態＞
図３は本発明の第３の実施形態である光半導体素子３を模式的に示す斜視図である。本素子３は電界吸収型光変調器である。
【００５２】
本実施形態の光半導体素子３はｎ型InP基板５０上に、ｎ型AlInAsクラッド層５１（厚さ1.2μｍ、Ndドープ濃度：1×10+18ｃｍ-3）、AlGaInAs光ガイド層５２（厚さ0.2μｍ、λ＝0.9μｍ）、４層のInGaAsP量子井戸層５３ａ（厚さ6ｎｍ、λ＝1.2μｍ）が５層のInP障壁層５３ｂ（厚さ10ｎｍ）で挟まれた多重量子井戸構造の光吸収層５３、AlGaInAs光ガイド層５４（0.2μｍ、λ＝0.9μｍ）、ｐ型AlInAsクラッド層５５（厚さ1.2μｍ、Naドープ濃度：１×1018ｃｍ-3）、ｐ型InGaAsPコンタクト層５６（厚さ0.2μｍ、Naドープ濃度：１×1019ｃｍ-3）が積層されてなる。
【００５３】
ｐ型AlInAsクラッド層５５には幅２μｍのストライプ状リッジが形成されており、リッジ上面を除く領域にSiO2絶縁膜５７が形成されている。更にリッジ上面およびSiO2絶縁膜５７上にはTi/Pt/Auからなるｐ電極５８が、ｎ型InP基板５０の裏面にはAu/Ge/Ni/Auからなるｎ電極５９が形成されている。
【００５４】
上記構造の素子３において、素子長（端面６１、６２間の長さ）を500μｍとし、端面６１、６２には無反射膜をコーティングした。素子３の実装に際しては、素子３をヒートシンクにジャンクションアップにてハンダ融着し、更にチップキャリヤにPbSnハンダで固定した。本素子３を電界吸収型光変調器として用い、該素子３に波長1.3μｍのレーザ光を入射し、５ボルトの逆バイアスを印加したところ、消光比として１０ｄＢの良好な特性が得られた。
【００５５】
＜光半導体素子を用いた波長可変レーザ装置＞
図４に本発明の光半導体素子を用いた波長可変レーザ装置７０の構成例を示す。この波長可変レーザ装置７０は、利得媒質として用いられる本発明の光半導体素子７１と、光半導体素子７１から出射された光の一部を選択的に光半導体素子７１へ戻す回折格子７２と、光半導体素子７１から出射された光を平行光として回折格子７２へ導光するコリメートレンズ７３とを備えている。光半導体素子７１から射出した光は、コリメートレンズ７３により平行光に変換され、回折格子７２により空間的に波長分散され、この波長分散された光のうち、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７１へ帰還する。ここでは、光半導体素子７１の一方の端面７１ｃと、回折格子７２とにより共振器が構成されており、光半導体素子７１の一方の端面７１ｃからレーザ光Ｌoutが射出される。このレーザ光Ｌoutの波長は、回折格子７２で決定された戻り光の波長である。レンズ７３の光軸に対する回折格子７２の格子面の角度を変化させると、戻し光の波長が変化し、結果として出力光Ｌoutの波長を変化させることができる。なお、レンズ７３の光軸に対する回折格子７２の格子面の角度を周期的に変化させる手段を備えることにより、戻り光の波長を一定の周期で変化させることができ、結果として、波長を一定の周期で掃引したレーザ光を射出する波長掃引レーザ装置として用いることができる。
【００５６】
ここで、用いる光半導体素子７１は上述の第１実施の形態の素子と同様の層構成およびリッジストライプを有するものであるが、発光領域となるリッジストライプ７１ａが回折格子７２側の端面７１ｂで該端面７１ｂの法線方向に対し約６度斜めに傾けられ、反対の端面７１ｃで端面７１ｃの法線方向に垂直となるように形成されたものを用いる。リッジストライプ７１ａを一部傾けて形成した理由は端面からの戻り光を抑制して、両端面間での発振を抑制し自己によるレーザ発振することを防止するためである。また光半導体素子の活性層７１は、複数の量子井戸層の遷移波長を互いに異なるように組成比を調整して波長利得が広くなるように設計している。
【００５７】
本波長可変レーザ装置７０においては、出力０ｄＢｍ以上で約100ｎｍの波長可変レーザ動作が得られた。
【００５８】
次に、本発明の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。
【００５９】
＜第１の実施形態の光断層画像取得装置＞
図５は、本発明の光断層画像取得装置の第１の実施形態の構成を示す図である。光断層画像取得装置１００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ＳＳ−ＯＣＴ計測により取得するものである。
【００６０】
光断層画像取得装置１００は、光Ｌを射出する光源ユニット１１０と、光源ユニット１１０から射出された光Ｌを測定光Ｌ１と参照光Ｌ２とに分割する光分割手段１１８と、光分割手段１１８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１２０と、光分割手段１１８により分割された測定光Ｌ１を測定対象Ｓまで導波し、測定光Ｌ１が測定対象Ｓに照射されたときの該測定対象Ｓからの反射光Ｌ３を導波するプローブ１３０と、反射光Ｌ３と参照光Ｌ２とを合波する合波手段１３８と、合波手段１３８により合波された反射光Ｌ３と参照光Ｌ２との干渉光Ｌ４を検出する干渉光検出手段１４０と、干渉光検出手段１４０により検出された干渉光Ｌ４を周波数解析することにより測定対象Ｓの断層画像を取得する画像取得手段１５０とを有している。
【００６１】
光源ユニット１１０は、周波数を一定の周期で掃引させながらレーザ光Ｌを射出するものであり、光結合用のレンズ１１１ａおよび１１１ｂと、上述の本発明の光半導体素子７１を備えた可変レーザ装置７０、回折格子７２の角度を周期的に変化させる手段（波長掃引手段）１１２とを有している。
【００６２】
波長掃引手段１１２により、回折格子７２のレンズ７３の光軸に対する角度が周期的に変化させられ、光半導体素子７１への戻り光の波長が周期的に変化する。結果として、波長を一定の周期で掃引したレーザ光Ｌが光半導体素子７１の光結合用のレンズ側の端面から射出されることになる。光半導体素子７１から射出されたレーザ光Ｌは、レンズ１１１ａにより平行光にされレンズ１１１ｂにより集光されて光ファイバＰＦＢ１に入射する。
【００６３】
光分割手段１１８は、たとえば２×２の光ファイバカプラから構成されており、光源ユニット１１０から光ファイバＰＦＢ１により光分割手段１１８まで導波された光Ｌを測定光Ｌ１と参照光Ｌ２に分割する。光分割手段１１８の分岐比はたとえば５０：５０である。光分割手段１１８は、２本の光ファイバＰＦＢ２、ＰＦＢ３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ＰＦＢ２によりプローブ１３０まで導波され、参照光Ｌ２は光ファイバＰＦＢ３により光路長調整手段１２０まで導波される。なお、本実施形態における光分割手段１１８は、合波手段１３８としても機能するものである。
【００６４】
光ファイバＰＦＢ２にはプローブ１３０が光学的に接続されており、測定光Ｌ１は光ファイバＰＦＢ２からプローブ１３０へ導波される。プローブ１３０は、たと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ＰＦＢ２に対して着脱可能に取り付けられている。
【００６５】
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て測定光Ｌ１および反射光Ｌ３を導波する光ファイバ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、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。プリズムミラー１３３がモータ１３５により駆動されることにより、測定対象Ｓを走査して測定することができる。
【００６６】
一方、光ファイバＰＦＢ３における参照光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、測定対象Ｓに対する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ＰＦＢ３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ＰＦＢ３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。
【００６７】
第１光学レンズ１２１ａは、光ファイバＰＦＢ３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ＰＦＢ３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１２１ａ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。
【００６８】
したがって、光ファイバＰＦＢ３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ＰＦＢ３のコアに集光される。
【００６９】
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とを固定した可動ステージ１２３と、該可動ステージ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。そして可動ステージ１２３が矢印Ａ方向に移動することにより、参照光Ｌ２の光路長が変更するよう構成されている。
【００７０】
合波手段１３８は、前述のとおり２×２の光ファイバカプラからなり、光路長調整手段１２０により光路長が変更された参照光Ｌ２と測定対象Ｓからの反射光Ｌ３とを合波しこれらの干渉光Ｌ４を導波する光ファイバＰＦＢ４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。
【００７１】
干渉光検出手段１４０は、合波手段１３８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。上記干渉光検出手段１４０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１５０に接続され、画像取得手段１５０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。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を周波数解析することにより測定対象Ｓの各深さ位置における反射光Ｌ３の強度を検出し、測定対象Ｓの断層画像を取得する。この断層画像は表示装置１６０により表示される。
【００７２】
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、Ｖｏｌ４１、Ｎｏ７、ｐ４２６−ｐ４３２」に詳しい記載がなされている。
【００７３】
測定光Ｌ１が測定対象Ｓに照射されたとき、測定対象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、
【数１】
2009094372.tif 000003
【００７４】
で表される。ここで、ｋは波数、ｌは光路長差である。式（１）は波数ｋ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が検出した干渉光をフーリエ変換にかけて周波数解析を行い、干渉光Ｌ４の光強度Ｓ（ｌ）を決定することにより、測定対象Ｓの各深さ位置における反射情報を取得し、断層画像を生成することができる。そして、生成された断層画像は、表示装置１６０において表示される。
【００７５】
次に、上記構成を有する光断層画像取得装置１００の動作例について説明する。まず、可動ステージ１２３が矢印Ａ方向に移動することにより、測定可能領域内に測定対象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１１０から光Ｌが射出され、光Ｌは光分割手段１１８により測定光Ｌ１と参照光Ｌ２とに分割される。測定光Ｌ１はプローブ１３０により体腔内に導波され測定対象Ｓに照射される。そして、測定対象Ｓからの反射光Ｌ３が反射ミラー１２２において反射した参照光Ｌ２と合波手段１３８により合波され、反射光Ｌ３と参照光Ｌ２との干渉光Ｌ４が干渉光検出手段１４０により検出される。この検出された干渉光Ｌ４の信号が画像取得手段１５０において周波数解析されることにより断層画像が取得される。このように、ＳＳ−ＯＣＴ計測により断層画像を取得する光断層画像取得装置１００においては、干渉光Ｌ４の周波数および光強度に基づいて各深さ位置における画像情報を取得するようになっており、反射ミラー１２２の矢印Ａ方向の移動は測定対象の深さ方向について断層画像信号を得る位置の調整に用いられる。
【００７６】
ここで、プローブ１３０のプリズムミラー１３３を駆動することにより、測定対象Ｓに対して測定光Ｌ１をＸ方向に走査させ、これと直交するＹ方向にプローブを移動させれば、この２次元走査領域の各部分において走査対象Ｓの深さ方向の情報が得られるので、この２次元領域内のＸ，Ｙ双方向についての断層画像を取得することができる。
【００７７】
本実施形態の光断層画像取得装置１００においては、光源ユニットとして、本発明の光半導体素子を備えた可変レーザ装置を用いることにより、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波長帯の低コヒーレンス光を測定光とすることができ、良好な画質の断層画像を取得することができる。本発明の光半導体素子は、複数の量子井戸層の組成比を互いに異なるものとすることにより、波長帯域を広帯域化することができるため、この素子を備えた光源ユニットを有することにより、分解能の高い光断層画像を取得することができる。
【００７８】
＜第２の実施形態の光断層画像取得装置＞
次に、本発明の第２の実施形態による光断層画像取得装置について図６を参照して説明する。なお、第２の実施形態である光断層画像取得装置２００は、いわゆるＳＤ−ＯＣＴ計測を行うことにより断層画像を取得するＳＤ−ＯＣＴ装置であって、図５の光断層画像取得装置１００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。図６の光断層画像取得装置２００において図５の光断層画像取得装置１００と同一の構成を有する部位には同一の符号を付してその説明を省略する。
【００７９】
光断層画像取得装置２００が有する光源ユニット２１０は、図１に示した光半導体素子１と、この光半導体素子１から射出された低コヒーレンス光Ｌを光ファイバＰＦＢ１内に入射するための光学系２１２とを有している。光半導体素子１は中心波長1.2μｍの光を発光するＳＬＤとして機能する素子である。
【００８０】
一方、干渉光検出手段２４０は、合波手段１３８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、連続的で広帯域の発光波長スペクトルを有する干渉光Ｌ４を各波長帯域毎に分光する分光手段２４２と、分光手段２４２により分光されたスペクトルの干渉光Ｌ４を検出するアレイ型の光検出手段２４４とを有している。この分光手段２４２はたとえば回折光学素子等により構成されており、光ファイバＰＦＢ４からコリメータレンズ２４１を介して入射される干渉光Ｌ４を分光し、光検出手段２４４側に射出するようになっている。
【００８１】
また、アレイ型の光検出手段２４４は、たとえば１次元あるいは２次元にＣＣＤ等の光センサを配置した構造を有し、光センサが光学レンズ２４３を介して入射される干渉光Ｌ４のスペクトルを検出するようになっている。ここで、干渉光検出手段２４０において、光源ユニット２１０のスペクトルに反射情報の関数をフーリエ変換したものを加えた干渉光Ｌ４が観測される。そして、干渉光検出手段２４０において検出された干渉光Ｌ４を画像取得手段１５０において周波数解析することにより、測定対象Ｓの各深さ位置における反射情報を取得し、断層画像を生成する。生成された断層画像は、表示装置１６０において表示される。
【００８２】
本実施形態の光断層画像取得装置２００は、本発明の光半導体素子を備えた光源ユニットを有するものであり、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波長帯の低コヒーレンス光を測定光とすることができ、良好な画質の断層画像を取得することができる。本発明の光半導体素子は、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ため、この素子を備えた光源ユニットを有することにより、分解能の高い光断層画像を取得することができる。
【００８３】
＜第３の実施形態の光断層画像取得装置＞
次に、本発明の第３の実施形態による光断層画像取得装置について図７を参照して説明する。なお、第３の実施形態である光断層画像取得装置３００は、いわゆるＴＤ−ＯＣＴ計測を行うことにより断層画像を取得するＴＤ−ＯＣＴ装置であって、図６の光断層画像取得装置２００と異なる点は光路長調整手段および干渉光検出手段の機能である。図７の光断層画像取得装置３００において図６の光断層画像取得装置２００と同一の構成を有する部位には同一の符号を付してその説明を省略する。
【００８４】
光断層画像取得装置３００の光路長調整手段３２０は、光断層画像取得装置１００の光路長調整手段１２０と同様の構成を有するが、測定対象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。さらに、光断層画像取得装置３００では、参照光Ｌ２の光路中（光ファイバＰＦＢ３）に位相変調器３２５が配置されており、参照光Ｌ２に対しわずかな周波数シフトを与える機能を有している。そして、光路長調整手段３２０および位相変調器３２５により光路長の変更および周波数シフトがなされた参照光Ｌ２が合波手段１３８に導波されるようになっている。
【００８５】
また、光断層画像取得装置３００の干渉光検出手段３４０は、たとえばヘテロダイン検波により干渉光Ｌ４の光強度を検出するようになっている。具体的には、測定光Ｌ１の全光路長と反射光Ｌ３の全光路長との合計が、参照光Ｌ２の全光路長と等しいときに、参照光Ｌ２と反射光Ｌ３との差周波数で強弱を繰り返すビート信号が発生する。光路長調整手段３２０により光路長が変更されていくにつれて、測定対象Ｓの測定位置（深さ）が変わっていき、干渉光検出手段３４０は各測定位置における複数のビート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１５０へ出力される。そして、干渉光検出手段３４０により検出されたビート信号と、ミラー移動手段２４における測定位置の情報とに基づいて断層画像が生成される。生成された断層画像は、表示装置１６０において表示される。
【００８６】
ここで、第３の実施形態の光断層画像取得装置３００は、第２の実施形態の光断層画像取得装置２００と同様に、本発明の光半導体素子を備えた光源ユニットを有するものであり、同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００８７】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る光半導体素子を示す斜視図
【図２】本発明の第２の実施形態に係る光半導体素子を示す斜視図
【図３】本発明の第３の実施形態に係る光半導体素子を示す斜視図
【図４】本発明の光半導体素子を備えた波長可変レーザの概略構成を示す図
【図５】本発明の光半導体素子を備えた光断層画像取得装置の概略構成を示す図
【図６】本発明の光半導体素子を備えた光断層画像取得装置の概略構成を示す図
【図７】本発明の光半導体素子を備えた光断層画像取得装置の概略構成を示す図
【符号の説明】
【００８８】
１、２、３    光半導体素子
１０、３０、５０    InP基板
１１、３１、５１    第一導電型クラッド層
１２    光ガイド層
１３、３３、５３    多重量子井戸活性層
１３ａ、３３ａ、５３ａ    量子井戸層
１３ｂ、３３ｂ、５３ｂ    障壁層
１４    AlGaInAs光ガイド層
１５、３５、５５    第二導電型クラッド層
１６    コンタクト層
１７    絶縁膜
１８、１９    電極
２１、２２    素子端面
【図１】
2009094372.tif 000004
【図２】
2009094372.tif 000005
【図３】
2009094372.tif 000006
【図４】
2009094372.tif 000007
【図５】
2009094372.tif 000008
【図６】
2009094372.tif 000009
【図７】
2009094372.tif 000010