(57)【要約】【課題】製造容易で広帯域な利得スペクトル幅を有する光半導体素子を提供する。【解決手段】素子内における光の共振が抑制され、n-GaAs基板１１上に、少なくともInGaP下部クラッド層とInGaAs活性層が積層されている光半導体素子１０において、n-GaAs基板１１として面方位が(100)面から(111)Ｂ面方向に２度以上１０度以下の角度、たとえば３度傾斜しているn-GaAs基板を用いる。InGaP下部クラッド層のステップバンチングが形成され、InGaAs活性層の層厚にばらつきが生じる。【選択図】図２Ａ
2009049123.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
素子内における光の共振が抑制されている光半導体素子であって、
GaAs基板上に、少なくともInGaP下部クラッド層とInGaAs活性層が積層され、
前記GaAs基板の面方位が(100)面から(111)Ｂ面方向に2度以上10度以下の角度で傾斜していることを特徴とする光半導体素子。
【請求項２】
前記GaAs基板の傾斜角度が2.5度以上7.5度以下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GaAs基板の傾斜角度が4度以上6度以下であることを特徴とする請求項２記載の光半導体素子。
【請求項４】
前記InGaAs活性層がInGaAs量子井戸層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】
前記InGaAs量子井戸層が、InGaAs歪量子井戸層であることを特徴とする請求項４記載の光半導体素子。
【請求項６】
射出される光の中心波長が0.9μｍ以上1.2μｍ以下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】
射出される光の中心波長が1.0μｍ以上1.1μｍ以下であることを特徴とする請求項６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、面方位が(100)面から(111)Ｂ面方向に2度以上10度以下の角度で傾斜しているGaAs基板上に、少なくともInGaP下部クラッド層とInGaAs活性層が積層され、かつ素子内における光の共振が抑制されている光半導体素子であ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、面方位が(100)面から(111)Ｂ面方向に2度以上10度以下の角度で傾斜しているGaAs基板上に、少なくともInGaP下部クラッド層とInGaAs活性層が積層され、かつ素子内における光の共振が抑制されてい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、面方位が(100)面から(111)Ｂ面方向に2度以上10度以下の角度で傾斜しているGaAs基板上に、少なくともInGaP下部クラッド層とInGaAs活性層が積層され、かつ素子内における光の共振が抑制されてい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。
【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医療用ＯＣＴ（Optical Coherence Tomography）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。光計測分野では、波長帯域が広いほど計測分解能が向上するため、波長帯域の更なる広帯域化が求められている。なお、ＳＬＤの波長帯域幅はＳＬＤが有する利得スペクトル幅により決められる。
【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。近年、より波長可変幅の広い波長可変光源への要求が強まり、ＳＯＡの利得スペクトル幅の広帯域化が望まれている。
【０００５】
ＳＬＤやＳＯＡのような光半導体素子の利得スペクトル幅を広げる方法としては、膜厚・組成の異なる量子井戸の積層構造、すなわち多重量子井戸層を形成する方法（特許文献１）や、光の伝搬方向に量子井戸の膜厚・組成を変調させる方法（特許文献２）が知られている。利得スペクトル幅を拡大させる観点では後者のほうが、より広帯域化が期待できる。また両者の方式を組み合わせることも可能である。
【特許文献１】特開平８−３０７０１４号公報
【特許文献２】特開平６−１９６８０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献２に記載される光の伝搬方向に量子井戸の膜厚・組成を変調させる方法は、デバイスの作製が非常に難しいことが知られている。この方法は具体的には２つのストライプ状のSiO2マスクを互いに一定間隔を開けて平行に形成し、且つマスク幅を変えることでマスクに挟まれた領域に成長した活性層を共振器軸方向に膜厚・組成を変える手法であるが、活性層上の層についても組成変調がかかってしまうなど製造するにあたり技術的な問題点が多い。
【０００７】
本発明は上記の事情に鑑みて、製造容易であり、かつ広帯域な利得スペクトル幅を有する光半導体素子を提供することを目的とする。また、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を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の光半導体素子は、素子内における光の共振が抑制されている光半導体素子であって、
GaAs基板上に、少なくともInGaP下部クラッド層とInGaAs活性層が積層され、
前記GaAs基板の面方位が(100)面から(111)Ｂ面方向に2度以上10度以下の角度で傾斜していることを特徴とするものである。
【０００９】
前記GaAs基板の傾斜角度は、2.5度以上7.5度以下であってもよい。また前記GaAs基板の傾斜角度は4度以上6度以下であってもよい。
【００１０】
前記InGaAs活性層は、InGaAs量子井戸層であってもよい。なお、このInGaAs量子井戸層は単量子井戸であってもよいし、多重量子井戸構造であってもよい。
【００１１】
前記InGaAs量子井戸層は、InGaAs歪量子井戸層であってもよい。
【００１２】
光半導体素子から射出される光の中心波長は、0.9μｍ以上1.2μｍ以下であってもよい。また、射出される光の中心波長は、1.0μｍ以上1.1μｍ以下であってもよい。
【００１３】
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、面方位が(100)面から(111)Ｂ面方向に2度以上10度以下の角度で傾斜しているGaAs基板上に、少なくともInGaP下部クラッド層とInGaAs活性層が積層され、かつ素子内における光の共振が抑制されている光半導体素子であることを特徴とするものである。
【００１４】
さらに、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、面方位が(100)面から(111)Ｂ面方向に2度以上10度以下の角度で傾斜しているGaAs基板上に、少なくともInGaP下部クラッド層とInGaAs活性層が積層され、かつ素子内における光の共振が抑制されてい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。
【００１５】
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、面方位が(100)面から(111)Ｂ面方向に2度以上10度以下の角度で傾斜しているGaAs基板上に、少なくともInGaP下部クラッド層とInGaAs活性層が積層され、かつ素子内における光の共振が抑制されてい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】
【００１６】
発明者は、上述した目的を達成しようと鋭意検討する過程で、ＳＬＤやＳＯＡ等の素子内における光の共振が抑制され、GaAs基板上に、少なくともInGaP下部クラッド層とInGaAs活性層が積層されている光半導体素子においては、利得スペクトル幅が、GaAs基板の主面の結晶方位に依存すること、特に、GaAs基板の面方位を、(100)面から(111)B 面方向へ2度以上10度以下傾斜させた場合に利得スペクトル幅が増大することを見出した。
【００１７】
このように、GaAs基板をわずかに傾斜させることにより、利得スペクトル幅が広がる理由は明確に明らかになっているわけではないが、以下のように推定できる。GaInP結晶を成長させる場合、成長条件によって、GaInP結晶のバンドギャップを含む特性が大きく変化することが知られている。その原因は、GaInP結晶がIII族副格子上で成長する際には、GaとInの配列の秩序度が変化することにある。面方位が(100)面から(111)B 面方向へ２度以上10度以下傾斜したGaAs基板上にGaInP結晶を成長させたときには、自然超格子の１つのバリアント形成が促進され、GaInP結晶全体の秩序度が増加する傾向がある。
【００１８】
このようにGaInP結晶の秩序度が増大した結果、原子層ステップ間隔の粗密によるステップバンチングが生じやすくなると考えられる。ステップバンチングが生じているGaInP層上部に、例えば厚さ数nmの InGaAs量子井戸活性層（発光波長0.9〜1.2μm）等の厚さの薄い層を形成すると層厚に揺らぎが生じ、基板面内で活性層の厚さにばらつきが生じる。このように、活性層の厚さにばらつきが生じると、光半導体素子の利得スペクトル幅が広がる。特に、InGaAsは、GaAsやGaInPより大きな格子定数を有しているため、InGaAs薄膜の厚さが薄い場合には、InGaAs薄膜は圧縮歪を受け、歪み層となり、膜厚のばらつきが利得スペクトル幅へ与える影響が大きくなる。
【００１９】
すなわち、半導体レーザ等を作成する場合には、発光特性を向上させるために、ステップパンチングを抑制することが重要視されているが、本発明者は、積極的にステップパンチングが生じ易い傾斜角度の基板を用いることにより、利得スペクトル幅を広げることができることを見出した。
【００２０】
そこで、本発明者は、GaAs基板上に、InGaP下部クラッド層とInGaAs活性層が積層されている光半導体素子において、基板の傾斜角度と、該半導体素子の利得スペクトル幅を反映する最大自発光スペクトル幅との関係を詳しく調べた。図１はその結果を示したもので、ある。ここでわかるように、傾斜角度が5度の場合に、最も広い利得スペクトル幅が得られ、傾斜角度が5度より小さくなる、あるいは5度より大きくなるにしたがった利得スペクトル幅が狭くなることがわかる。本発明はこの知見に基づいて、基板が傾斜していない場合に比べて、利得スペクトル幅が広帯域化している２度以上かつ１０度以下の角度を傾斜角度の上下限値とする。なお、特に基板の傾斜角度が2.5度以上7.5度以下である場合には、基板が傾斜していない場合に比べ明らかに広帯域化した利得スペクトル幅が得られ、また４度以上６度以下であれば、より広帯域化した利得スペクトル幅が得られることが図１から明らかである。
【００２１】
上記の通り、本発明によれば、(100)面から(111)Ｂ面方向に2度以上10度以下の角度で傾斜させたGaAs基板を用いることにより、ステップバンチングが形成されて、利得スペクトル幅の広い光半導体素子が得られるようになる。また、基板の傾斜角度が2.5度以上7.5度以下である場合には、より広帯域化した利得スペクトル幅が得られ、さらに基板に傾斜角度が４度以上６度以下であれば、よりいっそう広帯域化した利得スペクトル幅が得られる。
【００２２】
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る。
【００２３】
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、分解能の高い光断層画像を取得することができる。
【００２４】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００２６】
図２Ａは、本発明の第１実施形態による光半導体素子を示す概略立断面図であり、図２Ｂは概略測断面図である。図示の通り本実施形態の光半導体素子１０は、面方位が(100)面から(111)Ｂ面方向に３度傾斜したn-GaAs基板１１と、その上に順次積層されたn-GaAsバッファ層(0.2μm厚)１２、n-GaInP下部クラッド層(2.0μm厚)１３、GaAs光ガイド層１４、InGaAs歪量子井戸層１５、GaAs光ガイド層１６、p-GaInP上部クラッド層１７、GaAsエッチングストップ層１８、p-GaInP上部第二クラッド層１９および n-AlGaInP電流ブロック層２０、p-AlGaInP上部第三クラッド層２１、p-GaAsコンタクト層２２を有している。そしてｐ型GaAsコンタクト層２２の上にはｐ電極２３が、ｎ型GaAs基板１１の裏側にはｎ電極２４がそれぞれ形成されている。量子井戸構造は発光波長1.0μm となる単一量子井戸構造である。また光半導体素子１０の素子長は1.5mmである。
【００２７】
本実施形態の半導体レーザを作製する際には、一例として有機金属気相成長（MOCVD）法により結晶成長を行う。原料ガスとして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)、ｎ型ドーパントとしてSiH4(シラン)、ｐ型ドーパントとしてDEZ(ジエチル亜鉛)またはCp2Mg(ビスシクロペンタディエニルマグネシウム)を用いる。次に具体的な光半導体素子の作製方法について説明する。
【００２８】
まず、(100)面から(111)Ｂ面方向に５度の傾斜角度を有するn-GaAs基板１１上に、MOCVD法による結晶成長により、n-GaAsバッファ層(0.2μm厚)１２、n-GaInP下部クラッド層(2.0μm厚)１３、GaAs光ガイド層１４、InGaAs歪量子井戸層１５、GaAs光ガイド層１６、p-GaInP上部クラッド層１７、GaAsエッチングストップ層１８およびp-GaInP上部第二クラッド層１９をこの順で積層する。
【００２９】
次に、p-GaInP上部第二クラッド層１９の上に、誘電体マスクとなるSiO2選択成長マスクを形成して、p-GaInP上部第二クラッド層１９の一部をエッチングにより除去する。このとき、エッチング範囲を制御するために、GaAsエッチングストップ層１８が、p-GaInP上部クラッド層１７とp-GaInP上部第二クラッド層１９の間に埋め込まれている。なお、エッチングにより除去されていないp-GaInP上部第二クラッド層１９の下側のInGaAs歪量子井戸層１５部分が光導波路として機能する。
【００３０】
そして2回目のMOCVD法による結晶成長により、エッチングにより除去した部分に対してn-AlGaInP電流ブロック層２０を埋め込む。さらに前記SiO2マスクを除去した後に、光導波路部分（p-GaInP上部第二クラッド層１９の下側）および埋め込み層部分（n-AlGaInP電流ブロック層２０）の全体を覆うようにp-AlGaInP上部第三クラッド層２１を積層し、さらにその上に、p-GaAsコンタクト層２２を積層する。光導波路はSiO2マスクを用いたフォトリソグラフィー技術およびエッチング技術により形成することができる。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、最後にn側電極２４を基板裏面に、p側電極２３を光導波路側上に蒸着および熱処理により形成する。各層の組成と膜厚はシングルモード導波が可能となる値とする。なお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１０を実施例として挙げたが、内部ストライプ構造など他の構造でも構わない。またInGaAs歪量子井戸層１５は単量子井戸でも多重量子井戸構造でも構わない。
【００３１】
また、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２Ｂ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InGaAs歪量子井戸層１５を端面２５および２６の法線方向から7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。
【００３２】
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。
【００３３】
以上の説明で明らかなように、本実施形態の光半導体素子１０は、面方位が(100)面から(111)Ｂ面方向に5度傾斜したGaAs基板１１を用いて形成されているので、ステップバンチングが形成され、InGaAs歪量子井戸層１５の層厚にばらつきが生じ、そのため、光半導体素子１０の利得スペクトル幅が広がる。特に、InGaAs歪量子井戸層１５の厚さが薄い場合には、InGaAs歪量子井戸層１５は圧縮歪層となり、層厚のばらつきが利得スペクトル幅へ与える影響が大きくなる。
【００３４】
なお、上記実施形態では面方位の傾斜角度が5度の基板を使用しているが、前述した理由により、この傾斜角度は2度以上10度以下の範囲内で自由に選択可能である。また、特に基板の傾斜角度が2.5度以上7.5度以下である場合には、基板が傾斜していない場合に比べ明らかに広帯域化した利得スペクトル幅が得られる。基板の傾斜角度が4度以上６度以下であれば、より広帯域化した利得スペクトル幅が得られる。
【００３５】
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およびミラー３３を波長選択手段として用いるリットマン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。
【００３６】
波長可変レーザ装置３０では、ミラー３３および出力ミラー３１（透過率？？？％）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３４ａ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、ミラー３３に垂直に入射する波長の光が、ミラー３３により反射されて戻り光として回折格子３２へ入射する。この光が、ミラー３３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３６側へ射出される。光アイソレータ３６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３６を透過したレーザ光Ｌは、集光レンズ３４ｂにより集光されて光ファイバＦＢ１へ入射する。リットマン配置型の波長選択手段では、ミラー３３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。本実施の形態である、３度傾斜したGaAs基板１１上に積層した光半導体素子１０を光増幅器として用いた波長可変レーザ装置３０では、８０nmの波長帯域に渡ってレーザ光の波長を変化させることができた。一方、本発明者は、比較のために傾斜していないGaAs基板上に作成した光半導体素子、ただしGaAs基板が傾斜していないこと以外は光半導体素子１０と同一構成、を用いた波長可変レーザ装置を作成し、同様に波長可変範囲を測定したところ、５０nmであった。
【００３７】
以上の説明で明らかなように、波長可変レーザ装置３０では、光増幅器として、小型で取り扱い容易かつ広帯域な利得スペクトル幅を備えた光半導体素子１０を用いているため、容易に広帯域に渡りレーザ光の波長を変更することができる。
【００３８】
なお上述したレーザ光の波長可変幅はについては、InGaAs歪量子井戸層１５の歪み量が異なるとにより本発明の構造においても差が見られ、歪み量の大きい長波長側のほうがより可変幅が拡大する傾向があった。ただし1.2μmに近づくにつれて長波長化が難しくなり、かつ特性が悪化する傾向が見られたことから1.0〜1.1μm帯が本発明における効果を最大限に得られる範囲である。
【００３９】
なおここではミラー３３および出力ミラー３１によりレーザ共振器を構成しているが、出力ミラー３１の代わりに光半導体素子１０の片側端面を利用してもよい。この場合、光半導体素子１０の光導波路は、回折格子側の端面では、法線方向に対して斜め導波路の構成をとり、出力ミラー３１の役割を持たせる他方の端面では、端面の法線方向に平行な導波路となるように構成すればよい。
【００４０】
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、ミラー３３の変わりにポリゴンミラー４１が用いられている。このポリゴンミラー４１が回転することにより、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。
【００４１】
さらに上記実施例では波長可変レーザの例としてリットマン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トロー配置型の波長可変レーザであってもよい。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】基板の傾斜角度と最大自発光スペクトル幅との関係を示す図
【図２Ａ】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２Ｂ】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】
【００８０】
１０          光半導体素子
１１          n-GaAs基板
１３          n-GaInP下部クラッド層
１５          InGaAs歪量子井戸層
２５、２６      端面
３０          波長可変レーザ装置
３２          回折格子
３３          ミラー
４０          波長掃引レーザ装置
４１          ポリゴンミラー
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
【図１】
2009049123.tif 000003
【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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