JP2008032590A - 光半導体素子、波長可変光源、および光断層画像化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光半導体素子において、発光スペクトル幅が広く、かつ出力が高い光を発生させる。
【解決手段】光半導体素子１には、光導波路型発光領域である導波路２、３、４と、出射用光導波路である導波路５とが形成されている。導波路２、３、４の長さＳ１は互いに等しいように構成されている。導波路２、３、４で発生した各光は、導波路５に入射して合波され、合波された光は、導波路５により外部に出射される。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体光アンプ（以下、ＳＯＡという）等として利用可能な光半導体素子、該光半導体素子を備えた波長可変光源、および該波長可変光源を備えてＯＣＴ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）計測により光断層画像を取得する光断層画像化装置に関するものである。

従来、外部共振器型の波長可変光源としては、両端面に反射防止膜を施した半導体レーザやＳＯＡ等の光半導体素子の一端面からの出射光をレンズにより平行光に変換し、この平行光を回折光学素子で波長分散し、その後の光路に配置されたミラーで光を反射して再び回折光学素子に戻す構成のものが知られている。この構成では、ミラーと回折光学素子により、波長分散された光の一部である特定波長の光のみが波長選択されて光半導体素子に帰還する。そして、上記ミラーと光半導体素子の他端面の外部に設置された共振器ミラーとによって外部共振器が構成され、特定波長の光がレーザ発振する。この外部共振器で発振されたレーザ光を取り出すときは、例えば、光半導体素子の他端面からの出射光をレンズにより平行光に変換し、光アイソレータを通過させた後、光ファイバへ結合させれば容易に外部へ出力することができる。また、選択される波長は、ミラーを回転させてミラーと回折光学素子とのなす角度を変化させることにより変更可能であり、この角度を連続的に変化させることにより、レーザ発振する波長を連続的に変化させて波長掃引することができる。このような方式はリットマン方式と呼ばれ、外部共振器型の波長可変光源によく用いられている。

上記のような外部共振器型の波長可変光源の波長掃引幅は、光源に用いられる光半導体素子の活性層がもつ利得スペクトル幅によって限界が決まる。ただし、本来、光半導体素子の活性層が広い利得スペクトル幅をもっていたとしても、発光の過程で起きる誘導放出のために、実際に光半導体素子から出射される光のスペクトル幅、すなわち発光スペクトル幅は、利得スペクトル幅よりも狭いのが通常である。これは誘導放出という現象が、物質の放射遷移にともなう光子の放出過程において、入射光強度に比例して入射光に等しい位相の光を放出するものであるため、誘導放出による増幅利得を大きくすると、もともと広帯域なスペクトル分布をもつ自然放出光のうち、強度の強い波長の光が優先的に増幅を受けてしまい、最終的に得られる発光スペクトル幅が高出力化とともに狭くなってしまうからである。外部共振器型の波長可変光源は、用いられる光半導体素子の発光スペクトルに含まれる波長の光を元に発振現象を生じさせるものであるため、掃引可能な波長幅は、実際には、光半導体素子の利得スペクトル幅ではなく、発光スペクトル幅が律速となる。

光半導体素子の発光スペクトル幅を広げる方法としては、厚さまたは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（例えば、特許文献１参照）や、光の伝搬方向に組成を変調させる方法（例えば、特許文献２参照）が知られている。また、発光ダイオードの発光スペクトル幅を広げる方法としては、活性層の長さが互いに異なるように分岐型の光導波路構造を形成する方法（例えば、特許文献３参照）が知られている。

一方、上記のような波長掃引が可能なレーザ装置の重要な用途として、ＳＳ−ＯＣＴ（Ｓｗｅｐｔ ｓｏｕｒｃｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）計測を利用した光断層画像化装置が知られている。光断層画像化装置は、光源から射出されたコヒーレンス光を測定光と参照光とに分割した後、測定光が測定対象に照射されたときの反射光と参照光とを合波し、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。ＳＳ−ＯＣＴ計測の光断層画像化装置は、光源から射出される光の周波数を時間的に変化させながら干渉光の検出を行うものであり、光周波数領域のインターフェログラムから所定の測定対象の深さ位置における反射強度を検出し、これを用いて断層画像を生成する。このようなＳＳ−ＯＣＴ装置では、光源から射出される光の周波数帯域が広いほど、すなわちスペクトル幅が広いほど、分解能が高くなる。
特開平８−３０７０１４号公報 特開平６−１９６８０９号公報 特開２００５−３４０６４４号公報

上記特許文献１、特許文献２に記載の方法は、利得スペクトル幅の増大を行う方法としては望ましいものであるが、実際の発光スペクトル幅は光半導体素子の誘導放出の割合に影響されるため、利得スペクトル幅をそのまま反映したものとはならないのが現状である。発光スペクトル幅を利得スペクトル幅に近づけるには、誘導放出現象を極力まで低減させることが必要である。そのためには例えば、半導体レーザにおいては共振器長を短くする等、光半導体素子において発光領域となる活性層を短くし、利得を低減させることが有効である。しかし、この方法では利得が低いために低出力の光しか得られず、この光半導体素子を外部共振器型の波長可変光源に用いたときに、外部共振器を発振させられないという問題があった。

また、上記特許文献３に記載の方法は、長さの異なる光導波路で発生されたピーク波長の異なる光を合波して出力するものであるが、光導波路の長さが異なるとスペクトル帯域だけでなく利得も異なる。そのため、各導波路で発生するスペクトル形状が単峰性の対称性の高い形状であったとしても、合波して得られる光のスペクトル形状は非対称の歪んだ形となり、このような光を光断層画像化装置に用いた場合には、断層画像の品質の低下が懸念された。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、広帯域および高出力の発光特性を有する光半導体素子、広帯域に波長可変な波長可変光源、および高品質の画像を取得可能な光断層画像化装置を提供することを目的とする。

本発明の光半導体素子は、互いに長さが等しい複数の光導波路型発光領域と、前記複数の光導波路型発光領域で発生した各光が入射され、該各光が合波された光を外部に出射するための出射用光導波路とが形成されていることを特徴とするものである。

なお、「長さが等しい」とは、前記複数の光導波路型発光領域の長さの平均値に対し、各光導波路型発光領域の長さが前記平均値±１０％以内となるように維持されていることを意味する。

上記光半導体素子は、前記複数の光導波路型発光領域と前記出射用光導波路に別々に電流を注入可能な電極を備えていることが好ましい。

本発明の波長可変光源は、上記の光半導体素子と、該光半導体素子から出射された光を共振させる共振手段と、該共振手段における発振波長を選択し、かつ、該発振波長を変更可能な波長選択手段とを備えたことを特徴とするものである。

なお、共振手段は、本発明の光半導体素子とは独立した部材であってもよいし、本発明の光半導体素子自身が共振手段の一部を構成していてもよい。

前記波長選択手段は、回折光学素子、または光フィルタを有するように構成してもよく、具体的には例えば、入射光の光軸と入射面の相対角度が変更可能な回折光学素子、または透過光の波長を変更可能な光フィルタを有するように構成してもよい。

本発明の光断層画像化装置は、上記の波長可変光源と、該波長可変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、前記測定光が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合波する合波手段と、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、を備えたことを特徴とするものである。

本発明の光半導体素子によれば、互いに長さが等しい複数の光導波路型発光領域と、前記複数の光導波路型発光領域で発生した各光が入射され、該各光が合波された光を外部に出射するための出射用光導波路とが形成されているので、複数の光導波路型発光領域の長さを短く設定しておけば、各光導波路型発光領域では誘導放出が抑制されて発光スペクトル幅が広い光を発生させることができ、出射用光導波路ではこれらの光が入射されて合波されるので、外部に広帯域および高出力の光を出射させることができる。また、各光導波路型発光領域の長さは等しいので、これらで発生する光の利得やスペクトル帯域、ピーク波長等のスペクトル特性は等しくなり、各光導波路型発光領域で発生する光のスペクトル形状が単峰性の対称性の高い形状であれば、合波された光もまた単峰性の対称性の高いスペクトル形状となり、光断層画像化装置等の測定に好適に使用できる。

前記複数の光導波路型発光領域と前記出射用光導波路に別々に電流を注入可能な電極を備えていれば、前記複数の光導波路型発光領域と前記出射用光導波路に注入する電流を別々に制御することができる。

本発明の波長可変光源は、上記の本発明の広帯域および高出力の発光特性を有する光半導体素子を備えているため、波長可変範囲を広帯域にすることができる。

本発明の光断層画像化装置は、上記の本発明の波長可変光源を備えているため、広帯域に波長を変化させて測定をすることができ、分解能の高い高品質な画像を取得することができる。

以下、図面を参照して本発明にかかる光半導体素子、波長可変光源、および光断層画像化装置の実施形態について詳細に説明する。

＜光半導体素子の実施形態＞
図１は本発明の実施形態の光半導体素子１の概略構成を示す全体斜視図であり、図２（Ａ）、図２（Ｂ）はそれぞれ図１に示す光半導体素子１をＡ−Ａ’線、Ｂ−Ｂ’線で切断したときの構造断面図である。図１には、素子内部に設けられている光導波路を素子上面に投影したときの光導波路のパターンを破線で示している。

光半導体素子１においては、互いに長さが等しい３つの光導波路２、３、４と、該３つの導波路の一端が接続された光導波路５とが形成されている。光導波路２、３、４、５には発光作用を有する活性層が設けられており、光導波路２、３、４、５にはそれぞれ、電流を注入するための電極６、７、８、９が備えられている。

３つの光導波路２、３、４は、本発明の光導波路型発光領域として機能するものである。３つの光導波路２、３、４の長さ、すなわち、光導波路２、３、４の他端から光導波路５との接続部までのそれぞれの長さＳ１は全て等しい。また、光導波路２、３、４の活性層の組成は同一である。よって、光導波路２、３、４へ同量の電流が注入されると、光導波路２、３、４からは利得、スペクトル幅、スペクトル帯域、ピーク波長等のスペクトル特性が等しい光が発生される。

光導波路５は、光導波路２、３、４で発生した各光が入射されて、該各光が合波された光を外部に出射するための光導波路であり、本発明の出射用光導波路として機能するものである。光導波路５は、外部に光出射が可能なように、少なくとも１つの素子端面まで伸びていることが必要である。本実施形態の光半導体素子１は、図示右奥側の素子端面１ａから図示左手前側の素子端面１ｂまで伸びており、外部共振器型の波長可変光源に使用されるのに好適な構成となっている。光導波路５の素子端面１ａから素子端面１ｂまでの長さはＳ２である。

光半導体素子１においては、発光領域での誘導放出を極力低減して、自然出力光成分の割合を多くして、利得スペクトル幅に近い発光スペクトル幅の光を出射できるようにするため、光導波路２、３、４の長さＳ１は光導波路５の長さＳ２よりも短い方が好ましく、本実施形態では、そのように構成されている。具体的には、光導波路５の長さＳ２は、光半導体素子１が波長可変光源の利得媒体として使用されたときに十分な利得を得るために１〜３ｍｍ程度であることが望ましく、これに対して、光導波路２、３、４の長さＳ１は０．２〜０．５ｍｍ程度であることが望ましい。

電極６、７、８と電極９とは電気的に分離されており、別々に注入電流量を制御可能なように構成されている。

上述のように、光導波路２、３、４は、発光領域での誘導放出を極力低減して、自然出力光成分の割合を多くする構成をとっているため、光導波路２、３、４は、利得は小さいが、発光スペクトル幅が広い光を発生できる。図３に光導波路２、３、４でそれぞれ発生する各光の発光スペクトルを破線で、各光が合波された光の発光スペクトルを実線で示す。なお、上述のように、光導波路２、３、４で発生する光は等しいスペクトル特性をもつため、これらの光は図３では１種類の曲線として描かれている。図３に示すように、破線で示す光のスペクトル形状が単峰性の対称性の高い形状であれば、これらが合波された光のスペクトル形状もまた単峰性の対称性の高い形状になる。

これに対して、長さが異なる３つの光導波路で発生する光の発光スペクトルは、図４に破線で例示するように、利得、スペクトル幅、スペクトル帯域、ピーク波長等のスペクトル特性が等しいものとならない。これらの光を合波した光の発光スペクトルは、図４の実線で示すように、多峰性や非対称形状を呈するものとなることがある。

光半導体素子を波長可変光源や光断層画像化装置等に用いるときには、その発光スペクトルは単峰性の対称性の高い形状であることが好ましいため、図４に示す発光特性よりも図３に示す本実施形態の発光特性の方が好ましいものと言える。

光半導体素子１の素子端面１ａ、１ｂには反射防止膜が形成されている。これは、素子端面１ａ、１ｂにおける反射率が大きいと、光半導体素子１の素子端面１ａ、１ｂ間にファブリペロー共振器が構成され、このような光半導体素子１を外部共振器型の波長可変光源に用いると、光半導体素子１内部の共振器と外部共振器とがそれぞれ異なる波長にて発振し、互いの波長が競することでマルチモード化やモードポップが生じてしまい、安定な発振を得ることが難しいからである。

また、光半導体素子１の光導波路５は素子端面１ａ、１ｂの法線Ｈに対して３〜１５度の角度をもつ斜め導波路となるように構成されている。これは、光導波路を共振器端面から僅かに傾けた斜め光導波路構造をとることにより、素子端面により共振器構造が形成されるのを避け、レーザ発振を効果的に抑制することができるからである。このことは、１９７８年にＤ．Ｒ．ＳＣＩＦＲＥＳらによる、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ光半導体素子のストライプを端面の垂直方向に対して傾けていくと、実効的な端面反射率が低下しスーパルミネッセントダイオードとしての性能を示すという報告等から知られている。なお、このような斜め導波路構造を採用した場合は、反射防止膜１０は必ずしも必要ではない。また、素子端面１ａ、１ｂのいずれか一方に出力波長に対する無反射膜を形成すれば光導波路５は必ずしも法線方向に対して傾きを有していなくてもよい。

光導波路２、３、４、５の幅はそれぞれ、基本横モードのみを許容する幅となるように構成されている。これにより、基本横モード出力光を安定して得ることができ、光半導体素子１はシングルモードファイバと良好に光結合することができる。

以下、光半導体素子１の層構成および作製方法について説明する。光半導体素子１は、ｎ−ＩｎＰ基板１１上に、ｎ−ＩｎＰクラッド層１２が積層されている。ｎ−ＩｎＰクラッド層１２の上には、ＩｎＧａＡｓＰ系活性層１６、ｐ−ＩｎＰ第一クラッド層１７からなるストライプ状のリッジ構造部２０が形成されている。リッジ構造部２０は、ｐ−ＩｎＰ埋め込み層１３、ｎ−ＩｎＰ埋め込み層１４により挟まれている。リッジ構造部２０およびｎ−ＩｎＰ埋め込み層１４の上にｐ−ＩｎＰ第二クラッド層１５が積層されている。リッジ構造部２０、ｐ−ＩｎＰ第一クラッド層１３、ｎ−ＩｎＰ埋め込み層１４は、光導波路２、３、４、５を形成すべく、所定のパターンで形成されており、それ以外の層は全てｎ−ＩｎＰ基板１１の略全面に形成されている。光導波路２、３、４、５は、ＩｎＧａＡｓＰ系活性層１６により構成される。

ｐ−ＩｎＰ第二クラッド層１５の上面における、リッジ構造部２０に対応する位置にｐ側電極である電極６，７，８，９が形成され、ｎ−ＩｎＰ基板１１下面にｎ側電極１９が形成されている。

光半導体素子１を作製する際は、まず、ｎ−ＩｎＰ基板１１上にｎ−ＩｎＰクラッド層１２、ＩｎＧａＡｓＰ系活性層１６、ｐ−ＩｎＰ第一クラッド層１７を、この順に１回目の結晶成長により積層配置する。そして、その上に誘電体マスクとなるＳｉＯ_２選択成長マスクを形成して、エッチングにより光導波路以外のｐ−ＩｎＰ第一クラッド層１７、ＩｎＧａＡｓＰ系活性層１６およびｎ−ＩｎＰクラッド層１２の一部を除去する。ＩｎＧａＡｓＰ系活性層１６は発光波長の異なる量子井戸活性層をもつ多重量子井戸構造であることが望ましい。

次に２回目の結晶成長で、ｐ−ＩｎＰ埋め込み層１３、ｎ−ＩｎＰ埋め込み層１４にてエッチングにより除去した部分を埋め込む。さらに前記ＳｉＯ_２選択成長マスクを除去した後に、光導波路部分および埋め込み層の全体を覆うようにｐ−ＩｎＰ第二クラッド層１５を成長させる。上記のように、光導波路２、３、４、５は、ＳｉＯ_２選択成長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１００mｍ程度になるまでｎ−ＩｎＰ基板１１の研磨を行い、最後にｎ側電極１９をｎ−ＩｎＰ基板１１の裏面に、電極６，７，８，９をｐ−ＩｎＰ第二クラッド層１５の上面の光導波路２、３、４、５に対応する位置に蒸着および熱処理により形成する。

上記実施形態の光半導体素子１ではＩｎＰ基板とそれに格子整合する材料系を用いて光半導体素子１から放射される光の波長を１．３mｍ帯もしくは１．５mｍ帯とした例を挙げているが、本発明は、ＧａＡｓ基板とそれに格子整合する材料系を用いて０．６〜１．２mｍ帯の波長の光を放射する光半導体素子に適用することも可能である。

なお、本実施形態では光導波路型発光領域として３つの光導波路を有する例について説明したが、本発明の光導波路型発光領域の数は３つに限定されるものではなく、２つ、または４つ以上の複数でもよく、任意に設定可能である。

本発明の光半導体素子は、例えば波長可変光源の利得媒体として利用可能であり、通信、計測、医療、印刷、画像処理等の分野に適用可能である。以下、本発明の実施形態にかかる光半導体素子を利用した波長可変光源について説明する。

＜波長可変光源の第１の実施形態＞
次に、図５を参照しながら、本発明にかかる波長可変光源の第１の実施形態について説明する。本実施形態では、波長可変光源として、リットマン配置の外部共振器型波長可変レーザを例に挙げて説明する。

本実施形態の波長可変光源２１は、上記で説明した光半導体素子１と、光半導体素子１からの出力光を共振させるレーザ共振器（共振手段）２２と、レーザ共振器２２における発振波長を選択し、かつ、該発振波長を変更可能な回折光学素子（波長選択手段）２３とから概略構成されている。

レーザ共振器２２内部には、共振器ミラー２４、光半導体素子１、コリメートレンズ２５、回折光学素子２３、可動ミラー２６が光路に沿ってこの順に配置されており、共振器ミラー２４と可動ミラー２６がレーザ共振器２２の両端部を構成する。共振器ミラー２４は部分反射コーティングが施されている。

光半導体素子１から出射された所定のスペクトル幅をもつ光は、コリメートレンズ２５で平行光に変換された後、回折光学素子２３で波長分散される。波長分散された回折光のうち、可動ミラー２６の反射面に直交する特定の波長の光のみが回折光学素子２３に戻り、この光が光半導体素子１に帰還することにより発振波長が選択される。可動ミラー２６は、可動ミラー２６の反射面と回折光学素子２３の入射面とのなす角が変更可能なように、回転可能に構成されており、可動ミラー２６を回転させることにより、光半導体素子１に帰還する光の波長を変更でき、これによりレーザ共振器２２における発振波長を変更できる。

上記のように選択された波長の光が光半導体素子１の素子端面１ａから基本横モードのレーザ光として出射され、その一部は共振器ミラー２４を透過して光アイソレータ２７を経由してレンズ２８で集光された後、光ファイバ２９に入射して外部へ伝送される。光アイソレータ２７を介在させることで、光ファイバ２９の遠端からの反射光が光半導体素子１に光結合するのを防ぐことができる。

なお、本実施形態ではリットマン配置の波長可変光源を例にとり説明したが、本発明はかかる構成に限定されるものではなく、リトロー配置等を採用してもよい。

本実施形態の波長可変光源は、本発明の一実施形態である広帯域の発光スペクトルを有する光半導体素子１を備えたものであるので、波長可変範囲を広帯域にとることができる。

＜波長可変光源の第２の実施形態＞
次に、図６を参照しながら、本発明にかかる波長可変光源の第２の実施形態について説明する。本実施形態では、波長可変光源として、リング状のレーザ共振器を有する、リングレーザと称されるものを例に挙げて説明する。

本実施形態の波長可変光源３１は、光半導体素子１と、光半導体素子１からの出力光を共振させるレーザ共振器（共振手段）３２と、レーザ共振器３２における発振波長を選択し、かつ、該発振波長を変更可能な光フィルタ（波長選択手段）３３とから概略構成されている。

レーザ共振器３２は、図６に示すように、レンズ３４、光アイソレータ３５、レンズ３６、光半導体素子１、レンズ３７、光フィルタ３３、レンズ３８が順に配置され、レンズ３４とレンズ３８が光ファイバ３９と光結合することでリング状の共振器を構成している。

光半導体素子１から出射された所定のスペクトル幅をもつ光は、レンズ３７で平行光に変換された後、光フィルタ３３に入射する。光フィルタ３３は、誘電体多層膜が施されたフィルタであり、特定の波長の光のみを透過させる波長選択性を有する。光フィルタ３３により選択された波長の光は、レンズ３８により集光されて光ファイバ３９に入射し、光ファイバ３９内を伝播した後、レンズ３４近傍の光ファイバ端より出射され、レンズ３４により平行光に変換された後、光アイソレータ３５を経由してレンズ３６により集光されて光半導体素子１に帰還する。

レーザ共振器３２では、光半導体素子１のもつ光利得がレーザ共振器３２の全損失を上回る状態になるとレーザ発振が生じる。レーザ共振器３２内の光は、光ファイバ３９の途中に接続された光カプラ４０により外部へ出力することができる。

光フィルタ３３は、その入射光の光軸とフィルタ面とのなす角度により透過させる光の波長を変更できるため、光フィルタ３３の面角度を変更することにより、選択波長を変更でき、これによりレーザ共振器３２における発振波長を変更できる。

光アイソレータ２７はリング状のレーザ共振器３２の光の周回方向を決めるとともに、レーザ共振器３２の安定な発振動作にも寄与する。

本実施形態の波長可変光源は、本発明の一実施形態である広帯域の発光スペクトルを有する光半導体素子１を備えたものであるので、波長可変範囲を広帯域にとることができる。

＜本発明の実施形態と比較例の評価＞
次に、本発明の実施形態とその比較例について説明する。以下の説明で用いる本発明の実施形態の光半導体素子は、図１に示す光半導体素子１と同様に光導波路型発光領域と出射用光導波路を有し、光導波路型発光領域は長さ３００μｍのものが５つ形成されており、素子長は１．５ｍｍ、光導波路５の素子端面の法線に対する傾き角は７度、バンドギャップの異なる量子井戸層が２つ形成されたＤＱＷ構造を有し、その他の基本的な構成は図１に示す光半導体素子１と同様である。

一方、比較例の光半導体素子は、上記実施形態の光半導体素子として比較して光導波路型発光領域が無い点のみ異なり、その他の構成は全く同様である。

上記実施形態の光半導体素子と、比較例の光半導体素子とをそれぞれ図５に示すような波長可変光源に配置し、波長可変動作範囲を評価した。波長可変動作範囲は、比較例のものが中心波長約１３００ｎｍ、半値幅１００ｎｍであるのに対し、実施形態のものは中心波長約１３００ｎｍ、半値幅１５０ｎｍの範囲にわたって波長を変化させることができた。以上のように、本発明の実施形態の光半導体素子によれば、比較例のものと比べて、波長可変動作範囲を大幅に広げることができる。

＜光断層画像化装置の実施形態＞
次に、図７を参照しながら、本発明にかかる光断層画像化装置の実施形態について説明する。

図７は本発明の実施形態による光断層画像化装置１００の構成を示す図である。光断層画像化装置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。光断層画像化装置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Ｃ３と、光分割手段Ｃ３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Ｃ３により分割された測定光Ｌ１を測定対象Ｓまで導波するプローブ１３０と、プローブ１３０から測定光Ｌ１が測定対象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Ｃ４と、合波手段Ｃ４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。

本装置における光源ユニット１１０は、本発明の実施形態にかかる光半導体素子１１１と、光半導体素子１１１からの出力光を共振させるリング状のレーザ共振器（共振手段）１１７と、レーザ共振器１１７における発振波長を選択し、かつ、該発振波長を変更可能な回折光学素子（波長選択手段）１１４とを備え、波長を一定の周期で掃引させながらレーザ光Ｌを射出する外部共振器型の波長可変光源である。

光源ユニット１１０と図６に示す波長可変光源３１とを比較すると、波長可変光源３１の波長選択手段はリング状のレーザ共振器内に配置されていたが、光源ユニット１０の波長選択手段はリング状のレーザ共振器外に配置されている点が異なる。なお、図７に示すレーザ共振器１１７もまた図６に示すレーザ共振器３２と同様に、光アイソレータや光結合用のレンズを有するが、図７ではこれらの図示は省略している。

光半導体素子１１１は、図１に示す光半導体素子１と同様に、光導波路型発光領域として機能する複数の光導波路と、これらの光導波路で発生した各光が入射され、該各光が合波された光を外部に出射するための出射用光導波路とを備えており、広い発光スペクトル幅を有する素子である。

光半導体素子１１１の両端に接続された光ファイバＦＢ１０により、いわゆるリングレーザが構成され、光半導体素子１１１は電極への駆動電流の注入により微弱な放出光を光ファイバＦＢ１０の一端側に射出するとともに、光ファイバＦＢ１０の他端側から入射された光を増幅する。半導体光増幅器１１および光ファイバＦＢ１０により形成されるリング状の光共振器によりパルス状のレーザ光Ｌが光ファイバＦＢ１０へ射出される。

光ファイバＦＢ１０の途中に結合されたサーキュレータ１１２により、光ファイバＦＢ１０内を導波する光の一部がサーキュレータ１１２から光ファイバＦＢ１１側へ射出される。光ファイバＦＢ１１から射出した光はコリメータレンズ１１３、回折光学素子１１４、光学系１１５を介して回転多面鏡（ポリゴンミラー）１１６において反射される。反射された光は光学系１１５、回折光学素子１１４、コリメータレンズ１１３を介して再び光ファイバＦＢ１１に入射される。

ここで、この回転多面鏡１１６は矢印Ｒ１方向に回転するものであって、各反射面の角度が光学系１１５の光軸に対して変化するようになっている。これにより、回折光学素子１１４において波長分散された光のうち、特定波長の光だけが再び光ファイバＦＢ１１に戻るようになる。この光ファイバＦＢ１１に戻る光の波長は光学系１１５の光軸と反射面との角度によって決まる。そして光ファイバＦＢ１１に入射した特定波長の光がサーキュレータ１１２から光ファイバＦＢ１０に入射され、結果として特定波長のレーザ光Ｌが光ファイバ１０の途中に接続された光カプラＣ１により外部に出力され、光ファイバＦＢ０側に射出されるようになっている。

したがって、回転多面鏡１１６が矢印Ｒ１方向に等速で回転したとき、再び光ファイバＦＢ１１に入射される光の波長λは図８に示すように、時間ｔの経過に伴って一定の周期で変化することになる。こうして光源ユニット１１０からは、波長掃引されたレーザ光Ｌが光ファイバＦＢ０側に射出され、そのレーザ光Ｌはさらに光カプラＣ２を経由して光ファイバＦＢ１側に射出されて光分割手段Ｃ３に入射する。

光分割手段Ｃ３は、たとえば２×２の光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ＦＢ１を介して導波された光Ｌを測定光Ｌ１と参照光Ｌ２に分割する。光分割手段Ｃ３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により導波され、参照光Ｌ２は光ファイバＦＢ３により導波される。なお、本実施形態における光分割手段Ｃ３は、合波手段Ｃ４としても機能するものである。

光ファイバＦＢ２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ＦＢ２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ＯＣにより光ファイバＦＢ２に対し着脱可能に取り付けられている。

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１３２と、このプローブ外筒１３２の内部空間に、該外筒１３２の軸方向に延びる状態に配設された１本の光ファイバ１３３と、光ファイバ１３３の先端から射出した測定光Ｌ１をプローブ外筒１３２の周方向に偏向させるプリズムミラー１３４と、光ファイバ１３３の先端から射出した測定光Ｌ１を、プローブ外筒１３２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１３５と、プリズムミラー１３４を光ファイバ１３３の軸を回転軸として回転させるモータ１３６とを備えている。

一方、光ファイバＦＢ３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。

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。

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。

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。

合波手段Ｃ４は、前述のとおり２×２の光カプラからなり、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を導波手段である光ファイバ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。

干渉光検出手段１４０は、合波手段Ｃ４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をフーリエ変換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。そして、この取得された断層画像が表示装置１６０により表示される。なお、本例の装置においては、干渉光Ｌ４を光分割手段Ｃ３で二分した光を光検出器１４０ａと１４０ｂ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。

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。

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、
Ｉ（ｋ）＝∫_０ ^∞Ｓ（ｌ）［１＋ｃｏｓ（ｋｌ）］ｄｌ ・・・（１）
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。

次に、上記構成を有する光断層画像化装置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Ｃ３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Ｃ４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化装置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。

なお、プローブ１３０を回転させて、測定対象Ｓに対して測定光Ｌ１を１次元方向に走査させれば、この走査方向に沿った各部分において測定対象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。また、測定対象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。

本発明にかかる光半導体素子の実施形態の全体斜視図 図２（Ａ）は図１の光半導体素子のＡ−Ａ’断面図であり、図２（Ｂ）は図１の光半導体素子のＢ−Ｂ’断面図 図１の光半導体素子の各光導波路型発光領域で発生する光とそれらの合波光の発光スペクトルを示す図 長さの異なる光導波路で発生する光とそれらの合波光の発光スペクトルを示す図 本発明にかかる波長可変光源の第１の実施形態の構成を示す図 本発明にかかる波長可変光源の第２の実施形態の構成を示す図 本発明にかかる光断層画像化装置の実施形態の構成を示す模式図 図７の光断層画像化装置における波長掃引の様子を示す図

符号の説明

１ 光半導体素子
１ａ、１ｂ 素子端面
２、３、４、５ 光導波路
６、７、８、９ 電極
１１ ｎ−ＩｎＰ基板
１２ ｎ−ＩｎＰクラッド層
１３ ｐ−ＩｎＰ埋め込み層
１４ ｎ−ＩｎＰ埋め込み層
１５ ｐ−ＩｎＰ第二クラッド層
１６ ＩｎＧａＡｓＰ系活性層
１７ ｐ−ＩｎＰ第一クラッド層
１９ ｎ側電極
２１、３１ 波長可変光源
２２、３２、１１７ レーザ共振器
２３、１１４ 回折光学素子
３３ 光フィルタ
１００ 光断層画像化装置
１１０ 光源ユニット
１１６ 回転多面鏡
１２０ 光路長調整手段
１３０ プローブ
１４０ 干渉光検出手段
１５０ 画像取得手段
１６０ 表示装置
Ｃ１、Ｃ２ 光カプラ
Ｃ３ 光分割手段
Ｃ４ 合波手段
ＦＢ０、ＦＢ１、ＦＢ２、ＦＢ３、ＦＢ４、ＦＢ１０、ＦＢ１１ 光ファイバ
Ｌ レーザ光
Ｌ１ 測定光
Ｌ２ 参照光
Ｌ３ 反射光
Ｌ４ 干渉光
Ｓ 測定対象

Claims (5)

1. 互いに長さが等しい複数の光導波路型発光領域と、
   前記複数の光導波路型発光領域で発生した各光が入射され、該各光が合波された光を外部に出射するための出射用光導波路とが形成されていることを特徴とする光半導体素子。
2. 前記複数の光導波路型発光領域と前記出射用光導波路に別々に電流を注入可能な電極を備えていることを特徴とする請求項１記載の光半導体素子。
3. 請求項１または２記載の光半導体素子と、
   該光半導体素子から出射された光を共振させる共振手段と、
   該共振手段における発振波長を選択し、かつ、該発振波長を変更可能な波長選択手段とを備えたことを特徴とする波長可変光源。
4. 前記波長選択手段は、回折光学素子、または光フィルタを有することを特徴とする請求項３に記載の波長可変光源。
5. 請求項３または４記載の波長可変光源と、
   該波長可変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、
   前記測定光が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合波する合波手段と、
   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、を備えたことを特徴とする光断層画像化装置。

Images