JP2016207858A - 多波長レーザ光源及び誘導放出抑制顕微鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】 光軸が容易に一致し、異なる２以上の波長のレーザ光を出力可能な小型の多波長レーザ光源及び誘導放出抑制顕微鏡を提供する。
【解決手段】
誘導放出抑制顕微鏡は、多波長レーザ光源から出射された２以上のレーザ光が入射し、これらの波長のレーザ光を被測定対象に照射する対物レンズ６０と、レーザ光の照射によって被測定対象から出力されたレーザ光をモニタするカメラとを備えている。多波長レーザ光源の回折格子層６は、第１回折格子領域と、第２回折格子領域とを備えている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、多波長レーザ光源及び誘導放出抑制顕微鏡に関する。

誘導放出抑制顕微鏡（ＳＴＥＤ：Ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｄｅｐｌｅｔｉｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）は、誘導放出による蛍光抑制現象を利用した顕微鏡である。すなわち、蛍光体に単峰性強度分布の励起光を照射すると、蛍光体が励起され、蛍光が発生する。この励起状態で、励起光よりも長波長で、且つ、ドーナッツ状強度分布の発光抑制光（ＳＴＥＤ光）を照射すると、誘導放出が生じて、蛍光体におけるドーナッツ状の領域において、蛍光の発生が抑制され、強制的に基底状態になる。発光抑制光の照射量を増加させると、ドーナッツ状の領域で蛍光強度が減少していき、中央の微小なスポット光のみが残る。現在、このスポットサイズは、概ね数十ｎｍと言われており、照明光の回折限界を超える顕微鏡技術として期待されている。

特表２００７−５０４４９９号公報

しかしながら、ＳＴＥＤ顕微鏡用の光源においては、励起光及び発光抑制光の同軸化が必要であり、励起光用の光源及び発光抑制用の光源、これら２つの光源を採用した場合、これらの光軸を一致させるのが難しく、また、装置が大型化するという問題がある。また、光軸が不一致であると、ＳＴＥＤ顕微鏡における分解能は低下する。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、光軸が容易に一致し、異なる２以上の波長のレーザ光を出力可能な小型の多波長レーザ光源及び分解能を向上可能な誘導放出抑制顕微鏡を提供することを目的とする。

上述の課題を解決するため、第１の多波長レーザ光源は、一対のクラッド層と、前記クラッド層間に位置する活性層と、前記活性層に光学的に結合した１又は複数の回折格子層と、を備えた多波長光源であって、平面視で見た場合において、前記回折格子層は、第１波長を選択するための屈折率分布を有する第１回折格子領域と、前記第１回折格子領域を囲み、前記第１波長よりも長い第２波長を選択するための屈折率分布を有する第２回折格子領域とを備えることを特徴とする。

この多波長レーザ光源によれば、第１回折格子領域と、第２回折格子領域との相対位置関係は、活性層に対して光学的に結合する位置に予め固定されているので、これらの光軸が容易に一致する。それぞれの結晶領域においては、出力する波長が異なる。第２回折格子領域は、第１回折格子領域を囲んでおり、ドーナッツ状のレーザ光を対象物に照射する。第１回折格子領域は、短波長を選択して励起光を出力するが、そのスポットの周辺にはドーナッツ状の発光抑制光が照射され、中央のスポットによる蛍光スポットサイズが小さくなる。

特定の物質に結合する蛍光標識は、レーザ光の照射される蛍光体として用いることができる。

第２の多波長レーザ光源においては、前記活性層は、複数の井戸層を備えた量子井戸構造を有しており、前記井戸層のうちの少なくとも１つは、前記第１波長用の第１エネルギーバンドギャップを有しており前記井戸層のうちの少なくとも他の１つは、前記２波長用の第２エネルギーバンドギャップを有していることを特徴とする。

この場合、活性層からの出力光に第１波長と第２波長が含まれているので、第１波長及び第２波長のレーザ光の強度が高くなる。

第３の多波長レーザ光源においては、前記活性層は、不均一な量子ドットを有することを特徴とする。この場合、活性層は、広い利得波長を有し、多数のレーザ光の波長を選択できるので、回折格子が、第１波長及び第２波長のレーザ光を選択して出力しやすくなる。

第４の多波長レーザ光源においては、前記活性層は、前記第１回折格子領域に対向した第１活性領域と、前記第２回折格子領域に対向した第２活性領域と、を備えており、前記第１活性領域と前記第２活性領域とは、エネルギーバンドギャップ構造が異なることを特徴とする。

この場合、異なる波長を出力する第１及び第２回折格子領域毎に、第１及び第２活性領域を対向させているので、第１波長及び第２波長のレーザ光の強度が高くなる。

第５の多波長レーザ光源においては、前記回折格子層は、基本層と、前記基本層とは異なる屈折率を有し、前記基本層内に周期的に配置された複数の異屈折率領域と、を備えており、平面視において、前記第１回折格子領域における前記異屈折率領域の形状は、回転非対称であり、前記第２回折格子領域における前記異屈折率領域の形状は、回転対称であることを特徴とする。

回折格子層は、異屈折率領域の埋め込みにより、二次元的に屈折率変化する周期構造を有しているため、回折格子として機能すると共に、フォトニック結晶層として機能している。

異屈折率領域が回転非対称の形状を有している場合、単峰性の強度分布を有するビームパターンが得られ、回転対称の形状を有している場合、前記第２回折格子領域が開口を有するので、中心部に暗部を有するドーナッツ状ビームパターンが得られ、好適に蛍光スポットのサイズを小さくすることができる。このとき、回転対称の形状であるため、回折格子層と平行な方向での光の電界分布が回転対称となり、光出力が得られる方向すなわち回折格子層に対して垂直な方向に回折する光同士の打ち消しあいが生じることから、回折格子層に対して垂直な方向の光漏れが少なくなるため低閾値電流で動作し、低消費電力での動作が可能となる。

前記回折格子領域１および２の異屈折率領域が回転非対称の形状を有している場合、偏光方向を制御することが出来る。このとき、前記回折格子領域１では単峰性の強度分布を有するビームパターンが得られ、前記回折格子領域２は中心部に暗部を有するため、中心部に暗部を有するドーナッツ状ビームパターンが得られ、前記回折格子領域１および２の偏光方向を制御して、好適に蛍光スポットのサイズを小さくすることができる。

第６の多波長レーザ光源においては、前記第１回折格子領域と前記第２回折格子領域との間に、これらの光学的結合を分離する分離手段を更に備えることを特徴とする。

すなわち、第１回折格子領域と第２回折格子領域との間が生じると、クロストークが発生し、全体の光量が低下する恐れがあるため、これらの間を分離しておくと、クロストークを抑制し、光量の低下を抑制することができる。

上述の多波長レーザ光源を用いた誘導放出抑制顕微鏡は、上述のいずれかの多波長レーザ光源と、前記多波長レーザ光源から出射された２以上のレーザ光が入射し、これらの波長のレーザ光を被測定対象に照射する対物レンズと、前記レーザ光の照射によって被測定対象から出力された蛍光をモニタするカメラを備えることを特徴とする。

多波長レーザ光源による蛍光位置分解能が高いため、蛍光体を含む被測定対象から出力された蛍光をモニタすると、高い分解能の誘導放出顕微鏡を実現することができる。

多波長レーザ光源及び誘導放出抑制顕微鏡によれば、半導体を用いて小型で形成することができるにも拘らず、２以上の波長のレーザ光の光軸を容易に一致させることができ、したがって、誘導放出抑制顕微鏡の分解能を上げることができる。

誘導放出抑制（ＳＴＥＤ）顕微鏡のブロック図である。 ＸＹ平面内におけるレーザビームスポットについて説明する図である。 多波長レーザ光源（第１実施形態）の断面図である。 多波長レーザ光源の回折格子層６の平面図である。 多波長レーザ光源の回折格子層６の平面図である。 活性層４の近傍の構造（第２実施形態）の断面図である。 活性層４の近傍の構造（第３実施形態）の断面図である。 多波長レーザ光源（第４実施形態）の断面図である。 分離溝の一例を示す多波長レーザ光源の断面図である。 分離溝の一例を示す多波長レーザ光源の断面図である。 ２つの回折格子層を備えた多波長レーザ光源の縦断面図である。

以下、実施の形態に係る多波長レーザ光源及び誘導放出抑制（ＳＴＥＤ）顕微鏡について説明する。同一要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。

図１は、誘導放出抑制（ＳＴＥＤ）顕微鏡のブロック図である。

多波長レーザ光源を用いた誘導放出抑制顕微鏡は、多波長レーザ光源１０と、多波長レーザ光源１０から出射された２以上のレーザ光が入射し、これらの波長のレーザ光を被測定対象としての試料７０に照射する対物レンズ６０と、レーザ光の照射によって試料７０から出力された蛍光をモニタするカメラを備えている。

詳説すれば、多波長レーザ光源１０から出力された２種のレーザ光は、コリメータレンズ２０を介して平行化され、Ｙスキャナ３０、ダイクロイックミラー４０で反射されて、Ｘスキャナ５０、対物レンズ６０を介して、試料７０に照射される。試料７０はビーカやスライドガラスなどの試料ホルダＨＤによって保持されており、試料ホルダＨＤは、ＸＹＺ直交座標空間内で、三次元移動可能なテーブルＴＢ上に載置されている。

Ｙスキャナ３０は、ＸＹ平面内におけるＹ軸方向にビーム走査を行うガルバノメータであり、Ｘスキャナ５０は、ＸＹ平面内におけるＸ軸方向にビーム走査を行うガルバノメータである。また、対物レンズ６０は、テレセントリックｆθ対物レンズであり、これに入射したレーザ光は、テーブルＴＢの表面に対して垂直な進行方向を維持したまま走査される。したがって、像分解能が高いという特性がある。ｆθレンズは入射角度θに比例した像高を有しており、像高Ｙ、焦点距離ｆの場合、Ｙ＝ｆθを満たす。ｆθレンズを使用することにより等速度スキャンができるという利点もある。

ダイクロイックミラー４０は、多波長レーザ光源１０からのレーザ光の波長の光を反射し、試料７０において励起された蛍光成分を含む帯域の光を透過させる。試料７０において発生し、対物レンズ６０、Ｘスキャナ５０、ダイクロイックミラー４０を透過した蛍光成分を含む光は、（バンドパス）フィルタ８０を透過することで、蛍光成分のみがこれを透過し、結像レンズ９０によって固体撮像素子１００の撮像面上に結像する。

本例では、フィルタ８０、結像レンズ９０及び固体撮像素子１００は、カメラを構成しているが、撮像用のカメラ構成としては、これに限定されるものではなく、固体撮像素子に代えて、イメージ管などを用いることも可能である。

次に、多波長レーザ光源１０について説明する。

図２は、ＸＹ平面内におけるレーザビームスポットについて説明する図である。

本例の多波長レーザ光源１０は、２種類のレーザ光を出力する。１種類目は、短波長の励起光であり、単峰性のスポット形状を有する第１レーザ光ＬＢ１である。２種類目は、励起光よりも長い波長を有するドーナッツ状の第２レーザ光ＬＢ２である。なお、ドーナッツの内径は、スポットの外径よりも小さい。

これらの２種類の光は、重心位置が略一致する。はじめに前記１種類目の励起光ＬＢ１を試料内の蛍光体（蛍光標識）に照射されると、蛍光体の前記重心位置において、蛍光体の電子が基底準位Ｓ０から励起準位Ｓ２に励起される。一般的に蛍光発光は、励起準位Ｓ２に励起後、無放射緩和により、低い励起準位Ｓ１の状態に遷移の後に発生する。次に、前記２種類目の励起準位Ｓ１と基底準位Ｓ０のエネルギー差程度に相当する波長のドーナッツ状の励起光ＬＢ２を照射する。このとき、蛍光体の励起スポットの中で、第２レーザ光ＬＢ２、すなわち発光抑制光（ＳＴＥＤ光）、が照射されたドーナッツ状の領域で誘導放出が生じて、強制的にキャリアが基底準位Ｓ０の状態へと失活する。その結果、ドーナッツ状光の中央の微小なスポット光のみで蛍光を発し、元々のスポット径よりも小さな領域からの蛍光を観察することが出来る。

次に、多波長レーザ光源１０について説明する。

図３は、多波長レーザ光源（第１実施形態）の断面図である。ｘｙｚ直交座標系は、図１のＸＹＺ座標系と比較すると、ｚ軸方向がＸ軸方向に一致する必要があるが、他の軸は、適当に設定すればよい。

半導体基板１の−ｚ軸方向の表面上に、順次、各半導体層がエピタキシャル成長されるものとする。この場合、−ｚ軸方向を上向きとした場合、半導体基板１上には、下部クラッド層２、下部光ガイド層３、上部光ガイド層５、回折格子層６、上部クラッド層７、及びコンタクト層８が順次形成される。なお、製造時においても、この順番に沿って、順次各化合物半導体層が形成される。

半導体基板１の＋ｚ軸側の表面上には開口電極ＥＦが形成されており、開口内には反射防止膜Ｒが形成されている。また、コンタクト層８の−ｚ軸側の表面上には、内側電極ＥＢ１と、内側電極ＥＢ１を囲む外側電極ＥＢ２が形成されている。内側電極ＥＢ１は、基板中央に位置する内側領域Ｒ１内に形成され、外側電極ＥＢ２は、内側領域Ｒ１を囲む外側領域Ｒ２内に位置している。コンタクト層８上の残余の表面上にはＳｉＯ_２やシリコン窒化物などからなる絶縁膜Ｐが形成されている。なお、明示はしていないが、反射防止膜Ｒおよびコンタクト層８の膜厚は、内側電極ＥＢ１と外側電極ＥＢ２下で、それぞれ適切な波長および効率に合うように調整されるものとする。

平面視（ｚ軸に沿ってみた場合）において、中央の内側領域Ｒ１には、回折格子層６において、第１回折格子領域（異屈折率領域６Ｂ（１）が含まれる領域）が位置し、周囲の外側領域Ｒ２には、第２回折格子領域（異屈折率領域６Ｂ（２）が含まれる領域）が位置している。回折格子層６は、基本層６Ａと、これと異なる屈折率を有する異屈折率領域６Ｂからなり、異屈折率領域６Ｂは、ｘｙ平面内において、２次元的な周期構造を有している。この周期構造によって、活性層４によって発生したレーザ光のうちのどの波長成分を選択するかが異なる。

内側領域Ｒ１内の異屈折率領域６Ｂ１（１）と、外側領域Ｒ２内の異屈折率領域６Ｂ（２）は、平面形状、深さ及び配列間隔の少なくともいずれかが異なる。したがって、中央の内側領域Ｒ１からは、第１波長の第１レーザ光ＬＢ１が＋ｚ軸方向に向かって出射され、外側領域Ｒ２からは、第２波長の第２レーザ光ＬＢ２が＋ｚ軸方向に向かって出射される。

図４は、多波長レーザ光源の回折格子層６の平面図である。

例えば、内側領域Ｒ１内の異屈折率領域６Ｂ（１）の平面形状は（直角）三角形であり、外側領域Ｒ２内の異屈折率領域６Ｂ（２）の平面形状は円形である。これらはｘｙ平面内のいける正方格子の格子点位置にされている。なお、格子間隔ａの正方格子の場合、直交座標の単位ベクトルをｘ、ｙとすると、基本並進ベクトルａ１＝ａｘ、ａ２＝ａｙであり、基本並進ベクトルａ１、ａ２に対する基本逆格子ベクトルｂ１＝（２π／ａ）ｙ、ｂ２＝（２π／ａ）ｘである。回折格子層からなるフォトニック結晶のフォトニックバンドにおけるΓ点、すなわち、波数ベクトルｋ＝ｎｂ１＋ｍｂ２（ｎ、ｍは任意の整数）の場合に、格子間隔ａが波長λに等しい共振モード（ｘｙ平面内における定在波）が得られる。このとき、外側領域Ｒ２の異屈折率領域６Ｂ（２）の平面形状が回転対称の形状であるため、回折格子層と平行な方向での光の電界分布が回転対称となり、光出力が得られる方向すなわち回折格子層に対して垂直な方向に回折する光同士の打ち消しあいが生じることから、回折格子層に対して垂直な方向の光漏れが少なくなるため低閾値電流で動作し、低消費電力での動作が可能となる。

図５は、多波長レーザ光源の回折格子層６の平面図である。

例えば、内側領域Ｒ１内の異屈折率領域６Ｂ（１）の平面形状は（直角）三角形であり、外側領域Ｒ２内の異屈折率領域６Ｂ（２）の平面形状も（直角）三角形である。その他の構成と配置は、図４に記載ものと同一である。このとき、内側領域Ｒ１と外側領域Ｒ２の発光の偏光方向を制御することが出来、偏光依存性を持つ蛍光体であっても、適切な励起が可能となる。

なお、内側領域Ｒ１と外側領域Ｒ２との境界には、これらの領域で発生するレーザ光の電気的および光学的なクロストークを抑制するための分離溝Ｇｒｖ（分離手段）を設けることとしてもよいが、設けなくてもよい。分離溝Ｇｒｖは、平面視において、矩形環状を有しており、内側領域Ｒ１を囲んでいる。分離溝Ｇｒｖの内部には、カーボンブラックなどの遮光材料を埋め込むこともできるが、空気などの気体が充填される構造でもよい。クロストークを抑制できるものであれば、溝ではなく、遮光材料などからなる凸部であってもよい。

図９は、分離溝Ｇｒｖの一例を示す多波長レーザ光源の断面図である。

上記分離溝Ｇｒｖは、第１回折格子領域（内側領域Ｒ１）と第２回折格子領域（外側領域Ｒ２）との間に設けられ、これらの電気的および光学的結合を分離している。第１回折格子領域と第２回折格子領域との間でクロストークが発生すると、全体の制御性が低下し、光量が低下する恐れがあるため、これらの間を分離しておくと、クロストークを抑制し、光量の低下を抑制することができる。

分離溝Ｇｒｖは、深さ方向である＋ｚ軸方向に沿って、基板の露出表面から、コンタクト層８、上部クラッド層７及び基本層６Ａに至るまで延びているが、光ガイド層や活性層には到達していない。活性層へのダメージを抑制した状態で、電気的にクロストークを抑制することが可能となる。

図１０は、分離溝Ｇｒｖの一例を示す多波長レーザ光源の断面図である。

分離溝Ｇｒｖは、深さ方向である＋ｚ軸方向に沿って、基板の露出表面から、下部クラッド層２に至るまで延びている。これにより、光学的なクロストークを大幅に抑制することが可能となる。

図６は、活性層４の近傍の構造（第２実施形態）の断面図である。

本実施形態は、上述の多波長レーザ光源において、活性層４の構造のみを変更した例である。

すなわち、この多波長レーザ光源においては、活性層４は、複数のバリア層間に複数の井戸層４ａ、４ｃを備えた量子井戸構造を有しており、井戸層のうちの少なくとも１つの井戸層４ａは、第１波長用の第１エネルギーバンドギャップＥｇ１を有しており、井戸層のうちの少なくとも他の１つの井戸層４ｃは、２波長用の第２エネルギーバンドギャップＥｇ２を有している。バリア層は、（量子）井戸層よりもエネルギーバンドギャップが大きな層であり、本例では、キャリアブロック層４ｂがバリア層を構成している。また、下部光ガイド層３、上部光ガイド層５は、それぞれ、井戸層よりエネルギーバンドギャップが大きく、クラッド層より屈折率の大きい導波路層であるが、エネルギーバンドギャップのみに着目すると、バリア層としても機能している。

この場合、活性層４からの出力光に第１波長と第２波長が含まれているので、第１波長及び第２波長を選択する第１及び第２回折格子領域において、それぞれの波長を容易に選択することができ、適切な動作条件で駆動することで、第１波長及び第２波長のレーザ光の強度が高くなる。

図７は、活性層４の近傍の構造（第３実施形態）の断面図である。

本実施形態は、上述の多波長レーザ光源において、活性層４の構造のみを変更した例である。

この多波長レーザ光源においては、活性層４は、不均一な量子ドットを有することを特徴とする。この場合、活性層は、広い利得波長を有し、多数のレーザ光の波長を選択できるので、回折格子が、第１波長及び第２波長のレーザ光を選択して出力しやすくなる。活性層４を構成する基本層の材料は、ＧａＡｓやＡｌＧａＡｓやＩｎＧａＡｓなどの化合物半導体材料であり、量子ドットを構成する材料は、ＩｎＡｓやＧａＩｎＡｓなどの化合物半導体材料である。不均一な量子ドットは、下地材料と量子ドット材料の材料同士の歪みを利用する成長モード（Ｓｔｒａｎｓｋｉ−Ｋｒａｓｔａｎｏｖ成長モード）で自己形成により製造することができる。

図８は、多波長レーザ光源（第４実施形態）の断面図である。

この例は、上述の構造において、内側領域Ｒ１における活性層４の構造と、回折格子層６の位置のみを変更したものである。すなわち、内側領域Ｒ１の活性層４（１）（及び光ガイド層３（１）、５（１））と、外側領域Ｒ２の活性層４（２）（及び光ガイド層３（２）、５（２））は、別の層構造を有しており、別工程で製造する。活性層４（１）、４（２）の構造は、それぞれ第１波長のレーザ光、第２波長のレーザ光を出射するようにする。

第１波長（９８０ｎｍ）のレーザ光を出射する構造は、例えば以下の通りである。

活性層の材料と組成比：量子井戸構造（井戸層Ｉｎ_０．１４Ｇａ_０．８６Ａｓ、バリア層Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９Ａｓ）

活性層の厚み：井戸層幅１０ｎｍ

活性層の不純物濃度：ノンドープ

第２波長（１０６０ｎｍ）のレーザ光を出射する構造は、以下の通りである。

活性層の材料と組成比：量子井戸構造（井戸層Ｉｎ_０．２２Ｇａ_０．７８Ａｓ、バリア層Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９Ａｓ）

活性層の厚み：井戸層幅９ｎｍ

活性層の不純物濃度：ノンドープ

このように、活性層は、第１回折格子領域に対向した第１活性領域（第１波長を発生する領域）と、第２回折格子領域に対向した第２活性領域（第２波長を発生する領域）とを備えており、第１活性領域と第２活性領域とは、エネルギーバンドギャップ構造が異なる。

この場合、異なる波長を出力する第１及び第２回折格子領域毎に、第１及び第２活性領域を対向させているので、第１波長及び第２波長のレーザ光の強度が高くなる。

なお、回折格子層６は、下部クラッド層２と下部光ガイド層３との間に挿入することとし、これらの間に、エッチングストップ層９を介在させることとした。エッチングストップ層９は、ＡｌＧａＡｓやＧａＩｎＰなどからなり、エッチング量を制御することができる。

図１１は、２つの回折格子層を備えた多波長レーザ光源の縦断面図である。

上述の例では、１つの回折格子層を用いたが、これは２つ以上であってもよい、すなわち、下部クラッド層２と下部光ガイド層３との間、及び、上部光ガイド層５と上部クラッド層７との間に、共に、上述の回折格子層６を設けることとしたものであり、他の構造は、上記と同一である。この場合も、活性層４で発生したレーザ光は、双方の回折格子と結合して、回折格子の周期構造に応じたレーザ光ＬＢ１、ＬＢ２が出力される。

なお、各要素の材料の一例として、半導体基板１はＧａＡｓからなり、下部クラッド層２はＡｌＧａＡｓからなり、下部光ガイド層３はＡｌＧａＡｓからなり、活性層４は多重量子井戸構造ＭＱＷ（バリア層：ＡｌＧａＡｓ／井戸層：ＩｎＧａＡｓ）からなり、上部光ガイド層５は、下層ＡｌＧａＡｓ／上層ＧａＡｓからなり、上部クラッド層７がＡｌＧａＡｓからなり、コンタクト層８がＧａＡｓからなる。回折格子層（位相変調層、屈折率変調層）６は基本層６ＡがＧａＡｓ、基本層６Ａ内に埋め込まれた異屈折率領域（埋込層）６ＢがＡｌＧａＡｓからなる。

なお、各層には、第１導電型（Ｎ型）の不純物又は、第２導電型（Ｐ型）の不純物が添加されており（不純物濃度は１×１０^１７〜１×１０^２１／ｃｍ^３）、半導体基板１をＮ型、下部クラッド層２をＮ型、下部光ガイド層３をＩ型、活性層４をＩ型、上部光ガイド層５の下層をＰ又はＩ型、上層をＩ型、回折格子層６をＩ型、上部クラッド層７をＰ型、コンタクト層８をＰ型とすることができる。なお、意図的にはいずれの不純物も添加されていない領域は真性（Ｉ型）となっている。Ｉ型の不純物濃度は１×１０^１６／ｃｍ^３以下である。

また、例えば、半導体基板１の厚みを１５０μｍ（８０μｍ〜３５０μｍ）、下部クラッド層２の厚みを２×１０^３ｎｍ（１×１０^３ｎｍ〜３×１０^３ｎｍ）、下部光ガイド層３の厚みを１５０ｎｍ（０〜３００ｎｍ）、活性層４の厚みを３０ｎｍ（１０ｎｍ〜１００ｎｍ）、上部光ガイド層５の下層の厚みを５０ｎｍ（１０ｎｍ〜１００ｎｍ）、上層の厚みを５０ｎｍ（１０ｎｍ〜２００ｎｍ）、回折格子層６の厚みを１００ｎｍ（５０ｎｍ〜３００ｎｍ）、上部クラッド層７の厚みを２×１０^３ｎｍ（１×１０^３ｎｍ〜３×１０^３ｎｍ）、コンタクト層８の厚みを２００ｎｍ（５０ｎｍ〜５００ｎｍ）とすることができる。なお、括弧内は好適値である。

また、クラッド層のエネルギーバンドギャップは、光ガイド層のエネルギーバンドギャップよりも大きく、光ガイド層のエネルギーバンドギャップは活性層４の井戸層のエネルギーバンドギャップよりも大きく設定されている。ＡｌＧａＡｓにおいては、Ａｌの組成比を変更することで、容易にエネルギーバンドギャップと屈折率を変えることができる。Ａｌ_ＸＧａ_１−ＸＡｓにおいて、相対的に原子半径の小さなＡｌの組成比Ｘを減少（増加）させると、これと正の相関にあるエネルギーバンドギャップは小さく（大きく）なり、ＧａＡｓに原子半径の大きなＩｎを混入させてＩｎＧａＡｓとすると、エネルギーバンドギャップは小さくなる。すなわち、クラッド層のＡｌ組成比は、光ガイド層のＡｌ組成比よりも大きく、光ガイド層のＡｌ組成比は、活性層の障壁層（ＡｌＧａＡｓ）と同等か大きい。クラッド層のＡｌ組成比は０．２〜０．４に設定され、本例では０．３とする。光ガイド層及び活性層における障壁層のＡｌ組成比は０．１〜０．１５に設定され、本例では０．１とする。なお、ガイド層には電子の活性層からのリークを抑制するために、第２導電型(ｐ型)クラッド層との間にクラッド層と同等のＡｌ組成で１０〜１００ｎｍ程度の層を挿入しても良い。なお、回折格子層６における柱状の異屈折率領域を空隙とし、空気、窒素又はアルゴン等の気体が封入されてもよい。また、回折格子層６においては、ＸＹ平面内における正方格子又は三角格子の格子点位置に異屈折率領域６Ｂが配置されている。この正方格子における縦及び横の格子線の間隔は、レーザ光の波長を等価屈折率で除算した程度であり、具体的には３００ｎｍ程度に設定されることが好ましい。正方格子の格子点位置でなく、三角格子における格子点位置に異屈折率領域を配置することもできる。三角格子の場合の横及び斜めの格子線の間隔は、波長を等価屈折率で除算し、さらにＳｉｎ６０°で除算した程度であり、具体的には３５０ｎｍ程度に設定されることが好ましい。

次に、多波長レーザ光源の製造方法について説明する。

第１実施形態（図３）の場合、第一導電型（Ｎ型）のＧａＡｓからなる半導体基板１上に、第１導電型（Ｎ型）のＡｌＧａＡｓからなる下部クラッド層２、ＡｌＧａＡｓからなる下部光ガイド層３、多重量子井戸構造（ＭＱＷ）（バリア層：ＡｌＧａＡｓ，井戸層ＩｎＧａＡｓ）からなる活性層４、ＡｌＧａＡｓからなる上部光ガイド層５、ＧａＡｓからなる回折格子層（屈折率変調層）６を、ＭＯＣＶＤ法またはＭＢＥ法を用いて結晶成長する。

このとき、多重量子井戸層（ＭＱＷ）には少なくとも２種類以上の異なる幅の井戸層を有する構造（図６）、あるいは、ＩｎＡｓやＧａＩｎＡｓからなる自己形成量子ドット構造（図７）を用いることができる。

次に回折格子層６の表面に微細加工技術を用いて、第１回折格子領域と第２回折格子領域を形成する。第１回折格子領域では、領域２００μｍ角に、正方格子の格子点位置に、格子間隔ａ１で、直角二等辺三角形の孔が配置され、そして、第１回折格子領域の周囲に、５μｍ隔てて、幅２００μｍの領域に、正方格子の配置に従って、格子間隔ａ２で、円形の孔が配置される。

格子定数ａ１、ａ２は、例えばλ１＝９７６ｎｍの励起光とλ２＝１０６４ｎｍの励起抑制光の波長に対応して定めることができ、等価屈折率がおよそ３〜３．５（略３．３）程度であることから、格子定数ａ１は２９６ｎｍ、格子定数ａ２は３２２ｎｍと定めることが出来る。

続いて、第二導電型（Ｐ型）のＡｌＧａＡｓからなる上部クラッド層７、第二導電型（Ｐ型）のＧａＡｓコンタクト層８をＭＯＣＶＤ法により結晶成長する。このとき、回折格子層６には、ＧａＡｓからなる基本層６Ａと，ＡｌＧａＡｓまたは空洞からなる埋込層６Ｂが形成される。

続いて、レーザ光源の上面に、第１回折格子領域の略直上に反射防止膜を、第２回折格子領域の略直上にも反射防止膜を形成し、第１回折格子領域を中心に、第２回折格子領域を取り囲む５００μｍ角の領域に表面電極ＥＦを形成する。このとき、表面電極ＥＦは第一の導電型（Ｎ型）に対応して、ＡｕＧｅ／Ａｕなどの材料を用いることができる。一方、反射防止膜Ｒは、窒化シリコン（ＳｉＮ）、二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）などの誘電体単層膜或いは誘電体多層膜からなり、それぞれの領域に形成される反射防止膜Ｒは、それぞれ、励起光λ１と励起抑制光λ２に応じた膜厚に調整される。

続いて、内側領域Ｒ１に裏面電極ＥＢ１を、外側領域Ｒ２に裏面電極ＥＢ２を設け、裏面電極ＥＢ１、ＥＢ２の周囲には絶縁膜Ｐが設けられる。このとき、裏面電極ＥＢ１、ＥＢ２には、第二導電型（Ｐ型）に対応して、Ｔｉ／Ａｕ，Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｃｒ／Ａｕなどの材料を用いることが出来、絶縁膜Ｐには、窒化シリコン（ＳｉＮ）、二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）などを用いることができる。

次に、本レーザ光源では、裏面電極ＥＢ１と裏面電極ＥＢ２毎に異なる取り出し電極を有するハンダパターンを形成したサブマウント上にマウントすることで、個別に第１及び第２の回折格子領域をそれぞれ個別に駆動することが可能となる。このとき、ハンダ材にはＩｎ，Ａｕ／Ｓｎなどを用いることができる。

以上の、第１回折格子領域では単峰ビームが出射されるのに対し、第２回折格子領域では、ドーナツ状のビームが同軸上に出射されるため、ＳＴＥＤ光源モジュールへの適用が可能となる。

また、本装置のレーザ光を照射することで、ＬｉＢ_３Ｏ_５（ＬＢＯ）結晶などの非線形光学結晶による第二高調波が発生するので、４８８ｎｍの青色のレーザ光と、５３２ｎｍの緑色のレーザ光を同軸上で出射することが可能となり、各種色素の励起が可能となる。

次に、複数種の活性層を備える構造（図８）について説明する。

第一導電型（Ｎ型）のＧａＡｓからなる半導体基板１上に、第１導電型（Ｎ型）のＡｌＧａＡｓからなる下部クラッド層２、ＧａＡｓからなる回折格子層６を、ＭＯＣＶＤ法またはＭＢＥ法を用いて結晶成長する。

次に回折格子層６の表面に微細加工技術を用いて、第１回折格子領域と第２回折格子領域の２つの異なった部分から構成される屈折率変調構造を形成する。第１回折格子領域では、領域２００μｍ角に、正方格子の格子点位置の配置に従って、格子間隔ａ１で、直角二等辺三角形の孔が配置され、そして、第１回折格子領域の周囲に、５μｍ隔てて、幅２００μｍの領域に、正方格子の格子点位置の配置に従って、格子間隔ａ２で、円形の孔が配置される。格子定数ａ１、ａ２は、例えばλ１＝９７６ｎｍの励起光とλ２＝１０６４ｎｍの励起抑制光の波長に対応して定めることができ、等価屈折率がおよそ３〜３．５（略３．３）程度であることから、格子定数ａ１は２９６ｎｍ、格子定数ａ２は３２２ｎｍと定めることが出来る。

続いて、ＡｌＧａＡｓからなる下部光ガイド層３、多重量子井戸構造（ＭＱＷ）（バリア層：ＡｌＧａＡｓ，井戸層ＩｎＧａＡｓ）からなる活性層４、ＡｌＧａＡｓからなる上部光ガイド層５、第二導電型（Ｐ型）のＡｌＧａＡｓからなる上部クラッド層７、第二導電型（Ｐ型）のＧａＡｓからなるコンタクト層８をＭＯＣＶＤ法またはＭＢＥ法を用いて結晶成長する。このとき、多重量子井戸層ＭＱＷの駆動時の利得波長を中心部の格子定数に合わせてλ１とした量子井戸層を有する構造、あるいは、ＩｎＡｓやＧａＩｎＡｓからなる自己形成量子ドット構造を用いる。

続いて、微細加工技術を用いて、内側領域Ｒ１を残して、外側領域Ｒ２をエッチングにより取り去る。このとき、ＡｌＧａＡｓやＧａＩｎＰなどからなるエッチングストップ層９を設けることで、エッチング量を制御することが出来る。

続いて、ＭＯＣＶＤ法またはＭＢＥ法の再成長を用いて、ＡｌＧａＡｓからなる下部光ガイド層３、多重量子井戸構造（ＭＱＷ）（バリア層：ＡｌＧａＡｓ，井戸層ＩｎＧａＡｓ）からなる活性層４、ＡｌＧａＡｓからなる上部光ガイド層６、第二導電型（Ｐ型）のＡｌＧａＡｓからなる上部クラッド層７、第二導電型（Ｐ型）のＧａＡｓからなるコンタクト層８をＭＯＣＶＤ法またはＭＢＥ法を用いて結晶成長する。このとき、多重量子井戸層ＭＱＷの駆動時の利得波長を外周部の格子定数に合わせてλ２とした量子井戸層を有する構造、あるいは、ＩｎＡｓやＧａＩｎＡｓからなる自己形成量子ドット構造を用いる。
その後、微細加工技術を用いて、中心領域Ｉの上に成長された構造をエッチングにより除去する。

続いて、レーザ光源の上面に、第１回折格子領域の略直上に第１反射防止膜を、第２回折格子領域の略直上に第２反射防止膜を形成し、第１回折格子領域を中心に、第２回折格子領域を取り囲む５００μｍ角の領域に表面電極ＥＦを形成する。このとき、表面電極ＥＦは第一の導電型（Ｎ型）に対応して、ＡｕＧｅ／Ａｕなどの材料を用いることができる。一方、第１及び第２反射防止膜Ｒは、窒化シリコン（ＳｉＮ）、二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）などの誘電体単層膜或いは誘電体多層膜からなり、第１及び第２反射防止膜はそれぞれ、励起光λ１と励起抑制光λ２に応じた膜厚に調整される。

続いて、半導体基板１の下面に、第１回折格子領域の直下に裏面電極ＥＢ１を、第２回折格子領域の直下に裏面電極ＥＢ２を設け、裏面電極ＥＢ１、ＥＢ２の周囲には絶縁膜Ｐが設けられる。このとき、裏面電極ＥＢ１、ＥＢ２には、第二導電型（Ｐ型）に対応して、Ｔｉ／Ａｕ，Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｃｒ／Ａｕなどの材料を用いることが出来、絶縁膜Ｐには、窒化シリコン（ＳｉＮ）、二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）などを用いることができる。

次に、第１の裏面電極ＥＢ１と第２の裏面電極ＥＢ２毎に異なる取り出し電極を有するハンダパターンを形成したサブマウント上にマウントすることで、個別に第１及び第２回折格子領域をそれぞれ個別に駆動することが可能となる。このとき、ハンダ材にはＩｎ，Ａｕ／Ｓｎなどを用いることができるが、他の工程は上記と同一である。

本発明により、発光抑制光と励起光の光軸が一致したＳＴＥＤ用光源モジュールを実現することができ、光軸調整が容易なＳＴＥＤ光学系を実現することが可能となる。

以上、説明したように、上述の多波長レーザ光源は、一対のクラッド層と、クラッド層間に位置する活性層４と、活性層４に光学的に結合した１又は複数の回折格子層６と、を備えた多波長光源であって、平面視で見た場合において、回折格子層６は、第１波長を選択するための屈折率分布を有する第１回折格子領域と、第１回折格子領域を囲み、第１波長よりも長い第２波長を選択するための屈折率分布を有する第２回折格子領域とを備えている。

この多波長レーザ光源によれば、第１回折格子領域と、第２回折格子領域との相対位置関係は、活性層４に対して光学的に結合する位置に予め固定されているので、これらの光軸が容易に一致する。それぞれの結晶領域においては、出力する波長が異なる。第２回折格子領域は、第１回折格子領域を囲んでおり、ドーナッツ状のレーザ光を対象物に照射する。第１回折格子領域は、短波長を選択して励起光を出力するが、そのスポットの周辺にはドーナッツ状の発光抑制光が照射され、中央のスポットによる蛍光スポットサイズが小さくなる。また、特定の物質に結合する蛍光標識は、レーザ光の照射される蛍光体として用いることができる。

また、上述の回折格子層６は、基本層６Ａと、基本層６Ａとは異なる屈折率を有し、基本層６Ａ内に周期的に配置された複数の異屈折率領域６Ｂとを備えており、平面視において、第１回折格子領域における異屈折率領域の形状は、回転非対称であり、第２回折格子領域における異屈折率領域６Ｂの形状は、回転対称である。回折格子層６は、異屈折率領域の埋め込みにより、二次元的に屈折率変化する周期構造を有しているため、回折格子として機能すると共に、フォトニック結晶層として機能している。なお、第２回折格子領域における異屈折率領域６Ｂの形状は非回転対称であっても良い。

第１回折格子では、異屈折率領域６Ｂ（１）では回転非対称の形状を有している場合、単峰性の強度分布を有するビームパターンが得られる。一方、第２回折格子は開口を有するため、中心に暗部を有するドーナッツ状ビームパターンが得られ、好適に蛍光スポットのサイズを小さくすることができる。このとき、異屈折率領域６Ｂ（２）が回転対称の形状を有している場合、低閾値電流で動作し、低消費電力での動作が可能となる。一方、異屈折率領域６Ｂ（２）が非回転対称の形状を有している場合、レーザ光の偏光方向を制御することが出来る。

また、多波長レーザ光源による蛍光位置分解能が高いため、蛍光体を含む被測定対象から出力された蛍光をモニタすると、高い分解能の誘導放出顕微鏡を実現することができる。

なお、製造においては、各化合物半導体層は、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法を用いることが好適である。半導体基板１の（００１）面上に結晶成長を行うが、これに限られるものではない。ＡｌＧａＡｓを用いたレーザ素子の製造においては、ＡｌＧａＡｓの成長温度は５００℃〜８５０℃であって、実験では５５０〜７００℃を採用し、成長時におけるＡｌ原料としてＴＭＡ（トリメチルアルミニム）、ガリウム原料としてＴＭＧ（トリメチルガリウム）およびＴＥＧ（トリエチルガリウム）、Ａｓ原料としてはＡｓＨ3（アルシン）、Ｎ型不純物用の原料としてＳｉ2Ｈ6（ジシラン）、Ｐ型不純物用の原料としてＤＥＺｎ（ジエチル亜鉛）を用いる。ＡｌＧａＡｓの成長においては、ＴＭＡ、ＴＭＧ、アルシンを用い、ＧａＡｓの成長においては、ＴＭＧとアルシンを用いるが、ＴＭＡは用いない。ＩｎＧａＡｓは、ＴＭＧとＴＭＩ（トリメチルインジウム）とアルシンを用いて製造する。絶縁膜の形成は、その構成物質を原料としてターゲットをＰＣＶＤまたは、スパッタにより形成すればよい。

４…活性層、６…回折格子層。

Claims (8)

1. 一対のクラッド層と、
   前記クラッド層間に位置する活性層と、
   前記活性層に光学的に結合した１又は複数の回折格子層と、
   を備えた多波長光源であって、
   平面視で見た場合において、
   前記回折格子層は、
   第１波長を選択するための屈折率分布を有する第１回折格子領域と、
   前記第１回折格子領域を囲み、前記第１波長よりも長い第２波長を選択するための屈折率分布を有する第２回折格子領域と、
   を備えることを特徴とする多波長レーザ光源。
2. 前記活性層は、複数の井戸層を備えた量子井戸構造を有しており、
   前記井戸層のうちの少なくとも１つは、前記第１波長用の第１エネルギーバンドギャップを有しており、
   前記井戸層のうちの少なくとも他の１つは、前記２波長用の第２エネルギーバンドギャップを有している、
   ことを特徴とする請求項１に記載の多波長レーザ光源。
3. 前記活性層は、不均一な量子ドットを有する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の多波長レーザ光源。
4. 前記活性層は、
   前記第１回折格子領域に対向した第１活性領域と、
   前記第２回折格子領域に対向した第２活性領域と、
   を備えており、
   前記第１活性領域と前記第２活性領域とは、エネルギーバンドギャップ構造が異なる、
   ことを特徴とする請求項１に記載の多波長レーザ光源。
5. 前記回折格子層は、
   基本層と、
   前記基本層とは異なる屈折率を有し、前記基本層内に周期的に配置された複数の異屈折率領域と、
   を備えており、
   平面視において、
   前記第１回折格子領域における前記異屈折率領域の形状は、回転非対称であり、
   前記第２回折格子領域における前記異屈折率領域の形状は、回転対称である、
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の多波長レーザ光源。
6. 前記回折格子層は、
   基本層と、
   前記基本層とは異なる屈折率を有し、前記基本層内に周期的に配置された複数の異屈折率領域と、
   を備えており、
   平面視において、
   前記異屈折率領域の形状は、回転非対称である、
   ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の多波長レーザ光源。
7. 前記第１回折格子領域と前記第２回折格子領域との間に、これらの光学的結合を分離する分離手段を更に備える、
   ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の多波長レーザ光源。
8. 請求項１乃至７のいずれか一項に記載の多波長レーザ光源と、
   前記多波長レーザ光源から出射された２以上のレーザ光が入射し、これらの波長のレーザ光を被測定対象に照射する対物レンズと、
   前記レーザ光の照射によって被測定対象から出力された蛍光をモニタするカメラと、
   を備える、
   ことを特徴とする誘導放出抑制顕微鏡。

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