JP6622510B2 - 発光素子、その制御方法、及びそれを用いた光干渉断層計 - Google Patents

発光素子、その制御方法、及びそれを用いた光干渉断層計 Download PDF

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Description

本発明は、半導体発光素子、特に、スーパールミネッセントダイオードに関する。
近年、スーパールミネッセントダイオード（Super Luminescent Diode、以下ＳＬＤと略す）が注目を集めている。
半導体レーザが、増幅された誘導放出光を共振させることで、高出力でかつ非常に狭いスペクトル半値幅を有する高コヒーレントな出射光を、低い注入電流にて発振させて得るものであることや、発光ダイオード（Light Emitting Diode、ＬＥＤ）が、自然放出を利用して放射角の広い出射光を得るものであることは、よく知られている。これらとは異なり、ＳＬＤは、誘導増幅を用いるが、高電流注入状態でも共振しない構成とすることで、高出力でかつ広いスペクトル半値幅を有する出射光を得るものであるという特徴を有する。
このように高電流注入状態でも共振しないようにして誘導増幅された光のことを、本明細書においては「ＳＬＤ光」と呼ぶことにする。同じ活性層領域から発せられた光にも、自然放出光成分とＳＬＤ光成分とが含まれる。
ＳＬＤのこのような特徴を活かし、分光器、測長器、屈折率分布測定器、断層計、励起用光源等、様々な用途へのＳＬＤの応用が広がっている。例えば、医療分野への応用では、光コヒーレンス断層像測定装置もしくは光干渉断層計（Optical Coherence Tomography、以下ＯＣＴと略す）とよばれるものがある。ＯＣＴでは、広帯域かつ低コヒーレントな光源が必要であり、眼底検査用のＯＣＴでは８５０ｎｍまたは１０６０ｎｍ付近の中心波長で発光スペクトルがガウシアン形状に近いものが必要とされている。
ＳＬＤを上に挙げたような応用機器に利用し、かつその光出力やスペクトル形状を制御しようとする場合、当該所望の用途に利用するＳＬＤ光を光ファイバなどで一部分岐したり、あるいは、利用するＳＬＤ光を出射する側とは反対側の出射面からの光を受光して、それらの光のスペクトル分布を光スペクトルアナライザ等で測定した結果を用いる、等の方法が考えられる。
そのようなＳＬＤ光の制御に関する方法について、図３に具体的な例を挙げる。図３（ａ）は、電流注入用のリッジ型の上部電極が一つ、すなわち単電極構造であるＳＬＤ素子８０５から出射されたＳＬＤ光８０６を、分岐ミラー８０２を用いて分岐する構成を示している。ここで、ＳＬＤ素子８０５は上部電極８０１側から見た平面図として描かれている。
ＳＬＤ光８０６は、分岐ミラー８０２により、所望の用途に利用されるＳＬＤ光８０３と検出器８１１に入射するＳＬＤ光８０４とに分けられ、さらに検出器８１１で生成された検出信号に基づいて、上部電極８０１に注入する電流の量を調整するように構成されている。これによりＳＬＤ光の光出力やスペクトル形状等が制御される。
一方、図３（ｂ）は、所望の用途に利用されるＳＬＤ光８０６の出射側とは逆の側の端面から出射されたＳＬＤ光８０７を検出器８１２にて検出し、検出器８１２で生成された検出信号に基づいて、上部電極８０１に対する注入電流量を調整する構成を示している。これによりＳＬＤ光の光出力やスペクトル形状等が制御される。
図３に示される構成以外にも、特許文献１には、端面からの反射光をモニタし、その値に基づいて、電極への注入電流量を調整している例が記載されている。また、特許文献２には、第二の領域からの出力をモニタし、その値に基づいて、第一の領域への電流注入量を調整している例が記載されている。
特開２０１１−６６１３８号公報 特開平６−５３５４６号公報
しかしながら、広帯域でかつガウシアン形状のスペクトル特性が求められるＳＬＤにおいては、光出力のみでなくスペクトル形状も制御する必要があるが、この両方を簡単な方法で制御することは、従来の方法では困難である。
例えば、スペクトル形状を確認する方法としては、図３（ａ）のようにＳＬＤ光を分岐し、その分岐した光に対して光スペクトルアナライザを用いて測定する方法が考えられるが、これでは装置が大掛かりになり、コストアップになりかねず、また、利用可能な光出力が減少してしまう、といった問題が生じる。
また、図３に示す２つの方法や、特許文献１又は２に記載された方法のように、ＳＬＤのいずれかの端面からの出射光（の光出力）のみを検出する場合は、光スペクトルアナライザ等を用いない限り、検出情報はＳＬＤ光の光出力のみとなってしまい、ＳＬＤ光のビーム特性の変化に対応する情報を精度良く得ることが困難となる。
特に、第一の端面と第二の端面からの出射光のビーム特性が異なる場合、どちらかの端面からの出射光のみをモニタする構成では、第一及び第二の端面からの出射光のビーム特性の間の関係が決まっていて、かつそれが予め知られていなければ、注入電流量の調整による光出力やスペクトル形状の制御を行うことはできない。また、電流注入用の電極を複数設けた場合に、それらの注入電流量を個別に制御するための情報はどのようにして得ればよいのかといった課題もある。
なお、ここでいう出射光のビーム特性とは、ＳＬＤから出射された出射光（特にＳＬＤ光）の出力、スペクトル、放射角、偏波方向の平均値あるいは時間的変化等を指す。
ＳＬＤ光のスペクトル形状を広帯域とするために、例えば、活性層において基底準位からの発光と励起準位からの発光とを併用することがある。このような特徴を持つＳＬＤについて、図６を用いて説明する。
図６において、横軸は波長、縦軸は光量を示している。複数書かれている曲線は、キャリア注入密度の違いを示しており、注入密度が小さいと、全体の光量も小さく、注入密度が大きくなるにつれ、全体の光量も増加する傾向が見られる。また、注入密度によりスペクトル形状が大きく変化し、注入密度の増加とともに、短波長側の帯域での強度が延びていることが分かる。
直線１００１は、基底準位からの発光波長を、点線１００２は励起準位からの発光波長を示している。
電流注入量が増えるに従い、電流注入量が低いうちは、基底準位からの発光強度が増加していくが、そのうち基底準位からの発光強度の増加はわずかとなり、高電流注入量となると、励起準位からの発光強度が増大する。
しかしながら、全体の光出力のみモニタしている場合には、このスペクトル形状の変化を把握することは困難である。
本発明は上記課題に鑑み、発光素子特に広帯域なスペクトル形状が求められるＳＬＤにおいて、光出力とスペクトル形状を短時間で簡便に精度良く制御することが可能となる構成、そのような構成を有するＳＬＤの制御方法、及びそのようなＳＬＤを用いた光干渉断層計の提供を目的とする。
本発明の一局面によれば、下部電極を備えた基板上に、該基板側から下部クラッド層、活性層及び上部クラッド層が順次積層されてなる光導波路層と、前記活性層にキャリアを注入するための上部電極とを有し、前記光導波路層が、光出射面となる第一及び第二の端面を有する発光素子であって、前記第一の端面からの出射光と前記第二の端面からの出射光のビーム特性が異なり、さらに、前記第一の端面からの出射光の光パワーの少なくとも一部を受光して第一の光情報を生成する第一の受光部と、前記第二の端面からの出射光の光パワーの少なくとも一部を受光して第二の光情報を生成する第二の受光部と、前記第一及び第二の光情報に基づいて、前記上部電極への電流注入量を制御するための制御部とを有していることを特徴とする発光素子が提供される。
本発明の別の局面によれば、上記発光素子の制御方法であって、前記制御部が、前記第一の光情報中の特定の値が規定範囲内となるように、前記上部電極への注入電流値を調整する工程、前記第二の光情報中の特定の値が規定範囲内にあるかどうかを判断する工程、及び前記第二の光情報中の該特定の値が規定範囲内になかった場合に信号を出す工程、を実行することを特徴とする方法が提供される。
本発明の更に別の局面によれば、上記発光素子を用いた光干渉断層計であって、前記発光素子からの出射光を検体に照射し、該検体からの反射光を伝達する検体測定部と、前記発光素子からの出射光を参照ミラーに照射し、該参照ミラーからの反射光を伝達する参照部と、前記検体測定部が伝達した該検体からの反射光と前記参照部が伝達した該参照ミラーからの反射光とを干渉させる干渉部と、前記干渉部で生成された干渉光を検出する光検出部と、前記光検出部で検出された光に基づいて、前記検体の断層像を得る画像処理部と、を有することを特徴とする光干渉断層計が提供される。
本発明によれば、ＳＬＤの光出力とスペクトル形状とを、短時間で簡便に精度良く制御することが可能となる。
本発明の一実施形態を説明する模式図である。 実施例１を説明する模式図である。 ＳＬＤの出射光をモニタする方法を例示する模式図である。 実施例２を説明する模式図である。 実施例１のＳＬＤの活性層を構成する多重量子井戸のバンド構造を説明する図である。 基底準位からの発光と励起準位からの発光を利用したＳＬＤからの出射光のスペクトル形状の変化を示す図である。 実施例１のＳＬＤの第一及び第二の端面からの出射光のスペクトル強度分布を示す図である。 実施例２のＳＬＤの導波路構造と第一の端面からの出射光のスペクトル強度分布を示す図である。 実施例３のＳＬＤの導波路構造と第一の端面からの出射光のスペクトル強度分布を示す図である。 実施例３のＳＬＤの制御方法を説明する模式図である。 本発明のＳＬＤを光源として用いた実施例４のＯＣＴ装置の構成を示す。 実施例３のＳＬＤの導波路構造と断面構造を示す図である。 実施例２のＳＬＤの制御方法を説明する模式図である。
図１は、本発明の一実施形態を示すものである。図１（ａ）は、本実施形態の発光素子であるＳＬＤの光出力とスペクトル形状を制御するための概念的構成を示す。図１（ａ）において、ＳＬＤ１００は上方から見た形態として描かれている。図１（ｂ）は、本実施形態のＳＬＤの断面構造を模式的に示す。
図１（ａ）に示すように、ＳＬＤ１００には、リッジ部１０８が形成されている。このリッジ部１０８は、活性層１１３内で発生した光の主たる出射面である第一の端面１０１、及び第一の端面とは反対側の第二の端面１０５に対し、リッジ部下方の平板状活性層のリッジ部に沿った領域に形成される光導波路（リッジ導波路）内を伝播する光の該端面での反射率が最低になる角度（例えば〜７°）をなすように形成してある。第一の端面１０１と第二の端面１０５とを合わせて光出射面と呼ぶことにする。また、図１（ｂ）に示すように、リッジ部の最上層には、活性層１１３に電流を注入するための上部電極１１６が形成され、ＳＬＤ１００の基板１１１の底面には下部電極１１０が形成されている。
図１（ｂ）に示されるＳＬＤ１００の断面構造は、図１（ａ）の紙面内の上下方向でＳＬＤ１００を切った断面の一例を示したものである。ＳＬＤ１００は、下から順に、下部電極１１０、基板１１１、第一の導電型のクラッド層１１２、活性層１１３、第一の導電型とは極性が異なる第二の導電型のクラッド層１１４、コンタクト層１１５、上部電極１１６が積層された構造を有している。図１（ｂ）では、コンタクト層１１５と上部電極１１６とでリッジ構造を形成しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、上部電極１１６から、第二の導電型のクラッド層１１４の途中や活性層１１３まで、あるいは第一の導電型のクラッド層１１２の途中までをエッチングして、リッジ構造を形成してもよい。また、モード制御ができる光導波路であれば、必ずしもリッジ型光導波路でなくてもよく、埋め込み型光導波路であっても良い。
図１（ｂ）に示す構成のＳＬＤへの注入電流を制御する方法を、図１（ａ）を用いて説明する。活性層１１３の部分領域であるリッジ導波路の第一の端面１０１側からは、ＳＬＤ光１０２が出射される。ＳＬＤ光１０２のうち、それから分岐された一部の光１０３に対して、第一の受光部１０４がその光強度を測定する。
同時に、リッジ導波路の第二の端面１０５側からは、ＳＬＤ光１０２とはビーム特性の異なるＳＬＤ光１０６が出射される。ＳＬＤ光１０６のうち、少なくともその一部は、第二の受光部１０７に入射し、その光強度が測定される。図１（ａ）には、２つの受光部が、ＳＬＤ１００の本体とは別に設けられているが、本発明はこれに限るものではなく、受光部とＳＬＤ部とを一体でモノリシックに形成してもよい。
測定された光強度に基づいて生成された光情報は、制御部１２０に送られ、第一の受光部１０４で生成された光情報（第一の光情報）と、第二の受光部１０７で生成された光情報（第二の光情報）に基づき、ＳＬＤ１００への注入電流量が制御される。
光出射面である第一の端面と第二の端面からの出射光（ＳＬＤ光）のビーム特性が異なってくる例としては、リッジ幅や上部電極の幅、あるいはクラッド層の厚さが当該ＳＬＤの全面に渡って一定ではない場合や、リッジ構造の断面形状が一定ではない場合、活性層が一様ではない（例えば、厚さが一様ではない、組成が一様ではない、第一の端面側と第二の端面側で活性層そのものが異なる、等）場合、リッジ部に分岐部分がある場合、端面にフィルタを有する場合、波長変換領域を有する場合、上部電極が複数に分かれている場合、電流注入状態が一様ではない場合、等を挙げることができる。
以下、出射光（厳密にはＳＬＤ光）のビーム特性として、特に、スペクトル形状と光出力に注目して説明する。なお、本実施形態や以下の実施例における出射光には、実際にはＳＬＤ光成分だけではなく自然放出光成分も含まれるが、自然放出光成分の割合は寡少なので、以下の説明では出射光に自然放出光成分が含まれることを無視する。それでも大筋において問題はない。ただし、自然放出光成分も含まれることを意識して、特にＳＬＤ光のみに言及する場合を除き、出射光をＳＬＤ光とはよばず、単に光あるいは光ビームとよぶことにする。
本実施形態の構成では、第一及び第二の受光部において検出される光は、主成分となる波長構成（例えば中心波長）が異なる。そのため、第一の受光部１０４で生成される光情報と、第二の受光部１０７で生成される光情報に基づいて、簡便かつ安価な構成で、光出力だけでなく、スペクトル形状についても、上部電極への注入電流量を調整することにより制御を行うことができる。
本発明においては、特に、第一の端面からの出射光と第二の端面からの出射光のビーム特性を異ならせる手段として、光導波路層に発光スペクトル変調領域を設けることが有効である。発光スペクトル変調領域とは、リッジ導波路内に設けられた、電流注入をしない領域、或いは逆バイアスをかける領域のことを差す。この領域を光ビームが通過することにより、その光ビームの波長構成成分が変化する。
（実施例１）
実施例１として、ＳＬＤの構成において、リッジ導波路に、発光領域と発光スペクトル変調領域を有する例について、図２を用いて説明する。なお、図１（ａ）と機能が同じ部分については、同じ符号を用いた。
本実施例のＳＬＤ２００は、リッジ導波路に、発光領域（電流注入領域）２０１と、発光スペクトル変調領域２０２を有している。本実施例において、発光領域２０１は、第一の端面１０１側にあり、発光スペクトル変調領域２０２は第二の端面１０５側にある。
発光スペクトル変調領域２０２は光スペクトルの一部を吸収することで光スペクトルに変調を与える領域である。この領域では上部電極はなくても良いが、変調を大きくするために逆バイアスをかける場合には、そのための電極が必要となる。逆バイアス用の電極の断面形状は、活性層へ電流を注入するための上部電極と同じ形状であってよいが、必ずしも同形状である必要もない。
発光領域（電流注入領域）２０１においては、上部電極から電流を注入することにより、当該電流注入領域２０１に対応する活性層の領域が発光し、光ビーム１０２を発する。この活性層領域は、第一の端面１０１に向かう方向のみならず、第二の端面１０５に向かう方向にも光を発する。後者の光は、発光スペクトル変調領域２０２を通る際に、その光スペクトルの短波長側が吸収され、光ビーム１０２とは異なる光ビーム特性（スペクトル形状）の光１０６となって第二の端面１０５から出射される。
本実施例のＳＬＤ２００の断面構造は、図１（ｂ）に示されるものと同様である。基板１１１としてはｎ型にドーピングしたＧａＡｓ基板を用い、下部クラッド層１１２としてはｎ型にドーピングしたＡｌ０．５ＧａＡｓ層を、活性層１１３としては量子井戸層としてのＧａＡｓ層及びＧａＩｎ０．０６６Ａｓ層とバリア層（障壁層）としてのＡｌ０．２ＧａＡｓ層とからなる多重量子井戸構造を、上部クラッド層１１４としてはｐ型にドーピングしたＡｌ０．５ＧａＡｓ層を、コンタクト層１１５としてはｐ型にドーピングしたＧａＡｓ層をそれぞれ形成する。活性層１１３を構成する多重量子井戸構造には、図５に示すバンド構造からわかるように、厚さ６ｎｍのＧａＡｓ量子井戸層が１層、厚さ８ｎｍのＧａＩｎ０．０６６Ａｓ量子井戸層が２層含まれ、それぞれがＡｌ０．２ＧａＡｓバリア層に挟まれるように形成されている。
図５に示されるように、本実施例の活性層を構成する３つの量子井戸のうち、２つは等しい量子井戸であるが、３つめは井戸層の組成や厚さが他の２つの量子井戸とは異なっている。このように、厚さや組成が異なる井戸層を含む多重量子井戸のことを、すべての量子井戸層の組成や厚さが等しい対称量子井戸に対して非対称量子井戸と称する。非対称量子井戸構造ではキャリア密度によってその発光スペクトルが大きく変化することが知られており、個々の井戸層の組成や厚さを適切に設定すれば、広帯域で発光する活性層とすることができる。
図７に、本実施例のＳＬＤ２００において、第一の端面１０１、第二の端面１０５より出射された光を光スペクトルアナライザにて測定したスペクトルデータを示す。
図７（ａ）は、幅３．０μｍ、長さ０．３ｍｍである発光領域２０１に、１８４ｍＡの電流を流した際の、第一の端面１０１から出射される光のスペクトル強度分布を示すものである。
図７（ｂ）は、図７（ａ）を取得したのと同じ条件で発光領域２０１に電流注入を行い、第二の端面１０５から出射される光のスペクトル強度分布を示すものである。このとき、発光スペクトル変調領域２０２の長さは、０．３ｍｍである。
図７より、第一の端面１０１からの出射光では、短波長の成分を含む広い波長域の光量が検出されているのに対し、第二の端面１０５からの出射光では、発光スペクトル変調領域２０２を通過する際に主に短波長の成分が吸収され、長波長側に偏った波長域の光量が検出されていることが分かる。
よって、図２のように、２つの受光部をＳＬＤ２００の前後に設置する構成をとることで、第一の受光部１０４では短波長成分も含む出射光の全成分を、第二の受光部１０７は、実質的に長波長成分のみを検出することができる。
図６を示して前述したように、注入電流に対してスペクトル形状が変化する特性をもつＳＬＤでは、全光量のみモニタしているのでは、スペクトル形状の変化を把握することが困難である。特に、高電流注入条件では、励起準位からの発光である短波長成分の光量が急増するため、基底準位からの発光である長波長成分の光量変化が分かりにくい。これに対し、本実施例では、第二の受光部１０７において、長波長成分の光量変化が検出しやすい構成となっている。
本実施例においては、ＳＬＤ２００の駆動中は、第一の受光部１０４及び第二の受光部１０７からの出力をそれぞれモニタし、それらに基づいて制御部（図示せず）が発光領域（電流注入領域）２０１への注入電流量を制御する。
本実施例では、第一の端面１０１から出射された光ビーム１０２のうち、光ファイバにて分岐された一部の光１０３が、当該ファイバ端に設置された第一の受光部１０４に入射する。光１０３は、分岐前の光ビーム１０２とは、光量が異なるだけで他の殆どのビーム特性が同じである。従って、光１０３の受光値から、光ビーム１０２の状況を類推することが可能である。
第一の受光部１０４は、光１０３を受光すると、受光した光パワーに応じて特定の検出信号を、第一の光情報として生成し出力する。この第一の受光部１０４からの第一の光情報の出力において、当該検出信号の初期値をＡ、許容範囲を±αとすると、第一の受光部１０４から出力される当該検出信号の値が、Ａ±αを超えたときは、電極への注入電流量を調整し、Ａ±αの範囲内に入るようにする。
一方、第一の受光部１０４から出力される当該検出信号の値がＡ±αの範囲内であっても、第二の受光部１０７から第二の光情報として出力される検出信号の値Ｂが、許容範囲であるＢ±βの範囲を超えた場合には、光源への供給電源をストップするか、または注意を促すための信号を出力するようにすればよい。
上に述べたように、第一の受光部１０４から出力される第一の光情報だけでなく、受光する出射光のビーム特性が異なる第二の受光部１０７から出力される第二の光情報にも基づいて、注入電流量の調整を行うことで、出射光の光出力のみでなく、スペクトル形状も判断の材料とした上で、ＳＬＤ２００の電流注入を調整することができる。
（実施例２）
実施例２として、リッジ導波路に２つの発光領域を有するＳＬＤについて、図４を用いて説明する。
図４において、図１と機能が同じ部分については、同じ符号を用いる。
本実施例のＳＬＤ３００は、リッジ導波路に沿って、第一の発光領域２０１、第二の発光領域４０１を有している。第一の発光領域２０１は、第一の端面１０１側にあり、第二の発光領域４０１は第二の端面１０５側にある。
このような構成とすることで、図２に示す実施例１と比較し、より広い波長帯域において発光スペクトルを得ることが可能となる。
以下、詳細に説明する。
まず、第一の発光領域２０１及び第二の発光領域４０１に電流を注入した際の発光スペクトルについて、図８を用いて説明する。図８（ａ）は、図４に示す本実施例のＳＬＤ３００のリッジ導波路部を簡略化して描いたものである。また、図８（ｂ）は、本実施例のＳＬＤ３００と同様の活性層及び電極構成を有するＳＬＤにおいて、第一の端面１０１より出射される光のスペクトル強度分布の、注入電流量に対する変化を示す。
まず、第一の発光領域２０１に対応する電極に電流を注入することにより、対応する活性層領域が発光し、第一の端面１０１から出射光を発する。図６で示したように、注入電流量が多くなると、短波長成分である励起準位の発光強度が強くなる。この状態を、図８（ｂ）では、曲線５０１で示す。この状態で、更に第二の発光領域４０１に電流を注入していくと、直線５０２で示す基底準位の発光に対応した長波長側成分が加算される。
このように、第一の電極（第一の発光領域）のみにキャリア注入した場合とその振る舞いは大きく異なり、広帯域にわたる高出力化が実現されている。この動作原理を簡単に説明すると次のようである。
第一の電極に高励起になるようにキャリアを注入すると、基底準位だけでなく、より高次の準位にもキャリアがトラップされ、その再結合により光が放出され、これが光導波路を導波する間に誘導放出により光増幅が行われる。
第二の電極に低励起になるようにキャリアを注入すると、基底準位のみにキャリアがトラップされ、第二の発光領域の光導波路を導波されるが、励起密度が低いために大きな光増幅は生じない。
第二の発光領域を導波された光が第一の発光領域に達すると急激に光増幅される。これは、第一の発光領域では、注入されたキャリアの多くが高次の準位からの誘導放出に消費され、基底準位にトラップされたキャリアはほとんどが自然放出で消費されているため、ここに基底準位からの光放出に相当する第二の発光領域の光が導波されることにより、基底準位からの誘導放出が顕著になるからである。図８はその様子を端的に表している。
第二の発光領域４０１への注入電流量を調整することで、曲線５０３に示すよう、励起準位からの発光強度と基底準位からの発光強度を同程度とすることができる。このようにして、第一の発光領域２０１のみに電流注入する場合と比較し、より高出力で広い波長帯域の発光スペクトルを得ることが可能となる。一例として、第一の電極の長さを０．３３ｍｍ、注入電流値を１２３．３ｍＡとし、第二の電極の長さを０．３０ｍｍ、注入電流値を６．４ｍＡとしたとき、出射光のスペクトル半値幅は８５ｎｍ、光出力は８．２ｍＷであった。
本実施例に示すＳＬＤにおいては、上述のように、第一の端面からの出射光は、複数の発光領域からの寄与によって構成される。従って、周囲の環境変化や経時変化によるビーム特性の変化を修正するため、各発光領域への注入電流量制御として、従来方法とは異なるフィードバック手法が必要である。
以下、本実施例のＳＬＤに対するフィードバック手法について説明する。
本実施例のＳＬＤ３００の断面構造は、実施例１のＳＬＤ２００と同様である。ＳＬＤ３００の駆動中は、第一の受光部３０４及び第二の受光部３０７からの出力（特定の検出値、光情報）をそれぞれモニタし、制御部３２０において第一の電流注入領域２０１及び第２の電流注入領域４０１への電流注入量を制御する。
より詳細な制御方法について、図１３を用いて説明する。
ＳＬＤ３００の第一の端面１０１側からの出射光３０２から分岐された一部の光３０３が、第一の受光器３０４に入射する。
その際、第一の受光部３０４からの出力の初期値をＡ、許容範囲を±αとすると、第一の受光部３０４からの出力の値がＡ±αを超えたときは第一の発光領域２０１への注入電流量を調整し、その値がＡ±αの範囲内に入るようにする。
第一の受光部３０４に入射する光３０３の光量は、上述したように、主に第一の発光領域２０１への注入電流量に大きく依存する。従って、第一の受光部３０４の出力の値に応じて、第一の発光領域２０１への注入電流量を調整することで、全体の発光レベルをほぼ一定に保つことができる。
しかし、上述したように、光スペクトルの半値幅の変化は、第一の発光領域２０１以外の発光領域（ここでは第二の発光領域４０１）からの寄与が大きいため、ＳＬＤ３００の発光状態の調整には更に、次の制御が必要となる。
ＳＬＤ３００の第二の端面１０５側からの出射光は、第二の受光部３０７に入射する。その際、第二の受光部３０７からの出力の初期値をＢ、許容範囲を±βとすると、第二の受光部３０７からの出力の値がＢ±βを超えたときは、第二の発光領域４０１への注入電流量を調整し、Ｂ±βの範囲内に入るようにする。
ここで、上記第一の発光領域２０１、第二の発光領域４０１に対する注入電流値の調整は、同時には行わず交互に行う。一つの発光領域に対する注入電流値を調整している間、それ以外の発光領域への注入電流量は一定にしておく。
二つの受光部からの出力値が両方とも規定範囲内になるまで、注入電流値の制御を繰り返す。最終的に、どちらか一方でも規定範囲に入らない場合は、光源への供給電源をストップするか、または注意を促すための信号を出力する。
以上の工程を制御部３２０が実行することで、光出力のみでなく、スペクトル形状をも判断の材料として、ＳＬＤ３００の電流注入を調整することができる。
（実施例３）
実施例３として、リッジ導波路部に複数の発光領域と発光スペクトル変調領域を有する例について、図１２を用いて説明する。
本実施例では、発光領域が３つ、発光スペクトル変調領域が１つの場合について記載するが、本発明はこれに限られるものではない。発光領域が２つ以上あれば、本発明の実施例と同様の電流注入制御を行うことが可能である。例えば、発光領域が２つで発光スペクトル変調領域がない（すなわち実施例２と同様の）場合や、発光領域が２つで発光スペクトル変調領域が１つの場合、より多くの発光領域を含む場合等が挙げられる。
図１２において、図１、図２あるいは図４と機能が同じ部分については、同じ符号を用いた。
図１２に示すように、本実施例のＳＬＤ４００は、リッジ導波路部に、第一の発光領域２０１、第二の発光領域４０１、発光スペクトル変調領域２０２、第三の発光領域４０２を有している。第一の発光領域２０１は、第一の端面１０１側にあり、第三の発光領域４０２は第二の端面１０５側にある。
このような構成とすることで、実施例１や実施例２と比較し、より広い波長帯域において発光スペクトルを得ることが可能となる。
第一の発光領域２０１及び第二の発光領域４０１に電流を注入した際の発光スペクトルについては、実施例２で述べた通りであるので、ここでは省略する。
発光スペクトル変調領域２０２は光スペクトルの一部を吸収することで光スペクトルに変調を与える領域であり、上部電極はなくても良いが、変調を大きくするために逆バイアスをかける場合には、電極が必要となる。断面形状としては、活性層へ電流を注入するための上部電極と同じであってよいが、必ずしも同形状である必要はない。
本実施例では、実施例１とは異なり、発光スペクトル変調領域２０２の第二の端面１０５側に、更に第三の発光領域４０２を設けている。
このような構成とすることで、更なるスペクトルの広帯域化が実現できる。詳細を、図９を用いて説明する。
図９（ａ）は、図１２（ａ）に示されるリッジ導波路部を簡略化して模式的に示すものである。図９（ｂ）において曲線５０４は、図８（ｂ）における曲線５０３と同様の状態での発光スペクトルを示す。つまり、第一の発光領域２０１に高電流を注入し、第二の発光領域４０１に低電流を注入した状態である。
この状態で、更に第三の発光領域４０２に電流を注入していき、高電流を注入した状態になると、直線５０５で示す波長を中心とする長波長の光スペクトル成分が増加していく。これは、第三の発光領域４０２から発生した光が、発光スペクトル変調領域２０２を導波することにより、その短波長成分の多くが吸収され、発光スペクトルの長波長成分の裾のみが第一の端面１０１から出射されるためである。
従って、実施例１や実施例２と比較して、更なる広帯域化が実現できる。
一例として、第一の電極の長さを０．３３ｍｍ、注入電流値を１２３．３ｍＡとし、第二の電極の長さを０．３０ｍｍ、注入電流値を６．４ｍＡとし、発光スペクトル変調領域の長さを１．５０ｍｍとし、第三の電極の長さを０．２５ｍｍ、注入電流値を４６．９ｍＡとしたとき、第一の端面１０１側からの出射光のスペクトル半値幅は９５ｎｍ、光出力は１０．１ｍＷであった。
本実施例に示すＳＬＤにおいては、上述のように、第一の端面からの出射光は、複数の発光領域からの寄与によって構成される。従って、周囲の環境変化や経時変化によるビーム特性の変化を修正するために各発光領域への注入電流量を制御するには、従来の方法とは異なるフィードバック手法が必要である。
特に、第三の発光領域４０２で発生する光のスペクトル成分である長波長側成分は、図９（ｂ）より明らかなように、光出力に対する影響は僅かである。しかし、例えば光干渉断層計等への応用に際しては、発光スペクトルの半値幅が分解能に敏感に寄与するため、第三の発光領域４０２に対する注入電流量のフィードバック制御が非常に重要となってくる。更に、第三の発光領域４０２は、第二の発光領域４０１とは異なり、第一の発光領域２０１程度に高い電流注入が必要となる。従って、活性層及びその周囲の劣化は、電流注入密度に大きく依存するため、第三の発光領域の状態を把握することは、第一の発光領域２０１の状態を把握する程度に重要である。
以下、本実施例のＳＬＤに対するフィードバック手法について説明する。
本実施例のＳＬＤ４００の断面構造の大部分は、実施例１と同様である。実施例１と異なる部分について、以下記載する。
図１２（ａ）における点線４１０での断面構造を、図１２（ｂ）に示す。本実施例では受光部４０４、４０７と発光部２０１、４０１、４０２の活性層は同じものを用いているが、本発明はこれに限定されるものではなく、受光部と発光部を別の基板で作製して配置しても良い。また、基板は共通でその上に異なる活性層を形成しても良い。
図１２（ｂ）において、左側の断面構造が第三の発光領域４０２を示し、右側の断面構造が第二の受光部４０７を示す。第二の受光部４０７の上部電極４１１には、第三の発光領域４０２とは逆のバイアスをかけることで、受光した光量を検出できるようにする。
ここで、第三の発光領域４０２からの自然放出光成分が、フィードバック制御に影響を及ぼす場合には、この自然放出光成分を受光しないよう、第二の受光部４０７の活性層部分の第三の発光領域４０２側の端面に覆い４１２を形成する。覆い４１２は、自然放出光成分の透過量が下げられるものであれば何でも良い。例えば、上部電極４１１と同じ材料で形成する場合には、電気的に接続しないよう分離しておく。
本実施例では、受光部をＳＬＤ本体と同じ基板上に、同じ活性層を用いて形成した。本発明はこれに限るものではなく、受光部は異なる基板、異なる活性層を用いて形成することも可能である。実施例１と同様、ＳＬＤの両端面側に受光部を配置しても良い。
図１０は、本実施例のＳＬＤ４００をフィードバック制御する方法を模式的に示すものである。ＳＬＤ４００の駆動中は、第一の受光部４０４及び第二の受光部４０７からの出力（第一及び第二の光情報）をそれぞれモニタし、制御部６０２において第一の電流注入領域（第一の発光領域）２０１及び第三の電流注入領域（第三の発光領域）４０２への電流注入量を制御する。
ＳＬＤ４００の第一の端面側から出力された出射光４０５の一部の光６００が第一の反射防止膜（ハーフミラー）４０３（図１２）によって反射され、当該端面の近傍にモノリシックに形成された第一の受光部４０４に入射する。
その際、第一の受光部４０４の出力値の初期値をＡ、許容範囲を±αとすると、第一の受光部４０４からの出力の値がＡ±αを超えたときは、第一の発光領域２０１への注入電流量を調整し、Ａ±αの範囲内に入るようにする。
第一の受光部４０４に入射する光量は、上述したように、主に第一の発光領域２０１への注入電流量に大きく依存する。従って、第一の受光部４０４の出力値に応じて、第一の発光領域２０１への注入電流量を調整することで、全体の発光レベルをほぼ一定に保つことができる。
しかし、上述したように、光スペクトルの半値幅の変化は、第一の発光領域２０１以外の発光領域からの寄与が大きい。そのため、ＳＬＤ４００の発光状態の調整には更に、次の制御が必要となる。
ＳＬＤ４００の第二の端面１０５側から出力された光６０１は、第二の反射防止膜（ハーフミラー）４０６（図１２）によって反射され、第二の受光部４０７に入射する。その際、第二の受光部４０７の出力値の初期値をＢ、許容範囲を±βとすると、第二の受光部４０７からの出力の値がＢ±βを超えたときは、第三の発光領域４０２への注入電流量を調整し、その値がＢ±βの範囲内に入るようにする。
発光スペクトル変調領域２０２により、第二の受光部４０７にて受光される光の成分は、第一の発光領域２０１及び第二の発光領域４０１からの光のうち主に長波長成分のものと、第三の発光領域４０２からの光ビームの全波長領域の光となる。光量としては、第三の発光領域４０２からの寄与が殆どである。
従って、第二の受光部４０７の出力に対して、第三の発光領域４０２への電流注入量を調整すれば、全体の発光レベルをほぼ一定に保つことができる。
ここで、上記第一の発光領域２０１、第三の発光領域４０２に対する注入電流値の制御は、同時には行わず交互に行う。一つの発光領域に対する注入電流値を調整している間、電流値を制御している以外の発光領域への電流注入量は一定にしておく。
二つの受光部からの出力値が両方規定値内になるまで、注入電流値の制御を繰り返す。最終的に、どちらか一方でも規定値に入らない場合は、光源への供給電源をストップするか、または注意を促すための信号を出力する。
上記調整を行うことで、光出力のみでなく、スペクトル形状も判断の材料とし、ＳＬＤ４００の電流注入を調整することができる。
ここで、第二の反射防止膜４０６に長波長カットの波長フィルタとしての機能を付加することにより、第二の受光部４０７での光検出値として、第一の発光領域２０１、第二の発光領域４０１からの光ビーム成分の寄与を低下させることができる。
ＳＬＤ４００全体の光ビーム出力として、広スペクトル帯域を実現させるためには、第三の発光領域４０２へは、高電流注入が必要である。その場合、第三の発光領域４０２からの光出力は、図６に記載の通り、短波長成分が主体となる。
そのため、第二の反射防止膜４０６に、基底準位からの発光やそれより長い波長成分の光出力を低下させてフォトディテクタに入射する光の波長を選択する長波長カット機能を付加することで、第三の発光領域４０２の状態をよりクリアに検出し、制御することが可能となる。
このような反射防止膜として、例えば屈折率が異なる２種類のＳｉＯｘＮｙをλ／４の厚さ積層させる、多層膜を用いることができる。
ここで、長波長カット機能は上述のように、反射防止膜と兼ねる形式に限られるものではなく、ＳＬＤの出力端面と受光部の受光面との間に配置されれば良い。例えば、受光部の受光面に、上記多層膜を形成しても良いし、ＳＬＤの出力端面と受光部の受光面との間に、ローパスフィルタを設置しても良い。
長波長カット機能を反射防止膜が兼ね備えることにより、装置の小型化、部品点数の減少によるコストダウンが期待できる。
受光部を、発光部と同一基板上に形成することにより、装置の小型化が可能となる。また、部品点数が削減でき、受光部への光軸調整が不要となるため調整工程の削減となり、コストダウンが可能となる。
本実施例では、複数の注入電極（発光領域）を有する場合について、受光部を同一基板上に形成する例を示したが、本発明はこれに限られるものではなく、活性層への電流注入を行う注入電極が１つであっても同様に、受光部を同一基板上に形成することができ、それによる効果も得られる。
（実施例４）
本実施例では、本発明のＳＬＤを光源として用いた光干渉断層計（ＯＣＴ装置）の例を示す。
図１１は本実施例の光干渉断層計の模式図である。
図１１の光干渉断層計は、基本的には光源部、光源部からの光を検体に照射し、検体部からの反射光を伝達させる検体測定部、光を参照ミラーに照射し、参照ミラーからの反射光を伝達させる参照部、２つの反射光を干渉させる干渉部、干渉部により得られた干渉光を検出する光検出部、光検出部で検出された光に基づいて画像処理を行う（断層像を得る）画像処理部で構成されている。以下、各構成要素を説明する。
光源部は、ＳＬＤ光源１５０１と該ＳＬＤ光源を制御する光源制御部１５１２を有して構成され、ＳＬＤ光源１５０１は光照射用の光ファイバ１５１０を介して干渉部を構成するファイバカップラ１５０３に接続されている。
干渉部のファイバカップラ１５０３は、光源の波長帯域でシングルモードのもので構成し、各種ファイバカップラは３ｄＢカップラで構成した。
反射ミラー１５０４は、参照光光路用ファイバ１５０２に接続されて参照部を構成し、参照光光路用ファイバ１５０２は、ファイバカップラ１５０３に接続されている。
検査光光路用ファイバ１５０５、照射集光光学系１５０６、照射位置走査用ミラー１５０７により測定部が構成され、検査光光路用ファイバ１５０５は、ファイバカップラ１５０３に接続されている。ファイバカップラ１５０３では、検査物体１５１４の内部及び表面から発生した後方散乱光と、参照部からの戻り光とが干渉して干渉光となる。
光検出部は、受光用ファイバ１５０８とフォトディテクタ１５０９で構成され、ファイバカップラ１５０３で生ずる干渉光をフォトディテクタ１５０９に導く。
フォトディテクタ１５０９で受光された光は信号処理装置１５１１にてスペクトル信号に変換され、さらにフーリエ変換を施すことで検査物体１５１４の奥行き情報を取得する。取得された奥行き情報は画像出力モニタ１５１３に断層画像として表示される。
ここで、信号処理装置１５１１は、パーソナルコンピュータ等で構成することができ、画像出力モニタ１５１３は、パーソナルコンピュータの表示画面等で構成できる。
光源制御部１５１２は、照射位置走査用ミラー１５０７の駆動信号等をも制御する信号処理装置１５１１に接続され、走査用ミラー１５０７の駆動と同期してＳＬＤ光源１５０１が制御される。
実施例１又は２で説明した光源を本実施例のＳＬＤ光源１５０１として用いると、この光源装置は光量、光スペクトル形状において安定した出力が可能であるため、長時間にわたり安定した断層画像情報を取得可能である。また、光量のみならず光スペクトル形状が予め決められた範囲を外れた場合をすぐに検出することが可能なため、安全に装置を使用することが可能となる。
このＯＣＴ装置は、眼科、歯科、皮膚科等における断層画像撮影に有用である。
尚、本実施例では、ＯＣＴ装置の一例を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、他の方式のＯＣＴ装置の光源として用いることができる。
１００、２００、３００、４００ ＳＬＤ
１０１ 第一の端面
１０４、３０４、４０４ 第一の受光部
１０５ 第二の端面
１０７、３０７、４０７ 第二の受光部
１０８ リッジ部
１１０ 下部電極
１１１ 基板
１１３ 活性層
１１６ 上部電極
２０１、４０１、４０２ 発光領域（電流注入領域）
２０２ 発光スペクトル変調領域

Claims (11)

  1. 下部電極を備えた基板上に、該基板側から下部クラッド層、活性層及び上部クラッド層が順次積層されてなる光導波路層と、前記活性層にキャリアを注入するための上部電極とを有し、
    前記光導波路層が、光出射面となる第一及び第二の端面を有するスーパールミネッセントダイオードであって、
    前記第一の端面からの出射光と前記第二の端面からの出射光のビーム特性が異なり、さらに、
    前記第一の端面からの出射光の光パワーの少なくとも一部を受光して第一の検出信号を生成する第一の受光部と、
    前記第二の端面からの出射光の光パワーの少なくとも一部を受光して第二の検出信号を生成する第二の受光部と、
    前記第一の検出信号の初期値をＡ、許容範囲を±αとしたときに、前記第一の検出信号の値がＡ±αの範囲内となるようにし、かつ、前記第二の検出信号の初期値をＢ、許容範囲を±βとしたときに、前記第二の検出信号の値がＢ±βの範囲内となるように、前記上部電極への電流注入量を制御するための制御部とを有している
    ことを特徴とするスーパールミネッセントダイオード。
  2. 前記光導波路層が発光スペクトル変調領域を有していることを特徴とする、請求項１記載のスーパールミネッセントダイオード。
  3. 前記上部電極を２つ以上有することを特徴とする、請求項１又は２記載のスーパールミネッセントダイオード。
  4. 前記第一及び第二の受光部の少なくとも一方が、前記第一あるいは第二の端面からの出射光を光ファイバに集光し、該集光された出射光の光パワーの一部を該光ファイバから分岐したファイバ端に設置されたフォトディテクタにより受光して検出信号を生成するように構成されたことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載のスーパールミネッセントダイオード。
  5. 前記第一及び第二の受光部の少なくとも一方が、前記第一あるいは第二の端面からの出射光をハーフミラーで分岐し、該分岐された一方の出射光の光パワーをフォトディテクタにより受光して検出信号を生成するように構成されたことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載のスーパールミネッセントダイオード。
  6. 前記第一及び第二の受光部の少なくとも一方が、前記第一あるいは第二の端面で反射された光を受光するように該端面の近傍にモノリシックに形成されたフォトディテクタからなることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載のスーパールミネッセントダイオード。
  7. 前記活性層が多重量子井戸構造を有し、該多重量子井戸構造を構成する井戸層及び障壁層の少なくとも一方の組成又は厚さが、全ての量子井戸で同一ではない非対称量子井戸構造であることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載のスーパールミネッセントダイオード。
  8. 前記フォトディテクタに入射する光の波長を選択するための波長フィルタが設けられていることを特徴とする、請求項４〜６のいずれか一項に記載のスーパールミネッセントダイオード。
  9. 請求項１に記載のスーパールミネッセントダイオードの制御方法であって、前記制御部が、
    前記第一の検出信号の初期値をＡ、許容範囲を±αとしたときに、前記第一の検出信号の値がＡ±αの範囲内となるように、前記上部電極への注入電流値を調整する工程、
    前記第二の検出信号の初期値をＢ、許容範囲を±βとしたときに、前記第二の検出信号の値がＢ±βの範囲内にあるかどうかを判断する工程、及び
    前記第二の検出信号の値がＢ±βの範囲内になかった場合に信号を出す工程、
    を実行することを特徴とする方法。
  10. 請求項３に記載のスーパールミネッセントダイオードの制御方法であって、前記制御部が、
    前記第一の検出信号の初期値をＡ、許容範囲を±αとしたときに、前記第一の検出信号の値がＡ±αの範囲内にあるかどうかを判断する第一の判断工程、
    前記第一の検出信号の値がＡ±αの範囲内になかった場合に、前記第一の検出信号の値がＡ±αの範囲内となるように、前記２つ以上の上部電極の一つへの注入電流値を調整する第一の調整工程、
    前記第二の検出信号の初期値をＢ、許容範囲を±βとしたときに、前記第二の検出信号の値がＢ±βの範囲内にあるかどうかを判断する第二の判断工程、及び
    前記第二の検出信号の値がＢ±βの範囲内になかった場合に、前記第二の検出信号の値がＢ±βの範囲内となるように、前記２つ以上の上部電極の別の一つへの注入電流値を調整する第二の調整工程、
    を実行し、
    前記第一の調整工程と第二の調整工程は、同時に行わないことを特徴とする方法。
  11. 請求項１〜８のいずれか一項に記載のスーパールミネッセントダイオードと、
    前記スーパールミネッセントダイオードからの出射光を検体に照射し、該検体からの反射光を伝達する検体測定部と、
    前記スーパールミネッセントダイオードからの出射光を参照ミラーに照射し、該参照ミラーからの反射光を伝達する参照部と、
    前記検体測定部が伝達した該検体からの反射光と前記参照部が伝達した該参照ミラーからの反射光とを干渉させる干渉部と、
    前記干渉部で生成された干渉光を検出する光検出部と、
    前記光検出部で検出された光の情報に基づいて、前記検体の断層像を得る画像処理部と、
    を有することを特徴とする光干渉断層計。
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