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JP2009049123A - Optical semiconductor device, wavelength tunable light source and optical tomographic image acquisition apparatus using the optical semiconductor device - Google Patents

Optical semiconductor device, wavelength tunable light source and optical tomographic image acquisition apparatus using the optical semiconductor device Download PDF

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JP2009049123A
JP2009049123A JP2007212788A JP2007212788A JP2009049123A JP 2009049123 A JP2009049123 A JP 2009049123A JP 2007212788 A JP2007212788 A JP 2007212788A JP 2007212788 A JP2007212788 A JP 2007212788A JP 2009049123 A JP2009049123 A JP 2009049123A
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JP
Japan
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light
optical
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degrees
optical semiconductor
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Application number
JP2007212788A
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Japanese (ja)
Inventor
Takeshi Osato
毅 大郷
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Fujifilm Corp
Original Assignee
Fujifilm Corp
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Publication date
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Abstract

【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
An optical semiconductor device is provided that is easy to manufacture and has a wide gain spectrum width.
In an optical semiconductor device 10 in which at least an InGaP lower cladding layer and an InGaAs active layer are stacked on an n-GaAs substrate 11 in which the resonance of light in the device is suppressed, the plane orientation as the n-GaAs substrate 11 is obtained. An n-GaAs substrate is used which is inclined at an angle of 2 degrees to 10 degrees from the (100) plane to the (111) B plane, for example, 3 degrees. Step bunching of the InGaP lower cladding layer is formed, and the thickness of the InGaAs active layer varies.
[Selection] Figure 2A

Description

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。   The present invention relates to an optical semiconductor element that can be used as an SLD (Super Luminescent Diode), an SOA (Semiconductor Optical Amplifier), or the like, in which resonance in the element is suppressed. The present invention also relates to a wavelength tunable light source and an optical tomographic image acquisition apparatus using this optical semiconductor element.

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。   Among optical semiconductor elements, SLD (Super Luminescent Diode) and SOA (Semiconductor Optical Amplifier) are known as optical semiconductor elements capable of suppressing light in the element and emitting light in a wide wavelength band. Yes. These optical semiconductor elements have a structure close to that of a semiconductor laser, but various measures are taken so that light does not resonate within the element and laser light is not emitted. For example, the resonance in the element is suppressed by applying a non-reflective coating to the end face from which light is emitted or by tilting the optical waveguide by several degrees (about 3 to 12 degrees) from the normal direction of the element end face.

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。   In the SLD, spontaneous emission light generated by recombination of injected carriers is amplified with a high gain due to stimulated emission while traveling in the direction of the light emission end face, and is emitted from the light emission end face as in the semiconductor laser. An SLD is an optical semiconductor element that can obtain an optical output of up to several tens of mW like a semiconductor laser, and can emit light having a wide wavelength band incoherent like a normal light emitting diode. is there. For this reason, the SLD is mainly used as an incoherent light source in the field of optical measurement such as a fiber gyroscope and medical OCT (Optical Coherence Tomography). In the optical measurement field, the wider the wavelength band, the better the measurement resolution. Therefore, further widening of the wavelength band is required. The wavelength bandwidth of the SLD is determined by the gain spectrum width of the SLD.

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。   SOA (Semiconductor Optical Amplifier) is a device very similar to SLD, and has been studied as an optical amplifier for amplifying an optical signal in the field of optical communication. Application studies as a gain medium are actively conducted. As an example of a wavelength tunable light source, the light emitted from one end face of the SOA is converted into parallel light by a lens, the wavelength of this parallel light is dispersed by a diffraction grating, and then wavelength is selected by returning to the diffraction grating by a mirror. The laser is oscillated by feeding back to the SOA. An external resonator is configured by the output mirror installed outside the diffraction grating and the other end face of the SOA. Laser light emitted from the output mirror is converted into parallel light by a lens, passes through an optical isolator, and is transmitted to an external device such as an optical fiber. The wavelength of the laser beam can be changed by changing the angle of the mirror with respect to the diffraction grating, and the wavelength variable width is limited by the gain spectrum width of the SOA. In recent years, a demand for a wavelength tunable light source having a wider wavelength tunable width has increased, and a wider gain spectrum width of the SOA has been desired.

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。
特開平8−307014号公報 特開平6−196809号公報
As a method of widening the gain spectrum width of an optical semiconductor element such as SLD or SOA, a multilayer structure of quantum wells having different film thicknesses and compositions, that is, a method of forming a multiple quantum well layer (Patent Document 1), light propagation, etc. A method (Patent Document 2) for modulating the film thickness and composition of a quantum well in the direction is known. From the viewpoint of expanding the gain spectrum width, the latter can be expected to have a wider bandwidth. It is also possible to combine both methods.
JP-A-8-307014 JP-A-6-196809

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。   However, it is known that the method of modulating the film thickness / composition of the quantum well in the light propagation direction described in Patent Document 2 is very difficult to manufacture a device. Specifically, this method forms two stripe-like SiO2 masks parallel to each other at regular intervals, and by changing the mask width, an active layer grown in a region sandwiched between the masks is formed in the resonator axis direction. Although this is a method of changing the film thickness and composition, there are many technical problems in manufacturing the layer on the active layer, such as compositional modulation.

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。   In view of the above circumstances, an object of the present invention is to provide an optical semiconductor device that is easy to manufacture and has a wide gain spectrum width. It is another object of the present invention to provide a wavelength tunable light source and an optical tomographic image acquisition apparatus using the optical semiconductor element.

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。
The optical semiconductor element of the present invention is an optical semiconductor element in which resonance of light in the element is suppressed,
On the GaAs substrate, at least an InGaP lower cladding layer and an InGaAs active layer are laminated,
The plane orientation of the GaAs substrate is inclined at an angle of 2 degrees or more and 10 degrees or less from the (100) plane to the (111) B plane direction.

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。   The inclination angle of the GaAs substrate may be not less than 2.5 degrees and not more than 7.5 degrees. The inclination angle of the GaAs substrate may be 4 degrees or more and 6 degrees or less.

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。   The InGaAs active layer may be an InGaAs quantum well layer. The InGaAs quantum well layer may be a single quantum well or a multiple quantum well structure.

前記InGaAs量子井戸層は、InGaAs歪量子井戸層であってもよい。   The InGaAs quantum well layer may be an InGaAs strained quantum well layer.

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。 The center wavelength of the light emitted from the optical semiconductor element may be 0.9 μm or more and 1.2 μm or less. Further, the center wavelength of the emitted light may be 1.0 μm or more and 1.1 μm or less.

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。
The wavelength tunable light source of the present invention is an external resonator type tunable light source including an optical amplifier and wavelength selection means for selecting a wavelength of light amplified by the optical amplifier in the resonator.
In the optical amplifier, at least an InGaP lower cladding layer and an InGaAs active layer are stacked on a GaAs substrate whose plane orientation is inclined at an angle of 2 degrees to 10 degrees from the (100) plane to the (111) B plane direction. And an optical semiconductor element in which resonance of light in the element is suppressed.

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。
Furthermore, the optical tomographic image acquisition apparatus of the present invention includes a light source that emits low-coherence light,
A light splitting means for splitting the light emitted from the light source into measurement light and reference light;
Irradiating means for irradiating the measuring object with the measurement light;
Multiplexing means for superimposing the reflected light from the measurement object and the reference light when the measurement light is irradiated on the measurement object;
Interference light detection means for detecting interference light between the reflected light and the reference light multiplexed by the multiplexing means;
In an optical tomographic image acquisition apparatus comprising image acquisition means for acquiring a tomographic image of the measurement object from the interference light detected by the interference light detection means,
The light source has at least an InGaP lower cladding layer and an InGaAs active layer stacked on a GaAs substrate whose plane orientation is inclined at an angle of not less than 2 degrees and not more than 10 degrees from the (100) plane to the (111) B plane direction, And it has the optical semiconductor element by which the resonance of the light in an element is suppressed, It is characterized by the above-mentioned.

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。
Another optical tomographic image acquisition apparatus of the present invention includes a wavelength swept light source that emits laser light while sweeping the wavelength at a constant period;
A light splitting means for splitting the laser light emitted from the wavelength swept light source into measurement light and reference light;
Irradiating means for irradiating the measuring object with the measurement light;
Multiplexing means for superimposing the reflected light of the measurement light from the measurement object and the reference light;
Interference light detection means for detecting the intensity of the reflected light at each depth position of the measurement object based on the frequency and intensity of the interference light between the reflected light and the reference light superimposed by the multiplexing means; ,
In an optical tomographic image acquisition apparatus comprising: an image acquisition unit that acquires a tomographic image of the measurement object using the intensity of the reflected light at each depth position detected by the interference light detection unit;
The wavelength swept light source comprises an optical amplifier and wavelength sweeping means for sweeping the wavelength of light amplified by the optical amplifier,
In the optical amplifier, at least an InGaP lower cladding layer and an InGaAs active layer are stacked on a GaAs substrate whose plane orientation is inclined at an angle of 2 degrees to 10 degrees from the (100) plane to the (111) B plane direction. And an optical semiconductor element in which resonance of light in the element is suppressed.

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。   In the process of earnestly studying to achieve the above-mentioned object, the inventor suppresses the resonance of light in an element such as SLD or SOA, and at least an InGaP lower cladding layer and an InGaAs active layer are stacked on a GaAs substrate. In the optical semiconductor device, the gain spectrum width depends on the crystal orientation of the main surface of the GaAs substrate, in particular, the surface orientation of the GaAs substrate is changed from the (100) plane to the (111) B plane direction by 2 degrees or more. It has been found that the gain spectrum width increases when tilted by a degree or less.

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。   The reason why the gain spectrum width is increased by slightly tilting the GaAs substrate is not clearly clarified, but can be estimated as follows. When growing a GaInP crystal, it is known that the characteristics including the band gap of the GaInP crystal vary greatly depending on the growth conditions. The cause is that when the GaInP crystal grows on the group III sublattice, the order of the arrangement of Ga and In changes. When a GaInP crystal is grown on a GaAs substrate whose plane orientation is inclined from 2 degrees to 10 degrees from the (100) plane to the (111) B plane direction, the formation of one variant of the natural superlattice is promoted, and the entire GaInP crystal The degree of order tends to increase.

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。   As a result of the increase in the degree of order of the GaInP crystal, step bunching due to the density of the atomic layer step spacing is likely to occur. When a thin layer such as an InGaAs quantum well active layer (emission wavelength: 0.9 to 1.2 μm) with a thickness of several nanometers is formed on top of the GaInP layer where step bunching occurs, the layer thickness fluctuates and the substrate surface Therefore, the thickness of the active layer varies. As described above, when the thickness of the active layer varies, the gain spectrum width of the optical semiconductor element increases. InGaAs, in particular, has a larger lattice constant than GaAs and GaInP. Therefore, when the thickness of the InGaAs thin film is thin, the InGaAs thin film is subjected to compressive strain and becomes a strained layer. The effect on is increased.

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。   That is, when producing a semiconductor laser or the like, it is important to suppress step punching in order to improve the light emission characteristics. However, the inventor of the present invention has an inclination angle that easily causes step punching. It has been found that the gain spectrum width can be widened by using a substrate.

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。   In view of this, the present inventor, in an optical semiconductor device in which an InGaP lower cladding layer and an InGaAs active layer are stacked on a GaAs substrate, the maximum self-emission spectrum reflecting the tilt angle of the substrate and the gain spectrum width of the semiconductor device. The relationship with width was examined in detail. FIG. 1 shows the result. As can be seen, when the tilt angle is 5 degrees, the widest gain spectrum width is obtained, and the gain spectrum width becomes narrower as the tilt angle is smaller than 5 degrees or larger than 5 degrees. Recognize. Based on this knowledge, the present invention sets the angle of 2 degrees or more and 10 degrees or less where the gain spectrum width is wider than the case where the substrate is not inclined as the upper and lower limits of the inclination angle. In particular, when the substrate tilt angle is 2.5 degrees or more and 7.5 degrees or less, it is possible to obtain a gain spectrum width that is clearly wider than when the substrate is not tilted, and when the substrate tilt angle is 4 degrees or more and 6 degrees or less. For example, it is clear from FIG. 1 that a wider gain spectrum width can be obtained.

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。   As described above, according to the present invention, step bunching is formed by using a GaAs substrate inclined at an angle of 2 degrees or more and 10 degrees or less from the (100) plane to the (111) B plane direction. A wide optical semiconductor element can be obtained. Further, when the substrate tilt angle is 2.5 degrees or more and 7.5 degrees or less, a wider gain spectrum width can be obtained, and when the substrate tilt angle is 4 degrees or more and 6 degrees or less, the bandwidth is further increased. Gain spectrum width is obtained.

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。   Further, in the external resonator type tunable light source provided with an optical amplifier and a wavelength selection means for selecting the wavelength of light amplified by the optical amplifier in the resonator, the optical semiconductor element of the present invention is used as the optical amplifier. Thus, the wavelength of the emitted light can be easily changed over a wide band.

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。   Further, in an optical tomographic image acquisition apparatus that acquires an optical tomographic image using light emitted from a light source that emits low coherence light, it is possible to easily achieve low coherence by using the light source having the optical semiconductor element of the present invention. The optical wavelength band can be broadened, and an optical tomographic image with high resolution can be acquired.

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。   Furthermore, in an optical tomographic image acquisition apparatus for acquiring an optical tomographic image using light emitted from a wavelength swept light source that emits laser light while sweeping the wavelength at a constant period, the optical semiconductor element of the present invention is provided as a light source. By using one, the sweep wavelength band can be easily widened, and an optical tomographic image with high resolution can be acquired.

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

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。   FIG. 2A is a schematic sectional elevation view showing the optical semiconductor device according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 2B is a schematic sectional view. As shown in the figure, the optical semiconductor device 10 of this embodiment includes an n-GaAs substrate 11 whose plane orientation is inclined by 3 degrees from the (100) plane to the (111) B plane, and an n-GaAs buffer sequentially stacked thereon. Layer (0.2 μm thickness) 12, n-GaInP lower cladding layer (2.0 μm thickness) 13, GaAs light guide layer 14, InGaAs strained quantum well layer 15, GaAs light guide layer 16, p-GaInP upper cladding layer 17, GaAs etching A stop layer 18, a p-GaInP upper second cladding layer 19, an n-AlGaInP current blocking layer 20, a p-AlGaInP upper third cladding layer 21, and a p-GaAs contact layer 22 are provided. A p-electrode 23 is formed on the p-type GaAs contact layer 22, and an n-electrode 24 is formed on the back side of the n-type GaAs substrate 11. The quantum well structure is a single quantum well structure with an emission wavelength of 1.0 μm. The element length of the optical semiconductor element 10 is 1.5 mm.

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。 When the semiconductor laser of this embodiment is manufactured, crystal growth is performed by a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method as an example. TEG (triethylgallium), TMA (trimethylaluminum), TMI (trimethylindium), AsH3 (arsine), PH3 (phosphine) as source gas, SiH4 (silane) as n-type dopant, DEZ (diethylzinc) as p-type dopant or Cp 2 Mg (biscyclopentadienyl magnesium) is used. Next, a specific method for manufacturing an optical semiconductor element will be described.

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。   First, an n-GaAs buffer layer (0.2 μm thickness) 12, n − is grown by crystal growth by MOCVD on an n-GaAs substrate 11 having an inclination angle of 5 degrees from the (100) plane to the (111) B plane. GaInP lower cladding layer (2.0 μm thick) 13, GaAs light guide layer 14, InGaAs strained quantum well layer 15, GaAs light guide layer 16, p-GaInP upper cladding layer 17, GaAs etching stop layer 18 and p-GaInP upper second The clad layer 19 is laminated in this order.

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。 Next, a SiO 2 selective growth mask serving as a dielectric mask is formed on the p-GaInP upper second cladding layer 19, and a part of the p-GaInP upper second cladding layer 19 is removed by etching. At this time, a GaAs etching stop layer 18 is buried between the p-GaInP upper cladding layer 17 and the p-GaInP upper second cladding layer 19 in order to control the etching range. Note that the portion of the InGaAs strained quantum well layer 15 below the p-GaInP upper second cladding layer 19 that has not been removed by etching functions as an optical waveguide.

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。 Then, the n-AlGaInP current blocking layer 20 is embedded in the portion removed by etching by crystal growth by the second MOCVD method. Further, after removing the SiO 2 mask, the upper portion of the p-AlGaInP so as to cover the entire optical waveguide portion (below the p-GaInP upper second cladding layer 19) and the buried layer portion (n-AlGaInP current blocking layer 20). A third cladding layer 21 is laminated, and a p-GaAs contact layer 22 is further laminated thereon. The optical waveguide can be formed by a photolithography technique using a SiO 2 mask and an etching technique. Thereafter, the substrate is polished until the total thickness becomes about 100 μm, and finally the n-side electrode 24 is formed on the back surface of the substrate and the p-side electrode 23 is formed on the optical waveguide side by vapor deposition and heat treatment. The composition and film thickness of each layer are set to values that enable single mode waveguide. Here, the optical semiconductor element 10 having the buried ridge stripe structure is described as an example, but other structures such as an internal stripe structure may be used. The InGaAs strained quantum well layer 15 may have a single quantum well or a multiple quantum well structure.

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。   Further, the optical semiconductor element 10 has an AR coating applied to the end faces 25 and 26 from which the light L is emitted, as shown in FIG. Further, the InGaAs strained quantum well layer 15 which is a waveguide is inclined by 7 degrees from the normal direction of the end faces 25 and 26, thereby suppressing light resonance in the element. In this way, by suppressing the resonance of light in the optical semiconductor element, it is possible to prevent the optical semiconductor element 10 from lasing in the element. Since the resonance in the element is suppressed, the optical semiconductor element 10 can function as an SLD that emits spontaneous emission light or an SOA that amplifies an optical signal.

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。   In order to suppress the resonance of light in the element, various methods other than the above are possible. For example, irregularities are formed on the end face, the optical waveguide structure is lost near the end face, light is absorbed inside the element, or Resonance in the optical waveguide can also be suppressed by means such as providing a diffusion region.

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。   As apparent from the above description, the optical semiconductor element 10 of the present embodiment is formed using the GaAs substrate 11 whose plane orientation is inclined by 5 degrees from the (100) plane to the (111) B plane direction. Step bunching is formed, and the thickness of the InGaAs strained quantum well layer 15 varies, so that the gain spectrum width of the optical semiconductor element 10 is widened. In particular, when the thickness of the InGaAs strained quantum well layer 15 is small, the InGaAs strained quantum well layer 15 becomes a compressive strained layer, and the influence of the variation in the layer thickness on the gain spectrum width increases.

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。   In the above-described embodiment, a substrate having a plane orientation tilt angle of 5 degrees is used. However, for the reasons described above, this tilt angle can be freely selected within a range of 2 degrees to 10 degrees. In particular, when the substrate tilt angle is not less than 2.5 degrees and not more than 7.5 degrees, a gain spectrum width having a broad band can be obtained as compared with the case where the substrate is not tilted. If the tilt angle of the substrate is 4 degrees or more and 6 degrees or less, a wider gain spectrum width can be obtained.

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。   Next, a wavelength tunable laser device 30 that is a second embodiment of the present invention will be described. The wavelength tunable laser device 30 uses the optical semiconductor element 10 described in the first embodiment as an optical amplifier, and a Littman arrangement type external resonator type wavelength tunable using the diffraction grating 32 and the mirror 33 as wavelength selection means. FIG. 3 shows a schematic configuration diagram of the laser device.

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。   In the wavelength tunable laser device 30, a resonator is constituted by the mirror 33 and the output mirror 31 (transmittance ???%). The spontaneously emitted light emitted from the optical semiconductor element 10 toward the diffraction grating 32 is collected by the lens 34 a to become parallel light and enters the diffraction grating 32. Of the light wavelength-dispersed by the diffraction grating 32, light having a wavelength that is perpendicularly incident on the mirror 33 is reflected by the mirror 33 and enters the diffraction grating 32 as return light. This light resonates in the resonator composed of the mirror 33 and the output mirror 31, and is emitted as laser light L from the output mirror 31 to the optical isolator 36 side. The optical isolator 36 has a function of preventing reflected light at the far end from the optical fiber FB1 from being coupled to the optical semiconductor element 10. The laser light L that has passed through the optical isolator 36 is condensed by the condenser lens 34b and enters the optical fiber FB1. In the Littman arrangement type wavelength selection means, the wavelength of the return light can be changed and the resonance light frequency (laser oscillation wavelength) can be changed by rotating the mirror 33. The wavelength tunable range of the laser light substantially matches the gain spectrum width of the optical semiconductor element 10 that is an optical amplifier. In the wavelength tunable laser device 30 using the optical semiconductor element 10 stacked on the GaAs substrate 11 inclined at 3 degrees as an optical amplifier according to the present embodiment, the wavelength of the laser light is changed over the wavelength band of 80 nm. I was able to. On the other hand, for the purpose of comparison, the present inventor has proposed a wavelength tunable laser using an optical semiconductor device fabricated on a non-tilted GaAs substrate, except that the GaAs substrate is not tilted. A device was prepared and the wavelength variable range was measured in the same manner, and it was 50 nm.

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。   As is apparent from the above description, the wavelength tunable laser device 30 uses the optical semiconductor element 10 that is small, easy to handle, and has a wide gain spectrum width as an optical amplifier. The wavelength can be changed.

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。   Note that the wavelength variable width of the laser light described above is different in the structure of the present invention depending on the strain amount of the InGaAs strained quantum well layer 15, and the variable width is larger on the long wavelength side where the strain amount is large. There was a tendency to expand. However, as the wavelength approaches 1.2 μm, it is difficult to increase the wavelength and the characteristics tend to deteriorate, so the 1.0 to 1.1 μm band is the range in which the effect of the present invention can be obtained to the maximum.

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。   Here, a laser resonator is configured by the mirror 33 and the output mirror 31, but one end face of the optical semiconductor element 10 may be used instead of the output mirror 31. In this case, the optical waveguide of the optical semiconductor element 10 has an oblique waveguide configuration with respect to the normal direction at the end face on the diffraction grating side, and the normal line of the end face at the other end face that serves as the output mirror 31. What is necessary is just to comprise so that it may become a waveguide parallel to a direction.

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。   FIG. 4 shows a wavelength sweep laser apparatus 40 which is a modification of the present embodiment. In the wavelength sweep laser device 40, a polygon mirror 41 is used instead of the mirror 33. As the polygon mirror 41 rotates, the oscillation wavelength of the laser light La emitted from the wavelength sweep laser device 40 is periodically swept.

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。   Further, in the above embodiment, the Littman arrangement type wavelength variable laser has been described as an example of the wavelength variable laser. However, the present invention is not limited to this, and a Littrow arrangement type wavelength variable laser may be used.

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。   Next, a tunable ring laser apparatus 50 according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The wavelength tunable ring laser device 50 is a laser device having a resonator configuration in a ring shape. The optical semiconductor element 10 described in the first embodiment is used as an optical amplifier, and light composed of a multilayer dielectric film is used. The filter 51 is used as wavelength selection means. In the optical filter 51, the wavelength to be transmitted is determined by the angle of the multilayer dielectric film with respect to the optical axis, and the wavelength of the transmitted light can be changed by changing the angle of the optical filter 51.

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。   The spontaneously emitted light from the optical semiconductor element 10 is collimated by the lens 56, is incident on the optical filter 51, and transmits only a specific wavelength (oscillation wavelength). The light that has passed through the optical filter 51 is collected by the lens 56 and enters the optical fiber 53, further passes through the optical coupler 54, is collimated by the lens 58, passes through the optical isolator 52, and is collected by the lens 59. Then, the process returns to the optical semiconductor element 10. The optical isolator 52 determines the light circulation direction and contributes to the stable oscillation operation of the ring laser device 50. When the optical gain of the optical semiconductor element 10 exceeds the total loss of the ring laser resonator, laser oscillation occurs. As described above, since the oscillation wavelength is determined by the transmission center wavelength of the optical filter 54, the oscillation wavelength can be varied by changing the angle of the optical filter 54 with respect to the optical axis. The light in the wavelength tunable ring laser device 50 can be extracted by the optical coupler 56.

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。   FIG. 6 shows a wavelength swept ring laser device 60 which is a modification of the present embodiment. The wavelength sweep ring laser 60 includes an optical filter sweep unit 61 that is connected to the optical filter 54 and periodically changes the angle of the optical filter 54 with respect to the optical axis. The oscillation wavelength is periodically swept by changing the angle of the optical filter periodically.

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。   Hereinafter, an optical tomographic image acquisition apparatus for acquiring an optical tomographic image using a light source having an optical semiconductor element according to the present invention will be described. Conventionally, when an optical tomographic image of a living tissue is acquired, an optical tomographic image acquisition device using OCT measurement is sometimes used. This optical tomographic image acquisition apparatus divides low-coherent light emitted from a light source into measurement light and reference light, and then reflects reflected light and reference light from the measurement object when the measurement light is irradiated onto the measurement object. And an optical tomographic image is obtained based on the intensity of the interference light between the reflected light and the reference light.

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。   In the optical tomographic image acquisition apparatus as described above, by changing the optical path length of the reference light, the position in the depth direction with respect to the measurement target (hereinafter referred to as the depth position) is changed to acquire the optical tomographic image. There is an apparatus using (Time domain OCT) measurement.

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。   In recent years, an SD-OCT apparatus using SD-OCT (Spectral Domain OCT) measurement that acquires an optical tomographic image at high speed without changing the optical path length of the reference light described above has been proposed. This SD-OCT apparatus uses a Michelson interferometer or the like to divide broadband low-coherent light into measurement light and reference light, and then irradiates the measurement light with the measurement light, and then returns the reflected light. An optical tomographic image is constructed without scanning in the depth direction by performing Fourier transform on the channeled spectrum obtained by interfering the light with the reference light and decomposing the interference light into frequency components. .

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。   Further, an optical tomographic imaging apparatus based on SS-OCT (Swept source OCT) measurement has been proposed as an apparatus for acquiring an optical tomographic image at high speed without changing the optical path length of the reference light. This SS-OCT apparatus sweeps the frequency of laser light emitted from a light source, causes reflected light and reference light to interfere at each wavelength, and Fourier transforms the interference spectrum for a series of wavelengths, thereby measuring the depth of the object to be measured. The reflected light intensity at the vertical position is detected, and this is used to construct an optical tomographic image.

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。   An optical tomographic image acquisition apparatus 100 shown in FIG. 7 acquires a tomographic image by the so-called SS-OCT (Swept source OCT) described above, and has a constant period in a wavelength range of 80 nm with a central wavelength of 1.0 μm. The measurement light L1 is emitted to the measuring object S while sweeping the wavelength. Then, the optical tomographic image acquisition apparatus 100 generates a tomographic image based on the reflected light (backscattered light) Lr from the irradiation target S when the measurement light L1 is applied to the irradiation target, and displays the tomographic image on the display device 4. It is like that.

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。   As a light source in this apparatus, a wavelength sweep laser apparatus 40, which is a modification of the third embodiment, shown in FIG. 4 is used. From the wavelength sweep laser device 40, a laser beam Lb whose wavelength is swept at a constant period in a wavelength range of 80 nm with a center wavelength of 1.0 μm is emitted to the optical fiber FB1.

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。   The light splitting means 3 is composed of, for example, a 2 × 2 optical fiber coupler, and splits the light Lb guided from the wavelength swept laser device 40 through the optical fiber FB1 into the measurement light L1 and the reference light L2. The light splitting means 3 is optically connected to the two optical fibers FB2 and FB3, respectively. The measurement light L1 is guided through the optical fiber FB2, and the reference light L2 is guided through the optical fiber FB3. The light splitting means 3 in this example also functions as the multiplexing means 4.

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。   An optical probe 130 is optically connected to the optical fiber FB2, and the measurement light L1 is guided from the optical fiber FB2 to the optical probe 130. The optical probe 130 is inserted into a body cavity from a forceps port through a forceps channel, for example, and is detachably attached to the optical fiber FB2 by an optical connector 136.

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。   The optical probe 130 has a cylindrical probe outer tube 131 with a closed end, and one optical fiber 132 disposed in the inner space of the probe outer tube 131 so as to extend in the axial direction of the outer tube 131. A prism mirror 133 that deflects the measurement light L1 emitted from the tip of the optical fiber 132 in the circumferential direction of the probe outer cylinder 131, and the measurement light L1 emitted from the tip of the optical fiber 132 is arranged outwardly of the probe outer cylinder 131. A rod lens 134 that condenses light so as to converge on the measurement target S as the scanned body and a motor 135 that rotates the optical fiber 132 about the optical axis of the optical fiber 132 as a rotation axis. The rod lens 134 and the prism mirror 133 are arranged so as to rotate together with the optical fiber 132.

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。   On the other hand, optical path length adjusting means 120 is arranged on the side of the optical fiber FB3 from which the reference light L2 is emitted. The optical path length adjusting unit 120 changes the optical path length of the reference light L2 in order to adjust the position at which tomographic image acquisition is started, and reflects the reference light L2 emitted from the optical fiber FB3. 122, a first optical lens 121a disposed between the reflection mirror 122 and the optical fiber FB3, and a second optical lens 121b disposed between the first optical lens 121a and the reflection mirror 122. Yes.

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。   The first optical lens 121a has a function of converting the reference light L2 emitted from the core of the optical fiber FB3 into parallel light and condensing the reference light L2 reflected by the reflection mirror 122 onto the core of the optical fiber FB3. ing. Further, the second optical lens 121b condenses the reference light L2 converted into parallel light by the first optical lens 21a on the reflection mirror 122 and makes the reference light L2 reflected by the reflection mirror 122 into parallel light. have. That is, a confocal optical system is formed by the first optical lens 121a and the second optical lens 121b.

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。   Therefore, the reference light L2 emitted from the optical fiber FB3 becomes parallel light by the first optical lens 121a, and is condensed on the reflection mirror 122 by the second optical lens 121b. Thereafter, the reference light L2 reflected by the reflection mirror 122 becomes parallel light by the second optical lens 121b, and is condensed on the core of the optical fiber FB3 by the first optical lens 121a.

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。   Further, the optical path length adjusting means 120 has a base 123 to which the second optical lens 121b and the reflecting mirror 122 are fixed, and a mirror moving means 124 for moving the base 123 in the optical axis direction of the first optical lens 121a. is doing. Then, when the base 123 moves in the direction of arrow A, the optical path length of the reference light L2 can be changed.

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。   The multiplexing means 4 is composed of a 2 × 2 optical fiber coupler as described above, and the reference light L2 that has been subjected to frequency shift and change of the optical path length by the optical path length adjusting means 120 and the reflected light L3 from the irradiation target S. Are combined and emitted to the interference light detection means 140 side via the optical fiber FB4.

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。   The interference light detection unit 140 detects the interference light L4 between the reflected light L3 combined by the multiplexing unit 4 and the reference light L2. And the image acquisition means 150 detects the intensity | strength of the reflected light L3 in each depth position of the irradiation object S by Fourier-transforming the interference light L4 detected by the interference light detection means 140, and the tomography of the irradiation object S Get an image. The acquired tomographic image is displayed on the display device 160. Note that the apparatus of this example has a mechanism for guiding the light obtained by dividing the interference light L4 into two by the optical fiber coupler 3 to the photodetectors 142a and 142b, and performing balance detection in the computing means 141. As described above, in this example, the interference light detection unit 140 is configured by the photodetectors 142 a and 142 b and the calculation unit 141.

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。   Here, the detection of the interference light L4 and the generation of the image in the interference light detection means 140 and the image acquisition means 150 will be briefly described. Details of this point are described in “Mitsuo Takeda,“ Optical Frequency Scanning Spectrum Interference Microscope ”, Optical Technology Contact, 2003, Vol. 41, No. 7, p426-p432”.

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。   The measurement light L1 is emitted from the optical probe 130 into the body cavity and irradiated to the measurement object S. At this time, the measurement light L1 emitted from the optical probe 130 scans the measurement object S one-dimensionally. Then, the reflected light L3 from the measuring object S is combined with the reference light L2 reflected by the reflecting mirror 122 of the optical path length adjusting unit 120, and the interference light L4 between the reflected light L3 and the reference light L2 is received by the interference light detecting unit 140. Detected.


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)=∫ 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。

Interference fringes with respect to each optical path length difference l when the reflected light L3 and the reference light L2 from the respective depths of the irradiation target S interfere with each other with various optical path length differences when the measurement light L1 is irradiated onto the irradiation target S. S (l) is the light intensity I (k) detected by the interference light detection means 140.
I (k) = ∫ 0 S (l) [1 + cos (kl)] dl
It is represented by Here, k is the wave number, and l is the optical path length difference. It can be considered that the above equation is given as an interferogram in the optical frequency domain with the wave number k = ω / c as a variable. For this reason, in the image acquisition means 150, the spectral interference fringes detected by the interference light detection means 140 are subjected to Fourier transform, and the light intensity S (l) of the interference light L4 is determined. Distance information and reflection intensity information can be acquired, and a tomographic image can be generated.

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。   Thus, in the optical tomographic image acquisition apparatus 100 that acquires an optical tomographic image using light emitted from a wavelength swept light source that emits laser light while sweeping the wavelength at a constant period, the optical semiconductor of the present invention is used as the light source. By using the wavelength swept laser device 40 having elements, the swept wavelength band can be easily widened, and an optical tomographic image with high resolution can be acquired.

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。   In the embodiment, the wavelength swept laser device 40 is used as the light source, but the wavelength swept ring laser 60 shown in FIG. 6 can also be used.

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。   Next, another example of the optical tomographic image acquisition apparatus using the optical semiconductor element according to the present invention as a light source will be described with reference to FIG. An optical tomographic image acquisition apparatus 200 shown in FIG. 8 acquires a tomographic image of a measurement target such as a living tissue or a cell in a body cavity by the above-described SD-OCT (Spectral Domain OCT) measurement. The difference from the optical tomographic image acquisition apparatus 1 of FIG. 7 is the configuration of the light source unit and the interference light detection means.

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。   A light source unit 210 that emits light Lb, a light splitting unit 3 that splits the light Lb emitted from the light source unit 210 into measurement light L1 and reference light L2, and an optical path of the reference light L2 split by the light splitting unit 3 An optical path length adjusting means 220 for adjusting the length, an optical probe 130 for irradiating the irradiation target S with the measurement light L1 divided by the light splitting means 3, and an irradiation target S when the irradiation target S is irradiated with the measurement light L1. And a light combining means 4 for combining the reflected light L3 reflected by the reference light L2 and the reference light L2, and an interference light detecting means 240 for detecting the interference light L4 between the combined reflected light L3 and the reference light L2. is doing.

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。   The light source unit 210 includes the optical semiconductor element 10 shown in FIG. 2 and an optical system 212 for causing the low coherence light Lb emitted from the optical semiconductor element 10 to enter the optical fiber FB1. The optical semiconductor element 10 functions as an SLD, and low optical coherence light Lb having a center wavelength of 1.0 μm and a spectral line width of 80 nm is emitted from the optical semiconductor element 10.

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。   On the other hand, the interference light detection means 240 detects the interference light L4 between the reflected light L3 combined by the multiplexing means 4 and the reference light L2, and uses the interference light L4 emitted from the optical fiber FB4 as parallel light. The collimator lens 241 to be converted, the spectroscopic means 242 for dispersing the interference light L4 having a plurality of wavelength bands for each wavelength band, and the light detection means 244 for detecting the interference light L4 of each wavelength band split by the spectroscopic means 242. And have.

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。   The spectroscopic means 242 is composed of, for example, a diffraction grating element or the like. The spectroscopic interference light L4 incident on the spectroscopic means 242 is split and emitted toward the light detecting means 244. Further, the light detection means 244 is composed of, for example, an element such as a CCD in which photosensors are arranged one-dimensionally or two-dimensionally, and each photosensor is configured to separate the interference light L4 that has been dispersed as described above for each wavelength band. It comes to detect.

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。   The light detection means 244 is connected to an image acquisition means 250 made up of a computer system such as a personal computer, for example, and the image acquisition means 250 is connected to a display device 160 made up of a CRT or a liquid crystal display device.

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。   The operation of the optical tomographic image acquisition apparatus 200 having the above configuration will be described below. When acquiring a tomographic image, the optical path length is adjusted so that the irradiation target S is positioned within the measurable region by first moving the base 123 in the direction of arrow A. Thereafter, the light Lb is emitted from the light source unit 210, and this light La is split into the measurement light L1 and the reference light L2 by the light splitting means 3. The measurement light L1 is emitted from the optical probe 130 into the body cavity and is irradiated onto the irradiation target S. At this time, the measurement light L1 emitted from the optical probe 130 scans the irradiation target S one-dimensionally. Then, the reflected light L3 from the irradiation target S is combined with the reference light L2 reflected by the reflecting mirror 22, and the interference light L4 between the reflected light L3 and the reference light L2 is detected by the interference light detection means 240. The detected interference light L4 is subjected to appropriate waveform compensation and noise removal in the image acquisition means 250 and then subjected to Fourier transform, whereby reflected light intensity distribution information in the depth direction of the irradiation target S is obtained.

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。   Then, if the measurement light L1 is scanned on the irradiation target S by the optical probe 130 as described above, information in the depth direction of the irradiation target S is obtained at each portion along the scanning direction. A tomographic image of a tomographic plane including The tomographic image acquired in this way is displayed on the display device 160. For example, by moving the optical probe 130 in the left-right direction in FIG. 8 and causing the measurement light L1 to scan the irradiation target S in a second direction orthogonal to the scanning direction, this second It is also possible to obtain a tomographic image of a tomographic plane including the direction.

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。   As described above, in the optical tomographic image acquisition apparatus 200 that acquires the optical tomographic image using the light emitted from the light source that emits the low coherence light, the optical semiconductor element 10 of the present invention is used as the light source. The wavelength band of the coherence light can be widened, and an optical tomographic image with high resolution can be acquired.

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。   Next, still another example of the optical tomographic image acquisition apparatus using the optical semiconductor element according to the present invention as a light source will be described. An optical tomographic image acquisition apparatus 300 shown in FIG. 9 acquires a tomographic image to be measured by the above-described TD-OCT measurement, and is a light source including an optical semiconductor element 10 that emits laser light Lb and a condenser lens 121. The unit 210, the light splitting means 2 that splits the low-coherence light KLb that is emitted from the light source unit 210 and propagates through the optical fiber FB1, and the low-coherence light Lb that has passed therethrough is split into the measurement light L1 and the reference light L2. The light splitting means 3, the optical path length adjusting means 320 for adjusting the optical path length of the reference light L2 split by the light splitting means 3 and propagated through the optical fiber FB3, and the light splitting means 3 split and propagated through the optical fiber FB2 An optical probe 130 that irradiates the irradiation target S with the measurement light L1, and measurement when the measurement light L1 is irradiated from the optical probe 130 onto the irradiation target S. Interpolation between the reflected light L3 from the elephant and the reference light L2, and the interference between the reflected light L3 and the reference light L2 by the multiplexing means 4 (also serving as the light splitting means 3). Interference light detection means 330 for detecting the light L4.

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。   The optical path length adjusting means 320 is a mirror that is movable in the direction of arrow A in the figure so as to change the distance between the collimator lens 321 that collimates the reference light L2 emitted from the optical fiber FB3 and the collimator lens 321. 323 and mirror moving means 324 for moving the mirror 323, and has a function of changing the optical path length of the reference light L2 in order to change the measurement position in the irradiation target S in the depth direction. . Then, the reference light L 2 whose optical path length has been changed by the optical path length adjusting means 320 is guided to the multiplexing means 4.

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。   The interference light detection means 330 detects the light intensity of the interference light L4 that has propagated from the multiplexing means 4 through the optical fiber FB2. Specifically, when the difference between the total optical path length of the measuring light L1 and the reflected light L3 reflected or backscattered at a certain point of the irradiation target S and the optical path length of the reference light L2 is shorter than the coherence length of the light source Only an interference signal with an amplitude proportional to the amount of reflected light is detected. Further, by scanning the optical path length by the optical path length adjusting unit 320, the reflection point position (depth) of the irradiation target S from which the interference signal is obtained changes, and accordingly, the interference light detection unit 330 of the irradiation target S is changed. The reflectance signal at each measurement position is detected. The information on the measurement position is output from the optical path length adjustment unit 320 to the image acquisition unit. Then, based on the information on the measurement position in the mirror moving unit 324 and the signal detected by the interference light detection unit 330, the image acquisition unit 350 obtains the reflected light intensity distribution information in the depth direction of the irradiation target S.

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。   Then, if the measurement light L1 is scanned on the irradiation target S by the optical probe 130 as described above, information in the depth direction of the irradiation target S is obtained at each portion along the scanning direction. A tomographic image of a tomographic plane including The tomographic image acquired in this way is displayed on the display device 160. For example, by moving the optical probe 130 in the left-right direction in FIG. 9 and causing the measurement light L1 to scan the irradiation target S in a second direction orthogonal to the scanning direction, the second direction is changed. It is also possible to further acquire a tomographic image of the tomographic plane including it.

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。   Thus, in the optical tomographic image acquisition apparatus 300 that acquires an optical tomographic image using light emitted from a light source that emits low-coherence light, the optical semiconductor element 10 of the present invention is used as a light source. The wavelength band of the coherence light can be widened, and an optical tomographic image with high resolution can be acquired.

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The figure which shows the relationship between the inclination-angle of a board | substrate and the maximum self-emission spectrum width 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1 is a schematic sectional elevation view of an optical semiconductor device according to a first embodiment of the present invention. 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1 is a schematic cross-sectional view of an optical semiconductor device according to a first embodiment of the present invention. 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Schematic configuration diagram of a wavelength tunable laser device according to a second embodiment of the present invention. 波長掃引レーザ装置の概略構成図Schematic configuration diagram of wavelength swept laser device 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Schematic configuration diagram of a wavelength tunable ring laser device according to a third embodiment of the present invention. 波長掃引リングレーザ装置の概略構成図Schematic configuration diagram of wavelength swept ring laser device 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Schematic configuration diagram showing an example of an optical tomographic image acquisition apparatus based on SS-OCT measurement 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Schematic configuration diagram showing an example of an optical tomographic image acquisition apparatus by SD-OCT measurement 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Schematic configuration diagram showing an example of an optical tomographic image acquisition apparatus based on TD-OCT measurement

符号の説明Explanation of symbols

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
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Optical semiconductor element 11 n-GaAs substrate 13 n-GaInP lower clad layer 15 InGaAs strained quantum well layers 25 and 26 End face 30 Wavelength variable laser device 32 Diffraction grating 33 Mirror 40 Wavelength sweep laser device 41 Polygon mirror 50 Wavelength variable ring laser device 51 Optical filter 60 Wavelength sweep ring laser apparatus 100, 200, 300 Optical tomographic image acquisition apparatus 120, 320 Optical path length adjustment means 130 Probe 140, 240, 330 Interference light detection means
La Laser light Lb Low coherence light

Claims (10)

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。
An optical semiconductor element in which resonance of light in the element is suppressed,
On the GaAs substrate, at least an InGaP lower cladding layer and an InGaAs active layer are laminated,
An optical semiconductor element, wherein the plane orientation of the GaAs substrate is inclined at an angle of 2 degrees to 10 degrees from the (100) plane to the (111) B plane direction.
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。   2. The optical semiconductor element according to claim 1, wherein an inclination angle of the GaAs substrate is 2.5 degrees or more and 7.5 degrees or less. 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。   3. The optical semiconductor element according to claim 2, wherein the inclination angle of the GaAs substrate is not less than 4 degrees and not more than 6 degrees. 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。   4. The optical semiconductor device according to claim 1, wherein the InGaAs active layer is an InGaAs quantum well layer. 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。   5. The optical semiconductor device according to claim 4, wherein the InGaAs quantum well layer is an InGaAs strained quantum well layer. 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。   6. The optical semiconductor element according to claim 1, wherein the center wavelength of the emitted light is 0.9 μm or more and 1.2 μm or less. 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。   7. The optical semiconductor element according to claim 6, wherein the center wavelength of the emitted light is 1.0 μm or more and 1.1 μm or less. 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。
In an external resonator type tunable light source including an optical amplifier and wavelength selection means for selecting a wavelength of light amplified by the optical amplifier in the resonator,
In the optical amplifier, at least an InGaP lower cladding layer and an InGaAs active layer are stacked on a GaAs substrate whose plane orientation is inclined at an angle of 2 degrees to 10 degrees from the (100) plane to the (111) B plane direction. An optical semiconductor element in which resonance of light in the element is suppressed.
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。
A light source that emits low coherence light;
A light splitting means for splitting the light emitted from the light source into measurement light and reference light;
Irradiating means for irradiating the measuring object with the measurement light;
Multiplexing means for superimposing the reflected light from the measurement object and the reference light when the measurement light is irradiated on the measurement object;
Interference light detection means for detecting interference light between the reflected light and the reference light multiplexed by the multiplexing means;
In an optical tomographic image acquisition apparatus comprising image acquisition means for acquiring a tomographic image of the measurement object from the interference light detected by the interference light detection means,
The light source has at least an InGaP lower cladding layer and an InGaAs active layer stacked on a GaAs substrate whose plane orientation is inclined at an angle of not less than 2 degrees and not more than 10 degrees from the (100) plane to the (111) B plane direction, An optical tomographic image acquisition apparatus having an optical semiconductor element in which resonance of light in the element is suppressed.
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。
A wavelength swept light source that emits laser light while sweeping the wavelength at a constant period;
A light splitting means for splitting the laser light emitted from the wavelength swept light source into measurement light and reference light;
Irradiating means for irradiating the measuring object with the measurement light;
Multiplexing means for superimposing the reflected light of the measurement light from the measurement object and the reference light;
Interference light detection means for detecting the intensity of the reflected light at each depth position of the measurement object based on the frequency and intensity of the interference light between the reflected light and the reference light superimposed by the multiplexing means; ,
In an optical tomographic image acquisition apparatus comprising: an image acquisition unit that acquires a tomographic image of the measurement object using the intensity of the reflected light at each depth position detected by the interference light detection unit;
The wavelength swept light source comprises an optical amplifier and wavelength sweeping means for sweeping the wavelength of light amplified by the optical amplifier,
In the optical amplifier, at least an InGaP lower cladding layer and an InGaAs active layer are stacked on a GaAs substrate whose plane orientation is inclined at an angle of 2 degrees to 10 degrees from the (100) plane to the (111) B plane direction. An optical tomographic image acquisition apparatus comprising an optical semiconductor element in which resonance of light within the element is suppressed.
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