特許 7265258 波長掃引型光コヒーレンストモグラフィー装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-04-18

(45)【発行日】2023-04-26

(54)【発明の名称】波長掃引型光コヒーレンストモグラフィー装置

(51)【国際特許分類】

   H01S 5/34 20060101AFI20230419BHJP

   H01S 5/06 20060101ALI20230419BHJP

   H01S 5/14 20060101ALI20230419BHJP

   G01N 21/17 20060101ALI20230419BHJP

   A61B 3/10 20060101ALI20230419BHJP

   A61B 10/00 20060101ALN20230419BHJP

【ＦＩ】

H01S5/34

H01S5/06

H01S5/14

G01N21/17 625

A61B3/10 100

A61B10/00 E

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2019139400

(22)【出願日】2019-07-30

(65)【公開番号】P2021022684

(43)【公開日】2021-02-18

【審査請求日】2022-03-28

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 公開の事実１－１：平成３０年１０月１日、ｈｔｔｐ：／／ｓｐｉｅ．ｏｒｇ／ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅｓ－ａｎｄ－ｅｘｈｉｂｉｔｉｏｎｓ／ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ－ｗｅｓｔ ｈｔｔｐ：／／ｓｐｉｅ．ｏｒｇ／ＯＥ１２５

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 公開の事実１－２：平成３１年２月６日、ＳＰＩＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｗｅｓｔ ２０１９

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 公開の事実１－３：平成３１年３月１日、ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｓｐｉｅｄｉｇｉｔａｌｌｉｂｒａｒｙ．ｏｒｇ／ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ－ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ－ｏｆ－ｓｐｉｅ／１０９３９／１０９３９１１／Ｔｕｎａｂｌｅ－ｅｘｔｅｒｎａｌ－ｃａｖｉｔｙ－ｌａｓｅｒ－ｄｉｏｄｅ－ｂａｓｅｄ－ｏｎ－ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ－ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ－ｓｅｌｆ／１０．１１１７／１２．２５０９９８４．ｓｈｏｒｔ、ｈｔｔｐｓ：／／ｄｏｉ．ｏｒｇ／１０．１１１７／１２．２５０９９８４

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 公開の事実２－１：平成３１年２月２５日、第６６回応用物理学会春季学術講演会講演予稿集

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 公開の事実２－２：平成３１年３月１２日、第６６回応用物理学会春季学術講演会

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 公開の事実３：平成３０年１１月２４日、第２１回光科学若手研究会

(73)【特許権者】

【識別番号】504145283

【氏名又は名称】国立大学法人 和歌山大学

(74)【代理人】

【識別番号】100111567

【弁理士】

【氏名又は名称】坂本 寛

(72)【発明者】

【氏名】尾崎 信彦

【審査官】淺見 一喜

(56)【参考文献】

【文献】特表２００４－５２８７０５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－０４９１２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－１７０７７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－０１００１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１３／００８００５（ＷＯ，Ａ２）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｓ ５／００－５／５０

Ｇ０１Ｎ ２１／１７

Ａ６１Ｂ ３／１０

Ａ６１Ｂ １０／００

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＭＥＤＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

波長可変レーザ光源を備える波長掃引型光コヒーレンストモグラフィー装置であって、
前記波長可変レーザ光源は、
電流が注入されることで、レーザ発振せずに増幅自然発光により生じた種光を出射する利得チップと、
前記種光から選択された波長の光をレーザ発振させるよう構成され、レーザ発振の波長を制御可能である外部共振器と、
を備え、
前記利得チップは、１μｍから１．１５μｍの範囲内に、第１励起準位間発光の中心波長が存在する量子ドットを有し、
前記種光は、基底準位間発光よりも大きな光強度を有する前記第１励起準位間発光を少なくとも含み、
前記外部共振器は、前記第１励起準位間発光の中心波長を含む範囲である波長可変幅内において、レーザ発振の波長を制御するよう構成され、
前記波長可変幅は、前記外部共振器を用いた前記レーザ発振においてレーザ発振した波長範囲であり、
前記外部共振器を用いた前記レーザ発振において、前記基底準位間発光はレーザ発振に寄与せず、前記第１励起準位間発光はレーザ発振に寄与しており、
前記外部共振器を用いた前記レーザ発振の前記波長範囲は、前記基底準位間発光の前記中心波長を含まない範囲であるとともに、前記第１励起準位間発光の中心波長を含む範囲である
波長掃引型光コヒーレンストモグラフィー装置。

【請求項2】

前記量子ドットは、前記基底準位間発光の前記中心波長が、１．１５μｍよりも長波長側に存在するよう構成されている
請求項１に記載の波長掃引型光コヒーレンストモグラフィー装置。

【請求項3】

前記量子ドットは、１μｍから１．１５μｍの前記範囲内に、第２励起準位間発光の中心波長がさらに存在するよう構成され、
前記種光は、前記第２励起準位間発光をさらに含み、
前記波長可変幅は、前記第２励起準位間発光の中心波長をさらに含む範囲である
請求項１又は請求項２に記載の波長掃引型光コヒーレンストモグラフィー装置。

【請求項4】

前記種光において、前記第２励起準位間発光は、前記基底準位間発光よりも大きい光強度を有する
請求項３に記載の波長掃引型光コヒーレンストモグラフィー装置。

【請求項5】

前記量子ドットは、１μｍから１．１５μｍの前記範囲内に、第２励起準位間発光の中心波長がさらに存在するとともに、前記基底準位間発光の中心波長が、１．１５μｍよりも長波長側に存在するよう構成され、
前記種光において、前記第２励起準位間発光は、前記基底準位間発光よりも大きい光強度を有し、
前記波長可変幅は、前記基底準位間発光の前記中心波長よりも長波長側を含まず、前記第２励起準位間発光の中心波長をさらに含む範囲である
請求項１に記載の波長掃引型光コヒーレンストモグラフィー装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、波長掃引型光コヒーレンストモグラフィー装置及び波長可変レーザ光源に関する。

【背景技術】

【0002】

光コヒーレンストモグラフィー（ＯＣＴ）は、光を用いた非侵襲医療用断層イメージングなどに用いられる。ＯＣＴにはいくつかの画像取得方式があるが、現在は、波長を連続的に変化させる波長掃引レーザ光源（ＳＳ：Ｓｗｅｐｔ Ｓｏｕｒｃｅ）を用いた波長掃引型ＯＣＴ（ＳＳ－ＯＣＴ）が主流となってきている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開2018-152573号公報

【発明の概要】

【0004】

ＳＳの実現には、例えば、波長可変レーザ発振が可能な、一定の利得帯域を持った光学利得媒体を用意する必要がある。また、ＳＳ－ＯＣＴにおいて、得られる画像の光軸分解能は、光源である波長可変レーザの波長掃引幅と逆比例の関係にあるため、高い光軸分解能を得るためには、広帯域なレーザ波長可変幅が必要である。

【0005】

さらに、生体サンプルの主成分である血液中のヘモグロビンや水による光吸収が極小となる波長が、１．０５μｍ付近に存在する。このため、ＳＳ－ＯＣＴにおいて、高分解能と高深達度（画像深さ）を両立するためには、生体内透過性の高い１．０５μｍ付近を中心とした広帯域な波長可変幅を有する光源が必要となる。すなわち、１．１μｍ帯（１．０～１．１５μｍ）において、広帯域なレーザ発振を可能とする光学利得媒体が必要となる。

【0006】

光学利得媒体として、半導体材料を用いることができれば、小型軽量かつ安価な光源が得られる。しかし、従来は、１．１μｍ帯で広帯域な光学利得幅を有する半導体材料の選択肢は少なく、広帯域なレーザ発振を得ることは困難であった。

【0007】

本開示の一の側面は、波長可変レーザ光源を備えるＳＳ－ＯＣＴ装置である。開示の波長可変レーザ光源は、電流が注入されることで、レーザ発振せずに広帯域な増幅自然発光により生じた種光を出射する利得チップと、前記種光から選択された波長の光をレーザ発振させるよう構成され、レーザ発振の波長を制御可能である外部共振器と、を備え、前記利得チップは、１μｍから１．１５μｍの範囲内に、第１励起準位間発光の中心波長が存在する量子ドットを有し、前記種光は、基底準位間発光よりも大きな光強度を有する前記第１励起準位間発光を少なくとも含み、前記外部共振器は、前記第１励起準位間発光の中心波長を含む範囲である波長可変幅内において、レーザ発振の波長を制御するよう構成されている。

【0008】

本開示の他の側面は、波長可変レーザ光源である。更なる詳細は、後述の実施形態として説明される。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】図１は、波長掃引型光コヒーレンストモグラフィー装置の構成図である。

【図2】図２は、波長可変レーザ光源の構成図である。

【図3】図３は、利得チップの断面図である。

【図4】図４は、基底準位間発光、第１励起準位間発光、及び第２励起準位間発光の説明図である。

【図5】図５は、直線状リッジ導波路を有する利得チップのＥＬスペクトルである。

【図6】図６は、Ｊ字形状リッジ導波路を有する利得チップのＥＬスペクトルである。

【図7】図７は、基底準位間発光、第１励起準位間発光、及び第２励起準位間発光における電流と光強度の関係を示すグラフである。

【図8】図８は、注入電流が３５０ｍＡである場合にレーザ発振した波長範囲を示す図である。

【図9】図９は、注入電流が４００ｍＡである場合にレーザ発振した波長範囲を示す図である。

【図10】図１０は、注入電流が５００ｍＡである場合にレーザ発振した波長範囲を示す図である。

【図11】図１１は、注入電流が６００ｍＡである場合にレーザ発振した波長範囲を示す図である。

【図12】図１２は、注入電流毎のレーザ発振可能な波長可変幅を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

＜１．波長掃引型光コヒーレンストモグラフィー装置及び波長可変レーザ光源の概要＞

【0011】

（１）実施形態に係る波長掃引型光コヒーレンストモグラフィー装置は、波長可変レーザ光源を備える。前記波長可変レーザ光源は、電流が注入されることで、レーザ発振せずに増幅自然発光により生じた種光を出射する利得チップと、前記種光から選択された波長の光をレーザ発振させるよう構成され、レーザ発振の波長を制御可能である外部共振器と、を備える。

【0012】

前記利得チップは、１μｍから１．１５μｍの範囲内に、第１励起準位間発光の中心波長が存在する量子ドットを有する。前記種光は、基底準位間発光よりも大きな光強度を有する前記第１励起準位間発光を少なくとも含む。前記外部共振器は、前記第１励起準位間発光の中心波長を含む範囲である波長可変幅内において、レーザ発振の波長を制御するよう構成されている。かかる構成により、波長掃引の中心が１．１μｍ付近である、生体用・医療用に適した波長掃引型光コヒーレンストモグラフィー装置が得られる。

【0013】

（２）前記波長可変幅は、基底準位間発光の中心波長よりも長波長側を含まない範囲であるのが好ましい。

【0014】

（３）前記量子ドットは、前記基底準位間発光の前記中心波長が、１．１５μｍよりも長波長側に存在するよう構成されているのが好ましい。

【0015】

（４）前記量子ドットは、１μｍから１．１５μｍの前記範囲内に、第２励起準位間発光の中心波長がさらに存在するよう構成され、前記種光は、前記第２励起準位間発光をさらに含み、前記波長可変幅は、前記第２励起準位間発光の中心波長をさらに含む範囲であるのが好ましい。

【0016】

（５）前記種光において、前記第２励起準位間発光は、前記基底準位間発光よりも大きい光強度を有するのが好ましい。

【0017】

（６）前記量子ドットは、１μｍから１．１５μｍの前記範囲内に、第２励起準位間発光の中心波長がさらに存在するとともに、前記基底準位間発光の中心波長が、１．１５μｍよりも長波長側に存在するよう構成され、前記種光において、前記第２励起準位間発光は、前記基底準位間発光よりも大きい光強度を有し、前記波長可変幅は、前記基底準位間発光の前記中心波長よりも長波長側を含まず、前記第２励起準位間発光の中心波長をさらに含む範囲であるのが好ましい。

【0018】

（７）実施形態に係る波長可変レーザ光源は、電流が注入されることで、レーザ発振せずに増幅自然発光により生じた種光を出射する利得チップと、前記種光から選択された波長の光レーザ発振させるよう構成され、レーザ発振の波長を制御可能である外部共振器と、を備える。前記利得チップは、１μｍから１．１５μｍの範囲内に、第１励起準位間発光の中心波長が存在する量子ドットを有し、前記種光は、基底準位間発光よりも大きな光強度を有する前記第１励起準位間発光を少なくとも含み、前記外部共振器は、前記第１励起準位間発光の中心波長を含む範囲である波長可変幅内において、レーザ発振の波長を制御するよう構成されている。

【0019】

＜２．波長掃引型光コヒーレンストモグラフィー装置及び波長可変レーザ光源の例＞

【0020】

図１は、波長掃引型光コヒーレンストモグラフィー装置（以下、「ＳＳ－ＯＣＴ）１０を示している。ＳＳ－ＯＣＴは、波長可変レーザ光源１１と、ハーフミラー１２と、参照ミラー１３と、フォトディテクタ１５と、を備える。波長可変レーザ光源１１は、波長を連続的に掃引したレーザ光を出力する。波長可変レーザ光源１１から出力された光は、ハーフミラー１２によって、参照ミラー１３へ進行する参照光と、サンプル１４側へ進行する信号光と、に分けられる。参照ミラー１３から反射した参照光とサンプル１４から反射した信号光は、ハーフミラー１２において合波され、干渉光となる。干渉光強度が、フォトディテクタ１５によって検出される。干渉光強度の時間波形をフーリエ変換することで、信号光の光軸上の反射光強度分布を取得することができる。

【0021】

図２は、波長可変レーザ光源１１を示している。波長可変レーザ光源１１は、利得媒体である利得チップ２１と、外部共振器２２と、を備える。利得チップ２１は、リッジ型導波路２１Ａを備える。ここでは、導波路２１Ａは、導波路２１Ａの一端面２１Ｂ側がＪ字形状に傾斜したＪ字形状リッジ導波路として構成した。Ｊ字状の傾斜角度（端面に対して垂直方向からの傾斜角度）θは、７°とした。なお、作製した利得チップ２１は、図２に示すように平面視において矩形状であり、短辺の長さが２ｍｍであり、長辺の長さが６ｍｍである。なお、利得チップ２１は、端面から光が出射するものに限られず、利得チップ２１から垂直に光を放出するものであってもよい。

【0022】

外部共振器２２は、回折格子２２Ａと、光ファイバ（レンズドファイバ）２３と、を備える。傾斜端面２１Ｂから出射した種光は、光ファイバ２３によって回折格子２２Ａに導かれる。回折格子２２Ａは、一例として、リトロー型に配置している。回折格子２２Ａは、回折格子角度を変更可能に構成されている。回折格子角度を変更することで、様々な波長光を利得チップ２１へ帰還させることができる。特定波長の光を帰還させる手法として、回折格子２２Ａ以外にも、プリズムや、バンドパスフィルターを用いることが可能である。また、回折格子２２Ａへの光入射角度を変更するために、ポリゴンミラーやガルバノミラー、MEMS素子、光学スキャナなどを利用することも可能である。利得チップ２１では、外部共振器２２から帰還した光の波長において、レーザ発振が誘起される。

【0023】

利得チップ２１において誘起されたレーザ光は、導波路２１Ａの外部共振器とは反対側の端面２１Ｃから出力される。出力されたレーザ光を測定する場合、レーザ光は、端面２１Ｃから光スペクトルアナライザまで、光ファイバ（レンズドファイバ）２４によって導かれる。

【0024】

図３は、利得チップ２１の断面模式図を示している。利得チップ２１は、分子線エピタキシー法により形成された結晶基板に対し、半導体微細加工技術による導波路構造の形成と、電極蒸着により作製される。利得チップ２１は、ｐ－ｉ－ｎ接合ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ内に、ＩｎＡｓ量子ドット（ＩｎＡｓ－ＱＤ）が複数積層されている。より具体的には、利得チップ２１は、下から、第１電極３１、基板３２、コンタクト層３３、クラッド層３４、導波層３５、クラッド層３６、コンタクト層３７、及び第２電極３９を備える。第２電極３９と、クラッド層３６との間には、導波路上面以外に絶縁層３８が設けられている。

【0025】

導波層３５は、４層の活性層（ＩｎＡｓ－ＱＤ層）３５Ａを含む。各活性層３５Ａの上には、キャッピング層３５Ｂが形成されている。量子ドット（ＩｎＡｓ自己組織化量子ドット）は、分子線エピタキシー装置内で、量子ドットの原料となるＩｎ・ＡｓをＧａＡｓ基板上に供給することにより形成される。

【0026】

ここで、通常のＩｎＡｓ－ＱＤは、１．２－１．３μｍ帯において広帯域な発光を示す。ＱＤが、広帯域発光をするのは、ＱＤがサイズ分布及びＩｎ組成分布を有するためである。発光広帯域性を有するため、ＱＤは、広帯域な波長可変光源として好適である。しかし、通常のＩｎＡｓ－ＱＤは、１．２－１．３μｍ帯の発光特性を有し、水を含む生体サンプルに対する透過率が低くなるため、眼科用途などのОＣＴには不適であった。

【0027】

そこで、本発明者は、ＱＤの発光波長を短波長側へシフトさせるため、ＱＤのサイズ（高さ）が通常よりも小さくなるように、ＱＤの成長条件を制御した。ＱＤのサイズが小さくなると、ＱＤの発光波長は短波長側へシフトする。

【0028】

ここで、通常のＱＤを形成する場合、ＱＤの成長のための適正な成長温度が設定される。適正な成長温度は、他の成長条件にも依存するが、一般に、４８０℃程度である。なお、ここでの成長温度は、ＱＤが形成される基板上の温度である。成長温度が適正な温度よりも高いと、Ｉｎの熱拡散が強く生じ、ＱＤ構造が崩れてしまう。このため、高すぎる成長温度は、一般的には好ましくはない。

【0029】

これに対して、本発明者は、成長温度を適正な温度（約４８０℃）よりもやや高い温度（５００℃～５１０℃程度）に設定することで、Ｉｎの熱拡散をやや強めに生じさせた。Ｉｎの熱拡散がやや強めに生じることで、ＱＤ構造をやや崩して、ＱＤのサイズを小さくすることができた。しかも、成長温度を高くしすぎないことでＱＤ構造の大きな崩れを防いだ。また、ＱＤの成長時には、ＱＤ構造の崩れを防ぐために必要なバックプレッシャー（Ａｓ圧（ＢＥＰ））を与え、適切な成長速度を確保した。

【0030】

また、単にＱＤの構造を崩すと、ＱＤが欠陥を内包し易くなる。すなわち、ＱＤの成長の際に、大きく非平衡状態になると、原子の拡散が強くおきて、原子が結合されていない欠陥が内包される。欠陥を内包したＱＤは、キャリア損失によって光学利得が十分に得られなくなるため、レーザ発振には不適である。このため、ＱＤは欠陥が少ないことが望まれる。したがって、熱拡散を生じさせつつも、欠陥を含まないように、適切に拡散させながら、単結晶が積みあがった積層結晶が形成されるように成長条件を制御する。

【0031】

本発明者は、上記の観点から、ＱＤ層３５Ａ及びキャッピング層３５Ｂの成長時の成長温度を制御し、サイズが通常よりも小さく、欠陥が少なく高品質であってレーザ発振可能な程度に大きな利得が得られるＱＤの作製に成功した。

【0032】

また、本発明者は、ＱＤのサイズを単に小さくするのではなく、ＱＤの第１励起準位（ＥＳ１）間発光及び第２励起準位（ＥＳ２）間発光の発光波長が、１μｍから１．１５μｍの範囲内に存在するように、ＱＤのサイズを制御した。これにより、１μｍから１．１５μｍ付近での高効率なレーザ発振を得ることができる。

【0033】

ここで、単一のＱＤは、量子閉じ込め効果によって、伝導帯と価電子帯にそれぞれ離散的な電子準位を有し、それらの準位間での電子と正孔の再結合により離散的な発光を示す。これが一定のサイズ分布をもったＱＤの集合体になると、図４に示すように、一定の広がりをもった離散的な発光、すなわち、基底準位（ＧＳ）間発光、ＥＳ１間発光、及びＥＳ２間発光を生じ得る。ＱＤの発光エネルギーは、ＧＳ、ＥＳ１、及びＥＳ２の順に離散的に増加する。これに伴い、ＱＤの発光波長は、ＧＳ、ＥＳ１、及びＥＳ２の順に短波長化する。これらの各準位間発光のうち、第１励起準位及び第２励起準位は、一般的に各準位の電子の状態数が基底準位に対して多く、基底準位間発光よりも利得が大きくなる。

【0034】

そこで、レーザ発振を得たい帯域に、ＥＳ１及びＥＳ２の準位間発光波長が存在するようにＱＤのサイズを制御することにより、高効率なレーザ発振を得ることができる。すなわち、ＥＳ１及びＥＳ２準位間の発光波長を、１μｍから１．１５μｍの範囲内に存在させることで、１μｍから１．１５μｍの範囲近傍において高効率なレーザ発振が得られる。

【0035】

本発明者が採用したＱＤの成長条件（実施例）は、次のとおりである。
・ＱＤの成長速度：約０．２Ｍ／ｓ
・ＱＤ成長時のＩｎＡｓ供給量：約２．０ＭＬ
・Ａｓ圧（ＢＥＰ）：１．８×１０^－５Ｔｏｒｒ

【0036】

上記の条件下において、ＱＤ層３５Ａの成長時の基板温度は、５００℃から５１０℃程度に設定した。この温度は、通常のＱＤ成長温度である約４８０℃に比べて２０℃から３０℃ほど高い。

【0037】

また、キャッピング層３５Ｂの成長時の基板温度は、４５０℃から４６０℃程度に下げた。この温度は、通常のキャッピング層成長温度よりも１０℃から２０℃程度高い。

【0038】

なお、成長条件は、上記に限られるものではなく、上記の観点からＩｎの熱拡散をやや強めに生じさせることができる成長条件を適宜設定すればよい。

【0039】

図５は、上記に従って作製された利得チップ２１のエレクトロルミネセンス（ＥＬ）スペクトルＳ２，Ｓ３，Ｓ４と、通常のＱＤ（Ｒｅｇ． ＩｎＡｓ－ＱＤｓ）のフォトルミネッセンス（ＰＬ）スペクトルＳ１と、を示している。図５において、Ｓ２は、５ｍＡの電流注入時のＥＬスペクトルであり、Ｓ３は、３ｍＡの電流注入時のＥＬスペクトルであり、Ｓ４は、１ｍＡの電流注入時のＥＬスペクトルである。

【0040】

１ｍＡから５ｍＡの低い電流注入時には、ＧＳ間での発光ピークの波長が、１１６０ｎｍ（１．１６μｍ）付近に存在していることがわかる。通常のＱＤ（Ｒｅｇ． ＩｎＡｓ－ＱＤｓ）のＧＳ間発光ピークの波長は、１２５０ｎｍ（１．２５μｍ）付近に存在していることから、利得チップ２１では、発光ピークが９０ｎｍ程度、短波長側へシフトしている。

【0041】

図５は、Ｊ字形状ではなく、直線状のリッジ導波路を形成した以外は、上記と同様の利得チップ２１によって、外部共振器２２を用いることなく、ファブリ・ペロー・レージング（Fabry-Perot lasing）を行った場合のＥＬスペクトルＳ１１，Ｓ１２をさらに示している。図５において、Ｓ１１は、１１０ｍＡ注入時のＥＬスペクトルであり、Ｓ１２は、１００ｍＡ注入時のＥＬスペクトルである。

【0042】

図５に示すように、１１０ｍＡ（Ｓ１１）の注入電流により、基底準位間発光の波長（１１６０ｎｍ付近）においてレーザ発振が観測された。光出力対注入電流特性から、レーザ発振閾値は１０６ｍＡと見積もられ、１００ｍＡ（Ｓ１２）では、レーザ発振が生じていない。外部共振器２２を用いないファブリ・ペロー・レージングの場合、発光波長の可変性に欠け、得られる発光波長も、１１６０ｎｍ程度である。

【0043】

図６は、導波路２１Ａが、Ｊ字形状リッジ導波路である以外は、図５のケースと同様の利得チップ２１から得られるＥＬスペクトルを示している。この場合も、外部共振器２２は用いられていない。図６は、注入電流を１００ｍＡ、２００ｍＡ、３００ｍＡ、４００ｍＡ、５００ｍＡとした場合それぞれのＥＬスペクトルを示している。

【0044】

直線状のリッジ導波路を備える利得チップ２１の場合、図５に示すように、注入電流が１０６ｍＡを超えると内部共振によりレーザ発振が誘起されていた。これに対して、Ｊ字形状リッジ導波路２１Ａを備える利得チップ２１の場合、１００ｍＡを超える大きな電流を注入しても、レーザ発振が生じていないことがわかる。

【0045】

利得チップ２１内部におけるレーザ発振が抑制されることで、１００ｍＡを超える大きな電流を注入しても、増幅自然発光が得られる。注入電流は、例えば、６５０ｍＡ程度まで大きくすることができた。

【0046】

利得チップ２１に大きな電流を注入してもレーザ発振が生じなければ、利得チップ２１による増幅自然発光は、ＧＳ間発光だけでなく、ＥＳ１間での発光を含むことができる。注入電流を十分に大きくすれば、利得チップ２１による増幅自然発光は、ＥＳ２間の発光をさらに含むことができる。

【0047】

ここで、量子ドットに供給される電流密度が低い場合、ＧＳ間発光が支配的である。電流密度が大きくなるとＧＳ間発光（中心波長１１７２ｎｍ）が飽和し、ＥＳ１間発光（中心波長１１２０ｎｍ）が増加し始める。ＥＳ１は、ＧＳよりも状態数が多いため、ＧＳ間発光よりもＥＳ１間発光の利得は大きくなる。例えば、図６では、注入電流が１００ｍＡでは、ＥＳ１間発光の光強度は、ＧＳ間発光と同程度又はやや低い。しかし、図６において、注入電流が２００ｍＡ以上になると、ＥＳ１間の発光強度は、ＧＳ間発光よりも大きくなっている。発明者の実験によれば、図７に示すように、注入電流が約１２０ｍＡを超えると、ＥＳ１間発光の光強度は、ＧＳ間発光よりも大きくなる。

【0048】

電流密度を十分に大きくすると、ＥＳ１間発光だけでなく、ＥＳ２間発光（中心波長１０７５ｎｍ）も増加する。ＥＳ２は、ＧＳよりも状態数が多いため、ＧＳ間発光よりもＥＳ２間発光の利得を大きくすることができる。例えば、図６では、注入電流が２００ｍＡでは、ＥＳ２間発光の光強度は、ＧＳ間発光と同程度又はやや低い。しかし、図６において、注入電流が３００ｍＡ以上になると、ＥＳ２間発光の光強度は、ＧＳ間発光よりも大きくなっている。発明者の実験によれば、図７に示すように、注入電流が約２２０ｍＡを超えると、ＥＳ２間発光の光強度は、ＧＳ間発光よりも大きくなる。

【0049】

このように、レーザ発振を抑制しつつ、注入電流を十分に大きくすることで、ＧＳ間発光よりも光強度が高いＥＳ１及びＥＳ２間発光を得ることができる。中心波長が異なるＥＳ１及びＥＳ２間発光の双方を活用することで、広帯域性を確保することができる。広帯域性を確保するには、ＥＳ２間発光の強度が、ＥＳ１間発光と同程度以上であるのが好ましい。図６に示すように、ＥＳ２間発光の強度を、ＥＳ１間発光と同程度以上にするには、注入電流を３００ｍＡ以上、好ましくは、４００ｍＡ以上とすればよい。

【0050】

図６のＥＬスペクトルによれば、注入電流を３００ｍＡ以上にした場合、生体用のＳＳ－ＯＣＴにおいて望まれる１１００ｎｍ帯（１．１μｍ帯）付近において、波長が離散的であるＥＳ１及びＥＳ２間発光を活用した広帯域性を確保できる。しかも、ＧＳ間発光よりも利得を大きくすることができる。なお、広帯域性は、ＱＤのサイズ分布によっても得られている。

【0051】

なお、ＱＤの発光波長制御に伴う成長条件の変化によってＱＤが欠陥を含むと、キャリア損失により、注入電流を大きくしても図６に示すようなＥＳ１及びＥＳ２間発光が得られないことが起き得る。そのため、成長条件を適切に制御して、欠陥を少なくするのが好ましい。また、成長基板サイズが大きくなるにつれ、基板上の場所によってもＱＤの発光特性が変化する可能性があるため、成長基板から大量に製作された利得チップ２１のうち、強度や帯域といったＱＤの発光特性が望ましい物を選別して使用してもよい。すなわち、製作した利得チップ２１に、電流（例えば、３００ｍＡ以上）を注入してＥＬスペクトルを測定し、十分に大きなＥＳ１及びＥＳ２間発光が所望の波長帯で得られているか否かを基準にして、よりＱＤの発光特性が優れた利得チップ２１を選定すればよい。

【0052】

図６のケースで用いられた利得チップ２１（導波路２１ＡがＪ字形状リッジ導波路）を、図２に示す外部共振器２２付きの波長可変レーザ光源１１に用いると、レーザ発振を誘起させることができる。すなわち、利得チップ２１から得られる広帯域な増幅自然発光（ＧＳ間発光、ＥＳ１間発光、及びＥＳ２間発光を含む）を種光とし、種光を外部共振器２２に導くことで、回折格子２２Ａによって選択された特定の波長の光が、利得チップ２１に帰還し、レーザ発振する。

【0053】

外部共振器２２を用いた場合、レーザ発振は、注入電流を約３００ｍＡ以上にすると誘起され、３００ｍＡ未満では、レーザ発振は誘起されなかった。すなわち、外部共振器２２を用いた場合、レーザ発振の閾値は３００ｍＡ程度であることが確認された。

【0054】

レーザ発振の閾値が３００ｍＡ程度であったことから、図６に示す１００ｍＡ及び２００ｍＡの場合に得られている増幅自然発光では、レーザ発振には不十分であることがわかる。図６において、ＧＳ間発光の波長（１１７２ｎｍ付近）における発光強度は、３００ｍＡ以上に注入電流を大きくしても、飽和しており、ＧＳ間発光に寄与するキャリアの遷移レートの増大は見込めない。一方で、ＥＳ１およびＥＳ２間発光の強度は、注入電流を３００ｍＡ以上に増加するに伴って増加しており、発光に寄与するキャリアの遷移レートが増加していくことを示している。このことから、利得チップ２１においては、ＧＳ間発光はレーザ発振に寄与せず、閾値以上の注入電流増加に応じて発光強度を大きくできるＥＳ１およびＥＳ２間発光を利用することで、レーザ発振が可能となる。

【0055】

外部共振器２２における回折格子２２Ａの入射光角度を変更することで、様々な波長光を利得チップ２１に帰還させることができる。図８～図１１は、帰還させる波長を様々に変化させた場合のレーザ発振の測定結果を示している。

【0056】

図８は、利得チップ２１への注入電流Ｉが３５０ｍＡの場合を示す。この場合、レーザ光は、波長λ_{ＥＣＬｐｅａｋ}＝１０９２～１１２５ｎｍの範囲で生じ、波長可変範囲Δλは約３３ｎｍである。レーザ発振した波長範囲からして、利得チップ２１への注入電流Ｉが３５０ｍＡの場合、ＥＳ１間発光及びＥＳ２間発光がレーザ発振に用いられ、ＧＳ間発光はレーザ発振に用いられていないことがわかる。

【0057】

図９は、利得チップ２１への注入電流Ｉが４００ｍＡの場合を示す。この場合、レーザ光のピーク波長λ_{ＥＣＬｐｅａｋ}は、１０８４～１１３５ｎｍであり、波長可変範囲Δλは約５１ｎｍである。レーザ発振した波長範囲からして、利得チップ２１への注入電流Ｉが４００ｍＡの場合も、ＥＳ１及びＥＳ２間発光がレーザ発振に用いられ、ＧＳ間発光はレーザ発振に用いられていないことがわかる。

【0058】

図１０は、利得チップ２１への注入電流Ｉが５００ｍＡの場合を示す。この場合、レーザ光は、波長λ_{ＥＣＬｐｅａｋ}＝１０７８～１１３９ｎｍの範囲で生じ、波長可変範囲Δλは約６１ｎｍである。レーザ発振した波長範囲からして、利得チップ２１への注入電流Ｉが５００ｍＡの場合も、ＥＳ１及びＥＳ２間発光がレーザ発振に用いられ、ＧＳ間発光はレーザ発振に用いられていないことがわかる。

【0059】

図１１は、利得チップ２１への注入電流Ｉが６００ｍＡの場合を示す。この場合、レーザ光は、波長λ_{ＥＣＬｐｅａｋ}＝１０７４～１１３９ｎｍの範囲で生じ、波長可変範囲Δλは約６５ｎｍである。レーザ発振した波長範囲からして、利得チップ２１への注入電流Ｉが６００ｍＡの場合も、ＥＳ１及びＥＳ２間発光がレーザ発振に用いられ、ＧＳ間発光はレーザ発振に用いられていないことがわかる。

【0060】

図１２は、図８から図１１に示すレーザ発振した波長範囲を、横軸を波長とし、縦軸を注入電流としたグラフに表したものである。図１２から明らかなように、注入電流を大きくするほど、レーザ発振する波長範囲が広くなることがわかる。

【0061】

特に、注入電流Ｉが６００ｍＡの場合、約１１００ｎｍ（１．１μｍ）を中心とした６５ｎｍの広いレーザ発振可能な波長可変幅が得られた。したがって、この利得チップ２１を有する波長可変レーザ光源１１を備えるＳＳ－ＯＣＴは、１．１μｍ帯での波長掃引が可能であり、高分解能かつ高深達度なＯＣＴを実現可能である。

【0062】

＜３．付記＞
本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。

【符号の説明】

【0063】

１０ ：波長掃引型光コヒーレンストモグラフィー装置
１１ ：波長可変レーザ光源
１２ ：ハーフミラー
１３ ：参照ミラー
１４ ：サンプル
１５ ：フォトディテクタ
２１ ：利得チップ
２１Ａ ：Ｊ字形状リッジ導波路
２１Ｂ ：傾斜端面
２１Ｃ ：反対端面
２２ ：外部共振器
２２Ａ ：回折格子
２３ ：光ファイバ
２４ ：光ファイバ
３１ ：第１電極
３２ ：基板
３３ ：コンタクト層
３４ ：クラッド層
３５ ：導波層
３５Ａ ：活性層（量子ドット層）
３５Ｂ ：キャッピング層
３６ ：クラッド層
３７ ：コンタクト層
３８ ：絶縁層
３９ ：第２電極
ＥＳ１ ：第１励起準位間発光
ＥＳ２ ：第２励起準位間発光
ＧＳ ：準位間発光

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】