JP2010186921A

JP2010186921A - 波長掃引光源

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Publication number: JP2010186921A
Application number: JP2009031040A
Authority: JP
Inventors: Shintaro Morimoto; 慎太郎森本; Takashi Nakayama; 貴司中山; Kenichi Nakamura; 賢一中村
Original assignee: Anritsu Corp
Current assignee: Anritsu Corp
Priority date: 2009-02-13
Filing date: 2009-02-13
Publication date: 2010-08-26
Anticipated expiration: 2029-02-13
Also published as: JP5103416B2

Abstract

【課題】モードホップなしの状態で所定波長範囲を連続的に掃引できるようにする。
【解決手段】リトマン方式の外部共振器型の波長掃引光源において、回動ミラーを、フレーム３１と、その内側に配置された反射板３２とを捩れ変形可能な一対の連結部３３、３４とで連結して、反射板３２の端に力を周期的に付与されて連結部３３、３４を中心に反射板３２を往復回動させる構造とし、さらに、半導体レーザ２２から回折格子２５の回折面に入射された光に対する０次回折光を受ける受光器６０と、反射板３２の往復回動により半導体レーザ２２の出射光波長が掃引されている間に、モードホップによって生じる受光器６０の出力信号の不連続変化を検出するモードホップ検出手段６１と、そのモードホップが無くなるように半導体レーザ２２の位相調整領域２３０の順方向注入電流または逆バイアス電圧を変化させる位相調整領域制御手段６５とを設けている。
【選択図】図１

Description

本発明は、リトマン方式のシングルモードの波長掃引光源において、波長掃引時に生じうるモードホップを抑制するための技術に関する。

光の基本特性の１つである光波長は、様々な物理的特性の測定に用いることができる。これまでにも光通信、分光分析、表面形状測定や光センシングなど様々な分野で、それを利用したシステムや測定器が開発されてきた。特に、単色性が高く、コヒーレントな高品質の光は、高度なシステム、高精度な測定を可能とするためその利用価値は極めて高い。

そのため、高品質な光を出力できる波長掃引光源が例えば特許文献１に提案されている。図３７に光源１の基本構成を示す。

同光源では、半導体レーザ２から出射された光はコリメートレンズ３で平行光にされた後、回折格子４の回折面４ａに所定角度で入射する。回折面４ａで生じる回折光のうち回折格子４に対向する位置に支持されたミラー５の反射面５ａに直交する方向に出射された光は、逆光路で回折格子４に戻され、その戻された光に対して回折面４ａで生じる回折光は半導体レーザ２に逆光路で戻される。

ミラー５は回折格子４に対して特定位置Ｏを中心に回動する構造を有しており、半導体レーザ２の実効共振端面２ａから回折格子４を経てミラー５の反射面５ａに至る光路長で決まる共振器長および回折格子４における回折光のうち反射面５ａに直交する方向に出射する光の波長を、ミラー５の反射面５ａの回動により変化させる。これにより、半導体レーザの出射光の波長を所定範囲において連続的に掃引する外部共振型の波長掃引光源が実現されている。

ここで特定位置Ｏは、回折格子４の回折面４ａの延長面Ｈ１と、半導体レーザ２の実効共振端面２ａの延長面Ｈ２と交わる位置にあり、ミラー５はその反射面５ａの延長面Ｈ３が特定位置Ｏに交わるように規定される。

この光源は一般的にリトマン方式と呼ばれており、原理的にはシングルモード発振するレーザ光を、モードホップさせることなく所定の波長範囲で連続的に掃引させることが可能である。

しかしながら、この特許文献１に示された実際の波長掃引光源は、大型かつ重量のある金属ブロックに設置されたミラーをモータとベアリングで回転させることで波長掃引を行うので、原理的に高速な波長掃引を行えない。

また、その回転機構の軸安定性が低いためモードホップが発生しやすく、しかも、波長掃引のたびにモードホップの生じる波長が変わってしまうため、その回避には、コリメートレンズや回折格子等の光学部品の複雑な位置制御が必要となる。このようなモードホップは、たとえ光源の温度や半導体レーザの発光領域への注入電流が一定になるよう制御されていたとしても避けられない。

また上記の光学配置の場合、ミラーあるいはそれを支持して一体的に回動する支持部材と、光軸とが交差するので、ミラーあるいはその支持部材に光を通過させるための穴や切欠等を設ける必要があり、それによる剛性低下でミラーあるいはその支持部材が変形しやすくなりモードホップを招く場合もある。

これを制御するにも、コリメートレンズや回折格子の配置を微調整することで光軸を調整するといった非常に複雑な制御が必要となり、波長の高速掃引を困難にする原因にもなっている。

そこで、より安定した回転機構を利用して小型かつ高速な波長掃引を可能とする波長掃引光源が例えば特許文献２で提案されている。この光源で用いられる波長掃引機構は、半導体基板に対するエッチング処理等で精度よく且つ小型に形成された所謂ＭＥＭＳ構造を有しており、矩形のフレームの内側に矩形の反射板が同心に配置され、フレーム上部内縁の中間部から反射板の上辺縁の中間部との間と、フレーム下部内縁の中間部から反射板の下辺縁の中間部との間が、それぞれ捩れ変形可能な連結部によって連結された構造を有し、この反射板の一端あるいは両端に静電的あるいは磁気による力を周期的に付与することで、反射板を連結部の捩れ変形により往復回動させることができる。

この機構の場合、波長掃引のために回転される反射板の運動は極めて安定しているため、この機構をミラー部として用いたリトマン方式外部共振器型の波長掃引光源は、従来にはなく小型で、シングルモードかつモードホップなしの安定した高速波長掃引を可能にしている。

米国特許第５３１９６６８号明細書

特開２００５−２８４１２５号公報

しかしながら、このようなＭＥＭＳ構造の回動ミラーを用いた波長掃引光源であっても光源の組み立て精度が悪い場合や、温度変化による光部品の光軸ずれなどの原因によりモードホップが発生してしまう。

また、光源からの出力光のパワーを変化させるために発光領域への注入電流や半導体レーザの温度を調整すると、半導体レーザの特性により、必然的にモードホップが生じてしまうという問題もあった。

本発明は、これらの問題を解決して、小型で、モードホップなしの状態で所定の波長範囲を連続的に且つ高速に掃引することのできるリトマン方式外部共振器型の波長掃引光源を提供することを目的としている。

前記目的を達成するために、本発明の請求項１の波長掃引光源は、
基台（２１）と、
前記基台上に固定され、少なくとも一方の光出射用の端面が低反射率面の半導体レーザ（２２）と、
前記基台上に固定され、前記半導体レーザの前記低反射率面からの出射光を平行光に変換するコリメートレンズ（２３）と、
光を回折するための溝が平行に形成されている回折面（２５ｂ）を有し、前記コリメートレンズから出射された光が、前記溝と直交し且つ前記回折面に対して非直交となる所定入射角で所定入射位置に入射される状態で前記基台上に固定された回折格子（２５）と、
前記回折格子の回折面と対向する反射面を有し、前記回折格子の溝と平行で特定位置の軸を中心にして前記回折面と直交する平面内で回動可能に形成され、前記コリメートレンズから出射されて前記回折格子の回折面に入射した光に対する回折光のうち前記反射面に直交する光軸に沿った光を反射して逆光路で前記回折格子に戻し、該戻した光を入射光路と同じ光軸で前記コリメートレンズを介して前記半導体レーザへ戻させる回動ミラー（３０）と有し、
前記回動ミラーの回動中心から前記回折格子の前記所定入射位置までの距離ｒ、前記回動中心から前記反射面を延長した平面までの距離Ｌ２、前記半導体レーザの実効共振端面から前記回折格子の所定入射位置に至る光路長Ｌ１および前記回折格子の回折面への光入射角αとの間に、
ｒ＝（Ｌ１−Ｌ２）／sin α
の関係を成立させて、
前記回動ミラーの反射面の角度変化に応じて、前記半導体レーザから前記コリメートレンズおよび前記回折格子の回折面を経て前記回動ミラーの反射面に至る共振器長を変化させ、前記半導体レーザが出射する光の波長を所定範囲内で連続的に変化させるリトマン方式外部共振器型の波長掃引光源において、
前記半導体レーザは、
ｎ型半導体基板（２２１）と、該ｎ型半導体基板の上に形成された活性層（２２３）および該活性層の上に積層された第１ｐ型クラッド層（２２４）を有し、電流注入を受けて光を発し該光を前記活性層に沿って導波させる発光領域（２２２）と、
前記ｎ型半導体基板上で前記光のエネルギーよりも大きなエネルギーギャップを有し且つ前記発光領域の活性層と光学的に結合された導波路層（２３１）および該導波路層の上に積層された第２ｐ型クラッド層（２３２）を有し、前記発光領域からの光に対する屈折率が順方向注入電流または逆バイアス電圧に応じて変化する位相調整領域（２３０）と含む構造となっており、
前記回動ミラーは、
前記基台に固定されたフレーム（３１）と、該フレームの内側に配置され一面側に前記反射面が形成された反射板（３２）と、該反射板の外縁と前記フレームの内縁との間を連結する捩れ変形可能で前記回折格子の溝と平行な一直線上に並ぶ一対の連結部（３３、３４）とで一体的に形成され、前記反射板の端に力を周期的に付与する回動駆動手段（３５、３６、４０）により、前記連結部を中心に前記反射板を往復回動させる構造を有しており、
さらに、
前記基台上に固定され、前記半導体レーザの前記一方の端面と反対の端面から出射される光、または前記半導体レーザから前記回折格子の回折面に入射された光に対する０次回折光のいずれかを受け、該受けた光の強度に応じた電気の信号を出力する受光器（６０）と、
前記回動ミラーの反射板の往復回動により前記半導体レーザの出射光波長が掃引されている間、前記受光器の出力を監視し、モードホップによって生じる前記受光器の出力信号の不連続変化を検出するモードホップ検出手段（６１）と、
前記モードホップ検出手段によって検出された前記受光器の出力信号の不連続変化が無くなるように前記半導体レーザの前記位相調整領域の順方向注入電流または逆バイアス電圧を変化させる位相調整領域制御手段（６５）とを設けたことを特徴とする。

また、本発明の請求項２の波長掃引光源は、請求項１記載の波長掃引光源において、
前記半導体レーザの前記位相調整領域の前記導波路層に接する前記第２ｐ型クラッド層の厚さ方向のドーピング濃度が、前記導波路層の上端から所定距離の範囲で極大値をもつように形成したことを特徴とする。

また、本発明の請求項３の波長掃引光源は、請求項２記載の波長掃引光源において、
前記所定距離範囲が２５〜１５０ｎｍであることを特徴とする。

また、本発明の請求項４の波長掃引光源は、請求項１〜３のいずれかに記載の波長掃引光源において、
前記半導体レーザの前記発光領域の第１ｐ型クラッド層と前記位相調整領域の第２ｐ型クラッド層の上に第３ｐ型クラッド層（２４０）が形成され、該第３ｐ型クラッド層の前記発光領域と前記位相調整領域との境界部分に所定幅の分離溝（２５１、２５２）が形成されていることを特徴とする。

また、本発明の請求項５の波長掃引光源は、請求項４記載の波長掃引光源において、
前記第３ｐ型クラッド層の厚さ方向の終点におけるドーピング濃度が厚さ方向の始点におけるドーピング濃度より大きく、且つ１．０×１０^１８（／ｃｍ^３）〜２．５×１０^１８（／ｃｍ^３）の範囲に設定されたことを特徴とする。

また、本発明の請求項６の波長掃引光源は、請求項１〜５のいずれかに記載の波長掃引光源において、
前記半導体レーザの前記発光領域の前記第１ｐ型クラッド層の厚さ方向のドーピング濃度が、前記活性層の上端から５０〜２５０ｎｍの範囲内で極大値をもつように形成したことを特徴とする。

また、本発明の請求項７の波長掃引光源は、請求項１〜６のいずれかに記載の波長掃引光源において、
前記半導体レーザの前記発光領域側の素子端面（２２０ａ）と前記活性層を導波する光の光軸線との交差角、または、前記位相調整領域側の素子端面（２２０ｂ）と前記導波路層を導波する光の光軸線との交差角の少なくとも一方が、非直交であることを特徴とする。

また、本発明の請求項８の波長掃引光源は、請求項１〜７のいずれかに記載の波長掃引光源において、
前記位相調整領域制御手段は、前記反射板の往復回動と同期させて前記半導体レーザの前記位相調整領域の順方向注入電流または逆バイアス電圧を可変制御することを特徴する。

また、本発明の請求項９の波長掃引光源は、請求項１〜８のいずれかに記載の波長掃引光源において、
前記コリメートレンズから出射された光を前記基台上に固定された固定ミラー（２４）を介して前記回折格子へ入射させる構造で且つ前記半導体レーザ、前記コリメートレンズ、前記固定ミラーおよび前記回折格子が前記回動ミラーの前記反射板の一面側に配置されるようにし、前記半導体レーザから前記固定ミラーを介して前記回折格子に至る光軸が、前記回動ミラーの前記反射板と非交差状態となるようにしたことを特徴とする。

このように本発明の波長掃引光源では、その回動ミラーの動作が極めて安定しているために従来の光源に比べて不規則なモードホップの発生が格段に少なくなる。そして、定常的な光軸ずれ等に起因して規則的にモードホップが生じる場合であっても、波長掃引中におけるモードホップによる受光器の出力の不連続変化を検出するモードホップ検出手段を有しているので、その不連続変化がなくなるように半導体レーザの位相調整領域への順方向注入電流あるいは逆バイアス電圧を規則的に制御することにより、簡単にモードホップのない状態を実現し、保持できる。

また、半導体レーザの位相調整領域の導波路層に接する第２ｐ型クラッド層の厚さ方向のドーピング濃度を、導波路層から所定距離の範囲で極大となるようにしたので、位相調整領域の導波路層と第２ｐ型クラッド層とのΔＥｃが小さいことによって生じる電子のオーバーフローを抑制することができ、これにより最大位相調整量を拡大することができる。特に導波路層から２５〜１５０ｎｍの範囲で極大値となるようにすることで導波路層からオーバーフローする電子を効果的にブロックすることができ、最大位相調整量を大幅に拡大することができ、モードホップ抑圧のための制御範囲を拡大できる。

また、第３ｐ型クラッド層の発光領域と位相調整領域の境界部分に分離溝を設けているため、領域間の分離抵抗を高くすることができ、発光領域から位相調整領域へのリーク電流を大幅に減少させることができる。

また、第３ｐ型クラッド層の厚さ方向の終点（活性層、導波路層から遠い側）におけるドーピング濃度が厚さ方向の始点（活性層、導波路層に近い側）におけるドーピング濃度より大きく、且つ１．０×１０^１８（／ｃｍ^３）〜２．５×１０^１８（／ｃｍ^３）の範囲に設定されたものでは、膜厚方向の直列抵抗を増加させることなく、導波路損失を低減することが可能となる。

また、発光領域の第１ｐ型クラッド層の厚さ方向のドーピング濃度を、活性層から５０〜２５０ｎｍの範囲内で極大値をもつように形成した場合には、発光領域における注入キャリアのオーバーフローを抑制することができ、発光に寄与しない無駄な電流を流す必要がなくなり、その結果素子全体としての高効率化が実現できる。

また、半導体レーザから出射された光を、固定ミラーを介して回折格子へ入射させる構造で且つ半導体レーザ、固定ミラーおよび回折格子が回動ミラーの反射板の一面側に配置されるようにし、半導体レーザから固定ミラーを介して回折格子に至る光軸が、回動ミラーの反射板と非交差状態となるようにしたので、ミラーの剛性低下がなく、より安定な波長掃引が可能となり、位相調整領域への注入電流あるいは逆バイアス電圧により、より簡単に、より安定してモードホップを制御できるようになる。

本発明の実施形態の全体構成図実施形態の光学部の平面図実施形態の要部の分解斜視図実施形態の駆動信号と波長変化との関係を示す図波長を連続的に掃引するための条件を説明するための図モードホップがないあるいは抑制された場合と、モードホップがある場合の波長対光出力の特性をおよびその時間変化の絶対値を示す図縦モードと共振器の選択特性との関係を示す図モードホップがある場合にそれを位相調整領域に対するダイナミック制御により抑制する場合の注入電流あるいは逆バイアス電圧の変化パターンの例を示す図要部の変形例を示す図要部の変形例を示す図光学部の配置の変形例を示す図光学部の配置の変形例を示す図本発明の実施形態に好適な半導体レーザの外観図図１３の半導体レーザの平面図図１４のＡ−Ａ線断面図位相調整領域のｐ型クラッド層のドーピング濃度分布図位相調整領域への注入電流と位相調整量との関係を示す図発光領域のｐ型クラッド層のドーピング濃度分布図第３ｐ型クラッド層のドーピング濃度分布図第３ｐ型クラッド層のドーピング濃度分布図の別の例図１３の半導体レーザの製造工程を説明するための図図１３の半導体レーザの製造工程を説明するための図図１３の半導体レーザの製造工程を説明するための図図１３の半導体レーザの製造工程を説明するための図図１３の半導体レーザの製造工程を説明するための図図１３の半導体レーザの製造工程を説明するための図図１３の半導体レーザの製造工程を説明するための図図１３の半導体レーザの製造工程を説明するための図図１３の半導体レーザの製造工程を説明するための図図１３の半導体レーザの製造工程を説明するための図図１３の半導体レーザの製造工程を説明するための図図１３の半導体レーザの製造工程を説明するための図図１３の半導体レーザの製造工程を説明するための図図１３の半導体レーザの製造工程を説明するための図図１３の半導体レーザの製造工程を説明するための図導波路層と素子端面とを非直交で交差する半導体レーザの構造例を示す図リトマン方式外部共振器型の波長掃引光源の基本構成図

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明の実施形態の波長掃引光源２０の全体構成図、図２は光学部の平面図、図３は光学部の要部の構造を示している。

図１、図２に示しているように、この波長掃引光源２０は、上面が互いに平行な高段部２１ａ、２１ａ′と低段部２１ｂとを有する基台２１上に構成され、その高段部２１ａには、低段部２１ｂの上面に平行な光を低反射率の素子端面２２０ａ（低反射率面）から出射する半導体レーザ２２と、半導体レーザ２２から出射された光を平行光に変換するコリメートレンズ２３と、コリメートレンズ２３から出射された平行光を高段部２１ａの上面に垂直な反射面２４ａで受け、後述する回折格子２５の回折面２５ａに向けて反射する固定ミラー２４とが固定されている。

固定ミラー２４の反射光は、基台２１の低段部２１ｂに垂直に立てられた回折格子２５の回折面２５ａの所定入射位置に非直交で所定の入射角αで入射される。回折格子２５の回折面２５ａには、光を回折するための回折溝２５ｂが低段部２１ｂに垂直な向きで平行に設けられており、固定ミラー２４で反射された回折溝２５ｂに対して直交し且つ回折面２５ａに対して入射角αで入射される平行光は、回折溝２５ｂにより波長に応じた方向に回折される。なお、光軸や各部材の向きに関して、基台２１の上面を基準として説明するが、各部の位置は相対的に規定されるものであり、この実施形態の配置に限定されるものではない。

回折格子２５で回折された光は回動ミラー３０に入射される。回動ミラー３０は、固定ミラー２４から入射される平行光に対して回折格子２５が出射する回折光を、垂直に入力された波長成分の光を逆光路で回折格子２５の回折面２５ａへ反射して半導体レーザ２２へ戻すための反射面３２ａを有している。

この回折格子２５の回折面２５ａに対する反射面３２ａの角度を所定角度範囲で周期的に変化させることで、回動ミラー３０の反射面３２ａにより半導体レーザ２２に逆光路で戻される光の波長が連続的に且つ周期的に変化し、これによって波長掃引光源２０から出射される光の波長も連続的に且つ周期的に変化する。

この回動ミラー３０は、図１〜図３に示しているように、導電性を有する基板（例えばシリコン基板）に対するエッチング処理等によって形成され、例えば図示しているように上板３１ａ、下板３１ｂ、横板３１ｃ、３１ｄで横長矩形枠状に形成されたフレーム３１と、フレーム３１の内側に同心状に配置され、少なくとも一面側に光を反射するための反射面３２ａが形成された横長矩形の反射板３２と、フレーム３１の上板３１ａ、下板３１ｂの互いに対向する内縁中央から反射板３２の上縁中央および下縁中央まで上下に一直線上に並ぶようにそれぞれ延びてフレーム３１の上板３１ａ、下板３１ｂと反射板３２との間を連結し、捩れ変形して反射板３２を回動させる一対の連結部３３、３４とを有している。

反射板３２の反射面３２ａとしては、例えば素材表面に対する鏡面仕上げ、高い反射率を示す金属膜の蒸着、あるいは誘電体多層膜で形成することができる。また、回動ミラー３０がレーザ光に対して高い反射率を示す材質である場合には、反射膜や反射シートを設けなくても、その素材表面を反射面とすることができる。

ただし、回動ミラー３０が導電性を持たない場合には、後述する静電駆動力確保のため、ミラー材として導電性の金属膜を蒸着する必要がある。

連結部３３、３４の幅および長さは、連結部３３、３４自体がその長方向に沿って捩じれ変形でき、その変形に対して自ら元の状態に戻るための復帰力を生じるように設定されている。

また、この回動ミラー３０のフレーム３１の横板３１ｃ、３１ｄの一方（ここでは横板３１ｃ）の両面には、反射板３２に静電的に外力を与えるための電極板３５、３６がそれぞれ絶縁性を有するスペーサ３７を介して取り付けられている。電極板３５、３６は、反射板３２の一端側（ここでは左端側）の両面にスペーサ３７の厚み分の隙間を開けた状態でオーバラップしている。なお、ここではスペーサ３７を縦長矩形状にしているが、フレーム３１全体の補強のために、スペーサ３７をフレーム３１と重なり合う矩形枠状に形成してもよい。

この回動ミラー３０は、反射板３２の回動中心（連結部３３、３４の中心を結ぶ線）が、回折格子２５の回折面２５ａを延長した面上で且つ回折溝２５ｂと平行となる状態で、基台２１上に固定されている。

なお、回動ミラー３０は、電極板３５、３６およびスペーサ３７を含めて前記したようにシリコン基板のエッチング処理等で形成されるが、その製造方法は任意である。

例えば、単層基板で回動ミラー３０のフレーム３１、反射板３２および連結部３３、３４をエッチング形成し、別の基板でスペーサ３７、３７と、電極板３５、３６を形成して、これらを貼り合わせて構成する方法、あるいは、ＳＯＩ基板等の３層基板を用い、その上層基板に、回動ミラー３０のフレーム３１、反射板３２、連結部３３、３４をエッチング形成し、その下層基板にスペーサ３７をエッチング形成し、別の工程で製造された電極板３５を貼付けて一方の電極を形成する等、種々の方法で製造可能である。

図１に示しているミラー駆動装置４０は、図２のように、回動ミラー３０のフレーム３１を基準電位として２つの電極板３５、３６に対して例えば図４の（ａ）、（ｂ）のように位相が１８０度ずれた信号Ｖ１、Ｖ２を印加して、電極板３５、３６と反射板３２の端部との間に静電的な吸引力を交互に生じさせ、反射板３２を往復回動させる。

この信号Ｖ１、Ｖ２の周波数は、回動ミラー３０の反射板３２の形状、重さおよび連結部３３、３４の捩れバネ定数等によって決まる反射板３２の固有振動数に等しくなるように設定されているので、少ない駆動電力で反射板３２を大きな角度で往復回動させることができる。

この反射板３２の往復回動により、外部共振器の共振器長および回折面２５ａに対する反射面３２ａの角度が変化して、半導体レーザ２２から出射されるレーザ光の波長が図４の（ｃ）のように、連続的に且つ周期的に変化する。

ただし、この波長掃引光源２０のように、一面側に反射面３２ａが形成されている反射板３２自体を回動させるという単純化された構造の場合、その回動中心は、連結部３３、３４の中心を結ぶ線上、即ち、反射板３２の内部にあって反射面３２ａを延長した面上にはなく、前記した従来のリトマン方式の条件を満たさない。

そこで、この実施形態の波長掃引光源２０では、次の特許文献３に開示された技術を適用して波長を連続的に可変している。

特許第３０６９６４３号公報

即ち、上記特許文献３は、図５の点線で示すように固定ミラー２４を用いずにレーザ光が反射板３２を透過するとした仮想的な配置において、回折格子２５の回折面２５ａを延長した平面をＨ１、半導体レーザ２２の内部の屈折率を考慮した実効共振端面２２ａを延長した平面をＨ２、反射板３２の反射面３２ａを延長した平面をＨ３とし、反射面３２ａの回動中心と回折格子との間の位置で平面Ｈ１と平面Ｈ３とが交わる場合、回動中心Ｏから回折格子２５の所定入射位置Ｇまでの距離をｒ、所定入射位置Ｇから半導体レーザ２２の実効共振端面２２ａまでの実効光路長をＬ１、回動中心Ｏから平面Ｈ３までの距離をＬ２、回折格子２５に対する光の入射角αとすると、
ｒ＝（Ｌ１−Ｌ２）／sin α
が成り立つようにすることで、モードホップを発生することなく、波長を連続的に可変できるというものである。

ただし、この実施形態のように半導体レーザ２２から回折格子２５に至る光路を固定ミラー２４を介して折り曲げた場合、所定入射位置点Ｇから半導体レーザ２２の実効共振端面２２ａまでの実効光路長Ｌ１は、半導体レーザ２２の実効共振端面２２ａと固定ミラー２４までの光路長Ｌ３と、固定ミラー２４から所定入射位置Ｇまでの光路長Ｌ４との和で表される（Ｌ１＝Ｌ３＋Ｌ４）。

よって、次の式が成り立つように各部を配置することで、図４の（ｃ）に示しているように、モードホップのない連続波長掃引が可能となる。

ｒ＝（Ｌ３＋Ｌ４−Ｌ２）／sin α

また、固定ミラー２４を介して回折格子２５に光を入射して、半導体レーザ２２、コリメートレンズ２３、固定ミラー２４および回折格子２５を反射板３２の一面側に配置させ、反射板３２と光路とを交差させない構造であるので、反射板３２自体に光通過用の穴などを設ける必要がなく、その剛性低下による変形が起こらず、薄い板でも安定で再現性の高い高速な波長掃引が行える。

このように実施形態の波長掃引光源２０では、反射板３２の反射面３２ａを延長した平面と回折面２５ａを回動中心方向に延長した面ではさまれた空間内で、且つ回動中心と回折面２５ａの所定入射位置との間に固定ミラー２４を配置し、回動ミラー３０の反射板３２の反射面３２ａを延長した面で区切られてなる２つの空間のうち、回折格子２５が含まれる方の空間に半導体レーザ２２とコリメートレンズ２３を配置し、その半導体レーザ２２からコリメートレンズ２３を介して固定ミラー２４に光を入射し、その反射光を回折格子２５の回折面２５ａの所定入射位置に入射している。

このため、光路とは無関係に、反射面３２ａを有する反射板３２自体を往復回動させるという極めて単純な構造で回動ミラーを構成することができ、高速で精度の高い波長可変が行える。

ただし、前記したように、ＭＥＭＳ構造の回動ミラー３０を用いた波長掃引光源２０であっても、各部の組み立て精度が悪い場合や、温度変化による光部品の光軸ずれなどの原因によりモードホップが発生してしまう。

また、出力光のパワーを変化させるために半導体レーザの発光領域への注入電流や温度を調整すると、必然的にモードホップが生じてしまうという問題もあった。

そこで、この実施形態では、図１に示しているように、半導体レーザ２２として、電流Ｉの注入を受けて光を発し、その光を内部の活性層に沿って導波させる発光領域２２２と、発光領域２２２の活性層と光学的に結合された導波路層を内部に有し、発光領域２２２からの光に対する屈折率が順方向注入電流Ｉ′または逆バイアス電圧Ｖｒに応じて変化する位相調整領域２３０とを含む構造のものを用いている。

この位相調整領域２３０を有する半導体レーザ２２の一般的な構造としては、ｎ型半導体基板と、そのｎ型半導体基板の上に形成された活性層およびその活性層の上に積層された第１ｐ型クラッド層を有し、所定の注入電流により内部に発生させた光を活性層に沿って導波させる発光領域と、前記ｎ型半導体基板上で、発光領域により発生した光のエネルギーよりも大きなエネルギーギャップを有し且つ発光領域の活性層と光学的に結合された導波路層およびその導波路層の上に積層された第２ｐ型クラッド層を有し、発光領域からの光に対する屈折率が順方向注入電流または逆バイアス電圧に応じて変化する位相調整領域と含む構造となっている。なお、モードホップ抑圧のための制御範囲を一般の半導体レーザより拡大したより好適な構造例については後述する。

このように位相調整領域２３０を有する半導体レーザ２２の場合、位相調整領域にキャリアを注入すると屈折率が減少するというプラズマ効果が知られている。屈折率が減少すると外部共振器長は短尺化し、光波長は負（短波長）に変化することになるため、キャリアの注入、つまり順方向注入電流の制御により位相を調整することが可能になる。

また、位相調整領域２３０に対して逆バイアス電圧Ｖｒを印加し、これを可変することによっても屈折率を変化させることができる。この場合、逆バイアス電圧Ｖｒの絶対値を大きくすると、屈折率が増加して外部共振器長は長尺化し、光波長は正（長波長）に変化することになる。

したがって、順方向注入電流の可変と逆バイアス電圧Ｖｒの可変を併用することでより広い範囲での位相制御が可能となる。

また、モードホップ抑圧のために、回折格子２５への入射光に対してその入射角αと対称な方向に出射される０次回折光を受けてその光の強度に応じた大きさの電気の信号を出力する受光器６０を高段部２１ａ′上に固定しており、制御部１００内には、前記したミラー駆動装置４０の他に、モードホップ検出手段６１と、半導体レーザ２２の発光領域２２２に所望電流を注入する発光領域電流注入手段６２と、モードホップが抑圧されるように位相調整領域２３０に対する順方向電流Ｉあるいは逆バイアス電圧Ｖｒのいずれかを選択的に与え、これを可変制御する位相調整領域制御手段６５が設けられている。

この位相調整領域制御手段６５には、位相調整領域２３０に所望の順方向注入電流Ｉ′を与える順方向注入電流供給回路６５ａと、位相調整領域２３０に所望の逆バイアス電圧Ｖｒを与える逆バイアス電圧供給回路６５ｂとが設けられており、モードホップが無くなるように順方向注入電流Ｉ′あるいは逆バイアス電圧Ｖｒのいずれかを可変制御する。

なお、この実施形態では、光源としての出力光である波長掃引光を半導体レーザ２２の位相調整領域２３０側の素子端面２２２ｂから出射することを考慮して回折格子２５の０次回折光を受光器６０で受けているが、この０次回折光の代わりに半導体レーザ２２の素子端面２２０ｂから出射される光を受光器６０で受け、０次回折光を光源としての出力光である波長掃引光として出射する場合もある。

モードホップ検出手段６１は、回動ミラー３０の反射板３２の往復回動により半導体レーザ２２の出射光波長が掃引されている間、受光器６０の出力を監視し、モードホップによって生じる受光器６０の出力信号の不連続変化を検出する。

ここで、例えば光波長が１５００ｎｍから１６００ｎｍの間で掃引される場合を考える。モードホップが生じていない場合、受光器６０で検出される回折格子２５からの０次光のパワーＰの波長依存性（掃引時の経時変化）は図６の（ａ）のように、連続で滑らかになり、受光器６０の出力信号の時間に対する微分の絶対値｜dP/dt｜も緩やかな変化となる。ここで、波長掃引時に光のパワーＰが変化しているのは、各光部品の特性に波長依存性があるためである。

これに対して、例えば波長λhpにてモードホップが生じた場合、同パワーＰの波長依存性は図６（ｂ）のように波長λhpにおいて不連続に変化し、受光器６０の出力信号そのものの急激な変化｜ΔＰ｜もしくはその時間に対する微分の絶対値｜dP/dt｜は急峻に且つ大きな値に変化する。ただし、いずれの例においても、光源の温度は一定とする。

したがって、受光器６０の出力信号そのものの急激な変化｜ΔＰ｜もしくはその時間に対する微分の絶対値｜dP/dt｜を計算すれば、モードホップの有無が判る。

前記したモードホップ検出手段６１は受光器６０の出力信号に対して上記演算を行い、得られた｜ΔＰ｜もしくは｜dP/dt｜の値と予め設定したそれぞれのしきい値との比較によりモードホップの発生の有無と、その発生タイミングを検出する。この発生タイミングは、掃引のための駆動信号の立ち上がりや立ち下がり等を基準として計測する。

ここで、モードホップの発生原理について簡単に説明する。モードホップが生じないときは、図７の（ａ）のように、半導体レーザ２２で発振しうる縦モードのうち特定の１つの縦モード（実線：ファブリペロモード）の波長変化に対して、外部共振器による選択特性Ｆの中心波長が追従変化することで、その特定の縦モードが選択され続けている。

これに対して、モードホップが生じるときは、縦モードと外部共振器による選択特性Ｆの中心波長がずれてしまい、図７の（ｂ）のように、ある波長λｈｐにおいて、選択特性Ｆによって選択される縦モードが所望のもの（実線）から１つ隣のモード（破線）に飛んでしまう。

ここで、半導体レーザ２２の位相調整領域１３０への注入電流Ｉ′あるいは逆バイアス電圧Ｖｒを変化させると、縦モードの発振波長を連続的に変化させることができ、共振器の選択特性Ｆの中心波長から大きく外れないように縦モードの発振波長を変化させることで隣の縦モードへの飛び、即ちモードホップを抑制できる。

モードホップが高い再現性を持って同一波長で生じる状況下でなければ、この位相調整領域２３０へ制御は行えないが、本発明では、前記したように回動ミラー３０が安定な動作をしているので、半導体レーザ２２の位相調整領域２３０に対する注入電流や逆電圧バイアスの調整あるいは可変制御により、図６の（ａ）に示したように出力光パワーに飛びのないのない、モードホップフリーの波長掃引を容易に実現することができる。

ここで、半導体レーザ２２の位相調整領域２３０への制御としては、前の波長掃引でモードホップが検出された場合に、注入電流Ｉ′や逆電圧バイアスＶｒを所定量変化させて、次の波長掃引を行い、モードホップを検出するという処理を繰り返し、モードホップが発生しない一定の注入電流Ｉ′や逆電圧バイアスＶｒを見付ける半固定制御モードと、波長掃引でモードホップが検出された場合、そのモードホップ発生タイミングにおける注入電流Ｉ′や逆電圧バイアスＶｒがモードホップを抑制する値となるように掃引中に変化させるダイナミック制御とが考えられる。

ダイナミック制御の場合、注入電流Ｉ′や逆電圧バイアスＶｒの変化パターンは任意であるが、例えば図８の注入電流（または逆バイアス電圧でもよい）ａのように、モードホップ発生タイミングｔ１、ｔ２の少し手前のタイミング毎に段階的に変化するパターンや、注入電流（または逆バイアス電圧でもよい）ｂのように、傾きをもつ直線（あるいは曲線的）で連続的に変化するパターンでもよい。

また、一つの制御例としては、始めに半固定制御モードによりモードホップが発生しない一定の注入電流Ｉ′や逆電圧バイアスＶｒを見付ける処理を行い、その処理で全てのモードホップが無くなった場合には処理を終了し、この処理でモードホップが完全になくならない場合に、最もモードホップ発生が少なくなる注入電流Ｉ′や逆電圧バイアスＶｒに設定してから、ダイナミック制御モードによりモードホップ毎に注入電流Ｉ′や逆電圧バイアスＶｒを変化させてその発生を抑制する。このような制御により、容易にモードホップをなくすことができる。

なお、モードホップが発生している期間は、外部に文字やランプあるいは音などによってこれを報知する手段を設けてもよい。

このように簡単な制御方法を用いるだけでモードホップを抑制できるのは、ＭＥＭＳ構造の回動ミラー３０による波長掃引方式が非常に安定しているためである。たとえモードホップが起きたとしても極めて再現性がよいため、これを注入電流Ｉ′や逆電圧バイアスＶｒの制御により抑制することはたやすく、モードホップなしの状態での高速な波長掃引を容易に実現できる。

上記実施形態では、反射板３２を連結部３３、３４に対して左右対称に形成し、その一端側を光反射部として用い、他端側で外力を受けるようにしていたが、反射板の形状、外力の付与形態は、上記実施形態に限定されるものではない。

例えば、図９に示す回動ミラー３０の反射板３２のように、外力を受けるための他端側の横方向の長さを一端側より短くし、その幅（縦方向の長さ）を広くして、左右の回転モーメントをつりあわせてもよい。この場合、回動ミラー３０全体の横幅を小さくすることができる。

また、上記実施形態では、反射板３２の一端側に外力を周期的に与えて往復回動させる場合について説明したが、外力を付与する位置は任意であり、例えば、図１０のように、反射板３２の背面側の両端に電極板３５、３６を配置し、前記信号Ｖ１、Ｖ２をそれぞれ印加することで、前記同様に反射板３２を往復回動できる。

また、電極板３５、３６の形状などについても任意であり、前記実施例のような平板状のもの以外に、櫛歯状のものを用いてもよい。

また、外力として前記した静電的な力以外に、電磁石（またはコイル）と磁性体の組合せ、永久磁石と電磁石（またはコイル）の組合せ等により、電磁的に外力を与えることも可能であり、さらには、超音波振動器により、反射板３２の固有振動数に等しい周波数の超音波振動を基台２１に与えて、反射板３２を固有振動数で往復回動させることもできる。なお、このように静電的以外の外力を与える場合、回動ミラー３０の材料が導電性を有している必要はない。

また、上記実施形態では、固定ミラー２４の反射面２４ａが回折格子２５の回折溝２５ｂと平行で、半導体レーザ２２から、コリメートレンズ２３、固定ミラー２４、回折格子２５を経て反射板３２に至る光路が同一平面上となるように構成されていたが、これは本発明を限定するものではなく、半導体レーザ２２とコリメートレンズ２３は、反射板３２の反射面３２ａを延長した平面で隔成される２つの空間のうち回折格子２５が含まれる方の空間であれば任意の位置に配置することができ、その位置に合わせて固定ミラー２４の反射面２４ａの向きを設定すればよい。

例えば、図１１のように、半導体レーザ２２とコリメートレンズ２３を、その光軸が回折格子２５の回折溝２５ａと平行となるよう基台２１に対して上下に並ぶように配置し、コリメートレンズ２３からの光を、基台２１の上面に対して４５度の角度をなす反射面２４ａの固定ミラー２４で受けて、回折格子２５の回折面２５ａに入射してもよい。なお、半導体レーザ２２、コリメートレンズ２３および固定ミラー２４は支持部材４１に支持されている。

また、上記実施形態では、各部の配置を理解しやすいように、基台２１上に、回折格子２５と回動ミラー３０を立てた構造で示しているが、半導体レーザ２２、コリメートレンズ２３、固定ミラー２４を含め、これら各部の支持形態は任意である。

例えば、図１２のように、平坦な基台５０の上部両端に立設した支持部材５１、５２で回動ミラー３０のフレーム３１を支持し、基台５０の上部に立設した支持部材５３で回折格子２５を支持し、さらに、支持部材５３の近傍に立設した支持部材５４で、半導体レーザ２２、コリメートレンズ２３および固定ミラー２４を支持し、受光器６０を支持部材５５で支持する構造でもよい。なお、支持部材５３〜５５は一体化してもよい。

また、図１２の点線で示すように、反射板３２の他端側にも、半導体レーザ２２、コリメートレンズ２３、固定ミラー２４および受光器６０を支持部材５３〜５５で支持して、波長可変光を２系統出射できるように構成することも可能である。この場合、２系統の波長可変範囲を同一にすれば、２チャネルの波長掃引光源が実現でき、また、２系統の波長可変範囲を変えておけば、より広帯域な波長掃引光源を実現できる。

また、図示しないが、反射板３２の反対面側にも半導体レーザ２２、コリメートレンズ２３、固定ミラー２４および受光器６０を１組あるいは２組配置して、さらに出射光の系統数を増加させ、多チャネル化、広帯域化されたモードホップのない波長掃引光源を構成することもできる。

上記した波長掃引光源の多チャネル化あるいは広帯域化は、光路が回動ミラー３０に交差しないで構造であって、反射板３２の反射面の一面側に、回折格子２５だけでなく、半導体レーザ２２、コリメートレンズ２３、固定ミラー２４および受光器６０をまとめて配置したことによってもたらされる効果である。

上記実施形態において、モードホップを抑制できる位相制御範囲は半導体レーザ２２の素子特性に依存するが、上記した一般的な構造の半導体レーザ２２の場合、位相調整領域２３０の導波路層とｐ型クラッド層との伝導帯バンド不連続ΔＥｃが小さいために、電子のオーバーフローが生じ易く、このオーバーフローによって最大位相調整量が制限され、その制限により、モードホップを抑制できる位相制御範囲も限定される。

したがって、半導体レーザ２２としてより広い範囲で位相調整ができる特性のものを用いれば、モードホップ抑制のための制御範囲も広がってさらに好ましいものとなる。

以下、この点を考慮した半導体レーザ２２について説明する。
図１３は、位相調整領域による位相調整量を格段に拡げた半導体レーザ２２の外観図、図１４は平面図、図１５は図１４のＡ−Ａ線断面を示している。

これらの図に示しているように、この半導体レーザ２２は、ＩｎＰ（インジウム・リン）からなるｎ型半導体基板２２１（以下、単に基板２２１と記す）を有している。基板２２１は、後述するメサ構造のｎ型クラッド層も兼ねており、ほぼ一定のドーピング濃度（例えば１×１０^１８／ｃｍ^３）を有している。

基板２２１の上の一端側（図２、３で右端側）には発光領域２２２が形成され、他端側（図１４、１５で左端側）には位相調整領域２３０が形成されている。

発光領域２２２には、基板２２１の上の中央にほぼ一定幅（例えば５μｍ）でＩｎＧａＡｓＰ（インジウム・ガリウム・砒素・リン）からなる活性層２２３が形成され、その上にＩｎＰからなる第１ｐ型クラッド層２２４が所定厚さ（例えば２５０ｎｍ）で形成されている。なお、ここで言う活性層２２３は、多重量子井戸層（ＭＱＷ）とそれを挟むＳＣＨ層を含むものとする。また、第１ｐ型クラッド層２２４のドーピング濃度の厚さ方向の分布は一定であってもよいが、後述するように、ある範囲で極大となるような分布にして電流供給時のキャリア漏れ等を防ぐ構造であってもよい。

一方、位相調整領域２３０側の基板２２１の上の中央には、ＩｎＧａＡｓＰからなる導波路層２３１が活性層２２３と光学的に結合されるように形成されている。ここで、活性層２２３は、ある波長範囲の光に対して利得を有しており、且つ、長さ方向に光を導波させるように形成されている。一方、導波路層２３１は、その光に対して主に導波作用を有するが、その光に対して利得を有していてもよい。

なお、導波路層２３１のエネルギーギャップは、前記光のエネルギーより大きくなるように設定されており、導波路層での前記光の吸収は生じない。

この導波路層２３１の上には、第２ｐ型クラッド層２３２が第１ｐ型クラッド層２２４とほぼ同じ厚さで連続するように形成されている。活性層２２３と導波路層２３１の接続位置と、第１ｐ型クラッド層２２４と第２ｐ型クラッド層２３２との接続位置は一致している。

そして、第１ｐ型クラッド層２２４と第２ｐ型クラッド層２３２の上および側方には、ＩｎＰからなる第３ｐ型クラッド層２４０が形成されている。

また、活性層２２３の側部の基板２２１の上部にはｐ型のＩｎＰからなる埋め込み層２４２が形成され、その埋め込み層２４２の上部にはｎ型のＩｎＰからなる埋め込み層２４３が形成されている。

そして、第３ｐ型クラッド層２４０の発光領域２２２と位相調整領域２３０の境界部分は、活性層２２３と光学的に結合された導波路層２３１とを内部に有する橋渡部２５０と、その左右の側方の領域に設けられた分離溝２５１、２５２から構成されている。橋渡部２５０は、後述する素子サイズにおいて、例えば長さ５０μｍ、幅１５μｍ、深さ７．５μｍ程度としている。

この分離溝２５１、２５２は、第３ｐ型クラッド層２４０だけでなく、埋め込み層２４２、２４３と基板２２１との界面よりも深くエッチング処理することにより形成されている。

橋渡部２５０の長さ方向は、高い分離抵抗を得るために長い方が有利であるが、活性領域長が減少すると発光強度が低下したり、位相調整領域長が減少すると最大位相調整量が減少してしまうため、後述する素子長の下では２５μｍ〜１００μｍの範囲としている。

また、橋渡部２５０の幅は、狭い程高い分離抵抗が得られるが、活性層２２３や導波路層２３１の幅（後述する素子サイズにおいて例えば５μｍ）に対して余裕をもたせる必要があり、また光のスポットサイズの大きさなどを考慮して１０μｍ〜２０μｍの範囲としている。深さについては、基板２２１と埋め込み層の界面よりも深くエッチングすることで正孔のリークを制限することが可能となるため５μｍ〜１０μｍの範囲としている。

分離溝２５１、２５２を境にして発光領域２２２側の第３ｐ型クラッド層２４０の上には、ＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層２６１が形成され、位相調整領域２３０側の第３ｐ型クラッド層２４０の上にも、同様にＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層２６２が形成され、それぞれのコンタクト層２６１、２６２の上には、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、チタン（Ｔｉ）からなる第１の上部電極２７１、第２の上部電極２７２が蒸着形成されている。また、基板２２１の下面側全体に、金（Ａｕ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、白金（Ｐｔ）からなる下部電極２７３が蒸着形成されている。
なお、半導体レーザ２２の一方の素子端面２２０ａには、素子端面２２０ａでの光の反射を防止するための反射防止膜（図示せず）が形成されている。

ここで、位相調整領域２３０側の第２の上部電極２７２と下部電極２７３との間に順方向に電流を流し、その電流値を例えば０〜数１０ｍＡの範囲で変化させることで、導波路層２３１の屈折率を変化させて、モードホップの発生を防ぐことができる。また、順方向電流の代わりに、第２の上部電極２７２と下部電極２７３の間に逆バイアス電圧Ｖｒを印加し、その電圧を所定範囲（例えば０〜数ボルトまで）変化させることで導波路層２３１の屈折率を変化させて、モードホップの発生を防ぐことができる。

ただし、前記したように、上記のような位相調整領域２３０を有する半導体発光素子では、導波路層とクラッド層の伝導帯バンド不連続（ΔＥｃ）が小さいためにキャリアのオーバーフローが生じやすく、位相調整できる範囲が狭いという問題があった。

そこで発明者らは、上記構造の半導体レーザ２２について種々の実験を行った結果、位相調整領域２３０における導波路層２３１の上の第２ｐ型クラッド層２３２のドーピング濃度にある特徴的な分布、即ち導波路層２３１から所定距離の範囲で極大をもつ分布を与えることでこの位相調整領域におけるオーバーフローを抑制して無駄な電流を流すことなく最大位相調整範囲を拡大できることを見出した。

これを表したのが図１６である。各種実験を行った結果、特性Ｆのように位相調整領域２３０の導波路層２３１に接する第２ｐ型クラッド層２３２の厚さ方向のドーピング濃度が、導波路層２３１の上端から所定範囲、特に２５〜１５０ｎｍの範囲内で極大値をもつように形成することで、位相調整領域２３０における注入キャリアのオーバーフローの抑制効果が高くなり、屈折率変化に寄与しない無駄な電流を流す必要がなくなり、その結果素子全体としての高効率化が実現できることがわかった。なお、特性Ｆ′は実際のドーピング濃度分布の例である。

このように導波路層２３１に比較的近い位置に極大位置を設定することで無効電流として拡散するキャリア（電子）のブロッキングに効果的であることがわかった。特に高注入領域における効率の改善が確認された。

図１７は、その効果を示したグラフであり、そのグラフの右側は、横軸を位相調整領域への注入電流Ｉｐｃ（ｍＡ）、縦軸を波長λとし、１つのファブリペロモードに着目し、位相調整領域に電流Ｉｐｃを徐々に注入した際の、その波長λの変化を測定したものである。

なお、図１７の下側の特性（黒丸でプロットした特性）は、第２ｐ型クラッド層のドーピング濃度が導波路層の上端から３５ｎｍの距離で極大値となるように設定したものであり、上側の特性（黒四角でプロットした特性）は、第２ｐ型クラッド層のドーピング濃度を一様にした従来素子のものである。

この図１７から明らかなように、ファブリペロモードのシフト量は、ドーピング濃度が一様な従来素子の場合では、Ｉｐｃが約５ｍＡにおいて既に飽和しつつあり、最大シフト量が２πであるのに対し、ドーピング濃度の分布で所定距離に極大値を与えた本実施形態の素子では、Ｉｐｃが約５ｍＡにおいても飽和せずにより大きなシフト量を示しており、最大シフト量は３πまで改善されていることがわかる。

図１７の左側グラフの特性Ｑは、逆バイアス電圧Ｖｒを変化させたときの波長変化の傾向を示すものであり、この逆バイアス電圧Ｖｒを増大させることで波長を長波長方向へ変させることができ、両者を選択的に用いることで波長の変化量（位相の変化量）をさらに広くすることができる。

なお、図１６に示したようにドーピング濃度の極大値を７×１０^１７／ｃｍ^３程度にすることで、導波路層２３１へ拡散するＺｎを最小限にすることが可能で正孔による損失を最小限に留め、且つ注入電子のオーバーフローを抑制し高い変換効率を得ることができた。

ここでは位相調整領域２３０の第２ｐ型クラッド層２３２のドーピング濃度に特徴的な分布を与えて変換効率を向上させているが、発光領域２２２側の第１ｐ型クラッド層２２４についても、例えば図１８の特性Ｇ（実際には例えば特性Ｇ′）のように、活性層から５０ｎｍ〜２５０ｎｍの範囲で極大となるような分布を与えることで、発光効率を向上させることができ、上記した位相調整領域２３０のドーピング濃度分布と併用することで高効率が実現できる。

ただし、上記した位相調整領域２３０の第２ｐ型クラッド層２３２のドーピング濃度の分布は発光領域２２２の濃度分布に依存しないので、発光領域２２２の構造によらずに上記効果を奏するものである。

また、上記したように発光領域２２２と位相調整領域２３０の境界部分の第３ｐ型クラッド層２４０に、活性層２２３と導波路層２３１とが光学的に結合された橋渡部２５０を残すようにして分離溝２５１、５２を設けているため、領域間の分離抵抗を高くすることができ、発光領域２２２から位相調整領域２３０へのリーク電流を大幅に低減しつつ、橋渡部２５０を導波される光の反射を極めて少なくすることができる。

また、第３ｐ型クラッド層２４０のドーピングプロファイルは、直列抵抗と導波路損失を決定するため重要である。

発光領域の膜厚方向の直列（シリーズ）抵抗が高いと、モードホップが起こり易い。これは電流注入で生じるジュール熱により屈折率が変化して長波化するために起こる現象である。電流を注入しファブリペロモードの中の一つのモードから隣のモード変わるまでの電流差分をモードホップ電流ΔＩhop と呼ぶが、このモードホップ電流ΔＩhop が高いほど、一つのモードにおける安定動作の範囲が広くなるため好ましい。

つまりモードホップ電流ΔＩhop を高くするためには、ドーピング濃度を高く設定し直列抵抗を下げることが望まれる。その一方、活性層２２３、導波路層２３１に近い下層領域（厚さ方向の始点部分）のドーピング濃度を高く設定すると、活性層２２３と導波路層２３１近傍の光吸収損失が増加する。

よって、第３ｐ型クラッド層２４０のドーピングプロファイルは、活性層、導波路層に近い下層領域（厚さ方向の始点部分）では低く設定しつつ、第３ｐ型クラッド層全体の直列抵抗をモードホップが発生しない所定値になるように調整する必要がある。

その一つのドーピングプロファイルの特性を図１９に示す。この特性Ｈでは、ドーピング濃度を、活性層、導波路層に近い下層領域（厚さ方向の始点部分）から活性層、導波路層から遠い上層領域（厚さ方向の終点部分）に向かって、３．０×１０^１７、８．５×１０^１７、１．８×１０^１８（／ｃｍ^３）と段階的に大きくなるようにしている。この結果、前記直列抵抗値０．５Ωが得られている。経験的に言えばこの直列抵抗としては０．７Ω以下が望ましく、そのためには、厚さ方向の終点におけるドーピング濃度を、１．０×１０^１８（／ｃｍ^３）〜２．５×１０^１８（／ｃｍ^３）の範囲にすればよいことを確認している。

さらに、その層厚ｔを２μｍ〜３．２μｍの範囲に制限することで、導波路層２３１の近傍の損失を低減しつつ、発光領域２２２から位相調整領域２３０への分離抵抗を１ｋΩにすることができた。なお、第３ｐ型クラッド層２４０の層厚ｔをより小さくすれば分離抵抗をさらに大きくできるが、出射端面のスポットサイズより小さくなってしまい、損失が増加したり、導波できなくなる。また、層厚を３．２μｍより大きくすると第３ｐ型クラッド層２４０の抵抗が減少して領域間の分離抵抗が小さくなってしまうので、上記層厚の範囲が好ましい。

なお、図１９において、ドーピング濃度を３段階で大きくしていたが、変化段数は２段でも４段以上でもよく、また、図２０の特性Ｈ′のように直線的に大きくしてもよく、段階的な変化と直線的変化を併用してもよい。

次に、前記半導体レーザ２２の製造方法について説明する。
始めに、図２１のように、ドーピング濃度１×１０^１８（／ｃｍ^３）のｎ型のＩｎＰからなる基板１２１を用意し、その上に、図２２のように、ＭＯＶＰＥ法により、ＩｎＧａＡｓＰからなる活性層１２２を成長形成する、さらにその上に第１ｐ型クラッド層１２３を積層させる。なお、ここで言う活性層１２２は、多重量子井戸層（ＭＱＷ）とそれを挟むＳＣＨ層を含むものとする。また、第１ｐ型クラッド層１２３の厚さは例えば２５０ｎｍであり、そのドーピング濃度の厚さ方向の分布は一定であってもよいが、前記したようにある範囲で極大となるような分布にして電流供給時のキャリア漏れ等を防ぐ構造であってもよい。

次に、図２３のように、第１ｐ型クラッド層１２３の上にＳｉＯ_２またはＳｉＮｘからなる絶縁膜１２５をプラズマＣＶＤ法等により数１０ｎｍ堆積し、さらにその上にレジスト１２６を塗布する。

続いて、フォトリソグラフィにより、図２４のように、位相調整領域の作製部分のレジストを取り除き、図２５のようにエッチング処理により、レジスト１２６′で覆われていない領域の絶縁膜を除去する。

さらに、図２６のように、残っているレジスト１２６′を剥離して、絶縁膜１２５′をマスクとするエッチング処理により、図２７のように、絶縁膜１２５′に覆われていない領域の第１ｎ型クラッド層１２３および活性層１２２を除去する。ここで、第１ｎ型クラッド層１２３のＩｎＰに対しては例えば塩酸リン酸エッチャント、活性層１２２に対しては塩酸＋過酸化水素＋水を用いてエッチング処理する。

次に、図２８のように、上記エッチング処理された部分の基板１２１の上に、ＩｎＧａＡｓＰからなる導波路層１３１を、活性層１２２′と連続するように成長形成し、その上にＩｎＰからなる第２ｐ型クラッド層１３２を第１ｐ型クラッド層１２３′とほぼ同一高さとなるように積層する。

次に、残った絶縁膜１２５′を剥離してから、図２９のように新たに絶縁膜１４０を全面に堆積させ、その上にレジスト１４１を塗布する。

そして、メサ構造を作製するために、図３０のようにフォトリソグラフィによりレジスト１４１の中央部を残し、その両側を除去する。

さらに、一定幅の線状に残ったレジスト１４１′をマスクとして、図３１のように、絶縁膜１４０の両側をエッチング処理により除去する。

続いて残ったレジスト１４１′を剥離除去して、絶縁膜１４０′をマスクとするエッチングを行い、図３２のように、断面がほぼ台形状（メサ構造）に連続した活性層１２２′（２２３）と導波路層１３１′（２３１）と、その上に台形状に連続した第１ｐ型クラッド層１２３′（２２４）と第２ｐ型クラッド層１３２′（２３２）を形成する。

次に、図３３のように、活性層２２３および導波路層２３１の両側にｐ型ＩｎＰからなる埋め込み層１４２（２４２）とｎ型ＩｎＰからなる埋め込み層１４３（２４３）を形成する。そして、その上に、図３４のように、ＩｎＰからなる第３ｐ型クラッド層１４５（２４０）を成長形成し、さらにその上にＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層１４６を形成する。

そして、図３５のように、コンタクト層１４６の上で発光領域２２２を形成する部分に、Ａｕ、Ｔｉ、Ｐｔからなる第１の上部電極１７１を蒸着し、位相調整領域２３０を形成する部分にも、Ａｕ、Ｔｉ、Ｐｔからなる第２の上部電極１７２を蒸着し、さらに、基板１２１の下面側を研磨してＡｕ、Ｇｅ、Ｐｔからなる下部電極１７３を蒸着する。

そして、最後に、前記した橋渡部２５０、分離溝２５１、２５２を形成するためのエッチング処理を行うことにより、図１３に示した半導体レーザ２２が完成する。

なお、この処理については詳述しないが、フォトリソグラフィ行程によりレジストをマスクとしてエッチング処理を行うものであり、コンタクト層１４６に対しては、例えば硫酸系エッチャント（選択エッチャント）を用いて第３ｐ型クラッド層（ＩｎＰ）１４５（２４０）をエッチストップ層としてエッチングを行う。また、また、第３ｐ型クラッド層１４５、各埋め込み層１４２、１４３および基板１２１に対しては、例えば塩酸リン酸エッチャントを用いてエッチングする。これにより、長さ１０００μｍ、幅４００μｍ、厚さ１００μｍの素子が完成する。

図３６に示す半導体レーザ２２′の基本構造は前記半導体レーザ２２と同じであるが、発光領域側の端面反射成分を抑圧するために、活性層２２３と第１ｐ型クラッド層２２４をふくむメサ型の導波路の先端側が素子端面２２０ａに対して非直交状態で斜めに交差するように形成して（言い換えれば、素子端面２２０ａと活性層２２３を導波する光の光軸線とが非直交状態で交差するようにして）、素子端面での反射成分が活性層２２３に戻ることを防止している。

なお、位相調整領域側の導波路層２３１を位相調整領域側の素子端面２２０ｂに非直交状態で斜めに交差するように形成して素子端面に対して出射光の光軸線を斜めに交差させてもよく、活性層２２３と素子端面２２０ａとの交差角および導波路層２３１と素子端面２２０ｂとの交差角をともに非直交にしてもよい。

２０……波長掃引光源、２１……基台、２２……半導体レーザ、２３……コリメートレンズ、２４……固定ミラー、２５……回折格子、３０……回動ミラー、３１……フレーム、３２……反射板、３２ａ……反射面、３３、３４……連結部、３５、３６……電極板、３７……スペーサ、４０……ミラー駆動装置、５０……基台、５１〜５５……支持部材、６０……受光器、６１……モードホップ検出手段、６５……位相調整領域制御手段、７０……温度センサ、７１……ペルチェ素子、７５……温度制御手段、８０……ケース、１２２……発光領域、１３３……位相調整領域、２２１……基板、２２２……発光領域、２２３……活性層、２２４……第１ｐ型クラッド層、２３０……位相調整領域、２３１……導波路層、２３２……第２ｐ型クラッド層、２４０……第３ｐ型クラッド層、２５０……橋渡部、２５１、２５２……分離溝、２６１、２６２……コンタクト層、２７１……第１の上部電極、２７２……第２の上部電極、２７３……下部電極

Claims

基台（２１）と、
前記基台上に固定され、少なくとも一方の光出射用の端面が低反射率面の半導体レーザ（２２）と、
前記基台上に固定され、前記半導体レーザの前記低反射率面からの出射光を平行光に変換するコリメートレンズ（２３）と、
光を回折するための溝が平行に形成されている回折面（２５ｂ）を有し、前記コリメートレンズから出射された光が、前記溝と直交し且つ前記回折面に対して非直交となる所定入射角で所定入射位置に入射される状態で前記基台上に固定された回折格子（２５）と、
前記回折格子の回折面と対向する反射面を有し、前記回折格子の溝と平行で特定位置の軸を中心にして前記回折面と直交する平面内で回動可能に形成され、前記コリメートレンズから出射されて前記回折格子の回折面に入射した光に対する回折光のうち前記反射面に直交する光軸に沿った光を反射して逆光路で前記回折格子に戻し、該戻した光を入射光路と同じ光軸で前記コリメートレンズを介して前記半導体レーザへ戻させる回動ミラー（３０）と有し、
前記回動ミラーの回動中心から前記回折格子の前記所定入射位置までの距離ｒ、前記回動中心から前記反射面を延長した平面までの距離Ｌ２、前記半導体レーザの実効共振端面から前記回折格子の所定入射位置に至る光路長Ｌ１および前記回折格子の回折面への光入射角αとの間に、
ｒ＝（Ｌ１−Ｌ２）／sin α
の関係を成立させて、
前記回動ミラーの反射面の角度変化に応じて、前記半導体レーザから前記コリメートレンズおよび前記回折格子の回折面を経て前記回動ミラーの反射面に至る共振器長を変化させ、前記半導体レーザが出射する光の波長を所定範囲内で連続的に変化させるリトマン方式外部共振器型の波長掃引光源において、
前記半導体レーザは、
ｎ型半導体基板（２２１）と、該ｎ型半導体基板の上に形成された活性層（２２３）および該活性層の上に積層された第１ｐ型クラッド層（２２４）を有し、電流注入を受けて光を発し該光を前記活性層に沿って導波させる発光領域（２２２）と、
前記ｎ型半導体基板上で前記光のエネルギーよりも大きなエネルギーギャップを有し且つ前記発光領域の活性層と光学的に結合された導波路層（２３１）および該導波路層の上に積層された第２ｐ型クラッド層（２３２）を有し、前記発光領域からの光に対する屈折率が順方向注入電流または逆バイアス電圧に応じて変化する位相調整領域（２３０）と含む構造となっており、
前記回動ミラーは、
前記基台に固定されたフレーム（３１）と、該フレームの内側に配置され一面側に前記反射面が形成された反射板（３２）と、該反射板の外縁と前記フレームの内縁との間を連結する捩れ変形可能で前記回折格子の溝と平行な一直線上に並ぶ一対の連結部（３３、３４）とで一体的に形成され、前記反射板の端に力を周期的に付与する回動駆動手段（３５、３６、４０）により、前記連結部を中心に前記反射板を往復回動させる構造を有しており、
さらに、
前記基台上に固定され、前記半導体レーザの前記一方の端面と反対の端面から出射される光、または前記半導体レーザから前記回折格子の回折面に入射された光に対する０次回折光のいずれかを受け、該受けた光の強度に応じた電気の信号を出力する受光器（６０）と、
前記回動ミラーの反射板の往復回動により前記半導体レーザの出射光波長が掃引されている間、前記受光器の出力を監視し、モードホップによって生じる前記受光器の出力信号の不連続変化を検出するモードホップ検出手段（６１）と、
前記モードホップ検出手段によって検出された前記受光器の出力信号の不連続変化が無くなるように前記半導体レーザの前記位相調整領域の順方向注入電流または逆バイアス電圧を変化させる位相調整領域制御手段（６５）とを設けたことを特徴とする波長掃引光源。
前記半導体レーザの前記位相調整領域の前記導波路層に接する前記第２ｐ型クラッド層の厚さ方向のドーピング濃度が、前記導波路層の上端から所定距離の範囲で極大値をもつように形成したことを特徴とする請求項１記載の波長掃引光源。
前記所定距離範囲が２５〜１５０ｎｍであることを特徴とする請求項２記載の波長掃引光源。
前記半導体レーザの前記発光領域の第１ｐ型クラッド層と前記位相調整領域の第２ｐ型クラッド層の上に第３ｐ型クラッド層（２４０）が形成され、該第３ｐ型クラッド層の前記発光領域と前記位相調整領域との境界部分に所定幅の分離溝（２５１、２５２）が形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の波長掃引光源。
前記第３ｐ型クラッド層の厚さ方向の終点におけるドーピング濃度が厚さ方向の始点におけるドーピング濃度より大きく、且つ１．０×１０^１８（／ｃｍ^３）〜２．５×１０^１８（／ｃｍ^３）の範囲に設定されたことを特徴とする請求項４記載の波長掃引光源。
前記半導体レーザの前記発光領域の前記第１ｐ型クラッド層の厚さ方向のドーピング濃度が、前記活性層の上端から５０〜２５０ｎｍの範囲内で極大値をもつように形成したことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の波長掃引光源。
前記半導体レーザの前記発光領域側の素子端面（２２０ａ）と前記活性層を導波する光の光軸線との交差角、または、前記位相調整領域側の素子端面（２２０ｂ）と前記導波路層を導波する光の光軸線との交差角の少なくとも一方が、非直交であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の波長掃引光源。
前記位相調整領域制御手段は、前記反射板の往復回動と同期させて前記半導体レーザの前記位相調整領域の順方向注入電流または逆バイアス電圧を可変制御することを特徴する請求項１〜７のいずれかに記載の波長掃引光源。
前記コリメートレンズから出射された光を前記基台上に固定された固定ミラー（２４）を介して前記回折格子へ入射させる構造で且つ前記半導体レーザ、前記コリメートレンズ、前記固定ミラーおよび前記回折格子が前記回動ミラーの前記反射板の一面側に配置されるようにし、前記半導体レーザから前記固定ミラーを介して前記回折格子に至る光軸が、前記回動ミラーの前記反射板と非交差状態となるようにしたことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の波長掃引光源。