JP5103416B2 - Wavelength swept light source - Google Patents
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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。 The present invention relates to a technique for suppressing a mode hop that may occur during wavelength sweeping in a Litman single-mode wavelength sweeping light source.
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。 Light wavelength, which is one of the basic characteristics of light, can be used to measure various physical characteristics. In the past, systems and measuring instruments using the same have been developed in various fields such as optical communication, spectroscopic analysis, surface shape measurement and optical sensing. In particular, high-monochromatic and coherent high-quality light is extremely useful because it enables advanced systems and high-precision measurements.
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。
Therefore, for example,
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。
In the light source, the light emitted from the
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。
The
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。
Here, the specific position O is at a position where the extended surface H1 of the diffraction surface 4a of the diffraction grating 4 and the extended surface H2 of the effective resonance end surface 2a of the
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。 This light source is generally called a Litman method, and in principle, laser light that oscillates in a single mode can be continuously swept in a predetermined wavelength range without mode hopping.
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。
However, the actual wavelength sweeping light source disclosed in
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。 In addition, mode hops are likely to occur due to the low axial stability of the rotation mechanism, and the wavelength at which mode hops change each time the wavelength is swept. Complex position control of the parts is required. Such a mode hop is inevitable even if the temperature of the light source and the current injected into the light emitting region of the semiconductor laser are controlled to be constant.
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。 In the case of the optical arrangement described above, the mirror or the support member that supports the mirror and rotates integrally with the optical axis intersects the mirror or the support member with a hole or notch for allowing light to pass through. In some cases, the mirror or its supporting member is easily deformed due to a reduction in rigidity, which may cause mode hops.
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。 In order to control this, very complicated control of adjusting the optical axis by finely adjusting the arrangement of the collimating lens and the diffraction grating is necessary, which makes it difficult to quickly sweep the wavelength.
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。
Therefore, for example,
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。 In the case of this mechanism, the movement of the reflecting plate rotated for the wavelength sweep is extremely stable. Therefore, a Litman-type external resonator type wavelength sweep light source using this mechanism as a mirror part is smaller than before. Thus, a stable high-speed wavelength sweep without single mode and mode hop is enabled.
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。 However, even a wavelength swept light source using such a MEMS-structured rotating mirror may cause mode hops due to poor assembly accuracy of the light source or due to optical axis misalignment of the optical component due to temperature changes. .
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。 Further, when the current injected into the light emitting region and the temperature of the semiconductor laser are adjusted in order to change the power of the output light from the light source, there is a problem that a mode hop inevitably occurs due to the characteristics of the semiconductor laser.
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。 The present invention solves these problems, and provides a wavelength-swept light source of a Littman-type external resonator type that can be swept continuously and at high speed in a small size and without mode hopping. The purpose is that.
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て波長掃引させ、その波長掃引時にモードホップが生じる状態にあっても該モードホップを高い再現性で同一波長に生じさせる回動安定性をもつMEMS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)にして、当該順方向注入電流または逆バイアス電圧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て、モードホップが発生しない、またはモードホップ発生が最も少なくなる一定の順方向注入電流または逆バイアス電圧を見つけ、該一定の順方向注入電流または逆バイアス電圧を保持する半固定制御処理を行う位相調整領域制御手段を設けたことを特徴とする。
In order to achieve the above object, the wavelength swept light source according to
A base (21);
A semiconductor laser (22) fixed on the base and having at least one light emitting end face having a low reflectivity surface;
A collimator lens (23) fixed on the base and converting the light emitted from the low reflectance surface of the semiconductor laser into parallel light;
A predetermined diffraction surface (25b) in which grooves for diffracting light are formed in parallel, and light emitted from the collimating lens is orthogonal to the grooves and non-orthogonal to the diffraction surface A diffraction grating (25) fixed on the base in a state of being incident at a predetermined incident position at an incident angle;
The collimating lens has a reflecting surface facing the diffraction surface of the diffraction grating, and is rotatable in a plane that is parallel to the groove of the diffraction grating and that is orthogonal to the diffraction surface about an axis at a specific position. Of the diffracted light with respect to the light emitted from and incident on the diffraction surface of the diffraction grating, the light along the optical axis perpendicular to the reflection surface is reflected and returned to the diffraction grating by a reverse optical path, and the returned light is incident A rotating mirror (30) for returning to the semiconductor laser via the collimating lens with the same optical axis as the optical path;
A distance r from the rotation center of the rotation mirror to the predetermined incident position of the diffraction grating, a distance L2 from the rotation center to a plane obtained by extending the reflection surface, and the diffraction grating from the effective resonance end surface of the semiconductor laser Between the optical path length L1 to the predetermined incident position and the light incident angle α to the diffraction surface of the diffraction grating,
r = (L1-L2) / sin α
Establishing the relationship
In response to a change in the angle of the reflecting surface of the rotating mirror, the resonator length from the semiconductor laser to the reflecting surface of the rotating mirror via the collimating lens and the diffraction surface of the diffraction grating is changed. In the wavelength sweep light source of the Litman method external resonator type that continuously changes the wavelength of the emitted light within a predetermined range,
The semiconductor laser is
An n-type semiconductor substrate (221), an active layer (223) formed on the n-type semiconductor substrate, and a first p-type cladding layer (224) stacked on the active layer, and for current injection A light emitting region (222) that receives and emits light and guides the light along the active layer;
A waveguide layer (231) having an energy gap larger than the energy of the light on the n-type semiconductor substrate and optically coupled to the active layer of the light emitting region, and laminated on the waveguide layer The second p-type cladding layer (232) has a structure including a phase adjustment region (230) in which a refractive index with respect to light from the light emitting region changes according to a forward injection current or a reverse bias voltage,
The rotating mirror is
A frame (31) fixed to the base; a reflector (32) disposed on the inner side of the frame and having the reflecting surface formed on one side; and an outer edge of the reflector and an inner edge of the frame And a pair of connecting portions (33, 34) that are twistable and connect to each other and are aligned in a straight line parallel to the grooves of the diffraction grating, and periodically apply a force to the end of the reflecting plate. With the dynamic drive means (35, 36, 40), the reflector is reciprocally rotated around the connecting part to sweep the wavelength, and even when the mode hop is generated during the wavelength sweep, the mode hop is highly reproduced. It has a MEMS structure with rotational stability that can be generated at the same wavelength .
further,
Either a light fixed on the base and emitted from an end surface opposite to the one end surface of the semiconductor laser, or a zero-order diffracted light with respect to light incident on the diffraction surface of the diffraction grating from the semiconductor laser A light receiver (60) for receiving and outputting an electrical signal corresponding to the intensity of the received light;
While the output wavelength of the semiconductor laser is swept by the reciprocating rotation of the reflecting plate of the rotating mirror, the output of the light receiver is monitored, and a discontinuous change in the output signal of the light receiver caused by a mode hop is observed. Mode hop detection means (61) for detecting;
Phase adjustment region control means (65) for changing the forward injection current or the reverse bias voltage of the phase adjustment region of the semiconductor laser so as to eliminate the discontinuous change in the output signal of the light receiver detected by the mode hop detection means. ) To change the forward injection current or reverse bias voltage by a predetermined amount, repeat the process of sweeping the next wavelength and detecting the mode hop, so that the mode hop does not occur or the mode hop occurs the least There is provided a phase adjustment region control means for performing a semi-fixed control process for finding a certain forward injection current or reverse bias voltage and holding the constant forward injection current or reverse bias voltage .
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。
Moreover, the wavelength sweep light source of
The doping concentration in the thickness direction of the second p-type cladding layer in contact with the waveguide layer in the phase adjustment region of the semiconductor laser has a maximum value within a predetermined distance from the upper end of the waveguide layer. It is characterized by that.
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。
Moreover, the wavelength sweep light source of
The predetermined distance range is 25 to 150 nm.
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。
Moreover, the wavelength sweep light source of
A third p-type cladding layer (240) is formed on the first p-type cladding layer in the light emitting region of the semiconductor laser and the second p-type cladding layer in the phase adjustment region, and the light emitting region of the third p-type cladding layer A separation groove (251, 252) having a predetermined width is formed at a boundary portion with the phase adjustment region.
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1.0×1018(/cm3)〜2.5×1018(/cm3)の範囲に設定されたことを特徴とする。
Moreover, the wavelength sweep light source of
The doping concentration at the end point in the thickness direction of the third p-type cladding layer is larger than the doping concentration at the start point in the thickness direction, and 1.0 × 10 18 (/ cm 3 ) to 2.5 × 10 18 (/ cm 3). ) Range.
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。
Moreover, the wavelength sweep light source of
The semiconductor laser is formed so that a doping concentration in a thickness direction of the first p-type cladding layer in the light emitting region of the semiconductor laser has a maximum value within a range of 50 to 250 nm from an upper end of the active layer.
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。
Moreover, the wavelength sweep light source of
The crossing angle between the element end face (220a) on the light emitting region side of the semiconductor laser and the optical axis of the light guided through the active layer, or the element end face (220b) on the phase adjustment region side and the waveguide layer At least one of the crossing angles with the optical axis of the guided light is non-orthogonal.
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、前記半固定制御処理でモードホップが残っている場合、以後の波長掃引時の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前記一定値から残りのモードホップ毎に可変制御させてその発生を抑制するダイナミック制御処理を行うことを特徴する。
Moreover, the wavelength sweep light source of Claim 8 of this invention is the wavelength sweep light source in any one of Claims 1-7,
When the mode hop remains in the semi-fixed control process, the phase adjustment area control means is synchronized with the reciprocating rotation of the reflector during the subsequent wavelength sweep, and the forward direction of the phase adjustment area of the semiconductor laser A dynamic control process is performed in which the injection current or the reverse bias voltage is variably controlled from the constant value for each remaining mode hop to suppress the occurrence thereof.
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。
Moreover, the wavelength sweep light source of Claim 9 of this invention is the wavelength sweep light source in any one of Claims 1-8,
The semiconductor laser, the collimating lens, the fixed mirror, and the diffraction grating have a structure in which light emitted from the collimating lens is incident on the diffraction grating via a fixed mirror (24) fixed on the base. The optical axis extending from the semiconductor laser to the diffraction grating via the fixed mirror is arranged in a non-crossing state with the reflector of the pivot mirror so that it is disposed on one surface side of the reflector of the pivot mirror. It was made to become.
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。 As described above, in the wavelength swept light source of the present invention, the operation of the rotating mirror is extremely stable, so that the generation of irregular mode hops is remarkably reduced as compared with the conventional light source. Even if mode hops occur regularly due to steady optical axis misalignment, etc., there is a mode hop detection means that detects discontinuous changes in the output of the optical receiver due to mode hops during wavelength sweeping. Therefore, a mode-hop-free state is easily realized and maintained by regularly controlling the forward injection current or reverse bias voltage to the phase adjustment region of the semiconductor laser so that the discontinuous change is eliminated. it can.
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。 In addition, the doping concentration in the thickness direction of the second p-type cladding layer in contact with the waveguide layer in the phase adjustment region of the semiconductor laser is maximized within a predetermined distance from the waveguide layer. Electron overflow caused by a small ΔEc between the waveguide layer and the second p-type cladding layer can be suppressed, and thereby the maximum phase adjustment amount can be increased. In particular, by making the maximum value in the range of 25 to 150 nm from the waveguide layer, electrons overflowing from the waveguide layer can be effectively blocked, and the maximum phase adjustment amount can be greatly expanded. The control range for mode hop suppression can be expanded.
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。 In addition, since a separation groove is provided at the boundary between the light emitting region and the phase adjustment region of the third p-type cladding layer, the separation resistance between the regions can be increased, and the leakage current from the light emitting region to the phase adjustment region is greatly increased. Can be reduced.
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1.0×1018(/cm3)〜2.5×1018(/cm3)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。 Further, the doping concentration at the end point in the thickness direction of the third p-type cladding layer (the side far from the active layer and the waveguide layer) is larger than the doping concentration at the start point in the thickness direction (the side close to the active layer and the waveguide layer), In addition, in the case where it is set in the range of 1.0 × 10 18 (/ cm 3 ) to 2.5 × 10 18 (/ cm 3 ), the waveguide loss is reduced without increasing the series resistance in the film thickness direction. It becomes possible to do.
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。 In addition, when the doping concentration in the thickness direction of the first p-type cladding layer in the light emitting region has a maximum value in the range of 50 to 250 nm from the active layer, overflow of injected carriers in the light emitting region is suppressed. Therefore, it is not necessary to pass a wasteful current that does not contribute to light emission, and as a result, high efficiency of the entire device can be realized.
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。 The semiconductor laser has a structure in which light emitted from the semiconductor laser is incident on the diffraction grating via the fixed mirror, and the semiconductor laser, the fixed mirror, and the diffraction grating are arranged on one surface side of the reflecting plate of the rotating mirror, Since the optical axis from the laser to the diffraction grating via the fixed mirror is not crossed with the reflector of the rotating mirror, there is no decrease in the rigidity of the mirror, enabling more stable wavelength sweeping and phase adjustment. The mode hop can be controlled more easily and more stably by the injection current or reverse bias voltage to the region.
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。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is an overall configuration diagram of a wavelength swept
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。
As shown in FIG. 1 and FIG. 2, the wavelength swept
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。
The reflected light of the fixed
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。
The light diffracted by the
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。
By periodically changing the angle of the reflecting surface 32a with respect to the diffractive surface 25a of the
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。
As shown in FIGS. 1 to 3, the rotating
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。
The reflecting surface 32a of the reflecting
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。
However, when the
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。
The widths and lengths of the connecting
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。
In addition, on both surfaces of one of the horizontal plates 31c and 31d (here, the horizontal plate 31c) of the
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。
In the
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。
The rotating
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。
For example, the
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。
As shown in FIG. 2, the
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。
The frequency of the signals V1 and V2 is set to be equal to the natural frequency of the
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。
The reciprocating rotation of the reflecting
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。
However, in the case of a simplified structure in which the reflecting
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。
Therefore, in the wavelength swept
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。
That is, in
r = (L1-L2) / sin α
Thus, the wavelength can be continuously varied without generating a mode hop.
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)。
However, when the optical path from the
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。 Therefore, by arranging each part so that the following equation is established, continuous wavelength sweep without mode hopping is possible as shown in FIG.
r=(L3+L4−L2)/sin α 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。
Further, light is incident on the
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。
As described above, in the wavelength swept
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。
Therefore, regardless of the optical path, the rotating mirror can be configured with a very simple structure in which the reflecting
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。
However, as described above, even in the case of the wavelength swept
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。 Further, if the injection current and temperature to the light emitting region of the semiconductor laser are adjusted in order to change the power of the output light, there is a problem that mode hops inevitably occur.
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。
Therefore, in this embodiment, as shown in FIG. 1, as the
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。
A general structure of the
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。
In the case of the
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。
The refractive index can also be changed by applying a reverse bias voltage Vr to the
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。 Therefore, phase control can be performed in a wider range by using both the variable forward injection current and the variable reverse bias voltage Vr.
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。
Further, in order to suppress the mode hop, the 0th order diffracted light emitted in the direction symmetrical to the incident angle α with respect to the light incident on the
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。
The phase adjustment region control means 65 includes a forward injection current supply circuit 65 a that supplies a desired forward injection current I ′ to the
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。
In this embodiment, in consideration of emitting wavelength swept light, which is output light as a light source, from the element end face 222b on the
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。
The mode hop detection means 61 monitors the output of the
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。
Here, for example, consider a case where the light wavelength is swept between 1500 nm and 1600 nm. When no mode hop occurs, the wavelength dependence of the power P of the zero-order light from the
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。 On the other hand, for example, when a mode hop occurs at the wavelength λhp, the wavelength dependency of the power P changes discontinuously at the wavelength λhp as shown in FIG. The abrupt change | ΔP | or the absolute value | dP / dt | of the derivative with respect to the time changes sharply and to a large value. However, in any example, the temperature of the light source is constant.
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。
Therefore, the presence or absence of a mode hop can be determined by calculating the abrupt change | ΔP | of the output signal itself of the
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。
The mode hop detection means 61 performs the above calculation on the output signal of the
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。
Here, the principle of mode hop generation will be briefly described. When the mode hop does not occur, as shown in FIG. 7A, the external frequency is changed with respect to the wavelength change of one specific longitudinal mode (solid line: Fabry-Perot mode) among the longitudinal modes that can be oscillated by the
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。 On the other hand, when a mode hop occurs, the center wavelength of the selection characteristic F by the longitudinal mode and the external resonator is shifted, and the selection characteristic F is selected at a certain wavelength λhp as shown in FIG. The vertical mode is jumped from the desired mode (solid line) to the next mode (dashed line).
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。
Here, when the injection current I ′ or the reverse bias voltage Vr to the phase adjustment region 130 of the
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。
The
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。
Here, as a control to the
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。 In the case of dynamic control, the change pattern of the injection current I ′ and the reverse voltage bias Vr is arbitrary. For example, as shown by the injection current (or the reverse bias voltage) a in FIG. A pattern that changes step by step at a slightly earlier timing, or a pattern that changes continuously with a straight line (or a curved line) having an inclination, such as an injection current (or a reverse bias voltage) b, may be used.
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。 Further, as one control example, when a process of finding a constant injection current I ′ and a reverse voltage bias Vr at which no mode hop occurs in the semi-fixed control mode is first performed, and all the mode hops are lost in the process. Finishes the process, and when the mode hops are not completely eliminated by this process, the injection current I ′ and the reverse voltage bias Vr that minimize the generation of the mode hops are set and then injected every mode hop by the dynamic control mode. The generation of the current I ′ and the reverse voltage bias Vr is suppressed by changing the current I ′ and the reverse voltage bias Vr. By such control, mode hops can be easily eliminated.
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。 It should be noted that means for notifying the outside by letters, lamps or sounds may be provided during the period when the mode hop is occurring.
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。
The reason why the mode hop can be suppressed only by using such a simple control method is that the wavelength sweeping method using the
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。
In the above embodiment, the reflecting
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。
For example, like the reflecting
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。
Moreover, although the said embodiment demonstrated the case where external force was periodically given to the one end side of the reflecting
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。
The shape of the
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。
In addition to the electrostatic force described above as an external force, an external force can be applied electromagnetically by a combination of an electromagnet (or coil) and a magnetic material, a combination of a permanent magnet and an electromagnet (or coil), etc. Furthermore, the ultrasonic vibrator having a frequency equal to the natural frequency of the reflecting
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。
In the above embodiment, the reflecting surface 24 a of the fixed
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。
For example, as shown in FIG. 11, the
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。
Moreover, in the said embodiment, although it has shown with the structure which stood the
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。
For example, as shown in FIG. 12, the
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。
Further, as shown by the dotted line in FIG. 12, the
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。
Although not shown, one or two sets of the
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。
The above-described wavelength swept light source has a multi-channel structure or a broadband structure in which the optical path does not intersect the
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。
In the above embodiment, the phase control range in which mode hops can be suppressed depends on the element characteristics of the
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。
Therefore, if a
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。
Hereinafter, the
FIG. 13 is an external view of the
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1×1018/cm3)を有している。
As shown in these drawings, the
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。
A
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。
In the
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。
On the other hand, a
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。
The energy gap of the
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。
A second p-
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。
A third p-
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。
A buried
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。
The boundary between the light
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。
The
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。
The longer length of the
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。
Further, the narrower the width of the
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。
A contact layer 261 made of InGaAs is formed on the third p-
Note that an antireflection film (not shown) for preventing light reflection at the element end face 220a is formed on one element end face 220a of the
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。
Here, a current is passed in the forward direction between the second
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。
However, as described above, in the semiconductor light emitting device having the
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。
Therefore, the inventors conducted various experiments on the
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。
This is shown in FIG. As a result of various experiments, the doping concentration in the thickness direction of the second p-
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。
Thus, it has been found that setting the maximum position relatively close to the
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。 FIG. 17 is a graph showing the effect. On the right side of the graph, the horizontal axis is the injection current Ipc (mA) to the phase adjustment region, the vertical axis is the wavelength λ, and attention is paid to one Fabry-Perot mode. This is a measurement of the change in the wavelength λ when the current Ipc is gradually injected into the phase adjustment region.
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。 The lower characteristic of FIG. 17 (characteristic plotted with black circles) is set so that the doping concentration of the second p-type cladding layer becomes a maximum value at a distance of 35 nm from the upper end of the waveguide layer. These characteristics (characteristics plotted with black squares) are those of a conventional element in which the doping concentration of the second p-type cladding layer is made uniform.
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。 As is apparent from FIG. 17, the shift amount in the Fabry-Perot mode is already saturated at about 5 mA in the case of the conventional device having a uniform doping concentration, whereas the maximum shift amount is 2π. In the element of the present embodiment in which the maximum value is given to the predetermined distance by the doping concentration distribution, the shift amount is not saturated even when Ipc is about 5 mA, and the maximum shift amount is improved to 3π. I understand.
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。 The characteristic Q in the left graph of FIG. 17 shows the tendency of the wavelength change when the reverse bias voltage Vr is changed. By increasing the reverse bias voltage Vr, the wavelength can be changed in the long wavelength direction. In addition, the wavelength change amount (phase change amount) can be further widened by selectively using both.
なお、図16に示したようにドーピング濃度の極大値を7×1017/cm3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。
As shown in FIG. 16, by setting the maximum value of the doping concentration to about 7 × 10 17 / cm 3 , Zn diffusing into the
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。
Here, a characteristic distribution is given to the doping concentration of the second p-
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。
However, since the doping concentration distribution of the second p-
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。
Further, as described above, the bridging
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。
The doping profile of the third p-
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。 If the series resistance in the film thickness direction of the light emitting region is high, mode hops are likely to occur. This is a phenomenon that occurs because the refractive index changes due to Joule heat generated by current injection, resulting in a long wave. The current difference from one mode in Fabry-Perot mode to the next mode is called the mode hop current ΔIhop. The higher the mode hop current ΔIhop, the wider the range of stable operation in one mode. Therefore, it is preferable.
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。
That is, in order to increase the mode hop current ΔIhop, it is desirable to set the doping concentration high and lower the series resistance. On the other hand, if the doping concentration in the lower layer region (the starting point portion in the thickness direction) close to the
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起こりにくい所定範囲になるように調整する必要がある。
Therefore, while the doping profile of the third p-
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、3.0×1017、8.5×1017、1.8×1018(/cm3)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、1.0×1018(/cm3)〜2.5×1018(/cm3)の範囲にすればよいことを確認している。 The characteristics of one doping profile are shown in FIG. In this characteristic H, the doping concentration is increased from the lower layer region (start point portion in the thickness direction) close to the active layer and the waveguide layer toward the active layer and the upper layer region (end point portion in the thickness direction) far from the waveguide layer. 3.0 × 10 17 , 8.5 × 10 17 , and 1.8 × 10 18 (/ cm 3 ) are gradually increased. As a result, the series resistance value of 0.5Ω is obtained. Empirically speaking, the series resistance is preferably 0.7Ω or less. For this purpose, the doping concentration at the end point in the thickness direction is set to 1.0 × 10 18 (/ cm 3 ) to 2.5 × 10 18 ( / Cm 3 ) has been confirmed.
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。
Further, by limiting the layer thickness t to the range of 2 μm to 3.2 μm, the loss resistance in the vicinity of the
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。 In FIG. 19, the doping concentration is increased in three steps, but the number of change steps may be two or four or more, or may be increased linearly as shown by the characteristic H ′ in FIG. A step change and a linear change may be used in combination.
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1×1018(/cm3)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。
Next, a method for manufacturing the
First, as shown in FIG. 21, a substrate 121 made of n-type InP with a doping concentration of 1 × 10 18 (/ cm 3 ) is prepared, and then made of InGaAsP by MOVPE as shown in FIG. An
次に、図23のように、第1p型クラッド層123の上にSiO2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。
Next, as shown in FIG. 23, an insulating
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。 Subsequently, as shown in FIG. 24, the resist in the phase adjustment region is removed by photolithography, and the insulating film in the region not covered with the resist 126 ′ is removed by etching as shown in FIG.
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。
Further, the remaining resist 126 'is removed as shown in FIG. 26, and the first n of the region not covered with the insulating film 125' as shown in FIG. 27 is removed by etching using the insulating film 125 'as a mask. The mold cladding layer 123 and the
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。
Next, as shown in FIG. 28, a waveguide layer 131 made of InGaAsP is grown on the etched portion of the substrate 121 so as to be continuous with the active layer 122 ', and then made of InP. The second p-
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。
Next, after the remaining insulating film 125 'is peeled off, an insulating
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。 Then, in order to manufacture the mesa structure, the central portion of the resist 141 is left by photolithography as shown in FIG. 30, and both sides thereof are removed.
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。
Further, using the resist 141 'remaining in a linear shape with a certain width as a mask, both sides of the insulating
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。
Subsequently, the remaining resist 141 'is stripped and removed, and etching is performed using the insulating film 140' as a mask. As shown in FIG. 32, the active layer 122 '(223) having a substantially continuous trapezoidal shape (mesa structure) is obtained. And a waveguide layer 131 ′ (231), and a trapezoidal continuous first p-type cladding layer 123 ′ (224) and second p-
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。
Next, as shown in FIG. 33, a buried layer 142 (242) made of p-type InP and a buried layer 143 (243) made of n-type InP are formed on both sides of the
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。
As shown in FIG. 35, the first upper electrode 171 made of Au, Ti, and Pt is deposited on the
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。
Finally, the
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。
Although this process is not described in detail, an etching process is performed by using a resist as a mask in a photolithography process. For the
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。
The basic structure of the
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。
The
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 20... Swept light source, 21... Base, 22... Semiconductor laser, 23... Collimating lens, 24... Fixed mirror, 25 .. diffraction grating, 30. …… Reflecting plate, 32a …… Reflecting surface, 33, 34 …… Connecting portion, 35, 36 …… Electrode plate, 37 …… Spacer, 40 …… Mirror drive device, 50 …… Base, 51 to 55 …… Support member, 60... Receiver, 61... Mode hop detection means, 65... Phase adjustment region control means, 70... Temperature sensor, 71. 122... Light emitting region, 133... Phase adjustment region, 221... Substrate, 222... Light emitting region, 223... Active layer, 224. Waveguide layer, 232 ... 2nd p-type ,... 3rd p-type cladding layer, 250... Bridge portion, 251, 252... Separation groove, 261, 262... Contact layer, 271. Upper electrode, 273 ... Lower electrode
Claims (9)
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て波長掃引させ、その波長掃引時にモードホップが生じる状態にあっても該モードホップを高い再現性で同一波長に生じさせる回動安定性をもつMEMS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)にして、当該順方向注入電流または逆バイアス電圧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て、モードホップが発生しない、またはモードホップ発生が最も少なくなる一定の順方向注入電流または逆バイアス電圧を見つけ、該一定の順方向注入電流または逆バイアス電圧を保持する半固定制御処理を行う位相調整領域制御手段を設けたことを特徴とする波長掃引光源。 A base (21);
A semiconductor laser (22) fixed on the base and having at least one light emitting end face having a low reflectivity surface;
A collimator lens (23) fixed on the base and converting the light emitted from the low reflectance surface of the semiconductor laser into parallel light;
A predetermined diffraction surface (25b) in which grooves for diffracting light are formed in parallel, and light emitted from the collimating lens is orthogonal to the grooves and non-orthogonal to the diffraction surface A diffraction grating (25) fixed on the base in a state of being incident at a predetermined incident position at an incident angle;
The collimating lens has a reflecting surface facing the diffraction surface of the diffraction grating, and is rotatable in a plane that is parallel to the groove of the diffraction grating and that is orthogonal to the diffraction surface about an axis at a specific position. Of the diffracted light with respect to the light emitted from and incident on the diffraction surface of the diffraction grating, the light along the optical axis perpendicular to the reflection surface is reflected and returned to the diffraction grating by a reverse optical path, and the returned light is incident A rotating mirror (30) for returning to the semiconductor laser via the collimating lens with the same optical axis as the optical path;
A distance r from the rotation center of the rotation mirror to the predetermined incident position of the diffraction grating, a distance L2 from the rotation center to a plane obtained by extending the reflection surface, and the diffraction grating from the effective resonance end surface of the semiconductor laser Between the optical path length L1 to the predetermined incident position and the light incident angle α to the diffraction surface of the diffraction grating,
r = (L1-L2) / sin α
Establishing the relationship
In response to a change in the angle of the reflecting surface of the rotating mirror, the resonator length from the semiconductor laser to the reflecting surface of the rotating mirror via the collimating lens and the diffraction surface of the diffraction grating is changed. In the wavelength sweep light source of the Litman method external resonator type that continuously changes the wavelength of the emitted light within a predetermined range,
The semiconductor laser is
An n-type semiconductor substrate (221), an active layer (223) formed on the n-type semiconductor substrate, and a first p-type cladding layer (224) stacked on the active layer, and for current injection A light emitting region (222) that receives and emits light and guides the light along the active layer;
A waveguide layer (231) having an energy gap larger than the energy of the light on the n-type semiconductor substrate and optically coupled to the active layer of the light emitting region, and laminated on the waveguide layer The second p-type cladding layer (232) has a structure including a phase adjustment region (230) in which a refractive index with respect to light from the light emitting region changes according to a forward injection current or a reverse bias voltage,
The rotating mirror is
A frame (31) fixed to the base; a reflector (32) disposed on the inner side of the frame and having the reflecting surface formed on one side; and an outer edge of the reflector and an inner edge of the frame And a pair of connecting portions (33, 34) that are twistable and connect to each other and are aligned in a straight line parallel to the grooves of the diffraction grating, and periodically apply a force to the end of the reflecting plate. With the dynamic drive means (35, 36, 40), the reflector is reciprocally rotated around the connecting part to sweep the wavelength, and even when the mode hop is generated during the wavelength sweep, the mode hop is highly reproduced. It has a MEMS structure with rotational stability that can be generated at the same wavelength .
further,
Either a light fixed on the base and emitted from an end surface opposite to the one end surface of the semiconductor laser, or a zero-order diffracted light with respect to light incident on the diffraction surface of the diffraction grating from the semiconductor laser A light receiver (60) for receiving and outputting an electrical signal corresponding to the intensity of the received light;
While the output wavelength of the semiconductor laser is swept by the reciprocating rotation of the reflecting plate of the rotating mirror, the output of the light receiver is monitored, and a discontinuous change in the output signal of the light receiver caused by a mode hop is observed. Mode hop detection means (61) for detecting;
Phase adjustment region control means (65) for changing the forward injection current or the reverse bias voltage of the phase adjustment region of the semiconductor laser so as to eliminate the discontinuous change in the output signal of the light receiver detected by the mode hop detection means. ) To change the forward injection current or reverse bias voltage by a predetermined amount, repeat the process of sweeping the next wavelength and detecting the mode hop, so that the mode hop does not occur or the mode hop occurs the least A wavelength swept light source comprising phase adjustment region control means for finding a constant forward injection current or reverse bias voltage and performing semi-fixed control processing for holding the constant forward injection current or reverse bias voltage. .
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