(57)【要約】【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、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が無くなるように半導体レーザ２２の注入電流を変化させる注入電流制御手段６５とを設けている。【選択図】図１
2010177328.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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で、注入電流により光を出射する半導体レーザ（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注入電流を変化させる注入電流制御手段（６５）とを設けたことを特徴とする波長掃引光源。
【請求項２】
前記注入電流制御手段は、前記反射板の往復回動と同期させて半導体レーザへの注入電流を可変制御することを特徴する請求項１記載の波長掃引光源。
【請求項３】
前記注入電流制御手段は、波長掃引中における前記受光器の出力信号の不連続変化がなく且つ波長掃引範囲における光出力がほぼ一定となるように注入電流を可変制御することを特徴とする請求項２記載の波長掃引光源。
【請求項４】
前記半導体レーザまたはその周囲の温度を検出する温度センサ（７０）と、
少なくとも前記半導体レーザの温度を可変するためのペルチェ素子（７１）と、
前記温度センサの出力と前記受光器の出力とに基づいて前記ペルチェ素子への供給電流を制御することで、前記半導体レーザの出射光の波長掃引範囲における平均出力が所望値となるようする温度制御手段（７５）とを備え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。
【請求項５】
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１〜４のいずれかに記載の波長掃引光源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
光波長は光の基本特性の１つであり、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。
【０００３】
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１５に示す光源１はその基本構成を示すものであり、半導体レーザ２から出射されコリメートレンズ３を経た光を回折格子４の回折面４ａに所定角度で入射し、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を逆光路で回折格子４に戻して、その戻した光に対する回折光を半導体レーザ２に逆光路で戻すとともに、回折格子４に対して特定位置Ｏを中心にミラー５を回動させ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を、ミラー５の反射面５ａの回動により変化させて、半導体レーザの出射光の波長を所定範囲連続的に掃引する外部共振型の波長掃引光源である。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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
また、その回転機構の精度の低さゆえにモードホップが発生し、しかも、波長掃引のたびにモードホップが生じる波長が変わってしまうという極めて再現性の悪いものであった。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。
【０００７】
また上記の基本的な配置の場合には、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変形しやすくモードホップを招く場合もある。
【０００８】
これを制御するには、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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】米国特許第５３１９６６８号明細書
【００１２】
【特許文献２】特開２００５−２８４１２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
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。
【００１４】
また、光源からの出力光のパワーを変化させるために注入電流や半導体レーザの温度を調整すると、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。
【００１５】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
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で、注入電流により光を出射する半導体レーザ（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注入電流を変化させる注入電流制御手段（６５）とを設けたことを特徴とする。
【００１７】
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、
前記注入電流制御手段は、前記反射板の往復回動と同期させて半導体レーザへの注入電流を可変制御することを特徴する。
【００１８】
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、
前記注入電流制御手段は、波長掃引中における前記受光器の出力信号の不連続変化がなく且つ波長掃引範囲における光出力がほぼ一定となるように注入電流を可変制御することを特徴とする。
【００１９】
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、
前記半導体レーザまたはその周囲の温度を検出する温度センサ（７０）と、
少なくとも前記半導体レーザの温度を可変するためのペルチェ素子（７１）と、
前記温度センサの出力と前記受光器の出力とに基づいて前記ペルチェ素子への供給電流を制御することで、前記半導体レーザの出射光の波長掃引範囲における平均出力が所望値となるようする温度制御手段（７５）とを備えていることを特徴とする。
【００２０】
また、本発明の請求項５の波長掃引光源は、請求項１〜４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。
【発明の効果】
【００２１】
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への注入電流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。
【００２２】
また、モードホップなしの状態を保持できる注入電流に幅があるので、その範囲内で半導体レーザへの注入電流を変化させることで光源の出力光パワーを変化させることもできる。例えば、モードホップなしの状態を保持できる注入電流の幅の範囲内で波長掃引に同期させて半導体レーザの注入電流を可変制御すれば、掃引波長範囲内の光出力を平坦化することができる。
【００２３】
さらに、温度センサとペルチェ素子と温度制御部を備えた波長掃引光源では、半導体レーザの温度制御により、モードホップ無しの状態で光出力を広範囲に可変することができる。
【００２４】
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、注入電流による制御および温度制御をより再現性高く行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施形態の全体構成図
【図２】実施形態の光学部の平面図
【図３】実施形態の要部の分解斜視図
【図４】実施形態の駆動信号と波長変化との関係を示す図
【図５】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
【図６】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
【図７】縦モードと共振器の選択特性との関係を示す図
【図８】モードホップがある場合にそれを注入電流のダイナミック制御により抑制する場合の注入電流の変化パターンの例を示す図
【図９】モードホップが抑制された状態において注入電流を半固定的に変化させたときの波長対光出力の特性を示す図
【図１０】モードホップが抑制された状態において、注入電流のダイナミック制御により光出力を平坦化させたときの波長対光出力の特性を示す図
【図１１】要部の変形例を示す図
【図１２】要部の変形例を示す図
【図１３】光学部の配置の変形例を示す図
【図１４】光学部の配置の変形例を示す図
【図１５】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
【発明を実施するための形態】
【００２６】
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。
【００２７】
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端面（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。なお、基台２１の上面側は、外部からノイズ光、熱、空気の流れを遮断するとともに、波長掃引光を出射させ、電気信号を通過させるケース８０に覆われている。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
【特許文献３】特許第３０６９６４３号公報
【００４５】
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。
【００４６】
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）。
【００４７】
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。
【００４８】
ｒ＝（Ｌ３＋Ｌ４−Ｌ２）／sin α
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
そこで、この実施形態では、図１、図２に示しているように、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と注入電流制御手段６５が設けられている。
【００５５】
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の他端面側（コリメートレンズ２３に対向する端面と反対側の面）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の他端面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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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）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。
【００６２】
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。
【００６３】
ここで、半導体レーザ２２への注入電流を変化させると、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。
【００６４】
ただし、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、この注入電流による制御は行えないが、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に対する注入電流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。
【００６５】
ここで、半導体レーザ２２に対する注入電流の制御としては、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がモードホップを抑制する電流となるように変化させる掃引中に変化させるダイナミック制御とが考えられる。
【００６６】
ダイナミック制御の場合、注入電流の変化パターンは任意であるが、例えば図８の注入電流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。
【００６７】
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。
【００６８】
なお、前述のようにこの実施形態の回動ミラー３０の回動は安定しているため、掃引波長範囲でモードホップを生じさせない注入電流にある程度の幅があり、その範囲内で注入電流を変化（半固定制御モード）させることで、図９に示すようにモードホップのない状態で光出力の平均値を変化させることができる。
【００６９】
さらに、また、このモードホップフリーの範囲を積極的に利用し、ダイナミック制御モードを用い、図１０に示すように、制御前の元の出力が所望値より大きい波長範囲では元の出力と所望値との差分に応じて注入電流を減らし、元の出力が所望値より小さい波長範囲では元の出力と所望値との差分に応じて注入電流を増加させ、掃引波長範囲における光出力をほぼ一定（波長対出力の平坦化）にすることが可能となる。
【００７０】
また、図９のように半導体レーザ２２への注入電流の調整だけでは、モードホップなしのまま出力を変化させることのできる範囲は限定されるが、半導体レーザ２２の温度を変化させる（一般的にその温度を下げると光出力は増大する）ことでより広い出力範囲においてモードホップなしの波長掃引を実現できる。
【００７１】
そのために、この実施形態の波長掃引光源２０では、図１、図２に示しているように半導体レーザ２２の外周部に半導体レーザ２２の温度を検出するための温度センサ７０を設けるとともに、基板２１の下面側にペルチェ素子７１を設け、温度制御手段７５が、温度センサ７０の出力と受光器６０の出力とに基づいてペルチェ素子７１への供給電流を制御し、ペルチェ素子７１による加熱・冷却作用により半導体レーザ２２の温度を変化させ、半導体レーザ２２の出射光の波長掃引範囲における平均出力が所望値（外部から指定されたパワー）となるようにしている。そして、温度の可変制御により波長掃引光の平均出力が変更される場合には、モードホップが発生することが考えられるが、平均出力を決めて温度を固定してしまえば、モードホップの発生は、前記同様に注入電流の制御により、抑制（消失）させることができ、所望出力でモードホップのない波長掃引が可能となる。
【００７２】
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。
【００７３】
また、ここでは温度センサ７０が半導体レーザ２２の温度を検出しているが、ケース８０内の温度を検出する温度センサおよびその温度を可変できるペルチェ素子等を別途設けて、光源内部の平均的な温度を安定化（恒温槽化）して、外部の温度変化の影響を受けにくくし、半導体レーザ２２の温度を単独に可変制御できる構成としてもよい。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
例えば、図１１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。
【００７７】
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１２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。
【００７８】
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。
【００７９】
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）と磁性板の組合せ、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。
【００８０】
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。
【００８１】
例えば、図１３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。
【００８２】
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。
【００８３】
例えば、図１４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。
【００８４】
また、図１４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。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【符号の説明】
【００８７】
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……注入電流制御手段、７０……温度センサ、７１……ペルチェ素子、７５……温度制御手段、８０……ケース
【図１】
2010177328.tif 000003
【図２】
2010177328.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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