(57)【要約】【課題】所望のパワーの光をモードホップフリーで波長掃引できる波長範囲を拡大した、高速掃引型の波長掃引光源を提供する。【解決手段】リトマン方式外部共振器型の波長掃引光源において、回動ミラー３０の反射板３２の往復回動により半導体発光素子２２の出射光の波長が周期的に掃引されている間、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からの電気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、該不連続変化が無くなるように半導体発光素子２２の位相調整領域２３０への順方向注入電流Ｉ'または逆バイアス電圧Ｖｒを変化させて供給する位相調整領域制御手段６５と、温度センサ７０の出力と受光器６０の出力に基づいてペルチェ素子７１への供給電流を制御することで、半導体発光素子２２からの出射光の波長掃引範囲における平均出力が所望の値となるようにする温度制御手段７５と、を備える。【選択図】図１
2010212447.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、２つの端面（２２０ａ、２２０ｂ）のうち一方の端面が他方の端面に比べ低反射率面である半導体発光素子（２２）と、
前記基台上に固定され、前記半導体発光素子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回折溝（２５ｂ）が平行に形成されている回折面（２５ａ）を有し、前記コリメートレンズから出射された光が、前記回折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、
前記基台上に固定され、前記回折格子の前記回折面と対向する反射板（３２）を有し、前記回折格子の前記回折溝と平行な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前記回折面に入射した光に対する回折光のうち前記反射板の反射面（３２ａ）に直交する光路に沿った光を反射して逆光路で前記回折格子に戻し、該戻された光を入射光路と同じ光路で前記コリメートレンズを介して前記半導体発光素子へ戻す回動ミラー（３０）と、を有し、
前記回動ミラーの回動中心位置から前記回折格子の前記所定入射位置までの距離ｒ、前記回動中心位置から前記反射面を延長した平面までの距離Ｌ２、前記半導体発光素子の実効共振端面（２２ａ）から前記回折格子の前記所定入射位置に至る光路長Ｌ１および前記回折格子の前記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、
前記回動ミラーの前記反射面の角度変化に応じて前記半導体発光素子から前記コリメートレンズおよび前記回折格子の前記回折面を経て前記回動ミラーの前記反射面に至る共振器長を変化させ、前記半導体発光素子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、
前記半導体発光素子は、
半導体基板（２２１）上に、
活性層（２２３）を含み、電流注入を受けて光を発し該光を該活性層に沿って導波させる発光領域（２２２）と、
前記活性層と光学的に結合された導波路層（２３１）を含み、前記活性層から発された光の位相を順方向注入電流または逆バイアス電圧に応じて変化させる位相調整領域（２３０）と、が光軸方向に形成されてなり、
さらに、
前記基台上に固定され、前記半導体発光素子の前記低反射率面と反対の端面から出射された光、または前記半導体発光素子から前記回折格子の前記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光し、該受光された光の強度に応じた電気信号を出力する受光器（６０）と、
前記回動ミラーの前記反射板の往復回動により前記半導体発光素子の出射光の波長が周期的に掃引されている間、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からの前記電気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前記電気信号の不連続変化が無くなるように前記半導体発光素子の前記位相調整領域への前記順方向注入電流または前記逆バイアス電圧を変化させて供給する位相調整領域制御手段（６５）と、
前記半導体発光素子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発光素子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、前記半導体発光素子からの出射光の波長掃引範囲における平均出力が所望の値となるようにする温度制御手段（７５）と、を備えることを特徴とする波長掃引光源。
【請求項２】
前記位相調整領域制御手段は、前記反射板の往復回動の周期と同期させて、前記半導体発光素子への前記順方向注入電流または前記逆バイアス電圧を可変制御することを特徴とする請求項１に記載の波長掃引光源。
【請求項３】
前記位相調整領域制御手段は、波長掃引中における前記受光器からの前記電気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前記順方向注入電流または前記逆バイアス電圧を可変制御することを特徴とする請求項２に記載の波長掃引光源。
【請求項４】
前記基台上に固定され、前記コリメートレンズから出射された光を前記回折格子の前記所定入射位置に向けて反射する固定ミラー（２４）をさらに備え、
前記半導体発光素子、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一面側に配置され、前記半導体発光素子から前記固定ミラーを介して前記回折格子に至る光路が、前記回動ミラーと非交差であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の波長掃引光源。
【請求項５】
前記半導体発光素子から前記コリメートレンズを介し、前記固定ミラーに至る光路が、前記回折格子の前記回折溝と平行となるように、前記半導体発光素子、前記コリメートレンズおよび前記固定ミラーが配置されたことを特徴とする請求項４に記載の波長掃引光源。
【請求項６】
前記回動ミラーは、
前記基台に固定されたフレーム（３１）と、
前記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前記反射板と、
前記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前記回折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、
前記反射板に往復回動するための力を周期的に付与する回動駆動手段（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ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の波長掃引光源。
【請求項７】
前記半導体発光素子は、
前記半導体基板が、ｎ型半導体基板でなり、
前記発光領域が、前記ｎ型半導体基板の上に形成された前記活性層と、該活性層の上に積層された第１ｐ型クラッド層（２２４）と、を有してなり、
前記位相調整領域が、前記ｎ型半導体基板上で前記活性層から発され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前記活性層と光学的に結合された前記導波路層と、該導波路層の上に積層された第２ｐ型クラッド層（２３２）と、を有し、前記発光領域からの光に対する屈折率が前記順方向注入電流または前記逆バイアス電圧に応じて変化するようになっており、
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持つように形成されたことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の波長掃引光源。
【請求項８】
前記所定距離の範囲が２５ｎｍ〜１５０ｎｍであることを特徴とする請求項７に記載の波長掃引光源。
【請求項９】
前記発光領域の前記第１ｐ型クラッド層と前記位相調整領域の前記第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７または請求項８に記載の波長掃引光源。
【請求項１０】
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請求項９に記載の波長掃引光源。
【請求項１１】
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５０ｎｍ〜２５０ｎｍの範囲内で極大値を持つことを特徴とする請求項７から請求項１０のいずれか一項に記載の波長掃引光源。
【請求項１２】
前記発光領域側の端面（２２０ａ）と前記活性層を導波する光の光路との交差角が、非直交であることを特徴とする請求項７から請求項１１のいずれか一項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関し、特に波長掃引時に生じうるモードホップを抑制できる波長掃引光源に関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信や光センシングの分野では、広帯域で波長掃引ができる波長掃引光源が用いられている。このような光源を光学部品の検査等に用いる場合には、出力光のパワーを変化させて使用できることが求められる。
【０００３】
図２３に波長掃引光源の一例を示す。このような波長掃引光源９０は、半導体発光素子１０と、半導体発光素子１０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１１と、コリメートレンズ１１から出射された平行光を回折する回折格子１２と、回折格子１２によって回折された光を反射して逆光路で回折格子１２へ再入射させる回動可能な回動ミラー１３と、を備えており、回折格子１２がその再入射された光を回折して半導体発光素子１０に帰還させ、回動ミラー１３の回動により半導体発光素子１０から出射される光の波長を掃引するリトマン型の波長掃引光源の構造を有している（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
この波長掃引光源の掃引波長は、回折格子１２の回折面１２ａと回動ミラー１３の反射面１３ａの成す角度、回折格子１２への入射光の入射角、回折格子１２の刻線数、および半導体発光素子１０から回折格子１２を経て回動ミラー１３に至る光路長で規定され、回折面１２ａに対する反射面１３ａの角度（または距離）を調整すれば変化させることができる。
【０００５】
この波長掃引光源は、原理的にはモードホップを抑制しながらシングルモード発振するレーザ光の連続波長掃引を行うことができるものである。ここで、図２３に示すように、回折格子１２の回折面１２ａを延長した平面をＨ１、半導体発光素子１０の実効共振端面１０ａを延長した平面をＨ２、回動ミラー１３の反射面１３ａを延長した平面をＨ３とする。そして、回動ミラー１３の回動中心位置Ｏは、平面Ｈ１、平面Ｈ２および平面Ｈ３が交わる位置に設けられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第５３１９６６８号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に開示されたような波長掃引光源において、出力光のパワーを変化させるために半導体発光素子の温度や半導体発光素子の発光領域への注入電流を変化させると、半導体発光素子の屈折率が変化し、実質的な回動中心位置のずれが誘発されるため、モードホップが生じてしまうという問題がある。
【０００８】
これを回避するためには、例えば半導体発光素子の温度を調整した後、発光領域への注入電流を微調整することで回動中心位置を調整しモードホップを消失させる方法が考えられる。しかしながら、この方法ではモードホップフリーと所望のパワーを共に実現できる波長範囲が狭く、温度や注入電流を連続的に変化させられないという問題がある。
【０００９】
本発明は、このような従来の課題を解決するためになされたものであって、所望のパワーの光をモードホップフリーで波長掃引できる波長範囲を拡大した、高速掃引型の波長掃引光源を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の波長掃引光源は、基台と、前記基台上に固定され、２つの端面のうち一方の端面が他方の端面に比べ低反射率面である半導体発光素子と、前記基台上に固定され、前記半導体発光素子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と、光を回折するための回折溝が平行に形成されている回折面を有し、前記コリメートレンズから出射された光が、前記回折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と、前記基台上に固定され、前記回折格子の前記回折面と対向する反射板を有し、前記回折格子の前記回折溝と平行な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前記回折面に入射した光に対する回折光のうち前記反射板の反射面に直交する光路に沿った光を反射して逆光路で前記回折格子に戻し、該戻された光を入射光路と同じ光路で前記コリメートレンズを介して前記半導体発光素子へ戻す回動ミラーと、を有し、前記回動ミラーの回動中心位置から前記回折格子の前記所定入射位置までの距離ｒ、前記回動中心位置から前記反射面を延長した平面までの距離Ｌ２、前記半導体発光素子の実効共振端面から前記回折格子の前記所定入射位置に至る光路長Ｌ１および前記回折格子の前記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、前記回動ミラーの前記反射面の角度変化に応じて前記半導体発光素子から前記コリメートレンズおよび前記回折格子の前記回折面を経て前記回動ミラーの前記反射面に至る共振器長を変化させ、前記半導体発光素子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、前記半導体発光素子は、半導体基板上に、活性層を含み、電流注入を受けて光を発し該光を該活性層に沿って導波させる発光領域と、前記活性層と光学的に結合された導波路層を含み、前記活性層から発された光の位相を順方向注入電流または逆バイアス電圧に応じて変化させる位相調整領域と、が光軸方向に形成されてなり、さらに、前記基台上に固定され、前記半導体発光素子の前記低反射率面と反対の端面から出射された光、または前記半導体発光素子から前記回折格子の前記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光し、該受光された光の強度に応じた電気信号を出力する受光器と、前記回動ミラーの前記反射板の往復回動により前記半導体発光素子の出射光の波長が周期的に掃引されている間、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からの前記電気信号の不連続変化を検出するモードホップ検出手段と、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前記電気信号の不連続変化が無くなるように前記半導体発光素子の前記位相調整領域への前記順方向注入電流または前記逆バイアス電圧を変化させて供給する位相調整領域制御手段と、前記半導体発光素子またはその周囲の温度を検出する温度センサと、少なくとも前記半導体発光素子の温度を可変するためのペルチェ素子と、前記温度センサの出力と前記受光器の出力に基づいて前記ペルチェ素子への供給電流を���御することで、前記半導体発光素子からの出射光の波長掃引範囲における平均出力が所望の値となるようにする温度制御手段と、を備える構成を有している。
【００１１】
この構成により、半導体発光素子の出射光のパワーの不連続変化を検出するモードホップ検出手段と、該不連続変化が無くなるように該半導体発光素子の位相調整領域へ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と、該半導体発光素子からの出射光の波長掃引範囲における平均出力が所望の値となるように半導体発光素子の温度を制御する温度制御手段と、を備えることにより、所望のパワーの光をモードホップフリーで波長掃引できる波長範囲を拡大することができる。
【００１２】
また、本発明の波長掃引光源は、前記位相調整領域制御手段は、前記反射板の往復回動の周期と同期させて、前記半導体発光素子への前記順方向注入電流または前記逆バイアス電圧を可変制御する構成を有していてもよい。
【００１３】
また、本発明の波長掃引光源は、前記位相調整領域制御手段は、波長掃引中における前記受光器からの前記電気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前記順方向注入電流または前記逆バイアス電圧を可変制御する構成を有していてもよい。
【００１４】
また、本発明の波長掃引光源は、前記基台上に固定され、前記コリメートレンズから出射された光を前記回折格子の前記所定入射位置に向けて反射する固定ミラーをさらに備え、前記半導体発光素子、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一面側に配置され、前記半導体発光素子から前記固定ミラーを介して前記回折格子に至る光路が、前記回動ミラーと非交差である構成を有している。
【００１５】
この構成により、回動ミラーの回動機構を簡素化でき、その回転軸を安定化できるため、モードホップをさらに抑制できる。
【００１６】
また、本発明の波長掃引光源は、前記半導体発光素子から前記コリメートレンズを介し、前記固定ミラーに至る光路が、前記回折格子の前記回折溝と平行となるように、前記半導体発光素子、前記コリメートレンズおよび前記固定ミラーが配置された構成を有している。
【００１７】
また、本発明の波長掃引光源は、前記回動ミラーは、前記基台に固定されたフレームと、前記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前記反射板と、前記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前記回折溝と平行な一直線上に並ぶ一対の連結部と、で一体的に形成され、前記反射板に往復回動するための力を周期的に付与する回動駆動手段により、前記連結部を中心に前記反射板を往復回動させる構成を有している。
【００１８】
この構成により、回動ミラーの回動機構は捩れバネにより実現され、そこには一切の接触部や摩擦部を必要としないため、回転軸の安定度が格段に向上し、振動や衝撃などの外乱に関わらず、モードホップをさらに抑制できる。
【００１９】
また、本発明の波長掃引光源は、前記半導体発光素子は、前記半導体基板が、ｎ型半導体基板でなり、前記発光領域が、前記ｎ型半導体基板の上に形成された前記活性層と、該活性層の上に積層された第１ｐ型クラッド層と、を有してなり、前記位相調整領域が、前記ｎ型半導体基板上で前記活性層から発され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前記活性層と光学的に結合された前記導波路層と、該導波路層の上に積層された第２ｐ型クラッド層と、を有し、前記発光領域からの光に対する屈折率が前記順方向注入電流または前記逆バイアス電圧に応じて変化するようになっており、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持つように形成された構成を有している。
【００２０】
この構成により、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が、導波路層から所定距離の範囲で極大となるため、位相調整領域の導波路層と第２ｐ型クラッド層との伝導帯バンド不連続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。
【００２１】
また、本発明の波長掃引光源は、前記所定距離の範囲が２５ｎｍ〜１５０ｎｍである構成を有している。
【００２２】
この構成により、第２ｐ型クラッド層の厚さ方向のドーピング濃度が、導波路層から２５〜１５０ｎｍの範囲で極大値を持つため、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る。
【００２３】
また、本発明の波長掃引光源は、前記発光領域の前記第１ｐ型クラッド層と前記位相調整領域の前記第２ｐ型クラッド層の上に第３ｐ型クラッド層が形成され、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が形成されている構成を有している。
【００２４】
この構成により、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が設けられているため、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。
【００２５】
また、本発明の波長掃引光源は、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構成を有している。
【００２６】
この構成により、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）の範囲に設定されているため、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できる。
【００２７】
また、本発明の波長掃引光源は、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５０ｎｍ〜２５０ｎｍの範囲内で極大値を持つ構成を有している。
【００２８】
この構成により、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が、活性層から５０〜２５０ｎｍの範囲内で極大値を持つため、発光領域における注入電子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。
【００２９】
また、本発明の波長掃引光源は、前記発光領域側の素子端面と前記活性層を導波する光の光路との交差角が、非直交である構成を有していてもよい。
【発明の効果】
【００３０】
本発明は、所望のパワーの光をモードホップフリーで波長掃引できる波長範囲を拡大した、高速掃引型の波長掃引光源を提供するものである。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の実施形態の波長掃引光源の構成を示す斜視図
【図２】本発明の実施形態の波長掃引光源の構成を示す平面図
【図３】本発明の実施形態の波長掃引光源が備える回動ミラーの分解斜視図
【図４】駆動信号と波長変化の関係を示すグラフ
【図５】本発明の実施形態の波長掃引光源が波長を連続的に掃引するための条件を説明するための模式図
【図６】本発明の実施形態の波長掃引光源が備える半導体発光素子の構成を示す斜視図、上面図、断面図
【図７】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およびその時間変化の絶対値を示すグラフ
【図８】モードホップが生じるメカニズムを説明するための模式的なグラフ
【図９】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制御する場合の順方向注入電流Ｉあるいは逆バイアス電圧の変化パターンの例を示すグラフ
【図１０】本発明の実施形態の波長掃引光源が備える回動ミラーの他の例を示す分解斜視図
【図１１】本発明の実施形態の波長掃引光源の構成の他の例を示す平面図
【図１２】本発明の実施形態の波長掃引光源の構成の他の例を示す斜視図
【図１３】本発明の実施形態の波長掃引光源の構成の他の例を示す正面図
【図１４】位相調整領域の第２ｐ型クラッド層のドーピング濃度分布図
【図１５】位相調整領域への順方向注入電流または逆バイアス電圧と位相調整量との関係を示すグラフ
【図１６】従来の波長掃引光源および本実施形態の波長掃引光源の光出力の温度依存性を示すグラフ
【図１７】発光領域の第１ｐ型クラッド層のドーピング濃度分布図
【図１８】位相調整領域の第３ｐ型クラッド層のドーピング濃度分布図
【図１９】位相調整領域の第３ｐ型クラッド層のドーピング濃度分布の他の例を示す図
【図２０】本発明の実施形態の波長掃引光源が備える半導体発光素子の製造工程の一部を示す斜視図
【図２１】本発明の実施形態の波長掃引光源が備える半導体発光素子の製造工程の一部を示す斜視図
【図２２】活性層と素子端面とが非直交で交差する半導体発光素子の構造例を示す上面図
【図２３】従来の波長掃引光源の構成を示す模式図
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、本発明に係る波長掃引光源の実施形態について図面を用いて説明する。図１は波長掃引光源２０の斜視図、図２は平面図である。
【００３３】
即ち、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と、高段部２１ａ上に固定され、２つの端面２２０ａ、２２０ｂのうち一方の端面２２０ａが他方の端面に比べ低反射率面である半導体発光素子２２と、半導体発光素子２２の低反射率面２２０ａからの出射光を平行光に変換する高段部２１ａ上に固定されたコリメートレンズ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、を備える。
【００３４】
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。
【００３５】
回折格子２５は、基台２１の低段部２１ｂに垂直に固定されており、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形成されている回折面２５ａを有する。固定ミラー２４の反射光は、図５に示すように、回折格子２５の回折面２５ａの所定入射位置Ｇに所定の入射角αで入射され、回折溝２５ｂにより波長に応じた方向に回折される。
【００３６】
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、本実施形態の配置に限定されるものではない。
【００３７】
回折格子２５で回折された光は基台２１上に固定されたＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）構造の回動ミラー３０に入射される。回動ミラー３０は、回折格子２５と対向する反射板３２を有しており、回折格子２５の回折溝２５ｂと平行な特定位置の軸を中心にして回折面２５ａと直交する平面内で回動可能に形成されている。
【００３８】
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が出射する回折光のうち、反射板３２の反射面３２ａに垂直に入力された波長成分の光は、逆光路で回折格子２５の回折面２５ａへ反射されてコリメートレンズ２３を介して半導体発光素子２２へ戻される。
【００３９】
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により半導体発光素子２２に逆光路で戻される光の波長が連続的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且つ周期的に変化する。
【００４０】
この回動ミラー３０は、図３の分解斜視図に示すように、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、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、を有する。
【００４１】
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。
【００４２】
ただし、回動ミラー３０が導電性を持たない場合には、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。
【００４３】
連結部３３、３４の幅および長さは、連結部３３、３４自体がその長さ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。
【００４４】
また、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。
【００４５】
この回動ミラー３０は、反射板３２の回動中心位置（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。
【００４６】
なお、回動ミラー３０は、電極板３５、３６およびスペーサ３７を含めて上述の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。
【００４７】
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を貼り付けて一方の電極を形成すること等、種々の方法で製造可能である。
【００４８】
さらに、回動ミラー３０は、図２に示すように、反射板３２に外力を与え、一対の連結部３３、３４の中心を結ぶ線である上記回動中心位置Ｏを中心に反射板３２を所定角度範囲で往復回動させる回動駆動手段としてのミラー駆動装置４０を有する。
【００４９】
ミラー駆動装置４０は、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（ａ）、（ｂ）に示すような位相が１８０度ずれた駆動信号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。
【００５０】
この駆動信号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。
【００５１】
この反射板３２の往復回動により、波長掃引光源２０内の実効光路長、および、回折格子２５の回折面２５ａに対する反射板３２の反射面３２ａの角度が変化して、半導体発光素子２２から出力されるレーザ光の波長が図４（ｃ）に示すように連続的且つ周期的に変化する。
【００５２】
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、上記の従来のリトマン方式の条件を満たさない。
【００５３】
そこで、この実施形態の波長掃引光源２０では、特許第３０６９６４３号明細書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。
【００５４】
即ち、特許第３０６９６４３号明細書に開示された波長可変光源は、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、半導体発光素子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、反射板３２の回動中心位置Ｏと回折格子２５との間の位置で平面Ｈ１と平面Ｈ３とが交わる場合、回動中心位置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から半導体発光素子２２の実効共振端面２２ａまでの実効光路長をＬ１、回動中心位置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をαとするとき、下の式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。
ｒ＝（Ｌ１−Ｌ２）／ｓｉｎ α    ・・・・・・（１）
【００５５】
ただし、本実施形態のように半導体発光素子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Ｇから半導体発光素子２２の実効共振端面２２ａまでの実効光路長Ｌ１は、半導体発光素子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との和で表わされる（Ｌ１＝Ｌ３＋Ｌ４）。
【００５６】
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（ｃ）に示した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    ・・・・・・（２）
【００５７】
即ち、波長掃引光源２０は、固定ミラー２４を介して回折格子２５に光を入射して、半導体発光素子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成であるため、反射板３２に光通過用の穴などを設ける必要がない。このため、剛性低下による変形が起こらず、薄い板であっても安定で再現性の高い高速な波長掃引を行うことができる。
【００５８】
このように本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を回動中心位置Ｏ方向に延長した面で挟まれた空間内で、且つ回動中心位置Ｏと回折面２５ａの所定入射位置Ｇ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発光素子２２とコリメートレンズ２３を配置し、その半導体発光素子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Ｇに入射している。
【００５９】
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。
【００６０】
しかしながら、上述のような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、出力光のパワーを変化させるために半導体発光素子の温度を変化させると、その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。
【００６１】
そこで、本実施形態では、図６に示すように、半導体発光素子２２として、活性層２２３を含み、電流Ｉの注入を受けて光を発し該光を活性層２２３に沿って導波させる発光領域２２２と、活性層２２３と光学的に結合された導波路層２３１を含み、発光領域２２２によって発された光の位相を順方向注入電流Ｉ'または逆バイアス電圧Ｖｒに応じて変化させる位相調整領域２３０とが光軸方向に形成されてなるものを用いている。
【００６２】
このように位相調整領域２３０を有する半導体発光素子２２の場合、位相調整領域２３０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Ｉ'の制御により位相を調整することが可能になる。
【００６３】
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。
【００６４】
従って、順方向注入電流Ｉ'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。
【００６５】
またモードホップ抑圧のために、図１、図２および図５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信号を出力する受光器６０が高段部２１ａ'上に固定されている。
【００６６】
また、制御部１００内には、上記のミラー駆動装置４０の他に、モードホップ検出手段６１と、半導体発光素子２２の発光領域２２２に所望の電流Ｉ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に対して順方向注入電流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。
【００６７】
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のいずれかを調整あるいは可変制御する。
【００６８】
なお、本実施形態では、光源としての出力光である波長掃引光を半導体発光素子２２の位相調整領域２３０側の端面２２０ｂ（コリメートレンズ２３に対向する低反射率面２２０ａ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で受光しているが、この０次回折光の代わりに半導体発光素子２２の端面２２０ｂから出射される光を受光器６０で受光し、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。
【００６９】
また、本実施形態では、発光領域２２２側の端面２２０ａの反射率を位相調整領域２３０側の端面２２０ｂの反射率よりも低いものとしたが、位相調整領域２３０側の端面２２０ｂの反射率を発光領域２２２側の端面２２０ａの反射率よりも低く構成し、位相調整領域２３０側の端面２２０ｂがコリメートレンズ２３に対向する配置としてもよい。
【００７０】
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発光素子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。
【００７１】
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次回折光のパワーＰの波長依存性（掃引時の経時変化）は図７（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。
【００７２】
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、パワーＰの波長依存性は図７（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。
【００７３】
従って、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。
【００７４】
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閾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。
【００７５】
ここで、モードホップの発生原理について図８を用いて簡単に説明する。図８（ａ）はモードホップが生じていないとき、図８（ｂ）はモードホップが生じているときの半導体発光素子２２の縦モードと回折格子２５の透過率特性をそれぞれ模式的に示したグラフである。ここでは、ある掃引波長（図の上段）からさらに掃引波長を増加させる場合（図の下段）を示している。
【００７６】
式（２）が満たされている場合（モードホップが生じない場合）は、特定の１つの縦モードｍ（ファブリペロモード）の変化に合わせて透過率特性のピークが変化することにより、常に縦モードｍが選択されている状態となる（図８(ａ)）。このときの掃引時刻ｔ（掃引波長λに対応）と波長掃引光源２０の出力光の光強度Ｐとの関係は、図８（ｃ）に示すような滑らかな曲線を描く。なお、光強度Ｐが掃引時刻ｔに対して依存性を持つのは、波長掃引光源２０を構成する光学部品の特性に波長依存性があるためである。
【００７７】
これに対して、例えば波長掃引光源２０を構成する光学部品の位置がずれることなどにより、式（２）が満たされない場合（モードホップが生じる場合）は、特定の１つの縦モードｍの変化に透過率特性のピークの変化が対応せず、選択される縦モードが１つ隣りのモードｍ'に飛んでしまう（図８(ｂ)）。即ち波長掃引光源２０の掃引波長λが不連続に飛ぶこととなる。
【００７８】
さらに、図からわかるように、このときの光強度Ｐは、ある特定の縦モードの波長と透過率特性のピークが一致している図８（ｃ）の場合と比較して突然小さく、もしくは大きく（図示せず）なる。従って、このときの掃引時刻ｔと光強度Ｐとの関係は、図８（ｄ）に示すような不連続な飛びを有するものとなる。
【００７９】
ここで、半導体発光素子２２の位相調整領域２３０への順方向注入電流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変化させることができ、共振器の選択特性（回折格子２５の透過率特性）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。
【００８０】
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に対す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、半導体発光素子２２の位相調整領域２３０に対する順方向注入電流Ｉ'や逆バイアス電圧Ｖｒの調整あるいは可変制御により、図８（ｃ）に示したように出力光パワーに飛びのない、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。
【００８１】
ここで、半導体発光素子２２の位相調整領域２３０に対する制御としては、前の波長掃引でモードホップが検出された場合に、順方向注入電流Ｉ'や逆バイアス電圧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順方向注入電流Ｉ'や逆バイアス電圧Ｖｒを見つ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順方向注入電流Ｉ'や逆バイアス電圧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モードと、が考えられる。
【００８２】
ダイナミック制御モードの場合、順方向注入電流Ｉ'や逆バイアス電圧Ｖｒの変化パターンは任意であるが、例えば図９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、傾きを持つ直線（あるいは曲線的）で連続的に変化するパターンでもよい。
【００８３】
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順方向注入電流Ｉ'や逆バイアス電圧Ｖｒを見つける処理を行い、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無くならない場合に、最もモードホップ発生が少なくなる順方向注入電流Ｉ'や逆バイアス電圧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順方向注入電流Ｉ'や逆バイアス電圧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無くすことができる。
【００８４】
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。
【００８５】
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、これを順方向注入電流Ｉ'や逆バイアス電圧Ｖｒの制御により抑制することはた易く、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。
【００８６】
次に、半導体発光素子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）ための構成について説明する。
【００８７】
本実施形態の半導体発光素子２２では、図１および図２に示しているように半導体発光素子２２の近傍に半導体発光素子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、基台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発光素子２２の温度を変化させ、半導体発光素子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。
【００８８】
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、前記同様に順方向注入電流Ｉ'または逆バイアス電圧Ｖｒ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。
【００８９】
また、半導体発光素子２２の温度を可変できるペルチェ素子等を別途設けて、半導体発光素子２２の温度を単独に可変制御できる構成としてもよい。
【００９０】
ところで、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。
【００９１】
例えば、図１０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釣り合わせてもよい。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。
【００９２】
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１１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、駆動信号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。
【００９３】
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。
【００９４】
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。
【００９５】
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、半導体発光素子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、半導体発光素子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。
【００９６】
例えば、図１２のように、半導体発光素子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２５ｂ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、半導体発光素子２２、コリメートレンズ２３、固定ミラー２４および温度センサ７０は支持部材４１に支持されている。
【００９７】
また、上記実施形態では、各部の配置を理解し易いように、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、半導体発光素子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。
【００９８】
例えば、図１３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、半導体発光素子２２、コリメートレンズ２３、固定ミラー２４および温度センサ７０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。
【００９９】
また、図１３の点線で示すように、反射板３２の他端側にも、半導体発光素子２２、コリメートレンズ２３および固定ミラー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。
【０１００】
また、図示しないが、反射板３２の反対面側にも半導体発光素子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、広帯域化された波長掃引光源を構成することもできる。
【０１０１】
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、半導体発光素子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。
【０１０２】
本実施形態において、モードホップを抑制できる位相制御範囲は半導体発光素子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発光素子２２の場合、位相調整領域２３０の導波路層２３１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。
【０１０３】
従って、半導体発光素子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。
【０１０４】
以下、この点を考慮した半導体発光素子２２の具体的な構成について図６を用いて説明する。図６（ａ）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発光素子２２の斜視図、図６（ｂ）は上面図、図６（ｃ）は図６（ｂ）のＡ−Ａ線断面図である。
【０１０５】
これらの図に示しているように、半導体発光素子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、ほぼ一定のドーピング濃度（例えば１×１０１８／ｃｍ３）を有している。
【０１０６】
基板２２１の上の一端側（図６（ｂ）、（ｃ）で右端側）には発光領域２２２が形成され、他端側（図６（ｂ）、（ｃ）で左端側）には位相調整領域２３０が形成されている。
【０１０７】
活性層２２３は、ＩｎＧａＡｓＰ（インジウム・ガリウム・砒素・リン）からなり、基板２２１の上の中央にほぼ一定幅（例えば５μｍ）で形成されている。活性層２２３の上には、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）とそれを挟む光分離閉じ込め（ＳＣＨ）層を含むものとする。
【０１０８】
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しているが、その光に対して利得を有していてもよい。
【０１０９】
なお、導波路層２３１のエネルギーギャップは、活性層２２３で生成された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２３１での該光の吸収は生じない。
【０１１０】
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。
【０１１１】
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。
【０１１２】
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と、から構成されている。橋渡部２５０は、半導体発光素子２２のサイズ（例えば、長さ１０００μｍ、幅４００μｍ、厚さ１００μｍ）に対して、例えば長さ５０μｍ、幅１５μｍ、深さ７．５μｍ程度を有している。
【０１１３】
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。
【０１１４】
橋渡部２５０の素子長方向の長さは、高い分離抵抗を得るために長い方が有利であるが、活性層２２３の長さ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したりすると最大位相調整量が減少してしまうため、２５μｍ〜１００μｍの範囲とすることが好ましい。
【０１１５】
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（例えば２μｍ）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の範囲とすることが好ましい。深さについては、基板２２１と埋め込み層２４２、２４３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の範囲とすることが好ましい。
【０１１６】
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（インジウム・ガリウム・砒素）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が形成される。
【０１１７】
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。
【０１１８】
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との間に順方向注入電流Ｉ'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、順方向注入電流Ｉ'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。
【０１１９】
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２２では、位相調整領域２３０の導波路層２３１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てしまうという問題があった。
【０１２０】
そこで、本出願人は、上記構造の半導体発光素子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持つ分布を与えることでこの位相調整領域２３０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屈折率調整範囲を拡大できることを見出した。
【０１２１】
この構成を表したのが図１４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２５ｎｍ〜１５０ｎｍの範囲内で極大値を持つように形成することで、位相調整領域２３０における注入電子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一例である。
【０１２２】
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。
【０１２３】
図１５は、その効果を示したもので、横軸を位相調整領域２３０への順方向注入電流Ｉ'（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２３０に順方向注入電流Ｉ'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。
【０１２４】
ここで、順方向注入電流Ｉ'を注入する前の波長から最も短波化した波長との差を、ファブリペロモード間隔Δλで除して２πを乗じた値を最大位相調整量と呼ぶ。
【０１２５】
なお、図１５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２３２のドーピング濃度が導波路層２３１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２３２のドーピング濃度を一様にした従来素子のものである。
【０１２６】
この図１５から明らかなように、ファブリペロモードの位相調整量（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、Ｉ'が約５ｍＡにおいて既に飽和しつつあり、最大位相調整量が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、Ｉ'が約５ｍＡにおいても飽和せずにより大きな位相調整量を示しており、最大位相調整量は３πまで改善されていることがわかる。
【０１２７】
図中Ｑは逆バイアス電圧Ｖｒの絶対値を順方向注入電流Ｉ'の増加方向と同一方向に大きくし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化させることができ、両者を選択的に用いることで位相調整量をさらに大きくすることができる。
【０１２８】
ここで、従来の波長掃引光源、および、従来よりも位相調整量の大きい半導体発光素子２２を備える本実施形態の波長掃引光源２０について、それぞれ温度変化させた場合の光出力Ｐを図１６に模式的に示す。
【０１２９】
従来の波長掃引光源では、図１６（ａ）に示すモードホップ（光出力Ｐの平坦部）を抑制するためには半導体発光素子への注入電流を微調整すればよいが、例えば図１６（ａ）のＰ２〜Ｐ１（位相調整量２πに相当）などの温度可変領域の一部でしか所望の光出力とモードホップフリーを実現することができない。
【０１３０】
これに対して、本実施形態の波長掃引光源２０は、図１５に示したように、半導体発光素子２２への順方向注入電流Ｉ'の注入のみで位相調整量３πに相当する波長範囲に亘ってモードホップを抑制可能である。また、本実施形態の波長掃引光源２０は、半導体発光素子２２に逆バイアス電圧Ｖｒを印加することにより、図１６（ｂ）に示すようにさらに広範囲に亘って平坦部のないモードホップフリーを実現することができる。
【０１３１】
以下に、半導体発光素子２２のその他の特性について説明する。
図１４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吸収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。
【０１３２】
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１７の特性Ｇ（実際には例えば特性Ｇ′）のように、活性層２２３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。
【０１３３】
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。
【０１３４】
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、２５２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。
【０１３５】
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。
【０１３６】
発光領域２２２の膜厚方向の直列（シリーズ）抵抗が高いと、半導体発光素子２２を外部共振器型のレーザ光源に用いた場合にモードホップが起こり易くなる。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に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。
【０１３７】
つまりモードホップ電流ΔＩhopを高くするために、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の近傍の光吸収損失が増加する。
【０１３８】
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２２３、導波路層２３１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２４０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。
【０１３９】
その一つのドーピングプロファイルの特性を図１８に示す。この特性Ｈでは、ドーピング濃度を、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）から活性層２２３、導波路層２３１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、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。
【０１４０】
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、導波できなくなったりする。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。
【０１４１】
なお、図１８においては、ドーピング濃度を３段階で大きくする例を示したが、変化段数は２段でも４段以上でもよく、また、図１９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。
【０１４２】
以下、図面を用いて半導体発光素子２２の製造方法の一例を説明する。図２０、２１は、半導体発光素子２２の製造工程の一部を示す斜視図である。
【０１４３】
始めに、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、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ＩｎＰからなる第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、ＭＱＷとそれを挟むＳＣＨ層を含むものとする。
【０１４４】
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、前述のように、ある範囲で極大となるような分布にして電流供給時の電子のオーバーフロー等を防ぐ構造であってもよい。
【０１４５】
次に、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（図２０（ａ））。
【０１４６】
続いて、フォトリソグラフィにより、位相調整領域２３０の作製部分のレジスト１２６を取り除き、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１２５を除去する（図２０（ｂ））。
【０１４７】
さらに、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、絶縁膜１２５'に覆われていない領域の第１ｐ型クラッド層１２３および活性層１２２を除去する（図２０（ｃ））。ここで、第１ｐ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、過酸化水素および水を用いてエッチング処理する。
【０１４８】
次に、上述のように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。
【０１４９】
次に、残った絶縁膜１２５'を剥離してから、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（図２０（ｄ））。
【０１５０】
そして、メサ構造を作製するために、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、絶縁膜１４０の両側をエッチング処理により除去する（図２１（ａ））。
【０１５１】
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２１（ｂ）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。
【０１５２】
次に、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（図２１（ｂ））。
【０１５３】
そして、絶縁膜１４０'を剥離してから、埋め込み層１４３（２４３）、第１ｐ型クラッド層１２３'（２２４）および第２ｐ型クラッド層１３２'（２３２）の上に、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（図２１（ｃ））。
【０１５４】
そして、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２７１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２７２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２７３を蒸着する（図２１（ｄ））。
【０１５５】
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。ここで、コンタクト層１４６のＩｎＧａＡｓ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、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の半導体発光素子２２が完成する（図６（ａ））。
【０１５６】
図２２に示す半導体発光素子２２'の基本構造は前記半導体発光素子２２と同じであるが、発光領域２２２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を含むメサ型の導波路の先端側が端面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、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）、端面２２０ａでの反射成分が活性層２２３に戻ることを防止している。
【０１５７】
なお、位相調整領域２３０側の導波路層２３１を位相調整領域２３０側の端面２２０ｂに非直交状態で斜めに交差するように形成して端面２２０ｂ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と端面２２０ａとの交差角および導波路層２３１と端面２２０ｂとの交差角をともに非直交にしてもよい。
【符号の説明】
【０１５８】
２０  波長掃引光源
２１、５０  基台
２２  半導体発光素子
２２ａ  実効共振端面
２３  コリメートレンズ
２４  固定ミラー
２４ａ  反射面
２５  回折格子
２５ａ  回折面
２５ｂ  回折溝
３０  回動ミラー
３１  フレーム
３２  反射板
３２ａ  反射面
３３、３４  連結部
４０  ミラー駆動装置（回動駆動手段）
６０  受光器
６１  モードホップ検出手段
６２  発光領域電流注入手段
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
２２０ａ  端面（低反射率面）
２２０ｂ  端面
２２１  ｎ型半導体基板（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
２５１、２５２  分離溝
【図１】
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【図２】
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【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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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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