JP6876383B2 - 波長可変光源 - Google Patents

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Description

本発明は、波長可変光源に関するものであり、例えば、光通信に用いる波長可変光源に関する。
近年、長距離大容量光伝送システムとして市場規模が拡大しているディジタル・コヒーレント通信向けに、広い波長範囲で波長を変えられ、かつ波長線幅が１００ｋＨｚ以下と狭い波長可変光源（ＴＬＳ：Ｔｕｎａｂｌｅ Ｌａｓｅｒ Ｓｏｕｒｃｅ）の開発が精力的に行なわれている。この波長可変光源の例として、シリコン系材料で構成された波長フィルタ機能を有するシリコンプラットフォームと化合物半導体で構成された半導体光増幅器（ＳＯＡ）を組み合わせた波長可変レーザがある。
図１０は、従来の波長可変光源の概念的構成図である。半導体光増幅器７１と共振器７２により波長可変レーザ７０を構成する。共振器７２は、ＳＯＩ基板に形成されたシリコン細線からなる光導波路、リング共振器及びループミラーの組み合わせからなる。この場合、半導体光増幅器７１の出力端側の劈開面とループミラーによりレーザ共振器が形成され、半導体光増幅器７１で発する光を共振器７２に入力し、特定の波長を共振させて増幅する。増幅した光の一部を半導体光増幅器７１の一端から出力し、これを出力光とする。共振器７２のリング共振器等をリング共振器等上に設けたをヒータ等で制御することによって、出力光の波長を変化させることができる。
波長可変光源では出力パワーと波長の制御が必要である。そのため、出力光のパワーと波長をモニタする機構を設ける。具体的には、出力光の一部を第１光分岐器（Ｔａｐ１）７３で分岐し、さらに第２光分岐器（Ｔａｐ２）７４で分岐し、第２光分岐器７４で分岐した２つの光をそれぞれパワーモニタ７５と波長ロッカー７６に入力する。波長ロッカー７６で波長の変化を検出した場合には、その出力によって共振器７２に設けたヒータを駆動して波長変動を相殺する。
米国特許出願公開第２０１０／０３１６０７４号明細書 米国特許出願公開第２００３／００３５４４９号明細書
しかし、図１０に示した従来構成では、波長可変レーザ７０、第１光分岐器７３、第２光分岐器７４、パワーモニタ７５及び波長ロッカー７６をそれぞれ別のチップとしていたため、モジュールのサイズが大きいという問題があった。
そこで、図１１に示すように、これらを全て１つのチップ上に集積することで、モジュールを小型化することができる。この場合のチップの材料としては平面光波回路（ＰＬＣ：Ｐｌａｎａｒ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｃｉｒｃｕｉｔ）が挙げられるが、小型化の点からシリコンを用いるのが望ましい。
一方で、半導体光増幅器７１、パワーモニタ７５及び波長ロッカー７６内のフォトダイオード（ＰＤ）はＩｎＰなどの化合物半導体を用いるので、ＳＯＩ基板上に半導体光増幅器７１とＰＤチップを実装するか、若しくは光分岐器や共振器も含めて全て化合物半導体で構成することで実装コストを下げることも可能である。
チップ上で光分岐を行う場合、図１２に示すように光導波路に光分岐器としてＹ分岐を設けることが考えられる。半導体光増幅器８１と共振器８２とからなる波長可変レーザ８０の出力光の分岐を第１Ｙ分岐８３と第２Ｙ分岐８４の２段にし、第２Ｙ分岐８４で分岐した２つの光をそれぞれパワーモニタ８５と波長ロッカー８６に入力する。
Ｙ分岐が対称の場合は光が等分されるので、対称Ｙ分岐を用いるとパワーモニタ８５と波長ロッカー８６にはそれぞれ半導体光増幅器８１から出力されるパワーの１／４が入力される。一方、第１Ｙ分岐８３から外部に出力される出力光のパワーは半導体光増幅器８１から出力されるパワーの１／２になる。
パワーモニタ８５と波長ロッカー８６で必要とされる光パワーはそれほど大きくなく、また、パワーモニタ８５と波長ロッカー８６で必要とするパワーは異なる。したがって、波長ロッカー８６およびパワーモニタ８５でそれぞれ必要とされる受光感度に応じて第１Ｙ分岐８３及び第２Ｙ分岐８４の分岐比を夫々調整し、それ以外を出力光パワーに振り分ける方が、低消費電力化の観点から望ましい。
分岐比を調整するにはＹ分岐導波路を非対称にすれば良い。しかしながら、非対称Ｙ分岐は損失が大きく、分岐を２段にするとさらに損失が大きくなってしまうという問題がある。また、分岐を２段にする場合、１段目の分岐後の２本の導波路が互いに干渉しない程度まで十分離した後に２段目の第２Ｙ分岐８４を挿入しなければならない。したがって、サイズが大きくなるという問題が生じる。
本発明は、パワーモニタと波長ロッカー機能を有する波長可変光源において、低損失化と小型化を両立することを目的とする。
一つの態様では、波長可変光源は、半導体光増幅器と、前記半導体光増幅器とともに波長可変レーザを構成する共振器と、前記半導体光増幅器および前記共振器と光学的に結合され、前記波長可変レーザ内の光の一部を２つの出力光に分岐する２×２型の光分岐器と、前記光分岐器で分岐された前記２つの出力光の内、一方の出力光が入力される光強度モニタと、前記光分岐器で分岐された前記２つの出力光の内、他方の出力光が入力される波長ロッカーとを有する。
一つの側面としてパワーモニタと波長ロッカー機能を有する波長可変光源において、低損失化することと小型化することが可能になる。
本発明の実施の形態の波長可変光源の概念的構成図である。 本発明の実施例１の波長可変光源の概念的構成図である。 Ｓｉ導波路プラットフォームに形成した共振器の説明図である。 本発明の実施例１の波長可変光源に用いるＳＯＡの一例を示す概略的斜視図である。 本発明の実施例１の波長可変光源に用いる波長ロッカーの一例を示す概念的構成図である。 本発明の実施例２の波長可変光源の概念的構成図である。 本発明の実施例３の波長可変光源の概念的構成図である。 本発明の実施例４の波長可変光源の概念的構成図である。 本発明の実施例５の波長可変光源の概念的構成図である。 従来の波長可変光源の概念的構成図である。 集積化した場合の波長可変光源の概念的構成図である。 光分岐器としてＹ分岐を用いた場合の波長可変光源の概念的構成図である。
ここで、図１を参照して、本発明の実施の形態の波長可変光源を説明する。図１は、本発明の実施の形態の波長可変光源の概念的構成図である。本発明の実施の形態の波長可変光源は、半導体光増幅器２と、半導体光増幅器２の間で波長可変レーザ１を構成する共振器３を有する。また、波長可変レーザ１の出力光の一部を分岐する２×２型の光分岐器４と、光分岐器４で２つに分岐した出力光の内の一方を入力する光強度モニタ５と、光分岐器４で２つに分岐した出力光の内の他方を入力する波長ロッカー６とを有する。２×２（２入力２出力）型の光分岐器４を用いることにより、一段の光分岐器のみで良くなるので、低損失化及び小型化が可能になる。
波長ロッカー６は干渉計を有する導波路で構成されているので、ある程度の損失を有しており、波長ロッカー６への入力は光強度モニタ５への入力よりも大きいことが望ましい。一方、共振器３においても光の損失があるため、光分岐器４への入力は、半導体光増幅器２側からの入力パワーのほうが共振器３側からの入力パワーよりも大きい。したがって、光強度モニタ５に入力する出力光を、光分岐器４で分岐された共振器３側からの出力光とし、波長ロッカー６に入力する出力光を、光分岐器４２で分岐された半導体光増幅器側からの出力光とすることが望ましい。
光分岐器としては、方向性結合器でも、マルチモード干渉（ＭＭＩ）カプラでも、或いは、交差導波路でも良い。方向性結合器を用いた場合には、低損失化が可能であり、マルチモード干渉（ＭＭＩ）カプラを用いた場合には、分岐比の波長特性を低減することができる。
共振器２としては、ＳＯＩ基板を用いたシリコン細線導波路で形成された共振器が小型化のためには望ましい。この場合には、光強度モニタとして、シリコン層上に積層したゲルマニウム層により形成したゲルマニウムフォトダイオードを用いても良い。なお、ＳＯＩ基板を用いる場合には、化合物半導体からなる半導体光増幅器２は、ＳＯＩ基板の単結晶シリコン基板の一部を掘り下げて、掘り下げた領域に実装する。
或いは、少なくとも半導体光増幅器２、共振器３、光分岐器４、及び、光強度モニタ５をＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系等のIII-Ｖ族化合物半導体によりモノリシックに形成しても良く、実装コストを低減することができる。
共振器３の構成は任意であるが、例えば、３本の光導波路と、その間に設けた波長調整手段としてのリング共振器と、最終段の光導波路に設けた光反射手段としてのループミラーによって共振器３を形成しても良い。この場合、リング共振器及び光導波路に共振波長或いは位相を調整するためのヒータを設けておくことが望ましい。
また、波長ロッカー６の構成も任意であるが、例えば、光分岐器４からのモニタ出力をハーフミラーやビームスプリッタ等で分岐し、一方の出力をフォトダイオードでモニタし、他方向の出力をエタロンを通して他のフォトダイオードで受光する。両方のフォトダイオードの検出出力を比較して波長変動を検出する。
本発明の実施の形態によれば、光分岐器として２×２型の光分岐器４を用いることにより、光強度モニタ５に入力する光と波長ロッカー６に入力する光を一つの光分岐器４によって得ることができる。それによって、波長可変光源の小型化と低損失化を両立することができる。
次に、図２乃至図５を参照して、本発明の実施例１の波長可変光源を説明する。図２は、本発明の実施例１の波長可変光源の概念的構成図であり、ＳＯＩ基板を用いたＳｉ導波路プラットフォーム１０に形成した共振器２０と利得導波路となるＭＱＷ活性層を備えたＳＯＡ４０とにより、波長可変レーザが形成される。Ｓｉ導波路プラットフォーム１０には、パワーモニタ５０と波長ロッカー６０が設けられており、方向性結合器３０を介して波長可変レーザと光学的に結合しており、全体でＴＬＳチップを構成している。
図３は、Ｓｉ導波路プラットフォームに形成した共振器の説明図であり、ＳｉＯ２で形成されたＢＯＸ層とＳｉＯ２で形成された上部クラッド層で挟まれたＳｉ細線導波路で形成される光導波路２１，２３，２５及び波長を選択するバーニア効果を得るための曲率半径が異なる２つのリング共振器２２，２４を備えている。また、光導波路２５の端部には全反射ミラーとしてのループミラー２６を備えている。なお、Ｓｉ細線導波路のサイズは任意であるが、ここでは、厚さ２５０ｎｍ、幅５００ｎｍとする。
また、２つのリング共振器２２，２４には屈折率を変化させて波長チューニングを行なうためにヒータ２７，２８が設けられており、光導波路２５のループミラー２６の直前には位相調整用ヒータ２９が設けられている。また、光導波路２１には、結合導波路３１を近接配置して方向性結合器３０を形成している。
図４は、本発明の実施例１の波長可変光源に用いるＳＯＡの一例を示す概略的斜視図であり、ｎ型ＩｎＰ基板４１上にｎ型ＩｎＰクラッド層４２、ＭＱＷ活性層４３、ｐ型ＩｎＰクラッド層４４及びｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層４５を順次堆積する。次いで、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層４５乃至ｎ型ＩｎＰ基板４１の一部をストライプ状にエッチングしてメサ構造を形成し、このストライプ状メサ構造をＦｅドープＩｎＰ埋込層４６で埋め込む。ｎ型ＩｎＰ基板４１の裏面にはｎ側電極４７を形成し、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層４５にはｐ側電極４８を設ける。ＭＱＷ活性層４３としては、例えば、６層の厚さが５．１ｎｍのＧａＩｎＡｓＰ井戸層と７層の厚さが１０ｎｍのＧａＩｎＡｓＰバリア層を交互に積層して形成する。
図示を省略するものの、ＳＯＡ４０の入射端面には無反射コーティングが施されており、ＳＯＡ４０の出力端面である劈開端面とループミラー２６が波長可変レーザの共振器を構成している。このＳＯＡ４０は、ＳＯＩ基板の単結晶シリコン基板の一部を掘り下げて、掘り下げた領域に実装する。
図５は、本発明の実施例１の波長可変光源に用いる波長ロッカーの一例を示す概念的構成図である。波長ロッカー６０は、ハーフミラー６１、光出力モニタ用のフォトダイオード６２、エタロンフィルタ６３及び波長モニタ用のフォトダイオード６４からなる。方向性結合器３０から結合導波路３１を介して入力されたモニタ光はハーフミラー６１で２分岐されて、一方は、フォトダイオード６２に入射して光出力をモニタする。他方はエタロンフィルタ６３を透過したのちフォトダイオード６４に入射する。エタロンフィルタ６３は、波長透過特性が周期性を有しているので、波長可変レーザの出力光の波長が経年劣化等で変動した場合には、波長変化がフォトダイオード６４により検出される。
パワーモニタ５０としては、化合物半導体で形成したフォトダイオードを用いて、ＳＯＩ基板の単結晶シリコン基板の一部を掘り下げて、掘り下げた領域に実装する。なお、Ｓｉ細線導波路からなる結合導波路３１の延長部の単結晶シリコン層の幅を拡大して、その上にゲルマニウム層を成長させてゲルマニウムフォトダイオード形成してパワーモニタ５０としても良い。なお、Ｓｉ導波路プラットフォーム１０は、素子温度を安定させるためのＴＥＣ（Ｔｈｅｒｍｏ−Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｏｌｅｒ）上にマウントする。
本発明の実施例１においては、光分岐器として２×２型の光分岐器である方向性結合器を用いているので、使用する光分岐器は１つで済み、波長可変光源の小型化と低損失化を両立することができる。また、方向性結合器は、Ｙ分岐に比べて損失が少ないので、従来に比べて低損失化が可能である。
次に、図６を参照して、本発明の実施例２の波長可変光源を説明するが、上記の実施例１におけるＳＯＡと共振器との間の反射を防止したものである。図６は、本発明の実施例２の波長可変光源の概念的構成図である。この実施例２においては、光導波路２１の出力端側に傾斜部２１１０を設けるとともに、ＳＯＡ４０のＭＱＷ活性層４３を端面の法線に対して７°の角度を有する傾斜導波路４３１と、屈曲導波路４３２と、直線導波路４３３により形成したものである。この結果、ＳＯＡ４０の入射側端面と光導波路２１の出力端との間の反射を防止することができる。
次に、図７を参照して、本発明の実施例３の波長可変光源を説明するが、上記の実施例１におけるＳｉ導波路プラットフォームを化合物半導体基板１０１に置き換えたものである。図７は、本発明の実施例２の波長可変光源の概念的構成図である。この実施例３においては、ＳＯＡ４０１を形成するための積層構造を利用して、バットジョイント構造で共振器２０１、パワーモニタ５０１及び波長ロッカー６０１を形成したものである。
この実施例３においては、ハイブリッド的に実装するのはエタロンフィルタだけで良いので、実装コストを低減することができる。なお、この実施例３においても、実施例２と同様に、ＳＯＡ４０１及び光導波路２１１に傾斜構造を設けても良い。
次に、図８を参照して、本発明の実施例４の波長可変光源を説明するが、上記の実施例１における方向性結合器を２×２ＭＭＩカプラ３２に置き換えたものである。図８は、本発明の実施例４の波長可変光源の概念的構成図である。この実施例４においては、光導波路２１に２×２ＭＭＩカプラ３２を設け、一方の出力ポート３３にパワーモニタ５０を接続し、他方の出力ポート３４に波長ロッカー６０を接続する。
この実施例４においては、光分岐器として２×２ＭＭＩカプラ３２を用いているので、分岐比の波長特性を小さくすることができる。なお、この実施例４においても、実施例２と同様に、ＳＯＡ４０及び光導波路２１に傾斜構造を設けても良いし、実施例３のように全体を化合物半導体で構成しても良い。
次に、図９を参照して、本発明の実施例５の波長可変光源を説明するが、上記の実施例１における方向性結合器を交差導波路３５に置き換えたものである。図９は、本発明の実施例５の波長可変光源の概念的構成図である。この実施例５においては、光分岐器として光導波路２１と交差する光導波路３６を設けて交差導波路３５としたものである。この光導波路３６の一方の端部にパワーモニタ５０を接続し、他方の端部に波長ロッカー６０を接続する。
この実施例５においても、実施例２と同様に、ＳＯＡ４０及び光導波路２１に傾斜構造を設けても良いし、実施例３のように全体を化合物半導体で構成しても良い。
ここで、実施例１乃至実施例５を含む本発明の実施の形態に関して、以下の付記を付す。
（付記１）半導体光増幅器と、前記半導体光増幅器とともに波長可変レーザを構成する共振器と、前記半導体光増幅器および前記共振器と光学的に結合され、前記波長可変レーザ内の光の一部を２つの出力光に分岐する２×２型の光分岐器と、前記光分岐器で分岐された前記２つの出力光の内、一方の出力光が入力される光強度モニタと、前記光分岐器で分岐された前記２つの出力光の内、他方の出力光が入力される波長ロッカーとを有する波長可変光源。
（付記２）前記光強度モニタに入力される出力光は、前記光分岐器で分岐された前記２つの出力光の内、前記共振器側から出力された出力光であり、前記波長ロッカーに入力される出力光は、前記光分岐器で分岐された前記２つの出力光の内、前記半導体光増幅器側から出力された出力光である付記１に記載の波長可変光源。
（付記３）前記光分岐器が、方向性結合器である付記１または付記２に記載の波長可変光源。
（付記４）前記光分岐器が、マルチモード干渉カプラである付記１または付記２に記載の波長可変光源。
（付記５）前記光分岐器が、交差導波路である付記１または付記２に記載の波長可変光源。
（付記６）前記共振器が、シリコン細線導波路で形成されている付記１乃至付記５のいずれか１に記載の波長可変光源。
（付記７）前記光強度モニタが、シリコン層上に積層したゲルマニウム層を有している付記６に記載の波長可変光源。
（付記８）少なくとも前記半導体光増幅器、前記共振器、前記光分岐器及び、前記光強度モニタがIII-Ｖ族化合物半導体によりモノリシックに形成されている付記１乃至付記５のいずれか１に記載の波長可変光源。
１ 波長可変レーザ
２ 半導体光増幅器
３ 共振器
４ 光分岐器
５ 光強度モニタ
６ 波長ロッカー
１０ Ｓｉ導波路プラットフォーム
１０１ 化合物半導体基板
２０，２０１ 共振器
２１，２１１、２３，２５ 光導波路
２１１０ 傾斜部
２２，２４ リング共振器
２６ ループミラー
２７，２８ ヒータ
２９ 位相調整用ヒータ
３０，３０１ 方向性結合器
３１，３１１ 結合導波路
３２ ２×２ＭＭＩカプラ
３３，３４ 出力ポート
３５ 交差導波路
３６ 光導波路
４０，４０１ ＳＯＡ
４１ ｎ型ＩｎＰ基板
４２ ｎ型ＩｎＰクラッド層
４３ ＭＱＷ活性層
４３１ 傾斜導波路
４３２ 屈曲導波路
４３３ 直線導波路
４４ ｐ型ＩｎＰクラッド層
４５ ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層
４６ ＦｅドープＩｎＰ埋込層
４７ ｎ側電極
４８ ｐ側電極
５０，５０１ パワーモニタ
６０，６０１ 波長ロッカー
６１ ハーフミラー
６２，６４ フォトダイオード
６３ エタロンフィルタ
７０，８０ 波長可変レーザ
７１，８１ 半導体光増幅器
７２，８２ 共振器
７３ 第１光分岐器
７４ 第２光分岐器
７５，８５ パワーモニタ
７６，８６ 波長ロッカー
８３ 第１Ｙ分岐
８４ 第２Ｙ分岐

Claims (5)

  1. 半導体光増幅器と、
    前記半導体光増幅器とともに波長可変レーザを構成する共振器と、
    前記半導体光増幅器および前記共振器と光学的に結合され、前記波長可変レーザ内の光の一部を２つの出力光に分岐する２×２型の光分岐器と、
    前記光分岐器で分岐された前記２つの出力光の内、一方の出力光が入力される光強度モニタと、
    前記光分岐器で分岐された前記２つの出力光の内、他方の出力光が入力される波長ロッカーと
    を有する波長可変光源。
  2. 前記光強度モニタに入力される出力光は、前記光分岐器で分岐された前記２つの出力光の内、前記共振器側から出力された出力光であり、
    前記波長ロッカーに入力される出力光は、前記光分岐器で分岐された前記２つの出力光の内、前記半導体光増幅器側から出力された出力光である
    請求項１に記載の波長可変光源。
  3. 前記光分岐器が、方向性結合器、マルチモード干渉カプラ、或いは、交差導波路のいずれかである請求項１または請求項２に記載の波長可変光源。
  4. 前記共振器が、シリコン細線導波路で形成されている請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の波長可変光源。
  5. 少なくとも前記半導体光増幅器、前記共振器、前記光分岐器、及び、前記光強度モニタがIII-Ｖ族化合物半導体によりモノリシックに形成されている請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の波長可変光源。
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