JP2004522986A - チューニング可能な制御されるレーザー・アレー - Google Patents

Abstract

標準的通信波長のいずれか一つで放射できる半導体レーザーは実用価値が大きい。このために、多くの異なる分布フィードバック（ＤＦＢ）レーザーが集積された単一半導体チップが製造されている。異なるＤＦＢレーザーのデバイス・パラメータは各レーザーが異なる波長で放射するように変えられる。さらにマイクロ−メカニカル光学エレメントもレーザー・アレーと一緒に実装されて、この光学エレメントの位置によってどのレーザー・ストライプを出力ファイバーに結合するかをコントロールするようにする。いろいろな実施形態で、このマイクロ−メカニカル光学エレメント又はスイッチは、摺動するウエーブガイド、可動レンズ、又は傾斜するミラーである。特定のＤＦＢレーザーを選択し、温度を制御して波長を並べ（ｌｉｎｅ）、マイクロ−メカニカル光学エレメントの位置を調整することによって、出力波長が多くの通信波長の一つにセットされる。

Description

【０００１】背景 本発明は、一般にレーザーに関し、詳しくは遠隔通信システムで使用されるチューニング可能なレーザーに関する。
【０００２】
レーザーは、多重波長光ファイバー通信リンクなどの高速データ通信装置に広く用いられている。波長分割多重（ＷＤＭ）通信リンクでは、光ファイバーによるデータの伝送量はいろいろな波長の多重光信号を同時に用いることによって増大する。各光信号は異なるデータ信号を搬送することができる。
【０００３】
このようなリンクに用いられる従来の光源は、多くの場合、固定波長の分布フィードバック（ＤＦＢ）レーザーである。ＤＦＢレーザーはアクティブ半導体として製造された導波構造を含み、そこでは連続的な格子がデバイスを通っており、動作波長を決定する。一般に、これらのデバイスは高出力で、優れた単一波長特性（サイドモード抑制比）を有し、時間的にきわめて安定である。
【０００４】
しかし、ＤＦＢレーザーは、一般に固定波長で動作し、他の波長にチューニングすることが非常に困難である。波長のわずかな変化は温度効果によって実現できるが、ＤＦＢレーザーを大きくチューニングして通信帯の広い部分をカバーすることは多くの場合不可能である。そのような訳で、大きな、漸進的かつ多様なチューニング範囲を実現するためには、一般に、異なる周波数で固定された多数のＤＦＢレーザーを多重スペアＤＦＢレーザーと合わせてストックする。しかし、多重ＤＦＢレーザーに対応しようとするとシステムの再構築が複雑になる。
【０００５】
これらの欠点を克服するために、チューニング可能なレーザー・ダイオードの製作に多大な努力が費やされてきた。残念ながら、固定波長ＤＦＢレーザーの性能に広いチューニングの可能性という新たな利点を付け加えることは妥当なコストでは容易に達成できない。チューニング可能性がこのように難しい課題であることには根本的な理由がある。波長が精密に制御されるレーザーにおいては、光学エレメントが波長を決定しており、そのようなデバイスをチューニングするには、支配的な光学エレメントの光路長を変えなければならない。支配的な光学エレメントの光路長を変えることは他の問題を引き起こしてレーザーの性能を低下させる。
【０００６】
発明の慨要 本発明は、一つの単純でコンパクトなパッケージから多数の送信波長の一つを提供することに関し、光ファイバー・リンクにおける多重波長通信に有用なものである。ある実施形態では、本発明は光送信装置を含む。光送信装置は、レーザーのアレーと、ミラーのアレーと、光出力を含む。ミラーのアレーにおける各ミラーは、レーザーのアレーのあるレーザーからそのミラーに向けられた光が光出力に導かれるように動かすことができる。
【０００７】
さらに別の実施形態では、本発明は光送信装置を含む。この光送信装置はレーザーのアレーと、レーザーのアレーにおけるレーザーからの光を視準するレンズと、光出力を含む。本発明はさらに、レーザーのアレーにおける複数のレーザーのいずれかからレンズによって視準された光を受けるように動かすことができる可動ミラーを含み、ミラーはその光を反射してレンズに戻してレンズは光出力へその光を通過させる。ある別の実施形態では、本発明は、レーザーのアレーにおける複数のレーザーのいずれかから光学エレメントに垂直に入射する光を反射するように定位できるミラーを含む。
【０００８】
本発明のこれらの様態やその他の様態は、以下の記述を添付された図面と合わせて考察することによって容易に理解されるであろう。
【０００９】
詳細な説明 以下の図において、前の又は同等なパーツである以前の図で既に表され記述されたものに対応するパーツは同じ参照符号によって示される。 図１は、半導体基板上の単一波長レーザー、例えば分布フィードバック（ＤＦＢ）レーザー、のアレーを示す。各レーザーは単一波長であるが、全てのレーザーが同じ波長で動作する訳ではない。実際、ある実施形態では、各レーザーがそれぞれ異なる波長で光を出力する。
【００１０】
レーザーのアレーはいくつかの独立にアドレス可能なレーザー７を含む。各レーザーは別々の接触パッド３を有し、そこから電流がレーザーに注入される。各レーザーは、例えば、レーザーの格子ピッチを変えることによって、又は帯の幅あるいはレーザーを構成する層の厚さを変えることで光学モードの実効屈折率（ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｉｎｄｅｘ）を調整することによって、異なるレーザー波長で動作するように設計される。電流が、例えば接触パッド３によってレーザーに注入されると、レーザーはある特定の波長でチップ上のある特定の位置から、矢印９で表されるように放射を発生する。ある実施形態では、一度に一つのレーザーが所望の波長に応じて作動する。レーザーからの放射又は光は、マイクロメカニカル光学スイッチ又はスイッチング・エレメント１１に送られる。スイッチング・エレメントはいくつかの状態を有する。一組の状態のうちの個々の各状態で、入力された光線の一つ、すなわち、一つのレーザーからの光、が出力１３に伝送され、出力ファイバー１５に伝送される。アセンブリ全体はサブマウント１９に一緒にパッケージされる。
【００１１】
多重波長レーザー・アレーの製造は当業者には比較的良く知られている。各レーザーに異なる波長を割り当てるには、いくつかの方法が利用できる、例えば、電子線リソグラフィーによって直接書き込まれる格子、多重ホログラフィック曝露のさいにウインドー・マスクに段を付ける方法、適当に製造された位相マスクを通したＵＶ曝露、あるいはレーザーのモードの実効屈折率を変える、などである。一般に、安定した単一モード特性のために、制御された位相シフトをレーザーに組み込むか、利得／損失結合が格子で用いられる。このようなレーザーの波長は寸法変数によって精密にコントロールすることができ、アレーの中で変えることができる。
【００１２】
スイッチング・エレメント１１は、ある実施形態では、多数のミラーを含み、それらが各入力光線をさえぎってその光線を光出力へ偏向させる。そのようなものとして、ある特定レーザーを選択するには、該当するミラーを調整してその光線を受けて光出力に偏向させる。図２は、このようなスイッチング・エレメントの一つをレーザー・アレー５と合わせて示す。一組のマイクロレンズ２１が設けられ、レーザー・アレーのレーザー・エレメントからの発散する光線を視準して視準された光線２０３を形成する。スイッチ又はスイッチング・エレメント２０１は個別に定位できるミラーのアレー２３を含む。ミラーは静電的なくし型アクチュエータ２７によって引っ込められ、ばね２９によって押し出される。別の実施形態では、ミラーはばね２９によって押し出され、静電的なくし型アクチュエータ２７によって引っ込められる。ある特定のミラーが、レーザー・アレーの対応するレーザーからの視準された光線を偏向させるように配置されている。単レンズ２５は、偏向され視準された光線を出力ファイバー１５に集束させる。スイッチは１：Ｎスイッチであり、いろいろな実施形態で、表面精密機械加工、深いシリコン・エッチング、又はその他のプロセス、を用いて製造される。作動メカニズム、アクチュエータ及び／又はばね、は図示されたように静電的なものであってもよいが、他の実施形態では熱的又は磁気的なものである。
【００１３】
このように、ある実施形態では、電流がレーザー・アレーのあるレーザー・エレメントに、例えばレーザー・エレメント７に供給され、それによりそのレーザー・エレメントが光を放出する。ミラーのアレーのうちで選択されたレーザー・エレメントに対応するあるミラー、例えばミラー２０５、が同定される。そのようなものとして、対応するミラーに結合されたばねがそのミラーを押し出す。ある実施形態では、そのミラーは他のミラーが占めている初期位置を超えて、又はスイッチング・エレメント２０１の外へ押し出される。そのレーザー・エレメントからの光は、対応するマイクロレンズによって視準され、動かされたミラーにぶつかる。ミラーはその光をレンズ２５に反射し、そのレンズは光を光ファイバー１５に集束させる。そのレーザー・エレメントからの光がもはや必要でなくなると、ミラーはアクチュエータによって引っ込められる。
【００１４】
ある実施形態では、別のレーザー・エレメントが選択されたときに、そのミラーは引っ込められる。別のレーザー・エレメントが選択されると、対応するミラーが同定され、選択されたレーザー・エレメントからの光を光ファイバーに導くように定位される。選択されたレーザー・エレメントからの光をファイバーに導くのに用いられないミラーは、選択されたレーザー・エレメントから対応するミラーへ、そして光ファイバーへの光路を妨害しないように定位される。
【００１５】
図２を参照して上述したフリー・スペース方法は、かなりの整列作業が、特にミラーが一様ではなくミラーからの偏向の方向が高い信頼度で再現できない場合、必要になるかもしれない。この場合、各光線は独立に整列されることが好ましい。
【００１６】
図３は、本発明による別の実施形態を示している。図３では、レーザー・アレー５のある特定レーザー・エレメント７からの光線は固定レンズ３１で視準される。個のレーザーからの光線は最初は発散しているが固定レンズによって視準される。固定レンズからの視準された光線は可動ミラー３３にぶつかる。この可動ミラーは光線に対してほぼ直角であって垂直入射に近く、光線を反射してレンズへ戻す。レンズは反射された光線を受けて、その光線を出力ファイバーに集束する。ある実施形態では、ファイバーはレーザー・アレーに近い場所で、レーザー・アレーを構成するレーザー・エレメントと実質的に平行な方向でこの光線を受けるように位置している。反射した光がレーザーに戻って入ることは有害な影響があるので、いくつかの実施形態では、光アイソレーターを光路に配置してそれを回避する。
【００１７】
ミラー３３のようなマイクロメカニカル先端／傾斜ミラーは当業者には周知である。このようなミラーを製造するには、表面精密機械加工方法もバルク・シリコン・エッチング方法も用いられる。一般に、本発明に必要とされる精度は、大きなクロス・コネクト・スイッチに必要な精度よりもかなり低い。何故なら、本明細書で記述される実施形態を標準バタフライ・パッケージに実装した場合、光線は数ミリメートルしか移動しないのに対して、スイッチでは数十センチメートル移動するからである。したがって、光学装置に要求される平坦度と指向性（ｐｏｉｎｔｉｎｇ）はかなり低くなる。
【００１８】
記述されている実施形態では、出力ファイバーはレーザー・アレーに対して側方に、異なるレーザー・エレメントからの光が異なる角度のミラーによってファイバーに導かれるように配置される。別の実施形態では、ファイバーはレーザー・アレーより少し上又は下に配置され、ミラーを別の次元で少し傾けて反射された光線がファイバーに集束されるようにしている。また、ファイバーはレーザー・アレーと同じ距離だけレンズから離れているように図示されているが、この二つの距離を変えて、システムが１でない拡大率を有するようにすることもできる。さらに、ある実施形態では、ファイバーはレンズ付ファイバーである。レンズ付ファイバーは、拡大率１（ｕｎｉｔｙ ｍａｇｎｉｆｉｃａｔｉｏｎ）の光学システムで半導体源、例えばレーザー、との結合が優れている。また、ある実施形態では、凸レンズ３１の代わりに、傾斜（ｇｒａｄｅｄ）屈折率（ＧＲＩＮ）レンズが用いられる。
【００１９】
異なるレーザー・エレメントが選択されると、選択されたレーザー・エレメントからの光を光ファイバーに結合するファイバー・カプリングを最適にするようにレンズは異なる位置に動かされる。ある実施形態では、レンズの位置はサーボ・ループによって、ファイバーに結合されるパワーが常に最大になるように制御される。レンズ３１（図３）又はレンズ２１（図２）が二次元で動かされる場合、このようなシステムでアクティブな整列は回避することができる。そのような場合、サーボ・ループをレンズの側方位置及び垂直位置の両方で最大結合になるように最適化できる。普通、これら二つの位置が最も敏感な整列パラメータである。ある実施形態では、全てのコンポーネントが粗いピック・アンド・プレース（ｐｉｃｋ−ａｎｄ−ｐｌａｃｅ）マシンではんだ付けし、サーボ・ループを最適整列に維持して、オペレータの手を借りるアクティブ整列を不要にしている。
【００２０】
図２Ａ及び図３Ａはそのような実施形態を示している。図２Ａ及び３Ａでは、波長ロッカ（ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｌｏｃｋｅｒ）がタップによってファイバーと結合されている。別の実施形態では波長ロッカーはファイバーとインライン（ｉｎｌｉｎｅ）である。波長ロッカーはファイバーで伝送される光の強度又はパワーを決定して信号強度を示す信号をコントローラに供給する。別の実施形態では、タップからの光が光検出器に供給される。光検出器はタップからの光の出力パワーに比例する信号を生成する。例えば、光検出器からの出力が合算器によって合算される。合算器の出力は出力インジケータであり、コントローラに供給される。コントローラは、波長ロッカから供給された前の信号又は最初のキャリブレーションに基づいて、ミラーを調整する（図３Ａの実施形態の場合）、又はミラーを選択する（図２Ａの実施形態の場合）。
【００２１】
例えば、図３Ａの実施形態の場合、コントローラは、レーザー・アレーのレーザーの各々の選択と合わせたミラー位置の探索テーブルを保有している。この探索テーブルの値に基づいて、コントローラは最適出力を得るためにはミラーをどの方向に動かすべきかを決定する。こうして、必要に応じてコントローラは制御信号を出してミラーを、例えば第一の軸に沿って又は第一の軸と直角方向である第二の軸に沿って動かす。ある実施形態では、ミラーは絶えず命令を受けて彷徨し、出力を監視してパッケージのコンポーネントの移動、温度効果やその他の原因による整列誤差を補償して最大出力が得られるようにしている。
【００２２】
図１から図３では、面（ｆａｃｅｔ）に垂直なレーザー・エレメント又はストライプが示されているが、これは必ずしもそうである必要はない。ＤＦＢレーザーでは、空洞へのフィードバックは面からではなく格子から来ており、デバイスの性能は面に角度をもたせることによって向上する。面に対してストライプに角度をもたせると、面の実効反射率が減少してレーザーのモード構造の不安定性がなくなる。全てのレーザー・ストライプが角度を有する角度つきの面を用いるには、半導体チップを他の光学系に対して傾斜させるが、光路は比較的変化しないままである。
【００２３】
この場合、最初のレンズはいろいろなレーザーからの光線を視準し、平行で互いにシフトするようにする。図４で、レーザー・アレー・チップ４１は、全て角度が付いて互いに傾いたいくつかの異なるレーザー・エレメント４３を含む。このように、各レーザー・エレメントは光線を異なる角度で放出する。ある特定のレーザー・エレメントが選択され、放出される光線が視準レンズ４５に入射する。光線はレンズの焦点から発するので、光線は視準されてレンズの光軸と平行に向けられる。このように、各レーザーからの光線は視準されて互いに平行になるが垂直にずれている。光学エレメント４７は、光線を再び光軸の中心にずらして集束レンズ４９に入るようにして出力ファイバー１５に結合させる。個の光学エレメントは、ある実施形態では、像をずらす堅い高屈折率のブロックであり、レーザー・アレーの個々のレーザーからの出力を正しく選択するように動かすことができる。他のいろいろな実施形態では、他のコンポーネントが光線を側方にずらすために用いられる。例えば、互いに固定された角度を成し同時に回転される二つのミラー、又は光線の経路に挿入され光線中に直線的に動くくさび型のもの（ｗｅｄｇｅ）、などである。
【００２４】
図１から図４を参照して記述される実施形態にしたがう他のいろいろな変更や変型が多数ある。例えば、レーザー・アレー自身を側方に動かしてファイバーへの結合を変えることもできる。あるいはまた、ファイバーを動かすこともできる。一般に、大きなもの、例えばレーザー・アレーやファイバー、を動かすにはより大きな力が必要とされる。そのような訳で、いろいろな実施形態で、圧電トランスジューサや止めねじ（ｓｅｔ ｓｃｒｅｗｓ）が用いられる。
【００２５】
図５には、直線的に平行移動できるエレメントを用いて選択されたレーザーからの光を光出力、例えばファイバー、に結合する光学装置のある実施形態が示されている。この示された実施形態では、平行移動可能なエレメントは光学エレメント５０１である。ある実施形態では、この光学エレメントはシリコン・コンポーネントであり、片側から体積を除去して二つの対向する角度つき側面を形成したものである。二つの対向する角度つき側面は反射物質でコーティングされてミラー５５及び５７を形成する。二つの角度つきミラーは、レーザー・ストライプのアレー５からのレーザー・エレメント又はストライプ７からの光線５０５をレンズ５０３によってファイバー１５に結合する。
【００２６】
動作時、光学エレメントがレーザー・ストライプのアレーの長さに垂直な方向に平行移動して、別のレーザー・ストライプ、例えばレーザー・ストライプ５１、からの光をファイバーに結合する。記述された実施形態では、ミラーは別々である。しかし、別の実施形態では、ミラーは一つのプリズムの二つの側面である。例えば、プリズムは光学エレメントから除去された物質の形に似ており、角度を成す側面の外側がプリズムの内部反射の程度に依存する反射物質でコーティングされる。別の実施形態では、ミラーは共通の可動エレメントに取り付けられるか、又は別々に可動エレメント上に設けられるが共通に結合される。
【００２７】
ある実施形態では、光学エレメント又は可動ミラーの平行移動の距離はアレーの両端のレーザー・ストライプの間隔の半分である。例えば、１０ミクロンのピッチで１０個のレーザーがある場合、両端のストライプの間の距離は９０ミクロンであり、したがって、可動ミラーの走行範囲は約４５ミクロンになる。アレーの長さはまた、ミラーの最小サイズを決定する。ある実施形態では、アレー上に投射されたミラーの長さは少なくともアレーの長さの半分である。再び上記の例を用いると、投射されたミラーの長さは少なくとも約４５ミクロンである。図示されたような４５度の角度で、ミラーの実際の幅は４５ミクロンを４５度のサインで割った値、すなわち、約６４ミクロンである。このように、ミラー又はプリズムは非常に小さいものであってもよい。
【００２８】
動的な結合のためには、レーザー・アレーの面と垂直な方向での光線の位置をコントロールすることが有益であろう。これは、レーザー・ストライプが平行な光線を発生しない場合、ファイバーの方向（ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）がレーザー・ストライプの列と平行でない場合、又はその他の理由で有益であろう。したがって、ある実施形態では、このエレメントはまた直線的な平行移動の線に沿って形成される軸のまわりに回転できる。別の実施形態では、さらに一つ以上の２−ミラー又はプリズム・アセンブリが用いられる。多くの場合に、移動範囲は上述の面内の方向に比べて、面から外れた方向では小さい。
【００２９】
光線又はビームがレーザー・アレーを含むチップ上で偏向されると、チップとファイバーの間のクリアランス又は離間距離では光線の角度の拡がりを考慮に入れなければならない。この問題は、図６に光学装置の側面図を用いて図解されている。図示されているように、光線６７がサブマウント６５に搭載されたレーザー・ストライプ７から放出される。光線は二つのミラー６１と６３によって反射される。放出された光線は、矢印６９ａと６９ｂで示されるようにある垂直な角度の拡がりを有し、それは６０度に達する。そのような訳で、光の損失を避けるためには、チップ又はパッケージの全てのコンポーネントから光出力への光線の中心までの垂直離間距離６０１は、光線の角度の拡がりを補償するのに十分に大きくなければならない。ある実施形態では、この離間距離はサブマウントの長さと同程度で、数ミリメートルのオーダーになる。さらに、光線のファイバーへの最適結合を維持するために、図５に関して前に述べたと同様な仕方でミラーが同時に動かされる。
【００３０】
図７では、別の実施形態で、レーザー・ストライプの選択がミラー７５又はミラー７７の移動によって遂行され、これにより可動ミラーの取り付け又は製造が単純化される。このように、ミラーの一方は固定されたままである。この実施形態では、ファイバーまでの光路長は各レーザー・ストライプで異なり、したがって、光が常に十分に集束されるようにするために異なる光学系が用いられる。角度を成す二つのミラー７５と７７を用いて、レーザー・アレー５のレーザー・ストライプ７からの光線７３をレンズ７１と７０１によって光出力１５に結合する。ミラー７７は、７９の方向に平行移動されて別のレーザー・ストライプ、例えばレーザー・ストライプ７０３，を選択する。可動ミラーの移動方向は図示されているような、ミラーの表面と垂直な方向であっても、他の方向、例えば、それに入射する光線の方向と平行又は垂直な方向であってもよい。又、ある実施形態では、可動ミラーは可動アクチュエータに取り付けられ、別の実施形態では、可動ミラーはそれ自身が可動エレメントであって、例えば、反射コーティングが施されたマイクロ機械加工されたシリコン・アクチュエータ、である。レンズ７１はレーザー・ストライプからの光線を視準し、第二のレンズ７０１は、その光線を二つのレンズの間の変化する光路長に関わりなく光出力１５に集束させる。別の実施形態では、ミラー７０５が可動ミラーでありミラー７０３が固定されている。図５−７を参照して記述した光学装置では、レーザーの射出面からファイバーまでの全光路長はどのレーザー・ストライプを選択するかに関わりなく一定であり、ファイバー及び集束レンズ（単数又は複数）は静止したままで最適な結合が維持される。
【００３１】
既に記述された実施形態の別の様態では、ファイバー結合がフィードバック・ループによって動的に制御される。ファイバー結合の電子制御によってアクティブ整列ステップのコストを減らすことができ、同時に電子的に選択できる機能性が得られる。
【００３２】
図８は、磁気制御エレメントを有する光学システムのある実施形態の概略を示す。この図で、レーザー・アレー・チップ５は、いくつかの異なるレーザー・エレメント７を含み、その各々が異なる特性の組を有する。システムの要求に応じて、ある特定レーザー・エレメントからの光が用いられ、光学系によって出力ファイバー１５に導かれる。詳しく言うと、レーザー・エレメントからの光は固定集束レンズ８１によって視準され、角度が電気的に変えられるミラー８３にぶつかる。ミラーから反射された後、光は第二のレンズ８０５によって集束されて出力に結合される。ミラーの回転角は、ある特定のレーザーの光線を選択するように、かつ光出力との最適結合を維持するように調整される。この特定の概略図では、傾斜するミラーは磁気的に動かされるように示されている。ミラーの背部に取り付けられた二つの磁石８５はソレノイド８７によって定位される。ワイヤ８９によって印加される制御電流が磁場をコントロールして一方の磁石をソレノイドに引き込み、他方の磁石を押し出す。固定された枢支点８０３とばね８０１と合わせて、ミラーの角度がこの制御電流を用いてコントロールされる。磁場の他に、静電的、熱的、圧電的、その他のいろいろな方法が、いろいろな実施形態で光学エレメントの位置をコントロールして光学的結合に影響を及ぼすように用いられる。また、いろいろな実施形態で、運動は二つ以上の次元で起こっている。例えば、ミラーは別の方向で、すなわち、図の平面から外れて傾けられる。ある実施形態では、レンズも最適な集束のために光軸に沿って位置を変えることができる。
【００３３】
磁気的に誘導される別のアクチュエータが図９に示されている。マイクロミラー９１は二つの蝶番９３ａ、ｂによってマイクロミラーの両側で抑止されている。表面にはコイル９７のパタンが形成されている。接点９５の間に電流が流れると、コイルは磁場を発生する。マイクロミラーは一定の外部磁場９９の中に置かれ、二つの磁場の相互作用によって二つの蝶番のまわりでミラーにトルクがかかる。このような電磁的ミラーは当業者によって普通に製造されている。別の方向の静電的なアクチュエータ動作と合わせて、これを用いてレーザーのアレーからの光線を偏向させ、一つの光線を選択してファイバーに結合することができる。さらに、ミラー９１は、例えば、ニッケルなどの磁性材料で製造することができる、又はそれを含むことができる。その結果、リソグラフィーによって製造されるコイルは必要なくなる。偏向角度は電磁石によって生成される外部磁場の強度を変えることによってコントロールできる。
【００３４】
図１０に示されている別の実施形態は、摺動する導波層を用いてある特定レーザーの出力を選択してファイバーに結合する。レーザー・アレー５はいくつかのレーザー・エレメント７を含む。このアレーは、平面状の導波チップ１０１に結合され、これはチップにリソグラフィーでパタン形成された一連のカーブしたウエーブガイド１０３を有する。いろいろな実施形態で、ウエーブガイドはシリコン−オン−シリコン技術を用いて、さらに好ましくはシリコン−オン−絶縁体（ＳＯＩ）技術を用いて、構築される。カーブした導波部の全体は側方に動くように構成される。ここで記述されたものを含めて他のいろいろな移動メカニズムも利用できる。
【００３５】
可動の平面状導波部の他方の側には、出力ウエーブガイド１０５，例えば光ファイバー、がある。摺動する導波部１０１が側方に移動すると、異なるカーブしたウエーブガイドがレーザー・アレーの一つのレーザー・エレメントを出力ウエーブガイドに結合する。こうして、適当な波長のレーザーを選択した後、摺動する導波部を平行移動させて選択されたレーザーの出力が出力ウエーブガイドに結合されるようにすることによって、チューニング可能な光源を実現できる。
【００３６】
スイッチングを利用しない別の実施形態が図１１に示されている。図示された実施形態では、平面状導波部は波長選択的コンポーネント１１３，例えばアレイド・ウエーブガイド格子（ＡＷＧ、ａｒｒａｙｅｄ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ｇｒａｔｉｎｇ）など、を含む。このコンポーネントは異なる波長の光を単一の出力に最小の損失で結合する。例えば、ある実施形態では、ＡＷＧは、一対のカップラーを不等長ウエーブガイドから成るディフェレンション格子（ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉｏｎ ｇｒａｔｉｎｇ）で結合することによって得られる。所定の波長の入力ビームに対して適当にウエーブガイドの長さを変え、カップラーを適当に設計することで複数の入力ビームを単一の出力に結合することが可能になる。
【００３７】
前述のように、レーザー・アレー５はいろいろな波長のレーザー、例えばレーザー・エレメント７を含む。波長選択コンポーネント又はマルチプレクサーは一連の波長チャンネルを含む。各波長チャンネルはある特定波長を有する特定のレーザーに対応する。マルチプレクサーの全ての波長チャンネルがレーザー・アレーと整列しているので、各レーザー・エレメントからの全ての光線を同時に光出力１１５に合体させることができる。
【００３８】
したがって、一つのチャンネルを選んで可変波長の出力が得られるだけでなく、全てのレーザーをスイッチ・オンして同時に用いてＷＤＭ通信ノードの全てのチャンネルを提供することができる。信号を提供するには、レーザーを直接変調することもできるが、ある実施形態では、集積された電気吸収変調器１１１がチップに製造される。別の波長選択マルチプレクサーが図示されているが、これらのデバイスはＩｎＰで容易に製造され、アセンブリ全体、レーザー、変調器、及びＡＷＧは集積化できる。しかし、デバイスを熱的にチューニングするには、マルチプレクサーの温度依存性をレーザー・アレーの温度依存性と注意深くマッチさせて、レーザーの波長とＡＷＧの通過特性が一緒に動くようにしなければならない。さらに、全てのレーザーが同時に動作するときには、好ましくはレーザーの間隔をあけることによってレーザー間の熱的な漏話を最小にしなければならない。また、放射されて線の間で容量的に結合されるラジオ周波数の漏話も最小にしなければならない。
【００３９】
図１２は、本発明の単一レンズ・イメージング実施形態１２００を示し、ここでは単一レンズ８１を用いてレーザー・アレー５の特定レンズ・エレメント７からの光線９９を視準し、ミラー８３に集束させている。この実施形態では、光線のファイバー１５への結合効率を最大にするようにレンズ８１の拡大率を選ぶことが望ましい。また、ある実施形態では単一視準−集束レンズであるレンズ１１１の後測焦点面にミラー８３を配置することによって、単一レンズ・イメージング実施形態１２００で利用できるミラー・サイズ及び偏向範囲は、機能的に同等な視準ビーム・イメージング実施形態で用いられるものとほぼ同じになる、ただしイメージング・レンズの実効焦点距離が視準レンズのそれとほぼ同じであるとする。さらに、ミラー８３をレンズ８１の後測焦点面の近くに配置することによって、ファイバー１５に集束される光線の円錐９８の軸がファイバーの軸と実質的に平行になり、それにより結合効率を実質的に最大にする。単一レンズ・イメージング実施形態１２００の小さなサイズは、例えば、半導体又は変調器を単一レンズ・イメージングに含めることが望ましい場合に、有利になる。
【００４０】
上では主に実質的に機械的な光線方向操作方法が論じられたが、いろいろな実施形態で、他の光線方向操作方法が用いられる。そのような実施形態としては、電気−光学的（ＥＯ）及び音響−光学的（ＡＯ）な光線方向操作方法があるが、それだけに限定されない。機械的な方向操作デバイスは、比較的高い分解能が得られるが、ＥＯ及びＡＯ光線方向操作デバイスに比べると動作が遅いことがあり、ＥＯ及びＡＯ光線方向操作デバイスの方が少なくとも一桁速い。さらに、ＥＯ及びＡＯ偏向器は本質的に動く部分を含まないのでこれらのデバイスを取り入れた設計はより堅牢になる。
【００４１】
図１３は、本発明のＥＯ偏向器実施形態１３００を示しており、ＥＯ偏向器１２０が光線の方向を操作するのに用いられている。前の実施形態と同様に、レーザー・アレー５の特定レンズ・エレメント７からの光線９９は固定レンズ１２１で視準され、次にＥＯ偏向器１２０に送られ、そこで視準された光線１２５は集束レンズ１２８に向けられる。集束レンズ１２８は、さらに、光線の円錐９８の軸をファイバー１５に導いて集束させ、最大に結合させる。電気−光学的変調器は、複屈折効果を生ずる適当な結晶物質に電圧を印加したときに所定の量の複屈折を示す。いくつかの物質は天然に複屈折であることが知られているが、別の物質は電圧が印加されたときにだけ複屈折になり、それにより複屈折の存在と度合いをコントロールすることができる。適当な物質としては、それだけに限定されないが、例えばニオブ酸バリウム・ナトリウム、ニオブ酸リチウム、二水素リン酸カリウム、二水素リン酸アンモニウム、及びニトロベンゼン、などがある。結晶物質はいろいろな構造で設けることができるが、この実施形態では、プリズムをＥＯ変調器として用いることが望ましい。所定の印加電圧がプリズムの屈折率を所定量だけ変化させて、光線の伝播方向を選択的に変化させる。
【００４２】
図１４は、本発明のＡＯ偏向器実施形態１４００を示しており、ＡＯ偏向器１３０が光線の方向を操作するのに用いられている。前の実施形態と同様に、レーザー・アレー５の特定レンズ・エレメント７からの光線９９は固定レンズ１３１で視準され、次にＡＯ偏向器１３０に送られ、そこで視準された光線１３５は集束レンズ１３８に向けられる。集束レンズ１３８は、さらに、光線の円錐９８の軸をファイバー１５に導いて集束させ、最大に結合させる。ＡＯ偏向器では、普通、光線は適当なＡＯ媒質を通る音の柱によって回折される。音響−光学的相互作用は光学的媒質中で、例えば、音波とレーザー光線が媒質中にあるときに起こる。音波が光学的媒質に発射されると屈折率の波が発生し、それが正弦波格子のように振る舞う。一般に、ＡＯ媒質に圧電トランスジューサーを結合することが望ましい。このトランスジューサーに所定の電圧を印可して選択的な特性を持つ音波を発生させることができ、選択されたＡＯ物質を通る光線に所定の偏向を生ずることができるからである。可視光及び近赤外領域でよく用いられる物質としては、重フリント・ガラス、酸化テルル、カルコゲン化ガラス、又は溶融水晶、などがある。赤外領域ではゲルマニウムを用いることができる。高周波信号処理デバイスには、例えば、ニオブ酸リチウムやリン化ガリウムが適当である。ＥＯ偏向器に比べて、ＡＯ偏向器は帯域幅が小さい傾向があるが、同時に、一般に必要な動作電圧が低く、必要なパワーも少ない。
【００４３】
本発明はしたがって、チューニング可能なレーザーを提供する。本発明をいくつかの具体的な実施形態について記述してきたが、本発明は具体的に記述されたと異なる仕方で実施できるということを認識しなければならない。したがって、本発明は添付された特許請求の範囲とその等価物、ならびにこの開示によって裏付けられるクレイム、によって定められるものと考えるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】
１：Ｎマイクロメカニカル・スイッチに結合された個別にアドレス可能な多重波長レーザー・アレーを有する光送信装置のある実施形態を示す図である。
【図２】
レーザー・アレーからの光線を集光するのに使用されるマイクロレンズ・アレーを有する光送信装置の別の実施形態において、一つの特定の光線が可動ミラーのアレーによって選択されていることを示す図である。
【図２Ａ】サーボ制御ループを有する図２の光送信装置のある実施形態を示す図である。
【図３】傾斜したミラーを有し一つのレンズが光線を集光しかつ集束させるように働いている光送信装置の別の実施形態を示す図である。
【図３Ａ】サーボ制御ループを有する図３の光送信装置のある実施形態を示す図である。
【図４】
レーザー・アレーにおけるレーザーが互いに平行にではなく、変化する角度で作られている光送信装置の別の実施形態を示す図である。
【図５】可動光学エレメントを有する光送信装置の別の実施形態を示す図である。
【図６】図５に示された光送信装置の側面図を示す図である。
【図７】少なくとも一つの可動ミラーを含む光送信装置の別の実施形態を示す図である。
【図８】光が動的に制御される可動エレメントによってファイバーに供給される光送信装置の別の実施形態を示す図である。
【図９】可動ミラーのある実施形態を示す図である。
【図１０】光が摺動するウエーブガイドによってファイバーに供給される光送信装置のある実施形態を示す図である。
【図１１】光が選択的マルチプレクサーによってファイバーに供給される光送信装置の別の実施形態を示す図である。
【図１２】本発明の様態による別の単一レンズ実施形態を示す図である。
【図１３】電気−光学的な光線方向操作エレメントを用いる別の実施形態を示す図である。
【図１４】音響−光学的な光線方向操作エレメントを用いる別の実施形態を示す図である。

Claims (62)

1. 光送信装置であって：
   レーザーのアレー；
   光出力；及び
   ミラーのアレー；
   を含み、各ミラーは、該レーザーのアレーのあるレーザーから該ミラーのアレーのあるミラーに向けられた光を該光出力にむけるように動かすことができる光送信装置。
2. さらに定位エレメントのアレーを含み、各定位エレメントは該ミラーのアレーの対応するミラーと結合している、請求項１に記載の光送信装置。
3. 各定位エレメントが該対応するミラーを第一の位置から第二の位置へ、及び第二の位置から第一の位置へ動かすように構成されている、請求項２に記載の光送信装置。
4. 該第二の位置におけるミラーはレーザーからの光を該光出力に導く、請求項３に記載の光送信装置。
5. 光が該光出力に導かれるときに該ミラーのアレーの一つのミラーだけが第二の位置にある、請求項４に記載の光送信装置。
6. 該第一の位置にあるミラーは光を該光出力に導かない、請求項４に記載の光送信装置。
7. 該定位エレメントがアクチュエータとばねを含む、請求項２に記載の光送信装置。
8. 各ばねはあるミラーを第一の位置から第二の位置へ動かすように構成され、各アクチュエータは該ミラーを第二の位置から第一の位置へ動かすように構成される、請求項７に記載の光送信装置。
9. 該第二の位置にある該ミラーはあるレーザーからの光を該光出力へ導く、請求項８に記載の光送信装置。
10. 光が該光出力に導かれるときに該ミラーのアレーの一つのミラーだけが第二の位置にある、請求項９に記載の光送信装置。
11. 該第一の位置にあるミラーは光を該光出力に導かない、請求項９に記載の光送信装置。
12. 光送信装置であって：
    レーザーのアレー；
    該レーザーのアレーの中のレーザーからの光を視準するレンズ；
    光出力；及び
    可動ミラー；
    を含み、ミラーは該レーザーのアレーの複数のレーザーのいずれかから該レンズによって視準された光を受けるように動かすことができ、ミラーはその光を反射してレンズに戻し、レンズはその光を該光出力へ通す、光送信装置。
13. 該ミラーが該レーザーのアレーに垂直な軸のまわりで動くことができる、請求項１２に記載の光送信装置。
14. 該レンズが固定されている、請求項１３に記載の光送信装置。
15. 該光出力がファイバーを含む、請求項１２に記載の光送信装置。
16. 該光出力が該レーザーのアレーに隣接する、請求項１２に記載の光送信装置。
17. 該レーザーのアレーが光が放出される放出端を有し、該光出力が反射された光が導き入れられる受光端を有し、該光出力の該受光端と該レーザーのアレーの該放出端が実質的に同じ方向に面する、請求項１２に記載の光送信装置。
18. 光送信装置であって：
    レーザーのアレー；
    光出力；及び
    該レーザーのアレーの複数のレーザーのいずれかから垂直に入射する光を該光出力へ反射するように定位できるミラー；
    を含む光送信装置。
19. 該ミラーが該レーザーのアレーに垂直な軸のまわりで動かすことができる、請求項１８に記載の光送信装置。
20. 該光出力がファイバーを含む、請求項１８に記載の光送信装置。
21. さらに、該ファイバーに光を導くレンズを含む、請求項２０に記載の光送信装置。
22. 該光出力が該レーザーのアレーに隣接する、請求項２０に記載の光送信装置。
23. 該レーザーのアレーが光が放出される放出端を有し、該ファイバーが反射された光が導き入れられる受光端を有し、該ファイバーの該受光端と該レーザーのアレーの該放出端の両方が実質的に第一の方向で対面する、請求項２１に記載の光送信装置。
24. 光送信装置であって：
    各レーザーが互いに角度をなしているレーザーのアレー；
    該レーザーのアレーの中のレーザーからの光を視準するように配置された視準レンズ；及び
    該アレー・レーザーの複数のレーザーのいずれかからの視準された光を受けて視準された光を側方にシフトして集束レンズに落ちるように定位できる光学エレメント；
    を含み、該集束レンズが該視準された光を光出力経路に集束させる、光送信装置。
25. 該光学エレメントが該レーザーのアレーに対して垂直な軸のまわりで回転できる、請求項２４に記載の光送信装置。
26. 該光学エレメントが固体高屈折率ブロックである、請求項２４に記載の光送信装置。
27. 該光学エレメントが第一のミラーと第二のミラーを含み、両方のミラーが同じ方向にある固定された角度を有する、請求項２４に記載の光送信装置。
28. 両方のミラーが該レーザーのアレーに垂直な軸のまわりで回転できる、請求項２７に記載の光送信装置。
29. 両方のミラーが同時に回転する、請求項２８に記載の光送信装置。
30. 該光学エレメントが該レーザーのアレーに対して垂直な方向に側方へ動かすことができる、請求項２６に記載の光送信装置。
31. 該レーザーのアレーのレーザーの角度によって光がシフトしたのを補償するように該光学エレメントが光をレンズからシフトさせる、請求項２６に記載の光送信装置。
32. 光送信装置であって：
    レーザーのアレー；
    該レーザーのアレーの中のレーザーからの光を受光する光出力路；及び
    可動光学エレメント；
    を含み、該光学エレメントの体積の一部が空にされて第一の反射面と第二の反射面が形成され、該光学エレメントは該レーザーのアレーの複数のレーザーのいずれかからの光を第一の反射面から第二の反射面にそして該光出力路に反射させるように動かすことができる、光送信装置。
33. 該光学エレメントが該レーザーのアレーに対して実質的に垂直な方向に動かすことができる、請求項３２に記載の光送信装置。
34. さらに集束レンズを含み、該集束レンズが光を該光出力路の光出力に導く、請求項３３に記載の光送信装置。
35. 該光出力がファイバーである、請求項３４に記載の光送信装置。
36. 該光学エレメントが該ファイバーと実質的に垂直な方向に平行移動できる、請求項３５に記載の光送信装置。
37. 該レーザーのアレーにおけるレーザーの数が該第一及び第二の反射面の長さに比例する、請求項３６に記載の光送信装置。
38. 該第一及び第二の反射面がそれぞれ該レーザーのアレーの長さに比例する長さを有する、請求項３６に記載の光送信装置。
39. 該光学エレメントは、該光学エレメントが平行移動する軸のまわりに回転できる、請求項３８に記載の光送信装置。
40. 光送信装置であって：
    レーザーのアレー；
    集束レンズ；
    可動プラットフォーム；及び
    該可動プラットフォームに結合された第一のミラーと第二のミラー；
    を含み、該第一及び第二のミラーは分離され互いに反対方向に角度を有し、第一のミラーは該レーザーのアレーからの少なくとも一つのレーザーからの光を該第二のミラーに反射し、それが光を集束レンズに反射するようになっている光送信装置。
41. 該第一のミラーは第一の方向に平行移動できる、請求項４０に記載の光送信装置。
42. 該第一の方向は実質的に該レーザーのアレーに実質的に垂直である、請求項４１に記載の光送信装置。
43. 該第二のミラーは第一の方向に平行移動できる、請求項４０に記載の光送信装置。
44. 該第一の方向は実質的に該レーザーのアレーに実質的に垂直である、請求項４３に記載の光送信装置。
45. 光送信装置であって：
    レーザーのアレー；
    レンズ；及び
    二つの反対側に傾斜した側面を有し一方の側面が該レーザーのアレーの少なくとも一つのレーザーからの光を他方の側面に反射し、それが光を該レンズに反射するようになっている光学エレメント；を含む光送信装置。
46. 該光学エレメントがプリズムを含む、請求項４５に記載の光送信装置。
47. さらにレンズのアレーを含み、該レンズのアレーの各レンズはレーザーのアレーの各レーザーに対応している、請求項４６に記載の光送信装置。
48. 該側面は互いの反対方向への斜面である、請求項４５に記載の光送信装置。
49. 光送信装置であって：
    レーザーのアレー；
    光出力；及び
    該レーザーのアレーのレーザーからの光を該光出力に結合する配列されたウエーブガイド格子；を含む光送信装置。
50. 該配列されたウエーブガイド格子は、入力カップラーと、ウエーブガイド・エレメントのアレーと、出力カップラーを含み、該入力カップラーは該レーザーのアレーのレーザーからの光を該配列されたウエーブガイド格子の対応するウエーブガイド・エレメントに結合し、該出力カップラーは該ウエーブガイド・エレメントからの光を該光出力に結合する、請求項４９に記載の光送信装置。
51. 該ウエーブガイド・エレメントが格子を形成する、請求項５０に記載の光送信装置。
52. 該格子が複数の不等長ウエーブガイドを含む、請求項５１に記載の光送信装置。
53. 該レーザーが全体で高密度光波長多重通信システムのための複数の通信チャンネルを提供する、請求項４９に記載の光送信装置。
54. 該レーザーのアレーにおけるレーザーの各々がデータ信号をレーザーによって発生される光信号でヘテロダインすることを可能にする電気吸収変調器を含む、請求項５３に記載の光送信装置。
55. 光送信装置であって：
    レーザーのアレー；
    光出力；及び
    摺動可能なウエーブガイド・セクション；
    を含み、該ウエーブガイド・セクションは複数のカーブしたウエーブガイドを含み、ウエーブガイドは該レーザーのアレーにおけるレーザーによって発生される光が該複数のウエーブガイドの一つによって該光出力に結合されるように定位可能である光送信装置。
56. 該レーザーのアレーにおけるレーザーがある平面にあり；
    該摺動可能なウエーブガイドに含まれるウエーブガイド・エレメントが該レーザーによって形成される平面に隣接する平面にあり；
    該摺動可能なウエーブガイドは該ウエーブガイド・エレメントによって形成される平面内で該レーザーによって発生される光と垂直な方向に平行移動できる、請求項５５に記載の光送信装置。
57. 該ウエーブガイド・エレメントが摺動可能なウエーブガイドの平面内に、該レーザーのアレーの第一のレーザーは摺動可能なウエーブガイドが第一の位置にあるときに該光出力に結合され、該レーザーのアレーの第二のレーザーは摺動可能なウエーブガイドが第二の位置にあるときに該光出力に結合され屡ように位置している、請求項５６に記載の光送信装置。
58. 光送信装置であって：
    レーザーのアレー；
    該レーザーのアレーからの光線を集束させるように位置するレンズ；及び
    該レーザーのアレーの一つからの集束された光線を受け、集束された光線を光出力路に導くように定位できる光学エレメント；
    を含む光送信装置。
59. 該光学エレメントが可動なミラーであり、該レンズは後測焦点面を有し、該ミラーが該レンズの後測焦点面に配置されている、請求項５８に記載の光送信装置。
60. 該集束された光線の光軸が該光出力路の光軸と実質的に平行である、請求項５８に記載の光送信装置。
61. 光送信装置であって：
    レーザーのアレー；
    該レーザーのアレーからの光線を視準するように位置する視準レンズ；
    該レーザーのアレーの一つからの視準された光線を受けるように位置する光偏向器、該偏向器はそれに印加される所定の電圧に応答して視準された光線をシフトさせてシフトされた視準された光線を形成する；及び
    該シフトされた視準された光線を受けるように位置し、集束された光線を光出力路に導く集束レンズ；を含む光送信装置。
62. 該光偏向器が電気−光学的偏向器と音響−光学的偏向器のいずれかであること、請求項６１に記載の光送信装置。

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