JP2006278769A

JP2006278769A - 波長可変レーザ

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Publication number: JP2006278769A
Application number: JP2005096224A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Yamazaki; 裕幸山崎
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2005-03-29
Filing date: 2005-03-29
Publication date: 2006-10-12
Also published as: TWI360272B; US20060222038A1; DE602006011523D1; EP1708323A2; KR100816578B1; CN100574023C; CA2541049A1; KR20060105506A; AU2006201303A1; TW200707869A; EP1708323B1; EP1708323A3; CN1862898A

Abstract

【課題】従来の波長可変レーザの課題を克服し、高信頼性、高性能かつ低価格であり、しかも波長モニタをより簡易な構成によって行う。
【解決手段】波長可変レーザ５０は、互いに異なる光路長を有するリング状導波路から成る二つリング共振器６１，６２が連結されて成る多重リング共振器６０と、リング共振器６１に一端が結合された入出力側導波路５２と、リング共振器６２に一端が結合された反射側導波路５４と、多重リング共振器６０、入出力側導波路５２及び反射側導波路５４が形成されたＰＬＣ基板５５と、反射側導波路５４の他端に設けられた高反射膜５６と、入出力側導波路５２の他端に結合されたＬＤ５７と、多重リング共振器６０の共振波長を変化させる膜状ヒータ６２ｈと、多重共振器６０に対して高次モードの光の進入を抑え基本モードの光を伝搬させるモードフィルタ７１〜７３と、を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えばＷＤＭ（Wavelength Division Multiplexing）伝送システム等に用いられる波長可変レーザに関する。

ブロードバンド時代を迎え、光ファイバの効率的な活用に向け、一台で複数の光波長の通信が可能なＷＤＭ伝送システムの導入が進んでいる。最近では、数十の光波長を多重化し、より高速な伝送を可能にするＤＷＤＭ装置（高密度波長分割多重装置）の活用も拡がっている。これに伴い、各ＷＤＭ伝送システムには光波長毎に対応した光源が必要となり、高多重化に伴いその必要数は飛躍的に増加している。更に最近では、任意波長を各ノードでAdd/DropするＲＯＡＤＭ（Reconfigurable optical add/drop multiplexers）が、商用化を目指して検討されつつある。このＲＯＡＤＭシステムを導入すれば、波長多重による伝送容量の拡大に加え、波長を変えることによる光路切り換えが可能となるので、光ネットワークの自由度が飛躍的に高まる。

ＷＤＭ伝送システム用の光源としては、これまで単一軸モード発振するＤＦＢ−ＬＤ（Distributed feedback laser diode：分布帰還型半導体レーザ）がその使いやすさ及び信頼性の高さから広く使われてきた。ＤＦＢ−ＬＤは、共振器全域に深さ３０ｎｍ程度の回折格子が形成されており、回折格子周期と等価屈折率の二倍との積に対応した波長で安定した単一軸モード発振が得られる。しかし、ＤＦＢ−ＬＤでは、発振波長の広範囲に渡るチューニングが不可能であるので、ＩＴＵ（international
telecommunication union）グリッド毎に波長のみが異なった製品を用いて、ＷＤＭ伝送システムを構成している。このため、波長毎に異なった製品を用いる必要があるので、棚管理コストが上昇したり、故障対応のための余剰な在庫が必要になったりしていた。更に、波長により光路を切り換えるＲＯＡＤＭでは、通常のＤＦＢ−ＬＤを使用してしまうと、温度変化で変えられる３ｎｍ程度に波長範囲の可変幅が制限されてしまう。したがって、波長資源を積極的に使用するＲＯＡＤＭの特長を活かした光ネットワークの構成が困難となってしまう。

これら現状のＤＦＢ−ＬＤのもつ課題を克服し、広い波長範囲で単一軸モード発振を実現すべく、波長可変レーザの研究が精力的に行われている。以下、下記非特許文献１に詳述されている中から幾つかを例示することにより、従来の波長可変レーザについて説明する。

波長可変レーザは、レーザ素子内に波長可変機構を設けたタイプと、レーザ素子外に波長可変機構を設けたタイプとの、二種類に大別される。

前者の種類では、利得を生み出す活性領域と、回折格子による反射を生み出すＤＢＲ領域とが、同一レーザ素子内に形成されたＤＢＲ−ＬＤ（Distributed Bragg reflector laser diode）が提案されている。このＤＢＲ−ＬＤの波長可変範囲は、最高でも１０ｎｍ程度である。また、利得を生み出す活性領域とこれを前方と後方で挟むＤＢＲ領域とが同一レーザ素子内に形成された、不均一回折格子を用いたＤＢＲ−ＬＤが提案されている。前方と後方のＤＢＲ領域は、不均一回折格子によって多数の反射ピークが発生し、かつ反射ピークの間隔が前方と後方で僅かにずれている。この構造によっていわゆる「バーニア効果」が得られるので、極めて広い波長可変が可能となる。この不均一回折格子を用いたＤＢＲ−ＬＤでは、１００ｎｍを越える波長可変動作及び４０ｎｍの準連続波長可変動作が実現されている。

一方、後者の種類では、レーザ素子外に設けた回折格子を回転させて特定の波長の光をレーザ素子に戻す波長可変レーザが提案されている。また、この種の波長可変レーザには、発振波長を逐次モニタする機構が必要である。従来は、モジュール内にエタロン等の波長選択性のある部品を導入し、これを用いて発振波長の監視を行ってきた。

小林功郎著，「光集積デバイス」，初版２刷，共立出版株式会社，２０００年１２月，ｐ．１０４−１２２

しかしながら、従来の波長可変レーザにおいては、これまで多くの構造が提案されているものの、モードホッピングの発生、複雑な波長制御方法、弱い振動耐性、素子増大による高価格化等の欠点があるため、実用化が困難な状況が続いている。

ＤＢＲ−ＬＤでは、ＤＢＲ領域にキャリア注入を行うことにより、この部分での屈折率を変化させて、波長可変動作を実現している。このため、電流注入により結晶欠陥が増殖すると、電流注入に対する屈折率変化の割合が著しく変動するので、長期に渡り一定波長でのレーザ発振を維持することが難しい。更に、現状の化合物半導体のプロセス技術では、２インチ以上のインチアップは不可能である。そのため、複雑化してサイズの大きくなったレーザ素子では、現状以上の価格低減が難しい。

一方、レーザ素子外に波長可変機構を設けた構成では、振動によってモードジャンプが容易に発生することから、これを避けるための大がかりな耐震機構が必要となる。そのため、モジュールサイズの大型化及び価格の上昇を招いてしまう。また、発振波長のモニタのためには、例えばエタロンに加え受光素子など多くの光学部品が必要となるので、組み立てコストの上昇を招いてしまう。更に、従来から行われているレンズを用いて空間的にレーザ出射面とエタロンとを結合する方法では、エタロンの僅かな位置ずれにより波長確度が変動する。このため、エタロンには高精度の実装技術が必要となり、これが組み立てコスト上昇の原因となっている。

そこで、本発明の目的は、実用化に際して問題となっていた従来の波長可変レーザの課題を克服し、高信頼性、高性能かつ低価格であり、しかも波長モニタをより簡易な構成によって行うことができる波長可変レーザを提供することにある。

本発明に係る波長可変レーザは、リング状導波路から成るとともに互いに異なる光路長を有する複数のリング共振器と、複数のリング共振器が連結されて成る多重リング共振器と、多重リング共振器に結合された入出力側導波路と、入出力側導波路に結合された光入出力手段と、多重リング共振器に結合された反射側導波路と、反射側導波路に結合された光反射手段と、多重リング共振器の共振波長を変化させる波長可変手段と、多重共振器に対して高次モードの光の進入を抑え基本モードの光を伝搬させるフィルタ手段と、を備えたことを特徴とする。

光入出力手段から出射された光は、光入出力手段→入出力側導波路→多重リング共振器→反射側導波路→光反射手段→反射側導波路→多重リング共振器→入出力側導波路→光入出力手段、という経路を通って戻ってくる。この戻り光は、フィルタ手段が例えばこの経路のどこかに設けられているため、基本モードの光である。また、この戻り光は、多重リング共振器の共振波長であるとき、最も強くなる。その理由は、多重リング共振器を構成する各リング共振器はＦＳＲ（free spectral range）が僅かに異なっているため、各リング共振器で発生している反射（透過）の周期的な変化が一致した波長（共振波長）において更に大きな反射が発生するからである。更に、リング共振器のスルーポートを通過する光は、多重リング共振器の共振波長であるときに最も少なくなる。したがって、例えば光学的結合手段のスルーポートにおける光量を検出することにより、多重リング共振器の共振波長を検出することができる。

そして、周期の一致する波長は各リング共振器の円周長と導波路屈折率変化とにより大きく変わるため、効率の良い波長可変動作が得られる。この導波路屈折率は例えば熱光学効果によって変えることができる。熱光学効果とは、熱によって材料の屈折率が増加する現象であり、通常どのような材料も持っている。すなわち、複数のリング共振器の温度特性を利用して、多重リング共振器の共振波長を変化させることが可能である。波長可変手段は、例えばリング共振器を加熱するものでも冷却するものでもよい。このように、本発明では、円周の僅かに異なるリング共振器を複数直列に結合して多重リング共振器を構成し、これにより発生するバーニア効果を巧みに利用している。

次に、フィルタ手段の構成及び作用について説明する。ユーザから求められる高出力特性を実現するには、各リング共振器で発生している損失を極限にまで低減させる必要がある。そこで、フィルタ手段を設けることにより、高次モードの光がリング共振器を周回することを防ぐ。つまり、リング共振器において良好な波長特性を実現するには、高次モードの光がリング共振器内を伝搬することを防ぐ必要がある。高次モードの光の進入を防ぎ、基本モードの光のみを伝搬させるには、モードフィルタの導入が効果的である。モードフィルタは、部分的に幅を狭くした狭幅導波路や、一定範囲の曲率半径を有する曲がり導波路によって構成される。加えて、曲がり導波路を二つ組み合わせたＳ字状の導波路としてもよい。これらの施策により、モード選択性が向上するので、安定な単一軸モード発振が可能である。したがって、多重リング共振器とフィルタ手段との組み合わせにより、良好な波長選択動作が可能となり、長期間にわたる安定した単一軸モード発振特性が実現できる。

また、本発明に係る波長可変レーザは、多重リング共振器、入出力側導波路及び反射側導波路が形成された基板を、更に備えてもよい。基板は、例えばＰＬＣ（Planar Lightwave Circuit）基板である。波長可変手段は、例えば複数のリング共振器の温度特性を利用して、多重リング共振器の共振波長を変化させるものである。具体的には、基板上に設けられた膜状ヒータとしてもよい。膜状ヒータは、基板上に例えば金属膜を形成することにより簡単に得られるので、製造が容易である。光入出力手段は、例えばレーザダイオード（以下「ＬＤ（laser
diode）」という。）、半導体光増幅器（以下「ＳＯＡ（semiconductor optical amplifier）」という。）、光ファイバ増幅器などである。また、本発明に係る波長可変レーザは、多重共振器を伝搬する光を検出する光検出手段と、光検出手段で検出された光に基づき波長可変手段を制御する制御手段と、を更に備えてもよい。光検出手段は、例えばフォトダイオードやフォトトランジスタなどの受光素子であり、例えばいずれかのリング共振器のスルーポートにおいて光を検出する。制御手段は、例えば、多重共振器を伝搬する光の共振波長が一定になるように、波長可変手段を介してフィードバック制御を実行する。

本発明によれば、多重リング共振器の共振波長を変化させるという簡単な構成にもかかわらず、僅かな操作量で大きな波長可変量が得られるとともに、多重リング共振器とフィルタ手段との組み合わせにより、良好な波長選択動作が可能となるので、長期間にわたる安定した単一軸モード発振特性を実現でき、従来に無い安価で高性能かつ高信頼性の波長可変レーザを供給できる。つまり、多重リング共振器を形成した基板に光入出力手段を設け、多重リング共振器の共振波長を変化させることにより、極めて広い範囲の波長のレーザ光を得ることができる。また、半導体レーザへの電流注入や機械的な可動部材を用いていないので、信頼性が高い。しかも、基板に光入出力手段を実装しただけの構成であるから、製造が容易であり、安価である。すなわち、本発明によれば、エタロン等の光学部品を必要とせず、部品組み立ても簡便であることから、モジュールコストを上げることなく、伝送システムに要求される機能を付加することができる。

換言すると、本発明のレーザ構造を用いることにより、通常のＤＦＢ−ＬＤでは得られない広い波長範囲での波長可変動作を、これまでの外部鏡を用いない簡便な構成により実現できる。しかも、通常の外部鏡型の波長可変レーザとは異なり、可動部が存在しないので、高信頼性に加え高い振動衝撃特性を実現できる。これに加えて、波長チューニングは例えば膜状ヒータへの投入電力の制御により行うため、半導体導波路に電流を注入する方式に比較して、特性の経年変化が極めて小さい。以上、本発明に係る波長可変レーザは、従来の波長可変レーザに比較して多くの点で優れており、更に低価格による生産が可能なことから、実用上極めて有効な構成である。

図１は、本発明に係る波長可変レーザの第一実施形態を示す平面図である。以下、この図面に基づき説明する。

本実施形態の波長可変レーザ５０は、互いに異なる光路長を有するリング状導波路から成る二つリング共振器６１，６２と、リング共振器６１，６２が方向性結合器６３，６４及び導波路６５を介して連結されて成る多重リング共振器６０と、リング共振器６１に方向性結合器５１を介して一端が結合された入出力側導波路５２と、リング共振器６２に方向性結合器５３を介して一端が結合された反射側導波路５４と、多重リング共振器６０、入出力側導波路５２及び反射側導波路５４が形成されたＰＬＣ基板５５と、反射側導波路５４の他端に設けられた高反射膜５６と、入出力側導波路５２の他端に無反射膜５７２を介して光入出力端５７１が結合されたＬＤ５７と、多重リング共振器６０の共振波長を変化させる膜状ヒータ６２ｈと、多重共振器６０に対して高次モードの光の進入を抑え基本モードの光を伝搬させるモードフィルタ７１〜７３と、を備えている。

リング共振器６１，６２は例えばＰＬＣ技術で形成されており、リング状導波路等の各種導波路は、例えば、シリコン基板やガラス基板上に石英系ガラスを堆積した石英系ガラス導波路や、強誘電体材料（リチウムナイオベートなど）を薄膜化した強誘電体系導波路などで形成されている。膜状ヒータ６２ｈは、リング共振器６２上に形成された例えばアルミニウム膜であり、両端が通電用の電極になっている。換言すると、膜状ヒータ６２ｈは、ＰＬＣ基板５５上に例えば金属膜を蒸着や付着によって形成可能であり、材質としてはアルミニウム、白金、クロムなどが用いられる。また、ＰＬＣ基板５５は、温度調節手段としてのペルチェ素子（図示せず）の上に設けてもよい。このペルチェ素子は、リング共振器６１のＦＳＲがＩＴＵグリッドに一致するように、ＰＬＣ基板５５の温度を一定に保つ。ＬＤ５７は、無反射膜５７１を介して、入出力側導波路５２の他端に結合されている。高反射膜５６は、例えばＰＬＣ基板５５側面に誘電体多層膜を蒸着や貼り付けによって形成したものである。モードフィルタ７１〜７３は、入出力側導波路５２、連結用の導波路６５及び反射側導波路５４中にそれぞれ作り込まれている。

ＬＤ５７は、ＰＬＣ基板５５上にパッシブアライメント技術により、直接実装されている。パッシブアライメント技術とは、ＰＬＣ基板５５面に形成されたマークパターンとＬＤ５７のチップのマークパターンとを用いて位置決めを行う技術である。パッシブアライメント技術によれば、これまで光モジュール作製の際に行われていた光軸調芯を不要として、モジュール作製のコスト及びリードタイムを大きく改善できる。また、ＬＤ５７をＰＬＣ基板５５上にマウントせずに、両者をレンズなどで結合する形態としてもよい。

次に、波長可変レーザ５０の動作を説明する。

ＬＤ５７から出射された光は、光入出力端５７１→入出力側導波路５２及びモードフィルタ７１→方向性結合器５１→多重リング共振器６０及びモードフィルタ７２→方向性結合器５３→反射側導波路５４及びモードフィルタ７３→高反射膜５６→反射側導波路５４及びモードフィルタ７３→方向性結合器５３→多重リング共振器６０→方向性結合器５１→入出力側導波路５２及びモードフィルタ７１→光入出力端５７１、という経路を通って戻ってくる。この戻り光は、光の経路にモードフィルタ７１〜７３が設けられているため、基本モードの光である。また、この戻り光は、多重リング共振器６０の共振波長であるとき、最も強くなる。その理由は、多重リング共振器６０を構成する各リング共振器６１，６２はＦＳＲが僅かに異なっているため、各リング共振器６１，６２で発生している反射（透過）の周期的な変化が一致した波長（共振波長）において更に大きな反射が発生するからである。

そして、周期の一致する波長は各リング共振器６１，６２の円周長と導波路屈折率変化とにより大きく変わるため、効率の良い波長可変動作が得られる。この導波路屈折率は、膜状ヒータ６２ｈを用いて熱光学効果によって変えることができる。すなわち、リング共振器６１，６２の温度特性を利用して、多重リング共振器６０の共振波長を変化させることが可能である。このように、本実施形態では、円周の僅かに異なるリング共振器６１，６２を直列に結合して多重リング共振器６０を構成し、これにより発生するバーニア効果を巧みに利用している。

図２は波長可変レーザ５０におけるモードフィルタ７１〜７３を示す平面図であり、図２［１］は第一例、図２［２］は第二例、図２［３］は第三例である。以下、図１及び図２に基づき、モードフィルタ７１〜７３の構成及び作用について説明する。

図1において、ＬＤ５７がＰＬＣ基板５５上の端面に実装され、ＬＤ５７の無反射膜５７２側に入出力側導波路５２が結合されている。入出力側導波路５２には二段構成のリング共振器６１，６２が形成され、リング共振器６１，６２間とリング共振器６１，６２の入出力部分とにはそれぞれモードフィルタ７１〜７３が挿入されている。これにより、高次モードの光がリング共振器６１，６２を周回することを防ぐ構造としている。

リング共振器６１，６２において良好な波長特性を実現するには、高次モードの光がリング共振器６１，６２内を伝搬することを防ぐ必要がある。高次モードの光の進入を防ぎ、基本モードの光のみを伝搬させるにはモードフィルタ７１〜７３の導入が効果的である。モードフィルタ７１〜７３は、部分的に幅を狭くした狭幅導波路や、一定の曲率半径を有する曲がり導波路によって構成される。なお、モードフィルタ７１〜７３は、波長選択性向上の観点から三個とも設けた方が好ましいが、いずれか二個又は一個だけでもよい。

一般に、高次モードの光ほど、コアへの閉じこめが少なく、周囲に漏れやすい特性を有する。したがって、狭幅導波路とすると、高次モードの光ほど、コア層以外に漏れだし、コア層を伝搬せず放射しやすくなる。そのため、狭幅導波路は、高次モードの光を遮断するフィルタ手段として機能させることができる。また、コア層に閉じ込められている基本モードの光は、曲がり導波路において放射されることなく伝搬される。しかし、クラッド層にしみ出した高次モードの光は、曲がり導波路において放射されやすくなる。このため、曲がり導波路でも、狭幅導波路と同様に、基本モードの光のみを伝搬させ、高次モードの光を遮断するフィルタ手段として用いることができる。

図２［１］は、狭幅導波路によるモードフィルタ７０ａを示す。モードフィルタ７０ａは、狭幅導波路の幅をこれ以外の導波路よりも１０％〜９０％程度とすることにより、高次モードの光に対して損失を増大させ、基本モードの光を効率よく伝搬させる。すなわち、図示するように、狭幅部導波路の幅をＷ₂、これ以外の導波路の幅をＷ₁としたとき、Ｗ₂は次式を満たすことが望ましい。

0.1Ｗ₁ ≦ Ｗ₂ ≦ 0.9Ｗ₁
0.9Ｗ₁ ＜Ｗ₂では、狭幅導波路とこれ以外の導波路との光伝搬特性が、ほぼ同じになってしまう。また、Ｗ₂
＜ 0.1Ｗ₁では、屈折率分布の非対称性などにより、基本モードですら伝搬できなくなるおそれがある。そのため、前式の上限値及び下限値を定めている。

図２［２］は、曲がり導波路によるモードフィルタ７０ｂを示す。モードフィルタ７０ｂは、リング共振器６１，６２と同程度の曲率半径Ｒを有する曲がり導波路を導入することにより、効果的に高次モードの光を除去する。曲がり導波路の曲率半径Ｒは、リング共振器６１，６２の曲率半径の二倍よりも小さくすることが望ましい。リング共振器６１，６２の曲率半径の二倍よりも大きい場合は、他の導波路との違いが少なくなるため、高次モードの光を十分に遮断できなくなるからである。

図２［３］は、二つの曲がり導波路によるモードフィルタ７０ｃを示す。モードフィルタ７０ｃは、曲がり導波路を二つ組み合わせたＳ字状の導波路であり、モードフィルタ７０ｂと同じ作用を奏する。これらの施策により、モード選択性が向上し、安定な単一軸モード発振が可能である。

以上述べたとおり、本実施形態の波長可変レーザ５０を用いることにより、通常のＤＦＢ−ＬＤでは実現できない広い波長範囲での波長可変動作を、これまでの外部鏡を用いない簡便な構成によって実現できる。更に、通常の外部鏡型の波長可変レーザとは異なり可動部が存在しないので、高信頼性に加え高い振動衝撃特性が実現できる。しかも、波長チューニングは膜状ヒータ６２ｈへの投入電力の制御により行うため、半導体導波路に電流を注入する方式に比較して、特性の経年変化が極めて小さい。更に二段の多重リング共振器６０とモードフィルタ７１〜７３との組み合わせにより、良好な波長選択動作が可能となるので、長期間にわたる安定した単一軸モード発振特性を実現できる。なお、本実施形態の波長可変レーザ５０に、後述する光検出手段や制御手段を設けてもよい。

図３は、本発明に係る波長可変レーザの第二実施形態を示す平面図である。以下、この図面に基づき説明する。

本実施形態の波長可変レーザ１０は、互いに異なる光路長を有するリング状導波路からなる三つのリング共振器２１〜２３と、リング共振器２１〜２３が方向性結合器２４〜２７及び導波路２８，２９を介して連結されて成る多重リング共振器２０と、リング共振器２１に方向性結合器１１を介して一端が結合された入出力側導波路１２と、リング共振器２３に方向性結合器１３を介して一端が結合された反射側導波路１４と、多重リング共振器２０、入出力側導波路１２及び反射側導波路１４が形成されたＰＬＣ基板１５と、反射側導波路１４の他端に設けられた高反射膜１６と、入出力側導波路１２の他端に光入出力端１７２が結合されたＳＯＡ１７と、多重リング共振器２０の共振波長を変化させる膜状ヒータ２２ｈ，２３ｈ及びＳＯＡ１７の位相制御領域１７１と、方向性結合器１１のスルーポート１１ｔにおいて多重リング共振器２０の共振波長を検出する受光素子２１ｐと、多重共振器２０に対して高次モードの光の進入を抑え基本モードの光を伝搬させるモードフィルタ３１〜３４と、を備えたものである。

リング共振器２１〜２３は例えばＰＬＣ技術で形成されており、リング状導波路等の各種導波路は、例えば、シリコン基板やガラス基板上に石英系ガラスを堆積した石英系ガラス導波路や、強誘電体材料（リチウムナイオベートなど）を薄膜化した強誘電体系導波路などで形成されている。膜状ヒータ２２ｈ，２３ｈは、リング共振器２２，２２上に形成された円弧状の例えばアルミニウム膜であり、円弧の両端が通電用の電極になっている。換言すると、膜状ヒータ２２ｈ，２３ｈは、ＰＬＣ基板１５上に例えば金属膜を蒸着や付着によって形成可能であり、材質としてはアルミニウム、白金、クロムなどが用いられる。位相制御領域１７１を有するＳＯＡ１７は、一般的なものであるので、その構造及び動作原理についての説明を省略する。受光素子２１ｐは、フォトダイオードを用いている。また、ＰＬＣ基板１５は、温度調節手段としてのペルチェ素子（図示せず）の上に設けてもよい。このペルチェ素子は、リング共振器２１のＦＳＲがＩＴＵグリッドに一致するように、ＰＬＣ基板１５の温度を一定に保つ。ＳＯＡ１７は、図示しない無反射膜を介して、入出力側導波路１２の他端に結合されている。高反射膜１６は、例えばＰＬＣ基板１５側面に誘電体多層膜を蒸着や貼り付けによって形成したものである。モードフィルタ３１〜３４は、入出力側導波路１２、連結用の導波路２８，２９及び反射側導波路１４の中にそれぞれ作り込まれている。モードフィルタ３１〜３４の具体的な構造は、例えば図２［１］〜［３］に示すように、部分的に幅を狭くした狭幅導波路や、一定の曲率半径を有する曲がり導波路である。なお、モードフィルタ３１〜３４は、波長選択性向上の観点から四個とも設けた方が好ましいが、いずれか三個、二個又は一個だけでもよい。

図４は、本実施形態の波長可変レーザの動作原理を示す説明図である。以下、図３及び図４に基づき、波長可変レーザ１０の動作を説明する。

ＳＯＡ１７から出射された光は、ＳＯＡ１７→入出力側導波路１２及びモードフィルタ３１→方向性結合器１１→多重リング共振器２０及びモードフィルタ３２，３３→方向性結合器１３→反射側導波路１４及びモードフィルタ３４→高反射膜１６→反射側導波路１４及びモードフィルタ３４→方向性結合器１３→多重リング共振器２０及びモードフィルタ３２，３３→方向性結合器１１→入出力側導波路１２及びモードフィルタ３１→ＳＯＡ１７、という経路を通って戻ってくる。この戻り光は、光の経路にモードフィルタ３１〜３４が設けられているため、基本モードの光である。また、この戻り光は、多重リング共振器２０の共振波長であるとき、最も強くなる。その理由は、多重リング共振器２０を構成する各リング共振器２１〜２３はＦＳＲが僅かに異なっているため、各リング共振器２１〜２３で発生している反射（透過）の周期的な変化が一致した波長（共振波長）において更に大きな反射が発生するからである。また、方向性結合器１１のスルーポート１１ｔを通過する光は、多重リング共振器２０の共振波長であるときに最も少なくなる。したがって、スルーポート１１ｔにおける光量を受光素子２１ｐで検出することにより、多重リング共振器２０の共振波長を検出することができる。

一方、共振波長すなわち周期の一致する波長は、各リング共振器２１〜２３の円周長と導波路屈折率変化とにより大きく変わる。この導波路屈折率は熱光学効果によって変えることができる。すなわち、リング共振器２２，２３の温度特性を利用して、膜状ヒータ２２ｈ，２３ｈの通電量を制御することにより、多重リング共振器２０の共振波長を変化させることが可能である。このとき、ＳＯＡ１７から出射される光の波長も、位相制御領域１７１の通電量を制御して変化させる。このように、本実施形態では、円周の僅かに異なるリング共振器２１〜２３を三個直列に結合して多重リング共振器２０を構成し、これにより発生するバーニア効果を巧みに利用している。

図４では、リング共振器２１〜２３の円周長（すなわち光路長）をそれぞれ４０００μｍ、４４００μｍ、４０４０μｍとしたときの、波長と反射率との関係が示されている。このとき、膜状ヒータ２２ｈは微調整用の波長可変手段として動作し、膜状ヒータ２３ｈは粗調整用の波長可変手段として動作する。また、数１０ｐｍ程度の波長制御は、ＳＯＡ１７の位相制御領域１７１へ電流を流すことによって実行する。

図５は、図１の波長可変レーザに制御手段を付加した場合の構成図である。以下、この図面に基づき説明する。ただし、図５において図１と同じ部分は同じ符号を付すことにより説明を省略する。

波長可変レーザ１０には、制御手段１８が付加されている。制御手段１８は、例えばＤＳＰなどのマイクロプロセッサ及びそのプログラムを中心に構成され、受光素子２１ｐで検出された受光量が最低となるように、すなわち共振波長が一定になるように、膜状ヒータ２２ｈ，２３ｈ及び位相制御領域１７１への通電量を制御する。例えば、制御手段１８は、膜状ヒータ２２ｈ，２３ｈ及び位相制御領域１７１への通電量を制御して波長を正弦波状に変化させ、そのときの受光素子２１ｐで得られた光電流の振幅が最小となる波長を探す。このような波長こそが、求める共振波長である。

次に、図３乃至図５に基づき、本実施形態の波長可変レーザ１０について総括的に説明する。

波長可変レーザ１０の構造は、リング共振器２１〜２３のドロップポートの波長透過特性を活用して、共振モードを選択し単一軸モード発振を行うものになっている。多重リング共振器２０を構成している三段のリング共振器２１〜２３の円周長は僅かに異なった設計とする。これにより、三者の共振ピーク波長は数十ｎｍの広い波長範囲でも一箇所でしか一致しないため、これに加えモードフィルタ３１〜３４によってモード選択性が向上しているため、安定な単一軸モード発振が可能である。

主な波長可変動作は、リング共振器２２，２３に形成された膜状ヒータ２２ｈ，２３ｈに通電することで行う。一方、膜状ヒータの形成されていないリング共振器２１のスルーポート１１ｔの出力光を取り出し、これを受光素子２１ｐで電流値に変換して、波長誤差成分を検出する。リング共振器２１〜２３からはドロップポートの他、波長阻止特性を有するスルーポートからの出力光も取り出すことができる。本実施形態では、スルーポートからの出力光を用いて波長検出動作を行う。

換言すると、本実施形態の主な特徴は、スルーポート１１ｔからの光を検出する受光素子２１ｐを装着していること、及び、検出光を分光しているリング共振器２１のＦＳＲがＩＴＵグリッドに一致していることである。後者により、発振波長は、ＩＴＵグリッド一致した離散的な波長で、単一軸モード発振により得られる。このとき、モードフィルタ３１〜３４の有する波長選択性が有効に作用する。ただし、ＩＴＵグリッドからの乖離量が不明となってしまう。これを回避するため、本実施形態では、リング共振器２１のスルーポート１１ｔからの出力光が最小となるよう、波長可変動作を行うリング共振器２２，２３の位相、又はＳＯＡ１７の位相を制御する。具体的には、前述したように、波長を微少変化させ、その結果得られる検出信号の振幅が最も小さくなる波長を選択する、などの方法を用いて波長制御を精密に行う。

なお、本発明は、言うまでもなく、上記各実施形態に限定されるものではない。例えば、多重リング共振器は、二個又は三個のリング共振器に限らず、四個以上のリング共振器を連結させて構成してもよい。また、各リング共振器同士は、方向性結合器のみで直結させて構成してもよい。更に、ＬＤ又はＳＯＡと多重リング共振器とは、同一基板上にモノリシックに集積された構造としてもよい。

本発明に係る波長可変レーザの第一実施形態を示す平面図である。図１の波長可変レーザにおけるモードフィルタを示す平面図であり、図２［１］は第一例、図２［２］は第二例、図２［３］は第三例である。本発明に係る波長可変レーザの第二実施形態を示す平面図である。図１の波長可変レーザの動作原理を示す説明図である。図１の波長可変レーザに制御手段を付加した場合の構成図である。

符号の説明

１０，５０波長可変レーザ
１１，５１，５３方向性結合器
１１ｔスルーポート
１２，５２入出力側導波路
１４，５４反射側導波路
１５，５５ＰＬＣ基板（基板）
１６，５６高反射膜（光反射手段）
１７ＳＯＡ（光入出力手段）
１７１位相制御領域（波長可変手段）
１８制御手段
２０，６０多重リング共振器
２１ｐ受光素子（光検出手段）
２１，２２，２３，６１，６２リング共振器
２２ｈ，２３ｈ，６２ｈ膜状ヒータ（波長可変手段）
２４，２５，２７，６３，６４方向性結合器（光学的結合手段）
２８，２９，６５連結用の導波路（光学的結合手段）
３１，３２，３３，３４，７１，７２，７３，７０ａ，７０ｂ，７０ｃモードフィルタ（フィルタ手段）
５７ＬＤ（光入出力手段）

Claims

リング状導波路から成るとともに互いに異なる光路長を有する複数のリング共振器と、これらのリング共振器が連結されて成る多重リング共振器と、この多重リング共振器に結合された入出力側導波路と、この入出力側導波路に結合された光入出力手段と、前記多重リング共振器に結合された反射側導波路と、この反射側導波路に結合された光反射手段と、前記多重リング共振器の共振波長を変化させる波長可変手段と、前記多重共振器に対して高次モードの光の進入を抑え基本モードの光を伝搬させるフィルタ手段と、
を備えたことを特徴とする波長可変レーザ。
前記多重リング共振器、前記入出力側導波路及び前記反射側導波路が形成された基板を更に備え、
前記フィルタ手段は、前記基板に形成されたモードフィルタである、
請求項１記載の波長可変レーザ。
前記複数のリング共振器は、連結用導波路を含む光学的結合手段によって連結され、
前記モードフィルタは、前記連結用導波路、前記入出力側導波路及び前記反射側導波路の中の少なくとも一つに形成された、
請求項２記載の波長可変レーザ。
前記モードフィルタは、基本モードの光を伝搬させる幅を有する狭幅導波路から成る、
請求項２又は３記載の波長可変レーザ。
前記モードフィルタは、基本モードの光を伝搬させる曲率半径を有する曲がり導波路から成る、
請求項２又は３記載の波長可変レーザ。
前記多重リング共振器を伝搬する光を検出する光検出手段と、
この光検出手段で検出された光に基づき前記波長可変手段を制御する制御手段と、
を更に備えた請求項１乃至５のいずれかに記載の波長可変レーザ。
前記光反射手段が反射膜であり、前記光入出力手段がレーザダイオード又は半導体光増幅器であり、前記波長可変手段が膜状ヒータであり、前記基板がＰＬＣ基板であり、前記光検出手段が受光素子であり、
前記制御手段は、前記受光素子で検出された受光量が最小になるように前記膜状ヒータへの通電量を制御する、
請求項６記載の波長可変レーザ。