JP2009252958A - Variable wavelength laser - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、波長可変レーザに関し、詳しくは、MEMS可動ミラーを用いた波長可変レーザアレイに関するものである。 The present invention relates to a wavelength tunable laser, and more particularly to a wavelength tunable laser array using a MEMS movable mirror.
図6は、従来の波長可変レーザの一例を示す構成断面図である。
InP基板2の上にはミラー層3が形成され、ミラー層3の上には活性層4が形成される。活性層4の上には電極9が形成され、電極9の上方には一定距離をおいてSOI基板6が形成される。また、活性層4とSOI(Silicon on Insulator)基板6の間に光学膜5が形成されている。
InP基板2の裏面には電極8が形成され、SOI基板6の上部には電極10が形成されている。SOI基板6には四角錐状の貫通口が設けられ、その貫通口にボールレンズ7がのせられる。この貫通口の一方の開口部はボールレンズ7の直径より大きく、他方の開口部はボールレンズ7の直径より小さくなっている。
また、光ファイバー1、光学膜5、ボールレンズ7は出射光(レーザ光)の光軸の中心線上に並ぶように配置される。ミラー層3 、活性層4及び光学膜5は光共振器を構成している。
FIG. 6 is a cross-sectional view showing an example of a conventional wavelength tunable laser.
A
An electrode 8 is formed on the back surface of the InP substrate 2, and an electrode 10 is formed on the top of the SOI substrate 6. The SOI substrate 6 is provided with a quadrangular pyramid through hole, and the ball lens 7 is placed on the through hole. One opening of the through hole is larger than the diameter of the ball lens 7 and the other opening is smaller than the diameter of the ball lens 7.
The optical fiber 1, the optical film 5, and the ball lens 7 are arranged so as to be aligned on the center line of the optical axis of the emitted light (laser light). The
次に、動作を説明する。電極8と電極9に電圧を印加することで活性層4に電流が注入され、活性層4に含まれる電子が励起状態になり、光が出射される。この光がミラー層3と光学膜5の間を反射してレーザ発振を行う。すなわち、電流注入による励起方式を採っている。そして、出射光はボールレンズ7を経由して光ファイバー1に入射される。
出射されるレーザ光の発振波長はミラー層3と光学膜5の間の距離で決定される。電極9と電極10に電圧を印加することにより、静電気力で光学膜5が動くので、ミラー層3との間の距離が変化し、波長を変えている。
また、SOI基板6に四角錐状の貫通口を設け、その貫通口にボールレンズ7を配置することにより、光ファイバー1に効率良くレーザ光を取り入れている。
Next, the operation will be described. By applying a voltage to the electrodes 8 and 9, a current is injected into the active layer 4, electrons contained in the active layer 4 are excited, and light is emitted. This light is reflected between the
The oscillation wavelength of the emitted laser light is determined by the distance between the
Further, by providing a quadrangular pyramid through-hole in the SOI substrate 6 and arranging a ball lens 7 in the through-hole, the laser light is efficiently taken into the optical fiber 1.
図7は、MEMS可動ミラーに印加する電圧に対する発振波長を示すグラフである。
印加電圧が0〜78Vでは発振せず、印加電圧が78〜172Vの範囲で波長1525〜1580nmまで発振し、印加電圧が172V以上では発振していない。つまり、発振波長幅がInP基板の特性で決まっており、ミラーの可動範囲を大きくしても波長可変幅は広くならない。
FIG. 7 is a graph showing an oscillation wavelength with respect to a voltage applied to the MEMS movable mirror.
It does not oscillate when the applied voltage is 0 to 78 V, oscillates to a wavelength of 1525 to 1580 nm in the range of 78 to 172 V, and does not oscillate when the applied voltage is 172 V or higher. That is, the oscillation wavelength width is determined by the characteristics of the InP substrate, and even if the movable range of the mirror is increased, the wavelength variable width is not widened.
しかし、このような波長可変レーザには、次のような問題点があった。 However, such a wavelength tunable laser has the following problems.
ある波長範囲で異なる多数の波長のレーザ光を同時に出力することができないという問題がある。
また、波長可変幅がInP基板の特性、つまり活性層の利得波長幅とミラー層の反射波長幅で決まり、MEMS可動ミラーの可動範囲を大きくしても波長可変幅が広くならないという問題がある。
There is a problem that laser beams having a plurality of different wavelengths in a certain wavelength range cannot be output simultaneously.
Further, the wavelength variable width is determined by the characteristics of the InP substrate, that is, the gain wavelength width of the active layer and the reflection wavelength width of the mirror layer, and there is a problem that the wavelength variable width does not become wide even if the movable range of the MEMS movable mirror is increased.
そこで、本発明は、上記のような従来技術の欠点をなくし、ある波長範囲で異なる多数の波長のレーザ光を同時に出力し、また波長可変幅を広げることを目的としたものである。 Therefore, the present invention aims to eliminate the drawbacks of the prior art as described above, to simultaneously output laser beams having a plurality of different wavelengths in a certain wavelength range, and to widen the wavelength variable range.
上記のような目的を達成するために、本発明の請求項1では、第1の半導体基板上に形成された第1の光学多層膜と、第2の半導体基板に形成された第2の光学多層膜とを活性層を介して対向させることにより、前記第1の光学多層膜と前記第2の光学多層膜により光共振器を形成する波長可変レーザにおいて、第1の半導体基板と、この第1の半導体基板の表面に複数設けられた第1の光学多層膜と、この第1の光学多層膜に対応するように複数設けられた第2の半導体基板と、この第2の半導体基板に設けられた第2の光学多層膜及び活性層とを有し、前記第1の半導体基板上に複数の光共振器が形成されることを特徴とする。 In order to achieve the above object, in claim 1 of the present invention, the first optical multilayer film formed on the first semiconductor substrate and the second optical film formed on the second semiconductor substrate are provided. In the wavelength tunable laser in which an optical resonator is formed by the first optical multilayer film and the second optical multilayer film by facing the multilayer film through an active layer, the first semiconductor substrate, A plurality of first optical multilayer films provided on the surface of one semiconductor substrate, a plurality of second semiconductor substrates provided so as to correspond to the first optical multilayer film, and provided on the second semiconductor substrate And a plurality of optical resonators are formed on the first semiconductor substrate. The second optical multilayer film and the active layer are formed on the first semiconductor substrate.
請求項2では、請求項1の波長可変レーザにおいて、前記複数の光共振器のうち少なくとも1つの光共振器の波長範囲は、他の光共振器の波長範囲と異なることを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, in the wavelength tunable laser according to the first aspect, a wavelength range of at least one of the plurality of optical resonators is different from a wavelength range of other optical resonators.
請求項3では、請求項1または2の波長可変レーザにおいて、前記光共振器は、前記第1の半導体基板上に2次元状に配置されることを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the wavelength tunable laser according to the first or second aspect, the optical resonator is two-dimensionally arranged on the first semiconductor substrate.
請求項4では、請求項1乃至3いずれかの波長可変レーザにおいて、前記光共振器から出射される光は、先端が先球レンズに加工されている光ファイバーで受光されることを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in the wavelength tunable laser according to any one of the first to third aspects, the light emitted from the optical resonator is received by an optical fiber whose tip is processed into a tip lens.
請求項5では、請求項1乃至3いずれかの波長可変レーザにおいて、前記光共振器から出射される光は、平面光導波路に形成されている光の導波路で受光されることを特徴とする。 According to a fifth aspect of the present invention, in the wavelength tunable laser according to the first to third aspects, the light emitted from the optical resonator is received by a light waveguide formed in a planar optical waveguide. .
請求項6では、請求項5の波長可変レーザにおいて、前記平面光導波路は、光カップラの機能を有することを特徴とする。 According to a sixth aspect of the present invention, in the tunable laser according to the fifth aspect, the planar optical waveguide has a function of an optical coupler.
本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を説明すれば下記の通りである。 The effects obtained by the typical inventions among those disclosed in the present application will be described as follows.
面発光型の波長可変レーザアレイ素子をパッケージングすることにより、ある波長範囲で異なる多数の波長のレーザ光を同時に出力することができ、また波長可変幅を広げることができる。 By packaging the surface emitting type wavelength tunable laser array element, it is possible to simultaneously output laser beams having a plurality of different wavelengths in a certain wavelength range, and to widen the wavelength tunable width.
以下、図面を用いて、本発明の波長可変レーザを説明する。 Hereinafter, the wavelength tunable laser of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明の一実施例を示す構成図である。図1(A)は側面図、図2(B)は上面図である。 FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of the present invention. 1A is a side view, and FIG. 2B is a top view.
第1の半導体基板(以下、シリコン基板20とする。)の表面に第1の光学多層膜(以下、可動ミラー22とする。)を複数設け、この可動ミラー22に対応するように第2の光学多層膜(以下、半導体多層ミラー23とする。)および活性層24を有した第2の半導体基板(以下、InP基板21とする。)を複数設けることにより、シリコン基板20の上に複数の光共振器が形成される。また、半導体多層ミラー23、活性層24および可動ミラー22は光共振器を構成している。
A plurality of first optical multilayer films (hereinafter referred to as movable mirrors 22) are provided on the surface of a first semiconductor substrate (hereinafter referred to as silicon substrate 20), and a second optical film corresponding to the
つまり、シリコン基板20の上に3個の可動ミラー22がアレイ状に形成され、各可動ミラー22に発振波長の異なるInP基板21がボンディングされて構成されている。
In other words, three
また、活性層24の上には、電極26が形成され、電極26の下方には一定距離をおいてシリコン基板20が形成される。
シリコン基板20の上面に電極27が形成され、裏面に電極28が形成される。電極26と電極27は電気的にも接続されている。InP基板21の上部には電極29が形成される。InP基板21には四角錐状の貫通孔が設けられている。
また、各可動ミラー22の電極27、28の間は絶縁膜25で絶縁され、各可動ミラー22に印加する電圧を独立に制御することができる。
Further, an electrode 26 is formed on the active layer 24, and the silicon substrate 20 is formed below the electrode 26 with a certain distance.
An electrode 27 is formed on the upper surface of the silicon substrate 20 and an electrode 28 is formed on the rear surface. The electrode 26 and the electrode 27 are also electrically connected. An electrode 29 is formed on the
Further, the electrodes 27 and 28 of each
ここで、図1に示す実施例の動作を説明する。電極27と電極29に電圧を印加することにより、電極26を介し活性層24に電流が注入され、活性層24から光が出射される。この光が可動ミラー22と半導体多層ミラー23の間を反射することにより、レーザ発振を行なう。また、電極28と電極27に電圧を印加することにより、可動ミラー22が動くようになる。
Here, the operation of the embodiment shown in FIG. 1 will be described. By applying a voltage to the electrode 27 and the electrode 29, a current is injected into the active layer 24 through the electrode 26, and light is emitted from the active layer 24. This light is reflected between the
つまり、複数の半導体多層ミラー23および活性層24を有したInP基板21を設けた中で、任意の発振波長範囲のInP基板を選択し、このInP基板のみに電圧を印加することにより、任意の発振波長を出射することができる。
That is, an
例えば、シリコン基板20の上に設けるInP基板21の波長範囲を全て1475nm〜1530nmにし、その中から1つのInP基板を選択する場合、このInP基板のみに電圧を印加することにより、任意の発振波長を例えば1490nmとすると、この1490nmの発振波長のみを出射することができる。
For example, when the wavelength range of the
また、シリコン基板20の上に設けるInP基板21の波長範囲を全て1475nm〜1530nmにし、波長1475nm〜1530nmの範囲で任意の発振波長として例えば異なる1490nm、1510nm、1530nmとなるように各可動ミラー22の位置を調整し、各InP基板21毎に電圧に印加することにより、これらの1490nm、1510nm、1530nmの発振波長のレーザ光を同時に出射することができる。
In addition, the wavelength range of the
さらに、複数の光共振器のうち少なくとも1つの光共振器の波長範囲が他の光共振器の波長範囲と異なるように設計する場合、シリコン基板20の上に1種類のInP基板、つまり全て同じ発振波長範囲のInP基板を設けた場合よりも発振波長範囲を広くすることができる。 Furthermore, when designing the wavelength range of at least one of the plurality of optical resonators to be different from the wavelength range of the other optical resonators, one type of InP substrate on the silicon substrate 20, that is, all the same The oscillation wavelength range can be made wider than when an InP substrate in the oscillation wavelength range is provided.
例えば、シリコン基板20の上に設ける3つのInP基板21の発振波長範囲を1つ目のInP基板21は1475nm〜1530nm、2つ目のInP基板21は1525nm〜1580nm、3つ目のInP基板21は1575nm〜1630nmとし、その中から1つ目のInP基板21を選択する場合、このInP基板のみに電圧を印加することにより、任意の発振波長を例えば1500nmとすると、この1500nmの発振波長のみを出射することができ、次に2つ目のInP基板21を選択する場合、このInP基板のみに電圧を印加することにより、任意の発振波長を例えば1560nmとすると、この1560nmの発振波長のみを出射することができ、さらに3つ目のInP基板21を選択する場合、このInP基板のみに電圧を印加することにより、任意の発振波長を例えば1620nmとすると、この1620nmの発振波長のみを出射することができる。
For example, the oscillation wavelength range of the three
また、各InP基板21の半導体多層ミラー23と活性層24がそれぞれの波長範囲で発振可能なように設計されている。
さらに、シリコン基板20の上に設けるInP基板21の各発振波長範囲は、実施例では5nm重なるように設計してあるが、重ならなくても良い。
In addition, the semiconductor multilayer mirror 23 and the active layer 24 of each
Furthermore, although the oscillation wavelength ranges of the
なお、シリコン基板20の材料はシリコンが採用され、InP基板21の材料はInPが採用されているが他の材料を採用しても良い。
Note that silicon is used as the material of the silicon substrate 20 and InP is used as the material of the
図2は、本発明の一実施例を示す構成図である。図2(A)は側面図、図2(B)は上面図である。また、図において、前記図1と同様のものは同一符号を付して示す。 FIG. 2 is a block diagram showing an embodiment of the present invention. 2A is a side view, and FIG. 2B is a top view. In the figure, the same components as those in FIG.
第2の半導体基板(以下、InP基板21とする。)に形成されている第2の光学多層膜(以下、半導体多層ミラー23とする。)および活性層24と、第1の半導体基板(以下、シリコン基板20とする。)の表面に形成されている第1の光学多層膜(以下、可動ミラー22とする。)により光共振器が構成されている。また、半導体多層ミラー23、活性層24および可動ミラー22により構成されている光共振器は、シリコン基板20の上に2次元状に配置されている。
A second optical multilayer film (hereinafter referred to as a semiconductor multilayer mirror 23) and an active layer 24 formed on a second semiconductor substrate (hereinafter referred to as an InP substrate 21), and a first semiconductor substrate (hereinafter referred to as a semiconductor multilayer mirror 23). The optical resonator is constituted by a first optical multilayer film (hereinafter referred to as a movable mirror 22) formed on the surface of the silicon substrate 20. In addition, the optical resonator constituted by the semiconductor multilayer mirror 23, the active layer 24 and the
InP基板21に形成されている半導体多層ミラー23と活性層24がそれぞれの波長範囲で発振可能なように設計することができる。
また、シリコン基板20の上に2次元状に光共振器を配置することができることにより、小型化にすることができ、かつ複数の光共振器、つまりシリコン基板20の上に複数のInP基板21を設けることができるので、1個のInP基板21よりも発振波長範囲を広げることができる。
The semiconductor multilayer mirror 23 and the active layer 24 formed on the
In addition, since the optical resonators can be two-dimensionally arranged on the silicon substrate 20, the size can be reduced, and a plurality of optical resonators, that is, a plurality of
図3は、本発明の一実施例を示す構成図である。また、図において、前記図1と同様のものは同一符号を付して示す。 FIG. 3 is a block diagram showing an embodiment of the present invention. In the figure, the same components as those in FIG.
第2の半導体基板(以下、InP基板21とする。)に形成されている第2の光学多層膜(以下、半導体多層ミラー23とする。)および活性層24と、第1の半導体基板(以下、シリコン基板20とする。)の表面に形成されている第1の光学多層膜(以下、可動ミラー22とする。)により光共振器が構成されている。 A second optical multilayer film (hereinafter referred to as a semiconductor multilayer mirror 23) and an active layer 24 formed on a second semiconductor substrate (hereinafter referred to as an InP substrate 21), and a first semiconductor substrate (hereinafter referred to as a semiconductor multilayer mirror 23). The optical resonator is constituted by a first optical multilayer film (hereinafter referred to as a movable mirror 22) formed on the surface of the silicon substrate 20.
この光共振器と先端が先球レンズに加工されている光ファイバー30の間隔が同じになるように構成されている。つまり、光共振器から出射される光が、先端が先球レンズに加工されている光ファイバー30で受光できるように構成されている。 The optical resonator and the optical fiber 30 whose tip is processed into a tip lens are configured to have the same interval. That is, the light emitted from the optical resonator can be received by the optical fiber 30 whose tip is processed into a tip lens.
また、光共振器と先端が先球レンズに加工されている光ファイバー30の間隔が同じになるように構成し、光学的に結合してレーザモジュールを作製している。 In addition, the optical resonator and the optical fiber 30 whose tip is processed into a tip lens are configured to have the same interval, and are optically coupled to manufacture a laser module.
図4は、本発明の一実施例を示す構成図である。また、図において、前記図1と同様のものは同一符号を付して示す。 FIG. 4 is a block diagram showing an embodiment of the present invention. In the figure, the same components as those in FIG.
第2の半導体基板(以下、InP基板21とする。)に形成されている第2の光学多層膜(以下、半導体多層ミラー23とする。)および活性層24と、第1の半導体基板(以下、シリコン基板20とする。)の表面に形成されている第1の光学多層膜(以下、可動ミラー22とする。)により光共振器が構成されている。 A second optical multilayer film (hereinafter referred to as a semiconductor multilayer mirror 23) and an active layer 24 formed on a second semiconductor substrate (hereinafter referred to as an InP substrate 21), and a first semiconductor substrate (hereinafter referred to as a semiconductor multilayer mirror 23). The optical resonator is constituted by a first optical multilayer film (hereinafter referred to as a movable mirror 22) formed on the surface of the silicon substrate 20.
この光共振器とV溝が形成されている直角折り返しミラー31で固定している光ファイバー30の間隔が同じになるように構成されている。
また、光ファイバー30をV溝が形成されている直角折り返しミラー31で固定し、電極27と電極29に電圧を印加することにより、電極26を介し活性層24に電流が注入され、活性層24から光が出射され、この光が可動ミラー22と半導体多層ミラー23の間を反射することにより、レーザ発振を行なう。このレーザ発振は、直角折り返しミラー31に当たり、当たった角度から90度の方向にある光ファイバー30に入射する。
つまり、光ファイバー30を固定することにより、正確に光共振器から出射される光を光ファイバー30で受光することができる。
The interval between the optical resonator and the optical fiber 30 fixed by the right-angle folding mirror 31 in which the V groove is formed is the same.
Further, the optical fiber 30 is fixed by a right-angle folding mirror 31 in which a V-groove is formed, and a voltage is applied to the electrode 27 and the electrode 29, whereby current is injected into the active layer 24 through the electrode 26, and Light is emitted, and this light is reflected between the
That is, by fixing the optical fiber 30, the light emitted from the optical resonator can be accurately received by the optical fiber 30.
図5は、本発明の一実施例を示す構成図である。また、図において、前記図1と同様のものは同一符号を付して示す。 FIG. 5 is a block diagram showing an embodiment of the present invention. In the figure, the same components as those in FIG.
第2の半導体基板(以下、InP基板21とする。)に形成されている第2の光学多層膜(以下、半導体多層ミラー23とする。)および活性層24と、第1の半導体基板(以下、シリコン基板20とする。)の表面に形成されている第1の光学多層膜(以下、可動ミラー22とする。)により光共振器が構成されている。 A second optical multilayer film (hereinafter referred to as semiconductor multilayer mirror 23) and an active layer 24 formed on a second semiconductor substrate (hereinafter referred to as InP substrate 21), and a first semiconductor substrate (hereinafter referred to as semiconductor multilayer mirror 23). The optical resonator is constituted by a first optical multilayer film (hereinafter referred to as a movable mirror 22) formed on the surface of the silicon substrate 20.
この光共振器とレンズ32および平面光導波路33に形成されている光の導波路の間隔が同じになるように構成されている。つまり、光共振器から出射される光は、レンズ32を通して、平面光導波路33に形成されている光の導波路で受光される。
また、平面光導波路33は、光カップラ34の機能を有している。光カップラ34の機能を有することにより、例えば、受光した光を合成し、出射することができる。
The optical resonator is configured such that the distance between the optical waveguide formed in the lens 32 and the planar optical waveguide 33 is the same. That is, light emitted from the optical resonator is received by the light waveguide formed in the planar optical waveguide 33 through the lens 32.
The planar optical waveguide 33 has a function of the optical coupler 34. By having the function of the optical coupler 34, for example, the received light can be synthesized and emitted.
1 光ファイバー
2 InP基板
3 ミラー層
4 活性層
5 光学膜
6 SOI基板
7 ボールレンズ
8、9、10 電極
20 シリコン基板
21 InP基板
22 可動ミラー
23 半導体多層ミラー
24 活性層
25 絶縁膜
26、27、28、29 電極
30 光ファイバー
31 直角折り返しミラー
32 レンズ
33 平面光導波路
34 光カップラ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Optical fiber 2
Claims (6)
第1の半導体基板と、
この第1の半導体基板の表面に複数設けられた第1の光学多層膜と、
この第1の光学多層膜に対応するように複数設けられた第2の半導体基板と、
この第2の半導体基板に設けられた第2の光学多層膜及び活性層と
を有し、
前記第1の半導体基板上に複数の光共振器が形成されることを特徴とする波長可変レーザ。 The first optical multilayer film formed on the first semiconductor substrate and the second optical multilayer film formed on the second semiconductor substrate are opposed to each other through the active layer, whereby the first optical multilayer film is formed. In a wavelength tunable laser in which an optical resonator is formed by a multilayer film and the second optical multilayer film,
A first semiconductor substrate;
A plurality of first optical multilayer films provided on the surface of the first semiconductor substrate;
A plurality of second semiconductor substrates provided to correspond to the first optical multilayer film;
A second optical multilayer film and an active layer provided on the second semiconductor substrate;
A wavelength tunable laser, wherein a plurality of optical resonators are formed on the first semiconductor substrate.
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