JP2010008838A - 光共振器及びレーザ光源 - Google Patents

Abstract

【課題】Ｓｉ細線光導波路に好適に応用することが可能であり、構造が簡単であるとともに作成が容易である。
【解決手段】
クラッドＣＬで周囲を囲まれた、クラッドよりも屈折率が大きなコアＣＯで構成された光導波路１４を備える。光導波路は、光共振部としての無終端の周回型光導波路１６と、周回型導波路に光を入出力する両端を有する入出力用光導波路１８とを備えていて、入出力用光導波路は、光周回型光導波路に一体的に結合している。
【選択図】図１

Description

この発明は、光共振器及びレーザ光源に関する。

近年、光通信技術と半導体技術との融合を目指して、Ｓｉを導波路材料とする取り組みがなされ始めている。この分野において、Ｓｉで形成したコアを、Ｓｉよりも低屈折率なクラッド（例えばＳｉＯ_２）で覆った構造の光導波路を特に、Ｓｉ細線光導波路と呼ぶ。

Ｓｉ細線光導波路は、コアとクラッドとの屈折率差が極めて大きいために、光を強くコア中に閉じ込めることができる。これにより、コアの断面寸法をサブミクロンオーダーとすることができる。

さらに、Ｓｉ細線光導波路は、屈折率差が極めて大きいために、非常に小さい曲率半径の曲線導波路を実現することが可能である。より具体的には、光のロスを実用上許容できる範囲に止めながら、光導波路の曲率半径を１μｍ程度まで小さくすることができる。

これらのことから、Ｓｉ細線光導波路を用いれば、Ｓｉ電子デバイスと同程度の寸法の光回路を実現可能であり、一つのチップ上で光技術と電子技術とを融合するための有力な候補技術と看做されている。

Ｓｉ細線光導波路の分野では、光共振器として、作成が容易なリング形状のものが良く用いられる。このリング状光共振器を作成するに当たり、最も技術的に困難な点は、リング状光導波路と入出力用光導波路の配置である。

両光導波路の配置については、従来からさまざまな試みがなされている。例えば、リング状光導波路に入出力用光導波路を近接配置する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。しかし、この技術では、リング状光導波路と入出力用光導波路との間に微細な間隔を確保する必要があり、作成に大きな困難が伴う。

この困難を解決するために、リング状光導波路の上下を入出力用光導波路でサンドイッチする構造が提案されている（例えば、特許文献２参照）。しかし、この構造は、製造プロセス数が大幅に増加してしまうという欠点がある。

また、入出力用光導波路を近接配置せずに、光スイッチを用いてリング状光導波路に光を入出力する方法も提案されている（例えば、特許文献３参照）。しかし、この方法では、素子の寸法が大きくなるとともに、素子構造が複雑になるという欠点を有している。
特開２００８−６０４４５号公報 特開２００４−２７９９８２号公報 特開平５−１８１０２８号公報

この発明の発明者は、鋭意検討の結果、周回型光導波路に入出力用光導波路を交差させるか、又は丁字形に接続するという極めて簡単な構造の光共振器で、上述した課題を解決できることに想到した。

従って、この発明の目的は、Ｓｉ細線光導波路に好適に応用することが可能であり、構造が簡単であるとともに作成が容易な、光共振器及びレーザ光源を提供することにある。

上述の目的の達成を図るために、この発明の光共振器は、クラッドで周囲を囲まれた、クラッドよりも屈折率が大きなコアで構成された光導波路を備える光共振器であって、光導波路は、光共振部としての無終端の周回型光導波路と、周回型導波路に光を入出力する両端を有する入出力用光導波路とを備えていて、入出力用光導波路は、光周回型光導波路に一体的に結合している。

上述の光共振器の実施の形態によれば、周回型光導波路が円形であることが好ましい。

上述の光共振器の実施の形態によれば、入出力用光導波路が１本の線分状であることが好ましい。

上述の光共振器の実施の形態によれば、入出力用光導波路が周回型光導波路に丁字形に結合していることが好ましい。

上述の光共振器の実施の形態によれば、入出力用光導波路が周回型光導波路に交差していることが好ましい。

上述の光共振器の実施の形態によれば、入出力用光導波路と周回型光導波路との交差点が１個であることが好ましい。

上述の光共振器の実施の形態によれば、入出力用光導波路と周回型光導波路との交差点が２個であることが好ましい。

上述の光共振器の実施の形態によれば、入出力用光導波路が２本の線分状であることが好ましい。

上述の光共振器の実施の形態によれば、２本の入出力用光導波路の双方ともが、周回型光導波路に丁字形に結合していることが好ましい。

上述の光共振器の実施の形態によれば、２本の入出力用光導波路の双方ともが、周回型光導波路と交差していることが好ましい。

上述の光共振器の実施の形態によれば、２本の入出力用光導波路の一方が、周回型光導波路と交差し、かつ、２本の入出力用光導波路の他方が、周回型光導波路に丁字形に結合していることいることが好ましい。

上述の光共振器の実施の形態によれば、周回型光導波路が８の字形であることが好ましい。

上述の光共振器の実施の形態によれば、入出力用光導波路が１本の線分状であることが好ましい。

上述の光共振器の実施の形態によれば、入出力用光導波路が、周回型光導波路の前記８の字の交点のみで周回型光導波路と交差していることが好ましい。

上述の光共振器の実施の形態によれば、コアを構成する材料がＳｉであり、クラッドを構成する材料がＳｉＯ_２であることが好ましい。

上述の光共振器の実施の形態によれば、コアの屈折率が前記クラッドの屈折率の１．４倍以上の大きさであることが好ましい。

また、この発明のレーザ光源は、上述の周回型光導波路の一部領域に活性領域が設けられていることを特徴とする。

この発明は上述のように構成したので、Ｓｉ細線光導波路に好適に応用することが可能であり、構造が簡単であるとともに作成が容易な、光共振器及びレーザ光源を提供できる。

以下、図面を参照して、この発明の実施の形態について説明する。なお、各図は、各構成要素の形状、大きさ及び配置関係について、この発明が理解できる程度に概略的に示したものにすぎない。また、以下、この発明の好適な構成例について説明するが、各構成要素の材質及び数値的条件などは、単なる好適例にすぎない。従って、この発明は、以下の実施の形態に何ら限定されない。また、各図において、共通する構成要素には同符号を付し、その説明を省略することもある。

（実施の形態１）
図１〜３を参照して、実施の形態１の光共振器について説明する。

図１は、実施の形態１の光共振器の概略的な構造を示す斜視図である。なお、図１においては、光導波路に対応する部分に斜線を施してある。図２は、図１の光共振器の出力特性を示す図である。

図１を参照すると、光共振器１０は、例えば矩形状であって、平坦面を有する基板１１に形成されている。より詳細には、基板１１は、Ｓｉを材料とする下層１１ａと、ＳｉＯ_２を材料とし、後述する光導波路１４が形成されている上層１１ｂとを備えている。図１において、光導波路１４の領域にはハッチングを施して示してある。

光共振器１０は、上層１１ｂ中に光導波路１４を備えている。この光導波路１４は、光共振部としての無終端の周回型光導波路１６と、周回型導波路１６に一体的に結合されていて、周回型導波路１６に光を入出力する両端を有する入出力用光導波路１８とを備えている。

より詳細には、コアＣＯとしての光導波路１４は、屈折率ｎ２が３．５であるＳｉを材料として形成されている。この光導波路１４は、クラッドＣＬとして機能する上層１１ｂのＳｉＯ_２膜（屈折率ｎ１＝１．４６）で周囲を囲まれている。つまり、この実施の形態の光導波路１４は、いわゆるＳｉ細線導波路である。

周回型光導波路１６は、無終端で円形のリング状である。周回型光導波路１６の光伝播方向に直交する平面で切断した断面形状（横断面形状）が正方形状に形成されている。ここで、この正方形の寸法は、好ましくは、例えば、縦約０．３μｍ及び横約０．３μｍとする。また、周回型光導波路１６のリングの半径は、好ましくは、例えば約３μｍとする。

入出力用光導波路１８は、周回型光導波路１６に十字クロスのように平面的に交差する１本の線分状に形成されている。より詳細には、入出力用光導波路１８は、周回型光導波路１６の外側から内側に跨るように、１個の交差点Ｃで、周回型光導波路１６に交差している。

なお、ここで、入出力用光導波路１８は、周回型光導波路１６のリングに対して例えば垂直に交わっている。換言すれば、入出力用光導波路１８を延長した直線が、周回型光導波路１６のリングの中心を通るように、入出力用光導波路１８が周回型光導波路１６にリングを含む平面内で交差している。

ここで、入出力用光導波路１８の基板１１の上層１１ｂの側面に露出した一端部を第１光入出力端１８ａとし、及び、入出力用光導波路１８の第１光入出力端１８ａの反対側の他端部を第２光入出力端１８ｂとする。なお、詳細は後述する動作の項で説明するが、第２光入出力端１８ｂの表面には、光の反射を防止する反射防止膜が設けられている。

入出力用光導波路１８の横断面形状は、周回型光導波路１６と同様に、０．３×０．３μｍの正方形状とする。

光導波路１４と基板１１の下層１１ａとの間の間隔は、光導波路１４から下層１１ａの光の漏れ出しを防ぐために、好ましくは、例えば約１μｍ以上とする。また、光導波路１４と基板１１の第１主面、すなわち上層１１ｂの露出表面、との間隔は、好ましくは、例えば、約１μｍとする。

次に、光共振器１０の製造方法について簡単に説明する。光共振器１０は、市販のＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を材料として用い、従来周知の半導体製造プロセスを応用して製造することができる。

すなわち、ＳＯＩ基板に公知のフォトリソグラフィー工程を用いて、光導波路１４の平面形状パターンを転写する。これにより、ＳｉＯ_２／Ｓｉの積層構造を有する構造体のＳｉＯ_２表面に、Ｓｉ単結晶を材料とする光導波路１４が形成される。

その後、公知のＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などにより、光導波路１４を覆い隠すようにクラッドＣＬとしてのＳｉＯ_２膜を成膜する。

これにより、図１に示したように、クラッドＣＬとしてのＳｉＯ_２膜（上層１１ｂ）の内部にコアＣＯとしての光導波路１４が形成された光共振器１０が得られる。

続いて、光共振器１０の動作について説明する。

光共振器１０には、第１光入出力端１８ａから光が入力される。入力された光は、入出力用光導波路１８を周回型光導波路１６方向に向かって伝播し、交差点Ｃに至る。

交差点Ｃにおいて、光は散乱され、一部が周回型光導波路１６に結合され、周回型光導波路１６を周回し始める。

交差点Ｃにおいて、散乱されなかった光は、入出力用光導波路１８を第２光入出力端１８ｂに向かって伝播し、第２光入出力端１８ｂに設けられた反射防止膜により入出力用光導波路１８の外部に散乱される。

なお、第２光入出力端１８ｂに反射防止膜を設けるのは、入出力用光導波路１８の第１及び第２光入出力端１８ａ及び１８ｂとの間で不要な光共振器が形成されることを防止するためである。

一方、周回型光導波路１６に結合された光は、周回型光導波路１６を周回する過程で、周回型光導波路１６の光路長により定まる特定波長の光が共振により増幅される。

増幅された光の一部は、交差点Ｃを通過するたびごとに、散乱されて、一部が入出力用光導波路１８に結合される。そして、第１光入出力端１８ａから出力される。

なお、周回型光導波路１６を周回して増幅された光を入出力用光導波路１８の第１光入出力端１８ａ側に、確実に出力させるために、周回型光導波路１６の光路長を設計段階から適切に決定することにより、光の位相を調整しておけばよい。

次に、図２を参照して、光共振器１０の出力特性について説明する。図２において、縦軸は、第１光入出力端１８ａから出力される光の強度比率（出力光の強度／入力光の強度）（任意単位）を示し、横軸は光の波長（μｍ）を示す。

なお、図２は、ＦＤＴＤ法（Ｆｉｎｉｔｅ−ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｔｉｍｅ−ｄｏｍａｉｎ ｍｅｔｈｏｄ）を用いて、第１光入出力端１８ａから入力する光の波長を変化させながら、出力される光の波長及び強度をシミュレーションして得た特性曲線図である。

図２を参照すると、一定の波長間隔で光強度のピークが見られる。このことから、光共振器１０が単一の光路長を有する典型的な光共振器として動作していることが分かる。つまり、入出力用光導波路１８が寄生の光共振器として動作していないことが分かる。

このように、この実施の形態のＳｉ細線光導波路製の光共振器１０は、構造が非常に簡単であり、かつ半導体製造プロセスを応用することによって、作成容易である。

この実施の形態では、入出力用光導波路１８が周回型光導波路１６と交差する場合を説明したが、図３（Ａ）に示すように、光共振器１０を入出力用光導波路１８が周回型光導波路１６に丁字形に結合するよう構成してもよい。このようにすることによっても、製造容易かつ構造が簡単なＳｉ細線導波路製の光共振器が得られる。

この実施の形態においては、入出力用光導波路１８が、周回型光導波路１６に対して十字クロス又は丁字クロスのように垂直に交差する場合を説明した。しかし、入出力用光導波路１８は、周回型光導波路１６に垂直に交差させなくともよく、例えば図３（Ｂ）に示すように、入出力用光導波路１８の延長線がリング中心から外れた状態で、リングを含む平面内で交差していれば、単一の光路を有する典型的な光共振器を提供できる。

また、この実施の形態においては、周回型光導波路１６が円形又はほぼ完全な円形である場合について説明した。しかし、周回型導波路１６は、周回する光のロスを実用上許容できる範囲に抑えることができれば、円形には限定されない。例えば、楕円形や、頂点が丸められた多角形であってもよい。

（実施の形態２）
図４〜図６を参照して、実施の形態２の光共振器について説明する。

図４は、実施の形態２の光共振器２０の概略的な構造を示す平面図である。なお、図４においては、光導波路に対応する部分に斜線を施してある。図５は、図４の光共振器の出力特性を示す特性曲線図である。

図４を参照すると、光共振器２０は、（１）入出力用光導波路２４が２本である点、及び、（２）入出力用光導波路２４のそれぞれの対向端にグレーティング２６Ｇ及び２８Ｇが設けられている点が、光共振器１０（図１）と異なっている。従って、以下の記載においては、実施の形態１の光共振器１０と同様の構成要素には同符号を付し、それぞれの説明の必要がある場合を除き、重複する説明を適宜省略する。

光共振器２０は、基板１１に形成されている。なお、基板１１の積層構造、及び光導波路２２の基板１１中における厚み方向の配置は図１と同様である。

光共振器２０は、コアＣＯとしての光導波路２２と、光導波路２２を囲むクラッドＣＬとしての上層１１ｂ（図１）とで構成されている。なお、光導波路２２を構成する材料は、光共振器１０と同様にＳｉである。また、クラッドＣＬを構成する材料も、光共振器１０と同様にＳｉＯ_２である。

光共振器２０は、光導波路２２として、周回型光導波路１６と、入出力用光導波路２４とを備えている。

ここで、周回型光導波路１６の構成は、寸法を含めて実施の形態１と同様である。

入出力用光導波路２４は、周回型光導波路１６にそれぞれ交差する２本の線分状に形成されている。そして、入出力用光導波路２４は、周回型光導波路１６のリングの中心を通る直線上の交差点Ｃ１及びＣ２という２個の交差点で周回型導波路１６に平面的に交差している。

より詳細には、入出力用光導波路２４は、第１入出力用光導波路２６と、第２入出力用光導波路２８とを備えている。

第１入出力用光導波路２６は、さらに、本体部２６Ｂと、グレーティング２６Ｇとを備えている。この本体部２６Ｂは、周回型光導波路１６のリングに対して交差点Ｃ１で十字クロス形で垂直に交差している。この本体部２６Ｂは、基板１１の上層１１ｂの側面に露出した一端部である第１光入出力端２６Ｂａと、本体部２６Ｂの第１光入出力端２６Ｂａの反対側の他端部である第２光入出力端２６Ｂｂとを有している。

ここで、本体部２６Ｂの部分のうち、周回型光導波路１６から、そのリングの中心側へ突出している部分、すなわち交差点Ｃ１から第２光入出力端２６Ｂｂとの間に位置する部分を、特に、戻し光導波路領域２６Ｂｃと称する。この実施の形態では、戻し光導波路領域２６Ｂｃの光伝播方向に測った長さを、好ましくは、例えば約０．５μｍとする。なお、戻し光導波路領域２６Ｂｃの長さについては後述する。

グレーティング２６Ｇは、本体部２６Ｂの延長線上に第２光入出力端２６Ｂｂに対向して形成されている。グレーティング２６Ｇは、互いに離間して配置された、第１セグメント２６Ｇａと第２セグメント２６Ｇｂとを備えている。

第１及び第２セグメント２６Ｇａ及び２６Ｇｂの光伝播方向、すなわち本体部２６Ｂの延長線に沿って測った長さは、好ましくは、例えば約０．１１μｍとする。そして、第１及び第２セグメント２６Ｇａ及び２６Ｇｂ間の間隔を、好ましくは、例えば約０．２６μｍとする。なお、グレーティング２６Ｇの寸法については後述する。

第２入出力用光導波路２８は、周回型光導波路１６の中心に対して第１入出力用光導波路２６と面対称的に配置されている。この、第２入出力用光導波路２８は、本体部２８Ｂと、グレーティング２８Ｇとを備えている。この本体部２８Ｂは、本体部２６Ｂと同様に、周回型光導波路１６のリングに対して交差点Ｃ２で垂直に交差している。この本体部２８Ｂは、基板１１の上層１１ｂの側面に露出した一端部である第１光入出力端２８Ｂａと本体部２８Ｂの第１光入出力端２８Ｂａの反対側の他端部である第２光入出力端２８Ｂｂとを有している。

ここでは、本体部２８は、本体部２６Ｂと同様に、交差点Ｃ２から第２光入出力端２８Ｂｂとの間に位置する戻し光導波路領域２８Ｂｃと称する部分を有している。この実施の形態では、戻し光導波路領域２８Ｂｃの光伝播方向に測った長さを、好ましくは、例えば約０．５μｍとする。なお、戻し光導波路領域２８Ｂｃの長さについては後述する。

グレーティング２８Ｇは、本体部２８Ｂの延長線上に第２光入出力端２８Ｂｂに対向して形成されている。グレーティング２８Ｇは、互いに離間して配置された、第１セグメント２８Ｇａと第２セグメント２８Ｇｂとを備えている。

第１及び第２セグメント２８Ｇａ及び２８Ｇｂの長さを、好ましくは、例えば約０．１１μｍとする。そして、第１及び第２セグメント２８Ｇａ及び２８Ｇｂ間の間隔を、好ましくは、例えば約０．２６μｍとする。なお、グレーティング２８Ｇの寸法については後述する。

続いて、光共振器２０の動作について説明する。

光共振器２０には、第１入出力用光導波路２６の第１光入出力端２６Ｂａから光が入力される。入力された光は、第１光入出力用導波路２６を周回型導波路１６方向に向かって伝播し、交差点Ｃ１に至る。

交差点Ｃ１において光は散乱され、一部が周回型導波路１６に結合され、周回型導波路１６を周回し始める。

交差点Ｃ１において、散乱されなかった光は、第１光入出力用導波路２６の戻し光導波路領域２６Ｂｃをグレーティング２６Ｇ方向に伝播し、グレーティング２６Ｇに至る。

グレーティング２６Ｇに至った光のうち、グレーティング２６Ｇの寸法で決定される特定波長の光（この実施の形態では、波長１．５５μｍの光）のみが反射され、戻し光導波路領域２６Ｂｃを再び交差点Ｃ１方向に伝播して、交差点Ｃ１に至り、散乱されて、一部が周回型導波路１６に結合される。

一方、周回型光導波路１６に結合された光は、周回型光導波路１６を周回する過程で、周回型光導波路１６の光路長により定まる特定波長の光が共振により増幅される。

増幅された光の一部は、交差点Ｃ２を通過するたびごとに、散乱されて、一部が第２光入出力用導波路２８に結合される。

なお、周回型光導波路１６を周回して増幅された光を第２入出力用光導波路２８に、確実に出力させるために、周回型光導波路１６の光路長を設計段階から適切に決定することにより、光の位相を調整しておけばよい。ここで、光路長の位相の調整は、シミュレーションで所望の波長の出力が最大となるように決定すればよい。

第２光入出力用導波路２８に結合された光のうち、第１光入出力端２８Ｂａ方向に伝播する光は、第１光入出力端２８Ｂａから出力される。一方、第２光入出力用導波路２８に結合された光の内、戻し光導波路領域２８Ｂｃ方向に伝播する光は、グレーティング２８Ｇで反射され、伝播方向を変えられて、第１光入出力端２８Ｂａから出力される。

次に、図５を参照して、光共振器２０の出力特性について説明する。図５において、縦軸は、第１光入出力端２８Ｂａから出力される光の強度比率（出力光の強度／入力光の強度）（任意単位）を示し、横軸は光の波長（μｍ）を示す。

なお、図５は、図２と同様にＦＤＴＤ法を用いて、第１光入出力端２６Ｂａから入力する光の波長を変化させながら、第１光入出力端２８Ｂａから出力される光の波長及び強度を計算したものである。

図５を参照すると、図２の場合よりも明確ではないが、ほぼ一定の波長間隔で光強度のピークが見られるといえる。

また、図２と比較した場合に図５では、ピーク強度が大きいことが分かる。これは、光共振器２０においては、グレーティング２６Ｇにより、戻し光導波路領域２６Ｂｃを伝播する光を交差点Ｃ１において周回型光導波路１６に結合させていること、及び、グレーティング２８Ｇにより、戻し光導波路領域２８Ｂｃを伝播する光を第１光入出力端２８Ｂａ方向に戻していることによると推測される。

すなわち、光共振器２０は、実施の形態１の光共振器１０に比べて、光の利用効率が高いといえる。

このように、この実施の形態のＳｉ細線光導波路製の光共振器２０は、構造が非常に簡単であり、かつ半導体製造プロセスを応用することで作成容易となることが分かった。

この実施の形態では、第１及び第２入出力用光導波路２６及び２８がグレーティング２６Ｇ及び２８Ｇを備えている場合につき説明した。しかし、光の利用効率が実用上十分といえる場合には、図６（Ａ）に示すように、グレーティング２６Ｇ及び２８Ｇを設けなくてもよい。

この実施の形態では、２本の入出力用光導波路２６及び２８が、周回型光導波路１６に交差する場合につき説明した。しかし、図６（Ｂ）に示すように第１及び第２入出力用光導波路２６及び２８の双方ともが、周回型光導波路１６に丁字形に結合していてもよい。

また、図６（Ｃ）に示すように、第１入出力用光導波路２６が、周回型光導波路１６と十字クロス形で交差し、かつ、第２入出力用光導波路２８が、周回型光導波路１６に丁字形に結合していてもよい。

（実施の形態３）
図７〜図１０を参照して実施の形態３の光共振器について説明する。

図７は、実施の形態３の光共振器の概略的な構造を示す平面図である。なお、図７においては、光導波路に対応する部分に斜線を施してある。図８は、この実施の形態の光共振器における光伝播経路の説明に供する模式図である。図９は、図７の光共振器の出力特性を示す特性曲線図である。

図７を参照すると、光共振器４０は、（１）入出力用光導波路４４が、周回型光導波路１６のリングを貫いており、その結果、入出力用光導波路４４と周回型光導波路１６とが２つの交差点Ｃ３及びＣ４で交差している点が光共振器１０（図１）と異なっている。従って、以下の説明においては、実施の形態１の光共振器１０と同様の構成要素には同符号を付し、それぞれの説明の必要がある場合を除き、その説明を適宜省略する。

光共振器４０は、基板１１に形成されている。なお、基板１１の積層構造、及び光導波路４２の基板１１中における厚み方向の配置は実施の形態１と同様である。

光共振器４０は、コアＣＯとしての光導波路４２と、光導波路４２を囲むクラッドＣＬとしての上層１１ｂ（図１）とで構成されている。なお、光導波路４２を構成する材料は、光共振器１０と同様にＳｉである。また、クラッドＣＬを構成する材料も、光共振器１０と同様にＳｉＯ_２である。

光共振器４０は、光導波路４２として、周回型光導波路１６と、入出力用光導波路４４とを備えている。

ここで、周回型光導波路１６の構成は、寸法を含めて実施の形態１と同様である。

入出力用光導波路４４は、周回型光導波路１６と２点の交差点Ｃ３及びＣ４で交差する１本の線分状に形成されていて、周回型光導波路１６のリングの中心を貫くように、周回型光導波路１６のリングに対して垂直に面的に交差している。

ここで、入出力用光導波路４４の基板１１の上層１１ｂの側面に露出した一端部を第１光入出力端４４ａとし、及び、同じく上層１１ｂの側面に露出した、入出力用光導波路４４の第１光入出力端４４ａの反対側の他端部を第２光入出力端４４ｂとする。

入出力用光導波路４４の断面の寸法は、実施の形態１の入出力用光導波路１８と同様に０．３×０．３μｍの正方形状である。

続いて、光共振器４０の動作について説明する。

光共振器４０には、入出力用光導波路４４の第１光入出力端４４ａから光が入力される。入力された光は、入出力用導波路４４を周回型導波路１６方向に向かって伝播し、交差点Ｃ３に至る。交差点Ｃ３において光は散乱され、一部が周回型導波路１６に結合され、周回型導波路１６を周回し始める。交差点Ｃ３において、散乱されなかった光は、光入出力用導波路４４を交差点Ｃ４方向に伝播する。

交差点Ｃ４に至った光は、交差点Ｃ４で再び散乱され、一部が周回型光導波路１６に結合され、周回型光導波路１６を周回し始める。交差点Ｃ４において、散乱されなかった光は、入出力用光導波路４４を第２光入出力端４４ｂ方向に伝播し、第２光入出力端４４ｂから、外部へと捨てられる。

一方、周回型光導波路１６に結合された光は、周回型光導波路１６を周回する過程で、光共振器４０の光路長により定まる特定波長の光が共振により増幅される。

共振により増幅された光は、交差点Ｃ４で散乱され第２光入出力端４４ｂから出力される。なお、周回型光導波路１６を周回して増幅された光を第２光入出力端４４ｂに、確実に出力させるために、周回型光導波路１６の光路長を設計段階から適切に決定することにより、光の位相を調整しておけばよい。

なお、光共振器４０においては、入出力用光導波路４４が周回型光導波路１６を貫いて配置されている。その結果、光共振器４０には、周回型導波路１６及び入出力用光導波路４４を組み合わせたさまざまな光路長の光伝播経路が形成されるとこに留意が必要である。

この点について図８を参照してより詳細に説明する。図８（Ａ）及び（Ｂ）は、交差点Ｃ３で周回型光導波路１６に結合された光が取り得る光伝播経路の一例を説明するための模式図である。

図８（Ａ）は、交差点Ｃ３で周回型光導波路１６に結合された光が、周回型光導波路１６を一周して再び交差点Ｃ３に戻り、再び周回型光導波路１６を周回する場合を示している。この場合、光の共振に寄与する光路長は、周回型光導波路１６の周長となる。

図８（Ｂ）は、交差点Ｃ３で周回型光導波路１６に結合された光が、周回型光導波路１６を半周伝播して、交差点Ｃ４で散乱され、入出力用光導波路４４を伝播して交差点Ｃ４に戻り、再び交差点Ｃ４で散乱されて、周回型光導波路１６に結合される場合を示している。この場合、光の共振に寄与する光路長は、周回型光導波路１６の半周＋周回型導波路１６の直径の長さとなる。

このように、光共振器４０では、光の共振に寄与する、異なる複数の光路長が存在することとなる。その結果、光共振器４０の共振特性は、最も単純な光共振器である光共振器１０とは異なってくる。この点については、図９を参照して、後述する。

続いて、図９を参照して、光共振器４０の出力特性について説明する。図９において、縦軸は、第２光入出力端４４ｂから出力される光の強度比率（出力光の強度／入力光の強度）（任意単位）を示し、横軸は光の波長（μｍ）を示す。

なお、図９は、図２と同様にＦＤＴＤ法を用いて、第１光入出力端４４ａから入力する光の波長を変化させながら、第２光入出力端４４ｂから出力される光の波長及び強度をシミュレーションして得られた特性曲線図である。

図９を参照すると、図２及び図４よりも光強度のピーク間隔が不規則であることが分かる。これは、図８を用いて説明したように、光共振器４０では、共振に寄与する、異なる長さの光路長が存在するためであると推測される。つまり、光路長が異なる光が周回型光導波路１６中で混ざり合うことにより干渉が生じるために、光共振器４０の波長特性が複雑になっていたと考えられる。

ただ、光共振器４０は、交差点Ｃ３及びＣ４の２点において、入出力用光導波路４４を伝播する光を周回型光導波路１６に結合することができる。その結果、光の利用効率が高くなり、光共振器４０から出力される出力光の強度比率が大きくなる。

このように、この実施の形態のＳｉ細線光導波路製の光共振器４０は、構造が非常に簡単であり、かつ半導体製造プロセスを応用することで作成容易であることが分かる。

（実施の形態４）
図１０〜図１２を参照して、実施の形態４の光共振器について説明する。

図１０は、実施の形態４の光共振器６０の概略的な構造を示す平面図である。なお、図１０においては、光導波路に対応する部分に斜線を施してある。図１１は、図１０の光共振器の出力特性を示す特性曲線図である。

図１０を参照すると、光共振器６０は、（１）周回型光導波路６２が８の字形である点、及び、（２）入出力用光導波路１８が８の字の交点のみで周回型光導波路６２に平面的に交差している点が、光共振器１０（図１）と異なっている。従って、以下の記載においては、実施の形態１の光共振器１０と同様の構成要素には同符号を付し、それぞれの説明の必要がある場合を除き、その説明を適宜省略する。

光共振器６０は、基板１１に形成されている。なお、基板１１の積層構造、及び光導波路６４の基板１１中における厚み方向の配置は図１と同様である。

光共振器６０は、コアＣＯとしての光導波路６４と、光導波路６４を囲むクラッドＣＬとしての上層１１ｂ（図１）とで構成されている。なお、光導波路６４を構成する材料は、光共振器１０と同様にＳｉである。また、クラッドＣＬを構成する材料も、光共振器１０と同様にＳｉＯ_２である。

光共振器６０は、光導波路６４として、周回型光導波路６２と、入出力用光導波路１８とを備えている。

ここで、入出力用光導波路１８の構成は、寸法を含めて実施の形態１と同様である。

周回型光導波路６２は、言わば平面的に８の字形に形成されている。より詳細には、周回型光導波路６２は、交差点Ｃ５で交差する２本の直線部６２ａ及び６２ｂと、直線部６２ａ及び６２ｂの端部同士を接続する、半円形の２つの曲線部６２ｃ及び６２ｄとを備えている。

直線部６２ａ及び６２ｂは、共に直線状に延在する光導波路である。そして、直線部６２ａ及び６２ｂの光伝播方向に測った全長の中点としての交差点Ｃ５で互いに接続している。

曲線部６２ｃは、直線部６２ａの一端部６２ａ１と直線部６２ｂの一端部６２ｂ１とを接続している。曲線部６２ｃは、半径が一定の半円形リングである。なお、この実施の形態では、曲線部６２ｃの半径は、好ましくは、例えば約３μｍとする。

曲線部６２ｄは、直線部６２ａの他端部６２ａ２と直線部６２ｂの他端部６２ｂ２とを接続している。曲線部６２ｄは、半径が曲線部６２ｃと等しい半円形リングである。

これらの結果、周回型光導波路６２は、平面形状が涙滴型の２個のリング状光導波路を、交差点Ｃ５を対称の中心として、点対称に配置したような構造を有している。

入出力用光導波路１８は、交差点Ｃ５の一点のみにおいて、周回型光導波路６２と交差している。より詳細には、入出力用光導波路１８が、交差点Ｃ５において、直線部６２ａとなす交差角α、及び直線部６２ｂとなす交差角αとは互いに等しい。

続いて、光共振器６０の動作について説明する。

光共振器６０には、第１光入出力端１８ａから光が入力される。入力された光は、入出力用光導波路１８を周回型光導波路１６方向に向かって伝播し、交差点Ｃ５に至る。

交差点Ｃ５において、光は散乱され、一部が周回型光導波路６２に結合され、周回型光導波路６２を周回し始める。

交差点Ｃにおいて、散乱されなかった光は、入出力用光導波路１８を第２光入出力端１８ｂに向かって伝播し、第２光入出力端１８ｂから入出力用光導波路１８の外部に捨てられる。

周回型光導波路６２に結合された光は、例えば、矢印Ｂ１→矢印Ｂ２→矢印Ｂ３→矢印Ｂ４の光伝播経路（又はこの逆経路）で、周回型光導波路６２を伝播する。周回の過程で光は、周回型光導波路６２の光路長により定まる特定波長の光が共振により増幅される。

増幅された光の一部は、交差点Ｃ５を通過するたびごとに、散乱されて、一部が入出力用光導波路１８に結合される。そして、第２光入出力端１８ｂから出力される。

なお、周回型光導波路６２を周回して増幅された光を入出力用光導波路１８の第２光入出力端１８ｂ側に、確実に出力させるために、周回型光導波路６２の光路長を設計段階から適切に決定することにより、光の位相を調整しておけばよい。

次に、図１１を参照して、光共振器６０の出力特性について説明する。図１１において、縦軸は、第２光入出力端１８ｂから出力される光の強度比率（出力光の強度／入力光の強度）（任意単位）を示し、横軸は光の波長（μｍ）を示す。

なお、図１１は、ＦＤＴＤ法を用いて、第１光入出力端１８ａから入力する光の波長を変化させながら、第２光入出力端１８ｂから出力される光の波長及び強度をシミュレーションして得られた特性曲線図である。

図１１を参照すると、一定の波長間隔で光強度のピークが見られる。このことから、光共振器６０が単一の光路長を有する典型的な光共振器として動作していることが分かる。また、図１１は、図２、図５及び図９に比較してピークの波長間隔が狭いが、これは、光共振器６０の光路長が、他の光共振器１０、２０及び４０に比較して長いためであると推測される。

このように、この実施の形態のＳｉ細線光導波路製の光共振器６０は、構造が非常に簡単であり、かつ半導体製造プロセスを応用することで作成容易であることが分かる。

この実施の形態では、入出力用光導波路１８が、周回型光導波路６２に交差点Ｃ５において平面的に交差する場合について説明した。しかし、入出力用光導波路１８は、図１２に示すように交差点Ｃ５に丁字形に結合していてもよい。

また、（実施の形態１）〜（実施の形態４）に共通して、入出力用光導波路から周回型光導波路への光の結合効率は、交差点の形状を調整することにより変更することができる。

すなわち、入出力用導波路の光伝播方向に直交する方向の寸法を小さくすることにより、周回型光導波路への光の結合効率を高めることができる。

さらに、周回型光導波路の一部領域を、光を発振する活性領域とすることにより、（実施の形態１）〜（実施の形態４）の光共振器をレーザ光源として使用することができる。

実施の形態１の光共振器の概略的な構造を示す斜視図である。 実施の形態１の光共振器の出力特性を示す特性曲線図である。 実施の形態１の光共振器の変形例を示す図である。 実施の形態２の光共振器の概略的な構造を示す平面図である。 実施の形態２の光共振器の出力特性を示す特性曲線図である。 実施の形態２の光共振器の変形例を示す図である。 実施の形態３の光共振器の概略的な構造を示す平面図である。 実施の形態３の光共振器における光伝播経路の説明に供する模式図である。 実施の形態３の光共振器の出力特性を示す特性曲線図である。 実施の形態４の光共振器の概略的な構造を示す平面図である。 実施の形態４の光共振器の出力特性を示す特性曲線図である。 実施の形態４の光共振器の変形例を示す図である。

符号の説明

１０，２０，４０，６０ 光共振器
１１ 基板
１１ａ 下層
１１ｂ 上層
１４，２２，４２，６４ 光導波路
１６，６２ 周回型光導波路
１８，２４，４４ 入出力用光導波路
１８ａ，２６Ｂａ，２８Ｂａ，４４ａ 第１光入出力端
１８ｂ，２６Ｂｂ，２８Ｂｂ，４４ｂ 第２光入出力端
２６ 第１入出力用光導波路
２６Ｂ，２８Ｂ 本体部
２６Ｂｃ，２８Ｂｃ 戻し光導波路領域
２６Ｇ，２８Ｇ グレーティング
２６Ｇａ，２８Ｇａ 第１セグメント
２６Ｇｂ，２８Ｇｂ 第２セグメント
２８ 第２入出力用光導波路
６２ａ，６２ｂ 直線部
６２ａ１，６２ｂ１ 一端部
６２ａ２，６２ｂ２ 他端部
６２ｃ，６２ｄ曲線部

Claims (17)

1. クラッドで周囲を囲まれた、該クラッドよりも屈折率が大きなコアで構成された光導波路を備える光共振器であって、
   前記光導波路は、光共振部としての無終端の周回型光導波路と、該周回型導波路に光を入出力する両端を有する入出力用光導波路とを備えていて、
   該入出力用光導波路は、前記光周回型光導波路に一体的に結合していることを特徴とする光共振器。
2. 前記周回型光導波路が円形であることを特徴とする請求項１に記載の光共振器。
3. 前記入出力用光導波路が１本の線分状であることを特徴とする請求項２に記載の光共振器。
4. 前記入出力用光導波路が前記周回型光導波路に丁字形に結合していることを特徴とする請求項３に記載の光共振器。
5. 前記入出力用光導波路が前記周回型光導波路に交差していることを特徴とする請求項３に記載の光共振器。
6. 前記入出力用光導波路と前記周回型光導波路との交差点が１個であることを特徴とする請求項５に記載の光共振器。
7. 前記入出力用光導波路と前記周回型光導波路との交差点が２個であることを特徴とする請求項５に記載の光共振器。
8. 前記入出力用光導波路が２本の線分状であることを特徴とする請求項２に記載の光共振器。
9. 前記２本の入出力用光導波路の双方ともが、前記周回型光導波路に丁字形に結合していることを特徴とする請求項８に記載の光共振器。
10. 前記２本の入出力用光導波路の双方ともが、前記周回型光導波路と交差していることを特徴とする請求項８に記載の光共振器。
11. 前記２本の入出力用光導波路の一方が、前記周回型光導波路と交差し、かつ、前記２本の入出力用光導波路の他方が、前記周回型光導波路に丁字形に結合していることいることを特徴とする請求項８に記載の光共振器。
12. 前記周回型光導波路が８の字形であることを特徴とする請求項１に記載の光共振器。
13. 前記入出力用光導波路が１本の線分状であることを特徴とする請求項１２に記載の光共振器。
14. 前記入出力用光導波路が、前記周回型光導波路の前記８の字の交点のみで当該周回型光導波路と交差していることを特徴とする請求項１３に記載の光共振器。
15. 前記コアを構成する材料がＳｉであり、前記クラッドを構成する材料がＳｉＯ_２であることを特徴とする請求項１〜１４のいずれか一項に記載の光共振器。
16. 前記コアの屈折率が前記クラッドの屈折率の１．４倍以上の大きさであることを特徴とする請求項１〜１５のいずれか一項に記載の光共振器。
17. 請求項１〜１６のいずれか一項に記載の光共振器の前記周回型光導波路の一部領域に活性領域が設けられていることを特徴とするレーザ光源。
    
    

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