JP2010171252A - 光送信装置 - Google Patents

Abstract

【課題】外部共振器型レーザのモードホップノイズを小さくして、精密な温度制御を必要としない、低価格且つ低ノイズの光送信装置を提供すること。
【解決手段】光増幅ユニットと、回折格子が設けられた第２のコア層を含み、前記光増幅ユニットに光学的に結合した光導波路を備えた光導波路ユニットとを有するレーザ光生成装置と、前記光増幅ユニットに電気信号を印加して、前記電流を前記半導体層に注入する電気信号源を具備し、前記レーザ光生成装置は、前記電気信号に従って、前記光反射面と前記回折格子が形成する光共振器の複数の共振器モードでレーザ発振する第１の状態と、前記第１の状態より発光強度が小さい第２の状態の間を往復して光信号を発生し、更に、前記共振器モードの間隔に相当する周波数が、前記電気信号のビットレートに対応する周波数より高いこと。
【選択図】図５

Description

本発明は、光信号を生成し光伝送路に送出する光送信装置に関する。

現在、光通信用の光源としては、単一縦モードで安定にレーザ発振する分布帰還型レーザ（distributed feed back laser；以下、ＤＦＢレーザとり略される）が広く用いられている。

しかし、ＤＦＢレーザの発振波長は、素子温度の変化に対して比較的変動しやすいことが知られている。これは、ＤＦＢレーザの発振波長を決めている回折格子が、温度によって屈折率が変化しやすい半導体（ＩｎＰ、ＧａＡｓ等）によって形成されているためである。このため、従来の光送信装置（光信号を生成し光伝送路に送出する装置）では、光源とするＤＦＢレーザの温度を温度制御装置によって精密に制御して、発振波長を一定に保っている。しかし、このような温度制御装置は高価であり、光送信装置の低価格化を妨げていた。この問題は、発振波長が少しずつ異なる多くの光源を必要とする波長多重（wavelength division multiplexing；以下、ＷＤＭと略される）用の光送信装置では、特に顕在化する。

そこで、屈折率の温度変化が小さい誘電体で回折格子を形成した外部共振器型レーザ（以下、外部共振器型レーザと呼ばれる）が、提案されている（非特許文献１）。

この外部共振器型レーザは、回折格子の形成されたＳｉＯ₂製の光導波路と、第１の端面に反射防止膜が施され、第２の端面には高反射膜が施された半導体レーザによって形成されている。

そして、外部共振器型レーザでは、半導体レーザの第１の端面と光導波路の端面が対向して、半導体レーザと光導波路が光学的に結合している。更に、半導体レーザの第２の端面に施された高反射膜と光導波路に形成された回折格子によって、光共振器（外部共振器）が形成されている。

この外部共振器型レーザでは、上記回折格子の反射帯域内の光が、上記半導体レーザによって増幅されてレーザ発振を起こす。

ところで、ＳｉＯ₂等の誘電体の屈折率の温度変化係数は、半導体の温度変化係数（〜１０^-4 degree^-1）より約一桁小さい。このため、外部共振器型レーザの発振波長の温度依存性は、０．０１nm/degreeと、ＤＦＢレーザの発振波長の温度依存性（０．１nm/degree）より一桁小さい。

従って、外部共振器型レーザによって光送信装置を形成すれば、高価な温度制御装置は不要になる。

ELECTRONICS LETTERS, Vol. 32, page1202-1203, 1996年発行. ２００７年 第4回 IEEE International Conference on Group IV Photonics, ThA2.

外部共振器レーザは、外部共振器に形成される多数の共振器モード（縦モード）の波長うち、回折格子による反射率が最も高くなる波長でレーザ発振する。

上述したように、誘電体（ＳｉＯ₂等）によって回折格子が形成された外部共振器型レーザは、素子温度の変化に対して発振波長は殆ど変化しない。

しかし、素子温度が変化すると、レーザ発振中の縦モードが、ある温度で突如他のモードに変化するモードホップを起きる。このようなモードホップは、回折格子を形成している誘電体の屈折率と、外部共振器の一部を形成している半導体（半導体レーザ）の屈折率の温度変化率の相違によって引き起こされる。

モードホップが起きると、レーザ光にノイズが発生する。このようなノイズは、光通信の品質を劣化させる。従って、常に環境温度の変化に曝される光送信装置を、外部共振器型レーザを光源として形成することは困難であった。

そこで、本光送信装置の目的は、外部共振器型レーザのモードホップノイズを小さくして、精密な温度制御を必要としない、低価格且つ低ノイズの光送信装置を提供することである。

上記の目的を達成するために、本光送信装置は、注入された電流によって光利得を発生する半導体層を第１のコア層とする光利得を有する導波路（以下、光利得を有する導波路を、利得導波路と呼ぶ）を含み、前記利得導波路の第１の端面に光反射面が形成された光増幅ユニットと、回折格子が設けられた第２のコア層を含み、前記光増幅ユニットの第２の端面に対向する第３の端面が形成され、前記第３の端面で前記光増幅ユニットに光学的に結合した光導波路を備えた光導波路ユニットとを有するレーザ光生成装置と、前記光増幅ユニットに電気信号を印加して、前記電流を前記半導体層に注入する電気信号源を具備し、前記レーザ光生成装置は、前記電気信号に従って、前記光反射面と前記回折格子が形成する光共振器の複数の共振器モードでレーザ発振する第１の状態と、前記第１の状態より発光強度が小さい第２の状態の間を往復して、光信号を発生し、更に、前記共振器モードの間隔に相当する周波数が、前記電気信号のビットレートに対応する周波数より高い。

本光送信装置によれば、モードホップノイズが小さくなるので、精密な温度制御を必要としない、低価格且つ低ノイズの光送信装置を提供することができる。

外部共振器型レーザ（関連技術）の一例を説明する斜視図である。 外部共振器型レーザ（関連技術）の発振波長がどのように決まるかを、説明する図である。 図２で説明した状態より温度が上昇した状態に於ける、回折格子の反射率及び光共振器の共振器モードを説明する図である。 回折格子の反射率とレーザ発振している複数の共振器モードの関係を説明する図である（実施の形態）。 実施例１〜４に従う光送信装置の要部を説明する斜視図である。 図５のＡ−Ａ線に沿った断面及びＡ−Ａ線に垂直な断面を説明する図である。 実施例１の光導波路ユニットの断面を説明する図である。 回折格子の反射率と波長の関係を説明する図である。 電気信号源が光増幅ユニットに印加する電気信号の一例を説明する図である。 実施例２の光導波路ユニットの断面を説明する図である。 実施例３の光導波路ユニットの断面を説明する図である。 実施例４の回折格子が形成された第２のコア層の平面図である。 実施例４の回折格子の結合係数κの分布を説明する図である。 実施例４の回折格子の反射率と波長の関係を説明する図である。 実施例５の光送信装置の要部を説明する斜視図である。 図１５のＡ−Ａ線に沿った断面を矢印の方向から見た図である。 実施例５の回折格子の反射率と波長の関係を説明する図である。 実施例６の光送信装置の要部を説明する斜視図である。 実施例６の光合波器の構成を説明する平面図である。 実施例７光送信装置の要部を説明する斜視図である。 信号光の進行方向に垂直な、光変調器の断面を説明する図である。 実施例７の回折格子の反射率と波長の関係を説明する図である。 実施例８に従うＷＤＭ用の光送信装置の要部を説明する斜視図である。 実施例８のＷＤＭ光送信装置を用いて構築した光ＬＡＮの概念図である。 光送受信モジュールの概念図である。

以下、図面にしたがって本発明の実施の形態について説明する。但し、本発明の技術的範囲はこれらの実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された事項とその均等物まで及ぶものである。

まず、上述した外部共振器型レーザについて、本発明者独自の知見も交えて少し詳しく説明する。

図１は、外部共振器型レーザ２の一例を説明する斜視図である。本図面も含め、以後同一部分には同一符号を付し、その説明は省略する。

図１に示すように、外部共振器型レーザ２は、一端に高反射膜４が形成され、他端に反射防止膜（図示せず）が形成された半導体レーザ６を具備している。この半導体レーザ６は、本来は、両端が反射防止膜で覆われるべき（進行波形）半導体光増幅器の一端を、高反射膜で覆った光素子である。

このため、半導体レーザ６は、単独ではレーザ発振しない。従って、半導体レーザ６を半導体レーザと呼ぶことは、適当ではない。しかし、非特許文献１との用語の統一を図るため、ここでは、「半導体レーザ」との用語が用いられる。

また、外部共振器型レーザ２は、Ｓｉ基板８の上に積層されたＳｉＯ₂層１０に光導波路１２が形成された平面光回路１４を備えている。この光導波路１２には、回折格子１６が形成されている。

そして、半導体レーザ６は、Ｓｉ基板８に設けられたテラスに固定され、反射防止膜の設けられた端面で光導波路１２に光学的に接続している。

ここで、回折格子１６は、分布ブラッグ反射器（distributed-bragg refelctor;以下、ＤＢＲと呼ばれる）として機能し、半導体レーザ６の高反射膜４と一体化して、レーザ発振に必要な光共振器５を形成する。一方、半導体レーザ６は、光利得媒体として機能する。

図２は、外部共振器型レーザ２の発振波長がどのように決まるかを、説明する図である。

図２の横軸は、波長である。図２の左縦軸は、回折格子１６の反射率（光反射率）１８である。一方、図２の右縦軸は、レーザ発振している共振器モード２０の光強度である。

図２には、高反射膜４と回折格子１６が形成する光共振器５に発生する共振器モード（縦モード）２２であってレーザ発振していないモードも、破線で示されている。

外部共振器レーザ２では、光共振器５がＤＦＢレーザに比べ格段に長くなるので、共振器モード間隔δλは狭くなる。従って、図２に示すように、回折格子１６（ＤＢＲ）が高い反射率を呈する波長帯域２４には複数の共振器モードが共存する。

図２に示すように回折格子１６（ＤＢＲ）の反射率は、上記波長帯域２４内で急峻に変化する。このため、外部共振器型レーザ２は、上記波長帯域２４内に共存する複数の共振器モードの内で、反射率が最も高くなる共振器モード２０でレーザ発振する。

このようにして波長が決定されたレーザ光は、半導体レーザ６とは反対側の光導波路端面から放射され、光ファイバ１７に入射する。尚、光ファイバ１７は、ＳｉＯ₂製である（以下の説明でも同じである。）。

図３には、図２で説明した状態より温度が上昇した状態に於ける、回折格子１６の反射率１８及び光共振器５の共振器モード２２を説明する図である。横軸及び縦軸は、図２と同じである。

回折格子１６の反射率１８及び光共振器５の共振器モード２２の温度変化は、回折格子１６及び光共振器５を形成する、夫々の部材の屈折率の温度変化に依存する。

回折格子１６は屈折率の温度変化率が小さい誘電体（ＳｉＯ₂）によって形成されている。このため、回折格子１６の反射率１８は、温度が変化しても殆ど変化しない。

一方、光共振器５の内部には、屈折率の温度変化率が大きい半導体で形成された半導体レーザ６が存在する。このため、素子温度が上昇すると共振器モード２２は、全体として長波長側にシフトする。図３中に示されたδλ_Tは、このような波長シフトを示している。

この共振器モード２２の波長シフトによって、以下に説明するように、モードホップが起きる。

外部共振器型レーザ２の温度が上昇すると、図２においてレーザ発振していた共振器モード２０は、図３に示すように、上記波長帯域２４の長波長端の近傍に移動する。一方、図２において上記波長帯域２４の短波長端近傍に存在していた共振器モード２６が、反射帯域２４の中央部に移動する（図３参照）。

このため、反射率が最大となる共振器モードが、共振器モード２０から共振器モード２６に変化する。その結果、共振器モード２０でのレーザ発振が突然停止し、次数が一つ高い共振器モード２６でのレーザ発振が開始する。すなわち、共振器モード２０から共振器モード２６へのモードホップが起きる。外部共振器型レーザの温度が下がった場合には、逆の過程を経てモードホップが起きる。

モードホップ前に発振していた共振器モード２０の光強度と、モードホップ後の共振器モード２６の光強度は通常一致しない。このため、モードホップが起きると、外部共振器型レーザ２の出力光強度が変動する。この出力光強度の変動が、外部共振器型レーザ２の出力光にノイズを発生させる。

モードホップに起因するノイズは、光通信に用いられるビットレート（数百ＭＨｚ〜数十ＧＨｚ）より低周波側に大きな雑音成分すなわちＲＩＮ（relative intensity noise）を有している。

同様に、通信に用いられる光信号も、ビットレートより低周波側に多くの周波数成分を有している。しかも、光信号の検出には、ビットレートより低周波側の信号成分が重要である。従って、光電変換後の信号処理（フィルター回路によるノイズ除去等）によって、モードホップに起因するノイズ（以下、モードホップノイズと呼ばれる）だけを取り除くことは困難である。このため、モードホップノイズが発生すると、伝送信号のエラー・レート（符号誤率）が増大する。

故に、外部共振器型レーザでは、モードホップノイズを抑制することが重要である。

そのための対策としては、外部共振器型レーザ２の温度を精密に制御して、モードホップが起きないようにすることが考えられる。しかし、そのような対処法は、精密な温度制御を必要としない外部共振器型レーザの利点を損なうものである。

更に付言するならば、モードホップが起きる温度は素子毎に異なっている。従って、モードホップが起きる温度は、素子毎に特定しなければならない。このような作業は、極めて煩雑であり、コスト高の原因になる。

そこで、本実施の形態の光送信装置では、複数の共振器モードで同時にレーザ発振が起きるようにして、モードホップが起きても出力光全体の強度変動が小さくなるようにしている。

図４は、本実施の形態のレーザ光生成装置（外部共振器型レーザ）を形成する回折格子の反射率２７と、レーザ発振中の共振器モード２８の関係を模式的に説明する図である。横軸及ぶ縦軸は、図２と同じである。

図４に示すように、本実施の形態で使用する回折格子の反射率２７は、その最大値の近傍で略平坦である。このため、複数の共振器モードに対して反射率が略一定になる。従って、複数の共振器モードで、同時にレーザ発振が起きる。

図４に示した例では、６本の共振器モード２８で同時にレーザ発振が起きている。しかも、夫々の共振器モードで発振しているレーザ光の光強度は略等しい。例えば、最大の発光強度で発振している共振器モードの光強度から３ｄＢ以内の光強度で、６本の共振器モードが同時にレーザ発振している。

このような状態で素子温度が上昇（或いは、降下）すると、レーザ発振している共振器モード２８のうち最も長波長側（或いは、最も短波長側）に位置する共振器モードが、ある温度でレーザ発振を停止し、代わりに短波長側（或いは、長波長側）に、レーザ発振する共振器モードが新たに出現する。すなわち、レーザ発振している複数の共振器モードの一つが、レーザ発振していなかった共振器モードの一つと入れ替わるモードホップが起きる。

このようなモードホップでは、入れ替わる共振器モード間にレーザ発振強度の相違があっても、レーザ光全体の光強度の変化は僅かである。一方、単一の共振器モードでレーザ発振する従来の外部共振器型レーザでモードホップが起きると、レーザ光強度は大きく変動する。

すなわち、本実施の形態のレーザ光生成装置が発生するモードホップノイズは、単一の共振器モードでレーザ発振する外部共振器型レーザが発生するモードホップノイズより小さくなる。

ところで、図４に示すように複数の共振器モードを含むレーザ光（光信号）が受信側の光検出器に入力すると、共振器モード間隔δλに相当する周波数（以後、共振器モード間隔δｆと呼ばれる；後述する式（２）参照）で振動する周波数成分が、光検出器が出力する電気信号に発生する。

良く知られているように、光検出器の出力は、入力光の電界強度の２乗に比例する。このため、波長の異なる２つの光信号が光検出器に入射すると、両光信号の周波数（＝光速/λ）の差すなわち差周波で振動するビートノイズが発生する。

ＤＦＢレーザのビートノイズの周波数は、通常、数百ＧＨｚである。この周波数は、光信号を光電変換する受信機（光検出器と増幅器等によって形成される回路）の周波数帯域を大きく超えている。従って、ＤＦＢレーザのビートノイズが検出されることはない。

しかし、外部共振器型レーザの場合、共振器モード間隔δｆが、光信号のビットレートに相当する周波数（以後、変調周波数と呼ぶ）以下になる場合がある。受信機の周波数帯域は、当然、光信号の変調周波数より高い。従って、このような場合、ビートノイズは受信機の出力に現れる。

尚、ビットレートに相当する周波数とは、ビットレートと同じ数値を持つ周波数である。例えば、１０Ｇｂｉｔ/ｓのビットレートに相当する周波数は、１０ＧＨｚである。

例えば、非特許文献１に記載された例では、共振器モード間隔は８ＧＨｚである。従って、８Ｇｂｉｔ/s以上のビットレートで光伝送を実行する場合には、光信号の変調周波数が、共振器モード間隔δｆを超えてしまう。

このような場合には、ビート信号が受信信号（光受信機の出力）に混入してしまう。一方、受信信号は、変調周波数以下の周波数成分を含んでいる。しかも、このような周波数成分が、情報の伝達には重要である。従って、フィルタ回路等によって、受信信号からビートノイズだけを除去することもできない。

故に、図４を参照して説明したレーザ光生成装置を光源として、例えば１０Ｇｂｉｔ/ｓ以上の高速光伝送を実行した場合、受信信号にビートノイズが発生し、エラー・レイト（符号誤率）を増大させてしまう。

そこで、本実施の形態では、反射鏡４と回折格子１６が形成する光共振器５の長さを短くして、共振器モード間隔δｆを光信号の変調周波数より高くしている。このようにすれば、フィルター回路等によって、受信信号からビートノイズを取り除くことができるので、エラー・レイトの増加を防止することができる。

尚、共振器モード間隔δｆは、光信号の変調周波数ｆ_mより高いほど好ましい。例えば、共振器モード間隔δｆは、光信号の変調周波数ｆ_mの２倍より高いことが好ましく、３倍より高いことが更に好ましく、４倍より高いことが最も好ましい。

但し、共振器モード間隔δｆが広くなり過ぎると、回折格子の高反射帯域内に複数の共振器モードが存在し得なくなるので、共振器モード間隔δｆは、例えば、変調周波数ｆ_m（例えば、１０ＧＨｚ）の１０倍（例えば、１００ＧＨｚ）以下が好ましく、８倍以下が更に好ましく、６倍以下が最も好ましい。

図５は、本実施例に従う光送信装置３０の要部を説明する斜視図である。図６（ａ）は、図５のＡ−Ａ線に沿った断面を矢印の方向から見た図である。図６（ｂ）は、Ａ−Ａ線に垂直な断面を説明する図である。

本実施例の光送信装置３０は、レーザ光生成装置３２と電気信号源３４を具備している。

（１）レーザ光生成装置
（ｉ）光増幅ユニット
本レーザ光生成装置３２は、注入された電流によって光利得を発生する半導体層（活性層３６）を第１のコア層３７とする利得導波路３８を含み、利得導波路３８の第１の端面４０に光反射面４２が形成された光増幅ユニット４４を具備している（図５及び図６参照）。

ここで、光増幅ユニット４４は、半導体光増幅器（semiconductor optical amplifier ; ＳＯＡ）の両端面に施される反射防止膜の一方を高光反射膜で置き換えた光増幅素子である。

光増幅ユニット４４は、例えば図６（ｂ）のように、半導体基板４６の上に、下部クラッド層４８と、活性層３６と、上部クラッド層５０と、電極層５２が順次積層された半導体積層構造を有している。

ここで、半導体基板４６は、例えば、ｎ型ＩｎＰ製である。また、下部クラッド層４８は、ｎ型ＩｎＰ製である。また、活性層３６は、ＩｎＧａＡｓＰ製（又は、ＡｌＧａＩｎＡｓ製）の多重量子井戸で形成されている。また、上部クラッド層５０は、ｐ型ＩｎＰ製である。また、電極層５２は、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ製である。

また、光増幅ユニット４４は、直線状の活性層３６の両脇を囲む、ｐ型ＩｎＰ５４とｎ型ＩｎＰ５６が積層された電流ブロック層５８を有している。この電流ブロック層５８は、活性層３６の両脇を囲むクラッド層としても機能する。

これらの半導体層すなわち下部クラッド層４８、活性層３６、上部クラッド５０、及び電流ブロック層５８は、利得導波路３８を形成する。

また、光増幅ユニット４４は、基板４６の裏面に形成されたｎ電極６０と、電極層５２の上に形成されたｐ電極６２を有している。

そして、利得導波路３８の第１の端面４０には、光反射面４２となる高反射（high-reflection：ＨＲ）膜が形成されている。また、利得導波路３８の第２の端面６６には、反射防止（Anti-Reflection；ＡＲ）膜６８が形成されている。尚、高反射膜の反射率は、例えば９９％〜１００％である。また、反射防止膜の反射率は、例えば０％〜１％である。

このような構成を有するので、光増幅ユニット４４は、第２の端面６６から入射した光を、利得導波路３８によって増幅する。次に、光増幅ユニット４４は、増幅された入射光を、光反射面４２（高反射膜６４）によって、略全て反射する。次に、光増幅ユニット４４は、光反射面４２で反射した光を、利得導波路３８で再び増幅して、第２の端面から出射する。すなわち、光増幅ユニット４４は、第２の端面６６から入射した光を増幅し、再び第２の端面６６から出射する機能を有する。

尚、本実施例では、光増幅ユニット４４の光利得は、１．３μｍ近傍で利得が最も高くなる。また、光増幅ユニット４４の光の導波方向に沿った長さは、４００μｍである。

（ｉｉ）光導波路ユニット
レーザ光生成装置３２は、更に、光導波路７８を含む光導波路ユニット８０を有している（図５参照）。

図７は、光導波路ユニット８０の断面を説明する図である。図７（ａ）は、光導波路７８の光軸に沿った断面を、回折格子７０が設けられた領域８８で見た図である。一方、図７（ｂ）は、光導波路７８の光軸に垂直な断面を、回折格子７０が設けられていない領域８２で見た図である。

光導波路ユニット８０は、図５及び図７に示すように、回折格子７０が設けられた第２のコア層７４を含む光導波路７８を備えている。ここで、第２のコア層７４は、その周囲を囲むクラッド層７５と共に、光導波路７８を形成している。尚、図５では、図面が複雑にならないように、光導波路の中心をなす第２のコア層に対して、光導波路を表す符合（７８）が付されている。

また、光導波路７８には、図６（ａ）に示すように、光増幅ユニット４４の第２の端面６６に対向する第３の端面７６が形成されている。そして、光導波路７８は、第３の端面７６で光増幅ユニット４４に光学的に結合している。ここで、光増幅ユニット４４の利得導波路３８と光導波路７８の光軸は、略一致するように調整されている。

更に、光導波路７８は、図５に示すように、第３の端面７６とは反対側に設けられた第４の端面８４で光ファイバ１７に光学的に結合している。光送信装置３０で生成された光信号は、この第４の端面８４から出力され、光ファイバ１７に送出される。

尚、図５に示す例では、回折格子７０と第３の端面７６の間の領域８２では、光導波路７８に回折格子が形成されていない。このように、回折格子７０と第３の端面７６は離隔していてもよいが、回折格子７０が第３の端面７６に接していてもよい。

次に、光導波路ユニット８０の具体的構成及びその特性を詳しく説明する。

図７に示すように、光導波路ユニット８０は、Ｓｉ製の基板８５と、この基板上に形成されたＳｉＯ₂製の誘電体層８６と、この誘電体層８６に周囲を埋め込まれたＳｉＯ_1-xＮ_x（xは、０．５５乃至０．６５）製の誘電体層７２を有している（図７参照）。

ここで、ＳｉＯ_1-xＮ_x製の誘電体層７２の屈折率は１．７６であり、誘電体層７２を埋め込むＳｉＯ₂製の誘電体層８６の屈折率は１．４５である。従って、屈折率の高い誘電体層７２はコア層として機能し、屈折率の低い誘電体層８６はクラッド層として機能する。そして、誘電体層７２及び誘電体層８６は、等価屈折率１．５４の光導波路７８を形成する。

また、誘電体層７２（第２のコア層７４）は、幅１．２μｍの平板状の部材であり、第３の端面７６から第４の端面８４に延在している。

誘電体層７２は、図７（ｂ）に示すように、幅が１．２μｍ高さ０．４μｍの略矩形の断面構造を有している。誘電体層７２は、上面に何も形成されていない第１の領域８２と上面に回折格子７０が形成された第２の領域８８に分かれている。

第１の領域８２は、第３の端面７６から第２の領域８８まで、３７７μｍ延在している。

第２の領域８８は、第１の領域８２の端から第４の端面８４まで、約１５５μｍ延在している。第２の領域８８では、誘電体層７２の上面に深さ３２ｎｍの溝が周期的に形成されて、回折格子７０となっている。この溝のピッチ（回折格子７０のピッチ）は、約４２１ｎｍである。また、溝が形成されている部分の割合（duty）は、５０％である。

ここで、回折格子７０の結合係数は、約１２５／ｃｍである。また、回折格子７０のブラッグ波長は、１．３０μｍ（＝２×１．５４×４２１ｎｍ）である。

尚、図５では、光導波路７８の幅が第２の領域８８で周期的に変化するように描かれているが、実際には光導波路７８の幅は一定であり、その高さが周期的に変化している。

次に、光ファイバ１７とは反対側で、光導波路７８を形成するクラッド層（誘電体層８６）及びコア層（誘電体層７２）が取り除かれて、Ｓｉ基板８５上にテラスが形成されている（図５及び図６参照）。このテラスの上には、金属製のパッド９０が形成されている。そして、このパッド９０の上には、光増幅ユニット４４が載置され、光増幅ユニット４４のｎ電極６０がこのパッド９０に電気的に接続されている。ここで、光増幅ユニット４４は、パッド９０に半田付されている。

このように、本レーザ光生成装置３２では、Ｓｉ基板８５の上に、光増幅ユニット４４と光導波路７８が、ハイブリッド実装されている。

尚、光増幅ユニット４４の第２の端面６６と光導波路７８の間には、１０μｍのギャップ９６が設けられている（図６（ａ）参照）。また、光増幅ユニット４４は、利得導波路（活性層）３８の光軸が、光導波路ユニット８０の第３の端面７６の垂線に対して少し（数度）傾くように、パッド９０の上に載置されている。従って、光増幅ユニット４４から出射し、光導波路７８には入射せずに第３の端面７６で反射された光が、光増幅ユニット４４には再入射することは殆どない。すなわち、光増幅ユニット４４への戻り光は、殆どない。

ところで、回折格子７０のように、光導波路のコア層の屈折率を周期的に変化させた回折格子は、分布ブラッグ反射器（distributed-bragg refelecur; ＤＢＲ）と呼ばれている。分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）には、その内部に実効的な反射端を定義することができる。そして、分布ブラッグ反射器からの反射光は、この実効的な反射端で反射されたものとして取り扱うことができることが知られている。

故に、光増幅ユニット４４の光反射面４２と回折格子７０は、光共振器９４を形成する。光共振器９４には、実効的な反射端９２と（光増幅ユニット４４の）光反射面４２の間の光学長に対応する共振器モードが発生する。一方、ＤＢＲは、ブラッグ波長を中心とする特定の波長範囲（反射帯域）内の光を強く反射する。このため、このような波長選択性を有するＤＢＲによって光共振器９４の一端が形成されたレーザ光生成装置３２は、ＤＢＲの反射帯域内の共振器モードでレーザ発振する。

図８は、回折格子７０の反射率と波長の関係を説明する図である。

図８の縦軸は反射率であり、横軸は波長である。一方、縦軸は、対数表示となっている。

図８に示すように、回折格子７０の反射率は、ブラッグ波長１．３μｍで最大なる。この波長に於ける反射率すなわち反射率の最大値は、９０％である。

この最大値から０．１ｄＢ以内（反射率８９．８％以内）に反射率が存在する波長範囲９８（高反射帯域と呼ばれる）の幅は２ｎｍである。本発明者が種々検討したところ、このような高反射帯域に含まれる共振器モードは同時にレーザ発振し、且つ最も強くレーザ発振する共振器モードの発光強度の３ｄＢ以内の発光強度でレーザ発振する。

ところで、光共振器の共振器モードの間隔は、次式で表すことができる。

ここで、式（１）は、共振器モード間隔δλを波長で表示した式である。一方、式（２）は、共振器モード間隔δｆを周波数で表示した式である。

λ_cは中心波長である。cは光速である。ｉは、光共振器９４に含まれる屈折率の異なる領域を区別するための添え字である。例えば、ｉ＝１は利得導波路３８を表し、ｉ＝２はギャップ９６を表す。そして、Ｌ_i及びＮ_iは、夫々の領域の長さ及び実効屈折率である。

ここで、実効屈折率Ｎ_iは、下記式（３）で表すことができる。

尚、ｎ_iは夫々の領域の等価屈折率である。また、λは波長である。

ここで、利得導波路３８（光増幅ユニット４４）及び光導波路７８（光導波路ユニット８０）の等価屈折率は、夫々３．３及び１．５４である。これらの値と上述した各領域の長さを式（１）に代入すると、共振器モード間隔０．３９３ｎｍが得られる。

尚、本実施例では回折格子７０の実効的な反射端９２は、回折格子７０の光ファイバ１７側の端に位置している。また、実効屈折率Ｎは、等価屈折率に等しいとする。以下の実施例においても、特に断らない限り同じである。

従って、上記波長範囲内には少なくても５本（＝２ｎｍ/０．３９３ｎｍ）の共振器モードが存在する。そして、各共振器モードは同時にレーザ発振し、しかも最も強く発光している共振器モードの光強度の３ｄＢ以内の光強度でレーザ発振する。

すなわち、本レーザ光生成装置３２は、光反射面４２と回折格子７０が形成する光共振器９４の複数の共振器モードでレーザ発振する。

尚、回折格子７０は屈折率の温度変化率が小さい誘電体で形成されているので、光送信装置３０の信号光の中心波長は、環境温度が変わっても殆ど変化しない。従って、本実施例の光送信装置では、温度制御は行われない。すなわち、本光送信装置は、温度制御装置を必要としない。或いは、本光送信装置で温度制御を実施するとしても、簡易な温度制御で十分である。

（２）電気信号源
電気信号源３４は、光増幅ユニット４４に電気的に接続されている。具体的には、電気信号源３４の正極は、光増幅ユニット４４のｐ電極６２に接続されている。一方、電気信号源３４の負極は、光増幅ユニット４４のｎ電極６０が半田付けされたパッド９０に接続されている。

電気信号源３４は、送信すべき情報に対応した電気信号を光増幅ユニット４４に印加して、上記情報に対応した電流を半導体層（活性層３６）に注入する。注入された電流は、活性層に光利得を発生させる。

図９は、電気信号源３４が、光増幅ユニット４４に印加する電気信号１００の一例を説明する図である。図９の左上には、光増幅ユニット４４の活性層３６に注入する電流（注入電流）とレーザ光生成装置３２の光出力の関係を説明する図が示されている。縦軸は光出力（出力光の光強度）であり、横軸は注入電流である。ここで、縦軸に付されたＩ_thは、レーザ光生成装置３２の閾値電流を表している。一方、Ｉ_bは、電気信号１００に重畳されるバイアス電流を表している。

図９の下半分には、電気信号源３４が光増幅ユニット４４に印加する電気信号１００の時間変化を説明する図が示されている。この図では、上から下に向かって時間が経過するように、電気信号１００の時間変化が図示されている。また、電気信号１００の水平方向の位置は、左上の図の横軸（注入電流）に対向している。同図中に示されたビット列（・・１０１・・）は、電気信号１００の原信号を表している。尚、電気信号１００は、ＲＺ（retuen to zero）信号である。

図９の右上には、レーザ光生成装置３２の光出力（光信号１０２）の時間変化を説明する図が示されている。この図には、左から右に向かって時間が経過するように、光出力１０２の時間変化が図示されている。また、光出力１０２の垂直方向の位置は、左上の図の縦軸（光出力）に対応している。

図９の下半分の図に示すように、電気信号源３４が活性層に注入する電流には、レーザ光生成装置３２の閾値電流Ｉ_thより僅かに大きなバイアス電流Ｉ_bが重畳されている。電気信号１００の強度が原信号“１”に対応する期間の前半、電気信号源３４は、光増幅ユニット４４の活性層３６に電流Ｉ_b＋Ｉ_pを注入する。一方、電気信号１００の強度が原信号“１”に対応する期間の後半、電気信号源３４は、光増幅ユニット４４の活性層３６に電流Ｉ_bを注入する。更に、電気信号１００の強度が原信号“０”に対応する全期間中、電気信号源３４は、活性層３６に電流Ｉ_bを注入する。

そして、レーザ光生成装置３２は、図９の右上の図に示すように、電気信号１００に従って、光出力（発光強度）の大きな第１の状態１０４と、第１の状態より発光強度が小さい第２の状態１０６の間を往復して、光信号１０２を発生する。

尚、バイアス電流Ｉ_bは、閾値電流以下でもよい。或いは、バイアス電流Ｉ_bは、電気信号１００に重畳されなくてもよい。これらの場合には、第２の状態１０６ではレーザ発振は起きない。

本実施例の電気信号源３４が生成する電気信号１００のビットレートは、１０Ｇｂｉｔ/sである。一方、レーザ光生成装置３２の共振器モード間隔δｆは、７０ＧＨｚである。

すなわち、レーザ光生成装置３２の共振器モードの間隔に相当する周波数（７０ＧＨｚ）は、電気信号１００のビットレート（１０Ｇｂｉｔ/ｓ）に対応する周波数（１０ＧＨｚ）より高くなっている。

ところで、電気信号１００がＮＲＺ（non retuen to zero）信号の場合には、電気信号１００が最も頻繁にＯＮ−ＯＦＦしても、電気信号１００の周波数（例えば、５ＧＨｚ）はビットレート（例えば、１０ＧＨｚ）の１/２にしかならない。この場合、共振器モード間隔δｆは、電気信号１００の周波数の２倍以上になるので、ビートノイズはより小さくなる。

（３）動 作
先ず、電気信号源３４が、電流（Ｉ_b＋Ｉ_p）を活性層に注入する。電流が注入されると、活性層３６は光利得を発生する。この時、活性層３６は、同時に光（自然放出光）を発生する。この光は、反射率が略０％の反射防止膜６８が形成された第２の端面６６から出射して、ギャップ９６を伝播した後、光導波路７８に入射する（図６（ａ）参照）。

光導波路７８に入射した光は、光導波路７８を伝播し、回折格子７０に入射する（図５参照）。回折格子７０に入射した光は、図８を参照して説明した反射率特性に従って、回折格子７０で反射され、光導波路７８を逆行して活性層３６に再入射する。

活性層３６に再入射した光は、反射率が略１００％の光反射面４２（高反射膜６４）によって反射され、進行方向を逆転して再び光導波路７８に入射する（図６（ａ）参照）。この間、光は活性層３６によって増幅される。

その後、上記光は、光共振器９４の中を何度も往復して、レーザ光に成長する。但し、レーザ光に成長しうる光は、光共振器９４を一往復する間の位相変化が２πの整数に等しい光（共振器モード）だけである。更に、このような光のうち、回折格子７０における反射率が十分に大きな光だけが、活性層３６から受ける利得が活性層３６の吸収損失やミラー損失等を上回って、レーザ光となる。

例えば、本実施例のレーザ光生成装置３２では、上述したように、１．３μｍを中心波長とする高反射帯域９８内で５本の共振器モードが同時に発振する（図８参照）。しかも、高反射帯域９８内では反射率に差が殆どないのいで、これら５本の共振器モードで発光するレーザ光の光強度比は、３ｄＢ以内（０ｄＢ〜−３ｄＢ）にある（ここで、「レーザ光の光強度比」とは、最も強く発光している共振器モードの発光強度に対する、各共振器モードの発光強度の比のことである。）。尚、図８には、最大反射率から５ｄＢ以内の反射率を呈する波長の範囲１５２が示されている。以後、「反射帯域」という用語は、このような波長範囲を意味するものとする。

次に、電気信号源３４が電流Ｉ_bを活性層に注入したとする。この場合も、電流（Ｉ_b＋Ｉ_p）を活性層に注入した時と同様に、レーザ光生成装置３２では、
高反射帯域９８の内側で５本の共振器モードが同時にレーザ発振する（但し、Ｉ_b＞Ｉ_thの場合）。且つ、これら５本の共振器モードで発振するレーザ光の光強度比も、３ｄＢ以内にある。但し、この時（第２の状態１０６）の発光強度は、最初の状態（活性層にＩ_b＋Ｉ_pを注入した状態；第１の状態１０４）より発光強度が弱い（図９参照）。尚、第２の状態１０６は、活性層に注入される電流が閾値電流Ｉ_b以下の非レーザ発振状態であってもよい。

良く知られているように、複数の共振器モードでレーザ発振するファブリペロー型レーザは、注入電流が少ないほど、より多くの共振器モードで発振する。本実施例のレーザ光生成装置３２も、ファブリペロー型レーザと同じように、注入電流が少ないほどより多くの共振器モードで発振しやすくなる。従って、注入電流の少ない第２の状態１０６は、第１の状態１０４より多くの共振器モードで発振しやすい状態である。従って、第１の状態１０４に於いて５本の共振器モードでレーザ発振している本実施例では、第２の状態１０６でも少なくても５本の共振器モード（且つ、３ｄＢ以内の光強度比）でレーザ発振する。

以上説明したように、本レーザ光生成装置３２は、光反射面４２と回折格子７０が形成する光共振器９４の複数の共振器モードでレーザ発振する。

更に、本レーザ光生成装置３２は、電気信号１００に従って、最も強く発光している共振器モードの３ｄＢ以内の光強度で発光（レーザ発振）する他の共振器モードが存在する第１の状態と、第１の状態より発光強度が小さい第２の状態の間を往復して、光信号１０４を発生する。

従って、本光送信装置３０では、レーザ発振している複数の共振器モードの内の１本だけがモードホップを起こすので、モードホップノイズは小さい。更に、モードホップに関与する共振器モード（モードホップ前後の共振器モード）の発光強度の変化も小さいので、モードホップノイズはより小さくなる。

また、上記「（２）電気信号源」で説明したように、共振器モード間隔δｆ（７０ＧＨｚ）が電気信号１００の変調周波数（１０ＧＨｚ）より高いので、共振器モード間の差周波に基づくビートノイズが、光信号のエラー・レートを増大させることもない。

更に、本実施例では、回折格子７０及び回折格子を囲むクラッド層７５は、半導体に比べ屈折率の温度変化が一桁程度小さい誘電体によって形成されている。従って、回折格子７０のブラッグ波長等は、素子温度が変化しても殆ど変化しな。故に、レーザ光生成装置３２の発振波長は、光送信装置３０が設置された環境の温度（環境温度）が変化しても、殆ど変化しない。故に、本光送信装置３０は、十分な冷却能力を備えた熱電変換素子や複雑な温度制御回路等を用いる、精密な温度制御を必要としない。

尚、レーザ光生成装置３２の温度が著しく変化すると、高反射帯域内で発振する共振器モードの数や光強度比等が変わることがある。この場合には、光送信装置３０の使用温度範囲内で、上記条件（発光光強度比が３ｄＢ以内の共振器モードが同時に複数レーザ発振する）が満たされればよい。

更に、上述した例では、同時にレーザ発振する共振器モードの発光強度比（レーザ光の光強度比）を、３ｄＢを以内に制限した。その理由は、発光強度比が小さいほど、モードホップノイズの抑制効果が大きくなるからである。従って、発光強度比は小さいほど好ましい。例えば、共振器モードの発光強度比は、３ｄＢ以内が好ましく、更に好ましくは２ｄＢ以内であり、最も好ましくは１ｄＢ以内である。但し、このような制限を設けなくても、本光送信装置３０は、モードホップノイズを低減するという効果を発揮する。

上述したように、同時にレーザ発振する共振器モードの数は、複数であればよい。但し、モードホップノイズを効果的に抑制するためには、共振器モードの数は多いほど好ましい。例えば、同時にレーザ発振する共振器モードの数は、３本以上が好ましく、更に好ましくは５本以上であり、最も好ましくは１０本以上である。

しかし、同時にレーザ発振する共振器モードの数が増え過ぎると、レーザ光生成装置３２の出力光のスペクトル幅が広くなり過ぎる。このような光送信装置をＷＤＭに使用しようとすると、１波長チャネル当たり波長幅が広くなり過ぎて、設定可能な波長チャネル数が減少してしまう。従って、同時にレーザ発振する共振器モードの数は、例えば、３５本（＝共振器モード間隔δｆ/変調周波数）＝３５５ＧＨｚ/１０ＧＨｚ）以下が好ましい。この共振器モードの数としては、３０本以下が更に好まく、２０本以下が最も好ましい。

（４）製造方法
まず、Ｓｉ製の基板８５の上に、化学気相成長 (Chemical Vapor Deposition)によって、厚さ３μｍのＳｉＯ₂層が堆積される。

次に、このＳｉＯ₂層の上に、ＰＣＶＤ（Plasma Chemical Vapor Deposition）によって、厚さ０．４μｍのＳｉＯ_1-xＮ_x（ｘは、０．５５乃至０．６５）膜が堆積される。

次に、このＳｉＯ_1-xＮ_x膜が、フォトリソグラフィ技術とＲＩＥ法（Reactive Ion Etching）によって、幅１．２μｍの細長い平板に加工される。細長い平板は、最終的には、第２のコア層７４になる。

次に、このＳｉＯ_1-xＮ_x膜の回折格子７０の形成予定位置に、電子線露光技術とＲＩＥ法によって、４２１ｎｍの周期で繰り返される溝が形成される。この溝の深さは３２ｎｍであり、溝が形成されない部分の割合（ｄｕｔｙ）は５０％である。このようにＳｉＯ_1-xＮ_x膜に溝が周期的に形成されて、回折格子７０となる。

次に、回折格子７０が形成されたＳｉＯ_1-xＮ_x膜とＳｉＯ₂層の上に、更に厚さ３μｍのＳｉＯ₂が、ＣＶＤ法によって堆積される。

次に、光増幅ユニット４４の搭載予定位置で、堆積したＳｉＯ₂層及びＳｉＯ_1-xＮ_x層をエッチングして、Ｓｉ基板８５の表面を露出される。このＳｉ基板８５の露出部が、テラスである。

次に、このテラスに、金属製のパッド９０が、金属膜の蒸着とリフトオフによって形成される。

最後に、光増幅ユニット４４がパッド９０に半田付けされる。この際、光増幅ユニット４４の利得導波路（活性層）３８の光軸が、光導波路ユニット８０の第３の端面７６の垂線に対して少し（数度）傾くようにする。

本実施例の光送信装置１０７では、光導波路ユニット１０８の第２のコア層７４を埋め込む誘電体層の上半分が紫外線硬化型のエポキシ樹脂（以下、エポキシ樹脂と呼ばれる）によって形成されている（図５参照）。その他の構成及び動作は、実施例１の光送信装置３０と略同じである。従って、共通する部分に関する説明は省略される。

図１０は、本実施例の光導波路ユニット１０８の断面を説明する図である。図１０（ａ）は、光導波路１１１の光軸に沿った断面を、回折格子７０が設けられた領域８８で見た図である。一方、図１０（ｂ）は、光導波路１０８の光軸に垂直な断面を、回折格子７０が設けられていない領域８２で見た図である。

本実施例では、Ｓｉ基板８５の上に積層された厚さが３μｍの第１のＳｉＯ₂層１１０の上に、厚さが０．４μｍで幅が１．２μｍの第２のコア層７４が形成されている。更に、この第２のコア層７４及び第１のＳｉＯ₂層１１０を、厚さ０．１μｍの第２のＳｉＯ₂層１１２が被覆している。

そして、この第２のＳｉＯ₂層１１２の上に、厚さが１．５μｍ以上のエポキシ樹脂１１４が積層されている。すなわち、本実施例では、第２のコア層７４を囲むクラッド層が、第１のＳｉＯ₂層１１０、第２のＳｉＯ₂層１１２、及びエポキシ樹脂１１４によって形成されている。

本実施例で使用するエポキシ樹脂１１４の屈折率は、ＳｉＯ₂と同じ１．４５である。エポキシ樹脂１１４等の高分子材料は、温度上昇に対して屈折率が低下する（屈折率の温度変化係数が負となる）材料である。一方、ＳｉＯ₂等の誘電体は、温度上昇に対して屈折率が増加する（屈折率の温度変化係数が正となる）材料である。

すなわち、本実施例では、第２のコア層７４を囲むクラッド層の一部（上半分）が、温度上昇に対して屈折率が低下する材料（エポキシ樹脂）で形成されている。

上述したように、エポキシ樹脂１１４とＳｉＯ₂の屈折率は、略同じである。更に、回折格子７０の構造（ピッチ、溝の深さ、及びＤｕｔｙ）も含めて、第２のコア層７４の構造は、実施例１の第２のコア層と同じである。

従って、本実施例の導波路ユニット１０８の光学的特性は、実施例１の導波路ユニット８０の光学的特性と同じである。例えば、回折格子７０の反射率の波長依存性（反射率特性）は、図８を参照して説明した実施例１の回折格子と同じである。また、共振器モード間隔も、実施例１と略同じ０．３９ｎｍである。従って、レーザ光生成装置１０９は、実施例１と同様に、高反射帯域９８に属する５本の共振器モードでレーザ発振する。これら５本の共振器モードで発光するレーザ光の光強度比も、実施例１と同じように３ｄＢ以内である。更に、レーザ光生成装置１０９の共振器モード間隔δｆ（７０ＧＨｚ）も、実施例１と同様に、電気信号１００の変調周波数（１０ＧＨｚ）より高い。

故に、本実施例の光送信装置１０７は、実施例１の光送信装置３０と同様の効果を発揮する。加えて、本光送信装置１０７が送出する信号光の波長の温度変化率は、以下に説明するように、実施例１の光送信装置３０が送出する信号光の波長の温度変化率より一桁程度小さい。

第２のコア層７４及びクラッド層の下半分は、誘電体によって形成されている。誘電体の屈折率ｎは、温度が上昇すると増加する。誘電体の屈折率ｎの温度係数ｄｎ／ｄＴ（degree^-1）は、＋１０^-5程度である。

一方、エポキシ樹脂のような高分子材料（ポリマー）の屈折率ｎは、温度が上昇すると低下する。例えば、エポキシ樹脂の屈折率ｎの温度係数ｄｎ／ｄＴ（degree^-1）は、−１０^-4程度である。

ところで、本実施例の光導波路１１１では、導波光は殆ど第２のコア層７４に閉じ込められ、エポキシ樹脂製のクラッド層の上半分に漏れ出る導波光の割合は１０％程度である。

このため、第２のコア層７４及びクラッド層の下半分を形成する誘電体の屈折率変化（＋１０^-5程度）を、クラッド層の上半分を形成するエポキシ樹脂の屈折率変化（−１０^-4程度）が打ち消すので、光導波路１１１の等価屈折率の温度変化は、実施例１より一桁程度小さくなる。

従って、回折格子７０のブラッグ波長の温度変化も実施例１より一桁程度小さい。よって、本実施例では、レーザ光生成装置１０９が生成するレーザ光の発振波長（光信号の波長）は、実施例１のレーザ光生成装置３２の発振波長（光信号の波長）より、温度変化率が一桁程度小さくなる。

本実施例の光導波路ユニット１０８の製造方法は、以下の通りである。

まず、実施例１の光導波路ユニット８０の製造方法と同様に、Ｓｉ基板８５の上にＳｉＯ₂製の下部クラッド層（クラッド層の下半分）と、回折格子７０が設けられた第２のコア層７４が形成される。

次に、この下部クラッド層及び第２のコア層７４の上に、紫外線硬化エポキシ樹脂が塗布される。次に、溶剤を気化させるためのエポキシ樹脂の加熱処理と、エポキシ樹脂への紫外線照射が行われる。この紫外線照射によって、エポキシ樹脂が硬化する。

その後は、実施例１の製造方法と同様に、Ｓｉ基板８５表面の露出と、この露出面（テラス）へのパッド９０の形成が行われる。更に、このパッド９０に光増幅ユニット４４が半田付されて、光導波路ユニット１０８が完成する。

本実施例では、高分子材料（ポリマー）として紫外線硬化型のエポキシ樹脂が用いられているが、その他の高分子材料、例えば紫外線硬化型のアクリレート、フッ素化ポリイミド、ベンゾシクロブテン、重水素化シリコーン、重水素化ＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）等が用いられてもよい。

また、上半分だけでなく、クラッド層全体が、高分子材料（ポリマー）で形成されてもよい。

本実施例の光送信装置１１５では、実施例２と同様に、光導波路ユニットのクラッド層の上半分が、ポリマー（エポキシ樹脂等）によって形成されている。更に、本実施例では、光導波路ユニット１１６の第２のコア層がシリコン（Ｓｉ）で形成されている。その他の構成は、実施例１の光送信装置と略同じである。従って、実施例１と共通する部分に関する説明は行われない。

図１１は、本実施例の光導波路ユニット１１６の断面を説明する図である。図１１（ａ）は、本光導波路１２２の光軸に沿った断面を、回折格子１１８が設けられた領域８８で見た図である。一方、図１１（ｂ）は、光導波路１２２の光軸に垂直な断面を、同じく、回折格子１１８が設けられた領域８８で見た図である。

本実施例では、Ｓｉ基板８５の上に厚さ３μｍの第１のＳｉＯ₂層１１０が積層され、更にその上にＳｉ製の第２のコア層１１７が形成されている。尚、Ｓｉの屈折率は、３．４４である。

回折格子１１８が形成されている領域８８では、第２のコア層１１７の幅及び厚さは、夫々０．２８μｍ及び０．２４μｍである。そして、第２のコア層１１７の上には、ＳｉＮ膜が２８７ｎｍの周期（ピッチ）で形成されている。ＳｉＮ膜の厚さは１５ｎｍであり、幅は第２のコア層１１７と同じ０．２８μｍである。一方、ＳｉＮ膜１２０の光軸方向の長さは、ＳｉＮ膜の形成周期の半分の１４４ｎｍである。

一方、回折格子１１８が形成されていない領域８２では、第２のコア層１１７の幅は、０．４〜０．５μｍである。一方、第２のコア層１１７の厚さは、回折格子１１８が形成されている領域８８と同じ０．２４μｍである。

回折格子１１８が形成されていない領域８２の長さは、２１５μｍである。一方、回折格子１１８が形成されている領域８８の長さは、実施例１と同じ１５５μｍである。

そして、第１のＳｉＯ₂層１１０及び第２のコア層１１７の上には、実施例２と同様、厚さが１．５μｍ以上のエポキシ樹脂１１４が積層されている。

このように、第１のＳｉＯ₂層１１０及びエポキシ樹脂１１４が、第２のコア層１１７を囲むクラッド層を形成している。

本実施例では、第２のコア層１１７が、温度上昇すると屈折率が増加する半導体（Ｓｉ）で形成されている。また、第２のコア層を囲むクラッド層１１７の上半分が、温度が上昇すると屈折率が低下する材料（エポキシ樹脂）で形成されている。

ところで、回折格子１１８が形成されている領域８８の等価屈折率の平均値は２．２６である。従って、回折格子１１８のブラック波長は、実施例１と同じ１．３μｍ（＝２×２．２６×２８７ｎｍ）である。また、回折格子１１８の結合係数κも、実施例１と略同じ１２４／ｃｍである。

このように、本実施例の回折格子１１８のブラッグ波長、結合係数κ、及び回折格子１１８の長さＬ_Bは、実施例１と略同じである。このため、回折格子１１８の反射率の特性は、図８を参照して説明した実施例１の回折格子７０の特性と略同じである。また、共振器モード間隔も、実施例１と略同じ０．３９ｎｍである。

よって、レーザ光生成装置１２３は、実施例例１と同じように、高反射帯域９８に属する５本の共振器モード（発光強度比は３ｄＢ以内）でレーザ発振する。更に、レーザ光生成装置１０９の共振器モードの間隔δｆ（６９ＧＨｚ）も、実施例例１と同じように、電気信号１００の変調周波数（１０ＧＨｚ）より高い。これら５本の共振器モードで発光するレーザ光の光強度比も、実施例１と同じように３ｄＢ以内である。

故に、本実施例の光送信装置１１５は、実施例１の光送信装置３０と同様の効果を発揮する。加えて、本光送信装置１１５が送出する信号光の波長の温度変化率は、実施例１の光送信装置３０の信号光の波長の温度変化率より一桁程度小さい。

第２のコア層１１７を形成する半導体（Ｓｉ）の屈折率ｎは、温度が上昇すると増加する。上述したように、半導体の屈折率の温度係数ｄｎ／ｄＴ（degree^-1）は、＋１０^-4程度である。

一方、エポキシ樹脂のような高分子材料（ポリマー）の屈折率ｎは、温度が上昇すると低下する。例えば、エポキシ樹脂の屈折率の温度係数ｄｎ／ｄＴ（degree^-1）は、−１０^-4程度である。

ところで、第２のコア層１１７の厚さ及び幅が共に１μｍ以下なので、導波光の５０％程度が第２のコア層１１７を囲むクラッド層に滲み出す。このため、第２のコア層１１７を形成するＳｉと、クラッド層の上半分を形成するエポキシ樹脂の屈折率の温度変化が相殺して、光導波路１２２の等価屈折の温度変化が小さくなる。

このため、本光送信装置１１５が送出する信号光の波長の温度変化率は、実施例１の光送信装置３０の信号光の波長の温度変化率より一桁程度小さくなる。

上述したよう、第２のコア層１１７の厚さ及び幅は共に１μｍ以下である。このようなコア層を有する光導波路１２２を曲げた場合、曲率半径は数μｍになる。従って、後述する実施例６で説明するような、曲がり光導波路を有する光導波路ユニットに、本実施例の光導波路を適用すれば、光導波路ユニットのサイズを小さくすることができる。

ところで、実施例１乃至３では、回折格子は光導波路ユニットに形成され、半導体製の光増幅ユニットから分離している。このような構造では、回折格子が形成される光導波路の材料を適宜選択することにより、回折格子のブラッグ波長の温度変化率を小さくすることができる。従って、装置の環境温度が変化しても、光信号発生装置の信号光の波長が殆ど変化しないようにすることができる。故に、精密な温度制御を必要としない光送信装置を実現することができる。

次の説明は、光導波路ユニット１１６の製造方法に関する。

まず、Ｓｉ基板上に、ＳｉＯ₂膜とＳｉ（単結晶）膜が順次積層されたＳＯＩ（silicon on insulator）基板が用意される。

次に、このＳｉ膜の上に、ＰＣＶＤ法によってＳｉＮ膜が堆積される。次に、このＳｉＮ膜が電子線露光技術とＲＩＥによって加工され、回折格子の形成予定位置に、周期的に配置されたＳｉＮ膜を形成される。

更に、電子線露光技術とＲＩＥによって、Ｓｉ膜が加工されて第２のコア層が形成される。

その後、第２のコア層及びＳｉＯ₂膜の上に、クラッド層の上半分となるエポキシ樹脂層が形成される。

その後の製造方法は、実施例２の製造方法と同じである。

本実施例は、回折格子の反射率特性を単峰性にすることにより、レーザ発振に寄与しない自然放出光（特に、増幅された自然放出光）によるノイズを抑制した光送信装置に関する。本実施例では、第２のコア層に形成される回折格子の形態が特殊である。その他の構成及び動作は、実施例１の光送信装置３０と略同じである。従って、共通する部分に関する説明は行われない。

図１２は、回折格子１２６が形成された第２のコア層１２８の平面図である。図１２に示すように、本実施例では第２のコア層１２８の幅が、周期的に増減を繰り返している。しかも、第２のコア層１２８の幅の振幅は、図１２に示すように、回折格子１２６の中央から両端に向かって漸減し、両端ではゼロとなっている。一方、第２のコア層１２８には、実施例１のような溝は形成されない。

第２のコア層１２８の幅が増減する周期１３１は、４１２ｎｍである。幅が広くなっている部分１２９の、幅の増減周期１３１に対する割合（ｄｕｔｙ）は、５０％である。コア層の幅の最大値１３０は、１．５μｍである。一方、コア層の幅の最小値１３３は、１．２μｍである。また、回折格子１２８の長さは、２５７μｍである。

クラッド層の材質（ＳｉＯ₂）及び構成は、実施例１と同じである。また、第２のコア層１２８の材質（ＳｉＯ_1-xＮ_x）、厚さ（０．４μｍ）、回折格子１２８の形成されていない領域８２に於ける幅（１．２μｍ）も、実施例１と同じである。従って、光導波路１３４の等価屈折は、実施例１と同じ１．５４である。

図１３は、本回折格子１２６の結合係数κの分布を説明する図である。縦軸は結合係数κである。横軸は、光軸に沿った位置座標である。

図１３に示しように、結合係数κは、回折格子の中央部で最も強く、１７０／ｃｍである。結合係数κは、回折格子の両端に向かって漸減し０／ｃｍになる。図１２に示すように、第２のコア層１２８の幅は、回折格子の中央部で最大になる。従って、結合係数κも回折格子の中央で最大になる。一方、幅１３０の振幅が最少になる回折格子の両端で、結合係数κが最少になる。

図１４は、回折格子１２６の反射率と波長の関係を説明する図である。

図１４の縦軸は反射率であり、横軸は波長である。尚、縦軸は対数表示となっている。

図１４に示すように、回折格子１２６の反射率は、実施例１の回折格子７０と同じく、波長１．３μｍで最大値となる。また、反射率の最大値も、実施例１と同じ９０％である。また、反射率の最大値（９０％）から０．１ｄＢ以内（反射率８９．８％以内）に反射率が存在する高反射帯域９８の幅も、実施例１と同じ２ｎｍである。

更に、光共振器１３６の共振器モード間隔も、実施例１と同じ０．３９３ｎｍ（７０ＧＨｚ）である。よって、レーザ光生成装置１４１の共振器モード間隔δｆ（７０ＧＨｚ）は、電気信号源３４の変調周波数（１０ＧＨｚ）より高くなる。

故に、本光送信装置１２１は、実施例１の光送信装置３０と同様の効果を発揮する。加えて、本光送信装置１２１は、以下に説明するように、レーザ発振に寄与しない自然放出光（特に、増幅された自然放出光）によるノイズを抑制することができる。

図８に示すように、実施例１の回折格子の反射率と波長の関係（反射率特性）には、主反射帯１３８に付随してサイドローブ１４０が発生する。このようなサイドローブ１４０内の共振器モードでは、レーザ発振は起きないが、増幅された自然放出光、所謂ＡＳＥ（Amplified Spontaneous Emission）が発生する。よく知られているように、ＡＳＥは、レーザ光のノイズ源となる。

本実施例の回折格子の反射率特性には、図１４に示しように、このようなサイドローブは存在しない。従って、本実施例では、サイドローブ内に発生するＡＳＥに起因するノイズを防止することができる。

次の説明は、光導波路ユニット１２４の製造方法に関する。

本光導波路ユニット１２４の製造方法は、実施例１の光導波路ユニット８０の製造方法と略同じである。但し、本実施例では、第２のコア層１２８となるＳｉＯ_1-xＮ_x膜が、回折格子の形成予定領域で幅が周期的に増減するように加工される（図１２参照）。ＳｉＯ_1-xＮ_x膜の加工は、電子線露光技術とＲＩＥを用いて行われる。本工程以外の製造方法は、実施例１の製造方法と略同じである。

図１５は、本実施例に従う光送信装置１４２の要部を説明する斜視図である。図１６は、図１５のＡ−Ａ線に沿った断面を矢印の方向から見た図である。本光送信装置１４２の構成及び動作は、実施例１の光送信装置３０と共通する部分が多い。従って、共通する部分については、説明を省略する。

本実施例では、光導波路ユニット１４３を形成する回折格子１４４の反射率の最大値が、略１００％である。一方、図１６に示しように、光増幅ユニット１４６の第１の端面４０（光導波路ユニット１４３とは反対側の端面）には、実施例１とは異なり、高反射膜は形成されていない。

本実施例では、第１の端面４０は、へき開された状態のままである。よって、第１の端面４０は、反射率約３０％の光反射面４２として機能する。

光増幅ユニット１４６の第１のコア３７（活性層３６）は、このヘキ開面で、光ファイバ１７に光学的に結合している（図１６参照）。すなわち、本光送信装置１４２は、第１の端面４０（光反射面４２）から光信号を出力する。尚、光増幅ユニット１４６の長さは、３００μｍである。

本実施例の回折格子１４４は、実施例1と同様、ＳｉＯ_1-xＮ_x（０≦ｘ≦１）製の第２のコア層１４５に溝が周期的に形成された光学部材である（図１６参照）。また、回折格子１４４は、実施例1と同様、ＳｉＯ₂製のクラッド層７５に囲まれている。

但し、本回折格子１４４は、実施例１の回折格子７０とは異なり、光導波路ユニット１４３側の第３の端面７６（光増幅ユニット１４３側の端面）に直接接続している（図１５及び図１６参照）。

本回折格子１４４のピッチ及びジュティー（ｄｕｔｙ）は、４１２ｎｍ及び５０％である。これらは、実施例１の回折格子７０のピッチ及びジュティーと同じである。一方、本回折格子１４４の溝の深さは、２５ｎｍである。この深さは、実施例１の溝の深さ（３２ｎｍ）より浅い。また、回折格子１４４の結合係数κは、８０／ｃｍである。この結合係数は、実施例１の結合係数（１２５／ｃｍ）より小さい。

一方、回折格子１４４の長さＬは、７２５μｍである。この長さは、実施例例１の回折格子の長さ（１５５μｍ）より長い。

従って、本回折格子のκ・Ｌは、５．８である。一方、実施例１の回折格子７０のκ・Ｌは、１．９である。このように、本回折格子のκ・Ｌは、実施例１の回折格子７０のκ・Ｌより格段に大きい。このため、本回折格子１４４の反射率の最大値は、略１００％になる。一方、本回折格子１４４では、結合係数κが小さいので、反射帯域の幅が狭くなる。

図１７は、回折格子１４４の反射率と波長の関係を説明する図である。縦軸（対数表示）は反射率であり、横軸は波長である。

図１７に示すように、回折格子１４４の反射率の最大値は略１００％である（図１７参照）。この高い反射率により、後述する本実施例に特有の効果が発揮される。

一方、反射率が、最大値（略１００％）から０．１ｄＢ以内（反射率が９９．８％以内）になる高反射帯域１５０の幅は、実施例１と同じ２ｎｍである。また、共振器モード間隔も、実施例１と略同じ０．４０ｎｍ（７１ＧＨｚ）である。

従って、実施例１と同じように、本実施例でも、高反射帯域１５０内に５本（＝２ｎｍ/０．４ｎｍ）の共振器モードが形成される。更に、レーザ光生成装置１４８の共振器モードの間隔δｆ（７１ＧＨｚ）も、実施例１と同じように、電気信号源３４の変調周波数（１０ＧＨｚ）より高い。故に、本実施例の光送信装置１４２も、実施例１の光送信装置３０と同様の効果を発揮する。

加えて、本光送信装置１４２は、複数の共振器モードで安定にレーザ発振するとい効果を発揮する。

本実施例の回折格子１４４では、図１７に示すように、波長と反射率の関係を示す曲線が、最大反射率（略１００％）の近傍で略平坦（フラットトップ）になっている。このような場合、レーザ光生成装置１４８は、複数の共振器モードで安定にレーザ発振する。よって、本光送信装置１４２は、複数の共振器モードで安定にレーザ発振する。

更に、本光送信装置１４２をＷＤＭ用の光送信装置（以下、ＷＤＭ光送信装置と呼ばれる）に適用した場合、多数の波長チャネルが設定可能になるという効果を、本光送信装置１４２は発揮する。

上述したように、高反射帯域１５０の内部では、複数の共振器モードが確実にレーザ発振する。しかし、高反射帯域１５０の外側でも、レーザ発振が起きる場合がある。

このため、光送信装置１４２をＷＤＭに適用する場合、隣接する波長チャネルに光が漏れないように、波長チャネルの幅は高反射帯１５０の幅より広く設定しなければならない。波長チャネルの幅としては、例えば、反射率の最大値（略１００％）の５ｄB以内に反射率が存在する波長範囲すなわち波長帯域１５２が好ましい。

ところで、波長帯域１５２の幅は、回折格子の結合係数κに比例する。従って、結合係数κを小さくすれば、反射帯域１５２を狭くすることができる。しかし、反射率と波長の関係を示す反射率曲線がフラットトップでないと、反射帯域内に占める高反射帯域の割合が小さくなる。このような場合、反射帯域を狭くすると、高反射帯域が狭くなり過ぎてしまう。その結果、高反射帯域内で安定にレーザ発振する共振器モードの数が減少し、モードホップノイズが増加してしまう。

一方、本実施例の回折格子１４４では、反射率曲線がフラトトップなので、反射帯域１５２内に占める高反射帯域１５０の割合は大きい。従って、本実施例の回折格子１４４によれば、必要な高反射帯域１５０の幅を確保しつつ、反射帯域１５２の幅を狭くすることができる。

例えば、実施例１の回折格子では、幅２ｎｍの高反射帯域９８を確保するために、幅９ｎｍの反射帯域１５２が設けられている（図８参照）。一方、本実施例によれば、３ｎｍ幅の反射帯域１５２を設けるだけで、実施例１と同じ幅（２ｎｍ）の高反射帯域１５０を確保することができる（図１７参照）。

故に、本光送信装置１４２をＷＤＭ光送信装置に適用した場合、１波長チャネル当たりの波長範囲が狭くなるので、多数の波長チャネルの設定が可能になる。

尚、反射率曲線が完全なフラトトップでなくても、本光送信装置１４２は、このような効果を発揮する。このような効果が発揮されるためには、回折格子の反射率の最大値が９０％より高いことが好ましく、反射率の最大値が９５％より高いことが更に好ましく、反射率の最大値が９８％より高いことが最も好ましい。

図１８は、本実施例の光送信装置１５４の要部を説明する斜視図である。本光送信装置１５4の構成及び動作は、実施例５の光送信装置１４２の構成及び動作と共通するが部分がある。従って、共通する部分についての説明は行われない。

光増幅ユニット１５６の構成は、実施例１の光増幅ユニット４４と略同じである。但し、光増幅ユニット１５６の素子長は、３００μｍである（実施例５と同じ）。

また、電気信号源３４の構成は、実施例１の電気信号源３４と同じである。

光導波路ユニット１５８は、光合波器（カプラ）１６０を具備している。

図１９は、光合波器１６０の構成を説明する平面図である。

光合波器（カプラ）１６０は、光導波路ユニット１５８の第３の端面７６と回折格子１６１の間、すなわち光導波路７８の中間に設けられている（図１８参照）。また、光合波器（カプラ）１６０は、第３の端面７６に光学的に接続された第１の光入力口１６２、第２の光入力口１６４、回折格子１６１に光学的に接続された第１の光出力口１６６、及び第２の光出力口１６８を有している。光合波器１６０は、図１８及び図１９から明らかなように、２入力２出力の多モード干渉（multi-mode interference ; ＭＭＩ）結合器である。尚、ＭＭＩ等の光結合器は、光出力口に光が入力しても光結合器として機能する。すなわち、光入力口及び光出力口との名称は、便宜的なものである。

また、光導波路ユニット１５８は、回折格子１６１と同一構造の他の回折格子１７０が形成され、光合波器（カプラ）１６０の第２の光出力口１６８に光学的に接続された他の光導波路１７２を具備している（図１８参照）。

ここで、回折格子１６１及び他の回折格子１７０の構成は、実施例５の回折格子１４４と同じである。すなわち、回折格子１６１及び他の回折格子１７０の反射率の最高値は、略１００％である。従って、回折格子１６１及び他の回折格子１７０の反射率曲線は、フラットトップになっている。

また、光導波路ユニット１５８は、光合波器（カプラ）１６０第２の光入力口１６４に光学的に接続され、光信号を出力する出力導波路１７４を具備している。

ここで、出力導波路１７４は屈曲部１７６を有している。出力導波路１７４は、この屈曲部１７６で１８０°方向を転換した後、光増幅ユニット１５６とは反対側に延在し、第５の端面１８４に到達する。そして、出力導波路１７４は、この第５の端面１８４で、光ファイバ１７に光学的に結合している。

そして、光導波路ユニット１５８では、回折格子１６１から光結合器（カプラ）１６０の第１の光出力口１６６に至る第１の光路１８０の光学長と、他の回折格子１７０から第２の光出力口１６８に至る第２の光路１８２の光学長が一致しない。更に、両光学長の差が、光送信装置１５４が出力する光信号の波長λを整数倍して４で除した値（０， ０．２５λ, ０.５λ, ０．７５λ, １．０λ,・・・）には一致しないように光導波路が形成されている。

本実施例では、この光路長の差は、２２８ｎｍである。２２８ｎｍは、光送信装置１５４が生成する信号光の波長（１．３μｍ）の略１/６である。尚、各光路の物理的長さの差は、１４８ｎｍ（＝２２８ｎｍ/１．５４）である。

ここで、回折格子１６１及び他の回折格子１７０に加え、光合波器１６０、他の光導波路１７２、及び出力導波路１７４は、実施例５の回折格子１４４と同様に、ＳｉＯ_1-xＮ_x膜をＲＩＥで加工して形成されている。また、回折格子１６１等を囲むクラッド層も、実施例５と同様にＳｉＯ₂で形成されている。

以上の説明から明らかなように、本実施例の光導波路ユニット１５８には、回折格子１６１,１７０と合波器１６０によって反射型のマッハ・ツェンダ干渉計が形成されている。尚、光導波路ユニット１５８第３の端面７６から、回折格子１６１に至る光路に沿った長さは、２００μｍである。

以下の説明は、レーザ光生成装置１７８の動作に関する。

電気信号源３４から電流が光増幅ユニット１５６に注入されると、光増幅ユニット１５６の活性層３６は光利得を形成すると共に自然放出光を発生する（図６参照）。活性層３６で発生した光（自然放出光）は、第２の端面６６から出射して、光導波路ユニット１５８の光導波路７８に入射する。

光導波路７８に入射した光は、光合波器（ＭＭＩカプラ）１６０によって等しく分割され、第１の光出力口１６６及び第２の光入力口１６８に出力される。光合波器１６０によって分割された光は夫々、回折格子１６１及び他の回折格子１７０に入射し、図１７を参照して説明した反射特性に従って反射される。図１７に示すように、高反射帯域１５０内の光は略１００％反射される。

夫々の回折格子１６１,１７０で反射された光は、進んできた光路を逆行して、光合波器（ＭＭＩカプラ）１６０の第１の光出力口１６６及び第２の光出力口１６８に夫々再入射する。光合波器（ＭＭＩカプラ）１６０に再入射した光は合波されて干渉し、第１の光入力口１６２及び第２の光入力口１６４から出射される。

この時、回折格子１６１から光合波器１６０の第１の光出力口１６６に至る第１の光路１８０の光学長と、他の回折格子１７０から光合波器１６０の第２の光出力口１６８に至る第２の光路１８２の光学長の差Δによって、光合波器（ＭＭＩカプラ）１６０の出力が変化する。光学長の差Δがゼロの場合には、光合波器１６０に再入射した光は、全て第２の光入力口１６４から出射される。一方、光学長の差Δが１/４λの場合には、光は全て第１の光入力口１６２から出射される。

本実施例のレーザ光生成装置１７８では、光学長の差Δが略λ/６に設定されている。この場合、光増幅ユニット１５６に接続された第１の光入力口１６２には、合波された光の８０％が出射される。一方、第２の光入力口１６８からは、残りの２０％の光が出射される。

第１の光入力口１６２から出射された光は、光増幅ユニット１５６の活性層３６に再入射する。再入射した光は、反射率が略１００％の光反射面４２（高反射膜６４）によって反射され、進行方向を逆転して再び光導波路７８に入射する（図６参照）。この間、光は活性層３６によって増幅される。

その後、上記光は、回折格子１６１,１７０と光反射面４２（高反射膜６４）によって形成される光共振器の間を往復して、レーザ光に成長する。そして、生成されたレーザ光の一部が出力導波路１７４に分岐されて、光ファイバ１７に出力される。

ここで、回折格子１６１,１７０のブラッグ波長は１．３μｍである。また、共振器モード間隔は、０．３５ｎｍ（６２ＧＨｚ）である。また、高反射率帯１５０の幅は、２ｎｍである。

従って、レーザ光生成装置１７８は、実施例５のレーザ光生成装置１４８と同じように、１．３μｍを中心として、光強度比が３ｄＢ以内の５本の共振器モードでレーザ発振する。また、レーザ光生成装置１７８の共振器モードの間隔δｆ（６２ＧＨｚ）は、実施例５と同じように、電気信号源３４の変調周波数（１０ＧＨｚ）より高い。

更に、回折格子１６１,１７０の反射率の最高値は略１００％である。

故に、本実施例の光送信装置１５４は、実施例５の光送信装置１４２と同様の効果を発揮する。加えて、本光送信装置１５４は、以下に説明するように、誘電体製の出力導波路１７４で光ファイバ１７に光学的に結合しているので、光ファイバへの結合が容易になる。

光導波路間の結合は、双方の等価屈折率が近いほど容易である。実施例５では、光増幅ユニット１４６と（ＳｉＯ₂製の）光ファイバ１７が光学的に結合している（図１５参照）。ここで、光増幅ユニット１４６は半導体製であり、光ファイバ１７は誘電体製である。半導体と誘電体は屈折率が大きく異なるので、光増幅ユニット１４６と光ファイバ１７を高い結合率で光結合することは容易ではない。

本実施例では、出力導波路１７４及び（ＳｉＯ₂製の）光ファイバ１７の双方とも誘電体で形成されているので、両者の光結合率を高くすることは容易である。従って、位置合わせも容易である。すなわち、本光送信装置１５４と光ファイバ１７の光結合は容易である。

ところで、ＷＤＭ光送信装置では、アレイ導波路回折格子（Arrayed-Waveguide Grating ；ＡＷＧ）合波器によって、信号光が波長多重化されて出力される。

本光送信機１５４の出力導波路１７４の断面構造は、このアレイ導波路回折格子と同じである。従って、本光送信装置１５４とＡＷＧ合波器を、同一基板上に集積化することはが容易である。

図２０は、本実施例の光送信装置１８６の要部を説明する斜視図である。

本光送信装置１８６の構成は、実施例１の光送信装置３０の構成と一部共通する。従って、共通する部分については、説明を省略する。

図２０に示すように、本実施例の光送信装置１８６は、光増幅ユニット１９８を具備している。

光増幅ユニット１９８の構造は、図６を参照して説明した実施例１の光増幅ユニット４４と略同じ構造である。但し、素子長が１０００μｍであり、実施例１の光増幅ユニット４４より長い。尚、実施例１の光増幅ユニット４４の素子長は、４００μｍである。

更に、本実施例の光送信装置１８６は、回折格子２０２の形成された光導波路２０４と光変調器１９０を有する光導波路ユニット１８８を具備している。

光導波路２０４の構成は、実施例１の光導波路７８と略同じである。但し、回折格子２０２の結合係数κが５１／ｃｍであり、実施例１の回折格子７０の結合係数κ（１２５/ｃｍ）より小さい。また、回折格子２０２の長さは３７９μｍである。また、光増幅ユニット１９８側の第３の端面７６と回折格子２０２の間の距離は、１５３μｍである。

光変調器１９０には、（光増幅ユニット１９８に対向する）第３の端面７６とは異なる端部で光導波路２０４が光学的に結合している。すなわち、光変調器１９０の入力端１９２は、回折格子２０２に接続されている。一方、光変調器１９０の出力端１９４は、出力導波路１９６に接続されている。そして、出力導波路１９６は、光ファイバ１７に光学的に接続されている。

図２０から明らかなように、光変調器１９０は、マッハ・ツェンダ型の光変調器である。図２０に示すように、光変調器１９０を形成する光導波路は、一旦分岐して平行な一対の光導波路になった後、合流して再び１本の光導波路になる。本実施例の光変調器１９０は、分岐した一対の光導波路の一方（又は双方）に電流が注入されて、その屈折率が変化するように形成されている。この屈折率変化によって導波光の位相が変化して、入射光が変調される。

図２１は、信号光の進行方向に垂直な光変調器１９０の断面を説明する図である（非特許文献２）。図２１には、上記一対の光導波路の一方の断面が図示されている。

光変調器１９０では、Ｓｉ製のコア層２０６がＳｉＯ₂製のクラッド層２０８によって囲まれている。コア層２０６を形成するＳｉは、ノンドープである。一方、コア層２０６の両側には、コア層２０６より薄いＳｉ層２１０,２１２が延在している。一方のＳｉ層２１０はｎ型であり、他方のＳｉ層２１２はｐ型である。すなわち、ｎ型Ｓｉ層２１０及びｐ型Ｓｉ層２１２は、コア層２０６を挟んでｐｎ接合を形成している。

クラッド層２０８には、ビアホール２１４が形成されている。ビアホール２１４には金属が充填され、この金属によって、ｎ型Ｓｉ層２１０及びｐ型Ｓｉ層１２１が、それぞれクラッド層２０８の表面に形成された電極２１６に接続されている。

また、本光送信装置１８６は、電気信号を印加して、光変調器１９０を駆動する電気信号源２１８を具備している。この電気信号によって上記ｐｎ接合が順バイアスされると、コア層２０６に電流が注入される。注入された電流はコア層２０６の屈折率を低下させる。このため、電気信号が印加された一方の光導波路と、電気信号が印加されなかった他方の光導波路の間で光路長に差が生じ、光信号が変調される。

また、本光送信装置１８６は、光増幅ユニット１９８の利得導波路に直流電流を供給する電流供給源２２０を具備している。

本実施例では、回折格子２０２が形成された光導波路２０４と光増幅ユニット１９８の光反射面４２によって、光共振器２２０が形成されている。従って、光共振器２２０の一部を形成する光増幅ユニット１９８に電流供給源２２０から直流電流が供給されると、光共振器２２０で連続レーザ発振が起きて、直流レーザ光が生成される。

このレーザ光は、入力端１９２から変調器１９０に入射する。変調器１９０は、電気信号源２１８によって印加される電気信号に従って、入射したレーザ光を変調する。変調されたレーザ光は、出力端１９４から出射され出力導波路１９６に入射する。レーザは出力導波路１９６によってレーザ光生成装置２００の端部まで導かれ、光ファイバ１７に入射する。

図２２は、回折格子２０２の反射率と波長の関係を説明する図である。図２２の縦軸は反射率であり、横軸は波長である。

図２２に示すように、回折格子２０２の反射率は、波長１．３μｍで最大値となる。この反射率の最大値は、実施例１と同じ９０％である。ここで、回折格子２０２の高反射帯域９８（最大値反射率の０．１ｄＢ以内に反射率が存在する波長範囲）の幅は１ｎｍである。また、上記光共振器２２０の共振器モード間隔は０．２ｎｍ（３６ＧＨｚ）である。

従って、高反射帯域９８内には、５本の共振器モードが存在する。また、共振器モード間隔（３６ＧＨｚ）は、電気信号源２１８の変調周波数（１０ＧＨｚ）より十分に高い。

故に、本実施例の光送信装置１８６は、実施例１の光送信装置３０と同様の効果を発揮する。加えて、本実施例の光送信装置１８６によってＷＤＭ光送信装置の各波長チャネルが形成された場合、ＷＤＭ光送信装置の波長チャネル数が増加するという効果が発揮される。

ＷＤＭ光送信装置の各波長チャネルが本光送信装置１８６によって形成された場合、以下に説明するように、波長チャネルの幅を、回折格子２０２の反射帯域幅に等しい１ｎｍに設定することできる。一方、実施例１の光送信装置３０によってＷＤＭ光送信装置を構築した場合、設定可能な波長チャネルの幅は、回折格子７０の反射帯域幅に等しい２ｎｍである。従って、本実施例の光送信装置１８６によってＷＤＭ光送信装置を構築すれば、波長チャネル数が２倍になる。

このように１波長チャネルの幅を狭く設定可能な理由は、回折格子２０２の反射帯域１５２（最大値反射率の５ｄＢ以内に反射率が存在する波長範囲）の幅が１ｎｍと、実施例１の回折格子の半分であることに起因する（図２２及び図８参照）。

図２２に示すように、本実施例の回折格子２０２の反射率曲線は、実施例１の回折格子７０と反射率曲線と同じように、フラットトップではない。このため、反射帯域１５２を狭くすると、同時に高反射帯域９８の幅も狭くなり、高反射帯域内９８に存在する共振器モードの数が減ってしまう。このような共振器モードの減少は、モードホップノイズの増加をもたらす。

そこで、本実施例では光共振器２２０の光学長（共振器長）を長くして、共振器モード間隔を狭くしている。

しかし、共振器長が長くなるとミラー損失が減少し、光共振器内に発生する光子の寿命が長くなる。その結果、レーザ光生成装置２００の緩和振動数が増大する。このため、レーザ光生成装置（レーザ発振器）を直接変調して信号光を生成する、実施例１乃至実施例６の光送信装置では、共振器モード間隔をあまり狭くすることはできない。ところで、反射帯域１５２には、モードホップノイズの低減のため、複数の共振器モードを収容することが要求される。従って、反射帯域１５２の幅も、あまり狭くすることができない。

一方、本実施例の光送信装置１８６では、光増幅ユニット１９８と光共振器２２０によって生成した連続レーザ光（ＣＷ光）を光変調器１９０で変調して、信号光を形成する。従って、本光送信装置１８６の変調帯域は、レーザ光生成装置２００の緩和振動数によって制限されない。

故に、本光送信装置１８６の変調帯域は、光共振器２２０を長くして共振器モード間隔を狭くしても、狭くはならない。従って、本光送信装置１８６では、共振器モード間隔を狭くして、高反射帯域９８内に、必要な数だけ共振器モードを確保することができる。

よって、本伝送装置１８６をＷＤＭ光送信装置に適用した場合、波長チャネルの幅を必要なだけ狭くすることが可能なので、波長チャネル数を多くすることができる。

更に、本光送信装置１８６の光増幅ユニット１９８には、レーザ光を変調するための電気信号が印加されない。このため、光増幅ユニット１９８の電気容量が増加しても、光送信装置１８６の変調帯域が狭くなることはない。故に、本実施例の光送信装置１８６では、光増幅ユニット１９８を長くすることが可能になっている。光増幅ユニット１９８を長くすることには、以下のような利点がある。

本実施例では、光導波路２０４でなく等価屈折率が大きい光増幅ユニット１９８を長くして、共振器モード間隔を狭くしている。従って、レーザ光発生装置２００全体の長さの増加が抑制されている。

更に、本実施例では、利得媒体として機能する光増幅ユニット１９８が長くなっているので、光送信装置１８６の最大出力が大きくなっている。

図２３は、本実施例に従うＷＤＭ光送信装置２２２の要部を説明する斜視図である。

ＷＤＭ光送信装置２２２は、Ｓｉ製の基板２２４の上に集積化された４つの光送信装置２２６を具備している。光送信装置２２６の構成は、実施例１で説明した光送信装置３０と略同じである。但し、回折格子７０のピッチは、実施例１の光送信装置３０とは異なっている。

光送信装置２２６の回折格子７０のピッチは、光送信装置ごとに異なっている。各光送信装置２２６の回折格子７０のピッチは、短い方から順に４１８．０７ｎｍ、４２０．０１ｎｍ、４２１．９６ｎｍ、及び４２３．９０ｎｍである。これらのピッチに対応して、各回折格子のブラッグ波長も夫々異なっている。各回折格子のブラッグ波長は、短い方から順に、１２９１ｎｍ、１２９７ｎｍ、１３０３ｎｍ、及び１３０９ｎｍである。

また、ＷＤＭ光送信装置２２２は、複数の光送信装置２２６が出力する光信号を波長多重化する波長多重ユニット（λ―ＭＵＸ）２２８を具備している。波長多重ユニット２２８は、図２３に示すように、複数の光送信装置２２６と共に同一基板２２４の上に集積化されている。波長多重ユニット２２８は、例えばＡＷＧ合波器である。

波長多重ユニット２２８の複数の入力部２３０は、夫々、各光送信装置２２６の出力端（回折格子７０の端部）に接続されている。一方、波長多重ユニット２２８の出力部は、光ファイバ１７に光学的に接続している。

尚、図２３中に示された破線は、ＷＤＭ光送信装置２２２を機能別に区切った境界を示している。この破線は、ＷＤＭ光送信装置２２２の物理的な境界を示してはいない。

各光送信装置２２６は、実施例１で説明した動作に従って光信号を生成する。従って、各光送信装置２２６は、夫々の回折格子７０のブラッグ波長を中心とする複数の共振器モードで発振する。

故に、各光送信装置２２６が生成する光信号の中心波長は、短い方から順番に、１２９１ｎｍ、１２９７ｎｍ、１３０３ｎｍ、及び１３０９ｎｍである。各波長の間隔は、６ｎｍである。

これらの光信号は、夫々、波長多重ユニット２２８の入力部２３０に入射する。波長多重ユニット２２８は、入射した光信号を一つにまとめて、出力部２３２から光ファイバ１７に出射する。以上の説明から明らかなように、本ＷＤＭ光送信装置２２２の波長チャネル数は４つであり、波長チャネル幅は６ｎｍである。

ここで、光送信装置２２６が生成する光信号は、その回折格子７０の高反射帯域９８内で安定にレーザ発振する複数の共振器モードによって形成されている（図８参照）。しかし、実施例７で説明したように、この高反射帯域外の共振器モードでレーザ発振が起きる場合がある。

一方、反射帯域１５２の外側の共振器モードで、レーザ発振が起きる場合は極めて少ない。また、このような共振器モードでレーザ発振が起きたとしても、その発光強度は極めて弱い。

従って、各光送信装置２２６が生成する光信号は、実質上、反射帯域１５２の内部に存在する共振器モードのみによって形成されている。

本実施例では、ＷＤＭ光送信装置２２２の波長チャネル幅が、この反射帯域１５２の幅に一致している。故に、各光送信装置２２６が生成する光信号は、波長多重ユニット２２８によって多重化されても、ＷＤＭ信号の受信側で容易に分離することが可能である。

本ＷＤＭ光送信装置２２２は、実施例１の光送信装置と同様の効果を発揮する。加えて、本ＷＤＭ光送信装置２２２は、各波長チャネルの中心波長の設定精度が、ＤＦＢレーザを光源とするＷＤＭ光送信装置より高いという効果を発揮する。

一般的に、等価屈折率の制御は、半導体光導波路より誘電体光導波路の方が容易である。故に、ブラッグ波長の制御も、ＤＦＢレーザより、回折格子が誘電体製の光導波路で形成された本実施例の光送信装置２２６の方が容易である。よって、本ＷＤＭ光送信装置２２２の各波長チャネルの中心波長の設定精度は、ＤＦＢレーザを光源とするＷＤＭ光送信装置より高い。

実施例１乃至８で説明した光送信装置が生成する光信号は、複数の共振器モードによって形成されている。従って、実施例１乃至８で説明した光送信装置は、長距離光通信よりは短距離光通信に適している。具体的には、チップ間光通信、ボード間光通信、及び光ＬＡＮ等、１ｃｍ〜１ｋｍの距離で光信号を送受信する短距離光通信に適している。

図２４は、実施例８のＷＤＭ光送信装置２２２を用いて構築した光ＬＡＮ２３４（optical local network）の概念図である。本光ＬＡＮ２３４は、サーバやＰＣ（personal computer）等の情報処理装置２３６と、これら情報処理装置２３６に接続され、ある情報処理装置２３６から出力された信号を受信し他の情報処理装置２３６に送信するハブ２３８によって形成されている。尚、上記信号の送受信は、ハブ２３８,２３９の間でも行われる。

夫々の情報処理装置２３６及びハブ２３８,２３９には、構内等の短距離（１ｍ〜１００ｍ）で装置間を光信号で接続する光送受信モジュール２４０（光トランシーバ）が搭載されている。

図２４に示すように、情報処理装置２３６には、少なくても一つの光送受信モジュール２４０が搭載され、ハブ２３８に搭載された複数の光送受信モジュール２４０と光ファイバ対２４２によって接続されている。

図２５は、光送受信モジュール２４０の概念図である。光送受信モジュール２４０は、実施例８で説明したＷＤＭ光送信装置２２２と、波長多重化された光信号を分離して検出するＷＤＭ受信装置２４６によって形成されている。

光送受信モジュール２４０では、電気信号２４８によって供給される情報を、ＷＤＭ光送信装置２２２が光信号に変換し、更に波長多重してＷＤＭ光信号２５０として光ファイバ対２４２の一方に出力する。一方、ＷＤＭ受信装置２４６は、光ファイバ対２４６の他方を伝播してきたＷＤＭ光信号２５２を受信して、波長多重されたＷＤＭ光信号を個々の光信号に分離した後、光電変換して電気信号２３５として出力する。

本光ＬＡＮ２３４では、ハブ２３８,２３９と情報処理装置２４０（又は他のハブ２３９）の間の通信が、光送受信モジュール２４０で生成されたＷＤＭ光信号によって行われる。従って、高速大容量の通信が可能になる。

そして、光送受信モジュール２４０の光送信部は、精密な温度制御を必要とせず、且つ実施例８で説明した低ノイズのＷＤＭ光送信装置２２２で形成されている。従って、本実施例によれば、低価格且つ低ノイズの光ＬＡＮを構築することができる。

２・・・外部共振器型レーザ ４・・・高反射膜
５・・・光共振器 ６・・・半導体レーザ ８・・・Ｓｉ基板
１０・・・ＳｉＯ₂層 １２・・・光導波路
１４・・・平面光回路 １６・・・回折格子 １７・・・光ファイバ
１８・・・回折格子（ＤＢＲ）の反射率
２０・・・レーザ発振している共振器モード
２２・・・共振器モード ２４・・・（ＤＢＲが高い反射率を呈する）波長帯域
２６・・・モードホップ後の共振器モード
２７・・・回折格子の反射率（実施の形態）
２８・・・レーザ発振している共振器モード ３０・・・光送信装置（実施例１）
３２・・・レーザ光生成装置 ３４・・・電気信号源
３６・・・活性層 ３７・・・第１のコア
３８・・・利得導波路
４０・・・第１の端面 ４２・・・光反射面
４４・・・光増幅ユニット ４６・・・半導体基板
４８・・・下部クラッド層 ５０・・・上部クラッド層
５２・・・電極層 ５４・・・ｐ型ＩｎＰ
５６・・・ｎ型ＩｎＰ ５８・・・電流ブロック層
６０・・・ｎ型電極 ６２・・・ｐ電極
６４・・・高反射膜 ６６・・・第２の端面
６８・・・反射防止膜 ７０・・・回折格子
７２・・・誘電体層 ７４・・・第２のコア層
７５・・・クラッド層 ７６・・・第３の端面 ７８・・・光導波路
８０・・・光導波路ユニット（実施例１）
８２・・・（回折格子の設けられていない）第１の領域
８４・・・第４の端面 ８５・・・Ｓｉ基板
８６・・・（Ｓｉ基板上に形成された）誘電体層
８８・・・（回折格子の設けられた）第２の領域
９０・・・パッド ９２・・・実効的な反射端
９４・・・光共振器 ９６・・・ギャップ
９８・・・高反射帯域 １００・・・電気信号
１０２・・・光信号 １０４・・・第１の状態
１０６・・・第２の状態 １０７・・・光送信装置（実施例２）
１０８・・・光導波路ユニット（実施例２）
１０９・・・レーザ光生成装置（実施例２）
１１０・・・第１のＳｉＯ₂層 １１１・・・光導波路（実施例２）
１１２・・・第２のＳｉＯ₂層 １１４・・・エポキシ樹脂
１１５・・・光送信装置（実施例３）
１１６・・・光導波路ユニット（実施例３）
１１７・・・第２のコア層（実施例３）
１１８・・・回折格子（実施例３） １２０・・・ＳｉＮ膜
１２２・・・光導波路（実施例３） １２１・・・光送信装置（実施例４）
１２３・・・レーザ光生成装置（実施例３）
１２４・・・光導波路ユニット（実施例４）
１２６・・・回折格子（実施例４） １２８・・・第２のコア層（実施例４）
１２９・・・幅が広くなっている部分 １３０・・・コア層の幅の最大値（実施例４）
１３１・・・コア層幅の増減周期 １３２・・・幅が狭くなっている部分
１３３・・・コア層の幅の最小値（実施例４）
１３４・・・光導波路（実施例４）
１３６・・・光共振器（実施例４） １３８・・・主反射帯
１４０・・・サイドローブ １４１・・・レーザ光生成装置（実施例４）
１４２・・・光送信装置（実施例５）
１４３・・・光導波路ユニット（実施例５） １４４・・・回折格子（実施例５）
１４５・・・第２のコア層（実施例５） １４６・・・光増幅ユニット（実施例５）
１４８・・・レーザ光生成装置（実施例５） １５０・・・高反射帯域（実施例５）
１５２・・・反射帯域 １５４・・・光送信装置（実施例６）
１５６・・・光増幅ユニット（実施例６）
１５８・・・光導波路ユニット（実施例６） １６０・・・光合波器（カプラ）
１６１・・・回折格子（実施例６） １６２・・・第１の光入力口
１６４・・・第２の光入力口 １６６・・・第１の光出力口
１６８・・・第２の光出力口 １７０・・・他の回折格子
１７２・・・他の光導波路 １７４・・・出力導波路
１７６・・・屈曲部 １７８・・・レーザ光生成装置（実施例６）
１８０・・・第１の光路 １８２・・・第２の光路
１８４・・・第５の端面 １８６・・・光送信装置（実施例７）
１８８・・・光導波路ユニット（実施例７）
１９０・・・光変調器 １９２・・・（光変調器の）入力端
１９４・・・（光変調器の）出力端 １９６・・・出力導波路
１９８・・・光増幅ユニット（実施例７）
２００・・・レーザ光生成装置（実施例７）
２０２・・・回折格子（実施例７） ２０４・・・光導波路（実施例７）
２０６・・・コア層 ２０８・・・クラッド層
２１０,２１２・・・Ｓｉ層 ２１４・・・ビアホール
２１６・・・電極 ２１８・・・電気信号源（実施例７）
２２０・・・光共振器 ２２２・・・ＷＤＭ光送信装置（実施例８）
２２４・・・基板（実施例８） ２２６・・・光送信装置（実施例８）
２２８・・・波長多重ユニット ２３０・・・波長多重ユニットの入力部
２３２・・・波長多重ユニットの出力部 ２３４・・・光ＬＡＮ
２３５,２４８・・・電気信号 ２３６・・・情報処理装置
２３８,２３９・・・ハブ ２４０・・・光送受信モジュール
２４２・・・光ファイバ対 ２４６・・・ＷＤＭ受信装置
２５０,２５２・・・ＷＤＭ光信号

Claims (4)

1. 注入された電流によって光利得を発生する半導体層を第１のコア層とする利得導波路を含み、前記利得導波路の第１の端面に光反射面が形成された光増幅ユニットと、
   回折格子が設けられた第２のコア層を含み、前記光増幅ユニットの第２の端面に対向する第３の端面が形成され、前記第３の端面で前記光増幅ユニットに光学的に結合した光導波路を備えた光導波路ユニットとを有するレーザ光生成装置と、
   前記光増幅ユニットに電気信号を印加して、前記電流を前記半導体層に注入する電気信号源を具備し、
   前記レーザ光生成装置は、前記電気信号に従って、前記光反射面と前記回折格子が形成する光共振器の複数の共振器モードでレーザ発振する第１の状態と、前記第１の状態より発光強度が小さい第２の状態の間を往復して、光信号を発生し、
   更に、前記共振器モードの間隔に相当する周波数が、前記電気信号のビットレートに対応する周波数より高い、
   光送信装置。
2. 請求項１の光送信装置において、
   前記回折格子の反射率の最大値が９０％より高ことを、
   特徴とする光送信装置。
3. 請求項１又は２に記載の光送信装置において、
   前記光導波路ユニットが、
   前記第３の端面と前記回折格子の間に設けられ、前記第３の端面に光学的に接続された第１の光入力口、第２の光入力口、前記回折格子に光学的に接続された第１の光出力口、及び第２の光出力口を有する光合波器と、
   前記回折格子と同一構造の他の回折格子が形成され、前記第２の光出力口に光学的に接続された他の光導波路と、
   前記第２の光入力口に光学的に接続され前記光信号を出力する出力導波路を具備し、
   前記回折格子から前記第１の光出力口に至る第１の光路の第１の光学長と、前記他の回折格子から前記第２の光出力口に至る第２の光路の第２の光学長との間に前記回折格子のブラッグ波長を整数倍し４で除した波長と異なっている光路差を有していることを、
   特徴とする光送信装置。
4. 注入された電流によって光利得を発生する半導体層を第１のコア層とする利得導波路を含み、前記利得導波路の第１の端面に光反射面が形成された光増幅ユニットと、
   回折格子が設けられた第２のコア層を含み、前記光増幅ユニットの第２の端面に対向する第３の端面が形成され、前記第３の端面で前記光増幅ユニットに光学的に結合した光導波路と、前記第３の端面とは異なる端部で前記光導波路が光学的に結合する光変調器を含む光導波路ユニットとを有するレーザ光生成装置と、
   電気信号を印加して、前記光変調器を駆動する電気信号源と、
   前記利得導波路に、直流状態の前記電流を供給する電流供給源を具備し、
   前記レーザ光生成装置は、前記光反射面と前記回折格子が形成する光共振器の複数の共振器モードでレーザ発振し、
   更に、前記共振器モードの間隔に相当する周波数が、前記電気信号のビットレートに対応する周波数より高い、
   光送信装置。

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