JP2012114163A - 光ファイバ通信用波長可変半導体レーザ光源 - Google Patents

Abstract

【課題】狭線幅特性を得ることができ、かつ長期的信頼性に優れた半導体レーザ光源を提供する。
【解決手段】本発明に係る半導体レーザ１０は、光共振器１２を備えた光ファイバ通信用波長可変半導体レーザ光源であって、光共振器が、光共振器の発振するレーザ光の位相を回転させる位相回転部と、レーザ光の位相についての発振条件を制御する位相制御部とを含み、位相回転部が、レーザ光を発振する利得領域１６と、光共振器の発振周波数と等しい共振周波数を持つ第１のスルーポートリング共振器１９とが接続されて構成される。さらに位相制御部が、光フィルタからなる波長選択機構１７と、光フィルタを通過した光を全反射する反射鏡１５とを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、光ファイバ通信用波長可変半導体レーザ光源に関し、特にデジタル・コヒーレント方式で必要とされる１００ｋＨｚ程度の狭線幅特性を得ることが可能な波長可変半導体レーザ光源に関する。

ネットワークが既にインフラとして社会的に重要な位置を占めているのに加えて、クラウド・コンピューティングや動画配信などといった新たなサービスの普及によって、ネットワークで伝送されるべき通信のトラフィックはますます増加している。そのため、特に光通信ネットワークでのデータ通信の高速化および大容量化は、社会的な急務である。

これに対応する光ファイバ通信網の整備で、敷設コストの大部分を占めるのは光ファイバの敷設コストである。そのため、既設の光ファイバ通信網をそのまま使用することで、光ファイバの敷設コストを抑えることが望ましい。また、コストの抑制のためには、伝送速度を上げた場合でも、高コストな分散補償ファイバの使用は避けることが望ましい。

以上のような理由から、デジタル・コヒーレント方式による光ファイバ通信技術の開発が進められている。デジタル・コヒーレント受信方式は、コヒーレント検波技術と超高速デジタル信号処理技術とを組み合わせ、送信側で光搬送波の振幅と位相とを符号化し、受信側で伝送後の振幅と位相とを復号するという通信方式である。すなわち、デジタル信号処理により、多値符号化された位相値の検出、偏波の分離、光ファイバ伝送路の分散補償の３つを同時に行う。そのため、高価な分散補償ファイバを使わなくても、既設の光ファイバ通信網をそのまま利用して、伝送路の大容量化を実現することができる。

デジタル・コヒーレント受信方式において、高速かつ大容量の通信を安定して行うためには、スペクトラム線幅（以後単に線幅という）の狭い半導体レーザ（ＬＤ：Laser Diode）が必要不可欠である。その理由は以下の２点である。

１点目は、位相変調された光信号のコヒーレント検波の受信感度が、半導体レーザの位相雑音、即ち線幅で決まるためである。２点目は、位相スリップの問題を回避するためである。位相スリップとは、例えば４位相偏移変調方式（ＱＰＳＫ：Quadrature Phaze Shift Keying）の場合、コヒーレント検波時に位相雑音が混入した場合に検波位相値の絶対値が受信の途中からπ／２ずれてしまい、これによって致命的な受信エラーが発生する現象のことである。

より具体的にいえば、受信感度の観点では、偏波多重４位相偏移変調方式（ＤＰ−ＱＰＳＫ：Dual Polarization-Quadrature Phaze Shift Keying）の場合、５００ｋＨｚ程度以下の線幅の光源が、送受信において必要とされる。また、８相位相偏移変調方式（８ＰＳＫ：8 Phase Shift Keying）あるいは１６値直交振幅変調方式（１６ＱＡＭ：16 Quadrature Amplitude Modulation）の場合、１００ｋＨｚ程度以下の線幅の光源が、送受信において必要とされる。位相スリップ防止の観点でいえば、さらにその数分の一以下の線幅が必要である。

半導体レーザの線幅は、共振器を構成する導波路損失が十分に小さい場合は共振器長の２乗に反比例する。一方、導波路損失が大きい場合は共振器長に反比例する。このことを利用して、共振器を長共振器長化することによって発振線幅の狭線幅化を図ることが考えられる。

発振線幅を狭線幅化するために共振器を長共振器長化している半導体レーザが、例えば非特許文献１および非特許文献２に記載されている。図１１は、非特許文献１に記載されたλ／４シフトＤＦＢ（Distributed Feedback）レーザ光源８００の基本構造について示す説明図である。

図１１に記載されたλ／４シフトＤＦＢレーザ光源８００は、共振器が半導体系材料である場合に該当する。λ／４シフトＤＦＢレーザ光源８００は、レーザダイオード８０１を備える。レーザダイオード８０１は、半導体の活性層を利得領域８０２として機能させ、その近くに波状の回折格子８０３を配置している。また、回折格子８０３の中には、位相シフト部８０４を設けている。これによって、発振されるレーザ光に強い波長選択性を持たせることを可能としている。

図１２は、非特許文献２に記載されたレーザ光源９００を示す説明図である。図１２のレーザ光源９００は、共振器が石英系材料である場合に該当する。レーザ光源９００は、石英系材料で構成された共振器９００内部に利得領域９０１と反射鏡９０２を設け、そこにレンズ９０３と波長選択器９０４とで構成されるマイクロ・オプティクス的空間光学系９０５を設けた構造である。

非特許文献１および２以外では、これに関連して、以下の各々の技術文献がある。その中でも、非特許文献３には、半導体レーザの発振スペクトル線幅の算出方法について記載されている。また、特許文献１には、二重リング共振器を備えた、高信頼性で低価格な波長可変レーザ光源が記載されている。特許文献２には、多段構成のリング共振器を備えた発光素子に、接続導波路に対して応力を加える圧電素子を備えることによって安定した発振特性を得られるという発光素子が記載されている。

特許文献３には、多段構成のリング共振器に、ループミラーと非対称ＭＺＩ（マッハツェンダ干渉計）を備えることにより歩留まりを向上させたという波長可変レーザ装置が記載されている。特許文献４には、波長フィルタと光変調器とを同一基板上に形成して波長あわせを容易にしたという光半導体装置が記載されている。

特許文献５には、複数のリング共振器を方向性結合器で結合して、周波数間隔の広い光信号を結合できるという光リングフィルタが記載されている。特許文献６には、半導体ウエハを劈開する前にファブリ・ペロ共振器を容易に形成できるというレーザ装置が記載されている。

再特ＷＯ２００５／０９６４６２号公報 特開２００８−０６０４４５号公報 特開２００９−２７８０１５号公報 特開２０１０−０２７６６４号公報 特公平０７−０８２１３１号公報 特表２００５−５２８８０３号公報

IEEE J.Sel. Topics Quantum Electron.,vol.15, pp.514-520, 2009 Electronics Letters, vol.21, No.3, pp113-115, 1985 伊藤良一・中村道治共編「半導体レーザ[基礎と応用]」、培風館、161-168頁

しかしながら、非特許文献１および２に記載の方法を用いて、例えば４０ｋＨｚの線幅を実現するためには、導波路損失が十分に小さい場合であっても、共振器長を半導体系材料で４ｍｍ以上、石英系材料で９ｍｍ以上にする必要がある。また、導波路損失が大きい場合はその数倍以上の長共振器長化が必要となり、発振閾値が大幅に上昇するという問題が発生する。

図１１に示したλ／４シフトＤＦＢレーザ８００においては、発振縦モードを単一化するために共振器の中央付近に設けられている位相シフト部８０４に、光電界が集中する。そして、この光電界の局所的集中のために、位相シフト部８０４の屈折率が変化し、位相シフト効果が減少する。

その結果、空間的ホールバーニングが発生し、発振縦モードが不安定化する。この空間的ホールバーニングは、共振器を長共振器長化すると発生しやすくなる。このような理由から、λ／４シフトＤＦＢレーザの共振器長を１ｍｍ以上とすることは困難である。そのため、非特許文献１に記載された半導体レーザにおいては、十分な狭線幅化を図ることが出来ず、その線幅は５００ｋＨｚ程度となる。

また、図１２に示した半導体レーザ９００は、空間光学系９０５を用いて利得領域９０１と波長選択部９０４とを結合することにより、共振器の長共振器長化を図っている。この半導体レーザは、図１１に示したλ／４シフトＤＦＢレーザ８００に比べると一時的には安定した狭線幅発光は得られるが、空間光学系９０５は機械的可動部を含むので、振動耐性に欠け、長期的信頼性は低い。

残る非特許文献３、および特許文献１〜６に記載された技術は、いずれもこの問題点を解決することを目的とはしておらず、またこの問題点を解決しうる構成も当然ながら記載されていない。

本発明の目的は、デジタル・コヒーレント方式で必要とされる１００ｋＨｚ程度の狭線幅特性を得ることができ、かつ長期的信頼性に優れた光ファイバ通信用波長可変半導体レーザ光源を提供することにある。

以上の目的を達成するため、本発明に係る波長可変半導体レーザ光源は、光共振器を備えた光ファイバ通信用波長可変半導体レーザ光源であって、光共振器が、当該光共振器の発振するレーザ光の位相を回転させる位相回転部と、レーザ光の位相についての発振条件を制御する位相制御部とを含み、位相回転部が、レーザ光を発振する利得領域と、光共振器の発振周波数と等しい共振周波数を持つ第１のスルーポートリング共振器とが接続されて構成されることを特徴とする。

本発明は、上述したように、スルーポートリング共振器を利得領域と接続することによって構成された位相回転部を持つように構成したので、このスルーポートの透過特性を利用して、機械的可動部を利用せずに半導体レーザ光源装置を短共振器長化できる。これによって、デジタル・コヒーレント方式で必要とされる１００ｋＨｚ程度の狭線幅特性を得ることができるという優れた特徴を持ち、かつ長期的信頼性にも優れた波長可変半導体レーザ光源装置を提供することができる。

本発明の第１の実施形態に係る波長可変半導体レーザ光源装置の構成について示す説明図である。 図１で示したリング共振器およびその周辺の構成をより詳しく示す説明図である。 図１〜２で示したリング共振器による位相回転について示す説明図である。 図１で示した半導体レーザで、リング共振器による位相回転の効果が無い場合について、第１および第２の反射鏡の間で構成されるファブリ・ペロ共振器からなる半導体レーザの発振条件を図示したグラフである。 図１で示した半導体レーザで、リング共振器による位相回転の効果を考慮した場合について、第１および第２の反射鏡の間で構成されるファブリ・ペロ共振器からなる半導体レーザの発振条件を図示したグラフである。 本実施形態の構成要件およびその効果についての数値的根拠を説明するための、一般化された半導体レーザの解析モデルについて示す説明図である。 図１で示した半導体レーザで、実効的αパラメータα＿ｅｆｆのディチューニングφ依存性についての計算結果の一例を示すグラフである。ここでは、第２の方向性結合器の結合係数k＝０（即ち、モニター出力無し）としている。 図１で示した半導体レーザで、リング共振器の共振周波数を発振周波数にチューニングするためのモニター出力をドロップポートから得るために、第２の方向性結合器２４の結合係数ｋ＝０．２とした場合の実効的αパラメータα＿ｅｆｆについて示すグラフである。 本発明の第２の実施形態に係る半導体レーザの構成を示す図である。 図９に示した第１〜第３のリング共振器による発振波長制御の原理について示すグラフである。 非特許文献１に記載されたλ／４シフトＤＦＢレーザ光源の基本構造について示す説明図である。 非特許文献２に記載されたレーザ光源の基本構造について示す説明図である。

（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態の構成について添付図１に基づいて説明する。
最初に、本実施形態の基本的な内容について説明し、その後でより具体的な内容について説明する。
本実施形態に係る波長可変半導体レーザ光源（半導体レーザ１０）は、光共振器１２を備えた半導体レーザ光源である。光共振器１２は、光共振器の発振するレーザ光の位相を回転させる位相回転部１２ａと、レーザ光の位相についての発振条件を制御する位相制御部１２ｂとを含む。そして、この位相回転部が、レーザ光を発振する利得領域１６と、光共振器の発振周波数と等しい共振周波数を持つスルーポートリング共振器１９とが接続されて構成される。

また、位相制御部は、光フィルタからなる波長選択機構１７と、光フィルタを通過した光を全反射する反射鏡（第２の反射鏡１５）とを含む。そして、第１のリング共振器１８の共振周波数が可変となるように構成されている。そして、第１のリング共振器１８の自由スペクトル領域は５０ＧＨｚの整数倍である。

以上の構成を備えることにより、半導体レーザ１０は、１００ｋＨｚ程度の狭線幅特性を得ることができ、かつ長期的信頼性にも優れたものとなる。
以下、これをより詳細に説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る波長可変半導体レーザ光源装置１０（以後、単に半導体レーザ１０という）の構成について示す説明図である。半導体レーザ１０は、基板１１上に第１の光導波路１３、第１の反射鏡１４、第２の反射鏡１５、利得領域１６、波長選択機構１７、リング共振器１８の各々からなる光共振器１２が形成されている。スルーポートリング共振器１９は、波長選択機構１７に接続されている。利得領域１６およびリング共振器１８が位相回転部１２ａであり、波長選択機構１７および第２の反射鏡１５が位相制御部１２ｂである。

これらの各要素の材料系は、基板１１を含む全ての構成要素がＩｎＰ（隣化インジウム）系、ＧａＡｓ（砒化ガリウム）系等の化合物半導体であってもよいし、基板１１と第１の光導波路１３、利得領域１６、波長選択機構１７、リング共振器１８の各々が異なる材料系を組み合わせたものであってもよい。後者の場合、化合物半導体と石英材料、シリコン系材料、液晶系材料との組み合わせが考えられる。

利得領域１６は通常の半導体レーザあるいは半導体光増幅器の活性領域と同一の構造であり、埋め込み型２重ヘテロ構造と注入電流の狭窄構造とを有する。また、利得領域１６の一端には第１の反射鏡１４が形成され、その反対側の端面は無反射で高効率に光導波路１３と結合する。第１の反射鏡１４は、誘電体多層膜あるいは誘電体膜と金属膜との組み合わせにより任意の反射率を得ることができる。

第１の光導波路１３、リング共振器１８、スルーポート１９は高屈折率のコア層が低屈折率のクラッド層で埋め込まれた構造を有する。光導波路１３は、利得領域１６と高効率に結合するように各々の材料系の屈折率等を考慮してスポットサイズが最適化されている。ここに、スポットサイズ変換器を用いてもよい。

また、波長選択機構１７はファブリ・ペロ共振器、エタロン共振器、分布帰還構造（Distributed Feedback, ＤＦＢ）、分布ブラッグ反射鏡（Distributed Bragg Reflector, ＤＢＲ）、リング共振器など、いずれの構造の光フィルタを用いてもよい。波長選択機構１７の片側の端面は第２の反射鏡１５を形成しており、残る片側の端面は無反射で高効率にスルーポート１９と結合する。

リング共振器１８は、ＳｉＯ２もしくはＳｉＯＮ材料系によって形成されたリングの表面にアルミニウム、白金、クロムなどの金属を蒸着することによってヒータが形成されており、そのヒータに電圧可変印加手段１８ａから電圧を印加されて加熱される。この電圧可変印加手段１８ａからの印加電圧を変化させることによって、屈折率を変化させることができる。従って、電圧可変印加手段１８ａからこのヒータに入力する電圧を制御することによって第１の光導波路１３からの入力光の位相を変化させて出力することができる。

図２は、図１で示したリング共振器１８およびその周辺の構成をより詳しく示す説明図である。リング共振器１８は、第１の光導波路１３と第１の方向性結合器２１で結合される。以後、利得領域１６側を入力側という。また、リング共振器１８の第１の方向性結合器２１の反対側には、第２の光導波路２３が第２の方向性結合器２４で結合される。以後、第２の光導波路２３の出力側をドロップポート２５という。

ドロップポート２５は、リング共振器１８の共振周波数チューニング用のモニター出力である。第１の光導波路１３と第２の光導波路２３との間は、第１の方向性結合器２１および第２の方向性結合器２４により、リング共振器１８と結合係数ｋで結合される。

図３は、図１〜２で示したリング共振器１８による位相回転について示す説明図である。共振周波数では、第１の光導波路１３を直進してきた光と、リング共振器１８を一周した光との間で位相が完全に一致する。しかしながら、この光の周波数が共振周波数から少しでも外れると、リング共振器１８を一周した光の方が第１の光導波路１３を直進してきた光よりも実効的に光路長が長くなり、周波数の同一の変化量に対して位相の変化量が大きくなる。

このため、リング共振器１８を一周した光の影響により、スルーポート１９からの出力光の位相特性に周波数依存性が生じることとなる。これが、本実施形態でいう位相回転である。この効果は、共振周波数の近傍において、光の干渉条件によって特に急激に生じるものである。この位相回転を生じさせるため、第１の光導波路１３を直進してきた光と、リング共振器１８を一周した光のパワーとがおよそ等しくなるように設計される。図３では、横軸に共振周波数±ＦＳＲ（Free Spectral Range、自由スペクトル領域）／２の範囲の周波数変化、縦軸にこれに対する位相変化（位相回転）を示している。

（狭線幅化の原理）
図４は、図１で示した半導体レーザ１０で、リング共振器１８による位相回転の効果が無い場合について、第１の反射鏡１４および第２の反射鏡１５の間で構成されるファブリ・ペロ共振器からなる半導体レーザ（ＬＤ）の発振条件を図示したグラフである。図４では、横軸を光周波数、縦軸を利得としている。なお、利得領域１６の利得として狭線幅化の動作原理を説明するため、ここでは波長選択機構１７による効果は無視するものとする。

半導体レーザ１０が発振するためには利得についての発振条件と位相についての発振条件の両方を満たす必要がある。利得領域１６の利得と、第１の反射鏡１４および第２の反射鏡１５等から構成される共振器全体の損失が等しくなる条件が利得についての発振条件である。ファブリ・ペロ共振器の場合、共振器損失は常に一定値であるから、図４の実線で示すように利得についての発振条件は光周波数によらず一定値となる。

位相についての発振条件は、往復の共振器長に利得領域１６を含む共振器全体の屈折率を乗算して発振波長で除算した値が２πの整数倍となることである。共振器長は光周波数（発振波長）によらず一定値であるから、光周波数が高く（発振波長が短く）なった場合に、利得領域１６の屈折率が減少すれば位相についての発振条件を満たすことになる。即ち、利得領域１６のキャリア密度が増加すればそのプラズマ効果等により屈折率が減少し位相についての発振条件を満たすことになる。図４の点線は、位相についての発振条件を示しており、実線と点線の交点が利得と位相についての条件を満たす半導体レーザ１０の発振条件である。

次に何らかの原因、例えば光強度の揺らぎ（雑音）により利得飽和を介して利得が低下した場合について考える。この場合、図４中の点線矢印のように利得が低下するため発振条件を満たさなくなる。一方、位相についての発振条件は図４中の破線のようになる。実線と破線の交点が利得と位相についての発振条件であるから、発振に必要な利得を得るためには前述のようにキャリア密度を上げる必要がある。発振条件を満たさない場合、注入キャリアは誘導放出による再結合がないためキャリア密度は上昇する。このキャリア密度の上昇により発振条件は実線と点線との交点から実線と破線との交点へ移動する。

図４で、実線矢印が、破線矢印の強度揺らぎからαパラメータ（線幅増大係数）を介して発生する周波数揺らぎである。ここで、αパラメータとは半導体レーザの材料物性によって決まるパラメータであり、活性領域のキャリア密度の変化を介して、屈折率変化と利得変化の比で定義される。図４でいえば、「周波数チャープ（実線矢印）／利得減少（破線矢印）」がαパラメータとなる。

図５は、図１で示した半導体レーザで、リング共振器１８の位相回転の効果を考慮した場合について、第１の反射鏡１４および第２の反射鏡１５の間で構成されるファブリ・ペロ共振器からなる半導体レーザ１０の発振条件を図示したグラフである。図４と同じく、横軸を光周波数、縦軸を利得としている。即ち、図５は、図４のグラフに図３で示した位相変化（位相回転）が足し合わされたものであると言うことができる。

リング共振器１８の位相回転の効果により共振器位相の光周波数依存性が大きくなり、位相についての発振条件は点線から破線のようになる。光強度の揺らぎにより利得飽和を介して利得が低下した場合、図５中の実線と破線の交点が利得と位相についての発振条件であるから、発振条件は実線と点線との交点から実線と破線との交点へ移動する。即ち、実線矢印の長さが光周波数の揺らぎの大きさを表すから、リング共振器１８の位相回転の効果により狭線幅化（αパラメータの減少）を実現できることがわかる。

図６は、本実施形態の構成要件およびその効果についての数値的根拠を説明するための、一般化された半導体レーザ５０の解析モデルについて示す説明図である。以後、本明細書の数式以外の行では、「Ａに上付き文字Ｂを付けたもの（ＡのＢ乗など）」を「Ａ＾Ｂ」、Ａに下付き文字Ｂを付けたもの」を「Ａ＿Ｂ」で表す。図６で共振器長はＬ＿０、第１の反射鏡１４および第２の反射鏡１５の反射率を各々Ｒ＿１、Ｒ＿２とする。ここで、第１の反射鏡１４（反射率Ｒ＿１）は通常の半導体劈開、平面鏡等のような光周波数依存性を持たない反射鏡であり、一方、第２の反射鏡１５（反射率Ｒ＿２）はリング共振器の光フィルタ特性を有する反射鏡であるとする。

数１は、図１に示したリング共振器１８で、共振器内の光電界ｂ（ｔ）についてのランジュバン（Langevin）方程式である。ここで、ω＿０は共振光周波数、ｖ＿ｇは群速度、ｇは利得、Ｆ＿ｂ（ｔ）は雑音項である。

数２は、図１に示したリング共振器１８で、共振器内における利得についての発振条件を示す発振条件式である。右辺は共振器損失を示し、左辺は利得について示す。発振条件は、この右辺および左辺の平均値が等しいことである。

また数３は、図１に示したリング共振器１８で、共振器内における位相についての発振条件を示す発振条件式である。発振条件は、通常のαパラメータを考慮した共振器位相とＲ＿２のリング共振器による位相回転との和が２πの整数倍となることである。

半導体レーザ１０の発振スペクトル線幅は、前述の非特許文献３に記載された内容に従って計算することができる。まず、数２および数３をΔωで展開して、数４および数５を得る。ここでΔω＝ω−ω＿０である。

次に、数１を複素電場およびキャリア数の揺らぎについて小信号近似により展開した後、各々をフーリエ変換し、ランジュバン方程式の雑音項Ｆ＿ｂ（ｔ）の相関関数より位相雑音のスペクトル密度関数を求める。スペクトル密度関数と数４および数５から、最終的に数６〜８が得られる。

数６は、νの定義について示す式である。数７は、ν＿０の定義について示す式である。数８は、これらのνおよびν＿０を用いて図２〜３に示したリング共振器１８の発振条件を書き直した式である。ここで、簡単のため、ディチューニング（レーザ発振周波数とリング共振周波数の差）は位相差φによって定義する。また、Ｋは共振器損失、Ｌｉは複数のリング共振器のうちのｉ番目のリング共振器のリング長、ｖ＿ｇ０およびｖ＿ｇ１はそれぞれ、活性領域と光導波路の群速度である。

数６〜８で、Ｋは共振器損失、ｎ＿ｓｐは反転分布パラメータ、ｂ＿０＾２は光子数、Ｌ＿ｉは複数のリング共振器を考慮した場合のi番目のリング共振器のリング長、ｖ＿ｇ０およびｖ＿ｇ１はそれぞれ、活性領域と光導波路の群速度である。

数７は従来の半導体レーザの線幅を表す式で、αパラメータが大きい場合、線幅はαパラメータの２乗に比例する。数６は本発明に係る半導体レーザ１０の線幅を表す式であり、線幅は数８の係数Ｆの２乗に反比例する。

係数Ｆを表す数８において、第２項は屈折率が正である限り常に正の値となるが、第３項はディチューニングφの値により正負いずれの値をとることもでき、これが正である場合にＦ＞１となって線幅が狭くなる。また、リング共振器１８のリング長Ｌ＿ｉが長く、かつ共振器内部のリング共振器光フィルタの数が多いほど線幅が狭くなることがわかる。

数９は、スルーポート１９の伝達関数Ｒ（φ）の定義である。数１０は、数９に示した伝達関数Ｒ（φ）を用いて数８に示した係数Ｆを表す式である。

図７は、図１で示した半導体レーザ１０で、実効的αパラメータα＿ｅｆｆのディチューニングφ依存性についての計算結果の一例を示すグラフである。ここで実効的αパラメータα＿ｅｆｆは、図５における「周波数チャープ（実線矢印）／利得減少（破線矢印）」に相当する値であり、係数Ｆを含む数６のΔν＿０について数７を用いて計算した値である。ここで、α＝３、第１の方向性結合器２１の結合係数k＝０．５、第２の方向性結合器２４の結合係数k＝０（即ち、モニター出力無し）としている。

図７に示したグラフより、ディチューニングφ＝０の時、実効的αパラメータα＿ｅｆｆが最小値となることがわかる。φ＝０の場合、数１０の第２項からわかるようにリング共振器による位相回転の効果により、実効的αパラメータα＿ｅｆｆの値はαの約１／３となる。

図８は、図１で示した半導体レーザ１０で、リング共振器１８の共振周波数を発振周波数にチューニングするためのモニター出力をドロップポート２５から得るために、第２の方向性結合器２４の結合係数ｋ＝０．２とした場合の実効的αパラメータα＿ｅｆｆについて示すグラフである。結合係数ｋを、ｋ＝０．２と比較的大きな値とした場合でも、線幅への影響は少なく、図７と同様にディチューニングφ＝０の場合に実効的αパラメータα＿ｅｆｆの値はαの約１／３になる。ここで、リング共振器１８のＦＳＲ（Free Spectral Range、自由スペクトル領域）を実際の光通信に対して適用しやすいＩＴＵ−Ｔ（International Telecommunication Union Telecommunication
Standardization Sector）グリッド間隔である５０ＧＨｚの整数倍とするように設定することも容易にできる。

本発明では、長共振器長化による従来の方法の代わりに、共振器内部にリング共振器のスルーポートからなる位相回転部を挿入する。この位相回転によりキャリア密度の変化による周波数揺らぎが小さくなるため、αパラメータを実効的に小さくでき、狭線幅化を実現できる。また、ファブリ・ペロ共振器、エタロン共振器、分布帰還構造（ＤＦＢ）、分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ）、リング共振器、等のいずれの波長制御機構を有する半導体レーザにおいても、本発明の動作原理により狭線幅特性を実現することができる。

本実施形態では、リング共振器のスルーポートの透過特性を利用しているので、半導体レーザ光源装置を短共振器長化、即ち小型化できる。そしてそれにより、導波路の低損失化を不要とすることができる。さらに、この半導体レーザ光源装置は波長制御のためのリング共振器と同一の構造を有するため、波長可変光源に適用することができる。その際、リング共振器の共振周波数を発振周波数にチューニングするためのモニター出力を得るための第２の方向性結合器の結合係数による影響は、特に考えなくても支障はない。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態に係る半導体レーザ１００は、波長選択機構を、単数もしくは複数の第２のリング共振器によって構成し、反射鏡をループミラーによって構成した。さらに、複数の第２のリング共振器の共振周波数を各々相互に異なるように構成すると共に、これらの共振周波数を外部入力により指令される発振周波数に応じて連携して制御する調整制御手段１１０を設けた。

この構成によっても、第１の実施形態と同一の効果が得られるばかりでなく、２０ｋＨｚ以下の狭線幅特性をより幅広い周波数帯域で得ることができる。
以下、これをより詳細に説明する。

図９は、本発明の第２の実施形態に係る半導体レーザ１００の構成を示す図である。半導体レーザ１００は、前述の第１の実施形態に係る半導体レーザ１０における位相制御部の波長選択機構を第１〜第３のリング共振器１０１〜１０３により構成し、第２の反射鏡（全反射鏡）をループミラー１０５により構成している。

即ち、第１〜第３のリング共振器１０１〜１０３およびループミラー１０５が位相制御部１１２ｂとして動作し、第４のリング共振器１０４および利得領域１１６が位相回転部１１２ａとして動作する。第１〜第４のリング共振器１０１〜１０４の各々に対して印加電圧を調整する電圧可変印加手段１０１ａ〜１０４ａが付属し、さらに電圧可変印加手段１０１ａ〜１０３ａに対しては外部（ユーザもしくは他の装置等）からの入力で指令される発振周波数に応じて印加電圧を連携して調整させる調整制御手段１１０も付属する。

半導体レーザ１００は、シリコン基板１１１上に、プラズマＣＶＤあるいはスパッタ法等とエッチング加工、アニール熱処理工程等との組み合わせにより作成されたＳｉＯ２およびＳｉＯＮ材料系からなる光導波路１１３と、光導波路１１３と同一の導波路構造を有する第１〜第４のリング共振器１０１〜１０４、ループミラー１０５とからなる光共振器１１２が形成されている。光共振器１１２はさらに、シリコン基板１１１上に実装された第１の反射鏡１１４、位相制御領域１１５、利得領域１１６、および方向性結合器１２１も含む。

光導波路１１３等は、高屈折率のＳｉＯＮ材料からなるコア層が、低屈折率のＳｉＯ２材料からなるクラッド層で埋め込まれた構造を有する。コア層とクラッド層の屈折率差は約６％である。光導波路１１３は、利得領域１６と高効率に結合するように各々の材料系の屈折率、層構造等を考慮してスポットサイズが最適化されている。ここに、スポットサイズ変換器を用いてもよい。

利得領域１１６は通常の半導体レーザあるいは半導体光増幅器の活性領域と同一の構造であり、埋め込み型２重ヘテロ構造と注入電流の狭窄構造とを有するＩｎＰ系材料からなる波長１．５５μｍ帯の半導体光増幅器である。利得領域１６の長さは５００μｍで、活性層に量子井戸構造、歪量子井戸構造を用いてもよい。活性層の材料構造で決まるαパラメータ（線幅増大係数）の値はおよそ３である。

利得領域１１６の光出力側の端面には、反射率数％程度の第１の反射鏡１４が形成されている。第１の反射鏡１１４は誘電体多層膜あるいは誘電体膜と金属膜との組み合わせにより任意の反射率を得ることができる。利得領域１１６の反対側は無反射端面となるように誘電体膜が形成され、高効率に光導波路１１３と結合する。

パッシブ・アライメント実装技術により、利得領域１１６はシリコン基板１１１上にハイブリッド集積されている。パッシブ・アライメント実装技術を用いれば、サブμｍ以下の誤差で利得領域１１６と光導波路１１３との光軸合わせが可能であり、高効率に結合することができる。

ここで、第１〜４のリング共振器１０１〜１０４、ループミラー１０５等の構成部品は全てシリコン基板１１１上に集積されている。一方、パッシブ・アライメント実装技術により利得領域１１６とシリコン基板１１１とがＡｕからなるバンプ構造により強固に固着されているため、第２の実施例に係る半導体レーザにおいては長期的な安定性および信頼性が確保されている。

第１の反射鏡１１４とループミラー１０５との間で形成された共振器内部に挿入された第１〜第３のリング共振器１０１〜１０３は、調整制御手段１１０による印加電圧調整によって、波長選択機構として動作する。即ち、第１の反射鏡１１４とループミラー１０５との間で形成された共振器の位相条件を満たす任意の波長を、調整制御手段１１０を介して、波長選択機構として動作する第１〜第３のリング共振器１０１〜１０３によって選択すれば、発振波長（発振周波数）を制御することができる。

図１０は、図９に示した第１〜第３のリング共振器１０１〜１０３による発振波長制御の原理について示すグラフである。図１０は、第１の反射鏡１１４、ループミラー１０５、第１〜第３のリング共振器１０１〜１０３で構成される共振器全体の透過率（共振器全体の損失の逆数で定義）の光周波数依存性をグラフで示したものである。図１０で、ファブリ・ペロ共振特性とは、第１の反射鏡１１４とループミラー１０５により形成された共振モードのことである。

図１０に示すように、第１〜第３のリング共振器１０１〜１０３のＦＳＲ（Free Spectral Range、自由スペクトル領域）は、光周波数を調整しやすいよう、ＩＴＵ−Ｔ（International Telecommunication Union Telecommunication Standardization Sector）グリッド間隔の２倍である１００ＧＨｚを中心に互いに少しずつ異なる値となるように構成されている。調整制御手段１１０によって、これら三つのリング共振器１０１〜１０３の透過率が最大となる光周波数が一致するように調整した点で共振器損失が最小となり、ファブリ・ペロ共振モードからその光周波数を選択して発振して、これで波長を制御することができる。

ここで、第１〜第３のリング共振器１０１〜１０３のＦＳＲを互いに異なる値であるように構成しているのは、ノギスの副尺と同様の原理である所謂バーニア効果により、屈折率の変化量が小さくても波長を制御できる波長可変幅を広くするためである。例えば二つのリング共振器があってＦＳＲが１０％異なる場合、同じ屈折率の変化量で制御できる波長可変幅は１０倍となる。

ＦＳＲを約１００ＧＨｚとするために、第１〜第３のリング共振器１０１〜１０３の曲率半径は約３００μｍとしている。また、これらのリング共振器の方向性結合器の結合係数ｋはいずれも０．３５としている。これに対して、位相回転部を構成する第４のリング共振器１０４はＦＳＲ＝１００ＧＨｚ、方向性結合器の結合係数ｋ＝０．５である。

位相制御領域１１５は、第１の反射鏡１１４とループミラー１０５との間で形成された共振器のファブリ・ペロ共振モードの位相を調整し、ファブリ・ペロ共振器の共振周波数と三つのリング共振器の共振周波数を一致させるためのものである。この位相調整は、位相制御領域１１５のコア層の直上に光吸収損失が生じないように適切な厚さのクラッド層を挟んでＰｔ等からなるヒータを設け、ヒータ加熱により屈折率が変化する熱効果を利用してＳｉＯＮコア層の屈折率を制御することによりおこなう。

また、第１〜第４のリング共振器１０１〜１０４についてもコア層の直上にヒータが形成されており、熱効果を利用してＳｉＯＮ材料からなるコア層の屈折率を変え、発振周波数とリング共振周波数とを制御する。即ち、上述の原理に従って制御された発振周波数に対して位相回転部を構成する第４のリング共振器１０４の共振周波数をチューニングする。尚、このチューニングは、第４のリング共振器１０４の共振周波数を固定しておいて、位相制御領域１１５によりファブリ・ペロ共振器の位相条件を変えることにより行ってもよい。

図７からわかるように、第４のリング共振器１０４の共振周波数を発振周波数と等しくなるようにチューニングした時に線幅は最小となる。図９についての上述の構造パラメータを用いて、第１の実施形態と同一の式によって線幅を計算すると、２０ｋＨｚ以下の狭線幅特性となる。また、図１０に示した波長制御の原理に基づく上述のチューニングの方法は波長可変レーザの全てのチャンネル（例えばＩＴＵ−Ｔグリッド）の発振波長について成立する。

従って半導体レーザ１００は、図９に示した構造を有することによって、全てのチャンネルで２０ｋＨｚ以下の狭線幅特性を有する、小型でかつ高信頼な波長可変レーザを実現することができる。

これまで本発明について図面に示した特定の実施形態をもって説明してきたが、本発明は図面に示した実施形態に限定されるものではなく、本発明の効果を奏する限り、これまで知られたいかなる構成であっても採用することができる。

上述した各々の実施形態について、その新規な技術内容の要点をまとめると、以下のようになる。なお、上記実施形態の一部または全部は、新規な技術として以下のようにまとめられるが、本発明は必ずしもこれに限定されるものではない。

（付記１） 光共振器を備えた波長可変半導体レーザ光源であって、
前記光共振器が、
当該光共振器の発振するレーザ光の位相を回転させる位相回転部と、
前記レーザ光の位相についての発振条件を制御する位相制御部とを含み、
前記位相回転部が、
前記レーザ光を発振する利得領域と、
前記光共振器の発振周波数と等しい共振周波数を持つ第１のスルーポートリング共振器とが接続されて構成されることを特徴とするレーザ光源。

（付記２） 前記位相制御部が、
光フィルタからなる波長選択機構と、
前記光フィルタを通過した光を全反射する反射鏡とを含むことを特徴とする、付記１に記載のレーザ光源。

（付記３） 前記第１のリング共振器の共振周波数が可変であることを特徴とする、付記１もしくは付記２に記載のレーザ光源。

（付記４） 前記第１のリング共振器の自由スペクトル領域（ＦＳＲ）が５０ＧＨｚの整数倍であることを特徴とする、付記１ないし付記３のうちいずれか１項に記載のレーザ光源。

（付記５） 前記波長選択機構が、単数もしくは複数の第２のリング共振器によって構成され、
前記反射鏡がループミラーによって構成されたことを特徴とする、付記２に記載のレーザ光源。

（付記６） 複数の前記第２のリング共振器の共振周波数を各々相互に異なるように構成すると共に、これらの共振周波数を外部入力により指令される前記発振周波数に応じて連携して制御する調整制御手段を設けたことを特徴とする、付記５に記載のレーザ光源。

本発明は、光ファイバ通信用の光源として幅広く利用できる。特に、デジタル・コヒーレント方式による光ファイバ通信に対して好適である。

１０、５０、１００ 半導体レーザ
１１ 基板
１２、１１２ 光共振器
１２ａ、１１２ａ 位相回転部
１２ｂ、１１２ｂ 位相制御部
１３ 第１の光導波路
１４、１１４ 第１の反射鏡
１５ 第２の反射鏡
１６、１１６ 利得領域
１７ 波長選択機構
１８ リング共振器
１８ａ、１０１ａ〜１０４ａ 電圧可変印加手段
１９ スルーポート
２１ 第１の方向性結合器
２３ 第２の光導波路
２４ 第２の方向性結合器
２５ ドロップポート
１０１ 第１のリング共振器
１０２ 第２のリング共振器
１０３ 第３のリング共振器
１０４ 第４のリング共振器
１０５ ループミラー
１１０ 調整制御手段
１１１ シリコン基板
１１３ 光導波路
１１５ 位相制御領域
１２１ 方向性結合器

Claims (6)

1. 光共振器を備えた波長可変半導体レーザ光源であって、
   前記光共振器が、
   当該光共振器の発振するレーザ光の位相を回転させる位相回転部と、
   前記レーザ光の位相についての発振条件を制御する位相制御部とを含み、
   前記位相回転部が、
   前記レーザ光を発振する利得領域と、
   前記光共振器の発振周波数と等しい共振周波数を持つ第１のスルーポートリング共振器とが接続されて構成されることを特徴とするレーザ光源。
2. 前記位相制御部が、
   光フィルタからなる波長選択機構と、
   前記光フィルタを通過した光を全反射する反射鏡とを含むことを特徴とする、請求項１に記載のレーザ光源。
3. 前記第１のリング共振器の共振周波数が可変となるように構成されていることを特徴とする、請求項１もしくは請求項２に記載のレーザ光源。
4. 前記第１のリング共振器の自由スペクトル領域（ＦＳＲ）が５０ＧＨｚの整数倍であるように構成されたことを特徴とする、請求項１ないし請求項３のうちいずれか１項に記載のレーザ光源。
5. 前記波長選択機構が、単数もしくは複数の第２のリング共振器によって構成され、
   前記反射鏡がループミラーによって構成されたことを特徴とする、請求項２に記載のレーザ光源。
6. 複数の前記第２のリング共振器の共振周波数を各々相互に異なるように構成すると共に、これらの共振周波数を外部入力により指令される前記発振周波数に応じて連携して制御する調整制御手段を設けたことを特徴とする、請求項５に記載のレーザ光源。

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