JP2016018983A

JP2016018983A - 広帯域波長可変レーザ

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Publication number: JP2016018983A
Application number: JP2014143322A
Authority: JP
Inventors: 光映石川; Mitsue Ishikawa; 石井　啓之; Hiroyuki Ishii; 啓之石井; 中沢　正隆; Masataka Nakazawa; 正隆中沢; 恵介葛西; Keisuke Kasai
Original assignee: Tohoku University NUC; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Tohoku University NUC; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2014-07-11
Filing date: 2014-07-11
Publication date: 2016-02-01
Anticipated expiration: 2034-07-11
Also published as: JP6128655B2

Abstract

【課題】ＤＦＢ半導体レーザアレイを用いた狭線幅特性を有する広帯域波長可変レーザ装置を提供すること。【解決手段】本波長可変レーザは、単一周波数発振可能な１２台のＤＦＢ半導体レーザ６ａ〜６ｌ、Ｓ字型接続導波路７ａ〜７ｌ、光合波器８、出力導波路９、半導体光増幅器１０、光帰還回路１１から構成される。出導波路９を伝搬したレーザ出力光は半導体光増幅器１０へ入射され、所望の光強度に増幅されたのち、その一部が光帰還回路１１を介してＤＦＢ半導体レーザ６ａ〜６ｌへ帰還される。本波長可変レーザは、１種類の光帰還回路を設けることにより、１２台集積化されたＤＦＢ半導体レーザ６ａ〜６ｌのいずれを動作させても、又は、複数を同時に動作させても同様の線幅狭窄化が実現でき、発振線幅の一括した狭窄化が可能である。【選択図】図２

Description

本発明は、コヒーレント光伝送システムにおいて用いられ、狭線幅特性を有する広帯域波長可変レーザに関する。

インターネットの急速なブロードバンド化に伴う情報量の急増に対応するため、近年の光通信では、多値変調されたデータ信号を高密度に波長多重（ＷＤＭ：ＷａｖｅｌｅｎｇｔｈＤｉｖｉｓｉｏｎＭｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）して伝送する周波数利用効率の高い多値コヒーレント伝送方式に高い関心が寄せられている。このような伝送システムにおいては狭線幅特性を有し、発振波長を所望の波長に容易に可変できる波長可変光源が非常に有用である。これまでこのような伝送に用いる光源として、ＤＦＢ（ＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄＦｅｅｄｂａｃｋ）半導体レーザアレイによる波長可変レーザが提案されている（例えば、非特許文献１参照）。

図１に、従来のＤＦＢ半導体レーザアレイを用いた波長可変レーザの構造例を示す。１２個のＤＦＢ半導体レーザ１ａ〜１ｌ、Ｓ字型接続導波路２ａ〜２ｌ、光合波器３、出力導波路４、半導体光増幅器５がＩｎＰ基板上に集積された構造をしている。１２個のＤＦＢ半導体レーザ１ａ〜１ｌは個別に電極を有しており、それぞれ独立に動作する。

各ＤＦＢ半導体レーザはそれぞれ活性層上に回折格子を有し、この回折格子の周期をＤＦＢ半導体レーザごとに少しずつ変化させて形成しており、３ｎｍずつ異なる波長で発振するように設計されている。また、ＤＦＢ半導体レーザの発振波長は素子温度の変化１℃あたり約０．１ｎｍ変化するため、素子温度を３０℃変化させることにより各ＤＦＢ半導体レーザの発振波長は約３ｎｍ変化する。

したがって、１２個のＤＦＢ半導体レーザ１ａ〜１ｌを集積した本波長可変レーザは、１２個のレーザから１つを選択して動作させ、素子温度を個別に制御することにより、３６ｎｍ以上の広帯域な波長可変特性を実現することができる。

１２個ＤＦＢ半導体レーザ１ａ〜１ｌうちいずれか１つから出力された信号は、Ｓ字型接続導波路２ａ〜２ｌを通して光合波器３に入射する。光合波器３では入力光ポート数１２に対して出力ポート数は１つであるため、出力導波路４に出力される光信号の強度は１／１２に減少する。この減少した光強度を半導体光増幅器５により補償している。

ＤＦＢ半導体レーザをアレイ構造とした本波長可変レーザは、原理的にモードの不連続な変化（モードホップ）がなく波長可変の原理もレーザの選択と温度調整のみであるため、安定性、信頼性、制御性に優れているという利点がある。また、半導体チップ上に集積化されたデバイスであるため、量産性にも優れているという利点も併せ持っている。

高密度ＷＤＭ光伝送システムにおいて周波数利用効率のさらなる拡大を図るためには、信号の多値度をより大きくし、多値度の大きなデータ信号を正確に復調するため、光源をさらに狭線幅化することが不可欠である。

ＤＦＢ半導体レーザは、長共振器化することで通常数ＭＨｚある発振線幅を１００ｋＨｚ〜１ＭＨｚ程度まで狭線幅化することができる。

特開２０１１−４４５８１号公報

H. Ishii, K. Kasaya, and H. Oohashi, "Spectral linewidth reduction in widely wavelength tunable DFB laser array," IEEE J. Select. Topic. Quant. Elec., vol. 15, no. 3, pp. 514-520, June 2009.

しかしながら、一般的なＤＦＢ構造の半導体レーザのレーザ共振器では、長共振器化だけでは発振線幅を１００ｋＨｚからさらに狭くすることが原理的に困難であるという課題がある。

空間光変調器と半導体光増幅器とを空間的に結合した外部共振器型レーザでは、共振器長を長くすることで容易に波長選択性を高めることが可能であり、１００ｋＨｚ以下の発振線幅も容易に得ることができる。しかし、空間光変調器は構成が複雑で組み立てが難しく、高価になるという課題がある。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、ＤＦＢ半導体レーザアレイを用いた狭線幅特性を有する広帯域波長可変レーザを提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明は、波長可変半導体レーザであって、各々異なる波長で単一周波数発振可能な複数のＤＦＢレーザ共振器と、前記複数のＤＦＢレーザ共振器の各々にそれぞれ結合された複数の接続光導波路と、前記複数の接続光導波路が結合され、前記ＤＦＢレーザ共振器から発振されて接続光導波路を伝搬したレーザ光を合波する光合波回路と、前記光合波回路により合波されたレーザ光の一部を前記複数のＤＦＢレーザ共振器に帰還させる光帰還回路と、を備えたことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の波長可変半導体レーザにおいて、前記光合波回路により合波されたレーザ光を増幅する半導体光増幅器を、前記光合波回路と前記光帰還回路との間に設けたことを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の波長可変半導体レーザにおいて、前記光帰還回路は、光サーキュレータと光分岐カプラとからなるリング型光帰還器を含み、前記光サーキュレータは、第１のポートに入射された前記合波されたレーザ光を第２のポートから前記光分岐カプラに出射し、第３のポートに入射された前記光分岐カプラで分岐され前記合波されたレーザ光の一部を前記第１のポートから出射することを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載の波長可変半導体レーザにおいて、前記光帰還回路は、帰還させる前記合波されたレーザ光の一部の強度を、前記複数のＤＦＢレーザ共振器の各々の出力強度に対して−３ｄＢｍとすることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４のいずれかに記載の波長可変半導体レーザにおいて、前記合波されたレーザ光を平行光線にする第１のレンズと、
平行光線とした前記合波されたレーザ光を集光して前記光帰還回路に結合させる第２のレンズと、をさらに備えたことを特徴とする。

本発明は、従来のＤＦＢ半導体レーザアレイに光帰還回路を付加するだけで、従来よりも発振線幅の狭い、ＤＦＢ半導体レーザアレイを用いた広帯域波長可変レーザを提供することができる。

従来の波長可変レーザの構造を示す図である。本発明の一実施形態に係る波長可変レーザの構成例を示す図である。本発明の一実施形態に係る光ファイバ型サーキュレータと光ファイバ型分岐カプラを含む光帰還回路を用いた波長可変レーザの構成例を示す図である。本発明の一実施形態に係る波長可変レーザの出力光の光スペクトルを示す図である。（ａ）は、ＤＦＢ半導体レーザ１２ａの波長可変レーザ出力信号の自己遅延ヘテロダインスペクトルを対数表示した図であり、（ｂ）は、ＤＦＢ半導体レーザ１２ａの波長可変レーザ出力信号の自己遅延ヘテロダインスペクトルをリニアスケール表示した図である。（ａ）は、ＤＦＢ半導体レーザ１２ｂの波長可変レーザ出力信号の自己遅延ヘテロダインスペクトルを対数表示した図であり、（ｂ）は、ＤＦＢ半導体レーザ１２ｂの波長可変レーザ出力信号の自己遅延ヘテロダインスペクトルをリニアスケール表示した図である。

図２に、本発明の一実施形態に係る波長可変レーザの構成例を示す。本波長可変レーザは、単一周波数発振可能な１２台のＤＦＢ半導体レーザ６ａ〜６ｌ、Ｓ字型接続導波路７ａ〜７ｌ、光合波器８、出力導波路９、半導体光増幅器１０、光帰還回路１１から構成される。

１２個のＤＦＢ半導体レーザ６ａ〜６ｌは個別に電極を有しており、それぞれ独立に動作する。各ＤＦＢ半導体レーザはそれぞれ活性層上に回折格子を有し、この回折格子の周期をＤＦＢ半導体レーザごとに少しずつ変化させて形成しており、３ｎｍずつ異なる波長で発振するように設計されている。また、ＤＦＢ半導体レーザの発振波長は素子温度の変化１℃あたり約０．１ｎｍ変化するため、素子温度を３０℃変化させることにより各ＤＦＢ半導体レーザの発振波長は約３ｎｍ変化する。

ＤＦＢ半導体レーザ６ａ〜６ｌのいずれかからのレーザ出力光は、Ｓ字型接続導波路７ａ〜７ｌを介し光合波器８に入射される。光合波器８で合波したレーザ出力光は出力導波路９から出力される。光合波器８では入力ポート数が１２に対し、出力ポート数が１つであるため、出力導波路９には光合波器８への入力光強度の１／１２の強度の光が出力されている。

出導波路９を伝搬したレーザ出力光は半導体光増幅器１０へ入射され、所望の光強度に増幅されたのち、その一部が光帰還回路１１を介してＤＦＢ半導体レーザ６ａ〜６ｌへ帰還される。

レーザの発振線幅は、光共振器のＱ値が大きいほどインコヒーレント光の除去効果が高まり狭窄化される。Ｑ値は共振器長に比例して大きくなるため光帰還回路を外部に設けることで長共振器化し、ＤＦＢの位相と一致させて帰還させることで発振線幅が狭くなる。

このように本発明は、増幅されたレーザ出力光の一部をＤＦＢ半導体レーザ６ａ〜６ｌへ帰還するという、従来の外部共振器型半導体レーザよりも簡易な構造により、共振器のＱ値を増大し発振線幅を狭窄化することができる。

また本発明では、１種類の光帰還回路を設けることにより、１２台集積化されたＤＦＢ半導体レーザ６ａ〜６ｌのいずれを動作させても、又は、複数を同時に動作させても同様の線幅狭窄化が実現できる。つまり、発振線幅の一括した狭窄化が可能である。

図３に、光ファイバ型サーキュレータと光ファイバ型分岐カプラを含む光帰還回路を用いた波長可変レーザの構成例を示す。

本波長可変レーザは、単一周波数発振可能な１２台のＤＦＢ半導体レーザ１２ａ〜１２ｌ、Ｓ字型接続導波路１３ａ〜１３ｌ、光合波器１４、出力導波路１５、半導体光増幅器１６、第１レンズ１７、第２レンズ１８、光ファイバ１９、光ファイバ型サーキュレータ２０、１入力２出力の光ファイバ型分岐カプラ２１、光ファイバ型可変アッテネータ２２から構成される。

ＤＦＢ半導体レーザ１２ａ〜１２ｌのいずれかからのレーザ出力光はＳ字型接続導波路１３ａ〜１３ｌを介し光合波器１４に入射される。光合波器１４で合波したレーザ出力光は出力導波路１５から出力される。

光合波器１４では入力ポート数が１２に対し、出力ポート数が１つであるため、出力導波路１５には光合波器１４への入力光強度の１／１２の強度の光が出力される。出力導波路１５を伝搬したレーザ出力光は半導体光増幅器１６へ入射され、所望の光強度に増幅されたのち第１レンズ１７、第２レンズ１８を介して光ファイバ１９へ結合される。

光ファイバ型サーキュレータ２０のポート２、ポート３はそれぞれ光ファイバ１９の出力端、光ファイバ型分岐カプラ２１の入力端に接続されている。光ファイバ１９を伝搬してきたレーザ出力光は、光ファイバ型サーキュレータ２０を介して光ファイバ型分岐カプラ２１へ入射される。

光ファイバ型サーキュレータ２０のポート１は、光ファイバ型可変アッテネータ２２を介して光ファイバ型分岐カプラ２１の一方の出力端に接続されている。光ファイバ型分岐カプラ２１に入射されたレーザ出力光の一部は、光ファイバ型サーキュレータ２０を介してＤＦＢ半導体レーザ１２ａ〜１２１へ帰還される。その際、光ファイバ型可変アッテネータ２２により帰還光の強度を、レーザ出力光の強度に対して適切な強度、例えば、レーザ出力光の強度に対して−３ｄＢｍ程度に調整する。尚、ここでは光ファイバ型可変アッテネータ２２で帰還光の強度を調整しているが、光ファイバ型分岐カプラ２１の分岐比を調整することで帰還光の強度を調整してもよい。

尚、光ファイバ型分岐カプラ２１のもう一方の出力端から出力されるレーザ出力光を出力信号として用いる。

また、本実施形態においては、光帰還回路として光ファイバ型サーキュレータと光ファイバ型分岐カプラを含む回路を用いたが、ファイバブラッググレーティング、反射鏡、もしくは、光分波器の２つの出力間を接続して光を帰還させるループミラーを用いてもよい。

また、本実施形態では、半導体光増幅器１０、１６を備えた構成を示したが、これらは発振線幅を狭窄化するために必須な構成ではない。本発明は、増幅無しで光を帰還させた場合でも線幅狭窄化効果を奏することができる。

ここで、図３に示す波長可変レーザを用いて、以下のような条件で行った線幅狭窄化実験について説明する。

１２台集積化されたＤＦＢ半導体レーザ１２ａ〜１２ｌのうち、２台（例えばここではＤＦＢ半導体レーザ１２ａと１２ｂとする）を同時に発振させ、半導体光増幅器１６によってそれぞれのレーザ出力光を１０ｄＢｍまで増幅したのち光ファイバ型サーキュレータ２０へ入射した。

増幅されたレーザ出力光は光ファイバ型分岐カプラ２１で分岐され、その一部は光ファイバ型可変アッテネータ２２によって０ｄＢｍ（各レーザ出力光の強度は、１波長での実験と同一の−３ｄＢｍ）に減衰したのち、光ファイバ型サーキュレータ２０を介してＤＦＢ半導体レーザ１２ａと１２ｂへ同時に光帰還した。

図４に、本発明の一実施形態に係る波長可変レーザの出力光の光スペクトルを示す。動作させた２台のＤＦＢ半導体レーザ１２ａと１２ｂはそれぞれ、波長１５３８．６、１５４２．２ｎｍで発振している。

図５（ａ）、（ｂ）に、ＤＦＢ半導体レーザ１２ａの自己遅延ヘテロダインスペクトルの対数表示、リニア表示のスペクトル波形を示す。また、図６（ａ）、（ｂ）に、ＤＦＢ半導体レーザ１２ａの自己遅延ヘテロダインスペクトルの対数表示、リニア表示のスペクトル波形を示す。図中の破線と実線は、それぞれ光帰還前後の同スペクトルを示している。光帰還を行うことにより、ＤＦＢ半導体レーザ１２ａと１２ｂの発振スペクトルはいずれも１０ｋＨｚ以下に狭窄化されている。

１ａ〜１ｌＤＦＢ半導体レーザ
２ａ〜２ｌＳ字型接続導波路
３光合波器
４出力導波路
５半導体光増幅器
６ａ〜６ｌＤＦＢ半導体レーザ
７ａ〜７ｌＳ字型接続導波路
８光合波器
９出力導波路
１０半導体光増幅器
１１光帰還回路
１２ａ〜１２ｌＤＦＢ半導体レーザ
１３ａ〜１３ｌＳ字型接続導波路
１４光合波器
１５出力導波路
１６半導体光増幅器
１７第１レンズ
１８第２レンズ
１９光ファイバ
２０光ファイバ型サーキュレータ
２１光ファイバ型分岐カプラ
２２光ファイバ型可変アッテネータ

Claims

各々異なる波長で単一周波数発振可能な複数のＤＦＢレーザ共振器と、
前記複数のＤＦＢレーザ共振器の各々にそれぞれ結合された複数の接続光導波路と、
前記複数の接続光導波路が結合され、前記ＤＦＢレーザ共振器から発振されて接続光導波路を伝搬したレーザ光を合波する光合波回路と、
前記光合波回路により合波されたレーザ光の一部を前記複数のＤＦＢレーザ共振器に帰還させる光帰還回路と、
を備えたことを特徴とする波長可変半導体レーザ。
前記光合波回路により合波されたレーザ光を増幅する半導体光増幅器を、前記光合波回路と前記光帰還回路との間に設けたことを特徴とする請求項１に記載の波長可変半導体レーザ。
前記光帰還回路は、光サーキュレータと光分岐カプラとからなるリング型光帰還器を含み、前記光サーキュレータは、第１のポートに入射された前記合波されたレーザ光を第２のポートから前記光分岐カプラに出射し、第３のポートに入射された前記光分岐カプラで分岐され前記合波されたレーザ光の一部を前記第１のポートから出射することを特徴とする請求項１又は２に記載の波長可変半導体レーザ。
前記光帰還回路は、帰還させる前記合波されたレーザ光の一部の強度を、前記複数のＤＦＢレーザ共振器の各々の出力強度に対して−３ｄＢｍとすることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の波長可変半導体レーザ。
前記合波されたレーザ光を平行光線にする第１のレンズと、
平行光線とした前記合波されたレーザ光を集光して前記光帰還回路に結合させる第２のレンズと、
をさらに備えたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の波長可変半導体レーザ。