JP2016046412A - マルチチャネルレーザ光源 - Google Patents

Abstract

【課題】サブチャネルあたりの出力が高く、発振周波数間隔が一定になるよう調整可能なマルチチャネルレーザ光源を提供すること。【解決手段】マルチチャネルレーザ光源５０は、半導体光増幅器（ＳＯＡ）１０−Ｋ（Ｋ＝１、２、３、４）と、Ｓｉ光導波路基板２０上の光導波路を主要構成要素とする１?４波長合分波器３０と、周波数間隔調整用反射型フィルタ４０とを含む。そして、ＳＯＡ１０−Ｋ、波長合分波器３０、周波数間隔調整用反射型フィルタ４０が光学的に結合している。ヒータ２２−Ｋは、スペクトル上で、各外部共振器レーザの縦モード位置を調整する際に用いる。マルチチャネルレーザ光源５０は、各サブチャネルが利得媒質を共振器内部に持ったレーザとして発振する。【選択図】図１

Description

本発明は、複数の半導体光増幅器を用いたマルチチャネルレーザ光源に関する。

近年、コンテンツ配信等によるイーサネット（登録商標）の通信の大容量化が進行しているため、これらの信号を収容するバックボーンネットワークにおいても大容量化が求められている。例えば、１ＷＤＭチャネルの容量を４００Ｇｂｐｓ、１Ｔｂｐｓに設定していくことが求められている。

このようなバックボーンネットワークの大容量化を実現するための手段として、スーパーチャネル技術が注目されている。スーパーチャネル技術とは、１ＷＤＭチャネルの信号をＮ個の周波数サブチャネルの信号で構成する技術である。そのため、スーパーチャネル技術に適したマルチチャネル光源が必要とされている。

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スーパーチャネル技術用マルチチャネル光源の先行例１として、発振周波数が異なる、Ｎ個の独立なレーザを並べる構成がある（非特許文献１）。ここで、Ｎはサブチャネル数である。この構成では、レーザの経年劣化等によりレーザ間の発振周波数間隔が設定したものからシフトする恐れがある。この発振周波数間隔のシフトはサブチャネル間のクロストークを引き起こすため、好ましくない。

一方、スーパーチャネル技術用マルチチャネル光源の先行例２として、種光レーザを高速位相変調することなどにより生成した光コムの各スペクトルのピークを、サブチャネル光源として用いる方法がある（非特許文献２）。この構成では、周波数間隔のシフトは起こらないが、１つの種光を複数のサブチャネルに分割するので１サブチャネルあたりの出力パワーが最高でも種光レーザの１/Ｎになってしまう。これは、高出力を必要とするバックボーンネットワークにおける長距離光通信を行う場合、好ましくない。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、サブチャネルあたりの出力が高く、発振周波数間隔が一定になるよう調整可能なマルチチャネルレーザ光源を実現することである。

上記の課題を解決するために、本発明は、マルチチャネルレーザ光源であって、一定の周波数間隔で反射率が変化する周波数間隔調整用反射型フィルタと、Ｎ個の分波側ポートと１個の合波側ポートとを有するＮ×１波長合分波器（Ｎは２以上の整数）であって、前記合波側ポートが前記周波数間隔調整用反射型フィルタに接続された、前記Ｎ×１波長合分波器と、前記Ｎ×１波長合分波器のＮ個の分波側ポートの各々に一方の入出力端が接続されたＮ個の光増幅器と、前記Ｎ個の光増幅器の他方の入出力端の各々に接続されたＮ個のミラーと、前記Ｎ×１波長合分波器と前記Ｎ個の光増幅器とを接続する光導波路上の各々に設置され、前記周波数間隔調整用反射型フィルタと前記Ｎ個のミラーとの間で発生するレーザ発振光の発振周波数間隔が前記周波数間隔調整用反射型フィルタのＦＳＲと一致するよう調整するＮ個のヒータと、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記載のマルチチャネルレーザ光源において、前記Ｎ×１波長合分波器は、アレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）であることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１記載のマルチチャネルレーザ光源において、前記Ｎ×１波長合分波器は、２個の分波側ポートと１個の合波側ポートとを用いる非対称マッハツェンダ干渉計を多段に接続したもので構成されることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１記載のマルチチャネルレーザ光源において、前記Ｎ×１波長合分波器は、Ｎ個のリング共振器が１本の導波路を介して接続されている、リング共振型波長合分波器であ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マルチチャネルレーザ光源において、前記周波数間隔調整用反射型フィルタは、リング共振型フィルタにミラーが接続されたものであることを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項１乃至４のいずれかに記載のマルチチャネルレーザ光源において、前記周波数間隔調整用反射型フィルタは、ループミラー型リング共振器であることを特徴とする。

請求項７に記載の発明は、請求項１乃至６のいずれかに記載のマルチチャネルレーザ光源において、前記波長合分波器の合波側のポートと前記周波数間隔調整用反射型フィルタとの間に非対称マッハツェンダ干渉計をさらに備え、前記対称マッハツェンダ干渉計は、前記Ｎ個の光増幅器のゲイン利得帯域内において反射率のピークが単一になるよう透過スペクトルが設計されていることを特徴とする。

請求項８に記載の発明は、請求項１乃至７のいずれかに記載のマルチチャネルレーザ光源において、前記光増幅器と前記波長合分波器の分波側のポートとの間に出力用光カプラが配置されていることを特徴とする。

本発明を用いれば、サブチャネルあたりの出力が高く、発振周波数間隔が一定になるよう調整可能なマルチチャネルレーザ光源を提供することができる。

本発明の実施例１〜３に係るマルチチャネルレーザ光源の概略構成を示す図である。 本発明に係るＳｉ光導波路とヒータの構造図である。 本発明の実施例１に係るマルチチャネルレーザ光源の構成を示す図である。 本発明の実施例２に係るマルチチャネルレーザ光源の構成を示す図である。 本発明の実施例３に係るマルチチャネルレーザ光源の構成を示す図である。 本発明の実施例４に係るマルチチャネルレーザ光源の構成を示す図である。 本発明の実施例５に係るマルチチャネルレーザ光源の構成を示す図である。 （ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施例１係るマルチチャネルレーザ光源の発振原理を説明する図である。 （ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施例２係る、ａ−ＭＺＩによる波長合分波器の設計を説明する図である。 （ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施例２に係るマルチチャネルレーザ光源の発振原理を説明する図である。 （ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施例３に係るマルチチャネルレーザ光源の発振原理を説明する図である。 （ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施例３に係る、ポート２３−４での、波長合分波器側の反射スペクトルの計算結果を示す図である。 （ａ）、（ｂ）は、本発明の実施例４に係る、ポート２３−４での、波長合分波器側の反射スペクトルの計算結果を示す図である。

＜主要な構成＞
以下で述べる、本発明の実施例１から３について共通である部分について、実施例に先立って述べる。

図１に、本発明の実施例１〜３に係るマルチチャネルレーザ光源の概略構成を示す。マルチチャネルレーザ光源５０は、半導体光増幅器（ＳＯＡ：Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）１０−Ｋ（Ｋ＝１、２、３、４）と、Ｓｉ光導波路基板２０上の光導波路を主要構成要素とする１×４波長合分波器３０と、周波数間隔調整用反射型フィルタ４０とを含む。そして、ＳＯＡ１０−Ｋ、波長合分波器３０、周波数間隔調整用反射型フィルタ４０が光学的に結合している。

＜半導体光増幅器１０−Ｋ＞
ＳＯＡ１０−Ｋは、劈開端面１１−Ｋ、接続面１２−Ｋ、スポットサイズ変換部（ＳＳＣ：Ｓｐｏｔ−Ｓｉｚｅ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）１３−Ｋ、および光増幅部１４−Ｋで構成される。ここで、Ｋ＝１、２、３、４である。ＳＯＡ１０−Ｋとしては、例えばＩｎＰ系の導波路型光増幅器を用いることができる。

劈開端面１１−Ｋは、薄膜コーティング等を一切行わなければ反射率０．３程度のハーフミラーとして用いることがでる。また、薄膜コーティングを行うことで、ＡＲ・ＨＲ（Ａｎｔｉ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ・Ｈｉｇｈ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）面として、反射率を任意に設計することができる。この劈開端面１１−Ｋの反射率は、以下で述べる実施例１〜５では、それぞれ適切な値に設定している。

接続面１２−Ｋは、Ｓｉ光導波路基板２０との接続面であり、反射を防ぐためにＡＲコーティングを施すことができる。また、同じく反射を防ぐために、例えば、端面に対する垂線から７°傾けた、斜め導波路を導入することもできる。

ＳＳＣ１３−Ｋは、Ｓｉ光導波路基板２０のモードフィールド径とＳＯＡ１０−Ｋの出射端でのモードフィールド径を合わせるために導入する。例えば、ＳＳＣ１３−Ｋとして、先端幅が０．５ｍの細テーパ型ＳＳＣを用いることができる（非特許文献３参照）。

なお、ＳＯＡ１０−Ｋを同一基板上に作製した４チャネルのアレイ型ＳＯＡ１５を用いてもよい。また、ＳＯＡ１０−ＫとＳｉ光導波路基板２０は、それぞれの素子の導波光が光結合する位置で、それぞれのチップの位置の相対位置を固定する。固定方法としてはチップ実装方法等を用いることができる（非特許文献３参照）。

＜Ｓｉ光導波路基板２０＞
Ｓｉ光導波路基板２０はＳＳＣ２１−Ｋを含み、ＳＯＡ１０−Ｋの接続面１２−Ｋと波長合分波器３０、波長合分波器３０と周波数間隔調整用反射型フィルタ４０を光学的に接続するのに用いる。

また、波長合分波器３０と周波数間隔調整用反射型フィルタ４０の具体的な構成は、以下で述べる実施例１〜５において示すが、これらも、Ｓｉ光導波路基板２０上の光導波路で構成することができる。

Ｓｉ光導波路基板２０上の光導波路としては、例えば、図２に示すような設計の、Ｓｉ基板上のＳｉＯ₂膜の上に形成されたＳｉ細線導波路を用いることができる。

ＳＳＣ２１−Ｋは、ＳＯＡ１０−Ｋとの接続端面に設置し、ＳＯＡ１０−ＫとＳｉ光導波路基板２０の出射端でのモードフィールド径を合わせるために用いる。ＳＳＣ２１−Ｋとして、例えばリブ・細テーパ型のＳＳＣを用いることができる。

また、光導波路上のヒータ２２−Ｋは、図２に示すように、導波路上にＴｉＮのヒータとＴａＮとＡｌから成る電極を配置することにより、実現することができる。このヒータ２２−Ｋに電力を与えることで光導波路の温度を変化させ、光導波路の光位相を調整することができる。ヒータ２２−Ｋは、スペクトル上で、各外部共振器レーザの縦モード位置を調整する際に用いる。また、以後光導波路上の光位相調整用ヒータという場合は、図２に示す本ヒータと同じ断面構造のものを指す。

＜波長合分波器３０＞
波長合分波器３０の詳細については、以下の実施例１〜３の中で詳細に述べる。以下で述べるすべての実施例１〜５について、波長合分波器３０は４×１波長合分波器であり、分波側の４ポートがＳｉ光導波路基板２０上のポート２３−Ｋに接続され、合波側のポートがＳｉ光導波路基板２０上のポート２４に接続される。

＜周波数間隔調整用反射型フィルタ４０＞
周波数間隔調整用反射型フィルタ４０の詳細については、以下の実施例１〜３の中で詳細に述べる。以下で述べるすべての実施例１〜５について、周波数間隔調整用反射型フィルタ４０は、Ｓｉ光導波路基板２０上のポート２５に接続される。

＜高出力となる理由＞
ここで、コム光の各ピークをスーパーチャネルのサブチャネルに割り当てた場合の各出力パワーと、本発明の実施例２〜５に係るマルチチャネルレーザの各出力パワーとの比較を定性的に行う。

４つのピークを有するコム光の各ピークをサブチャネルに割り当てた場合、各サブチャネルでは、少なくとも種光レーザの１／４の出力しか得ることができない。一方、本発明の実施例１〜５に係るマルチチャネルレーザは、各サブチャネルが利得媒質を共振器内部に持ったレーザとして発振する。ここで、種光レーザと本レーザの各チャネルのレーザが同様の性能を持つと仮定するならば、本マルチチャネルレーザを用いる方がチャネルあたりの出力を大きくすることができる。さらにサブチャネル数Ｎ≠４の場合における両形態の比較においても、コム光を用いた場合のサブチャネルあたりの出力は種光レーザの出力の１／Ｎ以下となるが、本マルチチャネルレーザでは、出力はＮによらない。よって、チャネル数Ｎが大きくなればなるほど各サブチャネルの高出力化に関し、本マルチチャネルレーザが優位となる。

尚、レーザ間の発振周波数間隔のシフトに対しては、ヒータ２２−Ｋを用いてサブチャネル毎にレーザの縦モード位置を補正し、サブチャネル間のクロストークを防止することができる。

［実施例１］
図３に、本発明の実施例１に係るマルチチャネルレーザ光源の構成を示す。なお、実施例１において、上述した実施例１〜３に共通の特徴の中で、同一機能を果たす部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。また、後述の実施例２以降の実施例においても、当該実施例よりも前の実施例と同一機能を果たす部分には、同一符号を付し、重複する説明は省略する。

図３に示すように、実施例１のマルチチャネルレーザ光源１５０は、半導体光増幅器（ＳＯＡ）１０−Ｋ（Ｋ＝１、２、３、４）と、Ｓｉ光導波路基板２０を主要部材として構成される、Ｓｉ光導波路基板２０上に構成された波長合分波器である４×１ＡＷＧ（Ａｒｒａｙｅｄ−Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ Ｇｒａｔｉｎｇ）１３０と、周波数間隔ロック用フィルタであるループミラー型リング共振器１４０−１を含む。そして、それらＳＯＡ１０−Ｋ、４×１ＡＷＧ１３０、ループミラー型リング共振器１４０−１が光学的に直列に結合している。

＜ＳＯＡ１０−Ｋ＞
ＳＯＡ１０−Ｋの劈開端面１１−Ｋ（Ｋ＝１、２、３、４）には、ＡＲ薄膜コートを施し、例えば反射率を１０^-4程度に設定しておく。なお、この劈開端面１１−Ｋより、それぞれのチャネルのレーザ発振光を取り出す。

＜ＡＷＧ１３０＞
４×１ＡＷＧ１３０のポート１３２−Ｋ（Ｋ＝１、２、３、４）はそれぞれ、Ｓｉ光導波路のポート２３−Ｋ（Ｋ＝１、２、３、４）に接続されている。また、ポート１３１は、４×１ＡＷＧ１３０とループミラー型リング共振器１４０−１とを結合するＳｉ光導波路のポート２４に接続されている。

＜ループミラー型リング共振器１４０−１と反射型リング共振器１４０−２＞
ループミラー型リング共振器１４０−１は、周回部１４１と光位相調整用ヒータ１４２と、光カプラ１４４−１、１４４−２と、３ｄＢ合分波器１４５で構成される。また、ポート１４３−１は、４×１ＡＷＧ１３０とループミラー型リング共振器１４０−１とを結合するＳｉ光導波路のポート２５に接続されている。

ループミラー型リング共振器１４０−１の周回部１４１の導波路上部に光位相調整用ヒータ１４２が設置されており、ヒータ１４２に電力を与えることで、図８（ａ）に示すループミラー型リング共振器の周期的な反射ピーク位置を周波数軸上で平行移動させることができる。

ここで、ループミラー型リング共振器１４０−１は、これに替えて、リング共振型フィルタにループミラー１４６が接続された構成である、反射型リング共振器１４０−２を用いることもできる。この場合、反射型リング共振器１４０−２のポート１４３−２がＳｉ光導波路のポート２５に接続される。

ループミラー型リング共振器１４０−１を用いる場合、リング共振器を通過する回数は１回であり、反射型リング共振器１４０−２を用いる場合はリング共振器を通過する回数が２回となる。そのため、ループミラー型リング共振器１４０−１を用いる場合はリング共振器の共振ピークを鋭くすることができ、反射型リング共振器１４１−２を用いる場合はリング共振器での過剰損失を小さくすることができる。

＜マルチチャネルレーザ光源１５０＞
以下、マルチチャネルレーザ光源１５０の動作について説明する。本実施例におけるマルチチャネルレーザ光源１５０は４チャネルレーザ光源であり、全チャネルで共有されるループミラー型リング共振器１４０−１と各チャネルＫ（Ｋ＝１、２、３、４）が個別に有する壁開端面１１−Ｋにより４個のレーザ共振器が形成されている。

各チャネルの縦モード間隔はループミラー型リング共振器１４０−１と壁開端面端面１１−Ｋとの間の光路長によって決まり、周波数軸上での縦モードの位置は光位相調整用ヒータ２２−Ｋ（Ｋ＝１、２、３、４）に電力を与えることで調整することができる。ＡＷＧ１３０とループミラー型リング共振器１４０−１は各チャネルの縦モードの中から発振モードを選択する機能を果たす。

＜周波数間隔調整機構の説明＞
ここで、マルチチャネルレーザ光源１５０のチャネルＫ（Ｋ＝１、２、３、４）の発振周波数をｆ_Kとしたとき、チャネル間の発振周波数間隔Δｆ_l,l+1＝ｆ_l+1−ｆ_l（ｌ＝１、２、３、．．．）を周波数間隔調整用反射型フィルタであるループミラー型リング共振器１４０−１のＦＳＲ（Ｆｒｅｅ Ｓｐｅｃｔｒａｌ Ｒａｎｇｅ）に一致させるよう調整できることについて、説明を行う。

このループミラー型リング共振器１４０−１のＦＳＲをＦＳＲｍとし、ＡＷＧ１３０のＦＳＲをＦＳＲｓとする。ＦＳＲｍは所望の発振周波数間隔となるように設計する。ＡＷＧ１３０のチャネル間隔はＦＳＲｍと一致するよう設計する。図８（ａ）は、ループミラー型リング共振器１４０−１の反射率を表す図である。また、図８（ｂ）は、ＡＷＧ１３０のポート１３１からポート１３２−１、２、３、４各ポートへの透過スペクトルを重ね書きした図である。

ここで、チャネル１の発振周波数選択フィルタの機能を果たすループミラー型リング共振器１４０−１とＡＷＧ１３０のポート１３２−１の透過スペクトルの積について考える。図８（ａ）〜（ｃ）の中央に示したように、ループミラー型リング共振器１４０−１の反射率ピークと、ＡＷＧ１３０の透過ピークが、図のｆ_c［Ｈｚ］において一致しているとする。ループミラー型リング共振器１４０−１の反射率ピークの１つと、ＡＷＧ１３０の透過ピークが一致する周期Δｆ_vはＦＳＲｍとＦＳＲｓで決まり、下記の式（１）で表される。

従って、ポート１３２−１からＡＷＧ１３０に入射した光がループミラー型リング共振器１４０−１により反射され再度ＡＷＧ１３０を経てポート１３２−１へ戻ってくる経路についての透過スペクトルを考えると、ｆ_c−Δｆ_v＜ｆ＜ｆ_c＋Δｆ_vの範囲においてはｆ＝ｆ_cで透過率最大となる。同様の議論が、チャネル２、３、４についても成り立つ。

各チャネルにおいて単一モードでの発振を得るためには、Δｆ_vはＳＯＡがレーザ発振について十分な利得をもつ領域よりも、広く設定する必要がある。よって、Δｆ_vがこの条件を満たすように、ＦＳＲｓの値を設計する。

ループミラー型リング共振器１４０−１の反射ピーク周波数とＡＷＧ１３０の透過ピーク周波数を一致させる調整は、光位相調整用ヒータ１４２に与える電力を調整することで行う。さらに、各チャネルの縦モードは、光位相調整用ヒータ２２−Ｋに与える電力を調整することで、発振周波数間隔Δｆ_l,l+1＝ｆ_l+1−ｆ_l（ｌ＝１、２、３）を、周波数間隔調整用反射型フィルタであるループミラー型リング共振器１４０−１のＦＳＲに一致させるよう調整できる。

例えばレーザ出力をモニタし、出力パワーが最大となるよう光位相調整用ヒータ２２−Ｋに与える電力を調整することで、上記の発振縦モード位置調整が可能である。図８（ｃ）に調整後の各チャネルの発振モードを示す。以上により、マルチチャネルレーザ１５０の各チャネルの発振周波数の間隔をループミラー型リング共振器１４０―１のＦＳＲに一致するよう調整される。

また、周波数間隔調整用反射型フィルタのループミラー型リング共振器１４０−１の反射ピークは、カプラ１４４−１、１４４−２の結合率を下げるほど鋭くすることができる。このとき周波数間隔調整用反射型フィルタのループミラー型リング共振器１４０−１での損失は増加してしまうが、反射最大となるピークを鋭くすることができ、周波数軸上での縦モード位置の調整の際の出力パワー変化を大きくすることができる。これにより縦モード位置の調整を容易にすることができる。

［実施例２］
図４に、本発明の実施例２に係るマルチチャネルレーザ光源の構成を示す。実施例２のマルチチャネルレーザ光源２５０は、実施例１のマルチチャネルレーザ光源１５０におけるＡＷＧ１３０の代わりに、多段に接続されたａ−ＭＺＩ（Ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ）で構成される４×１波長合分波器２３０を用いて構成したものである。本構成では、実施例１とは異なり、発振周波数を可変とすることができる。なぜなら、実施例１では４×１波長合分波器１３０としてＡＷＧを用いた代わりに、実施例２では、透過波長を変化させることのできるａ−ＭＺＩで構成される４×１波長合分波器２３０を用いているからである。

＜ａ−ＭＺＩ＞
３つのａ−ＭＺＩで構成される４×１波長合分波器２３０は、ａ−ＭＺＩ２３４−１の２つの入出力ポートのそれぞれにａ−ＭＺＩ２３４−２、２３４−３を接続して構成される。ａ−ＭＺＩ２３４−１、２、３のそれぞれの遅延導波路上には、光位相調整用ヒータ２３３−１、２、３が配置される。ａ−ＭＺＩ波長合分波器２３０のポート２３２−Ｋ（Ｋ＝１、２、３、４）はそれぞれ、Ｓｉ光導波路のポート２３−Ｋに接続されている。また、ａ−ＭＺＩ２３４−１のａ−ＭＺＩ２３４−２、２３４−３と接続されていない側の２つの入出力ポートの一方のポート２３１は、Ｓｉ光導波路のポート２４に接続されている。

＜マルチチャネルレーザ光源２５０＞
以下、マルチチャネルレーザ光源２５０の動作について説明する。本実施例におけるマルチチャネルレーザ光源２５０は４チャネルレーザ光源であり、全チャネルで共有されるループミラー型リング共振器１４０−１と各チャネルＫ（Ｋ＝１、２、３、４）が個別に有する壁開端面１１−Ｋにより４個のレーザ共振器が形成されている。各チャネルの縦モード間隔はループミラー型リング共振器１４０−１と壁開端面端面１１−Ｋとの間の光路長によって決まり、周波数軸上での縦モードの位置は光位相調整用ヒータ２２−Ｋに電力を与えることで調整することができる。４×１合分波器２３０とループミラー型リング共振器１４０−１は各チャネルの縦モードの中から発振モードを選択する機能を果たす。

＜ａ−ＭＺＩのＦＳＲ設計について＞
ここで、ａ−ＭＺＩ波長合分波器２３０を構成するａ−ＭＺＩ２３４−１、２３４−２、２３４−３のＦＳＲの設計について説明を行う。まず、ａ−ＭＺＩ２３４−１のＦＳＲは、ループミラー型リング共振器のＦＳＲであるＦＳＲｍの２倍に設計する。次に、ａ−ＭＺＩ２３４−２、２３４−３のＦＳＲはＦＳＲｍ×２より少々大きいＦＳＲであるＦＳＲｓ’を持つよう設計する。

ａ−ＭＺＩ２３４−１の透過ピークとａ−ＭＺＩ２３４−２または２３４−３の透過ピークが一致する周期Δｆ_v’はＦＳＲｍとＦＳＲｓ’で決まり、下記の式（２）で表される。

この周期Δｆ_v’がＳＯＡのレーザ発振に十分な利得をもつ周波数領域よりも十分大きくなるよう、ＦＳＲｓ’の値を設定する。図９にそれぞれのａ−ＭＺＩ２３４−１、２３４−２、２３４−３の透過スペクトルを各Ｋ＝１、２、３、４に対応するチャネルについて表したものを示す。実線がａ−ＭＺＩ２３４−１、点線がａ−ＭＺＩ２３４−２および２３４−３にそれぞれ対応する。なお、光位相調整用ヒータ２３３−１を用いることで、ポート２３１からポート２３５−１、ポート２３１からポート２３５−２への透過ピークの位置を調整することができる。さらに、光位相調整用ヒータ２３３−２、２３３−３を用いることで、ポート２３５−１からポート２３２−１、２３２−２、ポート２３５−２からポート２３２−３、２３２−４への透過ピークの位置を調整することができる。上記の調整により、図９の黒色▽に示す位置で透過ピークを持つような４×１波長合分波器を構成することができる。

ここで、図９（ａ）の黒色▽で示される周波数をｆ_cとする。このとき、ポート２３２−１からａ−ＭＺＩ２３０に入射した光がループミラー型リング共振器２４０−１により反射され再度ａ−ＭＺＩ波長合分波器２３０を経てポート１３２−１へ戻ってくる経路についての透過スペクトルを考えると、ｆ_c−Δｆ_v＜ｆ＜ｆ_c＋Δｆ_vの範囲においてはｆ＝ｆ_cで透過率最大となる。

ポート２、３、４の場合も同様に黒色▽で示される周波数の±Δｆ_vの範囲内における最大値をとる。また、位相調整用ヒータ２３３−１、２３３−２、２３３−３に与える電力を変化させることにより、各ａ−ＭＺＩ２３４−１、２３４−２、２３４−３の透過ピークをそれぞれのａ−ＭＺＩのＦＳＲ程度変化させることができるので、ｆ_cとして任意の周波数を設定することが可能である。

＜発振原理＞
図１０（ｂ）に上述の設計・調整を行った場合のａ−ＭＺＩ波長合分波器２３０の透過スペクトルをＫ＝１、２、３、４について重ねて示している。図１０（ｂ）に示す、ａ−ＭＺＩ波長合分波器２３０の各チャネルに対応する各Ｋの透過ピークと、図１０（ａ）に示されるループミラー型リング共振器１４０−１の反射スペクトルのピークとが一致するよう、ａ−ＭＺＩ２３４−１、２３４−２、２３４−３を調整するものとする。

次に、各チャネルのＫの周波数軸上での縦モード位置を、各チャネルとも出力が最大となるようヒータ２２−Ｋに与える電力を調整する。ここで、共振器損失が最小となる周波数で最大の光出力を得ることができることから、ループミラー型リング共振器１４０−１の透過ピークと各ａ−ＭＺＩ波長合分波器２３０の透過スペクトルの透過ピークが一致する点に縦モード位置を調整することができる。

以上により選択された発振モードを図１０（ｃ）に示した。このように、マルチチャネルレーザ２５０の各チャネルの発振周波数の間隔はループミラー型リング共振器２４０―１のＦＳＲに一致するよう、調整される。

［実施例３］
図５に、本発明の実施例３に係るマルチチャネルレーザ光源の構成を示す。実施例３のマルチチャネルレーザ光源３５０は、実施例１のマルチチャネル光源１５０におけるＡＷＧ１３０の代わりに、４個のリング共振器が１本の導波路を介して接続されたリング共振型波長合分波器３３０を用いて構成したものである。本構成では、発振周波数を可変とすることができるだけでなく、４×１合分波回路にａ−ＭＺＩを用いた実施例２の場合に比べ、発振周波数間隔をループミラー型リング共振器１４０−１のＦＳＲであるＦＳＲｍの任意の整数倍に調整することが可能となり、ポート数を任意の整数に設定することができる。なぜなら、ａ−ＭＺＩを用いる場合はａ−ＭＺＩ２３４−２、２３４−３それぞれのスルーポートとクロスポートの透過ピークは互いに従属であるため、スルーポートとクロスポートの透過ピークを独立に設定することができないためである。

＜リング共振型波長合分波器＞
４個のリング共振器で構成されるリング共振型４×１波長合分波器３３０は、バス導波路３３１と４つのリングの周回部３３６−Ｋ（Ｋ＝１、２、３、４）がそれぞれ、カプラ３３４−Ｋを介して接続され、分波側のポート３３２−Ｋと４つのリングの周回部３３６−Ｋ（Ｋ＝１、２、３、４）がそれぞれ、カプラ３３５−Ｋを介して接続されることにより、構成される。

それぞれの周回部３３６−Ｋの上部には、光位相調整用ヒータ３３３−Ｋが配置される。リング共振型１×４波長合分波器３３０の合波側のポート３３１はＳｉ光導波路のポート２４に接続されており、分波側のポート３３２−ＫはＳｉ光導波路のポート２３−Ｋに接続されている。なお、本実施例では、ループミラー型リング共振器１４０−１に近い方から、カプラ３３４−１、カプラ３３４−２、カプラ３３４−３、カプラ３３４−４の順に配置されているものとする。

＜マルチチャネルレーザ光源３５０＞
以下、マルチチャネルレーザ光源３５０の動作について説明する。本実施例におけるマルチチャネルレーザ光源３５０は４チャネルレーザ光源であり、全チャネルで共有されるループミラー型リング共振器１４０−１と各チャネルＫ（Ｋ＝１、２、３、４）が個別に有する壁開端面１１−Ｋにより４個のレーザ共振器が形成されている。各チャネルの縦モード間隔はループミラー型リング共振器１４０−１と壁開端面端面１１−Ｋとの間の光路長によって決まり、周波数軸上での縦モードの位置は光位相調整用ヒータ２２−Ｋに電力を与えることで調整することができる。４×１合分波器３３０とループミラー型リング共振器１４０−１は各チャネルの縦モードの中から発振モードを選択する機能を果たす。

＜リング共振型波長合分波器ＦＳＲ設計＞
ここで、リング共振器３３８−Ｋ（Ｋ＝１、２、３、４）のＦＳＲを全てＦＳＲｓ’’とする場合の設計について説明する。ＦＳＲｓ’’は、ループミラー型リング共振器１４０−１のＦＳＲであるＦＳＲｍの４倍より少し大きい値に設定する。

リング共振器３３８−１の透過ピークとループミラー型リング共振器１４０−１の反射ピークが一致する周期Δｆ_v’’はＦＳＲｍとＦＳＲｓ’’で決まり、下記の式（３）で表される。

この周期Δｆ_v’’がＳＯＡのレーザ発振に十分な利得をもつ周波数領域よりも十分大きくなるよう、ＦＳＲｓ’’の値を設定する。

ここで、図１１（ａ）、（ｂ）に示すように、チャネル１について、リング共振器３３８−１の透過ピークとループミラー型リング共振器１４０−１の反射ピークが周波数ｆｃにおいて一致しているとする。チャネル１についてポート３３１−１からリング共振器３３８−１に入射した光がループミラー型リング共振器１４０−１により反射され再度リング共振器３３８−１を経てポートポート３３１−１へ戻ってくる経路についての透過スペクトルを考えると、ｆ_c−Δｆ_v’’＜ｆ_c＜ｆ_c＋Δｆ_v’’の範囲においてはｆ＝ｆ_cで透過率最大となる。チャネル２、３、４、についても、図１１（ａ）、（ｂ）中の点線で示すようなピークが一致する位置において、ｆ_c−Δｆ_v’’＜ｆ_c＜ｆ_c＋Δｆ_v’’の範囲においては、透過率最大となる。

＜発振原理＞
ここでは、発振周波数の決定方法について説明する。まず、ヒータ１４２、３３３−Ｋに与える電力を調整することにより、図１１（ａ）に示す、ループミラー型リング共振器１４０−１の透過ピークと図１１（ｂ）に示す各リング共振器型波長合分波器３３０の透過スペクトルの透過ピークを、発振させたい周波数で一致するよう調整する。またこのとき、各チャネル３３８−Ｋの透過ピークは、ループミラー型リング共振器１４０−１の隣接した透過ピークに一致しているものとする。

次に、各チャネルのＫの周波数軸上での縦モード位置を、各チャネルとも出力が最大となるようヒータ２２−Ｋに与える電力を調整する。ここで、共振器損失が最小となる周波数で最大の光出力を得ることができることから、ループミラー型リング共振器１４０−１の透過ピークと各リング共振器型波長合分波器３３０の透過スペクトルの透過ピークが一致する点に縦モード位置を調整することができる。

以上により、発振周波数間隔を、周波数間隔調整用反射型フィルタであるループミラー型リング共振器１４０−１のＦＳＲであるＦＳＲｍに一致させるよう調整できる。上述のように調整した場合の発振モードを図１１（ｃ）に示す。

上記のとおり発振周波数を決定する際、非特許文献４と同様の原理で、２×Δｆ_vの範囲内で各チャネルＫの発振周波数を選択することができる。また本構成は、非特許文献４にある構成を単に並べただけでなく、共振器を構成する２つのリングのうち片方を発振周波数間隔基準として各チャネルで共有している点が非特許文献４で述べられている構成と大きく異なる。このことにより、各チャネルＫの発振周波数間隔を、周波数間隔調整用反射型フィルタであるループミラー型リング共振器１４０−１のＦＳＲであるＦＳＲｍに一致するよう調整できる。

さらに、非特許文献４にある構成を用いてＮ（Ｎは２以上の整数）個並べてマルチチャネルレーザを実現する場合、リング共振器の総数は２×Ｎ個となるが、本実施例で述べた構成を用いてマルチチャネルレーザを実現する場合は、リング共振器の総数がＮ＋１個とすることができる。このようにより少ない構成要素でマルチチャネルレーザを実現できる点においても、本構成が優れているといえる。

［実施例４］
図６に、本発明の実施例４に係るマルチチャネルレーザ光源の構成を示す。実施例４のマルチチャネルレーザ光源４５０は、実施例３のマルチチャネル光源３５０において、ａ−ＭＺＩ４６０をＳｉ光導波路のポート２４とポート２５の間に接続したものである。本構成では、外部共振器での波長選択性を向上させることができる。

＜ａ−ＭＺＩ４６０＞
ａ−ＭＺＩ４６０は、２つのカプラ４６１−１、４６１−２によって結合された２つのＳｉ光導波路４６３−１、４６３−２と、片方のＳｉ光導波路４６３−２上に配置されたヒータ４６２とで構成され、遅延干渉計を構成する。ａ−ＭＺＩ４６０のポート４６４は、Ｓｉ光導波路のポート２５に接続されており、ポート４６５はＳｉ光導波路のポート２４に接続されている。

＜実施例４の反射スペクトルの計算結果＞
ここで、ａ−ＭＺＩ４６０をＳｉ光導波路のポート２４と２５の間に配置する利点を説明する。一般に、共振器内にフィルタ構造を含む単一モードレーザにおいては、フィルタの反射スペクトルはゲイン媒体（本明細書実施例におけるＳＯＡ）の利得帯域内において単一反射特性を示すことが望ましい。反射率最大ピークに対し競合するピークがゲイン利得帯域内に存在することは、安定に単一モード発振を得る上で好ましくない。

実施例３の場合のポート２３−４の波長合分波器側の反射スペクトル（ポート２３−４→波長合分波器３３０−４→ループミラー１４０−１→波長合分波器３３０→ポート２３−４の経路の透過スペクトル）の計算結果を図１２に示す。周波数スパンは１０ＴＨｚであり、グラフの中央（１９３．６１２５ＴＨｚ）に反射率最大を与えるピークがくるよう表示している。図１２（ａ）はリング共振器３３８−４の透過ピークとループミラー型リング共振器１４０−１の反射ピークが一致する周期Δｆ_vが５ＴＨｚになるよう設計したもの、図１２（ｂ）はΔｆ_vが１ＴＨｚになるように設計したものである。図１２（ｃ）は、図１２（ａ）の２点鎖線で囲った部分を拡大したものである。

いずれの場合においても約１８０ＧＨｚ間隔で反射ピークが現れる。Δｆ_vを５ＴＨｚとした場合には隣接するピーク同士が競合する。Δｆ_vを１ＴＨｚ（とすると隣接ピーク間競合は解消されるものの１０ＴＨｚスパン内に競合する別の反射ピークが現れてしまう。

本実施例４の構成は、この問題についての解決策を与える。図１３（ａ）にΔｆ_vが１ＴＨｚになるように設計した場合の、ポート２３−４の波長合分波器側の反射スペクトルとａ−ＭＺＩ４６０のポート４６４からポート４６５への透過スペクトルの計算結果を重ねて示している。ａ−ＭＺＩ４６０のＦＳＲはＳＯＡ１０−Ｋの利得範囲を考慮し、反射ピークを抑制したい範囲と同じになるよう設計する。ここでは、ａ−ＭＺＩ４６０のＦＳＲは６ＴＨｚ程度となるよう設計した。

図１３（ｂ）は、上記の設計での実施例４における、ポート２３−４の波長合分波器側の反射スペクトルである。Ｓｉ光導波路のポート２４、２５の間にａ−ＭＺＩ４６０を配置した効果により、競合ピークを抑制することができている。

［実施例５］
図７に、本発明の実施例５に係るマルチチャネルレーザ光源の構成を示す。実施例５のマルチキャリアレーザ光源５５０は、実施例４のマルチチャネル光源４５０において、Ｓｉ側光取り出し用導波路５６０−ＫをＳｉ光導波路のポート２１−Ｋとポート２３−Ｋの間に接続し、さらに、バス導波路３３７とＳｉ光導波路５６３−Ｋ（Ｋ＝１、２、３、４）との交差導波路を配置した構成となっている。本構成では、Ｓｉ光導波路基板２０側に出力光を取り出すことができるので、Ｓｉ光導波路を用いた他の機能回路、例えば光変調器等を集積しやすいという利点がある。

＜光取り出し用ポート＞
Ｓｉ側光取り出し用ポート５６０−Ｋは、Ｓｉ光導波路５６３−Ｋがそれぞれ、各チャネルのポート２１−Ｋと２３−Ｋの間で、ヒータ２２−Ｋよりもポート２１−Ｋよりに設置されたカプラ５６２−Ｋを介して接続されている。また、Ｓｉ光導波路５６３−Ｋはそれぞれ、バス導波路３３７と交差導波路５６１−Ｋにおいて交わる。なお本実施例においてはＳＯＡ１０−Ｋの端面から出力光を取り出すことは無いのでＳＯＡ端面１１−ＫにはＨＲコートを施すことが望ましい。

１０−１〜１０−４ 半導体光増幅器
１１−１〜１１−４ 劈開端面
１２−１〜１２−４ ＡＲ端面
１３−１〜１３−４ スポットサイズ変換機
１４−１〜１４−４ 光増幅部
１５ ４チャネルのアレイ型半導体光増幅器
２０ Ｓｉ光導波路基板
２１−１〜２１−４ スポットサイズ変換器
２２−１〜２２−４ 光位相調整用ヒータ
２３−１〜２３−４、２４、２５ ポート
３０ 波長合分波器
４０ 周波数間隔調整用反射型フィルタ
５０ マルチチャネルレーザ光源
１３０ ＡＷＧ
１３１、１３２−Ｋ ポート
１４０−１ ループミラー型リング共振器
１４０−２ 反射型リング共振器
１４１ 周回部
１４２ 光位相調整用ヒータ
１４３−１、１４３−２ ポート
１４４−１〜１４４−４ カプラ
１４５ ３ｄＢ合分波器
１４６ ループミラー
１５０、２５０、３５０、４５０、５５０ マルチチャネルレーザ光源
２３０ １×４波長合分波器
２３１、２３２、２３５−１、２３５−２ ポート
２３３−１〜２３３−３ 光位相調整用ヒータ
２３４−１〜２３４−３ 非対称マッハツェンダ干渉計
３３０ リング共振型波長合分波器
３３１、３３２−Ｋ ポート
３３３−１〜３３３−４ 光位相調整用ヒータ
３３４−１〜３３４−４、３３５−１〜３３４−４ カプラ
３３６−１〜３３６−４ 周回部
３３７ バス導波路
３３８−１〜３３８−４ リング共振器
４６１−１、４６１−２ カプラ
４６２ 光位相調整用ヒータ
４６３−１、４６３−２ Ｓｉ光導波路
４６４、４６５ ポート
５６０−１〜５６０−４ Ｓｉ側光取り出し用ポート
５６１−１〜５６１−４ 交差導波路
５６２−１〜５６２−４ カプラ
５６３−１〜５６３−４ Ｓｉ光導波路
５６４−１〜５６４−４ 光取り出しポート

Claims (8)

1. 一定の周波数間隔で反射率が変化する周波数間隔調整用反射型フィルタと、
   Ｎ個の分波側ポートと１個の合波側ポートとを有するＮ×１波長合分波器（Ｎは２以上の整数）であって、前記合波側ポートが前記周波数間隔調整用反射型フィルタに接続された、前記Ｎ×１波長合分波器と、
   前記Ｎ×１波長合分波器のＮ個の分波側ポートの各々に一方の入出力端が接続されたＮ個の光増幅器と、
   前記Ｎ個の光増幅器の他方の入出力端の各々に接続されたＮ個のミラーと、
   前記Ｎ×１波長合分波器と前記Ｎ個の光増幅器とを接続する光導波路上の各々に設置され、前記周波数間隔調整用反射型フィルタと前記Ｎ個のミラーとの間で発生するレーザ発振光の発振周波数間隔が前記周波数間隔調整用反射型フィルタのＦＳＲと一致するよう調整するＮ個のヒータと、
   を備えたことを特徴とするマルチチャネルレーザ光源。
2. 前記Ｎ×１波長合分波器は、アレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）であることを特徴とする請求項１記載のマルチチャネルレーザ光源。
3. 前記Ｎ×１波長合分波器は、２個の分波側ポートと１個の合波側ポートとを用いる非対称マッハツェンダ干渉計を多段に接続したもので構成されることを特徴とする請求項１記載のマルチチャネルレーザ光源。
4. 前記Ｎ×１波長合分波器は、Ｎ個のリング共振器が１本の導波路を介して接続されている、リング共振型波長合分波器であることを特徴とする請求項１記載のマルチチャネルレーザ光源。
5. 前記周波数間隔調整用反射型フィルタは、リング共振型フィルタにミラーが接続されたものであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のマルチチャネルレーザ光源。
6. 前記周波数間隔調整用反射型フィルタは、ループミラー型リング共振器であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のマルチチャネルレーザ光源。
7. 前記波長合分波器の合波側のポートと前記周波数間隔調整用反射型フィルタとの間に非対称マッハツェンダ干渉計をさらに備え、
   前記対称マッハツェンダ干渉計は、前記Ｎ個の光増幅器のゲイン利得帯域内において反射率のピークが単一になるよう透過スペクトルが設計されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のマルチチャネルレーザ光源。
8. 前記光増幅器と前記波長合分波器の分波側のポートとの間に出力用光カプラが配置されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載のマルチチャネルレーザ光源。

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