JP2017015891A

JP2017015891A - 変調光源

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Publication number: JP2017015891A
Application number: JP2015131771A
Authority: JP
Inventors: 秋山　知之; Tomoyuki Akiyama; 知之秋山
Original assignee: Fujitsu Ltd; Photonics Electronics Technology Research Association
Current assignee: Fujitsu Ltd; Photonics Electronics Technology Research Association
Priority date: 2015-06-30
Filing date: 2015-06-30
Publication date: 2017-01-19
Anticipated expiration: 2035-06-30
Also published as: JP6545020B2; US9537289B1; US20170005454A1

Abstract

【課題】変調光源の信頼性の確保と変調等の電力効率の向上との双方の要請を満足し、ＤＦＢレーザ等を用いることによる問題も生じない優れた微細な変調光源を実現する。【解決手段】リング変調器１１と、リング変調器１１に光学的に接続された第１の光導波路１２及び第２の光導波路１３と、第１の光導波路１２の一端と第２の光導波路１３の一端とを光学的に接続する第３の光導波路１４とを備えており、第３の光導波路１４は、少なくともその一部が光学利得１３ａを有しており、リング変調器１１、第１の光導波路１２、第２の光導波路１３、及び第３の光導波路１４を備えて構成される光導波路ループ１を共振器としてレーザ発振を行う。【選択図】図１

Description

本発明は、変調光源に関するものである。

従来より、小型で消費電力の低い変調光源の開発が期待されている。このような変調光源では、シリコン細線光導波路を用いた微細なリング変調器の適用が検討されている。

図８は、リング変調器を用いた従来の変調光源の概略構成を示す模式図である。
この変調光源は、分布帰還型（ＤＦＢ）レーザ１０１、リング変調器１０２、光パワーモニタ用ＰＤ１０３、波長コントローラ１０４、及びヒータ１０５を備えて構成される。
光パワーモニタ用ＰＤ１０３は、リング変調器１０２を通過した光のパワーを検知する。波長コントローラ１０４は、光パワーモニタ用ＰＤ１０３で検知された光パワーに基づいてレーザ光の波長の制御信号を出力する。ヒータ１０５は、波長コントローラ１０４の制御信号によりリング変調器１０２を加熱して波長を調節する。
変調光源では、ＤＦＢレーザ１０１が連続発振してレーザ光を出力する。出力されたレーザ光は、光導波路を通過してリング変調器１０２に導かれ、リング変調器１０２で透過率が変調される。

リング変調器１０２において、その透過スペクトルは、共振波長において透過率が最小となるローレンツ型スペクトル（Lorentzian spectrum）となる。リング変調器１０２では、変調信号を電圧Ｖ₀と電圧Ｖ₁との間で変化させて共振波長を変化させる。これにより、透過率が変調され、強度変調がかかった出力光を得ることができる。

特開２０１２−６４８６２号公報特開２００９−５９７２９号公報

リング変調器１０２の共振波長は、作製誤差又は温度変化によるリング変調器１０２の周回光路長の変化により変動し、発振するレーザ光の波長と乖離が起こる。この乖離を補償すべく、図９に示すように、ヒータ１０５でリング変調器１０２を加熱してリング温度を上昇させ、共振波長の調節が行われる。

しかしながらこの場合、変調光源の信頼性の確保と変調等の電力効率の向上（ヒータ電力や変調電力の低減）との両立が困難となるという問題がある。その理由は以下の通りである。

図１０（ａ）のように、リング変調器の半径が小さい場合について考察する。この場合、リング変調器の体積が小さくなり、温度変動時の波長ずれを補償するために必要なヒータにおける消費電力は減少する。また、リング変調器の駆動回路の負荷となる静電容量が小さくなるため、変調電力も減少する。ところがその一方で、初期波長ずれの補償を行うときに、リング共振波長の最大間隔（ＦＳＲ（Free Spectral Range））分の補償を要するところ、このＦＳＲが大きくなる。このＦＳＲの増大により、波長の補償量が増加し、結果としてリング変調器の温度の上昇量が増大して信頼性の低下を来たす。

図１０（ｂ）のように、リング変調器の半径が大きい場合について考察する。この場合、ＦＳＲが小さくなり、波長の補償量が減少してリング変調器の温度の上昇量が低減し、信頼性が確保される。ところがその一方で、リング変調器の体積が大きくなり、温度変動時の波長ずれを補償するために必要なヒータの消費電力が増加する上、変調電力も増大する。

更に、ＤＦＢレーザ１０１を用いることによる問題も無視できない。即ち、ＤＦＢレーザ１０１の電力効率を向上させるべく、回折格子の位相シフトを無くせば歩留りが低下する。その逆に、歩留りを向上させるべく位相シフトを挿入すれば電力効率が低下する。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、変調光源の信頼性の確保と変調等の電力効率の向上との双方の要請を満足し、ＤＦＢレーザ等を用いることによる問題も生じない優れた微細な変調光源を提供することを目的とする。

変調光源の一態様は、リング変調器と、前記リング変調器に光学的に接続された第１の光導波路及び第２の光導波路と、前記第１の光導波路の一端と前記第２の光導波路の一端とを光学的に接続する第３の光導波路とを備え、前記第３の光導波路は、少なくともその一部が光学利得を有しており、前記リング変調器、前記第１の光導波路、前記第２の光導波路、及び前記第３の光導波路を備えて構成される光導波路ループを共振器としてレーザ発振を行う。

上記の態様によれば、変調光源の信頼性の確保と変調等の電力効率の向上との双方の要請を満足し、ＤＦＢレーザ等を用いることによる問題も生じない優れた微細な変調光源が実現する。

第１の実施形態による変調光源の概略構成を示す模式図である。図１の光導波路ループを拡大して示す模式図である。本実施形態による光デバイスにおける波長調整時の動作を示す特性図である。ヒータにより波長ズレの補償を行う際の波長シフト量及び温度上昇量を示す図である。リングレーザ共振器における発振モードの選択機構を説明するための模式図である。第２の実施形態による変調光源の概略構成を示す模式図である。第３の実施形態による変調光源の概略構成を示す模式図である。リング変調器を用いた従来の変調光源の概略構成を示す模式図である。従来の変調光源により、共振波長の調節が行われる状況を示す特性図である。従来の変調光源における問題点を説明するための模式図である。

以下、変調光源の好適な諸実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態による変調光源の概略構成を示す模式図である。
この変調光源は、光導波路ループ１と、光パワーの検知部である光パワーモニタ用ＰＤ２と、波長コントローラ３と、ヒータ４とを備えて構成される。

光導波路ループ１は、光波長フィルタであるリング変調器１１、第１の光導波路１２、第２の光導波路１３、及び第３の光導波路１４を有している。第１の光導波路１２及び第２の光導波路１３は、リング変調器１１の光バス導波路である。第３の光導波路１４は、第１の光導波路１２の一端のポートと第２の光導波路１３の一端のポートとを光学的に接続するＵ字状の光導波路であり、少なくともその一部が光学利得を有している。光導波路ループ１は、共振器としてレーザ発振を行う。

リング変調器１１は、帯域通過特性を有する光波長フィルタであって、例えばシリコン細線で構成されている。例えば半径５μｍ程度のシリコン細線からなるリング状の光導波路中に、Ｐ型ドーピング領域及びＮ型ドーピング領域を有してＰＮ接合（或いはＰＩＮ接合）を構成している。リング変調器１１には、変調信号によりその強度に応じて共振波長を変調するための変調電極１１ａ，１１ｂ及びリング変調器１１の中央部分の変調電極が配置されている。変調電極１１ａ，１１ｂは同じ極性を持ち、両者は導通している。リング変調器１１の中央部分の変調電極は、変調電極１１ａ，１１ｂと異なる極性を持つ。これらの変調電極で一対の変調電極が構成されている。リング変調器１は、一対の変調電極により、Ｐ型ドーピング領域とＮ型ドーピング領域との間に逆バイアス電圧又は順バイアス電圧を印加することにより、光導波路の屈折率を変化させ、共振波長を変調する。

リング変調器１１と光学的に接続された第１の光導波路１２及び第２の光導波路１３、更には第３の光導波路１４は、例えばＳＯＩ基板のＳＯＩ層を加工することにより形成されるシリコン細線からなる。第３の光導波路１４は、光学利得を持たせる領域に光学利得媒質１４ａとして例えばＧｅＳｎが形成されている。リング変調器１１の光バス導波路である第１の光導波路１２及び第２の光導波路１３の４つのポートのうち、例えば第１の光導波路１２の他端のポートに例えば反射率９７％のＤＢＲミラー１２ａが回折格子で形成されている。第２の光導波路１３の他端のポートには、出力光の一部を導光するタップ１３ａが設けられており、タップ１３ａに光パワーモニタ用ＰＤ２が配置されている。

光パワーモニタ用ＰＤ２は、出力ポートに導かれた光のパワーを検知する。
波長コントローラ３は、光パワーモニタ用ＰＤ２で検知された光パワーに基づいてリング変調器の波長制御信号を出力する。
ヒータ４は、波長コントローラ３の制御信号によりリング変調器１１を所定温度に加熱し、波長を調節する。

図２は、図１の光導波路ループを拡大して示す模式図である。
本実施形態による変調光源では、光導波路ループ１は、リング変調器１１の光バス導波路同士（第１の光導波路１２及び第２の光導波路１３）が第３の光導波路１４で光学的に接続され、第３の光導波路１４に光学利得が付与されている。これにより、リング変調器１１を備えたリングレーザ共振器が構成される。このリングレーザ共振器は光学利得を持ち、第１の光導波路１２の一端と第２の光導波路１３の一端との間における透過波長帯域が、発振し得る複数のレーザ発振縦モードのうちの１つを選択可能な大きさとされている。そのため、リング変調器１１の光バス導波路間の透過スペクトルの透過波長帯域中に存在する単一縦モードのリングレーザモードで発振することが可能である。リング変調器１１の透過波長帯域を調節することにより、所定の１つのリングレーザモードを選択的に発振させることができる。

リング変調器１１の一対の変調電極に、電圧Ｖ₀と電圧Ｖ₁との間で変化するデジタルの変調信号を印加することにより、共振波長に変調信号強度に応じた変調を生じさせることが可能である。これにより、発振光波長における出力ポートへの透過率Ｔ_outを変調させることができる。出力光のパワーＰ_outは光共振器内の光パワーＰ_rと透過率Ｔ_outとの積Ｐ_rＰ_outに等しいため、Ｐ_rの変動を抑えた光共振器の設計を行うことにより、Ｐ_outに変調信号に対応した変調を与えることができる。

図３は、本実施形態による光デバイスにおける波長調整時の動作を示す特性図であり、（ａ）が波長調整前の状態を、（ｄ）が波長調整後の状態を示している。
図３（ａ）の矢印で示すように、光学利得媒質を持つリングレーザ共振器により発振し得るリングレーザモードが等間隔に存在する。この間隔は、リングレーザ共振器の周回光路長の逆数に比例する。リング変調器１１の透過ピークは、調整前の状態では、リングレーザモードに必ずしも一致しない。このとき、リングレーザモードのうち、リング変調器１１の透過ピークに最も近いものが、優先的に発振する。

ヒータ４を駆動することにより、リング変調器１１の透過ピークは長波長側にシフトする。これに伴い、図３（ｂ），（ｃ）に示すように、リング変調器１１の透過ピーク波長に最も近いリングレーザモードが１つ長波長側のリングレーザモードに切り替わる。このとき、図３（ｃ）のように、発振するリングレーザモードも切り替わる。この切り替わるタイミングは、図３（ｃ）のように、リング変調器１１の透過ピーク波長が長波長側のリングレーザモードに到達する前である。そのため、更にヒータ４の駆動を強め、リング変調器１１の透過ピーク波長を長波長側に調整することにより、図３（ｄ）のように、最終的にリング変調器１１の透過ピーク波長をリングレーザモードに一致させることが可能となる。このように、レーザ発振波長とリング変調器１１の透過ピーク波長との一致を図れば、ヒータ４によりリング変調器１１の透過ピーク波長を調整する範囲は、リングレーザモードの間隔以下に抑えることが可能になる。後述のように、リングレーザモードの間隔は従来技術で必要となる波長調整幅のリング変調器の共振波長間隔（ＦＳＲ）よりも、大幅に小さくすることができる。

シリコン細線の光導波路を用いたリンク変調器１１の場合、リング半径を５μｍ程度まで減少させることが可能であり、リング半径の減少に伴い、変調電力及びヒータ電力の低減を図ることができる。これ以下にした場合、リンク変調器１１の曲げ損失が問題となる。リング半径をこの限界の５μｍとすると、ＦＳＲは約１９ｎｍとなる。そのため、従来技術では最大で約１９ｎｍの波長ずれ補償が必要である。一方、本実施形態によれば、リングレーザ共振器の周回光路長を約８００μｍとすることにより、約０．８ｎｍのリングレーザモード間隔を実現することができる。この場合、図４に示すように、波長ずれ補償は最大で０．８ｎｍで済む。波長温度係数０．０７ｎｍ／Ｋを用いて温度に換算すると、従来技術では約２７１℃の温度上昇が必要となる。これに対して本実施形態では、約１１．４℃で良いことになり、信頼性を大幅に改善することができる。ヒータ４の消費電力も同様に、０．８ｎｍ／１９ｎｍ＝４．２％程度まで減少させることができる。

リングレーザ共振器の発振モードには、時計回り（Clockwise：ＣＷ）モードと反時計回り（Counterclockwise：ＣＣＷ）モードの２種類が存在する。ＣＷモードとＣＣＷモードが同時発振した場合においても変調動作は可能であるが、出力光が２つのポートに分散されて出力されるため、ＣＷモード或いはＣＣＷモードの一方のモードで発振させることが好ましい。１モードで発振させるべく、図５（ａ）に示すように、第１の光導波路１２の他端のポートにＤＢＲミラー１２ａを設ける。そうすることにより、ＣＷモードの発振光の一部をＣＣＷモードに移行させることが可能になる。ＣＣＷモードの発振の位相は、ＣＷモード発振光の注入により、ＣＷモードの位相に同期したものとなる。結果として、ＣＷモードからＣＣＷモードに光が移行する際に、常に所定の干渉条件を満たす位相での移行が実現される。その結果、図５（ｂ）に示すように、ＣＣＷモードの発振光のパワーが、ＣＷモードの発振光のパワーよりも強くなり、最終的にＣＷモードの発振は静止することになる。

本実施形態では、レーザ共振器であるリングレーザ共振器の周回光路長を例えば８００μｍ程度とすることで、リングレーザモード間隔１００ＧＨｚ（＝０．８ｎｍ）を実現することができる。このとき、リング変調器１１の共振半値幅を例えば５０ＧＨｚとすることで、リングレーザモードのうちの１つのみを選択的に発振させることが可能になり、なお且つ、５０ＧＨｚ程度までリング変調器１１の変調帯域を確保することができる。

本実施形態では、リング変調器１１の光バス導波路の１つのポートに設ける光反射機構として、回折格子で形成されたＤＢＲミラーを例示したが、これに限定されるものではない。光反射機構としては、リング変調器１１の共振波長のバラツキをカバーする程度の広い波長範囲で反射性を有するものであれば良い。例えば、ループミラー又は光導波路端面を用いた反射鏡、光導波路端面に金属膜又は誘電体多層膜を形成することにより反射を高めたものであっても良い。

また、リング変調器１１の波長調節機構の一部としてヒータ４を例示したが、これに限定されることなく、光波長フィルタと同様にＰＮ又はＰＩＮ接合に対して順方向に電流を流す方式を採用しても良い。この場合、リング変調器を２分割し、その一方を変調信号によりその強度に応じて共振波長を変調する第１の変調電極を備えた強度変調領域、他方を波長変調の制御信号を入力する第２の変調電極を備えた波長調整領域として使用する。

また、第３の光導波路１４に設ける光学利得媒質１４ａとしてＧｅＳｎを用いているが、これに限定されるものではない。例えば、その他のＧｅを用いた光学利得媒質でも良いし、ＩＩＩ−Ｖ族半導体等をウェハボンディングや接着剤によりシリコン光導波路上に搭載したものでも良い。ＩＩＩ−Ｖ族半導体で形成されたゲインチップを、シリコン光導波路端にフリップチップボンディングしたものであっても良い。

本実施形態では、リング変調器１１の波長のバラツキの補正に必要な消費電力を大幅に抑えることが可能になる。また、ヒータ４で波長調整を行う場合の温度上昇を大幅に抑えることができる。従来方式では２７１℃というシリコンプロセスの信頼性保証温度（約１４０℃）を、本実施形態では大幅に上回り、信頼性が全く保証されないような小径のリング変調器を用いても、本実施形態では１１．４℃程度しか温度上昇しなくて済む。そのため、信頼性を確保しつつ、変調電力及びヒータ電力を低減が可能になる。

以上説明したように、本実施形態によれば、変調光源の信頼性の確保と変調等の電力効率の向上との双方の要請を満足し、ＤＦＢレーザ等を用いることによる問題も生じない優れた微細な多波長の変調光源が実現する。

（第２の実施形態）
次いで、第２の実施形態について説明する。本実施形態では、第１の実施形態と同様に変調光源を開示するが、多波長の変調光源である点で第１の実施形態と相違する。
図６は、第２の実施形態による変調光源の概略構成を示す模式図である。第１の実施形態に対応する構成部材等については図１と同じ符号を付し、詳しい説明を省略する。

この変調光源は、複数の光変調ユニット２１₁〜２１_N（Ｎ≧２）を備えて構成される。
各光変調ユニットは、第１の実施形態の図１と同様に、光導波路ループ１と、光パワーモニタ用ＰＤ２、波長コントローラ３、及びヒータ４とを有している。図６では、光パワーモニタ用ＰＤ２及び波長コントローラ３の図示を省略している。光導波路ループ１は、第１の実施形態の図１と同様に、リング変調器１１、第１の光導波路１２、第２の光導波路１３、及び第３の光導波路１４を有している。隣り合う光変調ユニット２１_k（１≦ｋ≦Ｎ）と光変調ユニット２１_k+1とにおいて、光変調ユニット２１_kの第２の光導波路１３の他端のポートと、光変調ユニット２１_k+1の第１の光導波路１２の一端のポートとがタンデム接続されている。光変調ユニット２１₁のタンデム接続されていない第１の光導波路１２の他端にＤＢＲミラー１２ａが形成され、光変調ユニット２１_Nのタンデム接続されていない第２の光導波路１３の他端が光出力ポートとされている。

リングレーザ共振器である複数の光導波路ループ１から出力される変調光は、１つの光出力ポートに導かれる。各リング変調器１１の共振波長を変えることによりレーザの発振波長を変化させることができる。これにより、合波機能を持った多波長の変調光源が実現する。

本実施形態によれば、変調光源の信頼性の確保と変調等の電力効率の向上との双方の要請を満足し、ＤＦＢレーザ等を用いることによる問題も生じない優れた微細な多波長の変調光源が実現する。

（第３の実施形態）
次いで、第３の実施形態について説明する。本実施形態では、第１の実施形態と同様に変調光源を開示するが、多波長の変調光源である点で第１の実施形態と相違する。
図７は、第３の実施形態による変調光源の概略構成を示す模式図である。第１の実施形態に対応する構成部材等については図１と同じ符号を付し、詳しい説明を省略する。

この変調光源は、複数の光変調ユニット３１₁〜３１_N（Ｎ≧２）を備えて構成される。
各光変調ユニットは、リング変調器１１、光パワーモニタ用ＰＤ２、波長コントローラ３、及びヒータ４を有している。図７では、光パワーモニタ用ＰＤ２及び波長コントローラ３の図示を省略している。光変調ユニット３１₁〜３１_Nに共通に、第１の光導波路１２、第２の光導波路１３、及び第３の光導波路１４が設けられており、複数のリング変調器１１、第１の光導波路１２、第２の光導波路１３、及び第３の光導波路１４を有する光導波路ループが構成されている。

本実施形態でも、第２の実施形態と同様に、複数の波長の変調光を１つの出力ポートへ導くことが可能であり、合波機能を持つ多波長変調光源を構成することができる。それぞれリング変調器１１を有する複数のリングレーザ共振器が１つの光利得媒質１４ａを共有することにより、光利得媒質を少なくし、製造工程への負担が軽減される。

１光導波路ループ
２，１０３光パワーモニタ用ＰＤ
３，１０４波長コントローラ
４，１０５ヒータ
１１，１０２リング変調器
１１ａ，１１ｂ変調電極
１２第１の光導波路
１２ａＤＢＲミラー
１３第２の光導波路
１３ａタップ
１４第３の光導波路
１４ａ光学利得媒質
２１₁〜２１_N，３１₁〜３１_N 光変調ユニット
１０１ＤＦＢレーザ

Claims

リング変調器と、
前記リング変調器に光学的に接続された第１の光導波路及び第２の光導波路と、
前記第１の光導波路の一端と前記第２の光導波路の一端とを光学的に接続する第３の光導波路と
を備え、
前記第３の光導波路は、少なくともその一部が光学利得を有しており、
前記リング変調器、前記第１の光導波路、前記第２の光導波路、及び前記第３の光導波路を備えて構成される光導波路ループを共振器としてレーザ発振を行うことを特徴とする変調光源。
前記第１の光導波路の一端と前記第２の光導波路の一端との間における透過波長帯域が、発振し得る複数のレーザ発振縦モードのうちの１つを選択可能な大きさであり、単一縦モードでレーザ発振を行うことを特徴とする請求項１に記載の変調光源。
前記第１の光導波路は、その他端に反射鏡を有しており、
前記第２の光導波路は、その他端が光出力ポートとされることを特徴とする請求項１又は２に記載の変調光源。
前記光導波路ループを複数備えており、
隣り合う２つの前記光導波路ループは、一方の前記光導波路ループの前記第２の光導波路の他端と、他方の前記光導波路ループの前記第１の光導波路の一端とがタンデム接続されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の変調光源。
前記タンデム接続されていない前記第１の光導波路の他端に反射鏡が設けられており、
前記タンデム接続されていない前記第２の光導波路の他端が光出力ポートとされることを特徴とする請求項４に記載の変調光源。
前記光導波路ループは、前記リング変調器を複数有しており、
前記第１の光導波路及び前記第２の光導波路が、複数の前記リング変調器と光学的に接続されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の変調光源。
前記リング変調器を加熱するヒータ部を更に備えたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の変調光源。