JP2020109814A - 波長可変レーザ - Google Patents

Abstract

【課題】フィネスを向上可能な波長可変レーザにおいて、良好なフィルタ特性を実現する。【解決手段】利得領域からの光に対する波長選択機能を有するフィルタ領域を備えた波長可変レーザは、フィルタ領域はサニャック干渉計であり、２つのリング共振器を含む。リング共振器は、２つの光結合器（５０，５１）と、２つの光結合器を接続する第１および第２の曲線導波路（５６，５７）とを有し、２つの光結合器は各々に、入出力ポート（５２，５３）から利得領域からの光を入力し、共振ピークの光を入出力ポートのバーポート（５４，５５）に結合し、共振ピーク波長以外の光を入出力ポートのクロスポート（５８，５９）に結合するように構成され、２つの光結合器の入出力ポートのクロスポートに接続された放射導波路（５１０ａ，５１０ｂ）が基板の表面または裏面に共振ピーク波長以外の光を放射する構造（６０ａ，６０ｂ）を有する。【選択図】図６

Description

本発明は、波長可変レーザに関し、より詳細には、波長多重大容量通信において用いる波長可変レーザに関する。

近年、通信トラフィックの急激な増大に対応すべく、ノード間を結ぶリンクは、それぞれ異なる信号が重畳された複数の波長を有する信号を束ねて同時に伝送することにより、伝送容量を増加させている。この波長多重信号の伝送の実現するためには、微少な波長差を有する光を生成可能なレーザが不可欠であり、従来、波長可変レーザが用いられている。

通信波長帯で動作する波長可変レーザの発光素子の材料は、ＧａＡｓ（ヒ化ガリウム）やＩｎＰ（リン化インジウム）などの化合物半導体が用いられている。半導体材料を用いた波長可変レーザ（半導体波長可変レーザ）は、波長多重大容量通信において重要な役割を担っている。

図１は、従来の、リング共振器を備えるモノリシック集積型波長可変レーザ１の構成図である。利得領域および位相調整領域は入出力導波路１３を含み、フィルタ領域はサニャック干渉計を含む。

２×２光カプラ１８の１つの出力ポートは、曲線導波路１０ａを介して、２×２光カプラ１７の１つの入力ポートに接続されている。２×２光カプラ１７の１つの出力ポートは、曲線導波路１０ｂを介して、２×２光カプラ１８の１つの入力ポートに接続されている。ここで、２本の直線導波路１１，１２は、２つの２×２光カプラ１７，１８と２本の曲線導波路１０ａ，１０ｂを含んでなるリング導波路と近接して配置されている。すなわち、フィルタ領域は、リング共振器の構成を有するサニャック干渉計である。サニャック干渉計はループミラーとして機能する。このリング共振器は、一定の周波数間隔（Ｆｒｅｅ Ｓｐｅｃｔｒａｌ Ｒａｎｇｅ、以下ＦＳＲという）で透過光の強度が増大する光フィルタとして機能する。

この構成において、利得領域、位相調整領域からの光は、入出力導波路１３を通過し、光分岐・結合部１６を構成する１×２光カプラ１９により等分配され、それぞれ直線導波路１１，１２を通過して光カップリング部１４，１５で光カップリングを生じ、右回りと左回りにリング導波路内を周回し、再び１×２光カプラ１９に入射され、外部へと放出される。

一般に利用される通信波長帯、例えばＣ帯（波長１５３０〜１５７０ｎｍ）をカバーするように大きな波長可変範囲を得るためには、ＦＳＲを大きく、すなわち共振器長（リング共振器における光路長）を短くする必要がある。そのため、曲線導波路の曲率をより大きくすることが可能なハイメサ光導波路が用いられることが多い。

図２は、従来利用されているハイメサ光導波路２の１例の断面の模式図である。ハイメサ導波路２は、下側から順に、基板２０、下部クラッド２２、コア層２３、上部クラッド２４に積層されている。最下層の基板の下側に下部電極２５ｂ、最上層の上部クラッド２４の上部に上部電極２５ａが設けられている。基板２０および下部クラッド２２はｎ−ＩｎＰで、コア層２３はＩｎＧａＡｓＰで、上部クラッド２４はｐ−ＩｎＰで、上部電極２５ａはｐ型ドーパントがドープされているＩｎＧａＡｓＰで、それぞれ構成されている。図２のハイメサ光導波路２は、下部クラッド層２２まで垂直に半導体をエッチングした構造である。フィルタ領域と利得領域との間の光分岐・結合部１６や、リング共振器を構成するリング導波路（曲線導波路１０）と接続された光カップリング部１４，１５には、マルチモード干渉（ＭＭＩ）カプラを用いている。

図３は、リング共振器を拡大した図である。電流注入により、ナノ秒程度で高速に屈折率変調が可能である。さらに位相調整用の光導波路（位相調整領域）をレーザ内に設けることにより縦モード間隔を微調整し、正確に所望の発振波長に調整可能としている。この位相調整も電流注入によって行う。

特開２０１３−０９３６２７号公報

リング共振器型波長可変レーザの性能を示す指標の一つとして、フィネスが挙げられる。フィネスは共振周波数における共振の鋭さを表し、リング共振器内部での周回回数が多い程、フィネスが向上する。図１では、光カップリング部１４，１５を構成する２×２光カプラ１７，１８として、５０％のＭＭＩ光カプラを用いているため、ＭＭＩカプラを通過するたびに、リング外部に５０％の光を放出することになる。特許文献１に示されているように、ＭＭＩカプラの分岐比を変え、リング外部への光の放出率を抑えることで、リング共振器に結合せず出力２に出力される光は大きくなるが、リング共振器に結合された光の周回回数を増やすことでフィネスの向上が可能である。しかし、この場合一般的にＭＭＩの結合長は長くなり、リング共振器を形成する曲げ導波路１０の半径はより小さなものが要求される。ハイメサ光導波路により、比較的小さな曲げ半径が実現可能ではあるが、曲げ半径の小さい導波路は伝搬損失が大きく、好ましくない。リング共振器内の導波路曲げ半径を大きくとりつつ、ＦＳＲの拡大が可能な構造の実現が求められる。

図３の一般的な結合効率５０％のＭＭＩカプラを利用した場合に対して、逆に、バーポートへの結合効率を下げることでＭＭＩカプラの結合長を小さくすることが可能となるが、リング外部に放出する光の割合が上がるため、フィネスは劣化する。この場合においても、ＭＭＩカプラの出力ポートのうちバーポート間を接続して構成したリング共振器とすることで、フィネスの向上が可能である。しかしながら、共振ピーク波長以外の光を廃棄する放射導波路に接続される導波路はＭＭＩカプラの内側のポートとなるため、共振ピーク波長以外の光はリング共振器内部に残ることとなる。この放射導波路からの共振ピーク波長以外の光はリング外部に逃す術がなくリング共振器に結合し、フィルタ特性を劣化させる。

本発明は、上記課題を鑑みなされたものであり、フィネスを向上可能な波長可変レーザにおいて、良好なフィルタ特性を実現することを目的とする。

このような目的を達成するために、本発明の第１の態様は、利得領域からの光に対する波長選択機能を有するフィルタ領域を備えた波長可変レーザある。一実施形態に係る波長可変レーザにおいて、フィルタ領域は、ループミラーとして機能するサニャック干渉計であり、２つのリング共振器を含み、リング共振器は、２つの光結合器と、２つの光結合器を接続する第１および第２の曲線導波路とを有し、２つの光結合器は各々に、入出力ポートから利得領域からの光を入力し、共振ピークの光と共振ピーク波長以外の光とに分岐し、共振ピークの光を入出力ポートのバーポートに結合し、共振ピーク波長以外の光を入出力ポートのクロスポートに結合するように構成され、第１の曲線導波路は２つの光結合器の入出力ポートのバーポート間を接続し、第２の曲線導波路は２つの光結合器の第１の曲線導波路が接続されたポートのクロスポート間を接続し、リング共振器の周回内部に、２つの光結合器の入出力ポートのクロスポートに接続された、共振ピーク波長以外の光を廃棄する２つの放射導波路を備え、放射導波路が、リング共振器の周回内部において、リング共振器の基板の表面または裏面に前記共振ピーク波長以外の光を放射する構造を有する。

以上説明したように、本発明によれば、フィネスを向上可能な波長可変レーザにおいて、良好なフィルタ特性を実現することが可能となる。

従来の波長可変レーザを説明するための図である。 ハイメサ光導波路の断面の模式図である。 結合効率５０：５０のＭＭＩカプラを有するリング共振器の部分の拡大図である。 結合効率８５：１５のＭＭＩカプラを有するリング共振器の部分の拡大図である。 本発明の実施形態に係る波長可変レーザのリング共振器の部分の拡大図である。 実施例１に係るリング共振器の部分の拡大図である。 実施例２に係るリング共振器の部分の拡大図である。

以下図面を参照して本願発明の実施形態を説明する。同一または類似の参照符号は、同一または類似の要素を示すものとし、重複する説明は省略する。

本実施形態では、図２、図３を参照して説明したようにリング共振器を構成する２×２光カプラを接続するリング導波路として、急峻な曲げ半径を実現可能なハイメサ光導波路を用いる。また、２×２光カプラには低損失かつ容易に作製可能なＭＭＩ光カプラを用いる。共振器長Ｌを小さくするには光カップリング部の長さ（光結合長）も縮小しなければならないが、ハイメサ光導波路で構成される公知の方向性結合器では、作製上の問題がある。ハイメサ光導波路は、空気との比屈折率差が大きいため光の横方向へのしみ出しが小さい。したがって、光カップリング部にハイメサ光導波路で構成された方向性結合器を用いた場合、光結合長を短くするためには２本のハイメサ光導波路の間隔を０．１ミクロン以下にする必要があるが、０．１ミクロン程度の幅をもつ深い溝（一般に深さが３〜４ミクロン）をエッチング等で形成することは加工上、非常に困難である。

ＭＭＩ光カプラは、上述した利点をもつ一方で、固定の光結合効率しか得られないという欠点をもつ。リング共振器に用いる２×２ＭＭＩ光カプラの場合、入力ポートに入射された光のクロスポートへの光結合効率を決めるＭＭＩ光カプラの長さＬ_MMIは、次式（１）で表される。

ここで、ｎ_eqは等価屈折率、Ｗ_wgは入出力導波路の幅、Ｗ_gapは入出力導波路間隔、λは使用波長である。５０％ＭＭＩの場合、式中のＭを２とすることで、入力光フィールドは等しく分岐され、結合効率５０％のカプラとして動作する。リング共振器は、その光カップリング部においてクロスポートへの光結合効率が小さくなればなるほどフィネスが向上する特徴がある。すなわち、光がリング共振器をより周回し共振が鋭くなり波長選択性能が向上する。そこで、分岐比を５０％から変化させて、より多くの光がリング内部で周回するように調整する。

図４は、結合効率８５％のＭＭＩ光カプラを用いた場合のリング共振器の部分の拡大図を示す。式（１）中のＭを３とすることで、ＭＭＩに入力された光の８５％がバーポートに結合させることができる。しかしながらこの場合、ＭＭＩ光カプラの長さは５０％ＭＭＩの３／２倍となり、共振器長（リング共振器を構成する導波路の長さ）に対する、ＭＭＩ光カプラ長の割合が大きくなる。それによって、ＭＭＩ間を接続する光導波路を短くする必要があり、曲線導波路には小さい曲げ半径が求められる。ＦＳＲの大きいリング共振器では、上記の影響は特に大きいため、作製可能なＦＳＲに制限が加わる。

そこで本実施形態では、結合効率１５％のＭＭＩ光カプラを用いた構造を採用し、従来のリング共振器で一般的に用いられたＭＭＩ光カプラのクロスポート間を接続した構造ではなく、バーポート間を接続した構造とする。

図５は、本実施形態の結合効率１５％のＭＭＩ光カプラを用いたリング共振器５００の構成を示す。リング共振器５００は、２つの２入力２出力のＭＭＩ光カプラ５０、５１と、２つのＭＭＩ光カプラ５０、５１を接続する曲線導波路５６、５７とを備える。また、リング共振器５００は、ＭＭＩ光カプラ５１に接続された光入力用の直線導波路および光破棄用導波路５１０ａ、ＭＭＩ光カプラ５０に接続された光出力用の直線導波路および光破棄用導波路５１０ｂをさらに備える。

光入力用の直線導波路はＭＭＩ光カプラ５１の第１入出力ポート５２に接続されている。曲線導波路５６はＭＭＩ光カプラ５１の第１入出力ポート５２に対するバーポート５４およびＭＭＩ光カプラ５０の第１入出力ポート５３に対するバーポート５５に接続されている。光出力用の直線導波路はＭＭＩ光カプラ５０の第１入出力ポート５５に対するバーポート５３に接続されている。曲線導波路５７はＭＭＩ光カプラ５０の第１入出力ポート５５に対するクロスポート５０９およびＭＭＩ光カプラ５１の第２入出力ポート５０８に接続されている。ＭＭＩ光カプラ５１の第１入出力ポート５５に対するクロスポート（第２入出力ポート５０８に対するバーポート）５８には光破棄用導波路５１０ａが接続されている。ＭＭＩ光カプラ５０の第２の入出力ポートには光破棄用導波路５１０ｂが接続されている。

ＭＭＩ光カプラ５０、５１において、式（１）中のＭを１とすることでＭＭＩに入力された光の１５％がバーポートに結合される。ＭＭＩ光カプラのバーポートに１５％の光が結合されるとき、８５％の光はクロスポートに接続されるため、ＭＭＩ光カプラのクロスポート間を導波路で接続して、リング共振器とし、入力１からのクロスポートの導波路はリング共振器内部の捨て導波路とする。

この場合、捨て導波路はリング内部で光が放射されるため、リングを構成する導波路に再度結合し、共振する光に影響を与えるため、レーザの特性を劣化させる要因となり得る。そこで、捨て導波路の光をリング共振器に結合させない構造の実施例を以下に示す。

［実施例１］
図６は、実施例１に係るリング共振器６００の構成図である。入力１の導波路は１５：８５のＭＭＩ光カプラ５１に入力され、１５％の光がリング共振器６００のリング導波路（曲線導波路５６）に結合され、８５％の光はリング共振器内部の捨て導波路（光廃棄用導波路５１０ａ）に結合される。捨て導波路は、リング共振器の曲線導波路５６よりも小さい曲げ半径で曲げられており、捨て導波路の少なくとも一部は、グレーティング６１が施された構造を有し、グレーティングカプラ６０を形成している。グレーティングカプラでは、光をチップ表面、あるいは裏面方向（ｚ軸方向）に放射するため、不要光のリング共振器内部への光結合を少なくすることができる。

［実施例２］
図７は、実施例２に係るリング共振器７００の構造図である。実施例１と同様に、入力１の導波路は１５：８５のＭＭＩ光カプラ５１に入力され、１５％の光がリング共振器７００のリング導波路（曲線導波路５６）に結合され、８５％の光はリング共振器内部の捨て導波路（光廃棄用導波路５１０ａ）に結合される。捨て導波路５１０ａは、リング共振器の曲線導波路５６よりも小さい曲げ半径で曲げられており、捨て導波路の少なくとも一部に、ミラーが形成された構造を有し、跳ね上げミラー（導波路ミラー）７０ａを形成している。跳ね上げミラー７０ａでは、光をチップ表面方向（ｚ軸）に反射するため、不要光のリング共振器内部への光結合を少なくすることができる。なお、チップ表面への光の反射として、跳ね上げミラーを例に挙げたが、チップ裏面への反射でもよいとする。

１ モノリシック集積型波長可変レーザ
１０ａ，１０ｂ 曲線導波路
１１，１２ 直線導波路
１３ 入出力導波路
１４，１５ 光カップリング部
１６ 光分岐・結合部
１７，１８ ２×２光カプラ
１９ １×２光カプラ
２ ハイメサ光導波路
２０ 基板
２２ 下部クラッド
２３ コア層
２４ 上部クラッド
２５ａ 上部電極
２５ｂ 下部電極
３，４ リング共振器
４０、４１ ２×２光カプラ
５０、５１ 分岐比１５：８５のＭＭＩ光カプラ
５００ リング共振器
５２、５５ 第１入出力ポート
５３、５４ バーポート
５６、５７ 曲線導波路
５８、５０９ クロスポート
５９、５０８ 第２入出力ポート
５１０ａ、５１０ｂ 光破棄用導波路
６００ リング共振器
６０ａ、６０ｂ グレーティングカプラ
６１ａ，６１ｂ グレーティング
７００ リング共振器
７０ａ、７０ｂ 跳ね上げミラー

Claims (6)

1. 利得領域からの光に対する波長選択機能を有するフィルタ領域を備えた波長可変レーザであって、
   前記フィルタ領域は、ループミラーとして機能するサニャック干渉計であり、２つのリング共振器を含み、
   前記リング共振器は、２つの光結合器と、前記２つの光結合器を接続する第１および第２の曲線導波路とを有し、
   前記２つの光結合器は各々に、入出力ポートから前記利得領域からの光を入力し、共振ピークの光と共振ピーク波長以外の光とに分岐し、前記共振ピークの光を前記入出力ポートのバーポートに結合し、前記共振ピーク波長以外の光を前記入出力ポートのクロスポートに結合するように構成され、
   前記第１の曲線導波路は前記２つの光結合器の前記入出力ポートのバーポート間を接続し、前記第２の曲線導波路は前記２つの光結合器の前記第１の曲線導波路が接続されたポートのクロスポート間を接続し、
   前記リング共振器の周回内部に、前記２つの光結合器の前記入出力ポートの前記クロスポートに接続された、前記共振ピーク波長以外の光を廃棄する２つの放射導波路を備え、
   前記放射導波路が、前記リング共振器の周回内部において、前記リング共振器の基板の表面または裏面に前記共振ピーク波長以外の光を放射する構造を有する、波長可変レーザ。
2. 前記２つの光結合器は、前記共振ピーク波長以外の光が前記放射導波路へ結合される割合が、前記共振ピークの光が前記第１の曲線導波路へ結合される割合に比べて高くなるように構成されている、請求項１に記載の波長可変レーザ。
3. 前記光を放射する構造はグレーティングカプラである、請求項１または２に記載の波長可変レーザ。
4. 前記光を放射する構造は導波路ミラーである、請求項１または２に記載の波長可変レーザ。
5. 前記光結合器はマルチモード干渉カプラである、請求項１から４のいずれか一項に記載の波長可変レーザ。
6. 前記光結合器は方向性結合器である、請求項１から４のいずれか一項に記載の波長可変レーザ。

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