JP2020517122A - 超周期構造回折格子および波長可変レーザ - Google Patents

超周期構造回折格子および波長可変レーザ Download PDF

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Abstract

本出願の実施形態は、比較的望ましい反射率と比較的望ましいFWHMの両方を満たす、超周期構造回折格子および波長可変レーザを開示する。本超周期構造回折格子は、櫛形反射スペクトルを生成するために、変調関数を使用して均一回折格子に対して振幅および位相変調を空間的に行い、N個の閾値を使用して変調関数に対して離散化処理が行われた後で（N＋1）個の変調関数離散値が得られ、Nは2以上の整数である。（N＋1）個の変調関数離散値の各々が、その屈折率が均一であるかまたは均一回折格子の1つのセクションに対応する光導波路の1つのセクションに対応する。超周期構造回折格子の反射ピークの反射率が、超周期構造回折格子の全回折格子長に対する（N＋1）個の変調関数離散値のうちの少なくとも1つに対応する光導波路の長さの比の関係と、超周期構造回折格子の全回折格子長とに基づいて調整される。超周期構造回折格子の反射ピークのFWHMが、比の関係と超周期構造回折格子の全回折格子長とに基づいて調整される。

Description

本出願は、参照によりその全体が本明細書に組み入れられる、2017年4月17日付で中国特許庁に出願された、「SUPER STRUCTURE GRATING AND TUNABLE LASER」という名称の中国特許出願第201710247396．3号の優先権を主張するものである。
本出願は、光ファイバ通信の分野に関し、特に、超周期構造回折格子および波長可変レーザに関する。
光通信の分野において、波長可変レーザ（Tunable Laser、TL）とは、波長可変レーザによって出力される光信号の波長を特定の範囲内で調整できるレーザであり、大容量波長分割多重伝送システムに主に適用される。情報量が爆発的に増加するにつれて、通信市場は絶え間なく急速に拡大する。帯域幅をさらに増加させるために、コヒーレント変調技術が使用され、業界で100G以上の速度での長距離光伝送の主流ソリューションになる。しかしながら、コヒーレント変調技術は、レーザ性能に厳しい要件、例えばレーザ発振線幅を課し、様々な新しい要求のために波長可変レーザのカウンターの要件、例えば、サイズ、コスト、信頼性、および性能もより高い。体積が小さく、集積度が高いなどの利点を備えたモノリシック集積型波長可変レーザが、現在の光通信分野での主流技術になる。
モノリシック集積型波長可変レーザは、利得領域がリン化インジウム（Indium Phosphide、InP）基板上の受動領域と隣接した後に全体として生成される。利得領域は通常、多重量子井戸（Multiple Quantum Well、MQW）であり、受動領域は主に反射器と位相セクションとを含む。波長同調は、反射器の屈折率または位相セクションの屈折率を調整することによって実現される。反射器の反射スペクトルは波長選択的である。一般に使用される反射器には、分布ブラッグ反射器（Distributed Bragg Reflection、DBR）やマイクロリング共振器が含まれる。反射器の反射スペクトルは通常、櫛形反射スペクトルである。
超周期構造回折格子（Super Structure Grating、SSG）は櫛形反射スペクトルを有し、波長可変レーザの反射器領域はSSGを使用して光を反射でき、SSGの屈折率分布は次の式（1）で示される。
式（1）では、SSGが偶数の反射ピークを有する場合、n（z）の値は
であり、または、SSGが奇数の反射ピークを有する場合、n（z）の値は
である。ΔF、Λk、およびΛk＋1は、次の式（2）を満たし、
式中、
n0はSSGの平均有効屈折率であり、Λkは余弦関数の周期を決定し、δnは回折格子の有効屈折率の最大値と最小値との差であり、Nは変調関数がN個の余弦関数を含むことを表し、zは伝播方向の格子の位置を表し、Φkはk番目の余弦関数の位相であり、ΔFは式（2）に基づいて決定される。
超周期構造回折格子の変調関数は、式（1）に基づく次の式（3）であり得る。
均一回折格子のセクションの反射スペクトルには1つの主ピークしかなく、超周期構造回折格子は、櫛形反射スペクトルを生成するために、変調関数を使用して均一回折格子のセクションを変調し得る。均一回折格子の有効屈折率には2つの値、すなわち高屈折率nhおよび低屈折率nlしかない。図1に示されるように、破線はSSGの変調関数を表し、SSGの変調関数はアナログ連続周期関数である。変調関数が均一回折格子で乗じられた後、屈折率の空間分布も連続し、屈折率には2つの値nhおよびnlに加えて別の値もあるので、SSGを生成するのが非常に難しい。式（4）に示されるように、式（3）に示される連続関数に対して2レベルのデジタル離散化処理を実行するために閾値が通常選択され得るので、SSGを簡単に生成することができる。
図1の実線は、閾値V1を使用して超周期構造回折格子の変調関数に対して2レベルのデジタル離散化を行うことによって得られる効果を示している。離散化後に得られた包絡関数を使用して連続回折格子に対して行われる変調も周期的である。しかしながら、屈折率には依然として2つの値、nhおよびnlしかなく、位相シフトが導入されるのは包絡関数が「1」と「−1」の間で切り替わる場合にのみである。したがって、SSGを処理によって生成するのが容易である。
図2は、全SSG長と、2レベル離散化が行われるSSGの反射ピークの反射率および半値全幅（Full Width Half Maximum、FWHM）の各々との関係の概略図である。全SSG長は反射ピークの反射率とFWHMとを決定する。1つの全SSG長は、1つの特定の反射率と1つの特定のFWHMとに対応する。言い換えると、反射ピークの反射率は反射ピークのFWHMと1対1の対応関係にある。したがって、2レベル離散化が行われるSSGでは、反射率とFWHMとを別々に最適化することができないので、比較的望ましいFWHMと比較的望ましい反射率とを得ることができない。
要約すると、先行技術のSSGでは、SSGの反射ピークの反射率とFWHMの両方が全SSG長によって決定され、SSGの反射率とFWHMとを別々に最適化することができない。したがって、比較的望ましいFWHMと比較的望ましい反射率の両方を得ることができない。
本出願の実施形態は、超周期構造回折格子の反射ピークの反射率とFWHMとを別々に最適化することにより、比較的望ましい反射率と比較的望ましいFWHMの両方を得る、超周期構造回折格子および波長可変レーザを提供する。
前述の技術的問題を解決するために、本出願の実施形態は以下の技術的解決法を提供する。
第1の態様によれば、本出願の一実施形態は、超周期構造回折格子を提供する。本超周期構造回折格子は、櫛形反射スペクトルを生成するために、変調関数を使用して均一回折格子に対して振幅および位相変調を空間的に行い、N個の閾値を使用して変調関数に対して離散化処理が行われた後で（N＋1）個の変調関数離散値が得られ、Nは2以上の整数である。（N＋1）個の変調関数離散値の各々が、その屈折率が均一であるかまたは均一回折格子の1つのセクションに対応する光導波路の1つのセクションに対応し、均一回折格子は、高屈折率と低屈折率とを交互に繰り返す光導波路である。超周期構造回折格子の反射ピークの反射率が、超周期構造回折格子の全回折格子長に対する（N＋1）個の変調関数離散値のうちの少なくとも1つに対応する光導波路の長さの比の関係と、超周期構造回折格子の全回折格子長とに基づいて調整される。超周期構造回折格子の反射ピークの半値全幅FWHMが、比の関係と超周期構造回折格子の全回折格子長とに基づいて調整される。
本出願の本実施形態では、変調関数は（N＋1）個の変調関数離散値を得るために離散化される。超周期構造回折格子の反射ピークの反射率は、超周期構造回折格子の全回折格子長に対する（N＋1）個の変調関数離散値のうちの少なくとも1つに対応する光導波路の長さの比の関係と、超周期構造回折格子の全回折格子長とに基づいて調整される。超周期構造回折格子の反射ピークのFWHMは、比の関係と超周期構造回折格子の全回折格子長とに基づいて調整される。言い換えると、超周期構造回折格子の反射ピークの反射率とFWHMの両方が2つの次元を使用して調整され得る。反射ピークの反射率は波長可変レーザの閾値および出力を決定し、反射ピークのFWHMはレーザのモード選択機構を決定し、より小さいFWHMはより大きいサイドモード抑圧比を指示する。本出願の本実施形態で提供される波長可変レーザは反射率とFWHMとを別々に最適化し得るので、比較的望ましい反射率と比較的望ましいFWHMの両方を得ることができる。
第1の態様に関連して、第1の態様の第1の可能な実施態様において、Nの値が2である場合、変調関数に対して離散化処理が行われた後で3つの変調関数離散値が得られ、3つの変調関数離散値のうちの1つが、その屈折率が均一である光導波路の1つのセクションに対応し、3つの変調関数離散値の残り2つの各々が均一回折格子の1つのセクションに対応する。その屈折率が均一である光導波路と均一回折格子とに別々に対応する3つの変調関数離散値は、超周期構造回折格子に対して3レベルの離散化処理を行うことによって得ることができ、超周期構造回折格子の反射ピークの反射率およびFWHMは、超周期構造回折格子の全回折格子長に対する、その屈折率が均一であり、3つの変調関数離散値のうちの1つに対応する光導波路の長さの比の関係と、超周期構造回折格子の全回折格子長とに基づいて調整されるので、反射率とFWHMの両方が最適化される。
第1の態様または第1の態様の第1の可能な実施態様に関連して、第1の態様の第2の可能な実施態様において、（N＋1）個の変調関数離散値のうちの2つは同じタイプの均一回折格子に対応する。超周期構造回折格子の反射率は、全回折格子長に対する変調関数における各変調関数離散値に対応する光導波路の比を制御することによって最適化され得る。
第1の態様または第1の態様の第1の可能な実施態様に関連して、第1の態様の第3の可能な実施態様において、隣接する変調関数離散値の符号が異なるかまたは隣接する変調関数離散値の一方が0である場合、隣接する変調関数離散値にそれぞれ対応する光導波路間に位相シフトが加えられる。変調関数の符号が変わると、光導波路間に位相シフトが加えられるので、超周期構造回折格子の反射スペクトルはより平坦になり、超周期構造回折格子の反射性能が改善される。
第2の態様によれば、本出願の一実施形態は波長可変レーザをさらに提供する。本波長可変レーザは反射領域を含み、反射領域は、第1の態様および第1の態様の可能な実施態様のいずれか1つにおける超周期構造回折格子を使用して光信号を調整するように構成されている。本出願の本実施形態は、上述した超周期構造回折格子に基づくものである波長可変レーザをさらに提供する。本出願の本実施形態で提供される波長可変レーザでは、（N＋1）個の変調関数離散値を得るために変調関数が離散化される。超周期構造回折格子の反射ピークの反射率が、超周期構造回折格子の全回折格子長に対する（N＋1）個の変調関数離散値のうちの少なくとも1つに対応する光導波路の長さの比の関係と、超周期構造回折格子の全回折格子長とに基づいて調整される。超周期構造回折格子の反射ピークのFWHMが、比の関係と超周期構造回折格子の全回折格子長とに基づいて調整される。言い換えると、超周期構造回折格子の反射ピークの反射率とFWHMの両方が2つの次元を使用して調整され得る。反射ピークの反射率は波長可変レーザの閾値および出力を決定し、反射ピークのFWHMはレーザのモード選択機構を決定し、より小さいFWHMはより大きいサイドモード抑圧比を指示する。本出願の本実施形態で提供される波長可変レーザは反射率とFWHMとを別々に最適化し得るので、比較的望ましい反射率と比較的望ましいFWHMの両方を得ることができる。
第2の態様に関連して、第2の態様の第1の可能な実施態様において、本波長可変レーザは利得領域と位相領域とをさらに含み、反射領域は第1の反射器と第2の反射器とを含み、利得領域は光導波路を使用して第1の反射器と位相領域の両方に連結されており、位相領域は利得領域と第2の反射器とに連結されており、利得領域は光信号を生成するように構成されており、位相領域は光信号に対して位相調整を行うように構成されているので、波長可変レーザは光信号のレーザ発振波長に対して微調整を行うことができる。光信号の生成および光信号に対する位相調整は、波長可変レーザにおいて利得領域および位相領域を使用して別々に実施されてもよく、光信号は、光信号のレーザ発振波長に対して微調整が行われた後で反射領域を使用して伝送される。
第2の態様の第1の可能な実施態様に関連して、第2の態様の第2の可能な実施態様において、本波長可変レーザは、半導体光増幅器SOAと光検出器PDとをさらに含み、第1の反射器は光導波路を使用してSOAに連結されており、第2の反射器は光導波路を使用してPDに連結されており、SOAは光信号に対してパワー増幅を行うように構成されており、PDは光信号に対してパワー監視またはパワー減衰を行うように構成されている。光信号のパワー増幅およびパワー監視またはパワー減衰は、波長可変レーザにおいてSOAおよびPDを使用して実施され得る。
第2の態様の第1の可能な実施態様に関連して、第2の態様の第3の可能な実施態様において、本波長可変レーザは、第1のSOAと第2のSOAとをさらに含み、第1の反射器は光導波路を使用して第1のSOAに連結されており、第2の反射器は光導波路を使用して第2のSOAに連結されており、第1のSOAは、第1の反射器によって反射された光信号に対するパワー増幅を行うように構成されており、第2のSOAは、第2の反射器によって反射された光信号に対するパワー増幅を行うように構成されている。本波長可変レーザの第1の反射器と第2の反射器は各々、1つのSOAに接続されていてもよく、各反射器によって反射された光信号に対してパワー増幅が行われるので、より高いパワーを有する光信号を伝送することができる。
第2の態様に関連して、第2の態様の第4の可能な実施態様において、本波長可変レーザは、多モード干渉MMI結合器と利得領域と位相領域とをさらに含み、反射領域は第1の反射器と第2の反射器とを含み、MMI結合器の一方の側にポートがあり、ポートは位相領域に接続されており、MMI結合器の他方の側に2つのポートがあり、2つのポートは第1の反射器と第2の反射器とにそれぞれ接続されており、位相領域の両側は利得領域とMMIの1つのポートとにそれぞれ連結されており、利得領域は光信号を生成するように構成されており、位相領域は光信号に対して位相調整を行うように構成されているので、波長可変レーザは光信号のレーザ発振波長に対して微調整を行うことができる。MMI結合器は、位相領域に、第1の反射器と第2の反射器とによって反射された光を結合するように構成されている。活性利得領域のバンドギャップは比較的小さく、波長可変レーザの目標出力波長に対応する。活性利得領域は通常、多重量子井戸であり、利得を提供するために、電力が投入されると電気エネルギーを光エネルギーに変換する。
第2の態様の第4の可能な実施態様に関連して、第2の態様の第5の可能な実施態様において、本波長可変レーザは位相調整モジュールをさらに含み、位相調整モジュールはMMI結合器と第1の反射器の両方に接続されるか、または位相調整モジュールはMMI結合器と第2の反射器の両方に接続されており、位相調整モジュールは、第1の反射器の反射スペクトルと第2の反射器の反射スペクトルとの間の位相を一致させるように構成されている。位相調整モジュールは、第1の反射器のY分岐アームまたは第2の反射器のY分岐アームに付加され、2つの反射器の反射スペクトル間の位相を一致させるように構成されている。このようにして、MMI結合器を使用して第1の反射器または第2の反射器の組み合わせをより良く行うことができる。
第2の態様の第4の可能な実施態様に関連して、第2の態様の第6の可能な実施態様において、本波長可変レーザは、SOAとPDとをさらに含み、第1の反射器は第1のポートを有し、第2の反射器は第2のポートを有し、利得領域は第3のポートを有し、第1のポートはSOAもしくはPDに接続されており、第2のポートはSOAもしくはPDに接続されており、かつ／または第3のポートはSOAもしくはPDに接続されており、SOAは光信号に対してパワー増幅を行うように構成されており、PDは光信号に対してパワー監視またはパワー減衰を行うように構成されている。第1の反射器、第2の反射器、および利得領域の少なくとも1つのポートが、光導波路を使用してSOAに接続され得る。第1の反射器、第2の反射器、および利得領域は、光導波路を使用してPDに接続され得る。本波長可変レーザは、集積型SOAおよび集積型PDを使用して光信号のパワー増幅およびパワー監視またはパワー減衰を別々に実施し得る。
第2の態様、第2の態様の第1の可能な実施態様、第2の可能な実施態様、第3の可能な実施態様、第4の可能な実施態様、第5の実施態様、または第6の実施態様に関連して、第2の態様の第7の可能な実施態様において、反射領域は、加熱部と、トランスポート層と、反射器と、上バリア層と、犠牲層と、下バリア層と、基板層とを含み、加熱部はトランスポート層の上方に位置し、トランスポート層は犠牲層の上方に位置し、上から下まで上クラッド、導波路層、および下クラッドを順次に含み、反射器はトランスポート層内に位置し、反射器は、第1の態様および第1の態様の可能な実施態様のいずれか1つにおける超周期構造回折格子を使用して光信号を調整するように構成されており、上バリア層はトランスポート層と犠牲層との間に位置し、犠牲層は上バリア層と下バリア層との間に位置し、犠牲層には保護構造が形成されており、保護構造と層間領域が中空構造を形成しており、層間領域はトランスポート層と基板層との間の領域を含み、下バリア層は犠牲層と基板層との間に位置し、基板層は犠牲層の下方に位置する。本波長可変レーザ内の反射領域は、超周期構造回折格子の温度調整効率を改善するために、中空構造を使用して温度調整を行い得る。
第2の態様の第7の可能な実施態様に関連して、第2の態様の第8の可能な実施態様において、中空構造は完全に中空であり、反射器に対応するトランスポート層部分と両側のトランスポート層材料との間に空隙が存在し、空隙間の中空構造の上方に吊り構造が形成されており、空隙は導波路方向に周期的に配置されており、上クラッド、導波路層、下クラッド、および上バリア層を通って延在した後、空隙は中空構造が位置する領域に到達し、隣接する空隙間には支持構造があり、支持構造は吊り構造に横方向の機械的支持を提供するために使用され、導波路方向の支持構造の長さ周期は超周期構造回折格子の変調関数の周期と等しくない。温度調整中に回折格子の反射スペクトルの性能を犠牲にするのを回避するために、腐食窓間の領域が吊り構造の支持領域であり、腐食窓間の領域は、超周期構造回折格子の変調関数のピークと整列されないかまたはバレーと整列されない。両側で温度が過度に低くなるのを防ぐために左端と右端との2つの腐食窓が使用される。
第2の態様の第7の可能な実施態様に関連して、第2の態様の第9の可能な実施態様において、反射器に対応するトランスポート層部分は、空隙を生成するために両側のトランスポート層材料から完全に隔離されており、上クラッド、導波路層、下クラッド、および上バリア層を通って延在した後、空隙は中空構造が位置する領域に到達し、犠牲層の底部は完全に腐食されておらず、底部支持構造が犠牲層内で保持され、底部支持構造は吊り構造に支持を提供するために使用される。本波長可変レーザ内の反射領域は、超周期構造回折格子の温度調整効率を改善するために、吊り構造を使用して温度調整を行い得る。
第2の態様の第9の可能な実施態様に関連して、第2の態様の第10の可能な実施態様において、導波路方向の底部支持構造の長さ周期は超周期構造回折格子の変調関数の周期と等しくない。
第2の態様の第7の可能な実施態様に関連して、第2の態様の第11の可能な実施態様において、超周期構造回折格子は反射器に対応するトランスポート層部分の上クラッドの下部に位置するか、または超周期構造回折格子は反射器に対応するトランスポート層部分の下クラッドの上部に位置するか、または超周期構造回折格子は反射器に対応する導波路層部分に位置するか、または超周期構造回折格子は反射器に対応するトランスポート層部分の上クラッドと導波路層の各々に部分的に位置するか、または超周期構造回折格子は反射器に対応するトランスポート層部分の下クラッドと導波路層の各々に部分的に位置する。反射器は上クラッドに位置し、光信号の波長を調整するように構成されている。任意選択で、反射器は、下クラッド、または導波路層、または上クラッドと導波路層、または下クラッドと導波路層に位置していてもよい。複数の具体的な実施態様がある。これは説明のためのものにすぎない。光信号は、上クラッド、下クラッド、および導波路層を伝播され、超周期構造回折格子がこれらの位置に配置されているときにのみ光信号を反射することができる。
第2の態様の第7の可能な実施態様に関連して、第2の態様の第12の可能な実施態様において、導波路層の屈折率は上クラッドの屈折率および下クラッドの屈折率よりも大きい。したがって、光信号が導波路層を伝播されるときに全反射が発生する。このようにして、可能な限り多くの光子エネルギーを導波路層に閉じ込めることができるので、導波路層は、光信号伝播の損失を低減させるために、光信号に低損失伝播チャネルを提供することができる。
第2の態様の第7の可能な実施態様から第12の可能な実施態様に関連して、第2の態様の第13の可能な実施態様において、反射領域はリン化インジウムInPバッファ層をさらに含み、下バリア層は犠牲層とInPバッファ層との間に位置し、InPバッファ層は下バリア層と基板層との間に位置する。InPバッファ層の主機能は、InP材料により良い結晶品質を提供して、材料の別の層により良い材料基盤を提供することである。
先行技術における超周期構造回折格子の変調関数に対して2レベル離散化が行われた後に得られる効果の図である。 先行技術における、全SSG長と、2レベルの離散化処理が行われる超周期構造回折格子の反射ピークの反射率とFWHMの各々との間の関係の概略図である。 本出願の一実施形態による超周期構造回折格子の変調関数に対して3レベルの離散化処理が行われた後に得られる効果の図である。 本出願の一実施形態による、3レベルの離散化処理が行われる超周期構造回折格子の構造図である。 本出願の一実施形態による、3レベルの離散化処理が行われる超周期構造回折格子の反射率と、全回折格子長と、全回折格子長における変調関数の0の比との間の関係の概略図である。 本出願の一実施形態による、3レベルの離散化処理が行われる超周期構造回折格子のFWHMと、全回折格子長と、全回折格子長における変調関数の0の比との間の関係の概略図である。 本出願の一実施形態による波長可変レーザの構成の概略構造図である。 本出願の別の実施形態による波長可変レーザの構成の概略構造図である。 本出願の別の実施形態による波長可変レーザの構成の概略構造図である。 本出願の別の実施形態による波長可変レーザの構成の概略構造図である。 本出願の一実施形態による波長可変レーザの吊り構造を有する反射器の上面図である。 本出願の一実施形態による図11の位置3’−3’に沿った波長可変レーザの断面図である。 本出願の一実施形態による図11の位置4’−4’に沿った波長可変レーザの断面図である。 本出願の一実施形態による波長可変レーザに含まれる底部支持構造の上面図である。 本出願の一実施形態による図14の位置3−3に沿った波長可変レーザの断面図である。 本出願の一実施形態による図14の位置1−1に沿った波長可変レーザの断面図である。 本出願の一実施形態による図14の位置2−2に沿った波長可変レーザの断面図である。
本出願の実施形態は、超周期構造回折格子の反射ピークの反射率とFWHMとを別々に最適化することにより、比較的望ましい反射率と比較的望ましいFWHMの両方を得る、超周期構造回折格子および波長可変レーザを提供する。
以下で、本出願の実施形態を、添付の図面を参照して説明する。
本出願の明細書、特許請求の範囲、および添付の図面において、「第1の」、「第2の」などの用語は、類似した対象を区別するためのものであり、必ずしも特定の順序を示すものではない。このように使用される用語は適切な状況においては交換可能であり、これは本出願の実施形態において同じ属性を有する対象が記述されるときに使用される区別のし方にすぎないことを理解されたい。さらに、「include」、「contain」という用語、およびこれらの任意の他の変形は非排他的包含を対象とするものであり、例えば、ユニットのリストを含むプロセス、方法、システム、製品、もしくはデバイスは、必ずしもそれらのユニットだけに限定されず、明記されていない、またはそうしたプロセス、方法、システム、製品、もしくはデバイスに固有の他のユニットを含み得る。
レーザ光を生成するための3つの条件には、反転分布を実現すること、閾値条件を満たすこと、および共振条件を満たすことが含まれる。レーザ光を生成するための第1条件は反転分布である。言い換えると、半導体において価電子帯の電子が伝導帯に押し上げられる。反転分布を実現するために、高濃度にドープされたp型材料とn型材料とを使用してpn接合が通常形成される。この場合、外部電圧の作用下で、接合の近くで反転分布が発生し、電子が高フェルミ準位で蓄積され、正孔が低フェルミ準位で蓄積される。当然ながら、反転分布を生成するための他の多くの方法がある。反転分布を実現することはレーザ光を生成するための必要条件であるが、十分条件ではない。レーザ光を生成するためには、損失が極度に低い共振空洞も必要である。従来の共振空洞の主要部品は、互いに平行な2つの反射器である。誘導放射光が2つの反射器の間で行ったり来たりして反射され、絶えず新しい誘導放射を引き起こすので、誘導放射光が絶えず増幅される。誘導放射を増幅することによって得られた利得がレーザの様々な損失より大きいときにのみ、言い換えると、特定の閾値条件が満たされるときにのみ、安定したレーザ光を出力するために出力端で強化された干渉を生成することができる。共振条件は以下のとおりである。共振空洞の長さLおよび屈折率Nが決定された後、特定の周波数の光に対してのみ、光発振が発生し、安定したレーザ光が出力される。これは、共振空洞が出力レーザ光において周波数選択的役割を果たすことを指示する。
モノリシック集積型半導体の波長可変レーザは、リン化インジウム（Indium Phosphide、InP）基板上の利得領域が受動領域と隣接した後に通常生成される。図7は、波長可変レーザの概略的平面図であり、波長可変レーザは、反射領域と、利得領域と、位相調整領域とを含む。反射領域は第1の反射器と第2の反射器とを含み得る。利得領域のバンドギャップは比較的小さい。電力が投入されると、利得領域は電気エネルギーを光エネルギーに変換して、利得を提供する。受動領域は構造的に主に反射器を含む。受動領域のバンドギャップはレーザ波長の光子エネルギーよりも大きく、受動領域はより少ないレーザ光を吸収する。したがって、非常に低い吸収損を提供することができる。バンドC全体（おおよそ40nmの範囲内）をカバーするために、2つの反射器の「バーニア効果」を使用して同調範囲が通常拡大される。2つの反射器は利得領域の前と後とに通常位置するので、2つの反射器は前方反射器および後方反射器と通常それぞれ呼ばれる。2つの反射器は等価であるとみなすことができ、名前は入れ替えられてもよい。加えて、受動領域は位相調整領域をさらに含み得る。位相調整領域は、レーザの出力波長を変更するように、共振空洞内の有効光路の微調整を行うように構成される。
波長可変レーザの2つの反射器は各々櫛形反射スペクトルを有し、櫛形反射スペクトルは複数の反射ピークを有する。反射ピークは調整され得る。レーザの出力波長は反射ピークを調整することによって調整され得る。先行技術では、反射ピークの反射率とFWHMとが超周期構造回折格子の全回折格子長だけに関連付けられている。図2に示されるように、先行技術の超周期構造回折格子の全回折格子長は反射ピークの反射率とFWHMを決定する。1つの超周期構造回折格子の全回折格子長が1つの特定の反射率と1つの特定のFWHMとに対応する。言い換えると、反射ピークの反射率は反射ピークのFWHMと1対1の対応関係にある。したがって、反射率とFWHMとを別々に最適化することができないので、比較的望ましいFWHMと比較的望ましい反射率とを得ることができない。本発明の実施形態では、変調関数に対して高レベルの離散化が行われるので、2つの次元を使用して反射ピークの反射率とFWHMとを調整することができ、反射率とFWHMを別々に最適化することができる。したがって、比較的望ましい反射率と比較的望ましいFWHMの両方を得ることができる。
本出願の一実施形態は、最初に超周期構造回折格子を提供する。本超周期構造回折格子は、櫛形反射スペクトルを生成するために、変調関数を使用して均一回折格子に対して振幅および位相変調を空間的に行い、N個の閾値を使用して変調関数に対して離散化処理が行われた後で（N＋1）個の変調関数離散値が得られ、Nは2以上の整数である。
（N＋1）個の変調関数離散値の各々が、その屈折率が均一であるかまたは均一回折格子の1つのセクションに対応する光導波路の1つのセクションに対応し、均一回折格子は、高屈折率と低屈折率とを交互に繰り返す光導波路である。
超周期構造回折格子の反射ピークの反射率が、超周期構造回折格子の全回折格子長に対する（N＋1）個の変調関数離散値のうちの少なくとも1つに対応する光導波路の長さの比の関係と、超周期構造回折格子の全回折格子長とに基づいて調整される。
超周期構造回折格子の反射ピークのFWHMが、比の関係と超周期構造回折格子の全回折格子長とに基づいて調整される。
N個の閾値を使用して超周期構造回折格子の変調関数に対して離散化処理が行われた後で（N＋1）個の変調関数離散値が得られる。言い換えると、超周期構造回折格子の変調関数に対してNレベルの離散化処理が行われた後で（N＋1）個の変調関数離散値を得ることができる。例えば、本出願の本実施形態では、超周期構造回折格子の変調関数に対して3レベルの離散化処理を行って3つの変調関数離散値を得るために、2つの閾値が選択され得る。これは、先行技術で、変調関数に対して2レベル離散化を行うためにただ1つの閾値が選択された後で2つの変調関数離散値が得られることと全く異なる。次に、Nの値が2である例を使用して、本出願の本実施形態で提供される超周期構造回折格子について説明する。
本出願の本実施形態で提供される超周期構造回折格子は、反射ピークの反射率とFWHMとを別々に最適化し得る。3レベル離散化が行われた後、3つの変調関数離散値を得ることができる。次の式は、変調関数離散値Profile＿D（z）の式である。
Threshold1およびThreshold2は2つの閾値である。本出願の本実施形態では、2つの閾値を使用して変調関数Profile（z）に対して3レベルの離散化処理を行うことによって3つの変調関数離散値を得ることができる。図3は、本出願の一実施形態による超周期構造回折格子の変調関数に対して3レベルの離散化処理が行われた後に得られる効果の図である。離散化変調関数は3つの値、1、0、および−1を有する。この場合、変調関数が均一回折格子に作用した後、1と−1とに対応する超周期構造回折格子部分には2つの値、すなわち高屈折率nhおよび低屈折率nlしかない。0に対応する超周期構造回折格子部分には高屈折率nhしかない。均一回折格子では、高屈折率nhと低屈折率nlが交互に現れ、反射は高屈折率nhと低屈折率nlとの間の界面で発生する。図4は、本出願の一実施形態による、3レベルの離散化処理が行われる超周期構造回折格子の構造図である。変調関数が1または−1である場合、超周期構造回折格子では、高屈折率nhと低屈折率nlが交互に現れる。この場合は均一回折格子のものと同じである。変調関数が0である場合、超周期構造回折格子には高屈折率nhしかない。この場合、有効反射面が減少する。したがって、超周期構造回折格子の反射ピークの反射率は、変調関数0の比を制御することによって最適化され得る。図4に示されるように、超周期構造回折格子の形状が増幅された後、陰影部が低屈折率部分であり、変調関数が0である場合、超周期構造回折格子には高屈折率nhしかないことが分かる。
3レベル離散化が行われる超周期構造回折格子では、超周期構造回折格子の全回折格子長における離散化変調関数の0の比を調整でき、次いで、超周期構造回折格子の比と全回折格子長の両方に基づいて回折格子の反射率とFWHMが調整され得る。図5は、本出願の一実施形態による、3レベルの離散化処理が行われる超周期構造回折格子の反射率と、全回折格子長と、全回折格子長における変調関数の0の比との間の関係の概略図であり、図6は、本出願の一実施形態による、3レベルの離散化処理が行われる超周期構造回折格子のFWHMと、全回折格子長と、全回折格子長における変調関数の0の比との間の関係の概略図である。図5と図6の各々に5本の線があり、これらの線は異なる全回折格子長を有する超周期構造回折格子に対応する。「全回折格子長における変調関数0に対応する光導波路の比」を、「変調関数の0の比」と呼ぶ。変調関数が0である場合、超周期構造回折格子には高屈折率nhしかない。この場合、有効反射面が減少する。超周期構造回折格子の反射率は、全回折格子長に対する変調関数0に対応する光導波路の比を制御することによって最適化され得る。より長い全回折格子長はより大きい反射率を指示する。FWHMでは、より長い全回折格子長はより小さいFWHMを指示し、変調関数離散値0のより大きい比はより小さいFWHMを指示する。この場合、超周期構造回折格子の反射率とFWHMは各々、全回折格子長と変調関数離散値0の比とに関連付けられている。この場合、超周期構造回折格子の反射ピークの反射率とFWHMとは、2つの従属変数（全回折格子長および変調関数離散値0の比）を使用して別々に最適化され得る。図5および図6に示されるように、超周期構造回折格子の反射率とFWHMの両方が、全回折格子長と変調関数の0の比とに関連付けられている。言い換えると、反射率は全回折格子長と変調関数の0の比とに関連付けられており、FWHMは全回折格子長と変調関数の0の比とに関連付けられている。全回折格子長に対する変調関数離散値に対応する光導波路の長さの比の関係が設計自由度として導入されるので、超周期構造回折格子の反射率とFWHMとは別々に最適化され得る。例えば、全回折格子長が294μmであり、全回折格子長の変調関数の「0」の比が0．3である場合、反射ピークの反射率Rが0．2であり、FWHMが1．08nmである超周期構造回折格子を得ることができる。超周期構造回折格子の全回折格子長が412μmであり、全回折格子長における変調関数の「0」の比が0．6である場合、Rが0．2であり、FWHMが0．77nmである超周期構造回折格子を得ることができる。
本出願の一実施形態では、Nの値が2である場合、変調関数に対して離散化処理が行われた後で3つの変調関数離散値が得られ、3つの変調関数離散値のうちの1つが、その屈折率が均一である光導波路の1つのセクションに対応し、3つの変調関数離散値の残り2つの各々が均一回折格子の1つのセクションに対応する。その屈折率が均一である光導波路と均一回折格子とに別々に対応する3つの変調関数離散値は、超周期構造回折格子に対して3レベルの離散化処理を行うことによって得ることができる。超周期構造回折格子の反射ピークの反射率およびFWHMは、超周期構造回折格子の全回折格子長に対する、その屈折率が均一であり、3つの変調関数離散値のうちの1つに対応する光導波路の長さの比の関係と、超周期構造回折格子の全回折格子長とに基づいて調整され得るので、反射率とFWHMの両方が最適化される。例えば、3つの変調関数離散値は、第1の値、第2の値、および第3の値を含む。第1の値は均一回折格子のセクションに対応し、第2の値はその屈折率が均一な光導波路のセクションに対応し、第3の値は均一回折格子のセクションに対応する。第1の値と第3の値とはそれぞれ、図3に示される変調関数離散値1と変調関数離散値−1とであり、第2の値は図3に示される変調関数離散値0であり得る。
本出願の一実施形態では、（N＋1）個の変調関数離散値のうちの2つは同じタイプの均一回折格子に対応し、超周期構造回折格子の反射率は、全回折格子長に対する変調関数における各変調関数離散値に対応する光導波路の比を制御することによって最適化され得る。例えば、図3に示されるように、変調関数離散値0に対応する光導波路部分には高屈折率または低屈折率しかないので、変調関数の値が変調関数離散値0である場合は超周期構造回折格子における反射界面が形成されない。
本出願の一実施形態では、隣接する変調関数離散値の符号が異なるかまたは隣接する変調関数離散値の一方が0である場合、隣接する変調関数離散値にそれぞれ対応する光導波路間に位相シフトが加えられる。変調関数の符号が変わると、光導波路間に位相シフトが加えられるので、超周期構造回折格子の反射スペクトルはより平坦になり、超周期構造回折格子の反射性能が改善される。
本出願の前述の実施形態および添付の図面では、Nの値が2であるときに超周期構造回折格子の変調関数に対して3レベルの離散化処理が行われる例が説明に使用されていることに留意されたい。任意選択で、本出願の本実施形態で提供される超周期構造回折格子の変調関数に対して4レベルの離散化処理またはより高レベルの離散化処理が行われてもよい。4レベルまたはより高レベルの離散化処理は、より多くの閾値を使用して超周期構造回折格子の変調関数に対して行われ得る。例えば、超周期構造回折格子に対して3レベルの離散化処理を行う説明の例では、変調関数1、変調関数−1、および変調関数0は、実際には、超周期構造回折格子が均一回折格子を変調する異なる形態に対応する。4レベル離散化は例として使用されており、変調関数離散値は、1、0．5、−0．5、または−1であり得る。各変調関数離散値と、その値が均一である各光導波路または各均一回折格子に対応する変調形態が構成されるという条件で、各変調関数離散値の特定の値が適用シナリオに基づいて構成され得る。例えば、「1」または「−1」は第1のタイプの均一回折格子に対応し、0．5または−0．5は第2のタイプの均一回折格子に対応する。変調関数離散値の符号が変化する場合、位相シフトが導入される。5レベル離散化またはより高レベルの離散化では、変調関数離散値は、1、0．5、0、−0．5、−1などであり得る。例えば、「1」または「−1」はやはり第1のタイプの均一回折格子に対応し、0．5または−0．5は第2のタイプの均一回折格子に対応し、0はその屈折率が均一である光導波路に対応する。隣接する変調関数離散値の符号が異なるかまたは隣接する変調関数離散値の一方が0である場合、位相シフトが導入される。
本出願の前述の実施形態の説明の例によれば、超周期構造回折格子は、櫛形反射スペクトルを生成するために、変調関数を使用して均一回折格子に対して振幅および位相変調を空間的に行い、N個の閾値を使用して変調関数に対して離散化処理が行われた後で（N＋1）個の変調関数離散値が得られ、Nは2以上の整数であることが分かる。（N＋1）個の変調関数離散値の各々が、その屈折率が均一であるかまたは均一回折格子の1つのセクションに対応する光導波路の1つのセクションに対応し、均一回折格子は、高屈折率と低屈折率とを交互に繰り返す光導波路である。変調関数は（N＋1）個の変調関数離散値を得るために離散化される。超周期構造回折格子の反射ピークの反射率は、超周期構造回折格子の全回折格子長に対する（N＋1）個の変調関数離散値のうちの少なくとも1つに対応する光導波路の長さの比の関係と、超周期構造回折格子の全回折格子長とに基づいて調整される。超周期構造回折格子の反射ピークのFWHMは、比の関係と超周期構造回折格子の全回折格子長とに基づいて調整される。言い換えると、超周期構造回折格子の反射ピークの反射率とFWHMの両方が2つの次元を使用して調整され得る。反射ピークの反射率は波長可変レーザの閾値および出力を決定し、反射ピークのFWHMはレーザのモード選択機構を決定し、より小さいFWHMはより大きいサイドモード抑圧比を指示する。本出願の本実施形態で提供される波長可変レーザは反射率とFWHMとを別々に最適化し得るので、比較的望ましい反射率と比較的望ましいFWHMの両方を得ることができる。
前述の実施形態では本出願で提供される超周期構造回折格子について説明した。次に本出願で提供される波長可変レーザについて説明する。波長可変レーザは反射領域を含む。反射領域は、前述の実施形態における超周期構造回折格子を使用して光信号を調整するように構成される。言い換えると、本出願の一実施形態は、上述した超周期構造回折格子に基づくものである波長可変レーザをさらに提供する。本出願の本実施形態で提供される波長可変レーザでは、（N＋1）個の変調関数離散値を得るために変調関数が離散化される。超周期構造回折格子の反射ピークの反射率が、超周期構造回折格子の全回折格子長に対する（N＋1）個の変調関数離散値のうちの少なくとも1つに対応する光導波路の長さの比の関係と、超周期構造回折格子の全回折格子長とに基づいて調整される。超周期構造回折格子の反射ピークのFWHMが、比の関係と超周期構造回折格子の全回折格子長とに基づいて調整される。言い換えると、超周期構造回折格子の反射ピークの反射率とFWHMの両方が2つの次元を使用して調整され得る。反射ピークの反射率は波長可変レーザの閾値および出力を決定し、反射ピークのFWHMはレーザのモード選択機構を決定し、より小さいFWHMはより大きいサイドモード抑圧比を指示する。本出願の本実施形態で提供される波長可変レーザは反射率とFWHMとを別々に最適化し得るので、比較的望ましい反射率と比較的望ましいFWHMの両方を得ることができる。
図7を参照すると、本出願の一実施形態では、反射領域に加えて、波長可変レーザは利得領域と位相領域とをさらに含む。
反射領域は第1の反射器と第2の反射器とを含み、
利得領域は光導波路を使用して第1の反射器と位相領域の両方に連結されており、
位相領域は利得領域と第2の反射器とに連結されており、
利得領域は光信号を生成するように構成されており、
位相領域は光信号に対して位相調整を行うように構成されているので、本波長可変レーザは光信号のレーザ発振波長に対して微調整を行うことができる。
本出願の前述の実施形態で提供される超周期構造回折格子は、第1の反射器または第2の反射器に配置され得る。図7に示されるように、第1の反射器の位置と第2の反射器の位置とは入れ替えられてもよい。例えば、第1の反射器は後方反射器であり、第2の反射器は前方反射器である。光信号の生成および光信号に対する位相調整は、波長可変レーザにおいて利得領域および位相領域を使用して別々に実施されてもよく、光信号は、光信号のレーザ発振波長に対して微調整が行われた後で反射領域を使用して伝送される。
図7は、モノリシック集積型波長可変レーザの原理図である。モノリシック集積型波長可変レーザは、4つのセクション、すなわち、利得領域と、第1の反射器と、第2の反射器と、位相領域とを含む。利得領域は活性領域に位置する。利得領域のバンドギャップは比較的小さい。利得領域は通常、多重量子井戸であり、利得を提供するために、電力が投入されると電気エネルギーを光エネルギーに変換する。第1の反射器と第2の反射器とは等価であり、入れ替えられてもよい。第1の反射器の反射スペクトルおよび第2の反射器の反射スペクトルは波長選択的であり、第1の反射器および第2の反射器は波長同調を行うために使用される。第1の反射器および第2の反射器は上述した超周期構造回折格子を含む。反射器の反射スペクトルは櫛形反射スペクトルである。第1の反射器の櫛形反射スペクトルの自由スペクトル範囲と第2の反射器の櫛形反射スペクトルの自由スペクトル範囲とには差がある。その場合2つの反射器はバーニア効果を使用して同調範囲を拡大する。位相領域は位相調整を提供するので、レーザはレーザ発振波長の微調整を行うことができる。利得領域では光が生成され、第1の反射器および第2の反射器によって反射されて共振を生み出し、レーザ光を生成する。レーザ光は第1の反射器および第2の反射器を通って伝送され、放出される。第1の反射器、第2の反射器、および位相領域はすべて受動領域に位置する。受動領域のバンドギャップはレーザ波長の光子エネルギーよりも大きく、受動領域はわずかな光子を吸収する。受動領域は、エッチングおよび再成長技術を使用して活性領域にMQWをエッチングし、次いでセカンダリエピタキシー（secondary epitaxy）によってより大きいバンドギャップを有する化合物を生成し得る。第1の反射器と第2の反射器の両方が前述の実施形態に記載される超周期構造回折格子を使用し得る。第1の反射器の反射スペクトルおよび第2の反射器の反射スペクトルは波長選択的であり、第1の反射器および第2の反射器は波長同調を行うために使用される。位相領域、第1の反射器、および第2の反射器は、波長同調を行うために、熱導入を変化させることによって、または別の等価の方法を使用して、電力投入によって導波路の屈折率をすべて変更し得る。
図8を参照すると、本出願の別の実施形態では、波長可変レーザは、半導体光増幅器（Semiconductor Optical Amplifier、SOA）と光検出器（Photo Detector、PD）とをさらに含み、
第1の反射器は光導波路を使用してSOAに連結されており、第2の反射器は光導波路を使用してPDに連結されており、
SOAは光信号に対してパワー増幅を行うように構成されており、
PDは光信号に対してパワー監視またはパワー減衰を行うように構成されている。
図8に示されるように、第1の反射器の位置と第2の反射器の位置とは入れ替えられてもよい。光信号のパワー増幅およびパワー監視またはパワー減衰は、波長可変レーザにおいてSOAおよびPDを使用して実施され得る。SOAは、パワー増幅を行うために、波長可変レーザの左端または右端で別々に集積されてもよく、PDは、パワー監視またはパワー減衰を行うために、波長可変レーザの左端または右端で別々に集積されてもよいことに留意されたい。
本出願の別の実施形態では、本波長可変レーザは、第1のSOAと第2のSOAとをさらに含み、
第1の反射器は光導波路を使用して第1のSOAに連結されており、第2の反射器は光導波路を使用して第2のSOAに連結されており、
第1のSOAは、第1の反射器によって反射された光信号に対するパワー増幅を行うように構成されており、
第2のSOAは、第2の反射器によって反射された光信号に対するパワー増幅を行うように構成されている。
本波長可変レーザの第1の反射器と第2の反射器は各々、1つのSOAに接続されていてもよく、パワー増幅が各反射器によって反射された光信号に対して行われるので、より高いパワーを有する光信号を伝送することができる。
図9を参照すると、本出願の一実施形態では、本波長可変レーザは、多モード干渉（Multimode Interference、MMI）結合器と利得領域と位相領域とをさらに含み、
反射領域は第1の反射器と第2の反射器とを含み、
MMI結合器の一方の側にポートがあり、ポートは位相領域に接続されており、MMI結合器の他方の側に2つのポートがあり、2つのポートは第1の反射器と第2の反射器とにそれぞれ接続されており、
位相領域の両側は利得領域とMMIの1つのポートとにそれぞれ連結されており、
利得領域は光信号を生成するように構成されており、
位相領域は光信号に対して位相調整を行うように構成されているので、本波長可変レーザは光信号のレーザ発振波長に対して微調整を行うことができる。
本出願の一実施形態で提供される波長可変レーザは、利得領域と、位相領域と、MMI結合器と、第1の反射器と、第2の反射器とを含む。MMI結合器は1×2結合器であり、一方の側に1つのポートがあり、ポートは位相領域に接続されており、他方の側に2つのポートがあり、2つのポートは第1の反射器と第2の反射器とにそれぞれ接続されている。位相領域は利得領域とMMIとに連結されている。MMI結合器は、位相領域に、第1の反射器と第2の反射器とによって反射された光を結合するように構成されている。活性利得領域のバンドギャップは比較的小さく、波長可変レーザの目標出力波長に対応する。活性利得領域は通常、多重量子井戸であり、利得を提供するために、電力が投入されると電気エネルギーを光エネルギーに変換する。第1の反射器と第2の反射器とは等価であるとみなすことができ、名前は入れ替えられてもよい。第1の反射器の反射スペクトルおよび第2の反射器の反射スペクトルは波長選択的であり、第1の反射器および第2の反射器は波長同調を行うために使用される。例えば、第1の反射器および第2の反射器は上述した超周期構造回折格子を含む。反射器の反射スペクトルは櫛形反射スペクトルである。第1の反射器の櫛形反射スペクトルの自由スペクトル範囲と第2の反射器の櫛形反射スペクトルの自由スペクトル範囲とには差がある。第1の反射器および第2の反射器によって共振空洞に反射されたレーザ光がMMIを使用して組み合わされ、次いで、付加的バーニア効果を使用して同調範囲が拡大される。位相領域は位相調整を提供するので、レーザはレーザ発振波長の微調整を行うことができる。第1の反射器、第2の反射器、および位相領域はすべて受動領域に位置する。位相領域、第1の反射器、および第2の反射器は、波長同調を行うために、熱導入を変化させることによって、または別の等価の方法を使用して、電力投入によって導波路の屈折率をすべて変更し得る。
図10を参照すると、本出願の一実施形態では、図9に示される波長可変レーザに対して、波長可変レーザは、位相調整モジュールをさらに含み、
位相調整モジュールはMMI結合器と第1の反射器の両方に接続されるか、または位相調整モジュールはMMI結合器と第2の反射器の両方に接続されており、
位相調整モジュールは、第1の反射器の反射スペクトルと第2の反射器の反射スペクトルとの間の位相を一致させるように構成されている。
位相調整モジュールは、第1の反射器のY分岐アームまたは第2の反射器のY分岐アームに付加され、2つの反射器の反射スペクトル間の位相を一致させるように構成されている。このようにして、MMI結合器を使用して第1の反射器または第2の反射器の組み合わせをより良く行うことができる。図10では位相調整モジュールが第1の反射器に配置される例が説明に使用されている。
本出願の一実施形態では、本波長可変レーザは、SOAとPDとをさらに含み、
第1の反射器は第1のポートを有し、第2の反射器は第2のポートを有し、利得領域は第3のポートを有し、
第1のポートはSOAもしくはPDに接続されており、第2のポートはSOAもしくはPDに接続されており、かつ／または第3のポートはSOAもしくはPDに接続されている。
第1の反射器、第2の反射器、および利得領域の少なくとも1つのポートが、光導波路を使用してSOAに接続され得る。第1の反射器、第2の反射器、および利得領域は、光導波路を使用してPDに接続され得る。波長可変レーザは、集積型SOAおよび集積型PDを使用して光信号のパワー増幅およびパワー監視またはパワー減衰を別々に実施し得る。例えば、利得領域の左端にポート1があり、第1の反射器の右端にポート2があり、第2の反射器の右端にポート3がある場合、SOAは出力光パワーを増幅するために3つのポートのいずれか1つで集積され、PDはパワー監視またはパワー減衰を行うために3つのポートのいずれか1つで集積され得る。
本出願の一実施形態では、図11は、本出願の一実施形態による波長可変レーザの吊り構造を有する反射器の上面図である。図11には波長可変レーザの、吊り構造を有する反射器の領域原理が記載されており、P1からP7の各々が1つの回折格子変調関数周期であり、光導波路の上方の部分と光導波路の下方の部分の各々に腐食窓1から腐食窓6があり、2つの隣接する腐食窓間に支持領域がある。反射領域の温度がP1の左端またはP7の右端で過度に低くなるのを防ぐために、窓1の左側と窓6の右側の各々に1つずつ補助窓がある。
図12は、本出願の一実施形態による図11の位置3’−3’に沿った波長可変レーザの断面図である。図13は、本出願の一実施形態による図11の位置4’−4’に沿った波長可変レーザの断面図である。波長可変レーザの反射領域は、加熱部と、トランスポート層と、反射器と、上バリア層と、犠牲層と、下バリア層と、基板層とを含み、
加熱部はトランスポート層の上に位置し、
トランスポート層は犠牲層の上に位置し、上から下まで上クラッド、導波路層、および下クラッドを順次に含み、
反射器はトランスポート層内に位置し、反射器は、請求項1から4のいずれか一項に記載の超周期構造回折格子を使用して光信号を調整するように構成されており、
上バリア層はトランスポート層と犠牲層との間に位置し、
犠牲層は上バリア層と下バリア層との間に位置し、犠牲層には保護構造が形成されており、保護構造と層間領域が中空構造を形成しており、層間領域はトランスポート層と基板層との間の領域を含み、
下バリア層は犠牲層と基板層との間に位置し、
基板層は下バリア層下方に位置する。
本出願のいくつかの実施形態では、反射領域はInPバッファ層をさらに含む。下バリア層は犠牲層とInPバッファ層との間に位置する。InPバッファ層は下バリア層と基板層との間に位置する。
本波長可変レーザ内の反射領域は、超周期構造回折格子の温度調整効率を改善するために、吊り構造を使用して温度調整を行い得る。図11は吊り構造を有する反射領域の原理図であり、図12および図13は図12の断面3’−3’および断面4’−4’の概略図である。図12および図13に示されるように、材料構造に関して、反射領域は、上から下まで基板層、下バリア層、犠牲層、上バリア層、下クラッド、導波路層、上クラッド、媒質層、および加熱層を順次に含む。導波路層と上クラッドとの間に高レベル離散化が行われる超周期構造回折格子が分布しており、図12の白と黒とが交互に繰り返す部分が超周期構造回折格子を含む反射器である。基板層は、結晶半導体が結晶基板に基づいて成長する必要がある層であり、基板層は下バリア層の下方に位置する。InPバッファ層が反射領域にさらに配置される場合、InPバッファ層は下クラッドと基板層との間に位置し、InP材料により良い結晶品質を提供して、材料の別の層により良い材料基盤を提供するように構成される。上クラッド、導波路層、および下クラッドは媒質層とInPバッファ層との間に位置し、光信号に低損失伝送チャネルを提供するように構成される。媒質層は加熱器の電流が上クラッドに漏れるのを防ぐように構成される。加熱器は電流を使用して熱を発生させ得る。加熱層は、反射器領域の温度を変更するように構成される。加熱部は、反射器に熱を供給するように構成される。発熱エレメントが使用され得る。電流が発熱エレメントを流れると発熱エレメントの温度が変更され得る。加熱器のいくつかの下向き矢印が熱流束方向を示している。導波路層はインジウムガリウムヒ素リン化物（Indium Gallium Arsenide Phosphide、InGaAsP）材料を使用する。図12の犠牲層の左側と右側には保護構造があり、保護構造は、光信号が導波路層で伝播する方向に下バリア層の上面の両側に位置する。
本出願の一実施形態では、中空構造は完全に中空であり、反射器に対応するトランスポート層部分と両側のトランスポート層材料との間に空隙が存在し、空隙間の中空構造の上方に吊り構造が形成されており、空隙は導波路方向に周期的に配置されており、上クラッド、導波路層、下クラッド、および上バリア層を通って延在した後、空隙は中空構造が位置する領域に到達し、隣接する空隙間には支持構造があり、支持構造は吊り構造の横方向の機械的支持を提供するために使用され、導波路方向の支持構造の長さ周期は超周期構造回折格子の変調関数の周期と等しくない。図11に示される光導波路の両側にはいくつかの周期的破線ボックスがある。光導波路は導波路層を含み、導波路層、上クラッド、および下クラッドを含む。破線ボックス内の領域は、製造プロセスにおいて犠牲層材料をエッチングするために使用される窓である。中空構造領域が露出されるまで、エッチング剤を使用して、反射器の両側の窓を使用して反射器の下方の犠牲層材料が別々にエッチングされる。図12および図13に示される吊り構造は、中空構造の上方の、光導波路の両側の窓間の領域の間に形成される。図12の犠牲層の左右の保護構造間の領域が中空構造であり、上クラッド、導波路層、下クラッド、および上バリア層を通って延在した後、空隙は中空構造が位置する領域に到達する。加えて、温度調整中に回折格子の反射スペクトルの性能を犠牲にするのを回避するために、腐食窓間の領域が吊り構造の支持領域である。温度調整中に超周期構造回折格子の反射スペクトルの平坦度が低下するのを防ぎ、波長可変レーザの性能低下を回避するために、横方向の機械的支持を提供する支持構造の、導波路方向の長さ周期は、超周期構造回折格子の変調関数の周期と等しくない。
導波路方向の支持構造の長さ周期が超周期構造回折格子の変調関数の周期と等しくないことは、以下の場合を含み得る。横方向の支持構造と、超周期構造回折格子の変調関数の空間周期の任意の特定の波ピークまたは任意の特定の波バレーとが交互に配置されるので、超周期構造回折格子の反射平坦度を改善することができる。変調関数の空間周期の波ピークは変調関数の空間周期の最大値であり、変調関数の空間周期の波バレーは変調関数の空間周期の最小値である。
反射領域の温度がP1の左端またはP7の右端で過度に低くなるのを防ぐために、図11の窓1の左側と窓6の右側の各々に1つずつ補助窓があることに留意されたい。
本出願の本実施形態では、反射領域にはInPバッファ層が配置されなくてもよいことに留意されたい。この場合、下バリア層は基板層の上方に直接位置する。
図11に示される開口部は、本発明の実施形態の範囲を限定するためのものではなく、当業者が本発明の実施形態をより良く理解する助けとするためのものであることに留意されたい。当業者であれば明らかに、図11の提供例の開口の形状に対して様々な等価の改変または変更を加えることができる。そのような改変または変更も本発明の実施形態の範囲内に含まれる。
本出願の別の実施形態では、図14は本出願の一実施形態による波長可変レーザに含まれる底部支持構造の上面図である。エッチング剤が空隙を通って入り犠牲層をエッチングして、中空構造を生成する。反射器に対応するトランスポート層部分は、空隙を生成するために両側のトランスポート層材料から完全に隔離されており、上クラッド、導波路層、下クラッド、および上バリア層を通って延在した後、空隙は中空構造が位置する領域に到達し、空隙間の中空構造の上方に吊り構造が形成される。吊り構造の下方の犠牲層は完全に腐食されておらず、犠牲層に底部支持構造が保持され、底部支持構造は吊り構造を支持するために使用される。本波長可変レーザ内の反射領域は、超周期構造回折格子の温度調整効率を改善するために、吊り構造を使用して温度調整を行い得る。図14は吊り構造を有する反射領域の原理図であり、図15は、本出願の一実施形態による図14の位置3−3に沿った波長可変レーザの断面図である。図14の位置3−3の断面から、腐食されない領域が底部支持構造を提供することが分かる。図16は、本出願の一実施形態による図14の位置1−1に沿った波長可変レーザの断面図である。図16は図13と同様である。図17は、本出願の一実施形態による図14の位置2−2に沿った波長可変レーザの断面図である。波長可変レーザの犠牲層は完全にはエッチングされず、中空構造に底部支持を提供するように、底部支持構造が保持される。
図14に示されるように、光導波路の両側にはいくつかの周期的な破線ボックスがある。破線ボックス内の領域は、製造プロセスにおいて犠牲層材料をエッチングするために使用される窓である。エッチング剤を使用して、反射器の両側の窓を使用して反射器の下方の犠牲層材料が別々にエッチングされて、吊り構造が生成される。図11の実施形態との違いは、図11の横方向の支持構造を使用して吊り構造に横方向の機械的支持が提供されることである。図17に示されるように、本実施形態の吊り構造の下方の犠牲層は完全に腐食されておらず、したがっていくつかのカラムが形成される。本実施形態では、吊り構造の底部のカラムが吊り構造に底部支持を提供するために使用される。
温度調整中に超周期構造回折格子の反射スペクトルの平坦度が低下するのを防ぎ、波長可変レーザの性能低下を回避するために、導波路方向の底部支持構造の長さ周期は超周期構造回折格子の変調関数の周期と等しくない。
導波路方向の底部支持構造の長さ周期が超周期構造回折格子の変調関数の周期と等しくないことは、以下の場合を含み得る。底部支持構造と超周期構造回折格子の変調関数の空間周期の任意の特定の波ピークまたは任意の特定の波バレーとが交互に配置されるので、超周期構造回折格子の反射平坦度を改善することができる。変調関数の空間周期の波ピークは変調関数の空間周期の最大値であり、変調関数の空間周期の波バレーは変調関数の空間周期の最小値である。
本出願の一実施形態では、超周期構造回折格子は反射器に対応するトランスポート層部分の上クラッドの下部に位置するか、または
超周期構造回折格子は反射器に対応するトランスポート層部分の下クラッドの上部に位置するか、または
超周期構造回折格子は反射器に対応するトランスポート層部分の導波路層に位置するか、または
超周期構造回折格子は反射器に対応するトランスポート層部分の上クラッドと導波路層の各々に部分的に位置するか、または
超周期構造回折格子は反射器に対応するトランスポート層部分の下クラッドと導波路層の各々に部分的に位置する。
図12および図13では、反射器は上クラッドに位置し、光信号の波長を調整するように構成されている。任意選択で、反射器は、下クラッド、または導波路層、または上クラッドと導波路層、または下クラッドと導波路層に位置していてもよい。複数の具体的な実施態様がある。これは説明のためのものにすぎない。光信号は、上クラッド、下クラッド、および導波路層を伝播され、超周期構造回折格子がこれらの位置に配置されているときにのみ光信号を反射することができる。
本出願の一実施形態では、導波路層の屈折率は上クラッドの屈折率および下クラッドの屈折率よりも大きい。したがって、光信号が導波路層を伝播されるときに全反射が発生する。このようにして、可能な限り多くの光子エネルギーを導波路層に閉じ込めることができるので、導波路層は、光信号伝播の損失を低減させるために、光信号に低損失伝播チャネルを提供することができる。
本出願の実施形態で提供される波長可変レーザでは、回折格子の反射ピークの反射率が波長可変レーザの閾値や出力などの特徴を決定する。回折格子の反射ピークのFWHMはレーザのモード選択機構を決定する（FWHMは反射ピークの尖鋭度を定義する）。理論上、より小さいFWHMはより大きいサイドモード抑圧比を指示する。比較的理想的なやり方が、反射率とFWHMを別々に最適化することである。本出願の実施形態は、3レベル離散化またはさらに高レベルの離散化が行われる超周期構造回折格子を提供する。反射ピークの反射率とFWHMとは、回折格子の長さと、超周期構造回折格子の全回折格子長に対する変調関数離散値に対応する光導波路の比とを調整することによって別々に最適化される。このようにして、レーザの閾値、出力、およびレーザのサイドモード抑圧比がすべて最適になり得る。本出願の実施形態はまた、高レベル離散化が行われる回折格子に基づくものである複数の波長可変レーザ、および高レベル離散化が行われる回折格子の温度調整効率を改善する反射器構造も提供する。犠牲層は、吊り構造を生成して温度調整効率を改善するためにエッチングされる。底部支持構造は、波長可変レーザにおける吊り構造の固定位置を確実にするように、吊り構造に機械的支持を提供するために使用される。
本出願の本実施形態では、変調関数は（N＋1）個の変調関数離散値を得るために離散化される。超周期構造回折格子の反射ピークの反射率は、超周期構造回折格子の全回折格子長に対する（N＋1）個の変調関数離散値のうちの少なくとも1つに対応する光導波路の長さの比の関係と、超周期構造回折格子の全回折格子長とに基づいて調整される。超周期構造回折格子の反射ピークのFWHMは、比の関係と超周期構造回折格子の全回折格子長とに基づいて調整される。言い換えると、超周期構造回折格子の反射ピークの反射率とFWHMの両方が2つの次元を使用して調整され得る。反射ピークの反射率は波長可変レーザの閾値および出力を決定し、反射ピークのFWHMはレーザのモード選択機構を決定し、より小さいFWHMはより大きいサイドモード抑圧比を指示する。本出願の本実施形態で提供される超周期構造回折格子は反射率とFWHMとを別々に最適化し得るので、比較的望ましい反射率と比較的望ましいFWHMの両方を得ることができる。
第1の態様または第1の態様の第1の可能な実施態様に関連して、第1の態様の第2の可能な実施態様において、（N＋1）個の変調関数離散値のうちの2つは同じタイプの均一回折格子に対応する。超周期構造回折格子の反射率は、全回折格子長に対する変調関数における各変調関数離散値に対応する光導波路の長さの比を制御することによって最適化され得る。
第2の態様に関連して、第2の態様の第4の可能な実施態様において、本波長可変レーザは、多モード干渉MMI結合器と利得領域と位相領域とをさらに含み、反射領域は第1の反射器と第2の反射器とを含み、MMI結合器の一方の側にポートがあり、ポートは位相領域に接続されており、MMI結合器の他方の側に2つのポートがあり、2つのポートは第1の反射器と第2の反射器とにそれぞれ接続されており、位相領域の両側は利得領域とMMI結合器の1つのポートとにそれぞれ連結されており、利得領域は光信号を生成するように構成されており、位相領域は光信号に対して位相調整を行うように構成されているので、波長可変レーザは光信号のレーザ発振波長に対して微調整を行うことができる。MMI結合器は、位相領域に、第1の反射器と第2の反射器とによって反射された光を結合するように構成されている。活性利得領域のバンドギャップは比較的小さく、波長可変レーザの目標出力波長に対応する。活性利得領域は通常、多重量子井戸であり、利得を提供するために、電力が投入されると電気エネルギーを光エネルギーに変換する。
第2の態様の第4の可能な実施態様に関連して、第2の態様の第5の可能な実施態様において、本波長可変レーザは位相調整モジュールをさらに含み、位相調整モジュールはMMI結合器と第1の反射器の両方に接続されるか、または位相調整モジュールはMMI結合器と第2の反射器の両方に接続されており、位相調整モジュールは、第1の反射器の反射スペクトルの位相と第2の反射器の反射スペクトルの位相を一致させるように構成されている。位相調整モジュールは、第1の反射器のY分岐アームまたは第2の反射器のY分岐アームに付加され、2つの反射器の反射スペクトルの位相を一致させるように構成されている。このようにして、MMI結合器を使用して第1の反射器または第2の反射器の組み合わせをより良く行うことができる。
3レベル離散化が行われる超周期構造回折格子では、超周期構造回折格子の全回折格子長における離散化変調関数の0の比を調整でき、次いで、超周期構造回折格子の比と全回折格子長の両方に基づいて回折格子の反射率とFWHMが調整され得る。図5は、本出願の一実施形態による、3レベルの離散化処理が行われる超周期構造回折格子の反射率と、全回折格子長と、全回折格子長における変調関数の0の比との間の関係の概略図であり、図6は、本出願の一実施形態による、3レベルの離散化処理が行われる超周期構造回折格子のFWHMと、全回折格子長と、全回折格子長における変調関数の0の比との間の関係の概略図である。図5と図6の各々に5本の線があり、これらの線は異なる全回折格子長を有する超周期構造回折格子に対応する。「全回折格子長における変調関数0に対応する光導波路の比」を、「変調関数の0の比」と呼ぶ。変調関数が0である場合、超周期構造回折格子には高屈折率nhしかない。この場合、有効反射面が減少する。超周期構造回折格子の反射率は、全回折格子長に対する変調関数0に対応する光導波路の長さの比を制御することによって最適化され得る。より長い全回折格子長はより大きい反射率を指示する。FWHMでは、より長い全回折格子長はより小さいFWHMを指示し、変調関数離散値0のより大きい比はより小さいFWHMを指示する。この場合、超周期構造回折格子の反射率とFWHMは各々、全回折格子長と変調関数離散値0の比とに関連付けられている。この場合、超周期構造回折格子の反射ピークの反射率とFWHMとは、2つの従属変数（全回折格子長および変調関数離散値0の比）を使用して別々に最適化され得る。図5および図6に示されるように、超周期構造回折格子の反射率とFWHMの両方が、全回折格子長と変調関数の0の比とに関連付けられている。言い換えると、反射率は全回折格子長と変調関数の0の比とに関連付けられており、FWHMは全回折格子長と変調関数の0の比とに関連付けられている。全回折格子長に対する変調関数離散値に対応する光導波路の長さの比の関係が設計自由度として導入されるので、超周期構造回折格子の反射率とFWHMとは別々に最適化され得る。例えば、全回折格子長が294μmであり、全回折格子長の変調関数の「0」の比が0．3である場合、反射ピークの反射率Rが0．2であり、FWHMが1．08nmである超周期構造回折格子を得ることができる。超周期構造回折格子の全回折格子長が412μmであり、全回折格子長における変調関数の「0」の比が0．6である場合、Rが0．2であり、FWHMが0．77nmである超周期構造回折格子を得ることができる。
本出願の前述の実施形態および添付の図面では、Nの値が2であるときに超周期構造回折格子の変調関数に対して3レベルの離散化処理が行われる例が説明に使用されていることに留意されたい。任意選択で、本出願の本実施形態で提供される超周期構造回折格子の変調関数に対して4レベルの離散化処理またはより高レベルの離散化処理が行われてもよい。4レベルまたはより高レベルの離散化処理は、より多くの閾値を使用して超周期構造回折格子の変調関数に対して行われ得る。例えば、超周期構造回折格子に対して3レベルの離散化処理を行う説明の例では、変調関数1、変調関数−1、および変調関数0は、実際には、超周期構造回折格子が均一回折格子を変調する異なる形態に対応する。4レベル離散化は例として使用されており、変調関数離散値は、1、0．5、−0．5、または−1であり得る。各変調関数離散値と、その屈折率が均一である各光導波路または各均一回折格子に対応する変調形態との対応が構成されるという条件で、各変調関数離散値の特定の値が適用シナリオに基づいて構成され得る。例えば、「1」または「−1」は第1のタイプの均一回折格子に対応し、0．5または−0．5は第2のタイプの均一回折格子に対応する。変調関数離散値の符号が変化する場合、位相シフトが導入される。5レベル離散化またはより高レベルの離散化では、変調関数離散値は、1、0．5、0、−0．5、−1などであり得る。例えば、「1」または「−1」はやはり第1のタイプの均一回折格子に対応し、0．5または−0．5は第2のタイプの均一回折格子に対応し、0はその屈折率が均一である光導波路に対応する。隣接する変調関数離散値の符号が異なるかまたは隣接する変調関数離散値の一方が0である場合、位相シフトが導入される。
本出願の前述の実施形態の説明の例によれば、超周期構造回折格子は、櫛形反射スペクトルを生成するために、変調関数を使用して均一回折格子に対して振幅および位相変調を空間的に行い、N個の閾値を使用して変調関数に対して離散化処理が行われた後で（N＋1）個の変調関数離散値が得られ、Nは2以上の整数であることが分かる。（N＋1）個の変調関数離散値の各々が、その屈折率が均一であるかまたは均一回折格子の1つのセクションに対応する光導波路の1つのセクションに対応し、均一回折格子は、高屈折率と低屈折率とを交互に繰り返す光導波路である。変調関数は（N＋1）個の変調関数離散値を得るために離散化される。超周期構造回折格子の反射ピークの反射率は、超周期構造回折格子の全回折格子長に対する（N＋1）個の変調関数離散値のうちの少なくとも1つに対応する光導波路の長さの比の関係と、超周期構造回折格子の全回折格子長とに基づいて調整される。超周期構造回折格子の反射ピークのFWHMは、比の関係と超周期構造回折格子の全回折格子長とに基づいて調整される。言い換えると、超周期構造回折格子の反射ピークの反射率とFWHMの両方が2つの次元を使用して調整され得る。反射ピークの反射率は波長可変レーザの閾値および出力を決定し、反射ピークのFWHMはレーザのモード選択機構を決定し、より小さいFWHMはより大きいサイドモード抑圧比を指示する。本出願の本実施形態で提供される超周期構造回折格子は反射率とFWHMとを別々に最適化し得るので、比較的望ましい反射率と比較的望ましいFWHMの両方を得ることができる。
図9を参照すると、本出願の一実施形態では、本波長可変レーザは、多モード干渉（Multimode Interference、MMI）結合器と利得領域と位相領域とをさらに含み、
反射領域は第1の反射器と第2の反射器とを含み、
MMI結合器の一方の側にポートがあり、ポートは位相領域に接続されており、MMI結合器の他方の側に2つのポートがあり、2つのポートは第1の反射器と第2の反射器とにそれぞれ接続されており、
位相領域の両側は利得領域とMMI結合器の1つのポートとにそれぞれ連結されており、
利得領域は光信号を生成するように構成されており、
位相領域は光信号に対して位相調整を行うように構成されているので、本波長可変レーザは光信号のレーザ発振波長に対して微調整を行うことができる。
本出願の一実施形態で提供される波長可変レーザは、利得領域と、位相領域と、MMI結合器と、第1の反射器と、第2の反射器とを含む。MMI結合器は1×2結合器であり、一方の側に1つのポートがあり、ポートは位相領域に接続されており、他方の側に2つのポートがあり、2つのポートは第1の反射器と第2の反射器とにそれぞれ接続されている。位相領域は利得領域とMMI結合器とに連結されている。MMI結合器は、位相領域に、第1の反射器と第2の反射器とによって反射された光を結合するように構成されている。活性利得領域のバンドギャップは比較的小さく、波長可変レーザの目標出力波長に対応する。活性利得領域は通常、多重量子井戸であり、利得を提供するために、電力が投入されると電気エネルギーを光エネルギーに変換する。第1の反射器と第2の反射器とは等価であるとみなすことができ、名前は入れ替えられてもよい。第1の反射器の反射スペクトルおよび第2の反射器の反射スペクトルは波長選択的であり、第1の反射器および第2の反射器は波長同調を行うために使用される。例えば、第1の反射器および第2の反射器は上述した超周期構造回折格子を含む。反射器の反射スペクトルは櫛形反射スペクトルである。第1の反射器の櫛形反射スペクトルの自由スペクトル範囲と第2の反射器の櫛形反射スペクトルの自由スペクトル範囲とには差がある。第1の反射器および第2の反射器によって共振空洞に反射されたレーザ光がMMI結合器を使用して組み合わされ、次いで、付加的バーニア効果を使用して同調範囲が拡大される。位相領域は位相調整を提供するので、レーザはレーザ発振波長の微調整を行うことができる。第1の反射器、第2の反射器、および位相領域はすべて受動領域に位置する。位相領域、第1の反射器、および第2の反射器は、波長同調を行うために、熱導入を変化させることによって、または別の等価の方法を使用して、電力投入によって導波路の屈折率をすべて変更し得る。
図10を参照すると、本出願の一実施形態では、図9に示される波長可変レーザに対して、波長可変レーザは、位相調整モジュールをさらに含み、
位相調整モジュールはMMI結合器と第1の反射器の両方に接続されるか、または位相調整モジュールはMMI結合器と第2の反射器の両方に接続されており、
位相調整モジュールは、第1の反射器の反射スペクトルの位相と第2の反射器の反射スペクトルの位相を一致させるように構成されている。
位相調整モジュールは、第1の反射器のY分岐アームまたは第2の反射器のY分岐アームに付加され、2つの反射器の反射スペクトルの位相を一致させるように構成されている。このようにして、MMI結合器を使用して第1の反射器または第2の反射器の組み合わせをより良く行うことができる。図10では位相調整モジュールが第1の反射器に配置される例が説明に使用されている。
図12は、本出願の一実施形態による図11の位置3’−3’に沿った波長可変レーザの断面図である。図13は、本出願の一実施形態による図11の位置4’−4’に沿った波長可変レーザの断面図である。波長可変レーザの反射領域は、加熱部と、トランスポート層と、反射器と、上バリア層と、犠牲層と、下バリア層と、基板層とを含み、
加熱部はトランスポート層の上に位置し、
トランスポート層は犠牲層の上に位置し、上から下まで上クラッド、導波路層、および下クラッドを順次に含み、
反射器はトランスポート層内に位置し、反射器は、上述した超周期構造回折格子を使用して光信号を調整するように構成されており、
上バリア層はトランスポート層と犠牲層との間に位置し、
犠牲層は上バリア層と下バリア層との間に位置し、犠牲層には保護構造が形成されており、保護構造と層間領域が中空構造を形成しており、層間領域はトランスポート層と基板層との間の領域を含み、
下バリア層は犠牲層と基板層との間に位置し、
基板層は下バリア層下方に位置する。
本波長可変レーザ内の反射領域は、超周期構造回折格子の温度調整効率を改善するために、吊り構造を使用して温度調整を行い得る。図11は吊り構造を有する反射領域の原理図であり、図12および図13は図11の断面3’−3’および断面4’−4’の概略図である。図12および図13に示されるように、材料構造に関して、反射領域は、上から下まで基板層、下バリア層、犠牲層、上バリア層、下クラッド、導波路層、上クラッド、媒質層、および加熱層を順次に含む。導波路層と上クラッドとの間に高レベル離散化が行われる超周期構造回折格子が分布しており、図12の白と黒とが交互に繰り返す部分が超周期構造回折格子を含む反射器である。基板層は、結晶半導体が結晶基板に基づいて成長する必要がある層であり、基板層は下バリア層の下方に位置する。InPバッファ層が反射領域にさらに配置される場合、InPバッファ層は下クラッドと基板層との間に位置し、InP材料により良い結晶品質を提供して、材料の別の層により良い材料基盤を提供するように構成される。上クラッド、導波路層、および下クラッドは媒質層とInPバッファ層との間に位置し、光信号に低損失伝送チャネルを提供するように構成される。媒質層は加熱器の電流が上クラッドに漏れるのを防ぐように構成される。加熱器は電流を使用して熱を発生させ得る。加熱層は、反射器領域の温度を変更するように構成される。加熱部は、反射器に熱を供給するように構成される。発熱エレメントが使用され得る。電流が発熱エレメントを流れると発熱エレメントの温度が変更され得る。加熱器のいくつかの下向き矢印が熱流束方向を示している。導波路層はインジウムガリウムヒ素リン化物（Indium Gallium Arsenide Phosphide、InGaAsP）材料を使用する。図12の犠牲層の左側と右側には保護構造があり、保護構造は、光信号が導波路層で伝播する方向に下バリア層の上面の両側に位置する。
本出願の一実施形態では、中空構造は完全に中空であり、反射器に対応するトランスポート層部分と両側のトランスポート層材料との間に空隙が存在し、空隙間の中空構造の上方に吊り構造が形成されており、空隙は導波路方向に周期的に配置されており、上クラッド、導波路層、下クラッド、および上バリア層を通って延在した後、空隙は中空構造が位置する領域に到達し、隣接する空隙間には支持構造があり、支持構造は吊り構造の横方向の機械的支持を提供するために使用され、導波路方向の支持構造の長さ周期は超周期構造回折格子の変調関数の周期と等しくない。図11に示される光導波路の両側にはいくつかの周期的破線ボックスがある。光導波路は、導波路層、上クラッド、および下クラッドを含む。破線ボックス内の領域は、製造プロセスにおいて犠牲層材料をエッチングするために使用される窓である。中空構造領域が露出されるまで、エッチング剤を使用して、反射器の両側の窓を使用して反射器の下方の犠牲層材料が別々にエッチングされる。図12および図13に示される吊り構造は、中空構造の上方の、光導波路の両側の窓間の領域の間に形成される。図12の犠牲層の左右の保護構造間の領域が中空構造であり、上クラッド、導波路層、下クラッド、および上バリア層を通って延在した後、空隙は中空構造が位置する領域に到達する。加えて、温度調整中に回折格子の反射スペクトルの性能を犠牲にするのを回避するために、腐食窓間の領域が吊り構造の支持領域である。温度調整中に超周期構造回折格子の反射スペクトルの平坦度が低下するのを防ぎ、波長可変レーザの性能低下を回避するために、横方向の機械的支持を提供する支持構造の、導波路方向の長さ周期は、超周期構造回折格子の変調関数の周期と等しくない。
本出願の実施形態で提供される波長可変レーザでは、回折格子の反射ピークの反射率が波長可変レーザの閾値や出力などの特徴を決定する。回折格子の反射ピークのFWHMはレーザのモード選択機構を決定する（FWHMは反射ピークの尖鋭度を定義する）。理論上、より小さいFWHMはより大きいサイドモード抑圧比を指示する。比較的理想的なやり方が、反射率とFWHMを別々に最適化することである。本出願の実施形態は、3レベル離散化またはさらに高レベルの離散化が行われる超周期構造回折格子を提供する。反射ピークの反射率とFWHMとは、回折格子の長さと、超周期構造回折格子の全回折格子長に対する変調関数離散値に対応する光導波路の長さの比とを調整することによって別々に最適化される。このようにして、レーザの閾値、出力、およびレーザのサイドモード抑圧比がすべて最適になり得る。本出願の実施形態はまた、高レベル離散化が行われる回折格子に基づくものである複数の波長可変レーザ、および高レベル離散化が行われる回折格子の温度調整効率を改善する反射器構造も提供する。犠牲層は、吊り構造を生成して温度調整効率を改善するためにエッチングされる。底部支持構造は、波長可変レーザにおける吊り構造の固定位置を確実にするように、吊り構造に機械的支持を提供するために使用される。

Claims (18)

  1. 超周期構造回折格子であって、前記超周期構造回折格子が、櫛形反射スペクトルを生成するために、変調関数を使用して均一回折格子に対して振幅および位相変調を空間的に行い、N個の閾値を使用して前記変調関数に対して離散化処理が行われた後で（N＋1）個の変調関数離散値が得られ、Nが2以上の整数であり、
    前記（N＋1）個の変調関数離散値の各々が、その屈折率が均一であるかまたは均一回折格子の1つのセクションに対応する光導波路の1つのセクションに対応し、前記均一回折格子が、高屈折率と低屈折率とを交互に繰り返す光導波路であり、
    前記超周期構造回折格子の反射ピークの反射率が、前記超周期構造回折格子の全回折格子長に対する前記（N＋1）個の変調関数離散値のうちの少なくとも1つに対応する光導波路の長さの比の関係と、前記超周期構造回折格子の前記全回折格子長とに基づいて調整され、
    前記超周期構造回折格子の前記反射ピークの半値全幅FWHMが、前記比の関係と前記超周期構造回折格子の前記全回折格子長とに基づいて調整される、超周期構造回折格子。
  2. Nの値が2である場合、前記変調関数に対して離散化処理が行われた後で3つの変調関数離散値が得られ、前記3つの変調関数離散値のうちの1つが、その屈折率が均一である光導波路の1つのセクションに対応し、前記3つの変調関数離散値の残り2つの各々が均一回折格子の1つのセクションに対応する、請求項1に記載の超周期構造回折格子。
  3. 前記（N＋1）個の変調関数離散値のうちの2つが同じタイプの均一回折格子に対応する、請求項1または2に記載の超周期構造回折格子。
  4. 隣接する変調関数離散値の符号が異なるかまたは前記隣接する変調関数離散値の一方が0である場合、前記隣接する変調関数離散値にそれぞれ対応する光導波路間に位相シフトが加えられる、請求項1または2に記載の超周期構造回折格子。
  5. 波長可変レーザであって、前記波長可変レーザが反射領域を含み、
    前記反射領域が、請求項1から4のいずれか一項に記載の超周期構造回折格子を使用して光信号を調整するように構成されている、波長可変レーザ。
  6. 前記波長可変レーザが利得領域と位相領域とをさらに含み、
    前記反射領域が第1の反射器と第2の反射器とを含み、
    前記利得領域が光導波路を使用して前記第1の反射器と前記位相領域の両方に連結されており、
    前記位相領域が前記利得領域と前記第2の反射器とに連結されており、
    前記利得領域が光信号を生成するように構成されており、
    前記位相領域が前記光信号に対して位相調整を行うように構成されているので、前記波長可変レーザが前記光信号のレーザ発振波長に対して微調整を行うことができる、請求項5に記載の波長可変レーザ。
  7. 前記波長可変レーザが、半導体光増幅器SOAと光検出器PDとをさらに含み、
    前記第1の反射器が光導波路を使用して前記SOAに連結されており、前記第2の反射器が光導波路を使用して前記PDに連結されており、
    前記SOAが前記光信号に対してパワー増幅を行うように構成されており、
    前記PDが前記光信号に対してパワー監視またはパワー減衰を行うように構成されている、請求項6に記載の波長可変レーザ。
  8. 前記波長可変レーザが、第1のSOAと第2のSOAとをさらに含み、
    前記第1の反射器が光導波路を使用して前記第1のSOAに連結されており、前記第2の反射器が光導波路を使用して前記第2のSOAに連結されており、
    前記第1のSOAが、前記第1の反射器によって反射された光信号に対するパワー増幅を行うように構成されており、
    前記第2のSOAが、前記第2の反射器によって反射された光信号に対するパワー増幅を行うように構成されている、請求項6に記載の波長可変レーザ。
  9. 前記波長可変レーザが、多モード干渉MMI結合器と利得領域と位相領域とをさらに含み、
    前記反射領域が第1の反射器と第2の反射器とを含み、
    前記MMI結合器の一方の側にポートがあり、前記ポートが前記位相領域に接続されており、前記MMI結合器の他方の側に2つのポートがあり、前記2つのポートが前記第1の反射器と前記第2の反射器とにそれぞれ接続されており、
    前記位相領域の両側が前記利得領域と前記MMIの1つのポートとにそれぞれ連結されており、
    前記利得領域が光信号を生成するように構成されており、
    前記位相領域が前記光信号に対して位相調整を行うように構成されているので、前記波長可変レーザが前記光信号のレーザ発振波長に対して微調整を行うことができる、請求項5に記載の波長可変レーザ。
  10. 前記波長可変レーザが位相調整モジュールをさらに含み、
    前記位相調整モジュールが前記MMI結合器と前記第1の反射器の両方に接続されるか、または前記位相調整モジュールが前記MMI結合器と前記第2の反射器の両方に接続されており、
    前記位相調整モジュールが、前記第1の反射器の反射スペクトルと前記第2の反射器の反射スペクトルとの間の位相を一致させるように構成されている、請求項9に記載の波長可変レーザ。
  11. 前記波長可変レーザが、SOAとPDとをさらに含み、
    前記第1の反射器が第1のポートを有し、前記第2の反射器が第2のポートを有し、前記利得領域が第3のポートを有し、
    前記第1のポートが前記SOAもしくは前記PDに接続されており、前記第2のポートが前記SOAもしくは前記PDに接続されており、かつ／または前記第3のポートが前記SOAもしくは前記PDに接続されており、
    前記SOAが前記光信号に対してパワー増幅を行うように構成されており、
    前記PDが前記光信号に対してパワー監視またはパワー減衰を行うように構成されている、請求項9に記載の波長可変レーザ。
  12. 前記反射領域が、加熱部と、トランスポート層と、反射器と、上バリア層と、犠牲層と、下バリア層と、基板層とを含み、
    前記加熱部が前記トランスポート層の上方に位置し、
    前記トランスポート層が前記犠牲層の上方に位置し、上から下まで上クラッド、導波路層、および下クラッドを順次に含み、
    前記反射器が前記トランスポート層内に位置し、前記反射器が、請求項1から4のいずれか一項に記載の超周期構造回折格子を使用して光信号を調整するように構成されており、
    前記上バリア層が前記トランスポート層と前記犠牲層との間に位置し、
    前記犠牲層が前記上バリア層と前記下バリア層との間に位置し、前記犠牲層に保護構造が形成されており、前記保護構造と層間領域が中空構造を形成しており、前記層間領域が前記トランスポート層と前記犠牲層との間の領域を含み、
    前記下バリア層が前記犠牲層と前記基板層との間に位置し、
    前記基板層が前記犠牲層の下方に位置する、請求項5から11に記載の波長可変レーザ。
  13. 前記中空構造が完全に中空であり、
    前記反射器に対応するトランスポート層部分と両側のトランスポート層材料との間に空隙が存在し、前記空隙間の前記中空構造の上方に吊り構造が形成されており、
    前記空隙が導波路方向に周期的に配置されており、前記上クラッド、前記導波路層、前記下クラッド、および前記上バリア層を通って延在した後、前記空隙が、前記中空構造が位置する領域に到達し、隣接する前記空隙間に支持構造があり、前記支持構造が前記吊り構造の横方向の機械的支持を提供するために使用され、前記導波路方向の前記支持構造の長さ周期が前記超周期構造回折格子の変調関数の周期と等しくない、請求項12に記載の波長可変レーザ。
  14. 前記反射器に対応するトランスポート層部分が、空隙を生成するために両側のトランスポート層材料から完全に隔離されており、前記上クラッド、前記導波路層、前記下クラッド、および前記上バリア層を通って延在した後、前記空隙が、前記中空構造が位置する領域に到達し、
    前記中空構造の上方の前記空隙間に吊り構造が形成されており、
    前記犠牲層の底部が完全に腐食されておらず、底部支持構造が前記犠牲層内で保持され、前記底部支持構造が前記吊り構造に支持を提供するために使用される、請求項12に記載の波長可変レーザ。
  15. 導波路方向の前記底部支持構造の長さ周期が前記超周期構造回折格子の変調関数の周期と等しくない、請求項14に記載の波長可変レーザ。
  16. 前記超周期構造回折格子が前記反射器に対応するトランスポート層部分の前記上クラッドの下部に位置するか、または
    前記超周期構造回折格子が前記反射器に対応するトランスポート層部分の前記下クラッドの上部に位置するか、または
    前記超周期構造回折格子が前記反射器に対応する導波路層部分に位置するか、または
    前記超周期構造回折格子が前記反射器に対応するトランスポート層部分の前記上クラッドと前記導波路層の各々に部分的に位置するか、または
    前記超周期構造回折格子が前記反射器に対応するトランスポート層部分の前記下クラッドと前記導波路層の各々に部分的に位置する、請求項12に記載の波長可変レーザ。
  17. 前記導波路層の屈折率が前記上クラッドの屈折率および前記下クラッドの屈折率よりも大きい、請求項12に記載の波長可変レーザ。
  18. 前記反射領域がリン化インジウムInPバッファ層をさらに含み、
    前記下バリア層が前記犠牲層と前記InPバッファ層との間に位置し、
    前記InPバッファ層が前記下バリア層と前記基板層との間に位置する、請求項12から17のいずれか一項に記載の波長可変レーザ。
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