JP3600785B2 - Waveguide type laser - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、導波路型レーザに関し、より詳細には、導波路型波長可変レーザであって、光通信で欠かすことのできないレーザ光源に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
光通信に用いるレーザ光源は、光信号の波形が長距離を伝搬して劣化しないように、シングルモード発振することが不可欠である。通信用に用いられる代表的なレーザとしては、半導体レーザにグレーティングを組み込んだDFB(Distributed Feedback;分布帰還)またはDBR(Distributed Bragg Reflector;分布ブラッグ反射器)レーザなどがある。しかし、半導体材料のみで作成したレーザは温度変化に対し、発振波長が大きくシフトしてしまうという問題がある。
【0003】
そのため、近年盛んに研究開発が進められているDWDMシステム(Dense Wavelength Division Multiplexing System)に用いるには、温度調整機構を内蔵するなどの工夫が必要で、コスト的にも問題があった。これらの問題を解決するために、半導体材料より温度依存性が小さい石英系導波路にグレーティングを書き込み、半導体増幅器とハイブリッド集積したレーザが提案されている。
【0004】
図2は、半導体増幅器とハイブリッド集積したレーザの代表的な構成を示す図である。図中符号21は石英系導波路、22はファイバ接続部、23はグレーティング、24は半導体アンプである。このレーザは、温度変化に対する発振波長のシフト量が8分の1になるだけでなく、レンズ系を用いることなく、光通信には不可欠なファイバとの接続が可能になり、生産コストも低く押さえることが可能になった。しかし、環境温度の大きな変化に対しては、発振波長がホッピングしてしまうという新たな問題が生じた。
【0005】
しかし、この問題を解決する方法として、石英系導波路上に微細な溝を作成し、屈折率の温度変化が半導体材料や石英系ガラス材料とは正負が逆向きのポリマー等の材料を導波路上の溝の中に流し込むことにより、レーザ共振器全体として共振器長の温度変化を石英導波路上のグレーティング波長の温度依存性とを一致させ、発振波長の温度依存性を低く抑えかつホッピングを抑制することが提案・報告されている(Tanaka et.al.”Hybrid integration external cavity laser without temperature dependent mode hopping”,Electron Lett.1999,35,pp179−180)。
【0006】
しかし、上記導波路型レーザでも発振波長の温度依存性を完全に消すことは出来ず、温度調整機構をモジュール内に内蔵する必要性は残ったままであった。さらに、これらのグレーティングを用いたレーザは、グレーティング作成のために微細加工または紫外線照射などの特別なプロセスが必要であるというコスト上の問題がある。
【0007】
さらに、石英導波路と半導体アンプを組み合わせたシングルモードレーザでは、グレーティングで決まる一定の波長でしか発振できず、発振波長を大きく変えて、かつ安定にシングルモード発振を実現したという報告はまだなされていない。
【0008】
また、小型な波長可変なシングルモード・レーザとしては、Grating Coupled Sampled Refrector Laser(B.Broberg et.al.,”Widely tunable semiconductor lasers”,LEOS’98 ThQ1,1998) やSuper Structure Grating DBR Laser(H.Ishii et.al.,”Quasicontinuous Wavelength Tuning in Super−Structure−Grarting(SSG)DBR Lasers”,IEEE J.Quantum Electron,vol.32,pp.433−455,1996) がある。しかし、実際に発振波長を制御するには発振波長をモニタしながらの微調整が必要であるという問題があり、また、発振波長の温度無依存化機能を付与するのが難しいという大きな問題があった。
【0009】
一方、異なる波長の光信号を扱うDWDMシステムでは、それぞれの信号を目的の場所まで、どのようにして届けるかというシステム上の課題があり、様々な研究が行われている。小規模なネットワークの場合では使用する波長とパスとを1対1対応させることが可能だが、電話のように不特定多数から不特定多数へ信号を伝えるネットワークを考えると、全ての発信者から全ての受信者まで個別の波長とパスを用意することは実質的に不可能で、何らかの区間毎にパスを切り替える必要がある。このパス切り替え方法としては、物理的に光信号のルートを変える方法(特開平5−72575号公報参照)と、光信号の波長を切り替える方法がある。
【0010】
後者を用いたシステムの提案例としては(M.Koga et.al.”Design and perfomance of an optical path cross−connect system based on wavelength path concept”,IEEE Journal of Lightwave Tech.,vol.14,No.6,pp.1106−1119,1996) 等があげられる。これらの方法では、各入力チャンネル毎に全ての出力チャンネル数だけ波長の異なるシングルモードレーザを用意する必要があるが、ある特定の一瞬時に動作しているレーザは各チャンネル毎に1台以下であり、高額なレーザを余分に持たなければならないという問題があった。
【0011】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、温度調整機構と、グレーティング作成時に必要な微細加工又は紫外線照射プロセスを省いて導波路型レーザを提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような目的を達成するために、共振器内に波長選択性を有する反射鏡を内蔵する導波路型レーザにおいて、少なくとも1端の反射鏡に導波路型ループミラーを用い、該導波路型ループミラー内にアレイ導波路格子を設け、該アレイ導波路格子における個々のアレイ導波路にあたえる導波路長差が、一種類一定ではなく、2種類以上の複数の導波路長差を個々のアレイ導波路にあたえたことを特徴とするものである。
【0015】
請求項2に記載の発明は、共振器内に波長選択性を有する反射鏡を内蔵する導波路型レーザにおいて、少なくとも1端の反射鏡に導波路型ループミラーを用い、該導波路型ループミラー内に、アレイ導波路格子と、該アレイ導波路格子のFSR(Free Spectral Range)とは異なるFSRを有する導波路型フィルタを具備することを特徴とするものである。
【0016】
請求項3に記載の発明は、請求項2に記載の発明において、前記導波路型フィルタとして透過波長可変な導波路型フィルタを用いることを特徴とするものである。
【0019】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。
【0020】
(実施例1)
図1は、本発明の導波路型レーザの一実施例を示す構成図で、図中、11はSi基板上に作成された比屈折率が1%の石英系導波路で、12はアレイ導波路格子であり、アレイ導波路格子12のポート13とポート14が3dBカップラ15に接続されて導波路型ループミラーを形成している。16は半導体アンプで、端面19には高反射コートがなされ、18の石英系導波路チップ上に実装されている。さらにアレイ導波路格子には、ポリマー材料を挿入するための溝17が掘られていて、アレイ導波路格子のもつ屈折率の温度依存性と半導体アンプの有する温度依存性とをキャンセルするように設計されている。
【0021】
アレイ導波路格子12は9本のアレイ導波路からなり、最も内側の導波路より4番目までのm番目のアレイ導波路の導波路長を隣接する内側の導波路よりΔL1だけ長くなるように設計され、5番目から9番目までアレイ導波路の導波路長を隣接する内側の導波路よりΔL2だけ長くなるように設計されている。なお、導波路の有効屈折率をnとし、真空中の光速をCとすると、C/nΔL1=200・109、C/nΔL2=214・109となるように設計した。実施例に用いたΔ1%の導波路の1.5μm帯での有効屈折率はおよそ1.45であるのでΔL1=1034μm、ΔL2=965μmになった。
【0022】
さらに、最も内側の導波路に対する各々のアレイ導波路の長さに比例した幅の溝を、9本のアレイ導波路型上に作成した。この溝は伝搬損失も考慮して溝幅が太くなりすぎないように複数の溝に分け、溝幅の総和が横切る導波路の導波路長差に比例するように設計した。また、使用する半導体アンプと石英導波路からなる共振器長全体の温度依存性をキャンセルするように9本の導波路すべてを横断する溝も作成した。溝を作成した後、石英系導波路や半導体アンプとは屈折率の温度依存性の正負が逆向きのポリマー材料を選択し溝に注入した。
【0023】
このアレイ導波路格子のポート13とポート14をMMI(Multi Mode Interferometer)からなる3dBカップラ15に同じ向きから導き入れ、反対側の2つのポートのうち一方を半導体アンプ実装部に、もう一方をファイバ実装部に導いた。
【0024】
半導体アンプにはInPよりなる導波路型半導体増幅器を用いた。半導体増幅器の全長はおよそ500μmであった。石英導波路端面と向き合わない反対面19には1.5μm帯で高反射になるHRコートを施してあるものを用いた。
【0025】
以上のアレイ導波路格子を含む導波路型ループミラーと半導体アンプとからなる共振器長は真空中換算でおよそ30mmになった。共振器1周の長さが真空中換算でおよそ30mmであるということは約10GHz間隔でレーザ発振しうることを示している。
【0026】
図4は、できあがったアレイ導波路格子部分の特性を示す図である。アレイ導波路格子12のポート13からポート14への透過波長依存性である。用いた半導体アンプの増幅帯域を鑑み1545nmから1565nmの波長域の特性を評価した。通常のアレイ導波路格子と同様に周期的に透過率が高いピークが繰り返し現れている。しかし、上述のような複数の導波路長差をアレイ導波路にあたえたので、すべてのピークの透過率が等しくはならず、ひとつの波長近傍のみで透過率が最大になる。その結果、半導体アンプの10nm前後の利得帯域全体から、上述の透過率が最大になる1つのピーク内に、レーザ発振できる波長領域が限られることになる。
【0027】
図5は、最も透過率の大きなピークの拡大図である。この図5には併せて10GHz間隔のガイドラインを示している。この10GHzという値はレーザ発振しうる共振周期に相当する。10GHz隣の透過率は大きく異なることから、この透過率のピークの中から単一の波長の光のみレーザ発振することがわかる。
【0028】
図6は、半導体アンプを駆動したときのI−L特性図である。発振閾値は45mAで、100mA注入したとき1.2mWの光出力を得た。その時のレーザ発振スペクトルを図7に示す。発振はシングルモード発振であり、アイソレーションは約40dBであった。次に、作成したレーザ全体を乾燥空気を満した恒温槽に入れて環境温度を5度から50度まで変化させてレーザ発振特性を評価した。図8にレーザの発振強度を、図9に発振波長の温度依存性を示す。いずれも100mA電流注入時のデータである。半導体アンプの利得の温度依存性のため、レーザ発振強度は1.25mWから0.6mWまで変化したが、レーザ発振波長は、波長選択素子であるAWGの温度依存性と、共振器長の温度依存性を同時に温度依存性に設計したため、ほとんど温度変化は見られず、5度から50度の環境温度変化全域にわたって±2.5GHz以下であった。
【0029】
(実施例2)
図3は、本発明の導波路型レーザの第2の実施例を示す図である。図中31はSi基板上に作製された比屈折率が1%の石英系導波路で、32は第1のアレイ導波路格子であり、第1のアレイ導波路格子のポート33とポート34が3dBカップラ35に接続され導波路型ループミラーを形成している。この導波路型ループミラーの片方の出口をファイバ接続部40に導き導波路型レーザの出力ポートとした。さらに導波路型ループミラーのもう片方の出口は第2のアレイ導波路格子37に導かれ、その第2のアレイ導波路格子の反対側は、半導体アンプ36に接続されている。さらに端面39には高反射コートがなされている。符号38は石英系導波路チップである。
【0030】
第1のアレイ導波路格子32は9本のアレイ導波路からなり、最も内側の導波路型よりm番目のアレイ導波路の導波路長が隣接する内側の導波路長よりΔL3だけ長くなるように設計されている。なお、導波路の有効屈折率をnとし、真空中の光速をCとすると、C/nΔL3=100・109となるように設計した。実施例に用いたΔ1%の導波路型の1.5μm帯での有効屈折率はおよそ1.45であるのでΔL3=2069μmになった。
【0031】
第2のアレイ導波路格子37は3本のアレイ導波路格子からなり、最も下側の導波路よりm番目のアレイ導波路の導波路長が隣接する下側の導波路長よりΔL4だけ長くなるように設計されている。なお、導波路の有効屈折率をnとし、真空中の光速をCとすると、C/nΔL4=2199・109となるように設計し、ΔL4=94μmになった。
【0032】
図10は、第2のアレイ導波路格子の詳細構造図である。この第2のアレイ導波路格子37にはヒータ41による波長シフト動作が出来るように、最も上側のアレイ導波路型上に4mm長×40μm幅のヒータ41aを、中心のアレイ導波路に2mm長×40μm幅のヒータ41bを装荷して直列駆動できるように電極42a,42bを接続した。また、3本のアレイ導波路45a,45b,45cに分配される光強度が等しくなるように中央のアレイ導波路に比べ、両側のアレイ導波路にテーパー部43,44を設けた。さらに透過帯域波長可変な第2のアレイ導波路格子のフィルタ特性を補うため、第2のアレイ導波路格子37は導波路型ループミラー外におき、共振器を一周する光が第2のアレイ導波路格子を2回通過するように工夫した。
【0033】
図11は、第2のアレイ導波路のヒーターを駆動したときの透過特性の変化を示す図である。電圧の増加と共に、第2のアレイ導波路の透過帯域は約1550nmから1560nmまで制御することができた。
【0034】
以上の第1のアレイ導波路格子を含む導波路型ループミラーと、第2のアレイ導波路格子と、半導体アンプとから構成される共振器長が、真空中換算で60mmになるように、導波路型ループミラーと第2のアレイ導波路格子との間の長さを設計した。共振器一周の長さが60mmであるということは、共振器周波数は5.0GHzとなる。
【0035】
図12は、第1のアレイ導波路格子の透過特性と、第2のアレイ導波路格子の透過特性と、共振器のうち石英導波路部分を1周する時のトータルの透過特性とを、搭載した半導体アンプの利得帯域である1545nmから1565nmまでにわたり示したものである。
【0036】
第1のアレイ導波路格子の透過域のピークは100GHz間隔に並び、かつ、ITUグリッドにのっている。また第2のアレイ導波路格子の透過特性により、10nm前後にわたる半導体アンプの利得帯域のうち発振できる領域を選択している。
【0037】
第1のアレイ導波路格子をふくむ導波路型ループミラーと第2のアレイ導波路格子からなる共振器の石英導波路部分を一周する時のトータルの透過特性のうち、最も透過率が大きくなった波長領域の拡大図を図13と図14に示す。図13をみると、トータルの透過特性に100GHz毎に透過率のピークがあることが判るが、第2のアレイ導波路格子の特性のため、1つのピークのみ選択的に透過率が大きくなっていることがわかる。さらに図14をみると、トータルの透過特性のひとつの透過ピークの幅は十分にせまく、5GHzの共振器周波数だけずれたレーザの縦モードは十分に抑圧できることがわかる。
【0038】
図15は、出来上がった導波路型レーザのI−L特性の一例を示す図である。第2のアレイ導波路格子のヒータに0.4W電力を印加したときの特性で、レーザ発振の閾値は110mAで、150mA印加したときに0.45mWのレーザ出力を得た。このときのレーザからの出力光を図16に示す。発振はシングルモード発振で、サイドモード等は十分に抑圧され、30dB前後のアイソレーションを得た。つぎに半導体アンプに150mA印加して、第2のアレイ導波路格子のヒーターに徐々に電力を印加していったときのレーザ発振波長の変化を図17に示す。ヒータの駆動電力の増加に伴いレーザ発振波長が離散的に変化していき、かつ発振波長はITUグリッド上(100GHz間隔 ±2.5GHz)に制御されていた。発振波長切替時以外は全ての波長でシングルモード発振であった。
【0039】
本実施例では、石英系導波路を用いてアレイ導波路格子を有する導波路型ループミラーを作製したが、InPなどの半導体導波路やポリマーなどの有機物材料、ガーネットなどの無機材料を用いた導波路を使用しても構わない。
【0040】
本実施例では、透過波長可変な導波路型フィルタとしてアレイ導波路本数の少ないアレイ導波路格子を用いたが、マッハツェンダー型フィルタやラティス型フィルタ、トランスバーサルフィルタ等を用いても同様の効果が得られる。
【0041】
また本実施例では、導波路型フィルタの透過波長調整にヒーターによる熱光学効果を用いたが、紫外線や電子線、放射線の照射によっても調整可能であり、導波路型フィルタを半導体導波路等で作製した場合には電流注入等によっても調整可能である。
【0042】
本実施例では、屈折率の温度変化の異なる複数の材料を用いて導波路型レーザの発振波長の温度依存性を消失させたが、線膨張係数の異なる複数の材料を用いて光導波路部分に加わる応力を制御する方法でも導波路型レーザの発振波長の温度依存性を消失させることが可能である。
【0043】
本実施例の第1の実施例では、導波路型ループミラー中のアレイ導波路格子のアレイ導波路を内側と外側とで2群に分けたが、アレイ導波路1本毎に2群に分けても同様の効果が得られる。
【0044】
また本実施例の第1の実施例では、アレイ導波路を2群にわけ2種類の導波路長差を与えたが、3群以上にわけ3種類以上の導波路長差を与えても同様の効果が得られる。
【0045】
さらに本実施例では導波路型ループミラー中に1つの導波路格子を入れたが、複数のアレイ導波路格子を具備し、バーニア効果で発振波長を選択することも可能である。
【0046】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、共振器内に波長選択性を有する反射鏡を内蔵する導波路型レーザにおいて、少なくとも1端の反射鏡に導波路型ループミラーを用い、該導波路型ループミラー内にアレイ導波路格子を設け、該アレイ導波路格子における個々のアレイ導波路にあたえる導波路長差が、一種類一定ではなく、2種類以上の複数の導波路長差を個々のアレイ導波路にあたえたので、導波路型ループミラー中に発振波長を選択することにより、光通信に有用なシングルモード発振をすることができる。また、微細加工や紫外線照射などの特殊な工程を必要とせずに、通常の導波路型フィルタとプロセス技術が供用できるので、安価なレーザが提供できる。
【0047】
また、波長選択素子であるアレイ導波路格子の透過帯域波長と、半導体アンプを含む共振器全体の共振器長の温度依存性とを同時にアサーマル化できるので、できあがった導波路型レーザの発振波長の温度無依存化が可能である。そのため高価な温度制御機構を省くことが可能で、安価なレーザモジュールが作製可能である。
【0048】
さらに、アレイ導波路格子の周期性を利用することにより、波長選択性が緩いが波長可変であるフィルタと組み合わせて、可変幅の大きな波長可変レーザを安価に作製することが可能になった。
また、アレイ導波路格子の周期性により決まった周期でレーザ発振波長を選択することが可能であるので、発振波長を変更時に波長をグリッドに乗せる等の微細調整の手間も必要なくなった。
【0049】
このような、発振波長が温度無依存であるシングルモードレーザや、レーザ発振波長が広範囲に可変なシングルモードレーザは従来非常に高価であったが、本発明によれば、安価かつ小型な導波路型シングルモードレーザが提供可能であり、WDM光システムの構築に価格面で大きく寄与し、交換器などの装置の小型化にも寄与するものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施例の導波路型レーザの構成図である。
【図2】比較例である従来の導波路型レーザの構成図である。
【図3】第2の実施例の導波路型レーザの構成図である。
【図4】第1の実施例の導波路型レーザのうち、アレイ導波路型部分の透過特性を示すグラフである。
【図5】第1の実施例の導波路型レーザのうち、アレイ導波路型部分の透過特性のうち透過率の高いところを詳細に示すグラフである。
【図6】第1の実施例の導波路型レーザのI−L特性を示すグラフである。
【図7】第1の実施例の導波路型レーザの発振波長特性を示すグラフである。
【図8】第1の実施例の導波路型レーザのレーザ発振強度の温度依存性を示すグラフである。
【図9】第1の実施例の導波路型レーザのレーザ発振波長の温度依存性を示すグラフである。
【図10】第2の実施例の導波路型レーザのうち、第2のアレイ導波路型の構造を詳細に示した構成図である。
【図11】第2の実施例の導波路型レーザのうち、第2のアレイの導波路型の波長シフト動作を示したグラフである。
【図12】第2の実施例の導波路型レーザのうち、第1のアレイ導波路型を含む導波路型型ループミラーの透過スペクトルと、第2のアレイ導波路型の透過スペクトルと、共振器のうち石英導波路型部分の透過スペクトルを重ねて示したグラフである。
【図13】図12のスペクトル図の部分拡大図である。
【図14】図13のスペクトル図の部分拡大図である。
【図15】第2の実施例の導波路型レーザのI−L特性を示すグラフである。
【図16】第2の実施例の導波路型レーザの発振波長特性を示すグラフである。
【図17】第2の実施例の導波路型レーザの発振波長可変動作を示すグラフである。
【符号の説明】
11,31 石英系導波路
12 アレイ導波路格子
13,14 アレイ導波路格子の入出力ポート
15,35 3dBのカップラ
16,36 半導体アンプ
17 ポリマーを流し込む溝
18,38 石英系導波路チップ
19,39 高反射コートが施された半導体アンプの端面
20,40 ファイバ接続部
21 石英系導波路チップ
22 ファイバ接続部
23 グレーティング、
24 半導体アンプ
32 第1のアレイ導波路格子
33,34 第1のアレイ導波路格子の入出力ポート
37 第2のアレイ導波路型
41a,41b,41c ヒータ
41a,42b 電極
43,44 テーパー部
45a,45b,45c アレイ導波路[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a waveguide-type laser, and more particularly, to a waveguide-type wavelength-variable laser, which is a laser light source indispensable for optical communication.
[0002]
[Prior art]
It is essential for a laser light source used for optical communication to oscillate in a single mode so that the waveform of an optical signal does not deteriorate due to propagation over a long distance. Typical lasers used for communication include a DFB (Distributed Feedback) or a DBR (Distributed Bragg Reflector) laser in which a grating is incorporated in a semiconductor laser. However, a laser made of only a semiconductor material has a problem that the oscillation wavelength shifts greatly with a change in temperature.
[0003]
Therefore, in order to use it in a DWDM system (Dense Wavelength Division Multiplexing System), which has been actively researched and developed in recent years, a device such as a built-in temperature adjustment mechanism is required, and there is a problem in cost. In order to solve these problems, there has been proposed a laser in which a grating is written in a silica-based waveguide having lower temperature dependency than a semiconductor material, and which is hybrid-integrated with a semiconductor amplifier.
[0004]
FIG. 2 is a diagram showing a typical configuration of a laser that is hybrid-integrated with a semiconductor amplifier. In the figure,
[0005]
However, as a method of solving this problem, a fine groove is formed on a quartz-based waveguide, and a material such as a polymer whose refractive index changes in temperature with a polarity opposite to that of a semiconductor material or a quartz-based glass material is guided in the opposite direction. By flowing into the groove on the path, the temperature change of the resonator length as a whole of the laser resonator matches the temperature dependence of the grating wavelength on the quartz waveguide, suppressing the temperature dependence of the oscillation wavelength and suppressing hopping. It has been proposed and reported to suppress it (Tanaka et. Al., "Hybrid integration external cavity laser with temperature dependent dependency mode hopping", Electron Lett. 1999, 35, pp17.
[0006]
However, even with the above-described waveguide type laser, the temperature dependence of the oscillation wavelength cannot be completely eliminated, and the necessity of incorporating a temperature adjustment mechanism in the module remains. Further, lasers using these gratings have a problem in terms of cost that a special process such as microfabrication or irradiation with ultraviolet light is required to make the grating.
[0007]
Furthermore, it has not yet been reported that a single-mode laser combining a quartz waveguide and a semiconductor amplifier can only oscillate at a certain wavelength determined by the grating, and that the oscillation wavelength was greatly changed and single-mode oscillation was stably realized. Absent.
[0008]
Further, as a small-sized tunable single-mode laser, a Grating Coupled Sampled Reflector Laser (B. Broberg et. Ishii et.al., "Quasicontinuous Wavelength Tuning in Super-Structure-Granting (SSG) DBR Lasers", IEEE J. Quantum Electron, vol. However, in order to actually control the oscillation wavelength, there is a problem that fine adjustment is required while monitoring the oscillation wavelength, and there is a major problem that it is difficult to provide a function of making the oscillation wavelength independent of temperature. Was.
[0009]
On the other hand, in a DWDM system that handles optical signals of different wavelengths, there is a system problem of how to deliver each signal to a target location, and various studies have been made. In the case of a small-scale network, it is possible to make one-to-one correspondence between wavelengths and paths to be used. However, considering a network that transmits a signal from an unspecified majority to an unspecified majority, such as a telephone, all of the callers receive all signals. It is practically impossible to prepare individual wavelengths and paths up to the receiver, and it is necessary to switch the path for each section. As the path switching method, there are a method of physically changing the route of the optical signal (see Japanese Patent Laid-Open No. 5-72575) and a method of switching the wavelength of the optical signal.
[0010]
Examples of proposals for a system using the latter include (M. Koka et. Al., “Design and performance of an optical path cross-connect system based on Lifetime Economics. 6, pp. 1106-1119, 1996). In these methods, it is necessary to prepare single-mode lasers having different wavelengths by the number of all output channels for each input channel, but no more than one laser is operating at a particular moment in each channel. There is a problem that an extra expensive laser must be provided.
[0011]
The present invention has been made in view of such a problem, and it is an object of the present invention to provide a waveguide type laser that omits a temperature adjustment mechanism and a fine processing or an ultraviolet irradiation process required at the time of making a grating. It is in.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve such an object, the present invention provides a waveguide type laser having a built-in reflecting mirror having wavelength selectivity in a resonator, wherein a waveguide type loop mirror is used for at least one end reflecting mirror. An arrayed waveguide grating is provided in a waveguide-type loop mirror, and the difference in waveguide length between individual arrayed waveguides in the arrayed waveguide grating is not a fixed one, but is two or more. The present invention is characterized in that each array waveguide is provided.
[0015]
According to a second aspect of the present invention , there is provided a waveguide type laser having a built-in reflecting mirror having wavelength selectivity in a resonator, wherein the waveguide type loop mirror is used as at least one end reflecting mirror. Within this, an arrayed waveguide grating and a waveguide type filter having an FSR different from the FSR (Free Spectral Range) of the arrayed waveguide grating are provided.
[0016]
According to a third aspect of the present invention, in the second aspect , a waveguide filter having a variable transmission wavelength is used as the waveguide filter.
[0019]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0020]
(Example 1)
FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of a waveguide type laser according to the present invention. In the drawing, reference numeral 11 denotes a quartz-based waveguide having a relative refractive index of 1% formed on a Si substrate, and
[0021]
The arrayed waveguide grating 12 is composed of nine arrayed waveguides, and is designed so that the waveguide length of the m-th arrayed waveguide from the innermost waveguide to the fourth is longer by ΔL1 than the adjacent inner waveguide. The fifth through ninth arrays are designed so that the waveguide length of the arrayed waveguide is longer than the adjacent inner waveguide by ΔL2. In addition, assuming that the effective refractive index of the waveguide is n and the speed of light in a vacuum is C, the design is such that C / nΔL1 = 200 · 10 9 and C / nΔL2 = 214 · 10 9 . The effective refractive index in the 1.5 μm band of the Δ1% waveguide used in the example was approximately 1.45, so that ΔL1 = 1,034 μm and ΔL2 = 965 μm.
[0022]
Further, grooves having a width proportional to the length of each arrayed waveguide with respect to the innermost waveguide were formed on the nine arrayed waveguides. This groove was divided into a plurality of grooves so that the groove width would not become too large in consideration of the propagation loss, and the groove width was designed so that the sum of the groove widths was proportional to the difference in the waveguide length of the transverse waveguide. In addition, a groove crossing all nine waveguides was created so as to cancel the temperature dependence of the entire resonator length consisting of the semiconductor amplifier and the quartz waveguide used. After forming the groove, a polymer material having a temperature dependence of the refractive index opposite to that of the quartz-based waveguide or the semiconductor amplifier was selected and injected into the groove.
[0023]
[0024]
A waveguide semiconductor amplifier made of InP was used as the semiconductor amplifier. The total length of the semiconductor amplifier was about 500 μm. The
[0025]
The length of the resonator composed of the waveguide loop mirror including the arrayed waveguide grating and the semiconductor amplifier was about 30 mm in vacuum. The fact that the length of one round of the resonator is approximately 30 mm in vacuum indicates that laser oscillation can be performed at intervals of about 10 GHz.
[0026]
FIG. 4 is a diagram showing characteristics of the completed arrayed waveguide grating portion. This is the transmission wavelength dependency from the port 13 to the
[0027]
FIG. 5 is an enlarged view of a peak having the largest transmittance. FIG. 5 also shows guidelines at intervals of 10 GHz. This value of 10 GHz corresponds to a resonance cycle at which laser oscillation is possible. Since the transmittances next to 10 GHz are greatly different from each other, it can be understood that only the light of a single wavelength oscillates from the peak of the transmittance.
[0028]
FIG. 6 is an IL characteristic diagram when the semiconductor amplifier is driven. The oscillation threshold was 45 mA, and an optical output of 1.2 mW was obtained when 100 mA was injected. FIG. 7 shows the laser oscillation spectrum at that time. The oscillation was a single mode oscillation, and the isolation was about 40 dB. Next, the entire laser was placed in a thermostat bath filled with dry air, and the ambient temperature was changed from 5 degrees to 50 degrees to evaluate the laser oscillation characteristics. FIG. 8 shows the oscillation intensity of the laser, and FIG. 9 shows the temperature dependence of the oscillation wavelength. All are data at the time of 100 mA current injection. Due to the temperature dependence of the gain of the semiconductor amplifier, the laser oscillation intensity changed from 1.25 mW to 0.6 mW. However, the laser oscillation wavelength depends on the temperature dependence of the AWG which is the wavelength selection element and the temperature dependence of the cavity length. Since the characteristics were simultaneously designed to be temperature-dependent, almost no temperature change was observed, and the temperature was ± 2.5 GHz or less over the entire range of environmental temperature change from 5 degrees to 50 degrees.
[0029]
(Example 2)
FIG. 3 is a diagram showing a second embodiment of the waveguide laser according to the present invention. In the figure,
[0030]
The first arrayed waveguide grating 32 is composed of nine arrayed waveguides such that the waveguide length of the m-th arrayed waveguide from the innermost waveguide type is longer by ΔL3 than the length of the adjacent inner waveguide. Designed. Incidentally, the effective refractive index of the waveguide is n, when the speed of light in a vacuum is C, was designed to be C / nΔL3 = 100 · 10 9 . Since the effective refractive index in the 1.5 μm band of the waveguide of Δ1% used in the example is approximately 1.45, ΔL3 = 2069 μm.
[0031]
The second arrayed waveguide grating 37 is composed of three arrayed waveguide gratings, and the waveguide length of the mth arrayed waveguide from the lowermost waveguide is longer than the length of the adjacent lower waveguide by ΔL4. It is designed to be. Incidentally, the effective refractive index of the waveguide is n, when the speed of light in a vacuum is C, designed to be C / nΔL4 = 2199 · 10 9 , became ΔL4 = 94μm.
[0032]
FIG. 10 is a detailed structural diagram of the second arrayed waveguide grating. In the second arrayed waveguide grating 37, a
[0033]
FIG. 11 is a diagram showing a change in transmission characteristics when the heater of the second arrayed waveguide is driven. With increasing voltage, the transmission band of the second arrayed waveguide could be controlled from about 1550 nm to 1560 nm.
[0034]
The waveguide type loop mirror including the above-mentioned first arrayed waveguide grating, the second arrayed waveguide grating, and a semiconductor amplifier are guided so that the resonator length is 60 mm in vacuum. The length between the waveguide loop mirror and the second arrayed waveguide grating was designed. The fact that the length of one round of the resonator is 60 mm means that the resonator frequency is 5.0 GHz.
[0035]
FIG. 12 shows the transmission characteristics of the first arrayed waveguide grating, the transmission characteristics of the second arrayed waveguide grating, and the total transmission characteristics when the resonator makes one round of the quartz waveguide portion. This is shown from 1545 nm to 1565 nm, which is the gain band of the semiconductor amplifier.
[0036]
The peaks in the transmission band of the first arrayed waveguide grating are arranged at intervals of 100 GHz and are on the ITU grid. In addition, a region where oscillation is possible is selected in the gain band of the semiconductor amplifier over about 10 nm according to the transmission characteristics of the second arrayed waveguide grating.
[0037]
Among the total transmission characteristics of the resonator composed of the waveguide-type loop mirror including the first arrayed waveguide grating and the quartz waveguide portion of the resonator including the second arrayed waveguide grating, the transmittance is highest. FIGS. 13 and 14 show enlarged views of the wavelength region. Referring to FIG. 13, it can be seen that the total transmission characteristic has a transmittance peak every 100 GHz. However, due to the characteristics of the second arrayed waveguide grating, only one peak selectively increases the transmittance. You can see that there is. Further, FIG. 14 shows that the width of one transmission peak of the total transmission characteristics is sufficiently narrow, and the longitudinal mode of the laser shifted by the resonator frequency of 5 GHz can be sufficiently suppressed.
[0038]
FIG. 15 is a diagram illustrating an example of the IL characteristics of the completed waveguide laser. In the characteristics when 0.4 W power was applied to the heater of the second arrayed waveguide grating, the threshold value of laser oscillation was 110 mA, and a laser output of 0.45 mW was obtained when 150 mA was applied. The output light from the laser at this time is shown in FIG. The oscillation was a single mode oscillation, the side mode and the like were sufficiently suppressed, and an isolation of about 30 dB was obtained. Next, FIG. 17 shows a change in laser oscillation wavelength when 150 mA is applied to the semiconductor amplifier and power is gradually applied to the heater of the second arrayed waveguide grating. The laser oscillation wavelength discretely changes as the driving power of the heater increases, and the oscillation wavelength is controlled on the ITU grid (interval of 100 GHz ± 2.5 GHz). Except at the time of switching the oscillation wavelength, single mode oscillation was observed at all wavelengths.
[0039]
In this example, a waveguide-type loop mirror having an arrayed waveguide grating was manufactured using a silica-based waveguide, but a semiconductor waveguide such as InP, an organic material such as a polymer, and an inorganic material such as garnet were used. Wave paths may be used.
[0040]
In the present embodiment, an arrayed waveguide grating having a small number of arrayed waveguides is used as a waveguide filter having a variable transmission wavelength, but the same effect can be obtained by using a Mach-Zehnder filter, a lattice filter, a transversal filter, or the like. can get.
[0041]
In the present embodiment, the thermo-optic effect of the heater is used for adjusting the transmission wavelength of the waveguide filter. However, the adjustment can be performed by irradiation of ultraviolet rays, electron beams, or radiation. When fabricated, it can also be adjusted by current injection or the like.
[0042]
In the present embodiment, the temperature dependence of the oscillation wavelength of the waveguide laser is eliminated by using a plurality of materials having different refractive index temperature changes, but the optical waveguide portion is formed by using a plurality of materials having different linear expansion coefficients. Even the method of controlling the applied stress can eliminate the temperature dependence of the oscillation wavelength of the waveguide laser.
[0043]
In the first embodiment of the present embodiment, the array waveguides of the array waveguide grating in the waveguide type loop mirror are divided into two groups on the inside and outside, but are divided into two groups for each array waveguide. A similar effect can be obtained.
[0044]
In the first embodiment of the present embodiment, the arrayed waveguides are divided into two groups and two types of waveguide length differences are provided. However, even if three or more groups are provided and three or more types of waveguide length differences are provided, the same applies. The effect of is obtained.
[0045]
Further, in this embodiment, one waveguide grating is provided in the waveguide type loop mirror. However, a plurality of arrayed waveguide gratings can be provided, and the oscillation wavelength can be selected by the Vernier effect.
[0046]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, in a waveguide type laser having a built-in reflecting mirror having wavelength selectivity in a resonator, a waveguide type loop mirror is used for at least one end reflecting mirror. An arrayed waveguide grating is provided in a loop mirror, and a difference in waveguide length between individual arrayed waveguides in the arrayed waveguide grating is not constant. Since the waveguide is provided, a single mode oscillation useful for optical communication can be performed by selecting an oscillation wavelength in the waveguide loop mirror. In addition, since an ordinary waveguide filter and process technology can be used without requiring special processes such as fine processing and ultraviolet irradiation, an inexpensive laser can be provided.
[0047]
In addition, since the transmission band wavelength of the array waveguide grating, which is a wavelength selection element, and the temperature dependence of the resonator length of the entire resonator including the semiconductor amplifier can be simultaneously athermalized, the oscillation wavelength of the completed waveguide laser can be reduced. Temperature independence is possible. Therefore, an expensive temperature control mechanism can be omitted, and an inexpensive laser module can be manufactured.
[0048]
Further, by utilizing the periodicity of the arrayed waveguide grating, it has become possible to manufacture a wavelength tunable laser having a large variable width at low cost in combination with a filter having a low wavelength selectivity but a variable wavelength.
Further, since the laser oscillation wavelength can be selected at a period determined by the periodicity of the arrayed waveguide grating, there is no need for fine adjustment such as placing the wavelength on a grid when changing the oscillation wavelength.
[0049]
Such a single-mode laser whose oscillation wavelength is independent of temperature and a single-mode laser whose laser oscillation wavelength can be varied over a wide range have conventionally been very expensive. However, according to the present invention, a low-cost and small waveguide is used. A single-mode laser can be provided, which greatly contributes to the construction of a WDM optical system in terms of price, and also contributes to miniaturization of devices such as exchangers.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of a waveguide laser according to a first embodiment.
FIG. 2 is a configuration diagram of a conventional waveguide laser which is a comparative example.
FIG. 3 is a configuration diagram of a waveguide laser according to a second embodiment.
FIG. 4 is a graph showing transmission characteristics of an arrayed waveguide type portion of the waveguide type laser according to the first embodiment.
FIG. 5 is a graph showing in detail a portion having a high transmittance among transmission characteristics of an arrayed waveguide type portion in the waveguide type laser according to the first embodiment.
FIG. 6 is a graph showing IL characteristics of the waveguide laser according to the first embodiment.
FIG. 7 is a graph showing an oscillation wavelength characteristic of the waveguide laser of the first embodiment.
FIG. 8 is a graph showing the temperature dependence of the laser oscillation intensity of the waveguide laser according to the first embodiment.
FIG. 9 is a graph showing the temperature dependence of the laser oscillation wavelength of the waveguide laser according to the first embodiment.
FIG. 10 is a configuration diagram showing in detail a second arrayed waveguide type structure of the waveguide type laser according to the second embodiment.
FIG. 11 is a graph showing a waveguide-type wavelength shift operation of a second array among the waveguide-type lasers of the second embodiment.
FIG. 12 shows a transmission spectrum of a waveguide type loop mirror including a first arrayed waveguide type, a transmission spectrum of a second arrayed waveguide type, and resonance of the waveguide type laser of the second embodiment. 6 is a graph in which transmission spectra of a quartz waveguide type portion of the vessel are superimposed.
FIG. 13 is a partially enlarged view of the spectrum diagram of FIG. 12;
FIG. 14 is a partially enlarged view of the spectrum diagram of FIG. 13;
FIG. 15 is a graph showing IL characteristics of the waveguide laser according to the second embodiment.
FIG. 16 is a graph showing the oscillation wavelength characteristics of the waveguide laser according to the second embodiment.
FIG. 17 is a graph showing an oscillation wavelength variable operation of the waveguide laser according to the second embodiment.
[Explanation of symbols]
11, 31 silica-based
24
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