JP3737595B2

JP3737595B2 - Micro optical circuit device

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Publication number: JP3737595B2
Application number: JP01955497A
Authority: JP
Inventors: 俊彦馬場
Original assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Priority date: 1997-02-03
Filing date: 1997-02-03
Publication date: 2006-01-18
Anticipated expiration: 2017-02-03
Also published as: JPH10221571A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、微小光回路装置に関するものであり、微小なディスクレーザと光結合素子を結合した高機能な微小光回路装置に関するものである。特にディスクレーザで発振する周回モードの光を微小な光回路により外部に取り出すようにしたものである。
【０００２】
【従来の技術】
光ファイバ通信は、現在、高速通信の主要媒体となりつつあるが、光加入者系や光ＬＡＮ、光インターコネクト等の新しい応用が広範囲に本格的に導入されるためには、高性能、高安定な光素子を大量に一括生産して安価に供給する必要がある。一方、もう一つの光の重要な応用である光ディスクメモリでも、読出や書き込みを行う光ヘッドの小型、高速化、低価格化等が望まれる。これらの要求を満たすために、光半導体や光学結晶、ガラスを主な材料として電子のＬＳＩ技術を応用して製作する集積型光素子や光回路の開発が進められている。これらはいくつかの光機能素子を組み合わせて一枚の基板上に集積化するもので、装置の性能向上、安定化、多機能化、低価格化などを図ることができる。しかし、電子のＬＳＩに比べるとその適用範囲は極めて限定され、集積規模も小さい。その理由の一つは、光が強い直進性をもっており、配線を容易に曲げることができないために、光素子や光回路がひたすら長いものにならざるを得ないという点にある。例えば、発光素子である半導体レーザや光検出器であるフォトダイオードは、いずれも数１００ミクロンの長さを持ち、一定の性能を維持しつつ適当に小型化することは通常できない。また、光の配線に当たる光導波路で許される曲げ半径は１ｍｍ前後であり、曲げ導波路を組み合わせて構成される代表的な光素子である方向性結合器や合流分岐回路は、数ｍｍ以上の長さを持つのが普通である。単体素子でこのような長さを有するのであるから、集積型光素子も回路長が当然長いものとなる。半導体素子で製作した比較的短い集積型素子でも１ｍｍ前後、石英ガラス系の比較的長い光回路になると数ｃｍに及ぶ。このような状況になると、集積型光素子や光回路の当初の目的である多機能化、小型化を容易に達成することができない。
【０００３】
このような問題を改善するために、光機能素子あるいは光導波路を半導体のような高屈折率をもつ機能性材料で構成し、周囲を空気あるいは極めて低い屈折率をもつ材料で覆う方法が一部に検討されている。こうすると、高い屈折率差によって、強い光閉じ込めが起こり、従来の高屈折率半導体どうしで構成される光回路と比べて、光導波路の曲げ半径を著しく小さくすることができる。従って、光回路全体を小さくすることができる。しかし、ここで注意しなければならないのは、現在のほとんどの光機能素子や光ファイバが単一モードで動作しているという点である。このような素子と光回路を整合させるには、当然、光回路も単一モード化する必要がある。しかし、上記のように材料間の高屈折率差を利用して光閉じ込めを強くすることは、内部に光が存在しやすい状況を作っているのと等価であるから、多モードとなるのが一般的である。単一モードにするには光閉じ込めを低下させる必要がある。つまり、強い閉じ込めと単一モード動作はそもそも相反することである。また仮に、無理やりにこのような高い屈折率差の材料で単一モードを実現しようとすると、光導波路の幅を１ミクロン以下にまで細くする必要がある。しかも、導波路を極めて平滑に形成しないと、屈折率差の２．５乗にほぼ比例すると言われる光散乱損失が非常に大きくなってしまい、効率の高い動作が望めない。そのためこれらの技術で単一モードの微小な光回路を構成することは困難なことである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、機能素子と光導波路を円形と扇形（半円形を含む）で構成し、それらをつなぎ合わせるか近づけることで、製作が容易で、単一モードで動作し、多機能、超小型の光回路を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
半導体のような高屈折率をもつ機能材料で円形の光導波路を構成し、周囲を低屈折率の材料で覆うと２つの材料の境界面で、全反射を繰り返しながら円形の中を周回するように光が進むモードが生じる。そのモードは全反射に基づくものではあるが境界面が曲率をもっているため、わずかな光が外側へ放射される。このようなモードは複数存在し得るが、周回の曲率が小さいほど放射が小さくなるため、内側を回るモードを散乱させることにより、実用上単一モードで光を周回させることができる。このような光導波路は、光閉じ込めが強い状態を維持しつつ単一モードを実現できる点で、従来のどのような導波路と比較しても優れている。
【０００６】
本発明は、このような単一モードを実現する円形導波路または、円形の一部である扇形光導波路（半円形を含む（以下、扇形は半円形を含む））を光学的に結合することによって様々な光回路を構成することを提案する。周回する光は、３６０度全ての方向を向いた光の成分を含んでいる。従って、あらゆる方向に光を取り出したり、急激に曲げることが可能になる。従って、長さばかりが増大してしまう従来の光回路と比べて２次元面内に均等に光素子を配置することができる。また、最適設計された円形や扇形の半径は１０ミクロン前後、あるいはそれ以下であり、光回路全体の著しい小型化が可能となり、そのため集積素子数の大幅な増大を実現できる。また、素子の小型化にともない、動作に必要となる電力も著しく低減できる。
【０００７】
図１１は本発明を適用するディスクレーザの説明図であって、微小円形ディスク型半導体レーザである。図１１ (a)はディスクレーザ装置の断面図であり、図１１ (b)はその平面図であり、図１１ (c)はその概念図である。１８１は電極であって、台座１８２と電気的に接続され、駆動回路１８６からの電流を流すものである。１８２は台座であって、ディスク１８３と同じ材料であり、例えば、Ｐ型の不純物をドープしたものである。１８３はディスクであって、円形ディスクであり、例えば、不純物をドープしていない化合物半導体である。１８４は台座であって、ディスク１８３と同じ材料であり、例えば、Ｎ型をドープするものである。台座１８２、ディスク１８３と台座１８４によりＰＮ接合を形成し、ディスクレーザとなる。１８５は基板であって、ディスクレーザを支持する基板である。
【０００８】
ディスクレーザは、１９９２年にアメリカで提案され、基本動作が実証されているものである。電流を上下の電極１８１、台座１８２から流し込むと、電子と正孔がディスク１８３を支える台座（１８２、１８４）からディスク１８３へ注入され、ディスク１８３の周辺部へと広がる。そして、ディスク１８３の中を周回するモードが誘導放出現象によって増幅され、発振に至る。台座１８２、１８４があるため、内側を周回しようとするモードは散乱されてしまいほとんど導波できない。従って、発振するレーザ光は最も外側を周回するモードのみとなる。レーザ光は円形ディスクの中を回っているため、わずかな放射がある以外は、理論的には外側にほとんど取り出すことができない。しかし、実際は、円形ディスクの側面の荒れ等によって、一部の光が外部へ散乱されるためにレーザ発振を確認できる。
【０００９】
図１２はディスクレーザの発振特性の例を示す図である。
図１２ (a)はディスクレーザを示し、ディスクの円周にそっての時計方向のレーザ発振と反時計方向のレーザ発振があることを示す。そして、その一部の光が円周付近からもれ出ることを表している（エバネセント光）。
図１２ (b)は注入電流と光出力の関係の実験結果である。図１２ (c)は、波長と光出力の関係を注入電流をパラメータにして求めた実験結果である。
【００１０】
そこで、本発明は、このディスクレーザを使用し、以下のような光回路装置を構成する。即ち、ディスクレーザと光結合器を備えた微小光回路装置において、ディスクレーザはその周辺部を周回する光モードを発生するものであって、その一部は外部にもれて出る光を生じるものであり、光結合器はそのもれ出る光を入射して外部に伝播させるようにした。
【００１１】
図１は本発明の原理説明図である。図１ (a)はディスクレーザ装置であり、図１ (b)は周回モードの発振光と出力光の関係を示す。
図１において、１、３は電極である。２はディスクレーザであって、ディスクを周回する発振モードのレーザ光を発生するものである。４は駆動回路であって、ディスクレーザ２のレーザ発振の駆動回路である。２１は光結合器であって、ディスクレーザ２で発振した周辺モードの光のうちの一部を取り出すものである。例えば、ディスクレーザ２と同じ材料であり、ディスクレーザ２が円形ディスクの場合に、光結合器２１のディスクレーザ２と光学的に結合するものであり、ディスクレーザ２で発振する周回モードのレーザ光のうち外にもれだす光（エバネセント光）を入射して、外部に出力する光導波路である。２２は結合光であって、ディスクレーザ２で発振する周回モードのエバネセント光である。２３は出力光であって、光結合器２１に入射された周回モードのレーザ光が光結合器２１の内部を伝播して外部に出力されたものである。
【００１２】
図１の構成の動作を説明する。
駆動回路４によりディスクレーザ２に駆動電流を流す。ディスクレーザ２は、例えば円形ディスクであるとすると、前述の説明のように、周辺部を周回するモードのレーザ発振光を生じる。その光の一部は、周辺部からもれ出す。光結合器２１を、屈折率、材料の組成および形状等を結合光２２を入射するように構成し、内部を伝播させて外部に出力する。例えば、光結合器の材料をディスクレーザと同じ材料で作り、円板の一部に切り欠けを設けたような形状とすることにより結合光２２が光結合器２１の内部を伝播し、外部に出力できる。ディスクレーザ２のレーザ発振光のうちの多くを取り出しすぎるとディスクレーザ２の発振が停止し、少ないと出力光２３のパワーが小さくなるので、ディスクレーザ２と光結合器２１の結合部の間隔、光結合器２１の周辺部の曲率等を、この条件をうまく満たすように設計する。
【００１３】
本発明によれば、ディスクレーザの周辺を周回する光は、３６０度全ての方向を向いた光の成分を含んでいる。従って、あらゆる方向に光を取り出したり、急激に曲げることが可能になる。従って、長さが増大する従来の光回路と比べて２次元面内に均等に光素子を配置することができる。また、最適設計されたディスクレーザや光結合器の円形や扇形の半径は１０ミクロン前後、あるいはそれ以下であり、光回路全体の著しい小型化、あるいは集積素子数の大幅な増大が可能である。また、素子の小型化にともない、動作に必要となる電力も著しく低減できる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図２は本発明の実施例１である。図２ (a)は側面図であり、図２ (b)は平面図である。図２ (c)はディスクレーザにおける円周モードのレーザ発振光と光結合器の関係を説明する図である。
【００１５】
図２ (a)、 (b)、 (c)において、
３１は電極であって、ディスク３３に駆動回路（図示せず）から供給される電流を流すための電極である。例えば、ＧａＩｎＡｓＰとＡｕにより構成される。３２は台座であって、例えば、直径が３〜１０μｍのＩｎＰ等の化合物半導体で構成し、Ｐ型もしくはＮ型の不純物をドープしたものである。３３はディスクレーザのディスクであって、例えば、ＩｎＰ等の不純物をドープしない化合物半導体である。直径が１〜３０μｍであり、ＩｎＰで構成する。３４は台座であって、例えば、Ｐ型もしくはＮ型の不純物をドープしたものである。台座３２、ディスク３３、台座３４とによりＰＮ接合を作り、ディスクレーザを構成する。台座３２、３４とディスク３３を合わせた厚さはおおよそ２〜５μｍ程度である。３５は基板である。４１は光結合器の電極であって、使用しなくても良いが、電流を流して光結合器４３の光伝播を制御するのに使用できる。
【００１６】
４２は光結合器側の台座であり、使用しなくても良いが、順方向にバイアスして光伝播を制御するか、あるいは逆方向にバイアスして、光の検出感度を調整する等に使用できる。４３は光結合器であって、ディスク３３と同じ材料で構成された半円形のものであり、ディスク３３からもれる円周モードのレーザ光（エバネセント光）を入力して内部を伝播させ、その辺の直線部からレーザ光を出力するものである。光結合器４３とディスク３３の間隔は、０．２〜１μｍであり、ディスクレーザで発振しているレーザ光を取り出し過ぎるとレーザ発振が停止するので、レーザ発振を停止させない程度にできるだけ多くの光を集めることができるように定める。
【００１７】
図２ (a)、 (b)において、ディスクレーザのディスクと台座の材料の関係は、上記のほかＧａＡｓ（ディスク）／ＡｌＧａＡｓ（台座）、ＩｎＧａＮ（ディスク）／ＡｌＧａＮ（台座）等のレーザ発振させることのできる他の材料でも良い。通常、ディスク３３は不純物をドープしない材料であり、台座３２はＰ型、台座３４はＮ型、あるいはその反対に台座３２はＮ型、台座３４はＰ型として、ＰＮ接合をつくる。上記の説明では、光結合器４３はディスク３３と同じ材料で構成する場合を説明したが、ディスク３３と異なる結晶でも可能である。但し、ディスクレーザのレーザ発振光を取り出し過ぎるとレーザ発振が停止するので、レーザ発振を停止させない程度にできるだけ多くの光を集め、効率良く光結合器内部を伝播して外部に出力できる材料を選択する必要がある。
【００１８】
電極３１と基板３５の間に駆動回路（図示せず）から電流を流し、ディスク３３にレーザ発振させる。前述したように、ディスク３３に図２ (c)に示すような周辺を周回する反時計回りおよび時計回りのレーザ光が発振する。そのレーザ光の一部はディスク３３からもれ出し光結合器４３に入射される。光結合器４３の材料および形状、およびディスク３３と光結合器４３の間の間隔は、前述したように、レーザ発振が停止しない程度にできるだけ多くの光を取り出せるように選択し、また光結合器４３に入射された光が効率良く内部を伝播して外部に出力されるように、形状、材料を選択する。
【００１９】
図２のような構成で、例えば、ディスク３３の直径３μｍに０．９ｍＡの定電流を流すことにより単一モードのレーザ発振が得られ、このような微小な大きさでも十分な低損失の導波モードが得られる。
【００２０】
図３は本発明の実施例２である。以下、本発明の各実施例をレーザ装置の平面図のみで説明するが、各ディスクレーザ、光結合器は図２と同様に台座、ディスク、電極を備えるものである。また、レーザ光を表す矢印の矢の向きは時計方向もしくは反時計方向のモードであることを表す。双方向の矢印は、時計方向および反時計方向のモードがあることを表す。
【００２１】
図３ (a)は前述の実施例１と同じものであり、光結合器４３をディスクと同じ直径の半円形で構成したものである。材料はディスク３３と同じである。ディスク３３に励起された円周モードのしみ出す光（エバネセント光）を半円形の光結合器４３に結合させて光出力を得ることができる。
周回モードの光が進む向きに対して光導波路の端面を垂直にすることで、ディスクレーザの発振光を光は最も効率よく外部に放射させることができる。
【００２２】
図３ (b)は光結合器を扇形にしたものである。３３はディスクであり、４３は光結合器である。
光結合器４３の扇形の角度（中心角）を変えることにより様々な角度に光を取り出すことができる。
【００２３】
図３ (c)は半円形の複数の光結合器をディスクレーザに光結合させ、複数の光出力を得るようにしたものである。図３ (c)において、３３はディスクであり、５１は光結合器１、５２は光結合器２、５３は光結合器３、５４は光結合器４、５５は光結合器５である。
【００２４】
ディスク３３で発振した時計方向、反時計方向のレーザ光のエバネセント光は、光結合器１、光結合器２、光結合器３、光結合器４、光結合器５に入射され、それぞれの光結合器から光出力を得ることができる。この場合にも、光結合器を扇形として、角度を変えることにより様々の角度に光出力を得ることが可能である。
【００２５】
図４は本発明の実施例３である。光結合器の一端に２つの４５度面をもつコーナ反射鏡を配置し、出力される光モードを一定方向に回るモードに揃えたものである。円形レーザでは時計回りと反時計回りの２方向のモードに性質的に全く差がないためどちらの光も発振する。このような２方向の光のうち一方をコーナ反射鏡で反射させ一方向に揃えて出力するものである。この場合も扇形の角度を変えれば、任意方向に出力することができる。
【００２６】
図４ (a)は、半円形の光結合器の一端に反射鏡を設けたものである。３３はディスクレーザのディスク、４３は光結合器、６０はコーナ反射鏡であり、光出力のある面に対して４５度の角度で設けられたものである。ディスク３３で励起された時計方向および反時計方向の光は、ともに光結合器４３に入射される。そのうち反時計方向の周回モードの光はコーナ反射鏡６０で反射され、時計方向の周回モードの光となって、光出力される。ディスク３３で励起された時計方向の周回モードの光は、反射されることなく光出力される。
【００２７】
図４ (b)は光結合器を扇形として、一端部に反射鏡を設けたものである。３３はディスクレーザのディスク、４３は光結合器、６０はコーナ反射鏡であり、切りかきの一辺に対して４５度の角度をもって設けられたものである。
【００２８】
図４ (a)と同様に、ディスク３３で励起された時計方向および反時計方向の光はともに光結合器４３に入射される。そして、反時計方向の周回モードの光はコーナ反射鏡６０で反射され、反時計方向の周回モードの光になって出力される。ディスク３３で励起された時計方向の光は光結合器４３に入射された後、反射されることなく伝播して外部に出力される。本実施例によれば、光結合器４３の扇形の角度を変えることにより、様々な角度でレーザ光を取り出すことができる。
【００２９】
図５は、本発明の実施例４である。図５は、扇形を複数枚接続して長い導波路、あるいは複雑に曲がる導波路を構成したものである。周回モードの光パワーを複雑に曲がる導波路に導くことにより所定の方向と位置に導くことを可能にしたものである。周回モードの光パワーは周辺部に集中しているので、接続する半円や扇形の光結合器の端が１μｍ程度重なるように接続すると、光の接続損失を小さく抑えて、次の光結合器に導くことができる。
【００３０】
図５において、３３はディスクレーザのディスクである。６０はコーナは反射鏡であって、反時計方向の周回モードの光を反射させて時計方向の周回モードの光とするものである。６１は光結合器１であって、ディスク３３の周回モードのレーザ光のエバネセント光を入射して、時計方向の光はそのまま伝播し、反時計方向の光はコーナ反射鏡６０で反射させて時計方向の光として伝播させ、次段の光結合器２に導くものである。６２は光結合器２であって、光結合器１を周回して伝播してきたレーザ光を入射し、内部で伝播させて、次段の光結合器３に受け渡すものである。６３は光結合器３であって、光結合器２を伝播するレーザ光を入射し、内部で伝播させて次の光結合器４に受け渡すものである。６４は光結合器４であって、光結合器３を伝播するレーザ光を入射し、内部で伝播させて、次の光結合器５に受け渡すものである。６５は光結合器５であって、光結合器４を伝播するレーザ光を入射し、内部で伝播させて外部に出力するものである。
【００３１】
６６は光結合器６であって、ディスク３３の周回モードのレーザ光のエバネセント光を入射するものである。６７は光結合器７であって、ディスク３３の周回モードの光を入射して、時計方向の光はそのまま伝播し、反時計方向の光はコーナ反射鏡６０で反射させて時計方向の光として伝播させ、次段の光結合器７に導くものである。６８は光結合器８であって、光結合器７を周回して伝播したレーザ光を入射し、内部で伝播させて次の光結合器９に受け渡すものである。６９は光結合器９であって、光結合器８を伝播するレーザ光を入射し、内部を伝播させて外部に出力するものである。
【００３２】
図５の構成の動作を説明する。
ディスク３３で発振した周回モードのレーザ光のエバネセント光は光結合器１および光結合器６に入射される。光結合器１に入射した周回モードのレーザ光は、その内部を伝播し、次の光結合器２に入射される。その光は光結合器２を伝播して、光結合器３に入射され、内部を伝播して光結合器４に入射される。同様にその周回モードの光は光結合器４を伝播し、光結合器５に入射され、内部を伝播して外部に出力される。このように、ディスクレーザから取り出された周回モードの光は、各光結合器の周辺を損失なく伝播し、外部に出力される。
ディスク３３で発振した周回モードの光のエバネセント光は、光結合器６にも入射され、同様に光結合器７、光結合器８、光結合器９を伝播して外部に出力される。
【００３３】
図６は、本発明の実施例５である。
図５は大きさの異なる半円または扇形を接続することで、モードサイズ変換器を構成した例である。周回モードの光パワー分布の半径方向の広がりは、扇の半径が大きいほど大きくなる。従って、小さいディスクから大きなディスクへ光が入射すると大きなモードへ光パワーの変換が起こる。小さなレーザと大きな半円または扇形を組み合わせると、定電力で動作するレーザの光を大きなモードサイズで取り出すことができる。
【００３４】
図６ (a)において、３３はディスクレーザのディスクである。７１は光結合器１、７２は光結合器２、７３は光結合器３である。
光結合器１（７１）と光結合器２（７２）はディスク３３と同じ半径であり、光結合器３（７３）はそれらより大きい半径であって、光結合器２（７２）の光を入射して、周回半径の大きいモードに変換して光出力するものである。
【００３５】
図６ (a)の構成において、ディスク３３で発振したレーザ光のエバネセント光が光結合器１（７１）に入射される。光結合器１（７１）に入射された光は光結合器１（７１）を伝播して光結合器２（７２）に入射され、さらに光結合器２（７２）を伝播して、光結合器３（７３）に入射される。光結合器３（７３）において、周回半径の大きいモードの光となって伝播し、光出力される。
【００３６】
図６ (b)において、３３はディスクである。７５は光結合器であって、ディスク３３より半径の大きいものである。ディスク３３で発振したレーザ光のエバネセント光が光結合器７５に入射される。光結合器７５は半径が大きいので、周回半径の大きい光モードとなって、内部を伝播し、外部に光出力される。
【００３７】
図７は本発明の実施例６である。図７は、図６のように光のモードサイズ変換をする光変換器にさらに２つの小さな光結合器を接続して分岐回路を構成したものである。
図７おいて、３３はディスクレーザのディスクである。８１は光結合器１、８２は光結合器２、８３は光結合器３、８４は光結合器４、８５は光結合器５である。
【００３８】
光結合器１（８１）と光結合器２（８２）はディスクと同じ半径である。光結合器３（８３）は光結合器２（８２）より大きい半径であって、光結合器２（８２）を伝播した光を入射して、周回半径の大きい光モードとして内部を伝播させるものである。光結合器４（８４）と光結合器５（８５）は、光結合器３（８３）より、小さい半径のものであり、例えば、光結合器２（８２）と同じ半径である。また、光結合器４（８４）と光結合器５（８５）は、図のようにそれぞれに入射された光を異なる方向に分岐させるように配置する。
【００３９】
ディスク３３で発振したレーザ光のエバネセント光は、光結合器１（８１）に入射され、その内部を伝播して光結合器２（８２）に入射される。さらにその内部を伝播して、光結合器３（８３）に入射される。光結合器３（８３）に入射された光はその内部を周回半径の大きい光モードとなってその内部を伝播し、光結合器４（８４）、光結合器５（８５）に入射される。光結合器４（８４）、光合器５（８５）に入射された光は、それぞれの周辺部を周回し、光出力される。
【００４０】
図８は本発明の実施例７である。
一つの円形の光結合器と２つの半円形もしくは扇形の光結合器を組み合わせてリング共振器を構成したものである。図８において、９１は光結合器１であって、半円形もしくは扇形である。９２は光結合器２であって、円形ディスクレーザのディスクである。９３は光結合器３であって、半円形もしくは扇形である。
【００４１】
光結合器１（９１）には、波長λ₁、λ₂ の多重光が入射されているとする。その光は光結合器１（９１）を伝播して光結合器２と光結合する。そして、光結合器２（９２）には波長制御電流を流し、屈折率を変えることにより共振波長を制御する。円形の光結合器２（９２）と共振条件を満足する光が光結合し、光結合器２（９２）を周回する。例えば、光結合器２（９２）の共振波長がλ₁ になるように波長制御電流が流されているとすると、光結合器１（９１）に入射される多重光のうち波長λ₁ の光のみが共振し、光結合器２（９２）を伝播する。そして、光結合器３（９３）と光結合し、光結合器３（９３）から波長λ₁の光のみが出力される。
【００４２】
このように図８の構成により、円形の光結合器２（９２）のディスクに流す波長制御電流を変化させることにより取り出せる波長を変えることができる。
【００４３】
図９は本発明の実施例８であり、３つの円形のディスクと一つの扇形の光結合器を組み合わせて波長可変レーザを構成したものである。
図９において、３３はディスク１であり、レーザ駆動電流を流して、周回モードのレーザ光を発振させるものである。３３’はディスク２であって、ディスク３３に接近させて両者の間で強い光結合があるようにし、ディスク１（３３）の発振光と共鳴するようにする。そしてディスク２（３３’）には波長制御電流を流して共振波長を制御し、ディスク１（３３）の発振レーザ光の波長を制御するものである。９５は光結合器であって、ディスク２（３３’）に生じる共振波のエバネセント光を入射して外部に出力するものである。９６はモニタ用ディスクであって、ディスク１（３３）と弱い光結合をするように配置する。そして、ＰＮ接合に対して逆バイアスする電圧を印加して、空乏層の幅を広げ、ディスク１（３３）の発振をモニタするものである。
【００４４】
図９の構成の動作を説明する。
ディスク１（３３）には、定常的なレーザ駆動電流を流す。そして、他方のディスク２（３３’）に波長制御電流を流すことで、ディスク２（３３’）の屈折率を変化させることにより共振波長を制御する。ディスク２（３３’）の波長とする共振する波長のレーザ光の周回モードの発振がディスク１（３３）に生じる。ディスク２（３３’）に生じたその共鳴波長のレーザ光は光結合器９５から外部に出力される。また、モニタ用ディスク９６には逆バイアスを加えておいて検出感度を上げ、ディスク１（３３）の発振をモニタする。上記のように、図９のような構成で、ディスク２（３３’）に波長制御電流を流すことによりディスク１（３３）に励起されるレーザ光の波長を制御することができ、その波長のレーザ光を外部に出力することができる。
【００４５】
図１０は本発明の実施例９であり、２つの円形のディスクにより光ディスクメモリの記憶内容を検出するヘッドとしたものである。
図１０ (a)、図１０ (b)、図１０ (c)において、３３はディスクレーザのディスクである。９８は光検出器であって、ディスク３３と同じ形状、材料で構成されるものである。９９は光ディスクメモリである。
【００４６】
図１０の構成の動作を説明する。
ディスク３３からはエバネセント光が外部にしみ出す。ディスク３３に凹凸がある物質に近づけるとこの光は、凸部において光結合が強くなるので、この物質の方に強く吸収または散乱され、レーザ光の放射量が増える（図１０ (c)参照）。また、凹部に近づくと光結合が弱くなるので、レーザ光の放射量も少なくなる（図１０ (b)参照）。あらかじめ、レーザの発振条件を凸部に近づいた時に発振が停止、凹部に近づいた時は発振が停止しないように最適化しておけば、凸部が近づいた時に発振が停止、凹部が近づいた時には発振を再開することができる。このような状況を上に配置した円形のディスクにより構成される光検出器９８により検出すればレーザの発振の停止と再開の様子を電気信号として読み出すことができる。
【００４７】
エバネセント光のしみ出し距離は０．２μｍ程度であるので、凹凸の分解能もこれと同等もしくはそれ以上となり、超高密度光ディスクメモリのヘッドや光学波長以下の微細表面を観測するためのセンサとして使用することができる。
上記のような複数の円形や扇形を近接させて光結合を起こすための間隔は０．１μｍ〜０．５μｍ程度であり、リソグラフィ技術と微細加工技術で実現することが可能である。
【００４８】
【発明の効果】
本発明の微小光回路によれば、従来の光回路で数ｍｍ以上の長さを必要としていた方向性結合器、合流分岐回路などを全て数μｍ程度に小さく構成できる。そして、かなり複雑な光回路でも数１０μｍ程度の大きさに収めることが可能である。それらは、単純な円形や扇形の光結合器の配置あるいは接続であり、様々な素子や回路の設計および製作が容易となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理図である。
【図２】本発明の実施例１を示す図である。
【図３】本発明の実施例２を示す図である。
【図４】本発明の実施例３を示す図である。
【図５】本発明の実施例４を示す図である。
【図６】本発明の実施例５を示す図である。
【図７】本発明の実施例６を示す図である。
【図８】本発明の実施例７を示す図である。
【図９】本発明の実施例８を示す図である。
【図１０】本発明の実施例９を示す図である。
【図１１】本発明を適用するディスクレーザの説明図である。
【図１２】ディスクレーザの発振特性を示す図である。
【符号の説明】
１：電極
２：ディスクレーザ
３：電極
４：駆動回路
２１：光結合器（導波路）
２２：結合光（エバネセント光）
２３：出力光[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a minute optical circuit device, and more particularly to a highly functional minute optical circuit device in which a minute disk laser and an optical coupling element are combined. In particular, circular mode light oscillated by a disk laser is extracted to the outside by a small optical circuit.
[0002]
[Prior art]
Optical fiber communication is now becoming a major medium for high-speed communication. However, new applications such as optical subscriber systems, optical LANs, and optical interconnects will be introduced in a wide range on a full scale. It is necessary to mass-produce optical elements and supply them at low cost. On the other hand, in an optical disk memory, which is another important application of light, it is desired to reduce the size, speed, and price of an optical head for reading and writing. In order to satisfy these requirements, development of integrated optical devices and optical circuits manufactured by applying electronic LSI technology using optical semiconductors, optical crystals, and glass as main materials has been underway. These are a combination of several optical functional elements that are integrated on a single substrate, and can improve the performance of the device, stabilize it, increase its functionality, and reduce the price. However, compared with electronic LSIs, the application range is extremely limited and the integration scale is small. One of the reasons is that the light element has a strong linearity and the wiring cannot be bent easily, so that the optical element and the optical circuit have to be long. For example, a semiconductor laser that is a light-emitting element and a photodiode that is a photodetector each have a length of several hundred microns, and cannot normally be appropriately reduced in size while maintaining a certain level of performance. Also, the bending radius allowed for the optical waveguide that hits the optical wiring is around 1 mm, and directional couplers and merging / branching circuits, which are typical optical elements configured by combining bending waveguides, have a length of several mm or more. It is normal to have a length. Since the single element has such a length, the integrated optical element naturally has a long circuit length. Even a relatively short integrated element made of a semiconductor element has a length of about 1 mm, and it takes several centimeters for a relatively long quartz glass-based optical circuit. In such a situation, it is not possible to easily achieve the multi-function and miniaturization, which are the original purposes of the integrated optical device and optical circuit.
[0003]
In order to solve such problems, there is a method in which the optical functional element or optical waveguide is composed of a functional material having a high refractive index, such as a semiconductor, and the periphery is covered with air or a material having an extremely low refractive index. Has been considered. In this way, strong optical confinement occurs due to a high refractive index difference, and the bending radius of the optical waveguide can be significantly reduced as compared with a conventional optical circuit composed of high refractive index semiconductors. Therefore, the entire optical circuit can be reduced. However, it should be noted here that most current optical functional elements and optical fibers operate in a single mode. In order to match such an element with an optical circuit, naturally, the optical circuit also needs to be made into a single mode. However, strengthening optical confinement by utilizing the high refractive index difference between materials as described above is equivalent to creating a situation where light is likely to exist inside, so it becomes multimode. It is common. To achieve a single mode, it is necessary to reduce optical confinement. In other words, strong confinement and single mode operation are contradictory in the first place. Also, if it is attempted to realize a single mode with such a material having a high refractive index difference, the width of the optical waveguide needs to be reduced to 1 micron or less. Moreover, if the waveguide is not formed very smoothly, the light scattering loss, which is said to be approximately proportional to the refractive index difference of 2.5, becomes very large, and high-efficiency operation cannot be expected. Therefore, it is difficult to configure a single-mode micro optical circuit with these techniques.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
In the present invention, the functional element and the optical waveguide are configured in a circular shape and a sector shape (including a semi-circular shape), and they are connected or brought close to each other. An object is to provide an optical circuit.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
When a circular optical waveguide is formed of a functional material having a high refractive index such as a semiconductor and the periphery is covered with a low-refractive index material, it circulates in the circle while repeating total reflection at the interface between the two materials. In this mode, light travels through. Although the mode is based on total reflection, since the boundary surface has a curvature, a small amount of light is emitted to the outside. There can be a plurality of such modes. However, since the radiation becomes smaller the smaller the curvature of circulation, light can be practically circulated in a single mode by scattering the mode traveling inside. Such an optical waveguide is superior to any conventional waveguide in that a single mode can be realized while maintaining a strong light confinement state.
[0006]
The present invention optically couples a circular waveguide that realizes such a single mode or a fan-shaped optical waveguide that is a part of a circle (including a semicircle (hereinafter, a fan includes a semicircle)). It is proposed to construct various optical circuits. The circulating light contains light components directed in all directions of 360 degrees. Therefore, it is possible to extract light in all directions or bend it rapidly. Therefore, it is possible to arrange the optical elements evenly in the two-dimensional plane as compared with the conventional optical circuit in which only the length increases. In addition, the radius of the optimally designed circle or sector is about 10 microns or less, and the entire optical circuit can be significantly reduced in size, so that the number of integrated elements can be greatly increased. In addition, with the miniaturization of elements, the power required for operation can be significantly reduced.
[0007]
FIG. 11 is an explanatory diagram of a disk laser to which the present invention is applied, and is a microcircular disk type semiconductor laser. 11A is a sectional view of the disk laser device, FIG. 11B is a plan view thereof, and FIG. 11C is a conceptual diagram thereof. Reference numeral 181 denotes an electrode which is electrically connected to the pedestal 182 and allows a current from the drive circuit 186 to flow. Reference numeral 182 denotes a pedestal, which is made of the same material as the disk 183 and is doped with, for example, P-type impurities. Reference numeral 183 denotes a disk, which is a circular disk, for example, a compound semiconductor not doped with impurities. Reference numeral 184 denotes a pedestal, which is made of the same material as that of the disk 183. For example, it is doped with N-type. A PN junction is formed by the base 182, the disk 183 and the base 184 to form a disk laser. A substrate 185 is a substrate that supports the disk laser.
[0008]
The disk laser was proposed in the United States in 1992 and its basic operation has been demonstrated. When current is supplied from the upper and lower electrodes 181 and the pedestal 182, electrons and holes are injected from the pedestals (182 and 184) supporting the disk 183 into the disk 183 and spread to the periphery of the disk 183. Then, the mode that circulates in the disk 183 is amplified by the stimulated emission phenomenon, leading to oscillation. Since there are the bases 182 and 184, the mode which tries to go inside is scattered and hardly guided. Therefore, the oscillating laser beam is only in the mode that goes around the outermost side. Since the laser light travels around the circular disk, it can theoretically hardly be extracted outside except for a slight emission. However, in practice, laser oscillation can be confirmed because part of the light is scattered to the outside due to roughness of the side surface of the circular disk.
[0009]
FIG. 12 is a diagram showing an example of the oscillation characteristics of the disk laser.
FIG. 12A shows a disk laser, which shows that there is clockwise laser oscillation and counterclockwise laser oscillation along the circumference of the disk. This indicates that part of the light leaks from the vicinity of the circumference (evanescent light).
FIG. 12B shows the experimental result of the relationship between the injection current and the light output. FIG. 12 (c) shows the experimental results obtained by determining the relationship between the wavelength and the optical output using the injection current as a parameter.
[0010]
Therefore, the present invention uses the disk laser to constitute the following optical circuit device. That is, in a micro optical circuit device equipped with a disk laser and an optical coupler, the disk laser generates an optical mode that circulates around its peripheral part, and part of it generates light that leaks to the outside. In the optical coupler, the leaked light is incident and propagated to the outside.
[0011]
FIG. 1 is a diagram illustrating the principle of the present invention. FIG. 1 (a) shows a disk laser device, and FIG. 1 (b) shows the relationship between oscillation light and output light in a circular mode.
In FIG. 1, 1 and 3 are electrodes. Reference numeral 2 denotes a disk laser which generates laser light in an oscillation mode that goes around the disk. A drive circuit 4 is a drive circuit for laser oscillation of the disk laser 2. An optical coupler 21 extracts a part of the peripheral mode light oscillated by the disk laser 2. For example, when the disk laser 2 is a circular disk, it is optically coupled with the disk laser 2 of the optical coupler 21 when the disk laser 2 is a circular disk. In this optical waveguide, light that leaks out (evanescent light) is incident and output to the outside. Reference numeral 22 denotes coupled light, which is a circular mode evanescent light oscillated by the disk laser 2. Reference numeral 23 denotes output light, which is a circular mode laser beam incident on the optical coupler 21 that propagates through the optical coupler 21 and is output to the outside.
[0012]
The operation of the configuration of FIG. 1 will be described.
A drive current is passed through the disk laser 2 by the drive circuit 4. If the disk laser 2 is, for example, a circular disk, as described above, it generates laser oscillation light in a mode that circulates around the periphery. Part of the light leaks from the periphery. The optical coupler 21 is configured so that the coupled light 22 is incident on the refractive index, the material composition and the shape, etc., and propagates inside and outputs to the outside. For example, the material of the optical coupler is made of the same material as that of the disk laser, and a shape in which a notch is provided in a part of the disk makes the coupled light 22 propagate inside the optical coupler 21 and to the outside. Can output. If too much of the laser oscillation light of the disk laser 2 is taken out, the oscillation of the disk laser 2 is stopped, and if it is less, the power of the output light 23 is reduced, so that the interval between the coupling portions of the disk laser 2 and the optical coupler 21 The curvature of the periphery of the optical coupler 21 is designed so as to satisfy this condition well.
[0013]
According to the present invention, the light circulating around the periphery of the disk laser includes light components directed in all directions of 360 degrees. Therefore, it is possible to extract light in all directions or bend it rapidly. Accordingly, the optical elements can be arranged evenly in the two-dimensional plane as compared with the conventional optical circuit whose length is increased. In addition, the optimally designed disk laser or optical coupler has a circular or sector radius of about 10 microns or less, and the entire optical circuit can be significantly reduced in size or the number of integrated elements can be greatly increased. In addition, with the miniaturization of elements, the power required for operation can be significantly reduced.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 2 shows a first embodiment of the present invention. FIG. 2A is a side view, and FIG. 2B is a plan view. FIG. 2 (c) is a diagram for explaining the relationship between the lasing light in the circumferential mode and the optical coupler in the disk laser.
[0015]
In Fig. 2 (a), (b), (c)
Reference numeral 31 denotes an electrode, which is an electrode for allowing a current supplied from a drive circuit (not shown) to flow through the disk 33. For example, it is composed of GaInAsP and Au. Reference numeral 32 denotes a pedestal, which is made of, for example, a compound semiconductor such as InP having a diameter of 3 to 10 μm and doped with P-type or N-type impurities. Reference numeral 33 denotes a disk laser disk, which is a compound semiconductor not doped with impurities such as InP. It has a diameter of 1 to 30 μm and is composed of InP. Reference numeral 34 denotes a pedestal, which is doped with a P-type or N-type impurity, for example. A PN junction is formed by the pedestal 32, the disk 33, and the pedestal 34 to constitute a disk laser. The total thickness of the pedestals 32 and 34 and the disk 33 is about 2 to 5 μm. Reference numeral 35 denotes a substrate. Reference numeral 41 denotes an electrode of the optical coupler, which need not be used, but can be used to control the light propagation of the optical coupler 43 by passing a current.
[0016]
42 is a pedestal on the side of the optical coupler and may not be used, but it is used to control light propagation by biasing in the forward direction or to adjust the light detection sensitivity by biasing in the reverse direction. it can. An optical coupler 43 is a semicircular member made of the same material as that of the disk 33. The laser light (evanescent light) of the circumferential mode leaking from the disk 33 is inputted and propagated inside, Laser light is output from the straight line portion of the side. The distance between the optical coupler 43 and the disk 33 is 0.2 to 1 μm, and if the laser light oscillated by the disk laser is taken out too much, the laser oscillation stops, so that as much light as possible does not stop the laser oscillation. Determine that you can collect.
[0017]
2A and 2B, the relationship between the disk and the base material of the disk laser is as follows. In addition to the above, laser oscillation of GaAs (disk) / AlGaAs (base), InGaN (disk) / AlGaN (base), etc. Other materials that can be used may be used. Usually, the disk 33 is made of a material not doped with impurities, and the pedestal 32 is P-type and the pedestal 34 is N-type, or vice versa, the pedestal 32 is N-type and the pedestal 34 is P-type to form a PN junction. In the above description, the case where the optical coupler 43 is made of the same material as the disk 33 has been described, but a crystal different from the disk 33 may be used. However, since the laser oscillation stops when the laser oscillation light of the disk laser is taken out too much, select a material that collects as much light as possible without causing laser oscillation to stop and efficiently propagates inside the optical coupler and outputs it to the outside. There is a need to.
[0018]
A current is passed from a drive circuit (not shown) between the electrode 31 and the substrate 35 to cause the disk 33 to oscillate. As described above, counterclockwise and clockwise laser beams that circulate around the periphery as shown in FIG. Part of the laser light leaks from the disk 33 and enters the optical coupler 43. The material and shape of the optical coupler 43 and the distance between the disk 33 and the optical coupler 43 are selected so as to extract as much light as possible without stopping laser oscillation, as described above. The shape and material are selected so that the light incident on 43 can efficiently propagate inside and be output to the outside.
[0019]
In the configuration as shown in FIG. 2, for example, a single mode laser oscillation can be obtained by passing a constant current of 0.9 mA through a diameter of 3 μm of the disk 33. Even with such a small size, a sufficiently low loss can be introduced. Wave mode is obtained.
[0020]
FIG. 3 shows a second embodiment of the present invention. Each embodiment of the present invention will be described below only with a plan view of a laser device. Each disk laser and optical coupler are provided with a pedestal, a disk, and an electrode as in FIG. Further, the direction of the arrow of the laser beam indicates that the mode is a clockwise direction or a counterclockwise direction. Bidirectional arrows indicate that there are clockwise and counterclockwise modes.
[0021]
FIG. 3 (a) is the same as that of the first embodiment, and the optical coupler 43 is formed in a semicircular shape having the same diameter as the disk. The material is the same as the disk 33. Light that oozes out in the circumferential mode excited by the disk 33 (evanescent light) can be coupled to the semicircular optical coupler 43 to obtain an optical output.
By making the end face of the optical waveguide perpendicular to the direction in which the light in the circular mode travels, the light emitted from the disk laser can be emitted most efficiently to the outside.
[0022]
Fig. 3 (b) shows a fan-shaped optical coupler. 33 is a disk, and 43 is an optical coupler.
By changing the fan-shaped angle (center angle) of the optical coupler 43, light can be extracted at various angles.
[0023]
FIG. 3C shows a case where a plurality of semicircular optical couplers are optically coupled to a disk laser to obtain a plurality of optical outputs. In FIG. 3C, 33 is a disk, 51 is an optical coupler 1, 52 is an optical coupler 2, 53 is an optical coupler 3, 54 is an optical coupler 4, and 55 is an optical coupler 5.
[0024]
The evanescent light of the clockwise and counterclockwise laser beams oscillated by the disk 33 is incident on the optical coupler 1, the optical coupler 2, the optical coupler 3, the optical coupler 4, and the optical coupler 5, and the respective lights. Light output can be obtained from the coupler. Also in this case, it is possible to obtain light output at various angles by changing the angle by using the optical coupler as a sector.
[0025]
FIG. 4 shows a third embodiment of the present invention. Two corner reflectors having a 45-degree plane are arranged at one end of the optical coupler, and the output optical mode is aligned with a mode that rotates in a certain direction. Is circular laser also oscillates either light because there is no completely different in qualitative in two directions modes clockwise and counterclockwise. One of these two directions of light is reflected by a corner reflecting mirror and output in one direction. Also in this case, if the angle of the sector is changed, it can be output in an arbitrary direction.
[0026]
FIG. 4A shows a semicircular optical coupler provided with a reflecting mirror at one end. Reference numeral 33 denotes a disk laser disk, 43 denotes an optical coupler, and 60 denotes a corner reflecting mirror, which is provided at an angle of 45 degrees with respect to a surface with light output. Both clockwise and counterclockwise light excited by the disk 33 is incident on the optical coupler 43. Among them, the light in the counterclockwise rotation mode is reflected by the corner reflecting mirror 60, becomes light in the clockwise rotation mode, and is output as light. The light in the clockwise rotation mode excited by the disk 33 is output without being reflected.
[0027]
In FIG. 4B, the optical coupler has a sector shape and a reflecting mirror is provided at one end. Reference numeral 33 denotes a disk laser disk, 43 denotes an optical coupler, and 60 denotes a corner reflector, which is provided at an angle of 45 degrees with respect to one side of the notch.
[0028]
Similar to FIG. 4A, both clockwise and counterclockwise light excited by the disk 33 is incident on the optical coupler 43. Then, the light in the counterclockwise rotation mode is reflected by the corner reflecting mirror 60 and output as light in the counterclockwise rotation mode. The clockwise light excited by the disk 33 enters the optical coupler 43, propagates without being reflected, and is output to the outside. According to the present embodiment, the laser beam can be extracted at various angles by changing the fan-shaped angle of the optical coupler 43.
[0029]
FIG. 5 is a fourth embodiment of the present invention. FIG. 5 shows a structure in which a plurality of sector shapes are connected to form a long waveguide or a waveguide that bends in a complicated manner. By guiding the optical power of the circular mode to a waveguide that bends in a complicated manner, it is possible to guide the optical power in a predetermined direction and position. Since the optical power of the circular mode is concentrated in the peripheral area, connecting the semi-circular or fan-shaped optical couplers so that the ends of the optical couplers overlap with each other by about 1 μm suppresses the optical connection loss, and the next optical coupler Can lead to.
[0030]
In FIG. 5, 33 is a disk laser disk. Reference numeral 60 denotes a reflecting mirror that reflects counterclockwise rotation mode light to generate clockwise rotation mode light. Reference numeral 61 denotes an optical coupler 1 which receives the evanescent light of the circular mode laser light of the disk 33 and propagates the light in the clockwise direction as it is, and reflects the light in the counterclockwise direction by the corner reflecting mirror 60. The light is propagated as directional light and guided to the optical coupler 2 in the next stage. Reference numeral 62 denotes an optical coupler 2 which receives laser light that has propagated around the optical coupler 1 and propagates the laser light to the optical coupler 3 to be passed to the optical coupler 3 at the next stage. Reference numeral 63 denotes an optical coupler 3, which receives a laser beam propagating through the optical coupler 2, propagates it inside, and passes it to the next optical coupler 4. Reference numeral 64 denotes an optical coupler 4 which receives a laser beam propagating through the optical coupler 3, propagates it inside, and passes it to the next optical coupler 5. Reference numeral 65 denotes an optical coupler 5, which receives a laser beam propagating through the optical coupler 4, propagates the laser beam inside, and outputs the laser beam to the outside.
[0031]
Reference numeral 66 denotes an optical coupler 6 which receives the evanescent light of the laser light in the circular mode of the disk 33. Reference numeral 67 denotes an optical coupler 7 which receives the light of the circular mode of the disk 33 and propagates the clockwise light as it is, and reflects the counterclockwise light by the corner reflecting mirror 60 to produce the clockwise light. It is propagated and guided to the optical coupler 7 at the next stage. Reference numeral 68 denotes an optical coupler 8 which enters the laser beam propagated around the optical coupler 7 and propagates the laser beam to the next optical coupler 9 after being propagated inside. Reference numeral 69 denotes an optical coupler 9 which receives a laser beam propagating through the optical coupler 8, propagates inside, and outputs it to the outside.
[0032]
The operation of the configuration of FIG. 5 will be described.
The evanescent light of the circular mode laser light oscillated by the disk 33 is incident on the optical coupler 1 and the optical coupler 6. The circular mode laser light incident on the optical coupler 1 propagates through the inside thereof and enters the next optical coupler 2. The light propagates through the optical coupler 2 and enters the optical coupler 3, propagates through the inside thereof, and enters the optical coupler 4. Similarly, the light in the circular mode propagates through the optical coupler 4, enters the optical coupler 5, propagates through the inside, and is output to the outside. As described above, the light in the circular mode extracted from the disk laser propagates around each optical coupler without loss and is output to the outside.
The evanescent light of the circular mode light oscillated by the disk 33 is also incident on the optical coupler 6, and similarly propagates through the optical coupler 7, the optical coupler 8, and the optical coupler 9 and is output to the outside.
[0033]
FIG. 6 is a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 5 shows an example in which a mode size converter is configured by connecting semicircles or sectors having different sizes. The radial spread of the optical power distribution in the circular mode increases as the fan radius increases. Therefore, when light enters a large disk from a small disk, the optical power is converted to a large mode. When a small laser and a large semicircle or fan are combined, the laser light operating at a constant power can be extracted in a large mode size.
[0034]
In FIG. 6A, reference numeral 33 denotes a disk laser disk. Reference numeral 71 denotes an optical coupler 1, 72 denotes an optical coupler 2, and 73 denotes an optical coupler 3.
The optical coupler 1 (71) and the optical coupler 2 (72) have the same radius as the disk 33, and the optical coupler 3 (73) has a larger radius than that of the optical coupler 2 (72). Incident light is converted to a mode with a large rounding radius and output as light.
[0035]
In the configuration of FIG. 6A, the evanescent light of the laser light oscillated by the disk 33 is incident on the optical coupler 1 (71). The light incident on the optical coupler 1 (71) propagates through the optical coupler 1 (71), enters the optical coupler 2 (72), further propagates through the optical coupler 2 (72), and is optically coupled. It enters the device 3 (73). In the optical coupler 3 (73), it propagates as light of a mode with a large rounding radius and is output as light.
[0036]
In FIG. 6B, reference numeral 33 denotes a disk. Reference numeral 75 denotes an optical coupler having a radius larger than that of the disk 33. Evanescent light of laser light oscillated by the disk 33 is incident on the optical coupler 75. Since the optical coupler 75 has a large radius, it becomes an optical mode with a large circular radius, propagates inside, and outputs light to the outside.
[0037]
FIG. 7 shows a sixth embodiment of the present invention. FIG. 7 shows a branch circuit in which two smaller optical couplers are connected to the optical converter that converts the mode size of light as shown in FIG.
In FIG. 7, reference numeral 33 denotes a disk laser disk. 81 is an optical coupler 1, 82 is an optical coupler 2, 83 is an optical coupler 3, 84 is an optical coupler 4, and 85 is an optical coupler 5.
[0038]
The optical coupler 1 (81) and the optical coupler 2 (82) have the same radius as the disk. The optical coupler 3 (83) has a radius larger than that of the optical coupler 2 (82), and enters the light propagated through the optical coupler 2 (82) to propagate inside as an optical mode having a large rounding radius. It is. The optical coupler 4 (84) and the optical coupler 5 (85) have smaller radii than the optical coupler 3 (83), for example, the same radius as the optical coupler 2 (82). Further, the optical coupler 4 (84) and the optical coupler 5 (85) are arranged so as to divide the incident light in different directions as shown in the figure.
[0039]
The evanescent light of the laser light oscillated by the disk 33 enters the optical coupler 1 (81), propagates through the inside thereof, and enters the optical coupler 2 (82). Furthermore, it propagates through the inside and enters the optical coupler 3 (83). The light that has entered the optical coupler 3 (83) becomes an optical mode having a large orbital radius through the inside thereof, propagates through the inside, and enters the optical coupler 4 (84) and the optical coupler 5 (85). . The light incident on the optical coupler 4 (84) and the optical coupler 5 (85) circulates around the respective peripheral portions and is output as light.
[0040]
FIG. 8 shows a seventh embodiment of the present invention.
A ring resonator is configured by combining one circular optical coupler and two semicircular or fan-shaped optical couplers. In FIG. 8, 91 is an optical coupler 1, which is semicircular or fan-shaped. An optical coupler 2 is a disk of a circular disk laser. Reference numeral 93 denotes the optical coupler 3, which is semicircular or fan-shaped.
[0041]
The optical coupler 1 (91) has a wavelength λ ₁ , Λ ₂ Suppose that multiple light beams are incident. The light propagates through the optical coupler 1 (91) and is optically coupled with the optical coupler 2. Then, a wavelength control current is passed through the optical coupler 2 (92), and the resonance wavelength is controlled by changing the refractive index. Light that satisfies the resonance condition is optically coupled with the circular optical coupler 2 (92), and circulates around the optical coupler 2 (92). For example, the resonance wavelength of the optical coupler 2 (92) is λ. ₁ If the wavelength control current is made to flow, the wavelength λ of the multiplexed light incident on the optical coupler 1 (91) ₁ Only the light of the light resonates and propagates through the optical coupler 2 (92). The optical coupler 3 (93) is optically coupled, and the optical coupler 3 (93) has a wavelength λ. ₁ Only the light is output.
[0042]
Thus, with the configuration of FIG. 8, the wavelength that can be extracted can be changed by changing the wavelength control current that flows through the disk of the circular optical coupler 2 (92).
[0043]
FIG. 9 shows an eighth embodiment of the present invention, in which a tunable laser is constructed by combining three circular disks and one fan-shaped optical coupler.
In FIG. 9, reference numeral 33 denotes a disk 1, which oscillates laser light in a circular mode by supplying a laser driving current. Reference numeral 33 'denotes the disk 2, which is brought close to the disk 33 so that there is strong optical coupling between the two so as to resonate with the oscillation light of the disk 1 (33). Then, a wavelength control current is supplied to the disk 2 (33 ′) to control the resonance wavelength, thereby controlling the wavelength of the oscillation laser light of the disk 1 (33). Reference numeral 95 denotes an optical coupler which inputs the evanescent light of the resonance wave generated in the disk 2 (33 ′) and outputs it to the outside. Reference numeral 96 denotes a monitor disk, which is arranged so as to be weakly coupled with the disk 1 (33). Then, a reverse bias voltage is applied to the PN junction to widen the depletion layer and monitor the oscillation of the disk 1 (33).
[0044]
The operation of the configuration of FIG. 9 will be described.
A steady laser drive current is passed through the disk 1 (33). The resonance wavelength is controlled by changing the refractive index of the disk 2 (33 ′) by passing a wavelength control current through the other disk 2 (33 ′). A circular mode oscillation of a laser beam having a resonating wavelength which is the wavelength of the disk 2 (33 ′) occurs in the disk 1 (33). The laser beam having the resonance wavelength generated in the disk 2 (33 ′) is output from the optical coupler 95 to the outside. Further, a reverse bias is applied to the monitor disk 96 to increase the detection sensitivity, and the oscillation of the disk 1 (33) is monitored. As described above, the wavelength of the laser light excited on the disk 1 (33) can be controlled by supplying a wavelength control current to the disk 2 (33 ′) with the configuration shown in FIG. Laser light can be output to the outside.
[0045]
FIG. 10 shows a ninth embodiment of the present invention, which is a head for detecting the storage contents of an optical disk memory by using two circular disks.
10 (a), 10 (b), and 10 (c), 33 is a disk laser disk. Reference numeral 98 denotes a photodetector, which is composed of the same shape and material as the disk 33. Reference numeral 99 denotes an optical disk memory.
[0046]
The operation of the configuration of FIG. 10 will be described.
Evanescent light oozes out from the disk 33. When the disk 33 is brought close to a material with irregularities, the light coupling becomes strong at the convex part, so this light is strongly absorbed or scattered by this material, and the amount of laser light emitted increases (see FIG. 10 (c)). . Further, since the optical coupling becomes weaker as it approaches the recess, the amount of laser light emitted is also reduced (see FIG. 10B). If the laser oscillation conditions are optimized so that oscillation stops when approaching the convex part and oscillation does not stop when approaching the concave part, oscillation stops when the convex part approaches, and when the concave part approaches Oscillation can be resumed. If such a situation is detected by a photodetector 98 constituted by a circular disk arranged above, the state of laser oscillation stop and restart can be read out as an electrical signal.
[0047]
Since the evanescent light seepage distance is about 0.2 μm, the unevenness resolution is equal to or higher than this, and it is used as a head for an ultra-high density optical disk memory or a sensor for observing a fine surface below the optical wavelength. be able to.
The interval for causing optical coupling by bringing a plurality of circles and sectors close to each other as described above is about 0.1 μm to 0.5 μm, and can be realized by lithography technology and microfabrication technology.
[0048]
【The invention's effect】
According to the micro optical circuit of the present invention, directional couplers, merging / branching circuits, and the like that require a length of several millimeters or more in the conventional optical circuit can be configured to be as small as several μm. Even a fairly complicated optical circuit can be accommodated in a size of about several tens of μm. They are simple circular or fan-shaped optical coupler arrangements or connections, and various elements and circuits can be easily designed and manufactured.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a principle diagram of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing Example 1 of the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing Example 3 of the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing Example 4 of the present invention.
FIG. 6 is a diagram showing a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a diagram showing Example 6 of the present invention.
FIG. 8 is a diagram showing Example 7 of the present invention.
FIG. 9 is a diagram showing an eighth embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a diagram showing Example 9 of the present invention.
FIG. 11 is an explanatory diagram of a disk laser to which the present invention is applied.
FIG. 12 is a diagram showing oscillation characteristics of a disk laser.
[Explanation of symbols]
1: Electrode
2: Disc laser
3: Electrode
4: Drive circuit
21: Optical coupler (waveguide)
22: Coupled light (evanescent light)
23: Output light

Claims

A micro optical circuit device having a circular disk laser and a fan-shaped optical coupler, wherein the circular disk laser and the fan-shaped optical coupler are a peripheral part of the circular disk laser and a peripheral part of the fan-shaped optical coupler. Are arranged in the same plane so that the circular disk lasers have a single optical mode in which light propagates in an annular manner around the circular periphery, and from the periphery of the circular disk laser. A micro optical circuit device characterized in that evanescent light leaking outside is incident on an adjacent fan-shaped optical coupler and light is propagated to the outside from an end of the fan-shaped optical coupler.

The distance between the circular disk laser and the fan-shaped optical coupler and the curvature of the periphery of the optical coupler fan are such that the evanescent light from the disk laser is incident on the optical coupler so that the laser oscillation in the disk laser does not stop. 2. The micro optical circuit device according to claim 1, wherein the optical circuit device is defined as follows.

3. The micro optical circuit device according to claim 1, wherein a plurality of fan-shaped optical couplers are provided in parallel or in a chain on the periphery of one circular disk laser.

2. The fan-shaped optical coupler is characterized in that a reflecting mirror is provided at one end of the fan-shaped peripheral portion and outputs only light in one circumferential direction mode from the other end. The micro optical circuit device according to claim 3.

A fan-shaped optical coupler provided in a chain is formed by optically coupling the ends of adjacent optical couplers while alternately inverting a plurality of fan-shaped optical couplers one by one. The micro optical circuit device according to claim 3, wherein:

The optical coupler provided at one end of the chain of the fan-shaped optical couplers provided in the chain shape is provided with a reflecting mirror at one end of the fan-shaped peripheral portion, and the mode in the one direction from the other end. 6. The micro optical circuit device according to claim 5, wherein only the light is output.