JP4180140B2 - 多波長光源 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は多数の波長の光を発光する多波長光源に関する。
近年、光通信システムにおいて、高密度の波長分割多重化により、通信容量の増大化が図られている。高密度の波長分割多重光通信では、1nm以下という非常に狭い波長間隔で配置された多波長の光を出射する多波長光源が必要とされ、そのため非常に正確な波長精度が要求されている。
【0002】
現在、波長分割多重光通信用の光源に対して小型化が要求されている。本発明はレーザダイオードアレイモジュールにおいて、正確な波長配置での発振を実現し、小型の多波長光源を実現するための技術である。
【0003】
【従来の技術】
従来は一般的に、異なる発振波長を有する多数の光源を用いて多波長光源を実現していた。しかし、このように多数の光源を用いる構成では、非常に大きな設置スペースを必要とすると共に、各光源を個別に温度制御する必要があり、多波長光源の規模が非常に大きくなる。
【0004】
また、最近DFB(デストリビューティド・フィードバック)レーザダイオードアレイ又はDBR(デストリビューティド・ブラッグ・リフレクタ)レーザダイオードアレイの各グレーティングの屈折率及び周期を変化させ、アレイを構成する各レーザダイオードを異なる波長で発振させる多波長光源も研究されている。更に、米国特許第5,029,176号には、異なる波長で発振するレーザを集積した多波長面発光レーザアレイが開示されている。
【0005】
面発光レーザの発振波長は垂直共振器の共振波長によって決まり、共振波長は共振器長によって決定されるので、面発光レーザを構成する各層の層厚を面内方向に傾斜させることによって、発振波長の異なるレーザを同時に形成することができる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
DFBレーザダイオードアレイ又はDBRレーザダイオードアレイの各グレーティングの屈折率及び周期を変化させて得られる多波長光源は小型ではあるが、その波長間隔が製造時の屈折率分布に影響されるため、製造性に問題がある。
【0007】
また、米国特許第5,029,176号に開示されている多波長面発光レーザアレイも、面発光レーザそのものが製造困難であるため、製造性に問題がある。よって、本発明の目的は、小型で波長精度の高い多波長光源を提供することである。
【0008】
本発明によると、多数の波長の光を発光する多波長光源であって、第1端部及び第2端部を有するキャリアと;前記キャリアの表面に搭載された、概略同一の発振波長を有する複数のレーザダイオードを集積したレーザダイオードアレイとを具備し;前記レーザダイオードアレイは、前記第1端部から前記第2端部にかけて前記複数のレーザダイオードが配置されるように、前記キャリアの表面に搭載され、前記キャリアはシリコン基板から形成され、前記シリコン基板の一部の表面にはシリコン酸化膜が形成され、前記レーザダイオードアレイの搭載面の近傍の前記シリコン基板表面は前記シリコン酸化膜が形成されずに露出し、その露出した前記シリコン基板の幅が前記レーザダイオードアレイの前記複数のレーザダイオードの並び方向において、前記第1端部から前記第2端部にかけて徐々に広くなるように、前記シリコン酸化膜が形成され、前記キャリアに前記第1端部から前記第2端部に渡る線形の温度勾配を形成することにより、前記複数のレーザダイオードを所定の波長間隔で発振させることを特徴とする多波長光源が提供される。
【0011】
このレーザダイオードアレイに第1及び第2温度制御素子により温度勾配を与えると、温度変化による波長シフトが加わるため、波長間隔を拡大もしくは縮小することができる。第1及び第2温度制御素子により温度勾配を調整することにより、波長間隔を制御することができ、所望の波長間隔を得ることができる。
【0013】
【発明の実施の形態】
まず、図1及び図2を参照して、本発明の原理を説明する。キャリア2上には概略同一の発振波長を有する複数のレーザダイオード6を集積したレーザダイオードアレイ4が搭載されている。更に、キャリア2はその第1端部が第1温度制御素子8上に搭載され、その第2端部が第2温度制御素子10上に搭載されている。
【0014】
第1温度制御素子8はコントローラ12により第1の温度に制御され、第2温度制御素子10はコントローラ12により第1の温度より高い第2の温度に制御される。
【0015】
レーザダイオードの発振波長は温度変化に比例してシフトするため、各レーザダイオードはその温度に従った波長で発振し、アレイの一端から他端にかけて徐々に発振波長が変化するレーザダイオードアレイを実現できる。
【0016】
キャリア2がその全長に渡り一定の放熱特性を有するとすると、キャリア2の温度勾配は線形とはならず、図2(A)に示すようにある曲線に沿って変化する。
【0017】
よって、図2(B)に示すようにこの温度変化を定義する関数と逆関数の放熱特性を有するキャリア2を使用すると、図2(C)に示すようにキャリア2の温度勾配を線形とすることができ、レーザダイオードアレイ4の波長間隔を等間隔とすることができる。
【0018】
レーザダイオードアレイ4は異なる発振波長を有する複数のレーザダイオードを集積したものであってもよい。例えば、DFBレーザダイオードアレイの各グレーティング部の屈折率及び周期を変化させることで、アレイの一端から他端にかけて徐々に変化する波長で発振するレーザダイオードアレイを実現できる。
【0019】
この場合の波長間隔は、各グレーティング部の屈折率分布の製造偏差によりばらつく。このレーザダイオードアレイに温度分布を与えると、温度変化による波長シフトが加わるため、波長間隔を拡大もしくは縮小することができる。キャリアの温度勾配、即ちレーザダイオードアレイの温度勾配を調整することにより、波長間隔を制御することができ、所望の波長間隔を得ることができる。
【0020】
レーザダイオードアレイの各レーザダイオードが異なる波長で発振する場合には、キャリア2両端の第1及び第2温度制御素子8,10の温度差を小さくすることができる。
【0021】
図3(A)は本発明第1実施形態のレーザダイオードアレイモジュール15Aの概略正面図を示しており、図3(B)はその側面図を示している。各実施形態の説明において、実質上同一構成部分については同一符号を付して説明する。
【0022】
キャリア14上には複数のV溝16が形成されている。キャリア14上には概略同一の発振波長を有する複数のレーザダイオード20a−20f(図3参照)を集積したレーザダイオードアレイ18が搭載されている。
【0023】
キャリア14の各V溝16中には光ファイバ22が収容されており、各光ファイバ22の一端はレーザダイオード20a−20fに光結合されている。キャリア14はその両端部でペルチェ素子24,26上に搭載されている。
【0024】
コントローラ28でペルチェ素子24のキャリア14との接触部の温度を第1の温度に制御し、ペルチェ素子素子26のキャリア14との接触部の温度第1の温度より高い第2の温度に制御する。
【0025】
これにより、キャリア14の放熱特性がその全長に渡り一様であるとすると、キャリア14の一端から他端にかけて図2(A)に示すような温度勾配が発生し、レーザダイオードアレイ18にも同様な温度勾配が発生する。
【0026】
レーザダイオードの発振波長は温度変化に比例してシフトするため、各レーザダイオード20a−20fはその温度に従った波長で発振し、アレイ18の一端から他端にかけて徐々に発振波長が変化するレーザダイオードアレイ18を提供できる。
【0027】
好ましくは、キャリア14は、例えばシリコン(Si)又はセラミックスから形成される。よって、図2(B)に示すような放熱特性を有するキャリアを使用すると、図2(C)に示すようにキャリア14が線形の温度勾配を有するようになり、レーザダイオードアレイ18の波長間隔を等間隔とすることができる。
【0028】
これを実現するためのキャリア14′が図5に示されている。即ち、キャリア14′を例えばシリコンから形成し、一端14aから他端14bにかけてその厚さを徐々に厚くする。
【0029】
このようなキャリア14′によると、厚さの薄い14a部分では熱容量が小さいため、大きな放熱特性を有しており、厚さの厚い14b部分では熱容量が大きいため、小さな放熱特性を有していることになり、図2(B)に示すような放熱特性を実現することができる。
【0030】
図6を参照すると、レーザ発振波長の温度依存性が示されている。よって、図4に示したレーザダイオードアレイ18の各レーザダイオード20a−20fをそれぞれ44°C,45°C,46°C,47°C,48°C及び49°Cに加熱すると、各レーザダイオード20a−20fの発振波長はそれぞれ1559.12nm,1559.20nm,1559.28nm,1559.36nm,1559.45nm及び1559.54nmとなる。
【0031】
図7(A)は本発明第2実施形態のレーザダイオードアレイモジュール15Bの概略正面図を、図7(B)はその側面図を示している。本実施形態は等間隔で配置された複数のペルチェ素子素子30a,30b,30c,30d上に均一な放熱特性を有するキャリア14を搭載したものである。
【0032】
本実施形態によると、コントローラ28により各ペルチェ素子30a−30dとキャリア14との接触部の温度を線形の温度勾配を有するように制御できるため、均一な放熱特性を有するキャリア14でも、線形の温度勾配を与えることができる。
【0033】
よって、レーザダイオードアレイ18の温度勾配を線形とすることができ、その結果各レーザダイオード20a−20fの発振波長間隔を等間隔とすることができる。
【0034】
図8(A)は本発明第3実施形態のレーザダイオードアレイモジュール15Cの概略正面図を示しており、図8(B)はその側面図を示している。本実施形態はペルチェ素子アレイ32上に均一な放熱特性を有するキャリア14を搭載したものである。
【0035】
ペルチェ素子アレイ32は複数のペルチェ素子をアレイ状に集積したものであり、コントローラ28により各ペルチェ素子を制御することにより、キャリア14に線形の温度勾配を与えることができる。よって、第2実施形態と同様に、レーザダイオードアレイ18の各レーザダイオード20a−20fの発振波長を等間隔とすることができる。
【0036】
第2及び第3実施形態の変形例として、キャリア14上に異なる発振波長を有する複数のレーザダイオードを集積したレーザダイオードアレイを搭載してもよい。
【0037】
この場合には、コントローラ28でキャリア14が所定の温度勾配を有するようにペルチェ素子30a−30d又はペルチェ素子アレイ32を制御し、各レーザダイオードの発振波長間隔を等間隔にする。
【0038】
図9を参照すると、ペルチェ素子を省略した本発明第4実施形態のレーザダイオードアレイモジュール15Dの斜視図が示されている。キャリア34はSi基板36から形成されており、Si基板36上にはSiO2 層38が形成されている。
【0039】
SiO2 層38中には6本の光導波路40が形成されている。Si基板36上には、各レーザダイオード20a−20fが光導波路40に光結合するように位置決めされてレーザダイオードアレイ18が搭載されている。
【0040】
Si基板36上には各レーザダイオード20a−20fに対応した複数の電極42と、接地電極44が形成されている。更に、露出したSi基板36の幅が一端から他端にかけて徐々に広くなるようにSiO2 層38を形成している。
【0041】
露出したSi基板36の幅が狭いと熱容量が相対的に大きく、幅が広いと熱容量が相対的に小さいので、キャリア34に図2(B)に示すような放熱特性の分布を持たせることができる。
【0042】
よって、Si基板36の放熱特性が一様であっても、キャリア34に図2(C)に示すような線形の温度勾配を与えることができ、レーザダイオードアレイ18の各レーザダイオード20a−20fの発振波長を等間隔とすることができる。
【0043】
【発明の効果】
本発明は以上詳述したように構成したので、小型で波長精度の高い多波長光源を安価に提供できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の原理を示す図である。
【図2】図2(A)はキャリアの放熱特性が一様な場合のキャリアの位置と温度との関係を示す図、図2(B)は図2(A)の曲線を定義する関数の逆関数となるようにキャリアの放熱特性を変化させた図、図2(C)は図2(B)に示す放熱特性を有するキャリアを使用した場合のキャリアの温度勾配を示す図である。
【図3】図3(A)は本発明第1実施形態のレーザダイオードアレイモジュールの概略正面図、図2(B)はその側面図である。
【図4】レーザダイオードアレイの概略図である。
【図5】放熱特性分布を有するキャリアを示す図である。
【図6】レーザ発振波長の温度依存性を示す図である。
【図7】図7(A)は本発明第2実施形態のレーザダイオードアレイモジュールの概略正面図、図7(B)はその側面図である。
【図8】図8(A)は本発明第3実施形態のレーザダイオードアレイモジュールの概略正面図、図8(B)はその側面図である。
【図9】本発明第4実施形態のレーザダイオードアレイモジュールの概略斜視図である。
【符号の説明】
2 キャリア
4 レーザダイオードアレイ
6 レーザダイオード
8,10 温度制御素子
14 キャリア
18 レーザダイオードアレイ
22 光ファイバ
24,26,30−30d ペルチェ素子
Claims (1)
- 多数の波長の光を発光する多波長光源であって、
第1端部及び第2端部を有するキャリアと;
前記キャリアの表面に搭載された、概略同一の発振波長を有する複数のレーザダイオードを集積したレーザダイオードアレイとを具備し;
前記レーザダイオードアレイは、前記第1端部から前記第2端部にかけて前記複数のレーザダイオードが配置されるように、前記キャリアの表面に搭載され、
前記キャリアはシリコン基板から形成され、前記シリコン基板の一部の表面にはシリコン酸化膜が形成され、前記レーザダイオードアレイの搭載面の近傍の前記シリコン基板表面は前記シリコン酸化膜が形成されずに露出し、その露出した前記シリコン基板の幅が前記レーザダイオードアレイの前記複数のレーザダイオードの並び方向において、前記第1端部から前記第2端部にかけて徐々に広くなるように、前記シリコン酸化膜が形成され、前記キャリアに前記第1端部から前記第2端部に渡る線形の温度勾配を形成することにより、前記複数のレーザダイオードを所定の波長間隔で発振させることを特徴とする多波長光源。
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