JP4402912B2 - 半導体波長可変レーザおよび波長可変レーザモジュール - Google Patents

Description

本発明は、波長多重大容量通信を支えるための重要な光部品である半導体波長可変レーザおよび波長可変レーザモジュールに関する発明である。

近年、インターネットにおける爆発的なトラフィックの増加によりノード間を結ぶ伝送には波長多重を用いてノード間の伝送容量を増加させている。
波長可変レーザはこのような波長多重伝送において欠かすことのできない重要な部品である。

このような中で、IEEE Photonics Technology,Letters.,vol.5,(1993),pp.613-615に示されるように、超周期構造グレーティング(Super-structure grating：ＳＳＧ）を用いた波長可変レーザ（ＳＳＧ−ＤＢＲ−ＬＤ）が提案されている（図１６参照）。

図１６において、０１は前側超周期構造分布反射器領域（ＳＳＧ領域）、０２は活性層（利得領域）、０３は位相調整領域、０４は後側超周期構造分布反射器領域（ＳＳＧ領域）であり、Λｆ，Λｒは超周期グレーティングの一周期の長さである。各領域０１，０２，０３，０４には、それぞれバイアス電流Ｉｆ，Ｉａ，Ｉｐ，Ｉｒが入力される。

ＳＳＧは一定周波数間隔（ＦＳＲ）で反射強度が大きくなる特長を持つ反射型グレーティングであり、ＳＳＧ−ＤＢＲ−ＬＤでは二つの異なるＦＳＲを持つＳＳＧ領域、即ち、図１６の例では前側超周期構造分布反射器領域０１と後側超周期構造分布反射器領域０４とを用いることにより、二つのＦＳＲの最小公倍数の周波数領域で波長可変動作を得る事を可能にしている。

しかしながら本素子では二つのＳＳＧ領域０１，０４に加え位相調整領域０３の屈折率を制御する事が必要になる。具体的には図１６で、Ｉｆ，Ｉｒ，及びＩｐという３つの電流を制御し、かつ発振用のバイアス電流Ｉａを活性層０２に加えるため、発振波長の制御が複雑になる、長期使用に伴う劣化による波長変動等の問題があった。

IEEE Photonics Technology,Letters.,vol.5,(1993),pp.613-615

本発明はこのような背景の下になされたもので、簡単な制御方法で一定周波数間隔の任意の波長を出力可能な波長可変レーザおよび波長可変レーザモジュールを作製することにある。

このような問題を解決するための手段として本発明の請求項１ではＳＳＧ−ＤＢＲ−ＬＤで行われているように二つの同程度のＦＳＲを持つグレーティングを用いるのではなく、出力させたい発振周波数間隔と一致するＦＳＲをもつ波長ロック用フィルタと、波長可変領域すべてで動作可能な大きな波長可変範囲を持つ波長フィルタつまりラダー型波長フィルタとを組み合わせた構成としている。
従って、ラダー型波長フィルタの屈折率を変化させ、透過ピーク波長を変化させるだけで、波長ロック用フィルタのＦＳＲと一致した周波数間隔の任意の周波数の出力光を制御する事が可能となる。

請求項２では位相調整用の導波路をレーザ共振器内に設ける事により、縦モード間隔を微調し、正確に所望の周波数間隔で波長可変動作可能としている。

請求項３では、本素子を安定に波長可変動作させるための重要なパラメータであるラダー型波長フィルタの透過スペクトル帯域幅を狭める事に関連する請求項である。ラダー型波長フィルタの透過スペクトル帯域幅を狭めるにはラダー型波長フィルタの回折次数を大きくする事が必要となるが、回折次数を大きくした場合は波長可変範囲よりもラダー型波長フィルタのＦＳＲが小さくなってしまい二つあるいはそれ以上の波長で同時に発振してしまうと言う問題が生じる。従って、実効的な回折次数を大きくした場合でも、安定した一波長での発振となるように、所望の回折次数以外の透過ピークの透過率を小さくする事が必要となる。そのため請求項３では、各光結合器での回折次数を所望の回折次数を中心に変調をかけることで他の回折次数の透過ピークの透過率を減少させる事が可能となる。

請求項４では波長ロック用フィルタと位相調整領域の屈折率を変化させ共振波長を変化させる事により、請求項１で実現する波長可変レーザの離散的な発振波長の間の波長で発振可能となり擬似連続チューニング動作が実現できる。

請求項５では、レーザをリング構造にする事により端面の反射を用いることなく発振可能となり、作製素子の波長間隔の再現性等が向上する。

請求項６では、光結合器の出力導波路に光変調器、受光素子、あるいはブースター用半導体光アンプをモノリシック集積する事が可能となり様々な機能が実現可能となる。

最後に請求項７は、温度変化による波長変化に関するものである。本発明の素子では出力周波数間隔は波長ロック用フィルタのＦＳＲにより決定されるが半導体で作製した場合は温度変動による屈折率変化が大きく、所望の出力周波数間隔と異なってくる。
請求項７では、片側の出力端に屈折率の温度変動の少ない例えば誘電体などで作製した同じＦＳＲを持つエタロンなどを配置し、その透過光強度をモニターする事により発振波長のずれを補正可能な波長可変レーザモジュールを作製する事が可能となる。

以上の方法により本発明ではこれまで実現できなかった制御の簡単な半導体波長可変レーザおよび波長可変レーザモジュールを実現する事が可能となる。

本発明によれば制御の簡単な半導体波長可変レーザおよび波長可変レーザモジュールを低コストで実現可能となる。同時に、本発明によれば大きな波長可変範囲が実現可能となる。また周波数間隔を決める波長ロック用フィルタは、ラダー型波長フィルタ及び光アンプの電流変化による熱の影響を受けない為、急峻に発振波長を切り換えても発振波長が安定であるという大きな特徴がある。

以下に、本発明を実施するための最良の形態を、実施例に基づき詳細に説明する。

本発明の請求項１に関係する実施例１を図１に示す。図１に示されるように、実施例１の半導体波長可変レーザ１００は、ラダー型波長フィルタ１１０と、波長ロック用フィルタ１２０と、半導体光アンプ１３０を主要部材として構成される。そして、ラダー型波長フィルタ１１０と、波長ロック用フィルタ１２０と、半導体光アンプ１３０とが、光学的にこの順に直列的に接続されている。なお、１００ａ，１００ｂはレーザ共振器の端面である。

波長ロック用フィルタ１２０は、図１の場合では、リング共振器を用いているが、ＳＳＧ，ＳＧ（Sampled grating)やファブリペロー共振器を適用することもできる。波長ロック用フィルタ１２０は、半導体波長可変レーザ１００から出力させたい光の発振周波数間隔と一致するＦＳＲを持っている。

ラダー型波長フィルタ１１０は、二本の入出力導波路１１１，１１２と、入出力導波路１１１，１１２間を接続する複数の接続導波路１１３−１〜１１３−Ｎと、入出力導波路１１１，１１２と接続導波路１１３−１〜１１３−Ｎとを接続する光結合器１１４−１〜１１４−Ｎ，１１５−１〜１１５−Ｎを主要部材として構成されている。
なお、符号１１３−１〜１１３−Ｎ，１１４−１〜１１４−Ｎ，１１５−１〜１１５−Ｎをそれぞれ代表して符号１１３，１１４，１１５を用いることがある。

ラダー型波長フィルタ１１０の構成を更に説明すると、直線状の入出力導波路１１１，１１２は離間しつつ「ハの字状」になるように配置されている。つまり、入射端（左側端）において入出力導波路１１１，１１２間の間隔が最小で、入射側から出射側（右側）に向かうにしたがい入出力導波路１１１，１１２間の間隔が漸増し、出射端（右側端）において入出力導波路１１１，１１２間の間隔が最大となるように、入出力導波路１１１，１１２が配置されている。

入出力導波路１１１には、一定間隔で光結合器１１４−１〜１１４−Ｎが配置されており、入出力導波路１１２には、一定間隔で光結合器１１５−１〜１１５−Ｎが配置されている。なお光結合器１１４−１〜１１４−Ｎの配置間隔（一定間隔）と、光結合器１１５−１〜１１５−Ｎの配置間隔（一定間隔）は等しくなっている。

接続導波路１１３−１はその両端が光結合器１１４−１、１１５−１を介して入出力導波路１１１，１１２に接続されており、接続導波路１１３−２はその両端が光結合器１１４−２、１１５−２を介して入出力導波路１１１，１１２に接続されており、接続導波路１１３−３はその両端が光結合器１１４−３、１１５−３を介して入出力導波路１１１，１１２に接続されており、接続導波路１１３−４はその両端が光結合器１１４−４、１１５−４を介して入出力導波路１１１，１１２に接続されており、接続導波路１１３−Ｎはその両端が光結合器１１４−Ｎ、１１５−Ｎを介して入出力導波路１１１，１１２に接続されている。
つまり、順に並んで配置された光結合器１１４−１〜１１４−Ｎと、同様に順に並んで配置された光結合器１１５−１〜１１５−Ｎは、入射端側のものから順番に接続導波路１１３−１〜１１３−Ｎにより１対１に対応して接続されている。

しかも、相互に平行になって接続導波路アレイを構成している接続導波路１１３−１〜１１３−Ｎの長さは、左側（つまり接続導波路１１３−１側：入射端側）から右側（つまり接続導波路１１３−Ｎ側：出射端側）にずれるにつれて、ΔＳずつ増加している。なお見方を変えれば、接続導波路１１３−１〜１１３−Ｎの長さは、出射端側から入射端側にずれるにつれて、ΔＳずつ減少している。

このような構成になっているため、ラダー型波長フィルタ１１０では、「入射端から出射端までの長さが入射端の接続導波路を通る経路から順番に同じ長さの差（ΔＳ）で増加あるいは減少している」状態になる。

具体的に説明すると、光結合器１１５−１を入射端とし光結合器１１４−２を出射端とした場合には、光結合器１１５−１→接続導波路１１３−１→光結合器１１４−１→光結合器１１４−２に沿う経路と、光結合器１１５−１→光結合器１１５−２→接続導波路１１３−２→光結合器１１４−２に沿う経路との差はΔＳである。
光結合器１１５−１を入射端とし光結合器１１４−３を出射端とした場合には、光結合器１１５−１→接続導波路１１３−１→光結合器１１４−１→光結合器１１４−２→光結合器１１４−３に沿う経路と、光結合器１１５−１→光結合器１１５−２→光結合器１１５−３→接続導波路１１３−３→光結合器１１４−３に沿う経路との差は２ΔＳである。
光結合器１１５−１を入射端とし光結合器１１４−４を出射端とした場合には、光結合器１１５−１→接続導波路１１３−１→光結合器１１４−１→光結合器１１４−２→光結合器１１４−３→光結合器１１４−４に沿う経路と、光結合器１１５−１→光結合器１１５−２→光結合器１１５−３→光結合器１１５−４→接続導波路１１３−４→光結合器１１４−４に沿う経路との差は３ΔＳである。
光結合器１１５−１を入射端とし光結合器１１４−Ｎを出射端とした場合には、光結合器１１５−１→接続導波路１１３−１→光結合器１１４−１→光結合器１１４−２→光結合器１１４−３→光結合器１１４−４→光結合器１１４−Ｎに沿う経路と、光結合器１１５−１→光結合器１１５−２→光結合器１１５−３→光結合器１１５−４→光結合器１１５−Ｎ→接続導波路１１３−Ｎ→光結合器１１４−Ｎに沿う経路との差は（Ｎ−１）ΔＳである。

なお図１に示す実施例では、ラダー型波長フィルタ１１０の入出力導波路１１１，１１２は「ハの字状」に配置されているが、一対の入出力導波路１１１，１１２を離間して平行に配置すると共に、接続導波路１１３−１〜１１３−Ｎを湾曲させて、接続導波路１１３−１〜１１３−Ｎの長さを、左側（つまり接続導波路１１３−１側）から右側（つまり接続導波路１１３−Ｎ側）にずれるにつれて、ΔＳずつ増加させるようにしてもよい。即ち、相対的に入射端側の接続導波路に対して、これに隣接する接続導波路の長さが、予め決めた長さΔＳだけ増加あるいは減少するようにしておけばよい。

ラダー型波長フィルタ１１０には、更に、屈折率制御用電極１１６ａ，１１６ｂが備えられており、屈折率制御用電極１１６ａ，１１６ｂを介して入力した電流が、配線電線１１７ａ，１１７ｂを介して入出力導波路１１１，１１２に入力されるようになっている。

ラダー型波長フィルタ１１０は、波長可変領域すべてで動作可能な大きな波長可変範囲を持つ波長フィルタであり、屈折率制御用電極１１６ａ，１１６ｂを介して入力する電流値を変化させて、入出力導波路１１１，１１２および接続導波路１１３の屈折率を変化させることにより、このラダー型波長フィルタ１１０を通過する光の透過ピーク波長を変化させることができる。

本実施例では、入出力導波路１１１に複数の光結合器１１４が一定間隔で配置されると共に、入出力導波路１１２に複数の光結合器１１５が一定間隔で配置されているので、図１に示されるように接続導波路１１３−１〜１１３−Ｎの長さが左から順次ΔＳずつ増加していく。このように接続導波路１１３の長さが左側（入射端側）から右側（出射端側）に向かうに従い順次ΔＳずつ増加していくとすると、次式を満足する波長で、ラダー型波長フィルタ１１０の透過率が最も大きくなる。

ここで、ｍは回折次数であり任意の正の整数、ｎ_effは導波路の実効屈折率である。

作製した素子（半導体波長可変レーザ１００）の断面構造を、図２に示す。図２に示すように、ｎ−ＩｎＰ基板上に、ｎ−ＩｎＰ層、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の活性層（フォトルミネッセンスピーク波長１．５３μｍ）を積層する。次にＳｉＯ₂膜をスパッタリングにより成膜し、半導体光アンプ１３０となる部分を除きエッチングにより除去、さらにパターン化されたＳｉＯ₂膜をマスクとして活性層を除去する。次に選択成長により１．４Ｑ組成ＩｎＧａＡｓＰ光導波路層を成長し、最後にＳｉＯ₂層を除去して基板全体にｐ−ＩｎＰ層、ｐ⁺−ＩｎＧａＡｓ層を成長する。

計算で求めたラダー型波長フィルタ１１０とリング共振器１２０の部分の透過特性を、図３に示す。リング共振器１２０はＦＳＲ１００ＧＨｚに設定した。図中の実線が両方のフィルタを接続した時の透過特性であるが１５５０ｎｍで最も大きな透過率を得る事ができ、その両側の透過率は１．５ｄＢほど小さくなっている。このようなフィルタ特性を端面１００ａ，１００ｂとの間で形成されたレーザ共振器の内部に持つため、図１に示した実施例では一つの波長のみでレーザ発振が得られる。

図４に実際に作製した素子での発振スペクトルを示す。図４に示されるようにサイドモード抑圧比が３０ｄＢ以上の良好な発振スペクトルが得られている。

図５に、ラダー型波長フィルタ１１０の屈折率制御用電極１１６ａ，１１６ｂに印加する電流を変化させた場合の波長チューニング特性を示す。１００ＧＨｚ間隔、２４ｎｍの波長範囲で波長可変動作が確認できた。これらの発振波長では、素子端面により形成されるレーザの縦モード間隔の透過ピークとも一致している。本素子の場合、素子長は約４ｍｍとなっているため縦モード間隔は１０ＧＨｚ間隔になっている。従ってこの場合は１００ＧＨｚ間隔で出力光を得る事ができたが、縦モード間隔がずれると正確には１００ＧＨｚ間隔とはならないという問題が生じ、その結果、波長ロック用フィルタ１２０のＦＳＲから縦モード間隔の半分が追加した値の周波数精度で発振波長を制御可能となる。

なお、屈折率制御用電極１１６ａ，１１６ｂを介して入力する電流値が増加すると、入出力導波路１１１，１１２および接続導波路１１３の屈折率が増加する特性になっている。

図６は請求項２に関連する実施例２である。なお実施例２において、実施例１と同一機能を果たす部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。また実施例３以降の実施例においても、当該実施例よりも前の実施例と同一機能を果たす部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

実施例２の半導体波長可変レーザ２００では、端面１００ａと波長ロック用フィルタ２２０との間で形成されたレーザ共振器内に、位相調整用領域２１０が設けられており、この部分の導波路上に屈折率調整用の電極が設けられている。この場合、図１の実施例で問題となったレーザ共振器の縦モードの絶対値と縦モード間隔のずれを補正可能としている。

また、本実施例では波長ロック用フィルタとしてＳＳＧ２２０を用いている。この場合ＳＳＧ２２０のＦＳＲを２００ＧＨｚとするために超周期構造のグレーティングを一周期４０５ミクロンとしこれを７周期繰り返した。この場合もＳＳＧ２２０のＦＳＲと同じ間隔で波長可変動作を確認できた。つまり、ラダー型波長フィルタ１１０と、半導体光アンプ１３０と、位相調整領域２１０と、波長ロック用フィルタ２２０とを、光学的にこの順に直列的に接続して半導体波長可変レーザ２００を構成することにより、ＳＳＧ２２０のＦＳＲと同じ間隔で波長可変動作を行うことができた。なお、本実施例では、レーザ共振器の一方の端面１００ｂにＡＲコート２３０を施している。

なお図６の例では、波長ロック用フィルタとしてＳＳＧ２２０を用いたが、波長ロック用フィルタとしてサンプルドグレーティングと呼ばれるグレーティングを採用しても同様の結果が得られる。もちろん図１の実施例において、位相調整領域を設けても同様の結果を得る事ができる。

本発明の請求項３に関係する実施例３を図７に示す。実施例３は、実施例１や実施例２の半導体波長可変レーザに用いるラダー型波長フィルタ１１０の構成に工夫をしたものである。

本素子（半導体波長可変レーザ）が安定した波長可変動作を得るためには、図３に示す、メインのピークとその両側のサブピーク間の透過率差が重要となる。もし、波長ロック用フィルタのＦＳＲを小さくして、発振波長間隔を狭めたい場合には、メインピークとサブピーク間の透過率差が小さくなり、発振波長が不安定となる可能性が出てくる。

この問題を解決するためには、ラダー型波長フィルタ１１０の透過スペクトル帯域幅を狭める事が重要となる。このためには導波路数を多くする事である程度は半値幅を狭くする事もできるが、より透過スペクトル帯域幅を狭くするためにはラダー型波長フィルタ１１０の回折次数を大きくする事が重要となる。

例えば波長ロック用フィルタのＦＳＲを１００ＧＨｚとした場合、メインピークと隣接ピーク間の透過率差は回折次数２０の時に０．４ｄＢ、回折次数４０の時に１．４ｄＢ、となるので回折次数４０の方が安定に動作する。この時、（１）式からわかるように回折次数２０でメインピークを１５５０ｎｍとした場合に、回折次数１９と２１の透過ピークはそれぞれ１６３０ｎｍと１４７６ｎｍとなり、波長間隔はそれぞれ８０ｎｍ、７４ｎｍになる。この場合、波長可変範囲を６０ｎｍ程度とれる半導体光アンプを使用しても問題はないが回折次数を４０とした場合には回折次数１９と２１の透過ピークは１５９０ｎｍと１５１２ｎｍとなり、波長間隔はそれぞれ４０ｎｍ、３８ｎｍとなる。従って波長可変範囲６０ｎｍ程度を目標とした場合には二つの波長で同時に発振する可能性が出てくる。

この問題を解決するために実効的な回折次数を大きくした場合でも、安定した一波長での発振となるように、ラダー型波長フィルタ１１０の所望の回折次数以外の透過ピークの透過率を小さくする事が必要となる。そのため、図７では各光結合器での回折次数を所望の回折次数を中心に変調をかけることで他の回折次数に対応する透過ピークの透過率を減少させる事が可能となる。本実施例ではラダー型波長フィルタの左からｋ番目とｋ＋１番目の長さの接続導波路長の差ΔＳ_kを図の左側から次式に従って設定した。

ここで、ｍ₀は所望の回折次数、ｊは任意の整数であるがΔＳ_kが負にならないように設定する。この場合、接続導波路数Ｎは偶数である。奇数の場合はＮ／２を切り上げあるいは切り下げて整数にすればよい。
また、屈折率を変化させる電極長は次式に従って設定する。

ここで、Ｌ₀は任意の長さであるが、ｋがどの値でもＬ_kが光結合器間の長さより小さくなければならない。

このようにして作製したラダー型波長フィルタ１１０の特性を図８に示す。実線は図７に従って作製した回折次数が変調されたラダー型波長フィルタ、点線は通常の回折次数が一定のラダー型波長フィルタの透過スペクトルである。ｍ₀は４０、ｊは１とした。点線で示した通常の回折次数が一定のラダー型波長フィルタの透過スペクトルでは回折次数４０に対応する１．５５ミクロンの透過ピークとともに、回折次数が３９と４１に対応する他の二つのピークが同じ透過率で現れている。一方、実線で示された回折次数が変調されたラダー型波長フィルタでは１．５５ミクロンの透過ピークは点線のものと一致しているが、点線の場合に見られた他の二つのピークは回折次数を変調する事により複数のピークにわかれているのがわかる。このように、回折次数を変調したラダー型波長フィルタ１１０を用いて、狭い波長間隔で安定した波長可変動作が得られる事が確認できた。

請求項４に関連する実施例４を図９に示す。実施例４では、ラダー型波長フィルタ１１０と、波長ロック用フィルタ１２０と、位相調整領域２１０と、半導体光アンプ１３０を、光学的にこの順に直列的に接続して半導体波長可変レーザ３００を構成している。

本実施例の場合は、波長ロック用フィルタ１２０であるリング共振器と位相調整領域とした導波路部分（位相調整領域２１０）とに電流注入を行える屈折率制御用電極３１０を形成した。この屈折率制御用電極３００を介して波長ロック用フィルタ（リング共振器）１２０に入力する電流値を変化させて波長ロック用フィルタ（リング共振器）１２０の屈折率を変化させることができる。これによりリング共振器１２０の共振周波数とレーザ共振器の縦モード間隔が微調可能となる。

また、本実施例の場合、出力光の取り出しとして用いない端面１００ｂには高反射膜（ＨＲ）コート３２０を施しており、これにより反対側の出力端面１００ａからより大きな出力光強度となっている出力光１が取り出せるようにしている。

この実施例の素子（半導体波長可変レーザ）の測定結果を図１０に示す。なお、リング共振器１２０のＦＳＲは１００ＧＨｚ間隔とした。リング共振器１２０の電流注入量が０ｍＡの場合はこれまでと同様にラダー型波長フィルタ１１０の電流注入量を変化させる事により１００ＧＨｚ間隔の周波数でのみ発振する。リング共振器１２０に電流注入を行うとリング共振器１２０の共振周波数は増加する。そのためリング共振器１２０への電流値（Ｉ_Ring）が増加するにつれて高周波数側へ発振波長がシフトしていく。ところが、周波数が５０ＧＨｚ程度増加した発振周波数では、リング共振器１２０の低周波数側の共振周波数でも同程度の透過率となってくるため図１０の白丸で示される二つの周波数で不安定な発振となる。さらに、リング共振器１２０の電流注入量を増加させていくと低周波数側の透過率の方が大きくなるので対応する周波数で安定な発振となり、電流注入量が増加するに従って再び発振周波数は増加する。

一方、図１１はラダー型波長フィルタ１１０の電流注入量をもう少し細かく調整した場合である。図１０ではラダー型波長フィルタ１１０の電流注入量を０ｍＡ→０．５ｍＡ→１．３ｍＡと調整していたものを図１１ではラダー型波長フィルタ１１０の電流注入量を０ｍＡ→０．３ｍＡ→０．５ｍＡ→０．９ｍＡ→１．３ｍＡと細かく調整する事によりすべての周波数で安定にレーザ発振を得る事ができた。この場合、位相調整領域２１０の電流注入も同時に行って所望の周波数で発振するように調整した。このようにラダー型波長フィルタ１１０に加えリング共振器１２０、位相調整領域２１０の電流注入量を微調することによりすべての周波数で安定に発振波長を得る事が可能となる。

また、本実施例の素子（半導体波長可変レーザ）を用いれば次のような使い方も可能である。例えばリング共振器１２０の電流注入量を０ｍＡと１ｍＡの二点のみに限定し、ラダー型波長フィルタ１１０の電流注入量を変化させた場合は、発振波長間隔はリング共振器１２０のＦＳＲの半分で離散的に発振する。この場合、リング共振器１２０の電流を二点であるが制御する事により波長数が二倍になる（図１１中の●）。この場合、レーザの縦モード間隔が微調不要なように正確に制御されていれば動作中に可変にする電極はラダー型波長フィルタ１１０とリング共振器１２０のみで良いので依然として動作方法は従来法に較べて簡単である。

請求項５に関連する実施例５である半導体波長可変レーザ４００を図１２に示す。これまでの実施例では素子は劈開により形成された端面を反射ミラーとして共振器を構成していたが、本実施例の半導体波長可変レーザ４００では、ラダー型波長フィルタ１１０、波長ロック用フィルタ１２０、半導体光アンプ１３０、位相調整領域２１０が光結合器４１０を含むリング共振器構成となっており、光結合器４１０から導波路４２０を介して出力光が出射するリングレーザとして構成されている。つまり、ラダー型波長フィルタ１１０と波長ロック用フィルタ１２０と半導体光アンプ１３０と位相調整領域２１０をリング状に配置して光学的にリング状に結合したリング共振器が、光結合器４１０を介して導波路４２０に光結合して、リングレーザが構成されている。導波路４２０は、素子の両端面を接続する状態で配置されている。なお端面には、無反射コート４３０が施されている。

この実施例５の特徴としては、リングレーザの縦モード間隔が、これまでの実施例とは異なり劈開によらないため、正確に再現性良く縦モード間隔を設定できる点にある。さらに、縦モード微調整のために位相調整用の導波路２１０も設けている。本実施例でも図５と同様の特性が得られた。

請求項６に関連する実施例６に係る半導体波長可変レーザ５００を図１３に示す。本実施例では、ラダー型波長フィルタ１１０と半導体光アンプ１３０Ａと波長ロック用フィルタ１２０と半導体光アンプ１３０と位相調整領域２１０をリング状に配置して光学的にリング状に結合したリング共振器が、光結合器４１０を介して導波路４２０に光結合して、波長可変リングレーザが構成されている。そしてこの波長可変リングレーザの出力導波路４２０の一方の端部に光強度モニター用の受光素子５１０が設けてある。この受光素子５１０の電流をモニターする事により定出力動作する事を可能にしている。出力導波路４２０のもう一方の出力導波路側には、マッハツェンダー型光変調器５２０と、光変調器５２０で劣化した光出力を増幅するブースター用の半導体光アンプ５３０が設けられている。なお素子の端面には無反射コート５４０を施している。

マッハツェンダー型光変調器５２０はラダー型波長フィルタ１１０と同じエピ構成で作製可能なため、モノリシック集積化するのに有利である。もちろんＭＱＷ構造を用いた量子閉じこめシュタルク効果を用いた電界吸収型の光変調器でも同様の効果を得る事ができる。本実施例によれば光変調器５２０も一体化した高機能な波長可変レーザを作製する事が可能である。

請求項７に関連する実施例７に係る波長可変レーザモジュール６００を、図１４に示す。この波長可変レーザモジュール６００は、半導体波長可変レーザ６１０と，レンズ６２０と、エタロン型フィルタ６３０と、レンズ６４０と、受光素子６５０と、制御回路６６０とで構成されている。

本実施例に示される波長可変レーザモジュール６００では、半導体波長可変レーザ６１０の一方の出力端からの光出力強度を、外部の受光素子６５０でモニターする際に、レーザ６１０と受光素子６５０の間にエタロン型フィルタ６３０を挿入しているのが特徴である。なお波長可変レーザモジュール６００は、ラダー型波長フィルタ６１１と、波長ロック用フィルタ６１２と、位相調整領域６１３と、半導体光アンプ６１４と、位相調整領域６１５と、光結合器６１６と、導波路６１７と、光変調器６１８とで構成したリング共振器構成のレーザである。

本提案素子（半導体波長可変レーザ６１０）では波長ロック用フィルタ６１２のＦＳＲにより発振波長は決定されるが、半導体で作製した場合には、温度変動による屈折率変化が大きく所望のＦＳＲと異なってくることがある。この場合、レーザ６１０の片側の出力端に温度変動による屈折率変化の小さい例えば誘電体などで作製した同じＦＳＲを持つエタロンフィルタ６３０などを配置する事により、その透過光強度をモニターする事により発振波長のずれを補正できる。この場合、発振波長はリングレーザの位相調整領域６１３の電流量を調整する事でフィードバックをかけている。もちろん素子全体をヒータにより温度調整したりする事でも波長の調整は可能である。

この動作の詳細を示したのが図１５である。例えば素子温度の上昇によりリング共振器のＦＳＲが１００ＧＨｚよりも大きくなった場合は、波長を高周波側にスイッチングした場合には所望の発振周波数よりも若干高周波側で発振する。この時、エタロンフィルタ６３０の透過率は大きくなるので受光素子６５０の電流量は増加する。従って、受光素子６５０の電流量が減少するように制御回路６６０にて位相調整領域６１３の屈折率を制御するフィードバック制御をかける事により、所望の周波数に波長を安定化可能となる。

最後に、本実施例ではＩｎＰ系の化合物半導体を用いたがＧａＡｓ系やＳｉとＳｉＯ₂やポリイミドなどで構成されるシリコン細線導波路でもゲイン媒質をハイブリッド接続すれば同様に実現できる事を付記しておく。

また、本実施例では電流注入による屈折率変化を用いたが、電圧や熱や圧力による屈折率変化を用いても、波長可変動作を得る事ができる。

以上の方法により本発明では動作の簡便な波長可変レーザおよび波長可変レーザモジュールを低コストで実現可能となる。

本発明は半導体波長可変レーザおよび波長可変レーザモジュールに関するものであり、従来のＳＳＧ−ＤＢＲレーザのような波長可変光源と比較して、波長可変制御が大幅に簡素化し、かつ、波長安定性を大幅に改善したものであり、大容量波長多重通信用の光源として利用ができる。

本発明の実施例１に係る半導体波長可変レーザを示す構成図である。 本発明の実施例１に係る半導体波長可変レーザを示す断面図である。 ラダー型波長フィルタとリング共振器の透過スペクトルを示す特性図である。 本発明の実施例１に係る半導体波長可変レーザの発振スペクトルを示す特性図である。 本発明の実施例１に係る半導体波長可変レーザの波長チューニング特性を示す特性図である。 本発明の実施例２に係る半導体波長可変レーザを示す構成図である。 本発明の実施例３に係るラダー型波長フィルタを示す構成図である。 図７のラダー型波長フィルタのフィルタ特性を示す特性図である。 本発明の実施例４に係る半導体波長可変レーザを示す構成図である。 実施例４に係る半導体波長可変レーザの特性を示す特性図である。 実施例４に係る半導体波長可変レーザの特性を示す特性図である。 本発明の実施例５に係る半導体波長可変レーザを示す構成図である。 本発明の実施例６に係る半導体波長可変レーザを示す構成図である。 本発明の実施例７に係る波長可変レーザモジュールを示す構成図である。 実施例７に係る波長可変レーザモジュール動作特性を示す特性図である。 従来技術であるＳＳＧ−ＤＢＲ−ＬＤを示す構成図である。

符号の説明

１００，２００，３００，４００，５００ 半導体波長可変レーザ
１１０ ラダー型波長フィルタ
１２０ 波長ロック用フィルタ（リング共振器）
１３０，１３０Ａ 半導体光アンプ
２１０ 位相調整領域
２２０ 波長ロック用フィルタ
２３０ ＡＲコート
３１０ 屈折率制御用電極
３２０ ＨＲコート
４１０ 光結合器
４２０ 導波路
４３０ 無反射コート
５１０ 受光素子
５２０ マッハチェンダー型光変調器
５３０ 半導体光アンプ
５４０ 無反射コート
６００ 波長可変レーザモジュール
６１０ 半導体波長可変レーザ
６２０，６４０ レンズ
６３０ エタロン型フィルタ
６５０ 受光素子
６６０ 制御回路

Claims (7)

1. レーザ共振器を形成する一対の端面のうちの一方の端面に光学的に接続されたラダー型波長フィルタと、一定周波数間隔で透過率の変化する波長ロック用フィルタと、前記一対の端面のうちの他方の端面に光学的に接続された半導体光アンプとを、光学的に直列的に接続しており、
   前記ラダー型波長フィルタは、離間して配置された一対の入出力導波路と、一定の間隔で前記入出力導波路にそれぞれ配置された複数の光結合器と、前記入出力導波路のうちの一方に順に並んで配置された光結合器と前記入出力導波路のうちの他方に順に並んで配置された光結合器とを順番に１対１に対応して接続する複数の接続導波路とから構成され、各接続導波路の長さは、相対的に入射端側の接続導波路に対してこれに隣接する相対的に出射端側の接続導波路が予め決めた長さ分だけ増加あるいは減少しており、
   更に、前記ラダー型波長フィルタの前記入出力導波路の屈折率を変化させることにより発振波長を一定周波数間隔で可変にする第１の屈折率変化手段を持つことを特徴とする半導体波長可変レーザ。
2. レーザ共振器を形成する一対の端面のうちの一方の端面に光学的に接続されたラダー型波長フィルタと、半導体光アンプと、発振波長を微調整可能な位相調整領域と、前記一対の端面のうちの他方の端面に光学的に接続されると共に一定周波数間隔で透過率の変化する波長ロック用フィルタとを、光学的に直列的に接続しており、
   前記ラダー型波長フィルタは、離間して配置された一対の入出力導波路と、一定の間隔で前記入出力導波路にそれぞれ配置された複数の光結合器と、前記入出力導波路のうちの一方に順に並んで配置された光結合器と前記入出力導波路のうちの他方に順に並んで配置された光結合器とを順番に１対１に対応して接続する複数の接続導波路とから構成され、各接続導波路の長さは、相対的に入射端側の接続導波路に対してこれに隣接する相対的に出射端側の接続導波路が予め決めた長さ分だけ増加あるいは減少しており、
   更に、前記ラダー型波長フィルタの前記入出力導波路の屈折率を変化させることにより発振波長を一定周波数間隔で可変にする第１の屈折率変化手段を持つことを特徴とする半導体波長可変レーザ。
3. 請求項１または請求項２のいずれか一項に記載の半導体波長可変レーザにおいて、
   前記ラダー型波長フィルタでは、各光結合器で干渉する透過ピーク波長はすべて同じであるが、回折次数が各光結合器で異なるように複数の前記接続導波路のそれぞれの導波路長が調整されており、所望の波長でのみ透過率が高くなり、回折次数の異なる透過ピークの透過率を小さくすることを特徴とする半導体波長可変レーザ。
4. レーザ共振器を形成する一対の端面のうちの一方の端面に光学的に接続されたラダー型波長フィルタと、一定周波数間隔で透過率の変化する波長ロック用フィルタと、発振波長を微調整可能な位相調整領域と、前記一対の端面のうちの他方の端面に光学的に接続された半導体光アンプとを、光学的に直列的に接続しており、
   前記ラダー型波長フィルタは、離間して配置された一対の入出力導波路と、一定の間隔で前記入出力導波路にそれぞれ配置された複数の光結合器と、前記入出力導波路のうちの一方に順に並んで配置された光結合器と前記入出力導波路のうちの他方に順に並んで配置された光結合器とを順番に１対１に対応して接続する複数の接続導波路とから構成され、各接続導波路の長さは、相対的に入射端側の接続導波路に対してこれに隣接する相対的に出射端側の接続導波路が予め決めた長さ分だけ増加あるいは減少しており、
   更に、前記ラダー型波長フィルタの前記入出力導波路の屈折率を変化させることにより発振波長を一定周波数間隔で可変にする第１の屈折率変化手段を持ち、
   前記波長ロック用フィルタの屈折率を変化させる第２の屈折率変化手段を持つことを特徴とする半導体波長可変レーザ。
5. ラダー型波長フィルタと、一定周波数間隔で透過率の変化する波長ロック用フィルタと、半導体光アンプと、発振波長を微調整可能な位相調整領域とを、リング状に配置して光学的にリング状に結合したリング共振器と、
   リング共振器用光結合器により前記リング共振器に光学的に結合した導波路とによりリングレーザが構成されており、
   前記ラダー型波長フィルタは、離間して配置された一対の入出力導波路と、一定の間隔で前記入出力導波路にそれぞれ配置された複数の光結合器と、前記入出力導波路のうちの一方に順に並んで配置された光結合器と前記入出力導波路のうちの他方に順に並んで配置された光結合器とを順番に１対１に対応して接続する複数の接続導波路とから構成され、各接続導波路の長さは、相対的に入射端側の接続導波路に対してこれに隣接する相対的に出射端側の接続導波路が予め決めた長さ分だけ増加あるいは減少しており、
   更に、前記ラダー型波長フィルタの前記入出力導波路の屈折率を変化させることにより発振波長を一定周波数間隔で可変にする第１の屈折率変化手段を持つことを特徴とする半導体波長可変レーザ。
6. ラダー型波長フィルタと、第１の半導体光アンプと、一定周波数間隔で透過率の変化する波長ロック用フィルタと、第２の半導体光アンプと、発振波長を微調整可能な位相調整領域とを、リング状に配置して光学的にリング状に結合したリング共振器と、
   リング共振器用光結合器により前記リング共振器に光学的に結合した導波路とによりリングレーザが構成されており、
   前記導波路には受光素子と光変調器と第３の半導体光アンプが設けられ、前記光変調器が前記リングレーザと共に集積化されており、
   前記ラダー型波長フィルタは、離間して配置された一対の入出力導波路と、一定の間隔で前記入出力導波路にそれぞれ配置された複数の光結合器と、前記入出力導波路のうちの一方に順に並んで配置された光結合器と前記入出力導波路のうちの他方に順に並んで配置された光結合器とを順番に１対１に対応して接続する複数の接続導波路とから構成され、各接続導波路の長さは、相対的に入射端側の接続導波路に対してこれに隣接する相対的に出射端側の接続導波路が予め決めた長さ分だけ増加あるいは減少しており、
   更に、前記ラダー型波長フィルタの前記入出力導波路の屈折率を変化させることにより発振波長を一定周波数間隔で可変にする第１の屈折率変化手段を持つことを特徴とする半導体波長可変レーザ。
7. 請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の半導体波長可変レーザを備え、
   前記半導体波長可変レーザの一方の出力端に、一定周波数間隔で透過率が変化する波長フィルタと受光素子とを配置してなることを特徴とする波長可変レーザモジュール。

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