JP4625285B2 - 波長フィルタ、波長可変フィルタ、波長可変フィルタ特性制御方法および波長可変レーザ - Google Patents

Description

本発明は波長多重光通信システムの重要な光部品である波長可変フィルタ、フィルタ特性制御方法および半導体波長可変レーザに関するものである。

近年、インターネットトラヒックの爆発的な増大に伴い、高密度波長多重光伝送方式が導入されている。このような高密度波長多重伝送において、光源として用いられる半導体レーザはコストパフォーマンスの観点から、広帯域波長可変性を有することが強く求められ、これまで超周期構造グレーティング（ＳＳＧ：super-structure grating)を用いた波長可変レーザ（例えば、非特許文献１参照）、アレー導波路格子（ＡＷＧ：arrayed waveguide grating)を用いた波長可変レーザ（例えば、非特許文献２参照）やラダー干渉型フィルタおよびリング共振器 を用いた波長可変レーザ（非特許文献３参照）などが研究開発されている。

図１５に、従来のＳＳＧを用いた波長可変レーザの構造図を示す。ＳＳＧは一定波長間隔（ＦＳＲ：free-spectral range)で反射特性を有するグレーティングである。ＳＳＧを用いた波長可変レーザでは二つの異なるＦＳＲを有するＳＳＧを使用することにより、それぞれのＦＳＲの最小公倍数に相当する波長範囲内で波長可変動作を可能する。従来のＳＳＧを用いた波長可変レーザの場合、波長可変動作時、二つのＳＳＧ領域とともに位相調整領域の屈折率も制御する必要があるため、発振波長制御が容易ではない欠点があった。

図１６に、従来のＡＷＧを用いた波長可変レーザの構成を示す。ＡＷＧを用いた多波長選択光源の場合、発振波長数に対する半導体光増幅器（ＳＯＡ：semiconductor optical amplifier ）の増大や比較的長い共振器長から縦モード間隔が３ＧＨｚ程度と狭くなるため、発振モード不安定の問題が危惧されていた。

図１７に、従来のラダー干渉型フィルタ１７２０およびリング共振器１７６０を用いた波長可変レーザ１７００の構成を示す。ラダー干渉型フィルタとリング共振器との組み合わせで構成された波長可変レーザは、簡単な制御方法で一定波長間隔の波長をデジタル的に可変できる特徴を有する。

しかし、この波長可変レーザは、発振波長安定化のためにラダー干渉型波長フィルタの帯域を十分狭くする必要がある。ラダー干渉型波長フィルタを狭帯域化できる最も有効な方法としてアレー導波路本数の増大およびラダー干渉計の回折次数の増大が挙げられる。

表１は、アレー導波路の本数および回折次数の増大した場合のラダー干渉型フィルタ特性に及ぼす影響を、フィルタ損失、レーザの縦モード間隔、ラダーフィルタの透過波長間隔（ＦＳＲ）および波長可変範囲の観点で示している。

アレー導波路本数を増大させた場合、素子サイズおよび光結合器の増大に伴い、挿入損失が増大する問題ほか、光路長の増大により、レーザの縦モード間隔も狭くなり、ラダー干渉型フィルタおよび発振波長ロック用フィルタに求められる帯域が一層狭くなる。

また、アレー導波路の本数の増大に伴い、光結合器の数は必然的に増大するが、通常、光結合器は光波長により結合係数が変化する波長依存性を有する。従って、光結合器の数が増大するにつれ、ラダー干渉型フィルタ特性の波長依存性はより顕著になるため、波長可変レーザの応用では波長可変に伴い、出力パワーが一定に保たれないことが懸念される。

一方、回折次数の増大による狭帯域化の場合、損失や縦モード間隔は一定に保たれるものの、ＦＳＲおよび波長可変範囲が回折次数に反比例して減少する問題がある。従って、波長可変レーザで用いられるＳＯＡの利得帯域がラダー干渉型フィルタのＦＳＲより広い場合、モードホップのようなレーザ発振特性の不安定化が問題となる。狭いＦＳＲの問題はＡＷＧを用いるレーザで検討されているチャーピング手法（例えば、非特許文献２参照）を導入することにより、解消可能である。

しかし、波長可変範囲はラダー干渉計の回折次数に反比例するため、回折次数を増大する限り、広帯域波長可変動作はできなくなってしまう。結局、いずれの方法を用いても発振波長安定化、低損失（高出力発振）および広帯域波長可変動作を可能にするラダー干渉型波長フィルタを実現することが困難である。

H.Ishii et al, "Multiple-Phase-Shift Super Structure Grating DBR Lasers for Broad Wavelength Tuning", IEEE Photonics Technology Letters, Vol.5, No.6, June 1993, pp.613-615 C.R.Doerr et al, "Chirped Waveguide Granting Router Multifrequency Laser with Absolute Wavelength Control", IEEE Photonics Technology Letters, Vol.8, No.12, December 1993, pp.1606-1608 S.Matsuo et al, "Digitally tunable laser using ladder filter and ring resonator", Proceedings ECOC 2003, September 2003, pp884-885

本発明は、狭帯域化、低損失化および波長可変範囲の増大が可能なラダー干渉型波長フィルタを提供することを目的とする。また、当該ラダー干渉型波長フィルタを発振波長選択素子として用いことにより、発振波長安定化、高出力動作および広帯域波長可変動作が可能な波長可変レーザを提供することを目的とする。

本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、波長フィルであって、第１及び第２の端部を有する入力導波路であって、前記第１の端部は光が入射される入射端である入力導波路と、前記第１及び第２の端部にそれぞれ対応する第３及び第４の端部を有する出力導波路であって、前記第４の端部は光が出射される出射端である出力導波路と、前記入力導波路に一定の間隔で配置されたＮ個（Ｎ；３以上の自然数）の光結合器で構成された第１の組の光結合器と、前記出力導波路に一定の間隔で配置されたＮ個の光結合器で構成された第２の組の光結合器と、前記第１の組の光結合器を構成する各光結合器と前記第２の組の光結合器を構成する各光結合器とを、前記入力導波路の前記入射端および前記出力導波路の前記第３の端部の側から、前記入力導波路の第２の端部および前記出力導波路の前記出射端の側にかけて順次一対一に接続するＮ本のアレー導波路とを備えたラダー干渉型波長フィルタであって、前記入力導波路に配置された前記第１の組の光結合器のうちの隣接する光結合器と、当該入力導波路に配置された前記第１の組の光結合器のうちの隣接する光結合器の間の前記入力導波路と、前記出力導波路に配置された前記第２の組の光結合器のうちの隣接する光結合器と、当該出力導波路に配置された前記第２の組の光結合器のうちの隣接する光結合器の間の前記出力導波路と、前記入力導波路に配置された前記第１の組の光結合器のうちの隣接する光結合器と前記出力導波路に配置された前記第２の組の光結合器のうちの隣接する光結合器とをそれぞれ接続する前記アレー導波路であって、隣接する前記アレー導波路のうち前記入力導波路の第２の端部側に接続されたアレー導波路が前記入力導波路の入射端側に接続されたアレー導波路に対して一定の光路長差を有するアレー導波路とにより構成された１つまたは複数の低回折次数領域と、前記Ｎ本のアレー導波路のうちのＭ段目からＭ＋ｉ段目（Ｍ；Ｎ−１以下の自然数、ｉ；１以上の自然数、Ｍ＋ｉ；Ｎ以下）までの連続するアレー導波路と、前記Ｍ段目からＭ＋ｉ段目のアレー導波路によりそれぞれ接続された前記入力導波路に配置された前記第１の組の光結合器のうちの隣接する光結合器および前記出力導波路に配置された前記第２の組の光結合器のうちの隣接する光結合器と、前記Ｍ段目からＭ＋ｉ段目のアレー導波路が接続された前記入力導波路に配置された前記第１の組の光結合器のうちの隣接する光結合器の間の前記入力導波路と、前記Ｍ段目からＭ＋ｉ段目のアレー導波路が接続された前記出力導波路に配置された前記第２の組の光結合器のうちの隣接する光結合器の間の前記出力導波路とにより構成された高回折次数領域であって、前記Ｍ段目からＭ＋ｉ段目のアレー導波路のうちの隣接する２本のアレー導波路のいずれについても前記入力導波路の第２の端部側に接続されたアレー導波路が前記入力導波路の入射端側に接続されたアレー導波路に対して前記光路長差のｐ倍（ｐは自然数、ただしｐ＝０または１を除く）の光路長差を有する高回折次数領域とが直列結合され、前記第１および第２の組の光結合器のうち、前記高回折次数領域を構成する光結合器の光結合率を当該波長フィルタの透過波長ピークの損失が最小になるように設定したことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、波長可変フィルタであって、請求項１に記載の波長フィルタと、前記光結合器の間の前記導波路上に配置された一定の長さの電極をさらに備え、前記高回折次数領域に配置された前記電極の長さのみを、前記低回折次数領域に配置された前記電極の長さのｐ倍にしたことを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、波長可変レーザであって、請求項２に記載の波長可変フィルタと、当該波長可変フィルタからの出力光が入射される発振波長ロック用フィルタと、前記発振波長ロック用フィルタからの出力光を増幅する半導体光増幅器とを備えたことを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の波長可変レーザであって、発振波長ロック用フィルタは、リング共振器であることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、波長可変フィルタのフィルタ特性制御方法であって、請求項２に記載の波長可変フィルタにおいて、前記可変フィルタの中心波長を短波長側にシフトする場合に前記入力導波路に配置された電極に電流注入し、前記可変フィルタの中心波長を長波長側にシフトする場合に前記出力導波路に配置された電極に電流注入することを特徴とする。

本発明によればアレー導波路の導波路の本数およびラダー干渉計の回折次数を増大させずに狭帯域化、低損失化および波長可変範囲の増大が可能なラダー干渉型波長フィルタを提供することができる。また、本発明に係るラダー干渉型波長フィルタを発振波長選択素子として用いことにより、発振波長安定化、高出力動作および広帯域波長可変動作が可能な波長可変レーザを提供することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。

図１を参照して本発明の第１の実施形態を説明する。図１に、第１の実施形態に係る波長可変レーザの構成を示す。波長可変レーザ１００は、一対の入力導波路１０２および出力導波路１０４と、入力導波路１０２および出力導波路１０４に所定の間隔で配置された光結合器１３０−１〜１３０−Ｎおよび１３２−１〜１３２−Ｎと、光結合器１３０−１〜１３０−Ｎおよび１３２−１〜１３２−Ｎを介して入力導波路１０２と出力導波路１０４との間を接続するＮ本（Ｎ；３以上の自然数）のアレー導波路１４０−１から１４０−Ｎとから構成されたラダー干渉型波長フィルタ１２０と、ラダー干渉型波長フィルタ１２０からの出力光が入射される発振波長ロック用フィルタとしてのリング共振器１６０と、リング共振器１６０からの出力光を増幅する半導体光増幅器１８０と、入力導波路１０２の入射端および半導体光増幅器１８０の出射端にそれぞれ接続された反射ミラー（反射膜）１９０とを備える。

また、ラダー干渉型波長フィルタ１２０は、回折次数の異なる二つのラダー干渉計、つまり、低回折次数領域１２２と高回折次数領域１２４との従属接続により構成される。

アレー導波路の本数をＮとし、入力導波路１０２の入射端のアレー導波路を１段目のアレー導波路とした場合、低回折次数領域のアレー導波路長は１段目から（Ｎ−１）段目のアレー導波路まで順次ΔＳずつ増大し、次式を満足する波長（λ_０）で透過率が最大になる。
λ_０＝（ｎ_０effΔＳ）／ｍ ・・・（１）

ここで、ｎ_effは光導波路の実効屈折率およびｍはラダー干渉計の回折次数である。一方、高回折次数領域は１段のラダー干渉計で構成され、（Ｎ−１）段目のアレー導波路１４０−（Ｎ−１）とＮ段目のアレー導波路１４０−Ｎとの光路長差をｐ×ΔＳにすれば、この領域のラダー干渉計の回折次数は低回折次数領域よりｐ倍（ｐは自然数）大きい回折次数を有する。従って、透過率が最大になる波長（λ_１）は次式で表される。
λ_１＝（ｎ_effｐΔＳ）／（ｐ×ｍ）＝（ｎ_effΔＳ）／ｍ ・・・（２）

従って、上式から分かるように、ラダー干渉型フィルタ１２０における低回折次数領域１２２と高回折次数領域１２４の中心ピーク波長は一致する。この場合、中心ピーク波長の透過率およびＦＳＲは低回折次数領域により求められる。一方、高回折次数を有するラダー干渉計は中心ピーク波長近傍を狭帯域化する役割をする。尚、反射ミラー１９０は、光帰還構造のために設けた反射膜である。

図１７に示す従来の波長可変レーザ（例えば、非特許文献３参照）と比べ、ラダー干渉型波長フィルタが低回折次数領域と高回折次数領域とを有することが特徴である。

図２は、ラダー干渉型波長フィルタ１２０と直列結合されたリング共振器１６０の透過スペクトルを計算機により計算した結果である。リング共振器１６０のピーク波長間隔は１００ＧＨｚとなっている。図２（ａ）は、従来のラダー干渉型フィルタによる波長スペクトル特性、および図２（ｂ）は第１の実施形態に係る波長可変レーザにおけるラダー干渉型フィルタによる波長スペクトル特性である。ここで、ラダー干渉計の回折次数を４０、アレー導波路の本数を１５およびラダーフィルタで用いた光結合器の光結合率は０．８５とした。但し、第１の実施形態に係る波長可変レーザにおけるラダー干渉型フィルタについては、高回折次数領域のｐを１５とした。図２（ａ）および（ｂ）の実線に示すように、発振モードは直列接続されたラダー干渉型フィルタとリング共振器の波長スペクトル特性で決まり、発振波長の安定性は、ラダー干渉型フィルタの中心波長（λ_０）と一致するリング共振器のリング共振ピークおよびそれに隣接するリング共振ピーク間の抑圧比により決まる。図２（ｂ）に示すように、低回折次数領域１２２と高回折次数領域１２４とを有するラダー干渉型フィルタ１２０の場合、３−ｄＢ帯域は１．６５ｎｍであり、図２（ａ）に示す従来のラダー干渉型フィルタ（２．０７ｎｍ）に比べて狭帯域化できるため、隣接するリング共振ピーク間の抑圧比も２．３ｄＢから３．４ｄＢに増大し、発振波長の安定化が可能になる。

しかし、第１の実施形態に係る波長可変レーザにおけるラダー干渉型フィルタではアレー導波路の本数を保持しながら、高回折次数領域を設けたため、必然的に素子サイズが増大するほか、光路長の増大により、レーザ共振器の縦モード間隔も狭くなる問題が生じる。

従って、この問題を克服するためには、低回折次数領域のアレー導波路の本数を減少させなければいけない。第１の実施形態に係る波長可変レーザ１００におけるラダー干渉型フィルタ１２０が、１５本のアレー導波路を有する従来のラダー干渉型フィルタと同じ素子サイズを有するためには、例えば、アレー導波路の本数を８とした場合には、高回折次数領域のｐを８とし、あるいはアレー導波路の本数を１２とした場合には、高回折次数領域のｐを４になればよい。つまり、高回折次数領域のｐが増大するほど、全体のアレー導波路本数を減らすことができ、低回折次数領域のアレー導波路の本数を増大させるほど、従来のラダー干渉型フィルタ特性に近づく。

図３は、（ラダー干渉計の回折次数を４０、アレー導波路の本数を１５とした）従来のラダー干渉型フィルタのスペクトル特性と、従来のラダー干渉型フィルタと同じ素子サイズを有する本発明の第１の実施形態に係る波長可変レーザにおけるラダー干渉型フィルタの波長スペクトル特性を示している。図３（ａ）に、アレー導波路の本数を１４、高回折次数領域のｐを２とした場合の第１の実施形態に係る波長可変レーザ１００におけるラダー干渉型フィルタ１２０の波長スペクトル特性を示し、図３（ｂ）に、アレー導波路の本数を１１、高回折次数領域のｐを５とした場合の第１の実施形態に係る波長可変レーザ１００におけるラダー干渉型フィルタ１２０の波長スペクトル特性を示す。

図３（ａ）に示すように、従来のラダー干渉型フィルタに比べ、本発明のラダー干渉型フィルタの透過帯域は若干広いことが分かる。これはアレー導波路の本数の減少によるフィルタ帯域の広がりが高回折次数領域による狭帯域化効果より顕著であることを意味する。

次に図４を参照して、本発明の第２の実施形態に係るラダー干渉型波長フィルタ４２０を説明する。

第１の実施形態に係る波長可変レーザにおけるラダー干渉型フィルタ１２０では、高回折次数領域による狭帯域化効果を高めるためにはｐを増大することが有効であるが、それとともに低回折次数領域のアレー導波路本数は減少する。この場合、図３（ｂ）に示すように、フィルタ帯域がさらに広がってしまい、素子サイズを増大しないまま、高回折次数領域のみによる狭帯域化は困難である。

図４に、高回折次数領域の位置を変化させたラダー干渉型フィルタの構成を示す。ラダー干渉型フィルタ４２０は、一対の入力導波路４０２および出力導波路４０４と、入力導波路４０２および出力導波路４０４に所定の間隔で配置された光結合器４３０−１〜４３０−Ｎおよび４３２−１〜４３２−Ｎと、光結合器４３０−１〜４３０−Ｎおよび４３２−１〜４３２−Ｎを介して入力導波路４０２と出力導波路４０４との間を接続するＮ本（Ｎ；４以上の自然数）のアレー導波路４４０−１から４４０−Ｎとから構成される。

アレー導波路の本数をＮとし、入力導波路４０２の入射端のアレー導波路を１段目のアレー導波路とした場合、１段目からＭ段目（Ｍ；２以上、Ｎ−１以下の自然数）および（Ｍ＋１）段目からＮ段目までのアレー導波路の導波路長が順次ΔＳずつ増大する２つの低回折次数領域４２２と、Ｍ段目のアレー導波路と（Ｍ＋１）段目のアレー導波路との光路長の差がΔＳのｐ倍である高回折次数領域４２４とが従属接続された構成となっている。

第２の実施形態に係るラダー干渉型フィルタ４２０は、第１の実施形態に係る波長可変レーザにおけるラダー干渉型フィルタと比べて、低回折次数領域と従属接続（直列結合）される高回折次数領域の位置のみを変化させることを特徴とする。これにより、素子サイズを増大せず、狭帯域化特性を得ることができる。

この場合、アレー導波路の本数、回折次数および光結合器の光結合率は図１に示す第１の実施形態に係る波長可変レーザにおけるラダー干渉型フィルタと同様とすることができる。

図５に、図４に示すラダー干渉型フィルタの波長スペクトル特性を示す。高回折次数領域の接続位置を変化させることにより、狭帯域化特性が得られることが確認できる。このようなフィルタスペクトル特性の大きな変化は高回折次数領域の接続位置の変化によるラダー干渉型フィルタの伝達関数の変化に起因する。この場合、ラダー干渉型フィルタの透過帯域は高回折次数領域の接続位置に依存して変化する。最も良好な狭帯域波長特性を得るためには高回折次数領域の接続位置を低回折次数領域の中心にすればいいが、狭帯域化に伴い、フィルタ特性の消光比が減少する問題点がある。

従って、高回折次数領域の接続位置を変化させる方法ではフィルタの狭帯域化と消光比とのトレードオフが生じる。

尚、本実施形態では、１つの高回折次数領域のみを有するラダー干渉型フィルタの例を示したが、複数の高回折次数領域を有することもできる。

次に図７〜８を参照して第３の実施形態に係るラダー干渉型フィルタを説明する。第３の実施形態に係るラダー干渉型フィルタは、第１の実施形態に係る波長可変レーザにおけるラダー干渉型フィルタ１２０ラダー干渉型フィルタの光結合器１３０−１〜１３０−Ｎおよび１３２−１〜１３２−Ｎの光結合率（κ）を適正化することを特徴とする。これにより、狭帯域化を可能とし、あるいは低損失化を可能とするラダー干渉型フィルタを提供することができる。

第２の実施形態に係る可変波長レーザにおけるラダー干渉型フィルタ４２０では、高回折次数領域４２４の接続位置を変化させることにより狭帯域化が得られたものの、ラダーフィルタの消光比とのトレードオフが問題となった。

図６に、第３の実施形態に係るラダー干渉型フィルタ、即ち第１の実施形態に係る波長可変レーザにおけるラダー干渉型フィルタ１２０において、光結合器１３０−１〜１３０−（Ｎ−１）および１３２−１〜１３２−（Ｎ−１）の光結合率（κ）を０．８５と設定し、Ｎ段目のアレー導波路１４０−Ｎに接続された光結合器１３０−Ｎおよび１３２−Ｎの光結合率（κ）のみ０．５に設定した場合の波長スペクトル特性を示している。

つまり、高回折次数領域の接続位置は変化せずに、光結合器の光結合率（κ）のみ適正化した構成となっている。図６は、アレー導波路の本数を１１、および高回折次数領域のｐを５とした場合の波長スペクトル特性を示す。図６に示すように、光結合率（κ）を適正化することにより、従来ラダー干渉型フィルタに比べて、素子サイズを増大させず、ラダー干渉型フィルタの３−ｄＢ帯域を狭帯域化させることができることが確認できる。

また、図５に示した高回折次数領域の接続位置を変化させた場合の波長スペクトル特性に比べてフィルタ消光比が３ｄＢほど増大することから、第１の実施形態に係る波長可変レーザに用いた場合に、当該波長可変レーザの発振波長安定化させることができる。

ラダー干渉型波長フィルタで用いられる光結合器の光結合率（κ）は、透過波長ピークの損失が最小になるように設定する必要がある。通常、光結合器として用いられる方向性結合器や多モード干渉（ＭＭＩ：multi-mode interference)結合器は入力光波長により結合特性が異なる波長依存性を有する。

従って、光結合器の数が増えれば増えるほど波長依存性が顕著になり、ラダー干渉型フィルタの波長可変動作に伴い、透過ピークの損失が増大するため、レーザ特性を劣化させる原因となる。本発明の様々な実施形態に係るラダー干渉型フィルタは、比較的少ない光結合器を用いて狭帯域化できるため、フィルタ素子の挿入損失やスペクトル特性の波長依存性を低減することが期待できる。

図７（ａ）および（ｂ）の各々に、光結合器としてＭＭＩ結合器を用いた従来のラダー干渉型フィルタおよび第３の実施形態に係るラダー干渉型フィルタの波長スペクトル特性の計算機による計算結果をそれぞれ示す。図７に示す数値計算ではＭＭＩ結合器の波長依存性を考慮するために、ＭＭＩ結合器の結合係数を波長に対する関数とした。また、ＭＭＩ結合器の挿入損失を０．２ｄＢ／個、光導波路の伝搬損失を０．４６ｄＢ／ｃｍとした。

また、従来のラダー干渉型フィルタについては、アレー導波路の本数を１５、および回折次数を４０とした。第３の実施形態に係るラダー干渉型フィルタについては、アレー導波路の本数を１０、回折次数を４０および高回折次数領域に係わるパラメータｐを５とした。

図７（ａ）および（ｂ）に示すように、ＭＭＩ結合器の光結合率（κ）が波長依存性を有するため、所望の回折次数（ｍ）による透過帯域前後の回折次数（ｍ＋１）および（ｍ−１）による透過ピークは減少していることが分かる。第３の実施形態に係るラダー干渉型フィルタの場合、狭帯域化に必要とするＭＭＩ結合器が少ないため、従来のラダー干渉型フィルタに比べてスペクトル特性の波長依存性が弱いこと、また中心ピーク波長の透過率（−５．５ｄＢ）が従来のラダー干渉型フィルタ（−６．９ｄＢ）よりも高く得られることが利点としてある。

従って、第１の実施形態に係る波長可変レーザに、第３の実施形態に係るラダー干渉型波長フィルタを用いれば、狭帯域化による発振モード安定化、高出力発振および波長可変動作に伴う出力パワーの波長依存性の低減が可能になる。

第３の実施形態に係るラダー干渉型フィルタは、従来のラダー干渉型フィルタと比べ、少ないアレー導波路本数のみならず、小さい回折次数を用いて狭帯域波長スペクトル特性が実現可能である。従って、第１の実施形態に係る波長可変レーザの発振特性を劣化させずに波長可変範囲の拡大が期待できる。

図８に、従来のラダー干渉型フィルタの回折次数より小さい回折次数を有するラダー干渉型フィルタの波長スペクトル特性を示している。この数値計算では図７と同様に光導波路の伝搬損失およびＭＭＩ結合器の挿入損失と波長依存性を考慮している。

従来のラダー干渉型フィルタについては、アレー導波路の本数を１５および回折次数を４０とした。本実施例のラダー干渉型フィルタについては、アレー導波路の本数を８、回折次数を３０および高回折次数領域のパラメータｐを８とした。光結合器の光結合率（κ）は中心波長（λ_０＝１．５５μｍ）で０．８５とした。但し、高回折次数領域のアレー導波路に接続された光結合器の光結合率（κ）のみ０．５（λ_０＝１．５５μｍ）に設定した。

図８に示すように、本発明のラダー干渉型フィルタは比較的小さい回折次数を用い、素子サイズを増大せずに、従来のラダー干渉型フィルタと同程度の透過帯域が実現できる。また、光結合器の数が少ないことから低損失化および低波長依存スペクトル特性が可能になる。通常、屈折率変化によるラダー干渉型フィルタの透過ピーク波長変化量（Δλ）は次式のように表される。
Δλ＝ΔｎＬ_ｅ／ｍ ・・・（３）

ここで、ΔｎおよびＬ_ｅはそれぞれ屈折率変化量および屈折率変化領域長である。つまり、本発明のラダー干渉型フィルタは従来構造より小さい回折次数を用いていることから同じΔｎに対して大きなΔλが得られるため、広帯域波長可変動作が可能になる。また、透過帯域間のＦＳＲが広くなるため、所望の波長領域以外でのレーザ発振を抑制できる利点もある。

図９に、本発明の第３の実施形態に従って、実際に作製したラダー干渉型フィルタの波長スペクトル特性を示す。実線は従来のラダー干渉型フィルタの波長スペクトル特性を、破線は本発明によるラダー干渉型フィルタの波長スペクトル特性を示す。試作素子の作製条件は上記図８の数値計算と同じである。

図９に示すように、本発明のラダー干渉型フィルタ帯域は２．０８ｎｍと観測され、従来のラダー干渉型フィルタの帯域（２．０４ｎｍ）とほぼ同じでありながら、透過ピークのＦＳＲは比較的広く、中心透過ピークの透過率は１．５ｄＢほど高く、フィルタ特性の波長依存性は小さいことを確認することができる。

このように、本実施例に説明するラダー干渉型フィルタは素子サイズを増大せずに従来のラダー干渉型フィルタの３／４に相当する回折次数を用い、狭帯域化、低損失および低波長依存スペクトル特性が可能という特徴を有する。つまり、図９に示したスペクトル特性では、従来のラダー干渉型フィルタおよび第３実施形態に係るラダー干渉型フィルタの回折次数がそれぞれ４０および３０であったが、従来のラダー干渉型フィルタの回折次数が１２０の場合、第３の実施形態に係るラダー干渉型フィルタの回折次数を９０と定めれば、従来構造によるフィルタと同程度の透過帯域を得ることができる。従って、本発明のラダー干渉型フィルタは常に従来のラダーフィルタに比べてＦＳＲおよび波長可変範囲を４／３倍拡大することが可能である。

次に図１０を参照して第４の実施形態について説明する。

第４の実施形態に係るラダー干渉型フィルタ１０２０は高回折次数を有するラダー干渉計を多段に結合した高回折次数領域を有する。図１０に示す第４の実施形態に係るラダー干渉型フィルタ１０２０は、一対の入力導波路１００２および出力導波路１００４と、入力導波路１００２および出力導波路１００４に所定の間隔で配置された光結合器１０３０−１〜１０３０−Ｎおよび１０３２−１〜１０３２−Ｎと、光結合器１０３０−１〜１０３０−Ｎおよび１０３２−１〜１０３２−Ｎを介して入力導波路１００２と出力導波路１００４との間を接続するＮ本（Ｎ；４以上の自然数）のアレー導波路１０４０−１から１０４０−Ｎとから構成される。

アレー導波路の接続アレー導波路の本数をＮとし、入力導波路１００２の入射端のアレー導波路を１段目のアレー導波路とした場合、１段目から（Ｎ−２）段目までのアレー導波路の導波路長が順次ΔＳずつ増大する低回折次数領域１０２２と、（Ｎ−２）段目からＮ段目までのアレー導波路の光路長の差のみ、一定の光路長の差を、（Ｎ−２）段目とＮ段目のアレー導波路の導波路の長の差がΔＳのｐ倍となるように増大する高回折次数領域１０２４とが従属接続（直列結合）された構成となっている。

第１および２の実施形態で説明したラダー干渉型フィルタは、１段の高回折次数を有するラダー干渉計を従属接続した構造を用いているが、図１０に示すように、高回折次数を有するラダー干渉計が連続する複数段になっても図６に示すような狭帯域特性を得ることが可能である。この場合、１段のラダー干渉計を用いるフィルタと比べて狭帯域化のみならず、フィルタの消光比も増大できる利点がある。

次に図１１を参照して、本発明の第５の実施形態に係るラダー干渉型波長可変フィルタを説明する。

第５の実施形態に係るラダー干渉型波長可変フィルタ１１２０は、波長可変動作のために、電極１１１０および１１１２による電流注入構造を設けたラダー干渉型波長可変フィルタである。

図１１に示すラダー干渉型波長可変フィルタ１１２０は、一対の入力導波路１１０２および出力導波路１１０４と、入力導波路１１０２および出力導波路１１０４に所定の間隔で配置された光結合器１１３０−１〜１１３０−Ｎおよび１１３２−１〜１１３２−Ｎと、光結合器１１３０−１〜１１３０−Ｎおよび１１３２−１〜１１３２−Ｎを介して入力導波路１１０２と出力導波路１１０４との間を接続するＮ本（Ｎ；３以上の自然数）のアレー導波路１１４０−１から１１４０−Ｎと、入力導波路１１０２および出力導波路１１０４に光結合器１１３０−１〜１１３０−Ｎおよび１１３２−１〜１１３２−Ｎの間毎に配置された電極１１１０および１１１２から構成される。

また、ラダー干渉型波長可変フィルタ１１２０は、図１２に示すエピタキシャル基板の層構造を有する。ｎ型ＩｎＰ基板１２０１上に、ｎドープＩｎＰ層１２０２、ノンドープＧａＩｎＡｓＰ層１２０３（バンドギャップ波長λ_ｇ＝１．３μｍ）、ｐドープＩｎＰ層１２０４、ｐ^＋ドープＩｎＰ層１２０５、およびｐ^＋ドープＩｎＧａＡｓ層１２０６が順次成膜されている。

図１２に示される部分のｐ^＋ドープＩｎＧａＡｓ層１２０６上およびｎ型ＩｎＰ基板１２０１にそれぞれＡｕＺｎＮｉ電極およびＡｕＧｅＮｉ電極を形成している。

本実施形態のラダー干渉型フィルタの波長可変動作時、図８に示す波長スペクトルを一定に保つためには図１１に示す電極長Ｌ_１およびＬ_２を最適化しなければならない。電流注入によるラダー干渉型波長フィルタの波長変化量（Δλ）は上記式（３）で決まるため、電極の長さを一定にした場合、Δλは回折次数に反比例する。

実施形態のラダー干渉型フィルタの場合、二つの異なる回折次数を有するラダー干渉計を従属接続した構成である。従って、波長可変動作時、波長スペクトルを一定に保つためには低回折次数領域および高回折次数領域のΔλを等しくする必要があり、高回折次数領域１１２４の電極の長さＬ_１およびＬ_２は次式のように決まる。
高回折次数領域の電極の長さＬ_１＝ｐ×Ｌ_１ ・・・（４）
高回折次数領域の電極の長さＬ_２＝ｐ×Ｌ_２、（Ｌ_１＝Ｌ_２） ・・・（５）

つまり、回折次数変化分に比例して電極の長さを調整することにより、波長可変動作時、波長スペクトルを一定に保つことができる。図１１に示すラダー干渉型フィルタは、屈折率制御用電極Ｌ_１に電流注入すると、λ_０は短波長側にシフトし、屈折率制御用電極Ｌ_２に電流注入すると、λ_０は長波長側にシフトする。

図１３（ａ）および（ｂ）に第５の実施形態に係るラダー干渉型波長フィルタの波長可変特性を示す。図１３（ａ）に示すように、高回折次数領域の電極長Ｌ_１およびＬ_２を適正化しないと、波長可変動作に伴い、波長スペクトルが歪み、レーザ発振が不安定になりかねない。一方、図１３（ｂ）に示すように、電極長Ｌ_ａおよびＬ_ｂを回折次数変化分に比例して適正化すると、波長スペクトルが歪まずに波長可変でき、レーザ発振が不安定になることを抑制することができる。

図１４（ａ）および（ｂ）に、第５の実施形態に基づいて試作したラダー干渉型フィルタの波長可変特性を示す。図１４（ａ）は、従来のラダー干渉型フィルタは下部の屈折率制御用電極に４０ｍＡ電流注入した場合中心波長λ_０のシフトの様子を示す。中心波長λ_０が４．６ｎｍ短波長側にシフトしたことが確認できる。他方、図１４（ｂ）は、第５の実施形態に基づいて作成したラダー干渉型フィルタの下部の屈折率制御用電極に４０ｍＡ電流注入した場合の中心波長λ_０のシフトの様子を示す。中心波長λ_０が５．７ｎｍ短波長側にシフトし、同じ電流注入量に対してピーク波長変化量が大きくなっており、従来のラダー干渉型フィルタに比べて広帯域波長可変できることが確認できる。

尚、本実施形態においては、電流注入によりラダー干渉型波長フィルタの波長を変化させる場合について説明したが、電圧印加によりラダー干渉型波長フィルタの波長を変化させることもできる。また、電流注入または電圧印加によりは発生する熱によりラダー干渉型波長フィルタの波長を変化させることもできる。

本発明の第１の実施形態に係る波長可変レーザの構成図である。 （ａ）は、従来のラダー干渉型フィルタにおけるラダー干渉型波長フィルタと直列結合されたリング共振器の透過スペクトルを示す図である。（ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係るラダー干渉型フィルタと直列結合されたリング共振器の透過スペクトルを示す図である。 （ａ）は、低回折次数領域のアレー導波路の本数を１４および高回折次数領域のｐを２とした場合の第１の実施形態に係るラダー干渉型フィルタの波長スペクトル特性を示す図である。（ｂ）は、低回折次数領域のアレー導波路の本数を１１および高回折次数領域のｐを５とした場合の本発明の第１の実施形態に係るラダー干渉型フィルタの波長スペクトル特性を示す図である。 高回折次数領域が低回折次数領域の間に従属接続された第２の実施形態に係るラダー干渉型フィルタの構成図である。 第２の実施形態に係るラダー干渉型フィルタの波長スペクトル特性を示す図である。 光結合器の光結合率を適正化した本発明の第３の実施形態に係るラダー干渉型フィルタの特性を示す図である。 （ａ）は、従来のラダー干渉型フィルタにおいて、ＭＭＩ光結合器の波長依存性および挿入損失を考慮した波長スペクトル特性を示す図である。（ｂ）は本発明の第３の実施形態に係るラダー干渉型フィルタにおいて、ＭＭＩ光結合器の波長依存性および挿入損失を考慮した波長スペクトル特性を示す図である。 本発明の第３の実施形態に係るラダー干渉型波長可変フィルタの特性を示す図である。 本発明の第３の実施形態に係るラダー干渉型フィルタにより試作したラダー干渉型フィルタの波長スペクトル特性を示す図である。 本発明の第４の実施形態に係るラダー干渉型波長可変フィルタの構成図である。 本発明の第５の実施形態に係るラダー干渉型波長可変フィルタの構成図である。 本発明の第５の実施形態に係るラダー干渉型フィルタのエピタキシャル基板の層構造を示すである。 （ａ）は、第５の実施形態に係るラダー干渉型波長可変フィルタにおいて、電極長を適正化していない場合の波長可変特性を示す図である。（ｂ）は、第５の実施形態に係るラダー干渉型波長可変フィルタにおいて、電極長を適正化した場合の波長可変特性を示す図である。 （ａ）は、従来のラダー干渉型フィルタの波長可変特性を示す図である。（ｂ）は、本発明の第５の実施形態に係るラダー干渉型波長可変フィルタの波長可変特性を示す図である。 超周期構造グレーティングを用いた従来の波長可変レーザの構成図である。 ＡＷＧを用いた従来の波長可変レーザの構成図である。 ラダー干渉計とリング共振器を用いた従来の波長可変レーザの構成図である。

符号の説明

１００ 波長可変レーザ
１２０，４２０，１０２０，１１２０， ラダー干渉型波長フィルタ
１６０ リング共振器
１８０，１６０２ 半導体光増幅器
１９０ 反射ミラー
１０２，４０２，１００２，１１０２ 入力導波路
１０４，４０４，１００４，１１０４ 出力導波路
１４０−１〜１４０−Ｎ，４４０−１〜４４０−Ｎ，１０４０−１〜１０４０−Ｎ，１１４０−１から１１４０−Ｎ アレー導波路
１３０−１〜１３０−Ｎ，１３２−１〜１３２−Ｎ，４３０−１〜４３０−Ｎ，４３２−１〜４３２−Ｎ，１０３０−１〜１０３０−Ｎ，１０３２−１〜１０３２−Ｎ，１１３０−１〜１１３０−Ｎ，１１３２−１〜１１３２−Ｎ 光結合器
１２２，４２２，１０２２，１１２２ 低回折次数領域
１２４，４２４，１０２４，１１２４ 高回折次数領域
１１１０ 屈折率制御用電極
１１１２ 屈折率制御用電極

Claims (5)

1. 第１及び第２の端部を有する入力導波路であって、前記第１の端部は光が入射される入射端である入力導波路と、
   前記第１及び第２の端部にそれぞれ対応する第３及び第４の端部を有する出力導波路であって、前記第４の端部は光が出射される出射端である出力導波路と、
   前記入力導波路に一定の間隔で配置されたＮ個（Ｎ；３以上の自然数）の光結合器で構成された第１の組の光結合器と、
   前記出力導波路に一定の間隔で配置されたＮ個の光結合器で構成された第２の組の光結合器と、
   前記第１の組の光結合器を構成する各光結合器と前記第２の組の光結合器を構成する各光結合器とを、前記入力導波路の前記入射端および前記出力導波路の前記第３の端部の側から、前記入力導波路の第２の端部および前記出力導波路の前記出射端の側にかけて順次一対一に接続するＮ本のアレー導波路とを備えたラダー干渉型波長フィルタであって、
   前記入力導波路に配置された前記第１の組の光結合器のうちの隣接する光結合器と、当該入力導波路に配置された前記第１の組の光結合器のうちの隣接する光結合器の間の前記入力導波路と、前記出力導波路に配置された前記第２の組の光結合器のうちの隣接する光結合器と、当該出力導波路に配置された前記第２の組の光結合器のうちの隣接する光結合器の間の前記出力導波路と、前記入力導波路に配置された前記第１の組の光結合器のうちの隣接する光結合器と前記出力導波路に配置された前記第２の組の光結合器のうちの隣接する光結合器とをそれぞれ接続する前記アレー導波路であって、隣接する前記アレー導波路のうち前記入力導波路の第２の端部側に接続されたアレー導波路が前記入力導波路の入射端側に接続されたアレー導波路に対して一定の光路長差を有するアレー導波路とにより構成された１つまたは複数の低回折次数領域と、
   前記Ｎ本のアレー導波路のうちのＭ段目からＭ＋ｉ段目（Ｍ；Ｎ−１以下の自然数、ｉ；１以上の自然数、Ｍ＋ｉ；Ｎ以下）までの連続するアレー導波路と、前記Ｍ段目からＭ＋ｉ段目のアレー導波路によりそれぞれ接続された前記入力導波路に配置された前記第１の組の光結合器のうちの隣接する光結合器および前記出力導波路に配置された前記第２の組の光結合器のうちの隣接する光結合器と、前記Ｍ段目からＭ＋ｉ段目のアレー導波路が接続された前記入力導波路に配置された前記第１の組の光結合器のうちの隣接する光結合器の間の前記入力導波路と、前記Ｍ段目からＭ＋ｉ段目のアレー導波路が接続された前記出力導波路に配置された前記第２の組の光結合器のうちの隣接する光結合器の間の前記出力導波路とにより構成された高回折次数領域であって、前記Ｍ段目からＭ＋ｉ段目のアレー導波路のうちの隣接する２本のアレー導波路のいずれについても前記入力導波路の第２の端部側に接続されたアレー導波路が前記入力導波路の入射端側に接続されたアレー導波路に対して前記光路長差のｐ倍（ｐは自然数、ただしｐ＝０または１を除く）の光路長差を有する高回折次数領域とが直列結合され、
   前記第１および第２の組の光結合器のうち、前記高回折次数領域を構成する光結合器の光結合率を当該波長フィルタの透過波長ピークの損失が最小になるように設定したことを特徴とする波長フィルタ。
2. 請求項１に記載の波長フィルタと、
   前記光結合器の間の前記導波路上に配置された一定の長さの電極をさらに備え、
   前記高回折次数領域に配置された前記電極の長さのみを、前記低回折次数領域に配置された前記電極の長さのｐ倍にしたことを特徴とする波長可変フィルタ。
3. 請求項２記載の波長可変フィルタと、
   当該波長可変フィルタからの出力光が入射される発振波長ロック用フィルタと、
   前記発振波長ロック用フィルタからの出力光を増幅する半導体光増幅器とを
   備えたことを特徴とする波長可変レーザ。
4. 発振波長ロック用フィルタは、リング共振器であることを特徴とする請求項３に記載の波長可変レーザ。
5. 請求項２に記載の波長可変フィルタにおいて、
   前記可変フィルタの中心波長を短波長側にシフトする場合に前記入力導波路に配置された電極に電流注入し、
   前記可変フィルタの中心波長を長波長側にシフトする場合に前記出力導波路に配置された電極に電流注入する
   ことを特徴とする波長可変フィルタのフィルタ特性制御方法。

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