JP4774761B2 - 波長可変共振器、波長可変レーザ、光モジュール及びそれらの制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えばＷＤＭ（Wavelength Division Multiplexing）伝送システム等に用いられ、波長を検出する波長モニタを有する波長可変レーザ等に関する。

ブロードバンド時代を迎え、光ファイバの効率的な活用に向け、一台で複数の光波長の通信が可能なＷＤＭ伝送システムの導入が進んでいる。最近では、数十の光波長を多重化し、より高速な伝送を可能にするＤＷＤＭ装置（高密度波長分割多重装置）の活用も拡がっている。これに伴い、各ＷＤＭ伝送システムには光波長毎に対応した光源が必要となり、高多重化に伴いその必要数は飛躍的に増加している。更に最近では、任意波長を各ノードでAdd/DropするＲＯＡＤＭ（Reconfigurable optical add/drop multiplexers）が、商用化を目指して検討されつつある。このＲＯＡＤＭシステムを導入すれば、波長多重による伝送容量の拡大に加え、波長を変えることによる光路切り換えが可能となるので、光ネットワークの自由度が飛躍的に高まる。

ＷＤＭ伝送システム用の光源としては、これまで単一軸モード発振するＤＦＢ−ＬＤ（Distributed feedback laser diode：分布帰還型半導体レーザ）がその使いやすさ及び信頼性の高さから広く使われてきた。ＤＦＢ−ＬＤは、共振器全域に深さ３０ｎｍ程度の回折格子が形成されており、回折格子周期と等価屈折率の二倍との積に対応した波長で安定した単一軸モード発振が得られる。しかし、ＤＦＢ−ＬＤでは、発振波長の広範囲に渡るチューニングが不可能であるので、ＩＴＵ（international
telecommunication union）グリッド毎に波長のみが異なった製品を用いて、ＷＤＭ伝送システムを構成している。このため、波長毎に異なった製品を用いる必要があるので、棚管理コストが上昇したり、故障対応のための余剰な在庫が必要になったりしていた。更に、波長により光路を切り換えるＲＯＡＤＭでは、通常のＤＦＢ−ＬＤを使用してしまうと、温度変化で変えられる３ｎｍ程度に波長範囲の可変幅が制限されてしまう。したがって、波長資源を積極的に使用するＲＯＡＤＭの特長を活かした光ネットワークの構成が困難となってしまう。

これら現状のＤＦＢ−ＬＤのもつ課題を克服し、広い波長範囲で単一軸モード発振を実現すべく、波長可変レーザの研究が精力的に行われている。以下、下記非特許文献１に詳述されている中から幾つかを例示することにより、従来の波長可変レーザについて説明する。

波長可変レーザは、レーザ素子内に波長可変機構を設けたタイプと、レーザ素子外に波長可変機構を設けたタイプとの、二種類に大別される。

前者の種類では、利得を生み出す活性領域と、回折格子による反射を生み出すＤＢＲ領域とが、同一レーザ素子内に形成されたＤＢＲ−ＬＤ（Distributed Bragg reflector laser diode）が提案されている。このＤＢＲ−ＬＤの波長可変範囲は、最高でも１０ｎｍ程度である。また、利得を生み出す活性領域とこれを前方と後方で挟むＤＢＲ領域とが同一レーザ素子内に形成された、不均一回折格子を用いたＤＢＲ−ＬＤが提案されている。前方と後方のＤＢＲ領域は、不均一回折格子によって多数の反射ピークが発生し、かつ反射ピークの間隔が前方と後方で僅かにずれている。この構造によっていわゆる「バーニア効果」が得られるので、極めて広い波長可変が可能となる。この不均一回折格子を用いたＤＢＲ−ＬＤでは、１００ｎｍを越える波長可変動作及び４０ｎｍの準連続波長可変動作が実現されている。

一方、後者の種類では、レーザ素子外に設けた回折格子を回転させて特定の波長の光をレーザ素子に戻す波長可変レーザが提案されている。また、この種の波長可変レーザには、発振波長を逐次モニタする機構が必要である。従来は、モジュール内にエタロン等の波長選択性のある部品を導入し、これを用いて発振波長の監視を行ってきた。

小林功郎著，「光集積デバイス」，初版２刷，共立出版株式会社，２０００年１２月，ｐ．１０４−１２２

しかしながら、従来の波長可変レーザにおいては、これまで多くの構造が提案されているものの、モードホッピングの発生、複雑な波長制御方法、弱い振動耐性、素子増大による高価格化等の欠点があるため、実用化が困難な状況が続いている。

ＤＢＲ−ＬＤでは、ＤＢＲ領域にキャリア注入を行うことにより、この部分での屈折率を変化させて、波長可変動作を実現している。このため、電流注入により結晶欠陥が増殖すると、電流注入に対する屈折率変化の割合が著しく変動するので、長期に渡り一定波長でのレーザ発振を維持することが難しい。更に、現状の化合物半導体のプロセス技術では、２インチ以上のインチアップは不可能である。そのため、複雑化してサイズの大きくなったレーザ素子では、現状以上の価格低減が難しい。

一方、レーザ素子外に波長可変機構を設けた構成では、振動によってモードジャンプが容易に発生することから、これを避けるための大がかりな耐震機構が必要となる。そのため、モジュールサイズの大型化及び価格の上昇を招いてしまう。また、発振波長のモニタのためには、例えばエタロンに加え受光素子など多くの光学部品が必要となるので、組み立てコストの上昇を招いてしまう。更に、従来から行われているレンズを用いて空間的にレーザ出射面とエタロンとを結合する方法では、エタロンの僅かな位置ずれにより波長確度が変動する。このため、エタロンには高精度の実装技術が必要となり、これが組み立てコスト上昇の原因となっている。

そこで、本発明の目的は、実用化に際して問題となっていた従来の波長可変レーザの課題を克服し、高信頼性、高性能かつ低価格であり、しかも波長モニタをより簡易な構成によって行うことができる波長可変レーザを提供することにある。

本発明に係る波長可変共振器は、互いに異なる光路長を有する複数の共振器が連結されて成る多重共振器と、多重共振器から出射された光を当該多重共振器へ戻す光反射手段と、多重共振器の共振波長を変化させる波長可変手段と、いずれかの共振器のスルーポートにおいて光を検出する光検出手段と、光検出手段で検出された光に基づき波長可変手段を制御する制御手段と、を備えたことを特徴とする。本発明に係る波長可変レーザは、本発明に係る波長可変共振器と、波長可変共振器へ光を供給するとともに当該波長可変共振器から戻って来た光を外へ出射する光入出力手段と、を備えたことを特徴とする。

詳しく言えば、本発明に係る波長可変レーザは、互いに異なる光路長を有するリング状導波路からなる複数のリング共振器が方向性結合器を含む光学的結合手段を介して連結されて成る多重リング共振器と、複数のリング共振器の一つに光学的結合手段を介して一端が接続された入出力側導波路と、複数のリング共振器の他の一つに光学的結合手段を介して一端が接続された反射側導波路と、多重リング共振器、入出力側導波路及び反射側導波路が形成された基板と、反射側導波路の他端に設けられた光反射手段と、入出力側導波路の他端に光入出力端が接続された光入出力手段と、多重リング共振器の共振波長を変化させる波長可変手段と、いずれかのリング共振器のスルーポートにおいて多重リング共振器の共振波長を検出する波長検出手段と、を備えたものである。

光入出力手段から出射された光は、光入出力端→入出力側導波路→光学的結合手段→多重リング共振器→光学的結合手段→反射側導波路→光反射手段→反射側導波路→光学的結合手段→多重リング共振器→光学的結合手段→入出力側導波路→光入出力端、という経路を通って戻ってくる。この戻り光は、多重リング共振器の共振波長であるとき、最も強くなる。その理由は、多重リング共振器を構成する各リング共振器はＦＳＲ（free spectral range）が僅かに異なっているため、各リング共振器で発生している反射（透過）の周期的な変化が一致した波長（共振波長）において更に大きな反射が発生するからである。また、リング共振器のスルーポートを通過する光は、多重リング共振器の共振波長であるときに最も少なくなる。したがって、光学的結合手段のスルーポートにおける光量を検出することにより、多重リング共振器の共振波長を検出することができる。

そして、周期の一致する波長は各リング共振器の円周長と導波路屈折率変化とにより大きく変わるため、効率の良い波長可変動作が得られる。この導波路屈折率は例えば熱光学効果によって変えることができる。熱光学効果とは、熱によって材料の屈折率が増加する現象であり、通常どのような材料も持っている。すなわち、複数のリング共振器の温度特性を利用して、多重リング共振器の共振波長を変化させることが可能である。波長可変手段は、例えばリング共振器を加熱するものでも冷却するものでもよい。このように、本発明では、円周の僅かに異なるリング共振器を複数直列に接続して多重リング共振器を構成し、これにより発生するバーニア効果を巧みに利用している。

基板は、例えばＰＬＣ基板である。波長可変手段は、例えば複数のリング共振器の温度特性を利用して、多重リング共振器の共振波長を変化させるものである。具体的には、基板上に設けられた膜状ヒータとしてもよい。膜状ヒータは、基板上に例えば金属膜を形成することにより簡単に得られるので、製造が容易である。光入出力手段は、例えば半導体光増幅器（以下「ＳＯＡ（semiconductor optical amplifier）」という。）、光ファイバ増幅器、半導体レーザなどである。波長検出手段は、例えばフォトダイオードやフォトトランジスタなどの受光素子である。また、波長検出手段で検出された共振波長が一定になるように波長可変手段を制御する制御手段を、更に備えてもよい。すなわち、共振波長が一定になるように、フィードバック制御を実行してもよい。

本発明に係る波長可変レーザについて、更に具体的に述べる。すなわち、複数のリング共振器が第一乃至第三のリング共振器であり、光反射手段が反射膜であり、光入出力手段がＳＯＡであり、波長可変手段が膜状ヒータ又はＳＯＡの位相制御領域であり、波長検出手段が受光素子であり、受光素子で検出された受光量が最小になるように膜状ヒータ又は位相制御領域への通電量を制御する制御手段を更に備えた、としてもよい。このとき、第一のリング共振器のＦＳＲがＩＴＵグリッドに一致するように、前記基板の温度を一定に保つ温度調節手段を更に備えてもよい。また、受光素子は、一つ当たり複数のスルーポートから導いた光を検出する、としてもよい。この場合は、検出感度が向上する。

以上述べたように、本発明は、リング共振器を用いた波長可変レーザにおいて、リング共振器のスルーポート（Thru port）出力光を用いるという、新規かつ簡便な方法による波長制御技術である。本発明によれば、エタロン等の光学部品を必要とせず、部品組み立ても簡便であることから、モジュールコストを上げることなく、伝送システムに要求される機能を付加することができる。

本発明によれば、多重リング共振器のスルーポートから共振波長を検出し、その結果に基づき多重リング共振器の共振波長を変化させるという簡単な構成にもかかわらず、僅かな操作量で大きな波長可変量が得られるので、従来に無い安価で高性能かつ高信頼性の波長可変レーザを供給できる。つまり、多重リング共振器を形成した基板に光入出力手段を設け、多重リング共振器の共振波長を変化させることにより、極めて広い範囲の波長のレーザ光を得ることができる。また、半導体レーザへの電流注入や機械的な可動部材を用いていないので、信頼性が高い。しかも、基板に光入出力手段を実装しただけの構成であるから、製造が容易であり、安価である。

換言すると、本発明のレーザ構造を用いることにより、通常のＤＦＢ−ＬＤでは得られない広い波長範囲での波長可変動作を、これまでの外部鏡を用いない簡便な構成により実現できる。しかも、通常の外部鏡型の波長可変レーザとは異なり、可動部が存在しないので、高信頼性に加え高い振動衝撃特性を実現できる。これに加えて、波長チューニングは例えば膜状ヒータへの投入電力の制御により行うため、半導体導波路に電流を注入する方式に比較して、特性の経年変化が極めて小さい。以上、本発明に係る波長可変レーザは、従来の波長可変レーザに比較して多くの点で優れており、更に低価格による生産が可能なことから、実用上極めて有効な構成である。

図１は、本発明に係る波長可変レーザの第一実施形態を示す平面図である。以下、この図面に基づき説明する。

本実施形態の波長可変レーザ１０は、互いに異なる光路長を有するリング状導波路からなる三つのリング共振器２１〜２３が方向性結合器２４〜２７及び導波路２８，２９を介して連結されて成る多重リング共振器２０と、リング共振器２１に方向性結合器１１を介して一端が接続された入出力側導波路１２と、リング共振器２３に方向性結合器１３を介して一端が接続された反射側導波路１４と、多重リング共振器２０、入出力側導波路１２及び反射側導波路１４が形成されたＰＬＣ基板１５と、反射側導波路１４の他端に設けられた高反射膜１６と、入出力側導波路１２の他端に光入出力端１７２が接続されたＳＯＡ１７と、多重リング共振器２０の共振波長を変化させる膜状ヒータ２２ｈ，２３ｈ及びＳＯＡ１７の位相制御領域１７１と、方向性結合器１１のスルーポート１１ｔにおいて多重リング共振器２０の共振波長を検出する受光素子２１ｐと、を備えたものである。

リング共振器２１〜２３は例えばＰＬＣ（Planar Lightwave Circuit）技術で形成されており、リング状導波路等の各種導波路は、例えば、シリコン基板やガラス基板上に石英系ガラスを堆積した石英系ガラス導波路や、強誘電体材料（リチウムナイオベートなど）を薄膜化した強誘電体系導波路などで形成されている。膜状ヒータ２２ｈ，２３ｈは、リング共振器２２，２３上に形成された円弧状の例えばアルミニウム膜であり、円弧の両端が通電用の電極になっている。換言すると、膜状ヒータ２２ｈ，２３ｈは、ＰＬＣ基板１５上に例えば金属膜を蒸着や付着によって形成可能であり、材質としてはアルミニウム、白金、クロムなどが用いられる。位相制御領域１７１を有するＳＯＡ１７は、一般的なものであるので、その構造及び動作原理についての説明を省略する。受光素子２１ｐは、フォトダイオードを用いている。また、ＰＬＣ基板１５は、温度調節手段としてのペルチェ素子（図１５及び図１６参照）の上に設けられている。このペルチェ素子は、リング共振器２１のＦＳＲがＩＴＵグリッドに一致するように、ＰＬＣ基板１５の温度を一定に保つ。ＳＯＡ１７は、図示しない無反射膜を介して、入出力側導波路１２の他端に結合されている。高反射膜１６は、例えばＰＬＣ基板１５側面に誘電体多層膜を蒸着や貼り付けによって形成したものである。

図２は、本実施形態におけるスルーポートの透過率の波長依存性を示すグラフである。図３は、本実施形態におけるスルーポート及びドロップポートの反射率の波長依存性を示すグラフである。図４は、本実施形態の波長可変レーザの動作原理を示す説明図である。以下、図１乃至図４に基づき、波長可変レーザ１０の動作を説明する。

ＳＯＡ１７から出射された光は、ＳＯＡ１７→入出力側導波路１２→方向性結合器１１→多重リング共振器２０→方向性結合器１３→反射側導波路１４→高反射膜１６→反射側導波路１４→方向性結合器１３→多重リング共振器２０→方向性結合器１１→入出力側導波路１２→ＳＯＡ１７、という経路を通って戻ってくる。この戻り光は、多重リング共振器２０の共振波長であるとき、最も強くなる。その理由は、多重リング共振器２０を構成する各リング共振器２１〜２３はＦＳＲが僅かに異なっているため、各リング共振器２１〜２３で発生している反射（透過）の周期的な変化が一致した波長（共振波長）において更に大きな反射が発生するからである。また、方向性結合器１１のスルーポート１１ｔを通過する光は、多重リング共振器２０の共振波長であるときに最も少なくなる（図２及び図３）。したがって、スルーポート１１ｔにおける光量を受光素子２１ｐで検出することにより、多重リング共振器２０の共振波長を検出することができる。

なお、図２に示すスルーポートの透過特性は次式により計算した。

ここで、ｒは波長、niは導波路屈折率、LLはリング共振器円周、lowは方向性結合器の分岐比をそれぞれ示す。図２から明らかなように、リング共振器のスルーポートは周期的かつ強い波長依存性を有している。

一方、共振波長すなわち周期の一致する波長は、各リング共振器２１〜２３の円周長と導波路屈折率変化とにより大きく変わる。この導波路屈折率は熱光学効果によって変えることができる。すなわち、リング共振器２２，２３の温度特性を利用して、膜状ヒータ２２ｈ，２３ｈの通電量を制御することにより、多重リング共振器２０の共振波長を変化させることが可能である。このとき、ＳＯＡ１７から出射される光の波長も、位相制御領域１７１の通電量を制御して変化させる。このように、本実施形態では、円周の僅かに異なるリング共振器２１〜２３を三個直列に接続して多重リング共振器２０を構成し、これにより発生するバーニア効果を巧みに利用している。

図４では、リング共振器２１〜２３の円周長（すなわち光路長）をそれぞれ４０００μｍ、４４００μｍ、４０４０μｍとしたときの、波長と反射率との関係が示されている。このとき、膜状ヒータ２２ｈは微調整用の波長可変手段として動作し、膜状ヒータ２３ｈは粗調整用の波長可変手段として動作する。また、数１０ｐｍ程度の波長制御は、ＳＯＡ１７の位相制御領域１７１へ電流を流すことによって実行する。

図５は、図１の波長可変レーザに制御手段を付加した場合の構成図である。図６は、図５の制御手段の動作の一例を示すグラフである。以下、これらの図面に基づき説明する。ただし、図５において図１と同じ部分は同じ符号を付すことにより説明を省略する。

波長可変レーザ１０には、制御手段１８が付加されている。制御手段１８は、例えばＤＳＰなどのマイクロプロセッサ及びそのプログラムを中心に構成され、受光素子２１ｐで検出された受光量が最低となるように、すなわち共振波長が一定になるように、膜状ヒータ２２ｈ，２３ｈ及び位相制御領域１７１への通電量を制御する。例えば、制御手段１８は、膜状ヒータ２２ｈ，２３ｈ及び位相制御領域１７１への通電量を制御して波長を正弦波状に変化させ、そのときの受光素子２１ｐで得られた光電流の振幅が最小となる波長を探す。このような波長こそが、図６及び図２から明らかなように、求める共振波長である。

次に、図１乃至図６に基づき、本実施形態の波長可変レーザ１０について総括的に説明する。

波長可変レーザ１０の構造は、リング共振器２１〜２３のドロップポートの波長透過特性を活用して、共振モードを選択し単一軸モード発振を行うものになっている。多重リング共振器２０を構成している三段のリング共振器２１〜２３の円周は僅かに異なった設計とする。これにより、三者の共振ピーク波長は数十ｎｍの広い波長範囲でも一箇所でしか一致しないため、この波長にて単一軸モード発振が生ずる。

主な波長可変動作は、リング共振器２２，２３に形成された膜状ヒータ２２ｈ，２３ｈに通電することで行う。一方、膜状ヒータの形成されていないリング共振器２１のスルーポート１１ｔの出力光を取り出し、これを受光素子２１ｐで電流値に変換して、波長誤差成分を検出する。リング共振器２１〜２３からはドロップポートの他、波長阻止特性を有するスルーポートからの出力光も取り出すことができる。本実施形態では、スルーポートからの出力光を用いて波長検出動作を行う。スルーポートの波長透過特性は、図２に示したとおりである。

換言すると、本実施形態の主な特徴は、スルーポート１１ｔからの光を検出する受光素子２１ｐを装着していること、及び、検出光を分光しているリング共振器２１のＦＳＲがＩＴＵグリッドに一致していることである。後者により、発振波長は、ＩＴＵグリッドに一致した離散的な波長で、単一軸モード発振により得られる。ただし、ＩＴＵグリッドからの乖離量が不明となってしまう。これを回避するため、本実施形態では、リング共振器２１のスルーポート１１ｔからの出力光が最小となるよう、波長可変動作を行うリング共振器２２，２３の位相、又はＳＯＡ１７の位相を制御する。具体的には、前述したように、波長を微少変化させ、その結果得られる検出信号の振幅が最も小さくなる波長を選択する、などの方法を用いて波長制御を精密に行う。

図７は、本発明に係る波長可変レーザの第二実施形態を示す平面図である。以下、この図面に基づき説明する。ただし、図１と同じ部分は同じ符号を付すことにより説明を省略する。

本実施形態の波長可変レーザ３０では、受光素子２２ｐ，２３ｐが付加されている。受光素子２２ｐは、リング共振器２２と導波路２９とを結ぶ方向性結合器２６のスルーポート２６ｔを通る光を検出する。受光素子２３ｐは、リング共振器２３と反射側導波路１４とを結ぶ方向性結合器１３のスルーポート１３ｔを通る光を検出する。このとき、制御手段（図示せず）は、受光素子２１ｐで得られた光電流が最小となるように位相制御領域１７１への通電量を制御し、かつ受光素子２２ｐで得られた光電流が最小となるように膜状ヒータ２２ｈへの通電量を制御し、かつ受光素子２３ｐで得られた光電流が最小となるように膜状ヒータ２３ｈへの通電量を制御する。その結果、三つのリング共振器２１〜２３の共振波長が一致するので、安定状態が実現される。また、制御手段は、これらの通電量に基づき初期状態からの投入電力差を求め、これらを位相制御量としてレジスタに記憶し、次回の波長チューニングの際の位相補正量として採用する。本実施形態によれば、三つのリング共振器２１〜２３を独立にフィードバック制御することにより、更に高精度の波長制御を実現できる。

換言すると、本実施形態の特徴は、各リング共振器２１，２２，２３のスルーポート１１ｔ，２６ｔ，１３ｔに受光素子２１ｐ，２２ｐ，２３ｐを取り付けたことである。ＩＴＵグリッドからの波長乖離量の検出は、受光素子２１ｐを用いて行う。受光素子２２ｐ，２３ｐは、リング共振器２２，２３の状態を検出するものである。波長可変レーザ３０では、各スルーポート１１ｔ，２６ｔ，１３ｔの光出力を最小とするように制御することにより、リング共振器２１〜２３内を往復する光をドロップポートに集中させることができるので、モードジャンプの発生しない安定動作が実現される。このような制御を行うことにより、実仕様に耐える長期安定性が実現できる。

図８は、本発明に係る波長可変レーザの第三実施形態を示す平面図である。図９は、第三実施形態における制御手段の一例を示すブロック図である。以下、これらの図面に基づき説明する。ただし、図８において図７と同じ部分は同じ符号を付すことにより説明を省略する。

本実施形態の波長可変レーザ３１では、受光素子２０ｐが付加されている。受光素子２０ｐは、高反射膜１６を透過する僅かな光を検出する。制御手段６０は、ＤＳＰ６１を中心に、Ａ／Ｄ変換器２０ａ，２１ａ，２２ａ，２３ａ、ドライバ２３ｄ，２２ｄ，１７ｄ、外部インタフェース回路６２等から構成されている。Ａ／Ｄ変換器２０ａ，…は、受光素子２０ｐ，…から出力されたアナログ信号をディジタル信号に変換してＤＳＰ６１へ出力する。ドライバ２３ｄ，…は、例えば直流電圧を出力するトランジスタ等から成り、ＤＳＰ６１からの制御信号に応じて電力を膜状ヒータ２３ｈ，２２ｈ及びＳＯＡ１７へ供給する。外部インタフェース回路６２は、例えばチップ間のインタフェース仕様であるＩ²Ｃ（inter-integrated circuit）であり、ＤＳＰ６１と外部のコンピュータ等との間での信号の入出力に介在する。

この場合、制御手段６０は、受光素子２０ｐ〜２３ｐで得られた光電流値がＰ０〜Ｐ３であったとき、Ｐ１〜Ｐ３をＰ０で割って、Ｐ１／Ｐ０，Ｐ２／Ｐ０，Ｐ３／Ｐ０とする。すなわち、光電流値Ｐ１〜Ｐ３は、光電流値Ｐ０で正規化されるので、光電流値Ｐ０の変動の影響を受けなくなる。なお、高反射膜１６の反射率は、受光素子２０ｐの検出感度を高めるために、９０％程度とすることが好ましい。本実施形態によれば、各受光素子２１ｐ〜２３ｐの光電流値が正規化されることにより、更に高精度の波長制御を実現できる。

図１０は、本発明に係る波長可変レーザの第四実施形態を示す平面図である。以下、この図面に基づき説明する。ただし、図７と同じ部分は同じ符号を付すことにより説明を省略する。

本実施形態の波長可変レーザ３２では、受光素子２１ｐ〜２３ｐの全てが、二つのスルーポートから光を導くように構成されている。すなわち、受光素子２１ｐは、リング共振器２１と入出力側導波路１２とを結ぶ方向性結合器１１のスルーポート１１ｔを通る光と、リング共振器２１と導波路２８とを結ぶ方向性結合器２４のスルーポート２４ｔを通る光と、の和を検出する。受光素子２２ｐは、リング共振器２２と導波路２９とを結ぶ方向性結合器２６のスルーポート２６ｔを通る光と、リング共振器２２と導波路２４とを結ぶ方向性結合器２５のスルーポート２５ｔを通る光と、の和を検出する。受光素子２３ｐは、リング共振器２３と反射側導波路１４とを結ぶ方向性結合器１３のスルーポート１３ｔを通る光と、リング共振器２３と導波路２９とを結ぶ方向性結合器２７のスルーポート２７ｔを通る光と、の和を検出する。本実施形態によれば、各受光素子２１ｐ〜２３ｐの検出感度が向上するので、更に高精度の波長制御を実現できる。なお、受光素子２１ｐ〜２３ｐのいずれか一つ又は二つだけが、二つのスルーポートから光を導くようにしてもよい。

また、図１１に第五実施形態として示すように、ＰＬＣ基板１５の一辺に受光素子２１ｐ，２３ｐが集中するように構成してもよい。この場合は、受光素子の実装が容易になる。更に、図１２に第六実施形態として示すように、受光素子２１ｐのみで、スルーポート１１ｔ，２４ｔ，１３ｔ，２７ｔを通る光の和を検出するように構成してもよい。この場合は、受光素子の部品点数を削減できる。

図１３は、本発明に係る波長可変レーザの第七実施形態を示す平面図である。以下、この図面に基づき説明する。ただし、図７と同じ部分は同じ符号を付すことにより説明を省略する。

本実施形態の波長可変レーザ３３では、受光素子２１ｐが、全てのスルーポートから光を導くように構成されている。すなわち、受光素子２１ｐは、リング共振器２１と入出力側導波路１２とを結ぶ方向性結合器１１のスルーポート１１ｔを通る光と、リング共振器２１と導波路２８とを結ぶ方向性結合器２４のスルーポート２４ｔを通る光と、リング共振器２２と導波路２９とを結ぶ方向性結合器２６のスルーポート２６ｔを通る光と、リング共振器２２と導波路２４とを結ぶ方向性結合器２５のスルーポート２５ｔを通る光と、リング共振器２３と反射側導波路１４とを結ぶ方向性結合器１３のスルーポート１３ｔを通る光と、リング共振器２３と導波路２９とを結ぶ方向性結合器２７のスルーポート２７ｔを通る光と、の和を検出する。本実施形態によれば、各受光素子２１ｐの検出感度が向上するので、更に高精度の波長制御を実現できる。なお、例えば図１４に第八実施形態として示すように、受光素子２１ｐは、二つ以上のいずれかのスルーポートから光を導くようにしてもよい。

図１５は本発明に係る光モジュールの第一実施形態を示し、図１５［１］は平面図、図１５［２］は部分側面図である。以下、これらの図面に基づき説明する。ただし、図１と同じ部分は同じ符号を付すことにより説明を省略する。

本実施形態の光モジュール４０は、図１の波長可変レーザ１０をケース４１内に収容したものである。ただし、波長可変レーザ１０は、概略的に示しているので、図１の構成とは若干異なる。ケース４１内には、ＳＯＡ１７、ＰＬＣ基板１５等から成る波長可変レーザ１０の他に、基台４３、マイクロレンズ４４、光アイソレータ４５等が設けられている。ケース４１の内から外へは、光ファイバ４６が設けられている。ケース４１の外には、ペルチェ素子４２、ＳＯＡ１７、ＰＬＣ基板１５等に電気的に接続されたピン４７が設けられている。基台４３は、ＣｕＷから成り、ペルチェ素子４２上に設けられている。基台４３上には、ＳＯＡ１７、ＰＬＣ基板１５及びマイクロレンズ４４等が設けられている。

次に、光モジュール４０の動作を説明する。まず、図示しない制御手段から、ピン４７を介して、波長可変レーザ１０及びペルチェ素子４２へ制御信号及び電力が供給される。これにより、前述の波長可変制御が実行され、所望の波長の光がＳＯＡ１７→マイクロレンズ４４→光アイソレータ４５→光ファイバ４６へと出力される。

本実施形態によれば、前述の波長可変レーザ１０の効果をそのまま得ることができる他、ＳＯＡ１７とＰＬＣ基板１５とが直結（バットカップリング）されているので、部品点数が少なく、小型化に有利である。

図１６は本発明に係る光モジュールの第二実施形態を示し、図１６［１］は平面図、図１６［２］は部分側面図である。以下、これらの図面に基づき説明する。ただし、図１５と同じ部分は同じ符号を付すことにより説明を省略する。

第一実施形態ではＳＯＡ１７とＰＬＣ基板１５とが直結されているのに対して、本実施形態の光モジュール５０ではＳＯＡ１７とＰＬＣ基板１５とがマイクロレンズ５１を介して結合されている。この構造は、ＳＯＡ１７とＰＬＣ基板１５とを更に低損失で結合できるという利点がある。その他の構成及び効果は、第一実施形態とほぼ同じである。

なお、本発明は、言うまでもなく、上記各実施形態に限定されるものではない。例えば、多重リング共振器は、三個のリング共振器に限らず、二個又は四個以上のリング共振器を連結させて構成してもよい。また、各リング共振器同士は、方向性結合器のみで直結させて構成してもよい。更に、本発明は、リング共振器に限らず、光導波路で形成可能な共振器にも適用可能であり、例えば、マッハツェンダ干渉計を多段接続した構成としてもよい。

本発明に係る波長可変レーザの第一実施形態を示す平面図である。 図１の波長可変レーザにおけるスルーポートの透過率の波長依存性を示すグラフである。 図１の波長可変レーザにおけるスルーポート及びドロップポートの反射率の波長依存性を示すグラフである。 図１の波長可変レーザの動作原理を示す説明図である。 図１の波長可変レーザに制御手段を付加した場合の構成図である。 図５の制御手段における動作の一例を示すグラフである。 本発明に係る波長可変レーザの第二実施形態を示す平面図である。 本発明に係る波長可変レーザの第三実施形態を示す平面図である。 第三実施形態における制御手段の一例を示すブロック図である。 本発明に係る波長可変レーザの第四実施形態を示す平面図である。 本発明に係る波長可変レーザの第五実施形態を示す平面図である。 本発明に係る波長可変レーザの第六実施形態を示す平面図である。 本発明に係る波長可変レーザの第七実施形態を示す平面図である。 本発明に係る波長可変レーザの第八実施形態を示す平面図である。 本発明に係る光モジュールの第一実施形態を示し、図１５［１］は平面図、図１５［２］は部分側面図である。 本発明に係る光モジュールの第二実施形態を示し、図１６［１］は平面図、図１６［２］は部分側面図である。

符号の説明

１０，３０，３１，３２，３３ 波長可変レーザ
１１，１３ 方向性結合器
１１ｔ，１３ｔ，２４ｔ，２５ｔ，２７ｔ スルーポート
１２ 入出力側導波路
１４ 反射側導波路
１５ ＰＬＣ基板（基板）
１６ 高反射膜（光反射手段）
１７ ＳＯＡ（光入出力手段）
１７１ 位相制御領域（波長可変手段）
１８，６０ 制御手段
２０ 多重リング共振器（多重共振器）
２０ｐ，２１ｐ，２２ｐ，２３ｐ 受光素子（光検出手段、波長検出手段）
２１，２２，２３ リング共振器（共振器）
２２ｈ，２３ｈ 膜状ヒータ（波長可変手段）
２４，２５，２７ 方向性結合器（光学的結合手段）
２８，２９ 導波路（光学的結合手段）
４０，５０ 光モジュール
４２ ペルチェ素子（温度調節手段）

Claims (12)

1. 互いに異なる光路長を有するリング状導波路からなる第一乃至第三のリング共振器が方向性結合器を介して連結されて成る多重リング共振器と、
   前記第一乃至第三のリング共振器の一つに方向性結合器を介して一端が接続された入出力側導波路と、
   前記第一乃至第三のリング共振器の他の一つに方向性結合器を介して一端が接続された反射側導波路と、
   前記多重リング共振器、前記入出力側導波路及び前記反射側導波路が形成された基板と、
   前記反射側導波路の他端に設けられ反射膜と、
   前記入出力側導波路の他端に光入出力端が接続され、前記多重リング共振器へ光を供給するとともに当該多重リング共振器から戻って来た光を外へ出射する半導体光増幅器と、
   前記多重リング共振器の共振波長を変化させる膜状ヒータと、
   前記方向性結合器の少なくとも一つのスルーポートにおいて前記多重リング共振器の共振波長を検出する受光素子から成る波長検出手段と、
   前記受光素子で検出された受光量が最小になるように前記膜状ヒータへの通電量を制御する制御手段とを備え、
   前記第一乃至第三のリング共振器は、一つが波長固定用であり、他の一つが波長可変微調整用であり、残りの一つが波長可変粗調整用である、
   ことを特徴とする波長可変レーザ。
2. 前記第一のリング共振器が前記波長固定用であり、前記第二のリング共振器が前記波長可変微調整用であり、前記第三のリング共振器が前記波長可変粗調整用であり、
   前記膜状ヒータは、前記第二のリング共振器に設けられた第一の膜状ヒータと、前記第三のリング共振器に設けられた第二の膜状ヒータとから成る、
   ことを特徴とする請求項１記載の波長可変レーザ。
3. 前記半導体光増幅器は、前記多重リング共振器の共振波長を変化させる位相制御領域を有し、
   前記制御手段は、前記受光素子で検出された受光量が最小になるように前記膜状ヒータへの通電量を制御するとともに、前記受光素子で検出された受光量が最小になるように前記位相制御領域への通電量を制御する、
   ことを特徴とする請求項２記載の波長可変レーザ。
4. 前記受光素子は、前記入出力側導波路と前記第一のリング共振器とを結合する方向性結合器のスルーポートに設けられた第一の受光素子と、前記第二のリング共振器と前記第三のリング共振器とを結合する方向性結合器のスルーポートに設けられた第二の受光素子と、前記第三のリング共振器と前記反射側導波路とを結合する方向性結合器のスルーポートに設けられた第三の受光素子とから成り、
   前記制御手段は、前記第一の受光素子で検出された受光量が最小になるように前記位相制御領域への通電量を制御し、かつ前記第二の受光素子で検出された受光量が最小になるように前記第一の膜状ヒータへの通電量を制御し、かつ前記第三の受光素子で検出された受光量が最小になるように前記第二の膜状ヒータへの通電量を制御する、
   請求項３記載の波長可変レーザ。
5. 前記受光素子は、前記反射膜を透過する僅かな光を検出する第四の受光素子を更に備え、
   前記制御手段は、前記第一乃至第三の受光素子の受光量を、前記第四の受光素子の受光量で正規化して用いる、
   請求項４記載の波長可変レーザ。
6. 前記第一のリング共振器のＦＳＲが予め定められたグリッドに一致するように、前記基板の温度を一定に保つ温度調節手段を更に備えた、
   請求項２乃至５のいずれかに記載の波長可変レーザ。
7. 前記受光素子は、一つ当たり複数の前記スルーポートから導いた光を検出する、
   請求項１乃至６のいずれかに記載の波長可変レーザ。
8. 請求項１乃至７のいずれかに記載の波長可変レーザと、
   この波長可変レーザの温度を一定に保つ温度調節手段と、
   この温度調節手段及び前記波長可変レーザを収容するケースと、
   このケースの外から前記波長可変レーザ及び前記温度調節手段に対して電力を供給するとともに電気信号を入出力する電気導通手段と、
   前記波長可変レーザから出射された光を前記ケースの外へ導く光導通手段と、
   を備えたことを特徴とする光モジュール。
9. 前記波長可変レーザと前記光導通手段との光結合を得るレンズ及びアイソレータを更に備えた、
   請求項８記載の光モジュール。
10. 請求項６記載の波長可変レーザを制御する方法であって、
    前記第一の共振器のＦＳＲを予め定められたグリッドに一致させるように、前記温度調節手段によって前記基板の温度を調整する第１の工程と、
    前記受光素子で検出される受光量が最小になるように、前記第三の膜状ヒータへの通電量を制御する第２の工程と、
    前記受光素子で検出される受光量が最小になるように、前記第二の膜状ヒータへの通電量を制御する第３の工程と、
    を備えたことを特徴とする波長レーザの制御方法。
11. 前記第２の工程では、前記共振波長の変化に対して前記受光素子で検出される受光量の変化が最小になるように、前記第三の膜状ヒータへの通電量を制御し、
    前記第３の工程では、前記共振波長の変化に対して前記受光素子で検出される受光量の変化が最小になるように、前記第二の膜状ヒータへの通電量を制御する、
    請求項１０記載の波長可変レーザの制御方法。
12. 請求項１記載の波長可変レーザを制御する方法であって、
    前記半導体光増幅器から前記入出力側導波路へ光を出射する第１の工程と、
    前記半導体光増幅器から出射された光を前記入出力側導波路から前記多重リング共振器へ導く第２の工程と、
    前記多重リング共振器を透過した光を前記反射側導波路へ導く第３の工程と、
    前記反射側導波路へ導かれた光を前記反射膜で反射する第４の工程と、
    前記反射膜で反射された光を前記反射側導波路から前記多重リング共振器へ導く第５の工程と、
    前記多重リング共振器を透過した光を前記入出力側導波路へ導く第６の工程と、
    前記入出力側導波路へ導かれた光を前記半導体光増幅器へ出射する第７の工程と、
    前記スルーポートのいずれかにおいて前記受光素子によって光を検出する第８の工程と、
    前記受光素子で検出される受光量が最小になるように、前記膜状ヒータへの通電量を制御する第９の工程と、
    を備えた波長可変レーザの制御方法。

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