JP5305412B2 - 波長切り替え半導体光源 - Google Patents

Description

本発明は、発生する光の波長を高速に切り替えることのできる波長切り替え半導体光源に関するものである。

発生する光の波長を切り替えることのできる波長切り替え半導体光源としては、Tohmoriらによる、Electronics Letters, vol.19, no.17, pp.656-657, 1983（非特許文献１）の報告にある、分布反射鏡（Distributed Bragg reflector, DBR）を有する波長可変半導体レーザ（Distributed Bragg reflector laser, DBR laser；以下、ＤＢＲレーザと呼ぶ）や、Yoshikuniらによる、Journal of Lightwave Technology, vol. LT-5, no.4, pp.516-522, 1987（非特許文献２）の報告にある、電極を分離した多電極構造分布帰還型波長可変半導体レーザ（Distributed Feedback laser, DFB laser；以下、多電極ＤＦＢレーザと呼ぶ）が実現されている。

ＤＢＲレーザは、図７に構造を示したが、光の増幅作用を有する導波路構造をした半導体活性層１４の片側、あるいは両側に、回折格子１２を形成した光導波路１３をモノリシック集積することで、回折格子１２のピッチに対応した特定の波長を発振する半導体レーザを構成している（図１では片側のみにＤＢＲ構造１１を形成したレーザを示している）。なお、図７において、１５は波長調整用電極、１６は活性層電極、１７は共通電極である。

この図７のＤＢＲレーザでは、波長調整用電極１５を通して光導波路１３に電流を注入し、光導波路１３のキャリア（電子）数を増加することで、当該領域の屈折率を変え、回折格子１２の等価的なピッチを変化させることで、ＤＢＲレーザの発振波長を変化させる。これにより、１５５０ｎｍの波長領域で、１０ｎｍ程度の波長可変幅を達成している。

また、多電極ＤＦＢレーザは、図８に構造を示すように、電流注入電極（活性層電極）を複数の活性層電極２３，２４，２５に分割し、活性層２２への注入電流を素子の共振器方向で変化させ、注入電流分布を制御できる構造を有する。なお、図８において、２１は回折格子、２６は共通電極、２７は反射防止膜である。

活性層電極２３，２４，２５に、素子活性層２２への注入電流密度が一定となるように電流を注入すると、素子内部に形成された回折格子２１のピッチに対応した波長で発振が起こる。活性層電極２３，２４，２５から注入する電流量を調整し、それぞれの活性層電極２３，２４，２５の下に位置する活性層２２へ注入する電流密度に差を与えるように動作させると、それぞれの部位のキャリア密度が異なった値となり、素子の共振器方向に屈折率分布ができる。このため共振器方向で、回折格子２１の等価的なピッチが変調を受け、素子の発振波長が変化する。この多電極ＤＦＢレーザでは、１５５０ｎｍの波長領域で、１ｎｍ程度の波長可変幅が達成されている。

更に、Okamotoらによる、Journal of Lightwave Technology, vol.14, no.6, pp.1033-1041, 1996の報告にあるように、２つのＤＢＲレーザとＬＤ切り替え光スイッチを集積した、高速波長切り替え半導体光源が実現されている。

本半導体光源の構造を図９に示す。同図に示すように、本半導体光源は、第１及び第２のＬＤ切り替え光スイッチ３７，３８をそれぞれ集積した第１及び第２のＤＢＲレーザ３１，３２の２台を、光導波路４１及び光合波器４０により１本の光出力導波路４２に結合し、その光出力を強度変調するための電界吸収型（Electro-absorption, EA）変調器３９を通した後に素子外部へ信号光を送出する構造となっている。なお、図９において、３３，３４は第１及び第２の活性層電極、３５，３６は第１及び第２の波長調整電極である。

この図９の半導体光源では、２つのＬＤ切り替え光スイッチ３７，３８のどちらか一方をＯＮとして、他方をＯＦＦとすることで、ＯＮとなったＬＤ切り替え光スイッチ３７（又は３８）側のＤＢＲレーザ３１（又は３２）の発振光が放出される。また、ＯＮとなっているＬＤ切り替え光スイッチ３７（又は３８）をＯＦＦとし、ＯＦＦとなっているＬＤ切り替え光スイッチ３８（又は３７）をＯＮとすることで、波長の切り替えが実現される。これにより、切り替え速度１００ｐｓでの波長切り替えを実現している。

Y.Tohmori, Y.Suematsu, H.Tsushima, and S.Arai, "WAVELENGTH TUNING OF GaInAsP/InP INTEGRATED LASER WITH BUTT-JOINTED BUILT-IN DISTRIBUTED BRAGG REFLECTOR" Electronics Letters, vol.19, no.17, pp.656-657, 1983. Y.Yoshikuni and G.Motosugi, "Multielectrode Distributed Feedback Laser for Pure Frequency Modulation and Chirping Suppressed Amplitude Modulation" Journal of Lightwave Technology, vol. LT-5, no.4, pp.516-522, 1987 H.Okamoto, H.Yasaka, K.Sato, Y.Yoshikuni, K.Oe, K.Kishi, Y.Kondo, and M.Yamamoto, "A Wavelength-Tunable Duplex Integrated Light Source for Fast Wavelength Switching" Journal of Lightwave Technology, vol.14, no.6, pp.1033-1041, 1996

しかし、前述の波長可変半導体レーザでは、キャリア密度を変化させた際の屈折率変化を波長変化の原理として用いているため、波長可変（切り替え）速度はキャリア寿命時間による制限を受け、数ｎｓ程度の時間がかかってしまう欠点があった。

また、従来報告されている前述の波長切り替え半導体光源では、切り替え速度はＬＤ切り替え光スイッチ３７，３８の応答速度で決まり、１００ｐｓ程度の波長切り替え時間がかかっていた。この速度を高速化するためには、ＬＤ切り替え光スイッチ３７，３８の長さを短くして高速化する必要があるが、ＬＤ切り替え光スイッチ３７，３８を短くすると、十分なＯＮ／ＯＦＦ比が取れず、良好な波長切り替えが行えなくなるという問題があった。

従って、本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、キャリア寿命時間に制限を受けることなく、高速波長切り替え動作が可能な波長切り替え半導体光源を提供することを課題としている。

上記課題を解決する第１発明の波長切り替え半導体光源は、出力する光の波長を切り替えることのできる波長切り替え半導体光源において、
第１の位相制御光導波路電極を備えた第１の位相制御光導波路と、第２の位相制御光導波路電極を備えた第２の位相制御光導波路と、前記第１の位相制御光導波路の一端側及び前記第２の位相制御光導波路の一端側に結合された第１の光合分波器と、前記第１の位相制御光導波路の他端側及び前記第２の位相制御光導波路の他端側に結合された第２の光合分波器とを有して成る半導体マッハツェンダ型光スイッチを備え、この半導体マッハツェンダ型光スイッチによって、前記出力する光の波長の切り替えを行う構成とし、
前記半導体マッハツェンダ型光スイッチの４つの光出力導波路の内、
前記第１の光合分波器に結合されている２つの光出力導波路には、異なった周期の回折格子を有する２つの導波路型回折格子がそれぞれ集積され、
前記第２の光合分波器に結合されている２つの光出力導波路には、２つの活性領域がそれぞれ集積されていること特徴とする。

また、第２発明の波長切り替え半導体光源は、第１発明の波長切り替え半導体光源において、
前記２つの導波路型回折格子には、これらの導波路型回折格子の等価的な周期を制御するための２つの波長制御電極が、それぞれ具備されていることを特徴とする。

本発明の波長切り替え半導体光源によれば、第１の位相制御光導波路電極を備えた第１の位相制御光導波路と、第２の位相制御光導波路電極を備えた第２の位相制御光導波路と、前記第１の位相制御光導波路の一端側及び前記第２の位相制御光導波路の一端側に結合された第１の光合分波器と、前記第１の位相制御光導波路の他端側及び前記第２の位相制御光導波路の他端側に結合された第２の光合分波器とを有して成る半導体マッハツェンダ型光スイッチを備え、この半導体マッハツェンダ型光スイッチによって、前記出力する光の波長の切り替えを行う構成としたことにより、高速波長切り替えが可能な波長切り替え半導体光源を実現した。
また、本発明では、波長切り替え光スイッチ機構として、半導体マッハツェンダ型光スイッチを活性領域、及び異なった周期の（異なるピッチを有する）２つの導波路型回折格子とモノリシック集積することで、高速波長切り替えが可能な波長切り替え半導体光源を実現した。
即ち、これらにより、キャリア寿命時間に制限を受けることなく、高速波長切り替え動作が可能な波長切り替え半導体光源を実現することができた。

本発明の第１の参考例に係る高速波長切り替え半導体光源の構造を示す図である。 本発明の第２の参考例に係る高速波長切り替え半導体光源の構造を示す図である。 本発明の第１の実施例に係る高速波長切り替え半導体光源の構造を示す図である。 本発明の第２の実施例に係る高速波長切り替え半導体光源の構造を示す図である。 本発明の第３の参考例に係る高速波長切り替え半導体光源の構造を示す図である。 本発明の第４の参考例に係る高速波長切り替え半導体光源の構造を示す図である。 分布反射鏡を有する波長可変半導体レーザ(ＤＢＲレーザ)の構造例を示す図である。 多電極構造分布帰還型波長可変レーザ（多電極ＤＦＢレーザ）の構造例を示す図である。 従来の高速波長切り替え半導体光源の構造を示す図である。

以下、本発明の実施の形態例を図面に基づいて詳細に説明する。

＜第１の参考例＞
図１に本発明の第１の参考例を示す。同図に示すように、第１の参考例の波長切り替え半導体光源は、波長切り替え光スイッチ機構として、半導体マッハツェンダ型光スイッチ１２０を活性領域１０７、及び異なった周期（異なったピッチ）の回折格子を有する２つの導波路型回折格子１０５，１０６とモノリシック集積した構造の光スイッチ機構を備えている。

半導体マッハツェンダ型光スイッチ１２０は、同じ長さの２つの第１及び第２の位相制御光導波路１００，１０１と、２つの第１及び第２の光合分波器１０４Ａ，１０４Ｂとを有して成るものである。第１の位相制御光導波路１００には第１の位相制御光導波路電極１０２が具備され、第２の位相制御光導波路１０１には第２の位相制御光導波路電極１０３が具備されている。第１の光合分波器１０４Ａは、光導波路１２５Ａを介して、第１の位相制御光導波路１００の一端側及び第２の位相制御光導波路１０１の一端側に結合され、第２の光合分波器１０４Ｂは、光導波路１２５Ｂを介して、第１の位相制御光導波路１００の他端側及び第２の位相制御光導波路１０１の他端側に結合されている。

半導体マッハツェンダ型光スイッチ１２０の４つの光出力導波路１２１，１２２，１２３，１２４の内、その片側の第１の光合分波器１０４Ａに結合されている２つの光出力導波路１２１，１２２には、周期の異なる（ピッチの異なる）回折格子を有する導波路型回折格子１０５，１０６がそれぞれ集積（結合）され、逆側の第２の光合分波器１０４Ｂに結合されている２つの光出力導波路１２３，１２４の内の１つの光出力導波路１２３には、電極（図示省略）からの電流注入により光を増幅する作用を有する活性領域１０７が集積（結合）された構造を有している。
また、第１及び第２の位相制御光導波路１００，１０１上に作製された第１及び第２の位相制御光導波路電極１０２，１０３へ電圧を印加することで、第１及び第２の位相制御光導波路１００，１０１の屈折率を制御することができる構造となっている。

従って、本波長切り替え半導体光源では、第１及び第２の位相制御光導波路電極１０２，１０３へ印加する電圧を調整することで、活性領域１０７の集積された光出力導波路１２３に入力した光（活性領域１０７から出力された光）を、導波路型回折格子１０５の集積された光出力導波路１２１へ結合することができる［状態１］。この［状態１］では、活性領域１０７の集積された光出力導波路１２３に入力した光は、導波路型回折格子１０６の集積された光出力導波路１２２とは結合しない。
その後、第２の位相制御光導波路電極１０３への印加電圧のみを、本マッハツェンダ変調器（半導体マッハツェンダ型光スイッチ１２０）の半波長電圧（マッハツェンダ変調器の光出力をＯＮからＯＦＦへ切り替えるのに必要な電圧）分だけ増加すると、導波路型回折格子１０５の集積された光出力導波路１２１と結合していた、活性領域１０７の集積された光出力導波路１２３に入力した光は、導波路型回折格子１０６の集積された光出力導波路１２２と結合するようになる［状態２］。このとき、位相制御光導波路１００，１０１の屈折率は、２０ｐｓの早さで高速制御できる。

即ち、本波長切り替え光源では、活性領域１０７への電流注入を行い、十分な利得を有する状態としておき、［状態１］になるように第１及び第２の位相制御光導波路電極１０２，１０３への印加電圧を調整することで、活性領域１０７と回折格子型光導波路１０５が結合し、導波路型回折格子１０５の回折格子の周期Λ₁で決まる波長λ₁（＝２Λ₁ｎ_eq1，ｎ_eq1は導波路型回折格子１０５の等価屈折率）で発振を開始し、λ₁の光を発生する。次に、第２の位相制御光導波路電極１０３への印加電圧を半波長電圧だけ増加して、［状態２］とすることで、活性領域１０７は導波路型光導波路１０６と結合するようになり、λ₁の光の発生を止め、導波路型回折格子１０６の回折格子の周期Λ₂で決まる波長λ₂（＝２Λ₂ｎ_eq2，ｎ_eq2は導波路型回折格子１０６の等価屈折率）の光を発生し始める。その後、第１及び第２の位相制御光導波路電極１０２，１０３への印加電圧を［状態１］のときの印加電圧に戻すと、λ₂の光の発生を止め、λ₁の光を発生した。

そして、本波長切り替え半導体光源では、位相制御光導波路１００，１０１の屈折率を２０ｐｓの早さで変えることができるので、λ₁からλ₂への波長切り替えが、２０ｐｓの早さで行われる。これにより、λ₁とλ₂の光を高速に切り替えることのできる波長切り替え半導体光源が実現できた。
即ち、第１の参考例では、波長切り替え光スイッチ機構として、半導体マッハツェンダ型光スイッチを活性領域、及び異なった周期の（異なるピッチを有する）２つの導波路型回折格子とモノリシック集積することで、キャリア寿命時間に制限を受けることなく、高速波長切り替えが可能な波長切り替え半導体光源を実現した。

＜第２の参考例＞
図２に本発明の第２の参考例を示す。同図に示すように、第２の参考例の波長切り替え半導体光源は、第１の参考例（図１参照）の波長切り替え半導体光源における導波路型回折格子１０５，１０６に、その屈折率（等価的な周期）を制御するための波長制御電極１１０，１１１を、それぞれ具備したことを特徴としている。その他の構成については、第１の参考例と同様である。

本波長切り替え半導体光源では、波長制御電極１１０，１１１から導波路型回折格子１０５，１０６へ電流を注入できる構造とすることで、導波路型回折格子１０５，１０６の等価屈折率（等価的な周期）を制御し、当該光源から出力する光の波長λ₁及びλ₂を制御できる構造となっており、両波長を５ｎｍ程度調整することができた。
なお、本構造では、導波路型回折格子１０５，１０６の等価的な周期の制御を電流注入による屈折率制御により実現したため、λ₁及びλ₂の調整速度は数ｎｓ程度であった。本波長調整速度は、例えば量子閉じ込めシュタルク効果や電気光学効果等を原理とする電圧印加による屈折率変化機構を原理として用いることで、高速化できることは、自明である。

＜第１の実施例＞
図３に本発明の第１の実施例を示す。同図に示すように、第１の実施例の波長切り替え半導体光源は、第１の参考例（図１参照）の波長切り替え半導体光源における半導体マッハツェンダ型光スイッチ１２０の光出力導波路１２３に活性領域１０８を集積（結合）し、光出力導波路１２４に活性領域１０９を集積（結合）したことを特徴とする。その他の構成については、第１の参考例と同様である。

本波長切り替え半導体光源では、活性領域１０８が導波路型回折格子１０５と結合するように、第１及び第２の位相制御光導波路電極１０２，１０３への印加電圧を調整した［状態１］においては、活性領域１０９は導波路型回折格子１０６と結合する。
このため、活性領域１０８から出力される光の波長がλ₁の時に、活性領域１０９からは波長λ₂の光が出力される。第２の位相制御光導波路電極１０３への印加電圧を半波長電圧だけ増加し、［状態２］とすることで、活性領域１０８は導波路型光回折格子１０６と結合し、活性領域１０９は導波路型光回折格子１０５と結合するようになり、活性領域１０８からは波長λ₂の光が出力され、活性領域１０９からは波長λ₁の光が出力されるようになる。
このように、第１の実施例による波長切り替え半導体光源により、λ₁とλ₂の波長がちょうど入れ替わった２種類の信号光を生成することのできる半導体光源が実現できた。

＜第２の実施例＞
図４に本発明第２の実施例を示す。同図に示すように、第２の実施例の波長切り替え半導体光源は、第１の実施例（図３参照）の波長切り替え半導体光源における導波路型回折格子１０５，１０６に、その屈折率（等価的な周期）を制御するための波長制御電極１１０，１１１を、それぞれ具備したことを特徴としている。その他の構成については、第１の実施例と同様である。

本波長切り替え半導体光源では、波長制御電極１１０，１１１から導波路型回折格子１０５，１０６へ電流を注入できる構造とすることで、導波路型回折格子１０５，１０６の等価屈折率（等価的な周期）を制御し、当該光源から出力する光の波長λ₁及びλ₂を制御できる構造となっており、両波長を５ｎｍ程度調整することができた。
なお、本構造では、導波路型回折格子１０５，１０６の等価的な周期の制御を電流注入による屈折率制御により実現したため、λ₁及びλ₂の調整速度は数ｎｓ程度であった。本波長調整速度は、例えば量子閉じ込めシュタルク効果や電気光学効果等を原理とする電圧印加による屈折率変化機構を原理として用いることで、高速化できることは、自明である。

＜第３の参考例＞
図５に本発明の第３の参考例を示す。同図に示すように、第３の参考例の波長切り替え半導体光源は、波長切り替え光スイッチ機構として、半導体マッハツェンダ型光スイッチ１２０と、２つの波長可変半導体レーザ１１４，１１５とをモノリシック集積した構造の光スイッチ機構を備えている。

詳述すると、半導体マッハツェンダ型光スイッチ１２０は、第１の参考例（図１参照）と同様のものであり、第１及び第２の位相制御光導波路電極１０２，１０３をそれぞれ備えた同じ長さの第１及び第２の位相制御光導波路１００，１０１と、第１及び第２の位相制御光導波路１００，１０１の一端側と他端側にそれぞれ結合された第１及び第２の光合分波器１０４Ａ，１０４Ｂと、第１及び第２の光合分波器１０４Ａ，１０４Ｂにそれぞれ結合された４つの光出力導波路１２１，１２２，１２３，１２４とを有している。

そして、本波長切り替え半導体光源では、この半導体マッハツェンダ型光スイッチ１２の片側の２本の光出力導波路１２１，１２２に、発振波長の異なる波長可変レーザ１１４，１１５をそれぞれ集積（結合）したことを特徴としている。光出力導波路１２１に集積された波長可変レーザ１１４は、活性層電極１１６を備えた活性層１２６と、波長制御電極１１８を備えた導波路型回折格子１２７とを有して成るものである。光出力導波路１２２に集積された波長可変レーザ１１５は、活性層電極１１７を備えた活性層１２８と、波長制御電極１１９を備えた導波路型回折格子１２９とを有して成るものである。

従って、本波長切り替え半導体光源では、光出力導波路１２３が波長可変レーザ１１４と結合するように、第１及び第２の位相制御光導波路電極１０２，１０３への印加電圧を調整した［状態１］においては、波長可変レーザ１１４の発振光（波長λ₁）は光出力導波路１２３より出力され、波長可変レーザ１１５の発振光（波長λ₂）は光出力導波路１２４より出力される。その後、第２の位相制御光導波路電極１０３への印加電圧を半波長電圧だけ増加し、［状態２］とすることで、波長可変レーザ１１４の発振光は光出力導波路１２４より出力され、波長可変レーザ１１５の発振光は光出力導波路１２３より出力されるようになり、波長切り替えが実現される。波長可変レーザ１１４（１１５）の発振光の波長λ₁（λ₂）は波長制御電極１１８（１１９）に印加される波長制御電流により制御が可能であり、３０ｍＡの電流注入で、５ｎｍの波長調整幅を実現できた。
即ち、第３の参考例では、波長切り替え光スイッチ機構として、半導体マッハツェンダ型光スイッチ１２０と、２つの波長可変半導体レーザ１１４，１１５とをモノリシック集積することで、キャリア寿命時間に制限を受けることなく、高速波長切り替えが可能な波長切り替え半導体光源を実現した。

＜第４の参考例＞
図６に本発明の第４の参考例を示す。同図に示すように、第４の参考例の波長切り替え半導体光源は、第３の参考例（図５参照）の波長切り替え半導体光源における半導体マッハツェンダ型光スイッチ１２０の光出力導波路１２３，１２４に、活性領域１０８，１０９をそれぞれ集積したことを特徴としている。その他の構成については、第３の参考例と同様である。

本波長切り替え半導体光源では、活性領域１０８，１０９の長さは１ｍｍに設定した。当該活性領域１０８，１０９を設けることにより、半導体マッハツェンダ型光スイッチ１２０により切り替えられた波長可変レーザ１１４，１１５の発振光を、活性領域１０８，１０９で増幅して出力することが可能となり、数ｍＷであった第３の参考例の波長切り替え半導体光源の光出力を、４０ｍＷにまで増幅することができた。

本発明は波長切り替え半導体光源に関するものであり、発生する光の波長を高速に切り替えることのできる半導体光源を実現する場合に適用して有用なものである。

１００ 第１の位相制御光導波路
１０１ 第２の位相制御光導波路
１０２ 第１の位相制御光導波路電極
１０３ 第２の位相制御光導波路電極
１０４Ａ 第１の光合分波器
１０４Ｂ 第２の光合分波器
１０５，１０６ 導波路型回折格子
１０７，１０８，１０９ 活性領域
１１０，１１１ 波長制御電極
１１４，１１５ 波長可変レーザ
１１６，１１７ 活性層電極
１１８，１１９ 波長制御電極
１２０ 半導体マッハツェンダ型光スイッチ
１２１，１２２，１２３，１２４ 光出力導波路
１２５Ａ，１２５Ｂ 光導波路
１２６ 活性層
１２７ 導波路型回折格子
１２８ 活性層
１２９ 導波路型回折格子

Claims (2)

1. 出力する光の波長を切り替えることのできる波長切り替え半導体光源において、
   第１の位相制御光導波路電極を備えた第１の位相制御光導波路と、第２の位相制御光導波路電極を備えた第２の位相制御光導波路と、前記第１の位相制御光導波路の一端側及び前記第２の位相制御光導波路の一端側に結合された第１の光合分波器と、前記第１の位相制御光導波路の他端側及び前記第２の位相制御光導波路の他端側に結合された第２の光合分波器とを有して成る半導体マッハツェンダ型光スイッチを備え、この半導体マッハツェンダ型光スイッチによって、前記出力する光の波長の切り替えを行う構成とし、
   前記半導体マッハツェンダ型光スイッチの４つの光出力導波路の内、
   前記第１の光合分波器に結合されている２つの光出力導波路には、異なった周期の回折格子を有する２つの導波路型回折格子がそれぞれ集積され、
   前記第２の光合分波器に結合されている２つの光出力導波路には、２つの活性領域がそれぞれ集積されていること特徴とする波長切り替え半導体光源。
2. 請求項１に記載の波長切り替え半導体光源において、
   前記２つの導波路型回折格子には、これらの導波路型回折格子の等価的な周期を制御するための２つの波長制御電極が、それぞれ具備されていることを特徴とする波長切り替え半導体光源。

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