JP6319883B2

JP6319883B2 - 波長フィルタおよびレーザ

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Publication number: JP6319883B2
Application number: JP2014029699A
Authority: JP
Inventors: 智洋北; 山田　博仁; 博仁山田; 景太根本
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Filing date: 2014-02-19
Publication date: 2018-05-09
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Description

本発明は、波長フィルタおよびレーザに関し、例えばリング共振器を有する波長フィルタおよびレーザに関する。

光の位相情報を用いた大容量光通信方式としてデジタルコヒーレント光通信がある。デジタルコヒーレント光通信では、ＤＰ−ＱＰＳＫ（Dual-Polarization Duadrature Phase Shift Keying）や１６ＱＡＭ（Quadrature Amplitude Modulation）のように、位相変調を含めることにより大容量通信が可能となる。このようなデジタルコヒーレント通信用の光源には、狭いレーザ発振線幅を有することが求められている。特に、１６ＱＡＭのように大容量化が進むと、より狭いレーザ発振線幅が要求される。特許文献１には、リング共振器を用いたレーザが記載されている。非特許文献１には、波長フィルタとして２つのリング共振器を縦続接続したレーザが記載されている。非特許文献２には、リング共振器とマッハツェンダ干渉計を用いたレーザが記載されている。

特開２０１１−１６４４０６号公報

Appl. Phys. Express Vol. 5, 082701 (2012) IEEE J. Quantum Electron. Vol. 15, 488 (2009)

非特許文献１に記載のレーザは、レーザ共振線幅を狭くできる。しかしながら、モード利得差が小さい。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、モード利得差を大きくすることを目的とする。

本発明は、利得帯域を有する光増幅器の一端から出力された光が前記一端に入力するように前記光が伝搬する経路内に縦続に配置され、透過率のピークの波長間隔が互いに異なり、波長に対する合計の透過率を示す図において前記利得帯域内で前記合計の透過率が最も高い第１ピークと前記第１ピークの両側に隣接し前記第１ピークより前記合計の透過率が低い第２ピークと前記第２ピークの前記第１ピークと反対の両側に隣接し前記第２ピークより前記合計の透過率が低い第３ピークとを有する複数のリング共振器と、前記経路内に前記複数のリング共振器と縦続に配置され、前記第２ピークの波長における透過率が前記第１ピークの波長における透過率より低く、前記第３ピークの波長における透過率が前記第２ピークの波長における透過率より高く、前記光を透過させる透過部と、を具備することを特徴とする波長フィルタである。

上記構成において前記透過部は、前記第１ピークと前記第２ピークとの波長間隔および前記第２ピークと前記第３ピークとの波長間隔の平均値の１．５倍以上かつ３倍以下である波長間隔で透過率のピークを有する非対称マッハツェンダ干渉計である構成とすることができる。

上記構成において、前記経路は分岐点において分岐され、分岐された経路はループ経路であり、前記複数のリング共振器および前記透過部は、前記ループ経路内に縦続に配置されている構成とすることができる。

上記構成において、前記複数のリング共振器の少なくとも１つの共振波長を変化させることにより、前記第１ピークの波長を変化させる波長変化部を具備する構成とすることができる。

上記構成において、前記波長変化部は、前記複数のリング共振器の少なくとも１つの温度を変化させる構成とすることができる。

上記構成において、前記経路は、同一基板上に形成された光導波路からなる構成とすることができる。

上記構成において、前記同一基板上に形成された光導波路は、シリコンからなるコアと、酸化シリコンからなるクラッドを有する構成とすることができる。

本発明は、利得帯域を有する光増幅器に結合された第１光導波路を１対の第２光導波路に分岐する光結合器と、前記１対の第２光導波路にそれぞれ結合し、透過率のピークの波長間隔が互いに異なり、波長に対する合計の透過率を示す図において前記利得帯域内で前記合計の透過率が最も高い第１ピークと前記第１ピークの両側に隣接し前記第１ピークより前記合計の透過率が低い第２ピークと前記第２ピークの前記第１ピークと反対の両側に隣接し前記第２ピークより前記合計の透過率が低い第３ピークとを有する１対のリング共振器と、前記一対のリング共振器にそれぞれ結合する一対の第３導波路の一端に、両端のそれぞれが結合され、透過率のピークが前記第１ピークと重なり、前記第１ピークと前記第２ピークとの波長間隔および前記第２ピークと前記第３ピークとの波長間隔の平均値の１．５倍以上かつ３倍以下である波長間隔で透過率のピーク間隔を有する非対称マッハツェンダ干渉計と、を具備することを特徴とする波長フィルタである。

本発明は、前記光増幅器と、上記波長フィルタと、を具備することを特徴とするレーザである。

本発明によれば、モード利得差を大きくすることができる。

図１（ａ）および図１（ｂ）は、それぞれ比較例１および２に係るレーザを示す模式図である。図２（ａ）および図２（ｂ）は、比較例１および２における波長に対する透過率を示す模式図である。図３（ａ）および図３（ｂ）は、比較例１における波長に対するファイバ結合パワーを示す図である。図４は、実施例１に係るレーザの模式図である。図５（ａ）および図５（ｂ）は、実施例１における波長に対する透過率を示す図である。図６（ａ）は、実施例１における波長フィルタの平面図、図６（ｂ）は、波長フィルタの一部の断面図、図６（ｃ）は、リング共振器の拡大図、図６（ｄ）は、リング共振器と光導波路付近の拡大図である。図７は、レーザの測定系を示すブロック図である。図８（ａ）は、実施例１におけるＳＯＡ注入電流に対するレーザ光の出力パワーを示す図、図８（ｂ）は、波長に対するファイバ結合パワーを示す図である。図９は、ヒータパワーに対する波長を示す図である。図１０は、実施例１における波長に対するファイバ結合パワーを示す図、および波長に対するＳＭＳＲを示す図である。図１１（ａ）は、ＲＦ周波数に対するパワーを示す図、図１１（ｂ）は、出力パワーに対する線幅を示す図である。図１２は、比較例１、２および実施例１におけるリング共振器内の光強度Ｐ_ｒｉｎｇに対する最大出力パワーＰ_ｍａｘを示す図である。

まず、比較例について説明する。図１（ａ）および図１（ｂ）は、それぞれ比較例１および２に係るレーザを示す模式図である。図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、比較例１および２に係るレーザは、波長フィルタ１０と、光増幅器３０と、を備えている。光増幅器３０の一端から出力された光５０は、波長フィルタ１０内の経路５５を伝搬し、光増幅器３０の一端に戻り入力する。経路５５は、特定波長を有する光を透過させ、他の波長を有する光を遮断する。光増幅器３０の他端には反射板３２が配置されている。反射板３２は、特定波長を有する光の一部を透過させ、残りを反射する。これにより、経路５５が透過する特定波長を有する光が増幅され、光増幅器３０において誘導放出が生じる。これにより、光増幅器３０の他端から特定波長を有するレーザ光６０が出力される。

図１（ａ）に示すように、比較例１に係るレーザ１１０において、光が伝搬する経路５５は、経路５４と経路５６を有している。経路５４は、分岐点５８で経路５６に分岐する。経路５４には、光導波路１２、１８および１９、リング共振器２０ａおよび２０ｂが配置されている。光導波路１２は、光増幅器３０に光学的に結合されている。リング共振器２０ａは、光導波路１２に光学的に結合されている。光導波路１８は、リング共振器２０ａに光学的に結合されている。リング共振器２０ｂは、光導波路１８に光学的に結合されている。光導波路１９は、リング共振器２０ｂに光学的に結合されている。光導波路１９の一端は、ループ状の光導波路１７に接合されている。光導波路１７は経路５６に相当する。

光増幅器３０の一端から出力されて光５０は、経路５４内のリング共振器２０ａおよび２０ｂを順に通過する。光５０は、経路５６で折り返し、経路５４内のリング共振器２０ｂおよび２０ａを順に通過し、光増幅器３０の一端に光５２として入力する。光５０からみると、複数のリング共振器２０ａおよび２０ｂは、経路５４内に縦続に配置されている。

図１（ｂ）に示すように、比較例２に係るレーザ１１２においては、光導波路１２は経路５４に相当する。光結合器２６は分岐点５８に相当する。経路５６には、１４ａ、１４ｂおよび１６、リング共振器２０ａおよび２０ｂが配置されている。光導波路１２は、光増幅器３０に結合されている。光結合器２６は、光導波路１２を一対の光導波路１４ａおよび１４ｂに分岐する。光導波路１４ａおよび１４ｂには、それぞれ一対のリング共振器２０ａおよび２０ｂが光学的に結合されている。一対の光導波路１６は、リング共振器２０ａおよび２０ｂに光学的に結合されている。

光増幅器３０の一端から出力された光５０は、経路５４を伝搬し、分岐点５８において複数の光５０ａおよび５０ｂに分岐する。光５０ａは、経路５６を左回りに伝搬することでリング共振器２０ａおよび２０ｂを順に通過する。光５０ｂは、経路５６を右回りに伝搬することでリング共振器２０ｂおよび２０ａを順に通過する。分岐点５８において光５０ａと５０ｂとが結合し経路５４を伝搬し光５２として光増幅器３０の一端に入力する。分岐点５８において分岐された光５０ａおよび５０ｂからみれば、複数のリング共振器２０ａおよび２０ｂは、経路５６内において縦続に配置されている。

比較例１では、光５０は、リング共振器２０ａおよび２０ｂを２回ずつ通過するのに対し、比較例２では、光５０は、リング共振器２０ａおよび２０ｂを１回ずつしか通過しない。これにより、比較例２は比較例１に比べ共振器長を短くできる。レーザ光６０の高出力時にリング共振器２０ａおよび２０ｂ内での光強度が強くなると、非線形光学効果のためサブモードでの共振が起こり、レーザ発振が不安定になると考えられる。比較例２のように、リング共振器２０ａおよび２０ｂ内を光５０が通過する回数が少ないと、高出力時においても、リング共振器２０ａおよび２０ｂ内での光強度を弱く抑えることができるのではないかと考えられる。よって、比較例２では、高出力時のレーザ発振の不安定性を抑制できる可能性がある。

図２（ａ）および図２（ｂ）は、比較例１および２における波長に対する透過率を示す模式図である。図２（ａ）を参照し、光増幅器３０は、利得帯域Ｂ内の波長を有する光を増幅する。破線はリング共振器２０ａの透過率Ｒ１を示し、点線はリング共振器２０ｂの透過率Ｒ２を示す。実線は、リング共振器２０ａおよび２０ｂの透過率の合計Ｒ１＋Ｒ２を示す。リング共振器２０ａおよび２０ｂは経路５５内に縦列に配置されているため、経路５５を伝搬した光の透過率はＲ１＋Ｒ２となる。

リング共振器２０ａおよび２０ｂは、それぞれ共振波長において共振し、透過率が最大となる。共振波長の中間の波長では透過率が最小になる。共振波長の間隔は一定であり、この間隔を周波数間隔（ＦＳＲ：Free Spectral Range）という。リング共振器２０ａおよび２０ｂの周波数間隔は、それぞれＦＳＲ１およびＦＳＲ２である。リング共振器２０ａおよび２０ｂの周波数間隔ＦＳＲ１およびＦＳＲ２は互いに異なる。リング共振器２０ａおよび２０ｂの周波数間隔ＦＳＲ１およびＦＳＲ２は、リング共振器２０ａおよび２０ｂの周回長により設定することができる。

リング共振器２０ａおよび２０ｂの周波数間隔ＦＳＲ１およびＦＳＲ２が異なるため、バーニア効果により、透過率の合計Ｒ１＋Ｒ２には、リング共振器２０ａおよび２０ｂの共振波長が最も重なった波長において透過率は最も高いピーク（モードＭ１）となる。モードＭ１のピークの両側に隣接してモードＭ２のピーク、モードＭ３のピークの両側に隣接してモードＭ３のピークが形成される。モードＭ２はモードＭ１に比べ、共振波長の重なりが小さい。このため、モードＭ２のピークはモードＭ１より低い。同様に、モードＭ３のピークはモードＭ２より低い。モードＭ１のピーク波長の間隔を間隔Δλ１とする。モードＭ１とＭ２とのピーク波長の間隔、およびＭ２とＭ３とのピーク波長の間隔を間隔Δλ２とする。モードＭ１とＭ２との透過率差ΔＴとする。透過率差ΔＴは、レーザ光のモード利得比（ＳＭＳＲ：Side-Mode Suppression Ratio）に相当する。間隔Δλ１を利得帯域Ｂとほぼ同じまたは大きくすることにより、利得帯域Ｂ内にはモードＭ１が１本のみ形成される。

図２（ｂ）を参照し、モードＭ１およびＭ２付近を拡大する。透過率の合計Ｒ１＋Ｒ２内にＦＰ（Fabry-Perot）縦モードの共振モードＦＰが形成される。ＦＰ縦モードの周波数間隔ＦＳＲ３は、波長フィルタ１０の共振器長が大きくなると小さくなり、共振器長が小さくなると大きくなる。

比較例１のように、周波数間隔ＦＳＲ１およびＦＳＲ２の異なる複数のリング共振器２０ａおよび２０ｂを経路５５内に縦続接続し波長フィルタ１０を形成する。リング共振器２０ａおよび２０ｂはＱ値が高い。このため、リング共振器２０ａおよび２０ｂを波長フィルタ１０に用いることにより、レーザは、波長線幅の狭いレーザ光６０を出力することができる。しかしながら、比較例１では、光増幅器３０の注入電流を大きくすると、レーザ発振が不安定となりレーザ光６０の出力パワーが制限される。

比較例１および２に係るレーザを作製した。光導波路およびリング共振器のコア材料はシリコン（Ｓｉ）であり、クラッド材料は酸化シリコン（ＳｉＯ_２）である。光増幅器３０は、ＩｎＰを用いた半導体光増幅器（ＳＯＡ：Semiconductor Optical Amplifier）である。比較例１および２の波長フィルタ１０内のシリコン光導波路の共振器長は、それぞれ１．７ｍｍおよび１．０ｍｍである。レーザ発振波長はＬバンド（１５７０ｎｍから１６１２ｎｍ）である。その他は、後述する実施例１において作製したレーザと同じである。

図３（ａ）および図３（ｂ）は、比較例１における波長に対するファイバ結合パワーを示す図である。ファイバ結合パワーは、レーザ光６０の一部をファイバに結合させて測定したパワーである。図３（ａ）に示すように、光増幅器３０であるＳＯＡの注入電流を大きくすると、複数のＦＰ縦モードに対応する発振６２が観察される。また、図３（ｂ）に示すように、バーニア効果に起因する複数の共振モード６４が観察される。このような、複数のモードの多モード発振によりレーザ光の最大出力パワーが制限される。

このように、比較例１において、多モード発振が生じる原因は明確ではないが、比較例１では、共振器長が長いため、ＦＰ縦モード間隔ＦＳＲ３が小さいため、および／または、リング共振器２０ａおよび２０ｂ内での光強度が強いためではないかと考えられる。

比較例２では、光が光導波路内を往復する距離が短いため、共振器長を短くできる。また、リング共振器２０ａおよび２０ｂ内の光強度を弱くできる。これにより、多モード発振が抑制され最大出力パワーを大きくできる。表１は、比較例１および２におけるＦＰ縦モード間隔ＦＳＲ３、最大出力パワーおよびＳＭＳＲを示す表である。

表１に示すように、比較例２のＦＰ縦モード間隔ＦＳＲ３は１２３ｐｍであり、比較例１の９４ｐｍよりが大きい。比較例２の最大出力パワーは３４．９ｍＷであり、比較例１の２０ｍＷより大きくなる。このように、ＦＰ縦モードのＦＳＲ３を大きくすることで、多モード発振を抑制し、最大出力パワーを増大できる。しかしながら、ＳＭＳＲは、比較例１および２とも３０ｄＢ程度であり、あまり大きくない。

このように、比較例２によれば、最大出力パワーを大きくできる。しかしながらＳＭＳＲが小さい。ＳＭＳＲが小さいと、多モード発振の原因となる可能性がある。ＳＭＳＲを大きくできれば、最大出力パワーを大きくできる可能性がある。以下にＳＭＳＲを大きくできる実施例について説明する。

図４は、実施例１に係るレーザの模式図である。図４に示すように、レーザ１００は、波長フィルタ１０および光増幅器３０を備えている。経路５６内に複数のリング共振器２０ａおよび２０ｂと縦続に非対称マッハツェンダ干渉計（ＡＭＺＩ： Asymmetric Mach-Zehnder interferometer）２２が配置されている。すなわち、分岐点５８において分岐された光５０ａおよび５０ｂからみれば、複数のリング共振器２０ａ、２０ｂおよびＡＭＺＩ２２は、経路５６内において縦続に配置されている。光導波路１６ａおよび１６ｂは、それぞれリング共振器２０ａおよび２０ｂに光学的に結合されている。ＡＭＺＩ２２の両端は、それぞれ光導波路１６ａおよび１６ｂの一端に光学的に結合している。ＡＭＺＩ２２は複数の光導波路２４ａおよび２４ｂを有している。光導波路２４ａおよび２４ｂの行路長は互いに異なり、経路５４ａおよび５４ｂを伝搬する光はＡＭＺＩ２２により変調される。その他の構成は、比較例２と同じであり説明を省略する。

図５（ａ）および図５（ｂ）は、実施例１における波長に対する透過率を示す図である。図５（ａ）は、リング共振器２０ａ、２０ｂおよびＡＭＺＩ２２の透過率Ｒ１、Ｒ２およびＡＭＺＩを示す図であり、図５（ｂ）は、リング共振器２０ａおよび２０ｂの透過率の合計Ｒ１＋Ｒ２、リング共振器２０ａ、２０ｂおよびＡＭＺＩ２２の透過率の合計Ｒ１＋Ｒ２＋ＡＭＺＩを示す図である。リング共振器２０ａ、２０ｂおよびＡＭＺＩ２２は経路５５内に縦列に配置されている。このため、経路５５を伝搬した光の透過率はＲ１＋Ｒ２＋ＡＭＺＩとなる。

図５（ａ）に示すように、ＡＭＺＩ２２の透過率ＡＭＺＩは、モードＭ１に相当する波長で最大となり、隣接するモードＭ２に相当する波長で最低となるように設定する。すなわち、ＡＭＺＩ２２の周波数間隔ＦＳＲ４は、リング共振器２０ａおよび２０ｂの周波数間隔ＦＳＲ１およびＦＳＲ２のほぼ２倍となるように、光導波路２４ａおよび２４ｂの行路差を設定する。

図５（ｂ）に示すように、モードＭ１およびＭ３におけるＲ１＋Ｒ２のピークと、ＡＭＺＩ２２の透過率ＡＭＺＩのピークと、が重なる。このため、モードＭ１およびＭ３の透過率の合計Ｒ１＋Ｒ２＋ＡＭＺＩはほとんどＲ１＋Ｒ２となる。一方、モードＭ２においては、ＡＭＺＩ２２の透過率が低いため、透過率の合計Ｒ１＋Ｒ２＋ＡＭＺＩはＲ１＋Ｒ２に比べ非常に小さくなる。これにより、ＳＭＳＲは、モードＭ１とＭ３のピークの差となり、ＳＭＳＲを大きくできる。

実施例１に係るレーザを作製した。図６（ａ）は、実施例１における波長フィルタの平面図、図６（ｂ）は、波長フィルタの一部の断面図、図６（ｃ）は、リング共振器の拡大図、図６（ｄ）は、リング共振器と光導波路付近の拡大図である。

図６（ｂ）に示すように、シリコン基板４０上に酸化シリコン膜４２が形成されている。酸化シリコン膜４２内にシリコン細線４４が形成されている。シリコン細線４４の幅がＷ、高さがＨである。シリコン細線４４が光導波路のコア、酸化シリコン膜４２がクラッドとして機能する。シリコン細線４４上方の酸化シリコン膜４２上に金属膜４６が形成されている。金属膜４６は、酸化シリコン膜４２側からＴｉ膜およびＰｔ膜である。

図６（ａ）に示すように、光導波路１２、１４ａ，１４ｂ，１６ａ、１６ｂ、リング共振器２０ａ、２０ｂおよびＡＭＺＩ２２は、シリコン細線４４をコアとした光導波路により形成される。金属膜４６はヒータ３４ａから３４ｃおよびパッド４８を形成する。ヒータ３４ａから３４ｃは、それぞれリング共振器２０ａ、２０ｂ、およびＡＭＺＩ２２の片方の光導波路２４ｂ上に形成されている。パッド４８はヒータ３４ａから３４ｃに外部から電流を流すために用いられる。光導波路１２の一端は、ＳＳＣ（Spot Size Converter）４５を介しＯＳＡにバットジョイント結合される。バットジョイント結合には、屈折率が１．４６の屈折率整合ゲルを用いた。

図６（ｃ）に示すように、リング共振器２０ｂは、バス光導波路１４ｂおよび１６ｂに隣接して配置されている。リング共振器２０ｂは、円弧領域３６ａと直線領域３６ｂとからなる。円弧領域３６ａの半径は曲半径ｒである。直線領域３６ｂの距離を変化させることにより、リング共振器２０ｂの周回長を変更できる。図６（ｄ）に示すように、バス光導波路１４および１６とリング共振器２０とはギャップＧ１を有するように離間している。バス光導波路１４および１６とリング共振器２０とが並走する距離は結合器長Ｌ１である。バス光導波路１４および１６とリング共振器２０との結合効率は、ギャップＧ１と結合器長Ｌ１を適宜設定することで調整できる。

以下、作製した実施例１に係るレーザの各寸法等を以下に示す。
フットプリントの大きさ：２．６×０．５ｍｍ^２
フットプリントは、波長フィルタとＳＯＡを搭載する基板である。
シリコン細線４４の幅Ｗ：４００ｎｍ
リシコン細線４２の高さＨ；２２０ｎｍ
波長フィルタ１０の共振器長：１．０ｍｍ
ＳＯＡの共振器長：１．３ｍｍ
波長フィルタとＳＯＡの合計の共振長：２．３ｍｍ
ＡＭＺＩのＦＳＲ４：１６００ＧＨｚ
ＡＭＺＩの行路差：４２．８μｍ

リング共振器の曲半径ｒ：１２μｍ
バスとリングとの結合効率：０．１５６
バスとリングとのギャップＧ１：３００ｎｍ
バスとリングとの結合器長Ｌ１：２．７５μｍ
リング共振器２０ａのＦＳＲ１：７２７ＧＨｚ
リング共振器２０ｂのＦＳＲ２：８００ＧＨｚ
リング共振器２０ａの周回長：８５．５μｍ
リング共振器２０ｂの周回長：９４．０μｍ
金属膜４６のＴｉ膜／Ｐｔ膜厚：１０ｎｍ／１００ｎｍ
ヒータにおける金属膜４６の幅：８μｍ
ヒータの抵抗：約２００Ω

図７は、レーザの測定系を示すブロック図である。図７に示すように、測定系システムは、先球ファイバ７０、アイソレータ７１、光結合器７２、７３、光スペクトルアナライザ７４、パワーメータ７５、線幅測定系７６、ＳＯＡ制御部７７およびヒータ制御部７８を備えている。先球ファイバ７０は、レーザ１００から出射されるレーザ光を集光する。アイソレータ７１は、集光された光をアイソレートする。光結合器７２および２３は、光を分岐する。光スペクトルアナライザ７４は、光のスペクトルを測定する。パワーメータ７５は光のパワーを測定する。線幅測定系７６は、レーザ光の線幅を測定する。ＳＯＡ制御部７７は、ＴＥＣ（thermoelectric coolers）を用い光増幅器３０であるＳＯＡの温度を一定に保つ。以下の測定では、ＳＯＡの温度を２５℃に設定した。ＳＯＡ制御部７７は、ＳＯＡの注入電流を制御する。ヒータ制御部７８は、パッド４８を介しヒータ３４ｂおよび３４ｃに印加する電流を制御する。

図８（ａ）は、実施例１におけるＳＯＡ注入電流に対するレーザ光の出力パワーを示す図、図８（ｂ）は、波長に対するファイバ結合パワーを示す図である。図８（ａ）は、波長が１５９０ｎｍのときの出力パワーをパワーメータ７５を用いて測定した結果である。図８（ｂ）は、ＳＯＡ注入電流が３００ｍＡのときの光スペクトルを光スペクトルアナライザ７４を用いて測定した結果である。

図８（ａ）に示すように、実施例１は比較例１に比べ出力パワーが大きい。ＳＯＡ注入電流が３００ｍＡのとき最大出力パワーが４２．２ｍＷとなった。閾値電流は２３ｍＡである。また、傾きに相当するスリープ効率は０．１５１ｍＷ／ｍＡである。

図８（ｂ）に示すように、最大出力パワーにおいて、隣接するＦＰ縦モードの発振は生じておらず、比較例１の図３（ａ）のような多モード発振は生じていない。発振している主モードの他のモードに対する利得差は４９．８ｄＢと大きい。このように、実施例１では、比較例１に比べ、多モード発振を抑制でき、出力パワーを大きくできる。最大出力パワーは１６ＱＡＭにおいて要求される１６ｄＢｍ以上とすることができる。

次に、ヒータを用いレーザ光の波長を変化させる。図９は、ヒータパワーに対する波長を示す図である。リング共振器２０ａに対応するヒータ３４ａに電流を流し、リング共振器２０ｂに対応するヒータ３４ｂに電流を流していない。図９に示すように、ヒータ３４ａのパワーを大きくすると、リング共振器２０ａのシリコン細線４４の温度が高くなり、シリコン細線４４の屈折率が高くなる。これにより、リング共振器２０ａの共振波長が長くなり、モードＭ１の波長が長くなる。よって、レーザ発振波長が長くなる。モードＭ１が高波長側にシフトするため、図５（ａ）のＡＭＺＩ２２の透過率のピークをモードＭ１の波長に対応して変更する。図９の白丸は、ＡＭＺＩ２２のヒータ３４ｃに１１１．７ｍＷのパワーを印加したこと示し、白三角は、ヒータ３４ｃにパワーを印加していないことを示す。このように、ＡＭＺＩ２２の行路差をヒータ３４ｃを用い制御することで、ＡＭＺＩ２２の透過率のピークをモードＭ１の波長のシフトに対応してシフトできる。

図１０は、実施例１における波長に対するファイバ結合パワーを示す図、および波長に対するＳＭＳＲを示す図である。図９の各点のスペクトルとＳＭＳＲを示している。図１０に示すように、いずれの波長においても１本のモードが発振している。ＳＭＳＲは、約４０ｄＢであり、最小でも３８ｄＢである。

このように、リング共振器１０ａおよびＡＭＺＩ２２の温度をヒータ３４ａおよび３４ｃにより調整することにより、レーザ発振波長を可変とすることができる。図９および図１０では、レーザ発振波長をＬバンドである１．５７０μｍから１．６１０μｍの範囲で可変とすることができる。レーザ光の発振波長を可変とすることで、波長多重方式への適用が可能となる。

線幅測定系７６を用い遅延自己ヘテロダイン法で共振モードの線幅を測定した。図１１（ａ）は、ＲＦ周波数に対するパワーを示す図、図１１（ｂ）は、出力パワーに対する線幅を示す図である。図１１（ａ）を参照し、実施例１における測定結果とローレンツ分布を仮定したフィッティング線を示す。出力パワーは４２．２ｍＷである。図１１（ａ）より、線幅は約８３ｋＨｚである。

図１１（ｂ）を参照し、比較例１および実施例１の線幅測定結果を白丸および白三角で示す。IEEE J. Quantum Electron., Vol QE-18, No. 2 (1982)に記載されている方法を用い算出した線幅を曲線で示す。実施例１においては、比較例１に比べ線幅が大きいが、出力パワーが１０ｍＷ以上では線幅は１６ＱＡＭに要求される１００ｋＨｚ以下となる。実施例１が比較例１に比べ線幅が大きい理由は、実施例１の共振器長が短いためである。

図１２は、比較例１、２および実施例１におけるリング共振器内の光強度Ｐ_ｒｉｎｇに対する最大出力パワーＰ_ｍａｘを示す図である。図１２において、比較例１は、リング共振器２０ａおよび２０ｂとバス光導波路１２、１８および１９との結合係数が０．１５と０．２２の２つのレーザを作製した。リング共振器２０ａおよび２０ｂ内の光強度は、シミュレーション結果である。

図１２に示すように、リング共振器２０ａおよび２０ｂ内の光強度が４０ｍＷを越えると最大出力パワーが小さくなる。これは、リング共振器２０ａおよび２０ｂ内の光強度が強くなると、非線形光学効果によってサブモードでの共振が起こり、レーザ光の高出力時のレーザ発振が不安定になるためと考えられる。このように、リング共振器２０ａおよび２０ｂ内の光強度は４０ｍＷ以下が好ましい。

比較例１において、結合係数を０．２２とすると光強度は弱くなり、最大出力パワーが大きくなる。しかし、モード間の透過率差が小さくなり、モード利得差が低下してシングルモード発振ができなくなる。このように、比較例１では、モード利得差を大きくしようとすると、リング共振器２０ａおよび２０ｂ内の光強度が強くなり、レーザ発振が不安定となる。一方、比較例２および実施例１では、光５０がリング共振器２０ａおよび２０ｂを１回しか通過しないため、リング共振器２０ａおよび２０ｂ内の光強度を弱くできる。よって、レーザ発振を安定化できる。

表１に示すように、ＡＭＺＩ２２を設けた実施例１では、比較例２と共振器長およびＦＳＲ３が同じであっても、図５（ｂ）のように隣接するモードを抑圧することができる。これにより、ＳＭＳＲを比較例２の３０ｄＢから実施例１の３８ｄＢに向上できる。これにより、出力パワーを大きくしても安定である。このため、最大出力パワーを比較例１の３４．９ｍＷから４２．２ｍＷに大きくできる。また、ヒータを設けることで、Ｌバンド内での波長可変となる。波長可変幅は６１．７ｎｍである。なお、ＳＯＡおよび波長フィルタを適宜設計することにより、Ｃバンド（波長が１．５２５μｍから１．５７０μｍ）等の他のバンドにも実施例１を適用できる。このように、作製した実施例１に係るレーザは、４０ｍＷ（１６ｄＢｍ）以上の出力パワーを有し、線幅を１００ｋＨｚ以下とすることができるため、１６ＱＡＭ方式のデジタルコヒーレント通信用光源として用いることができる。

以上、実施例１によれば、図４のように、光増幅器３０の一端から出力された光５０が光増幅器３０の一端に戻り入力するように、光５０が経路５５内を伝搬する。複数のリング共振器２０ａおよび２０ｂは、経路５５内に縦続に配置されている。ＡＭＺＩ２２（透過部）は、経路５５内に複数のリング共振器２０ａおよび２０ｂと縦続に配置されている。

このような構成において、図５（ａ）および図５（ｂ）のように、複数のリング共振器２０ａおよび２０ｂの透過率の合計Ｒ１+Ｒ２は、利得帯域Ｂ内において最も高いモードＭ１のピーク（第１ピーク）とモードＭ２のピーク（第２ピーク）とモードＭ３のピーク（第３ピーク）とを有する。ＡＭＺＩ２２は、モードＭ２のピークの波長における透過率がモードＭ１およびＭ３のピークの波長における透過率より低い。これにより、経路５５を伝搬する光のモードＭ２における透過率を抑制できる。よって、モードＭ２によるレーザ発振を抑制できる。これにより、モード利得差を大きくできる。

モード利得差をより大きくするため、モードＭ２のピークの波長における透過率がモードＭ１およびＭ３のピークの波長における透過率の１／２以下であることが好ましく、１／１０以下であることがより好ましい。

実施例１では、比較例２にＡＭＺＩ２２を配置する例を説明したが、ＡＭＺＩ２２は例えば比較例１の経路５４にリング共振器２０ａおよび２０ｂに縦続に配置してもよい。また、ＡＭＺＩ２２は、複数のリング共振器２０ａおよび２０ｂに縦続に配置されていれば、経路５５内に任意に配置することができる。さらに、リング共振器２０ａおよび２０ｂは、３個以上でもよい。

実施例１では、複数のリング共振器２０ａ、２０ｂおよびＡＭＺＩ２２は、ループ経路５６内に縦続に配置されている。これにより、実施例１は、共振器長を小さくできる。よって、モード利得差を大きくでき、かつＦＰ縦モードの周波数間隔ＦＳＲ３を大きくできる。さらに、光５０がリング共振器２０ａおよび２０ｂを１回ずつしか通過しないため、リング共振器２０ａおよび２０ｂの光強度を抑制できる。これらにより、多モード発振をより抑制し、レーザ光６０の出力パワーをより大きくできる。実施例１では、リング共振器２０ａおよび２０ｂの光強度を４０ｍＷ以下とすることで、レーザ光６０の最大出力パワーを４０ｍＷ以上とすることができる。

共振器長を短くするためには、複数のリング共振器２０ａおよび２０ｂは２つであることが好ましい。また、経路５６を分岐点５８からみて対称にするため、ＡＭＺＩ２２は、一対のリング共振器２０ａおよび２０ｂの間に配置されることが好ましい。

ＡＭＺＩ２２の周波数間隔ＦＳＲ４を、リンク共振器２０ａおよび２０ｂの周波数間隔ＦＳＲ１およびＦＳＲ２の約２倍とすることにより、モードＭ２によるレーザ発振をより抑制できる。モードＭ２を抑圧するため、ＡＭＺＩ２２の周波数間隔ＦＳＲ４は、複数のリング共振器２０ａおよび２０ｂの周波数間隔ＦＳＲ１およびＦＳＲ２の平均値の１．５倍以上かつ３倍以下が好ましく、１．７５倍以上かつ２．５倍以下がより好ましい。

実施例１においては、透過部としてＡＭＺＩ２２を例に説明したが、モードＭ２をモードＭ１およびＭ３に比べ抑圧すれば、透過部は他の要素でもよい。例えば、透過部としてリング共振器を用いることができる。しかしながら、図５（ａ）のように、ＡＭＺＩ２２は、リング共振器２０ａおよび２０ｂと比べ、共振の幅（すなわち通過幅）を広くできる。このため、ＡＭＺＩ２２の透過率ＡＭＺＩのピークをモードＭ１のＲ１＋Ｒ２のピークへ重ね合わせることが容易となる。

図９のように、ヒータ３４ａ（波長変更部）が複数のリング共振器２０ａおよび２０ｂの少なくとも１つの共振波長を変化させる。これにより、モードＭ１の波長を変化させることができる。

実施例１では、波長変更部の例として、ヒータ３４ａが複数のリング共振器２０ａおよび２０ｂの少なくとも１つの温度を変化させる例を説明した。波長変更部は他の手段でもよい。波長変更部としてヒータ３４ａ用いることにより、モードＭ１の波長を容易に変更できる。

また、複数のリング共振器２０ａおよび２０ｂ、ＡＭＺＩ２２、光結合器２６、光導波路１２、１４ａ、１４ｂ、１６ａおよび１６ｂは、同一基板４０上に形成された光導波路からなる。これにより、波長フィルタ１０を小型化できる。

さらに、シリコンからなるコアと酸化シリコンからなるクラッドを用いる。このように、コアとクラッドとの屈折率の差を大きくする。これにより、リング共振器２０ａおよび２０ｂ内で光が曲がりやすくなる。このため、曲率半径ｒを小さくできる。よって、波長フィルタ１０を小型化できる。シングルモードで発振させるため、シリコン細線４４の幅Ｗは５００ｎｍ以下、高さＨは３００ｎｍ以下が好ましい。

ＬバンドまたはＣバンドにおいて、隣接するモード（Ｍ１とＭ２）の透過率差を大きくするためには、リング共振器２０ａおよび２０ｂの周波数間隔ＦＳＲ１およびＦＳＲ２は、５００ＧＨｚ以上が好ましい。このため、リング共振器２０ａおよび２０ｂの曲率半径ｒは２０μｍ以下が好ましく、周回長は２００μｍ以下が好ましい。

曲率半径ｒが小さくなると、光が曲がらず、損失が大きくなる。このため、曲率半径ｒは５μｍ以上が好ましく、周回長は１００μｍ以上が好ましい。リング共振器２０ａおよび２０ｂの周波数間隔ＦＳＲ１およびＦＳＲ２は、１０００ＧＨｚ以下が好ましい。また、光導波路とリング共振器との結合効率は、０．１以上かつ０．３以下が好ましい。結合係数が大きいと最大出力パワーが向上する。一方、結合係数が小さいとモード利得差が大きくなる。

ＡＭＺＩ２２周波数間隔ＦＳＲ４をリング共振器２０ａおよび２０ｂの周波数間隔ＦＳＲ１およびＦＳＲ２の約２倍とするため、ＡＭＺＩ２２における光導波路２４ａおよび２４ｂの行路差は、２０μｍ以上かつ１００μｍ以下であることが好ましい。

光結合器２６としては、Ｙ分岐型またはマルチモードカプラを用いることができる。光結合器６の分岐比は、４０％以上５０％以下が好ましい。

以上、発明の好ましい実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０光増幅器
１２、１４ａ、１４ｂ、１６ａ，１６ｂ光導波路
２０ａ、２０ｂリング共振器
２２ＡＭＺＩ
２６光結合器
３４ａ−３４ｃヒータ
５４、５５、５６経路
５８分岐点

Claims

利得帯域を有する光増幅器の一端から出力された光が前記一端に入力するように前記光が伝搬する経路内に縦続に配置され、透過率のピークの波長間隔が互いに異なり、波長に対する合計の透過率を示す図において前記利得帯域内で前記合計の透過率が最も高い第１ピークと前記第１ピークの両側に隣接し前記第１ピークより前記合計の透過率が低い第２ピークと前記第２ピークの前記第１ピークと反対の両側に隣接し前記第２ピークより前記合計の透過率が低い第３ピークとを有する複数のリング共振器と、
前記経路内に前記複数のリング共振器と縦続に配置され、前記第２ピークの波長における透過率が前記第１ピークの波長における透過率より低く、前記第３ピークの波長における透過率が前記第２ピークの波長における透過率より高く、前記光を透過させる透過部と、
を具備することを特徴とする波長フィルタ。
前記透過部は、前記第１ピークと前記第２ピークとの波長間隔および前記第２ピークと前記第３ピークとの波長間隔の平均値の１．５倍以上かつ３倍以下である波長間隔で透過率のピークを有する非対称マッハツェンダ干渉計であることを特徴とする請求項１記載の波長フィルタ。
前記経路は分岐点において分岐され、分岐された経路はループ経路であり、
前記複数のリング共振器および前記透過部は、前記ループ経路内に縦続に配置されていることを特徴とする請求項１または２記載の波長フィルタ。
前記複数のリング共振器の少なくとも１つの共振波長を変化させることにより、前記第１ピークの波長を変化させる波長変化部を具備することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項記載の波長フィルタ。
前記波長変化部は、前記複数のリング共振器の少なくとも１つの温度を変化させることを特徴とする請求項４記載の波長フィルタ。
前記経路は、同一基板上に形成された光導波路からなることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項記載の波長フィルタ。
前記同一基板上に形成された光導波路は、シリコンからなるコアと、酸化シリコンからなるクラッドを有することを特徴とする請求項６記載の波長フィルタ。
利得帯域を有する光増幅器に結合された第１光導波路を１対の第２光導波路に分岐する光結合器と、
前記１対の第２光導波路にそれぞれ結合し、透過率のピークの波長間隔が互いに異なり、波長に対する合計の透過率を示す図において前記利得帯域内で前記合計の透過率が最も高い第１ピークと前記第１ピークの両側に隣接し前記第１ピークより前記合計の透過率が低い第２ピークと前記第２ピークの前記第１ピークと反対の両側に隣接し前記第２ピークより前記合計の透過率が低い第３ピークとを有する１対のリング共振器と、
前記一対のリング共振器にそれぞれ結合する一対の第３導波路の一端に、両端のそれぞれが結合され、透過率のピークが前記第１ピークと重なり、前記第１ピークと前記第２ピークとの波長間隔および前記第２ピークと前記第３ピークとの波長間隔の平均値の１．５倍以上かつ３倍以下である波長間隔で透過率のピーク間隔を有する非対称マッハツェンダ干渉計と、
を具備することを特徴とする波長フィルタ。
前記光増幅器と、請求項１から８のいずれか一項記載の波長フィルタと、を具備することを特徴とするレーザ。