JP6540097B2 - 波長可変レーザ装置 - Google Patents

Description

本発明は、波長可変レーザ装置に関する。

光通信における伝送容量の増加に対応するために、例えば光信号の光波の位相が９０°ずつ異なる４つの位相間で変調する偏波多重４値位相変調方式（ＤＰ−ＱＰＳＫ）等のコヒーレント変調方式が利用される。これにより、コヒーレント変調方式による１波長辺りの伝送容量が１００Ｇｂ／ｓとなる波長多重光通信システムの導入が進められる。また、更なる伝送容量の増加に向けて例えば１６値直角位相振幅変調（ＱＡＭ）のような多値度の高いコヒーレント変調方式での光伝送の検討が進められている。

多値度の高いコヒーレント変調方式では、レーザ光源となる波長可変レーザ装置において、波長揺らぎ量を示すスペクトル線幅が狭いこと求められ、例えば１６ＱＡＭ方式では１００ｋＨｚ以下の線幅が必要とされている。同時に、波長可変レーザ装置では一般的に高い光出力が求められ、特に、位相変調方式の信号を復調する際に用いる局所発振光の強度は、その光強度で位相変調信号を復調する際の信号光強度で決まるため、更に高い光出力が求められる。

波長多重光通信システムに用いられる波長可変レーザの出力が小さい場合には出力を増幅する必要があるが、増幅する手法として、波長可変レーザの後段に増幅用の半導体光増幅素子（ＳＯＡ）を配置する構造が知られている。例えば、第１のＳＯＡと波長可変フィルタを含む構造の波長可変レーザにおいて、第１のＳＯＡに、さらに、集積ミラーと増幅用の第２のＳＯＡを集積した構造が知られている。

第１のＳＯＡは、波長可変フィルタとともに半導体レーザを構成する。また、集積ミラーとしてギャップミラーを採用し、また、光が出射される第２のＳＯＡの出力端にＡＲコートが施されることが知られている。この構造では、第２のＳＯＡによって出力光を増幅することが可能となるため、高出力のレーザ光源を得ることができる。

増幅用のＳＯＡを使用したその他の例として、並列に集積した複数のＤＦＢレーザの複数の出力光を導く複数の光導波路と、複数の光導波路を合流した光合流器と、光合流器の出力を増幅する１つのＳＯＡとを１つのチップに集積した構造が知られている。

波長多重光通信システムの光源として使用される波長可変レーザのスペクトル線幅が大きい場合には、光信号のノイズの原因となる。そこで、波長可変レーザのスペクトル線幅を狭くするための波長可変レーザとして次の構造が知られている。

例えば、複数の半導体レーザの出力光を合波する合波部の出力光を導波する第１光導波路と、第１光導波路の出力端に接続される増幅用のＳＯＡと、第１光導波路を通してＳＯＡの出力光を位相調整する位相調整部と、を集積した光半導体装置が知られている。この構造において位相調整部に制御部からバイアス電圧が印加される。そして、制御部から位相調整部に印加するバイアス電圧を調整することにより、反射光の位相を調整し、これにより半導体レーザの出力光のスペクトル線幅を小さくしている。

特開２０１０−０５０１６２号公報 国際公開第２００７／０８０８９１号公報 特開２００４−３４９６９２号公報 特開２０１３−１６８５００号公報

上記の構造において、増幅用のＳＯＡの出力側の端面において残留反射がある場合、その端面で反射されて半導体レーザに戻る光、即ち反射戻り光によってレーザ共振器内の発振状態が乱され、スペクトル線幅が増大してしまうことがある。

反射戻り光のスペクトル線幅に対する影響は、反射戻り光の位相によって変化する。例えば、レーザの共振器内部の光の位相と戻り光の位相が合っている場合にはスペクトル線幅は小さくなり、それらの位相が逆転している場合にはレーザ発振が不安定になりスペクトル線幅が増大する。

反射戻り光の位相は、基板とその上の積層構造の劈開時の端面の微小な位置のずれによって変化し、また、レーザの発振波長などによっても変化するため、事実上ランダムになる。このため、上記のレーザ構造では、反射戻り光によってスペクトル線幅が劣化することを完全に制御するのは困難である。

また、光出力を増大させるために増幅用のＳＯＡの利得を増やすと、反射戻り光の増幅率も高くなるため、スペクトル線幅に対する影響がより顕著になり、反射戻り光が逆位相となる場合のスペクトル線幅の劣化の度合いも大きくなる。

これに対し、上記のようにＳＯＡの出力光を位相調整部により位相調整して導体レーザの出力光のスペクトル幅を小さくする方法がある。この場合、スペクトル線幅を何らかの方法でモニタする必要があるが、スペクトル線幅の評価はスペクトルアナライザが必要であり、現実的にはモニタが困難である。また、戻り光の位相による波長可変レーザの光出力の変動を利用して戻り光の位相状態をモニタする方法も考えられるが、端面にＡＲコートが施されている場合、反射戻り光の位相を調整してもその光出力強度は殆ど変わらず、位相調整の精度を高く制御することが難しかった。

本発明の目的は、スペクトル線幅を小さくしつつ半導体光増幅素子の利得を高くすることができる波長可変レーザ装置を提供することにある。

本実施形態の１つの観点によれば、第１の半導体光増幅素子と、前記第１の半導体光増幅素子の２つの光入出力部のうち一方に光接続された波長可変フィルタと、前記第１の半導体光増幅素子の前記２つの光入出力部のうち他方に光接続され、少なくとも前記波長可変フィルタの可変波長範囲の波長の光を反射するミラーと、前記ミラーの前記第１半導体光増幅素子とは逆側に、２つの光入力部のうちの一方が光接続された第２の半導体光増幅素子と、前記第２の半導体光増幅素子と前記ミラーの間か、前記第２の半導体光増幅素子の前記ミラーとは逆側のいずれか一方の光導波路に設けられた位相制御部と、前記第２の半導体光増幅素子の前記２つの入出力部のうちの他方の光出力端側に配置された低反射膜と、前記低反射膜を通して前記第２の半導体光増幅素子から出力される光出力の少なくとも一部の強度をモニタする光検出素子と、前記位相制御部の位相を調整する位相制御電源と、前記第２の半導体光増幅素子への電流を制御することにより前記第２の半導体光増幅素子が共振のない状態となるように利得を調整し、さらに前記光検出素子の検出値に基づいて前記位相制御電源から前記位相制御部への位相調整用信号を制御することにより、前記第２の半導体光増幅素子の前記光出力の強度を極大にして第２の半導体光増幅素子の利得変動の極大の波長を前記波長可変フィルタにより選択される光の波長と一致させ、前記低反射膜からの反射戻り光の位相を前記波長可変フィルタと前記ミラーにより形成されるレーザ共振器内の光の位相に合せるように制御する制御部と、を有する波長可変レーザ装置が提供される。この場合、０（ｄＢ）＜（前記ミラーの損失ｄＢ＋前記低反射膜のミラー損失（ｄＢ）−((前記第２の半導体光増幅素子の利得（ｄＢ）×２))＜３４（ｄＢ）の関係にあることが好ましい。
発明の目的および利点は、請求の範囲に具体的に記載された構成要素および組み合わせによって実現され達成される。前述の一般的な説明および以下の詳細な説明は、典型例および説明のためのものであって、本発明を限定するためのものではない、と理解されるものである。

本実施形態によれば、スペクトル線幅を小さくしつつ半導体光増幅素子の利得を高くすることができる。

図１は、実施形態に係る波長可変レーザ装置を示す平面図である。 図２は、実施形態に係る波長可変レーザ装置における波長可変フィルタ内のリング共振器部分の断面図ある。 図３は、実施形態に係る波長可変レーザ装置における半導体光増幅素子部分の断面図である。 図４（ａ）は、実施形態に係る波長可変レーザ装置における分布ブラッグ反射ミラー部分の層構造を示す断面図、図４（ｂ）は、図４（ａ）に示す分布ブラッグ反射ミラー部分の複数の回折格子を示す断面図である。 図５は、実施形態に係る波長可変レーザ装置における位相制御部の断面図である。 図６は、実施形態に係る波長可変レーザ装置における出力側の半導体光増幅素子の利得の波長依存性を示す特性図である。 図７は、実施形態に係る波長可変レーザ装置における戻り光の位相に対する半導体光増幅素子からの出力とスペクトル線幅の関係を示す特性図である。 図８（ａ）、（ｂ）は、比較例に係る波長可変レーザ装置の平面図と、その波長可変レーザ装置における戻り光の位相に対する半導体光増幅素子からの出力とスペクトル線幅の関係を示す特性図である。 図９は、実施形態に係る波長可変レーザ装置の第１の変形例を示す平面図である。 図１０は、実施形態に係る波長可変レーザ装置の第２の変形例を示す平面図である。

以下に、図面を参照して実施形態を説明する。図面において、同様の構成要素には同じ参照番号が付されている。

図１は、本実施形態に係る波長可変レーザ装置を示す平面図、図２は、図１に示す波長可変フィルタ内のリング共振器部分のＩ−Ｉ線に沿った断面図である。図３は、図１に示す半導体光増幅素子部分のII−II線に沿った断面図である。図４（ａ）、（ｂ）は、図１に示す分布ブラッグ反射ミラー部分のIII-III線とIV−IV線に沿った断面図、図５は、図１に示す位相制御部のＶ−Ｖ線に沿った断面図である。

図１において、波長可変レーザ装置１は、半導体光増幅素子（ＳＯＡ）集積素子１０と波長可変フィルタ２０を有している。ＳＯＡ集積素子１０のうち波長可変フィルタ２０との光接続端面は、波長可変フィルタ２０の光接続端面に突き合わせて光学的に接合される。

ＳＯＡ集積素子１０では、光接続端面からその反対側の光出力端面に向けて、第１のＳＯＡ１１、分布ブラッグ反射（ＤＢＲ）ミラー１２、位相制御部１３、第２のＳＯＡ１５が順に形成され、隣接するそれらの活性層、コア層は互いに接続されている。

第１のＳＯＡ１１のうち波長可変フィルタ２０との光接続側の端面には、端面に対して垂直方向に第1のＳＯＡ１１の導波路が接続され、端面には、反射防止用の無反射（ＡＲ）膜１７がコーティングされている。

また、第２のＳＯＡ１５の出力端面に対して垂直方向は第２のＳＯＡ１５の導波路が接続されている。また、第２のＳＯＡ１５の出力端面には、端面光反射率が例えば１．０％以下、例えば０．１％となる低反射膜１９が形成されている。端面光反射率が１．０％となる低反射膜１９として、例えば、厚みが約１４０ｎｍの酸化窒化チタン（ＴｉＯＮ）膜が形成され、或いは、厚みが約２４０ｎｍのフッ化マグネシウム（ＭｇＦ_２）膜が形成される。

ＳＯＡ集積素子１０における第２のＳＯＡ１５の出力端の先方には、第２のＳＯＡ１５の出力端から出力された光出力の一部を分岐するビームスプリッタ２が配置されている。また、ビームスプリッタ２の反射により分岐された光の進行方向には光強度を検出する光検出素子としてフォトダイオード３が配置される。

フォトダイオード３の検出信号は制御部４に出力され、制御部４は、フォトダイオード３からの検出信号に基づいて位相調整用電源５を介して位相制御部１３に位相調整用信号を出力させる。具体的には、位相制御部１３の導波路の屈折率を制御することによりその中を通る光の位相を調整する信号を位相調整用電源５から出力する。位相制御部１３の導波路の屈折率の変更は、例えば、位相制御部１３に設けられた後述するヒータ１３ｈへの温度制御電流を位相調整用電源５から出力することにより行われる。

位相制御部１３のヒータ１３ｈに流す電流を調整することにより、位相制御部１３の温度が変化するとともにその屈折率が変わる。これによりＤＢＲミラー１２から第２のＳＯＡの出力側の低反射膜１９までの範囲を往復する光の位相が調整される。なお、位相制御部１３として、キャリアプラズマ効果、シュタルク効果などにより屈折率が変化する構造を備えた光導波路を採用してもよい。この場合、位相調整用電源５による位相制御部１３の屈折率制御は、制御部４からの電流信号、あるいは、電圧信号により制御される。

波長可変フィルタ２０は、２重リングフィルタであり、例えばシリコン（Ｓｉ）基板２１の一面の上に間隔をおいて順にストライプ状に形成された第１、第２及び第３の光導波路２４、２５、２６を有している。第１の光導波路２４の一端面は、ＳＯＡ集積素子１０との光接続端面となり、Ｓｉ基板２１の縁に達するように形成されている。また、第３の光導波路２６の他端面、即ち光路の端面にはループミラー２７が接続されている。

Ｓｉ基板２１の上方では、第１の光導波路２４と第２の光導波路２５の間の領域に第１のリング状光導波路２２が形成され、この上には後述する被覆絶縁膜２１ｂを介してヒータ２２ｈが形成され、これらにより第１の波長可変リング共振器２８が形成される。第１のリング状導波路２２は、第１、第２の光導波路２４、２５にそれぞれに光結合する位置に配置される。なお、第１、第２の光導波路２４、２５の一部を第１のリング状導波路２２の形状に沿って湾曲させてもよい。

また、第２の光導波路２５と第３の光導波路２６の間の領域には第２のリング状光導波路２３が形成され、この上には後述する被覆絶縁膜２１ｂを介してヒータ２３ｈが形成され、これらにより第２の波長可変リング共振器２９が形成される。第２のリング状導波路２３は、第２の光導波路２５と第３の光導波路２６に光結合する位置に配置されている。なお、第２、第３の光導波路２５、２６の一部を第２のリング状導波路２３の形状に沿って湾曲させてもよい。

なお、第１、第２のリング状光導波路２２、２３のいずれか一つにヒータ２２ｈ、２３ｈが形成されていない構成も取りうる。この場合は、ヒータがついていないリング共振器の共振波長は固定され、その共振波長のいずれか1つが波長可変フィルタの選択波長となる。

第１、第２の波長可変用リング共振器２８、２９は、例えば図２に示すような断面構造を有する。即ち、Ｓｉ基板２１上に下地絶縁膜２１ａを介して凸状に第２のリング状光導波路２３が形成され、その上には被覆絶縁膜２１ｂが形成されている。また、第１、第２のリング状光導波路２２、２３の上には第１被覆絶縁膜２１ｂを介してヒータ２２ｈ、２３ｈが形成されている。ヒータ２２ｈ、２３ｈは、例えばΩ状の平面形状に形成されている。また、ヒータ２２ｈ、２３ｈは第２被覆絶縁膜２１ｃに覆われている。

同様に、第１〜第３の光導波路２４〜２６は断面凸形状を有し、それらは下地絶縁膜２１ａと被覆絶縁膜２１ｂにより上下から挟まれた構造を有している。第１〜第３の光導波路２４〜２６は下地絶縁膜２１ａ及び第１被覆絶縁膜２１ｂより屈折率が高い材料、例えばシリコンから形成され、下地絶縁膜２１ａ及び第１、第２被覆絶縁膜２１ｂはシリコン酸化膜から形成される。

波長可変フィルタ２０は、第１のリング状光導波路２２と第２のリング状光導波路２３を通るそれぞれの光の共振波長の周期を微小に異ならせ、共振波長が一致する波長のみが通過するバーニア効果を利用した波長可変フィルタとなっている。共振波長を異ならせるために、ヒータ２２ｈ、２３ｈの両端に温度調整部６ａ、６ｂから電流が流され、ヒータ２２ｈ、２３ｈに流す電流量の調整による温度制御によって第１、第２の波長可変リング共振器２８、２９の共振波長をシフトさせる。これにより、第１、第２の波長可変リング共振器２８、２９の共振波長が互いに重なる波長を変える。温度調整部６ａ、６ｂからヒータ２２ｈ、２３ｈの両端子に流す電流量は、例えば制御部４からの信号に基づいて制御される。

このような構造の波長可変フィルタ２０内のループミラー２７とＳＯＡ集積素子１０内のＤＢＲミラー１２の間で波長可変型レーザの共振器が形成され、それらの間の領域にある第１のＳＯＡ１１がレーザの利得媒質となる。そして、波長可変フィルタ２０内の第１、第２の波長可変リング共振器２８、２９により選択される波長でレーザ発振が起きる。

利得媒体として使用される第１のＳＯＡ１１の部分は、例えば、光進行方向に対して直交する向きに対して図３に示す断面構造を有している。第２のＳＯＡ１５も同様な断面構造を有している。

図３において、ｎ型ＩｎＰ基板１０ａの上には、ｎ型ＩｎＰクラッド層１０ｂ、活性層１０ｃ、ｐ型ＩｎＰクラッド層１０ｄ及びコンタクト層１０ｅが形成されている。活性層１０ｃは、例えば波長が１５２５μｍ〜１．５６５μｍ帯付近の発光波長になるように組成調整されたアンドープＩｎＧａＡｓ多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有している。また、コンタクト層１０ｅとして例えばｐ型ＩｎＧａＡｓ層が形成される。

コンタクト層１０ｅからｎ型ＩｎＰ基板１０ａ上部までの層はメサストライプ状にパターニングされ、その両側に形成された凹部には半絶縁性のＩｎＰ埋込層１０ｆが埋め込まれる。また、埋込層１０ｆとコンタクト層１０ｅの上には保護絶縁膜１０ｇとして例えば二酸化シリコン膜が形成され、保護絶縁膜１０ｇにはコンタクト層１０ｅを露出させる開口部１０ｈが形成され、開口部１０ｈを通してコンタクト層１０ｅの上にｐ側電極１０ｐが形成されている。さらに、ｎ型ＩｎＰ基板１０ａの下面にはｎ側電極１０ｎが形成されている。なお、第２のＳＯＡ１５も同様な断面構造を有している。

ＤＢＲミラー１２の部分は、図４（ａ）、（ｂ）に例示する断面構造を有している。図４（ａ）は、光進行方向に対して直交する断面図、図４（ｂ）は光進行方向に沿った断面図である。

ＤＢＲミラー１２の層構造は、ｎ型ＩｎＰ基板１０ａの上に、ｎ型ＩｎＧａＡｓ回折格子層１０ｉ、ｎ型ＩｎＰクラッド層１０ｊ、アンドープのＩｎＧａＡｓコア層１０ｋ、ｐ型ＩｎＰクラッド層１０ｄを順に積層した構造を有している。また、ｐ型ＩｎＰクラッド層１０ｄの上には保護絶縁膜１０ｇが形成されている。ｎ型ＩｎＧａＡｓ回折格子層１０ｉとｎ型ＩｎＰクラッド層１０ｊの境界面には、図４（ｂ）に示すように、複数の回折格子１２ａ_１〜１２ａ_ｎ（ｎ＞１）が形成されている。

複数の回折格子１２ａ_１〜１２ａ_ｎは、光進行方向に対して順に形成され、それぞれが一定のピッチを持った凹凸の格子を有し、例えば、電子ビーム（ＥＢ）描画法により形成される。複数の回折格子１２ａ_１〜１２ａ_ｎでは、段階的にブラック波長が異なるように回折格子１２ａ_１〜１２ａ_ｎの各々の凹凸のピッチを変え、１５２８ｎｍ〜１５６２ｎｍのＣバンド帯においてその反射率が例えば１０％程度となるように設計される。回折格子１２ａ_１〜１２ａ_ｎは、図4の例では波長可変フィルタ２０に近いほど波長が短くなるように配置されている。これに限らず、Ｃバンド帯において平坦な反射スペクトルが得られる構成であればどのような順番で配置しても構わない。

位相制御部１３は、例えば図５に示すような断面構造を有している。半導体部分の構造は、図４（ａ）に示すＤＢＲミラー部分と概ね同じであり、回折格子層１０ｉに回折格子が形成されていない点が異なる。また、位相制御部１３の最上層のｐ型ＩｎＰクラッド層１０ｄの上には保護絶縁膜１０ｇが形成され、その上には、ヒータ１３ｈが形成されている。ヒータ１３ｈは、例えばチタン（Ｔｉ）等の金属膜をパターニングした構造を有し、その両端は位相調整用電源５に接続される。

なお、第１のＳＯＡ１１の部分に形成されているｐ側電極１０ｐは、可能な限り波長可変フィルタ２０側の光接続端面の端近傍まで第１のＳＯＡ１１の導波路上を覆うようにするのが好ましい。また、第１のＳＯＡ１１とＤＢＲミラー１２の部分が接続されている部分では、第１のＳＯＡ１１の活性層１０ｃとＤＢＲミラー１２のコア層１０ｋがバットジョイント接続されている。この場合、第１のＳＯＡ１１の部分に形成されているｐ側電極１０ｐの端は活性層１０ｃとコア層１０ｋの接合位置とほぼ同じ位置になるようにし、こちら側の端も第１のＳＯＡ１１の部分の導波路上がｐ側電極１０ｐで覆われているようにするのが好ましい。

同様に、第２のＳＯＡ１５の部分に形成されているｐ側電極（１０ｐ）は、可能な限り出力端面の端近傍まで第２のＳＯＡ１５の導波路上を覆うようにするのが好ましい。また、第２のＳＯＡ１５と位相制御部１３が接続される部分では第２のＳＯＡの活性層（１０ｃ）と位相制御部１３のコア層１０ｋがバットジョイント接続されている。この場合、第２のＳＯＡ１５に形成されているｐ側電極（１０ｐ）の端は、活性層（１０ｃ）とコア層１０ｋの接合位置とほぼ同じ位置になるようにし、こちら側の端も第２のＳＯＡ１２の部分の導波路上がｐ側電極（１０ｐ）で覆われているようにするのが好ましい。

これは、第１、第２のＳＯＡ１１、１５の部分の導波路を形成する活性層１０ｃは、電流が注入されていない場合は光を吸収してレーザの特性を損なうため、第１、第２のＳＯＡ１１、１５の導波路全域に電流が注入されやすくすることにより、レーザ特性を向上させることが可能となるためである。

上記した波長可変レーザ装置１では、第１のＳＯＡ１１の部分のｐ側電極１０ｐとｎ側電極１０ｎの間で電流を調整して流し、第１のＳＯＡ１１から光を生じさせる。その光は、光接続された波長可変フィルタ２０内のループミラー２７とＤＢＲミラー１２の間の領域で往復してレーザ発振しＤＢＲミラー１２を通して第２のＳＯＡ１５の部分に光が出力する。往復する際に第１の光導波路２４、第１のリング状導波路２２、第２の光導波路２５、第２のリング状導波路２３、第３の光導波路２６を順逆に通って往復するため、第１、第２の２つのリング状導波路のバーニア効果によって選択された波長のみ選択的にレーザ発振する。

この時、波長可変フィルタ２０内の第１、第２の波長可変リング共振器２８、２９のヒータ２２ｈ、２３ｈに温度調整部６ａ、６ｂから流す電流を制御し、上記のように波長可変フィルタ２０の第２リング導波路２３の温度を変えてその屈折率を調整することにより共振波長を設定する。

ＤＢＲミラー１２から出力された光は、位相制御部１３、第２のＳＯＡ１５、低反射膜１９を通してＳＯＡ集積素子１０の外部に出力されるが、本実施例の構成では第２のＳＯＡ１５の利得を大きくして光出力強度を大きくしつつ光出力の波長スペクトル線幅を極小にすることができる。その詳細を以下に説明する。

上記のＳＯＡ集積素子１０内では、第２のＳＯＡ１５と第１のＳＯＡ１１の間の領域に反射率が１０％程度のＤＢＲミラー１２が配置される一方、第２のＳＯＡ１５の出力端側の領域には例えば約１．０％以下の低反射率を持つ低反射膜１９が配置されている。このため、ＤＢＲミラー１２と低反射膜１９の間が共振器となり、そこには低反射膜１９の低反射による弱い共振が発生し、その間の領域に存在する第２のＳＯＡ１５では、図６に示すように、その利得が波長に対して定在波の変化により周期的に、変動する。

利得の変動幅αは、第２のＳＯＡ１５の共振がない状態での利得によって変化し、さらに第２のＳＯＡ１５への注入電流の大きさに依存して変化する。例えば、ＤＢＲミラー１２の反射率が１０％、低反射膜１９の反射率が０．１％であるとし、第２のＳＯＡ１５の共振がない状態での利得が１０ｄＢとなるように電流の大きさを調整した場合、波長に対する第２のＳＯＡ１５の利得の変動幅αは２ｄＢ程度となる。

第２のＳＯＡ１５における周期的な利得の変動の極大・極小の波長の位置は、ＤＢＲミラー１２から第２のＳＯＡ１５の出力端面側の低反射膜１９の間の光導波領域を光が往復した場合の位相によって、即ち、低反射膜１９からの反射戻り光の位相によって変化する。従って、ヒータ１３ｈによる位相制御部１３の温度調整による戻り光の位相を制御することによって、図６に示す破線の波形から実線の波形に示すように、利得変動の極大・極小の波長をコントロールすることができる。

図６の実線の波形に示すように、第２のＳＯＡ１５の利得変動の極大波長がレーザの発振波長と一致した場合には、ループミラー２７とＤＢＲミラー１２の間のレーザ共振器内の光の位相と、低反射膜１９からの反射戻り光の位相が合った状態となる。この結果、第２のＳＯＡ１５から出力される光の波長のスペクトル線幅は、利得の大きさに従って、その戻り光がない場合と比較して低減する。一方、第２のＳＯＡ１５の利得変動の極小波長がレーザの発振波長と一致した場合には、レーザ共振器内の光の位相と反射戻り光の位相が逆位相となるため、レーザの発振状態が不安定になり、スペクトル線幅が増大する。

従って、第２のＳＯＡ１５の出力端面からの光出力強度をフォトダイオード３により検出し、それが極大となるように制御部４によって位相制御電源５からの電流量を制御し、位相制御部１３において位相を制御する。これにより、図７に示すように、スペクトル線幅が劣化する逆位相の状態を避けて、戻り光による線幅の増大を起こさないように調整することができる。即ち、低反射膜１９を使用し、第２のＳＯＡ１５内を通る光の位相を位相制御部１３で調整することにより、光出力を大きくするとともに光の波長スペクトル線幅を小さくすることができるという顕著な効果が得られる。

これに対し、図８（ａ）に示す比較例のＳＯＡ集積素子１０Ａのように、出力端面に低反射膜１９ではなく無反射膜３０をコーティングした場合には、無反射膜３０とミラーの間には実質的に共振器が形成されない。したがって、第２のＳＯＡ１５の利得の周期的な波長依存性は発生せず、第２のＳＯＡ１５から出力されるレーザ光の出力は戻り光の位相状態によって大きく変化しなくなる。その結果、無反射膜を施した場合は、単純にレーザの光出力を検出しただけでは戻り光の位相状態およびそれに影響される線幅の状態をモニタすることはできず、線幅が増大しないように戻り光の位相を制御することはできない。

ところで、本実施形態において、第２のＳＯＡ１５からの光出力強度をフォトダイオード３により検出して、出力端面からの戻り光の位相を制御する場合に、戻り光の位相に対するフォトダイオード３のモニタ値の変動をある程度大きく取るために、波長に対する第２のＳＯＡ１５の利得の変動量αが少なくとも１ｄＢ以上となるようにするのが好ましい。

利得の変動量αは、第２のＳＯＡ１５の利得と、ＤＢＲミラー１２の反射率と、第２のＳＯＡ１５端面、即ち低反射膜１９の反射率とによって以下の式で表されるように一意に決まり、ＳＯＡの利得が高いほど、また、反射率が高いほど利得の変動量αは大きくなる。

α[dB]=10*log10{(1+R_DBR ^1/2*R_facet ^1/2*G)²/(1-R_DBR ^1/2*R_facet ^1/2*G)²}
※R_DBR=DBR反射率、R_facet=低反射膜の反射率、G=線形の利得

したがって、ＤＢＲミラー１２の反射率と低反射膜１９の反射率と第２のＳＯＡ１５の利得を調整すれば、利得の変動量をコントロールすることができる。１ｄＢ以上の変動量αを得るためには、ＤＢＲミラー１２と低反射膜１９の間を一往復する際の第２のＳＯＡ１５の利得も含めた損失を３４ｄＢ以下となるように低反射膜１９の反射率と第２のＳＯＡ１５の利得を調整すればよい。

また、ＤＢＲミラー１２と光出力端面の間を一往復する際の光導波路内の損失が０ｄＢとなると第２のＳＯＡ１５側でレーザ発振が起こってしまう。そこで本実施形態では、その損失を０ｄＢより大きくなるようして次式の条件を満たすように第２のＳＯＡ１５の利得および各部反射率を調整する。なお、次式の損失、利得の単位はｄＢであり、それぞれプラスの値を持つ（損失は損失がある場合がプラス、利得は利得がある場合がプラス）。

０ｄＢ＜（ＤＢＲミラー損失＋低反射膜ミラー損失−((第２のＳＯＡ利得×２))＜３４ｄＢ

これにより、第２のＳＯＡ１５におけるレーザ発振を抑制し、かつ、戻り光の位相による第２のＳＯＡ１５の光出力変動を明確にすることができるため、前述のような第２のＳＯＡ１５の光出力の検出によるスペクトル線幅の低減を実行することが可能となる。

なお、ＤＢＲミラー１２の反射率は数十％程度の損失数（ｄＢ）が想定され、また、第２のＳＯＡ１５の利得は少なくとも約１０ｄＢ、往復で約２０ｄＢが想定される。このため、ＤＢＲミラー１２と低反射膜１９の間でレーザ発振が起こらないように上記条件を満たすために、少なくとも第２のＳＯＡ１５側に配置する低反射膜１９の反射率は上記の式を満たす値、例えば１％以下、即ち損失として２０ｄＢ以上とするのが好ましい。

また、図６に示した第２のＳＯＡ１５の利得の波長に対する変動の周期は、ＤＢＲミラー１２とループミラー２７との間で形成されるレーザ共振器の縦モード間隔よりも広くなっていることが望ましい。これによって、レーザの縦モード位置が揺らいで発振波長が微小に変動した場合にも、第２のＳＯＡ１５の利得の極大値となる付近からレーザの発振波長が大幅にずれないため、戻り光の位相としては大きく変動せず、戻り光によるスペクトル線幅の増大が起こらない位相状態に保つことが可能となる。

従って、ループミラー２７とＤＢＲミラー１２により形成されるレーザ共振器の光路長に対して、ＤＢＲミラー１２と第２のＳＯＡ１５側の低反射膜１９までの光路長が半分以下となるようにすることが望ましい。これは、共振波長の間隔は、共振器の長さに反比例するからである。

以上述べたように本実施形態によれば、第１のＳＯＡ１１、ＤＢＲミラー１２、位相制御部１３及び第２のＳＯＡ１５が集積されたＳＯＡ集積素子１０と、波長可変フィルタ２０を組み合わせた波長可変レーザ１を有している。また、ＳＯＡ集積素子１０は、ＤＢＲミラー１２の片側に第１のＳＯＡ１１が配置され、第１のＳＯＡ７の出力１１と波長可変フィルタ２０が光学的に結合され、ＤＢＲミラー１２の逆側に第２のＳＯＡ１５と位相制御部１３が配置されている。また、ＤＢＲミラー１２は、波長可変フィルタ２０と第１のＳＯＡ１１を含む波長可変レーザの可変波長範囲において波長に対して平坦な反射特性を持っており、ＳＯＡ集積素子の第２のＳＯＡ１５の出力端面側の低反射膜１９の反射率が上記の損失、利得の関係を満たす条件、例えば約１％以下となり、しかもその反射率はランダムではなく予め定めた値となっている。

これより、ＤＢＲミラー１２と第１のＳＯＡ１１と波長可変フィルタ２０を含むレーザ共振器において、波長可変フィルタ２０により選択された波長におけるレーザ発振が起こる。この場合のレーザ光は、反射鏡であるＤＢＲミラー１２を通して第２のＳＯＡ１５に伝搬し、第２のＳＯＡ１５において増幅されて第２のＳＯＡ１５の出力端から出射される。

このため、ＤＢＲミラー１２と、反射率が１％以下の有限の反射率を持つ低反射膜との間で起こる弱い共振の影響で、第２のＳＯＡ１５から出力される光の強度は、低反射膜１９からの反射戻り光の位相が変化した場合に周期的に変化し、かつ、図７に示したように極大値になる場合において、レーザ光のスペクトル線幅が極小になる。従って、第２のＳＯＡ７の出力１５側からの光出力をモニタし、これが極大となるように位相制御領域で戻り光の位相を制御することによりーザの線幅を低減することができる。

なお、上記の波長可変レーザ装置１では、第１のＳＯＡ１１と第２のＳＯＡ１５の間にＤＢＲミラー１２をｎ−ＩｎＰ基板１に集積しているが、これに限られず、他のミラーであってもよい。例えば、エッチングにより形成したギャップミラー（エッチドミラー）でもよく、波長可変レーザ１の可変波長範囲内で波長に対する反射率が比較的平坦な特性を持つミラーであればよい。

また、上記の波長可変レーザ装置１では、位相制御部１３は、第２のＳＯＡ１５に対して、ＤＢＲミラー１２側に配置しているが、これに限られるものではなく、例えば、第２のＳＯＡ１５に対して出力端面側に配置されてもよい。ただし、本実施例のように位相制御部１３より出力端面側に第２のＳＯＡ１５を配置した方が、位相制御部１３における光損失を受けずにそのまま光出力を取り出せるという利点がある。

また、上記の波長可変レーザ装置１では、第２のＳＯＡ１５の出力端面に接続されたＳＯＡ導波路が端面に対して垂直に接続されている例を示しているが、これに限られず、例えば出力端面に対して斜めに接続されてもよい。この場合は、ＳＯＡ導波路を斜めにした分だけ低反射膜１９から反射された戻り光が第２のＳＯＡ１５の導波路に戻る実効的な反射率が減少するので、その分、出力端面に施す低反射膜１９の反射率を高めに設定する。

ただし、第２のＳＯＡ１５の導波路をそのように斜めにした場合は、ｎ−ＩｎＰ基板１０ａの劈開面に対して出力光が斜めに出射するため、光ファイバ、他の光導波路素子等との結合が難しくなる。このため、光ファイバとの結合等実装面を考慮する場合には上記のように出力端面に対して垂直に第２のＳＯＡ１５の導波路が接続されている構成が好ましい。

また、上記の波長可変レーザ装置１では、位相制御部１３はヒータ１３ｈによる加熱によって屈折率が変化されているが、これに限られるものではない。例えば、位相制御部１３の導波路に電圧を印加する、あるいは、電流を注入することによって導波路の屈折率を変化させて位相を変える方式でもよい。ただし、上記のようにヒータ１３ｈによる加熱方法を用いた場合には、光導波路損失の増加などが起こらないため、高い光出力を得やすいという利点がある。

また、上記の波長可変レーザ装置１では、第１のＳＯＡ１２のうち波長可変フィルタ２０側の端面に接続されるＳＯＡ導波路、その端面に対して垂直となっているが、斜めにしてもよい。また、波長可変フィルタ２０の上記の第１の光導波路２４は、Ｓｉ基板２１のうち光接続面に対して垂直に接続されが、これを斜めにしてもよい。これらの場合、端面における反射率を下げて、余計な反射によって発生する不必要な波長依存性を抑制しやすいという利点がある。

さらに、上記の波長可変レーザ装置１では、フォトダイオード３において第２のＳＯＡ１５からの出力に比例した検出信号が得られるため、この検出値が極大となるように、制御部４によって位相制御部１３のヒータ１３ｈへの電流を制御する。これによって、スペクトル線幅を低減するための位相の制御が可能となる。

ところで、波長可変フィルタ２０は、図９に例示するように、２つのファブリペローエタロン３１、３２とミラー３３を光路に配置したフィルタであってもよく、２つのファブリペローエタロン３１、３２により選択される波長においてレーザ発振が起こる。２つのファブリペローエタロン３１、３２は図１に示す構造と同様にその透過波長の周期が微小に異なっており、２つのファブリペローエタロン３１、３２で透過波長が重なる波長のみが選択される波長可変フィルタ２０となっている。これにより、第１の実施例の場合と同様の効果が得られる。なお、図９において符号３４は収束レンズを示している。

また、波長可変フィルタ２０は、図１０に例示するように、ＳＯＡ集積素子１０と同じｎ−ＩｎＰ基板１０ａに形成された２つの抽出格子ＤＢＲ（Sampled-Grating ＤＢＲ；ＳＧ−ＤＢＲ）ミラー４１、４２とそれらを光結合する１×２の光カプラ４３からなる。波長可変フィルタ２０が同じＳＯＡ集積素子１０内に集積されている点が、上記の例とは異なる。これにより、レーザ共振器は、いずれかのＳＧ−ＤＢＲミラー４１、４２とＤＢＲミラー１２との間で形成され、第１のＳＯＡ１２がレーザの利得媒質となる。

２つのＳＧ−ＤＢＲミラー４１、４２は、異なるピッチで周期的にＤＢＲミラーが配置された構造であり、ＤＢＲミラーの配置の周期によってその反射波長の周期が変化する。この例では、２つのＤＢＲミラーの間でＤＢＲミラーの配置の周期を微小に変え、その反射波長の周期が微小に異なるようにしている。これにより、２つのＳＧ−ＤＢＲミラー４１、４２の反射波長が重なる波長が選択され、その波長においてレーザ発振が起こる。波長可変フィルタ１０となる２つのＳＧ−ＤＢＲミラー４１、４２の構成以外は、図１、図９に示す装置と同様の構造であり、これらと同様の効果を得ることが可能である。

以上の実施例では、波長可変フィルタ２０の具体的な構成として３つの場合を示したが、本実施形態による効果はそれら構成に限られない。例えばレーザ共振器の反射鏡に複数個の反射ピークをもたせて波長可変範囲を広げるミラー、例えば電流を流してバーニア効果を生じさせる２つの超周期格子構造ＤＢＲ（Super Structure Grating-ＤＢＲ）など、いかなる波長可変フィルタ２０でも場合でも効果を得ることができる。

ここで挙げた全ての例および条件的表現は、発明者が技術促進に貢献した発明および概念を読者が理解するのを助けるためのものであり、ここで具体的に挙げたそのような例および条件に限定することなく解釈され、また、明細書におけるそのような例の編成は本発明の優劣を示すこととは関係ない。本発明の実施形態を詳細に説明したが、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、それに対して種々の変更、置換および変形を施すことができると理解される。

次に、本発明の実施形態について付記する。
（付記１）第１の半導体光増幅素子と、前記第１の半導体光増幅素子の２つの光入出力部のうち一方に光接続された波長可変フィルタと、前記第１の半導体光増幅素子の前記光入出力部のうち他方に光接続され、少なくとも前記波長可変フィルタの可変波長範囲の波長の光を反射するミラーと、前記ミラーの前記第１の半導体光増幅素子とは逆側に、２つの光入力部のうちの一方が光接続された第２の半導体光増幅素子と、前記第２の半導体光増幅素子と前記ミラーの間か、前記第２の半導体光増幅素子の前記ミラーとは逆側のいずれか一方に設けられた位相制御部と、前記第２の半導体光増幅素子の光出力端側に配置された低反射膜と、を有する波長可変レーザ装置。
（付記２）０（ｄＢ）＜（前記ミラーの損失ｄＢ＋前記低反射膜のミラー損失（ｄＢ）−((前記第２の半導体光増幅素子の利得（ｄＢ）×２))＜３４（ｄＢ）の関係にあることを特徴とする付記１に記載の波長可変レーザ装置。
（付記３）前記第２の半導体光増幅素子の前記利得、前記ミラーの反射率および前記低反射膜の反射率は、前記第２の半導体光増幅素子内を通る光の波長の変化に対する前記第２の半導体光増幅素子の前記利得の変動量が１ｄＢ以上となる条件に調整されることを特徴とする付記１又は付記２に記載の波長可変レーザ装置。
（付記４）前記低反射膜は１％以下の反射率を有することを特徴とする付記１乃至付記３のいずれか１つに記載の波長可変レーザ装置。
（付記５）前記ミラーと前記第１の半導体光増幅素子と前記波長可変フィルタ内のミラーからなるレーザ共振器の第１光路長に対して、前記ミラーと前記低反射膜までの第２光路長が半分以下であることを特徴とする付記１乃至付記４のいずれか１つに記載の波長可変レーザ装置。
（付記６）前記波長可変フィルタ内の前記ミラーはループミラーであることを特徴とする付記５に記載の波長可変レーザ装置。
（付記７）前記ミラーがＤＢＲミラーかエッチドミラーであることを特徴とする付記１乃至付記６のいずれか１つに記載の波長可変レーザ装置。
（付記８）前記波長可変フィルタは、２つのリング共振器、２つのファブリペローエタロン、２つの抽出格子ＤＢＲミラー、２つの超格子構造ＤＢＲのいずれかを含むことを特徴とする付記１乃至付記７のいずれか１つに記載の波長可変レーザ装置。
（付記９）前記第１の半導体光増幅素子のうち前記波長可変フィルタに光接続する端には無反射膜が形成されていることを特徴とする付記８に記載の波長可変レーザ装置。
（付記１０）前記低反射膜を通して前記第２の半導体光増幅素子からの光出力の少なくとも一部の強度をモニタする光検出素子と、前記位相制御部の位相を調整する位相制御電源と、前記光検出器の検出値に基づいて前記位相制御電源に位相調整用信号を送る制御部と、を有することを特徴とする付記１乃至付記９のいずれか１つに記載の波長可変レーザ装置。
（付記１１）前記制御部は、前記光検出器の検出値が極大となる条件で前記位相制御部の導波路屈折率を調整する信号を位相制御電源に送ることを特徴とする付記１０に記載の波長可変レーザ装置。

１ 波長可変レーザ
２ ビームスプリッタ
３ フォトダイオード
４ 制御部
５ 位相調整用電源
６ａ、６ｂ 温度調整部
１０ ＳＯＡ集積素子
１１ 第１のＳＯＡ
１２ ＤＢＲミラー
１３ 位相制御部
１５ 第２のＳＯＡ
１９ 低反射膜
２０ 波長可変フィルタ
２１ Ｓｉ基板
２２、２３ リング導波路
２４〜２６ 光導波路
２７ ループミラー
２８、２９ 波長可変リング共振器
３１、３２ ファブリペローエタロン
３３ ミラー
４１、４２ 抽出格子ＤＢＲミラー
４３ 光カプラ

Claims (5)

1. 第１の半導体光増幅素子と、
   前記第１の半導体光増幅素子の２つの光入出力部のうち一方に光接続された波長可変フィルタと、
   前記第１の半導体光増幅素子の前記２つの光入出力部のうち他方に光接続され、少なくとも前記波長可変フィルタの可変波長範囲の波長の光を反射するミラーと、
   前記ミラーの前記第１半導体光増幅素子とは逆側に、２つの光入力部のうちの一方が光接続された第２の半導体光増幅素子と、
   前記第２の半導体光増幅素子と前記ミラーの間か、前記第２の半導体光増幅素子の前記ミラーとは逆側のいずれか一方の光導波路に設けられた位相制御部と、
   前記第２の半導体光増幅素子の前記２つの入出力部のうちの他方の光出力端側に配置された低反射膜と、
   前記低反射膜を通して前記第２の半導体光増幅素子から出力される光出力の少なくとも一部の強度をモニタする光検出素子と、
   前記位相制御部の位相を調整する位相制御電源と、
   前記第２の半導体光増幅素子への電流を制御することにより前記第２の半導体光増幅素子が共振のない状態となるように利得を調整し、さらに前記光検出素子の検出値に基づいて前記位相制御電源から前記位相制御部への位相調整用信号を制御することにより、前記第２の半導体光増幅素子の前記光出力の強度を極大にして第２の半導体光増幅素子の利得変動の極大の波長を前記波長可変フィルタにより選択される光の波長と一致させ、前記低反射膜からの反射戻り光の位相を前記波長可変フィルタと前記ミラーにより形成されるレーザ共振器内の光の位相に合せるように制御する制御部と、
   を有する波長可変レーザ装置。
2. ０（ｄＢ）＜（前記ミラーの損失ｄＢ＋前記低反射膜のミラー損失（ｄＢ）−((前記第２の半導体光増幅素子の利得（ｄＢ）×２))＜３４（ｄＢ）の関係にあることを特徴とする請求項１に記載の波長可変レーザ装置。
3. 前記低反射膜は、１％以下の反射率を有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の波長可変レーザ装置。
4. 前記ミラーと前記第１の半導体光増幅素子と前記波長可変フィルタ内のミラーからなるレーザ共振器の第１光路長に対して、前記ミラーと前記低反射膜までの第２光路長が半分以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の波長可変レーザ装置。
5. 前記制御部は、前記光検出器の検出値が極大となる条件で前記位相制御部の導波路屈折率を調整する信号を位相制御電源に送ることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の波長可変レーザ装置。

Images