JP6684094B2 - 波長可変レーザ素子およびレーザモジュール - Google Patents
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Description
図1は、実施の形態1に係る波長可変レーザ素子の模式的な斜視図である。波長可変レーザ素子100は、1.55μm帯でレーザ発振し、レーザ光を出力するように構成されている。波長可変レーザ素子100は、共通の基部B上に形成された、第1の導波路部10と第2の導波路部20とを備えている。基部Bはたとえばn型InPからなる。なお、基部Bの裏面にはn側電極30が形成されている。n側電極30は、たとえばAuGeNiを含んで構成され、基部Bとオーミック接触する。
レーザ光の狭線幅化のために共振器長を長くすると、共振器モード間の間隔が狭くなっていくが、特に、第一の櫛状反射スペクトルのピークの半値全幅内に複数の共振器モードが存在するほどに共振器モードのモード間の間隔が狭くなると、通常の場合はレーザ発振させる共振器モードの選択が困難となってしまう。
しかし、波長可変レーザ素子100では、このように共振器モード間の間隔が狭い場合であっても、第一の櫛状反射スペクトルの半値全幅の広いピークの中に、これよりも半値全幅の狭い第二の櫛状反射スペクトルのピークを存在させることとなるため、共振器モードを選択する制御が容易となる。従って、波長可変レーザ素子100では、レーザ共振器C1は、共振器モードのモード間の間隔が、第一の櫛状反射スペクトルのピーク内に共振器モードが2本以上含まれるような長い共振器長に構成されていても、共振器モードを選択する制御が容易となる。
さらに、図3に示すように、第二の櫛状反射スペクトルのピークの反射率が、第一の櫛状反射スペクトルのピークの反射率よりも高いと、反射ミラーM1により反射される光の利得が大きくなり、反射ミラーM1による第二の櫛状反射スペクトルのピーク位置で、共振器モードのうち一つだけを安定的に選択することができる。
さらに、第二の櫛状反射スペクトルのピークが二重指数分布型の形状であれば、第一の櫛状反射スペクトルのピークがガウシャン型の形状の場合に、第一の櫛状反射スペクトルのピークに対するピークの先鋭度を大きくすることができる。これにより、第一の櫛状反射スペクトルのピークの高さよりも第二の櫛状反射スペクトルのピークが突出して高くなり、第二の櫛状反射スペクトルのピークの反射率を、第一の櫛状反射スペクトルのピークの反射率よりも容易に高くできる。したがって、安定した単一モード発振をより容易に実現できる。
図11は、実施の形態2に係る波長可変レーザ素子の模式的な斜視図である。図11に示すように、本実施の形態2に係る波長可変レーザ素子100Aは、図1に示す実施の形態1に係る波長可変レーザ素子100と、基部B上に形成された半導体増幅器(SOA)101とを備えている。SOA101は、第1の導波路部と同様の材料、構造からなる活性コア層を備える埋込み導波路構造を有する。ただし、回折格子層は設けられていない。
つぎに、実施の形態3について説明する。本実施の形態3では、第2の導波路部がシリコン(Si)フォトニクス導波路からなるなど点で実施の形態1、2と異なる。
まず、SOI基板上に、フォトリソグラフィを用いて第2の導波路部220におけるSi導波路パターンを転写する。具体的には、例えばHBrガスを用いてデバイス層およびBOX層をエッチングし、チャネル導波路構造を得る。ここで、エッチングにより生じた導波路の側面粗さを低減する目的で、水蒸気を用いない熱酸化を行っても良い。つづいて、全面にSiN層を堆積し、フォトリソグラフィとエッチングとにより、上述したスポットサイズ変換構造の部分にSiNからなるオーバークラッド層を形成する。さらに、オーバークラッド層230となるSiO2層を全面に堆積する。
つぎに、実施の形態4について説明する。本実施の形態4でも、実施の形態3と同様に第2の導波路部がシリコンSiフォトニクス導波路からなるが、第2の導波路部に回折格子が設けられる点と、第1の導波路部がU字形状の導波路を備える点などで実施の形態3と異なる。
つぎに、実施の形態5に係るレーザモジュールについて説明する。図14は、本実施の形態5に係るレーザモジュールの模式図である。レーザモジュール1000は、実施の形態2に係る波長可変レーザ素子100Aと、コリメートレンズ1001と、光アイソレータ1002と、ビームスプリッタ1003と、集光レンズ1005と、光ファイバ1006と、受光素子としてのパワーモニタPD(Photo Diode)パワーモニタPD1009と、エタロンフィルタ1010と、パワーモニタPD1011と、を備えている。また、波長可変レーザ素子100Aは、波長可変レーザ素子100Aの温度を調節するための不図示の電子冷却素子に載置されている。波長可変レーザ素子100A、パワーモニタPD1009、1011および電子冷却素子は外部の制御部に接続されている。
具体的には、波長ロック制御では、制御部は、パワーモニタPD1009によってモニタされたレーザ光の強度と、パワーモニタPD1011によってモニタされた、エタロンフィルタ1010透過後のレーザ光の強度との比が、レーザ光L2の波長が所望の波長になるときの比になるように、波長可変レーザ素子100Aの駆動電流と温度とを変化させる制御をする。これにより、レーザ光L2の波長を所望の波長(ロック波長)に制御することができる。
つぎに、実施の形態6に係るレーザモジュールについて説明する。図15は、本実施の形態6に係るレーザモジュールの模式図である。レーザモジュール1000Aは、波長可変レーザ素子100Bと、コリメートレンズ1001と、光アイソレータ1002と、ビームスプリッタ1003と、パワーモニタPD1004と、集光レンズ1005と、光ファイバ1006と、コリメートレンズ1007と、ビームスプリッタ1008と、パワーモニタPD1009と、エタロンフィルタ1010と、パワーモニタPD1011とを備えている。また、波長可変レーザ素子100Bは、波長可変レーザ素子100Bの温度を調節するための不図示の電子冷却素子に載置されている。波長可変レーザ素子100B、パワーモニタPD1004、1009、1011、および電子冷却素子は外部の制御部に接続されている。
また、実施の形態1では、回折格子層11abは、活性コア層11aaの近傍かつ直上に、活性コア層11aaに沿って設けられているが、本発明はこれに限られない。たとえば、位相調整部とは反対側において活性コア層と接続する光導波層が設けられている場合、活性コア層の近傍かつ当該光導波層の直上に回折格子層が設けられていてもよい。
11、211、311 導波路部
11a 回折格子装荷型利得部
11aa 活性コア層
11ab、211b 回折格子層
11b、11Ab、228、328 位相調整部
12、212、312 半導体積層部
12Aa、26Aa 下部クラッド層
12Ab 上部リッジクラッド層
13 p側電極
14、15、25、215、225、229、325、329、333 マイクロヒータ
20、220、320 第2の導波路部
21 2分岐部
21a、221a、321a MMI導波路
22、23、222、223、322、323 アーム部
22a、23a、26a 下部クラッド層
22b、23b、26b、26Ab、311b 光導波層
22c、23c、26c、26Ac 上部クラッド層
24、224、324 リング状導波路
26、26A、27、331 導波路部
30、213、313 n側電極
100、100A、100B、200、300 波長可変レーザ素子
211a、311a 利得部
222a 下層
222aa 支持層
222ab BOX層
222b デバイス層
230、330 オーバークラッド層
332 回折格子部
1000、1000A レーザモジュール
1001、1007 コリメートレンズ
1002 光アイソレータ
1003、1008 ビームスプリッタ
1004、1009、1011 パワーモニタPD
1005 集光レンズ
1006 光ファイバ
1010 エタロンフィルタ
B 基部
C1、C2、C3 レーザ共振器
CC 凹部
L1、L2、L3 レーザ光
M1、M2、M3 反射ミラー
OP 光路
RF1、RF2、RF3 リング共振器フィルタ
SC1、SC2 スペクトル成分
Claims (21)
- 回折格子と、前記回折格子と光学的に結合されたリング共振器フィルタを含む反射ミラーにより構成されるレーザ共振器と、
前記レーザ共振器内に配置された利得部と、
前記レーザ共振器内に配置された位相調整部と、
を備える波長可変レーザ素子であって、
前記回折格子は、第一の櫛状反射スペクトルを生成し、
前記リング共振器フィルタは、
リング状導波路と、
各々が前記リング状導波路と光学的に結合し、それぞれの一端が統合されて前記回折格子と光学的に結合されている2つのアーム部と、
を備え、
前記第一の櫛状反射スペクトルのピークの半値全幅よりも狭い半値全幅のピークで、前記第一の櫛状反射スペクトルの波長間隔とは異なる波長間隔を有する第二の櫛状反射スペクトルを生成し、
前記回折格子と前記リング共振器は前記第一の櫛状反射スペクトルのピークの一つと前記第二の櫛状反射スペクトルのピークの一つとを波長軸上で重ね合わせ可能に構成され、
前記レーザ共振器は、共振器モードのモード間の間隔が、前記第一の櫛状反射スペクトルのピークの半値全幅よりも狭くなるように構成され、
前記回折格子および前記リング共振器フィルタは、前記第一の櫛状反射スペクトルのピークの高さよりも前記第二の櫛状反射スペクトルのピークが突出して高くなるように構成され、
前記位相調整部は、前記第一の櫛状反射スペクトルのピークの高さよりも前記第二の櫛状反射スペクトルのピークが突出して高い状態を維持したまま、屈折率が調整できるように構成されている波長可変レーザ素子。 - さらに前記位相調整部の屈折率を調整することで、重ね合わされた前記第一の櫛状反射スペクトルの前記ピークと前記第二の櫛状反射スペクトルの前記ピークの重なり領域に、前記レーザ共振器の前記共振器モードの一つを一致させ、その一致した前記共振器モードの波長でレーザ発振するように構成されていることを特徴とする請求項1に記載の波長可変レーザ素子。
- 前記レーザ共振器内の光帰還の経路は、前記回折格子から、前記2つのアーム部のうち一方、前記リング状導波路、前記2つのアーム部のうち他方を経由して前記回折格子に帰還する経路であることを特徴とする請求項1または2に記載の波長可変レーザ素子。
- 前記回折格子の屈折率を変化させる第1の屈折率変化器と、前記リング共振器の屈折率を変化させる第2の屈折率変化器とを備え、前記第1の屈折率変化器および前記第2の屈折率変化器の少なくともいずれか一つを用いて、前記第一の櫛状反射スペクトルのピークの一つと前記第二の櫛状反射スペクトルのピークの一つとを波長軸上で重ね合わせることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一つに記載の波長可変レーザ素子。
- 前記回折格子は標本化回折格子であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一つに記載の波長可変レーザ素子。
- 前記回折格子は超構造回折格子であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一つに記載の波長可変レーザ素子。
- 前記回折格子は重畳回折格子であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一つに記載の波長可変レーザ素子。
- 前記回折格子は前記利得部の近傍に設けられていることを特徴とする請求項1〜7のいずれか一つに記載の波長可変レーザ素子。
- 前記回折格子は前記利得部に沿って設けられていることを特徴とする請求項1〜8のいずれか一つに記載の波長可変レーザ素子。
- 前記利得部は埋込み導波路構造内に配置され、前記リング共振器フィルタはハイメサ導波路構造を有することを特徴とする請求項1〜9のいずれか一つに記載の波長可変レーザ素子。
- 前記利得部はリッジ導波路構造内に配置され、前記リング共振器フィルタはハイメサ導波路構造を有することを特徴とする請求項1〜9のいずれか一つに記載の波長可変レーザ素子。
- 前記リング共振器フィルタにおいて、前記リング状導波路と、前記2つのアーム部とは、多モード干渉型導波路部により光学的に結合していることを特徴とする請求項1〜11のいずれか一つに記載の波長可変レーザ素子。
- 前記リング共振器フィルタにおいて、前記リング状導波路と、前記2つのアーム部とは、方向性結合型導波路部により光学的に結合していることを特徴とする請求項1〜11のいずれか一つに記載の波長可変レーザ素子。
- 前記レーザ発振により出力したレーザ光を光増幅する半導体光増幅器をさらに備えることを特徴とする請求項1〜13のいずれか一つに記載の波長可変レーザ素子。
- 前記レーザ共振器は、前記共振器モードのモード間の間隔が、前記第一の櫛状反射スペクトルのピーク内に、前記共振器モードが2本以上含まれるように構成されていることを特徴とする請求項1〜14のいずれか一つに記載の波長可変レーザ素子。
- 前記第一の櫛状反射スペクトルのピークはガウシャン型の形状であり、前記第二の櫛状反射スペクトルのピークは二重指数分布型の形状であることを特徴とする請求項1〜15のいずれか一つに記載の波長可変レーザ素子。
- 前記リング共振器フィルタにおいて前記リング共振器と光学的に結合する前記2つのアーム部の結合係数が互いに異なるように構成されている
ことを特徴とする請求項1〜16のいずれか一つに記載の波長可変レーザ素子。 - 前記位相調整部の屈折率を調整する第3の屈折率変化器をさらに備えることを特徴とする請求項3に記載の波長可変レーザ素子。
- 前記第1、第2、及び第3の屈折率変化器はそれぞれ、前記回格子、前記リング共振器、及び前記位相調整部のそれぞれの近傍に設けられ、それぞれの屈折率を熱的に変化させる抵抗ヒータであることを特徴とする請求項18に記載の波長可変レーザ素子。
- 請求項1〜19のいずれか一つに記載の波長可変レーザ素子を備えることを特徴とするレーザモジュール。
- 請求項17に記載の波長可変レーザ素子と、
前記波長可変レーザ素子の前記2つのアーム部の中の一つのアーム部の端部のうち統合されていない端部の端面から出力するレーザ光の一部を受光する受光素子と、
を備えることを特徴とするレーザモジュール。
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