WO2005091452A1

WO2005091452A1 - Dbr型波長可変光源

Info

Publication number: WO2005091452A1
Application number: PCT/JP2005/005246
Authority: WO
Inventors: Naoki Fujiwara; Nobuhiro Nunoya; Nobuhiro Kikuchi; Yasuo Shibata; Hiroshi Yasaka
Original assignee: Nippon Telegraph And Telephone Corporation
Priority date: 2004-03-23
Filing date: 2005-03-23
Publication date: 2005-09-29
Also published as: US20070041415A1; JP4033887B2; EP1729381A1; EP1729381A4; JPWO2005091452A1; CN1774845A; CN1774845B

Abstract

　より広帯域の波長可変特性をもち、６ｎｍ以上の連続波長シフトが可能でありながら従来技術に比べて高出力なＤＢＲ型波長可変光源を提供する。基板２１上に形成した光導波路が、発光機能を有する活性領域光導波路２２と、この活性領域２２の両端に設けられた非活性領域光導波路２３ａ、２３ｂとを備え、この非活性領域光導波路２３ａ、２３ｂは、絶縁領域２５と波長可変機能を有する前側及び後側ＤＢＲ領域２４、２９を有するとともに、後側ＤＢＲ領域２９には、実効長の飽和値の９５％以上となる長さの回折格子を形成する一方、前側ＤＢＲ領域２４には前記長さよりも短い回折格子を形成し、この前側ＤＢＲ領域から発振光を取り出す構成とした。

Description

明細書

DBR型波長可変光源

技術分野

[0001] 本発明は DBR型波長可変光源に関し、より詳細には、 1つの波長制御電流により広帯域な連続波長可変が可能な DBR型波長可変光源に関する。

背景技術

[0002] DBR型レーザは光通信用の波長可変光源として用いられており、その発振メカ- ズムゃ波長可変メカニズムにつヽては既に報告がなされて!/ヽる（例えば、非特許文献 1および非特許文献 2)。

[0003] 図 12は、従来技術に係る DBR型波長可変光源の基本構造を説明するための図である。図 12Aは、光導波路を含み基板 11に垂直な面における断面図を示している。図 12Bは、図 12Aの断面表示 ΧΠΒ— ΧΠΒを含み基板 11に平行な面における、断面図（上面図）を示している。この DBR型波長可変光源においては、基板 11上に設けられた活性領域光導波路 12の両側に、非活性領域光導波路 13a、 13bが配置されている。活性領域光導波路 12と非活性領域光導波路 13a、 13bの境界部には、それぞれ絶縁領域 15a、 15bがある。非活性領域光導波路 13a、 13bには、絶縁領域 15 a、 15bと接して、回折格子力ら構成される DBR領域 (分布反射器） 14a、 14bがそれぞれ形成されている。上述した各光導波路の上部と側面には上クラッド層 9が形成されている。本 DBR型波長可変光源の発振波長は、共振器長により決まる縦モード波長のうち、 DBR領域 14a、 14bのブラック反射帯域内に存在する縦モード波長のみが選択されることにより決定される。

[0004] 絶縁領域 15a、 15bは、高抵抗の領域である。電極 18a、 18b、 18cとォーミック接触を取るために、上クラッド層 9の上に形成される InGaAsP層（図 12Aに示していない）の一部を除去することによって、絶縁領域 15a、 15bは形成される。すなわち、絶縁領域 15a、 15bは、 DBR制御電流 17と活性領域電流 16とを絶縁分離する機能を持っている。

[0005] DBR (分布反射器)領域 14a、 14b内には、一定ピッチの凸凹が形成されており、このピッチに対応する波長の光、すなわちブラッグ波長の光が選択的に強い反射を受ける。実際にはブラッグ波長を中心として数 nmの高反射帯域が形成され、この高反射帯域内において回折格子として作用する。

図 12Aにおいては、絶縁領域 15a、 15bは、上述した回折格子が存在しない領域として表現されている。これは、前述のように、絶縁領域 15a、 15bは、高抵抗のために電流が流れないので、回折格子を設けたとしても屈折率変化にはなんら寄与しない領域であるためである。したがって、絶縁領域 15a、 15bに回折格子が形成されていてもかまわない。

[0006] この DBR型波長可変光源においては、電極 18cを介して活性領域光導波路 12に活性領域電流 16が注入され、また、電極 18a、 18bを介して DBR領域 14a, 14bに DBR制御電流 17が注入される構成となっている。この DBR制御電流 17が DBR領域 14a、 14bへ注入されることによって、 DBR領域 14a, 14bの屈折率変化が生じる。この屈折率変化に伴って、上述した縦モード波長とブラッグ波長の両方を、短波長側にシフトさせることが可能である。

[0007] ただし、 DBR領域 14a、 14bへの DBR制御電流 17の注入によって生ずる屈折率変化に伴う波長シフトの感度は、縦モード波長に比べてブラッグ波長の方がより敏感である。すなわち、ブラッグ波長が、より速く短波長側にシフトする。その理由は、活性領域光導波路 12と非活性領域光導波路 13a、 13bによって構成されるレーザ共振器のうち、 DBR制御電流 17を注入すると、非活性領域光導波路 13a、 13bまたは D BR領域 14a、 14bにのみ、屈折率の変化を生じさせる力もである。すなわち、ブラッグ波長シフトは DBR領域 14a、 14bの屈折率変化のみを反映しているのに対し、縦モード波長シフトはレーザ共振器全体の屈折率変化を反映して、るためである。一般に、縦モード波長シフト量は、次の式（1)にしたがって計算できる。

[0008] [数 1]

= „ ^LelT-f + L_eff— _Γ

ん c B L_a +L_Btr__r + L_efr__r

[0009] 上式（1)において、 Δ λ は縦モード波長シフト量、 λ は縦モード波長、 Δ λ はブ

C C Β

ラッグ波長シフト量、 λ はブラッグ波長、 L および L は前側 (front)および後側（

B eff-f efFr rear) DBR領域の実効長であり、 Lは活性領域長である。ここで、 L は DBR領域 14 a eff

a、 14bの実効的な長さである。この長さは、実効長もしくは有効長とよばれており、非特許文献 2の定義に従った。

[0010] ここで、 DBR (分布反射器）とその実効長について、さらに説明をする。先にも述べたように、 DBR領域内には一定ピッチの凸凹が形成されており、このピッチに対応する波長の光、すなわちブラッグ波長の光が選択的に強い反射を受ける。このブラッグ波長を中心として数 nmの幅の高反射帯域が形成され、 DBRはこの高反射帯域内において回折格子として作用する。

[0011] 図 13は、 DBR領域 14a、 14bにおける反射の様子を説明する図である。ブラッグ反射が発生する高反射帯域内の波長の光は、図 13に示すように分布的に反射を受ける。したがって、光が感じる伝播長は、実際の DBR領域 14a、 14bの長さに比べて短くなる。この長さは、実効長と呼ばれている。

図 14および図 15は、 DBR領域の長さに対する実効長の計算結果を示す図である（導波路伝播損失 Γ α = 10cm ¹を仮定した)。図 14は、回折格子結合定数 κをパラメータとして、 DBR領域の長さと実効長の関係を示す図である。図 15は、各結合定数値 κにおける、実効長飽和値を示す表である。

[0012] 図 14および図 15より、 DBR領域 14a、 14bの長さが短い場合には（図 13において、 DBR領域の長さ力実効長の増減に寄与する領域 61a、 61bの範囲の長さである場合）、実効長は DBR領域の長さに対し直線的に増加する。一方、 DBR領域 14a、 14bの長さがより長くなる場合には（図 13において DBR領域の長さ力実効長の増減にほとんど寄与しない領域 62a、 62bの範囲の長さである場合）、実効長の値は飽和し、一定値の実効長飽和値に安定する。

[0013] 実効長と同様に、 DBR領域の反射率も DBR領域の長さが長くなるにつれて向上する。発振光は、活性領域の近傍の DBR領域において、最も強い反射を受ける。したがって、ある程度 DBR領域が長くなると、反射率は一定値に収束する。前述したように、 DBR (回折格子)の実効長は回折格子の分布的な反射状態を考慮した場合に、伝播光が感ずる光路長である。したがって、回折格子すなわち DBR領域の長さに対して、反射率と実効長は極めて類似した増減を示す。 [0014] DBR領域と活性領域を集積して DBR型波長可変光源を構成する場合にぉヽては、反射率は、活性領域と DBR領域の接合部の結合損失によっても左右されてしまう。このため、反射率は、設計上のパラメータとして適切ではない。そこで、反射率を反映し、かつ活性領域と DBR領域の接合部の結合損失の影響を受けない実効長が、素子設計パラメータとして採用されている。 DBR領域の実効長は、レーザ共振器長、縦モード間隔、ブラッグ反射率等に関係するパラメータであり、この実効長の値を考慮することによって、効率的な DBR型レーザの設計が可能である。

[0015] さて、前式（1)の右辺 2項目の分子 (L +L )は屈折率可変領域 (すなわち DB eff-f eff-r

R領域)の実効長の総和を、分母 (L +L +L )は全共振器長を示している。厳密 a eff-r eff~r

に言えば、全共振器長には絶縁領域 15a、 15bの長さも加えるべきである。しかし、絶縁領域 15a、 15bは 5— 10 mと極めて短く構成されているため、全共振器長に対する誤差の影響は少ない。そこで、式（1)中においては、絶縁領域 15a、 15bの長さは省略した。

[0016] 式（1)によれば、縦モード波長シフト量 Δ λ は、右辺第 2項の係数による分だけブ

C

ラッグ波長シフト量 Δ λ より小さい。したがって、 DBR制御電流 17を増加し続ければ

Β

、 V、ずれは縦モード波長 λ

Cがブラッグ反射帯域から長波長側 (波長の長!、側）に外れてしまい、レーザ発振は、短波長側にある別の隣の縦モードに遷移する。すなわち

、モード跳びが生ずる。よって、 DBR制御電流 17を増加し続ければ、連続な波長シフトと離散的なモード跳びとを繰り返しながら、発振波長は短波長側へシフトしてゆく図 16は、従来技術に力かる DBR型波長可変光源の DBR制御電流と発振波長との関係を示す図である。連続的な波長シフトと、離散的なモード跳びを頻繁に繰り返している。発振波長の可変制御特性の全体は離散的なものとなり好ましくない。連続波長可変幅 (連続波長シフト帯域幅） Δ λ は、非特許文献 3に従えば、以下の式で

CON

表わされる。

[0017] [数 2]

(2) [0018] 上式（2)において、 Δ λ は連続波長可変幅、 η は実効屈折率を表している。波

CON eff

長可変レーザとしては、この連続波長可変幅 Δ λ の広、ものが好まし!/、。

CON

[0019] 図 17は、従来技術に力かる DBR型波長可変光源における、波長シフトを説明するスペクトル図である。上で説明した離散的なモード跳びにより、波長可変制御特性が離散的になってしまうのは、縦モード波長とブラッグ波長との間で、前述した DBR制御電流の注入量に対する波長変ィ匕に感度差があるからである。図 17Aから図 17Cに示すように、 DBR制御電流を増カロさせていくことによって、ブラッグ波長の変化に対応して、るストップバンドの変化は、縦モード波長の変化に対応して、る発振波長の変化に比べて、変化の感度が高い。ストップバンドは、より速く短波長側にシフトしてゆく。したがって、 DBR制御電流増加により、ストップバンド (ブラッグ反射帯域）に対して、発振波長は相対的に長波長側に移動してゆく。図 17Cの状態を超えて、さらに DBR制御電流を増加させれば、モード跳びが発生する。

[0020] このモード跳びを回避する方法としては、位相調整領域を付加して多電極構成で波長制御を行う方法がある (非特許文献 1参照)。しかし、制御項目が増えるため、制御が簡単でなくなる。さらに、素子経時劣化時の各制御電流の変動を予想するのが難しぐ実用上の問題となってしまう。一つの制御電流によって、簡単で広帯域な波長可変制御を実現するためには、前記式 (2)からわ力るように活性領域長 L

aを短縮することが最ち効果的である。

図 18は、活性領域長 Lを短縮した DBR型波長可変光源の波長可変特性を示す特 a

性図である。活性領域長 Lを短縮することで、連続可変できる波長範囲を広帯域ィ匕 a

し、図 18で示すように広いモードホップフリー (連続波長可変）な帯域が得られる。非特許文献 3に示された実験結果によれば、活性領域長 Lを変化させて DBR型レー a

ザを作製し、理論値通りの広帯域ィ匕が得られている。

[0021] 次に、図 12に示したような一般的な従来技術による DBR型波長可変光源において、発振モードの初期位相、発振閾値電流およびキャリア密度の関係について補足説明をする。図 12Aにおいて、活性領域光導波路 12のキャリア密度は、活性領域電流 16の増加に伴って急激に増加する。一旦レーザ発振が起こると、活性領域光導波路 12のキャリア密度はクランプされる（ほぼ一定値に安定となる)。さらに活性領域電流 16を増加させるとキャリア密度は非常にゆるやかに増加してゆく。発振モードの初期位相を決定する活性領域光導波路 12の屈折率は、この領域のキャリア密度の増加に伴い減少するという関係がある。すなわち、発振閾値電流の値により初期位相が決定し、発振閾値電流が大きければ発振モードはその分だけ短波長側にシフトしていることになる。その後は活性領域電流 16を増加させてもキャリア密度がクランプされているため、初期位相はほとんど変わらない。

[0022] DBR制御電流により波長可変制御を行った場合には、 DBR制御電流 17の注入に伴う反射率の減少から、活性領域電流 16の発振閾値電流が増加する。連続波長可変幅の拡大のために活性領域光導波路 12の長さを短縮しただけの DBR型レーザにおいては、活性領域光導波路 12の利得が不足してしまう。この利得不足を補うため、活性領域光導波路 12の前後にある DBR領域 14a、 14bの長さをその実効長飽和値に達するまで十分長くして、高反射率とすることにより、レーザ発振が停止するのを防止していた。したがって、波長可変制御時において、発振閾値電流が増加することはあっても、発振閾値電流の変化率を制御することは出来な力つた。

[0023] なお、上述したような従来技術を開示する公知文献として、次の非特許文献 1から非特許文献 3を挙げることができる。

[0024] 非特許文献 1 :半導体フォト-タス工学 P.306— 311 監修:池上徹彦コロナ社 1995 年 1月 10日発行

非特許文献 2 :半導体レーザ P.283— 288 応用物理学会編 Z伊賀健一編著ォーム社平成 6年 10月 25日発行

非特許文献 3：波長可変半導体レーザの高性能化に関する研究 (博士論文) P.39— 43、 P.54— 59、 P.65— 68 石井啓之 1999年 3月

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0025] 上述したような活性領域光導波路 12の活性領域長 Lの短縮による方法では、式（2 a

)の Δ λ を大きく超えて連続波長シフトさせることはできず、 3nm程度の連続波長

CON

シフトが限界である。 6nm以上の連続波長シフト幅を実現しょうとすれば、活性領域光導波路 12の活性領域長 Lを 30 m程度まで短縮する必要がある。活性領域長 L a a を短縮したことにより生じる活性領域光導波路 12の利得不足を補うため、高反射率が得られるように DBR領域 14を長くしなければならない。この結果、このような従来技術による DBR型レーザは、低出力の光源となってしまう問題があった。それに加えて、活性領域光導波路 12の活性領域長 Lと利得、および発振モードの位相条件を

a

予め厳密に決定しておかなければ、波長シフトを開始してすぐにモード跳びが発生してしまう問題があった。

図 19は、活性領域長 Lを短縮した DBR型波長可変光源において、初期位相条件

a

が適切でない場合の波長可変特性を示す特性図である。図 19に示すように、上述した各条件を適切に設計しないと、波長シフトを開始した後すぐにモード跳びが生じてしまい、実用上の問題となっていた。

[0026] 本発明は、上に述べたような従来技術の問題点に鑑み、より広帯域幅で連続的に発振波長の可変制御、すなわち、連続波長シフトが可能な波長可変特性をもち、 6n m以上の連続波長シフトが可能でありながら、従来技術に比べて高出力な DBR型波長可変光源を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

[0027] 上記目的を達成するために、本発明の構成は、基板上に、クラッド層で囲まれた光導波路を備える DBR型波長可変光源において、 DBR制御電流により発振波長を可変制御が可能であって、実効長飽和値の 95%以上の実効長に相当する長さの区間に回折格子を有する第 1の DBR領域を含む第 1の非活性領域光導波路と、前記 DB R制御電流により発振波長を可変制御が可能であって、前記第 1の DBR領域より短い長さの区間に回折格子を有する第 2の DBR領域を含む第 2の非活性領域光導波路と、前記第 1の非活性領域光導波路および前記第 2の非活性領域光導波路が両端に光学的に接続され、前記 DBR制御電流とは独立に活性領域電流により発光状態を制御される活性領域光導波路とを備えることを特徴とする。

[0028] また、高出力を得るためには、前側の（第 2の） DBR領域の回折格子の実効長はその実効長飽和値の 75%以下となるように形成し、両 DBR領域の端面には反射防止膜を施したものが好ましい。

さらに、発振波長シフト量とブラッグ波長シフト量の比が 0. 9以上 1. 1以下であることが好ましい。この比がこの範囲に入っていれば、完全モードホップフリー条件 (発振波長シフト量とブラッグ波長シフト量の比が 1)を満たさなくても、ほとんどの場合にモード跳びが生じな、からである。

[0029] また、本発明の他の実施態様においては、基板上に、クラッド層で囲まれた光導波路を備える DBR型波長可変光源において、 DBR制御電流により発振波長を可変制御が可能であって、実効長飽和値の 75%以下の実効長に相当する長さの区間に回折格子を有する第 1の DBR領域を含む第 1の非活性領域光導波路と、前記 DBR制御電流により発振波長を制御が可能であって、実効長飽和値の 75%以下の実効長に相当する長さの区間に回折格子を有する第 2の DBR領域を含む第 2の非活性領域光導波路と、前記第 1の非活性領域光導波路および前記第 2の非活性領域光導波路が両端に光学的に接続され、前記 DBR制御電流とは独立に活性領域電流により発光状態を制御される活性領域光導波路と、前記第 1の非活性領域光導波路の前記活性領域光導波路とは反対側の端面に配置された高反射膜と、前記第 2の非活性領域光導波路の前記活性領域光導波路とは反対側の端面に配置された反射防止膜とを備えことを特徴とする。

さらに、本発明の別の実施態様においては、基板上に、クラッド層で囲まれた光導波路を備える DBR型波長可変光源において、 DBR制御電流により発振波長を可変制御が可能であって、実効長飽和値の 75%以下の実効長に相当する長さの区間に回折格子を有する DBR領域を含む非活性領域光導波路と、前記非活性領域光導波路に光学的に接続され、前記 DBR制御電流とは独立に活性領域電流により発光状態を制御される活性領域光導波路と、前記非活性領域光導波路の前記活性領域光導波路とは反対側の端面に配置された反射防止膜と、前記活性領域光導波路の前記非活性領域光導波路とは反対側の端面に配置された高反射膜とを備えることを特徴とする。すなわち、光源サイズをさらに小型化するには長い側の（第 1の） DBR領域を高反射膜で置き換えたものが好まし、。

[0030] DBR領域の反射率を適切に決定すれば、発振閾値の増減率を最適化することができ、式 (3)の関係を満足する光源が実現できる。

[0031] 連続波長シフトの広帯域化と同時に光源出力も高くするためには、後側の DBR領域 29は高反射率が得られるように十分に長くし、前側の DBR領域 24の長さを短縮するのが好ましい。発振光の出射側の DBR領域が短ければ、光の透過率が向上する力らである。前述のように反射率と実効長とは相関があるため、前側の DBR領域 2 4の長さを実効長の増減に寄与する臨界長さ以下（図 13において、実効長の増減に寄与する領域 61a, 61b)の範囲で増減させれば、発振波長シフト制御時の発振閾値電流の増加率 Δ Ιを制御でき、連続波長可変量 (可変幅)を拡大することができる th

[0032] 背景技術にお!、て述べたように、実効長は DBR領域の長さに依存する。 DBR領域を十分に長くした場合 (長さ 1000 m)に一定値に飽和した実効長を、実効長飽和値として図 15に示した。図 15の表の中で示した回折格子結合定数 κは、通常の DBR型レーザの作成方法 (ウエットエッチング、ドライエッチング)で比較的容易に形成できる範囲である。この範囲において、 DBR領域の実効長を実効長飽和値の 75 %以下となるようにすると、約 50% (もしくはそれ以上）の透過率が得られ、より高い光出力が得られる。

[0033] 本発明の DBR型波長可変光源によれば、発振波長シフト制御時の発振閾値電流の変化率を適切に制御することができる。さらに、従来の連続波長可変幅の理論値（式 (2)の Δ λ )

CONを超えてさらに広帯域な連続波長シフトが可能となり、加えて、より高いレーザ発振光の出力を得ることができる。図面の簡単な説明

[0034] [図 1A]本発明の実施例 1に係る DBR型波長可変光源を示す断面図である。

[図 1B]本発明の実施例 1に係る DBR型波長可変光源の IB— IBの断面図である。

[図 2A]本発明の実施例 2に係る DBR型波長可変光源を示す図である。

[図 2B]本発明の実施例 2に係る DBR型波長可変光源の ΠΒ— ΠΒの断面図である上面図である。

[図 3A]本発明の実施の形態に係る DBR型波長可変光源の波長シフトにおけるスぺタトルを説明する図である。

[図 3B]本発明の実施の形態に係る DBR型波長可変光源の波長シフトにおけるスぺタトルを説明する図である。 [図 3C]本発明の実施の形態に係る DBR型波長可変光源の波長シフトにおけるスぺタトルを説明する図である。

圆 4]本発明の実施の形態に係る DBR型波長可変光源の波長可変特性を示す特性図である。

圆 5]発振波長シフト量のブラッグ波長シフト量に対する比を示す特性図である。圆 6]本発明の実施例 1に係る DBR型波長可変光源の波長可変特性を示す特性図である。

圆 7]本発明の実施例 1に係る発振波長と式（1)による理論値力ものずれ量を示す特 '性図である。

圆 8]本発明の実施例 1に係る DBR型波長可変光源の I L特性を示す特性図である

[図 9]本発明の実施例 1に係る DBR型波長可変光源において、閾値電流変動によりもたらされる波長シフトと図 7で示す値との比較を示す特性図である。

圆 10A]本発明の実施例 3に係る DBR型波長可変光源を示す断面図である。

[図 10B]本発明の実施例 3に係る DBR型波長可変光源の XB— XBの断面図である。圆 11]本発明の実施例 4に係る集積ィ匕した DBR型波長可変光源アレイの構成図である。

[図 12A]従来技術に係る DBR型波長可変光源の構成を示す断面図である。

[図 12B]従来技術に係る DBR型波長可変光源の ΧΠΒ— ΧΠΒの断面図である。

[図 13]光の反射の様子を示す図である。

圆 14]実効長の DBR領域の長さに対する依存性を示す特性図である。

[図 15]実効長の飽和値を示す表である。

[図 16]従来技術に係る DBR型波長可変光源の波長可変制御特性を示す特性図である。

[図 17A]従来技術に係る DBR型波長可変光源の波長シフトにおけるスペクトルを説明する図である。

[図 17B]従来技術に係る DBR型波長可変光源の波長シフトにおけるスペクトルを説明する図である。 [図 17C]従来技術に係る DBR型波長可変光源の波長シフトにおけるスペクトルを説明する図である。

[図 18]活性領域を短縮した DBR型波長可変光源の波長可変特性を示す特性図である。

[図 19]活性領域を短縮した DBR型波長可変光源において、初期位相条件が適切でな、場合の波長可変特性を示す特性図である。

発明を実施するための最良の形態

[0035] 以下に図面を参照しながら、本発明の実施の形態について説明する。

[0036] 図 1は、本発明の実施の形態に係る DBR型波長可変光源の構造を説明するための図である。図 1に示すように、基板 21上には、電流注入や光励起等による発光機能を持っている活性領域光導波路 22と、この活性領域光導波路 22の両側にあり、電流注入や光励起などにより発振波長を制御できる非活性領域光導波路 23a、 23b が設けられている。非活性領域光導波路 23a、 23bのバンドギャップは、活性領域光導波路 22のバンドギャップよりも大き、。これらの活性領域光導波路 22および非活性領域光導波路 23a、 23bは、本発明の DBR型波長可変光源の光導波路を構成している。

[0037] また、後側の非活性領域光導波路 23bは、 DBR領域の DBR実効長が実効長飽和値の 95%以上の長さに相当するような十分に長い DBR領域 29と、絶縁領域 25bを有している。したがって、この DBR領域 29は、十分に高反射率である。一方、活性領域光導波路 22を介して反対側にある前側の非活性領域光導波路 23aは、 DBR実効長が後側 DBR領域 29の長さよりも短、前側 DBR領域 24と、絶縁領域 25aを有している。

[0038] 前述のように、 DBR型波長可変光源は、一定値の活性領域電流 26で駆動してヽる場合であっても、活性領域電流 26の発振閾値電流が増加してヽれば活性領域光導波路 22のキャリア密度も増加しており、このキャリア密度の増加に伴い屈折率が減少している。

[0039] 活性領域光導波路 22の屈折率の減少は、縦モード波長えを短波長側にシフトさ

C

せる効果がある。そこで、 DBR制御電流 27の注入に伴い決定されるブラッグ波長シフト量 Δ λ と、 DBR制御電流 27の注入および発振閾値電流の増加により決定され

B

る縦モード波長シフト量 Δ λ とを、一致させることができれば、ブラッグ波長えと縦

C Β

モード波長え Cはリンクしながら一体的にシフトする。したがって、モード跳びの問題を解消することができる。これは、式（1)の右辺第 2項の分子 (L +L )が分母 (L + eff-f eff-r a

L +L )と等しくなることを意味しており、この場合の縦モード波長シフト量 Δ λ eff-f efFr C は以下の式（3)で示される。

[0040] [数 3] ^= ^ (

[0041] この式 (3)の意味するところは、レーザ共振器を構成する活性領域光導波路 22の屈折率と前側 DBR領域 24および後側 DBR領域 29の屈折率とが、等しく減少することである。そのため、 DBR制御電流 17の注入に伴って DBR領域 24の屈折率が減少し続ける限り、発振波長 (縦モード波長）はモード跳びを起こさずに短波長側にシフトする。したがって、初期位相を考慮して厳密な設計を行わなくても、図 19に示したような波長シフトを開始した後すぐにモード跳びが生ずる現象は起こらない。

[0042] これを実現するために、 DBR領域の反射率を適切に決定することによって、発振閾値電流の増減率を最適化することができ、式 (3)の関係を満足する光源が実現できる。連続波長シフト幅の広帯域化と同時に高い光出力を得るためには、後側の DBR 領域 29は高反射率を得るように十分に長くし、前側の DBR領域 24の長さを短縮するのが好ましい。発振光の出射側の DBR領域の長さが短ければ、光の透過率が向上する力らである。前述のように、反射率と DBR領域の実効長との間には相関があるため、前側の DBR領域 24の長さを実効長の増減に寄与する臨界長さ以下（図 13において、実効長の増減に寄与する領域 6 la 61b)の範囲で増減させれば、波長可変制御時の発振閾値電流の増加率 Δ Ι thを自在に変更でき、連続波長シフト範囲を拡大することができる。

[0043] 図 3は、本発明の実施の形態に係る DBR型波長可変光源の波長シフト時におけるスペクトルを説明する図である。本発明を用いた場合には、図 3Aから図 3Cに示すように DBR制御電流を増加させていくことによって、波長シフトを行っても、ブラッグ波長 (ストップバンド)と発振波長が等、量だけ短波長側へシフトして!/、る。すなわち、ストップバンドに対して発振波長が相対的に移動することがない。この場合、図 4で示すように完全にモード跳びが発生しなヽ（モードホップフリー）の連続波長シフトが実現できる。

[0044] したがって、従来の連続波長可変幅を拡大したレーザ (活性領域の短!ヽ DBR型波長可変光源）と比べて活性領域光導波路 22をより長くしても、モード跳びが起こらず、同等、もしくはそれ以上の連続波長シフト幅が得られる。また、前側の DBR領域 24 の長さの短縮に伴って透過率が向上し、高出力化が得られる。

図 5は、発振波長シフト量とブラッグ波長シフト量の比と、前側の DBR領域の長さとの関係を示す特性図である。活性領域光導波路 22の長さをパラメータとして、 30 m 、 54. 5 /ζ πι、 100 /z mと変化させている。活性領域光導波路 22の両端に接する絶縁領域 25a、 25bをそれぞれ 10 m、後側の DBR領域 29の長さを 400 mとし、回折格子結合定数 κを 100cm ¹とした。図 5横軸の前側 DBR領域 24の長さについては、 30、 50、 80、 100 m力ら 400 mまで変ィ匕させている。また、この実験に用いた DBR型波長可変光源の DBR領域は、導波路損失が下記の式 (4)で表されるものを用いた。

[0045] [数 4]

ΓΔα = 5.27 Δλ_Β„_Ε5, +5.54 (cm"¹ ) (4)

[0046] この式 (4)において、左辺は導波路の光閉じ込め効率を考慮した伝播光に対する導波路損失で、右辺 Δ λ はブラッグ波長シフト量を示す。

Bragg

図 5より、前側 DBR領域 24の長さを短縮するにつれて、式（3)で示した条件に近づき、下記に説明するように連続波長シフト幅を広帯域ィ匕することがわかる。すなわち、活性領域光導波路 22の長さを 30 mとしたときは、前側 DBR領域 24の長さが 200 m以上の範囲において、式 (3)の条件が成立する理想的な波長可変特性を示した。しかし、活性領域光導波路 22の長さを短縮し過ぎたため発振利得が不足し、発振波長を 4nmシフトさせると発振が停止してしまう。

また、活性領域光導波路 22の長さを 100 mとしたときは、発振の停止は起こらないものの、発振波長シフト量とブラッグ波長シフト量の比の値が 0. 6-0. 7の範囲となり、理想的な条件 (比が 1)にすることができない。さらに、 3nmの波長シフトを行ったところで、モード i»びが生じてしまう。

一方、活性領域光導波路 22の長さを 54. 5 mとしたときは、広い波長帯域で連続波長シフトが可能である。そこで、活性領域光導波路 22の長さを 54. 5 mとした場合において、連続波長シフト帯域が広くかつ比較的高出力が得られた素子 (前側 D BR領域 24の長さが 80 /z mの場合）の特性について、以下の実施例に基づいて、更に詳細に説明する。このとき、発振波長シフト量とブラッグ波長シフト量の比は、 0. 9 である。

実施例 1

[0047] 図 1は、本発明の実施例 1に係る DBR型波長可変光源の構成を示す図である。本実施例 1においては、基板 21として InPを用い、発振波長 1. 55 mの光源を作製した場合について説明する。図 1Aは、光導波路を含む基板 21に垂直な面における断面図である。また、図 1Bは、図 1Aの断面表示 IB— IBを含む基板 21に平行な面における断面図（上面図）である。

[0048] バンドギャップ波長 1. の InGaAsPの活性領域光導波路 22の両端 (前後）に、バンドギャップ波長 1. 3 1!1の11^&八3?の非活性領域光導波路23&、 23bを形成した。活性領域光導波路 22の長さは 54. とし、その両端に接する絶縁領域 25a, 25bは 10 /ζ πι、前側 DBR領域 24および後側 DBR領域 29は、それぞれ長さを 80 /z mと 400 mとし、回折格子結合定数 κは 100cm ¹とした。図 15より、回折格子結合定数 κは 100cm ¹のときの、実効長飽和値は、 49. 9 mである。一方、前側 D BR領域 24の長さ 80 μ m時の DBR実効長は、図 14に示した関係から 37 μ mとなる。したがって、このとき、前側 DBR領域 24の実効長は、実効長飽和値の約 75%の長さとなつている。

尚、絶縁領域 25a、 25biま、図 1に ίま示されて!/ヽな!ヽカ電極 28a、 28b、 28cに才ーミック接触を取るための上クラッド層の上に形成した InGaAsP層の一部を除去して形成される領域である。電極 28a、 28b、 28cを形成しない部分の InGaAsP層を除去することで、 DBR制御電流 27と活性領域電流 26を分離する絶縁領域が 25a、 25b 形成される。

[0049] 前側 DBR領域 24は、長さを 80 μ mとして発振波長シフト制御時に適切な閾値電流の変動を誘発させるように作製し、測定を行った。導波路幅は全て 1. 5 mとして、単一モード動作の DBR型波長可変光源とした。活性領域光導波路 22の導波路幅は、非活性領域光導波路 23a、 23bよりも広くし、セルフイメージング効果を持たせた擬似シングルモード導波路等によって構成しても良い。

[0050] 活性領域光導波路 22と非活性領域光導波路 23a、 23bはバットジョイント法により光学的に接合し、素子構造は、通常の DBR型波長可変光源と同様に埋め込み構造とした。素子構造については、埋め込み構造に限らず、リッジ構造で作製しても同様の効果が得られる。また、両 DBR領域の端面には、それぞれ反射防止膜 20a、 20b を施してある。

[0051] 活性領域光導波路 22と非活性領域光導波路 23a、 23bとはバンドギャップ波長の異なる半導体結晶で構成されてヽる。活性領域光導波路 22は電流注入や光励起等による発光機能を有する。前側 DBR領域 24および後側 DBR領域 29は、 DBR制御電流 27の注入による屈折率変化に伴う波長可変機能を有している。

[0052] 図 6は、本発明の実施例 1に係る DBR型波長可変光源の波長可変特性を示す特性図である。発振波長のシフト量の実験値およびブラッグ波長のシフト量の実験値を示す。同時に、上記のブラッグ波長のシフト量の実験値を式（1)に代入して得られる、発振波長シフト量の計算値も示している。発振波長シフト量とブラッグ波長シフト量の比は 0. 9で、ほぼ完全なモード跳びのない（モードホップフリーな)連続波長シフトが可能となっている。 DBR制御電流 27を 60mAまで注入することにより、 6nmの連続波長シフト幅を実現している。図 6において、横軸の DBR制御電流 27がー 9mAから始まっているのは、活性領域光導波路 22からのリーク電流のためである。 DBR制御電流 27がー 9mAの状態は、 DBR領域のゼロバイアス（アース状態）に対応している。図 6より、式（1)より予想される連続波長シフト (計算値)と比べて、実験値のほうがより大きい連続波長シフトを生じていることが分力る。

図 7は、本発明の実施例 1に係る DBR型波長可変光源において、発振波長の実験値と式（1)による理論値とのずれ量を説明する特性図である。縦軸には、発振波長の連続波長シフト量の実験値と式（1)を用いた発振波長の連続波長シフト量の理論計算値との差分を示す。横軸には、 DBR制御電流を示している。図 7より、 DBR制御電流 27を増加させて、くにしたがって、従来技術の式（1)力も予測される連続波長シフト量計算値と比較して、約 2nm大き、連続波長シフト量を生じて、ることがわ力る。

[0053] 図 8は、本発明の実施例 1に係る DBR型波長可変光源の I L特性を示す特性図である。本実施例 1の効果を詳しく実証するため、活性領域電流 26に対する光出力依存性 (I L特性)を、 DBR制御電流 27をアース状態カゝら 60mAまで変化させて測定を行った。活性領域電流 26が、発振閾値電流に達するときに、本 DBR型波長可変光源は発振を開始する。図 8に示すように、 DBR制御電流 27を増加させることによつて、発振閾値電流は 7mAから 20mAまで徐々に増加し、 13mAの発振閾値電流の変動が誘発されていることを確認できる。また、発振波長シフト制御時においても、 1 mW以上、最大 4. 7mWの高い光出力が得られている。

図 9は、本発明の実施例 1に係る DBR型波長可変光源において、発振閾値電流の変動によりもたらされる発振波長シフト量と、図 7で示した発振波長シフト量との比較を示す特性図である。上述の、発振閾値電流の変動による発振波長シフト量 (DBR 制御電流 27をアースした時の閾値電流値は、 DBR領域 27へのリーク電流を考慮してある）のプロットと、図 7に示したプロットを同一グラフ上に描いている。これより、両者は良好な一致を示した。

[0054] 以上詳細に説明してきたように、本実施例 1の DBR型波長可変光源は、従来技術の DBR型波長可変光源と比較して、より広い帯域に渡って、連続波長シフトが可能であることがわかる。従来技術における、モードホップフリーな連続波長シフト量 (幅）の理論値を式 (2)によって計算すると、 4nm (DBR領域の屈折率変化に由来する発振波長変幅）となる。この理論値と比べた場合においても、実施例 1の DBR型波長可変光源における連続波長シフト量の実験値は約 2nm大きぐより広い連続波長シフト帯域を得ている。さらに、同時に、十分に高い光出力を得ることができた。

実施例 2

[0055] 実施例 2においては、実施例 1の DBR型波長可変光源における後側非活性領域光導波路 23bをなくして、高反射膜を配置した形態の DBR型波長可変光源を作製した。

[0056] 図 2は、実施例 2にかかる DBR型波長可変光源の構造を示す図である。図 2Aは、光導波路を含み基板 31に垂直な面における断面図を示している。図 2Bは、図 2Aの断面表示 ΠΒ— IIBを含み基板 31に平行な面における断面図（上面図）を示している。図 2Aに示すように、活性領域光導波路 32と非活性領域光導波路 33を有しており、非活性領域光導波路 33内に DBR領域 34が形成されている点は、実施例 1と同じ構成である。本実施例 2においては、実施例 1における長い DBR領域を持つ後側非活性領域導波路を配置せずに、反射率 90%の高反射膜 39に置き換えている点に特徴がある。非活性領域光導波路 33の端面には、反射防止膜 30が配置されている。活性領域光導波路 32および非活性領域光導波路 33の上方および側面には、上クラッド層 9が形成されている。上クラッド層 9の上には、電極 38a、 38bが形成され、それぞれの電極から、 DBR制御電流 37および活性領域電流 36が注入される。活性領域光導波路 32の長さは 40 mとし、その他の構成および素子パラメータは実施例 1と同じにして作製した。

[0057] 実施例 2の DBR型波長可変光源により、実施例 1と同様に、 6nmの連続波長シフト幅と、 lmW以上の高い出力を得た。

実施例 3

[0058] 図 10は、実施例 3にかかる DBR型波長可変光源の構造を示す図である。図 10A は、光導波路を含み基板 41に垂直な面における断面図を示している。図 10Bは、図 10Aの断面表示 XB— XBを含み基板 41に平行な面における断面図（上面図）を示している。

本実施例 3の DBR型波長可変光源は、実施例 1と同様に、基板 41上に、活性領域光導波路 42と、この活性領域光導波路 42の両側にある非活性領域光導波路 43a、 43bが設けられている。非活性領域光導波路 43a、 43bには、それぞれ、 DBR領域 4 4a、 44bが形成されている。活性領域光導波路 42および非活性光導波路 43a、 43b の上方および側面には、上クラッド層 9が形成されている。さら〖こ、上クラッド層 9の上には、 DBR制御電流 47を注入する電極 48a、 48bと、活性領域電流 46を注入する電極 48cが形成されている。電極 48a、 48bと電極 48cは、高抵抗の領域である絶縁領域 25a、 25bによって、電気的に絶縁されている。非活性領域導波路 43aの端面には、反射防止膜 40が配置され、一方、非活性領域光導波路 43bの端面には高反射膜 49が配置されている。

実施例 3においては、両方の非活性領域光導波路 43a、 43bにおいて、それぞれの DBR領域の長さを、実効長飽和値よりも短、実効長に相当するような長さにして!/ヽる点に特徴がある。すなわち、実施例 1においては、一方の非活性領域光導波路において、 DBR領域の長さは、実効長飽和値の 95%以上の長さの実効長に相当する長さであり、他方の非活性領域光導波路は、これより短い長さであった。これに対して本実施例 3においては、両方の非活性領域光導波路 43a、 43bにおいて、両方の DBR 領域の長さを、実効長飽和値よりも短い実効長に相当する長さとなるようにしている点に特徴がある。そして、一方の非活性光導波路 43bの端面には、高反射膜 49を配置し、他方の非活性領域光導波路 43aの端面には、反射防止膜 40を配置する構成となっている。この反射防止膜 40のある端面から、発振光を出力する。高反射膜 49 のある側の非活性領域光導波路 43bにお、ては、 DBR実効長が実効値飽和長より短いため、反射率は十分ではない。しかし、高反射膜 49を配置することにより、十分な反射率を得ることができる。

本実施例 3の DBR型波長可変光源にぉ、ては、高反射側の DBR領域の長さを 80 /z m、として、両方の DBR領域の長さ、すなわち両方の非活性領域光導波路 43a、 4 3bの長さが等しい構成となっている。しかし、両方の非活性領域光導波路の長さが同一である場合に限定されないのは言うまでもない。（本実施例 3は、偶然に、前後の DBR領域の長さが等しい)。その他の素子パラメータは、実施例 1の場合と同じであるこの実施例 3の構造により、 DBR型波長可変光源の素子全体の小型化が可能である。この実施例 3の DBR型波長可変光源により、実施例 1と同様に 6nmの連続波長シフト幅と、 lmW以上の高い光出力を得た。

実施例 4

図 11は、本発明の実施例 4にかかる集積ィ匕した DBR型波長可変光源アレイの構成を示す上面図である。本 DBR型波長可変光源アレイは、複数の上述した本発明に力力る DBR型波長可変光源 50a、 50b、 50c、 50d、 50e、 50fを一つの基板上に構成している。複数の DBR型波長可変光源は DBR-LDアレイ部 51を構成する。それぞれの DBR型波長可変光源 50a、 50b、 50c、 50d、 50e、 50fの出力は、光合成器 55によって合成されて、 1ポート化する光合波部 52を構成する。さらに、光合成部 52 の出力は、合成光出力レベルの調整を行う光増幅器部 53に接続される。各 DBR型波長可変光源 50a、 50b、 50c、 50d、 50e、 50fの DBR領域上には、 DBR制御電流を注入する電極 57a、 57b、 57c、 57d、 57e、 57fが配置され、活性領域上には、活 '14領域電流を注人する電極 56a、 56b, 56c, 56d、 56e、 56f力 ^酉己置されて!ヽる。尚、本 DBR型波長可変光源アレイは、左右対称の構成となっている力これに限定されるものではない。

各 DBR型波長可変光源 50a、 50b、 50c、 50d、 50e、 50fの各回折格子のピッチはそれぞれ異なっており、波長可変が可能な光の波長帯域は異なっている。すなわち、DBR領域の回折格子ピッチが異なる 6個の光源力ゝらの出力を光合成器 55によって合成し、 1ポート出力化することで、全体でより広い帯域で波長可変が可能な広帯域波長可変 DBR— LDアレイを作成した。本実施例 4においては、光合波部 52は、 S字状にカーブした光導波路と多モード干渉型カプラ (Multi-mode interference coupler: MMI力ブラ)により構成した。力ブラ部分は光が 1ポートに集約できるものであれば、 MMI力ブラに限らない。出力端 58には光出力の調整用に光増幅器部 53を備えている。光増幅器の出力端 58の端面と DBR—LDアレイ 51の端面には反射防止膜を施した。

集積された各々のレーザは 6nmの連続波長可変が可能で、全体で計 36nm(6個 X 6nm= 36nm: 1530-1566nm)の連続波長可変幅が実現できた、また、同時に 10m W以上の光出力が実現できた。本実施例 4における、各 DBR型波長可変光源 50a、 50b、 50c、 50d、 50e、 50fは、実施例 1の DBR型波長可変光源に限られず、実施例 2、実施例 3の形態を使用することも可能である。

Claims

請求の範囲

[1] 基板上に、クラッド層で囲まれた光導波路を備える DBR型波長可変光源において

DBR制御電流により発振波長を可変制御が可能であって、実効長飽和値の 95% 以上の実効長に相当する長さの区間に回折格子を有する第 1の DBR領域を含む第 1の非活性領域光導波路と、

前記 DBR制御電流により発振波長を可変制御が可能であって、前記第 1の DBR 領域より短い長さの区間に回折格子を有する第 2の DBR領域を含む第 2の非活性領域光導波路と、

前記第 1の非活性領域光導波路および前記第 2の非活性領域光導波路が両端に光学的に接続され、前記 DBR制御電流とは独立に活性領域電流により発光状態を制御される活性領域光導波路と、

を備えることを特徴とする DBR型波長可変光源。

[2] 前記第 1の非活性領域光導波路は、前記第 1の DBR領域と前記活性領域光導波路との間に、第 1の絶縁領域を含み、前記第 2の非活性領域光導波路は、前記第 2 の DBR領域と前記活性領域光導波路との間に、第 2の絶縁領域を含むことを特徴とする請求項 1に記載の DBR型波長可変光源。

[3] 前記第 2の DBR領域の実効長は、実効長飽和値の 75%以下となるようにしたことを特徴とする請求項 1および請求項 2に記載の DBR型波長可変光源。

[4] 前記第 1の非活性領域光導波路の前記活性領域光導波路と反対側の端面、および前記第 2の非活性領域光導波路の前記活性領域光導波路と反対側の端面に、それぞれ反射防止膜を設けたことを特徴とする請求項 1乃至請求項 3のいずれかに記載の DBR型波長可変光源。

[5] 基板上に、クラッド層で囲まれた光導波路を備える DBR型波長可変光源において、

DBR制御電流により発振波長を可変制御が可能であって、実効長飽和値の 75% 以下の実効長に相当する長さの区間に回折格子を有する第 1の DBR領域を含む第 1の非活性領域光導波路と、

前記 DBR制御電流により発振波長を制御が可能であって、実効長飽和値の 75% 以下の実効長に相当する長さの区間に回折格子を有する第 2の DBR領域を含む第 2の非活性領域光導波路と、

前記第 1の非活性領域光導波路の前記活性領域光導波路とは反対側の端面に配置された高反射膜と、

前記第 2の非活性領域光導波路の前記活性領域光導波路とは反対側の端面に配置された反射防止膜と、

を備えることを特徴とする DBR型波長可変光源。

[6] 前記第 1の非活性領域光導波路は、前記第 1の DBR領域と前記活性領域光導波路との間に第 1の絶縁領域を含み、前記第 2の非活性領域光導波路は、前記第 2の DBR領域と前記活性領域光導波路との間に第 2の絶縁領域を含むことを特徴とする請求項 5に記載の DBR型波長可変光源。

[7] 基板上に、クラッド層で囲まれた光導波路を備える DBR型波長可変光源において、

DBR制御電流により発振波長を可変制御が可能であって、実効長飽和値の 75% 以下の実効長に相当する長さの区間に回折格子を有する DBR領域を含む非活性領域光導波路と、

前記非活性領域光導波路に光学的に接続され、前記 DBR制御電流とは独立に活性領域電流により発光状態を制御される活性領域光導波路と、

前記非活性領域光導波路の前記活性領域光導波路とは反対側の端面に配置された反射防止膜と、

前記活性領域光導波路の前記非活性領域光導波路とは反対側の端面に配置された高反射膜と、

を備えることを特徴とする DBR型波長可変光源。

[8] 前記非活性領域光導波路は、前記 DBR領域と前記活性領域光導波路との間に絶縁領域を含むことを特徴とする請求項 7に記載の DBR型波長可変光源。

[9] 前記活性領域光導波路の長さが 30 μ m以上 100 μ m以下であることを特徴とする請求項 1乃至請求項 8のいずれかに記載の DBR型波長可変光源。

[10] 請求項 1乃至請求項 9のいずれかに記載される複数の DBR型波長可変光源であつて、前記複数の DBR型波長可変光源の各々の回折格子の周期が異なることと、前記複数の複数の DBR型波長可変光源からの各々の出力光を 1ポートにまとめて合成光を出力させるための光結合器と、

前記合成光の出力を調整する光半導体増幅器と、

を備えることを特徴とする集積ィ匕 DBR型波長可変光源。

[11] 発振波長シフト量とブラッグ波長シフト量の比が 0. 9以上 1. 1以下であることを特徴とする請求項 1乃至請求項 10のいずれかに記載の DBR型波長可変光源。