WO2022137330A1 - 波長可変レーザ - Google Patents

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Abstract

本発明の波長可変レーザ（１０）は、周回構造を有する周回型導波路（１０３）と、周回型導波路（１０３）と一の領域で結合する第１の結合導波路（１０２）と、周回型導波路（１０３）と他の領域で結合する第２の結合導波路（１０４）とを備え、 第１の結合導波路（１０２）の、光の導波方向に、第１の反射領域（１０１）が接続され、第２の結合導波路（１０４）の、光の導波方向に、順に、活性領域（１０５）と、第２の反射領域（１０６）とが接続され、周回型導波路（１０３）の少なくとも一部の屈折率が変調される。　これにより、本発明は、低消費電力で動作する波長可変レーザを提供できる。

Description

波長可変レーザ
　本発明は、マイクロリング共振器と分布ブラッグ反射器とを備える波長可変レーザに関する。
　波長可変レーザダイオード（Ｔｕｎａｂｌｅ　Ｌａｓｅｒ　Ｄｉｏｄｅ；ＴＬＤ）、すなわち、発振波長を外部からの制御信号によってチューニング可能なレーザダイオードは、波長分割多重（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ　Ｄｉｖｉｓｉｏｎ　Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ；ＷＤＭ）方式の情報伝送において欠かせないコンポーネントである。一般にＴＬＤは活性領域への電流注入用の端子の他に、発振波長制御用の端子を有し、加熱やキャリア注入などによる導波路の屈折率変化を利用することで発振波長の制御を可能としている。
　ＴＬＤの構成として最も基本的なものは、活性領域、および屈折率変調用の電極を有した分布ブラッグ反射器（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　Ｂｒａｇｇ　Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ；ＤＢＲ）から構成される２電極ＤＢＲ－ＴＬＤと呼ばれるものである。また、これに加えて位相調整用の電極も具備した３電極ＤＢＲ－ＴＬＤも広く知られている。これらＤＢＲ－ＴＬＤでは、キャリア注入や抵抗加熱などによってＤＢＲ領域の屈折率を変調し、ＤＢＲのブラッグ波長を変化させてストップバンド位置を掃引する。これによって閾値利得が最小となる縦モード、すなわち発振モードがストップバンドに引き摺られる形で掃引されていき、発振波長のチューナビリティが得られる。
　他のタイプのＴＬＤとしては、（１）わずかに共振器の縦モード間隔（Ｆｒｅｅ　Ｓｐｅｃｔｒａｌ　Ｒａｎｇｅ；ＦＳＲ）の異なる２つのフィルタを組み合わせ、それらの間のバーニャ効果を利用することで非常に広い範囲での発振波長変化を可能にしたもの（非特許文献１）、（２）発振波長の異なる分布帰還型（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　Ｆｅｅｄｂａｃｋ；ＤＦＢ）ＬＤをアレイ化し、その上で動作温度を調整することで各ＬＤの発振波長を微調整して広帯域のカバーを可能にしたもの（非特許文献２）、（３）ＤＦＢ－ＬＤにおいて、活性領域と屈折率制御領域とを交互に並べることで位相条件を自動的に満たしてモードホップフリーなチューニングを可能としたもの（非特許文献３）などが挙げられる。
　ＤＢＲ－ＴＬＤと比較すると、上記（１）は、波長可変域では優れているものの、２つのフィルタおよび位相の複雑な調整が必要であり、制御容易性の観点でＤＢＲ－ＴＬＤが優れる。上記（２）では、ＬＤそれ自体は発振波長制御用の端子を有さず、活性領域ごとＬＤを加熱する必要があるため、活性領域と熱源との分離という点でＤＢＲ－ＴＬＤが優れる。上記（３）は、位相調整不要でモードホップフリーという特長が際立つが、緻密な共振器設計および活性領域と屈折率制御領域と交互に配置される複雑な構造の作製が必要であり、実現容易性という点でＤＢＲ－ＴＬＤが優れる。
T. Segawa, S. Matsuo, T. Kakitsuka, T. Sato, Y. Kondo, and R. Takahashi,"Semiconductor Double-Ring-Resonator-Coupled Tunable Laser for Wavelength Routing" , in IEEE Journal of Quantum Electronics, vol. 45, no. 7, pp. 892-899, 2009. H. Ishii, K. Kasaya, and H. Oohashi, "Spectral Linewidth Reduction in Widely Wavelength Tunable DFB Laser Array", in IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, vol. 15, no. 3, pp. 514-520, 2009. N. Nunoya, H. Ishii, Y. Kawaguchi, R. Iga, T. Sato, N. Fujiwara, and H. Oohashi, "Tunable Distributed Amplification (TDA-) DFB Laser with Asymmetric Structure", IEEE J. Sel. Top.in Quantum Electron., Vol.17, No.6, pp.1505-1512, 2011. N. Fujiwara, T. Kakitsuka, M. Ishikawa, F. Kano, H. Okamoto, Y. Kawaguchi, Y. Kondo, Y. Yoshikuni, and Y. Tohmori, "Inherently mode-hop-free distributed Bragg reflector (DBR) laser array" , in IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, vol. 9, no. 5, pp. 1132-1137, 2003. H. Arimoto, T. Kitatani, T. Tsuchiya, K. Shinoda, A. Takei, H. Uchiyama, M. Aoki, and S. Tsuji., "Wavelength-Tunable Short-Cavity DBR Laser Array With Active Distributed Bragg Reflector", in Journal of Lightwave Technology, vol. 24, no. 11, pp. 4366-4371, 2006.
　一般にＤＢＲ－ＬＤは、シングルモード性を得るために、ＤＢＲのストップバンド幅が共振器の縦モード間隔（Ｆｒｅｅ　Ｓｐｅｃｔｒａｌ　Ｒａｎｇｅ；ＦＳＲ）程度以下である、という条件を満たす必要がある。この条件を満たさない場合、ＤＢＲのストップバンド内に複数の縦モードが位置し、それらが同程度の閾値利得を有することになるため、マルチモード発振や頻繁なモードホップなどの問題が生じてしまう。ＤＢＲにおいてストップバンド幅を狭く保ちながら十分な反射率を確保するには、結合定数κ（ブラッグ反射を起こすための周期的な屈折率変調の強さを表す定数）を小さくした上で、ＤＢＲ全体の長さＬＤＢＲ（以下、ＤＢＲ長と呼ぶ）を長く設定する必要がある。
　ここで、ＤＢＲ－ＴＬＤでは、ＤＢＲ領域全体の屈折率を一様に変調する必要があり、その領域全体へのキャリア注入や抵抗加熱が行われる。このことは、ＤＢＲ長に比例して、屈折率変調に要される電力が増大していくことを意味しており、その消費電力は低電力性が要求される短距離通信用途などで大きな問題となり得る。
　具体例として、非特許文献４では、活性領域長を５０μｍ、フロントＤＢＲ長を２００μｍ、リアＤＢＲ長を４５０μｍとしており、４．５ｎｍの波長シフトを得るために合計１００ｍＡの電流をＤＢＲ領域に注入している。また、非特許文献５では、活性領域長を３５μｍ、フロントＤＢＲ長を２００μｍ、リアＤＢＲ長を３００μｍとしており、４．８ｎｍの波長シフトを得るために合計１５０ｍＡの電流をＤＢＲ領域に注入している。これらの電流量は、数十μｍ　長の活性領域に要される注入電流量に比して大きな値であり、ＴＬＤ総消費電力の大部分を占めて低電力化のボトルネックとなる。
　上述したような課題を解決するために、本発明に係る波長可変レーザは、周回構造を有する周回型導波路と、前記周回型導波路と一の領域で結合する第１の結合導波路と、前記周回型導波路と他の領域で結合する第２の結合導波路とを備え、前記第１の結合導波路の、光の導波方向に、第１の反射領域が接続され、前記第２の結合導波路の、光の導波方向に、順に、活性領域と、第２の反射領域とが接続され、前記周回型導波路の少なくとも一部の屈折率が変調されることを特徴とする。
　また、本発明に係る波長可変レーザは、周回型導波路と、Ｙ分岐される結合導波路と、前記Ｙ分岐される結合導波路の基端に、光の導波方向に、順に、活性領域と、反射領域を備え、前記Ｙ分岐導波路の分岐される一方の第１の結合導波路が、前記周回型導波路と一の領域で結合し、前記Ｙ分岐導波路の分岐される他方の第２の結合導波路が、前記周回型導波路と他の領域で結合し、前記周回型導波路の少なくとも一部の屈折率が変調されることを特徴とする。
　本発明によれば、低消費電力で動作する波長可変レーザを提供できる。
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る波長可変レーザの構成を示す概要図である。 図２は、本発明の第１の実施の形態の変形例に係る波長可変レーザの構成を示す概要図である。 図３は、本発明の第１の実施の形態の変形例に係る波長可変レーザの構成を示す概要図である。 図４Ａは、本発明の第１の実施の形態に係る波長可変レーザにおける素子特性を示す図である。 図４Ｂは、本発明の第１の実施の形態に係る波長可変レーザにおける素子特性を示す図である。 図４Ｃは、本発明の第１の実施の形態に係る波長可変レーザにおける素子特性を示す図である。 図４Ｄは、本発明の第１の実施の形態に係る波長可変レーザにおける素子特性を示す図である。 図５Ａは、本発明の第１の実施の形態の変形例に係る波長可変レーザにおける素子特性を示す図である。 図５Ｂは、本発明の第１の実施の形態の変形例に係る波長可変レーザにおける素子特性を示す図である。 図５Ｃは、本発明の第１の実施の形態の変形例に係る波長可変レーザにおける素子特性を示す図である。 図６Ａは、本発明の第１の実施の形態に係る波長可変レーザの特性を示す図である。 図６Ｂは、本発明の第１の実施の形態に係る波長可変レーザの特性を示す図である。 図７Ａは、本発明の第１の実施の形態の変形例に係る波長可変レーザの特性を示す図である。 図７Ｂは、本発明の第１の実施の形態の変形例に係る波長可変レーザの特性を示す図である。 図８は、本発明の第２の実施の形態に係る波長可変レーザの構成を示す概要図である。 図９は、本発明の第２の実施の形態の変形例に係る波長可変レーザの構成を示す概要図である。 図１０Ａは、本発明の第２の実施の形態に係る波長可変レーザの特性を示す図である。 図１０Ｂは、本発明の第２の実施の形態に係る波長可変レーザの特性を示す図である。 図１１Ａは、本発明の第２の実施の形態の変形例に係る波長可変レーザの特性を示す図である。 図１１Ｂは、本発明の第２の実施の形態の変形例に係る波長可変レーザの特性を示す図である。 図１２は、本発明の第３の実施の形態に係る波長可変レーザの構成を示す概要図である。 図１３Ａは、本発明の第３の実施の形態に係る波長可変レーザの動作を説明するための図である。 図１３Ｂは、本発明の第３の実施の形態に係る波長可変レーザの動作を説明するための図である。 図１４Ａは、本発明の第３の実施の形態に係る波長可変レーザの動作を説明するための図である。 図１４Ｂは、本発明の第３の実施の形態に係る波長可変レーザの動作を説明するための図である。 図１５は、本発明の第４の実施の形態に係る波長可変レーザの構成を示す概要図である。 図１６Ａは、本発明の第４の実施の形態に係る波長可変レーザの動作を説明するための図である。 図１６Ｂは、本発明の第４の実施の形態に係る波長可変レーザの動作を説明するための図である。 図１７Ａは、本発明の第４の実施の形態に係る波長可変レーザの特性を示す図である。 図１７Ｂは、本発明の第４の実施の形態に係る波長可変レーザの特性を示す図である。 図１８は、本発明の第５の実施の形態に係る波長可変レーザの構成を示す概要図である。 図１９は、本発明の第５の実施の形態に係る波長可変レーザの動作を説明するための図である。 図２０は、本発明の第５の実施の形態に係る波長可変レーザの構成を示す概要図である。
＜第１の実施の形態＞
　本発明の第１の実施の形態について図１～図７Ｂを参照して説明する。
＜波長可変レーザの構成＞
　本実施の形態に係る波長可変レーザ１０は、図１に示すように、マイクロリング共振器（Ｍｉｃｒｏ　Ｒｉｎｇ　Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ、以下「ＭＲＲ」という。）とＤＢＲと活性領域とを備える。以下、この波長可変レーザを「ＭＲＲ－ＤＢＲ－ＴＬＤ」ともいう。
　ここで、ＭＲＲは、上面形状が正円である場合に限らず、楕円や多角形状などの導波光が周回する形状の導波路であればよく、以下、「周回型導波路」ともいう。
　波長可変レーザ１０は、ＭＲＲと、ＭＲＲと方向性結合する２本の導波路（以下、「結合導波路」という。）からなるＭＲＲフィルタを有し、そのフィルタと接続された活性領域が２つのＤＢＲによって囲まれた共振器構造を有する。詳細には、波長可変レーザ１０は、順に、第１のＤＢＲ（第１の反射領域）１０１と、第１の結合導波路１０２と、ＭＲＲ（周回型導波路）１０３と、第２の結合導波路１０４と、活性領域１０５と、第２のＤＢＲ（第２の反射領域）１０６とを備える。
　ここで、第１の結合導波路１０２と第２の結合導波路１０４は、それぞれＭＲＲ１０３と結合する。本実施の形態ではそれぞれの導波路１０２、１０４は、ＭＲＲ１０３において対向する領域で結合するが、これに限らず、ＭＲＲ１０３において異なる領域で結合すればよい。
　また、ＭＲＲ１０３と第１または第２の結合導波路１０２、１０４との間との隙間（間隔）は、１００～２００ｎｍ程度であり、ＭＲＲ１０３と結合導波路１０２、１０４との間で光結合できる間隔であればよい。ここで、ＭＲＲ１０３と第１の結合導波路１０２とのパワー結合定数はＫ１、であり、ＭＲＲ１０３と第２の結合導波路１０４とのパワー結合定数はＫ２　である。また、ＭＲＲ１０３と第１または第２の導波路１０２、１０４とは接触していても、波長可変レーザは動作できる。
　また、第１の結合導波路１０２の、光の導波方向に、第１の反射領域１０１が接続され、第２の結合導波路１０４の、光の導波方向に、順に、活性領域１０５と、第２の反射領域１０６とが接続される。
　波長可変レーザ１０において、第１のＤＢＲ１０１の長さはＬＤＢＲ、１であり、第２のＤＢＲ１０６の長さはＬＤＢＲ、２であり、活性領域１０５の長さはＬａである。また、ＭＲＲ１０３の半径はｒである。
　また、第１の結合導波路１０２において、第１のＤＢＲ１０１との境界からＭＲＲ１０３との結合部までの長さ、すなわち、第１の結合導波路１０２において、光が導波する領域の長さがＬｐ、１である。
　また、第２の結合導波路１０４において、活性領域１０５との境界からＭＲＲ１０３との結合部までの長さ、すなわち、第２の結合導波路１０４において、光が導波する領域の長さがＬｐ、２である。
　また、第２のＤＢＲの幅は１．５μｍ、活性領域の幅は８００ｎｍである。また、第２の結合導波路１０４の幅は、活性領域との接続部からＭＲＲ１０３と結合するまで領域で、１．５μｍから５００ｎｍに変化し、導波光がシングルモードでＭＲＲ１０３に結合するように設定される。また、第１のＤＢＲと第１の結合導波路１０２とＭＲＲ１０３との導波路の幅は５００ｎｍ程度であり、導波光がシングルモードで導波できるように設定される。
　波長可変レーザ１０の層構造は、活性領域以外の部分（第１のＤＢＲと、第１の結合導波路１０２と、ＭＲＲ１０３と、第２の結合導波路１０４と、第２のＤＢＲ）では、Ｓｉ基板上のＳｉＯ２上に導波路層としてＩｎＰ層が形成される。または、順にＳｉＯ２、ＩｎＰ（導波路）、ＳｉＯ２が積層されてよい。また、導波路層は、長波長帯（１．３μｍ、１．５５μｍなど）の光を導波できる化合物半導体やＳｉなどの材料で構成されればよい。
　図１における縦横の格子状パターンで示される領域は、抵抗加熱やキャリア注入などによって屈折率が変調される領域を示す。このように、本実施の形態に係る波長可変レーザにおける共振器構造では、ＭＲＲ１０３の屈折率を変調することにより、発振波長のチューナビリティを発現させ、レーザ発振における波長可変を実現する。
　本実施の形態に係る波長可変レーザ１０では、共振器構造を一般化するために２つのＤＢＲの双方から光が出力される例を示したが、一方のＤＢＲ長を十分に長く、他方のＤＢＲ長を適当に短く設計することで、前者をリアＤＢＲ、後者をフロントＤＢＲとして、フロント側のみから光を出力させることも可能である。
＜第１の実施の形態の変形例＞
　第１の実施の形態の変形例に係る波長可変レーザ２０は、図２に示すように、波長可変レーザ１０と同様に、ＭＲＲ２０３とＤＢＲ（反射領域）２０６と活性領域２０５を備えるが、ＭＲＲ２０３と方向性結合する対称なＹ分岐導波路２０２を有する。Ｙ分岐導波路２０２は、基端部から第１の導波路と第２の導波路に分岐する。それぞれの導波路が、ＭＲＲ２０３において対向する領域で結合する。ここで、それぞれの導波路は、ＭＲＲ２０３において異なる領域で結合すればよい。
　また、Ｙ分岐導波路２０２の基端の、光の導波方向に、順に、活性領域２０５と、反射領域２０６とが接続される。ここで、第１のＤＢＲ２０６の長さはＬＤＢＲ、１であり、Ｙ分岐導波路２０２それぞれの導波路において、活性領域２０５との境界からＭＲＲ２０３との結合部までの長さがＬｐである。
　その結果、Ｙ分岐導波路２０２の一方からＭＲＲ２０３に入射した進行波がＹ分岐導波路２０２の他方からの後退波として反射してくるため、ＭＲＲ自体が反射鏡（反射領域）として振る舞う。
　このＭＲＲミラーおよびＤＢＲによって活性領域を囲むことで共振器を形成している。ＤＢＲの透過率およびＭＲＲの透過率を適当に設計することで、ＤＢＲ側とＭＲＲ側のうち任意の方向へと光を出力させることができる。
　本変形例に係る波長可変レーザ２０では、第１の実施の形態に係る波長可変レーザ１０と同様に、ＭＲＲ２０３の屈折率を変調することにより、発振波長のチューナビリティを発現させる。
　また、図３に示す波長可変レーザ２０＿２のように、波長可変レーザ１０におけるリア側のＤＢＲ（第１のＤＢＲ）をループミラー２０１で置き換え、ＤＢＲによる反射波長選択をフロント側（第２のＤＢＲ）でのみ行ってもよい。
　このように、本実施の形態では、ＤＢＲ以外にもＭＲＲやループミラーを反射領域として用いることができる。
　本実施の形態および変形例では、ＭＲＲ（周回型導波路）の全域で屈折率を変調する構成の一例を示したが、ＭＲＲ（周回型導波路）の一部で屈折率を変調してもよい。ここで、屈折率を変調する領域が大きいほど波長可変域が大きくなるので、波長可変域の拡大の観点からは、ＭＲＲ（周回型導波路）の全域で屈折率を変調する方が望ましい。
＜波長可変レーザの動作＞
　以下、本実施の形態に係る波長可変レーザの動作について、波長可変レーザ１０、２０を例として説明する。
　波長可変レーザ１０、２０には、ＳｉＯ２などの低屈折率な酸化膜上にＩｎＰ系薄膜が形成されたメンブレン構造を用いる。ここで、ＩｎＰ系薄膜は、ＩｎＰ薄膜やＩｎＰ基板上に結晶成長されるＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＡｌＡｓ等の結晶からなる薄層を含む。
　メンブレン構造では、順に、ＳｉＯ２などの低屈折率材料、ＩｎＰ系薄膜、低屈折率材料を備え、ＩｎＰ系薄膜の厚さは２５０ｎｍ～３５０ｎｍ程度である。ＩｎＰ系薄膜における強い光閉じ込めが得られる。ここで、ＩｎＰ系薄膜の上方の低屈折率材料には空気も含む。
　とくに、活性領域には、ＳｉＯ２などの低屈折率な酸化膜上にＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰやＩｎＰ／ＩｎＧａＡｌＡｓなど層構造から構成されるＩｎＰ系薄膜が形成されたメンブレン構造を用いる（S. Matsuo, T. Fujii, K. Hasebe, K. Takeda, T. Sato, and T. Kakitsuka, "Directly modulated buried heterostructure DFB laser on SiO2/Si substrate fabricated by regrowth of InP using bonded active layer," Opt. Express 22, 12139-12147 (2014).）。
　また、メンブレン構造を有する活性層領域では、電流は横方向に注入される（図中、電流注入用の電極は図示せず。）。ここで、活性層領域でも電流が、横方向に限らず縦方向（基板に対して垂直方向）に注入される構成でもよい。
　また、活性層への電流注入構造は、埋め込み再成長技術によりＩｎＧａＡｓＰ系やＩｎＧａＡｌＡｓ系の活性層をＩｎＰ薄膜中に形成し、ドーパント注入によりｐ型ＩｎＰ、活性層、ｎ型ＩｎＰを形成することにより実現できる。この電流注入構造では活性層がコアとして機能する。
　一方、結合導波路やＤＢＲ、ＭＲＲなどのパッシブな素子は、反応性イオンエッチングなどを用いてＩｎＰ薄膜を適当な幅（細線構造）の導波路形状に加工することで実現できる。ＤＢＲは回折格子が表面に形成されてもよく、導波路の側壁に形成されてもよい。または、反射領域として、ＤＢＲに置き換えて、導波路内にフォトニック結晶を形成してもよい。
　これらの活性領域およびパッシブ素子（領域）はともに、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＡｌＡｓなどＩｎＰ系材料からなるため、テーパ構造などを用いず直接的に接続することが可能であり、全体としてコンパクトなアクティブ光デバイスを実現できる。
　ＭＲＲの屈折率変調は、メンブレン構造の場合、ＳｉＯ２などのオーバークラッド上での抵抗加熱を配置することで容易に実現可能である。
　本実施の形態および変形例に係る波長可変レーザを、ＤＢＲの屈折率変調を行わずに動作させる場合、ＤＢＲの結合定数κは、そのストップバンド幅ＢＤＢＲが、概ね式（１）を満足する値とする。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　ここで、ｍａｘ｛ΔλＭＲＲ｝はＭＲＲの共振波長の最大可変幅、ＦＳＲＭＲＲはＭＲＲの共振ピークの間隔（Ｆｒｅｅ　Ｓｐｅｃｔｒａｌ　Ｒａｎｇｅ；ＦＳＲ）である。
　この関係が成り立つとき、ＤＢＲのストップバンド内にＭＲＲの共振ピークが一つのみ存在すること、かつ、ＭＲＲの共振波長の可変範囲全域に渡ってそのピークがＤＢＲのストップバンドから外れることがないことというＴＬＤ特性にとって良好な条件が満たされる。
　一例として、ｍａｘ｛ΔλＭＲＲ｝～１０ｎｍ、ＭＲＲ半径ｒ～４μｍ程度の場合、上記の条件を満たすκは概ね５００ｃｍ－１～１０００ｃｍ－１程度となる。
　メンブレン構造では、光閉じ込めが強いため、ＭＲＲの曲げ半径を数μｍにまで低減しても曲げ損失が低く保たれ、このような微小なＭＲＲを形成しても良好な特性が得られる。
　また、メンブレン構造では、埋め込み活性領域とパッシブ導波路領域とをコンパクトに一体化でき、共振器を短尺化できる。
　また、ＤＢＲの形成においては、ＩｎＰ導波路の表面をエッチングするなどして表面回折格子を形成すると、その強い光閉じ込めに起因して強い屈折率変調が起こり、数百ｃｍ－１～１０００ｃｍ－１程度の大きな結合定数が容易に得られる（E. Kanno, K. Takeda, T. Fujii, K. Hasebe, H. Nishi, T. Yamamoto, T. Kakitsuka, and S. Matsuo, "Twin-mirror membrane distributed-reflector lasers using 20-μm-long active region on Si substrates," Opt. Express 26, 1268-1277 (2018).）。
　一方、ＭＲＲのみならずＤＢＲも屈折率変調し、前者の共振波長と後者のブラッグ波長とが常に一致するように動作させることも可能である。この場合、ＭＲＲの共振ピークは常にＤＢＲのストップバンドの中心に位置するため、ＤＢＲのストップバンド内にＭＲＲの共振ピークが一つのみ存在するには、式（１’）を満足すればよい。ここで、ＤＢＲの屈折率を変調するために、ＤＢＲ領域の表面に電極を設けて電流を注入する。または、ヒータ、ペルチェ素子等の温度調整機構を設けて、温度を変化させてもよい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　これによって、式（１）のケースと比較して、ＤＢＲのストップバンド幅の上限、もしくは、ＭＲＲのＦＳＲの下限が拡張される。
＜波長可変レーザの特性＞
　本実施の形態および変形例に係る波長可変レーザ１０、２０の特性を、図４Ａ～図５Ｃを参照して説明する。
　波長可変レーザ１０、２０の特性の計算において、導波路の等価屈折率ｎｅｑおよびその波長分散ｄｎｅｑ／ｄλは、メンブレンデバイスの典型的な値を用いた。以下、λは、本発明に係る波長可変レーザの発振波長である。
　初めに、図４Ａ～図５Ｃそれぞれに示すＤＢＲの振幅反射率ｒＤＢＲ、ＭＲＲのフィルタ特性を示す振幅透過率ｔｄｒｏｐ、光が共振器を一周するときの振幅利得係数ｔｒｏｕｎｄを説明する。
　波長可変レーザ１０、２０の共振器特性として、ＤＢＲの振幅反射率ｒＤＢＲは、式（２）によって求まる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　ここで、Δβ＝（２πｎｅｑ（λ））／λ－ａ／π（ａ　はブラッグ回折格子のピッチ）、　γ＝√（κ２－（Δβ）２）　である。
　また、ＭＲＲにおける入力ポートからドロップポートへの振幅透過率（すなわち、ＭＲＲのフィルタ特性）ｔｄｒｏｐは、式（３）によって求まる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　ここで、Ｋ１、Ｋ２はＭＲＲと導波路とのパワー結合定数であり、０から１までの実数値を取り得る。βｒｉｎｇ＝（２πｎｅｑ、ｒｉｎｇ（λ））／λ、Ｌｒｉｎｇ＝２πｒは、各々ＭＲＲの伝搬定数、周長である。また、αは、ＭＲＲの導波損失を表す定数である。
　波長可変レーザ１０の共振器構造では、これらの素子（波長可変レーザの構成要素）特性ｒＤＢＲ１、ｒＤＢＲ２、ｔｄｒｏｐおよび導波路領域での伝搬を表す振幅係数ｅ－ｊ（βａＬａ＋βｐ、１Ｌｐ、１＋βｐ、２Ｌｐ、２）を用いることで、光が共振器を一周（ｒｏｕｎｄ－ｔｒｉｐ）した際の振幅利得係数ｔｒｏｕｎｄが、式（４）に示すように求まる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
 　同様に、波長可変レーザ２０の共振器構造では、式（５）に示すように求まる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
　ここで、Ｃは、Ｙ分岐部分におけるパワー損失を表す係数である。光が共振器を一周するとき、波長可変レーザ１０の共振器構造では光がＭＲＲフィルタを二度通過するのに対して、波長可変レーザ１０の共振器構造ではＭＲＲフィルタの通過は一度のみであり、この差異がｔｄｒｏｐの指数に表れている。
　ここで、共振器のパッシブな特性を議論するために活性領域は透明条件とし、βａは実数とした。
　表１、２それぞれに、波長可変レーザ１０、２０の共振器特性の計算に用いたデバイスパラメータを示す。なお、本発明の実施の形態に係る波長可変レーザの特性の計算において、ＭＲＲの特性を決定する４つのパラメータｒ、α、　Ｋ１、Ｋ２に、表１に記載された値を用いた。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000007
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000008
　図４Ａ～Ｄに、それぞれ波長可変レーザ１０のｒＤＢＲ１、ｒＤＢＲ２、ｔｄｒｏｐ、ｔｒｏｕｎｄを示す。また、図５Ａ～Ｃは、同様に、波長可変レーザ２０のｒＤＢＲ、ｔｄｒｏｐ、ｔｒｏｕｎｄを示す。
　図４Ａ、Ｂ、図５Ａでは、ＭＲＲのＦＳＲに比べてＤＢＲのストップバンド幅がわずかに狭くなっており、式（１）の関係が満たされている。ここで、波長可変レーザ１０、２０の構造によってＭＲＲの屈折率変調を変調した際、その共振波長のシフト量は式（６）で与えられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
　Δｎｅｑ、ｒｉｎｇ、ｎｇ、ｒｉｎｇは、ＭＲＲを成す導波路の等価屈折率の変化量および群屈折率である。抵抗加熱での昇温による屈折率変化を用いる場合、ＩｎＰ導波路では単位昇温あたりの等価屈折率変化量は、Δｎｅｑ／ΔＴ～２×１０－４Ｋ－１程度であるため、例えば導波路の温度を１００Ｋ上昇させた場合には、Δｎｅｑ～０．０２程度の等価屈折率変化が得られる。
　本実施の形態における計算例では、ｎｇ、ｒｉｎｇ＝３．６６、λ＝１５５０ｎｍを用いた場合、１００Ｋ昇温時のＭＲＲの共振波長シフト量は、ΔλＭＲＲ～８．５ｎｍと概算される。波長可変レーザ１０、２０では、１０００ｃｍ－１、８００ｃｍ－１という大きな結合定数によって、この波長可変幅を実現するために十分なストップバンド幅が得られており、式（１）の関係が満たされている。
　図４Ｄ、図５Ｃでは、光が共振器を一周するときの振幅利得係数がプロットされている。光の共振条件は、ａｒｇ［ｔｒｏｕｎｄ］＝０で与えられるため、振幅利得係数の位相（偏角）を表す破線がゼロとなる波長が、共振器全体の縦モードの共振波長となる。この共振条件を満たす点は複数存在するが、それらのうち閾値利得が最小となるモードが発振する。
　このとき、ＤＢＲストップバンド内での位相の波長特性に着目すると、ＭＲＲの共振ピーク周辺で位相が急激に回転（変化）していることがわかる。これは、ＭＲＲの有効長がその共振波長において特異的に長くなること、すなわち、共振波長では光がＭＲＲ内を何度も周回することに起因する。その結果、上記の共振条件を満たす点がＭＲＲの共振ピーク周辺に必ず一つ現れることになる。
　このことは、ＭＲＲの屈折率変調によってそのＭＲＲの共振ピーク波長を掃引すると、縦モードの共振波長がＭＲＲの共振ピーク波長を追従して自動的に掃引されるので、縦モードの位相調整を行うことなく発振波長のチューナビリティが得られることを意味する。
　また、共振条件を満たす点同士の波長間隔、すなわち縦モードのＦＳＲがＭＲＲの共振ピーク線幅に比べて十分に広く、鋭いパスバンドを有するフィルタであるＭＲＲを用いることで、良好なシングルモード性が得られる。
　次に、波長可変レーザ１０、２０の特性について、図６Ａ～図７Ｂを参照して説明する。
　活性領域長Ｌａとして、Ｌａ＝２０μｍ、５０μｍ、８０μｍについて計算した。活性領域長以外のパラメータには、表１、２に記載の値を用いた。ここでは、ＴＬＤの発振閾値性の指標として、式（７）に示す性能指標ＱｃａｖΓｚを用いる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
　ここで、添え字ｉは共振器を構成する各パートを表し、Σは全パートについての総和を取ることを意味する。Ｌｅｆｆ、ｉはパートｉの有効長である。また、Ｑｃａｖは共振器のＱ値、Γｚは光軸方向の活性領域の光閉じ込め係数である。
　図６Ａに示すレーザ発振波長については、共振条件を満たす複数の波長の中で、最も低い閾値利得である波長、すなわち式（７）によりＱｃａｖΓｚが最大となるものを計算した。また、図６Ｂに示すＱｃａｖΓｚについては、式（７）により計算した。
　波長可変レーザにおいて、ｚ方向は光軸方向（導波光の進行方向）、ｙ方向は基板に対して垂直方向、ｘ方向は、ｚ方向とｙ方向に垂直な方向である。
　ＬＤの閾値利得は、Ｑ値と光閉じ込め係数の積に反比例するため、この指標によって共振器特性に由来する発振閾値性を議論できる。メンブレン構造では、上述のように導波路断面（ｘ－ｙ平面）での光閉じ込めが強く、Γｘｙが大きい。例えば、ＱｃａｖΓｚが１、０００程度以上であることを低閾値発振する目安としてもよい。
　発振波長のチューナビリティについて、図６Ａにおいて、Ｌａ＝２０μｍでは６．４ｎｍにも及ぶホップフリー可変幅が得られている。Ｌａ＝２０μｍから活性領域長を増加させると、縦モードＦＳＲの短縮に伴いホップフリー可変幅が狭くなるが、Ｌａ＝８０μｍにおいてもｎｍオーダー（２．１ｎｍ）の十分広いホップフリー可変幅が得られている。
　この良好なホップフリー特性は、共振器全体の短尺化が可能であり、縦モードＦＳＲを広く保つことができるというメンブレン構造の特長を活かすことで実現可能となったものである。
　ＱｃａｖΓｚのチューニング特性について、図６Ｂでは、ＱｃａｖΓｚはホップフリー可変域の中心付近で極大値を示し、モードホップが起こる波長で極小値を示す。これは、縦モードの共振波長とＭＲＲの共振波長との離調が、縦モードＦＳＲに対応した周期で変化することに起因する。
　また、式（７）より、ＱｃａｖΓｚの値が活性領域長にほぼ比例するので、発振閾値性の観点では活性領域が長いほうが有利である。
　一方、波長可変レーザ２０では、図７Ａ、Ｂに示すように、定性的には波長可変レーザ１０と同様の傾向を示すが、ホップフリー可変幅は、波長可変レーザ１０のそれよりも狭く、波長可変レーザ２０自らのモードホップ幅よりも狭くなっている。
　これは、波長可変レーザ１０の構造では光がＭＲＲフィルタを往復するためＭＲＲによる急激な位相回転が２πであるのに対し、波長可変レーザ２０の構造ではＭＲＲを一度通過するのみであるため位相回転がπに留まり、波長可変レーザ１０の構造に比較して共振波長の追従性が劣るためである。
＜効果＞
　本実施の形態および変形例に係る波長可変レーザによれば、半径が数μｍ程度の非常にコンパクトなＭＲＲのみの屈折率変調により、位相調整を行うことなく、ｎｍオーダーのホップフリー可変幅を有する発振波長チューナビリティが得られる。
　さらに、上述の発振波長チューナビリティにより、屈折率変調に要される消費電力をＤＢＲ－ＴＬＤよりも低く抑え、総消費電力の低いＴＬＤを実現できる。
　また、一般に煩雑な制御が要される位相調整の手間を省き、活性領域用電極と波長制御用電極との２電極構成による制御容易なホップフリーチューニングを実現できる。
＜第２の実施の形態＞
　本発明の第２の実施の形態に係る波長可変レーザを図８～図１１を参照して説明する。本実施の形態に係る波長可変レーザは、第１の実施の形態に係る波長可変レーザと比較して、モードホップフリー可変幅をさらに拡大できる。
＜波長可変レーザの構成＞
　本実施の形態に係る波長可変レーザ３０は、図８に示すように、第１の実施の形態に係る波長可変レーザ１０の構成において、結合導波路に、屈折率変調機構を有する領域（以下、「変調領域」という。）を備える。
　第１の変調領域３０７は、第１の結合導波路３０２において、第１のＤＢＲ３０１との境界からＭＲＲ３０３との結合部までの間に配置され、その長さはＬｐ、１である。すなわち、第１の変調領域３０７は、第１の結合導波路３０２において、光が導波する領域に配置される。
　また、第２の変調領域３０８は、第２の結合導波路３０４において、活性領域３０５との境界からＭＲＲ３０３との結合部までの間に配置され、その長さはＬｐ、２である。すなわち、第２の変調領域３０８は、第２の結合導波路３０４において、光が導波する領域に配置される。
　このように、第１の変調領域３０７、第２の変調領域３０８はＭＲＲ３０３と結合する。
　また、本実施の形態の変形例として、波長可変レーザ４０は、図９に示すように、第１の実施の形態の変形例に係る波長可変レーザ２０において、さらにＹ分岐変調領域を備える。
　Ｙ分岐変調領域４０７は、Ｙ分岐導波路４０２において、活性領域４０５との境界から、それぞれの導波路のＭＲＲ４０３との結合部までの間に配置され、その長さはそれぞれＬｐである。すなわち、Ｙ分岐変調領域４０７は、Ｙ分岐導波路４０２において、光が導波する領域に配置される。
　波長可変レーザ３０において、第１の変調領域３０７と第２の変調領域３０８用の電極は、ＭＲＲ用の電極と短絡させ、同一の電極、略同一の制御信号により屈折率を変調する。
　また、波長可変レーザ４０において、Ｙ分岐変調領域４０７用の電極は、ＭＲＲ用の電極と短絡させ、同一の電極、略同一の制御信号により屈折率を変調する。
　本実施の形態および変形例では、ＭＲＲ（周回型導波路）の全域で屈折率を変調する構成の一例を示したが、ＭＲＲ（周回型導波路）の一部で屈折率を変調してもよい。ここで、屈折率を変調する領域が大きいほど波長可変域が大きくなるので、波長可変域の拡大の観点からは、ＭＲＲ（周回型導波路）の全域で屈折率を変調する方が望ましい。
　また、それぞれの変調領域３０７、３０８、４０７は、それぞれＭＲＲと結合する導波路（結合導波路またはＹ分岐導波路）において、光が導波する全領域に配置される例を示したが、それぞれＭＲＲと結合する導波路において、光が導波する領域の一部で屈折率を変調してもよい。ここで、屈折率を変調する領域が大きいほど波長可変域が大きくなるので、波長可変域の拡大の観点からは、光が導波する全領域で屈折率を変調する方が望ましい。
　また、本実施の形態および変形例では、それぞれの変調領域とＭＲＲには同一の電極を設けなくても、それぞれの電極を電気配線等により電気的に接続して、略同一の制御信号により屈折率を変調されてもよい。
　または、それぞれの電極が電気的に接続されていなくとも、略同一の制御信号により屈折率を変調されてもよい。ここで、略同一の制御信号は、電流量変化と時間変化とが略同一でもよく、少なくても時間変化が略同一であればよい。
　ここで、屈折率は、注入電流による制御信号だけでなく、温度等による制御信号により変調されてもよい。
　このように、変調領域とＭＲＲそれぞれの屈折率は略同時に変調されればよい。
　以下、「略同一」、「略同時」とは、完全同一を含み、本実施の形態に係る波長可変レーザを動作できる程度の若干の差異がある場合も含む。
＜波長可変レーザの動作＞
　以下、波長可変レーザ３０、４０の動作を説明する。波長可変レーザ３０における共振器全体の縦モードの共振波長シフト量は、式（８）で与えられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
　同様に、波長可変レーザ４０では、式（９）で与えられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000012
　したがって、ＭＲＲと併せてパッシブ導波路部分も屈折率変調することで、縦モードの共振波長がＭＲＲのそれと同じく長波長側へとシフトして、ＭＲＲの共振ピーク波長に対する縦モードの共振波長の追従性が向上する。
＜波長可変レーザの特性＞
　図１０Ａ、Ｂそれぞれに、波長可変レーザ３０の特性として、発振波長とＱｃａｖΓｚを示す。また、図１１Ａ、Ｂそれぞれに、波長可変レーザ４０の特性として、発振波長とＱｃａｖΓｚを示す。パッシブ導波路の屈折率変調の有無以外は、第１の実施の形態および変形例と同一条件である。
　波長可変レーザ３０、４０のモードホップ幅は、波長可変レーザ１０、２０の場合（図６Ａ～図７Ｂ）と同程度である。一方、ホップフリー可変幅は、波長可変レーザ１０、２０（図６Ａ～図７Ｂ）と比較して大幅に拡大している。このように、ＭＲＲとともにパッシブ導波路を屈折率変調することにより、ホップフリー可変幅が拡大する。
＜効果＞
　以上のように、ＭＲＲ用と同一電極、同一制御信号にて、活性領域とＭＲＲの間のパッシブ導波路領域も併せて屈折率変調することにより、モードホップフリー可変幅が拡大し、カバーできる波長域が向上する。
　また、同一電極、同一制御信号を用いるため、２電極構成として動作させることができ、容易に制御できる。
＜第３の実施の形態＞
　本発明の第３の実施の形態に係る波長可変レーザを、図１２～図１４Ｂを参照して説明する。本実施の形態に係る波長可変レーザ５０は、第１の実施の形態に係る波長可変レーザ１０と比較して、さらに縦モードの位相調整領域を備える。縦モードの位相はホップフリー可変域およびモードホップ域の絶対位置を決定するので、その絶対波長の制御性が要求される場合に、波長可変レーザ５０は有効である。
＜波長可変レーザの構成＞
　波長可変レーザ５０において、図１２Ａに示すように、第１の位相調整領域５０９は、第１の結合導波路５０２において、第１のＤＢＲ５０１との境界からＭＲＲ５０３との結合部までの間に配置され、その長さはＬΦ、１である。すなわち、第１の位相調整領域５０９は、第１の結合導波路５０２において、光が導波する領域に配置される。
　また、第２の位相調整領域５１０は、第２の結合導波路５０４において、活性領域５０５との境界からＭＲＲ５０３との結合部までの間に配置され、その長さはＬΦ、２である。すなわち、第２の位相調整領域５１０は、第２の結合導波路５０４において、光が導波する領域に配置される。
　このように、第１の位相調整領域５０９、第２の位相調整領域５１０はＭＲＲ５０３と結合する。
　波長可変レーザ５０において、第１の位相調整領域５０９と第２の位相調整領域５１０は、ＭＲＲ５０３と独立に屈折率変調する。そのために、第１の位相調整領域５０９、第２の位相調整領域５１０、ＭＲＲ５０３には別個に電極を設け、異なる制御信号でそれぞれの屈折率を変調する。ここで、異なる制御信号として、少なくとも時間変化が異なる信号を用いればよい。
　このように、波長可変レーザ５０は、活性領域５０５とＭＲＲ５０３と位相調整領域５０９、５１０とに電極を設ける３電極構成の構造を備える。
　ここで、第１の位相調整領域５０９と第２の位相調整領域５１０とは、電気的に接続して、略同一の制御信号で屈折率が変調される。この場合、第１の位相調整領域５０９と第２の位相調整領域５１０との屈折率は、略同時に変調される。または、第１の位相調整領域５０９と第２の位相調整領域５１０とは、電気的に接続せずに、異なる制御信号で屈折率が変調されてもよい。ここで、第１の位相調整領域５０９と第２の位相調整領域５１０とが電気的に接続される構成の方が、波長可変レーザ５０の動作において容易に制御できる。
　ここで、屈折率は、注入電流による制御信号だけでなく、温度等を制御信号に用いて変調されてもよい。
　本実施の形態および変形例では、ＭＲＲ（周回型導波路）の全域で屈折率を変調する構成の一例を示したが、ＭＲＲ（周回型導波路）の一部で屈折率を変調してもよい。ここで、屈折率を変調する領域が大きいほど波長可変域が大きくなるので、波長可変域の拡大の観点からは、ＭＲＲ（周回型導波路）の全域で屈折率を変調する方が望ましい。
　また、第１の位相調整領域５０９、第２の位相調整領域５１０は、それぞれ第１の結合導波路５０２、第２の結合導波路５０４において、光が導波する全領域に配置される例を示したが、それぞれ第１の結合導波路５０２、第２の結合導波路５０４において、光が導波する領域の一部で屈折率を変調してもよい。ここで、屈折率を変調する領域が大きいほど波長可変域が大きくなるので、波長可変域の拡大の観点からは、光が導波する全領域で屈折率を変調する方が望ましい。
＜波長可変レーザの動作＞
　波長可変レーザ５０の動作について説明する。図１３Ａ～図１４Ｂに、波長可変レーザ５０の特性を示す。この特性は、表３に記載のデバイスパラメータを用いて計算された。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000013
　波長可変レーザ５０は、発振波長の制御について２つの方法により動作する。
　初めに、第１の制御方法を、図１３Ａ、Ｂを参照して説明する。第１の制御方法では、縦モードの共振波長とＭＲＲの共振波長とが常に一致するように、位相調整用の屈折率変調量Δｎｅｑ、ｐｈａｓｅとＭＲＲ用の屈折率変調量Δｎｅｑ、ｒｉｎｇとを一定の比率で同時に掃引する。
　図１３Ａに、波長可変レーザ５０の特性における発振波長を、Δｎｅｑ、ｐｈａｓｅとΔｎｅｑ、ｒｉｎｇの２変数関数として表す。発振波長が１５５８ｎｍに近い領域が白く示され、１５４４ｎｍに近い領域が黒く示される。図中の点線矢印で示すように、ＦＳＲごと周期的に、発振波長を一定に維持して、位相調整用の屈折率変調量Δｎｅｑ、ｐｈａｓｅとＭＲＲ用の屈折率変調量Δｎｅｑ、ｒｉｎｇとを増加させて波長掃引できる。
　図１３Ｂに、波長可変レーザ６０の特性におけるＱｃａｖΓｚを、Δｎｅｑ、ｐｈａｓｅとΔｎｅｑ、ｒｉｎｇの２変数関数として表す。ＱｃａｖΓｚが極大値に近い領域が白く示され、極小値に近い領域が黒く示される。図中の点線矢印で示すように、ＦＳＲごと周期的に、ＱｃａｖΓｚが常に極大値を維持しながら発振波長が掃引されている。
　第１の制御方法では、一周期の変調につき縦モードの１ＦＳＲ当たりの可変域をカバーする必要があり、式（１０）を満たす必要がある。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000014
　ここで、ＬΦ＝ＬΦ、１＋ＬΦ、２である。例えば、ｍａｘ｛Δｎｅｑ、ｐｈａｓｅ｝＝０．０２（およそ、＋１００Ｋの昇温に相当）の場合、必要な位相調整長はＬΦ～４０μｍとなる。
　なお、縦モードの１ＦＳＲ当たりの可変域を経るごとに、位相調整量をリセットして、隣接する次の縦モードに移る必要があるが、本発明の実施の形態では上述のように共振器全体の短尺化が可能なメンブレン構造を採用しているため、ＦＳＲがｎｍオーダーの大きな値を有し、リセットの頻度を少なく抑えることができる。
　次に、第２の制御方法を、図１４Ａ、Ｂを参照して説明する。第２の制御方法では、Δｎｅｑ、ｒｉｎｇのみを掃引した際に生じてしまうモードホップ域を埋めるために、縦モードの位相調整量を０とする場合（Δｎｅｑ、ｐｈａｓｅ＝０）と、πとする場合［Δｎｅｑ、ｐｈａｓｅ＝λ／（４ＬΦ）、図１４中のΔｎｅｑ、ｐｈａｓｅ＝０．０１］との２値で切り替え動作する。
　図１４Ａ、Ｂに、図１３Ａ、Ｂと同様に、波長可変レーザ６０の特性における発振波長とＱｃａｖΓｚを、Δｎｅｑ、ｐｈａｓｅとΔｎｅｑ、ｒｉｎｇの２変数関数として表す。図１４Ａの図中の点線矢印で示すように、ＦＳＲごと周期的に、位相調整量を０とする場合（Δｎｅｑ、ｐｈａｓｅ＝０）と、πとする場合（Δｎｅｑ、ｐｈａｓｅ＝０．０１）との２値で切り替えながら、Δｎｅｑ、ｒｉｎｇのみを変化させて、波長掃引できる。
　ここで、図１４Ｂにおいて、図中の点線矢印で示すように波長を掃引する時には、ＱｃａｖΓｚの値は変動する。その反面、Δｎｅｑ、ｐｈａｓｅとΔｎｅｑ、ｒｉｎｇとの同時制御は不要である。
　また、必要な位相調整量の条件は、式（１１）で示すように緩和される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000015
　第２の制御方法において、ＭＲＲの共振波長の可変域全域を隙間なくカバーするには、ホップフリー可変域がモードホップ域よりも広い、という条件を満たす必要がある。
　本実施の形態では、波長可変レーザ１０を基本構造として位相調整を行う例を示したが、波長可変レーザ２０、２０＿２、３０、４０の構造においても、同様にパッシブ導波路部分を屈折率変調することで位相を調整できる。
＜効果＞
　以上のように、本実施の形態に係る波長可変レーザによれば、位相を２π回転（変化）させることにより、縦モードの共振波長とＭＲＲの共振波長とを常に一致させることができる。この制御方法により、メンブレン構造の共振器全体が短尺であるため、縦モードのＦＳＲが大きく、位相２π回転一周期あたりの発振波長変化幅が大きくできる。その結果、位相をリセットする頻度を低減でき、３電極構成を比較的容易に制御できる。
　また、位相を回転させない状態とπだけ回転させる状態との２値での切り替え動作も可能である。この制御方法により、位相の最大回転量がπで動作できるので、位相を２π回転させる場合と比較して、位相調整に要される消費電力を低く抑えることができる。
＜第４の実施の形態＞
　本発明の第４の実施の形態に係る波長可変レーザを図１５～図１７Ｂを参照して説明する。
　上述の通り、第３の実施の形態に係る波長可変レーザ５０において、縦モードの共振波長とＭＲＲの共振波長とを常に一致させ続けるには、Δｎｅｑ、ｐｈａｓｅとΔｎｅｑ、ｒｉｎｇとを同時に制御する必要がある。また、位相調整量リセットも頻度は少ないが必要である。このように、波長可変レーザ５０の制御は煩雑になる。
　本実施の形態に係る波長可変レーザ６０は、発振動作の安定性と制御の容易性とのトレードオフを解消できる。
＜波長可変レーザの構成＞
　本実施の形態に係る波長可変レーザ６０は、第１の実施の形態に係る波長可変レーザ１０と比較して、さらに変調領域と縦モードの位相調整領域を備える。
　波長可変レーザ６０において、図１５に示すように、位相調整領域６０９と第１の変調領域６０７とが、第１の結合導波路６０２に配置される。ここで、第１の変調領域６０７は、位相調整領域６０９との境界からＭＲＲ６０３との結合部までの間に配置される。すなわち、第１の変調領域６０７は、第１の結合導波路６０２において、光が導波する領域に配置される。位相調整領域６０９と第１の変調領域６０７それぞれの長さはＬΦ、１、Ｌｐ、１である。
　また、第２の変調領域６０８が、第２の結合導波路６０４において、活性領域６０５との境界からＭＲＲ６０３との結合部までの間に配置され、その長さはＬｐ、２である。すなわち、第２の変調領域６０８は、第２の結合導波路６０４において、光が導波する領域に配置される。
　このように、第１の変調領域６０７、第２の変調領域６０８は、ＭＲＲ６０３と結合する。
　また、ＭＲＲ６０３のうち長さＬｒｉｎｇ、Ａの部分６０３ａと、第１の変調領域６０７と、第２の変調領域６０８とに同一の電極を設けて、略同一の制御信号により屈折率を変調する。これにより、ＭＲＲ６０３のうち長さＬｒｉｎｇ、Ａの部分６０３ａのみを選択的に屈折率変調し、略同時に、第１の変調領域６０７と第２の変調領域６０８も併せて屈折率変調する。
　また、位相調整領域６０９に、上述の電極（ＭＭＲ６０３ａと第１の変調領域６０７と第２の変調領域６０８）と別個の電極を設けて、位相調整領域６０９を独立に屈折率変調して位相を調整する。
　本実施の形態では、ＭＲＲ（周回型導波路）において屈折率を変調する部分が、第１および第２の結合導波路との結合部分を含む構成の一例を示したが、ＭＲＲ（周回型導波路）の屈折率を変調する部分は結合導波路との結合部分を含まなくてもよい。ここで、ＭＲＲの屈折率変調部が、結合導波路との結合部分を含む構成の方が、後述するように、容易にＭＲＲと結合導波路に同一の電極を配置できる。
　また、第１の変調領域６０７と第２の変調領域６０８は、それぞれ第１の結合導波路６０２、第２の結合導波路６０４において、光が導波する全領域に配置される例を示したが、それぞれ第１の結合導波路６０２、第２の結合導波路６０４において、光が導波する領域の一部で屈折率を変調してもよい。
　本実施の形態では、ＭＲＲ６０３と第１の変調領域６０７と第２の変調領域６０８それぞれにおいて屈折率を変調する領域がΔλＭＲＲ＝Δλｃａｖを満たすように設定されればよい。
　また、本実施の形態では、それぞれの変調領域とＭＲＲの一部に同一の電極を設けなくとも、それぞれの電極を電気配線等により電気的に接続して、略同一の制御信号により屈折率を変調されてもよい。
　または、それぞれの電極が電気的に接続されていなくとも、略同一の制御信号により屈折率を変調されてもよい。ここで、略同一の制御信号は、電流量変化と時間変化とが略同一でもよく、少なくとも時間変化が略同一であればよい。
　ここで、屈折率は、注入電流による制御信号だけでなく、温度等による制御信号により変調されてもよい。
　このように、ＭＲＲ６０３のうち長さＬｒｉｎｇ、Ａの部分６０３ａと、第１の変調領域６０７と、第２の変調領域６０８それぞれの屈折率は略同時に変調されればよい。
　上述の構成において、式（３）で示していたＭＲＲのフィルタ特性は、式（１２）に書き換えられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000016
　ここで、Ｌｒｉｎｇ、Ａ＋Ｌｒｉｎｇ、Ｂ＝Ｌｒｉｎｇである。屈折率変調時に、式（１２）におけるβｒｉｎｇ、Ａのみが変化を受けることになる。
　その結果として、共振波長のシフト量が、式（１３）になり、ＭＲＲ全体を屈折率変調する場合のＬｒｉｎｇ、Ａ／Ｌｒｉｎｇ倍に制限される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000017
　一方で、同じくΔｎｅｑ、ｒｉｎｇを変化させた際の縦モードの共振波長シフト量は、式（１４）で与えられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000018
　したがって、ＭＲＲの屈折率変調領域の割合Ｌｒｉｎｇ、Ａ／Ｌｒｉｎｇを適当に調整することで、両者のシフト量が完全に一致する条件であるΔλＭＲＲ＝Δλｃａｖ、すなわち、式（１５）が成り立つ。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000019
　このとき、位相調整領域の屈折率変調量Δｎｅｑ、ｐｈａｓｅは固定され、ＭＲＲ用の電極のみの掃引時にこの完全一致条件が自動的に満たされることに注意を要する。
＜波長可変レーザの特性＞
　本実施の形態に係る波長可変レーザ６０の特性の一例として、図１６Ａ、Ｂに、発振波長とＱｃａｖΓｚを、Δｎｅｑ、ｐｈａｓｅとΔｎｅｑ、ｒｉｎｇの２変数関数としてプロットしたものを示す。ここで、図中の点線矢印は、波長掃引を示す。また、図１７Ａ、Ｂに、発振波長とＱｃａｖΓｚを、Δｎｅｑ、ｐｈａｓｅ固定下でのΔｎｅｑ、ｒｉｎｇの関数としてプロットしたものを示す。
　表４に、この特性の計算に用いた各種デバイスパラメータを示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000020
　図１６Ａ～図１７Ｂより、波長可変レーザ６０では、Δｎｅｑ、ｐｈａｓｅの値を固定しながらΔｎｅｑ、ｒｉｎｇを掃引することで、ＱｃａｖΓｚの値が大きく変動することなく、発振波長が完全モードホップフリーで変化する。
　そのシフト量は式（１２）で与えられ、ＭＲＲ領域の屈折率変調量に対して線形にシフトしていく。Δｎｅｑ、ｐｈａｓｅは任意の値に設定してもよいが、ＱｃａｖΓｚを最大化して発振閾値を極力低減するために、縦モードの共振波長がＭＲＲの共振波長に一致するように設定するのが望ましい。
　このとき、Δｎｅｑ、ｐｈａｓｅ＝０における縦モードの位相がランダムであるとすると、あらゆるケースにおいてこの一致条件を満たせるようにするには、式（１０）を満たして最大２πの位相調整量を確保する必要がある。したがって、波長可変レーザ６０の動作方式は以下の通りになる。
１．Δｎｅｑ、ｐｈａｓｅ＝Δｎｅｑ、ｒｉｎｇ＝０における縦モードの共振波長とＭＲＲの共振波長との離調を測定し、その離調を補償して両者を一致させるだけの位相調整Δｎｅｑ、ｐｈａｓｅ＝Δｎ＿（ｅｑ、ｐｈａｓｅ、０）を乗じる。
２．位相調整量をΔｎｅｑ、ｐｈａｓｅ＝Δｎｅｑ、ｒｉｎｇ、０に固定した上で、式（１６）に基づいてΔｎｅｑ、ｒｉｎｇの値を設定し、所望の発振波長λｌａｓｉｎｇを得る。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000021
　ここで、λｌａｓｉｎｇ、０は、Δｎｅｑ、ｐｈａｓｅ＝Δｎｅｑ、ｒｉｎｇ、０、Δｎｅｑ、ｒｉｎｇ＝０における発振波長である。式（１４）の完全一致条件が満たされる場合、式（１５）で表されるように、発振波長は完全モードホップフリーで線形にチューニング可能となる。このことは、制御の容易性という観点で望ましい。
　このとき、ＱｃａｖΓｚは、常にＭＲＲの共振ピークに対応した極大値を有し、低発振閾値性、シングルモード性に優れた特性が得られる。
＜効果＞
　本実施の形態に係る波長可変レーザ６０における３電極構成により、以下の効果が得られる。
１．屈折率を変調していない際の縦モードとＭＲＲとの離調を補うだけの位相オフセット調整を一度行えば、それ以降位相調整量はその値で固定してよく、ＭＲＲ用の単一電極の掃引のみによって発振波長のチューナビリティが得られる。これは３電極構成の制御方法としては非常に容易なものである。
２．発振波長は完全モードホップフリーとなり、屈折率変調量に対して線形にチューニングできる。
３．縦モードとＭＲＲとは共振波長が常に一致しており、チューニングレンジ全域に渡って低発振閾値性、シングルモード性に優れた特性が得られる。
＜第５の実施の形態＞
　本発明の第５の実施の形態に係る波長可変レーザを、図１８～図２０を参照して説明する。
　第１～第４の実施の形態では、波長可変レーザ（ＭＲＲ－ＤＢＲ－ＴＬＤ）単体の例を示したが、実際の利用形態においては、発振波長が異なる複数個のＭＲＲ－ＤＢＲ－ＴＬＤをアレイ化することで、ＷＤＭ伝送用の送信機として利用でき、広帯域の波長範囲を連続的にカバーする波長可変光源として利用できる。
　ここで、各ＭＲＲ－ＤＢＲ－ＴＬＤがカバーする波長範囲を系統的に変化させるには、式（１７）に基づいて各々のＭＲＲの半径を設定すればよい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000022
　ここで、λＭＲＲ、ｉはｉ番目のＭＲＲ－ＤＢＲ－ＴＬＤにおけるＭＲＲの共振波長、ｍは所望の共振波長に対応する適当な共振モード次数、ｒｉはｉ番目のＭＲＲ－ＤＢＲ－ＴＬＤにおけるＭＲＲの半径である。
　式（１７）より、例えば等間隔な波長グリッドで各ＭＲＲ－ＤＢＲ－ＴＬＤの発振波長を配置する場合、各々のＭＲＲの半径を等間隔に設定すればよい。
　第１の実施の形態および第２の実施に係る波長可変レーザ（図１、図８）のように、位相調整を伴わないタイプの共振器構造を用いる場合、モードホップ域の存在が問題となる場合が考えられる。すなわち、各波長可変レーザにおける波長域内において、モードホップ域に対応する波長域が局所的なギャップとして存在するので、対象の全波長域を隙間なく連続的にカバーすることが不可能となってしまう場合である。
　本実施の形態に係る波長可変レーザ７０は、上述のモードホップ域に関する課題を解決し、対象の全波長域を隙間なく連続的にカバーできる。
＜波長可変レーザの構成＞
　波長可変レーザ７０は、図１８に示すように、２台のＭＲＲ－ＤＢＲ－ＴＬＤ７１、７２を備える。ＭＲＲ－ＤＢＲ－ＴＬＤ７１、７２は、第１の実施の形態に係る波長可変レーザ１０と略同様の構成を有するが、第１の導波路の長さが異なる。ＭＲＲ－ＤＢＲ－ＴＬＤ７２の第１の導波路の長さが、ＭＲＲ－ＤＢＲ－ＴＬＤ７１の第１の導波路の長さより、δＬｐ＝λｉ／（４ｎｅｑ、ｐ）長い。ＭＲＲ－ＤＢＲ－ＴＬＤ７１、７２における第１の導波路の構造パラメータは全て同一である。
　この長さの差分δＬｐは、縦モードの位相に換算するとπの位相差に相当する。そこで、短いＴＬＤを「ＴＬＤ（λｉ、０）」、長いＴＬＤを「ＴＬＤ（λｉ、π）」とする。
　このとき、両者は縦モードの位相がπだけ異なるため、図１９に示すように、波長特性において、ホップフリー波長域およびモードホップ域が交互に配置される。
　図１９では、λ１からλＮまでのそれぞれ波長域で、ＴＬＤ（λｉ、０）とＴＬＤ（λｉ、π）それぞれホップフリー波長域（図中、両矢印）が交互に示される。
　このように、各々の波長域において縦モード位相がπだけ異なる２つのＴＬＤを具備することにより、位相調整用の電極を用いることなく、λ１からλＮまでの全波長域を隙間なく連続的にカバーすることが可能となる。
　上述の構成では、２台のＭＲＲ－ＤＢＲ－ＴＬＤを用いたが、複数のＭＲＲ－ＤＢＲ－ＴＬＤを用いれば、さらなる広域での波長可変が可能になる。図２０に、複数（Ｎ個）のＭＲＲ－ＤＢＲ－ＴＬＤをＷＤＭのＭＵＸ回路に接続する波長可変レーザの構成例を示す。
　この構成の波長可変レーザによれば、この全波長域内における任意の波長の光を出力することが可能な広帯域連続波長可変光源として動作させることができる。
　本実施の形態では、第１の実施の形態に係る波長可変レーザに基づく構成を各ＭＲＲ－ＤＢＲ－ＴＬＤに用いる例を示したが、他の実施の形態に係る波長可変レーザに基づく構成を各ＭＲＲ－ＤＢＲ－ＴＬＤに用いてもよい。
＜効果＞
　本実施の形態に係る波長可変レーザ７０によれば、以下の効果が得られる。
１．２つのＭＲＲ－ＤＢＲ－ＴＬＤを備えることにより、位相調整を行うことなくモードホップ域をカバーすることができ、制御の容易性と発振波長の連続可変性を両立することができる。
２．複数のＭＲＲ－ＤＢＲ－ＴＬＤを備えるＷＤＭ構成により、例えばＣ帯全域などの非常に広い波長域を連続的にカバーすることができる。このとき、各ＭＲＲ－ＤＢＲ－ＴＬＤにおける位相調整が不要となるので、制御容易性、低消費電力性に優れた広帯域ＷＤＭ光源を実現できる。
　本発明の実施の形態では、ＭＲＲと結合する２本の導波路が平行である例を示したが、これに限らず、ＭＲＲと結合する２本の導波路が平行でなくともよい。
　本発明の実施の形態では、波長可変レーザの構成、製造方法などにおいて、各構成部の構造、寸法、材料等の一例を示したが、これに限らない。波長可変レーザの機能を発揮し効果を奏するものであればよい。
　本発明は、波長分割多重方式の光伝送システムおよびそのシステムに用いる光素子に適用することができる。
１０　波長可変レーザ
１０１　第１の反射領域（第１のＤＢＲ）
１０２　第１の結合導波路
１０３　周回型導波路（ＭＲＲ）
１０４　第２の結合導波路
１０５　活性領域
１０６　第２の反射領域（第２のＤＢＲ）

Claims (8)

  1. 　周回構造を有する周回型導波路と、
    　前記周回型導波路と一の領域で結合する第１の結合導波路と、
    　前記周回型導波路と他の領域で結合する第２の結合導波路とを備え、
    　前記第１の結合導波路の、光の導波方向に、第１の反射領域が接続され、
    　前記第２の結合導波路の、光の導波方向に、順に、活性領域と、第２の反射領域とが接続され、
    　前記周回型導波路の少なくとも一部の屈折率が変調されることを特徴とする波長可変レーザ。
  2. 　周回型導波路と、
    　Ｙ分岐される結合導波路と、
    　前記Ｙ分岐される結合導波路の基端に、光の導波方向に、順に、活性領域と、反射領域を備え、
    　前記Ｙ分岐される結合導波路のうち一方の第１の結合導波路が、前記周回型導波路と一の領域で結合し、
    　前記Ｙ分岐される結合導波路のうち他方の第２の結合導波路が、前記周回型導波路と他の領域で結合し、
    　前記周回型導波路の少なくとも一部の屈折率が変調されることを特徴とする波長可変レーザ。
  3. 　前記第１の結合導波路の光が導波する領域の少なくとも一部であって屈折率と、前記第２の結合導波路の光が導波する領域の少なくとも一部の屈折率とが、前記周回型導波路の少なくとも一部の屈折率と略同時に変調されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の波長可変レーザ。
  4. 　前記第１の結合導波路の光が導波する領域の少なくとも一部の屈折率と、前記第２の結合導波路の光が導波する領域の少なくとも一部の屈折率とが、略同一の信号で変調され、
    　前記周回型導波路の屈折率が、前記略同一の信号とは異なる信号で変調されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の波長可変レーザ。
  5. 　前記周回型導波路の共振波長シフト量のみが、縦モードの位相調整量が０とπとの２値で切り替わるように、変化されることを特徴とする請求項４に記載の波長可変レーザ。
  6. 　前記第１の結合導波路の光が導波する領域の一部の屈折率と、前記第２の結合導波路の光が導波する領域の少なくとも一部の屈折率とが、前記周回型導波路の一部の屈折率と略同一の信号で変調され、
    　前記第１の結合導波路の光が導波する領域の前記一部以外の部分の屈折率が、前記略同一の信号とは異なる信号で変調され、
    　前記周回型導波路の共振波長シフト量と縦モードの共振波長シフト量とが等しいことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の波長可変レーザ。
  7. 　Ｎ台の請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の波長可変レーザを備えることを特徴とする波長可変レーザ。
  8. 　メンブレン構造を有することを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の波長可変レーザ。
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