(57)【要約】  多波長光信号を出力し、第１基板に実装された半導体レーザダイオードと、第２基板に実装され、半導体レーザダイオードと所定の周期を有するブラッグ格子との間で発生する外部共振を利用して多波長光信号のうちの単一波長光信号を出力し、ブラッグ格子の屈折率を変化させて出力される単一波長光信号の波長を可変させる波長可変反射フィルタと、を備えることを特徴とする波長可変外部共振レーザを提供する。波長可変ブラッグ格子反射フィルタと半導体レーザダイオードとは、別々の基板上に実装され、光出力パワーを向上させ、安定的な発振モードが可能となるように、能動整列方法を使用して半導体レーザダイオードと導波路型ブラッグ格子反射フィルタとの間の光結合効率が向上される。
2009529782.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
多波長光信号を出力し、第１基板に実装された半導体レーザダイオードと、
第２基板に実装され、半導体レーザダイオードと所定の周期を有するブラッグ格子との間で発生する共振を利用して前記多波長光信号のうちの単一波長光信号を出力し、前記ブラッグ格子の屈折率を変化させて前記出力される単一波長光信号の波長を可変させる波長可変反射フィルタと、
を備えることを特徴とする波長可変外部共振レーザ。
【請求項２】
前記第１基板は、III−Ｖ族化合物半導体基板であることを特徴とする請求項１に記載の波長可変外部共振レーザ。
【請求項３】
前記第２基板は、シリコン系の基板であり、前記波長可変反射フィルタは、負の熱光学係数値を有するポリマー物質で形成され、導波路構造を有することを特徴とする請求項１に記載の波長可変外部共振レーザ。
【請求項４】
前記半導体レーザダイオードと前記導波路との間に光結合効率を増加させる光結合レンズをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の波長可変外部共振レーザ。
【請求項５】
前記半導体レーザダイオードからの光出力の特性をモニタリングするモニタリング部と、
前記波長可変フィルタの温度を制御する温度制御部と、
をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の波長可変外部共振レーザ。
【請求項６】
前記導波路構造は、埋め込みチャンネル構造、逆埋め込みチャンネル構造、リブ構造、リッジ構造のうちいずれか一つであることを特徴とする請求項３に記載の波長可変外部共振レーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、波長可変外部共振レーザに係り、特に格子のある反射フィルタを外部共振器として利用して出力される光信号の波長を調節するレーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
情報化の進行及びインターネットの普及の増加によって、通信容量は幾何級数的に増加し、それを収容するための大容量の光通信の需要は爆発的に増大しつつある。
【０００３】
光通信容量の増加の方法としては、光信号の速度を速める方法があるが、現在、約１０Ｇｂｐｓ〜４０Ｇｂｐｓの限界に達している。この限界を克服するために、一つの光ファイバに複数個の波長を同時に伝送する波長分割多重（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ：ＷＤＭ）伝送方式が普及している。
【０００４】
ＷＤＭ基盤のＰＯＮ（Ｐａｓｓｉｖｅ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｎｅｔｗｏｒｋ）（以下、ＷＤＭ−ＰＯＮという）は、中央基地局と加入者との間の通信が各加入者に割り当てられた波長を使用して行われる方式である。
【０００５】
加入者別に専用の波長が使われるので、安全性が優れており、大容量の通信サービスが可能であり、加入者別あるいはサービス別に異なる伝送技術（例えば、リンクレート、フレームフォーマットなど）の適用が可能である。
【０００６】
しかし、ＷＤＭ−ＰＯＮは、ＷＤＭ技術を使用して単一光ファイバに複数の波長を使用する技術であるので、一つのＲＮ（Ｒｅｍｏｔｅ  Ｎｏｄｅ）に属する加入者の数ほどの（相異なる）光源を必要とする。
【０００７】
波長別の光源が必要であることは、ユーザー及び事業者に対するＷＤＭ−ＰＯＮ使用のコストを増大させ、ＷＤＭ−ＰＯＮの常用化を阻んでいる。
【０００８】
かかる問題を解決するために、出力光源の波長を選択的に可変できる可変型光源が研究されている。
【０００９】
波長可変外部共振レーザは、半導体レーザダイオードを用いた単純な構成を有し、外部波長可変ブラッグ格子反射フィルタを使用する。
【００１０】
光源のコストを削減するため、通常、導波路プラットホーム上に波長可変ブラッグ格子反射フィルタと半導体レーザダイオードとを共に実装するハイブリッド集積方法が使用される。
【００１１】
ハイブリッド集積方法は、フリップチップボンディング装置の整列エラーにより光結合効率が能動整列方式に比べて低く、また、スポットサイズコンバータが集積された高価なレーザダイオードが必要となる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、波長可変導波路型ブラッグ格子反射フィルタと半導体レーザダイオードとの光結合を、受動整列方式でなく、別個の基板を使用した能動整列方式で光結合させ、安定的な光結合効率及び発振特性を有する波長可変外部共振レーザを提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
前記課題を解決するための本発明による波長可変外部共振レーザの一実施形態は、多波長光信号を出力し、第１基板に実装された半導体レーザダイオードと、第２基板に実装され、所定の周期を有するブラッグ格子の共振を利用して、前記多波長光信号のうちの単一波長光信号を出力し、前記ブラッグ格子の屈折率を変化させて前記出力される単一波長光信号の波長を調整する波長可変反射フィルタと、を備える。
【発明の効果】
【００１４】
上述のように、本発明により、半導体レーザダイオードと導波路とが波長可変外部共振レーザに能動整列されることにより、光結合効率を向上させて高い光出力パワーが得られる。
【００１５】
また、本発明により、受動整列方式に比べて光結合工程の安定性及び再現性が与えられ、製造不良を低減できる。
【００１６】
また、光結合レンズを使用することによって、半導体レーザダイオードのスポットサイズコンバータの遠視野角の許容範囲を増加させて装置のコストを低減できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、添付された図面を参照しつつ、本発明の望ましい実施形態を説明する。
【００１８】
図１Ａ及び図１Ｂは、導波路プラットホーム上に導波路型ブラッグ格子反射フィルタと半導体レーザダイオードとが実装された波長可変外部共振レーザ構造の上面図及び側面図である。
【００１９】
半導体レーザダイオード２００の正面２０１は、ＡＲ（ａｎｔｉ−ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）コーティングされており、背面２０２は、ＨＲ（ｈｉｇｈ−ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）コーティングされている。
【００２０】
ＡＲコーティングされた正面２０１から出力される光を光の波長を調整できる波長可変ブラッグ格子反射フィルタ１０３に光結合させた時、半導体レーザダイオードと格子が彫られた反射フィルタとの間で外部共振が起こる。
【００２１】
共振時の発振波長は、ブラッグ格子１１０の反射帯域により決定される。
【００２２】
また、発振波長の微細調整のために、追加の位相調節用ヒータ１０２を加えることができる。
【００２３】
通常、外部共振レーザでは、波長可変ブラッグ格子反射フィルタ１０３が集積された導波路プラットホーム１００上に半導体レーザダイオード２００が、フリップチップボンディング方法を利用して受動整列及び実装される。
【００２４】
この場合、光結合効率は、半導体レーザダイオード２００の出力光の遠視野角により決定される。
【００２５】
通常、２０°以下の遠視野角を使用して、光結合効率が約４０％まで得られる。
【００２６】
しかし、２０°以下の遠視野角のために、半導体レーザダイオードの正面にはスポットサイズコンバータが集積されねばならないため、装置の価格が高くなり、また、受動整列方法の整列オフセットのバラツキが大きいため、安定的な光結合効率を得ることが難しい。
【００２７】
図２Ａ及び図２Ｂは、導波路型ブラッグ格子反射フィルタ構造の図面及び温度による屈折率変化のグラフである。
【００２８】
波長可変ブラッグ格子反射フィルタ１０３は、コア領域１００に所定周期を有する導波路ブラッグ格子１１０を形成しており、オーバークラッド１０４の上部に薄膜ヒータ１０１を蒸着して熱光学効果を利用する。
【００２９】
格子は、周期的に変化する屈折率を有する紫外線反応性コア物質を使用して、コア領域の一部をウェットあるいはドライエッチングすることで形成され得る。
【００３０】
ここでは、一定間隔で導波路コア領域１００をエッチングすることでブラッグ格子１１０が形成される。
【００３１】
薄膜ヒータ１０１，１０２は、Ｃｒ，Ａｕ，Ｎｉ，Ｎｉ−Ｃｒなどの金属物質を蒸着させて形成される。
【００３２】
薄膜ヒータ１０１，１０２に電流を印加すれば、局部的に温度が上昇し、熱光学効果により屈折率が増加または減少してブラッグ格子の反射帯域が可変される。
【００３３】
通常、温度が上昇すれば、金属酸化物質は屈折率が増加するが、ポリマー物質は屈折率が減少する。
【００３４】
図２Ｂのグラフは、ポリマー物質の温度変化に伴う屈折率変化を示す。
【００３５】
波長λ＝０．６３ｕｍの光信号では、温度が上昇するとポリマー物質の屈折率が減少する。
【００３６】
図３Ａ及び図３Ｂは、本発明の一実施形態による、半導体レーザダイオードと波長可変ブラッグ格子反射フィルタとが結合レンズを用いて光結合される波長可変外部共振レーザの上面図及び側面図である。
【００３７】
本発明の一実施形態によれば、導波路プラットホームは、シリコン基板１０６上に負の熱光学係数値を有するポリマー物質で形成され、波長可変ブラッグ格子１１０と位相調節ヒータ１０２とを含む。
【００３８】
半導体レーザダイオード２００から出力される光信号は、光結合レンズ２０４を通じてブラッグ格子反射フィルタ１０３と能動整列（ａｃｔｉｖｅｌｙ  ａｌｉｇｎｅｄ）される。
【００３９】
半導体レーザダイオード２００は、基板２０５上に実装され、密閉シーリング２０７のためにキャップシーリングされている。
【００４０】
半導体レーザダイオード２００を駆動させるためのリードフレーム２０６と半導体レーザダイオード２００とは、ワイヤーボンディングされる。
【００４１】
半導体レーザダイオード２００から出射された光の光軸４００は、ウィンドウ２１０と光結合レンズ２０４とを通じて導波路１０７の入力面に能動整列される。
【００４２】
光結合レンズ２０４は、ボールレンズあるいは非球面レンズを用いることができ、キャップシーリングされたウィンドウ２１０に直接取り付けられる。
【００４３】
図３では、半導体レーザダイオード２００が光信号の軸４００に対して平行になっていたが、３０°以内の勾配を有するようにしてもよい。
【００４４】
また、半導体レーザダイオード２００の後方に、光出力をモニタリングするためのｍＰＤ（ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ  ＰＤ）２０９を実装してもよい。
【００４５】
半導体レーザダイオード２００とｍＰＤ２０９とが一緒に実装された構造はＴＯ−ヘッド２０３と呼ばれる。
【００４６】
ＴＯ−ヘッド２０３には、光結合レンズ２０４が含まれてもよい。
【００４７】
半導体レーザダイオードの正面２０１は、ＡＲコーティングされ、残留反射は０．１％以下である。
【００４８】
正面２０１と対向する背面は、ＨＲコーティングされ、３０％以上の反射率が望ましい。
【００４９】
正面２０１は、入力面（導波路面）１０７との効率的な光結合のために、半導体レーザダイオードにスポットサイズコンバータを集積し得る。
【００５０】
通常、遠視野角は３５°以下にし得る。
【００５１】
波長可変ブラッグ格子反射フィルタ１０３は、図２Ａの構造を有する。
【００５２】
導波路のコア領域１００のエッチング深さは、１ｕｍ未満にし得る。
【００５３】
導波路の物質は、１．０×１０−４／ｄｅｇより大きい熱光学係数の絶対値を有し得る。
【００５４】
導波路は、埋め込みチャンネル、逆埋め込みチャンネル、リブ（ｒｉｂ）、リッジ（ｒｉｄｇｅ）などの構造にし得る。
【００５５】
本発明による波長可変外部共振レーザでは局部的な加熱により発振波長を制御するため、ブラッグ格子１１０の上部にあるヒータ１０１に電流が印加され、ブラッグ格子１１０の温度を正確に制御する必要がある。
【００５６】
このため、シリコン基板１０６とＴＯ−ヘッド２０３の下部とが、ＴＥＣ（Ｔｈｅｒｍｏ−Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｃｏｏｌｅｒ）３０１の冷却面３０２に、エポキシ硬化法、レーザ溶接、ソルダリング、機械的接合などを利用して接着される。
【００５７】
ＴＥＣ３０１の下部面３０３は、熱を放射する。
【００５８】
図４Ａ及び図４Ｂは、本発明の他の実施形態による、半導体レーザダイオードと波長可変ブラッグ格子反射フィルタとが結合レンズを用いずに光結合される波長可変外部共振レーザの上面図及び側面図である。
【００５９】
本発明の一実施形態によれば、導波路プラットホームは、シリコン基板１０６上に負の熱光学係数値を有するポリマー物質で形成され、波長可変ブラッグ格子１１０と位相調節ヒータ１０２とを含む。
【００６０】
半導体レーザダイオード２００から出力される光信号は、光結合レンズなしにブラッグ格子反射フィルタ１０３と能動整列される。
【００６１】
光結合レンズを使用しないため、２０％以上の光結合効率を得るために、半導体レーザダイオード２００の正面２０１から出力される光の遠視野角を２０°以下にするスポットサイズコンバータが集積され得る。
【００６２】
また、正面２０１と入力面（導波路面）１０７との間に存在するエアギャップ（ａｉｒ  ｇａｐ）の幅は、３０ｕｍ以下にし得る。
【００６３】
半導体レーザダイオード２００の正面２０１は、ＡＲコーティングされ、０．１％以下の残留反射率が望ましい。
【００６４】
また、正面２０１に対向する背面は、ＨＲコーティングされ、３０％以上の反射率となることが望ましい。
【００６５】
半導体レーザダイオード２００は、基板５００に実装され、入力面（導波路面）１０７と能動整列される。
【００６６】
また、光出力をモニタリングするため、半導体レーザダイオード２００の後方の基板５００にｍＰＤ２０９を形成し得る。
【００６７】
図４では、半導体レーザダイオード２００が光信号の軸４００に対して平行になっているが、３０°以内の勾配を有してもよい。
【００６８】
波長可変ブラッグ格子反射フィルタ１０３は、図２Ａの構造を有する。
【００６９】
導波路のコア領域１００のエッチング深さは、１ｕｍ以内にし得る。
【００７０】
導波路物質は、１．０×１０−４／ｄｅｇより大きい熱光学係数の絶対値を有し得る。
【００７１】
導波路は、埋め込みチャンネル、逆埋め込みチャンネル、リブ、リッジなどの構造にし得る。
【００７２】
前記構造において、ブラッグ格子反射フィルタ１０３の熱安定性のために、シリコン基板１０６とＴＯ−ヘッド２０３とを実装する基板５００の下部が、ＴＥＣ  ３０１の冷却面３０２に、エポキシ硬化、レーザ溶接、ソルダリング、機械的接合などを利用して、接着される。
【００７３】
ＴＥＣ３０１の下部面３０３は、熱を放射する。
【００７４】
図５は、本発明の実施形態による波長可変外部共振レーザの動作原理を示す図面である。
【００７５】
半導体レーザダイオードが、光結合レンズを通じてブラッグ格子反射フィルタに光結合される（Ｓ５００）。
【００７６】
半導体レーザダイオードとブラッグ格子反射フィルタのブラッグ格子との間で外部共振が発生する。（Ｓ５１０）。
【００７７】
ブラッグ格子反射フィルタから出力される光信号の波長成分を変化させ、ブラッグ格子の屈折率を変化させるために、ブラッグ格子反射フィルタの上部クラッド上に実装された薄膜ヒータに電流が印加される（Ｓ５２０）。
【００７８】
本発明は、また、コンピュータで読み取り可能な記録媒体にコンピュータで読み取り可能なコードとして具現化することが可能である。コンピュータで読み取り可能な記録媒体は、コンピュータシステムにより読み取られるデータが保存されるあらゆる種類の記録装置を含む。コンピュータで読み取り可能な記録媒体の例としては、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）、ＣＤ−ＲＯＭ、磁気テープ、フロッピーディスク、光データ保存装置などがあり、また、キャリアウェーブ（例えば、インターネットを通じた伝送）の形態で具現されるものも含む。また、コンピュータで読み取り可能な記録媒体は、ネットワークに連結されたコンピュータシステムに分散されて、分散方式でコンピュータで読み取り可能なコードが保存されて実行される。
【００７９】
これまで、本発明について、その望ましい実施形態を中心に述べた。当業者は、本発明の本質的な特性から逸脱しない範囲で変形された形態に具現可能であるということを理解できるであろう。したがって、開示された実施形態は、限定的な観点ではなく、説明的な観点で考慮されねばならない。本発明の範囲は、前述した説明ではなく、特許請求の範囲に表れており、それと同等な範囲内にあるあらゆる相違点は、本発明に含まれていると解釈されねばならない。
【００８０】
前述したように、本発明により、半導体レーザダイオード及び導波路は波長可変外部共振レーザに能動整列されることにより、光結合効率が向上し、高い光出力パワーが得られる。
【００８１】
また、本発明により、光結合工程の安定性及び再現性が与えられ、製造不良を低減させる。
【００８２】
また、光結合レンズを使用することによって、半導体レーザダイオードのスポットサイズコンバータの遠視野角の許容範囲が増加し、装置のコストを低減できる。
【産業上の利用可能性】
【００８３】
半導体レーザダイオードと導波路とが波長可変外部共振レーザに能動整列され、光結合効率を向上させて高い光出力パワーが得られる。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１Ａ】導波路型ブラッグ格子反射フィルタと半導体レーザダイオードとが単一プラットホーム上に実装された波長可変外部共振レーザ構造の上面図である。
【図１Ｂ】導波路型ブラッグ格子反射フィルタと半導体レーザダイオードとが単一プラットホーム上に実装された波長可変外部共振レーザ構造の側面図である。
【図２Ａ】導波路型ブラッグ格子反射フィルタ構造の斜視図である。
【図２Ｂ】導波路型ブラッグ格子反射フィルタ構造の温度に応じた屈折率のグラフである。
【図３Ａ】本発明の一実施形態による、半導体レーザダイオードと波長可変ブラッグ格子反射フィルタとが結合レンズを用いて光結合される波長可変外部共振レーザ構造の上面図である。
【図３Ｂ】本発明の一実施形態による、半導体レーザダイオードと波長可変ブラッグ格子反射フィルタとが結合レンズを用いて光結合される波長可変外部共振レーザ構造の側面図である。
【図４Ａ】本発明の他の実施形態による、半導体レーザダイオードと波長可変ブラッグ格子反射フィルタとが結合レンズを用いずに光結合される波長可変外部共振レーザ構造の上面図である。
【図４Ｂ】本発明の他の実施形態による、半導体レーザダイオードと波長可変ブラッグ格子反射フィルタとが結合レンズを用いずに光結合される波長可変外部共振レーザ構造の側面図である。
【図５】本発明の一実施形態による波長可変外部共振レーザの動作原理を示す図面である。
【図１Ａ】
2009529782.tif 000003
【図１Ｂ】
2009529782.tif 000004
【図２Ａ】
2009529782.tif 000005
【図２Ｂ】
2009529782.tif 000006
【図３Ａ】
2009529782.tif 000007
【図３Ｂ】
2009529782.tif 000008
【図４Ａ】
2009529782.tif 000009
【図４Ｂ】
2009529782.tif 000010
【図５】
2009529782.tif 000011
【国際調査報告】
2009529782.tif 000012
2009529782.tif 000013