(57)【要約】  集積構造体が、当該集積構造体を通る導波路（２２０）によって光結合されている前端面（２０１）及び後端面（２０３）を含む。集積構造体は、利得部（２０２）と、導波路（２２０）によって利得部（２０２）に光結合されているリフレクタ（２０８）であって、光出力を放射する、リフレクタとを含む。変調器（２１４）が導波路（２２０）によってリフレクタ（２０８）に光結合され、変調器（２１４）は、光出力を変調する。制御部（２１６）が導波路（２２０）に沿って配置される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
集積構造体であって、該集積構造体を通る導波路によって光結合されている前端面及び後端面を含む、集積構造体であって、
利得部と、
前記導波路によって前記利得部に光結合されているリフレクタであって、光出力を放射する、リフレクタと、
前記導波路によって前記リフレクタに光結合されている変調器であって、前記光出力を変調する、変調器と、
前記導波路に沿って配置されている制御部と
を含む、集積構造体
を備える、装置。
【請求項２】
前記制御部は、前記利得部と前記前端面との間に前記導波路によって光結合されているモードフィルタを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記モードフィルタは、前記導波路にテーパ導波路部を含み、該テーパ導波路部は、前記前端面とほぼ同一平面上にある広端部を有する、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記制御部は、前記利得部と前記変調器との間に前記導波路によって光結合されている光増幅器を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記光増幅器は、光減衰器として使用される、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記光増幅器は、光シャッタとして使用される、請求項４に記載の装置。
【請求項７】
前記制御部は、前記利得部と前記変調器との間に前記導波路によって光結合されているレーザ出力モニタを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記レーザ出力モニタは、方向性カプラを含み、該方向性カプラは、前記導波路に近接して配置されている第２の導波路を含み、該第２の導波路は、前記導波路によって伝播される前記光出力の一部をタップオフする、請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記レーザ出力モニタは、インラインフォトダイオード検出器を含み、該インラインフォトダイオード検出器のフォトダイオードは、逆方向バイアスされて、前記導波路によって伝播される前記光出力の小部分を吸収する、請求項７に記載の装置。
【請求項１０】
前記制御部は、第２の導波路によって前記変調器の補完出力に結合されている光モニタを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
前記光モニタは、光パワーのデータレートの変動にわたる平均を有効に求めるフィルタリングを含む、請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記制御部は、前記導波路によって前記変調器の出力に光結合されている光増幅器を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項１３】
第２の利得部と、
第２の導波路によって前記第２の利得部に結合されている第２のリフレクタであって、前記第２の導波路は、前記リフレクタと前記変調器との間に配置された光カプラにおいて前記導波路に光結合される、第２のリフレクタと
をさらに備える、請求項１に記載の装置。
【請求項１４】
チューナブルレーザであって、
リフレクタを含むキャビティエレメントと、
出力アセンブリと、
集積構造体であって、該集積構造体を通る導波路によって光結合されている前端面及び後端面を含む、集積構造体であって、前記キャビティエレメントは、前記前端面に光結合され、前記出力アセンブリは、前記後端面に光結合され、該集積構造体は、
利得部と、
前記導波路によって前記利得部に光結合されている部分リフレクタであって、該部分リフレクタは、光出力を放射し、該部分リフレクタ及び前記リフレクタは、該チューナブルレーザのレーザキャビティを画定する、部分リフレクタと、
前記導波路によって前記リフレクタに光結合されている変調器であって、前記光出力を変調する、変調器と、
前記導波路に沿って配置された制御部と
を含む、集積構造体と
を備える、チューナブルレーザ。
【請求項１５】
前記制御部は、前記利得部と前記前端面との間に前記導波路によって光結合されているモードフィルタを含み、該モードフィルタは、望ましくないレージングモードが前記導波路を伝播することをフィルタリング除去する、請求項１４に記載のチューナブルレーザ。
【請求項１６】
前記キャビティエレメントは、該キャビティエレメントと前記導波路との間を通る光の導波路チルト角を提供するように前記集積構造体に光結合される、請求項１４に記載のチューナブルレーザ。
【請求項１７】
前記制御部は、前記利得部と前記変調器との間に前記導波路によって光結合されている増幅器を含む、請求項１４に記載のチューナブルレーザ。
【請求項１８】
前記制御部は、前記利得部と前記変調器との間に前記導波路によって光結合されている、前記チューナブルレーザの光出力パワーを測定するレーザ出力モニタを含み、前記測定された光出力パワーは、前記利得部、前記利得部と前記変調器との間に前記導波路によって光結合されている増幅器、又は、前記利得部と前記前端面との間に前記導波路によって光結合されている位相制御部のうちの少なくとも１つのフィードバック信号を生成する際に使用される、請求項１４に記載のチューナブルレーザ。
【請求項１９】
前記制御部は、第２の導波路によって前記変調器の補完出力に結合されている光パワーモニタを含み、前記光パワーモニタは、前記変調器に入力されるディザを復元し、前記復元されたディザは、前記変調器内に入力されるバイアス電圧を調整するのに使用される、請求項１４に記載のチューナブルレーザ。
【請求項２０】
前記制御部は、前記導波路によって前記変調器の出力に光結合されている増幅器を含む、請求項１４に記載のチューナブルレーザ。
【請求項２１】
光ファイバと、
前記光ファイバに結合されているスイッチであって、該スイッチは、チューナブルレーザを含み、該チューナブルレーザは、
リフレクタを含むキャビティエレメントと、
出力アセンブリと、
集積構造体であって、該集積構造体を通る導波路によって光結合されている前端面及び後端面を含む、集積構造体であって、前記キャビティエレメントは、前記前端面に光結合され、前記出力アセンブリは、前記後端面に光結合され、該集積構造体は、
利得部と、
前記導波路によって前記利得部に光結合されている部分反射リフレクタであって、該部分反射リフレクタは、光出力を放射し、該部分反射リフレクタ及び前記リフレクタは、該チューナブルレーザのレーザキャビティを画定する、部分反射リフレクタと、
前記導波路によって前記リフレクタに光結合されている変調器であって、前記光出力を変調する、変調器と、
前記利得部と前記変調器との間に前記導波路によって光結合されているレーザ出力モニタと
を含む、集積構造体と
を含む、スイッチと
を備える、システム。
【請求項２２】
前記レーザ出力モニタ及び前記利得部に結合されているコントローラをさらに備え、前記コントローラは、前記レーザ出力モニタによって測定された前記光出力の出力パワーに応じて、前記利得部に制御信号を提供する、請求項２１に記載のシステム。
【請求項２３】
前記レーザ出力モニタと前記部分反射リフレクタとの間に前記導波路によって光結合されている増幅器をさらに備え、該増幅器は、前記コントローラに結合され、該コントローラは、前記レーザ出力モニタによって測定された前記光出力の出力パワーに応じて前記増幅器に制御信号を提供する、請求項２１に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
分野
本発明の実施の形態は、レーザの分野に関し、これに限られるものではないがより具体的には、外部共振器型チューナブルレーザの統合された監視設計及びフィードバック設計に関する。
【０００２】
［関連出願の相互参照］
本願は、２００４年３月２９日に出願された同時係属中の出願「Semi-integrated Designs for External Cavity Tunable Lasers」である米国特許出願第１０／８１１，７１２号、及び、２００４年１２月２８日に出願された同時係属中の出願「Semi-integrated Designs with In-Waveguide Mirrors for External Cavity Tunable Lasers」である米国特許出願第１１／０２３，７１１号に関連している。
【背景技術】
【０００３】
背景情報
光伝送システムは、電気通信ネットワーク及び企業ネットワークにおいて、データ通信及び／又は音声通信を転送するのに使用される。光信号は、高速の優れた信号品質及び外部の電磁エネルギーからの最小量の干渉を提供する。高密度波長分割多重（ＤＷＤＭ）システムを利用した光ネットワークは、マルチチャネル光リンクを提供する。
【０００４】
光ネットワークは、多くの場合、レーザ等の送信機を含む。今日一般に使用されているレーザは、外部共振器型チューナブルレーザである。レーザからの光信号は、データ信号で変調することができ、変調された光信号は、光ネットワーク上へ送信することができる。レーザの性能は、製造偏差、環境温度の変化、及びレーザコンポーネントの老朽化等の多数の要因による影響を受ける場合がある。これらの要因による性能の変動を許容して補償するために、レーザ監視システム及びレーザフィードバックシステムが使用される。
【０００５】
本発明の非限定的且つ非網羅的な実施形態が、添付図面について説明される。添付図面において、同じ参照符号は、特に指定のない限り、さまざまな図全体を通じて同じ部分を指す。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
以下の説明では、本発明の実施形態の徹底した理解を提供するために、多数の特定の詳細が述べられている。しかしながら、本発明の実施形態は、これらの特定の詳細の１つ又は２つ以上がなくても実施することもできるし、他の方法、コンポーネント、材料等で実施することもできることが関連する技術分野の熟練者（当業者）には理解されよう。それ以外の場合には、この説明の理解を分かりにくくすることを回避するために、既知の構造、材料、又はオペレーションは詳細な図示も説明もされていない。
【０００７】
この明細書全体を通じて「一実施形態」に言及しているが、これは、その実施形態について説明した特定の特徴、構造、又は特性が、本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。したがって、この明細書全体を通じてさまざまな箇所に「一実施形態では」という語句が登場するが、これは、必ずしもすべて、同じ実施形態に言及しているわけでない。さらに、これらの特定の特徴、構造、又は特性は、１つ又は２つ以上の実施形態において任意の適した方法で組み合わせることができる。
【０００８】
監視及びフィードバックを行う方法は、別個の光ビームスプリッタ（レーザ光の小部分を分割する）、及び、光パワーを電気信号に変換するフォトダイオードを組み込むことである。この電気信号は、レーザにフィードバックすることができ、一定のパワー、波長、又は他のレーザ性能メトリックを維持するためにレーザへの入力を変更することができる。これらのフィードバックメカニズムは、ビームスプリッタやフォトダイオード等のいくつかの別個のピース部品が、レーザアセンブリに正確に位置合わせされて取り付けられることを必要とする（「ハイブリッド手法」）。これらの別個のピース部品は、物理的に大きく、オートメーションで製造するのが難しく、高価であり、レーザ自体に影響を与える同じ環境条件及び老朽化条件によって変動し得る。本明細書で説明する実施形態は、レーザのモノリシックに集積されたフィードバックシステム及び制御システムを含む。このようなシステムは、より小さなフォームファクタを提供し、安上がりの最終組み立てプロセスを提供する。
【０００９】
図１を参照すると、統合されたフィードバック及び監視を有するレーザ１００の一実施形態が示されている。以下で解説するように、レーザ１００は、外部共振器型ダイオードレーザ（ＥＣＤＬ）と同様に構成されている。レーザ１００は、集積構造体１０２に光結合されているキャビティエレメント１０３を含む。集積構造体１０２は、出力アセンブリ１０１に光結合されている。コントローラ１３８は、集積構造体１０２、キャビティエレメント１０３、出力アセンブリ１０１、又はそれらの任意の組み合わせに結合することができる。コントローラ１３８は、レーザ１００のコンポーネントへの制御信号を送受信する従来のプロセッサを含むことができる。
【００１０】
集積構造体１０２は、利得部１０２Ａ、リフレクタ１０２Ｂ、変調器１０２Ｃ、及び制御部１０２Ｄを含む。一実施形態では、集積構造体１０２は、１つ又は２つ以上の半導体基板上に形成された利得部１０２Ａ、リフレクタ１０２Ｂ、変調器１０２Ｃ、制御部１０２Ｄ等のコンポーネントを含む。本明細書の実施形態は、集積構造体１０２のコンポーネントが単一の半導体基板上に形成される「モノリシック」集積構造体１０２を含む。別の実施形態では、集積構造体１０２は、プリント回路ボードに設置するようにパッケージ化することができる。
【００１１】
利得部１０２Ａは、光ビーム１２６を放射する。この光ビーム１２６は、レンズ１０８によって並行にされる。光ビーム１２６からの光は、リフレクタ１１４から反射されて、利得１０２Ａ及びリフレクタ１０２Ｂに戻る。リフレクタ１０２Ｂは、部分反射である。レーザ１００のキャビティは、リフレクタ１０２Ｂ及びリフレクタ１１４によって画定される。
【００１２】
変調器１０２Ｃは、レーザ１００によって生成された光信号を、データ１３２を使用して変調する。一般に、制御部１０２Ｄは、レーザ１００のさまざまなパラメータの監視を提供し、レーザ１００のコンポーネントへフィードバックを提供する際に使用することができる。制御部１０２Ｄの実施形態は、以下で解説する。
【００１３】
キャビティエレメント１０３は、リフレクタ１１４、チューナ１１０、及びレンズ１０８を含む。リフレクタ１１４は、リフレクタ、回折格子、プリズム等を含むことができる。別の実施形態では、リフレクタ１１４は、レンズ１０８を除去できるように湾曲させることができる。
【００１４】
レーザ１００の基本オペレーションは次の通りである。制御可能な電流が、利得部１０２Ａに供給される。利得部１０２Ａは、光エネルギーを放射する。放射された光エネルギーは、リフレクタ１０２Ｂとリフレクタ１１４との間を往復して通過する。光エネルギーが往復して追加するにつれて、複数の共振、すなわち「レージング」モードが生み出される。レージングモードの下では、光エネルギーの一部が、外部レーザキャビティを一時的に占有し、同時に、外部レーザキャビティにおけるエネルギーの一部が、部分リフレクタ１０２Ｂを最終的に通過する。部分リフレクタ１０２Ｂを通ってレーザキャビティを出たエネルギーは、光出力１３６となる。
【００１５】
光出力１３６は、出力アセンブリ１０１を通過して、光ファイバ１２２内に入る。光ビーム１３６は、レンズ１１６によって平行にされ、レンズ１２０によって合焦される。一実施形態では、光アイソレータ１１８が、レンズ１１６とレンズ１２０との間に配置される。一実施形態では、光アイソレータ１１８は、反射光が集積構造体１０２に向かって戻るのを防止する。光ビーム１３６は、レンズ１２０によって光ファイバ１２２内に合焦される。一実施形態では、光ファイバ１２２は、フェルール（図示せず）によって支持される。
【００１６】
別の実施形態では、ビームスプリッタ１１７が、レンズ１１６と１２０との間に配置されて、光ビーム１３６の一部をピックオフし、分割された部分の強度がフォトダイオード等の光電デバイスによって測定可能となるようにする。フォトダイオードによって測定された強度は、出力ビームの強度に比例する。測定された強度は、その後、コントローラ１３８へ送信することができる。コントローラ１３８は、この信号を使用して、光出力パワーを最大にするか又は安定させるようにレーザ１００の他のコンポーネントを調整することができる。
【００１７】
チューナ１１０は、レーザ１００によって出力された光信号の波長をチューニングするのに使用することができる。一実施形態では、レーザ１００は、Ｃバンドの波長（１５３０〜１５７０ｎｍ）にチューニングすることができる。チューナ１１０は、波長フィルタと呼ばれる場合もある。一実施形態では、チューナ１１０は、コントローラ１３８からの制御信号を使用してチューニングされる。別の実施形態では、チューナ１１０には、サーマルチューナ（thermal tuner）が含まれる。この特定の実施形態では、チューナ１１０の少なくとも一部への熱を調整することにより、チューナ１１０の光学的特性が変更されて、レーザがさまざまな波長にチューニングされる。
【００１８】
レーザ１００をチューニングする他の方法を使用して、レーザ１００の出力波長を変更できることが十分理解されよう。一実施形態では、熱式メカニズム又は機械式メカニズムを通じてリフレクタ１１４を移動させることによりレーザキャビティの長さを調整することによって、チューナブルレーザ１００の出力をチューニングすることができる。図１は、コントローラ１３８に結合されて、リフレクタ１１４を物理的に移動させることができるアクチュエータ１１５を示している。他の実施形態では、チューナブルレーザ１００は、光ビーム１２６内に配置された１つ又は２つ以上のエタロンを機械式又は熱式に調整することによってチューニングすることができる。別の実施形態では、レーザ１００は、熱式制御を通じて利得媒質１０２Ａの屈折率を変更することによりチューニングすることができる。他の実施形態では、レーザ１００は、音響光学、電気光学等を通じてチューニングすることができる。
【００１９】
一実施形態では、チューナ１１０は、バーニアチューニング（Vernier tuning）を使用してレーザ１００をチューニングするエタロン１１１及びエタロン１１２を含む。単一周波数の出力を生成するために、所望の波長に対応するレージングモード以外のすべてのレージングモードをほぼ減衰させるフィルタリングメカニズムが使用される。エタロン１１１は、グリッドジェネレータとして機能することができ、エタロン１１２は、チャネルセレクタとして機能することができる。グリッドジェネレータは、ファブリペロー共振器として動作するエタロンを備えることができ、複数の送信ピーク（通過帯域とも呼ばれる）を規定する。理想的には、動作中、送信ピークは固定された状態にある。実際には、所望のロケーションにグリッドジェネレータの送信ピークを維持するために、サーボループ（たとえば、温度制御ループ）を使用することが必要な場合がある。グリッドジェネレータのキャビティ長は、レーザキャビティのキャビティ長よりも短いので、送信ピーク間の（波長による）間隔は、グリッドジェネレータの方がキャビティモードの間隔よりも大きい。一般に、グリッドジェネレータの送信ピークのロケーション及び間隔は、国際電気通信連合（ＩＴＵ）のチャネル等、レーザが使用される通信標準規格によって規定される一組のチャネル周波数に対応する。さらに、送信ピークの間隔は、グリッドジェネレータの自由スペクトル間隔（ＦＳＲ）に対応する。
【００２０】
エタロン１１２等のチャネルセレクタは、レーザ出力のレージングモードを選択するのに使用される。例示として、一実施形態では、エタロン１１２は、グリッドジェネレータに使用されるエタロン１１１よりもかなり小さな幅を有するエタロンを含む場合がある。この場合、チャネルセレクタのＦＳＲは、グリッドジェネレータのものよりもかなり大きく、したがって、チャネルセレクタの帯域通過波形は広くされる。バーニアチューニング技法によれば、所望の波長（すなわち、チャネル）は、チャネルセレクタの単一の送信ピークを、グリッドジェネレータの送信ピークの１つに位置合わせすることによって選択することができる。
【００２１】
図２を参照すると、集積構造体１０２の一実施形態が示されている。集積構造体１０２は、導波路２２０によって光結合されている利得部２０２、リフレクタ２０８、及び変調器２１４を含む。一実施形態では、導波路２２０は半導体導波路である。集積構造体１０２は、オプションとして、（図２に示すように）利得２０２とリフレクタ２０８との間、又は、利得２０２と前端面２０１との間に位相制御２１０を含むことができる。
【００２２】
光ビーム１２６は、導波路２２０を介して集積構造体１０２を通過する。集積構造体１０２は、導波路２２０によって接続された前端面２０１及び後端面２０３を含む。一実施形態では、端面２０１及び２０３は無反射である。キャビティエレメント１０３のリフレクタ１１４及びリフレクタ２０８は、外部キャビティを画定する。光ビーム１３６は、導波路２２０を出て、出力アセンブリ１０１に入る。リフレクタ２０８を出たレーザ出力は、データ１３２を使用して変調器２１４により変調される。
【００２３】
集積デバイス１０２内に利得部、変調器部、及びオプションの位相制御をモノリシックに集積するための異なる方法が開発されている。位相部及び（バイアスされていない）変調器部における吸収を最小にするために、これらの部のバンドギャップを、利得部と比較して約０．０６ｅＶ〜０．１２ｅＶだけ広くすることができる（吸収ピークの１００ｎｍ〜２００ｎｍの青方偏移）。これは、以下の技法の１つによって行うことができる。これらの技法のそれぞれにおいて、集積構造体は、適用可能なエネルギーバンドギャップを形成するのに適した材料を備える。一実施形態では、集積構造体は、インジウムガリウムヒ素リン化物（ＩｎＧａＡｓＰ）に基づく材料を使用して形成される。
【００２４】
第１の技法は、オフセット量子井戸（ＱＷ）構造を使用するものである。この構造では、多重量子井戸活性層が、厚い低バンドギャップ（０．８４ｅＶ〜０．９ｅＶ）の四導波路（quaternary waveguide）の上面に成長される。２つの層が、薄い（約１０ｎｍ）ストップエッチ層（stop etch layer）によって分離されて、選択的エッチングで位相部及び変調器部においてＱＷを除去することが可能になる。この低バンドギャップ導波路は、低電流密度においてレーザの位相部の高いインデックスシフト（index shift）を提供する。この変調器部は、同じ導波路構造を、逆電圧が電極に印加された位相部として使用する。
【００２５】
第２の技法は、量子井戸混晶化（ＱＷＩ）として知られており、ＱＷ領域内への不純物又は空孔の添加が、ＱＷ領域のエネルギーバンドギャップを増加させることを可能にすることに依拠するものである。位相制御部及び変調器部へのＱＷＩの選択的適用によって、約１００ｎｍ〜２００ｎｍの吸収ピークの必要な青方偏移が提供される。この技法によって、第１の技法よりもすぐれた量子井戸とのモードオーバーラップが可能になる。
【００２６】
第３の技法は、振幅及び変調（位相制御）の２つの光機能が別個の垂直結合されている導波路に統合されている非対称ツイン導波路（asymmetric twin-waveguide）技術を使用するものである。各導波路は、最も良い性能を得るように独立に最適化されている。
【００２７】
変調器では、バルク導波路材によって、ＱＷ構造で可能なものよりも広いスペクトル帯域幅が提供される。したがって、広くチューニング可能なＥＣＤＬを適用する場合、変調器／位相部導波路にバルク材を有する第１の技法及び第３の技法は、ＱＷＩ技法よりもより良い結果を提供するはずである。
【００２８】
集積構造体１０２は、１つ又は２つ以上の制御部２１６を含む。一実施形態では、破線の矢印によって示すように、導波路２２０に沿ったさまざまな位置に沿って制御部２１６を配置することができる。制御部２１６のさまざまな実施形態は、以下で解説することにする。一実施形態では、制御部２１６を含めて、集積構造体１０２のコンポーネントは、既知の半導体製造技法を使用して製造することができる。
【００２９】
一実施形態では、リフレクタ２０８は、制御された幅のエアギャップをエッチングすることによって形成される。別の実施形態では、リフレクタ２０８は、チャープブラッグ回折格子を含むことができる。分布ブラッグリフレクタ（ＤＢＲ）レーザと同様の回折格子構造を使用するこのようなチャープブラッグ回折格子は、回折格子を除いて、複数の共振モードを生成するために不規則に間隔が空けられている（すなわち、チャープされている）。
【００３０】
一実施形態では、集積構造体１０２は、レーザ１００の波長ロック用の位相制御部２１０を含む。この技法の下では、「ディザ」又は変調信号が供給されて、位相制御部２１０を通過する波長の部分の光路長に、対応する変調を引き起こし、したがって、レーザキャビティの光路長を変調する。これによって、変調された位相シフト効果が生み出され、その結果、レージングモードの光周波数の変調（ＦＭ）が小さくなる。キャビティ内の光エレメント又は外部の光エレメントは、光ＦＭに対応する出力ビームの強度（パワー）の変調を生み出すトランスデューサとして機能することができる。この出力ビームの強度（パワー）の変調は、振幅変調とも呼ばれる。
【００３１】
この課された変調、すなわち「ディザ」は、レーザの出力ビームにおいて検出することができ、解析されて、所望の波長からの、レージングモードの波長オフセット（方向及び大きさ）を求めることができる。
【００３２】
図２Ｂを参照すると、変調器２１４及びオプションの位相制御２１０の領域における導波路２２０の側断面図が示されている。導波路コア２２２は、基板２２１上に形成されている。一実施形態では、基板層２２１は、インジウムリン化物（ＩｎＰ）を含み、導波路コア２２２は、インジウムガリウムヒ素リン化物（ＩｎＧａＡｓＰ）を含む。別の実施形態では、導波路コア２２２は、インジウムガリウムアルミニウムヒ素（ＩｎＧａＡｌＡｓ）を含む。
【００３３】
図２Ｂの実施形態では、基板２２１は、約１４００ナノメートル（ｎｍ）の厚さを有し、導波路コア２２２は、約４００ｎｍの厚さ及び約３７０ｎｍ〜４７０ｎｍの幅を有する。上部クラッド層２２３は、導波路コア２２２上に形成される。一実施形態では、上部クラッド層２２３は、約１４００ｎｍの厚さを有するｐ型ＩｎＰを含む。
【００３４】
利得部２０２等、集積構造体１０２の他のコンポーネントは、前述した既知の技法を使用して、基板２２１上に形成することができる。
【００３５】
図３を参照して、集積構造体１０２の一実施形態が示されている。図３は、集積構造体１０２のさまざまな制御部の実施形態を示している。制御部の実施形態は、モードフィルタ３０６、増幅器３１０、レーザ出力モニタ３１２、ディザ信号捕捉用の適切な帯域幅の光モニタ３１６、及び増幅器３１８を含む。集積構造体１０２の実施形態は、必ずしも、本明細書で解説するすべての制御部を含むとは限らず、それらのいずれかの組み合わせも含むことができることが理解されよう。
【００３６】
また、図３は、出力アセンブリ１０１に結合されているコントローラ１３８、キャビティエレメント１０３、及び集積部１０２も示している。後述するように、制御部の実施形態は、レーザ制御の一部として、レーザ１００の状況を監視する。いくつかの実施形態では、これらの制御部は、レーザの或る状況を測定し、その測定に基づいて監視信号を生成する。以下でさらに説明するように、この監視は、レーザのコンポーネントのフィードバック信号を形成するのに使用することができる。
【００３７】
一実施形態では、監視信号は、レーザコンポーネントによる訂正動作のために、制御部からレーザコンポーネントへ直接返信することができる。この特定の実施形態では、フィードバック信号は、監視信号を含む。
【００３８】
別の実施形態では、監視信号は、この信号を使用してレーザコントローラへ制御信号を送信する集積構造体１０２のコントローラロジック（「オンチップ」コントローラ）を通過することができる。さらに別の実施形態では、制御部からの監視信号は、制御部から受信された情報に基づいてレーザ１００に制御信号を提供するコントローラ１３８等の「オフチップ」コントローラへ送信することができる。一実施形態では、監視信号及び制御信号の組み合わせが、レーザコンポーネントのフィードバック信号を形成する。
【００３９】
制御部の一実施形態では、増幅器３１０は、導波路２２０に沿ってリフレクタ２０８と変調器２１４との間に配置される。一実施形態では、増幅器３１０は、半導体光増幅器（ＳＯＡ）を含む。一実施形態では、増幅器３１０は、波長範囲にわたって一定に光パワー出力を提供するのに使用することができる。ＳＯＡが順方向バイアスされているとき、ＳＯＡ増幅器は、導波路２２０を進む光のパワーを増幅する。ＳＯＡが逆方向バイアスされているとき、ＳＯＡは、導波路２２０を進む光のパワーをほぼ吸収する。したがって、一実施形態では、増幅器３１０は、単一デバイスから２重の機能を提供することができる。
【００４０】
別の実施形態では、増幅器３１０は、レーザ光出力の一部を吸収する光減衰器又はほぼ全部を吸収する光シャッタとして機能することができる。波長スイッチング中、過渡的な光信号が、変調器２１４及び後続の光出力アセンブリ１０１へ送信されないように、光出力をブランキングすることができる。
【００４１】
さらに別の実施形態では、増幅器３１０は、変調器２１４へ送信される光信号のパワーを最適化するのに使用することができる。マッハツェンダ変調器（ＭＺＭ）等の変調器２１４は、変調される光信号の特定のパワーレベルにおいてより良い消光比を有することができる。消光比とは、論理「１」と解釈される光学的「ハイ」の振幅と論理「０」と解釈される光学的「ロー」の振幅との比である。増幅器３１０は、レーザの光出力を、変調器２１４の所望の消光比となるパワーレベルに調整するのに使用することができる。
【００４２】
集積構造体１０２の制御部の別の実施形態は、リフレクタ２０８と変調器２１４との間に導波路２２０によって光結合されているレーザ出力モニタ３１２を含む。レーザ出力モニタ３１２は、レーザ出力のパワーを測定する。検出された出力パワーは、レーザのコンポーネントを調整するのに使用することができる。一実施形態では、レーザ出力モニタ３１２による監視は、利得２０２の制御のためにフィードバック３２６として使用することができる。別の実施形態では、レーザ出力モニタ３１２は、フィードバック３２７を使用して増幅器３１０を制御するのに使用することができる。この特定の実施形態では、フィードバック３２７は、すべての波長において一定のパワー出力を維持するように増幅器３１０を制御するのに使用することができる。
【００４３】
別の実施形態では、レーザ出力モニタ３１２は、位相制御２１０を制御するのに使用することができる。この実施形態では、フィードバック３２８は、レーザの光キャビティ長を維持するのに使用することができ、したがって、所望の出力波長を維持するのに使用することができる。
【００４４】
一実施形態では、レーザ出力モニタ３１２は、逆方向バイアスされた受動導波路フォトダイオード等の光検出器を使用して実施することがえきる。フォトダイオードによって生成された電流は、レーザの光出力パワーに比例する。この電流は、利得２０２又は位相制御２１０の制御用のフィードバックとして使用することができる。
【００４５】
別の実施形態では、増幅器３１０は、レーザ出力モニタとしても使用することができる。定電流モードでは、ＳＯＡは、レーザの光出力パワーに比例した電圧を生成することができる。この生成された電圧は、レーザの出力パワー性能を評価するのに使用することができ、且つ、レーザの光出力パワーを最適化するよう利得２０２を調整できるように、利得２０２への光パワーフィードバック３２９を生成するのに使用することができる。
【００４６】
図４及び図４Ｂを参照すると、レーザ出力モニタ３１２の一実施形態は、方向性カプラ４１０を含む。図４では、導波路４１２が、導波路２２０に隣接して形成されている。方向性カプラ４１０は、導波路４１２が導波路２２０に近接することによって形成される。
【００４７】
一実施形態では、導波路４１２は、導波路２２０を通過する光信号の小部分をタップオフする。導波路４１２が導波路２２０に近接しているため、導波路２２０からの光の小部分は、導波路４１２へ転送されることになる。導波路２２０の光信号の強度プロファイル（たとえば、ガウスモード）は、光信号の一部を導波路４１２が「ピックオフ」できるように導波路２２０を越えて広がる。
【００４８】
一実施形態では、方向性カプラ４１０は、導波路２２０の光信号の１％をタップオフする。タップオフされた光信号は、導波路４１２に沿ってフォトダイオード４１４へ送信することができる。フォトダイオード４１４は、タップオフされた信号の光パワーを求めるのに使用することができ、この情報は、出力パワーフィードバック３２６として利得２０２へ戻すことができる。
【００４９】
図４Ｂは、方向性カプラ４１０の一実施形態の平面図を示している。導波路２２０及び４１２は、３ミクロン幅である。導波路２２０と４１２との間の有効結合エリアは、約２００ミクロンの長さである。導波路２２０及び４１２は、結合エリアにおいて相互に０．７２ミクロン内となるように形成される。
【００５０】
試験は、方向性カプラが、対象となる波長帯域にわたって波長無依存であり、方向性カプラが、さまざまな波長においてほぼ同じ量の光出力パワーをタップオフすることを示している。たとえば、図４Ｂに示すような方向性カプラが、Ｃバンド波長にわたって試験された。図４Ｃは、光出力パワーの１％が１５００ｎｍ〜１６００ｎｍの波長にわたって導波路４１２内へタップオフされたことを示している。図４Ｄは、導波路２２０におけるタップオフ後の結果の光出力パワーが、同じ範囲の波長にわたって約９８．２％残っていたことを示している。このように、方向性カプラ４１０は、或る範囲の波長にわたる光損失が最小である受動出力パワー検出器を提供する。
【００５１】
図３を参照して、制御部の別の実施形態は、光モニタ３１６を含む。光モニタ３１６は、変調器２１４の出力を監視するのに使用される。光モニタ３１６は、導波路３２０によって変調器２１４に光結合されている。一実施形態では、変調器２１４は、光データ信号及び補完光データ信号の双方を生成する。補完光データ信号は、導波路２２０に結合されている、変調された信号を反転した形である。
【００５２】
図３Ｂを参照して、ＭＺＭ３３０の一実施形態が示されている。光信号は、導波路２２０に沿ってＭＺＭ３３０に入る。この光信号は、スプリッタ３３４によって２つの導波路内へ等しく分割される。一実施形態では、スプリッタ３３４は、Ｙ接合部を含む。別の実施形態では、スプリッタ３３４は、マルチモード干渉計（ＭＭＩ）として実施される。
【００５３】
光信号は、結合器３３６において再結合され、導波路２２０内へ出力される。補完光データ信号は、導波路３２０内へ出力される。結合器３３６の実施形態は、Ｙ接合部、ＭＭＩ等を含む。
【００５４】
電極３３５Ａ及び３３５Ｂは、光信号の変調に影響を与えるのに使用される。ＭＺＭ３３０の半導体に印加される電圧は、材料の屈折率の変化を誘発する。電圧が電極３３５Ａ、３３５Ｂに印加されていない時等の一状態では、結合器３３６で再結合された光信号は同相であり、増幅的に干渉する。この場合、光出力は、「ハイ」であり、論理「１」として認識することができる。
【００５５】
電圧が電極３３５Ａ又は３３５Ｂに印加されている時等の第２の状態では、半導体材料の屈折率が変化し、ＭＺＭ３３０の２つのアームの間に位相シフトが引き起こされる。光信号が結合器３３６で再結合されると、相殺干渉が起こり、論理「０」として解釈することができる「ロー」の光信号がもたらされる。
【００５６】
ＭＺＭ３３０は、ＲＦ入力３４０も含む。ＲＦ入力信号は、電極３３５Ａ、３３５Ｂに印加されて、導波路２２０からの光信号の変調を誘発することができる。ＲＦ入力信号は、データソース３４４からのデータ信号及びディザソース３４６からのディザ信号を含む。
【００５７】
一実施形態では、ＲＦ入力信号は、ＭＺＭ伝達関数の直角位相点（quadrature point）で印加されるべきである。ＭＺＭ３３０のバイアス点は、バイアス電圧入力３４２におけるバイアス電圧によって制御することができる。一実施形態では、バイアス電圧は、集積デバイス２２１の基板に印加される。別の実施形態では、バイアス電圧は、ＭＺＭ電極３３５Ａ、３３５Ｂに印加されるＲＦ電圧入力３４０と組み合わされる。
【００５８】
ＭＺＭ伝達関数は、環境温度の変化又はＭＺＭの老朽化によって左又は右にシフトする場合がある。この結果、ＲＦ入力信号がもはや直角位相点で印加されなくなるので、光出力品質が悪化する場合がある。この結果、消光比が悪化する場合がある。バイアス電圧は、ＭＺＭ３３０のドリフトを補償するのに使用される。
【００５９】
一実施形態では、振幅変調された（ＡＭ）ディザが、バイアス電圧を調整するためのフィードバックメカニズムとして使用される。ＡＭディザ技法では、ＲＦ入力信号の振幅は、ディザと呼ばれる低周波数信号によって変調される。ディザの振幅は、ＲＦ入力信号の振幅よりもはるかに小さく、ディザがＭＺＭの光出力に悪影響を与えないようにされている。
【００６０】
ディザは、光モニタ３１６によって、補完データ光信号から復元される。一実施形態では、補完光データ出力は、フォトダイオード３１７により吸収されて、バイアス電圧コントローラ３４４にバイアスエラー信号を提供することができる。一実施形態では、ディザ信号は、光モニタ３１６で帯域通過フィルタ３１９を使用して、変調されたデータストリームからディザ周波数のみを抽出することにより復元される。この帯域通過フィルタは、光出力のデータレートの変動にわたる平均を有効に求めるのに使用することができる。
【００６１】
バイアス電圧コントローラ３４４は、光モニタ３１６から受信されたエラー信号に基づいてバイアス電圧入力信号を調整する。上述したように、バイアス電圧コントローラ３４４は、集積構造体１０２に応じて「オンチップ」とすることもできるし、「オフチップ」とすることもできる。
【００６２】
別の実施形態では、フォトダイオード３１７は、出力導波路２２０上に構築され、部分的に吸収を行うようにバイアスされて、変調された出力信号の大部分が出力アセンブリ１０１に伝えられるようし、且つ、出力信号の残りは、バイアス電圧コントローラ３４４を介したフィードバック用のフォト電流に変換されるようにする。
【００６３】
図３を参照して、制御部の別の実施形態は、導波路２２０に沿って変調器２１４と光出力アセンブリ１０１との間に光結合されている増幅器３１８である。一実施形態では、増幅器３１８には、ＳＯＡが含まれる。
【００６４】
一実施形態では、増幅器３１８は、変調器２１４における光パワー損失を補償するのに使用することができる。
【００６５】
別の実施形態では、増幅器３１８は、ブランカ（blanker）としても使用することができる。この特定の実施形態では、増幅器３１８は、波長の推移の間、ブランカとして使用することができ、その結果、レーザ出力監視は、波長の推移の間、レーザ出力モニタ３１２が続けて行うことができる。図３の実施形態では、増幅器３１０が、ブランカとして使用されている場合、レーザ出力モニタ３１２は、レーザ出力を受信していないので、レーザ出力モニタ３１２の監視能力は、増幅器３１０によるブランキングの間、失われる。
【００６６】
別の実施形態では、集積構造体１０２の制御部は、モードフィルタ３０６を含むことができる。モードフィルタ３０６は、導波路２２０に沿って利得２０２とキャビティエレメント１０３との間に配置される。モードフィルタ３０６は、望ましくないモードがレーザによって出力されるのをフィルタリング除去するのに使用される。
【００６７】
モードフィルタ３０６の一実施形態は、曲がり導波路を含む。或る半径にわたって導波路を曲げることにより、高次のモードの損失が増加する。導波路における高次のモードの損失を増加させることによって、これらの望ましくないモードによるレージングの不安定さが抑制される。
【００６８】
別の実施形態では、モードフィルタ３０６は、図５に示すようなテーパ導波路部５０４を含む。導波路２２０の光モードの最適な形状は、キャビティエレメント１０３の光モードの最適な形状とは異なる場合がある。導波路２２０のテーパ導波路部５０４は、位置合わせ許容誤差を改善し、その結果生成される、外部キャビティモードを、導波路２２０を伝播されるモードに結合することから生じるチャープ位置合わせ感度（chirp alignment sensitivity）を改善する。
【００６９】
図５では、導波路２２０は、テーパ導波路部５０４を含む。テーパ導波路部５０４は、広端部５０６及び狭端部５０８を含む。狭端部５０８の後、導波路２２０は、利得端部５０９へ広がる。利得端部５０９では、導波路２２０によって伝播された光信号が利得２０２に入る。図５の実施形態では、広端部５０６は約３ミクロン幅であり、狭端部５０８は約１ミクロン幅であり、利得端部５０９は約３ミクロン幅である。代替的な一実施形態では、広端部５０６は、３ミクロン幅よりも大きくすることができる。
【００７０】
光ビーム１２６は、テーパ導波路部５０４の広端部５０６に入る。外部キャビティからの光は、導波路２２０を進む光よりも大きなビームサイズを有する。導波路２２０に広端部を有することによって、外部キャビティからより多くの光を集めることが容易になるが、これは、望ましくないレージングモードを導波路２２０に励起する場合がある。テーパ化することによって、これらの望ましくないモードはフィルタリング除去される。加えて、キャビティエレメント１０３のチューナから生じる光モード形状は、広い円錐照明角に対するものとなる可能性が最も高いので、テーパ導波路部５０４によって提供されるモードフィルタは、導波路２２０の基本光モードのみを選択し、標準でない照明によって励起された高次のモードを拒否することになる。
【００７１】
光ビーム１２６の入射角も、テーパ導波路部５０４のフィルタリング作用（filtering affect）に影響を与える。この入射角は、導波路チルト角５１４と呼ばれる場合もある。導波路チルト角５１４は、法線５１２から前端面５１６へ向けて測定される。一実施形態では、約７度の導波路チルト角が使用される。７度の導波路チルト角は、端面境界においてレーザ内に戻る反射も低減する。この反射は、レーザを不安定にするおそれがある。
【００７２】
図５Ｂ及び図５Ｃは、望ましくないモードをフィルタリング除去する際のテーパ導波路部５０４の作用を示している。図５Ｂ及び図５Ｃの横軸は導波路チルト角を示し、縦軸は導波路２２０のさまざまなモードの出力パワーを示している。縦軸は、０．０から１．０までのパワーの相対スケールである。
【００７３】
図５Ｂは、３ミクロンの直線導波路の作用を示している。グラフに示すように、望ましくないモード１及び２が、さまざまな発射角にわたって導波路２２０内で励起される。
【００７４】
図５Ｃは、３ミクロンから１ミクロンへテーパ化された導波路の作用を示している。すなわち、広端部５０６は３ミクロンであり、狭端部５０８は１ミクロンである。モード１及び２は、基本的に、さまざまな導波路チルト角にわたってフィルタリング除去される。所望のモードであるモード０は、約７度の導波路チルト角で最適なパワーを有する。
【００７５】
図６を参照すると、集積構造体のマスクレイアウト６００の一実施形態が示されている。マスクレイアウト６００に示すコンポーネントは、光モニタ６０２、ＭＺＭ６０４、出力パワーモニタ６０６、ＤＢＲリフレクタ６０８、利得部６１０、及び位相制御部６１２を含む。
【００７６】
図７を参照すると、集積構造体７０２の一実施形態が示されている。２つ又は３つ以上の別個のレーザキャビティを共通チップと共に組み込むことにより、集積構造体７０２を使用して多重波長ブロードキャストを実施することができる。
【００７７】
レーザ７０１は、導波路７０５に光結合されているキャビティエレメント７０４を含む。また、レーザ７０１は、導波路７０５によって光結合されているモードフィルタ７０８、利得７１２、及びリフレクタ７１６も含む。レーザ７０１は、波長λ１の光出力を生成する。
【００７８】
レーザ７０３は、導波路７０７に光結合されているキャビティエレメント７０６を含む。また、レーザ７０３は、導波路７０７によって光結合されているモードフィルタ７１０、利得７１４、及びリフレクタ７１８も含む。レーザ７０３は、波長λ２の光出力を生成する。
【００７９】
導波路７０５及び７０７は、光カプラ７１７によって導波路７１９に結合されている。光カプラ７１７の後、波長λ１及びλ２を含む光信号は、変調器７２０に入る。
【００８０】
ＭＺＭを使用する一実施形態では、すべての光波長は同時に変調される。ＭＺＭは、通例、波長無依存であり、その結果、ＭＺＭが、バイアス電圧制御等を通じて特定の１つの波長に最適化される場合、ＭＺＭは、通例、他のすべての波長に最適化されることになる。
【００８１】
変調器７２０の出力は、増幅器７２４に光結合されている。変調器７２０の補完出力は、変調器７２０のバイアス制御用の光モニタ７２２に光結合されている。波長λ１及びλ２を有する変調された光信号は、集積構造体７０２から出力アセンブリ７２６内に出力される。
【００８２】
上述したような集積構造を使用して、３つ以上の波長を組み合わせて変調できることが十分理解されよう。さらに、本明細書で説明したように、制御部のいずれの組み合わせも集積構造体７０２で利用できることも理解されよう。また、レーザ７０１や７０３等の各レーザが制御部の同じ組み合わせを有することは必要ではない。
【００８３】
本発明の実施形態は、レーザ機能に加えて、単一の半導体チップ上に統合された監視メカニズム及びフィードバックメカニズムも提供する。制御部の実施形態は、モードフィルタ、増幅器、レーザ出力パワーモニタ、及び変調器用の光モニタを含む。本明細書で説明したモノリシック集積構造体の実施形態によって、機能増加に伴う製造コストは低くなり、フォームファクタは小さくなる。
【００８４】
図８を参照すると、本発明の一実施形態によるシステム８００が示されている。システム８００は、光リンク８０５を介して光ネットワーク８０２に結合されているネットワークスイッチ８０８を含む。一実施形態では、光リンク８０５は、１つ又は２つ以上の光ファイバを含む。ネットワークスイッチ８０８は、１つ又は２つ以上のクライアント８０６にも結合されている。クライアント８０６の実施形態には、ルータ、サーバ、ホストコンピュータ、電話システム等が含まれる。
【００８５】
ネットワークスイッチ８０８は、マルチプレクサ／デマルチプレクサ８０９に結合されているトランスポンダ８０７−１〜８０７−Ｎを含む。トランスポンダ８０７は、光ネットワーク８０２の光信号と、クライアント８０６によって使用される電気信号との間で変換を行う。マルチプレクサ／デマルチプレクサ８０９は、光の伝播方向に応じて、マルチチャネル光信号からの波長の分割、又は、各光経路上のさまざまな波長（すなわち、チャネル）の１つのマルチチャネル光信号への結合を行う受動光デバイスである。一実施形態では、システム８００は、波長分割多重（ＷＤＭ）、高密度波長分割多重（ＤＷＤＭ）、周波数分割多元接続（ＦＤＭＡ）等を使用する。
【００８６】
各トランスポンダ８０７は、光送信機８１２及び光受信機８１４を含むことができる。一実施形態では、光送信機８１２は、本明細書で説明したような制御部を有する集積構造体を含む。
【００８７】
本発明の実施形態のさまざまなオペレーションが本明細書で説明されている。これらのオペレーションは、プロセッサ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）等を使用するマシンによって実施することができる。一実施形態では、説明したオペレーションのうちの１つ又は２つ以上は、マシン可読媒体に記憶されている命令を構成することができる。これらの命令は、マシンによって実行されると、説明したオペレーションをマシンに実行させる。オペレーションの一部又は全部が説明される順序は、これらのオペレーションが必ず順序依存であることを暗に意味するものと解釈されるべきではない。この説明の利益を得る当業者には、代替的な順序が十分理解されよう。さらに、すべてのオペレーションが本発明の各実施形態に必ずしも存在するとは限らないことも理解されよう。
【００８８】
本発明の図示した実施形態の上記説明は、要約書に記載したものを含めて、網羅的であることを目的とするものでもなければ、開示した正確な形に実施形態を限定することを目的とするものでもない。本発明の特定の実施形態及び本発明の例が、例示の目的で本明細書に説明されているが、関連技術分野の熟練者（当業者）に認識されるように、さまざまな均等な変更が可能である。上記詳細な説明を考慮に入れると、本発明の実施形態に対するこれらの変更を行うことができる。添付の特許請求の範囲に使用される用語は、本明細書に開示した特定の実施形態に本発明を限定するものと解釈されるべきでない。逆に、添付の特許請求の範囲は、特許請求の範囲の解釈の確立された原則に従って解釈されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００８９】
【図１】本発明の一実施形態による、統合された監視及びフィードバックを有する外部共振器型チューナブルレーザのブロック図である。
【図２】本発明の一実施形態による、統合された監視及びフィードバックを有する外部共振器型チューナブルレーザのブロック図である。
【図２Ｂ】本発明の一実施形態による導波路のブロック図である。
【図３】本発明の一実施形態による、統合された監視及びフィードバックを有する外部共振器型チューナブルレーザのブロック図である。
【図３Ｂ】本発明の一実施形態による変調器のブロック図である。
【図４】本発明の一実施形態によるレーザ出力モニタのブロック図である。
【図４Ｂ】本発明の一実施形態によるレーザ出力モニタのブロック図である。
【図４Ｃ】本発明の一実施形態によるレーザ出力モニタにおける光パワーを示すグラフである。
【図４Ｄ】本発明の一実施形態による、レーザ出力モニタによってタップされた後のレーザ出力の光パワーを示すグラフである。
【図５】本発明の一実施形態によるモードフィルタのブロック図である。
【図５Ｂ】本発明の一実施形態によるモードフィルタの性能を示すグラフである。
【図５Ｃ】本発明の一実施形態によるモードフィルタの性能のグラフである。
【図６】本発明の一実施形態による集積構造体のマスクレイアウトである。
【図７】本発明の一実施形態による、統合された監視及びフィードバックを有する外部共振器型チューナブルレーザのブロック図である。
【図８】本発明の一実施形態による、統合された監視及びフィードバックを有する外部共振器型チューナブルレーザを含むシステムのブロック図である。
【図１】
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【図２】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図５】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
2008544530.tif 000018
2008544530.tif 000019
2008544530.tif 000020