(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
利得媒質及び第１の反射鏡を備えた利得導波路と、
導波路型波長フィルタと
を有し、
前記導波路型波長フィルタが、前記利得導波路の前記第１の反射鏡とは逆側に光学的に接続される第１の光導波路と、 
前記第１の光導波路に入力ポートが接続され、共振波長が互いに異なる複数のリング共振器と、
前記複数のリング共振器の夫々の出力ポートに接続される複数の出力導波路と、  
前記各出力導波路へ伝搬した光の少なくとも一部を反射して前記各リング共振器に戻す第２の反射鏡と
を有することを特徴とする多波長レーザ光源。
【請求項２】
前記第２の反射鏡が、分布ブラッグ反射器であり、前記分布ブラッグ反射器が、反射波長を調整する波長調整機構を備えていることを特徴とする請求項１に記載の多波長レーザ光源。
【請求項３】
前記第１の光導波路が、第１のサブ光導波路と前記第１のサブ光導波路に対して少なくとも一部が平行に配置された第２のサブ光導波路とを有し、
前記第１のサブ光導波路と前記第２のサブ光導波路は、波長選択用リング共振器により結合していることを特徴とする請求項１に記載の多波長レーザ光源。
【請求項４】
前記複数のリング共振器が、前記各リング共振器の共振波長を変更する波長制御機構を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の多波長レーザ光源。
【請求項５】
前記複数のリング共振器が、前記各リング共振器の共振波長位置が互いに異なるように制御する波長制御機構を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の多波長レーザ光源。
【請求項６】
前記波長選択用リング共振器が、前記波長選択用リング共振器の共振波長を変更する波長制御機構を有するとともに、
前記複数のリング共振器が、前記各リング共振器の共振波長を変更する波長制御機構を有することを特徴とする請求項３に記載の多波長レーザ光源。
【請求項７】
前記波長選択用リング共振器が、前記波長選択用リング共振器の共振波長位置を制御する波長制御機構を有するとともに、
前記複数のリング共振器が、前記各リング共振器の共振波長位置が前記波長選択用リング共振器の共振波長と重なる波長が互いに異なるように制御する波長制御機構を有することを特徴とする請求項３に記載の多波長レーザ光源。
【請求項８】
前記各出力導波路に光変調器が接続されたことを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の多波長レーザ光源。
【請求項９】
請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の多波長レーザ光源と、
前記多波長レーザ光源の出射端側に接続された光合波器と、
前記光合波器の出射端に接続された光ファイバと
を有することを特徴とする波長多重通信システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多波長レーザ光源及びそれを用いた波長多重通信システムに関するものであり、例えば、波長多重光通信システムに用いられる複数の波長の光を同時に出力する多波長レーザ光源に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光通信システムでは、１本の光ファイバあたりの伝送容量を増やす技術として波長の異なる複数の光信号を束ねて１つの光ファイバで送る波長多重通信技術を用いて大容量光伝送を行っている。波長多重通信システムでは、レーザ光源として波長の異なる複数の光源が必要となり、従来のシステムでは１つの波長の光信号に対して、１つのレーザ光源が必要となるため、用いる波長の数だけレーザ光源が必要となる（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
ここで、図１３を参照して、従来の波長多重通信システムを説明する。図１３は、従来の波長多重通信システムの概略的構成図である。必要とする波長数Ｎに対応する半導体レーザ７１１〜７１Ｎからの信号光１（波長λ１）〜信号光Ｎ（波長λＮ）を光変調器７２１〜７２Ｎで変調したのち、光合波器７３で合波して一本の光ファイバ７４から送出する。
【０００４】
これに対して、多波長レーザ光源は、１つのレーザで複数の波長のレーザ光を出力することが可能であり、波長多重通信システムにおいて、必要なレーザ光源の数を減らして、システムの構成を簡素化できる可能性がある（例えば、特許文献２或いは特許文献３参照）。
【０００５】
図１４は、従来の多波長レーザ光源の一例の説明図である。多波長レーザ光源８０は、半導体光増幅器８１をレーザ共振器となる一対のミラー８２，８３の間に設けるとともに、半導体光増幅器８１と一方のミラー８２との間にエタロン８４を挿入する。半導体光増幅器８１において発生した広い波長範囲の光の内の所望の波長の光のみをエタロン８４で選択的に透過させ、選択的に透過した波長の光のみをレーザ発振させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−２２７１５４号公報
【特許文献２】特開２０１２−１９１０７５号公報
【特許文献３】特開２０１２−２０３２６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
多波長レーザ光源は、上述のように、複数の波長のレーザ光が混ざった状態で出力される。一方で、波長多重通信システムにおいては、各波長の光信号は、それぞれ別の光変調器で独立に変調する必要がある。したがって多波長レーザ光源を用いた場合には、波長毎に分けてそれぞれの光変調器に光が入力するように、光分波器が必要となる。
【０００８】
ここで、図１５を参照して、多波長レーザ光源を用いた場合に想定される波長多重通信システムを説明する。図１５は、多波長レーザ光源を用いた場合に想定される波長多重通信システムの概略的構成図である。多波長レーザ光源８０からの複数の波長のレーザ光を光分波器８５で分波したのち、各波長毎に光変調器７２１〜７２４で変調し、変調した各信号光を光合波器７３で合波して一本の光ファイバ７４から送出する。なお、ここでは、４つの波長の場合を示している。
【０００９】
しかし、多波長レーザ光源を用いた波長多重通信システムの場合には、多波長レーザ光源を用いることにより、必要とするレーザの個数を減らすことができる一方で、光分波器が１個追加で必要になるという問題点がある。
【００１０】
したがって、多波長レーザ光源及び波長多重通信システムにおいて、システムを構成する部品の数を減らし、簡素な構成で波長多重通信システムを実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
開示する一観点からは、利得媒質及び第１の反射鏡を備えた利得導波路と、導波路型波長フィルタとを有し、前記導波路型波長フィルタが、前記利得導波路の前記第１の反射鏡とは逆側に光学的に接続される第１の光導波路と、 前記第１の光導波路に入力ポートが接続され、共振波長が互いに異なる複数のリング共振器と、前記複数のリング共振器の夫々の出力ポートに接続される複数の出力導波路と、前記各出力導波路へ伝搬した光の少なくとも一部を反射して前記各リング共振器に戻す第２の反射鏡とを有することを特徴とする多波長レーザ光源が提供される。
【００１２】
また、開示する別の観点からは、上述の多波長レーザ光源と、前記多波長レーザ光源の出射端側に接続された光合波器と、前記光合波器の出射端に接続された光ファイバとを有することを特徴とする波長多重通信システムが提供される。
【発明の効果】
【００１３】
開示の多波長レーザ光源及び波長多重通信システムによれば、システムを構成する部品の数を減らし、簡素な構成で波長多重通信システムを実現することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施の形態の多波長レーザ光源の概略的構成図である。
【図２】本発明の実施の形態の波長多重通信システムの概略的構成図である。
【図３】本発明の実施例１の多波長レーザ光源の概略的構成図である。
【図４】本発明の実施例１の多波長レーザ光源に用いる半導体光増幅器の断面図である。
【図５】本発明の実施例１の多波長レーザ光源に用いる光導波路の断面図である。
【図６】本発明の実施例１の多波長レーザ光源における波長選択原理の説明図である。
【図７】本発明の実施例２の多波長レーザ光源の概略的構成図である。
【図８】本発明の実施例２の多波長レーザ光源における波長選択原理の説明図である。
【図９】本発明の実施例３の多波長レーザ光源の概略的構成図である。
【図１０】本発明の実施例３の多波長レーザ光源に用いる光変調器の断面図である。
【図１１】本発明の実施例４の多波長レーザ光源の概略的構成図である。
【図１２】本発明の実施例５の多波長レーザ光源の概略的構成図である。
【図１３】従来の波長多重通信システムの概略的構成図である。
【図１４】従来の多波長レーザ光源の一例の説明図である。
【図１５】多波長レーザ光源を用いた場合に想定される波長多重通信システムの概略的構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
ここで、図１及び図２を参照して、本発明の実施の形態の多波長レーザ光源及び波長多重通信システムを説明する。図１は、本発明の実施の形態の多波長レーザ光源の概略的構成図である。本発明の多波長レーザ光源は、利得媒質２及び第１の反射鏡３を備えた利得導波路と、導波路型波長フィルタとを有している。
【００１６】
導波路型波長フィルタは、利得導波路に光学的に接続される第１の光導波路４と、第１の光導波路４に入力ポートが接続された複数のリング共振器５１〜５Ｎと、複数のリング共振器５１〜５Ｎの夫々の出力ポートに接続される複数の出力導波路６１〜６Ｎとを有している。出力導波路６１〜６Ｎは、その出射端側に第２の反射鏡７１〜７Ｎを有している。  リング共振器５１〜５Ｎは、共振波長が互いに異なる複数の個別波長選択用のリング共振器５１〜５Ｎであり、第２の反射鏡７１〜７Ｎは、各出力導波路６１〜６Ｎへ伝搬した光の少なくとも一部を反射して各リング共振器５１〜５Ｎに戻す。第１の反射鏡３と第２の反射鏡７１〜７Ｎは、利得媒質２に対するレーザ共振器となる。
【００１７】
なお、第２の反射器７１〜７Ｎは、基板１の端面に設けた反射膜でも良いが、波長を個別に制御できる分布ブラッグ反射器が望ましく、特に、この分布ブラッグ反射器に、反射波長を調整するヒータ等の波長調整機構を備えていることが望ましい。
【００１８】
利得媒質２は、半導体光増幅器であることが望ましく、特に、量子ドットを含む活性層を有する半導体光増幅器であることが望ましい。この場合、量子ドットのサイズにばらつきにより各波長でのレーザ発振に寄与する量子ドットがそれぞれ独立に動作するため、安定した多数の波長でのレーザ発振が容易になる。
【００１９】
導波路型波長フィルタの各光導波路部は、シリコンフォトニクス技術を用いてＳＯＩ基板の単結晶シリコン層を加工して形成したシリコン光導波路を用いることが望ましく、小型化が容易になる。
【００２０】
複数のリング共振器５１〜５Ｎは、各リング共振器５１〜５Ｎの共振波長を変更する波長制御機構を有することが望ましく、例えば、各リング共振器５１〜５Ｎの共振波長位置が互いに異なるように制御するヒータ等の波長制御機構を有することが望ましい。ヒータを用いた場合、１０°の温度変化により波長を１ｎｍ程度変化させることができる。
【００２１】
また、第１の光導波路４を、第１のサブ光導波路と第１のサブ光導波路に対して少なくとも一部が平行に配置された第２のサブ光導波路とにより構成し、第１のサブ光導波路と第２のサブ光導波路を波長選択用リング共振器により結合しても良い。
【００２２】
この場合には、波長選択用リング共振器に波長選択用リング共振器の共振波長を変更する波長制御機構を有することが望ましく、例えば、波長選択用リング共振器の共振波長位置を制御する波長制御機構を設ける。また、複数のリング共振器５１〜５Ｎには各リング共振器５１〜５Ｎの共振波長を変更する波長制御機構を有することが望ましく、例えば、各リング共振器５１〜５Ｎの共振波長位置が波長選択用リング共振器の共振波長と重なる波長が互いに異なるように制御する波長制御機構を設けることが望ましい。
【００２３】
また、各出力導波路６１〜６Ｎには、伝搬するレーザ光の位相を制御するためにヒータ等の位相制御器を設けることが望ましく、それによって、第１の反射鏡３と第２の反射鏡７１〜７Ｎによるレーザ共振器の共振器長を波長に応じて制御することができる。なお、各制御機構はヒータに限られるものではなく、ペルチェ効果素子等を用いて基板全体の温度を調整する機構を付けても良い。この場合、基板１の全体を裏面側から所定の温度に制御することにより、各リング共振器の共振波長の重なりの関係を変えることなく、全体的に選択波長をシフトさせることができるため、個別のヒータの電流を制御せずに簡単に波長の微調整を行うことができるようになる。
【００２４】
また、各出力導波路６１〜６Ｎに光変調器を接続しても良い。この場合の光変調器は、シリコンフォトニクス技術を用いて導波路型波長フィルタとモノリシックに一体化することが望ましい。光変調器としては、電界吸収型光変調器またはマッハツェンダ型光変調器が典型的なものである。
【００２５】
波長選択用リング共振器を用いる場合には、各出力導波路６１〜６Ｎに方向性結合器やマルチモード干渉導波路等の光カプラの一端側のポートを接続し、光カプラの他端側のポートを介して第２の反射鏡としてループミラーを接続しても良い。この場合には、光カプラの一端側のポートに接続された分岐導波路を介して光変調器を接続すれば良い。
【００２６】
図２は、本発明の実施の形態の波長多重通信システムの概略的構成図である。図１に示した多波長レーザ光源を用いて、波長多重通信システムを構築するには、多波長レーザ光源の出射端側に光合波器８を接続し、この光合波器８の出射端に光ファイバ９を接続すれば良い。
【００２７】
なお、通信に使用する波長の数は任意であるが、例えば、４波長の構成での応用が考え得る。即ち、現状では、異なる波長を有する４つの光送信モジュールに２５Ｇｂｉｔ／ｓずつ割り当てた１００Ｇｂｉｔイーサネット（イーサネットは登録商標）が提案されており、本発明において波長を４波長にすれば、１００Ｇｂｉｔイーサネット（イーサネットは登録商標）に適用することができる。
【００２８】
本発明の実施の形態によれば、個別波長選択用のリング共振器５１〜５Ｎで波長毎に分波されたレーザ光が、それぞれ別の出力導波路から出力されるため、レーザ光源から出力される段階で既に波長ごとにレーザ光が分波されている。したがって、各波長用の変調器に波長ごとにレーザ光を分岐させる光分波器が不要となる。その結果、波長多重通信システムで多波長レーザ光源を用いた場合にシステムを構成する部品の数を減らし、簡素な構成で波長多重通信システムを構築することが可能となる。
【実施例１】
【００２９】
次に、図３乃至図６を参照して、本発明の実施例１の多波長レーザ光源を説明する。図３は本発明の実施例１の多波長レーザ光源の概略的構成図である。本発明の実施例１の多波長レーザ光源は、利得媒質である半導体光増幅器４０が、リング共振器２７１〜２７４を含むＳｉ導波路型波長フィルタ上に設置された構造となっている。Ｓｉ導波路型波長フィルタは、半導体光増幅器４０に接続される光導波路２４と、光導波路２４に夫々の入力ポートｐ１１〜ｐ１４が接続された４個のリング共振器２７１〜２７４を備えている。この４個のリング共振器２７１〜２７４の出力ポートｐ２１〜ｐ２４には、夫々４つの出力導波路２９１〜２９４が接続されている。また、この各出力導波路２９１〜２９４にはコア層の表面に周期的凹凸を形成した分布ブラッグ反射器(ＤＢＲ) ３１１〜３１４が設けられている。
【００３０】
また、半導体増幅器４０の出射端面側には反射防止膜５１が設けられ、後端側には高反射膜５０が設けられている。半導体増幅器４０と光導波路２４は、光導波路の先端部に設けられた先細りテーパ状のスポットサイズ変換器２６で数μｍ程度の間隙を介して光学的に結合している。高反射膜５０と各分布ブラッグ反射器３１１〜３１４とによりレーザ共振器が形成される。
【００３１】
各リング共振器２７１〜２７４及び各分布ブラッグ反射器３１１〜３１４には、夫々波長制御用のヒータ２８１〜２８４，３２１〜３２４を設ける。ヒータ２８１〜２８４によって各リング共振器２７１〜２７４の共振波長を個別に制御することができ、また、ヒータ３２１〜３２４によって、各分布ブラッグ反射器３１１〜３１４の反射波長を個別に制御することができる。出力導波路２９１〜２９４には、位相制御用ヒータ３０１〜３０４が設けられており、位相制御用ヒータ３０１〜３０４によって、高反射膜５０と各分布ブラッグ反射器３１１〜３１４とにより形成されるレーザ共振器の光学的共振器長が制御される。
【００３２】
図４は、本発明の実施例１の多波長レーザ光源に用いる半導体光増幅器の断面図である。半導体光増幅器４０は、ｐ型ＧａＡｓ基板４１上にｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層４２及びｉ型ＧａＡｓ下地層４３を順次成膜する。次いで、Ｓｔｒａｎｓｋｉ−Ｋｒａｓｔａｎｏｖ成長モードによりＩｎＡｓ量子ドット４４を形成し、このＩｎＡｓ量子ドット４４をｉ型ＧａＡｓ中間層４５で覆う。このｉ型ＧａＡｓ中間層４５を下地層としてＩｎＡｓ量子ドット４４をさらに積層する。この工程を数回繰り返して量子ドットを含む活性層を形成する。この時、ＩｎＡｓ量子ドット４４のサイズはばらつくので、１.３０μｍ近傍を中心波長とする多波長発振となる。
【００３３】
次いで、ｎ型ＩｎＧａＰクラッド層４６及びｎ型ＧａＡｓコンタクト層４７を成長させたのち、活性層に達しないようにメサエッチングを行ってリッジを形成する。このように、リッジ構造にすることによって、活性層はダメージを受けることがない。次いで、ｐ型ＧａＡｓ基板の裏面にｐ側電極４８を形成し、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層４７の頂面にｎ側電極４９を形成する。なお、図示は省略するが、この半導体光増幅器４０の一方の端面に高反射膜(５０)を設け、他端に反射防止膜（５１）を設ける。
【００３４】
このような量子ドットを有する活性層は、各量子ドットでそのサイズに応じて特定の波長においてのみ利得を発生させ、ある波長でのレーザ発振に寄与するサイズの量子ドットは、別の波長におけるレーザ発振には寄与しにくい。したがって、量子ドットを含む活性を有する１つの半導体光増幅器で多波長レーザ発振が発生した場合に、それぞれの波長において独立に安定したレーザ発振が得やすいという特長がある。
【００３５】
図５は、本発明の実施例１の多波長レーザ光源に用いる光導波路の断面図である。まず、単結晶シリコン基板２１上に下部クラッド層を兼ねるＢＯＸ層２２を介して厚さが０．２μｍの単結晶シリコン層２３を有するＳＯＩ基板２０を用意する。次いで、所定のフォトリソグラフィー工程でレジストパターン（図示は省略）を形成し、このレジストパターンをマスクとして単結晶シリコン層２３を０．５μｍの幅にエッチングして厚さが０．２μｍで幅が０．５μｍのコア層を有する光導波路２４を形成する。なお、光導波路２４の半導体光増幅器４０と結合する部分には、モード径を拡大するためのスポットサイズ変換器２６を設ける。このスポットサイズ変換器２６は、ここでは、光導波路２４のコア幅を半導体光増幅器４０に向かってテーパ状に徐々に狭くすることによって形成する。
【００３６】
この時、同時に、リング共振器２７１〜２７４、出力導波路２９１〜２９４を形成する。リング共振器２７１〜２７４は、ここでは、その曲率半径を設計値として２０μｍとする。リング共振器２７１〜２７４では、リング導波路の周回長で決まる周期的な共振波長が存在し、その周期（Ｆｒｅｅ Ｓｐｅｃｔｒｕｍ Ｒａｎｇｅ：ＦＳＲ）は曲率半径が２０μｍの場合には、約５ｎｍ程度となる。次いで、出力導波路２９１〜２９４の出力端側のコア層の表面に周期的凹凸を形成して分布ブラッグ反射器３１１〜３１４を形成する。
【００３７】
次いで、全面に保護膜絶縁膜を兼ねるＳｉＯ２膜を成膜してＳｉＯ２上部クラッド層２５とする。次いで、各リング共振器２７１〜２７４の導波路上には、それぞれ独立したヒータ２８１〜２８４が形成され、リング共振器２７１〜２７４の共振波長をシフトできるようにしている。因みに、１０°の温度変化で１ｎｍ程度のシフトが可能であるので、５ｎｍシフトするために、５０°の温度を上昇すれば良い。なお、ここでは、ヒータ２８１〜２８４を左右に分かれた一対のヒータとしているが、ヒータの形状は任意であり、例えば、馬蹄形状の一体構造で形成しても良い。
【００３８】
また、出力導波路２９１〜２９４の中間部分の導波路上に位相制御用ヒータ３０１〜３０４を設け、分布ブラッグ反射器３１１〜３１４上にも反射波長を調整可能にするヒータ３２１〜３２４を設ける。なお、ヒータ２８１〜２８４，３２１〜３２４及び位相制御用ヒータ３０１〜３０４の素材は任意であるが、ここでは、Ｔｉ膜を用いる。
【００３９】
このようなＳｉコア層を用いたＳｉ導波路はその光閉じ込めが強く、Ｓｉ導波路を曲げる場合に曲率半径を小さくしても損失が出にくいため、リング共振器のサイズも含めて小型化が容易であるという特長がある。
【００４０】
次に、図３及び図６を参照して、本発明の実施例１の多波長レーザ光源における波長選択原理を説明する。半導体光増幅器４０から出力され、光導波路２４を伝搬して第１のリング共振器２７１の入力ポートｐ１１に入射した光のうち、第１のリング共振器２７１の共振波長に一致する光は出力ポートｐ２１側に伝搬し、第１の出力導波路２９１へ向かう。
【００４１】
第１の出力導波路２９１に形成された第１の分布ブラッグ反射器３１１上にはヒータ３２１が形成されており、ヒータ３２１による温度制御により第１のリング共振器２７１を通過する共振波長の内の１つを選択的に反射するようにその反射波長が調整される。第１の分布ブラッグ反射器３１１は、ここでは、反射率が３０％程度となるように長さなどを調整する。
【００４２】
第１の分布ブラッグ反射器３１１で反射された光は、元来たルートを辿って半導体光増幅器４０まで戻り、半導体光増幅器４０の後端面に設けられた高反射膜５０で反射されて共振が起こる。したがって、図６の最上段に示すように、第１のリング共振器２７１と第１の分布ブラッグ反射器３１１とで選択された第１の波長λ１においてレーザ発振が起こる。第１の波長λ１のレーザ光の出力は、第１の分布ブラッグ反射器３１１の透過光として取り出されてＳｉ導波路型波長フィルタの外に出力される。
【００４３】
第１の出力導波路２９１の導波路上には第１の位相制御用ヒータ３０１が形成されている。この第１の位相制御用ヒータ３０１により、第１の分布ブラッグ反射器３１１と半導体光増幅器４０の後端面に設けられた高反射膜５０とで形成されるレーザ共振器の縦モード位置が、上述のように選択したλ１の波長の中心に合うように調整される。この第１の位相制御用ヒータ３０１は第１の出力導波路２９１の位相のみをコントロールできるため、第１の波長λ１の光のみを独立に位相制御することが可能となる。
【００４４】
第１のリング共振器２７１のポートｐ１１に入射した光のうち、共振波長に一致しない波長の光は、第１のリング共振器２７１の出力ポートｐ２１へは向かわず、そのまま光導波路２４を伝搬し、第２のリング共振器２７２の入力ポートｐ１２に到達する。第２のリング共振器２７２は、その共振波長が第１のリング共振器２７１の共振波長に対して例えばＦＳＲの１／４である１．２５ｎｍ分だけ短波側になるように、第２のヒータ２８２で共振波長の位置が調整される。
【００４５】
第１のリング共振器２７１で選択されずに第２のリング共振器２７２に到達した光のうち、第２のリング共振器２７２の共振波長と一致する波長の光は、出力ポートｐ２２側に伝搬し、第２の出力導波路２９２へ向かう。第２の出力導波路２９２に形成された第２の分布ブラッグ反射器３１２上にはヒータ３２２が形成されており、第２のリング共振器２７２を通過する共振波長の内の１つを選択的に反射するようにその反射波長が調整される。第２の分布ブラッグ反射器３１２は、ここでは、反射率が３０％程度となるように長さなどを調整する。
【００４６】
第２の分布ブラッグ反射器３１２で反射された光は、元来たルートを辿って半導体光増幅器４０まで戻り、半導体光増幅器４０の後端面に設けられた高反射膜５０で反射されて共振が起こる。したがって、図６の第２段に示すように、第２のリング共振器２７２と第２の分布ブラッグ反射器３１２とで選択された第２の波長λ２においてレーザ発振が起こる。第２の波長λ２のレーザ光の出力は、第２の分布ブラッグ反射器３１２の透過光として取り出され第１の波長λ１のレーザ光とは別の位置からＳｉ導波路型波長フィルタの外に出力される。
【００４７】
第２の出力導波路２９２の導波路上には第２の位相制御用ヒータ３０２が形成されている。この第２の位相制御用ヒータ３０２により、第２の分布ブラッグ反射器３１２と半導体光増幅器４０の後端面に設けられた高反射膜５０とで形成されるレーザ共振器の縦モード位置が、上述のように選択したλ２の波長の中心に合うように調整される。この第２の位相制御用ヒータ３０２は第２の出力導波路２９２の位相のみをコントロールできるため、第２の波長λ２の光のみを独立に位相制御することが可能となる。
【００４８】
第２のリング共振器２７２のポートｐ１２に入射した光のうち、共振波長に一致しない波長の光は、第２のリング共振器２７２の出力ポートｐ２２へは向かわず、そのまま光導波路２４を伝搬し、第３のリング共振器２７３の入力ポートｐ１３に到達する。第３のリング共振器２７３は、その共振波長が第１のリング共振器２７１の共振波長に対して例えばＦＳＲの１／２である２．５ｎｍ分だけ短波側になるように、第３のヒータ２８３で共振波長の位置が調整される。
【００４９】
第１のリング共振器２７１及び第２のリング共振器２７２で選択されずに第３のリング共振器２７３に到達した光のうち、第３のリング共振器２７３の共振波長と一致する波長の光は、出力ポートｐ２３側に伝搬し、第３の出力導波路２９３へ向かう。第３の出力導波路２９３に形成された第３の分布ブラッグ反射器３１３上にはヒータ３２３が形成されており、第３のリング共振器２７３を通過する共振波長の内の１つを選択的に反射するようにその反射波長が調整される。第３の分布ブラッグ反射器３１３は、ここでは、反射率が３０％程度となるように長さなどを調整する。
【００５０】
第３の分布ブラッグ反射器３１３で反射された光は、元来たルートを辿って半導体光増幅器４０まで戻り、半導体光増幅器４０の後端面に設けられた高反射膜５０で反射されて共振が起こる。したがって、図６の第３段に示すように、第３のリング共振器２７３と第３の分布ブラッグ反射器３１３とで選択された第３の波長λ３においてレーザ発振が起こる。第３の波長λ３のレーザ光の出力は、第３の分布ブラッグ反射器３１３の透過光として取り出され第１の波長λ１及び第２の波長λ２のレーザ光とは別の位置からＳｉ導波路型波長フィルタの外に出力される。
【００５１】
第３の出力導波路２９３の導波路上には第３の位相制御用ヒータ３０３が形成されている。この第３の位相制御用ヒータ３０３により、第３の分布ブラッグ反射器３１３と半導体光増幅器４０の後端面に設けられた高反射膜５０とで形成されるレーザ共振器の縦モード位置が、上述のように選択したλ３の波長の中心に合うように調整される。この第３の位相制御用ヒータ３０３は第３の出力導波路２９３の位相のみをコントロールできるため、第３の波長λ３の光のみを独立に位相制御することが可能となる。
【００５２】
第３のリング共振器２７３のポートｐ１３に入射した光のうち、共振波長に一致しない波長の光は、第３のリング共振器２７３の出力ポートｐ２３へは向かわず、そのまま光導波路２４を伝搬し、第４のリング共振器２７４の入力ポートｐ１４に到達する。第４のリング共振器２７４は、その共振波長が第１のリング共振器２７１の共振波長に対して例えばＦＳＲの３／４である３．７５ｎｍ分だけ短波側になるように、第４のヒータ２８４で共振波長の位置が調整される。
【００５３】
第１のリング共振器２７１乃至第３のリング共振器２７３で選択されずに第４のリング共振器２７４に到達した光のうち、第４のリング共振器２７４の共振波長と一致する波長の光は、出力ポートｐ２４側に伝搬し、第４の出力導波路２９４へ向かう。第４の出力導波路２９４に形成された第４の分布ブラッグ反射器３１４上にはヒータ３２４が形成されており、第４のリング共振器２７４を通過する共振波長の内の１つを選択的に反射するようにその反射波長が調整される。第４の分布ブラッグ反射器３１４は、ここでは、反射率が３０％程度となるように長さなどを調整する。
【００５４】
第４の分布ブラッグ反射器３１４で反射された光は、元来たルートを辿って半導体光増幅器４０まで戻り、半導体光増幅器４０の後端面に設けられた高反射膜５０で反射されて共振が起こる。したがって、図６の最下段に示すように、第４のリング共振器２７４と第４の分布ブラッグ反射器３１４とで選択された第４の波長λ４においてレーザ発振が起こる。第４の波長λ４のレーザ光の出力は、第４の分布ブラッグ反射器３１４の透過光として取り出され第１の波長λ１乃至第３の波長λ３のレーザ光とは別の位置からＳｉ導波路型波長フィルタの外に出力される。
【００５５】
第４の出力導波路２９４の導波路上には第４の位相制御用ヒータ３０４が形成されている。この第４の位相制御用ヒータ３０４により、第４の分布ブラッグ反射器３１４と半導体光増幅器４０の後端面に設けられた高反射膜５０とで形成されるレーザ共振器の縦モード位置が、上述のように選択したλ４の波長の中心に合うように調整される。この第４の位相制御用ヒータ３０４は第４の出力導波路２９４の位相のみをコントロールできるため、第４の波長λ４の光のみを独立に位相制御することが可能となる。
【００５６】
第１の波長λ１乃至第４の波長λ４は、夫々少しずつ波長がずれている第１のリング共振器２７１乃至第４のリング共振器２７４の共振波長のいずれか１つになるため、図６に示すように、互いに異なる４つの波長となる。
【００５７】
このように、本発明の実施例１においては、４つの波長のレーザ光が、第１の出力導波路２９１乃至第４の出力導波路２９４から第１の分布ブラッグ反射器３１１乃至第４の分布ブラッグ反射器３１４を介してそれぞれ別の位置から出力される。したがって、多波長レーザ光源から出力される時点で、波長毎に分岐されているので、波長多重通信システムに本レーザを用いた場合に、光分波器は不要となり、部品点数を減らすことが可能となる。
【００５８】
なお、図６の場合には、λ１〜λ４を等間隔にしているが、このような例だけでなく、様々な波長の組み合わせが可能である。第１のリング共振器２７１乃至第４のリング共振器２７４の共振波長は、互いにずれていれば良く、必ずしも等間隔にずれていなくても良い。また、図６の場合には、第１の分布ブラッグ反射器３１１から第４の分布ブラッグ反射器３１４の反射波長が夫々リング共振器２７１〜２７４のＦＳＲ程度ずつ等間隔にずれて並んでいる例を示しているが、これに限るものではない。例えば、λ１からλ４が順に並んでいないような構成でも、各分布ブラッグ反射器３１１〜３１４の反射波長が図６の波長範囲の外側のリング共振器２７１〜２７４の共振波長と一致するような構成でも構わない。また、本実施例では利得媒質として、ＧａＡｓ基板上に形成された量子ドット活性層を適用しているが、これに限らず、ＩｎＰ基板上に形成された量子ドットでも構わない。また、活性層として量子ドットを用いたものに限らず、多重量子井戸構造などを用いても同様の効果が得られるが、量子ドット活性層を用いた方が前述のように各波長間で独立したレーザ発振が得られやすいという特長がある。
【実施例２】
【００５９】
次に、図７及び図８を参照して、本発明の実施例２を説明するが、波長選択手段として分布ブラッグ反射器の代わりに光導波路２４側にリング共振器を設け、第２の反射鏡として、端面ミラーを用いたもので、それ以外の基本的構成は上記の実施例１と同様である。
【００６０】
図７は、本発明の実施例２の多波長レーザ光源の概略的構成図である。本発明の実施例２の多波長レーザ光源は、利得媒質である半導体光増幅器４０が、リング共振器２７１〜２７４を含むＳi導波路型波長フィルタ上に設置された構造となっている。この実施例２においては、Ｓｉ導波路型波長フィルタは、半導体光増幅器４０に接続される光導波路を光導波路２４と光導波路３３とに分割し、両者を波長選択用の第５のリング共振器２７５で結合したものである。また、この第５のリング共振器２７５の導波路上には第５のリング共振器２７５の共振波長の位置を制御するための第５のヒータ２８５が設けられている。
【００６１】
分割された光導波路３３には夫々の入力ポートｐ１１〜ｐ１４が接続された４個のリング共振器２７１〜２７４が結合されている。この４個のリング共振器２７１〜２７４の出力ポートｐ２１〜ｐ２４には、夫々４つの出力導波路２９１〜２９４が接続されている。また、この各出力導波路２９１〜２９４の出射端面には反射膜３４が設けられている。また、半導体増幅器４０の出射端面側には反射防止膜５１が設けられ、後端側には高反射膜５０が設けられている。この高反射膜５０と反射膜３４により半導体光増幅器４０のレーザ共振器が形成される。なお、反射膜３４は、２層構造膜程度の積層膜とすることにより、１５３０ｎｍ〜１５７０ｎｍ程度の範囲の波長に対して良好な反射特性を持たせることが可能であるので、λ１乃至λ４の全ての波長に対する反射膜となる。
【００６２】
ここでも、各リング共振器２７１〜２７４には、波長制御用のヒータ２８１〜２８４が設けられている。このヒータ２８１〜２８４によって各リング共振器２７１〜２７４の共振ピークがそれぞれ、第５のリング共振器２７５の互いに異なる共振波長に一致するように調整する。また、出力導波路２９１〜２９４には、位相制御用ヒータ３０１〜３０４が設けられており、位相制御用ヒータ３０１〜３０４によって、高反射膜５０と反射膜３４とにより形成されるレーザ共振器の光学的共振器長が制御される。
【００６３】
次に、図７及び図８を参照して、本発明の実施例２の多波長レーザ光源における波長選択原理を説明する。この実施例２の場合には、第１のリング共振器２７１乃至第４のリング共振器２７４と光導波路２４，３３側に設けた第５のリング共振器２７１とを組み合わせてバーニア効果を利用して波長選択を行う。
【００６４】
即ち、図８の右端側に示すように、第１の波長λ１は、第１のリング共振器２７１と第５のリング共振器２７５の共振波長が重なる波長となる。また、図８の右から２番目に示すように、第２の波長λ２は、第２のリング共振器２７２と第５のリング共振器２７５の共振波長が重なる波長となる。また、図８の右から３番目に示すように、第３の波長λ３は、第３のリング共振器２７３と第５のリング共振器２７５の共振波長が重なる波長となる。さらに、図８の左端側に示すように、第４の波長λ４は、第４のリング共振器２７４と第５のリング共振器２７５の共振波長が重なる波長となる。
【００６５】
この実施例２においては、バーニア効果を利用してλ１〜λ４の波長を変えることができるため、上記の実施例１のように分布ブラッグ反射器３１１〜３１４の反射波長を変えるのと比較して広い範囲で波長を変化させることが可能となる。また、第５のリング共振器２７５の共振波長を波長多重通信の波長グリッドに合わせることにより、全波長において自動的に波長グリッドで発振させることが可能になる。なお、各波長のレーザ光の導波状態は上記の実施例１と同様であるので、説明を省略する。
【００６６】
また、この実施例２において、実施例１と同様に多波長レーザ光源から出力される時点で波長毎に分波されているため、波長多重通信システムにこの多波長レーザ光源を用いた場合に波長毎にレーザ光を分ける光分波器を用いる必要がなく、簡素な構成でシステムを構成することが可能となる。
【実施例３】
【００６７】
次に、図９及び図１０を参照して、本発明の実施例３の多波長レーザ光源を説明するが、この実施例３の多波長レーザ光源は、実施例１の多波長レーザ光源の出力導波路の出力端側に光変調器を集積化したもので、それ以外の構成は上記の実施例１と同様である。
【００６８】
図９は、本発明の実施例３の多波長レーザ光源の概略的構成図であり、上記の実施例１の多波長レーザ光源の出力導波路２９１〜２９４の出力端側に光変調器３５１〜３５４をモノリシックに一体化したものである。
【００６９】
図１０は、本発明の実施例３の多波長レーザ光源に用いる光変調器の断面図である。ここでは、シリコンフォトニクス技術を用いて、Ｓｉ導波路型波長フィルタを形成するＳＯＩ基板（２０）の単結晶シリコン層（２３）を加工して光変調器３５１〜３５４を形成する。即ち、ＢＯＸ層２２上に設けた単結晶シリコン層（２３）を加工してスラブ部６１とリブ部６２とを有するリブ型導波路を形成し、リブ部６２を挟んでスラブ部６１の一方の領域にＰをドープしてｎ側領域６３を形成し、他方の領域にＢをドープしてｐ型領域６４を形成する。
【００７０】
次いで、保護絶縁膜を兼ねるＳｉＯ２上部クラッド層２５を形成した後、ｎ側領域６３及びｐ側領域６４に達するコンタクトホールを形成する。このコンタクトホールを導電材料で埋め込むことによってｎ側電極６５及びｐ側電極６６を形成することで、光変調器３５が完成する。
【００７１】
このｐｉｎ構造の光変調器３５に順バイアスを印加してリブ部６２にキャリアを注入することで光変調を行うことができる。なお、ｎ側領域６３及びｐ側領域６４をリブ部６２に達するように形成してｐｎ構造にし、逆バイアスを印加して、キャリアを引き抜くことで光変調をかけるようにしても良い。
【００７２】
本発明の実施例３においては、シリコンフォトニクス技術を利用することによって、光変調器をＳｉ導波路型波長フィルタとモノリシックに一体化しており、波長多重通信システムをより簡素で小型な構成で実現することが可能となる。
【実施例４】
【００７３】
次に、図１１を参照して、本発明の実施例４の多波長レーザ光源を説明するが、この実施例４の多波長レーザ光源は、上記の実施例３の多波長レーザ光源の光変調器をマッハツェンダ型光変調器に置き換えたもので、それ以外の構成は上記の実施例３と同様である。
【００７４】
図１１は、本発明の実施例４の多波長レーザ光源の概略的構成図であり、上記の実施例１の多波長レーザ光源の出力導波路２９１〜２９４の出力端側にマッハツェンダ型光変調器３６１〜３６４をモノリシックに一体化したものである。
【００７５】
この場合も実施例３と同様に、シリコンフォトニクス技術を用いて、Ｓｉ導波路型波長フィルタを形成するＳＯＩ基板（２０）の単結晶シリコン層（２３）を加工してマッハツェンダ型光変調器３６１〜３６４を形成する。即ち、ＢＯＸ層（２２）上に設けた単結晶シリコン層（２３）を加工してリブ型導波路構造の一対の分岐導波路と、その間の２本のアーム導波路を形成する。各アーム導波路のスラブ部に夫々一対のｎ側領域及びｐ側領域を形成するとともに、ｎ側電極及びｐ側電極を形成する。
【００７６】
各アーム導波路に電圧を印加してアーム導波路を伝搬するレーザ光の位相を制御し、両方のアーム導波路の位相が一致した場合には、ＯＮになってパルス信号が出力され、位相がπだけずれた場合には、ＯＦＦになってパルス信号を出力しない。
【００７７】
本発明の実施例４においては、シリコンフォトニクス技術を利用することによって、マッハツェンダ型光変調器をＳｉ導波路型波長フィルタとモノリシックに一体化しており、小型化や実装の簡素化が可能であるとともに、波長チャープの制御や位相変調方式の適用などより高度な変調方式を適用することができる。
【実施例５】
【００７８】
次に、図１２を参照して、本発明の実施例５の多波長レーザ光源を説明するが、この実施例５の多波長レーザ光源は、実施例２の多波長レーザ光源の出力導波路の出力端側に光変調器を集積化したもので、それ以外の構成は上記の実施例２と同様である。
【００７９】
図１２は、本発明の実施例５の多波長レーザ光源の概略的構成図であり、上記の実施例２の多波長レーザ光源の出力導波路２９１〜２９４の出力端側に光変調器３５１〜３５４をモノリシックに一体化したものである。但し、光変調器３５１〜３５４を接続するために、ループミラー３８１〜３８４を必要とし、ループミラー３８１〜３８４を出力導波路２９１〜２９４に接続し、分岐導波路３９１〜３９４に出力するために方向性結合器３７１〜３７４を設ける。この分岐導波路３９１〜３９４に光変調器３５１〜３５４を接続する。方向性結合器３７１〜３７４の結合係数を変えることにより、ループミラー３８１〜３８４から戻ってくる光のうち変調器側に取り出す割合を変化させることが可能である。なお、方向性結合器３７１〜３７４の代わりにマルチモード干渉導波路を用いても構わないが、その場合は変調器側に取り出す割合が１：１など特定の比率に限られる。
【００８０】
この場合も、シリコンフォトニクス技術を用いて、ＳＯＩ基板上に、方向性結合器３７１〜３７４、ループミラー３８１〜３８４、分岐導波路３９１〜３９４及び光変調器３５１〜３５４をモノリシックに一体形成する。なお、この場合には、実施例２における反射膜３４は不要になる。
【００８１】
本発明の実施例５においても、シリコンフォトニクス技術を利用することによって、光変調器をＳｉ導波路型波長フィルタとモノリシックに一体化しており、波長多重通信システムをより簡素で小型な構成で実現することが可能となる。なお、この実施例５においても、光変調器として、実施例４と同様に、マッハツェンダ型光変調器を用いても良い。
【００８２】
ここで、実施例１乃至実施例５を含む本発明の実施の形態に関して、以下の付記を付す。
（付記１)利得媒質及び第１の反射鏡を備えた利得導波路と、導波路型波長フィルタとを有し、前記導波路型波長フィルタが、前記利得導波路の前記第１の反射鏡とは逆側に光学的に接続される第１の光導波路と、 前記第１の光導波路に入力ポートが接続され、共振波長が互いに異なる複数のリング共振器と、前記複数のリング共振器の夫々の出力ポートに接続される複数の出力導波路と、前記各出力導波路へ伝搬した光の少なくとも一部を反射して前記各リング共振器に戻す第２の反射鏡とを有することを特徴とする多波長レーザ光源。
（付記２)前記第２の反射鏡が、分布ブラッグ反射器であり、前記分布ブラッグ反射器が、反射波長を調整する波長調整機構を備えていることを特徴とする付記１に記載の多波長レーザ光源。
（付記３)前記第１の光導波路が、第１のサブ光導波路と前記第１のサブ光導波路に対して少なくとも一部が平行に配置された第２のサブ光導波路とを有し、前記第１のサブ光導波路と前記第２のサブ光導波路は、波長選択用リング共振器により結合していることを特徴とする付記１に記載の多波長レーザ光源。
（付記４)前記利得媒質が半導体光増幅器であることを特徴とする付記１乃至付記３のいずれか１に記載の多波長レーザ光源。
（付記５)前記半導体光増幅器は、量子ドットを含む活性層を有することを特徴とする付記４に記載の多波長レーザ光源。
（付記６)前記導波路型波長フィルタの光導波路部が、シリコン光導波路からなることを特徴とする付記１乃至付記５のいずれか１に記載の多波長レーザ光源。
（付記７）前記複数のリング共振器が、前記各リング共振器の共振波長を変更する波長制御機構を有することを特徴とする付記１乃至付記６のいずれか１に記載の多波長レーザ光源。
（付記８)前記複数のリング共振器が、前記各リング共振器の共振波長位置が互いに異なるように制御する波長制御機構を有することを特徴とする付記１乃至付記６のいずれか１に記載の多波長レーザ光源。
（付記９）前記波長選択用リング共振器が、前記波長選択用リング共振器の共振波長を変更する波長制御機構を有するとともに、前記複数のリング共振器が、前記各リング共振器の共振波長を変更する波長制御機構を有することを特徴とする付記３に記載の多波長レーザ光源。
（付記１０)前記波長選択用リング共振器が、前記波長選択用リング共振器の共振波長位置を制御する波長制御機構を有するとともに、前記複数のリング共振器が、前記各リング共振器の共振波長位置が前記波長選択用リング共振器の共振波長と重なる波長が互いに異なるように制御する波長制御機構を有することを特徴とする付記３に記載の多波長レーザ光源。
（付記１１)前記波長制御機構が、ヒータを備えていることを特徴とする付記８乃至付記１０のいずれか１に記載の多波長レーザ光源。
（付記１２)前記各出力導波路が、位相制御器を有していることを特徴とする付記１乃至付記１１のいずれか１に記載の多波長レーザ光源。
（付記１３)前記位相制御器は、前記各出力導波路上に設けられたヒータからなることを特徴とする付記１２に記載の多波長レーザ光源。
（付記１４)前記各出力導波路に光変調器が接続されたことを特徴とする付記１乃至付記１３のいずれか１に記載の多波長レーザ光源。
（付記１５)前記各出力導波路に接続された光変調器が、前記導波路型波長フィルタとモノリシックに一体化されていることを特徴とする付記１４に記載の多波長レーザ光源。
（付記１６)前記光変調器は、電界吸収型光変調器またはマッハツェンダ型光変調器であることを特徴とする付記１４または付記１５に記載の多波長レーザ光源。
（付記１７)前記各出力導波路に方向性結合器或いはマルチモード干渉導波路のいずれかの光カプラの一端側のポートが接続され、前記光カプラの他端側のポートを介してループミラーが接続されるとともに、前記光カプラの一端側のポートに接続された分岐導波路が光変調器に接続されていることを特徴とする付記３に記載の多波長レーザ光源。
（付記１８)付記１乃至付記１７のいずれか１に記載の多波長レーザ光源と、前記多波長レーザ光源の出射端側に接続された光合波器と、前記光合波器の出射端に接続された光ファイバとを有することを特徴とする波長多重通信システム。
【符号の説明】
【００８３】
１  基板
２  利得媒質
３  第１の反射鏡
４  第１の光導波路
５１〜５Ｎ  リング共振器
６１〜６Ｎ  出力導波路
７１〜７Ｎ  第２の反射鏡
８１〜８Ｎ  光変調器
９  光合波器
１０  光ファイバ
２０  ＳＯＩ基板
２１  単結晶シリコン基板
２２  ＢＯＸ層
２３  単結晶シリコン層
２４  光導波路
２５  ＳｉＯ２上部クラッド層
２６  スポットサイズ変換器
２７，２７１〜２７５  リング共振器
２８，２８１〜２８５  ヒータ
２９，２９１〜２９４  出力導波路
３０，３０１〜３０４  位相制御用ヒータ
３１，３１１〜３１４  分布ブラッグ反射器
３２，３２１〜３２４  ヒータ
３３  光導波路
３４  反射膜
３５，３５１〜３５４光変調器
３６１〜３６４  マッハツェンダ型光変調器
３７１〜３７４  方向性結合器
３８１〜３８４  ループミラー
３９１〜３９４  分岐導波路
４０  半導体光増幅器
４１  ｐ型ＧａＡｓ基板
４２  ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層
４３  ｉ型ＧａＡｓ下地層
４４  ＩｎＡｓ量子ドット
４５  ｉ型ＧａＡｓ中間層
４６  ｎ型ＩｎＧａＰクラッド層
４７  ｎ型ＧａＡｓコンタクト層
４８  ｐ側電極
４９  ｎ側電極
５０  高反射膜
５１  反射防止膜
６１  スラブ部
６２  リブ部
６３  ｎ型領域
６４  ｐ型領域
６５  ｎ側電極
６６  ｐ側電極
７１１〜７４Ｎ  半導体レーザ
７２１〜７２Ｎ  光変調器
７３  光合波器
７４  光ファイバ
７５  光分波器
８０  多波長レーザ光源
８１  半導体光増幅器
８２，８３  ミラー
８４  エタロン
【図１】
0006540214.tif 000002
【図２】
0006540214.tif 000003
【図３】
0006540214.tif 000004
【図４】
0006540214.tif 000005
【図５】
0006540214.tif 000006
【図６】
0006540214.tif 000007
【図７】
0006540214.tif 000008
【図８】
0006540214.tif 000009
【図９】
0006540214.tif 000010
【図１０】
0006540214.tif 000011
【図１１】
0006540214.tif 000012
【図１２】
0006540214.tif 000013
【図１３】
0006540214.tif 000014
【図１４】
0006540214.tif 000015
【図１５】
0006540214.tif 000016