(57)【要約】【課題】波長可変範囲をより大きくした波長可変光源を提供する。【解決手段】透過光強度のスペクトルピークの波長を変化させるための波長可変フィルタと、波長可変フィルタと光学的に結合され、利得スペクトルの波長領域が異なる複数の半導体増幅器とを有する構成である。【選択図】図１
2007115900.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
透過光強度のスペクトルピークの波長を変化させるための波長可変フィルタと、
前記波長可変フィルタと光学的に結合され、利得スペクトルの波長領域が異なる複数の半導体増幅器と、
を有する波長可変光源。
【請求項２】
請求項１記載の波長可変光源であって、
前記波長可変フィルタは、光路長の異なる複数のリング型共振器が光学的に結合された多重リング共振器であり、
前記複数の半導体増幅器は、所定の波長領域の利得スペクトルを発生させる第１の半導体増幅器と、該第１の半導体増幅器の利得スペクトルと異なる波長領域の利得スペクトルを発生させる第２の半導体増幅器とを有し、
前記多重リング共振器の導波路の両端のうち、一方が前記第１の半導体増幅器の導波路の両端のうちの一方と光学的に結合され、他方が前記第２の半導体増幅器の導波路の両端のうちの一方と光学的に結合され、
前記第１の半導体増幅器の導波路の両端のうちの他方に反射率が所定の値よりも低い光学薄膜が設けられ、
前記第２の半導体増幅器の導波路の両端のうちの他方に前記所定の値よりも高い反射率の光学薄膜が設けられた、波長可変光源。
【請求項３】
請求項１または２記載の波長可変光源であって、
前記リング型共振器の導波路のコア層の温度を変化させるためのヒータが該リング型共振器の該導波路から所定の範囲に設けられた波長可変光源。
【請求項４】
透過光強度のスペクトルピークの波長を変化させるための波長可変フィルタと、
前記波長可変フィルタと光学的に結合され、導波路方向に沿って、利得スペクトルの波長領域の異なる利得媒質が複数配置された半導体増幅器と、
を有する波長可変光源。
【請求項５】
請求項４記載の波長可変光源であって、
前記波長可変フィルタは、光路長の異なる複数のリング型共振器が光学的に結合された多重リング共振器であり、
前記多重リング共振器の導波路の両端のうち、一方に前記半導体増幅器の導波路の両端のうちの一方が光学的に結合され、他方に反射率が所定の値よりも高い反射率の光学薄膜が設けられ、
前記半導体増幅器の導波路の両端のうち他方に前記所定の値よりも反射率が低い光学薄膜が設けられた、波長可変光源。
【請求項６】
請求項４または５記載の波長可変光源であって、
前記リング型共振器の導波路のコア層の温度を変化させるためのヒータが該リング型共振器の該導波路から所定の範囲に設けられた波長可変光源。
【請求項７】
請求項４または５記載の波長可変光源であって、
前記多重リング共振器が半導体材料による平面光回路で構成され、
前記リング型共振器の導波路のコア層の屈折率を電界印加により変化させるためのＰＩＮ接合構造が該リング型共振器の該導波路に設けられた波長可変光源。
【請求項８】
請求項４または５記載の波長可変光源であって、
前記多重リング共振器および前記半導体増幅器が同一半導体基板上にモノリシック集積され、
前記多重リング共振器を構成する半導体光導波路のコア層のバンドギャップ波長が前記半導体増幅器の前記利得スペクトルのピーク位置よりも短い波長側に設定され、
前記リング型共振器の導波路のコア層の屈折率を電界印加により変化させるためのＰＩＮ接合構造が該リング型共振器の該導波路に設けられた波長可変光源。
【請求項９】
請求項２または３項記載の波長可変光源と、
前記多重リング共振器を制御するための多重リング共振器用制御回路と、
前記複数の半導体増幅器の光学利得を制御するための半導体増幅器用制御回路と、
を有する波長可変光源モジュール。
【請求項１０】
請求項９記載の波長可変光源モジュールであって、
前記半導体増幅器用制御回路は、所望の波長に対応して前記複数の半導体増幅器のうち所定の半導体増幅器にスペクトル発生に必要な光学利得を生じさせ、かつ該所定の半導体増幅器を除く半導体増幅器には光学損失を生じさせないように電流注入を行って、該所定の半導体増幅器を利得動作させ、
前記多重リング共振器用制御回路は前記所望の波長に対応して前記波長可変フィルタの発振波長を調整する、波長可変光源モジュール。
【請求項１１】
請求項５から８のいずれか１項記載の波長可変光源と、
前記多重リング共振器を制御するための多重リング共振器用制御回路と、
前記半導体増幅器の複数の利得媒質の光学利得を制御するための半導体増幅器用制御回路と、
を有する波長可変光源モジュール。
【請求項１２】
請求項１１記載の波長可変光源モジュールであって、
前記半導体増幅器用制御回路は、所望の波長に対応して前記複数の利得媒質のうち所定の利得媒質にスペクトル発生に必要な光学利得を生じさせ、かつ該所定の利得媒質を除く利得媒質には光学損失を生じさせないように電流注入を行って、該所定の利得媒質を利得動作させ、
前記多重リング共振器用制御回路は前記所望の波長に対応して前記波長可変フィルタの発振波長を調整する、波長可変光源モジュール。
【請求項１３】
請求項１から３のいずれか１項記載の波長可変光源の駆動方法であって、
所望の波長に対応して前記複数の半導体増幅器のうち所定の半導体増幅器にスペクトル発生に必要な光学利得を生じさせ、かつ該所定の半導体増幅器を除く半導体増幅器には光学損失を生じさせないように電流注入を行って、該所定の半導体増幅器を利得動作させ、
前記所望の波長に対応して前記波長可変フィルタの発振波長を調整する、波長可変光源の駆動方法。
【請求項１４】
請求項４から８のいずれか１項記載の波長可変光源の駆動方法であって、
所望の波長に対応して前記複数の利得媒質のうち所定の利得媒質にスペクトル発生に必要な光学利得を生じさせ、かつ該所定の利得媒質を除く利得媒質には光学損失を生じさせないように電流注入を行って、該所定の利得媒質を利得動作させ、
前記所望の波長に対応して前記波長可変フィルタの発振波長を調整する、波長可変光源の駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信、光情報処理および光インターコネクション等に用いられる光源であり、特に、波長可変機能を有する波長可変光源と、その駆動方法と、波長可変光源モジュールとに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、インターネットのトラフィックは急速に増加しており、これに対応すべく通信容量拡大の技術も進展している。波長分割多重通信（ＷＤＭ：Wavelength Division Multiplexing）は、波長数を増やすことにより大容量化を行うものであるが、ＲＯＡＤＭ(Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexing)、波長ルーティングによる光クロスコネクト等の進展とあいまって、より柔軟性に優れた通信容量の拡大が活発に検討されている。これは、波長資源を単に容量拡大のみに使用するのではなく、ネットワーク機能の向上にも積極的に利用していくものである。通信容量の拡大と通信方式の高機能化は相互に関連して、低コストで安全性の高い通信サービスの提供を可能にするものであり、波長可変レーザは、このような通信システムを構築する上で重要なキーデバイスの１つである。
【０００３】
従来の波長分割多重システムでは、一定の波長間隔を有する複数の固定波長光源を並べて対応しており、特に保守管理用バックアップ光源（波長数分）のコストは、システムの低コスト化を阻害する大きな要因となっていた。波長可変光源の適用により、光源の種類を１つに統合することができるので、システムコストの低減が大きく進展することになる。また、切り替え速度の速い波長可変光源は、波長ルーティングにおいても新しいネットワーク機能の実現に必要不可欠な要素となっている。
【０００４】
Ｃ(Conventional)帯域またはＬ(Long)帯域をカバーできる波長可変光源には、可動ＭＥＭＳミラーを用いたものとして、Ｊｉｌｌ  Ｄ．Ｂｅｒｇｅｒ等により非特許文献１に発表されている。この文献に発表された波長可変光源は、比較的良好な光出力特性を示しているものの、製作コストや耐衝撃性の点でその実用性が懸念されている。また、ＤＢＲ(Distributed Bragg Reflector)レーザのモード安定性を高めて、さらに変調器と集積化したものがＢ．Ｍａｓｏｎ等により非特許文献２に報告されているが、低コスト化や信頼性の点で課題がある。
【０００５】
一方、平面光回路（ＰＬＣ）を外部共振器として用いる波長可変光源は、製作が比較的容易であるだけでなく、ＭＥＭＳにあるような可動部を持たない。そのため、製作歩留まりおよび信頼性（特に耐振動性）の点で優れており、量産性に適していると考えられ、現在のところ幾つかの構成が提案されている。リング型外部共振器と半導体増幅器を用いた構成としては、Ｈ．Ｙａｍａｚａｋｉ等により、非特許文献３において報告されている。この文献の報告によれば、可動部をもたない波長可変光源としては、波長可変範囲、光出力等の面で良好な特性が得られている。
【非特許文献１】Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，２００１．ＥＣＯＣ‘０１．２７ｔｈ  Ｅｕｒｏｐｅａｎ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｎ  Ｖｏｌｕｍｅ  ２，３０  Ｐ．１９８−１９９
【非特許文献２】ＩＥＥＥ  Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ  Ｖｏｌｕｍｅ  １１  Ｎｕｍｂｅｒ  １１，１９９９  Ｐ．６３８−６４０
【非特許文献３】３０ｔｈ  Ｅｕｒｏｐｅａｎ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｎ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ  ２００４，ｔｈ４．２．３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、非特許文献３に提案された構成の波長可変光源では、リング型外部共振器の波長可変範囲と半導体増幅器の波長増幅範囲とで出力する光の波長可変範囲が決まってしまう。そのため、安定して、かつ、より広い範囲で波長を可変にするには構成上の限界がある。
【０００７】
一方、光通信における高密度波長多重伝送方式（ＤＷＤＭ）では、通信波長帯をＣ帯域とＬ帯域に分け、それぞれ、およそ４０ｎｍ程度の波長範囲に多くの波長信号光を導入している。現在では、多くの波長可変レーザが４０ｎｍの波長範囲を基準に開発が進められている。しかし、Ｃ，Ｌ両帯域を１つの光源でカバーできる通信用波長帯ではない。また、およそ２０ｎｍ間隔で信号光波長を設定するＣＷＤＭ（Ｃｏａｓｅ  ＷＤＭ）方式では、より広範囲な波長可変が要求されることになる。
【０００８】
本発明は上述したような従来の技術が有する問題点を解決するためになされたものであり、波長可変範囲をより大きくした波長可変光源、波長可変光源モジュール、および波長可変光源の駆動方法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】
【０００９】
上記目的を達成するための本発明の波長可変光源は、
透過光強度のスペクトルピークの波長を変化させるための波長可変フィルタと、
前記波長可変フィルタと光学的に結合され、利得スペクトルの波長領域が異なる複数の半導体増幅器と、
を有する構成である。
【００１０】
また、本発明の波長可変光源は、
透過光強度のスペクトルピークの波長を変化させるための波長可変フィルタと、
前記波長可変フィルタと光学的に結合され、導波路方向に沿って、利得スペクトルの波長領域の異なる利得媒質が複数配置された半導体増幅器と、
を有する構成である。
【００１１】
本発明では、複数の半導体増幅器または複数の利得領域による利得スペクトルと波長可変フィルタの損失スペクトルとの両方を変化させることにより、出力させる光の波長の選択範囲がより広くなる。
【００１２】
一方、上記目的を達成するための本発明の波長可変光源モジュールは、
上記本発明の波長可変光源と、
前記多重リング共振器を制御するための多重リング共振器用制御回路と、
前記複数の半導体増幅器の光学利得を制御するための半導体増幅器用制御回路と、
を有する構成である。
【００１３】
また、本発明の波長可変光源モジュールは、
上記本発明の波長可変光源と、
前記多重リング共振器を制御するための多重リング共振器用制御回路と、
前記半導体増幅器の複数の利得媒質の光学利得を制御するための半導体増幅器用制御回路と、
を有する構成である。
【００１４】
また、上記目的を達成するための本発明の波長可変光源の駆動方法は、上記本発明の波長可変光源について、
所望の波長に対応して前記複数の半導体増幅器のうち所定の半導体増幅器にスペクトル発生に必要な光学利得を生じさせ、かつ該所定の半導体増幅器を除く半導体増幅器には光学損失を生じさせないように電流注入を行って、該所定の半導体増幅器を利得動作させ、
前記所望の波長に対応して前記波長可変フィルタの発振波長を調整するものである。
【００１５】
さらに、本発明の波長可変光源の駆動方法は、上記本発明の波長可変光源について、
所望の波長に対応して前記複数の利得媒質のうち所定の利得媒質にスペクトル発生に必要な光学利得を生じさせ、かつ該所定の利得媒質を除く利得媒質には光学損失を生じさせないように電流注入を行って、該所定の利得媒質を利得動作させ、
前記所望の波長に対応して前記波長可変フィルタの発振波長を調整するものである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、損失スペクトルのピーク位置を所定の範囲で可変な波長可変フィルタと、利得スペクトル形状、特に利得スペクトルのピーク位置を大きく変えることが可能な利得可変媒質との両方を発振波長の制御に利用することができるため、出力させる光に対してより広範囲な波長可変を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明の波長可変光源は、異なる波長領域の利得スペクトルを複数有する構成を波長可変フィルタに光学結合させたことを特徴とする。以下では、波長可変光源がレーザの場合で説明する。
【００１８】
（第１の実施形態）
本実施形態の波長可変レーザの構成について図面を参照して詳細に説明する。図１は本実施形態の波長可変レーザの一構成例を示す模式図である。
【００１９】
図１に示すように、波長可変レーザは、石英系材料の基板に形成された平面光回路１による波長可変外部共振器と、基板の端面１２側に設けられた第１の半導体増幅器１１と、端面６側に設けられた第２の半導体増幅器４とを有する構成である。
【００２０】
平面光回路１の波長可変外部共振器は、直線光導波路８と、直線光導波路８と適切な結合度ＫＬで部分的に光学結合した第１のリング型光導波路７と、第１のリング型光導波路７と結合度ＫＬで部分的に光学結合した直線光導波路１３と、直線光導波路１３と結合度ＫＬで部分的に光学結合した第２のリング型光導波路１４と、第２のリング型光導波路１４と結合度ＫＬで部分的に光学結合した直線光導波路２とが同一平面上に形成された構成である。この波長可変外部共振器は、これら複数のリング型導波路を有する多重リング共振器となる。直線光導波路８の一端は基板の端面１２で終端し、直線光導波路２の一端は基板の端面６で終端している。そして、端面１２、６のそれぞれには、光学的反射を抑制するための低反射膜２７、２６がそれぞれ形成されている。
【００２１】
第１の半導体増幅器１１は、所定の波長領域に利得スペクトルを発生させるバンドギャップを有する。第２の半導体増幅器４は、第１の半導体増幅器１１で発生させる利得スペクトルよりも波長の長い領域で利得スペクトルを発生させるバンドギャップを有する。第１の半導体増幅器１１は、基板側の端面に低反射膜２９が形成され、その反対側の端面１０には１０％程度の反射率を得るべく光学薄膜３７が形成されている。第２の半導体増幅器４は、基板側の端面に低反射膜２８が形成され、その反対側の端面５には９０％以上の高反射率を得るべく光学薄膜３８が形成されている。
【００２２】
なお、光学薄膜３７の反射率は、５％程度であってもよいが、共振器内で発振を起こさせるとともに、レーザを外部に出力可能な反射率として１０％程度がより望ましい。光学薄膜３８については、共振器内でレーザ発振を起こさせるために、反射率は少なくとも７０％以上あることが望ましい。
【００２３】
直線光導波路８の一端は、基板の端面１２で第１の半導体増幅器１１の低反射膜２９による低反射出力導波路端９と光学的に結合されている。直線光導波路２の一端は、基板の端面６で第２の半導体増幅器４の低反射膜２８による低反射出力導波路端３と光学的に結合されている。なお、図１では説明のために、第１の半導体増幅器１１と基板とを離して配置した状態を示している。また、低反射膜２６〜２９は反射率が０％に近いほど望ましい。
【００２４】
さらに、第２のリング型光導波路１４の一部には、導波路のコア層を加熱するためのヒータ１５と熱拡散を抑制するための断熱溝１６が形成されている。ヒータ１５は、導波路の上、下、または横など、導波路のコア層の温度を変化させることが可能な範囲に位置している。図１では、ヒータ１５は導波路の上に設けられている。第１のリング型光導波路７と第２のリング型光導波路１４は、周囲長が僅かに異なっており、光路長が異なっている構成である。
【００２５】
ここで、本実施形態の波長可変レーザの動作原理について簡単に説明する。
【００２６】
図２は本実施形態の波長可変レーザの動作原理を説明するための模式図である。図２に示す波長可変レーザは、本実施形態の波長可変レーザの原理を説明するためのモデルである。図２に示すように、波長可変レーザは、ＦＳＲ（フリースペクトラムレンジ）の波長λFSRを有する波長可変フィルタ４６と利得スペクトルを変化させることが可能な利得可変媒質４７とが低反射で光学的に結合している。波長可変フィルタ４６は、利得可変媒質４７と結合する端面の反対側の端面に、反射率が所定の値よりも高い膜の高反射膜４８が形成されている。また、利得可変媒質４７は、波長可変フィルタ４６と結合する端面の反対側の端面に、反射率が所定の値よりも低い膜の低反射膜４９が形成されている。
【００２７】
利得可変媒質４７への電流注入等により利得可変媒質４７の利得の大きさが、波長可変フィルタ４６、利得可変媒質４７および各反射端面での光学的損失の総和よりも大きくなると、高反射膜４８から低反射膜４９までの光路を共振器とする誘導放出によるレーザ発振が生じる。そして、利得可変媒質４７の一端で低反射膜端面からレーザ光が出力される。発振されるレーザ光の波長は、波長可変フィルタ４６の損失スペクトルと利得可変媒質４７の利得スペクトルとの総和における最大利得となる波長が選択される。
【００２８】
図３は波長可変フィルタの透過光強度の損失スペクトルを表した模式図であり、図４は利得可変媒質の利得スペクトルの概略を表した模式図である。従来の波長可変レーザでは利得媒質のスペクトルが固定されていたため、可変可能な発振波長の範囲は、図３に示すように、波長可変フィルタのＦＳＲ（λFSR）に制限されていた。これに対して、図２に示す波長可変レーザでは、図４に示すように、利得媒質のスペクトルを変化させることで、波長可変フィルタのＦＳＲを超えて波長可変範囲を大幅に拡大させることが可能となる。図４のグラフに示す１点鎖線は利得スペクトルのピーク位置が長波長側にある場合であり、破線はピーク位置が短波長側にある場合であり、実線はピーク位置がそれらの中間付近にある場合である。
【００２９】
図１に示した本実施形態の波長可変レーザの波長可変外部共振器が図２に示した波長可変フィルタ４６に相当し、第１の半導体増幅器１１および第２の半導体増幅器４が図２に示した利得可変媒質に相当する。この原理に基づいて、図１に示した本実施形態の波長可変レーザの動作を、以下に説明する。
【００３０】
第１の半導体増幅器１１および第２の半導体増幅器４に電流注入を行うと、励起光の一部が直線光導波路８、第１のリング型光導波路７、直線光導波路１３、第２のリング型光導波路１４および直線光導波路２の順に伝搬するか、または、その逆順に伝搬する。そして、第２の半導体増幅器４および第１の半導体増幅器１１が誘導放出を誘起して光子数を増加させる。誘起された光子の一部は、端面１０または端面５でその一部が再び第１の半導体増幅器１１および第２の半導体増幅器４と平面光回路１の内部を往復伝搬する。半導体増幅器および平面回路内部の伝搬損失と端面１０、５でのミラー損失による光子数の減少率よりも誘導放出による光子数の増化率が大きくなったときにレーザ発振が生じて、端面１０からレーザ光が出射されることになる。
【００３１】
図５は、平面光回路１において端面６を一端とする直線光導波路２の端面から入射して端面１２に面する直線光導波路８の端面から出射される光波出力の損失スペクトルを表した概略図である。
【００３２】
図５に示すように、２つの異なるリング型光導波路の透過特性の重なりにより、鋭い短周期損失に加えて緩やかな長周期特性が畳重された形状となっている。損失ピーク３１から損失ピーク３２までの波長間隔がこの平面回路１のＦＳＲ３３である。ヒータ１５の加熱による熱光学効果によって、導波路の屈折率変動が生じ、波長可変外部共振器の共振波長が変化し、損失ピークが波長軸に沿ってシフトする。このシフト量がＦＳＲに達すると再び同じスペクトル形状が現れる。すなわち、ヒータ１５によるピークシフト量の最大値はＦＳＲ３３に等しくなる。
【００３３】
次に、第１の半導体増幅器１１と第２の半導体増幅器４の動作条件について説明する。
【００３４】
図６は、短波長側に大きな利得スペクトルを発生させた場合を示す図である。第１の半導体増幅器１１に大きな利得を発生させて、第２の半導体増幅器４に損失を補償する程度に小さな利得を発生させる。これにより、図６に示すように、第２の半導体増幅器４による長波長側の利得スペクトル２２はレーザ発振レベルよりも小さいが、第１の半導体増幅器１１による短波長側の利得スペクトル２３がレーザ発振レベルを越える。この場合、波長領域２４がレーザ発振可能領域となる。図６に示す動作条件においては、図５に示した損失ピーク３１の波長でレーザ発振が生じ、ヒータ１５により概ね波長領域３４で波長可変可能となる。
【００３５】
図７は、長波長側に大きな利得スペクトルを発生させた場合を示す図である。第２の半導体増幅器４に大きな利得を発生させて、第１の半導体増幅器１１に損失を補償する程度に小さな利得を発生させる。これにより、図７に示すように、第１の半導体増幅器１１による短波長側の利得スペクトル４２はレーザ発振レベルよりも小さいが、第２の半導体増幅器４による長波長側の利得スペクトル４３がレーザ発振レベルを越える。この場合、波長領域４４がレーザ発振可能領域となる。図７の動作条件においては、図５に示した損失ピーク３２の波長でレーザ発振が生じ、ヒータ１５により概ね波長領域３５で波長可変可能となる。
【００３６】
本実施形態の波長可変レーザは、リング光導波路上のヒータと２つの半導体増幅器の制御により、図５に示す短波長側の波長領域３４および長波長側の波長領域３５の波長レンジをカバーすることができる。
【００３７】
本発明では、複数の半導体増幅器または複数の利得領域の利得可変媒質による利得スペクトルと波長可変フィルタの損失スペクトルとの両方を変化させることにより、出力させる光の波長の選択範囲がより広くなる。これは、損失スペクトルのピーク位置を所定の範囲で可変な波長可変フィルタと、利得スペクトル形状、特に利得スペクトルのピーク位置を大きく変えることが可能な利得可変媒質の両方を発振波長の制御に利用して、出力させる光に対してより広範囲な波長可変を実現できるからである。
【００３８】
また、可変量は小さいが高精度な発振波長制御が可能な波長可変外部共振器を波長の微調整として用いる一方、高精度な制御はできないが、複数の半導体増幅器を可変量の大きな利得可変媒質として波長の粗調整に用いている。そのため、従来よりも波長可変範囲が大きく、かつ、高精度な波長可変動作が可能となる。
【００３９】
（第２の実施形態）
本実施形態の波長可変レーザは、それぞれ異なる波長領域の利得スペクトルを有する２つの利得媒質をモノリシック集積した利得機能素子と２重リング共振器とを組み合わせたものである。
【００４０】
本実施形態の波長可変レーザの構成を説明する。なお、第１の実施形態と同様な構成については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００４１】
図８は本実施形態の波長可変レーザの一構成例を示す模式図である。波長可変レーザは、石英系材料の基板に形成された平面光回路１による波長可変外部共振器と、基板の端面１２側に設けられた半導体増幅器１０１とを有する構成である。
【００４２】
図８に示すように、平面光回路１の波長可変外部共振器は、直線光導波路８と、第１のリング型光導波路７と、直線光導波路１３と、第２のリング型光導波路１４と、直線光導波路２とが同一平面上に形成された構成である。この波長可変外部共振器は、これら複数のリング型導波路を有する多重リング共振器となる。直線光導波路８の一端は基板の端面１２で終端し、直線光導波路２の一端は基板の端面１７で終端している。そして、端面１２には光学的反射を抑制するための低反射膜２７が形成され、端面１７には９０％以上の光学的反射を得るための高反射膜７０が形成されている。
【００４３】
半導体増幅器１０１は、波長が短い側である短波側の利得スペクトルを有する利得媒質の短波利得領域１０２と、波長が長い側である長波側の利得スペクトルを有する利得媒質の長波利得領域１０３とを含む構成である。短波利得領域１０２と長波利得領域１０３とは光学的に結合されている。短波利得領域１０２には、長波利得領域１０３と光学的に結合された端面と反対側の端面７１に、１０％程度の反射率を得るための光学薄膜７２が形成されている。長波利得領域１０３の基板の端面１２側には低反射膜２９が形成されている。直線光導波路８の一端は、基板の端面１２で半導体増幅器１１の長波利得領域１０３の低反射膜２９による低反射出力導波路端９と光学的に結合されている。なお、短波利得領域１０２と長波利得領域１０３には、図に示さないが、利得を発生させるために電流を注入するための電極がそれぞれに設けられている。
【００４４】
次に、本実施形態の波長可変レーザの動作について説明する。
【００４５】
半導体増幅器１０１の短波利得領域１０２と長波利得領域１０３に電流注入を行うと、励起光の一部が直線光導波路８、第１のリング型光導波路７、直線光導波路１３、第２のリング型光導波路１４および直線光導波路２の順に伝搬する。そして、高反射の端面１７で反射されて再び半導体増幅器１０１に戻り、誘導放出を誘起して光子数を増加させる。誘起された光子の一部は、半導体増幅器１０１の端面７１で反射され、再び平面光回路１に入力される。その後、半導体増幅器１０１および平面光回路１の内部を往復伝搬する。誘導放出による光子数の増化率が半導体増幅器１０１および平面回路内部の伝搬損失と反射端面でのミラー損失による光子数の減少率よりも大きくなったときにレーザ発振が生じて、半導体増幅器１０１の端面７１からレーザ光が出射されることになる。
【００４６】
本実施形態の波長可変レーザでは、半導体増幅器が１つの素子として形成されているために、平面回路１と半導体増幅器１０１の光学結合部分が１箇所のみとなる。そのため、結合損失の低減およびモジュール組み立て時の光学的調整の負荷を減らすことができ、光出力の向上と組み立てコストの低減を図ることが可能となる。
【００４７】
また、本実施形態の波長可変レーザは、波長の粗調整機能として用いる利得可変媒質として、利得スペクトルの異なる複数の利得媒質を光学的に縦続接続させた簡単な構成である。さらに、発振時に必要とする利得スペクトルも複数ある利得媒質の中の１つに十分な利得を与えて、他の利得媒質は、利得媒質自体が光学損失を生じない程度に動作させればよく、構成も簡易で制御も複雑さを伴わない。
【００４８】
（第３の実施形態）
本実施形態の波長可変レーザは、異なる波長領域の利得スペクトルを有する２つの利得媒質と２重リング型共振器を同一半導体基板上にモノリシック集積したものである。
【００４９】
図９は本実施形態の波長可変レーザの一構成例を示す模式図である。波長可変レーザは、半導体材料の基板に形成された平面光回路５１による波長可変外部共振器と、基板に設けられた半導体増幅器５０１とを有する構成である。
【００５０】
図９に示すように、平面光回路５１の波長可変外部共振器は、直線光導波路５７と、直線導波路５７と適切な結合度ＫＬで部分的に光学結合した第１のリング型光導波路５５と、第１のリング型光導波路５５と結合度ＫＬで部分的に光学結合した直線光導波路５６と、直線光導波路５６と結合度ＫＬで部分的に光学結合した第２のリング型光導波路５２と、第２のリング型光導波路５２と結合度ＫＬで部分的に光学結合した直線光導波路５３とが同一平面上にＰＩＮ接合を有する状態で形成された構成である。
【００５１】
半導体増幅器５０１は短波側の利得スペクトルを有する利得媒質の短波利得領域５９と長波側の利得スペクトルを有する利得媒質の長波利得領域５８とを含む構成である。短波利得領域５９と長波利得領域５８のそれぞれに電流を注入するための配線（不図示）が別々に設けられている。
【００５２】
直線光導波路５３の一端は基板の端面５４で終端しており、端面５４には９０％以上の光学的反射を得るための高反射膜６３が形成されている。また、直線光導波路５７の一端は、半導体増幅器５０１と連続的に光学結合されている。半導体増幅器５０１において、直線光導波路５７と光学結合された端面とは反対側の端面に、１０％程度の反射率を得るための光学薄膜６５が形成されている。この光学薄膜６５が形成された端面は基板の端面６４の一部である。
【００５３】
第２のリング型光導波路５２の一部には、導波路のコア層に電界を印加するためのＰＩＮ（Ｐ−Ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ−Ｎ）接合６１が形成されている。リング型共振器の導波路のコア層に電界を印加することで、電界印加による電気光学効果によりコア層の屈折率を変化させて、波長可変外部共振器の共振波長を変化させる。コア層への電界印加のための電極にＰＩＮ接合構造を用いることで、共振波長の変化の電界印加に対する応答速度がより速くなる。また、第１のリング型光導波路５５と第２のリング型光導波路５２の周囲長は僅かに異なっている構成である。
【００５４】
また、波長可変外部共振器は、複数のリング型光導波路と複数の直線光導波路とが半導体基板にモノリシック集積されているため、半導体光導波路のコア層にはバンドギャップが存在する。入力される光のエネルギーが吸収されるか否かの基準となる光の波長をバンドギャップ波長と称すると、バンドギャップ波長よりも長い波長の光は吸収されない。そのため、波長可変外部共振器でエネルギー損失を起こせないためには、半導体増幅器５０１から波長可変外部共振器に入力される光は、バンドギャップ波長よりも長い波長であることが望ましい。半導体増幅器の利得スペクトルのピーク位置よりもより短い波長側にバンドギャップ波長を設定すれば、出力する光の波長をより広い範囲で可変にできる。なお、バンドギャップ波長は、製造過程で任意の値に設定することが可能である。
【００５５】
波長可変制御における粗調整は、短波利得領域５９および長波利得領域５８により行う。波長可変制御における微調整は、第２のリング型光導波路５２に設けられたＰＩＮ接合６１への印加電圧に起因する電気光学効果を通じて行う。
【００５６】
次に、本実施形態の波長可変レーザの動作について説明する。
【００５７】
半導体増幅器５０１の短波利得領域５９と長波利得領域５８に電流注入を行うと、励起光の一部が直線光導波路５７、第１のリング型光導波路５５、直線光導波路５６、第２のリング型光導波路５２および直線光導波路５３の順に伝搬する。そして、高反射の端面５４で反射されて再び半導体増幅器５０１に戻り、誘導放出を誘起して光子数を増加させる。誘起された光子の一部は、半導体増幅器５０１の端面６４で反射され、再び平面光回路５１に入力される。その後、半導体増幅器５０１および平面光回路５１の内部を往復伝搬することになる。誘導放出による光子数の増化率が半導体増幅器５０１および平面回路内部の伝搬損失と反射端面でのミラー損失による光子数の減少率よりも大きくなったときにレーザ発振が生じて、半導体増幅器５０１の端面６４からレーザ光が出射されることになる。
【００５８】
本実施形態の波長可変レーザでは、波長可変共振器および利得媒質が同一半導体基板上にモノリシック集積されている。そのため、モジュール組み立て時における光学結合調整のための負荷が大幅に削減し、実装工程の低コスト化と歩留まり改善が大きく進展することになる。
【００５９】
また、本実施形態の波長可変レーザは、同一半導体基板上に、波長可変共振器としてＰＩＮ接合を有する半導体のリング型光導波路が設けられている。さらに、利得可変媒質として、利得スペクトルの波長領域の異なる複数の利得媒質が縦続接続して形成されている。そのため、１つの半導体基板上に波長可変レーザ機能を実現することが可能であり、共振器と増幅器の両方を搭載するようなハイブリッド製品の製造時において複雑なモジュール組み立てを必要とせず、低コスト化が図れる。
【００６０】
（第４の実施形態）
本実施形態は、第１から第３の実施形態のいずれかの波長可変レーザを用いた波長可変レーザモジュールに関するものである。ここでは、第１の実施形態の波長可変レーザの場合で説明する。
【００６１】
図１０は波長可変レーザモジュールの一構成例を示すブロック図である。
【００６２】
図１０に示すように、波長可変レーザモジュールは、多重リング共振器２０３と、多重リング共振器２０３を制御する多重リング共振器用制御回路２０８と、第１の半導体増幅器２０２および第２の半導体増幅器２０７と、これらの半導体増幅器の光学利得を制御する半導体増幅器用制御回路２０４と、発振したレーザ光を収束するためのコリメータレンズ２０５と、収束したレーザ光を外部に導くためのシングルモードファイバ２０６とを有する構成である。これらの構成が、Ｎ2が充填され、気密したパッケージ２０１内に収められている。
【００６３】
次に、波長可変レーザモジュールによる波長可変レーザの駆動方法について説明する。
【００６４】
半導体増幅器制御回路２０４は、設定される所望の波長に対応して複数の半導体増幅器のうち所定の半導体増幅器にスペクトル発生に必要な光学利得を生じさせ、かつ所定の半導体増幅器を除く半導体増幅器には光学損失を生じさせないように電流注入を行って、所定の半導体増幅器を利得動作させる。多重リング共振器用制御回路２０８は、所望の波長に対応して多重リング共振器の発振波長を調整する。
【００６５】
なお、所望の波長の値は、製造過程でそれぞれの制御回路に予め設定されてもよく、波長可変レーザモジュールの製造後に配線（不図示）を介して外部から設定されるようにしてもよい。また、第２の実施形態または第３の実施形態の波長可変レーザの駆動方法については、半導体増幅器制御回路２０４が複数の半導体増幅器の代わりに複数の利得媒質に対して光学利得の制御を行うこと以外は、上述の場合と同様であるため、その詳細な説明を省略する。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】第１の実施形態の波長可変レーザの一構成例を示す模式図である。
【図２】第１の実施形態の波長可変レーザの原理を説明するための模式図である。
【図３】波長可変フィルタの透過光強度の損失スペクトルを表した模式図である。
【図４】利得可変媒質の利得スペクトルの概略を表した模式図である。
【図５】平面光回路の波長可変外部共振器の損失スペクトルを表した概略図である。
【図６】２つの半導体増幅器の利得スペクトルを示す概略図である。
【図７】２つの半導体増幅器の利得スペクトルを示す概略図である。
【図８】第２の実施形態の波長可変レーザの一構成例を示す模式図である。
【図９】第３の実施形態の波長可変レーザの一構成例を示す模式図である。
【図１０】本発明の波長可変レーザを用いた波長可変レーザモジュールを示すブロック図である。
【符号の説明】
【００６７】
１１    第１の半導体増幅器
４    第２の半導体増幅器
４６    波長可変フィルタ
５９、１０２    短波利得領域
５８、１０３    長波利得領域
【図１】
2007115900.tif 000003
【図２】
2007115900.tif 000004
【図３】
2007115900.tif 000005
【図４】
2007115900.tif 000006
【図５】
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【図６】
2007115900.tif 000008
【図７】
2007115900.tif 000009
【図８】
2007115900.tif 000010
【図９】
2007115900.tif 000011
【図１０】
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