(57)【要約】      （修正有）【課題】中空光導波路を用いた新しい光学装置を提供する。特に波長可変レーザに適用した場合、簡易な波長制御方式で広範囲に連続波長掃引が可能で、しかも小型で高光出力、高信頼性を兼ね備えた光学装置を提供する。【解決手段】平坦な基板４１上に、光導波路構造４３からなる利得領域４２が形成されている。利得領域４２の片端面４４は光導波路構造４３内を伝搬する光の進行方向に対して高い反射率を持ち、一方の端面４５は反射率低減がなされている。中空光導波路４６は基板４１上に形成された高反射ミラー４７ａと上部に配置された高反射ミラー４７ｂで構成され、中空光導波路４６内には、位相制御領域４８とフィルタ領域４９としてＤＢＲ５０が形成されている。上部高反射ミラー４７ｂは、中空光導波路のコアの厚さを可変できる機構を有し、ピラー５１によってその一部を支持されている。【選択図】図４
2007243121.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所望の波長可変幅において光利得を備えた利得領域と、光を高反射ミラーで反射させて空気中を伝搬させる中空光導波路と、前記利得領域と前記中空光導波路とをそれぞれ１つ以上用いて光結合する光結合手段とを備え、
前記中空光導波路は、そのコアの厚さを可変できるコア厚可変手段と、前記コア厚可変手段によって波長フィルタ特性が変化するフィルタ構造と、前記フィルタ特性で決定される波長の光が伝搬可能な反射帯域を持つ前記高反射ミラーとを備え、
前記光結合手段に、前記利得領域と前記中空導波路との光結合部の結合効率向上手段を備えることを特徴とする光学装置。
【請求項２】
前記光利得とは正または負であることを特徴とする請求項１記載の光学装置。
【請求項３】
前記光結合手段でリング共振器を構成する場合、このリング共振器を伝搬する光の偏光制御手段と、光の伝搬方向を選択する伝搬方向制御手段を備えたことを特徴とする請求項１記載の光学装置。
【請求項４】
前記中空光導波路は、この中空導波路内の一部にコアの厚みを変化させた領域をさらに備えることを特徴とする請求項１記載の光学装置。
【請求項５】
前記コア厚可変手段によって変化するコアの厚みの可変範囲は前記所望の波長可変幅に対して前記中空導波路の基本モードのみが選択されるコアの厚さの範囲であることを特徴とする請求項１記載の光学装置。
【請求項６】
前記コア厚可変手段は、圧電および熱による歪応力または静電力によってコアの厚みを可変することを特徴とする請求項１記載の光学装置。
【請求項７】
前記フィルタ構造は、円形または平行形状の回折格子または前記回折格子の一部を１／４波長シフトした回折格子を１つ以上配置したことを特徴とする請求項１記載の光学装置。
【請求項８】
前記高反射ミラーは、屈折率差の高い二つの材料を交互に積層した多層膜か金またはフォトニック結晶であることを特徴とする請求項１記載の光学装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は中空光導波路を有する光学装置に関し、特に波長可変機能を有する光学装置に関する。
【背景技術】
【０００２】  現在の急激なインターネットトラフックの増大の根幹を支えているのは大容量光通信ネットワークである。この大容量通信ネットワークは多波長を一括して伝送する高密度波長多重（ＤＷＤＭ）というシステムであり、ＩＴＵ（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ  Ｕｎｉｏｎ）で規定されている周波数グリッドごとに各波長の半導体レーザを用意する必要がある。このように周波数グリッド毎に半導体レーザを用意するので製造コストや故障メンテナンスでの在庫管理上の問題が生じている。それを解決するには波長可変半導体レーザがあり、現在ではＤＷＤＭシステムの局内装置のバックアップ光源として使用されることが多い。しかし波長可変半導体レーザは、本来ＤＷＤＭ用の送信光源だけにとどまらず、波長変換デバイスとしてフォトニックネットワークのキーデバイスと発展することができる。【０００３】  現在までに波長可変半導体レーザは各社で様々な研究開発が行われており、その種類は大きく分けて▲１▼多電極ＤＢＲレーザ▲２▼ＤＦＢレーザアレー▲３▼外部共振器レーザの３タイプに分類できる。しかしながら、どの方式も一長一短が存在する。【０００４】  モードホップを抑制して連続的に波長を可変するためには、通常位相制御領城を持つ多電極型のレーザを構成する必要がある。近年ではさらに波長可変範囲を拡大したＳＳＧ（Ｓｕｐｅｒ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ  Ｇｒａｔｉｎｇ）等の多電極レーザが開発されている。このためさらに電極数が増え、その上その制御は必ずしも独立とはならないので非常に複雑な制御となっている。
しかもレーザ素子個別に異なる制御値を設定する必要がある。さらに、ＳＳＧにおいては二つのグレーティングによって選択される波長の一致した点で発振するために、原理的にモードホップが生じてしまう。（特許文献１参照）【０００５】  またＤＦＢレーザアレーを用いた波長可変レーザは、波長の異なるレーザを複数集積し、温度を変化させることで発振波長を制御する。一つのＤＦＢレーザの温度変化による波長シフト量は２ｎｍ程度と限られているので集積したＤＦＢレーザを切り替えて使用することとなる。波長可変幅を大きくするにはＤＦＢレーザの集積数を増やす以外に方法はなく、例えば１００ｎｍの波長可変を考えると５０ものレーザを集積することとなる。またその波長可変手段が温度変化を利用しているため波長可変のスピードは遅い。【０００６】  外部共振器型レーザは、レーザの外部に可動部を持つグレーティングやミラーを配置するもので、多くはハイブリッド実装型である。ハイブリッド実装のため調整工数の増大やモジュールの大型化、さらには可動部等の信頼性が問題となる。またモノリシックに集積したものとしてＶＣＳＥＬ（面発光レーザ）にＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）構造を採用したレーザもあるが、低消費電力や小型化、信頼性の面で優位な点もあるが、波長可変幅や出力の面で問題がある。【０００７】  以上のように通信用途における波長可変レーザに要求される特性をまとめると、広い連続掃引幅、高光出力、高信頼性、小型、簡易な波長制御方式などがあるが、これらを満足する波長可変レーザは開発されていない。また、将来のＦＴＴＨ（Ｆｉｂｅｒ  ｔｏ  ｔｈｅ  ｈｏｍｅ）用においては小型で波長選択機能付の光検出器の実現が期待されているが広帯域の波長域から任意の波長の光を選択して受信できる小型な検出器は開発されていない。
【特許文献１】特開平６−５３６１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】  したがって本発明は前記に鑑みてなされたものでその目的とするところは、中空光導波路を用いた新しい光学装置を提供することを目的とし、これを波長可変レーザに適用した場合に、簡易な波長制御方式で広範囲に連続波長掃引が可能で、しかも小型で高光出力、高信頼性を兼ね備えた光学装置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】  前記課題を解決するために、本願発明の一態様によれば、所望の波長可変幅において光利得を備えた利得領域と、光を高反射ミラーで反射させて空気中を伝搬させる中空光導波路と、前記利得領域と前記中空光導波路とをそれぞれ１つ以上用いて光結合する光結合手段とを備え、前記中空光導波路は、そのコアの厚さを可変できるコア厚可変手段と、前記コア厚可変手段によって波長フィルタ特性が変化するフィルタ構造と、前記フィルタ特性で決定される波長の光が伝搬可能な反射帯域を持つ前記高反射ミラーとを備え、前記光結合手段に、前記利得領域と前記中空導波路との光結合部の結合効率向上手段を備えることを特徴とする光学装置が提供できる。
【発明の効果】
【００１０】  本発明によれば、中空光導波路の巨大な等価屈折率変化を利用しているので波長可変レーザに中空光導波路を使用した場合、従来の波長可変レーザの波長可変幅を大幅に凌駕することが可能である。また集積化を行う場合、中空導波路内に新しい原理の位相調整領域を設けることでコアの厚さを変化させるという一つのパラメータにより広い範囲内で波長可変をモードホップなしで連続的に行うことができる。また、中空導波路のコアの厚さを可変しうる手段としてＭＥＭＳ構造を用いることで、小型化、高信頼化が達成できる。さらに、利得媒質として端面出射型の構造を用いれば高光出力が可能である。以上の構成により、簡易な波長制御方式で広い連続掃引が可能で、しかも高光出力、高信頼性、小型なレーザ装置を提供できる。さらに発光デバイスだけでなく、受光デバイスにおいても小型で波長選択範囲の広い光検出器が提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】  以下本発明の実施形態につき詳細に説明する。まず、本発明で使用する中空光導波路について説明する。従来，光ファイバに代表される光導波路は高屈折率のコアを低屈折率のクラッドで挟んで構成されている。このような構成において光は高屈折率材料のコア中をクラッドとの界面で全反射を繰り返しながら伝搬することができる。本発明で使用する中空光導波路とは一番低屈折率で温度依存性のない空気（真空）中に閉じ込め光を伝搬させるものである。低屈折率コア内に光を導波させる構造として、中空コアを高反射率ミラーで挟む構造とすることにより光を反射させて導波させることが可能である。このような高反射ミラーは高屈折率材料と低屈折率材料を約１／４波長の厚さで交互に積層する多層膜構造で達成され、その層数を増やす程高反射率なミラーとすることが可能である。ミラーが高反射率であればあるほど低損失な導波路を得ることが可能である。【００１２】  中空導波路の等価屈折率変化について説明する。中空導波路のコアの厚さＤと導波する波長λによって  基本モードの等価屈折率ｎｅｆｆは近似的に次のように変化する。
2007243121.tif 000003
したがって波長１．５５μｍにおいては、コアの厚さが２μｍ程度まで小さくすることができれば１０％程度もの巨大な屈折率変化が可能である。このような特性を持つ中空導波路を集積した波長可変レーザができれば、現状の波長可変レーザの波長可変幅を大幅に凌駕できる可能性がある。しかし今まで中空導波路を波長可変レーザに使用した例はなく、その特性や設計方法は全く知られていない。【００１３】  波長可変レーザを中空光導波路を用いて構成する場合、いろいろな構成が考えられるが、まず第１の実施形態においては中空導波路内にＤＢＲを組み込んだ中空ブラッグ反射鏡を用いたファイバリング型レーザを例にとって説明する。図１は波長可変リングレーザ装置の構成図を表したものである。また、ＤＢＲを中空導波路内に形成した中空ブラッグ反射鏡の特性例を図２に示す。縦軸は波長、横軸は中空導波路のコアの厚さを示している。これは、式（１）とブラッグ波長□ｇ，□をグレーティング周期とするとブラッグ回折の式（２）と連立させて（３）式が得られるのでこれをプロットしたものである。
2007243121.tif 000004
ここでグレーティング周期□は０．７８μｍである。これにより波長可変幅の広い波長可変レーザを設計する場合、波長可変の大きい５μｍ以下のコアの厚さで使用することが好ましいことがわかる。原理的にはブラッグ波長は（３）式より０近傍まで可変できる巨大可変性が示されているが、実現可能な値として２μｍ以下のコアの厚さまで可変すれば２００ｎｍ程度の波長可変は可能である。【００１４】  図１に示す波長可変リングレーザ装置の構成図について説明する。利得領域１１には光の伝搬方向制御手段としてアイソレータが内蔵されているものとする。この利得領域１１から出射されるＡＳＥ（自然放出）光がＴＥモードになるように偏光子１２で切り出した後、偏波コントローラ１３で調整して中空導波路にＤＢＲを組み込んだブラッグ反射鏡１４に入力する。このようにブラッグ反射鏡１４に対して偏光制御手段が必要なのは、中空ブラッグ反射鏡１４が偏波依存性を持ち、ＴＭモードよりもＴＥモードの方が波長可変特性が優れているためである。中空ブラッグ反射鏡１４からの反射光をサーキュレータ１５を介し、偏波コントローラ１６で利得領域１１に最適な偏波で戻すことによりリングレーザを構成している。そして光出力をカプラ１７により取り出す構成である。この構成において中空ブラッグ反射鏡１４のコアの厚さをコア厚可変手段１９としてピエゾ素子等により変化させることにより発振波長を連続的に変化させることができる。【００１５】  次に結合効率向上手段２０について説明する。ここでいう結合効率向上手段２０とは、光ファイバ１８と中空ブラッグ反射鏡１４のコアの厚さの違いに起因するモード結合損失と両領域の界面で生じるフレネル損失とを少なくする手段のことである。【００１６】  まずモード結合損失を少なくする手段について説明する。光ファイバ１８のコア径はシングルモードファイバの場合約１０μｍあり、波長可変幅を拡大しようとすると中空導波路のコアは１０μｍ以下に制御する必要が生じる。中空ブラッグ反射鏡１４のコアの厚さを減少していくと光ファイバ１８とのモードフィールド径が合わなくなるため結合効率は次第に悪化していく。また、中空ブラッグ反射鏡１４のコア内に入らなかった光はその端面で反射し不本意な波長で発振する可能性を与えてしまうこととなる。この問題を改善するための結合効率向上手段２０として中空ブラッグ反射鏡１４の上部ミラーに角度をつけて配置することにより、中空ブラッグ反射鏡４４の入力側の厚さを広くすることできる。また中空ブラッグ反射鏡１４のコアに光を入射する光ファイバ１８をレンズファイバにすることによって中空光導波路１４のコア内に有効に光を絞り込んで結合することが可能である。【００１７】  次にフレネル損失を少なくする手段について説明する。光ファイバ１８の端面での反射を防止するためにＡＲ（Ａｎｔｉ−Ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｉｔｙ）コート等の処置を施し、その反射減衰量は−４０ｄＢ程度まで低減することが望ましい。このような結合効率向上手段２０を施した結果、ファイバ４８に通常のシングルモード光ファイバを使用し上部ミラーに角度をつけなかった場合、３５ｎｍの波長可変幅であったのが本構造を用いることで微小コア厚での光結合が改善され、図３に示すように４８ｎｍの波長可変幅が得られた。このようにコア幅が変化し、しかも微小コアで波長可変幅の大きい中空導波路では微小コアでのモード結合効率を改善することが広い波長可変幅実現には非常に有効で不可欠な手段である。【００１８】  図４は本発明に係る第２の実施形態におけるレーザ装置の概念図を表したものである。図４（ａ）はその断面図、図４（ｂ）は斜めから見た図である。現在、通信用途における半導体レーザとして単一モード性に優れたＤＦＢ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｆｅｅｄｂａｃｋ）レーザまたはＤＢＲ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｂｒａｇｇ  Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）レーザが主流である。そのため第２の実施形態においては中空導波路を集積したＤＢＲ型レーザを例にとって説明する。図４（ａ）に示すように、平坦度のある基板４１上に利得媒質からなる利得領域４２が形成されている。利得領域４２には光が伝搬できるように光導波路構造４３が形成されている。この利得領域４２の片端面４４には光導波路構造４３内を伝搬する光の進行方向に対して反射率を持つ構造が施され、通常、低しきい値化や効率の観点からへき開面が持つ反射率よりは高いほうが望ましく、多層膜を交互に積層したＨＲ（Ｈｉｇｈ  Ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｉｔｙ）処理などがなされている。この反射面はレーザとしてのファブリペロー共振器の片方のミラーを形成している。一方の端面４５には例えばＡＲ処理等の反射率低減手段がなされている。中空光導波路４６は基板４１上に形成された高反射ミラー４７ａと上部に配置された高反射ミラー４７ｂで構成されている。中空光導波路４６内には、位相制御領域４８とフィルタ領域４９としてＤＢＲ５０が形成されている。上部高反射ミラー４７ｂは、中空光導波路のコアの厚さを可変できる機構を有し、上部高反射ミラー４７ｂは、図４（ｂ）で示すようにピラー５１によってその一部を支持されている。【００１９】  中空光導波路１３を形成する高反射ミラー４７ａ、４７ｂは例えばＳｉとＳｉＯ２を交互に積層した誘電体多層膜で構成でき、電流を通したい場合などには半導体多層膜や金膜を使用することができる。ＳｉとＳｉＯ２のような屈折率差が大きいものを交互に積層した誘電体多層膜であれば、６層ペア程度で１μｍから２μｍまでの広い波長範囲でほぼ１００％の反射が得られる。またフォトニック結晶のような３次元の反射ミラーも使用できる。【００２０】中空光導波路４６内のフォルタ領域４９に形成されたＤＢＲ５０はファブリペロー共振器を形成するもう一方の反射ミラーを形成する。ＤＢＲ５０はフィルタの一形態で、バンド・エリミネーション・フィルタと考えることもできる。本発明にかかる第２の実施例では中空光導波路４６は２次元のスラブ導波路を仮定しているので、このＤＢＲ５０を円形な回折格子で構成する。このような円形回折格子にすることで入射点から広がった光は反射されて再び入射点へ戻ってくることになる。このＤＢＲ２０は例えばＳｉＯ２で形成することが可能である。ＳｉＯ２はスパッタ装置等で形成が可能であり、レジストを塗布した後、ＥＢ露光をして現像、ＳｉＯ２をエッチングして形成できる。ＳｉＯ２の高さはコアの厚みとともにグレーティングの結合の程度を決定し、反射率��反射帯域が決定されるので、波長可変レーザのＳＭＳＲ（サイドモード抑圧比）等が所望の特性になるよう決定する必要がある。ＤＢＲ５１を中空導波路領域４６に形成した中空ブラッグ反射鏡の特性例は実施例１と同じで図２に示した。【００２１】  中空光導波路１６のコアの厚さを可変できるコア厚可変手段５２は、集積化に適した通常のＭＥＭＳデバイスで使用される原理のもので基本的には構わない。例えば、異なる２種類の材料を重ね合わせ温度によって変形するバイモルフ効果や対向する二つの電極間に発生する静電力によって一方のミラー４７ｂを動かすことが可能である。具体的に言うとを基板を除去し、薄膜化した高反射ミラー４７ｂに金を蒸着し、熱や電圧を加えるとたわむ現象利用する。ここで注意しなければならないことは、ＭＥＭＳの原理で静電力を使用する場合は、２電極間の距離の１／３しか制御ができないことが知られているので、後述するシングルモード条件に合うように２電極間の距離を設計する必要がある。なお、温度変化を利用するものはレーザ領域に悪影響を及ぼすので出来れば静電力のような方法でコアの厚さを変化させるほうが好ましい。【００２２】  新しい原理により連続的に波長を可変できる構造と方法を述べる。中空光導波路４６の位相調整領域４８において、本実施例では中空導波路特有の特性を用いて位相調整を行うことができる。これは中空導波路４６内にＤＢＲ５０を作りこんだフィルタ領域１９のコアの厚さに対して段差Ｄｓをつけた位相調整領域４８を形成し、同じ上部ミラー４７ｂを動かすという一つの制御パラメータで、ブラッグ波長を可変すると同時に位相を調整し、モードホップなしで波長の連続可変動作を実現させるというものである。これを数式を使い説明する。上述したように上部高反射ミラー４７ｂを上下させてコアの厚さを変化させることでフィルタ領域４９では、等価屈折率ｎｅｆｆが変化し、ブラッグ波長λｇはフィルタ領域４９のコアの厚さＤＤＢＲとブラッグ周期Λを用いて（４）式のように近時的に変化する。
2007243121.tif 000005
今、フィルタ領域４９のコアの厚さが変化して、その変化したブラッグ波長□ｇで発振し続けると仮定する。その仮定のもとではフィルタ領域４９の伝搬定数は（５）式となり、コアの厚さＤＤＢＲを変えても一定となり変化しない。
2007243121.tif 000006
そのとき、利得領域４２の伝搬定数は、（６）式のようになる。
2007243121.tif 000007
一方、位相調整領域４８の伝搬定数βｐはＤｐ＝ＤＤＢＲ−Ｄｓを満足しながら変化するので（７）式が成り立つ。
2007243121.tif 000008
フィルタ領域４９のコアの厚みＤＤＢＲを小さくすることを考えると、（６）式より利得領域４２の伝搬定数は大きくなるが、位相調整領域４８の伝搬定数は（７）式より小さくなるので、位相補償効果があることがわかる。実際に利得領域長ｌａ＝１００μｍ、位相調整領域長ｌｐ＝３１０μｍ、ＤＢＲの有効長Ｌｅｆｆ＝１００μｍ、グレーティングの周期Λ＝０．８μｍ、δをブラッグ波長λｇからの伝搬定数の差としたとき（８）式の発振位相条件からブラッグ波長λｇに一番近い波長を求め、図５に図示する。
２（βａ・ｌａ＋βｐ・ｌｐ＋Ｌｅｆｆ・δ）＝２ｍπ    ｍは正の整数  …（８）
また、図５には位相調整領域４８がある場合と位相調整領域４８がない場合も比較のため示してある。位相調整領域４８がない場合はモードホップを生ずるが、位相調整領域４８がある場合は中空コアの厚さが２．５μｍから３．５μｍまで、波長変化でいうと、１．５２５μｍから１．５６５μｍの３５ｎｍ（Ｃバンド）の範囲内を連続可変できる可能性があることがわかる。このような単純な構成によって３５ｎｍのモードホップなしの連続可変が可能であるが、これ以上の連続可変幅が必要な場合はさらに０から２πまで任意の値が設定できる新たな位相調整領域を付加してもよいが、この場合の位相調整領域はかならずしも中空導波路内部に形成する必要はなく従来のような利得領域に形成しても構わない。【００２３】  次に結合効率向上手段５３について説明する。結合効率向上手段５３とは、利得領域４２と中空導波路領域４６のコアの厚さの違いに起因するモード結合損失と両領域の界面で生じるフレネル損失とを少なくする手段のことである。【００２４】  まず、まずモード結合損失を少なくする手段について説明する。中空導波路４６の上部高反射ミラー４７ｂは可動するために半導体の利得領域４２と中空導波路４６の結合部に隙間が生ずる構造になりやすい。当然利得領域４２と中空導波路４６との間に隙間が無いほうが結合効率上好ましく、利得領域４２の光の出射点は出来れば中空導波路内１６の高反射ミラー４７ｂの下に潜り込むように位置する方がよい。もし隙間がある場合にも、計算の結果３μｍ以下であれば結合損失を１ｄＢ程度までに抑えることが可能である。また、利得領域４２と中空導波路内４６の接合点ではコアの厚さは変わらず一定とし、接合点から離れるに従いテーパ構造で角度をつけてコアの厚さを変化させるような構造も第１の実施例からも類推できるが非常に有効な手段である。【００２５】  次にフレネル損失の影響と減少させる方法について説明する。利得領域４２の光導波路構造４３からなる半導体コアと中空光導波路４６の空気コアは屈折率差が大きく、直接結合した場合フレネル反射を生ずる。このフレネル反射は、結合効率を悪化させるだけでなく、レーザ共振器内に反射点が増えるので複合共振器となり、意図的に複合共振器レーザを構成する場合以外、特に本実施例においてはフレネル反射があることは好ましくない。この点については実験データを踏まえ以下に説明する。【００２６】  図６は利得領域６１を直接中空ブラッグ反射鏡６２に結合させるレーザ構造を示している。まずフレネル反射の影響を確認するために、利得領域６１としてファブリペロー型の半導体３０μｍストライプレーザ（ＦＰ−ＬＤ）を作製し結合実験をおこなった。その結果、ＦＰ−ＬＤ自体の発振の他に、中空ブラッグ反射鏡６２で反射したＤＢＲモードの発振が観測されコアの変化とともにＤＢＲモードの波長は可変し、ＦＰ−ＬＤ自体の発振は変化しないという結果が得られた。このため、利得領域６１の片面の反射率を落とすために、３０μｍストライプを（０１１）結晶方向から７°傾け、かつ端面にはＡＲコートを施したデバイスを作製して同様な実験を試みたところ図７に示すようなＤＢＲモードのみの発振が確認され利得領域６１と中空ブラッグ反射鏡６２との界���で生ずるフレネル反射の防止が有効であることが確認された。そしてその波長可変の様子を詳細に観測してみると、連続的に可変できずに大きなモードホップが観測された。この様子を図８に示す。これはスラブ中空導波路がマルチモード導波路であり、基本モードと高次モードのうち利得領域６１の利得が高いところのモードが選択されて発振していると考えられる。これを防止するためには、中空ブラッグ反射鏡６２のシングルモード条件考える必要がある。また、コアの厚さが５μｍ以下の微小コア領域では中空ブラッグ反射鏡６２の壁に反射し、ＡＳＥのピークすなわち利得の最大点で発振してしまい、上述したモード結合損失を少なくする手段も合わせて必要となることがわかった。【００２７】  次にシングルモード条件について説明する。中空導波路にＤＢＲを形成した導波路のブラッグ回折条件は以下のようになる。
βｍ＋βｎ＝２ｑπ／Λ    ｍとｎは整数  …（９）
ここでβｍとβｎはそれぞれ、ｍ次の進行波モードとｎ次の後退波モードの伝搬定数である。ｑはグレーティングの次数で本実施例の場合１である。図９はシングルモード条件の求め方の１例を図示している。（９）式で与えられるモードは無限にあるが、ｍ＝ｎ＝１の基本モードとｍ＝１、ｎ＝２の場合を考えればよい。図９はシングルモード条件を求める方法を示した図である。まず、波長可変範囲の一番短波長側から基本モードと二次モードとの交点を求める。この例では１５００ｎｍの位置から右へ進む。この二つの交点のＸ軸の値がコアの厚さの可変範囲となる。このときの波長が波長可変範囲を与える。図９の例では２．８μｍから４．３μｍとなる。コアの厚さが４μｍのとき、１４９０ｎｍと１５３０ｎｍの２点が存在するが、１４９０ｎｍで発振しない程度の利得差がある利得媒質を選ぶ必要がある。このようにして求めたコアの範囲であれば、中空導波路内には基本モードしか存在しないことになる。【００２８】  光の偏光制御手段について説明する。偏波は半導体レーザ構造と同等構造をもつのであれば通常ＴＥモードが導波するので、偏光制御が自動的になされている。【００２９】  最後に、中空導波路を使用した波長可変レーザの設計について整理しておく。図１０は中空導波路を使用した波長可変レーザの設計フローチャートを示している。まず所望の可変すべき波長の範囲、すなわち可変帯域を決定する。（ＳＴ１０１）。次にこの波長範囲において利得媒質が十分な利得を持つ必要があるので、波長可変範囲の中心付近に利得のピークがくるように利得媒質の選択を行う。（ＳＴ１０２）次に中空導波路として光が導波する帯域が十分どうかを検証する。導波する帯域は、形成する材料の屈折率差に依存するので、半導体多層膜のように屈折率差があまり取れないもので中空導波路を形成する場合には所望の波長帯域より狭い場合があるので注意を要する（ＳＴ１０３）。次に、中空ブラッグ反射鏡のシングルモード条件を満足するコアの可変幅を求める。グレーティング周期Λを変えることで同じコアの厚さでブラッグ波長の値をシフトすることができるので、Λをパラメータとして最適なコア可変幅を設定する（ＳＴ１０４）。コア可変幅が決まるとそれに従い、ＭＥＭＳ構造設計をおこなう。ここではデバイス構造に合わせて結合効率が良くなるような構造を検討する（ＳＴ１０５）。一方、グレーティング周期Λが決定されたので、グレーティングの深さを決定する。グレーティングの深さとコアの可変幅によりＤＢＲとしての結合をどの程度に設計すべきか決定する。結合の程度が強すぎるとブラッグ帯域は広くなり、マルチモード発振したりサイドモード抑圧比（ＳＭＳＲ）が減少したりする（ＳＴ１０６）。以上によりＤＢＲとしてのフィルタ特性が決定されたのでＤＢＲの有効長ｌｅｆｆやミラー損失がわかることとなる。（ＳＴ１０７）次に、連続位相可変ができる条件として中空導波路内に形成する段差Ｄｓの量や位相調整領域長ｌｐを決定する（ＳＴ１０８）。そして利得領域の利得、利得領域長ｌａやミラー損失、各領域の損失からレーザー発振条件を求め（ＳＴ１０９）、発振閾値電流、ＳＭＳＲ、波長可変幅等のレーザ特性が満足されているかどうかを求める（ＳＴ１１���）。所望のレーザ特性が得られない場合は、トレードオフとなる項目を見直し、同じことを繰り返し行う。【００３０】  以上述べたように、本発明の１実施例によれば、中空光導波路の巨大な等価屈折率変化を利用しているので波長可変レーザに中空光導波路を使用した場合、従来の波長可変レーザの波長可変幅を大幅に凌駕することが可能である。また集積化を行う場合、中空導波路内に新しい原理の位相調整領域を設けることでコアの厚さを変化させるという一つのパラメータにより広い範囲内で波長可変をモードホップなしで連続的に行うことができる。また、中空導波路のコアの厚さを可変しうる手段としてＭＥＭＳ構造を用いることで、小型化、高信頼化が達成できる。さらに、利得媒質として端面出射型の構造を用いれば高光出力が可能である。以上の構成により、簡易な波長制御方式で広い連続掃引が可能で、しかも高光出力、高信頼性、小型なレーザ装置を提供できる。【００３１】  本発明は前記実施形態をそのままに限定されるものではなく、実施段階でその要旨を逸脱しない範囲で具体化できる。例えば、本実施例では波長可変レーザについてのみ詳細に述べたが中空導波路の持つ巨大な等価屈折率変化とフィルタ特性を考えれば、本実施例に示したのとほぼ同様な構成で種々の新しい光機能デバイスが考えられる。例えば、送信光の伝搬遅延を制御したり、光に分散をあらかじめ与えて送信したりする新しいレーザも製作することが可能である。またレーザを逆バイアスかけると光検出器になることから容易にわかるように利得媒質の代わりに吸収利得を持つ光検出器でおきかえることで波長選択できる光検出器も構成できる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明に係る第１の実施形態における波長可変リングレーザ装置の構成図である。
【図２】ＤＢＲを中空導波路に形成した中空ブラッグ反射鏡の特性例である。
【図３】第１の実施形態における波長可変特性の１特性例を示した図である。
【図４】本発明に係る第２の実施形態におけるレーザ装置の概念図を表したものである。（ａ）はその断面図、（ｂ）は斜めから見た図である。本発明に係る第２の実施形態における波長可変リングレーザ装置の構成図である。
【図５】位相調整領域を組み込んだ時と組み込まないときの波長可変の様子を示す図である。
【図６】利得領域と中空ブラッグ反射鏡を直接結合したＤＢＲレーザの構成図である。
【図７】利得領域と中空ブラッグ反射鏡を直接結合したＤＢＲレーザの波長可変特性の１特性例を示した図である。
【図８】利得領域と中空ブラッグ反射鏡を直接結合したＤＢＲレーザの発振モードの特性例を示した図である。
【図９】本発明に係るシングルモード条件を求める１方法を示した図である。
【図１０】本発明に係る中空導波路を使用した波長可変レーザの設計フローチャートを示した図である。
【符号の説明】
【００３３】１２…偏光子
１３、１６…偏波コントローラ
１４、６２…中空ブラッグ反射鏡
１５…サーキュレータ
１７…カプラ
１８…光ファイバ
１９、５２…コア厚可変手段
２０、５３…結合効率向上手段
４１…基板
４２、１１、６１…利得領域
４３…光導波路構造
４４、４５…端面
４６…中空導波路
４７ａ、４７ｂ…高反射ミラー
４８…位相調整領域
４９…フィルタ領域
５０…回折格子（ＤＢＲ）
５１…ピラー
【図１】
2007243121.tif 000009
【図２】
2007243121.tif 000010
【図３】
2007243121.tif 000011
【図４】
2007243121.tif 000012
【図５】
2007243121.tif 000013
【図６】
2007243121.tif 000014
【図７】
2007243121.tif 000015
【図８】
2007243121.tif 000016
【図９】
2007243121.tif 000017
【図１０】
2007243121.tif 000018