(57)【要約】【課題】光増幅器、ビーム操縦器またはビーム偏向器、凹回折格子が集積された波長可変光源素子を提供する。【解決手段】凹回折格子で回折されて、それぞれの波長の補強干渉が生じる断面がローランド円の構造ではない直線構造を有するので、具現しやすく、波長可変特性及び光結合特性に優れており、単一集積またはハイブリッド集積を何れも可能にすることによって優れた動作特性及び高い信頼性を有する波長可変光源素子である。【選択図】図７
2007165890.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の波長帯域を有する光信号を一方向に伝送し、前記波長帯域のうち、所定の単一波長の光信号を増幅させて他方向に出力する光増幅器と、
前記波長帯域を有する光信号の出力経路を移動させるビーム操縦器と、
一端は、前記ビーム操縦器と連結されて、前記波長帯域を有する光信号を平面的に広げて伝送させる直線構造に形成され、他端は、前記波長帯域を有する光信号を反射及び回折させて、前記一端に前記単一波長の補強干渉を発生させる凹回折格子で形成された導波路と、を備えて前記補強干渉された単一波長が直線軌跡を有し、前記ビーム操縦器を経て前記光増幅器に帰還されることを特徴とする波長可変光源素子。
【請求項２】
前記ビーム操縦器は、下部クラッディング層、コア及び上部クラッディング層から構成された導波路の構造を有し、前記上部クラッディング層に所定間隔を空いて配置された二つの電極板に印加された電流量によって、前記波長帯域を有する光信号の偏向程度を異ならせることを特徴とする請求項１に記載の波長可変光源素子。
【請求項３】
前記光増幅器、前記ビーム操縦器及び前記導波路は、一つの基板に単一集積されることを特徴とする請求項１に記載の波長可変光源素子。
【請求項４】
前記光増幅器及び前記ビーム操縦器は、インジウム燐系列の第１基板に集積され、前記導波路は、シリコン系列及びポリマー系列のうち何れか一つ物質の第２基板に集積されることを特徴とする請求項１に記載の波長可変光源素子。
【請求項５】
所定の波長帯域を有する光信号を一方向に伝送し、前記波長帯域のうち所定の単一波長の光信号を増幅させて他方向に出力する光増幅器と、
一端は、前記光増幅器と連結されて、前記波長帯域光信号を平面的に広げて伝送させる直線構造で形成され、他端は、前記波長帯域を有する光信号を反射及び回折させて、前記一端に前記単一波長の補強干渉を発生させる凹回折格子で形成された導波路と、
前記導波路の上部クラッディング層に位置し、入射された電流量によって前記波長帯域を有する光信号の偏向程度を異ならせる偏向器と、を備えて前記補強干渉された単一波長が直線軌跡を有し、前記偏向器を経て前記光増幅器に帰還されることを特徴とする波長可変光源素子。
【請求項６】
前記光増幅器と前記導波路との中間端に位置し、前記凹回折格子から前記光増幅器に戻る単一波長の光信号と、前記光増幅器から出力される光信号との位相を整合する位相操縦器をさらに備えることを特徴とする請求項５に記載の波長可変光源素子。
【請求項７】
前記光増幅器及び前記導波路は、一つの基板に単一集積されることを特徴とする請求項５に記載の波長可変光源素子。
【請求項８】
前記光増幅器は、インジウム燐系列の第１基板に集積され、前記導波路は、シリコン系列及びポリマー系列のうち何れか一つ物質の第２基板に集積されることを特徴とする請求項５に記載の波長可変光源素子。
【請求項９】
前記凹回折格子は、リトロー回折格子の条件を満たすことを特徴とする請求項１または請求項５に記載の波長可変光源素子。
【請求項１０】
前記凹回折格子は、リットマン回折格子の条件を満たすことを特徴とする請求項１または請求項５に記載の波長可変光源素子。
【請求項１１】
前記凹回折格子は、リットマン回折格子の条件を満たし、前記凹回折格子から反射及び回折されて、前記波長帯域を有する光信号の波長別に前記導波路の一端のそれぞれ異なる位置に補強干渉が発生した複数の単一波長の光信号を出力する複数の単一モード導波路をさらに備えることを特徴とする請求項１または請求項５に記載の波長可変光源素子。
【請求項１２】
所定の波長帯域を有する光信号を一方向に伝送し、前記波長帯域のうち第１単一波長及び第２単一波長の光信号を増幅させて他方向に出力する第１光増幅器と、
前記波長帯域光信号の出力経路を移動させるビーム操縦器と、
一端は、前記ビーム操縦器と連結されて、前記波長帯域光信号を平面的に広げて伝送させる直線構造で形成され、他端は、前記波長帯域を有する光信号を反射及び回折させて、前記第１単一波長の光信号は、前記一端の第１部分に補強干渉を発生させ、前記第２単一波長の光信号は、前記一端の第２部分に補強干渉を発生させるリットマン条件を満たす凹回折格子で形成された導波路と、
前記第２単一波長の光信号を前記導波路の凹回折格子に再入射させて、前記第１光増幅器に帰還させる第２光増幅器と、を備えることを特徴とする波長可変光源素子。
【請求項１３】
前記第１光増幅器、前記第２光増幅器及び前記ビーム操縦器は、インジウム燐系列の第１基板に集積され、前記導波路は、シリコン系列及びポリマー系列のうち何れか一つ物質の第２基板に集積されることを特徴とする請求項１２に記載の波長可変光源素子。
【請求項１４】
所定の波長帯域を有する光信号を一方向に伝送し、前記波長帯域のうち、第１単一波長及び第２単一波長の光信号を増幅させて他方向に出力する第１光増幅器と、
一端は、前記第１光増幅器と連結されて、前記波長帯域光信号を平面的に広げて伝送させる直線構造で形成され、他端は、前記波長帯域を有する光信号を反射及び回折させて、前記第１単一波長の光信号は、前記一端の第１部分に補強干渉を発生させ、前記第２単一波長の光信号は、前記一端の第２部分に補強干渉を発生させるリットマン条件を満たす凹回折格子で形成された導波路と、
前記導波路の上部クラッディング層に位置し、入射された電流量によって前記波長帯域を有する光信号の偏向程度を異ならせる偏向器と、
前記第２単一波長の光信号を前記導波路の凹回折格子に再入射させて、前記第１光増幅器に帰還させる第２光増幅器と、を備えることを特徴とする波長可変光源素子。
【請求項１５】
前記第１光増幅器及び前記第２光増幅器は、インジウム燐系列の第１基板に集積され、前記導波路は、シリコン系列及びポリマー系列のうち何れか一つの物質の第２基板に集積されることを特徴とする請求項１４に記載の波長可変光源素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、波長可変光源素子に係り、さらに詳細には、光増幅器、ビーム操縦器またはビーム偏向器、凹回折格子が集積された波長可変光源素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、波長可変半導体レーザ（波長可変光源素子）は、波長分割多重方式のような光伝送方式を使用することによってその重要性が増大する。前記波長可変半導体レーザは、それぞれ異なる波長を放射する複数の波長固定半導体レーザを代替できるだけでなく、ＲＯＡＤＭ（Ｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ａｄｄ／Ｄｒｏｐ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ）、全光通信網における高速パケットスイッチング、波長変換器、波長ルータなどにも積極的に活用されている。その他にも、光検針及びセンサー、医療用、測定用など、その応用範囲が非常に広くかつ多様である。これにより、世界中の先進企業は、非常に多様な形態の波長可変半導体レーザを発表している。ここで、後述する本発明の構造との明確な比較のために、従来の波長可変半導体レーザのうち外部共振器型波長可変半導体レーザを説明する。
【０００３】
図１は、従来の波長可変光源素子のうち、リトロー形態の外部共振器型の波長可変光源素子の構造を示す図面である。
【０００４】
具体的に、外部共振器型の波長可変光源素子は、無反射膜１１５がコーティングされた半導体レーザ（レーザダイオード（Ｌａｓｅｒ  Ｄｉｏｄｅ：ＬＤ））１１０、外部回折格子１２０及びレンズ１３０から構成されている。半導体レーザ１１０には、電流ＩＬＤを印加してビーム１４０を発生させうる。半導体レーザ１１０に発生したビーム１４０は、レンズ１３０を経て回折格子１２０に到達すれば、回折格子面の垂直線１００に対する入射角θに対して、次の数式１のリトロー回折格子の公式によって回折されるビーム１５０の波長が決定され、特定の波長の回折ビーム１５０のみが半導体レーザ１１０に帰還されて光Ｐｏｕｔが出力される。
【０００５】
【数１】
2007165890.tif 000003
【０００６】
ここで、ｍは、回折次数、λは、波長、ｄは、回折格子の周期、θは、入射角である。
【０００７】
半導体レーザ１１０の左側端部と回折格子１２０の面とが出合う仮想の点であるピボット点１０５に対して回折格子１２０を動かせば、回折格子１２０は回転１６０して、前記入射角θは変化し、数式１により波長は変化する。
【０００８】
入射角θのみを変化させれば、波長可変特性は階段式で表されるという問題点があるため、連続的な波長可変特性を得るために、回折格子の平行移動１７０も並行して動かす。
【０００９】
言い換えれば、図１の外部共振器型の波長可変光源素子は、ピボット点１０５に対して回折格子の空間的変移、すなわち、回転、移動（平行移動）で回折条件を変化させて、連続的な波長可変特性が得られる構造である。
【００１０】
図１の外部共振器型の波長可変光源素子は、高い光出力、狭い線間幅、広い波長可変特性の長所を有して計測装備に多く活用されている。
【００１１】
ところが、図１の外部共振器型の波長可変光源素子は、半導体レーザ１１０と回折格子１２０との間に整列が難しく、波長可変時に回折格子１２０の空間的な移動による機械的振動、ピボット点１０５の位置の老化による波長移動の問題が発生する。特に、図１の外部共振器型の波長可変光源素子は、波長可変のための速度が非常に遅いため、光通信及び多様な応用システムへの活用が多少難しい。
【００１２】
図２は、従来の波長可変光源素子のうち、リットマン形態の外部共振器型の波長可変光源素子の構造を示す図面である。
【００１３】
具体的に、波長可変光源素子は、無反射膜２１５がコーティングされた半導体レーザ（ＬＤ）２１０、外部回折格子２２０、レンズ２３０及び反射鏡２６０から構成されている。
【００１４】
半導体レーザ２１０には、電流を印加してビーム２５０を発生させ、半導体レーザ２１０に発生したビーム２５０は、レンズ２３０及び回折格子２２０を経て反射鏡２６０に到達し、反射鏡２６０に垂直に入射されたビーム２５０のみが回折格子２２０に再反射される。
【００１５】
反射されたビーム２４０は、回折格子２２０及びレンズ２３０を経て再び半導体レーザ２１０に帰還されて光Ｐｏｕｔが出力される。図２の構造において、回折格子面の垂直線２００に対する入射角α及び回折角βに対して、次の数式２のリットマン回折格子の公式によってビームの波長が決定される。
【００１６】
【数２】
2007165890.tif 000004
【００１７】
ここで、ｍは、回折次数、λは、波長、ｄは、回折格子の周期、αは、入射角、βは、回折角である。
【００１８】
前述した構造に対して、ピボット点２０５に対して反射鏡２６０を動かせば回転２７５し、前記同じ入射角αに対して回折角βは変化し、数式２により波長は変化する。
【００１９】
前述した構造において、回折角βのみを変化させれば、波長可変特性は、階段式で表されるという問題点があるため、連続的な波長可変特性を得るために、反射鏡２６０の平行移動２７５も並行して動かす。
【００２０】
言い換えれば、図２の外部共振器型の波長可変光源素子は、ピボット点２０５に対して反射鏡２６０の空間的な変移、すなわち、回転２７５、移動（平行移動）２７０で回折条件を変化させて連続的な波長可変特性が得られる構造である。
【００２１】
図２の外部共振器型の波長可変光源素子は、波長可変時回折格子２２０は固定させ、反射鏡２６０のみを動かすため、図１の構造に比べて構造的に安定しているという長所を有している。
【００２２】
ところが、図２の構造も、図１の構造と同様に、半導体レーザ２１０と回折格子２２０との間に整列が難しく、波長可変時に反射鏡２６０の空間的な移動による機械的振動、ピボット点２０５の位置の老化による波長移動の問題を有しており、波長可変のための速度が非常に遅いため、光通信及び多様な応用システムへの活用が多少難しい。
【００２３】
前述した図１及び図２の外部共振器型の波長可変光源素子の遅い波長可変速度を解決するために、これまで電気的な調節によって波長を可変させる構造が提案された。例えば、Ｍ．Ｋｏｕｒｏｇｉ外の４人は、非特許文献１に、波長可変のために回折格子を移動させる代わりに、ＡＯＭ（Ａｃｏｕｔｏ−Ｏｐｔｉｃ  Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）をレーザダイオードと回折格子との間に挿入して、外部電気信号の周波数の変化によるビーム偏向特性を利用して波長可変が行われることを提案した。
【００２４】
しかし、前記Ｍ．Ｋｏｕｒｏｇｉ外の４名が提案した構造は、ＡＯＭの体積が大きく、挿入損失が大きく、しかもその上波長可変量がわずか２ｎｍ程度と非常に小さいという短所がある。
【００２５】
以上を要約すれば、回折格子の空間的な変移を通じて波長を可変させる従来の波長可変光源素子は、信頼性及び速度面において多くの問題点を有している。
【００２６】
そして、電気的に波長可変させる従来のバルクタイプ構造の波長可変光源素子は、回折格子とレーザダイオードとの間の整列が難しく、前記ＡＯＭの挿入により素子の体積が大きいという短所を有している。
【００２７】
【非特許文献１】“ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ  ｔｕｎｉｎｇ  ｏｆ  ａｎ  ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ  ｔｕｎａｂｌｅ  ｅｘｔｅｒｎａｌ−ｃａｖｉｔｙ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ｌａｓｅｒ”、Ｏｐｔｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，ｖｏｌ．２５，Ｎｏ.１６，ｐｐ.１１６５〜１１６７，Ａｕｇ．１５，２０００
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２８】
本発明の技術的課題は、バルクタイプ構造の光部品を単一集積させて追加的な光学部品や光整列の必要ない波長可変光源素子を提供するところにある。
【００２９】
本発明のさらに他の技術的課題は、ＩｎＰ物質から製作された回折格子の他にも安定的に製作されうる物質（シリコン、ポリマーなど）で具現された回折格子を容易にハイブリッド集積できるので、二つの物質間の光結合損失を最小化し、素子の信頼性を向上させうる波長可変光源素子を提供するところにある。
【課題を解決するための手段】
【００３０】
前記技術的課題を解決するための本発明に係る波長可変光源素子の一実施形態は、所定の波長帯域を有する光信号を一方向に伝送し、前記波長帯域のうち、所定の単一波長の光信号を増幅させて他方向に出力する光増幅器と、前記波長帯域を有する光信号の出力経路を移動させるビーム操縦器と、一端は、前記ビーム操縦器と連結されて、前記波長帯域を有する光信号を平面的に広げて伝送させる直線構造に形成され、他端は、前記波長帯域を有する光信号を反射及び回折させて、前記一端に前記単一波長の補強干渉を発生させる凹回折格子で形成された導波路と、を備えて前記補強干渉された単一波長が直線軌跡を有し、前記ビーム操縦器を経て前記光増幅器に帰還されることを特徴とする。
【００３１】
前記技術的課題を解決するための本発明に係る波長可変光源素子の一実施形態は、所定の波長帯域を有する光信号を一方向に伝送し、前記波長帯域のうち所定の単一波長の光信号を増幅させて他方向に出力する光増幅器と、一端は、前記光増幅器と連結されて、前記波長帯域光信号を平面的に広げて伝送させる直線構造で形成され、他端は、前記波長帯域を有する光信号を反射及び回折させて、前記一端に前記単一波長の補強干渉を発生させる凹回折格子で形成された導波路と、前記導波路の上部クラッディング層に位置し、入射された電流量によって前記波長帯域を有する光信号の偏向程度を異ならせる偏向器と、を備えて前記補強干渉された単一波長が直線軌跡を有し、前記偏向器を経て前記光増幅器に帰還されることを特徴とする。
【００３２】
前記技術的課題を解決するための本発明に係る波長可変光源素子の一実施形態は、所定の波長帯域を有する光信号を一方向に伝送し、前記波長帯域のうち第１単一波長及び第２単一波長の光信号を増幅させて他方向に出力する第１光増幅器と、前記波長帯域光信号の出力経路を移動させるビーム操縦器と、一端は、前記ビーム操縦器と連結されて、前記波長帯域光信号を平面的に広げて伝送させる直線構造で形成され、他端は、前記波長帯域を有する光信号を反射及び回折させて、前記第１単一波長の光信号は、前記一端の第１部分に補強干渉を発生させ、前記第２単一波長の光信号は、前記一端の第２部分に補強干渉を発生させるリットマン条件を満たす凹回折格子で形成された導波路と、前記第２単一波長の光信号を前記導波路の凹回折格子に再入射させて、前記第１光増幅器に帰還させる第２光増幅器と、を備える。
【００３３】
前記技術的課題を解決するための本発明に係る波長可変光源素子の一実施形態は、所定の波長帯域を有する光信号を一方向に伝送し、前記波長帯域のうち、第１単一波長及び第２単一波長の光信号を増幅させて他方向に出力する第１光増幅器と、一端は、前記第１光増幅器と連結されて、前記波長帯域光信号を平面的に広げて伝送させる直線構造で形成され、他端は、前記波長帯域を有する光信号を反射及び回折させて、前記第１単一波長の光信号は、前記一端の第１部分に補強干渉を発生させ、前記第２単一波長の光信号は、前記一端の第２部分に補強干渉を発生させるリットマン条件を満たす凹回折格子で形成された導波路と、前記導波路の上部クラッディング層に位置し、入射された電流量によって前記波長帯域を有する光信号の偏向程度を異ならせる偏向器と、前記第２単一波長の光信号を前記導波路の凹回折格子に再入射させて、前記第１光増幅器に帰還させる第２光増幅器と、を備える。
【発明の効果】
【００３４】
本発明に係る波長可変光源素子は、光増幅器、ビーム操縦器、凹回折格子が集積されて、凹回折格子で回折されたビームは、直線軌跡に集まって、ビーム操縦器の二つの電極が対称になってビームの歪曲を除去し、それと同時にビームを直線上に正確に位置させて、回折格子に広がるビームと、回折格子から断面に帰還されるビームとの光結合特性に優れており、高い光出力を有する。
【００３５】
また、ＩｎＰ物質から製作された回折格子の他にも、安定的に製作されうる物質（シリコン、ポリマーなど）で具現された回折格子を容易にハイブリッド集積できるので、二つの物質間の光結合損失を最小化し、素子の信頼性を向上させうる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
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。
【００３７】
図３は、ローランド円回折格子を備えた偏向器の集積波長可変光源素子の構造を示す図面である。
【００３８】
前記構造は、光増幅器３１０、位相調整器３２０、光偏向器３３０、凹回折格子３４０が単一集積されて、外部共振型波長可変レーザとして動作する素子である。
【００３９】
前記構造において、光増幅器、位相調整器、偏向器、凹回折格子は、単一基板（インジウム燐、ＩｎＰ）内に何れも集積されて、偏向器に注入される電流の量による導波ビームの偏向特性によって、回折格子に入射される角が変わって波長可変が行われる構造を有している。
【００４０】
光増幅器３１０の一側断面から出射されるビームは、位相調整器３２０を経て光偏向器３３０を経て凹回折格子３４０に入射される。
【００４１】
凹回折格子３４０に到達されたビームは、半導体物質と空気との屈折率差によりそれぞれの回折格子面で反射され、それと同時に凹回折格子の回折特性によって波長別に他の位置に集まる。このとき、波長によって集まったビームの軌跡は、仮想の円３５０上に存在するが、これをローランド円３５０と言う。
【００４２】
一般的に、凹回折格子の半径がローランド円の半径の二倍になれば、前述した効果が表れる。
【００４３】
したがって、前記構造において、導波路の先端をローランド円上に位置させれば、ビームは、凹回折格子で回折されて、特定の波長に該当するビームのみが再び光増幅器３１０に帰還され、光増幅器の左側断面及び凹回折格子面が反射面になって、共振現象によって外部共振型レーザとして動作する。
【００４４】
一方、位相操縦器３２０は、光増幅器と光偏向器との間に挿入されうる。位相操縦器は、光増幅器から放出されたビームと、回折格子から光増幅器に入るビームとの間の位相を整合させる役割を行い、位相調整電流（ＩＰＣＳ）により媒質の屈折率を変化させて共振ビームの位相を調整する。
【００４５】
図４は、図３の波長可変レーザの可変特性を説明するための構造図である。
光偏向器３３０に電気信号が印加されていない場合のビーム特性を表しており、光増幅器３１０で光利得が生成されたビームは、λ１の波長で光偏向器３３０を過ぎ、光偏向器３３０のパターンと周辺領域の有効屈折率とが同じであるので、ビーム屈折は表れない。凹回折格子３４０に入射されたビームは、数式３により入射角αによって特定の波長λ１のみが光増幅器３１０に帰還される。
【００４６】
【数３】
2007165890.tif 000005
【００４７】
ここで、ｍは、回折次数、λは、波長、ｎ１は、導波層の屈折率、ｄは、回折格子の周期である。
【００４８】
したがって、光増幅器３１０で生成されたビームは、凹回折格子から特定の波長λ１のみが帰還され、前記プロセスによる帰還特性が素子全体の損失と同じであるとき、共振が発生してレーザとして動作し、特定の波長のビームλ１のみが光増幅器３１０の左側断面に出射される。
【００４９】
偏向器内の電流を注入すれば、搬送者誘導屈折率の変化特性により、偏向パターン内のコア物質の屈折率が変化する。
【００５０】
この場合、ビームは、前記偏向パターンで形成された領域を過ぎるとき、屈折率が変化した領域と変化していない領域との境界面でスネルの法則に基づいて屈折が発生する。
【００５１】
屈折現象によりビームの方向は変わる。したがって、前記偏向されたビームは、凹回折格子に対する入射角を変化させ、数式３に基づいて増幅器に帰還される波長を変化させる。
【００５２】
前述した説明について、図４Ｂに示すように、光偏向器パターン３３０に電気信号が印加されて、パターン内の導波層の屈折率が、ｎ１からｎ２に変化した場合のビーム特性を表している。
【００５３】
光増幅器で生成されたビームは、偏向器パターンを過ぎ、偏向器内のコア層の屈折率の変化によって、ビームは屈折される。屈折されたビームの光源は、図面に示すように、仮想的にローランド円を過ぎ、屈折されたビームの入射角は、α角から等価的にα’角に変わる。
【００５４】
変化した入射角によって、回折ビームの波長は、λ１からλ２に変わる。光偏向器３３０は、第１有効屈折率ｎ１を有する物質から構成させて、所定形状の偏向パターン領域にのみ電流が注入されるように製作するか、または第１有効屈折率ｎ１を有する所定形状の偏向パターンの周辺物質及び偏向パターン領域の内部は、第２有効屈折率ｎ２を有する物質で境界をなすように構成させ、偏向パターン領域にのみ電流が注入されて、パターン内の導波層の屈折率をｎ２からｎ３に製作できる。
【００５５】
したがって、外部電気信号（電流）により所定形状の偏向パターン内のコア物質の屈折率を変化させて、周辺領域と所定形状の偏向パターン領域との境界面で、入射角に対する屈折特性（スネルの法則）によってビームが偏向される特性を有している。
【００５６】
光偏向器３３０は、偏向器内の電気信号の増加によって光増幅器３１０から放射するビームの点光源の位置が、ローランド円に沿って仮想的に動くように設計される。
【００５７】
前記光偏向器パターンの形状は、ローランド円の構造に合わせて線−光の観点によって設計されるか、または波動−光の観点で設計されうる。
【００５８】
単一集積回折格子の共同波長可変レーザは、電気的な調節によって波長可変のための速度が速く、安定的であり、しかも単一集積されて素子のサイズも小さいという長所を有している。また、ローランド円上に導波路が正確に位置するため、ローランド円から回折格子に広がるビームと、回折格子からローランド円に帰還されるビームとの光結合特性が優秀であり、光出力が高いという長所を有している。
【００５９】
しかし、ビームが過ぎる経路に偏向器を挿入するため、偏向器内への電流注入時に光損失の増大によって光出力が低下して、光出力の変化が大きいという短所がある。また、偏向器パターン構造の設計が難しく、具現し難いという短所がある。
【００６０】
図５は、ローランド円の回折格子を備えたビーム操縦器の集積波長可変光源素子の構造を示す図面である。
【００６１】
ビーム操縦器の集積外部共振器型の波長可変光源素子５００は、半導体光増幅器（Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ：ＳＯＡ）５１０、ビーム操縦器５２０、凹回折格子５３０が単一基板（ＩｎＰ）内に何れも集積されて、ビーム操縦器内の二つの電極に注入される電流量の差による導波ビームの位置操縦により、回折格子に入射される角が変わって、波長可変が行われる構造を有している。
【００６２】
ＩＢＳ１電流及びＩＢＳ２電流の印加量によって屈折率が変わり、屈折率の変化は、ビームの入射角に影響を与える。すなわち、ビーム操縦器は、プリズムのような役割を行う。
【００６３】
図５に示すように、電流の印加量が増大するほど、コア層の有効屈折率は低下し、ビームは、屈折率の高い側に曲がる特性上、光増幅器５１０から出力されるビームは、相対的に低い電流を印加する側に曲がる。
【００６４】
図６は、図５の波長可変レーザの可変特性を説明するための構造図である。
具体的に、図６Ａ及び図６Ｂの波長可変光源素子（波長可変レーザ）５００は、数式３のリトロー条件を満たす構造である。
【００６５】
図６Ａに示す波長可変光源素子５００は、半導体基板５０１、例えば、ＩｎＰにＳＯＡ  ５１０、ビーム操縦器５２０及び凹回折格子５３０が単一集積されて具現される。
【００６６】
ＳＯＡ  ５１０は、半導体レーザダイオードから構成でき、ＩＳＯＡ電流が印加されうる。
【００６７】
ビーム操縦器５２０には、二つの電極が構成され、二つの電極には、電気信号、例えば、ＩＢＳ１電流及びＩＢＳ２電流が印加されうる。
【００６８】
凹回折格子５３０は、基板５０１の一側に位置し、半導体基板５０１の一側に回折格子を設けて具現する。
【００６９】
凹回折格子５３０は、特定の構造に限定されないが、説明の便宜上、ローランド円５４０の形態で表し、ローランド円５４０基盤の凹回折格子５３５の構造は図６Ｂに表した。
【００７０】
凹回折格子円５３５とローランド円５４０とが出合う点をポールＰとし、基準線６１０は、凹回折格子円５３５の中心ＣからポールＰまでの線になる。ローランド円５４０の一側は、ビーム操縦器５２０に接して位置する。
【００７１】
図６Ａの構造において、光増幅器５１０の左側断面及び凹回折格子５３０は、それぞれ反射面を有するので、共振器として形成されてレーザダイオード形態で動作する。
【００７２】
光増幅器５１０から回折格子５３０側に出射されるビーム６２０は、ビーム操縦器５２０を経て凹回折格子５３０のポールＰに入射される。凹回折格子に入射されたビーム５２０は、凹回折格子５３０の回折特性に基づいて特定の波長のみが入射角αと同じ角で再び光増幅器５１０に帰還されて、特定の波長のビーム６００のみが出力Ｐｏｕｔ１される。出力される特定の波長は、数式３のリートロー回折格子の公式による。
【００７３】
入射角αは、図６Ａ及び図６Ｂに示すように、基準線６１０と入射するビーム経路との間の角度を表す。
【００７４】
ビーム操縦器５２０は、内部に二つの電極を備え、二つの電極に印加される電流量の差を調節してビーム経路を操縦でき、これにより、経路が移動したビーム６２０は、凹回折格子６３０に入射される入射角αが変わる。
【００７５】
入射角αの変化によって、数式３に基づいて回折されるビーム６２０の波長が変わる。
ビーム操縦器が集積された凹回折格子の波長可変光源は、電気的な調節によって波長可変のための速度が速く、安定的であり、しかも単一集積されて素子のサイズも小さいという長所を有している。また、前述した構造は、ビームが過ぎる経路の周辺に電流を注入するために、波長可変時に光損失が少ないので、光出力の変化が少ないという長所を有している。
【００７６】
ビームの位置が操縦される位置は、ローランド円上に位置せねばならず、ビーム操縦器の幅は広いため、ビーム操縦器内の電極が非対称的である。これは、ビーム操縦器内の操縦されたビームの形態を歪曲させ、それと同時に、ビームをローランド円上に正確に位置させられず、これによって、ローランド円から回折格子に広がるビームと、回折格子からローランド円に帰還されるビームとの光結合特性が低下して、光出力が低いという短所を有している。
【００７７】
以上を要約すれば、図３及び図４で前述したローランド円の構造の偏向器の集積波長可変光源は、その光出力は大きい一方、ビームが過ぎる経路に偏向器が置かれてあり、波長可変時に光損失の増大によって光出力が低く、光出力の変動が大きいという短所を有しており、図５及び図６で前述したローランド円の構造のビーム操縦器の集積波長可変光源は、ビーム操縦器内の電極がビーム経路の周辺に置かれており、光出力の変動は少ないが、ビーム操縦器内の電極の非対称性により結合効率の低下によって光出力が低いという短所を有している。
【００７８】
追加的に、前述したローランド円基盤の凹回折格子の集積波長可変光源は、あらゆる機能部が単一集積されているため、ＩｎＰ基板に製作する。
【００７９】
しかし、前述したＩｎＰ物質の回折格子の具現に当って、エッチング特性が多少不均一であり、回折格子パターンが精密でないため、多い損失が問題点となっている。
【００８０】
したがって、回折格子を均一なエッチング特性及び精密なパターンの可能な物質であるシリコンやポリマーなどで製作して、凹回折格子をＩｎＰ物質とハイブリッド集積できる。
【００８１】
しかし、境界面がローランド円になっており、事実上、ハイブリッド集積をし難くなる。
【００８２】
図７は、本発明に係る波長可変ビームの軌跡を直線にする回折格子を備えたビーム操縦器の直接波長可変光源素子の構造を示す図面である。
【００８３】
図７に示す波長可変光源素子７００は、半導体基板Ｓ、例えば、ＩｎＰにＳＯＡ  ７１０、ビーム操縦器７２０及び凹回折格子７３０が単一集積されて具現される。
【００８４】
ＳＯＡ  ７１０は、半導体レーザダイオードから構成でき、ＩＳＯＡ電流が印加されうる。
【００８５】
ビーム操縦器７２０には、二つの電極が構成され、ＩＢＳ１及びＩＢＳ２電流が印加されうる。
【００８６】
凹回折格子７３０は、基板７０１の一側に位置する。基本的に、図５で提案された構造と類似しているが、本発明に係る波長可変素子７００は、ローランド円基盤の凹回折格子構造ではない格子７３０で回折されて集まるビームの位置を直線にする構造を有する。
【００８７】
ビームの位置が直線であるので、ビーム操縦器内の電極が対称的であり、各電極に注入された電流量の差によって、ビームの位置は直線に沿って移動する。
【００８８】
図８は、図７の本発明に係る波長可変ビームの軌跡を直線にする回折格子構造の原理を説明するための図面である。
【００８９】
図４に示す構造変数θＮ、θＮ＋１以外に表現を簡単にするために、次の数式４で変数を定義する。
【００９０】
【数４】
2007165890.tif 000006
【００９１】
図８の回折格子は、点Ａに対して点ＰＮとＰＮ＋１との間に特定の波長λ０に対して補強干渉が成り立ち、次の数式５のように表現される。
【００９２】
【数５】
2007165890.tif 000007
【００９３】
ここで、ｎｅｆｆは、導波路内の有効屈折率であり、ｍは、整数である。前記数式５は、ＲＮ＋１とＲＮとの関係を表し、次の数式６で表現できる。
【００９４】
【数６】
2007165890.tif 000008
【００９５】
一方、点Ａ、ＰＮ、Ｂで形成された三角形に対して、コサイン２の法則に基づいて次の数式７の第１のラインで表現される。
【００９６】
【数７】
2007165890.tif 000009
【００９７】
前記数式７は、ＳＮと（ＲＮ，θＮ）との関係を表し、第２のラインでルート内の第二項は、非常に小さい値であるので無視可能であり、ルートをテイラー拡張後に２項近似を使用すれば、第３のラインのように表現してもよい。
【００９８】
同様に、点Ｂに関しては、数式５のような方法で波長λ０＋△λ（△λ：波長変化量）に対して、次の数式８の第１のラインのように補強干渉条件が成り立つ。
【００９９】
【数８】
2007165890.tif 000010
【０１００】
数式８は、ＳＮ＋１とＳＮとの関係、または数式７の結果を考慮すれば、ＳＮ＋１と（ＲＮ，θＮ）との関係を表し、前記数式８の第１のラインは、数式７の結果を代入すれば、第２のラインのように近似させうる。
【０１０１】
数式７と同様に、点Ａ、ＰＮ＋１、Ｂに対しても適用すれば、次の数式９のように表す。
【０１０２】
【数９】
2007165890.tif 000011
【０１０３】
前記数式９は、ＳＮ＋１と（ＲＮ＋１，θＮ＋１）との関係を表し、前記数式６の結果を考慮すれば、ＳＮ＋１と（ＲＮ，θＮ＋１）との関係を表す。前述した数式９は、数式７のような近似法を使用して、第３のラインで表現でき、数式６の結果に基づいて第４のラインで表現できる。
【０１０４】
総合すれば、前述した構造的な関係に基づいて、構造変数ＲＮ、ＲＮ＋１、ＳＮ、ＳＮ＋１、θＮ、θＮ＋１に対して４個の数式（数式６ないし数式９）が表され、ｎｅｆｆは、導波路が決定されれば決まる値であり、ｄ、Ｒ０、θ０（＝０、ｍ、λ０、△λ）は、設計変数（既に知っている値）である。
【０１０５】
前述した関係により、回折格子の順序Ｎを０から増加させれば、ＲＮ及びθＮは、既に知っており、ＲＮ＋１、ＳＮ、ＳＮ＋１、θＮ＋１は、前述した４個の数式（数式６ないし数式９）からそれぞれ得られる。
【０１０６】
一方、数式８の第２のラインと数式９の第４のラインとの関係により次の数式１０の第１のラインで表現されうる。
【０１０７】
【数１０】
2007165890.tif 000012
【０１０８】
ここで、θＮ、θＮ＋１は、比較的に小さい角（最大１５°）であるので、サイン関数で線形近似をすれば、第２のラインで表現でき、ｇは、回折格子の周期（設計変数である、ＰＮとＰＮ＋１との間の距離）を表す。前述した数式１０の第２のラインの式から波長可変量△λと設計変数との関係が次の数式１１で表現されうる。
【０１０９】
【数１１】
2007165890.tif 000013
【０１１０】
数式１１から、ｄが増加するにつれて波長可変量が構造変数によって線形的に増加するということが分かる。
【０１１１】
数式６ないし数式９を含んで前述した数式１０及び数式１１は、説明を容易にするために誘導しただけであり、実際の設計時には近似式を使用しないため、数式が多少複雑になりうる。
【０１１２】
また、一定の設計変数に対して実際のｄと波長可変量△λとの関係は線形的ではないので、ｄと波長可変量との関係が線形的になるように、ｇ（回折格子の周期）を人為的に変更させうる。
【０１１３】
図９は、図７の本発明に係る波長可変ビームの軌跡を直線にする回折格子が、シリコンまたはポリマーから製作され、光増幅器及びビーム操縦器の単一集積された物質、ＩｎＰとハイブリッド集積された構造の波長可変光源素子の構造を示す図面である。
【０１１４】
Ｉｎｐ物質の回折格子の具現に当ってエッチング特性が多少不均一であり、回折格子のパターンが精密ではないため、高い損失が問題点となっている。
【０１１５】
したがって、回折格子を均一なエッチング特性及び精密なパターンの可能な物質であるシリコンやポリマーなどで製作し、凹回折格子をＩｎＰ物質とハイブリッド集積できる。
図３や図５で提案された構造は、境界面がローランド円になっており、事実上、ハイブリッド集積をし難くなる。
【０１１６】
しかし、本発明に係る波長可変素子は、凹回折格子で回折されたビームの軌跡が直線であるので、ハイブリッド集積が可能である。
【０１１７】
また、ＩｎＰ物質は、光出力方向に垂直になるように圧力を加える場合、その線に沿ってきれいに切断され、反射率は、約３０％である。
【０１１８】
したがって、ＩｎＰ物質の断面に無反射膜コーティング９３０が必要であり、場合によって回折格子にも無反射膜コーティングが必要であり、円滑な光結合特性のためにインピダンスマッチングオイルなども追加できる。
【０１１９】
図１０は、本発明に係る波長可変ビームの軌跡を直線にする回折格子を備えた偏向器の集積波長可変光源素子の構造を示す図面である。
【０１２０】
本発明に係る波長可変ビームの軌跡を直線にする回折格子を備えた波長可変光源素子は、図３のように、偏向器１０２０が集積形態にも適用できる。
【０１２１】
一般的に、ローランド円の構造の回折格子は、収差を有しているので、回折格子の周期を調整して収差を除去する方法を利用している。
【０１２２】
回折格子の周期を調整して収差を除去する方法は、設計時に回折格子の構造を複雑にするという問題がある。また、５次以上の高次に対しては収差を除去できず、円形パターンの設計及び製作が難しい。
【０１２３】
しかし、本発明に係る直線軌跡を有する回折格子の構造を採択すれば、設計時に回折格子の周期を調整できるだけでなく収差を完全に除去でき、直線パターンにパターンの設計及び製作が相対的に容易になるという長所を有している。
【０１２４】
図１１は、本発明に係るリットマン条件を満たす、高波長可変ビームの軌跡を直線にする回折格子を備えたビーム操縦器の集積波長可変光源素子の構造を示す図面である。
【０１２５】
図１１の波長可変光源素子（波長可変レーザ）１１００は、数式１２のリットマン条件を満たす構造であり、ビーム操縦器の電流の注入によるビームの位置移動により回折格子に入射される角が変わるので、波長が可変される。
【０１２６】
【数１２】
2007165890.tif 000014
【０１２７】
ここで、ｍは、回折次数、λは、波長、ｎ１は、導波層の屈折率、ｄは、回折格子の周期であり、αは、入射角、βは、回折角であり、前記入射角αは、凹回折格子円の中心から前記ポールＰまでの基準線１１６０と入射するビーム１１８０の経路との間の角度であり、回折角βは、基準線１１６０と前記第２光増幅器１１４０または光導波路１１４０に反射されるビーム１１９０との間の角度である。
【０１２８】
図１１の構造においても、波長可変ビームが直線軌跡１１５０に沿って集まるように設計された回折格子が適用される。
【０１２９】
図１１において、固定された回折角βに対して、ビーム操縦器の電流の注入によるビームの経路移動により入射角αが変わって、波長が可変される。
【０１３０】
第１光増幅器ＳＯＡ１から出射されるビーム１１８０が、ビーム操縦器１１２０を経て凹回折格子１１３０に入射され、入射されたビーム１１８０は、凹回折格子１１３０の回折特性によって特定の波長に該当するビーム１１９０のみが、βの角で追加的な第２光増幅器ＳＯＡ２  １１４０や光導波路１１４０に帰還されて出力Ｐｏｕｔ２  １１７０される。
【０１３１】
図１１の構造において、第１光増幅器ＳＯＡ１  １１１０の左側断面と第２光増幅器ＳＯＡ２の左側断面とがそれぞれ反射面を有するので、共振器で形成されてレーザダイオードとして動作する。
【０１３２】
凹回折格子１１３０においてβの回折角で回折されたビーム１１９０を導波させるか、または増幅させるための光導波路１１４０または第２光増幅器ＳＯＡ２  １１４０が追加的に必要である一方、波長可変特性が、図７の構造に比べてさらに安定した動作が可能であり、設計に当たって選択の幅を広めうる。図７の構造においては、光出力端子が一つである一方、図１１においては、第１光増幅器１１１０と光導波路１１４０または第２光増幅器１１４０の断面で光出力が得られるので、光出力端子が二つ以上になる。
【０１３３】
追加的な光増幅器１１４０では、チャンネル数ほどの他の波長のビームを共振させて放出する。光導波路や光増幅器１１４０による各チャンネルの波長は、ビーム操縦器１１２０の電流の注入によって波長が可変される。
【０１３４】
光導波路や光増幅器１１４０による各チャンネル間の波長間隔を一定に指定する場合、全体的な波長可変量は、ビーム操縦器１１２０の電流の注入による一つのチャンネルの波長可変量とチャンネル数との積になるので、チャンネル数ほど波長可変量を増加させうる。
【０１３５】
導波路１１４０または第２光増幅器１１４０の断面では、各チャンネルの波長領域（ビーム操縦器による波長可変量）ほど光出力Ｐｏｕｔ２、Ｐｏｕｔｎ  １１７０が得られ、第１光増幅器１１１０においては、あらゆるチャンネルの波長が得られる。
【０１３６】
図１２は、図１１の本発明に係る回折格子が、シリコンまたはポリマーから製作され、光増幅器及びビーム操縦器の単一集積された物質、ＩｎＰとハイブリッド集積された構造の波長可変光源素子の構造を示す図面である。
【０１３７】
ＩｎＰ物質の回折格子の具現に当って、エッチング特性が多少不均一であり、回折格子のパターンが精密ではないため、高い損失が問題点となっている。
【０１３８】
したがって、回折格子を均一なエッチング特性及び精密なパターンの可能な物質であるシリコンやポリマーなどで製作し、凹回折格子をＩｎＰ物質とハイブリッド集積できる。
また、ＩｎＰ物質は、光出力の方向に垂直になるように圧力を加える場合、その線に沿ってきれいに切断され、反射率は、約３０％である。
【０１３９】
したがって、ＩｎＰ物質の断面に無反射膜コーティング１２３０が必要であり、場合によって、回折格子にも無反射膜コーティングが必要であり、円滑な光結合特性のためにインピダンスマッチングオイルなども追加できる。
【０１４０】
図１３は、本発明に係るリットマン条件を満たす、高波長可変ビームの軌跡を直線にする回折格子を備えた偏向器の集積波長可変光源素子の構造を示す図面である。
【０１４１】
本発明は、図１１の発明の回折格子がリットマン条件を満たし、ビーム操縦器の集積波長可変光源素子と動作原理が同じであるが、ビームを偏向させる部分が、ビーム操縦器ではない偏向器１３２０によって具現されるということが異なる。
【０１４２】
図１４は、図７の本発明に係る波長可変光源素子の動作原理を示すフローチャートである。
【０１４３】
光増幅器において所定の波長帯域を有する光信号を出力する（Ｓ１４００）。
【０１４４】
ビーム操縦器の偏向部から印加された電流量によって、前記波長帯域を有する光信号の出力経路を偏向させる（Ｓ１４１０）。
【０１４５】
所定の格子周期を有する凹回折格子は、前記波長帯域を有する光信号を反射及び回折させて、偏向部に前記波長帯域のうち、所定の単一波長の補強干渉を発生させる（Ｓ１４２０）。
【０１４６】
偏向部に補強干渉された所定の単一波長の光信号を光増幅器に帰還させる（Ｓ１４３０）。
【０１４７】
前記光増幅器に帰還された単一波長の光信号を増幅させて出力する（Ｓ１４４０）。単一波長の光信号の増幅は、増幅される光信号の利得が光増幅器内の光損失と同じであるときに発振が起こる。
【０１４８】
図１５は、図１１の本発明に係る波長可変光源素子の動作原理を示すフローチャートである。
【０１４９】
第１光増幅器から所定の波長帯域を有する光信号を出力する（Ｓ１５００）。
ビーム操縦器の偏向部から印加された電流量によって、前記波長帯域を有する光信号の出力経路を偏向させる（Ｓ１５１０）。
【０１５０】
所定の格子周期を有する凹回折格子は、前記波長帯域を有する光信号を反射及び回折させて、波長別に直線構造の導波路の一端のそれぞれ異なる位置に補強干渉を発生させる（Ｓ１５２０）。
【０１５１】
複数の第２光増幅器で、前記波長によって分離された単一波長の光信号のうち、少なくとも一つの単一波長の光信号を凹回折格子に再入射させる（Ｓ１５３０）。
凹回折格子から、前記少なくとも一つの単一波長の光信号を第１光増幅器に帰還させて増幅させて出力する。（Ｓ１５４０）。
【０１５２】
以上では、本発明の望ましい実施形態を例示的に説明したが、本発明の範囲は、このような特定の実施形態にのみ限定されず、特許請求の範囲に記載された範囲内で適切に変更可能である。
【産業上の利用可能性】
【０１５３】
本発明は、波長可変光源素子関連の技術分野に好適に利用されうる。
【図面の簡単な説明】
【０１５４】
【図１】従来の波長可変光源素子のうち、リトロー形態の外部共振器型の波長可変光源素子の構造を示す図面である。
【図２】従来の波長可変光源素子のうち、リットマン形態の外部共振器型の波長可変光源素子の構造を示す図面である。
【図３】ローランド円回折格子を備えた偏向器の集積波長可変光源素子の構造を示す図面である。
【図４Ａ】図３の波長可変レーザの可変特性を説明するための構造図である。
【図４Ｂ】図３の波長可変レーザの可変特性を説明するための構造図である。
【図５】ローランド円回折格子を備えたビーム操縦器の集積波長可変光源素子の構造を示す図面である。
【図６Ａ】図５の波長可変レーザの可変特性を説明するための構造図である。
【図６Ｂ】図５の波長可変レーザの可変特性を説明するための構造図である。
【図７】本発明に係る波長可変ビームの軌跡を直線にする回折格子を備えたビーム操縦器の集積波長可変光源素子の構造を示す図面である。
【図８】図７の本発明に係る波長可変ビームの軌跡を直線にする回折格子構造の原理を説明するための図面である。
【図９】図７の本発明に係る波長可変ビームの軌跡を直線にする回折格子がシリコンまたはポリマーから製作され、光増幅器とビーム操縦器の単一集積された物質、ＩｎＰとハイブリッド集積された構造の波長可変光源素子の構造を示す図面である。
【図１０】本発明に係る波長可変ビームの軌跡を直線にする回折格子を備えた偏向器の集積波長可変光源素子の構造を示す図面である。
【図１１】本発明に係るリットマン条件を満たす、高波長可変ビームの軌跡を直線にする回折格子を備えたビーム操縦器の集積波長可変光源素子の構造を示す図面である。
【図１２】図１１の本発明に係る回折格子が、シリコンまたはポリマーから製作され、光増幅器とビーム操縦器の単一集積された物質、ＩｎＰとハイブリッド集積された構造の波長可変光源素子の構造を示す図面である。
【図１３】本発明に係るリットマン条件を満たす、高波長可変ビームの軌跡を直線にする回折格子を備えた偏向器の集積波長可変光源素子の構造を示す図面である。
【図１４】図７の本発明に係る波長可変光源素子の動作原理を示すフローチャートである。
【図１５】図１１の本発明に係る波長可変光源素子の動作原理を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【０１５５】
７００  波長可変光源素子
７０１  基板
７１０  ＳＯＡ
７２０  ビーム操縦器
７３０  凹回折格子
ＩＳＯＡ、ＩＢＳ１、ＩＢＳ２    電流
【図１】
2007165890.tif 000015
【図２】
2007165890.tif 000016
【図３】
2007165890.tif 000017
【図４Ａ】
2007165890.tif 000018
【図４Ｂ】
2007165890.tif 000019
【図５】
2007165890.tif 000020
【図６Ａ】
2007165890.tif 000021
【図６Ｂ】
2007165890.tif 000022
【図７】
2007165890.tif 000023
【図８】
2007165890.tif 000024
【図９】
2007165890.tif 000025
【図１０】
2007165890.tif 000026
【図１１】
2007165890.tif 000027
【図１２】
2007165890.tif 000028
【図１３】
2007165890.tif 000029
【図１４】
2007165890.tif 000030
【図１５】
2007165890.tif 000031