(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
モード同期用のクロック信号の周波数に基づいて設定された発振波長を有する光を出力する、レーザの共振器内に設けられた半導体素子と、該半導体素子から出力された光に対する共振器長を前記発振波長に応じて異ならせる遅延回路とを備え、前記発振波長の光周波数間隔ｆＬＡＳおよび前記半導体素子の表面反射によるファブリーペロー効果の自由スペクトル範囲ｆＦＰは、ｍ＞０を満足する整数ｍを用いた式ｆＬＡＳ＝ｍｆＦＰを満足することを特徴とする波長可変モード同期レーザ。
【請求項２】
前記遅延回路は、アレイ導波路格子を含むことを特徴とする請求項１に記載の波長可変モード同期レーザ。
【請求項３】
前記遅延回路は、ブラッググレーティングを含むことを特徴とする請求項１に記載の波長可変モード同期レーザ。
【請求項４】
前記遅延回路は、ＰＬＣ技術に基づいて形成されていることを特徴とする請求項２または３に記載の波長可変モード同期レーザ。
【請求項５】
前記遅延回路は、ハイブリッド技術に基づいて前記半導体素子に集積化されていることを特徴とする請求項４に記載の波長可変モード同期レーザ。
【請求項６】
前記半導体素子は、半導体光増幅器または電界吸収型光変調器であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の波長可変モード同期レーザ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は波長可変モード同期レーザに関し、より詳細には、高速波長変換および波長ルーティングを利用した光通信ネットワークに利用可能な波長可変モード同期レーザに関する。
【０００２】
【従来の技術】
波長可変モード同期レーザは、モード同期用のクロック信号の周波数（すなわちレーザの繰り返し）を変化させることによって発振波長を変化させることができ、構成が単純で、高速な波長可変が可能で、また容易に波長選択ができる等の利点を有する。図１は、従来のレーザの一般構成を示す図で、共振器１００は、半導体光増幅器１０４、光変調器１０３、出力手段１０７、および光路長が波長により異なる遅延回路１０６からなる。共振器の片側は高反射コーティング１０２により終端されており、反対側は光を反射する遅延回路１０６に終端されている。ここで、遅延回路１０６に含まれる複数のブロックは、それぞれ互いに異なる波長の光を反射するフィルタを概念的に表している。これらのフィルタの各々は反射する波長毎に位置が異なり、フィルタアレイを形成している。
【０００３】
また、共振器１００は、ＲＦシンセサイザー１０８を用いてモード同期をとるための変調信号を得ている。更に、ＤＣ電源１０９により半導体光増幅器の利得が設定されている。光変調器１０３をレーザの基本繰り返し周波数ｆの整数ｋ倍（ｋ＞０）で変調することによって、モード同期発振が実現され、繰り返しｋｆでパルス列が出力手段１０７から出力される。
【０００４】
ここで、本レーザに遅延回路１０６が用いられているため、繰り返し周波数ｆが波長により異なる。この場合、所望の波長に対応する周波数で光変調器１０３を変調した際、その波長のみでモード同期発振が実現されるが、他の波長では発振が起きない。すなわち、クロック周波数を変化させることによって、発振波長を選択することができる。
【０００５】
発振波長の範囲は、遅延回路１０６に設計されているフィルタアレイによって決まっている。本フィルタアレイには複数の中心波長λｉのバンドパスフィルタが用いられており、フィルタの波長間隔がΔλＬＡＳ（周波数ではｆＬＡＳ）である。
【０００６】
上記のようなレーザを作成する際、通常は複数の異なる材料の部品が用いられる。例えば、１５５０ｎｍ帯で動作するレーザをハイブリッドＰＬＣ技術により実現した場合、半導体光増幅器１０４はＩｎＧａＡｓＰであるが遅延回路１０６は石英である。また、電界吸収型の変調器を用いた場合、光変調器１０３がＩｎＧａＡｓＰであり、半導体光増幅器と集積化して一つの半導体素子１０１として実現できる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、レーザ共振器内では、異なる材料の接合面で生じる表面反射により、レーザの発振が異常になる場合がある。表面反射は異なる材料の屈折率差により生じており、屈折率がｎ１とｎ２の材料の接合面の場合、反射率ｒ（電界に関する反射率）を式（１）で表せる。
【０００８】
【数１】
0003814495.tif 000002
【０００９】
例えば、ＩｎＧａＡｓＰの屈折率３．３および石英ガラスの屈折率１．５を式（１）に挿入した場合、強度に関する反射率はｒ２＝０．１４となり、極めて高い反射が生じる。このような表面反射が半導体素子の両側に存在した場合、透過特性に波長（周波数）による周期的な変化が生じる。この現象はファブリーペロー（Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ）効果と呼ばれており、各表面の反射率がｒ１およびｒ２である場合、透過特性を式（２）で表せる。式（２）において、ｆＦＰはファブリーペロー効果の自由スペクトル範囲であり、半導体素子の屈折率ｎおよび長さＬと式（３）で表す関係を持つ（ｃは光速）。
【００１０】
【数２】
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【００１１】
【数３】
0003814495.tif 000004
【００１２】
半導体素子に光増幅器が含まれている場合、式（２）で表すような特性が利得に現れ、波長によって利得が例えば３ｄＢ以上変化する場合がある。
【００１３】
図２は、フィルタアレイの波長間隔と周期的な透過および利得特性の重ね具合から生じる問題を説明するための図で、（ａ）は遅延回路１０６のフィルタアレイの反射特性を、（ｂ）は半導体素子１０１における透過および利得特性を示す。本図に示すように、波長により変化する透過特性および利得特性とレーザの発振波長を設定するフィルタアレイの重ね具合により、発振が起きない波長が生じる場合がある。すなわち、発振波長が透過率および利得率が最大になる波長λ１と一致する場合は発振が起きるが、透過率および利得率が低くなっているλ2およびλ３では発振が不安定または不可能になることがある。この不具合を回避するため、半導体光増幅器の温度および注入電流を調整することにより透過および利得特性を波長軸上にシフトさせ、全波長で発振を実現することは可能である。しかし、この場合はＲＦ周波数変化のみで単純に波長選択を行うことができなくなり、波長制御が複雑になると共に波長可変速度が大きく低減されてしまう。
【００１４】
表面反射を低減させる方法として、図１に示すように、表面に低反射コーティング（ＡＲ−ａｎｔｉｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ  ｃｏａｔｉｎｇ）１０５を施す方法、または半導体の表面と導波路の角度が垂直とならないように設計（曲げ導波路）する方法が存在する。しかし、半導体と真空または石英ガラスの屈折率差が大きいことと、場合によって半導体素子の片側には共振器を終端させるためのＨＲコーティング１０２が必要となることから、ＡＲコーティングおよび曲げ導波路を用いた場合にでもファブリーペロー効果を十分低減させることが困難であると考えられる。
【００１５】
図３〜５は、上記で説明した問題を実際のレーザで観察した結果を示す図である。これらの図において、遅延回路は波長間隔１００ＧＨｚの３２波長アレイ導波路格子により実現されており、半導体素子はＩｎＧａＡｓＰの電界吸収型光変調器および光増幅器を集積化した素子を使用した。半導体素子の表面は、それぞれＨＲコーティングおよびＡＲコーティングされており、ファブリーペロー効果の自由スペクトル範囲が４０ＧＨｚ程度であったため、波長間隔とは整数倍関係を持っていなかった。
【００１６】
図３は波長チャンネルとＲＦ周波数の関係を、図４は３２波長で発振させたスペクトルを、また図５は半導体素子の設定条件をそれぞれ示す。これらの図に示すように、各波長チャンネルにおいて、ＲＦパワー、注入電流、および温度の調整が必要であるため、ＲＦ周波数の変化のみでは全波長での発振を実現できないという問題があった。
【００１７】
本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ＲＦ周波数のみを変化させることによって全ての波長で発振を実現できる波長可変モード同期レーザを提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の波長可変モード同期レーザは、レーザ共振器内に用いた各半導体素子において、表面フレネル反射およびファブリーペロー効果による周期的な透過特性および利得特性の周期ｆＦＰとレーザの発振波長間隔ｆＬＡＳにｆＬＡＳ＝ｍｆＦＰ（ｍはｍ＞０を満足する整数）の関係を持たせたものである。透過および利得が最大になる波長がレーザの発振波長と一致しているため、モード同期周波数を選択することによって各波長で安定した発振が実現される。
【００１９】
また、請求項２記載の波長可変モード同期レーザは、請求項１に記載の波長可変モード同期レーザにおいて、共振器の一部にアレイ導波路格子を用いたものである。アレイ導波路格子の波長チャンネルでレーザの発振波長が設定されており、各波長に対応する波長分離導波路の長さを設定することによって、共振器長およびモード同期周波数を発振波長に応じて異ならせている。アレイ導波路格子を用いることによって、狭い波長間隔で数多くの波長で発振するレーザを実現できる。
【００２０】
また、請求項３記載の波長可変モード同期レーザは、請求項１に記載の波長可変モード同期レーザにおいて、共振器内に複数の異なる反射波長のブラッググレーティングが用いられている。各ブラッググレーティングの反射波長によって発振波長が設定されており、物理的な位置によって共振器長を発振波長に応じて異ならせている。ブラッググレーティングを用いることによって、構造が単純で低コストの光源が容易に実現できる。
【００２１】
また、請求項４記載の波長可変モード同期レーザは、請求項２または３に記載の波長可変モード同期レーザにおいて、石英回路の部分をＰＬＣ技術により形成したものである。
【００２２】
また、請求項５記載の波長可変モード同期レーザは、請求項４に記載の波長可変モード同期レーザにおいて、半導体素子と石英回路の部分をハイブリッド技術により集積化したものである。
【００２３】
更に、請求項６に記載の波長可変モード同期レーザは、請求項１〜５のいずれか１項に記載の波長可変モード同期レーザにおいて、半導体素子として半導体光増幅器または電界吸収型光変調器を用いている。
【００２４】
本発明では、図６に示すように、発振波長の光周波数間隔ｆＬＡＳと半導体素子の表面反射によるファブリーペロー効果の自由スペクトル範囲ｆＦＰをｆＬＡＳ＝ｍｆＦＰ（ｍはｍ＞０を満足する整数）を満足させた構成をとる。図６は、ｍ＝１の場合におけるフィルタアレイの反射特性と透過および利得特性の重ね合わせの例を示している。これにより、半導体素子の表面反射によるファブリーペロー効果が存在する場合であっても、ＲＦ周波数の変化のみにより全ての波長で発振を実現できる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態は、請求項１、請求項２、および４乃至６に記載の波長可変光源に関するものである。
【００２６】
図７は、本実施形態に係る波長可変モード同期レーザの構成例を示す図である。本図において、共振器４１２内に用いられている半導体光増幅器４０３および電界吸収型光変調器４０２は、一個のＩｎＧａＡｓＰの半導体素子４１７に集積化されている。半導体素子の長さに対応するファブリーペロー効果の自由スペクトル範囲は５０ＧＨｚである。電源４１４から得た注入電流で光増幅器４０３の利得が設定されており、ＲＦシンセサイザー４１０から得たクロック信号によりモード同期発振が実現される。電界吸収型光変調器４０２の裏側にＨＲコーティング４０１が施されており、レーザ共振器の片側を終端している。
【００２７】
半導体光増幅器４０３の出力側はＡＲコーティング４１５が施されており、出力された光は先球ファイバ４０９によりアレイ導波路格子４１６に接続されている。偏波コントローラ４１８では、共振器内の偏波が調整されると同時に偏波ビームスプリッター４１９から反射される出力光４２１の割合が設定される。偏波ビームスプリッター４１９を透過した光がアレイ導波路格子４１６に入射されており、アレイ導波路格子のＴＥ偏波軸に偏波が合わせられている。
【００２８】
アレイ導波路格子４１６は遅延回路の一例であり、２個のスターカプラー４０４および４０６と、Ｍ本の導波路からなる導波路アレイ４０５とからなり、入力された光の波長により出力導波路４０７に波長分離する。アレイ導波路格子の回折次数は２９であり、シリコン基板上の石英ＰＬＣ技術に基づいて形成されている。フィルタアレイの波長数は３２、波長間隔は１００ＧＨｚ、帯域は０．３１ｎｍ、最低損失は往復で３．６ｄＢ、および波長範囲は１５３５．５〜１５６０．５ｎｍである。ここで、波長間隔を半導体素子の自由スペクトル範囲の整数倍（２倍）としたところが本発明の特徴である。
【００２９】
各出力導波路４０７は高反射のミラー４１３に終端されており、波長が長くなるのに応じて、対応する導波路の長さが徐々に１７３μｍ単位で増加されており、各波長に対応する共振器長が異なっている。平均基本繰り返しは１６ＭＨｚであり、繰り返し１０ＧＨｚ帯で発振させるために高調波次数が約６２５のところで動作させた。
【００３０】
図８は、各チャンネルによるＲＦ周波数および出力パワーを示す図である。ＲＦ周波数を変化させることによって波長可変が実現されている。また、図９は３２波長で発振させたスペクトルを示す図、図１０は半導体素子の設定条件を示す図である。従来のレーザと異なり、ＲＦパワーおよび光増幅器の注入電流は一定である。短波長側と長波長側で僅かな温度差が存在するが、広い波長範囲内で一定の温度での動作を実現できることを示している。本実施形態では、利得帯域の中心を移動させるために温度の調整が必要であるが、原理的にはこの調整を不要にすることができ、ＲＦ周波数の変化のみで波長選択を行えるようにできる。
【００３１】
ここで、レーザを正常に動作させるための設計ルールをいくつか述べる。まず、波長λｉに対応する共振器全体の光路長をＬｏｐｔ（λｉ）で表す。共振器の光路長とは、共振器を構成する各部分の物理的な長さＬａおよび屈折率ｎａの積ｎａＬａを積分した長さを意味しており、δＬｉにより波長依存性が実現されている。レーザの基本繰り返し周波数ｆ（λｉ）とＬｏｐｔ（λｉ）の関係がｆ（λｉ）＝ｃ／Ｌｏｐｔ（λｉ）であり、光変調器１０３を周波数ｆ（λｉ）またはｆ（λｉ）の整数ｍ倍の周波数で変調することによって、レーザにモード同期がとられ、波長λｉ、繰り返し周波数ｆ（λｉ）の光パルス列が発生する。
【００３２】
Ｌｏｐｔ（λｉ）の設計において、クロック信号周波数ｆｉに対して、複数の波長で同時発振が起きないように設定する必要がある。ここで、同時発振を避けるための設計条件の一つについて述べる。まず、ＡＷＧの波長特性が波長領域で周期的に繰り返されることを考慮する。波長特性の繰り返し周期はＡＷＧの自由スペクトル範囲（ｆｒｅｅ  ｓｐｅｃｔｒａｌ  ｒａｎｇｅ（ＦＳＲ））であり、ＦＳＲ〜λ0／Ｐで表せる。ここで、ＰはＡＷＧの回折次数であり、δΛｉｊが一定（すなわちｉ，ｊに依存しなくてもδΛで表せる）である場合、Ｐ＝ｎδΛ／λ0で表せる。ここで、ｎは屈折率である。
【００３３】
異なる波長帯の同時発振を抑圧する一つの方法は、ＦＳＲをレーザに用いられている光増幅器の増幅帯域より広く設定することである。この場合、レーザの利得帯域内に存在する波長帯のみで発振が起きる。
【００３４】
さらに別の一つの方法は、δΛｉｊをチャーピングさせる方法である。チャーピングとは、δΛｉｊが一定ではなく、ｉによりδΛｉｊが序々に増加または減少することを意味している。この場合、ＡＷＧが低損失で動作する波長帯が一つしか存在しなくなり、隣接する波長帯の損失が大きいため、その波長帯での発振が起きなくなる。
【００３５】
続いて、同じ波長帯の中で複数の波長が同時発振できないように設計する方法を一つ述べる。まず、Ｌｏｐｔ（λｉ）≠Ｌｏｐｔ（λｊ）（ｉ≠ｊ）が一つの必要な条件である。すなわち、各波長に対応する共振器長が異なることが必要であり、この条件は、δＬｉ≠δＬｉ（ｉ≠ｊ）になるように波長マッピング遅延回路を設計することにより実現できる。
【００３６】
但し、この条件のみでは異なる高調波次数で複数な波長が同時発振する可能性がある。このような同時発振を避けるためには、まずＬｏｐｔ（λｉ）の最短値がＬｏｐｔ（ｍｉｎ）、最長値がＬｏｐｔ（ｍａｘ）であると考える。Ｌｏｐｔ（ｍｉｎ）とＬｏｐｔ（ｍａｘ）に対応する基本繰り返し周波数がｆ（ｍｉｎ）＝ｃ／Ｌｏｐｔ（ｍｉｎ）とｆ（ｍａｘ）＝ｃ／Ｌｏｐｔ（ｍａｘ）であり、Ｌｏｐｔ（ｍｉｎ）＜Ｌｏｐｔ（ｍａｘ）であるためｆ（ｍｉｎ）＞ｆ（ｍａｘ）である。レーザを高調波次数ｍ０でモード同期動作をさせた場合、（ｍ０＋１）ｆ（ｍａｘ）＞ｍ０ｆ（ｍｉｎ）および（ｍ０−１）ｆ（ｍｉｎ）＜ｍ０ｆ（ｍａｘ）の条件を同時に満足させることによって、異なる高調波次数で同時発振が起きなくなる。上記の実験で述べたレーザは、ここで述べた設計ルールを満足している。
【００３７】
尚、本実施形態で述べたレーザは図７に示す構成のみに限定されるものではなく、例えば図１１の例に示す構成とすることができる。本図において、出力光１１０９は、図４の出力光４２１に対応する。また、アレイ導波路格子１１１６は、半導体素子１１１７に集積化されている。このように、ＰＬＣ技術を用いて１個の素子に集積化することなども可能である。
【００３８】
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態は、請求項１、および３乃至６に記載の波長可変モード同期レーザに関するものである。
【００３９】
本実施形態の構成図を図１２に示す。図１２において、半導体素子１２０８は光変調器１２０２および半導体光増幅器１２０３を集積化した素子である。光変調器１２０２として、電界吸収型変調器または注入電流を変調した光増幅器を用いることができる。光増幅器の利得は電源１２０６による注入電流により設定されており、モード同期用の変調信号をＲＦシンセサイザー１２０５から得ている。半導体素子１２０８の片側は共振器を終端させるための高反射コーティング１２０１がされており、出力側は低反射コーティング１２０４が施されている。出射光はレンズ１２１１により光ファイバ１２０９に入射されている。光ファイバ１２０９には、遅延回路の一例として、Ｎ個の異なる波長のブラッググレーティング１２１０が形成されている。各ブラッググレーティングの長さはδＬ、波長間隔はΔλ（光周波数ではΔｆ）である。また、ブラッググレーティングを透過した光がレーザの出力光１２０７である。
【００４０】
ここで、本実施形態においてレーザを正常に動作させるための設計ルールをいくつか述べる。まず、第１実施形態と同じように、共振器全体の平均の長さＬａｖｇとブラッググレーティング全体の長さＬｂｇがＬａｖｇ≫Ｌｂｇの関係を満足するように設計する必要がある。また、レーザを動作させる繰り返し領域の平均周期がＴＲで表せた場合、Ｌｂｇ＜ｃＴＲまたはｃＴＲ／（２ｎδＬ）＝奇数にする必要がある。さらに、半導体素子内のファブリーペロー効果の自由スペクトル範囲ｆＦＰとブラッググレーティングの光周波数間隔ｆＬＡＳにｆＬＡＳ＝ｍｆＦＰ（ｍは整数）の関係を満足させる必要がある。
【００４１】
尚、本実施形態で述べたレーザは、図１２に示す構成のみに限定されるものではなく、例えばハイブリッドＰＬＣ技術を用いて一個の素子に集積化することなども考えられる。この場合、光ファイバが光導波路と入れ替わるような違いが生じるが、基本的な原理は同じである。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、モード同期用のクロック信号の周波数に基づいて設定された発振波長を有する光を出力する半導体素子と、半導体素子から出力された光に対する共振器長を発振波長に応じて異ならせる遅延回路とを備え、発振波長の光周波数間隔ｆＬＡＳおよび半導体素子の表面反射によるファブリーペロー効果の自由スペクトル範囲ｆＦＰは、ｍ＞０を満足する整数ｍを用いた式ｆＬＡＳ＝ｍｆＦＰを満足するので、半導体素子のファブリーペロー効果が無視できない大きさであっても、波長可変モード同期レーザのモード同期周波数のみを変化させることによって発振波長を選択できる。
【００４３】
また、半導体素子の温度、バイアス電圧、バイアス注入電流などが一定の状態でも波長可変を行うことができるため、高速かつ容易な波長可変が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】波長可変モード同期レーザの一般的な構成例を示すブロック図である。
【図２】フィルタアレイの波長間隔と周期的な透過および利得特性の重ね具合から生じる問題を説明するための図である。
【図３】フィルタアレイの波長間隔と周期的な透過および利得特性の間隔を一致させることを説明するための図である。
【図４】従来の波長可変モード同期レーザにおける、波長チャンネルによるＲＦ周波数および出力パワーの変化を示す図である。
【図５】従来の波長可変モード同期レーザにおける、３２波長で発振させたスペクトルを示す図である。
【図６】従来の波長可変モード同期レーザにおける、半導体素子の設定条件を示す図である。
【図７】本発明の第１実施形態による波長可変モード同期レーザの構成図である。
【図８】本発明の第１実施形態による波長可変モード同期レーザの、波長チャンネルによるＲＦ周波数および出力パワーの変化を示す図である。
【図９】本発明の第１実施形態による波長可変モード同期レーザの、３２波長で発振させたスペクトルを示す図である。
【図１０】本発明の第１実施形態による波長可変モード同期レーザの、半導体素子の設定条件を示す図である。
【図１１】本発明の第１実施形態による、ＰＬＣ技術を用いて集積化したレーザの構成図である。
【図１２】本発明の第２実施形態による、ブラッググレーティングを用いたレーザの構成図である。
【符号の説明】
１００  共振器
１０１  半導体素子
１０２  高反射コーティング
１０３  光変調器
１０４  半導体光増幅器
１０５  低反射コーティング
１０６  遅延回路
１０７  出力手段
１０８  ＲＦシンセサイザー
１０９  ＤＣ電源
４０１、１１０１、１２０１  高反射コーティング
４０２、１１０２  電界吸収型光変調器
４０３、１１０３、１２０３  半導体光増幅器
４０４、１１０４  スターカプラー
４０５、１１０５  導波路アレイ
４０６、１１０６  スターカプラー
４０７、１１０７  出力導波路
４０９  先球ファイバ
４１０、１１１０、１２０５  ＲＦシンセサイザー
４１２、１１１２、１２１２  共振器
４１３、１１１３  ミラー
４１４、１１１４、１２０６  電源
４１５、１１１５、１２０４  低反射コーティング
４１６、１１１６  アレイ導波路格子
４１７、１１１７、１２０８  半導体素子
４１８  偏波コントローラ
４１９  偏波ビームスプリッター
４２１、１１０９、１２０７  出力光
１２０２  光変調器
１２０９  光ファイバ
１２１０  ブラッググレーティング
１２１１  レンズ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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