(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光通信システムの波長固定集積光源構造において、
半導体基板上に形成された半導体レーザと、
前記半導体基板上において前記半導体レーザの後方面をエッチングして形成されたものであって、前記半導体レーザから入射されたビームのうち第１光量を通過させ、第２光量を反射させる所定の角度で傾斜した反射面を有するエッチング部分と、
前記エッチング部分と離されるように形成されて前記エッチング部分を通過した前記第１光量が入射され、半導体層と該半導体層と温度による屈折率の変化が反対のポリイミド層とが交互の層からなる微細多共振器と、
前記微細多共振器の一端に結合されて前記微細多共振器を通過した前記第１光量を検出する第１光検出器と、
前記エッチング部分の一端に結合されて前記エッチング部分の傾斜した反射面部分によって反射された前記第２光量を検出する第２光検出器とから構成されることにより、前記第１光検出器及び第２光検出器によって検出された光の強さの差異が前記半導体レーザの温度を調節するのに使用され、これにより、光波長を一定に保持するのに用いられるように構成されていることを特徴とする波長固定集積光源構造。
【請求項２】
前記微細多共振器は、層数を調節して波長による透過ビームの強度変化量を調節することができる構成であることを特徴とする請求項１記載の波長固定集積光源構造。
【請求項３】
前記半導体レーザ及び微細多共振器の形成は、モノリシック集積化によって遂行されることを特徴とする請求項１記載の波長固定集積光源構造。
【請求項４】
前記半導体レーザ及び微細多共振器の形成は、ハイブリッド集積化によって遂行されることを特徴とする請求項１記載の波長固定集積光源構造。
【請求項５】
光通信システムの波長固定集積光源構造において、
半導体基板上に形成された半導体レーザと、
前記半導体基板上において前記半導体レーザの後方面をエッチングして形成されたものであって、前記半導体レーザから入射されたビームのうち第１光量を通過させ、第２光量を反射させる所定の角度で傾斜した反射面を有するエッチング部分と、
前記エッチング部分の反射面に結合されて前記エッチング部分の反射面を通過した前記第１光量を検出する第１光検出器と、
前記エッチング部分に結合されて前記エッチング部分の反射面によって反射された前記第２光量が入射され、半導体層と該半導体層と温度による屈折率の変化が反対のポリイミド層とが交互の層からなる微細多共振器と、
前記微細多共振器の一端に結合されて前記微細多共振器を通過した前記第２光量を検出する第２光検出器とから構成されることにより、前記第１光検出器及び第２光検出器によって検出された光強さの差異が前記半導体レーザの温度を調節するのに使用され、これにより、光波長を一定に保持するのに用いられるように構成されていることを特徴とする波長固定集積光源構造。
【請求項６】
前記微細多共振器は、層数を調節して波長による透過ビームの強度変化量を調節することができる構成であることを特徴とする請求項５記載の波長固定集積光源構造。
【請求項７】
半導体基板上に形成された半導体レーザと、
前記半導体基板上において前記半導体レーザの後方面をエッチングして形成されたものであって、前記半導体レーザから入射されたビームのうち、第１光量を通過させ、第２光量を反射させる所定の角度で傾斜して反射させる反射面を有するエッチング部分と、
前記エッチング部分と離されたまま集積化されて前記エッチング部分を通過した第１光量を入射させるとともに特定の波長を反射させる集積化され、半導体層と該半導体層と温度による屈折率の変化が反対のポリイミド層とが交互の層からなる微細多共振器と、
前記エッチング部分の一端に集積化されて前記反射面によって反射された前記第１光量を検出する第１光検出器と、
前記第１光検出器に並列に相対する位置に設けられていて、前記エッチング部分の一端に集積化された前記微細多共振器によって反射された前記第２光量を検出する第２光検出器とから構成されることにより、前記第１光検出器及び第２光検出器によって検出された光強さの差異が前記半導体レーザの温度を調節するのに使用され、これにより、光波長を一定に保持するのに用いられるように構成されている波長固定集積光源構造。
【請求項８】
前記微細多共振器は、層数を調節して波長による透過ビームの強度変化量を調節することができる構成であることを特徴とする請求項７記載の波長固定集積光源構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、波長分割多重化(Wavelength Division Multiplexing；ＷＤＭ)などの多波長を使用する光通信の光源として活用されている波長固定光源に関し、特に、微細多共振器(Multiple Micro Cavity；ＭＭＣ)を利用して温度変化に依存しない波長固定集積光源構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
情報化の進行及びインターネットの普及増加によって、通信容量は幾何級数的に増加しており、これに伴って、これを受容するための大容量光通信の需要が爆発的に増加している。この光通信容量の増加方法には、光信号の速度を増加させる方法がある。しかし、現在光信号の最大伝送速度が約１０Ｇｂｐｓまたは４０Ｇｂｐｓに到達しつつあることから限界が発生するようになった。これを克服するために、一本の光ファイバに複数の波長を同時に伝送する波長多重伝送方式が多く普及している。
【０００３】
しかし、波長数の増加によってそれぞれの波長が一定な間隔を保持するためには、動作波長を正確に調節しなければならない。一般に、光通信の光源として使用されている分布帰還形半導体レーザ(Distributed Feedback Semiconductor Laser)は、温度増加によって波長が増加(約０.１ｎｍ/ｄｅｇ)するようになり、素子の劣化または外部の環境変化によっても波長が変化するようになる。そこで、波長を常に測定して電気的な制御を通じて一定な波長を保持することは、波長多重光通信には必須の核心技術である。
【０００４】
従来の波長固定技術(wavelength locking)は、エタロンフィルター(etalon filter)、分散格子(dispersive grating)、及び光ファイバブラッグ格子(fiber Bragg grating)などを使用して波長による変化を光検出器で検出し、微細な波長変化を測定して温度及び電流などを利用して一定な波長を保持することができるようにする。最近では、多重モード干渉計(Multi-Mode Interferometer；ＭＭＩ)を光素子に集積化させて波長によるそれぞれの経路の光量変化を測定する方法が提案されているが、波長によるその変化量が小さすぎて、実際に適用した例には、多くの問題点があるのが事実である。
【０００５】
図１及び図２を参照して、従来のエタロンフィルター(etalon filter)を使用した波長変化測定構造について概略的に説明する。図１及び図２に示すように、光源、具体的には、分布帰還形半導体レーザ１０から出射されたビームがプリズム１２を経由してエタロンフィルター１４に入射する入射角度によって、エタロンフィルター１４内の光経路の長さが異なり、波長によって測定された第１光検出器Ｍ１及び第２光検出器Ｍ２の波長強度が図２に示す状態で変化する。このとき、検出される第１光検出器Ｍ１及び第２光検出器Ｍ２の測定された値を使用して波長を固定(lock)させる。このようなエタロンフィルター１４の特性を利用する方法において、光を分けて、一つは、第１光検出器Ｍ１で測定を行い、他の一つは、エタロンフィルターを通過させた後第２光検出器Ｍ２で測定を行うことにより、基準ビーム(reference beam)に対する光検出量の変化量を測定する。
【０００６】
しかし、従来例による波長固定(wavelength locking)の技術は、分布帰還形半導体レーザ(ＤＦＢ ＬＤ)と、光を分散させるエタロンフィルターまたは回折格子と、分散された光を第１光検出器Ｍ１及び第２光検出器Ｍ２(望ましくは、ツインフォトダイオード(Twin Photodiode)を使用する。)によって測定された光の強度の非対称性を利用して波長変化を測定しなければならないので、多くの特殊な部品をパッケージ内に集積化させなければならず、製作し難いという短所があった。
【０００７】
従って、このような微細光の整列技術は、制作工程の難しさに起因する低い歩留まりと、このことから生じる高い価格のために、商品の普及に多くの困難があり、未だに、外装形波長固定器(wavelength locker)が一般的に使用される原因になっている。
【０００８】
他の一例として、光波長を一定に保持させるための従来の一例による装置では、発明者トーマスエルコック(Thomas L. Koch)らによって特許付与された米国特許第５，２９９，２１２号(ARTICLE COMPRISING A WAVELENGTH-STABLIZED SEMICONDUCTOR LASER)には、「２セクション(２section)ＤＢＲ ＬＤ(Distributed Bragg Reflector Laser Diode)を使用し、生成されたビームをビームスプリッター(beam splitter)を使用して半分に分けた後、１つは、光検出器で測定し、他の１つは、光ファイバに格子が入れられているため特定な波長に対して透過度が低下する特性を利用することで測定し、これら２つの測定された光の強度を比較することにより、動作波長の変化を測定する。波長が測定されると、サブマウント(submount)の下に装着された熱電冷却器(thermoelectric cooler)とＤＢＲレーザダイオードの波長調整用電流を調整して一定な波長で調節する構成になっている。」と詳細に開示されている。
【０００９】
しかし、ここに開示された構造では、光ファイバ格子の特性によって調節することができる波長領域が制限される上に、格子の周期と反射率(reflectance)などによって調節が可能ではあるものの、光ファイバ格子の周辺環境などの変化によってピークポイント(peak point)が多少変化することもある。また、２個のビームスプリッター及び光ファイバ格子の部品などのために、１つの光モジュールに実装するには困難が多かった。このため、ＤＢＲレーザダイオードとは別個に、光通信システムで波長調節機能を与える方式に主として使用された技術である。
【００１０】
このような構造では、格子及びビームスプリッターの特性によって微細な調整が必要であり、３個の光検出器(optical detector)など多くの調節装置が必要である。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、微細な波長変化を測定することができる波長固定集積光源構造を提供することにある。
【００１２】
本発明の他の目的は、製作工程を単純化した波長固定集積光源構造を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
前記のような目的を達成するために、本発明は、光通信システムの波長固定集積光源構造において、半導体基板上に形成された半導体レーザと、前記半導体レーザ本体の出力端に集積化されて前記半導体レーザから入射されたビームのうち、第１光量を通過させ、第２光量を反射させる所定の角度で傾斜した反射面を有するエッチング部分と、前記エッチング部分と離されるように形成されて前記エッチング部分を通過した前記第１光量が入射される微細多共振器と、前記微細多共振器の一端に結合されて前記微細多共振器を通過した前記第１光量を検出する第１光検出器と、前記エッチング部分の一端に結合されて前記エッチング部分の傾斜した反射面部分によって反射された前記第２光量を検出する第２光検出器とから構成されることにより、前記第１光検出器及び第２光検出器によって検出された光の強さの差異が前記半導体レーザの温度を調節するのに使用され、これにより、光波長を一定に保持するのに用いられるように構成されていることを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る好適な実施形態について図を参照しつつ詳細に説明する。下記の説明において、本発明の要旨のみを明確にする目的で、関連した公知機能または構成に関する具体的な説明は省略する。
【００１５】
図３は、本発明の実施形態によって波長固定集積光源構造に適用された微細多共振器２０の構造を示す。前記微細多共振器２０は、屈折率が異なる物質が一定な間隔で反復される構造を有する。
【００１６】
図３に示すように、前記微細多共振器２０は、活性層２６の構造が、公知の半導体レーザの構造と同一であり、半導体基板上に設けられた半導体領域２２と、前記半導体領域の間のポリイミド(polyimide)領域２４とからなる。このとき、前記ポリイミド領域２４に代えて空気または他の物質に置き換えることもできる。
【００１７】
図４は、微細多共振器の一般的な特性であって、広い波長範囲での透過及び反射特性を示す。図４に示すように、半導体基板Ｓ上に半導体領域２２及びポリイミド領域２４を製作すると、大部分の波長では光を反射するようになるが、特定な波長領域では、波長によって透過する光量が急激に変化するようになる。
【００１８】
このとき、前記半導体領域２２の厚さｔ１とポリイミド領域２４の厚さｔ２とを調節することにより、使用波長と一致する微細多共振器２０を得ることができる。
【００１９】
図５は、分布帰還形半導体レーザＳＬに微細多共振器２０を集積化した構造を示す。図５に示すように、回折格子Ｇは、半導体レーザＳＬが一定な波長で動作することができるように構成され、ここで発生した光の一部は、微細多共振器２０を通じて出力される。
【００２０】
図６は、図３に示した前記微細多共振器２０の半導体領域２２の厚さｔ１を４ｍにし、ポリイミド領域２４の厚さｔ２を１ｍにして計算した結果を示すグラフである。図６に示すように、波長の変化によって、微細多共振器を透過する光の強度が急激に変化することが分かる。すなわち、微細多共振器の特性は、温度によって変化せず、分布帰還形半導体レーザの動作波長に微細な変化が発生する場合、微細多共振器を通過する光の強さが急激に変化するようになるので、光検出器を使用して光の強度を測定して微細な波長変化を測定することができる。
【００２１】
また、微細多共振器の層数を調節することにより、波長による透過光の強度の変化を調節することができる。このような原理を適用して微細多共振器が集積化された光源構造を図７乃至図９に示すように製作することができる。
【００２２】
図７に示すように、本発明の第１実施形態による光源構造１００は、光を発生させる半導体レーザ１０１及び簡単な構造の温度変化に依存しない微細多共振器１０３を集積化させることによって、前記微細多共振器１０３を透過する光の強度を光検出器１０４を利用して測定するとともに、半導体レーザ１０１で発生した光波長の微細な変化を一般的な光検出器１０５で測定することにより、図示しない制御回路を利用して波長固定集積光源モジュールを動作させるように構成できることに留意されたい。このとき、前記光源構造１００は、半導体レーザ１０１に微細多共振器１０３のモノリシック(monolithic)集積化またはハイブリッド(hybrid)集積化を遂行することによって実現される。
【００２３】
前記のような特性を得るためには、半導体レーザ１０１に、光フィルターの役割をする微細多共振器１０３を集積化することが必須である。また、一般的に、半導体とポリイミドの温度による屈折率の変化は反対であるので、ポリイミドを選択することによって、温度による平均屈折率の変化がないように選択することができる。こうして、温度変化に依存しない微細多共振器１０３を利用した光波長フィルターの効果が得られる波長固定集積光源１００を製作できる。
【００２４】
具体的に説明すると、本発明の第１実施形態による微細多共振器１０３を利用した波長固定集積光源構造１００は、半導体基板Ｓに設けられた半導体レーザ１０１と、前記半導体レーザ１０１から出射された第１光量は通過させ、第２光量は、傾斜面１０２ａによって反射させるエッチング部分１０２と、前記エッチング部分１０２に対向して離れたところに集積化されて前記第１光量が入射される微細多共振器１０３と、前記微細多共振器１０３の一端に集積化されて第１光量を検出する第１光検出器１０４と、前記エッチング部分１０２の一端に集積化されて前記第２光量を検出する第２光検出器１０５とから構成される。
【００２５】
すなわち、半導体レーザ１０１、具体的には、分布帰還形半導体レーザの後方面にエッチングを通じてエッチング部分１０２が設けられ、前記エッチング部分を通過する光の一部の第１光量は、後方の微細多共振器１０３を通過して第１光検出器１０４で測定される。一方、前記傾斜面１０２ａを利用して一部反射された第２光量は、垂直方向の第２光検出器１０５で測定される。このようにして、分布帰還形半導体レーザ１０１の後方面から出射されるビームに関して、反射されたビームの一部の光の強度及び微細多共振器１０３を通過したビームの一部の光の強度の相対的な値の変化を測定し、この測定された値に基づいて所望する光源の波長を一定に保持することができる。
【００２６】
望ましくは、前記第１光検出器１０４及び第２光検出器１０５は、半導体基板Ｓ上に集積化が可能なフォトダイオードが使用される。
【００２７】
図８に示すように、本発明の第２実施形態による微細多共振器２０３を利用した波長固定集積光源構造２００は、半導体レーザ２０１と、前記半導体レーザ２０１の一端に集積化されていて、入射されたビームのうち、第１光量を通過させ、第２光量を傾斜面２０２ａによって反射させるエッチング部分２０２と、前記傾斜面２０２ａに集積化されていて、通過した第１光量を検出する第１光検出器２０３と、前記エッチング部分２０２に集積化されていて、反射された第２光量を通過させる微細多共振器２０４と、前記微細多共振器２０４を通過した第２光量を検出する第２光検出器２０５とからなる。これにより、前記第１光検出器２０３及び第２光検出器２０５の相対的な光量変化を測定して光波長を一定に保持することができる。望ましくは、前記第１光検出器２０３及び第２光検出器２０５には、半導体基板Ｓ上に集積化が可能なフォトダイオードが使用される。このとき、前記光源構造２００は、半導体レーザ２０１に微細多共振器２０４のモノリシック集積化またはハイブリッド集積化を遂行することによって実現される。
【００２８】
望ましくは、前記反射された第２光量がさらに反射することによる光源の動作に対する影響を最小化するためには、第１光検出器２０３の対向面２０３ａを斜めにするようにして最小化することができる。また、望ましくは前記第１光検出器２０３及び第２光検出器２０５は、半導体基板上に集積化することができるフォトダイオードが適用される。
【００２９】
図９に示すように、本発明の第３実施形態による微細多共振器を利用した波長固定集積光源構造３００は、半導体レーザ３０１、具体的には、分布帰還形半導体レーザと、前記半導体レーザ３０１の一端に集積化されていて、入射されたビームのうち、第１光量を通過させ、第２光量を反射面３０２ａによって反射するエッチング部分３０２と、前記エッチング部分３０２と離れた距離に集積化されていて、前記エッチング部分の反射面３０２ａを通過した第１光量を入射させ、特定の波長を反射させる微細多共振器３０３と、前記エッチング部分３０２の一端に集積化されていて、反射面３０２ａによって反射された第１光量を検出する第１光検出器３０４と、前記エッチング部分の一端に集積化されていて、微細多共振器３０３によって反射されて前記反射面３０２ａを経由する第２光量を検出する第２光検出器３０５とから構成される。前記第１光検出器及び第２光検出器は、並列に相対した位置に配列される。これにより、前記第１光検出器３０４及び第２光検出器３０５の相対的な光量変化を測定して光波長を一定に保持することができるようになった。
【００３０】
望ましくは、前記第１光検出器３０４及び第２光検出器３０５は、半導体基板Ｓ上に集積化が可能なフォトダイオードが使用される。
【００３１】
すなわち、本発明の実施形態では、半導体レーザの一部光量を一定の光量比に分離した後、一方は、光検出器で直接測定し、他の一方は、集積化された微細多共振器の構造を利用した光フィルターを通過または反射して、その波長に依存した透過光量を光検出器を通じて測定して、これら２つの光検出器で測定された光量比の変化を測定し、これにより、光源に取り付けられた図示しない温度調節器を通じて温度を調節することにより、微細な光波長の変化を測定して補正し、光源の波長を一定に保持することができる。結果的に、本発明は、前記微細多共振器を半導体基板にモノリシック集積化またはハイブリッド集積化を遂行させ、光検出器も半導体レーザの活性層を利用して素子製作を簡単にすることができる。
【００３２】
一方、本発明の詳細な説明では具体的な実施形態を参照して詳細に説明してきたが、本発明の範囲は、前記実施形態によって限られるべきではなく、本発明の範囲内で様々な変形が可能であるということは、当該技術分野における通常の知識を持つ者には明らかである。例えば、光の強度を一定な比率で分けるために、Ｙ-ブランチ(branch)導波路を製作した後、１つの導波路には光検出器のみ集積化し、他の１つの導波路には微細多共振器及び光検出器を集積化することにより、前記のような効果を同一に得ることができる。
【００３３】
【発明の効果】
以上述べてきたように、本発明は、微細多共振器を利用して温度変化に依存しない波長固定光源構造を半導体レーザに集積化することにより、集積測定された光の強度及び微細多共振器を利用して、測定された光強度間の微細な光の強度変化を測定することができる。その結果、光源の構造を単純化することができ、温度に対する依存性を解消することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  従来の一実施形態によるエタロンフィルターを利用した波長固定構造を示す図である。
【図２】  従来の一実施形態によるエタロンフィルターの入射角による光経路の長さが異なって波長による光検出程度が変化するグラフを示す図である。
【図３】  微細多共振器の構造を示す図である。
【図４】  波長による微細多共振器の構造の動作特性を示すグラフである。
【図５】  微細多共振器のフィルターを利用した集積半導体レーザの構造を示す図である。
【図６】  微細多共振器のフィルターを利用した集積半導体レーザの光透過の特性を示すグラフである。
【図７】  本発明の好適な第１実施形態による微細多共振器を利用した波長固定集積光源の構造を示す図である。
【図８】  本発明の好適な第２実施形態による微細多共振器を利用した波長固定集積光源の構造を示す図である。
【図９】  本発明の好適な第３実施形態による微細多共振器を利用した波長固定集積光源の構造を示す図である。
【符号の説明】
Ｓ・・・半導体基板
２０・・・微細多共振器
２２・・・半導体領域
２４・・・ポリイミド領域
２６・・・活性層
１００，２００，３００・・・光源構造
１０１，２０１，３０１・・・半導体レーザ
１０２，２０２，３０２・・・エッチング部分
１０２ａ，２０２ａ・・・傾斜面
１０３，２０４，３０３・・・微細多共振器
１０４，２０３，３０４・・・光検出器
１０５，２０５，３０５・・・光検出器
３０２ａ・・・反射面
【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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