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技術 波長可変レーザ

出願人 日本電信電話株式会社
発明者 村中勇介松尾慎治布谷伸浩橋本俊和
出願日 2019年1月7日 (1年10ヶ月経過) 出願番号 2019-000814
公開日 2020年7月16日 (4ヶ月経過) 公開番号 2020-109813
状態 未査定
技術分野 半導体レーザ
主要キーワード 周回回数 マルチモ リング外 共振ピーク波長 光カップリング 光入力用 位相調整用 クロスポート
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2020年7月16日)のものです。
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図面 (7)

課題

フィネスを向上可能な波長可変レーザにおいて、良好なフィルタ特性を実現する。

解決手段

利得領域からの光に対する波長選択機能を有するフィルタ領域を備えた波長可変レーザは、フィルタ領域はサニャック干渉計であり、2つのリング共振器(500)を含む。リング共振器は、2つの光結合器(50,51)と、2つの光結合器を接続する等しい長さの第1および第2の曲線導波路(56,57)とを有し、2つの光結合器は各々に、入出力ポート(52,53)から利得領域からの光を入力し、共振ピークの光を入出力ポートのバーポート(54,55)に結合し、共振ピーク波長以外の光を前記入出力ポートクロスポート(58,59)に結合するように構成され、第1の曲線導波路は2つの光結合器の入出力ポートのバーポート間を、第2の曲線導波路は2つの光結合器の第1の曲線導波路が接続されたポートのクロスポート間を接続する。

概要

背景

近年、通信トラフィックの急激な増大に対応すべく、ノード間を結ぶリンクは、それぞれ異なる信号が重畳された複数の波長を有する信号を束ねて同時に伝送することにより、伝送容量を増加させている。この波長多重信号の伝送の実現するためには、微少な波長差を有する光を生成可能なレーザが不可欠であり、従来、波長可変レーザが用いられている。

通信波長帯で動作する波長可変レーザの発光素子の材料は、GaAsヒ化ガリウム)やInPリン化インジウム)などの化合物半導体が用いられている。半導体材料を用いた波長可変レーザ(半導体波長可変レーザ)は、波長多重大容量通信において重要な役割を担っている。

図1は、従来の、リング共振器を備えるモノリシック集積型波長可変レーザ1の構成図である。利得領域および位相調整領域入出力導波路13を含み、フィルタ領域サニャック干渉計を含む。

2×2光カプラ18の1つの出力ポートは、曲線導波路10aを介して、2×2光カプラ17の1つの入力ポートに接続されている。2×2光カプラ17の1つの出力ポートは、曲線導波路10bを介して、2×2光カプラ18の1つの入力ポートに接続されている。ここで、2本の直線導波路11,12は、2つの2×2光カプラ17,18と2本の曲線導波路10a,10bを含んでなるリング導波路近接して配置されている。すなわち、フィルタ領域は、リング共振器の構成を有するサニャック干渉計である。サニャック干渉計はループミラーとして機能する。このリング共振器は、一定の周波数間隔(Free Spectral Range、以下FSRという)で透過光の強度が増大する光フィルタとして機能する。

この構成において、利得領域、位相調整領域からの光は、入出力導波路13を通過し、光分岐・結合部16を構成する1×2光カプラ19により等分配され、それぞれ直線導波路11,12を通過して光カップリング部14,15で光カップリングを生じ、右回り左回りにリング導波路内を周回し、再び1×2光カプラ19に入射され、外部へと放出される。

一般に利用される通信波長帯、例えばC帯(波長1530〜1570nm)をカバーするように大きな波長可変範囲を得るためには、FSRを大きく、すなわち共振器長(リング共振器における光路長)を短くする必要がある。そのため、曲線導波路の曲率をより大きくすることが可能なハイメサ光導波路が用いられることが多い。

図2は、従来利用されているハイメサ光導波路2の1例の断面の模式図である。ハイメサ導波路2は、下側から順に、基板20、下部クラッド22、コア層23、上部クラッド24に積層されている。最下層の基板の下側に下部電極25b、最上層の上部クラッド24の上部に上部電極25aが設けられている。基板20および下部クラッド22はn−InPで、コア層23はInGaAsPで、上部クラッド24はp−InPで、上部電極25aはp型ドーパントがドープされているInGaAsPで、それぞれ構成されている。図2のハイメサ光導波路2は、下部クラッド層22まで垂直に半導体エッチングした構造である。フィルタ領域と利得領域との間の光分岐・結合部16や、リング共振器を構成するリング導波路(曲線導波路10)と接続された光カップリング部14,15には、マルチモード干渉(MMIカプラを用いている。

図3は、リング共振器を拡大した図である。電流注入により、ナノ秒程度で高速屈折率変調が可能である。さらに位相調整用光導波路(位相調整領域)をレーザ内に設けることにより縦モード間隔微調整し、正確に所望の発振波長に調整可能としている。この位相調整も電流注入によって行う。

概要

フィネスを向上可能な波長可変レーザにおいて、良好なフィルタ特性を実現する。利得領域からの光に対する波長選択機能を有するフィルタ領域を備えた波長可変レーザは、フィルタ領域はサニャック干渉計であり、2つのリング共振器(500)を含む。リング共振器は、2つの光結合器(50,51)と、2つの光結合器を接続する等しい長さの第1および第2の曲線導波路(56,57)とを有し、2つの光結合器は各々に、入出力ポート(52,53)から利得領域からの光を入力し、共振ピークの光を入出力ポートのバーポート(54,55)に結合し、共振ピーク波長以外の光を前記入出力ポートのクロスポート(58,59)に結合するように構成され、第1の曲線導波路は2つの光結合器の入出力ポートのバーポート間を、第2の曲線導波路は2つの光結合器の第1の曲線導波路が接続されたポートのクロスポート間を接続する。

目的

本発明は、上記課題を鑑みなされたものであり、フィネスを向上可能な波長可変レーザにおいて、良好なフィルタ特性を実現することを目的とする

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

利得領域からの光に対する波長選択機能を有するフィルタ領域を備えた波長可変レーザであって、前記フィルタ領域は、ループミラーとして機能するサニャック干渉計であり、2つのリング共振器を含み、前記リング共振器は、2つの光結合器と、前記2つの光結合器を接続する第1および第2の曲線導波路とを有し、前記2つの光結合器は各々に、入出力ポートから前記利得領域からの光を入力し、共振ピークの光と共振ピーク波長以外の光とに分岐し、前記共振ピークの光を前記入出力ポートのバーポートに結合し、前記共振ピーク波長以外の光を前記入出力ポートのクロスポートに結合するように構成され、前記第1の曲線導波路は前記2つの光結合器の前記入出力ポートのバーポート間を接続し、前記第2の曲線導波路は前記2つの光結合器の前記第1の曲線導波路が接続されたポートのクロスポート間を接続し、前記リング共振器の周回内部に、前記2つの光結合器の前記入出力ポートの前記クロスポートに接続された、前記共振ピーク波長以外の光を廃棄する2つの放射導波路を備え、前記第1の曲線導波路の長さと前記第2の曲線導波路の長さが等しい、波長可変レーザ。

請求項2

前記2つの光結合器は、前記共振ピーク波長以外の光が前記放射導波路へ結合される割合が、前記共振ピークの光が前記第1の曲線導波路へ結合される割合に比べて高くなるように構成されている、請求項1に記載の波長可変レーザ。

請求項3

前記光結合器はマルチモード干渉カプラである、請求項1または2に記載の波長可変レーザ。

請求項4

前記光結合器は方向性結合器である、請求項1から3のいずれか一項に記載の波長可変レーザ。

技術分野

0001

本発明は、波長可変レーザに関し、より詳細には、波長多重大容量通信において用いる波長可変レーザに関する。

背景技術

0002

近年、通信トラフィックの急激な増大に対応すべく、ノード間を結ぶリンクは、それぞれ異なる信号が重畳された複数の波長を有する信号を束ねて同時に伝送することにより、伝送容量を増加させている。この波長多重信号の伝送の実現するためには、微少な波長差を有する光を生成可能なレーザが不可欠であり、従来、波長可変レーザが用いられている。

0003

通信波長帯で動作する波長可変レーザの発光素子の材料は、GaAsヒ化ガリウム)やInPリン化インジウム)などの化合物半導体が用いられている。半導体材料を用いた波長可変レーザ(半導体波長可変レーザ)は、波長多重大容量通信において重要な役割を担っている。

0004

図1は、従来の、リング共振器を備えるモノリシック集積型波長可変レーザ1の構成図である。利得領域および位相調整領域入出力導波路13を含み、フィルタ領域サニャック干渉計を含む。

0005

2×2光カプラ18の1つの出力ポートは、曲線導波路10aを介して、2×2光カプラ17の1つの入力ポートに接続されている。2×2光カプラ17の1つの出力ポートは、曲線導波路10bを介して、2×2光カプラ18の1つの入力ポートに接続されている。ここで、2本の直線導波路11,12は、2つの2×2光カプラ17,18と2本の曲線導波路10a,10bを含んでなるリング導波路近接して配置されている。すなわち、フィルタ領域は、リング共振器の構成を有するサニャック干渉計である。サニャック干渉計はループミラーとして機能する。このリング共振器は、一定の周波数間隔(Free Spectral Range、以下FSRという)で透過光の強度が増大する光フィルタとして機能する。

0006

この構成において、利得領域、位相調整領域からの光は、入出力導波路13を通過し、光分岐・結合部16を構成する1×2光カプラ19により等分配され、それぞれ直線導波路11,12を通過して光カップリング部14,15で光カップリングを生じ、右回り左回りにリング導波路内を周回し、再び1×2光カプラ19に入射され、外部へと放出される。

0007

一般に利用される通信波長帯、例えばC帯(波長1530〜1570nm)をカバーするように大きな波長可変範囲を得るためには、FSRを大きく、すなわち共振器長(リング共振器における光路長)を短くする必要がある。そのため、曲線導波路の曲率をより大きくすることが可能なハイメサ光導波路が用いられることが多い。

0008

図2は、従来利用されているハイメサ光導波路2の1例の断面の模式図である。ハイメサ導波路2は、下側から順に、基板20、下部クラッド22、コア層23、上部クラッド24に積層されている。最下層の基板の下側に下部電極25b、最上層の上部クラッド24の上部に上部電極25aが設けられている。基板20および下部クラッド22はn−InPで、コア層23はInGaAsPで、上部クラッド24はp−InPで、上部電極25aはp型ドーパントがドープされているInGaAsPで、それぞれ構成されている。図2のハイメサ光導波路2は、下部クラッド層22まで垂直に半導体エッチングした構造である。フィルタ領域と利得領域との間の光分岐・結合部16や、リング共振器を構成するリング導波路(曲線導波路10)と接続された光カップリング部14,15には、マルチモード干渉(MMIカプラを用いている。

0009

図3は、リング共振器を拡大した図である。電流注入により、ナノ秒程度で高速屈折率変調が可能である。さらに位相調整用光導波路(位相調整領域)をレーザ内に設けることにより縦モード間隔微調整し、正確に所望の発振波長に調整可能としている。この位相調整も電流注入によって行う。

先行技術

0010

特開2013−093627号公報

発明が解決しようとする課題

0011

リング共振器型波長可変レーザの性能を示す指標の一つとして、フィネスが挙げられる。フィネスは共振周波数における共振の鋭さを表し、リング共振器内部での周回回数が多い程、フィネスが向上する。図1では、光カップリング部14,15を構成する2×2光カプラ17,18として、50%のMMI光カプラを用いているため、MMIカプラを通過するたびに、リング外部に50%の光を放出することになる。特許文献1に示されているように、MMIカプラの分岐比を変え、リング外部への光の放出率を抑えることで、リング共振器に結合せず出力2に出力される光は大きくなるが、リング共振器に結合された光の周回回数を増やすことでフィネスの向上が可能である。しかし、この場合一般的にMMIの結合長は長くなり、リング共振器を形成する曲げ導波路10の半径はより小さなものが要求される。ハイメサ光導波路により、比較的小さな曲げ半径が実現可能ではあるが、曲げ半径の小さい導波路伝搬損失が大きく、好ましくない。リング共振器内の導波路曲げ半径を大きくとりつつ、FSRの拡大が可能な構造の実現が求められる。

0012

図3の一般的な結合効率50%のMMIカプラを利用した場合に対して、逆に、バーポートへの結合効率を下げることでMMIカプラの結合長を小さくすることが可能となるが、リング外部に放出する光の割合が上がるため、フィネスは劣化する。この場合においても、MMIカプラの出力ポートのうちバーポート間を接続して構成したリング共振器とすることで、フィネスの向上が可能である。しかしながら、MMIカプラの接続ポートが異なる位置で接続された導波路によるリングは、長さや曲げ半径が異なるため、干渉条件が変化しフィルタ特性に影響を与える。

0013

本発明は、上記課題を鑑みなされたものであり、フィネスを向上可能な波長可変レーザにおいて、良好なフィルタ特性を実現することを目的とする。

課題を解決するための手段

0014

このような目的を達成するために、本発明の第1の態様は、利得領域からの光に対する波長選択機能を有するフィルタ領域を備えた波長可変レーザある。一実施形態に係る波長可変レーザにおいて、フィルタ領域は、ループミラーとして機能するサニャック干渉計であり、2つのリング共振器を含み、リング共振器は、2つの光結合器と、2つの光結合器を接続する第1および第2の曲線導波路とを有し、2つの光結合器は各々に、入出力ポートから利得領域からの光を入力し、共振ピークの光と共振ピーク波長以外の光とに分岐し、共振ピークの光を入出力ポートのバーポートに結合し、共振ピーク波長以外の光を入出力ポートのクロスポートに結合するように構成され、第1の曲線導波路は2つの光結合器の入出力ポートのバーポート間を接続し、第2の曲線導波路は2つの光結合器の第1の曲線導波路が接続されたポートのクロスポート間を接続する。波長可変レーザは、リング共振器の周回内部に、2つの光結合器の入出力ポートのクロスポートに接続された、共振ピーク波長以外の光を廃棄する2つの放射導波路を備え、第1の曲線導波路の長さと第2の曲線導波路の長さが等しい。

発明の効果

0015

以上説明したように、本発明によれば、フィネスを向上可能な波長可変レーザにおいて、良好なフィルタ特性を実現することが可能となる。

図面の簡単な説明

0016

従来の波長可変レーザを説明するための図である。
ハイメサ光導波路の断面の模式図である。
結合効率50:50のMMIカプラを有するリング共振器の部分の拡大図である。
結合効率85:15のMMIカプラを有するリング共振器の部分の拡大図である。
本発明の実施形態に係る波長可変レーザのリング共振器の部分の拡大図である。
実施例1に係るリング共振器の部分の拡大図である。

実施例

0017

下図面を参照して本願発明の実施形態を説明する。同一または類似の参照符号は、同一または類似の要素を示すものとし、重複する説明は省略する。

0018

本実施形態では、図2図3を参照して説明したようにリング共振器を構成する2×2光カプラを接続するリング導波路として、急峻な曲げ半径を実現可能なハイメサ光導波路を用いる。また、2×2光カプラには低損失かつ容易に作製可能なMMI光カプラを用いる。共振器長Lを小さくするには光カップリング部の長さ(光結合長)も縮小しなければならないが、ハイメサ光導波路で構成される公知の方向性結合器では、作製上の問題がある。ハイメサ光導波路は、空気との比屈折率差が大きいため光の横方向へのしみ出しが小さい。したがって、光カップリング部にハイメサ光導波路で構成された方向性結合器を用いた場合、光結合長を短くするためには2本のハイメサ光導波路の間隔を0.1ミクロン以下にする必要があるが、0.1ミクロン程度の幅をもつ深い溝(一般に深さが3〜4ミクロン)をエッチング等で形成することは加工上、非常に困難である。

0019

MMI光カプラは、上述した利点をもつ一方で、固定の光結合効率しか得られないという欠点をもつ。リング共振器に用いる2×2MMI光カプラの場合、入力ポートに入射された光のクロスポートへの光結合効率を決めるMMI光カプラの長さLMMIは、次式(1)で表される。

0020

0021

ここで、neqは等価屈折率、Wwgは入出力導波路の幅、Wgapは入出力導波路間隔、λは使用波長である。50%MMIの場合、式中のMを2とすることで、入力光フィールドは等しく分岐され、結合効率50%のカプラとして動作する。リング共振器は、その光カップリング部においてクロスポートへの光結合効率が小さくなればなるほどフィネスが向上する特徴がある。すなわち、光がリング共振器をより周回し共振が鋭くなり波長選択性能が向上する。そこで、分岐比を50%から変化させて、より多くの光がリング内部で周回するように調整する。

0022

図4は、結合効率85%のMMI光カプラを用いた場合のリング共振器の部分の拡大図を示す。式(1)中のMを3とすることで、MMIに入力された光の85%がバーポートに結合させることができる。しかしながらこの場合、MMI光カプラの長さは50%MMIの3/2倍となり、共振器長(リング共振器を構成する導波路の長さ)に対する、MMI光カプラ長の割合が大きくなる。それによって、MMI間を接続する光導波路を短くする必要があり、曲線導波路には小さい曲げ半径が求められる。FSRの大きいリング共振器では、上記の影響は特に大きいため、作製可能なFSRに制限が加わる。

0023

そこで本実施形態では、結合効率15%のMMI光カプラを用いた構造を採用し、従来のリング共振器で一般的に用いられたMMI光カプラのクロスポート間を接続した構造ではなく、バーポート間を接続した構造とする。

0024

図5は、本実施形態の結合効率15%のMMI光カプラを用いたリング共振器500の構成を示す。リング共振器500は、2つの2入力2出力のMMI光カプラ50、51と、2つのMMI光カプラ50、51を接続する曲線導波路56、57とを備える。また、リング共振器500は、MMI光カプラ51に接続された光入力用の直線導波路および光破棄用導波路510a、MMI光カプラ50に接続された光出力用の直線導波路および光破棄用導波路510bをさらに備える。

0025

光入力用の直線導波路はMMI光カプラ51の第1入出力ポート52に接続されている。曲線導波路56はMMI光カプラ51の第1入出力ポート52に対するバーポート54およびMMI光カプラ50の第1入出力ポート53に対するバーポート55に接続されている。光出力用の直線導波路はMMI光カプラ50の第1入出力ポート55に対するバーポート53に接続されている。曲線導波路57はMMI光カプラ50の第1入出力ポート55に対するクロスポート509およびMMI光カプラ51の第2入出力ポート508に接続されている。MMI光カプラ51の第1入出力ポート55に対するクロスポート(第2入出力ポート508に対するバーポート)58には光破棄用導波路510aが接続されている。MMI光カプラ50の第2の入出力ポートには光破棄用導波路510bが接続されている。

0026

MMI光カプラ50、51において、式(1)中のMを1とすることでMMIに入力された光の15%がバーポートに結合される。MMI光カプラのバーポートに15%の光が結合されるとき、85%の光はクロスポートに接続されるため、MMI光カプラのクロスポート間を導波路で接続して、リング共振器とし、入力1からのクロスポートの導波路はリング共振器内部の捨て導波路とする。

0027

[実施例1]
図6は、実施例1に係るリング共振器600の構成図である。入力1の導波路は15:85のMMI光カプラ51に入力され、15%の光がリング共振器600のリング導波路(曲線導波路56)に結合され、85%の光はリング共振器内部の捨て導波路(光廃棄用導波路510a)に結合される。リング共振器構造のうち、MMIカプラ51とMMIカプラ50とを接続する曲線導波路56は、MMIカプラそれぞれの外側のポート58,59間を接続しており、MMIカプラ50とMMIカプラ51とを接続する曲線導波路57は、MMIカプラそれぞれの内側のポート509,508間を接続している。2本の曲線導波路56,57に関して曲げ半径を調整し、長さを等しくした。これにより、リング共振器600のMMIカプラ51,50の前後で対称性が維持され、作製誤差等によって発生する干渉の揺らぎが抑えられる。

0028

1モノリシック集積型波長可変レーザ
10a,10b曲線導波路
11,12直線導波路
13入出力導波路
14,15光カップリング部
16光分岐・結合部
17,18 2×2光カプラ
19 1×2光カプラ
2ハイメサ光導波路
20基板
22 下部クラッド
23コア層
24 上部クラッド
25a 上部電極
25b 下部電極
3,4リング共振器
40、41 2×2光カプラ
50、51分岐比15:85のMMI光カプラ
500 リング共振器
52、55 第1入出力ポート
53、54 バーポート
56、57 曲線導波路
58、509クロスポート
59、508 第2入出力ポート
510a、510b 光破棄用導波路

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