送信光源及びその製造方法
【課題】波長可変機能を有する外部共振器と光変調器の間の光学結合損失を低減すると共に、外部共振器の導波路ミラー反射率を容易に設定可能な送信光源を提供する。
【解決手段】送信光源１は、（ｉ）透過光波長を変更可能な波長可変フィルター１３１、（ｉｉ）波長可変フィルター１３１の一端に光学的に接続される閉ループ状の光導波路を含むループミラー１３２、（ｉｉｉ）ループミラー１３２に光学的に結合され、ループミラー１３２を伝搬する光波の一部を２つのポートから取り出すことのできる２×２光カプラ１１２、（ｉｖ）光カプラ１１２の２つのポートの各々に接続され、導波光の位相を変調することができる第１及び第２の位相変調器として動作する導波路１０６及び１１０、及び（ｖ）導波路１０６及び１１０の出力を合波する３ｄＢ光合波器１０９を有する。
【解決手段】送信光源１は、（ｉ）透過光波長を変更可能な波長可変フィルター１３１、（ｉｉ）波長可変フィルター１３１の一端に光学的に接続される閉ループ状の光導波路を含むループミラー１３２、（ｉｉｉ）ループミラー１３２に光学的に結合され、ループミラー１３２を伝搬する光波の一部を２つのポートから取り出すことのできる２×２光カプラ１１２、（ｉｖ）光カプラ１１２の２つのポートの各々に接続され、導波光の位相を変調することができる第１及び第２の位相変調器として動作する導波路１０６及び１１０、及び（ｖ）導波路１０６及び１１０の出力を合波する３ｄＢ光合波器１０９を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信及び光情報処理に用いられる光源に関し、特に波長可変機能を有する光源と光変調器を含む送信光源に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、インターネットのトラフィックは急速に増加しており、これに対応すべく通信容量拡大の技術も進展している。波長分割多重通信（ＷＤＭ：Wavelength Division Multiplexing）は、光ファイバに多重化される波長数を増やすことにより大容量化を行うものである。ＷＤＭに関しては、ＲＯＡＤＭ（reconfigurable optical add/ drop multiplexing）、波長ルーティングによる光クロスコネクト等の進展とあいまって、より柔軟性に優れた通信容量の拡大が活発に検討されている。これは、波長資源を単に容量拡大のみに使用するのではなく、ネットワーク機能の向上にも積極的に利用していくものである。通信容量の拡大と通信方式の高機能化は相互に関連して、低コストで安全性の高い通信システムの提供を可能にするものであり、波長可変機能を有する光送信機は、このような通信システムを構築する上で重要な機器の一つである。
【０００３】
従来のＷＤＭシステムは、一定の波長間隔を有する複数の固定波長光源を並べて用いている。固定波長光源を用いる場合、保守管理用バックアップ光源の数は使用する波長数に従って増大する。このため、バックアップ光源のコストは、システムの低コスト化を阻害する大きな要因となっていた。波長可変光源の適用により、１つのバックアップ光源で複数の波長に対応できるので、システムコストの低減が大きく進展することになる。また、切り替え速度の速い波長可変光源は、波長ルーティングにおいても新しいネットワーク機能の実現に必要不可欠な要素となっている。
【０００４】
Ｃ（Conventional）帯域またはＬ（Long）帯域をカバーできる波長可変光源は、例えば以下の文献に開示されている。Jill D. Berger等により、可動ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）ミラーを用いた波長可変光源が非特許文献１に発表されている。非特許文献１の波長可変光源は、比較的良好な光出力特性を示しているものの、製作コストや耐衝撃性の点でその実用性が懸念されている。また、ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）レーザのモード安定性を高めて、更に変調器と集積化した波長可変光源が、B. Mason等により非特許文献２に報告されているが、低コスト化や信頼性の点で課題がある。一方、平面光回路（ＰＬＣ：Planar Lightwave Circuit）を外部共振器として用いた波長可変光源は、製作が比較的容易であることに加え、ＭＥＭＳのように可動部を持たないことから、製作歩留まり及び信頼性（特に耐振動性）の点で優れており、量産性に適していると考えられる。ＰＬＣを外部共振器として用いた波長可変光源に関して、幾つかの構成が提案されている。例えば、リング型共振器および半導体光増幅器を用いて構成された波長可変光源が、H. Yamazaki等により非特許文献３にて報告されている。非特許文献３の報告によれば、波長可変範囲、光出力等の面で良好な特性が得られている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Jill D．Berger et al.、Optical Communication, 2001. ECOC '01. 27th European Conference on、Vol. 2, 30、p.198-199
【非特許文献２】Mason et al.、IEEE Photonics Letters、Vol. 11、NO. 6、1999、p.638-640
【非特許文献３】Yamazaki et al.、30th European Conference on Optical Communication 2004，th 4.2.3
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
非特許文献３に開示されているようなＰＬＣを外部共振器として用いた波長可変光源は、リング型共振器および半導体光増幅器により素子全体の共振器が形成されている。このため、リング型共振器および半導体光増幅器と同一の基板上に光変調器をさらに集積するには、外部共振器の構成を保ったまま、外部共振器と光変調器部の間を低損失で光学結合する必要がある。即ち、適当な反射率を有するミラー部を実現するとともに、外部共振器と光変調器部との間の光学結合を行うことが可能な新たな構造が必要とされる。
【０００７】
波長可変機能を有する光源と光変調器を内蔵する光送信機の小型化には、光源と光変調器を同一基板上に集積する事が有効である。外部共振器及び半導体光増幅器を有する波長可変光源と光変調器を集積する一般的な方法は、外部共振器の導波路端面（ミラー面）と光変調器の導波路端面を近接させて配置し、外部共振器のミラー面から放出される光波を光変調器の導波路端面に光学結合させることである。この場合、外部共振器端面と光変調器端面を完全に接触させてしまうと、導波路端面ミラーの光学反射率を最適な値に設定することが困難となる。よって、外部共振器の導波路端面と光変調器の導波路端面の間には、適当な空隙が必要となる。しかしながら、導波路間に空隙が存在すると光波伝搬時に回折損失が生じるために、導波路間の光学結合を十分に低減することができなくなる。即ち、光学的結合損失の低減と導波路ミラー反射率の最適設定を両立させることは、必ずしも容易ではない。
【０００８】
本発明は、波長可変機能を有する外部共振器と光変調器の間の光学結合損失を低減すると共に外部共振器の導波路ミラー反射率を容易に設定できる送信光源の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の第１の態様にかかる送信光源は、（ｉ）透過光波長を変更可能な波長可変フィルター、（ｉｉ）閉ループ状の光導波路を含むループミラー、（ｉｉｉ）前記波長可変フィルターの一端と前記ループミラーを光学的に接続する合分波器、（ｉＶ）前記波長可変フィルターの他端に光学的に接続される光増幅器、（ｖ）前記ループミラーに光学的に結合され、前記ループミラーを伝搬する光波の一部を２つのポートから取り出すことのできる光学素子、（ｖｉ）前記２つのポートに各々接続され、導波光の位相を変調することができる第１及び第２の位相変調器、および（Ｖｉｉ）前記第１及び第２の位相変調器の出力を合波する合波器を有する。
【００１０】
本発明の第２の態様にかかる送信光源は、（ｉ）透過光波長を変更可能な波長可変フィルター、（ｉｉ）前記波長可変フィルターの一端に光学的に接続される閉ループ状の光導波路を含むループミラー、（ｉｉｉ）前記ループミラーに光学的に結合され、前記ループミラーを伝搬する光波の一部を２つのポートから取り出すことのできる光学素子、（ｉｖ）前記２つのポートから取り出された導波光を位相変調した後に合波することで強度変調を行う光変調器を有する。
【００１１】
本発明の第３の態様にかかる送信光源の製造方法は、以下の２つのステップ（ａ）および（ｂ）を含む。
（ａ）：（ｉ）透過光波長を変更可能な波長可変フィルター、（ｉｉ）閉ループ状の光導波路を含むループミラー、（ｉｉｉ）前記波長可変フィルターの一端と前記ループミラーを光学的に接続する合分波器、（ｉｖ）前記ループミラーに光学的に結合され、前記ループミラーを伝搬する光波の一部を２つのポートから取り出すことのできる光学素子、（ｖ）前記２つのポートから取り出された導波光を位相変調した後に合波することで強度変調を行う光変調器、を同一の基板上にモノリシック集積すること、および
（ｂ）：前記波長可変フィルターの他端に光増幅器を光学的に接続すること。
【発明の効果】
【００１２】
本発明により、波長可変機能を有する外部共振器と光変調器の間の光学結合損失を低減すると共に外部共振器の導波路ミラー反射率を容易に設定可能な送信光源を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１の実施形態にかかる送信光源の構成を模式的に示す平面図。
【図２】図１に示した送信光源のＡ−Ａ線での断面図。
【図３】第２の実施形態にかかる送信光源の構成を模式的に示す平面図。
【図４】図３に示した送信光源のＢ−Ｂ線での断面図。
【図５】第３の実施形態にかかる送信光源の構成を模式的に示す平面図。
【図６】第４の実施形態にかかる送信光源の構成を模式的に示す平面図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下では、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。各図面において、同一要素には同一の符号が付されており、説明の明確化のため、必要に応じて重複説明は省略される。
【００１５】
＜第１の実施形態＞
図１は、本実施の形態にかかる送信光源１の概略構成を示す平面模式図である。送信光源１は、波長可変レーザおよび光変調器を有する。より具体的に述べると、ＳＯＩ基板１０１には、シリコン層をコア層とし、その上部のシリコン酸化膜をクラッドとする光導波路によって、波長可変機能を有する外部共振器１３０および光変調器１３３が平面光回路としてモノリシック集積されている。外部共振器１３０は、透過光波長を変更可能な波長可変フィルター１３１及びループミラー１３２を含む。さらに、ＳＯＩ基板１０１上には、化合物半導体の光増幅素子（半導体光増幅器（ＳＯＡ:Semiconductor Optical Amplifier）１１６）がハイブリット実装されている。以下に送信光源１の詳細を述べる。
【００１６】
ＳＯＩ基板１０１には、第一のリング型光導波路１１３と第二のリング型光導波路１２０が直線導波路１１５を介して光学的に結合するように配置されている。また、第一のリング型光導波路１１３に光学的に結合するように直線光導波路１１４が近接して配置されている。更に、リング型光導波路１１３及び１２０の上部にはヒータ１２１及び１２２がそれぞれ配置されている。ヒータ１２１及び１２２は、加熱によって生じる熱光学効果で導波路１１３及び１２０の屈折率を変化させることで、導波光に対する共振条件を変更できる。
【００１７】
ＳＯＡ１１６は、その一端が直線光導波路１１４の一端に光学的に結合するように配置されている。また、ＳＯＡ１１６の他端には、高反射膜１１７が積層されている。
【００１８】
直線型光導波路１０２は、第二のリング型光導波路１２０に光学的に結合するように、導波路１２０に近接配置されている。導波路１０２の一端には、３ｄＢ光分波器１０３とループ型導波路１０４からなるループミラー１３２が接続されている。
【００１９】
光導波路１２３はループ型導波路１０４に光学的に近接するように配置されている。これにより、方向性結合器１１２が構成されている。光導波路１２３の両端は、それぞれ位相変調機能を有する光導波路１１０及び１０６に接続されている。光導波路１１０及び１０６は、３ｄＢ光合波器１０９を介して出力導波路１０７に接続されている。出力導波路１０７の導波路端面には、反射防止膜１０８が配置されている。
【００２０】
光導波路１１０並びに１０６、３ｄＢ光合波器１０９及び出力導波路１０７は、マッハツェンダー干渉計になっている。さらに位相変調用の電極１０５、１１１及び１１８が配置されることによって光変調器１３３が構成されている。光変調器１３３は、電流注入によるキャリアプラズマ効果を利用して導波路１０６及び１１０の屈折率を変調することによって、導波光の位相変調を行う。
【００２１】
図２は、光変調器１３３部分に相当するＡ−Ａ線での断面構造を示している。シリコン基板２０７とその上部に積層されたＳｉＯ２層２０８からなるＳＯＩ基板１０１の上部に、光導波路１０６及び１１０に対応するノンドープシリコンのリッジ型光導波路２０２及び２０５が形成されている。その上部には、ＳｉＯ２膜によるクラッド層２０３が形成されている。また、リッジ型光導波路２０２及び２０５の両側には、ｎ型ドーピングされたシリコン層２０６及び２０９とｐ型ドーピングされたシリコン層２１０が形成されている。ｎドープ型シリコン層２０６並びに２０９及びｐドープ型シリコン層２１０は、光導波路２０２及び２０５と共に、基板に水平方向にｐｉｎダイオード構造を構成している。ドーピング層２０９、２１０及び２０６の上部には、電圧印加のための電極１０５、１１８及び１１１が積層されている。電極１０５と１１８の間あるいは電極１１１と１１８の間に電圧を印加することにより、リッジ型光導波路２０２及び２０５に電子や正孔などのキャリアを生じさせることができ、キャリアプラズマ効果による屈折率変調を施すことができる。
【００２２】
以下に、図１及び図２に示した送信光源１の動作機構について詳細に述べる。上述したように、外部共振器１３０は、直線光導波路１１４、１１５及び１０２と２つのリング型光導波路１２０及び１１３を含む波長可変フィルター１３１及びループミラー１３２からなる。このような外部共振器１３０では、共振する特定波長の光波のみが半導体増幅器１１６の内部を往復進行することができるので、その共振する特定波長でレーザ発振が生じる。外部共振器１３０における共振波長は、２つのリング型光導波路１１３及び１２０の共振波長がそれぞれ一致したところで生じることになる。外部共振器１３０の共振条件をヒータ１２１及び１２２による加熱によって変更することで、レーザ発振の波長可変を行うことができる。
【００２３】
レーザ発振光波の一部は、ループミラー１３２内部に形成された方向性結合器１１２により、それぞれ位相変調器として動作する光導波路１１０及び１０６に導かれる。光導波路１１０及び１０６では、電流注入によって生じるプラズマ効果によって導波光に対して位相変調が付加される。位相変調光は、３ｄＢ合波器１０９により合波されて、強度変調に変換される。
【００２４】
本実施形態にかかる送信光源１は、出力するレーザ光の発振波長を電気的な駆動制御により変更できる。更に、送信光源１は、電気信号を光信号に変換する機能を有する光変調器１３３を備えており、例えば光通信用送信デバイスとして利用できる。
【００２５】
上述したように、波長可変レーザと光変調器を集積するためには、レーザ素子部のミラー形成と、波長可変レーザ及び光変調器の間の低損失な光学結合を両立させる必要がある。送信光源１は、レーザ素子部のミラーとしてループミラー１３２を用いるとともに、方向性結合器１１２により一部の光を取り出し、取り出した光を光変調器１３３へ供給する構成としている。この構成は、波長可変レーザのミラー損失と光変調器１３３への光学結合利得が一致しており、原理的な光学損失損が生じない構成であり、低閾値で高効率なレーザ発振性能を得ることができる。なお、方向性結合器１１２での過剰損失が外部共振器１３０及び光変調器１３３の間の光学結合損失となるが、この損失は、方向性結合器１１２の適切な設計により十分に小さくすることが可能である。つまり、本実施の形態によれば、レーザ発振ためのミラー形成と、外部共振器１３０及び光変調器１３３の光学結合を両立させた送信光源を得ることができる。
【００２６】
＜第２の実施形態＞
本実施形態では、外部共振器及び光変調器だけでなくさらに光増幅器も同一基板上にモノリシック集積した送信光源の例を示す。図３は、本実施の形態にかかる送信光源２の概略構成を示す平面模式図である。光増幅器３０４と外部共振器３０３及び光変調器３０８は、ＩｎＰ基板３０１上にモノリシック集積されている。光増幅器３０４側の素子端面には、高反射膜３０５が配置されている。一方、出力導波路１０７側の端面には反射防止膜３０２が配置されている。
【００２７】
外部共振器３０３は、透過光波長を変更可能な波長可変フィルター３０９及びループミラー３１０を含む。波長可変フィルター３０９及びループミラー３１０の構造は、上述した波長可変フィルター１３１及びループミラー１３２と同様である。
【００２８】
光増幅器３０４を構成する導波路コア層のバンドギャップ波長は、その他の受動光回路部である外部共振器３０３及び光変調器３０８の導波路コア層のハンドギャップ波長よりも短波側に設定するとよい。これにより、発振したレーザ光波が受動光回路部で大きく吸収されることを抑制できる。
【００２９】
図４は、光変調器３０８部分に相当するＢ−Ｂ線での光導波路の断面構造を示している。ｎ型ドーピングされたＩｎＰ基板４０６の上部に、光コア層４０５及び４０８が形成されている。光コア層４０５及び４０８は、組成及び厚さの異なるノンドーピングのＩｎＧａＡｓＰ層が複数周期積層されてなる多重量子井戸構造で構成されている。更に光コア層４０５及び４０８の上部には、ｐ型ドーピングされたＩｎＰクラッド層４０４及び４０９が積層されている。ＩｎＰクラッド層４０４及び４０９の上部には、ｐ型に高濃度ドーピングされたＩｎＧａＡｓコンタクト層４１０及び４１１が積層されている。更にＩｎＧａＡｓコンタクト層４１０及び４１１の上部には、コア層４０５及び４０８に電流注入を行うための電極３０６及び３０７が形成されている。また、電極３０６及び３０７の対抗電極としてＩｎＰ基板４０６裏面には、電極４０７が配置されている。
【００３０】
本実施形態にかかる送信光源２の動作原理は、上述した送信光源１とほぼ同様であるが、電流を注入するためのｐｉｎ構造が基板に対して垂直方向に形成されている点が異なっている。送信光源２は、光変調器部（光変調器３０８）のｐｉｎ導波路に逆バイアス電圧を印加することにより生じる量子閉じ込めシュタルク効果を利用することにより、高速の光変調が可能になる点が送信光源１よりも優れている。
【００３１】
＜第３の実施形態＞
本実施形態では、外部共振器と光変調器との光学結合を動的に調整及び遮断できる光通信用光源の例を示す。本実施形態では、発振波長を変更する時に、光増幅器に注入する電流を遮断する必要がないので、制御系に掛かる負荷を低減することが可能となる。
【００３２】
図５は、本実施の形態にかかる送信光源３の概略構成を示す平面模式図である。ＳＯＩ基板５０９上には、外部共振器５０４、光変調器５０３、及び２×２の光スイッチ５０８を含む平面光回路が形成されている。２重リング波長可変フィルター５０１及びループミラー５０２を含む共振器５０４と光変調器５０３は、２×２の光スイッチ５０８を介して光学的に結合されている。この平面光回路の一端には、波長可変フィルター５０１に光学結合するようにＳＯＡ５１０が配置されている。更に、外部共振器５０４等を含む平面光回路の出力端には反射防止膜５０６が配置されており、ＳＯＡ５１０の端面には高反射膜５１１が施されている。
【００３３】
なお、外部共振器５０４等を含む平面光回路の断面構造は、第１の実施形態で図２を用いて説明したリッジ型光導波路構造と同様である。光変調器５０３部分の構造及び動作方式も第１の実施形態で述べた光変調器１３３と同様である。
【００３４】
ヒータ５１２は、光スイッチ５０８の上部に設けられている。ヒータ５１２によって光スイッチ５０８に含まれる導波路を加熱することによって光スイッチ５０８が起動される。これにより、例えば、導波路５１３から光スイッチ５０８に入力される光を導波路５１４及び５１５の間で任意に分配して出力できる。つまり、ループミラー５０２と光変調器５０３の光学結合を０％から１００％の範囲で変更することが可能となる。光スイッチ５０８は、レーザの光出力特性の微調整や、発振波長変更時に共振器５０４と光変調器５０３を光学的に分離するために用いればよい。
【００３５】
＜第４の実施形態＞
本実施の形態では、送信光源を駆動するための制御系を具備した光送信用モジュールについて述べる。図６は、本実施の形態にかかる光送信用モジュール４を示す模式図である。光送信用モジュール４は、図１に示した送信光源１とその制御系を含む。なお、素子部分の構成は送信光源１に限られず、他の実施の形態で説明した構成（例えば送信光源２又は３）であってもよい。
【００３６】
図６において、駆動回路６０２は、波長可変光源と光変調器が集積された送信光源６０１に含まれる光変調器部を駆動する。制御回路６０３は、送信光源６０１に含まれる波長可変フィルター（具体的にはヒータ１２１及び１２２）及びＳＯＡ１１６を制御する。インタフェース回路６０４は、制御信号と変調信号をそれぞれ制御回路６０３と駆動回路６０２に供給する。
【００３７】
インタフェース回路６０４は、送信光源６０１と共にサブマウントキャリアに搭載することにより、モジュール内部に実装することが出来る。なお、インタフェース回路６０４は、送信光源１に含まれる平面光回路と同一のＳＯＩ基板上にＣＭＯＳ回路としてモノリシック集積してもよい。ＣＭＯＳ回路と平面光回路との集積により、小型化及び実装コストの低減を図ることが可能となる。
【００３８】
第１〜第３の実施形態で述べた送信光源１〜３および第４の実施形態にかかるモジュール４に含まれる送信光源６０１は、波長可変レーザ素子と光変調器とを光学損失を効率よく低減する方法で集積した機能素子である。このため、光通信で使用される複数の波長に対応する光信号を送信することが可能である。これらの送信光源１〜３又はモジュール４を用いることによって、波長可変レーザ素子に必要な外部共振器と光変調器を低い光学損失で集積することが可能である。この光学損失の低減によって、送信時の光出力を高くすることができる。また、レーザ素子に注入すべき電流値を低減することができるので、レーザ駆動の消費電力を低減することができる。
【００３９】
また、送信光源１〜３又はモジュール４は、波長可変レーザ素子に必要な共振器ミラーと光変調器の光学結合を同時に形成することができる。このため、製造工程の簡易化、歩留まり向上を図ることができるので、製造コストの低減に寄与できる。
【００４０】
また、共振器と光変調器の光学結合のために方向性結合器を使用する送信光源１又は２若しくはこれらを含む光送信用モジュールは、方向性結合器の結合長を調整することによって、波長可変レーザ素子に必要な共振器ミラーの反射率を簡易に変更することができる。つまり、素子性能の最適調整が容易であり、高性能素子を低コストで実現できる。
【００４１】
また、共振器と光変調器の光学結合のために光スイッチを使用する送信光源３又はこれを含む光送信用モジュールは、波長可変レーザ素子に必要な共振器ミラーの反射率を光スイッチで動的に変更することができる。これにより、発振波長変更時やその他の必要に応じて、光変調器とレーザを光学的に分離することができる。また、光変調器とレーザの光学結合を任意に調整することができる。つまり、素子性能の動的調整や変調光の一時遮断等の操作が容易になり、制御の負荷低減及び信頼性の向上を図ることができる。
【００４２】
さらに、本発明は上述した実施の形態のみに限定されるものではなく、既に述べた本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることは勿論である。
【符号の説明】
【００４３】
１、２、３ 送信光源
４ 光送信用モジュール
１０１ ＳＯＩ（Silicon on insulator）基板
１０２ 直線型光導波路
１０３ ３ｄＢ光分波器
１０４ ループ型光導波路
１０５ 電極
１０６ 位相変調用光導波路
１０７ 出力光導波路
１０８ 反射防止膜
１０９ ３ｄＢ光合波器
１１０ 位相変調用光導波路
１１１ 電極
１１２ 方向性結合器
１１３ 第一のリング型光導波路
１１４ 直線型光導波路
１１５ 直線型光導波路
１１６ 半導体光増幅器（ＳＯＡ:Semiconductor Optical Amplifier）
１１７ 高反射膜
１１８ 電極
１２０ 第二のリング型光導波路
１２１ ヒータ
１２２ ヒータ
１３０ 外部共振器
１３１ 波長可変フィルター
１３２ ループミラー
１３３ 光変調器
２０２ リッジ型光導波路
２０３ ＳｉＯ２クラッド層
２０５ リッジ型光導波路
２０６ ｎドープ型シリコン層
２０７ シリコン基板
２０８ ＳｉＯ２層
２０９ ｎドープ型シリコン層
２１０ ｐドープ型シリコン層
３０１ ＩｎＰ基板
３０２ 反射防止膜
３０３ 外部共振器
３０４ 半導体増幅器
３０５ 高反射膜
３０６ 電極
３０７ 電極
３０８ 光変調器
３０９ 波長可変フィルター
３１０ ループミラー
４０２ ＳｉＯ２クラッド層
４０４ ｐドープＩｎＰクラッド層
４０５ ノンドープ多重量子井戸層（光コア層）
４０６ ｎドープＩｎＰ基板
４０７ 裏面電極
４０８ ノンドープ多重量子井戸層（光コア層）
４０９ ｐドープＩｎＰクラッド層
４１０ ＩｎＧａＡｓコンタクト層
４１１ ＩｎＧａＡｓコンタクト層
５０１ 波長可変フィルター
５０２ ループミラー
５０３ 光変調器
５０４ 外部共振器
５０６ 反射防止膜
５０７ 電極
５０８ 光スイッチ
５１２ ヒータ
５０９ ＳＯＩ基板
５１０ 半導体光増幅器
５１１ 高反射膜
６０１ 送信光源素子
６０２ 光変調器駆動回路
６０３ 波長可変レーザ用制御回路
６０４ インタフェース回路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信及び光情報処理に用いられる光源に関し、特に波長可変機能を有する光源と光変調器を含む送信光源に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、インターネットのトラフィックは急速に増加しており、これに対応すべく通信容量拡大の技術も進展している。波長分割多重通信（ＷＤＭ：Wavelength Division Multiplexing）は、光ファイバに多重化される波長数を増やすことにより大容量化を行うものである。ＷＤＭに関しては、ＲＯＡＤＭ（reconfigurable optical add/ drop multiplexing）、波長ルーティングによる光クロスコネクト等の進展とあいまって、より柔軟性に優れた通信容量の拡大が活発に検討されている。これは、波長資源を単に容量拡大のみに使用するのではなく、ネットワーク機能の向上にも積極的に利用していくものである。通信容量の拡大と通信方式の高機能化は相互に関連して、低コストで安全性の高い通信システムの提供を可能にするものであり、波長可変機能を有する光送信機は、このような通信システムを構築する上で重要な機器の一つである。
【０００３】
従来のＷＤＭシステムは、一定の波長間隔を有する複数の固定波長光源を並べて用いている。固定波長光源を用いる場合、保守管理用バックアップ光源の数は使用する波長数に従って増大する。このため、バックアップ光源のコストは、システムの低コスト化を阻害する大きな要因となっていた。波長可変光源の適用により、１つのバックアップ光源で複数の波長に対応できるので、システムコストの低減が大きく進展することになる。また、切り替え速度の速い波長可変光源は、波長ルーティングにおいても新しいネットワーク機能の実現に必要不可欠な要素となっている。
【０００４】
Ｃ（Conventional）帯域またはＬ（Long）帯域をカバーできる波長可変光源は、例えば以下の文献に開示されている。Jill D. Berger等により、可動ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）ミラーを用いた波長可変光源が非特許文献１に発表されている。非特許文献１の波長可変光源は、比較的良好な光出力特性を示しているものの、製作コストや耐衝撃性の点でその実用性が懸念されている。また、ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）レーザのモード安定性を高めて、更に変調器と集積化した波長可変光源が、B. Mason等により非特許文献２に報告されているが、低コスト化や信頼性の点で課題がある。一方、平面光回路（ＰＬＣ：Planar Lightwave Circuit）を外部共振器として用いた波長可変光源は、製作が比較的容易であることに加え、ＭＥＭＳのように可動部を持たないことから、製作歩留まり及び信頼性（特に耐振動性）の点で優れており、量産性に適していると考えられる。ＰＬＣを外部共振器として用いた波長可変光源に関して、幾つかの構成が提案されている。例えば、リング型共振器および半導体光増幅器を用いて構成された波長可変光源が、H. Yamazaki等により非特許文献３にて報告されている。非特許文献３の報告によれば、波長可変範囲、光出力等の面で良好な特性が得られている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Jill D．Berger et al.、Optical Communication, 2001. ECOC '01. 27th European Conference on、Vol. 2, 30、p.198-199
【非特許文献２】Mason et al.、IEEE Photonics Letters、Vol. 11、NO. 6、1999、p.638-640
【非特許文献３】Yamazaki et al.、30th European Conference on Optical Communication 2004，th 4.2.3
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
非特許文献３に開示されているようなＰＬＣを外部共振器として用いた波長可変光源は、リング型共振器および半導体光増幅器により素子全体の共振器が形成されている。このため、リング型共振器および半導体光増幅器と同一の基板上に光変調器をさらに集積するには、外部共振器の構成を保ったまま、外部共振器と光変調器部の間を低損失で光学結合する必要がある。即ち、適当な反射率を有するミラー部を実現するとともに、外部共振器と光変調器部との間の光学結合を行うことが可能な新たな構造が必要とされる。
【０００７】
波長可変機能を有する光源と光変調器を内蔵する光送信機の小型化には、光源と光変調器を同一基板上に集積する事が有効である。外部共振器及び半導体光増幅器を有する波長可変光源と光変調器を集積する一般的な方法は、外部共振器の導波路端面（ミラー面）と光変調器の導波路端面を近接させて配置し、外部共振器のミラー面から放出される光波を光変調器の導波路端面に光学結合させることである。この場合、外部共振器端面と光変調器端面を完全に接触させてしまうと、導波路端面ミラーの光学反射率を最適な値に設定することが困難となる。よって、外部共振器の導波路端面と光変調器の導波路端面の間には、適当な空隙が必要となる。しかしながら、導波路間に空隙が存在すると光波伝搬時に回折損失が生じるために、導波路間の光学結合を十分に低減することができなくなる。即ち、光学的結合損失の低減と導波路ミラー反射率の最適設定を両立させることは、必ずしも容易ではない。
【０００８】
本発明は、波長可変機能を有する外部共振器と光変調器の間の光学結合損失を低減すると共に外部共振器の導波路ミラー反射率を容易に設定できる送信光源の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の第１の態様にかかる送信光源は、（ｉ）透過光波長を変更可能な波長可変フィルター、（ｉｉ）閉ループ状の光導波路を含むループミラー、（ｉｉｉ）前記波長可変フィルターの一端と前記ループミラーを光学的に接続する合分波器、（ｉＶ）前記波長可変フィルターの他端に光学的に接続される光増幅器、（ｖ）前記ループミラーに光学的に結合され、前記ループミラーを伝搬する光波の一部を２つのポートから取り出すことのできる光学素子、（ｖｉ）前記２つのポートに各々接続され、導波光の位相を変調することができる第１及び第２の位相変調器、および（Ｖｉｉ）前記第１及び第２の位相変調器の出力を合波する合波器を有する。
【００１０】
本発明の第２の態様にかかる送信光源は、（ｉ）透過光波長を変更可能な波長可変フィルター、（ｉｉ）前記波長可変フィルターの一端に光学的に接続される閉ループ状の光導波路を含むループミラー、（ｉｉｉ）前記ループミラーに光学的に結合され、前記ループミラーを伝搬する光波の一部を２つのポートから取り出すことのできる光学素子、（ｉｖ）前記２つのポートから取り出された導波光を位相変調した後に合波することで強度変調を行う光変調器を有する。
【００１１】
本発明の第３の態様にかかる送信光源の製造方法は、以下の２つのステップ（ａ）および（ｂ）を含む。
（ａ）：（ｉ）透過光波長を変更可能な波長可変フィルター、（ｉｉ）閉ループ状の光導波路を含むループミラー、（ｉｉｉ）前記波長可変フィルターの一端と前記ループミラーを光学的に接続する合分波器、（ｉｖ）前記ループミラーに光学的に結合され、前記ループミラーを伝搬する光波の一部を２つのポートから取り出すことのできる光学素子、（ｖ）前記２つのポートから取り出された導波光を位相変調した後に合波することで強度変調を行う光変調器、を同一の基板上にモノリシック集積すること、および
（ｂ）：前記波長可変フィルターの他端に光増幅器を光学的に接続すること。
【発明の効果】
【００１２】
本発明により、波長可変機能を有する外部共振器と光変調器の間の光学結合損失を低減すると共に外部共振器の導波路ミラー反射率を容易に設定可能な送信光源を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１の実施形態にかかる送信光源の構成を模式的に示す平面図。
【図２】図１に示した送信光源のＡ−Ａ線での断面図。
【図３】第２の実施形態にかかる送信光源の構成を模式的に示す平面図。
【図４】図３に示した送信光源のＢ−Ｂ線での断面図。
【図５】第３の実施形態にかかる送信光源の構成を模式的に示す平面図。
【図６】第４の実施形態にかかる送信光源の構成を模式的に示す平面図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下では、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。各図面において、同一要素には同一の符号が付されており、説明の明確化のため、必要に応じて重複説明は省略される。
【００１５】
＜第１の実施形態＞
図１は、本実施の形態にかかる送信光源１の概略構成を示す平面模式図である。送信光源１は、波長可変レーザおよび光変調器を有する。より具体的に述べると、ＳＯＩ基板１０１には、シリコン層をコア層とし、その上部のシリコン酸化膜をクラッドとする光導波路によって、波長可変機能を有する外部共振器１３０および光変調器１３３が平面光回路としてモノリシック集積されている。外部共振器１３０は、透過光波長を変更可能な波長可変フィルター１３１及びループミラー１３２を含む。さらに、ＳＯＩ基板１０１上には、化合物半導体の光増幅素子（半導体光増幅器（ＳＯＡ:Semiconductor Optical Amplifier）１１６）がハイブリット実装されている。以下に送信光源１の詳細を述べる。
【００１６】
ＳＯＩ基板１０１には、第一のリング型光導波路１１３と第二のリング型光導波路１２０が直線導波路１１５を介して光学的に結合するように配置されている。また、第一のリング型光導波路１１３に光学的に結合するように直線光導波路１１４が近接して配置されている。更に、リング型光導波路１１３及び１２０の上部にはヒータ１２１及び１２２がそれぞれ配置されている。ヒータ１２１及び１２２は、加熱によって生じる熱光学効果で導波路１１３及び１２０の屈折率を変化させることで、導波光に対する共振条件を変更できる。
【００１７】
ＳＯＡ１１６は、その一端が直線光導波路１１４の一端に光学的に結合するように配置されている。また、ＳＯＡ１１６の他端には、高反射膜１１７が積層されている。
【００１８】
直線型光導波路１０２は、第二のリング型光導波路１２０に光学的に結合するように、導波路１２０に近接配置されている。導波路１０２の一端には、３ｄＢ光分波器１０３とループ型導波路１０４からなるループミラー１３２が接続されている。
【００１９】
光導波路１２３はループ型導波路１０４に光学的に近接するように配置されている。これにより、方向性結合器１１２が構成されている。光導波路１２３の両端は、それぞれ位相変調機能を有する光導波路１１０及び１０６に接続されている。光導波路１１０及び１０６は、３ｄＢ光合波器１０９を介して出力導波路１０７に接続されている。出力導波路１０７の導波路端面には、反射防止膜１０８が配置されている。
【００２０】
光導波路１１０並びに１０６、３ｄＢ光合波器１０９及び出力導波路１０７は、マッハツェンダー干渉計になっている。さらに位相変調用の電極１０５、１１１及び１１８が配置されることによって光変調器１３３が構成されている。光変調器１３３は、電流注入によるキャリアプラズマ効果を利用して導波路１０６及び１１０の屈折率を変調することによって、導波光の位相変調を行う。
【００２１】
図２は、光変調器１３３部分に相当するＡ−Ａ線での断面構造を示している。シリコン基板２０７とその上部に積層されたＳｉＯ２層２０８からなるＳＯＩ基板１０１の上部に、光導波路１０６及び１１０に対応するノンドープシリコンのリッジ型光導波路２０２及び２０５が形成されている。その上部には、ＳｉＯ２膜によるクラッド層２０３が形成されている。また、リッジ型光導波路２０２及び２０５の両側には、ｎ型ドーピングされたシリコン層２０６及び２０９とｐ型ドーピングされたシリコン層２１０が形成されている。ｎドープ型シリコン層２０６並びに２０９及びｐドープ型シリコン層２１０は、光導波路２０２及び２０５と共に、基板に水平方向にｐｉｎダイオード構造を構成している。ドーピング層２０９、２１０及び２０６の上部には、電圧印加のための電極１０５、１１８及び１１１が積層されている。電極１０５と１１８の間あるいは電極１１１と１１８の間に電圧を印加することにより、リッジ型光導波路２０２及び２０５に電子や正孔などのキャリアを生じさせることができ、キャリアプラズマ効果による屈折率変調を施すことができる。
【００２２】
以下に、図１及び図２に示した送信光源１の動作機構について詳細に述べる。上述したように、外部共振器１３０は、直線光導波路１１４、１１５及び１０２と２つのリング型光導波路１２０及び１１３を含む波長可変フィルター１３１及びループミラー１３２からなる。このような外部共振器１３０では、共振する特定波長の光波のみが半導体増幅器１１６の内部を往復進行することができるので、その共振する特定波長でレーザ発振が生じる。外部共振器１３０における共振波長は、２つのリング型光導波路１１３及び１２０の共振波長がそれぞれ一致したところで生じることになる。外部共振器１３０の共振条件をヒータ１２１及び１２２による加熱によって変更することで、レーザ発振の波長可変を行うことができる。
【００２３】
レーザ発振光波の一部は、ループミラー１３２内部に形成された方向性結合器１１２により、それぞれ位相変調器として動作する光導波路１１０及び１０６に導かれる。光導波路１１０及び１０６では、電流注入によって生じるプラズマ効果によって導波光に対して位相変調が付加される。位相変調光は、３ｄＢ合波器１０９により合波されて、強度変調に変換される。
【００２４】
本実施形態にかかる送信光源１は、出力するレーザ光の発振波長を電気的な駆動制御により変更できる。更に、送信光源１は、電気信号を光信号に変換する機能を有する光変調器１３３を備えており、例えば光通信用送信デバイスとして利用できる。
【００２５】
上述したように、波長可変レーザと光変調器を集積するためには、レーザ素子部のミラー形成と、波長可変レーザ及び光変調器の間の低損失な光学結合を両立させる必要がある。送信光源１は、レーザ素子部のミラーとしてループミラー１３２を用いるとともに、方向性結合器１１２により一部の光を取り出し、取り出した光を光変調器１３３へ供給する構成としている。この構成は、波長可変レーザのミラー損失と光変調器１３３への光学結合利得が一致しており、原理的な光学損失損が生じない構成であり、低閾値で高効率なレーザ発振性能を得ることができる。なお、方向性結合器１１２での過剰損失が外部共振器１３０及び光変調器１３３の間の光学結合損失となるが、この損失は、方向性結合器１１２の適切な設計により十分に小さくすることが可能である。つまり、本実施の形態によれば、レーザ発振ためのミラー形成と、外部共振器１３０及び光変調器１３３の光学結合を両立させた送信光源を得ることができる。
【００２６】
＜第２の実施形態＞
本実施形態では、外部共振器及び光変調器だけでなくさらに光増幅器も同一基板上にモノリシック集積した送信光源の例を示す。図３は、本実施の形態にかかる送信光源２の概略構成を示す平面模式図である。光増幅器３０４と外部共振器３０３及び光変調器３０８は、ＩｎＰ基板３０１上にモノリシック集積されている。光増幅器３０４側の素子端面には、高反射膜３０５が配置されている。一方、出力導波路１０７側の端面には反射防止膜３０２が配置されている。
【００２７】
外部共振器３０３は、透過光波長を変更可能な波長可変フィルター３０９及びループミラー３１０を含む。波長可変フィルター３０９及びループミラー３１０の構造は、上述した波長可変フィルター１３１及びループミラー１３２と同様である。
【００２８】
光増幅器３０４を構成する導波路コア層のバンドギャップ波長は、その他の受動光回路部である外部共振器３０３及び光変調器３０８の導波路コア層のハンドギャップ波長よりも短波側に設定するとよい。これにより、発振したレーザ光波が受動光回路部で大きく吸収されることを抑制できる。
【００２９】
図４は、光変調器３０８部分に相当するＢ−Ｂ線での光導波路の断面構造を示している。ｎ型ドーピングされたＩｎＰ基板４０６の上部に、光コア層４０５及び４０８が形成されている。光コア層４０５及び４０８は、組成及び厚さの異なるノンドーピングのＩｎＧａＡｓＰ層が複数周期積層されてなる多重量子井戸構造で構成されている。更に光コア層４０５及び４０８の上部には、ｐ型ドーピングされたＩｎＰクラッド層４０４及び４０９が積層されている。ＩｎＰクラッド層４０４及び４０９の上部には、ｐ型に高濃度ドーピングされたＩｎＧａＡｓコンタクト層４１０及び４１１が積層されている。更にＩｎＧａＡｓコンタクト層４１０及び４１１の上部には、コア層４０５及び４０８に電流注入を行うための電極３０６及び３０７が形成されている。また、電極３０６及び３０７の対抗電極としてＩｎＰ基板４０６裏面には、電極４０７が配置されている。
【００３０】
本実施形態にかかる送信光源２の動作原理は、上述した送信光源１とほぼ同様であるが、電流を注入するためのｐｉｎ構造が基板に対して垂直方向に形成されている点が異なっている。送信光源２は、光変調器部（光変調器３０８）のｐｉｎ導波路に逆バイアス電圧を印加することにより生じる量子閉じ込めシュタルク効果を利用することにより、高速の光変調が可能になる点が送信光源１よりも優れている。
【００３１】
＜第３の実施形態＞
本実施形態では、外部共振器と光変調器との光学結合を動的に調整及び遮断できる光通信用光源の例を示す。本実施形態では、発振波長を変更する時に、光増幅器に注入する電流を遮断する必要がないので、制御系に掛かる負荷を低減することが可能となる。
【００３２】
図５は、本実施の形態にかかる送信光源３の概略構成を示す平面模式図である。ＳＯＩ基板５０９上には、外部共振器５０４、光変調器５０３、及び２×２の光スイッチ５０８を含む平面光回路が形成されている。２重リング波長可変フィルター５０１及びループミラー５０２を含む共振器５０４と光変調器５０３は、２×２の光スイッチ５０８を介して光学的に結合されている。この平面光回路の一端には、波長可変フィルター５０１に光学結合するようにＳＯＡ５１０が配置されている。更に、外部共振器５０４等を含む平面光回路の出力端には反射防止膜５０６が配置されており、ＳＯＡ５１０の端面には高反射膜５１１が施されている。
【００３３】
なお、外部共振器５０４等を含む平面光回路の断面構造は、第１の実施形態で図２を用いて説明したリッジ型光導波路構造と同様である。光変調器５０３部分の構造及び動作方式も第１の実施形態で述べた光変調器１３３と同様である。
【００３４】
ヒータ５１２は、光スイッチ５０８の上部に設けられている。ヒータ５１２によって光スイッチ５０８に含まれる導波路を加熱することによって光スイッチ５０８が起動される。これにより、例えば、導波路５１３から光スイッチ５０８に入力される光を導波路５１４及び５１５の間で任意に分配して出力できる。つまり、ループミラー５０２と光変調器５０３の光学結合を０％から１００％の範囲で変更することが可能となる。光スイッチ５０８は、レーザの光出力特性の微調整や、発振波長変更時に共振器５０４と光変調器５０３を光学的に分離するために用いればよい。
【００３５】
＜第４の実施形態＞
本実施の形態では、送信光源を駆動するための制御系を具備した光送信用モジュールについて述べる。図６は、本実施の形態にかかる光送信用モジュール４を示す模式図である。光送信用モジュール４は、図１に示した送信光源１とその制御系を含む。なお、素子部分の構成は送信光源１に限られず、他の実施の形態で説明した構成（例えば送信光源２又は３）であってもよい。
【００３６】
図６において、駆動回路６０２は、波長可変光源と光変調器が集積された送信光源６０１に含まれる光変調器部を駆動する。制御回路６０３は、送信光源６０１に含まれる波長可変フィルター（具体的にはヒータ１２１及び１２２）及びＳＯＡ１１６を制御する。インタフェース回路６０４は、制御信号と変調信号をそれぞれ制御回路６０３と駆動回路６０２に供給する。
【００３７】
インタフェース回路６０４は、送信光源６０１と共にサブマウントキャリアに搭載することにより、モジュール内部に実装することが出来る。なお、インタフェース回路６０４は、送信光源１に含まれる平面光回路と同一のＳＯＩ基板上にＣＭＯＳ回路としてモノリシック集積してもよい。ＣＭＯＳ回路と平面光回路との集積により、小型化及び実装コストの低減を図ることが可能となる。
【００３８】
第１〜第３の実施形態で述べた送信光源１〜３および第４の実施形態にかかるモジュール４に含まれる送信光源６０１は、波長可変レーザ素子と光変調器とを光学損失を効率よく低減する方法で集積した機能素子である。このため、光通信で使用される複数の波長に対応する光信号を送信することが可能である。これらの送信光源１〜３又はモジュール４を用いることによって、波長可変レーザ素子に必要な外部共振器と光変調器を低い光学損失で集積することが可能である。この光学損失の低減によって、送信時の光出力を高くすることができる。また、レーザ素子に注入すべき電流値を低減することができるので、レーザ駆動の消費電力を低減することができる。
【００３９】
また、送信光源１〜３又はモジュール４は、波長可変レーザ素子に必要な共振器ミラーと光変調器の光学結合を同時に形成することができる。このため、製造工程の簡易化、歩留まり向上を図ることができるので、製造コストの低減に寄与できる。
【００４０】
また、共振器と光変調器の光学結合のために方向性結合器を使用する送信光源１又は２若しくはこれらを含む光送信用モジュールは、方向性結合器の結合長を調整することによって、波長可変レーザ素子に必要な共振器ミラーの反射率を簡易に変更することができる。つまり、素子性能の最適調整が容易であり、高性能素子を低コストで実現できる。
【００４１】
また、共振器と光変調器の光学結合のために光スイッチを使用する送信光源３又はこれを含む光送信用モジュールは、波長可変レーザ素子に必要な共振器ミラーの反射率を光スイッチで動的に変更することができる。これにより、発振波長変更時やその他の必要に応じて、光変調器とレーザを光学的に分離することができる。また、光変調器とレーザの光学結合を任意に調整することができる。つまり、素子性能の動的調整や変調光の一時遮断等の操作が容易になり、制御の負荷低減及び信頼性の向上を図ることができる。
【００４２】
さらに、本発明は上述した実施の形態のみに限定されるものではなく、既に述べた本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることは勿論である。
【符号の説明】
【００４３】
１、２、３ 送信光源
４ 光送信用モジュール
１０１ ＳＯＩ（Silicon on insulator）基板
１０２ 直線型光導波路
１０３ ３ｄＢ光分波器
１０４ ループ型光導波路
１０５ 電極
１０６ 位相変調用光導波路
１０７ 出力光導波路
１０８ 反射防止膜
１０９ ３ｄＢ光合波器
１１０ 位相変調用光導波路
１１１ 電極
１１２ 方向性結合器
１１３ 第一のリング型光導波路
１１４ 直線型光導波路
１１５ 直線型光導波路
１１６ 半導体光増幅器（ＳＯＡ:Semiconductor Optical Amplifier）
１１７ 高反射膜
１１８ 電極
１２０ 第二のリング型光導波路
１２１ ヒータ
１２２ ヒータ
１３０ 外部共振器
１３１ 波長可変フィルター
１３２ ループミラー
１３３ 光変調器
２０２ リッジ型光導波路
２０３ ＳｉＯ２クラッド層
２０５ リッジ型光導波路
２０６ ｎドープ型シリコン層
２０７ シリコン基板
２０８ ＳｉＯ２層
２０９ ｎドープ型シリコン層
２１０ ｐドープ型シリコン層
３０１ ＩｎＰ基板
３０２ 反射防止膜
３０３ 外部共振器
３０４ 半導体増幅器
３０５ 高反射膜
３０６ 電極
３０７ 電極
３０８ 光変調器
３０９ 波長可変フィルター
３１０ ループミラー
４０２ ＳｉＯ２クラッド層
４０４ ｐドープＩｎＰクラッド層
４０５ ノンドープ多重量子井戸層（光コア層）
４０６ ｎドープＩｎＰ基板
４０７ 裏面電極
４０８ ノンドープ多重量子井戸層（光コア層）
４０９ ｐドープＩｎＰクラッド層
４１０ ＩｎＧａＡｓコンタクト層
４１１ ＩｎＧａＡｓコンタクト層
５０１ 波長可変フィルター
５０２ ループミラー
５０３ 光変調器
５０４ 外部共振器
５０６ 反射防止膜
５０７ 電極
５０８ 光スイッチ
５１２ ヒータ
５０９ ＳＯＩ基板
５１０ 半導体光増幅器
５１１ 高反射膜
６０１ 送信光源素子
６０２ 光変調器駆動回路
６０３ 波長可変レーザ用制御回路
６０４ インタフェース回路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
透過光波長を変更可能な波長可変フィルターと、
閉ループ状の光導波路を含むループミラーと、
前記波長可変フィルターの一端と前記ループミラーを光学的に接続する合分波器と、
前記波長可変フィルターの他端に光学的に接続される光増幅器と、
前記ループミラーに光学的に結合され、前記ループミラーを伝搬する光波の一部を２つのポートから取り出すことのできる光学素子と、
前記２つのポートに各々接続され、導波光の位相を変調することができる第１及び第２の位相変調器と、
前記第１及び第２の位相変調器の出力を合波する合波器と、
を備える送信光源。
【請求項２】
前記合波器は、前記第１及び第２の位相変調器による位相変調を強度変調に変換する、請求項１に記載の送信光源。
【請求項３】
前記光学素子は、前記閉ループ状の光導波路に近接配置された対向導波路を含み、
前記閉ループ状の光導波路の前記対向導波路に近接する部分と前記対向導波路によって２×２光カプラが形成されている、請求項１又は２に記載の送信光源。
【請求項４】
前記光学素子は、２つのポートが前記閉ループ状の光導波路に接続され、他の２つのポートが前記第１及び第２の位相変調器に接続された２×２光スイッチを含み、
さらに前記光スイッチは、前記ループミラーから取り出す光波パワーの割合を動的に変更可能である、請求項１又は２に記載の送信光源。
【請求項５】
前記光スイッチは、マッハツェンダー型である、請求項４に記載の送信光源。
【請求項６】
前記波長可変フィルターは、
縦列接続された複数のリング型光導波路と、
前記複数のリング型光導波路の少なくとも一部の屈折率を変化させることで、共振波長を変更する手段と、
を備える、請求項１〜５のいずれか１項に記載の送信光源。
【請求項７】
前記波長可変フィルター、前記ループミラー、前記合分波器、前記光学素子、及び前記位相変調器が同一基板上にモノリシック集積されていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の送信光源。
【請求項８】
前記光増幅器は、化合物半導体により構成された光増幅器を含み、
前記波長可変フィルター、前記ループミラー、前記合分波器、前記光学素子、及び前記位相変調器は、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板から作成されたシリコン導波路により形成されている、請求項７に記載の送信光源。
【請求項９】
前記光増幅器は、化合物半導体により構成された光増幅器を含み、
前記光スイッチ、前記波長可変フィルター、前記ループミラー、前記合分波器、前記光学素子、及び前記位相変調器は、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板から作成されたシリコン導波路を含み、
前記光スイッチは、前記導波路のヒータによる加熱による熱光学効果または前記導波路への電流注入により生じるキャリアプラズマ効果により位相変調を行う、請求項４に記載の送信光源。
【請求項１０】
前記第１及び第２の位相変調器は、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板から作成されたシリコン導波路を含み、前記導波路のヒータによる加熱による熱光学効果または前記導波路への電流注入により生じるキャリアプラズマ効果により位相変調を行う、請求項８又は９に記載の送信光源。
【請求項１１】
前記光増幅器、前記波長可変フィルター、前記ループミラー、前記合分波器、前記光学素子、及び前記位相変調器を構成する光導波路が同一の化合物半導体基板上にモノリシック集積されており、
前記波長可変フィルターの共振波長及び前記第１及び第２の位相変調器の位相は、導波路内部への電流注入または電圧印加で生じる電気光学効果で導波路の屈折率を変動させることによって変更される、請求項６に記載の送信光源。
【請求項１２】
前記化合物半導体上に形成された光導波路のコア層のエネルギーバンドギャップ波長は、前記波長可変フィルター及び前記第１及び第２の位相変調器部のほうが前記光増幅器よりも短波側に設定されている、請求項１１に記載の送信光源。
【請求項１３】
前記波長可変フィルターの共振波長を制御するための制御回路及び前記第１及び第２の位相変調器を駆動するための駆動回路をさらに備える、請求項１〜１２のいずれか１項に送信光源。
【請求項１４】
前記波長可変フィルターの共振波長を制御するための制御回路、前記光スイッチを制御するための制御回路、及び前記第１及び第２の位相変調器部を駆動するための駆動回路をさらに備える、請求項４に記載の送信光源。
【請求項１５】
透過光波長を変更可能な波長可変フィルターと、
前記波長可変フィルターの一端に光学的に接続される閉ループ状の光導波路を含むループミラーと、
前記ループミラーに光学的に結合され、前記ループミラーを伝搬する光波の一部を２つのポートから取り出すことのできる光学素子と、
前記２つのポートから取り出された導波光を位相変調した後に合波することで強度変調を行う光変調器と、
を備える送信光源。
【請求項１６】
前記光学素子は、前記閉ループ状の光導波路に近接配置された対向導波路を含み、
前記閉ループ状の光導波路の前記対向導波路に近接する部分と前記対向導波路によって２×２光カプラが形成されている、請求項１５に記載の送信光源。
【請求項１７】
前記光学素子は、２つのポートが前記閉ループ状の光導波路に接続され、他の２つのポートが前記光変調器に接続された２×２光スイッチを含み、
さらに前記光スイッチは、前記ループミラーから取り出す光波パワーの割合を動的に変更可能である、請求項１５に記載の送信光源。
【請求項１８】
（ｉ）透過光波長を変更可能な波長可変フィルター、（ｉｉ）閉ループ状の光導波路を含むループミラー、（ｉｉｉ）前記波長可変フィルターの一端と前記ループミラーを光学的に接続する合分波器、（ｉｖ）前記ループミラーに光学的に結合され、前記ループミラーを伝搬する光波の一部を２つのポートから取り出すことのできる光学素子、（ｖ）前記２つのポートから取り出された導波光を位相変調した後に合波することで強度変調を行う光変調器、を同一の基板上にモノリシック集積すること、および
前記波長可変フィルターの他端に光増幅器を光学的に接続すること、
を含む送信光源の製造方法。
【請求項１９】
さらに前記光増幅器も前記基板上にモノリシック集積する、請求項１８に記載の方法。
【請求項１】
透過光波長を変更可能な波長可変フィルターと、
閉ループ状の光導波路を含むループミラーと、
前記波長可変フィルターの一端と前記ループミラーを光学的に接続する合分波器と、
前記波長可変フィルターの他端に光学的に接続される光増幅器と、
前記ループミラーに光学的に結合され、前記ループミラーを伝搬する光波の一部を２つのポートから取り出すことのできる光学素子と、
前記２つのポートに各々接続され、導波光の位相を変調することができる第１及び第２の位相変調器と、
前記第１及び第２の位相変調器の出力を合波する合波器と、
を備える送信光源。
【請求項２】
前記合波器は、前記第１及び第２の位相変調器による位相変調を強度変調に変換する、請求項１に記載の送信光源。
【請求項３】
前記光学素子は、前記閉ループ状の光導波路に近接配置された対向導波路を含み、
前記閉ループ状の光導波路の前記対向導波路に近接する部分と前記対向導波路によって２×２光カプラが形成されている、請求項１又は２に記載の送信光源。
【請求項４】
前記光学素子は、２つのポートが前記閉ループ状の光導波路に接続され、他の２つのポートが前記第１及び第２の位相変調器に接続された２×２光スイッチを含み、
さらに前記光スイッチは、前記ループミラーから取り出す光波パワーの割合を動的に変更可能である、請求項１又は２に記載の送信光源。
【請求項５】
前記光スイッチは、マッハツェンダー型である、請求項４に記載の送信光源。
【請求項６】
前記波長可変フィルターは、
縦列接続された複数のリング型光導波路と、
前記複数のリング型光導波路の少なくとも一部の屈折率を変化させることで、共振波長を変更する手段と、
を備える、請求項１〜５のいずれか１項に記載の送信光源。
【請求項７】
前記波長可変フィルター、前記ループミラー、前記合分波器、前記光学素子、及び前記位相変調器が同一基板上にモノリシック集積されていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の送信光源。
【請求項８】
前記光増幅器は、化合物半導体により構成された光増幅器を含み、
前記波長可変フィルター、前記ループミラー、前記合分波器、前記光学素子、及び前記位相変調器は、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板から作成されたシリコン導波路により形成されている、請求項７に記載の送信光源。
【請求項９】
前記光増幅器は、化合物半導体により構成された光増幅器を含み、
前記光スイッチ、前記波長可変フィルター、前記ループミラー、前記合分波器、前記光学素子、及び前記位相変調器は、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板から作成されたシリコン導波路を含み、
前記光スイッチは、前記導波路のヒータによる加熱による熱光学効果または前記導波路への電流注入により生じるキャリアプラズマ効果により位相変調を行う、請求項４に記載の送信光源。
【請求項１０】
前記第１及び第２の位相変調器は、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板から作成されたシリコン導波路を含み、前記導波路のヒータによる加熱による熱光学効果または前記導波路への電流注入により生じるキャリアプラズマ効果により位相変調を行う、請求項８又は９に記載の送信光源。
【請求項１１】
前記光増幅器、前記波長可変フィルター、前記ループミラー、前記合分波器、前記光学素子、及び前記位相変調器を構成する光導波路が同一の化合物半導体基板上にモノリシック集積されており、
前記波長可変フィルターの共振波長及び前記第１及び第２の位相変調器の位相は、導波路内部への電流注入または電圧印加で生じる電気光学効果で導波路の屈折率を変動させることによって変更される、請求項６に記載の送信光源。
【請求項１２】
前記化合物半導体上に形成された光導波路のコア層のエネルギーバンドギャップ波長は、前記波長可変フィルター及び前記第１及び第２の位相変調器部のほうが前記光増幅器よりも短波側に設定されている、請求項１１に記載の送信光源。
【請求項１３】
前記波長可変フィルターの共振波長を制御するための制御回路及び前記第１及び第２の位相変調器を駆動するための駆動回路をさらに備える、請求項１〜１２のいずれか１項に送信光源。
【請求項１４】
前記波長可変フィルターの共振波長を制御するための制御回路、前記光スイッチを制御するための制御回路、及び前記第１及び第２の位相変調器部を駆動するための駆動回路をさらに備える、請求項４に記載の送信光源。
【請求項１５】
透過光波長を変更可能な波長可変フィルターと、
前記波長可変フィルターの一端に光学的に接続される閉ループ状の光導波路を含むループミラーと、
前記ループミラーに光学的に結合され、前記ループミラーを伝搬する光波の一部を２つのポートから取り出すことのできる光学素子と、
前記２つのポートから取り出された導波光を位相変調した後に合波することで強度変調を行う光変調器と、
を備える送信光源。
【請求項１６】
前記光学素子は、前記閉ループ状の光導波路に近接配置された対向導波路を含み、
前記閉ループ状の光導波路の前記対向導波路に近接する部分と前記対向導波路によって２×２光カプラが形成されている、請求項１５に記載の送信光源。
【請求項１７】
前記光学素子は、２つのポートが前記閉ループ状の光導波路に接続され、他の２つのポートが前記光変調器に接続された２×２光スイッチを含み、
さらに前記光スイッチは、前記ループミラーから取り出す光波パワーの割合を動的に変更可能である、請求項１５に記載の送信光源。
【請求項１８】
（ｉ）透過光波長を変更可能な波長可変フィルター、（ｉｉ）閉ループ状の光導波路を含むループミラー、（ｉｉｉ）前記波長可変フィルターの一端と前記ループミラーを光学的に接続する合分波器、（ｉｖ）前記ループミラーに光学的に結合され、前記ループミラーを伝搬する光波の一部を２つのポートから取り出すことのできる光学素子、（ｖ）前記２つのポートから取り出された導波光を位相変調した後に合波することで強度変調を行う光変調器、を同一の基板上にモノリシック集積すること、および
前記波長可変フィルターの他端に光増幅器を光学的に接続すること、
を含む送信光源の製造方法。
【請求項１９】
さらに前記光増幅器も前記基板上にモノリシック集積する、請求項１８に記載の方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１０−１７７５３９（Ｐ２０１０−１７７５３９Ａ）
【公開日】平成２２年８月１２日（２０１０．８．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２００７２（Ｐ２００９−２００７２）
【出願日】平成２１年１月３０日（２００９．１．３０）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）（平成２０年度独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「省エネルギー技術開発プログラム／高度情報通信機器・デバイス基盤プログラム／次世代高効率ネットワークデバイス技術の開発」に関する委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願）
【出願人】（０００００４２３７）日本電気株式会社 (19,353)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年８月１２日（２０１０．８．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１月３０日（２００９．１．３０）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）（平成２０年度独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「省エネルギー技術開発プログラム／高度情報通信機器・デバイス基盤プログラム／次世代高効率ネットワークデバイス技術の開発」に関する委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願）
【出願人】（０００００４２３７）日本電気株式会社 (19,353)
【Ｆターム（参考）】
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