特開 2019-197837 多波長光源、及びこれを用いた光モジュール

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】特開2019-197837(P2019-197837A)

(43)【公開日】2019年11月14日

(54)【発明の名称】多波長光源、及びこれを用いた光モジュール

(51)【国際特許分類】

   H01S 5/14 20060101AFI20191018BHJP

   H01S 5/022 20060101ALI20191018BHJP

   G02B 6/12 20060101ALI20191018BHJP

【ＦＩ】

   H01S5/14

   H01S5/022

   G02B6/12 301

   G02B6/12 331

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2018-91665(P2018-91665)

(22)【出願日】2018年5月10日

(71)【出願人】

【識別番号】309015134

【氏名又は名称】富士通オプティカルコンポーネンツ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100107766

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠重

(74)【代理人】

【識別番号】100070150

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠彦

(72)【発明者】

【氏名】大坪 孝二

【テーマコード（参考）】

2H147

5F173

【Ｆターム（参考）】

2H147AB03

2H147AB16

2H147AB17

2H147BC05

2H147BD01

2H147BD03

2H147BD20

2H147BE01

2H147BE04

2H147BE15

2H147BG07

2H147CA14

2H147CD02

2H147CD09

2H147DA08

2H147EA12A

2H147EA13A

2H147EA13C

2H147EA14B

2H147FC01

2H147GA10

2H147GA26

2H147GA29

5F173AB34

5F173AB44

5F173AB45

5F173AD30

5F173AH12

5F173AP33

5F173AP87

5F173AR07

5F173AR61

5F173AR93

5F173MA02

5F173MC15

5F173MC18

5F173MF02

5F173MF03

5F173MF15

5F173MF26

(57)【要約】

【課題】歩留りの低下を抑制し、かつ消費電力を低減することのできる多波長光源を提供する。
【解決手段】多波長光源は、反射端面を有する１つのレーザ利得媒質と前記レーザ利得媒質の前記反射端面と反対側の第２端面に光学的に接続される複数の回折格子とを有するレーザ領域と、前記レーザ領域の前記反射端面から出射するレーザ光を一括して増幅する１つの光増幅器と、前記光増幅器の出力光を分波する光分波器と、前記光分波器に接続されて前記レーザ光に含まれる複数の波長の光を出力する出力導波路と、を有する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

反射端面を有する１つのレーザ利得媒質と、前記レーザ利得媒質の前記反射端面と反対側の第２端面に光学的に接続される複数の回折格子とを有するレーザ領域と、
前記レーザ領域の前記反射端面から出射するレーザ光を一括して増幅する１つの光増幅器と、
前記光増幅器の出力光を分波する光分波器と、
前記光分波器に接続されて前記レーザ光に含まれる複数の波長の光を出力する出力導波路と、
を有する多波長光源。

【請求項2】

前記レーザ利得媒質と前記光増幅器は、同一の基板に形成され、分割溝によって互いに分離されていることを特徴とする請求項１に記載の多波長光源。

【請求項3】

前記分割溝は、前記レーザ利得媒質の前記反射端面となる第１の面と、前記光増幅器の入射端面となる第２の面を有し、前記第１の面と前記第２の面は所定の角度をなして斜めに配置されていることを特徴とする請求項２に記載の多波長光源。

【請求項4】

前記レーザ利得媒質は第１の基板に形成され、前記光増幅器は前記第１の基板と異なる第２の基板に形成され、前記第１の基板と前記第２の基板は、同一面内で互いに角度をなして配置されていることを特徴とする請求項１に記載の多波長光源。

【請求項5】

前記レーザ利得媒質の利得導波路の光軸は、前記反射端面と直交しており、
前記光増幅器の利得導波路の入射端面は、前記レーザ利得媒質からの出射光に対して斜めに傾いていることを特徴とする請求項１に記載の多波長光源。

【請求項6】

前記レーザ利得媒質と前記複数の回折格子の間に配置され、前記複数の波長の波長間隔に等しいフリースペクトラルレンジを有する共振器、
をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の多波長光源。

【請求項7】

前記レーザ利得媒質の前記第２端面に光学的に接続される第１の光導波路と、
前記光増幅器の出射端面に光学的に接続される第２の光導波路と、
を有し、
前記レーザ利得媒質の利得導波路の光軸は、前記第１の光導波路の光軸から傾いて配置され、及び／または
前記光増幅器の利得導波路の光軸は、前記第２の光導波路の光軸から傾いて配置されていることを特徴とする請求項１に記載の多波長光源。

【請求項8】

請求項１〜７のいずれか１項に記載の多波長光源と、
前記レーザ光の前記複数の波長の各々に対応する複数の光変調器と、
前記複数の光変調器から出力される複数の変調光信号を合波する合波器と、
を有する光モジュール。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、多波長光源と、これを用いた光モジュールに関する。

【背景技術】

【0002】

光通信の分野において、多量の情報を伝達するための手段として、複数の波長の光を束ねて１本の光ファイバで伝送する波長多重分割（Wavelength Division Multiplexing: WDM）方式が用いられている。データ通信規格の100 Gbpsイーサネット（１００ＧＥ）では、１波あたり25.8 Gbpsの信号を４波長用いるＷＤＭ方式を用いているが、近年は１００ＧＥを超える通信容量に対する標準化が進んでいる。400 Gbpsイーサネット（４００ＧＥ）はその例で、１波あたり56 Gbaudの信号を４波長用いて、４レベルパルス振幅変調（4-level Pulse Amplitude Modulation: PAM4）のＷＤＭ方式を用いる。

【0003】

ＷＤＭ方式の光トランシーバの小型化と低消費電力化も進んでいる。ＷＤＭ光トランシーバに搭載される光送信サブアセンブリ（TOSA: Transmitter Optical Sub-Assembly）では、複数のレーザ・ダイオード（ＬＤ）とコリメートレンズを密に実装する技術や、光合波器を小型にする技術が開発されている。近年はシリコンフォトニクスの台頭で、さらなる小型化と低コスト化が実現されつつある。

【0004】

シリコンフォトニクスでは、ＬＤ以外の要素である変調器ドライバ集積回路（ＩＣ：Integrated Circuit）、光変調器、光合波器、光出力モニタ用フォトダイオード（ＰＤ）等をシリコン基板に作り込み、ＬＤをハイブリッドに集積する。ＬＤは間接遷移型のバンドギャップを有するシリコンで作製することができないので、直接遷移の化合物半導体で作製され、シリコンフォトニクスの基板に実装される。

【0005】

ＷＤＭに対応して、多波長レーザ光源が提案されている（たとえば、特許文献１及び特許文献２参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特表２００３−５０８９２５号公報

【特許文献2】米国特許公開２０１５／０２３６８０９Ａ１

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

ＷＤＭ用のＬＤの製作では、１波長でも設計からずれるとＴＯＳＡ全体の歩留まりに影響し、回折格子の寸法、活性層の構造、組成等を正確に制御する必要がある。また、ＬＤをシリコンフォトニクスの基板に組み込む場合、通常は光学損失が１０ｄＢを超え、損失補償のためにＬＤチップに高い光出力が要求される。高出力の要求を満たすためには多波長分のＬＤチップに電流を多く注入する必要があり、消費電力低減の観点で不利となる。

【0008】

公知の多波長レーザ光源では、ＬＤの作製プロセスで生じるばらつき（歩留り低下）を抑制するために、回折格子、あるいは反射鏡を外部に形成し、化合物半導体チップの役割を利得の発生（ゲインチップ）に特化している。しかし、いずれの構成も、１波長につき１つのゲインチップを用いており、波長数分のゲインチップに電流を注入するので、消費電力低減の観点で不利である。

【0009】

本発明は、歩留りの低下を抑制し、かつ消費電力を低減することのできる多波長光源とこれを用いた光モジュールを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

一つの態様では、多波長光源は、
反射端面を有する１つのレーザ利得媒質と、前記レーザ利得媒質の前記反射端面と反対側の第２端面に光学的に接続される複数の回折格子とを有するレーザ領域と、
前記レーザ領域の前記反射端面から出射するレーザ光を一括して増幅する１つの光増幅器と、
前記光増幅器の出力光を分波する光分波器と、
前記光分波器に接続されて前記レーザ光に含まれる複数の波長の光を出力する出力導波路と、
を有する。

【発明の効果】

【0011】

歩留りの低下を抑制し、かつ消費電力を低減することのできる多波長光源と、これを用いた光モジュールが実現される。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】第１実施形態の多波長光源の概略図である。

【図2】各回折格子のブラッグ反射スペクトルと光分波器の透過スペクトルを示す図である。

【図3】図１のゲインチップとブースターＳＯＡの分割領域の拡大図である。

【図4】第２実施形態の多波長光源の概略図である。

【図5】各回折格子のブラッグ反射スペクトルと共振器の共振モードを示す図である。

【図6】第３実施形態の多波長光源の概略図である。

【図7】第４実施形態の多波長光源の概略図である。

【図8】第５実施形態の多波長光源の概略図である。

【図9】実施形態の多波長光源を用いた光モジュールの概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

実施形態では、波長数に応じたＬＤチップを用いる替わりに、１個のレーザ利得媒質を用いて複数波長の光を出力する多波長光源を提供する。１つのレーザ利得媒質と、波長の数に応じた回折格子またはミラー（以下、単に「回折格子」とする）とで共振器を形成して、多波長レーザを実現する。

【0014】

複数の回折格子（またはミラー）は並列に配置され、光分波器によってレーザ利得媒質と各回折格子が光学的に接続される。レーザ利得媒質と光分波器の間に、複数の回折格子の波長間隔に等しいフリースペクトラルレンジ（ＦＳＲ）を有する共振器を配置してもよい。この多波長レーザから出力されるレーザ光を、１つの光増幅器で一括して増幅し、光分波器で分波して各波長の光を出力する。

【0015】

光増幅器は、たとえばＳＯＡ（Semiconductor Optical Amplifier：半導体光増幅器）である。このＳＯＡは、ブースト用に用いられるので、ブースターＳＯＡと呼んでもよい。ＳＯＡでブーストされるレーザ光は、複数の波長を含む連続光（ＣＷ）である。

【0016】

レーザ利得媒質とブースターＳＯＡの互いに対向する端面は平行ではなく、一方が他方に対して斜めに配置される。レーザ利得媒質では、光を共振させ発振させるために、利得導波路と直交する面内に端面が形成される。ブースターＳＯＡは、レーザ利得媒質からの出射光に対して斜めに傾いた端面を有する。これにより、ＳＯＡ端面での反射光がレーザ利得媒質の導波路端面に再入射することを防止する。

【0017】

１つのレーザ利得媒質と、レーザ利得媒質の外部に配置される複数の回折格子（またはミラー）を用いて多波長のレーザ光を生成することで、ＬＤの製造ばらつきの影響を抑制し、かつ消費電力を低減することができる。多波長のレーザ光を１つのブースターＳＯＡで一括して増幅することで、多波長光源の後段に接続される光変調器や光合波器の損失をあらかじめ補償することができる。

【0018】

＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態の多波長光源１０Ａの概略図である。第１実施形態では、同一のチップまたは基板２０に、１つのレーザ利得媒質と１つの光増幅器が形成されている。レーザ利得媒質も光増幅器も光学利得を生成する媒質であるが、以下の実施形態では、レーザ利得媒質を「ゲインチップ」と呼び、光増幅器を「ブースターＳＯＡ」と呼ぶ。

【0019】

ゲインチップ２１とブースターＳＯＡ２２が形成された基板２０は、別の基板１０１に実装されており、基板１０１に形成された光導波路回路と光学的に接続されている。基板１０１は、たとえばＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板であり、シリコン細線導波路で光導波路と光素子が形成されているシリコンフォトニクス基板である。

【0020】

図１の例では、ゲインチップ２１に接続される光導波路１５と、並列に配置される複数の回折格子１４−１〜１４−Ｎ（適宜、「回折格子１４」と総称する）と、光導波路１５と各回折格子１４を接続する光分波器１３が基板１０１に形成されている。

【0021】

基板１０１にはまた、ブースターＳＯＡ２２に接続される光導波路１９と、光分波器１２と、複数の出力導波路１８−１〜１８−Ｎ（適宜、「出力導波路１８」と総称する）が形成されている。

【0022】

ゲインチップ２１の利得導波路２３は、基板１０１に形成された光導波路１５と光学的に結合され、ブースターＳＯＡ２２の利得導波路２４は、基板１０１に形成された光導波路１９と光学的に結合されている。

【0023】

基板２０は分割領域Ｓを有し、ゲインチップ２１とブースターＳＯＡ２２は、分割溝２５によって分離されている。分割溝２５は、たとえば、所定パターンの利得導波路があらかじめ形成された基板２０にエッチングを施して、基板２０の表面から所定の深さまでエッチング除去することで形成される。分割溝２５の形成により、基板２０は、利得導波路２３を有するゲインチップ２１と、利得導波路２４を有するブースターＳＯＡ２２に分離される。

【0024】

分割溝２５は、ゲインチップ２１側の端面２６と、ブースターＳＯＡ２２側の端面２７を有する。分割溝２５がドライエッチングで形成される場合、端面２６と端面２７はエッチドミラーとして機能し、いずれも反射端面となる。ゲインチップ２１の端面２６は、利得導波路２３の光軸に対して垂直な面である。ブースターＳＯＡ２２の端面２７は、利得導波路２３からの入射光に対して斜めに傾いている。

【0025】

分割溝２５により、端面２６と端面２７の間にくさび型の空間が形成されて、空気層となっている。分割溝２５で隔てられるゲインチップ２１とブースターＳＯＡ２２には、電流注入用の電極（図示を省略する）が個別に設けられており、注入電流は互いに独立して制御される。

【0026】

１つのゲインチップ２１と、複数の回折格子１４−１〜１４−Ｎで、ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector：分布ブラッグ反射器）レーザ領域１０２が形成される。ゲインチップ２１で発生した光は、光分波器１３でフィルタリングまたは分波される。光分波器１３は、ＡＷＧ（Arrayed Waveguide Grating：アレイ導波路グレーティング）でもよいし、マッハ・ツェンダ（ＭＺ）干渉計を使ったフィルタ等であってもよい。

【0027】

分波された各光成分は、回折格子１４−１〜１４−Ｎの各周期構造によって決まる特定波長の光が回折し強め合って、ゲインチップ２１に帰還される。ゲインチップ２１の分割溝２５側の端面２６は反射端面、光導波路１５側の端面２８は無反射面である。ゲインチップ２１の端面２６と各回折格子１４の間を光が往復し、各々の回折格子１４で決まる波長でレーザ発振する。複数の波長を含むレーザ光の一部は端面２６から出力され、ブースターＳＯＡ２２で増幅されて、光分波器１２で分波される。

【0028】

図２は、各回折格子１４によるブラッグ反射スペクトルと光分波器１３の透過スペクトルを示す図である。光分波器１３は、破線で示す周期的な透過スペクトルを有する。回折格子１４−１〜１４−Ｎのそれぞれは、その周期構造によって決まるブラッグ反射スペクトルを有する。各回折格子１４のブラッグ反射スペクトルは、光分波器１３の透過スペクトルとオーバーラップして、波長λ₀、λ₁、…、λ_N-1でレーザ発振する。各波長の光を含むレーザ光は、ゲインチップ２１の端面２６から取り出される。

【0029】

図３は、ゲインチップ２１とブースターＳＯＡ２２を分割する分割領域Ｓの拡大図である。ゲインチップ２１の端面２６は、利得導波路２３の光軸と直交する面内に位置する。利得導波路２３から出射したレーザ光は分割溝２５の空気層を直進して、ブースターＳＯＡ２２の入射側の端面２７から利得導波路２４に入射する。

【0030】

ブースターＳＯＡ２２の端面２７は、入射光に対して斜めに位置する。斜めの端面２７へのレーザ光の入射角をα、空気から利得導波路２４への屈折角をβとすると、スネルの法則により、sinα＝ｎ×sinβとなる。ここで、ｎは利得導波路２４の空気に対する相対屈折率である。

【0031】

分割領域Ｓに、図３の構成の分割溝２５を形成することで、ゲインチップ２１とブースターＳＯＡ２２に反射端面（エッチドミラー）を設け、かつ分割領域Ｓでの共振を防ぐことができる。すなわち、ブースターＳＯＡ２２の入射側の端面２６で反射したレーザ光がゲインチップ２１の利得導波路２３に再入射することを防止できる。

【0032】

ゲインチップ２１とブースターＳＯＡ２２が形成された基板２０は、化合物半導体で形成されている。利得導波路２３と利得導波路２４は、たとえば使用帯域がＣ帯の場合は、ＩｎＧａＡｓＰの多層量子ドットまたは多重量子井戸層で形成される。

【0033】

基板２０は、たとえば、シリコンフォトニクスの基板１０１に形成された溝またはリセスに収容される。基板１０１の光導波路１５、ゲインチップ２１の利得導波路２３、ブースターＳＯＡ２２の利得導波路２４、及び基板１０１の光導波路１９の高さ方向の位置がすべてそろうように基板２０が実装される。ブースターＳＯＡ２２の出射側の端面２９から出射した光は、光導波路１９を通って光分波器１２に入射し、波長ごとに分波される。各波長の光は出力導波路１８−１〜１８−Ｎから出力される。

【0034】

この構成により、単一のレーザ利得媒体と、単一の光増幅器を用いて、多波長のレーザ光を出力することができ、小型かつ低消費電力の多波長光源が実現される。また、ＬＤ製造ばらつきによる歩留りの低下を抑制することができる。

【0035】

＜第２実施形態＞
図４は、第２実施形態の多波長光源１０Ｂの概略図である。第２実施形態では、ゲインチップ２１と光分波器１３の間に、所定のフリースペクトラルレンジ（ＦＳＲ）を有する共振器３１を配置する。それ以外の構成は、第１実施形態と同様である。第１実施形態と同じ構成要素には同じ符号を付けて、重複する説明を省略する。

【0036】

同一の基板２０に形成されているゲインチップ２１とブースターＳＯＡ２２は、分割領域Ｓの分割溝２５によって互いに隔てられている。分割溝２５を挟んで、斜めに方向で対向するゲインチップ２１の端面２６とブースターＳＯＡ２２の端面２７は、エッチドミラーとして機能する。ゲインチップ２１の端面２６と、各回折格子１４−１〜１４−Ｎの間に光共振器（またはレーザ領域１０２）が形成され、各回折格子１４の周期構造で決まる波長でレーザ発振する。

【0037】

第２実施形態の特徴として、ゲインチップ２１と光分波器１３の間の光導波路１５に沿って、リング導波路１６と、ループミラー１７が形成されている。ゲインチップ２１の光導波路１５側の端面２８とループミラー１７の間に共振器３１が形成される。光導波路１５からリング導波路１６に結合して周回する光は、直線導波路１７ａに結合してループミラー１７で反射される。反射光は、逆の光路を通って、利得導波路２３の端面２８で反射され、ループミラー１７との間を往復する。

【0038】

共振器３１は、この共振器３１の共振で決まるフリースペクトラルレンジ（ＦＳＲ）を有する。共振器３１は、そのＦＳＲが回折格子１４−１〜１４−Ｎで決まる波長間隔と等しくなるように形成されている。共振器３１の共振器長をＬとし、光導波路コアを伝搬する光の速度をｃとすると、ＦＳＲは２Ｌ／ｃで表される。２Ｌ／ｃが、回折格子１４−１〜１４−Ｎの波長間隔とほぼ一致するように共振器３１は設計される。

【0039】

図５は、各回折格子１４のブラッグ反射スペクトルと、共振器３１の共振モードを示す図である。共振器３１の共振で決まるＦＳＲを、波長多重（ＷＤＭ）の波長間隔Δλに合わせる。また、回折格子１４−１〜１４−Ｎのそれぞれのブラッグ波長がＷＤＭのチャンネル波長と一致するように回折格子１４−１〜１４−Ｎを形成してレーザ発振させる。

【0040】

この構成により、多重される各波長の間隔が共振器３１のＦＳＲで決まるため、波長間隔が等間隔となる。第１実施形態では、図２のように光分波器１３でフィルタリングされた光のスペクトルに拡がりがあるため、発振波長は対応するグリッド内に入っていても、波長間隔は必ずしも等間隔にはならない。これに対し、第２実施形態では、波長間隔をＦＳＲによって精密に制御することができる。

【0041】

波長間隔の等しい複数の波長を含むレーザ光は、ブースターＳＯＡ２２で一括して増幅され、光分波器１２で分波され、各出力導波路１８−１〜１８−Ｎから出力される。複数波長を含むレーザ光を一括して増幅するので、多波長光源１０Ｂの後段の光変調器や光合波器での損失をあらかじめ補償することができる。

【0042】

第２実施形態においても、単一のレーザ利得媒質で多波長のレーザ光を生成し、歩留りの低下を抑制して、小型かつ低消費電力の多波長光源が実現する。

【0043】

＜第３実施形態＞
図６は、第３実施形態の多波長光源１Ｃの概略図である。図６では、第２実施形態の構成を基礎にしているが、第１実施形態の構成を基礎にしてもよい。第１実施形態及び第２実施形態と同じ構成要素には同じ符号を付けて、重複する説明を省略する。

【0044】

第３実施形態では、分割領域Ｓでの反射光の影響の抑制に加えて、ゲインチップ２１の利得導波路２３と光導波路１５の間の光結合箇所、及び／またはブースターＳＯＡ２２の利得導波路２４と光導波路１９の間の光結合箇所でも反射光の影響を低減する。

【0045】

ゲインチップ２１の利得導波路２３は、基板２０の端面２８に対して斜めに形成されている。ブースターＳＯＡ２２の利得導波路２４は、基板２０の端面２９に対して斜めに形成されている。

【0046】

利得導波路２３は、分割溝２５の端面２６に対しては垂直に延びており、エッチドミラーとして機能する端面２６で反射されて、光導波路１５側に向かう。このとき、光導波路１５で反射された戻り光が、利得導波路２３に再入射するとレーザ共振が替わり好ましくない。利得導波路２３を光導波路１５側の端面２８に対して斜めにすることで、光導波路１５からの反射光が利得導波路２３に再入射することを防止できる。

【0047】

ブースターＳＯＡ２２においても、利得導波路２４から出射する光が光導波路１９で反射されたときに、反射光が利得導波路２４に再入射すると増幅器の内部で好ましくない共振が生じる。利得導波路２４を基板２０の端面２８に対して斜めに形成することで、光導波路１９からの反射光が利得導波路２４に再入射することを防止する。

【0048】

基板２０をシリコンフォトニクスの基板１０１に実装する場合、光導波路１５及び１９との結合箇所での反射光の影響を防止し、かつ、できるだけ結合損失の少ない配置とする。光結合箇所での反射光の再入射と、結合損失の双方を抑制する場合、ゲインチップ２１とブースターＳＯＡ２２が形成された基板２０は、シリコンフォトニクスの基板１０１の長軸に対して斜めに配置される場合もある。

【0049】

図６の例では、ゲインチップ２１の光導波路１５側の端面２８は、光導波路１５の光軸と直交する面から所定角度傾いる。ブースターＳＯＡ２２の出力側の端面２９は、光導波路１９の光軸と直交する面から所定角度傾いている。

【0050】

図６の配置により、光導波路１５と利得導波路２３の間の光結合箇所で、利得媒質への反射光の再入射を防止し、かつ伝搬光の損失を抑制して、レーザ領域１０２でのレーザ共振を維持することができる。また、ブースターＳＯＳ２２の利得導波路２４の出射側の端面２９と光導波路１９の端面を、光導波路１９からの反射戻り光がブースターＳＯＳ２２に再入射しない程度の角度で斜めに配置することで、反射の影響を抑制し、かつ結合損失を抑制する。

【0051】

図６の配置構成は、第１実施形態の構成にも適用することができる。その場合も、光導波路１５と利得導波路２３が光結合する部分、及び利得導波路２４と光導波路１９が光結合する部分での反射の影響と、結合損失を抑制することができる。

【0052】

第３実施形態でも、単一のレーザ利得媒質を用いて多波長のレーザ光を精度良く出力することができる。ＬＤ製造ばらつきによる歩留り低下を抑制して、小型、低消費電力、かつ高精度の多波長光源が実現される。

【0053】

＜第４実施形態＞
図７は、第４実施形態の多波長光源１０Ｄの概略図である。第１〜第３実施形態では、同一の基板２０にゲインチップ２１とブースターＳＯＡを配置し、分割領域Ｓの分割溝２５で２つの光素子を分離していた。

【0054】

第４実施形態では、ゲインチップ２１とブースターＳＯＡ２２は、それぞれ別個の基板２０ａと２０ｂに形成されて、シリコンフォトニクスの基板１０１に実装される。ゲインチップ２１の出射側の端面３６と、ブースターＳＯＡ２２の入射側の端面３６は、互いに角度をなして配置される。端面３６は、たとえば劈開を利用して形成されており、反射端面となっている。端面３６と回折格子１４−１〜１４−Ｎの間に共振器（レーザ領域１０２）が形成されて、回折格子１４−１〜１４−Ｎで決まる波長でレーザ発振する。

【0055】

シリコンフォトニクスの基板１０１にあらかじめ、ゲインチップ２１とブースターＳＯＡ２２を収容する１つの溝またはリセスを形成しておき、溝内に図７の配置関係でゲインチップ２１とブースターＳＯＡ２２を収容する。溝内で、ゲインチップ２１とブースターＳＯＡ２２の間に空間３５が形成される。ゲインチップ２１の利得導波路２３とブースターＳＯＡ２２の利得導波路２４の高さ位置、及び基板１０１の光導波路１５及び１９の高さ位置は、そろっている。

【0056】

ゲインチップ２１の利得導波路２３の光出力側の端面３６は、利得導波路２３の光軸と直交する。一方、ブースターＳＯＡ２２の利得導波路２４の入射側の端面３７は、利得導波路２３からの出射光の光軸に対して斜めに傾いている。これにより、図３と同様の光路で、多波長のレーザ光がブースターＳＯＡ２２に入射する。ブースターＳＯＡ２２の端面からの反射光がゲインチップ２１に再入射することを防止できる。

【0057】

図７の構成は、ドライエッチングで基板２０に分割溝２５を形成する工程を省略することができ、劈開を利用してゲインチップ２１を切り出すことができる。

【0058】

単一のレーザ利得媒質を用いて多波長のレーザ光を出力することができるのは、第１〜第３実施形態と同様である。図７の構成を、第１実施形態の構成に適用してもよい。

【0059】

＜第５実施形態＞
図８は、第５実施形態の多波長光源１０Ｅの概略図である。第５実施形態では、図６（第３実施形態）の構成を、個別の基板２０ａ、２０ｂに形成されたゲインチップ２１とブースターＳＯＡ２２で実現する。第３実施形態と同様に、光を結合する箇所で導波路間を斜めに接続する。

【0060】

ゲインチップ２１のレーザ出力側の端面３６と、ブースターＳＯＡ２２の入射側の端面３７は、互いに角度をなして配置され、端面３６と端面３７の間に空間３５または空気層が形成される。ゲインチップ２１の利得導波路２３、ブースターＳＯＡ２２の利得導波路２４、基板１０１の光導波路１５、及び光導波路１９の高さ方向の位置は、すべてそろっている。

【0061】

ゲインチップ２１の利得導波路２３は、出力端面となる端面３６に対しては直角に延びるが、反対側の端面２８に対して斜めに延びている。利得導波路２３と光導波路１５の結合箇所で、光導波路１５からの反射光が利得導波路２３に再入射することを防止し、かつ、知録導波路２３と光導波路１５との間の結合損失を最小にする。また、レーザ領域１０２の内部に共振器３１を設けることで、多重される波長間隔を共振器３１のＦＳＲに固定して、安定な動作を実現する。

【0062】

ブースターＳＯＡ２２の利得導波路２４の入射側の端面３７は、利得導波路２３からの出力光の光軸に対して斜めに傾いている。これにより、ブースターＳＯＡ２２からの反射光がゲインチップ２１に再入射することを防止する。さらに、ブースターＳＯＡ２２は、その利得導波路２４が光導波路１９の光軸に対して斜めに位置するように配置され、光導波路１９からの反射光が利得導波路２４に戻ることを防止する。

【0063】

この構成により、光が結合する箇所での反射を防止して、多波長光源１０の誤動作を防止することができる。なお、図８の構成を図１の構成に適用してもよい。

【0064】

第１〜第５のいずれの実施形態においても、１個のゲインチップ２１のブースターＳＯＡ２２側の端面を反射面とし、反対側の端面を、光分波器を介して複数の回折格子と光学的に接続することで、多波長のレーザ光を発生する。歩留り低下を抑制して、小型かつ低消費電力で多波長のレーザ光を発生させるのみなら、ここまでの構造で実現可能である。

【0065】

多波長光源の後段での光損失を補償するという観点からは、多波長を含むレーザ光をあらかじめ増幅して出力することが望ましい。レーザ光を変調して変調光信号をＷＤＭ伝送する際に光を分岐または合成する過程で損失を受け、伝送に充分な光強度が得られない場合がある。多波長のレーザ光をブースターＳＯＡ２２で一括して増幅することで、後段に接続される光変調器や光合波器での損失をあらかじめ補償する。

【0066】

第２実施形態のように、レーザ領域１０２の内部に、ＦＳＲが回折格子１４−１〜１４−Ｎの波長間隔に等しい共振器３１を設ける場合は、多重される光の波長間隔をＦＳＲによって精密に制御することができる。

【0067】

第３〜第５実施形態のいずれのチップ配置構成も、第１実施形態のシリコンフォトニクス光導波路の構成に適用することができる。その場合も、１個のゲインチップ２１と、１個のブースターＳＯＡと、多波長分の共振構造を基板１０１に集積することで、レーザ発振のためのトータルの電流注入量を低減して、消費電力を低減することができる。また、化合物半導体の利得媒質に回折格子を形成しなくてもよいため、ＬＤの歩留まり問題を解消して、設計された波長の多波長光源を実現することができる。

【0068】

＜光モジュールへの適用＞
図９は、実施形態の多波長光源１０を適用した光モジュール１００の概略図である。光モジュール１００は、一例として４波長のＷＤＭ光送信モジュールである。

【0069】

光モジュール１００は、基板１０３上に、多波長光源１０、光変調器１０９−１〜１０９−４、光変調器ドライバ１０８−１〜１０８−４、及び光合波器１１１を有する。基板１０３に、光変調器１０９−１〜１０９−４の出力光をモニタするモニタＰＤ１１０−１〜１１０−４を配置してもよい。

【0070】

構成を明確化するために、多波長光源１０を破線で囲まれた領域として示しているが、多波長光源１０に形成されている光導波路（黒の太線で表示）と、光モジュール１００の基板１０３に形成されている光導波路は一度のプロセスで形成されている。

【0071】

図９では、多波長光源１０として第２実施形態（図４）の構成を用いているが、第１〜第５実施形態のいずれの構成を採用してもよい。多波長光源１０は、反射端面２６（図４参照）を有する単一のゲインチップ２１と４つの回折格子１４−１〜１４−４により、４つの波長でレーザ発振する。

【0072】

ゲインチップ２１と、回折格子１４−１〜１４−４への光を分波する光分波器１３（図４参照）の間に、ターゲットの波長間隔と同じＦＳＲを有する共振器３１を配置する場合は、ＦＳＲによって発振波長を等間隔に制御することができる。

【0073】

ゲインチップ２１から出力される４波長のレーザ光は、ブースターＳＯＡ２２で一括して増幅され、分岐されて出力導波路１８−１〜１８−４から出力される。

【0074】

各波長の光は、対応する光変調器１０９に入力される。光変調器１０９において、各波長の光は、光変調器ドライバ１０８から入力される高速の駆動信号によって変調され、光変調器１０９から変調光信号が出力される。複数の波長の変調光信号は光合波器１１１で合波されて、光伝送路に出力される。

【0075】

この光モジュール１００の多波長光源１０は、実装されるレーザ利得媒質が１個であり、光モジュール１００全体を小型化、かつ低消費電力化することができる。また、同一チップに形成されたレーザ利得媒質と光増幅器を用いているので、配置スペースを低減し、かつ後段での光損失をあらかじめ補償することができる。所定のＦＳＲを有する共振器３１を配置する場合は、そのＦＳＲによって多重される波長の間隔を等間隔に制御することができ、ＷＤＭ通信の信頼性を向上することができる。

【0076】

以上の説明に対し、以下の付記を呈示する。
（付記１）
反射端面を有する１つのレーザ利得媒質と、前記レーザ利得媒質の前記反射端面と反対側の第２端面に光学的に接続される複数の回折格子とを有するレーザ領域と、
前記レーザ領域の前記反射端面から出射するレーザ光を一括して増幅する１つの光増幅器と、
前記光増幅器の出力光を分波する光分波器と、
前記光分波器に接続されて前記レーザ光に含まれる複数の波長の光を出力する出力導波路と、
を有する多波長光源。
（付記２）
前記レーザ利得媒質と前記光増幅器は、同一の基板に形成され、分割溝によって互いに分離されていることを特徴とする付記１に記載の多波長光源。
（付記３）
前記分割溝は、前記レーザ利得媒質の前記反射端面となる第１の面と、前記光増幅器の入射端面となる第２の面を有し、前記第１の面と前記第２の面は所定の角度をなして斜めに配置されていることを特徴とする付記２に記載の多波長光源。
（付記４）
前記第１の面と前記第２の面はエッチドミラーであることを特徴とする付記３に記載の多波長光源。
（付記５）
前記分割溝は、平面形状がくさび型をしていることを特徴とする付記２に記載の多波長光源。
（付記６）
前記レーザ利得媒質は第１の基板に形成され、前記光増幅器は前記第１の基板と異なる第２の基板に形成され、前記第１の基板と前記第２の基板は、同一面内で互いに角度をなして配置されていることを特徴とする付記１に記載の多波長光源。
（付記７）
前記第１の基板は前記反射端面を有し、前記第２の基板は前記レーザ光が入射する入射端面を有し、前記第１の基板の前記反射端面と、前記第２の基板の前記入射端面の間に空間が形成されていることを特徴とする付記６に記載の多波長光源。
（付記８）
前記レーザ利得媒質の利得導波路の光軸は、前記反射端面と直交しており、
前記光増幅器の利得導波路の入射端面は、前記レーザ利得媒質からの出射光に対して斜めに傾いていることを特徴とする付記１に記載の多波長光源。
（付記９）
前記レーザ媒質の利得導波路は、前記第２端面に対して斜めに延びていることを特徴とする付記１に記載の多波長光源。
（付記１０）
前記光増幅器の利得導波路は、前記光増幅器の出射面に対して斜めに延びていることを特徴とする付記１に記載の多波長光源。
（付記１１）
前記レーザ利得媒質と前記複数の回折格子の間に配置され、前記複数の波長の波長間隔に等しいフリースペクトラルレンジを有する共振器、
をさらに有することを特徴とする付記１に記載の多波長光源。
（付記１２）
前記共振器は、リング導波路とループミラーを有し、前記レーザ利得媒質の前記第２端面と前記ループミラーの間に前記共振器が形成されることを特徴とする付記１１に記載の多波長光源。
（付記１３）
前記レーザ利得媒質の前記第２端面に光学的に接続される第１の光導波路と、
前記光増幅器の出射端面に光学的に接続される第２の光導波路と、
を有し、
前記レーザ利得媒質の利得導波路の光軸は、前記第１の光導波路の光軸から傾いて配置され、及び／または
前記光増幅器の利得導波路の光軸は、前記第２の光導波路の光軸から傾いて配置されていることを特徴とする付記１に記載の多波長光源。
（付記１４）
前記レーザ利得媒質と前記複数の回折格子の間に配置されて、前記レーザ媒質で生成された光を分波する光分波器、
をさらに有し、前記光分波器の出力は、前記複数の回折格子の各々に接続されることを特徴とする付記１に記載の多波長光源。
（付記１５）
前記レーザ利得媒質と前記光分波器の間に配置され、前記複数の波長の波長間隔に等しいフリースペクトラルレンジを有する共振器、
をさらに有することを特徴とする付記１４に記載の多波長光源。
（付記１６）
前記出力導波路から出力される前記複数の波長の光は、連続レーザ光であることを特徴とする付記１〜１５のいずれかに記載の多波長光源。
（付記１７）
付記１〜１６のいずれかに記載の多波長光源と、
前記レーザ光の前記複数の波長の各々に対応する複数の光変調器と、
前記複数の光変調器から出力される複数の変調光信号を合波する合波器と、
を有する光モジュール。

【符号の説明】

【0077】

１０、１０Ａ〜１０Ｅ 多波長光源
１２、１３ 光分波器
１４、１４−１〜１４−Ｎ 回折格子
１５，１９ 光導波路
１６ リング導波路
１７ ループミラー
１８−１〜１８−Ｎ 出力導波路
２０、２０ａ、２０ｂ 基板
２１ ゲインチップ（レーザ利得媒質）
２２ ブースターＳＯＡ（光増幅器）
２３ 利得導波路（ゲインチップ側）
２４ 利得導波路（ブースターＳＯＡ側）
２５ 分割溝
２６ 端面（反射端面）
２８ 端面（第２端面）
３１ 共振器
３５ 空間
１００ 光モジュール
１０２ ＤＢＲレーザ領域（レーザ領域）
Ｓ 分割領域

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【手続補正書】

【提出日】2019年4月18日

【手続補正1】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００４８

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0048】

基板２０をシリコンフォトニクスの基板１０１に実装する場合、光導波路１５及び１９との結合箇所での反射光の影響を防止する配置とする。光結合箇所での反射光の再入射を抑制する場合、ゲインチップ２１とブースターＳＯＡ２２が形成された基板２０は、シリコンフォトニクスの基板１０１の長軸に対して斜めに配置される場合もある。

【手続補正2】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００５０

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0050】

図６の配置により、光導波路１５と利得導波路２３の間の光結合箇所で、利得媒質への反射光の再入射を防止して、レーザ領域１０２でのレーザ共振を維持することができる。また、ブースターＳＯＳ２２の利得導波路２４の出射側の端面２９と光導波路１９の端面を、光導波路１９からの反射戻り光がブースターＳＯＳ２２に再入射しない程度の角度で斜めに配置することで、反射の影響を抑制する。

【手続補正3】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００５１

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0051】

図６の配置構成は、第１実施形態の構成にも適用することができる。その場合も、光導波路１５と利得導波路２３が光結合する部分、及び利得導波路２４と光導波路１９が光結合する部分での反射の影響を抑制することができる。

【手続補正4】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００６１

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0061】

ゲインチップ２１の利得導波路２３は、出力端面となる端面３６に対しては直角に延びるが、反対側の端面２８に対して斜めに延びている。利得導波路２３と光導波路１５の結合箇所で、光導波路１５からの反射光が利得導波路２３に再入射することを防止する。また、レーザ領域１０２の内部に共振器３１を設けることで、多重される波長間隔を共振器３１のＦＳＲに固定して、安定な動作を実現する。