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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6618664
(24)【登録日】2019年11月22日
(45)【発行日】2019年12月11日
(54)【発明の名称】レーザ装置
(51)【国際特許分類】
H01S 3/063 20060101AFI20191202BHJP
【ＦＩ】
H01S3/063
【請求項の数】19
【全頁数】25
(21)【出願番号】特願2019-538886(P2019-538886)
(86)(22)【出願日】2017年9月1日
(86)【国際出願番号】JP2017031621
(87)【国際公開番号】WO2019043917
(87)【国際公開日】20190307
【審査請求日】2019年9月26日
【早期審査対象出願】
(73)【特許権者】
【識別番号】000006013
【氏名又は名称】三菱電機株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100123434
【弁理士】
【氏名又は名称】田澤 英昭
(74)【代理人】
【識別番号】100101133
【弁理士】
【氏名又は名称】濱田 初音
(74)【代理人】
【識別番号】100199749
【弁理士】
【氏名又は名称】中島 成
(74)【代理人】
【識別番号】100197767
【弁理士】
【氏名又は名称】辻岡 将昭
(74)【代理人】
【識別番号】100201743
【弁理士】
【氏名又は名称】井上 和真
(72)【発明者】
【氏名】村尾 覚志
【審査官】
村井 友和
(56)【参考文献】
【文献】
特開２００８−６０４４５（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２００８−６６３１８（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２０１６−１０２９２６（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２００６−２４５３４４（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２０１６−２１３３７９（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２０１７−２１０７０（ＪＰ，Ａ）
【文献】
米国特許出願公開第２０１３／００１６４２３（ＵＳ，Ａ１）
(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）
Ｈ０１Ｓ ３／００−３／３０
Ｈ０１Ｓ ５／００−５／５０
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
光増幅器と、
前記光増幅器と光学的に結合された光入出力端及びＮ個の分岐端を有し、前記光増幅器からの伝搬光をＮ本の光（Ｎは２以上の整数）に分岐させて当該Ｎ本の光を前記Ｎ個の分岐端からそれぞれ出力する分岐導波路と、
前記分岐導波路の当該Ｎ個の分岐端と光学的に結合された光入出力端を有し、前記分岐導波路から入力された当該Ｎ本の光をそれぞれ伝搬させるＮ個の導波路コアを有するマルチコア導波路と、
前記マルチコア導波路の他の光入出力端と光学的に結合された光反射器と
を備え、
前記Ｎ個の導波路コアは、当該Ｎ個の導波路コアのうち隣り合う導波路コア同士が光学的に結合するように互いに近接して配置されていることを特徴とするレーザ装置。
前記光増幅器と光学的に結合された光入出力端及びＮ個の分岐端を有し、前記光増幅器からの伝搬光をＮ本の光（Ｎは２以上の整数）に分岐させて当該Ｎ本の光を前記Ｎ個の分岐端からそれぞれ出力する分岐導波路と、
前記分岐導波路の当該Ｎ個の分岐端と光学的に結合された光入出力端を有し、前記分岐導波路から入力された当該Ｎ本の光をそれぞれ伝搬させるＮ個の導波路コアを有するマルチコア導波路と、
前記マルチコア導波路の他の光入出力端と光学的に結合された光反射器と
を備え、
前記Ｎ個の導波路コアは、当該Ｎ個の導波路コアのうち隣り合う導波路コア同士が光学的に結合するように互いに近接して配置されていることを特徴とするレーザ装置。
【請求項2】
請求項１記載のレーザ装置であって、前記Ｎ個の導波路コアは、当該Ｎ個の導波路コアのうち隣り合う導波路コア間でエバネッセント光が相互伝搬するように互いに近接して配置されていることを特徴とするレーザ装置。
【請求項3】
請求項１または２記載のレーザ装置であって、前記マルチコア導波路と前記光反射器との間に介在し、前記マルチコア導波路の当該他の光入出力端と光学的に結合された後端側分岐導波路を更に備え、
前記後端側分岐導波路は、前記Ｎ個の導波路コアからそれぞれ伝搬したＮ本の光を合波して合波光を生成し、当該生成された合波光を前記光反射器に出力するとともに、前記光反射器で反射された光をＮ本の反射光に分岐させ、当該Ｎ本の反射光をそれぞれ前記Ｎ個の導波路コアに入射させることを特徴とするレーザ装置。
前記後端側分岐導波路は、前記Ｎ個の導波路コアからそれぞれ伝搬したＮ本の光を合波して合波光を生成し、当該生成された合波光を前記光反射器に出力するとともに、前記光反射器で反射された光をＮ本の反射光に分岐させ、当該Ｎ本の反射光をそれぞれ前記Ｎ個の導波路コアに入射させることを特徴とするレーザ装置。
【請求項4】
請求項３記載のレーザ装置であって、前記後端側分岐導波路は、マルチモード干渉型分岐導波路からなることを特徴とするレーザ装置。
【請求項5】
請求項１または２記載のレーザ装置であって、前記分岐導波路は、マルチモード干渉型分岐導波路からなることを特徴とするレーザ装置。
【請求項6】
光増幅器と、
前記光増幅器と光学的に結合された光入出力端及びＮ個の分岐端を有し、前記光増幅器からの伝搬光をＮ本の光（Ｎは２以上の整数）に分岐させて当該Ｎ本の光を前記Ｎ個の分岐端からそれぞれ出力する分岐導波路と、
前記分岐導波路の当該Ｎ個の分岐端と光学的に結合された光入出力端を有し、前記分岐導波路の当該Ｎ個の分岐端から入力されたＮ本の光をそれぞれ伝搬させるＮ個の導波路コアを有するマルチコア導波路と、
前記マルチコア導波路の一部分と光学的に結合された端部を有する第１のリング共振器と、
前記第１のリング共振器の他の端部と光学的に結合され、かつ前記第１のリング共振器の当該他の端部から入力された光を伝搬させる第１のバス導波路と、
前記第１のバス導波路の一部分と光学的に結合された端部を有する第２のリング共振器と、
前記第２のリング共振器の他の端部と光学的に結合され、かつ前記第２のリング共振器の当該他の端部から入力された光を伝搬させる第２のバス導波路と、
前記２のバス導波路の光入出力端と光学的に結合された光反射器と
を備え、
前記Ｎ個の導波路コアは、当該Ｎ個の導波路コアのうち隣り合う導波路コア同士が光学的に結合するように互いに近接して配置されていることを特徴とするレーザ装置。
前記光増幅器と光学的に結合された光入出力端及びＮ個の分岐端を有し、前記光増幅器からの伝搬光をＮ本の光（Ｎは２以上の整数）に分岐させて当該Ｎ本の光を前記Ｎ個の分岐端からそれぞれ出力する分岐導波路と、
前記分岐導波路の当該Ｎ個の分岐端と光学的に結合された光入出力端を有し、前記分岐導波路の当該Ｎ個の分岐端から入力されたＮ本の光をそれぞれ伝搬させるＮ個の導波路コアを有するマルチコア導波路と、
前記マルチコア導波路の一部分と光学的に結合された端部を有する第１のリング共振器と、
前記第１のリング共振器の他の端部と光学的に結合され、かつ前記第１のリング共振器の当該他の端部から入力された光を伝搬させる第１のバス導波路と、
前記第１のバス導波路の一部分と光学的に結合された端部を有する第２のリング共振器と、
前記第２のリング共振器の他の端部と光学的に結合され、かつ前記第２のリング共振器の当該他の端部から入力された光を伝搬させる第２のバス導波路と、
前記２のバス導波路の光入出力端と光学的に結合された光反射器と
を備え、
前記Ｎ個の導波路コアは、当該Ｎ個の導波路コアのうち隣り合う導波路コア同士が光学的に結合するように互いに近接して配置されていることを特徴とするレーザ装置。
【請求項7】
請求項６記載のレーザ装置であって、前記分岐導波路は、マルチモード干渉型分岐導波路で構成されていることを特徴とするレーザ装置。
【請求項8】
請求項６または７記載のレーザ装置であって、
前記第１のバス導波路は、各々が前記第１のリング共振器の当該他の端部と光学的に結合され、かつ前記第１のリング共振器の当該他の端部から入力された光を伝搬させるＭ個の導波路コア（Ｍは２以上の整数）を有し、
前記Ｍ個の導波路コアは、当該Ｍ個の導波路コアのうち隣り合う導波路コア同士が光学的に結合するように互いに近接して配置されていることを特徴とするレーザ装置。
前記第１のバス導波路は、各々が前記第１のリング共振器の当該他の端部と光学的に結合され、かつ前記第１のリング共振器の当該他の端部から入力された光を伝搬させるＭ個の導波路コア（Ｍは２以上の整数）を有し、
前記Ｍ個の導波路コアは、当該Ｍ個の導波路コアのうち隣り合う導波路コア同士が光学的に結合するように互いに近接して配置されていることを特徴とするレーザ装置。
【請求項9】
請求項６または７記載のレーザ装置であって、
前記第２のバス導波路は、各々が前記第２のリング共振器の当該他の端部と光学的に結合され、かつ前記第２のリング共振器の当該他の端部から入力された光を伝搬させるＫ個の導波路コア（Ｋは２以上の整数）を有し、
前記Ｋ個の導波路コアは、当該Ｋ個の導波路コアのうち隣り合う導波路コア同士が光学的に結合するように互いに近接して配置されていることを特徴とするレーザ装置。
前記第２のバス導波路は、各々が前記第２のリング共振器の当該他の端部と光学的に結合され、かつ前記第２のリング共振器の当該他の端部から入力された光を伝搬させるＫ個の導波路コア（Ｋは２以上の整数）を有し、
前記Ｋ個の導波路コアは、当該Ｋ個の導波路コアのうち隣り合う導波路コア同士が光学的に結合するように互いに近接して配置されていることを特徴とするレーザ装置。
【請求項10】
請求項９記載のレーザ装置であって、前記第２のバス導波路と前記光反射器との間に介在し、前記第２のバス導波路の光入出力端と光学的に結合された後端側分岐導波路を更に備え、
前記後端側分岐導波路は、前記Ｋ個の導波路コアからそれぞれ伝搬したＫ本の光を合波して合波光を生成し、当該生成された合波光を前記光反射器に出力するとともに、前記光反射器で反射された光をＫ本の反射光に分岐させ、当該Ｋ本の反射光をそれぞれ前記Ｋ個の導波路コアに入射させることを特徴とするレーザ装置。
前記後端側分岐導波路は、前記Ｋ個の導波路コアからそれぞれ伝搬したＫ本の光を合波して合波光を生成し、当該生成された合波光を前記光反射器に出力するとともに、前記光反射器で反射された光をＫ本の反射光に分岐させ、当該Ｋ本の反射光をそれぞれ前記Ｋ個の導波路コアに入射させることを特徴とするレーザ装置。
【請求項11】
請求項１０記載のレーザ装置であって、前記後端側分岐導波路は、マルチモード干渉型分岐導波路からなることを特徴とするレーザ装置。
【請求項12】
請求項６または７記載のレーザ装置であって、
前記第１のリング共振器は、同心状に配置されたＬ個のリング状導波路コア（Ｌは２以上の整数）からなり、
前記Ｌ個のリング状導波路コアは、当該Ｌ個のリング状導波路コアのうち隣り合う導波路コア同士が光学的に結合するように互いに近接して配置されていることを特徴とするレーザ装置。
前記第１のリング共振器は、同心状に配置されたＬ個のリング状導波路コア（Ｌは２以上の整数）からなり、
前記Ｌ個のリング状導波路コアは、当該Ｌ個のリング状導波路コアのうち隣り合う導波路コア同士が光学的に結合するように互いに近接して配置されていることを特徴とするレーザ装置。
【請求項13】
請求項６または７記載のレーザ装置であって、
前記第２のリング共振器は、同心状に配置されたＰ個のリング状導波路コア（Ｐは２以上の整数）からなり、
前記Ｐ個のリング状導波路コアは、当該Ｐ個のリング状導波路コアのうち隣り合う導波路コア同士が光学的に結合するように互いに近接して配置されていることを特徴とするレーザ装置。
前記第２のリング共振器は、同心状に配置されたＰ個のリング状導波路コア（Ｐは２以上の整数）からなり、
前記Ｐ個のリング状導波路コアは、当該Ｐ個のリング状導波路コアのうち隣り合う導波路コア同士が光学的に結合するように互いに近接して配置されていることを特徴とするレーザ装置。
【請求項14】
請求項８記載のレーザ装置であって、
前記マルチコア導波路と前記第１のリング共振器との間に介在して前記マルチコア導波路の他の光入出力端と光学的に結合され、前記Ｎ個の導波路コアから入力されたＮ本の光を合波して合波光を生成する第１の中間分岐導波路と、
前記第１のリング共振器の当該端部と光学的に結合され、前記第１の中間分岐導波路から入力された合波光を前記第１のリング共振器に伝搬させる第１の接続導波路と、
前記第１のリング共振器と前記第１のバス導波路との間に介在して前記第１のリング共振器の当該他の端部と光学的に結合された第２の接続導波路と、
前記第１のリング共振器の当該他の端部から前記第２の接続導波路を介して入力された光をＭ本の光に分岐させ、当該Ｍ本の光を前記Ｍ個の導波路コアにそれぞれ出力する第２の中間分岐導波路と
を更に備えることを特徴とするレーザ装置。
前記マルチコア導波路と前記第１のリング共振器との間に介在して前記マルチコア導波路の他の光入出力端と光学的に結合され、前記Ｎ個の導波路コアから入力されたＮ本の光を合波して合波光を生成する第１の中間分岐導波路と、
前記第１のリング共振器の当該端部と光学的に結合され、前記第１の中間分岐導波路から入力された合波光を前記第１のリング共振器に伝搬させる第１の接続導波路と、
前記第１のリング共振器と前記第１のバス導波路との間に介在して前記第１のリング共振器の当該他の端部と光学的に結合された第２の接続導波路と、
前記第１のリング共振器の当該他の端部から前記第２の接続導波路を介して入力された光をＭ本の光に分岐させ、当該Ｍ本の光を前記Ｍ個の導波路コアにそれぞれ出力する第２の中間分岐導波路と
を更に備えることを特徴とするレーザ装置。
【請求項15】
請求項９記載のレーザ装置であって、
前記第１のバス導波路と前記第２のリング共振器との間に介在して前記第１のバス導波路の光入出力端と光学的に結合された第３の中間分岐導波路と、
前記第２のリング共振器の当該端部と光学的に結合された第３の接続導波路と、
前記第２のリング共振器と前記第２のバス導波路との間に介在して前記第２のリング共振器の当該他の端部と光学的に結合された第４の接続導波路と、
前記第２のリング共振器から前記第４の接続導波路を介して入力された光をＫ本の光に分岐させ、当該Ｋ本の光を前記Ｋ個の導波路コアにそれぞれ出力する第４の中間分岐導波路と
を更に備え、
前記第１のバス導波路は、各々が前記第１のリング共振器の当該他の端部と光学的に結合され、かつ前記第１のリング共振器の当該他の端部から入力された光を伝搬させるＭ個の導波路コア（Ｍは２以上の整数）を有し、
前記Ｍ個の導波路コアは、当該Ｍ個の導波路コアのうち隣り合う導波路コア同士が光学的に結合するように互いに近接して配置されており、
前記第３の中間分岐導波路は、前記Ｍ個の導波路コアから入力されたＭ本の光を合波して合波光を生成し、
前記第３の接続導波路は、前記第３の中間分岐導波路から入力された合波光を前記第２のリング共振器に伝搬させる、
ことを特徴とするレーザ装置。
前記第１のバス導波路と前記第２のリング共振器との間に介在して前記第１のバス導波路の光入出力端と光学的に結合された第３の中間分岐導波路と、
前記第２のリング共振器の当該端部と光学的に結合された第３の接続導波路と、
前記第２のリング共振器と前記第２のバス導波路との間に介在して前記第２のリング共振器の当該他の端部と光学的に結合された第４の接続導波路と、
前記第２のリング共振器から前記第４の接続導波路を介して入力された光をＫ本の光に分岐させ、当該Ｋ本の光を前記Ｋ個の導波路コアにそれぞれ出力する第４の中間分岐導波路と
を更に備え、
前記第１のバス導波路は、各々が前記第１のリング共振器の当該他の端部と光学的に結合され、かつ前記第１のリング共振器の当該他の端部から入力された光を伝搬させるＭ個の導波路コア（Ｍは２以上の整数）を有し、
前記Ｍ個の導波路コアは、当該Ｍ個の導波路コアのうち隣り合う導波路コア同士が光学的に結合するように互いに近接して配置されており、
前記第３の中間分岐導波路は、前記Ｍ個の導波路コアから入力されたＭ本の光を合波して合波光を生成し、
前記第３の接続導波路は、前記第３の中間分岐導波路から入力された合波光を前記第２のリング共振器に伝搬させる、
ことを特徴とするレーザ装置。
【請求項16】
請求項６または７記載のレーザ装置であって、前記第１のリング共振器及び前記第２のリング共振器にそれぞれ接続された温度調整素子を更に備えることを特徴とするレーザ装置。
【請求項17】
光増幅器と、
前記光増幅器と光学的に結合された光入出力端を有し、単一の導波路コアからなる入出力導波路と、
前記入出力導波路の一部分と光学的に結合された端部を有する第１のリング共振器と、
前記第１のリング共振器の他の端部と光学的に結合され、かつ前記第１のリング共振器の当該他の端部から入力された光を伝搬させる第１のバス導波路と、
前記第１のバス導波路の一部分と光学的に結合された端部を有する第２のリング共振器と、
前記第２のリング共振器の他の端部と光学的に結合され、かつ前記第２のリング共振器の当該他の端部から入力された光を伝搬させる第２のバス導波路と、
前記２のバス導波路の光入出力端と光学的に結合された光反射器と
を備え、
前記第１のリング共振器は、同心状に配置されたＬ個のリング状導波路コア（Ｌは２以上の整数）からなり、
前記Ｌ個のリング状導波路コアは、当該Ｌ個のリング状導波路コアのうち隣り合う導波路コア同士が光学的に結合するように互いに近接して配置されていることを特徴とするレーザ装置。
前記光増幅器と光学的に結合された光入出力端を有し、単一の導波路コアからなる入出力導波路と、
前記入出力導波路の一部分と光学的に結合された端部を有する第１のリング共振器と、
前記第１のリング共振器の他の端部と光学的に結合され、かつ前記第１のリング共振器の当該他の端部から入力された光を伝搬させる第１のバス導波路と、
前記第１のバス導波路の一部分と光学的に結合された端部を有する第２のリング共振器と、
前記第２のリング共振器の他の端部と光学的に結合され、かつ前記第２のリング共振器の当該他の端部から入力された光を伝搬させる第２のバス導波路と、
前記２のバス導波路の光入出力端と光学的に結合された光反射器と
を備え、
前記第１のリング共振器は、同心状に配置されたＬ個のリング状導波路コア（Ｌは２以上の整数）からなり、
前記Ｌ個のリング状導波路コアは、当該Ｌ個のリング状導波路コアのうち隣り合う導波路コア同士が光学的に結合するように互いに近接して配置されていることを特徴とするレーザ装置。
【請求項18】
請求項１７記載のレーザ装置であって、
前記第２のリング共振器は、同心状に配置されたＰ個のリング状導波路コア（Ｐは２以上の整数）からなり、
前記Ｐ個のリング状導波路コアは、当該Ｐ個のリング状導波路コアのうち隣り合う導波路コア同士が光学的に結合するように互いに近接して配置されていることを特徴とするレーザ装置。
前記第２のリング共振器は、同心状に配置されたＰ個のリング状導波路コア（Ｐは２以上の整数）からなり、
前記Ｐ個のリング状導波路コアは、当該Ｐ個のリング状導波路コアのうち隣り合う導波路コア同士が光学的に結合するように互いに近接して配置されていることを特徴とするレーザ装置。
【請求項19】
光増幅器と、
前記光増幅器と光学的に結合された光入出力端を有し、単一の導波路コアからなる入出力導波路と、
前記入出力導波路の一部分と光学的に結合された端部を有する第１のリング共振器と、
前記第１のリング共振器の他の端部と光学的に結合され、かつ前記第１のリング共振器の当該他の端部から入力された光を伝搬させる第１のバス導波路と、
前記第１のバス導波路の一部分と光学的に結合された端部を有する第２のリング共振器と、
前記第２のリング共振器の他の端部と光学的に結合され、かつ前記第２のリング共振器の当該他の端部から入力された光を伝搬させる第２のバス導波路と、
前記２のバス導波路の光入出力端と光学的に結合された光反射器と
を備え、
前記第２のリング共振器は、同心状に配置されたＰ個のリング状導波路コア（Ｐは２以上の整数）からなり、
前記Ｐ個のリング状導波路コアは、当該Ｐ個のリング状導波路コアのうち隣り合う導波路コア同士が光学的に結合するように互いに近接して配置されていることを特徴とするレーザ装置。
前記光増幅器と光学的に結合された光入出力端を有し、単一の導波路コアからなる入出力導波路と、
前記入出力導波路の一部分と光学的に結合された端部を有する第１のリング共振器と、
前記第１のリング共振器の他の端部と光学的に結合され、かつ前記第１のリング共振器の当該他の端部から入力された光を伝搬させる第１のバス導波路と、
前記第１のバス導波路の一部分と光学的に結合された端部を有する第２のリング共振器と、
前記第２のリング共振器の他の端部と光学的に結合され、かつ前記第２のリング共振器の当該他の端部から入力された光を伝搬させる第２のバス導波路と、
前記２のバス導波路の光入出力端と光学的に結合された光反射器と
を備え、
前記第２のリング共振器は、同心状に配置されたＰ個のリング状導波路コア（Ｐは２以上の整数）からなり、
前記Ｐ個のリング状導波路コアは、当該Ｐ個のリング状導波路コアのうち隣り合う導波路コア同士が光学的に結合するように互いに近接して配置されていることを特徴とするレーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、レーザ装置に関し、特に、光増幅器と当該光増幅器に結合された光導波路構造とを備えたレーザ装置に関するものである。【背景技術】
【0002】
中距離メトロネットワーク、あるいは多数のサーバ間のネットワークで構成されたデータセンタネットワークといった通信ネットワークに使用される光通信技術では、近年、デジタルコヒーレント方式に対応するレーザ光源が要求されている。デジタルコヒーレント方式とは、コヒーレント光通信技術とデジタル信号処理とを組み合わせた光通信方式をいう。デジタルコヒーレント方式に対応するレーザ光源には、出力光の波長帯域幅が出来るだけ狭いこと（言い換えれば、出力光のスペクトル線幅が出来るだけ狭いこと）と、出力光パワーが高いことが要求される。【0003】
光通信技術で使用されるレーザ光源として、誘導放出を起こすゲイン媒体となる半導体光増幅器（Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ，ＳＯＡ）と光導波路構造とで構成されたレーザ光源が知られている。このようなレーザ光源としては、下記の非特許文献１に開示されている、シリコンフォトニクスを用いた波長可変レーザ（ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ−ｔｕｎａｂｌｅ ｌａｓｅｒ ｄｉｏｄｅ）が存在する。この波長可変レーザは、ＳＯＡと、このＳＯＡに結合された共振器構造を有するシリコン導波路部とで構成されたものである。この波長可変レーザでは、共振器構造をＳＯＡの外部に設けることで、出力光の狭スペクトル線幅化を実現することができる。また、当該共振器構造には、２つのリング共振器と、これらリング共振器の温度を個別に調整するためのヒータとが設けられている。ヒータを用いてリング共振器の温度を変化させることにより、共振器構造全体の光路長を変化させて共振波長条件を変えることができ、可変波長制御が可能となる。【先行技術文献】
【非特許文献】
【0004】
【非特許文献1】T. Kita et al., “Silicon photonic wavelength-tunable laser diode with asymmetric Mach-Zehnder interferometer,” IEEE J. Select. Top. Quant. Electron. 20, 8201806 (2014).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
上記した従来の波長可変レーザでは、共振器構造を構成するシリコン導波路における非線形光学効果により、出力波長の不安定化が生じるという課題がある。シリコン導波路では、コアとクラッドとの屈折率差が大きいことから、コアへの強い光閉込め効果を実現することができる反面、高い出力光パワーに対して非線形光学効果の１つである２光子吸収（Ｔｗｏ−Ｐｈｏｔｏｎ Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ，ＴＰＡ）が生じやすい。また、ＴＰＡにより発生した自由キャリアが光を吸収する自由キャリア吸収（Ｆｒｅｅ Ｃａｒｒｉｅｒ Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ，ＦＣＡ）と呼ばれる現象が発生する。ＦＣＡは、シリコン導波路の屈折率を変化させるため、出力波長の不安定化を生じさせる。したがって、出力光の狭スペクトル線幅化と高出力パワー化との間にはトレードオフの関係がある。【0006】
上記に鑑みて本発明の目的は、非線形光学効果の発生を抑制して出力波長の安定化を実現することができるレーザ装置を提供することである。【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明の一態様によるレーザ装置は、光増幅器と、前記光増幅器と光学的に結合された光入出力端を有する入出力導波路と、前記入出力導波路の他の光入出力端と光学的に結合された光入出力端及びＮ個の分岐端を有し、前記入出力導波路からの伝搬光をＮ本の光（Ｎは２以上の整数）に分岐させて当該Ｎ本の光を前記Ｎ個の分岐端からそれぞれ出力する分岐導波路と、前記分岐導波路の当該Ｎ個の分岐端と光学的に結合された光入出力端を有し、前記分岐導波路から入力された当該Ｎ本の光をそれぞれ伝搬させるＮ個の導波路コアを有するマルチコア導波路と、前記マルチコア導波路の他の光入出力端と光学的に結合された光反射器とを備え、前記Ｎ個の導波路コアは、当該Ｎ個の導波路コアのうち隣り合う導波路コア同士が光学的に結合するように互いに近接して配置されていることを特徴とする。【発明の効果】
【0008】
本発明によれば、スーパーモードにより、非線形光学効果の発生が抑制されるので、出力波長の安定化を実現することができる。【図面の簡単な説明】
【0009】
【図1】本発明に係る実施の形態１であるレーザ装置の概略構成を示す平面図である。
【図4】ＩＩ−ＩＩ線断面における電界のｘ方向成分分布を濃度値（グレイスケール値）で示す図である。
【図5】ＩＩＩ−ＩＩＩ線断面における電界のｘ方向成分分布を濃度値（グレイスケール値）で示す図である。
【図6】実施の形態１の変形例であるレーザ装置の概略構成を示す平面図である。
【図7】本発明に係る実施の形態２であるレーザ装置の概略構成を示す平面図である。
【図8】実施の形態２の変形例であるレーザ装置の概略構成を示す平面図である。
【図9】本発明に係る実施の形態３であるレーザ装置の概略構成を示す平面図である。
【図11】伝搬モードの実効屈折率のコア幅依存性を示すグラフである。
【図12】スーパーモードの計算結果の一例を示す図である。
【図13】スーパーモードの計算結果の他の例を示す図である。
【図14】光パワーの伝搬に対する変化を計算した結果を示す図である。
【図15】伝搬長Ｌ＝０に対する電界のｘ成分分布を示す図である。
【図16】伝搬長Ｌ＝６６μｍに対する電界のｘ成分分布を示す図である。
【図17】伝搬長Ｌ＝８８μｍに対する電界のｘ成分分布を示す図である。
【図18】実施の形態３の第１変形例であるレーザ装置の概略構成を示す平面図である。
【図19】実施の形態３の第２変形例であるレーザ装置の概略構成を示す平面図である。
【図20】本発明に係る実施の形態４であるレーザ装置の概略構成を示す平面図である。
【図21】実施の形態４の変形例であるレーザ装置の概略構成を示す平面図である。
【図22】本発明に係る実施の形態５であるレーザ装置の概略構成を示す平面図である。
【図23】実施の形態５の変形例であるレーザ装置の概略構成を示す平面図である。
【図24】本発明に係る実施の形態６であるレーザ装置の概略構成を示す平面図である。
【図25】実施の形態６の変形例であるレーザ装置の概略構成を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【0010】
以下、図面を参照しつつ、本発明に係る種々の実施の形態について詳細に説明する。なお、図面全体において同一符号を付された構成要素は、同一構成及び同一機能を有するものとする。【0011】
実施の形態１．図１は、本発明に係る実施の形態１であるレーザ装置１の概略構成を示す平面図である。図２は、図１に示した入出力導波路２２のＩＩ−ＩＩ線における概略断面を示す図であり、図３は、図１に示したマルチコア導波路２７のＩＩＩ−ＩＩＩ線における概略断面を示す図である。
【0012】
図１に示されるようにレーザ装置１は、半導体光増幅器（Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ，ＳＯＡ）１０と、このＳＯＡ１０と光学的に結合された光導波路構造２０とを備えている。図１では、説明の便宜上、導波路パターンを被覆するクラッド層の表示は省略されている。【0013】
光導波路構造２０は、図１に示されるように半導体基板層２１を備え、この半導体基板層２１上に、入出力導波路２２、分岐導波路２３、３本の導波路コア２４〜２６からなるマルチコア導波路２７、及び、３つのミラー（反射鏡）２８〜２９からなる光反射器３１を備えて構成されている。また、図２及び図３の断面図に示されるように、光導波路構造２０は、半導体基板層２１と、この半導体基板層２１上に堆積されたクラッド層３３とを有し、クラッド層３３は、入出力導波路２２、分岐導波路２３、マルチコア導波路２７及び光反射器３１を被覆する。なお、本実施の形態では、入出力導波路２２、分岐導波路２３、マルチコア導波路２７及び光反射器３１は、クラッド層３３によって完全に被覆されているが、これに限定されるものではない。【0014】
このような光導波路構造２０の製造方法は、たとえば、以下のとおりである。先ず、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を用意する。ＳＯＩ基板は、支持基板層、埋め込み酸化シリコン層及びシリコン層がこの順番で積層された基板である。選択エッチング技術を用いてシリコン層をパターニングすることで、入出力導波路２２、分岐導波路２３、マルチコア導波路２７及び光反射器３１を構成するシリコン層のパターンを形成することができる。次に、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により、当該シリコン層のパターン上に酸化シリコン層を堆積させる。この結果、堆積された酸化シリコン層と埋め込み酸化シリコン層とをクラッド層とし、シリコン層のパターンをコア層として有する光導波路構造２０が作製される。この製造方法では、半導体基板層２１は支持基板層によって構成される。なお、この製造方法に代えて、ＳＯＩ基板のシリコン層のうちコア層となるべき部分以外の部分を選択的に酸化させることでクラッド層が形成されてもよい。【0015】
入出力導波路２２は、図１に示されるように単一の導波路コアからなり、ＳＯＡ１０の光入出力端面１０ｂと光学的に結合された光入出力端２２ａを有する。ＳＯＡ１０は、光入出力端面（後端面）１０ｂを介して光を光導波路構造２０に入力することができる。【0016】
マルチコア導波路２７は、同一方向（Ｚ軸方向）に沿って延在しかつＸ軸方向に等間隔で離れて配置された３本の導波路コア２４，２５，２６で構成されている。後述するようにスーパーモードを励振させるため、導波路コア２４，２５，２６は、当該導波路コア２４，２５，２６のうち隣り合う導波路コア同士が光学的に結合するように互いに近接して配置される。【0017】
分岐導波路２３は、入出力導波路２２と光学的に結合された単一の光入出力端と、導波路コア２４，２５，２６の端部２４ａ，２５ａ，２６ａの光入出力端と光学的に結合された３個の分岐端とを有している。分岐導波路２３は、入出力導波路２２からの伝搬光を３本の光に分岐させ、当該３本の光を導波路コア２４，２５，２６にそれぞれ伝搬させることができる。【0018】
光反射器３１は、導波路コア２４，２５，２６の他の端部２４ｂ，２５ｂ，２６ｂの光入出力端と光学的に結合された３個のミラー２８，２９，３０で構成されている。これらミラー２８，２９，３０は、導波路コア２４，２５，２６を伝搬した光をそれぞれＳＯＡ１０の方向に反射させる機能を有する。これにより、ＳＯＡ１０及び光導波路構造２０は、全体として共振器構造を有する。ミラー２８〜３０は、たとえば、ブラッググレーティングによって実現されてもよいし、あるいは、結晶の劈開面で実現されてもよい。【0019】
なお、本実施の形態の導波路コア２４〜２６のコア数は３個であり、分岐導波路２３の分岐端の数は３個であるが、コア数及び分岐端の数はそれぞれ３個に限定されるものではない。コア数及び分岐端の数がそれぞれＮ個（Ｎは２以上の整数）となるように分岐導波路２３及びマルチコア導波路２７の構成を適宜変更することが可能である。【0020】
ＳＯＡ１０は、誘導放出を起こすゲイン媒質である。ＳＯＡ１０における光の増幅が、光導波路構造２０における光の損失を上回ると発振が生じ、レーザ光ＣＬが得られる。ＳＯＡ１０は、光導波路構造２０とは反対側の光出力端面（前端面）１０ａからレーザ光ＣＬを出力する。狭スペクトル線幅を得る１つの方法は、共振器の長さを長くすることであることが知られている。また、レーザ光ＣＬの波長は、共振器の長さと波長の関係から決定され、共振器の長さが波長に対して共振条件を満たす場合、その波長を有するレーザ光ＣＬが出力される。【0021】
図２に示されるように、ＳＯＡ１０から光導波路構造２０に入力された光によって基本モードＦＭが励振される。マルチコア導波路２７においては、導波路コア２４〜２６は、隣り合う導波路コア間でエバネッセント光が相互伝搬するように互いに近接して配置されている。このため、導波路コア２４，２５間、及び、導波路コア２５，２６間が光学的に結合されるので、図３に示されるようにスーパーモードＳＭと呼ばれる伝搬モードが励振される。分岐導波路２３を用いてスーパーモードが励振されるため、高次のスーパーモードの励振は抑制され、０次のスーパーモードのみを選択的に励振することが可能である。【0022】
図４は、入出力導波路２２の伝搬モード（コアモード）が基本モードである場合の、ＩＩ−ＩＩ線断面における電界のｘ方向成分分布を濃度値（グレイスケール値）で示す図である。図４において、ｘ軸はＸ軸方向に対応する位置を示し、ｙ軸はＹ軸方向に対応する位置を示している。（ｘ，ｙ）＝（０，０）の位置に配置された入出力導波路２２が実線で示されている。図４のｘ方向成分分布では、濃度値が高いほど、正のｘ成分の値が大きい。この基本モードは、入出力導波路２２がシリコンで構成され、クラッド層３３がシリカガラスで構成され、入出力導波路２２のコア幅ｗ１＝２９０ｎｍ、その高さｈ＝２９０ｎｍ、入出力導波路２２の屈折率ｎｓｉ＝３．５、クラッド層３３の屈折率ｎＳｉＯ２＝１．４５、波長λ＝１．５５μｍとの条件下で得られたものである。ｘ方向成分分布の計算は、下記の非特許文献２で示されているベクトル有限要素法を用いて行われた。【0023】
・非特許文献２：K. Saitoh and M. Koshiba, “Full-vectorial imaginary-distance beam propagation method based on a finite element scheme: Application to photonic crystal fibers,” IEEE J. Quantum Electron. 38, 927 (2002).【0024】
図５は、図４に示した基本モードに対してマルチコア導波路２７でスーパーモードが励振された場合の、ＩＩＩ−ＩＩＩ線断面における電界のｘ方向成分分布を濃度値（グレイスケール値）で示す図である。図５では、ｘ軸方向に沿って配列された導波路コア２４，２５，２６が、それぞれ矩形状の実線で示されている。このスーパーモードは、導波路コア２４，２５，２６のコア幅ｗ１及び高さｈがすべて同一、かつコア間隔ａ１＝６００ｎｍとの条件下で計算されたものである。【0025】
導波路コア２４，２５，２６のコア間隔ａ１は、導波路コア２４，２５間及び導波路コア２５，２６間にエバネッセント光が相互伝搬できる程度に小さいことから、図５によれば、導波路コア２４，２５同士及び導波路コア２５，２６同士は、０次のスーパーモードを励振できるほど十分に近接していることが分かる。３個の導波路コア２４，２５，２６からなる結合導波路を伝搬したスーパーモードは、後端面の光反射器３１によって反射され、その後、分岐導波路２３で基本モードに変換された後にＳＯＡ１０に入射される。このとき、ＳＯＡ１０の前端面１０ａ側のミラーと光反射器３１との間の共振条件を満足する波長が、出力レーザ光ＣＬの波長となる。【0026】
図５に示したとおり、導波路コア２４〜２６は、スーパーモードを励起励振できる程度に十分近接しているため、導波路コア２４〜２６は光学的に結合しているということができる。マルチコア導波路２７でスーパーモードが励振されることにより、ＩＩＩ−ＩＩＩ線断面における実効コア断面積を拡大させることが可能である。よって、高光出力パワー時の場合、または長い共振器長が採用された場合でも、非線形光学効果を抑制することができる。また、高光出力化と狭スペクトル線幅化の両立を実現することができる。したがって、従来のレーザ光源の高出力化の方法として知られている、コヒーレントビーム結合（Ｃｏｈｅｒｅｎｔ Ｂｅａｍ Ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ，ＣＢＣ）法のように、各コアエレメントの位相調整をせずに済むという利点がある。【0027】
ここで、ＣＢＣとは、アレイ状のファイバーレーザをコヒーレントに結合させる方法である。ＣＢＣでは、アレイ数を増やすことで出力限界値を上昇させることが可能である。また、それぞれのレーザの位相状態を制御することにより、レーザの出射方向を変えることもできる。ＣＢＣは、たとえば、下記の非特許文献３に開示されている。【0028】
・非特許文献３：T. Y. Fan, “Laser Beam Combining for High-Power, High-Radiance Sources,” IEEE J. Select. Top. Quant. Electron. 11, 567 (2005).【0029】
以上に説明したとおり、実施の形態１では、導波路コア２４〜２６は、当該導波路コア２４〜２６のうち隣り合う導波路コア同士が光学的に結合するように互いに近接して配置されているので、マルチコア導波路２７にスーパーモードを励振させることができる。このスーパーモードにより、マルチコア導波路２７の実効コア断面積が大きくなるため、非線形光学効果の発生が抑制され、出力波長の安定化を実現することができる。【0030】
また、本実施の形態では、分岐導波路２３が用いられてるため、高次のスーパーモードの励振は抑制されることから、導波路コア２４〜２６を有する結合導波路を用いても、マルチモード発振を抑制することが可能である。【0031】
図６は、実施の形態１の変形例であるレーザ装置１Ａの概略構成を示す平面図である。この変形例のレーザ装置１Ａは、ＳＯＡ１０及び光導波路構造２０Ａを備えて構成されている。この変形例の光導波路構造２０Ａの構成は、上記分岐導波路２３に代えて図６のマルチモード干渉（ＭＭＩ）型分岐導波路２３Ｍを有する点を除いて、上記実施の形態１の光導波路構造２０の構成と同じである。本実施の形態の場合でも、上記実施の形態１の場合と同様の効果を実現することができる。【0032】
実施の形態２．図７は、本発明に係る実施の形態２であるレーザ装置２の概略構成を示す平面図である。図７に示されるように本実施の形態のレーザ装置２は、ＳＯＡ１０及び光導波路構造２０Ｂを備えて構成されている。この光導波路構造２０Ｂの構成は、実施の形態１の光反射器３１に代えて図７の分岐導波路（後端側分岐導波路）３８及び光反射器３９を有する点を除いて、実施の形態１の光導波路構造２０の構成と同じである。
【0033】
光導波路構造２０Ｂの製造方法は、実施の形態１の光導波路構造２０の製造方法と同様である。光反射器３９は、たとえば、ブラッググレーティングによって実現されてもよいし、あるいは、結晶の劈開面で実現されてもよい。【0034】
本実施の形態の分岐導波路３８は、マルチコア導波路２７と光反射器３９との間に介在し、光反射器３９と光学的に結合された単一の光入出力端と、導波路コア２４，２５，２６の端部２４ｂ，２５ｂ，２６ｂの光入出力端と光学的に結合された３個の分岐端とを有している。分岐導波路３８は、導波路コア２４，２５，２６からそれぞれ伝搬した３本の光を合波して合波光を生成し、この合波光を光反射器３９に出力することができる。また、分岐導波路３８は、光反射器３９で反射された光を３本の光に分岐させ、当該３本の光を導波路コア２４，２５，２６に伝搬させることができる。【0035】
導波路コア２４〜２６を伝搬する０次のスーパーモードは、後端側に配置された分岐導波路３８によって１個の導波路コアを伝搬する基本モードに変換され、更に光反射器３９で反射される。したがって、ＳＯＡ１０と光導波路構造２０Ｂとで共振器構造が構成される。【0036】
本実施の形態では、ミラー反射による複数の導波路コア間の位相の偏差による光損失を防ぐことができるという効果が得られる。すなわち、実施の形態１では、３個のミラー２８〜２９がそれぞれ導波路コア２４〜２６について設けられていたので、ミラー２８〜２９の作製誤差によって伝搬光の反射時に導波路コア間で位相の偏差が生じることがある。これは、伝搬しているスーパーモードに対して光損失の要因となる。これに対し、本実施の形態では、光反射器３９とマルチコア導波路２７との間に分岐導波路３８が配置されているので、分岐導波路３８においてスーパーモードは基本モードに変換される。これにより、複数の導波路コア間の位相の偏差による光損失を防ぐことが可能となる。【0037】
なお、本実施の形態の導波路コア２４〜２６のコア数は３個、前端側に設けられた分岐導波路２３の分岐端の数は３個、後端側に設けられた分岐導波路３８の分岐端の数も３個であるが、コア数及び分岐端の数はそれぞれ３個に限定されるものではない。コア数及び分岐端の数がそれぞれＮ個（Ｎは２以上の整数）となるように分岐導波路２３，３８及びマルチコア導波路２７の構成を適宜変更することが可能である。【0038】
図８は、実施の形態２の変形例であるレーザ装置２Ａの概略構成を示す平面図である。この変形例のレーザ装置２Ａは、ＳＯＡ１０及び光導波路構造２０Ｃを備えて構成されている。この変形例の光導波路構造２０Ｃの構成は、上記分岐導波路（後端側分岐導波路）３８に代えて図８のマルチモード干渉型分岐導波路３８Ｍを有する点を除いて、上記実施の形態２の光導波路構造２０Ｂの構成と同じである。この変形例の場合でも、上記実施の形態２の場合と同様の効果を実現することができる。図８の構成において、分岐導波路２３に代えてマルチモード干渉型分岐導波路２３Ｍ（図６）が採用されてもよい。【0039】
実施の形態３．図９は、本発明に係る実施の形態３であるレーザ装置３の概略構成を示す平面図である。図１０は、図９に示したマルチコア導波路４７のＩＸ−ＩＸ線における概略断面を示す図である。図９に示されるようにレーザ装置３は、ＳＯＡ１０とこのＳＯＡ１０と光学的に結合された光導波路構造４０とを備えている。図９では、説明の便宜上、導波路パターンを被覆するクラッド層の表示は省略されている。
【0040】
光導波路構造４０は、図９に示されるように半導体基板層４１上に、入出力導波路４２、分岐導波路４３、３本の導波路コア４４〜４６からなるマルチコア導波路４７、３本の導波路コア５４〜５６からなるバス導波路（第１のバス導波路）５７、３本の導波路コア６４〜６６からなるバス導波路（第２のバス導波路）６７、３個のミラー（反射鏡）６８〜７０からなる光反射器７１、リング共振器（第１及び第２のリング共振器）５０，６０、及び、これらリング共振器５０，６０の温度調整のための温度調整素子として機能するヒータ（電極）７８，７９を備えて構成されたリング共振器構造である。【0041】
また、図１０の断面図に示されるように、光導波路構造４０は、半導体基板層４１と、この半導体基板層２１上に堆積されたクラッド層５３とを有し、このクラッド層５３は、入出力導波路４２、分岐導波路４３、マルチコア導波路４７、バス導波路５７，６７、光反射器７１及びリング共振器５０，６０を被覆する。なお、本実施の形態では、入出力導波路４２、分岐導波路４３、マルチコア導波路４７、バス導波路５７，６７、光反射器７１及びリング共振器５０，６０は、クラッド層５３によって完全に被覆されているが、これに限定されるものではない。このような光導波路構造４０の製造方法は、上記実施の形態１の光導波路構造２０の製造方法と同様である。【0042】
入出力導波路４２は、図９に示されるように単一の導波路コアからなり、ＳＯＡ１０の光入出力端面１０ｂと光学的に結合された光入出力端４２ａを有する。ＳＯＡ１０は、光入出力端面（後端面）１０ｂを介して光を光導波路構造４０に入力することができる。【0043】
分岐導波路４３は、入出力導波路４２と光学的に結合された単一の光入出力端と、導波路コア４４，４５，４６の端部４４ａ，４５ａ，４６ａの光入出力端と光学的に結合された３個の分岐端を有している。分岐導波路４３は、入出力導波路４２からの伝搬光を３本の光に分岐させ、当該３本の光を導波路コア４４，４５，４６に伝搬させることができる。【0044】
マルチコア導波路４７は、同一方向（Ｚ軸方向）に沿って延在しかつＸ軸方向に等間隔で離れて配置された３本の導波路コア４４，４５，４６で構成されている。実施の形態１の場合と同様に、これら導波路コア４４，４５，４６は、スーパーモードを励振させるため、当該導波路コア４４，４５，４６のうち隣り合う導波路コア同士が光学的に結合するように互いに近接して配置される。これにより、隣り合う導波路コア間でエバネッセント光が相互伝搬することが可能となる。【0045】
なお、本実施の形態の導波路コア４４〜４６のコア数は３個であり、分岐導波路４３の分岐端の数は３個であるが、コア数及び分岐端の数はそれぞれ３個に限定されるものではない。コア数及び分岐端の数がそれぞれＮ個（Ｎは２以上の整数）となるように分岐導波路４３及びマルチコア導波路４７の構成を適宜変更することが可能である。【0046】
リング共振器（第１のリング共振器）５０は、円環状の導波路コア（シングルコア）で構成されている。このリング共振器５０の一端部は、導波路コア４４，４５，４６の端部４４ｂ，４５ｂ，４６ｂと光学的に結合するように配置されている。この配置により、リング共振器５０の当該一端部と導波路コア４４，４５，４６の端部４４ｂ，４５ｂ，４６ｂとで方向性結合器５１が構成される。【0047】
バス導波路（第１のバス導波路）５７は、同一方向（Ｚ軸方向）に沿って延在しかつＸ軸方向に等間隔で離れて配置された３本の導波路コア５４，５５，５６で構成されている。実施の形態１の場合と同様に、これら導波路コア５４，５５，５６は、スーパーモードを励振させるため、当該導波路コア５４，５５，５６のうち隣り合う導波路コア同士が光学的に結合するように互いに近接して配置される。これにより、隣り合う導波路コア間でエバネッセント光が相互伝搬することが可能となる。導波路コア５４，５５，５６の一方の端部５４ｂ，５５ｂ，５６ｂは、リング共振器５０の他端部と光学的に結合するように配置されている。この配置により、リング共振器５０の他端部と導波路コア５４，５５，５６の端部５４ｂ，５５ｂ，５６ｂとで方向性結合器５２が構成される。【0048】
なお、本実施の形態のバス導波路５７における導波路コア５４〜５６のコア数は３個であるが、この個数に限定されるものではない。コア数がＭ個（Ｍは２以上の整数）となるようにバス導波路５７の構成を適宜変更することが可能である。【0049】
バス導波路５７における導波路コア５４，５５，５６の他方の端部５４ａ，５５ａ，５６ａは、他のリング共振器（第２のリング共振器）６０の一端部と光学的に結合する。このリング共振器６０は、図９に示されるように円環状の導波路コア（シングルコア）で構成されている。リング共振器５０の一端部と導波路コア５４，５５，５６の他方の端部５４ａ，５５ａ，５６ａとが光学的に結合することにより、方向性結合器６１が構成される。【0050】
一方、バス導波路（第２のバス導波路）６７は、同一方向（Ｚ軸方向）に沿って延在しかつＸ軸方向に等間隔で離れて配置された３本の導波路コア６４，６５，６６で構成されている。実施の形態１の場合と同様に、導波路コア６４，６５，６６は、スーパーモードを励振させるため、当該導波路コア６４，６５，６６のうち隣り合う導波路コア同士が光学的に結合するように互いに近接して配置される。これにより、隣り合う導波路コア間でエバネッセント光が相互伝搬することが可能となる。導波路コア６４，６５，６６の一方の端部６４ａ，６５ａ，６６ａは、リング共振器６０の他端部と光学的に結合するように配置されている。この配置により、当該リング共振器６０の他端部と導波路コア６４，６５，６６の一方の端部６４ａ，６５ａ，６６ａとで方向性結合器６２が構成される。【0051】
なお、本実施の形態のバス導波路６７における導波路コア６４〜５６のコア数は３個であるが、この個数に限定されるものではない。コア数がＫ個（Ｋは２以上の整数）となるようにバス導波路６７の構成を適宜変更することが可能である。【0052】
バス導波路６７における導波路コア６４，６５，６６の他方の端部６４ｂ，６５ｂ，６６ｂは、光反射器７０と光学的に結合するように配置されている。図９に示されるように光反射器７１は、導波路コア６４，６５，６６の他方の端部６４ｂ，６５ｂ，６６ｂの光入出力端と光学的に結合された３個のミラー６８，６９，７０で構成されている。これらミラー６８，６９，７０は、導波路コア６４，６５，６６を伝搬した光をそれぞれ逆方向に反射させる機能を有する。このようなミラー６８，６９，７０は、たとえば、ブラッググレーティングによって実現されてもよいし、あるいは、結晶の劈開面で実現されてもよい。【0053】
そして、リング共振器５０上に高抵抗金属材料からなるヒータ７８が形成されており、リング共振器６０上に高抵抗金属材料からなるヒータ７９が形成されている。このようなヒータ７８，７９は、たとえば、タンタル、白金またはチタンなどの高抵抗金属材料を蒸着することにより形成することが可能である。ヒータ７８，７９に通電しこれらヒータ７８，７９の温度を個別に制御することで、２つのリング共振器５０，６０のバーニア効果（屈折率変化）によって共振波長が変化する。よって、チューナブルな波長制御を実現することが可能となる。【0054】
リング共振器５０，６０と結合されるマルチコア導波路４７及びバス導波路５７，６７の各々は、３個の導波路コアからなる結合導波路として機能する。このため、マルチコア導波路４７及びバス導波路５７，６７を伝搬する０次のスーパーモードとリング共振器５０，６０の伝搬モードとが位相整合するように導波路パラメータを選択することによって、マルチコア導波路４７及びバス導波路５７，６７の組とリング共振器５０，６０とは光学的に結合され、全体として共振器を形成することができる。【0055】
今、結合導波路を構成する３個の導波路コア（たとえば、導波路コア４４〜４６）を「コアＡ」と呼び、リング共振器（たとえば、リング共振器５０）を形成する導波路を「コアＢ」と呼ぶこととする。コアＡは、図１０に示されるように、実施の形態１の場合と同様に、コア幅ｗ１、高さｈ、間隔ａ１を有している。一方、コアＢのコア幅ｗ２は、３個の導波路コアからなる結合導波路の伝搬モードである０次のスーパーモードと位相整合するように決定される必要がある。【0056】
図１１は、コアＢのみが存在すると仮定して計算された伝搬モードの実効屈折率Ｉ１のコア幅ｗ２依存性を示すグラフである。参考として、コアＡの０次スーパーモード（図５）に対する実効屈折率を破線Ｉ０で示す。ｗ２＝２９９ｎｍとすると、位相整合条件を満たすことが確認可能である。ここで、一般に、１個の導波路コアに対する基本モードの実効屈折率よりも、３個の導波路コアによる０次スーパーモードのほうが実効屈折率が大きいため、ｗ２＞ｗ１の関係になっていることに注意すべきである。ただし、０次のスーパーモードでなく、高次のスーパーモードを励振するよう分岐導波路を設計した場合には、この限りではない。【0057】
このような条件に対して、コアＡとコアＢ間のコア間隔をたとえばａ２＝８００ｎｍとした場合における２つのスーパーモードの計算結果を図１２及び図１３にそれぞれ示す。ここで、図１２では、左方に現れるコアＢのｘ方向成分の値は正の値を示し、右方に現れる３つのコアＡのｘ方向成分の値も正の値を示す。一方、図１３では、左方に現れるコアＢのｘ方向成分の値は負の値を示し、右方に現れる３つのコアＡのｘ方向成分の値は正の値を示している。図１２に示したスーパーモードの実効屈折率をｎｅ、図１３に示した実効屈折率をｎｏとすると、コアＡのスーパーモードがコアＢに完全に移行する伝搬長である結合長Ｌｃは、これらのスーパーモードのビートから以下の式（１）により計算できる。【0058】
Ｌｃ＝λ／｛２（ｎｅ−ｎｏ）｝ （１）【0059】
今、実効屈折率ｎｅは約２．０５１５９７、実効屈折率ｎｏは約２．０４２８０３と計算することができるため、結合長Ｌｃは、約８８μｍと見積もることができる。このことを確かめるため、コアＡに入力した光パワーの伝搬に対する変化を計算した結果Ｐ０を図１４に示す。図１４の結果の計算には、下記の非特許文献４に示されている、ベクトル有限要素法に基づくビーム伝搬法が使用された。【0060】
・非特許文献４：K. Saitoh, and M. Koshiba, “Full-vectorial finite element beam propagation method with perfectly matched layers for anisotropic optical waveguides,” IEEE/OSA J. Lightwave Technol. 19, 405 (2001).【0061】
図１５，図１６及び図１７には、伝搬長Ｌについて、Ｌ＝０、Ｌ＝６６μｍ、Ｌ＝８８μｍに対する電界のｘ成分分布がそれぞれ示されている。コアＡに入力した光パワーは、伝搬に従って徐々にコアＢに移行し、結合長Ｌｃが約８８μｍのときには、当該光パワーはほぼ１００％コアＢに移行していることが確認できる。なお、結合長Ｌｃの値については、コア間隔ａ２を小さい値となるように設計すれば、ｎｅ−ｎｏの値は大きくなり、結合長Ｌｃは更に短くなる。逆にコア間隔ａ２の値を大きい値となるように設計すれば、ｎｅ−ｎｏの値は小さくなり、結合長Ｌｃは更に長くなる。【0062】
以上に説明したように実施の形態３では、実施の形態１と同様の効果を奏することができる。この効果に加え、チューナブルな波長制御が可能である。各々が３個の導波路コアからなる結合導波路４７，５７，６７とリング共振器５０，６０を構成するコアとが位相整合し、これらコア間で光パワーの移行が可能であることから、各々が３個の導波路コアからなる結合導波路４７，５７，６７を用いても、本実施の形態のレーザ装置３は、全体として共振器として動作することが可能となる。【0063】
次に、実施の形態３の変形例について説明する。図１８は、実施の形態３の第１変形例であるレーザ装置３Ａの概略構成を示す平面図である。この変形例のレーザ装置３Ａは、ＳＯＡ１０及び光導波路構造４０Ａを備えて構成されている。この変形例の光導波路構造４０Ａの構成は、上記分岐導波路４３に代えて図１８のマルチモード干渉型分岐導波路４３Ｍを有する点を除いて、上記実施の形態３の光導波路構造４０の構成と同じである。本実施の形態の場合でも、上記実施の形態３の場合と同様の効果を実現することができる。【0064】
図１９は、実施の形態３の第２変形例であるレーザ装置３Ｂの概略構成を示す平面図である。図１９に示されるように本実施の形態のレーザ装置３Ｂは、ＳＯＡ１０及び光導波路構造４０Ｂを備えて構成されている。この光導波路構造４０Ｂの構成は、実施の形態３のリング共振器５０，６０及びヒータ７８，７９に代えて、図１９の中間分岐導波路８１，８３，８５，８７、接続導波路８２，８４，８６，８８、リング共振器９１，９２及びヒータ９８，９９を有する点を除いて、実施の形態３の光導波路構造４０の構成と同じである。【0065】
レーザ装置３Ｂにおいては、接続導波路８２とリング共振器９１の端部とで方向性結合器９３が形成され、接続導波路８４とリング共振器９１の他端部とで方向性結合器９４が形成されている。また、接続導波路８６とリング共振器９２の端部とで方向性結合器９５が形成され、接続導波路８８とリング共振器９２の他端部とで方向性結合器９６が形成されている。光導波路構造４０Ｂの製造方法は、実施の形態１の製造方法と同様である。【0066】
図１９に示されるように中間分岐導波路（第１の中間分岐導波路）８１は、マルチコア導波路４７とリング共振器９１との間に介在し、導波路コア４４〜４６の端部４４ｂ，４５ｂ，４６ｂの光入出力端と光学的に結合されている。中間分岐導波路（第１の接続導波路）８１は、導波路コア４４〜４６から入力された３本の光を合波して合波光を生成する。方向性結合器９３において、接続導波路８２は、中間分岐導波路８１から入力された合波光をリング共振器９１の一端部に伝搬させることができる。逆に、接続導波路８２は、リング共振器９１の当該一端部から入力された光を中間分岐導波路８１に伝搬させる。中間分岐導波路８１は、接続導波路８２から入力された光を３本の光に分岐させて当該３本の光を導波路コア４４〜４６にそれぞれ伝搬させることができる。【0067】
方向性結合器９４では、接続導波路（第２の接続導波路）８４は、リング共振器９１の他端部からの伝搬光を中間分岐導波路８３に出力する。中間分岐導波路（第２の中間分岐導波路）８３は、バス導波路５７とリング共振器９１との間に介在し、導波路コア５４〜５６の端部５４ｂ，５５ｂ，５６ｂの光入出力端と光学的に結合されている。中間分岐導波路８３は、リング共振器９１の他端部から接続導波路８４を介して入力された光を３本の光に分岐させて当該３本の光をそれぞれ導波路コア５４〜５６に伝搬させることができる。逆に、中間分岐導波路８３は、導波路コア５４〜５６の端部５４ｂ，５５ｂ，５６ｂから入力された３本の光を合波して合波光を生成し、当該合波光を、接続導波路８４を介してリング共振器９１に伝搬させることができる。【0068】
一方、中間分岐導波路（第３の中間分岐導波路）８５は、バス導波路５７とリング共振器９２との間に介在し、導波路コア５４〜５６の端部５４ａ，５５ａ，５６ａの光入出力端と光学的に結合されている。中間分岐導波路８５は、導波路コア５４〜５６から入力された３本の光を合波して合波光を生成する。方向性結合器９５において、接続導波路（第３の接続導波路）８６は、中間分岐導波路８５から入力された合波光をリング共振器９２の一端部に伝搬させることができる。逆に、接続導波路８６は、リング共振器９２の当該一端部から入力された光を中間分岐導波路８５に伝搬させる。中間分岐導波路８５は、接続導波路８６から入力された光を３本の光に分岐させて当該３本の光を導波路コア５４〜５６にそれぞれ伝搬させることができる。【0069】
方向性結合器９６では、接続導波路（第４の接続導波路）８８は、リング共振器９２の他端部からの伝搬光を中間分岐導波路８７に出力する。中間分岐導波路（第４の中間分岐導波路）８７は、バス導波路６７とリング共振器９２との間に介在し、導波路コア６４〜６６の端部６４ａ，６５ａ，６６ａの光入出力端と光学的に結合されている。中間分岐導波路８７は、リング共振器９２の他端部から接続導波路８８を介して入力された光を３本の光に分岐させて当該３本の光をそれぞれ導波路コア６４〜６６に伝搬させることができる。逆に、中間分岐導波路８７は、導波路コア６４〜６６の端部６４ａ，６５ａ，６６ａから入力された３本の光を合波して合波光を生成し、当該合波光を、接続導波路８８を介してリング共振器９２に伝搬させることができる。【0070】
実施の形態４．図２０は、本発明に係る実施の形態４であるレーザ装置４の概略構成を示す平面図である。図２０に示されるように本実施の形態のレーザ装置４は、ＳＯＡ１０及び光導波路構造４０Ｃを備えて構成されている。この光導波路構造４０Ｃの構成は、実施の形態３の光反射器７１に代えて図２０の分岐導波路（後端側分岐導波路）８９及び光反射器１００を有する点を除いて、実施の形態３の光導波路構造４０の構成と同じである。
【0071】
光導波路構造４０Ｃの製造方法は、実施の形態１の光導波路構造２０の製造方法と同様である。光反射器１００は、たとえば、ブラッググレーティングによって実現されてもよいし、あるいは、結晶の劈開面で実現されてもよい。【0072】
本実施の形態の分岐導波路８９は、バス導波路６７と光反射器１００との間に介在し、光反射器１００と光学的に結合された単一の光入出力端と、導波路コア６４〜６６の端部６４ｂ，６５ｂ，６６ｂの光入出力端と光学的に結合された３個の分岐端とを有している。分岐導波路８９は、導波路コア６４〜６６からそれぞれ伝搬した３本の光を合波して合波光を生成し、この合波光を光反射器１００に出力することができる。また、分岐導波路８９は、光反射器１００で反射された光を３本の光に分岐させ、当該３本の光を導波路コア６４〜６６に伝搬させることができる。【0073】
このように分岐導波路８９は、上記実施の形態２の分岐導波路３８と同様の機能を有することから、実施の形態２の場合と同様に、導波路コア６４〜６６を伝搬する０次のスーパーモードを、１個の導波路コアを伝搬する基本モードに変換し、当該基本モードを光反射器１００に与えることができる。したがって、実施の形態４では、実施の形態３と同様の効果に加えて、実施の形態２の場合と同様に、ミラー反射における複数の導波路コア間の位相の偏差による光損失を防ぐことができる。【0074】
図２１は、実施の形態４の変形例であるレーザ装置４Ａの概略構成を示す平面図である。この変形例のレーザ装置４Ａは、ＳＯＡ１０及び光導波路構造４０Ｄを備えて構成されている。この変形例の光導波路構造４０Ｄの構成は、上記分岐導波路（後端側分岐導波路）８９に代えて図２１のマルチモード干渉型分岐導波路８９Ｍを有する点を除いて、上記実施の形態４の光導波路構造４０Ｃの構成と同じである。この変形例の場合でも、上記実施の形態４の場合と同様の効果を実現することができる。【0075】
実施の形態５．図２２は、本発明に係る実施の形態５であるレーザ装置５の概略構成を示す平面図である。図２２に示されるように本実施の形態のレーザ装置５は、ＳＯＡ１０及び光導波路構造４０Ｅを備えて構成されている。この光導波路構造４０Ｅの構成は、実施の形態３のリング共振器５０，６０及びヒータ７８，７９に代えて、図２２の多重リング共振器１１０，１２０及びヒータ１１８，１１９を有する点を除いて、実施の形態３の光導波路構造４０の構成と同じである。
【0076】
多重リング共振器（第１のリング共振器）１１０は、同心状に配置された３個のリング状導波路コア１１１，１１２，１１３からなる。リング状導波路コア１１１，１１２，１１３は、スーパーモードを励振させるため、当該リング状導波路コア１１１，１１２，１１３のうち隣り合うリング状導波路コア同士が光学的に結合するように互いに近接して配置される。これにより、隣り合うリング状導波路コア間でエバネッセント光が相互伝搬することが可能となる。また、チューナブルな波長制御を実現するために、高抵抗金属材料からなるヒータ１１８が多重リング共振器１１０上に設けられている。このような多重リング共振器１１０の一端部とマルチコア導波路４７の導波路コア４４〜４６の端部４４ｂ，４５ｂ，４６ｂとで方向性結合器１１４が構成され、多重リング共振器１１０の他端部とバス導波路５７の導波路コア５４〜５６の端部５４ｂ，５５ｂ，５６ｂとで方向性結合器１１５が構成される。【0077】
なお、多重リング共振器１１０におけるリング状導波路コア１１１〜１１３のコア数は３個であるが、コア数は３個に限定されるものではない。コア数がＬ個（Ｌは２以上の整数）となるように多重リング共振器１１０の構成を適宜変更することが可能である。 【0078】
一方、多重リング共振器（第２のリング共振器）１２０は、同心状に配置された３個のリング状導波路コア１２１，１２２，１２３からなる。リング状導波路コア１２１，１２２，１２３は、スーパーモードを励振させるため、当該リング状導波路コア１２１，１２２，１２３のうち隣り合うリング状導波路コア同士が光学的に結合するように互いに近接して配置される。これにより、隣り合うリング状導波路コア間でエバネッセント光が相互伝搬することが可能となる。また、チューナブルな波長制御を実現するために、高抵抗金属材料からなるヒータ１１９が多重リング共振器１２０上に設けられている。このような多重リング共振器１２０の一端部とバス導波路５７の導波路コア５４〜５６の端部５４ａ，５５ａ，５６ａとで方向性結合器１２４が構成され、多重リング共振器１２０の他端部とバス導波路６７の導波路コア６４〜６６の端部６４ａ，６５ａ，６６ａとで方向性結合器１２５が構成される。【0079】
なお、多重リング共振器１２０におけるリング状導波路コア１２１〜１２３のコア数は３個であるが、コア数は３個に限定されるものではない。コア数がＰ個（Ｐは２以上の整数）となるように多重リング共振器１２０の構成を適宜変更することが可能である。 【0080】
以上に説明したように実施の形態５では、多重リング共振器１１０，１２０は、スーパーモードを励振するように構成されている。よって、実施の形態３と同様の設計方法により、マルチコア導波路４７及びバス導波路５７，６７のスーパーモードに対する位相整合条件が満足されれば、レーザ装置５は全体として共振器として動作することができる。したがって、実施の形態３の効果に加えて、多重リング共振器１１０，１２０における結合導波路に対しても実効コア断面積を拡大させることが可能であるので、高光出力パワー時において非線形光学効果を抑制することが可能となる。したがって、出力波長の安定化を実現することができる。【0081】
図２３は、実施の形態５の変形例であるレーザ装置５Ａの概略構成を示す平面図である。この変形例のレーザ装置５Ａは、ＳＯＡ１０及び光導波路構造４０Ｆを備えて構成されている。この変形例の光導波路構造４０Ｆの構成は、上記したバス導波路５７，６７に代えて図２３の導波路コア（シングルコア）５４，６４を有する点を除いて、上記実施の形態５の光導波路構造４０Ｅの構成と同じである。この変形例においては、多重リング共振器１１０（第１のリング共振器）の他端部と導波路コア５４の端部５４ｂとで方向性結合器１１５Ａが構成されている。また、多重リング共振器１２０（第２のリング共振器）の一端部と導波路コア５４の端部５４ａとで方向性結合器１２４Ａが構成され、多重リング共振器１２０の他端部と導波路コア６４の端部６４ａとで方向性結合器１２５Ａが構成されている。【0082】
この変形例でも、マルチコア導波路４７及び多重リング共振器１１０，１２０でスーパーモードが励振されることから、高光出力パワー時において非線形光学効果を抑制することができる。したがって、出力波長の安定化を実現することができる。【0083】
実施の形態６．図２４は、本発明に係る実施の形態６であるレーザ装置６の概略構成を示す平面図である。図２４に示されるように本実施の形態のレーザ装置６は、ＳＯＡ１０及び光導波路構造４０Ｇを備えて構成されている。この光導波路構造４０Ｇの構成は、実施の形態５の入出力導波路４２及びマルチコア導波路４７に代えて図２４の入出力導波路４７Ｓを有する点を除いて、実施の形態５の光導波路構造４０Ｅの構成と同じである。
【0084】
入出力導波路４７Ｓは、図２４に示されるように単一の導波路コア（シングルコア）からなり、ＳＯＡ１０の光入出力端面１０ｂと光学的に結合された光入出力端４７Ｓａを有する。ＳＯＡ１０は、光入出力端面（後端面）１０ｂを介して光を光導波路構造４０Ｇに入力することができる。本実施の形態においては、多重リング共振器１１０（第１のリング共振器）の一端部と入出力導波路４７Ｓの端部４７Ｓｂとで方向性結合器１１４Ａが構成されている。【0085】
本実施の形態でも、多重リング共振器１１０，１２０でスーパーモードが励振されることから、高光出力パワー時において非線形光学効果を抑制することができる。したがって、出力波長の安定化を実現することができる。【0086】
図２５は、実施の形態６の変形例であるレーザ装置６Ａの概略構成を示す平面図である。この変形例のレーザ装置６Ａは、ＳＯＡ１０及び光導波路構造４０Ｈを備えて構成されている。この変形例の光導波路構造４０Ｈの構成は、上記したバス導波路５７，６７に代えて図２５の導波路コア（シングルコア）５４，６４を有する点を除いて、上記実施の形態６の光導波路構造４０Ｇの構成と同じである。この変形例においては、多重リング共振器１１０（第１のリング共振器）の他端部と導波路コア５４の端部５４ｂとで方向性結合器１１５Ａが構成されている。また、多重リング共振器１２０（第２のリング共振器）の一端部と導波路コア５４の端部５４ａとで方向性結合器１２４Ａが構成され、多重リング共振器１２０の他端部と導波路コア６４の端部６４ａとで方向性結合器１２５Ａが構成されている。【0087】
この変形例でも、多重リング共振器１１０，１２０でスーパーモードが励振されることから、高光出力パワー時において非線形光学効果を抑制することができる。したがって、出力波長の安定化を実現することができる。【0088】
以上、図面を参照して本発明に係る種々の実施の形態について述べたが、これら実施の形態は本発明の例示であり、これら実施の形態以外の様々な形態を採用することもできる。たとえば、上記実施の形態１〜６の各々における結合導波路の導波路コアの数はすべて同一であるが、これに限定されるものではない。位相整合条件が満足されるのであれば、結合導波路の導波路コアの数をすべて同一にする必要はない。また、上記実施の形態１〜６の光導波路構造は、埋め込み型の導波路を有するものであるが、これに限定されるものではない。埋め込み型の導波路に代えて、リッジ型の導波路またはハイメサ型の導波路が使用されてもよい。
【0089】
なお、本発明の範囲内において、上記実施の形態１〜６の自由な組み合わせ、各実施の形態の任意の構成要素の変形、または各実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。【産業上の利用可能性】
【0090】
本発明に係るレーザ装置は、たとえば、中距離メトロネットワークあるいはデータセンタネットワークといった通信ネットワークでの光通信技術に用いられるのに適している。【符号の説明】
【0091】
１，１Ａ，２，２Ａ，３，３Ａ，３Ｂ，４，４Ａ，５，６，６Ａ レーザ装置、１０ 半導体光増幅器（ＳＯＡ）、２０，２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ 光導波路構造、２１ 半導体基板層、２２ 入出力導波路、２３ 分岐導波路、２３Ｍ ＭＭＩ（マルチモード干渉）型分岐導波路（後端側分岐導波路）、２４〜２６ 導波路コア、２７ マルチコア導波路（結合導波路）、２８〜３０ ミラー、３１ 光反射器、３３ クラッド層、３８ 分岐導波路（後端側分岐導波路）、３９ 光反射器、４０，４０Ａ〜４０Ｈ 光導波路構造、４１ 半導体基板層、４２ 入出力導波路、４３ 分岐導波路、４３Ｍ ＭＭＩ型分岐導波路（後端側分岐導波路）、４４〜４６ 導波路コア、４７ マルチコア導波路（結合導波路）、４７Ｓ 入出力導波路すなわち導波路コア（シングルコア） ５０ リング共振器、５１，５２ 方向性結合器、５３ クラッド層、５４〜５６ 導波路コア、５７ バス導波路（結合導波路）、６０ リング共振器、６１，６２ 方向性結合器、６４〜６６ 導波路コア、６７ バス導波路（結合導波路）、６８〜７０ ミラー、７１ 光反射器、７８，７９ ヒータ、８１，８３，８５，８７ 中間分岐導波路、８９ 分岐導波路（後端側分岐導波路）、８９Ｍ ＭＭＩ型分岐導波路（後端側分岐導波路）、８２，８４，８６，８８ 接続導波路、９１，９２ リング共振器、９３〜９６ 方向性結合器、９８，９９ ヒータ、１００ 光反射器、１１０，１２０ 多重リング共振器（結合導波路）、１１１〜１１３，１２１〜１２３ リング状導波路コア、１１４，１１５ 方向性結合器、１１８，１１９ ヒータ、１２４，１２５ 方向性結合器。