特表 2023-523797 周波数ノイズが低減された外部共振器レーザー

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2023-06-07

(54)【発明の名称】周波数ノイズが低減された外部共振器レーザー

(51)【国際特許分類】

   H01S 5/0683 20060101AFI20230531BHJP

   G02F 1/01 20060101ALI20230531BHJP

   H01S 5/14 20060101ALI20230531BHJP

【ＦＩ】

H01S5/0683

G02F1/01 C

H01S5/14

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2022566199

(86)(22)【出願日】2021-04-28

(85)【翻訳文提出日】2022-12-15

(86)【国際出願番号】 IB2021053549

(87)【国際公開番号】W WO2021220201

(87)【国際公開日】2021-11-04

(31)【優先権主張番号】63/016,921

(32)【優先日】2020-04-28

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】521040466

【氏名又は名称】ファイバー センス リミテッド

(74)【代理人】

【識別番号】110001519

【氏名又は名称】弁理士法人太陽国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】ヨッフェ、ギデオン

【テーマコード（参考）】

2K102

5F173

【Ｆターム（参考）】

2K102AA21

2K102AA28

2K102AA29

2K102BA01

2K102BA16

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2K102EB29

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5F173MF28

5F173MF40

5F173SA08

5F173SA09

5F173SA26

5F173SC10

(57)【要約】

分散型ファイバ感知システムのためのレーザーは、レーザーと一体化された周波数弁別器を有することができる。レーザーは外部共振器レーザーであってもよく、レーザー共振器の少なくとも一部は、周波数弁別器も含む平面光波回路上にあってもよい。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

分散型ファイバ感知システムのための周波数弁別器を備えたレーザー装置であって、
光を発生するレーザー素子と、
前記レーザー素子からの光を受光するように前記レーザー素子に光学的に結合された平面光波回路（ＰＬＣ）と、を備え、
前記ＰＬＣは周波数弁別器コンポーネントを含む、
レーザー装置。

【請求項2】

前記周波数弁別器コンポーネントは、非対称アーム長を有するマッハツェンダ干渉計と、少なくとも１つのアーム内の位相シフタとを備える、請求項１に記載のレーザー装置。

【請求項3】

前記レーザー素子は外部共振器レーザーの一部であり、
前記ＰＬＣは前記レーザー素子に波長選択的フィードバックを提供するように、前記レーザー素子に光学的に結合された波長選択的コンポーネントを含む、請求項１に記載のレーザー装置。

【請求項4】

前記レーザー素子は、反射型半導体光増幅器（ＲＳＯＡ：ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｏｐｔｉｃａｌ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）を含む、請求項３に記載のレーザー装置。

【請求項5】

前記波長選択的コンポーネントは、ブラッググレーティングを含むことを特徴とする請求項４に記載のレーザー装置。

【請求項6】

前記周波数弁別器コンポーネントは、非対称アーム長を有するマッハツェンダ干渉計と、少なくとも１つのアーム内の位相シフタとを備える、請求項５に記載のレーザー装置。

【請求項7】

マッハツェンダ干渉計が前記ブラッググレーティングを含む導波路の一部に光学的に結合され、前記ブラッググレーティングは前記ＲＳＯＡと前記マッハツェンダ干渉計との間に光学的にある、請求項５に記載のレーザー装置。

【請求項8】

前記波長選択的コンポーネントは導波路を備え、前記導波路の長さの少なくとも一部に沿って摂動を有する、請求項３に記載のレーザー装置。

【請求項9】

前記導波路の前記長さの少なくとも一部に沿った前記摂動が、前記導波路の前記長さの前記少なくとも一部に沿って、前記導波路の一方の側から前記導波路の他方の側に交互になる、請求項８に記載のレーザー装置。

【請求項10】

前記波長選択的コンポーネントは導波路を備え、前記導波路の長さの少なくとも一部に沿って前記導波路の少なくとも片側に導波路材料のアイランドを有する、請求項３に記載のレーザー装置。

【請求項11】

前記導波路材料の島が、前記導波路の前記長さの前記少なくとも一部に沿って、前記導波路の一方の側から他方の側に交互に配置される、請求項１０に記載のレーザー装置。

【請求項12】

前記波長選択的コンポーネントは、リング共振器とブラッググレーティングとを直列に含むことを特徴とする、請求項３に記載のレーザー装置。

【請求項13】

前記ブラッググレーティングは、前記リング共振器のドロップ導波路に結合される、請求項１２に記載のレーザー装置。

【請求項14】

前記ブラッググレーティングの出力は、前記レーザー装置の光出力を提供する、請求項１３に記載のレーザー装置。

【請求項15】

前記リング共振器の送信共振を修正するために、前記リング共振器のためのヒータをさらに備える、請求項１２に記載のレーザー装置。

【請求項16】

前記レーザー素子に隣接する一体型のヒータをさらに備え、前記一体型のヒータは、前記周波数弁別器からの信号に基づいて調整可能である、請求項３に記載のレーザー装置。

【請求項17】

前記レーザー素子から離れた前記ヒータの側に配置された、エッチングされたトレンチをさらに備える、請求項１６に記載のレーザー装置。

【請求項18】

前記レーザー素子と一体化された位相変調器をさらに備え、前記位相変調器は、前記周波数弁別器からの信号に基づいて調整可能である、請求項３に記載のレーザー装置。

【請求項19】

前記周波数弁別器の出力信号は、前記分散型ファイバ感知システムのデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）に結合される、請求項１に記載のレーザー装置。

【請求項20】

前記出力信号は、前記レーザー素子からの光の波長変動を補正する際に前記ＤＳＰが使用するためのものである、請求項１９に記載のレーザー装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は一般に、分散型ファイバ感知に関し、より詳細には、分散型音響感知（ＤＡＳ）システムのためのレーザーに関する。

【背景技術】

【0002】

光分散ファイバーセンシング（ＤＦＳ）システムはファイバ故障の位置を特定するため、または温度、歪み、または振動を測定するために、数十年間使用されてきた。ＤＦＳシステムは、ファイバ自体がセンサのアレイを形成するという点で、離散分散センサを使用するシステムとは区別される。このシステムは、ガラス不均一性（レイリー）、音波（ブリルアン）または光フォノン（ラマン）に起因し得る、ファイバ内の光散乱に依存する。典型的なシステムでは、光パルスがファイバの一端から発射され、反射された後方散乱が発射端で受信される。飛行時間測定値がファイバ内のどこで特定の散乱事象が発生したかを決定するために使用され、受信信号の分析は測定値を評価するために使用される。

【0003】

後方散乱のコヒーレント検出は、分散型音響センシング（ＤＡＳ）として知られることが多い分散型振動センシング（ＤＶＳ）に一般に使用される。光ファイバに沿った点における歪みの変化は、光路長の変化、したがって後方散乱光の位相の変化を引き起こす。

【0004】

ヘテロダインコヒーレント受信機を有する典型的な位相感応ＤＡＳシステムの概略図を図１に示す。連続波（ＣＷ）レーザー１１１からの光はソースレーザーとしての役割を果たし、典型的には１５５０ｎｍ付近の電気通信帯域で動作するが、例えばスプリッター１１３によって２つの経路に分割される。第１の経路は光アイソレータ１１７を通過し、音響光学変調器（ＡＯＭ）１１９によって、典型的には１０～１００ｎｓの長さの光パルスに形成される。ＡＯＭはまた、光の光周波数を、典型的には８０～３００ＭＨｚだけシフトさせる。パルスは、エルビウムドープファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）１２１によって増幅され、光サーキュレータ１２３を介して被試験ファイバ１２５に発射される。試験中のファイバからの後方散乱光は、サーキュレータによってコヒーレント受信器の信号入力に向けられる。ＣＷレーザーからの第２の経路１１５は、コヒーレント受信機への局部発振器（ＬＯ）入力を形成する。第２の経路の光は、光アイソレータ１５１および可変光減衰器１５３を通過する。後方散乱光信号の偏光は被試験ファイバの長さが数十ｋｍであり、したがって、偏光ダイバーシティが受信機において一般に必要とされるので、透過光の偏光とは十分に異なり得る。信号およびＬＯ光は、それぞれ偏光ビームスプリッタ１２９および１５５によって２つの偏光のための経路に分割され、３ｄＢ光カプラ１３１ａ、ｂで混合される。カプラの出力は可変光減衰器１３３ａ～ｄを通過し、平衡光検出器１３５ａ、ｂに取り込まれる。光検出器の電気出力は、トランスインピーダンス増幅器（ＴＩＡ）１３７ａ、ｂによって増幅され、アナログ－デジタル変換器（ＡＤＣ）１３９ａ、ｂによってデジタル信号に変換され、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）１４１によって分析される。信号およびＬＯの光周波数は、ＡＯＭ周波数によって異なる。対象となる振動周波数は０～数十ｋＨｚの範囲であり、したがって、信号の全位相情報を電気的に測定することができる。

【0005】

ＤＡＳシステムの感度は様々なノイズ源に依存し、最も重要なものの１つは、レーザーの周波数ノイズまたは位相ノイズである。システムの目的はゼロ周波数から数十ｋＨｚまでの比較的遅い位相変動を測定することであるので、ＤＡＳシステムではレーザー源がこの範囲の低周波数ノイズを示すことが一般に好ましい。

【0006】

２つの異なるタイプのレーザーが、ＤＡＳシステムにおけるソースとして一般に使用される。
ｉ．ファイバレーザーは、ドープされた光ファイバが光の生成及び増幅に使用され、ファイバ・ブラッグ・グレーティングのような光フィードバックの何らかの手段を有する。
ｉｉ．拡張光キャビティが自由空間、光ファイバ、または平面光波回路（ＰＬＣ）に形成される外部キャビティ半導体レーザー（ＥＣＬ）。

【0007】

両方のタイプのレーザーにおいて、長い光キャビティの設計は、分布帰還（ＤＦＢ）レーザーなどの単一周波数半導体レーザーと比較して、周波数ノイズの実質的な低減を提供する。周波数雑音の便利な測定基準は、周波数雑音スペクトルの高周波部分に密接に関連する光線幅である。ＤＦＢレーザーの線幅は典型的には０．５～５ＭＨｚの範囲であり、一方、ＤＡＳシステムのためのファイバレーザーまたはＥＣＬの線幅は、典型的には０．１～１０ｋＨｚである。

【0008】

図２に示すように、レーザーのノイズ低減技術を示す半概略図であるフィードバック技術を用いて、レーザーの周波数ノイズを低減することができる。図２において、連続波レーザー１１１の光出力の一部は、タップ２１３によって取り出され、周波数弁別器２１５に送られ、周波数または波長変動を光パワー変動に変換する。周波数弁別器の典型的な例は、不均等なアーム長を有するファブリペロー（Ｆａｂｒｙ－Ｐｅｒｏｔ）干渉計およびマッハツェンダ（Ｍａｃｈ－Ｚｅｈｎｄｅｒ）干渉計である。弁別器の光出力は光検出器２１９に落ち、その電気出力は増幅器２１９によって増幅され、周波数ノイズの電気的測定値を形成する。制御回路２２１を有するフィードバックループは、周波数（または波長）偏差を打ち消す信号をレーザー内のアクチュエータ（図２には図示せず）に提供する。この技術は周知である。図３は、ｎｋｔｐｈｏｔｏｎｉｃｓ．ｃｏｍで入手可能なデータシートから得られた、ＮＫＴ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓによって製造されたファイバレーザーからの周波数ノイズスペクトルを示すグラフである。モデルＥ１５およびＸ１５は本質的に同じレーザーキャビティを有し、モデルＸ１５は、低周波数ノイズを低減するためのフィードバックループを含む。

【発明の概要】

【0009】

いくつかの実施形態は、ＰＬＣに統合された周波数弁別器を提供する。いくつかの実施形態では、周波数弁別器が半導体レーザーのより低い周波数ノイズにフィードバック信号を提供するためのものである。いくつかの実施形態では、半導体レーザーおよび周波数弁別器はＤＡＳシステムの一部である。いくつかの実施形態では、高速熱調整要素が電気フィードバックループ内のアクチュエータとして使用される。熱同調素子は、集積抵抗器またはダミーダイオードとすることができる。いくつかの実施形態では、熱効率を改善するために、導波路に隣接する側とは反対側の熱調整要素の側にトレンチをエッチングすることができる。いくつかの実施形態ではレーザーが反射半導体光増幅器（ＲＳＯＡ）を含み、位相変調器は電気フィードバックループ内のアクチュエータとしてＲＳＯＡと一体化される。いくつかの実施形態では、高速熱調整要素または位相変調器がフィードバックループ内のアクチュエータとして外部空洞上に統合される。いくつかの実施形態では、周波数弁別器がレーザーキャビティ内の光学フィードバック要素と一体化される。いくつかの実施形態では、周波数弁別器がＲＳＯＡと統合される。いくつかの実施形態では、導波路の幅に摂動を形成することによって、または導波路材料のアイランドを導波路の片側または両側にパターニングすることによって、１つまたは複数の格子が導波路内に作製される。いくつかの実施形態では、幅摂動またはアイランドが導波路の側面の長さに沿って交互に配置される。いくつかの実施形態では、光学フィードバック要素が少なくとも１つのブラッググレーティング（ブラッグ回折格子）に結合された少なくとも１つのリング共振器を含むＰＬＣを含む。

【0010】

いくつかの実施形態は光を生成するためのレーザー素子と、レーザー素子からの光を受け取るようにレーザー素子に光学的に結合された平面光波回路（ＰＬＣ）とを備え、ＰＬＣは周波数弁別器コンポーネント（ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）を含む、分布ファイバ感知システムのための周波数弁別器を有するレーザー装置を提供する。

【0011】

いくつかの実施形態では、周波数弁別器コンポーネントが非対称アーム長を有するマッハツェンダ干渉計と、少なくとも１つのアーム内の位相シフタとを備える。

【0012】

いくつかの実施形態では、レーザー素子が外部共振器レーザーの一部であり、ＰＬＣはレーザー素子に波長選択的フィードバックを提供するように、レーザー素子に光学的に結合された波長選択的（ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ）コンポーネントを含む。

【0013】

いくつかの実施形態では、レーザー素子が反射型半導体光増幅器（ＲＳＯＡ）を備える。いくつかのそのような実施形態では、波長選択性成分はブラッググレーティングを含む。いくつかのそのような実施形態では、周波数弁別器コンポーネントが非対称アーム長を有するマッハツェンダ干渉計と、少なくとも１つのアーム内の位相シフタとを備える。いくつかのそのような実施形態ではマッハツェンダ干渉計がブラッググレーティングを含む導波路の一部に光学的に結合され、ブラッググレーティングはＲＳＯＡとマッハツェンダ干渉計との間に光学的にある。

【0014】

いくつかの実施形態では、波長選択的コンポーネントが導波路の長さの少なくとも一部に沿って摂動を有する導波路を備える。いくつかのそのような実施形態では、導波路の長さの少なくとも一部に沿った摂動が導波路の長さの少なくとも一部に沿って、導波路の一方の側から導波路の他方の側に交互になる。

【0015】

いくつかの実施形態では、波長選択的コンポーネントが導波路の長さの少なくとも一部に沿って導波路の少なくとも１つの側に導波路材料のアイランドを有する導波路を備える。いくつかのそのような実施形態では、導波路材料のアイランドが導波路の長さの少なくとも一部に沿って、導波路の一方の側から他方の側に交互に配置される。

【0016】

いくつかの実施形態では、波長選択性コンポーネントが直列のリング共振器およびブラッググレーティングを備える。いくつかのそのような実施形態では、ブラッググレーティングがリング共振器のドロップ導波路に結合される。いくつかのそのような実施形態では、ブラッググレーティングの出力がレーザー装置の光出力を提供する。いくつかのそのような実施形態は、リング共振器の送信共振を修正するためにリング共振器のためのヒータをさらに備える。

【0017】

前述の実施形態のいずれかのいくつかはレーザー素子に隣接する集積ヒータをさらに備え、集積ヒータは周波数弁別器からの信号に基づいて調整可能である。いくつかのそのような実施形態は、レーザー素子から離れたヒータの側に配置されたエッチングされたトレンチをさらに備える。

【0018】

前述の実施形態のいずれかのいくつかはレーザー素子と一体化された位相変調器をさらに備え、位相変調器は周波数弁別器からの信号に基づいて調整可能である。

【0019】

前述の実施形態のいずれかのいくつかにおいて、周波数弁別器の出力信号は、分散型ファイバ感知システムのデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）に結合される。いくつかのそのような実施形態では、出力信号がレーザー素子からの光の波長変動を補正する際にＤＳＰによって使用されるためのものである。

【0020】

本発明のこれらおよび他の態様は本開示を検討することにより、より完全に理解される。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】図１は、ヘテロダインコヒーレント受信機を有する典型的な位相感応ＤＡＳシステムの半概略図である。

【図2】図２は、レーザーのノイズ低減技術を示す半概略図である。

【図3】図３は、ファイバレーザーからの周波数ノイズスペクトルを示すグラフである。

【図4】図４は、ＤＦＳシステムのためのソースとして使用され得る外部キャビティ半導体レーザーの半概略図である。

【図5】図５は、ＤＡＳシステムのための光源レーザーと共に使用するための平面光波回路（ＰＬＣ）周波数弁別器の半概略図である。

【図6】図６は、周波数同調のための一体型ヒータを有する反射型光半導体増幅器（ＲＳＯＡ）の半概略図である。

【図7】図７は、周波数同調のための統合位相変調器を有するＲＳＯＡの半概略図である。

【図8】図８は、光フィードバック要素と一体化された周波数弁別器を有するＲＳＯＡの半概略図である。

【図9a】図９ａは、エッチングされた格子を有する２つの例示的な導波路の上面図を示す。

【図9b】図９ｂは、エッチングされた格子を有する２つの代替の例示的な導波路の上面図を示す。

【図10】図１０は、外部空洞内にリング共振器および格子の両方を有するＲＳＯＡの半概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0022】

本発明のいくつかの態様は、ＤＡＳシステムのいくつかの実施形態において、外部共振器半導体レーザーの低周波ノイズ特性を改善するための技術に関する。いくつかの実施形態では、外部共振器半導体レーザーの周波数ノイズがフィードバックループを使用して低減される。いくつかの実施形態では、ＤＡＳシステムが周波数ノイズが低減される外部キャビティ半導体レーザーを含む。いくつかの実施形態では、周波数弁別器がＰＬＣ内に製造される。フィードバックループ内のアクチュエータの様々な実施形態、および単一の基板上に複数の機能を統合するための様々なオプションについても、以下で説明する。

【0023】

図４は、いくつかの実施形態におけるＤＦＳシステムのためのソースとして使用され得る外部キャビティ半導体レーザーの半概略図である。このようなレーザーは多くの形態をとることができ、この説明は非常に一般的である。いくつかの実施形態では、図４に示されるように、反射型半導体光増幅器（ＲＳＯＡ）４１１が光を生成および増幅するために使用される。ＲＳＯＡの後部ファセット４１３は、反射ミラーを形成するようにコーティングされる。前面ファセット４１５は、反射防止コーティングされ、光はこのファセットから、ＲＳＯＡに波長選択性フィードバックを提供する外部光学システム４１７に結合される。外部光学システムはまた、レーザーのための光学出力４１９を提供する。例えば、前端面への波長選択的フィードバックの代わりに、またはそれに加えて、後端面における外部波長選択的フィードバックを用いて、代替的な幾何学的形状が可能である。波長選択性フィードバックは例えば、様々な実施形態において、自由空間に結合された光フィルタ、光ファイバブラッググレーティング、グレーティングまたはリング共振器回路を含むＰＬＣ、またはシリカ平面導波路にエッチングされたブラッググレーティングを使用して、多くの方法で生成することができる。

【0024】

ＤＡＳシステムのための光源レーザーと共に使用するための平面光波回路（ＰＬＣ）周波数弁別器の実施形態が、図５に半概略的に示されている。ＰＬＣ周波数弁別器は例えば、図４の外部共振器型半導体レーザーから光を受け取ることができる。ＰＬＣ周波数弁別器は、１つのアームに導波路遅延線５１５を有するマッハツェンダ干渉計を含む。図５では、マッハツェンダ干渉計が第１の３ｄＢ結合５１１によって２つのアームに分割された信号入力を有するものとして示されており、アームの端部に第２の３ｄＢ結合５１７からの２つの出力を有する。第２の３ｄＢ結合からの２つの出力は光検出器（図５には図示せず）に提供され得、光検出器の出力は周波数弁別器の電気出力信号として使用される。遅延線による非対称性は、波長がおおよそ周期的な透過スペクトルを生成する。１つのアーム、典型的にはヒータ内の位相シフタ５１３は、レーザーの波長に対する干渉計の正確な調整を可能にする。いくつかの実施形態では図５に示すように、ヒータは遅延線以外のアーム用である。弁別器を安定させるために、ＰＬＣ５２０は例えば、ＰＬＣに取り付けられたサーミスタ５２１などの感温素子を使用して制御される熱電冷却器（ＴＥＣ）５１９に取り付けられてもよい。ＰＬＣはシリコン、シリコン、または窒化シリコンなどの導波路プラットフォーム内に製作され、これらのすべては低い光損失を提供する。光遅延線は、螺旋として設計されてもよく、強い識別を生成する１ナノ秒を超える遅延を提供してもよい。例えば、１つのアームに５ｎｓの遅延を有する窒化ケイ素の実装は、１５５０ナノメートルの波長で動作するレーザーについて、約１．５ピコメートルの透過ピーク間の波長間隔を与える。弁別器からの信号は、レーザー波長の測定された変化に対抗して作用する外部共振器レーザー内のいくつかのアクチュエータにフィードバックを提供するために使用され得る。基本的な機構は、物理的長さの変化によるか、または１つ以上のコンポーネントの屈折率の変化によるかのいずれかによる、光キャビティの光学的長さの調整である。いくつかの実施形態では、周波数弁別器からの出力信号がデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、例えば、図１のＤＡＳシステムのＤＳＰに提供されるか、または信号をデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）に提供する際に使用される。そのような実施形態では、ＤＳＰがレーザーによって生成される光の波長変動を決定および／または説明する際に信号を使用することができる。いくつかのそのような実施形態では、周波数弁別器の出力がレーザーのアクチュエータにフィードバックを提供するために使用される周波数弁別器の出力の代わりに、またはそれに加えて、レーザーにおける波長変動を補正するためにＤＳＰによって使用され得る。

【0025】

いくつかの実施形態では、フィードバックはＲＳＯＡへの駆動電流を調整することによる。電流の変化はＲＳＯＡの屈折率の変化を引き起こし、したがって、キャビティの光学的長さを変化させる。このアプローチは屈折率の変化を引き起こす２つの異なる反対の機構のために、欠点を有する。駆動電流の増加を考慮すると、ナノ秒範囲の時間スケールで屈折率の減少を引き起こす、半導体接合内の電気キャリアの数の増加がある。電気駆動の増加はまた、加熱を引き起こし、これは、いくつかの時定数、あるものは１ミリ秒未満、他のものは１秒を超える屈折率を増加させる。したがって、制御回路は複雑であり得る。別の欠点は、電流の変化が必然的に光強度の変化を引き起こすので、この機構が強度ノイズを増加させる可能性があることである。

【0026】

いくつかの実施形態はＲＳＯＡの温度を変化させることができ、それによって駆動電流を変化させることなくＲＳＯＡの屈折率を変化させることができ、それによって上述の欠点のいくつかを軽減する、ＲＳＯＡチップ上の別個のヒータを有する。このヒータは最も効率的な熱結合のために、導波路に隣接して、または導波路の上部にさえ配置することができる。一般的なスキームが図６に示されており、これは、周波数同調のための一体化されたヒータを有するＲＯＳＡの半概略図である。図４と同様に、ＲＳＯＡ６１１は、後方反射ファセット６１３と、前方反射防止コーティングファセット６１５とを有する。ＲＳＯＡは、ＲＳＯＡに駆動電流を供給するための電気接点６１９を有する。ＲＳＯＡの光出力は外部波長選択フィードバック装置６２５に提供され、外部波長選択フィードバック装置はレーザーの光出力を提供する。ヒータはＲＳＯＡの熱調整のためにＲＳＯＡの導波路に隣接し、ヒータは、第１および第２の電気接点６２３ａ、ｂを有する。ヒータは例えば、抵抗器またはダイオードであってもよい。追加の製造ステップなしに導波路に隣接してヒータを統合する便利な方法はダミーアクティブ導波路セクションを追加し、それをアクチュエータ、この場合はヒータとして使用することである。能動導波路へのヒータの密接な熱結合は、サブミリ秒時間スケールでの応答を可能にする。ヒータが能動導波路の隣に配置される場合、いくつかの実施形態では、熱効率が導波路に隣接していないヒータの側面上のトレンチ６１７をエッチングすることによって改善することができる。ＲＳＯＡは典型的には外部キャビティＰＬＣよりもはるかに小さいので、熱応答はしたがって、ＲＳＯＡに対してより速い。これにより、ＰＬＣの温度を制御するよりも、ＲＳＯＡの温度を制御する方が、より容易に高速変動に対処することができる。

【0027】

いくつかの実施形態では、位相変調器が例えば、図７に示されるように、ＲＳＯＡチップ上に統合される。再び、図４と同様に、ＲＳＯＡ７１１は、後方反射ファセット７１３と、前方反射防止コーティングファセット７１５とを有する。ＲＳＯＡは、ＲＳＯＡに駆動電流を供給するための電気接点７１７を有する。ＲＳＯＡの光出力は、レーザーの光出力も提供する外部波長選択フィードバックデバイス７２３に提供される。位相変調器７１９はＲＳＯＡの前部に組み込まれ、位相変調器は制御信号を印加するための電気接点７２１を有する。変調器は、屈折率が順方向バイアスまたは逆方向バイアスのいずれかによって電気的に調整され得る導波路の部分である。変調器セクションは図７に示されるように、前面に向かって、または後面に配置することができる。電気信号を屈折率変化に変換することができるいくつかの物理的効果があり、この文献は、それらを一緒に電気光学効果と呼ぶ。このような位相変調器は一般に、半導体マッハツェンダ変調器およびモノリシックチューナブル半導体レーザーにおいて使用される。通常、変調器の導波路コアは吸収損失を最小限に抑えるために、増幅部とは異なる組成の半導体層で形成される。光導波路は、チップ全体を通して本質的に連続している。集積チップは、典型的には増幅器および変調器部が高抵抗によって電気的に絶縁されるように設計される。そのような電気光学効果は一般に、熱効果よりもはるかに速く、したがって、より高い周波数までの波長変動の補償を可能にする。

【0028】

いくつかの実施形態では、アクチュエータが外部空洞コンポーネントに組み込まれる。熱および電気光学機構に加えて、圧電アクチュエータを通る迅速な機械的移動を使用して、光学キャビティ長を変更し、したがって波長を調整することができる。

【0029】

いくつかの実施形態では、周波数弁別器機能が波長選択フィードバックを提供する同じＰＬＣに統合される。そのような統合は、レーザーのサイズおよびコストの低減を可能にし得る。１つの例示的な配置が図８に示されている。図８では、ＲＳＯＡ８１１がＰＬＣにバット結合されているものとして示されている。ＲＳＯＡは、反射後部ファセット８１３と、反射防止コーティングされた前部ファセット８１５とを有する。波長選択フィードバックは、ＰＬＣの導波路内のブラッググレーティング８１９によって提供される。波長選択性フィードバックがリング共振器または他のコンポーネントによって提供される場合、同じ概念が同様に適用され得る。図８はまた、マッハツェンダ干渉計の形態の周波数弁別器を含むものとしてＰＬＣを示す。ブラッググレーティングを通過する光タップ８２１は導波路からの光の一部を受け取り、第１の３ｄＢ結合８２３によってマッハツェンダ干渉計の２つのアームに光を提供する。第２の３ｄＢカップリング８２９は２つのアームの端部で光を混合し、第２の３ｄＢからの２つの出力が光検出器８３１に供給される。光検出器の出力は、周波数弁別器の電気出力信号として使用することができる。導波路遅延線８２７は一方のアームにあり、他方のアームには、位相シフタ８２５としてヒータを有する。いくつかの実施形態では、周波数弁別器機能が代わりに、外部空洞と一体化されるのではなく、ＲＳＯＡ上に一体化され得る。弁別器からの信号は、レーザー波長の測定された変化に対抗して作用する外部共振器レーザー内のアクチュエータにフィードバックを提供するために使用されてもよい。加えて、図５の実施形態と同様に、いくつかの実施形態では、周波数弁別器からの出力信号がデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、例えば、図１のＤＡＳシステムのＤＳＰに提供されるか、または信号をデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）に提供する際に使用される。そのような実施形態では、ＤＳＰがレーザーによって生成される光の波長変動を決定および／または説明する際に信号を使用することができる。いくつかのそのような実施形態では、周波数弁別器の出力がレーザーのアクチュエータにフィードバックを提供するために使用される周波数弁別器の出力の代わりに、またはそれに加えて、レーザーにおける波長変動を補正するためにＤＳＰによって使用され得る。

【0030】

いくつかの実施形態では、フィードバックおよび任意の周波数弁別器が従来のシリカ導波路によって提供されるものよりも高い屈折率のコントラストを有する材料プラットフォーム内に製造される。高コントラストプラットフォームの一例は、二酸化ケイ素クラッドを有する窒化ケイ素導波路である。そのようなプラットフォームでは、回折格子が導波路の横方向寸法を変化させることによって都合よく製造することができる。この形態の格子は、導波路自体と同じリソグラフィ工程で製造することができる。そのような格子の概略上面図の例が図９ａに示されており、図９ａは、導波路の長さに沿った導波路の幅の摂動によって格子が形成される第１の例示的な導波路９１１を示している。図９ａでは、第１の例の導波路について、導波路の幅は例えば摂動９１２ａ、ｂによって示されるように、導波路の側面上の対向する摂動によって周期的に増加される。図９ａはまた、第２の例示的な導波路９１３を示し、格子は、導波路の側面への導波路材料の小さな島９１５ａａ～ａｎ、９１５ｂａ～ｂｎの存在によって形成される。これらの摂動または島は図９ａに示されるように、両側に、または片側のみに配置することができる。

【0031】

いくつかのウェーハ鋳造工場では、フィーチャ（ｆｅａｔｕｒｅ）のサイズが小さく、フィーチャ間の間隔が小さいため、従来の光リソグラフィを使用してそのような構造を製作することは困難であり得る。この困難性は、幅の摂動または島を導波路の交互の側面に配置することによって軽減することができる。図９ｂは図９ａのものと同様であるが、導波路の長さに沿って交互に離間された摂動または島を有する２つの代替導波路を示す。第１の代替導波路９５１の場合、導波路の幅は導波路の一方の側から他方の側へ交互になる摂動によって、導波路の長さに沿って周期的に増加され、例えば、導波路の端部付近の一方の側に摂動９５２ａがあり、導波路の端部から遠い方の導波路の他方の側に摂動９５２がある。第２の代替導波路９５３の場合、島９５５ａａ～ａｎは導波路の第１の側にあり、島９５５ｂａ～ｂｍは導波路の第２の対向する側にある。導波路の両側のアイランドは、導波路の長さに沿って交互に離間している。

【0032】

いくつかの実施形態では、外部空洞を形成するＰＬＣが少なくとも１つのリング共振器と少なくとも１つの格子の両方を含む。そのような実施形態は、両方の要素の好ましい特性を利用することができる。このタイプの実施形態はグレーティングの反射スペクトルに対するレーザーの動作点の正確な同調を可能にすることができ、リング共振器の狭帯域通過フィルタは、レーザー性能を低下させ得るサイドモードを抑制するのに役立つ。１つの例示的な配置が図１０に示されている。図１０では、ＲＳＯＡ１０１１が反射後部ファセット１０１３と、反射防止コーティングされた前部ファセット１０１５とを有する。電気接点１０１７は、ＲＳＯＡに駆動電流を供給する。光は、ＲＳＯＡチップからＰＬＣ上の導波路に結合される。導波路内の光は、ＰＬＣ上のリング共振器１０３１に結合する。光の一部は、「貫通」導波路１０２１内に留まる。特定の波長の光について、有限波長帯域におけるパワーのかなりの部分が、「ドロップ」導波路１０２７に結合される。「ドロップ」導波路に結合された光の光パワースペクトルは、低透過の波長帯域によって分離された高透過のいくつかのピークを含む。「ドロップ」導波路内の光は、次いで、導波路に沿って、導波路内に形成されたブラッググレーティング１０２９に進む。リング共振器の透過スペクトルは、導波路の屈折率または長さを変化させる機構によって調整することができる。図１０の例では、リング共振器の透過共振のうちの１つがブラッググレーティングによって部分的に反射される波長で生じるようにスペクトルを調整するために、リング共振器のためのヒータ１０２５が使用される。ＲＳＯＡによって放射される光は、格子に結合され、格子から結合される。光出力１０３１は再び、ＲＳＯＡチップから最も遠いブラッググレーティングの端部から取り出される。あるいは、光出力がＲＳＯＡの反射ファセットから取り出すことができる。さらに、いくつかの実施形態では、周波数弁別器をＰＬＣ上に統合することもできる。いくつかの実施形態では、周波数弁別器が例えば、図５または図８に関して説明したように、先に説明したようなものであってもよい。いくつかの実施形態では、周波数弁別器への入力がブラッググレーティングの出力からのタップ、または光出力１０３１を提供するＰＬＣの導波管であってもよい。

【0033】

レーザーに対する全ての言及は、外部共振器レーザーに対するものであった。同じ機能性は、リン化インジウムウェハにモノリシックに構築された単一の基板上で、またはＲＳＯＡのハイブリッド集積を有するシリコンフォトニクスなどのプラットフォーム上で達成することができる。

【0034】

本発明は様々な実施形態に関して議論されてきたが、本発明は本開示によって支持される新規かつ非自明の特許請求の範囲を含むことを認識されたい。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9a】

【図9b】

【図10】

【国際調査報告】