JP2007243121A - Optical apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は中空光導波路を有する光学装置に関し、特に波長可変機能を有する光学装置に関する。 The present invention relates to an optical device having a hollow optical waveguide, and more particularly to an optical device having a wavelength variable function.
現在の急激なインターネットトラフックの増大の根幹を支えているのは大容量光通信ネットワークである。この大容量通信ネットワークは多波長を一括して伝送する高密度波長多重(DWDM)というシステムであり、ITU(International Telecommunication Union)で規定されている周波数グリッドごとに各波長の半導体レーザを用意する必要がある。このように周波数グリッド毎に半導体レーザを用意するので製造コストや故障メンテナンスでの在庫管理上の問題が生じている。それを解決するには波長可変半導体レーザがあり、現在ではDWDMシステムの局内装置のバックアップ光源として使用されることが多い。しかし波長可変半導体レーザは、本来DWDM用の送信光源だけにとどまらず、波長変換デバイスとしてフォトニックネットワークのキーデバイスと発展することができる。 A large-capacity optical communication network supports the current rapid increase in Internet traffic. This large-capacity communication network is a system called high-density wavelength division multiplexing (DWDM) that transmits multiple wavelengths at once, and it is necessary to prepare semiconductor lasers for each wavelength for each frequency grid defined by the ITU (International Telecommunication Union). There is. As described above, since a semiconductor laser is prepared for each frequency grid, there are problems in manufacturing management and inventory management in failure maintenance. In order to solve this problem, there is a tunable semiconductor laser, and at present, it is often used as a backup light source for an in-station device of a DWDM system. However, the wavelength tunable semiconductor laser is not limited to a transmission light source for DWDM, but can be developed as a key device of a photonic network as a wavelength conversion device.
現在までに波長可変半導体レーザは各社で様々な研究開発が行われており、その種類は大きく分けて▲1▼多電極DBRレーザ▲2▼DFBレーザアレー▲3▼外部共振器レーザの3タイプに分類できる。しかしながら、どの方式も一長一短が存在する。 To date, various companies have been researching and developing wavelength tunable semiconductor lasers, and the types are roughly divided into three types: (1) multi-electrode DBR laser, (2) DFB laser array, and (3) external cavity laser. it can. However, each method has advantages and disadvantages.
モードホップを抑制して連続的に波長を可変するためには、通常位相制御領城を持つ多電極型のレーザを構成する必要がある。近年ではさらに波長可変範囲を拡大したSSG(Super Structure Grating)等の多電極レーザが開発されている。このためさらに電極数が増え、その上その制御は必ずしも独立とはならないので非常に複雑な制御となっている。
しかもレーザ素子個別に異なる制御値を設定する必要がある。さらに、SSGにおいては二つのグレーティングによって選択される波長の一致した点で発振するために、原理的にモードホップが生じてしまう。(特許文献1参照)In order to continuously change the wavelength while suppressing the mode hop, it is necessary to construct a multi-electrode laser having a normal phase control region. In recent years, multi-electrode lasers such as SSG (Super Structure Grating) having a further expanded wavelength variable range have been developed. For this reason, the number of electrodes is further increased, and furthermore, the control is not necessarily independent, so that the control is very complicated.
Moreover, it is necessary to set different control values for each laser element. Further, since the SSG oscillates at a point where the wavelengths selected by the two gratings coincide with each other, a mode hop is generated in principle. (See Patent Document 1)
またDFBレーザアレーを用いた波長可変レーザは、波長の異なるレーザを複数集積し、温度を変化させることで発振波長を制御する。一つのDFBレーザの温度変化による波長シフト量は2nm程度と限られているので集積したDFBレーザを切り替えて使用することとなる。波長可変幅を大きくするにはDFBレーザの集積数を増やす以外に方法はなく、例えば100nmの波長可変を考えると50ものレーザを集積することとなる。またその波長可変手段が温度変化を利用しているため波長可変のスピードは遅い。 A wavelength tunable laser using the DFB laser array integrates a plurality of lasers having different wavelengths and controls the oscillation wavelength by changing the temperature. Since the amount of wavelength shift due to a temperature change of one DFB laser is limited to about 2 nm, the integrated DFB laser is switched and used. There is no method other than increasing the number of DFB lasers integrated to increase the wavelength tunable width. For example, considering wavelength tunability of 100 nm, 50 lasers are integrated. Further, since the wavelength tuning means uses temperature change, the wavelength tuning speed is slow.
外部共振器型レーザは、レーザの外部に可動部を持つグレーティングやミラーを配置するもので、多くはハイブリッド実装型である。ハイブリッド実装のため調整工数の増大やモジュールの大型化、さらには可動部等の信頼性が問題となる。またモノリシックに集積したものとしてVCSEL(面発光レーザ)にMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)構造を採用したレーザもあるが、低消費電力や小型化、信頼性の面で優位な点もあるが、波長可変幅や出力の面で問題がある。 An external resonator type laser has a grating or a mirror having a movable part outside the laser, and is often a hybrid mounting type. Because of the hybrid mounting, the adjustment man-hours increase, the size of the module increases, and the reliability of movable parts and the like becomes a problem. Some lasers employ a MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) structure for VCSELs (surface emitting lasers) that are monolithically integrated, but there are advantages in terms of low power consumption, miniaturization, and reliability. There are problems in terms of variable width and output.
以上のように通信用途における波長可変レーザに要求される特性をまとめると、広い連続掃引幅、高光出力、高信頼性、小型、簡易な波長制御方式などがあるが、これらを満足する波長可変レーザは開発されていない。また、将来のFTTH(Fiber to the home)用においては小型で波長選択機能付の光検出器の実現が期待されているが広帯域の波長域から任意の波長の光を選択して受信できる小型な検出器は開発されていない。
したがって本発明は前記に鑑みてなされたものでその目的とするところは、中空光導波路を用いた新しい光学装置を提供することを目的とし、これを波長可変レーザに適用した場合に、簡易な波長制御方式で広範囲に連続波長掃引が可能で、しかも小型で高光出力、高信頼性を兼ね備えた光学装置を提供することを目的とする。 Accordingly, the present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to provide a new optical device using a hollow optical waveguide, and when this is applied to a wavelength tunable laser, a simple wavelength can be obtained. An object of the present invention is to provide an optical device that can perform continuous wavelength sweeping over a wide range by a control method, and that is small in size and has high light output and high reliability.
前記課題を解決するために、本願発明の一態様によれば、所望の波長可変幅において光利得を備えた利得領域と、光を高反射ミラーで反射させて空気中を伝搬させる中空光導波路と、前記利得領域と前記中空光導波路とをそれぞれ1つ以上用いて光結合する光結合手段とを備え、前記中空光導波路は、そのコアの厚さを可変できるコア厚可変手段と、前記コア厚可変手段によって波長フィルタ特性が変化するフィルタ構造と、前記フィルタ特性で決定される波長の光が伝搬可能な反射帯域を持つ前記高反射ミラーとを備え、前記光結合手段に、前記利得領域と前記中空導波路との光結合部の結合効率向上手段を備えることを特徴とする光学装置が提供できる。 In order to solve the above-described problems, according to one aspect of the present invention, a gain region having an optical gain in a desired wavelength variable width, a hollow optical waveguide that reflects light by a high reflection mirror and propagates in the air, Optical coupling means for optically coupling the gain region and the hollow optical waveguide using one or more of each of the gain region and the hollow optical waveguide, the hollow optical waveguide comprising: a core thickness variable means capable of varying a thickness of the core; and the core thickness A filter structure whose wavelength filter characteristic is changed by the variable means, and the high reflection mirror having a reflection band in which light having a wavelength determined by the filter characteristic can propagate, the optical coupling means including the gain region and the An optical device comprising a means for improving the coupling efficiency of the optical coupling portion with the hollow waveguide can be provided.
本発明によれば、中空光導波路の巨大な等価屈折率変化を利用しているので波長可変レーザに中空光導波路を使用した場合、従来の波長可変レーザの波長可変幅を大幅に凌駕することが可能である。また集積化を行う場合、中空導波路内に新しい原理の位相調整領域を設けることでコアの厚さを変化させるという一つのパラメータにより広い範囲内で波長可変をモードホップなしで連続的に行うことができる。また、中空導波路のコアの厚さを可変しうる手段としてMEMS構造を用いることで、小型化、高信頼化が達成できる。さらに、利得媒質として端面出射型の構造を用いれば高光出力が可能である。以上の構成により、簡易な波長制御方式で広い連続掃引が可能で、しかも高光出力、高信頼性、小型なレーザ装置を提供できる。さらに発光デバイスだけでなく、受光デバイスにおいても小型で波長選択範囲の広い光検出器が提供できる。 According to the present invention, since the huge equivalent refractive index change of the hollow optical waveguide is used, when the hollow optical waveguide is used for the wavelength tunable laser, the wavelength tunable width of the conventional wavelength tunable laser can be greatly surpassed. Is possible. In addition, when integrating, the wavelength can be continuously tuned without a mode hop within a wide range with one parameter of changing the core thickness by providing a phase adjustment region based on a new principle in the hollow waveguide. Can do. Further, the use of the MEMS structure as means for changing the thickness of the core of the hollow waveguide can achieve downsizing and high reliability. Further, if an end face emission type structure is used as the gain medium, high light output is possible. With the above configuration, a wide continuous sweep is possible with a simple wavelength control method, and a high laser output, high reliability, and a small laser device can be provided. Furthermore, not only a light emitting device but also a light receiving device can provide a small photodetector with a wide wavelength selection range.
以下本発明の実施形態につき詳細に説明する。まず、本発明で使用する中空光導波路について説明する。従来,光ファイバに代表される光導波路は高屈折率のコアを低屈折率のクラッドで挟んで構成されている。このような構成において光は高屈折率材料のコア中をクラッドとの界面で全反射を繰り返しながら伝搬することができる。本発明で使用する中空光導波路とは一番低屈折率で温度依存性のない空気(真空)中に閉じ込め光を伝搬させるものである。低屈折率コア内に光を導波させる構造として、中空コアを高反射率ミラーで挟む構造とすることにより光を反射させて導波させることが可能である。このような高反射ミラーは高屈折率材料と低屈折率材料を約1/4波長の厚さで交互に積層する多層膜構造で達成され、その層数を増やす程高反射率なミラーとすることが可能である。ミラーが高反射率であればあるほど低損失な導波路を得ることが可能である。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. First, the hollow optical waveguide used in the present invention will be described. Conventionally, an optical waveguide represented by an optical fiber is configured by sandwiching a high refractive index core with a low refractive index clad. In such a configuration, light can propagate through the core of the high refractive index material while repeating total reflection at the interface with the cladding. The hollow optical waveguide used in the present invention propagates confined light in air (vacuum) having the lowest refractive index and no temperature dependency. As a structure in which light is guided in the low refractive index core, light can be reflected and guided by adopting a structure in which the hollow core is sandwiched between high reflectivity mirrors. Such a high reflection mirror is achieved by a multilayer film structure in which a high refractive index material and a low refractive index material are alternately laminated with a thickness of about ¼ wavelength, and the higher the number of layers, the higher the reflection mirror. It is possible. The higher the reflectivity of the mirror, the lower the loss of the waveguide can be obtained.
中空導波路の等価屈折率変化について説明する。中空導波路のコアの厚さDと導波する波長λによって 基本モードの等価屈折率neffは近似的に次のように変化する。
したがって波長1.55μmにおいては、コアの厚さが2μm程度まで小さくすることができれば10%程度もの巨大な屈折率変化が可能である。このような特性を持つ中空導波路を集積した波長可変レーザができれば、現状の波長可変レーザの波長可変幅を大幅に凌駕できる可能性がある。しかし今まで中空導波路を波長可変レーザに使用した例はなく、その特性や設計方法は全く知られていない。A change in the equivalent refractive index of the hollow waveguide will be described. The equivalent refractive index n eff of the fundamental mode changes approximately as follows according to the thickness D of the core of the hollow waveguide and the wavelength λ to be guided.
Therefore, at a wavelength of 1.55 μm, if the core thickness can be reduced to about 2 μm, a huge refractive index change of about 10% is possible. If a wavelength tunable laser integrated with hollow waveguides having such characteristics can be produced, there is a possibility that it can greatly exceed the wavelength tunable width of the current wavelength tunable laser. However, there has been no example of using a hollow waveguide for a wavelength tunable laser, and its characteristics and design method are not known at all.
波長可変レーザを中空光導波路を用いて構成する場合、いろいろな構成が考えられるが、まず第1の実施形態においては中空導波路内にDBRを組み込んだ中空ブラッグ反射鏡を用いたファイバリング型レーザを例にとって説明する。図1は波長可変リングレーザ装置の構成図を表したものである。また、DBRを中空導波路内に形成した中空ブラッグ反射鏡の特性例を図2に示す。縦軸は波長、横軸は中空導波路のコアの厚さを示している。これは、式(1)とブラッグ波長□g,□をグレーティング周期とするとブラッグ回折の式(2)と連立させて(3)式が得られるのでこれをプロットしたものである。
ここでグレーティング周期□は0.78μmである。これにより波長可変幅の広い波長可変レーザを設計する場合、波長可変の大きい5μm以下のコアの厚さで使用することが好ましいことがわかる。原理的にはブラッグ波長は(3)式より0近傍まで可変できる巨大可変性が示されているが、実現可能な値として2μm以下のコアの厚さまで可変すれば200nm程度の波長可変は可能である。When the wavelength tunable laser is configured using a hollow optical waveguide, various configurations are conceivable. First, in the first embodiment, a fiber ring type laser using a hollow Bragg reflector incorporating a DBR in the hollow waveguide. Will be described as an example. FIG. 1 shows a configuration diagram of a wavelength tunable ring laser device. An example of characteristics of a hollow Bragg reflector in which a DBR is formed in a hollow waveguide is shown in FIG. The vertical axis indicates the wavelength, and the horizontal axis indicates the thickness of the core of the hollow waveguide. This is a plot of equation (1) and Bragg wavelength □ g, □, where the grating period is combined with equation (2) of Bragg diffraction to obtain equation (3).
Here, the grating period □ is 0.78 μm. As a result, when designing a wavelength tunable laser having a wide wavelength tunable width, it is preferable to use a core with a thickness of 5 μm or less, which is large in wavelength tunable. Theoretically, the Bragg wavelength shows a huge variability that can be varied to near 0 from Equation (3), but if it can be varied to a core thickness of 2 μm or less as a feasible value, it is possible to tune the wavelength to about 200 nm. is there.
図1に示す波長可変リングレーザ装置の構成図について説明する。利得領域11には光の伝搬方向制御手段としてアイソレータが内蔵されているものとする。この利得領域11から出射されるASE(自然放出)光がTEモードになるように偏光子12で切り出した後、偏波コントローラ13で調整して中空導波路にDBRを組み込んだブラッグ反射鏡14に入力する。このようにブラッグ反射鏡14に対して偏光制御手段が必要なのは、中空ブラッグ反射鏡14が偏波依存性を持ち、TMモードよりもTEモードの方が波長可変特性が優れているためである。中空ブラッグ反射鏡14からの反射光をサーキュレータ15を介し、偏波コントローラ16で利得領域11に最適な偏波で戻すことによりリングレーザを構成している。そして光出力をカプラ17により取り出す構成である。この構成において中空ブラッグ反射鏡14のコアの厚さをコア厚可変手段19としてピエゾ素子等により変化させることにより発振波長を連続的に変化させることができる。 A configuration diagram of the wavelength tunable ring laser device shown in FIG. 1 will be described. It is assumed that an isolator is incorporated in the gain region 11 as light propagation direction control means. After the ASE (spontaneously emitted) light emitted from the gain region 11 is cut out by the
次に結合効率向上手段20について説明する。ここでいう結合効率向上手段20とは、光ファイバ18と中空ブラッグ反射鏡14のコアの厚さの違いに起因するモード結合損失と両領域の界面で生じるフレネル損失とを少なくする手段のことである。 Next, the coupling efficiency improving means 20 will be described. The coupling efficiency improving means 20 here means means for reducing the mode coupling loss due to the difference in core thickness between the
まずモード結合損失を少なくする手段について説明する。光ファイバ18のコア径はシングルモードファイバの場合約10μmあり、波長可変幅を拡大しようとすると中空導波路のコアは10μm以下に制御する必要が生じる。中空ブラッグ反射鏡14のコアの厚さを減少していくと光ファイバ18とのモードフィールド径が合わなくなるため結合効率は次第に悪化していく。また、中空ブラッグ反射鏡14のコア内に入らなかった光はその端面で反射し不本意な波長で発振する可能性を与えてしまうこととなる。この問題を改善するための結合効率向上手段20として中空ブラッグ反射鏡14の上部ミラーに角度をつけて配置することにより、中空ブラッグ反射鏡44の入力側の厚さを広くすることできる。また中空ブラッグ反射鏡14のコアに光を入射する光ファイバ18をレンズファイバにすることによって中空光導波路14のコア内に有効に光を絞り込んで結合することが可能である。 First, means for reducing the mode coupling loss will be described. The core diameter of the
次にフレネル損失を少なくする手段について説明する。光ファイバ18の端面での反射を防止するためにAR(Anti−Reflectivity)コート等の処置を施し、その反射減衰量は−40dB程度まで低減することが望ましい。このような結合効率向上手段20を施した結果、ファイバ48に通常のシングルモード光ファイバを使用し上部ミラーに角度をつけなかった場合、35nmの波長可変幅であったのが本構造を用いることで微小コア厚での光結合が改善され、図3に示すように48nmの波長可変幅が得られた。このようにコア幅が変化し、しかも微小コアで波長可変幅の大きい中空導波路では微小コアでのモード結合効率を改善することが広い波長可変幅実現には非常に有効で不可欠な手段である。 Next, means for reducing the Fresnel loss will be described. In order to prevent reflection at the end face of the
図4は本発明に係る第2の実施形態におけるレーザ装置の概念図を表したものである。図4(a)はその断面図、図4(b)は斜めから見た図である。現在、通信用途における半導体レーザとして単一モード性に優れたDFB(Distributed Feedback)レーザまたはDBR(Distributed Bragg Reflector)レーザが主流である。そのため第2の実施形態においては中空導波路を集積したDBR型レーザを例にとって説明する。図4(a)に示すように、平坦度のある基板41上に利得媒質からなる利得領域42が形成されている。利得領域42には光が伝搬できるように光導波路構造43が形成されている。この利得領域42の片端面44には光導波路構造43内を伝搬する光の進行方向に対して反射率を持つ構造が施され、通常、低しきい値化や効率の観点からへき開面が持つ反射率よりは高いほうが望ましく、多層膜を交互に積層したHR(High Reflectivity)処理などがなされている。この反射面はレーザとしてのファブリペロー共振器の片方のミラーを形成している。一方の端面45には例えばAR処理等の反射率低減手段がなされている。中空光導波路46は基板41上に形成された高反射ミラー47aと上部に配置された高反射ミラー47bで構成されている。中空光導波路46内には、位相制御領域48とフィルタ領域49としてDBR50が形成されている。上部高反射ミラー47bは、中空光導波路のコアの厚さを可変できる機構を有し、上部高反射ミラー47bは、図4(b)で示すようにピラー51によってその一部を支持されている。 FIG. 4 is a conceptual diagram of a laser device according to the second embodiment of the present invention. 4A is a cross-sectional view thereof, and FIG. 4B is a view seen from an oblique direction. Currently, a DFB (Distributed Feedback) laser or a DBR (Distributed Bragg Reflector) laser, which is excellent in single mode property, is the mainstream as a semiconductor laser for communication applications. Therefore, in the second embodiment, a DBR type laser integrated with hollow waveguides will be described as an example. As shown in FIG. 4A, a
中空光導波路13を形成する高反射ミラー47a、47bは例えばSiとSiO2を交互に積層した誘電体多層膜で構成でき、電流を通したい場合などには半導体多層膜や金膜を使用することができる。SiとSiO2のような屈折率差が大きいものを交互に積層した誘電体多層膜であれば、6層ペア程度で1μmから2μmまでの広い波長範囲でほぼ100%の反射が得られる。またフォトニック結晶のような3次元の反射ミラーも使用できる。The high reflection mirrors 47a and 47b forming the hollow
中空光導波路46内のフォルタ領域49に形成されたDBR50はファブリペロー共振器を形成するもう一方の反射ミラーを形成する。DBR50はフィルタの一形態で、バンド・エリミネーション・フィルタと考えることもできる。本発明にかかる第2の実施例では中空光導波路46は2次元のスラブ導波路を仮定しているので、このDBR50を円形な回折格子で構成する。このような円形回折格子にすることで入射点から広がった光は反射されて再び入射点へ戻ってくることになる。このDBR20は例えばSiO2で形成することが可能である。SiO2はスパッタ装置等で形成が可能であり、レジストを塗布した後、EB露光をして現像、SiO2をエッチングして形成できる。SiO2の高さはコアの厚みとともにグレーティングの結合の程度を決定し、反射率と反射帯域が決定されるので、波長可変レーザのSMSR(サイドモード抑圧比)等が所望の特性になるよう決定する必要がある。DBR51を中空導波路領域46に形成した中空ブラッグ反射鏡の特性例は実施例1と同じで図2に示した。The
中空光導波路16のコアの厚さを可変できるコア厚可変手段52は、集積化に適した通常のMEMSデバイスで使用される原理のもので基本的には構わない。例えば、異なる2種類の材料を重ね合わせ温度によって変形するバイモルフ効果や対向する二つの電極間に発生する静電力によって一方のミラー47bを動かすことが可能である。具体的に言うとを基板を除去し、薄膜化した高反射ミラー47bに金を蒸着し、熱や電圧を加えるとたわむ現象利用する。ここで注意しなければならないことは、MEMSの原理で静電力を使用する場合は、2電極間の距離の1/3しか制御ができないことが知られているので、後述するシングルモード条件に合うように2電極間の距離を設計する必要がある。なお、温度変化を利用するものはレーザ領域に悪影響を及ぼすので出来れば静電力のような方法でコアの厚さを変化させるほうが好ましい。 The core thickness varying means 52 capable of varying the thickness of the core of the hollow
新しい原理により連続的に波長を可変できる構造と方法を述べる。中空光導波路46の位相調整領域48において、本実施例では中空導波路特有の特性を用いて位相調整を行うことができる。これは中空導波路46内にDBR50を作りこんだフィルタ領域19のコアの厚さに対して段差Dsをつけた位相調整領域48を形成し、同じ上部ミラー47bを動かすという一つの制御パラメータで、ブラッグ波長を可変すると同時に位相を調整し、モードホップなしで波長の連続可変動作を実現させるというものである。これを数式を使い説明する。上述したように上部高反射ミラー47bを上下させてコアの厚さを変化させることでフィルタ領域49では、等価屈折率neffが変化し、ブラッグ波長λgはフィルタ領域49のコアの厚さDDBRとブラッグ周期Λを用いて(4)式のように近時的に変化する。
今、フィルタ領域49のコアの厚さが変化して、その変化したブラッグ波長□gで発振し続けると仮定する。その仮定のもとではフィルタ領域49の伝搬定数は(5)式となり、コアの厚さDDBRを変えても一定となり変化しない。
そのとき、利得領域42の伝搬定数は、(6)式のようになる。
一方、位相調整領域48の伝搬定数βpはDp=DDBR−Dsを満足しながら変化するので(7)式が成り立つ。
フィルタ領域49のコアの厚みDDBRを小さくすることを考えると、(6)式より利得領域42の伝搬定数は大きくなるが、位相調整領域48の伝搬定数は(7)式より小さくなるので、位相補償効果があることがわかる。実際に利得領域長la=100μm、位相調整領域長lp=310μm、DBRの有効長Leff=100μm、グレーティングの周期Λ=0.8μm、δをブラッグ波長λgからの伝搬定数の差としたとき(8)式の発振位相条件からブラッグ波長λgに一番近い波長を求め、図5に図示する。
2(βa・la+βp・lp+Leff・δ)=2mπ mは正の整数 …(8)
また、図5には位相調整領域48がある場合と位相調整領域48がない場合も比較のため示してある。位相調整領域48がない場合はモードホップを生ずるが、位相調整領域48がある場合は中空コアの厚さが2.5μmから3.5μmまで、波長変化でいうと、1.525μmから1.565μmの35nm(Cバンド)の範囲内を連続可変できる可能性があることがわかる。このような単純な構成によって35nmのモードホップなしの連続可変が可能であるが、これ以上の連続可変幅が必要な場合はさらに0から2πまで任意の値が設定できる新たな位相調整領域を付加してもよいが、この場合の位相調整領域はかならずしも中空導波路内部に形成する必要はなく従来のような利得領域に形成しても構わない。A structure and method capable of continuously changing the wavelength according to a new principle will be described. In the
Now, it is assumed that the core thickness of the
At that time, the propagation constant of the
On the other hand, since the propagation constant β p of the
Considering that the core thickness DDBR of the
2 (β a · l a + β p · l p + L eff · δ) = 2mπ m is a positive integer (8)
FIG. 5 also shows a case where the
次に結合効率向上手段53について説明する。結合効率向上手段53とは、利得領域42と中空導波路領域46のコアの厚さの違いに起因するモード結合損失と両領域の界面で生じるフレネル損失とを少なくする手段のことである。 Next, the coupling efficiency improving means 53 will be described. The coupling efficiency improving means 53 is means for reducing mode coupling loss due to the difference in core thickness between the
まず、まずモード結合損失を少なくする手段について説明する。中空導波路46の上部高反射ミラー47bは可動するために半導体の利得領域42と中空導波路46の結合部に隙間が生ずる構造になりやすい。当然利得領域42と中空導波路46との間に隙間が無いほうが結合効率上好ましく、利得領域42の光の出射点は出来れば中空導波路内16の高反射ミラー47bの下に潜り込むように位置する方がよい。もし隙間がある場合にも、計算の結果3μm以下であれば結合損失を1dB程度までに抑えることが可能である。また、利得領域42と中空導波路内46の接合点ではコアの厚さは変わらず一定とし、接合点から離れるに従いテーパ構造で角度をつけてコアの厚さを変化させるような構造も第1の実施例からも類推できるが非常に有効な手段である。 First, means for reducing the mode coupling loss will be described. Since the upper
次にフレネル損失の影響と減少させる方法について説明する。利得領域42の光導波路構造43からなる半導体コアと中空光導波路46の空気コアは屈折率差が大きく、直接結合した場合フレネル反射を生ずる。このフレネル反射は、結合効率を悪化させるだけでなく、レーザ共振器内に反射点が増えるので複合共振器となり、意図的に複合共振器レーザを構成する場合以外、特に本実施例においてはフレネル反射があることは好ましくない。この点については実験データを踏まえ以下に説明する。 Next, the influence of Fresnel loss and a method for reducing it will be described. The semiconductor core formed of the
図6は利得領域61を直接中空ブラッグ反射鏡62に結合させるレーザ構造を示している。まずフレネル反射の影響を確認するために、利得領域61としてファブリペロー型の半導体30μmストライプレーザ(FP−LD)を作製し結合実験をおこなった。その結果、FP−LD自体の発振の他に、中空ブラッグ反射鏡62で反射したDBRモードの発振が観測されコアの変化とともにDBRモードの波長は可変し、FP−LD自体の発振は変化しないという結果が得られた。このため、利得領域61の片面の反射率を落とすために、30μmストライプを(011)結晶方向から7°傾け、かつ端面にはARコートを施したデバイスを作製して同様な実験を試みたところ図7に示すようなDBRモードのみの発振が確認され利得領域61と中空ブラッグ反射鏡62との界面で生ずるフレネル反射の防止が有効であることが確認された。そしてその波長可変の様子を詳細に観測してみると、連続的に可変できずに大きなモードホップが観測された。この様子を図8に示す。これはスラブ中空導波路がマルチモード導波路であり、基本モードと高次モードのうち利得領域61の利得が高いところのモードが選択されて発振していると考えられる。これを防止するためには、中空ブラッグ反射鏡62のシングルモード条件考える必要がある。また、コアの厚さが5μm以下の微小コア領域では中空ブラッグ反射鏡62の壁に反射し、ASEのピークすなわち利得の最大点で発振してしまい、上述したモード結合損失を少なくする手段も合わせて必要となることがわかった。 FIG. 6 shows a laser structure in which the
次にシングルモード条件について説明する。中空導波路にDBRを形成した導波路のブラッグ回折条件は以下のようになる。
βm+βn=2qπ/Λ mとnは整数 …(9)
ここでβmとβnはそれぞれ、m次の進行波モードとn次の後退波モードの伝搬定数である。qはグレーティングの次数で本実施例の場合1である。図9はシングルモード条件の求め方の1例を図示している。(9)式で与えられるモードは無限にあるが、m=n=1の基本モードとm=1、n=2の場合を考えればよい。図9はシングルモード条件を求める方法を示した図である。まず、波長可変範囲の一番短波長側から基本モードと二次モードとの交点を求める。この例では1500nmの位置から右へ進む。この二つの交点のX軸の値がコアの厚さの可変範囲となる。このときの波長が波長可変範囲を与える。図9の例では2.8μmから4.3μmとなる。コアの厚さが4μmのとき、1490nmと1530nmの2点が存在するが、1490nmで発振しない程度の利得差がある利得媒質を選ぶ必要がある。このようにして求めたコアの範囲であれば、中空導波路内には基本モードしか存在しないことになる。Next, the single mode condition will be described. The Bragg diffraction conditions of a waveguide in which a DBR is formed in a hollow waveguide are as follows.
β m + β n = 2qπ / Λ m and n are integers (9)
Here, βm and βn are propagation constants of the m-order traveling wave mode and the n-order backward wave mode, respectively. q is the order of the grating and is 1 in this embodiment. FIG. 9 illustrates an example of how to obtain the single mode condition. Although the modes given by equation (9) are infinite, the basic mode of m = n = 1 and the case of m = 1 and n = 2 can be considered. FIG. 9 is a diagram showing a method for obtaining a single mode condition. First, the intersection of the fundamental mode and the secondary mode is obtained from the shortest wavelength side of the wavelength variable range. In this example, the process proceeds from the 1500 nm position to the right. The value of the X axis of these two intersections becomes the variable range of the core thickness. The wavelength at this time gives a wavelength variable range. In the example of FIG. 9, it is 2.8 μm to 4.3 μm. When the core thickness is 4 μm, there are two points of 1490 nm and 1530 nm, but it is necessary to select a gain medium having a gain difference that does not oscillate at 1490 nm. If it is the range of the core calculated | required in this way, only a fundamental mode will exist in a hollow waveguide.
光の偏光制御手段について説明する。偏波は半導体レーザ構造と同等構造をもつのであれば通常TEモードが導波するので、偏光制御が自動的になされている。 The light polarization control means will be described. If the polarization has the same structure as the semiconductor laser structure, the TE mode is normally guided, so that the polarization control is automatically performed.
最後に、中空導波路を使用した波長可変レーザの設計について整理しておく。図10は中空導波路を使用した波長可変レーザの設計フローチャートを示している。まず所望の可変すべき波長の範囲、すなわち可変帯域を決定する。(ST101)。次にこの波長範囲において利得媒質が十分な利得を持つ必要があるので、波長可変範囲の中心付近に利得のピークがくるように利得媒質の選択を行う。(ST102)次に中空導波路として光が導波する帯域が十分どうかを検証する。導波する帯域は、形成する材料の屈折率差に依存するので、半導体多層膜のように屈折率差があまり取れないもので中空導波路を形成する場合には所望の波長帯域より狭い場合があるので注意を要する(ST103)。次に、中空ブラッグ反射鏡のシングルモード条件を満足するコアの可変幅を求める。グレーティング周期Λを変えることで同じコアの厚さでブラッグ波長の値をシフトすることができるので、Λをパラメータとして最適なコア可変幅を設定する(ST104)。コア可変幅が決まるとそれに従い、MEMS構造設計をおこなう。ここではデバイス構造に合わせて結合効率が良くなるような構造を検討する(ST105)。一方、グレーティング周期Λが決定されたので、グレーティングの深さを決定する。グレーティングの深さとコアの可変幅によりDBRとしての結合をどの程度に設計すべきか決定する。結合の程度が強すぎるとブラッグ帯域は広くなり、マルチモード発振したりサイドモード抑圧比(SMSR)が減少したりする(ST106)。以上によりDBRとしてのフィルタ特性が決定されたのでDBRの有効長leffやミラー損失がわかることとなる。(ST107)次に、連続位相可変ができる条件として中空導波路内に形成する段差Dsの量や位相調整領域長lpを決定する(ST108)。そして利得領域の利得、利得領域長laやミラー損失、各領域の損失からレーザー発振条件を求め(ST109)、発振閾値電流、SMSR、波長可変幅等のレーザ特性が満足されているかどうかを求める(ST110)。所望のレーザ特性が得られない場合は、トレードオフとなる項目を見直し、同じことを繰り返し行う。Finally, the design of the wavelength tunable laser using the hollow waveguide will be summarized. FIG. 10 shows a design flow chart of a wavelength tunable laser using a hollow waveguide. First, a desired variable wavelength range, that is, a variable band is determined. (ST101). Next, since it is necessary for the gain medium to have a sufficient gain in this wavelength range, the gain medium is selected so that the gain peak comes near the center of the wavelength variable range. (ST102) Next, it is verified whether or not a band in which light is guided as a hollow waveguide is sufficient. The band to be guided depends on the difference in refractive index of the material to be formed. Therefore, when forming a hollow waveguide with a difference in refractive index that is not so large as in a semiconductor multilayer film, it may be narrower than the desired wavelength band. Because there is, attention is necessary (ST103). Next, the variable width of the core that satisfies the single mode condition of the hollow Bragg reflector is obtained. Since the Bragg wavelength value can be shifted with the same core thickness by changing the grating period Λ, an optimum core variable width is set using Λ as a parameter (ST104). When the core variable width is determined, the MEMS structure is designed accordingly. Here, a structure that improves the coupling efficiency in accordance with the device structure is examined (ST105). On the other hand, since the grating period Λ is determined, the depth of the grating is determined. The degree of coupling as a DBR is determined by the depth of the grating and the variable width of the core. If the degree of coupling is too strong, the Bragg band becomes wide, and multimode oscillation occurs or the side mode suppression ratio (SMSR) decreases (ST106). As described above, since the filter characteristics as the DBR are determined, the effective length l eff of the DBR and the mirror loss can be known. (ST107) Next, the amount of step D s formed in the hollow waveguide and the phase adjustment region length l p are determined as conditions for enabling continuous phase variation (ST108). The gain of the gain region, the gain region length l a and the mirror loss, determine the laser oscillation condition from loss of each area (ST 109), a determination of whether the oscillation threshold current, SMSR, laser characteristics, such as wavelength tunable width is satisfied (ST110). If the desired laser characteristics cannot be obtained, review the trade-off items and repeat the same.
以上述べたように、本発明の1実施例によれば、中空光導波路の巨大な等価屈折率変化を利用しているので波長可変レーザに中空光導波路を使用した場合、従来の波長可変レーザの波長可変幅を大幅に凌駕することが可能である。また集積化を行う場合、中空導波路内に新しい原理の位相調整領域を設けることでコアの厚さを変化させるという一つのパラメータにより広い範囲内で波長可変をモードホップなしで連続的に行うことができる。また、中空導波路のコアの厚さを可変しうる手段としてMEMS構造を用いることで、小型化、高信頼化が達成できる。さらに、利得媒質として端面出射型の構造を用いれば高光出力が可能である。以上の構成により、簡易な波長制御方式で広い連続掃引が可能で、しかも高光出力、高信頼性、小型なレーザ装置を提供できる。 As described above, according to one embodiment of the present invention, since the huge equivalent refractive index change of the hollow optical waveguide is utilized, when the hollow optical waveguide is used for the wavelength tunable laser, It is possible to greatly exceed the wavelength tunable width. In addition, when integrating, the wavelength can be continuously tuned without a mode hop within a wide range with one parameter of changing the core thickness by providing a phase adjustment region based on a new principle in the hollow waveguide. Can do. Further, the use of the MEMS structure as means for changing the thickness of the core of the hollow waveguide can achieve downsizing and high reliability. Further, if an end face emission type structure is used as the gain medium, high light output is possible. With the above configuration, a wide continuous sweep is possible with a simple wavelength control method, and a high laser output, high reliability, and a small laser device can be provided.
本発明は前記実施形態をそのままに限定されるものではなく、実施段階でその要旨を逸脱しない範囲で具体化できる。例えば、本実施例では波長可変レーザについてのみ詳細に述べたが中空導波路の持つ巨大な等価屈折率変化とフィルタ特性を考えれば、本実施例に示したのとほぼ同様な構成で種々の新しい光機能デバイスが考えられる。例えば、送信光の伝搬遅延を制御したり、光に分散をあらかじめ与えて送信したりする新しいレーザも製作することが可能である。またレーザを逆バイアスかけると光検出器になることから容易にわかるように利得媒質の代わりに吸収利得を持つ光検出器でおきかえることで波長選択できる光検出器も構成できる。 The present invention is not limited to the above-described embodiment as it is, and can be embodied without departing from the spirit of the invention at the stage of implementation. For example, in the present embodiment, only the wavelength tunable laser has been described in detail, but considering the enormous equivalent refractive index change and filter characteristics of the hollow waveguide, various new configurations with the same configuration as shown in the present embodiment are provided. An optical functional device can be considered. For example, it is possible to manufacture a new laser that controls the propagation delay of transmission light or transmits light with dispersion applied in advance. Further, as can be easily understood from the fact that the laser becomes a photo detector when the laser is reverse-biased, a photo detector capable of selecting the wavelength can be configured by replacing the photo detector with an absorption gain instead of the gain medium.
12…偏光子
13、16…偏波コントローラ
14、62…中空ブラッグ反射鏡
15…サーキュレータ
17…カプラ
18…光ファイバ
19、52…コア厚可変手段
20、53…結合効率向上手段
41…基板
42、11、61…利得領域
43…光導波路構造
44、45…端面
46…中空導波路
47a、47b…高反射ミラー
48…位相調整領域
49…フィルタ領域
50…回折格子(DBR)
51…ピラーDESCRIPTION OF
51 ... pillar
Claims (8)
前記中空光導波路は、そのコアの厚さを可変できるコア厚可変手段と、前記コア厚可変手段によって波長フィルタ特性が変化するフィルタ構造と、前記フィルタ特性で決定される波長の光が伝搬可能な反射帯域を持つ前記高反射ミラーとを備え、
前記光結合手段に、前記利得領域と前記中空導波路との光結合部の結合効率向上手段を備えることを特徴とする光学装置。Using a gain region having an optical gain in a desired wavelength tunable width, a hollow optical waveguide that reflects light by a highly reflective mirror and propagates in the air, and one or more of the gain region and the hollow optical waveguide, respectively An optical coupling means for optical coupling,
The hollow optical waveguide is capable of propagating light having a wavelength determined by the filter characteristics, a core thickness variable means capable of changing the thickness of the core, a filter structure whose wavelength filter characteristics are changed by the core thickness variable means A high reflection mirror having a reflection band;
An optical apparatus, wherein the optical coupling means includes means for improving the coupling efficiency of an optical coupling portion between the gain region and the hollow waveguide.
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