JP3899996B2 - 光導波路、多波長光源、及び波長可変光源 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光導波路、及びこれを備えた多波長光源並びに波長可変光源に関する。
【０００２】
【従来の技術】
所望の反射特性を有するグレーティングが形成されたコアを備える光導波路は、例えば半導体レーザの外部共振器として好適に利用される。
【０００３】
このような従来の光導波路として、例えば「１９９７年電子情報通信学会総合大会講演論文集，Ｃ−３−１６０，ｐｐ．３４５，“ＵＶ誘起グレーティングとスポットサイズ変換ＬＤを用いたハイブリッド４波長レーザ”、田中拓也ら、１９９７．３」（文献１）には、実効屈折率の等しい複数のコアにそれぞれ異なる周期のグレーティングが形成された光導波路が開示されている。
【０００４】
また、例えば「特開平１０−９０５０８号公報」（文献２）には、実効屈折率の異なる複数のコアに等しい周期のグレーティングが形成された光導波路が開示されている。
【０００５】
これらの光導波路では、複数のコアそれぞれに形成されたグレーティングにより、それぞれ異なるブラッグ波長の光を選択して利用することができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した文献１に開示の光導波路では、コアごとに異なる周期のグレーティングを形成するとき、隣接するコアには紫外光（ＵＶ光）が照射されないようにマスキングをしつつ、グレーティングの数だけ位相格子を取り替えてＵＶ光の照射を繰り返さなければならなかった。従って、製造効率が悪いばかりか、例えば水素処理を施してグレーティングの形成効率を高めている場合などには、時間と共にコアから水素が急速に抜けていくため、多数のグレーティングを良好に形成することは非常に困難であった。また、各コアが数百μｍ以下程度に接近している場合には、一のコアへＵＶ光を照射するときに、隣接するコアにＵＶ光が照射されないようにマスキングすることは非常に困難であった。
【０００７】
これに対し、上記した文献２に開示の光導波路では、複数のコアに等しい周期のグレーティングを一度に形成することが可能であるため、文献１に開示の光導波路のような製造上の問題は解消し得るものの、複数のコアそれぞれでコア幅（あるいはコア厚さ）のみを変化させる構成であるため、コアの実効屈折率の変化が小さく、複数のコアそれぞれに形成されたグレーティングにおけるブラッグ波長として利用可能な波長範囲が小さかった。
【０００８】
本発明は、以上のような問題点を解決するためになされたものであり、製造が容易で、且つグレーティングのブラック波長として利用可能な波長範囲が大きい光導波路、多波長光源、及び波長可変光源を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る光導波路は、複数並設されたコアを備え、コアそれぞれのコア幅と屈折率とが変更されて、コアそれぞれの実効屈折率が異なるように設計されており、コアそれぞれに等しい周期のグレーティングが形成され、コアそれぞれのコア幅と屈折率とは、光導波路がシングルモード条件を満たすように設計されており、コアそれぞれの屈折率の変更は、コアそれぞれが加工されるコア層の成膜時に、Ｇｅ添加量の濃度勾配を設けることによってなされていることを特徴とする。
【００１０】
この光導波路では、複数のコアそれぞれに等しい周期のグレーティングが形成されているため、異なる周期のグレーティングが形成されている場合と比べて、その製造が容易になる。また、コアそれぞれのコア幅と屈折率とが変更されて、コアそれぞれの実効屈折率が異なるように設計されているため、コア幅のみが変更されて実効屈折率が異なるように設計された場合と比べて、グレーティングのブラック波長として利用可能な波長範囲が大きい。また、コアそれぞれのコア幅と屈折率とは、光導波路がシングルモード条件を満たすように設計されているため、例えば光導波路を半導体レーザの外部共振器として利用する場合、発振波長の安定化が図られ、モードホップが生じるおそれを低減することができる。
【００１２】
本発明に係る光導波路は、コアそれぞれのコア幅と屈折率とは、グレーティングそれぞれのブラック波長における反射率を実質的に一定にするように設計されていることを特徴としてもよい。このようにすれば、グレーティングそれぞれのブラック波長における光の反射率が実質的に均一化される。
【００１３】
また本発明に係る光導波路は、一のコアを備え、コアは、コアの延伸方向に沿ってコア幅と屈折率とが変更されて、実効屈折率が異なるように設計された複数のコアセグメント部を有し、コアセグメント部それぞれに等しい周期のグレーティングが形成され、コアセグメント部それぞれのコア幅と屈折率とは、光導波路がシングルモード条件を満たすように設計されており、コアセグメント部それぞれの屈折率の変更は、コアセグメント部それぞれが加工されるコア層の成膜時に、Ｇｅ添加量の濃度勾配を設けることによってなされていることを特徴とする。
【００１４】
この光導波路では、複数のコアセグメント部それぞれに等しい周期のグレーティングが形成されているため、異なる周期のグレーティングが形成されている場合と比べて、その製造が容易になる。また、コアの延伸方向に沿ってコア幅と屈折率とが変更されて、実効屈折率が異なるように設計されているため、コア幅のみが変更されて実効屈折率が異なるように設計される場合と比べて、グレーティングのブラック波長として利用可能な波長範囲が大きい。また、コアそれぞれのコア幅と屈折率とは、光導波路がシングルモード条件を満たすように設計されているため、例えば光導波路を半導体レーザの外部共振器として利用する場合、発振波長の安定化が図られ、モードホップが生じるおそれを低減することができる。
【００１６】
本発明に係る光導波路では、コアセグメント部それぞれのコア幅と屈折率とは、グレーティングそれぞれのブラック波長における反射率を実質的に一定にするように設計されていることを特徴としてもよい。このようにすれば、グレーティングそれぞれのブラック波長における光の反射率が実質的に均一化される。
【００１７】
本発明に係る多波長光源は、上記した光導波路と、光導波路が備える複数のコアに光学的に結合される半導体光増幅デバイスと、光導波路が備える複数のコア内を伝搬する光を合波する合波器と、を備えることを特徴とする。
【００１８】
このように、本発明に係る光導波路を用いて、複数波長の光を含む光を出射可能な多波長光源を好適に構成することができる。
【００１９】
本発明に係る波長可変光源は、上記した第１及び第２の光導波路と、第１及び第２の光導波路の間に設けられる半導体光増幅デバイスと、第１の光導波路が備えるコアの温度を制御するための温度制御手段と、を備えることを特徴とする。このように、本発明に係る光導波路を用いて、複数の波長の光を選択的に出射可能な波長可変光源を好適に構成することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は説明のものと必ずしも一致していない。
（第１実施形態）
図１は、本実施形態に係る多波長光源の構成を示す図である。図１に示すように、多波長光源１０は、同一基板１２上に設けられた、本実施形態に係る光導波路１４と、合波器１６と、半導体光増幅器アレイ（半導体光増幅デバイス）１８と、モニタ用の受光器アレイ２０と、を備えている。
【００２１】
光導波路１４は、積層型の平面導波路であり、図１に示すように、基板１２の上方に並設された複数のコア２２ａ〜２２ｄを有している。コア２２ａ〜２２ｄは、その延伸方向に沿って光を伝搬させるための導波経路であって、その周囲がコア２２ａ〜２２ｄよりも屈折率の低いクラッド２４により覆われている。これらのコア２２ａ〜２２ｄは、例えば、石英（ＳｉＯ2）中にゲルマニウム（Ｇｅ）を添加して形成されており、石英（ＳｉＯ2）のみからなるクラッド２４に対し高屈折率とされている。
【００２２】
これらのコア２２ａ〜２２ｄは、各コアでコア幅Ｗと屈折率ｎとが変更されて、コア２２ａ〜２２ｄそれぞれの実効屈折率ｎeffが異なるように設計されている。そして、コア２２ａ〜２２ｄそれぞれに等しい周期のグレーティング２６ａ〜２６ｄが形成されている。これらのグレーティング２６ａ〜２６ｄは、光導波路１４の入射端１４ａ側から所定距離だけ内側に設けられている。
【００２３】
ここで本実施形態に係る光導波路１４では、コア２２ａ〜２２ｄそれぞれのコア幅Ｗと屈折率ｎとは、グレーティング２６ａ〜２６ｄそれぞれのブラック波長における反射率を実質的に一定にするように設計されている。すなわち、図２に示す関係に従って、各コア２２ａ〜２２ｄのコア幅Ｗと屈折率ｎとが共に変更されて、グレーティング２６ａ〜２６ｄそれぞれのブラック波長λBにおける反射率が実質的に一定になるように設計されている。従って、図３において実線で示すように、グレーティング２６ａ〜２６ｄそれぞれの光の反射率は、利用する波長範囲内におけるブラック波長λBの変化に対して変化が小さく、実質的に均一化されている。なお、図３において破線で示すように、コア幅Ｗのみを変更して実効屈折率ｎeffを変化させた場合は、ブラック波長λBの変化に伴う反射率の変化を抑制することができず、反射率の均一化を図ることができない。
【００２４】
本実施形態に係る光導波路１０では、各コア２２ａ〜２２ｄに形成されたグレーティング２６ａ〜２６ｄにおけるブラッグ波長（光の回折波長）λBは、
λB＝２・ｎeff・Λ ・・・ （１）
で与えられる。
【００２５】
ここで、ｎeffはグレーティングにおける実効屈折率を表し、Λはグレーティングの周期（形成ピッチ）を表している。上記（１）式に示すように、グレーティングのブラッグ波長λBは、コアの実効屈折率ｎeffに依存して変動する。
【００２６】
図４は、図２に示す関係に従って各コア２２ａ〜２２ｄのコア幅Ｗと屈折率ｎとを共に変更し、コア２２ａ〜２２ｄそれぞれの実効屈折率ｎeffを変化させたときの、上記（１）式で求められるブラッグ波長λBとコア幅Ｗとの関係を示すグラフである。本実施形態に係る光導波路１０では、各コア２２ａ〜２２ｄでコア幅Ｗと屈折率ｎとが変更されて、コア２２ａ〜２２ｄそれぞれの実効屈折率ｎeffが異なるように設計されているため、グレーティング２６ａ〜２６ｄそれぞれの反射特性はそれぞれ異なり、異なるブラッグ波長λBの光を反射させる。
【００２７】
また本実施形態に係る光導波路１０では、コア２２ａ〜２２ｄそれぞれのコア幅Ｗと屈折率ｎとは、シングルモード条件を満たすように設計されている。ここでシングルモード条件とは、導波路に基本モードしか伝搬しない条件のことであり、導波路のＶパラメータが、１次モードのカットオフＶ値Ｖcよりも小さくなる条件をいう。導波路のＶパラメータは、以下の式で表される。
ここで、ａ＝ｗ／２（コア半幅）であり、Δ＝ｎ+ｎcladである。ｎcladは、クラッドの屈折率である。
【００２８】
従って、このコア２２ａ〜２２ｄ内に形成されたグレーティング２６ａ〜２６ｄを半導体レーザの外部共振器として利用した場合、図５のラインＬ１〜Ｌ４に示すように、いずれの発振波長についても発振波長の安定化が図られ、モードホップが生じるおそれが低減される。
【００２９】
合波器１６は、光導波路１０の出射端１４ｂ側に連続して設けられている。この合波器１６は、共通導波路２８とこの共通導波路２８から分岐する複数の分岐路３０ａ〜３０ｄとを含む合波回路を有している。この合波器１６は、複数の分岐路３０ａ〜３０ｄが、光導波路１４の複数のコア２２ａ〜２２ｄと光学的に結合されており、これらコア２２ａ〜２２ｄ内を伝搬する光を合波して共通導波路２８内を伝搬させる。
【００３０】
半導体光増幅器アレイ１８は、光増幅機能を有する半導体活性層を含む半導体光増幅器をアレイ状に設けたものである。この半導体光増幅器アレイ１８の光出射面１８ａには非反射コート（ＡＲコート）が施されており、この光出射面１８ａと対向する光反射面１８ｂには反射コートが施されている。この半導体光増幅器アレイ１８は、光出射面１８ａが光導波路１４の光入射面１４ａと対面するように溝３２内の基板１２上に配置され、複数のコア２２ａ〜２２ｄそれぞれと光学的な結合が図られている。なお、本実施形態に係る多波長光源１０では、半導体光増幅器アレイ１８の光反射面１８ｂと光導波路１４の各コア２２ａ〜２２ｄに設けられたグレーティング２６ａ〜２６ｄとにより、半導体レーザの共振器が構成されている。
【００３１】
モニタ用の受光器アレイ２０は、フォトダイオード等の受光器をアレイ状に設けたものである。この受光器アレイ２０は、半導体光増幅器アレイ１８の光反射面１８ｂから出射される光を受光してモニタする。この受光器アレイ２０は、受光面２０ａが半導体光増幅器アレイ１８の光反射面１８ｂと対面するように溝３２内の基板１２上に配置され、半導体光増幅器アレイ１８と光学的な結合が図られている。
【００３２】
次に、上記した構成の多波長光源の製造方法について説明する。
【００３３】
まず、基板（例えばシリコン基板）上に、化学的気相成長法（ＣＶＤ）あるいは火炎加水分解法（ＦＨＤ）により、アンダークラッド層を成膜し、さらにその上にコア層を成膜する。コア層の成膜時には、基板面内でＧｅ添加量の濃度勾配を設け、屈折率の勾配をつける。Ｇｅ添加量の濃度勾配は、ＦＨＤ法ではスス堆積時のバーナのトラバースとＧｅＣｌ4投入量との関係を調整したり、あるいはスス堆積時の基板温度に傾斜を付けたりすることで実現できる。ＣＶＤ法では、コア層の成膜時にＧｅ添加量の濃度勾配を付けたい部分をチャンバの中央から離れた位置に置くなどすることで実現できる。
【００３４】
次に、フォトリソグラフィ技術と反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）とにより、複数のコアと合波回路を加工する。このとき、使用するフォトマスクには、予め設計されたコア幅の複数のコア及び合波回路のパターンが書き込まれている。そして、これらの上に、ＣＶＤあるいはＦＨＤにより、オーバークラッド層を成膜する。
【００３５】
次に、上記の処理が施された基板上に高圧水素処理を施す。そして、位相格子を介して紫外光を照射し、複数のコアそれぞれに等しい周期のグレーティングを形成する。光源としては、コアに照射したときに屈折率を上昇させる紫外光を射出するものを用いる。例えば、コアの添加物（ここでは、Ｇｅ）を反応させる紫外光を出射するエキシマレーザなどを用いればよい。また、位相格子としては均一のパターン周期を有するものを用いる。このようにしてグレーティングを形成すれば、並設される複数のコアに対して紫外光を一度に照射することで、各コアに反射特性の異なるグレーティングを一括して形成することができる。従って、各コアに対して異なる干渉パターンの紫外光を個々に照射する必要がなくなり、製造の効率化が図られ生産性を向上させることができる。
【００３６】
次に、複数のコアの延伸方向と交差する方向に沿って、基板上の素子搭載領域に相当する部分にエッチングを施し、その領域のコア及びクラッドを取り除いて溝を形成する。そして、その溝内に半導体光増幅器アレイ及び受光器アレイを実装し、半導体光増幅器アレイと光導波路との間、及び半導体光増幅器アレイと受光器アレイとの間の光学的な結合を図る。
【００３７】
次に、本実施形態に係る光導波路１４、及びこれを備える多波長光源１０の作用及び効果について説明する。
【００３８】
本実施形態に係る多波長光源１０では、半導体光増幅器アレイ１８を駆動させると、半導体光増幅器アレイ１８の光反射面１８ｂと光導波路１４の複数のコア２２ａ〜２２ｄに形成されたグレーティング２６ａ〜２６ｄとを共振器として、所定のブラッグ波長λBでレーザ発振が起こる。それぞれ異なるブラッグ波長で発振された光は、光導波路１４の各コア２２ａ〜２２ｄ内を伝搬し、合波器１６により合波されて、合波器１６の出射端１６ａ側から出射される。出射される光パワーは、受光器アレイ２０によりモニタすることで調整することができる。
【００３９】
このような構成の多波長光源１０が備える光導波路１４では、複数のコア２２ａ〜２２ｄそれぞれに等しい周期のグレーティング２６ａ〜２６ｄが形成されているため、異なる周期のグレーティングが形成されている場合と比べて、その製造が容易になり、生産性の向上を図ることが可能となる。また、コア２２ａ〜２２ｄそれぞれのコア幅Ｗと屈折率ｎとが変更されて、コア２２ａ〜２２ｄそれぞれの実効屈折率ｎeffが異なるように設計されているため、コア幅Ｗのみが変更されて実効屈折率ｎeffが異なるように設計された場合と比べて、グレーティング２６ａ〜２６ｄのブラック波長λBとして利用可能な波長範囲を大きくすることができる。
【００４０】
図６は、コアの屈折率ｎを種々に変更したときの、コア幅Ｗと実効屈折率ｎeffとの関係を示すグラフである。図６において、丸はコアの屈折率が１．４４５のとき、四角はコアの屈折率が１．４５のとき、三角はコアの屈折率が１．４５５のとき、星はコアの屈折率が１．４６のときをそれぞれ示している。図６に示すように、コアのコア幅Ｗが大きいほど実効屈折率ｎeffは大きくなるが、その変動幅は小さい。これに対し、コア幅Ｗのみならずコアの屈折率ｎをも大きくすれば、実効屈折率ｎeffの変動幅は大きくなり、グレーティングのブラック波長として利用可能な波長範囲を大きくすることができる。
【００４１】
また、この光導波路１４では、コア２２ａ〜２２ｄそれぞれのコア幅Ｗと屈折率ｎとは、シングルモード条件を満たすように設計されているため、半導体光増幅器アレイ１８の光反射面１８ｂとコア２２ａ〜２２ｄ内のグレーティング２６ａ〜２６ｄとを共振器とする半導体レーザからの出射光は、図５に示すように、いずれの発振波長においても発振波長が安定しており、モードホップが生じるおそれを低減することができる。
【００４２】
また、この光導波路１４では、コア２２ａ〜２２ｄそれぞれのコア幅Ｗと屈折率ｎとは、グレーティング２６ａ〜２６ｄそれぞれのブラック波長λBにおける反射率を実質的に一定にするように設計されているため、グレーティング２６ａ〜２６ｄそれぞれのブラック波長λBにおける光の反射率が実質的に均一化される。その結果、光の出射パワー、光の注入電力依存性をほぼ一定にすることが可能となる。
【００４３】
また、上記のような作用効果を奏しうる光導波路１４を用いて、複数波長の光を含む光を出射可能な多波長光源１０を、シンプルな構成で好適に構成することができる。
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。なお、図２〜図６は、第２実施形態においても利用可能であるため、これらも参照して説明する。
【００４４】
図７は、本実施形態に係る波長可変光源５０の構成を示す図である。図７に示すように、波長可変光源５０は、同一基板５２上に設けられた、本実施形態に係る第１及び第２の光導波路５４，５６と、半導体光増幅器（半導体光増幅デバイス）５８と、温度制御手段６１と、を備えている。
【００４５】
第１及び第２の光導波路５４，５６は、積層型の平面導波路であり、図７に示すように、基板１２の上方に設けられた一のコア６０，６２を有している。コア６０，６２は、その延伸方向に沿って光を伝搬させるための導波経路であって、その周囲がコア６０，６２よりも屈折率の低いクラッド６４，６６により覆われている。これらのコア６０，６２は、例えば、石英（ＳｉＯ2）中にゲルマニウム（Ｇｅ）を添加して形成されており、石英（ＳｉＯ2）のみからなるクラッド６４，６６に対し高屈折率とされている。
【００４６】
第１及び第２の光導波路５４，５６のコア６０，６２は、コア６０，６２の延伸方向に沿ってコア幅Ｗと屈折率ｎとがステップ状に変更されて、実効屈折率ｎeffが異なるように設計された複数のコアセグメント部６０ａ〜６０ｄ，６２ａ〜６２ｄを有している。そして、コアセグメント部６０ａ〜６０ｄ，６２ａ〜６２ｄそれぞれに等しい周期のグレーティング６８ａ〜６８ｄ，７０ａ〜７０ｄが形成されている。
【００４７】
ここで本実施形態に係る光導波路５４，５６では、コアセグメント部６０ａ〜６０ｄ，６２ａ〜６２ｄそれぞれのコア幅Ｗと屈折率ｎとは、グレーティング６８ａ〜６８ｄ，７０ａ〜７０ｄそれぞれのブラック波長λBにおける反射率を実質的に一定にするように設計されている。すなわち、図２に示す関係に従って、各コアセグメント部６０ａ〜６０ｄ，６２ａ〜６２ｄのコア幅Ｗと屈折率ｎとが共に変更されて、グレーティング６８ａ〜６８ｄ，７０ａ〜７０ｄそれぞれのブラック波長λBにおける反射率が実質的に一定になるように設計されている。従って、図３において実線で示すように、グレーティングそれぞれの光の反射率は、利用する波長範囲内におけるブラック波長の変化に対して変化が小さく、実質的に均一化されている。なお、図３において破線で示すように、コア幅Ｗのみを変更して実効屈折率ｎeffを変化させた場合は、ブラック波長の変化に伴う反射率の変化を抑制することができず、反射率の均一化を図ることができない。
【００４８】
本実施形態に係る光導波路５４では、各コアセグメント部６０ａ〜６０ｄ，６２ａ〜６２ｄに形成されたグレーティング６８ａ〜６８ｄ，７０ａ〜７０ｄにおけるブラッグ波長（光の回折波長）λBは、第１の実施形態で説明したのと同様に（１）式で与えられ、コアセグメント部６０ａ〜６０ｄ，６２ａ〜６２ｄの実効屈折率ｎeffに依存して変動する。
【００４９】
図４は、図２に示す関係に従って各コアセグメント部６０ａ〜６０ｄ，６２ａ〜６２ｄのコア幅Ｗと屈折率ｎとを共に変更し、コアセグメント部６０ａ〜６０ｄ，６２ａ〜６２ｄそれぞれの実効屈折率ｎeffを変化させたときの、上記（１）式で求められるブラッグ波長λBとコア幅Wとの関係を示すグラフである。本実施形態に係る光導波路５４，５６では、各コアセグメント部６０ａ〜６０ｄ，６２ａ〜６２ｄでコア幅Ｗと屈折率ｎとが変更されて、コアセグメント部６０ａ〜６０ｄ，６２ａ〜６２ｄそれぞれの実効屈折率ｎeffが異なるように設計されているため、グレーティング６８ａ〜６８ｄ，７０ａ〜７０ｄそれぞれの反射特性はそれぞれ異なり、異なるブラッグ波長λBの光を反射させる。このコア幅Ｗと屈折率ｎとは、第１の光導波路５４と第２の光導波路５６との間でも変更されている。
【００５０】
従って、第１の光導波路５４の各コアセグメント部６０ａ〜６０ｄに形成されたグレーティング６８ａ〜６８ｄは、図８において実線で示すように、所定温度（例えば室温）において波長λ1a、λ2a、λ3a、λ4aで反射ピークを持つ。また第２の光導波路５６の各コアセグメント部６２ａ〜６２ｄに形成されたグレーティング７０ａ〜７０ｄは、図８において破線で示すように、所定温度（例えば室温）において波長λ1b、λ2b、λ3b、λ4bで反射ピークを持つ。なお、波長幅Δλ1（＝λ1b−λ1a）、Δλ2（＝λ2b−λ2a）、Δλ3（＝λ3b−λ3a）、及びΔλ4（＝λ4b−λ4a）は、それぞれ異なるものとされている。
【００５１】
また本実施形態に係る光導波路５４，５６では、コアセグメント部６０ａ〜６０ｄ，６２ａ〜６２ｄそれぞれのコア幅Ｗと屈折率ｎとは、シングルモード条件を満たすように設計されている。ここでシングルモード条件とは、導波路に基本モードしか伝搬しない条件のことであり、導波路のＶパラメータが、１次モードのカットオフＶ値Ｖcよりも小さくなる条件をいう。従って、このコアセグメント部６０ａ〜６０ｄ，６２ａ〜６２ｄ内に形成されたグレーティング６８ａ〜６８ｄ，７０ａ〜７０ｄを半導体レーザの外部共振器として利用した場合、図５のラインＬ１〜Ｌ４に示すように、いずれの発振波長においても発振波長の安定化が図られ、モードホップが生じるおそれが低減される。
【００５２】
半導体光増幅器５８は、光増幅機能を有する半導体活性層（図示しない）を含む。この半導体光増幅器５８の一対の光出射面５８ａ，５８ｂには非反射コート（ＡＲコート）が施されている。この半導体光増幅器５８は、一対の光出射面５８ａ，５８ｂそれぞれが第１及び第２の光導波路５４，５６の光入射面５４ａ，５６ａと対面するように、溝６８内の基板５２上において第１及び第２の光導波路５４，５６の間に配置され、第１及び第２の光導波路５４，５６のコア６０，６２と光学的な結合が図られている。なお、本実施形態に係る波長可変光源５０では、第１の光導波路５４のグレーティング６８ａ〜６８ｄのいずれかと、第２の光導波路５６のグレーティング７０ａ〜７０ｄのいずれかとにより、半導体レーザの共振器が構成されている。
【００５３】
温度制御手段６１は、図７に示すように、第１の光導波路５４上に設けられている。この温度制御手段６１は、第１の光導波路５４が備えるコア６０の温度を制御する。温度制御手段６１としては、例えばペルチエ素子、光導波路のオーバークラッド上に直接形成した薄膜ヒーターなどを用いることができる。この温度制御手段６１を利用してコア６０の温度を変更させることで、コア６０の実効屈折率ｎeffが変更されるため、各コアセグメント部６０ａ〜６０ｄのグレーティング６８ａ〜６８ｄの光反射特性を変更させることができる。例えば、温度制御手段６１により第１の光導波路５４のコア６０の温度を上昇させることで、図８に示すように、グレーティング６８ａ〜６８ｄの光反射特性を矢印Ａの方向にシフトさせることができる。
【００５４】
次に、上記した構成の波長可変光源５０の製造方法について説明する。
【００５５】
まず、基板（例えばシリコン基板）上に、化学的気相成長法（ＣＶＤ）あるいは火炎加水分解法（ＦＨＤ）により、アンダークラッド層を成膜し、さらにその上にコア層を成膜する。コア層の成膜時には、基板面内でＧｅ添加量の濃度勾配を設け、屈折率の勾配をつける。
【００５６】
次に、フォトリソグラフィ技術と反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）とにより、第１及び第２の光導波路それぞれのコアを加工する。このとき、使用するフォトマスクには、予め設計されたコア幅の複数のコアセグメント部のパターンが書き込まれている。そして、これらの上に、ＣＶＤあるいはＦＨＤにより、オーバークラッド層を成膜する。
【００５７】
次に、上記の処理が施された基板上に高圧水素処理を施す。そして、位相格子を介して紫外光を照射し、第１及び第２の光導波路の複数のコアセグメント部それぞれに等しい周期のグレーティングを形成する。このようにしてグレーティングを形成すれば、複数のコアセグメント部に対して紫外光を一度に照射することで、各コアセグメント部に反射特性の異なるグレーティングを一括して形成することができる。従って、各コアセグメント部に対して異なる干渉パターンの紫外光を個々に照射する必要がなくなり、製造の効率化が図られ生産性を向上させることができる。
【００５８】
次に、コアの延伸方向と交差する方向に沿って、基板上の素子搭載領域に相当する部分にエッチングを施し、その領域のコア及びクラッドを取り除いて溝を形成する。そして、その溝内に半導体光増幅器を実装し、半導体光増幅器と第１及び第２の光導波路の各コアとの光学的な結合を図る。その後、第１の光導波路上に温度制御手段を搭載する。
【００５９】
次に、本実施形態に係る光導波路５４，５６、及びこれを備える波長可変光源５０の作用及び効果について説明する。
【００６０】
本実施形態に係る波長可変光源５０では、半導体光増幅器５８を駆動させると、まず第１の光導波路５４のグレーティング６８ａによるブラッグ波長λ1aと第２の光導波路５６のグレーティング７０ａによるブラッグ波長λ1bが一致しているため、この波長λ1bでレーザ発振が起こる。
【００６１】
次に、温度制御手段６１により、第１の光導波路５４のコア６０の温度を上昇させると、図８に示すように、各グレーティング６８ａ〜６８ｄの光反射特性は矢印Ａの方向にシフトする。そして、波長シフト量がΔλ2となり、第１の光導波路５４のグレーティング６８ｂによるブラッグ波長λ2aと第２の光導波路５６のグレーティング７０ｂによるブラッグ波長λ2bとが一致したとき、この波長λ2bでレーザ発振が起こる。
【００６２】
更に、温度制御手段６１により、第１の光導波路５４のコア６０の温度を上昇させると、各グレーティング６８ａ〜６８ｄの光反射特性は矢印Ａの方向に更にシフトし、波長シフト量がΔλ3となって、第１の光導波路５４のグレーティング６８ｃによるブラッグ波長λ3aと第２の光導波路５６のグレーティング７０ｃによるブラッグ波長λ3aとが一致したとき、この波長λ3bでレーザ発振が起こり、波長シフト量がΔλ4となって、第１の光導波路５４のグレーティング６８ｄによるブラッグ波長λ4aと第２の光導波路５６のグレーティング７０ｄによるブラッグ波長λ4bとが一致したとき、この波長λ4bでレーザ発振が起こる。このように、温度制御手段６１により第１の光導波路５４のコア６０の温度を制御することで、図９に示すように、広い波長範囲で発振波長を変更することができる。なお、波長シフト量Δλ1、Δλ2、Δλ3、及びΔλ4はそれぞれ異なっているため、波長λ1b、λ2b、λ3b、及びλ4bの光が同時に発振（多モード発振）するおそれはない。
【００６３】
このような構成の波長可変光源５０が備える光導波路５４，５６では、複数のコアセグメント部６０ａ〜６０ｄ，６２ａ〜６２ｄそれぞれに等しい周期のグレーティング６８ａ〜６８ｄ，７０ａ〜７０ｄが形成されているため、異なる周期のグレーティングが形成されている場合と比べて、その製造が容易になり、生産性の向上を図ることが可能となる。また、コア６０，６２の延伸方向に沿ってコア幅Ｗと屈折率ｎとが変更されて、実効屈折率ｎeffが異なるように設計されているため、コア幅Ｗのみが変更されて実効屈折率ｎeffが異なるように設計される場合と比べて、グレーティング６８ａ〜６８ｄ，７０ａ〜７０ｄのブラック波長として利用可能な波長範囲を大きくすることができる。
【００６４】
またこの光導波路５４，５６では、コアセグメント部６０ａ〜６０ｄ，６２ａ〜６２ｄそれぞれのコア幅Ｗと屈折率ｎとは、シングルモード条件を満たすように設計されているため、第１及び第２の光導波路５４，５６のコアセグメント部６０ａ〜６０ｄ，６２ａ〜６２ｄ内のグレーティング６８ａ〜６８ｄ，７０ａ〜７０ｄを共振器とする半導体レーザからの出射光は、図５に示すように、いずれの発振波長においても発振波長が安定しており、モードホップが生じるおそれを低減することができる。
【００６５】
また、本実施形態に係る光導波路５４，５６では、コアセグメント部６０ａ〜６０ｄ，６２ａ〜６２ｄそれぞれのコア幅Ｗと屈折率ｎとは、グレーティング６８ａ〜６８ｄ，７０ａ〜７０ｄそれぞれのブラック波長における反射率を実質的に一定にするように設計されているため、グレーティング６８ａ〜６８ｄ，７０ａ〜７０ｄそれぞれのブラック波長における光の反射率が実質的に均一化される。その結果、この光導波路５４，５６を備える波長可変光源５０によれば、いずれの発振波長の光でもパワーを略一定にすることが可能となる。
【００６６】
また、上記のような作用効果を奏しうる光導波路５４，５６を用いて、複数の波長の光を選択的に出射可能な波長可変光源５０を、シンプルな構成で好適に構成することができる。特に、石英系光導波路は、実効屈折率ｎeffの温度依存性が小さいため、ブラッグ波長の温度依存性はｄλB／ｄＴ〜０．０１ｎｍ／℃であるが、この波長可変光源５０では上記のようにバーニア効果を利用しているため、変更できる波長の範囲が広い。
【００６７】
なお、本発明は上記した実施形態に限定されることなく、種々の変形が可能である。
【００６８】
例えば、上記した第１実施形態に係る光導波路１４では、図１に示すように並設された四本のコアを備えていたが、コアの数は複数であればその本数が三本以下または五本以上であってもよい。
【００６９】
また、上記した第２実施形態にかかる光導波路５４，５６では、図７に示すように、コアセグメント部の数を四つとしていたが、コアセグメント部の数は複数であればその数が三つ以下または五つ以上であってもよい。
【００７０】
【発明の効果】
本発明によれば、製造が容易で、且つグレーティングのブラック波長として利用可能な波長範囲が大きい光導波路、多波長光源、及び波長可変光源が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態に係る光導波路を備える多波長光源の構成を示す図である。
【図２】グレーティングそれぞれのブラック波長における反射率を実質的に一定にするためのコア幅と屈折率との関係を示すグラフである。
【図３】実線は、コア幅と屈折率とを変更させたときのブラッグ波長と反射率との関係を示すグラフである。破線は、コア幅のみを変更させたときのブラッグ波長と反射率との関係を示すグラフである。
【図４】図２に示す関係に従って、コア幅と屈折率とを変更させたときのコア幅とブラッグ波長との関係を示すグラフである。
【図５】注入する電流と発振波長との関係を示すグラフである。
【図６】コアの屈折率を種々に変更したときの、コア幅と実効屈折率ｎeffとの関係を示すグラフである。
【図７】第２実施形態に係る光導波路を備える波長可変光源の構成を示す図である。
【図８】波長と出射される光のパワーとの関係を示すグラフである。
【図９】温度と発振波長との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１０…多波長光源、１４…光導波路、１６…合波器、１８…半導体光増幅器アレイ、２２ａ〜２２ｄ…コア、２６ａ〜２６ｄ…グレーティング、５０…波長可変光源、５４…第１の光導波路、５６…第２の光導波路、５８…半導体光増幅器、６０，６２…コア、６０ａ〜６０ｄ，６２ａ〜６２ｄ…コアセグメント部、６１…温度制御手段、６８ａ〜６８ｄ，７０ａ〜７０ｄ…グレーティング。
【発明の属する技術分野】
本発明は、光導波路、及びこれを備えた多波長光源並びに波長可変光源に関する。
【０００２】
【従来の技術】
所望の反射特性を有するグレーティングが形成されたコアを備える光導波路は、例えば半導体レーザの外部共振器として好適に利用される。
【０００３】
このような従来の光導波路として、例えば「１９９７年電子情報通信学会総合大会講演論文集，Ｃ−３−１６０，ｐｐ．３４５，“ＵＶ誘起グレーティングとスポットサイズ変換ＬＤを用いたハイブリッド４波長レーザ”、田中拓也ら、１９９７．３」（文献１）には、実効屈折率の等しい複数のコアにそれぞれ異なる周期のグレーティングが形成された光導波路が開示されている。
【０００４】
また、例えば「特開平１０−９０５０８号公報」（文献２）には、実効屈折率の異なる複数のコアに等しい周期のグレーティングが形成された光導波路が開示されている。
【０００５】
これらの光導波路では、複数のコアそれぞれに形成されたグレーティングにより、それぞれ異なるブラッグ波長の光を選択して利用することができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した文献１に開示の光導波路では、コアごとに異なる周期のグレーティングを形成するとき、隣接するコアには紫外光（ＵＶ光）が照射されないようにマスキングをしつつ、グレーティングの数だけ位相格子を取り替えてＵＶ光の照射を繰り返さなければならなかった。従って、製造効率が悪いばかりか、例えば水素処理を施してグレーティングの形成効率を高めている場合などには、時間と共にコアから水素が急速に抜けていくため、多数のグレーティングを良好に形成することは非常に困難であった。また、各コアが数百μｍ以下程度に接近している場合には、一のコアへＵＶ光を照射するときに、隣接するコアにＵＶ光が照射されないようにマスキングすることは非常に困難であった。
【０００７】
これに対し、上記した文献２に開示の光導波路では、複数のコアに等しい周期のグレーティングを一度に形成することが可能であるため、文献１に開示の光導波路のような製造上の問題は解消し得るものの、複数のコアそれぞれでコア幅（あるいはコア厚さ）のみを変化させる構成であるため、コアの実効屈折率の変化が小さく、複数のコアそれぞれに形成されたグレーティングにおけるブラッグ波長として利用可能な波長範囲が小さかった。
【０００８】
本発明は、以上のような問題点を解決するためになされたものであり、製造が容易で、且つグレーティングのブラック波長として利用可能な波長範囲が大きい光導波路、多波長光源、及び波長可変光源を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る光導波路は、複数並設されたコアを備え、コアそれぞれのコア幅と屈折率とが変更されて、コアそれぞれの実効屈折率が異なるように設計されており、コアそれぞれに等しい周期のグレーティングが形成され、コアそれぞれのコア幅と屈折率とは、光導波路がシングルモード条件を満たすように設計されており、コアそれぞれの屈折率の変更は、コアそれぞれが加工されるコア層の成膜時に、Ｇｅ添加量の濃度勾配を設けることによってなされていることを特徴とする。
【００１０】
この光導波路では、複数のコアそれぞれに等しい周期のグレーティングが形成されているため、異なる周期のグレーティングが形成されている場合と比べて、その製造が容易になる。また、コアそれぞれのコア幅と屈折率とが変更されて、コアそれぞれの実効屈折率が異なるように設計されているため、コア幅のみが変更されて実効屈折率が異なるように設計された場合と比べて、グレーティングのブラック波長として利用可能な波長範囲が大きい。また、コアそれぞれのコア幅と屈折率とは、光導波路がシングルモード条件を満たすように設計されているため、例えば光導波路を半導体レーザの外部共振器として利用する場合、発振波長の安定化が図られ、モードホップが生じるおそれを低減することができる。
【００１２】
本発明に係る光導波路は、コアそれぞれのコア幅と屈折率とは、グレーティングそれぞれのブラック波長における反射率を実質的に一定にするように設計されていることを特徴としてもよい。このようにすれば、グレーティングそれぞれのブラック波長における光の反射率が実質的に均一化される。
【００１３】
また本発明に係る光導波路は、一のコアを備え、コアは、コアの延伸方向に沿ってコア幅と屈折率とが変更されて、実効屈折率が異なるように設計された複数のコアセグメント部を有し、コアセグメント部それぞれに等しい周期のグレーティングが形成され、コアセグメント部それぞれのコア幅と屈折率とは、光導波路がシングルモード条件を満たすように設計されており、コアセグメント部それぞれの屈折率の変更は、コアセグメント部それぞれが加工されるコア層の成膜時に、Ｇｅ添加量の濃度勾配を設けることによってなされていることを特徴とする。
【００１４】
この光導波路では、複数のコアセグメント部それぞれに等しい周期のグレーティングが形成されているため、異なる周期のグレーティングが形成されている場合と比べて、その製造が容易になる。また、コアの延伸方向に沿ってコア幅と屈折率とが変更されて、実効屈折率が異なるように設計されているため、コア幅のみが変更されて実効屈折率が異なるように設計される場合と比べて、グレーティングのブラック波長として利用可能な波長範囲が大きい。また、コアそれぞれのコア幅と屈折率とは、光導波路がシングルモード条件を満たすように設計されているため、例えば光導波路を半導体レーザの外部共振器として利用する場合、発振波長の安定化が図られ、モードホップが生じるおそれを低減することができる。
【００１６】
本発明に係る光導波路では、コアセグメント部それぞれのコア幅と屈折率とは、グレーティングそれぞれのブラック波長における反射率を実質的に一定にするように設計されていることを特徴としてもよい。このようにすれば、グレーティングそれぞれのブラック波長における光の反射率が実質的に均一化される。
【００１７】
本発明に係る多波長光源は、上記した光導波路と、光導波路が備える複数のコアに光学的に結合される半導体光増幅デバイスと、光導波路が備える複数のコア内を伝搬する光を合波する合波器と、を備えることを特徴とする。
【００１８】
このように、本発明に係る光導波路を用いて、複数波長の光を含む光を出射可能な多波長光源を好適に構成することができる。
【００１９】
本発明に係る波長可変光源は、上記した第１及び第２の光導波路と、第１及び第２の光導波路の間に設けられる半導体光増幅デバイスと、第１の光導波路が備えるコアの温度を制御するための温度制御手段と、を備えることを特徴とする。このように、本発明に係る光導波路を用いて、複数の波長の光を選択的に出射可能な波長可変光源を好適に構成することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は説明のものと必ずしも一致していない。
（第１実施形態）
図１は、本実施形態に係る多波長光源の構成を示す図である。図１に示すように、多波長光源１０は、同一基板１２上に設けられた、本実施形態に係る光導波路１４と、合波器１６と、半導体光増幅器アレイ（半導体光増幅デバイス）１８と、モニタ用の受光器アレイ２０と、を備えている。
【００２１】
光導波路１４は、積層型の平面導波路であり、図１に示すように、基板１２の上方に並設された複数のコア２２ａ〜２２ｄを有している。コア２２ａ〜２２ｄは、その延伸方向に沿って光を伝搬させるための導波経路であって、その周囲がコア２２ａ〜２２ｄよりも屈折率の低いクラッド２４により覆われている。これらのコア２２ａ〜２２ｄは、例えば、石英（ＳｉＯ2）中にゲルマニウム（Ｇｅ）を添加して形成されており、石英（ＳｉＯ2）のみからなるクラッド２４に対し高屈折率とされている。
【００２２】
これらのコア２２ａ〜２２ｄは、各コアでコア幅Ｗと屈折率ｎとが変更されて、コア２２ａ〜２２ｄそれぞれの実効屈折率ｎeffが異なるように設計されている。そして、コア２２ａ〜２２ｄそれぞれに等しい周期のグレーティング２６ａ〜２６ｄが形成されている。これらのグレーティング２６ａ〜２６ｄは、光導波路１４の入射端１４ａ側から所定距離だけ内側に設けられている。
【００２３】
ここで本実施形態に係る光導波路１４では、コア２２ａ〜２２ｄそれぞれのコア幅Ｗと屈折率ｎとは、グレーティング２６ａ〜２６ｄそれぞれのブラック波長における反射率を実質的に一定にするように設計されている。すなわち、図２に示す関係に従って、各コア２２ａ〜２２ｄのコア幅Ｗと屈折率ｎとが共に変更されて、グレーティング２６ａ〜２６ｄそれぞれのブラック波長λBにおける反射率が実質的に一定になるように設計されている。従って、図３において実線で示すように、グレーティング２６ａ〜２６ｄそれぞれの光の反射率は、利用する波長範囲内におけるブラック波長λBの変化に対して変化が小さく、実質的に均一化されている。なお、図３において破線で示すように、コア幅Ｗのみを変更して実効屈折率ｎeffを変化させた場合は、ブラック波長λBの変化に伴う反射率の変化を抑制することができず、反射率の均一化を図ることができない。
【００２４】
本実施形態に係る光導波路１０では、各コア２２ａ〜２２ｄに形成されたグレーティング２６ａ〜２６ｄにおけるブラッグ波長（光の回折波長）λBは、
λB＝２・ｎeff・Λ ・・・ （１）
で与えられる。
【００２５】
ここで、ｎeffはグレーティングにおける実効屈折率を表し、Λはグレーティングの周期（形成ピッチ）を表している。上記（１）式に示すように、グレーティングのブラッグ波長λBは、コアの実効屈折率ｎeffに依存して変動する。
【００２６】
図４は、図２に示す関係に従って各コア２２ａ〜２２ｄのコア幅Ｗと屈折率ｎとを共に変更し、コア２２ａ〜２２ｄそれぞれの実効屈折率ｎeffを変化させたときの、上記（１）式で求められるブラッグ波長λBとコア幅Ｗとの関係を示すグラフである。本実施形態に係る光導波路１０では、各コア２２ａ〜２２ｄでコア幅Ｗと屈折率ｎとが変更されて、コア２２ａ〜２２ｄそれぞれの実効屈折率ｎeffが異なるように設計されているため、グレーティング２６ａ〜２６ｄそれぞれの反射特性はそれぞれ異なり、異なるブラッグ波長λBの光を反射させる。
【００２７】
また本実施形態に係る光導波路１０では、コア２２ａ〜２２ｄそれぞれのコア幅Ｗと屈折率ｎとは、シングルモード条件を満たすように設計されている。ここでシングルモード条件とは、導波路に基本モードしか伝搬しない条件のことであり、導波路のＶパラメータが、１次モードのカットオフＶ値Ｖcよりも小さくなる条件をいう。導波路のＶパラメータは、以下の式で表される。
【００２８】
従って、このコア２２ａ〜２２ｄ内に形成されたグレーティング２６ａ〜２６ｄを半導体レーザの外部共振器として利用した場合、図５のラインＬ１〜Ｌ４に示すように、いずれの発振波長についても発振波長の安定化が図られ、モードホップが生じるおそれが低減される。
【００２９】
合波器１６は、光導波路１０の出射端１４ｂ側に連続して設けられている。この合波器１６は、共通導波路２８とこの共通導波路２８から分岐する複数の分岐路３０ａ〜３０ｄとを含む合波回路を有している。この合波器１６は、複数の分岐路３０ａ〜３０ｄが、光導波路１４の複数のコア２２ａ〜２２ｄと光学的に結合されており、これらコア２２ａ〜２２ｄ内を伝搬する光を合波して共通導波路２８内を伝搬させる。
【００３０】
半導体光増幅器アレイ１８は、光増幅機能を有する半導体活性層を含む半導体光増幅器をアレイ状に設けたものである。この半導体光増幅器アレイ１８の光出射面１８ａには非反射コート（ＡＲコート）が施されており、この光出射面１８ａと対向する光反射面１８ｂには反射コートが施されている。この半導体光増幅器アレイ１８は、光出射面１８ａが光導波路１４の光入射面１４ａと対面するように溝３２内の基板１２上に配置され、複数のコア２２ａ〜２２ｄそれぞれと光学的な結合が図られている。なお、本実施形態に係る多波長光源１０では、半導体光増幅器アレイ１８の光反射面１８ｂと光導波路１４の各コア２２ａ〜２２ｄに設けられたグレーティング２６ａ〜２６ｄとにより、半導体レーザの共振器が構成されている。
【００３１】
モニタ用の受光器アレイ２０は、フォトダイオード等の受光器をアレイ状に設けたものである。この受光器アレイ２０は、半導体光増幅器アレイ１８の光反射面１８ｂから出射される光を受光してモニタする。この受光器アレイ２０は、受光面２０ａが半導体光増幅器アレイ１８の光反射面１８ｂと対面するように溝３２内の基板１２上に配置され、半導体光増幅器アレイ１８と光学的な結合が図られている。
【００３２】
次に、上記した構成の多波長光源の製造方法について説明する。
【００３３】
まず、基板（例えばシリコン基板）上に、化学的気相成長法（ＣＶＤ）あるいは火炎加水分解法（ＦＨＤ）により、アンダークラッド層を成膜し、さらにその上にコア層を成膜する。コア層の成膜時には、基板面内でＧｅ添加量の濃度勾配を設け、屈折率の勾配をつける。Ｇｅ添加量の濃度勾配は、ＦＨＤ法ではスス堆積時のバーナのトラバースとＧｅＣｌ4投入量との関係を調整したり、あるいはスス堆積時の基板温度に傾斜を付けたりすることで実現できる。ＣＶＤ法では、コア層の成膜時にＧｅ添加量の濃度勾配を付けたい部分をチャンバの中央から離れた位置に置くなどすることで実現できる。
【００３４】
次に、フォトリソグラフィ技術と反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）とにより、複数のコアと合波回路を加工する。このとき、使用するフォトマスクには、予め設計されたコア幅の複数のコア及び合波回路のパターンが書き込まれている。そして、これらの上に、ＣＶＤあるいはＦＨＤにより、オーバークラッド層を成膜する。
【００３５】
次に、上記の処理が施された基板上に高圧水素処理を施す。そして、位相格子を介して紫外光を照射し、複数のコアそれぞれに等しい周期のグレーティングを形成する。光源としては、コアに照射したときに屈折率を上昇させる紫外光を射出するものを用いる。例えば、コアの添加物（ここでは、Ｇｅ）を反応させる紫外光を出射するエキシマレーザなどを用いればよい。また、位相格子としては均一のパターン周期を有するものを用いる。このようにしてグレーティングを形成すれば、並設される複数のコアに対して紫外光を一度に照射することで、各コアに反射特性の異なるグレーティングを一括して形成することができる。従って、各コアに対して異なる干渉パターンの紫外光を個々に照射する必要がなくなり、製造の効率化が図られ生産性を向上させることができる。
【００３６】
次に、複数のコアの延伸方向と交差する方向に沿って、基板上の素子搭載領域に相当する部分にエッチングを施し、その領域のコア及びクラッドを取り除いて溝を形成する。そして、その溝内に半導体光増幅器アレイ及び受光器アレイを実装し、半導体光増幅器アレイと光導波路との間、及び半導体光増幅器アレイと受光器アレイとの間の光学的な結合を図る。
【００３７】
次に、本実施形態に係る光導波路１４、及びこれを備える多波長光源１０の作用及び効果について説明する。
【００３８】
本実施形態に係る多波長光源１０では、半導体光増幅器アレイ１８を駆動させると、半導体光増幅器アレイ１８の光反射面１８ｂと光導波路１４の複数のコア２２ａ〜２２ｄに形成されたグレーティング２６ａ〜２６ｄとを共振器として、所定のブラッグ波長λBでレーザ発振が起こる。それぞれ異なるブラッグ波長で発振された光は、光導波路１４の各コア２２ａ〜２２ｄ内を伝搬し、合波器１６により合波されて、合波器１６の出射端１６ａ側から出射される。出射される光パワーは、受光器アレイ２０によりモニタすることで調整することができる。
【００３９】
このような構成の多波長光源１０が備える光導波路１４では、複数のコア２２ａ〜２２ｄそれぞれに等しい周期のグレーティング２６ａ〜２６ｄが形成されているため、異なる周期のグレーティングが形成されている場合と比べて、その製造が容易になり、生産性の向上を図ることが可能となる。また、コア２２ａ〜２２ｄそれぞれのコア幅Ｗと屈折率ｎとが変更されて、コア２２ａ〜２２ｄそれぞれの実効屈折率ｎeffが異なるように設計されているため、コア幅Ｗのみが変更されて実効屈折率ｎeffが異なるように設計された場合と比べて、グレーティング２６ａ〜２６ｄのブラック波長λBとして利用可能な波長範囲を大きくすることができる。
【００４０】
図６は、コアの屈折率ｎを種々に変更したときの、コア幅Ｗと実効屈折率ｎeffとの関係を示すグラフである。図６において、丸はコアの屈折率が１．４４５のとき、四角はコアの屈折率が１．４５のとき、三角はコアの屈折率が１．４５５のとき、星はコアの屈折率が１．４６のときをそれぞれ示している。図６に示すように、コアのコア幅Ｗが大きいほど実効屈折率ｎeffは大きくなるが、その変動幅は小さい。これに対し、コア幅Ｗのみならずコアの屈折率ｎをも大きくすれば、実効屈折率ｎeffの変動幅は大きくなり、グレーティングのブラック波長として利用可能な波長範囲を大きくすることができる。
【００４１】
また、この光導波路１４では、コア２２ａ〜２２ｄそれぞれのコア幅Ｗと屈折率ｎとは、シングルモード条件を満たすように設計されているため、半導体光増幅器アレイ１８の光反射面１８ｂとコア２２ａ〜２２ｄ内のグレーティング２６ａ〜２６ｄとを共振器とする半導体レーザからの出射光は、図５に示すように、いずれの発振波長においても発振波長が安定しており、モードホップが生じるおそれを低減することができる。
【００４２】
また、この光導波路１４では、コア２２ａ〜２２ｄそれぞれのコア幅Ｗと屈折率ｎとは、グレーティング２６ａ〜２６ｄそれぞれのブラック波長λBにおける反射率を実質的に一定にするように設計されているため、グレーティング２６ａ〜２６ｄそれぞれのブラック波長λBにおける光の反射率が実質的に均一化される。その結果、光の出射パワー、光の注入電力依存性をほぼ一定にすることが可能となる。
【００４３】
また、上記のような作用効果を奏しうる光導波路１４を用いて、複数波長の光を含む光を出射可能な多波長光源１０を、シンプルな構成で好適に構成することができる。
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。なお、図２〜図６は、第２実施形態においても利用可能であるため、これらも参照して説明する。
【００４４】
図７は、本実施形態に係る波長可変光源５０の構成を示す図である。図７に示すように、波長可変光源５０は、同一基板５２上に設けられた、本実施形態に係る第１及び第２の光導波路５４，５６と、半導体光増幅器（半導体光増幅デバイス）５８と、温度制御手段６１と、を備えている。
【００４５】
第１及び第２の光導波路５４，５６は、積層型の平面導波路であり、図７に示すように、基板１２の上方に設けられた一のコア６０，６２を有している。コア６０，６２は、その延伸方向に沿って光を伝搬させるための導波経路であって、その周囲がコア６０，６２よりも屈折率の低いクラッド６４，６６により覆われている。これらのコア６０，６２は、例えば、石英（ＳｉＯ2）中にゲルマニウム（Ｇｅ）を添加して形成されており、石英（ＳｉＯ2）のみからなるクラッド６４，６６に対し高屈折率とされている。
【００４６】
第１及び第２の光導波路５４，５６のコア６０，６２は、コア６０，６２の延伸方向に沿ってコア幅Ｗと屈折率ｎとがステップ状に変更されて、実効屈折率ｎeffが異なるように設計された複数のコアセグメント部６０ａ〜６０ｄ，６２ａ〜６２ｄを有している。そして、コアセグメント部６０ａ〜６０ｄ，６２ａ〜６２ｄそれぞれに等しい周期のグレーティング６８ａ〜６８ｄ，７０ａ〜７０ｄが形成されている。
【００４７】
ここで本実施形態に係る光導波路５４，５６では、コアセグメント部６０ａ〜６０ｄ，６２ａ〜６２ｄそれぞれのコア幅Ｗと屈折率ｎとは、グレーティング６８ａ〜６８ｄ，７０ａ〜７０ｄそれぞれのブラック波長λBにおける反射率を実質的に一定にするように設計されている。すなわち、図２に示す関係に従って、各コアセグメント部６０ａ〜６０ｄ，６２ａ〜６２ｄのコア幅Ｗと屈折率ｎとが共に変更されて、グレーティング６８ａ〜６８ｄ，７０ａ〜７０ｄそれぞれのブラック波長λBにおける反射率が実質的に一定になるように設計されている。従って、図３において実線で示すように、グレーティングそれぞれの光の反射率は、利用する波長範囲内におけるブラック波長の変化に対して変化が小さく、実質的に均一化されている。なお、図３において破線で示すように、コア幅Ｗのみを変更して実効屈折率ｎeffを変化させた場合は、ブラック波長の変化に伴う反射率の変化を抑制することができず、反射率の均一化を図ることができない。
【００４８】
本実施形態に係る光導波路５４では、各コアセグメント部６０ａ〜６０ｄ，６２ａ〜６２ｄに形成されたグレーティング６８ａ〜６８ｄ，７０ａ〜７０ｄにおけるブラッグ波長（光の回折波長）λBは、第１の実施形態で説明したのと同様に（１）式で与えられ、コアセグメント部６０ａ〜６０ｄ，６２ａ〜６２ｄの実効屈折率ｎeffに依存して変動する。
【００４９】
図４は、図２に示す関係に従って各コアセグメント部６０ａ〜６０ｄ，６２ａ〜６２ｄのコア幅Ｗと屈折率ｎとを共に変更し、コアセグメント部６０ａ〜６０ｄ，６２ａ〜６２ｄそれぞれの実効屈折率ｎeffを変化させたときの、上記（１）式で求められるブラッグ波長λBとコア幅Wとの関係を示すグラフである。本実施形態に係る光導波路５４，５６では、各コアセグメント部６０ａ〜６０ｄ，６２ａ〜６２ｄでコア幅Ｗと屈折率ｎとが変更されて、コアセグメント部６０ａ〜６０ｄ，６２ａ〜６２ｄそれぞれの実効屈折率ｎeffが異なるように設計されているため、グレーティング６８ａ〜６８ｄ，７０ａ〜７０ｄそれぞれの反射特性はそれぞれ異なり、異なるブラッグ波長λBの光を反射させる。このコア幅Ｗと屈折率ｎとは、第１の光導波路５４と第２の光導波路５６との間でも変更されている。
【００５０】
従って、第１の光導波路５４の各コアセグメント部６０ａ〜６０ｄに形成されたグレーティング６８ａ〜６８ｄは、図８において実線で示すように、所定温度（例えば室温）において波長λ1a、λ2a、λ3a、λ4aで反射ピークを持つ。また第２の光導波路５６の各コアセグメント部６２ａ〜６２ｄに形成されたグレーティング７０ａ〜７０ｄは、図８において破線で示すように、所定温度（例えば室温）において波長λ1b、λ2b、λ3b、λ4bで反射ピークを持つ。なお、波長幅Δλ1（＝λ1b−λ1a）、Δλ2（＝λ2b−λ2a）、Δλ3（＝λ3b−λ3a）、及びΔλ4（＝λ4b−λ4a）は、それぞれ異なるものとされている。
【００５１】
また本実施形態に係る光導波路５４，５６では、コアセグメント部６０ａ〜６０ｄ，６２ａ〜６２ｄそれぞれのコア幅Ｗと屈折率ｎとは、シングルモード条件を満たすように設計されている。ここでシングルモード条件とは、導波路に基本モードしか伝搬しない条件のことであり、導波路のＶパラメータが、１次モードのカットオフＶ値Ｖcよりも小さくなる条件をいう。従って、このコアセグメント部６０ａ〜６０ｄ，６２ａ〜６２ｄ内に形成されたグレーティング６８ａ〜６８ｄ，７０ａ〜７０ｄを半導体レーザの外部共振器として利用した場合、図５のラインＬ１〜Ｌ４に示すように、いずれの発振波長においても発振波長の安定化が図られ、モードホップが生じるおそれが低減される。
【００５２】
半導体光増幅器５８は、光増幅機能を有する半導体活性層（図示しない）を含む。この半導体光増幅器５８の一対の光出射面５８ａ，５８ｂには非反射コート（ＡＲコート）が施されている。この半導体光増幅器５８は、一対の光出射面５８ａ，５８ｂそれぞれが第１及び第２の光導波路５４，５６の光入射面５４ａ，５６ａと対面するように、溝６８内の基板５２上において第１及び第２の光導波路５４，５６の間に配置され、第１及び第２の光導波路５４，５６のコア６０，６２と光学的な結合が図られている。なお、本実施形態に係る波長可変光源５０では、第１の光導波路５４のグレーティング６８ａ〜６８ｄのいずれかと、第２の光導波路５６のグレーティング７０ａ〜７０ｄのいずれかとにより、半導体レーザの共振器が構成されている。
【００５３】
温度制御手段６１は、図７に示すように、第１の光導波路５４上に設けられている。この温度制御手段６１は、第１の光導波路５４が備えるコア６０の温度を制御する。温度制御手段６１としては、例えばペルチエ素子、光導波路のオーバークラッド上に直接形成した薄膜ヒーターなどを用いることができる。この温度制御手段６１を利用してコア６０の温度を変更させることで、コア６０の実効屈折率ｎeffが変更されるため、各コアセグメント部６０ａ〜６０ｄのグレーティング６８ａ〜６８ｄの光反射特性を変更させることができる。例えば、温度制御手段６１により第１の光導波路５４のコア６０の温度を上昇させることで、図８に示すように、グレーティング６８ａ〜６８ｄの光反射特性を矢印Ａの方向にシフトさせることができる。
【００５４】
次に、上記した構成の波長可変光源５０の製造方法について説明する。
【００５５】
まず、基板（例えばシリコン基板）上に、化学的気相成長法（ＣＶＤ）あるいは火炎加水分解法（ＦＨＤ）により、アンダークラッド層を成膜し、さらにその上にコア層を成膜する。コア層の成膜時には、基板面内でＧｅ添加量の濃度勾配を設け、屈折率の勾配をつける。
【００５６】
次に、フォトリソグラフィ技術と反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）とにより、第１及び第２の光導波路それぞれのコアを加工する。このとき、使用するフォトマスクには、予め設計されたコア幅の複数のコアセグメント部のパターンが書き込まれている。そして、これらの上に、ＣＶＤあるいはＦＨＤにより、オーバークラッド層を成膜する。
【００５７】
次に、上記の処理が施された基板上に高圧水素処理を施す。そして、位相格子を介して紫外光を照射し、第１及び第２の光導波路の複数のコアセグメント部それぞれに等しい周期のグレーティングを形成する。このようにしてグレーティングを形成すれば、複数のコアセグメント部に対して紫外光を一度に照射することで、各コアセグメント部に反射特性の異なるグレーティングを一括して形成することができる。従って、各コアセグメント部に対して異なる干渉パターンの紫外光を個々に照射する必要がなくなり、製造の効率化が図られ生産性を向上させることができる。
【００５８】
次に、コアの延伸方向と交差する方向に沿って、基板上の素子搭載領域に相当する部分にエッチングを施し、その領域のコア及びクラッドを取り除いて溝を形成する。そして、その溝内に半導体光増幅器を実装し、半導体光増幅器と第１及び第２の光導波路の各コアとの光学的な結合を図る。その後、第１の光導波路上に温度制御手段を搭載する。
【００５９】
次に、本実施形態に係る光導波路５４，５６、及びこれを備える波長可変光源５０の作用及び効果について説明する。
【００６０】
本実施形態に係る波長可変光源５０では、半導体光増幅器５８を駆動させると、まず第１の光導波路５４のグレーティング６８ａによるブラッグ波長λ1aと第２の光導波路５６のグレーティング７０ａによるブラッグ波長λ1bが一致しているため、この波長λ1bでレーザ発振が起こる。
【００６１】
次に、温度制御手段６１により、第１の光導波路５４のコア６０の温度を上昇させると、図８に示すように、各グレーティング６８ａ〜６８ｄの光反射特性は矢印Ａの方向にシフトする。そして、波長シフト量がΔλ2となり、第１の光導波路５４のグレーティング６８ｂによるブラッグ波長λ2aと第２の光導波路５６のグレーティング７０ｂによるブラッグ波長λ2bとが一致したとき、この波長λ2bでレーザ発振が起こる。
【００６２】
更に、温度制御手段６１により、第１の光導波路５４のコア６０の温度を上昇させると、各グレーティング６８ａ〜６８ｄの光反射特性は矢印Ａの方向に更にシフトし、波長シフト量がΔλ3となって、第１の光導波路５４のグレーティング６８ｃによるブラッグ波長λ3aと第２の光導波路５６のグレーティング７０ｃによるブラッグ波長λ3aとが一致したとき、この波長λ3bでレーザ発振が起こり、波長シフト量がΔλ4となって、第１の光導波路５４のグレーティング６８ｄによるブラッグ波長λ4aと第２の光導波路５６のグレーティング７０ｄによるブラッグ波長λ4bとが一致したとき、この波長λ4bでレーザ発振が起こる。このように、温度制御手段６１により第１の光導波路５４のコア６０の温度を制御することで、図９に示すように、広い波長範囲で発振波長を変更することができる。なお、波長シフト量Δλ1、Δλ2、Δλ3、及びΔλ4はそれぞれ異なっているため、波長λ1b、λ2b、λ3b、及びλ4bの光が同時に発振（多モード発振）するおそれはない。
【００６３】
このような構成の波長可変光源５０が備える光導波路５４，５６では、複数のコアセグメント部６０ａ〜６０ｄ，６２ａ〜６２ｄそれぞれに等しい周期のグレーティング６８ａ〜６８ｄ，７０ａ〜７０ｄが形成されているため、異なる周期のグレーティングが形成されている場合と比べて、その製造が容易になり、生産性の向上を図ることが可能となる。また、コア６０，６２の延伸方向に沿ってコア幅Ｗと屈折率ｎとが変更されて、実効屈折率ｎeffが異なるように設計されているため、コア幅Ｗのみが変更されて実効屈折率ｎeffが異なるように設計される場合と比べて、グレーティング６８ａ〜６８ｄ，７０ａ〜７０ｄのブラック波長として利用可能な波長範囲を大きくすることができる。
【００６４】
またこの光導波路５４，５６では、コアセグメント部６０ａ〜６０ｄ，６２ａ〜６２ｄそれぞれのコア幅Ｗと屈折率ｎとは、シングルモード条件を満たすように設計されているため、第１及び第２の光導波路５４，５６のコアセグメント部６０ａ〜６０ｄ，６２ａ〜６２ｄ内のグレーティング６８ａ〜６８ｄ，７０ａ〜７０ｄを共振器とする半導体レーザからの出射光は、図５に示すように、いずれの発振波長においても発振波長が安定しており、モードホップが生じるおそれを低減することができる。
【００６５】
また、本実施形態に係る光導波路５４，５６では、コアセグメント部６０ａ〜６０ｄ，６２ａ〜６２ｄそれぞれのコア幅Ｗと屈折率ｎとは、グレーティング６８ａ〜６８ｄ，７０ａ〜７０ｄそれぞれのブラック波長における反射率を実質的に一定にするように設計されているため、グレーティング６８ａ〜６８ｄ，７０ａ〜７０ｄそれぞれのブラック波長における光の反射率が実質的に均一化される。その結果、この光導波路５４，５６を備える波長可変光源５０によれば、いずれの発振波長の光でもパワーを略一定にすることが可能となる。
【００６６】
また、上記のような作用効果を奏しうる光導波路５４，５６を用いて、複数の波長の光を選択的に出射可能な波長可変光源５０を、シンプルな構成で好適に構成することができる。特に、石英系光導波路は、実効屈折率ｎeffの温度依存性が小さいため、ブラッグ波長の温度依存性はｄλB／ｄＴ〜０．０１ｎｍ／℃であるが、この波長可変光源５０では上記のようにバーニア効果を利用しているため、変更できる波長の範囲が広い。
【００６７】
なお、本発明は上記した実施形態に限定されることなく、種々の変形が可能である。
【００６８】
例えば、上記した第１実施形態に係る光導波路１４では、図１に示すように並設された四本のコアを備えていたが、コアの数は複数であればその本数が三本以下または五本以上であってもよい。
【００６９】
また、上記した第２実施形態にかかる光導波路５４，５６では、図７に示すように、コアセグメント部の数を四つとしていたが、コアセグメント部の数は複数であればその数が三つ以下または五つ以上であってもよい。
【００７０】
【発明の効果】
本発明によれば、製造が容易で、且つグレーティングのブラック波長として利用可能な波長範囲が大きい光導波路、多波長光源、及び波長可変光源が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態に係る光導波路を備える多波長光源の構成を示す図である。
【図２】グレーティングそれぞれのブラック波長における反射率を実質的に一定にするためのコア幅と屈折率との関係を示すグラフである。
【図３】実線は、コア幅と屈折率とを変更させたときのブラッグ波長と反射率との関係を示すグラフである。破線は、コア幅のみを変更させたときのブラッグ波長と反射率との関係を示すグラフである。
【図４】図２に示す関係に従って、コア幅と屈折率とを変更させたときのコア幅とブラッグ波長との関係を示すグラフである。
【図５】注入する電流と発振波長との関係を示すグラフである。
【図６】コアの屈折率を種々に変更したときの、コア幅と実効屈折率ｎeffとの関係を示すグラフである。
【図７】第２実施形態に係る光導波路を備える波長可変光源の構成を示す図である。
【図８】波長と出射される光のパワーとの関係を示すグラフである。
【図９】温度と発振波長との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１０…多波長光源、１４…光導波路、１６…合波器、１８…半導体光増幅器アレイ、２２ａ〜２２ｄ…コア、２６ａ〜２６ｄ…グレーティング、５０…波長可変光源、５４…第１の光導波路、５６…第２の光導波路、５８…半導体光増幅器、６０，６２…コア、６０ａ〜６０ｄ，６２ａ〜６２ｄ…コアセグメント部、６１…温度制御手段、６８ａ〜６８ｄ，７０ａ〜７０ｄ…グレーティング。
Claims (6)
- 複数並設されたコアを備え、
前記コアそれぞれのコア幅と屈折率とが変更されて、該コアそれぞれの実効屈折率が異なるように設計されており、
前記コアそれぞれに等しい周期のグレーティングが形成され、
前記コアそれぞれのコア幅と屈折率とは、光導波路がシングルモード条件を満たすように設計されており、
前記コアそれぞれの前記屈折率の変更は、前記コアそれぞれが加工されるコア層の成膜時に、Ｇｅ添加量の濃度勾配を設けることによってなされていることを特徴とする光導波路。 - 前記コアそれぞれのコア幅と屈折率とは、前記グレーティングそれぞれのブラック波長における反射率を実質的に一定にするように設計されていることを特徴とする請求項１に記載の光導波路。
- 一のコアを備え、
前記コアは、該コアの延伸方向に沿ってコア幅と屈折率とが変更されて、実効屈折率が異なるように設計された複数のコアセグメント部を有し、
前記コアセグメント部それぞれに等しい周期のグレーティングが形成され、
前記コアセグメント部それぞれのコア幅と屈折率とは、光導波路がシングルモード条件を満たすように設計されており、
前記コアセグメント部それぞれの前記屈折率の変更は、前記コアセグメント部それぞれが加工されるコア層の成膜時に、Ｇｅ添加量の濃度勾配を設けることによってなされていることを特徴とする光導波路。 - 前記コアセグメント部それぞれのコア幅と屈折率とは、前記グレーティングそれぞれのブラック波長における反射率を実質的に一定にするように設計されていることを特徴とする請求項３に記載の光導波路。
- 請求項１に記載の光導波路と、
前記光導波路が備える前記複数のコアに光学的に結合される半導体光増幅デバイスと、
前記光導波路が備える前記複数のコア内を伝搬する光を合波する合波器と、
を備えることを特徴とする多波長光源。 - 請求項３に記載の第１及び第２の光導波路と、
前記第１及び第２の光導波路の間に設けられる半導体光増幅デバイスと、
前記第１の光導波路が備える前記コアの温度を制御するための温度制御手段と、
を備えることを特徴とする波長可変光源。
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