JP2004537863A - チューナブルレーザ - Google Patents
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Abstract
反射ピークの櫛を生成するように設けられた分布ブラッグ反射鏡形態の第１の反射鏡によって一方の端部における境界が画定されかつ第２のブラッグ反射鏡によって他方の端部上での境界が画定された増幅セクションを有し、前記第２のブラッグ反射鏡は、複数の波長で反射するように設けられ、かつ個別の複数のセグメントを通して選択的に調整可能とされ、これにより、当該ブラッグ反射鏡の一つもしくは複数のセグメントが、より低い一つの波長にチューニング可能とされて、当該より低い波長での反射率を高めるために、当該より低い波長で反射をする一つのセグメントで反射するように構成されているチューナブルレーザ。
Description
【技術分野】
【０００１】
本発明は、チューナブルレーザ（波長可変レーザ）に係り、必ずしも限定するものではないが、とりわけＣバンド、つまり１５３０〜１５７０ｎｍの帯域で動作する遠距離通信システム用のチューナブルレーザに関する。本実施形態は、限定するものではないが、特に４セクション分布ブラッグ反射鏡チューナブルレーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
本明細書中、「光」という語は、光学系一般に使われるような意味で用いられ、ただ単に可視光を意味するだけでなく、１０００ナノメータ（ｎｍ）〜３０００ｎｍの波長を持つ電磁波も意味するものとする。
【０００３】
単波長レーザは、信号処理の用途と光遠距離通信における多くの用途にとって重要である。これらの用途には、波長分割多重（WDM；wavelength division multiplexing）を用いた多チャンネル光遠距離通信ネットワークが含まれる。このようなネットワークでは、波長ルーティング、波長変換、チャンネルの追加と削除、時間分割多重システムにおける時間スロットと殆ど同じようなやり方の波長操作といったような進んだ機能が得られる。これらのシステムの多くが１５３０〜１５７０ｎｍの範囲のＣバンドで動作する。
【０００４】
斯かる光通信システム、それも特にＷＤＭ遠距離通信システムとのからみで使われるチューナブルレーザが知られている。周知の波長可変システムというのは、複数の単一波長分布ブラッグ反射鏡（DBR；distributed Bragg reflector）レーザの積層体を有している。これらのレーザは、個別に選択できるか、もしくは、狭い範囲でチューニング可能、ないしは必要な波長が得られるように電子駆動可能な広いチューニング範囲のチューナブルレーザによってチューニング可能とされている。チューニングのために熱的効果を用いる、同調範囲が限定されたチューナブルレーザも知られている。
【０００５】
特許文献１としての米国特許第４８９６３２５号明細書は、ゲイン領域（gain region）の前後にサンプリングされる回折格子を持つ波長チューナブルレーザ（波長可変レーザ）を開示している。この明細書に記載されたレーザは、前と後の回折格子で若干異なる反射の櫛（reflection combs）を生じるような、異なる２つの回折格子の使用すること基づいている。これらが、素子にフィードバックする。回折格子は、互いに対して波長が電流調整可能とされている。前側と後側の回折格子のそれぞれの最大点が一致する（コインシデンスする）ことをスーパーモード（supermode）と呼んでいる。スーパーモード間で素子を切り替えるには、別の最大点の対をバーニヤ式のやり方でコインシデンスさせるよう、一方の回折格子内に電流を少しずつ増し加えなければならない。対応する最大点が一線になるようにして２つの回折格子に電流を付与することで、スーパーモード内における連続チューニングが実現できる。
【０００６】
以上のことをまとめると、前側および後側の回折格子セクションの駆動電流における一つの所定の組に対して、一つの波長における一つの反射ピークしか同時に対応し得ず、その結果、素子は、当該波長でレーザ発振することになる。この波長を変えるには、異なる電流を前側および後側の回折格子に付与する。こうして、前側および後側の回折格子がバーニヤモードで動作し、このモードでは、対応する波長がスーパーモード波長を決める。
【０００７】
選択式回折格子を改良した形態が、特許文献２としての英国特許出願公開第２３３７１３５号明細書に記載されていうように、位相シフトされる回折格子（位相シフト回折格子）である。上記明細書の内容は、参照により本願に組み込まれている。
【０００８】
本明細書で用いられているような「位相シフト回折格子」の語は、選択的に反射する分布ブラッグ回折格子（distributed Bragg grating）を記述し定義するのに用いられる。この回折格子は、英国特許出願公開第２３３７１３５号明細書に記載され、権利請求されているように構成されかつ動作する。言い換えれば、位相シフト回折格子は、回折格子構造が複数の回折格子の繰り返しを備えているようなもので、この回折格子繰り返しにおいては、各回折格子ユニットが、同じピッチを持つ一連の隣接した反射回折格子を備えており、さらに特徴的なのは、回折格子ユニットならびに一つの回折格子ユニット内の隣接する回折格子同志が略パイ（π）ラジアンの位相シフトによって分割され、回折格子ユニット内の少なくとも２つの回折格子が異なる長さを有し、このとき、この長さが、予め決まった反射スペクトルが得られるように選択されているという点である。
【０００９】
この位相シフト回折格子の構成ならびに動作に関する詳細は、特許文献３としての英国特許出願公開第２３３７１３５号明細書を見れば理解されよう。ブラッグ回折格子は、プロセッシング工程のような、適したフォトレジスト上へのｅ−ビームによって画定することができる。
【特許文献１】
米国特許第４８９６３２５号明細書
【特許文献２】
英国特許出願公開第２３３７１３５号明細書
【特許文献３】
英国特許出願公開第２３３７１３５号明細書
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明により、櫛形の複数反射ピーク（複数の反射ピークからなる櫛）を生成するように設けられた分布ブラッグ反射鏡（distributed Bragg reflector）形態の第１の反射鏡によって一方の端部における境界が画定されかつ第２のブラッグ反射鏡によって他方の端部上での境界が画定された増幅セクションを有し、前記第２のブラッグ反射鏡は、複数の波長で反射するように設けられかつ別々の複数のセグメントを通して選択的に変更可能とされていて、その結果、当該ブラッグ反射鏡の一つもしくは複数のセグメントは、より低い一つの波長に対して調整可能とされて、これにより、当該より低い波長での反射率を高めるように当該より低い波長で反射する一つのセグメントで反射するように構成されているチューナブルレーザが提供される。
【００１１】
前記より低い波長は、第２の反射鏡が同調される波長であるが、このより低い波長は、前記第１の反射鏡のピークに概ね合致している（コインシデンスしている）。
【００１２】
前記第２の反射鏡は、屈折率が変更可能な材料で形成することができ、前記反射される波長は、前記材料の屈折率を変更することによって変更することができる。
【００１３】
前記屈折率は、前記第２の反射鏡を形成している前記材料に、電極を介して電流を流すことによって変更することができる。
【００１４】
前記第２のブラッグ反射鏡は、屈折率周期を徐々に変化（チャープ）させた回折格子（チャープ回折格子）とすることができ、かつ内部に流れる電流に対応して変更可能な屈折率を有する材料で形成することができ、複数の外部電極が前記回折格子の長手方向に沿って設けられ、各電極には、選択的に電源が接続可能とされている。
【００１５】
前記第２のブラッグ反射鏡は、別々になった複数の個別の回折格子セグメントを備え、これらの回折格子セグメントの少なくとも２つは、異なるピッチを有し、このとき、より長いピッチを持つ少なくとも一つの回折格子に電流を付与することが可能で、これにより、当該より長いピッチを持つ回折格子の実効波長（effective wavelength）を、より短いピッチを持った方の前記回折格子の波長に同調させることができるようになっている。
【００１６】
前記チャープ・ブラッグ反射鏡は、前記増幅セクションに最も近い所でピッチが最も短い状態で前記チャープに沿って漸次増加するピッチからなる線形ピッチを備えていてもよい。
【００１７】
前記第２のブラッグ反射鏡は、別々になった複数の個別の回折格子セグメントを備えていてもよく、各回折格子セグメントは、前記増幅セクションに最も近い前記回折格子セグメントが最も短いピッチを有して前記増幅セクションから順番に並んだ回折格子セグメントそれぞれのピッチが直前に来るセグメントのピッチに比べて大きくなるように異なるピッチを有していてもよい。
【００１８】
各回折格子セグメントは、独立に作動可能な電極を有していてもよい。
【００１９】
前記電極への電流を入れたり切ったりするためのスイッチング回路が設けられていてもよい。
【００２０】
前記チューナブルレーザは、半導体材料を用いて、それも特にIII-V属半導体材料を用いて製造することができる。チューナブルレーザは、電子ビーム描写技術を用いて、あるいは、ホログラフィック位相回折格子プレートを用いて製造することができる。
【００２１】
前記第２の反射鏡内の前記ブラッグ・セグメントは、前記ブラッグ回折格子に関連する次第に増加する（累加の）導波路長が最小化されるようにそれぞれ短く保たれ、これにより、導波路の減衰損失が低く保たれるようにしてもよい。
【００２２】
前記第１の反射鏡を形成する前記分布ブラッグ反射鏡は、位相がシフトされたブラッグ回折格子反射鏡とすることができ、前記第２の反射鏡を介して光が放出されてもよい。
【００２３】
前記増幅セクションと、前記反射鏡のいずれか一方もしくは双方との間に、位相変化セクションが設けられていてもよい。
【００２４】
前記位相変化セクションは、前記増幅セクションと、前記第１反射鏡との間に配置することができる。
【００２５】
セグメント化された回折格子の順番を変えた別の構成も本発明の観点の範囲内で可能である。
【００２６】
例えば、線形に増加しないチャープ（非線形累加チャープ）、最も長いピッチが増幅セクションに最も近いもの等、別のチャープの構成も可能である。
【００２７】
前記第２の反射鏡がチャープ・ブラッグ反射鏡とされている場合、ブラッグ反射鏡は、複数のチャープ・セグメントに分割され、それぞれのセグメントが全チャープ回折格子の一部を構成し、全てのチャープ・セグメントが鎖状連結されていてもよい。
【００２８】
例えば、熱的な手段、あるいは電場の使用など、電流とは違った、屈折率を変更する他の手段を用いることもできよう。
【００２９】
短いブラッグ・セグメントとは、各セグメントの対応する反射率が幅広で、隣り合うセグメントの反射率間に或る程度の重なりがあるような長さを意味する。とは言え、セグメント反射率は、光パワー損失が低減された状態で組み合わせれば、安定にレーザ発振動作するのに十分な程度には分離されている。
【００３０】
一実施形態において、前記第１の反射鏡は、分布ブラッグ反射鏡を備え、該ブラッグ反射鏡は、本明細書において定義されているように「長く」形成されている。
【００３１】
こういった文脈で本明細書において用いられるような「長い（長く）」という語は、英国特許出願公開第２３３７１３５号明細書に記載されているように、レーザの単一縦モードによる動作にとって十分狭いピークを作り出すのに必要とされる程度に、回折格子ユニットが多数繰り返されるという意味である。１０ないしそれを超える数の繰り返しの回折格子ユニットが存在することが好ましい。
【００３２】
前記第１の反射鏡は、電極を有し、反射ピークの櫛が反射する波長を変えるために、該電極を通して電流が流されるようになっていてもよい。
【００３３】
前記位相変化セクションは、位相を変化させるために、該位相変化セクションの材料の屈折率を変化させるよう、該位相変化セクションを通して電流を流せるようにするための電極を有していてもよい。
【００３４】
前記前方ならびに後方ブラッグ回折格子を形成する前記材料の屈折率は、レーザの細かなチューニングを行えるように同時に変更可能とされている。
【００３５】
前記第２の反射鏡上の電極間の距離は、本明細書に定義されているように「短い」。
【００３６】
前記第１の反射鏡の前記回折格子は、明確に規定した波長に反射ピークが生成されるよう、長くすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
例えば１５３０〜１５７０ｎｍのＣバンド波長等、上述した重要な波長は、自由空間における光の波長である。このような光が屈折率ｎeff の媒体中を通過する場合、該媒体の内部での実際の光の波長（ここではＡ′として記す）は、波長Ａを屈折率Ｎeffの値で割ったものである。言い換えれば、
λ′＝Ｎeff （１）
ここで、Ｎeff は、自由空間内を伝播する波長λの光が見る媒体の実効屈折率である。
【００３８】
遠距離通信システムによく用いられているガラス（シリカ）ファイバは、たまたまちょうど約１１００ｎｍ、１３００ｎｍおよび１５００ｎｍに低損失領域を有している。これらの領域は、約１００ｎｍ幅で、その結果、これら低損失帯域幅内の光を生成するレーザを製造する仕事が多くなされている。同じ事が本発明のチューナブルレーザにもあてはまる。本発明の特殊な例は、Ｃバンドで動作するように構成するというものであるが、もし必要なら、そして新しいタイプのファイバ光ケーブルが利用できるようになるなら、本発明を他の波長に用いることも可能である。
【００３９】
図１ならびに図３を参照すると、これらの図は、本発明によるレーザの断面を概略的に示している。従来の半導体レーザと同様、このレーザは、下層２と上層３の間に層１が形成された一連の層から組み立てられている。層２と層３に挟まれて境界が画定された層１は、導波路を形成している。上記の構造内には複数の層が含まれていてもよいが、これらの層は、本発明に関する構成要素ではなく、本発明のより良い理解のためにこれらの層は示されていない。
【００４０】
図１において、レーザそのものは、主要な４つのセクションを有している。すなわち、増幅セクション４（活性領域）、位相変化セクション５（位相制御領域）、及び前側と後側の反射セクション６，７である。上記後方反射セクション７は、層３内に形成された位相シフト回折格子型分布ブラッグ反射鏡８を有している。斯かる反射鏡は、分離された複数の波長に、複数の反射率ピークからなる櫛を生成し、それぞれのピークは、概ね同じ高さになっている。前方反射鏡６は、一連のセグメントから形成され、各セグメントは、分布ブラッグ反射鏡とされており、各セグメントは、幅広の波長反射スペクトルを持った概ね単一の波長に中心が合わせられている。セグメント９〜１６の個々のピークの中心波長は、前方反射鏡分布ブラッグ反射鏡によって生成される櫛形の反射率ピークに対応している。
【００４１】
図３において、レーザそのものは、４つの主な基本となるセクションを有している。それぞれ、増幅セクション６１、位相変化セクション６０、及び前方と後方の反射セクション６２，５０である。後方反射セクション５０は、層３内に形成された位相シフト回折格子型分布ブラッグ反射鏡５１を有している。斯かる反射鏡は、分離された幾つかの波長に、複数の反射率ピークからなる櫛を生成し、それぞれのピークは、概ね同じ高さになっている。前方反射鏡セクション６２は、長さに沿ってピッチが累加する線形チャープさせた回折格子（線形チャープ回折格子）から構成されている。このチャープ回折格子の上側に、隣接する個別の一連の電極６５〜７２があり、これらの電極がチャープ回折格子副領域を画定して、これら副領域チャープ回折格子が一緒になって全体のチャープ回折格子を構成している。これら副領域チャープ回折格子のそれぞれは、複数波長の領域に渡って反射する。動いていない状態にあるときには、全反射スペクトルは、重要な帯域を反射率が略均一な状態でカバーしている。
【００４２】
本発明の構成は、III-V属ないし他の半導体材料を用いて製造される固体レーザに好適に応用することができる。
【００４３】
セグメント化されたブラッグ回折格子前方反射鏡型４セクションレーザの場合、該レーザを作動させる方法は、図２ａから図２ｅを参照すれば、一層容易に理解される。これらの図は、前方と後方の反射鏡によって生成された櫛形の反射率が次から次へと順番に並んだ状態になった様子を示している。これらの図では、波長λに対する反射率の大きさ（強度）Ｉが縦にプロットされている。図２ａは、どの電極９ａ〜１６ａにも電流が付与されないときの、セグメント化された回折格子９〜１６によって生成される櫛形の反射率２９ａ〜３６ａを示す。櫛の山（ピーク）の部分は、ブラッグ回折格子セグメントが短いために幅広になっている。この櫛は、レーザ内の後方回折格子８により生成される図２ｂに示される櫛形の反射率３９ａ〜４６ａのちょうど上にそのまま来るように配置されている。上記ピーク２９ａ〜３６ａが、波長に関してピーク３９ａ〜４６ａの波長に略一致していることが分かる。
【００４４】
増幅セクションに光を発生させるのにちょうど足るだけの電流を該増幅セクションに注入する場合には、ピーク２９ａ〜３６ａで表される全ての波長（そしてもちろん他の全ての波長）における光の強度がレーザ発振する閾値を下回っているために、レーザがレーザ発振することはない。
【００４５】
予想通りにレーザをレーザ発振させるためには、増幅材料内における荷電キャリア反転分布を得ることと、レーザ発振する閾値を超えるような少なくとも一つの、そして好適にはたった一つの波長を得ることが必要である。これを達成するには、反転分布が形成されるように電極４ａを介して増幅セクション４内に十分な電流を注入し、かつ、一つの特定の波長の光を前方回折格子の一部で優先的に反射させて、これにより後方回折格子が当該特定の波長の光を選択的に反射するようにする。上記前方回折格子は、上記波長の光を反射して戻すようになり、その結果、この波長が、優先的に選択される波長、ないし増幅される波長となり、レーザがこの波長でレーザ発振し始めることになる。
【００４６】
これを以下のようにして実行する。
【００４７】
反射鏡６，７に該当するセクションで層３を形成する材料は、内部に電流が通されると屈折率の低下を受けるようなものとされている。そのため、電極１２ａを通して電流を流せば、セグメント１２内でブラッグ反射鏡が光を反射するときの波長が低減されることになる。この低減が、隣接するセグメント（セグメント１１）のブラッグ反射鏡と同じ波長の光を上記セグメント１２が反射するようになる類のものであるなら、そのときには、図２ｃに示されるようなパターンが生じることになる。図２ａに示されるようなピーク３１ａの大きさは、図２ｃにおいてＡで示されるようなはるかに高くかつピーク２９ａ、３０ａ、及び３３ａ〜３６ａよりも大きいピークとなるように強められる。この結果、図２ａのピーク３２ａは、図２ｃにＢで示されるように低減される。
【００４８】
さて、今度は、レーザ発振する閾値を超える大きさで増幅セクション４に光を発生させるように電極４ａを通して同じく電流を流すと、ピーク３１ａ，４１ａに対応する波長の光が選択的に強められて、レーザが図２ｄのＣに示されるように上記波長でレーザ発振を始めることになる。このようにして、レーザは、上記波長にチューニングされることになる。このレーザの構成の利点は、前方反射鏡のピークの幅が十分幅広となり得るために、幅広の前方反射鏡のピークによって画定される波長ウィンド（wavelength window）内で、単に後方回折格子のチューニング電流を用いるだけでチューニングが行えるという点にある。
【００４９】
次に、やはり電極７ａを通して電流を流すと、これにより、図２ｅに示されるように、ピークＤを含めたピーク３９ａ〜４６ａからなる櫛全体が、より低い波長に向かって実際上移動させられことになる。このピークＤは、前方および後方の反射鏡のピークの最大がもはや正確に合わされていないために、ピークＣと比較すると、大きさが僅かに低下することになる。
【００５０】
このとき同時に電極１１を通して電流を流すとともに、電極１２ａを通って流れる電流を増加させれば、図２ａのピーク３１ａもまたより低い波長の方に動くことになるので、前方および後方の反射鏡のピークの最大を再び元の正確に揃った状態にすることができる。
【００５１】
このようにして、上記２つの操作の両方を用いれば、図２ｂに示されるようなピーク３９ａ〜４５ａの間にある波長でレーザ発振するようにレーザを微調整することができる。
【００５２】
ピーク３５ａは、上記方法では、さらに長い波長へは動かすことができないから、レーザがレーザ発振することのできる最も長い波長は、概ね図２ｂに示されるようなピーク４５ａの波長であることが理解できよう。
【００５３】
全帯域を確保するために、帯域外セグメント（out of band segment）、あるいは言い換えれば帯域エッジセグメント（edge-of-band segment）を使用することができる。長波長帯域外セグメントにはチューニング電極が設けられているので、電流を注入することで該長波長側帯域外セグメントが一番最初の帯域内（in-band）の長波長セグメントに一致する（コインシデンスする）ように動かすことができる。短波長帯域外セグメントには必ずしも電極を設ける必要はない。というのも、このセグメントの動作は、つまり、このセグメントがレーザ発振する波長は、最も短い波長の帯域内セグメントへの駆動電流によって決定されるためである。微調整の必要があるのであれば、短波長側の帯域外セグメントには電極を必ず設けなければならない。
【００５４】
これらの帯域外、ないし帯域エッジセグメントを組み込むことで、動作特性の幅を広げることができ、生成率を改善する助けとなる。
【００５５】
典型的なIII-V属レーザ材料としてのInPを用いると、電流を注入することによる材料屈折率の低減によって、１〜１０ｎｍの範囲での波長チューニングが可能となる。このような材料を用いると、チューニング・セグメントは、通常４ｎｍ波長間隔で設計されることになる。斯かる構成を用いると、短波長側に最隣接している波長とのコインシデンスを生じさせるために、セグメントの４ｎｍ波長シフトが必要となるが、このとき、さらなる４ｎｍのコインシデンスのチューニング（coincident tuning）ができる余地を残すようにしておく。この手法により、関心のある全ての帯域をカバーすることができる。
【００５６】
チャープ回折格子型分布ブラッグ前方反射鏡の場合には、チャープセクションを操作する方法は、図３〜図１２を参照すれば、より容易に理解されよう。
【００５７】
図３を参照すると、図３は、本発明による別の形態を示しており、この形態では、図１の不連続的なブラッグ回折格子セクション９〜１６は、チャープ回折格子に置き換えられている。レーザアセンブリは、図１の後方反射セクション７に似ていて、位相シフトブラッグ回折格子５１を持つ後方反射セクション５０と、増幅セクション６１と、位相変化セクション６０と、チャープ回折格子セクション６２とを備えている。増幅セクションへの通電を可能にするために、増幅セクション６１上に電極６４が配置されている。後方反射鏡ならびに位相変化セクションへの通電をそれぞれ可能にするために、後方反射セクション５０上に電極５２が、そして位相変化セクション６０上に電極６３が配置されている。セクション６２内のチャープ回折格子の各部分に選択的に電流を流すことができるように、チャープ・ブラッグセクション上には、個々に独立して選択可能な一連の電極６５〜７２が配置されている。
【００５８】
上記チャープ回折格子は、長手方向に沿って光を反射するときの波長を概ね連続的に変化させるような一つの形態のブラッグ回折格子とされている。このため、チャープ回折格子は、単一のピーク波長で反射を行う通常の分布ブラッグ反射鏡（DBR）とは区別されるし、複数の離散的な個別の波長で反射を行うサンプリング（抽出）される回折格子ＤＢＲとも区別される。
【００５９】
チャープ回折格子は、異なる屈折率の２つの材料間の境界に形成され、図的には、正弦曲線形の波形、ないしスプライン形状（castellated form）で表すことができる。回折格子の物理的な形状は、採用されるエッチング技術に依存し、回折格子を製造するのに例えば反応性イオンエッチング等、特にドライ・エッチング工程が用いられる場合には、スプライン形状になることがある。
【００６０】
大半の光が通過するチャープ回折格子の製造に用いられる屈折率がｎの材料は、４元材料（InGaAsP）とされ、材料の屈折率は、材料を通過する光の波長によって異なるものとなる。通常、１５７０ｎｍでｎは３．３３、１５５０ｎｍでｎは３．３８、そして１５３０ｎｍでｎは３．４３である。このように、ｎは、１５３０ｎｍから１５７０ｎｍまで約３％程減少する。
【００６１】
チャープ回折格子の構成および動作の説明が図４〜図１２に与えられている。
【００６２】
図５に示すように、回折格子は、低屈折率の材料８１からなる上層と、より高い屈折率の下層８２との間の境界面８０として形成されている。この境界面は波形で表すことができ、回折格子を作る波形のピッチΛは、チャープ回折格子の短い方の端におけるΛＳから長い方の端におけるΛＬまで、該回折格子の長手方向に沿って漸次増加（累加）する。図５では、ピッチの増加は、何が起きているか説明するために故意に誇張されている。実際には、ピッチ長さの増加は、回折格子の全体にわたって小さい、つまり約２．５％であり、これにより、近い方の端部において、回折格子は約１５３０ｎｍの波長の光を反射し、長い方の端部において、回折格子は１５７０ｎｍの波長の光を反射するようになっている。こうして、反射波長は、回折格子の長さ方向に亙って、平均波長１５５０ｎｍの約２．５％である４０ｎｍ変化する。
【００６３】
図６には、回折格子のピッチがその長さに沿ってどのように変化するかを、縦軸にピッチΛ、横軸に回折格子の長さｘを取って示したグラフが与えられている。
【００６４】
回折格子の長さに沿ったピッチ値Λは、長さに対してそのままプロットすることができ、所定の線が得られることが分かる。この線は、回折格子の長さに沿ってピッチ長さがどのように変えられるかにより、真直ぐであってもよいし、曲がっていてもよい。回折格子のピッチが一定の割合で増加すれば、上記の線は８３ａに示されるように直線であり、この回折格子は、線形にチャープさせた回折格子（線形チャープ回折格子）と呼ばれる。回折格子のピッチが回折格子に沿って一様に増加すれば、つまり言い換えれば、増加するΛの方向に毎回Λがその前の値に対して一定の僅かなステップで増加するのであれば、上記の線は、直線にはならずに、その代わり８３ｂで示されたように線が右の方に増加していくにつれて下向きに曲がることになる。回折格子に沿った回折格子のピッチの変化を別のものに変えれば、異なった曲線が得られることになる。
【００６５】
図７を参照すると、この図は、チャープ回折格子に沿って通過する光の効果を説明している。ここでも回折格子は、屈折率がより低い上層８５と、屈折率がより高い下層８６との間の正弦波形（sinusoidal）の境界面８４として示されている。大半の光が通過する高い屈折率のアセンブリの導波路が符号８７に示されている。この導波路８７は、低屈折率の中間層８８により、チャープ回折格子の下層８６から隔てられている。導波路８７の下側には、さらに低屈折率基板８９が存在している。この層構造の上に重ねられるようにして、矢印９１の方向に左から右へ通過する光の波面が図で表現されている。線９２は、アセンブリの層内における光の強度を示しており、光の大半が高屈折率の導波路内を通過していることが分かる。
【００６６】
図７に示すように、光は、導波路を通るだけでなく、エバネッセンス波もまたチャープ回折格子の下層を形成する層８６に沿って通過している。光が偶然ピッチの長さΛの２倍の波長λ′を持つようなことが起きることになると、そのときには光は跳ね返されることになる。つまり、もしλ＝２Λならば、その波長の光が反射されることになる。このように、チャープ回折格子全体としてλＳ′＝２ΛＳからλＬ′＝２ΛＬまでの範囲内の光を反射することになる。このとき、ΛＳは、最も短い回折格子ピッチであり、ΛＬは最も長い回折格子ピッチである。この範囲を超える波長の光は、導波路に沿って反射されて戻されることはない。
【００６７】
このことは、図８および図９におけるように図で表すことができる。これらの図は、光の強度Ｉを縦軸にとり、波長λ′を横軸にしたボックスダイアグラム（box diagram）である。図８中に符号９３で示されるように、複数の波長からなるボックス形（箱形）の光が回折格子に受光されると、包絡線は、完全で、しかも広く離れた波長のλ′１とλ′２の間の全ての波長を表す。しかしながら、図５におけるλＳ′とλＬ′の間の波長をチャープ回折格子が反射するので、図９に示されるような外に出てくる複数波長のボックス９４は、チャープ回折格子により反射されたλＳ′とλＬ′の間の波長に対応する個所にギャップ９５を有している。
【００６８】
チャープ回折格子は、完全かつ一定の条件にあれば、いかなる選り好みも無くλＳ′とλＬ′の間の全ての波長を反射する。しかしながら、図１０の電極６８といったような、複数電極のうちの一つが当該電極を通して流される電流を有するときには、内部にチャープ回折格子が形成されるように材料の屈折率を下げることになる。この結果、直ぐ隣の短い波長の特定波長において、回折格子全体として選択的に反射率が高められることになり、この波長でレーザをレーザ発振させることができるようになる。
【００６９】
この点に関して、以下に図１０を参照しながらより詳細に説明する。この図１０において、上側の部分は、図４のレーザを示す。このレーザの図がチャープダイアグラム（チャープ図）（図６に示されるような）の上に配置され、このチャープダイアグラムが、今度は距離に対するチャープ回折格子の反射率の図の上に配置されている。
【００７０】
距離ｘに対して回折格子ピッチＡがプロットされた図１０の真中の部分から分かるように、チャープ・レスポンス・ライン（chirp response line）が線９６によって示されている。線９６は、以下に述べる理由により、大半の線の部分より下方に破線で示された領域９８を有していることが分かるであろう。
【００７１】
レーザの外側表面には、一連の電極６３〜７２が存在している。電極６４は、増幅セクションに電流を注入して、該セクションに光を生じさせるのに用いられる。電極６３は、以下に述べるように位相セクションを制御するのに用いられ、電極６５〜７２は、回折格子６２の異なる領域内に電流を注入することができる。
【００７２】
増幅セクションが光を発生するのにちょうど足る電流を該増幅セクションに注入するとき、そして次にチャープセクションが１５３０〜１５７０ｎｍの範囲の光を反射することができるときには、この範囲内の光の波長は、内部で反射されることになる。反射を起す波長以外の光は、吸収されるか、あるいはレーザの端から放出されることになる。１５３０〜１５７０ｎｍの範囲の全ての周波数の光の強度がレーザ発振する閾値を下回っているので、レーザは、レーザ発振することはない。
【００７３】
チャープ曲線９６内の領域９８に対応するチャープ回折格子の部分の上側にある電極６８といった電極を通して電流を流すことで、チャープ回折格子が反射を起す特定の波長が選択される。電流を通すことによる効果は、回折格子の当該領域における電流密度を増加させることであり、これにより、ちょうど電極６８の下側の回折格子層８６の屈折率が低減される。屈折率の低下は、より小さな波長で回折格子に反射を起させるような効果を有しており、これは、あたかも当該領域における回折格子のピッチを短くすることで得られるであろうような効果と同じものである。
【００７４】
このことは、破線で示された部分９９の実質的な回折格子ピッチが図１０の真中の部分で示されるように今や隣接する領域９７と揃い、その結果、チャープさせたファブリ−ペロー・エタロンを形成し、これが隣接領域９７における反射を強めるということを意味している。
【００７５】
距離ｘに対する反射率１１のグラフである図１０の一番下側の部分を見ると、現時点でより低い波長を反射するようになっている領域９８に対応する窪み９８Ａが、回折格子の反射率内に存在していることが分かる。ところが、今度は、共鳴的なチャープ・ファブリ−ペロー・エタロン構造によって、領域９７の反射率が高められる。このようにして、強められたピーク９７Ａが反射率に作られる。
【００７６】
ピーク９７Ａの位置に対応する波長における光は、こうして選択的に反射される。
【００７７】
他に何も変えなければ、チャープ回折格子の反射特性が、存在する電極６５〜７２の数だけ多くの異なる波長に対して調整可能であろうということが分かる。
【００７８】
しかしながら、回折格子は、チャープ回折格子を構成する材料が十分に可変な屈折率を有している場合には、連続的に調整可能に設けることができる。
【００７９】
図１１は、これをどのように機能させることができるかということを説明している。図１１には、３つの異なる条件下でミラーとして動作するチャープ回折格子が示されている。
【００８０】
図中、図１０の電極位置６５〜７２に対応する１０個の電極位置１００〜１０９が示されている。換言すれば、後方回折格子上に亙って８個の電極が存在する代わりに、この図では、１０個の電極位置が存在する。線１１０は、図１０に示されるような回折格子の線９６に相当する。垂直の破線は、チャープダイアグラムの部分ならびに電極の配列を示している。
【００８１】
図１１の上側の部分では、電極１００〜１０９のいずれにも電流が流れていない。線１１０は、優先される部分を持たず、連続的である。
【００８２】
図１１の真中の部分では、電極１０６を通して電流が流されている。ここで、この電流は、図１０中の材料８６に相当する電極１０６下側のチャープ回折格子材料の屈折率を最大限低下させるのに必要な電流の半分とされている。この結果、線１１０の部分１１１が下方に移動する。これにより、図１０に関して述べたのと全く同じようにして、チャープ回折格子が反射を生じる特定波長が選択されるという結果になる。
【００８３】
反射を起す波長を低減するように回折格子をさらに調整するために、電極１００〜１０５の全てを通して電流を流し、同時に、電極１０６を通って流れる電流を増加させる。これにより、チャープ線の部分１１２が破線で示された元の位置より下方に下げられる。線１１０の部分１１１ａもまた同時に下げられ、こうして、選択点がより小さな波長に向けて動かされる。最良の方法では、電極１０７〜１０９を通して追加的に電流を流す必要が無い。これは、これらの電極が反射する過程に何らの役割も果たさないからである。とは言え、これらの電極が選択の過程に何ら影響を及ぼさないので、電極１０７〜１０９を、波長の選択に干渉することなく電極１００〜１０５と同じような量だけ低下させることは可能である。ｎを低減するために付与できる最大の電流が電極１０６を通って流れるときには、そしてそのために調整量が最大となったときには、電極１００〜１０５に、電極１００〜１０５下側のセクション６２の材料内におけるｎの全低減量の半分にするのに相当する電流が流れていることになる。
【００８４】
回折格子が反射を起す波長をさらに調整するためには、電極１０６から電流を取り除いて、次に隣接する電極（ないしは、他の任意の選択された電極）に付与し、上記の一連の操作を繰り返す。この方法を用いることで、回折格子は、１５３０ｎｍ〜１５７０ｎｍの波長帯域全てに亙って調整することができる。
【００８５】
特定波長でのチャープの選択性は、図１２に概略的に示すように高めることができる。この図は、図１１と同様のものであるが、チャープ回折格子の２つの隣接するセクションが一緒に動かされると何が起きるかを示している。
【００８６】
図１２の上側の部分には、チャープ回折格子が図１１の場合と同じ配置で示されている。これは、図１２の真中の部分に対しても同じである。この部分では、電極１０６に付与された電流によって、線１１１が、その最大範囲の半分程度の位置まで低下させられている。電極１０５を通して電流を流す場合には、線１１３が下げられ、線１１１ａ，１１３が同期して降下するように電極１０６を通して流れる電流が同じ割合で増やされる。このことは、回折格子の選択性が、高められた反射率によって増加させられることを意味する。
【００８７】
電極１０５に付与される電流が電極１０６に付与される電流の半分とされ、線１１１ａがその最大範囲まで落とされるときには、３領域コインシデンス（three-region coincidence）を与えるように、線１１１ａ及び線１１３が線１１０の部分１１４に一致するようになる。
【００８８】
チャープ上に取り付けることができる電極が多ければ多いほど、コインシデンスさせることのできる領域の数がそれだけ一層大きくなり、チャープを調整するのに任意の点で必要とされるｎの低下分がいずれもそれだけ一層小さくなることが分かるであろう。全体で４０ｎｍの範囲の調整を行う場合、１２個の異なる電極位置が用いられたなら、バンドエッジにおける或る程度の波長マージンを付けた状態で全帯域幅をカバーするのに、それぞれわずか４ｎｍの範囲に亙って調整すればよいだけであったであろう。
【００８９】
前方及び後方反射鏡の相互関係は、図１３を見れば最も容易に理解される。
【００９０】
図１３における図は、上から一つずつ、前方ならびに後方反射鏡によって生成される反射率の櫛を示している。これらの図において、反射率Ｉの強さが波長に対して縦軸にプロットされている。図１３ａは、動いていない条件、すなわち、電極６５〜７２に電流が与えられていない条件下で、電極６５〜７２下側のチャープ回折格子によって生成される反射率（反射係数）の強さＩを示している。この概ね均一な反射率２００は、図３のレーザ内の後方回折格子５１によって生成される図１３ｂに示された櫛形の反射率６５ａ〜７２ａのそのままかぶさるように配置されている。図１３ａに示される滑らかな反射率分布は、理想化されたもので、実際には、製造時の許容誤差に応じた構造を持つようになる。この構造、及びいかなるノイズも、前方及び後方反射鏡で生成されるような制御されたピークに比べれば大きさが著しく小さいものとなる。
【００９１】
増幅セクションに光を発生させるのにちょうど足るだけの電流を該増幅セクションに注入する場合には、後方反射鏡からのピークであるピーク６５ａ〜７２ａで表される全ての波長（そしてもちろん他の全ての波長）における光の強度がレーザ発振する閾値を下回っているために、レーザがレーザ発振することはない。
【００９２】
予想通りにレーザをレーザ発振させるためには、増幅材料内における荷電キャリア反転分布を得ることと、レーザ発振する閾値を超えるような少なくとも一つの、そして好適にはたった一つの波長を得ることが必要である。これを達成するには、反転分布が形成されるように電極６４４ａを介して増幅セクション６１内に十分な電流を注入し、かつ、一つの特定の波長の光を前方回折格子の一部で優先的に反射させて、これにより後方回折格子が当該特定の波長の光を選択的に反射するようにする。上記前方回折格子は、上記波長の光を反射して戻すようになり、その結果、この波長が、優先的に選択される波長、ないし増幅される波長となり、レーザがこの波長でレーザ発振し始めることになる。
【００９３】
これを以下のようにして実行する。
【００９４】
セクション５０，６２内で層３を形成する材料は、内部に電流が通されると屈折率の低下を受けるようなものとされている。電極６８を通して十分な電流を流して、当該電極下方の回折格子の反射率の波長を、電極６７下方の回折格子の反射率に重ね合わせて強めさせるようにすれば、前方反射鏡のレスポンス（response）における反射率ピーク２０１が図１３cに示すように形成される。
【００９５】
さて、今度は、レーザ発振する閾値を超える大きさで増幅セクション６１に光を発生させるように電極６４を通して同じく電流を流すと、ピーク２０１に対応する波長の光が選択的に強められて、レーザが図１３ｄに示されたように波長Ｅでレーザ発振を始めることになる。こうして、レーザは、上記波長にチューニング（調整）されることになる。このレーザの構成の利点は、前方反射鏡のピークの幅が十分幅広となり得るために、幅広の前方反射鏡のピークによって画定される波長ウィンド内で、単に後方回折格子のチューニング電流を用いるだけでチューニングが行えるという点にある。
【００９６】
次に、やはり電極５２を通して電流を流すと、これにより、図１３ｅに示されるように、ピークＦを含めたピーク６５ａ〜７２ａからなる櫛全体が、より低い波長に向かって実際上移動させられことになる。このピークＦは、前方および後方の反射鏡のピークの最大がもはや正確に合わされていないために、ピークＥと比較すると、大きさが僅かに低下することになる。
【００９７】
このとき同時に電極６７を通して電流を流すとともに、電極６８を通って流れる電流を増加させれば、図１３ｃのピーク２０１もまたより低い波長の方に動くことになるので、前方および後方の反射鏡のピークの最大を再び元の正確に揃った状態にすることができる。
【００９８】
このようにして、図１３ｂに示されるようなピーク６５ａ〜７２ａの間にある波長でレーザ発振するようにレーザを微調整することができる。
【００９９】
図３の電極７２下方の回折格子に対応するチャープ・ブラッグ回折格子の長波長側の一番端には、ピーク２０１は事実上存在し得ないことが理解できよう。
【０１００】
全帯域を確保するために、帯域外セグメント（out of band segment）、あるいは言い換えれば帯域エッジセグメント（edge-of-band segment）を使用することができる。長波長帯域外セグメントにはチューニング電極が設けられているので、電流を注入することで該長波長側帯域外セグメントが一番最初の帯域内（in-band）の長波長セグメントに一致する（コインシデンスする）ように動かすことができる。短波長帯域外セグメントには必ずしも電極を設ける必要はない。というのも、このセグメントの操作は、つまり、このセグメントがレーザ発振する波長は、最も短い波長の帯域内セグメント内への通電によって決定されるためである。微調整の必要がある場合には、短波長側の帯域外セグメントに電極を必ず設けなければならない。これらの帯域外、ないし帯域エッジセグメントを組み込むことで、動作特性の幅を広げることができ、生成率を改善する助けとなる。
【０１０１】
典型的なIII-V属レーザ材料としてのInPを用いると、電流を注入することによる材料屈折率の低減によって、１〜１０ｎｍの範囲での波長チューニングが可能となる。このような材料を用いると、チューニング・セグメントは、通常４ｎｍ波長間隔で設計されることになる。斯かる構成を用いると、短波長側に最隣接している波長とのコインシデンスを生成するために、セグメントの４ｎｍ波長シフトが必要となるが、このとき、さらなる４ｎｍのコインシデンスのチューニング（coincident tuning）ができる余地を残すようにしておく。この手法により、関心のある全ての帯域をカバーすることができる。
【０１０２】
本実施形態において述べられたようなレーザは、該レーザが一つのスーパーモードから別のスーパーモードへ次々に移るために、一定のキャビティ長を持たないが、これは、防止するための注意があまり払われないと、モード・ホッピングを引き起こす可能性がある。位相変化セクション６０の機能は、レーザがチューニングされる際に、光学的な径路長の斯かる変化を補償することにある。セクション６０もまた、電流が内部を流れると屈折率を低減させるような材料から形成され、上述のような変化を起こさせるように、電極６３を通して電流を流すことができる。
【０１０３】
このように、本発明のレーザによれば、図１３ｂに示すように、ピーク６５ａ〜７２ａの一つより粗くチューニングすることができ、さらにまた、簡単で効果的なやり方で、これらのピークをさらに低い波長へと微調整することができる。
【０１０４】
上述の記載は、後方反射鏡に位相シフト回折格子分布ブラッグ反射鏡を用いるものに関してであるが、サンプリングされるセグメント化回折格子分布ブラッグ反射鏡を用いても構わない。位相シフト回折格子分布ブラッグ反射鏡が好ましいのは、斯かる分布ブラッグ反射鏡により生成される反射ピークの櫛が概ね平らで均一だからである。米国特許第４８９６３２５号明細書において利用されているようなサンプリングされるセグメント化された回折格子分布ブラッグ反射鏡を用いれば、一方では、反射スペクトルがシンク（Sinc）矩形型の包絡線を有するが、これは、後方反射鏡としての位相シフト回折格子分布ブラッグ反射鏡が使用するような広い光学的な帯域幅に亙って、斯かる出力分布を持ったレーザが高い信頼性で動作させられないということを意味する。
【０１０５】
通常の操作では、増幅セクションに隣接するレーザの正面から光出力がカップリングされ、波長ロッキングといった予備的な目的のために、（単数もしくは複数の）ブラッグ回折格子に隣接するレーザの後面から少量の光が取り出される。しかしながら、これは、光をレーザの後面から主に取り出すことを本発明の観点から排除するということを何ら意味するものではない。
【０１０６】
後方反射鏡の反射率ができるだけ高く、典型的には、５０％〜８０％範囲であることが好ましい。その一方で、前方反射境の反射率は、もっと低く、典型的には、２０％〜４０％の範囲でなければならない。
【図面の簡単な説明】
【０１０７】
【図１】セグメント化されたブラッグ型の第２の反射鏡が組み込まれた本発明に係るレーザの概略断面図である。
【図２ａ】セグメント化されたブラッグ型の第２の反射鏡の実施形態における波長λに対する強度Ｉのグラフを表す図である。
【図２ｂ】セグメント化されたブラッグ型の第２の反射鏡の実施形態における波長λに対する強度Ｉのグラフを表す図である。
【図２ｃ】セグメント化されたブラッグ型の第２の反射鏡の実施形態における波長λに対する強度Ｉのグラフを表す図である。
【図２ｄ】セグメント化されたブラッグ型の第２の反射鏡の実施形態における波長λに対する強度Ｉのグラフを表す図である。
【図２ｅ】セグメント化されたブラッグ型の第２の反射鏡の実施形態における波長λに対する強度Ｉのグラフを表す図である。
【図３】チャープさせたブラッグ型の第２の反射鏡が組み込まれた本発明に係るレーザの概略断面図である。
【図４】本発明の第２の実施形態を示す図である。
【図５】チャープ回折格子を示す図である。
【図６】チャープ線を示す図である。
【図７】チャープ回折格子を通過していく光を拡大して示す図である。
【図８】波長に対する光の強度のボックス・ダイアグラムを示す図である。
【図９】波長に対する光の強度のボックス・ダイアグラムを示す図である。
【図１０】チャープ・レーザ、チャープ線、及び光強度を説明するための図である。
【図１１】チャープ線を表す図である。
【図１２】チャープ線を表す図である。
【図１３ａ】チャープ・ブラッグ型の第２の反射鏡の実施形態における波長λに対する強度Ｉのグラフを表す図である。
【図１３ｂ】チャープ・ブラッグ型の第２の反射鏡の実施形態における波長λに対する強度Ｉのグラフを表す図である。
【図１３ｃ】チャープ・ブラッグ型の第２の反射鏡の実施形態における波長λに対する強度Ｉのグラフを表す図である。
【図１３ｄ】チャープ・ブラッグ型の第２の反射鏡の実施形態における波長λに対する強度Ｉのグラフを表す図である。
【図１３ｅ】チャープ・ブラッグ型の第２の反射鏡の実施形態における波長λに対する強度Ｉのグラフを表す図である。
【符号の説明】
【０１０８】
１・・・層
２・・・下層
３・・・上層
４・・・増幅セクション
５・・・位相変化セクション
６・・・前方反射セクション（ブラッグ回折格子セクション）
７・・・後方反射セクション
８・・・位相シフト回折格子型分布ブラッグ反射鏡
９〜１６・・・回折格子セグメント
９ａ〜１６ａ・・・電極
２９ａ〜３６ａ・・・ピーク
３９ａ〜４６ａ・・・櫛形の反射率
５０・・・後方反射セクション
６０・・・位相変化セクション
６１・・・増幅セクション
６２・・・前方反射セクション（チャープ回折格子セクション）
６５〜７２・・・電極
【０００１】
本発明は、チューナブルレーザ（波長可変レーザ）に係り、必ずしも限定するものではないが、とりわけＣバンド、つまり１５３０〜１５７０ｎｍの帯域で動作する遠距離通信システム用のチューナブルレーザに関する。本実施形態は、限定するものではないが、特に４セクション分布ブラッグ反射鏡チューナブルレーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
本明細書中、「光」という語は、光学系一般に使われるような意味で用いられ、ただ単に可視光を意味するだけでなく、１０００ナノメータ（ｎｍ）〜３０００ｎｍの波長を持つ電磁波も意味するものとする。
【０００３】
単波長レーザは、信号処理の用途と光遠距離通信における多くの用途にとって重要である。これらの用途には、波長分割多重（WDM；wavelength division multiplexing）を用いた多チャンネル光遠距離通信ネットワークが含まれる。このようなネットワークでは、波長ルーティング、波長変換、チャンネルの追加と削除、時間分割多重システムにおける時間スロットと殆ど同じようなやり方の波長操作といったような進んだ機能が得られる。これらのシステムの多くが１５３０〜１５７０ｎｍの範囲のＣバンドで動作する。
【０００４】
斯かる光通信システム、それも特にＷＤＭ遠距離通信システムとのからみで使われるチューナブルレーザが知られている。周知の波長可変システムというのは、複数の単一波長分布ブラッグ反射鏡（DBR；distributed Bragg reflector）レーザの積層体を有している。これらのレーザは、個別に選択できるか、もしくは、狭い範囲でチューニング可能、ないしは必要な波長が得られるように電子駆動可能な広いチューニング範囲のチューナブルレーザによってチューニング可能とされている。チューニングのために熱的効果を用いる、同調範囲が限定されたチューナブルレーザも知られている。
【０００５】
特許文献１としての米国特許第４８９６３２５号明細書は、ゲイン領域（gain region）の前後にサンプリングされる回折格子を持つ波長チューナブルレーザ（波長可変レーザ）を開示している。この明細書に記載されたレーザは、前と後の回折格子で若干異なる反射の櫛（reflection combs）を生じるような、異なる２つの回折格子の使用すること基づいている。これらが、素子にフィードバックする。回折格子は、互いに対して波長が電流調整可能とされている。前側と後側の回折格子のそれぞれの最大点が一致する（コインシデンスする）ことをスーパーモード（supermode）と呼んでいる。スーパーモード間で素子を切り替えるには、別の最大点の対をバーニヤ式のやり方でコインシデンスさせるよう、一方の回折格子内に電流を少しずつ増し加えなければならない。対応する最大点が一線になるようにして２つの回折格子に電流を付与することで、スーパーモード内における連続チューニングが実現できる。
【０００６】
以上のことをまとめると、前側および後側の回折格子セクションの駆動電流における一つの所定の組に対して、一つの波長における一つの反射ピークしか同時に対応し得ず、その結果、素子は、当該波長でレーザ発振することになる。この波長を変えるには、異なる電流を前側および後側の回折格子に付与する。こうして、前側および後側の回折格子がバーニヤモードで動作し、このモードでは、対応する波長がスーパーモード波長を決める。
【０００７】
選択式回折格子を改良した形態が、特許文献２としての英国特許出願公開第２３３７１３５号明細書に記載されていうように、位相シフトされる回折格子（位相シフト回折格子）である。上記明細書の内容は、参照により本願に組み込まれている。
【０００８】
本明細書で用いられているような「位相シフト回折格子」の語は、選択的に反射する分布ブラッグ回折格子（distributed Bragg grating）を記述し定義するのに用いられる。この回折格子は、英国特許出願公開第２３３７１３５号明細書に記載され、権利請求されているように構成されかつ動作する。言い換えれば、位相シフト回折格子は、回折格子構造が複数の回折格子の繰り返しを備えているようなもので、この回折格子繰り返しにおいては、各回折格子ユニットが、同じピッチを持つ一連の隣接した反射回折格子を備えており、さらに特徴的なのは、回折格子ユニットならびに一つの回折格子ユニット内の隣接する回折格子同志が略パイ（π）ラジアンの位相シフトによって分割され、回折格子ユニット内の少なくとも２つの回折格子が異なる長さを有し、このとき、この長さが、予め決まった反射スペクトルが得られるように選択されているという点である。
【０００９】
この位相シフト回折格子の構成ならびに動作に関する詳細は、特許文献３としての英国特許出願公開第２３３７１３５号明細書を見れば理解されよう。ブラッグ回折格子は、プロセッシング工程のような、適したフォトレジスト上へのｅ−ビームによって画定することができる。
【特許文献１】
米国特許第４８９６３２５号明細書
【特許文献２】
英国特許出願公開第２３３７１３５号明細書
【特許文献３】
英国特許出願公開第２３３７１３５号明細書
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明により、櫛形の複数反射ピーク（複数の反射ピークからなる櫛）を生成するように設けられた分布ブラッグ反射鏡（distributed Bragg reflector）形態の第１の反射鏡によって一方の端部における境界が画定されかつ第２のブラッグ反射鏡によって他方の端部上での境界が画定された増幅セクションを有し、前記第２のブラッグ反射鏡は、複数の波長で反射するように設けられかつ別々の複数のセグメントを通して選択的に変更可能とされていて、その結果、当該ブラッグ反射鏡の一つもしくは複数のセグメントは、より低い一つの波長に対して調整可能とされて、これにより、当該より低い波長での反射率を高めるように当該より低い波長で反射する一つのセグメントで反射するように構成されているチューナブルレーザが提供される。
【００１１】
前記より低い波長は、第２の反射鏡が同調される波長であるが、このより低い波長は、前記第１の反射鏡のピークに概ね合致している（コインシデンスしている）。
【００１２】
前記第２の反射鏡は、屈折率が変更可能な材料で形成することができ、前記反射される波長は、前記材料の屈折率を変更することによって変更することができる。
【００１３】
前記屈折率は、前記第２の反射鏡を形成している前記材料に、電極を介して電流を流すことによって変更することができる。
【００１４】
前記第２のブラッグ反射鏡は、屈折率周期を徐々に変化（チャープ）させた回折格子（チャープ回折格子）とすることができ、かつ内部に流れる電流に対応して変更可能な屈折率を有する材料で形成することができ、複数の外部電極が前記回折格子の長手方向に沿って設けられ、各電極には、選択的に電源が接続可能とされている。
【００１５】
前記第２のブラッグ反射鏡は、別々になった複数の個別の回折格子セグメントを備え、これらの回折格子セグメントの少なくとも２つは、異なるピッチを有し、このとき、より長いピッチを持つ少なくとも一つの回折格子に電流を付与することが可能で、これにより、当該より長いピッチを持つ回折格子の実効波長（effective wavelength）を、より短いピッチを持った方の前記回折格子の波長に同調させることができるようになっている。
【００１６】
前記チャープ・ブラッグ反射鏡は、前記増幅セクションに最も近い所でピッチが最も短い状態で前記チャープに沿って漸次増加するピッチからなる線形ピッチを備えていてもよい。
【００１７】
前記第２のブラッグ反射鏡は、別々になった複数の個別の回折格子セグメントを備えていてもよく、各回折格子セグメントは、前記増幅セクションに最も近い前記回折格子セグメントが最も短いピッチを有して前記増幅セクションから順番に並んだ回折格子セグメントそれぞれのピッチが直前に来るセグメントのピッチに比べて大きくなるように異なるピッチを有していてもよい。
【００１８】
各回折格子セグメントは、独立に作動可能な電極を有していてもよい。
【００１９】
前記電極への電流を入れたり切ったりするためのスイッチング回路が設けられていてもよい。
【００２０】
前記チューナブルレーザは、半導体材料を用いて、それも特にIII-V属半導体材料を用いて製造することができる。チューナブルレーザは、電子ビーム描写技術を用いて、あるいは、ホログラフィック位相回折格子プレートを用いて製造することができる。
【００２１】
前記第２の反射鏡内の前記ブラッグ・セグメントは、前記ブラッグ回折格子に関連する次第に増加する（累加の）導波路長が最小化されるようにそれぞれ短く保たれ、これにより、導波路の減衰損失が低く保たれるようにしてもよい。
【００２２】
前記第１の反射鏡を形成する前記分布ブラッグ反射鏡は、位相がシフトされたブラッグ回折格子反射鏡とすることができ、前記第２の反射鏡を介して光が放出されてもよい。
【００２３】
前記増幅セクションと、前記反射鏡のいずれか一方もしくは双方との間に、位相変化セクションが設けられていてもよい。
【００２４】
前記位相変化セクションは、前記増幅セクションと、前記第１反射鏡との間に配置することができる。
【００２５】
セグメント化された回折格子の順番を変えた別の構成も本発明の観点の範囲内で可能である。
【００２６】
例えば、線形に増加しないチャープ（非線形累加チャープ）、最も長いピッチが増幅セクションに最も近いもの等、別のチャープの構成も可能である。
【００２７】
前記第２の反射鏡がチャープ・ブラッグ反射鏡とされている場合、ブラッグ反射鏡は、複数のチャープ・セグメントに分割され、それぞれのセグメントが全チャープ回折格子の一部を構成し、全てのチャープ・セグメントが鎖状連結されていてもよい。
【００２８】
例えば、熱的な手段、あるいは電場の使用など、電流とは違った、屈折率を変更する他の手段を用いることもできよう。
【００２９】
短いブラッグ・セグメントとは、各セグメントの対応する反射率が幅広で、隣り合うセグメントの反射率間に或る程度の重なりがあるような長さを意味する。とは言え、セグメント反射率は、光パワー損失が低減された状態で組み合わせれば、安定にレーザ発振動作するのに十分な程度には分離されている。
【００３０】
一実施形態において、前記第１の反射鏡は、分布ブラッグ反射鏡を備え、該ブラッグ反射鏡は、本明細書において定義されているように「長く」形成されている。
【００３１】
こういった文脈で本明細書において用いられるような「長い（長く）」という語は、英国特許出願公開第２３３７１３５号明細書に記載されているように、レーザの単一縦モードによる動作にとって十分狭いピークを作り出すのに必要とされる程度に、回折格子ユニットが多数繰り返されるという意味である。１０ないしそれを超える数の繰り返しの回折格子ユニットが存在することが好ましい。
【００３２】
前記第１の反射鏡は、電極を有し、反射ピークの櫛が反射する波長を変えるために、該電極を通して電流が流されるようになっていてもよい。
【００３３】
前記位相変化セクションは、位相を変化させるために、該位相変化セクションの材料の屈折率を変化させるよう、該位相変化セクションを通して電流を流せるようにするための電極を有していてもよい。
【００３４】
前記前方ならびに後方ブラッグ回折格子を形成する前記材料の屈折率は、レーザの細かなチューニングを行えるように同時に変更可能とされている。
【００３５】
前記第２の反射鏡上の電極間の距離は、本明細書に定義されているように「短い」。
【００３６】
前記第１の反射鏡の前記回折格子は、明確に規定した波長に反射ピークが生成されるよう、長くすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
例えば１５３０〜１５７０ｎｍのＣバンド波長等、上述した重要な波長は、自由空間における光の波長である。このような光が屈折率ｎeff の媒体中を通過する場合、該媒体の内部での実際の光の波長（ここではＡ′として記す）は、波長Ａを屈折率Ｎeffの値で割ったものである。言い換えれば、
λ′＝Ｎeff （１）
ここで、Ｎeff は、自由空間内を伝播する波長λの光が見る媒体の実効屈折率である。
【００３８】
遠距離通信システムによく用いられているガラス（シリカ）ファイバは、たまたまちょうど約１１００ｎｍ、１３００ｎｍおよび１５００ｎｍに低損失領域を有している。これらの領域は、約１００ｎｍ幅で、その結果、これら低損失帯域幅内の光を生成するレーザを製造する仕事が多くなされている。同じ事が本発明のチューナブルレーザにもあてはまる。本発明の特殊な例は、Ｃバンドで動作するように構成するというものであるが、もし必要なら、そして新しいタイプのファイバ光ケーブルが利用できるようになるなら、本発明を他の波長に用いることも可能である。
【００３９】
図１ならびに図３を参照すると、これらの図は、本発明によるレーザの断面を概略的に示している。従来の半導体レーザと同様、このレーザは、下層２と上層３の間に層１が形成された一連の層から組み立てられている。層２と層３に挟まれて境界が画定された層１は、導波路を形成している。上記の構造内には複数の層が含まれていてもよいが、これらの層は、本発明に関する構成要素ではなく、本発明のより良い理解のためにこれらの層は示されていない。
【００４０】
図１において、レーザそのものは、主要な４つのセクションを有している。すなわち、増幅セクション４（活性領域）、位相変化セクション５（位相制御領域）、及び前側と後側の反射セクション６，７である。上記後方反射セクション７は、層３内に形成された位相シフト回折格子型分布ブラッグ反射鏡８を有している。斯かる反射鏡は、分離された複数の波長に、複数の反射率ピークからなる櫛を生成し、それぞれのピークは、概ね同じ高さになっている。前方反射鏡６は、一連のセグメントから形成され、各セグメントは、分布ブラッグ反射鏡とされており、各セグメントは、幅広の波長反射スペクトルを持った概ね単一の波長に中心が合わせられている。セグメント９〜１６の個々のピークの中心波長は、前方反射鏡分布ブラッグ反射鏡によって生成される櫛形の反射率ピークに対応している。
【００４１】
図３において、レーザそのものは、４つの主な基本となるセクションを有している。それぞれ、増幅セクション６１、位相変化セクション６０、及び前方と後方の反射セクション６２，５０である。後方反射セクション５０は、層３内に形成された位相シフト回折格子型分布ブラッグ反射鏡５１を有している。斯かる反射鏡は、分離された幾つかの波長に、複数の反射率ピークからなる櫛を生成し、それぞれのピークは、概ね同じ高さになっている。前方反射鏡セクション６２は、長さに沿ってピッチが累加する線形チャープさせた回折格子（線形チャープ回折格子）から構成されている。このチャープ回折格子の上側に、隣接する個別の一連の電極６５〜７２があり、これらの電極がチャープ回折格子副領域を画定して、これら副領域チャープ回折格子が一緒になって全体のチャープ回折格子を構成している。これら副領域チャープ回折格子のそれぞれは、複数波長の領域に渡って反射する。動いていない状態にあるときには、全反射スペクトルは、重要な帯域を反射率が略均一な状態でカバーしている。
【００４２】
本発明の構成は、III-V属ないし他の半導体材料を用いて製造される固体レーザに好適に応用することができる。
【００４３】
セグメント化されたブラッグ回折格子前方反射鏡型４セクションレーザの場合、該レーザを作動させる方法は、図２ａから図２ｅを参照すれば、一層容易に理解される。これらの図は、前方と後方の反射鏡によって生成された櫛形の反射率が次から次へと順番に並んだ状態になった様子を示している。これらの図では、波長λに対する反射率の大きさ（強度）Ｉが縦にプロットされている。図２ａは、どの電極９ａ〜１６ａにも電流が付与されないときの、セグメント化された回折格子９〜１６によって生成される櫛形の反射率２９ａ〜３６ａを示す。櫛の山（ピーク）の部分は、ブラッグ回折格子セグメントが短いために幅広になっている。この櫛は、レーザ内の後方回折格子８により生成される図２ｂに示される櫛形の反射率３９ａ〜４６ａのちょうど上にそのまま来るように配置されている。上記ピーク２９ａ〜３６ａが、波長に関してピーク３９ａ〜４６ａの波長に略一致していることが分かる。
【００４４】
増幅セクションに光を発生させるのにちょうど足るだけの電流を該増幅セクションに注入する場合には、ピーク２９ａ〜３６ａで表される全ての波長（そしてもちろん他の全ての波長）における光の強度がレーザ発振する閾値を下回っているために、レーザがレーザ発振することはない。
【００４５】
予想通りにレーザをレーザ発振させるためには、増幅材料内における荷電キャリア反転分布を得ることと、レーザ発振する閾値を超えるような少なくとも一つの、そして好適にはたった一つの波長を得ることが必要である。これを達成するには、反転分布が形成されるように電極４ａを介して増幅セクション４内に十分な電流を注入し、かつ、一つの特定の波長の光を前方回折格子の一部で優先的に反射させて、これにより後方回折格子が当該特定の波長の光を選択的に反射するようにする。上記前方回折格子は、上記波長の光を反射して戻すようになり、その結果、この波長が、優先的に選択される波長、ないし増幅される波長となり、レーザがこの波長でレーザ発振し始めることになる。
【００４６】
これを以下のようにして実行する。
【００４７】
反射鏡６，７に該当するセクションで層３を形成する材料は、内部に電流が通されると屈折率の低下を受けるようなものとされている。そのため、電極１２ａを通して電流を流せば、セグメント１２内でブラッグ反射鏡が光を反射するときの波長が低減されることになる。この低減が、隣接するセグメント（セグメント１１）のブラッグ反射鏡と同じ波長の光を上記セグメント１２が反射するようになる類のものであるなら、そのときには、図２ｃに示されるようなパターンが生じることになる。図２ａに示されるようなピーク３１ａの大きさは、図２ｃにおいてＡで示されるようなはるかに高くかつピーク２９ａ、３０ａ、及び３３ａ〜３６ａよりも大きいピークとなるように強められる。この結果、図２ａのピーク３２ａは、図２ｃにＢで示されるように低減される。
【００４８】
さて、今度は、レーザ発振する閾値を超える大きさで増幅セクション４に光を発生させるように電極４ａを通して同じく電流を流すと、ピーク３１ａ，４１ａに対応する波長の光が選択的に強められて、レーザが図２ｄのＣに示されるように上記波長でレーザ発振を始めることになる。このようにして、レーザは、上記波長にチューニングされることになる。このレーザの構成の利点は、前方反射鏡のピークの幅が十分幅広となり得るために、幅広の前方反射鏡のピークによって画定される波長ウィンド（wavelength window）内で、単に後方回折格子のチューニング電流を用いるだけでチューニングが行えるという点にある。
【００４９】
次に、やはり電極７ａを通して電流を流すと、これにより、図２ｅに示されるように、ピークＤを含めたピーク３９ａ〜４６ａからなる櫛全体が、より低い波長に向かって実際上移動させられことになる。このピークＤは、前方および後方の反射鏡のピークの最大がもはや正確に合わされていないために、ピークＣと比較すると、大きさが僅かに低下することになる。
【００５０】
このとき同時に電極１１を通して電流を流すとともに、電極１２ａを通って流れる電流を増加させれば、図２ａのピーク３１ａもまたより低い波長の方に動くことになるので、前方および後方の反射鏡のピークの最大を再び元の正確に揃った状態にすることができる。
【００５１】
このようにして、上記２つの操作の両方を用いれば、図２ｂに示されるようなピーク３９ａ〜４５ａの間にある波長でレーザ発振するようにレーザを微調整することができる。
【００５２】
ピーク３５ａは、上記方法では、さらに長い波長へは動かすことができないから、レーザがレーザ発振することのできる最も長い波長は、概ね図２ｂに示されるようなピーク４５ａの波長であることが理解できよう。
【００５３】
全帯域を確保するために、帯域外セグメント（out of band segment）、あるいは言い換えれば帯域エッジセグメント（edge-of-band segment）を使用することができる。長波長帯域外セグメントにはチューニング電極が設けられているので、電流を注入することで該長波長側帯域外セグメントが一番最初の帯域内（in-band）の長波長セグメントに一致する（コインシデンスする）ように動かすことができる。短波長帯域外セグメントには必ずしも電極を設ける必要はない。というのも、このセグメントの動作は、つまり、このセグメントがレーザ発振する波長は、最も短い波長の帯域内セグメントへの駆動電流によって決定されるためである。微調整の必要があるのであれば、短波長側の帯域外セグメントには電極を必ず設けなければならない。
【００５４】
これらの帯域外、ないし帯域エッジセグメントを組み込むことで、動作特性の幅を広げることができ、生成率を改善する助けとなる。
【００５５】
典型的なIII-V属レーザ材料としてのInPを用いると、電流を注入することによる材料屈折率の低減によって、１〜１０ｎｍの範囲での波長チューニングが可能となる。このような材料を用いると、チューニング・セグメントは、通常４ｎｍ波長間隔で設計されることになる。斯かる構成を用いると、短波長側に最隣接している波長とのコインシデンスを生じさせるために、セグメントの４ｎｍ波長シフトが必要となるが、このとき、さらなる４ｎｍのコインシデンスのチューニング（coincident tuning）ができる余地を残すようにしておく。この手法により、関心のある全ての帯域をカバーすることができる。
【００５６】
チャープ回折格子型分布ブラッグ前方反射鏡の場合には、チャープセクションを操作する方法は、図３〜図１２を参照すれば、より容易に理解されよう。
【００５７】
図３を参照すると、図３は、本発明による別の形態を示しており、この形態では、図１の不連続的なブラッグ回折格子セクション９〜１６は、チャープ回折格子に置き換えられている。レーザアセンブリは、図１の後方反射セクション７に似ていて、位相シフトブラッグ回折格子５１を持つ後方反射セクション５０と、増幅セクション６１と、位相変化セクション６０と、チャープ回折格子セクション６２とを備えている。増幅セクションへの通電を可能にするために、増幅セクション６１上に電極６４が配置されている。後方反射鏡ならびに位相変化セクションへの通電をそれぞれ可能にするために、後方反射セクション５０上に電極５２が、そして位相変化セクション６０上に電極６３が配置されている。セクション６２内のチャープ回折格子の各部分に選択的に電流を流すことができるように、チャープ・ブラッグセクション上には、個々に独立して選択可能な一連の電極６５〜７２が配置されている。
【００５８】
上記チャープ回折格子は、長手方向に沿って光を反射するときの波長を概ね連続的に変化させるような一つの形態のブラッグ回折格子とされている。このため、チャープ回折格子は、単一のピーク波長で反射を行う通常の分布ブラッグ反射鏡（DBR）とは区別されるし、複数の離散的な個別の波長で反射を行うサンプリング（抽出）される回折格子ＤＢＲとも区別される。
【００５９】
チャープ回折格子は、異なる屈折率の２つの材料間の境界に形成され、図的には、正弦曲線形の波形、ないしスプライン形状（castellated form）で表すことができる。回折格子の物理的な形状は、採用されるエッチング技術に依存し、回折格子を製造するのに例えば反応性イオンエッチング等、特にドライ・エッチング工程が用いられる場合には、スプライン形状になることがある。
【００６０】
大半の光が通過するチャープ回折格子の製造に用いられる屈折率がｎの材料は、４元材料（InGaAsP）とされ、材料の屈折率は、材料を通過する光の波長によって異なるものとなる。通常、１５７０ｎｍでｎは３．３３、１５５０ｎｍでｎは３．３８、そして１５３０ｎｍでｎは３．４３である。このように、ｎは、１５３０ｎｍから１５７０ｎｍまで約３％程減少する。
【００６１】
チャープ回折格子の構成および動作の説明が図４〜図１２に与えられている。
【００６２】
図５に示すように、回折格子は、低屈折率の材料８１からなる上層と、より高い屈折率の下層８２との間の境界面８０として形成されている。この境界面は波形で表すことができ、回折格子を作る波形のピッチΛは、チャープ回折格子の短い方の端におけるΛＳから長い方の端におけるΛＬまで、該回折格子の長手方向に沿って漸次増加（累加）する。図５では、ピッチの増加は、何が起きているか説明するために故意に誇張されている。実際には、ピッチ長さの増加は、回折格子の全体にわたって小さい、つまり約２．５％であり、これにより、近い方の端部において、回折格子は約１５３０ｎｍの波長の光を反射し、長い方の端部において、回折格子は１５７０ｎｍの波長の光を反射するようになっている。こうして、反射波長は、回折格子の長さ方向に亙って、平均波長１５５０ｎｍの約２．５％である４０ｎｍ変化する。
【００６３】
図６には、回折格子のピッチがその長さに沿ってどのように変化するかを、縦軸にピッチΛ、横軸に回折格子の長さｘを取って示したグラフが与えられている。
【００６４】
回折格子の長さに沿ったピッチ値Λは、長さに対してそのままプロットすることができ、所定の線が得られることが分かる。この線は、回折格子の長さに沿ってピッチ長さがどのように変えられるかにより、真直ぐであってもよいし、曲がっていてもよい。回折格子のピッチが一定の割合で増加すれば、上記の線は８３ａに示されるように直線であり、この回折格子は、線形にチャープさせた回折格子（線形チャープ回折格子）と呼ばれる。回折格子のピッチが回折格子に沿って一様に増加すれば、つまり言い換えれば、増加するΛの方向に毎回Λがその前の値に対して一定の僅かなステップで増加するのであれば、上記の線は、直線にはならずに、その代わり８３ｂで示されたように線が右の方に増加していくにつれて下向きに曲がることになる。回折格子に沿った回折格子のピッチの変化を別のものに変えれば、異なった曲線が得られることになる。
【００６５】
図７を参照すると、この図は、チャープ回折格子に沿って通過する光の効果を説明している。ここでも回折格子は、屈折率がより低い上層８５と、屈折率がより高い下層８６との間の正弦波形（sinusoidal）の境界面８４として示されている。大半の光が通過する高い屈折率のアセンブリの導波路が符号８７に示されている。この導波路８７は、低屈折率の中間層８８により、チャープ回折格子の下層８６から隔てられている。導波路８７の下側には、さらに低屈折率基板８９が存在している。この層構造の上に重ねられるようにして、矢印９１の方向に左から右へ通過する光の波面が図で表現されている。線９２は、アセンブリの層内における光の強度を示しており、光の大半が高屈折率の導波路内を通過していることが分かる。
【００６６】
図７に示すように、光は、導波路を通るだけでなく、エバネッセンス波もまたチャープ回折格子の下層を形成する層８６に沿って通過している。光が偶然ピッチの長さΛの２倍の波長λ′を持つようなことが起きることになると、そのときには光は跳ね返されることになる。つまり、もしλ＝２Λならば、その波長の光が反射されることになる。このように、チャープ回折格子全体としてλＳ′＝２ΛＳからλＬ′＝２ΛＬまでの範囲内の光を反射することになる。このとき、ΛＳは、最も短い回折格子ピッチであり、ΛＬは最も長い回折格子ピッチである。この範囲を超える波長の光は、導波路に沿って反射されて戻されることはない。
【００６７】
このことは、図８および図９におけるように図で表すことができる。これらの図は、光の強度Ｉを縦軸にとり、波長λ′を横軸にしたボックスダイアグラム（box diagram）である。図８中に符号９３で示されるように、複数の波長からなるボックス形（箱形）の光が回折格子に受光されると、包絡線は、完全で、しかも広く離れた波長のλ′１とλ′２の間の全ての波長を表す。しかしながら、図５におけるλＳ′とλＬ′の間の波長をチャープ回折格子が反射するので、図９に示されるような外に出てくる複数波長のボックス９４は、チャープ回折格子により反射されたλＳ′とλＬ′の間の波長に対応する個所にギャップ９５を有している。
【００６８】
チャープ回折格子は、完全かつ一定の条件にあれば、いかなる選り好みも無くλＳ′とλＬ′の間の全ての波長を反射する。しかしながら、図１０の電極６８といったような、複数電極のうちの一つが当該電極を通して流される電流を有するときには、内部にチャープ回折格子が形成されるように材料の屈折率を下げることになる。この結果、直ぐ隣の短い波長の特定波長において、回折格子全体として選択的に反射率が高められることになり、この波長でレーザをレーザ発振させることができるようになる。
【００６９】
この点に関して、以下に図１０を参照しながらより詳細に説明する。この図１０において、上側の部分は、図４のレーザを示す。このレーザの図がチャープダイアグラム（チャープ図）（図６に示されるような）の上に配置され、このチャープダイアグラムが、今度は距離に対するチャープ回折格子の反射率の図の上に配置されている。
【００７０】
距離ｘに対して回折格子ピッチＡがプロットされた図１０の真中の部分から分かるように、チャープ・レスポンス・ライン（chirp response line）が線９６によって示されている。線９６は、以下に述べる理由により、大半の線の部分より下方に破線で示された領域９８を有していることが分かるであろう。
【００７１】
レーザの外側表面には、一連の電極６３〜７２が存在している。電極６４は、増幅セクションに電流を注入して、該セクションに光を生じさせるのに用いられる。電極６３は、以下に述べるように位相セクションを制御するのに用いられ、電極６５〜７２は、回折格子６２の異なる領域内に電流を注入することができる。
【００７２】
増幅セクションが光を発生するのにちょうど足る電流を該増幅セクションに注入するとき、そして次にチャープセクションが１５３０〜１５７０ｎｍの範囲の光を反射することができるときには、この範囲内の光の波長は、内部で反射されることになる。反射を起す波長以外の光は、吸収されるか、あるいはレーザの端から放出されることになる。１５３０〜１５７０ｎｍの範囲の全ての周波数の光の強度がレーザ発振する閾値を下回っているので、レーザは、レーザ発振することはない。
【００７３】
チャープ曲線９６内の領域９８に対応するチャープ回折格子の部分の上側にある電極６８といった電極を通して電流を流すことで、チャープ回折格子が反射を起す特定の波長が選択される。電流を通すことによる効果は、回折格子の当該領域における電流密度を増加させることであり、これにより、ちょうど電極６８の下側の回折格子層８６の屈折率が低減される。屈折率の低下は、より小さな波長で回折格子に反射を起させるような効果を有しており、これは、あたかも当該領域における回折格子のピッチを短くすることで得られるであろうような効果と同じものである。
【００７４】
このことは、破線で示された部分９９の実質的な回折格子ピッチが図１０の真中の部分で示されるように今や隣接する領域９７と揃い、その結果、チャープさせたファブリ−ペロー・エタロンを形成し、これが隣接領域９７における反射を強めるということを意味している。
【００７５】
距離ｘに対する反射率１１のグラフである図１０の一番下側の部分を見ると、現時点でより低い波長を反射するようになっている領域９８に対応する窪み９８Ａが、回折格子の反射率内に存在していることが分かる。ところが、今度は、共鳴的なチャープ・ファブリ−ペロー・エタロン構造によって、領域９７の反射率が高められる。このようにして、強められたピーク９７Ａが反射率に作られる。
【００７６】
ピーク９７Ａの位置に対応する波長における光は、こうして選択的に反射される。
【００７７】
他に何も変えなければ、チャープ回折格子の反射特性が、存在する電極６５〜７２の数だけ多くの異なる波長に対して調整可能であろうということが分かる。
【００７８】
しかしながら、回折格子は、チャープ回折格子を構成する材料が十分に可変な屈折率を有している場合には、連続的に調整可能に設けることができる。
【００７９】
図１１は、これをどのように機能させることができるかということを説明している。図１１には、３つの異なる条件下でミラーとして動作するチャープ回折格子が示されている。
【００８０】
図中、図１０の電極位置６５〜７２に対応する１０個の電極位置１００〜１０９が示されている。換言すれば、後方回折格子上に亙って８個の電極が存在する代わりに、この図では、１０個の電極位置が存在する。線１１０は、図１０に示されるような回折格子の線９６に相当する。垂直の破線は、チャープダイアグラムの部分ならびに電極の配列を示している。
【００８１】
図１１の上側の部分では、電極１００〜１０９のいずれにも電流が流れていない。線１１０は、優先される部分を持たず、連続的である。
【００８２】
図１１の真中の部分では、電極１０６を通して電流が流されている。ここで、この電流は、図１０中の材料８６に相当する電極１０６下側のチャープ回折格子材料の屈折率を最大限低下させるのに必要な電流の半分とされている。この結果、線１１０の部分１１１が下方に移動する。これにより、図１０に関して述べたのと全く同じようにして、チャープ回折格子が反射を生じる特定波長が選択されるという結果になる。
【００８３】
反射を起す波長を低減するように回折格子をさらに調整するために、電極１００〜１０５の全てを通して電流を流し、同時に、電極１０６を通って流れる電流を増加させる。これにより、チャープ線の部分１１２が破線で示された元の位置より下方に下げられる。線１１０の部分１１１ａもまた同時に下げられ、こうして、選択点がより小さな波長に向けて動かされる。最良の方法では、電極１０７〜１０９を通して追加的に電流を流す必要が無い。これは、これらの電極が反射する過程に何らの役割も果たさないからである。とは言え、これらの電極が選択の過程に何ら影響を及ぼさないので、電極１０７〜１０９を、波長の選択に干渉することなく電極１００〜１０５と同じような量だけ低下させることは可能である。ｎを低減するために付与できる最大の電流が電極１０６を通って流れるときには、そしてそのために調整量が最大となったときには、電極１００〜１０５に、電極１００〜１０５下側のセクション６２の材料内におけるｎの全低減量の半分にするのに相当する電流が流れていることになる。
【００８４】
回折格子が反射を起す波長をさらに調整するためには、電極１０６から電流を取り除いて、次に隣接する電極（ないしは、他の任意の選択された電極）に付与し、上記の一連の操作を繰り返す。この方法を用いることで、回折格子は、１５３０ｎｍ〜１５７０ｎｍの波長帯域全てに亙って調整することができる。
【００８５】
特定波長でのチャープの選択性は、図１２に概略的に示すように高めることができる。この図は、図１１と同様のものであるが、チャープ回折格子の２つの隣接するセクションが一緒に動かされると何が起きるかを示している。
【００８６】
図１２の上側の部分には、チャープ回折格子が図１１の場合と同じ配置で示されている。これは、図１２の真中の部分に対しても同じである。この部分では、電極１０６に付与された電流によって、線１１１が、その最大範囲の半分程度の位置まで低下させられている。電極１０５を通して電流を流す場合には、線１１３が下げられ、線１１１ａ，１１３が同期して降下するように電極１０６を通して流れる電流が同じ割合で増やされる。このことは、回折格子の選択性が、高められた反射率によって増加させられることを意味する。
【００８７】
電極１０５に付与される電流が電極１０６に付与される電流の半分とされ、線１１１ａがその最大範囲まで落とされるときには、３領域コインシデンス（three-region coincidence）を与えるように、線１１１ａ及び線１１３が線１１０の部分１１４に一致するようになる。
【００８８】
チャープ上に取り付けることができる電極が多ければ多いほど、コインシデンスさせることのできる領域の数がそれだけ一層大きくなり、チャープを調整するのに任意の点で必要とされるｎの低下分がいずれもそれだけ一層小さくなることが分かるであろう。全体で４０ｎｍの範囲の調整を行う場合、１２個の異なる電極位置が用いられたなら、バンドエッジにおける或る程度の波長マージンを付けた状態で全帯域幅をカバーするのに、それぞれわずか４ｎｍの範囲に亙って調整すればよいだけであったであろう。
【００８９】
前方及び後方反射鏡の相互関係は、図１３を見れば最も容易に理解される。
【００９０】
図１３における図は、上から一つずつ、前方ならびに後方反射鏡によって生成される反射率の櫛を示している。これらの図において、反射率Ｉの強さが波長に対して縦軸にプロットされている。図１３ａは、動いていない条件、すなわち、電極６５〜７２に電流が与えられていない条件下で、電極６５〜７２下側のチャープ回折格子によって生成される反射率（反射係数）の強さＩを示している。この概ね均一な反射率２００は、図３のレーザ内の後方回折格子５１によって生成される図１３ｂに示された櫛形の反射率６５ａ〜７２ａのそのままかぶさるように配置されている。図１３ａに示される滑らかな反射率分布は、理想化されたもので、実際には、製造時の許容誤差に応じた構造を持つようになる。この構造、及びいかなるノイズも、前方及び後方反射鏡で生成されるような制御されたピークに比べれば大きさが著しく小さいものとなる。
【００９１】
増幅セクションに光を発生させるのにちょうど足るだけの電流を該増幅セクションに注入する場合には、後方反射鏡からのピークであるピーク６５ａ〜７２ａで表される全ての波長（そしてもちろん他の全ての波長）における光の強度がレーザ発振する閾値を下回っているために、レーザがレーザ発振することはない。
【００９２】
予想通りにレーザをレーザ発振させるためには、増幅材料内における荷電キャリア反転分布を得ることと、レーザ発振する閾値を超えるような少なくとも一つの、そして好適にはたった一つの波長を得ることが必要である。これを達成するには、反転分布が形成されるように電極６４４ａを介して増幅セクション６１内に十分な電流を注入し、かつ、一つの特定の波長の光を前方回折格子の一部で優先的に反射させて、これにより後方回折格子が当該特定の波長の光を選択的に反射するようにする。上記前方回折格子は、上記波長の光を反射して戻すようになり、その結果、この波長が、優先的に選択される波長、ないし増幅される波長となり、レーザがこの波長でレーザ発振し始めることになる。
【００９３】
これを以下のようにして実行する。
【００９４】
セクション５０，６２内で層３を形成する材料は、内部に電流が通されると屈折率の低下を受けるようなものとされている。電極６８を通して十分な電流を流して、当該電極下方の回折格子の反射率の波長を、電極６７下方の回折格子の反射率に重ね合わせて強めさせるようにすれば、前方反射鏡のレスポンス（response）における反射率ピーク２０１が図１３cに示すように形成される。
【００９５】
さて、今度は、レーザ発振する閾値を超える大きさで増幅セクション６１に光を発生させるように電極６４を通して同じく電流を流すと、ピーク２０１に対応する波長の光が選択的に強められて、レーザが図１３ｄに示されたように波長Ｅでレーザ発振を始めることになる。こうして、レーザは、上記波長にチューニング（調整）されることになる。このレーザの構成の利点は、前方反射鏡のピークの幅が十分幅広となり得るために、幅広の前方反射鏡のピークによって画定される波長ウィンド内で、単に後方回折格子のチューニング電流を用いるだけでチューニングが行えるという点にある。
【００９６】
次に、やはり電極５２を通して電流を流すと、これにより、図１３ｅに示されるように、ピークＦを含めたピーク６５ａ〜７２ａからなる櫛全体が、より低い波長に向かって実際上移動させられことになる。このピークＦは、前方および後方の反射鏡のピークの最大がもはや正確に合わされていないために、ピークＥと比較すると、大きさが僅かに低下することになる。
【００９７】
このとき同時に電極６７を通して電流を流すとともに、電極６８を通って流れる電流を増加させれば、図１３ｃのピーク２０１もまたより低い波長の方に動くことになるので、前方および後方の反射鏡のピークの最大を再び元の正確に揃った状態にすることができる。
【００９８】
このようにして、図１３ｂに示されるようなピーク６５ａ〜７２ａの間にある波長でレーザ発振するようにレーザを微調整することができる。
【００９９】
図３の電極７２下方の回折格子に対応するチャープ・ブラッグ回折格子の長波長側の一番端には、ピーク２０１は事実上存在し得ないことが理解できよう。
【０１００】
全帯域を確保するために、帯域外セグメント（out of band segment）、あるいは言い換えれば帯域エッジセグメント（edge-of-band segment）を使用することができる。長波長帯域外セグメントにはチューニング電極が設けられているので、電流を注入することで該長波長側帯域外セグメントが一番最初の帯域内（in-band）の長波長セグメントに一致する（コインシデンスする）ように動かすことができる。短波長帯域外セグメントには必ずしも電極を設ける必要はない。というのも、このセグメントの操作は、つまり、このセグメントがレーザ発振する波長は、最も短い波長の帯域内セグメント内への通電によって決定されるためである。微調整の必要がある場合には、短波長側の帯域外セグメントに電極を必ず設けなければならない。これらの帯域外、ないし帯域エッジセグメントを組み込むことで、動作特性の幅を広げることができ、生成率を改善する助けとなる。
【０１０１】
典型的なIII-V属レーザ材料としてのInPを用いると、電流を注入することによる材料屈折率の低減によって、１〜１０ｎｍの範囲での波長チューニングが可能となる。このような材料を用いると、チューニング・セグメントは、通常４ｎｍ波長間隔で設計されることになる。斯かる構成を用いると、短波長側に最隣接している波長とのコインシデンスを生成するために、セグメントの４ｎｍ波長シフトが必要となるが、このとき、さらなる４ｎｍのコインシデンスのチューニング（coincident tuning）ができる余地を残すようにしておく。この手法により、関心のある全ての帯域をカバーすることができる。
【０１０２】
本実施形態において述べられたようなレーザは、該レーザが一つのスーパーモードから別のスーパーモードへ次々に移るために、一定のキャビティ長を持たないが、これは、防止するための注意があまり払われないと、モード・ホッピングを引き起こす可能性がある。位相変化セクション６０の機能は、レーザがチューニングされる際に、光学的な径路長の斯かる変化を補償することにある。セクション６０もまた、電流が内部を流れると屈折率を低減させるような材料から形成され、上述のような変化を起こさせるように、電極６３を通して電流を流すことができる。
【０１０３】
このように、本発明のレーザによれば、図１３ｂに示すように、ピーク６５ａ〜７２ａの一つより粗くチューニングすることができ、さらにまた、簡単で効果的なやり方で、これらのピークをさらに低い波長へと微調整することができる。
【０１０４】
上述の記載は、後方反射鏡に位相シフト回折格子分布ブラッグ反射鏡を用いるものに関してであるが、サンプリングされるセグメント化回折格子分布ブラッグ反射鏡を用いても構わない。位相シフト回折格子分布ブラッグ反射鏡が好ましいのは、斯かる分布ブラッグ反射鏡により生成される反射ピークの櫛が概ね平らで均一だからである。米国特許第４８９６３２５号明細書において利用されているようなサンプリングされるセグメント化された回折格子分布ブラッグ反射鏡を用いれば、一方では、反射スペクトルがシンク（Sinc）矩形型の包絡線を有するが、これは、後方反射鏡としての位相シフト回折格子分布ブラッグ反射鏡が使用するような広い光学的な帯域幅に亙って、斯かる出力分布を持ったレーザが高い信頼性で動作させられないということを意味する。
【０１０５】
通常の操作では、増幅セクションに隣接するレーザの正面から光出力がカップリングされ、波長ロッキングといった予備的な目的のために、（単数もしくは複数の）ブラッグ回折格子に隣接するレーザの後面から少量の光が取り出される。しかしながら、これは、光をレーザの後面から主に取り出すことを本発明の観点から排除するということを何ら意味するものではない。
【０１０６】
後方反射鏡の反射率ができるだけ高く、典型的には、５０％〜８０％範囲であることが好ましい。その一方で、前方反射境の反射率は、もっと低く、典型的には、２０％〜４０％の範囲でなければならない。
【図面の簡単な説明】
【０１０７】
【図１】セグメント化されたブラッグ型の第２の反射鏡が組み込まれた本発明に係るレーザの概略断面図である。
【図２ａ】セグメント化されたブラッグ型の第２の反射鏡の実施形態における波長λに対する強度Ｉのグラフを表す図である。
【図２ｂ】セグメント化されたブラッグ型の第２の反射鏡の実施形態における波長λに対する強度Ｉのグラフを表す図である。
【図２ｃ】セグメント化されたブラッグ型の第２の反射鏡の実施形態における波長λに対する強度Ｉのグラフを表す図である。
【図２ｄ】セグメント化されたブラッグ型の第２の反射鏡の実施形態における波長λに対する強度Ｉのグラフを表す図である。
【図２ｅ】セグメント化されたブラッグ型の第２の反射鏡の実施形態における波長λに対する強度Ｉのグラフを表す図である。
【図３】チャープさせたブラッグ型の第２の反射鏡が組み込まれた本発明に係るレーザの概略断面図である。
【図４】本発明の第２の実施形態を示す図である。
【図５】チャープ回折格子を示す図である。
【図６】チャープ線を示す図である。
【図７】チャープ回折格子を通過していく光を拡大して示す図である。
【図８】波長に対する光の強度のボックス・ダイアグラムを示す図である。
【図９】波長に対する光の強度のボックス・ダイアグラムを示す図である。
【図１０】チャープ・レーザ、チャープ線、及び光強度を説明するための図である。
【図１１】チャープ線を表す図である。
【図１２】チャープ線を表す図である。
【図１３ａ】チャープ・ブラッグ型の第２の反射鏡の実施形態における波長λに対する強度Ｉのグラフを表す図である。
【図１３ｂ】チャープ・ブラッグ型の第２の反射鏡の実施形態における波長λに対する強度Ｉのグラフを表す図である。
【図１３ｃ】チャープ・ブラッグ型の第２の反射鏡の実施形態における波長λに対する強度Ｉのグラフを表す図である。
【図１３ｄ】チャープ・ブラッグ型の第２の反射鏡の実施形態における波長λに対する強度Ｉのグラフを表す図である。
【図１３ｅ】チャープ・ブラッグ型の第２の反射鏡の実施形態における波長λに対する強度Ｉのグラフを表す図である。
【符号の説明】
【０１０８】
１・・・層
２・・・下層
３・・・上層
４・・・増幅セクション
５・・・位相変化セクション
６・・・前方反射セクション（ブラッグ回折格子セクション）
７・・・後方反射セクション
８・・・位相シフト回折格子型分布ブラッグ反射鏡
９〜１６・・・回折格子セグメント
９ａ〜１６ａ・・・電極
２９ａ〜３６ａ・・・ピーク
３９ａ〜４６ａ・・・櫛形の反射率
５０・・・後方反射セクション
６０・・・位相変化セクション
６１・・・増幅セクション
６２・・・前方反射セクション（チャープ回折格子セクション）
６５〜７２・・・電極
Claims (23)
- 反射ピークの櫛を生成するように設けられた分布ブラッグ反射鏡形態の第１の反射鏡によって一方の端部における境界が画定されかつ第２のブラッグ反射鏡によって他方の端部上での境界が画定された増幅セクションを有し、前記第２のブラッグ反射鏡は、複数の波長で反射するように設けられかつ個別の複数のセグメントを通して選択的に調整可能とされ、これにより、当該ブラッグ反射鏡の一つもしくは複数のセグメントは、より低い一つの波長に対してチューニング可能とされ、当該より低い波長での反射率を高めるように当該より低い波長で反射する一つのセグメントで反射するように構成されているチューナブルレーザ。
- 請求項１に記載のチューナブルレーザにおいて、
前記第２の反射鏡が同調される前記より低い波長は、前記第１の反射鏡のピークに概ね合致していることを特徴とするチューナブルレーザ。 - 請求項１または請求項２に記載のチューナブルレーザにおいて、
前記第２の反射鏡は、屈折率が変更可能な材料で形成され、前記材料の屈折率を変更することによって、前記反射される波長が変更されるように設けられていることを特徴とするチューナブルレーザ。 - 請求項３に記載のチューナブルレーザにおいて、
前記屈折率は、前記第２の反射鏡が形成されている前記材料に電流を通すことによって変更されるように設けられていることを特徴とするチューナブルレーザ。 - 請求項４に記載のチューナブルレーザにおいて、
前記第２のブラッグ反射鏡は、チャープ回折格子とされ、かつ内部に電流が流れることに対応して変更可能な屈折率を持つ材料で形成され、複数の外部電極が前記回折格子の長さに沿って設けられ、各電極には、選択的に電源が接続可能とされていることを特徴とするチューナブルレーザ。 - 請求項５に記載のチューナブルレーザにおいて、
前記チャープブラッグ反射鏡は、前記増幅セクションに最も近いところでピッチが最も短くなるようにして自身に沿ってピッチが累加する線形チャープを備えていることを特徴とするチューナブルレーザ。 - 請求項５または請求項６に記載のチューナブルレーザにおいて、
前記チャープブラッグ反射鏡は、それぞれが前記チャープ回折格子全体の一部を構成している複数のチャープ・セグメントに分割され、全てのチャープ・セグメントが連結されていることを特徴とするチューナブルレーザ。 - 請求項４に記載のチューナブルレーザにおいて、
前記第２のブラッグ反射鏡は、複数の別々の回折格子セグメントを備え、これらの回折格子セグメントの少なくとも２つは、異なるピッチを有し、このとき、より長いピッチを持つ少なくとも一つの回折格子に電流を付与することが可能で、これにより、当該より長いピッチを持つ回折格子の実効波長を、より短いピッチを持つ前記回折格子の波長に同調させることができるように構成されていることを特徴とするチューナブルレーザ。 - 請求項４に記載のチューナブルレーザにおいて、
前記第２のブラッグ反射鏡は、複数の別々の回折格子セグメントを備え、各回折格子セグメントは、異なるピッチを有し、これにより、前記増幅セクションに最も近い前記回折格子セグメントが最も短いピッチを有して、前記増幅セクションから順番に連なる回折格子セグメントそれぞれのピッチが直前のセグメントのピッチよりも大きくなるように設けられていることを特徴とするチューナブルレーザ。 - 請求項９に記載のチューナブルレーザにおいて、
各回折格子セグメントは、独立に作動可能な電極を有していることを特徴とするチューナブルレーザ。 - 請求項４から請求項１０のいずれか１項に記載のチューナブルレーザにおいて、
前記電極への電流を入れたり切ったりするためのスイッチング回路が設けられていることを特徴とするチューナブルレーザ。 - 請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載のチューナブルレーザにおいて、
半導体材料を用いて製造されていることを特徴とするチューナブルレーザ。 - 請求項１２に記載のチューナブルレーザにおいて、
III-V属半導体材料を用いて製造されていることを特徴とするチューナブルレーザ。 - 請求項１から請求項１３のいずれか１項に記載のチューナブルレーザにおいて、
電子ビーム描写技術を用いて製造されていることを特徴とするチューナブルレーザ。 - 請求項１から請求項１３のいずれか１項に記載のチューナブルレーザにおいて、
ホログラフィ位相回折格子プレートを用いて製造されていることを特徴とするチューナブルレーザ。 - 請求項１から請求項１５のいずれか１項に記載のチューナブルレーザにおいて、
前記ブラッグ・セグメントは、前記第２の反射鏡内では、明細書に定義の如くそれぞれ短く維持され、これにより、前記ブラッグ回折格子に関連する累加する導波路長さが最小化されて、導波路による損失が低く保たれるように設けられていることを特徴とするチューナブルレーザ。 - 請求項１から請求項１６のいずれか１項に記載のチューナブルレーザにおいて、
前記第１の反射鏡を形成する前記分布ブラッグ反射鏡は、位相シフトブラッグ回折格子反射鏡とされていることを特徴とするチューナブルレーザ。 - 請求項１７に記載のチューナブルレーザにおいて、
前記第１の反射鏡は、明細書に定義の如く長く設けられていることを特徴とするチューナブルレーザ。 - 請求項１から請求項１８のいずれか１項に記載のチューナブルレーザにおいて、
前記第２の反射鏡を通して光が放出されるように設けられていることを特徴とするチューナブルレーザ。 - 請求項１から請求項１９のいずれか１項に記載のチューナブルレーザにおいて、
前記増幅セクションと、前記反射鏡のいずれか一方もしくは双方との間に、位相変化セクションが設けられていることを特徴とするチューナブルレーザ。 - 請求項２０に記載のチューナブルレーザにおいて、
前記位相変化セクションは、前記増幅セクションと、前記第１ないし前記第２の反射鏡との間に配置されていることを特徴とするチューナブルレーザ。 - 請求項２１に記載のチューナブルレーザにおいて、
前記位相変化セクションは、位相を変化させるために、該位相変化セクションの材料の屈折率を変化させるよう、該位相変化セクションを通して電流を流せるようにするための電極を有していることを特徴とするチューナブルレーザ。 - 概ね、明細書に記載されたような、添付の図面に示されたようなチューナブルレーザ。
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