JP7437682B2

JP7437682B2 - レーザ光源

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Publication number: JP7437682B2
Application number: JP2020045196A
Authority: JP
Inventors: 拓鈴木; 雅重佐藤; 洋八坂; 信英横田; 智洋北
Original assignee: Tohoku University NUC; Waseda University; Denso Corp
Current assignee: Tohoku University NUC; Waseda University; Denso Corp
Priority date: 2020-03-16
Filing date: 2020-03-16
Publication date: 2024-02-26
Anticipated expiration: 2040-03-16
Also published as: JP2021150309A; US11881677B2; US20210288461A1

Description

本発明は、光負帰還を用いたレーザ光源に関するものである。

従来、レーザ光源のスペクトル線幅を狭線化する方法が様々に提案されている。例えば、発光部の外部に共振器が備えられた外部共振器構造のレーザ光源において、共振器長を伸ばすことで狭線化を図る方法が提案されている。しかしながら、共振器長を伸ばすと、狭線化に伴って発振周波数の調整が困難になり、また、周波数の変調範囲が狭くなる。また、電気フィードバック技術によって出力光の位相を調整し、揺らぎを打ち消して線幅係数を下げることで狭線化を図る方法が提案されている。しかしながら、線幅係数を下げるのみでは、狭線化の効果が限定的となる。

これに対して、光で揺らぎを打ち消す光負帰還を用いたレーザ光源では、共振器長を伸ばすとともに、線幅係数を下げることが可能であり、上記のレーザ光源よりも狭線化の効果が大きくなる。例えば非特許文献１では、光を発生させる利得媒体と、利得媒体の外部に配置された共振器と、利得媒体および共振器を通る経路の両端部に配置された２つの反射部と、一方の反射部に接続された光負帰還部とを備えるレーザ光源が提案されている。

Tin Komljenovic and John E. Bowers, "Monolithically Integrated High-Q Rings for Narrow Linewidth Widely Tunable Lasers", IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS, VOL. 51, NO. 11, 0600610 (2015)

非特許文献１に記載のレーザ光源では、共振器を挟んで利得媒体とは反対側に配置された反射部の外側に、光負帰還部が接続されている。そのため、利得媒体と光負帰還部とを結ぶ経路が長く、光負帰還部からの戻り光のパワー損失が大きい。

本発明は上記点に鑑みて、パワー損失を低減できるレーザ光源を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、光を出力する発光部（１１）を有し、発光部が出力した光を共振させて出射する共振部（１０）と、共振部から出射した光の一部を反射して発光部に入力することにより、共振部から出射する光の周波数を制御する光負帰還部（３０）と、を備えるレーザ光源であって、共振部は、発光部に接続された第１導波路（１２）と、発光部が出力した光を反射して第１導波路に入力する第１反射部（１３）と、第１導波路から離された状態で配置された第２導波路（１４）と、第２導波路に接続された第２反射部（１５）と、第１導波路と第２導波路との間に配置されたリング共振器（１６、２２）と、を備え、発光部から出力された光が、リング共振器によって第１反射部と第２反射部との間で共振し、第１反射部または第２反射部から出射してリング共振器から遮断された光の一部が、第１導波路のうち第１反射部および発光部とは反対側の端部と、第２導波路のうち第２反射部とは反対側の端部に透過する構成とされており、光負帰還部は、第１導波路の端部に接続され、リング共振器から遮断されて第１導波路の端部に透過した光が入射するように配置された第３導波路（３１）と、第３導波路に接続された第３反射部（３２）と、を備え、第３反射部によって反射した光が、第３導波路から出射し、第１導波路に入射する構成とされている。

これによれば、発光部に直接接続された第１導波路の端部に透過した光が光負帰還部に入射する構成とされているため、発光部と光負帰還部とを結ぶ経路が短くなり、パワー損失を低減することができる。

また、請求項２に記載の発明では、光を出力する発光部（１１）を有し、発光部が出力した光を共振させて出射する共振部（１０）と、共振部から出射した光の一部を反射して発光部に入力することにより、共振部から出射する光の周波数を制御する光負帰還部（３０）と、を備えるレーザ光源であって、共振部は、発光部に接続された第１導波路（１２）と、第１導波路を２つに分岐させる方向性結合器（２４）と、発光部が出力した光を反射して第１導波路に入力する第１反射部（１３）と、第１導波路から離された状態で配置された第２導波路（１４）と、第２導波路に接続された第２反射部（１５）と、第１導波路のうち方向性結合器によって分岐した一方の導波路と第２導波路との間に配置されたリング共振器（１６、２２）と、を備え、発光部から出力された光が、リング共振器によって第１反射部と第２反射部との間で共振し、第１反射部または第２反射部から出射してリング共振器から遮断された光の一部が、該一方の導波路のうち第１反射部および発光部とは反対側の端部と、第２導波路のうち第２反射部とは反対側の端部から出射し、第１反射部から出射して第１導波路のうち方向性結合器によって分岐した他方の導波路に入射した光が、該他方の導波路の端部に透過する構成とされており、光負帰還部は、該他方の導波路の端部に接続され、該他方の導波路の端部に透過した光が入射するように配置された第３導波路（３１）と、第３導波路に接続された第３反射部（３２）と、を備え、第３反射部によって反射した光が、第３導波路から出射し、第１導波路に入射する構成とされている。

これによれば、発光部に直接接続された第１導波路が方向性結合器によって２つに分岐し、分岐した２つの導波路のうち、一方がリング共振器に接続されており、他方に分岐した光が光負帰還部に入射する構成とされている。そのため、発光部と光負帰還部とを結ぶ経路が短くなり、パワー損失を低減することができる。

なお、各構成要素等に付された括弧付きの参照符号は、その構成要素等と後述する実施形態に記載の具体的な構成要素等との対応関係の一例を示すものである。

第１実施形態にかかるレーザ光源の構成を示す図である。反射部の構成を示す図である。反射部の構成を示す図である。反射部の構成を示す図である。反射部の構成を示す図である。反射部の構成を示す図である。比較例の構成を示す図である。第２実施形態にかかるレーザ光源の構成を示す図である。第３実施形態にかかるレーザ光源の構成を示す図である。戻り光の周波数とパワーとの関係を示す図である。第４実施形態にかかるレーザ光源の構成を示す図である。第５実施形態にかかるレーザ光源の構成を示す図である。第６実施形態にかかるレーザ光源の構成を示す図である。第７実施形態にかかるレーザ光源の構成を示す図である。第８実施形態にかかるレーザ光源の構成を示す図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。

（第１実施形態）
第１実施形態について説明する。本実施形態のレーザ光源は、光負帰還を用いたレーザ光源であり、図１に示すように、光を共振させて出射する共振部１０と、共振部１０から出射する光の周波数を制御する光負帰還部３０とを備えている。共振部１０と、光負帰還部３０は、シリコンフォトニクスによってＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板に形成された光集積回路で構成されている。

共振部１０は、光を出力する利得媒体である発光部１１を備えている。発光部１１は、例えば半導体光増幅器で構成されており、図示しない外部の制御回路から入力される電気信号に応じて作動する。共振部１０は、発光部１１の外部に配置された共振器によって、発光部１１が出力した光を共振させて出射する外部共振器として構成されている。

具体的には、共振部１０は、発光部１１に接続されたバス導波路である導波路１２と、発光部１１に隣接するように配置され、発光部１１が出力した光を反射して導波路１２に入力する反射部１３とを備えている。導波路１２、および、後述する導波路１４、３１は、エッチングによって線状に形成されたＳＯＩ基板のシリコン（Ｓｉ）層の一部をコア層とし、コア層の下部に位置する犠牲層と、コア層を覆うように形成された絶縁層とをクラッド層として構成されている。反射部１３、および、後述する反射部１５、３２としては、例えば、図２に示すループミラー、図３に示すカップラー、図４、図５に示すリング、図６に示す分布ブラッグ反射器を用いることができる。導波路１２は第１導波路に相当し、反射部１３は第１反射部に相当する。

また、図１に示すように、共振部１０は、導波路１２から離された状態で配置された導波路１４と、導波路１４の一端に接続された反射部１５と、導波路１２と導波路１４との間に配置されたリング共振器１６とを備えている。導波路１４は第２導波路に相当し、反射部１５は第２反射部に相当し、リング共振器１６は第１リング共振器に相当する。

また、共振部１０は、方向性結合器１７を備えており、導波路１２とリング共振器１６は、方向性結合器１７によって接続されている。また、共振部１０は、方向性結合器１８を備えており、リング共振器１６と導波路１４は、方向性結合器１８によって接続されている。

このような構成の共振部１０では、発光部１１から出力された光が、リング共振器１６によって反射部１３と反射部１５との間で共振し、反射部１３または反射部１５から出射する。また、反射部１３または反射部１５から出射してリング共振器１６から遮断された光の一部は、導波路１２のうち反射部１３および発光部１１とは反対側の端部と、導波路１４のうち反射部１５とは反対側の端部に透過する。

光負帰還部３０は、共振部１０から出射した光の一部を反射して発光部１１に入力することにより、共振部１０から出射する光の周波数を制御するものである。光負帰還部３０は、リング共振器１６から遮断されて導波路１２の端部に透過した光が入射するように配置された導波路３１と、導波路３１に接続された反射部３２とを備えている。そして、光負帰還部３０は、反射部３２によって反射した光が、導波路３１から出射し、導波路１２に入射する構成とされている。導波路３１は第３導波路に相当し、反射部３２は第３反射部に相当する。

本実施形態のレーザ光源では、発光部１１から出力された光が、導波路１２から方向性結合器１７を介してリング共振器１６に入力される。前述したように、この光は、リング共振器１６によって反射部１３と反射部１５との間で共振し、反射部１３または反射部１５から出射する。反射部１５から出射してリング共振器１６から遮断された光の一部は、導波路１４のうち反射部１５とは反対側の端部に透過し、レーザ光源の外部へ出射される。また、反射部１３から出射してリング共振器１６から遮断された光の一部は、導波路１２のうち反射部１３および発光部１１とは反対側の端部に透過する。導波路１２の端部に透過した光は、導波路３１に入射し、反射部３２によって反射して、導波路３１、導波路１２を伝搬して発光部１１に入力される。これにより光負帰還が働き、発光部１１から出力される光の周波数の揺らぎが打ち消されて、周波数が安定化される。

図７に示す比較例では、反射部１５に対して導波路１４とは反対側に導波路１９が形成されており、反射部１５に入射した光の一部が反射部１５を透過して導波路１９に入射するようになっている。また、この比較例では、光負帰還部３０が導波路１９の先に配置されており、反射部１５を透過した光が、導波路１９から導波路３１に入射する構成とされている。

このような構成では、発光部１１と光負帰還部３０とを結ぶ光の経路が長くなるため、光負帰還部３０からの戻り光のパワー損失が大きくなる。また、光負帰還部３０に出力光の一部を分け与えることになるため、発光部１１を駆動するための消費電力が大きくなる。

これに対して、本実施形態では、発光部１１に直接接続された導波路１２の端部に透過した光が光負帰還部３０に入射する構成とされているため、発光部１１と光負帰還部３０とを結ぶ光の経路が短くなり、パワー損失を低減することができる。また、導波路１２から光負帰還部３０に入射する光は、従来の外部共振器では捨てられていた光であるため、これを光負帰還に利用することで、消費電力の増加を抑制することができる。

（第２実施形態）
第２実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対してリング共振器を追加したものであり、その他については第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図８に示すように、本実施形態では、共振部１０において、導波路１２と導波路１４との間に２つのリング共振器が配置されており、この２つのリング共振器によって、反射部１３と反射部１５との間で光が共振する構成とされている。

すなわち、共振部１０は、方向性結合器１８を介してリング共振器１６に接続された導波路２０と、導波路２０の端部に配置された方向性結合器２１とを備えている。また、共振部１０は、方向性結合器２１を介して導波路２０に接続されたリング共振器２２と、リング共振器２２を導波路１４に接続する方向性結合器２３とを備えている。そして、発光部１１から出力された光が、リング共振器１６およびリング共振器２２によって反射部１３と反射部１５との間で共振するようになっている。リング共振器２２は、第１リング共振器に相当する。

このように反射部１３と反射部１５との間に２つのリング共振器が配置された本実施形態においても、第１実施形態と同様の効果が得られる。

（第３実施形態）
第３実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対してリング共振器を追加したものであり、その他については第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図９に示すように、本実施形態では、光負帰還部３０は、導波路３１に方向性結合器３３を介して接続されたリング共振器３４を備えている。リング共振器３４は、第２リング共振器に相当する。

このようにすると、光負帰還部３０からの戻り光のパワーが、図１０に示すように、ある周波数で落ち込むようになる。この周波数は、図示しないヒータ等で反射部３２の温度を変化させることによって調整される。

戻り光のパワーが落ち込む周波数を、発光部１１から出力される光の所望の周波数に合わせると、所望の周波数で光が出力されているときには、戻り光のパワーが小さくなるため、光負帰還による周波数の変化が小さくなる。そして、発光部１１から出力される光の周波数が所望の周波数から離れているときには、戻り光のパワーが大きくなるため、光負帰還による周波数の変化が大きくなる。これにより、周波数の制御が容易になり、レーザ光源の設計が容易になる。

（第４実施形態）
第４実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対してリング共振器を追加したものであり、その他については第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図１１に示すように、本実施形態では、光負帰還部３０は、反射部３２に方向性結合器３５を介して接続されたリング共振器３６を備えている。リング共振器３６は、第２リング共振器に相当する。

このようにすると、第３実施形態と同様に、光負帰還部３０からの戻り光のパワーが落ち込むようになる。そして、パワーが落ち込む周波数を所望の周波数に合わせることで、周波数の制御が容易になり、レーザ光源の設計が容易になる。

（第５実施形態）
第５実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対して導波路の構成を変更したものであり、その他については第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図１２に示すように、本実施形態では、導波路１２が方向性結合器２４によって２つの導波路１２ａ、１２ｂに分岐している。そして、導波路１２ａが、第１実施形態の導波路１２と同様に、方向性結合器１７によってリング共振器１６に接続されている。反射部１３から出射してリング共振器１６から遮断された光の一部は、導波路１２ａのうち反射部１３および発光部１１とは反対側の端部から出射する。また、反射部１３から出射して導波路１２ｂに入射した光は、導波路１２ｂの端部に透過し、導波路３１に入射する。

このような構成では、方向性結合器２４の設計によって、光負帰還部３０に割り当てる光のパワーを調整することができる。

（第６実施形態）
第６実施形態について説明する。本実施形態は、第４実施形態に対して光検出器を追加したものであり、その他については第４実施形態と同様であるため、第４実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図１３に示すように、本実施形態では、光負帰還部３０は、リング共振器３６に方向性結合器３７を介して接続された導波路３８と、導波路３８に接続された光検出器３９とを備えている。

このような構成では、所望の周波数の光が出力されているときにのみリング共振器３６から方向性結合器３７、導波路３８を介して光検出器３９に光が入力されるように設計することで、発光部１１から出力される光の周波数の制御が容易になる。

（第７実施形態）
第７実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対して光位相変調器を追加したものであり、その他については第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図１４に示すように、本実施形態では、光負帰還部３０の導波路３１上に、光負帰還部３０からの戻り光の位相を変調する光位相変調器４０が配置されている。

光負帰還を用いたレーザ光源では、光負帰還部３０への入力光と、光負帰還部３０から発光部１１への戻り光との位相差が、－π／２以上π以下であるときに、光負帰還の効果が大きくなる。したがって、このように光位相変調器４０を配置し、戻り光の位相を調整することによって、光負帰還の効果を大きくし、発光部１１から出力される光の周波数の制御を容易にすることができる。

なお、２つの光の位相差については、例えば図１４の点Ｐで示す位置、すなわち、発光部１１と導波路１２との接続点において測定すればよい。

（第８実施形態）
第８実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対して周波数変調器を追加したものであり、その他については第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図１５に示すように、本実施形態では、共振部１０は、反射部１５から発光部１１に戻る光の周波数を変調する周波数変調器２５を備えており、周波数変調器２５は、導波路１４上に配置されている。

レーザ光源が周波数変調器２５を備える場合には、発光部１１と反射部３２とを結ぶ経路とは離れた場所に周波数変調器２５を配置することにより、この経路上に周波数変調器２５を配置する場合に比べて、パワー損失を低減することができる。

（他の実施形態）
なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。

例えば、上記第３～第８実施形態において、共振部１０がリング共振器２２を備えていてもよい。また、共振部１０が、反射部１３と反射部１５を結ぶ経路上に、リング共振器を３つ以上備えていてもよい。また、上記第４～第８実施形態において、光負帰還部３０がリング共振器３４を備えていてもよい。また、上記第５、第７、第８実施形態において、光負帰還部３０がリング共振器３６を備えていてもよい。また、上記第６～第８実施形態において、導波路１２が分岐していてもよい。また、上記第７、第８実施形態において、光負帰還部３０がリング共振器３６および光検出器３９を備えていてもよい。また、光検出器３９がリング共振器３４に接続されていてもよい。また、上記第８実施形態において、レーザ光源が光位相変調器４０を備えていてもよい。

また、上記第７実施形態では光負帰還部３０上に光位相変調器４０を配置したが、導波路１２または導波路３１のうち、反射部１３と反射部１５とを結ぶ経路から離れた場所であれば、他の場所に光位相変調器４０を配置してもよい。例えば、共振部１０において、導波路１２のうち光負帰還部３０に向かって光が出射する端部と、方向性結合器１７との間に、光位相変調器４０を配置してもよい。また、光位相変調器４０を２つ以上配置してもよい。

１０共振部
１１発光部
１２導波路
１３反射部
１４導波路
１５反射部
１６リング共振器
２２リング共振器
２４方向性結合器
３０光負帰還部
３１導波路
３２反射部
４０光位相変調器

Claims

光を出力する発光部（１１）を有し、前記発光部が出力した光を共振させて出射する共振部（１０）と、
前記共振部から出射した光の一部を反射して前記発光部に入力することにより、前記共振部から出射する光の周波数を制御する光負帰還部（３０）と、を備えるレーザ光源であって、
前記共振部は、
前記発光部に接続された第１導波路（１２）と、
前記発光部が出力した光を反射して前記第１導波路に入力する第１反射部（１３）と、
前記第１導波路から離された状態で配置された第２導波路（１４）と、
前記第２導波路に接続された第２反射部（１５）と、
前記第１導波路と前記第２導波路との間に配置されたリング共振器（１６、２２）と、を備え、
前記発光部から出力された光が、前記リング共振器によって前記第１反射部と前記第２反射部との間で共振し、前記第１反射部または前記第２反射部から出射して前記リング共振器から遮断された光の一部が、前記第１導波路のうち前記第１反射部および前記発光部とは反対側の端部と、前記第２導波路のうち前記第２反射部とは反対側の端部に透過する構成とされており、
前記光負帰還部は、
前記第１導波路の端部に接続され、前記リング共振器から遮断されて前記第１導波路の端部に透過した光が入射するように配置された第３導波路（３１）と、
前記第３導波路に接続された第３反射部（３２）と、を備え、
前記第３反射部によって反射した光が、前記第３導波路から出射し、前記第１導波路に入射する構成とされているレーザ光源。
光を出力する発光部（１１）を有し、前記発光部が出力した光を共振させて出射する共振部（１０）と、
前記共振部から出射した光の一部を反射して前記発光部に入力することにより、前記共振部から出射する光の周波数を制御する光負帰還部（３０）と、を備えるレーザ光源であって、
前記共振部は、
前記発光部に接続された第１導波路（１２）と、
前記第１導波路を２つに分岐させる方向性結合器（２４）と、
前記発光部が出力した光を反射して前記第１導波路に入力する第１反射部（１３）と、
前記第１導波路から離された状態で配置された第２導波路（１４）と、
前記第２導波路に接続された第２反射部（１５）と、
前記第１導波路のうち前記方向性結合器によって分岐した一方の導波路と前記第２導波路との間に配置されたリング共振器（１６、２２）と、を備え、
前記発光部から出力された光が、前記リング共振器によって前記第１反射部と前記第２反射部との間で共振し、前記第１反射部または前記第２反射部から出射して前記リング共振器から遮断された光の一部が、該一方の導波路のうち前記第１反射部および前記発光部とは反対側の端部と、前記第２導波路のうち前記第２反射部とは反対側の端部から出射し、前記第１反射部から出射して前記第１導波路のうち前記方向性結合器によって分岐した他方の導波路に入射した光が、該他方の導波路の端部に透過する構成とされており、
前記光負帰還部は、
該他方の導波路の端部に接続され、該他方の導波路の端部に透過した光が入射するように配置された第３導波路（３１）と、
前記第３導波路に接続された第３反射部（３２）と、を備え、
前記第３反射部によって反射した光が、前記第３導波路から出射し、前記第１導波路に入射する構成とされているレーザ光源。
前記リング共振器を第１リング共振器として、
前記光負帰還部は、前記第３導波路に接続された第２リング共振器（３４）を備える請求項１または２に記載のレーザ光源。
前記リング共振器を第１リング共振器として、
前記光負帰還部は、前記第３反射部に接続された第２リング共振器（３６）を備える請求項１または２に記載のレーザ光源。
前記光負帰還部は、前記第２リング共振器に接続された光検出器（３９）を備える請求項３または４に記載のレーザ光源。
前記第１導波路または前記第３導波路のうち、前記第１反射部と前記第２反射部とを結ぶ経路から離れた場所に、前記光負帰還部からの戻り光の位相を変調する光位相変調器（４０）が配置されている請求項１ないし５のいずれか１つに記載のレーザ光源。
前記発光部と前記第３反射部とを結ぶ経路から離れた場所に、前記第２反射部から前記発光部に戻る光の周波数を変調する周波数変調器（２５）が配置されている請求項１ないし６のいずれか１つに記載のレーザ光源。
前記光負帰還部への入力光と、前記光負帰還部から前記発光部への戻り光との位相差が、－π／２以上π以下とされている請求項１ないし７のいずれか１つに記載のレーザ光源。