JPH1123890A - レーザ波長安定化素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 任意の波長で、フィルタ透過光信号強度がゼ
ロ点波長となるように、フィルタ特性を調整できる分岐
干渉型波長フィルタで構成されるレーザ波長安定化素子
を提供する。 【解決手段】 長さ、あるいは屈折率の少なくとも一方
が異なる２本の光導波路（３，４）を備える分岐干渉型
波長フィルタで構成されるレーザ波長安定化素子におい
て、前記２本の光導波路の少なくとも一方の光導波路の
一部の区間に屈折率の高い有機材料あるいはガラス材料
（５）をコーティングすることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザ波長安定化
素子およびその製造方法に係わり、特に、光導波路の屈
折率を部分的に変化させることにより、任意の波長で安
定化を行うことを可能にした分岐干渉型波長フィルタで
構成されるレーザ波長安定化素子およびその製造方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】分岐干渉型波長フィルタは、２本の非対
称光導波路へ光を分岐し、再び合波させる際に起こる干
渉効果を利用する光フィルタである。図８に示すよう
に、分岐干渉型波長フィルタから出力される出力光を差
動検出することにより、分岐干渉型波長フィルタを透過
したフィルタ透過光信号１の強度は、波長に対して正弦
波状に変化する。

【０００３】この分岐干渉型波長フィルタで構成される
レーザ波長安定化素子を使用するレーザでは、レーザ光
の安定化波長が、図８中に示す波長（λ_A ）であるとす
ると、波長（λ_A ）からの発振波長のずれをフィルタ透
過光信号強度のゼロ点波長位置からの変化として検出
し、レーザにフィードバックをかけることで、レーザ光
波長の安定化を行っている。

【０００４】この時、波長（λ_A ）である安定化波長２
が、正弦波関数（フィルタ透過光信号強度関数）のゼロ
点波長位置からずれていると、フィードバック系の動作
が非常に複雑になってしまうが、正弦波関数のゼロ点波
長位置付近で安定化を行えば、小さい発振波長のずれに
対して大きな光強度の変化が得られ、高精度な波長の安
定化が実現することができる。

【０００５】この分岐干渉型波長フィルタで構成される
従来のレーザ波長安定化素子では、フィルタ透過光信号
強度がゼロ点波長位置に安定化させる際、素子全体の温
度調整によりフィルタ特性を制御し、安定化波長２がフ
ィルタ透過光信号強度のゼロ点波長位置になるように制
御している。これは分岐干渉型波長フィルタの屈折率の
温度依存性を利用して、素子の全体の温度を変化させる
ことで光導波路の屈折率を変化させ、任意の波長にゼロ
点波長位置を移動させるものである。

【０００６】屈折率を変化させると、分岐干渉型波長フ
ィルタのフィルタ透過光のピーク波長がシフトするた
め、フィルタ透過光信号強度のゼロ点波長位置を安定化
波長２へ移動させることが可能となる。石英系光導波路
では光の波長の温度依存性が０．０１ｎｍ／℃程度であ
り、また、半導体光導波路では０．１ｎｍ／℃である。
この屈折率の温度依存性を利用して安定化波長へのフィ
ルタ特性の調整が行われている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記し
た方法では、素子作製プロセス誤差等によって、レーザ
波長安定化素子である分岐干渉型波長フィルタの一つ一
つのフィルタ特性が異なる場合、個々のレーザ波長安定
化素子に対して異なる設定温度での温度調整を行う必要
があった。このため、一つ一つのレーザ波長安定化素子
につき別々の温度制御回路が必要であった。

【０００８】光波長多重通信などでは、多数のレーザ光
の波長を安定化させるため、複数のレーザ光波長を一つ
の温度制御回路で一括して安定化させることが望まれ
る。このため温度調整以外の方法で屈折率を制御し、異
なるレーザ波長安定化素子間でフィルタ特性の微調整を
行うことが要望されていた。

【０００９】さらに、２本の光導波路として半導体光導
波路を使用し、その２本の光導波路の組成（材料）と長
さを異ならせることにより、温度に依存しない分岐干渉
型波長フィルタ（以下、温度無依存半導体波長フィルタ
と称する。）を作成することができる。

【００１０】図９は、この温度無依存半導体波長フィル
タの概略構成を示す上面概観図である。同図に示すよう
に、温度無依存半導体光フィルタは、分岐器２０、合波
器２１、および光導波路材料の組成と長さが異なる２本
の非対称光導波路（３，４）より構成される。

【００１１】この温度無依存半導体波長フィルタにおい
て、温度が変化すると光導波路（３，４）の屈折率が変
化し、伝搬光の位相が変化する。しかしながら、２本の
光導波路（３，４）の屈折率変化の違いと長さの違いの
関係が、２つの光が合波器２１で合波される際に、その
位相関係を変化させることがないように設計されている
ため、温度無依存半導体波長フィルタを透過する透過光
の位相関係は温度に依存することなく一定になる。

【００１２】このため、温度無依存半導体波長フィルタ
のフィルタ透過光信号強度のゼロ点波長位置をある特定
の波長まで移動させようと温度を変化させても、フィル
タ特性は温度に依存しないため調整は不可能である。

【００１３】このように、温度無依存半導体波長フィル
タでは温度依存性がゼロとなるようにフィルタの設計が
なされているため、従来の温度調整によりフィルタ特性
の調整を行う方法は一切適用できないという問題点があ
った。

【００１４】以上説明したように、温度依存性のある分
岐干渉型波長フィルタ、あるいは、温度無依存半導体波
長フィルタにおいては、温度依存性を利用すること以外
の方法で光導波路の屈折率を変化させ、フィルタ特性を
可変することが要望されていた。

【００１５】本発明は、前記従来技術の問題点を解決す
るためになされたものであり、本発明の目的は、分岐干
渉型波長フィルタで構成されるレーザ波長安定化素子お
よびその製造方法において、任意の波長で、フィルタ透
過光信号強度がゼロ点波長となるように、フィルタ特性
を調整することが可能となる技術を提供することにあ
る。

【００１６】本発明の前記ならびにその他の目的と新規
な特徴は、本明細書の記述及び添付図面によって明らか
にする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本願において開示される
発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、
下記の通りである。

【００１８】長さ、あるいは屈折率の少なくとも一方が
異なる２本の光導波路を備える分岐干渉型波長フィルタ
で構成されるレーザ波長安定化素子において、前記２本
の光導波路の少なくとも一方の光導波路の一部の区間に
屈折率の高い有機材料あるいはガラス材料をコーティン
グすることを特徴とする。

【００１９】長さ、あるいは屈折率の少なくとも一方が
異なる２本の光導波路を備える分岐干渉型波長フィルタ
で構成されるレーザ波長安定化素子において、前記２本
の光導波路の少なくとも一方の光導波路の一部の区間に
電界を印加する電界印加用電極を設けたことを特徴とす
る。

【００２０】長さ、あるいは屈折率の少なくとも一方が
異なる２本の光導波路を備える分岐干渉型波長フィルタ
で構成されるレーザ波長安定化素子において、前記２本
の光導波路の少なくとも一方の光導波路の一部の区間に
温度調節部を設けたことを特徴とする。

【００２１】長さ、あるいは屈折率の少なくとも一方が
異なる２本の光導波路を備える分岐干渉型波長フィルタ
で構成されるレーザ波長安定化素子であって、前記２本
の光導波路の少なくとも一方の光導波路の一部の区間に
屈折率の高い有機材料あるいはガラス材料をコーティン
グしたレーザ波長安定化素子の製造方法において、所定
の部分に有機材料またはガラス材料をコーティングした
後に、ヘキ開を行い、その後コーティングされた前記有
機材料またはガラス材料を削除する工程を含むことを特
徴とする。

【００２２】即ち、本発明は、分岐干渉型波長フィルタ
を構成する２本の光導波路の少なくとも一方の光導波路
の屈折率を部分的に変化させることによって、レーザ光
波長の安定化制御に最もふさわしい状態に、フィルタ特
性を調整（移動）させることを特徴とする。これによ
り、素子作製プロセスの誤差に依らず、一定の波長でレ
ーザ光の波長の安定化を行うことが可能となるので、素
子作製プロセスにおける許容誤差が広げられ、定められ
た波長のレーザ光を高精度で安定化することが可能とな
る。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を詳細に説明する。

【００２４】なお、実施の形態を説明するための全図に
おいて、同一機能を有するものは同一符号を付け、その
繰り返しの説明は省略する。

【００２５】［実施の形態１］図１は、本発明の一実施
の形態であるレーザ波長安定化素子の概略構成を示す上
面概観図である。

【００２６】本実施の形態の分岐干渉型波長フィルタ
も、分岐器２０、合波器２１、および光導波路材料の組
成（材料）と長さが異なる２本の非対称光導波路（３，
４）より構成される。しかしながら、本実施の形態で
は、光導波路材料の組成と長さが異なる２本の非対称光
導波路（３，４）の一部分に、有機材料あるいはガラス
材料５がコーティングされたコーティング部２５が形成
される。

【００２７】図２は、図１に示すコーティング部２５の
概略構成を示す断面図である。

【００２８】同図に示すように、光の閉じ込められる光
導波路のコア層７は、周囲をコア層よりも屈折率の小さ
いクラッド層（６，８）に囲まれている。光は屈折率の
小さいクラッド層（６，８）にもしみだし、実際に光が
影響を受ける屈折率（等価屈折率）はクラッド層（６，
８）の屈折率や光導波路（３，４）の形状によって変化
する。

【００２９】本実施の形態では、分岐干渉型波長フィル
タにおける、２本の非対称光導波路（３，４）の一部分
に有機材料あるいはガラス材料５がコーティングされ
る。光導波路（３，４）における光が伝搬するコア層７
に接した面、あるいはコア層７に十分に接近した面に、
空気よりも屈折率の高い有機材料あるいはガラス材料５
が存在すると、光の感じる等価屈折率は増加する。

【００３０】この光導波路（３，４）の等価屈折率が変
化すると、光導波路（３，４）を伝搬する光の位相は変
化し、分岐干渉型波長フィルタを透過するフィルタ透過
光信号強度が、波長に対してシフトする。この変化を利
用してフィルタ透過光信号強度のゼロ点波長位置を移動
させ、波長安定化点とすることができる。

【００３１】ここで、波長安定化点の調節にはフィルタ
特性を数十から数百ＧＨｚ移動させる必要があるが、こ
の変化に必要とされる光導波路（３，４）の屈折率の変
化は１０~⁴のオーダーである。一方、レーザ波長安定化
素子の重要な素子特性であるフィルタ特性のピーク間隔
や、温度依存性を打ち消す効果は、光導波路（３，４）
の屈折率の１０~²のオーダーで決定されている。このた
め、光導波路（３，４）の等価屈折率を微少に変化させ
れば、レーザ波長安定化素子の重要な特性にはほとんど
影響を与えることなしに、フィルタ透過光の波長依存性
を調整することが可能となる。

【００３２】分岐干渉型波長フィルタの一部分に有機材
料あるいはガラス材料５をコーティングする際、フィル
タ特性を測定した後にコーティングを行うと光導波路端
面にも有機材料あるいはガラス材料が付着してしまい、
光が分岐干渉型波長フィルタに入射しにくくなってしま
う。これを防ぐために、素子をヘキ開で切り出す前に予
め有機材料あるいはガラス材料５をコーティングし、そ
の後で光導波路端面をだすヘキ開を行う。波長に対する
フィルタ透過特性の調整は、コーティングした材料を任
意の面積だけ削除することによって行うことが可能であ
る。

【００３３】この場合に、有機材料あるいはガラス材料
５は、付着後に酸素のプラズマやフッ化物ガスのプラズ
マ等で容易に任意の面積を削除できるので、フィルタ特
性の制御が容易に可能である。このため簡便に任意の波
長への波長安定化点の調節が可能となる。

【００３４】なお、図１では、ハイメサ型光導波路の場
合を示したが、コーティング材料がコア層に十分に接近
したフィルタ部分に位置する限り、リッジ型や埋め込み
型光導波路であってもよい。また、コーティング部２５
は、一方の光導波路（３、あるいは４）に設けるように
してもよい。

【００３５】［実施の形態２］図３は、本発明の他の実
施の形態であるレーザ波長安定化素子の概略構成を示す
上面概観図である。

【００３６】同図に示すように、本実施の形態では、光
導波路材料の組成と長さが異なる２本の非対称光導波路
（３，４）の一部分に電界印加用電極９を設けたもので
ある。半導体は電界を印加すると屈折率が変化する。こ
のため、光導波路（３，４）が半導体光導波路である場
合に、光導波路（３，４）の一部に設けた電界印加用電
極９に電圧を印加することで、光導波路（３，４）の等
価屈折率を微少に変化させることができる。

【００３７】この光導波路（３，４）の等価屈折率が変
化すると、光導波路（３，４）を伝搬する光の位相は変
化し、分岐干渉型波長フィルタを透過するフィルタ透過
光信号強度が、波長に対してシフトする。この変化を利
用してフィルタ透過光信号強度のゼロ点波長位置を移動
させ、波長安定化点とすることができる。

【００３８】本実施の形態では、電界印加用電極９か
ら、２本の光導波路（３，４）に印加する電界を制御す
ることにより、フィルタ特性のピーク間隔や、温度無依
存の条件を崩すことなく任意の波長への波長安定化点の
調節を可能としている。また、電界印加用電極９は、一
方の光導波路（３、あるいは４）に設けるようにしても
よい。

【００３９】［実施の形態３］図４は、本発明の他の実
施の形態であるレーザ波長安定化素子の概略構成を示す
上面概観図である。

【００４０】同図に示すように、本実施の形態では、光
導波路材料の組成と長さが異なる２本の非対称光導波路
（３，４）の一部分に、光導波路加熱用ヒータ１０を設
けたものである。半導体の屈折率は温度依存性をもって
いる。このため、光導波路（３，４）が半導体光導波路
である場合に、光導波路（３，４）の一部に設けられた
光導波路加熱用ヒータ１０で光導波路（３，４）に熱を
加えることで、光導波路（３，４）の等価屈折率を微少
に変化させることができる。

【００４１】この光導波路（３，４）の等価屈折率が変
化すると、光導波路（３，４）を伝搬する光の位相は変
化し、分岐干渉型波長フィルタを透過するフィルタ透過
光信号強度が、波長に対してシフトする。この変化を利
用してフィルタ透過光信号強度のゼロ点波長位置を移動
させ、波長安定化点とすることができる。

【００４２】本実施の形態では、光導波路加熱用ヒータ
１０で、２本の光導波路（３，４）に加える熱を制御す
ることにより、フィルタ特性のピーク間隔や、温度無依
存の条件を崩すことなく任意の波長への波長安定化点の
調節を可能としている。

【００４３】なお、本実施の形態において、光導波路加
熱用ヒータ１０の代わりに、ペルチェ冷却素子を用いて
もよい。また、光導波路加熱用ヒータ１０は、一方の光
導波路（３、あるいは４）に設けるようにしてもよい。

【００４４】さらに、前記各実施の形態では、温度無依
存半導体波長フィルタに本発明を適用した実施の形態に
ついて説明したが、これに限定されるものではなく、本
発明は、温度依存性のある分岐干渉型波長フィルタに適
用可能であることはいうまでもない。

【００４５】［実施の形態４］図５は、本発明の他の実
施の形態であるレーザ波長安定化素子の概略構成を示す
上面概観図である。

【００４６】同図に示すように、本実施の形態では、一
つの半導体基板上に複数の分岐干渉型波長フィルタをア
レイ状に作製する。ここで、各分岐干渉型波長フィルタ
の光導波路は、長さの異なる２本の非対称光導波路（２
３，２４）で構成される。そして、各分岐干渉型波長フ
ィルタの２本の非対称光導波路（２３，２４）の一部分
に波長安定化制御手段１１が設けられる。この波長安定
化制御手段１１は、前記実施の形態１ないし実施の形態
３に記載された、コーティング部２５、電界印加用電極
９、あるいは光導波路加熱用ヒータ１０に相当する。ま
た、波長安定化制御手段１１は、一方の光導波路（２
３、あるいは２４）に設けるようにしてもよい。

【００４７】本実施の形態では、素子作製プロセス誤差
等によって、レーザ波長安定化素子である分岐干渉型波
長フィルタの一つ一つのフィルタ特性が異なる場合、個
々の素子に対して、前記実施の形態１ないし実施の形態
３の方法を用いて、波長安定化点の調整を行う。これは
従来、分岐干渉型波長フィルタの素子温度を調整するこ
とによって安定化点の波長を制御していたものを、温度
調整以外の方法によって制御するものである。

【００４８】これにより、一つ一つのレーザ波長安定化
素子につき別々の温度制御回路で安定化点を一定に保っ
ていた従来例と比して、本実施の形態では、一つの温度
制御回路１２で、一つの半導体基板上にある多数のレー
ザ波長安定化素子の安定化点を一定に保つことができ、
複数のレーザ光波長を一つの温度制御回路で一括して安
定化させることが可能となる。

【００４９】なお、前記各実施の形態では、２本の非対
象光導波路（３，４、あるいは２３，２４）の両方の同
じ長さの区間の屈折率を変化させているが、片方のみを
用いたり、２つの区間の長さを変えてもよい。その場合
の計算例を以下に示す。

【００５０】［屈折率を変化させたときの計算例］ （１）片方の光導波路の屈折率のみを変化させる場合 ２本の非対称光導波路（３，４、あるいは２３，２４）
の長さをＬ₁ 、Ｌ₂ 、それぞれの光導波路（３，４、あ
るいは２３，２４）の等価屈折率をｎ₁ 、ｎ₂とし、光
導波路（３，４、あるいは２３，２４）の伝搬損失を無
視すると、フィルタ透過光の信号強度は、下記（１）式
で示される。

【００５１】

【数１】

【００５２】このときのフィルタ透過光信号強度特性
は、図６に示すようになる。

【００５３】次に、Ｌ₁ の長さの光導波路（３，２３、
あるいは４，２４）を長さＬ’にわたって、実施の形態
１〜３に示した方法を用いて、屈折率ｎをｎ₁ ＋Δｎ₁
に変化させる。このときのフィルタ透過光信号強度特性
は、下記（２）式で示される。

【００５４】

【数２】

【００５５】このときのフィルタ透過光信号強度特性は
図７に示すようになり、図６でのピーク位置（Ａ）１３
はピーク位置（Ｂ）１５まで、また、安定化波長（ゼロ
点波長位置）は１４から１６までシフトする。このよう
にしてフィルタの特性を波長に対してシフトさせること
によって波長安定化点の調整を可能とする。

【００５６】（２）２本の光導波路の屈折率が互いに異
なり、２本の光導波路の屈折率を変化させる場合 ２本の非対称光導波路（３，４、あるいは２３，２４）
の長さをＬ₁ 、Ｌ₂ 、それぞれの光導波路（３，４、あ
るいは２３，２４）の等価屈折率をｎ₁ 、ｎ₂とし、光
導波路（３，４、あるいは２３，２４）の伝搬損失を無
視するとフィルタ透過光信号強度は、下記（３）式で示
される。

【００５７】

【数３】

【００５８】次に、Ｌ₁ およびＬ₂ の長さの光導波路
（３，４、あるいは２３，２４）を長さＬ₁ ’およびＬ
₂ ’にわたって実施の形態１〜３に示した方法を用い
て、屈折率をそれぞれｎ₁ ＋Δｎ₁ 、ｎ₂ ＋Δｎ₂ に変
化させる。このときのフィルタ透過光信号強度は、下記
（４）式で示される。

【００５９】

【数４】

【００６０】このときのフィルタ透過光信号強度特性
は、前記図６、図７と同様に、ピーク位置Ａがピーク位
置Ｂまでシフトする。このようにしてフィルタの特性を
波長に対してシフトさせることによって波長安定化点の
調整を可能とする。

【００６１】以上、本発明者によってなされた発明を、
前記実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明
は、前記実施の形態に限定されるものではなく、その要
旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは
勿論である。

【００６２】

【発明の効果】本願において開示される発明のうち代表
的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、下
記の通りである。

【００６３】（１）本発明によれば、２本の非対象光導
波路の少なくとも一方の光導波路の屈折率を部分的に変
化させることで、フィルタ透過光信号強度のゼロ点波長
位置をシフト、即ち、フィルタ特性を調整することが可
能となる。

【００６４】（２）本発明によれば、素子作製プロセス
の誤差に依らず、一定の波長でレーザ光の波長の安定化
を行うことが可能となる。これにより、素子作製プロセ
スにおける許容誤差を広げることが可能となり、定めら
れた波長のレーザ光を高精度で安定化することが可能と
なる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態であるレーザ波長安定化
素子の概略構成を示す上面概観図である。

【図２】図１に示すコーティング部の概略構成を示す断
面図である。

【図３】本発明の他の実施の形態であるレーザ波長安定
化素子の概略構成を示す上面概観図である。

【図４】本発明の他の実施の形態であるレーザ波長安定
化素子の概略構成を示す上面概観図である。

【図５】本発明の他の実施の形態であるレーザ波長安定
化素子の概略構成を示す上面概観図である。

【図６】本実施の形態１ないし実施の形態３において、
光導波路屈折率の変化をさせる以前のフィルタ透過光特
性の一例を示すグラフである。

【図７】本実施の形態１ないし実施の形態３において、
光導波路屈折率の変化をさせた後のフィルタ透過光特性
の一例を示すグラフである。

【図８】分岐干渉型波長フィルタのフィルタ透過光信号
強度を示すグラフである。

【図９】温度無依存半導体波長フィルタの概略構成を示
す上面概観図である。

【符号の説明】

３，４，２３，２４…光導波路、５…有機材料あるいは
ガラス材料、６，８…クラッド層、７…コア層、９…電
界印加用電極、１０…光導波路加熱用ヒータ、１１…波
長安定化制御手段、１２…温度制御回路、２０…分岐
器、２１…合波器、２５…コーティング部。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 長さ、あるいは屈折率の少なくとも一方
   が異なる２本の光導波路を備える分岐干渉型波長フィル
   タで構成されるレーザ波長安定化素子において、前記２
   本の光導波路の少なくとも一方の光導波路の一部の区間
   に屈折率の高い有機材料あるいはガラス材料をコーティ
   ングすることを特徴とするレーザ波長安定化素子。
2. 【請求項２】 長さ、あるいは屈折率の少なくとも一方
   が異なる２本の光導波路を備える分岐干渉型波長フィル
   タで構成されるレーザ波長安定化素子において、前記２
   本の光導波路の少なくとも一方の光導波路の一部の区間
   に電界を印加する電界印加用電極を設けたことを特徴と
   するレーザ波長安定化素子。
3. 【請求項３】 長さ、あるいは屈折率の少なくとも一方
   が異なる２本の光導波路を備える分岐干渉型波長フィル
   タで構成されるレーザ波長安定化素子において、前記２
   本の光導波路の少なくとも一方の光導波路の一部の区間
   に温度調節部を設けたことを特徴とするレーザ波長安定
   化素子。
4. 【請求項４】 請求項１ないし請求項３に記載されたレ
   ーザ波長安定化素子が、一つの半導体基板上にアレイ状
   に形成されたレーザ波長安定化素子であって、一つの温
   度制御回路を備え、当該一つの温度制御回路により前記
   一つの半導体基板上にアレイ状に形成されたレーザ波長
   安定化素子を制御し、複数のレーザ光の波長を安定化さ
   せることを特徴とするレーザ波長安定化素子。
5. 【請求項５】 長さ、あるいは屈折率の少なくとも一方
   が異なる２本の光導波路を備える分岐干渉型波長フィル
   タで構成されるレーザ波長安定化素子であって、前記２
   本の光導波路の少なくとも一方の光導波路の一部の区間
   に屈折率の高い有機材料あるいはガラス材料をコーティ
   ングしたレーザ波長安定化素子の製造方法において、 所定の部分に有機材料またはガラス材料をコーティング
   した後に、ヘキ開を行い、その後コーティングされた前
   記有機材料またはガラス材料を削除する工程を含むこと
   を特徴とするレーザ波長安定化素子の作製方法。