JP2006279030A - 波長可変共振器及びこれを用いた波長可変光源並びに多重共振器の波長可変方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高信頼性、高性能かつ低価格な波長可変光源等を提供する。
【解決手段】周期がずれた３以上の共振素子２，３，４の周波数が交差した波長で共振する多重共振器５と、多重共振器５を構成する複数の共振素子２，３，４相互の光路長を同時に変化させて、多重共振器５の共振波長を制御する波長可変手段６を有している。多重共振器５が、３つの共振素子２，３，４を直列接続した構造であり、共振素子２２，２３，２４の光路長、バーニヤ次数をＭ_１＞１，Ｍ_２＞１とし、変化した光路長を一波長分の光路長によって規格化したそれぞれの位相量PhaseをPhaseM1，PhaseM2とした場合、波長可変手段６は、位相量PhaseM1，PhaseM2の増減分を

の傾きをもつ一次関数に基づいて制御する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えばＷＤＭ（Wavelength Division Multiplexing）伝送システム等に用いられる波長可変光源等に関する。

ブロードバンド時代を迎え、光ファイバの効率的な活用に向け、一台で複数の光波長の通信が可能なＷＤＭ伝送システムの導入が進んでいる。最近では、数十の光波長を多重化し、より高速な伝送を可能にするＤＷＤＭ装置（高密度波長分割多重装置）の活用も拡がっている。これに伴い、各ＷＤＭ伝送システムには光波長毎に対応した光源が必要となり、高多重化に伴いその必要数は飛躍的に増加している。更に最近では、任意の波長を各ノードでAdd/DropするＲＯＡＤＭ（Reconfigurable optical add/drop multiplexers）が、商用化を目指して検討されつつある。このＲＯＡＤＭシステムを導入すれば、波長多重による伝送容量の拡大に加え、波長を変えることによる光路切り換えが可能となるので、光ネットワークの自由度が飛躍的に高まる。

ＷＤＭ伝送システム用の光源としては、これまで単一軸モード発振するＤＦＢ−ＬＤ（Distributed feedback laser diode：分布帰還型半導体レーザ）がその使いやすさ及び信頼性の高さから広く使われてきた。ＤＦＢ−ＬＤは、共振器全域に深さ３０ｎｍ程度の回折格子が形成されており、回折格子周期と等価屈折率の二倍との積に対応した波長で安定した単一軸モード発振が得られる。しかし、ＤＦＢ−ＬＤでは、発振波長の広範囲に渡るチューニングが不可能であるので、ＩＴＵグリッド毎に波長のみが異なった製品を用いて、ＷＤＭ伝送システムを構成している。このため、波長毎に異なった製品を用いる必要があるので、棚管理コストが上昇したり、故障対応のための余剰な在庫が必要になったりしていた。更に、波長により光路を切り換えるＲＯＡＤＭシステムに、通常のＤＦＢ−ＬＤを使用した場合、温度変化に基づく波長範囲の可変幅が３ｎｍ程度に制限されてしまう。したがって、波長資源を積極的に使用するＲＯＡＤＭの特長を活かした光ネットワークの構成が困難となってしまう。

これら現状のＤＦＢ−ＬＤのもつ課題を克服し、広い波長範囲で単一軸モード発振を実現すべく、波長可変光源としての波長可変レーザの研究が精力的に行われている。以下、下記非特許文献１に詳述されている中から幾つかを例示することにより、従来の波長可変レーザについて説明する。

波長可変レーザは、レーザ素子内に波長可変機構を設けたタイプと、レーザ素子外に波長可変機構を設けたタイプとの、二種類に大別される。

前者のタイプとしては、ＤＢＲ−ＬＤ（Distributed Bragg reflector laser diode）が提案されている。このＤＢＲ−ＬＤは、利得を生み出す活性領域と、回折格子による反射を生み出すＤＢＲ領域とを同一レーザ素子内に形成された構造のものである。このＤＢＲ−ＬＤの波長可変範囲は、最高でも１０ｎｍ程度である。また、不均一回折格子を用いたＤＢＲ−ＬＤが提案されている。このＤＢＲ−ＬＤは、利得を生み出す活性領域と、この活性領域を前方と後方で挟むＤＢＲ領域とを同一レーザ素子内に形成した構造のものである。前記前方と後方のＤＢＲ領域においては、不均一回折格子によって多数の反射ピークが発生し、かつ反射ピークの間隔が前方と後方で僅かにずれている。この構造によって、いわゆる「バーニヤ効果」が得られるので、極めて広い波長可変が可能となる。この不均一回折格子を用いたＤＢＲ−ＬＤでは、１００ｎｍを越える波長可変動作及び４０ｎｍの準連続波長可変動作が実現されている。

後者の波長可変レーザは、レーザ素子の外部に設けた回折格子を回転させて特定の波長の光をレーザ素子に戻す構造のものである。

小林功郎著，「光集積デバイス」，初版２刷，共立出版株式会社，２０００年１２月，ｐ．１０４−１２２ "Optical Filter Design and Analysis" C.K.Madsen，J.H.Zhao

しかしながら、従来の波長可変レーザとしては、これまで多くの構造のものが提案されているものの、モードジャンプと呼ばれる予期しない波長の切替え事故が発生し易いという問題がある。また、複雑な波長制御が要求されるばかりでなく、振動耐性が弱く、さらには素子増大による高価格化等の欠点があるため、実用化が困難な状況が続いている。

ＤＢＲ−ＬＤでは、ＤＢＲ領域にキャリア注入を行うことにより、前記ＤＢＲ領域での屈折率を変化させて、波長範囲を変化させている。このため、電流注入により結晶欠陥が増殖すると、電流注入に対する屈折率変化の割合が著しく変動するので、長期的な使用においては一定波長でのレーザ発振を維持することが難しい。更に、現状の化合物半導体のプロセス技術では、３インチ以上のインチアップは不可能であり、それを実現するためには、巨額の開発費を必要とする。そのため、サイズを大型化する構造をもつレーザ素子では、その製造コストが大幅に上昇してしまう。

また、外部に波長可変機構を設けたレーザ素子においては、振動によってモードジャンプが容易に発生することから、これを避けるための大がかりな耐震機構が必要となる。そのため、モジュールサイズの大型化及び価格の上昇を招いてしまう。

本発明の目的は、実用化に際して問題となっていた従来の波長可変レーザの課題を克服し、高信頼性、高性能かつ低価格な波長可変光源等を提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明に係る波長可変共振器は、周期がずれた３以上の共振素子の周波数が交差した波長で共振する多重共振器と、前記多重共振器を構成する前記複数の共振素子相互の光路長を同時に変化させて、前記多重共振器の共振波長を制御する波長可変手段を有することを特徴とするものである。

前記本発明の波長可変共振器において、周期がずれた３以上の共振素子の周波数が交差した波長で共振する多重共振器の共振波長を制御するには、波長可変手段により、前記多重共振器を構成する前記複数の共振素子相互の光路長を同時に変化させて、前記多重共振器の共振波長を制御する。

前記多重共振器を、３つの共振素子を直列接続した構造とした場合には、前記共振素子の光路長をＬ_０，Ｌ_１，Ｌ_２として、３つの中でもっとも短い光路長をＬ_０としたときに、Ｍ_１＞０、Ｍ_２＞０の条件で

、

の条件が成り立つように、

，

として、
バーニヤ次数Ｍ_１，Ｍ_２を定義する。
また、光路長が変更される位相量Phaseとして、光路長が共振素子中の光の波長の長さ（λ／ｎ；但し、λは波長、ｎは屈折率）分変化したときを一周期として定義する。具体的な数値を用いて説明すると、例えば、光路長が２λ／ｎ変化したときの前記位相量Phaseは２となる。
以上の定義の下に、前記多重共振器を、３つの共振素子を直列接続した構造とした場合、光路長が変更される２つの共振素子に対するそれぞれの位相量PhaseをPhaseM1，PhaseM2とすると、
前記波長可変手段は、
前記位相量PhaseM1，PhaseM2の増減分を

の傾きをもつ一次関数に基づいて制御する。

前記一次関数は、

に設定することが望ましい。この式において、Ｎは、周期がずれた３以上の共振素子の周波数が交差する周期を表すものであって、Ｎ＝０，±１，±２，±３，・・・で示される。また、φは初期位相を表すものである。φは、一般には０≦φ＜１である。φ＜０又は１≦φを満たすφは、０≦φ＜１を満たすφと実質的に等価になるからである。

前記一次関数は、

に設定してもよいものである。
前記関数ｍｏｄ［ｍ，ｎ］は、ｍをｎで割ったときの余りを意味する関数である。ここで、「余り」とは小数点以下の数値になる。
前記関数ｍｏｄ［ｍ，ｎ］を導き出すには、
ｍ＝（Ｍ₂−１）／（Ｍ₁−１）×Phase_M2
ｎ＝１
とすると、
Phase_M1＝ｍｏｄ［ｍ，ｎ］＋Ｎ＋φ
となり、

となる。

前記多重共振器の共振波長λに対応する共振素子の位相量をPhaseM1（λ），PhaseM2（λ）とした場合、
前記一次関数は、

に設定してもよいものである。
この式を導き出す過程を説明する。

ｎ＝１とすると、
PhaseM1（λ）は次のように表される。

関数ｍｏｄ[ｍ，ｎ]は、ｍをｎで割ったときの余りを意味する関数であるから、

である。したがって、PhaseM1（λ）とPhaseM2（λ）との関係式は上記のようになる。

Ｎ_１，Ｎ_２は、前記Ｎと同様に、周期がずれた２つの共振素子の周波数が交差する周期を表す。φ₁，φ₂、は初期位相、Ｗ_CENTERは共振波長λの可変範囲の中心、Ｓ_CHANNELは共振波長λの可変可能な最小間隔をそれぞれ表している。各初期位相すなわちφ，φ₁，φ₂は、共振波長における光の強度が最大になる値としてもよい。この場合は、安定な共振波長の光が得られる。そのような初期位相の値は、計算によって理論的に求めてもよいし、実測によって実験的に求めてもよい。実際に本素子を作成すると、製造誤差の影響を受けて設計値と実測の初期位相が一致しないことがある。このため、製造後に初期位相値の測定を行うのが通常である。各周期、すなわちＮ，Ｎ₁，Ｎ₂は‘０’としてもよい。この場合に、目標とする特性を得るために必要な位相量が最小になるため、共振周波数を得るために必要な電力や熱量などのエネルギーが最小になり、共振波長の光を効率よく実現することができる。

前記位相量Phase_M1（λ）は、その共振波長λにおける光の強度が最大になる値を中心に、当該位相量Phase_M1（λ）のみを変化させて隣接する共振波長へ切り替える場合に必要な位相量の変化分の範囲内まで許容され、かつ、
前記位相量Phase_M2（λ）は、その共振波長λにおける光の強度が最大になる値を中心に、当該位相量Phase_M2（λ）のみを変化させて隣接する共振波長へ切り替える場合に必要な位相量の変化分の範囲内まで許容される。

前記位相量Phase_M1（λ）は、その共振波長λにおける光の強度が最大になる値を中心に、当該位相量Phase_M1（λ）のみを変化させて隣接する共振波長へ切り替える場合に必要な位相量の変化分の５０％以内まで許容され、かつ、
前記位相量Phase_M2（λ）は、その共振波長λにおける光の強度が最大になる値を中心に、当該位相量Phase_M2（λ）のみを変化させて隣接する共振波長へ切り替える場合に必要な位相量の変化分の５０％以内まで許容される。

前記位相量Phase_M1（λ）は、その共振波長λにおける光の強度が最大になる値を中心に、当該位相量Phase_M1（λ）のみを変化させて隣接する共振波長へ切り替える場合に必要な位相量の変化分の３０％以内まで許容され、かつ、
前記位相量Phase_M2（λ）は、その共振波長λにおける光の強度が最大になる値を中心に、当該位相量Phase_M2（λ）のみを変化させて隣接する共振波長へ切り替える場合に必要な位相量の変化分の３０％以内まで許容される。

つまり、位相量Phase_M1（λ），Phase_M2（λ）は、前記範囲内であれば共振状態が比較的安定であるので、許容される。より安定な共振状態を得るには、前述の「隣接する共振波長へ切り替える場合に必要な位相量の変化分」の５０％以内とすることが好ましく、更にその３０％以内とすることがより好ましい。

前記波長可変手段は、共振素子の温度特性に基づいて共振素子の共振波長を変化させる構成として構築することが望ましいものである。この場合、前記波長可変手段は、前記共振素子の光路の屈折率，光路の長さの少なくとも１つの要素を調整して、前記光路長を変化させることが望ましいものである。

前記共振素子は、リング状導波路を有するリング共振素子から構築してもよいものである。前記リング状導波路を有する光共振素子には、リング状導波路のみを備えた構成、及びリング状導波路に加えて、入力、出力のそれぞれの導波路を含む構成のいずれをも含むものである。
また、前記多重共振器は、光反射機能ユニットを有する構成としてもよいものである。前記光反射機能ユニットは、前記多重共振器に光を反射又は透過させる導波路構造になっている。或いは、前記光反射機能ユニットは、前記多重共振器からの光を反射する反射機能素子と、前記多重共振器と前記反射機能素子の間に光を双方向に通過させる導波路を含む構成として構築する。また、前記多重共振器と前記波長可変手段を同一の基板上に形成してもよいものである。

以上の構成は波長可変共振器を対象としたものであるが、本発明は、これに限られるものではない。前記本発明に係る波長可変共振器を用いて波長可変光源として構築してもよいものである。本発明に係る波長可変光源は、周期がずれた３以上の共振素子の周波数が交差した波長で共振する多重共振器と、前記多重共振器を構成する前記複数の共振素子相互の光路長を同時に変化させて、前記多重共振器の共振波長を制御する波長可変手段と、前記多重共振器の一端に接続された光増幅ユニットと、前記光増幅ユニットと前記多重共振器との接続端の反対側に存在する光反射機能ユニットを有する構成として構築される。

また、共振素子の光路長は、一般的に光路の屈折率×長さで表される。そこで、多重共振器を複数のリング状導波路を有する共振素子にて構成する場合には、前記波長可変手段を用いて、前記共振素子の光路（高屈折結晶）の屈折率を調整することにより、前記共振素子の光路長を変化させることが望ましいものである。また、多重共振器として、例えばエタロンフィルタ、マッハツェンダ干渉計を用いた場合には、光路の長さ、例えばミラー相互間に形成される光路の長さを調整することにより、前記共振素子の光路長を変化するようにしてもよいものである。なお、多重共振器を構成する共振素子は、上記のものに限定されるものではなく、周期がずれた３以上の共振素子の周波数が交差した波長で共振する多重共振器として構築することができるものであれば、いずれのものでもよい。

多重共振器を構成する各共振素子は、光路長差に起因してＦＳＲ（free spectral range）が僅かに異なっている。そのため、各共振素子で発生している光透過の周期的な変化が一致した波長（共振波長）において、最も大きな光透過が発生する。このように、本発明では、光路長の僅かに異なる共振素子を複数直列に接続して多重共振器を構成し、これにより発生するバーニヤ効果を巧みに利用している。

本発明において、多重共振器において共振波長を常に最も小さい間隔で変化させるには、光路長を変化させるべき複数の共振素子に対する光路長の変更（位相量）を同時に行うことが重要である。つまり、位相量を一方のみの共振素子に対して変更した場合には、共振波長を常に最も小さい間隔で変化させることはできないのである。具体的には、上記の式を満たすように各位相量を変化させる。これにより、意図しない波長で多重共振器が発振してしまうことを防げるので、安定した波長可変動作が可能となる。

以上説明したように本発明によれば、周期がずれた３以上の共振素子の周波数が交差した波長で共振する多重共振器において、前記多重共振器を構成する前記複数の共振素子相互の光路長を同時に変化させて、前記多重共振器の共振波長を制御するため、共振波長を最も小さい間隔で変化させることができる。その結果、想定外の波長への切り替わりが抑えられるため、安定した波長可変動作を実現でき、これにより高信頼性、高性能かつ低価格な波長可変光源を提供できる。

以下、本発明の実施形態を図に基づいて説明する。

エタロンフィルタやＰＬＣ型リング共振素子のような光のフィードバック構成、すなわち複数の周回構造を持つ外部共振器と、ＳＯＡのような光増幅器とを組み合わせた波長可変光源において、安定した波長制御を動的な波長安定化機構を用いずに行う構成については、未だ確立されていない。

本発明の実施形態は、安定した波長の制御が可能となるパラメータを持つ複数の共振素子を組み合わせた多重共振器と、それを含む光発生装置とに関するものである。本発明の実施形態は、３以上の共振素子を直列接続した多重共振器において、最も光路長が短い共振素子の光路長をＬ_０とし、光路長Ｌ_０以外の共振素子の各々の光路長Ｌについて、Ｌ＝Ｍ１／（Ｍ１−１）Ｌ_０の関係が成り立つように、バーニヤ次数Ｍを定義する。そして、複数の共振素子に対する後述する制御量を後述する関数に基づいて同時に変化させることにより、動的な波長安定機能をもつことなく、波長可変光源のチューニング波長を安定して切り替えることを可能にするものである。

本発明の実施形態に係る波長可変共振器は図１に示すように基本的構成として、周期がずれた３以上の共振素子２，３，４の周波数が交差した波長で共振する多重共振器５と、前記多重共振器５を構成する複数の共振素子２，３，４相互の光路長を同時に変化させて、多重共振器５の共振波長を制御する波長可変手段６を有することを特徴とするものである。

多重共振器５の光入出力端７へ入射された光信号（以下、光という）は、光入出力端７→共振素子２→共振素子３→共振素子４を経て反射機能素子８に至り、反射機能素子８で反射されて、共振素子４→共振素子３→共振素子２を経て光入出力端７に帰還し、多重共振器５の光入出力端７から出射される。このとき、多重共振器５の光入出力端７から出射される光は、共振素子２，３，４のそれぞれの光路長Ｌ₀〜Ｌ₂によって決まる共振波長、すなわち、周期のずれた共振素子２，３，４の周波数が交差した波長で共振するため、多重共振器５の光入出力端７へ出力される光の強度が最も強くなる。

したがって、波長可変手段６は、共振素子３，４の光路長（位相量）を同時に制御することにより、多重共振器５の共振波長を最も小さい間隔で変化させることができる。

また、共振素子の光路長は、一般的に光路の屈折率×長さで表される。そこで、多重共振器５を複数のリング状導波路を有する共振素子２，３，４にて構成する場合には、前記波長可変手段６を用いて、前記共振素子２，３，４の光路（高屈折結晶）の屈折率を調整することにより、前記共振素子２，３，４の光路長を変化させる。また、多重共振器５として、例えばエタロンフィルタ、マッハツェンダ干渉計を用いた場合には、光路の長さ、例えばミラー相互間に形成される光路の長さを調整することにより、前記共振素子２，３，４の光路長を変化させる。なお、多重共振器を構成する共振素子は、上記のものに限定されるものではなく、周期がずれた３以上の共振素子の周波数が交差した波長で共振する多重共振器として構築することができるものであれば、いずれのものでもよい。また、多重共振器５を構成する共振素子は、図示の個数に限定されるものではなく、３以上であれば、その個数は限定されるものではない。

（実施形態１）
次に、多重共振器５を構成する共振素子２，３，４として、リング状導波路を有する共振素子（以下、リング共振素子という。）２１，２２，２３を用い、かつ、３つのリング共振素子２１，２２，２３を直列接続して多重共振器２０を構築した場合の例を実施形態１として図２に基づいて説明する。多重共振器２０は図１の多重共振器５に対応するものである。

本発明の実施形態に係る波長可変共振器は、周期がずれた３つの共振素子２１，２２，２３の周波数が交差した波長で共振する多重共振器２０と、前記多重共振器２０を構成する３つの共振素子２１，２２，２３相互の光路長を同時に変化させて、前記多重共振器２０の共振波長を制御する波長可変手段（６）を有している。図２に示す実施形態では、図１に示す波長可変手段６として、ＴＯ(Thermo Optic)位相シフタ１７とコントローラ１８を用いている。

三つの共振素子２１，２２，２３は、光を通過させるための導波路がＰＬＣ基板１３上に高屈折率結晶によりリング形状に形成されている。また、入出力側導波路１１，反射側導波路１２，導波路２４，２５は、ＰＬＣ基板１３上に直線状に形成されている。共振素子２１，２２，２３のリング状導波路、導波路２４，２５は、同一の基板上に形成したが、別々の基板上に形成されていてもよい。また、前記導波路は、石英ガラス系結晶、ニオブ酸リチウムなどにより、基板上に形成されていてもよい。

共振素子２１と、これを挟んで位置する入出力側導波路１１，導波路２４は、光学的結合手段を介して結合されている。また、共振素子２２と、これを挟んで位置する導波路２４，導波路２５は、光学的結合手段を介して結合されている。また、共振素子２３と、これを挟んで位置する反射側導波路１２，導波路２５は、光学的結合手段を介して結合されている。なお、光学的結合手段は、汎用のものであるので、その詳細は省略するが、前記共振素子と前記導波路との間において、光を双方向に無損失で通過させる構造のものであれば、いずれのものであってもよい。

入出側導波路１１へ入射された光信号（以下、光という）は、入出側導波路１１→共振素子２１→共振素子２２→共振素子２３→反射側導波路１２を経て高反射膜（反射機能素子）１４に至り、高反射膜１４で反射されて、反射側導波路１２→共振素子２３→共振素子２２→共振素子２１を経て入出側導波路１１に帰還し、入出側導波路１１から光増幅ユニットであるＳＯＡ１５から出射される。このとき、出射される光は、共振素子２１，２２，２３のそれぞれの光路長Ｌ₀〜Ｌ₂によって決まる共振波長、すなわち、周期のずれた共振素子２１，２２，２３の周波数が交差した波長で共振するため、光の強度が最も強くなる。

波長可変手段を構成するＴＯ位相シフタ１６，１７は図２に示すように、リング共振素子２２，２３のリング状導波路の位置に対応して、ＰＬＣ基板１３上に設けられている。図２に示すＴＯ位相シフタ１６，１７は、リング共振素子２２，２３のリング状導波路に熱を加えて、前記リング状導波路の屈折率を変化させることにより、リング共振器２２，２３の光路長Ｌ_１，Ｌ_２を変化させる機能を有している。図２に示す実施形態では、ＴＯ位相シフタ１６，１７として、例えば、リング共振素子２２，２３の存在する位置のＰＬＣ基板１３上に蒸着されたアルミニウム薄膜からなる膜状ヒータを用いている。この膜状ヒータ１６，１７は後述するコントローラ１８から電力を供給されて加熱する。

ガラスや化合物半導体を用いたリング共振素子２２，２３のリング状導波路は、その結晶の屈折率が温度によって1/1000〜1/100程度の範囲で増大する。したがって、リング共振素子２１，２２，２３のリング状導波路は、膜状ヒータ１６，１７の熱を受けて加熱されると、屈折率が増大するため、前記リング共振素子２１，２２，２３の実効上の光路長Ｌ_１，Ｌ_２が変化する。ＴＯ位相シフタとしての膜状ヒータ１６，１７には、コントローラ１８を用いて、０．５Ｗの電力を供給することにより、多重共振器２０の一波長分に相当するリング共振素子２１，２２，２３の光路長を変化させることが可能である。

図２に示す実施形態は、リング共振素子２１，２２，２３のリング状導波路の光路長に製造誤差が含まれない理想状態における構成を示している。しかしながら、現実には、リング共振素子２１，２２，２３のリング状導波路を製造する際に、その光路長に誤差が生じてしまう場合がある。そこで、波長を決定するために用いるリング共振素子２１にＴＯ位相シフタ１６，１７に相当するＴＯ位相シフタを設け、波長可変共振器の立ち上げ時にリング共振素子２１の光路長Ｌ_０を微調整するようにしてもよいものである。また、各波長チャンネルが光電送装置に使用される波長からのずれを抑制するために、リング共振素子２１の光路長Ｌ_０を発振動作中に微調整するようにしてもよい。

なお、リング共振素子２１，２２，２３の光路長Ｌ_０，Ｌ_１，Ｌ_２を変化させる、或いは微調整する波長可変手段として、加熱型のＴＯ位相シフタ１６，１７を用いたが、これに限られるものではない。リング共振素子２１，２２，２３のリング状導波路を構成する結晶は可逆特性をもつものがある。このような場合には、ＴＯ位相シフタ１６，１７として、基板に設けられた吸熱型のペルチェ素子を用い、このペルチェ素子にコントローラにより電力を供給する吸熱機構を用いてもよい。この吸熱機構の場合は、リング共振素子２１，２２，２３のリング状導波路から熱を奪って冷却するため、前記リング状導波路の屈折率が1/1000〜1/100の範囲で減少する。これにより、リング共振素子２１，２２，２３の光路長Ｌ_０，Ｌ_１，Ｌ_２が変化することとなる。なお、波長可変手段として、加熱型の膜状ヒータ、或いは吸熱型のペルチェ素子を用いたが、他の手段によりリング状導波路の光屈折率を変更できるものであれば、いずれのものであれば、いずれのものであってもよい。

多重リング共振器２０は、互いに異なる光路長Ｌ_０，Ｌ_１，Ｌ_２を有する前記リング共振素子２１〜２３を直列接続した光導波路型フィルタとして構成されている。多重リング共振器２０は、全てのリング共振素子２１〜２３が同時に共振するときだけ共振波長の光信号を合波及び分波し、バーニヤ効果によって大きなＦＳＲを得るものである。バーニヤ効果とは、光路長が異なる複数の共振素子を組み合わせて、波長可変範囲を大きくする手法であり、周期のずれた複数の共振素子の周波数の最小公倍数の周波数でそれぞれの共振周波数が重なる。このため、見かけ上ＦＳＲが各リングの最小公倍数の周波数になったように機能する。このため、単一の共振素子よりもずっと容易に広い周波数での特性の制御を行うことができる。

前記実施形態では、多重共振器２０は、複数のリング共振素子を組み合わせて、光の入出力が同一の導波路１１を通して行われる構造のものとして構築したが、これに限られるものではない。リング共振素子２１，２２，２３は、リング状導波路に入力，出力それぞれの導波路を含む構造とし、光信号が多重共振器２０の一つの導波路から入力し、多重共振器２０で光強度が高められた光信号が、多重共振器２０の別の導波路から出力される多重共振器２０として構成してもよいものである。

また、多重共振器２０が備える光反射機能ユニットとして、多重共振器２０からの光を反射する高反射膜１４と、多重共振器２０と高反射膜１４の間に光を双方向に通過させる導波路１１，１２との組み合わせを用いたが、これに限られるものではない。前記光反射機能ユニットは、多重共振器２０に光を反射又は透過させる導波路構造に構成してもよいものである。前記反射させる導波路構造の光反射機能ユニットは、図２の場合、高反射膜１４を用いずに、反射側導波路１２のみにより、多重共振器２０からの光の伝送方向を反転させて再び多重共振器２０に帰還する構造として構築する。また、前記透過の光反射機能ユニットは、光信号の入力と出力が別々の導波路により行う多重共振器に適用するものであって、多重共振器内に光信号を透過させる構成として構築する。

以上は、波長可変共振器の構成についてのものである。図２に示す本発明の実施形態に係る波長可変光源１０は、上述した波長可変共振器の構成に加えて、前記多重共振器２０の一端に接続された光増幅ユニット１５と、前記光増幅ユニット１５と前記多重共振器２０との接続端の反対側に存在する反射ユニット１４を備えている。図２に示す実施形態では、前記反射ユニット１４として、高い反射率をもつ反射膜１４を用いている。波長可変光源１０は、前述した光発生装置に相当するものである。なお、反射ユニット１４としては、高反射膜１４に代えて、光を反射できるものであれば、いずれのものであってもよい。

前記高反射膜１４は、波長可変共振器の反射側導波路１２の終端に結合され、多重リング共振器２０から反射側導波路１２に通して伝送される光を反射側導波路１２に反射する機能を有している。光反射機能ユニットは、多重共振器２０から受け入れた光を反射する反射素子としての高反射膜１４と、多重共振器２０と反射素子（１４）の間に光を双方向に通過させる導波路（反射側導波路１２）とから構成したが、これに限られるものではない。光反射機能ユニットは、多重共振器２０から受け入れた光を内部に通過させて多重共振器２０に戻す入出力２つの機能をもつ導波路から構成してもよいものである。

光増幅ユニット１５としては、半導体光増幅器(SOA; Semiconductor Optical Amplifier)を用いる。なお、光増幅ユニット１５としては、光ファイバ増幅器などの光増幅器を用いてもよく、さらには半導体レーザ（レーザダイオード）などの光源を用いてもよいものである。

コントローラ１８は、ＴＯ位相シフタとしての膜状ヒータ１６，１７、及び光入出力手段１５を制御するためのものである。具体的には、コントローラ１８は、プログラムによって動作するマイクロコンピュータと、そのマイクロコンピュータによって電力の供給が制御される直流電源の組み合わせから構成されている。前記マイクロコンピュータは、多重共振器２０の共振波長の値を示す制御信号を外部から入力され、前記制御信号と、予め記憶してある所定の式とによって電力値を求め、その電力値に相当する電力を直流電源からＴＯ位相シフタ１６，１７へ供給する機能を有する。なお、入出側導波路１１中又は反射側導波路１２中には、帯域制限用の非対称マッハツェンダ干渉計を挿入してもよい。

次に、本発明の実施形態において、多重共振器の共振波長を制御する場合について、具体的に説明する。

本発明の実施形態において、周期がずれた３以上の共振素子の周波数が交差した波長で共振する多重共振器の共振波長を制御するには、波長可変手段により、前記多重共振器を構成する前記複数の共振素子相互の光路長を同時に変化させて、前記多重共振器の共振波長を制御する。

前記多重共振器を、３つの共振素子を直列接続した構造とした場合には、前記共振素子の光路長をＬ_０，Ｌ_１，Ｌ_２として、３つの中でもっとも短い光路長をＬ_０としたときに、Ｍ_１＞０、Ｍ_２＞０の条件で

、

の条件が成り立つように、

，

として、
バーニヤ次数Ｍ_１，Ｍ_２を定義する。
また、光路長が変更される位相量Phaseとして、光路長が共振素子中の光の波長の長さ（λ／ｎ；但し、λは波長、ｎは屈折率）分変化したときを一周期として定義する。具体的な数値を用いて説明すると、例えば、光路長が２λ／ｎ変化したときの前記位相量Phaseは２となる。
以上の定義の下に、前記多重共振器を、３つの共振素子を直列接続した構造とした場合、光路長が変更される２つの共振素子に対するそれぞれの位相量PhaseをPhaseM1，PhaseM2とすると、
前記波長可変手段１６，１７，１８は、
前記位相量PhaseM1，PhaseM2の増減分を

の傾きをもつ一次関数に基づいて制御する。

波長可変光源１０は、波長可変手段１６，１７，１８の制御の下に多重リング共振器２０とＳＯＡ１５とによって、所望の波長を自由に選択することができる。基本となるリング共振素子２１の光路長Ｌ₀は、例えばＦＳＲが５０ＧＨｚになるように約４ｍｍ程度に設定する。このとき、リング共振素子２２，２３の光路長Ｌ₁，Ｌ₂は、バーニヤ次数Ｍ₁，Ｍ₂を用いて、

・・・・（１）

・・・・（２）の式から与えられる。

このようにして構成された三段形のリング共振素子２１〜２３も、二段型リング共振器と同様に、それぞれのリング共振素子２１〜２３の周期のずれがマッチした波長で最低損失となってレーザ発振する。最も周回長が短いリング共振素子２１によってチャンネルの間隔となる５０ＧＨｚを決定し、残る二つのリング共振素子２２，２３によって発振波長を自在に選択できる構成である。

ＳＯＡ１５から出力されたＡＳＥ光は、三つのリング共振素子２１〜２３を通過して高反射膜１４で反射された後、再び三つのリング共振素子２１〜２３を通過してＳＯＡ１５に戻ってくる。ＳＯＡ１５とＰＬＣ基板１３との間は、例えばバットカップリングで接続されている。ＳＯＡ１５は、ＰＬＣ基板側端面にＡＲコートが施されており、ファイバ側端面が１０％程度の反射率になっている。ＳＯＡ１５とＰＬＣ１３とは、バットカップリングの他、パッシブアライメントによるＰＬＣ基板１３上への直接実装又はレンズ結合としてもよい。

ＳＯＡ１５から出射された光は、ＳＯＡ１５→無反射膜→入出側導波路１１→多重共振器２０→反射側導波路１２→高反射膜１４に至り、この高反射膜１４で反射され、反射側導波路１４→多重共振器２０→入出側導波路１１→無反射膜→ＳＯＡ１５という経路を通って戻り、ＳＯＡ１５の出射側端面で反射される。この光の反射作用により、多重共振器２０はレーザ共振器として機能する。この戻り光は、多重共振器２０の共振波長の光である。その理由は、多重共振器２０を構成する各リング共振素子２１，２２，２３はＦＳＲが僅かに異なっているため、各リング共振素子２１，２２，２３で発生している反射（透過）の周期的な変化が一致した波長（共振波長）において更に大きな反射が発生するからである。そして、周期の一致する波長は各リング共振素子２１，２２，２３の導波路屈折率変化により大きく変わるため、効率の良い波長可変動作が得られる。この導波路屈折率は例えば熱光学効果によって変えることができる。熱光学効果とは、熱によって材料の屈折率が増加する現象であり、通常どのような材料も持っている。すなわち、複数のリング共振素子２１，２２，２３の温度特性を利用して、多重共振器２０の共振波長を変化させることが可能である。なお、熱光学効果以外の屈折率制御方法や円周長の制御によっても、波長を変動させることができる。

ここで、具体的な数値例を述べる。多重共振器（光導波型フィルタ）２０の透過中心波長を１５４０ｎｍとし、多重共振器２０の波長可変レンジを５０ｎｍと設定した場合、基本となるリング共振素子２１の周回長（すなわちＬ₀）は４ｍｍ程度となる。このとき、波長チャンネルの間隔が０．４ｎｍであれば、Ｍ₂−１は５０ｎｍ／０．４ｎｍ＝１２５であるので、Ｍ₂＝１２６となる。また、この場合Ｍ₁はモード利得差最大化条件

からＭ₁＝１２．２となる。したがって、式（１）からＬ₁は約４．３６ｍｍとなり、式（２）からＬ₂は約４．０３ｍｍとなる。
このとき、最も短いリング導波路Ｌ_０をもつリング共振素子２１はＩＴＵグリッド固定用、最も長いリング導波路Ｌ_２をもつリング共振素子２２は微調整用、中間の長さのリング導波路Ｌ_１をもつリング共振素子２３は粗調整用として動作する。

図３は、ＳＯＡ１５側からみた多重リング共振器２０の波長応答特性を示す特性図である。以下、図２及び図３に基づき説明する。

図３に示す例では、前式（１）,（２）に加え、

が成り立つようにバーニヤ次数を設定している。すなわち、各リング共振素子２１〜２３のバーニヤ次数はＭ₁＝１１，Ｍ₂＝１０１としている。方向性結合器（光学的結合手段）は、κ＝π／４とすることにより、３ｄＢカプラとして動作する。Ｍ₂−１で規定される１００個の波長チャンネルが５０ＧＨｚ間隔で存在しており、Ｍ₁−１で規定される１０個のチャンネル毎にグループ化されている。つまり、可変動作可能な波長数はＭ₂によって決定され、Ｍ₂−１の１００チャンネルが動作する。挿入損失が最低のチャンネルと二番目に挿入損失が小さいチャンネルとの損失差であるモード利得差は、３．８ｄＢである。

ここで、挿入損失が最低のチャンネルを含むグループを中央グループと呼び、この中央グループに隣接するグループを隣接グループと呼ぶことにすると、前述の三つの式を満たすことにより、次のことが言える。図３において、中央グループ内で二番目に挿入損失が小さいチャンネルと、隣接グループ内で最も挿入損出が小さいチャネルとで、挿入損失がほぼ等しくなる。

図４は、リング共振素子２２，２３に対する位相量と共振波長との関係を示すグラフである。以下、図２及び図４に基づき、波長可変光源１０の動作（その１）を説明する。前記位相量は、リング共振器の変化した光路長を一波長分の光路長によって規格した位相量として定義している。

図４は、横軸をリング共振素子２３に対する位相量とし、縦軸をリング共振素子２２に対する位相量としたときの、共振波長を示すシミュレーション結果である。各位相量は、ＴＯ位相シフタ１６，１７への投入電力にほぼ比例する。リング共振素子２２のバーニヤ次数Ｍ₁は‘１２’であり、リング共振素子２３のバーニヤ次数Ｍ₂は‘１２６’である。

図４において、縦軸及び横軸の位相量は、周期的に表され、２πで１となる。ＴＯ位相シフタ１６，１７に例えば４００ｍＷの電力を供給すると、共振波長の位相を２π（一波長分）だけ変化させることができる。このＴＯ位相シフタ１６，１７を有する三段型の多重リング共振器２０を用いることにより、所望の光源発振波長をマトリクス的に選択することができる。また、ＴＯ位相シフタ１６，１７へ通電して位相量を０．５（１／２波長分）だけ変えた場合と−０．５（−１／２波長分）だけ変えた場合とでは、同じ波長特性となる。そして、リング共振素子２２，２３ともに１周期で同一の波長を折り返す特性を持っている。多重リング共振器２０に特徴的なことは、波長のマトリクス配置が完全な直交系ではなく図中斜め右に傾いていることである。このことから、ＴＯ位相シフタ１６，１７への投入電力は、独立関係ではなく相互に関連性を持っていることになる。

すなわち、図４から明らかなように、共振波長を常に最も小さい間隔で変化させるには、リング共振素子２２，２３に対する位相量の両方を同時に変える必要がある。つまり、傾き

をもつ一次関数に基づいてリング共振素子２２，２３に対する位相量の両方を同時に変えるのである。

具体的には、次の式（３）、式（４）、式（５）、（６）のいずれかを満たすように各位相量を変化させる。これにより、望まない波長で発振してしまうことを防げるので、安定した波長可変動作が可能となる。

ＴＯ位相シフタ１６，１７の温度特性を利用して、リング共振素子２２，２３相互の光路長を同時に変更して多重共振器の共振波長を制御する。リング共振素子２１，２２，２３の光路長をＬ_０，Ｌ_１，Ｌ_２、バーニヤ次数をＭ_１＞１，Ｍ_２＞１、前記光路長

，

とし、変化した光路長を一波長分の光路長によって規格化した位相量Phaseであって、光路長が変更される２つのリング共振素子２２，２３に対するそれぞれの位相量をPhaseM1，PhaseM2とした場合、
前記波長可変手段（１６，１７，１８）は、
前記位相量PhaseM1，PhaseM2の増減分を

の傾きをもつ一次関数に基づいて制御する。

リング共振器２２，２３に対する位相量をそれぞれPhaseM1，PhaseM2としたとき、前記一時関数を（３）のように設定する。

・・・・（３）
この式において、Ｎは、周期がずれた３以上の共振素子の周波数が交差する周期を表すものであって、Ｎ＝０，±１，±２，±３，・・・で示される。また、φは初期位相を表すものである。φは、一般には０≦φ＜１である。φ＜０又は１≦φを満たすφは、０≦φ＜１を満たすφと実質的に等価になるからである。

このように、二つの位相量Phase_M1，Phase_M2には一次の関係式が成り立つ。波長可変光源１０の発振波長は、三つのリング共振素子２１〜２３の周期となるＦＳＲの最小公倍数から決定されるために、このような周期性及び相互関連性を持つ。

また、前記一次関数は、

・・・・（４）
に設定してもよいものである。

前記関数ｍｏｄ［ｍ，ｎ］は、ｍをｎで割ったときの余りを意味する関数である。ここで、「余り」とは小数点以下の数値になる。
前記関数ｍｏｄ［ｍ，ｎ］を導き出すには、
ｍ＝（Ｍ₂−１）／（Ｍ₁−１）×Phase_M2
ｎ＝１
とすると、
Phase_M1＝ｍｏｄ［ｍ，ｎ］＋Ｎ＋φ
となり、

となる。なお、Ｎとφは、上述したものに相当する。

また、前記多重共振器の共振波長λに対応する共振素子の位相量をPhaseM1（λ），PhaseM2（λ）とした場合、
前記一次関数は、

・・・・（５）
に設定してもよいものである。
この式を導き出す過程を説明する。

ｎ＝１とすると、
PhaseM1（λ）は次のように表される。

関数ｍｏｄ[ｍ，ｎ]は、ｍをｎで割ったときの余りを意味する関数であるから、

・・・・（６）
である。したがって、PhaseM1（λ）とPhaseM2（λ）との関係式は上記のようになる。

Ｎ_１，Ｎ_２は、前記Ｎと同様に、周期がずれた２つの共振素子の周波数が交差する周期を表す。φ₁，φ₂、は初期位相、Ｗ_CENTERは共振波長λの可変範囲の中心、Ｓ_CHANNELは共振波長λの可変可能な最小間隔をそれぞれ表している。各初期位相すなわちφ，φ₁，φ₂は、共振波長における光の強度が最大になる値としてもよい。この場合は、安定な共振波長の光が得られる。そのような初期位相の値は、計算によって理論的に求めてもよいし、実測によって実験的に求めてもよい。各周期、すなわちＮ，Ｎ₁，Ｎ₂は‘０’としてもよい。この場合は、各位相量を得るために必要なエネルギーが最小になるので、共振波長の光を効率よく実現することができる。

前記位相量Phase_M1（λ）は、その共振波長λにおける光の強度が最大になる値を中心に、当該位相量Phase_M1（λ）のみを変化させて隣接する共振波長へ切り替える場合に必要な位相量の変化分の範囲内まで許容され、かつ、
前記位相量Phase_M2（λ）は、その共振波長λにおける光の強度が最大になる値を中心に、当該位相量Phase_M2（λ）のみを変化させて隣接する共振波長へ切り替える場合に必要な位相量の変化分の範囲内まで許容される。

前記位相量Phase_M1（λ）は、その共振波長λにおける光の強度が最大になる値を中心に、当該位相量Phase_M1（λ）のみを変化させて隣接する共振波長へ切り替える場合に必要な位相量の変化分の５０％以内まで許容され、かつ、
前記位相量Phase_M2（λ）は、その共振波長λにおける光の強度が最大になる値を中心に、当該位相量Phase_M2（λ）のみを変化させて隣接する共振波長へ切り替える場合に必要な位相量の変化分の５０％以内まで許容される。

前記位相量Phase_M1（λ）は、その共振波長λにおける光の強度が最大になる値を中心に、当該位相量Phase_M1（λ）のみを変化させて隣接する共振波長へ切り替える場合に必要な位相量の変化分の３０％以内まで許容され、かつ、
前記位相量Phase_M2（λ）は、その共振波長λにおける光の強度が最大になる値を中心に、当該位相量Phase_M2（λ）のみを変化させて隣接する共振波長へ切り替える場合に必要な位相量の変化分の３０％以内まで許容される。

つまり、位相量Phase_M1（λ），Phase_M2（λ）は、前記範囲内であれば共振状態が比較的安定であるので、許容される。より安定な共振状態を得るには、前述の「隣接する共振波長へ切り替える場合に必要な位相量の変化分」の５０％以内とすることが好ましく、更にその３０％以内とすることがより好ましい。

図５は、リング共振素子２２，２３に対する位相量を所定の式を満たすように変化させた場合の共振波長を示す特性図である。以下、図２及び図５に基づき、波長可変光源１０の動作を説明する。

前述の式（３）、式（４）、式（５）、式（６）のいずれかを満たすように、リング共振素子２２，２３に対する位相量を変化させた場合の共振波長の一例が図５に示されている。本例では、リング共振素子２２のバーニヤ次数Ｍ₁は‘１２’であり、リング共振素子２３のバーニヤ次数Ｍ₂は‘１２６’である。図５において、位相シフタ１６，１７への投入電力すなわち位相量をそれぞれ破線及び一点鎖線で表し、そのときの波長可変光源１０の発振波長すなわち共振波長を実線で表す。このように、前記式に沿ってリング共振素子２２，２３の光路長（位相）を制御することにより、波長の切り替えを離散的に実現することができる。

なお、式（３）、式（４）、式（５）、（６）において各初期位相すなわちφ，φ₁，φ₂は、多重共振器２０の共振波長における光の強度が最大になる値としている。また、各周期、すなわちＮ，Ｎ₁，Ｎ₂は‘０’としている。

図６は、リング共振素子２２，２３に対する位相量Phase_M1，Phase_M2の許容値を説明するための、位相量Phase_M1，Phase_M2と共振波長λとの関係を示す図である。図７は、リング共振素子２２，２３に対する位相量とモード利得差との関係を示す特性図である。図８は、図７の部分拡大図である。以下、図２、図４及び図６乃至図８に基づき説明する。

図６は、図４の一部を抜き出して概略的に示したものであり、横軸をリング共振素子２３に対する位相量Phase_M2とし、縦軸をリング共振素子２２に対する位相量Phase_M1としたときの、多重共振器２０の共振波長λを示している。以下、多重共振器２０の共振波長λを維持するための位相量Phase_M1，Phase_M2の許容範囲について説明する。

位相量Phase_M1は、その共振波長λにおける光の強度が最大になる値Ｏを中心に、位相量Phase_M1のみを変化させて隣接する共振波長へ切り替える場合に必要な位相量の変化分±ΔP_M1の範囲内であればよい。同様に、位相量Phase_M2は、その共振波長λにおける光の強度が最大になる値Ｏを中心に、位相量Phase_M2のみを変化させて隣接する共振波長へ切り替える場合に必要な位相量の変化分±ΔP_M2の範囲内であればよい。すなわち、図６で言えば、平行四辺形の実線の枠内であればよい。

ここで、共振波長λにおける光の強度が最大になることは、モード利得差が最大となることでもある。したがって、位相量Phase_M1，Phase_M2が中心点Ｏから離れるに連れて、ノイズなどに起因して、隣接する共振波長へ勝手に切り替わってしまう可能性が高くなる。そこで、より安定な共振状態を得るには、前述の「隣接する共振波長へ切り替える場合に必要な位相量の変化分±ΔP_M1，±ΔP_M2」のそれぞれ５０％以内とすることが好ましく、更にその３０％以内とすることがより好ましい。すなわち、図６で言えば、平行四辺形の破線の枠内又は二点鎖線の枠内であればよい。次に、この「５０％」及び「３０％」とした根拠について説明する。

例えばＳＯＡ１５の利得特性には、波長依存性が存在することが多々ある。理想的なＳＯＡにおいては波長依存性が存在しないのであるが、材料や製造方法の問題により波長依存性が発生してしまう。一例として、最も問題になりやすいＳＯＡ端面反射の問題を取り上げる。

理想的なＳＯＡでは、外部から入力された光がＳＯＡ内部を一方向に通過して、そのまま外部に放出される。このため、ＳＯＡ端面に無反射のコーティングを設けることにより、理想的には端面での反射率が‘０’となるように作製する。ところが、実際には反射率を完全に無くすことができないので、ＳＯＡの内部で共振モードが発生してしまう。この共振モードによって、ＳＯＡの共振器長（光路長）Ｌによって決定する周期的なリップルが増幅器の利得成分に含まれてしまう。

実質的な三段共振器型レーザ（多重共振器）の利得特性は、三段に直列接続した共振素子の利得特性と増幅器（ＳＯＡ）の利得特性との掛け算で決定されるため、ＳＯＡの利得特性の影響を受けて、多重共振器のレーザ発振する波長チャンネルが所望の波長から変化してしまう。このため、なるべく大きなモード利得差が維持できる条件で、レーザ動作させる必要がある。このようなＳＯＡのリップルの量は２ｄＢ程度になってしまうことがあるため、三段リング共振素子による多重共振器のモード利得差も２ｄＢ以上にする必要がある。

シミュレーションによれば、図６における多重共振器２０の発振波長特性の中心部で最大のモード利得差が実現できている。図７は、Ｍ₂＝１２６，Ｍ₁＝１２の特性を持つ、多重共振器２０に含まれるリング共振素子２２，２３の各リング導波路の位相（光路長）におけるモード利得差をプロットしたものである。

多重共振器２０の共振波長が最も安定になる条件においてモード利得差は最大となり、この点が図６における中心条件となる。一つの波長チャンネルにおけるモード利得差の条件を切り出すと、図７のようになる。この図から明らかなように、１ｄＢ以上のモード利得差を得るためには、最大モード利得差の部分から隣接の波長に切り替わる位相差の±５０％の幅が条件となり、２ｄＢ以上のモード利得差を得るためには位相差の±３０％の幅が条件となる。レーザに使用するＳＯＡのリップル特性を上回るモード利得差が得られる条件で動作させる必要がある。一般のＳＯＡの波長リップル特性は２ｄＢ程度であり、特性の良いものであれば１ｄＢ程度である。

（実施形態２）
図９は、本発明の実施形態に係る別の波長可変光源を示す概略図である。以下、この図面に基づき説明する。

図２Ａに示す実施形態では、多重共振器２０の共振素子として、リング導波路をもつリング共振素子２１，２２，２３を用いた。図９に示す実施形態では、前記リング共振素子に代えて、エタロンフィルタ３１〜３２を用い、これらを直列接続して多重共振器３０を構成している。

多重共振器３０を構成するエタロンフィルタ３１，３２，３３は、その光路長が互いに異なる長さに設定されている。図９に示す実施形態では、エタロンフィルタ３１，３２，３３の光路の長さを変更することにより、エタロンフィルタ３１，３２，３３の光路長を変化させている。

例えばＳＯＡ（図示せず）から出力された光は、エタロンフィルタ３１→エタロンフィルタ３２→エタロンフィルタ３３→高反射膜３４に至り、その高反射膜３４で反射され、エタロンフィルタ３３→エタロンフィルタ３２→エタロンフィルタ３１という経路をたどって、ＳＯＡに戻る。ＳＯＡに帰還した光は、エタロンフィルタ３１，３２，３３の光路長Ｌ_０，Ｌ_１，Ｌ_２によって決まる共振波長、すなわち、周期のずれたエタロンフィルタ（共振素子）３１，３２，３３の周波数が交差した波長で共振するため、多重共振器３０からＳＯＡに出力される光の強度が最も強くなる。

図９に示す実施形態においても、図２に示す実施形態と同様に、式（３），（４），（５），（６）に基づいて、エタロンフィルタ３１，３２，３３の光路長を変化させることにより、第一実施形態と同じ作用及び効果が得られる。

なお、エタロンフィルタの代わりに、例えば高屈折率結晶、マッハツェンダ干渉計などを用いてもよい。高屈折率結晶の波長可変手段は、例えば複屈折率結晶への入射光の偏波を傾ける機構である。マッハツェンダ干渉計の波長可変手段は、例えば第一実施形態と同じようなＴＯ位相シフタである。

尚、多重共振器を構成する共振素子は、リング共振素子の他に、例えばエタロンフィルタ、マッハツェンダ干渉計、高屈折率結晶など、共振素子になるものであれば、いずれのものであってもよい。多重共振器を構成する共振素子は、光路長の差に起因してＦＳＲ（free spectral range）が僅かに異なっている。そのため、各共振素子で発生している光透過の周期的な変化が一致した波長（共振波長）において、最も大きな光透過が発生する。このように、本発明の実施形態では、光路長が僅かに異なる共振素子を複数直列に接続して多重共振器を構成し、これによりバーニヤ効果を巧みに利用している。

なお、本発明は、言うまでもなく、上記第一及び第二実施形態に限定されるものではない。例えば、多重共振器は、四つ以上の共振器から構成してもよい。

以上説明したように、本発明によれば、周期がずれた３以上の共振素子の周波数が交差した波長で共振する多重共振器において、前記多重共振器を構成する前記複数の共振素子相互の光路長を同時に変化させて、前記多重共振器の共振波長を制御するため、共振波長を最も小さい間隔で変化させることができる。

本発明の実施形態に係る波長可変共振器の基本的構成を示すブロック図である。 図１に示す波長可変共振器を利用した本発明の実施形態に係る波長可変光源を示す平面図である。 図２に示す波長可変光源において、ＳＯＡ側からみた多重リング共振器の波長応答特性を示す図である。 図２に示す波長可変光源に用いたリング共振器に対する位相量と共振波長との関係を示す特性図である。 図２に示す波長可変光源に用いたリング共振器に対する位相量を変化させた場合の共振波長を示す特性図である。 図２に示す波長可変光源における位相量の許容値を説明するための、位相量と共振波長との関係を示す特性図である。 図２に示す波長可変光源における位相量の許容値を説明するための、位相量とモード利得差との関係を示す特性図である。 図７の部分拡大図である。 本発明の他の実施形態に係る波長可変光源を示す概略図である。

符号の説明

１０ 波長可変光源
２１〜２３ リング共振器（共振器）
２０ 多重リング共振器（多重共振器、波長可変共振器）
１１ 入出側導波路
１２ 反射側導波路
１３ ＰＬＣ基板（基板）
１４ 高反射膜（光反射手段）
１５ ＳＯＡ（光入出力手段）
１６，１７ ＴＯ位相シフタ（膜状ヒータ、波長可変手段）
１８ コントローラ（波長可変手段）

Claims (17)

1. 周期がずれた３以上の共振素子の周波数が交差した波長で共振する多重共振器と、
   前記多重共振器を構成する前記複数の共振素子相互の光路長を同時に変化させて、前記多重共振器の共振波長を制御する波長可変手段を有することを特徴とする波長可変共振器。
2. 前記多重共振器は、３つの共振素子を直列接続した構造であり、
   前記共振素子の光路長をＬ_０，Ｌ_１，Ｌ_２、バーニヤ次数をＭ_１＞１，Ｍ_２＞１、前記光路長
   

   

   ，
   

   

   とし、変化した光路長を一波長分の光路長によって規格化した位相量Phaseであって、光路長が変更される２つの共振素子に対するそれぞれの位相量PhaseをPhaseM1，PhaseM2とした場合、
   前記波長可変手段は、
   前記位相量PhaseM1，PhaseM2の増減分を
   

   

   の傾きをもつ一次関数に基づいて制御することを特徴とする請求項１に記載の波長可変共振器。
3. 前記一次関数は、
   

   

   であることを特徴とする請求項２に記載の波長可変共振器。
4. 前記一次関数は、
   

   

   であることを特徴とする請求項２に記載の波長可変共振器。
5. 前記多重共振器の共振波長λに対応する共振素子の前記位相量をPhaseM1（λ），PhaseM2（λ）とした場合、
   前記一次関数は、
   

   

   であることを特徴とする請求項２に記載の波長可変共振器。
6. 前記位相量Phase_M1（λ）は、その共振波長λにおける光の強度が最大になる値を中心に、当該位相量Phase_M1（λ）のみを変化させて隣接する共振波長へ切り替える場合に必要な位相量の変化分の範囲内まで許容され、かつ、
   前記位相量Phase_M2（λ）は、その共振波長λにおける光の強度が最大になる値を中心に、当該位相量Phase_M2（λ）のみを変化させて隣接する共振波長へ切り替える場合に必要な位相量の変化分の範囲内まで許容されることを特徴とする請求項５に記載の波長可変共振器。
7. 前記位相量Phase_M1（λ）は、その共振波長λにおける光の強度が最大になる値を中心に、当該位相量Phase_M1（λ）のみを変化させて隣接する共振波長へ切り替える場合に必要な位相量の変化分の５０％以内まで許容され、かつ、
   前記位相量Phase_M2（λ）は、その共振波長λにおける光の強度が最大になる値を中心に、当該位相量Phase_M2（λ）のみを変化させて隣接する共振波長へ切り替える場合に必要な位相量の変化分の５０％以内まで許容されることを特徴とする請求項５に記載の波長可変共振器。
8. 前記位相量Phase_M1（λ）は、その共振波長λにおける光の強度が最大になる値を中心に、当該位相量Phase_M1（λ）のみを変化させて隣接する共振波長へ切り替える場合に必要な位相量の変化分の３０％以内まで許容され、かつ、
   前記位相量Phase_M2（λ）は、その共振波長λにおける光の強度が最大になる値を中心に、当該位相量Phase_M2（λ）のみを変化させて隣接する共振波長へ切り替える場合に必要な位相量の変化分の３０％以内まで許容されることを特徴とする請求項５に記載の波長可変共振器。
9. 前記波長可変手段は、共振素子の温度特性に基づいて共振素子の共振波長を変化させることを特徴とする請求項１に記載の波長可変共振器。
10. 前記波長可変手段は、前記共振素子の光路の屈折率，光路の長さの少なくとも１つの要素を調整して、前記光路長を変化させることを特徴とする請求項１に記載の波長可変共振器。
11. 前記共振素子は、リング状導波路を有するリング共振素子であることを特徴とする請求項１に記載の波長可変共振器。
12. 前記多重共振器は、光反射機能ユニットを有することを特徴とする請求項１に記載の波長可変共振器。
13. 前記光反射機能ユニットは、前記多重共振器に光を反射又は透過させる導波路構造になっていることを特徴とする請求項１２に記載の波長可変共振器。
14. 前記光反射機能ユニットは、前記多重共振器からの光を反射する反射機能素子と、前記多重共振器と前記反射機能素子の間に光を双方向に通過させる導波路を含むことを特徴とする請求項１２に記載の波長可変共振器。
15. 前記多重共振器と前記波長可変手段は、同一の基板上に形成されたことを特徴とする請求項１に記載の波長可変共振器。
16. 周期がずれた３以上の共振素子の周波数が交差した波長で共振する多重共振器と、
    前記多重共振器を構成する前記複数の共振素子相互の光路長を同時に変化させて、前記多重共振器の共振波長を制御する波長可変手段と、
    前記多重共振器の一端に接続された光増幅ユニットと、
    前記光増幅ユニットと前記多重共振器との接続端の反対側に存在する光反射機能ユニットを有することを特徴とする波長可変光源。
17. 周期がずれた３以上の共振素子の周波数が交差した波長で共振する多重共振器の共振波長を制御する方法であり、
    前記多重共振器を構成する前記複数の共振素子相互の光路長を同時に変化させて、前記多重共振器の共振波長を制御することを特徴とする波長可変方法。

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