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WO2025204050A1 - 光源ユニット - Google Patents

光源ユニット

Info

Publication number
WO2025204050A1
WO2025204050A1 PCT/JP2025/002079 JP2025002079W WO2025204050A1 WO 2025204050 A1 WO2025204050 A1 WO 2025204050A1 JP 2025002079 W JP2025002079 W JP 2025002079W WO 2025204050 A1 WO2025204050 A1 WO 2025204050A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
waveguide
light
input
optical coupler
phase
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
PCT/JP2025/002079
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
和晃 前北
健汰 岩本
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hamamatsu Photonics KK
Original Assignee
Hamamatsu Photonics KK
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hamamatsu Photonics KK filed Critical Hamamatsu Photonics KK
Publication of WO2025204050A1 publication Critical patent/WO2025204050A1/ja
Pending legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/122—Basic optical elements, e.g. light-guiding paths
    • G02B6/125—Bends, branchings or intersections
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/126—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind using polarisation effects
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/42—Coupling light guides with opto-electronic elements
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/06—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium
    • H01S5/068—Stabilisation of laser output parameters
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/06—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium
    • H01S5/068—Stabilisation of laser output parameters
    • H01S5/0683—Stabilisation of laser output parameters by monitoring the optical output parameters
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/14—External cavity lasers

Definitions

  • This disclosure relates to a light source unit.
  • Patent Document 1 discloses a configuration in which an optical integrated circuit in which optical elements are provided in an optical waveguide on a substrate has a coupler that branches light from an input waveguide into two branch waveguides, and phase adjustment plates arranged on each branch waveguide.
  • the amount of phase adjustment in each branching waveguide is set to a fixed value corresponding to the phase adjustment plate disposed on each branching waveguide.
  • the characteristics of the optical integrated circuit may change depending on factors such as the wavelength of the input light, temperature, and manufacturing errors in the components that make up the optical integrated circuit (couplers, phase adjustment plates, etc.).
  • wavelength dependency the tendency for the characteristics of an optical integrated circuit to change as the wavelength changes.
  • This disclosure includes the following light source units [1] to [10].
  • a light source configured to be wavelength tunable and outputting light with a wavelength of 2 ⁇ m or more; an optical integrated circuit including a substrate and an optical waveguide provided on the substrate; a control unit that controls the operation of at least a part of the optical integrated circuit,
  • the optical waveguide is an input waveguide into which input light from the light source is input; a first waveguide located downstream of the input waveguide; a second waveguide located downstream of the input waveguide; an output waveguide that outputs output light corresponding to the input light
  • the optical integrated circuit comprises: a first optical coupler connected to an upstream end of each of the first waveguide and the second waveguide, and configured to split and combine light; a second optical coupler connected to the downstream ends of the first waveguide and the second waveguide and the upstream end of the output waveguide, for branching and combining light; a first phase shifter provided in the first waveguide and configured to adjust the phase of light passing through the first waveguide;
  • the control unit controls a phase adjustment amount of the first phase shifter.
  • Optical couplers and phase shifters generally have wavelength dependence. Therefore, when performing distance measurement, spectroscopic measurement, etc. using a wavelength-tunable light source, the characteristics of the optical coupler and phase shifter change depending on the wavelength, which can change the characteristics of the optical integrated circuit, potentially preventing proper measurement using the optical integrated circuit.
  • the light source unit of [1] above is configured so that the phase adjustment amount of the first phase shifter arranged on at least one path (first waveguide) of the two paths (first waveguide and second waveguide) between the first optical coupler and the second optical coupler can be controlled by the control unit. Therefore, with the light source unit, the phase adjustment amount of the first phase shifter can be controlled in accordance with changes in the wavelength of the input light, thereby effectively resolving the wavelength-dependence problem described above.
  • the second optical coupler is configured to combine light from the first waveguide and light from the second waveguide to output light of two orthogonal polarization components to the output waveguide, and to separate light of two orthogonal polarization components included in reflected light corresponding to the output light input from the output waveguide and output the separated light to each of the first waveguide and the second waveguide,
  • the control unit controls a phase adjustment amount of the first phase shifter so that light traveling upstream through the first waveguide due to the reflected light and light traveling upstream through the second waveguide due to the reflected light are in opposite phase in the input waveguide.
  • the optical integrated circuit is a third optical coupler that receives the input light from the input waveguide and splits the input light into light that is output to a third waveguide and light that is output to a fourth waveguide; a second phase shifter provided in the third waveguide and configured to adjust the phase of light passing through the third waveguide; the first optical coupler is connected to a downstream end of each of the third waveguide and the fourth waveguide;
  • the light source unit according to [1] or [2], wherein the control unit controls a phase adjustment amount of the second phase shifter.
  • the input light is branched into the third and fourth waveguides by the third optical coupler, and by controlling the phase adjustment amount of the second phase shifter provided in the third waveguide, which is one of the waveguides, it is possible to appropriately set the phase difference between the two light beams input to the first optical coupler (light from the third waveguide and light from the fourth waveguide). As a result, it is possible to appropriately adjust the intensity ratio of the light output to each of the first and second waveguides downstream of the first optical coupler.
  • the optical integrated circuit is a feedback waveguide connected to the first optical coupler, for passing feedback light generated in the first optical coupler based on light traveling upstream through each of the first waveguide and the second waveguide due to reflected light corresponding to the output light; a photodetector connected to an end of the feedback waveguide opposite to the end connected to the first optical coupler, and configured to detect the feedback light;
  • the optical integrated circuit comprises: a feedback waveguide connected to the third optical coupler, for passing feedback light generated in the third optical coupler based on light traveling upstream through each of the third waveguide and the fourth waveguide due to reflected light corresponding to the output light; a photodetector connected to an end of the feedback waveguide opposite to the end connected to the third optical coupler, and configured to detect the feedback light;
  • the light source has a laser gain medium and an external resonator that controls the wavelength of the input light,
  • the light source unit according to any one of [1] to [6], wherein the external resonator is mounted on the substrate.
  • the configuration [7] above makes it possible to easily control the wavelength of the input light using an external resonator while preventing the light source unit from becoming too large.
  • a light source unit according to [7] or [8], in which the laser gain medium is not mounted on the substrate.
  • the light source unit can be made smaller.
  • a light source unit can be provided that can effectively resolve the problem of wavelength dependency.
  • FIG. 1 is a block diagram showing the functional configuration of a light source unit 1A according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram showing an example of the configuration of the light source unit 1A.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining the operation of a mirror formed by an optical waveguide included in an external resonator.
  • FIG. 4 is a diagram showing a schematic diagram of a circuit section 40 mounted on the optical integrated circuit 20.
  • FIG. 5 is a flowchart showing an example of the third control by the control device 60.
  • FIG. 6 is a diagram showing an example of the configuration of a light source unit 1B according to the second embodiment.
  • FIG. 7 is a diagram showing an example of the configuration of a light source unit 1C according to the third embodiment.
  • FIG. 8 is a diagram showing a modified example of the circuit section.
  • the light source unit 1A includes a QCL 10 (laser gain medium), an optical integrated circuit 20, a control device 60 (controller), and a laser driver D.
  • the optical integrated circuit 20 includes a substrate 21 and various optical elements, including an optical waveguide, provided on the substrate 21.
  • the substrate 21 is, for example, a rectangular silicon substrate.
  • an external resonator 30, a circuit section 40, and a photodetector 50 are mounted on one major surface 21a of the substrate 21 that constitutes the optical integrated circuit 20.
  • the QCL 10 and the external resonator 30 constitute a light source LS.
  • the light source LS is configured to output, to a circuit section 40, light (input light L in ) whose wavelength is tunable in a wavelength range of 2 ⁇ m or more (mainly in the mid-infrared region).
  • QCL10 is a quantum cascade laser element that serves as an example of a laser gain medium constituting the light source LS.
  • QCL10 is used as a semiconductor optical amplifier (SOA). That is, QCL10 is optically coupled to an external resonator 30 mounted on the principal surface 21a of a substrate 21.
  • SOA semiconductor optical amplifier
  • QCL10 is positioned adjacent to the substrate 21, and is configured so that laser light is input from the end face 10a of QCL10 facing the substrate 21 into the waveguide 31 of the external resonator 30.
  • the laser gain medium is not limited to a quantum cascade laser element, but using a quantum cascade laser element as a laser gain medium makes it possible to suitably oscillate laser light in the mid-infrared range.
  • the external resonator 30 is configured as a ring resonator.
  • the external resonator 30 has five independent optical waveguides (waveguides 31, 33, 35 and ring waveguides 32, 34). These waveguides are formed, for example, from the same material as the substrate 21 (e.g., silicon). Alternatively, these waveguides may be formed from a material different from that of the substrate 21 (e.g., silicon nitride, germanium, etc.). The same applies to the optical waveguides included in the circuit unit 40, which will be described later.
  • Waveguide 31 is optically coupled to end face 10a of QCL 10.
  • Waveguide 33 is coupled to waveguide 31 via ring waveguide 32. Specifically, when an integer multiple of the wavelength of laser light passing through waveguide 31 in the direction of arrow A in Figure 2 is equal to the circuit length of ring waveguide 32, laser light passing through waveguide 33 in the direction of arrow B in Figure 2 is generated.
  • the waveguide 35 is coupled to the waveguide 33 via the ring waveguide 34. Specifically, when an integral multiple of the wavelength of laser light passing through the waveguide 33 in the direction of arrow B in Fig. 2 becomes equal to the circuit length of the ring waveguide 34, laser light is generated that passes through the waveguide 35 in the direction of arrow C in Fig. 2. The end of the waveguide 35 in the direction of arrow C in Fig. 2 is connected to the waveguide P in of the circuit unit 40.
  • laser light La passes through waveguide 35 toward mirror section 36.
  • laser light La incident on mirror section 36 is separated into laser light Lb and laser light Lc by directional coupler 36a.
  • the ratio between laser light Lb and laser light Lc can be determined appropriately depending on the design of mirror section 36.
  • the laser beams Lb and Lc each go around the ring-shaped portion of the mirror unit 36 and return to the directional coupler 36a, interference between the laser beams Lb and Lc occurs in the directional coupler 36a.
  • the laser beams Lb and Lc are separated into reflected light Ld returning to the QCL 10 and transmitted light Le traveling toward the circuit unit 40.
  • the reflected light Ld is used to amplify the laser beam by laser resonance.
  • the transmitted light Le is extracted as input light L in to the waveguide P in of the circuit unit 40.
  • the external resonator 30 has a phase shifter 37 for filter control arranged along the ring waveguide 32, a phase shifter 38 for filter control arranged along the ring waveguide 34, and a phase shifter 39 for longitudinal mode control arranged along the upstream portion of the mirror section 36 (directional coupler 36a) in the waveguide 35.
  • the phase shifter 37 is, for example, a thermal phase shifter that generates heat when power is supplied.
  • the phase shifter 37 is configured, for example, by a thin-film heater. By generating this heat, the phase shifter 37 changes (increases) the refractive index of the portion of the ring waveguide 32 that is aligned with the phase shifter 37, shifting the phase of the light circulating in the ring waveguide 32.
  • the amount of phase adjustment (amount of phase shift) of the ring waveguide 32 can be controlled.
  • Phase shifter 38 is, for example, a thermal phase shifter similar to phase shifter 37. That is, phase shifter 38 generates heat to change (increase) the refractive index of the portion of ring waveguide 34 along phase shifter 38, thereby shifting the phase of light circulating in ring waveguide 34.
  • the amount of phase adjustment of ring waveguide 34 can be controlled by controlling the power supplied to phase shifter 38.
  • the amount of phase adjustment in the ring waveguides 32 and 34 By controlling the amount of phase adjustment in the ring waveguides 32 and 34 using the phase shifters 37 and 38 described above, it is possible to change the wavelength of the transmitted light Le (input light L in ) that passes through the external resonator 30.
  • the circumferential length of the ring waveguide 32 and the circumferential length of the ring waveguide 34 may be made different. In this case, the Vernier effect makes it possible to sweep the wavelength of the transmitted light Le over a wider wavelength range than when a ring resonator consisting of a single ring (ring waveguide 32 or 34) is used.
  • Phase shifter 39 is, for example, a thermal phase shifter similar to phase shifters 37 and 38. By generating heat, phase shifter 39 changes the refractive index of the portion of waveguide 35 along phase shifter 39, and can shift the longitudinal mode of laser light La passing through waveguide 35. This makes it possible to change the wavelength of transmitted light Le. In other words, phase shifter 39 allows for fine tuning of the wavelength of transmitted light Le.
  • the external resonator 30 it is possible to extract transmitted light Le of the desired wavelength by controlling the phase shifters 37, 38, and 39. For example, by controlling the phase shifters 37 and 38 so that only light of a single longitudinal mode is transmitted, it is possible to extract transmitted light Le in a single mode.
  • the circuit unit 40 has optical waveguides, such as a waveguide P in (input waveguide), a waveguide P1 (first waveguide), a waveguide P2 (second waveguide), a waveguide P3 (third waveguide), a waveguide P4 (fourth waveguide), a waveguide P out (output waveguide), and a waveguide P FB (feedback waveguide).
  • optical waveguides such as a waveguide P in (input waveguide), a waveguide P1 (first waveguide), a waveguide P2 (second waveguide), a waveguide P3 (third waveguide), a waveguide P4 (fourth waveguide), a waveguide P out (output waveguide), and a waveguide P FB (feedback waveguide).
  • the circuit unit 40 also has optical elements arranged on or along the optical waveguides, such as an optical coupler 41 (first optical coupler), an optical coupler 42 (third optical coupler), a phase shifter 43 (second phase shifter), a phase shifter 44 (first phase shifter), a polarization rotation splitter 45 (second optical coupler), and delay lines 46 and 47 (delay circuits).
  • optical coupler 41 first optical coupler
  • optical coupler 42 third optical coupler
  • a phase shifter 43 second phase shifter
  • a phase shifter 44 first phase shifter
  • polarization rotation splitter 45 second optical coupler
  • delay lines 46 and 47 delay circuits
  • the "upstream” and “downstream” of the optical waveguides constituting the circuit unit 40 other than the waveguide PFB are based on the traveling direction of the input light L in (i.e., the upstream and downstream when the traveling direction of the input light L in is regarded as the direction flowing from the upstream side to the downstream side).
  • the "upstream” and “downstream” of the waveguide P FB which passes the feedback light L FB generated due to the reflected light Lr, are based on the traveling direction of the reflected light Lr.
  • the waveguide P in is an optical waveguide into which the input light L in (transmitted light Le) from the light source LS (external resonator 30) is input. That is, the waveguide P in is optically coupled to the downstream end of the waveguide 35. The downstream end of the waveguide P in is connected to the optical coupler 42.
  • the optical coupler 42 is a 2x2 coupler having two upstream ports and two downstream ports. As shown in FIG. 2, the optical coupler 42 has waveguides (portions constituting a directional coupler) separated vertically (in the direction of FIG. 2) and arranged close to each other.
  • the upper upstream port of the optical coupler 42 is connected to the downstream end of the waveguide P in .
  • the upper downstream port of the optical coupler 42 is connected to the upstream end of the waveguide P3.
  • the lower upstream port of the optical coupler 42 is connected to the upstream end of the waveguide P FB (the end opposite to the end connected to the photodetector 50).
  • the lower downstream port of the optical coupler 42 is connected to the upstream end of the waveguide P4.
  • the optical coupler 42 receives input light L in from the waveguide P in at its upper upstream port and separates the input light L in into light output to the waveguide P3 and light output to the waveguide P4.
  • the optical coupler 42 is configured as a 3 dB coupler with a branching ratio of 1:1. That is, when light is input to the upstream port on one side (upper or lower) of the optical coupler 42, the optical coupler 42 branches the light at a branching ratio of 1:1 and outputs each branched light from the respective upper and lower downstream ports. Similarly, when light is input to the downstream port on one side (upper or lower) of the optical coupler 42, the optical coupler 42 branches the light at a branching ratio of 1:1 and outputs each branched light from the respective upper and lower upstream ports.
  • the optical coupler 42 is configured as a directional coupler. That is, when light is input to the upstream port on one side (upper or lower side) of the optical coupler 42, the phase of the light output from the downstream port on the other side (opposite the port to which the light is input; i.e., the lower side if the port to which the light is input is the upper side, and the upper side if the port to which the light is input is the lower side) of the optical coupler 42 is configured to lag 90° relative to the light output from the downstream port on one side (the same side as the port to which the light is input; i.e., the upper side if the port to which the light is input is the upper side, and the lower side if the port to which the light is input is the lower side).
  • the phase of the light output from the upstream port on the other side of the optical coupler 42 is configured to lag 90° relative to the light output from the upstream port on one side of the optical coupler 42.
  • the phase shifter 43 is arranged along the waveguide P3, which is connected to the upper downstream port of the optical coupler 42.
  • the phase shifter 43 adjusts (shifts) the phase of the light passing through the waveguide P3.
  • the phase shifter 43 is, for example, a thermal phase shifter similar to the phase shifters 37, 38, and 39 that make up the external resonator 30 described above. By generating heat, the phase shifter 43 can heat the portion of the waveguide P3 adjacent to the phase shifter 43 and increase the refractive index of that portion. As a result, by changing the wavelength of the light passing through that portion, the phase of the light passing through the waveguide P3 can be changed.
  • Optical coupler 41 is connected to the downstream ends of waveguides P3 and P4 and to the upstream ends of waveguides P1 and P2, and performs branching and combining of light.
  • the upper upstream port of optical coupler 41 is connected to the downstream end of waveguide P3.
  • the upper downstream port of optical coupler 41 is connected to the upstream end of waveguide P1.
  • the lower upstream port of optical coupler 41 is connected to the downstream end of waveguide P4.
  • the lower downstream port of optical coupler 41 is connected to the upstream end of waveguide P2.
  • Optical coupler 41 inputs light from waveguides P3 and P4 at its upper and lower upstream ports and separates the light into light output to waveguide P1 and light output to waveguide P2.
  • optical coupler 41 is configured as a 2x2 coupler (3 dB coupler) similar to optical coupler 42 described above. That is, when light is input to the upstream port on one side (upper or lower) of optical coupler 41, optical coupler 41 branches the light at a branching ratio of 1:1 and outputs each branched light from the respective upper and lower downstream ports. Similarly, when light is input to the downstream port on one side (upper or lower) of optical coupler 41, optical coupler 41 branches the light at a branching ratio of 1:1 and outputs each branched light from the respective upper and lower upstream ports.
  • the phase of the light output from the downstream port on the other side of optical coupler 41 is configured to be delayed by 90° relative to the light output from the downstream port on one side of optical coupler 41.
  • the phase of the light output from the other upstream port of the optical coupler 41 is configured to be delayed by 90° relative to the light output from one upstream port of the optical coupler 41.
  • the above-mentioned optical couplers 41 and 42, phase shifter 43, and waveguides P3 and P4 constitute a Mach-Zehnder interferometer MZI.
  • the phase shifter 44 is arranged along the waveguide P1 connected to the upper downstream port of the optical coupler 41.
  • the phase shifter 44 adjusts (shifts) the phase of the light passing through the waveguide P1.
  • the phase shifter 44 is, for example, a thermal phase shifter similar to the phase shifter 43 described above. That is, the phase shifter 44 generates heat to heat the portion of the waveguide P1 adjacent to the phase shifter 44, thereby increasing the refractive index of that portion. As a result, by changing the wavelength of the light passing through that portion, the phase of the light passing through the waveguide P1 can be changed.
  • the delay line 46 is provided in the waveguide P1 to adjust the length of the waveguide P1. As shown in Figure 2, as an example, the delay line 46 is a portion of the waveguide P1 that is purposely provided as a detour in order to extend the overall length of the waveguide P1.
  • the delay line 47 is provided in the waveguide P2 to adjust the length of the waveguide P2. As shown in Figure 2, as an example, the delay line 47 is a portion of the waveguide P2 that is purposely provided as a detour in order to extend the overall length of the waveguide P2.
  • the polarization rotating splitter 45 is connected to the downstream ends of the waveguides P1 and P2 and the upstream end of the waveguide P out , and performs branching and combining of light.
  • the polarization rotating splitter 45 is configured to combine light from the waveguide P1 and light from the waveguide P2 and output light of two orthogonal polarization components to the waveguide P out .
  • the polarization rotating splitter 45 has two upstream ports (upper and lower in Figures 2 and 4) and one downstream port.
  • the polarization rotating splitter 45 outputs light input to the upper (one side) upstream port to the downstream port without changing the polarization direction.
  • the polarization rotating splitter 45 rotates the polarization direction of light input to the lower (other side) upstream port by 90 degrees and outputs it to the downstream port.
  • the polarization mode of the input light L in is set to be TM mode, with the electric field component aligned in a direction perpendicular to the principal surface 21 a of the substrate 21 (out-of-plane direction).
  • both lights passing through the waveguides P1 and P2 are TM mode light (hereinafter referred to as "TM light").
  • TM light TM mode light
  • the light from the waveguide P1 input to the upper upstream port of the polarization rotating splitter 45 remains in TM mode and is output from the downstream port of the polarization rotating splitter 45 to the waveguide P out .
  • the light from the waveguide P2 input to the lower upstream port of the polarization rotating splitter 45 has its polarization direction rotated by 90 degrees, whereby the electric field component is converted to TE mode light (hereinafter referred to as "TE light") aligned in a direction parallel to the principal surface 21 a of the substrate 21 (in-plane direction), and is output from the downstream port of the polarization rotating splitter 45 to the waveguide P out .
  • TE light TE mode light
  • the light passing through the waveguide Pout can be made into circularly polarized light rotating in a predetermined direction (e.g., clockwise) (i.e., a superposition of TM light and TE light having a phase difference of 90° from each other).
  • a predetermined direction e.g., clockwise
  • the output light Lout hits a measurement object (e.g., an object for distance measurement)
  • its reflected light Lr re-enters the waveguide Pout .
  • the reflected light Lr is specularly reflected by the measurement object, etc., and becomes circularly polarized light with a rotation direction opposite to that of the output light Lout (left-handed circularly polarized light in this embodiment).
  • the reflected light Lr is input to the downstream port of the polarization rotating splitter 45.
  • the polarization rotating splitter 45 is configured to separate two mutually orthogonal polarization components of light (TE light and TM light in this embodiment) contained in the reflected light Lr (reflected light corresponding to the output light L out ) input from the waveguide P out and output the separated light to each of the waveguides P1 and P2. That is, the polarization rotating splitter 45 performs a process on the light input from the downstream port that is the reverse of the process performed on the light passing from the upstream port to the downstream port described above, and then outputs the light to each of the two upstream ports.
  • the polarization rotating splitter 45 outputs the TM light contained in the reflected light Lr from the upper upstream port to the waveguide P1, and converts the TE light contained in the reflected light Lr into TM light and outputs it from the lower upstream port to the waveguide P2.
  • the output light Lout is circularly polarized light (for example, right-handed circularly polarized light) and the reflected light Lr is circularly polarized light that rotates in the opposite direction to the output light Lout (for example, left-handed circularly polarized light)
  • the light that travels from the waveguide Pout toward the waveguide Pin due to the reflected light Lr becomes out of phase in the waveguide Pin
  • the feedback light LFB is output only from the waveguide PFB to the photodetector 50.
  • light that has an inverse relationship with the light that is output to the waveguides P1 and P2 due to the input light Lin returns to the output port (output port of the optical coupler 41) of the Mach-Zehnder interferometer MZI (i.e., light based on the reflected light Lr that is returned as left-handed circularly polarized light in the waveguide Pout ).
  • the light Lr1 (light traveling upstream in the waveguide P1 due to the reflected light Lr) and the light Lr2 (light traveling upstream in the waveguide P2 due to the reflected light Lr) input to the downstream ports of the Mach-Zehnder interferometer MZI (the upper and lower downstream ports of the optical coupler 41) become out of phase in the waveguide P in due to the action inside the Mach-Zehnder interferometer MZI and cancel each other out.
  • the lights Lr1 and Lr2 input to the Mach-Zehnder interferometer MZI reinforce each other in the waveguide P FB , so that the feedback light L FB passes through the waveguide P FB and is output to the photodetector 50.
  • the photodetector 50 is connected to the waveguide P FB and detects the feedback light L FB .
  • the photodetector 50 is configured by, for example, a photodiode or the like.
  • the output light Lout can be made circularly polarized and the reflected light Lr can be made circularly polarized light that rotates in the opposite direction to the output light Lout.
  • the circuit unit 40 can be made to function as a circulator that outputs light based on the reflected light Lr (feedback light LFB ) only to the waveguide PFB . Control to make the circuit unit 40 function as a circulator is performed by the control device 60.
  • the control device 60 is configured to control at least the phase adjustment amount of the phase shifter 44 (the phase shift amount of the light passing through the waveguide P1). In this embodiment, the control device 60 is configured to control the phase adjustment amount of the phase shifters 43 and 44, as well as the phase adjustment amount of the external resonator 30 (phase shifters 37 to 39).
  • the control device 60 may be configured by, for example, a computer system including a processor, memory, storage, a communication device, etc. Each function of the control device 60 is executed by these hardware elements operating according to a predetermined program.
  • the control device 60 can control the amount of phase adjustment of the phase shifter 44 by adjusting the amount of power supplied to the phase shifter 44 to control the amount of heat generated in the phase shifter 44. The same applies to the control of the other phase shifters 37, 38, 39, and 43.
  • the control device 60 controls the phase adjustment amount of the phase shifter 44 so that light Lr1 traveling upstream in the waveguide P1 due to reflected light Lr and light Lr2 traveling upstream in the waveguide P2 due to reflected light Lr are in opposite phase in the waveguide P in .
  • the control device 60 may also control the phase adjustment amount of the phase shifter 43 (the amount of phase shift of the light passing through the waveguide P3).
  • the control device 60 controls the phase adjustment amount of the phase shifter 43 so that the intensity of the light output from the optical coupler 41 to the waveguide P1 is equal to the intensity of the light output from the optical coupler 41 to the waveguide P2.
  • control device 60 controls the control device 60 .
  • the control device 60 may control the phase adjustment amount of the phase shifters 43, 44 based on the dependency information.
  • the dependency information used to control the phase shifter 44 is, for example, information that associates, with each wavelength of the input light L in , the phase adjustment amount of the phase shifter 44 for making the light resulting from the reflected light Lr have an opposite phase in the waveguide P in (i.e., making the output light L out circularly polarized).
  • the dependency information used to control the phase shifter 43 is, for example, information that associates, with each wavelength of the input light L in , the phase adjustment amount of the phase shifter 43 for making the intensity of the light output from the optical coupler 41 to the waveguide P1 equal to the intensity of the light output from the optical coupler 41 to the waveguide P2.
  • the first control method makes it possible to roughly adjust (control) the phase adjustment amount of the phase shifters 43 and 44 required to make the circuit unit 40 function as a circulator, based on dependency information that has been determined in advance.
  • the control device 60 may control the phase adjustment amount of at least one of the phase shifters 43 and 44 based on the detection result of the photodetector 50 (for example, the intensity of the feedback light LFB detected by the photodetector 50).
  • the output light Lout becomes circularly polarized light
  • the reflected light (light based on the reflected light Lr) returning to the waveguide Pin can be canceled out, and the feedback light LFB can be directed only toward the waveguide PFB . Therefore, when the phase adjustment amount of the phase shifter 44 is gradually changed while the input light Lin is being input to the circuit unit 40, the detected intensity of the feedback light LFB at the photodetector 50 becomes maximum when the condition that the output light Lout becomes circularly polarized light (i.e., the condition that the component of light returning to the waveguide Pin becomes zero) is satisfied.
  • control device 60 may, for example, determine the phase adjustment amount of the phase shifter 44 while changing the phase adjustment amount of the phase shifter 44 (i.e., the amount of power supplied to the phase shifter 44) so that the detected intensity of the feedback light LFB at the photodetector 50 becomes maximum.
  • control device 60 may, for example, determine the phase adjustment amount of the phase shifter 43 while changing the phase adjustment amount of the phase shifter 43 (i.e., the amount of power supplied to the phase shifter 43) so that the detected intensity of the feedback light LFB at the photodetector 50 is maximized.
  • the control device 60 may execute a combination of the first and second controls described above. An example of the third control will be described with reference to FIG. 5 .
  • the control device 60 sets a target wavelength of the input light L in (step S1). This process may be performed automatically based on a measurement program prepared in advance, or an arbitrary wavelength may be manually set as the target wavelength through an operator's operation, etc.
  • the control device 60 controls the phase adjustment amounts of the phase shifters 37, 38, and 39 of the external resonator 30 so that the wavelength of the input light L in (transmitted light Le) becomes the target wavelength (step S2).
  • the control device 60 also executes the "first control" described above (step S3).
  • control device 60 roughly controls the phase adjustment amounts of the phase shifters 43 and 44 based on the previously determined dependency information and the target wavelength. Then, the control device 60 drives the laser driver D to input the input light L in from the light source LS to the optical integrated circuit 20 (step S4).
  • step S3 the phase adjustment amounts of the phase shifters 43 and 44 are controlled based on the previously determined dependency information and the target wavelength so that the circuit unit 40 functions as a circulator, but control errors etc. may occur. For this reason, it may be difficult to make the circuit unit 40 function as a circulator (i.e., reduce the return light to the waveguide P in to almost zero) only by the control in step S3 (first control).
  • control device 60 may execute the above-described "second control" after starting the laser driving (step S5).
  • control device 60 may control (fine-tune) the phase adjustment amount of the phase shifters 43 and 44 so that the intensity of the feedback light LFB detected by the photodetector 50 is maximized. This allows the circuit unit 40 to function as a circulator with higher accuracy.
  • Optical elements such as optical couplers and phase shifters generally have wavelength dependence. Therefore, when performing distance measurement, spectroscopic measurement, or the like using a wavelength-tunable light source, the characteristics of optical elements such as optical couplers and phase shifters change depending on the wavelength, which can change the characteristics of the optical integrated circuit, potentially preventing proper measurement using the optical integrated circuit.
  • the light source unit 1A is configured so that the control device 60 can control the phase adjustment amount of the phase shifter 44 disposed on at least one path (waveguide P1) of the two paths (waveguides P1 and P2) between the optical coupler 41 and the polarization rotating splitter 45. Therefore, the light source unit 1A can control the phase adjustment amount of the phase shifter 44 in response to changes in the wavelength of the input light L in , thereby effectively solving the wavelength-dependence problem described above.
  • the polarization rotating splitter 45 is configured to combine light from the waveguide P1 and light from the waveguide P2 and output two orthogonal polarization components of light (in this embodiment, TM light from the waveguide P1 and TE light obtained by converting the TM light from the waveguide P2) to the waveguide Pout .
  • the polarization rotating splitter 45 is also configured to separate two orthogonal polarization components of light contained in the reflected light Lr input from the waveguide Pout and output them to the waveguides P1 and P2.
  • the control device 60 controls the phase adjustment amount of the phase shifter 44 so that the lights Lr1 and Lr2 input to the downstream port of the optical coupler 41 are in opposite phase in the waveguide Pin .
  • the optical integrated circuit 20 (circuit unit 40) can be used as a circulator.
  • circulators or isolators
  • the optical integrated circuit (circuit unit 40) of this embodiment makes it possible to realize a circulator that is inexpensive and operates stably.
  • the control device 60 controls the phase adjustment amount of the phase shifter 43 provided in the waveguide P3.
  • the input light L in is branched into the waveguides P3 and P4 by the optical coupler 42, and by controlling the phase adjustment amount of the phase shifter 43 provided in one of the waveguides, P3, it is possible to appropriately set the phase difference between the two light beams (the light from the waveguide P3 and the light from the waveguide P4) input to the optical coupler 41.
  • the intensity ratio of the light beams output to the waveguides P1 and P2 downstream of the optical coupler 41 is particularly effective when the optical integrated circuit 20 (circuit unit 40) functions as a circulator, as in this embodiment.
  • the optical integrated circuit 20 (circuit unit 40) includes a waveguide PFB connected to the optical coupler 42 and passing feedback light LFB generated by the optical coupler 42 based on light traveling upstream through each of the waveguides P3 and P4 due to reflected light Lr corresponding to the output light Lout, and a photodetector 50 connected to the end of the waveguide PFB opposite to the end connected to the optical coupler 42 and detecting the feedback light LFB .
  • the control device 60 controls the phase adjustment amount of at least one of the phase shifters 43 and 44 based on the detection result of the photodetector 50. That is, the control device 60 is configured to be able to perform the above-described "second control" based on the detection result of the photodetector 50.
  • the optical integrated circuit 20 (circulator unit 40) exhibits suitable characteristics (in this embodiment, the properties of a circulator).
  • the control device 60 controls the external resonator 30 so that the wavelength of the input light L in becomes a predetermined target wavelength, and also controls the phase adjustment amount of at least one of the phase shifters 43, 44 in accordance with the target wavelength. That is, the control device 60 is configured to be able to execute the "third control" shown in FIG. 5 . According to the above configuration, once the target wavelength is set in the control device 60, it is possible to simultaneously control the wavelength of the input light L in (transmitted light Le) by the external resonator 30 and control the phase adjustment amount of at least one of the phase shifters 43, 44 in accordance with the target wavelength. This shortens the time from when the target wavelength is determined until the control of the phase adjustment amount is completed and appropriate measurement can be performed.
  • step S3 a rough control of the phase adjustment amount can be performed so that the circuit unit 40 exhibits suitable characteristics (in this embodiment, the characteristics of a circulator). This allows the control of the phase adjustment amount in step S5 after the laser drive starts to be completed in a short time.
  • the QCL 10, which serves as the laser gain medium, is not mounted on the substrate 21 of the optical integrated circuit 20.
  • the configuration of a light source unit 1B according to the second embodiment will be described with reference to Fig. 6.
  • the light source unit 1B differs from the light source unit 1A in that the light source LS (the QCL 10 and the external resonator 30) is mounted on the substrate 21 of the optical integrated circuit 20 (i.e., the QCL 10 as well as the external resonator 30 are mounted on the substrate 21).
  • the light source unit 1B mounting both the QCL 10 and the external resonator 30 that constitute the light source LS on the substrate 21 makes it possible to further reduce the size of the light source unit.
  • the control device 60 can control the phase adjustment amount of the phase shifter 44 based on the detection result of the photodetector 50 (e.g., the intensity of the feedback light LFB detected by the photodetector 50). That is, in the configuration shown in FIG. 8 , the circuit unit 40A includes: a waveguide PFB connected to the optical coupler 41 and passing feedback light generated by the optical coupler 41 based on light traveling upstream through each of the waveguides P1 and P2 due to reflected light corresponding to the output light Lout; and a photodetector 50 connected to the end of the waveguide PFB opposite to the end connected to the optical coupler 41 and detecting the feedback light.
  • the circuit unit 40A includes: a waveguide PFB connected to the optical coupler 41 and passing feedback light generated by the optical coupler 41 based on light traveling upstream through each of the waveguides P1 and P2 due to reflected light corresponding to the output light Lout; and a photodetector 50 connected to the end of the waveguide PFB opposite
  • the optical coupler 41 may not behave ideally, and the ratio between the intensity of the light output from the optical coupler 41 to the waveguide P1 and the intensity of the light output from the optical coupler 41 to the waveguide P2 may deviate from 1:1.
  • the light source LS may be configured to be capable of outputting input light L in having a wavelength of less than 2 ⁇ m, i.e., the light source LS may be configured to be capable of outputting input light L in that is wavelength tunable in a wavelength range that includes wavelengths of less than 2 ⁇ m.
  • phase shifters may be provided in both waveguides P1 and P2. With such a configuration, it is possible to more flexibly control the relative phase adjustment amount of waveguide P1 with respect to waveguide P2, for example, by increasing the power supplied to the phase shifter 44 provided in waveguide P1 (increasing the refractive index) while decreasing the power supplied to the phase shifter provided in waveguide P2 (decreasing the refractive index) (push-pull operation). Furthermore, in the above-described circuit unit 40, phase shifters may be provided in both waveguides P3 and P4. In this case, it is possible to control the phase adjustment amount of waveguides P3 and P4 using the same push-pull operation as for waveguides P1 and P2.

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Abstract

光源ユニットは、波長可変に構成されると共に２μｍ以上の波長の光を出力する光源と、光集積回路と、制御装置と、を備える。光集積回路は、第１導波路及び第２導波路の各々の上流端に接続され、光の分岐及び合成を行う光カプラと、第１導波路及び第２導波路の各々の下流端と出力導波路の上流端とに接続され、光の分岐及び合成を行う偏光回転スプリッタと、第１導波路に設けられ、第１導波路を通過する光の位相を調整する位相シフタと、を有する。制御装置は、当該位相シフタの位相調整量を制御する。

Description

光源ユニット
　本開示は、光源ユニットに関する。
　特許文献１には、光学素子を基板上の光導波路に設けた光集積回路において、入力導波路からの光を２つの分岐導波路に分岐させるカプラと、各分岐導波路上に配置された位相調整板と、を有する構成が開示されている。
特開第２０１８－１５５８９２号公報
　上記特許文献１に開示された構成では、各分岐導波路における位相調整量は、各分岐導波路上に配置された位相調整板に応じた固定値として設定されている。このため、入力光の波長、温度、光集積回路を構成する各部品（カプラ、位相調整板等）の製造誤差等に依存して、光集積回路の特性が変化してしまうおそれがある。特に、波長可変光源を利用して複数の波長で測定を実施する場合には、波長依存性（波長が変化することによって光集積回路の特性が変化してしまう性質）を解消する必要がある。
　そこで、本開示の一側面は、波長依存性の問題を好適に解消することができる光源ユニットを提供することを目的とする。
　本開示は、以下の［１］～［１０］の光源ユニットを含んでいる。
［１］波長可変に構成されると共に２μｍ以上の波長の光を出力する光源と、
　基板、及び前記基板上に設けられた光導波路を含む光集積回路と、
　前記光集積回路の少なくとも一部の動作を制御する制御部と、を備え、
　前記光導波路は、
　　前記光源からの入力光が入力される入力導波路と、
　　前記入力導波路よりも下流に位置する第１導波路と、
　　前記入力導波路よりも下流に位置する第２導波路と、
　　前記入力光に応じた出力光を出力する出力導波路と、を含み、
　前記光集積回路は、
　　前記第１導波路及び前記第２導波路の各々の上流端に接続され、光の分岐及び合成を行う第１光結合器と、
　　前記第１導波路及び前記第２導波路の各々の下流端と前記出力導波路の上流端とに接続され、光の分岐及び合成を行う第２光結合器と、
　　前記第１導波路に設けられ、前記第１導波路を通過する光の位相を調整する第１位相シフタと、を有し、
　前記制御部は、前記第１位相シフタの位相調整量を制御する、光源ユニット。
　光結合器及び位相シフタは、一般に波長依存性を有する。このため、波長可変光源を利用した距離計測及び分光計測等を行う場合、光結合器及び位相シフタの特性が波長に応じて変化することによって光集積回路の特性が変化してしまい、当該光集積回路を用いた測定を適切に行うことができないおそれがある。上記［１］の光源ユニットでは、第１光結合器と第２光結合器との間の２つの経路（第１導波路及び第２導波路）のうちの少なくとも１つの経路（第１導波路）上に配置した第１位相シフタの位相調整量を制御部によって制御することが可能に構成されている。従って、上記光源ユニットによれば、入力光の波長の変化に応じて第１位相シフタの位相調整量を制御することができるため、上述したような波長依存性の問題を好適に解消することができる。
［２］前記第２光結合器は、前記第１導波路からの光と前記第２導波路からの光とを合成して互いに直交する２つの偏光成分の光を前記出力導波路に出力すると共に、前記出力導波路から入力される前記出力光に応じた反射光に含まれる互いに直交する２つの偏光成分の光を前記第１導波路及び前記第２導波路の各々に分離して出力するように構成されており、
　前記制御部は、前記反射光に起因して前記第１導波路を上流側に向かう光と前記反射光に起因して前記第２導波路を上流側に向かう光とが前記入力導波路において逆相となるように、前記第１位相シフタの位相調整量を制御する、［１］の光源ユニット。
　上記［２］の構成によれば、光集積回路をサーキュレータとして利用することができる。
［３］前記光集積回路は、
　　前記入力導波路からの前記入力光を入力し、前記入力光を第３導波路に出力される光と第４導波路に出力される光とに分岐させる第３光結合器と、
　　前記第３導波路に設けられ、前記第３導波路を通過する光の位相を調整する第２位相シフタと、を更に有し、
　前記第１光結合器は、前記第３導波路及び前記第４導波路の各々の下流端に接続されており、
　前記制御部は、前記第２位相シフタの位相調整量を制御する、［１］又は［２］の光源ユニット。
　上記［３］の構成によれば、入力光を第３光結合器で第３導波路及び第４導波路に分岐させ、その一方の導波路である第３導波路に設けた第２位相シフタの位相調整量を制御することにより、第１光結合器に入力される２つの光（第３導波路の光及び第４導波路の光）の位相差を適切に設定することが可能となる。その結果、第１光結合器の下流側の第１導波路及び第２導波路の各々に出力される光の強度比を適切に調整することが可能となる。
［４］前記光集積回路は、
　　前記第１光結合器に接続され、前記出力光に応じた反射光に起因して前記第１導波路及び前記第２導波路の各々を上流側に向かう光に基づいて前記第１光結合器で生成されるフィードバック光を通過させるフィードバック導波路と、
　　前記フィードバック導波路の前記第１光結合器に接続される側とは反対側の端部に接続され、前記フィードバック光を検出する光検出器と、を更に有し、
　前記制御部は、前記光検出器の検出結果に基づいて、前記第１位相シフタの位相調整量を制御する、［１］又は［２］の光源ユニット。
　上記［４］の構成によれば、反射光に基づくフィードバック光をモニタすることにより、光集積回路が好適な特性を発揮するように第１位相シフタの位相調整量を適切に制御することが容易となる。
［５］前記光集積回路は、
　　前記第３光結合器に接続され、前記出力光に応じた反射光に起因して前記第３導波路及び前記第４導波路の各々を上流側に向かう光に基づいて前記第３光結合器で生成されるフィードバック光を通過させるフィードバック導波路と、
　　前記フィードバック導波路の前記第３光結合器に接続される側とは反対側の端部に接続され、前記フィードバック光を検出する光検出器と、を更に有し、
　前記制御部は、前記光検出器の検出結果に基づいて、前記第１位相シフタ及び前記第２位相シフタの少なくとも一方の位相調整量を制御する、［３］の光源ユニット。
　上記［５］の構成によれば、反射光に基づくフィードバック光をモニタすることにより、光集積回路が好適な特性を発揮するように第１位相シフタ及び第２位相シフタの少なくとも一方の位相調整量を適切に制御することが容易となる。
［６］前記光集積回路は、前記第１導波路及び前記第２導波路の少なくとも一方に形成された遅延回路を有する、［１］～［５］のいずれかの光源ユニット。
　上記［６］の構成によれば、第１位相シフタによって必要となる位相調整量を低減することができる。
［７］前記光源は、レーザ利得媒質と、前記入力光の波長を制御する外部共振器とを有し、
　前記外部共振器は、前記基板上に実装されている、［１］～［６］のいずれかの光源ユニット。
　上記［７］の構成によれば、光源ユニットの大型化を抑制しつつ、外部共振器によって入力光の波長制御を容易に行うことができる。
［８］前記制御部は、前記入力光の波長が所定の目標波長となるように前記外部共振器を制御すると共に、前記目標波長に応じて前記第１位相シフタの位相調整量を制御する、［７］の光源ユニット。
　上記［８］の構成によれば、制御部において目標波長が設定された段階で、外部共振器による入力光の波長制御と目標波長に応じた第１位相シフタの位相調整量の制御とを並行して実施することが可能となる。これにより、目標波長が決定されてから位相調整量の制御が完了して適切な測定が実施可能になるまでの時間を短縮することができる。
［９］前記レーザ利得媒質は、前記基板上に実装されていない、［７］又は［８］の光源ユニット。
　上記［９］の構成によれば、光集積回路からレーザ利得媒質を分離することで、レーザ利得媒質の材料及び配置等の自由度を向上させることができる。
［１０］前記レーザ利得媒質は、前記基板上に実装されている、［７］又は［８］の光源ユニット。
　上記［１０］の構成によれば、光源を構成するレーザ利得媒質及び外部共振器の両方を基板上に実装することにより、光源ユニットを小型化することができる。
　本開示の一側面によれば、波長依存性の問題を好適に解消することができる光源ユニットを提供することができる。
図１は、第１実施形態の光源ユニット１Ａの機能構成を示すブロック図である。 図２は、光源ユニット１Ａの構成例を示す図である。 図３は、外部共振器に含まれる光導波路により形成されたミラーの動作について説明するための図である。 図４は、光集積回路２０に実装された回路部４０を模式的に示す図である。 図５は、制御装置６０の第３の制御の一例を示すフローチャートである。 図６は、第２実施形態の光源ユニット１Ｂの構成例を示す図である。 図７は、第３実施形態の光源ユニット１Ｃの構成例を示す図である。 図８は、回路部の変形例を示す図である。
　以下、本開示の一実施形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、以下の説明において、同一又は相当要素には同一符号を用い、重複する説明を省略する。
［第１実施形態］
　図１～図５を参照して、第１実施形態の光源ユニット１Ａについて説明する。図１に示されるように、光源ユニット１Ａは、ＱＣＬ１０（レーザ利得媒質）と、光集積回路２０と、制御装置６０（制御部）と、レーザドライバＤと、を備える。図１及び図２に示されるように、光集積回路２０は、基板２１と、基板２１上に設けられた光導波路を含む種々の光学要素と、を有する。基板２１は、例えば矩形板状のシリコン基板である。本実施形態では、光集積回路２０を構成する基板２１の一方の主面２１ａ上に、外部共振器３０、回路部４０、及び光検出器５０が実装されている。
（光源）
　ＱＣＬ１０と外部共振器３０とによって、光源ＬＳが構成されている。光源ＬＳは、２μｍ以上の波長範囲（主に中赤外域）において波長可変の光（入力光Ｌｉｎ）を、回路部４０に出力するように構成されている。
　ＱＣＬ１０は、光源ＬＳを構成するレーザ利得媒質の一例としての量子カスケードレーザ素子である。ＱＣＬ１０は、半導体光増幅器（ＳＯＡ）として利用される。すなわち、ＱＣＬ１０は、基板２１の主面２１ａ上に実装された外部共振器３０と光学的に結合されている。図２に示されるように、一例として、ＱＣＬ１０は、基板２１に隣接する位置に配置されており、ＱＣＬ１０の基板２１側の端面１０ａから外部共振器３０の導波路３１へとレーザ光が入力されるように構成されている。なお、レーザ利得媒質は量子カスケードレーザ素子に限られないが、量子カスケードレーザ素子をレーザ利得媒質として用いることにより、中赤外域のレーザ光を好適に発振することができる。
　図２に示されるように、本実施形態では一例として、外部共振器３０は、リング共振器として構成されている。外部共振器３０は、それぞれ独立した５つの光導波路（導波路３１，３３，３５及びリング導波路３２，３４）を有する。これらの導波路は、例えば、基板２１と同一の材料（例えばシリコン）によって形成されている。或いは、これらの導波路は、基板２１とは異なる材料（例えば、窒化シリコン、ゲルマニウム等）によって形成されてもよい。後述する回路部４０に含まれる光導波路についても同様である。
　導波路３１は、ＱＣＬ１０の端面１０ａと光学的に結合されている。導波路３３は、リング導波路３２を介して導波路３１と結合されている。具体的には、図２の矢印Ａの方向に導波路３１を通過するレーザ光の波長の整数倍がリング導波路３２の周回長と等しくなるときに、図２の矢印Ｂの方向に導波路３３を通過するレーザ光が生成される。
　導波路３５は、リング導波路３４を介して導波路３３と結合されている。具体的には、図２の矢印Ｂの方向に導波路３３を通過するレーザ光の波長の整数倍がリング導波路３４の周回長と等しくなるときに、図２の矢印Ｃの方向に導波路３５を通過するレーザ光が生成される。図２の矢印Ｃの方向における導波路３５の端部は、回路部４０の導波路Ｐｉｎに接続されている。
　導波路３５には、導波路３５同士が接近して方向性結合器３６ａが形成されるようにリング状に折り返されたミラー部３６が設けられている。ミラー部３６において、ＱＣＬ１０側に反射する反射光（戻り光）と、導波路Ｐｉｎへと向かう透過光と、に分離される。図３を参照して、ミラー部３６の上記動作について説明する。
　図３の（Ａ）に示されるように、レーザ光Ｌａがミラー部３６に向かって導波路３５を通過する。図３の（Ｂ）に示されるように、ミラー部３６に入射したレーザ光Ｌａは、方向性結合器３６ａにおいて、レーザ光Ｌｂとレーザ光Ｌｃとに分離される。なお、レーザ光Ｌｂ，Ｌｃの比率は、ミラー部３６の設計によって適宜定めることができる。
　続いて、図３の（Ｃ）に示されるように、レーザ光Ｌｂ，Ｌｃの各々がミラー部３６のリング状の部分を一周して方向性結合器３６ａに戻ってくると、方向性結合器３６ａにおいてレーザ光Ｌｂ，Ｌｃの干渉が生じる。その結果、図３の（Ｄ）に示されるように、レーザ光Ｌｂ，Ｌｃは、ＱＣＬ１０側に戻る反射光Ｌｄと回路部４０側へと向かう透過光Ｌｅとに分離される。反射光Ｌｄは、レーザ共振によるレーザ光の増幅に利用される。透過光Ｌｅは、回路部４０の導波路Ｐｉｎに入力される入力光Ｌｉｎとして取り出される。
　外部共振器３０は、リング導波路３２に沿って配置されたフィルタ制御用の位相シフタ３７と、リング導波路３４に沿って配置されたフィルタ制御用の位相シフタ３８と、導波路３５におけるミラー部３６（方向性結合器３６ａ）の上流部分に沿って配置された縦モード制御用の位相シフタ３９と、を有する。
　位相シフタ３７は、例えば熱型位相シフタであり、電力の供給により熱を発生させる。位相シフタ３７は、例えば、薄膜ヒータによって構成される。位相シフタ３７は、このような熱を発生させることにより、リング導波路３２内の位相シフタ３７に沿った部分の屈折率を変化（増加）させ、リング導波路３２を周回する光の位相をシフトさせる。位相シフタ３７への供給電力を制御することによって、リング導波路３２の位相調整量（位相シフト量）を制御することができる。
　位相シフタ３８は、例えば、位相シフタ３７と同様の熱型位相シフタである。すなわち、位相シフタ３８は、熱を発生させることにより、リング導波路３４内の位相シフタ３８に沿った部分の屈折率を変化（増加）させ、リング導波路３４を周回する光の位相をシフトさせる。位相シフタ３８への供給電力を制御することによって、リング導波路３４の位相調整量を制御することができる。
　上述した位相シフタ３７，３８によってリング導波路３２，３４における位相調整量を制御することにより、外部共振器３０を透過する透過光Ｌｅ（入力光Ｌｉｎ）の波長を変化させることができる。また、リング導波路３２の周回長とリング導波路３４の周回長とを異ならせてもよい。この場合、バーニア効果によって、単一のリング（リング導波路３２又は３４）からなるリング共振器を用いる場合よりも広い波長範囲で透過光Ｌｅの波長を掃引することが可能となる。
　位相シフタ３９は、例えば、位相シフタ３７，３８と同様の熱型位相シフタである。位相シフタ３９は、熱を発生させることにより、導波路３５内の位相シフタ３９に沿った部分の屈折率を変化させ、導波路３５を通過するレーザ光Ｌａの縦モードをシフトさせることができる。これにより、透過光Ｌｅの波長を変化させることができる。すなわち、位相シフタ３９により、透過光Ｌｅの波長の微調整（ファインチューニング）を行うことができる。
　外部共振器３０によれば、位相シフタ３７，３８，３９を制御することにより、所望の波長の透過光Ｌｅを取り出すことが可能となる。例えば、単一の縦モードの光のみを透過させるように位相シフタ３７，３８を制御することにより、シングルモードの透過光Ｌｅを取り出すことが可能となる。
（回路部）
　図２及び図４を参照して、回路部４０の構成について説明する。回路部４０は、光導波路として、導波路Ｐｉｎ（入力導波路）、導波路Ｐ１（第１導波路）、導波路Ｐ２（第２導波路）、導波路Ｐ３（第３導波路）、導波路Ｐ４（第４導波路）、導波路Ｐｏｕｔ（出力導波路）、及び導波路ＰＦＢ（フィードバック導波路）を有する。また、回路部４０は、光導波路上或いは光導波路に沿って配置される光学要素として、光カプラ４１（第１光結合器）、光カプラ４２（第３光結合器）、位相シフタ４３（第２位相シフタ）、位相シフタ４４（第１位相シフタ）、偏光回転スプリッタ４５（第２光結合器）、及び遅延ライン４６，４７（遅延回路）を有する。
　以下、上流側から下流側に向かって、回路部４０を構成する各要素について説明する。なお、本明細書において、回路部４０を構成する光導波路のうち導波路ＰＦＢ以外の光導波路の「上流」及び「下流」は、入力光Ｌｉｎの進行方向を基準としたもの（すなわち、入力光Ｌｉｎの進行方向を上流側から下流側に流れる方向と見做した場合の上流及び下流）である。一方、反射光Ｌｒに起因して生じるフィードバック光ＬＦＢを通過させる導波路ＰＦＢの「上流」及び「下流」は、反射光Ｌｒの進行方向を基準としている。
　導波路Ｐｉｎは、光源ＬＳ（外部共振器３０）からの入力光Ｌｉｎ（透過光Ｌｅ）が入力される光導波路である。すなわち、導波路Ｐｉｎは、導波路３５の下流端と光学的に結合されている。導波路Ｐｉｎの下流端は、光カプラ４２に接続されている。
　光カプラ４２は、２つの上流ポート及び２つの下流ポートを有する２×２カプラである。図２に示されるように、光カプラ４２は、その内部に上下（図２における方向）に分離されると共に互いに接近するように配置された導波路（方向性結合器を構成する部分）を有している。光カプラ４２の上側の上流ポートは、導波路Ｐｉｎの下流端に接続されている。光カプラ４２の上側の下流ポートは、導波路Ｐ３の上流端に接続されている。光カプラ４２の下側の上流ポートは、導波路ＰＦＢの上流端（光検出器５０に接続される側とは反対側の端部）に接続されている。光カプラ４２の下側の下流ポートは、導波路Ｐ４の上流端に接続されている。光カプラ４２は、上側の上流ポートにおいて導波路Ｐｉｎからの入力光Ｌｉｎを入力し、入力光Ｌｉｎを導波路Ｐ３に出力される光と導波路Ｐ４に出力される光とに分離する。
　一例として、光カプラ４２は、分岐比が「１：１」の３ｄＢカプラとして構成されている。すなわち、光カプラ４２の一方側（上側又は下側）の上流ポートに光が入力されると、光カプラ４２は、当該光を「１：１」の分岐比で分岐させ、各分岐光を上側及び下側のそれぞれの下流ポートから出力する。同様に、光カプラ４２の一方側（上側又は下側）の下流ポートに光が入力されると、光カプラ４２は、当該光を「１：１」の分岐比で分岐させ、各分岐光を上側及び下側のそれぞれの上流ポートから出力する。
　一例として、光カプラ４２は、方向性結合器によって構成されている。すなわち、光カプラ４２の一方側（上側又は下側）の上流ポートに光が入力された場合、光カプラ４２の他方側（光が入力されたポートの反対側。すなわち、光が入力されたポートが上側の場合には下側であり、光が入力されたポートが下側の場合には上側）の下流ポートから出力される光の位相は、光カプラ４２の一方側（光が入力されたポートと同じ側。すなわち、光が入力されたポートが上側の場合には上側であり、光が入力されたポートが下側の場合には下側）の下流ポートから出力される光に対して９０°遅れるように構成されている。同様に、光カプラ４２の一方側の下流ポートに光が入力された場合、光カプラ４２の他方側の上流ポートから出力される光の位相は、光カプラ４２の一方側の上流ポートから出力される光に対して９０°遅れるように構成されている。
　位相シフタ４３は、光カプラ４２の上側の下流ポートに接続された導波路Ｐ３に沿って設けられている。位相シフタ４３は、導波路Ｐ３を通過する光の位相を調整（シフト）する。位相シフタ４３は、例えば、上述した外部共振器３０を構成する位相シフタ３７，３８，３９と同様の熱型位相シフタである。位相シフタ４３は、熱を発生させることにより、導波路Ｐ３における位相シフタ４３に隣接する部分を加熱し、当該部分の屈折率を高くすることができる。その結果、当該部分を通過する光の波長を変化させることにより、導波路Ｐ３を通過する光の位相を変化させることができる。
　光カプラ４１は、導波路Ｐ３，Ｐ４の各々の下流端に接続されると共に、導波路Ｐ１，Ｐ２の各々の上流端に接続され、光の分岐及び合成を行う。光カプラ４１の上側の上流ポートは、導波路Ｐ３の下流端に接続されている。光カプラ４１の上側の下流ポートは、導波路Ｐ１の上流端に接続されている。光カプラ４１の下側の上流ポートは、導波路Ｐ４の下流端に接続されている。光カプラ４１の下側の下流ポートは、導波路Ｐ２の上流端に接続されている。光カプラ４１は、上下の上流ポートにおいて導波路Ｐ３，Ｐ４の各々からの光を入力し、当該光を導波路Ｐ１に出力される光と導波路Ｐ２に出力される光とに分離する。
　一例として、光カプラ４１は、上述した光カプラ４２と同様の２×２カプラ（３ｄＢカプラ）として構成されている。すなわち、光カプラ４１の一方側（上側又は下側）の上流ポートに光が入力されると、光カプラ４１は、当該光を「１：１」の分岐比で分岐させ、各分岐光を上側及び下側のそれぞれの下流ポートから出力する。同様に、光カプラ４１の一方側（上側又は下側）の下流ポートに光が入力されると、光カプラ４１は、当該光を「１：１」の分岐比で分岐させ、各分岐光を上側及び下側のそれぞれの上流ポートから出力する。また、光カプラ４１の一方側（上側又は下側）の上流ポートに光が入力された場合、光カプラ４１の他方側の下流ポートから出力される光の位相は、光カプラ４１の一方側の下流ポートから出力される光に対して９０°遅れるように構成されている。同様に、光カプラ４１の一方側の下流ポートに光が入力された場合、光カプラ４１の他方側の上流ポートから出力される光の位相は、光カプラ４１の一方側の上流ポートから出力される光に対して９０°遅れるように構成されている。
　本実施形態では、上述した光カプラ４１，４２、位相シフタ４３、及び導波路Ｐ３，Ｐ４によって、マッハ・ツェンダー干渉計ＭＺＩが構成されている。
　位相シフタ４４は、光カプラ４１の上側の下流ポートに接続された導波路Ｐ１に沿って設けられている。位相シフタ４４は、導波路Ｐ１を通過する光の位相を調整（シフト）する。位相シフタ４４は、例えば、上述した位相シフタ４３と同様の熱型位相シフタである。すなわち、位相シフタ４４は、熱を発生させることにより、導波路Ｐ１における位相シフタ４４に隣接する部分を加熱し、当該部分の屈折率を高くすることができる。その結果、当該部分を通過する光の波長を変化させることにより、導波路Ｐ１を通過する光の位相を変化させることができる。
　遅延ライン４６は、導波路Ｐ１の長さを調整するために、導波路Ｐ１に設けられている。図２に示されるように、一例として、遅延ライン４６は、導波路Ｐ１のうち、導波路Ｐ１の全長を延ばすためにあえて迂回するように設けられた部分である。
　遅延ライン４７は、導波路Ｐ２の長さを調整するために、導波路Ｐ２に設けられている。図２に示されるように、一例として、遅延ライン４７は、導波路Ｐ２のうち、導波路Ｐ２の全長を延ばすためにあえて迂回するように設けられた部分である。
　偏光回転スプリッタ４５は、導波路Ｐ１，Ｐ２の各々の下流端と導波路Ｐｏｕｔの上流端とに接続され、光の分岐及び合成を行う。本実施形態では、偏光回転スプリッタ４５は、導波路Ｐ１からの光と導波路Ｐ２からの光とを合成して互いに直交する２つの偏光成分の光を導波路Ｐｏｕｔに出力するように構成されている。
　一例として、偏光回転スプリッタ４５は、２つ（図２及び図４における上側及び下側）の上流ポートと１つの下流ポートとを有する。偏光回転スプリッタ４５は、上側（一方側）の上流ポートに入力された光については偏光方向を変えずに下流ポートに出力する。一方、偏光回転スプリッタ４５は、下側（他方側）の上流ポートに入力された光については偏光方向を９０°回転させて下流ポートに出力する。
　本実施形態では、入力光Ｌｉｎの偏波モードは、電界成分が基板２１の主面２１ａに対して垂直な方向（面外方向）に沿ったＴＭモードとなるように設定されている。この場合、導波路Ｐ１，Ｐ２を通過する光は、いずれもＴＭモードの光（以下、「ＴＭ光」という。）となる。偏光回転スプリッタ４５の上側の上流ポートに入力される導波路Ｐ１からの光は、ＴＭモードの光のまま、偏光回転スプリッタ４５の下流ポートから導波路Ｐｏｕｔへと出力される。一方、偏光回転スプリッタ４５の下側の上流ポートに入力される導波路Ｐ２からの光は、偏光方向が９０°回転させられることによって、電界成分が基板２１の主面２１ａに対して水平な方向（面内方向）に沿ったＴＥモードの光（以下、「ＴＥ光」という。）に変換されて、偏光回転スプリッタ４５の下流ポートから導波路Ｐｏｕｔへと出力される。
　ここで、導波路Ｐ１を通過して偏光回転スプリッタ４５に入力される光と導波路Ｐ２を通過して偏光回転スプリッタ４５に入力される光との位相差が所定角度（例えば９０°）になるように調整することにより、導波路Ｐｏｕｔを通過する光を、所定方向（例えば右回り方向）に回転する円偏光（すなわち、互いに９０°の位相差を有するＴＭ光とＴＥ光とを重ね合わせたもの）とすることができる。これにより、導波路Ｐｏｕｔから右回転円偏光の出力光Ｌｏｕｔを外部に出力することが可能となる。出力光Ｌｏｕｔが測定対象物（例えば、距離計測等の対象物）等に当たると、その反射光Ｌｒが導波路Ｐｏｕｔに再度入射することになる。反射光Ｌｒは、測定対象物等で鏡面反射されることによって、出力光Ｌｏｕｔとは回転方向が逆の円偏光（本実施形態では、左回転円偏光）となる。
　反射光Ｌｒは、偏光回転スプリッタ４５の下流ポートに入力されることになる。偏光回転スプリッタ４５は、導波路Ｐｏｕｔから入力される反射光Ｌｒ（出力光Ｌｏｕｔに応じた反射光）に含まれる互いに直交する２つの偏光成分の光（本実施形態では、ＴＥ光及びＴＭ光）を導波路Ｐ１，Ｐ２の各々に分離して出力するように構成されている。すなわち、偏光回転スプリッタ４５は、下流ポートから入力された光について、上述した上流ポートから下流ポートへと通過する光に対して行った処理とは逆の処理を行った上で、２つの上流ポートの各々に光を出力する。より具体的には、偏光回転スプリッタ４５は、反射光Ｌｒに含まれるＴＭ光を上側の上流ポートから導波路Ｐ１へと出力し、反射光Ｌｒに含まれるＴＥ光をＴＭ光に変換して下側の上流ポートから導波路Ｐ２へと出力する。
　上述したように出力光Ｌｏｕｔが円偏光（一例として、右回転円偏光）となり、反射光Ｌｒが出力光Ｌｏｕｔとは逆方向に回転する円偏光（一例として、左回転円偏光）となる場合、反射光Ｌｒに起因して導波路Ｐｏｕｔから導波路Ｐｉｎ側へと向かう光は、導波路Ｐｉｎにおいて逆相となり、導波路ＰＦＢのみから光検出器５０へとフィードバック光ＬＦＢが出力されることになる。より具体的には、マッハ・ツェンダー干渉計ＭＺＩの出力ポート（光カプラ４１の出力ポート）に対して、入力光Ｌｉｎに起因して導波路Ｐ１，Ｐ２に対して出力された光（導波路Ｐｏｕｔにおいて右回転円偏光を形成する光）とは逆の関係を有する光（すなわち、導波路Ｐｏｕｔにおいて左回転円偏光として戻された反射光Ｌｒに基づく光）が戻ってくることになる。その結果、マッハ・ツェンダー干渉計ＭＺＩの下流ポート（光カプラ４１の上下各々の下流ポート）に入力される光Ｌｒ１（反射光Ｌｒに起因して導波路Ｐ１を上流側に向かう光）と光Ｌｒ２（反射光Ｌｒに起因して導波路Ｐ２を上流側に向かう光）とは、マッハ・ツェンダー干渉計ＭＺＩ内部の作用によって、導波路Ｐｉｎにおいて逆相となり、互いに打ち消し合うことになる。一方、マッハ・ツェンダー干渉計ＭＺＩに対して入力された光Ｌｒ１，Ｌｒ２は、導波路ＰＦＢにおいて互いに強め合うことになるため、フィードバック光ＬＦＢが導波路ＰＦＢを通って光検出器５０へと出力されることになる。光検出器５０は、導波路ＰＦＢに接続されており、フィードバック光ＬＦＢを検出する。光検出器５０は、例えば、フォトダイオード等によって構成される。
　以上のように、導波路Ｐ１を通過して偏光回転スプリッタ４５に入力される光と導波路Ｐ２を通過して偏光回転スプリッタ４５に入力される光との位相差が所定角度（例えば９０°）になるように位相シフタ４４の位相調整量を制御することにより、出力光Ｌｏｕｔを円偏光とし、反射光Ｌｒを出力光Ｌｏｕｔとは逆方向に回転する円偏光とすることができる。その結果、回路部４０を、反射光Ｌｒに基づく光（フィードバック光ＬＦＢ）を導波路ＰＦＢのみに出力するサーキュレータとして機能させることができる。回路部４０をサーキュレータとして機能させるための制御は、制御装置６０によって実行される。
（制御装置）
　制御装置６０は、少なくとも位相シフタ４４の位相調整量（導波路Ｐ１を通過する光の位相シフト量）を制御するように構成されている。本実施形態では、制御装置６０は、位相シフタ４３，４４の位相調整量を制御すると共に、外部共振器３０（位相シフタ３７～３９）の位相調整量を制御するように構成されている。制御装置６０は、例えば、プロセッサ、メモリ、ストレージ、通信デバイス等を含むコンピュータシステムによって構成され得る。制御装置６０が備える各機能は、これらのハードウェア要素が所定のプログラムによって動作することによって実行される。
　本実施形態のように位相シフタ４４が熱型位相シフタ（薄膜ヒータ）である場合、制御装置６０は、位相シフタ４４への供給電力量を調整して位相シフタ４４において発生する熱量を制御することにより、位相シフタ４４の位相調整量を制御することができる。他の位相シフタ３７，３８，３９，４３の制御についても同様である。
　例えば、制御装置６０は、回路部４０をサーキュレータとして機能させるために、反射光Ｌｒに起因して導波路Ｐ１を上流側に向かう光Ｌｒ１と反射光Ｌｒに起因して導波路Ｐ２を上流側に向かう光Ｌｒ２とが導波路Ｐｉｎにおいて逆相となるように、位相シフタ４４の位相調整量を制御する。
　また、制御装置６０は、位相シフタ４３の位相調整量（導波路Ｐ３を通過する光の位相シフト量）を制御してもよい。例えば、制御装置６０は、光カプラ４１から導波路Ｐ１へと出力される光の強度と光カプラ４１から導波路Ｐ２へと出力される光の強度とが等しくなるように、位相シフタ４３の位相調整量を制御する。
　以下、制御装置６０の制御のいくつかの例について説明する。
（第１の制御）
　光集積回路２０を構成する各回路要素（各光導波路、光カプラ４１，４２、位相シフタ４３，４４、偏光回転スプリッタ４５等）の波長依存性の情報（以下、「依存性情報」という。）が予め把握されている場合、制御装置６０は、依存性情報に基づいて、位相シフタ４３，４４の位相調整量を制御してもよい。
　位相シフタ４４の制御に用いられる依存性情報は、例えば、入力光Ｌｉｎの各波長に対して、反射光Ｌｒに起因する光が導波路Ｐｉｎにおいて逆相となるようにする（すなわち、出力光Ｌｏｕｔを円偏光にする）ための位相シフタ４４の位相調整量を関連付けた情報である。位相シフタ４３の制御に用いられる依存性情報は、例えば、入力光Ｌｉｎの各波長に対して、光カプラ４１から導波路Ｐ１へと出力される光の強度と光カプラ４１から導波路Ｐ２へと出力される光の強度とを等しくするための位相シフタ４３の位相調整量を関連付けた情報である。
　第１の制御によれば、予め把握されている依存性情報に基づいて、回路部４０をサーキュレータとして機能させるために必要となる位相シフタ４３，４４の位相調整量の大まかな調整（制御）を行うことができる。
（第２の制御）
　制御装置６０は、光検出器５０の検出結果（例えば、光検出器５０において検出されたフィードバック光ＬＦＢの強度）に基づいて、位相シフタ４３，４４の少なくとも一方の位相調整量を制御してもよい。
　例えば、上述したように、出力光Ｌｏｕｔが円偏光になる場合に、導波路Ｐｉｎに戻る反射光（反射光Ｌｒに基づく光）を打ち消して、導波路ＰＦＢのみにフィードバック光ＬＦＢを向かわせることができる。従って、入力光Ｌｉｎを回路部４０に入力しながら位相シフタ４４の位相調整量を少しずつ変化させた場合、光検出器５０におけるフィードバック光ＬＦＢの検出強度は、出力光Ｌｏｕｔが円偏光になるという条件（すなわち、導波路Ｐｉｎへの戻り光の成分が０になるという条件）を満たす場合に最大となる。よって、制御装置６０は、例えば、位相シフタ４４の位相調整量（すなわち、位相シフタ４４に供給する電力量）を変化させつつ、光検出器５０におけるフィードバック光ＬＦＢの検出強度が最大となるように、位相シフタ４４の位相調整量を決定してもよい。
　同様に、光カプラ４１から導波路Ｐ１へと出力される光の強度と光カプラ４１から導波路Ｐ２へと出力される光の強度との比が「１：１」に近い程、出力光Ｌｏｕｔの偏光状態を円偏光状態に近づけることができる。従って、入力光Ｌｉｎを回路部４０に入力しながら位相シフタ４３の位相調整量を少しずつ変化させた場合、光検出器５０におけるフィードバック光ＬＦＢの検出強度は、上記強度比の条件を満たす場合に最大となる。よって、制御装置６０は、例えば、位相シフタ４３の位相調整量（すなわち、位相シフタ４３に供給する電力量）を変化させつつ、光検出器５０におけるフィードバック光ＬＦＢの検出強度が最大となるように、位相シフタ４３の位相調整量を決定してもよい。
（第３の制御）
　制御装置６０は、上述した第１及び第２の制御を組み合わせた制御を実行してもよい。図５を参照して、第３の制御の一例について説明する。まず、制御装置６０は、入力光Ｌｉｎの目標波長を設定する（ステップＳ１）。この処理は、予め用意された測定用のプログラムに基づいて自動的に設定されてもよいし、オペレータの操作等によって任意の波長が目標波長として手動で設定されてもよい。続いて、制御装置６０は、入力光Ｌｉｎ（透過光Ｌｅ）の波長が目標波長となるように外部共振器３０の位相シフタ３７，３８，３９の位相調整量を制御する（ステップＳ２）。また、制御装置６０は、上述した「第１の制御」を実行する（ステップＳ３）。すなわち、制御装置６０は、予め把握されている依存性情報と目標波長とに基づいて、位相シフタ４３，４４の各々の位相調整量を大まかに制御する。その後、制御装置６０は、レーザドライバＤを駆動させることにより、光源ＬＳから光集積回路２０へと入力光Ｌｉｎを入力する（ステップＳ４）。
　ここで、ステップＳ３において、予め把握されている依存性情報と目標波長とに基づいて、回路部４０がサーキュレータとして機能するように位相シフタ４３，４４の位相調整量が制御されるが、制御誤差等が生じ得る。このため、ステップＳ３の制御（第１の制御）のみによって回路部４０をサーキュレータとして機能させる（すなわち、導波路Ｐｉｎへの戻り光をほぼ０にする）ことが困難な場合がある。
　そこで、制御装置６０は、レーザ駆動開始後に、上述した「第２の制御」を実行してもよい（ステップＳ５）。例えば、制御装置６０は、光検出器５０により検出されたフィードバック光ＬＦＢの強度が最大となるように、位相シフタ４３，４４の位相調整量を制御（微調整）してもよい。これにより、回路部４０をより高精度のサーキュレータとして機能させることが可能となる。
（第１実施形態の作用効果）
　光カプラ及び位相シフタ等の光学要素は、一般に波長依存性を有する。このため、波長可変光源を利用した距離計測及び分光計測等を行う場合、光結合器及び位相シフタ等の光学要素の特性が波長に応じて変化することによって光集積回路の特性が変化してしまい、当該光集積回路を用いた測定を適切に行うことができないおそれがある。光源ユニット１Ａでは、光カプラ４１と偏光回転スプリッタ４５との間の２つの経路（導波路Ｐ１，Ｐ２）のうちの少なくとも１つの経路（導波路Ｐ１）上に配置した位相シフタ４４の位相調整量を制御装置６０によって制御することが可能に構成されている。従って、光源ユニット１Ａによれば、入力光Ｌｉｎの波長の変化に応じて位相シフタ４４の位相調整量を制御することができるため、上述したような波長依存性の問題を好適に解消することができる。
　偏光回転スプリッタ４５は、導波路Ｐ１からの光と導波路Ｐ２からの光とを合成して互いに直交する２つの偏光成分の光（本実施形態では、導波路Ｐ１からのＴＭ光、及び導波路Ｐ２からのＴＭ光を変換することにより得られるＴＥ光）を導波路Ｐｏｕｔに出力するように構成されている。また、偏光回転スプリッタ４５は、導波路Ｐｏｕｔから入力される反射光Ｌｒに含まれる互いに直交する２つの偏光成分の光を導波路Ｐ１，Ｐ２の各々に分離して出力するように構成されている。制御装置６０は、光カプラ４１の下流ポートに入力される光Ｌｒ１，Ｌｒ２が導波路Ｐｉｎにおいて逆相となるように、位相シフタ４４の位相調整量を制御する。上記構成によれば、光集積回路２０（回路部４０）をサーキュレータとして利用することができる。特に、分光分析、距離計測（ＬｉＤＡＲ等）等に用いられる中赤外域の波長に対応するサーキュレータ（或いはアイソレータ）は、入手困難であったり非常に高価であったりすることが知られているが、本実施形態の光集積回路（回路部４０）によれば、安価且つ安定的に動作するサーキュレータを実現することができる。
　制御装置６０は、導波路Ｐ３に設けられた位相シフタ４３の位相調整量を制御する。上記構成によれば、入力光Ｌｉｎを光カプラ４２で導波路Ｐ３，Ｐ４に分岐させ、その一方の導波路Ｐ３に設けた位相シフタ４３の位相調整量を制御することにより、光カプラ４１に入力される２つの光（導波路Ｐ３の光及び導波路Ｐ４の光）の位相差を適切に設定することが可能となる。その結果、光カプラ４１の下流側の導波路Ｐ１，Ｐ２の各々に出力される光の強度比を適切に調整することが可能となる。上記構成は、本実施形態のように光集積回路２０（回路部４０）をサーキュレータとして機能させる場合において特に有効である。すなわち、導波路Ｐｉｎと光カプラ４１との間に、光カプラ４２、位相シフタ４３が設けられた導波路Ｐ３、及び導波路Ｐ４を設け、位相シフタ４３の位相調整量を制御することにより、導波路Ｐ１，Ｐ２に出力される光の強度比（本実施形態では「１：１」）を精度良く調整することが可能となる。その結果、出力光Ｌｏｕｔを高精度な円偏光とすることができ、光集積回路２０をサーキュレータとして好適に機能させることが可能となる。
　光集積回路２０（回路部４０）は、導波路Ｐ１，Ｐ２の少なくとも一方に形成された遅延回路を有する。本実施形態では、導波路Ｐ１，Ｐ２の各々に、遅延回路としての遅延ライン４６，４７が設けられている。例えば、このような遅延ライン４６，４７を設けて、導波路Ｐ１，Ｐ２の長さの比率を適切に調整することにより、導波路Ｐ１を通過する光と導波路Ｐ２を通過する光との位相差が、入力光Ｌｉｎの波長に応じて変化する度合いを低減することができる。その結果、位相シフタ４４によって必要となる位相調整量を低減することができる。なお、導波路Ｐ１，Ｐ２の一方の長さのみを調整すれば良い場合（例えば、導波路Ｐ１，Ｐ２のうち長さが短い方の導波路を長くする場合等）には、遅延ライン４６，４７のうちの一方のみが設けられてもよい。
　光集積回路２０（回路部４０）は、光カプラ４２に接続され、出力光Ｌｏｕｔに応じた反射光Ｌｒに起因して導波路Ｐ３，Ｐ４の各々を上流側に向かう光に基づいて光カプラ４２で生成されるフィードバック光ＬＦＢを通過させる導波路ＰＦＢと、導波路ＰＦＢの光カプラ４２に接続される側とは反対側の端部に接続され、フィードバック光ＬＦＢを検出する光検出器５０と、を有している。制御装置６０は、光検出器５０の検出結果に基づいて、位相シフタ４３，４４の少なくとも一方の位相調整量を制御する。すなわち、制御装置６０は、光検出器５０の検出結果に基づいて、上述した「第２の制御」を実行可能に構成されている。上記構成によれば、反射光Ｌｒに基づくフィードバック光ＬＦＢをモニタすることにより、光集積回路２０（回路部４０）が好適な特性（本実施形態では、サーキュレータの性質）を発揮するように位相シフタ４３，４４の位相調整量を適切に制御することが容易となる。
　光源ＬＳは、レーザ利得媒質としてのＱＣＬ１０と、入力光Ｌｉｎの波長を制御する外部共振器３０とを有しており、外部共振器３０は、基板２１上に実装されている。上記構成によれば、光源ユニット１Ａの大型化を抑制しつつ、外部共振器３０（本実施形態では、リング共振器）によって入力光の波長制御を容易に行うことができる。
　制御装置６０は、入力光Ｌｉｎの波長が所定の目標波長となるように外部共振器３０を制御すると共に、上記目標波長に応じて位相シフタ４３，４４の少なくとも一方の位相調整量を制御する。すなわち、制御装置６０は、図５に示されるような「第３の制御」を実行可能に構成されている。上記構成によれば、制御装置６０において目標波長が設定された段階で、外部共振器３０による入力光Ｌｉｎ（透過光Ｌｅ）の波長制御と目標波長に応じた位相シフタ４３，４４の少なくとも一方の位相調整量の制御とを並行して実施することが可能となる。これにより、目標波長が決定されてから位相調整量の制御が完了して適切な測定が実施可能になるまでの時間を短縮することができる。例えば、図５の例では、ステップＳ３において、回路部４０が好適な特性（本実施形態では、サーキュレータの性質）を発揮するように大まかな位相調整量の制御を実施しておくことができる。このため、レーザ駆動開始後のステップＳ５における位相調整量の制御を短時間で完了させることが可能となる。
　レーザ利得媒質としてのＱＣＬ１０は、光集積回路２０の基板２１上に実装されていない。上記構成によれば、光集積回路２０（基板２１）からレーザ利得媒質を分離することで、レーザ利得媒質の材料及び配置等の自由度を向上させることができる。
［第２実施形態］
　図６を参照して、第２実施形態の光源ユニット１Ｂの構成について説明する。光源ユニット１Ｂは、光源ＬＳ（ＱＣＬ１０及び外部共振器３０）が光集積回路２０の基板２１上に実装されている点（すなわち、外部共振器３０だけでなくＱＣＬ１０も基板２１上に実装されている点）において、光源ユニット１Ａと相違している。光源ユニット１Ｂによれば、光源ＬＳを構成するＱＣＬ１０及び外部共振器３０の両方を基板２１上に実装することにより、より一層好適に光源ユニットの小型化を図ることができる。
［第３実施形態］
　図７を参照して、第３実施形態の光源ユニット１Ｃの構成について説明する。光源ユニット１Ｃは、光源ＬＳ（第１実施形態のＱＣＬ１０及び外部共振器３０に相当する要素）が光集積回路２０から分離されている点において、光源ユニット１Ａと相違している。すなわち、光源ユニット１Ｃは、基板２１上に外部共振器３０が実装されていない点（すなわち、外部共振器３０を含まない光集積回路２０Ｃを有する点）において、光源ユニット１Ａと相違している。光源ユニット１Ｃによれば、外部共振器３０に相当する光学要素を基板２１上に実装することが不要となるため、光集積回路２０Ｃの構成を簡素化することができる。また、光源ＬＳの自由度（レーザ利得媒質及び外部共振器の組み合わせの自由度等）を向上させることができる。
［変形例］
　以上、本開示のいくつかの実施形態について説明したが、本開示は、上記の各実施形態で示した構成に限られない。各構成の材料及び形状には、上述した具体的な材料及び形状に限らず、上述した以外の様々な材料及び形状を採用することができる。また、上記の各実施形態に含まれる一部の構成は、適宜省略又は変更されてもよいし、任意に組み合わせることが可能である。
　例えば、上述した光源ユニット１Ａ，１Ｂ，１Ｃの回路部４０に含まれる回路要素のレイアウトは適宜変更されてもよいし、いくつかの回路要素は省略されてもよい。一例として、光源ユニット１Ａ，１Ｂ，１Ｃの回路部４０は、図８に示される回路部４０Ａに置き換えられてもよい。回路部４０Ａは、導波路Ｐ３，Ｐ４、光カプラ４２、位相シフタ４３、及び遅延ライン４６，４７を含まない点において、回路部４０と相違している。すなわち、回路部４０Ａでは、光カプラ４１の上側の上流ポートは、導波路Ｐｉｎの下流端に接続されており、光カプラ４１の下側の上流ポートは、導波路ＰＦＢの上流端に接続されている。
　このような回路部４０Ａの構成が採用される場合においても、制御装置６０は、光検出器５０の検出結果（例えば、光検出器５０において検出されたフィードバック光ＬＦＢの強度）に基づいて、位相シフタ４４の位相調整量を制御することができる。すなわち、図８に示される構成では、回路部４０Ａは、光カプラ４１に接続され、出力光Ｌｏｕｔに応じた反射光に起因して導波路Ｐ１，Ｐ２の各々を上流側に向かう光に基づいて光カプラ４１で生成されるフィードバック光を通過させる導波路ＰＦＢと、導波路ＰＦＢの光カプラ４１に接続される側とは反対側の端部に接続され、フィードバック光を検出する光検出器５０と、を有している。従って、制御装置６０は、光検出器５０の検出結果に基づいて、位相シフタ４４の位相調整量を制御することにより、上記実施形態で説明した「第２の制御」と同様の制御を実行することができる。すなわち、反射光に基づくフィードバック光をモニタすることにより、光集積回路２０（回路部４０Ａ）が好適な特性（本実施形態では、サーキュレータの性質）を発揮するように位相シフタ４４の位相調整量を適切に制御することが容易となる。
　光カプラ４１が、３ｄＢカプラ（分岐比が「１：１」のカプラ）として理想的な挙動を示す場合には、回路部４０Ａにおいても、光カプラ４１から導波路Ｐ１へと出力される光の強度と光カプラ４１から導波路Ｐ２へと出力される光の強度との比を「１：１」にすることができる。従って、上記実施形態と同様に制御装置６０によって位相シフタ４４の位相調整量を制御することにより、回路部４０Ａをサーキュレータとして機能させることができる。しかし、上述したとおり、光カプラ４１には波長依存性があるため、入力光Ｌｉｎの波長によっては、光カプラ４１が理想的な挙動を示さず、光カプラ４１から導波路Ｐ１へと出力される光の強度と光カプラ４１から導波路Ｐ２へと出力される光の強度との比が「１：１」からずれてしまうおそれがある。これに対して、第１実施形態で説明した回路部４０のマッハ・ツェンダー干渉計ＭＺＩによれば、位相シフタ４３による位相調整量を入力光Ｌｉｎの波長に応じて制御することにより、上記のような波長依存性を吸収し、光カプラ４１から導波路Ｐ１へと出力される光の強度と光カプラ４１から導波路Ｐ２へと出力される光の強度との比を「１：１」に近づけることができる。
　上記実施形態では、光カプラ４１，４２の例として、方向性結合器を説明したが、光カプラ４１，４２はこれ以外の光学デバイスであってもよい。例えば、光カプラ４１，４２は、マルチモード干渉（ＭＭＩ）結合器によって構成されてもよい。また、マッハ・ツェンダー干渉計ＭＺＩにおける光カプラ４１と光カプラ４２とを接続する導波路Ｐ３，Ｐ４は、同一の長さに設定されてもよいし、互いに異なる長さに設定されてもよい。
　また、上記実施形態では、導波路Ｐ１，Ｐ２の下流端と導波路Ｐｏｕｔの上流端とに接続されて光の分岐及び合成を行う光結合器（第２光結合器）の例として、偏光回転スプリッタ（ＰＲＳ）を説明したが、当該光結合器（第２光結合器）はこれ以外の光学デバイスであってもよい。例えば、当該光結合器（第２光結合器）は、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）、偏光回転子等によって構成されてもよい。
　また、回路部４０の用途はサーキュレータに限られない。光カプラ４１，４２及び偏光回転スプリッタ４５の挙動は、回路部４０の用途に応じて適宜変更されてもよい。
　また、光源ＬＳは、２μｍ未満の波長を有する入力光Ｌｉｎを出力可能に構成されてもよい。すなわち、光源ＬＳは、２μｍ未満の波長を含む波長範囲において波長可変な入力光Ｌｉｎを出力可能に構成されてもよい。
　また、上記実施形態では、入力光Ｌｉｎの偏波モードはＴＭモードとなるように設定されたが、入力光Ｌｉｎの偏波モードはＴＥモードとなるように設定されてもよい。この場合、上記実施形態における「ＴＭモード」及び「ＴＭ光」は、「ＴＥモード」及び「ＴＥ光」に置き換えられ、上記実施形態における「ＴＥモード」及び「ＴＥ光」は、「ＴＭモード」及び「ＴＭ光」に置き換えられる。
　また、上述した回路部４０，４０Ａにおいて、導波路Ｐ１，Ｐ２の両方に位相シフタが設けられてもよい。このような構成によれば、例えば、導波路Ｐ１に設けられた位相シフタ４４への供給電力を増加させる（屈折率を上昇させる）一方で、導波路Ｐ２に設けられた位相シフタへの供給電力を減少させる（屈折率を低下させる）といった動作（プッシュプル動作）によって、導波路Ｐ２に対する導波路Ｐ１の相対的な位相調整量の制御をより柔軟に実行することが可能となる。また、上述した回路部４０においては、導波路Ｐ３，Ｐ４の両方に位相シフタを設けてもよい。この場合、導波路Ｐ３，Ｐ４においても、上述した導波路Ｐ１，Ｐ２と同様のプッシュプル動作による位相調整量の制御が可能となる。
　１Ａ，１Ｂ，１Ｃ…光源ユニット、１０…ＱＣＬ（レーザ利得媒質）、２０，２０Ｃ…光集積回路、３０…外部共振器、４１…光カプラ（第１光結合器）、４２…光カプラ（第３光結合器）、４３…位相シフタ（第２位相シフタ）、４４…位相シフタ（第１位相シフタ）、４５…偏光回転スプリッタ（第２光結合器）、５０…光検出器、６０…制御装置（制御部）、ＬＳ…光源、ＰＦＢ…導波路（フィードバック導波路）、Ｐｉｎ…導波路（入力導波路）、Ｐｏｕｔ…導波路（出力導波路）、Ｐ１…導波路（第１導波路）、Ｐ２…導波路（第２導波路）、Ｐ３…導波路（第３導波路）、Ｐ４…導波路（第４導波路）。

Claims (10)

  1. 　波長可変に構成されると共に２μｍ以上の波長の光を出力する光源と、
    　基板、及び前記基板上に設けられた光導波路を含む光集積回路と、
    　前記光集積回路の少なくとも一部の動作を制御する制御部と、を備え、
    　前記光導波路は、
    　　前記光源からの入力光が入力される入力導波路と、
    　　前記入力導波路よりも下流に位置する第１導波路と、
    　　前記入力導波路よりも下流に位置する第２導波路と、
    　　前記入力光に応じた出力光を出力する出力導波路と、を含み、
    　前記光集積回路は、
    　　前記第１導波路及び前記第２導波路の各々の上流端に接続され、光の分岐及び合成を行う第１光結合器と、
    　　前記第１導波路及び前記第２導波路の各々の下流端と前記出力導波路の上流端とに接続され、光の分岐及び合成を行う第２光結合器と、
    　　前記第１導波路に設けられ、前記第１導波路を通過する光の位相を調整する第１位相シフタと、を有し、
    　前記制御部は、前記第１位相シフタの位相調整量を制御する、光源ユニット。
  2. 　前記第２光結合器は、前記第１導波路からの光と前記第２導波路からの光とを合成して互いに直交する２つの偏光成分の光を前記出力導波路に出力すると共に、前記出力導波路から入力される前記出力光に応じた反射光に含まれる互いに直交する２つの偏光成分の光を前記第１導波路及び前記第２導波路の各々に分離して出力するように構成されており、
    　前記制御部は、前記反射光に起因して前記第１導波路を上流側に向かう光と前記反射光に起因して前記第２導波路を上流側に向かう光とが前記入力導波路において逆相となるように、前記第１位相シフタの位相調整量を制御する、請求項１に記載の光源ユニット。
  3. 　前記光集積回路は、
    　　前記入力導波路からの前記入力光を入力し、前記入力光を第３導波路に出力される光と第４導波路に出力される光とに分岐させる第３光結合器と、
    　　前記第３導波路に設けられ、前記第３導波路を通過する光の位相を調整する第２位相シフタと、を更に有し、
    　前記第１光結合器は、前記第３導波路及び前記第４導波路の各々の下流端に接続されており、
    　前記制御部は、前記第２位相シフタの位相調整量を制御する、請求項１又は２に記載の光源ユニット。
  4. 　前記光集積回路は、
    　　前記第１光結合器に接続され、前記出力光に応じた反射光に起因して前記第１導波路及び前記第２導波路の各々を上流側に向かう光に基づいて前記第１光結合器で生成されるフィードバック光を通過させるフィードバック導波路と、
    　　前記フィードバック導波路の前記第１光結合器に接続される側とは反対側の端部に接続され、前記フィードバック光を検出する光検出器と、を更に有し、
    　前記制御部は、前記光検出器の検出結果に基づいて、前記第１位相シフタの位相調整量を制御する、請求項１又は２に記載の光源ユニット。
  5. 　前記光集積回路は、
    　　前記第３光結合器に接続され、前記出力光に応じた反射光に起因して前記第３導波路及び前記第４導波路の各々を上流側に向かう光に基づいて前記第３光結合器で生成されるフィードバック光を通過させるフィードバック導波路と、
    　　前記フィードバック導波路の前記第３光結合器に接続される側とは反対側の端部に接続され、前記フィードバック光を検出する光検出器と、を更に有し、
    　前記制御部は、前記光検出器の検出結果に基づいて、前記第１位相シフタ及び前記第２位相シフタの少なくとも一方の位相調整量を制御する、請求項３に記載の光源ユニット。
  6. 　前記光集積回路は、前記第１導波路及び前記第２導波路の少なくとも一方に形成された遅延回路を有する、請求項１～５のいずれか一項に記載の光源ユニット。
  7. 　前記光源は、レーザ利得媒質と、前記入力光の波長を制御する外部共振器とを有し、
    　前記外部共振器は、前記基板上に実装されている、請求項１～６のいずれか一項に記載の光源ユニット。
  8. 　前記制御部は、前記入力光の波長が所定の目標波長となるように前記外部共振器を制御すると共に、前記目標波長に応じて前記第１位相シフタの位相調整量を制御する、請求項７に記載の光源ユニット。
  9. 　前記レーザ利得媒質は、前記基板上に実装されていない、請求項７又は８に記載の光源ユニット。
  10. 　前記レーザ利得媒質は、前記基板上に実装されている、請求項７又は８に記載の光源ユニット。
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