JP2011253930A - 半導体光装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】半導体光装置1は、半導体光増幅器2と光波長選択素子3とを有し、光波長選択素子3は第1の光導波路21と、第1の光導波路21の結合導波路32に光学的に結合されるリング共振器22を有する。さらに、リング共振器22と光学的に結合される結合導波路41を含む第2の光導波路23が設けられており、第2の光導波路23には、波長選択反射鏡24が形成されている。波長選択反射鏡24は、垂直回折格子25からなり、リング共振器22で選択された共振モードのピークのうち、1つの共振モードのピークの波長を有する光を反射する。
【選択図】図1
Description
振器の共振モードがずれて出力が変動し易かった。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、温度が変化しても出力光の変動を抑制する半導体光装置を提供することを目的とする。
前述の一般的な説明および以下の詳細な説明は、典型例および説明のためのものであって、本発明を限定するためのものではない、と理解すべきである。
(第1の実施の形態)
図1に第1の実施の形態に係る半導体光装置の概略構成を示す。
図1の平面図に示すように、第1の実施の形態の半導体光装置1は、第1の光素子である半導体光増幅器(SOA:Semiconductor Optical Amplifier)2と、第2の光素子である光波長選択素子3とを有する。
図2に示すように、半導体光増幅器2は、基板10上に第1のクラッド層11と、第1の光閉じ込め層12と、光導波路となる活性層13と、第2の光閉じ込め層14と、第2のクラッド層15とが順番に積層された光導波路構造を有する積層体16を有する。
図1及び図3に示すように、光波長選択素子3は、例えばSiからなる基板20を有す
る。基板20の上には、第1の光導波路21と、リング共振器22と、第2の光導波路23とが設けられている。さらに、第2の光導波路23には、波長選択反射鏡24が形成されている。第1、第2の光導波路21,23、及びリング共振器22の幅は、それぞれ、例えば、0.5μmになっている。
図1に示すように、第1の光導波路21は、光波長選択素子3の一方の端面3Aから他方の端面3Bまで延び、その途中でリング共振器22の形状に沿って一部が湾曲している。第1の光導波路21の湾曲部分は、リング共振器22と光結合される結合導波路32になっている。
リング共振器22は、閉ループのリング状光導波路36を有する。図3に示すように、リング状光導波路36のコア27Bの断面形状は、第1の光導波路21のコア27Aと同様になっている。すなわち、リング状光導波路36は、基板20上のクラッド層26A,26Bに周囲を囲まれたコア27Bを有する。図1に示すように、リング状光導波路36は、平面視で円形になっており、その半径Rは、例えば8μmである。
における出力が迷光として光波長選択素子3内部に留まることが防止される。
図4の拡大平面図と、図1のIII−III線に沿った断面図である図5に示すように、波長選択反射鏡24には、第2の光導波路23に形成された垂直回折格子25が用いられている。垂直回折格子25は、第2の光導波路23のコア27Cの両側に突出する凸部25Aが、第2の光導波路23の長手方向に周期的に設けられた櫛波形を有する。凸部25Aは、第2の光導波路23の側部のそれぞれの同じ位置に、同じ形状で、かつ同一の周期で配置されている。
そして、このような波長選択反射鏡24と、半導体光増幅器2の高反射膜19を形成した他方の端面2Bとの間で、第1、第2の光導波路21,23及びリング共振器22により、共振器が形成される。
最初に、図2に示した半導体光増幅器2の形成方法について説明する。
まず、基板10上には、第1のクラッド層11としてn型InPをエピタキシャル成長させる。さらに、第1のクラッド層11の上に、第1の光閉じ込め層12として、アンドープInGaAsPをエピタキシャル成長させる。続いて、第1の光閉じ込め層12の上に、活性層13として、アンドープInGaAsをエピタキシャル成長させる。この上に、第2の光閉じ込め層14としてアンドープInGaAsPをエピタキシャル成長させた後、p型InPをエピタキシャル成長させて第2のクラッド層15を形成し、その上にp型InGaAsからなるコンタクト層15Aを形成する。そして、コンタクト層15A上にp側電極17を形成した後、基板10の下側主面上にn側電極18が形成される。
図6Aに示すように、光波長選択素子3には、Siの基板20上にSiO2からなるクラッド層26Aと、単結晶のSiの薄膜50とを積層させたSOI(Silicon On Insulator)基板51が用いられる。なお、クラッド層26Aの膜厚は、Siの薄膜50でコア27A〜27Cを形成したときに、コア27A〜27Cと基板20のSiとが光学的に結合されないような厚さに形成される。
7Aの両側に凸部25Aが周期的に複数形成された櫛歯を形成する。
まず、半導体光増幅器2の電極17,18間に駆動バイアスを印加する。これにより、活性層13で誘導放出が生じさせて、半導体光増幅器2が増幅された自然光の放出を開始する 。この光は、半導体光増幅器2の一方の端面2Aから光波長選択素子3の第1の光導波路21の入力端31Aに入射され、第1の光導波路21を伝播し、一部の光が結合導波路32によってリング共振器22に光学的に結合される。
なお、cは光速を示し、nは光導波路の屈折率を示す。
ここで、図7において、横軸は波長を示し、縦軸は透過率を示す。このリング共振器22において、共振モードのピークは、λ1、λ2、λ3、λ4、λ5というように、等間隔で現れ、その周期は例えば約10nmである。
示し、縦軸は垂直回折格子25の反射波長の3dB帯域の大きさを示す。また、図9の横軸は、垂直回折格子25の凸部25Aの幅Wを示し、縦軸は垂直回折格子25の反射率を示す。なお、図8及び図9は、図4に示す周期Tが300nm、長さLが100nm、繰り返し数Nが200回の垂直回折格子25についての結果が示されている。
また、図9に示すように、垂直回折格子25の反射率は、凸部25Aの幅Wが100nm付近で最も大きく、それよりも凸部25Aの幅Wが小さくなると減少する。また、凸部25Aの幅が大きくなると反射率は減少する。そして、凸部25Aの幅Wを30nmから150nmにすれば、−1dB以上の反射率が得られることがわかる。
リング共振器22に伝播した反射光は、第1の光導波路21の結合導波路32に伝播され、第1の光導波路21から半導体光増幅器2に入射する。さらに、反射光は、半導体光増幅器2の他方の端面2Bにおいて高反射膜19で反射される。
まず、図10に示すように、この実施の形態では、各光導波路21,23の結合導波路32,41は、リング共振器22の形状に倣って円弧状になっている。例えば、第1の光導波路21とリング共振器22の結合長さCL1は、第1の光導波路21とリング共振器22の間のギャップGPが一定となる部分の長さ、つまり対応する結合導波路32の長さ
に等しい。
図11において、ラインL11は、光導波路21,23とリング共振器22の間のギャップGPが100nmのときの結合長CL1と透過率の関係を示す。同様に、ラインL12と、ラインL13は、ギャップGPがそれぞれ200nmと、300nmのときの結合長CL1と透過率の関係を示す。
によって任意の共振モードを1つ選択してレーザ発振させることができる。また、光波長選択素子3は、2つの出力端33A,42Aを有するので、高出力のレーザ光が得られる。
図14に示す第1の変形例に係る半導体光装置61は、半導体光増幅器2と、光波長選択素子62とを有する。光波長選択素子62は、基板20上の第1の光導波路21のスルーポート33の出力端に第1の変調器63が接続されており、第1の変調器63の出力は、基板20に形成された光導波路64に接続されている。光導波路64は、光波長選択素子62一方の端面62Aに出力端64Aを有する。
また、第2の光導波路23のアッドポート42の出力端には、第2の変調器65が接続されており、第2の変調器65の出力は、光導波路66に接続されている。光導波路66は、光波長選択素子62の一方の端面62Aに出力端66Aを有する。
この半導体光装置61では、それぞれの光導波路21,23から出力された光を変調器63,65で変調させて、光信号を生成することができる。その他の作用及び効果は、半導体光装置1と同様である。
光結合器74の出力端は、基板20の上方に形成された光導波路76に接続されており、光導波路76は、光波長選択素子72の一方の端面72Aに出力端を形成している。光導波路76は、光波長選択素子72の一方の端面72Aに垂直な方向に対して15°の傾斜角度を有する。
図16に第2の実施の形態に係る半導体光装置の概略構成を示す。なお、図16において、図1と同じ構成要素には同一の符号を付してある。
半導体光装置81は、波長選択反射鏡24として、ギャップを有して形成された複数の格子82からなる回折格子83を有する。回折格子83は、例えば、反射波長の3dB帯域が10nmから15nmの間に収まり、かつ反射率が−1dB以上になるように、導波路82の周期T1や、光導波路82の長さL1、光導波路82の繰り返し数N1が設定されている。
半導体光増幅器2の出力端の傾斜角度や、光波長選択素子3の入力端31Aや出力端33A,42A,43A,64A,66Aの傾斜角度は、7°や15°に限定されない。また、傾斜角度を設けないことも可能である。
さらに、光導波路21,23は、断面が四角形のSiを用いたチャンネル構造になっているが、リッジ構造であっても良い。
第1の光素子である半導体光増幅器2の材料や構成や、第2の光素子である光波長選択素子3の材料は前記の各実施の形態に限定されない。第1の光素子は、光導波路を有する構成であれば良く、図1及び図2に示すような半導体光増幅器に限定されない。
(付記1) 光を増幅する第1の光素子と、前記第1の光素子に接続される第2の光素子と、を有し、前記第2の光素子は、前記第1の光素子の一端に光学的に結合される第1の光導波路と、前記第1の光導波路に光学的に結合されるリング共振器と、前記リング共振器に光学的に結合される第2の光導波路と、前記第2の光導波路に導かれた光が入射する波長選択反射鏡と、前記第1の光素子の他端に設けられ、前記波長選択反射鏡と共振器を形成する反射膜と、を含む半導体光装置。
(付記2) 前記第1の光導波路と、前記リング共振器と、前記第2の光導波路と、前記波長選択反射鏡とが、同じ基板上に形成されている付記1に記載の半導体光装置。
(付記3) 前記波長選択反射鏡は、導波路に両側部に凹凸を周期的に設けた垂直回折格子である付記1又は付記2に記載の半導体光装置。
(付記4) 前記波長選択反射鏡の反射率スペクトルの3dB帯域は、前記リング共振器の共振モードの複数のピークの発生間隔以上で、かつ前記発生間隔の1.5倍以下である付記1乃至付記3のいずれか一項に記載の半導体光装置。
(付記5) 前記波長選択反射鏡の反射スペクトルの3dB帯域は、10nm〜15nmの範囲内にある付記4に記載の半導体光装置。
(付記6) 前記リング共振器は、リング状の光導波路を有し、前記第1の光導波路、及び前記第2の光導波路は、それぞれが前記リング状の光導波路に沿って湾曲する結合導波路を有する付記1乃至付記5のいずれか一項に記載の半導体光装置。
(付記7) 前記第2の光導波路の前記結合導波路は、前記第2の光導波路から外部に光を出力する出力端と前記波長選択反射鏡との間に形成されている付記6に記載の半導体光装置。
(付記8) 前記第1の光素子内の光導波路と前記第1の光導波路が光学的に結合されるそれぞれの端面において、前記第1の光素子内の前記光導波路と前記第1の光導波路はそれぞれ異なる角度で光学的に結合されている付記1乃至付記7のいずれか一項に記載の半導体光装置。
(付記9) 前記第1の光導波路と前記第2の光導波路は、外部に光を出力する出力端がそれぞれ前記第2の光素子の同じ端面に形成されている付記1乃至付記7のいずれか一項に記載の半導体光装置。
2 半導体光増幅器(第1の光素子)
3,62,72 光波長選択素子(第2の光素子)
13 活性層
21 第1の光導波路
22 リング共振器
23 第2の光導波路
24 波長選択反射鏡
25 垂直回折格子
31A 入力端
32,41 結合導波路
33A,42A 出力端
Claims (5)
- 光を増幅する第1の光素子と、
前記第1の光素子に接続される第2の光素子と、
を有し、
前記第2の光素子は、
前記第1の光素子の一端に光学的に結合される第1の光導波路と、
前記第1の光導波路に光学的に結合されるリング共振器と、
前記リング共振器に光学的に結合される第2の光導波路と、
前記第2の光導波路に導かれた光が入射する波長選択反射鏡と、
前記第1の光素子の他端に設けられ、前記波長選択反射鏡と共振器を形成する反射膜と、
を含む半導体光装置。 - 前記第1の光導波路と、前記リング共振器と、前記第2の光導波路と、前記波長選択反射鏡とが、同じ基板上に形成されている請求項1に記載の半導体光装置。
- 前記波長選択反射鏡は、導波路の両側部に凹凸を周期的に設けた垂直回折格子である請求項1又は請求項2に記載の半導体光装置。
- 前記波長選択反射鏡の反射率スペクトルの3dB帯域は、前記リング共振器の共振モードの複数のピークの発生間隔以上で、かつ前記発生間隔の1.5倍以下である請求項1乃至請求項3のいずれか一項に記載の半導体光装置。
- 前記リング共振器は、リング状の光導波路を有し、前記第1の光導波路、及び前記第2の光導波路は、それぞれが前記リング状の光導波路に沿って湾曲する結合導波路を有する請求項1乃至請求項4のいずれか一項に記載の半導体光装置。
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