JP2019121691A - Integrated laser light source and optical transceiver using the same - Google Patents

Integrated laser light source and optical transceiver using the same Download PDF

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関口 茂昭
Shigeaki Sekiguchi
茂昭 関口
早川 明憲
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明憲 早川
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Abstract

To provide a light source which operates in a single mode over a wide temperature range and also has return-light resistance.SOLUTION: An integrated laser light source has: an optical waveguide substrate which has a silicon photonics waveguide and a mirror structure arranged on the silicon photonics waveguide or adjacently to the silicon photonics waveguide; and a distribution feedback type laser element which is mounted on a mounting surface formed on the optical waveguide substrate. An output end of the laser element faces an input end of the silicon photonics waveguide, and the mirror structure has a reflection band with a specific bandwidth including a Bragg wavelength of the laser element within a predetermined temperature range, and reflects part of light output from the laser element in the reflection band to feed it back to the laser element.SELECTED DRAWING: Figure 3

Description

本発明は、集積レーザ光源、及びこれを用いた光トランシーバに関する。   The present invention relates to an integrated laser light source and an optical transceiver using the same.

シリコンフォトニクスデバイスは、光インターコネクト向けの光トランシーバを実現するキーデバイスとして研究が進んでいる。シリコンフォトニクスでは、発光しないシリコンに代わり、他の材料系の光源を用いて光を導入している。   Silicon photonics devices are being investigated as key devices to realize optical transceivers for optical interconnects. In silicon photonics, light is introduced using light sources based on other materials instead of non-emitting silicon.

シリコンフォトニクス基板上に光源を搭載する場合、レーザ、アイソレータ、レンズ等の光学素子を組み込んだパッケージを基板上に高精度に搭載する構成が、従来用いられている。アイソレータをパッケージ内に配置することで、反射光がレーザに戻ることを防止して、動作が安定する。しかし、高精度に実装されるレーザパッケージの作製コストが高く、また、複数の光学素子を含むパッケージが大型化する。結果として、シリコンフォトニクスデバイスのサイズとコストも増大する。   When a light source is mounted on a silicon photonics substrate, a configuration in which a package incorporating optical elements such as a laser, an isolator, and a lens is mounted on the substrate with high accuracy is conventionally used. Placing the isolator in the package prevents reflected light from returning to the laser and stabilizes operation. However, the manufacturing cost of the laser package mounted with high accuracy is high, and the package including a plurality of optical elements is enlarged. As a result, the size and cost of silicon photonics devices also increases.

これに対し、レーザを直接シリコンフォトニクス基板に搭載し、レーザ光源の光導波路をシリコンの光導波路に結合する直接接合構造も実施されている。この構成は、小さなレーザチップをシリコンフォトニクス基板に搭載するため、専有面積が小さく、サイズとコストの低減が期待される。一方、直接接合型の構成ではアイソレータを挿入することができないので、シリコンフォトニクス回路からの戻り光、及びその前方からの戻り光がレーザ光源に戻る。戻り光による外乱によって、レーザ共振器内で帰還する光の位相が乱れ、ノイズが発生してレーザ動作が不安定になる。   On the other hand, a direct bonding structure in which a laser is directly mounted on a silicon photonics substrate and an optical waveguide of a laser light source is coupled to an optical waveguide of silicon is also implemented. Since this configuration mounts a small laser chip on a silicon photonics substrate, the area occupied is small, and size and cost reduction are expected. On the other hand, since the isolator can not be inserted in the direct junction type configuration, the return light from the silicon photonics circuit and the return light from the front thereof return to the laser light source. The disturbance due to the return light disturbs the phase of the light fed back in the laser resonator, generating noise and making the laser operation unstable.

戻り光耐性が高いレーザとして、量子ドット(QD:Quantum Dot)レーザがある。QDレーザは、電子とホールを微細なドット構造に閉じ込めるため、高温になってもキャリアの移動が抑制され、量子井戸レーザと比較して電流対光出力の温度依存性が小さい。しかし、温度変化の影響をまったく受けないわけではなく、環境温度の変化の影響を受けてマルチモード発振する場合がある。   There is a quantum dot (QD: Quantum Dot) laser as a laser having high return light resistance. In the QD laser, since electrons and holes are confined in a minute dot structure, carrier movement is suppressed even at high temperatures, and the temperature dependence of current versus light output is smaller as compared with a quantum well laser. However, it may not be completely unaffected by temperature changes, and multimode oscillation may occur under the influence of changes in environmental temperature.

共振器内部に回折格子を持つDFB(Distributed Feedback:分布帰還)レーザは、回折格子で選択される特定の波長を強め合うため、単一モードで発信する。半導体光増幅器(SOA:Semiconductor Optical Amplifier)と、グレーティングが設けられた石英の光回路素子とをシリコンベンチに搭載した光集積素子が知られている(たとえば、特許文献1参照)。この光集積素子のグレーティングは、外部共振器を構成している。また、光の一部がグレーティングにより半導体レーザに帰還される構成が知られている(たとえば、特許文献2参照)。   A DFB (Distributed Feedback) laser having a diffraction grating inside a resonator emits in a single mode in order to reinforce specific wavelengths selected by the diffraction grating. There is known an optical integrated device in which a semiconductor optical amplifier (SOA: Semiconductor Optical Amplifier) and a quartz optical circuit device provided with a grating are mounted on a silicon bench (see, for example, Patent Document 1). The grating of this optical integrated element constitutes an external resonator. There is also known a configuration in which part of light is fed back to a semiconductor laser by a grating (see, for example, Patent Document 2).

特開2004−117706号公報Unexamined-Japanese-Patent No. 2004-117706 特開平6−37386号公報JP-A-6-37386

DFBレーザの出力端面には、特定の波長の光を透過させる反射防止膜(ARコーティング)が設けられている。戻り光の影響を低減するためには、レーザ出射端面での反射率をある程度上げてレーザ帰還による光強度を強くし、戻り光の影響を相対的に小さくして位相攪乱を受けにくくすることが考えられる。しかし、この対策を単一モードDFBレーザに適用する場合、図1に示すように、レーザの利得スペクトルとブラッグ波長の温度依存性により、マルチモード発振またはDFBモードでの発振不足の問題が生じる。   The output end face of the DFB laser is provided with an antireflective film (AR coating) for transmitting light of a specific wavelength. In order to reduce the influence of the return light, the reflectance at the laser emission facet is increased to some extent to strengthen the light intensity by the laser feedback, and the influence of the return light is made relatively small to be less susceptible to phase disturbance. Conceivable. However, when this measure is applied to a single mode DFB laser, as shown in FIG. 1, the temperature dependence of the gain spectrum of the laser and the Bragg wavelength causes a problem of insufficient oscillation in multimode oscillation or DFB mode.

図1において、環境温度が0℃、35℃、70℃と変化すると、レーザ光源の利得と発振波長(ブラッグ波長)が変化する。発振波長はDFBレーザの構成材料の屈折率の温度依存性の影響を受け、利得は活性層のバンドギャップで決まる。温度変化の影響で、発振波長と利得ピークとが乖離する。   In FIG. 1, when the environmental temperature changes to 0 ° C., 35 ° C., and 70 ° C., the gain of the laser light source and the oscillation wavelength (Bragg wavelength) change. The oscillation wavelength is affected by the temperature dependence of the refractive index of the constituent material of the DFB laser, and the gain is determined by the band gap of the active layer. The oscillation wavelength and the gain peak diverge due to the influence of temperature change.

利得ピークとブラッグ波長を低温で一致するように設計すると、高温で利得が足りず、動作しない(70℃の利得スペクトルを参照)。高温でも動作するように利得ピークとブラッグ波長を高温で一致するように設計すると、低温側でブラッグ波長付近の利得が小さくなる。その結果、ブラッグ波長でDFBモードのしきい値利得に達するよりも先に、利得ピークがファブリ-ペロー(FP)モードでのしきい値利得に達し、マルチモード発振する(0℃の利得スペクトル参照)。   If the gain peak and the Bragg wavelength are designed to match at low temperature, the gain is insufficient at high temperature and does not work (see 70 ° C. gain spectrum). Designing the gain peak and the Bragg wavelength to coincide at high temperature so as to operate even at high temperature reduces the gain near the Bragg wavelength on the low temperature side. As a result, the gain peak reaches the threshold gain in the Fabry-Perot (FP) mode and multimode oscillation occurs (the gain spectrum reference at 0 ° C.) before the threshold wavelength of the DFB mode is reached at the Bragg wavelength. ).

このように、レーザ光源をシリコンフォトニクス導波路に直接結合する構成では、戻り光耐性と単一モード動作の両立が課題となる。   As described above, in the configuration in which the laser light source is directly coupled to the silicon photonics waveguide, compatibility between return light resistance and single mode operation becomes an issue.

本発明は、広い温度範囲で単一モード動作し、かつ戻り光耐性を備えた光源を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a light source which operates in a single mode in a wide temperature range and has return light resistance.

一つの態様では、集積レーザ光源は、
シリコンフォトニクス導波路と、前記シリコンフォトニクス導波路上または前記シリコンフォトニクス導波路に隣接して配置されるミラー構造とを有する光導波路基板と、
前記光導波路基板に形成された実装面に実装される分布帰還型のレーザ素子と、
を有し、
前記レーザ素子の出力端は前記シリコンフォトニクス導波路の入力端と対向しており、
前記ミラー構造は、所定の温度範囲での前記レーザ素子のブラッグ波長を含む特定の帯域幅の反射帯を有し、前記反射帯で前記レーザ素子から出力される光の一部を反射して、前記レーザ素子に帰還する。
In one aspect, the integrated laser light source
An optical waveguide substrate comprising: a silicon photonics waveguide; and a mirror structure disposed on or adjacent to the silicon photonics waveguide.
A distributed feedback laser device mounted on a mounting surface formed on the optical waveguide substrate;
Have
The output end of the laser element faces the input end of the silicon photonics waveguide,
The mirror structure has a reflection band of a specific bandwidth including the Bragg wavelength of the laser element in a predetermined temperature range, and reflects part of the light output from the laser element at the reflection band, It returns to the laser element.

一つの側面として、広い温度範囲で単一モード動作し、かつ戻り光耐性を備えた光源が実現される。   In one aspect, a light source operating in a single mode over a wide temperature range and with return light tolerance is realized.

戻り光耐性を高める対策をDFBレーザに適用した場合の問題点を説明する図である。It is a figure explaining the problem at the time of applying the measure which raises return light tolerance to DFB laser. 本発明の原理を説明する図である。It is a figure explaining the principle of the present invention. 実施形態の集積レーザ光源の基本構成を示す図である。It is a figure which shows the basic composition of the integrated laser light source of embodiment. 光導波路基板へのレーザ素子の実装例を示す図である。It is a figure which shows the example of mounting of the laser element to an optical waveguide board | substrate. 第1実施形態の集積レーザ光源の構成例である。It is a structural example of the integrated laser light source of 1st Embodiment. ミラー構造の一例としての回折格子の構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the diffraction grating as an example of a mirror structure. レーザ素子のDFB波長の離調量と、回折格子の反射率の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the detuning amount of DFB wavelength of a laser element, and the reflectance of a diffraction grating. 第2実施形態の集積レーザ光源の構成例である。It is a structural example of the integrated laser light source of 2nd Embodiment. 第3実施形態の集積レーザ光源の構成例である。It is a structural example of the integrated laser light source of 3rd Embodiment. 第4実施形態の集積レーザ光源の構成例である。It is a structural example of the integrated laser light source of 4th Embodiment. 位相シフタとしてヒータを用いる場合の構成例である。It is a structural example in the case of using a heater as a phase shifter. 集積レーザ光源の実際の動作時におけるコントローラの動作を示すフローチャートである。It is a flow chart which shows operation of a controller at the time of actual operation of an integrated laser light source. 集積レーザ光源10の動作温度と単一モード動作との関係を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the operating temperature of the integrated laser light source 10 and single mode operation. 各温度におけるレーザ素子の利得ピーク、ブラッグ波長、光導波路基板側のミラー構造の中心波長、及びヒータ電力の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship of the gain peak of a laser element in each temperature, a Bragg wavelength, the center wavelength of the mirror structure by the side of an optical waveguide board | substrate, and heater electric power. 実施形態の集積レーザ光源の適用例を示す図である。It is a figure which shows the application example of the integrated laser light source of embodiment.

図2は、本発明の原理を説明する図である。ブラッグ波長での単一モード発振を生じさせ、及び/またはマルチモード発振を防止するために、レーザ素子のブラッグ波長の変動範囲を含む所定の波長帯域でDFBモードのしきい値利得を下げる。図2では、0℃、35℃、70℃でのブラッグ波長の変動を含む範囲で、DFBモード閾値利得が部分的に低くなっているが、FPモードのしきい値利得は、高いままに維持される。これを実現するために、レーザ素子のブラッグ波長を含む所定の波長帯に反射帯域を有するミラー構造を、シリコンフォトニクス基板に設ける。   FIG. 2 is a diagram for explaining the principle of the present invention. In order to cause single mode oscillation at the Bragg wavelength and / or prevent multimode oscillation, the threshold gain of the DFB mode is lowered at a predetermined wavelength band including the fluctuation range of the Bragg wavelength of the laser element. In FIG. 2, the DFB mode threshold gain is partially lowered in the range including the variation of Bragg wavelength at 0 ° C, 35 ° C and 70 ° C, but the threshold gain in FP mode remains high. Be done. In order to realize this, a mirror structure having a reflection band in a predetermined wavelength band including the Bragg wavelength of the laser element is provided on the silicon photonics substrate.

シリコンフォトニクス基板に設けられるミラー構造は、レーザ素子の共振を一定程度だけ強めて、外部からの戻り光の影響を相対的に小さくする。シリコンフォトニクス基板にミラー構造を設けることで、レーザ素子の出射端面に低反射膜を設けるのと等価の構成を実現する。   The mirror structure provided on the silicon photonics substrate strengthens the resonance of the laser element by a certain degree to relatively reduce the influence of the return light from the outside. By providing the mirror structure on the silicon photonics substrate, a configuration equivalent to providing a low reflection film on the emission end face of the laser element is realized.

レーザ素子の出射端面に直接低反射膜をつけると、マルチモード発振しやすくなり、また、光損失が増える。シリコンフォトニクス技術を利用して、低反射膜と同等の機能を実現することで、必要な帯域で必要な量の光をレーザ素子に戻して、マルチモード発振を防止するとともに、外部からの戻り光の影響を緩和する。ミラー構造の反射帯域幅と反射率を適切に制御することで、マルチモード発振を防止し、かつ外部からの戻り光の影響を低減することができる。   If a low reflection film is directly attached to the emission end face of the laser element, multimode oscillation is facilitated and light loss increases. By realizing the same function as the low reflection film using silicon photonics technology, the necessary amount of light is returned to the laser element in the necessary band to prevent multimode oscillation and return light from the outside To mitigate the effects of By appropriately controlling the reflection bandwidth and reflectance of the mirror structure, it is possible to prevent multimode oscillation and reduce the influence of light returned from the outside.

図2において、ブラッグ波長近傍での反射帯域幅を広くしすぎると、FPモードの閾値利得が低下する領域が広がり、低温(たとえば0℃)での利得ピークがPFモード閾値利得に達するおそれがある。低温側でのマルチモード発振を防止するために、反射率にもよるが、反射帯域幅の上限を30nmとする。30nmを超えると、発振してほしくない帯域でマルチモード発振するおそれがある。   In FIG. 2, if the reflection bandwidth near the Bragg wavelength is too wide, the region where the threshold gain of the FP mode decreases is broadened, and the gain peak at low temperature (for example, 0 ° C.) may reach the PF mode threshold gain. . In order to prevent multimode oscillation at the low temperature side, the upper limit of the reflection bandwidth is set to 30 nm, although it depends on the reflectance. If it exceeds 30 nm, multimode oscillation may occur in a band in which oscillation is not desired.

ブラッグ波長は温度変化により変動し、またDFBレーザの回折格子の製造ばらつきによっても変動する。そのため、反射帯域の下限を、温度変化と製造ばらつきの少なくとも一方に依存するブラッグ波長の変動範囲をカバーする10nmとする。10nmよりも狭くなると、温度依存性を有するブラッグ波長の発振に十分に寄与できなくなる。   The Bragg wavelength fluctuates due to temperature change, and also fluctuates due to manufacturing variations of the DFB laser diffraction grating. Therefore, the lower limit of the reflection band is set to 10 nm which covers the fluctuation range of the Bragg wavelength depending on at least one of temperature change and manufacturing variation. If it is narrower than 10 nm, it can not sufficiently contribute to the oscillation of the Bragg wavelength having temperature dependency.

一例として、環境の温度変化の範囲が80℃の場合、温度変化によるDFB波長の変動範囲は8nm程度、製造ばらつきによるDFB波長の変動範囲が10nmとすると、ミラー構造の反射帯域幅は20nm程度に設計される。   As an example, when the temperature change range of the environment is 80 ° C., the fluctuation range of the DFB wavelength due to the temperature change is about 8 nm, and the fluctuation range of the DFB wavelength due to manufacturing variations is 10 nm, the reflection bandwidth of the mirror structure is about 20 nm Designed.

ミラー構造の反射率は、ブラッグ波長近傍でのDFBモードしきい値利得の低下を決める。反射率が高すぎると、閾値利得が低下するが、高出力を得ることができない。反射率が小さすぎると、外部からの戻り光の影響を十分に緩和することができず、戻り光耐性が不十分になる。そこで、後述する手法で、ミラー構造の反射率と反射帯域幅を最適に設計する。   The reflectivity of the mirror structure determines the reduction in DFB mode threshold gain near the Bragg wavelength. If the reflectivity is too high, the threshold gain is reduced but high power can not be obtained. If the reflectance is too small, the influence of external return light can not be sufficiently mitigated, and the return light resistance becomes insufficient. Therefore, the reflectance and reflection bandwidth of the mirror structure are optimally designed by a method described later.

DFBモードで発振しているときには、ミラー構造から適切な量の帰還を得て、戻り光耐性を高め、かつ単一モードでの安定動作を実現する。反射光の帯域幅を制御することで反射光をDFBモードにのみ帰還し、FPモードへの帰還を回避して、ブラッグ波長での単一モード動作を安定的に得る。   When oscillating in the DFB mode, an adequate amount of feedback is obtained from the mirror structure to enhance the resistance to return light and realize stable operation in a single mode. By controlling the bandwidth of the reflected light, the reflected light is fed back only to the DFB mode, and feedback to the FP mode is avoided to stably obtain single mode operation at the Bragg wavelength.

ミラー構造の中、ミラー構造とレーザ素子の間に位相変化を制御する位相シフタを配置してもよい。位相シフタを配置することで、レーザ素子自体が単一モードで動作する位相状態にない場合でも、集積レーザ光源の全体として単一モードで動作する動作点に制御することができる。位相シフタの制御量を温度に応じて制御してもよい。   In the mirror structure, a phase shifter may be disposed between the mirror structure and the laser element to control phase change. By arranging the phase shifter, even when the laser element itself is not in the phase state operating in the single mode, it is possible to control to the operating point operating in the single mode as a whole of the integrated laser light source. The control amount of the phase shifter may be controlled according to the temperature.

以下で、集積レーザ光源の具体的な構成例を説明する。   Below, the specific structural example of an integrated laser light source is demonstrated.

<基本構成>
図3は、実施形態の集積レーザ光源10の基本構成を示す。図3(A)は断面図、図3(B)は上面図である。集積レーザ光源10は、シリコンフォトニクス技術で作製された光導波路32を有する光導波路基板30と、光導波路基板30に実装されるレーザ素子20を有する。
<Basic configuration>
FIG. 3 shows the basic configuration of the integrated laser light source 10 of the embodiment. FIG. 3A is a cross-sectional view, and FIG. 3B is a top view. The integrated laser light source 10 includes an optical waveguide substrate 30 having an optical waveguide 32 manufactured by silicon photonics technology, and a laser element 20 mounted on the optical waveguide substrate 30.

レーザ素子20は、たとえば、室温(25℃)で1.29μmを利得ピークとする量子ドットを活性層に持つ量子ドットレーザである。レーザ素子20の光軸方向の素子長は、たとえば600μmである。レーザ素子20の光導波路基板30に接続される出力側の端面には、反射防止膜(AR)が形成されている。出力端面と反対側の端面(後端面)には、高反射膜(HR)が形成されている。   The laser element 20 is a quantum dot laser which has a quantum dot which makes 1.29 micrometers a gain peak at room temperature (25 ° C), for example in an active layer. The element length of the laser element 20 in the optical axis direction is, for example, 600 μm. An antireflective film (AR) is formed on the end face on the output side of the laser element 20 connected to the optical waveguide substrate 30. A high reflection film (HR) is formed on the end face (rear end face) opposite to the output end face.

レーザ素子20の光導波路21は活性層を含む光閉じ込め層であり、上下をクラッドで挟まれている。光導波路21のバンドギャップはクラッドよりも小さく、屈折率はクラッドよりも高い。光導波路21は、上下方向だけではなく水平方向も低屈折率のクラッドで囲んだ屈折率導波路であってもよい。あるいは、ストライプ状の電流注入領域で定義される利得導波路であってもよい。また、図3のような埋め込み型導波路に替えて、リッジ型の導波路を用いてもよい。   The optical waveguide 21 of the laser device 20 is an optical confinement layer including an active layer, and is vertically sandwiched by cladding. The band gap of the optical waveguide 21 is smaller than that of the cladding, and the refractive index is higher than that of the cladding. The optical waveguide 21 may be a refractive index waveguide surrounded by a low refractive index cladding not only in the vertical direction but also in the horizontal direction. Alternatively, it may be a gain waveguide defined by stripe-shaped current injection regions. Also, instead of the embedded waveguide as shown in FIG. 3, a ridge waveguide may be used.

光導波路21には、中央部を除いて、全体に均一な周期の回折格子22が形成されている。回折格子22は、たとえば活性層とクラッドの境界に形成されている。素子の中央には周期構造のない位相シフタ(PS)が形成されていてもよい。回折格子22の周期は、室温(25℃)でブラッグ波長が1.309μmとなるように設計されている。   In the optical waveguide 21, a diffraction grating 22 having a uniform period is formed overall, except for the central portion. The diffraction grating 22 is formed, for example, at the boundary between the active layer and the cladding. A phase shifter (PS) without a periodic structure may be formed at the center of the element. The period of the diffraction grating 22 is designed to have a Bragg wavelength of 1.309 μm at room temperature (25 ° C.).

レーザ素子20は、光導波路基板30の実装面35にマウントされている。光導波路基板30は、たとえばSOI(Silicon on Insulator)ウェーハで作製されており、シリコン基板31上に、シリコン層を導波路コアとする光導波路32を有する。シリコンコアの光導波路32は、二酸化ケイ素のクラッド39で囲まれている。   The laser element 20 is mounted on the mounting surface 35 of the optical waveguide substrate 30. The optical waveguide substrate 30 is made of, for example, an SOI (Silicon on Insulator) wafer, and has an optical waveguide 32 having a silicon layer as a waveguide core on a silicon substrate 31. The silicon core optical waveguide 32 is surrounded by a silicon dioxide cladding 39.

光導波路32のうち、少なくともレーザ素子20と光学的に接続する端部領域が、光導波路基板30への入力導波路となっている。入力導波路の先端は、レーザ素子20からの出力光を効率良く光導波路32に入力するためのスポットサイズ変換導波路33になっている。スポットサイズ変換導波路33は、レーザ素子20の出力端でのモード径と、光導波路32の入力端でのモード径が概ね一致するように、テーパ形状を有する。   In the optical waveguide 32, at least an end region optically connected to the laser element 20 is an input waveguide to the optical waveguide substrate 30. The tip of the input waveguide is a spot size conversion waveguide 33 for efficiently inputting the output light from the laser element 20 into the optical waveguide 32. The spot size conversion waveguide 33 has a tapered shape so that the mode diameter at the output end of the laser element 20 and the mode diameter at the input end of the optical waveguide 32 substantially match.

一例として、光導波路32の高さは約250nm、幅は約400nmである。スポットサイズ変換導波路33は、先端に向かって導波路幅が徐々に狭くなるシリコン導波路であり、先端の幅は約180nmである。光導波路32とスポットサイズ変換導波路33は、シリコンフォトニクス技術により一回の加工工程で形成される。光導波路32とスポットサイズ変換導波路33を合わせて、「シリコンフォトニクス導波路」と呼んでもよい。   As an example, the height of the optical waveguide 32 is about 250 nm and the width is about 400 nm. The spot size conversion waveguide 33 is a silicon waveguide whose waveguide width gradually narrows toward the tip, and the width of the tip is about 180 nm. The optical waveguide 32 and the spot size conversion waveguide 33 are formed in one processing step by silicon photonics technology. The optical waveguide 32 and the spot size conversion waveguide 33 may be collectively referred to as a “silicon photonics waveguide”.

光導波路基板30のレーザ素子20が実装される領域には、レーザ素子20を配置する実装面35が形成されている。実装面の深さは、レーザ素子20の光導波路21と、シリコンフォトニクス光導波路の高さ(より具体的にはスポットサイズ変換導波路33の端面の高さ)が一致するように、設計されている。   In the region of the optical waveguide substrate 30 on which the laser element 20 is mounted, a mounting surface 35 on which the laser element 20 is disposed is formed. The depth of the mounting surface is designed so that the height of the optical waveguide 21 of the laser element 20 and the height of the silicon photonics optical waveguide (more specifically, the height of the end face of the spot size conversion waveguide 33) match. There is.

レーザ素子20は、金属はんだ層38により、実装面35に接続されている。金属はんだ層38は、たとえばAuSn層である。金属はんだ層38は、レーザ素子20を搭載するときに加熱溶融されて、レーザ素子20を光導波路基板30に融着する。   The laser element 20 is connected to the mounting surface 35 by the metal solder layer 38. The metal solder layer 38 is, for example, an AuSn layer. The metal solder layer 38 is heated and melted when the laser element 20 is mounted, and fuses the laser element 20 to the optical waveguide substrate 30.

レーザ素子20の光導波路21の出力端と、光導波路基板30の光導波路32の入力端(より具体的にはスポットサイズ変換導波路33の先端)は、レーザ出力光が効率良くシリコンフォトニクス導波路に結合するように、5μm以下の間隙34を有して水平方向の直線状に整列している。この配置構成でのレーザ素子20と光導波路32の間の結合損失は、約1.5dBである。   The laser output light is efficiently transmitted through the output end of the optical waveguide 21 of the laser element 20 and the input end of the optical waveguide 32 of the optical waveguide substrate 30 (more specifically, the tip of the spot size conversion waveguide 33). Are aligned horizontally in a straight line with a gap 34 of less than 5 .mu.m. The coupling loss between the laser element 20 and the optical waveguide 32 in this arrangement is about 1.5 dB.

図3の特徴として、光導波路基板30の光導波路32上に、レーザ素子20に光の一部を帰還するためのミラー構造40が設けられている。ミラー構造40は、後述するようにシリコンの光導波路32上に形成された回折格子の反射鏡、あるいは回折格子と方向性結合器などの分岐器を組み合わせた反射鏡などである。   As a feature of FIG. 3, a mirror structure 40 for returning a part of light to the laser element 20 is provided on the optical waveguide 32 of the optical waveguide substrate 30. The mirror structure 40 is a reflecting mirror of a diffraction grating formed on a silicon optical waveguide 32 as described later, or a reflecting mirror combining a diffraction grating and a splitter such as a directional coupler.

ミラー構造40からレーザ素子20へは、レーザ素子の出射光の4%〜10%、好ましくは5%〜9%の範囲で、光の一部が帰還される。レーザ素子20とミラー構造40の少なくとも一方に位相調整器を設けることで、光の帰還は最適な位相状態で得られる。4%よりも少なくなると、外部からの戻り光の影響を十分に低減することが困難になる。10%を超えると、集積レーザ光源10の出力パワーに影響する。   A part of light is fed back from the mirror structure 40 to the laser element 20 in the range of 4% to 10%, preferably 5% to 9% of the emitted light of the laser element. By providing a phase adjuster in at least one of the laser element 20 and the mirror structure 40, optical feedback can be obtained in an optimal phase state. When it is less than 4%, it becomes difficult to sufficiently reduce the influence of the external return light. If it exceeds 10%, the output power of the integrated laser light source 10 is affected.

図4は、光導波路基板30へのレーザ素子20の実装例を示す。レーザ素子20は、光導波路基板30の実装面35にフリップチップ接合される。実装面35に形成されたアライメントマーク37と、レーザ素子20の底面に形成されたアライメントマーク37を用いて、レーザ素子20を光導波路基板30に対して位置合わせし、レーザ素子20の電極23と、実装面35の電極36を溶融接合する。   FIG. 4 shows an example of mounting the laser element 20 on the optical waveguide substrate 30. The laser element 20 is flip chip bonded to the mounting surface 35 of the optical waveguide substrate 30. The laser element 20 is aligned with the optical waveguide substrate 30 using the alignment mark 37 formed on the mounting surface 35 and the alignment mark 37 formed on the bottom surface of the laser element 20, and the electrode 23 of the laser element 20 , Melt-join the electrode 36 of the mounting surface 35.

光導波路基板30は複数の光導波路32を含むシリコン導波路アレイ32aを有し、各光導波路32の先端にスポットサイズ変換導波路33が形成されている。各光導波路32にミラー構造40が配置されている。光導波路アレイ32aを設けることで、複数チャネルでの光通信が実現される。   The optical waveguide substrate 30 has a silicon waveguide array 32 a including a plurality of optical waveguides 32, and a spot size conversion waveguide 33 is formed at the tip of each optical waveguide 32. A mirror structure 40 is disposed in each of the optical waveguides 32. By providing the optical waveguide array 32a, optical communication in a plurality of channels is realized.

このような集積レーザ光源10は、たとえば、データセンタ内での短距離光通信に用いられる。データセンタでの用途では、集積レーザ光源10は、膨大な量のデータを扱うLSIデバイス等と同じブレード上に配置されることが多い。ヒートシンク等の冷却機構を併用しても、集積レーザ光源10が置かれる環境での温度変化の範囲は80℃以上に及ぶ場合がある。集積レーザ光源10では、レーザ素子20への帰還光の割合と反射帯域幅が適切に設計されているので、環境の温度変化や製造ばらつきにかかわらず、単一のDFBモードで安定してレーザ発振し、かつ戻り光に対する耐性を備えている。   Such an integrated laser light source 10 is used, for example, for short distance optical communication in a data center. In data center applications, the integrated laser light source 10 is often placed on the same blade as an LSI device or the like that handles a huge amount of data. Even when a cooling mechanism such as a heat sink is used in combination, the range of temperature change in the environment where the integrated laser light source 10 is placed may reach 80 ° C. or more. In the integrated laser light source 10, since the ratio of the feedback light to the laser element 20 and the reflection bandwidth are properly designed, the laser oscillation is stably performed in a single DFB mode regardless of the temperature change of the environment and the manufacturing variation. And resistance to return light.

以下の例では、図示の簡便のために、一本の光導波路32と、対応するミラー構造40に着目して説明する。   In the following example, for simplicity of illustration, attention is focused on one optical waveguide 32 and the corresponding mirror structure 40.

<第1実施形態>
図5は、第1実施形態の集積レーザ光源10Aの構成例を示す概略上面図である。第1実施形態では、ミラー構造40として、光導波路32上に形成された回折格子41の反射鏡40Aを用いる。レーザ素子20は、図3を参照して説明したのと同様に、回折格子22を有するDFB量子ドットレーザである。回折格子22の中央部には、図3のように周期構造のない位相シフタが形成されていてもよい。レーザ素子20の活性層は、室温(25℃)で1.29μmを利得ピークとする量子ドットの層を有し、回折格子22のブラッグ波長は1.3μmの近傍に設定されている。
First Embodiment
FIG. 5 is a schematic top view showing a configuration example of the integrated laser light source 10A of the first embodiment. In the first embodiment, as the mirror structure 40, a reflecting mirror 40A of the diffraction grating 41 formed on the optical waveguide 32 is used. The laser element 20 is a DFB quantum dot laser having a diffraction grating 22 as described with reference to FIG. At the center of the diffraction grating 22, a phase shifter without a periodic structure may be formed as shown in FIG. The active layer of the laser element 20 has a quantum dot layer having a gain peak of 1.29 μm at room temperature (25 ° C.), and the Bragg wavelength of the diffraction grating 22 is set in the vicinity of 1.3 μm.

このようなレーザ素子20の一例として、たとえば、GaAs上にInAs量子ドットを形成し、InAsとGaAsの結晶成長を交互に10〜20回繰り返した、多層構造の量子ドットレーザを用いる。活性層の最上層にGaAsの周期的な溝構造を形成してInGaPで埋め込むことで、回折格子22が形成される。   As an example of such a laser device 20, for example, a quantum dot laser with a multilayer structure in which InAs quantum dots are formed on GaAs and crystal growth of InAs and GaAs is alternately repeated 10 to 20 times is used. A diffraction grating 22 is formed by forming a periodic trench structure of GaAs in the uppermost layer of the active layer and embedding it with InGaP.

光導波路基板30の光導波路32上に形成される回折格子41の反射中心波長は1.3μm、中心波長近傍での反射帯域幅は約20nmである。回折格子41は、レーザ素子20から出力された光の一部、好ましくは出力光パワーの4%から10%の範囲で光を反射する。反射率は、反射帯域幅に応じて適切に設計することができる。   The reflection center wavelength of the diffraction grating 41 formed on the optical waveguide 32 of the optical waveguide substrate 30 is 1.3 μm, and the reflection bandwidth near the center wavelength is about 20 nm. The diffraction grating 41 reflects light in part of the light output from the laser element 20, preferably in the range of 4% to 10% of the output light power. The reflectivity can be designed appropriately according to the reflection bandwidth.

図6は、回折格子41の構成例である。回折格子41は、シリコンの光導波路32とクラッド39の界面42に形成される。光導波路32の高さhは、たとえば220nm、線幅は400nmである。光導波路32の下側のクラッド層39aの厚さは2μm以上、上側のクラッド層39bの厚さは2μm以上である。下側のクラッド層39aは、SOIウェーハの埋め込み酸化層であってもよい。上側のクラッド層39bは、エッチングによるシリコンの光導波路32の形成後に成膜されたシリコン酸化層であってもよい。   FIG. 6 is a configuration example of the diffraction grating 41. As shown in FIG. The diffraction grating 41 is formed at the interface 42 between the silicon optical waveguide 32 and the cladding 39. The height h of the optical waveguide 32 is, for example, 220 nm, and the line width is 400 nm. The thickness of the lower cladding layer 39a of the optical waveguide 32 is 2 μm or more, and the thickness of the upper cladding layer 39b is 2 μm or more. The lower cladding layer 39a may be a buried oxide layer of the SOI wafer. The upper cladding layer 39 b may be a silicon oxide layer formed after the formation of the silicon optical waveguide 32 by etching.

図6の例では、光導波路32の上面とクラッド39の界面42に回折格子41が形成される。回折格子41は、一例として、線幅Wが450nm、周期的に配置される格子47の長さLは500nm、1周期の長さが200nm程度、繰り返し数(周期数)は160であるが、この例に限定されない。レーザ素子20のブラッグ波長と、反射鏡40Aを形成する回折格子41の中心波長がほぼ一致する範囲で、周期数等を変更してもよい。   In the example of FIG. 6, the diffraction grating 41 is formed at the interface 42 between the upper surface of the optical waveguide 32 and the cladding 39. The diffraction grating 41 has, for example, a line width W of 450 nm, a length L of the periodically arranged grid 47 of 500 nm, a length of one cycle of about 200 nm, and a repetition number (period number) of 160. It is not limited to this example. The number of periods or the like may be changed in a range in which the Bragg wavelength of the laser element 20 substantially coincides with the central wavelength of the diffraction grating 41 forming the reflecting mirror 40A.

図7は、レーザ素子20の利得波長とブラッグ波長(DFB波長)の離調量と、回折格子41からレーザ素子20への反射率の関係を示す。上述のように、発振波長の温度依存性と利得の温度依存性とによって、ブラッグ波長と利得ピーク波長とが乖離し得る。レーザ素子20のブラッグ波長の利得ピーク波長からの離調量(横軸)は、あらかじめレーザ素子20の温度特性(図1参照)を測定することで取得可能である。縦軸は、FPモードでの発振が生じるときの最大の反射率である。   FIG. 7 shows the relationship between the gain wavelength of the laser element 20 and the detuning amount of the Bragg wavelength (DFB wavelength), and the reflectance from the diffraction grating 41 to the laser element 20. As described above, the Bragg wavelength and the gain peak wavelength may be separated due to the temperature dependency of the oscillation wavelength and the temperature dependency of the gain. The detuning amount (horizontal axis) from the gain peak wavelength of the Bragg wavelength of the laser element 20 can be obtained by measuring the temperature characteristic (see FIG. 1) of the laser element 20 in advance. The vertical axis is the maximum reflectance when oscillation in the FP mode occurs.

図7の例では、レーザ素子20の発振中心波長が利得ピーク波長から17nm以上離れたときに、レーザへの反射率が5%(縦軸の値で0.05)を超えたときにFPモード動作する。レーザ素子20の出力光パワーに対して5%の光を帰還する構成にするときは、反射帯域幅が30nm(15nm×2)以下の回折格子41を形成する。   In the example of FIG. 7, the FP mode operates when the reflectance to the laser exceeds 5% (the value of the vertical axis is 0.05) when the oscillation center wavelength of the laser element 20 is 17 nm or more away from the gain peak wavelength. . When the light of 5% of the output light power of the laser element 20 is to be fed back, the diffraction grating 41 having a reflection bandwidth of 30 nm (15 nm × 2) or less is formed.

図7と図2を参照すると、温度変化、製造ばらつき等によりブラッグ波長が変動する範囲を含む所定の範囲で、DFB発振モードに出射光の5%〜10%の光を帰還する。発振波長以外の範囲では、反射率を1%以下とすることで、図2のようにブラッグ波長の近傍でだけDFBモードのしきい値利得レベルを部分的に低くしたしきい値プロファイルが得られる。レーザ素子20の外部の光導波路32に回折格子41を設け、DFBモードの閾値利得のプロファイルを適切に設計することで、DFBモードにだけ光を帰還し、FPモードには帰還しない。これにより、ブラッグ波長での単一モード動作が安定的に得られ、かつ、外部からの戻り光の影響を低減することができる。   Referring to FIGS. 7 and 2, 5% to 10% of the emitted light is fed back to the DFB oscillation mode within a predetermined range including the range in which the Bragg wavelength fluctuates due to temperature change, manufacturing variation and the like. By setting the reflectance to 1% or less in the range other than the oscillation wavelength, it is possible to obtain a threshold profile in which the threshold gain level of the DFB mode is partially lowered only near the Bragg wavelength as shown in FIG. . By providing the diffraction grating 41 in the optical waveguide 32 outside the laser element 20 and appropriately designing the profile of the threshold gain of the DFB mode, light is fed back only to the DFB mode and is not fed back to the FP mode. Thereby, single mode operation at the Bragg wavelength can be stably obtained, and the influence of light returned from the outside can be reduced.

また、図7の反射率プロファイルを離調量が小さくなる方向に補間して、中心波長での反射率を9%、反射帯域幅が20nm以下となるように、周期数7の5次の回折格子を形成してもよい。レーザ素子20のDFB(ブラッグ)波長と、光導波路基板30の回折格子41の中心波長をほぼ一致させ、ブラッグ波長と同期する回折格子を1次のブラッグ反射鏡としたときに、5倍(5×λB)の周期長で繰り返し数が7の回折格子を形成することで、同様の効果が得られる。 Further, the reflectance profile of FIG. 7 is interpolated in the direction of decreasing the detuning amount, and the fifth-order diffraction of period number 7 is performed so that the reflectance at the central wavelength is 9% and the reflection bandwidth is 20 nm or less. A grid may be formed. If the DFB (Bragg) wavelength of the laser element 20 substantially matches the center wavelength of the diffraction grating 41 of the optical waveguide substrate 30 and the diffraction grating synchronized with the Bragg wavelength is a first-order Bragg reflector, five times (5 A similar effect can be obtained by forming a diffraction grating with a repetition number of 7 and a period length of x λ B ).

<第2実施形態>
図8は、第2実施形態の集積レーザ光源10Bの構成例を示す概略上面図である。第2実施形態では、ミラー構造40として、光導波路32に隣接して配置される反射鏡40BAを用いる。反射鏡40Bは、シリコン導波路で形成された方向性結合器(または分岐器)42と、シリコン導波路で形成された回折格子(ブラッグ反射鏡)41とを有する。
Second Embodiment
FIG. 8 is a schematic top view showing a configuration example of an integrated laser light source 10B of the second embodiment. In the second embodiment, as the mirror structure 40, a reflecting mirror 40BA disposed adjacent to the optical waveguide 32 is used. The reflecting mirror 40B has a directional coupler (or branching device) 42 formed of a silicon waveguide and a diffraction grating (Bragg reflector) 41 formed of a silicon waveguide.

方向性結合器42の分岐率は30%程度である。回折格子41は、周期数が160であり、反射率が96%以上の帯域幅が約20nm、中心波長は室温(25℃)で1.311μmである。方向性結合器42で分岐された光のほとんど(96%以上)が回折格子41で反射され、再び方向性結合器42で30%の光が光導波路32に結合して、スポットサイズ変換導波路33を通ってレーザ素子20に帰還する。レーザ素子20の出力光に対する反射光の割合は、約9%である。   The branching ratio of the directional coupler 42 is about 30%. The diffraction grating 41 has a period number of 160, a bandwidth of about 20 nm with a reflectance of 96% or more, and a central wavelength of 1.311 μm at room temperature (25 ° C.). Most (96% or more) of the light branched by the directional coupler 42 is reflected by the diffraction grating 41, and 30% of the light is coupled again into the optical waveguide 32 by the directional coupler 42, and the spot size conversion waveguide It returns to the laser element 20 through 33. The ratio of the reflected light to the output light of the laser element 20 is about 9%.

反射鏡40Bは、反射率と反射帯域幅を個別に制御できる点で有利である。図5のようにシリコンの光導波路32上にミラー構造としての回折格子41を作り込む場合、回折格子41のみで反射率と反射帯域幅の双方を制御するので、設計と作製が複雑になる場合がある。これに対し、図8の構成では、反射帯域幅は回折格子41で制御し、反射率は方向性結合器42の分岐比で比較的容易に設計することができる。   The reflecting mirror 40B is advantageous in that the reflectance and the reflection bandwidth can be individually controlled. When the diffraction grating 41 as a mirror structure is formed on the silicon optical waveguide 32 as shown in FIG. 5, both the reflectance and the reflection bandwidth are controlled only by the diffraction grating 41, so that the design and manufacture become complicated There is. On the other hand, in the configuration of FIG. 8, the reflection bandwidth can be controlled by the diffraction grating 41, and the reflectance can be designed relatively easily by the branching ratio of the directional coupler 42.

反射鏡40Bからレーザ素子20に帰還する光により、レーザ素子20のDFB波長での共鳴が高くなり、外部からの戻り光の割合が相対的に小さくなる。レーザ素子20が図3のように中央部に位相シフタ(PS)を有する場合は、帰還した光の位相回転を調整して位相をそろえることができる。   The light returned from the reflecting mirror 40B to the laser element 20 causes the resonance at the DFB wavelength of the laser element 20 to be high, and the ratio of the return light from the outside is relatively reduced. When the laser element 20 has a phase shifter (PS) at the center as shown in FIG. 3, it is possible to adjust the phase rotation of the returned light to align the phases.

この構成でも、温度変化のある環境下で安定した単一モード発振を維持し、かつ外部からの戻り光の影響を低減することができる。   Even in this configuration, stable single mode oscillation can be maintained in an environment with temperature change, and the influence of light returned from the outside can be reduced.

<第3実施形態>
図9は、第3実施形態の集積レーザ光源10Cの構成例を示す概略上面図である。第3実施形態では、ミラー構造40として、光導波路32に隣接して配置される反射鏡40Cを用いる。反射鏡40Cは、シリコン導波路で形成されたリング共振器43a、リング共振器43b、方向性結合器42、及び回折格子41を有する。
Third Embodiment
FIG. 9 is a schematic top view showing a configuration example of an integrated laser light source 10C of the third embodiment. In the third embodiment, a reflecting mirror 40C disposed adjacent to the light guide 32 is used as the mirror structure 40. The reflecting mirror 40C has a ring resonator 43a formed of a silicon waveguide, a ring resonator 43b, a directional coupler 42, and a diffraction grating 41.

リング共振器43a、43bの共振周波数は、それぞれのリング導波路の屈折率と周長で決まる。リング共振器43aと43bは、その共振周波数がレーザ素子20の共振周波数と同等になるように設計されている。   The resonant frequency of the ring resonators 43a and 43b is determined by the refractive index and the circumferential length of each ring waveguide. The ring resonators 43 a and 43 b are designed such that their resonant frequency is equal to the resonant frequency of the laser element 20.

光導波路32とリング共振器43aの間のギャップと結合長、リング共振器43aとリング共振器43bの間のギャップと結合長、リング共振器43bと方向性結合器42の間のギャップと結合長によって、結合効率は決まる。したがって、これらのパラメータを適切に設計することで、結合比と通過帯域を制御することができる。一例として、第2実施形態と同様に、レーザ素子20からの出射光の30%が、光導波路32から回折格子41側に結合する構成とし、回折格子41での反射率を96%以上とする。回折格子41の反射帯域幅を、たとえば30nmに設定し、リング共振器43a及び43bで帯域幅をさらに絞ってもよい。   The gap and coupling length between the optical waveguide 32 and the ring resonator 43a, the gap and coupling length between the ring resonator 43a and the ring resonator 43b, the gap and coupling length between the ring resonator 43b and the directional coupler 42 The coupling efficiency is determined by Therefore, by appropriately designing these parameters, the coupling ratio and the passband can be controlled. As an example, as in the second embodiment, 30% of the light emitted from the laser element 20 is coupled from the optical waveguide 32 to the diffraction grating 41 side, and the reflectance of the diffraction grating 41 is 96% or more. . The reflection bandwidth of the diffraction grating 41 may be set to, for example, 30 nm, and the bandwidth may be further narrowed by the ring resonators 43a and 43b.

リング共振器43aと43bで反射率と反射帯域幅を微調整することができるので、回折格子41の反射率と反射帯域幅を広く、あるいは大まかに設計することができる。この構成でも、第2実施形態と同様に、温度変化のある環境下で安定した単一モード動作を維持し、かつ外部からの戻り光の影響を低減することができる。   Since the reflectance and the reflection bandwidth can be finely adjusted by the ring resonators 43a and 43b, the reflectance and the reflection bandwidth of the diffraction grating 41 can be designed wide or roughly. Also in this configuration, as in the second embodiment, stable single mode operation can be maintained in an environment with temperature change, and the influence of light returned from the outside can be reduced.

多連リング共振器で用いられるリング共振器43の数は2個に制限されず、適切な数のリング共振器をカスケード接続してもよい。リング共振器43の形状は、円形や楕円形に限定されず、レーストラック型、コーナーが所定の曲率半径で湾曲した正方形型など、適切な形状を選択することができる。   The number of ring resonators 43 used in the multiple ring resonator is not limited to two, and an appropriate number of ring resonators may be cascaded. The shape of the ring resonator 43 is not limited to a circle or an ellipse, and a suitable shape may be selected, such as a racetrack shape or a square shape having corners curved with a predetermined curvature radius.

<第4実施形態>
図10は、第4実施形態の集積レーザ光源10Dの構成例を示す概略上面図である。第4実施形態では、ミラー構造40として、光導波路32に隣接して配置される反射鏡40Dを用いる。反射鏡40Dでは、方向性結合器42と回折格子41の間に、位相シフタ44が配置されている。
Fourth Embodiment
FIG. 10 is a schematic top view showing a configuration example of an integrated laser light source 10D of the fourth embodiment. In the fourth embodiment, as the mirror structure 40, a reflecting mirror 40D disposed adjacent to the light guide 32 is used. In the reflecting mirror 40D, a phase shifter 44 is disposed between the directional coupler 42 and the diffraction grating 41.

位相シフタ44は、反射鏡40Dを形成するシリコンの光導波路を伝搬する光の位相回転量を制御する。位相シフタ44は、方向性結合器42と回折格子41の間に延びるシリコン導波路をヒータで加熱、または電圧を印加することで屈折率を変化させる構成であってもよい。あるいは、シリコン導波路にフォトニック結晶導波路を接続してスローライト効果により光の群速度を変化させる構成であってもよい。シリコン導波路で形成されたマッハツェンダ干渉計とフォトニック結晶導波路の組み合わせを用いてもよい。フォトニック結晶導波路は、CMOSプロセスを用いてシリコン導波路に規則的な微細な模様を形成して異なる材料(シリコン酸化膜)で埋め込むことで作製可能である。   The phase shifter 44 controls the amount of phase rotation of light propagating through the silicon optical waveguide forming the reflecting mirror 40D. The phase shifter 44 may be configured to change the refractive index by heating the silicon waveguide extending between the directional coupler 42 and the diffraction grating 41 with a heater or applying a voltage. Alternatively, a photonic crystal waveguide may be connected to the silicon waveguide to change the group velocity of light by the slow light effect. A combination of a Mach-Zehnder interferometer formed of a silicon waveguide and a photonic crystal waveguide may be used. The photonic crystal waveguide can be manufactured by forming a regular fine pattern in a silicon waveguide using a CMOS process and embedding it with a different material (silicon oxide film).

反射鏡40Dに位相シフタ44を設けることで、レーザ素子20が単一モード動作する位相状態にない場合でも、集積レーザ光源10Dが全体として単一モード動作する動作ポイントに制御することができる。   By providing the phase shifter 44 in the reflecting mirror 40D, the integrated laser light source 10D can be controlled to an operation point in which the integrated laser light source 10D operates in a single mode as a whole, even when the laser element 20 is not in a phase state in a single mode.

図11は、位相シフタ44としてヒータ44aを用いる場合の集積レーザ光源10Eの構成例を示す。集積レーザ光源10Eは、ミラー構造40として反射鏡40Eを有する。反射鏡40Eで用いられるヒータ44aは、方向性結合器42から延びるシリコン導波路の上に金属薄膜として形成されており、通電により発熱する。金属薄膜は、チタン(Ti)、タンタル(Ta)、白金(Pt)、これらの積層などで形成される。一例として、シリコン導波路の上にTiの金属膜を150μmの長さにわたって配置する。このとき、ヒータ44aで加熱されるシリコン導波路の熱容量は、約1mW/Kである。   FIG. 11 shows a configuration example of an integrated laser light source 10E in the case where the heater 44a is used as the phase shifter 44. The integrated laser light source 10E has a reflecting mirror 40E as a mirror structure 40. The heater 44a used in the reflecting mirror 40E is formed as a metal thin film on the silicon waveguide extending from the directional coupler 42, and generates heat by energization. The metal thin film is formed of titanium (Ti), tantalum (Ta), platinum (Pt), a laminate of these, or the like. As an example, a metal film of Ti is disposed over a length of 150 μm on a silicon waveguide. At this time, the heat capacity of the silicon waveguide heated by the heater 44a is about 1 mW / K.

光導波路基板30に温度モニタ48が配置される。温度モニタ48の出力はコントローラ70の入力に接続される。温度モニタ48は、たとえばpnダイオードセンサである。pnダイオードに一定の順方向電流を流しておき、pnダイオードの両端での電圧の変化を測定することで、温度変化をモニタする。コントローラ70は、モニタ結果に基づいてヒータ44aに印加される電流量を制御する。コントローラ70は、メモリとマイクロプロセッサの組み合わせ、またはメモリを内蔵するマイクロプロセッサで実現される。   A temperature monitor 48 is disposed on the optical waveguide substrate 30. The output of temperature monitor 48 is connected to the input of controller 70. The temperature monitor 48 is, for example, a pn diode sensor. A constant forward current is allowed to flow through the pn diode, and the temperature change is monitored by measuring the change in voltage across the pn diode. The controller 70 controls the amount of current applied to the heater 44a based on the monitoring result. The controller 70 is realized by a combination of a memory and a microprocessor, or a microprocessor incorporating a memory.

コントローラ70による制御は、たとえば以下のとおりである。集積レーザ光源10Eの作成後、計測器を用いて、たとえば80℃で単一モード動作する最適点のヒータ制御電力を計測しておく。この温度は、温度制御の基準温度となる。さらに、各温度に対するヒータ電力の関係をあらかじめ取得し、温度に対して温度モニタ48を校正しておく。   The control by the controller 70 is, for example, as follows. After production of the integrated laser light source 10E, the heater control power at the optimum point for single mode operation at, for example, 80 ° C. is measured using a measuring instrument. This temperature is a reference temperature for temperature control. Furthermore, the relationship between the heater power and each temperature is obtained in advance, and the temperature monitor 48 is calibrated with respect to the temperature.

図12は、集積レーザ光源10Eの動作時の、コントローラ70の動作を示すフローチャートである。実際の動作時は、レーザ素子20に所定の電流を注入した状態で、集積レーザ光源10Eの動作温度を温度モニタ48で計測する(S1)。計測した温度と基準温度(たとえば80℃)との差から、ヒータ44aの駆動電力(位相シフタへの入力値)を決定する(S2)。決定された電力値(入力値)でヒータ44aを駆動する(S3)。ステップS1〜S3の動作は、集積レーザ光源10Eが動作する間繰り返し行われるので、図12のフローはループになっている。   FIG. 12 is a flow chart showing the operation of the controller 70 during the operation of the integrated laser light source 10E. At the time of actual operation, in a state where a predetermined current is injected into the laser element 20, the operating temperature of the integrated laser light source 10E is measured by the temperature monitor 48 (S1). From the difference between the measured temperature and the reference temperature (for example, 80 ° C.), the drive power (input value to the phase shifter) of the heater 44a is determined (S2). The heater 44a is driven with the determined power value (input value) (S3). Since the operations of steps S1 to S3 are repeated while the integrated laser light source 10E operates, the flow of FIG. 12 is a loop.

図13は、集積レーザ光源10Eの動作温度と、単一モード動作との関係を示す図である。横軸がヒータ電力(mW)、縦軸が動作温度(℃)である。グレーの領域がマルチモードで動作する領域である。グラフの左下から右上へ対角に横切る白の領域が、単一モード動作領域である。単一モード動作領域の中央の直線が、温度に対するヒータ44aの制御値である。   FIG. 13 is a diagram showing the relationship between the operating temperature of the integrated laser light source 10E and the single mode operation. The horizontal axis is heater power (mW), and the vertical axis is operating temperature (° C.). The gray area is an area operating in the multi mode. The white area diagonally crossing from the lower left to the upper right of the graph is the single mode operation area. The straight line at the center of the single mode operation area is the control value of the heater 44a with respect to the temperature.

図13の測定に用いた集積レーザ光源10Eの諸元は以下のとおりである。   The specifications of the integrated laser light source 10E used for the measurement of FIG. 13 are as follows.

レーザ素子20(量子ドットDFBレーザ)の素子長:600μm
レーザ素子20の回折効率κ:30cm-1
レーザ素子の出射端面と後端面:ARとHR
レーザ出力端から反射鏡40Eの入力端までの距離:200μm
ヒータ長:150μm
温度モニタ48の測定結果に基づいてヒータ44aの駆動電力を制御することで、集積レーザ光源10Eを全体として最適な位相で動作させて、単一モード動作とすることができる。また、適切な量の反射光がDFBモードに帰還されているので、単一モード発振が維持され、かつ外部からの戻り光の影響を低減することができる。
Device length of the laser device 20 (quantum dot DFB laser): 600 μm
Diffraction efficiency: of the laser element 20: 30 cm -1
Output end face and rear end face of laser element: AR and HR
Distance from the laser output end to the input end of the reflector 40E: 200 μm
Heater length: 150 μm
By controlling the driving power of the heater 44a based on the measurement result of the temperature monitor 48, the integrated laser light source 10E can be operated at an optimum phase as a whole to achieve single mode operation. In addition, since an appropriate amount of reflected light is fed back to the DFB mode, single mode oscillation can be maintained and the influence of light returned from the outside can be reduced.

図14は、各動作温度でのレーザ素子20の活性層の利得ピーク波長、ブラッグ波長、光導波路基板30側のミラー構造40の中心波長、及びヒータ駆動電力を示す。レーザ素子20は、最適条件とした80℃において、利得ピークとブラッグ波長が概ね一致し、ミラー構造40の中心波長も一致する。このとき、ミラー構造40からレーザ素子20に対して、約5%の反射率相当の帰還が、最適な位相状態で得られる。この結果、単一のDFBモードでのレーザ発振と、戻り光に対する耐性が得られる。   FIG. 14 shows the gain peak wavelength of the active layer of the laser element 20, the Bragg wavelength, the center wavelength of the mirror structure 40 on the optical waveguide substrate 30, and the heater driving power at each operating temperature. At 80 ° C., which is the optimum condition, in the laser element 20, the gain peak and the Bragg wavelength substantially match, and the central wavelength of the mirror structure 40 also matches. At this time, a feedback equivalent to a reflectance of about 5% from the mirror structure 40 to the laser element 20 is obtained in an optimal phase state. As a result, laser oscillation in a single DFB mode and resistance to return light can be obtained.

0℃〜80℃の温度範囲で、ブラッグ波長は8nm変動している。これにレーザ素子20内の回折格子22の製造ばらつきによるブラッグ波長の変動分を加えて、ミラー構造40の反射帯域幅を20nmとする。   The Bragg wavelength fluctuates by 8 nm in the temperature range of 0 ° C. to 80 ° C. The fluctuation of the Bragg wavelength due to the manufacturing variation of the diffraction grating 22 in the laser element 20 is added to this to make the reflection bandwidth of the mirror structure 40 20 nm.

温度25℃では、レーザ素子20の利得ピーク波長は、レーザ素子20のブラッグ波長に対して約18nm、短波長になる。光導波路基板30の反射鏡40E(またはミラー構造)の中心波長はブラッグ波長に対して約1.7nm長波長となる。このとき、FPモードはミラー構造40の反射帯域の外側になるため、FPモードでは発振しない。他方、レーザ素子20のブラッグ波長はミラー構造40の反射帯域内にあるため、レーザ素子20のDFBモードへの帰還が得られ、外部からの戻り光に対する耐性が得られる。モニタ温度が25℃のときに、ヒータ電力を22.5mWとすることで、80℃のときと同じ位相状態が得られ、安定して単一モードで動作する。   At a temperature of 25 ° C., the gain peak wavelength of the laser element 20 is a short wavelength of about 18 nm with respect to the Bragg wavelength of the laser element 20. The central wavelength of the reflecting mirror 40E (or mirror structure) of the optical waveguide substrate 30 is about 1.7 nm longer than the Bragg wavelength. At this time, since the FP mode is outside the reflection band of the mirror structure 40, it does not oscillate in the FP mode. On the other hand, since the Bragg wavelength of the laser element 20 is within the reflection band of the mirror structure 40, feedback to the DFB mode of the laser element 20 can be obtained, and resistance to external return light can be obtained. When the monitor temperature is 25 ° C., by setting the heater power to 22.5 mW, the same phase state as in the case of 80 ° C. is obtained, and it operates stably in a single mode.

温度0℃では、レーザ素子20の利得ピーク波長は、レーザ素子20のブラッグ波長に対して約26nm、短波長になる。光導波路基板30のミラー構造40Eの中心波長はブラッグ波長に対して約2.4nm長波長となる。この場合も、レーザ素子20のDFBモードへの帰還が得られる。モニタ温度が25℃のときに、ヒータ電力を7.5mWとすることで、80℃のときと同じ位相状態が得られ、安定した単一モード動作が得られる。   At a temperature of 0 ° C., the gain peak wavelength of the laser element 20 is a short wavelength of about 26 nm with respect to the Bragg wavelength of the laser element 20. The central wavelength of the mirror structure 40E of the optical waveguide substrate 30 is about 2.4 nm longer than the Bragg wavelength. Also in this case, feedback to the DFB mode of the laser element 20 is obtained. When the monitor temperature is 25 ° C., by setting the heater power to 7.5 mW, the same phase state as at 80 ° C. is obtained, and stable single mode operation is obtained.

上記の実施形態では、レーザ素子20は量子ドットの活性層を有するものとしたが、シリコンに対して透明な波長で発光するものであれば、上述した実施形態と同様の効果が得られる。量子ドットを用いる場合は、キャリアの閉じ込めが強く利得波長の範囲が狭いため、本発明の効果が大きい。   In the above embodiment, the laser device 20 has the quantum dot active layer, but the same effect as the above embodiment can be obtained as long as it emits light at a wavelength transparent to silicon. When a quantum dot is used, the effect of the present invention is large because carrier confinement is strong and the range of gain wavelength is narrow.

また、上述した実施形態では、レーザ素子20の利得波長、ブラッグ波長、ミラー構造の中心波長を1.3μm帯としたが、実施形態のように反射帯域と反射率が適切に設計されたミラー構造を用いることで、一般的に光通信で使用する波長の範囲内で同様の効果が得られる。   Further, in the above-described embodiment, the gain wavelength of the laser element 20, the Bragg wavelength, and the center wavelength of the mirror structure are 1.3 μm bands, but a mirror structure in which the reflection band and the reflectance are appropriately designed as in the embodiment. By using the above, similar effects can be obtained within the range of wavelengths generally used in optical communication.

第2実施形態〜第4実施形態の構成では、ミラー構造40で用いられる回折格子41の反射帯域幅を20nm、周期数を160としたが、回折格子41の中心波長反射率がほぼ100%となる範囲で周期数を適宜変更しても、同様の効果が得られる。   In the configurations of the second to fourth embodiments, although the reflection bandwidth of the diffraction grating 41 used in the mirror structure 40 is 20 nm and the number of periods is 160, the central wavelength reflectance of the diffraction grating 41 is approximately 100%. The same effect can be obtained even if the number of cycles is appropriately changed within the following range.

第1実施形態のように、シリコン導波路上に直接ミラー構造としての回折格子41を形成する場合は、回折格子41の中心波長反射率を10%以下、反射帯域幅が20nm以下となるように、適切な反射鏡を形成してもよい。   As in the first embodiment, when the diffraction grating 41 as a mirror structure is directly formed on a silicon waveguide, the central wavelength reflectance of the diffraction grating 41 is 10% or less, and the reflection bandwidth is 20 nm or less. , Suitable reflectors may be formed.

<光トランシーバ>
図15は、実施形態の集積レーザ光源の適用例としての光トランシーバ1の概略図である。光トランシーバ1は、たとえばデータセンタ等の光インターコネクトに用いられる。
<Optical transceiver>
FIG. 15 is a schematic view of an optical transceiver 1 as an application example of the integrated laser light source of the embodiment. The optical transceiver 1 is used, for example, in an optical interconnect such as a data center.

光トランシーバ1は、光送受信フロントエンドで電気信号と光信号の間を変換する光電気変換回路50と、光電気変換回路50を駆動する駆動電子回路60を有する。   The optical transceiver 1 includes an optical-to-electrical conversion circuit 50 that converts between an electrical signal and an optical signal at an optical transmission / reception front end, and drive electronic circuit 60 that drives the optical-to-electrical conversion circuit 50.

光電気変換回路50は、レーザ光源110と、光変調部51と、光受信部52とを有する。レーザ光源110は、上述した実施形態の集積レーザ光源10、10A〜10Eのいずれを用いてもよい。   The photoelectric conversion circuit 50 includes a laser light source 110, a light modulator 51, and a light receiver 52. The laser light source 110 may use any of the integrated laser light sources 10 and 10A to 10E of the above-described embodiment.

送信側では、レーザ光源110から出力される光は、光変調部51に入射する。光変調部51は、たとえばマッハツェンダ(MZ)干渉計型の光変調器であり、所定の波長の入射光(搬送波)を多値変調するために用いられる。すなわち、レーザ光源110から入射する光を、駆動電子回路60から入力される高速の駆動電気信号で変調して、光ファイバ等の外部光配線に出力する。光変調器がシリコン導波路で形成された半導体変調器の場合は、集積レーザ光源10の基板31と同一基板上に、光変調器を形成することができる。   On the transmission side, the light output from the laser light source 110 enters the light modulation unit 51. The light modulation unit 51 is, for example, a Mach-Zehnder (MZ) interferometer type light modulator, and is used to perform multi-value modulation of incident light (carrier wave) of a predetermined wavelength. That is, the light incident from the laser light source 110 is modulated by a high-speed drive electrical signal input from the drive electronic circuit 60 and output to an external optical wiring such as an optical fiber. When the light modulator is a semiconductor modulator formed of a silicon waveguide, the light modulator can be formed on the same substrate as the substrate 31 of the integrated laser light source 10.

駆動電子回路60は、送信電気信号からその論理値に応じた高速の駆動信号を生成するドライバを有する。ドライバから出力される駆動電気信号で光変調部51が駆動される。   The drive electronics 60 comprise a driver which generates from the transmitted electrical signal a high speed drive signal according to its logic value. The light modulation unit 51 is driven by the drive electrical signal output from the driver.

受信側では、外部の光ファイバから入力される光信号が、光受信部52のフォトディテクタで検出される。フォトディテクタは、検出された光量に対応する光電流を駆動電子回路60に出力する。   On the reception side, an optical signal input from an external optical fiber is detected by the photodetector of the light reception unit 52. The photodetector outputs a photocurrent corresponding to the detected light amount to the drive electronic circuit 60.

駆動電子回路60は、光電流を電圧に変換するトランスインピーダンスアンプを有し、受信電気信号を、たとえばサーバブレード上のLSIチップ等に出力する。   The drive electronic circuit 60 has a transimpedance amplifier that converts the photocurrent into a voltage, and outputs the received electrical signal to, for example, an LSI chip on a server blade.

光トランシーバ1は、駆動電子回路60と光電気変換回路50が同一のパッケージ基板に搭載されたモジュールとして形成されてもよい。光トランシーバ1のレーザ光源100では、ミラー構造40により最適な反射帯域幅で最適量の光がレーザ素子20のDEBモードに帰還されている。したがって、単一モード動作が維持され、光変調部や外部の光ファイバ等からの戻り光の影響を低減して、高利得、低雑音の光源が実現される。   The optical transceiver 1 may be formed as a module in which the drive electronic circuit 60 and the photoelectric conversion circuit 50 are mounted on the same package substrate. In the laser light source 100 of the optical transceiver 1, an optimum amount of light is fed back to the DEB mode of the laser element 20 with the optimum reflection bandwidth by the mirror structure 40. Therefore, the single mode operation is maintained, and the influence of the return light from the light modulation unit, the external optical fiber, etc. is reduced, and a high gain, low noise light source is realized.

光トランシーバ1をたとえばLSIチップと同じボード上に配置することで、電気信号での伝送路を最小限にして、サーバ間、あるいはボード間などで高速の光通信が可能になる。   For example, by arranging the optical transceiver 1 on the same board as the LSI chip, high-speed optical communication can be performed between servers, between boards, etc. by minimizing the transmission path of electric signals.

以上の説明に対し、以下の付記を提示する。
(付記1)
シリコンフォトニクス導波路と、前記シリコンフォトニクス導波路上または前記シリコンフォトニクス導波路に隣接して配置されるミラー構造とを有する光導波路基板と、
前記光導波路基板に形成された実装面に実装される分布帰還型のレーザ素子と、
を有し、
前記レーザ素子の出力端は前記シリコンフォトニクス導波路の入力端と対向しており、
前記ミラー構造は、所定の温度範囲での前記レーザ素子のブラッグ波長を含む特定の帯域幅の反射帯を有し、前記反射帯で前記レーザ素子から出力される光の一部を反射して、前記レーザ素子に帰還することを特徴とする集積レーザ光源。
(付記2)
前記反射帯は、前記所定の温度範囲内での温度変化と、製造ばらつきの少なくとも一方に対応する前記ブラッグ波長の変動範囲を含むことを特徴とする付記1に記載の集積レーザ光源。
(付記3)
前記反射帯の前記帯域幅は、10nm〜30nmであることを特徴とする付記2に記載の集積レーザ光源。
(付記4)
前記ミラー構造は、前記レーザ素子の出力光の4%〜10%を前記レーザ素子の単一の発振モードに帰還することを特徴とする付記1〜3のいずれかに記載の集積レーザ光源。
(付記5)
前記ミラー構造は、前記シリコンフォトニクス導波路に形成された回折格子の反射鏡であることを特徴とする付記1に記載の集積レーザ光源。
(付記6)
前記ミラー構造は、前記シリコンフォトニクス導波路に隣接して設けられる方向性結合器と、前記方向性結合器に接続される回折格子とを有し、前記方向性結合器の分岐比に応じた反射率と、前記回折格子で決まる反射帯域幅とを有することを特徴とする付記1に記載の集積レーザ光源。
(付記7)
前記ミラー構造は、前記シリコンフォトニクス導波路に隣接して設けられるリング共振器と、前記リング共振器に隣接する方向性結合器と、前記方向性結合器に接続される回折格子とを有し、前記リング共振器で前記反射帯の帯域が制限されることを特徴とする付記1に記載の集積レーザ光源。
(付記8)
前記ミラー構造は、前記ミラー構造を形成するシリコン導波路を伝搬する前記光の位相変化量を調整する位相シフタを有することを特徴とする付記1に記載の集積レーザ光源。
(付記9)
前記位相シフタは、前記シリコン導波路に設けられたヒータであり、
前記光回路基板の温度をモニタする温度モニタと、
前記温度モニタの出力に基づいて、前記ヒータの電力を制御するコントローラと、
をさらに有することを特徴とする付記8に記載の集積レーザ光源。
(付記10)
前記レーザ素子の出射端面に反射防止膜が形成され、前記出射端面と反対側の後端面に高反射膜が形成されていることを特徴とする付記1〜9のいずれかに記載の集積レーザ光源。
(付記11)
前記シリコンフォトニクス導波路は、前記レーザ素子と対向する入射側に設けられたスポットサイズ変換導波路を含むことを特徴とする付記1〜10のいずれかに記載の集積レーザ光源。
(付記12)
前記レーザ素子は、量子ドット活性層を有することを特徴とする付記1〜11のいずれかに記載の集積レーザ光源。
(付記13)
前記所定の温度範囲の高温側で前記レーザ素子の利得ピーク波長とブラッグ波長が一致していることを特徴とする付記1〜12のいずれかに記載の集積レーザ光源。
(付記14)
付記1〜13のいずれかに記載の集積レーザ光源と、
前記集積レーザ光源からの出力光を変調する光変調器と、
前記光変調器を駆動する電子回路と、
を有することを特徴とする光トランシーバ。
The following appendices are presented to the above explanation.
(Supplementary Note 1)
An optical waveguide substrate comprising: a silicon photonics waveguide; and a mirror structure disposed on or adjacent to the silicon photonics waveguide.
A distributed feedback laser device mounted on a mounting surface formed on the optical waveguide substrate;
Have
The output end of the laser element faces the input end of the silicon photonics waveguide,
The mirror structure has a reflection band of a specific bandwidth including the Bragg wavelength of the laser element in a predetermined temperature range, and reflects part of the light output from the laser element at the reflection band, An integrated laser light source characterized by returning to the laser element.
(Supplementary Note 2)
The integrated laser light source according to claim 1, wherein the reflection band includes a fluctuation range of the Bragg wavelength corresponding to at least one of a temperature change within the predetermined temperature range and a manufacturing variation.
(Supplementary Note 3)
The integrated laser light source according to claim 2, wherein the bandwidth of the reflection band is 10 nm to 30 nm.
(Supplementary Note 4)
The integrated laser light source according to any one of appendices 1 to 3, wherein the mirror structure feeds back 4% to 10% of the output light of the laser element to a single oscillation mode of the laser element.
(Supplementary Note 5)
The integrated laser light source according to claim 1, wherein the mirror structure is a reflecting mirror of a diffraction grating formed in the silicon photonics waveguide.
(Supplementary Note 6)
The mirror structure includes a directional coupler provided adjacent to the silicon photonics waveguide, and a diffraction grating connected to the directional coupler, and the reflection according to the branching ratio of the directional coupler The integrated laser light source according to claim 1, characterized by having a ratio and a reflection bandwidth determined by the diffraction grating.
(Appendix 7)
The mirror structure includes a ring resonator provided adjacent to the silicon photonics waveguide, a directional coupler adjacent to the ring resonator, and a diffraction grating connected to the directional coupler. The integrated laser light source according to claim 1, wherein a band of the reflection band is limited by the ring resonator.
(Supplementary Note 8)
The integrated laser light source according to claim 1, wherein the mirror structure includes a phase shifter that adjusts a phase change amount of the light propagating through a silicon waveguide forming the mirror structure.
(Appendix 9)
The phase shifter is a heater provided in the silicon waveguide,
A temperature monitor for monitoring the temperature of the optical circuit board;
A controller that controls the power of the heater based on the output of the temperature monitor;
The integrated laser light source as set forth in appendix 8, further comprising:
(Supplementary Note 10)
The integrated laser light source according to any one of appendices 1 to 9, wherein an antireflective film is formed on the emission end face of the laser element, and a high reflection film is formed on the rear end face opposite to the emission end face. .
(Supplementary Note 11)
The integrated laser light source according to any of the preceding claims, wherein the silicon photonics waveguide comprises a spot size conversion waveguide provided on the incident side facing the laser element.
(Supplementary Note 12)
The integrated laser light source according to any one of appendices 1 to 11, wherein the laser element has a quantum dot active layer.
(Supplementary Note 13)
The integrated laser light source according to any one of claims 1 to 12, wherein a gain peak wavelength of the laser element and a Bragg wavelength coincide with each other on the high temperature side of the predetermined temperature range.
(Supplementary Note 14)
The integrated laser light source according to any one of appendices 1 to 13,
An optical modulator that modulates output light from the integrated laser light source;
An electronic circuit for driving the light modulator;
An optical transceiver characterized by having:

1 光トランシーバ
10、10A〜10F 集積レーザ光源
20 レーザ素子
30 光導波路基板
31 基板
32 光導波路(シリコンフォトニクス導波路)
33 スポットサイズ変換導波路
35 実装面
40 ミラー構造
40A〜40E 反射鏡
41 回折格子
42 方向性結合器
43a、43b リング共振器
44 位相シフタ
44a ヒータ
48 温度モニタ
50 光電気変換回路
60 駆動電子回路
70 コントローラ
AR 反射防止膜
HR 高反射膜
110 レーザ光源
Reference Signs List 1 optical transceiver 10, 10A to 10F integrated laser light source 20 laser element 30 optical waveguide substrate 31 substrate 32 optical waveguide (silicon photonics waveguide)
33 spot size conversion waveguide 35 mounting surface 40 mirror structure 40A to 40E reflection mirror 41 diffraction grating 42 directional coupler 43a, 43b ring resonator 44 phase shifter 44a heater 48 temperature monitor 50 photoelectric conversion circuit 60 drive electronic circuit 70 controller AR Antireflection film HR High reflection film 110 Laser light source

Claims (7)

シリコンフォトニクス導波路と、前記シリコンフォトニクス導波路上または前記シリコンフォトニクス導波路に隣接して配置されるミラー構造とを有する光導波路基板と、
前記光導波路基板に形成された実装面に実装される分布帰還型のレーザ素子と、
を有し、
前記レーザ素子の出力端は前記シリコンフォトニクス導波路の入力端と対向しており、
前記ミラー構造は、所定の温度範囲での前記レーザ素子のブラッグ波長を含む特定の帯域幅の反射帯を有し、前記反射帯で前記レーザ素子から出力される光の一部を反射して、前記レーザ素子に帰還することを特徴とする集積レーザ光源。
An optical waveguide substrate comprising: a silicon photonics waveguide; and a mirror structure disposed on or adjacent to the silicon photonics waveguide.
A distributed feedback laser device mounted on a mounting surface formed on the optical waveguide substrate;
Have
The output end of the laser element faces the input end of the silicon photonics waveguide,
The mirror structure has a reflection band of a specific bandwidth including the Bragg wavelength of the laser element in a predetermined temperature range, and reflects part of the light output from the laser element at the reflection band, An integrated laser light source characterized by returning to the laser element.
前記反射帯は、前記所定の温度範囲内での温度変化と、製造ばらつきの少なくとも一方に対応する前記ブラッグ波長の変動範囲を含むことを特徴とする請求項1に記載の集積レーザ光源。   The integrated laser light source according to claim 1, wherein the reflection band includes a variation range of the Bragg wavelength corresponding to at least one of a temperature change within the predetermined temperature range and a manufacturing variation. 前記反射帯の前記帯域幅は、10nm〜30nmであることを特徴とする請求項2に記載の集積レーザ光源。   The integrated laser light source according to claim 2, wherein the bandwidth of the reflection band is 10 nm to 30 nm. 前記ミラー構造は、前記レーザ素子の出力光の4%〜10%を前記レーザ素子の単一の発振モードに帰還することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の集積レーザ光源。   The integrated laser according to any one of claims 1 to 3, wherein the mirror structure feeds back 4% to 10% of the output light of the laser element to a single oscillation mode of the laser element. light source. 前記レーザ素子は、量子ドット活性層を有することを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の集積レーザ光源。   The integrated laser light source according to any one of claims 1 to 4, wherein the laser element has a quantum dot active layer. 前記所定の温度範囲の高温側で前記レーザ素子の利得ピーク波長とブラッグ波長が一致していることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の集積レーザ光源。   The integrated laser light source according to any one of claims 1 to 5, wherein the gain peak wavelength and the Bragg wavelength of the laser element coincide with each other on the high temperature side of the predetermined temperature range. 請求項1〜6のいずれか1項に記載の集積レーザ光源と、
前記集積レーザ光源からの出力光を変調する光変調器と、
前記光変調器を駆動する電子回路と、
を有することを特徴とする光トランシーバ。
An integrated laser light source according to any one of claims 1 to 6,
An optical modulator that modulates output light from the integrated laser light source;
An electronic circuit for driving the light modulator;
An optical transceiver characterized by having:
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