WO2013021421A1 - 半導体光素子 - Google Patents

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田中　信介
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富士通株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor optical device including a ring resonator.
  • a light source that supplies signal light to the optical element is necessary.
  • silicon which is an indirect transition semiconductor, is not suitable for realizing a light source with high luminous efficiency.
  • a laser light source in which a light source using a compound semiconductor such as InP or GaAs having high luminous efficiency and an optical element on a silicon substrate are hybridly integrated is promising.
  • an optical element that uses a plurality of ring resonators and strictly controls the oscillation wavelength using the vernier effect of these resonance wavelengths has been proposed.
  • An optical element including a wavelength filter configured by cascading three ring resonators and a ring resonator type optical modulator has been proposed.
  • the light output intensity greatly fluctuates when the resonance wavelength of each ring resonator fluctuates due to temperature changes. Also in an optical element using a wavelength filter composed of three ring resonators, the optical output is likely to fluctuate due to fluctuations in the resonance wavelengths of the three ring resonators due to temperature changes.
  • the resonance wavelength may fluctuate if the optical output of the optical amplifier is increased.
  • a semiconductor optical device is realized in which the resonance wavelength hardly changes even when the optical output of the optical amplifier is increased.
  • An optical amplifier A plurality of first reflectors formed on a substrate and reflecting light input from each input port back to the input port and having a reflection spectrum having a peak at a target wavelength;
  • the light formed on the substrate, demultiplexed from the optical amplifier, input to the input ports of the plurality of first reflectors, and the light reflected by the plurality of first reflectors A first optical coupler that combines and re-inputs the optical amplifier;
  • a second reflector defining an optical resonator including the optical amplifier and the first optical coupler therein;
  • Each of the first reflectors includes a ring resonator of the same size, and a delay time until light input from the input port is reflected and returned to the input port is between the first reflectors.
  • the same semiconductor optical device is provided.
  • the light output from the optical amplifier is distributed to a plurality of first reflectors. For this reason, even if the power of light output from the optical amplifier increases, the power of light input per one first reflector decreases. Thereby, the fluctuation
  • FIG. 1 is a plan view of a semiconductor optical device according to a first embodiment.
  • FIG. 2A is a cross-sectional view of an optical waveguide on a substrate
  • FIG. 2B is a plan view of a distributed Bragg reflector.
  • FIG. 3 is a graph showing the transmission spectrum of the ring resonator and the reflection spectrum of the distributed Bragg reflector.
  • FIG. 4 is a graph showing the measurement result of the relationship between the injection current into the optical amplifier and the shift amount of the oscillation wavelength, comparing Example 1 with the reference example.
  • FIG. 5 is a plan view of the semiconductor optical device according to the second embodiment.
  • FIG. 6 is a plan view of a semiconductor optical device according to the third embodiment.
  • FIG. 7 is a graph showing a reflection spectrum of the reflector with a built-in ring of Example 3 and a transmission spectrum of a folded asymmetric Mach-Zehnder interference optical filter.
  • FIG. 8 is a plan view of the semiconductor optical device according to the fourth embodiment.
  • FIG. 9 is a plan view of the semiconductor optical device according to the fifth embodiment.
  • FIG. 10 is a plan view of a semiconductor optical device according to a reference example.
  • FIG. 11 is a graph showing the oscillation spectrum of the external resonator type semiconductor laser device according to the reference example for each injection current into the semiconductor optical amplifier.
  • FIG. 12 is a graph showing the measurement result of the relationship between the input light power of the add-drop ring resonator and the shift amount of the peak wavelength of the transmission spectrum.
  • FIG. 10 shows a plan view of a semiconductor optical device according to a reference example.
  • Light output from the emission end face of the semiconductor optical amplifier 20 is input to an input optical waveguide 31 formed on the silicon substrate.
  • the input optical waveguide 31 is coupled to the input port of the add / drop ring resonator 32.
  • a distributed Bragg reflector 33 is coupled to the drop port of the ring resonator 32.
  • a highly reflective film 21 is formed on the end surface of the semiconductor optical amplifier 20 opposite to the emission end.
  • the highly reflective film 21 and the distributed Bragg reflector 33 constitute a Fabry-Perot type optical resonator.
  • the high-reflection film 21, the semiconductor optical amplifier 20, the ring resonator 32, and the distributed Bragg reflector 33 constitute an external resonator type semiconductor laser element. If the gain of the semiconductor optical amplifier 20 is larger than the loss of the optical resonator, laser oscillation occurs.
  • the peaks of the transmission spectrum of the ring resonator 32 are arranged at a constant wavelength interval (free spectral range). From this plurality of peaks, one peak is selected by the distributed Bragg reflector 33. Laser oscillation occurs at a wavelength corresponding to the selected peak.
  • Ring assist optical modulator 90 includes a Mach-Zehnder interferometer and ring resonators coupled to the two arms, respectively.
  • the ring assist optical modulator 90 can obtain a higher modulation efficiency than an optical modulator that changes the refractive index of an arm of a normal Mach-Zehnder interferometer.
  • the operating wavelength band in which modulation can be performed is extremely narrow (for example, about 1 nm). For this reason, strict wavelength control is required for a light source used in combination with the ring assist light modulator 90.
  • the ring resonator 32 in the optical resonator and the ring resonator in the ring assist optical modulator 90 have the same circulation length.
  • the circumferential lengths of the ring resonator 32 and the ring resonator in the ring assist optical modulator 90 change in the same direction. If the temperature of the silicon substrate is substantially uniform in the plane, even if the substrate temperature fluctuates, the circumference of the ring resonator 32 and the ring resonator in the ring assist optical modulator 90 remains substantially the same. is there. For this reason, the shift amount of the laser oscillation wavelength and the shift amount of the operating wavelength band of the ring assist light modulator 90 are substantially the same. Therefore, the laser oscillation wavelength can be maintained within the operating wavelength band of the ring assist light modulator 90.
  • the laser oscillation wavelength may deviate from the operating wavelength band of the ring assist optical modulator 90.
  • FIG. 11 shows the spectrum of the laser light transmitted through the distributed Bragg reflector 33 for each injection current into the semiconductor optical amplifier 20.
  • the numerical value given to each waveform in FIG. 11 indicates the injection current to the semiconductor optical amplifier 20. It can be seen that as the injection current increases, the peak wavelength of the spectrum shifts to the longer wavelength side.
  • FIG. 12 shows the relationship between the power of the signal light input to the ring resonator 32 and the peak wavelength shift amount of the transmission spectrum.
  • the horizontal axis represents the power of the input signal light in the unit “dBm”, and the vertical axis represents the shift amount of the peak wavelength in the unit “nm”.
  • the peak wavelength when the power of the input signal light was ⁇ 20 dBm was used as a reference.
  • the peak wavelength In the region where the power of the input signal light is 0 dBm or less, the peak wavelength hardly fluctuates even if the power of the input signal light fluctuates. It can be seen that in the region where the power of the input signal light is 0 dBm or more, the peak wavelength shifts to the longer wavelength side as the power of the input signal light increases. As the current injected into the semiconductor optical amplifier 20 increases, the power of the signal light input to the ring resonator 32 also increases. As the power of the signal light increases, the peak wavelength of the transmission spectrum of the ring resonator 32 shifts to the longer wavelength side as shown in FIG. For this reason, it is considered that the laser oscillation wavelength shifts to the longer wavelength side.
  • the ring-shaped waveguide of the ring resonator 32 guides higher intensity signal light than the surrounding silicon fine wire waveguide 31 and the distributed Bragg reflector 33 due to the enhancement of the photoelectric field. Furthermore, since the cross-section of the ring-shaped waveguide is a square or rectangle having a side of about several hundreds of nanometers, very high light energy is confined in the ring-shaped waveguide.
  • the light absorption coefficient of the silicon wire waveguide is very low for light in the 1.55 ⁇ m band, but some light is absorbed by the optical waveguide material and converted to thermal energy. For this reason, the temperature in the vicinity of the ring resonator 32 is locally increased. Since the temperature in the vicinity of the ring resonator 32 rises, the peak wavelength of the transmission spectrum of the ring resonator is shifted to the long wavelength side.
  • the temperature rise in the region where the ring resonator in the ring assist optical modulator 90 is formed is significantly smaller than the temperature rise in the vicinity of the ring resonator 32. Therefore, the operating wavelength band of the ring assist optical modulator 90 is hardly shifted. Since the oscillation wavelength of the external cavity semiconductor laser device is shifted and the operating wavelength band of the ring assist optical modulator 90 is hardly shifted, the oscillation wavelength is out of the operating wavelength band of the optical modulator, and stable modulation operation is performed. Can no longer do.
  • FIG. 1 is a plan view of a semiconductor optical device according to the first embodiment.
  • the semiconductor optical device according to the first embodiment includes the semiconductor optical amplifier 20 and an optical circuit formed on the substrate 60.
  • the semiconductor optical amplifier 20 has a maximum gain in a wavelength region of 1.55 ⁇ m.
  • the semiconductor optical amplifier 20 includes an active layer having a multiple quantum well structure made of non-doped InGaAsP, and a lower clad layer made of n-type InP and an upper clad layer made of p-type InP disposed so as to sandwich the active layer vertically. Including. For the substrate, n-type InP is used. The thickness of the active layer is 100 nm, for example, and its photoluminescence wavelength is 1.55 ⁇ m.
  • the lower clad layer, the active layer, and the upper clad layer have a striped mesa structure. Both sides of the mesa structure are embedded with high-resistance InP doped with Fe.
  • the width of the mesa structure is 1.5 ⁇ m, for example, and the element length (the length from one end face to the other end face) is about 1000 ⁇ m.
  • the lower cladding layer, the active layer, and the upper cladding layer having a mesa structure constitute the optical waveguide 22.
  • Electrodes for current injection are formed on the bottom and top surfaces of the semiconductor optical amplifier 20. Each electrode has a three-layer structure in which, for example, a Ti film, a Pt film, and an Au film are stacked in this order.
  • a high reflection film 21 is formed on one end face (high reflection end face) of the semiconductor optical amplifier 20.
  • the other end face is provided with a non-reflective coating to be a non-reflective end face.
  • the optical waveguide 22 includes a curved portion, and the optical waveguide 22 and the end face are perpendicular to each other at the highly reflective end face, and the optical waveguide 22 is inclined by 7 ° with respect to the normal line of the end face at the non-reflecting end face. By tilting the optical waveguide 22 with respect to the end face, the reflectance can be reduced.
  • the tip of the optical waveguide 22 has a tapered shape that becomes narrower toward the end face.
  • the light output from the non-reflection end face of the semiconductor optical amplifier 20 is input to the input optical waveguide 31 formed on the substrate 60.
  • the optical waveguide 22 of the semiconductor optical amplifier 20 and the input optical waveguide 31 are coupled by a butt joint structure.
  • the butting portion is sealed with a resin for adjusting the refractive index.
  • the input optical waveguide 31 is inclined by 15 ° with respect to the normal line of the end face of the substrate 60.
  • the distal end of the input optical waveguide 31 also has a tapered shape that narrows toward the end face.
  • FIG. 2A shows a cross-sectional view of the input optical waveguide 31 formed on the substrate 60.
  • the other optical waveguides formed on the substrate 60 also have the same cross-sectional structure as the input optical waveguide 31.
  • a buried oxide film 60B is formed on the silicon substrate 60A, and a silicon layer 62 is formed thereon.
  • the silicon substrate 60A, the buried oxide film 60B, and the silicon layer 62 before processing the silicon layer 62 can be manufactured by a normal method for manufacturing a silicon on insulator (SOI) substrate.
  • SOI silicon on insulator
  • the buried oxide film 60B has a thickness of 3 ⁇ m, for example, and the buried oxide film 60B functions as a lower cladding layer.
  • the thickness of the silicon layer 62 before processing is, for example, 300 nm.
  • the silicon substrate 60A and the buried oxide film 60B become the substrate 60 for forming the optical waveguide.
  • the optical waveguide formed on the substrate 60 has a rib waveguide structure.
  • the height of the core layer 62A of the rib waveguide is 300 nm, and the thickness of the silicon layer 62B in the region other than the core layer 60A is 50 nm.
  • the rib waveguide structure is formed by forming a resist film on the silicon layer 62 of the SOI substrate before processing and etching the silicon layer 62. For the etching of the silicon layer 62, for example, reactive ion etching is applied.
  • a cover film 64 made of silicon oxide and having a thickness of 2 ⁇ m is formed on the silicon layer 62.
  • the cover film 64 functions as an upper clad layer.
  • the input optical waveguide 31 is coupled to the input port 41 of the optical coupler 40.
  • the optical coupler 40 for example, a 1-input 4-output multimode interference optical coupler is used.
  • the length of the multimode interference optical coupler is, for example, 10 ⁇ m.
  • the output ports 42A to 42D of the optical coupler 40 are coupled to the input ports 51A to 51D of the reflectors 50A to 50D with built-in rings by optical waveguides 43A to 43D, respectively.
  • the optical path lengths of the optical waveguides 43A to 43D are all equal.
  • Phase adjusters 45A to 45D are inserted in the optical waveguides 43A to 43D, respectively.
  • the phase adjusters 45A to 45D are realized by forming a Ti thin film heater on the cover film 64 (FIG. 2A).
  • the length of the phase adjusters 45A to 45D is, for example, 20 ⁇ m.
  • the structure of the reflector 50A with a built-in ring will be described.
  • the structure of the ring-embedded reflectors 50B to 50D is the same as that of the ring-embedded reflector 50A.
  • the ring built-in reflector 50A includes an add-drop ring resonator 52A and a distributed Bragg reflector 58A.
  • the ring resonator 52A includes a ring-shaped optical waveguide 53A and two bus waveguides 54A and 55A.
  • the coupling position between one bus waveguide 54A and the ring-shaped optical waveguide 53A and the coupling position between the other bus waveguide 55A and the ring-shaped optical waveguide 53A have a positional relationship of 180 ° with respect to the central angle.
  • the distance between the ring-shaped optical waveguide 53A and the bus waveguides 54A and 55A is 300 nm, for example.
  • the radius of the ring-shaped optical waveguide 53A is 8 ⁇ m.
  • One end of the bus waveguide 54A becomes the input port 51A of the reflector 50A with a built-in ring.
  • One end of the bus waveguide 55A functions as a drop port 56A of the ring resonator 52A.
  • a distributed Bragg reflector 58A is coupled to the drop port 56A.
  • the delay time until the light input to the input ports 51A to 51D of the reflectors 50A to 50D with a ring is reflected by the distributed Bragg reflectors 58A to 58D and returns to the input ports 51A to 51D is as follows. Equal in all 50D. Also, the phases of the light returning to the input ports 51A to 51D are aligned.
  • the rear end of the distributed Bragg reflector 58A serves as the output port 57A of the ring built-in reflector 50A. Output ports 57B to 57D are also defined in the other reflectors with built-in rings 50B to 50D.
  • FIG. 2B shows a plan view of the distributed Bragg reflector 58A.
  • Diffraction gratings 58Ab are formed on both sides of the equal-width optical waveguide 58Aa.
  • the diffraction grating 58Ab includes silicon regions and silicon oxide regions that are alternately and periodically arranged.
  • the silicon region is continuous with the optical waveguide 58Aa.
  • the width W of the equal-width optical waveguide 58Aa is 500 nm, which is the same as the width of other optical waveguides formed on the substrate 60.
  • the pitch Pd of the diffraction grating 58Ab is 300 nm, and the length La in the waveguide direction is 500 ⁇ m.
  • the dimension Wd in the waveguide direction of each of the silicon regions constituting the diffraction grating 58Ab is 30 nm to 150 nm, and the dimension Ld in the direction orthogonal to the waveguide direction is 3 ⁇ m.
  • FIG. 3 shows the transmission spectrum It of the ring resonator 52A and the reflection spectrum Ir of the distributed Bragg reflector 58A.
  • a plurality of peaks appear at intervals of a free spectral range (FSR) defined by the circumference of the ring-shaped optical waveguide 53A.
  • the center wavelength of the reflection wavelength band of the reflection spectrum Ir of the distributed Bragg reflector 58A is determined by the pitch Pd of the diffraction grating 58Ab and the equivalent refractive index depending on the dimensions of the silicon waveguide.
  • the 3 dB bandwidth of the reflection wavelength band is determined mainly by the coupling coefficient determined by the dimension Wd of the silicon region.
  • the ring built-in reflector 50A (FIG. 1) has a wavelength corresponding to a peak in the reflection wavelength band of the reflection spectrum Ir of the distributed Bragg reflector 58A among the plurality of peaks of the transmission spectrum It of the ring resonator 52A (FIG. 1). Only the light of is reflected.
  • the light input to the input port 41 of the optical coupler 40 shown in FIG. 1 is equally distributed to the four output ports 42A to 42D.
  • the equally distributed light is reflected by the ring-incorporated reflectors 50A to 50D and re-input to the output ports 42A to 42D.
  • the delay time from the output from the output ports 42A to 42D to the re-input to the output ports 42A to 42D is the same for all the output ports 42A to 42D.
  • the phases of the light re-input to the output ports 42A to 42D are also aligned. Light having the same phase and re-input to the output ports 42A to 42D is multiplexed by the optical coupler 40 and output to the input port 41. If a phase shift occurs due to manufacturing variations or the like, the phase adjusters 45A to 45D can align the phases. By aligning the phases, loss at the time of multiplexing can be reduced.
  • a Fabry-Perot type optical resonator is formed in which each of the reflectors 50A to 50D with a built-in ring is one reflector and the highly reflective film 21 formed on the semiconductor optical amplifier 20 is the other reflector.
  • An external resonator type semiconductor laser device is constituted by the semiconductor optical amplifier 20, the optical coupler 40 formed on the substrate 60 and the reflectors 50A to 50D with built-in rings. Laser oscillation occurs at the peak wavelength reflected by the reflectors 50A to 50D with a built-in ring. A part of the laser light that oscillates and reciprocates within the Fabry-Perot optical resonator is output to the outside from the emission ports 57A to 57D of the reflectors 50A to 50D with a built-in ring.
  • the energy of the light guided through the ring-shaped optical waveguide 53A of the reflector with a built-in ring 50A is the light guided through the ring-shaped optical waveguide of the ring resonator 32 of the external resonator type semiconductor laser device according to the reference example shown in FIG. It becomes about 1/4 of the energy.
  • the four ring built-in reflectors 50A to 50D are arranged, but the number of the ring built-in reflectors is not limited to four.
  • the number of reflectors with a built-in ring may be two or more.
  • the number of output ports of the optical coupler 40 may be matched with the number of reflectors with a built-in ring.
  • FIG. 4 shows the relationship between the shift amount of the oscillation wavelength of the external cavity semiconductor laser device according to the reference example shown in FIG. 10 and the first embodiment shown in FIG. 1 and the injection current into the semiconductor optical amplifier 20. The results are shown.
  • the number of reflectors with a built-in ring was set to 2.
  • the horizontal axis of FIG. 4 represents the injection current into the semiconductor optical amplifier 20 in the unit “mA”, and the vertical axis represents the shift amount of the oscillation wavelength when the injection wavelength is 40 mA as a reference. Expressed as “nm”.
  • the shift amount of the oscillation wavelength of the external resonator type semiconductor laser element according to Example 1 is smaller than the shift amount of the oscillation wavelength of the external cavity type semiconductor laser element according to the reference example.
  • the operating wavelength bandwidth of the ring assist type optical modulator combined with the external cavity semiconductor laser element is about 0.5 nm.
  • the oscillation wavelength is within the operating wavelength band of the ring assist type optical modulator at least within the range where the injection current is 200 mA or less.
  • FIG. 5 shows a plan view of a semiconductor optical device according to the second embodiment.
  • differences from the first embodiment shown in FIG. 1 will be described, and description of the same configuration will be omitted.
  • the optical coupler 40 of the first embodiment is a 1-input 4-output multimode interference optical coupler, but the optical coupler 40 used in the second embodiment is a 4-input 4-output multimode interference optical coupler. . Accordingly, the optical coupler 40 has four input ports 41A to 41D and four output ports 42A to 42D. The length of the optical coupler 40 is, for example, 40 ⁇ m.
  • the input side optical waveguide 31 is connected to one input port 41 ⁇ / b> C of the optical coupler 40.
  • loop type ring resonators 70A to 70D are employed as the reflectors 50A to 50D with a built-in ring of Example 1.
  • the configuration of the loop type ring resonators 70A to 70D is the same.
  • the configuration of the loop ring resonator 70A will be described.
  • the loop ring resonator 70A includes an optical demultiplexer / multiplexer 71A, bus waveguides 72A and 73A, and a ring-shaped optical waveguide 74A.
  • the input port 51A of the reflector with a built-in ring 50A is coupled to the input port of the optical demultiplexer-multiplexer 71A.
  • the optical demultiplexer / multiplexer 71A distributes the input light to two output ports.
  • Bus waveguides 72A and 73A are coupled to the two output ports, respectively.
  • the bus waveguides 72A and 73A are coupled to the ring-shaped optical waveguide 74A at coupling points on opposite sides of the center.
  • the light output to one output port of the optical demultiplexer / multiplexer 71A is guided through one bus waveguide, the ring-shaped waveguide 74A, and the other bus waveguide, and returns to the other output force port. .
  • the light that has returned to the output port is multiplexed by the optical demultiplexer-multiplexer 71A and output from the input port 51A.
  • a 1-input 2-output multimode interference optical coupler is used as the optical demultiplexer-multiplexer 71A.
  • the output ports 42A to 42D of the optical coupler 40 are coupled to the input ports 51A to 51D of the reflectors 50A to 50D with built-in rings by the optical waveguides 43A to 43D, respectively.
  • a Fabry-Perot type optical resonator having a pair of reflectors including the highly reflective film 21 of the semiconductor optical amplifier 20 and the reflectors 50A to 50D with a built-in ring is configured.
  • Phase adjusters 45A to 45D are inserted into the optical waveguides 43A to 43D, respectively.
  • Example 1 the optical path lengths of the optical waveguides 43A to 43D were equal, but in Example 2, the optical path lengths of the optical waveguides 43A to 43D are not equal.
  • the optical coupler 40, the optical waveguides 43A to 43D, and the reflectors 50A to 50D with a built-in ring constitute a folded array waveguide diffraction grating.
  • the optical path lengths of the optical waveguides 43A, 43B, 43C, and 43D are set to increase by ⁇ L in this order. That is, assuming that the optical path length of the optical waveguide 43D is L, the optical path lengths of the optical waveguides 43C, 43B, and 43A are L + ⁇ L, L + 2 ⁇ L, and L + 3 ⁇ L, respectively.
  • the optical path length difference ⁇ L is a parameter for determining the FSR of the folded arrayed waveguide grating.
  • the circumference of the ring-shaped optical waveguides 74A to 74D is set to be equal to the length divided by twice the number N of arrayed waveguides.
  • the signal lights corresponding to the peaks of the reflection spectra of the adjacent ring built-in reflectors 50A to 50D are coupled to different input ports.
  • the optical path length difference ⁇ L is about 6.25 ⁇ m.
  • phase adjusters 45A to 45D In the reflection spectrum of the reflectors 50A to 50D with a built-in ring, a plurality of peaks appear at intervals of the free spectral range.
  • light having a wavelength corresponding to one peak is input from the light reflected by the ring-incorporated reflectors 50A to 50D and returned to the output ports 42A to 42D of the optical coupler 40. It can be coupled to port 41C.
  • Light having a wavelength corresponding to another peak is coupled to the other input ports 41A, 41B, and 41D, or is not coupled to any input port.
  • the phase delay of the phase adjusters 45B and 45D is 0 (reference)
  • the phase delay of the phase adjusters 45A and 45C is ⁇ / 2 (90 °).
  • the folded-type arrayed waveguide diffraction grating operates as an optical filter that selects one of the plurality of peaks of the reflection spectrum of the reflectors 50A to 50D with a built-in ring. For this reason, the distributed Bragg reflector used in the first embodiment is not necessary in the second embodiment.
  • the optical energy output from the semiconductor optical amplifier 20 is distributed to the four loop ring resonators 70A to 70D, the shift amount of the laser oscillation wavelength when the injection current is increased is suppressed. can do.
  • the rear ends of the two bus waveguides of each of the loop type ring resonators 70A to 70D are output ports 57Aa, 57Ab, 57Ba, 57Bb, 57Ca, 57Cb of the external resonator type semiconductor laser element. , 57Da, 57Db.
  • the number of reflectors with a built-in ring is not limited to four, but may be two or more.
  • the number of input ports and the number of output ports of the optical coupler 40 may be matched with the number of reflectors with a built-in ring.
  • FIG. 6 is a plan view of a semiconductor optical device according to the third embodiment.
  • differences from the second embodiment shown in FIG. 5 will be described, and description of the same configuration will be omitted.
  • light guided through the input optical waveguide 31 is distributed to a plurality of (four in FIG. 5) optical waveguides 43A to 43D by one optical coupler 40.
  • light guided through the input optical waveguide 31 is distributed to a plurality of optical waveguides 43A to 43D by a plurality (three in FIG. 6) of optical couplers 80A to 80C connected in cascade.
  • the optical couplers 80A to 80C for example, a 1-input 2-output multi-mode interference coupler or a directional coupler is used.
  • the coupling length of the directional coupler is 40 ⁇ m, and the interval between the optical waveguides is 300 nm.
  • the input optical waveguide 31 is coupled to the input port 81A of the first-stage optical coupler 80A.
  • the optical waveguide 43A is coupled to one output port 82A of the optical coupler 80A, and the input port 81B of the subsequent optical coupler 80B is coupled to the other output port (coupling port) 83A.
  • the optical waveguide 43B is coupled to the output port 82B of the second-stage optical coupler 80B, and the input port 81C of the subsequent-stage optical coupler 80C is coupled to the coupling port 83B.
  • the optical waveguide 43C is coupled to the output port 82C of the final-stage optical coupler 80C, and the optical waveguide 43D is coupled to the coupling port 83C.
  • the optical path lengths of the optical waveguides 43A, 43B, 43C, and 43D are set to increase in this order.
  • the optical path length of the optical waveguide 43D is L
  • the optical path lengths of the optical waveguides 43C, 43B, and 43A are L + ⁇ L, L + 2 ⁇ L, and L + 4 ⁇ L, respectively.
  • the optical path length difference ⁇ L is, for example, 2.5 ⁇ m.
  • phase adjuster is inserted in the shortest optical waveguide 43D.
  • the phase adjusters 45A to 45C inserted in the other optical waveguides 43A to 43C are for fine adjustment of the phase. If fine adjustment is not necessary, the phase adjusters 45A to 45C are unnecessary.
  • Optical couplers 80A to 80C, optical waveguides 43A to 43D, and reflectors 50A to 50D with a built-in ring operate as folded asymmetric Mach-Zehnder interference optical filters.
  • FIG. 7 shows the reflection spectrum Ia of the loop type ring resonators 70A to 70D and the transmission spectrum Ib of the asymmetric Mach-Zehnder interference type optical filter.
  • the transmission spectrum Ib of the asymmetric Mach-Zehnder interference optical filter is substantially maximum at the wavelength ⁇ 0 corresponding to one peak among the plurality of peaks of the reflection spectrum Ia, and the wavelength corresponding to the adjacent peak is not included in the 3 dB band. It shows such characteristics.
  • One peak among the plurality of peaks appearing in the reflection spectrum Ia is selected by the asymmetric Mach-Zehnder interference type optical filter.
  • the optical energy output from the semiconductor optical amplifier 20 is not equally divided into four loop-type ring resonators 70A to 70D, but each of the loop-type ring resonators 70A to 70D.
  • the optical energy introduced is smaller than the optical energy introduced into the ring resonator 32 of the reference example shown in FIG. For this reason, the shift amount of the laser oscillation wavelength when the injection current is increased can be suppressed.
  • FIG. 8 shows a plan view of a semiconductor optical device according to the fourth embodiment.
  • differences from the first embodiment shown in FIG. 1 will be described, and description of the same configuration will be omitted.
  • the incident optical waveguide 31 is directly coupled to the input port 41 of the optical coupler 40.
  • the incident optical waveguide 31 is coupled to the input port 86 of the optical demultiplexer 85.
  • the output port 87 of the optical demultiplexer 85 is coupled to the input port 41 of the optical coupler 40.
  • An output optical waveguide 89 is coupled to the coupling port 88 of the optical demultiplexer 85.
  • the optical demultiplexer 85 for example, a directional coupler is used.
  • a part of the light output from the semiconductor optical amplifier 20 and guided through the input optical waveguide 31 is coupled to the coupling port 88 and taken out to the outside via the output optical waveguide 89.
  • the output of the semiconductor optical amplifier 20 is distributed to a plurality of output ports and extracted to the outside.
  • the output is extracted from one output optical waveguide 89 to the outside. . For this reason, high intensity signal light can be obtained.
  • optical demultiplexer 85 and the output optical waveguide 89 can also be applied to the second and third embodiments.
  • FIG. 9 is a plan view of a semiconductor optical device according to the fifth embodiment.
  • differences from the first embodiment shown in FIG. 1 will be described, and description of the same configuration will be omitted.
  • Ring assist type optical modulators 90A to 90D are respectively coupled to the four output ports 57A to 57D of the external resonator type semiconductor laser device according to the first embodiment.
  • Each of the ring assist type optical modulators 90A to 90D includes a Mach-Zehnder interferometer and a plurality of ring resonators respectively coupled to the two arms.
  • the ring assist type optical modulators 90A to 90D are formed on the same substrate 60 as the ring built-in reflectors 50A to 50D and the like.
  • the circumference of the ring resonator in the ring-assisted optical modulators 90A to 90D is the same as the circumference of the ring resonator in the reflectors 50A to 50D with a built-in ring. For this reason, the oscillation wavelength of the external resonator type semiconductor laser element can be easily kept within the operating wavelength band of the ring assist type optical modulator. Further, as in the first embodiment, even if the injection current to the semiconductor optical amplifier 20 increases, the shift amount of the laser oscillation wavelength can be suppressed, so that the laser oscillation wavelength is changed to the ring assist type optical modulator 90A ⁇ It can be prevented from deviating from the operating wavelength band of 90D.

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Abstract

　基板の上に、複数の第１の反射器が形成されている。第１の反射器の各々は、入力ポートから入力された光を反射して該入力ポートに戻し、目標波長でピークを示す反射スペクトルを有する。基板の上に、光増幅器から出力された光を分波して複数の第１の反射器の入力ポートに入力し、第１の反射器で反射された光を合波し、光増幅器に再入力する第１の光カプラが形成されている。第２の反射器が、第１の反射器の各々と共に、光増幅器及び第１の光カプラを内部に含む光共振器を画定する。第１の反射器の各々は、同一寸法のリング共振器を含み、前記入力ポートから入力された光が反射して該入力ポートに戻るまでの遅延時間が、第１の反射器の間で、同一である。

Description

半導体光素子
　本発明は、リング共振器を含む半導体光素子に関する。
　近年、低コストで大規模集積が可能なシリコン電子回路技術を利用してシリコン基板上に光機能素子を形成する技術が注目を集めている。高性能サーバやスーパーコンピュータのみならず、パソコン等の情報処理機器が高性能化されるにつれ、チップ間及びボード間の通信容量の不足が懸念される。通信容量不足という課題を解決する技術として、低損失かつ小型のシリコン細線導波路を用いたシリコン基板上の光素子の実現が期待されている。
　シリコン基板上に大規模な光素子を実現するためには、光素子に信号光を供給する光源が必要である。ところが、間接遷移型半導体であるシリコンは、発光効率の高い光源の実現に不向きである。発光効率の高いＩｎＰやＧａＡｓ等の化合物半導体を用いた光源と、シリコン基板上の光素子とをハイブリッド集積したレーザ光源が有望視されている。
　例えば、複数のリング共振器を用い、これらの共振波長のバーニア効果を利用して発振波長を厳密に制御する光素子が提案されている。また、３つのリング共振器をカスケード接続して構成された波長フィルタと、リング共振器型の光変調器とを備えた光素子が提案されている。
特開２００６－２４５３４４号公報 特開２０１０－２７６６４号公報 特開２００６－２４５３４４号公報
　複数のリング共振器の共振波長のバーニア効果を利用する光素子では、温度変化によって各リング共振器の共振波長が変動したときに、光出力強度が大きく変動してしまう。また、３つのリング共振器で構成された波長フィルタを用いる光素子においても、温度変化によって３つのリング共振器の共振波長が変動することにより、光出力が変動しやすい。
　環境温度を一定に保った状態でも、光増幅器の光出力を増大させると、共振波長が変動してしまう場合もある。以下に説明する実施例では、光増幅器の光出力を増大させても、共振波長の変動が生じにくい半導体光素子が実現される。
　以下に説明する実施例では、
　光増幅器と、
　基板の上に形成され、各々の入力ポートから入力された光を反射して該入力ポートに戻し、目標波長でピークを示す反射スペクトルを有する複数の第１の反射器と、
　前記基板の上に形成され、前記光増幅器から出力された光を分波して複数の前記第１の反射器の入力ポートに入力し、複数の前記第１の反射器で反射された光を合波し、前記光増幅器に再入力する第１の光カプラと、
　前記第１の反射器の各々と共に、前記光増幅器及び前記第１の光カプラを内部に含む光共振器を画定する第２の反射器と
を有し、
　前記第１の反射器の各々は、同一寸法のリング共振器を含み、前記入力ポートから入力された光が反射して該入力ポートに戻るまでの遅延時間が、前記第１の反射器の間で同一である半導体光素子が提供される。
　光増幅器から出力された光が、複数の第１の反射器に分配される。このため、光増幅器から出力される光のパワーが増大しても、第１の反射器１つ当たりに入力される光のパワーが小さくなる。これにより、第１の反射器内のリング共振器の共振波長の変動を抑制することができる。
図１は、実施例１による半導体光素子の平面図である。 図２Ａは、基板上の光導波路の断面図であり、図２Ｂは、分布ブラッグ反射器の平面図である。 図３は、リング共振器の透過スペクトルと、分布ブラッグ反射器の反射スペクトルとを示すグラフである。 図４は、光増幅器への注入電流と、発振波長のシフト量との関係の測定結果を、実施例１と参考例とを対比して示すグラフである。 図５は、実施例２による半導体光素子の平面図である。 図６は、実施例３による半導体光素子の平面図である。 図７は、実施例３のリング内蔵反射器の反射スペクトルと、折り返し型の非対称マッハツェンダ干渉型光フィルタの透過スペクトルとを示すグラフである。 図８は、実施例４による半導体光素子の平面図である。 図９は、実施例５による半導体光素子の平面図である。 図１０は、参考例による半導体光素子の平面図である。 図１１は、参考例による外部共振器型半導体レーザ素子の発振スペクトルを、半導体光増幅器への注入電流ごとに示すグラフである。 図１２は、アドドロップ型リング共振器の入力光のパワーと、透過スペクトルのピーク波長のシフト量との関係の測定結果を示すグラフである。
　実施例を説明する前に、図１０を参照して、本願出願人による参考例について説明する。
　図１０は、参考例による半導体光素子の平面図を示す。半導体光増幅器２０の出射端面から出力される光が、シリコン基板の上に形成された入力用光導波路３１に入力される。入力用光導波路３１は、アドドロップ型リング共振器３２の入力ポートに結合されている。このリング共振器３２のドロップポートに、分布ブラッグ反射器３３が結合されている。半導体光増幅器２０の出射端とは反対側の端面に高反射膜２１が形成されている。高反射膜２１と分布ブラッグ反射器３３とにより、ファブリペロー型光共振器が構成される。高反射膜２１、半導体光増幅器２０、リング共振器３２、及び分布ブラッグ反射器３３により、外部共振器型半導体レーザ素子が構成される。半導体光増幅器２０の利得が、光共振器の損失よりも大きくなれば、レーザ発振が生じる。
　リング共振器３２の透過スペクトルのピークは、一定の波長間隔（フリースペクトラルレンジ）で配列する。この複数のピークから、１つのピークが、分布ブラッグ反射器３３によって選択される。この選択されたピークに対応する波長で、レーザ発振が生じる。
　光共振器内を往復するレーザ光の一部が、分布ブラッグ反射器３３を透過して、後段のリングアシスト光変調器９０に入射する。リングアシスト光変調器９０は、マッハツェンダ干渉計と、その２本のアームにそれぞれ結合したリング共振器とを含む。リングアシスト光変調器９０は、通常のマッハツェンダ干渉計のアームの屈折率を変化させる光変調器に比べて、高い変調効率を得ることができる。その反面、変調を行うことができる動作波長帯域が極めて狭い（例えば１ｎｍ程度）。このため、リングアシスト光変調器９０と組み合わせて用いられる光源には、厳密な波長制御が求められる。
　図１０に示した参考例では、光共振器内のリング共振器３２と、リングアシスト光変調器９０内のリング共振器とは、同一の周回長を有する。環境温度が変動して、シリコン基板の温度が変化すると、リング共振器３２と、リングアシスト光変調器９０内のリング共振器との周回長が同一方向に変化する。シリコン基板の温度が面内でほぼ均一であれば、基板温度が変動しても、リング共振器３２と、リングアシスト光変調器９０内のリング共振器との周回長は、ほぼ同一のままである。このため、レーザ発振波長のシフト量と、リングアシスト光変調器９０の動作波長帯域のシフト量とは、ほぼ同一になる。従って、レーザ発振波長を、リングアシスト光変調器９０の動作波長帯域内に維持することができる。
　ところが、半導体光増幅器２０の注入電流を大きくして、光出力を増大させると、レーザ発振波長が、リングアシスト光変調器９０の動作波長帯域から外れてしまうことがあった。
　図１１に、分布ブラッグ反射器３３を透過したレーザ光のスペクトルを、半導体光増幅器２０への注入電流ごとに示す。図１１の各波形に付した数値は、半導体光増幅器２０への注入電流を示す。注入電流が増加すると、スペ゜クトルのピーク波長は長波長側へシフトしていることがわかる。
　図１２に、リング共振器３２へ入力される信号光のパワーと、透過スペクトルのピーク波長のシフト量との関係を示す。横軸は、入力信号光のパワーを単位「ｄＢｍ」で表し、縦軸は、ピーク波長のシフト量を、単位「ｎｍ」で表す。なお、入力信号光のパワーが－２０ｄＢｍのときのピーク波長を基準とした。
　入力信号光のパワーが０ｄＢｍ以下の領域では、入力信号光のパワーが変動しても、ピーク波長は殆ど変動しない。入力信号光のパワーが０ｄＢｍ以上の領域では、入力信号光のパワーが大きくなるに従って、ピーク波長が長波長側にシフトすることがわかる。半導体光増幅器２０への注入電流が増加すると、リング共振器３２に入力される信号光のパワーも大きくなる。信号光のパワーが大きくなると、図１１に示したように、リング共振器３２の透過スペクトルのピーク波長が長波長側にシフトする。このため、レーザ発振波長が長波長側にシフトすると考えられる。
　以下、リング共振器３２の透過スペクトルのピーク波長が長波長側にシフトする理由について考察する。リング共振器３２のリング状導波路には、その光電場増強作用により、周囲のシリコン細線導波路３１や分布ブラッグ反射器３３に比べて、より高い強度の信号光が導波している。さらに、リング状導波路の断面は、一辺が数百ｎｍ程度の正方形または長方形であるため、リング状導波路内に、非常に高い光エネルギが閉じ込められていることになる。
　シリコン細線導波路の光吸収係数は、１．５５μｍ帯域の光に対して非常に低いが、一部の光は光導波路材料に吸収されて熱エネルギに変換される。このため、リング共振器３２の近傍の温度が局所的に高くなる。リング共振器３２の近傍の温度が上昇するため、リング共振器の透過スペクトルのピーク波長が長波長側にシフトしてしまう。
　リングアシスト光変調器９０内のリング共振器が形成された領域の温度の上昇は、リング共振器３２の近傍の温度上昇に比べて、著しく小さい。従って、リングアシスト光変調器９０の動作波長帯域は殆どシフトしない。外部共振器型半導体レーザ素子の発振波長がシフトし、リングアシスト光変調器９０の動作波長帯域がほとんどシフトしないため、発振波長が、光変調器の動作波長帯域から外れてしまい、安定した変調動作を行うことができなくなる。
　［実施例１］
　図１に、実施例１による半導体光素子の平面図を示す。実施例１による半導体光素子は、半導体光増幅器２０と、基板６０の上に形成された光回路とを含む。半導体光増幅器２０は、例えば、１．５５μｍの波長域で最大の利得を有する。
　以下、半導体光増幅器２０の構造について説明する。半導体光増幅器２０は、ノンドープのＩｎＧａＡｓＰからなる多重量子井戸構造の活性層、及び活性層を上下に挟むように配置されたｎ型ＩｎＰからなる下部クラッド層とｐ型ＩｎＰからなる上部クラッド層とを含む。基板には、ｎ型ＩｎＰが用いられる。活性層の厚さは、例えば１００ｎｍであり、そのフォトルミネッセンス波長は１．５５μｍである。
　下部クラッド層、活性層、及び上部クラッド層は、ストライプ状メサ構造とされている。メサ構造の両側は、Ｆｅがドープされた高抵抗のＩｎＰで埋め込まれている。メサ構造の幅は、例えば１．５μｍであり、素子長（一方の端面から他方の端面までの長さ）は、約１０００μｍである。メサ構造の下部クラッド層、活性層、及び上部クラッド層が、光導波路２２を構成する。半導体光増幅器２０の底面及び上面には、電流注入用の電極が形成されている。各電極は、例えばＴｉ膜、Ｐｔ膜、及びＡｕ膜がこの順番に積層された３層構造を有する。
　半導体光増幅器２０の一方の端面（高反射端面）に高反射膜２１が形成されている。他方の端面は、無反射コーティングが施されて無反射端面とされている。光導波路２２は曲線部分を含み、高反射端面においては、光導波路２２と端面とが垂直であり、無反射端面においては、光導波路２２が、端面の法線に対して７°傾いている。光導波路２２を端面に対して傾けることにより、反射率を低減させることができる。光導波路２２の先端は、端面に向かって細くなるテーパ形状を有する。
　半導体光増幅器２０の無反射端面から出力された光が、基板６０の上に形成された入力用光導波路３１に入力される。半導体光増幅器２０の光導波路２２と、入力用光導波路３１とは、突合わせ（バットジョイント）構造により結合している。突合わせ部は、屈折率調整用の樹脂で封止されている。入力用光導波路３１は、基板６０の端面の法線に対して１５°傾いている。入力用光導波路３１の先端も、端面に向かって細くなるテーパ形状を有する。
　図２Ａに、基板６０の上に形成された入力用光導波路３１の断面図を示す。なお、基板６０の上に形成された他の光導波路も、入力用光導波路３１と同一の断面構造を有する。シリコン基板６０Ａの上に埋込酸化膜６０Ｂが形成され、その上にシリコン層６２が形成されている。シリコン層６２を加工する前のシリコン基板６０Ａ、埋込酸化膜６０Ｂ、及びシリコン層６２は、通常のシリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）基板の作製方法により作製することができる。埋込酸化膜６０Ｂの厚さは、例えば３μｍであり、埋込酸化膜６０Ｂは、下部クラッド層として作用する。加工前のシリコン層６２の厚さは、例えば３００ｎｍである。シリコン基板６０Ａ及び埋込酸化膜６０Ｂが、光導波路を形成するための基板６０となる。
　基板６０の上に形成される光導波路は、リブ導波路構造を有する。リブ導波路のコア層６２Ａの高さは３００ｎｍであり、コア層６０Ａ以外の領域のシリコン層６２Ｂの厚さは５０ｎｍである。リブ導波路構造は、加工前のＳＯＩ基板のシリコン層６２の上に、レジスト膜を形成し、シリコン層６２をエッチングすることにより形成される。シリコン層６２のエッチングには、例えば反応性イオンエッチングが適用される。
　シリコン層６２の上に、酸化シリコンからなる厚さ２μｍのカバー膜６４が形成されている。カバー膜６４は、上部クラッド層として作用する。
　図１に戻って説明を続ける。入力用光導波路３１は、光カプラ４０の入力ポート４１に結合している。光カプラ４０には、例えば１入力４出力のマルチモード干渉型光カプラが用いられる。マルチモード干渉型光カプラの長さは、例えば１０μｍである。
　光カプラ４０の出力ポート４２Ａ～４２Ｄが、それぞれ光導波路４３Ａ～４３Ｄにより、リング内蔵反射器５０Ａ～５０Ｄの入力ポート５１Ａ～５１Ｄに結合されている。光導波路４３Ａ～４３Ｄの光路長は、すべて等しい。
　光導波路４３Ａ～４３Ｄに、それぞれ位相調整器４５Ａ～４５Ｄが挿入されている。位相調整器４５Ａ～４５Ｄは、カバー膜６４（図２Ａ）の上にＴｉ薄膜ヒータを形成することにより実現される。位相調整器４５Ａ～４５Ｄの長さは、例えば２０μｍである。
　次に、リング内蔵反射器５０Ａの構造について説明する。リング内蔵反射器５０Ｂ～５０Ｄの構造は、リング内蔵反射器５０Ａの構造と同一である。
　リング内蔵反射器５０Ａは、アドドロップ型リング共振器５２Ａと分布ブラッグ反射器５８Ａとを含む。リング共振器５２Ａは、リング状光導波路５３Ａと、２本のバス導波路５４Ａ、５５Ａとを含む。一方のバス導波路５４Ａとリング状光導波路５３Ａとの結合位置と、他方のバス導波路５５Ａとリング状光導波路５３Ａとの結合位置とは、中心角にして１８０°の位置関係を有する。リング状光導波路５３Ａとバス導波路５４Ａ、５５Ａとの結合部分における両者の間隔は、例えば３００ｎｍである。リング状光導波路５３Ａの半径は８μｍである。バス導波路５４Ａの一端が、リング内蔵反射器５０Ａの入力ポート５１Ａとなる。バス導波路５５Ａの一端が、リング共振器５２Ａのドロップポート５６Ａとして作用する。
　ドロップポート５６Ａに、分布ブラッグ反射器５８Ａが結合されている。リング内蔵反射器５０Ａ～５０Ｄの入力ポート５１Ａ～５１Ｄに入力された光が、分布ブラッグ反射器５８Ａ～５８Ｄで反射されて入力ポート５１Ａ～５１Ｄに戻るまでの遅延時間は、リング内蔵反射器５０Ａ～５０Ｄのすべてにおいて等しい。また、入力ポート５１Ａ～５１Ｄに戻る光の位相も揃っている。分布ブラッグ反射器５８Ａの後方の端部が、リング内蔵反射器５０Ａの出力ポート５７Ａとして作用する。他のリング内蔵反射器５０Ｂ～５０Ｄにも、出力ポート５７Ｂ～５７Ｄが画定されている。
　図２Ｂに、分布ブラッグ反射器５８Ａの平面図を示す。等幅の光導波路５８Ａａの両側に、回折格子５８Ａｂが形成されている。回折格子５８Ａｂは、交互に周期的に配列したシリコン領域と酸化シリコン領域とで構成される。シリコン領域は、光導波路５８Ａａに連続する。等幅の光導波路５８Ａａの幅Ｗは５００ｎｍであり、基板６０の上に形成された他の光導波路の幅と同一である。回折格子５８ＡｂのピッチＰｄは３００ｎｍであり、導波方向の長さＬａは５００μｍである。回折格子５８Ａｂを構成するシリコン領域の各々の導波方向の寸法Ｗｄは３０ｎｍ～１５０ｎｍであり、導波方向に直交する方向の寸法Ｌｄは３μｍである。
　図３に、リング共振器５２Ａの透過スペクトルＩｔ、及び分布ブラッグ反射器５８Ａの反射スペクトルＩｒを示す。リング共振器５２Ａの透過スペクトルＩｔには、リング状光導波路５３Ａの周回長で規定されるフリースペクトラルレンジ（ＦＳＲ）の間隔で複数のピークが現れる。分布ブラッグ反射器５８Ａの反射スペクトルＩｒの反射波長帯域の中心波長は、回折格子５８ＡｂのピッチＰｄと、シリコン導波路の寸法に依存する等価屈折率により決定される。反射波長帯域の３ｄＢ帯域幅は、主にシリコン領域の寸法Ｗｄで決まる結合係数により決定される。
　リング内蔵反射器５０Ａ（図１）は、リング共振器５２Ａ（図１）の透過スペクトルＩｔの複数のピークのうち、分布ブラッグ反射器５８Ａの反射スペクトルＩｒの反射波長帯域内のピークに対応する波長の光のみを反射する。
　図１に示した光カプラ４０の入力ポート４１に入力された光は、４つの出力ポート４２Ａ～４２Ｄに等分配される。等分配された光は、それぞれリング内蔵反射器５０Ａ～５０Ｄで反射して、出力ポート４２Ａ～４２Ｄに再入力される。出力ポート４２Ａ～４２Ｄから出力されて、出力ポート４２Ａ～４２Ｄに再入力されるまでの遅延時間は、出力ポート４２Ａ～４２Ｄのすべてにおいて同一である。また、出力ポート４２Ａ～４２Ｄに再入力される光の位相も揃っている。位相が揃って出力ポート４２Ａ～４２Ｄに再入力された光は、光カプラ４０で合波されて入力ポート４１に出力される。なお、製造上のばらつき等によって位相にずれが生じる場合には、位相調整器４５Ａ～４５Ｄによって位相を揃えることができる。位相を揃えることにより、合波時の損失を小さくすることができる。
　リング内蔵反射器５０Ａ～５０Ｄの各々を一方の反射器とし、半導体光増幅器２０に形成された高反射膜２１を他方の反射器とするファブリペロー型光共振器が形成される。半導体光増幅器２０、及び基板６０の上に形成された光カプラ４０及びリング内蔵反射器５０Ａ～５０Ｄにより、外部共振器型半導体レーザ素子が構成される。リング内蔵反射器５０Ａ～５０Ｄで反射されるピーク波長においてレーザ発振が生じる。レーザ発振してファブリペロー型光共振器内を往復するレーザ光の一部が、リング内蔵反射器５０Ａ～５０Ｄの出射ポート５７Ａ～５７Ｄから外部に出力される。
　リング内蔵反射器５０Ａのリング状光導波路５３Ａを導波する光のエネルギは、図１０に示した参考例による外部共振器型半導体レーザ素子のリング共振器３２のリング状光導波路を導波する光のエネルギの約１／４になる。他のリング内蔵反射器５０Ｂ～５０Ｄ内のリング状光導波路においても同様である。このため、リング状光導波路５３Ａからの発熱を抑制することができる。これにより、半導体光増幅器２０への注入電流を大きくしても、レーザ発振波長の長波長側へのシフト量が抑制される。
　上述の実施例１では、４つのリング内蔵反射器５０Ａ～５０Ｄを配置したが、リング内蔵反射器の個数は４個に限られない。リング内蔵反射器の個数を２以上にしてもよい。光カプラ４０の出力ポートの数は、リング内蔵反射器の個数に一致させればよい。
　図４に、図１０に示した参考例、及び図１に示した実施例１による外部共振器型半導体レーザ素子の発振波長のシフト量と、半導体光増幅器２０への注入電流との関係を測定した結果を示す。なお、測定に用いた実施例１による外部共振器型半導体レーザ素子は、リング内蔵反射器の個数を２とした。図４の横軸は、半導体光増幅器２０への注入電流を単位「ｍＡ」で表し、縦軸は、注入電流が４０ｍＡの時の発振波長を基準としたときの、発振波長のシフト量を単位「ｎｍ」で表す。
　実施例１による外部共振器型半導体レーザ素子の発振波長のシフト量は、参考例による外部共振器型半導体レーザ素子の発振波長のシフト量よりも小さいことがわかる。外部共振器型半導体レーザ素子に組み合わされるリングアシスト型光変調器の動作波長帯域幅は、約０．５ｎｍである。参考例による外部共振器型半導体レーザ素子では、注入電流が１２０ｍＡ以上になると、発振波長が動作波長帯域から外れてしまう。これに対し、実施例１による外部共振器型半導体レーザ素子では、少なくとも注入電流が２００ｍＡ以下の範囲内で、発振波長が、リングアシスト型光変調器の動作波長帯域内に収まっている。
　［実施例２］
　図５に、実施例２による半導体光素子の平面図を示す。以下、図１に示した実施例１との相違点について説明し、同一の構成については説明を省略する。
　実施例１の光カプラ４０は１入力４出力型のマルチモード干渉型光カプラであったが、実施例２で用いられる光カプラ４０は、４入力４出力型のマルチモード干渉型光カプラである。従って、光カプラ４０は、４つの入力ポート４１Ａ～４１Ｄ、及び４つの出力ポート４２Ａ～４２Ｄを有する。光カプラ４０の長さは、例えば４０μｍである。入力側光導波路３１は、光カプラ４０の１つの入力ポート４１Ｃに接続されている。
　実施例２では、実施例１のリング内蔵反射器５０Ａ～５０Ｄとして、ループ型リング共振器７０Ａ～７０Ｄが採用される。ループ型リング共振器７０Ａ～７０Ｄの構成は同一である。以下、ループ型リング共振器７０Ａの構成について説明する。
　ループ型リング共振器７０Ａは、光分波合波器７１Ａ、バス導波路７２Ａ、７３Ａ、及びリング状光導波路７４Ａを含む。リング内蔵反射器５０Ａの入力ポート５１Ａが、光分波合波器７１Ａの入力ポートに結合されている。光分波合波器７１Ａは、入力された光を２つの出力ポートに分配する。２つの出力ポートに、それぞれバス導波路７２Ａ及び７３Ａが結合している。バス導波路７２Ａ及び７３Ａは、リング状光導波路７４Ａに、中心を挟んで相互に反対側の結合箇所で結合する。
　光分波合波器７１Ａの一方の出力ポートに出力された光は、一方のバス導波路、リング状導波路７４Ａ、及び他方のバス導波路を導波されて、他方の出路力ポートに戻る。出力ポートに戻った光は、光分波合波器７１Ａで合波されて、入力ポート５１Ａから出力される。光分波合波器７１Ａには、１入力２出力マルチモード干渉型光カプラが用いられる。
　光カプラ４０の出力ポート４２Ａ～４２Ｄが、それぞれ光導波路４３Ａ～４３Ｄにより、リング内蔵反射器５０Ａ～５０Ｄの入力ポート５１Ａ～５１Ｄに結合する。実施例１と同様に、半導体光増幅器２０の高反射膜２１と、リング内蔵反射器５０Ａ～５０Ｄとを一対の反射器とするファブリペロー型光共振器が構成される。光導波路４３Ａ～４３Ｄに、それぞれ位相調整器４５Ａ～４５Ｄが挿入されている。
　実施例１では、光導波路４３Ａ～４３Ｄの光路長が等しかったが、実施例２では、光導波路４３Ａ～４３Ｄの光路長は等しくない。光カプラ４０、光導波路４３Ａ～４３Ｄ、及びリング内蔵反射器５０Ａ～５０Ｄが、折り返し型のアレイ導波路回折格子を構成する。
　光導波路４３Ａ、４３Ｂ、４３Ｃ、４３Ｄの光路長は、この順番に、ΔＬずつ長くなるように設定されている。すなわち、光導波路４３Ｄの光路長をＬとすると、光導波路４３Ｃ、４３Ｂ、４３Ａの光路長は、それぞれＬ＋ΔＬ、Ｌ＋２ΔＬ、Ｌ＋３ΔＬである。ここで、光路長の差ΔＬは、折り返し型アレイ導波路回折格子のＦＳＲを決めるパラメータとなる。例えば、リング状光導波路７４Ａ～７４Ｄの周回長は、アレイ導波路の数Ｎの２倍で除した長さと等しくなるように設定される。このとき、隣接するリング内蔵反射器５０Ａ～５０Ｄの反射スペクトルのピークに対応する信号光が、それぞれ異なる入力ポートに結合する。具体的には、実施例２において、リング状光導波路７４Ａの半径は８μｍであり、Ｎ＝４であるため、光路長の差ΔＬは約６．２５μｍになる。
　リング内蔵反射器５０Ａ～５０Ｄの反射スペクトルには、フリースペクトラルレンジの間隔で複数のピークが現れる。位相調整器４５Ａ～４５Ｄを調整することにより、リング内蔵反射器５０Ａ～５０Ｄで反射されて光カプラ４０の出力ポート４２Ａ～４２Ｄに戻った光のうち、１つのピークに対応する波長の光を入力ポート４１Ｃに結合させることができる。他のピークに対応する波長の光は、他の入力ポート４１Ａ、４１Ｂ、４１Ｄに結合するか、いずれの入力ポートにも結合しない。例えば、位相調整器４５Ｂ、４５Ｄの位相遅れを０（基準）としたとき、位相調整器４５Ａ、４５Ｃの位相遅れをπ／２（９０°）とする。
　このように、折り返し型のアレイ導波路回折格子は、リング内蔵反射器５０Ａ～５０Ｄの反射スペクトルの複数のピークのうち、１つのピークを選択する光フィルタとして動作する。このため、実施例１で用いた分布ブラッグ反射器は、実施例２では必要ない。
　実施例２においても、半導体光増幅器２０から出力された光エネルギが、４つのループ型リング共振器７０Ａ～７０Ｄに分配されるため、注入電流を増加させたときのレーザ発振波長のシフト量を抑制することができる。
　実施例２では、ループ型リング共振器７０Ａ～７０Ｄの各々の２本のバス導波路の後方の端部が、外部共振器型半導体レーザ素子の出力ポート５７Ａａ、５７Ａｂ、５７Ｂａ、５７Ｂｂ、５７Ｃａ、５７Ｃｂ、５７Ｄａ、５７Ｄｂとなる。
　なお、実施例２においても、リング内蔵反射器の個数は４に限らず、２以上であればよい。光カプラ４０の入力ポートの個数、及び出力ポートの個数は、リング内蔵反射器の個数に一致させればよい。
　［実施例３］
　図６に、実施例３による半導体光素子の平面図を示す。以下、図５に示した実施例２との相違点について説明し、同一の構成については説明を省略する。
　実施例２では、入力用光導波路３１を導波する光が、１つの光カプラ４０によって複数本（図５では４本）の光導波路４３Ａ～４３Ｄに分配される。実施例３では、入力用光導波路３１を導波する光が、カスケード接続された複数（図６では３個）の光カプラ８０Ａ～８０Ｃにより、複数の光導波路４３Ａ～４３Ｄに分配される。光カプラ８０Ａ～８０Ｃには、例えば１入力２出力のマルチモード干渉型カプラや、方向性結合器が用いられる。方向性結合器を使用した場合の方向性結合器の結合長は４０μｍであり、光導波路の間隔は３００ｎｍである。
　入力用光導波路３１が、１段目の光カプラ８０Ａの入力ポート８１Ａに結合されている。光カプラ８０Ａの一方の出力ポート８２Ａに、光導波路４３Ａが結合され、他方の出力ポート（カップリングポート）８３Ａに、後段の光カプラ８０Ｂの入力ポート８１Ｂが結合される。同様に、２段目の光カプラ８０Ｂの出力ポート８２Ｂに、光導波路４３Ｂが結合され、カップリングポート８３Ｂに、後段の光カプラ８０Ｃの入力ポート８１Ｃが結合される。最終段の光カプラ８０Ｃの出力ポート８２Ｃに光導波路４３Ｃが結合され、カップリングポート８３Ｃに光導波路４３Ｄが結合される。
　光導波路４３Ａ、４３Ｂ、４３Ｃ、４３Ｄの光路長は、この順番に長くなるように設定されている。光導波路４３Ｄの光路長をＬとすると、光導波路４３Ｃ、４３Ｂ、４３Ａの光路長は、それぞれＬ＋ΔＬ、Ｌ＋２ΔＬ、Ｌ＋４ΔＬである。光路長の差ΔＬは、例えば２．５μｍである。
　最も短い光導波路４３Ｄには、位相調整器が挿入されていない。なお、他の光導波路４３Ａ～４３Ｃに挿入された位相調整器４５Ａ～４５Ｃは、位相の微調整用である。微調整を行う必要がない場合には、位相調整器４５Ａ～４５Ｃは不要である。
　光カプラ８０Ａ～８０Ｃ、光導波路４３Ａ～４３Ｄ、リング内蔵反射器５０Ａ～５０Ｄは、折り返し型の非対称マッハツェンダ干渉型光フィルタとして動作する。
　図７に、ループ型リング共振器７０Ａ～７０Ｄの反射スペクトルＩａ、及び非対称マッハツェンダ干渉型光フィルタの透過スペクトルＩｂを示す。ループ型リング共振器７０Ａ～７０Ｄの反射スペクトルＩａには、ＦＳＲの間隔で複数のピークが現れる。非対称マッハツェンダ干渉型光フィルタの透過スペクトルＩｂは、反射スペクトルＩａの複数のピークのうち１つのピークに対応する波長λ０でほぼ最大となり、隣のピークに対応する波長が３ｄＢ帯域内に含まれないような特性を示す。反射スペクトルＩａに現れる複数のピークのうち、１つのピークが、非対称マッハツェンダ干渉型光フィルタによって選択される。
　実施例３では、半導体光増幅器２０から出力された光エネルギが、４つのループ型リング共振器の７０Ａ～７０Ｄに４等分されるわけではないが、ループ型リング共振器７０Ａ～７０Ｄの各々に導入される光エネルギは、図１０に示した参考例のリング共振器３２に導入される光エネルギよりも小さい。このため、注入電流を増加させたときのレーザ発振波長のシフト量を抑制することができる。
　［実施例４］
　図８に、実施例４による半導体光素子の平面図を示す。以下、図１に示した実施例１との相違点について説明し、同一の構成については説明を省略する。
　実施例１では、入射光導波路３１が、光カプラ４０の入力ポート４１に直接結合されていた。実施例４では、入射光導波路３１が、光分波器８５の入力ポート８６に結合されている。光分波器８５の出力ポート８７が光カプラ４０の入力ポート４１に結合されている。光分波器８５のカップリングポート８８に、出力用光導波路８９が結合されている。光分波器８５として、例えば方向性結合器が用いられる。
　半導体光増幅器２０から出力され、入力用光導波路３１を導波する光の一部が、カップリングポート８８に結合し、出力用光導波路８９を経由して、外部に取り出される。実施例１～実施例３では、半導体光増幅器２０の出力が、複数の出力ポートに分配されて外部に取り出されたが、実施例４では、１本の出力用光導波路８９から外部に取り出される。このため、高強度の信号光を得ることができる。
　なお、実施例２及び実施例３に、光分波器８５及び出力用光導波路８９の構成を適用することも可能である。
　［実施例５］
　図９に、実施例５による半導体光素子の平面図を示す。以下、図１に示した実施例１との相違点について説明し、同一の構成については説明を省略する。
　実施例１による外部共振器型半導体レーザ素子の４つの出力ポート５７Ａ～５７Ｄに、それぞれリングアシスト型光変調器９０Ａ～９０Ｄが結合されている。リングアシスト型光変調器９０Ａ～９０Ｄの各々は、マッハツェンダ干渉計と、その２本のアームにそれぞれ結合する複数のリング共振器とを有する。リングアシスト型光変調器９０Ａ～９０Ｄは、リング内蔵反射器５０Ａ～５０Ｄ等と同一の基板６０の上に形成されている。
　リングアシスト型光変調器９０Ａ～９０Ｄ内のリング共振器の周回長は、リング内蔵反射器５０Ａ～５０Ｄ内のリング共振器の周回長と同一である。このため、容易に、外部共振器型半導体レーザ素子の発振波長を、リングアシスト型光変調器の動作波長帯域内に収めることができる。また、実施例１と同様に、半導体光増幅器２０への注入電流が増加しても、レーザ発振波長のシフト量を抑制することができるため、レーザ発振波長が、リングアシスト型光変調器９０Ａ～９０Ｄの動作波長帯域から外れてしまうこと防止できる。
　以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
２０　半導体光増幅器
２１　高反射膜
２２　光導波路
３１　入力用光導波路
３２　リング共振器
３３　分布ブラッグ反射器
４０　光カプラ
４１、４１Ａ、４１Ｂ、４１Ｃ、４１Ｄ　入力ポート
４２Ａ、４２Ｂ、４２Ｃ、４２Ｄ　出力ポート
４３Ａ、４３Ｂ、４３Ｃ、４３Ｄ　光導波路
４５Ａ、４５Ｂ、４５Ｃ、４５Ｄ　位相調整器
５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ、５０Ｄ　リング内蔵反射器
５１Ａ、５１Ｂ、５１Ｃ、５１Ｄ　入力ポート
５２Ａ　リング共振器
５３Ａ　リング状光導波路
５４Ａ、５５Ａ　バス導波路
５６Ａ　ドロップポート
５７Ａ、５７Ｂ、５７Ｃ、５７Ｄ、５７Ａａ、５７Ａｂ、５７Ｂａ、５７Ｂｂ、５７Ｃａ、５７Ｃｂ、５７Ｄａ、５７Ｄｂ　出力ポート
５８Ａ　分布ブラッグ反射器
５８Ａａ　等幅の光導波路
５８Ａｂ　回折格子
６０　基板
６０Ａ　シリコン基板
６０Ｂ　埋込酸化膜
６２　シリコン層
６２Ａ　コア層
６２Ｂ　シリコン層
６４　カバー膜
７０Ａ、７０Ｂ、７０Ｃ、７０Ｄ　ループ型リング共振器
７１Ａ　光分波合波器
７２Ａ、７３Ａ　バス導波路
７４Ａ　リング状光導波路
８０Ａ、８０Ｂ、８０Ｃ　光カプラ
８１Ａ、８１Ｂ、８１Ｃ　入力ポート
８２Ａ、８２Ｂ、８２Ｂ、８３Ａ、８３Ｂ、８３Ｃ　出力ポート
８５　光分波器
８６　入力ポート
８７　出力ポート
８８　カップリングポート
８９　出力用光導波路
９０、９０Ａ、９０Ｂ、９０Ｃ、９０Ｄ　リングアシスト光変調器

Claims (9)

  1. 　光増幅器と、
    　基板の上に形成され、各々の入力ポートから入力された光を反射して該入力ポートに戻し、目標波長でピークを示す反射スペクトルを有する複数の第１の反射器と、
    　前記基板の上に形成され、前記光増幅器から出力された光を分波して複数の前記第１の反射器の入力ポートに入力し、複数の前記第１の反射器で反射された光を合波し、前記光増幅器に再入力する第１の光カプラと、
    　前記第１の反射器の各々と共に、前記光増幅器及び前記第１の光カプラを内部に含む光共振器を画定する第２の反射器と
    を有し、
    　前記第１の反射器の各々は、同一寸法のリング共振器を含み、前記入力ポートから入力された光が反射して該入力ポートに戻るまでの遅延時間が、前記第１の反射器の間で同一である半導体光素子。
  2. 　前記第１の光カプラは、１つの入力ポートと複数の出力ポートとを有するマルチモード干渉型光カプラであり、
    　前記第１の光カプラの出力ポートから、該出力ポートに接続されている前記第１の反射器の前記入力ポートまでの光導波路の光路長が、前記第１の反射器のすべてにおいて等しい請求項１に記載の半導体光素子。
  3. 　前記第１の反射器の各々は、
    　前記第１の反射器の入力ポートに入力された光が入力されるアドドロップ型リング共振器と、
    　前記リング共振器のドロップポートに接続された分布ブラッグ反射器と
    を有する請求項２に記載の半導体光素子。
  4. 　前記第１の光カプラは、前記第１の反射器と同一の個数の入力ポートと、同一個数の出力ポートとを有するマルチモード干渉型光カプラであり、
    　前記光増幅器からの出力光が、前記第１の光カプラの１つの入力ポートに入力され、
    　前記第１の光カプラの出力ポートが、それぞれ前記第１の反射器の入力ポートに接続され、
    　前記第１の光カプラの出力ポートから、前記第１の反射器の入力ポートまでの光導波路の光路長が、前記第１の反射器ごとに異なっており、
    　前記第１の光カプラ、及び複数の前記第１の反射器が、折り返し型のアレイ導波路回折格子として動作する請求項１に記載の半導体光素子。
  5. 　前記第１の反射器の各々は、ループ型リング共振器で構成される請求項４に記載の半導体光素子。
  6. 　前記第１の光カプラは、
    　多段接続された複数の光カプラを含み、
    　前記光増幅器からの出力光が、１段目の光カプラの入力ポートに入力され、
    　前記各段の光カプラのカップリングポートが、後段の光カプラの入力ポートに接続され、
    　前記各段の光カプラの出力ポートが、それぞれ前記第１の反射器の入力ポートに接続されており、
    　最終段の光カプラのカップリングポートが、１つの前記第１の反射器の入力ポートに接続されており、
    　前記各段の光カプラの出力ポートから、当該出力ポートに接続された前記第１の反射器の入力ポートまでの光導波路の光路長、及び最終段の光カプラのカップリングポートから、当該カップリングポートに接続された光カプラの入力ポートまでの光導波路の光路長が、第１の反射器ごとに異なっており、
    　前記第１の光カプラ、及び前記第１の反射器が、折り返し型の非対称マッハツェンダ干渉型光フィルタとして動作する請求項１に記載の半導体光素子。
  7. 　前記第１の反射器の各々は、ループ型リング共振器で構成される請求項４に記載の半導体光素子。
  8. 　前記基板の上に形成された出力用光導波路と、
    　前記基板の上に形成され、前記光増幅器から出力されて前記第１の光カプラに向かう光の一部を、前記出力用光導波路に分岐させる第２の光カプラと
    を、さらに有する請求項１乃至７のいずれか１項に記載の半導体光素子。
  9. 　前記基板の上に形成され、前記光共振器から取り出された光が入力され、前記第１の反射器の前記リング共振器の共振波長に同期するリング状光導波路を含む光変調器を、さらに有する請求項１乃至８のいずれか１項に記載の半導体光素子。
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