CN107431331A - 波长可变激光元件以及激光模块 - Google Patents

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Abstract

一种波长可变激光元件，具备：衍射光栅和包含环形谐振器滤波器的反射镜所构成的激光谐振器、增益部和相位调整部，衍射光栅生成第一梳状反射光谱，环形谐振器滤波器具备环状波导和两个臂部，并生成第二梳状反射光谱，第二梳状反射光谱具有与第一梳状反射光谱的波峰相比半峰全宽窄的波峰，且波长间隔与第一梳状反射光谱不同，使第一梳状反射光谱的一个波峰和第二梳状反射光谱的一个波峰在波长轴上重叠，谐振器模式的模式间间隔比第一梳状反射光谱的波峰的半峰全宽窄。

Description

波长可变激光元件以及激光模块
技术领域
本发明涉及波长可变激光元件以及使用该波长可变激光元件的激光模块。
背景技术
伴随相干通信的普及，窄线宽的波长可变激光元件的需求不断增高。波长可变激光元件的结构以及动作原理例如在非专利文献1中详细进行了说明。一般为了将从半导体激光元件输出的激光窄线宽化，需要将谐振器增长。作为波长可变激光元件之一存在使用取样衍射光栅(Sampled Grating)利用了游标效应(Vernier effect)的分布布拉格反射(DBR)型波长可变激光器(例如专利文献1)。在该波长可变激光元件激光器中，在半导体元件内使用2个对衍射光栅的一部分进行取样的DBR。这2个DBR反射镜的反射光谱形成周期稍有不同的梳状的形状。此外，通过进行电流注入或者加热而在DBR反射镜引起折射率变化，由此能够使其反射波长特性可变。通过使2个DBR反射镜的反射特性交叠来提高特定的波长区域的反射率，能够形成谐振器。此时，只要适当设计谐振器长度，则作为谐振器模式的纵模的间隔成为与基于2个DBR反射镜的反射带相同的程度，仅选择1个谐振器模式，实现单一模式振荡。
作为实现窄线宽的激光的另一方法，可以列举如下方法：使用外部谐振器结构将谐振长度长条化，增大谐振器模式的Q值。此外，例如，在使用2个环形谐振器而构成了谐振器的波长可变激光元件中(例如非专利文献2)，通过使用比较尖锐的环形谐振器的滤波器特性(反射波长特性)的叠加，从而能够自由地设计谐振器的结构。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：美国专利第6590924号说明书
非专利文献
非专利文献1：Larry A.Coldren et al.、“Tunable Semiconductor Lasers：ATutorial”、JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY、VOL.22、NO.1、JANUARY 2004、PP.193-202
非专利文献2：Keita Nemoto et al.、“Narrow-Spectral-LinewidthWavelength-Tunable Laser Diode with Si Wire Waveguide Ring Resonators”、Applied Physics Express 5(2012)082701
发明内容
发明要解决的课题
但是，在上述的DBR型波长可变激光元件中，若将谐振器增长为得到相干通信所需要的窄线宽的激光的程度，则纵模间隔变窄，对于谐振器的反射带而言难以进行仅1个谐振器模式的选择，所以在原理上难以得到单一模式振荡。
此外，在使用2个环形谐振器而构成了谐振器的波长可变激光元件中，在2个尖锐的反射波长特性的中心波长偏离的情况下，叠加的部分的反射率变动较大。因此，为了实现稳定的激光振荡，需要使2个尖锐的反射波长特性的波峰与波峰准确地重叠(superimpose)，但是进行这样的控制很困难。
本发明鉴于上述情况而作，其目的在于，提供一种能够实现激光的窄线宽化以及稳定的单一模式振荡的波长可变激光元件以及使用了该波长可变激光元件的激光模块。
用于解决课题的手段
为了解决上述课题，达成目的，本发明的一方式所涉及的波长可变激光元件具备：激光谐振器，其由衍射光栅和反射镜构成，所述反射镜包含与所述衍射光栅进行光耦合的环形谐振器滤波器；增益部，其配置在所述激光谐振器内；和相位调整部，其配置在所述激光谐振器内，所述衍射光栅生成第一梳状反射光谱，所述环形谐振器滤波器具备：环状波导；和两个臂部，分别与所述环状波导进行光耦合，并且各自的一端被合并而与所述衍射光栅进行光耦合，所述环形谐振器滤波器生成第二梳状反射光谱，该第二梳状反射光谱具有比所述第一梳状反射光谱的波峰的半峰全宽窄的半峰全宽的波峰，并具有与所述第一梳状反射光谱的波长间隔不同的波长间隔，所述衍射光栅和所述环形谐振器构成为能够使所述第一梳状反射光谱的一个波峰与所述第二梳状反射光谱的一个波峰在波长轴上重叠，所述激光谐振器构成为谐振器模式的模式间的间隔比所述第一梳状反射光谱的波峰的半峰全宽窄。
本发明的一方式所涉及的激光模块的特征在于，具备本发明的一方式所涉及的波长可变激光元件。
发明效果
根据本发明，能取得能够实现进行激光的窄线宽化以及稳定的单一模式振荡的波长可变激光元件这样的效果。
附图说明
图1是实施方式1所涉及的波长可变激光元件的示意性立体图。
图2A是图1所示的波长可变激光元件的示意性剖视图。
图2B是图1所示的波长可变激光元件的示意性剖视图。
图2C是图1所示的波长可变激光元件的示意性剖视图。
图3A是表示第一梳状反射光谱、第二梳状反射光谱的图。
图3B是表示第一梳状反射光谱、第二梳状反射光谱以及谐振器模式的图。
图4是表示第一梳状反射光谱、第二梳状反射光谱以及其重叠的图。
图5是说明图1所示的波长可变激光元件中的光反馈的图。
图6是说明图1所示的波长可变激光元件中的激光振荡波长的选择方法的图。
图7AA是表示图1所示的波长可变激光元件的制造方法的例子的剖视图。
图7AB是表示图1所示的波长可变激光元件的制造方法的例子的剖视图。
图7AC是表示图1所示的波长可变激光元件的制造方法的例子的剖视图。
图7BA是表示图1所示的波长可变激光元件的制造方法的例子的剖视图。
图7BB是表示图1所示的波长可变激光元件的制造方法的例子的剖视图。
图7BC是表示图1所示的波长可变激光元件的制造方法的例子的剖视图。
图7CA是表示图1所示的波长可变激光元件的制造方法的例子的剖视图。
图7CB是表示图1所示的波长可变激光元件的制造方法的例子的剖视图。
图7CC是表示图1所示的波长可变激光元件的制造方法的例子的剖视图。
图8是说明在图1所示的波长可变激光元件中将环状波导与两个臂部进行光耦合的波导部的图。
图9A是说明波导部的结构的图。
图9B是说明波导部的结构的图。
图10是说明具有脊波导结构的第1波导部的例子的图。
图11是实施方式2所涉及的波长可变激光元件的示意性立体图。
图12A是实施方式3所涉及的波长可变激光元件的示意性立体图。
图12B是实施方式3所涉及的波长可变激光元件的示意性剖视图。
图13是实施方式4所涉及的波长可变激光元件的示意性立体图。
图14是实施方式5所涉及的激光模块的示意图。
图15是实施方式6所涉及的激光模块的示意图。
具体实施方式
本发明所涉及的波长可变激光元件构成为，在利用了游标效应的波长可变激光元件中，具备具有比第一梳状反射光谱的波峰的半峰全宽窄的半峰全宽的波峰并具有与第一梳状反射光谱的波长间隔不同的波长间隔的第二梳状反射光谱，并且谐振器模式的模式间的间隔比第一梳状反射光谱的波峰的半峰全宽窄，由此能够实现激光的窄线宽化以及稳定的单一模式振荡。
以下，参照附图对本发明所涉及的波长可变激光元件以及激光模块的实施方式详细进行说明。另外，本发明不限定于该实施方式。此外，在各附图中，对相同或对应的要素适当标注相同的标号。进而，需要注意的是，附图是示意性的，各要素的尺寸的关系、各要素的比例等存在与实际不同的情况。在附图的相互间，也存在包含彼此的尺寸的关系、比例不同的部分的情况。此外，在图中适当示出xyz坐标轴，由此说明方向。
(实施方式1)
图1是实施方式1所涉及的波长可变激光元件的示意性立体图。波长可变激光元件100构成为在1.55μm波段进行激光振荡，输出激光。波长可变激光元件100具备在公共的基部B上形成的第1波导部10和第2波导部20。基部B例如由n型InP构成。另外，在基部B的背面形成有n侧电极30。n侧电极30例如包含AuGeNi而构成，与基部B进行欧姆接触。
第1波导部10具备：波导部11、半导体层叠部12、p侧电极13和由Ti构成的微加热器14、15。波导部11形成为在半导体层叠部12内沿z方向延伸。在第1波导部10内，配置有衍射光栅负载型增益部11a和相位调整部11b。半导体层叠部12由半导体层层叠而构成，对于波导部11具备包覆部的功能等。关于波导部11、半导体层叠部12的构成在后面详细叙述。
p侧电极13在半导体层叠部12上，沿着衍射光栅负载型增益部11a配置。另外，在半导体层叠部12形成有后述的SiN保护膜，p侧电极13经由形成于SiN保护膜的开口部与半导体层叠部12接触。微加热器14在半导体层叠部12的SiN保护膜上，沿着相位调整部11b配置。作为第1折射率变化器的微加热器15，在半导体层叠部12的SiN保护膜上，沿着p侧电极13配置。
图2A是将第1波导部10中的包含衍射光栅负载型增益部11a的部分沿着与图1的xy平面平行的面进行切断后的A-A线剖视图。如图2A所示，衍射光栅负载型增益部11a具有：活性芯层11aa、和在活性芯层11aa的附近且正上方沿着活性芯层11aa设置的由取样衍射光栅构成的衍射光栅层11ab。
活性芯层11aa具有包含交替地层叠的多个阱层以及多个阻挡层而构成的多量子阱结构、和对多量子阱结构从上下进行光限制的下部以及上部光限制层，通过电流注入而发光。构成该活性芯层11aa的多量子阱结构的阱层以及阻挡层由组成分别不同的InGaAsP构成，从活性芯层11aa的发光波段在本实施方式1中为1.55μm波段。下部光限制层由n型InGaAsP构成。上部光限制层由p型InGaAsP构成。下部以及上部光限制层的带隙波长设定为比活性芯层11aa的带隙波长短的波长。衍射光栅层11ab具有如下结构，即，在p型InGaAsP层沿着z方向形成取样衍射光栅，衍射光栅的槽由InP进行了埋入。在衍射光栅层11ab中衍射光栅的光栅间隔虽是固定的但被取样，由此针对波长示出大致周期性的反射响应。衍射光栅层11ab的p型InGaAsP层的带隙波长优选比活性芯层11aa的带隙波长短，例如为1.2μm。
包含衍射光栅负载型增益部11a的部分的半导体层叠部12例如具有以下那样的结构。半导体层叠部12在构成基部B的n型InP基板上，具有由n型InP构成的具有下部包覆层的功能的缓冲层所构成的n型半导体层12a。在n型半导体层12a上层叠有活性芯层11aa。进而在活性芯层11aa上，层叠有由p型InP构成的间隔层12b。在间隔层12b上层叠了衍射光栅层11ab。活性芯层11aa、间隔层12b以及衍射光栅层11ab通过蚀刻等而成为设为适于以单模对1.55μm波段的光进行光导波的宽度(例如1.8μm)的条纹台面结构。条纹台面结构的两侧(纸面左右方向)成为具有由p型InP埋入层12c以及n型InP电流阻挡层12d构成的电流阻挡结构的埋入结构。进而，在衍射光栅层11ab以及埋入结构之上，层叠有p型半导体层12e，该p型半导体层12e由如下层构成：由p型InP构成的间隔层12ea、和层叠在间隔层12ea上的由p型InGaAs构成且形成半导体层叠部12的最上层的接触层12eb。p型半导体层12e至少从活性芯层11aa的正上方一直到设置到其两侧的埋入结构的一部分。在半导体层叠部12形成有SiN保护膜16使得覆盖半导体层叠部12。p侧电极13包含AuZn而构成，形成在接触层12eb上，并经由SiN保护膜16的开口部16a与接触层12eb进行欧姆接触。通过以上构成，能够进行从n侧电极30以及p侧电极13向活性芯层11aa的电流注入。进而，微加热器15在为了对p侧电极13与微加热器15进行绝缘而设置于半导体层叠部12的SiN保护膜17上，沿着p侧电极13配置。
另一方面，图2B是将第1波导部10中的包含相位调整部11b的部分沿着与图1的xy平面平行的面进行切断后的B-B线剖视图。如图2B所示，包含相位调整部11b的第1波导部10的剖面结构具有如下结构：在图2A所示的结构中将活性芯层11aa置换为作为由InGaAsP构成的光导波层的相位调整部11b，衍射光栅层11ab以及间隔层12b置换为p型InP层12f，并删除了接触层12eb。为了降低相位调整部11b处的光损耗，高效地对光进行限制，相位调整部11b的带隙波长优选比活性芯层11aa的带隙波长短，例如为1.3μm以下。
如上所述，第1波导部10具有作为第1波导结构的埋入波导结构。
接下来，返回至图1，对第2波导部20进行说明。第2波导部20具备：二分支部21、两个臂部22、23、环状波导24和由Ti构成的微加热器25。
二分支部21由包含1×2型的多模干涉型(MMI)波导21a的1×2型的分支型波导构成，二端口侧与两个臂部22、23分别连接并且一端口侧与第1波导部10侧连接。通过二分支部21，两个臂部22、23的一端被合并，与衍射光栅层11ab光耦合。
臂部22、23均在z方向上延伸，并配置为夹着环状波导24。臂部22、23与环状波导24接近，均以同一耦合系数κ与环状波导24进行光耦合。κ的值例如为0.2。臂部22、23和环状波导24构成了环形谐振器滤波器RF1。此外，环形谐振器滤波器RF1和二分支部21构成了反射镜M1。作为第2折射率变化器的微加热器25为环状，配置在形成为覆盖环状波导24的SiN保护膜上。
图2C是将第2波导部20中的臂部22沿着与图1的xy平面平行的面进行切断后的C-C线剖视图。如图2C所示，臂部22具有在基部B上依次层叠由n型InP构成的下部包覆层22a、由InGaAsP构成的光导波层22b、以及由p型InP构成的上部包覆层22c而构成的高台波导结构。SiN保护膜22d形成为覆盖臂部22。另外，作为第2波导部20的其他的构成要素的二分支部21、臂部23、环状波导24也同样具有高台波导结构，并由SiN保护膜覆盖。即，第2波导部20具有与第1波导部10的第1波导结构不同的第2波导结构。
第1波导部10和第2波导部20构成了由彼此进行了光学连接的衍射光栅负载型增益部11a的衍射光栅层11ab和反射镜M1构成的激光谐振器C1。衍射光栅负载型增益部11a的作为增益部的活性芯层11aa和相位调整部11b配置在激光谐振器C1内。
接下来，使用图3A、3B对衍射光栅层11ab和环形谐振器滤波器RF1的反射特性进行说明。在图3A、3B中纵轴表示反射率(Reflectance)。如图3A中由图例“SG”表示的曲线那样，衍射光栅层11ab生成以大致规定的波长间隔具有大致周期性的反射特性的第一梳状反射光谱。另一方面，如图3A中由图例“Ring”表示的曲线那样，环形谐振器滤波器RF1生成以规定的波长间隔具有周期性的反射特性的第二梳状反射光谱。图3B是将图3A的反射光谱的1550nm附近放大来进行了表示的图。在图3B中，图例“Mode”示出了激光谐振器C1的谐振器模式。谐振器模式至少在图3A所示的1530nm～1570nm的波长范围内存在。如图3A、3B所示，第二梳状反射光谱具有比第一梳状反射光谱的光谱成分SC1的半峰全宽窄的半峰全宽的波峰SC2，并以与第一梳状反射光谱的波长间隔不同的波长间隔具有大致周期性的反射特性。但是，若对折射率的波长分散加以考虑，则需要注意光谱成分未严格地成为等波长间隔。
若对各梳状反射光谱的特性进行例示，则第一梳状反射光谱的波峰间的波长间隔(自由光谱区域：FSR)若用光的频率表示则为373GHz，各波峰的半峰全宽若用光的频率表示则为43GHz。此外，第二梳状反射光谱的波峰间的波长间隔(FSR)若用光的频率表示则为400GHz，各波峰的半峰全宽若用光的频率表示则为25GHz。即，第二梳状反射光谱的波峰的半峰全宽(25GHz)比第一梳状反射光谱的波峰的半峰全宽(43GHz)窄。
此外，第二梳状反射光谱的波峰具有相对于波长急剧变化的形状，存在相对于波长的反射率的2次微分在比波峰更短波长侧以及更长波长侧取正值的波长区域。第二梳状反射光谱的波峰例如是二重指数分布(拉普拉斯分布)型的形状。另一方面，第一梳状反射光谱的波峰相比于第二梳状反射光谱的波峰，具有相对于波长缓慢变化的形状，存在相对于波长的反射率的2次微分在相对于波峰而言更短波长侧以及更长波长侧取负值的波长区域。第一梳状反射光谱的波峰例如是高斯型(ガウシャン型)的形状。
在波长可变激光元件100中，为了实现激光振荡，构成为能够使第一梳状反射光谱的一个波峰与第二梳状反射光谱的一个波峰在波长轴上重叠。图4是表示第一梳状反射光谱、第二梳状反射光谱及其重叠的图。由图例“Overlap”所示的曲线表示光谱的重叠。在图4所示的例子中，在波长1550nm处重叠最大。
另外，这样的重叠能够通过使用微加热器15以及微加热器25中的至少任意一者进行如下处理中的至少任意一者来实现：利用微加热器15对衍射光栅层11ab进行加热而通过热光学效应来使其折射率发生变化从而使第一梳状反射光谱在波长轴上整体进行移动；以及利用微加热器25对环状波导24进行加热来使其折射率发生变化从而使第二梳状反射光谱在波长轴上整体进行移动。
另一方面，在波长可变激光元件100中，如在图3B中示出其一部分那样，存在基于激光谐振器C1的谐振器模式。在波长可变激光元件100中，对激光谐振器C1的谐振器长度进行了设定以使得谐振器模式的间隔(纵模间隔)成为25GHz以下。在该设定的情况下，激光谐振器C1的谐振器长度成为1800μm以上，能够期待进行振荡的激光的窄线宽化。
波长可变激光元件100构成为若从n侧电极30以及p侧电极13向活性芯层11aa注入电流，使活性芯层11aa发光，则在第一梳状反射光谱的光谱成分的波峰、第二梳状反射光谱的光谱成分的波峰以及激光谐振器的一个谐振器模式一致的波长即1550nm下进行激光振荡，输出激光L1(参照图1)。另外，激光谐振器C1的谐振器模式的波长能够通过使用微加热器14对相位调整部11b进行加热来使其折射率发生变化，使谐振器模式的波长在波长轴上整体进行移动，从而进行微调整。即，相位调整部11b是用于主动控制激光谐振器C1的光程的部分。
在此，如上所述，基于环形谐振器滤波器RF1的第二梳状反射光谱具有比基于衍射光栅层11ab的第一梳状反射光谱的波峰的半峰全宽窄的半峰全宽的波峰。由此，在半峰全宽较宽的第一梳状反射光谱的波峰中，会重叠存在半峰全宽比其窄的第2梳状反射光谱的波峰，所以激光振荡波长的控制变得容易。
即，与使用2个环形谐振器构成谐振器，并在尖锐的形状的波峰彼此间进行重叠的情况相比，由于仅第二梳状反射光谱的波峰尖锐，因此容易使其重叠为位于不比第二梳状反射光谱的波峰尖锐的形状的第一梳状反射光谱的波峰内，并且即使在波长偏离的情况下其变化也缓慢，激光振荡的波长也稳定。
进而，如上所述，波长可变激光元件100构成为，激光谐振器C1的谐振器模式间的间隔为25GHz以下，比第一梳状反射光谱的光谱成分的半峰全宽(43GHz)窄。
若为了激光的窄线宽化而增长谐振器长度，则谐振器模式间的间隔会变窄，特别是若谐振器模式的模式间的间隔变窄至在第一梳状反射光谱的波峰的半峰全宽内存在多个谐振器模式的程度，则通常的情况会难以选择进行激光振荡的谐振器模式。
但是，在波长可变激光元件100中，由于即使在像这样谐振器模式间的间隔较窄的情况下，也在第一梳状反射光谱的半峰全宽较宽的波峰中，存在半峰全宽比其窄的第二梳状反射光谱的波峰，因而选择谐振器模式的控制变得容易。因此，在波长可变激光元件100中，即使激光谐振器C1构成为对于谐振器模式的模式间的间隔而言在第一梳状反射光谱的波峰内包含2个以上的谐振器模式那样的长的谐振器长度，选择谐振器模式的控制也变得容易。
进而，如图3A、3B所示，若第二梳状反射光谱的波峰的反射率比第一梳状反射光谱的波峰的反射率高，则由反射镜M1反射的光的增益较大，能够在基于反射镜M1的第二梳状反射光谱的波峰位置，仅稳定地选择谐振器模式中的一个。
进而，只要第二梳状反射光谱的波峰为二重指数分布型的形状，那么在第一梳状反射光谱的波峰为高斯型的形状的情况下，就能够增大相对于第一梳状反射光谱的波峰的、波峰的尖锐度。由此，与第一梳状反射光谱的波峰的高度相比第二梳状反射光谱的波峰突出更高，能够容易地使第二梳状反射光谱的波峰的反射率比第一梳状反射光谱的波峰的反射率高。因此，能够更容易地实现稳定的单一模式振荡。
此外，在波长可变激光元件100中，根据该构成，如图5中由光路OP所示那样，激光谐振器C1内的光反馈在从衍射光栅层11ab起依次经由二分支部21、环形谐振器滤波器RF1的臂部22、23中的一方、环状波导24、臂部22、23中的另一方、二分支部21而反馈至衍射光栅层11ab的路径中进行，并且在一次光反馈中在环状波导24内环绕。另外，光路OP的箭头表示光的行进方向，光路OP示出了顺时针的光路和逆时针的光路的双方。即，作为光反馈的光路，存在顺时针的光路和逆时针的光路这两者。由此，光反馈长度较长，所以能够增长有效的谐振器长度，能够实现激光L1的窄线宽化。
接下来，使用图3A、3B、4、6，对波长可变激光元件100中的激光振荡波长的选择方法进行说明。在波长可变激光元件100中，利用游标效应来进行了激光振荡波长的选择。
也如图3A、3B、4所示，第一梳状反射光谱和第二梳状反射光谱的FSR设计为稍有不同。另外，通过增大波峰更尖锐的第二梳状反射光谱的FSR，从而与光谱的重叠的波峰最高的1550nm相邻的重叠(例如1547nm附近的重叠)的波峰的高度相对较小。结果，与光谱的重叠的波峰最高的波长相邻的重叠的波峰的波长下的激光振荡得到抑制，所以能够提高边模抑制比。
波长可变激光元件100中的可变波长范围根据游标效应，由FSR的最小公倍数来决定。第一梳状反射光谱的一个波峰与第二梳状反射光谱的一个波峰重叠，在该波峰一致的波长下反射率成为最大，发生激光振荡。即，根据衍射光栅层11ab与环形谐振器滤波器RF1的游标效应来决定大致的激光振荡波长(超模)。更精确地，激光振荡波长由在激光谐振器C1内从衍射光栅层11ab依次经由二分支部21、环形谐振器滤波器RF1的臂部22、23中的一方、环状波导24、臂部22、23中的另一方、二分支部21而反馈至衍射光栅层11ab的路径(谐振器长度)所定义的谐振器模式的波长与超模的重叠来决定。即，使激光谐振器C1的一个谐振器模式与相重叠的第一梳状反射光谱的波峰和第二梳状反射光谱的波峰的重叠区域一致，在该一致的谐振器模式的波长下进行激光振荡。因此，在波长可变激光元件100中，能够实现如下的波长可变动作：通过利用衍射光栅层11ab相应的微加热器15和环形谐振器滤波器RF1相应的微加热器25分别对第一梳状反射光谱和第二梳状反射光谱进行调谐(tuning)来进行粗调，通过利用相位调整部11b相应的微加热器14对谐振器长度进行调谐来进行微调。
在图3A、3B所示的状态(设为第1状态)下，第一梳状反射光谱和第二梳状反射光谱在波长1550nm下重叠最大(超模)。第1状态是激光振荡波长被粗调至1550nm附近的状态。通过在第1状态下对相位调整部11b进行调谐从而对谐振器模式进行微调，由此能够得到波长1550nm下的激光振荡。
接着，在变更激光振荡波长的情况下，在固定了环形谐振器滤波器RF1的调谐的状态下，仅衍射光栅层11ab由微加热器15进行加热。于是，由于热光学效应从而衍射光栅层11ab的折射率上升，衍射光栅层11ab的反射光谱(第一梳状反射光谱)如图6中箭头所示那样整体向长波侧位移。结果，1550nm附近的与环形谐振器滤波器RF1的反射光谱(第二梳状反射光谱)的波峰的重叠解除，与在长波侧存在的另一波峰(1556nm附近)重叠，成为图6所示的第2状态。由此，实现向另一超模的转移。进而，通过对相位调整部11b进行调谐来对谐振器模式进行微调，从而能够实现在1556nm附近的激光振荡。另外，在将激光振荡波长向短波侧进行变更时，将衍射光栅层11ab的调谐进行固定，仅环形谐振器滤波器RF1由微加热器25进行加热，从而使环形谐振器滤波器RF1的梳状反射光谱整体向长波侧位移即可。
在本实施方式1所涉及的波长可变激光元件100中，为了实现波长可变动作，利用了基于微加热器的热光学效应，但也可以为了实现波长可变动作而使得能够利用基于电流注入的载体等离子体效应(carrier plasma effect)。在该情况下由于折射率因电流注入而降低，因此梳状反射光谱整体向短波侧位移，在比之前形成了超模的波长更靠短波侧存在的另一光谱成分处产生重叠，能够形成新的超模。
另外，在第1状态下，在由衍射光栅层11ab和环形谐振器滤波器RF1生成的梳状反射光谱的波峰一致的波长下反射率成为最大并发生激光振荡的，是如图6所示使半峰全宽较宽的第一梳状反射光谱位移从而使其一个波峰与半峰全宽较窄的第一梳状反射光谱的一个波峰一致时。向长波侧进行调谐时，因为基于环形谐振器滤波器RF1的波峰的半峰全宽较窄，所以容易实现向对与其相比基于衍射光栅层11ab的半峰全宽较宽的波峰一边进行调谐一边进行位移而与其一致的超模的转移。
基于同样的理由，向短波侧进行调谐时，在对衍射光栅层11ab的调谐进行固定，仅环形谐振器滤波器RF1由微加热器25进行加热，从而使环形谐振器滤波器RF1的梳状反射光谱整体向长波侧位移的情况下，也因为基于衍射光栅层11ab的波峰的半峰全宽较宽，所以容易实现向对与其相比半峰全宽较窄的环形谐振器滤波器RF1的波峰一边进行调谐一边进行位移而与其一致的超模的转移。
此外，在本实施方式1所涉及的波长可变激光元件100中，进行超模的转移后，对相位调整部11b进行调谐来进行了谐振器模式的微调整。在此，在谐振器模式之间的间隔较窄，并且比衍射光栅层11ab的梳状反射光谱的波峰的半峰全宽窄的情况下，有可能在衍射光栅层11ab的波峰中存在多个谐振器模式。但是，在波长可变激光元件100中，环形谐振器滤波器RF1的梳状反射光谱的波峰的半峰全宽比衍射光栅层11ab的梳状反射光谱的波峰的半峰全宽窄。因此，在环形谐振器滤波器RF1的梳状反射光谱的波峰中，多个谐振器模式冲突的可能性较低，容易对相位调整部11b进行调谐来进行谐振器模式的微调整，以使得仅一个谐振器模式与环形谐振器滤波器RF1的波峰一致。
如以上所说明的那样，根据本实施方式1所涉及的波长可变激光元件100，能够实现激光的窄线宽化以及稳定的单一模式振荡。
关于本实施方式1所涉及的波长可变激光元件100的制造方法的一例，使用图7AA～7AC、7BA～7BC、7CA～CC来进行说明。首先在构成基部B的n型InP基板上，使用有机金属气相生长(Metal Organic Chemical Vapor Deposition：MOCVD)法，依次堆积n型半导体层12a(下部包覆层22a)、活性芯层11aa、间隔层12b、成为衍射光栅层11ab的p型InGaAsP层、成为间隔层12ea(上部包覆层22c)的一部分的p型InP层。
接下来，在整个面堆积了SiN膜之后，对形成衍射光栅负载型增益部11a的位置的SiN膜，实施衍射光栅的图案形成。然后，以SiN膜为掩模进行蚀刻，在p型InGaAsP层形成成为衍射光栅的光栅槽，并且将形成衍射光栅负载型增益部11a的位置以外的位置的p型InGaAsP层全部去除。接着，在除去SiN膜的掩模之后，在整个面对p型InP层进行再生长。接着，在整个面堆积了SiN膜之后，对SiN膜实施图案形成使得成为比衍射光栅负载型增益部11a稍稍宽幅的形状的图案。然后，以SiN膜为掩模进行蚀刻，使n型半导体层12a(下部包覆层22a)露出。接着，将SiN膜的掩模直接作为选择生长掩模，通过MOCVD法，使相位调整部11b以及成为第2波导部20中的光导波层的光导波层进行生长。接着，在除去SiN膜的掩模之后，新堆积SiN膜，并实施图案形成使得成为与第1波导部10中的波导部11以及第2波导部20中的光导波层对应的图案。然后，以该SiN膜为掩模进行蚀刻，形成第1波导部10以及第2波导部20中的台面结构，并且使n型半导体层12a(下部包覆层22a)露出。此时，与二分支部21、臂部22、23、环状波导24相当的区域按包含它们的较大区域的形状进行蚀刻。
接着，将在前一工序中使用的SiN膜掩模作为选择生长掩模，使用MOCVD法，在露出的n型半导体层12a(下部包覆层22a)上，依次堆积p型InP埋入层12c、n型InP电流阻挡层12d(参照图7AA～7AC。图7AA表示沿与图1的xy平面平行的面进行切断后的A-A线剖视图(增益部)，图7AB表示B-B线剖视图(相位调整部)，图7AC表示C-C线剖视图(臂部的光波导)。在以下的图7BA～7BC、图7CA～7CC中也是相同的。)。接着，除去SiN膜的掩模之后，使用MOCVD法，在整个面，依次堆积成为间隔层12ea(上部包覆层22c)的剩余的部分的p型InP层、接触层12eb(参照图7AA～7AC)。接着，进行除去相位调整部和臂部的光波导的接触层12eb的工序(参照图7BB、7BC)。接着，在整个面堆积了SiN膜之后，实施与元件分离用的沟槽对应的图案以及与二分支部21、臂部22、23、环状波导24相当的波导的图案形成。然后，以该SiN膜为掩模进行蚀刻，形成沟槽结构以及第2波导部20中的高台波导(参照图7BC)。在该蚀刻中，例如进行至达到基部B的深度。接着，除去SiN膜掩模之后，在整个面再次堆积SiN膜(参照图7CA～7CC)，在与衍射光栅负载型增益部11a对应的部分形成开口部，将SiN膜作为保护膜在整个面堆积了包含AuZn的导电膜之后，通过对导电膜进行图案形成来形成p侧电极13(参照图7CA)。另一方面，在基板的背面形成包含AuGeNi的n侧电极30。进而，在形成SiN保护膜17之后，形成例如由Ti构成的折射率变化用的微加热器14、15、25。最后，将基板劈开为多个波长可变激光元件100排列的条状，并在第1波导部10的衍射光栅负载型增益部11a侧端面、臂部22、23的具有直通端口的端面涂布了防反射膜之后，按照各波长可变激光元件100进行元件分离，由此完成波长可变激光元件100。
另外，在上述实施方式1所涉及的波长可变激光元件100中，臂部22、23通过与环状波导24接近从而与环状波导24进行了光耦合，但也可以如图8所示通过波导部26、27对臂部22、23和环状波导24进行光耦合。
图9A是说明波导部的结构的图。图9A是表示图8的A-A线剖面的一部分的图。如上所述，臂部22具有在基部B上依次层叠由n型InP构成的下部包覆层22a、由InGaAsP构成的光导波层22b、以及由p型InP构成的上部包覆层22c而构成的高台波导结构。同样地，臂部23具有在基部B上依次层叠由n型InP构成的下部包覆层23a、由InGaAsP构成的光导波层23b、以及由p型InP构成的上部包覆层23c而构成的高台波导结构。进而，波导部26是在基部B上依次层叠由n型InP构成的下部包覆层26a、由InGaAsP构成的光导波层26b、以及由p型InP构成的上部包覆层26c而构成的高台波导结构的多模干涉型(MMI)波导。另外，波导部27也是与波导部26相同结构的高台波导结构的MMI波导。
这样，通过波导部26、27对臂部22、23与环状波导24进行光耦合，由此能够更容易地实现臂部22、23与环状波导24的光耦合，并且能够更容易地进行耦合系数κ的调整。
对臂部22、23与环状波导24进行光耦合的波导部并不限于MMI波导，例如也可以是图9B所示那样的定向耦合型的波导部26A。波导部26A具有在基部B上依次层叠由n型InP构成的下部包覆层26Aa、由InGaAsP构成的光导波层26Ab、以及由p型InP构成的上部包覆层26Ac而构成的高台波导结构，但由于上部包覆层26Ac形成得比波导部26中的上部包覆层26c薄，因此作为定向耦合型波导而发挥功能。
另外，若对定向耦合型波导与MMI波导进行比较，则对于相对于沿着臂部的波导的宽度的变化的、臂部与环状波导的耦合系数的变化而言，定向耦合型波导的情况小于MMI波导的情况。因此，在由MMI波导形成了波导部的情况下，能够通过沿着臂部的波导的宽度的变更来使耦合系数更大地变化。
此外，在上述实施方式1所涉及的波长可变激光元件100中，第1波导部10具有作为第1波导结构的埋入波导结构，但第1波导部也可以具有作为第1波导结构的脊波导结构。
图10是说明具有脊波导结构的第1波导部的例子的图。图10是将第1波导部10A中的包含相位调整部11Ab的部分沿着图1的xy平面进行切断后的剖视图。第1波导部10A在包含相位调整部11Ab的部分中，具有由p型InP构成的下部包覆层12Aa、作为由InGaAsP构成的光导波层的相位调整部11Ab、和由n型InP构成的上部脊包覆层12Ab依次进行了层叠的结构。这样，第1波导部也可以具有脊波导结构。
(实施方式2)
图11是实施方式2所涉及的波长可变激光元件的示意性立体图。如图11所示，本实施方式2所涉及的波长可变激光元件100A具备图1所示的实施方式1所涉及的波长可变激光元件100、和形成在基部B上的半导体放大器(SOA)101。SOA101具有具备由与第1波导部相同的材料、结构构成的活性芯层的埋入波导结构。但是，并未设置衍射光栅层。
波长可变激光元件100和SOA101由未图示的空间耦合光学系统进行光耦合。从波长可变激光元件100输出的激光L1输入到SOA101。SOA101对激光L1进行光放大并作为激光L2而输出。根据本实施方式2所涉及的波长可变激光元件100A，能够与实施方式1所涉及的波长可变激光元件100同样地，实现激光的窄线宽化以及稳定的单一模式振荡，并因为还具备SOA101，所以能够以更高功率输出激光。
另外，在本实施方式2所涉及的波长可变激光元件100A中，波长可变激光元件100和SOA101由未图示的空间耦合光学系统来进行光耦合，但也可以将波长可变激光元件100和SOA101单片地形成在公共的基部B上。
(实施方式3)
接下来，对实施方式3进行说明。在本实施方式3中，在第2波导部由硅(Si)光子波导构成等方面与实施方式1、2不同。
图12A、12B是实施方式3所涉及的波长可变激光元件的示意图。图12A是立体图，图12B是后面说明的剖视图。波长可变激光元件200构成为在1.55μm波段进行激光振荡，输出激光。波长可变激光元件200具备第1波导部210和第2波导部220。
第1波导部210具备：波导部211、半导体层叠部212、n侧电极213和微加热器215。波导部211形成为在半导体层叠部212内沿z方向延伸。在第1波导部210内，配置有增益部211a和DBR型的衍射光栅层211b。半导体层叠部212由半导体层层叠而构成，对于波导部211具备包覆部的功能等。增益部211a具有由与实施方式1中的活性芯层11aa相同的材料构成的多量子阱结构和光限制层。此外，衍射光栅层211b通过由与实施方式1中的衍射光栅层11ab相同的材料构成的取样衍射光栅而构成。此外，半导体层叠部212在包含增益部211a的部分中，由与实施方式1中的半导体层叠部12的包含衍射光栅负载型增益部11a的部分相同的材料、结构构成，但是在如下方面不同，即：衍射光栅层11ab被置换为p型InP层，以及具有在y方向上夹着增益部211a而p型半导体层和n型半导体层的位置发生了颠倒的层叠结构。此外，半导体层叠部212在包含衍射光栅层211b的部分中，由与实施方式1中的半导体层叠部12的包含相位调整部11b的部分相同的材料、结构构成，但是在具有在y方向上夹着相位调整部11b而p型半导体层和n型半导体层的位置发生了颠倒的层叠结构这一点上不同。第1波导部210具有作为第1波导结构的埋入波导结构。
n侧电极213在半导体层叠部212上，沿着增益部211a配置。另外，在半导体层叠部212形成有SiN保护膜，n侧电极213经由形成于SiN保护膜的开口部与半导体层叠部212接触。作为第1折射率变化器的微加热器215在半导体层叠部212的SiN保护膜上，沿着衍射光栅层211b配置。此外，在半导体层叠部212的与形成了n侧电极213的面相反一侧的面，形成有未图示的p侧电极。
接下来，对第2波导部220进行说明。第2波导部220由SOI(Silicon On Insulator，绝缘体上硅)基板S构成。第2波导部220具备：二分支部221、臂部222、223、环状波导224、微加热器225、229、相位调整部228、和由SiO2构成的外包覆层230。
二分支部221由包含1×2型的MMI波导221a的1×2型的分支型波导构成，二端口侧分别与两个臂部222、223连接并且一端口侧经由相位调整部228与第1波导部210侧连接。通过二分支部221，从而两个臂部222、223的一端被合并，与衍射光栅层211b光耦合。在相位调整部228的第1波导部210侧，形成有宽度随着朝向第1波导部210而变细的锥形部。在锥形部的外周，形成有由折射率比SiO2高的例如SiN构成的外包覆层，成为光斑尺寸变换器结构。
臂部222、223均在z方向上延伸，配置为夹着环状波导224。臂部222、223与环状波导224接近，均以同一耦合系数κ与环状波导224进行光耦合。臂部222、223和环状波导224构成了环形谐振器滤波器RF2。此外，环形谐振器滤波器RF2和二分支部221构成了反射镜M2。作为第2折射率变化器的微加热器225为环状，在外包覆层230上配置于环状波导224的正上方。此外，微加热器229在外包覆层230上沿着相位调整部228配置。
图12B是将第2波导部220中的臂部222沿着与图12A的xy平面平行的平面进行切断后的剖视图。如图12B所示，臂部222具有由下层222a和器件层222b构成的高台波导结构，下层222a由支承层222aa和位于支承层222aa上的BOX(Buried Oxide，隐埋氧化物)层222ab构成，支承层222aa由SOI基板S的Si的支承基板构成，BOX层222ab由SiO2构成，器件层222b由Si构成且位于BOX层222ab。器件层222b作为光导波层而发挥功能，高台波导结构由外包覆层230覆盖。另外，第2波导部220的其他构成要素即二分支部221、臂部223、环状波导224、相位调整部228也同样地具有高台波导结构。即，第2波导部220具有与第1波导部210的第1波导结构不同的第2波导结构。
此外，第1波导部210作为增益芯片通过公知的方法来单独制作，并安装于通过在构成第2波导部220的SOI基板S中除去器件层和BOX层以及支承基板的一部分而形成的凹部CC。此时，第1波导部210的增益部211a和第2波导部220的相位调整部228进行了对接连接。
第1波导部210和第2波导部220构成了由彼此进行了光学连接的衍射光栅层211b和反射镜M2构成的激光谐振器C2。增益部211a和相位调整部228配置在激光谐振器C2内。
在该波长可变激光元件200中，也与实施方式1、2同样，衍射光栅层211b生成以大致规定的波长间隔具有大致周期性的反射特性的第一梳状反射光谱。此外，环形谐振器滤波器RF2生成第二梳状反射光谱，第二梳状反射光谱具有比第一梳状反射光谱的光谱成分的半峰全宽窄的半峰全宽的波峰，并以与第一梳状反射光谱的波长间隔不同的波长间隔具有大致周期性的反射特性。而且，在第一梳状反射光谱的波峰、第二梳状反射光谱的波峰、以及激光谐振器C2的一个谐振器模式一致的波长下进行激光振荡。此外，激光谐振器C2的谐振器模式的模式间的间隔比第1梳状反射光谱的光谱成分的半峰全宽窄。进而，激光谐振器C2内的光反馈在从衍射光栅层211b起依次经由二分支部221、环形谐振器滤波器RF2的臂部222、223中的一方、环状波导224、臂部222、223中的另一方、二分支部221而反馈至衍射光栅层211b的路径中进行，并且在一次光反馈中在环状波导224内环绕。由此，根据本实施方式3所涉及的波长可变激光元件200，因为光反馈长度较长，所以能够实现有效的激光的窄线宽化。此外，与实施方式1、2同样地，能够实现稳定的单一模式振荡。
此外，在波长可变激光元件200中，关于激光振荡波长，也与实施方式1、2的情况同样地，通过利用衍射光栅层211b相应的微加热器215和环形谐振器滤波器RF2相应的微加热器225分别对第一梳状反射光谱和第二梳状反射光谱进行调谐来进行粗调，并通过利用相位调整部228相应的微加热器229对谐振器长度进行调谐来进行微调，由此实现波长可变动作。
根据本实施方式3所涉及的波长可变激光元件200，能够与实施方式1、2同样地，实现激光的窄线宽化以及稳定的单一模式振荡。进而，在波长可变激光元件200中，第2波导部220由Si光子波导构成。Si光子波导由于波导限制强因而耐弯曲性好。因此，能够容易地实现直径小的环状波导224。由此，能够实现FSR大的环状波导224，意味着环形谐振器滤波器RF2的设计自由度提高。由此，根据波长可变激光元件200，占用面积较小且紧凑，并且能够输出高边模抑制比的激光。
对本实施方式3所涉及的波长可变激光元件200的制造方法的一例进行说明。首先，在SOI基板上，使用光刻来转印第2波导部220中的Si波导图案。具体而言，例如使用HBr气体对器件层以及BOX层进行蚀刻，得到通道波导结构。在此，出于降低因蚀刻而产生的波导的侧面粗糙度的目的，也可以进行不使用水蒸气的热氧化。接着，在整个面堆积SiN层，并通过光刻和蚀刻，在上述的光斑尺寸变换结构的部分形成由SiN构成的外包覆层。进而，在整个面堆积成为外包覆层230的SiO2层。
接着，在环状波导224上和相位调整部228上，形成例如由Ti构成的微加热器225、229。接着，通过蚀刻将与安装作为单独制作的增益芯片的第1波导部210的凹部CC相当的部分的外包覆层230和支承基板的一部分进行除去，形成凹部CC。在该部分通过倒装芯片接合来安装第1波导部210。由此完成波长可变激光元件200。
但是，作为增益芯片的第1波导部210并不限定于上述结构。例如，也可以是在InP或GaAs基板上具有量子阱结构或量子点结构的波导部。作为构成量子阱结构的化合物半导体材料，能够使用InGaAs、InGaAsN、AlInGaAs、InGaAs等III-V族化合物半导体。此外，作为构成量子点结构的化合物半导体材料，能够使用InAs、InGaA或其他的III-V族化合物半导体。
(实施方式4)
接下来，对实施方式4进行说明。在本实施方式4中，也与实施方式3同样地，第2波导部由硅Si光子波导构成，但是在如下方面等与实施方式3不同，即，在第2波导部设置衍射光栅、以及第1波导部具备U字形状的波导。
图13是实施方式4所涉及的波长可变激光元件的示意性立体图。波长可变激光元件300构成为在1.55μm波段进行激光振荡，输出激光。波长可变激光元件300具备第1波导部310和第2波导部320。
第1波导部310具备波导部311、半导体层叠部312和n侧电极313。波导部311在半导体层叠部312内形成为其一部分在z方向上延伸那样的U字形状。在第1波导部310内，配置有增益部311a和光导波层311b。半导体层叠部312由半导体层层叠而构成，对于波导部311具有包覆部的功能等。增益部311a在z方向上延伸，具有由与实施方式1中的活性芯层11aa相同的材料构成的多量子阱结构。此外，光导波层311b由与实施方式1中的相位调整部11b相同的材料构成，与增益部311a一起形成了U字形状。此外，半导体层叠部312在包含增益部311a的部分中，由与实施方式1中的半导体层叠部12的包含衍射光栅负载型增益部11a的部分相同的材料、结构构成，但是在如下方面不同，即：衍射光栅层11ab被置换为p型InP层，以及具有在y方向上夹着增益部311a而p型半导体层与n型半导体层的位置发生了颠倒的层叠结构。此外，半导体层叠部312在包含光导波层311b的部分中，由与实施方式1中的半导体层叠部12的包含相位调整部11b的部分相同的材料、结构构成，但是在具有在y方向上夹着增益部311a而p型半导体层和n型半导体层的位置发生了颠倒的层叠结构这一点上不同。第1波导部310具有作为第1波导结构的埋入波导结构。
n侧电极313在半导体层叠部312上，沿着增益部311a配置。另外，在半导体层叠部312形成有SiN保护膜使得覆盖半导体层叠部312，n侧电极313经由形成于SiN保护膜的开口部与半导体层叠部312接触。此外，在半导体层叠部312的与形成了n侧电极313的面相反一侧的面，形成有未图示的p侧电极。
接下来，对第2波导部320进行说明。第2波导部320由SOI基板构成。第2波导部320具备：二分支部321、臂部322、323、环状波导324、微加热器325、329、333、相位调整部328、由SiO2构成的外包覆层330、波导部331和衍射光栅部332。
二分支部321由包含1×2型的MMI波导321a的1×2型的分支型波导构成，二端口侧分别与两个臂部322、323连接并且一端口侧与第1波导部310的增益部311a侧连接。通过二分支部321，从而两个臂部322、323的一端被合并，与衍射光栅部332光耦合。在二分支部321的一端口侧，形成有宽度随着朝向第1波导部310而变细的锥形部。在锥形部的外周，形成有由折射率比SiO2高的例如SiN构成的外包覆层，成为光斑尺寸变换器结构。
臂部322、323均在z方向上延伸，配置为夹着环状波导324。臂部322、323与环状波导324接近，均以同一耦合系数κ与环状波导324进行光耦合。臂部322、323和环状波导324构成了环形谐振器滤波器RF3。此外，环形谐振器滤波器RF3和二分支部321构成了反射镜M3。作为第2折射率变化器的微加热器325为环状，配置在外包覆层330上的环状波导324的正上方。
波导部331是在z方向上延伸的波导，一端与第1波导部310的光导波层311b侧连接，另一端与衍射光栅部332连接。此外，在波导部331的中途设置有相位调整部328。微加热器329在外包覆层330上沿着相位调整部328配置。作为第1折射率变化器的微加热器333在外包覆层330上沿着衍射光栅部332配置。
另外，作为第2波导部320的构成要素的二分支部321、臂部322、323、环状波导324、相位调整部328、波导部331、衍射光栅部332，具有与图12B所示的实施方式3相同的高台波导结构。即，第2波导部320具有与第1波导部310的第1波导结构不同的第2波导结构。另外，衍射光栅部332具有如下结构，即，在作为光导波层而发挥功能的器件层上沿着z方向形成取样衍射光栅，衍射光栅的槽由外包覆层330的SiO2进行了埋入。
此外，第1波导部310作为增益芯片通过公知的方法来单独制作，并安装于通过在构成第2波导部320的SOI基板中除去器件层和BOX层以及支承基板的一部分而形成的凹部CC。此时，第1波导部310的增益部311a和第2波导部320的二分支部321的一端口侧进行对接连接，并且第1波导部310的光导波层311b和第2波导部320的波导部331进行了对接连接。另外，优选为与实施方式3的情况同样地，第2波导部320的二分支部321的一端口侧和第2波导部320的波导部331设为宽度随着朝向第1波导部310而变细的锥形部，在其外周形成例如由SiN构成的外包覆层，成为光斑尺寸变换器结构。
第1波导部310和第2波导部320构成了由彼此进行了光学连接的衍射光栅部332和反射镜M3构成的激光谐振器C3。增益部311a和相位调整部328配置在激光谐振器C3内。
在该波长可变激光元件300中，也与实施方式1～3同样地，衍射光栅部332生成以大致规定的波长间隔具有大致周期性的反射特性的第一梳状反射光谱。此外，环形谐振器滤波器RF3生成第二梳状反射光谱，该第二梳状反射光谱具有比第一梳状反射光谱的波峰的半峰全宽窄的半峰全宽的波峰，并以与第一梳状反射光谱的波长间隔不同的波长间隔具有大致周期性的反射特性。而且，在第一梳状反射光谱的波峰、第二梳状反射光谱的波峰以及激光谐振器C3的一个谐振器模式一致的波长下进行激光振荡。此外，激光谐振器C3的谐振器模式的模式间的间隔比第1梳状反射光谱的光谱成分的半峰全宽窄。进而，激光谐振器C3内的光反馈在从衍射光栅部332起依次经由二分支部321、环形谐振器滤波器RF3的臂部322、323中的一方、环状波导324、臂部322、323中的另一方、二分支部321而反馈至衍射光栅部332的路径中进行，并且在一次光反馈中在环状波导324内环绕。由此，与实施方式1～3同样地，根据本实施方式4所涉及的波长可变激光元件300，能够实现激光的窄线宽化以及稳定的单一模式振荡。
此外，在波长可变激光元件300中，关于激光振荡波长，也与实施方式1、2的情况同样地，通过利用衍射光栅部332相应的微加热器333和环形谐振器滤波器RF3相应的微加热器325分别对第一梳状反射光谱和第二梳状反射光谱进行调谐来进行粗调，并通过利用相位调整部328相应的微加热器329对谐振器长度进行调谐来进行微调，由此实现波长可变动作。
波长可变激光元件300也能够与实施方式3所涉及的波长可变激光元件200同样地进行制造。即，使用SOI基板来制作与第2波导部320关联的部分，在其凹部CC，通过倒装芯片接合来安装单独制作的第1波导部310。由此完成波长可变激光元件300。
根据本实施方式4所涉及的波长可变激光元件300，与实施方式1、2同样地，能够实现激光的窄线宽化以及稳定的单一模式振荡，并且与实施方式3同样地，占用面积小且紧凑，并且能够输出高边模抑制比的激光。
(实施方式5)
接下来，对实施方式5所涉及的激光模块进行说明。图14是本实施方式5所涉及的激光模块的示意图。激光模块1000具备：实施方式2所涉及的波长可变激光元件100A、准直透镜1001、光隔离器1002、分束器1003、聚光透镜1005、光纤1006、作为受光元件的功率监视器PD(Photo Diode，光电二极管)功率监视器PD1009、标准具滤波器1010和功率监视器PD1011。此外，波长可变激光元件100A载置于用于调节波长可变激光元件100A的温度的未图示的电子冷却元件。波长可变激光元件100A、功率监视器PD1009、1011以及电子冷却元件与外部的控制部连接。
波长可变激光元件100A从控制部供给驱动电流，由SOA101将通过由控制部对微加热器14、15、25进行控制来加以调整的衍射光栅层11ab、环形谐振器滤波器RF1、相位调整部11b等的条件所决定的波长的激光放大至所希望的输出强度后作为激光L2进行输出。准直透镜1001使从波长可变激光元件100A输出的激光L2成为平行光线。光隔离器1002使由准直透镜1001变为平行光线的激光L2仅在一个方向上透过。分束器1003使透过光隔离器1002的激光L2的大部分进行透过并且使一部分向功率监视器PD1009侧进行分支。功率监视器PD1009接收由分束器1008分支出的激光L2的一部分，并输出与其受光强度相应的值的电流。标准具滤波器1010具备具有根据多重干涉的次数而周期性地变化的波峰的透射波长特性，使透过分束器1008的激光L2以与激光L2的波长下的透射波长特性相应的透过率进行透过。标准具滤波器1010的周期例如以光的频率表示则为50GHz。功率监视器PD1011接收透过标准具滤波器1010的激光L2，并输出与其受光强度相应的值的电流。聚光透镜1005对透过分束器1003的激光L2进行聚光并耦合至光纤1006。光纤1006将耦合后的激光L2向外部传播。激光L2例如作为光纤通信用的信号光来使用。标准具滤波器1010使用了体型(bulk)滤波器，但也可以取代之而使用波导型的滤波器。
根据该激光模块1000，通过具备波长可变激光元件100A，从而能够实现激光L2的窄线宽化以及稳定的单一模式振荡，而且能够以更高的功率输出激光L2。进而，通过监视从功率监视器PD1009、1011输出的电流来监视受光强度，能够进行基于控制部的波长锁定控制。
具体而言，在波长锁定控制中，控制部进行使波长可变激光元件100A的驱动电流和温度进行变化的控制，以使得由功率监视器PD1009监视的激光的强度与由功率监视器PD1011监视的标准具滤波器1010透过后的激光的强度之比成为激光L2的波长为所希望的波长时的比。由此，能够将激光L2的波长控制为所希望的波长(锁定波长)。
(实施方式6)
接下来，对实施方式6所涉及的激光模块进行说明。图15是本实施方式6所涉及的激光模块的示意图。激光模块1000A具备：波长可变激光元件100B、准直透镜1001、光隔离器1002、分束器1003、功率监视器PD1004、聚光透镜1005、光纤1006、准直透镜1007、分束器1008、功率监视器PD1009、标准具滤波器1010和功率监视器PD1011。此外，波长可变激光元件100B载置于用于调节波长可变激光元件100B的温度的未图示的电子冷却元件。波长可变激光元件100B、功率监视器PD1004、1009、1011以及电子冷却元件与外部的控制部连接。
准直透镜1001、光隔离器1002、分束器1003、功率监视器PD1004、聚光透镜1005、光纤1006的功能与激光模块1000的情况相同，故省略说明。
波长可变激光元件100B设计为在波长可变激光元件100A具备的波长可变激光元件100中，臂部22与环状波导24的耦合系数κ1和臂部23与环状波导24的耦合系数κ2成为彼此不同的值。像这样，通过将耦合系数κ1和κ2设为彼此不同的值，从而环形谐振器滤波器RF1成为非对称滤波器，振荡出的激光的一部分从臂部22、23的和与二分支部21连接的一侧相反的端面分别输出。
准直透镜1007使从臂部22的端面输出的、振荡出的激光的一部分即激光L3成为平行光线。分束器1008使成为平行光线后的激光L3的大部分透过并且使一部分向功率监视器PD1009侧进行分支。功率监视器PD1009接收由分束器1008分支出的激光L3的一部分，并输出与其受光强度相应的值的电流。标准具滤波器1010具备具有根据多重干涉的次数而周期性地变化的波峰的透射波长特性，使透过分束器1008的激光L3以与激光L3的波长下的透射波长特性相应的透过率进行透过。标准具滤波器1010的周期例如以光的频率表示则为50GHz。功率监视器PD1011接收透过标准具滤波器1010的激光L3，并输出与其受光强度相应的值的电流。
根据该激光模块1000A，通过具备波长可变激光元件100B，从而能够实现激光L2的窄线宽化以及稳定的单一模式振荡，而且能够以更高的功率输出激光L2。进而，通过监视从功率监视器PD1009、1011输出的电流来监视受光强度，能够进行基于控制部的波长锁定控制。进而，通过监视从功率监视器PD1004输出的电流从而能够监视激光L2的强度，所以能够通过控制部来进行功率反馈控制。
具体而言，在波长锁定控制中，控制部进行使波长可变激光元件100B的驱动电流与温度进行变化的控制，以使得由功率监视器PD1009监视的激光的强度与由功率监视器PD1011监视的标准具滤波器1010透过后的激光的强度之比成为激光L2的波长为所希望的波长时的比率。由此，能够将激光L2的波长控制为所希望的波长(锁定波长)。
另外，在上述实施方式中，衍射光栅为取样衍射光栅，但衍射光栅的种类并不限定于此，也可以是超结构衍射光栅(Superstructure Grating)、重叠衍射光栅(SuperimposedGrating)。
此外，在实施方式1中，衍射光栅层11ab在活性芯层11aa的附近并且正上方，沿着活性芯层11aa进行了设置，但本发明并不限定于此。例如，在与相位调整部相反一侧设置有与活性芯层连接的光导波层的情况下，也可以在活性芯层的附近并且该光导波层的正上方设置衍射光栅层。
此外，本发明并不限定于上述实施方式。将上述的各构成要素适当进行组合而构成的实施方式也包含在本发明中。此外，对于本领域技术人员来说，能够容易地推导出进一步的效果、变形例。因此，本发明的更加广泛的方式并不限定于上述实施方式，能够进行各种各样的变更。
符号说明
10、10A、210、310 第1波导部
11、211、311 波导部
11a 衍射光栅负载型增益部
11aa 活性芯层
11ab、211b 衍射光栅层
11b、11Ab、228、328 相位调整部
12、212、312 半导体层叠部
12Aa、26Aa 下部包覆层
12Ab 上部脊包覆层
13 p侧电极
14、15、25、215、225、229、325、329、333 微加热器
20、220、320 第2波导部
21 二分支部
21a、221a、321a MMI波导
22、23、222、223、322、323 臂部
22a、23a、26a 下部包覆层
22b、23b、26b、26Ab、311b 光导波层
22c、23c、26c、26Ac 上部包覆层
24、224、324 环状波导
26、26A、27、331 波导部
30、213、313 n侧电极
100、100A、100B、200、300 波长可变激光元件
211a、311a 增益部
222a 下层
222aa 支承层
222ab BOX层
222b 器件层
230、330 外包覆层
332 衍射光栅部
1000、1000A 激光模块
1001、1007 准直透镜
1002 光隔离器
1003、1008 分束器
1004、1009、1011 功率监视器PD
1005 聚光透镜
1006 光纤
1010 标准具滤波器
B 基部
C1、C2、C3 激光谐振器
CC 凹部
L1、L2、L3 激光
M1、M2、M3 反射镜
OP 光路
RF1、RF2、RF3 环形谐振器滤波器
SC1、SC2 光谱成分
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.[修改后]一种波长可变激光元件，具备：
激光谐振器，其由衍射光栅和反射镜构成，所述反射镜包含与所述衍射光栅进行光耦合的环形谐振器滤波器；
增益部，其配置在所述激光谐振器内；和
相位调整部，其配置在所述激光谐振器内，
所述衍射光栅生成第一梳状反射光谱，
所述环形谐振器滤波器具备：
环状波导；和
两个臂部，分别与所述环状波导进行光耦合，并且各自的一端被合并而与所述衍射光栅进行光耦合，
所述环形谐振器滤波器生成第二梳状反射光谱，该第二梳状反射光谱具有比所述第一梳状反射光谱的波峰的半峰全宽窄的半峰全宽的波峰，并具有与所述第一梳状反射光谱的波长间隔不同的波长间隔，
所述衍射光栅和所述环形谐振器构成为能够使所述第一梳状反射光谱的一个波峰与所述第二梳状反射光谱的一个波峰在波长轴上重叠，
所述波长可变激光元件进一步构成为通过调整所述相位调整部的折射率，从而使所述激光谐振器的一个所述谐振器模式与重叠的所述第一梳状反射光谱的所述波峰和所述第二梳状反射光谱的所述波峰的重叠区域一致，以该一致的所述谐振器模式的波长进行激光振荡，
所述激光谐振器构成为谐振器模式的模式间的间隔比所述第一梳状反射光谱的波峰的半峰全宽窄，并且在所述第一梳状反射光谱的波峰内包含2个以上的所述谐振器模式，
所述波长可变激光元件构成为通过所述相位调整部的折射率的调整，从而使所述2个以上的谐振器模式在波长轴上进行移动，使所述2个以上的谐振器模式中的一个与所述重叠区域一致。
2.[删除]
3.[修改后]根据权利要求1所述的波长可变激光元件，其特征在于，所述激光谐振器内的光反馈的路径是从所述衍射光栅起经由所述两个臂部中的一方、所述环状波导、所述两个臂部中的另一方而反馈至所述衍射光栅的路径。
4.[修改后]根据权利要求1或3所述的波长可变激光元件，其特征在于，
具备使所述衍射光栅的折射率发生变化的第1折射率变化器和使所述环形谐振器的折射率发生变化的第2折射率变化器，使用所述第1折射率变化器以及所述第2折射率变化器中的至少任意一者，使所述第一梳状反射光谱的一个波峰与所述第二梳状反射光谱的一个波峰在波长轴上重叠。
5.[修改后]根据权利要求1、3以及4中任一项所述的波长可变激光元件，其特征在于，
所述衍射光栅是取样衍射光栅。
6.[修改后]根据权利要求1、3以及4中任一项所述的波长可变激光元件，其特征在于，
所述衍射光栅是超结构衍射光栅。
7.[修改后]根据权利要求1、3以及4中任一项所述的波长可变激光元件，其特征在于，
所述衍射光栅是重叠衍射光栅。
8.[修改后]根据权利要求1、3至7中任一项所述的波长可变激光元件，其特征在于，
所述衍射光栅设置于所述增益部的附近。
9.[修改后]根据权利要求1、3至8中任一项所述的波长可变激光元件，其特征在于，
所述衍射光栅沿着所述增益部设置。
10.[修改后]根据权利要求1、3至9中任一项所述的波长可变激光元件，其特征在于，
所述增益部配置在埋入波导结构内，所述环形谐振器滤波器具有高台波导结构。
11.[修改后]根据权利要求1、3至9中任一项所述的波长可变激光元件，其特征在于，
所述增益部配置在脊波导结构内，所述环形谐振器滤波器具有高台波导结构。
12.[修改后]根据权利要求1、3至11中任一项所述的波长可变激光元件，其特征在于，
在所述环形谐振器滤波器中，所述环状波导和所述两个臂部通过多模干涉型波导部来进行光耦合。
13.[修改后]根据权利要求1、3至11中任一项所述的波长可变激光元件，其特征在于，
在所述环形谐振器滤波器中，所述环状波导和所述两个臂部通过定向耦合型波导部来进行光耦合。
14.[修改后]根据权利要求1、3至13中任一项所述的波长可变激光元件，其特征在于，
还具备：半导体光放大器，其将通过所述激光振荡而输出的激光进行光放大。
15.[删除]
16.[修改后]根据权利要求1、3至14中任一项所述的波长可变激光元件，其特征在于，
所述第一梳状反射光谱的波峰是高斯型的形状，所述第二梳状反射光谱的波峰是二重指数分布型的形状。
17.[修改后]根据权利要求1、3至14、16中任一项所述的波长可变激光元件，其特征在于，
构成为在所述环形谐振器滤波器中与所述环形谐振器进行光耦合的所述两个臂部的耦合系数彼此不同。
18.[修改后]根据权利要求3所述的波长可变激光元件，其特征在于，
还具备：第3折射率变化器，其调整所述相位调整部的折射率。
19.[修改后]根据权利要求18所述的波长可变激光元件，其特征在于，
所述第1折射率变化器、第2折射率变化器以及第3折射率变化器是分别设置在所述衍射光栅、所述环形谐振器以及所述相位调整部各自的附近，且使各自的折射率进行热变化的电阻加热器。
20.[删除]
21.[删除]
22.[追加]根据权利要求1、3至14、16至19中任一项所述的波长可变激光元件，其特征在于，
所述第一梳状反射光谱的波峰是高斯型的形状，所述第二梳状反射光谱的波峰是二重指数分布型的形状，
构成为在相对于所述第一梳状反射光谱的高斯型的形状的波峰，所述第二梳状反射光谱的二重指数分布型的形状的波峰突出较高的状态下，进行所述相位调整部的折射率的调整。
23.[追加]一种激光模块，其特征在于，具备：
权利要求1、3至14、16至19、22中任一项所述的波长可变激光元件。
24.[追加]一种激光模块，其特征在于，具备：
权利要求17所述的波长可变激光元件；和
受光元件，其接收从所述波长可变激光元件的所述两个臂部之中的一个臂部的端部中的未合并的端部的端面输出的激光的一部分。

Claims (21)

1.一种波长可变激光元件，具备：
激光谐振器，其由衍射光栅和反射镜构成，所述反射镜包含与所述衍射光栅进行光耦合的环形谐振器滤波器；
增益部，其配置在所述激光谐振器内；和
相位调整部，其配置在所述激光谐振器内，
所述衍射光栅生成第一梳状反射光谱，
所述环形谐振器滤波器具备：
环状波导；和
两个臂部，分别与所述环状波导进行光耦合，并且各自的一端被合并而与所述衍射光栅进行光耦合，
所述环形谐振器滤波器生成第二梳状反射光谱，该第二梳状反射光谱具有比所述第一梳状反射光谱的波峰的半峰全宽窄的半峰全宽的波峰，并具有与所述第一梳状反射光谱的波长间隔不同的波长间隔，
所述衍射光栅和所述环形谐振器构成为能够使所述第一梳状反射光谱的一个波峰与所述第二梳状反射光谱的一个波峰在波长轴上重叠，
所述激光谐振器构成为谐振器模式的模式间的间隔比所述第一梳状反射光谱的波峰的半峰全宽窄。
2.根据权利要求1所述的波长可变激光元件，其特征在于，
进一步构成为，通过调整所述相位调整部的折射率，从而使所述激光谐振器的一个所述谐振器模式与重叠的所述第一梳状反射光谱的所述波峰和所述第二梳状反射光谱的所述波峰的重叠区域一致，以该一致的所述谐振器模式的波长进行激光振荡。
3.根据权利要求1或2所述的波长可变激光元件，其特征在于，
所述激光谐振器内的光反馈的路径是从所述衍射光栅起经由所述两个臂部中的一方、所述环状波导、所述两个臂部中的另一方而反馈至所述衍射光栅的路径。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的波长可变激光元件，其特征在于，
具备使所述衍射光栅的折射率发生变化的第1折射率变化器和使所述环形谐振器的折射率发生变化的第2折射率变化器，使用所述第1折射率变化器以及所述第2折射率变化器中的至少任意一者，使所述第一梳状反射光谱的一个波峰与所述第二梳状反射光谱的一个波峰在波长轴上重叠。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的波长可变激光元件，其特征在于，
所述衍射光栅是取样衍射光栅。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的波长可变激光元件，其特征在于，
所述衍射光栅是超结构衍射光栅。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的波长可变激光元件，其特征在于，
所述衍射光栅是重叠衍射光栅。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的波长可变激光元件，其特征在于，
所述衍射光栅设置于所述增益部的附近。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的波长可变激光元件，其特征在于，
所述衍射光栅沿着所述增益部设置。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的波长可变激光元件，其特征在于，
所述增益部配置在埋入波导结构内，所述环形谐振器滤波器具有高台波导结构。
11.根据权利要求1至9中任一项所述的波长可变激光元件，其特征在于，
所述增益部配置在脊波导结构内，所述环形谐振器滤波器具有高台波导结构。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的波长可变激光元件，其特征在于，
在所述环形谐振器滤波器中，所述环状波导和所述两个臂部通过多模干涉型波导部来进行光耦合。
13.根据权利要求1至11中任一项所述的波长可变激光元件，其特征在于，
在所述环形谐振器滤波器中，所述环状波导和所述两个臂部通过定向耦合型波导部来进行光耦合。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的波长可变激光元件，其特征在于，
还具备：半导体光放大器，其将通过所述激光振荡而输出的激光进行光放大。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的波长可变激光元件，其特征在于，
所述激光谐振器构成为所述谐振器模式的模式间的间隔是在所述第一梳状反射光谱的波峰内包含2个以上的所述谐振器模式。
16.根据权利要求1至15中任一项所述的波长可变激光元件，其特征在于，
所述第一梳状反射光谱的波峰是高斯型的形状，所述第二梳状反射光谱的波峰是二重指数分布型的形状。
17.根据权利要求1至16中任一项所述的波长可变激光元件，其特征在于，
构成为在所述环形谐振器滤波器中与所述环形谐振器进行光耦合的所述两个臂部的耦合系数彼此不同。
18.根据权利要求3所述的波长可变激光元件，其特征在于，
还具备：第3折射率变化器，其调整所述相位调整部的折射率。
19.根据权利要求18所述的波长可变激光元件，其特征在于，
所述第1折射率变化器、第2折射率变化器以及第3折射率变化器是分别设置在所述衍射光栅、所述环形谐振器以及所述相位调整部各自的附近，且使各自的折射率进行热变化的电阻加热器。
20.一种激光模块，其特征在于，
具备权利要求1至19中任一项所述的波长可变激光元件。
21.一种激光模块，其特征在于，具备：
权利要求17所述的波长可变激光元件；和
受光元件，其接收从所述波长可变激光元件的所述两个臂部之中的一个臂部的端部中的未合并的端部的端面输出的激光的一部分。
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