JP2011066174A - 光集積素子 - Google Patents

Abstract

【課題】ＤＦＢレーザ素子と光学素子を集積した集積型ＤＦＢレーザなどの光集積素子において素子間に生じる内部反射を、斜め導波路などの新たな作製工程を用いずに低減させることができる構造の光集積素子を提供する。
【解決手段】例えば、回折格子を有するＤＦＢレーザ素子１０１と、導波ガイド層１０６を有する光学素子１０２とが集積された集積型ＤＦＢレーザ（光集積素子）においては、サブ波長又はそれに等価な波長と同じ長さの光路長を有する構成要素１３１，１３２から成る屈折率遷移領域１０７を、ＤＦＢレーザ素子１０１の回折格子１０３と光学素子１０２の導波ガイド層１０６との間に設けた構造とする。
【選択図】図２

Description

本発明は光集積素子に関し、半導体増幅器、電界吸収型変調器などの異種の光学素子を分布帰還型レーザ素子に集積した光通信用の集積型の分布帰還型レーザなどの光集積素子などに適用して有用なものである。

光伝送システムに用いられている半導体レーザ素子は単一モード発振することが要求されており、半導体レーザ素子の導波路方向に回折格子を設けた分布帰還型半導体レーザ素子(distributed feedback laser；以下ＤＦＢレーザ素子と称す)が広く用いられている。

ＤＦＢレーザ素子の波長選択性は回折格子による選択的な光の帰還作用に起因する。そのため、ＤＦＢレーザ素子の端面における回折格子の初期位相は素子特性と関係がある。現在の壁開技術の精度ではレーザ端面の位相を制御できないため、レーザ端面の位相のばらつきはＤＦＢレーザ素子の歩留まりを悪化させる。従って、ＤＦＢレーザ素子ではレーザ端面に反射防止膜を施して、端面位相の影響をなくすのが一般的である。

一方、ＤＦＢレーザ素子の出力端の前方に、半導体増幅器（ＳＯＡ）、電界吸収型変調器（ＥＡＭ）などの能動素子や、光出力取り出しの受動導波路（受動素子）を集積した集積型ＤＦＢレーザにおいては、領域間（ＤＦＢレーザ素子と能動又は受動素子との間）に反射防止膜を形成することは不可能である。ＤＦＢレーザ素子部の活性層と、集積される能動又は受動素子の導波ガイド層は異なる組成が必要であるため、バッドジョイント(Butt‐Joint)再成長と呼ばれる集積法が取られるのが一般的である。その際に生じるＤＦＢレーザ素子部と集積領域（能動又は受動素子）との間の反射率は１０^-3(=−３０dB)程度である。ＤＦＢレーザ素子の良好な動作のためには前記反射率を−４０dB以下にする必要であり、集積領域（能動又は受動素子）の材料の組成に制約が生じる。また、残留反射率が−４０dB以下になるように、集積領域の導波路をＤＦＢレーザ素子の共振器方向から斜めに曲げるなどの工夫が取り入れられていた（非特許文献１）。

「バットジョイント型光導波路集積素子における内部反射抑制法」電子情報通信学会論文誌Ｃ−１、７９巻、１２号、pp.482-483（1996年12月）

しかしながら、非特許文献１に記載の方法では、導波路を斜めにするための新たな作製工程が必要になるため、光集積素子の作製に手間がかかる。

従って、本発明の目的は、ＤＦＢレーザ素子と光学素子を集積した集積型ＤＦＢレーザなどの光集積素子において素子間に生じる内部反射を、斜め導波路などの新たな作製工程を用いずに１０dB以上低減させて、−４０dB以下の残留反射率を実現することができる構造の光集積素子を提供することにある。

上記目的を達成する第１発明の光集積素子は、回折格子を有する分布帰還型半導体レーザ素子と、導波ガイド層を有する光学素子とが集積された光集積素子において、
サブ波長又はそれに等価な波長と同じ長さの光路長を有する構成要素から成る屈折率遷移領域を、前記分布帰還型半導体レーザ素子の回折格子と前記光学素子の導波ガイド層との間に設けたことを特徴とする。

また、第２発明の光集積素子は、第１発明の光集積素子において、
前記屈折率遷移領域を構成する前記構成要素は、
前記回折格子における高屈折率の領域又は低屈折率の領域を構成する半導体物質と同一の半導体物質によって、前記高屈折率の領域又は屈折率遷移領域の低い領域と同一構造に構成された第１の構成要素と、
前記導波ガイド層を構成する半導体物質と同一の半導体物質によって、前記導波ガイド層と同一構造に構成された第２の構成要素であること、
を特徴とする。

また、第３発明の光集積素子は、第２発明の光集積素子において、
前記屈折率遷移領域は、前記第１の構成要素と前記第２の構成要素を組み合わせて、光路長を、前記屈折率遷移領域を伝播する光の波長以上の長さに拡張した構造を有することを特徴とする。

また、第４発明の光集積素子は、少なくとも２種類の、導波ガイド層を有する第１の光学素子と、導波ガイド層を有する第２の光学素子とが集積された光集積素子において、
サブ波長又はそれに等価な波長と同じ長さの光路長を有する構成要素から成る屈折率遷移領域を、前記第２の光学素子の導波ガイド層と前記第２の光学素子の導波ガイド層との間に設けたことを特徴とする。

また、第５発明の光集積素子は、第４発明の光集積素子において、
前記屈折率遷移領域を構成する前記構成要素は、
前記第２の光学素子の導波ガイド層を構成する半導体物質と同一の半導体物質によって、前記第２の光学素子の導波ガイド層と同一構造に構成された第１の構成要素と、
前記第２の光学素子の導波ガイド層を構成する半導体物質と同一の半導体物質によって、前記第２の光学素子の導波ガイド層と同一構造に構成された第２の構成要素であること、
を特徴とする。

また、第６発明の光集積素子は、第５発明の光集積素子において、
前記屈折率遷移領域は、前記第１の構成要素と前記第２の構成要素を組み合わせて、光路長を、前記屈折率遷移領域を伝播する光の波長以上の長さに拡張した構造を有することを特徴とする。

本発明によれば、ＤＦＢレーザ素子と光集積素子を集積した光集積素子（集積型DFBレーザ）や、異種の光学素子を集積した光集積素子において、斜め導波路などの新たな作製工程を不要としながら素子間の内部反射を低減することができる。従って、簡単な作製工程で集積型DFBレーザなどの光集積素子の安定動作化を図ることが可能となる。

本発明の実施の形態例の対象になる参考例の集積型ＤＦＢレーザの構造を示す素子断面図であって、（ａ）は集積型ＤＦＢレーザの全体的な構造を示す断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ部の具体的な構造を示す断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ部の具体的な構造を示す断面図である。 本発明の実施の形態例に係る屈折率遷移領域を導入した集積型ＤＦＢレーザの構造を示す素子断面図であって、（ａ）は集積型ＤＦＢレーザの全体的な構造を示す断面図、（ｂ）は（ａ）のＣ部及びＤ部の具体的な構造を示す断面図、（ｃ）は（ａ）のＥ部及びＦ部の具体的な構造を示す断面図である。 本発明の実施例に係る集積型ＤＦＢレーザにおけるＤＦＢレーザ素子と光学素子との間の残留反射率を示す図であって、屈折率遷移領域の位置制御が行われ、最適条件が特定できる場合の残留反射率を示した図である。 本発明の実施例に係る集積型ＤＦＢレーザにおけるＤＦＢレーザ素子と光学素子との間の残留反射率を示す図であって、屈折率遷移領域の位置制御が行われなかった場合に保証できる残留反射率を示した図である。 （ａ）は本発明の実施の形態例の対象になる参考例の光集積素子（異種の光学素子を集積した光集積素子）の構造例を示す素子断面図、（ｂ）は本発明の実施の形態例に係る屈折率変移領域を導入した光集積素子（異種の光学素子を集積した光集積素子）の構造例を示す素子断面図である。 （ａ）は本発明の実施の形態例の対象になる参考例の光集積素子（異種の光学素子を集積した光集積素子）の他の構造例を示す素子断面図、（ｂ）は本発明の実施の形態例に係る屈折率変移領域を導入した光集積素子（異種の光学素子を集積した光集積素子）の他の構造例を示す素子断面図である。

以下、本発明の実施の形態例及び実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

まず、図１に基づいて、本発明の実施の形態例の対象になる参考例の集積型ＤＦＢレーザ（光集積素子）の構造について説明する。

図１（ａ）に示すように、参考例の集積型ＤＦＢレーザは、InPの半導体基板１００上に作製されたＤＦＢレーザ素子１０１と、電界吸収型変調器（ＥＡＭ）や半導体増幅器（ＳＯＡ）などの光学素子（集積領域）１０２とが集積された光集積素子である。ＤＦＢレーザ素子１０１は、InPの半導体基板１と、この半導体基板１上に形成された回折格子１０３と、この回折格子１０３上に形成されたInPの層１１０とを有して成るものである。回折格子１０３は、交互に配列された高屈折率の領域１０４と低屈折率の領域１０５とから構成されている。光学素子１０２はInPの半導体基板１と、この半導体基板１上に形成された導波ガイド層１０６と、この導波ガイド層１０６上に形成されたInPの層１１０とを有して成るものである。

図１（ｂ）に示すように、回折格子１０３の高屈折率の領域１０４は、Ga_0.22In_0.78As_0.47P_0.53の層１１１と、この層１１１上に形成された、Ga_0.25In_0.75As_0.50P_0.50のバリア層１１２とGa_0.22In_0.78As_0.81P_0.19の量子井戸（ＱＷ）層１１３とを交互に積層して成る層１１４と、この層１１４上に形成されたGa_0.22In_0.78As_0.47P_0.53の層１１５とを有して成るものである。回折格子１０３の低屈折率の領域１０５は、Ga_0.22In_0.78As_0.47P_0.53の層１０１と、この層１０１上に形成されたInPの層１１６と、この層１１６上に形成されたGa_0.22In_0.78As_0.47P_0.53の層１１５とを有して成るものである。

図１（ｃ）に示すように、導波ガイド層１０６は、G_a0.28In_0.72As_0.61P_0.39の層１１７と、この層１１７上に形成された、Ga_0.25In_0.75As_0.50P_0.50のバリア層１１８とGa_0.22In_0.78As_0.81P_0.19の量子井戸（ＱＷ）層１１９とを交互に積層して成る層１２０と、この層１２０上に形成されたG_a0.28In_0.72As_0.61P_0.39の層１２１とを有してなるものである。
なお、ハイメサ導波路を想定した結果、各領域（回折格子１０３の領域１０４，１０５と導波ガイド層１０６）の等価屈折率はｎ₁₀₄＝3.20，ｎ₁₀₅＝3.18，ｎ₁₀₆＝3.30であった。

この参考例の集積型ＤＦＢレーザでは、ＤＦＢレーザ素子１０１の回折格子１０３と光学素子１０２の導波ガイド層１０６とが導波路として異なる屈折率を有しており、これらの屈折率差に比例して内部反射が増大する。

それに対して、図２（ａ）に示すように、本実施の形態例の集積型ＤＦＢレーザ（光集積素子）では、屈折率遷移領域１０７が、ＤＦＢレーザ素子１０１の回折格子１０３と光学素子（集積領域）１０２との間に設けられている。なお、本集積型ＤＦＢレーザにおけるＤＦＢレーザ素子１０１及び光学素子１０２の構造については、上記参考例の集積型ＤＦＢレーザのＤＦＢレーザ素子１０１及び光学素子１０２の構造（図１の（ａ），（ｂ），（ｃ）参照）と同様であるため、ここでの説明は省略する。

屈折率遷移領域１０７は、第１の構成要素（領域）１３１と第２の構成要素（領域）１３２とから成るものである。第１の構成要素１３１は光学素子１０２側に（導波ガイド層１０６に隣接して）配設され、第２の構成要素１３２はＤＦＢレーザ素子１０１側に（回折格子１０３の高屈折率の領域１０４に隣接して）配設されている。

そして、図２（ｂ）及び図２（ｃ）に示すように、第１の構成要素１３１はＤＦＢレーザ素子１０１の回折格子１０３（図示例では高屈折率の領域１０４）と同じものであり、第２の構成要素１３２は光学素子１０２の導波ガイド層１０６と同じものである。即ち、第１の構成要素１３１は、回折格子１０３における高屈折率の領域１０４を構成する半導体物質と同一の半導体物質によって、前記高屈折率の領域１０４と同一構造に構成されている。なお、これに限らず、第１の構成要素１３１は、回折格子１０３における低屈折率の領域１０５を構成する半導体物質と同一の半導体物質によって、前記低屈折率の領域１０５と同一構造に構成してもよい。第２の構成要素１３２は、光学素子１０２の導波ガイド層１０６を構成する半導体物質と同一の半導体物質によって、光学素子１０２の導波ガイド層１０６と同一構造に構成されている。
なお、ハイメサ導波路を想定した結果、各領域（構成要素１３２，構成要素１３１，導波ガイド層１０６）の等価屈折率はｎ₁₃₂＝3.30，ｎ₁₃₁＝3.20，ｎ₁₀₆＝3.30であった。

また、屈折率遷移領域１０７の構成要素１３１，１３２は何れも、サブ波長又はそれに等価な波長と同じ長さの光路長を有している。即ち、屈折率遷移領域１０７を伝播する光（ＤＦＢレーザ素子１０１から出力されたレーザ光）の波長をλとすると、屈折率遷移領域１０７の構成要素１３１，１３２の光路長は何れも、λ／４＋ｎλ／２（ｎはゼロ又は正の整数）の長さに設定されている。

従って、屈折率遷移領域１０７を伝搬した光は、導波ガイド層１０６の材料と回折格子１０３の材料の中間的な屈折率を持つ領域を伝搬したとみなすことできる。単層の反射防止膜の場合の無反射条件は、屈折率が二つの領域の屈折率の相乗平均に相当する材料を管内波長（反射防止膜を伝播する光の波長）λの１／４の膜厚だけ成膜することである。本発明の屈折率遷移領域１０７においては、屈折率遷移領域１０７を構成する構成要素１３１，１３２間にも屈折率差があるので光路(位相)条件は単純なλ／４の長さにならないが、屈折率条件においては屈折率遷移領域１０７の平均屈折率がＤＦＢレーザ素子１０１と集積光学素子１０２の屈折率の相乗平均に近いことが内部反射低減の十分条件となる。必要十分条件ではない理由は屈折率遷移領域１０７の構成要素１３１，１３２間の反射によって反射率低減の条件の自由度が向上するためである。その一方、見方を変えればＤＦＢレーザ素子１０１と集積光学素子１０２の間に二層反射防止膜が設けている構造と考えることができる。

屈折率遷移領域１０７は集積光学素子１０２のバッドジョイント成長時に同時に形成されるため、サブ波長（λ／４）の長さの極微細な屈折率遷移領域１０７は作製上の困難を招く恐れがある。それを回避するためには、屈折率遷移領域１０７の構成要素１３１，１３２の長さをサブ波長に等価な長さ（λ／４＋ｎλ／２）に変更する方法がある。例えば、管内波長（屈折率変移領域１０７を伝播する光の波長）λの１／４の長さの構成要素１３１，１３２を、λ／４＋λ／２＝３λ／４の長さ、又は更にλ／２だけ増やした長さ５λ／４の構造に変更することで良好なバッドジョイント成長を得るに十分な長さを確保することが可能である。

なお、図示例の屈折率変移領域１０７は２個の構成要素１０４，１０５から成る二段構造のものであるが、これに限定するものではなく、屈折率遷移領域による内部反射の低減を、より高い自由度で設計したい場合は、前記の方法を拡張して４個の構成要素から成る屈折率変移領域や、６個の構成要素からなる屈折率変移領域などの多段構造の屈折率遷移領域の構成とすることも可能である。例えば、図２（ａ）において、屈折率変移領域１０７が４個の構成要素１３１，１３２から成る場合には、光学素子１０２（導波ガイド層１０６）側からＤＦＢレーザ１０１（回折格子１０３）側に向かって、第１の構成要素１３１、第２の構成要素１３２、第１の構成要素１３１、第２の構成要素１３２の順に４個配設すればよい。それによって反射率が低減される波長領域を拡大することと残留反射率の低減が図られる。
屈折率遷移領域１０７は、第１の構成要素１３１と第２の構成要素１３２を組み合わせて、光路長を、屈折率遷移領域を伝播する光の波長以上の長さに拡張した構造を有していてもよい。

本実施の形態例の集積型ＤＦＢレーザ（光集積素子）によれば、斜め導波路などの新たな作製工程を不要としながら素子間の内部反射を低減することができる。後術の実施例（設計例）から示されるように作製誤差を考慮して条件において−１０dB以上の反射率低減が可能である。屈折率遷移領域１０７の開始位置を位置制御するのであれば−１５dB以上の反射率低減が可能である。その結果、簡単な工程で集積型ＤＦＢレーザの安定動作化を図ることが可能となる。

なお、本発明の屈折率遷移領域は、異なる屈折率を有する導波ガイド層同士を低反射で接続する技術であり、必ずしも上記のようなＤＦＢレーザ素子１０１と他の光学素子１０２の接続に限るものではなく、図３及び図４に例示するように、異種の導波ガイド層を有する光学素子同士の間においても適用可能である。従って本発明を用いて、光集積回路（光集積素子）における光学素子間の内部反射を低減することが可能である。

詳述すると、図３（ａ）に示す参考例の光集積素子は、回折格子２０４を有するＤＦＢレーザ素子２０１と、導波ガイド層２０５を有する電界吸収型変調器（ＥＡＭ）２０２と、導波ガイド層２０６を有する導波路（ＷＧ）２０３とが集積されたものである。

これに対して、図３（ｂ）に示す本実施の形態例の光集積素子は、参考例の光集積素子と同様に回折格子２０４を有するＤＦＢレーザ素子２０１と、導波ガイド層２０５を有するＥＡＭ２０２と、導波ガイド層２０６を有するＷＧ２０３とが集積されたものであるが、ＤＦＢレーザ素子２０１の回折格子２０４とＥＡＭ２０２の導波ガイド層２０５との間には屈折率遷移領域２０７が設けられ、ＥＡＭ２０２の導波ガイド層２０５とＷＧ２０３の導波ガイド層２０６の間には屈折率遷移領域２１０が設けられている。

屈折率遷移領域２０７は第１の構成要素２０８と第２の構成要素２０９とから成るものであり、第１の構成要素２０８はＥＡＭ２０２側に（導波ガイド層２０５に隣接して）配設され、第２の構成要素２０９はＤＦＢレーザ素子２０１側に（回折格子２０４の高屈折率の領域又は低屈折率の領域に隣接して）配設されている。第１の構成要素２０８はＤＦＢレーザ素子２０１の回折格子１０３（高屈折率の領域又は低屈折率の領域）と同じものであり、第２の構成要素２０９はＥＡＭ２０２の導波ガイド層２０５と同じものである。即ち、第１の構成要素２０８は、ＤＦＢレーザ素子２０１の回折格子２０４における高屈折率の領域又は低屈折率の領域を構成する半導体物質と同一の半導体物質によって、前記高屈折率の領域又は前記低屈折率の領域と同一構造に構成されている。第２の構成要素２０９は、ＥＡＭ２０２の導波ガイド層２０５を構成する半導体物質と同一の半導体物質によって、ＥＡＭ２０２の導波ガイド層２０５と同一構造に構成されている。

また、屈折率遷移領域２０７の構成要素２０８，２０９は何れも、サブ波長又はそれに等価な波長と同じ長さの光路長を有している。即ち、屈折率遷移領域２０７を伝播する光の波長をλとすると、屈折率遷移領域２０７の構成要素２０８，２０９の光路長は何れも、λ／４＋ｎλ／２（ｎはゼロ又は正の整数）の長さに設定されている。

そして、屈折率遷移領域２１０は第１の構成要素２１１と第２の構成要素２１２とから成るものであり、第１の構成要素２１１はＷＧ２０３側に（導波ガイド層２０６に隣接して）配設され、第２の構成要素２１２はＥＡＭ２０２側に（導波ガイド層２０５に隣接して）配設されている。第１の構成要素２１１はＥＡＭ２０２の導波ガイド層２０５と同じものであり、第２の構成要素２１２はＷＧ２０３の導波ガイド層２０６と同じものである。即ち、第１の構成要素２１１は、ＥＡＭ２０２の導波ガイド層２０５を構成する半導体物質と同一の半導体物質によって、ＥＡＭ２０２の導波ガイド層２０５と同一構造に構成されている。第２の構成要素２１２は、ＷＧ２０３の導波ガイド層２０６を構成する半導体物質と同一の半導体物質によって、ＷＧ２０３の導波ガイド層２０６と同一構造に構成されている。

また、屈折率遷移領域２１０の構成要素２１１，２１２は何れも、サブ波長又はそれに等価な波長と同じ長さの光路長を有している。即ち、屈折率遷移領域２１０を伝播する光の波長をλとすると、屈折率遷移領域２１０の構成要素２１１，２１２の光路長は何れも、λ／４＋ｎλ／２（ｎはゼロ又は正の整数）の長さに設定されている。

図４（ａ）に示す参考例の光集積素子は、導波ガイド層３０５を有する電界吸収型変調器（ＥＡＭ）３０１と、導波ガイド層３０６を有する導波路（ＷＧ）３０２と、導波ガイド層３０７を有する半導体増幅器（ＳＯＡ）３０３と、導波ガイド層３０８を有する導波路（ＷＧ）３０４とが集積されたものである。

これに対して、図４（ｂ）に示す本実施の形態例の光集積素子は、参考例の光集積素子と同様に導波ガイド層３０５を有する電界吸収型変調器（ＥＡＭ）３０１と、導波ガイド層３０６を有する導波路（ＷＧ）３０２と、導波ガイド層３０７を有する半導体増幅器（ＳＯＡ）３０３と、導波ガイド層３０８を有する導波路（ＷＧ）３０４とが集積されたものであるが、ＥＡＭ３０１の導波ガイド層３０５とＷＧ３０２の導波ガイド層３０６との間には屈折率遷移領域３０９が設けられ、ＷＧ３０２の導波ガイド層３０６とＳＯＡ３０３の導波ガイド層３０７の間には屈折率遷移領域３１２が設けられ、ＳＯＡ３０３の導波ガイド層３０７とＷＧ３０４の導波ガイド層３０８との間には屈折率遷移領域３１５が設けられている。

屈折率遷移領域３０９は第１の構成要素３１０と第２の構成要素３１１とから成るものであり、第１の構成要素３１０はＷＧ３０２側に（導波ガイド層３０６に隣接して）配設され、第２の構成要素３１１はＥＡＭ３０１側に（導波ガイド層３０５に隣接して）配設されている。第１の構成要素３１０はＥＡＭ３０１の導波ガイド層３０５と同じものであり、第２の構成要素３１１はＷＧ３０２の導波ガイド層３０６と同じものである。即ち、第１の構成要素３１０は、ＥＡＭ３０１の導波ガイド層３０５を構成する半導体物質と同一の半導体物質によって、ＥＡＭ３０１の導波ガイド層３０５と同一構造に構成されている。第２の構成要素３１１は、ＷＧ３０２の導波ガイド層３０６を構成する半導体物質と同一の半導体物質によって、ＷＧ３０２の導波ガイド層３０６と同一構造に構成されている。

また、屈折率遷移領域３０９の構成要素３１０，３１１は何れも、サブ波長又はそれに等価な波長と同じ長さの光路長を有している。即ち、屈折率遷移領域３０９を伝播する光の波長をλとすると、屈折率遷移領域３０９の構成要素３１０，３１１の光路長は何れも、λ／４＋ｎλ／２（ｎはゼロ又は正の整数）の長さに設定されている。

屈折率遷移領域３１２は、第１の構成要素３１３と第２の構成要素３１４とから成るものであり、第１の構成要素３１３はＳＯＡ３０３側に（導波ガイド層３０７に隣接して）配設され、第２の構成要素３１４はＷＧ３０２側に（導波ガイド層３０６に隣接して）配設されている。第１の構成要素３１３はＷＧ３０２の導波ガイド層３０６と同じものであり、第２の構成要素３１４はＳＯＡ３０３の導波ガイド層３０７と同じものである。即ち、第１の構成要素３１３は、ＷＧ３０２の導波ガイド層３０６を構成する半導体物質と同一の半導体物質によって、ＷＧ３０２の導波ガイド層３０６と同一構造に構成されている。第２の構成要素３１４は、ＳＯＡ３０３の導波ガイド層３０７を構成する半導体物質と同一の半導体物質によって、ＳＯＡ３０３の導波ガイド層３０７と同一構造に構成されている。

また、屈折率遷移領域３１２の構成要素３１３，３１４は何れも、サブ波長又はそれに等価な波長と同じ長さの光路長を有している。即ち、屈折率遷移領域３１２を伝播する光の波長をλとすると、屈折率遷移領域３１２の構成要素３１３，３１４の光路長は何れも、λ／４＋ｎλ／２（ｎはゼロ又は正の整数）の長さに設定されている。

屈折率遷移領域３１５は、第１の構成要素３１６と第２の構成要素３１７とから成るものであり、第１の構成要素３１６はＷＧ３０４側に（導波ガイド層３０８に隣接して）配設され、第２の構成要素３１７はＳＯＡ３０３側に（導波ガイド層３０７に隣接して）配設されている。第１の構成要素３１６はＳＯＡ３０３の導波ガイド層３０７と同じものであり、第２の構成要素３１７はＷＧ３０４の導波ガイド層３０８と同じものである。即ち、第１の構成要素３１６は、ＳＯＡ３０３の導波ガイド層３０７を構成する半導体物質と同一の半導体物質によって、ＳＯＡ３０３の導波ガイド層３０７と同一構造に構成されている。第２の構成要素３１７は、ＷＧ３０４の導波ガイド層３０８を構成する半導体物質と同一の半導体物質によって、ＷＧ３０４の導波ガイド層３０８と同一構造に構成されている。

また、屈折率遷移領域３１５の構成要素３１６，３１７は何れも、サブ波長又はそれに等価な波長と同じ長さの光路長を有している。即ち、屈折率遷移領域２０７を伝播する光の波長をλとすると、屈折率遷移領域３１５の構成要素３１６，３１７の光路長は何れも、λ／４＋ｎλ／２（ｎはゼロ又は正の整数）の長さに設定されている。

なお、これらの屈折率変移領域２０７，２１０，３０９，３１２，３１５においても、勿論、図示例のような二段構造に限らず、４個の構成要素から成る屈折率変移領域や、６個の構成要素からなる屈折率変移領域などの多段構造の屈折率遷移領域することも可能である。

［実施例］
以下、本発明の実施例（設計例）について説明する。それらの実施例は従来の多層構造(または多段接続構造)の反射率で評価できる。なお、これらの数値的条件は本発明を理解するための例であり、本発明の実施形態がそれらの条件に限定されるものではない。

本実施例の集積型ＤＦＢレーザの構造は図２に示すとおりであり、２個の構成要素（領域）１３１，１３２から成る二段構造の屈折率遷移領域１０７を用いている。構成要素１３２として屈折率ｎ₁₀₆＝3.3の導波ガイド層１０６と同じものを想定し、構成要素１３１として屈折率ｎ₁₀₄＝3.2の回折格子１０３の高屈折率の領域１０４と同じものを想定した場合の残留反射率を図５に示す。なお、本発明の屈折率遷移領域１０７を設けていない場合の反射率は−３６dBであった。長さ196nmの構成要素１３２と長さ202nmの構成要素１３１の時において最小反射率−７５dBが得られた。構成要素１３２と構成要素１３１の光路長の差は５％程度であり、従って平均屈折率はＤＦＢレーザ素子１０１と集積光学素子１０２のほぼ中間であった。各領域（構成要素）の作製誤差として±５nmを考慮した場合でも残留反射率を−５４dB以下に抑えることが可能であった。

図５は構成要素１３１の材料（半導体物質）を高屈折率の領域１０４の材料（半導体物質）と同じにした場合であるが、この場合にはnmの精度で微細構造の位置制御を行うためには電子線描画装置を用いなければならないため、量産には向いてない。そこで屈折率遷移領域１０７の位置制御が不十分な場合の見積もりを行った。まず構成要素１３１が、高屈折率の領域１０４と同じものである場合と、低屈折率の領域１０５と同じものである場合とに分け、また屈折率遷移領域１０７の開始位置が、高屈折率の領域１０４の場合と、低屈折率の領域１０５の場合とに分けて考える。以上の組合せの４通りの条件では、残留反射率を最小にする構成要素（領域）長がすべて異なっている。図６はある構成要素（領域）長において、以上の４通りのうち、最も反射率が高い場合をプロットしたものである。長さ198nmの構成要素（領域）１３２と構成要素（領域）１３１の時において残留反射率−５４dBが得られた。構成要素（領域）１３２においては±３nm、構成要素（領域）１３１においては±５nmの作製誤差に対して−５０dB以下の残留反射率が保証された。許容残留反射率を−４５dB(−１０dB程度の反射率低減)とすればその２倍に許容誤差が許された。

本発明は光集積素子に関するものであり、簡単な工程で集積型ＤＦＢレーザなどの光集積素子の安定化を図る場合に適用して有用なものである。

１００ InPの半導体基板
１０１ ＤＦＢレーザ素子
１０２ ＳＯＡ、ＥＡＭなどの光学素子
１０３ ＤＦＢレーザの回折格子
１０４ ＤＦＢ回折格子において高屈折率の領域
１０５ ＤＦＢ回折格子において低屈折率の領域
１０６ 光学素子の導波ガイド層
１０７ 屈折率遷移領域
１１０ InPの層
１１１ Ga_0.22In_0.78As_0.47P_0.53の層
１１２ Ga_0.25In_0.75As_0.50P_0.50のバリア層
１１３ Ga_0.22In_0.78As_0.81P_0.19の量子井戸（ＱＷ）層
１１４ バリア層と量子井戸層から成る層
１１５ Ga_0.22In_0.78As_0.47P_0.53の層
１１６ InPの層
１１７ G_a0.28In_0.72As_0.61P_0.39の層
１１８ Ga_0.25In_0.75As_0.50P_0.50のバリア層
１１９ Ga_0.22In_0.78As_0.81P_0.19の量子井戸（ＱＷ）層
１２０ バリア層と量子井戸層から成る層
１２１ G_a0.28In_0.72As_0.61P_0.39の層
１３１ 第１の構成要素
１３２ 第２の構成要素
２０１ ＤＦＢレーザ素子
２０２ ＥＡＭ
２０３ ＷＧ
２０４ ＤＦＢレーザ素子の回折格子
２０５ ＥＡＭの導波ガイド層
２０６ ＷＧの導波ガイド層
２０７ 屈折率遷移領域
２０８ 第１の構成要素
２０９ 第２の構成要素
２１０ 屈折率遷移領域
２１１ 第１の構成要素
２１２ 第２の構成要素
３０１ ＥＡＭ
３０２ ＷＧ
３０２ ＳＯＡ
３０４ ＷＧ
３０５ ＥＡＭの導波ガイド層
３０６ ＷＧの導波ガイド層
３０７ ＳＯＡの導波ガイド層
３０８ ＷＧの導波ガイド層
３０９ 屈折率遷移領域
３１０ 第１の構成要素
３１１ 第２の構成要素
３１２ 屈折率遷移領域
３１３ 第１の構成要素
３１４ 第２の構成要素
３１５ 屈折率遷移領域
３１６ 第１の構成要素
３１７ 第２の構成要素

Claims (6)

1. 回折格子を有する分布帰還型半導体レーザ素子と、導波ガイド層を有する光学素子とが集積された光集積素子において、
   サブ波長又はそれに等価な波長と同じ長さの光路長を有する構成要素から成る屈折率遷移領域を、前記分布帰還型半導体レーザ素子の回折格子と前記光学素子の導波ガイド層との間に設けたことを特徴とする光集積素子。
2. 請求項１に記載の光集積素子において、
   前記屈折率遷移領域を構成する前記構成要素は、
   前記回折格子における高屈折率の領域又は低屈折率の領域を構成する半導体物質と同一の半導体物質によって、前記高屈折率の領域又は屈折率遷移領域の低い領域と同一構造に構成された第１の構成要素と、
   前記導波ガイド層を構成する半導体物質と同一の半導体物質によって、前記導波ガイド層と同一構造に構成された第２の構成要素であること、
   を特徴とする光集積素子。
3. 請求項２に記載の光集積素子において、
   前記屈折率遷移領域は、前記第１の構成要素と前記第２の構成要素を組み合わせて、光路長を、前記屈折率遷移領域を伝播する光の波長以上の長さに拡張した構造を有することを特徴とする光集積素子。
4. 少なくとも２種類の、導波ガイド層を有する第１の光学素子と、導波ガイド層を有する第２の光学素子とが集積された光集積素子において、
   サブ波長又はそれに等価な波長と同じ長さの光路長を有する構成要素から成る屈折率遷移領域を、前記第２の光学素子の導波ガイド層と前記第２の光学素子の導波ガイド層との間に設けたことを特徴とする光集積素子。
5. 請求項４に記載の光集積素子において、
   前記屈折率遷移領域を構成する前記構成要素は、
   前記第２の光学素子の導波ガイド層を構成する半導体物質と同一の半導体物質によって、前記第２の光学素子の導波ガイド層と同一構造に構成された第１の構成要素と、
   前記第２の光学素子の導波ガイド層を構成する半導体物質と同一の半導体物質によって、前記第２の光学素子の導波ガイド層と同一構造に構成された第２の構成要素であること、
   を特徴とする光集積素子。
6. 請求項５に記載の光集積素子において、
   前記屈折率遷移領域は、前記第１の構成要素と前記第２の構成要素を組み合わせて、光路長を、前記屈折率遷移領域を伝播する光の波長以上の長さに拡張した構造を有することを特徴とする光集積素子。

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