JP2014202936A

JP2014202936A - 光導波路および光集積素子

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Publication number: JP2014202936A
Application number: JP2013079374A
Authority: JP
Inventors: 後藤田　光伸; Mitsunobu Gotoda; 光伸後藤田; 高林　正和; Masakazu Takabayashi; 正和高林
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2013-04-05
Filing date: 2013-04-05
Publication date: 2014-10-27
Anticipated expiration: 2033-04-05
Also published as: JP6303280B2

Abstract

【課題】単一モードＬＤの発振線幅の増大を抑制することが可能な光導波路および当該光導波路を有する光集積素子を提供する。【解決手段】光導波路は、活性光導波路領域１４と、活性光導波路領域１４の等価屈折率とは異なる等価屈折率を有する受動光導波路領域１３と、活性光導波路領域１４と受動光導波路領域１３とを接合し、活性光導波路領域１４の導波路幅および受動光導波路領域１３の導波路幅よりも広い導波路幅を有する接合領域２５とを備え、活性光導波路領域１４の導波路幅および受動光導波路領域１３の導波路幅は、活性光導波路領域１４および受動光導波路領域１３から接合領域２５に渡って連続的に広がり、接合領域２５を通過する光の進行方向に対して垂直な断面における、活性光導波路領域１４と受動光導波路領域１３とが存在する割合は、光の進行方向に沿って連続的に変化する。【選択図】図１

Description

本発明は、等価屈折率が異なる導波路領域を光結合する光導波路および当該光導波路を有する光集積素子に関する。

近年、通信需要の飛躍的な増加に伴い、波長が異なる複数の信号光を多重化して１本の光ファイバで大容量伝送を可能とする波長分割多重通信システムが実用化されている。また、４０Ｇｂｐｓ以上の高速な信号光の変調方式には、従来用いられてきた光強度変調方式に加えて、信号強度を一定として光位相のみを変化させる光位相変調方式が実用化されつつある。

上記の波長分割多重通信システムに用いられる光源としては、少なくとも３０〜４０ｄＢ以上の高いサイドモード抑圧比（Side Mode Suppression Ratio：SMSR）が得られる単一モードのＬＤ（Laser Diode）（以下、単一モードＬＤという）が好適である。単一モードＬＤには、例えば、分布帰還型ＬＤ（Distributed Feedback Laser Diode、以下、ＤＦＢ−ＬＤという）や、分布ブラッグ反射型ＬＤ（Distributed Bragg Reflector Laser Diode、以下、ＤＢＲ−ＬＤという）等がある。また、最近では、アレイ化した単一モードＬＤと、素子温度調整や電流注入による屈折率制御との併用、あるいは複数の反射ピークを有するＤＢＲミラーペアによる波長の選択によって、長波光通信で用いる全波長帯域をカバーすることが可能な波長可変ＬＤも開発されている。

従来では、ＤＦＢ−ＬＤアレイと接続された多モード干渉（Multi Mode Interference）型の光合分波素子（以下、ＭＭＩという）の出射側に、半導体光増幅素子（Semiconductor Optical Amplifier、以下、ＳＯＡという）を集積することによって、出力増大や、導波路の分岐損失、接続損失、および散乱損失等の補償に用いる波長可変ＬＤの構成（光集積素子）が開示されている（例えば、非特許文献１参照）。非特許文献１において、ＳＯＡは、ＬＤと同様のエピタキシャル層で構成されており、電流注入を行うと入射光に対する増幅器として動作するが、単体で動作させた場合にはレーザ発振が生じないように設計されている。

ここで、光集積素子の出力端側に、導波光に対する微小な反射点が存在する場合について考察する。なお、反射点とは、光集積素子の出力端面における導波光を反射する位置のことをいう。

反射点で反射してＤＦＢ−ＬＤに戻る導波光、すなわち反射点からの戻り光は、ＳＯＡで増幅されると無視できないレベルとなる。その結果、ＬＤの動作が不安定となり、出射光の発振線幅が増大するなどの問題が生じる。特に、光位相変調方式を用いた通信システムでは、５００ｋＨｚ〜１ＭＨｚ程度以下の狭発振線幅が必要とされているため、出射光の発振線幅の増大を抑制する必要がある。

このような問題の対策として、出射端面付近の導波路幅をテーパ状に広げることによって、出射端面の反射率を低減する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

また、非特許文献１では、ＳＯＡの出射側に曲がり導波路（曲線形状の導波路）を設けるとともに、無反射（Anti-Reflection）コート（以下、ＡＲコートという）を併用する構成が開示されており、出射端面付近からの光の反射を−５０ｄＢ程度以下まで低減し、反射点からの戻り光によるＤＦＢ−ＬＤの発振線幅への影響を除去したことが報告されている。

一方、上記の光集積素子では、出射端面以外にも、屈折率がわずかに異なる導波路領域同士の接合界面での反射が生じる箇所など、出射端面以外の反射点が光集積素子内に複数存在している。

これに対して、非特許文献１に開示される曲がり導波路は、出射端面以外の反射点に対して有効でないため適用できない。また、波長可変ＬＤと、電界吸収（Electro Absorption：EA）型光変調器（以下、ＥＡ変調器という）やマッハツェンダ（Mach Zehnder：MZ）型光変調器（以下、ＭＺ変調器という）などの外部変調器とを同一基板上に集積する場合においても、ＳＯＡの出射側で生じる反射を曲がり導波路によって低減することは不可能である。

一般的に、接合する２つの導波路の等価屈折率およびモード形状を完全に一致させることは困難であり、両者の微小な差に起因して接合界面において反射が生じる。接合界面にて反射された反射光がＳＯＡを介したＬＤへの戻り光になると、当該戻り光がＳＯＡで増幅されるため、上述の出射端面の場合と同様に出射光の発振線幅が増大するという問題が生じる。

このような問題の対策として、導波路の接合界面に対する法線を、導波路を通過する光の進行方向を基準として角度φだけ傾けた斜め接合界面を有する構造が開示されている（例えば、非特許文献２参照）。非特許文献２では、斜め接合界面を垂直カプラーフィルター型（Vertical Coupler Filter：VCF）導波路に適用した場合において、接合面を傾けない場合と比較して反射が最大で４桁程度低減するという計算結果が示されている。

特公平６−７６０３号公報

Hiroyuki Ishii, Kazuo Kasaya, and Hiromi Oohashi, "Spectral Linewidth Reduction in Widely Wavelength Tunable DFB Laser Array", IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS, VOL.15, NO.3, MAY/JUNE 2009, p.514-520 M.-C. Amann, B. Borchert, S. Illek, and W. Steffens, "Widely tunable laser diodes with tapered index perturbations for reduced internal reflectaions and improved wavelength access", ELECTRONICS LETTERS,1st February 1996, Vol.32, No.3, p.221-222

本願の発明者らは、斜め接合界面を有する光集積素子を試作し、これを測定した結果、接合界面において反射が低減する効果は得られたものの、出射光（ＬＤ）の発振振幅への影響（すなわち、発振振幅の増大）は依然として無視できないものであることを見出した。従って、導波路の接合界面における反射を、従来の斜め接合界面よりもさらに低減する必要がある。

本発明は、これらの問題を解決するためになされたものであり、単一モードＬＤの発振線幅の増大を抑制することが可能な光導波路および当該光導波路を有する光集積素子を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明による光導波路は、第１の光導波路領域と、第１の光導波路領域の等価屈折率とは異なる等価屈折率を有する第２の光導波路領域と、第１の光導波路領域と第２の光導波路領域とを接合し、第１の光導波路領域の導波路幅および第２の光導波路領域の導波路幅よりも広い導波路幅を有する接合領域とを備え、第１の光導波路領域の導波路幅および第２の光導波路領域の導波路幅は、第１の光導波路領域および第２の光導波路領域から接合領域に渡って連続的に広がり、接合領域を通過する光の進行方向に対して垂直な断面における、第１の光導波路領域と第２の光導波路領域とが存在する割合は、光の進行方向に沿って連続的に変化することを特徴とする。

本発明によると、第１の光導波路領域と、第１の光導波路領域の等価屈折率とは異なる等価屈折率を有する第２の光導波路領域と、第１の光導波路領域と第２の光導波路領域とを接合し、第１の光導波路領域の導波路幅および第２の光導波路領域の導波路幅よりも広い導波路幅を有する接合領域とを備え、第１の光導波路領域の導波路幅および第２の光導波路領域の導波路幅は、第１の光導波路領域および第２の光導波路領域から接合領域に渡って連続的に広がり、接合領域を通過する光の進行方向に対して垂直な断面における、第１の光導波路領域と第２の光導波路領域とが存在する割合は、光の進行方向に沿って連続的に変化することを特徴とするため、単一モードＬＤの発振線幅の増大を抑制することが可能となる。

本発明の実施の形態１による光導波路の構成の一例を示す上面図である。本発明の実施の形態２による光導波路の構成の一例を示す上面図である。本発明の実施の形態１，２による接合界面の角度と反射量との関係を示すグラフである。本発明の実施の形態３による光導波路の構成の一例を示す上面図である。本発明の実施の形態４による光集積素子の構成の一例を示す上面図である。本発明の実施の形態５による光集積素子の構成の一例を示す上面図である。前提技術による光集積素子の構成の一例を示す上面図である。前提技術による光導波路の構成の一例を示す図である。前提技術による光導波路の構成の他の一例を示す図である。

本発明の実施の形態について、図面に基づいて以下に説明する。

なお、以下、各図において同一または同様の構成部分については同じ符号を付している。また、光損失を単に損失といい、光反射を単に反射という。

＜前提技術＞
まず、本発明の前提技術について説明する。

図７は、前提技術による光集積素子の構成の一例を示す上面図である。なお、図７では、非特許文献１の図１に示されているＩｎＰ基板上に形成された光集積素子の構成を模式的に示している。

図７に示すように、集積チップ１２（光集積素子）は、単一モードＬＤ１と、受動曲がり導波路２と、ＭＭＩ３と、受動直線導波路４と、ＳＯＡの直線導波路部５ａと、ＳＯＡの曲がり導波路部５ｂと、ＩｎＰで構成される窓領域６と、ＡＲコート膜７とを備えている。

受動曲がり導波路２、ＭＭＩ３、および受動直線導波路４は、ＬＤ出力光８に対して透明、すなわち吸収や増幅がない受動光導波路領域１３を構成している。また、ＳＯＡの直線導波路部５ａおよびＳＯＡの曲がり導波路部５ｂは、活性光導波路領域１４を構成している。受動光導波路領域１３と活性光導波路領域１４との接合部（受動直線導波路４とＳＯＡの直線導波路部５ａとの接合部）には、接合界面１５が形成されている。

なお、図７において、単一モードＬＤ１は複数設けられている（単一モードＬＤアレイ）。また、電極の図示を省略している。

各単一モードＬＤ１から出力されたＬＤ出力光８は、受動曲がり導波路２を経てＭＭＩ３で合成される。ＭＭＩ３で合成して生成された導波光９は、受動直線導波路４を通過し、ＳＯＡの直線導波路部５ａおよびＳＯＡ曲がり導波路部５ｂからなるＳＯＡで増幅された後、窓領域６を通過して出射光１０として出射される。

図８は、前提技術による光導波路の構成の一例を示す図であり、図７の接合界面１５の近傍（図７に示す破線丸印の拡大図）を示している。図８（ａ）は、光導波路の上面図を示しており、図８（ｂ）は、図８（ａ）のＡ−Ａ断面図を示している。

図８（ｂ）に示すように、活性光導波路領域１４は、ＩｎＰ基板１７上に、ＩｎＰ下部クラッド層１８、量子井戸活性層２０、およびＩｎＰ上部クラッド層１９を順に積層して形成している。受動光導波路領域１３は、ＩｎＰ基板１７上に、ＩｎＰ下部クラッド層１８、バルク導波層２１、ＩｎＰ上部クラッド層１９を順に積層して形成している。また、活性光導波路領域１４と受動光導波路領域１３との接合部には接合界面１５が形成されている。接合界面１５は、導波光９の進行方向に対して垂直方向に形成されている。

なお、量子井戸活性層２０およびバルク導波層２１は、ＩｎＧａＡｓＰ系またはＩｎＧａＡｌＡｓ系の材料で構成される。

上述の通り、出射端面での反射１１以外にも、接合界面１５での反射１６など、出射端面以外の反射点が複数存在しているが、図７に示す構成は、出射端面以外の反射点に対して有効でない。

次に、図８に示すような接合界面に代えて、非特許文献２に開示されているような斜め接合界面を適用する場合について考察する。

図９は、斜め接合界面２２を有する光導波路の構成の一例を示す図である。

図９に示すように、斜め接合界面２２は、導波光９の進行方向に対して角度θだけ傾いて形成されている。なお、斜め接合界面２２以外の構成は、図８と同様であるため説明を省略する。

上述の通り、本願の発明者らは、図９の斜め接合界面２２を図７の集積チップ１２（光集積素子）に適用しても、接合界面での反射の低減を確認することはできるものの、出射光１０の発振線幅への影響（発振線幅の増大）は無視できないことを見出した。従って、発振線幅の増大をさらに抑制する必要がある。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、以下詳細に説明する。

＜実施の形態１＞
まず、本発明の実施の形態１による光導波路の構成について説明する。

図１は、本実施の形態１による光導波路の構成の一例を示す上面図であり、２つの光導波路領域の接合部近傍を示している。

図１に示すように、光導波路は、導波層構成が異なる２種類の埋め込み型導波路である、活性光導波路領域１４（第１の光導波路領域）と受動光導波路領域１３（第２の光導波路領域）とを備えている。また、活性光導波路領域１４と受動光導波路領域１３とは接合領域２５で接合されている。

活性光導波路領域１４および受動光導波路領域１３の各々において、接合領域２５から十分離れた箇所での導波路幅（図１の紙面上下方向の長さ）は、１つの基本横モード（単一モード）の導波光９のみが存在することができる導波路となるように、例えば１．５μｍ程度に設定されている。

また、活性光導波路領域１４および受動光導波路領域１３の各々における基本横モードに対応する等価屈折率は、一般的にはわずかに異なっている。

活性光導波路領域１４および受動光導波路領域１３の各々は、接合領域２５にかけて導波路幅が徐々に広がるように形成されたテーパ光導波路領域２４を有している。テーパ光導波路領域２４の導波路幅は、例えば１．５μｍから５μｍまで徐々に広がり、テーパ光導波路領域２４の長さ（図１の紙面左右方向の長さ）は例えば１００μｍ程度が好適である。すなわち、活性光導波路領域１４の導波路幅および受動光導波路領域１３の導波路幅は、活性光導波路領域１４および受動光導波路領域１３から接合領域２５に渡って連続的に広がっている。

接合領域２５の導波路幅は一定であり、活性光導波路領域１４および受動光導波路領域１３の導波路幅よりも広い。

また、接合領域２５内には、導波光９の進行方向に対して垂直な方向から角度θだけ傾いた斜め接合界面２３が形成されている。すなわち、接合領域２５における活性光導波路領域１４と受動光導波路領域１３との接合界面である斜め接合界面２３は、接合領域２５を通過する導波光９の進行方向に対して垂直な断面に対して予め定められた角度θの方向に沿って直線的に形成される。

次に、本実施の形態１による光導波路の動作について説明する。なお、以下では、導波光９が活性光導波路領域１４から受動光導波路領域１３に進行するものとして説明する。

活性光導波路領域１４を進行する単一モード（基本導波モード）の導波光９は、テーパ光導波路領域２４に入ると断熱的に拡大する。すなわち、導波光９は、高次モードを励起することなく、モード形状を保ったまま広がる。

接合領域２５において、導波光９の進行方向に対して垂直な断面では、活性光導波路領域１４と受動光導波路領域１３とが存在する割合が、導波光９の進行方向に沿って連続的に変化する。具体的には、接合領域２５において、活性光導波路領域１４側では活性光導波路領域１４が存在する割合の方が高いが、受動光導波路領域１３側では受動光導波路領域１３が存在する割合の方が高くなる。このように、接合領域２５において斜め接合界面２３を設けることによって、接合界面が角度θ＝０で形成される場合（例えば、図８参照）と比較して、導波モードに対応する等価屈折率の変化が緩やかになるため、接合界面における反射も低減される。

導波光９が接合領域２５を通過すると、テーパ光導波路領域２４の導波路幅は、例えば５μｍから１．５μｍまで狭くなる。このとき、活性光導波路領域１４からテーパ光導波路領域２４に入って拡大した導波光９の基本導波モードは、断熱的に縮小して元のモード断面積に戻る。

以上のことから、本実施の形態１によれば、テーパ光導波路領域２４によって導波光９のモード形状を変えずに活性光導波路領域１４と受動光導波路領域１３とを接合（光結合）し、また、斜め接合界面２３によって導波光９の反射を低減しているため、出射光（単一モードＬＤ）の発振線幅の増大を抑制することが可能となる。

なお、本実施の形態１では、活性光導波路領域と受動光導波路領域との接続について説明したが、これに限るものではなく、活性光導波路領域同士あるいは受動光導波路領域同士であって、両者の等価屈折率がわずかに異なる場合にも適用可能である。

また、活性光導波路領域１４を第１の光導波路領域とし、受動光導波路領域１３を第２の光導波路領域として説明したが、受動光導波路領域１３を第１の光導波路領域とし、活性光導波路領域１４を第２の光導波路領域としてもよい。

＜実施の形態２＞
図２は、本実施の形態２による光導波路の構成の一例を示す上面図であり、２つの光導波路領域の接合部近傍を示している。

図２に示すように、本実施の形態２では、活性光導波路領域１４（第１の光導波路領域）と受動光導波路領域１３（第２の光導波路領域）とを接合する接合領域２５において、テーパ形状接合界面２６を形成することを特徴としている。その他の構成および動作は、実施の形態１と同様であるため、ここでは説明を省略する。

なお、活性光導波路領域１４および受動光導波路領域１３の各々における基本横モードに対応する等価屈折率は、活性光導波路領域１４の方が受動光導波路領域１３よりもわずかに高いものとする。

接合領域２５において、活性光導波路領域１４と受動光導波路領域１３との接合界面であるテーパ形状接合界面２６は、活性光導波路領域１４から受動光導波路領域１３に向かって活性光導波路領域１４の導波路幅が線形的に狭くなるように形成される。

以上のことから、本実施の形態２によれば、テーパ光導波路領域２４によって導波光９のモード形状を変えずに活性光導波路領域１４と受動光導波路領域１３とを接合（光結合）し、また、テーパ形状接合界面２６によって導波光９の反射を低減しているため、実施の形態１と同様に、出射光（単一モードＬＤ）の発振線幅の増大を抑制することが可能となる。

なお、本実施の形態２では、活性光導波路領域と受動光導波路領域との接続について説明したが、これに限るものではなく、活性光導波路領域同士あるいは受動光導波路領域同士であって、両者の等価屈折率がわずかに異なりその大小関係が実施の形態と同じ場合にも適用可能である。

また、図２において、テーパ形状接合界面２６の先端部は、接合領域２５の幅方向（図２の紙面上下方向）の中心を通る直線上に位置しているが、当該直線上に位置しなくてもよい（当該直線上からずれて位置してもよい）。すなわち、図２では、接合領域２５を通過する導波光９の進行方向に対して垂直な断面に対する角度θ（テーパ形状接合界面２６を形成する紙面上側の角度）と、当該角度θに対向する角度（テーパ形状接合界面２６を形成する紙面下側の角度）とは同じ（角度θ）であるが、テーパ形状接合界面２６の先端の位置が紙面上側にずれた場合は上側の角度θの方が下側の角度よりも大きくなり、テーパ形状接合界面２６の先端の位置が紙面下側にずれた場合は上側の角度θの方が下側の角度よりも小さくなる。

また、図２において、テーパ形状接合界面２６の先端部は、ある程度の幅を有するように形成してもよい。

また、図２において、テーパ形状接合界面２６の先端部の位置は、受動光導波路領域１３側のテーパ光導波路領域２４と接合領域２５との境界位置と必ずしも一致する必要はなく、活性光導波路領域１４側のテーパ光導波路領域２４によって広がった基本モードが維持される範囲内で、テーパ形状接合界面２６の先端部を延ばしてもよい（テーパ形状接合界面２６の先端部を、受動光導波路領域１３側のテーパ光導波路領域２４内に位置してもよい）。

ここで、実施の形態１，２による光導波路における反射低減の効果について、定量的な検討を行う。

図３は、実施の形態１，２による接合界面の角度と反射量との関係を示すグラフである。なお、白抜きの丸印で付された点を結ぶグラフは、図９に示す前提技術における関係を示している。また、白抜きの四角印で付された点を結ぶグラフは、実施の形態１における関係を示している。また、黒塗りの四角印で付された点を結ぶグラフは、実施の形態２における関係を示している。

また、ＴＥ基本モード（基本横モード）に対する等価屈折率として、活性光導波路領域１４は３．１８５、受動光導波路領域１３は３．１７４を用い、基本導波モードに対して反射量を厳密に計算している。なお、実施の形態２におけるテーパ形状接合界面２６の先端部は、接合領域２５の幅方向（図２の紙面上下方向）の中心を通る直線上に位置しているものとする。

接合界面における反射をどの程度改善すればよいのかは、ＬＤの戻り光耐性やＳＯＡの増幅利得にも依存するが、一般的な目安としては、例えば非特許文献１にも記載されているように、ＬＤ側への戻り光量を−５０ｄＢから−６０ｄＢ以下に抑える必要がある。

図３に示すように、図９の前提技術の場合では、接合界面を傾けない場合（例えば、図８参照）と比較して、最大でも約１０ｄＢの改善にとどまる。例えば、ＳＯＡの増幅利得を１５ｄＢとすると、最良の場合でも‐５０ｄＢとなり反射の改善が不十分であることが分かる。

一方、実施の形態１の場合では、特に、角度θ＝２０度、６０度、８０度のときに、図９の前提技術の最良値よりも２０ｄＢ〜３０ｄＢの改善が可能である。また、実施の形態２の場合では、角度θ＝６０度、８０度以外では図９の前提技術の最良値と同程度であるが、角度θ＝６０度、８０度ではさらに１０ｄＢ〜２０ｄＢの反射の改善が得られる。

なお、透過損失についても同様に計算を行った結果（図示せず）、実施の形態２は実施の形態１と比較して、透過損失が約０．２ｄＢ改善されることが分かった。

以上のことから、前提技術（図９）に対する、実施の形態１，２の有効性を確認することができた。

＜実施の形態３＞
図４は、本実施の形態３による光導波路の構成の一例を示す上面図であり、２つの光導波路領域の接合部近傍を示している。

図４に示すように、本実施の形態３では、活性光導波路領域１４（第１の光導波路領域）と受動光導波路領域１３（第２の光導波路領域）とを接合する接合領域２５において、曲線形状接合界面２７を形成することを特徴としている。その他の構成および動作は、実施の形態１，２と同様であるため、ここでは説明を省略する。

なお、活性光導波路領域１４および受動光導波路領域１３の各々における基本横モードに対応する等価屈折率は、受動光導波路領域１３よりも活性光導波路領域１４の方がわずかに高いものとする。

接合領域２５において、活性光導波路領域１４と受動光導波路領域１３との接合界面である曲線形状接合界面２７は、活性光導波路領域１４から受動光導波路領域１３に向かって活性光導波路領域１４の導波路幅が非線形的に狭くなるように形成される。

なお、光導波路を作製する際には、境界線のマスク形状が直線であっても、エッチングあるいはエピタキシャル再成長後の形状が曲線状に変形する場合があり、このようにして形成された場合も曲線形状接合界面２７に含まれる。

曲線形状接合界面２７をなす曲線は、当該曲線形状接合界面２７の接線の角度θが導波光９の進行方向に沿って緩やかに変化しているのと等価である。従って、図３に示す結果からも分かるように、角度θ＝２０度〜８０度にわたる広い範囲で反射の低減効果がある。

以上のことから、本実施の形態３によれば、テーパ光導波路領域２４によって導波光９のモード形状を変えずに活性光導波路領域１４と受動光導波路領域１３とを接合（光結合）し、また、曲線形状接合界面２７によって導波光９の反射を低減しているため、実施の形態１，２と同様に、出射光（単一モードＬＤ）の発振線幅の増大を抑制することが可能となる。

＜実施の形態４＞
図５は、本発明の実施の形態４による光集積素子の構成の一例を示す上面図である。

図５に示すように、本実施の形態４による光集積素子は、活性光導波路領域１４（第１の光導波路領域）の両端に受動光導波路領域１３（第２の光導波路領域）を接合して配置している。

また、テーパ光導波路領域２４と接合領域２５とによって低反射接合導波路領域２８が構成され、活性光導波路領域１４と、当該活性光導波路領域１４の両端に配置された低反射接合導波路領域２８とによって光増幅領域２９が構成されている。光増幅領域２９は、単一モードの導波光９の出力を増幅する。

なお、図５では、低反射接合導波路領域２８に実施の形態２のテーパ形状接合界面２６を用いた場合を一例として示している。また、活性光導波路領域１４はＳＯＡであるものとする。

活性光導波路領域１４および受動光導波路領域１３の各々において、低反射接合導波路領域２８から十分離れた箇所での導波路幅（図１の紙面上下方向の長さ）は、１つの基本横モードのみが存在することができる単一モードの導波路となるように、例えば１．５μｍ程度に設定されている。また、活性光導波路領域１４および受動光導波路領域１３の各々は、接合領域２５にかけて導波路幅が徐々に広がるように形成されたテーパ光導波路領域２４を有している。

次に、動作について説明する。なお、以下では、導波光９が図５の紙面右方向に進行するものとして説明する。

導波光９は、テーパ光導波路領域２４に入ると断熱的に拡大する。すなわち、導波光９は、高次モードを励起することなく、モード形状を保ったまま広がる。

接合領域２５では、実施の形態２と同様に、等価屈折率の変化が緩やかになるため、接合界面における反射も低減される。

導波光９が接合領域２５を通過すると、テーパ光導波路領域２４の導波路幅は、例えば５μｍから１．５μｍまで狭くなる。このとき、受動光導波路領域１３からテーパ光導波路領域２４に入って拡大した導波光９の基本導波モードは、断熱的に縮小して元のモード断面積に戻り、そのまま活性光導波路領域１４に光結合する。

導波光９は、活性光導波路領域１４を進行中に増幅され、その後、上記と同様に低反射接合導波路領域２８を通過し、受動光導波路領域１３から出力される。

以上のことから、本実施の形態４によれば、ＳＯＡである活性光導波路領域１４の両端に反射点が存在しないため、ＳＯＡを含む光共振器が構成されることがなく、また、活性光導波路領域１４が高い光増幅利得を有する場合であっても特定の波長で自然放出光の成分が増大することはない。従って、ＳＯＡから出射される自然放出光が戻り光としてＬＤに注入されることによって生じる、出射光（単一モードＬＤ）の発振線幅の増大を抑制することが可能となる。

なお、実施の形態４では、活性光導波路領域１４の導波路幅は一定であるとしたが、これに限るものではない。

また、活性光導波路領域１４の両端に接合された各受動光導波路領域１３の導波路幅は、同じである必要はない。

また、実施の形態４では、接合領域２５において、実施の形態２のテーパ形状接合界面（図２参照）を形成する場合について説明したが、実施の形態１の斜め接合界面２３（図１参照）、あるいは実施の形態３の曲線形状接合界面２７（図４参照）を形成してもよい。

＜実施の形態５＞
図６は、本発明の実施の形態５による光集積素子の構成の一例を示す上面図である。

図６に示すように、単一モードＬＤ１は、受動光導波路領域１３および光増幅領域２９を介して、外部変調器であるＭＺ変調器３０に接続されている。すなわち、ＭＺ変調器３０は光増幅領域２９の光の出力端側に接続されている。

なお、単一モードＬＤ１は単一モードＬＤアレイであってもよい。

ここで、光増幅領域２９は、実施の形態４と同様に、ＳＯＡである活性光導波路領域１４の両端に低反射接合導波路領域２８を接合した構成となっている。

ＭＺ変調器３０は、受動光導波路領域１３で構成され、２つに分岐した各導波路に配置された多重量子井戸（Multiple Quantum Well、以下、ＭＱＷという）で構成される屈折率制御部３１に対して電界を印加することができる構造となっている。

なお、電極、単一モードＬＤアレイの場合に必要となるＭＭＩ等の光合波器、およびＡＲコート膜は、図示を省略している。

次に、動作について説明する。なお、以下では、導波光９が図６の紙面右方向に進行するものとして説明する。

単一モードＬＤ１からの出力光８は、導波光９として受動光導波路領域１３を通過し、実施の形態４と同様に光増幅領域２９で増幅される。

光増幅領域２９で増幅された導波光９は、ＭＺ変調器３０で２つの導波路に分かれる。

屈折率制御部３１は、印加される電界に応じた量子閉じ込めシュタルク効果によって、ＭＱＷの屈折率が変化し、分岐された２つの導波路の各々を通過する光の相対位相が変化する。具体的には、光の位相差が０の場合はＭＺ変調器３０の出口で強め合った光が出力され、位相差がπの場合はＭＺ変調器３０の出口で打ち消し合う（消光する）ため光は出力されない。

ＭＺ変調器３０で変調して出力された光は、低反射接合導波路領域２８を介して出射光１０として外部に出力される。

以上のことから、本実施の形態５によれば、実施の形態４の光増幅領域２９と、外部変調器とを用いた光集積素子であっても、出射光（単一モードＬＤ）の発振線幅の増大を抑制することが可能となる。

なお、出射光１０が出力される端部近傍に設けられた低反射接合導波路領域２８は、端面の低反射化や、モード形状の制御を行うために受動光導波路領域１３の形状を加工することが可能であり、窓構造を用いる場合よりも出射光１０のビーム形状の制御の自由度が向上する。

また、単一モードＬＤ１と受動光導波路領域１３との接合領域に、低反射接合導波路領域２８を設けてもよい。

また、本実施の形態５では、外部変調器としてＭＺ変調器３０を用いているが、ＥＡ変調器を用いてもよい。

なお、本発明の実施の形態１〜５において例示した各構成要素の寸法、材質、形状、それらの相対的な配置などは、実際の寸法と異なる場合があり、本発明が適用される装置の構成（光導波路、光集積素子）や各種条件により適宜変更されるものである。

また、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１単一モードＬＤ、２受動曲がり導波路、３ＭＭＩ、４受動直線導波路、５ＳＯＡ、５ａＳＯＡの直線導波路部、５ｂＳＯＡの曲がり導波路部、６窓領域、７ＡＲコート膜、８ＬＤ出力光、９導波光、１０出射光、１１反射、１２集積チップ、１３受動光導波路領域、１４活性光導波路領域、１５接合界面、１６反射、１７ＩｎＰ基板、１８ＩｎＰ下部クラッド層、１９ＩｎＰ上部クラッド層、２０量子井戸活性層、２１バルク導波層、２２，２３斜め接合界面、２４テーパ光導波路領域、２５接合領域、２６テーパ形状接合界面、２７曲線形状接合界面、２８低反射接合導波路領域、２９光増幅領域、３０ＭＺ変調器、３１屈折率制御部。

Claims

第１の光導波路領域と、
前記第１の光導波路領域の等価屈折率とは異なる等価屈折率を有する第２の光導波路領域と、
前記第１の光導波路領域と前記第２の光導波路領域とを接合し、前記第１の光導波路領域の導波路幅および前記第２の光導波路領域の導波路幅よりも広い導波路幅を有する接合領域と、
を備え、
前記第１の光導波路領域の前記導波路幅および前記第２の光導波路領域の前記導波路幅は、前記第１の光導波路領域および前記第２の光導波路領域から前記接合領域に渡って連続的に広がり、
前記接合領域を通過する光の進行方向に対して垂直な断面における、前記第１の光導波路領域と前記第２の光導波路領域とが存在する割合は、前記光の進行方向に沿って連続的に変化することを特徴とする、光導波路。
前記接合領域における前記第１の光導波路領域と前記第２の光導波路領域との接合界面は、前記断面に対して予め定められた角度の方向に沿って直線的に形成されることを特徴とする、請求項１に記載の光導波路。
前記第１の光導波路領域の前記等価屈折率は、前記第２の光導波路領域の前記等価屈折率よりも高く、
前記接合領域における前記第１の光導波路領域と前記第２の光導波路領域との接合界面は、前記第１の光導波路領域から前記第２の光導波路領域に向かって前記第１の光導波路領域の前記導波路幅が線形的に狭くなるように形成されることを特徴とする、請求項１に記載の光導波路。
前記第１の光導波路領域の前記等価屈折率は、前記第２の光導波路領域の前記等価屈折率よりも高く、
前記接合領域における前記第１の光導波路領域と前記第２の光導波路領域との接合界面は、前記第１の光導波路領域から前記第２の光導波路領域に向かって前記第１の光導波路領域の前記導波路幅が非線形的に狭くなるように形成されることを特徴とする、請求項１に記載の光導波路。
前記第１の光導波路領域の前記光導波路幅および前記第２の光導波路領域の前記光導波路幅は、単一モードの光のみが存在可能な幅であることを特徴とする、請求項１ないし４のいずれかに記載の光導波路。
請求項１ないし５のいずれかに記載の光導波路を有し、
単一モードの光の出力を増幅し、前記第１の光導波路領域の両端に前記第２の光導波路領域を接合して形成された光増幅領域を備える、光集積素子。
前記光増幅領域の光の出射端側に接続した変調器をさらに備えることを特徴とする、請求項６に記載の光集積素子。