JP2017168545A

JP2017168545A - 光モジュール

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Publication number: JP2017168545A
Application number: JP2016050415A
Authority: JP
Inventors: 松田　学; Manabu Matsuda; 松田　　学; 高林　和雅; Kazumasa Takabayashi; 和雅高林; 秋山　傑; Takashi Akiyama; 傑秋山
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2016-03-15
Filing date: 2016-03-15
Publication date: 2017-09-21

Abstract

【課題】光モジュールに関し、エタロンを実装した場合でもコンパクトな実装を可能として、光モジュールを小型化する。【解決手段】基板上に設けられた波長調整手段及び光反射手段を有する光導波路と、利得素子とによって波長可変レーザを形成し、前記光導波路の光路内に設けた回折格子により基板の表裏面に回折された導波光の一部をエタロンを通して受光器で受光し、基板の表裏面に回折された導波光の他の一部をそのまま他の受光器で受光する。【選択図】図１

Description

本発明は、光モジュールに関するものである。

近年、長距離大容量光伝送システムとして市場規模が拡大しているディジタル・コヒーレント通信向けに、広い波長範囲で波長を変えられ、かつ波長線幅が１００ｋＨｚ以下と狭い波長可変レーザの開発が精力的に行なわれている。この波長可変レーザの例として、シリコン系材料で構成された波長フィルタ機能を有するシリコンプラットフォームと化合物半導体で構成された利得素子（例えば、半導体光アンプ：ＳＯＡ）を組み合わせた波長可変レーザがある。

図２３は従来の波長可変レーザの概念的上面図であり、光導波路８１，８３，８５とリング共振器８２，８４及びループミラー８６をＳＯＩ基板の単結晶Ｓｉ層を加工して形成し、利得導波路８８を有するＳＯＡ８７と組み合わせる。この場合、ＳＯＡ８７の出力端側の劈開面とループミラー８６により共振器が形成され、利得導波路８８が利得媒質になる。

また、波長可変レーザはその発振波長を精密に５０ＧＨｚ間隔の波長グリッドに合わせる必要があり、そのために出力光の一部をビームスプリッタ９３やハーフミラーで分岐し、分岐した強度を受光器でモニタする必要がある。図２４は従来の光モジュールにおけるモニタ構造の説明図である。

図２４（ａ）は、波長可変レーザ９１の出力光の一部をビームスプリッタ９３で分岐し、波長に対して周期的に透過率が変化するエタロン９６を通し、その光の強度を受光器９７でモニタする。この時、波長可変レーザ９１の出力光自体も受光器９９でモニタして、両方の検出出力を比較して波長変動を検出する。なお、図における符号９２はコリメートレンズであり、符号９４，９８は集光レンズである。

図２４（ｂ）は他のモニタ構造の説明図であり、波長可変レーザ９１の後端面側の光を、エタロン９６を通して受光器９７でモニタする。この場合は、波長可変レーザ９１の後端面側の光の一部をビームスプリッタ９３で分岐し、分岐した光の強度を受光器９９でモニタして、両方の検出出力を比較して波長変動を検出する。

いずれの場合も、発振光の波長が変化するとエタロン９６での透過率が変化して光強度が変化するため、この光強度の変化により波長変動を検出する。図２５は、従来の光モジュールに用いるエタロンの透過率の波長依存性の説明図であり、透過率は狭い波長範囲で周期的に変化している。

図２６は、従来の光モジュールにおける波長変動検出原理の説明図であり、図２６（ａ）に示すように、エタロン９６の透過率変化のスロープの傾斜が大きな波長をグリッドの波長に設定しておく。図２６（ｂ）に示すように、波長可変レーザ９１との出力光の波長が変動すると、エタロン９６を介して検出される光強度は変化するので、光強度の変化によって波長が長短どちらかに変化したかモニタできる。モニタ光強度が変化した場合、モニタ光強度を元の値に戻すように波長可変レーザ９１を制御することでグリッドからのずれを動的に補正している。

特表２００３−５１１８６６号公報特開２００２−１７１０２３号公報

しかし、前述した図２４に示したモニタ構造の場合には、ビームスプリッタあるいはエタロン等の光学部品が光路の途中に挿入されるため、その光学部品と光路分だけ光回路の構成の長さが長くなってしまう。近年、光モジュールの大きさ（フォームファクタ）の小型化が求められており、波長可変レーザモジュールにおいてもＣＦＰ２光トランシーバやＣＦＰ４光トランシーバなどへの小型化を目指している。

しかし、図２４に示すように光学部品を光路に直列するような形で実装すること、またさらにはビームスプリッタで分岐した光を光路の横に配置することは困難になってきている。

本発明は、光モジュールにおいて、エタロンを実装した場合でもコンパクトな実装を可能とし、光モジュールを小型化することを目的とする。

一つの態様では、光モジュールは、基板と、前記基板上に設けられた波長調整手段及び光反射手段を有する光導波路と、前記光導波路と結合して波長可変レーザを形成する利得素子とを有し、前記光導波路は光路内に回折格子を有し、前記回折格子は、前記光導波路を導波する導波光の一部を前記基板の表裏面に回折し、前記基板の表裏面に回折された導波光の一部をエタロンを通して受光する受光器と、前記基板の表裏面に回折された導波光の他の一部をそのまま受光する受光器とを有する。

一つの側面として光モジュールにおいて、エタロンを実装した場合でもコンパクトな実装が可能となり、光モジュールを小型化することが可能になる。

本発明の実施の形態の光モジュールの概念的上面図である。本発明の実施の形態の光モジュールにおけるモニタ構造の説明図である。本発明の実施の形態の光モジュールにおける他のモニタ構造の説明図である。本発明の実施例１の光モジュールに用いる波長可変レーザの概念的上面図である。本発明の実施例１の光モジュールに用いるＳＯＡの概略的斜視図である。本発明の実施例１におけるＳｉ導波路プラットフォームの断面図である。本発明の実施例１におけるＳｉ導波路プラットフォームに設けた回折格子の説明図である。本発明の実施例１の光モジュールにおけるモニタ構造の説明図である。本発明の実施例１の光モジュールの一部透視概念的上面図である。本発明の実施例２の光モジュールに用いる波長可変レーザの概念的上面図である。本発明の実施例２におけるＳｉ導波路プラットフォームの断面図である。本発明の実施例２におけるＳｉ導波路プラットフォームに設けた回折格子の説明図である。本発明の実施例２の光モジュールにおけるモニタ構造の説明図である。本発明の実施例２の光モジュールの一部透視概念的上面図である。本発明の実施例３の光モジュールに用いる波長可変レーザの概念的上面図である。本発明の実施例３におけるＳｉ導波路プラットフォームに設けた回折格子の説明図である。本発明の実施例３の光モジュールにおけるモニタ構造の説明図である。本発明の実施例３の光モジュールの一部透視概念的上面図である。本発明の実施例４の光モジュールに用いる波長可変レーザの概念的上面図である。本発明の実施例４におけるＳｉ導波路プラットフォームに設けた回折格子の説明図である。本発明の実施例４の光モジュールにおけるモニタ構造の説明図である。本発明の実施例４の光モジュールの一部透視概念的上面図である。従来の光モジュールに用いる波長可変レーザの概念的上面図である。従来の光モジュールにおけるモニタ構造の説明図である。従来の光モジュールに用いるエタロンの透過率の波長依存性の説明図である。従来の光モジュールにおける波長変動検出原理の説明図である。

ここで、図１乃至図３を参照して、本発明の実施の形態の光モジュールを説明する。図１は、本発明の実施の形態の光モジュールの概念的上面図であり、基板１上に設けた波長調整手段５，７及び光反射手段７を有する光導波路２，４，６，９，１０と利得素子１２とを結合して波長可変レーザを形成している。光導波路９は光路内に回折格子１１を有し、この回折格子１１は、光導波路９を導波する導波光の一部を基板１の表裏面に回折する。波長調整手段５，７としては、例えば、リング共振器を用い、光反射手段７としては、例えば、ループミラーを用いる。また、波長調整手段５，７及び光反射手段７には、共振波長或いは位相を調整するためのヒータを設けておくことが望ましい。なお、図２に示すように、光導波路２，４，６，９，１０は、下部クラッド層１４と上部クラッド層１５に挟まれており、ヒータは上部クラッド層１５上にＴｉ膜等を用いて形成する。

図２は、本発明の実施の形態の光モジュールにおけるモニタ構造の説明図であり、基板１の表裏面に回折された導波光の一部をエタロン１６を通して受光器１７で受光するとともに、基板１の表裏面に回折された導波光の他の一部をそのまま受光器１８で受光する。エタロン１６を通して受光する導波光は、図２に示すように、基板１の表面側に回折された導波光とすることが一般的な構成である。特に、図２に示すように導波光の回折角が光導波路９の光軸に対して鉛直となるようにするためには、回折格子１１の周期を光導波路９の光軸に沿ってステップ状に変化させれば良い。或いは、回折格子１１の周期を光導波路９の光軸に沿って単調に変化させてチャープ回折格子としても良い。

この場合、図３に示すように、基板１の裏面側の一部に溝を設け、溝の面に反射膜を設けて光導波路の裏面に回折された導波光を表面側に反射して受光器１８で受光するようにしても良い。この場合、２つの受光器１７，１８は同じ側に配置することができるので、光モジュールの構造が簡素化される。

導波光の回折角が光導波路９の光軸に対して鉛直から外れた角度を有して回折するようにしても良い。この場合も、基板１の裏面側の一部に反射鏡を設けて基板１の裏面側に回折された導波光を表面側に導波するようにしても良い。

或いは、エタロン１６を通さずにそのまま受光する導波光として、基板１の表面側に回折された導波光の一部を用いても良い。その場合には、エタロン１６を通して受光する導波光とエタロン１６を通さずにそのまま受光する導波光を１つの２分割受光器で受光するようにすれば良い。

波長可変レーザの導波光の一部をモニタするためには、光導波路の光路の途中に光分岐手段８を設け、この光分岐手段８で２つに分岐された光導波路９，１０の一方に回折格子１１を設ければ良い。光分岐手段８としては、マルチモード干渉計（ＭＭＩ）或いはＹ分岐型分波器が典型的なものである。なお、その分岐比は任意であり、適用される設計の要件によって変化してもなんら問題はない。

基板１としては、ＳＯＩ基板の単結晶シリコン基板を用い、光導波路２，４，６，９，１０を単結晶シリコン基板上に酸化シリコン膜を介して設けられた単結晶シリコン層で形成することにより、Ｓｉ導波路プラットフォームを形成することができる。なお、この場合、単結晶シリコン基板上に設けた酸化シリコン膜、即ち、ＢＯＸ層が下部クラッド層を兼ねることになる。なお、利得素子１２は、単結晶シリコン基板の一部を掘り下げて、掘り下げた領域に実装する。

本発明の実施の形態によれば、光導波路を設けたプラットフォームの厚さ（高さ）方向のサイズは、長さや幅に比べて一桁以上小さく、且つ、回折格子を実装してもプラットフォームの長さ方向のサイズは変化しない。したがって、この構造により、エタロンを実装した場合でもコンパクトな実装が可能となり、モジュールの小型化に大きく貢献することができる。

次に、図４乃至図９を参照して、本発明の実施例１の光モジュールを説明する。図４は、本発明の実施例１の光モジュールに用いる波長可変レーザの概念的上面図である。Ｓｉ導波路プラットフォームと利得導波路となるＭＱＷ活性層４３を備えたＳＯＡ４０とにより、波長可変レーザが形成される。Ｓｉ導波路プラットフォームには、全反射ミラーとしてのループミラー２８、波長を選択するバーニア効果を得るための曲率半径が異なる２つのリング共振器２４，２６、光導波路２３を導波する導波光を分岐するＭＭＩ（マルチモード干渉計）２９を有している。ＭＭＩ２９により２つに分岐された導波光の一部は、出力端面の法線に対して１５°の角度を有する分岐導波路３１に導かれてＳＯＡ４０と光学的に結合する。一方、ＭＭＩ２９により２つに分岐された導波光の他部は図の上下方向に光を回折する回折格子３３を設けた分岐導波路３０に導かれる。

また、２つのリング共振器２４，２６には屈折率を変化させて波長チューニングを行なうためにヒータ３４，３５が設けられている。光導波路２７のループミラー２８の直前には位相調整用ヒータ３６が設けられており、後述するように、それらは素子表面を通してモジュール内に別途配置された駆動電子回路に接続されている。

図５は、本発明の実施例１の光モジュールに用いるＳＯＡの概略的斜視図であり、ｎ型ＩｎＰ基板４１上にｎ型ＩｎＰクラッド層４２、ＭＱＷ活性層４３、ｐ型ＩｎＰクラッド層４４及びｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層４５を順次堆積する。次いで、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層４５乃至ｎ型ＩｎＰ基板４１の一部をストライプ状にエッチングしてメサ構造を形成し、このストライプ状メサ構造をＦｅドープＩｎＰ埋込層４６で埋め込む。ｎ型ＩｎＰ基板４１の裏面にはｎ側電極４７を形成し、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層４５にはｐ側電極４８を設ける。ＭＱＷ活性層４３としては、例えば、６層の厚さが５．１ｎｍのＧａＩｎＡｓＰ井戸層と７層の厚さが１０ｎｍのＧａＩｎＡｓＰバリア層を交互に積層して形成する。

ストライプ状メサ構造は、Ｓｉ導波路プラットフォームの出力端からの光を受けるように、端面の法線に対して７°の角度を有する傾斜導波路４３_１と、屈曲導波路４３_２と、直線導波路４３_３により形成されており、直線導波路４３_３側の端面は劈開面をそのまま反斜面として利用している。このＳＯＡ４０の劈開端面とＳｉ導波路プラットフォームのループミラー２８が波長可変レーザの共振器を構成している。なお、図示を省略するものの、傾斜導波路４３_１側の端面には無反射コーティングが施されている。

図６は、本発明の実施例１におけるＳｉ導波路プラットフォームの断面図であり、ここでは、図４のＡ−Ａ′を結ぶ一点鎖線の沿った断面図を示している。ＳｉＯ_２で形成されたＢＯＸ層２２とＳｉＯ_２で形成された上部クラッド層３２で挟まれたＳｉ細線導波路で形成される光導波路２３，２５，２７及びリング共振器２４は厚さ２５０ｎｍで、幅５００ｎｍである。また、直線状の光導波路２３，２５，２７とリング共振器２４の間のギャップ間隔は１８０ｎｍである。なお、リング共振器２６と光導波路２５，２７との間のギャップ間隔も１８０ｎｍである。

リング共振器２４の曲率半径は２０μｍであり、リング共振器２５の曲率半径は１９μｍであり、ループミラー２８の曲率半径は１５μｍである。ＭＭＩ２９での光分岐比は出力端側端：回折格子側＝３：１となるように設計されている。

図７は、本発明の実施例１におけるＳｉ導波路プラットフォームに設けた回折格子の説明図である。回折格子３３の全体長は約４００μｍで、２０個のセグメントからなる。２０個のセグメントの回折格子周期 Λ₁, Λ₂, Λ₃，・・・Λ₁₉, Λ₂₀ は６８０ｎｍから７１８ｎｍまで１ｎｍ間隔で変化している。また、その領域長Ｌ_１, Ｌ_２, Ｌ_３，・・・Ｌ_１９, Ｌ_２０はそれぞれ１９μｍから１９．９５μｍまで、０．０５μｍ間隔で変化している。

図８は、本発明の実施例１の光モジュールにおけるモニタ構造の説明図であり、回折格子３３の深さ（高さ）は、１９００ｎｍで、光導波路３０上の上部クラッド層３２を全て貫き、光導波路３０の上面も１００ｎｍえぐる形で形成されている。また、回折格子３３の山谷の幅の比はすべて１：１となるように加工されている。ここで、回折格子周期は導波する光に対して２次の周期で山谷比が１：１となっているため、光導波路３０を１８０°折り返して戻る成分はほぼゼロとなり、ほぼ全て上下方向への回折成分となる。また、その結合係数は１０００ｃｍ^−１となっている。

この回折格子３３により、ＭＭＩ２９により分岐された導波光のうち、Ｃバンドに相当する１５２０ｎｍから１５７０ｎｍの波長範囲の光が上下にそれぞれほぼ５０％づつ回折される。モジュール内で回折光を受光するように２つの受光器５２，５３が配置され、一方の受光器５２と回折格子３３との間には表面が傾けて配置されたエタロン５１が配置される。このエタロン５１の角度は、エタロン５１の透過特性(ＦＳＲ：ＦｒｅｅＳｐｅｃｔｒａｌＲａｎｇｅ)が５０ＧＨｚ間隔となるように調整されたのち固定される。ＳＯＡ４０の出力光は集光レンズ５４を通して光ファイバ５５への結合損失が最も小さくなるようにアライメントされたのち固定される。

図９は、本発明の実施例１の光モジュールの一部透視概念的上面図であり、ここでは、回折格子と受光器との配置関係が分かるように透視的に図示している。図９に示すように、光モジュール内では２つの受光器５２，５３から変換された電気信号を処理して波長制御を行なう信号を生成する制御用電子回路６２が装備される。また、Ｓｉ導波路プラットフォーム２０は、波長可変レーザを駆動する電子回路、および素子温度を安定させるためのＴＥＣ（Ｔｈｅｒｍｏ−ＥｌｅｃｔｒｉｃＣｏｏｌｅｒ）６１上にマウントする。なお、図における符号６３は光モジュール全体を収容するモジュール筐体である。

本発明の実施例１においては、モニタ光を回折格子を用いて基板の上下方向に回折させて受光しているので、光導波路を設けたＳｉ導波路プラットフォームの長さ方向のサイズを変更することなく、エタロン及び受光器の実装が可能になる。その結果、光モジュールを小型化することが可能になる。実施例１においてはセグメント化しステップ状に周期が変化する回折格子を用いたが、滑らかに周期が変化するチャープ回折格子を用いても同様の効果が得られることは明らかである。

次に、図１０乃至図１４を参照して、本発明の実施例２の光モジュールを説明するが、上記の実施例１におけるＭＭＩをＹ分岐型分波器に置き換えるとともに、基板の裏面側に回折した回折光を反射膜によって表面側から取り出したものである。図１０は、本発明の実施例２の光モジュールに用いる波長可変レーザの概念的上面図である。Ｓｉ導波路プラットフォームと利得導波路となるＭＱＷ活性層４３を備えたＳＯＡ４０とにより、波長可変レーザが形成される。Ｓｉ導波路プラットフォームには、全反射ミラーとしてのループミラー２８、波長を選択するバーニア効果を得るための曲率半径が異なる２つのリング共振器２４，２６、光導波路２３を導波する導波光を分岐するＹ分岐型分波器３７を有している。Ｙ分岐型分波器３７により２つに分岐された導波光の一部は、出力端面の法線に対して１５°の角度を有する分岐導波路３１に導かれてＳＯＡ４０と光学的に結合する。一方、Ｙ分岐型分波器３７により２つに分岐された導波光の他部は図の上下方向に光を回折する回折格子３３を設けた分岐導波路３０に導かれる。

ここでも２つのリング共振器２４，２６には屈折率を変化させて波長チューニングを行なうためにヒータ３４，３５が設けられている。光導波路２７のループミラー２８の直前には位相調整用ヒータ３６が設けられており、図９に示したのと同様に、それらは素子表面を通してモジュール内に別途配置された駆動電子回路に接続されている。なお、ＳＯＡ４０としては図５に示した構造のＳＯＡを用いる。

図１０は、本発明の実施例２におけるＳｉ導波路プラットフォームの断面図であり、ここでは、図９のＡ−Ａ′を結ぶ一点鎖線の沿った断面図を示している。ＳｉＯ_２で形成されたＢＯＸ層２２とＳｉＯ_２で形成された上部クラッド層３２で挟まれたＳｉ細線導波路で形成される光導波路２３，２５，２７及びリング共振器２４は厚さ２５０ｎｍで、幅５００ｎｍである。また、直線状の光導波路２３，２５，２７とリング共振器２４の間のギャップ間隔は１８０ｎｍである。

リング共振器２４の曲率半径は２０μｍであり、リング共振器２５の曲率半径は１９μｍであり、ループミラー２８の曲率半径は１５μｍである。Ｙ分岐型導波路３７における分岐比は出力端側端：回折格子側＝１：１となるように設計されている。

図１２は、本発明の実施例２におけるＳｉ導波路プラットフォームに設けた回折格子の説明図である。回折格子３３の全体長は約５０μｍで、回折格子周期Λは４２５ｎｍ、回折格子３３の深さ（高さ）は３０００ｎｍで、下部クラッド層を兼ねるＢＯＸ層２２を１０００ｎｍえぐる形で形成されている。また、回折格子３３の山谷の幅の比は全て１：１となるように加工されている。ここで、回折格子周期Λは導波する光に対して２次の周期で山谷比が１：１となっているため、光導波路３０を１８０°折り返して戻る成分はほぼゼロとなり、ほぼ全て上下方向への回折成分となる。また、その結合係数は２４００ｃｍ^−１となっている。

この回折格子３３により、Ｙ分岐型分波器３７で分岐された導波光のうち、Ｃバンドに相当する１５２０ｎｍから１５７０ｎｍの波長範囲の光が上下にそれぞれほぼ５０％づつ回折される。

図１３は、本発明の実施例２の光モジュールにおけるモニタ構造の説明図であり、基板側に回折された光が基板裏面に到達する位置のシリコン基板２１の裏面に溝を形成しその面にたとえば金属を蒸着して金属蒸着ミラー５６を形成する。なお金属としてはＡｕ或いはＡｌ等を用いる。この金属蒸着ミラー５６により、基板表面側に導かれた回折光を基板表面へと導く。そして、それら２つの回折光を受光するように２つの受光器５２，５３が配置され、一方の受光器５２と回折格子３３との間には表面が傾けて配置されたエタロン５１が配置される。このエタロン５１の角度は、エタロンの透過特性（ＦＳＲ）が５０ＧＨｚ間隔となるように調整されたのち固定される。

ＳＯＡ４０の出力光はコリメートレンズ５８とアイソレータ５７と集光レンズ５４を通して光ファイバ５５への結合損失が最も小さくなるようにアライメントされたのち固定される。

図１４は、本発明の実施例２の光モジュールの一部透視概念的上面図であり、ここでも、回折格子と受光器との配置関係が分かるように透視的に図示している。図１４に示すように、光モジュール内では２つの受光器５２，５３から変換された電気信号を処理して波長制御を行なう信号を生成する制御用電子回路６２が装備される。また、Ｓｉ導波路プラットフォーム２０は、波長可変レーザを駆動する電子回路、および素子温度を安定させるためのＴＥＣ６１上にマウントする。なお、図における符号６３は光モジュール全体を収容するモジュール筐体である。

本発明の実施例２においても、モニタ光を回折格子を用いて基板の上下方向に回折させて受光しているので、光導波路を設けたＳｉ導波路プラットフォームの長さ方向のサイズを変更することなく、エタロン及び受光器の実装が可能になる。また、基板裏面に金属蒸着ミラーを形成して基板の裏面側への回折光を表面側に導いているので、受光器５３の実装が容易になる。その結果、光モジュールの上下方向のサイズをさらに小型化することが可能になる。

なお、実施例２においては、光分岐手段としてＹ分岐型分波器を用いているが、実施例１と同様にＭＭＩを用いても良い。また、ＳＯＡからの出力光は、実施例１と同様にアイソレータを用いることなく、集光レンズを介して光ファイバに導くようにしても良い。

次に、図１５乃至図１８を参照して、本発明の実施例３の光モジュールを説明する。図１５は、本発明の実施例３の光モジュールに用いる波長可変レーザの概念的上面図である。Ｓｉ導波路プラットフォームと利得導波路となるＭＱＷ活性層４３を備えたＳＯＡ４０とにより、波長可変レーザが形成される。Ｓｉ導波路プラットフォームには、全反射ミラーとしてのループミラー２８、波長を選択するバーニア効果を得るための曲率半径が異なる２つのリング共振器２４，２６、光導波路２３を導波する導波光を分岐するＭＭＩ７０を有している。２×２のＭＭＩ７０により分岐された導波光の一部は、出力端面の法線に対して１５°の角度を有する分岐導波路３１に導かれてＳＯＡ４０と光学的に結合する。一方、ＭＭＩ７０により逆方向に２つに分岐された導波光の一部は図の上下方向に光を回折する回折格子７２を設けた分岐導波路７１に導かれる。

ここでも２つのリング共振器２４，２６には屈折率を変化させて波長チューニングを行なうためにヒータ３４，３５が設けられている。光導波路２７のループミラー２８の直前には位相調整用ヒータ３６が設けられており、図９に示したのと同様に、それらは素子表面を通してモジュール内に別途配置された駆動電子回路に接続されている。

なお、ＳＯＡ４０としては積層構造としては図５に示した構造と同じであるが、ここでは、直線導波路の一部にＣバンド内で反射率３０％の反射帯域を持つＤＢＲ（分布ブラッグ反射器）４９を設ける。それに続いて光増幅用ＭＱＷ活性層を有する直線導波路と端面の法線に対して７°の角度を有する活性傾斜導波路が形成されており、両端面には反射防止膜５０が施されている（入射側の反射防止膜は図示を省略している）。この、ＤＢＲ４９とＳｉ導波路プラットフォームに設けたループミラー３８がレーザの共振器を構成している。

リング共振器２４の曲率半径は２０μｍであり、リング共振器２５の曲率半径は１９μｍであり、ループミラー２８の曲率半径は１５μｍである。ＭＭＩ７０での光分岐比は出力端側端：回折格子側＝３：１となるように設計されている。

図１６は、本発明の実施例３におけるＳｉ導波路プラットフォームに設けた回折格子の説明図である。回折格子７２の全体長は約４００μｍで、２０個のセグメントからなる。２０個のセグメントの回折格子周期 Λ_１, Λ_２, Λ_３，・・・Λ_１９, Λ_２０は４５５ｎｍから４６６．４ｎｍまで０．６ｎｍ間隔で変化している。また、その領域長Ｌ_１, Ｌ_２, Ｌ_３，・・・Ｌ_１９, Ｌ_２０はそれぞれ１９μｍから１９．９５μｍまで、０．０５μｍ間隔で変化している。

図１７は、本発明の実施例３の光モジュールにおけるモニタ構造の説明図であり、回折格子７２の深さ（高さ）は、１９００ｎｍで、光導波路７１上の上部クラッド層３２を全て貫き、光導波路７１の上面も１００ｎｍえぐる形で形成されている。また、回折格子７２の山谷の幅の比はすべて１：１となるように加工されている。ここで、回折格子周期は光導波路に対して±６０°の角度で折り返すような周期になっている。また、その結合係数は１０００ｃｍ^−１となっている。

この回折格子７２により、ＭＭＩ７０により分岐された導波光のうち、Ｃバンドに相当する１５２０ｎｍから１５７０ｎｍの波長範囲の光が上下±６０°の方向にそれぞれほぼ５０％づつ回折される。基板側に回折された光が基板裏面に到達する位置のシリコン基板２１の裏面に金属を蒸着して金属蒸着ミラー７３を形成する。なお金属としてはＡｕ或いはＡｌ等を用いる。この金属蒸着ミラー７３により、基板表面側に導かれた回折光を基板表面へと導く。そして、それら２つの回折光を受光するように２つの光受光器５２，５３が配置され、一方の受光器５２と回折格子７２との間には表面が傾けて配置されたエタロン５１が配置される。このエタロン５１の角度は、エタロン５１の透過特性(ＦＳＲ)が５０ＧＨｚ間隔となるように調整されたのち固定される。ＳＯＡ４０の出力光は集光レンズ５４を通して光ファイバ５５への結合損失が最も小さくなるようにアライメントされたのち固定される。

図１８は、本発明の実施例３の光モジュールの一部透視概念的上面図であり、ここでも、回折格子と受光器との配置関係が分かるように透視的に図示している。図１８に示すように、光モジュール内では２つの受光器５２，５３から変換された電気信号を処理して波長制御を行なう信号を生成する制御用電子回路６２が装備される。また、Ｓｉ導波路プラットフォーム２０は、波長可変レーザを駆動する電子回路、および素子温度を安定させるためのＴＥＣ６１上にマウントする。なお、図における符号６３は光モジュール全体を収容するモジュール筐体である。

本発明の実施例３においても、モニタ光を回折格子を用いて基板の上下方向に回折させて受光しているので、光導波路を設けたＳｉ導波路プラットフォームの長さ方向のサイズを変更することなく、エタロン及び受光器の実装が可能になる。また、基板裏面に金属蒸着ミラーを形成して基板の裏面側への回折光を表面側に導いているので、受光器５３の実装が容易になる。その結果、光モジュールの上下方向のサイズをさらに小型化することが可能になる。また、実施例３においては、セグメント化しステップ状に周期が変化する回折格子を用いたが、滑らかに周期が変化するチャープ回折格子を用いても同様の効果が得られることは明らかである。

なお、実施例３においては、光分岐手段としてＭＭＩを用いているが、実施例２と同様にＹ分岐型分波器を用いても良い。また、ＳＯＡからの出力光は、実施例１と同様にアイソレータを用いることなく、集光レンズを介して光ファイバに導くようにしても良い。

次に、図１９乃至図２２を参照して、本発明の実施例４の光モジュールを説明する。図１９は、本発明の実施例４の光モジュールに用いる波長可変レーザの概念的上面図である。実施例１と同様に、Ｓｉ導波路プラットフォームと利得導波路となるＭＱＷ活性層４３を備えたＳＯＡ４０とにより、波長可変レーザが形成される。Ｓｉ導波路プラットフォームには、全反射ミラーとしてのループミラー２８、波長を選択するバーニア効果を得るための曲率半径が異なる２つのリング共振器２４，２６、光導波路２３を導波する導波光を分岐するＭＭＩ２９を有している。ＭＭＩ２９により２つに分岐された導波光の一部は、出力端面の法線に対して１５°の角度を有する分岐導波路３１に導かれてＳＯＡ４０と光学的に結合する。一方、ＭＭＩ２９により２つに分岐された導波光の他部は図の上下方向に光を回折する回折格子３３を設けた分岐導波路３０に導かれる。

また、２つのリング共振器２４，２６には屈折率を変化させて波長チューニングを行なうためにヒータ３４，３５が設けられている。光導波路２７のループミラー２８の直前には位相調整用ヒータ３６が設けられており、図９に示したのと同様に、それらは素子表面を通してモジュール内に別途配置された駆動電子回路に接続されている。なお、ＳＯＡ４０としては図５に示した構造のＳＯＡを用いる。

図２０は、本発明の実施例４におけるＳｉ導波路プラットフォームに設けた回折格子の説明図である。回折格子３３の全体長は約８００μｍで、回折格子周期Λは５５２．８ｎｍ、回折格子３３の深さ（高さ）は１９００ｎｍで、光導波路３０上の上部クラッド層３２を全て貫き、光導波路３０の上面も１００ｎｍえぐる形で形成されている。下部クラッド層を兼ねるＢＯＸ層２２を１０００ｎｍえぐる形で形成されている。ここでは、回折格子は山谷比が１：１となっている。そして回折格子周期は導波路に対して１５°の角度で折り返すような周期になっている。また、その結合係数は１０００ｃｍ^−１となっている。

図２１は、本発明の実施例４の光モジュールにおけるモニタ構造の説明図であり、回折格子３３により、ＭＭＩ２９により分岐された導波光のうち、Ｃバンドに相当する１５２０ｎｍから１５７０ｎｍの波長範囲の光が１５°の方向に回折される。回折光を受光するように大口径２分割受光器５９が配置され、大口径２分割受光器５９の一方の受光面と回折格子３３との間にはエタロン５１が配置される。もう片方の受光面では直接受光する。このエタロン５１の角度は、エタロン５１の透過特性(ＦＳＲ)が５０ＧＨｚ間隔となるように調整されたのち固定される。ＳＯＡ４０の出力光は集光レンズ５４を通して光ファイバ５５への結合損失が最も小さくなるようにアライメントされたのち固定される。

図２２は、本発明の実施例４の光モジュールの一部透視概念的上面図であり、ここでも、回折格子と受光器との配置関係が分かるように透視的に図示している。図２２に示すように、光モジュール内では大口径２分割受光器５９に設けた２つの受光面で変換された電気信号を処理して波長制御を行なう信号を生成する制御用電子回路６２が装備される。また、Ｓｉ導波路プラットフォーム２０は、波長可変レーザを駆動する電子回路、および素子温度を安定させるためのＴＥＣ６１上にマウントする。なお、図における符号６３は光モジュール全体を収容するモジュール筐体である。

本発明の実施例４においても、モニタ光を回折格子を用いて基板の上方向に回折させて受光しているので、光導波路を設けたＳｉ導波路プラットフォームの長さ方向のサイズを変更することなく、エタロン及び受光器の実装が可能になる。また、回折光を表面側に導回折しているので、受光器の実装が容易になる。その結果、光モジュールの上下方向のサイズをさらに小型化することが可能になる。なお、実施例４の説明においては、回折格子の深さ＝結合係数の値は変化していないが、大口径２分割受光器への均一な受光を目的として結合係数が両端に向かって減少するアポダイズ回折格子など、素子設計によっては共振器方向で異なるようにしても良い。

なお、実施例４においては、光分岐手段としてＭＭＩを用いているが、実施例２と同様にＹ分岐型分波器を用いても良い。また、ＳＯＡからの出力光は、実施例２と同様にコリメートレンズ、アイソレータ及び集光レンズを介して光ファイバに導くようにしても良い。

ここで、実施例１乃至実施例４を含む本発明の実施の形態に関して、以下の付記を付す。
（付記１）基板と、前記基板上に設けられた波長調整手段及び光反射手段を有する光導波路と、前記光導波路と結合して波長可変レーザを形成する利得素子とを有し、前記光導波路は光路内に回折格子を有し、前記回折格子は、前記光導波路を導波する導波光の一部を前記基板の表裏面に回折し、前記基板の表裏面に回折された導波光の一部をエタロンを通して受光する受光器と、前記基板の表裏面に回折された導波光の他の一部をそのまま受光する受光器とを有する光モジュール。
（付記２）前記エタロンを通して受光する導波光が、前記基板の表面側に回折された導波光である付記１に記載の光モジュール。
（付記３）前記回折格子が、前記導波光の回折角が前記光導波路の光軸に対して鉛直となる周期を有する付記２に記載の光モジュール。
（付記４）前記回折格子が、前記導波光の回折角が前記光導波路の光軸に対して鉛直から外れた角度を有して回折する周期を有する付記２に記載の光モジュール。
（付記５）前記基板の裏面側の一部に溝を設け、前記溝の面に反射膜を設けて前記基板の裏面側に回折された導波光を表面側に導波する付記３に記載の光モジュール。
（付記６）前記基板の裏面側の一部に反射鏡を設けて前記基板の裏面側に回折された導波光を表面側に導波する付記４に記載の光モジュール。
（付記７）前記回折格子の周期が、前記光導波路の光軸に沿ってステップ状に変化している付記１乃至付記６のいずれか１に記載の光モジュール。
（付記８）前記回折格子の周期が、前記光導波路の光軸に沿って単調に変化している付記１乃至付記６のいずれか１に記載の光モジュール。
（付記９）前記エタロンを通さずにそのまま受光する導波光が、前記基板の表面側に回折された導波光の一部であり、前記エタロンを通して受光する導波光と前記エタロンを通さずにそのまま受光する導波光を１つの２分割受光器で受光する付記２に記載の光モジュール。
（付記１０）前記利得素子に光学的に接続する前記光導波路と、前記回折格子を設けた前記光導波路が、光分岐手段によって２つに分岐された分岐導波路である付記１乃至付記９のいずれか１に記載の光モジュール。
（付記１１）前記光分岐手段が、マルチモード干渉計或いはＹ分岐型分波器のいずれかである付記１０に記載の光モジュール。
（付記１２）前記基板が、単結晶シリコン基板であり、前記光導波路が前記単結晶シリコン基板上に酸化シリコン膜を介して設けられた単結晶シリコン層で形成されている付記１乃至付記１１のいずれか１に記載の光モジュール。

１基板
２，４，６光導波路
３，５波長調整手段
７光反射手段
８光分岐手段
９，１０分岐導波路
１１回折格子
１２利得素子
１３利得導波路
１４下部クラッド層
１５上部クラッド層
１６エタロン
１７，１８受光器
２０，８０Ｓｉ導波路プラットフォーム
２１シリコン基板
２２ＢＯＸ層
２３，２５，２７，７１，８１，８３，８５光導波路
２４，２６，８２，８４リング共振器
２８，８６ループミラー
２９，７０ＭＭＩ
３０，３１分岐導波路
３２上部クラッド層
３３，７２回折格子
３４，３５ヒータ
３６位相調整用ヒータ
３７Ｙ分岐型分波器
４０，８７ＳＯＡ
４１ｎ型ＩｎＰ基板
４２ｎ型ＩｎＰクラッド層
４３ＭＱＷ活性層
４４ｐ型ＩｎＰクラッド層
４５ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層
４６ＦｅドープＩｎＰ埋込層
４７ｎ側電極
４８ｐ側電極
４９ＤＢＲ
５０反射防止膜
５１エタロン
５２，５３受光器
５４集光レンズ
５５光ファイバ
５６，７３金属蒸着ミラー
５７アイソレータ
５８コリメートレンズ
５９大口径２分割受光器
６１ＴＥＣ
６２制御用電子回路
６３モジュール筐体
８８利得導波路
９１波長可変レーザ
９２，９８コリメートレンズ
９３ビームスプリッタ
９４集光レンズ
９５光ファイバ
９６エタロン
９７，９９受光器

Claims

基板と、
前記基板上に設けられた波長調整手段及び光反射手段を有する光導波路と、
前記光導波路と結合して波長可変レーザを形成する利得素子と
を有し、
前記光導波路は光路内に回折格子を有し、
前記回折格子は、前記光導波路を導波する導波光の一部を前記基板の表裏面に回折し、
前記基板の表裏面に回折された導波光の一部をエタロンを通して受光する受光器と、
前記基板の表裏面に回折された導波光の他の一部をそのまま受光する受光器と
を有する光モジュール。
前記エタロンを通して受光する導波光が、前記基板の表面側に回折された導波光である請求項１に記載の光モジュール。
前記回折格子が、前記導波光の回折角が前記光導波路の光軸に対して鉛直となる周期を有する請求項２に記載の光モジュール。
前記回折格子が、前記導波光の回折角が前記光導波路の光軸に対して鉛直から外れた角度を有して回折する周期を有する請求項２に記載の光モジュール。
前記基板の裏面側の一部に溝を設け、前記溝の面に反射膜を設けて前記基板の裏面側に回折された導波光を表面側に導波する請求項３に記載の光モジュール。
前記エタロンを通さずにそのまま受光する導波光が、前記基板の表面側に回折された導波光の一部であり、
前記エタロンを通して受光する導波光と前記エタロンを通さずにそのまま受光する導波光を１つの２分割受光器で受光する請求項２に記載の光モジュール。