JP2019186446A - 半導体光素子 - Google Patents

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Abstract

【課題】レーザの特性および歩留まりを悪化させることなくシリコンからなる基板の上により小型な波長可変レーザを形成する。【解決手段】単結晶シリコンからなる基板１０１の上に形成された波長可変レーザ１０２を備える。波長可変レーザ１０２は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる発光部１０３と光フィルタを備える外部共振器１０３ａ，１０３ｂとから構成されている。外部共振器１０３ａ，１０３ｂを構成するコアを、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ、ＳｉＯn（ｎは２未満）のいずれかから構成する。【選択図】 図１Ａ

Description

本発明は、外部共振器構造の波長可変レーザを備える半導体光素子に関する。
インターネット等における通信トラフィックの増加に伴い、光ファイバ伝送の高速・大容量化が求められている。この要求に対し、コヒーレント光通信技術およびデジタル信号処理技術を利用したデジタルコヒーレント通信技術の開発が進展し、１００Ｇシステムが実用化されている。このような通信システムでは、送信用および受信用局発光源として、高出力かつ狭線幅の波長可変レーザが必要とされる。また、デバイスの小型・低コスト化も求められている。
波長可変レーザは、主に半導体から構成された発光部と外部光フィルタを備える外部共振器とで構成され、この光フィルタの光学的な波長特性を熱あるいはキャリアプラズマ効果などにより制御することにより、レーザの発振波長を制御している。これまでに、超周期構造グレーティングや、多重リングフィルタ、ラダーフィルタを用いた波長可変レーザが報告されている（特許文献１参照）。これらは、直接遷移型のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を主材料としている。また、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の組成を調整し、コアとクラッドに屈折率差を与えることで、光閉じ込めを実現している。
近年、光送受信デバイスの低コスト化の要求を背景に、シリコンフォトニクス技術が注目されている。この技術は、成熟したシリコンプロセス技術を利用し、直径が大きな円形のシリコン基板（ウエハ）上に、光デバイスを高密度かつ大面積に形成することで、光デバイスおよび光集積回路の低コスト化を可能とする。しかしながら、シリコンは、間接遷移型半導体であるがゆえに、高効率なシリコンレーザ、ならびにシリコンレーザとその他光デバイスの同一のシリコン基板上における集積が実現していない。フリップチップボンディング法を用いれば、シリコンフォトニクス回路上にＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる半導体レーザを接続することができるが、アセンブリコストの増大により、結局、光送受信デバイスの低コスト化が制限される。
一方、昨今研究開発が進められているウエハ接合技術を用いれば、同一のシリコン基板上にシリコンフォトニクス回路と半導体レーザをヘテロ集積することが可能となる。従って、ウエハ接合技術を用いて、シリコン基板上の波長可変レーザが実現すれば、光送受信デバイスの低コスト化の可能性が広がる。
特許第４４０２９１２号公報
ところで、波長可変レーザは、主に発光部（光増幅器）と光共振器、光共振器の共振器スペクトルを調整する機構（例えばヒータ）から構成されている。シリコン基板上に波長可変レーザを構成する場合、発光部を構成する材料には、直接接合により形成されたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を、光共振器を構成する光導波路コア材料には、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体（例えばＩｎＰ）あるいはシリコン（Ｓｉ）が用いられてきた。
しかしながら、ＩｎＰあるいはＳｉは、非線形光学定数が高い材料であり、光導波路内の高いパワー密度によって二光子吸収による損失増大が発生するなど、非線形効果が無視できなくなる。これは高パワーを必要とするレーザにおいて実用上の問題となる。また、ＳｉＯ2などのクラッド材料に対して比屈折率差の大きいＩｎＰあるいはＳｉは、光導波路コアの幅や厚みなどのサイズの誤差やバラつきにより、光共振器特性が顕著に劣化する。これはレーザの特性および歩留まりを悪くする。
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、レーザの特性および歩留まりを悪化させることなくシリコンからなる基板の上により小型な波長可変レーザが形成できるようにすることを目的とする。
本発明に係る半導体光素子は、シリコンからなる基板の上に形成された波長可変レーザを備え、波長可変レーザは、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる発光部と光フィルタを備える外部共振器とから構成され、外部共振器は、基板の上に形成された酸化物からなる下部クラッド層と、下部クラッド層の上に形成されたＳｉＮ、ＳｉＯＮ、ＳｉＯn（ｎは２未満）からなるコアと、コアを覆って形成された酸化物からなる上部クラッド層とによる光導波路から構成され、発光部と外部共振器とは、スポットサイズ変換部を介して光学的に接続されている。
上記半導体光素子において、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成されて発光部にバッドカップルして光学的に接続し、発光部からはなれるほど先細りとされた半導体コアを備え、半導体コアの先細りとされた領域は、コアにより覆われ、コアにより覆われた半導体コアの先細りとされた領域によりスポットサイズ変換部が構成されている。
上記半導体光素子において、発光部は、活性層および活性層を挟んで配置された電流注入部を備え、発光部は、下部クラッド層の上に形成されている。
上記半導体光素子において、光フィルタを構成する光導波路の一部に、導波する光の波長特性を制御するためのヒータを備える。
上記半導体光素子において、光フィルタは、ラティスフィルタ，リングフィルタ，他モード干渉計，ループミラーから構成されている。
上記半導体光素子において、ラティスフィルタは、光学的に多段に接続された複数の遅延干渉フィルタから構成され、複数の遅延干渉フィルタから構成された各段の遅延長は互いに異なる。
上記半導体光素子において、ラティスフィルタ、リングフィルタ、他モード干渉計のいずれかのポートに設けられた半導体からなるコアまたは金属層からなる反射対策構造を備えるようにしてもよい。
上記半導体光素子において、光フィルタの領域に設けられた半導体からなるコアからなる消費電力対策構造を備えるようにしてもよい。
以上説明したように、本発明によれば、外部共振器を構成するコアをＳｉＮ、ＳｉＯＮ、ＳｉＯn（ｎは２未満）のいずれかから構成するようにしたので、レーザの特性および歩留まりを悪化させることなく、シリコンからなる基板の上により小型な波長可変レーザが形成できるという優れた効果が得られる。
図１Ａは、本発明の実施の形態における半導体光素子の構成を示す断面図である。 図１Ｂは、本発明の実施の形態における半導体光素子の一部構成を示す平面図である。 図１Ｃは、本発明の実施の形態における半導体光素子の一部構成を示す断面図である。 図１Ｄは、本発明の実施の形態における半導体光素子の一部構成を示す断面図である。 図１Ｅは、本発明の実施の形態における半導体光素子の一部構成を示す断面図である。 図２は、本発明の実施の形態における半導体光素子の構成を示す平面図である。 図３は、ラティスフィルタ１３１の透過スペクトルの計算結果を示す特性図である。 図４は、リングフィルタ１３３の透過スペクトルの計算結果を示す特性図である。 図５Ａは、終端部の一部構成を示す平面図である。 図５Ｂは、終端部の一部構成を示す平面図である。 図６Ａは、外部共振器に設ける光フィルタの一部構成を示す断面図である。 図６Ｂは、外部共振器に設ける光フィルタの一部構成を示す断面図である。 図７は、ループミラー１３５を構成する方向性結合器の結合係数とループミラー１３５の反射率（実線）および透過率（破線）との関係を示す特性図である。 図８Ａは、本発明の実施の形態における他の半導体光素子の一部構成を示す断面図である。 図８Ｂは、本発明の実施の形態における他の半導体光素子の一部構成を示す断面図である。 図９は、本発明の実施の形態における他の半導体光素子の構成を示す平面図である。
以下、本発明の実施の形態における半導体光素子ついて図１Ａ〜図１Ｅを参照して説明する。なお、図１Ａは、光が導波する方向に平行な断面を示している。図１Ｂは、平面図である。また、図１Ｃ〜図１Ｅは、光が導波する方向に垂直な断面を示している。この半導体光素子は、単結晶シリコンからなる基板１０１の上に形成された波長可変レーザ１０２を備える。波長可変レーザ１０２は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる発光部１０３と光フィルタを備える外部共振器１０３ａ，１０３ｂとから構成されている。
外部共振器１０３ａ，１０３ｂは、基板１０１の上に形成された酸化物からなる下部クラッド層１０４と、下部クラッド層１０４の上に形成されたコア１０５と、コア１０５を覆って形成された酸化物からなる上部クラッド層１０６とによる光導波路から構成されている。実施の形態では、コア１０５を、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ、ＳｉＯn（ｎは２未満）のいずれかから構成する。例えば、コア１０５を、ＳｉＮから構成する。
下部クラッド層１０４は、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ2）から構成され、厚さ３μｍ程度とされている。例えば、シリコンからなる基板１０１の表面を熱酸化することで、下部クラッド層１０４を形成すればよい。上部クラッド層１０６は、例えば、酸化シリコンから構成され、厚さ３μｍ程度とされている。
また、発光部１０３と外部共振器１０３ａ，１０３ｂとは、スポットサイズ変換部１１５を介して光学的に接続されている。図１Ｂ，図１Ｃに示すように、発光部１０３においては、発光部１０３からはなれるほど先細りとされた先細り部１０７ｂを備える半導体コア１０７ａがバッドカップルして光学的に接続している。半導体コア１０７ａは、例えば、ＩｎＰから構成されている。また、半導体コア１０７ａおよび先細り部１０７ｂは、コア１０５により覆われている（図１Ｃ）。コア１０５により覆われた先細り部１０７ｂを含む領域により、スポットサイズ変換部１１５が構成されている。図１Ｃは、図１Ｂのａａ’線の断面を示している。
先細り部１０７ｂの先端幅が、細ければ細いほど光結合損失が小さくなり良いが、一方で、先端幅と厚さのアスペクト比が高くなり、この部分の加工が困難になる。従って、半導体コア１０７ａ，先細り部１０７ｂの層厚は、アスペクト比を下げるために、薄い方が良い。例えば、半導体コア１０７ａ，先細り部１０７ｂの厚さは２００〜３００ｎｍとすればよい。発光部１０３の後述する横方向電流注入型の埋め込み活性層薄膜構造は、半導体コア１０７ａとバットジョイント可能であり、他材料でるＳｉＮからなるコア１０５による光導波路との光学的な結合の点で優れる。
発光部１０３は、下部クラッド層１０４の上に形成され、図１Ｄに示すように、活性層１０７および活性層１０７を挟んで配置された電流注入部１０８，電流注入部１０９を備える。また、実施の形態において、活性層１０７，電流注入部１０８，電流注入部１０９は、コア１０５に連続して形成されているＳｉＮからなるコア延長部１０５ａに覆われ、この上に上部クラッド層１０６が形成されている。コア延長部１０５ａは、発光部１０３においては、パッシベーション層となる。活性層１０７および電流注入部１０８，電流注入部１０９は、例えば、ＩｎＰから構成されている。活性層１０７は、例えば、バルクのＩｎＰから構成されている。また、活性層１０７は、ＩｎＧａＡｓＰあるいはＩｎＧａＡｌＡｓからなる厚さ１００ｎｍ程度の多重量子井戸構造とされていてもよい。図１Ｄは、図１Ｂのｂｂ’線の断面を示している。
電流注入部１０８は、例えば、ｐ型の不純物が導入されてｐ型とされ、電流注入部１０９は、例えば、ｎ型の不純物が導入されてｎ型とされている。電流注入部１０８，電流注入部１０９は、例えば、より高濃度に不純物が導入された化合物半導体からなるコンタクト層１１３，コンタクト層１１４を介して電極１１１，電極１１２に接続している。電極１１１，電極１１２は、コア延長部１０５ａ，上部クラッド層１０６を貫通して形成されている。なお、図１Ｄに示した例では、所謂横方向電流注入型の埋め込み活性層構造としているが、これに限るものではない。基板１０１の表面の法線方向に、２つの電流注入部で活性層を挟む構成としてもよい。
また、外部共振器１０３ｂの一部においては、図１Ｅに示すように、上部クラッド層１０６の上に金属層からなるヒータ１１７が形成され、導波している（透過する）光の波長特性を制御する光フィルタを構成している。
実施の形態によれば、光フィルタを備える外部共振器１０３ａ，１０３ｂにおいて、下部クラッド層１０４，上部クラッド層１０６を、酸化シリコンなどの酸化物から構成したので、ＩｎＰなどの化合物半導体からなるコア１０５や活性層１０７との間の屈折率差が大きい。このため、コア１０５や活性層１０７に高い光閉じ込めが可能となる。外部共振器１０３ａ，１０３ｂにおける光導波路の急峻な曲げや高集積化、ひいては光フィルタの小型化が可能となる。また、単位長さあたりの利得が高まり、発光部１０３の導波方向の長さを、より短くすることが可能となる。
上述したように、実施の形態によれば、外部共振器１０３ａ，１０３ｂを構成するコア１０５を、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ、ＳｉＯn（ｎは２未満）のいずれかから構成したところに特長がある。この特長について、いかに説明する。
まず、従来、コア材料として用いられているＳｉあるいはＩｎＰは、非線形光学定数が高い材料であり、光導波路内の高いパワー密度によって二光子吸収による損失が発生するため、非線形効果が無視できなくなる。材料の非線形定数と光導波路のモードフィールド径を考慮した実効非線形パラメータγの値は、コアをＳｉから構成した光導波路（Ｓｉ光導波路）の場合、γ〜３００（Ｗ-1ｍ-1）である。これは、コアをＩｎＰから構成した場合も同程度である。Ｓｉ光導波路内における非線形光学効果の発現は、数十ｄＢｍのパワーの光を入射した際に特に顕著な問題となる。
これは、高パワーを必要とするレーザにおいて実用上の問題となる。一方で、コアをＳｉＮから構成した光導波路（ＳｉＮ光導波路）の場合は、γ〜１．４（Ｗ-1ｍ-1）であり、Ｓｉ光導波路の非線形光学効果よりも十分に小さくすることができるため、Ｓｉに比べパワー耐性を高くすることが可能である。すなわち、ＳｉＮ光導波路は、Ｓｉ光導波路に比べ非線形光学効果が生じにくく、高出力かつ狭線幅の波長可変レーザの外部共振器の材料として適する。
また、ＳｉコアとＳｉＯ2クラッドとの比屈折率差は（ＩｎＰ光導波路も同程度）、Δ＝４１％程度であり、光閉じ込めが強く、最小曲げ半径はおよそ３μｍと非常に小さいため、高い集積度が期待できる。しかしながら、Ｓｉ光導波路は、高い光閉じ込めがゆえに加工誤差に起因する位相誤差が大きく現れ、外部共振器特性の劣化の原因となる。基板の大面積化に伴って面内分布を均一化することが難しくなり加工誤差は大きくなる。このため、十分な加工トレランスを確保するためには、Ｓｉ光導波路よりも小さな比屈折率差の光導波路材料を選ぶ必要があり、集積度・加工トレランスの観点から、屈折率がＳｉＯxとＳｉの中間に位置づくＳｉＮがコア材料として良い。これらの理由により、外部共振器１０３ａ，１０３ｂを構成するコア１０５の材料に、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ、ＳｉＯn（ｎは２未満）などの材料を用いる。
コア１０５をＳｉＮから形成する場合、例えば、公知のＥＣＲプラズマＣＶＤ法を用いてＳｉＮの膜を形成すればよい。ＥＣＲプラズマＣＶＤ法では、高い電子エネルギーを持つイオンを用いて成膜反応を進めるため、基板自体を加熱する必要はなく、低温成膜が可能である。この成膜方法によれば、Ｓｉ基板上に形成されている発光部などのアクティブ光デバイスを破壊することなく、外部共振器１０３ａ，１０３ｂを構成するコア１０５や、コア延長部１０５ａなどが形成できる。
ところで、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ、ＳｉＯn（ｎは２未満）などの膜を形成するときにＳｉＨ4，Ｓｉ2Ｈ6などの原料ガスを用いる場合、堆積される膜には、Ｎ−Ｈ基が形成されるようになる。Ｎ−Ｈ基の伸縮振動では、波長１．５１０ｎｍ程度における光吸収が生じる。この波長は、光通信で使用されるため、膜中にＮ−Ｈ基が含まれている膜を用いて光導波路を構成すると、光吸収が問題となる。これに対し、原料ガスとして重水素シランガスなど水素の代わりに重水素が用いられた原料ガスを用いれば、Ｎ−Ｈ基が形成されることが抑制され、上述したような問題が解消できるようになる。
ここで、外部共振器１０３ｂは、例えば、図２に示すように、ラティスフィルタ１３１と、多モード干渉計（ＭＭＩ）１３２、リングフィルタ１３３，ループミラー１３５などを備えて構成することができる。なお、図２では、ループミラー１３５の先に、光変調器／増幅器１５１を接続した場合を例示している。これらは、光学的に接続されている。ラティスフィルタ１３１は、遅延干渉フィルタが多段に接続された構成であり、この遅延長により、自由スペクトル範囲（Free Spectral Range；ＦＳＲ）が決定できる。なお、共振器の共鳴周波数は、一般に複数存在し、これらの共鳴周波数の間隔が、ＦＳＲと呼ばれる。
また、ラティスフィルタ１３１のアームをヒータ１１７により加熱することにより、透過ピーク波長を変えることができ、大きな波長可変範囲を持つ光フィルタとして用いられる。リングフィルタ１３３は、一定の周波数間隔で透過率が変化し、波長ロック用の光フィルタとして用いられる。ループミラー１３５は、方向性結合器とループ型の光導波路とにより構成され、任意の透過率と反射率を方向性結合器の結合係数で調整することができる。上述した構成の波長可変レーザに光フィルタは、出力させたい発振周波数間隔と一致するＦＳＲを持つ波長ロック用のリングフィルタ１３３と、大きな波長可変範囲を持つラティスフィルタ１３１とを組み合わせた構成としている。
図３に、ラティスフィルタ１３１の透過スペクトル、図４に、リングフィルタ１３３の透過スペクトルの計算結果を示す。リングフィルタ１３３において、非共振波長の光は、ポート１３３ａに出力される。このような終端とするポート１３３ａを構成する光導波路のコア端面が例えば、垂直に寸断されている場合は、この端面で光が反射して迷光となり、光フィルタの波長特性が劣化する。これは、レーザの発振モードの不安定性の原因となる。ポート１３３ａが先細りとなり、光導波路から光が放射される場合においても、放射した光が光フィルタを構成する外部共振器１０３ｂあるいは発光部１０３に入射するなどのクロストークにより、予期しないレーザの特性劣化が生じる可能性がある。
ここで、ＳｉあるいはＩｎＰを光フィルタの材料とする場合は、光変調器などのアクティブ光デバイスを形成するときに、ポートとなるＳｉあるいはＩｎＰに不純物をドーピングし、光吸収を生じさせることで、ポート端面での反射を抑制している。しかしながら、実施の形態においては、ＳｉＮからコア１０５を構成しているため、後工程において、すでに形成されているコア１０５に不純物をドーピングし端面での反射を抑制することは難しい。
このため、実施の形態では、以下に示す構成（反射対策）を適用する。
［反射対策１］
図５Ａに示すように、ＳｉＮからなるコア１０５の先に、光学的に結合する状態でＩｎＰからなる半導体コア部１２１を、反射対策構造として設ける。半導体コア部１２１には、発光部１０３を形成するために用いたｐ型不純物をドーピングしておく。ｐ型のＩｎＰは、光吸収係数が高いため、半導体コア部１２１で消光させることが可能となる。不純物濃度が１×１０18ｃｍ-3で２０ｃｍ-1であることより、ドーピング濃度は５×１０18ｃｍ-3程度とし、半導体コア部１２１のコア長は５００μｍ程度とする。これにより、２０ｄＢ程度の消光が可能となる。なお、半導体コア部１２１は、面積の節約のため、直線でなく蛇行あるいは渦状に折り返した形状とするとよい。ラティスフィルタ１３１やＭＭＩ１３２の不要なポートに関しても同様の対策を施す。
［反射対策２］
図５Ｂに示すように、ＳｉＮからなるコア１０５の先に、光学的に結合する状態で、金属層１２２による表面プラズモン光導波路を、反射対策構造として形成する。表面プラズモン光導波路における表面プラズモンモードは、金属層１２２の中の電子の散乱機構により、短い距離で光を減衰させることができる。コア１０５による光導波路のモードから表面プラズモンモードを励振するために、コア１０５の先端形状を非対称にし、偏波を、表面プラズモンを励振するための偏波に回転させる。また、コア１０５の先端形状を先細りにし、光のモードを広げる。ラティスフィルタ１３１やＭＭＩ１３２の不要なポートに関しても同様の対策を施す。
次に、外部共振器１０３ａ，１０３ｂにおける光フィルタについて説明する。ＳｉＮは、熱光学効果を示すことから、熱により光フィルタの波長特性を制御することができる。従って、図１Ｅを用いて説明したように、コア１０５の上にＳｉＯ2からなる上部クラッド層１０６を挟んで、加熱用のヒータ１１７を配置し、熱によりコア１０５の屈折率を変化させ、光フィルタの波長制御を行う。所望の波長変化を生じさせるためには、ヒータ１１７に外部から電力を投入し、ヒータ１１７を加熱させる必要があるが、この電力は当然ながら低い方が望ましい。ここでは、より小さな電力により波長変化を生じさせる構造について述べる。ＳｉやＩｎＰは、ＳｉＮに比べ熱光学係数が高いため、ＳｉやＩｎＰなどの半導体材料を組み合わせることにより、より小さな電力により波長変化を生じさせることができる。
以下に、消費電力対策について説明する。
［消費電力対策１］
図６Ａに示すように、光フィルタの領域においては、熱光学係数が高いＩｎＰからなる半導体コア部１２３を、消費電力対策構造としてコア１０５に埋め込む。半導体コア部１２３は、コア１０５による光導波路の光モードがオーバーラップする位置に配置する。また、半導体コア部１２３の端部における光反射を抑制するために、半導体コア部１２３は、先細りにする。ＩｎＰは、ＳｉＮよりも熱光学係数が高いため、半導体コア部１２３を埋め込んだコア１０５による光導波路構造の方が、熱による実効屈折率の変化は大きくなる。この結果、所望の波長変化を生じさせるための投入電力を低下させることができる。
［消費電力対策２］
図６Ｂに示すように、光フィルタの領域において、コアの部分をＩｎＰからなる半導体コア部１２４に置き換える。この例では、半導体コア部１２４が、消費電力対策構造となる。コア１０５による光導波路と半導体コア部１２４による光導波路との光結合部分では、半導体コア部１２４を先細りにするなどのスポットサイズ変換構造を用いる。消費電力対策１と同様の理由により、投入電力を抑えることができる。
なお、上述した光フィルタ（波長変化を生じさせる）領域とは、例えば、図２を用いて説明したラティスフィルタ１３１のヒータ１１７直下である。ただし、加工誤差の影響を受けやすい方向性結合器や、非線形光学効果の影響を受けやすいリングフィルタ１３３においては、上述したような半導体コアは用いない。
光の反射機構としては、光導波路とこの一部に設けられたギャップとの屈折率差を利用するもの、光導波路をチップ端面まで引き回し、光導波路端面と空気との間の屈折率差を利用するものなどが挙げられる。前者は、光導波路ギャップでの光散乱により、外部量子効率が低下する。後者は、チップ内での光変調器あるいはブースター光増幅器集積ができなくなるなどの問題がある。
一方、前述したループミラー１３５は、原理的に無損失で任意の透過率と反射率を方向性結合器の結合係数で調整することができる。また、反射率と透過率の波長依存性は回折格子などと比較して小さい。図７は、横軸を、ループミラー１３５を構成する方向性結合器の結合係数、縦軸をループミラー１３５の反射率（実線）および透過率（破線）としたグラフである。原理的に無損失（反射率と透過率の和が１００％）で反射率と透過率を制御することができる。このように、ループミラー１３５を用いた反射機構は、回折格子と比較して、波長依存性が小さく、かつ、反射率および透過率を自由に決められる。例えば、反射側のポートには、波長可変光源を接続し、透過側のポートには、光変調器あるいはブースター光増幅器を接続することで、これらの集積がチップ内で実現する。
ラティスフィルタ１３１は、この透過スペクトル帯域幅を狭めることにより、実施の形態における波長可変レーザ１０２を安定に波長可変動作させることができる。透過スペクトル帯域幅を狭めるためには、遅延長を大きく（回折次数を大きく）すればよいが、同時にＦＳＲが小さくなってしまい２つ以上の波長で同時に発振する問題が生じる。従って、１つのモードで安定に発振させるためには、透過帯域幅を広げることなく所望の回折次数以外の透過率を小さくすることが必要となる。遅延干渉計の各段の遅延長、すなわち各段の回折次数を同じではなく、互いに異なる値にすることで、これが可能となる。
なお、上述では、外部共振器１０３ａ，１０３ｂを構成するラティスフィルタ１３１およびリングフィルタ１３３の光導波路コア材料として、双方ともにＳｉＮから構成する場合を例に説明したが、これに限ったことではない。例えば、非線形効果の影響を受けやすいリングフィルタ１３３の光導波路コアをＳｉＮから構成し、一方、ラティスフィルタ１３１の光導波路コアを熱光学係数の高いＩｎＰから構成したハイブリッド型の構成としてもよい。
また、前述した実施の形態では、半導体コア１０７ａによる光導波路からコア１０５による光導波路に光結合するスポットサイズ変換部１１５の構造として、半導体コア１０７ａをコア延長部１０５ａで覆う構成としたが、これに限るものではない。例えば、図８Ａ，図８Ｂに示すように、半導体コア１０７ａの上方に、コア１０５（不図示）に連続して形成されているＳｉＮからなるコア延長部１０５’を配置する構成としてもよい。
また、実施の形態では、フィルタのポートの終端処理として、ｐ型としたＩｎＰによるコアの挿入、あるいは金属層による表面プラズモン光導波路を用いた場合を例示したが、これに限ったことではない。例えば、ｎ型ＩｎＰやＧｅなどの半導体によるコアを用いるようにしてもよい。
また、実施の形態では、波長変化を生じさせる領域（光フィルタ）において、コア１０５にＩｎＰからなる半導体コア部１２３を埋め込む構造を例示したが、これ限るものではない。例えば、半導体コア部１２３は、アモルファスシリコンから構成してもよい。
また、上述では、外部共振器を構成するコアをＳｉＮから構成する場合について説明したが、これに限るものではない。例えば、外部共振器を構成するコアは、ＳｉＯＮから構成してもよい。この場合、集積度と加工トレランスを考え、ＳｉＯＮにおけるＮの割合を変え、屈折率を自由に変えることができる。同様に、外部共振器を構成するコアは、ＳｉＯn（ｎは２未満）から構成してもよい。
また、外部共振器における光フィルタとして、ラティスフィルタとリングフィルタを用いる場合を例に説明したが、これに限るものではない。例えば、図９に示すように、発光部１０３の一端側に、リングフィルタ１３３を直列に接続し、光出力端に端面ミラー１３４を設け、発光部１０３の他端側に、ループミラー１３５を接続する構成としてもよい。この場合、リングフィルタ１３３にヒータを設ければよい。
また、上述では、ヒータの熱により波長変化を生じさせる構造で説明したが、これに限るものではなく、例えば、ＩｎＰなどの半導体におけるキャリアプラズマ効果を利用した機構でもよい。
以上に説明したように、本発明によれば、外部共振器を構成するコアをＳｉＮ、ＳｉＯＮ、ＳｉＯn（ｎは２未満）のいずれかから構成するようにしたので、レーザの特性および歩留まりを悪化させることなく、シリコンからなる基板の上により小型な波長可変レーザが形成できるようになる。
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。
１０１…基板、１０２…波長可変レーザ、１０３…発光部、１０３ａ…外部共振器、１０３ｂ…外部共振器、１０４…下部クラッド層、１０５…コア、１０５ａ…コア延長部、１０６…上部クラッド層、１０７…活性層、１０７ａ…半導体コア、１０７ｂ…先細り部、１０８…電流注入部、１０９…電流注入部、１１１…電極、１１２…電極、１１３…コンタクト層、１１４…コンタクト層、１１５…スポットサイズ変換部、１１７…ヒータ。

Claims (8)

  1. シリコンからなる基板の上に形成された波長可変レーザを備え、
    前記波長可変レーザは、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる発光部と光フィルタを備える外部共振器とから構成され、
    前記外部共振器は、
    前記基板の上に形成された酸化物からなる下部クラッド層と、
    前記下部クラッド層の上に形成されたＳｉＮ、ＳｉＯＮ、ＳｉＯn（ｎは２未満）からなるコアと、
    前記コアを覆って形成された酸化物からなる上部クラッド層と
    による光導波路から構成され、
    前記発光部と前記外部共振器とは、スポットサイズ変換部を介して光学的に接続されていることを特徴とする半導体光素子。
  2. 請求項１記載の半導体光素子において、
    ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成されて前記発光部にバッドカップルして光学的に接続し、前記発光部からはなれるほど先細りとされた半導体コアを備え、
    前記半導体コアの先細りとされた領域は、前記コアにより覆われ、
    前記コアにより覆われた前記半導体コアの先細りとされた領域により前記スポットサイズ変換部が構成されている
    ことを特徴とする半導体光素子。
  3. 請求項１または２記載の半導体光素子において、
    前記発光部は、活性層および前記活性層を挟んで配置された電流注入部を備え、
    前記発光部は、前記下部クラッド層の上に形成されている
    ことを特徴とする半導体光素子。
  4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体光素子において、
    前記光フィルタを構成する光導波路の一部に、導波する光の波長特性を制御するためのヒータを備える
    ことを特徴とする半導体光素子。
  5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体光素子において、
    前記光フィルタは、ラティスフィルタ，リングフィルタ，他モード干渉計，ループミラーから構成されていることを特徴とする半導体光素子。
  6. 請求項５記載の半導体光素子において、
    前記ラティスフィルタは、
    光学的に多段に接続された複数の遅延干渉フィルタから構成され、
    前記複数の遅延干渉フィルタから構成された各段の遅延長は互いに異なる
    ことを特徴とする半導体光素子。
  7. 請求項５または６記載の半導体光素子において、
    前記ラティスフィルタ、前記リングフィルタ、前記他モード干渉計のいずれかのポートに設けられた半導体からなるコア部または金属層からなる反射対策構造を備えることを特徴とする半導体光素子。
  8. 請求項５〜７のいずれか１項に記載の半導体光素子において、
    前記光フィルタの領域に設けられた半導体からなるコア部による消費電力対策構造を備えることを特徴とする半導体光素子。
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