JP4945140B2

JP4945140B2 - 波長可変光フィルター及びこれを用いた外部共振器型半導体レーザ装置

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Publication number: JP4945140B2
Application number: JP2006024236A
Authority: JP
Inventors: 悦雄小山; 宏善松村
Original assignee: テクダイヤ株式会社
Priority date: 2006-02-01
Filing date: 2006-02-01
Publication date: 2012-06-06
Anticipated expiration: 2026-02-01
Also published as: US20070177637A1; EP1816511A1; JP2007299773A

Description

本発明は、例えば、光通信技術分野で使用する外部共振器型の波長可変半導体レーザ光源の波長可変光フィルター及びこれを用いた外部共振器型半導体レーザ装置に関するものである。

例えば、半導体レーザ光源を光通信技術で使用するためには、狭スペクトル線幅の単一モード発振で波長安定度がよく、かつ、波長可変である光源が要求されている。
従来技術における外部共振器型の波長可変半導体レーザ光源として、例えば、半導体レーザ素子と、半導体レーザ素子の出射側端面との間で外部共振器を構成する反射鏡と、その外部共振器の間に設けられた波長選択素子と、外部共振器の共振器長を可変できるように反射鏡を移動光学軸に沿って移動させる機械的制御手段とを有するものがある。反射鏡を移動することで共振器長を変化させ、光パルスが共振器を往復する周期（繰り返し発振周波数）を変化させることができる。
しかしながら、機械的制御手段を用いた外部共振器型波長可変半導体レーザ装置では、小形化が難しいためサイズの大きな筐体が必要になる。また、温度変化や機械的振動に弱く、共振器の光軸調整等の光学整合や取り扱いが煩雑で困難であると共に、外部共振器型波長可変半導体レーザ装置を計測装置に組み込む場合、計測装置全体のサイズを大きくすることにもなる。

そこで、特許文献１等では、液晶素子を利用した波長可変光フィルターを有する外部共振器型半導体レーザ装置が提案されている。液晶素子を利用した波長可変光フィルターは所望の電圧を印加することによって動作するため、半導体レーザ装置に機械的動作を行う部品がなく、温度変化や機械的振動に強く、発振波長、繰り返し周波数、偏波面等の安定性に優れ、長時間安定に動作する。

図５は、その従来例の構成を模式的に示す図である。図５の外部共振型波長可変半導体レーザ装置は、可飽和吸収領域３１ｂ及び利得領域３１ａを具備する半導体レーザ素子３１と、可飽和吸収領域側端面３１ｂ１との間で外部共振器を構成する波長可変光フィルター１００と、これら半導体レーザ素子３１と波長可変光フィルター１００との間に設けられ両者を光学的に結合するコリメートレンズ３２ａと、このコリメートレンズ３２ａと波長可変光フィルター１００との間に設けられた波長選択素子３３とを有し、可飽和吸収領域側端面３１ｂ１からコリメートレンズ３２ｂを介して光出力を取り出す構成である。

半導体レーザ素子３１からの出射光は、コリメータレンズ３２ａによって平行にコリメートされ、波長選択素子３３を通して波長可変光フィルター１００に達し、所望の波長の光ビームだけが波長可変光フィルター１００で反射され、再び波長選択素子３３を経てコリメータレンズ３２ａで半導体レーザ素子３１に再注入される。そして、半導体レーザ素子３１の可飽和吸収領域側端面３１ｂ１と波長可変光フィルター１００とで構成する外部共振器による繰り返し反射により、レーザ発振がなされる。

波長可変光フィルター１００で反射される光の波長は、液晶素子１１７に印加される電圧（±Ｖ）により制御することができる。電圧を印加するための電極端子は、シリコン基板１１２（＋Ｖ）と、ガラス基板１２１上の透明電極層（−Ｖ）から取り出される。なお、シリコン基板１１２の位置合わせマークが基板表面に設けられていることから、従来、シリコン基板側電極端子は基板表面から取り出されていた。

図５に示した半導体レーザ装置の構成において、レーザ発振波長を任意に変換するプロセスを、図６（ａ）〜（ｄ）に示す。
波長選択素子３３の光透過率は、図６（ａ）に示すように所定の波長チャネル間隔で周期的に変化するように構成される。現在、通信情報量の増大に対応するために、波長チャネル間隔が５０GHzの波長多重通信システムが開発されており、その場合は波長チャネル間隔を５０GHzに設定する。一方、外部発振器モードは、図６（ｂ）に示すように波長に対して飛び飛びに発振している。従って、波長選択素子３３の光透過率が最大になる波長チャネル領域毎に、外部発信器モードがほぼ周期的に選択される。

さらに、図６（ｃ）に示すように波長可変光フィルター１００の反射率は、所定のピーク波長を有するローレンツ分布の特性を呈し、さらに波長可変光フィルター１００の具備する液晶素子に電圧を印加しその屈折率を制御することにより反射率のピーク波長を上記の波長チャネル間隔の整数倍だけ移動変化させることができる。これにより、波長可変光フィルター１００は、波長チャネル領域を選択する光フィルターとして働き、図６（ｄ）に示すように、波長可変フィルター１００の反射率が最大になる波長域で所望の波長チャネル領域が選択され、レーザ発振に必要な共振器モードのみが選択される。これにより他の外部共振器モードは淘汰され、レーザ発振モード以外の光出力レベルは極端に小さくなる。

図７は、図５中の従来の波長可変光フィルター１００の構成を概略的に示す図であり、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は平面図である。
波長可変光フィルター１００は、シリコン基板１１２と、このシリコン基板の表面と対向して配置されかつ対向する面に透明電極層１１９を具備するガラス基板１２１とを有する。さらに、シリコン基板の表面上に光回折反射層１２５が配置され、光回折反射層１２５と透明電極層１１９との間に液晶層１１７が配置される。液晶層１１７の周囲はシーリング柱壁１１８により封止されている。

光回折反射層１２５は、シリコン基板１１２側から順に配置されたクラッディング層１１３、回折格子１１４及び光導波路層１１５から形成されている。
その他に、シリコン基板１１２及びガラス基板１２１は、それぞれ両面を反射防止層１１１ａ、１１１ｂ、及び１２０ａ、１２０ｂで被覆されている。また液晶層１１７に接触する透明電極層１１９と光導波路層１１５の各面上は配向膜層１１６ａ、１１６ｂで被覆されている。

斯かる構成の波長可変光フィルターでは、シリコン基板１１２と透明電極層１１９との間に印加される電圧により液晶層１１７の配向を変化させることによりその屈折率を制御し、その結果、回折反射される光の波長を変化させることができる。

図７（ａ）に示すように、縦断面の一側面においてガラス基板１２１上の透明電極層１１９からはガラス基板側電極端子１２３が取り出され、他側面においてシリコン基板１１２の表面、すなわち光回折反射層１２５側の面からシリコン基板側電極端子１２２が取り出されている。
ガラス基板側電極端子１２３を取り出すにあたっては、取り出し幅ｗ１を確保するために、ガラス基板１２１がシリコン基板１１２に対してせり出している。

一方、シリコン基板側電極端子１２２を取り出すにあたっては、取り出し幅ｗ２を確保するために、シリコン基板１１２がガラス基板１２１に対してせり出している。従来、シリコン基板１１２及び光回折反射層１２５は、現在のシリコン半導体製造プロセスを用いて製造されているが、その製造工程の一貫性を確保するためにシリコン基板側電極端子１２２はシリコン基板１１２の表面からしか取り出せなかった。

これは、具体的には次のような理由による。従来、シリコン基板側電極端子１２２の形成工程においては、シリコン基板の表面に設けられた位置合わせマーク（凹凸等）が利用されている（特許文献２、３等）。この位置合わせマークは、シリコン基板の表面上にパターン形成等種々の加工を行う際に利用されている。一方、シリコン基板の厚みが厚いために、可視光線を用いたシリコン基板裏面側からの観察によって表面上に設けた位置合わせマークを検出することができなかった。このため、従来はシリコン基板側電極端子１２２をシリコン基板１１２の表面から取り出さざるを得なかった。

しかしながら近年、シリコン基板上に形成された半導体素子の故障解析を行うために、シリコン基板の裏面側から赤外線を用いて表面上にある位置合わせマーク等を検出する方法が提示されている（特許文献４、特許文献５等）。

特許文献４には、シリコン基板内を透過する波長領域の赤外光を出力する光源部と、光源部からの出力光を基板の裏面に照射したときの裏面からの第１の反射光と、基板を透過して基板内及び表面からの第２の反射光とを撮像し、それぞれの画像データを演算して反射位置の観察データを得る装置が開示されている。
また、特許文献５では、赤外線の透過性を有するシリコン基板と、位置合わせ部として機能する基板表面上の半導体素子を互いの間隔が裏面解析システムの最小観察視野の範囲の１／２以下となるように離間して観察視野内に３個以上配置することにより、裏面側から表面上の半導体素子の観察を実現している。
特開平５−３４６５６４号公報特開平１０−２０９００９号公報特開２００５−３４０３２１号公報特開２００５−２２１３６８号公報特開２００５−３１１２４３号公報

従来の波長可変光フィルターは、図７（ｂ）の平面図に示すように、高さ（矩形平面形状における短辺）が約５mm、幅（矩形平面形状における長辺）が約７mmと大きく、この波長可変光フィルターを用いた外部共振器型半導体レーザ装置の筺体サイズは、高さが約１２mm、幅が１６mmと大きなものとなっていた。

現在、１０GHzの次世代の光通信システムが開発されているが、その幹線系に適用されるトランスポンダーは小型に設計されており、その中に組み込まれる外部共振器型半導体レーザ装置の筺体の大きさは、その光通信システムに使用されるトランスポンダーの大きさで制約され、高さが９mm、幅が１３mmより小さくすることが必須となってきている。また、半導体レーザを効率よく発振させるためには、５０℃の温度制御のもとで使用されるため、温度制御の効率を上げるためにも、外部共振器形半導体レーザ装置の筐体の大きさを、上記の大きさよりも小さくすることが必須となってきている。さらに、外部共振器型半導体レーザ装置の筺体内部には、温度制御用のペルチエ素子や部品搭載用のステムを取り付けるスペース、半導体レーザや波長可変光フィルター用の電極取り出しスペース、これら部品の固定スペースなどが必要となる。筺体の厚みを考慮すると、波長可変光フィルターとしては、高さ３mm以下、幅４．５mm以下とすることが強く要望されている。

ところが、図７（ａ）に示したように従来の波長可変光フィルター１００では、シリコン基板１１２とガラス基板１２１の間において液晶層１１７をシーリング柱壁１１８で封止しているが、その製造技術の問題から、シーリング柱壁１１８の幅は０．５mm以上が必要である。また、ガラスの切断壁開技術の問題から、シーリング柱壁１１８からの切開取シロの幅は０．２mm以上が必要である。

さらに、例えば０．５mm径の銅線ワイヤーをシリコン基板側電極端子１２２及びガラス基板側端子１２３にそれぞれ接合させる製造技術の問題から、電極端子幅は０．６mm以上が必要となり、ガラス板やシリコン基板の切断壁開技術の問題から、シリコン基板側電極端子１２２及びガラス基板側電極端子１２３からの切開取シロの幅は０．２mm以上が必要となる。その場合、図７（ａ）の取り出し幅ｗ１、ｗ２は、いずれも０．８mm以上必要である。
なお、シリコン基板側電極端子１２２をシリコン基板１１２の裏面から取り出せば、図７（ａ）に示した取り出し幅ｗ２が不要となるが、シリコン基板１１２の裏面から電極端子を取り出すことは、前述の通り非常に困難であった。

さらには、光回折反射層１２５の面内における有効領域幅（後述する図３において説明する）がシーリング柱壁１１８の影に掛かる問題から、有効領域幅とシーリング柱壁１１８の間隙は０．２mm以上が必要である。
従って、上記の寸法条件を全て満足させると、従来の波長可変光フィルターの高さは少なくとも３．３mm、幅は少なくとも５．３mm必要である。

以上述べたように、従来の波長可変フィルターの構成では、高さ３mm以下、幅４．５mm以下に小型化することは非常に困難であった。因みに、単純にシーリング柱壁の幅を０．２mmに減じることを試みたが、柱壁の強度が極端に劣化して製造歩留まりが悪化し、実用的でなくなった。

そこで、本発明は、波長可変光フィルターのサイズを、高さ３mm以下、幅４．５mm以下に、特に好適には幅４mm以下に小型化することを目的とし、さらに、小型化された波長可変光フィルターを外部共振器型半導体レーザ装置に組み込むことにより、どの様な動作条件でも精度よく波長可変を可能にするとともに、波長ロッカーのような補正手段を特別に用意する必要のない、次世代の１０GHzのトランスポンダーに収容できる外部共振器型波長可変半導体レーザ装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するべく本発明は、以下の構成を提供する。かっこ内の数字は図面中の符号である。
（１）請求項１に係る波長可変光フィルターは、シリコン基板（１２）と、前記シリコン基板の表面と対向して配置されかつ対向する面に透明電極層（１９）を具備するガラス基板（２１）と、前記シリコン基板の表面上に配置された光回折反射層（２５）と、前記光回折反射層と前記透明電極層との間に配置された液晶層とを有し、前記シリコン基板と前記透明電極層との間に印加される電圧により前記液晶層の屈折率を制御する波長可変光フィルター（１）において、
前記電圧を印加するためのシリコン基板側電極端子（２２）を、前記シリコン基板の裏面に設けたことを特徴とする。

（２）請求項２に係る波長可変光フィルターは、請求項１において、前記液晶層の周囲を封止するシーリング柱壁（１８）を有し、縦断面において前記シリコン基板電極端子（２２）が前記シーリング柱壁（１８）の外側周縁よりも内側に位置することを特徴とする。

（３）請求項３に係る波長可変光フィルターは、請求項１または２において、前記光回折反射層（２５）により回折反射される反射光の半値幅が８０〜１５０GHzであることを特徴とする。

（４）請求項４に係る波長可変光フィルターは、請求項１〜３のいずれかにおいて、高さが３mm以下でありかつ幅が４．５mm以下であることを特徴とする。

（５）請求項５に係る外部共振型波長可変半導体レーザ装置は、前記１〜３のいずれかに記載の波長可変光フィルターを有することを特徴とする。

請求項１または２に係る波長可変光フィルターは、回折反射される光の波長を変化させるべく液晶層の屈折率を制御する電圧を印加するための電極端子のうち、シリコン側電極端子をシリコン基板の裏面から取り出している。これにより、従来、シリコン側電極端子をシリコン基板の表（おもて）面から取り出す際に必要であった取り出し幅（図７（ａ）のｗ２）が不要となり、その分、シリコン基板の幅を小さくすることができる。

請求項３に係る波長可変光フィルターは、回折反射される光の反射率の半値幅を１００〜１５０GHzとすることにより、光回折反射層の面内における有効領域幅を小さくすることができ、光回折反射層の面積を小さくすることができる。

請求項４に係る波長可変光フィルターは、高さが最大３mm、幅が最大４．５mmであることにより、これを組み込む外部共振器型波長可変半導体レーザ装置を小型化することができ、この半導体レーザ装置を次世代１０GHzの波長多重光通信用トランスポンダーに収容できる。

請求項５に係る外部共振器型波長可変半導体レーザ装置は、小型化した波長可変光フィルターを組み込んだことにより全体を小型化することができ、次世代１０GHzの波長多重光通信用トランスポンダーに収容できる。

図１は、本発明の波長可変光フィルター１を有する外部共振器型半導体レーザ装置の概略構成図である。図１の外部共振器型波長可変半導体レーザ装置は、波長可変光フィルター１の構造を除き、基本的には図５に示した従来技術と同じ構成である。

図１の外部共振型波長可変半導体レーザ装置は、可飽和吸収領域３１ｂ及び利得領域３１ａを具備する半導体レーザ素子３１と、可飽和吸収領域側端面３１ｂ１との間で外部共振器を構成する波長可変光フィルター１と、これら半導体レーザ素子３１と波長可変光フィルター１との間に設けられ両者を光学的に結合するコリメートレンズ３２ａと、このコリメートレンズ３２ａと波長可変光フィルター１との間に設けられた波長選択素子３３とを有し、可飽和吸収領域側端面３１ｂからコリメートレンズ３２ｂを介して光出力を取り出す構成である。

ここでは、共振器の長さを若干変えるために、可飽和吸収領域３１ｂを有する半導体レーザを取り上げたが、ペルチエ素子の温度を変えてこの機能を補う構造の半導体レーザでもよく、この領域３１ｂは必須要素ではない。

波長可変光フィルター１で反射される光の波長は、液晶素子１７に印加される電圧（±Ｖ）により制御することができる。電圧を印加するための電極端子は、シリコン基板１２（＋Ｖ）と、ガラス基板２１上の透明電極層（−Ｖ）から取り出される。従来と異なり本発明では、シリコン基板側電極端子がシリコン基板１２の裏面から取り出されている。

なお、図１の半導体レーザ装置の構成において、レーザ発振波長を任意に変換するプロセスについては、基本的に背景技術の項で図６（ａ）〜（ｄ）を参照して説明した通りである。

前述の通り、従来の波長可変光フィルターの構成では、高さ３mm、幅４．５mm以下に小型化することは非常に困難であった。その原因の一つは、図７の構成図で示したように、シリコン基板側電極端子をシリコン基板の表面から取り出していることにある。これは、前述の通り、シリコン基板の裏面側から表面上の位置合わせマークを認識することが困難であったことによる。

しかしながら、昨今のシリコン半導体製造プロセスの革新により、特に、シリコン基板の位置合わせマークを裏面から赤外線を用いて読み取る技術が開発され（特許文献４、５参照）、シリコン基板側電極端子をシリコン基板の裏面から取り出すことが可能になってきた。このため、図１に示すように、シリコン基板側電極端子をシリコン基板の裏面から取り出す構成にすることにより大幅な小型化が可能になった。

図２Ａは、図１中の波長可変光フィルター１の構成を模式的に示す縦断面図である（縦方向寸法を誇張して示している）。図２Ｂ（ａ）はその平面図であり、図２Ｂ（ｂ）はその裏面図である。
波長可変光フィルター１は、シリコン基板１２と、このシリコン基板１２の表面と対向して配置され対向する面に透明電極層１９を具備するガラス基板２１とを有する。さらに、シリコン基板１２の表面上に光回折反射層２５が配置され、光回折反射層２５と透明電極層１９との間に液晶層１７が配置される。液晶層１７の周囲はシーリング柱壁１８により封止されている。

光回折反射層２５は、シリコン基板１２側から順に配置されたクラッディング層１３、回折格子１４及び光導波路層１５から形成されている。

その他に、シリコン基板１２及びガラス基板２１は、それぞれ両面を反射防止層１１ａ、１１ｂ、及び２０ａ、２０ｂで被覆されている。また液晶層１７に接触する透明電極層１９と光導波路層１５の各面上は配向膜層１６ａ、１６ｂで被覆されている。

斯かる構成の波長可変光フィルターでは、シリコン基板１２と透明電極層１９との間に印加される電圧により液晶層１７の配向を変化させることによりその屈折率を制御し、その結果、回折反射される光の波長を変化させることができる。

図２Ａに示すように、縦断面の一側面においてガラス基板２１上の透明電極層１９からはガラス基板側電極端子２３が取り出され、同じ側面近傍においてシリコン基板１２の裏面から、すなわち光回折反射層２５とは反対側の面からシリコン基板側電極端子２２が取り出されている。

ガラス基板側電極端子１２３を取り出すにあたっては、図７（ａ）に示した従来例と同様に取り出し幅を確保するために、ガラス基板２１がシリコン基板１２に対してせり出している。

一方、シリコン基板側電極端子２２はシリコン基板１２の裏面から取り出されるため、図７（ａ）に示した従来例と異なり、シリコン基板１２をガラス基板２１に対してせり出させる必要が無く、その分だけ波長可変光フィルターの幅を小さくすることができる。つまり従来例と異なり、縦断面においてシーリング柱壁１８の外側周縁よりも内側にシリコン基板側電極端子２２を配置できる。なお原理的には、シリコン基板１２の裏面であれば、光が反射及び透過する領域以外の任意の位置にリコン基板側電極端子２２を設けることができる。

図２Ａ中には、入射光、反射光及び透過光の光路を波線で示している。これにより波長可変光フィルターとしての動作原理を説明する。波長λ（前述の図６（ａ）に示したようにλ０、λ１．．のチャネル間隔毎の異なる波長を含む）で入射した光は、回折格子１４で回折され、屈折率ｎ１の光導波路層１５に角度Φで入射する。この角度Φは、回折格子１４の周期Λで決定され、次式で与えられる。ここでは一次の回折光のみを考慮する。
ｓｉｎΦ＝λ／Λ・ｎ１・・・(1)

光導波路層１５内を伝播可能な単一モードの伝播角度φと，(1)式で与えられる入射光の回折格子１４による回折角度Φが一致（φ＝Φ）すれば、入射光は、光導波路層１５内を伝播する単一モードに結合し、その全てのエネルギーを単一モードに放出し、光導波路層１５内を層内方向にジグザグに進行する。図２Ａの場合、波長λ０の光がφ＝Φを満たすとする。光導波路層１５内を光がジグザグに伝播するに伴い、伝播角度φ＝Φで伝播する単一モードは、クラッディング層１３側にある回折格子１４の影響を受け、入射光と逆方向に波長λ０の光を順次回折し、次第に消滅していく。この回折光が反射光として入射方向と逆方向に出射することになる。

一方、波長λ１（≠λ）で入射した光は、その回折角度Φ１が光導波路層１５内を伝播する単一モードの伝播角度φと一致しないため（φ≠Φ１）、入射光は光導波路層１５内を伝播することができず、透過光としてシリコン基板１２の裏面方向から出射する。

ここで、図２Ａ中のシリコン基板側電極端子２２とガラス基板側電極端子２３との間に電圧Ｖをかけると、液晶層１７の配向が変化し、屈折率ｎ２が変化する。その結果、光導波路層１５内を伝播する単一モードの伝播角度φがφ１に変化する。電圧Ｖを制御することにより、波長λ１の光の回折角度Φ１を、この伝播角度φ１に一致させることができる（φ１＝Φ１）。これによって、波長λ１の入射光のエネルギーは、全て光導波路層内を伝播する単一モードに結合移管し、回折格子の影響を受けて波長λ１の光を回折し、反射光となる（前述の図６（ｃ）参照）。

次に、入射光は回折格子１４で回折した後、光導波路層１５内を層面内方向にジグザグに進行するが、この進行距離（有効領域幅）が長いほど回折反射光が多くなり、大きな反射エネルギーが得られることになる。すなわち、波長可変光フィルター１の有効領域幅が広ければ広いほど反射率は１００％近くになり、入射光の中の特定の波長（例えばλ０）の光は全て反射し、他の波長の光は透過する、感度の高い光フィルターになる。

前述の図６（ｃ）に示すように、一般に、波長可変光フィルター１の反射率は、波長に対して若干の広がりがある。この拡がりは、ローレンツ分布をしており、主として回折格子１４の深さと溝幅の大きさにより決定される。特に、最大反射率の１／２になる広がり幅はＦＷＨＭ（Full Width Half Maximum）と定義されている。

図３は、９８％以上の反射率が得られる波長可変光フィルターの有効領域幅と反射率のＦＷＨＭとの関係を示すグラフである。現状で使用されている外部共振器型波長可変半導体レーザ装置では、前述の図６（ａ）に示したごとく、発振波長を５０GHzのチャネル間隔で選択しているが、そのチャネル間隔に合わせて、波長可変光フィルターのＦＷＨＭを１００GHz以下に設定している。図３のグラフによれば、ＦＷＨＭが１００GHz以下の場合、波長可変光フィルターの有効領域幅は１．４mm以上必要となる。この点も、波長可変フィルターの高さ及び幅の低減の限界となっていた。

さらに、現在、通信情報量の増大に対応するためにチャネル間隔が５０GHzの波長多重通信システムが開発され、外部共振器型半導体レーザ装置では、波長選択素子の光透過率は５０GHzで周期的に変化するように設計され、その光透過率が最大になる領域（チャネル）で、外部共振器モードがチャネル毎にほぼ周期的に選択される。このため波長可変フィルターのＦＷＨＭは、必ずしも１００GHz以下に設定する必要性はなく、８０GHz以上であっても外部共振器レーザの発振波長以外の波長が同時に選択される可能性の低いＦＷＨＭまでであれば拡大してもよく、実験の結果、１５０GHzまで拡大してもよいことが判明した。

これにより、波長可変光フィルターの有効領域幅すなわち、実質的に光を入射しその光を反射させる領域の幅は、図３から推測できるように１．３mm程度まで縮小が可能になった。

以上の通り、第１に、シリコン基板側電極端子をシリコン基板の裏面より取り出すことにより、第２に、波長可変光フィルターのＦＷＨＭを８０〜１５０GHzとなるように回折格子の深さと溝幅を設定することにより、波長可変光フィルターの寸法を高さ３mm、幅４．５mm以下に小型化することを実現した。

図４（ａ）〜（ｈ）は、図２Ａに示した本発明による波長可変光フィルター１の作製方法の一例を概略的に示す図である。
・工程（ａ）：シリコン基板１２の両面にSiO_２とSi_３N_４からなる反射防止膜１１ａ、１１ｂを形成した後、屈折率がｎ３で波長と同程度の厚みの誘電体膜（SiO_２）であるクラッディング層１３を形成する。さらに、クラッディング層１３の最表面に周期Λの回折格子１４をストライプ状に加工する。この回折格子１４の周期Λは、所望の波長の光を回折し反射できるように、所謂ブラッグ反射の条件を満足するように定められている。

・工程（ｂ）：ストライプ状に誘電体膜の回折格子１４を形成した後に、屈折率ｎ１（ｎ１＞ｎ３）の誘電体膜（Si_３N_４）を厚く埋め込み光導波路層１５を形成する。光導波路層１５の厚みは、この光導波路層１５により反射させたい波長λの光モードしか伝播しない、所謂、単一モード伝播の条件を満足するように、クラッディング層１３の屈折率ｎ３と、光導波路層１５の屈折率ｎ１と、後に説明する液晶層１７の屈折率ｎ２（ｎ１＞ｎ２＞ｎ３）とで決定される。これにより、光回折反射層２５が形成される。

・工程（ｃ）：その後、シリコン基板１２とのオーミックコンタクトを取るために、シリコン基板側電極端子形成用のストライプ状溝を、エッチングによりシリコン基板１２の裏面に掘り込む。この処理は、シリコン基板１２の表面側に形成された位置合わせマークを裏面側から赤外線を用いて検出しつつ行う。

・工程（ｄ）：シリコン基板１２の裏面に彫り込まれたストライプ状溝にシリコン基板側電極２２となる金属膜を埋め込む。

・工程（ｅ）：その後、光導波路層１５の表面に、液晶の向きを揃える配向膜層１６ａを形成し、その上の所定位置に、光の波長と同程度の高さと幅のシーリング柱壁１８を形成する。ただし、液晶の注入口は確保しておく。

・工程（ｆ）：一方、両面に反射防止膜２０ａ、２０ｂを形成したガラス基板２１の一面に透明電極層１９を形成し、さらに配向膜層１６ｂを形成したものを準備する。このガラス基板２１の透明電極層１９の側を、シリコン基板１２に対向させるように被せる。

・工程（ｇ）：シリコン基板１２とガラス基板２１との間の隙間に屈折率ｎ２（ｎ１＞ｎ２＞ｎ３）の液晶を注入し、その注入口をシーリング柱壁１８で覆って封止することにより液晶層１７を形成する。

・工程（ｈ）：その後、ガラス基板２１とシリコン基板１２を切断して所望の大きさとする。ガラス基板側電極端子２３を、透明電極層１９とオーミックコンタクトするように形成する。

本発明の波長可変光フィルターを有する外部共振器型半導体レーザ装置の概略構成図である。図１中の波長可変光フィルターの構成を模式的に示す縦断面図である。（ａ）は図１中の波長可変光フィルターの平面図であり、（ｂ）は裏面図である。９８％以上の反射率が得られる波長可変光フィルターの有効領域幅と反射率のＦＷＨＭとの関係を示すグラフである。（ａ）〜（ｈ）は、図２Ａに示した本発明による波長可変光フィルター１の作製方法を示す図である。従来の外部共振型波長可変半導体レーザ装置の構成を模式的に示す図である。図５に示した半導体レーザ装置におけるレーザ発振波長を任意に変換するプロセスを示す図である。図５中の従来の波長可変光フィルターの構成を模式的に示す図であり、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は平面図である。

符号の説明

１波長可変光フィルタ
１１ａ、１１ｂ、１２０ａ、１２０ｂ反射防止層
１２Ｓｉ基板
１３クラッディング層
１４回折格子
１５光導波路層
１６ａ、１６ｂ配向膜層
１７液晶層
１８シーリング柱壁
１９透明電極層
２１ガラス基板
２２Ｓｉ基板側電極端子
２３ガラス基板側電極端子
３１半導体レーザ素子
３１ａ利得領域
３１ｂ可飽和吸収領域
３１ｂ１可飽和吸収領域側端面
３２ａ、３２ｂコリメートレンズ
３３波長選択素子

Claims

シリコン基板（１２）と、前記シリコン基板の表面と対向して配置されかつ対向する面に透明電極層（１９）を具備するガラス基板（２１）と、前記シリコン基板の表面上に配置された光回折反射層（２５）と、前記光回折反射層と前記透明電極層との間に配置された液晶層とを有し、前記シリコン基板と前記透明電極層との間に印加される電圧により前記液晶層の屈折率を制御する波長可変光フィルター（１）において、
前記電圧を印加するためのシリコン基板側電極端子（２２）を、前記シリコン基板の裏面に設けたことを特徴とする波長可変光フィルター。
前記液晶層の周囲を封止するシーリング柱壁（１８）を有し、縦断面において前記シリコン基板電極端子（２２）が前記シーリング柱壁（１８）の外側周縁よりも内側に位置することを特徴とする請求項１に記載の波長可変光フィルター。
前記光回折反射層（２５）により回折反射される光の反射率の半値幅が８０〜１５０GHzであることを特徴とする請求項１または２に記載の波長可変光フィルター。
高さが３mm以下でありかつ幅が４．５mm以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の波長可変光フィルター。
請求項１〜４のいずれかに記載の波長可変光フィルターを有することを特徴とする外部共振型半導体レーザ装置。