JP5034572B2

JP5034572B2 - 光源装置

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Publication number: JP5034572B2
Application number: JP2007060742A
Authority: JP
Inventors: 友章加藤
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2007-03-09
Filing date: 2007-03-09
Publication date: 2012-09-26
Anticipated expiration: 2027-03-09
Also published as: JP2008227010A

Description

本発明は、光源装置に関し、特に波長可変の光源装置に関する。

インターネットや映像配信等の広帯域マルチメディア通信サービスの爆発的な需要増加に伴って、幹線系やメトロ系ではより長距離大容量かつ高信頼な高密度波長多重光ファイバ通信システムの導入が、また加入者系においても光ファイバアクセスサービスの普及が急速に進んでいる。そうした光ファイバ通信システムでは、伝送路である光ファイバの敷設コスト低減や光ファイバ１本当たりの伝送帯域利用効率を高める観点から、複数の異なる波長の信号光を多重化して伝送する波長多重技術が広く用いられている。こうした波長多重光ファイバ伝送システムの光源には、半導体レーザダイオード（ＬＤ；Laser Diode）の共振器に回折格子を設けた分布帰還型半導体レーザダイオード（ＤＦＢ−ＬＤ；Distributed Feedback Laser Diode）や分布ブラッグ反射型半導体レーザダイオード（ＤＢＲ−ＬＤ；Distributed Bragg Reflector）のような単一軸モード発振する光源が波長チャンネル数だけ必要となる。その際、波長毎に異なる光源モジュールを用意するのではコストや在庫が膨大となるため、複数の異なる波長チャンネルを１つの光源素子でカバーできる波長可変光源の開発が期待されている。

こうした波長可変光源は、複数の異なるＤＦＢ−ＬＤやＤＢＲ−ＬＤをアレイ状に配置してその信号光出力を合波するもの（アレイ型）（例えば、特許文献１参照）と、利得媒質に外部鏡を組み合わせたもの（外部鏡型）（例えば、特許文献２及び特許文献３参照）に大別される。

特に、外部鏡型の波長可変光源は、広い波長範囲を１つの波長可変光源モジュールでカバーできる可能性があることから、近年開発が進められている。波長可変外部鏡としては、例えば、回折格子表面に塗布され透明ガラス電極で封入された液晶分子の電場による感受率変化を利用して回折波長を電気的に制御するもの（液晶ミラー型）（例えば、特許文献４参照）、導波路型リング光共振器の実効屈折率を熱的あるいは電気的に制御するもの（リング光共振器型）、及び、複数の反射ピーク波長を有する導波路型回折格子群（サンプルドグレーティング、あるいはスーパーストラクチャーグレーティング）を用いるもの（回折格子型）（例えば、特許文献５参照）などが提案されている。

特開２００４−２２１２６７号公報特開２００５−１５０７２４号公報特開２００６−１９５１４号公報特開２００３−１３３６３７号公報特開平６−６９５８６号公報

アレイ型の波長可変光源は、発振波長の安定性などに優れる一方、合波する波長チャンネル数の増加とともに、光合波器の大型化、合波損失の増加、波長チャンネル間ばらつき、アレイ状に配列した素子の膨大な発熱、隣接素子の発熱による発振波長や光出力への影響（相互熱干渉）、及びこの相互熱干渉による素子配置の制約などの課題が存在し、波長チャンネル数の拡張性に限界がある。

液晶ミラー型の波長可変光源においては、液晶分子が高温下で変質して反射波長可変外部鏡としての光学特性や信頼性に影響が及ぶおそれがあり、光素子を気密封止モジュール内へ実装する際に欠かせない加熱工程などに制約が生じる。リング光共振器型の波長可変光源においては、ドライエッチング加工面の損傷や散乱等による損失が懸念されるうえ、屈折率制御に熱光学効果を用いる場合には応答速度も問題になる。また、回折格子型の波長可変光源においては、高度な回折格子設計技術およびその高精細な加工技術が必要なため量産は容易ではなく、発振波長の安定な制御も容易ではない。

本発明の目的は、簡易な構成で、かつ量産性に優れたモノリシック集積型の波長可変の光源装置を提供することである。

本発明の第１視点によれば、第１光導波路、第２光導波路、及び第３光導波路を備え、発振する波長は、第１光導波路及び第３光導波路により選択され、第１光導波路の一方の端面と第２光導波路の一方の端面とが空隙を介して対向して配され、かつ第２光導波路の他方の端面と第３光導波路の一方の端面とが空隙を介して対向して配され、対向する端面対を通じて光導波路間で光が伝搬するように第１光導波路、第２光導波路、及び第３光導波路は同一半導体基板上に配置されており、第２光導波路は、光の増幅媒体及び増幅媒体の活性機構を有する半導体光増幅器として形成されており、第１光導波路及び第３光導波路は、両端面が反射鏡となるファブリ・ペロ共振器として形成されており、第１光導波路の一方の端面及び第３光導波路の一方の端面のうち少なくとも一方が、第２光導波路の対向する端面に対して斜めに配されてなる光源装置光源装置を提供する。

上記第１視点の好ましい形態によれば、第１光導波路の両端面間で形成される光路長と第３光導波路の両端面間で形成される光路長とは異なっている。

上記第１視点の好ましい形態によれば、第２光導波路の両端面は、第２光導波路の光導波軸に対して垂直になっていない。

上記第１視点の好ましい形態によれば、半導体基板と平行な投影面において、第１光導波路の光導波軸と第２光導波路の一方の端面の第１法線とのなす角は、第２光導波路の光導波軸と第１法線とのなす角、及び第２光導波路及び間隙の実効屈折率に応じて規定され、半導体基板と平行な投影面において、第３光導波路の光導波軸と第２光導波路の他方の端面の第２法線とのなす角は、第２光導波路の光導波軸と第２法線とのなす角、及び第２光導波路及び間隙の実効屈折率に応じて規定されている。

上記第１視点の好ましい形態によれば、第２光導波路の両端面には低反射膜が形成されている。

上記第１視点の好ましい形態によれば、第１光導波路及び第３光導波路のうち少なくとも１つは、光導波路の実効屈折率を変える屈折率可変機構を有する。

上記第１視点の好ましい形態によれば、第１光導波路及び第３光導波路のフリースペクトラルレンジは互いに異なっている。第１光導波路のフリースペクトラルレンジと第３光導波路のフリースペクトラルレンジの最小公倍数は、第２光導波路の利得波長帯域幅より大きい。

上記第１視点の好ましい形態によれば、第１光導波路及び第３光導波路のフリースペクトラルレンジは互いに異なっている。第２光導波路を含む第１光導波路の一方の端面と第３光導波路の一方の端面間のフリースペクトラルレンジは、第１光導波路のフリースペクトラルレンジと第３光導波路のフリースペクトラルレンジの間にある。

上記第１視点の好ましい形態によれば、第２光導波路は、３以上の入出力路を有する多モード干渉型光導波路であり、各入出力路には、第１光導波路、第３光導波路、及び出力光を導波するための出力光導波路が形成されている。さらに好ましい形態によれば、光出力を監視する受光領域が第２光導波路の入出力路に形成されている。

上記第１視点の好ましい形態によれば、第１光導波路の一方の端面、第２光導波路の両端面及び第３光導波路の一方の端面は、エッチングにより形成されている。

第１に、本発明においては、発振波長を選択する外部鏡として、構造が単純な一対の単一モード光導波路をベースとした導波路型ファブリ・ペロ共振器領域（ＦＰ領域）を用いている。また、利得媒質となる半導体光増幅器領域（ＳＯＡ領域）は、この一対の導波路型ファブリ・ペロ共振器と同一基板上かつほぼ直列にモノリシック集積することができる。これにより、本発明によれば、簡易な構成かつ小型の波長可変光源装置を得ることができる。

第２に、本発明においては、ＳＯＡ領域及びＦＰ領域の設計及び製造には、これまでに実績のある光素子の設計・製造技術を活用することができる。また、各領域間における光の結合状態に影響するＳＯＡ領域及びＦＰ領域の相対的位置関係は、エピタキシャル成長とリソグラフィ工程で再現性良く決めることができ、共振状態の不安定要因となり得る可動部が排除され、組み立て時に作業負荷が最も大きい光軸調芯が不要となる。これにより、本発明によれば、従来の波長可変光源装置に比べて、素子設計、製造及びモジュール組立の各工程を簡略化することができると共に、歩留まりを向上させることができる。したがって、低コストかつ量産性に優れた光源装置を得ることができる。

第３に、本発明においては、発振波長を選択する手段として回折格子を必要としない。これにより、本発明によれば、回折格子形成工程における導波路の結晶性劣化及びキャリア注入阻害などの問題を回避することができる。したがって、発振特性の信頼性が高い光源装置を得ることができる。

本発明の光源装置について説明する。図１に、本発明の光源装置の構成を示す概念図を示す。光源装置１は、第１光導波路として第１ファブリ・ペロ共振器（ＦＰ；Fabry-Perot）領域２、第２光導波路として半導体光増幅器（ＳＯＡ；Semiconductor Optical Amplifier）領域３、及び第３光導波路として第２ファブリ・ペロ共振器領域４を備える。第１ＦＰ領域２、ＳＯＡ領域３及び第２ＦＰ領域４は、第１ＦＰ領域２の第２端面２ｂとＳＯＡ領域３の第１端面３ａとが対向するように、及びＳＯＡ領域３の第２端面３ｂと第２ＦＰ領域４の第１端面４ａとが対向するように、ほぼ直列（直線）状に同一半導体基板５上に配置されている。

ＳＯＡ領域３は、好ましくは、直線状であり、電流注入手段など増幅媒体を活性化させる活性機構としてアンドープ活性層へキャリア注入するための電極を有し、発光を担うアンドープ活性層への光閉じ込めと電流狭窄に優れたいわゆる埋め込みヘテロ構造の導波路型半導体光増幅器領域として形成されている。したがって、ＳＯＡ領域３は、発振波長域の光が光源装置１全体を往復する際に受ける透過損失を補償して発振するのに十分な光利得を生じさせる利得媒質（例えば白色光源）として機能する。

図２に、図１に示す光源装置における第１ＦＰ領域２の第２端面２ｂとＳＯＡ領域３の第１端面３ａとが対向する部分の拡大図を示す。ＳＯＡ領域３の両端面３ａ，３ｂは、光が両端面３ａ，３ｂ間で共振しないように、ＳＯＡ領域３の光導波軸３ｃに対して斜めになっている（垂直になっていない）。すなわち、半導体基板５面に平行な投影面において、光導波軸３ｃとＳＯＡ領域３の両端面３ａ，３ｂにおける法線３ｄとは、角度θ_ＳＯＡで交差するように形成されている。ＳＯＡ領域３の端面３ａ，３ｂは、例えば、ドライエッチング技術により楔形溝の側壁の一部として形成することができる。

ＳＯＡ領域３の両端面３ａ，３ｂには、反射抑制及び信頼性の観点から、誘電体膜（低反射膜・反射防止膜）（不図示）が形成されていると好ましい。両端面３ａ，３ｂの実効端面反射率は、ＳＯＡ領域３における光利得にも依存するが、０．１％以下とすると好ましく、例えば、低反射膜を使用すると共に、光導波軸３ｃと法線３ｄとのなす角θ_ＳＯＡを６°〜８°に設定することによりこのような低反射率を設定することができる。第１端面３ａにおける角度θ_ＳＯＡと第２端面３ｂにおける角度θ_ＳＯＡとは互いに異なる値でもよいが、レイアウトの簡略化のためには両角度は同じ値（絶対値）であると好ましい。ＳＯＡ領域３の第１端面３ａの向きに対する第２端面３ｂの向きは、図１に示すようにＳＯＡ領域３が平行四辺形状となるような点対称であってもよいし、図３に示すようにＳＯＡ領域３が台形状となるような線対称であってもよい。

第１ＦＰ領域２及び第２ＦＰ領域４は、導波路型ファブリ・ペロ共振器領域となるものであり、第１ＦＰ領域２の両端面２ａ，２ｂ及び第２ＦＰ領域４の両端面４ａ，４ｂが反射鏡を形成している。第１ＦＰ領域２及び第２ＦＰ領域４は、好ましくは、直線状の埋め込みヘテロ構造単一モード光導波路である。第１ＦＰ領域２におけるフリースペクトラルレンジ（光波長間隔）（ＦＳＲ；Free Spectral Range）Δλ_ＦＰ１と第２ＦＰ領域４におけるＦＳＲΔλ_ＦＰ２とが互いに異なるように設定できるようにする。例えば、第１ＦＰ領域２の両端面２ａ，２ｂ間で形成される光路長と第２ＦＰ領域４の両端面４ａ，４ｂ間で形成される光路長とは異なるようにすると好ましい。また、第１ＦＰ領域２及び第２ＦＰ領域４のうち少なくとも一方は、電流注入、電圧印加、温度調節などによって光導波路の実効屈折率を変えることができる屈折率可変機構を有するようにする。特に、電流注入又は電圧印加による屈折率変化は、その応答時間がナノ秒程度と高速なので、動的選択波長切替動作に適しており、温度変化による屈折率変化は、その応答時間がミリ秒以上と遅いので、主に素子製造時に生じた反射スペクトルの中心波長のずれの静的補正に適している。第１ＦＰ領域２及び第２ＦＰ領域４の形状は、ファブリ・ペロ共振動作が得られるものであればいずれの形状でもよいが、設計及び製造の観点から直線状であると好ましい。

第１ＦＰ領域２及び第２ＦＰ領域４の各端面における反射率を変えるためには、部分蒸着や化学的エッチングを利用して所望の誘電体膜を形成すると好ましい。特に、第１ＦＰ領域２及び第２ＦＰ領域４が波長選択性反射器としての動作に必要な両端面の反射率積（例えば、第１ＦＰ領域２における第１端面２ａの反射率と第２端面２ｂの反射率の積）が得られない場合、第１ＦＰ領域２及び第２ＦＰ領域４の端面には高反射膜を形成するようにする。

また、第１ＦＰ領域２及び第２ＦＰ領域４は、光損失を補うために光利得を発生させる機構を有してもよい。

第１ＦＰ領域２とＳＯＡ領域３、及びＳＯＡ領域３と第２ＦＰ領域４は、一方の端面から放出された光が、互いに対向する端面（の対）を通じて光導波路間の間隙を介して他方へ伝搬されるように配置されている。第１ＦＰ領域２と第２ＦＰ領域４は、それぞれ、ＳＯＡ領域３の端面３ａ，３ｂと間隙６を介して配置されている。例えば、図２に示すように、第１ＦＰ領域２とＳＯＡ領域３との関係に着目すると、半導体基板面に平行な投影面において、第２端面２ｂの法線方向を示す第１ＦＰ領域２の光導波軸２ｃとＳＯＡ領域３の第１端面３ａの法線３ｄとが角度θ_ｇａｐで交差するように、第１ＦＰ領域２とＳＯＡ領域３は配置されている。角度θ_ｇａｐは、ＳＯＡ領域３の実効屈折率ｎ_ＳＯＡ、間隙６の実効屈折率ｎ_ｇａｐとするとＳｎｅｌｌの法則より、数１が得られる。そして、数１から数２が導き出される。

第１ＦＰ領域２及び第２ＦＰ領域４とＳＯＡ領域３との間の間隙６における光路長は、５μｍ以下であると好ましい。間隙６の光路長が長いと、各光導波路から出射された光は、間隙６においては光閉じ込めされないので指数関数的に減衰してしまい、各光導波路間の実効的な光結合効率が低下してしまうからである。

次に、光源装置１の詳細な構成について説明する。図４に、光源装置１の概略平面図を示す。図５に、図４のＶ−Ｖ線における概略断面図（ハッチング省略）を示し、図６に、図４のVI−VI線における概略断面図（ハッチング省略）を示す。図４において、光導波路（アンドープ活性層２４及びアンドープコア層４４）は点線で示されている。

図１及び図２を用いて説明したように、第１ＦＰ領域２、ＳＯＡ領域３及び第２ＦＰ領域４は、端面を対向させてほぼ直列に配置されている。第１ＦＰ領域２とＳＯＡ領域３間の間隙６及びＳＯＡ領域３と第２ＦＰ領域４間の間隙７は、最上面から下部クラッド層２２，４２くらいまでエッチングされた領域である。すなわち、間隙６の内壁面が、第１ＦＰ領域２の第２端面２ｂ及びＳＯＡ領域３の第１端面３ａになるように、間隙７の内壁面がＳＯＡ領域３の第２端面３ｂ及び第２ＦＰ領域４の第１端面４ａになるように、楔形状ないし三角形状のエッチング処理を施す。例えば、θ_ＳＯＡが６°〜８°の範囲内、θ_ｇａｐが１９°〜２２°の範囲内になるようにエッチング処理を施すと好ましい。

半導体基板５上には、電流注入あるいは電圧印加する領域が複数形成されているので、第１ＦＰ領域２、ＳＯＡ領域３及び第２ＦＰ領域４は、それぞれ互いに電気的に絶縁（隔離）する必要がある。そこで、第１ＦＰ領域２及び第２ＦＰ領域４においては、導波路に沿ってアンドープコア層４４の両側に絶縁溝５４をエッチング処理により形成し、ＳＯＡ領域３においては、導波路に沿ってアンドープ活性層２４の両側に絶縁溝３４をエッチング処理によって形成して、各領域間の絶縁性を確保している。絶縁溝３４，５４は、例えば幅５μｍ〜１０μｍの溝として形成することができる。図４に示す形態においては、絶縁溝５４、間隙６、絶縁溝３４及び間隙７は、連通するように形成されている。

光源装置１の両端面（第１ＦＰ領域２の第１端面２ａ及び第２ＦＰ領域４の第２端面４ｂ）は、劈開によって形成すると好ましい。所望の特性が得られるように、第１ＦＰ領域２の両端面２ａ，２ｂ及び第２ＦＰ領域４の両端面４ａ，４ｂには高反射膜（不図示）を、ＳＯＡ領域３の両端面３ａ，３ｂには低反射膜（不図示）を、適宜形成する。

各上部電極３２，５２の端部は、例えば、各領域の各端面から５μｍ〜１０μｍ内側に形成する。

図５に示すように、ＳＯＡ領域３は、半導体基板５上に、下部クラッド層２２、アンドープ下部光閉じ込め層２３、アンドープ活性層２４、アンドープ上部閉じ込め層２５、上部クラッド層２６、及びコンタクト層２７を有し、これらの層は、両側を埋め込み層２８、キャリア捕獲層２９及び埋め込みクラッド層３０によって埋め込まれている。埋め込み層２８、キャリア捕獲層２９及び埋め込みクラッド層３０には、アンドープ活性層２４などに沿って絶縁溝３４が両側に形成されている。また、電流注入のための上部電極３２及び下部電極３３、及び絶縁膜３１が形成されている。

図６に示すように、ＦＰ領域２，４は、ＳＯＡ領域３と同様の構成を有し、半導体基板５上に、下部クラッド層４２、アンドープ下部光閉じ込め層４３、アンドープコア層４４、アンドープ上部閉じ込め層４５、上部クラッド層４６、及びコンタクト層４７を有し、これらの層は、両側を埋め込み層４８、キャリア捕獲層４９及び埋め込みクラッド層５０によって埋め込まれている。埋め込み層４８、キャリア捕獲層４９及び埋め込みクラッド層５０には、アンドープコア層４４などに沿って絶縁溝５４が両側に形成されている。また、屈折率を変化させるのための上部電極５２及び下部電極５３、及び絶縁膜５１が形成されている。

次に、光源装置１の製造方法について説明する。図７に、概略平面図による製造工程図を示し、図８に、図４のＶ−Ｖ線における概略断面図によるＳＯＡ領域３の製造工程図（ハッチング省略）を示す。図７においては、ＳＯＡ領域３等の各領域を形成する位置を点線で図示してある。

まず、第１回目の結晶成長においてＳＯＡ領域３の積層構造２２〜２７を形成した（図７（Ａ））。すなわち、半導体基板５上に、下から順に下部クラッド層２２、アンドープ下部光閉じ込め層２３、アンドープ活性層２４、アンドープ上部光閉じ込め層２５、上部クラッド層２６、へテロ障壁緩和層（膜厚が薄いため図示せず）、及びコンタクト層２７を、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）などを用いて連続して成長させる。

次に、コンタクト層２７上に、ＳＯＡ領域３を残すためにエッチングから保護するエッチング阻止膜３５を形成する（図７（Ｂ）、図８（ａ））。

次に、ＳＯＡ領域３外部に形成された積層構造２２〜２７をエッチングにより除去する（図７（Ｃ））。

次に、第２回目の結晶成長において、第１ＦＰ領域２及び第２ＦＰ領域４の積層構造４２〜４７を、ＳＯＡ領域３の周囲に形成する（図７（Ｄ））。すなわち、第１回目の結晶成長と同様にして、ＳＯＡ領域３の周囲の半導体基板５上に、下から順に下部クラッド層４２、アンドープ下部光閉じ込め層４３、アンドープコア層４４、アンドープ上部光閉じ込め層４５、上部クラッド層４６、へテロ障壁緩和層（膜厚が薄いため図示せず）、及びコンタクト層４７を有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）などを用いて連続して成長させる。

次に、第１ＦＰ領域２、ＳＯＡ領域３及び第２ＦＰ領域４の導波路となる積層構造を残すために、エッチングから保護するエッチング阻止膜３６をコンタクト層２７，４７上に形成する（図７（Ｅ））。

次に、導波路となる領域に以外に形成された積層構造２２〜２７，４２〜４７をエッチングにより除去する（図７（Ｆ）、図８（ｂ））。

次に、第３回目の結晶成長において、導波路となる領域の周囲に埋め込み層を形成する（図７（Ｇ）、図８（ｃ））。すなわち、半導体基板５上に、埋め込み層２８，４８、キャリア捕獲層２９，４９及び埋め込みクラッド層３０，５０を連続して成長させた。

次に、エッチング阻止膜３７を、コンタクト層２７，４７及び埋め込みクラッド層３０，５０上に形成し、間隙６，７（各領域２，３，４の端面）及び絶縁溝３４，５４をエッチングにより形成する（図８（ｄ））。図８（Ｈ）は、エッチング阻止膜３７を除去した後の状態を示す。

次に、光導波路に電流注入ないし電圧印加するための上部電極３２，５２、下部電極３３，５３及び絶縁膜３１，５１を形成する（図８（ｅ））。

最後に、必要に応じて、ＳＯＡ領域３の両端面３ａ，３ｂに低反射膜（不図示）を形成し、第１ＦＰ領域２及び第２ＦＰ領域４の両端面２ａ，２ｂ，４ａ，４ｂに高反射膜（不図示）を形成する。

次に、本発明の光源装置１の動作について説明する。まず、ＳＯＡ領域３に電流注入され、ＳＯＡ領域３中の光は、第１ＦＰ領域２の第２端面２ｂと第２ＦＰ領域４の第１端面４ａを反射鏡として、第１ＦＰ領域２の第２端面２ｂと第２ＦＰ領域４の第１端面４ａ間を往復して増幅される。このとき、第１ＦＰ領域２の第２端面２ｂ及び第２ＦＰ領域４の第１端面４ａで反射される光の一部は、第１ＦＰ領域２及び第２ＦＰ領域４内へ伝搬される。

ここで、第１ＦＰ領域２及び第２ＦＰ領域４は、一定の光波長間隔（ＦＳＲ；Free Spectral Range）Δλ_ＦＰで周期的にピークが現れる波長選択性のある反射器である。図９に、本発明の光源装置１におけるスペクトル特性の概念図を示す。図９（ａ）は、第１ＦＰ領域２によって選択されるスペクトル特性の概念図、図９（ｂ）は、第２ＦＰ領域４によって選択されるスペクトル特性の概念図、図９（ｃ）は、図９（ａ）と図９（ｂ）の重なり部分のスペクトル特性の概念図、及び図９（ｄ）は、ＳＯＡ領域３の利得波長のスペクトル特性の概念図を示す。第１ＦＰ領域２のＦＳＲΔλ_ＦＰ１と第２ＦＰ領域４のＦＳＲΔλ_ＦＰ２とが互いに異なっていれば、両ＦＳＲΔλ_ＦＰ１，Δλ_ＦＰ２の最小公倍数となるＦＳＲΔλ_Ｌ毎に反射ピークが重なり、発振波長λ_０が選択される。

図９（ｃ）に示すように、重なるピークが複数生じたとしても、ＳＯＡ領域３における利得波長帯域Δλ_Ｇａｉｎとの組み合わせにより多モード発振を回避することができる。すなわち、図９（ｄ）に示すように、発振波長λ_０が利得波長帯域Δλ_Ｇａｉｎに含まれるようにすると共に、ＦＳＲΔλ_Ｌ＞利得波長帯域Δλ_Ｇａｉｎの条件が満たされるように設定することによって、単一モード発振を確保することができる。

さらに、第１ＦＰ領域２の第２端面２ｂと第２ＦＰ領域４の第１端面４ａ間の共振、すなわちＳＯＡ領域３とその両側の間隙６，７における共振を利用して帯域幅を狭めることにより、選択波長の精度をさらに高めることもできる。例えば、第１ＦＰ領域２のＦＳＲΔλ_ＦＰ１を１９７．５ＧＨｚ、ＳＯＡ領域３を含む両端面２ｂ，４ａ間のＦＳＲΔλ_ＳＯＡを２００ＧＨｚ、及び第２ＦＰ領域４のＦＳＲΔλ_ＦＰ２を２０２．５ＧＨｚとすることにより、選択波長の精度を高めることができる。

この発振波長λ_０の光が十分な利得に達すると、光源装置１は単一軸モード発振を開始する。第１ＦＰ領域２及び第２ＦＰ領域４の実効屈折率を変化させれば、反射ピークの重なり位置を広い波長域に亘って変化させることができ、光源装置１は、単一軸モード発振可能な波長可変光源として機能する。なお、このように、互いにＦＳＲの異なる一対の波長選択性反射器の反射スペクトルをわずかにシフトさせることで波長選択域を広げる原理は、ノギスの主目盛りと副尺（バーニア）目盛りとの関係にちなんで、バーニア原理（あるいはバーニア効果）と呼ばれている。

第１ＦＰ領域２のＦＳＲΔλ_ＦＰ１と第２ＦＰ領域４のＦＳＲΔλ_ＦＰ２の差は、何波長チャンネル分発振させるかによって決定する。波長チャンネル数は、第１ＦＰ領域２のＦＳＲΔλ_ＦＰ１と第２ＦＰ領域４のＦＳＲΔλ_ＦＰ２の平均値を、両ＦＳＲの差で割った値｛（Δλ_ＦＰ１＋Δλ_ＦＰ２）／２｝／（Δλ_ＦＰ１−Δλ_ＦＰ２）でほぼ決定することができる。例えば、Δλ_ＦＰ１＝２０２．５ＧＨｚ、Δλ_ＦＰ２＝１９７．５ＧＨｚであれば４０波長チャンネル分程度が発振される。

本発明の光源装置によれば、ＳＯＡ領域と一対のＦＰ領域がモノリシック集積された簡易かつ小型の構成で波長を変化させることができる。光源装置の製造においても、複雑な回折格子を形成する必要なく、また、ＳＯＡ領域とＦＰ領域の相対的位置関係も高精度リソグラフィ工程で決めることができるので、光軸調芯・固定作業が不要となり、製造コストを抑えることができる。さらに、すでに高い実用化実績を有しているファブリ・ペロ型半導体レーザダイオード（ＦＰ−ＬＤ）と基本的に同じプロセスで製造することができる。

次に、本発明の第２実施形態に係る光源装置について説明する。図１０に、本発明の第２実施形態に係る光源装置の構成例を示す概略平面図を示す。図１０において、光導波路及び活性層は点線で図示してある。第２実施形態においては、多モード干渉型光合分波器の構造を有するＳＯＡ領域６３が使用されている。

光源装置６１は、第１実施形態と同様にして、ＳＯＡ領域６３の両側に、第１ＦＰ領域６２及び第２ＦＰ領域６４が形成されている。ここで、ＳＯＡ領域６３は、図１０に示すように、計４本の入出力路を有するアクティブＭＭＩとして構成されている。第１ＦＰ領域６２と第２ＦＰ領域６４は、ＳＯＡ領域６３の対角線上の入出力路に対向配置されている。第１ＦＰ領域６２とＳＯＡ領域６３との間には間隙７２がエッチング処理により形成され、第１ＦＰ領域６２の第２端面６２ｂ及びＳＯＡ領域６３の光導波軸に対して斜めになっている第１端面６３ａが形成されている。同様に、第２ＦＰ領域６４とＳＯＡ領域６３との間には間隙７３がエッチング処理により形成され、第２ＦＰ領域６４の第１端面６４ａ及びＳＯＡ領域６３の光導波軸に対して斜めになっている第２端面６３ｂが形成されている。

光源装置６１の外方を向いている第１ＦＰ領域６２の第１端面６２ａ及び第２ＦＰ領域６４の第２端面６２ｂは、間隙７２，７３と同様にしてエッチングにより形成したエッチング領域７０によって形成されている。

光源装置６１はさらに受光領域６５を備え、受光領域６５は１つの入出力路に対向して配置されている。受光領域６５は、逆バイアスを印加した状態で受光して光電流を測定することで発振状態の光出力を監視することができる。受光領域６５は、図５に示すＳＯＡ領域の概略断面図と同様の構造を有している。

残りの入出力路には光を取り出す出力光導波路コア層６６（ＦＰ領域と同様の積層構造）がＳＯＡ領域６３から光源装置６１の端部にまで延在している。

好ましくは、光源装置６１の端面（受光領域６５及び出力光導波路６６の端面）、第１ＦＰ領域６２の両端面６２ａ，６２ｂ及び第２ＦＰ領域６４の両端面６４ａ，６４ｂには、高反射膜（不図示）が形成され、ＳＯＡ領域６３の両端面６３ａ，６３ｂには低反射膜（不図示）が形成される。

４本の入出力路は、結晶成長後、例えば誘導結合プラズマ反応性イオンエッチング技術を用いて形成することができる。

本発明の第１実施形態に係る光源装置の実施例について説明する。本実施例においては、図４〜図６に示すような光源装置を図７及び図８に図示した工程で作製した。まず、ＳＯＡ領域として、ｎ−Ｉｎｐ半導体基板上に、下から順にｎ−ＩｎＰ下部クラッド層、アンドープＩｎＧａＡｓＰ下部光閉じ込め層（波長組成１２５０ｎｍ）、アンドープＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ歪多重量子井戸活性層（遷移波長１５６０ｎｍ）、アンドープＩｎＧａＡｓＰ上部光閉じ込め層（波長組成１２５０ｎｍ）、ｐ−ＩｎＰ上部クラッド層、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰへテロ障壁緩和層（波長組成１４００ｎｍ）、ｐ^＋−ＩｎＧａＡｓコンタクト層を、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）を用いて連続して成長させた。導波路の積層構造は、ＳｉＮエッチング阻止膜をマスクとして、誘導結合プラズマ反応性イオンエッチング技術を用いて幅１．３μｍに加工した。

次に、導波路の積層構造の両側面に、埋め込み層として、Ｒｕドープ半絶縁性ＩｎＰ層、ｎ−Ｉｎｐホールトラップ層、及びｐ−ＩｎＰ埋め込みクラッド層を形成した。次に、ＳｉＮ膜をエッチング阻止膜として形成した後、埋め込み層の両側面の絶縁溝、及び光導波軸に対して端面が斜めになった間隙を、２周波ＲＦ励起誘導結合プラズマ型反応性イオンエッチングにより形成して、埋め込みヘテロ構造単一モード光導波路を形成した。なお、この埋め込み層の形成及び絶縁溝と間隙の形成は、第１ＦＰ領域及び第２ＦＰ領域の作製と同時に行った。次に、歪多重量子井戸活性層へキャリア注入するためのＴｉ−Ｐｔ−Ａｕ電極及び絶縁膜を形成した。また、ＳＯＡ領域の両端面には低反射膜を形成した。

ＦＰ領域としては、一対の導波路型ファブリ・ペロ共振器領域を形成した。ｎ−ＩｎＰ半導体基板上に、下から順にｎ−ＩｎＰ下部クラッド層、アンドープＩｎＧａＡｓＰ下部光閉じ込め層（波長組成１３００ｎｍ）、アンドープＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ多重量子コア層（遷移波長１４００ｎｍ）、アンドープＩｎＧａＡｓＰ上部光閉じ込め層（波長組成１３００ｎｍ）、ｐ−ＩｎＰ上部クラッド層、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰへテロ障壁緩和層（波長組成１４００ｎｍ）、ｐ^＋−ＩｎＧａＡｓコンタクト層を有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）を用いて連続して成長させた。次に、先に述べたように、ＳＯＡ領域作製と同時に、埋め込み層、絶縁溝及び間隙を形成した。次に、実効屈折率を制御するために多重量子井戸コア層へキャリア注入するためのＴｉ−Ｐｔ−Ａｕ電極及び絶縁膜を形成した。

ＳＯＡ領域の光導波方向の長さは４００μｍであり、波長１５３０〜１５７０ｎｍの信号光に対する実効屈折率はほぼ３．４５で一定であった。ＳＯＡ領域の両端面の法線は、ｎ−ＩｎＰ半導体基板に平行かつ信号光伝搬軸に対して７°傾いており、両端面の実効残留端面反射率は０．１％以下であった。

一対のＦＰ領域は、それぞれ、ＳＯＡ領域に対して光路長で３μｍの空隙を隔てて、各信号光伝搬軸がＳＯＡ領域の端面に対して成す角度θ_ｇａｐが約２２°になるように配置した。ＦＰ領域における波長１５３０〜１５７０ｎｍの信号光に対するキャリア非注入時の実効屈折率はともに３．３５でほぼ一定であり、それぞれのＦＳＲは素子長の長い方が５０ＧＨｚ、短い方が５１ＧＨｚであった。

ＳＯＡ領域に順方向バイアス電流を流すと、２５℃にてしきい値電流２０ｍＡ、発振波長１５５０ｎｍ、サイドモード抑圧比５０ｄＢ以上で単一軸モード発振した。また、各ＦＰ領域へ注入する電流を０ｍＡ〜１５ｍＡの範囲で最適に制御することにより、１５３０ｎｍ〜１５７０ｎｍの広い波長域にわたる広帯域波長可変動作を実現した。さらに、発振波長の切替に要する時間は約１０ｎｓｅｃ以下と実用上支障の無い十分な高速性を確認した。

本発明の第２実施形態に係る光源装置の実施例について説明する。本実施例においては、図１０に示すような光源装置を作製した。ＳＯＡ領域、第１ＦＰ領域及び第２ＦＰ領域における導波路及び埋め込み層の積層構造は、実施例１と同様である。

ＳＯＡ領域においては、第１回目の結晶成長の後、誘導結合プラズマ反応性イオンエッチング技術を用いて、幅１２μｍ、長さ２３９μｍで、計４本の単一モード光導波路（幅１．３μｍ）が接続した多モード干渉（ＭＭＩ）型光合分波器の形状に加工した。

計４本の単一モード光導波路の波長１５３０〜１５７０ｎｍの信号光に対する実効屈折率はほぼ３．３５で一定であった。そのＦＰ領域に対向する両端面の法線は、ｎ−ＩｎＰ基板に平行かつ信号光伝搬軸に対して７°傾いていた。この両斜め端面に施された低反射膜を含めた実効残留端面反射率は０．１％以下に抑えられていた。

一対の導波路型ＦＰ光共振器領域（ＦＰ領域）は、長さ３μｍの空隙を隔ててその片端面が上記ＳＯＡ領域のそれぞれの斜め端面に対向して配置され、ＦＰ領域とＳＯＡ領域のそれぞれの信号光伝搬軸が成す角度θ_ｇａｐは約２２°に設定した。

また、実施例１のＳＯＡ領域と同一構造を有する受光領域を１つの導波路上に形成した。

ＳＯＡ領域に順方向バイアス電流を流すと、２５℃にてしきい値電流４０ｍＡ、発振波長１５５０ｎｍ、サイドモード抑圧比５０ｄＢ以上で単一軸モード発振した。また、それぞれの導波路型ＦＰ光共振器領域へ注入する電流を０ｍＡ〜１５ｍＡの範囲で最適に制御することにより、１５３０ｎｍ〜１５７０ｎｍの広い波長域にわたる広帯域波長可変動作を実現した。さらに、発振波長の切替に要する時間は約１０ｎｓｅｃ以下と実用上支障の無い十分な高速性を確認した。また、受光領域に逆方向バイアス電圧を印加すると、発振光出力に比例した光電流が取り出された。

本発明の光源装置は、上記実施形態及び実施例を用いて説明したが、上記実施形態及び実施例に限定されることなく、本発明の範囲内において種々の変形、変更及び改良を含むことができることはいうまでもない。

本発明の第１実施形態に係る光源装置の構成例を示す概念図。図１に示す光源装置の一部の拡大図。本発明の第１実施形態に係る光源装置の別の構成例を示す概念図。本発明の第１実施形態に係る光源装置の概略平面図。図４のＶ−Ｖ線における概略断面図。図４のVI−VI線における概略断面図。本発明の第１実施形態に係る光源装置の製造方法を説明するための概略平面図。本発明の第１実施形態に係る光源装置におけるＳＯＡ領域の製造方法を説明するための概略断面図。本発明の光源装置におけるスペクトル特性の概念図。本発明の第２実施形態に係る光源装置の概略平面図。

符号の説明

１光源装置
２第１ＦＰ領域
２ａ第１端面
２ｂ第２端面
２ｃ光導波軸
３ＳＯＡ領域
３ａ第１端面
３ｂ第２端面
３ｃ光導波軸
３ｄ法線
４第２ＦＰ領域
４ａ第１端面
４ｂ第２端面
５半導体基板
６間隙
７間隙（エッチング領域）
２２下部クラッド層
２３アンドープ下部光閉じ込め層
２４アンドープ活性層
２５アンドープ上部光閉じ込め層
２６上部クラッド層
２７コンタクト層
２８埋め込み層
２９キャリア捕獲層
３０埋め込みクラッド層
３１絶縁膜
３２上部電極
３３下部電極
３４絶縁溝
３５エッチング阻止膜
３６エッチング阻止膜
３７エッチング阻止膜
４２下部クラッド層
４３アンドープ下部光閉じ込め層
４４アンドープコア層
４５アンドープ上部光閉じ込め層
４６上部クラッド層
４７コンタクト層
４８埋め込み層
４９キャリア捕獲層
５０埋め込みクラッド層
５１絶縁膜
５２上部電極
５３下部電極
５４絶縁溝
６１光源装置
６２第１ＦＰ領域
６２ａ第１端面
６２ｂ第２端面
６３ＳＯＡ領域
６３ａ第１端面
６３ｂ第２端面
６４第２ＦＰ領域
６４ａ第１端面
６４ｂ第２端面
６５受光領域
６６出力光導波路コア層
６７上部電極
６８上部電極
６９上部電極
７０エッチング領域
７１絶縁溝
７２間隙（エッチング領域）
７３間隙（エッチング領域）

Claims

第１光導波路、第２光導波路、及び第３光導波路を備え、
発振する波長は、前記第１光導波路及び前記第３光導波路により選択され、
前記第１光導波路の一方の端面と前記第２光導波路の一方の端面とが空隙を介して対向して配され、かつ前記第２光導波路の他方の端面と前記第３光導波路の一方の端面とが空隙を介して対向して配され、
対向する端面対を通じて光導波路間で光が伝搬するように前記第１光導波路、前記第２光導波路、及び前記第３光導波路は同一半導体基板上に配置されており、
前記第２光導波路は、光の増幅媒体及び前記増幅媒体の活性機構を有する半導体光増幅器として形成されており、
前記第１光導波路及び前記第３光導波路は、両端面が反射鏡となるファブリ・ペロ共振器として形成されており、
前記第１光導波路の前記一方の端面及び前記第３光導波路の前記一方の端面のうち少なくとも一方が、前記第２光導波路の対向する端面に対して斜めに配されてなることを特徴とする光源装置。
前記第１光導波路の両端面間で形成される光路長と前記第３光導波路の両端面間で形成される光路長とは異なっていることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
前記第２光導波路の両端面は、前記第２光導波路の光導波軸に対して垂直になっていないことを特徴とする請求項１又は２に記載の光源装置。
前記半導体基板と平行な投影面において、前記第１光導波路の光導波軸と前記第２光導波路の前記一方の端面の第１法線とのなす角は、前記第２光導波路の光導波軸と前記第１法線とのなす角、及び前記第２光導波路及び前記間隙の実効屈折率に応じて規定され、
前記半導体基板と平行な投影面において、前記第３光導波路の光導波軸と前記第２光導波路の前記他方の端面の第２法線とのなす角は、前記第２光導波路の光導波軸と前記第２法線とのなす角、及び前記第２光導波路及び前記間隙の実効屈折率に応じて規定されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の光源装置。
前記第２光導波路の両端面には低反射膜が形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の光源装置。
前記第１光導波路及び前記第３光導波路のうち少なくとも１つは、光導波路の実効屈折率を変える屈折率可変機構を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の光源装置。
前記第１光導波路及び前記第３光導波路のフリースペクトラルレンジは互いに異なっており、
前記第１光導波路のフリースペクトラルレンジと前記第３光導波路のフリースペクトラルレンジの最小公倍数は、前記第２光導波路の利得波長帯域幅より大きいことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の光源装置。
前記第１光導波路及び前記第３光導波路のフリースペクトラルレンジは互いに異なっており、
前記第２光導波路を含む前記第１光導波路の前記一方の端面と前記第３光導波路の前記一方の端面間のフリースペクトラルレンジは、前記第１光導波路のフリースペクトラルレンジと前記第３光導波路のフリースペクトラルレンジの間にあることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の光源装置。
前記第２光導波路は、３以上の入出力路を有する多モード干渉型光導波路であり、
各入出力路には、前記第１光導波路、前記第３光導波路、及び出力光を導波するための出力光導波路が形成されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の光源装置。
光出力を監視する受光領域が前記第２光導波路の前記入出力路に形成されていることを特徴とする請求項９に記載の光源装置。
前記第１光導波路の前記一方の端面、前記第２光導波路の前記両端面及び前記第３光導波路の前記一方の端面は、エッチングにより形成されていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の光源装置。