JP5475839B2

JP5475839B2 - 半導体波長可変フィルタ及び半導体波長可変レーザ

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Publication number: JP5475839B2
Application number: JP2012143357A
Authority: JP
Inventors: 徹瀬川; 亮高橋
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2012-06-26
Filing date: 2012-06-26
Publication date: 2014-04-16
Anticipated expiration: 2032-06-26
Also published as: JP2014006439A

Description

本発明は、半導体波長可変フィルタ及び半導体波長可変レーザに関する。

近年、インターネットにおけるトラフィックの増大により、ノード間を結ぶ伝送には波長多重を用いて伝送容量を増加させている。このような波長多重伝送において、波長可変レーザは欠かすことのできない重要な光部品である。

図１に、従来提案されている２重リング共振器を用いたモノリシック集積型波長可変レーザを示す（非特許文献１参照）。リング共振器は、一定周波数間隔（ＦＳＲ）で透過強度が大きくなる特長を持つ透過型光フィルタであり、このレーザでは、異なるＦＳＲを有する２つのリング共振器を用いることにより、２つのＦＳＲの最小公倍数の周波数領域で波長可変動作を得ることを可能にしている（バーニア効果）。

通信波長帯、例えばＣ帯（１５３０〜１５７０ｎｍ）をカバーするような大きな波長可変帯域を得るためにはＦＳＲを大きく、すなわち、リング共振器の共振器長を小さくする必要があり、コア層および下部クラッド層まで垂直に半導体をエッチングした、急峻な曲げ半径が実現可能なハイメサ光導波路を用いている。図２にハイメサ光導波路の断面図を示す。また、リング共振器の光カプラ部分には、光結合効率が５０％のマルチモード干渉（ＭＭＩ）光カプラを用いている。レーザの発振波長を変化させるためには、２つのリング共振器にそれぞれ独立に電流注入し、光導波路の屈折率を変化させて共振ピーク波長を調整する。電流注入はナノ秒程度で高速に屈折率変調が可能である。さらに、位相調整用の光導波路（位相調整領域）をレーザ共振器内に設けることにより縦モード間隔を微調し、正確に所望の発振波長に調整可能としている。この位相調整も電流注入によって行っている。

IEEE Photonics Technology Letters, vol. 19, 2007, pp. 1322-1324 IEEE 21st International Semiconductor Laser Conference (ISLC 2008), 2008, pp. 153-154

しかしながら、図１の構造では、さらなる波長可変帯域の拡大が困難である。波長分割多重伝送方式を用いた現在の光通信システムにおいて、通信容量の大容量化とともに前述のＣ帯のみではなく、Ｌ帯（１５７０〜１６１０ｎｍ）やＳ帯（１４６０〜１５３０ｎｍ）などの波長帯域も使用されている。したがって、１台の波長可変レーザで複数の波長帯をカバーできるより広い波長可変帯域を有することが求められているが、図１の構成では、リング共振器のフィネスで決定される波長選択性能とのトレードオフから、副モード抑圧比が高々３０ｄＢ、波長可変帯域が５０ｎｍまでと限界がある。

リング共振器への通過回数を削減し、かつ端面反射を用いない構成として、図３に示すように、２つのリング共振器と非対称マッハツェンダー干渉計（以下「ＭＺＩ」という。）を直列接続し、Ｓａｇｎａｃ干渉計によるループミラー内に配置した１チップ集積型半導体波長可変レーザが提案されている（非特許文献２参照）。この構成において、利得領域からの光は１×２光カプラにより等分岐され、それぞれ右回りと左回りにループ内を周回し再び１×２光カプラに入射する。右回り光と左回り光は同位相で１×２光カプラに再入射するため、ほぼ１００％の光結合効率で利得領域にフィードバックされる。このとき、２つのリング共振器のＦＳＲを異ならせ、バーニア効果により波長可変帯域を拡大する手法は図１の構成と同様であるが、各リング共振器への通過回数はループ構成により１回となる。通過回数の削減によりリング共振器に起因する損失は低減できるものの波長選択性能は劣化する。したがって、そのフィルタ性能の劣化を補うため、非対称ＭＺＩを第３のフィルタとしてループに挿入し、波長可変帯域拡大と波長選択性能の両立を試みている。だが、第３のフィルタを波長制御のために追加することには問題がある。それは、波長可変レーザの波長制御機構が複雑化し、例えば波長可変特性を取得するのに長時間の測定を必要とすることである。

リング共振器あるいはＭＺＩフィルタにおいて、ＦＳＲと透過ピーク波長の設計値と実測値は必ずしも一致することはなく、実際の値には製造誤差で決まるばらつきが存在する。したがって、波長可変レーザの製造後には、レーザの発振波長と波長制御フィルタに注入する電流（熱で制御する場合は印加電力、電圧で制御する場合は印加電圧）との関係を実際に調べなければ、レーザの発振波長を正確に制御することができない。例えば、リング共振器の共振ピークを隣の共振ピークまで移動させるのに１０ｍＡの注入電流が必要であったとする。図１の構成によりバーニア効果で波長可変帯域を拡大させた場合、２つのリング共振器にそれぞれ最大１０ｍＡの電流を注入することで波長可変帯域内のすべての波長を選択できることになる。０．１ｍＡのステップで上述の発振波長と電流の関係を取得する場合、１００×１００＝１００００点の数値データが必要になる。測定時間が１点あたり１秒かかる測定系（例えば、電流源と波長計で構成）を用いた場合、１台の波長可変レーザの特性取得にかかる時間は約２．８時間になる。非対称ＭＺＩによる波長制御フィルタが追加された図３の構成で同様な電流ステップ数の測定を行うと、約２８０時間（１００×１００×１００＝１００００００点）が必要になることになる。上記の例は必要とする発振波長の精度やフィルタ形状、測定速度等に依存するが、急峻なフィルタ特性を持つリング共振器を含む場合、十分な測定ステップ数が必要になる。したがって、新たに波長制御フィルタを追加した図３の構成は波長制御機構が複雑化し、著しい量産性の低下を招いていた。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、従来よりも広い波長可変帯域を有し、かつ、正確な発振波長制御が簡便な半導体波長可変レーザを提供することにある。また、本発明のもう１つの目的は、当該半導体波長可変レーザを可能にする半導体波長可変フィルタを提供することにある。

このような目的を達成するために、本発明の第１の態様は、２つの２×２光カプラの間に２本のアーム導波路が接続され、各アーム導波路は、前記２つの２×２光カプラのうちの一方の２×２光カプラのポートのうちの前記２つの２×２光カプラのうちの他方の２×２光カプラ側の出力ポートに接続された第１のミラーと、前記第１のミラーと所定の長さの光導波路により接続され、前記他方の２×２光カプラの入力ポートに接続された第２のミラーとを有するファブリペローエタロンを備え、前記他方の２×２光カプラの出力ポートに高反射ミラーが設けられ、前記２つの２×２光カプラのうちの一方の２×２光カプラと前記第１のミラーとの間に、屈折率変化による位相調整手段が形成されていることを特徴とする半導体波長可変フィルタである。

また、本発明の第２の態様は、第１の態様において、前記２本のアーム導波路は、前記第１のミラーと前記第２のミラーを接続する前記光導波路の前記所定の長さが異なり、前記一方の２×２光カプラと前記第１のミラーとを接続する光導波路、および、前記第２のミラーと前記他方の２×２光カプラを接続する光導波路の長さが等しいことを特徴とする。

また、本発明の第３の態様は、第１及び第２の半導体波長可変フィルタが２×２光カプラに並列に接続され、当該第１及び第２の半導体波長可変フィルタと前記２×２光カプラとを接続する光導波路に屈折率変化による位相調整手段が形成され、各半導体波長可変フィルタは、第１の態様の半導体波長可変フィルタであって、前記２本のアーム導波路がそれぞれ備えるファブリペローエタロンの構造が同一であり、前記第１の半導体波長可変フィルタにおいて、前記第１のミラーと前記第２のミラーとを接続する前記光導波路の前記所定の長さは第１の長さであり、前記第２の半導体波長可変フィルタにおいて、前記第１のミラーと前記第２のミラーとを接続する前記光導波路の前記所定の長さは前記第１の長さと異なる第２の長さであることを特徴とする。

また、本発明の第４の態様は、第１及び第２の半導体波長可変フィルタが２×２光カプラに直列に接続され、各半導体波長可変フィルタは、第１の態様の半導体波長可変フィルタであって、前記２本のアーム導波路の構造が同一であり、前記第１の半導体波長可変フィルタの前記他方の２×２光カプラの前記出力ポートは、高反射ミラーの代わりに前記第２の半導体波長可変フィルタの前記一方の２×２光カプラの入力ポートに接続されており、前記第１の半導体波長可変フィルタにおいて、前記第１のミラーと前記第２のミラーとを接続する前記光導波路の前記所定の長さは第１の長さであり、前記第２の半導体波長可変フィルタにおいて、前記第１のミラーと前記第２のミラーとを接続する前記光導波路の前記所定の長さは前記第１の長さと異なる第２の長さであることを特徴とする。

また、本発明の第５の態様は、利得領域と、前記利得領域からの光に対する波長選択機能を有するフィルタ領域と、前記利得領域と前記フィルタ領域との間の位相調整領域とを備える半導体波長可変レーザであって、前記フィルタ領域は、第１から第４のいずれかの態様の半導体波長可変フィルタで構成されていることを特徴とする。

また、本発明の第６の態様は、第１の態様の半導体波長可変フィルタを備えた半導体波長可変レーザの調整方法であって、前記位相調整手段のいずれか一方と当該一方の位相調整手段側のファブリペローエタロンを駆動してレーザ発振波長との相関関係を求めることと、前記位相調整手段のいずれか他方と前記一方の位相調整手段側のファブリペローエタロンを駆動してレーザ発振波長との相関関係を求めることと、レーザ発振波長の可変帯域が最大となるように、前記位相調整手段のいずれかを駆動することと、前記ファブリペローエタロンを駆動して所望のレーザ発振波長を得ることとを備えることを特徴とする。

本発明に係る半導体波長可変フィルタ及び当該フィルタを備える半導体波長可変レーザによれば、２つの２×２光カプラの間に２本のアーム導波路が接続され、各アーム導波路は、当該２つの２×２光カプラのうちの一方の２×２光カプラの出力ポートに接続された第１のミラーと、当該第１のミラーと所定の長さの光導波路により接続され、当該２つの２×２光カプラのうちの他方の２×２光カプラの入力ポートに接続された第２のミラーとを有するファブリペローエタロンを備え、当該他方の２×２光カプラの出力ポートに高反射ミラーが設けられていることにより、従来よりも広い波長可変帯域を有し、かつ、正確な発振波長制御が簡便な半導体波長可変レーザを提供することができる。さらに、本発明に係る半導体波長可変フィルタ及び当該フィルタを備える半導体波長可変レーザによれば、２つの２×２光カプラのうちの一方の２×２光カプラと第１のミラーとの間に形成された屈折率変化による位相調整手段により、作製誤差によって生じたアーム導波路間の位相ずれを補償可能な半導体波長可変レーザを提供することができる。

従来提案されている２重リング共振器を用いたモノリシック集積型波長可変レーザを示す図である。ハイメサ光導波路の断面図を示す図である。リング共振器への通過回数を削減し、かつ端面反射を用いない構成とした半導体波長可変レーザの従来例を示す図である。本発明の実施形態１に係る半導体波長可変レーザを示す図である。（ａ）にファブリペローエタロンの透過スペクトル、（ｂ）にその位相の特性図を示す図である。本発明の実施形態に係る半導体波長可変レーザの各ＭＺＩの詳細図を示す図である。実施形態１に係る半導体波長可変レーザ４００の各ＭＺＩの反射スペクトル及びフィルタ領域４３０全体からの反射スペクトルを示す図である。計算で求めたギャップミラーの反射率と透過率のギャップ間隔ｄとの関係を示す図である。図６に示すＭＺＩが非対称ＭＺＩである場合においてアーム導波路間に製造誤差による位相ずれが無い場合の反射ポート１から出力される反射スペクトルを示す図である。図６に示すＭＺＩが非対称ＭＺＩである場合においてアーム導波路間に製造誤差による位相ずれが生じた場合の反射ポート１から出力される反射スペクトルを示す図である。非対称ＭＺＩにおけるアーム導波路の製造誤差による位相ずれと各反射光のピーク反射率の関係を示す図である。実施形態２に係る半導体波長可変レーザが備える半導体波長可変フィルタを示す図である。並列接続の実施形態１と直列接続の実施形態２について、反射率差ΔＲとＭの関係を計算で求めた結果を示す図である。本発明の実施形態３に係る半導体波長可変レーザを示す図である。

本発明に係る半導体波長可変フィルタ及び当該フィルタを備える半導体波長可変レーザは、２つの２×２光カプラの間を接続する２本のアーム導波路の各々に、当該２つの２×２光カプラのうちの一方の２×２光カプラの出力ポートに接続された第１のミラーと、他方の２×２光カプラの入力ポートに接続された第２のミラーとを有するファブリペローエタロンを備える。前記他方の２×２光カプラの出力ポートに高反射ミラーが設けられ、前記一方の２×２光カプラと第１のミラーとの間に、屈折率変化による位相調整手段が形成されている。これにより、従来よりも広い波長可変帯域を有し、正確な発振波長制御が簡便で、かつ、作製誤差によって生じたアーム導波路間の位相ずれを補償可能な半導体波長可変レーザを提供することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。類似する参照符号は、類似する要素を示し、繰り返しの説明は省略する。

（実施形態１）
図４に、本発明の実施形態１に係る半導体波長可変レーザを示す。図示のように、半導体波長可変レーザ４００は、利得領域４１０と、利得領域４１０からの光に対する波長選択機能を有するフィルタ領域４３０と、利得領域４１０とフィルタ領域４３０との間の位相調整領域４２０とを備える。

フィルタ領域４３０は、第１のＭＺＩ４３１と第２のＭＺＩ４３２を並列配置し、２入力２出力型（２×２）光カプラ４３３の２つの出力ポートに各々接続している。各ＭＺＩは、２つの２×２光カプラの間に、同一構造の２本のアーム導波路を有する対称ＭＺＩである。

各アーム導波路は、一方の２×２光カプラ（４４８，４３８）の出力ポートに接続された第１のミラー（４４０，４４２，４４４，４４６）と、第１のミラーと所定の長さ（第１のＭＺＩ４３１では第１の長さＬ１、第２のＭＺＩ４３２では第２の長さＬ２）の光導波路により接続され、他方の２×２光カプラ（４３７，４３９）の入力ポートに接続された第２のミラー（４４１，４４３，４４５，４４７）とを有するファブリペローエタロンを備える。各ＭＺＩにおいて、２×２光カプラとミラーとを接続する光導波路の長さは２本のアーム導波路で等しい。例えば、各ミラーの反射率を３５％とすることができる。当該他方の２×２光カプラ（４３７，４３９）の出力ポートには、反射率９０％以上の高反射ミラー４３４、４３５が設けられている。

ファブリペローエタロンは、透過型フィルタ、ないし反射型フィルタとして知られている。図５（ａ）にファブリペローエタロンの透過スペクトル、図５（ｂ）にその位相の特性図を示す。ここで、ファブリペローエタロンの透過ピーク間隔ＦＳＲは、

と表せる。ｃは光速、ｎ_effは光導波路の実効屈折率、Ｌはファブリペローエタロンの長さである。エタロンの透過スペクトルは、リング共振器のように複数の透過ピークを有する。さらに、隣接する透過ピーク波長間では、位相差が常にπであることが図５（ｂ）より分かる。

実施形態１において、対称ＭＺＩの２つのアーム導波路に同一構造のファブリペローエタロンを配置するのは、透過光と反射光を空間的に分離するためである。図６に、本発明の実施形態に係る半導体波長可変レーザにおける各ＭＺＩの詳細図を示す。ＭＺＩに入力された光は、２つの２×２光カプラのうち、利得領域４１０側の一方の２×２光カプラにより等しく分岐され、各々ファブリペローエタロンに入射する。エタロンからの反射光は、再び利得領域４１０側の２×２光カプラに入射する。２つのファブリペローエタロンは構造が等しく、かつ、２×２光カプラとファブリペローエタロンとの間の距離は等しいため（対称ＭＺＩのため）、以下に説明するような製造誤差が生じなければ、アーム導波路を伝搬する光には位相差は付与されない。すなわち、ファブリペローエタロンからの反射光は、すべて反射ポート２に出力される。一方、ファブリペローエタロンの透過光は、同様に位相差が付与されないので、高反射ミラーが接続された出力ポートにすべて出力される。本実施形態ではファブリペローエタロンの透過光のみを用い、反射光は、利得領域４１０側の２×２光カプラに接続された放射導波路（反射ポート２）から廃棄される。透過光は、ＭＺＩの出力ポートに形成された高反射ミラーにより反射され、ＭＺＩに再入射される。

しかし、実際には２×２光カプラとミラーとを接続する光導波路には、作製誤差により位相ずれが発生し、ファブリペローエタロンからの反射光が反射ポート１に出力されてしまうことがある。そこで、本発明の各実施形態に係る半導体波長可変レーザには、利得領域側の２×２光カプラ（４３６，４３８）とミラー（４４０，４４２，４４４，４４６）とを接続する光導波路には、位相調整のための電流注入用電極（４４８，４４９，４５０，４５１）が形成されている。この電極の一方に電流を注入することで、作製誤差によって生じたアーム間の位相ずれを補償可能としている

本実施形態では、第１のＭＺＩ４３１及び第２のＭＺＩ４３２は、互いに異なるＦＳＲを有するファブリペローエタロンを備える。それらを並列に２×２光カプラ４３３に接続することによりバーニア効果による波長可変帯域を拡大させるとともに、２組のファブリペローエタロンの透過ピーク間の位相差を利用することで、さらなる波長可変帯域の増大を可能にしている。さらに、位相調整領域４２０の導波路上に電流注入用電極を形成することで、レーザ共振器のキャビティモードを連続的に調整することが可能となり、正確な発振波長制御が可能となる。ファブリペローエタロンは、ガラス基板等に誘電体多層膜を形成したバルク形態が一般的であるが、本実施形態では、ＩｎＰ基板上にフォトリソグラフィ等の半導体プロセス技術を用いて各構成要素を平面的に配置することにより実現している。この手法により、バルク形態のファブリペローエタロンと利得媒質とを空間光学的に配置した場合に比べ、素子の小型化が図れる。

図７に、本実施形態に係る半導体波長可変レーザ４００の各ＭＺＩの反射スペクトル及びフィルタ領域４３０全体からの反射スペクトルを示す。図７より、第１のＭＺＩ４３１及び第２のＭＺＩ４３２の反射ピークが一致する波長で最大のフィルタ反射率が得られる一方、両ＭＺＩの反射ピークが次に一致する短波長側、ないし長波長側の波長で最少の反射率となることが分かる。これは、反射ピークの一致した波長において、同相（位相差０）、ないし逆相（位相差π）の状態で各ＭＺＩからの反射光が２×２光カプラ４３３に結合するためで、本実施形態では、次式の関係を満たすように２組のファブリペローエタロンのＦＳＲを設定することにより、それを可能としている。

ここで、ＦＳＲ１＜ＦＳＲ２である。

ここで、実施形態１に係る半導体波長可変レーザ４００の作製方法について述べる。素子のレーザ活性層は、ｎ−ＩｎＰ基板上にｎ−ＩｎＰ層、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の活性層（フォトルミネッセンスピーク波長１．５３μｍ）と活性層の上下をＳＣＨ（Ｓｅｐａｒａｔｅ−ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）層で閉じこめる構造とした。次にＳｉＯ₂膜をスパッタリングにより成膜し、利得領域となる部分を除きエッチングにより除去、さらにパタン化されたＳｉＯ₂膜をマスクとして活性層を除去する。次に、選択成長により１．４Ｑ組成、０．３μｍ膜厚のＩｎＧａＡｓＰ光導波路層をバットジョイント成長し、その後ＳｉＯ₂層を除去して基板全体にｐ−ＩｎＰ層、ｐ⁺−ＩｎＧａＡｓ層を成長した。実施形態１では、利得領域、位相調整領域、そしてファブリペローエタロン部分をコア層の直上までエッチングされたリッジ導波路を用い、それ以外の光カプラ部分を含むフィルタ領域は、ハイメサ光導波路構造で作製した。実施形態１では、作製が容易、かつ低損失に作製可能な３ｄＢマルチモード干渉（ＭＭＩ）光カプラを２×２光カプラとして用いる。リッジ導波路およびハイメサ導波路は、フォトリソグラフィとドライエッチングにより作製した。導波路を形成後、局所領域への埋め込みが可能で平坦化に優れた有機材料であるベンゾシクロブテン（Ｂｅｎｚｏｃｙｃｌｏｂｕｔｅｎｅ：ＢＣＢ）をスピンコートにより塗布し、Ｏ₂／Ｃ₂Ｆ₆混合ガスを用いたＲＩＥにより基板表面が露出するまでエッチバックを実施し、基板表面を平坦化した。その後、電流注入用電極を利得領域、位相調整領域、エタロンのリッジ導波路のｐ⁺−ＩｎＧａＡｓ層上、そして利得領域側の２×２光カプラとミラーとを接続する光導波路上および２つのＭＺＩを２×２光カプラに並列に接続する光導波路上に形成し、さらに基板裏面電極を形成し完成となる。

本実施形態でファブリペローエタロンを構成するミラーは、ＭＺＩのアーム導波路に光の伝搬方向に対して垂直に空間的な隙間（ギャップ）を形成することで反射鏡とする、いわゆるギャップミラーで実現することができる。このギャップミラーは、エタロンのリッジ光導波路と光カプラ側のハイメサ光導波路との間に配置されている。このギャップミラーの作製は、光カプラで用いるハイメサ光導波路の作製工程、すなわちフォトリソグラフィによるパタン形成やドライエッチングによるＩｎＰ加工と同時に行っており、追加工程なしに実現できることが特長である。

図８に、計算で求めたギャップミラーの反射率と透過率のギャップ間隔ｄとの関係を示す。ここでは、ギャップがＢＣＢ（屈折率１．５４）で充填され、また回折による放射損失を３次元ＢＰＭ法（Ｂｅａｍｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄ）による計算から１ｄＢ／μｍとしている。図８より、ギャップミラーの反射率は、ｄに対して干渉による増減を示すのが分かる。本実施形態では、作製に用いるフォトリソグラフィのパタン分解能からｄを０．７５μｍとして作製し、反射率を３５％した。一般に、ファブリペローエタロンフィルタの透過特性は、ミラーの反射率を増大させると透過スペクトルが急峻化し、波長選択性能が向上する。したがって、ギャップに充填されたＢＣＢを局所的に除去し、空気、あるいはＢＣＢより低い屈折率を持つ材料に変更することにより、半導体との屈折率差を増大させ（ミラー反射率を増大させ）、本実施形態の波長選択性能を向上させることも可能である。本実施形態のファブリペローエタロンで用いるミラーの反射率は、１０％以上６０％以下程度であることが好ましい。

本実施形態では、ファブリペローエタロンに用いるミラーとして、導波路に空間的な隙間（ギャップ）を形成し、干渉反射を用いたギャップミラーを用いることができる。しかし、ＭＺＩを透過した光を反射させ、利得領域にフィードバックさせるにはより高い反射率、理想的には１００％の反射率をもつ高反射ミラーをＭＺＩの出力側に集積する必要がある。実施例として、光導波路の端面にＡｕを蒸着することで高反射率を有するミラーを実現した。ＡｕやＡｇを用いた金属反射鏡は、電流を流し、金属中の自由電子のプラズマ振動に起因した高い反射率が得られ、かつ形成が容易（真空蒸着法による）な特徴がある。ハイメサ光導波路の作製時に光伝搬方向に対して垂直な端面をドライエッチングで形成（マスクパタン上であらかじめエッチング領域を作成）し、その端面にＡｕを斜め蒸着（膜厚３００ｎｍ）することで反射率９３％以上が得られた。高反射ミラーの反射率としては、９０％以上が好ましい。また、へき開端面に誘電体多層膜をスパッタ等で形成しても同等の反射率をもつ高反射ミラーが作製できる。

本実施形態では、第１のＭＺＩ４３１及び第２のＭＺＩ４３２を並列に２×２光カプラ４３３に接続しているが、接続する光導波路の長さを２つのＭＺＩ間で異なるものにしてもよい。前記第２のＭＺＩと２×２光カプラとの間に

の長さＬ_Phaseの光導波路を付与することで不等長としても透過光の位相差を用いた波長可変域の拡大効果が期待できる。ここで、Ｌ１、Ｌ２はそれぞれ第１のＭＺＩ４３１及び第２のＭＺＩ４３２におけるファブリペローエタロンの長さである。

ここで、２×２光カプラとミラーとを接続する光導波路に作製誤差による位相ずれが発生する場合について説明する。

図６を参照して、ＭＺＩの反射ポート１から出力される反射スペクトルを説明する。反射ポート１から出力される光には２つの成分がある。一つは、エタロンを透過しＭＺＩの外部に接続された高反射ミラーで反射され、再びエタロンを透過する光である。もう一つは、エタロン自体から反射する光である。本実施形態ではエタロンからの反射光は不要なため、ＭＺＩ構成として図６の反射ポート２から放出させている。しかし、実際には２×２光カプラとミラーとを接続する光導波路には、作製誤差により位相ずれが発生し、エタロンからの反射光が反射ポート１に出力されてしまうことがある。２×２光カプラ間のアーム導波路の長さが異なる非対称ＭＺＩの場合には、エタロンからの反射光は、反射ポート１へ少なからず漏れる。

図９は、図６に示すＭＺＩを、図１４を参照して後述するような非対称ＭＺＩとした場合の反射ポート１から出力される反射スペクトルを示す。高反射ミラーの反射率を１００％、光導波路の伝搬損失を１０ｄＢ／ｃｍ、カプラの強度損失を０．５ｄＢ、ＦＳＲ１を４００ＧＨｚ、ＦＳＲ２を４４４ＧＨｚとし、位相ずれはないとして計算により求めた反射スペクトルを示す。このとき、高反射ミラーからの反射光とエタロンからの反射光との差は１．５dB以上あり、所望の波長可変動作が十分に得られる。しかし、製造時の位相ずれによって、エタロンからの反射光が高反射ミラーで反射された光よりも大きくなることがある。アーム導波路間に０．４（ラジアン）の位相ずれが生じた場合のＭＺＩの反射ポート１の反射スペクトルを図１０に示す。このとき、エタロンからの反射光は、高反射ミラーからの反射光よりも大きくなる。レーザ発振は、フィルタ領域からの反射ピーク近傍の縦モードで生じる。したがって、意図しないエタロンからの反射光が大きいと、それによって発振波長が決定されてしまい、もはや安定に波長可変動作しない。図１１には、図１４に示すような非対称ＭＺＩにおけるアームの位相ずれと各反射光のピーク反射率の関係を示す。図１１より、非対称ＭＺＩの場合には特に、位相ずれが大きいほど高反射ミラーからのピーク反射率が減少し、エタロンからのピーク反射率が増大することがわかる。

前述したＩｎＰ系ハイメサ光導波路の場合、製造誤差により±π／４程度の位相ずれが容易に生じる。本実施形態における、位相調整電極は製造誤差により生じる位相ずれを補償し、歩留りを大きく向上させるために極めて有効である。

図６の位相調整電極の長さＬ３は、本実施形態では１００マイクロメータ（２πの位相変化が得られる）であり、最大でπの位相変化が得られるように設計すれば十分である。また位相調整量は、波長可変レーザの製造後において、まず、二つの位相調整用電極のどちらか一方の位相調整用電極（例えば、図６の上側の位相調整用電極）と、当該位相調整用電極側のエタロン（例えば、図６の上側のエタロン）への電流注入量によって、レーザ発振波長との相関関係を取得する。この相関関係の取得は、他方の位相調整用電極（例えば、図６の下側の位相調整用電極）および他方のエタロン（例えば、図６の下側のエタロン）へ電流注入はｏｆｆにして行う。その相関により位相調整電極への最適電流量は、レーザの波長可変帯域が最大になる、すなわちバーニア効果と位相の効果によって波長可変帯域がΔλ’まで拡大する電流量で決定できる（レーザ発振波長が最大となる位相調整電極の電流量を決定できる）。その後、同様に、二つの位相調整用電極の他方の位相調整用電極（例えば、図６の下側のエタロン）と、先に相関関係を取得した電流注入したのと同じ位相調整用電極側のエタロン（例えば、図６の上側のエタロン）への電流注入量によって、レーザ発振波長との相関関係を取得する。このとき、一方の位相調整用電極（例えば、図６の上側の位相調整用電極）および他方のエタロン（例えば、図６の下側のエタロン）へ電流注入をｏｆｆにして相関関係を取得する。この相関関係によりレーザの波長可変帯域が最大になる電流値を決定できる。

二つの位相調整用電極のいずれに電流を注入するかについては、アーム導波路に生じた位相ずれに基づいて決定することができる。アーム導波路の長さが設計値よりも長くなるように位相ずれが生じている場合、当該アーム導波路上に形成された位相調整用電極に電流を注入して導波路の長さが短くなるように位相を調整することが望ましい。電流を注入することで屈折率が小さくなるからである。他方、アーム導波路の長さが設計値よりも短くなるように位相ずれが生じている場合、当該アーム導波路と異なるアーム導波路上に形成された位相調整用電極に電流を注入して短いアーム導波路の長さに合わせるように位相を調整することが望ましい。また、位相ずれは２つのアーム導波路の相対的な長さの差であるため、いずれか一方の位相調整用電極に電流を注入することで、位相ズレを解消することができるが、少ない注入電流量で位相ズレを解消できるようにいずれか一方の位相調整用電極を選択することが望ましい。

いったん位相調整電極への最適電流量（本実施形態ではたとえば３ｍＡ）が決定されば、波長可変動作には変化させる必要がなく（固定電流でよく）、波長可変動作の複雑化や量産性を低下させるものではない。

本実施形態は、長さの等しいエタロンが配置された対称ＭＺＩ構造のため、位相ずれに対するトレランスは大きいが、同様に２×２光カプラとギャップミラーとを接続する光導波路に位相調整用電極を形成しても、位相ずれが補償可能となり、高反射ミラーからの反射光の向上と歩留りを向上させる。また、本実施形態の位相調整用電極を、高反射ミラー（４３４，４３５）側のアーム導波路に形成すると、高反射ミラー側のアーム導波路間の位相ずれが補償可能となり、本実施形態と同様に高反射ミラーからの反射光の向上、すなわち波長可変動作の安定化と光出力の向上が可能となる。

なお、本実施形態では、２×２光カプラ４３３に２つの対称ＭＺＩ（４３１，４３２）を並列に接続してマイケルソン干渉計を構成している。２×２光カプラ４３３と２つの対称ＭＺＩ（４３１，４３２）とは、等しい長さの光導波路で接続されている。しかしながら、これらの光導波路長もまた製造誤差が生じ、これより位相ずれが生じる。図４に示す光カプラ４３３の利得領域４１０へ接続されるポートおよび出力ポート１へ出力されるスペクトルの関係もまた、図９，１０，１１と同様になる。したがって、本実施形態では、２×２光カプラ４３３と２つの対称ＭＺＩ（４３１，４３２）とを接続する各光導波路上に位相調整電極４５２，４５３を設け、当該光導波路長の差によって生じる位相ずれを補償している。位相調整電極４５２，４５３の長さも、最大でπの位相変化が得られるように設計すれば十分である。

（実施形態２）
図１２に、実施形態２に係る半導体波長可変レーザ１２００が備える半導体波長可変フィルタ（フィルタ領域４３０’）を示す。図１２に示す半導体波長可変フィルタは、利得領域および位相調整領域（図示しない）とともに実施形態２に係る半導体波長可変レーザ１２００を構成する。従来技術である非特許文献１の構成では、異なるＦＳＲを有するリング共振器を２つ直列接続し、バーニア効果により波長可変帯域を拡大している。実施形態１に係る半導体波長可変レーザ４００においても、図１２のようにＭＺＩを直列接続することが可能である。実施形態１で説明したように、２つの２×２光カプラのうちの一方の２×２光カプラと前記第１のミラーとの間に、屈折率変化による位相調整手段（４４８，４４９，４５０，４５１）を形成して、製造誤差により生じる位相ずれを補償するようにしている。

第１のＭＺＩ４３１及び第２のＭＺＩ４３２のＦＳＲをそれぞれＦＳＲ１及びＦＳＲ２とすると、フィルタ領域４３０’の波長可変帯域Δλ’は、非特許文献１に示されているようにバーニア効果により、

と表せる。比較のため、図７にΔλ’とΔλを記載する。式（２）と比較すると、実施形態１では、複数ピークを有するフィルタ素子を直列接続した場合に比べて２倍の波長可変帯域を可能としている。実施形態１では、ＦＳＲ１を４００ＧＨｚ、ＦＳＲ２を４４４ＧＨｚ、Ｍを１０、Ｎを９とすると、波長可変帯域Δλは８０００ＧＨｚ（６４ｎｍ）となるが、図１２に示すバーニア効果のみを用いた場合の波長可変帯域Δλ’は４０００ＧＨｚ（３２ｎｍ）となり、実施形態１の構成により実施形態２の２倍の波長可変性能を得ることが可能である。しかしながら、実施形態２の半導体波長可変フィルタによっても、従来のリング共振器を用いた波長可変フィルタと比較して広い波長可変帯域が得られる。通常、バーニア効果で大きな波長可変帯域を得るには、式（７）より、Ｍ（またはＮ）を大きくする、またはＦＳＲを大きくする必要がある。ＦＳＲを大きくするには、式（１）よりファブリペローエタロンの長さＬを小さく、あるいはリング共振器の場合は共振器の長さ（曲率一定のリング共振器の場合、その長さは２πＲとなる。Rは曲げ半径）を小さくすればよい。しかし、リング共振器を構成する曲がり導波路の曲げ半径には下限があり、本実施形態で使用する半導体ハイメサ光導波路の場合、曲げ半径を１０μｍ程度より小さくすると急激に光損失が増加する。したがって、リング共振器のＦＳＲは、それを構成する光カプラの長さも考慮すると７００ＧＨｚ程度に上限がある。一方、ファブリペローエタロンの場合、単純な直線導波路で構成されるため、曲げ半径による制約はない。したがって、リング共振器のＦＳＲを超える１０ＴＨｚのＦＳＲも実現できる。ファブリペローエタロンと位相調整領域の導波路とにそれぞれ屈折率制御用の電極を形成することで半導体波長可変レーザの正確な発振波長制御が簡便に実現できることを留意されたい。

バーニア効果で大きな波長可変帯域を得るためには、Ｍ（またはＮ）を大きくするか、ＦＳＲを大きくする必要があることは先に述べた。Ｍを増大させるためには、２つのＦＳＲの差を減少させる必要がある。その場合、２組のファブリペローエタロンの透過スペクトルの重なりが大きくなる。すなわちフィルタ領域からの反射スペクトルにおいて、メインピークと隣接ピークの反射率差ΔＲが減少する。ΔＲはフィルタ領域の波長選択性能、つまり波長可変レーザの副モード抑圧比（ＳＭＳＲ）を決定する重要なパラメータであり、波長可変域とトレードオフの関係にある。

図１３に、並列接続の実施形態１と、直列接続の実施形態２を比較するため、反射率差ΔＲとＭの関係を計算で求めた結果を示す。計算では光導波路の損失を５ｄＢ／ｃｍ、カプラの損失を０．５ｄＢ、ＦＳＲ１を４００ＧＨｚとして求めた。図１３より明らかなように、同じＭに対して、実施形態１は、実施形態２に比べてΔＲが向上する。これは、２×２光カプラ４２３に位相と振幅の差に応じて放射導波路側にも光が出力され、透過ピーク波長以外の光は利得領域４１０への結合効率の低下が生じるためである。これにより、メインピークと隣接ピークの反射率差ΔＲが直列接続の実施形態２と比較して向上し、副モード抑圧比が改善する。すなわち、実施形態１では、波長可変帯域が倍になるとともに、高ＳＭＳＲの波長可変レーザが実現できる。実施形態１では、ΔＲを１．２ｄＢとしてＳＭＳＲが４０ｄＢ以上を得ることができ、従来技術である非特許文献１と比較しても、広い波長可変帯域かつ高ＳＭＳＲの波長可変レーザが作製できる。

（実施形態３）
図１４に、本発明の実施形態３に係る半導体波長可変レーザを示す。実施形態３に係る半導体波長可変レーザ１４００は、利得領域４１０、フィルタ領域４３０”、及び位相調整領域４２０を備え、フィルタ領域４３０”は、２つの２×２光カプラの間に接続された２本のアーム導波路内にそれぞれ異なるＦＳＲを有するファブリペローエタロンを配置したＭＺＩ４３１’を備える。２本のアーム導波路は、ファブリペローエタロンを構成するミラー間を接続する光導波路の長さが異なるので、ＭＺＩ４３１’は非対称ＭＺＩである。しかし、２×２光カプラとミラーとを接続する光導波路の長さは２本のアーム導波路で等しい。

このような構成により、実施形態１と同様に、ファブリペローエタロンの透過光の位相を利用することで波長可変帯域を単純なバーニア効果を用いた実施形態２と比較して２倍に増大させることが可能となる。さらに、用いるファブリペローエタロンの数が半分になり、素子面積の縮小が可能である。さらには波長可変に必要な電力も半分になる。また、レーザ共振器内の光カプラの数は、実施形態１で５個、実施形態３で２個となり、光カプラによる光損失を低減できる。

本実施形態では、２つのファブリペローエタロンを並列に２つの２×２光カプラに接続しているが、接続する光導波路の長さは二つのアーム導波路間で等しい。しかし、例えば長さL２のファブリペローエタロンと一方の２×２光カプラとの間に

の長さＬ_Phaseの光導波路を付与することで不等長としても透過光の位相差を用いた波長可変域の拡大効果が期待できる。ここで、L１、Ｌ２はそれぞれファブリペローエタロンの長さ、Kは正の整数である。

本実施形態に係る半導体波長可変レーザ１３００は、実施形態１及び２と同様に、ファブリペローエタロン部分にリッジ導波路構造を用いて作製することができるが、他にハイメサ導波路や、コア層の両横が半導体で埋め込まれた埋め込み型導波路やリブ型導波路なども考えられる。

最後に、本実施形態では、ＩｎＰ系の化合物半導体を用いることができるが、ＧａＡｓ系や石英系、あるいはＳｉとＳｉＯ₂やポリイミドなどで構成されるシリコン細線導波路でも利得媒質を集積すれば同様に実現できる事を付記しておく。また、本実施形態では、電流注入による屈折率変化を用いることができるが、電圧や熱や圧力による屈折率変化を用いても、波長可変動作を得ることができる。

上述したように、本実施形態では、非対称ＭＺＩを用いた構成のため、エタロンからの反射光は、反射ポート１へ少なからず漏れる。したがって、実施形態１および２の対称ＭＺＩを用いた構成と比較して、位相調整用電極４４８，４４９による効果は高い。

４００，１２００，１４００半導体波長可変レーザ
４１０利得領域
４２０位相調整領域
４３０，４３０’，４３０” フィルタ領域（「半導体波長可変フィルタ」に相当）
４３１第１のＭＺＩ
４３２第２のＭＺＩ
４３３，４３６，４３７，４３８，４３９２×２光カプラ
４３４，４３５、４２５高反射ミラー
４４８，４４９，４５０，４５１，４５２，４５３位相調整電極（「位相調整手段」に相当）

Claims

２つの２×２光カプラの間に２本のアーム導波路が接続され、
各アーム導波路は、
前記２つの２×２光カプラのうちの一方の２×２光カプラのポートのうちの前記２つの２×２光カプラのうちの他方の２×２光カプラ側の出力ポートに接続された第１のミラーと、
前記第１のミラーと所定の長さの光導波路により接続され、前記他方の２×２光カプラの入力ポートに接続された第２のミラーと
を有するファブリペローエタロンを備え、
前記他方の２×２光カプラの出力ポートに高反射ミラーが設けられ、
前記一方の２×２光カプラと前記第１のミラーとの間または前記他方の２×２光カプラと前記第２のミラーとの間に、屈折率変化による位相調整手段が形成されていることを特徴とする半導体波長可変フィルタ。
前記２本のアーム導波路は、前記第１のミラーと前記第２のミラーを接続する前記光導波路の前記所定の長さが異なり、
前記一方の２×２光カプラと前記第１のミラーとを接続する光導波路、および、前記第２のミラーと前記他方の２×２光カプラを接続する光導波路の長さが等しいことを特徴とする請求項１記載の半導体波長可変フィルタ。
第１及び第２の半導体波長可変フィルタが２×２光カプラに並列に接続され、当該第１及び第２の半導体波長可変フィルタと前記２×２光カプラとを接続する光導波路に屈折率変化による位相調整手段が形成され、
各半導体波長可変フィルタは、請求項１記載の半導体波長可変フィルタであって、前記２本のアーム導波路がそれぞれ備えるファブリペローエタロンの構造が同一であり、
前記第１の半導体波長可変フィルタにおいて、前記第１のミラーと前記第２のミラーとを接続する前記光導波路の前記所定の長さは第１の長さであり、
前記第２の半導体波長可変フィルタにおいて、前記第１のミラーと前記第２のミラーとを接続する前記光導波路の前記所定の長さは前記第１の長さと異なる第２の長さであることを特徴とする半導体波長可変フィルタ。
第１及び第２の半導体波長可変フィルタが２×２光カプラに直列に接続され、
各半導体波長可変フィルタは、請求項１記載の半導体波長可変フィルタであって、前記２本のアーム導波路の構造が同一であり、
前記第１の半導体波長可変フィルタの前記他方の２×２光カプラの前記出力ポートは、高反射ミラーの代わりに前記第２の半導体波長可変フィルタの前記一方の２×２光カプラの入力ポートに接続されており、
前記第１の半導体波長可変フィルタにおいて、前記第１のミラーと前記第２のミラーとを接続する前記光導波路の前記所定の長さは第１の長さであり、
前記第２の半導体波長可変フィルタにおいて、前記第１のミラーと前記第２のミラーとを接続する前記光導波路の前記所定の長さは前記第１の長さと異なる第２の長さであることを特徴とする半導体波長可変フィルタ。
前記位相調整手段は、電流注入用電極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半導体波長可変フィルタ。
前記電流注入用電極は、変調する位相量が最大でπとなる長さを有することを特徴とする請求項５に記載の半導体波長可変フィルタ。
利得領域と、
前記利得領域からの光に対する波長選択機能を有するフィルタ領域と、
前記利得領域と前記フィルタ領域との間の位相調整領域と
を備える半導体波長可変レーザであって、
前記フィルタ領域は、請求項１ないし６のいずれかに記載の半導体波長可変フィルタで構成されていることを特徴とする半導体波長可変レーザ。
半導体波長可変フィルタを有する半導体波長可変レーザの調整方法であって、前記半導体波長可変フィルタは、
２つの２×２光カプラの間に２本のアーム導波路が接続され、
各アーム導波路は、
前記２つの２×２光カプラのうちの一方の２×２光カプラのポートのうちの前記２つの２×２光カプラのうちの他方の２×２光カプラ側の出力ポートに接続された第１のミラーと、
前記第１のミラーと所定の長さの光導波路により接続され、前記他方の２×２光カプラの入力ポートに接続された第２のミラーと
を有するファブリペローエタロンを備え、
前記他方の２×２光カプラの出力ポートに高反射ミラーが設けられ、
前記一方の２×２光カプラと前記第１のミラーとの間または前記他方の２×２光カプラと前記第２のミラーとの間に、屈折率変化による位相調整手段が形成され、
前記方法は、
前記位相調整手段のいずれか一方と当該一方の位相調整手段側のファブリペローエタロンを駆動してレーザ発振波長との相関関係を求めることと、
前記位相調整手段のいずれか他方と前記一方の位相調整手段側のファブリペローエタロンを駆動してレーザ発振波長との相関関係を求めることと、
レーザ発振波長の可変帯域が最大となるように、前記位相調整手段のいずれかを駆動することと、
前記ファブリペローエタロンを駆動して所望のレーザ発振波長を得ることと
を備えることを特徴とする方法。