JP5692388B2 - 外部共振器型半導体レーザ素子及び光素子 - Google Patents

Description

本発明は、外部共振器型半導体レーザ素子、及び外部共振器型半導体レーザ素子に用いられる光素子に関する。

光インターコネクト技術の進展に伴い、低コスト化に適する光集積入出力インタフェースの実現が望まれている。光集積入出インタフェースの低コスト化を図ることが可能な技術の候補として、シリコンフォトニクス技術が注目されている。シリコンは間接遷移型半導体であるため、シリコンを用いた発光素子の発光効率は、ＩｎＰ系化合物半導体を用いた発光素子の発光効率と比べて低い。従って、発光素子の活性材料としてシリコンを用いることは、発光効率の点で好ましくない。

ＩｎＰ系の高効率の発光素子（半導体光増幅器）をシリコン基板上にハイブリッド集積した外部共振器型半導体レーザ素子が注目されている。このレーザ素子においては、ＩｎＰ系発光素子に光学的に結合したシリコン導波路フィルタによって発振モードが制御される。

特開２００６−２４５３４４号公報 特開２００９−２０００９１号公報

外部共振器型半導体レーザ素子の一例について説明する。半導体光増幅器からの出力光が導入される光導波路に、１段目のリング共振器が結合する。１段目のリング共振器のドロップポートに２段目のリング共振器が結合し、２段目のリング共振器のドロップポートに全反射鏡が配置される。光導波路、リング共振器等は、シリコン基板上に形成される。この構成では、半導体光増幅器の一対の端面のうち、光導波路に結合していない方の端面から、光が取り出される。このため、シリコン基板上に形成した光回路と、半導体光増幅器との光軸調整が必要になる。

１段目または２段目のリング共振器のスルーポートを出力ポートとして、光を取り出すことも可能である。この場合には、出力ポートは、シリコン基板上に形成された光導波路で構成されるため、同一の基板上に集積した他の光回路と、出力ポートとの接続は容易である。ただし、半導体光増幅器と出力ポートとの間にリング共振器が配置されるため、出力光がリング共振器の損失の影響を受けてしまう。従って、この構成は、高出力化に適さない。

また、２段目のリング共振器のドロップポートからの光を、半導体光増幅器に戻すことによっても、外部共振器型半導体レーザ素子が構成される。この構成では、半導体光増幅器の端面から光を取り出さなければならない。従って、シリコン基板上に形成した光回路と、半導体光増幅器との光軸調整が必要になる。

以下に説明する実施例による外部共振器型半導体レーザ素子は、
光増幅器と、
前記光増幅器に光学的に結合するリング共振器と、
光の経路内に、前記リング共振器及び前記光増幅器を含む光共振器を構成する第１及び第２の反射器と、
出力光導波路と、
前記光共振器内で、前記光増幅器から前記リング共振器に向かって導波する光の一部を、前記出力光導波路に分岐させる光カプラと
を有する。

以下に説明する他の実施例による光素子は、
入力ポート、出力ポート、及びカップリングポートを含む光カプラと、
前記光カプラの入力ポートに接続された入力光導波路と、
入力ポート及びドロップポートを含み、前記光カプラの出力ポートに入力ポートが接続されたリング共振器と、
前記リング共振器のドロップポートに出力された光を反射して、前記リング共振器に再入力させる反射器と、
前記光カプラの出力ポートに接続された出力光導波路と
を有する。

光共振器内を導波する光の一部を、光カプラで分岐させることにより、高い出力を得ることができる。

図１Ａは、実施例１による外部共振器型レーザ素子の平面図であり、図１Ｂは、実施例１で用いられる光カプラの平面図であり、図１Ｃは、光カプラの他の構成例を示す平面図である。 図２Ａは、実施例１による外部共振器型レーザ素子の光回路内の光導波路の断面図であり、図２Ｂは、分布ブラッグ反射器の平面図である。 図３Ａは、実施例１による外部共振器型レーザ素子の平面図であり、図３Ｂ〜図３Ｅは、外部共振器型レーザ素子の光導波路の種々の箇所から出射される光のスペクトルを示すグラフである。 図４Ａは、実施例１及び比較例による外部共振器型レーザ素子の注入電流と出力パワーとの関係を示すグラフであり、図４Ｂは、比較例による外部共振器型レーザ素子の平面図である。 図５は、光カプラの結合係数と、結合長との関係を、光導波路間隔ごとに示すグラフである。 図６は、光カプラの結合係数の波長依存性を示すグラフである。 光カプラの結合係数の波長依存性、半導体光増幅器の利得スペクトル、リング共振器の透過スペクトル、及び分布ブラッグ反射器の反射スペクトルの関係の一例を示すグラフである。 光カプラの結合係数の波長依存性、半導体光増幅器の利得スペクトル、リング共振器の透過スペクトル、及び分布ブラッグ反射器の反射スペクトルの関係の他の例を示すグラフである。 図９は、実施例２による光素子の平面図である。 図１０は、外部共振器型レーザ素子の共振波長、及びオールパス型リング変調器の動作波長の温度依存性を示すグラフである。 図１１は、実施例２による光素子の平面図である。

［実施例１］
図１Ａに、実施例１による外部共振器型半導体レーザ素子の平面図を示す。外部共振器型半導体レーザ素子は、半導体光増幅器２０及び光回路３０を含む。

半導体光増幅器２０として、例えばＩｎＰ系光増幅器が用いられる。ＩｎＰ系の半導体光増幅器２０は、１．５５μｍ近傍で最大の利得を有するように設計されている。半導体光増幅器２０の一方の端面（出射端面）に、光回路３０が結合し、他方の端面（反射端面）に、高反射膜２１が形成されている。半導体光増幅器２０内の光導波路２２は、出射端面の法線に対して基板面内方向に７°傾斜している。光導波路２２を出射端面に対して傾斜させることにより、出射端面での反射光が光導波路２２に帰還されることを抑制している。

光回路３０は、例えば、シリコン基板上の酸化シリコン膜の上に形成されたシリコンからなるリブ導波路構造を有する。半導体光増幅器２０の出射端面から出射した光は、光回路３０の入力光導波路３１に導入される。半導体光増幅器２０と光回路３０とは、例えば、ゲル状のマッチングオイルを介して接続される。入力光導波路３１は、光回路３０の基板の端面の法線に対して基板面内方向に１５°傾斜している。半導体光増幅器２０内の光導波路２２の傾斜角と、光回路３０の入力光導波路３１の傾斜角とが異なるのは、両者の実効屈折率の相違に基づく。

入力光導波路３１が、２入力２出力の光カプラ３２の入力ポート３２Ａに接続される。光カプラ３２は、入力ポート３２Ａの他に、アイソレーションポート３２Ｂ、出力ポート３２Ｃ、及びカップリングポート３２Ｄを有する。出力ポート３２Ｃに第１の光導波路３３が接続され、カップリングポート３２Ｄに出力光導波路３４が接続されている。

図１Ｂに、光カプラ３２の平面図を示す。光カプラ３２には、例えば２本の光導波路が近接配置された構造を持つ方向性結合器が用いられる。ほぼ直線状の一方の光導波路が、入力ポート３２Ａと出力ポート３２Ｃとを接続する。他方の光導波路が、アイソレーションポート３２Ｂとカップリングポート３２Ｄとを接続する。図１Ｂでは、入力ポート３２Ａと出力ポート３２Ｃとを接続する光導波路を直線状にし、アイソレーションポート３２Ｂとカップリングポート３２Ｄとを接続する光導波路の一部を湾曲させたが、図１Ｃに示すように、両方の光導波路の一部を湾曲させてもよい。

入力ポート３２Ａに入力された光の一部は出力ポート３２Ｃに出力され、他の一部は、カップリングポート３２Ｄに出力される。入力ポート３２Ａに入力される光のパワーをＰｉとし、カップリングポート３２Ｄに出力される光のパワーをＰｃとし、光カプラ３２の結合係数をＫとすると、Ｋ＝Ｐｃ／Ｐｉと定義される。方向性結合器３２内の光導波路の間隔Ｇ及び結合長Ｌを変化させることによって、所望の結合係数Ｋを実現することができる。

出力ポート３２Ｃに入力された光の一部は、入力ポート３２Ａに戻り、他の一部は、アイソレーションポート３２Ｂに出力される。

光カプラ３２として、方向性結合器に代えて、２入力２出力のマルチモード干渉（ＭＭＩ）型光カプラを用いてもよい。

図１Ａに戻って説明を続ける。第１の光導波路３３に、リング状光導波路３５が光学的に結合している。リング状光導波路３５に、さらに、第２の光導波路３６が光学的に結合している。第１の光導波路３３を入力側の光導波路とし、第２の光導波路３６を出力側の光導波路とする、リング共振器３８が構成される。

リング共振器３８の入力ポート３８Ｃが、光カプラ３２の出力ポート３２Ｃに接続される。リング共振器３８のスルーポート３８Ａは、例えば光吸収材料等により終端されている。リング共振器３８のドロップポート３８Ｂに、分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）３７が接続されている。分布ブラッグ反射器３７は、ドロップポート３８Ｂに出力された光の一部を、リング共振器３８に再入射させる。図１Ａでは、リング状光導波路３５を円形とした例を示したが、レーストラック型にしてもよい。

半導体光増幅器２０の端面に形成された高反射膜２１を一方の反射器とし、分布ブラッグ反射器３９を他方の反射器とするファブリペロー型光共振器が構成される。この光共振器内の光の経路には、半導体光増幅器２０、光カプラ３２、及びリング共振器３８が含まれる。光カプラ３２、リング共振器３８、分布ブラッグ反射器３９等による損失よりも、半導体光増幅器２０の利得の方が大きいという条件が満たされれば、レーザ発振が生ずる。

レーザ発振した光の一部は、光カプラ３２を介して、出力光導波路３４に導波される。出力光導波路３４を導波する光は、光回路３０から外部に出力される。光回路３０と同一の基板上に、後段の光素子が形成されている場合には、出力光導波路３４を導波する光は、後段の光素子に入力される。光回路３０と、後段の光素子とが、同一の基板上に形成されるため、光軸調整等を行うことなく、光回路３０と後段の光素子とを、容易に接続することができる。

図２Ａに、光回路３０内の光導波路の断面図を示す。シリコン基板４０の上に、埋込酸化膜４１が形成されている。埋込酸化膜４１の上に、シリコン層４２が形成されている。シリコン層４２の一部分は、高さが２５０ｎｍのコア層４２Ａとされ、他の領域は、厚さ５０ｎｍのスラブ層４２Ｂとされている。コア層４２Ａにより、図１Ａに示した入力光導波路３１、光カプラ３２、第１の光導波路３３、出力光導波路３４、リング状導波路３５、第２の光導波路３６、及び分布ブラッグ反射器３９が構成される。入力光導波路３１、光カプラ３２内の光導波路、第１の光導波路３３、出力光導波路３４、リング状導波路３５、及び第２の光導波路３６となるコア層４２Ａの幅は、５００ｎｍである。

コア層４２Ａ及びスラブ層４２Ｂの上に、酸化シリコン等からなる被覆層４４が形成されている。

以下、光回路３０の製造方法について説明する。まず、シリコン基板４０、埋込酸化膜膜４１、及びシリコン層４２が形成されたＳＯＩウエハを準備する。加工前のシリコン層４２の厚さは０．２５μｍである。通常のフォトリソグラフィプロセスにより、コア層４２Ａとなる領域以外のシリコン層４２をエッチングする。エッチングの深さは０．２μｍとする。シリコン層４２のエッチングには、例えば反応性イオンエッチングを適用することができる。これにより、コア層４２Ａ及びスラブ層４２Ｂが形成される。なお、フォトリソグラフィに代えて、電子ビーム露光プロセスを適用してもよい。被覆層４４の形成には、例えば真空蒸着を適用することができる。

図２Ｂに、分布ブラッグ反射器３９の平面図を示す。幅５００ｎｍの等幅の光導波路の側面から側方に突出した突起３９Ａにより、回折格子が形成されている。１．５５μｍ帯の光を反射する場合には、回折格子の周期Ｐｄを、例えば３００ｎｍにする。突起３９Ａの幅（光の導波方向の寸法）Ｗｄは、例えば３０ｎｍ〜１５０ｎｍである。突起３９Ａの突出長Ｌｄは、例えば１００ｎｍである。回折格子の繰り返し回数Ｎは、例えば２００回である。このとき、分布ブラッグ反射器３９の長さＬａは６０μｍになる。

図３Ａ〜図３Ｅを参照して、実施例１による外部共振器型レーザ素子の光回路３０内の光導波路の端部から出力される光強度について説明する。図３Ａに、光強度の測定に用いた試料の平面図を示す。以下、図３Ａと、図１Ａとの相違点について説明する。図３Ａに示した試料では、リング共振器３８のスルーポート３８Ａが、光回路３０の基板の縁まで延ばされている。同様に、ドロップポート３８Ｂとは反対側に、光導波路が、基板の縁まで延ばされている。さらに、分布ブラッグ反射器３９の後側の端部に連続する光導波路も、基板の縁まで延ばされている。その他の構成は、図１Ａに示した外部共振器型レーザ素子の構成と同一である。

出力導波路３４の出射端から出力される光のスペクトルＩａを図３Ｂに示す。分布ブラッグ反射器３９を透過した光のスペクトルＩｂを図３Ｃに示す。リング共振器３８の第２の光導波路３６のうち、ドロップポート３８Ｂとは反対側の端部から出力される光のスペクトルＩｃを図３Ｄに示す。リング共振器３８のスルーポート３８Ａから出力される光のスペクトルＩｄを図３Ｅに示す。

リング共振器３８によって、複数の共振モードが現れる。リング共振器３８のフリースペクトラルレンジ（ＦＳＲ）は、約１２ｎｍであった。分布ブラッグ反射器３９によって、複数の共振モードから１つの共振モードが選択される。光カプラ３２の、１．５５μｍ帯における結合係数Ｋは約０．５とした。半導体光増幅器２０への注入電流は、発振閾値の１．２倍とした。

図３Ｃ及び図３Ｅに示したスペクトルＩｂ、Ｉｄに、複数の共振モードに対応するピークが現れている。この複数の共振モードから、波長約１５５５ｎｍの共振モードが選択されていることがわかる。図３Ｂ及び図３Ｄに示したスペクトルＩａ、Ｉｃには、選択された波長１５５５ｎｍの共振モードに対応するピークのみが現れている。

スペクトルＩａのピーク強度が、他のスペクトルＩｂ、Ｉｃ、Ｉｄのピーク強度に比べて、約３０ｄＢ程度高いことがわかる。また、スペクトルＩａにおいて、約４０ｄＢ程度のモード抑圧比が得られている。このように、光共振器内でレーザ発振した光の一部を、光カプラ３２で分岐させて外部に取り出す構成は、高出力化に有効であることがわかる。

実施例１では、光カプラ３２が、半導体光増幅器２０とリング共振器３８との間に配置されている。このため、半導体光増幅器２０で増幅された高強度の光が、リング共振器３８による損失を被ることなく外部に出力される。このように、高出力化を図るために、半導体光増幅器２０からリング共振器３８に向かって導波される光の一部を、光カプラ３２によって分岐させることが好ましい。

図４Ａに、実施例１による外部共振器型レーザ素子の注入電流と出力パワーとの関係を、比較例による外部共振器型レーザ素子と比較して示す。横軸は、注入電流を単位「ｍＡ」で表し、縦軸は、出力パワーを単位「ｄＢｍ」で表す。

図４Ｂに、比較例による外部共振器型レーザ素子の平面図を示す。比較例による外部共振器型レーザ素子は、図１Ａに示した実施例１による外部共振器型レーザ素子から、光カプラ３２及び出力光導波路３４を取り除いたものと同一の構成を有する。比較例による外部共振器型レーザ素子においては、リング共振器３８のスルーポート３８Ａから出力される光のパワーを測定した。

図４Ａの実線ａ及び破線ｂが、それぞれ実施例１及び比較例による外部共振器型レーザ素子の出力特性を示す。実施例１による外部共振器型レーザ素子の出力パワーは、注入電流の全域において、比較例による外部共振器型レーザ素子の出力パワーより大きい。このように、実施例１による光カプラ３２を経由して出力を取り出すことにより、高出力が得られることがわかる。

次に、図５〜図８を参照して、半導体光増幅器２０の利得スペクトルと、光カプラ３２の結合係数Ｋの波長依存性との関係について説明する。

図５に、光カプラ３２の結合長Ｌ（図１Ｂ）と、結合係数Ｋとの関係を示す。横軸は、結合長Ｌを単位「μｍ」で表し、縦軸は、結合係数Ｋを表す。図５の実線、点線、及び破線は、光カプラ３２内の導波路間隔Ｇ（図１Ｂ）が、それぞれＧ１、Ｇ２、Ｇ３のときの結合係数Ｋを示す。ここで、Ｇ１＜Ｇ２＜Ｇ３である。導波される光の波長は１．５５μｍとした。

結合長Ｌが０から長くなるに従って、結合係数Ｋが増加し、ある結合長Ｌにおいて極大値を示す。その後は、結合長Ｌが長くなるに従って、結合係数Ｋが減少し、ある結合長Ｌにおいて極小値を示す。このように、結合係数Ｋは、結合長Ｌが長くなるに従って、増加と減少とを交互に繰り返す。光カプラ３２の結合長Ｌと導波路間隔Ｇとを調整することにより、光カプラ３２の結合係数Ｋをほぼ０から１の範囲内で調整することができる。

また、同一の結合係数Ｋを実現するために、種々の結合長Ｌと導波路間隔Ｇとの組み合わせを採用することができる。例えば、結合係数Ｋを０．５に設定したい場合、図５に示した動作点Ａ１、Ｂ１、Ａ２、Ｂ２等に対応する結合長Ｌと導波路間隔Ｇを採用することができる。

図６に、結合係数Ｋの波長依存性を示す。横軸は、波長を単位「μｍ」で表し、縦軸は、結合係数Ｋを表す。図６の細い実線Ａ１、点線Ａ２、破線Ｂ１、及び太い実線Ｂ２は、それぞれ図５の動作点Ａ１、Ａ２、Ｂ１、Ｂ２で動作しているときの結合係数Ｋを示す。動作点Ａ１またはＡ２で動作している光カプラ３２は、結合係数Ｋの波長依存性を示すグラフの傾きが正になる。これに対し、動作点Ｂ１またはＢ２で動作している光カプラ３２は、結合係数Ｋの波長依存性を示すグラフの傾きが負になる。このように、結合係数Ｋの波長依存性を示すグラフの傾きを、正及び負のいずれにも設定することができる。

図７に、光カプラ３２の結合係数Ｋの波長依存性、半導体光増幅器２０の利得スペクトルＧａ、リング共振器３８の透過スペクトルＴ、及び分布ブラッグ反射器３９の反射スペクトルＲの一例を示す。リング共振器３８の透過スペクトルＴには、一定の波長間隔（ＦＳＲ）で複数のピークが現れる。分布ブラッグ反射器３９の反射スペクトルＲは、ある帯域幅で高い反射率を示し、その両側にサイドバンドが現れる。

通常は、反射スペクトルＲの帯域内で透過スペクトルＴがピークを示す波長λ１でレーザ発振する。半導体光増幅器２０は、波長λ１で最も利得が大きくなるように設計される。ところが、製造上のばらつきにより、図７に示したように、半導体光増幅器２０の利得が、波長λ１よりも長波長側で最大になる場合がある。このとき、透過スペクトルＴの、波長λ１のピークから、それよりも長波長側に隣接する波長λ２のピークに、モードホッピングし易くなる。

図７に示した例では、光カプラ３２の結合係数Ｋの波長依存性のグラフの傾きが正になるように設計された光回路３０を、半導体光増幅器２０に組み合わせる。結合係数Ｋが大きくなると、ファブリペロー型光共振器の損失が大きくなるため、レーザ発振し難くなる。すなわち、長波長側へのモードホッピングが生じにくくなる。

このように、光カプラ３２の結合係数Ｋの波長依存性によって、半導体光増幅器２０の利得スペクトルＧａに起因する長波長側へのモードホッピングの発生を抑制することができる。

図８に、光カプラ３２の結合係数Ｋの波長依存性、半導体光増幅器２０の利得スペクトルＧａ、リング共振器３８の透過スペクトルＴ、及び分布ブラッグ反射器２９の反射スペクトルＲの他の例を示す。図８に示した例では、半導体光増幅器２０の利得スペクトルＧａが、目標発振波長λ１よりも短い波長λ３の近傍において最大値を示している。この場合には、光カプラ３２の結合係数Ｋの波長依存性のグラフの傾きが負になるように設計された光回路３０を、半導体光増幅器２０に組み合わせる。これにより、半導体光増幅器２０の利得スペクトルＧａに起因する短波長側へのモードホッピングの発生を抑制することができる。

上記実施例１では、１．５５μｍ帯の光を出力する構成について説明したが、半導体光増幅器２０の材料、光素子の寸法を変えることにより、他の波長帯の光を出力するレーザ素子を構成することも可能である。

［実施例２］
図９に、実施例２による光素子の平面図を示す。実施例２による光素子は、レーザ部５０、変調部６０、及び多重化部７０を含む。レーザ５０は、４個の外部共振器型レーザ素子５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ、５０Ｄを含む。外部共振器型レーザ素子５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ、５０Ｄの各々は、図１Ａに示した実施例１による外部共振器型レーザ素子と同一の構造を有し、各素子の寸法のみが異なる。すなわち、外部共振器型レーザ素子５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ、５０Ｄの各々は、半導体光増幅器２０及び光回路３０を含む。４つの外部共振器型レーザ素子５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ、５０Ｄの光回路３０は、同一の基板８０の上に形成されている。

外部共振器型レーザ素子５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ、５０Ｄのリング状導波路３５の半径Ｒａ、Ｒｂ、Ｒｃ、Ｒｄは、相互に異なり、分布ブラッグ反射器３９の周期Ｐｄａ、Ｐｄｂ、Ｐｄｃ、Ｐｄｄも、相互に異なる。例えば、２００ＧＨｚの周波数間隔を持つ４波を実現する場合には、Ｒａ＝８μｍとし、Ｒｂ＝Ｒａ−δＲ、Ｒｃ＝Ｒｂ−δＲ、Ｒｄ＝Ｒｃ−δＲとする。ここで、δＲは、約８ｎｍである。また、Ｐｄａ＝３００．６ｎｍとし、Ｐｄｂ＝Ｐｄａ−δＰｄ、Ｐｄｃ＝Ｐｄｂ−δＰｄ、Ｐｄｄ＝Ｐｄｃ−δＰｄとする。ここで、δＰｄは約０．３１１ｎｍである。分布ブラッグ反射器３９の結合係数は約１５０ｃｍ^−１とし、回折格子の長さＬａ（図２Ｂ）は約１２０μｍとする。

４個の外部共振器型レーザ素子５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ、５０Ｄから出力される４波の周波数間隔を変えたい場合には、δＲ及びδＰｄを変えればよい。例えば、周波数間隔を４００ＧＨｚにしたい場合には、δＲを約１６ｎｍとし、δＰｄを約０．６２２ｎｍにすればよい。

変調部６０は、４個の変調器６０Ａ、６０Ｂ、６０Ｃ、６０Ｄを含む。変調器６０Ａ、６０Ｂ、６０Ｃ、６０Ｄは、それぞれ外部共振器型レーザ素子５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ、５０Ｄの出力光導波路３４に接続される。

変調器６０Ａ、６０Ｂ、６０Ｃ、６０Ｄの各々は、オールパス型リング共振器を含む。オールパス型リング共振器のコア層４２Ａ（図２Ａ）の上に、電極が形成されている。電極に電圧を印加してコア層４２Ａの屈折率を変化させることにより、変調器６０Ａ、６０Ｂ、６０Ｃ、６０Ｄの遮断帯域を変化させることができる。

変調器６０Ａ、６０Ｂ、６０Ｃ、６０Ｄのリング共振器の半径は、それぞれ外部共振器型レーザ素子５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ、５０Ｄのリング状導波路３５の半径Ｒａ、Ｒｂ、Ｒｃ、Ｒｄと同一である。このため、変調器６０Ａ、６０Ｂ、６０Ｃ、６０Ｄの動作波長は、それぞれ外部共振器型レーザ素子５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ、５０Ｄの発振波長に同期する。ここで、「動作波長が発振波長に同期する」とは、変調器６０Ａ、６０Ｂ、６０Ｃ、６０Ｄが、それぞれ外部共振器型レーザ素子５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ、５０Ｄの発振波長の光の透過及び遮断を制御することができることを意味する。

変調器６０Ａ、６０Ｂ、６０Ｃ、６０Ｄは、外部共振器型レーザ素子５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ、５０Ｄの光回路３０と同一の基板８０の上に形成されている。

多重化部７０は、例えば、アレー導波路回折格子（ＡＷＧ）型合波器で構成される。変調器６０Ａ、６０Ｂ、６０Ｃ、６０Ｄで変調された信号光が、それぞれＡＷＧ型合波器の４つの入力ポートに入力される。ＡＷＧ合波器は、入力された４波を合波して、出力ポートから出力する。

実施例２による光素子は、４つの波長の信号光を合波して出力するトランスミッタとして用いることができる。

外部共振器型レーザ素子５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ、５０Ｄのリング状導波路３５と、変調器６０Ａ、６０Ｂ、６０Ｃ、６０Ｄのオールパス型リング共振器とが、同一の基板８０の上に形成された構造の効果について説明する。

図１０に、実施例１による外部共振器型レーザ素子の共振波長、及びオールパス型リング変調器の動作波長の温度依存性の測定結果を示す。横軸は、基板温度を単位「℃」で表し、縦軸は、基板温度が２５℃のときの共振波長及び動作波長からの波長のシフト量を、単位「ｎｍ」で表す。

図１０中の実線は、実施例１による外部共振器型レーザ素子の共振波長の波長シフト量を示し、破線は、オールパス型リング変調器の動作波長の波長シフト量を示す。なお、外部共振器型レーザ素子の共振波長は、入力光導波路から白色光を入力し、分布ブラッグ反射器３９を透過した光のスペクトルから求めた。オールパス型リング変調器の動作波長は、白色光を入力したときの透過スペクトルから求めた。

外部共振器型レーザ素子の共振波長の波長シフト量は、０．０７６ｎｍ／℃であり、オールパス型リング変調器の動作波長の波長シフト量は、０．０７３ｎｍ／℃であった。このように、両者の差は非常に小さい。このため、基板温度が変化しても、外部共振器型レーザ素子の共振波長とオールパス型リング変調器の動作波長との同期を維持することができる。

実施例２では、４つの信号光を合波する光素子を示したが、合波する信号光の数は４に限られない。２または３の信号光を合波する構成としてもよいし、５以上の信号光を合波する構成としてもよい。

［実施例３］
図１１に、実施例３による光素子の平面図を示す。以下、実施例２との相違点について説明し、同一の構成については説明を省略する。実施例２では、レーザ部５０からの出力光が変調部６０で変調され、その後、多重化部７０で多重化された。実施例３においては、レーザ部５０からの出力光が、まず多重化部７０で多重化される。多重化された後、変更部６０で変調が行われる。

レーザ部５０及び多重化部７０の構成は、実施例２による光素子のレーザ部５０及び多重化部７０の構成と同一である。変調部６０は、カスケード接続された４個のオールパス型リング変調器６０Ａ、６０Ｂ、６０Ｃ、６０Ｄで構成される。オールパス型リング変調器６０Ａ、６０Ｂ、６０Ｃ、６０Ｄの半径は、それぞれ外部共振器型レーザ素子５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ、５０Ｄのリング状導波路３５の半径Ｒａ、Ｒｂ、Ｒｃ、Ｒｄと同一である。

実施例３による光素子も、実施例２と同様に、４つの波長の信号光を合波して出力するトランスミッタとして用いることができる。

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

２０ 半導体光増幅器
２１ 高反射膜（第１の反射器）
２２ 光導波路
３０ 光回路
３１ 入力光導波路
３２ 光カプラ
３２Ａ 入力ポート
３２Ｂ アイソレーションポート
３２Ｃ 出力ポート
３２Ｄ カップリングポート
３３ 第１の光導波路
３４ 出力光導波路
３５ リング状光導波路
３６ 第２の光導波路
３８ リング共振器
３８Ａ スルーポート
３８Ｂ ドロップポート
３８Ｃ 入力ポート
３９ 分布ブラッグ反射器
３９Ａ 突起
４０ シリコン基板
４１ 埋込酸化膜層
４２ シリコン層
４２Ａ コア層
４２Ｂ スラブ層
４４ 被覆層
５０ レーザ部
５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ、５０Ｄ 外部共振器型レーザ素子
６０ 変調部
６０Ａ、６０Ｂ、６０Ｃ、６０Ｄ オールパス型リング変調器
７０ 多重化部
８０ 基板

Claims (10)

1. 光増幅器と、
   前記光増幅器に光学的に結合するリング共振器と、
   光の経路内に、前記リング共振器及び前記光増幅器を含む光共振器を構成する第１及び第２の反射器と、
   出力光導波路と、
   前記光共振器内で、前記光増幅器から前記リング共振器に向かって導波する光の一部を、前記出力光導波路に分岐させる光カプラと
   を有する外部共振器型半導体レーザ素子。
2. 前記第２の反射器は、前記リング共振器のドロップポートに出力された光を反射する位置に配置され、分布ブラッグ反射器で構成されている請求項１に記載の外部共振器型半導体レーザ素子。
3. 前記光カプラは、結合係数が波長依存性を有する方向性結合器であり、
   前記リング共振器と前記第２の反射器とで特定される共振波長よりも長波長側において、前記光増幅器の利得が最大になり、前記光カプラは、前記共振波長よりも波長が長くなるに従って、結合係数が大きくなる特性を有する請求項２に記載の外部共振器型半導体レーザ素子。
4. 前記光カプラは、結合係数が波長依存性を有する方向性結合器であり、
   前記リング共振器と前記第２の反射器とで特定される共振波長よりも短波長側において、前記光増幅器の利得が最大になり、前記光カプラは、前記共振波長よりも波長が短くなるに従って、結合係数が大きくなる特性を有する請求項２に記載の外部共振器型半導体レーザ素子。
5. 前記リング共振器、前記光カプラ、前記第２の反射器、及び前記出力光導波路が、同一基板上に形成されている請求項１乃至４のいずれか１項に記載の外部共振器型半導体レーザ素子。
6. 前記基板の上に形成され、前記出力光導波路に結合するリング変調器をさらに有し、前記リング変調器の動作波長が、前記リング共振器の共振波長と同期している請求項５に記載の外部共振器型半導体レーザ素子。
7. 入力ポート、出力ポート、及びカップリングポートを含む光カプラと、
   前記光カプラの入力ポートに接続された入力光導波路と、
   入力ポート及びドロップポートを含み、前記光カプラの出力ポートに入力ポートが接続されたリング共振器と、
   前記リング共振器のドロップポートに出力された光を反射して、前記リング共振器に再入力させる反射器と、
   前記光カプラの出力ポートに接続された出力光導波路と
   を有する光素子。
8. 前記反射器は、分布ブラッグ反射器を含む請求項７に記載の光素子。
9. 前記リング共振器、前記光カプラ、前記反射器、及び前記出力光導波路が、同一基板上に形成されている請求項７または８に記載の光素子。
10. 前記基板の上に形成され、前記出力光導波路に接続されたリング変調器を、さらに有し、前記リング変調器の動作波長が、前記リング共振器の共振波長と同期している請求項９に記載の光素子。

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