JP5772989B2 - レーザ素子 - Google Patents

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Description

本発明は、リング共振器を含むレーザ素子に係わる。
近年、光インターコネクト技術の発展に伴って、低コスト化に適した集積光トランシーバの実現が望まれている。そのような集積光トランシーバを実現する技術の１つとして、シリコン（Ｓｉ）フォトニクス技術が注目されている。例えば、シリコン基板上にIII−Ｖ族化合物半導体で発光素子を形成し、シリコン導波路型フィルタで発振モードを制御する外部共振器型レーザが提案されている。
図１および図２は、外部共振器型レーザの例を示す。図１に示す構成では、１組の反射器Ｒb、Ｒf間で発振が生じる。また、図２に示す構成においては、半導体光増幅器（ＳＯＡ：Semiconductor Optical Amplifier）からシリコン導波路へ出力される光は、リング共振器Ｒ１、Ｒ２を経由してＳＯＡに戻ってくる。そして、シリコン導波路から戻ってきた光は、反射器Ｒbで反射され、再びシリコン導波路へ出力される。これにより、発振が生じる。なお、図１および図２に示す外部共振器型レーザにおいては、生成されるレーザ光の波長は、リング共振器Ｒ１、Ｒ２の共振波長で決定される。
図１に示す構成に関連する技術は、例えば、特許文献１に記載されている。また、図２に示す構成に関連する技術は、例えば、特許文献２に記載されている。さらに、他の関連技術が特許文献３に記載されている。
特開２００６−２４５３４４号公報 特開２００９−２０００９１号公報 特開２００８−３４６５７号公報
図１および図２に示す構成では、単一発振モードの条件を満たすためには、半径の異なるリング共振器Ｒ１、Ｒ２の共振波長を精密に制御する必要がある。このため、温度変化などに起因してリング共振器の共振波長がシフトすると、発振特性が劣化するおそれがある。
図１および図２に示す構成では、レーザ光は、ＳＯＡから出射される。このため、たとえば、半導体基板上のデバイスにレーザ光を供給する場合、光軸アライメントが必要であり、不便である。
図１に示す構成では、例えば、反射器Ｒfをハーフミラーで実現することにより、半導体基板上でレーザ光を得ることも可能である。ただし、この場合、出力レーザ光は、リング共振器Ｒ１、Ｒ２で生じる損失の影響を受ける。このため、この構成では、効率的に高出力のレーザ光を生成することは困難である。
本発明の目的は、効率よく高出力のレーザ光を生成するレーザ素子を提供することである。
本発明の１つの態様のレーザ素子は、第１および第２の光端面を有する光増幅器と、前記光増幅器の第１の光端面から出力される光を反射する第１の反射器と、リング共振器と、前記リング共振器に光学的に結合する入力光導波路と、前記リング共振器に光学的に結合する反射器光導波路と、前記反射器光導波路を伝搬する光を反射する第２の反射器と、出力光導波路と、第１の光カプラ、第２の光カプラ、および前記第１の光カプラと前記第２の光カプラとの間に形成される１組の光導波路を含む遅延干渉計と、を有する。前記光増幅器の第２の光端面と前記第１の光カプラの１つのポートとが光学的に接続される。前記第２の光カプラの１つのポートと前記入力光導波路とが光学的に接続される。前記第２の光カプラの他のポートと前記出力光導波路とが光学的に接続される。
上述の態様によれば、効率よく高出力のレーザ光を生成するレーザ素子が提供される。
外部共振器型レーザの一例を示す図である。 外部共振器型レーザの他の例を示す図である。 実施形態のレーザ素子の構成を示す図である。 半導体基板に形成される光導波路の構造を示す断面図である。 レーザ発振について説明する図である。 リング共振器およびブラッグ反射器の特性を示す図である。 図６に示す状態に対応する透過スペクトルを示す図である。 反射帯域幅を広くしたときに得られる透過スペクトルを示す図である。 リング共振器、ブラッグ反射器、遅延干渉計の特性を示す図である。 所望波長に対して反射帯域がシフトしたケースを説明する図である。 図１０に示す３つのスペクトルの和を示す図である。 ブラッグ反射器の反射帯域幅を広くした状態を示す図である。 反射帯域幅が広い場合において、所望波長に対して反射帯域がシフトしたケースを説明する図である。 図１３に示す３つのスペクトルの和を示す図である。 遅延干渉計の温度を制御する構成について説明する図である。 温度制御に対する波長可変量の関係を示す図である。 実施形態のレーザ素子を有する光送信器の構成を示す図である。 実施形態のレーザ素子を有する光送信器の他の構成を示す図である。
図３は、実施形態のレーザ素子の構成を示す図である。実施形態のレーザ素子１は、光増幅器１１、反射器１２、リング共振器２１、入力光導波路２２、反射器光導波路２３、ブラッグ反射器２４、出力光導波路２５、遅延干渉計３０を有する。リング共振器２１、入力光導波路２２、反射器光導波路２３、ブラッグ反射器２４、出力光導波路２５、遅延干渉計３０は、半導体基板２の上に形成される。半導体基板２の材料は、特に限定されるものではないが、この実施例では、シリコン（Ｓｉ）である。また、リング共振器２１、入力光導波路２２、反射器光導波路２３、ブラッグ反射器２４、出力光導波路２５、遅延干渉計３０は、外部共振器として動作する。
光増幅器（ＳＯＡ：Semiconductor Optical Amplifier）１１は、特に限定されるものではないが、この実施例では、ＩｎＰ系の半導体光増幅器である。また、光増幅器１１は、２つの光端面（第１の光端面および第２の光端面）を有する。第１の光端面から出力される光は、反射器１２に導かれる。反射器１２は、例えば、全反射ミラーである。そして、反射器１２からの反射光は、光増幅器１１の第１の光端面に導かれる。光増幅器１１の第２の光端面から出力される光は、遅延干渉計３０の光カプラ３１に導かれる。また、遅延干渉計３０の光カプラ３１から出力される光は、光増幅器１１の第２の光端面に導かれる。すなわち、光増幅器１１の第２の光端面は、光カプラ３１のポートａ１に光学的に接続されている。
リング共振器２１は、円形に形成された光導波路によって実現される。リング共振器２１の形状は、レーザ素子１が生成するレーザ光の波長に基づいて設計される。例えば、１５５０ｎｍの波長を有するレーザ光を生成する場合には、リング共振器２１の半径は約８μｍである。ただし、リング共振器２１の形状は、必ずしも円形である必要はない。そして、リング共振器２１は、この実施例では、アド・ドロップ型リング共振器（ＡＤ−ＭＲＲ：add-drop type micro ring resonator）として動作する。
入力光導波路２２は、リング共振器２１に光学的に結合する。図３では、入力光導波路２２は、領域ｘにおいてリング共振器２１に光学的に結合している。なお、入力光導波路２２とリング共振器２１との間の光学的な結合は、入力光導波路２２とリング共振器２１との間のギャップを十分に小さくすることにより実現される。さらに、入力光導波路２２は、遅延干渉計３０の光カプラ３２のポートａ２に光学的に接続されている。
反射器光導波路２３は、リング共振器２１に光学的に結合する。図３では、反射器光導波路２３は、領域ｙにおいてリング共振器２１に光学的に結合している。なお、反射器光導波路２３とリング共振器２１との間の光学的な結合は、反射器光導波路２３とリング共振器２１との間のギャップを十分に小さくすることにより実現される。
ブラッグ反射器（ＤＢＲ：Distributed Bragg Reflector）２４は、反射器光導波路２３を伝搬する光を反射する。そして、反射器１２およびブラッグ反射器２４によって、レーザのキャビティが構成される。ブラッグ反射器２４は、グレーティング結合係数に基づいて決まる反射帯域を有する。
出力光導波路２５は、遅延干渉計３０の光カプラ３２のポートｂ２に光学的に接続されている。そして、レーザ素子１によって生成されるレーザ光は、出力光導波路２５を介して出力される。
遅延干渉計３０は、光カプラ３１、光カプラ３２、および光カプラ３１、３２間に形成される１組の光導波路３３、３４を有する。光カプラ３１は、２：２カプラであって、４つのポートａ１、ｂ１、ｃ１、ｄ１を有する。ポートａ１は、上述したように、光増幅器１１に光学的に接続されている。ポートｂ１は、この実施例では、オープンである。光カプラ３２は、２：２カプラであって、４つのポートａ２、ｂ２、ｃ２、ｄ２を有する。ポートａ２には、入力光導波路２２が光学的に接続されている。ポートｂ２には、出力光導波路２５が光学的に接続されている。
光カプラ３１のポートｃ１と光カプラ３２のポートｃ２との間には、光導波路３３が形成されている。光カプラ３１のポートｄ１と光カプラ３２のポートｄ２との間には、光導波路３４が形成されている。ここで、光導波路３３、３４の長さは互いに異なっている。この実施例では、光導波路３４の長さは、光導波路３３よりもＬDだけ長い。すなわち、遅延干渉計３０は、ポートｄ１、ｄ２間に長さＬDの遅延光導波路を有する構成である。
長さＬDは、リング共振器２１の周回長の半分である。ただし、長さＬDは、厳密にリング共振器２１の周回長の半分である必要はない。すなわち、この明細書において「半分」は、実質的に半分であることを意味し、誤差を含んでいてもよいものとする。
光カプラ３１、３２は、この実施例では、方向性結合器で実現される。ただし、光カプラ３１、３２は、他のデバイスで実現してもよい。すなわち、光カプラ３１、３２は、例えば、多モード干渉（ＭＭＩ：Multimode Interference）カプラで実現してもよい。
上記構成のレーザ素子１の光帰還作用は、反射器１２およびブラッグ反射器２４で構成されるファブリ・ペロー（Fabry-Perot）構造に基づく。この場合、縦モード間隔は、ファブリ・ペロー共振器長に基づいて決まる。
図４は、半導体基板２に形成される光導波路（リング共振器２１の光導波路、入力光導波路２２、反射器光導波路２３、出力光導波路２５、光導波路３３、３４）の断面構造を示す。なお、この実施例では、リング共振器２１の光導波路、入力光導波路２２、反射器光導波路２３、出力光導波路２５、光導波路３３、３４の構造は、互いに同じであるものとする。
光導波路は、図４に示すように、コア領域４１およびスラブ領域４２を有する。コア領域４１およびスラブ領域４２は、例えば、結晶シリコンで実現される。この実施例では、コア領域４１の幅は５００ｎｍ、高さは２５０ｎｍである。また、スラブ領域４２の厚さは５０ｎｍである。そして、コア領域４１およびスラブ領域４２は、クラッド領域４３により囲まれる。クラッド領域は、例えば、SiO2で実現される。
＜レーザ素子１の動作＞
レーザ素子１の動作の理解を容易にするために、まず、図５を参照しながら、レーザ光の生成について説明する。なお、光増幅器１１、反射器１２、リング共振器２１、反射器光導波路２３、ブラッグ反射器２４は、図３および図５において同じであるものとする。ただし、図５に示すレーザ素子は、図３に示す遅延干渉計３０を有していない。また、図５に示すレーザ素子においては、光導波路２６は、光増幅器１１に光学的に接続すると共に、リンク共振器２１に光学的に結合している。そして、生成されたレーザ光は、光導波路２６を介して出力される。
リング共振器２１の透過率は、図６において破線で示すように、波長に対して周期的にピークを有する。以下、リング共振器２１の透過率のピークを「共振透過ピーク」と呼ぶことがある。また、共振透過ピークが得られる波長を「ピーク波長」と呼ぶことがある。
共振透過ピークが得られる波長の周期は、リング共振器２１の光学的な周回長によって決まる。図６に示す例では、約１２ｎｍ間隔で共振透過ピークが得られている。なお、図６の横軸は、複数のピーク波長の中の１つの波長（以下、所望波長λMRR）を基準として、その所望波長λMRRとの差分Δλを表している。所望波長λMRRは、特に限定されるものではないが、例えば、最大の共振透過ピークが得られる波長である。
ブラッグ反射器２４は、グレーティング結合係数に基づいて決まる反射帯域を有する。すなわち、ブラッグ反射器２４の反射率は、入射光の波長に依存する。そして、レーザ素子は、上述の所望波長λMRRがブラッグ反射器２４において十分に反射されるように設計される。即ち、ブラッグ反射器２４は、複数の共振透過ピークの中から所望波長λMRRに対応するピークを選択するように設定される。この結果、光増幅器１１の利得が、キャビティ内の損失よりも高ければ、レーザ発振が発生する。
この場合、ブラッグ反射器２４の反射帯域幅は、複数の共振透過ピークの中から所望波長λMRRに対応するピークのみを選択するように、十分に狭いことが好ましい。しかし、ブラッグ反射器２４の反射帯域幅が狭いと、その反射帯域内に所望波長λMRRが配置されるようにレーザ素子を製造できないことがあり、製造歩留まりが悪くなってしまう。
図６に示す実線は、ブラッグ反射器２４の反射特性を表している。図６に示す実施例では、ブラッグ反射器２４のグレーティング係数κDBRおよびグレーティング長ＬDBRは、それぞれκDBR＝２００ｃｍ-1、ＬDBR＝１８０μｍである。また、反射帯域の中心波長λDBRは、所望波長λMRRに対して約７ｎｍシフトしている。この結果、所望波長λMRRは、ブラッグ反射器２４の反射帯域内に配置されていない。
図７は、図６に示す状態に対応する透過スペクトルを示す。この透過スペクトルは、図６に示すリング共振器２１の透過特性およびブラッグ反射器２４の反射特性を合成することにより得られる。そして、この例では、所望波長λMRRよりも、隣りのピーク波長の損失の方が小さくなっている。すなわち、所望波長λMRRの光パワーよりも、隣接する共振透過ピークの光パワーの方が大きくなり得る。よって、レーザ発振が不安定になり、モードホップが発生するおそれがある。
この問題を解決するためには、例えば、ブラッグ反射器２４の反射帯域幅を広くする構成が考えられる。ブラッグ反射器２４の反射帯域幅を広くすれば、所望波長λMRRに対する反射帯域のシフトは許容される。すなわち、所望波長λMRRに対して反射帯域がシフトしても、所望波長λMRRは反射帯域内に配置される。
しかし、ブラッグ反射器２４の反射帯域幅を広くすると、所望波長λMRRだけでなく、不要な共振透過ピークについてもレーザ発振が発生するおそれがある。例えば、図８は、ブラッグ反射器２４の反射帯域幅を広くしたときに得られる透過スペクトルを示す。反射帯域幅を広くすると、図８に示すように、複数のピーク波長において損失が小さくなる。すなわち、所望波長λMRRだけでなく、不要な共振透過ピークについても光帰還作用を受けるおそれがある。したがって、この構成であっても、レーザ発振は不安定である。なお、図８に示す例では、κDBR＝６００ｃｍ-1、ＬDBR＝１５０μｍである。
上述のように、図５に示す構成では、ブラッグ反射器２４の反射帯域幅を狭くすると、所望波長λMRRの共振透過ピークを選択できないおそれがある。一方、ブラッグ反射器２４の反射帯域幅を広くすると、不要な共振透過ピークを選択してしまうおそれがある。そこで、実施形態のレーザ素子１は、図３に示すように、光増幅器１１とリング共振器２１との間に遅延干渉計３０を有する。
遅延干渉計３０は、以下の条件を満たすように設計される。
（１）所望波長λMRRに対してゼロでない所定の光結合率を有する
（２）所望波長λMRRに隣接するピーク波長に対して完全結合する
（３）遅延光導波路長ＬDは、リング共振器２１の周回長の半分
条件（１）を満たすためには、κcp1およびκcp2が互いに異なることが必要である。また、条件（２）を満たすためには、κcp1＋κcp2＝１が要求される。なお、κcp1は、光カプラ３１の結合係数を表し、κcp2は、光カプラ３２の結合係数を表す。
図９は、リング共振器２１、ブラッグ反射器２４、遅延干渉計３０の特性を示す。リング共振器２１の透過率は、波長に対して周期的にピークを有する。図９に示す例では、リング共振器２１により、約１２ｎｍ間隔で共振透過ピークＰ１〜Ｐ５が得られている。なお、以下の説明では、共振透過ピークＰ３が現れる波長を、所望波長λMRRと呼ぶ。すなわち、レーザ素子１は、複数の共振透過ピークの中から共振透過ピークＰ３を選択して出力する。また、図９においても、横軸は、所望波長λMRRを基準とする差分波長Δλを表している。
ブラッグ反射器２４は、グレーティング結合係数に基づいて決まる反射帯域ＤＢＲを有する。図９では、反射帯域ＤＢＲの中心波長は、共振透過ピークＰ３の波長（すなわち、所望波長λMRR）と一致している。なお、図９においては、ブラッグ反射器２４のグレーティング係数およびグレーティング長は、それぞれκDBR＝２００ｃｍ-1、ＬDBR＝１５０μｍである。
遅延干渉計３０は、この実施例では、κcp1＝０．９、κcp2＝０．１で設計されている。また、リング共振器２１の半径をＲとすると、遅延光導波路長ＬDは、πＲである。この場合、遅延干渉計３０の分岐特性Ａｃｈは、図９において破線で示すように、波長に対して周期的に変化する。分岐特性Ａｃｈの周期は、リング共振器２１によって共振透過ピークが現れる周期の２倍である。なお、分岐特性Ａｃｈは、図３において、ポートＡおよびポートＢから出力される光波のパワーの和に対する、ポートＡから出力される光波のパワーの割合を表す。
分岐特性Ａｃｈは、図９に示す例では、所望波長λMRRに対して０．３５である。すなわち、遅延干渉計３０の分岐比Ａ：Ｂは、所望波長λMRRに対して３５：６５である。なお、分岐比Ａ：Ｂは、ポートＡから出力される光波のパワーとポートＢから出力される光波のパワーの比を表す。
所望波長λMRRに対する差分Δλが大きくなると、図９に示すように、分岐特性Ａｃｈは徐々に小さくなっていく。そして、共振透過ピークＰ２、Ｐ４が得られる波長に対して、分岐特性Ａｃｈはゼロである。すなわち、遅延干渉計３０の分岐比Ａ：Ｂは、共振透過ピークＰ２、Ｐ４が得られる波長に対して０：１００である。この場合、共振透過ピークＰ２、Ｐ４の波長成分は、ポートＡを介してリング共振器２１に導かれることはない。
ただし、差分Δλがさらに大きくなると、図９に示すように、分岐特性Ａｃｈは徐々に大きくなっていく。そして、共振透過ピークＰ１、Ｐ５が得られる波長に対して、分岐特性Ａｃｈは０．３５である。
上記構成のレーザ素子１において、リング共振器２１により、共振透過ピークＰ１〜Ｐ５が生成される。実際には、より多くの共振透過ピークが生成されるが、共振透過ピークＰ１〜Ｐ５以外のピークについては省略する。また、ブラッグ反射器２４の反射帯域ＤＢＲは、図９に示す例では、共振透過ピークＰ３の波長（すなわち、所望波長λMRR）と一致している。このため、共振透過ピークＰ３は、ブラッグ反射器２４によって、高い反射率で反射される。さらに、遅延干渉器３０の分岐特性Ａｃｈは、所望波長λMRRに対してゼロではない。すなわち、共振透過ピークＰ３の波長成分は、遅延干渉器３０からポートＡを介してリング共振器２１に導かれる。よって、所望波長λMRRについて、反射器１２およびブラッグ反射器２４により構成されるキャビティ内での損失よりも、光増幅器１１による利得の方が大きければ、共振透過ピークＰ３は発振する。これにより、所望波長λMRRのレーザ光が生成される。
これに対して、共振透過ピークＰ１、Ｐ２、Ｐ４、Ｐ５は、ブラッグ反射器２４において大きな損失を受ける。よって、共振透過ピークＰ１、Ｐ２、Ｐ４、Ｐ５は、発振することはない。すなわち、レーザ素子１は、不要なレーザ発振を防ぐことができる。なお、共振透過ピークＰ２、Ｐ４については、後で詳しく説明するが、他の要因によっても発振が抑制される。
上述の例では、光カプラ３１、３２の結合効率は、κcp1＝０．９、κcp2＝０．１で設計されている。ここで、光カプラ３１、３２の結合効率の比率を変更すると、遅延干渉計３０の分岐比Ａ：Ｂ（すなわち、遅延干渉器３０の分岐特性Ａｃｈ）が変化する。
例えば、光カプラ３１の結合効率κcp1を大きくし、光カプラ３２の結合効率κcp2を小さくすると、分岐特性Ａｃｈは大きくなる。この場合、所望波長λMRRに対して、反射器１２およびブラッグ反射器２４により構成されるキャビティ内での損失が小さくなるので、レーザ発振を実現するための光増幅器１１の利得閾値が低くなる。
一方、光カプラ３１の結合効率κcp1を小さくし、光カプラ３２の結合効率κcp2を大きくすると、分岐特性Ａｃｈは小さくなる。この場合、遅延干渉計３０のポートＢを介して出力される光波のパワーの比率が高くなるので、レーザ素子１は、高出力のレーザ光を生成しやすくなる。ただし、この場合、光増幅器１１の利得を高くすることが要求される。
このように、遅延干渉計３０の設計は、レーザ素子１の特性に影響を与える。したがって、光カプラ３１、３２の結合効率は、光増幅器１１の性能（例えば、利得）、およびレーザ素子１が生成するレーザ光についての要求（例えば、出力パワー）を考慮して適切に決定することが好ましい。
図１０は、所望波長λMRRに対して反射帯域ＤＢＲがシフトしたケースについて説明する図である。図１０に示す例では、所望波長λMRRに対して反射帯域ＤＢＲの中心波長が、短波長側に８ｎｍだけシフトしている。この場合、ブラッグ反射器２４の反射帯域ＤＢＲを利用して共振透過ピークＰ３のみを選択することは困難である。すなわち、反射帯域ＤＢＲは、例えば、共振透過ピークＰ２を抑制できない。
しかしながら、遅延干渉計３０の分岐特性Ａｃｈは、共振透過ピークＰ２、Ｐ４に対してゼロである。すなわち、共振透過ピークＰ２、Ｐ４の波長成分は、実質的に、遅延干渉計３０からポートＡへ出力されることはない。したがって、レーザ素子１において、共振透過ピークＰ２、Ｐ４が発振することはない。
共振透過ピークＰ１、Ｐ５に対しては、共振透過ピークＰ３と同様に、遅延干渉計３０の分岐特性Ａｃｈはゼロでない。よって、共振透過ピークＰ１、Ｐ５の波長成分は、遅延干渉計３０からポートＡへ出力され、さらにリング共振器２１を介してブラッグ反射器２４まで伝搬し得る。ところが、共振透過ピークＰ１、Ｐ５に対するブラッグ反射器２４の反射率は、図１０に示すように、共振透過ピークＰ３に対するブラッグ反射器２４の反射率よりも小さい。すなわち、キャビティ内において、共振透過ピークＰ１、Ｐ５に対する損失は、共振透過ピークＰ３と比較して大きくなる。したがって、レーザ素子１を下記のように設計すれば、共振透過ピークＰ１、Ｐ５の発振を防ぎながら、共振透過ピークＰ３を発振させることが可能である。なお、Loss(P3)は、キャビティ内における共振透過ピークＰ３の波長に対する損失を表す。Loss(P1,P5)は、キャビティ内における共振透過ピークＰ１、P５の波長に対する損失を表す。Ｇ(SOA)は、光増幅器１１の利得を表す。
Loss(P3)＜Ｇ(SOA)＜Loss(P1,P5)
図１１は、図１０に示す３つのスペクトルの和を示す。ここで、図１１に示す縦軸は、実質的に、レーザ素子１のキャビティ内の透過率に相当する。すなわち、図１０に示すケースでは、共振透過ピークＰ３の波長（すなわち、所望波長λMRR）において光パワーが最大となる。したがって、レーザ素子１は、所望波長λMRRに対して反射帯域ＤＢＲの中心波長がシフトしている場合であっても、所望波長λMRRにおいてのみレーザ発振を発生させることができる。ただし、所望波長λMRRに対する反射帯域ＤＢＲの中心波長のシフトは、リング共振器２１の自由スペクトラム幅（ＦＳＲ：Free Spectral Range）よりも小さいものとする。なお、リング共振器２１の自由スペクトラム幅は、共振透過ピークが現れる周期に相当し、図９〜図１０に示す実施例では、約１２ｎｍである。
図９〜図１０に示す実施例では、ブラッグ反射器２４の反射帯域幅は、リング共振器２１の自由スペクトラム幅よりも狭い。このため、図１０に示すように、所望波長λMRRに対して反射帯域ＤＢＲの中心波長がシフトすると、所望波長λMRRに対しても比較的大きな損失が発生する。
この問題は、ブラッグ反射器２４の反射帯域幅を広くすることによって解決される。一例としては、ブラッグ反射器２４の反射帯域幅は、リング共振器２１の自由スペクトラム幅よりも広く設定される。
図１２は、ブラッグ反射器２４の反射帯域幅を広くした状態を示す。なお、リング共振器２１および遅延干渉計３０の特性は、図９および図１２において互いに同じである。すなわち、リング共振器２１により共振透過ピークＰ１〜Ｐ５が生成される。また、遅延干渉計３０は分岐特性Ａｃｈを提供する。
ブラッグ反射器２４の反射帯域ＤＢＲの幅は、約２４ｎｍである。一方、リング共振器２１の自由スペクトラム幅は、約１２ｎｍである。すなわち、ブラッグ反射器２４の反射帯域ＤＢＲの幅は、リング共振器２１の自由スペクトラム幅の約２倍である。なお、図１２に示す反射帯域ＤＢＲは、ブラッグ反射器２４のグレーティング係数およびグレーティング長を、それぞれκDBR＝８００ｃｍ-1、ＬDBR＝５０μｍと設定することにより実現されている。
図１２に示すケースでは、共振透過ピークＰ２〜Ｐ４は反射帯域ＤＢＲの中に配置されているが、共振透過ピークＰ１、Ｐ５は反射帯域ＤＢＲの外に配置されている。よって、ブラッグ反射器２４において、共振透過ピークＰ２〜Ｐ４に対する損失は小さいが、共振透過ピークＰ１、Ｐ５に対する損失は大きい。したがって、レーザ素子１は、共振透過ピークＰ１、Ｐ５の発振を防ぐことができる。
また、遅延干渉計３０の分岐特性Ａｃｈは、共振透過ピークＰ２、Ｐ４に対してゼロである。すなわち、共振透過ピークＰ２、Ｐ４は、遅延干渉計３０において大きな損失を受けることになる。したがって、レーザ素子１は、共振透過ピークＰ２、Ｐ４の発振を防ぐことができる。このように、レーザ素子１は、所望波長λMRRのレーザ光のみを生成することができる。
図１３は、反射帯域幅が広い場合において、所望波長λMRRに対して反射帯域ＤＢＲがシフトしたケースについて説明する図である。図１３に示す例では、反射帯域ＤＢＲの中心波長が、所望波長λMRRに対して短波長側に８ｎｍだけシフトしている。なお、リング共振器２１および遅延干渉計３０の特性は、図１２および図１３において互いに同じである。また、ブラッグ反射器２４の反射帯域ＤＢＲの幅は、図１２および図１３において互いに同じである。
図１３に示す例では、共振透過ピークＰ２、Ｐ３は反射帯域ＤＢＲの中に配置されているが、共振透過ピークＰ１、Ｐ４、Ｐ５は反射帯域ＤＢＲの外に配置されている。このため、ブラッグ反射器２４において、共振透過ピークＰ２、Ｐ３に対する損失は小さいが、共振透過ピークＰ１、Ｐ４、Ｐ５に対する損失は大きい。したがって、レーザ素子１は、共振透過ピークＰ１、Ｐ４、Ｐ５の発振を防ぐことができる。
また、遅延干渉計３０の分岐特性Ａｃｈは、共振透過ピークＰ２に対してゼロである。すなわち、共振透過ピークＰ２は、遅延干渉計３０において大きな損失を受けることになる。したがって、レーザ素子１は、共振透過ピークＰ２の発振を防ぐことができる。このように、レーザ素子１は、所望波長λMRRに対して反射帯域ＤＢＲがシフトした場合であっても、所望波長λMRRのレーザ光のみを生成することができる。
図１４は、図１３に示す３つのスペクトルの和を示す。このように図１３に示すケースでは、共振透過ピークＰ３が現れる波長（すなわち、所望波長λMRR）において光パワーが最大となる。したがって、レーザ素子１は、所望波長λMRRに対して反射帯域ＤＢＲの中心波長がシフトしている場合であっても、所望波長λMRRにおいてのみレーザ発振を発生させることができる。
また、図１１および図１４を比較すると、図１１に示すケースよりも図１４に示すケースの方が、所望波長λMRRに対応するピークが高くなる。すなわち、ブラッグ反射器２４の反射帯域ＤＢＲの幅を広くすると、所望波長λMRRに対する損失が小さくなる。
このように、ブラッグ反射器２４の反射帯域幅を広くすると、レーザ素子１の製造工程において、所望波長λMRRに対する反射帯域ＤＢＲのズレについての許容範囲が大きくなるので、製造の歩留まりが向上する。さらに、ブラッグ反射器２４の反射帯域幅を広くした場合であっても、遅延干渉計３０を利用して不要な共振透過ピークに対して大きな損失を与えることができるので、レーザ発振が安定する。
ただし、ブラッグ反射器２４の反射帯域幅は、リング共振器２１の自由スペクトラム幅の３倍よりも小さいことが好ましい。この理由は、以下の通りである。
レーザ素子１において、遅延干渉計３０の分岐特性Ａｃｈの周期は、リング共振器２１の自由スペクトラム幅の２倍である。よって、遅延干渉計３０がある共振透過ピーク（以下、所望ピーク）を透過させる場合、所望ピークの隣りの共振透過ピークは遅延干渉計３０によって抑制されるが、所望ピークから２番目の共振透過ピークは遅延干渉計３０を透過する。例えば、共振透過ピークＰ３が所望ピークである場合、共振透過ピークＰ２、Ｐ４は遅延干渉計３０によって抑制されるが、共振透過ピークＰ１、Ｐ５の波長成分は、遅延干渉計３０のポートＡから出力されてブラッグ反射器２４まで伝搬する。
ここで、ブラッグ反射器２４の反射帯域幅がリング共振器２１の自由スペクトラム幅の３倍以上であるものとすると、所望波長λMRRに対する反射帯域ＤＢＲのズレがリング共振器２１の自由スペクトラム幅よりも小さい場合であっても、所望ピークから２番目の共振透過ピークが反射帯域ＤＢＲの中に配置されることがある。ここで、遅延干渉計３０は、所望ピークから２番目の共振透過ピークを透過させる。よって、この場合、所望ピークから２番目の共振透過ピークに波長は、発振するおそれがある。
したがって、実施形態のレーザ素子１においては、ブラッグ反射器２４の反射帯域幅はリング共振器２１の自由スペクトラム幅の３倍よりも小さいことが好ましい。この構成によれば、不要な発振が回避され、所望波長λMRRのレーザ光のみが生成される。
このように、実施形態の構成においては、ブラッグ反射器２４の反射帯域幅を広く（例えば、リング共振器２１の自由スペクトラム幅以上）設定することにより、製造歩留まりが向上する。
また、実施形態の構成においては、遅延干渉計３０の透過特性が波長に依存することを利用して、リング共振器２１で生成される不要な共振透過ピークが抑制される。よって、不要なレーザ発振を防ぐことができる。
更に、実施形態のレーザ素子１は、リング共振器２１に光学的に結合する光導波路（入力光導波路２２）とは別の光導波路（出力光導波路２５）を介してレーザ光を出力する。このため、出力レーザ光は、リング共振器２１（および、ブラッグ反射器２４）による過剰な損失を受けることはない。したがって、実施形態のレーザ素子１は、高い出力パワーのレーザ光を出力できる。
＜遅延干渉計の調整＞
実施形態のレーザ素子１においては、遅延干渉計３０の分岐特性とリング共振器２１の透過特性とが同期していることが好ましい。即ち、遅延干渉計３０の分岐特性Ａｃｈがピークとなる波長λAMZと、リング共振器２１により得られる共振透過ピークの１つに対応する所望波長λMRRとが互いに一致していることが好ましい。この場合、λAMZおよびλMRRは、以下の関係で表される。
Figure 0005772989
 ここで、ｎeqは、細線導波路の実効屈折率を表す。ｍAMZは、遅延干渉計３０の回折次数を表す。ＬMRRは、リング共振器２１の周回長（＝２πＲ）を表す。ｍMRRは、リング共振器２１の回折次数を表す。
式（１）および式（２）に示すように、「ＬD／ｍAMZ」及び／又は「ＬMRR／ｍMRR」を適切に決定することにより、λAMZおよびλMRRを互いに一致させることが出来る。ただし、場合によっては、λAMZおよびλMRRを互いに一致させようとすると、ＬDがＬMRRの半分よりも僅かに大きくまたは小さくなることも考えられる。この場合、遅延干渉計３０の自由スペクトラム幅が、リング共振器２１の自由スペクトラム幅の２倍から僅かにずれることになる。
ここで、リング共振器２１により生成される不要な共振透過ピークの発振を防ぐためには、そのピーク波長における遅延干渉計３０の分岐率が０：１００であることが好適である。しかし、そのピーク波長における遅延干渉計３０の分岐率が０：１００でなくても、ポートＡを介して出力される光パワーの比率が十分に小さければ、不要な共振透過ピークに対応する波長の発振を防ぐことができる。よって、遅延干渉計３０におけるＬDが、厳密にリング共振器２１の周回長の半分でなくても、レーザ素子１は、所望の波長のレーザ光のみを生成することができる。
実施形態のレーザ素子１は、遅延干渉計３０の光パス長を制御することによって、分岐特性Ａｃｈがピークとなる波長λAMZを調整する機能を有していてもよい。一例として、レーザ素子１は、遅延干渉計３０の光導波路の温度を制御することで、波長λAMZを調整する機能を有する。
図１５は、遅延干渉計３０の温度を制御する構成について説明する図である。図１５に示す例では、遅延干渉計３０の各アームにヒータ電極３５、３６が設けられている。ヒータ電極３５、３６は、それぞれ光導波路３３、３４の近傍に形成される。また、温度コントローラ３７は、ヒータ電極３５、３６に供給する電流を制御することにより、光導波路３３、３４の温度を制御する。温度コントローラ３７は、たとえば、出力光導波路２５または入力光導波路２２の光レベルをモニタしながら、光導波路３３、３４の温度を制御する。なお、温度コントローラ３７は、例えば、プロセッサおよびメモリを利用して実現される。
上アーム（すなわち、光導波路３３）の温度が上昇すると、遅延干渉計３０のフィルタスペクトルが短波長側へシフトする。一方、下アーム（すなわち、光導波路３４）の温度が上昇すると、遅延干渉計３０のフィルタスペクトルが長波長側へシフトする。フィルタスペクトルの変化量（ΔλAMZ）は以下の式で表される。
Figure 0005772989
 Δｎeqは、光導波路の屈折率の変化量を表す。ＬHeatは、ヒータ電極の長さを表す。
式（３）に示すように、ΔλAMZは、ＬHeatに比例する。すなわち、Δｎeqが一定であっても、ＬHeatを適切に決定することにより、所望のΔλAMZを得ることができきる。したがって、ヒータ電極３５、３６を長くすれば、温度変化に対して、遅延干渉計３０のフィルタスペクトルを大きくシフトさせることが可能である。
なお、ヒータ電極は、必ずしも上アームおよび下アームの双方に設ける必要はない。すなわち、レーザ素子１は、上アームおよび下アームの一方にヒータ電極を有する構成であってもよい。
ところで、温度変化を利用してブラッグ反射器２４の反射スペクトルを制御することも可能である。この場合、ブラッグ反射器２４の温度が上昇すると、反射スペクトルは長波長側へシフトする。反射スペクトルの変化量（ΔλDBR）は以下の式で表される。
Figure 0005772989
式（４）に示すように、ΔλDBRは、ブラッグ反射器２４の近傍に形成されるヒータ電極の長さとは関係がなく、屈折率変化の割合により決まる。よって、ブラッグ反射器２４の温度を制御しても、ブラッグ反射器２４の反射スペクトルを大きくシフトさせることは困難である。
図１６は、温度制御に対する波長可変量の関係を示す。この実施例では、遅延干渉器３０およびブラッグ反射器２４のヒータ電極の長さは、いずれも２００μｍである。
図１６に示すように、遅延干渉計３０においては、ヒータ電極３５、３６を利用して３０度の温度変化を与えれば、波長可変量ΔλAMZは約４０ｎｍ（±２０ｎｍ）である。すなわち、遅延干渉計３０のフィルタスペクトルは、温度制御を利用して大きくシフトさせることが可能である。したがって、製造ばらつき等によって、遅延干渉計３０のフィルタスペクトルが所望の発振波長からずれていても、温度制御を行えば、遅延干渉計３０のフィルタスペクトルを所望の発振波長に調整することができる。
これに対して、ブラッグ反射器２４においては、３０度の温度変化を与えたときに、波長可変量ΔλDBRは約３．５ｎｍである。したがって、製造ばらつき等によって、ブラッグ反射器２４の反射スペクトルのずれが大きくなると、ブラッグ反射器２４の反射スペクトルの中心波長を所望の発振波長に調整することは困難である。しかしながら、実施形態のレーザ素子１においては、ブラッグ反射器２４の反射帯域幅は広い。例えば、図１２に示す例では、反射帯域幅は、２０ｎｍ以上である。よって、ブラッグ反射器２４の反射スペクトルの中心波長が数ｎｍシフトしても、その反射スペクトル内に所望の発振波長が配置される。
このように、遅延干渉計３０の製造ばらつきは、温度制御によって補償される。また、ブラッグ反射器２４の製造ばらつきは、反射帯域幅を広くすることによって許容される。したがって、実施形態のレーザ素子１は、安定したレーザ発振を提供できる。
＜製造方法＞
実施形態のレーザ素子１の製造方法について、図４を参照しながら説明する。この実施例では、ＳＯＩウェハを利用してレーザ素子が形成される。ＳＯＩウェハは、Si基板２の上面に、SiO2層およびSiコア層が形成される。この例では、Siコア層の膜厚は、２５０ｎｍである。そして、光露光プロセスによって導波路ストライプ構造をパターニングする。光半導体導波路パターンは、光露光装置のフォトマスクにより規定される。この場合、光露光の代わりに、電子ビーム露光を用いてもよい。
描画されたパターンに対してドライエッチング（たとえば、反応性イオンエッチングなど）を行い、スラブ領域の高さが約５０ｎｍのリブ導波路構造を形成する。その後、蒸着装置などを用いて、導波路ストライプパターンをSiO2膜で被覆する。これにより、実施形態のレーザ素子１の外部共振フィルタが完成する。
なお、ヒータ電極は、導波路ストライプの上側のSiO2膜のさらに上面に、膜厚１００〜５００ｎｍ程度のＴｉ薄膜を形成することで実現される。ヒータ電極に電流を供給するための配線は、例えば、アルミニウム材料で形成される。
半導体基板上に光増幅器（ＳＯＡ）１１および外部共振フィルタをハイブリッド実装すれば、実施形態のレーザ素子１が完成する。なお、光増幅器１１と外部共振フィルタとの間は、光ファイバ等を用いて光学的に接続してもよい。
＜光送信器＞
図１７は、実施形態のレーザ素子１を有する光送信器の構成を示す。図１７に示す光送信器５０は、レーザ素子１−１〜１−４、光変調器５１−１〜５１−４、マルチプレクサ５２を有する。
各レーザ素子１−１〜１−４は、図３に示すレーザ素子１により実現される。ただし、レーザ素子１−１〜１−４が生成するレーザ光の波長λ１〜λ４は、互いに異なる。レーザ素子１−１〜１−４により生成されるレーザ光は、それぞれ光変調器５１−１〜５１−４に導かれる。
各光変調器５１−１〜５１−４は、AP-MRR（All-pass Micro Ring Resonator）変調器である。すなわち、各光変調器は、リング導波路およびそのリング導波路の近傍に形成された信号電極を有する。そして、光変調器は、信号電極に与えられたデータ信号で入力レーザ光を変調し、変調光信号を生成する。したがって、光変調器５１−１〜５１−４により、互いに波長の異なる変調光信号が生成される。マルチプレクサ５２は、光変調器５１−１〜５１−４に生成される複数の変調光信号を多重化する。これにより、複数の変調光信号を含むＷＤＭ光信号が生成される。
上記構成において、レーザ素子１−１のリング共振器および光変調器５１−１のリング導波路は、互いに同じ構造であり、その周回長も互いに同じである。ここで、レーザ素子１−１のリング共振器および光変調器５１−１のリング導波路は、同じ製造プロセスで同時に形成されるので、構造および周回長を互いに同じにすることは容易である。したがって、レーザ素子１−１のリング共振器および光変調器５１−１のリング導波路は、互いに同じ共振波長を有する。同様に、レーザ素子１−２〜１−４のリング共振器および光変調器５１−２〜１−４のリング導波路は、それぞれ、互い同じ構造であり、互いに同じ共振波長を有する。
波長λ１〜λ４は、例えば、２００ＧＨｚ間隔で配置される。この場合、各リング共振器および各リング導波路は、例えば、以下のように形成される。
Ｒ１＝８μｍ
Ｒ２＝Ｒ１−δＲ、Ｒ３＝Ｒ２−δＲ、Ｒ４＝Ｒ３−δＲ
δＲ＝８ｎｍ
Ｒ１は、レーザ素子１−１のリング共振器および光変調器５１−１のリング導波路の半径を表す。同様に、Ｒ２〜Ｒ４は、それぞれ、レーザ素子１−２〜１−４のリング共振器および光変調器５１−２〜５１−４のリング導波路の半径を表す。
上記構成において、レーザ共振器内で光帰還作用を実現するためには、遅延干渉計のフィルタスペクトルの中心波長のシフト、およびブラッグ反射器の反射スペクトルの中心波長のシフトは、互いに同期することが好ましい。このための構成は、例えば、ブラッグ反射器のグレーティング回折格子の周期Λを調整することで実現される。この場合、ブラッグ反射器のグレーティング回折格子の周期Λは、以下のように設定される。
Λ１＝３００．６μｍ
Λ２＝Λ１−δΛ、Λ３＝Λ２−δΛ、Λ４＝Λ３−δΛ
δΛ＝０．３１１ｎｍ
Λ１〜Λ４は、それぞれ、レーザ素子１−１〜１−４のブラッグ反射器のグレーティング回折格子の周期を表す。なお、各レーザ素子１−１〜１−４のブラッグ反射器のグレーティング結合係数およびグレーティング長は、例えば、κ＝６００ｃｍ-1、Ｌ＝１５０μｍである。
上記構成において、δＲおよびδΛを調整することにより、ＷＤＭの周波数間隔を変えることができる。例えば、レーザ光を４００ＧＨｚ間隔で配置する場合には、δＲおよびδΛは、それぞれ約１６ｎｍ、約０．６２２ｎｍに設定される。
図１８は、実施形態のレーザ素子１を有する光送信器の他の構成を示す。図１８に示す光送信器６０は、光送信器５０と同様に、レーザ素子１−１〜１−４、光変調器５１−１〜５１−４、マルチプレクサ５２を有する。ただし、光送信器６０においては、マルチプレクサ５２は、レーザ光λ１〜λ４を合波する。マルチプレクサ５２の出力光は、バス光導波路に導かれる。光変調器５１−１〜５１−４は、それぞれバス光導波路に光学的に結合している。そして、光変調器５１−１〜５１−４は、それぞれ対応する波長のレーザ光を変調する。これにより、複数の変調光信号を含むＷＤＭ光信号が生成される。

Claims (8)

  1. 第１および第２の光端面を有する光増幅器と、
    前記光増幅器の第１の光端面から出力される光を反射する第１の反射器と、
    リング共振器と、
    前記リング共振器に光学的に結合する入力光導波路と、
    前記リング共振器に光学的に結合する反射器光導波路と、
    前記反射器光導波路を伝搬する光を反射する第２の反射器と、
    出力光導波路と、
    第１の光カプラ、第２の光カプラ、および前記第１の光カプラと前記第２の光カプラとの間に形成される１組の光導波路を含む遅延干渉計と、を有し、
    前記光増幅器の第２の光端面と前記第１の光カプラの１つのポートとが光学的に接続され、
    前記第２の光カプラの１つのポートと前記入力光導波路とが光学的に接続され、
    前記第２の光カプラの他のポートと前記出力光導波路とが光学的に接続されている
    ことを特徴とするレーザ素子。
  2. 前記第１および第２の光カプラの結合係数は互いに異なり、且つ、前記第１および第２の光カプラの結合係数の和は１である
    ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ素子。
  3. 前記遅延干渉計の１組の光導波路の光パス長の差分は、前記リング共振器の周回長の半分である
    ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ素子。
  4. 前記第２の反射器は、ブラッグ反射鏡である
    ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ素子。
  5. 前記ブラッグ反射鏡の反射帯域幅は、前記リング共振器の自由スペクトラム幅の３倍よりも小さい
    ことを特徴とする請求項４に記載のレーザ素子。
  6. 前記ブラッグ反射鏡の反射帯域幅は、前記リング共振器の自由スペクトラム幅よりも大きい
    ことを特徴とする請求項４に記載のレーザ素子。
  7. 前記遅延干渉計の１組の光導波路の少なくとも一方の近傍に形成されるヒータ電極と、
    前記入力光導波路または前記出力光導波路において検出される光パワーに基づいて、前記ヒータ電極に供給する電流を制御するコントローラと、をさらに有する
    ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ素子。
  8. 第１および第２の光端面を有する光増幅器と、
    前記光増幅器の第１の光端面から出力される光を反射する第１の反射器と、
    リング共振器と、
    前記リング共振器に光学的に結合する入力光導波路と、
    前記リング共振器に光学的に結合する反射器光導波路と、
    前記反射器光導波路を伝搬する光を反射する第２の反射器と、
    出力光導波路と、
    第１の光カプラ、第２の光カプラ、および前記第１の光カプラと前記第２の光カプラとの間に形成される１組の光導波路を含む遅延干渉計と、
    前記出力光導波路に光学的に接続されたリング変調器と、を有し、
    前記光増幅器の第２の光端面と前記第１の光カプラの１つのポートとが光学的に接続され、
    前記第２の光カプラの１つのポートと前記入力光導波路とが光学的に接続され、
    前記第２の光カプラの他のポートと前記出力光導波路とが光学的に接続されている
    前記リング共振器の光学的な周回長および前記リング変調器の光学的な周回長は、互いに同じである
    ことを特徴とする光送信器。
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