JP6271464B2 - 光集積素子 - Google Patents

Description

本発明は、光導波路などの受動素子とレンズとを同一のチップ上に集積した光集積素子、または半導体レーザやフォトダイオードなどの能動素子とレンズとを同一のチップ上に集積した光集積素子に関するものである。

近年のブロードバンドネットワークの普及に伴い、コアネットワークや光アクセスなどでは高速、大容量化が必要とされている。それに伴い、光アクセスよりも比較的距離が短いネットワークシステム、例えばデータセンタ内などの光通信システムにおいては、光デバイスの小型化及び低コスト化が求められている。

これまでに、光源となるＬＤ（laser diode）と変調器（例えば、ＥＡ（electro absorption）変調器）とを同一のチップ上に集積することで小型化、低コスト化を実現する技術が検討された。さらに、光送信モジュールの低コスト化及び小型化を目指して、半導体レーザの出力光を光ファイバと結合するためのレンズを、半導体レーザと同一のチップ上に集積したものなどが検討されている（非特許文献１）。

篠田他、"レンズ集積技術を用いた１．３μｍ帯面型レーザおよびフォトダイオードの高効率ファイバ結合"，信学技報ＬＱＥ２００９−１５２，２００９

しかし、半導体レーザを作製する過程においては、加工精度の限界や作製誤差などの影響で、完成した半導体レーザはその特性にある程度のばらつきが生じる。この特性のばらつきにより、半導体レーザから出射した光ビームを同一のチップ上のレンズを通して外部に出射させたときに、レンズ出射後のビーム品質などにばらつきが生じてしまう可能性がある。その結果、レンズから出射した光を外部の光ファイバなどに入射させる際に所望のビーム形状とならなかったり、位置ずれが生じたりしてしまい、光ファイバとの光結合効率にばらつきが発生する可能性があった。

なお、以上のような問題は、半導体レーザとレンズとを同一のチップ上に集積した光集積素子に限らない。例えばフォトダイオードとレンズとを同一のチップ上に集積して、外部の光ファイバからの光をレンズを通してフォトダイオードに入射させる光集積素子、光導波路とレンズとを同一のチップ上に集積して、光導波路からの光をレンズを通して外部の光ファイバに入射させる光集積素子、あるいは光導波路とレンズとを同一のチップ上に集積して、外部の光ファイバからの光をレンズを通して光導波路に入射させる光集積素子においても、フォトダイオード、光導波路の加工精度の限界や作製誤差などの影響により同様の問題が発生する可能性があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、光ファイバなどの外部の光部品との光結合効率を向上させることができる光集積素子を提供することを目的とする。

本発明の光集積素子は、半導体基板上に形成された光導波路と、この光導波路の一方の端面に設けられ、前記光導波路からの光を前記半導体基板の一方の面方向に反射するか、もしくは前記半導体基板の一方の面からの光を反射して前記光導波路に入射させるミラーと、このミラーの上方または下方の前記半導体基板の一方の面に形成され、前記ミラーによって前記半導体基板の一方の面方向に反射した光を外部に出射するか、もしくは外部からの光を前記ミラーに入射させるレンズと、このレンズの周囲の半導体基板の一方の面に形成されたヒータ電極とを有することを特徴とするものである。
また、本発明の光集積素子の１構成例は、さらに、前記光導波路のミラーを有する出力側の端面と反対の入力側の端面に光を入射させる発光素子を、前記半導体基板上に有することを特徴とするものである。
また、本発明の光集積素子の１構成例において、前記発光素子は、光変調器として機能する半導体レーザである。
また、本発明の光集積素子の１構成例において、前記発光素子は、波長可変半導体レーザである。

また、本発明の光集積素子の１構成例は、さらに、前記光導波路のミラーを有する入力側と反対の出力側で前記光導波路を伝搬する光を受光して電流に変換する受光素子を、前記半導体基板上に有することを特徴とするものである。
また、本発明の光集積素子の１構成例は、さらに、前記光導波路を伝搬する光を増幅する光増幅器を、前記半導体基板上に有することを特徴とするものである。
また、本発明の光集積素子の１構成例は、前記レンズの周囲に単一の前記ヒータ電極を有することを特徴とするものである。
また、本発明の光集積素子の１構成例は、前記レンズの周囲に複数の前記ヒータ電極を有することを特徴とするものである。

本発明によれば、光導波路とミラーとレンズとを同一の半導体基板上に集積した光集積素子において、レンズの周囲の半導体基板の一方の面にヒータ電極を形成することにより、このヒータ電極でレンズの温度を変化させることでレンズの屈折率を制御することができ、レンズへ入出射する光ビームの特性や伝搬方向を制御することができるので、光ファイバなどの外部の光部品との光結合効率を向上させることができる。その結果、本発明では、光集積素子の加工精度の限界や作製誤差などの影響を削減することができる。

本発明の第１の実施の形態に係る光集積素子の平面図及び断面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る光集積素子の平面図である。 本発明の第３の実施の形態に係る光集積素子の平面図である。 本発明の第４の実施の形態に係る光集積素子の平面図及び断面図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について詳細に説明する。以下に説明する実施の形態は本発明の１例であり、本発明は、以下の実施の形態に制限されるものではない。

［第１の実施の形態］
図１（Ａ）は本発明の第１の実施の形態に係る光集積素子の平面図、図１（Ｂ）は図１（Ａ）の光集積素子のＩ−Ｉ線断面図である。本実施の形態の光集積素子は、発光素子である半導体レーザ１と、光導波路２と、ミラー３と、レンズ４とを同一のチップ上に集積したものであり、レンズ４の周囲にヒータ電極５を配置したものである。

半導体レーザ１は、下部クラッド層１０（半導体基板）と、下部クラッド層１０の上に形成された、光利得を有する活性導波路層（以下、活性層）１１と、活性層１１の上に形成された上部クラッド層１２と、上部クラッド層１２の上に形成された電極１３とから構成される。下部クラッド層１０の材料としては例えばｎ型ＩｎＰなどの半導体材料がある。活性層１１の材料としては例えばＩｎＧａＡｓＰなどの半導体材料がある。上部クラッド層１２の材料としては例えばｐ型ＩｎＰなどの半導体材料がある。

光導波路２は、下部クラッド層１０と、下部クラッド層１０の上に、活性層１１と接続するように形成されたコアとなる非活性導波路層（以下、非活性層）１４と、非活性層１４の上に形成された上部クラッド層１２とから構成される。

半導体レーザ１の活性層上部の電極１３から活性層１１に電流を注入することで、活性層１１内で光利得が生じ、レーザ発振を得ることができる。そして、半導体レーザ１から出力されたレーザ光は光導波路２を伝搬する。光導波路２の出力側（図１（Ａ）、図１（Ｂ）右側）の端面は、ある一定の角度に加工されていて、半導体レーザ１からのレーザ光を基板上面に出力するためのミラー３として機能する。一般に、半導体材料は大気に比べ屈折率が高いため、斜めに加工された光導波路２の端面は大気中で使用されることで十分にミラー３として機能する。もしくは、斜めに加工された光導波路２の端面に金属膜を成膜し、ミラー３としてもよい。

上部クラッド層１２の表面には、ミラー３によって反射されたレーザ光を集光もしくは平行光にするためのレンズ４が形成されている。このレンズ４は、例えば上部クラッド層１２を加工することによって作製される。ただし、半導体レーザは作製過程における加工精度の限界や作製誤差などの影響で、全ての半導体レーザで完璧に同じ特性を実現することは不可能に等しい。そのため、図１（Ａ）、図１（Ｂ）のように半導体レーザ１とレンズ４とを同一のチップ上に集積した光集積素子では、レンズ４からの出射光が所望のビーム特性を満たすことができない可能性がある。

そこで、本実施の形態では、レンズ４の周囲にヒータ電極５を配置し、ヒータ電極５の発熱によってレンズ４の温度を変化させることでレンズ４の屈折率を制御し、レンズ４から出射されるビームが所望の特性となるように制御することが可能となる。
ヒータ電極５の材料としては、例えば窒化チタン、タングステン、モリブデン、白金などがある。ヒータ電極５に電流を流すと、抵抗加熱で発熱する。この場合、ヒータ電極５に流す電流量を調整することで、ヒータ電極５の温度を制御することができ、レンズ４の温度を制御することができる。

以上のように、本実施の形態では、レンズ４の周囲に設置したヒータ電極５でレンズ４の温度を制御することで、半導体レーザ１の作製誤差などによるレンズ４からの出射光のばらつきを補正することができ、レンズ４からの出射光を受光する光ファイバとの光結合効率を改善することが可能となる。
なお、電極１３から活性層１１に注入する電流を変調すれば、レーザ光の強度を直接的に変調する直接変調レーザ（光変調器）として半導体レーザ１を機能させることができる。

［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。図２は本発明の第２の実施の形態に係る光集積素子の平面図であり、図１と同一の構成には同一の符号を付してある。
第１の実施の形態では、例えばレンズ４からの出射光を外部の光ファイバ（不図示）などに入射させる場合、光導波路２の端面のミラー３やレンズ４の作製誤差の影響で、出射光が所望の方向に出射されず、光ファイバの端面における位置ずれが生じ、光結合効率を低減させる要因となってしまう可能性がある。

そこで、本実施の形態では、図２に示すようにレンズ４の周囲に複数のヒータ電極５−１〜５−４を配置する。各ヒータ電極５−１〜５−４に流す電流量を個別に調整し、各ヒータ電極５−１〜５−４の温度を個別に制御して、レンズ４内部における屈折率分布を変化させることで、レンズ４の出射光の方向を制御することが可能となる。

例えば、レンズ４の材料としてＩｎＰ系の半導体材料を用いた場合、レンズ４の温度が２５℃から１００℃まで変化すると、屈折率は約０．５％上昇する。レンズ４の屈折率を０．５％変化させることで、レンズ４を出射してから１００μｍ伝搬後の地点でのビーム位置を約１μｍ動かすことができる。

その他の構成は第１の実施の形態で説明したとおりである。こうして、本実施の形態では、第１の実施の形態と比較して、光ファイバとの光結合効率をより適切に改善することが可能となる。

なお、第１、第２の実施の形態では、半導体レーザ１と光導波路２とミラー３とレンズ４とを同一の半導体基板上に集積した光集積素子について説明したが、半導体レーザ１は必須の構成要素ではない。すなわち、光導波路２とミラー３とレンズ４とを同一の半導体基板上に集積して、光導波路２からの光をミラー３およびレンズ４を通して外部の光ファイバに入射させる光集積素子、あるいは光導波路２とミラー３とレンズ４とを同一の半導体基板上に集積して、外部の光ファイバからの光をレンズ４およびミラー３を通して光導波路２に入射させる光集積素子に本発明を適用してもよい。

［第３の実施の形態］
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。図３は本発明の第３の実施の形態に係る光集積素子の平面図であり、図１、図２と同一の構成には同一の符号を付してある。本実施の形態の光集積素子は、波長可変半導体レーザである半導体レーザアレイ１ａと、半導体レーザアレイ１ａから出力された光を導波する光導波路アレイ２ａと、半導体レーザアレイ１ａから出力された光を合波する合波器６と、合波器６から出力された光を導波する光導波路７と、光導波路７の途中に設けられた光増幅器８と、ミラーと、レンズ４とを同一のチップ上に集積したものであり、レンズ４の周囲にヒータ電極５−１〜５−４を配置したものである。

本実施の形態が第１、第２の実施の形態と異なる点は、複数の半導体レーザが並列に形成された半導体レーザアレイ１ａを設けている点である。半導体レーザアレイ１ａ中の各半導体レーザは、それぞれ独立した活性層を有する導波路構造により構成されている。各半導体レーザの構造は、第１の実施の形態で説明した半導体レーザ１の構造と同様である。ただし、各半導体レーザは、それぞれ異なる波長でレーザ発振するように設計されている。

各半導体レーザの活性層上の上部クラッド層１２には、各半導体レーザの活性層ごとに電極１３が形成されている。したがって、どの半導体レーザを光らせるかを任意に選択することができ、どの半導体レーザを光らせるかを選択することにより、発振波長を変えることが可能となる。
各半導体レーザから出力される光は光導波路アレイ２ａによって導波される。光導波路アレイ２ａ中の各導波路の構造は、第１の実施の形態で説明した光導波路２の構造と同様である。

合波器６は、半導体レーザアレイ１ａから出力され光導波路アレイ２ａによって導波された光を合波する。
光導波路７は、合波器６から出力された光を導波する。この光導波路７の途中には、光増幅器８が設けられている。光増幅器８は、半導体レーザ１と同様に、光利得を有する活性層が下部クラッド層１０と上部クラッド層１２で挟み込まれた構成となっている。上部クラッド層１２の上には電極１５が形成されている。光増幅器８の活性層上部の電極１５から活性層に電流を注入することで、合波器６から出力された光を増幅する作用を得ることができる。

光導波路７の出力側（図３右側）の端面は、第１の実施の形態と同様に、ある一定の角度に加工されていて、光導波路７からのレーザ光を基板上面に出力するためのミラーとして機能する。第１の実施の形態と同様に、斜めに加工された光導波路７の端面に金属膜を成膜し、ミラーとしてもよい。
ミラーによって反射されたレーザ光を集光もしくは平行光にするためのレンズ４については、第１の実施の形態で説明したとおりである。

本実施の形態では、半導体レーザアレイ１ａ中の各半導体レーザの発振波長が違うことで、レンズ４からの出射光が所望のビーム特性を満たすことができない可能性がある。例えば、レンズ４からの出射光を外部の光ファイバ（不図示）などに入射させる場合、半導体レーザの発振波長が変化することで、出射光が所望の方向に出射されず、光ファイバの端面における位置ずれが生じ、光結合効率を低減させる要因となってしまう可能性がある。

そこで、本実施の形態では、第２の実施の形態と同様に、レンズ４の周囲に複数のヒータ電極５−１〜５−４を配置する。各ヒータ電極５−１〜５−４に流す電流量を個別に調整し、各ヒータ電極５−１〜５−４の温度を個別に制御して、レンズ４内部における屈折率分布を変化させることで、レンズ４の出射光の方向を制御することが可能となる。

例えば、レンズ４の材料としてＩｎＰ系の半導体材料を用いた場合、レーザの発振波長が０．１％変動すると、レンズ４からの出射光の角度は０．０８度変化する。それに対し、レンズ４の温度を２５℃から１００℃まで変化させると、屈折率は約０．５％上昇し、レンズ４から出射するビームの角度を約０．１度変化させることができる。したがって、本実施の形態によれば、レーザの波長変化による、レンズ４からの出射角の変動を十分に抑制することができる。

以上のように、本実施の形態では、レンズ４の周囲に設置したヒータ電極５−１〜５−４でレンズ４の温度を制御することで、波長可変半導体レーザの発振波長の違いによるレンズ４からの出射光のばらつきを補正することができ、レンズ４からの出射光を受光する光ファイバとの光結合効率を改善することが可能となる。

［第４の実施の形態］
次に、本発明の第４の実施の形態について説明する。図４（Ａ）は本発明の第４の実施の形態に係る光集積素子の平面図、図４（Ｂ）は図４（Ａ）の光集積素子のＩ−Ｉ線断面図であり、図１〜図３と同一の構成には同一の符号を付してある。第１〜第３の実施の形態では、半導体基板の表面にレンズ４とヒータ電極５，５−１〜５−４とを形成する例を挙げて説明したが、図４（Ａ）、図４（Ｂ）に示すように半導体基板の裏面（本実施の形態の例では下部クラッド層１０の下面）にレンズ４とヒータ電極５とを形成するようにしてもよい。

この場合には、光導波路２の端面の角度を第１の実施の形態と異なる角度にすることで、半導体レーザ１からのレーザ光を基板裏面に出力するためのミラー３として機能させることができる。第１の実施の形態と同様に、斜めに加工された光導波路２の端面に金属膜を成膜し、ミラーとしてもよい。

第１、第２の実施の形態で説明したとおり、半導体レーザ１は必須の構成要素ではなく、光導波路２とミラー３とレンズ４とを同一の半導体基板上に集積して、光導波路２からの光をミラー３およびレンズ４を通して外部の光ファイバに入射させる光集積素子、あるいは光導波路２とミラー３とレンズ４とを同一の半導体基板上に集積して、外部の光ファイバからの光をレンズ４およびミラー３を通して光導波路２に入射させる光集積素子に本実施の形態の構成を適用してもよい。
また、本実施の形態では、半導体基板の裏面にレンズ４とヒータ電極５とを形成する構成を第１の実施の形態に適用したが、第２、第３の実施の形態に適用してもよいことは言うまでもない。

なお、第１〜第４の実施の形態では、光導波路２，７や合波器６などの受動素子とミラー３とレンズ４とを同一の半導体基板上に集積した光集積素子、半導体レーザ１、半導体レーザアレイ１ａ、光増幅器８などの能動素子とミラー３とレンズ４とを同一の半導体基板上に集積した光集積素子について説明したが、これに限るものではない。

例えば受光素子であるフォトダイオードと光導波路２とミラー３とレンズ４とを同一の半導体基板上に集積して、外部の光ファイバからの光をレンズ４およびミラー３を通してフォトダイオードに入射させる光集積素子に本発明を適用してもよい。この場合には、図１、図４に示した半導体レーザ１の代わりにフォトダイオードを設けるようにすればよい。導波路型のフォトダイオードは、光吸収層のコアを下部クラッド層１０と上部クラッド層１２で挟んだ構造で実現できる。光ファイバからの光はレンズ４で集光され、ミラー３で反射されて光導波路２に入射する。この光導波路２を伝搬する光がフォトダイオードに入射することになる。

また、半導体レーザ１などの光源と能動素子である光変調器と光導波路２とミラー３とレンズ４とを同一の半導体基板上に集積して、光源からの光を光変調器で変調してレンズ４を通して外部の光ファイバに入射させる光集積素子に本発明を適用してもよい。この場合には、図１、図４に示した光導波路２の途中に光変調器を設けるようにすればよい。導波路型の光変調器としては、例えば電気光学効果を利用した光変調器や、マッハツェンダ変調器が知られている。

また、第１〜第４の実施の形態の半導体レーザとして、活性層部分に回折格子を形成した分布帰還型（ＤＦＢ）レーザを用いてもよい。

本発明は、能動素子や受動素子とレンズとを同一のチップ上に集積した光集積素子に適用することができる。

１…半導体レーザ、１ａ…半導体レーザアレイ、２，７…光導波路、２ａ…光導波路アレイ、３…ミラー、４…レンズ、５，５−１〜５−４…ヒータ電極、６…合波器、８…光増幅器、１０…下部クラッド層、１１…活性層、１２…上部クラッド層、１３，１５…電極、１４…非活性層。

Claims (8)

1. 半導体基板上に形成された光導波路と、
   この光導波路の一方の端面に設けられ、前記光導波路からの光を前記半導体基板の一方の面方向に反射するか、もしくは前記半導体基板の一方の面からの光を反射して前記光導波路に入射させるミラーと、
   このミラーの上方または下方の前記半導体基板の一方の面に形成され、前記ミラーによって前記半導体基板の一方の面方向に反射した光を外部に出射するか、もしくは外部からの光を前記ミラーに入射させるレンズと、
   このレンズの周囲の半導体基板の一方の面に形成されたヒータ電極とを有することを特徴とする光集積素子。
2. 請求項１記載の光集積素子において、
   さらに、前記光導波路のミラーを有する出力側の端面と反対の入力側の端面に光を入射させる発光素子を、前記半導体基板上に有することを特徴とする光集積素子。
3. 請求項２記載の光集積素子において、
   前記発光素子は、光変調器として機能する半導体レーザであることを特徴とする光集積素子。
4. 請求項２記載の光集積素子において、
   前記発光素子は、波長可変半導体レーザであることを特徴とする光集積素子。
5. 請求項１記載の光集積素子において、
   さらに、前記光導波路のミラーを有する入力側と反対の出力側で前記光導波路を伝搬する光を受光して電流に変換する受光素子を、前記半導体基板上に有することを特徴とする光集積素子。
6. 請求項１記載の光集積素子において、
   さらに、前記光導波路を伝搬する光を増幅する光増幅器を、前記半導体基板上に有することを特徴とする光集積素子。
7. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光集積素子において、
   前記レンズの周囲に単一の前記ヒータ電極を有することを特徴とする光集積素子。
8. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光集積素子において、
   前記レンズの周囲に複数の前記ヒータ電極を有することを特徴とする光集積素子。

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