JP6684094B2 - 波長可変レーザ素子およびレーザモジュール - Google Patents

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Description

本発明は、波長可変レーザ素子およびこれを用いたレーザモジュールに関するものである。
コヒーレント通信の普及に伴い、狭線幅の波長可変レーザ素子の需要が高まっている。波長可変レーザ素子の構成および動作原理は、例えば非特許文献１にて詳細に説明されている。一般に半導体レーザ素子から出力されるレーザ光を狭線幅化するには、共振器を長くする必要がある。波長可変レーザ素子の１つに標本化回折格子（Sampled Grating）を用いてバーニア効果を利用した分布ブラッグ反射（ＤＢＲ）型波長可変レーザがある（例えば特許文献１）。この波長可変レーザ素子レーザでは、半導体素子内に回折格子の一部が標本化されたＤＢＲを２つ用いる。この２つのＤＢＲミラーの反射スペクトルは、周期が僅かに異なる櫛状の形状をしている。また、ＤＢＲミラーに電流注入もしくは加熱により屈折率変化を起こすことで、その反射波長特性を可変にすることができる。２つのＤＢＲミラーの反射特性を掛け合わせることにより特定の波長領域の反射率を高め、共振器を形成することができる。このとき、共振器長を適切に設計すれば、共振器モードである縦モードの間隔が２つのＤＢＲミラーによる反射帯域と同程度となり、１つの共振器モードだけが選択され、単一モード発振が実現される。
狭線幅のレーザ光を実現する別の方法として、外部共振器構造を用いて共振長を長尺化し、共振器モードのＱ値を大きくする方法が挙げられる。また、たとえば、２つのリング共振器を用いて共振器を構成した波長可変レーザ素子では（たとえば非特許文献２）、比較的鋭いリング共振器のフィルタ特性（反射波長特性）の重ね合わせを用いることにより、共振器の構成を自由に設計可能である。
米国特許第６５９０９２４号明細書
Larry A. Coldren et al.,"Tunable Semiconductor Lasers: A Tutorial", JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, VOL. 22, NO. 1, JANUARY 2004, pp.193-202 Keita Nemoto et al.,"Narrow-Spectral-Linewidth Wavelength-Tunable Laser Diode with Si Wire Waveguide Ring Resonators", Applied Physics Express 5 (2012) 082701
しかし、上述したＤＢＲ型波長可変レーザ素子において、コヒーレント通信で必要となるような狭線幅のレーザ光を得る程度に共振器を長くすると、縦モード間隔が狭くなり、共振器の反射帯域では１つの共振器モードだけの選択を行うことが困難となるので、単一モード発振を得るのが原理上困難である。
また、２つのリング共振器を用いて共振器を構成した波長可変レーザ素子では、２つの鋭い反射波長特性の中心波長がずれた場合、重なり合った部分の反射率変動が大きい。そのため、安定したレーザ発振を実現するには、２つの鋭い反射波長特性のピークとピークが確実に重なり合うようにする必要があるが、そのような制御を行うことは困難である。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、レーザ光の狭線幅化および安定した単一モード発振を実現できる波長可変レーザ素子およびこれを用いたレーザモジュールを提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の一態様に係る波長可変レーザ素子は、回折格子と、前記回折格子と光学的に結合されたリング共振器フィルタを含む反射ミラーにより構成されるレーザ共振器と、前記レーザ共振器内に配置された利得部と、前記レーザ共振器内に配置された位相調整部と、を備える波長可変レーザ素子であって、前記回折格子は、第一の櫛状反射スペクトルを生成し、前記リング共振器フィルタは、リング状導波路と、各々が前記リング状導波路と光学的に結合し、それぞれの一端が統合されて前記回折格子と光学的に結合されている２つのアーム部と、を備え、前記第一の櫛状反射スペクトルのピークの半値全幅よりも狭い半値全幅のピークで、前記第一の櫛状反射スペクトルの波長間隔とは異なる波長間隔を有する第二の櫛状反射スペクトルを生成し、前記回折格子と前記リング共振器は前記第一の櫛状反射スペクトルのピークの一つと前記第二の櫛状反射スペクトルのピークの一つとを波長軸上で重ね合わせ可能に構成され、前記レーザ共振器は、共振器モードのモード間の間隔が、前記第一の櫛状反射スペクトルのピークの半値全幅よりも狭くなるように構成されている。
本発明の一態様に係るレーザモジュールは、本発明の一態様に係る波長可変レーザ素子を備えることを特徴とする。
本発明によれば、レーザ光の狭線幅化および安定した単一モード発振をする波長可変レーザ素子を実現できるという効果を奏する。
図１は、実施の形態１に係る波長可変レーザ素子の模式的な斜視図である。 図２は、図１に示す波長可変レーザ素子の模式的な断面図である。 図３は、第一の櫛状反射スペクトル、第二の櫛状反射スペクトルおよび共振器モードを示す図である。 図４は、第一の櫛状反射スペクトル、第二の櫛状反射スペクトルおよびその重なりを示す図である。 図５は、図１に示す波長可変レーザ素子における光帰還を説明する図である。 図６は、図１に示す波長可変レーザ素子におけるレーザ発振波長の選択方法を説明する図である。 図７Ａは、図１に示す波長可変レーザ素子の製造方法の例を示す断面図である。 図７Ｂは、図１に示す波長可変レーザ素子の製造方法の例を示す断面図である。 図７Ｃは、図１に示す波長可変レーザ素子の製造方法の例を示す断面図である。 図８は、図１に示す波長可変レーザ素子においてリング状導波路と２つのアーム部とを光学的に結合する導波路部を説明する図である。 図９は、導波路部の構造を説明する図である。 図１０は、リッジ導波路構造を有する第１の導波路部の例を説明する図である。 図１１は、実施の形態２に係る波長可変レーザ素子の模式的な斜視図である。 図１２は、実施の形態３に係る波長可変レーザ素子の模式図である。 図１３は、実施の形態４に係る波長可変レーザ素子の模式的な斜視図である。 図１４は、実施の形態５に係るレーザモジュールの模式図である。 図１５は、実施の形態６に係るレーザモジュールの模式図である。
本発明に係る波長可変レーザ素子は、バーニア効果を利用した波長可変レーザ素子において、第一の櫛状反射スペクトルのピークの半値全幅よりも狭い半値全幅のピークで、第一の櫛状反射スペクトルの波長間隔とは異なる波長間隔を有する第二の櫛状反射スペクトルを有し、かつ、共振器モードのモード間の間隔が、第一の櫛状反射スペクトルのピークの半値全幅よりも狭くなるように構成されていることにより、レーザ光の狭線幅化および安定した単一モード発振を実現できる。
以下に、図面を参照して本発明に係る波長可変レーザ素子およびレーザモジュールの実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、各図面において、同一または対応する要素には適宜同一の符号を付している。さらに、図面は模式的なものであり、各要素の寸法の関係、各要素の比率などは、現実のものとは異なる場合があることに留意する必要がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。また、図中で適宜ｘｙｚ座標軸を示し、これにより方向を説明する。
（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係る波長可変レーザ素子の模式的な斜視図である。波長可変レーザ素子１００は、１．５５μｍ帯でレーザ発振し、レーザ光を出力するように構成されている。波長可変レーザ素子１００は、共通の基部Ｂ上に形成された、第１の導波路部１０と第２の導波路部２０とを備えている。基部Ｂはたとえばｎ型ＩｎＰからなる。なお、基部Ｂの裏面にはｎ側電極３０が形成されている。ｎ側電極３０は、たとえばＡｕＧｅＮｉを含んで構成され、基部Ｂとオーミック接触する。
第１の導波路部１０は、導波路部１１と、半導体積層部１２と、ｐ側電極１３と、Ｔｉからなるマイクロヒータ１４、１５とを備えている。導波路部１１は、半導体積層部１２内にｚ方向に延伸するように形成されている。第１の導波路部１０内には、回折格子装荷型利得部１１ａと位相調整部１１ｂが配置されている。半導体積層部１２は、半導体層が積層して構成されており、導波路部１１に対してクラッド部の機能等を備える。導波路部１１、半導体積層部１２の構成については後に詳述する。
ｐ側電極１３は、半導体積層部１２上において、回折格子装荷型利得部１１ａに沿うように配置されている。なお、半導体積層部１２には後述するＳｉＮ保護膜が形成されており、ｐ側電極１３はＳｉＮ保護膜に形成された開口部を介して半導体積層部１２に接触している。マイクロヒータ１４は、半導体積層部１２のＳｉＮ保護膜上において、位相調整部１１ｂに沿うように配置されている。第１の屈折率変化器としてのマイクロヒータ１５は、半導体積層部１２のＳｉＮ保護膜上において、ｐ側電極１３に沿うように配置されている。
図２（ａ）は、第１の導波路部１０のうち回折格子装荷型利得部１１ａが含まれる部分を、図１のｘｙ平面に平行な面に沿って切断したＡ−Ａ線断面図である。図２（ａ）に示すように、回折格子装荷型利得部１１ａは、活性コア層１１ａａと、活性コア層１１ａａの近傍かつ直上に活性コア層１１ａａに沿って設けられた標本化回折格子からなる回折格子層１１ａｂとを有している。
活性コア層１１ａａは、交互に積層された複数の井戸層と複数のバリア層を含んで構成された多重量子井戸構造と、多重量子井戸構造を上下から下部および上部光閉じ込め層とを有しており、電流注入により発光する。この活性コア層１１ａａの多重量子井戸構造を構成する井戸層及びバリア層は各々組成が異なるＩｎＧａＡｓＰからなり、活性コア層１１ａａからの発光波長帯は、本実施の形態１では１．５５μｍ帯である。下部光閉じ込め層はｎ型ＩｎＧａＡｓＰからなる。上部光閉じ込め層はｐ型ＩｎＧａＡｓＰからなる。下部及び上部光閉じ込め層のバンドギャップ波長は、活性コア層１１ａａのバンドギャップ波長より短い波長に設定されている。回折格子層１１ａｂはｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層にｚ方向に沿って標本化回折格子が形成され、回折格子の溝はＩｎＰで埋め込まれた構成を有する。回折格子層１１ａｂにおいて回折格子の格子間隔は一定であるが標本化されており、これにより波長に対し略周期的な反射応答を示す。回折格子層１１ａｂのｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層のバンドギャップ波長は活性コア層１１ａａのバンドギャップ波長より短いことが好ましく、たとえば１．２μｍである。
回折格子装荷型利得部１１ａが含まれる部分の半導体積層部１２は、たとえば以下のような構成を有する。半導体積層部１２は、基部Ｂを構成するｎ型ＩｎＰ基板上に、ｎ型ＩｎＰからなる、下部クラッド層の機能を有するバッファ層で構成されたｎ型半導体層１２ａを有している。ｎ型半導体層１２ａ上に活性コア層１１ａａが積層されている。さらに活性コア層１１ａａ上には、ｐ型ＩｎＰからなるスペーサ層１２ｂが積層されている。スペーサ層１２ｂ上には回折格子層１１ａｂが積層している。活性コア層１１ａａ、スペーサ層１２ｂ及び回折格子層１１ａｂは、エッチング等により、１．５５μｍ帯の光をシングルモードで光導波するのに適した幅（例えば１．８μｍ）にされたストライプメサ構造とされている。ストライプメサ構造の両脇（紙面左右方向）は、ｐ型ＩｎＰ埋め込み層１２ｃおよびｎ型ＩｎＰ電流ブロッキング層１２ｄからなる電流ブロッキング構造を有した埋込み構造となっている。さらに、回折格子層１１ａｂおよび埋込構造の上には、ｐ型ＩｎＰからなるスペーサ層１２ｅａと、スペーサ層１２ｅａ上に積層したｐ型ＩｎＧａＡｓからなり半導体積層部１２の最上層を形成するコンタクト層１２ｅｂとで構成されたｐ型半導体層１２ｅが積層されている。ｐ型半導体層１２ｅは、少なくとも活性コア層１１ａａの直上からその両脇の埋め込み構造の一部にわたって設けられている。半導体積層部１２には半導体積層部１２を覆うようにＳｉＮ保護膜１６が形成されている。ｐ側電極１３はＡｕＺｎを含んで構成されており、コンタクト層１２ｅｂ上に形成されて、ＳｉＮ保護膜１６の開口部１６ａを介してコンタクト層１２ｅｂとオーミック接触している。以上の構成により、ｎ側電極３０およびｐ側電極１３から活性コア層１１ａａへの電流注入が可能になっている。さらに、マイクロヒータ１５は、ｐ側電極１３とマイクロヒータ１５とを絶縁するために半導体積層部１２に設けられたＳｉＮ保護膜１７上に、ｐ側電極１３に沿うように配置されている。
一方、図２（ｂ）は、第１の導波路部１０のうち位相調整部１１ｂが含まれる部分を、図１のｘｙ平面に平行な面に沿って切断したＢ−Ｂ線断面図である。図２（ｂ）に示すように、位相調整部１１ｂを含む第１の導波路部１０の断面構造は、図２（ａ）に示す構造において活性コア層１１ａａをＩｎＧａＡｓＰからなる光導波層である位相調整部１１ｂに置き換え、回折格子層１１ａｂおよびスペーサ層１２ｂはｐ型ＩｎＰ層１２ｆに置き換え、コンタクト層１２ｅｂを削除した構造を有している。位相調整部１１ｂでの光損失を低減し、光を効果的に閉じ込める為に、位相調整部１１ｂのバンドギャップ波長は活性コア層１１ａａのバンドギャップ波長より短いことが好ましく、たとえば１．３μｍ以下である。
以上のように、第１の導波路部１０は第１の導波路構造としての埋込み導波路構造を有する。
つぎに、図１に戻って、第２の導波路部２０について説明する。第２の導波路部２０は、２分岐部２１と、２つのアーム部２２、２３と、リング状導波路２４と、Ｔｉからなるマイクロヒータ２５とを備えている。
２分岐部２１は、１×２型の多モード干渉型（ＭＭＩ）導波路２１ａを含む１×２型の分岐型導波路で構成され、２ポート側が２つのアーム部２２、２３のそれぞれに接続されるとともに１ポート側が第１の導波路部１０側に接続されている。２分岐部２１により、２つのアーム部２２、２３は、その一端が統合され、回折格子層１１ａｂと光学的に結合される。
アーム部２２、２３は、いずれもｚ方向に延伸し、リング状導波路２４を挟むように配置されている。アーム部２２、２３はリング状導波路２４と近接し、いずれも同一の結合係数κでリング状導波路２４と光学的に結合している。κの値はたとえば０．２である。アーム部２２、２３とリング状導波路２４とは、リング共振器フィルタＲＦ１を構成している。また、リング共振器フィルタＲＦ１と２分岐部２１とは、反射ミラーＭ１を構成している。第２の屈折率変化器としてのマイクロヒータ２５はリング状であり、リング状導波路２４を覆うように形成されたＳｉＮ保護膜上に配置されている。
図２（ｃ）は、第２の導波路部２０のうちアーム部２２を、図１のｘｙ平面に平行な面に沿って切断したＣ−Ｃ線断面図である。図２（ｃ）に示すように、アーム部２２は、基部Ｂ上に、ｎ型ＩｎＰからなる下部クラッド層２２ａ、ＩｎＧａＡｓＰからなる光導波層２２ｂ、およびｐ型ＩｎＰからなる上部クラッド層２２ｃがこの順で積層して構成されたハイメサ導波路構造を有している。ＳｉＮ保護膜２２ｄはアーム部２２を覆うように形成されている。なお、第２の導波路部２０のその他の構成要素である２分岐部２１、アーム部２３、リング状導波路２４も同様にハイメサ導波路構造を有しており、ＳｉＮ保護膜で覆われている。すなわち、第２の導波路部２０は第１の導波路部１０の第１の導波路構造とは異なる第２の導波路構造を有する。
第１の導波路部１０と第２の導波路部２０は、互いに光学的に接続された回折格子装荷型利得部１１ａの回折格子層１１ａｂと反射ミラーＭ１とにより構成されるレーザ共振器Ｃ１を構成している。回折格子装荷型利得部１１ａの利得部としての活性コア層１１ａａと位相調整部１１ｂとはレーザ共振器Ｃ１内に配置される。
つぎに、回折格子層１１ａｂとリング共振器フィルタＲＦ１との反射特性について図３を用いて説明する。図３において縦軸は反射率（Reflectance）を示している。回折格子層１１ａｂは、図３（ａ）に凡例「ＳＧ」で曲線を示すように、略所定の波長間隔で略周期的な反射特性を有する第一の櫛状反射スペクトルを生成する。一方、リング共振器フィルタＲＦ１は、図３（ａ）に凡例「Ｒｉｎｇ」で曲線を示すように、所定の波長間隔で周期的な反射特性を有する第二の櫛状反射スペクトルを生成する。図３（ｂ）は図３（ａ）の反射スペクトルの１５５０ｎｍ近傍を拡大して示した図である。図３（ｂ）において、凡例「Ｍｏｄｅ」は、レーザ共振器Ｃ１の共振器モードを示している。共振器モードは少なくとも図３（ａ）に示す１５３０ｎｍ〜１５７０ｎｍの波長範囲に亘って存在している。図３（ａ）、（ｂ）に示すように、第二の櫛状反射スペクトルは、第一の櫛状反射スペクトルのスペクトル成分ＳＣ１の半値全幅よりも狭い半値全幅のピークＳＣ２を有し、第一の櫛状反射スペクトルの波長間隔とは異なる波長間隔で略周期的な反射特性を有する。但し、屈折率の波長分散を考慮すると、スペクトル成分は厳密には等波長間隔になっていないことに注意が必要である。
各櫛状反射スペクトルの特性について例示すると、第一の櫛状反射スペクトルのピーク間の波長間隔（自由スペクトル領域：ＦＳＲ）は光の周波数で表すと３７３ＧＨｚであり、各ピークの半値全幅は光の周波数で表すと４３ＧＨｚである。また、第二の櫛状反射スペクトルのピーク間の波長間隔（ＦＳＲ）は光の周波数で表すと４００ＧＨｚであり、各ピークの半値全幅は光の周波数で表すと２５ＧＨｚである。すなわち、第二の櫛状反射スペクトルのピークの半値全幅（２５ＧＨｚ）は第一の櫛状反射スペクトルのピークの半値全幅（４３ＧＨｚ）より狭い。
また、第二の櫛状反射スペクトルのピークは波長に対して急峻に変化する形状を有しており、波長に対する反射率の２次微分がピークより短波長側及び長波長側で正値をとる波長域がある。第二の櫛状反射スペクトルのピークは例えば二重指数分布（ラプラス分布）型の形状である。一方、第一の櫛状反射スペクトルのピークは、第二の櫛状反射スペクトルのピークに比して、波長に対して緩やかに変化する形状を有しており、波長に対する反射率の２次微分がピークに対して短波長側及び長波長側で負値をとる波長域がある。第一の櫛状反射スペクトルのピークは例えばガウシャン型の形状である。
波長可変レーザ素子１００において、レーザ発振を実現するために、第一の櫛状反射スペクトルのピークの一つと第二の櫛状反射スペクトルのピークの一つとを波長軸上で重ね合わせ可能に構成されている。図４は、第一の櫛状反射スペクトル、第二の櫛状反射スペクトルおよびその重なりを示す図である。凡例「Ｏｖｅｒｌａｐ」で示す曲線がスペクトルの重なりを示す。図４に示す例では、波長１５５０ｎｍにて重なりがもっとも大きくなる。
なお、このような重ね合わせは、マイクロヒータ１５およびマイクロヒータ２５の少なくともいずれか一つを用いて、マイクロヒータ１５により回折格子層１１ａｂを加熱して熱光学効果によりその屈折率を変化させて第一の櫛状反射スペクトルを波長軸上で全体的に移動させる、および、マイクロヒータ２５によりリング状導波路２４を加熱してその屈折率を変化させて第二の櫛状反射スペクトルを波長軸上で全体的に移動させる、の少なくともいずれか一つを行うことにより、実現することができる。
一方、波長可変レーザ素子１００において、図３（ｂ）にその一部を示すように、レーザ共振器Ｃ１による共振器モードが存在する。波長可変レーザ素子１００においては、共振器モードの間隔（縦モード間隔）は２５ＧＨｚ以下となるようにレーザ共振器Ｃ１の共振器長が設定されている。この設定の場合、レーザ共振器Ｃ１の共振器長は１８００μｍ以上となり、発振するレーザ光の狭線幅化が期待できる。
波長可変レーザ素子１００は、ｎ側電極３０およびｐ側電極１３から活性コア層１１ａａへの電流を注入し、活性コア層１１ａａを発光させると、第一の櫛状反射スペクトルのスペクトル成分のピーク、第二の櫛状反射スペクトルのスペクトル成分のピーク、およびレーザ共振器の共振器モードの一つが一致した波長、すなわち１５５０ｎｍでレーザ発振し、レーザ光Ｌ１（図１参照）を出力するように構成されている。なお、レーザ共振器Ｃ１の共振器モードの波長は、マイクロヒータ１４を用いて位相調整部１１ｂを加熱してその屈折率を変化させて、共振器モードの波長を波長軸上で全体的に移動させることにより微調整することができる。すなわち、位相調整部１１ｂは、レーザ共振器Ｃ１の光路長を能動的に制御するための部分である。
ここで、上述したように、リング共振器フィルタＲＦ１による第二の櫛状反射スペクトルは、回折格子層１１ａｂによる第一の櫛状反射スペクトルのピークの半値全幅よりも狭い半値全幅のピークを有する。これにより、半値全幅の広い第一の櫛状反射スペクトルのピークの中に、これよりも半値全幅の狭い第２の櫛状反射スペクトルのピークを存在させるように重ね合わせることとなるため、レーザ発振波長の制御が容易となる。
すなわち、２つのリング共振器を用いて共振器を構成し、鋭い形状のピーク同士で重ね合わせを行う場合と比較して、第二の櫛状反射スペクトルのピークのみが鋭いため、これを、第二の櫛状反射スペクトルのピークよりも鋭くない形状の第一の櫛状反射スペクトルのピーク内に位置するように重ね合わせていくのは容易であり、かつ波長がずれた場合でもその変化は緩やかであり、レーザ発振の波長も安定する。
さらに、上述したように、波長可変レーザ素子１００は、レーザ共振器Ｃ１の共振器モード間の間隔は２５ＧＨｚ以下であり、第一の櫛状反射スペクトルのスペクトル成分の半値全幅（４３ＧＨｚ）よりも狭くなるように構成されている。
レーザ光の狭線幅化のために共振器長を長くすると、共振器モード間の間隔が狭くなっていくが、特に、第一の櫛状反射スペクトルのピークの半値全幅内に複数の共振器モードが存在するほどに共振器モードのモード間の間隔が狭くなると、通常の場合はレーザ発振させる共振器モードの選択が困難となってしまう。
しかし、波長可変レーザ素子１００では、このように共振器モード間の間隔が狭い場合であっても、第一の櫛状反射スペクトルの半値全幅の広いピークの中に、これよりも半値全幅の狭い第二の櫛状反射スペクトルのピークを存在させることとなるため、共振器モードを選択する制御が容易となる。従って、波長可変レーザ素子１００では、レーザ共振器Ｃ１は、共振器モードのモード間の間隔が、第一の櫛状反射スペクトルのピーク内に共振器モードが２本以上含まれるような長い共振器長に構成されていても、共振器モードを選択する制御が容易となる。
さらに、図３に示すように、第二の櫛状反射スペクトルのピークの反射率が、第一の櫛状反射スペクトルのピークの反射率よりも高いと、反射ミラーＭ１により反射される光の利得が大きくなり、反射ミラーＭ１による第二の櫛状反射スペクトルのピーク位置で、共振器モードのうち一つだけを安定的に選択することができる。
さらに、第二の櫛状反射スペクトルのピークが二重指数分布型の形状であれば、第一の櫛状反射スペクトルのピークがガウシャン型の形状の場合に、第一の櫛状反射スペクトルのピークに対するピークの先鋭度を大きくすることができる。これにより、第一の櫛状反射スペクトルのピークの高さよりも第二の櫛状反射スペクトルのピークが突出して高くなり、第二の櫛状反射スペクトルのピークの反射率を、第一の櫛状反射スペクトルのピークの反射率よりも容易に高くできる。したがって、安定した単一モード発振をより容易に実現できる。
また、波長可変レーザ素子１００では、その構成により、図５に光路ＯＰで示すように、レーザ共振器Ｃ１内の光帰還は、回折格子層１１ａｂから、２分岐部２１、リング共振器フィルタＲＦ１のアーム部２２、２３のうちの一方、リング状導波路２４、アーム部２２、２３のうちの他方、２分岐部２１を順に経由して回折格子層１１ａｂに帰還する経路で行われ、かつ１回の光帰還中にリング状導波路２４内を周回する。なお、光路ＯＰの矢頭は光の進行方向を示しており、光路ＯＰは時計周りの光路と反時計周りの光路の両方を表している。すなわち、光帰還の光路として、時計周りの光路と反時計周りの光路の２つが存在する。これにより、光帰還長が長くなるので、実効的な共振器長を長くでき、レーザ光Ｌ１の狭線幅化を実現できる。
つぎに、図３、４、６を用いて、波長可変レーザ素子１００におけるレーザ発振波長の選択方法を説明する。波長可変レーザ素子１００では、バーニア効果を利用してレーザ発振波長の選択を行っている。
図３、４にも示すように、第一の櫛状反射スペクトルと第二の櫛状反射スペクトルとのＦＳＲは、わずかに異なるように設計されている。なお、ピークがより鋭い第二の櫛状反射スペクトルのＦＳＲの方を大きくすることで、スペクトルの重なりのピークが最も高い１５５０ｎｍに隣接する重なり（例えば、１５４７ｎｍ付近の重なり）のピークの高さが相対的に小さくなる。その結果、スペクトルの重なりのピークが最も高い波長に隣接する重なりのピークの波長でのレーザ発振が抑制されることとなるので、サイドモード抑圧比を高くできる。
波長可変レーザ素子１００における可変波長範囲は、バーニア効果により、ＦＳＲの最小公倍数で決定される。第一の櫛状反射スペクトルのピークの一つと第二の櫛状反射スペクトルのピークの一つが重ね合わせられ、そのピークが一致した波長で反射率が最大となり、レーザ発振が起こる。つまり、回折格子層１１ａｂとリング共振器フィルタＲＦ１のバーニア効果により大まかなレーザ発振波長が決定される（スーパーモード）。より精密には、レーザ発振波長は、レーザ共振器Ｃ１内において、回折格子層１１ａｂから、２分岐部２１、リング共振器フィルタＲＦ１のアーム部２２、２３のうちの一方、リング状導波路２４、アーム部２２、２３のうちの他方、２分岐部２１を順に経由して回折格子層１１ａｂに帰還する経路（共振器長）で定義される共振器モードの波長とスーパーモードとの重なりで決定される。すなわち、重ね合わされた第一の櫛状反射スペクトルのピークと第二の櫛状反射スペクトルのピークの重なり領域に、レーザ共振器Ｃ１の共振器モードの一つを一致させ、その一致した共振器モードの波長でレーザ発振することとなる。したがって、波長可変レーザ素子１００では、回折格子層１１ａｂに対するマイクロヒータ１５とリング共振器フィルタＲＦ１に対するマイクロヒータ２５とにより第一の櫛状反射スペクトルと第二の櫛状反射スペクトルとをそれぞれチューニングすることで粗調、位相調整部１１ｂに対するマイクロヒータ１４により共振器長をチューニングすることで微調を行う波長可変動作が実現される。
図３に示す状態（第１の状態とする）では、第一の櫛状反射スペクトルと第二の櫛状反射スペクトルとは波長１５５０ｎｍで重なりが最も大きい（スーパーモード）。第１の状態ではレーザ発振波長は１５５０ｎｍ付近に粗調されている状態である。第１の状態で位相調整部１１ｂをチューニングすることで共振器モードを微調することで、波長１５５０ｎｍでのレーザ発振を得ることができる。
つぎに、レーザ発振波長を変更する場合は、リング共振器フィルタＲＦ１のチューニングを固定した状態で、回折格子層１１ａｂのみマイクロヒータ１５で加熱する。すると、熱光学効果により回折格子層１１ａｂの屈折率が上昇し、回折格子層１１ａｂの反射スペクトル（第一の櫛状反射スペクトル）は、図６に矢印で示すように全体的に長波側にシフトする。その結果、１５５０ｎｍ付近のリング共振器フィルタＲＦ１の反射スペクトル（第二の櫛状反射スペクトル）のピークとの重なりが解かれ、長波側に存在する別のピーク（１５５６ｎｍ付近）に重なり、図６に示す第２の状態となる。これにより、別のスーパーモードへの遷移が実現する。さらに、位相調整部１１ｂをチューニングして共振器モードを微調することで、１５５６ｎｍ付近でのレーザ発振を実現できる。なお、レーザ発振波長を短波側に変更する際は、回折格子層１１ａｂのチューニングを固定し、リング共振器フィルタＲＦ１のみマイクロヒータ２５で加熱して、リング共振器フィルタＲＦ１の櫛状反射スペクトルを全体的に長波側にシフトさせればよい。
本実施の形態１に係る波長可変レーザ素子１００では、波長可変動作を実現するために、マイクロヒータによる熱光学効果を利用しているが、波長可変動作を実現するために電流注入によるキャリアプラズマ効果も利用可能にするようにしてもよい。この場合は電流注入により屈折率が下がるため、櫛状反射スペクトルは全体的に短波側にシフトし、それまでスーパーモードが形成されていた波長より短波側に存在する別のスペクトル成分において重なりが生じ、新たなスーパーモードを形成することが可能である。
なお、第１の状態で、回折格子層１１ａｂとリング共振器フィルタＲＦ１とで生成される櫛状反射スペクトルのピークが一致した波長で反射率が最大となりレーザ発振が起こるのは、図６に示すとおり、半値全幅の広い第一の櫛状反射スペクトルをシフトさせて、そのピークの１つを半値全幅の狭い第一の櫛状反射スペクトルのピークの１つに一致させたときである。長波側にチューニングする際、リング共振器フィルタＲＦ１によるピークの半値全幅が狭いので、これに対して回折格子層１１ａｂによる半値全幅の広いピークをチューニングしながらシフトさせて一致させたスーパーモードへの遷移を実現するのは容易である。
同様の理由により、短波側にチューニングする際は、回折格子層１１ａｂのチューニングを固定し、リング共振器フィルタＲＦ１のみマイクロヒータ２５で加熱して、リング共振器フィルタＲＦ１の櫛状反射スペクトルを全体的に長波側にシフトさせる場合も、回折格子層１１ａｂによるピークの半値全幅が広いので、これに対して半値全幅の狭いリング共振器フィルタＲＦ１のピークをチューニングしながらシフトさせて一致させたスーパーモードへの遷移を実現するのは容易である。
また、本実施の形態１に係る波長可変レーザ素子１００では、スーパーモードの遷移が行われた後、位相調整部１１ｂをチューニングして共振器モードの微調整を行っている。ここで、共振器モードの間の間隔が狭く、回折格子層１１ａｂの櫛状反射スペクトルのピークの半値全幅よりも狭い場合は、回折格子層１１ａｂのピークの中に複数本の共振器モードが存在することも有りうる。しかし、波長可変レーザ素子１００では、リング共振器フィルタＲＦ１の櫛状反射スペクトルのピークの半値全幅の方が、回折格子層１１ａｂの櫛状反射スペクトルのピークの半値全幅よりも狭い。そのため、リング共振器フィルタＲＦ１の櫛状反射スペクトルのピークに、複数本の共振器モードが競合する可能性は低く、一本のみの共振器モードをリング共振器フィルタＲＦ１のピークに一致するように、位相調整部１１ｂをチューニングして共振器モードの微調整を行うのは容易である。
以上説明したように、本実施の形態１に係る波長可変レーザ素子１００によれば、レーザ光の狭線幅化および安定した単一モード発振を実現できる。
本実施の形態１に係る波長可変レーザ素子１００の製造方法の一例について図７Ａ、７Ｂ、７Ｃ説明する。まず基部Ｂを構成するｎ型ＩｎＰ基板上に、有機金属気相成長（Metal Organic Chemical Vapor Deposition:ＭＯＣＶＤ）法を用いて、ｎ型半導体層１２ａ（下部クラッド層２２ａ）、活性コア層１１ａａ、スペーサ層１２ｂ、回折格子層１１ａｂとなるｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層、スペーサ層１２ｅａ（上部クラッド層２２ｃ）の一部となるｐ型ＩｎＰ層を順次堆積する。
つづいて、全面にＳｉＮ膜を堆積した後、回折格子装荷型利得部１１ａを形成する位置のＳｉＮ膜に、回折格子のパターンニングを施す。そして、ＳｉＮ膜をマスクとしてエッチングし、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層に回折格子となる格子溝を形成するとともに、回折格子装荷型利得部１１ａを形成する位置以外の位置のｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層を全て取り除く。つづいて、ＳｉＮ膜のマスクを除去した後に、全面にｐ型ＩｎＰ層を再成長する。つづいて、全面にＳｉＮ膜を堆積した後、回折格子装荷型利得部１１ａよりもやや幅広の形状のパターンになるようにＳｉＮ膜にパターンニングを施す。そして、ＳｉＮ膜をマスクとしてエッチングして、ｎ型半導体層１２ａ（下部クラッド層２２ａ）を露出させる。つづいて、ＳｉＮ膜のマスクをそのまま選択成長マスクとして、ＭＯＣＶＤ法により、位相調整部１１ｂおよび第２の導波路部２０における光導波層となる光導波層を成長する。つづいて、ＳｉＮ膜のマスクを除去した後、新たにＳｉＮ膜を堆積し、第１の導波路部１０における導波路部１１および第２の導波路部２０における光導波層に対応するパターンになるようにパターンニングを施す。そして、このＳｉＮ膜をマスクとしてエッチングして、第１の導波路部１０および第２の導波路部２０におけるメサ構造を形成するとともに、ｎ型半導体層１２ａ（下部クラッド層２２ａ）を露出させる。この時、２分岐部２１、アーム部２２、２３、リング状導波路２４に相当する領域は、それらを含む広い領域の形状でエッチングを行う。
つづいて、直前の工程で用いたＳｉＮ膜マスクを選択成長マスクとして、ＭＯＣＶＤ法を用いて、露出したｎ型半導体層１２ａ（下部クラッド層２２ａ）上に、ｐ型ＩｎＰ埋め込み層１２ｃ、ｎ型ＩｎＰ電流ブロッキング層１２ｄを順次堆積する（図７Ａ参照。図７Ａ（ａ）は、図１のｘｙ平面に平行な面に沿って切断したＡ−Ａ線断面図（利得部）、図７Ａ（ｂ）は、Ｂ−Ｂ線断面図（位相調整部）、図７Ａ（ｃ）は、Ｃ−Ｃ線断面図（アーム部の光導波路）をそれぞれ示す。以下の図７Ｂ、図７Ｃにおいても同じである。）。つづいて、ＳｉＮ膜のマスクを除去した後、ＭＯＣＶＤ法を用いて、全面に、スペーサ層１２ｅａ（上部クラッド層２２ｃ）の残りの部分となるｐ型ＩｎＰ層、コンタクト層１２ｅｂを順次堆積する（図７Ａ参照）。つづいて、位相調整部とアーム部の光導波路のコンタクト層１２ｅｂを除去する工程を行う（図７Ｂ参照）。つづいて、全面にＳｉＮ膜を堆積した後、素子分離用のトレンチ溝に対応するパターンならびに２分岐部２１、アーム部２２、２３、リング状導波路２４に相当する導波路のパターンニングを施す。そして、このＳｉＮ膜をマスクとしてエッチングを行い、トレンチ構造および第２の導波路部２０におけるハイメサ導波路を形成する（図７Ｂ参照）。このエッチングでは、たとえば基部Ｂに到る深さまで行う。つづいて、ＳｉＮ膜マスクを除去した後、全面に再びＳｉＮ膜を堆積し（図７Ｃ参照）、回折格子装荷型利得部１１ａに対応する部分に開口部を形成して、ＳｉＮ膜を保護膜とし全面にＡｕＺｎを含む導電膜を堆積した後、導電膜をパターンニングすることによってｐ側電極１３を形成する（図７Ｃ参照）。一方、基板の裏面にはＡｕＧｅＮｉを含むｎ側電極３０を形成する。さらに、ＳｉＮ保護膜１７を形成した後、たとえばＴｉからなる屈折率変化用のマイクロヒータ１４、１５、２５を形成する。最後に、基板を波長可変レーザ素子１００が複数並んだバー状に劈開し、第１の導波路部１０の回折格子装荷型利得部１１ａ側端面、アーム部２２、２３のスルーポートがある端面に反射防止膜をコートしたのち、各波長可変レーザ素子１００ごとに素子分離することにより、波長可変レーザ素子１００が完成する。
なお、上記実施の形態１に係る波長可変レーザ素子１００では、アーム部２２、２３はリング状導波路２４と近接することでリング状導波路２４と光学的に結合しているが、図８に示すようにアーム部２２、２３とリング状導波路２４とを導波路部２６、２７により光学的に結合してもよい。
図９は、導波路部の構造を説明する図である。図９（ａ）は、図８のＡ−Ａ線断面の一部を示す図である。上述したように、アーム部２２は、基部Ｂ上に、ｎ型ＩｎＰからなる下部クラッド層２２ａ、ＩｎＧａＡｓＰからなる光導波層２２ｂ、およびｐ型ＩｎＰからなる上部クラッド層２２ｃがこの順で積層して構成されたハイメサ導波路構造を有している。同様に、アーム部２３は、基部Ｂ上に、ｎ型ＩｎＰからなる下部クラッド層２３ａ、ＩｎＧａＡｓＰからなる光導波層２３ｂ、およびｐ型ＩｎＰからなる上部クラッド層２３ｃがこの順で積層して構成されたハイメサ導波路構造を有している。さらに、導波路部２６は、基部Ｂ上に、ｎ型ＩｎＰからなる下部クラッド層２６ａ、ＩｎＧａＡｓＰからなる光導波層２６ｂ、およびｐ型ＩｎＰからなる上部クラッド層２６ｃがこの順で積層して構成されたハイメサ導波路構造の多モード干渉型（ＭＭＩ）導波路である。なお、導波路部２７も導波路部２６と同じ構造のハイメサ導波路構造のＭＭＩ導波路である。
このように、アーム部２２、２３とリング状導波路２４とを導波路部２６、２７により光学的に結合することにより、アーム部２２、２３とリング状導波路２４との光学結合をより容易に実現できるとともに、結合係数κの調整をより容易に行うことができる。
アーム部２２、２３とリング状導波路２４とを光学的に結合する導波路部はＭＭＩ導波路に限らず、たとえば図９（ｂ）に示すような方向性結合型の導波路部２６Ａでもよい。導波路部２６Ａは、基部Ｂ上に、ｎ型ＩｎＰからなる下部クラッド層２６Ａａ、ＩｎＧａＡｓＰからなる光導波層２６Ａｂ、およびｐ型ＩｎＰからなる上部クラッド層２６Ａｃがこの順で積層して構成されたハイメサ導波路構造を有するが、上部クラッド層２６Ａｃが導波路部２６における上部クラッド層２６ｃよりも薄く形成されているため、方向性結合型導波路として機能する。
なお、方向性結合型導波路とＭＭＩ導波路とを比較すると、アーム部に沿った導波路の幅の変化に対するアーム部とリング状導波路との結合係数の変化は、方向性結合型導波路の場合の方がＭＭＩ導波路の場合よりも小さい。したがって、ＭＭＩ導波路で導波路部を形成した場合、アーム部に沿った導波路の幅の変更により結合係数をより大きく変化させることができる。
また、上記実施の形態１に係る波長可変レーザ素子１００では、第１の導波路部１０は第１の導波路構造としての埋込み導波路構造を有するが、第１の導波路部は第１の導波路構造としてのリッジ導波路構造を有していてもよい。
図１０は、リッジ導波路構造を有する第１の導波路部の例を説明する図である。図１０は、第１の導波路部１０Ａにおける、位相調整部１１Ａｂが含まれる部分を、図１のｘｙ平面に沿って切断した断面図である。第１の導波路部１０Ａは、位相調整部１１Ａｂが含まれる部分において、ｐ型ＩｎＰからなる下部クラッド層１２Ａａと、ＩｎＧａＡｓＰからなる光導波層である位相調整部１１Ａｂと、ｎ型ＩｎＰからなる上部リッジクラッド層１２Ａｂとが順次積層した構造を有する。このように、第１の導波路部はリッジ導波路構造を有していてもよい。
（実施の形態２）
図１１は、実施の形態２に係る波長可変レーザ素子の模式的な斜視図である。図１１に示すように、本実施の形態２に係る波長可変レーザ素子１００Ａは、図１に示す実施の形態１に係る波長可変レーザ素子１００と、基部Ｂ上に形成された半導体増幅器（ＳＯＡ）１０１とを備えている。ＳＯＡ１０１は、第１の導波路部と同様の材料、構造からなる活性コア層を備える埋込み導波路構造を有する。ただし、回折格子層は設けられていない。
波長可変レーザ素子１００とＳＯＡ１０１とは、不図示の空間結合光学系で光学的に結合している。波長可変レーザ素子１００から出力されたレーザ光Ｌ１は、ＳＯＡ１０１に入力される。ＳＯＡ１０１はレーザ光Ｌ１を光増幅してレーザ光Ｌ２として出力する。本実施の形態２に係る波長可変レーザ素子１００Ａによれば、実施の形態１に係る波長可変レーザ素子１００と同様に、レーザ光の狭線幅化および安定した単一モード発振を実現し、さらにＳＯＡ１０１を備えているので、レーザ光をより高いパワーで出力できる。
なお、本実施の形態２に係る波長可変レーザ素子１００Ａでは、波長可変レーザ素子１００とＳＯＡ１０１とは不図示の空間結合光学系で光学的に結合しているが、波長可変レーザ素子１００とＳＯＡ１０１とが共通の基部Ｂ上にモノリシックに形成されていてもよい。
（実施の形態３）
つぎに、実施の形態３について説明する。本実施の形態３では、第２の導波路部がシリコン（Ｓｉ）フォトニクス導波路からなるなど点で実施の形態１、２と異なる。
図１２は、実施の形態３に係る波長可変レーザ素子の模式図である。図１２（ａ）は斜視図であり、図１２（ｂ）は後に説明する断面図である。波長可変レーザ素子２００は、１．５５μｍ帯でレーザ発振し、レーザ光を出力するように構成されている。波長可変レーザ素子２００は、第１の導波路部２１０と第２の導波路部２２０とを備えている。
第１の導波路部２１０は、導波路部２１１と、半導体積層部２１２と、ｎ側電極２１３と、マイクロヒータ２１５とを備えている。導波路部２１１は、半導体積層部２１２内にｚ方向に延伸するように形成されている。第１の導波路部２１０内には、利得部２１１ａとＤＢＲ型の回折格子層２１１ｂが配置されている。半導体積層部２１２は、半導体層が積層して構成されており、導波路部２１１に対してクラッド部の機能等を備える。利得部２１１ａは、実施の形態１における活性コア層１１ａａと同一の材料からなる多重量子井戸構造と光閉じ込め層とを有する。また、回折格子層２１１ｂは、実施の形態１における回折格子層１１ａｂと同一の材料からなる標本化回折格子で構成されている。また、半導体積層部２１２は、利得部２１１ａが含まれる部分においては、実施の形態１における半導体積層部１２の回折格子装荷型利得部１１ａが含まれる部分と同様の材料、構造からなるが、回折格子層１１ａｂがｐ型ＩｎＰ層に置き換えられる点と、ｙ方向において利得部２１１ａを挟んでｐ型半導体層とｎ型半導体層との位置が逆転した積層構造を有する点とで異なる。また、半導体積層部２１２は、回折格子層２１１ｂが含まれる部分においては、実施の形態１における半導体積層部１２の位相調整部１１ｂが含まれる部分と同様の材料、構造からなるが、ｙ方向において位相調整部１１ｂを挟んでｐ型半導体層とｎ型半導体層との位置が逆転した積層構造を有する点とで異なる。第１の導波路部２１０は第１の導波路構造としての埋込み導波路構造を有する。
ｎ側電極２１３は、半導体積層部２１２上において、利得部２１１ａに沿うように配置されている。なお、半導体積層部２１２にはＳｉＮ保護膜が形成されており、ｎ側電極２１３はＳｉＮ保護膜に形成された開口部を介して半導体積層部２１２に接触している。第１の屈折率変化器としてのマイクロヒータ２１５は、半導体積層部２１２のＳｉＮ保護膜上において、回折格子層２１１ｂに沿うように配置されている。また、半導体積層部２１２のｎ側電極２１３が形成された面と反対側の面には、不図示のｐ側電極が形成されている。
つぎに、第２の導波路部２２０について説明する。第２の導波路部２２０は、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板Ｓで構成されている。第２の導波路部２２０は、２分岐部２２１と、アーム部２２２、２２３と、リング状導波路２２４と、マイクロヒータ２２５、２２９と、位相調整部２２８と、ＳｉＯ２からなるオーバークラッド層２３０とを備えている。
２分岐部２２１は、１×２型のＭＭＩ導波路２２１ａを含む１×２型の分岐型導波路で構成され、２ポート側が２つのアーム部２２２、２２３のそれぞれに接続されるとともに１ポート側が位相調整部２２８を介して第１の導波路部２１０側に接続されている。２分岐部２２１により、２つのアーム部２２２、２２３は、その一端が統合され、回折格子層２１１ｂと光学的に結合される。位相調整部２２８の第１の導波路部２１０側には、第１の導波路部２１０に向かって幅が細くなるテーパ部が形成されている。テーパ部の外周には、ＳｉＯ２より屈折率の高い、たとえばＳｉＮからなるオーバークラッド層が形成されており、スポットサイズ変換器構造となっている。
アーム部２２２、２２３は、いずれもｚ方向に延伸し、リング状導波路２２４を挟むように配置されている。アーム部２２２、２２３はリング状導波路２２４と近接し、いずれも同一の結合係数κでリング状導波路２２４と光学的に結合している。アーム部２２２、２２３とリング状導波路２２４とは、リング共振器フィルタＲＦ２を構成している。また、リング共振器フィルタＲＦ２と２分岐部２２１とは、反射ミラーＭ２を構成している。第２の屈折率変化器としてのマイクロヒータ２２５はリング状であり、オーバークラッド層２３０上でリング状導波路２２４の直上に配置されている。また、マイクロヒータ２２９は、オーバークラッド層２３０上に位相調整部２２８に沿って配置されている。
図１２（ｂ）は、第２の導波路部２２０のうちアーム部２２２を、図１２（ａ）のｘｙ平面に平行な平面に沿って切断した断面図である。図１２（ｂ）に示すように、アーム部２２２は、ＳＯＩ基板ＳのＳｉの支持基板からなる支持層２２２ａａと、支持層２２２ａａ上に位置するＳｉＯ２からなるＢＯＸ（Buried OXide）層２２２ａｂとで構成された下層２２２ａと、ＢＯＸ層２２２ａｂに位置するＳｉからなるデバイス層２２２ｂと、からなるハイメサ導波路構造を有する。デバイス層２２２ｂが光導波層として機能し、ハイメサ導波路構造はオーバークラッド層２３０で覆われている。なお、第２の導波路部２２０のその他の構成要素である２分岐部２２１、アーム部２２３、リング状導波路２２４、位相調整部２２８も同様にハイメサ導波路構造を有している。すなわち、第２の導波路部２２０は第１の導波路部２１０の第１の導波路構造とは異なる第２の導波路構造を有する。
また、第１の導波路部２１０は、ゲインチップとして公知の方法で別途作製され、第２の導波路部２２０を構成するＳＯＩ基板Ｓにおいてデバイス層とＢＯＸ層と支持基板の一部とが除去されることにより形成された凹部ＣＣに実装されている。このとき、第１の導波路部２１０の利得部２１１ａと、第２の導波路部２２０の位相調整部２２８とはバットジョイント接続されている。
第１の導波路部２１０と第２の導波路部２２０は、互いに光学的に接続された回折格子層２１１ｂと反射ミラーＭ２とにより構成されるレーザ共振器Ｃ２を構成している。利得部２１１ａと位相調整部２２８とはレーザ共振器Ｃ２内に配置される。
この波長可変レーザ素子２００においても、実施の形態１、２と同様に、回折格子層２１１ｂは、略所定の波長間隔で略周期的な反射特性を有する第一の櫛状反射スペクトルを生成する。また、リング共振器フィルタＲＦ２は、第一の櫛状反射スペクトルのスペクトル成分の半値全幅よりも狭い半値全幅のピークを有し、第一の櫛状反射スペクトルの波長間隔とは異なる波長間隔で略周期的な反射特性を有する第二の櫛状反射スペクトルを生成する。そして、第一の櫛状反射スペクトルのピーク、第二の櫛状反射スペクトルのピーク、およびレーザ共振器Ｃ２の共振器モードの一つが一致した波長でレーザ発振する。また、レーザ共振器Ｃ２の共振器モードのモード間の間隔が、第１の櫛状反射スペクトルのスペクトル成分の半値全幅よりも狭い。さらには、レーザ共振器Ｃ２内の光帰還は、回折格子層２１１ｂから、２分岐部２２１、リング共振器フィルタＲＦ２のアーム部２２２、２２３のうちの一方、リング状導波路２２４、アーム部２２２、２２３のうちの他方、２分岐部２２１を順に経由して回折格子層２１１ｂに帰還する経路で行われ、かつ１回の光帰還中にリング状導波路２２４内を周回する。これにより、本実施の形態３に係る波長可変レーザ素子２００によれば、光帰還長が長くなるので、実効的なレーザ光の狭線幅化が可能となる。また、実施の形態１、２と同様に、安定した単一モード発振を実現できる。
また、波長可変レーザ素子２００においても、レーザ発振波長については、実施の形態１、２の場合と同様に、回折格子層２１１ｂに対するマイクロヒータ２１５とリング共振器フィルタＲＦ２に対するマイクロヒータ２２５とにより第一の櫛状反射スペクトルと第二の櫛状反射スペクトルとをそれぞれチューニングすることで粗調、位相調整部２２８に対するマイクロヒータ２２９により共振器長をチューニングすることで微調を行うことにより、波長可変動作が実現される。
本実施の形態３に係る波長可変レーザ素子２００によれば、実施の形態１、２と同様に、レーザ光の狭線幅化および安定した単一モード発振を実現できる。さらに、波長可変レーザ素子２００は、第２の導波路部２２０がＳｉフォトニクス導波路で構成されている。Ｓｉフォトニクス導波路は、導波路閉じ込めが強いため曲げに強い。したがって、直径の小さなリング状導波路２２４を容易に実現できる。これにより、ＦＳＲの大きいリング状導波路２２４が実現でき、リング共振器フィルタＲＦ２の設計自由度が向上するということを意味する。これにより、波長可変レーザ素子２００によれば、フットプリントが小さくコンパクトであり、且つサイドモード抑圧比の高いレーザ光を出力することができる。
本実施の形態３に係る波長可変レーザ素子２００の製造方法の一例について説明する。
まず、ＳＯＩ基板上に、フォトリソグラフィを用いて第２の導波路部２２０におけるＳｉ導波路パターンを転写する。具体的には、例えばＨＢｒガスを用いてデバイス層およびＢＯＸ層をエッチングし、チャネル導波路構造を得る。ここで、エッチングにより生じた導波路の側面粗さを低減する目的で、水蒸気を用いない熱酸化を行っても良い。つづいて、全面にＳｉＮ層を堆積し、フォトリソグラフィとエッチングとにより、上述したスポットサイズ変換構造の部分にＳｉＮからなるオーバークラッド層を形成する。さらに、オーバークラッド層２３０となるＳｉＯ２層を全面に堆積する。
つづいて、リング状導波路２２４上と位相調整部２２８上に、たとえばＴｉからなるマイクロヒータ２２５、２２９を形成する。つづいて、別途作製したゲインチップである第１の導波路部２１０が実装される凹部ＣＣに相当する部分のオーバークラッド層２３０と支持基板の一部をエッチングにより除去し、凹部ＣＣを形成する。この部分に第１の導波路部２１０をフリップチップボンディングにより実装する。これにより波長可変レーザ素子２００が完成する。
ところで、ゲインチップである第１の導波路部２１０は、上述したものに限定されない。たとえば、ＩｎＰまたはＧａＡｓ基板上に量子井戸構造または量子ドット構造を有するものであってもよい。量子井戸構造を構成する化合物半導体材料としては、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＮ、ＡｌＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓなどのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を使用できる。また、量子ドット構造を構成する化合物半導体材料としては、ＩｎＡｓ、ＩｎＧａＡ、またはその他のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を使用できる。
（実施の形態４）
つぎに、実施の形態４について説明する。本実施の形態４でも、実施の形態３と同様に第２の導波路部がシリコンＳｉフォトニクス導波路からなるが、第２の導波路部に回折格子が設けられる点と、第１の導波路部がＵ字形状の導波路を備える点などで実施の形態３と異なる。
図１３は、実施の形態４に係る波長可変レーザ素子の模式な斜視図である。波長可変レーザ素子３００は、１．５５μｍ帯でレーザ発振し、レーザ光を出力するように構成されている。波長可変レーザ素子３００は、第１の導波路部３１０と第２の導波路部３２０とを備えている。
第１の導波路部３１０は、導波路部３１１と、半導体積層部３１２と、ｎ側電極３１３とを備えている。導波路部３１１は、半導体積層部３１２内においてその一部がｚ方向に延伸するようなＵ字形状に形成されている。第１の導波路部３１０内には、利得部３１１ａと光導波層３１１ｂとが配置されている。半導体積層部３１２は、半導体層が積層して構成されており、導波路部３１１に対してクラッド部の機能等を備える。利得部３１１ａは、ｚ方向に延伸しており、実施の形態１における活性コア層１１ａａと同一の材料からなる多重量子井戸構造を有する。また、光導波層３１１ｂは、実施の形態１における位相調整部１１ｂと同一の材料からなり、利得部３１１ａとともにＵ字形状を形成している。また、半導体積層部３１２は、利得部３１１ａが含まれる部分においては、実施の形態１における半導体積層部１２の回折格子装荷型利得部１１ａが含まれる部分と同様の材料、構造からなるが、回折格子層１１ａｂがｐ型ＩｎＰ層に置き換えられる点と、ｙ方向において利得部３１１ａを挟んでｐ型半導体層とｎ型半導体層との位置が逆転した積層構造を有する点とで異なる。また、半導体積層部３１２は、光導波層３１１ｂが含まれる部分においては、実施の形態１における半導体積層部１２の位相調整部１１ｂが含まれる部分と同様の材料、構造からなるが、ｙ方向において利得部３１１ａを挟んでｐ型半導体層とｎ型半導体層との位置が逆転した積層構造を有する点とで異なる。第１の導波路部３１０は第１の導波路構造としての埋込み導波路構造を有する。
ｎ側電極３１３は、半導体積層部３１２上において、利得部３１１ａに沿うように配置されている。なお、半導体積層部３１２には半導体積層部３１２を覆うようにＳｉＮ保護膜が形成されており、ｎ側電極３１３はＳｉＮ保護膜に形成された開口部を介して半導体積層部３１２に接触している。また、半導体積層部３１２のｎ側電極３１３が形成された面と反対側の面には、不図示のｐ側電極が形成されている。
つぎに、第２の導波路部３２０について説明する。第２の導波路部３２０は、ＳＯＩ基板で構成されている。第２の導波路部３２０は、２分岐部３２１と、アーム部３２２、３２３と、リング状導波路３２４と、マイクロヒータ３２５、３２９、３３３と、位相調整部３２８と、ＳｉＯ２からなるオーバークラッド層３３０と、導波路部３３１と、回折格子部３３２と、を備えている。
２分岐部３２１は、１×２型のＭＭＩ導波路３２１ａを含む１×２型の分岐型導波路で構成され、２ポート側が２つのアーム部３２２、３２３のそれぞれに接続されるとともに１ポート側が第１の導波路部３１０の利得部３１１ａ側に接続されている。２分岐部３２１により、２つのアーム部３２２、３２３は、その一端が統合され、回折格子部３３２と光学的に結合される。２分岐部３２１の１ポート側には、第１の導波路部３１０に向かって幅が細くなるテーパ部が形成されている。テーパ部の外周には、ＳｉＯ２より屈折率の高い、たとえばＳｉＮからなるオーバークラッド層が形成されており、スポットサイズ変換器構造となっている。
アーム部３２２、３２３は、いずれもｚ方向に延伸し、リング状導波路３２４を挟むように配置されている。アーム部３２２、３２３はリング状導波路３２４と近接し、いずれも同一の結合係数κでリング状導波路３２４と光学的に結合している。アーム部３２２、３２３とリング状導波路３２４とは、リング共振器フィルタＲＦ３を構成している。また、リング共振器フィルタＲＦ３と２分岐部３２１とは、反射ミラーＭ３を構成している。第２の屈折率変化器としてのマイクロヒータ３２５はリング状であり、オーバークラッド層３３０上のリング状導波路３２４の直上に配置されている。
導波路部３３１は、ｚ方向に延伸する導波路であり、一端が第１の導波路部３１０の光導波層３１１ｂ側に接続されており、他の一端が回折格子部３３２に接続されている。また、導波路部３３１の途中には位相調整部３２８が設けられている。マイクロヒータ３２９は、オーバークラッド層３３０上において位相調整部３２８に沿うように配置されている。第１の屈折率変化器としてのマイクロヒータ３３３は、オーバークラッド層３３０上において回折格子部３３２に沿うように配置されている。
なお、第２の導波路部３２０の構成要素である２分岐部３２１、アーム部３２２、３２３、リング状導波路３２４、位相調整部３２８、導波路部３３１、回折格子部３３２は、図１２（ｂ）に示すような実施の形態３と同様のハイメサ導波路構造を有している。すなわち、第２の導波路部３２０は第１の導波路部３１０の第１の導波路構造とは異なる第２の導波路構造を有する。なお、回折格子部３３２は、光導波層として機能するデバイス層にｚ方向に沿って標本化回折格子が形成され、回折格子の溝はオーバークラッド層３３０のＳｉＯ２で埋め込まれた構成を有する。
また、第１の導波路部３１０は、ゲインチップとして公知の方法で別途作製され、第２の導波路部３２０を構成するＳＯＩ基板においてデバイス層とＢＯＸ層と支持基板の一部とが除去されることにより形成された凹部ＣＣに実装されている。このとき、第１の導波路部３１０の利得部３１１ａと第２の導波路部３２０の２分岐部３２１の１ポート側とがバットジョイント接続され、かつ第１の導波路部３１０の光導波層３１１ｂと第２の導波路部３２０の導波路部３３１とがバットジョイント接続されている。なお、実施の形態３の場合と同様に、第２の導波路部３２０の２分岐部３２１の１ポート側と第２の導波路部３２０の導波路部３３１とは、第１の導波路部３１０に向かって幅が細くなるテーパ部とされ、その外周にたとえばＳｉＮからなるオーバークラッド層が形成され、スポットサイズ変換器構造となっていることが好ましい。
第１の導波路部３１０と第２の導波路部３２０は、互いに光学的に接続された回折格子部３３２と反射ミラーＭ３とにより構成されるレーザ共振器Ｃ３を構成している。利得部３１１ａと位相調整部３２８とはレーザ共振器Ｃ３内に配置される。
この波長可変レーザ素子３００においても、実施の形態１〜３と同様に、回折格子部３３２は、略所定の波長間隔で略周期的な反射特性を有する第一の櫛状反射スペクトルを生成する。また、リング共振器フィルタＲＦ３は、第一の櫛状反射スペクトルのピークの半値全幅よりも狭い半値全幅のピークを有し、第一の櫛状反射スペクトルの波長間隔とは異なる波長間隔で略周期的な反射特性を有する第二の櫛状反射スペクトルを生成する。そして、第一の櫛状反射スペクトルのピーク、第二の櫛状反射スペクトルのピーク、およびレーザ共振器Ｃ３の共振器モードの一つが一致した波長でレーザ発振する。また、レーザ共振器Ｃ３の共振器モードのモード間の間隔が、第１の櫛状反射スペクトルのスペクトル成分の半値全幅よりも狭い。さらには、レーザ共振器Ｃ３内の光帰還は、回折格子部３３２から、２分岐部３２１、リング共振器フィルタＲＦ３のアーム部３２２、３２３のうちの一方、リング状導波路３２４、アーム部３２２、３２３のうちの他方、２分岐部３２１を順に経由して回折格子部３３２に帰還する経路で行われ、かつ１回の光帰還中にリング状導波路３２４内を周回する。これにより、実施の形態１〜３と同様に、本実施の形態４に係る波長可変レーザ素子３００によれば、レーザ光の狭線幅化および安定した単一モード発振を実現できる。
また、波長可変レーザ素子３００においても、レーザ発振波長については、実施の形態１、２の場合と同様に、回折格子部３３２に対するマイクロヒータ３３３とリング共振器フィルタＲＦ３に対するマイクロヒータ３２５とにより第一の櫛状反射スペクトルと第二の櫛状反射スペクトルとをそれぞれチューニングすることで粗調、位相調整部３２８に対するマイクロヒータ３２９により共振器長をチューニングすることで微調を行うことにより、波長可変動作が実現される。
波長可変レーザ素子３００も、実施の形態３に係る波長可変レーザ素子２００と同様にして製造できる。すなわち、ＳＯＩ基板を用いて第２の導波路部３２０に関連する部分を作製し、その凹部ＣＣに、別途作製した第１の導波路部３１０をフリップチップボンディングにより実装する。これにより波長可変レーザ素子３００が完成する。
本実施の形態４に係る波長可変レーザ素子３００によれば、実施の形態１、２と同様に、レーザ光の狭線幅化および安定した単一モード発振を実現できるとともに、実施の形態３と同様に、フットプリントが小さくコンパクトであり、且つサイドモード抑圧比の高いレーザ光を出力することができる。
（実施の形態５）
つぎに、実施の形態５に係るレーザモジュールについて説明する。図１４は、本実施の形態５に係るレーザモジュールの模式図である。レーザモジュール１０００は、実施の形態２に係る波長可変レーザ素子１００Ａと、コリメートレンズ１００１と、光アイソレータ１００２と、ビームスプリッタ１００３と、集光レンズ１００５と、光ファイバ１００６と、受光素子としてのパワーモニタＰＤ（Photo Diode）パワーモニタＰＤ１００９と、エタロンフィルタ１０１０と、パワーモニタＰＤ１０１１と、を備えている。また、波長可変レーザ素子１００Ａは、波長可変レーザ素子１００Ａの温度を調節するための不図示の電子冷却素子に載置されている。波長可変レーザ素子１００Ａ、パワーモニタＰＤ１００９、１０１１および電子冷却素子は外部の制御部に接続されている。
波長可変レーザ素子１００Ａは、制御部から駆動電流を供給され、制御部によりマイクロヒータ１４、１５、２５を制御することにより調整された回折格子層１１ａｂ、リング共振器フィルタＲＦ１、位相調整部１１ｂなどの条件で決定される波長のレーザ光をＳＯＡ１０１にて所望の出力強度まで増幅してレーザ光Ｌ２として出力する。コリメートレンズ１００１は、波長可変レーザ素子１００Ａから出力されたレーザ光Ｌ２を平行光線とする。光アイソレータ１００２は、コリメートレンズ１００１による平行光線とされたレーザ光Ｌ２を一方向のみに透過する。ビームスプリッタ１００３は、光アイソレータ１００２を透過したレーザ光Ｌ２の大部分を透過しつつ一部をパワーモニタＰＤ１００９側に分岐する。パワーモニタＰＤ１００９は、ビームスプリッタ１００８により分岐されたレーザ光Ｌ２の一部を受光し、その受光強度に応じた値の電流を出力する。エタロンフィルタ１０１０は、多重干渉の次数に応じて周期的に変化するピークを有する透過波長特性を有しており、ビームスプリッタ１００８を透過したレーザ光Ｌ２をレーザ光Ｌ２の波長における透過波長特性に応じた透過率で透過する。エタロンフィルタ１０１０の周期はたとえば光の周波数で５０ＧＨｚである。パワーモニタＰＤ１０１１は、エタロンフィルタ１０１０を透過したレーザ光Ｌ２を受光し、その受光強度に応じた値の電流を出力する。集光レンズ１００５は、ビームスプリッタ１００３を透過したレーザ光Ｌ２を集光して光ファイバ１００６に結合する。光ファイバ１００６は結合されたレーザ光Ｌ２を外部に伝搬する。レーザ光Ｌ２はたとえば光ファイバ通信用の信号光として使用される。エタロンフィルタ１０１０はバルクのものを使用しているが、それに代えて、導波路型のフィルタを用いることもできる。
このレーザモジュール１０００によれば、波長可変レーザ素子１００Ａを備えることで、レーザ光Ｌ２の狭線幅化および安定した単一モード発振を実現し、さらにレーザ光Ｌ２をより高いパワーで出力できる。さらに、パワーモニタＰＤ１００９、１０１１から出力される電流をモニタすることにより受光強度をモニタし、制御部による波長ロック制御を行うことができる。
具体的には、波長ロック制御では、制御部は、パワーモニタＰＤ１００９によってモニタされたレーザ光の強度と、パワーモニタＰＤ１０１１によってモニタされた、エタロンフィルタ１０１０透過後のレーザ光の強度との比が、レーザ光Ｌ２の波長が所望の波長になるときの比になるように、波長可変レーザ素子１００Ａの駆動電流と温度とを変化させる制御をする。これにより、レーザ光Ｌ２の波長を所望の波長（ロック波長）に制御することができる。
（実施の形態６）
つぎに、実施の形態６に係るレーザモジュールについて説明する。図１５は、本実施の形態６に係るレーザモジュールの模式図である。レーザモジュール１０００Ａは、波長可変レーザ素子１００Ｂと、コリメートレンズ１００１と、光アイソレータ１００２と、ビームスプリッタ１００３と、パワーモニタＰＤ１００４と、集光レンズ１００５と、光ファイバ１００６と、コリメートレンズ１００７と、ビームスプリッタ１００８と、パワーモニタＰＤ１００９と、エタロンフィルタ１０１０と、パワーモニタＰＤ１０１１とを備えている。また、波長可変レーザ素子１００Ｂは、波長可変レーザ素子１００Ｂの温度を調節するための不図示の電子冷却素子に載置されている。波長可変レーザ素子１００Ｂ、パワーモニタＰＤ１００４、１００９、１０１１、および電子冷却素子は外部の制御部に接続されている。
コリメートレンズ１００１、光アイソレータ１００２、ビームスプリッタ１００３、パワーモニタＰＤ１００４、集光レンズ１００５、光ファイバ１００６の機能はレーザモジュール１０００の場合と同じなので説明を省略する。
波長可変レーザ素子１００Ｂは、波長可変レーザ素子１００Ａの備える波長可変レーザ素子１００において、アーム部２２とリング状導波路２４との結合係数κ１と、アーム部２３とリング状導波路２４との結合係数κ２とが互いに異なる値となるように設計したものである。このように、結合係数κ１とκ２を互いに異なる値とすることにより、リング共振器フィルタＲＦ１は非対称フィルタとなり、発振したレーザ光の一部が、アーム部２２、２３の２分岐部２１と接続された側とは反対の端面からそれぞれ出力されることとなる。
コリメートレンズ１００７は、アーム部２２の端面から出力された、発振したレーザ光の一部であるレーザ光Ｌ３を平行光線とする。ビームスプリッタ１００８は、平行光線とされたレーザ光Ｌ３の大部分を透過しつつ一部をパワーモニタＰＤ１００９側に分岐する。パワーモニタＰＤ１００９は、ビームスプリッタ１００８により分岐されたレーザ光Ｌ３の一部を受光し、その受光強度に応じた値の電流を出力する。エタロンフィルタ１０１０は、多重干渉の次数に応じて周期的に変化するピークを有する透過波長特性を有しており、ビームスプリッタ１００８を透過したレーザ光Ｌ３をレーザ光Ｌ３の波長における透過波長特性に応じた透過率で透過する。エタロンフィルタ１０１０の周期はたとえば光の周波数で５０ＧＨｚである。パワーモニタＰＤ１０１１は、エタロンフィルタ１０１０を透過したレーザ光Ｌ３を受光し、その受光強度に応じた値の電流を出力する。
このレーザモジュール１０００Ａによれば、波長可変レーザ素子１００Ｂを備えることで、レーザ光Ｌ２の狭線幅化および安定した単一モード発振を実現し、さらにレーザ光Ｌ２をより高いパワーで出力できる。さらに、パワーモニタＰＤ１００９、１０１１から出力される電流をモニタすることにより受光強度をモニタし、制御部による波長ロック制御を行うことができる。さらに、パワーモニタＰＤ１００４から出力される電流をモニタすることによりレーザ光Ｌ２の強度をモニタすることができるので、制御部によりパワーフィードバック制御を行うことができる。
具体的には、波長ロック制御では、制御部は、パワーモニタＰＤ１００９によってモニタされたレーザ光の強度と、パワーモニタＰＤ１０１１によってモニタされた、エタロンフィルタ１０１０透過後のレーザ光の強度との比が、レーザ光Ｌ２の波長が所望の波長になるときの比になるように、波長可変レーザ素子１００Ｂの駆動電流と温度とを変化させる制御をする。これにより、レーザ光Ｌ２の波長を所望の波長（ロック波長）に制御することができる。
なお、上記実施の形態では、回折格子は標本化回折格子であるが、回折格子の種類はこれに限られず、超構造回折格子（Superstructure Grating）や重畳回折格子（Superimposed Grating）でもよい。
また、実施の形態１では、回折格子層１１ａｂは、活性コア層１１ａａの近傍かつ直上に、活性コア層１１ａａに沿って設けられているが、本発明はこれに限られない。たとえば、位相調整部とは反対側において活性コア層と接続する光導波層が設けられている場合、活性コア層の近傍かつ当該光導波層の直上に回折格子層が設けられていてもよい。
また、上記実施の形態により本発明が限定されるものではない。上述した各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。
１０、１０Ａ、２１０、３１０ 第１の導波路部
１１、２１１、３１１ 導波路部
１１ａ 回折格子装荷型利得部
１１ａａ 活性コア層
１１ａｂ、２１１ｂ 回折格子層
１１ｂ、１１Ａｂ、２２８、３２８ 位相調整部
１２、２１２、３１２ 半導体積層部
１２Ａａ、２６Ａａ 下部クラッド層
１２Ａｂ 上部リッジクラッド層
１３ ｐ側電極
１４、１５、２５、２１５、２２５、２２９、３２５、３２９、３３３ マイクロヒータ
２０、２２０、３２０ 第２の導波路部
２１ ２分岐部
２１ａ、２２１ａ、３２１ａ ＭＭＩ導波路
２２、２３、２２２、２２３、３２２、３２３ アーム部
２２ａ、２３ａ、２６ａ 下部クラッド層
２２ｂ、２３ｂ、２６ｂ、２６Ａｂ、３１１ｂ 光導波層
２２ｃ、２３ｃ、２６ｃ、２６Ａｃ 上部クラッド層
２４、２２４、３２４ リング状導波路
２６、２６Ａ、２７、３３１ 導波路部
３０、２１３、３１３ ｎ側電極
１００、１００Ａ、１００Ｂ、２００、３００ 波長可変レーザ素子
２１１ａ、３１１ａ 利得部
２２２ａ 下層
２２２ａａ 支持層
２２２ａｂ ＢＯＸ層
２２２ｂ デバイス層
２３０、３３０ オーバークラッド層
３３２ 回折格子部
１０００、１０００Ａ レーザモジュール
１００１、１００７ コリメートレンズ
１００２ 光アイソレータ
１００３、１００８ ビームスプリッタ
１００４、１００９、１０１１ パワーモニタＰＤ
１００５ 集光レンズ
１００６ 光ファイバ
１０１０ エタロンフィルタ
Ｂ 基部
Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３ レーザ共振器
ＣＣ 凹部
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３ レーザ光
Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３ 反射ミラー
ＯＰ 光路
ＲＦ１、ＲＦ２、ＲＦ３ リング共振器フィルタ
ＳＣ１、ＳＣ２ スペクトル成分

Claims (21)

  1. 回折格子と、前記回折格子と光学的に結合されたリング共振器フィルタを含む反射ミラーにより構成されるレーザ共振器と、
    前記レーザ共振器内に配置された利得部と、
    前記レーザ共振器内に配置された位相調整部と、
    を備える波長可変レーザ素子であって、
    前記回折格子は、第一の櫛状反射スペクトルを生成し、
    前記リング共振器フィルタは、
    リング状導波路と、
    各々が前記リング状導波路と光学的に結合し、それぞれの一端が統合されて前記回折格子と光学的に結合されている２つのアーム部と、
    を備え、
    前記第一の櫛状反射スペクトルのピークの半値全幅よりも狭い半値全幅のピークで、前記第一の櫛状反射スペクトルの波長間隔とは異なる波長間隔を有する第二の櫛状反射スペクトルを生成し、
    前記回折格子と前記リング共振器は前記第一の櫛状反射スペクトルのピークの一つと前記第二の櫛状反射スペクトルのピークの一つとを波長軸上で重ね合わせ可能に構成され、
    前記レーザ共振器は、共振器モードのモード間の間隔が、前記第一の櫛状反射スペクトルのピークの半値全幅よりも狭くなるように構成され、
    前記回折格子および前記リング共振器フィルタは、前記第一の櫛状反射スペクトルのピークの高さよりも前記第二の櫛状反射スペクトルのピークが突出して高くなるように構成され、
    前記位相調整部は、前記第一の櫛状反射スペクトルのピークの高さよりも前記第二の櫛状反射スペクトルのピークが突出して高い状態を維持したまま、屈折率が調整できるように構成されている波長可変レーザ素子。
  2. さらに前記位相調整部の屈折率を調整することで、重ね合わされた前記第一の櫛状反射スペクトルの前記ピークと前記第二の櫛状反射スペクトルの前記ピークの重なり領域に、前記レーザ共振器の前記共振器モードの一つを一致させ、その一致した前記共振器モードの波長でレーザ発振するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の波長可変レーザ素子。
  3. 前記レーザ共振器内の光帰還の経路は、前記回折格子から、前記２つのアーム部のうち一方、前記リング状導波路、前記２つのアーム部のうち他方を経由して前記回折格子に帰還する経路であることを特徴とする請求項１または２に記載の波長可変レーザ素子。
  4. 前記回折格子の屈折率を変化させる第１の屈折率変化器と、前記リング共振器の屈折率を変化させる第２の屈折率変化器とを備え、前記第１の屈折率変化器および前記第２の屈折率変化器の少なくともいずれか一つを用いて、前記第一の櫛状反射スペクトルのピークの一つと前記第二の櫛状反射スペクトルのピークの一つとを波長軸上で重ね合わせることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の波長可変レーザ素子。
  5. 前記回折格子は標本化回折格子であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の波長可変レーザ素子。
  6. 前記回折格子は超構造回折格子であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の波長可変レーザ素子。
  7. 前記回折格子は重畳回折格子であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の波長可変レーザ素子。
  8. 前記回折格子は前記利得部の近傍に設けられていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載の波長可変レーザ素子。
  9. 前記回折格子は前記利得部に沿って設けられていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一つに記載の波長可変レーザ素子。
  10. 前記利得部は埋込み導波路構造内に配置され、前記リング共振器フィルタはハイメサ導波路構造を有することを特徴とする請求項１〜９のいずれか一つに記載の波長可変レーザ素子。
  11. 前記利得部はリッジ導波路構造内に配置され、前記リング共振器フィルタはハイメサ導波路構造を有することを特徴とする請求項１〜９のいずれか一つに記載の波長可変レーザ素子。
  12. 前記リング共振器フィルタにおいて、前記リング状導波路と、前記２つのアーム部とは、多モード干渉型導波路部により光学的に結合していることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一つに記載の波長可変レーザ素子。
  13. 前記リング共振器フィルタにおいて、前記リング状導波路と、前記２つのアーム部とは、方向性結合型導波路部により光学的に結合していることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一つに記載の波長可変レーザ素子。
  14. 前記レーザ発振により出力したレーザ光を光増幅する半導体光増幅器をさらに備えることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか一つに記載の波長可変レーザ素子。
  15. 前記レーザ共振器は、前記共振器モードのモード間の間隔が、前記第一の櫛状反射スペクトルのピーク内に、前記共振器モードが２本以上含まれるように構成されていることを特徴とする請求項１〜１４のいずれか一つに記載の波長可変レーザ素子。
  16. 前記第一の櫛状反射スペクトルのピークはガウシャン型の形状であり、前記第二の櫛状反射スペクトルのピークは二重指数分布型の形状であることを特徴とする請求項１〜１５のいずれか一つに記載の波長可変レーザ素子。
  17. 前記リング共振器フィルタにおいて前記リング共振器と光学的に結合する前記２つのアーム部の結合係数が互いに異なるように構成されている
    ことを特徴とする請求項１〜１６のいずれか一つに記載の波長可変レーザ素子。
  18. 前記位相調整部の屈折率を調整する第３の屈折率変化器をさらに備えることを特徴とする請求項３に記載の波長可変レーザ素子。
  19. 前記第１、第２、及び第３の屈折率変化器はそれぞれ、前記回格子、前記リング共振器、及び前記位相調整部のそれぞれの近傍に設けられ、それぞれの屈折率を熱的に変化させる抵抗ヒータであることを特徴とする請求項１８に記載の波長可変レーザ素子。
  20. 請求項１〜１９のいずれか一つに記載の波長可変レーザ素子を備えることを特徴とするレーザモジュール。
  21. 請求項１７に記載の波長可変レーザ素子と、
    前記波長可変レーザ素子の前記２つのアーム部の中の一つのアーム部の端部のうち統合されていない端部の端面から出力するレーザ光の一部を受光する受光素子と、
    を備えることを特徴とするレーザモジュール。
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