JP6846203B2 - 半導体レーザ光源 - Google Patents
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Description
前面リフレクタと背面リフレクタであって、これらの前面リフレクタと背面リフレクタは複数の共振周波数で光信号を共振することができるファブリペロー光学空洞共振器の両端を形成し、これらの共振可能周波数の可能波長λRjは他の可能波長から間隔ΔλRの一定間隔で離れており、全ては、前面リフレクタと背面リフレクタの反射帯域の内側であり、その帯域は、中心がλCRであり、幅ΔRであり、
光学的に前面リフレクタと背面リフレクタに結合する導波路のセットを有しており、
このセットは、
導波路内に生成され、前面リフレクタと背面リフレクタとの間で共振している光信号によって通過されるよう配置された帯域通過フィルタであって、この帯域通過フィルタは、波長λRjから少なくとも1つの波長λLiを選択することができ、帯域通過フィルタはこの目的のため、選択されるそれぞれの波長λLiを中心とする通過帯域を有しており、フィルタのそれぞれの通過帯域は、中心波長λCfと間隔ΔλR以下の幅Δλfを有する帯域通過フィルタと、
フィルタによって選択されたそれぞれの波長λLiで光学的な増幅を発生させることができ、前面リフレクタと背面リフレクタとの間で共振している光信号によって通過されるよう配置されたるIII−V利得材料製の導波路であって、この導波路は、シリコン製の導波路でガイドされた光学モードをIII−V利得材料製の導波路でガイドされる光学モードに変換することができる断熱結合によってシリコン製の導波路に結合されているIII−V利得材料製の導波路と、を備えている。
リフレクタ12が内部に製造されたシリコン製の光学導波路15、
導波路15のシリコンの特性を用いており、電気制御信号に応じて波長λRjを変化させることができる調整装置16、
レーザ光源10の動作波長λLiをファブリペロー空洞共振器で可能な種々の波長λRjの中から選択することができる帯域通過フィルタ22であり、窒化シリコン製の導波路内に製造されたフィルタ22、
シリコン製の導波路25、
導波路25をIII−V利得材料製の導波路28の入り口に光学的に結合する断熱結合器26、
導波路28内に製造され、それぞれの波長λRjでファブリペロー空洞共振器内で共振する光信号を生成かつ増幅することができる半導体光学増幅器30(頭文字SOAでよく知られている)、
導波路28の出口をリフレクタ14内に製造された端部で導波路25に光学的に結合する断熱結合器32。
シリコン製と、III−V利得材料製の導波路を用いた半導体レーザ光源の製造と動作の一般的な情報については、読者は以下の文献を参考にすることができる。
Ben Bakir et al., “Hybrid Si/III-V lasers with adiabatic coupling”, 2011
Amnon Yariv et al., “Supermode Si/III-V hybrid Lasers, optical amplifiers and modulators: proposal and analysis” Optics Express 9147, vol. 14, no. 15, 23/07/2007.
例えば、第2の導波路に伝達する光信号のパワーは、第1の導波路内を循環する光信号のパワーの95%以上となる。そのような断熱結合器は、例えば、第2の導波路の幅に対して、第1の導波路の幅を修正することで得られる。典型的には、III−V利得材料製の導波路からシリコン製の導波路への断熱結合器にとって、シリコン製の導波路の幅は、III−V利得材料製の導波路に近づくにつれて徐々に減少する。反対に、断熱結合器によってIII−V利得材料製の導波路からシリコン製の第1の導波路へ光信号を伝達するため、シリコン製の導波路の幅は、例えば、徐々に増加する。加えて、シリコン製とIII−V利得材料製の導波路は、それぞれの伝搬屈折率が等しくなるような幅を有している。これは、ハイブリッドSi/III−V導波路の間の断熱結合器にとって事実である
リングの外周、導波路50の伝搬屈折率neff、導波路50の群屈折率ng(すなわち群屈折率)、及び共振のオーダK
図示によって、波長λCfと間隔Δvfは以下の式により推定される。
リングRの半径、
導波路15、25、50の伝搬屈折率を等しくするように、導波路15、25の幅とともに減少する長さL1,L2、
距離d1、d2、
フィルタ22の導波路50の厚さeA, eAfと幅LA
エバネッセント結合の場合の導波路15、25の厚さeGと幅LG
導波路50と導波路15、25とを分離する酸化シリコン製の縦空間eAG
寸法L1,L2は図5に示される。
寸法d1, d2, eG, LG, eAG, eA, eAf, LAは、図7において、導波路15、25に垂直であり、リング50の中心を通過する縦断面によって示される。
この断面において、導波路15、25、50は縦方向において互いに重なり合う、それぞれの水平層に配置されている。これらの層は、基板60が主として延びる平面に平行であり、その上にはレーザ光源10を製造するための様々な層が積層される。この平面を以下、基板面と称する。以下の図において、基板面は常に水平である。
距離d1、d2、0μm〜3μmとなり、
厚さeGは、100nm〜500nmとなり、
幅LGは、100nm〜500nmとなり、
厚さeAGは0nm〜200nmであり、
厚さeAは50nm〜700nmであり、
幅LAは500nm〜1μmであり、
リング50の半径は、3μm〜100μmである。
酸化シリコンで封止され、導波路50を含む窒化シリコン層64と、
酸化シリコンで封止され、導波路15、25とリフレクタ12、14が製造されたシリコン層66と、
増幅器30が内部に製造された導波路28を含む層66と、備えている。
Dimitris Fitsios et al. “High-gain 1.3 um GaInNAs semiconductor optical amplifier with enhanced temperature stability for all-optical processing and 10 Gb/s” Applied Optics, may 2015 vol. 54, no. 1, 1 January 2015.
この文献に記載された方法において、増幅器30の製造は、加えて、温度に対して安定な広帯域増幅器が取得されることを許す。これは、レーザ光源の動作を改善し、特に、これは、レーザ光源から放出されるパワーが動作温度[Tmin; Tmax]のほぼ全体の範囲に対して、ほぼ一定に維持されることを許す。この場合、導波路28と、増幅器30は、GaInNAs製の副層及び GaNAs製の副層が交互に積層形成され、これらの副層は、下側副層70とpドープGaAs製の上側副層の間に挿入される。副層70は、上側副層と反対にドープされたIII−V材料である。例えば、それはnドープGaAs製の副層である。
シリコン製の基板104、
酸化シリコンの層106、
シリコンの層66。
このステップにおいて、導波路50は、カバー90内に製造され、それは、窒化シリコン製である。例えば、導波路50は、導波路15、25(図17)の端部近傍において、カバー90のフォトリソグラフィ及びエッチングにより製造される。
リフレクタ12,14がそれぞれリフレクタ182、184にそれぞれ置き換わっている点、及び
調整装置16が、導波路15の上ではなく、例えば、導波路25の上に配置されている点。
G.T. Reed et al., “Silicon optical modulators”, Nature Photonics, vol. 4, August 2010.
K. Morito et al. “GaInNAs / InP Tensile-Strained Bulk Polarization-Insensitive SOA”, ECOC2006, IEEE.
下側副層及び上側副層がGaAs製の場合、量子井戸の積層は、AlGaAs製の積層を用いて製造されてもよい。上側副層と下側副層のドープタイプは、反転している。
A. W. Fang et al., “Electrically pumped hybrid AlGaInAs-silicon evanescent laser”, Optics Express, vol. 14, pp. 9203-9210(2006)
Katarzyna Lawmiczuk et al. “Design of integrated photonic transmitter for applications in fiber-to-the-home systems” Photonics Applications in Astronomy, Communications, Industry and High-Energy Physics Experiments 2010 Proceedings of SPIE, vol. 7745, 2010.
この場合、フィルタは、アレイ導波路格子(AWG)である。このAWG要素は温度に対して鈍感な材料で製造される。
Martijn J. R. Heck et al, “Ultra-low loss waveguide platform and its integration with silicon photonics”, Laser Photonics Rev. 8, No. 5, pages 667-686 (2014).
より正確には、導波路50は、第1の基板に製造される。次に、第2のSOI基板が第1の基板に結合される。導波路15,25は、第2の基板のシリコン製の層に製造される。最後に、層68は、シリコン製の導波路の上に結合され、増幅器30がこの層68内に製造される。
Claims (13)
- 少なくとも一つの波長λLiを放出することができる半導体レーザ光源であって、
複数の共振可能周波数で光信号を共振することができるファブリペロー空洞光学共振器の両端を形成する前面リフレクタ(14、194、222)及び背面リフレクタ(12、182、184、192、224)であって、前記共振可能周波数の可能波長λRjは、間隔ΔλRの一定間隔で互いに離れており、かつ、前記可能波長の全てが前記前面リフレクタと前記背面リフレクタの反射帯域の内側にあり、前記反射帯域は中心波長λCR、及び幅ΔRである前面リフレクタ及び背面リフレクタと、
前記前面リフレクタと前記背面リフレクタに光学的に結合された導波路のセットと、を備え、
当該セットは、
シリコン製の導波路(15、25)と、
導波路(50)内に製造され、前記前面リフレクタ及び背面リフレクタの間で共振した光信号を通過するよう配置された帯域通過フィルタ(22、222、260)であって、当該帯域通過フィルタは、波長λRjから少なくとも一つの波長λLiを選択することができ、前記帯域通過フィルタはこの目的のため、選択されるべき波長λLiのそれぞれに中心がある通過帯域を有し、前記フィルタの通過帯域のそれぞれは中心波長λCfを中心としており、かつ間隔ΔλR以下の帯域幅Δλfを有している帯域通過フィルタと、
前記フィルタによって選択されたそれぞれの波長λLiで光利得を発生することができ、前記前面リフレクタ及び背面リフレクタの間で共振した光信号を通過するよう配置されたIII−V利得材料製の導波路28であって、当該導波路は断熱結合又はエバネッセント結合(26,32)によってシリコン製の前記導波路に光学的に結合されている導波路と、を備え、
前記フィルタ(22、222、260)が内部に製造された前記導波路(50、262)は温度に対して鈍感な材料すなわち、温度の関数としての屈折率dnf/dtの変化が温度の関数としてのシリコンの屈折率の変化dnSi/dtよりも少なくとも2倍低い材料で製造され、
前記レーザ光源は、
電気制御信号に応答して波長λRjをシフトすることができる調整装置(16、202、236)と、
前記中心波長λCfと可能波長λRjの一つの差を示す物理量を測定することができるセンサ(40)と、
波長λLiを選択する前記フィルタのそれぞれの通過帯域の中心に波長λRjを維持するために、前記センサで測定された前記物理量に応じて前記調整装置を制御する前記電気制御信号を発生させることができる電子回路(42)と、を備え
前記前面リフレクタ及び前記背面リフレクタのそれぞれの反射帯域の前記幅ΔRは、
前記フィルタが単一の波長λLiを選択する場合、Δλf +DT × (dλCR/dT)よりも厳密に大きく、
前記フィルタがN個の波長λLiを選択する場合、Δλf + max{DT × (dλCR/dT); N × Δvf + DT × (dλCf/dT)}よりも厳密に大きく、
ここで、DTはレーザ光源の動作温度のプリセット範囲の幅であり、dλCR/dTはnm/℃で示される温度の関数としての前記リフレクタの前記中心波長λCRの変化であり、dλCf/dTはnm/℃で示される温度の関数としての前記フィルタの前記中心波長λCfの変化であり、Nは2以上の整数であり、Δvfはnmで示される前記フィルタの2つの連続する通過帯域の間の間隔であり、max{…}は括弧の間に配置された要素の最大値を戻す関数であるレーザ光源。 - 単一の波長λLiで光を放出し、
前記フィルタ(22、260)はリング共振器を含み、当該フィルタの通過帯域は前記幅ΔRよりも広い間隔Δvfの一定間隔で互いに離れている請求項1に記載のレーザ光源。 - 複数の波長λLiで光を同時に放出し、
前記フィルタ(222)はリング共振器を含み、当該フィルタの通過帯域は前記間隔ΔλRの整数倍に等しく、かつ前記幅ΔRよりも狭い間隔Δvfの一定間隔で互いに離れている請求項1に記載のレーザ光源。 - 請求項2、又は3に記載のレーザ光源であって、
実質的に基板面に沿って延びる基板60と、
第1の層(66)の内側で前記基板面に平行に延びた前記シリコン製の導波路(15、25)であって、前記前面リフレクタと前記背面リフレクタとの間で共振した光信号をガイドする前記シリコン製の導波路と、
前記第1の層(66)の上または下に配置された第2の層(64)内に全体が延びている、前記リング共振器が製造された前記導波路(50、262)であって、エバネッセント結合によってシリコン製の導波路(15、25)に光学的に結合されている、前記リング共振器が製造された前記導波路(50、262)と、を備えたレーザ光源。 - 請求項1〜4のいずれか1項に記載のレーザ光源であって、
実質的に基板面に沿って延びる基板60と、
第1の層(66)の内側で前記基板面に平行に延びた前記シリコン製の導波路(15、25)であって、前記前面リフレクタと前記背面リフレクタとの間の共振した光信号をガイドする前記シリコン製の導波路と、
前記第1の層の上または下に配置された第2の層(64)内で前記基板面に平行に延びている、温度に対して鈍感な材料製の前記導波路(50、262)であって、エバネッセント結合又は断熱結合によってシリコン製の前記導波路に光学的に結合されている、前記温度に対して鈍感な材料製の前記導波路(50,262)と、
前記第1の層の前記第2の層が配置された面と反対側の面に配置された第3の層(68)の内側で前記基板面に平行に延びたIII−V利得材料製の前記導波路(28)と、
を備えたレーザ光源。 - 請求項1〜5のいずれか1項に記載のレーザ光源であって、レーザ光源は、
実質的に基板面内に延びる基板(60)と、
III-V利得材料製の導波路(28)であって、前記基板面と平行な面に延びる、n又はpドープIII-V利得材料製の副層(70)を含む導波路(28)と、
調整装置(16)と、を備え、
前記調整装置は、前記n又はpドープIII-V利得材料製の副層(70)と同じ材料かつ同じドープにより製造された抵抗(80)であって、前記n又はpドープIII-V利得材料製の副層(70)と同じ平面内において、シリコン製の導波路(15,25)の上または下に延びている前記抵抗と、
電子制御信号に応じて、上また下に配置された前記シリコン製の導波路を加熱するために、前記抵抗内に電流を流すために用いられる電気的なコンタクト(82,84)と、を備えているレーザ光源。 - 請求項1〜6のいずれか1項に記載のレーザ光源であって、
前記温度に対して鈍感な材料が窒化シリコン、又は窒化アルミニウムであるレーザ光源。 - 請求項1〜7のいずれか1項に記載のレーザ光源であって、
前記調整装置(236)が、
前記シリコン製の導波路の長手方向と直交する横方向において、前記シリコン製の導波路から先端部(246)まで延びているシリコン製の横アームであって、長手方向と直交する縦方向において、前記縦方向における前記シリコン製の導波路の厚さよりも小さい厚さを有している横アーム(244)と、
前記先端部(246)と対向し、前記シリコン製の導波路によってガイドされる前記光信号が循環する区間の外側に配置された抵抗(240)と、
前記抵抗に電気制御信号を流すために用いられる電気コンタクト(242)と、を備えたレーザ光源。 - 請求項1〜8のいずれか1項に記載のレーザ光源であって、
前記前面リフレクタ及び背面リフレクタ(182、184、192、194)の少なくとも一部が前記温度に対して鈍感な材料により製造されているレーザ光源。 - 請求項1〜9のいずれか1項に記載のレーザ光源であって、前記前面リフレクタ及び背面リフレクタ(12、14、182、184、192、194)が、ブラッグ格子であるレーザ光源。
- 請求項1〜10のいずれか1項に記載のレーザ光源であって、前記レーザ光源の動作温度のプリセット範囲の幅DTが、30℃よりも大きくなっているレーザ光源。
- 請求項1〜11のいずれか1項に記載のレーザ光源の製造方法であって、
複数の共振可能周波数で光信号を共振することができるファブリペロー光空洞共振器の両端を形成する前面及び背面リフレクタを製造する工程であって、前記共振可能周波数の可能波長λRjが間隔ΔλRの一定間隔で互いに分離されており、全ての前記可能波長が前記前面及び背面リフレクタの反射帯域に含まれており、前記反射帯域は中心波長λCR、かつ幅ΔRを有している工程(110)と、
前記前面及び背面リフレクタに光学的に接続された導波路(110、116、128、152、158、160)のセットを製造する工程と、を備え、
当該セットは、シリコン製の導波路と、
導波路内に製造され、前記前面及び背面リフレクタの間で共振する光信号は通過するように配置された帯域通過フィルタであって、前記帯域通過フィルタは、前記波長λRjの中から少なくとも一つの波長λLiを選択することができ、かつ帯域通過フィルタは、選択されたそれぞれの波長λLiを中心とする通過帯域を有し、前記フィルタの通帯域のそれぞれは、中心波長λCfであり、間隔ΔλR以下の帯域幅Δλfを有している帯域通過フィルタと、
前記フィルタによって選択されたそれぞれ波長λLiで光利得を生じさせることができ、前記前面及び背面リフレクタの間で共振する光信号を通過させるように配置されたIII−V利得材料製の導波路であって、断熱結合又はエバネッセント結合によって前記シリコン製の導波路に結合されている導波路と、を備え、
前記導波路のセットを製造する工程は、温度に対して鈍感な材料、つまり、温度の関数としての屈折率の変化dnf/dtが温度の関数としてのシリコンの屈折率dnSi/dtの変化の少なくとも2倍低い材料で前記フィルタが内部に形成された導波路(116、160)を製造する工程を有し、
前記製造方法は、
電気制御信号に応じて前記波長λRjを変えることができる調整装置を製造する工程(128)と、
前記中心波長と前記可能波長λRjの一つの差を示す物理量を測定することができるセンサを製造する工程(130)と、
前記フィルタが選択した波長λLiの通過帯域の中心に一つの波長λRjを維持するために、前記センサで測定された前記物理量に応じて、前記調整装置を制御する電気制御信号を生成する電子回路を製造する工程(130)と、
前記フィルタが単一の波長λLiを選択する場合は、前面及び背面リフレクタの反射帯域の幅が厳密にΔλf + DT × (dλCR/dT)よりも広くなるように、前記フィルタがN波長λLiを選択する場合は、前面及び背面リフレクタの反射帯域の幅が厳密にΔλf + max{DT × (dλCR/dT); N × Δvf + DT × (dλCf/dT)}よりも広くなるように、前記前面リフレクタ及び背面リフレクタを製造する工程と、を備え、
ここでDTはレーザ光源の動作温度のプリセット範囲であり、dλCR/dTは温度の関数として単位nm/℃で示される中心波長λCRの変化であり、dλCf/dTは温度の関数として単位nm/℃で示される中心波長λCfの変化であり、Nは2以上の整数であり、Δvfは単位ナノメータで示される前記フィルタの2つの連続する通過帯域の間隔であり、max{…}を括弧内の最も高い要素を返す関数である製造方法。 - 請求項12の製造方法であって、
第1のSOI(Silicon−On−Insulator)基板の前面側シリコン第1層に前記前面及び背面リフレクタと、前記シリコン製の導波路を製造する工程(110)であって、前記第1のSOI基板は、第1の酸化シリコン層によって前記第1層と分離された第1のシリコン基板を有しており、
利得材料製の第1導波路を製造する前に、前記フィルタを製造する製造工程であって、前記フィルタを製造する製造工程は、前記第1層の前面上に前記温度に対して鈍感な材料で形成された層を連続堆積(116)する工程と、前記フィルタを内部に形成するために、堆積された層をエッチングする工程と、前記フィルタを酸化シリコン層内に封止する工程と、前記酸化シリコン層を研磨する工程と、を有し、
前記研磨された酸化シリコン層の外面を第2の基板に結合する工程と、
前記フィルタがある側と反対側において、前記第1層に関する結合面を得るために、前記第1のシリコン基板と、少なくとも前記第1のSOI基板の前記第1の酸化シリコン層の少なくとも一部を除去する工程と、
前記結合面にIII−V利得材料製の層を結合又は堆積する工程と
前記III−V利得材料製の層に、III−V利得材料製の導波路を製造する工程と、を備えた製造方法。
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