JPWO2019111675A1

JPWO2019111675A1 - 波長可変レーザ装置

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Publication number: JPWO2019111675A1
Application number: JP2019512854A
Authority: JP
Inventors: 後藤田　光伸; 光伸後藤田; 高林　正和; 正和高林
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2017-12-08
Filing date: 2018-11-16
Publication date: 2019-12-12
Anticipated expiration: 2038-11-16
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Abstract

複数の単一モードレーザが並列に配置されたレーザアレイと、レーザアレイの一端に接続された第１光結合器およびレーザアレイの他端に接続された第２光結合器とを含み、第１光結合器から第１出力光が出射し、第２光結合器から第２出力光が出射する第１半導体チップと、第１半導体チップと光結合された光回路を有し、第１半導体チップから光回路に入射した第２出力光の少なくとも一部を第１半導体チップに戻す、第２半導体チップと、第２光結合器に接続された第２光増幅器と、を含み、レーザアレイから単一モードレーザを選択し、単一モードレーザの動作温度を制御して、第１出力光および第２出力光の波長を変え、第２出力光の少なくとも一部を第２半導体チップ内に反射させ、第２半導体チップから第１半導体チップに戻された第２出力光の少なくとも一部は、第２光増幅器で強度が調整され、選択された単一モードレーザに戻される。

Description

本発明は、波長可変レーザ装置に関し、特に、光通信システムに用いる狭線幅の波長可変レーザ装置に関する。

近年、通信容量の増大を背景に、光ファイバ通信方式が従来の強度変調から位相変調に移行しつつあり、位相偏移変調（ＰＳＫ：Phase Shift Keying）や直交振幅変調（ＱＡＭ：Quadrature Amplitude Modulation）等の多値位相変調技術を用いた光変調器の適用が進んでいる。また、光源の半導体レーザ（ＬＤ）としては、分布帰還型ＬＤ（ＤＦＢ−ＬＤ：Distributed Feedback LD）や分布ブラッグ反射型ＬＤ（ＤＢＲ−ＬＤ：Distributed Bragg Reflector LD）等の単一モードレーザをアレイ状に集積して、光通信のＣ（Conventional）帯域又はＬ（Long）帯域の全波長をカバーする波長可変レーザ装置が必要とされている。

ここで、多値位相変調方式では、１０〜１００ｋＨｚオーダーの狭線幅光源が求められているが、ＤＦＢ−ＬＤ、ＤＢＲ−ＬＤの発振スペクトル線幅（以下、単に「線幅」という）の値は概ね数ＭＨｚ以下である。このため、ＤＦＢ−ＬＤ、ＤＢＲ−ＬＤを狭線幅化する必要が生じるが、これには共振器長（一般的にはチップサイズ）を、例えば１５００〜２０００μｍ以上に大きくすることが原理的には有効である。

ＷＯ２０１５／１６２６７１号特開２００２−１７１０２３号公報特開２０１４−１１０２５７号公報

しかしながら、単純に共振器長を大きくすると、光出力と、少なくとも３０〜４０ｄＢが必要なサイドモード抑圧比（ＳＭＳＲ：Side Mode Suppression Ratio）とが犠牲となり、モード安定性が損なわれるという問題があった。

一方、反射鏡、エタロンなどの光学部品から成る共振器内に、ＩＩＩ−Ｖ族の化合物半導体チップである半導体光増幅器（ＳＯＡ：Semiconductor Optical Amplifier）を加えた構成を有する外部共振器型半導体レーザでは、比較的容易に狭線幅化できるものの、モジュールサイズが大きくなり、耐衝撃性を含む信頼性に問題があった。

そこで、本発明は、上述のような問題を解決するためになされたものであり、小型で発振スペクトル線幅の狭い波長可変レーザ装置を提供するものである。

本発明は、複数の単一モードレーザが並列に配置されたレーザアレイと、レーザアレイの一端に接続された第１光結合器およびレーザアレイの他端に接続された第２光結合器と、第１光結合器に接続された第１光増幅器および第２光結合器に接続された第２光増幅器とを含み、第１光増幅器から第１出力光が出射し、第２光増幅器から第２出力光が出射する第１半導体チップと、第１半導体チップと光結合された光回路を有し、第１半導体チップから光回路に入射した第２出力光の少なくとも一部を第１半導体チップに戻す、第２半導体チップと、を含み、レーザアレイから単一モードレーザを選択し、単一モードレーザの動作温度を制御して、第１出力光および第２出力光の波長を変え、第２出力光の少なくとも一部を第２半導体チップ内に反射させ、第２半導体チップから第１半導体チップに戻された第２出力光の少なくとも一部は、第２光増幅器で強度が調整され、選択された単一モードレーザに戻されることを特徴とする波長可変レーザ装置である。

本発明にかかる波長可変レーザ装置では、第１半導体チップの出力光を、第２半導体チップの光回路を用いて第１半導体チップに戻すため、単一モードレーザの共振器長を大きくすることなく、レーザ光の狭線幅化に必要な光フィードバック量を確保できる。また、第１半導体チップと第２半導体チップを光結合させるための光学部品が不要となるため、小型の波長可変レーザ装置を実現できる。

本発明の実施の形態１に係る波長可変レーザ装置の平面図である。図１の第１半導体チップと第２半導体チップとの接合部近傍の拡大平面図である。図２をＩＩＩ−ＩＩＩ方向に見た場合の断面図である。第１半導体チップの底面図である。図４の第１半導体チップをＶＡ−ＶＡ方向に見た場合の断面図である。図４の第１半導体チップをＶＢ−ＶＢ方向に見た場合の断面図である。図４の第１半導体チップをＶＣ−ＶＣ方向に見た場合の断面図である。第１半導体チップを取り除いた状態で、第２半導体チップを上から見た場合の平面図である。図６の第２半導体チップの拡大平面図である。図７Ａの第２半導体チップをＶＩＩＢ−ＶＩＩＢ方向に見た場合の断面図である。本発明の実施の形態１に係る波長可変レーザ装置の平面図である。本発明の実施の形態１に係る波長可変光モジュールの平面図である。図８Ａの波長可変レーザ装置をＩＸ−ＩＸ方向に見た場合の断面図である。本発明の実施の形態２に係る波長可変レーザ装置の平面図である。本発明の実施の形態３に係る波長可変レーザ装置の平面図である。本発明の実施の形態４に係る波長可変レーザ装置の平面図である。本発明の実施の形態４に係る波長可変レーザ装置の断面図である。

本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。各図面において、同一符号は同一または相当する構成要素を示す。また、当業者の理解を容易にするために、既に知られた事項の詳細な説明は省略する。図面において、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向は互いに垂直な方向であり、説明においてＸ方向を長さ方向、Ｙ方向を幅方向、Ｚ方向を高さ方向または上下方向と称する場合もある。これらの方向を示す用語は例示的なものであり、本発明を限定するものと理解するべきではない。

実施の形態１．
［レーザ共振器］
図１は、全体が１００で表される、本発明の実施の形態１に係る波長可変レーザ装置の平面図である。図２は、図１の第１半導体チップと第２半導体チップの接合部近傍の拡大平面図（ただし光回路の一部は省略）である。図３は、図２をＩＩＩ−ＩＩＩ方向に見た場合の断面図である。図１において、実際に見えない構成は破線で示す。また、それぞれの構成については、［第１半導体チップ］および［第２半導体チップ］の中で説明する。

本発明の実施の形態１では、図１に示すように、波長可変レーザ装置１００は、第１半導体チップ１と第２半導体チップ２とを備えている。第１半導体チップ１はＩＩＩ−Ｖ族半導体材料のような化合物半導体材料からなり、一方、第２半導体チップ２はシリコン系半導体材料からなる。図３に示すように、第１半導体チップ１は、フリップチップボンディングにより第２半導体チップ２に接合され、第１半導体チップ１と第２半導体チップ２とが相互作用して共振器（光共振器）を構成する。以下、第１半導体チップ１と第２半導体チップ２の構成について、それぞれ詳しく説明する。

［第１半導体チップ］
図４は、図１に示す第１半導体チップ１を、下側（Ｚ方向）から見た場合の底面図（ただし電極の表示は省略）である。図５Ａ、図５Ｂ、および図５Ｃは、それぞれ図４の第１半導体チップ１をＶＡ−ＶＡ方向、ＶＢ−ＶＢ方向、およびＶＣ−ＶＣ方向に見た場合の断面図である。

図４に示すように、第１半導体チップ１では、複数のＤＦＢ−ＬＤ（Distributed Feedback LD）１３が平行に設けられ、ＤＦＢ−ＬＤアレイ１４を形成する。ここでは、ＤＦＢ−ＬＤアレイ１４の右側を「前方」、左側を「後方」と定義する。ＤＦＢ−ＬＤアレイ１４の前方および後方には、それぞれ多モード干渉型（ＭＭＩ：Multi-Mode Interference）光結合器（Coupler）１６、２０が設けられている。ＭＭＩ光結合器１６の前方、およびＭＭＩ光結合器２０の後方には、それぞれＳＯＡ（Semiconductor Optical Amplifier）１８、２２が設けられている。

ＤＦＢ−ＬＤ１３と、ＭＭＩ光結合器１６、２０との間は、それぞれＭＭＩ入力導波路１５、１９で接続されている。また、ＭＭＩ光結合器１６とＳＯＡ１８、ＭＭＩ光結合器２０とＳＯＡ２２との間は、それぞれＭＭＩ出力導波路１７、２１で接続されている。

ＭＭＩ入力導波路１５、ＭＭＩ出力導波路１７、ＭＭＩ入力導波路１９、およびＭＭＩ出力導波路２１は、ＭＭＩ光結合器１６、２０のごく近傍を除いて、単一モード導波路で構成される。

本発明の実施の形態１に係る波長可変レーザ装置１００では、後述するように、第２半導体チップ２からの光フィードバックを利用して、狭線幅化を実現するため、第１半導体チップ１上のＤＦＢ−ＬＤ１３の共振器長（回折格子長にほぼ等しい）は概ね８００〜９００μｍ以下でよく、高い光出力と単一モード性が保たれる。

また、ＤＦＢ−ＬＤ１３やＳＯＡ１８、２２などの利得領域と、その他の受動領域とは、バットジョイント成長と呼ばれる公知の再成長技術を用いて接合される。ＳＯＡ１８、２２のチップ端面（ＹＺ面）とチップ上面（ＸＹ面）には、図示しない反射防止（ＡＲ：Anti Reflection）コーティングが施されても良い。

なお、図４では簡単のために、ＤＦＢ−ＬＤアレイ１４に含まれるＤＦＢ−ＬＤ１３の本数を８本としたが、実際には動作温度の範囲および波長可変幅に応じて本数が選定され、例えば１２〜１６本程度が好ましい。また、互いに隣接するＤＦＢ−ＬＤ１３の回折格子の周期は、動作温度の範囲において異なる値に設定されている。ＤＦＢ−ＬＤ１３や動作温度を選択することで、発振波長が異なるため、光通信のＣ帯域又はＬ帯域の全発振波長をカバーした出力光２３、２４が第１半導体チップ１から出射できる。

第１半導体チップ１の構造は、図５Ａ、図５Ｂに示すように、化合物半導体材料で構成された、いわゆるダブルへテロ構造であり、ダブルヘテロ構造中に導波路等が埋め込まれている。例えば、ＭＭＩ出力導波路１７は、図５Ａに示すように、Ｎ型基板４の上に順次積層された、Ｎ型クラッド層（または下側クラッド層）５、光導波路としてストライプ状に加工された導波層６、Ｐ型クラッド層８で構成される。導波路６の両側は、電流ブロック層９で挟まれる。

また、ＳＯＡ１８では、図５Ｂに示すように、同様のダブルヘテロ構造において、導波路６は活性層７と呼ばれ、またＰ型クラッド層８の上にはＰ型コンタクト層１０が設けられている。

なお、活性層７の名称は、ＤＦＢ−ＬＤ１３やＳＯＡ１８、２２のような利得領域において用いられ、一方、導波路（受動層）６の名称はそれ以外の受動領域において用いられるが、構成は同じである。

また、図５Ｃに示すように、第１半導体チップ１では、Ｎ型基板４の下面には裏面電極であるＮ側電極１１が設けられ、一方、Ｐ型クラッド層８の上には表面電極であるＰ側電極１２が設けられている。なお、図５Ｃでは、Ｐ側電極１２とＰ型クラッド層８との間のＰ型コンタクト層１０や、導波路６と活性層７の少なくとも一方に設けられ、これらを上下方向（Ｚ方向）から挟む光閉じ込め（ＳＣＨ：Separated Confinement Hetero structure）構造については省略している。Ｎ側電極１１とＰ側電極１２との間に順バイアス電圧を印可することにより、活性層７に電流を注入でき、これにより光を発生させることができる。第１半導体チップ１の一般的なチップサイズは、ＸＹ平面で、約５００μｍ×５０００μｍである。

Ｎ型基板４、Ｎ型クラッド層５、Ｐ型クラッド層８および電流ブロック層９は、例えばＩｎＰで形成され、それぞれ適切な量のドーパントを含んでいる。導波路６および活性層７は、例えばＩｎＧａＡｓＰで形成される。活性層７は、多重量子井戸（ＭＱＷ）から構成されていても良いし、バルクのエピタキシャル層から形成されてもよい。

また、Ｎ型基板４等の材料は、これに限定されるものではなく、例えば、Ｎ型基板４、クラッド層５、８がＩｎＰで形成され、導波路６や活性層７がＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｌＡｓの多重量子井戸で形成されても良い。

さらに、図５Ｃに示すように、第１半導体チップ１では、ＳＯＡ２２の長さ方向（Ｘ方向）端部に溝部２５が形成されている。溝部２５は、高さ方向（Ｚ方向）から導波路６や活性層７が延びる長さ方向（Ｘ方向）つまり光の進行方向に対して、傾斜角度θで延びる。傾斜角度θは、好ましくは４０°以上、５０°以下であり、波長可変レーザ装置１００の発振波長や第２半導体チップ２の光結合部の構造に応じて設定される。

溝部２５の表面は、第１半導体チップ１と第２半導体チップ２との間を上下方向（Ｚ方向）に往復する光のための反射ミラーとして機能する。溝部２５は、開口部を除いた領域をマスクで覆い、斜めエッチングで形成される。傾斜角度θを有する溝部２５を形成するために、エッチング角度の設定が可能なドライエッチング法、例えば反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）やケミカルアシスト型イオンビームエッチング（ＣＡＩＢＥ）を用いることが好ましい。また、溝部２５の近傍には、第２半導体チップ２との結合損失を下げ、出射する光ビームの形状を円形とするためのスポットサイズ変換構造（図示せず）が設けられてもよい。

第１半導体チップ１の複数のＰ側電極（表面電極）１２は、いずれも上面が同じ高さとなっている。Ｐ側電極（表面電極）１２は、図３に示すように、第１半導体チップ１の上下を反転させ、フリップチップボンディングにより第２半導体チップ２に接合される。溝部２５は、幅方向（Ｙ方向）から見て、第２半導体チップ２と、長さ方向（Ｘ方向）に少なくとも部分的に重なるように設けられる。

［第２半導体チップ］
図６は、波長可変レーザ装置１００の平面図であり、第１半導体チップ１を除いた状態で、第２半導体チップ２の平面図となっている。図７Ａは、図６の第１半導体チップ１と第２半導体チップ２の接合部近傍の拡大平面図である。図７Ｂは、図６、図７ＡをＶＩＩＢ−ＶＩＩＢ方向に見た場合の断面図である。

図７Ｂに示すように、第２半導体チップ２は、シリコン基板２６を有する。シリコン基板２６の上面には、非露出領域２６ａと露出領域２６ｂとが規定される。シリコン基板２６の非露出領域２６ａの上には、シリコン層２７、シリコン酸化膜層２８、シリコン層２９が順次積層される。シリコン層２９の表面には、シリコン酸化物からなる保護膜（図示せず）が設けられてもよい。

図６および図７Ａに示すように、シリコン層２９には、光回路３０が設けられている。ここで、光回路３０の設けられた側の第２半導体チップ２の面を「表面」と定義する。光回路３０は、グレーティングカプラ３１と、グレーティングカプラ３１に接続された単一モード導波路３２を有する。単一モード導波路３２には、スパイラル部３３とループミラー３４とが設けられている。グレーティングカプラ３１は、周期的屈折率変調を実現するためのグレーティングを有しており、第１半導体チップ１の出力光２４（図４参照）を高効率で結合する。ループミラー３４は入力光をそのまま戻すように構成されている。また図６、図７Ａでは省略したが、図１に示すように、グレーティングカプラ３１とスパイラル部３３の中間に光出力分岐用の方向性結合器３５が設けられ、ループミラー３４に接続された導波路とは別の、単一モード導波路３２に、入力光の一部を導き、モニタポート３６で光出力や波長をモニタすることもできる。

グレーティングカプラ３１の直径は、光ファイバのモード径程度の大きさに形成される。これにより、第１半導体チップ１と第２半導体チップ２とが、比較的緩和されたミクロンオーダの精度で、接合のために位置合わせされた場合であっても、光結合の損失を小さくすることができる。グレーティングカプラ３１の大きさは、例えばＸＹ平面において約１０μｍ×約１０μｍである。

図６に示すように、シリコン基板２６の露出領域２６ｂの上には、給電用電極３７（複数の電極）が設けられている。給電用電極３７は、第１半導体チップ１に設けられた複数のＰ側電極１２に直接に接合され、給電を行う。複数の給電用電極３７は、上面が同じ高さの位置となるように形成される。

図３に示すように第１半導体チップ１は、第２半導体チップ２の表面に設けられた給電用電極３７の上に、Ｐ型電極１２がフリップチップボンディングされて接続される。第１半導体チップ１と第２半導体チップ２とが接合された場合、第１半導体チップ１と、第２半導体チップ２のグレーティングカプラ３１とは、互いに上下方向（Ｚ方向）に所定の距離だけ隔てて配置される。所定の距離は、例えば約１０μｍが好ましい。

スパイラル部３３は、導波路が渦巻状に形成され、これにより光路長を増大させる機能を有している。スパイラル部３３は、例えばＳ字状スパイラル部（S-bend spiral）（Laser Photonics Review Vol.8 No.5 2014 pp667-686 参照）でも良い。

ここでは、光回路３０はシリコン層２９に設けられたが、本発明はこれに限定されるものではなく、光回路３０は、他の材料からなる層、例えば窒化シリコンと酸化シリコンとを組み合わせた材料からなる層に形成されてもよい。これにより、光回路３０における損失をさらに小さくできる。

［波長可変レーザ装置の動作］
次に、図８Ａ、図８Ｂ、および図９を参照しながら、本発明の実施の形態１に係る波長可変レーザ装置１００の動作について説明する。図８Ａは、本発明の実施の形態１に係る波長可変レーザ装置１００の平面図で、動作を説明するために、本来見えない第１半導体チップ１のＤＦＢ−ＬＤアレイ１４等も実線で記載してある。また、図８Ｂは、本発明の実施の形態１に係る波長可変光モジュール８０の平面図である。また、図９は、図８をＩＸ−ＩＸ方向に見た場合の断面図である。

図８Ｂに示すように、波長可変光モジュール８０では、図８Ａの波長可変レーザ装置１００が熱電温度コントローラ８３の上に固定される。熱電温度コントローラ８３は、構成部品としてペルチェ素子を含み、波長可変レーザのチップ温度を調整するのに用いられる。出力光２４の一部は、プリズム８２やエタロン８６を介して、光出力モニタ８４や光波長モニタ８７で検出され、光出力信号８５や光波長信号８８を各々生成する。これらの信号は、マイコンを構成要素として含む制御回路８１に入力され、光出力や光波長の値を元にマイコンで計算後、チップ温度や駆動電流等の制御用信号６１が出力される。なお簡単のため光ファイバ８９への結像やビーム整形を行うためのレンズは、図示を省略した。

まず、第１半導体チップ１のＤＦＢ−ＬＤアレイ１４の中で、１つのＤＦＢ−ＬＤ１３を選択し、素子動作温度を設定する。Ｎ側電極１１とＰ側電極１２との間に順バイアス電圧を印加すると、活性層７に電子と正孔が注入され、回折格子周期で決まる波長でＤＦＢ−ＬＤ１３が発振する。ＤＦＢ−ＬＤ１３の素子動作温度を変化させると、約０．１ｎｍ／℃の割合で発振波長が変化する。従って、ＤＦＢ−ＬＤ１３と、動作温度を適切に選択することにより、発振周波数を変化させることができ、光通信のＣ帯域又はＬ帯域の全発振波長をカバーできる。特にＤＦＢ−ＬＤアレイ１４を用いる方法では、モードホッピングがなく、波長可変機構が単純であるため、制御性や長期安定性に優れた波長可変レーザ装置１００を得ることができる。

ＤＦＢ−ＬＤ１３から前方および後方に進んだ光は、各々Ｎ×１（入力ポート数：Ｎ、出力ポート数：１）ＭＭＩ１６、２０（アレイ数Ｎ：整数）に接続されたＭＭＩ入力導波路１５、１９の中を進行し、ＭＭＩ光結合器１６、２０の内部で干渉する。この結果、ＭＭＩ光結合器１６、２０のＭＭＩ出力導波路１７、２１に、約１／Ｎの割合で結合する。ＭＭＩ出力導波路１７、２１の中を進行した光はＳＯＡ１８、２２に入射する。ＳＯＡ１８、２２では、ＤＦＢ−ＬＤ１３と同様に、Ｎ側電極１１とＰ側電極１２との間に順バイアス電圧が印加される。これにより、活性層７に電子と正孔が注入されて利得が生じるため、ＭＭＩ光結合器１６、２０での挿入損失を補償することができる。最終的に出力光２３、２４として、第１半導体チップ１から前方および後方に出射される。

図９において、第１半導体チップ１の活性層７を左側に向かって進む導波光は、反射ミラーとして機能する溝部２５の表面で反射され反射光３８となる。反射光３８は第２半導体チップ２に設けられたグレーティングカプラ３１に光結合される。そして、第２半導体チップ２に設けられた光回路３０を進み、光回路３０中のループミラー３４で戻され、逆の経路を辿って第１半導体チップ１に向けて出射される（図示せず）。

第１半導体チップ１に向けて出射された光は、溝部２５の表面で反射され、図８に示す戻り光３９となる。そしてＳＯＡ２２で増幅された戻り光４０は、ＭＭＩ出力導波路２１、ＭＭＩ光結合器２０、ＭＭＩ入力導波路１９を経由して、ＤＦＢ−ＬＤ１３に戻る。ＤＦＢ−ＬＤ１３は、外部から−１０ｄＢ程度の強い戻り光４０を注入することにより、狭線幅動作させることが可能である（IEEE J. Lightwave Technology Vol.4 No.11 1986 pp1655-1661 参照）。

本発明の実施の形態１に係る波長可変レーザ装置１００では、Ｎ側電極１１とＰ側電極１２との間に印加する電圧を制御し、ＳＯＡ２２への注入電流量を調整することにより、ＭＭＩ光結合器１６、２０の分岐損失を補償して、狭線幅化に必要な戻り光強度を確保できる。

一方、前方への出力光２３では、光出力モニタや光フィードバックに必要な分岐損や挿入損を考慮する必要はないため、高い光出力をそのまま取り出すことができる。なお、電流を注入していないＤＦＢ−ＬＤ１３においては、入力光が吸収されるため他に影響しない。

このように、本発明の実施の形態１に係る波長可変レーザ装置１００では、第１半導体チップ１の後方への出力光２４を、溝部２５で垂直方向に反射させて、第２半導体チップ２に設けられた光回路３０に光結合させ、さらに第２半導体チップ２からの戻り光をＳＯＡ２２で増幅させて第１半導体チップ１に戻し、複合共振器を構成している。これにより、波長可変レーザ装置１００では、光結合器の分岐損失のチャネル位置依存性に関わらず、狭線幅化に必要な戻り光量を確保でき、第１半導体チップ単体で共振器を構成した場合と比較して、狭線幅動作が容易に達成できる。また、高い光出力を確保することもできる。さらに、第２半導体チップ２との光結合にグレーティングカプラ３１を用いることにより、必要な位置合わせ精度が緩和できる。

第１半導体チップ１と第２半導体チップ２が電極１２、３７を介して直接接合されており、両者を光結合するレンズやミラー等の光学部品が不要となる。このため、レーザ共振器を構成するためにそれらを必要としていた外部共振器型半導体レーザに比べ、小型の波長可変レーザ装置を実現できる。

なお、特許文献１には、ＳＯＡの後方にシリコン導波路、波長可変フィルタ、外部ミラー等を配置した波長可変光源において、ＳＯＡ前方の出射側光分岐器の分岐に各々ＳＯＡを接続した波長可変レーザ光源、光送信器及び光送受信器モジュールが開示されている。

また、特許文献２には、複数の半導体レーザの前方光導波路の途中に、合波器、増幅器、変調器がモノリシックに配置され、後方光を狭い範囲に導く後方光導波路を集積した、集積化光素子および半導体レーザモジュール並びに光送信機が開示されている。

さらに特許文献３には、第１の半導体基板にＤＦＢレーザ部、反射鏡、凸レンズが形成され、グレーティングカプラと光導波路が形成された第２の半導体基板とが光結合できるように配置した光学装置が開示されている。

しかしながら、特許文献１では、レーザ共振器は、化合物半導体素子とシリコン光導波路材料を含む波長可変ミラーとの突き合わせ結合で構成され、特許文献２、３では、いずれも化合物半導体素子単独でレーザ共振器を構成している。特に、特許文献１〜３のいずれも、出射光の一部をレーザ共振器側に戻す構成は備えておらず、化合物半導体素子だけで狭線幅化を実現する必要がある。また特許文献１のように、ＳＯＡと外部の光回路とを、突き合わせ結合により光学的に接続する構成においては、結合損失を１ｄＢ以下に抑えるためには、一般的にはサブミクロン精度の位置合わせが必要となり、量産が困難となり、製造コストが増大する。

実施の形態２．
図１０は、全体が２００で表される、本発明の実施の形態２に係る波長可変レーザ装置の平面図であり、動作を説明するために、本来見えない第１半導体チップ１のＤＦＢ−ＬＤアレイ１４等も実線で記載してある。図１０中、図８と同一符号は、同一または相当箇所を示す。

波長可変レーザ装置２００では、ＤＦＢ−ＬＤアレイ１４を構成するＤＦＢ−ＬＤ１３の前方には、ファンネル（Funnel）カプラ入力導波路１５０がそれぞれ接続され、更に、ファンネルカプラ入力導波路１５０には、ファンネルカプラスラブ導波路１６０、ファンネルカプラ出力導波路１７０が順に接続されている。他の構成は、図８の波長可変レーザ装置１００と同様である。ファンネルカプラス入出力導波路１５０、１７０は、ファンネルカプラスラブ導波路１６０の近傍を除き、単一モード導波路である。

本発明の実施の形態２に係る波長可変レーザ装置２００では、ファンネルカプラ１５０はＭＭＩ光結合器と同程度のサイズで、波長によらず均一な分岐設計が可能となる。

実施の形態３．
図１１は、全体が３００で表される、本発明の実施の形態３に係る波長可変レーザ装置の平面図であり、動作を説明するために、本来見えない第１半導体チップ１のＤＦＢ−ＬＤアレイ１４等も実線で記載してある。図１１中、図８と同一符号は、同一または相当箇所を示す。

波長可変レーザ装置３００では、ＤＦＢ−ＬＤアレイ１４を構成するＤＦＢ−ＬＤ１３の前方には、Ｎ×２二出力ＭＭＩ入力導波路１５１がそれぞれ接続され、二出力ＭＭＩ入力導波路１５１は、二出力ＭＭＩ光結合器１６１に接続されている。二出力ＭＭＩ光結合器１６１には、第１のＭＭＩ出力導波路１７１と第２のＭＭＩ出力導波路１７２とが並列に接続され、それぞれ第１のＳＯＡ１８１および第２のＳＯＡ１８２に接続されている。第１のＳＯＡ１８１および第２のＳＯＡ１８２からは、それぞれ第１の出力光２３１、第２の前方出力光２３２が出射される。

本発明の実施の形態３に係る波長可変レーザ装置３００では、２つの出力光２３１、２３２を、デジタルコヒーレント通信の送信用および受信用として個別に制御し、独立の信号として利用することが可能となる。

実施の形態４．
図１２は、全体が４００で表される、本発明の実施の形態４に係る波長可変レーザ装置の平面図であり、本来見えない第１半導体チップ１のＤＦＢ−ＬＤアレイ１４等も破線で記載してある。図１３は、図１２をＸ−Ｘ方向に見た場合の断面図である。図１２および図１３中、図１と同一符号は、同一または相当箇所を示す。

図１２および図１３に示すように、波長可変レーザ装置４００は、サブマウント５０を有し、サブマウント５０表面上に第１半導体チップ１および第２半導体チップ２が配置されている。

具体的には、図１３に示すように、サブマウント５０は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などのセラミック材料で構成されており、表面に第２半導体チップ２の厚みと同じ若しくはわずかに浅い段差５２が設けられる。サブマウント５０表面上の段差５２以外の領域に第１半導体チップ１が配置され、第１半導体チップ１のＰ側電極１２および給電用電極３７が接合される一部のサブマウント５０表面の箇所がメタライズされている。また、サブマウント５０の段差５２が設けられる領域には、第２半導体チップ２が設けられ、第１半導体チップ１と、第２半導体チップ２のグレーティングカプラ３１とは、互いに上下方向（Ｚ方向）に所定の距離だけ隔てて配置されるように、つまり、平面視で、第１半導体チップ１の端部と第２半導体チップ２の端部が所定の距離だけ離れて重なるように配置される。ここで、第１半導体チップ１と第２半導体チップ２との間の所定の距離は、例えば、約１０μｍが好ましい。例えば、第２半導体チップ２の厚みが６０２μｍで、第１半導体チップ１と第２半導体チップ２との間を１０μｍ離す場合、サブマウント５０の段差５２は、第２半導体チップ２の厚みと同じ６０２μｍ若しくはそれよりもわずかに浅い段差となる。

その他の図１と同一符号を附した構成については、実施の形態１と同様であるため説明は省略する。また、波長可変レーザ装置４００の動作については、実施の形態１と同様であるため、説明は省略する。

以上のように、本実施の形態に係る波長可変レーザ装置４００は、実施の形態１と同様、光結合器の分岐損失のチャネル位置依存性に関わらず、狭線幅化に必要な戻り光量を確保でき、第１半導体チップ単体で共振器を構成した場合と比較して、狭線幅動作が容易に達成できる。また、高い光出力を確保することもできる。さらに、第２半導体チップ２との光結合にグレーティングカプラ３１を用いることにより、必要な位置合わせ精度が緩和できる。また、レーザ共振器を構成するためにそれらを必要としていた外部共振器型半導体レーザに比べ、小型の波長可変レーザ装置を実現できる。

また、本実施の形態に係る波長可変レーザ装置４００は、サブマウント５０の表面上に第１半導体チップ１および第２半導体チップ２を配置させているので、第２半導体チップ２に用いるシリコン基板２６のサイズを大幅に小さくすることができる。また、サブマウント５０は、例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などのセラミック材料からなり、シリコンチップに比べて安価である。そのため、サブマウント５０を用いることで、波長可変レーザ装置の材料コストおよび製造コストを下げることができる。

なお、本実施の形態に係る構成は、実施の形態２または実施の形態３にも適用可能である。

なお、本発明の実施の形態１〜３に別個に記載された構成は、自由に組み合わせて使用しても良い。また、これらの実施の形態には、種々の改良、設計上の変更や削除が加えられてもよく、これらの実施の形態にはさまざまな変形例が存在する。

例えば、実施の形態１〜３の記載した第２半導体チップ２では、Ｎ型基板４の上に、Ｎ型クラッド層５、導波層６または活性層７、Ｐ型クラッド層８が順次積層された構成を用いたが、本発明はこれに限定されることなく、これらの導電型を反転させ、Ｐ型基板の上にＰ型クラッド層、導波層または活性層、Ｎ型クラッド層を積層した構成を用いても良い。

また、実施の形態１〜３では、第１半導体チップ１に設けられた導波路は、いわゆる埋め込み型としたが、本発明はこれに限定されることなく、リッジ型の導波路を用いても構わない。

１第１半導体チップ、２第２半導体チップ、１３分布帰還レーザダイオード（ＤＦＢ−ＬＤ）、１４ＤＦＢ−ＬＤアレイ、１５ＭＭＩ入力導波路、１６ＭＭＩ光結合器、１７ＭＭＩ出力導波路、１８光増幅器（ＳＯＡ）、１９ＭＭＩ入力導波路、２０ＭＭＩ光結合器、２１ＭＭＩ出力導波路、２２ＳＯＡ、２３、２４出力光、３０光回路、３１グレーティングカプラ、３２単一モード導波路、３３スパイラル部、３４ループミラー、３５方向性結合器、３６モニタポート、５０サブマウント、１００波長可変レーザ装置。

本発明は、複数の単一モードレーザが並列に配置されたレーザアレイと、レーザアレイの一端に接続された第１光結合器およびレーザアレイの他端に接続された第２光結合器と、第１光結合器に接続された第１光増幅器および第２光結合器に接続された第２光増幅器とを含み、第１光増幅器から第１出力光が出射し、第２光増幅器から第２出力光が出射する第１半導体チップと、第１半導体チップと光結合された光回路を有し、第１半導体チップから光回路に入射した第２出力光の少なくとも一部を戻り光として第１半導体チップに戻す、第２半導体チップと、を含み、レーザアレイから単一モードレーザを選択し、単一モードレーザの動作温度を制御して、第１出力光および第２出力光の波長を変え、第２出力光の少なくとも一部を第２半導体チップ内に反射させ、第２半導体チップから第１半導体チップに戻された戻り光は、第２光増幅器で強度が調整され、選択された単一モードレーザに戻され、第１出力光は戻り光により狭線幅化されることを特徴とする波長可変レーザ装置である。

本発明は、複数の単一モードレーザが並列に配置されたレーザアレイと、レーザアレイの前方の一端に接続された第１光結合器およびレーザアレイの後方の他端に接続された第２光結合器と、第１光結合器の前方に接続された第１光増幅器および第２光結合器の後方に接続された第２光増幅器とを含み、第１光増幅器から第１出力光を前方へ出射し、第２光増幅器から第２出力光を後方へ出射する第１半導体チップと、第１半導体チップの後方に配置され、第１半導体チップと光結合された光回路を有し、第１半導体チップの後方から光回路に入射した第２出力光の少なくとも一部を戻り光として前方の第１半導体チップに戻す、第２半導体チップと、を含み、レーザアレイから単一モードレーザを選択し、単一モードレーザの動作温度を制御して、第１出力光および第２出力光の波長を変え、第１半導体チップの後方から出射された第２出力光の少なくとも一部を第２半導体チップ内に反射させ、第２半導体チップから前方の第１半導体チップに戻された戻り光は、第２光増幅器で強度が調整され、選択された単一モードレーザに戻され、選択された単一モードレーザは戻り光により狭線幅動作し、狭線幅化された第１出力光が第１半導体チップの前方へ出射されることを特徴とする波長可変レーザ装置である。

Claims

複数の単一モードレーザが並列に配置されたレーザアレイと、前記レーザアレイの一端に接続された第１光結合器および前記レーザアレイの他端に接続された第２光結合器と、前記第１光結合器に接続された第１光増幅器および前記第２光結合器に接続された第２光増幅器とを含み、前記第１光増幅器から第１出力光が出射し、前記第２光増幅器から第２出力光が出射する第１半導体チップと、
前記第１半導体チップと光結合された光回路を有し、前記第１半導体チップから前記光回路に入射した前記第２出力光の少なくとも一部を前記第１半導体チップに戻す、第２半導体チップと、を含み、
前記レーザアレイから前記単一モードレーザを選択し、前記単一モードレーザの動作温度を制御して、前記第１出力光および第２出力光の波長を変え、前記第２出力光の少なくとも一部を前記第２半導体チップ内に反射させ、前記第２半導体チップから前記第１半導体チップに戻された前記第２出力光の少なくとも一部は、前記第２光増幅器で強度が調整され、選択された前記単一モードレーザに戻されることを特徴とする波長可変レーザ装置。
前記第２半導体チップの表面上に前記第１半導体チップが配置され、前記第１半導体チップに設けられたミラーにより前記第２出力光が反射されて、前記第２半導体チップの表面に設けられたグレーティングカプラに入射することを特徴とする請求項１に記載の波長可変レーザ装置。
前記ミラーは、前記第１半導体チップに設けられたエッチング面であることを特徴とする請求項２に記載の波長可変レーザ装置。
前記第１光結合器および前記第２光結合器は、多モード干渉型光カプラからなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の波長可変レーザ装置。
前記第１光結合器は、ファンネルカプラからなることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の波長可変レーザ装置。
前記第１光結合器は、二出力の多モード干渉型光カプラからなり、前記第１出力光は、２つの出力光からなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の波長可変レーザ装置。
前記光回路は方向性結合器を含み、前記光回路に入った前記第２出力光の一部を分離して取り出すことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の波長可変レーザ装置。
段差を有するサブマウントを備え、
前記サブマウントの前記段差以外の表面上に前記第１半導体チップが配置され、
前記サブマウント表面上の前記段差が設けられる領域に前記第２半導体チップが配置されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の波長可変レーザ装置。