WO2014115330A1 - レーザ装置、光変調装置及び光半導体素子 - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a laser device, a light modulation device, and an optical semiconductor element.
  • a laser device As a light source for optical fiber communication and optical interconnect, a laser device having a structure in which an optical semiconductor element made of a compound semiconductor and a silicon (Si) optical waveguide are integrated in a hybrid manner has been proposed. Such a laser device is characterized in that it can be operated with low power consumption and can be miniaturized.
  • a light modulation device using such a laser device there is a structure in which a laser device 900 and a ring assist light modulator 960 are combined as shown in FIG.
  • the laser device 900 includes an optical semiconductor element 910 called SOA (Semiconductor Optical Amplifier) and a wavelength selective reflection element 950 in which an optical waveguide is formed.
  • SOA semiconductor Optical Amplifier
  • a gain waveguide 911 is formed in the optical semiconductor element 910, an antireflection film 912 is formed on one surface of the end face of the gain waveguide 911 from which light is emitted, and an end face of the gain waveguide 911 is formed.
  • a highly reflective film 913 is formed on the other surface.
  • the wavelength selective reflection element 950 includes a first optical waveguide 951, a ring resonator 952, a second optical waveguide 953, and a wavelength selective reflection mirror 954 formed in the second optical waveguide 953.
  • the optical semiconductor element 910 and the wavelength selective reflection element 950 include an output end 911a of the gain waveguide 911 on one surface of the optical semiconductor element 910 and an incident end 951a of light in the first optical waveguide 951 of the wavelength selective reflection element 950. And are installed so as to face each other.
  • the ring assist optical modulator 960 is provided with a first modulator optical waveguide 961 and a second modulator optical waveguide 962.
  • the first modulator optical waveguide 961 and the second modulator optical waveguide 962 are connected by an optical waveguide 965 on the light incident side and an optical waveguide 966 on the light output side.
  • a plurality of ring resonators 963 are provided in the vicinity of the side portion of the first modulator optical waveguide 961, and a plurality of ring resonances are provided in the vicinity of the side portion of the second modulator optical waveguide 962.
  • a container 964 is provided.
  • a resonator is formed by a high reflection film 913 formed on the other surface of the optical semiconductor element 910, a ring resonator 952 and a wavelength selective reflection mirror 954 formed on the wavelength selective reflection element 950. Is done. Therefore, in this laser device 900, light is emitted by passing a current or the like through the optical semiconductor element 910, and the light emitted from the optical semiconductor element 910 is laser-oscillated by a resonator or the like to be emitted from the second optical waveguide 953. The laser beam is emitted from the end 953a.
  • the laser light emitted from the wavelength selective reflection element 950 enters the ring assist light modulator 960, propagates through the incident-side optical waveguide 965, and then propagates through the first modulator optical waveguide 961 and the second laser light. Is once branched into a laser beam propagating through the modulator optical waveguide 962.
  • the phase of the propagating light can be modulated by applying a voltage to the first modulator optical waveguide 961 or the second modulator optical waveguide 962. Thereafter, the laser light propagating through the first modulator optical waveguide 961 and the laser light propagating through the second modulator optical waveguide 962 are combined in the output-side optical waveguide 966 and output from the output-side optical waveguide 966.
  • the light is emitted from the end 966a. Since the laser light emitted from the emission end 966a of the optical waveguide 966 is obtained by coupling and interfering with the phase modulated in the first modulator optical waveguide 961 or the second modulator optical waveguide 962. The light is emitted as modulated signal light whose light intensity is modulated.
  • the wavelength selective reflection element 950 and the ring assist light modulator 960 are formed on the same silicon substrate 970.
  • the operating wavelength band capable of efficiently performing optical modulation is as narrow as about 1 nm near the resonance wavelength of the ring waveguide. It is required to match the resonance wavelength of the ring of the ring assist light modulator 960.
  • the ring resonator 952 in the wavelength selective reflection element 950 and the ring resonators 963 and 964 in the ring assist light modulator 960 are formed to have the same structure.
  • the wavelength selective reflection element 950 selects one of the transmission center wavelengths of the ring resonator 952 that periodically exists by the wavelength selective reflection mirror 954, thereby determining the oscillation wavelength of the laser light. .
  • the ring resonator 952 and the ring resonators 963 and 964 are formed to have the same period length.
  • the transmission wavelengths of the ring resonator 952 and the ring resonators 963 and 964 automatically match, the laser light having the operating wavelength in the ring assist light modulator 960 can be emitted without performing special control.
  • the light can be emitted from the laser device 900.
  • the wavelength selective reflection element 950 and the ring assist light modulator 960 are formed on the same silicon substrate 970, the operation is hindered even if a temperature change occurs in the silicon substrate 970. Absent.
  • the temperature of the silicon substrate 970 rises or falls as a whole, and therefore the wavelength shift occurs similarly in the ring resonator 952 and the ring resonators 963 and 964. Therefore, stable operation can be maintained even when the temperature of the silicon substrate changes.
  • FIG. 4 shows the relationship between the amount of current for driving the optical semiconductor element 910 obtained based on FIG. 3 and the peak wavelength.
  • the driving current of the optical semiconductor element 910 is relatively low, the oscillation wavelength in the laser device 900 is within the operating wavelength band of the ring assist optical modulator 960, so that efficient optical modulation is possible.
  • the drive current of the optical semiconductor element 910 is increased, the oscillation wavelength in the laser device 900 is independently shifted to the long wavelength side.
  • efficient light modulation cannot be performed. .
  • the optical semiconductor element in a laser apparatus having an optical semiconductor element formed of a compound semiconductor material and a wavelength selective reflection element including an optical waveguide, includes a first gain waveguide and , A second gain waveguide, a DBR waveguide formed between the first gain waveguide and the second gain waveguide, and a first current flowing through the first gain waveguide.
  • An anti-reflection film is formed on an element end face to which the second gain waveguide is connected, and an electrode and a second electrode for passing a current through the second gain waveguide.
  • the optical waveguide in the wavelength selective reflection element reflects light having a predetermined wavelength out of incident light, and the first gain waveguide and the wavelength selective reflector are optically coupled.
  • the first gain waveguide as a gain medium, It characterized by having a laser resonator formed by the road and said wavelength selective reflective element.
  • a first gain waveguide formed of a compound semiconductor material a second gain waveguide formed of a compound semiconductor material, and the first gain
  • a DBR waveguide formed of a compound semiconductor material a first electrode for passing a current through the first gain waveguide, and the second gain guide between the waveguide and the second gain waveguide.
  • an end face to which the first gain waveguide is connected and an end face to which the second gain waveguide is connected are both non-reflective.
  • a film is formed.
  • the disclosed laser device it is possible to increase the intensity of the laser beam without shifting the wavelength.
  • the first optical waveguide 981 corresponds to the first optical waveguide 951 in the wavelength selective reflection element 950 shown in FIG. 2, and the ring resonator 982 corresponds to the ring resonator 952.
  • the second optical waveguide 983 corresponds to the second optical waveguide 953.
  • the entrance end, the exit end, and the entrance / exit end of the optical waveguide may be described as the end face of the optical waveguide.
  • the shift amount of the peak wavelength rapidly increases above a certain intensity.
  • Such a sudden increase in the shift amount of the peak wavelength is considered to be caused by the temperature around the ring resonator 982 rising due to the incident light, and the transmission center wavelength in the ring resonator 982 being shifted. . Therefore, also in the laser apparatus 900 using the wavelength selective reflection element 950 having the same structure as that shown in FIG. 5, the transmission center wavelength of the ring resonator is shifted for the same reason, and the transmission of the ring resonator is performed. It is assumed that the wavelength of the laser light determined by the center wavelength shifts. Therefore, even if the output of the laser beam emitted from the laser device is increased, it is considered that no peak shift occurs if the intensity of the laser beam incident on the wavelength selective reflection element 950 does not increase.
  • FIG. 7 shows the structure of the laser device in this embodiment.
  • the laser device in the present embodiment has an optical semiconductor element 10 and a wavelength selective reflection element 50.
  • the optical semiconductor element 10 includes a gain waveguide made of a compound semiconductor material.
  • the optical semiconductor element 10 has a first gain waveguide 11 on one side and a second gain waveguide 12 on the other side.
  • a DBR (Distributed Bragg Reflector) waveguide 13 is provided between the first gain waveguide 11 and the second gain waveguide 12.
  • An antireflection film 14 is formed on one surface of the optical semiconductor element 10 which is the end surface of the first gain waveguide 11, and light opposite to the one surface which is the end surface of the second gain waveguide 12.
  • An antireflection film 15 is formed on the other surface of the semiconductor element 10. Note that the end face of the first gain waveguide 11 becomes the entrance / exit end 11 a of the first gain waveguide 11, and the end face of the second gain waveguide 12 becomes the exit end 12 a of the second gain waveguide 12. Become.
  • the wavelength selective reflection element 50 is formed in the first optical waveguide 51, the ring resonator 52, the second optical waveguide 53, and the second optical waveguide 53, and serves as a wavelength selective reflection mirror that reflects only a specific wavelength. And a DBR waveguide 54.
  • the first optical waveguide 51, the ring resonator 52, the second optical waveguide 53, and the DBR waveguide 54 are formed on a silicon substrate 70, and are formed by, for example, a silicon optical waveguide surrounded by silicon oxide or the like. Has been.
  • the optical waveguides such as the first optical waveguide 51, the ring resonator 52, the second optical waveguide 53, and the DBR waveguide 54 are formed by processing an SOI (Silicon on Insulator) substrate or the like.
  • SOI Silicon on Insulator
  • a silicon oxide layer in an SOI substrate is used as a lower clad
  • an optical waveguide is formed by processing a silicon layer on the silicon oxide layer
  • a silicon oxide layer is formed on the formed optical waveguide. It has a structure in which a clad is formed.
  • the optical semiconductor element 10 and the wavelength selective reflection element 50 are an incident / exit end 11a of the first gain waveguide 11 in the optical semiconductor element 10 and an incident / exit end of light of the first optical waveguide 51 in the wavelength selective reflection element 50. It is installed so as to face 51a.
  • a resonator is formed by the DBR waveguide 13 in the optical semiconductor element 10 and the ring resonator 52 and the DBR waveguide 54 in the wavelength selective reflection element 50.
  • light is emitted by passing a current through a region where the first gain waveguide 11 of the optical semiconductor element 10 is formed, and the emitted light is laser-oscillated using a resonator. And is amplified in the second gain waveguide 12. Thereby, the light amplified in the second gain waveguide 12 can be emitted as laser light from the emission end 12 a of the second gain waveguide 12 of the optical semiconductor element 10.
  • laser light having a resonance wavelength is oscillated in the first gain waveguide 11 and the resonator, and the laser light oscillated in the second gain waveguide 12 is amplified.
  • the functions of oscillation and amplification are separated. Therefore, even if the amount of current flowing through the first gain waveguide 11 is fixed, the intensity of the laser light can be increased by increasing the amount of current flowing through the second gain waveguide 12.
  • the optical semiconductor can be obtained even if the current amount of the second gain waveguide 12 is changed to increase the intensity of the laser beam emitted from the emission end 12a. Since the intensity of light incident on the wavelength selective reflection element 50 from the element 10 is constant, the transmission center wavelength of the ring resonator inside the wavelength selective reflection element 50 does not shift, and the laser oscillation wavelength does not shift. Therefore, in the laser device according to the present embodiment, even if the intensity of the laser beam emitted from the emission end 12a of the second gain waveguide 12 is increased, the oscillation wavelength does not shift.
  • a desired constant wavelength laser beam is emitted from the emission end 12a of the second gain waveguide 12 without depending on the intensity of the emitted laser beam. Can do. Furthermore, if the amount of current flowing through the gain waveguide 1 is fixed to a relatively small value, the light intensity inside the ring resonator decreases, so there is no shift of the transmission center wavelength due to heat generation due to light incidence, and the ring resonator It becomes possible to maintain the original transmission center wavelength.
  • FIGS. 9A is a cross-sectional view taken along the alternate long and short dash line 8A-8B in FIG. 8, and FIG. 9B is a cross-sectional view taken along the alternate long and short dash line 8C-8D in FIG.
  • FIG. 9C is a cross-sectional view taken along one-dot chain line 8E-8F in FIG.
  • the optical semiconductor element 10 has the first gain waveguide 11 formed on one side and the second gain waveguide 12 formed on the other side.
  • a DBR waveguide 13 is formed between the first gain waveguide 11 and the second gain waveguide 12.
  • the optical semiconductor element 10 is formed on the n-InP substrate 20 by epitaxially growing a semiconductor layer formed of a compound semiconductor material by MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) or the like.
  • MOCVD Metal Organic Chemical Vapor Deposition
  • a p-InGaAs / p-InGaAsP contact layer for reducing the contact resistance with the electrode may be placed on the p-InP cladding layer.
  • the MQW active layer 22 thus formed forms the first gain waveguide 11 and the second gain waveguide 12.
  • the MQW active layer 22 is formed by alternately stacking i-InGaAsP having different compositions, and is formed to have a thickness of 100 nm and a PL (Photoluminescence) wavelength of 1.55 ⁇ m.
  • a PL Photoluminescence
  • an n-InP clad layer 21, an optical waveguide core layer 24, and a p-InP clad layer 23 are stacked on the n-InP substrate 20.
  • the DBR waveguide 13 is formed by the optical waveguide core layer 24 thus formed.
  • the optical waveguide core layer 24 is formed of i-InGaAsP having a thickness of 200 nm and a PL wavelength of 1.30 ⁇ m.
  • a diffraction grating 25 is formed of n-InGaAsP. The coupling coefficient and period of the diffraction grating are adjusted so as to select one of the resonant wavelengths generated periodically in the ring waveguide inside the wavelength selective reflection element 50 at a wavelength near 1.55 ⁇ m.
  • the first gain waveguide 11, the second gain waveguide 12, and the DBR waveguide 13 have a mesa structure with a width of 1.5 ⁇ m, and both sides of the mesa structure have high resistance doped with Fe as an impurity element.
  • the SI-InP layer 29 is formed. Note that the first gain waveguide 11, the second gain waveguide 12, and the DBR waveguide 13 of the optical semiconductor element 10 according to the present embodiment are identical in n-type by using a bad joint growth technique by MOCVD. It can be formed on the InP substrate 20
  • the formed first gain waveguide 11 has a length of about 400 ⁇ m
  • the second gain waveguide 12 has a length of about 600 ⁇ m
  • the DBR waveguide 13 has a length of about 600 ⁇ m.
  • the coupling coefficient ⁇ in the DBR waveguide 13 is formed to be 100 cm ⁇ 1, and the reflectance in the DBR waveguide 13 is about 60%.
  • a lower electrode 26 serving as a common electrode is formed on the back surface of the n-InP substrate 20 in a region where the first gain waveguide 11, the second gain waveguide 12, and the DBR waveguide 13 are formed.
  • a first upper electrode 27 is formed on the p-InP cladding layer 23 in the region where the first gain waveguide 11 is formed, and the region where the second gain waveguide 12 is formed.
  • a second upper electrode 28 is formed on the p-InP cladding layer 23 in FIG. In this way, the first upper electrode 27 is formed in the region where the first gain waveguide 11 is formed, and the second upper electrode 28 is formed in the region where the second gain waveguide 12 is formed. Different currents can be injected independently between the first gain waveguide 11 and the second gain waveguide 12.
  • the first upper electrode 27 and the second upper electrode 28 are made of Ti / Pt / Au.
  • the first gain waveguide 11 and the second gain waveguide 12 are in the vicinity of one surface of the optical semiconductor element 10 and the normal of the other surface in the vicinity of the end face.
  • each is formed so as to be inclined by about 7 °.
  • the wavelength selective reflection element 50 is formed using an SOI substrate in which a silicon oxide layer and a silicon layer are sequentially laminated on a silicon substrate 70.
  • This SOI substrate is formed by sequentially laminating a silicon oxide layer having a thickness of about 3 ⁇ m and a silicon layer having a thickness of about 300 nm on a silicon substrate.
  • the wavelength selective reflection element 50 is formed by applying a photoresist on a silicon layer of an SOI substrate and performing exposure and development with an exposure apparatus to form a resist pattern (not shown). This resist pattern is formed on a region where the first optical waveguide 51, the ring resonator 52, the second optical waveguide 53, and the wavelength selective reflection mirror 54 are formed.
  • the first optical waveguide 51, the ring resonator 52, the second optical waveguide 53, and the optical waveguide that becomes the wavelength selective reflection mirror 54 are formed of silicon.
  • the first optical waveguide 51, the ring resonator 52, the second optical waveguide 53, and the optical waveguide serving as the DBR waveguide 54 are formed by rib waveguides.
  • a slab region having a thickness of about 50 nm is formed around a core region having a width of about 500 nm and a thickness of about 300 ⁇ m.
  • an upper clad is formed by forming a silicon oxide layer having a thickness of about 2 ⁇ m on the optical waveguide made of silicon. Thereby, the wavelength selective reflection element 50 can be formed.
  • the first optical waveguide 51, the ring resonator 52, the second optical waveguide 53, and the DBR waveguide 54 are not only rib cores but also slab regions, and only the core region.
  • a so-called channel waveguide having a formed structure may be used.
  • the ring resonator 52 is formed so as to have a radius of 8 ⁇ m.
  • the gap G1 between the first optical waveguide 51 and the ring resonator 52 and the second optical waveguide 53 and the ring resonance are formed.
  • the gap G2 with the vessel 52 is formed to be about 300 nm.
  • the DBR waveguide 54 is formed by forming a side diffraction grating having a length of about 3 ⁇ m and a pitch of about 300 nm on the side wall of the optical waveguide in the region where the length of the second optical waveguide 53 is about 500 ⁇ m. Has been.
  • the reflection wavelength band of the DBR waveguide 54 is made to coincide with the reflection wavelength band of the DBR waveguide of the optical semiconductor element 10 so that the same wavelength among the periodic transmission wavelengths of the ring resonator is reflected.
  • the wavelength selective reflection element 50 is formed so that the end surfaces of the first optical waveguide 51 and the second optical waveguide 53 are inclined by about 15 ° with respect to the normal line of the end surface. Furthermore, it is formed so as to have a tapered shape in which the width of the tip portion becomes narrow.
  • the input / output end 11a of the first gain waveguide 11 in the optical semiconductor element 10 and the input / output end 51a of the first optical waveguide 51 in the wavelength selective reflection element 50 are aligned.
  • the optical semiconductor element 10 and the wavelength selective reflection element 50 are fixed.
  • the optical semiconductor element 10 and the wavelength selective reflection element 50 are embedded with a refractive index matching resin material (not shown) between the aligned optical semiconductor element 10 and the wavelength selective reflection element 50. It is fixed by.
  • the laser device in this embodiment can be manufactured.
  • laser light having a resonance wavelength is oscillated in the first gain waveguide 11 and the resonator, and the laser light oscillated in the second gain waveguide 12 is amplified.
  • the functions of light oscillation and amplification are separated. Therefore, by fixing the amount of current flowing through the first gain waveguide 11 and increasing the amount of current flowing through the second gain waveguide 12, the laser emitted without causing a shift in the oscillation wavelength of the laser It becomes possible to increase the intensity of light.
  • the present embodiment is a light modulation device, and as shown in FIG. 10, a ring assist light modulator is provided on the end face side of the optical semiconductor element 12a from which the laser light in the laser device in the first embodiment is emitted. 160 is provided. Specifically, the wavelength selective reflection element 50 and the ring assist light modulator 160 are formed on the same silicon substrate 170. In the silicon substrate 170, the wavelength selective reflection element 50, the ring assist light modulator 160, A groove 171 is formed between them. In the present embodiment, the optical semiconductor element 10 in the first embodiment is installed in the groove portion 171.
  • the optical semiconductor element 10 and the wavelength selective reflection element 50 are the input / output end 11 a of the first gain waveguide 11 of the optical semiconductor element 10 and the first optical waveguide 51 of the wavelength selective reflection element 50. Is aligned with the incident / exit end 51a.
  • the optical semiconductor element 10 and the ring assist optical modulator 160 include an emission end 12a of the second gain waveguide 12 of the optical semiconductor element 10 and an incident end 165a of the optical waveguide 165 in the ring assist optical modulator 160. Alignment has been made. As described above, the optical semiconductor element 10 is installed on the silicon substrate 170 in a state where the wavelength selective reflection element 50 and the ring assist light modulator 160 are aligned.
  • the ring assist light modulator 160 has a first modulation optical waveguide 161 and a second modulation optical waveguide 162.
  • the first modulation optical waveguide 161 and the second modulation optical waveguide 162 are connected by an optical waveguide 165 on the light incident side, and are connected by an optical waveguide 166 on the light emission side.
  • a plurality of ring resonators 163 are provided in the vicinity of the side portion of the first modulation optical waveguide 161, and a plurality of ring resonators 164 are provided in the vicinity of the side portion of the second modulation optical waveguide 162. Is provided.
  • the laser light emitted from the emission end 12 a of the second gain waveguide 12 of the optical semiconductor element 10 enters from the incident end 165 a of the optical waveguide 165 in the ring assist light modulator 160 and propagates through the optical waveguide 165. Thereafter, the laser beam is branched into a laser beam propagating through the first modulation optical waveguide 161 and a laser beam propagating through the second modulation optical waveguide 162.
  • the ring assist light modulator 160 by applying a voltage to the first modulation optical waveguide 161 or the second modulation optical waveguide 162, the phase of the laser light propagating to each can be modulated.
  • the laser light propagating through the first modulation optical waveguide 161 and the laser light propagating through the second modulation optical waveguide 162 are combined in the optical waveguide 166 and emitted from the emission end 166 a of the optical waveguide 166.
  • the laser light emitted from the emission end 166a of the optical waveguide 166 is obtained by combining those modulated in phase in the first modulation optical waveguide 161 or the second modulation optical waveguide 162, 2 Depending on the phase difference between the two modulation optical waveguides 161 and 162, the light is emitted as modulated signal light whose light intensity is modulated.
  • the ring resonator 52 in the wavelength selective reflection element 50 and the ring resonator 163 and the ring resonator 164 in the ring assist light modulator 160 are formed to have the same shape. By forming them in the same shape as described above, the resonance wavelength of the ring resonator 52 in the wavelength selective reflection element 50 and the operating wavelength in the ring assist light modulator 160 can be made coincident with each other without being affected by a temperature change or the like.
  • the oscillation wavelength of the laser can be matched with the operating wavelength of the modulator.
  • the current value of the first gain waveguide 11a of the semiconductor element 10 is fixed at a relatively low value, and the current value of the second gain waveguide is increased, thereby increasing the semiconductor value. Even when the optical output on the 12a end face side of the element 10 is increased, it is possible to suppress the shift of the transmission center wavelength of the ring resonator 52 of the wavelength selective reflection element 50 so that the laser oscillation wavelength does not change. It becomes. As a result, the operating wavelength of the modulator does not deviate from the oscillation wavelength of the laser, and the laser light intensity can be increased.
  • the first modulator optical waveguide 161, the second modulator optical waveguide 162, the optical waveguides 165 and 166, and the plurality of ring resonators 163 and 164 in the ring assist optical modulator 160 are the first modulator optical waveguide 161 in the wavelength selective reflection element 50. It is formed with the same structure as the one optical waveguide 51 and the like. Accordingly, the first modulator optical waveguide 161, the second modulator optical waveguide 162, the optical waveguides 165 and 166, and the plurality of ring resonators 163 and 164 in the ring assist optical modulator 160 are included in the first wavelength selective reflection element 50. 1 optical waveguide 51 and the like can be formed simultaneously.
  • the optical semiconductor element 10 is installed on the silicon substrate 170 so that the upper surface of the optical waveguide such as the first optical waveguide 51 is on the upper side.
  • a flip chip mounting structure may be used so as to be on the lower side.
  • the position of the optical waveguide can be precisely controlled by the thickness of the epitaxial growth from the core portion to the upper clad portion of the optical waveguide. Optical coupling with the optical semiconductor element 10 becomes possible.
  • the present embodiment is an optical modulation device, and as shown in FIG. 11, an input / output end 11 a of the first gain waveguide 11 and an output end 12 a of the second gain waveguide 12 in the optical semiconductor element 210 are provided. Both are provided on one surface side of the same optical semiconductor element 210. Therefore, in the present embodiment, as shown in FIG. 11, the second gain waveguide 12 is formed in a curved shape and has a U shape. In the present embodiment, an antireflection film 214 is formed on one surface of the optical semiconductor element 210.
  • the wavelength selective reflection element 50 and the ring assist light modulator 160 are formed on the same silicon substrate 270. Therefore, the incident / exit end 51a of the first optical waveguide 51 of the wavelength selective reflection element 50 and the incident end 165a of the optical waveguide 165 in the ring assist optical modulator 160 are formed on the same side surface in the silicon substrate 270. ing.
  • the wavelength selective reflection element 50 and the ring assist light modulator 160 are formed on the same surface side with respect to the optical semiconductor element 210, it is not necessary to form a groove or the like, and the light modulation device can be downsized. Can do. Furthermore, since the ring resonator 52 and the ring resonators 163 and 164 can be formed at closer positions, the influence of wavelength shift due to temperature change can be further reduced.
  • this embodiment may have a structure in which light is folded inside the optical semiconductor element by disposing a reflective 2 ⁇ 2 multimode interference waveguide near the end face of the optical semiconductor element. In this case, since it is not necessary to bend the second gain waveguide 12, the optical semiconductor element 210 can be further reduced in size.
  • the present embodiment is a laser device, and as shown in FIG. 12, the wavelength selective reflection element 350 is not provided with the DBR waveguide 54 as in the first embodiment, but has a wavelength dependency.
  • This is a structure provided with a loop mirror 355 having a very small amount.
  • the loop mirror 355 has a feature that a reflection mirror having a high reflectance can be formed regardless of the wavelength by forming a loop-shaped optical waveguide without forming an end face or the like. It is promising as a reflecting mirror applied to an element using a silicon waveguide that is expected to be integrated with density. Therefore, in the laser device according to the present embodiment, among the periodic transmission wavelengths in the ring resonator 52 of the wavelength selective reflection element 350, the wavelength selected in the DBR waveguide 13 of the semiconductor element 10 becomes the resonance wavelength.
  • FIG. 13 shows the relationship between the optical waveguide width and the Bragg wavelength in the DBR waveguide 54 formed of silicon in the wavelength selective reflection element 50 according to the first embodiment or the like.
  • FIG. 14 shows the relationship between the optical waveguide width and the Bragg wavelength in the DBR waveguide 13 formed of a compound semiconductor in the optical semiconductor element 10. As shown in FIGS. 13 and 14, the dependence of the Bragg wavelength on the width of the optical waveguide is shown in FIG. 14 for the DBR waveguide 54 formed in the wavelength selective reflection element 50 shown in FIG. It is larger than the DBR waveguide 13 formed in the optical semiconductor element 10. That is, the dependence of the optical waveguide width on the Bragg wavelength is such that the DBR waveguide 54 formed in the wavelength selective reflection element 50 shown in FIG.
  • the DBR waveguide 13 has the DBR formed in the optical semiconductor element 10 shown in FIG. It is larger than the waveguide 13. For this reason, in the DBR waveguide 54 and the like, when the width of the optical waveguide is formed differently due to a manufacturing error or the like, the selected wavelength may be largely shifted from the desired wavelength. However, in the present embodiment, the function of selecting one of the resonance wavelengths of the ring resonator is provided in the DBR waveguide 13 of the semiconductor element 10, not in the loop mirror 355 inside the wavelength selective reflection element 350. Thus, the resonance wavelength can be more precisely set to a desired value, so that the uniformity of the oscillation wavelength of the laser beam can be further improved.
  • the laser device in the present embodiment can be used in the light modulation devices in the second and third embodiments in the same manner as the laser device in the first embodiment.
  • optical semiconductor element 11 first gain waveguide 11a input / output end 12 second gain waveguide 12a output end 13 DBR waveguide 14 antireflection film 15 antireflection film 20 n-InP substrate 21 n-InP clad layer 22 MQW Active layer 23 p-InP cladding layer 24 Optical waveguide core layer 25 Diffraction grating 26 Lower electrode 27 First upper electrode 28 Second upper electrode 29 SI-InP layer 50 Wavelength selective reflection element 51 First optical waveguide 51a Incoming and outgoing End 52 Ring resonator 53 Third optical waveguide 54 Wavelength selective reflector (DBR waveguide) 70 Silicon substrate 160 Ring assist optical modulator 161 First modulator optical waveguide 162 Second modulator optical waveguide 163 Ring resonator 164 Ring resonator 165 Optical waveguide 165a Incoming end 166 Optical waveguide 166a Outgoing end 170 Silicon substrate

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Abstract

　化合物半導体材料により形成される光半導体素子と光導波路を含む波長選択反射素子とを有するレーザ装置において、前記光半導体素子は、第１の利得導波路と、第２の利得導波路と、前記第１の利得導波路と前記第２の利得導波路との間に形成されたＤＢＲ導波路と、前記第１の利得導波路に電流を流す第１の電極と、前記第２の利得導波路に電流を流す第２の電極と、を有しており、かつ、前記第２の利得導波路が接続される素子端面に反射防止膜が形成されており、前記波長選択反射素子における前記光導波路は、入射した光のうち所定の波長の光を反射するものであって、前記第１の利得導波路と、前記波長選択反射子とが光学的に結合され、前記第１の利得導波路を利得媒質とし、前記ＤＢＲ導波路と前記波長選択反射素子とで形成されたレーザ共振器を持つことを特徴とする。

Description

レーザ装置、光変調装置及び光半導体素子
　本発明は、レーザ装置、光変調装置及び光半導体素子に関する。
　光ファイバ通信や光インターコネクト用の光源として、化合物半導体からなる光半導体素子とシリコン（Ｓｉ）光導波路をハイブリッド集積した構造のレーザ装置が提案されている。このようなレーザ装置は、低い消費電力で動作させることができ、また、小型化可能であるという特徴を有している。このようなレーザ装置を用いた光変調装置としては、図１に示されるように、レーザ装置９００とリングアシスト光変調器９６０とを組み合わせた構造のものがある。
　図２に示されるように、レーザ装置９００は、ＳＯＡ（Semiconductor Optical Amplifier）と呼ばれる光半導体素子９１０と、光導波路の形成された波長選択反射素子９５０とを有している。光半導体素子９１０には、利得導波路９１１が形成されており、光が出射される利得導波路９１１の端面の一方の面には反射防止膜９１２が形成されており、利得導波路９１１の端面の他方の面には高反射膜９１３が形成されている。
　波長選択反射素子９５０は、第１の光導波路９５１と、リング共振器９５２と、第２の光導波路９５３と、第２の光導波路９５３に形成された波長選択反射鏡９５４とを有している。光半導体素子９１０と波長選択反射素子９５０とは、光半導体素子９１０における一方の面の利得導波路９１１の出射端９１１ａと、波長選択反射素子９５０の第１の光導波路９５１における光の入射端９５１ａとが対向するように設置されている。
　また、図１に示されるように、リングアシスト光変調器９６０には、第１の変調器光導波路９６１と第２の変調器光導波路９６２とが設けられている。第１の変調器光導波路９６１及び第２の変調器光導波路９６２は、光の入射側において光導波路９６５、光の出射側において光導波路９６６により接続されている。また、第１の変調器光導波路９６１の側部の近傍には、複数のリング共振器９６３が設けられており、第２の変調器光導波路９６２の側部の近傍には、複数のリング共振器９６４が設けられている。
　レーザ装置９００においては、光半導体素子９１０の他方の面に形成されている高反射膜９１３と、波長選択反射素子９５０に形成されているリング共振器９５２及び波長選択反射鏡９５４により共振器が形成される。よって、このレーザ装置９００では、光半導体素子９１０に電流等を流すことにより発光が生じ、光半導体素子９１０において発光させた光を共振器等によりレーザ発振させて、第２の光導波路９５３の出射端９５３ａよりレーザ光として出射させるものである。
　波長選択反射素子９５０より出射されたレーザ光は、リングアシスト光変調器９６０に入射し、入射側の光導波路９６５を伝播した後、第１の変調器光導波路９６１を伝播するレーザ光と第２の変調器光導波路９６２を伝播するレーザ光とに一旦分岐される。リングアシスト光変調器９６０では、第１の変調器光導波路９６１または第２の変調器光導波路９６２に電圧を印加等することにより、伝播する光の位相を変調させることができる。この後、第１の変調器光導波路９６１を伝播するレーザ光と第２の変調器光導波路９６２を伝播するレーザ光は、出射側の光導波路９６６において結合され、出射側の光導波路９６６の出射端９６６ａより出射される。光導波路９６６の出射端９６６ａより出射されるレーザ光は、第１の変調器光導波路９６１または第２の変調器光導波路９６２において位相が変調されたものを結合して干渉させたものであるため、光強度の変調のなされた変調信号光として出射される。尚、図１に示す構造の光変調装置は、波長選択反射素子９５０とリングアシスト光変調器９６０とが、同一のシリコン基板９７０の上に形成されているものである。
　このようなリングアシスト光変調器９６０においては、効率的に光変調を行うことのできる動作波長帯域がリング導波路の共振波長付近の約１ｎｍと狭いため、光源となるレーザ装置ではその発振波長がリングアシスト光変調器９６０のリングの共振波長に一致していることが求められる。このような波長関係を実現する技術として、上述したような、光半導体素子９１０と、同一のＳｉ基板上に集積された波長選択反射素子９５０とリングアシスト光変調器９６０により形成されるレーザ装置９００が開示されている。尚、波長選択反射素子９５０におけるリング共振器９５２と、リングアシスト光変調器９６０におけるリング共振器９６３、９６４とは、同一構造となるように形成されている。
　このようなレーザ装置９００では、波長選択反射素子９５０において、周期的に存在するリング共振器９５２の透過中心波長の一つを波長選択反射鏡９５４により選択することにより、レーザ光の発振波長が定まる。
　図１に示す場合では、上述したように、リング共振器９５２と、リング共振器９６３、９６４とは、同一の周期長を持つように形成されている。このような構成では、リング共振器９５２とリング共振器９６３、９６４の透過波長は自動的に一致するため、特別な制御を行うことなく、リングアシスト光変調器９６０における動作波長となるレーザ光をレーザ装置９００より出射させることができる。また、波長選択反射素子９５０とリングアシスト光変調器９６０とが、同一のシリコン基板９７０の上に形成されている場合には、シリコン基板９７０において温度変化が生じても、動作が妨げられることはない。即ち、シリコン基板９７０において温度変化が生じても、シリコン基板９７０全体として温度が上昇または降下するため、リング共振器９５２と、リング共振器９６３、９６４においては、同じように波長シフトが生じる。従って、シリコン基板の温度が変化した場合においても、安定的な動作を保つことができる。
特開２０１１－２５３９３０号公報
　しかしながら、図２に示されるレーザ装置においては、出射されるレーザ光の出力を増やすために光半導体素子９１０を駆動するための電流量を増やすと、図３に示されるように、波長シフトが大きくなってしまう。図４は、図３に基づき得られた光半導体素子９１０を駆動するための電流量とピーク波長との関係を示すものである。光半導体素子９１０の駆動電流が比較的低い場合には、レーザ装置９００における発振波長は、リングアシスト光変調器９６０の動作波長帯域内になるため、効率的な光変調が可能である。しかしながら、光半導体素子９１０の駆動電流を増やした場合には、レーザ装置９００における発振波長は独立して長波長側にシフトしてしまう。このようにレーザ装置９００における発振波長のピークが、長波長側にシフトし、リングアシスト光変調器９６０の動作波長帯域外となってしまうと、効率的な光変調を行うことができなくなってしまう。
　よって、光半導体素子における駆動電流を増やしても、波長シフトのないレーザ装置、即ち、波長シフトさせることなくレーザ光の強度を増やすことのできるレーザ装置が求められている。
　本実施の形態の一観点によれば、化合物半導体材料により形成される光半導体素子と光導波路を含む波長選択反射素子とを有するレーザ装置において、前記光半導体素子は、第１の利得導波路と、第２の利得導波路と、前記第１の利得導波路と前記第２の利得導波路との間に形成されたＤＢＲ導波路と、前記第１の利得導波路に電流を流す第１の電極と、前記第２の利得導波路に電流を流す第２の電極と、を有しており、かつ、前記第２の利得導波路が接続される素子端面に反射防止膜が形成されており、前記波長選択反射素子における前記光導波路は、入射した光のうち所定の波長の光を反射するものであって、前記第１の利得導波路と、前記波長選択反射子とが光学的に結合され、前記第１の利得導波路を利得媒質とし、前記ＤＢＲ導波路と前記波長選択反射素子とで形成されたレーザ共振器を持つことを特徴とする。
　また、本実施の形態の他の一観点によれば、化合物半導体材料により形成された第１の利得導波路と、化合物半導体材料により形成された第２の利得導波路と、前記第１の利得導波路と前記第２の利得導波路との間に、化合物半導体材料により形成されたＤＢＲ導波路と、前記第１の利得導波路に電流を流す第１の電極と、前記第２の利得導波路に電流を流す第２の電極と、を有しており、かつ、前記第１の利得導波路が接続される端面と、前期第２の利得導波路が接続される端面とがともに無反射膜が形成されていることを特徴とする。
　開示のレーザ装置によれば、波長シフトさせることなくレーザ光の強度を増やすことができる。
従来の光変調装置の構造図 従来のレーザ装置の構造図 従来のレーザ装置において光半導体素子の駆動電流を変化させた場合の発振スペクトルの変化の説明図 従来のレーザ装置における光半導体素子の駆動電流とピーク波長との相関図 リング共振器の基本構造図 図５に示されるリング共振器における入射光の強度と透過中心波長の相関図 第１の実施の形態におけるレーザ装置の構造図 第１の実施の形態における光半導体素子の導波路に平行な方向の断面図 第１の実施の形態における光半導体素子の導波路に垂直な方向の断面図 第２の実施の形態における光変調装置の構造図 第３の実施の形態における光変調装置の構造図 第４の実施の形態におけるレーザ装置の構造図 シリコンにより形成された光導波路における光導波路の幅とブラッグ波長との相関図 化合物半導体により形成された光導波路における光導波路の幅とブラッグ波長との相関図
　発明を実施するための形態について、以下に説明する。尚、同じ部材等については、同一の符号を付して説明を省略する。
　〔第１の実施の形態〕
　最初に、図２に示されるレーザ装置において、光半導体素子９１０の駆動電流を増やした場合に、出射されるレーザ光において波長がシフトしてしまう理由について検討を行った。この検討内容について以下に説明する。具体的には、図５に示されるように、第１の光導波路９８１、リング共振器９８２、第２の光導波路９８３が形成されている構造において、第１の光導波路９８１の入射端９８１ａより光を入射し、リング共振器９８２を介し、第２の光導波路９８３の出射端９８３ａより光を出射させた場合の、透過中心波長の入力光強度依存性を測定した。図６は、この測定結果に基づき得られた入射される光の強度と、透過中心波長のシフト量の関係を示す。
　尚、図５においては、第１の光導波路９８１は、図２に示される波長選択反射素子９５０における第１の光導波路９５１に対応し、リング共振器９８２は、リング共振器９５２に対応し、第２の光導波路９８３は、第２の光導波路９５３に対応している。また、本実施の形態においては、光導波路における入射端、出射端、入出射端については、光導波路の端面と記載する場合がある。
　図６に示されるように、入射光の強度を増加させると、ある強度以上において、急激にピーク波長のシフト量が増大する。このようなピーク波長のシフト量の急激な増大は、入射される光によりリング共振器９８２の周辺における温度が上昇し、リング共振器９８２における透過中心波長がシフトしてしまうことによるものと考えられる。従って、図５に示される構造と同様の構造を有する波長選択反射素子９５０が用いられているレーザ装置９００においても、同様の理由によりリング共振器の透過中心波長がシフトし、リング共振器の透過中心波長で決まるレーザ光の波長がシフトしてしまうものと推察される。従って、レーザ装置より出射されるレーザ光の出力を増やしても、波長選択反射素子９５０に入射するレーザ光の強度が増えなければ、ピークシフトが発生しないものと考えられる。
　（レーザ装置）
　次に、本実施の形態におけるレーザ装置について説明する。図７に本実施の形態におけるレーザ装置の構造を示す。本実施の形態におけるレーザ装置は、光半導体素子１０と波長選択反射素子５０とを有している。
　光半導体素子１０は、化合物半導体材料からなる利得導波路を含んでいる。光半導体素子１０の一方の側に第１の利得導波路１１を有しており、他方の側に第２の利得導波路１２を有している。また、第１の利得導波路１１と第２の利得導波路１２との間には、ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）導波路１３が設けられている。第１の利得導波路１１の端面となる光半導体素子１０の一方の面には反射防止膜１４が形成されており、第２の利得導波路１２の端面となる一方の面とは反対の光半導体素子１０の他方の面には反射防止膜１５が形成されている。尚、第１の利得導波路１１の端面は、第１の利得導波路１１の入出射端１１ａとなり、第２の利得導波路１２の端面は、第２の利得導波路１２の出射端１２ａとなる。
　波長選択反射素子５０は、第１の光導波路５１と、リング共振器５２と、第２の光導波路５３と、第２の光導波路５３に形成され、特定の波長のみ反射する波長選択反射鏡としてＤＢＲ導波路５４とを有している。第１の光導波路５１、リング共振器５２、第２の光導波路５３、ＤＢＲ導波路５４は、シリコン基板７０の上に形成されており、例えば、酸化シリコン等により囲まれたシリコン光導波路により形成されている。具体的には、第１の光導波路５１、リング共振器５２、第２の光導波路５３、ＤＢＲ導波路５４等の光導波路は、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板等を加工することにより形成されている。例えば、ＳＯＩ基板における酸化シリコン層を下部クラッドとし、酸化シリコン層の上のシリコン層を加工することにより光導波路を形成し、形成された光導波路の上に酸化シリコン層を成膜することにより上部クラッドを形成した構造のものである。
　光半導体素子１０と波長選択反射素子５０とは、光半導体素子１０における第１の利得導波路１１の入出射端１１ａと、波長選択反射素子５０における第１の光導波路５１の光の入出射端５１ａとが対向するように設置されている。
　本実施の形態の形態におけるレーザ装置においては、光半導体素子１０におけるＤＢＲ導波路１３と波長選択反射素子５０におけるリング共振器５２及びＤＢＲ導波路５４とにより共振器が形成される。本実施の形態におけるレーザ装置では、光半導体素子１０の第１の利得導波路１１の形成されている領域に電流を流すことにより発光が生じ、このように発光した光を共振器おいてレーザ発振させ、第２の利得導波路１２において増幅する。これにより、第２の利得導波路１２において増幅された光を、光半導体素子１０の第２の利得導波路１２の出射端１２ａよりレーザ光として出射させることができる。
　本実施の形態におけるレーザ装置では、第１の利得導波路１１及び共振器において共振波長のレーザ光を発振させ、第２の利得導波路１２において発振させたレーザ光を増幅させるため、レーザ光の発振と増幅の機能が分離されている。従って、第１の利得導波路１１に流す電流量を固定しても、第２の利得導波路１２に流す電流量を増加させることにより、レーザ光の強度を増加させることができる。
　尚、第１の利得導波路１１の電流を固定した場合には、第２の利得導波路１２の電流量を変化させて出射端１２ａより出射されるレーザ光の強度を増加させても光半導体素子１０より波長選択反射素子５０に入射する光の強度は一定であるため、波長選択反射素子５０内部のリング共振器の透過中心波長のシフトは発生せず、レーザ発振波長のシフトは生じない。従って、本実施の形態におけるレーザ装置においては、第２の利得導波路１２の出射端１２ａより出射されるレーザ光の強度を増やしても発振波長のシフトが生じることない。即ち、本実施の形態におけるレーザ装置においては、出射されるレーザ光の強度に依存することなく、所望となる一定の波長のレーザ光を第２の利得導波路１２の出射端１２ａより出射させることができる。更に、利得導波路1に流す電流量を比較的小さい値に固定すると、リング共振器内部の光強度が小さくなるため、光入射による熱発生に伴う透過中心波長のシフトがなく、リング共振器の本来の透過中心波長を維持することが可能となる。
　（光半導体素子）
　次に、図８及び図９に基づき本実施の形態における光半導体素子１０について説明する。尚、図９（ａ）は、図８における一点鎖線８Ａ－８Ｂにおいて切断した断面図であり、図９（ｂ）は、図８における一点鎖線８Ｃ－８Ｄにおいて切断した断面図であり、図９（ｃ）は、図８における一点鎖線８Ｅ－８Ｆにおいて切断した断面図である。
　本実施の形態における光半導体素子１０は、前述したように、一方の側に第１の利得導波路１１が形成されており、他方の側に第２の利得導波路１２が形成されており、第１の利得導波路１１と第２の利得導波路１２との間にＤＢＲ導波路１３が形成されている。具体的には、光半導体素子１０は、ｎ－ＩｎＰ基板２０の上に、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）等により、化合物半導体材料により形成された半導体層をエピタキシャル成長させることにより形成されている。第１の利得導波路１１及び第２の利得導波路１２が形成される領域においては、ｎ－ＩｎＰ基板２０の上に、ｎ－ＩｎＰクラッド層２１、ＭＱＷ（Multiple Quantum Well）活性層２２、ｐ－ＩｎＰクラッド層２３が積層して形成されている。尚、ｐ－ＩｎＰクラッド層の上に電極との接触抵抗を減らすためのｐ－ＩｎＧａＡｓ／ｐ－ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層を入れてもよい。このように形成されたＭＱＷ活性層２２により、第１の利得導波路１１及び第２の利得導波路１２が形成される。ＭＱＷ活性層２２は、組成の異なるｉ－ＩｎＧａＡｓＰを交互に積層することにより形成されており、厚さが１００ｎｍで、ＰＬ（Photoluminescence）波長が１．５５μｍとなるように形成されている。ＩｎＧａＡｓＰ材料をコア層として採用することによって１．３μｍ帯や１．５５μｍ帯などの主要な通信波長帯におけるレーザ発振を実現することが可能となる。
　また、ＤＢＲ導波路１３が形成される領域においては、ｎ－ＩｎＰ基板２０の上に、ｎ－ＩｎＰクラッド層２１、光導波路コア層２４、ｐ－ＩｎＰクラッド層２３が積層して形成される。このように形成された光導波路コア層２４によりＤＢＲ導波路１３が形成されている。光導波路コア層２４は、厚さが２００ｎｍで、ＰＬ波長が１．３０μｍとなるｉ－ＩｎＧａＡｓＰにより形成されている。ＤＢＲ導波路１３が形成されている領域におけるｎ－ＩｎＰクラッド層２１には、ｎ－ＩｎＧａＡｓＰにより回折格子２５が形成されている。回折格子の結合係数、周期は１．５５μｍ付近の波長において、波長選択反射素子５０内部のリング導波路の周期的に発生する共振波長のうちの１つを選択するように調整されている。
　第１の利得導波路１１、第２の利得導波路１２及びＤＢＲ導波路１３は、幅が１．５μｍのメサ構造となっており、メサ構造の両側は不純物元素としてＦｅがドープされた高抵抗のＳＩ－ＩｎＰ層２９が形成されている。尚、本実施の形態における光半導体素子１０の第１の利得導波路１１、第２の利得導波路１２及びＤＢＲ導波路１３は、ＭＯＣＶＤによって、バッドジョイント成長の技術を用いることにより、同一のｎ－ＩｎＰ基板２０の上に形成することができる。
　本実施の形態においては、形成される第１の利得導波路１１は長さが約４００μｍであり、第２の利得導波路１２は長さが約６００μｍであり、ＤＢＲ導波路１３は長さが約２００μｍである。また、ＤＢＲ導波路１３における結合係数κは１００ｃｍ－１となるように形成されており、ＤＢＲ導波路１３における反射率は約６０％である。
　第１の利得導波路１１、第２の利得導波路１２及びＤＢＲ導波路１３が形成される領域におけるｎ－ＩｎＰ基板２０の裏面には、共通電極となる下部電極２６が形成されている。また、第１の利得導波路１１が形成される領域におけるｐ－ＩｎＰクラッド層２３の上には、第１の上部電極２７が形成されており、第２の利得導波路１２が形成される領域におけるｐ－ＩｎＰクラッド層２３の上には、第２の上部電極２８が形成されている。このように第１の利得導波路１１が形成される領域に第１の上部電極２７を形成し、第２の利得導波路１２が形成される領域に第２の上部電極２８を形成することにより、第１の利得導波路１１と第２の利得導波路１２とで独立して異なる電流を注入することができる。尚、第１の上部電極２７及び第２の上部電極２８は、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕにより形成されている。
　また、本実施の形態における光半導体素子１０は、第１の利得導波路１１及び第２の利得導波路１２は、端面近傍において、光半導体素子１０の一方の面及び他方の面の法線に対し、各々約７°傾斜するように形成されている。これにより、光半導体素子１０の端面における反射率を極めて低くすることができる。
　（波長選択反射素子）
　本実施の形態においては、波長選択反射素子５０は、シリコン基板７０の上に、酸化シリコン層、シリコン層が順次積層されたＳＯＩ基板を用いて形成されている。このＳＯＩ基板は、シリコン基板の上に、厚さが約３μｍの酸化シリコン層と、厚さが約３００ｎｍのシリコン層が順次積層して形成されたものであり、この酸化シリコン層が下部クラッドとなる。波長選択反射素子５０の形成方法は、ＳＯＩ基板のシリコン層の上にフォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行うことにより、不図示のレジストパターンを形成する。このレジストパターンは、第１の光導波路５１、リング共振器５２、第２の光導波路５３及び波長選択反射鏡５４が形成される領域上に形成される。この後、ＲＩＥ等のドライエッチングによりレジストパターンの形成されていない領域のシリコン層を一部または全部除去する。これにより、第１の光導波路５１、リング共振器５２、第２の光導波路５３及び波長選択反射鏡５４となる光導波路をシリコンにより形成する。
　本実施の形態においては、第１の光導波路５１、リング共振器５２、第２の光導波路５３及びＤＢＲ導波路５４となる光導波路は、リブ導波路により形成されている。このリブ導波路は、幅が約５００ｎｍ、厚さが約３００μｍのコア領域の周囲に、厚さが約５０ｎｍのスラブ領域が形成されているものである。この後、シリコンにより形成された光導波路の上に、厚さが約２μｍの酸化シリコン層を成膜することにより、上部クラッドを形成する。これにより、波長選択反射素子５０を形成することができる。尚、第１の光導波路５１、リング共振器５２、第２の光導波路５３及びＤＢＲ導波路５４となる光導波路は、リブ導波路の他、スラブ領域が形成されることなく、コア領域のみが形成されている構造のいわゆるチャネル導波路であってもよい。
　尚、本実施の形態においては、リング共振器５２は半径８μｍとなるように形成されており、第１の光導波路５１とリング共振器５２とのギャップＧ１及び第２の光導波路５３とリング共振器５２とのギャップＧ２は、ともに約３００ｎｍとなるように形成されている。また、ＤＢＲ導波路５４は、第２の光導波路５３の長さが約５００μｍの領域において、光導波路の側壁に、長さが約３μｍ、ピッチが約３００ｎｍの側面回折格子を形成することにより形成されている。尚、ＤＢＲ導波路５４の反射波長帯は光半導体素子１０のＤＢＲ導波路の反射波長帯と一致させるようにし、リング共振器の周期的な透過波長のうちの同じ波長を反射させるようにする。本実施の形態においては、波長選択反射素子５０には、第１の光導波路５１及び第２の光導波路５３における端面は、端面の法線に対して約１５°傾斜するように形成されており、更に、先端部分の幅が狭くなるテーパ形状となるように形成されている。
　また、本実施の形態においては、光半導体素子１０における第１の利得導波路１１の入出射端１１ａと、波長選択反射素子５０における第１の光導波路５１の入出射端５１ａとの位置合せがなされた後、光半導体素子１０と波長選択反射素子５０が固定されている。具体的には、光半導体素子１０と波長選択反射素子５０とは、位置合せのなされた光半導体素子１０と波長選択反射素子５０との間に、不図示の屈折率整合用の樹脂材料を埋め込むことにより固定されている。これにより、本実施の形態におけるレーザ装置を作製することができる。
　本実施の形態におけるレーザ装置では、第１の利得導波路１１及び共振器において共振波長のレーザ光を発振させ、第２の利得導波路１２において発振したレーザ光を増幅するものであるため、レーザ光の発振と増幅との機能が分離されている。従って、第１の利得導波路１１に流す電流量を固定して、第２の利得導波路１２に流す電流量を増やすことにより、レーザの発振波長のシフトを発生させることなく、出射されるレーザ光の強度を増やすことが可能となる。
　〔第２の実施の形態〕
　次に、第２の実施の形態について説明する。本実施の形態は、光変調装置であり、図１０に示されるように、第１の実施の形態におけるレーザ装置におけるレーザ光が出射される光半導体素子１２ａの端面側に、リングアシスト光変調器１６０が設けられている構造のものである。具体的には、波長選択反射素子５０とリングアシスト光変調器１６０は、同一のシリコン基板１７０の上に形成されており、シリコン基板１７０において、波長選択反射素子５０とリングアシスト光変調器１６０との間には溝部１７１が形成されている。本実施の形態は、この溝部１７１に第１の実施の形態における光半導体素子１０が設置されている。
　本実施の形態においては、光半導体素子１０と波長選択反射素子５０とは、光半導体素子１０の第１の利得導波路１１の入出射端１１ａと波長選択反射素子５０の第１の光導波路５１における入出射端５１ａとの位置合せがなされている。また、光半導体素子１０とリングアシスト光変調器１６０とは、光半導体素子１０の第２の利得導波路１２の出射端１２ａと、リングアシスト光変調器１６０における光導波路１６５の入射端１６５ａとの位置合わせがなされている。このように、光半導体素子１０は、波長選択反射素子５０及びリングアシスト光変調器１６０との位置合せがなされた状態で、シリコン基板１７０に設置されている。
　リングアシスト光変調器１６０は、第１の変調光導波路１６１と第２の変調光導波路１６２とを有している。第１の変調光導波路１６１と第２の変調光導波路１６２とは、光の入射側において光導波路１６５により接続されており、光の出射側において光導波路１６６により接続されている。また、第１の変調光導波路１６１の側部の近傍には、複数のリング共振器１６３が設けられており、第２の変調光導波路１６２の側部の近傍には、複数のリング共振器１６４が設けられている。
　光半導体素子１０の第２の利得導波路１２の出射端１２ａより出射されたレーザ光は、リングアシスト光変調器１６０における光導波路１６５の入射端１６５ａより入射し、光導波路１６５を伝播する。この後、このレーザ光は、第１の変調光導波路１６１を伝播するレーザ光と第２の変調光導波路１６２を伝播するレーザ光に分岐される。リングアシスト光変調器１６０では、第１の変調光導波路１６１または第２の変調光導波路１６２に電圧を印加等することにより、各々に伝播するレーザ光の位相を変調することができる。この後、第１の変調光導波路１６１を伝播するレーザ光と第２の変調光導波路１６２を伝播するレーザ光は、光導波路１６６において結合され、光導波路１６６の出射端１６６ａより出射される。このように、光導波路１６６の出射端１６６ａより出射されたレーザ光は、第１の変調光導波路１６１または第２の変調光導波路１６２において位相が変調されたものを結合したものであるため、２つの変調光導波路１６１、１６２の間の位相差に応じて、光強度の変調のなされた変調信号光として出射される。
　また、本実施の形態においては、波長選択反射素子５０におけるリング共振器５２とリングアシスト光変調器１６０におけるリング共振器１６３及びリング共振器１６４とは、同一形状となるように形成されている。このように同一形状で形成することにより、波長選択反射素子５０におけるリング共振器５２の共振波長とリングアシスト光変調器１６０における動作波長とを一致させることができ、温度変化等に影響されずにレーザの発振波長と変調器の動作波長を一致させることができる。また、第１の実施形態の同様に、半導体素子１０の第１の利得導波路１１ａの電流値を比較的低い値で固定し、第２の利得導波路の電流値を増加させることによって、半導体素子１０の１２ａ端面側の光出力を増加させた場合でも、波長選択反射素子５０のリング共振器５２の透過中心波長のシフトを抑制し、レーザ発振波長の変化が起こらないようにすることが可能となる。その結果、変調器の動作波長とレーザの発振波長がずれることがなく、レーザ光強度を増加させることが可能となる。
　また、リングアシスト光変調器１６０における第１の変調器光導波路１６１、第２の変調器光導波路１６２、光導波路１６５及び１６６、複数のリング共振器１６３及び１６４は、波長選択反射素子５０における第１の光導波路５１等と同様の構造で形成されている。従って、リングアシスト光変調器１６０における第１の変調器光導波路１６１、第２の変調器光導波路１６２、光導波路１６５及び１６６、複数のリング共振器１６３及び１６４は、波長選択反射素子５０における第１の光導波路５１等と同時に形成することができる。
　また、上記においては、第１の光導波路５１等の光導波路の上面が上側になるように光半導体素子１０がシリコン基板１７０に設置されている場合について説明したが、これらの光導波路の上面が下側となるように、フリップチップ実装する構造であってもよい。この場合、光導波路の位置は、光導波路のコア部から上部クラッド部のエピタキシャル成長の厚さで精密に制御することができるため、例えば、パッシブアライメントにより安定して、第１の光導波路５１等と光半導体素子１０との光結合をさせることが可能となる。
　〔第３の実施の形態〕
　次に、第３の実施の形態について説明する。本実施の形態は、光変調装置であり、図１１に示されるように、光半導体素子２１０における第１の利得導波路１１の入出射端１１ａ及び第２の利得導波路１２の出射端１２ａが、ともに同じ光半導体素子２１０の一方の面の側に設けられているものである。このため、本実施の形態においては、図１１に示されるように、第２の利得導波路１２は曲線的に形成されており、Ｕ字状となっている。尚、本実施の形態においては、光半導体素子２１０の一方の面には、反射防止膜２１４が形成されている。
　また、波長選択反射素子５０とリングアシスト光変調器１６０とは同一のシリコン基板２７０の上に形成されている。このため、波長選択反射素子５０の第１の光導波路５１の入出射端５１ａと、リングアシスト光変調器１６０における光導波路１６５の入射端１６５ａとは、シリコン基板２７０において同じ側の面に形成されている。これにより、光半導体素子２１０と、波長選択反射素子５０及びリングアシスト光変調器１６０との位置合せが容易となる。即ち、第１の利得導波路１１と第１の光導波路５１との光学的なアライメント及び第２の利得導波路１２と光導波路１６５との光学的なアライメントが一回で済む。よって、本実施の形態においては、製造工程を短くすることができ、光変調装置を低コストで製造することができる。また、波長選択反射素子５０及びリングアシスト光変調器１６０が光半導体素子２１０に対し、同一の面の側に形成されるため、溝等を形成する必要もなく、光変調装置を小型化することができる。更には、リング共振器５２とリング共振器１６３及び１６４とがより近い位置に形成することができるため、温度変化による波長シフトの影響をより一層少なくすることができる。
　また、上記においては、光半導体素子２１０における第２の利得導波路１２がＵ字状に形成されている構造のものについて説明した。しかしながら、本実施の形態は、光半導体素子の端面近傍に反射型の２×２多モード干渉導波路を配置することによって光半導体素子の内部において光を折り返す構造のものであってもよい。この場合、第２の利得導波路１２を曲げる必要はないため、光半導体素子２１０をより一層小型化することが可能となる。
　尚、上記以外の内容については、第２の実施の形態と同様である。
　〔第４の実施の形態〕
　次に、第４の実施の形態について説明する。本実施の形態は、レーザ装置であって、図１２に示されるように、波長選択反射素子３５０に、第１の実施の形態のようなＤＢＲ導波路５４を設けたものではなく、波長依存性が極めて少ないループミラー３５５を設けた構造のものである。ループミラー３５５は、端面等を形成することなく、ループ状の光導波路を形成することによって、波長によらず高い反射率を持つ反射鏡を形成することができるという特徴と有しており、高密度集積が想定されるシリコン導波路を用いた素子に適用する反射鏡として有望である。よって、本実施の形態におけるレーザ装置においては、波長選択反射素子３５０のリング共振器５２における周期的な透過波長のうち、半導体素子１０のＤＢＲ導波路１３において選択された波長が共振波長となる。
　図１３は、第１の実施の形態等における波長選択反射素子５０において、シリコンにより形成されたＤＢＲ導波路５４における光導波路の幅とブラッグ波長の関係を示すものである。また、図１４は、光半導体素子１０において化合物半導体により形成されたＤＢＲ導波路１３における光導波路の幅とブラッグ波長の関係を示すものである。図１３及び図１４に示されるように、光導波路の幅に対するブラッグ波長の依存性は、図１３に示される波長選択反射素子５０に形成されたＤＢＲ導波路５４の方が、図１４に示される光半導体素子１０に形成されたＤＢＲ導波路１３よりも大きい。即ち、ブラッグ波長における光導波路の幅の依存性は、図１３に示される波長選択反射素子５０に形成されたＤＢＲ導波路５４の方が、図１４に示される光半導体素子１０に形成されたＤＢＲ導波路１３よりも大きい。このため、ＤＢＲ導波路５４等においては、製造誤差等により光導波路の幅が異なって形成された場合に、選択される波長が、所望の波長に対して大きくずれてしまう場合がある。しかしながら、本実施の形態においては、リング共振器の共振波長のうちの１つを選択する機能を波長選択反射素子３５０の内部のループミラー３５５ではなく、半導体素子１０のＤＢＲ導波路１３に設けることにより、共振波長をより厳密に所望の値にすることが可能であるため、レーザ光の発振波長の均一性をより一層高めることができる。
　尚、上記以外の内容については、第１の実施の形態と同様である。また、本実施の形態におけるレーザ装置は、第２及び第３の実施の形態における光変調装置において、第１の実施の形態におけるレーザ装置と同様に用いることができる。
　以上、実施の形態について詳述したが、特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された範囲内において、種々の変形及び変更が可能である。
１０　　　　光半導体素子
１１　　　　第１の利得導波路
１１ａ　　　入出射端
１２　　　　第２の利得導波路
１２ａ　　　出射端
１３　　　　ＤＢＲ導波路
１４　　　　反射防止膜
１５　　　　反射防止膜
２０　　　　ｎ－ＩｎＰ基板
２１　　　　ｎ－ＩｎＰクラッド層
２２　　　　ＭＱＷ活性層
２３　　　　ｐ－ＩｎＰクラッド層
２４　　　　光導波路コア層
２５　　　　回折格子
２６　　　　下部電極
２７　　　　第１の上部電極
２８　　　　第２の上部電極
２９　　　　ＳＩ－ＩｎＰ層
５０　　　　波長選択反射素子
５１　　　　第１の光導波路
５１ａ　　　入出射端
５２　　　　リング共振器
５３　　　　第３の光導波路
５４　　　　波長選択反射鏡（ＤＢＲ導波路）
７０　　　　シリコン基板
１６０　　　リングアシスト光変調器
１６１　　　第１の変調器光導波路
１６２　　　第２の変調器光導波路
１６３　　　リング共振器
１６４　　　リング共振器
１６５　　　光導波路
１６５ａ　　入射端
１６６　　　光導波路
１６６ａ　　出射端
１７０　　　シリコン基板

Claims (20)

  1. 　化合物半導体材料により形成される光半導体素子と光導波路を含む波長選択反射素子とを有するレーザ装置において、
    　前記光半導体素子は、
    　第１の利得導波路と、
    　第２の利得導波路と、
    　前記第１の利得導波路と前記第２の利得導波路との間に形成されたＤＢＲ導波路と、
    　前記第１の利得導波路に電流を流す第１の電極と、
    　前記第２の利得導波路に電流を流す第２の電極と、
    　を有しており、
    　かつ、前記第２の利得導波路が接続される素子端面に反射防止膜が形成されており、
    　前記波長選択反射素子における前記光導波路は、入射した光のうち所定の波長の光を反射するものであって、
    　前記第１の利得導波路と、前記波長選択反射子とが光学的に結合され、前記第１の利得導波路を利得媒質とし、前記ＤＢＲ導波路と前記波長選択反射素子とで形成されたレーザ共振器を持つことを特徴とするレーザ装置。
  2. 　前記光半導体素子における前記第１の利得導波路が接続される端面にも、反射防止膜が形成されていることを特徴とする請求項１に記載のレーザ装置。
  3. 　前記波長選択反射素子と同一基板上に、前記光半導体素子の第２の利得導波路に光学的に接続された光導波路がさらに配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ装置
  4. 　前記第１の利得導波路、前記第２の利得導波路及び前記ＤＢＲ導波路は、ＩｎＰを含む材料により形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のレーザ装置。
  5. 　前記第１の利得導波路、前記第２の利得導波路及び前記ＤＢＲ導波路のコア層は、ＩｎＧａＡｓＰを含む材料により形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のレーザ装置。
  6. 　前記ＤＢＲ導波路のコア層を形成している化合物半導体材料におけるバンドギャップ波長は、前記第１の利得導波路及び前記第２の利得導波路のコア層を形成している化合物半導体材料におけるバンドギャップ波長よりも、短いことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のレーザ装置。
  7. 　前記第１の利得導波路、前記第２の利得導波路及び前記ＤＢＲ導波路は、第１の導電型のＩｎＰを含む化合物半導体材料により形成された下部クラッドの上に形成されており、
    　前記第１の利得導波路、前記第２の利得導波路及び前記ＤＢＲ導波路の上には、第２の導電型のＩｎＰを含む化合物半導体材料により形成された上部クラッドが形成されていることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載のレーザ装置。
  8. 　前記ＤＢＲ導波路が形成される領域においては、前記下部クラッドに回折格子が形成されていることを特徴とする請求項７に記載のレーザ装置。
  9. 　前記第１の利得導波路に流れる電流を固定し、前記第２の利得導波路に流れる電流を変化させることにより、前記第２の利得導波路の端面より出射されるレーザ光の強度を変化させるものであることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載のレーザ装置。
  10. 　前記第１の利得導波路が接続される端面は、前記光半導体素子の一方の面に形成されており、
    　前記第２の利得導波路が接続される端面は、前記一方の面とは反対の前記光半導体素子の他方の面に形成されていることを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載のレーザ装置。
  11. 　前記第１の利得導波路が接続される端面及び前記第２の利得導波路が接続される端面は、前記光半導体素子において同じ側の面に形成されていることを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載のレーザ装置。
  12. 　前記波長選択反射素子は、
    　第１の光導波路と、
    　第２の光導波路と、
    　前記第１の光導波路と前記第２の光導波路との間に光導波路により形成されたリング共振器と、
    　前記第２の光導波路の一部に形成された反射鏡と、
    　を有することを特徴とする請求項１から１１のいずれかに記載のレーザ装置。
  13. 　前記反射鏡は、周期的に光導波路の幅を変化させることにより形成されているものであることを特徴とする請求項１２に記載のレーザ装置。
  14. 　前記反射鏡は、ループミラーであること特徴とする請求項１２に記載のレーザ装置。
  15. 　前記光導波路は、Ｓｉ光導波路であることを特徴とする請求項１から１４のいずれかに記載のレーザ装置。
  16. 　請求項１から１５のいずれかに記載のレーザ装置と、
    　光変調器と、
    　を有し、
    　前記第２の利得導波路の端面より出射されたレーザ光は、前記光変調器における光導波路の端面より入射し、前記光変調器において変調された後、前記光変調器の光導波路の端面より出射されるものであることを特徴とする光変調装置。
  17. 　前記光変調器の少なくとも一部にリング共振器が形成されていることを特徴とする請求項１６に記載の光変調装置。
  18. 　前記波長選択反射素子のリング共振器は、
    　前記光変調器に形成されているリング共振器と、同一の周回長を持つ構造であることを特徴とする請求項１７に記載の光変調装置。
  19. 　前記波長選択反射素子と前記光変調器は、同一の基板の上に形成されていることを特徴とする請求項１６から１８のいずれかに記載の光変調装置。
  20. 　化合物半導体材料により形成された第１の利得導波路と、
    　化合物半導体材料により形成された第２の利得導波路と、
    　前記第１の利得導波路と前記第２の利得導波路との間に、化合物半導体材料により形成されたＤＢＲ導波路と、
    　前記第１の利得導波路に電流を流す第１の電極と、
    　前記第２の利得導波路に電流を流す第２の電極と、
    　を有しており、
    　かつ、前記第１の利得導波路が接続される端面と、前期第２の利得導波路が接続される端面とがともに無反射膜が形成されていることを特徴とする光半導体素子。
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