WO2019111675A1 - 波長可変レーザ装置 - Google Patents

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WO2019111675A1
WO2019111675A1 PCT/JP2018/042531 JP2018042531W WO2019111675A1 WO 2019111675 A1 WO2019111675 A1 WO 2019111675A1 JP 2018042531 W JP2018042531 W JP 2018042531W WO 2019111675 A1 WO2019111675 A1 WO 2019111675A1
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WO
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semiconductor chip
optical
output light
coupler
wavelength tunable
Prior art date
Application number
PCT/JP2018/042531
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
後藤田　光伸
高林　正和
Original Assignee
三菱電機株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 三菱電機株式会社 filed Critical 三菱電機株式会社
Priority to JP2019512854A priority Critical patent/JP6610834B2/ja
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
    • H01S5/022—Mountings; Housings
    • H01S5/0239—Combinations of electrical or optical elements
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/14—External cavity lasers

Definitions

  • the present invention relates to a wavelength tunable laser device, and more particularly to a narrow linewidth wavelength tunable laser device for use in an optical communication system.
  • optical fiber communication systems are shifting from conventional intensity modulation to phase modulation, and phase shift keying (PSK) and quadrature amplitude modulation (QAM)
  • PSK phase shift keying
  • QAM quadrature amplitude modulation
  • LD semiconductor laser
  • DBR-LD distributed Bragg reflector LD
  • a tunable laser device that integrates all wavelengths in the C (Conventional) band or the L (Long) band of optical communication.
  • line width the value of the oscillation spectral line width (hereinafter simply referred to as “line width”) of DFB-LD and DBR-LD Is approximately several MHz or less. For this reason, it is necessary to narrow the line width of DFB-LD and DBR-LD, but it is theoretically necessary to increase the resonator length (generally the chip size) to, for example, 1500 to 2000 ⁇ m or more. Is valid.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, and provides a compact tunable laser apparatus with a narrow oscillation spectral line width.
  • a laser array in which a plurality of single mode lasers are arranged in parallel, a first optical coupler connected to one end of the laser array, and a second optical coupler connected to the other end of the laser array.
  • a first optical amplifier connected to the first optical coupler and a second optical amplifier connected to the second optical coupler, wherein the first output light is emitted from the first optical amplifier, and the second optical amplifier is connected to the second optical amplifier
  • the first semiconductor chip has a first semiconductor chip for emitting two output lights, and an optical circuit optically coupled to the first semiconductor chip, and at least a portion of the second output light incident on the optical circuit from the first semiconductor chip is a first semiconductor chip
  • selecting the single mode laser from the laser array controlling the operating temperature of the single mode laser to change the wavelengths of the first output light and the second output light
  • Second semiconductor chip with at least a portion of the two output lights Of the second output light reflected from the second semiconductor chip and returned to the first semiconductor chip is adjusted in intensity by the second optical amplifier and returned to the
  • the resonator length of the single mode laser is not increased.
  • the light feedback amount necessary for narrowing the line width of the laser beam can be secured.
  • an optical component for optically coupling the first semiconductor chip and the second semiconductor chip is not required, a compact wavelength tunable laser device can be realized.
  • FIG. 1 is a plan view of a wavelength tunable laser device according to Embodiment 1 of the present invention. It is an enlarged plan view of the junction part vicinity of the 1st semiconductor chip of FIG. 1, and a 2nd semiconductor chip.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of FIG. 2 as viewed in the III-III direction. It is a bottom view of a 1st semiconductor chip.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of the first semiconductor chip of FIG. 4 when viewed in the VA-VA direction.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of the first semiconductor chip of FIG. 4 as viewed in the VB-VB direction.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of the first semiconductor chip of FIG. 4 when viewed in the VC-VC direction.
  • FIG. 7B is a cross-sectional view of the second semiconductor chip of FIG. 7A as viewed in the direction of VIIB-VIIB.
  • FIG. 1 is a plan view of a wavelength tunable laser device according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 1 is a plan view of a wavelength tunable optical module according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view of the wavelength tunable laser of FIG. 8A as viewed in the direction of IX-IX.
  • FIG. 7 is a plan view of a wavelength tunable laser device according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a plan view of a wavelength tunable laser device according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a plan view of a wavelength tunable laser device according to a fourth embodiment of the present invention. It is sectional drawing of the wavelength-tunable laser apparatus based on Embodiment 4 of this invention.
  • the same reference numerals indicate the same or corresponding components. Also, in order to facilitate the understanding of the person skilled in the art, the detailed description of the already known matters is omitted.
  • the X direction, the Y direction, and the Z direction are directions perpendicular to one another.
  • the X direction may be referred to as a length direction
  • the Y direction may be referred to as a width direction
  • the Z direction may be referred to as a height direction or a vertical direction.
  • the terms indicating these directions are exemplary and should not be understood as limiting the present invention.
  • FIG. 1 is a plan view of a variable-wavelength laser device according to a first embodiment of the present invention, which is generally indicated by 100.
  • FIG. FIG. 2 is an enlarged plan view in the vicinity of a junction of the first semiconductor chip and the second semiconductor chip of FIG. 1 (however, a part of the optical circuit is omitted).
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of FIG. 2 as viewed in the III-III direction. In FIG. 1, the configuration which is not actually seen is indicated by a broken line. Further, each configuration will be described in [First semiconductor chip] and [Second semiconductor chip].
  • the wavelength tunable laser device 100 includes the first semiconductor chip 1 and the second semiconductor chip 2.
  • the first semiconductor chip 1 is made of a compound semiconductor material such as a III-V semiconductor material
  • the second semiconductor chip 2 is made of a silicon based semiconductor material.
  • the first semiconductor chip 1 is bonded to the second semiconductor chip 2 by flip chip bonding, and the first semiconductor chip 1 and the second semiconductor chip 2 interact with each other to form a resonator (optical resonator Configure).
  • the configurations of the first semiconductor chip 1 and the second semiconductor chip 2 will be described in detail below.
  • FIG. 4 is a bottom view of the first semiconductor chip 1 shown in FIG. 1 as viewed from the lower side (Z direction) (however, the display of the electrodes is omitted).
  • 5A, 5B, and 5C are cross-sectional views of the first semiconductor chip 1 of FIG. 4 when viewed in the VA-VA direction, the VB-VB direction, and the VC-VC direction, respectively.
  • a plurality of DFB-LDs distributed Feedback LDs 13 are provided in parallel to form a DFB-LD array 14.
  • DFB-LDs distributed Feedback LDs
  • the right side of the DFB-LD array 14 is defined as “front”, and the left side is defined as “rear”.
  • MMI Multi-Mode Interference
  • SOAs semiconductor Optical Amplifiers
  • the DFB-LD 13 and the MMI optical couplers 16 and 20 are connected by MMI input waveguides 15 and 19, respectively. Further, the MMI optical coupler 16 and the SOA 18, and the MMI optical coupler 20 and the SOA 22 are connected by MMI output waveguides 17 and 21, respectively.
  • the MMI input waveguide 15, the MMI output waveguide 17, the MMI input waveguide 19, and the MMI output waveguide 21 are configured of single mode waveguides except in the immediate vicinity of the MMI optical couplers 16 and 20.
  • the wavelength-tunable laser device 100 utilizes the optical feedback from the second semiconductor chip 2 to realize narrowing of the line width on the first semiconductor chip 1.
  • the cavity length (approximately equal to the grating length) of the DFB-LD 13 may be approximately 800 to 900 ⁇ m or less, and high light output and single mode property are maintained.
  • gain regions such as the DFB-LD 13 and the SOAs 18 and 22 and other passive regions are joined using a known regrowth technique called butt joint growth.
  • a non-illustrated anti-reflection (AR: Anti Reflection) coating may be applied to the chip end surface (YZ surface) and the chip upper surface (XY surface) of the SOAs 18 and 22.
  • the number of DFB-LDs 13 included in the DFB-LD array 14 is eight for simplicity, the number is actually selected according to the operating temperature range and the wavelength variable width, for example About 12 to 16 are preferable. Further, the periods of the diffraction gratings of the DFB-LDs 13 adjacent to each other are set to different values in the operating temperature range. By selecting the DFB-LD 13 or the operating temperature, the oscillation wavelength is different, so that the output light 23, 24 covering all the oscillation wavelengths of the C band or the L band of the optical communication can be emitted from the first semiconductor chip 1.
  • the structure of the first semiconductor chip 1 is, as shown in FIGS. 5A and 5B, a so-called double hetero structure made of a compound semiconductor material, and a waveguide or the like is embedded in the double hetero structure.
  • the MMI output waveguide 17 is processed in a stripe shape as an N-type cladding layer (or lower cladding layer) 5 sequentially stacked on an N-type substrate 4 as an optical waveguide.
  • a waveguide layer 6 and a P-type cladding layer 8 are provided. Both sides of the waveguide 6 are sandwiched by the current blocking layer 9.
  • the waveguide 6 is called an active layer 7, and a P-type contact layer 10 is provided on the P-type cladding layer 8. .
  • the name of the active layer 7 is used in gain regions such as the DFB-LD 13 and the SOAs 18 and 22, while the name of the waveguide (passive layer) 6 is used in other passive regions, but the configuration is the same. It is.
  • an N-side electrode 11 which is a back surface electrode is provided on the lower surface of the N-type substrate 4, while a surface electrode is provided on the P-type cladding layer 8.
  • a certain P-side electrode 12 is provided. In FIG. 5C, it is provided on the P-type contact layer 10 between the P-side electrode 12 and the P-type cladding layer 8 or on at least one of the waveguide 6 and the active layer 7 from the vertical direction (Z direction).
  • the light confinement (SCH: Separated Confinement Hetero structure) structure is omitted.
  • the N-type substrate 4, the N-type cladding layer 5, the P-type cladding layer 8 and the current blocking layer 9 are made of, for example, InP, and each contain an appropriate amount of dopant.
  • the waveguide 6 and the active layer 7 are formed of, for example, InGaAsP.
  • the active layer 7 may be composed of multiple quantum wells (MQW) or may be formed from a bulk epitaxial layer.
  • the material of the N-type substrate 4 or the like is not limited to this, and for example, the N-type substrate 4 and the cladding layers 5 and 8 are formed of InP, and the waveguide 6 and the active layer 7 are InGaAs / InGaAlAs. It may be formed of multiple quantum wells.
  • the groove 25 is formed at the end in the longitudinal direction (X direction) of the SOA 22.
  • the groove 25 extends at an inclination angle ⁇ with respect to the length direction (X direction) in which the waveguide 6 and the active layer 7 extend from the height direction (Z direction), that is, the traveling direction of light.
  • the inclination angle ⁇ is preferably 40 ° or more and 50 ° or less, and is set according to the oscillation wavelength of the wavelength tunable laser device 100 and the structure of the light coupling portion of the second semiconductor chip 2.
  • the surface of the groove 25 functions as a reflection mirror for light reciprocating in the vertical direction (Z direction) between the first semiconductor chip 1 and the second semiconductor chip 2.
  • the groove 25 covers the area excluding the opening with a mask and is formed by oblique etching.
  • a dry etching method capable of setting an etching angle, such as reactive ion etching (RIE) or chemical assisted ion beam etching (CAIBE).
  • RIE reactive ion etching
  • CAIBE chemical assisted ion beam etching
  • a spot size conversion structure may be provided in the vicinity of the groove 25 to reduce the coupling loss with the second semiconductor chip 2 and to make the shape of the emitted light beam circular.
  • the top surfaces of the plurality of P-side electrodes (surface electrodes) 12 of the first semiconductor chip 1 are all the same. As shown in FIG. 3, the P-side electrode (surface electrode) 12 is turned upside down of the first semiconductor chip 1 and bonded to the second semiconductor chip 2 by flip chip bonding.
  • the groove 25 is provided so as to at least partially overlap the second semiconductor chip 2 in the length direction (X direction) when viewed from the width direction (Y direction).
  • FIG. 6 is a plan view of the wavelength tunable laser device 100, and is a plan view of the second semiconductor chip 2 with the first semiconductor chip 1 removed.
  • FIG. 7A is an enlarged plan view in the vicinity of a junction of the first semiconductor chip 1 and the second semiconductor chip 2 of FIG.
  • FIG. 7B is a cross-sectional view of FIG. 6 and FIG. 7A viewed in the direction of VIIB-VIIB.
  • the second semiconductor chip 2 has a silicon substrate 26.
  • a non-exposed area 26a and an exposed area 26b are defined on the upper surface of the silicon substrate 26.
  • a silicon layer 27, a silicon oxide film layer 28, and a silicon layer 29 are sequentially stacked on the non-exposed region 26a of the silicon substrate 26.
  • a protective film (not shown) made of silicon oxide may be provided on the surface of the silicon layer 29.
  • an optical circuit 30 is provided in the silicon layer 29.
  • the surface of the second semiconductor chip 2 on the side where the optical circuit 30 is provided is defined as the “surface”.
  • the optical circuit 30 has a grating coupler 31 and a single mode waveguide 32 connected to the grating coupler 31.
  • the single mode waveguide 32 is provided with a spiral portion 33 and a loop mirror 34.
  • the grating coupler 31 has a grating for realizing periodic refractive index modulation, and couples the output light 24 (see FIG. 4) of the first semiconductor chip 1 with high efficiency.
  • the loop mirror 34 is configured to return the input light as it is.
  • a directional coupler 35 for branching the light output is provided between the grating coupler 31 and the spiral portion 33, and is connected to the loop mirror 34.
  • a part of the input light can be guided to a single mode waveguide 32 separate from the waveguide, and the light output or wavelength can be monitored at the monitor port 36.
  • the diameter of the grating coupler 31 is formed to be about the mode diameter of the optical fiber. Thereby, the loss of optical coupling is reduced even when the first semiconductor chip 1 and the second semiconductor chip 2 are aligned for bonding with relatively relaxed micron-order accuracy Can.
  • the size of the grating coupler 31 is, for example, about 10 ⁇ m ⁇ about 10 ⁇ m in the XY plane.
  • power supply electrodes 37 (a plurality of electrodes) are provided on the exposed region 26 b of the silicon substrate 26 .
  • the power supply electrode 37 is directly joined to the plurality of P-side electrodes 12 provided on the first semiconductor chip 1 to perform power supply.
  • the plurality of power supply electrodes 37 are formed such that the upper surfaces thereof are at the same height.
  • the P-type electrode 12 is flip-chip bonded and connected onto the feeding electrode 37 provided on the surface of the second semiconductor chip 2.
  • the first semiconductor chip 1 and the second semiconductor chip 2 are joined, the first semiconductor chip 1 and the grating coupler 31 of the second semiconductor chip 2 are separated from each other by a predetermined distance in the vertical direction (Z direction). Will be placed.
  • the predetermined distance is preferably, for example, about 10 ⁇ m.
  • the waveguide is formed in a spiral shape, and thereby has a function of increasing the optical path length.
  • the spiral portion 33 may be, for example, an S-bend spiral (refer to Laser Photonics Review Vol. 8 No. 5 2014 pp667-686).
  • the optical circuit 30 is provided in the silicon layer 29, but the present invention is not limited to this, and the optical circuit 30 is a combination of layers made of other materials, such as silicon nitride and silicon oxide. You may form in the layer which consists of materials. Thereby, the loss in the optical circuit 30 can be further reduced.
  • FIG. 8A is a plan view of the wavelength tunable laser device 100 according to the first embodiment of the present invention, and the DFB-LD array 14 etc. of the first semiconductor chip 1 which is originally invisible can be described by a solid line in order to explain the operation.
  • FIG. 8B is a plan view of the wavelength tunable optical module 80 according to the first embodiment of the present invention.
  • 9 is a cross-sectional view of FIG. 8 as viewed in the direction of IX-IX.
  • the wavelength tunable laser device 100 of FIG. 8A is fixed on the thermoelectric temperature controller 83.
  • the thermoelectric temperature controller 83 includes a Peltier element as a component, and is used to adjust the chip temperature of the wavelength tunable laser.
  • a part of the output light 24 is detected by the light output monitor 84 and the light wavelength monitor 87 via the prism 82 and the etalon 86, and generates the light output signal 85 and the light wavelength signal 88, respectively.
  • These signals are input to a control circuit 81 including a microcomputer as a component, and after being calculated by the microcomputer based on the values of light output and light wavelength, control signals 61 such as chip temperature and drive current are output.
  • the lens for performing the imaging to the optical fiber 89 and beam shaping is abbreviate
  • one DFB-LD 13 is selected in the DFB-LD array 14 of the first semiconductor chip 1 to set the element operating temperature.
  • a forward bias voltage is applied between the N-side electrode 11 and the P-side electrode 12
  • electrons and holes are injected into the active layer 7, and the DFB-LD 13 oscillates at a wavelength determined by the grating period.
  • the element operating temperature of the DFB-LD 13 is changed, the oscillation wavelength changes at a rate of about 0.1 nm / ° C. Accordingly, by appropriately selecting the DFB-LD 13 and the operating temperature, the oscillation frequency can be changed, and the entire oscillation wavelength of the C band or the L band of the optical communication can be covered.
  • there is no mode hopping and the wavelength tuning mechanism is simple, so that it is possible to obtain the wavelength tunable laser device 100 excellent in controllability and long-term stability.
  • the light traveling forward and backward from the DFB-LD 13 is MMI input waveguide 15 connected to N ⁇ 1 (number of input ports: N, number of output ports: 1) MMI 16, 20 (number of arrays N: integer), It travels through 19 and interferes inside the MMI optocouplers 16, 20. As a result, it couples to the MMI output waveguides 17 and 21 of the MMI optical couplers 16 and 20 at a ratio of about 1 / N.
  • the light traveling through the MMI output waveguides 17 and 21 enters the SOAs 18 and 22. In the SOAs 18 and 22, a forward bias voltage is applied between the N-side electrode 11 and the P-side electrode 12 as in the DFB-LD 13.
  • the guided light traveling toward the left side of the active layer 7 of the first semiconductor chip 1 is reflected by the surface of the groove 25 functioning as a reflection mirror and becomes the reflected light 38.
  • the reflected light 38 is optically coupled to the grating coupler 31 provided in the second semiconductor chip 2.
  • the light travels through the optical circuit 30 provided in the second semiconductor chip 2, is returned by the loop mirror 34 in the optical circuit 30, and is emitted toward the first semiconductor chip 1 following the reverse path (not shown) ).
  • the light emitted toward the first semiconductor chip 1 is reflected by the surface of the groove 25 and becomes return light 39 shown in FIG.
  • the return light 40 amplified by the SOA 22 is returned to the DFB-LD 13 via the MMI output waveguide 21, the MMI optical coupler 20, and the MMI input waveguide 19.
  • the DFB-LD 13 can be operated with a narrow line width by injecting strong return light 40 of about -10 dB from the outside (refer to IEEE J. Lightwave Technology Vol. 4 No. 11 1986 pp1655-1661).
  • variable-wavelength laser device 100 the voltage applied between the N-side electrode 11 and the P-side electrode 12 is controlled to adjust the amount of current injected into the SOA 22 to make the MMI light By compensating for the branching loss of the couplers 16 and 20, it is possible to ensure the return light intensity necessary for narrowing the line width.
  • the output light 24 rearward of the first semiconductor chip 1 is reflected by the groove 25 in the vertical direction, and the second semiconductor chip 2 is The optical circuit 30 provided is optically coupled, and the return light from the second semiconductor chip 2 is amplified by the SOA 22 and returned to the first semiconductor chip 1 to constitute a composite resonator.
  • the amount of return light necessary for narrowing the line width can be secured regardless of the channel position dependency of the branching loss of the optical coupler, and a resonator is configured with a single first semiconductor chip. Narrow line width operation can be easily achieved compared to Also, high light output can be secured.
  • the grating coupler 31 for optical coupling with the second semiconductor chip 2 necessary alignment accuracy can be relaxed.
  • the first semiconductor chip 1 and the second semiconductor chip 2 are directly bonded via the electrodes 12 and 37, and optical components such as a lens and a mirror that optically couple the two are not necessary. For this reason, compared with the external resonator type semiconductor laser which needed them in order to comprise a laser resonator, a small-sized wavelength-variable laser apparatus is realizable.
  • Patent Document 1 in a wavelength tunable light source in which a silicon waveguide, a wavelength tunable filter, an external mirror, and the like are disposed behind an SOA, a wavelength tunable laser in which each SOA is connected to a branch of an emission side optical splitter in front of the SOA.
  • a light source, an optical transmitter and an optical transceiver module are disclosed.
  • a multiplexer, an amplifier, and a modulator are monolithically disposed in the middle of the front optical waveguides of a plurality of semiconductor lasers, and integration is achieved by integrating a rear optical waveguide that guides the rear light into a narrow range.
  • An optical device and a semiconductor laser module and an optical transmitter are disclosed.
  • an optical device in which a DFB laser portion, a reflecting mirror, and a convex lens are formed on a first semiconductor substrate, and a second semiconductor substrate on which a grating coupler and an optical waveguide are formed can be optically coupled. Is disclosed.
  • Patent Document 1 the laser resonator is formed by butt coupling of a compound semiconductor element and a wavelength variable mirror containing a silicon optical waveguide material, and in Patent Documents 2 and 3, both are a compound semiconductor element alone and the laser resonator is Are configured.
  • Patent Documents 1 to 3 have a configuration for returning part of the emitted light to the laser resonator side, and it is necessary to realize the narrowing of the line width only with the compound semiconductor element.
  • Patent Document 1 in the configuration in which the SOA and the external optical circuit are optically connected by butt coupling in order to suppress the coupling loss to 1 dB or less, generally, alignment with submicron accuracy is performed. Mass production becomes difficult, and the manufacturing cost increases.
  • FIG. 10 is a plan view of a wavelength-tunable laser device according to a second embodiment of the present invention, which is generally denoted by 200, and for explaining the operation, the DFB-LD of the first semiconductor chip 1 which can not be originally seen.
  • the array 14 and the like are also described in solid lines.
  • the same reference numerals as in FIG. 8 denote the same or corresponding parts.
  • a funnel coupler input waveguide 150 is connected to the front of the DFB-LD 13 constituting the DFB-LD array 14, and a funnel coupler is further connected to the funnel coupler input waveguide 150.
  • the slab waveguide 160 and the funnel coupler output waveguide 170 are connected in order.
  • the other configuration is the same as that of the wavelength tunable laser device 100 of FIG.
  • the funnel coupler plus input / output waveguides 150 and 170 are single mode waveguides except in the vicinity of the funnel coupler slab waveguide 160.
  • the funnel coupler 150 can be designed to be uniformly branched regardless of the wavelength with the same size as the MMI optical coupler.
  • FIG. 11 is a plan view of a wavelength-tunable laser device according to a third embodiment of the present invention, which is generally indicated by 300, and for explaining the operation, DFB-LD of the first semiconductor chip 1 which can not be originally seen
  • the array 14 and the like are also described in solid lines.
  • the same reference numerals as in FIG. 8 denote the same or corresponding parts.
  • an N ⁇ 2 two-output MMI input waveguide 151 is connected in front of the DFB-LD 13 constituting the DFB-LD array 14, and the two-output MMI input waveguide 151 is a two-output MMI. It is connected to the optical coupler 161.
  • a first MMI output waveguide 171 and a second MMI output waveguide 172 are connected in parallel and connected to the first SOA 181 and the second SOA 182, respectively.
  • the first output light 231 and the second front output light 232 are emitted from the first SOA 181 and the second SOA 182, respectively.
  • two output lights 231 and 232 can be individually controlled for transmission and reception of digital coherent communication and can be used as independent signals. Become.
  • FIG. 12 is a plan view of a wavelength-variable laser device according to a fourth embodiment of the present invention, which is generally denoted by 400, and the DFB-LD array 14 etc. of the first semiconductor chip 1 which is not visible originally is also indicated by a broken line. Yes.
  • FIG. 13 is a cross-sectional view of FIG. 12 as seen in the XX direction. In FIGS. 12 and 13, the same reference numerals as in FIG. 1 denote the same or corresponding parts.
  • the wavelength tunable laser 400 has a submount 50, and the first semiconductor chip 1 and the second semiconductor chip 2 are disposed on the surface of the submount 50.
  • the submount 50 is made of a ceramic material such as aluminum nitride (AlN), and has a step 52 on the surface that is the same as or slightly shallower than the thickness of the second semiconductor chip 2.
  • the first semiconductor chip 1 is disposed in a region other than the step 52 on the surface of the submount 50, and a portion of the surface of the submount 50 to which the P side electrode 12 of the first semiconductor chip 1 and the feeding electrode 37 are joined is It is metallized.
  • the second semiconductor chip 2 is provided in a region where the step 52 of the submount 50 is provided, and the first semiconductor chip 1 and the grating coupler 31 of the second semiconductor chip 2 mutually extend in the vertical direction (Z direction).
  • the end portion of the first semiconductor chip 1 and the end portion of the second semiconductor chip 2 are arranged to overlap each other at a predetermined distance in a plan view.
  • the predetermined distance between the first semiconductor chip 1 and the second semiconductor chip 2 is preferably, for example, about 10 ⁇ m.
  • the step 52 of the submount 50 is the same as the thickness of the second semiconductor chip 2 602 ⁇ m Or a slightly shallower step than that.
  • the amount of return light necessary for narrowing the line width is As compared with the case where the resonator is constituted by the first semiconductor chip alone, the narrow line width operation can be easily achieved. Also, high light output can be secured. Furthermore, by using the grating coupler 31 for optical coupling with the second semiconductor chip 2, necessary alignment accuracy can be relaxed. In addition, compared with the external resonator type semiconductor laser which needs them to constitute the laser resonator, a compact wavelength tunable laser device can be realized.
  • the submount 50 is made of, for example, a ceramic material such as aluminum nitride (AlN), and is cheaper than a silicon chip. Therefore, by using the submount 50, the material cost and the manufacturing cost of the wavelength tunable laser device can be reduced.
  • AlN aluminum nitride
  • the configuration according to the present embodiment is also applicable to the second embodiment or the third embodiment.
  • Embodiments 1 to 3 of the present invention may be freely combined and used.
  • various improvements, design changes and deletions may be added to these embodiments, and various modifications exist to these embodiments.
  • the N-type cladding layer 5, the waveguide layer 6 or the active layer 7, and the P-type cladding layer 8 are sequentially stacked on the N-type substrate 4.
  • the present invention is not limited thereto, and the conductivity types are reversed, and a P-type cladding layer, a waveguide layer or an active layer, and an N-type cladding layer are laminated on a P-type substrate.
  • the configuration may be used.
  • the waveguide provided in the first semiconductor chip 1 is a so-called buried type, but the present invention is not limited to this, and a ridge type waveguide may be used. I do not care.
  • DFB-LD distributed feedback laser diode
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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

波長可変レーザ装置
　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）、１４　ＤＦＢ－ＬＤアレイ、１５　ＭＭＩ入力導波路、１６　ＭＭＩ光結合器、１７　ＭＭＩ出力導波路、１８　光増幅器（ＳＯＡ）、１９　ＭＭＩ入力導波路、２０　ＭＭＩ光結合器、２１　ＭＭＩ出力導波路、２２　ＳＯＡ、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。

Claims (8)

  1. 　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。
  2. 　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。
  3. 　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。
  4. 　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。
  5. 　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。
  6. 　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。
  7. 　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。
  8. 　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。
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