WO2020162451A1 - 光機能素子およびレーザ素子 - Google Patents

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泰雅 川北
和明 清田
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    • H01S5/125—Distributed Bragg reflector [DBR] lasers

Definitions

  • the present invention relates to an optical functional device and a laser device.
  • An optical functional element having a ring resonator structure composed of a semiconductor waveguide or the like has a light transmission characteristic or a light reflection characteristic that periodically changes with respect to the wavelength.
  • Such an optical functional element is used, for example, as a wavelength selection filter or a reflector of a laser resonator in a wavelength tunable laser element (Patent Document 1).
  • a multi-mode interferometer (MMI) waveguide type optical coupler is used as the optical coupler of the ring resonator.
  • a ring resonator designed using a known MMI waveguide has a problem that its optical characteristics such as FSR (Free Spectral Range) and finesse are less flexible. Further, although the MMI waveguide has no loss in principle, excess loss occurs due to dimensional deviation. Therefore, reduction of excess loss in the MMI waveguide is required for a ring resonator having good characteristics.
  • FSR Free Spectral Range
  • the present invention has been made in view of the above, and an object thereof is to provide an optical functional element having a high degree of freedom in designing optical characteristics and reducing excess loss, and a laser element using the same. It is in.
  • an optical functional element is a multimode interference waveguide portion having a first end portion and a second end portion facing each other in the longitudinal direction,
  • a multi-mode interference waveguide type first having two first input/output ports arranged in parallel in the width direction at the first end and two second input/output ports arranged in parallel in the width direction at the second end.
  • a multimode interference waveguide part having a first end and a second end in the longitudinal direction, two first input/output ports arranged in the width direction at the first end, and the second
  • a second multimode interference waveguide type optical coupler having two second input/output ports arranged in parallel in the width direction at an end thereof; one of the first input/output ports of the first optical coupler;
  • a first arc-shaped waveguide that optically connects one of the first input/output ports of a two-optical coupler, one of the second input/output ports of the first optical coupler, and one of the second optical couplers.
  • a second arcuate waveguide that optically connects one of the second input/output ports, and the first optical coupler, the second optical coupler, the first arcuate waveguide, and the second arcuate waveguide.
  • the two arc-shaped waveguides form a ring resonator, and the multimode interference waveguide portions of the first optical coupler and the second optical coupler are provided at the first end portion and the second end portion, respectively. It is characterized by having a narrow portion having an average width narrower in the longitudinal direction than the width.
  • the length of the multimode interference waveguide portion of the first optical coupler or the second optical coupler is L mmi
  • the first end portion of the multimode interference waveguide portion is L mmi
  • the width of the second end portion is W mmi and the effective refractive index of the multimode interference waveguide portion is n
  • the following formula is established at the wavelength ⁇ .
  • An optical functional element according to an aspect of the present invention is characterized in that a branching ratio of the first optical coupler and the second optical coupler is more than 0% and less than 50%, or more than 50% and less than 100%. ..
  • the optical functional element according to one aspect of the present invention is characterized in that the width of the narrow portion changes continuously or in multiple steps in the longitudinal direction.
  • the width of the narrow portion is substantially constant in the longitudinal direction and is 25% or more and less than 100% of the width of the first end portion or the second end portion. It is characterized by
  • the optical functional element according to one aspect of the present invention is characterized in that the length of the narrow portion is 10% or more of the length of the multimode interference waveguide portion.
  • a laser device is characterized by including the optical functional device.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of an optical functional element according to the first embodiment.
  • FIG. 2A is a schematic diagram of the optical coupler shown in FIG.
  • FIG. 2B is a schematic diagram of an optical coupler of a comparative form.
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of characteristics of excess loss.
  • FIG. 4 is a diagram showing an example of the characteristics of the branching ratio.
  • FIG. 5 is a schematic diagram of an optical functional element according to a comparative form.
  • FIG. 6 is a diagram showing an example of the characteristic of the normalized reflection port intensity.
  • FIG. 7 is a schematic view of the laser device according to the second embodiment.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of an optical functional element according to the first embodiment.
  • This optical functional element 10 includes the following waveguides formed on a substrate S: an optical coupler 1 which is a first optical coupler, an optical coupler 2 which is a second optical coupler, and optical input/output waveguides 3 and 4. 5 and 6, an arcuate waveguide 7 that is a first arcuate waveguide, and an arcuate waveguide 8 that is a second arcuate waveguide.
  • Optical couplers 1 and 2 are 2 ⁇ 2 type, MMI waveguide type optical couplers.
  • the arcuate waveguide 7 optically connects one of the input/output ports of the optical coupler 1 and one of the input/output ports of the optical coupler 2.
  • the arc-shaped waveguide 8 optically connects another one of the input/output ports of the optical coupler 1 and another one of the input/output ports of the optical coupler 2.
  • Optical input/output waveguides 3 and 4 are optically connected to the other two input/output ports of the optical coupler 1.
  • Optical input/output waveguides 5 and 6 are optically connected to the other two input/output ports of the optical coupler 2.
  • each of the arcuate waveguide 7 and the arcuate waveguide 8 is connected to each of the input/output ports facing each other in the longitudinal direction of the optical coupler 1.
  • each of the arcuate waveguide 7 and the arcuate waveguide 8 is connected to each of the input/output ports facing each other in the longitudinal direction of the optical coupler 2.
  • Each of the optical input/output waveguides 3 and 4 is connected to each of the input/output ports facing each other in the longitudinal direction of the optical coupler 1.
  • each of the optical input/output waveguides 5 and 6 is connected to each of the input/output ports facing each other in the longitudinal direction of the optical coupler 2.
  • the optical couplers 1 and 2 and the arcuate waveguides 7 and 8 form a ring resonator. Further, the optical input/output waveguides 3, 4, 5, 6 have a function of inputting/outputting light to/from this ring resonator.
  • These waveguides have, for example, a waveguide structure in which an optical waveguide layer made of a semiconductor material having a higher refractive index than InP such as InGaAsP is formed in a cladding region made of InP.
  • a high-mesa waveguide structure is provided.
  • InP and InGaAsP are adopted for the optical function element 10 to function favorably with respect to light in the wavelength band of 1.55 ⁇ m.
  • a semiconductor material corresponding to the wavelength may be appropriately adopted.
  • FIG. 2A is a schematic diagram of the optical coupler 1
  • FIG. 2B is a schematic diagram of the optical coupler 1A of the comparative form.
  • the optical coupler 1 includes two input/output ports 1a and 1b that are first input/output ports, an MMI waveguide portion 1c, and two input/output ports 1d and 1e that are second input/output ports.
  • the MMI waveguide portion 1c has end portions 1ca and 1cb that are a first end portion and a second end portion that face each other in the longitudinal direction.
  • the input/output ports 1a and 1b are arranged in parallel at the end 1ca in the width direction of the MMI waveguide 1c.
  • the input/output ports 1d and 1e are arranged in parallel at the end portion 1cb in the width direction of the MMI waveguide portion 1c.
  • the longitudinal direction of the MMI waveguide 1c is the vertical direction in the drawing
  • the width direction is the horizontal direction in the drawing orthogonal to the longitudinal direction.
  • the light when light of a predetermined wavelength is input in a single mode from the input/output port 1a, the light is input to the MMI waveguide portion 1c from the end 1ca, is split into multiple modes, and is guided. Interfere with each other in the waves. As a result, the guided light is imaged in a single mode with a predetermined branching ratio at the positions connected to the input/output ports 1d and 1e of the end 1cb. As a result, the input light is split at a predetermined split ratio and output from the input/output ports 1d and 1e.
  • the light is input from the input/output port 1a and the light is output from the input/output ports 1d and 1e is described here, the light is input from one of the input/output ports 1d and 1e and the input/output is performed. Light may be output from the ports 1a and 1b.
  • the MMI waveguide portion 1c is composed of tapered portions 1cc and 1cd and a constant width portion 1ce.
  • the tapered portion 1cc is located on the side of the input/output ports 1a and 1b, and its width is continuously reduced toward the side of the input/output ports 1d and 1e in the longitudinal direction of the MMI waveguide portion 1c.
  • the tapered portion 1cc has an isosceles trapezoidal shape in a top view.
  • the equal width portion 1ce is located adjacent to the input/output ports 1d and 1e of the tapered portion 1cc.
  • the width of the equal width portion 1ce is substantially constant in the longitudinal direction, and is substantially the same as the width of the tapered portion 1cc on the input/output port 1d, 1e side.
  • the constant width portion 1ce has a rectangular shape in a top view as shown in FIG. 2A.
  • the tapered portion 1cd is located adjacent to the input/output ports 1d, 1e side of the constant width portion 1ce, and the width thereof continuously increases in the longitudinal direction of the MMI waveguide portion 1c toward the input/output ports 1d, 1e side. doing.
  • the width of the tapered portion 1cd on the input/output port 1a, 1b side is substantially the same as the width of the constant width portion 1ce.
  • the width of the tapered portion 1cd on the input/output ports 1d, 1e side (width at the end portion 1cb) is substantially the same as the width of the tapered portion 1cc on the input/output ports 1a, 1b side (width at the end portion 1ca). is there.
  • the taper portion 1cd has an isosceles trapezoidal shape in a top view as shown in FIG. 2A.
  • the taper portions 1cc and 1cd and the equal width portion 1ce are narrow width portions whose average width in the longitudinal direction is narrower than the width at the end portions 1ca and 1cb.
  • the length of the MMI waveguide portion 1c is L mmi
  • the width at the end portions 1ca, 1cb is W mmi
  • the widths of the input/output ports 1a, 1b, 1d, 1e are Wp
  • the input/output ports 1a, 1b are both Wg.
  • the lengths of the tapered portions 1cc and 1cd and the equal width portion 1ce are Lt1, Lt2, and Ls, respectively. Further, the difference between W mmi and the width of the equal width portion 1ce is A.
  • each of the widthwise ends of the equal width portion 1ce is at a position A/2 from either of the widthwise ends of the end portions 1ca and 1cb.
  • the width of the equal width portion 1ce is (W mmi -A), and the average width in the longitudinal direction of the tapered portions 1cc and 1cd is (W mmi -A/2).
  • the width (W mmi -A) of the equal width portion 1ce is, for example, 25% or more and less than 100% of W mmi .
  • the length Ls of the constant width portion 1ce is, for example, a value of 10% or more of L mmi and a value of less than 100%.
  • the optical function element 10 has a high degree of freedom in designing optical characteristics and has reduced excess loss because the MMI waveguide portion 1c has such a narrow width portion.
  • the optical coupler 1A has a configuration in which the MMI waveguide portion 1c is replaced with the MMI waveguide portion 1Ac in the configuration of the optical coupler 1.
  • the MMI waveguide portion 1Ac is a rectangular waveguide in a top view.
  • the length of the MMI waveguide portion 1Ac is L mmi and the width thereof is W mmi .
  • the branching ratio of the optical couplers 1 and 1A is defined by the ratio of the power of the branched light output from the input/output port 1e to the power of the input light when the light is input from the input/output port 1a. Then, when the branching ratio of the optical coupler 1A is 50%, the following formula is established. Note that n is the effective refractive index of the MMI waveguide 1Ac, and ⁇ is the wavelength of the input light.
  • the relationship between L mmi and W mmi is uniquely determined, and since the FSR and finesse are also determined by this relationship, the degree of freedom in designing optical characteristics is low.
  • the finesse is an amount defined by the ratio of the FSR to the full width at half maximum of the transmission peak or the reflection peak when the light transmission characteristic or the light reflection characteristic that changes periodically with respect to the wavelength is provided. The higher the finesse, the sharper the transmission peak or the reflection peak, and the higher the wavelength selectivity, for example.
  • the degree of freedom in designing the optical characteristics can be increased by setting the length and width of the narrow portion.
  • the degree of freedom in designing the optical characteristics of the optical functional device 10 including the optical couplers 1 and 2 can be increased.
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of characteristics of excess loss (Loss). Excess loss means that when light is input from the input/output port 1a and light branched from each of the input/output ports 1d and 1e is output, the total power of the output light with respect to the power of the input light is It is shown in dB.
  • FIG. 4 is a diagram showing an example of the characteristics of the branching ratio.
  • Ratio cross port
  • Cross port is a branching ratio, and, for example, when light is input from the input/output port 1a, the output light from the input/output port 1e is branched for the power of the input light. Is the ratio of the power of.
  • the following formula can be established while the branching ratio is other than 50%, that is, more than 0% and less than 50%, or more than 50% and less than 100%.
  • n is the effective refractive index of the MMI waveguide 1c
  • ⁇ is the wavelength of the input light.
  • the optical functional element 10 can also be miniaturized.
  • the optical characteristics of the optical functional device 10 will be described with reference to the results obtained using BMP analysis.
  • the combination of A and L mmi is set so that the branching ratio of the optical couplers 1 and 2 at a predetermined wavelength is 40% for the intersecting ports. did.
  • the characteristics of the optical functional element 10 as a reflective element were analyzed. Specifically, light of a predetermined wavelength was input from the optical input/output waveguide 4 of the optical functional device 10, and the power of the light output from the optical input/output waveguide 6 was analyzed. Then, the ratio of the power of the output light to the power of the input light was calculated as the normalized reflection port intensity.
  • the optical functional element 10A has a configuration in which the optical couplers 1 and 2 in the configuration of the optical functional element 10 are replaced with an optical coupler 1A having a branching ratio of 50%. Then, the light was input from the optical input/output waveguide 4 of the optical functional element 10A, the power of the light output from the optical input/output waveguide 6 was analyzed, and the normalized reflection port intensity was calculated. The radii of the arcuate waveguides 7 and 8 were adjusted in each of the optical functional element 10A and the optical functional element 10 so that the optical functional element 10A and the optical functional element 10 have the same FSR.
  • FIG. 6 is a diagram showing an example of the characteristics of the normalized reflection port strength.
  • the horizontal axis is the relative wavelength with reference to a predetermined wavelength in the wavelength band of 1.55 ⁇ m, and the vertical axis is the normalized reflection port intensity in dB.
  • the solid line L1 is the reflection characteristic of the optical functional element 10
  • the broken line L2 is the reflection characteristic of the optical functional element 10A.
  • the optical function element 10 can have a higher finesse than the optical function element 10A. Further, in the optical function element 10, the finesse can be made lower than that of the optical function element 10A by making the branching ratio larger than 50%.
  • the optical functional device 10 has a high degree of freedom in designing optical characteristics such as FSR and finesse, and has reduced excess loss.
  • FIG. 7 is a schematic view of the laser device according to the second embodiment.
  • This laser element 100 is configured as a wavelength tunable laser element utilizing the vernier effect as disclosed in Patent Document 1.
  • the laser device 100 includes optical functional devices 10, 20, 30, 40 integrated on a common substrate S. It should be noted that in FIG. 7, each heater and electrode, which will be described later, and wirings and electrode pads for supplying a current to each heater and electrode are not shown.
  • the optical functional element 10 has the configuration shown in FIG. 1, and is further provided with a heater for heating the ring resonator.
  • the optical function element 20 is a 1 ⁇ 2 type MMI waveguide type optical coupler, and an arm portion extending from each of two ports is optically connected to the optical function element 10, and one port is an optical function element. Optically connected to 30.
  • the optical functional elements 10 and 20 have a reflection spectrum characteristic having a comb-shaped peak.
  • the optical functional elements 10 and 20 constitute one of the reflectors of the laser resonator.
  • a heater is provided on a part of the arm of the optical function element 20. By heating the optical waveguide layer in the arm portion with the heater, the optical path length of the optical waveguide layer can be changed. As a result, the cavity length of the laser cavity can be changed.
  • the optical functional element 30 has a semiconductor laminated structure including an active layer.
  • the active layer is optically connected to the 1-port side of the optical functional device 20 and the optical functional device 40.
  • An electric current is supplied to the active layer by an electrode provided in the optical functional element 30 to generate an optical gain.
  • the optical functional device 40 has a semiconductor laminated structure including a DBR (Distributed Bragg Reflector) type diffraction grating layer including a sampled diffraction grating (Sampled Grating) and an optical waveguide layer.
  • DBR Distributed Bragg Reflector
  • Sampled diffraction grating Sampled Grating
  • the optical functional element 40 has a comb-shaped peak whose reflection spectrum characteristic is different from that in the optical functional elements 10 and 20, and constitutes the other one of the reflectors of the laser resonator.
  • the reflection peak wavelength can be shifted as a whole on the wavelength axis.
  • the laser element 100 functions as a wavelength tunable laser element utilizing the vernier effect by adjusting the current supplied to the heater and electrodes.
  • the optical function element 40 as a reflector may be replaced with a reflector including the optical function elements 10 and 20.
  • the two reflectors configured by the optical function elements 10 and 20 configure a laser resonator. In this case, it is necessary to make the periods of the comb-shaped reflection peaks of the two reflectors different from each other.
  • the optical functional element 10 can also be combined with a reflection mirror to form a reflector having a comb-shaped reflection peak. Such a reflector can be used as a reflector in a laser cavity.
  • the optical function element 10 can also be used as a wavelength selection filter.
  • the width of the tapered portion changes continuously and linearly in the longitudinal direction, but may change continuously and curvilinearly, or may change in multiple steps. Good.
  • the first optical coupler and the second optical coupler have substantially the same configuration, but the configurations may be different from each other.
  • the MMI waveguide portion is composed of only a plurality of narrow width portions, but the MMI waveguide portion may include a portion that is not the narrow width portion.
  • the MMI waveguide portion may include a uniform width portion having a width substantially the same as the width at the end portion of the MMI waveguide portion.
  • the present invention is not limited to the above embodiment.
  • the present invention also includes those configured by appropriately combining the constituent elements of the above-described embodiments. Further, further effects and modified examples can be easily derived by those skilled in the art. Therefore, the broader aspects of the present invention are not limited to the above embodiments, and various modifications can be made.
  • the optical functional element according to the present invention is useful as a reflector of a laser resonator in a wavelength selection filter or a wavelength tunable laser element, and the laser element according to the present invention is useful as a wavelength tunable light source used for optical communication or the like. ..

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Abstract

光学特性の設計の自由度が高く、かつ過剰損失が低減された光機能素子を提供することを目的とする。光機能素子は、長手方向において対向する第１端部および第２端部を有する多モード干渉導波路部と、２つの第１入出力ポートと、２つの第２入出力ポートと、を有する多モード干渉導波路型の第１および第２光カプラと、第１光カプラの第１入出力ポートの一方と、第２光カプラの第１入出力ポートの一方と、を光学的に接続する第１円弧状導波路と、第１光カプラの第２入出力ポートの一方と、第２光カプラの第２入出力ポートの一方と、を光学的に接続する第２円弧状導波路と、を備え、第１光カプラ、第２光カプラ、第１円弧状導波路、および第２円弧状導波路はリング共振器を構成しており、第１光カプラおよび第２光カプラの多モード干渉導波路部は、それぞれ、第１端部または第２端部での幅よりも、長手方向における平均的な幅が狭い狭幅部を有する。

Description

光機能素子およびレーザ素子
　本発明は、光機能素子およびレーザ素子に関する。
　半導体導波路などによって構成されたリング共振器構造を有する光機能素子は、波長に対して周期的に変化する光透過特性または光反射特性を有する。このような光機能素子は、たとえば波長選択フィルタや、波長可変レーザ素子におけるレーザ共振器の反射器として用いられている（特許文献１）。リング共振器の光カプラとしては、たとえば多モード干渉（Multi-Mode　Interferometer：ＭＭＩ）導波路型の光カプラが用いられる。
国際公開第２０１６／１５２２７４号公報
　しかしながら、公知のＭＭＩ導波路を用いて設計されたリング共振器は、その光学特性、たとえばＦＳＲ（Free　Spectral　Range）やフィネス（Finesse）の設計の自由度が低いという問題がある。また、ＭＭＩ導波路は原理的には無損失であるが寸法ずれによる過剰損失が発生するため、特性のよいリング共振器のためにはＭＭＩ導波路における過剰損失の低減も求められている。
　本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、その目的は、光学特性の設計の自由度が高く、かつ過剰損失が低減された光機能素子およびこれを用いたレーザ素子を提供することにある。
　上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の一態様に係る光機能素子は、長手方向において対向する第１端部および第２端部を有する多モード干渉導波路部と、前記第１端部において幅方向に並列する２つの第１入出力ポートと、前記第２端部において幅方向に並列する２つの第２入出力ポートと、を有する多モード干渉導波路型の第１光カプラと、長手方向において第１端部および第２端部を有する多モード干渉導波路部と、前記第１端部において幅方向に並列する２つの第１入出力ポートと、前記第２端部において幅方向に並列する２つの第２入出力ポートと、を有する多モード干渉導波路型の第２光カプラと、前記第１光カプラの前記第１入出力ポートの一方と、前記第２光カプラの前記第１入出力ポートの一方と、を光学的に接続する第１円弧状導波路と、前記第１光カプラの前記第２入出力ポートの一方と、前記第２光カプラの前記第２入出力ポートの一方と、を光学的に接続する第２円弧状導波路と、を備え、前記第１光カプラ、前記第２光カプラ、前記第１円弧状導波路、および前記第２円弧状導波路はリング共振器を構成しており、前記第１光カプラおよび前記第２光カプラの多モード干渉導波路部は、それぞれ、前記第１端部または前記第２端部での幅よりも、長手方向における平均的な幅が狭い狭幅部を有することを特徴とする。
　本発明の一態様に係る光機能素子は、前記第１光カプラまたは前記第２光カプラの多モード干渉導波路部の長さをＬmmi、該多モード干渉導波路部の前記第１端部または前記第２端部の幅をＷmmiとし、該多モード干渉導波路部の実効屈折率をｎとすると、波長λにおいて以下の式が成り立つことを特徴とする。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　本発明の一態様に係る光機能素子は、前記第１光カプラおよび前記第２光カプラの分岐比は０％より大きく５０％未満、または５０％より大きく１００％未満であることを特徴とする。
　本発明の一態様に係る光機能素子は、前記狭幅部は、長手方向において幅が連続的または多段階的に変化することを特徴とする。
　本発明の一態様に係る光機能素子は、前記狭幅部の幅が、長手方向において略一定であり、前記第１端部または前記第２端部の幅の２５％以上１００％未満であることを特徴とする。
　本発明の一態様に係る光機能素子は、前記狭幅部の長さが前記多モード干渉導波路部の長さの１０％以上であることを特徴とする。
　本発明の一態様に係るレーザ素子は、前記光機能素子を備えることを特徴とする。
　本発明によれば、光学特性の設計の自由度を高く、かつ過剰損失を低減できるという効果を奏する。
図１は、実施形態１に係る光機能素子の模式図である。 図２Ａは、図１に示す光カプラの模式図である。 図２Ｂは、比較形態の光カプラの模式図である。 図３は、過剰損失の特性の一例を示す図である。 図４は、分岐比の特性の一例を示す図である。 図５は、比較形態に係る光機能素子の模式図である。 図６は、規格化反射ポート強度の特性の一例を示す図である。 図７は、実施形態２に係るレーザ素子の模式図である。
　以下、添付図面を参照しながら、本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態により本発明が限定されるものではない。また、図面の記載において、同一または対応する要素には適宜同一の符号を付し、重複説明を適宜省略する。また、図面は模式的なものであり、各要素の寸法の関係、各要素の比率等は、現実と異なる場合があることに留意する必要がある。
（実施形態１）
　図１は、実施形態１に係る光機能素子の模式図である。この光機能素子１０は、基板Ｓ上に形成された以下の導波路：第１光カプラである光カプラ１と、第２光カプラである光カプラ２と、光入出力導波路３、４、５、６と、第１円弧状導波路である円弧状導波路７と、第２円弧状導波路である円弧状導波路８と、を備えている。
　光カプラ１、２は、２×２型であり、ＭＭＩ導波路型の光カプラである。円弧状導波路７は、光カプラ１の入出力ポートの一つと、光カプラ２の入出力ポートの一つとを光学的に接続している。円弧状導波路８は、光カプラ１の入出力ポートの他の一つと、光カプラ２の入出力ポートの他の一つとを光学的に接続している。光カプラ１の他の２つの入出力ポートには光入出力導波路３、４が光学的に接続されている。光カプラ２の他の２つの入出力ポートには光入出力導波路５、６が光学的に接続されている。
　具体的には、円弧状導波路７および円弧状導波路８のそれぞれは、光カプラ１の長手方向において対向する入出力ポートのそれぞれに接続している。同様に、円弧状導波路７および円弧状導波路８のそれぞれは、光カプラ２の長手方向において対向する入出力ポートのそれぞれに接続している。また、光入出力導波路３、４のそれぞれは、光カプラ１の長手方向において対向する入出力ポートのそれぞれに接続している。同様に、光入出力導波路５、６のそれぞれは、光カプラ２の長手方向において対向する入出力ポートのそれぞれに接続している。
　これにより、光カプラ１、２、円弧状導波路７、８はリング共振器を構成している。また、光入出力導波路３、４、５、６は、このリング共振器に対して光を入出力させる機能を有する。
　これらの導波路は、たとえば、ＩｎＰからなるクラッド領域内にＩｎＧａＡｓＰなどのＩｎＰよりも屈折率が高い半導体材料からなる光導波層が形成された導波路構造を有しており、たとえばハイメサ導波路構造を有する。なお、ＩｎＰやＩｎＧａＡｓＰは、光機能素子１０が波長１．５５μｍ帯の光に対して好適に機能するために採用されている。他の波長帯の光を導波する場合は、その波長に応じた半導体材料を適宜採用すればよい。
　つぎに、光カプラ１の具体的構成について説明する。なお、光カプラ２は光カプラ１と略同一の構成なので、説明を省略する。また、以下では、光カプラ１の具体的構成を、比較形態の光カプラと対比して説明する。図２Ａは、光カプラ１の模式図であり、図２Ｂは、比較形態の光カプラ１Ａの模式図である。
　光カプラ１は、第１入出力ポートである２つの入出力ポート１ａ、１ｂと、ＭＭＩ導波路部１ｃと、第２入出力ポートである２つの入出力ポート１ｄ、１ｅとを備えている。ＭＭＩ導波路部１ｃは、長手方向において対向する第１端部および第２端部である端部１ｃａ、１ｃｂを有する。入出力ポート１ａ、１ｂは、端部１ｃａにおいて、ＭＭＩ導波路部１ｃの幅方向に並列して配置されている。入出力ポート１ｄ、１ｅは、端部１ｃｂにおいて、ＭＭＩ導波路部１ｃの幅方向に並列して配置されている。ここで、ＭＭＩ導波路部１ｃの長手方向は、図面の上下方向であり、幅方向は、長手方向と直交する図面の左右方向である。
　たとえば、入出力ポート１ａから所定の波長の光が単一モードで入力されると、当該光はＭＭＩ導波路部１ｃに端部１ｃａから入力して多モードに分離して導波し、かつ導波中に互いに干渉する。その結果、導波した光は、端部１ｃｂの入出力ポート１ｄ、１ｅのそれぞれに接続する位置にて、所定の分岐比でかつシングルモードで結像する。その結果、入力された光は、所定の分岐比で分岐されて入出力ポート１ｄ、１ｅから出力される。なお、ここでは、入出力ポート１ａから光を入力し、入出力ポート１ｄ、１ｅから光を出力させる場合について説明しているが、入出力ポート１ｄ、１ｅの一方から光を入力し、入出力ポート１ａ、１ｂから光を出力させてもよい。
　ここで、ＭＭＩ導波路部１ｃは、テーパ部１ｃｃ、１ｃｄと、等幅部１ｃｅとで構成されている。テーパ部１ｃｃは、入出力ポート１ａ、１ｂ側に位置し、ＭＭＩ導波路部１ｃの長手方向において入出力ポート１ｄ、１ｅ側に向かって幅が連続的に減少している。テーパ部１ｃｃは図２Ａに示すように上面視で等脚台形状である。
　等幅部１ｃｅは、テーパ部１ｃｃの入出力ポート１ｄ、１ｅ側に隣接して位置している。等幅部１ｃｅの幅は長手方向において略一定であり、テーパ部１ｃｃの入出力ポート１ｄ、１ｅ側の幅と略同一である。等幅部１ｃｅは図２Ａに示すように上面視で矩形状である。
　テーパ部１ｃｄは、等幅部１ｃｅの入出力ポート１ｄ、１ｅ側に隣接して位置し、ＭＭＩ導波路部１ｃの長手方向において入出力ポート１ｄ、１ｅ側に向かって、幅が連続的に増加している。テーパ部１ｃｄの入出力ポート１ａ、１ｂ側の幅は、等幅部１ｃｅの幅と略同一である。また、テーパ部１ｃｄの入出力ポート１ｄ、１ｅ側の幅（端部１ｃｂでの幅）は、テーパ部１ｃｃの入出力ポート１ａ、１ｂ側の幅（端部１ｃａでの幅）と略同一である。テーパ部１ｃｄは図２Ａに示すように上面視で等脚台形状である。
　テーパ部１ｃｃ、１ｃｄ、等幅部１ｃｅは、いずれも、端部１ｃａ、１ｃｂでの幅よりも、長手方向における平均的な幅が狭い狭幅部である。
　ＭＭＩ導波路部１ｃの長さをＬmmiとし、端部１ｃａ、１ｃｂでの幅をＷmmiとし、入出力ポート１ａ、１ｂ、１ｄ、１ｅの幅をいずれもＷpとし、入出力ポート１ａ、１ｂ間のギャップおよび入出力ポート１ｄ、１ｅのギャップをいずれもＷgとする。また、テーパ部１ｃｃ、１ｃｄ、等幅部１ｃｅの長さを、それぞれＬt1、Ｌt2、Ｌsとする。また、Ｗmmiと等幅部１ｃｅの幅との差をＡとする。テーパ部１ｃｃ、１ｃｄは等脚台形状なので、等幅部１ｃｅの幅方向両端のそれぞれは、端部１ｃａ、１ｃｂの幅方向両端のいずれかからＡ／２の位置にある。等幅部１ｃｅの幅は（Ｗmmi－Ａ）であり、テーパ部１ｃｃ、１ｃｄの長手方向における平均的な幅は（Ｗmmi－Ａ／２）である。
　等幅部１ｃｅの幅（Ｗmmi－Ａ）は、たとえばＷmmiの２５％以上１００％未満である。また、等幅部１ｃｅの長さＬｓは、たとえばＬmmiの１０％以上の値であり、１００％未満の値である。
　光機能素子１０は、ＭＭＩ導波路部１ｃがこのような狭幅部を有することによって、光学特性の設計の自由度が高く、かつ過剰損失が低減されたものとなる。
　以下、図２Ｂの比較形態１に係る光カプラ１Ａと対比して説明する。光カプラ１Ａは、光カプラ１の構成において、ＭＭＩ導波路部１ｃをＭＭＩ導波路部１Ａｃに置き換えた構成を有する。ＭＭＩ導波路部１Ａｃは上面視で矩形の導波路である。ここで、光カプラ１と同様に、ＭＭＩ導波路部１Ａｃの長さをＬmmi、幅をＷmmiとする。
　光カプラ１、１Ａの分岐比を、たとえば入出力ポート１ａから光を入力した場合に、入力した光のパワーに対する、分岐して入出力ポート１ｅから出力される光のパワーの比で定義する。すると、光カプラ１Ａの分岐比が５０％の場合、以下の式が成り立つ。なお、ｎはＭＭＩ導波路部１Ａｃの実効屈折率であり、λは入力する光の波長である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　このように、光カプラ１Ａでは、ＬmmiとＷmmiとの関係が一義的に決定しており、かつこの関係によってＦＳＲやフィネスも決定するため、光学特性の設計の自由度が低い。なお、フィネスとは、波長に対して周期的に変化する光透過特性または光反射特性を有する場合に、透過ピークまたは反射ピークの半値全幅に対するＦＳＲの比で定義される量である。フィネスが高いほど透過ピークまたは反射ピークが鋭く、たとえば波長選択性が高くなる。
　これに対して、光カプラ１では、ＭＭＩ導波路部１ｃが狭幅部を有することによって、狭幅部の長さや幅の設定によって光学特性の設計の自由度を高くできる。その結果、光カプラ１、２を備える光機能素子１０の光学特性の設計の自由度を高くできる。
　ＢＭＰ（Beam　Propagation　Method）解析を用いて得た結果を参照して、狭幅部の効果について説明する。以下では、Ｗmmiを３．１５μｍ、Ｗpを１．２μｍ、Ｗgを０．７５μｍ、Ｌt1、Ｌt2をいずれも１０μｍとして、ＬmmiとＡとの組み合わせを様々に変化させて解析を行った。
　図３は、過剰損失（Ｌｏｓｓ）の特性の一例を示す図である。過剰損失は、入出力ポート１ａから光を入力し、入出力ポート１ｄ、１ｅのそれぞれから分岐された光を出力させた場合、入力した光のパワーに対する、出力された光の合計のパワーを、ｄＢ単位で示したものである。
　図３において、Ａ＝０は比較形態の光カプラ１Ａの特性に相当する。図３から、ＬmmiとＡとの組み合わせを適宜選択することによって、光カプラ１Ａよりも過剰損失を低減できることが確認できる。特に、Ｌmmiを小さくするのに従って、Ａを小さくすれば、低い過剰損失を維持したままＭＭＩ導波路部１ｃを長手方向に短くでき、光カプラ１を小型化できることが確認できる。
　つぎに、図４は、分岐比の特性の一例を示す図である。ここで、Ｒａｔｉｏ（ｃｒｏｓｓ　ｐｏｒｔ）とは、分岐比のことであり、たとえば入出力ポート１ａから光を入力した場合に、入力した光のパワーに対する、分岐して入出力ポート１ｅから出力される光のパワーの比である。
　図４において、Ａ＝０は比較形態の光カプラ１Ａの特性に相当する。図３と図４とから、分岐比を一定に維持し、かつ低い過剰損失を維持したまま、ＭＭＩ導波路部１ｃを長手方向に短くでき、光カプラ１を小型化できることが確認できる。
　以上のことから、光カプラ１では、分岐比を５０％以外、すなわち０％より大きく５０％未満、または５０％より大きく１００％未満としつつ、以下の式が成り立つようにできる。なお、ｎはＭＭＩ導波路部１ｃの実効屈折率であり、λは入力する光の波長である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　このように光カプラ１、および光カプラ２を小型化できるので、光機能素子１０も小型化できる。
　つぎに、光機能素子１０の光学特性について、ＢＭＰ解析を用いて得た結果を参照して説明する。まず、光機能素子１０において、光カプラ１のＢＭＰ解析結果に基づき、所定の波長において光カプラ１、２の分岐比が交差するポートについて４０％になるようにＡとＬmmiとの組み合わせを設定した。そして、光機能素子１０の反射素子としての特性を解析した。具体的には、光機能素子１０の光入出力導波路４から所定の波長の光を入力し、光入出力導波路６から出力された光のパワーを解析した。そして、入力した光のパワーに対する出力された光のパワーの比を、規格化反射ポート強度として算出した。
　また、比較形態として、図５に示す構成の光機能素子１０Ａの特性を解析した。光機能素子１０Ａは、光機能素子１０の構成において、光カプラ１、２を、分岐比を５０％とした光カプラ１Ａに置き換えた構成を有するものである。そして、光機能素子１０Ａの光入出力導波路４から光を入力し、光入出力導波路６から出力された光のパワーを解析し、規格化反射ポート強度を算出した。なお、円弧状導波路７、８の半径は、光機能素子１０Ａと光機能素子１０とで同じＦＳＲを有するように、光機能素子１０Ａと光機能素子１０のそれぞれで調整した。
　図６は、規格化反射ポート強度の特性の一例を示す図である。横軸は波長１．５５μｍ帯の所定の波長を基準とした相対波長であり、縦軸は規格化反射ポート強度をｄＢ単位で示したものである。実線Ｌ１が光機能素子１０の反射特性であり、破線Ｌ２が光機能素子１０Ａの反射特性である。図６に示すように、光機能素子１０では光機能素子１０Ａよりもフィネスを高くできることが確認された。また、光機能素子１０では、分岐比を５０％より大きくすることによって、光機能素子１０Ａよりもフィネスを低くできる。
　以上説明したように、実施形態１に係る光機能素子１０は、ＦＳＲやフィネスなどの光学特性の設計の自由度が高く、かつ過剰損失が低減されたものである。
（実施形態２）
　図７は、実施形態２に係るレーザ素子の模式図である。このレーザ素子１００は、特許文献１に開示されるようなバーニア効果を利用した波長可変型のレーザ素子として構成されている。レーザ素子１００は、共通の基板Ｓ上に集積された光機能素子１０、２０、３０、４０を備えている。なお、図７では、後述する各ヒータや電極、および各ヒータや電極に電流を供給するための配線や電極パッドは図示を省略している。
　光機能素子１０は、図１に示す構成を有しており、さらにリング共振器を加熱するヒータが設けられている。光機能素子２０は、１×２型のＭＭＩ導波路型の光カプラであり、２ポートのそれぞれから延伸するアーム部が光機能素子１０に光学的に接続しており、１ポートが光機能素子３０に光学的に接続している。光機能素子２０の１ポートに光を入力すると、光は光機能素子１０、２０の機能によって反射されて、光機能素子２０の１ポートから出力する。このとき、光機能素子１０、２０は、櫛形のピークを有する反射スペクトル特性を有している。これにより、光機能素子１０、２０は、レーザ共振器の反射器の一方を構成する。光機能素子１０のリング共振器内の光導波層をヒータにて加熱することによって、反射ピーク波長を波長軸上で全体的にシフトさせることができる。
　また、光機能素子２０のアーム部の一部にもヒータが設けられている。アーム部内の光導波層をヒータにて加熱することによって、光導波層の光路長を変化させることができる。これによって、レーザ共振器の共振器長を変化させることができる。
　光機能素子３０は、活性層を含む半導体積層構造を有する。活性層は、光機能素子２０の１ポート側と、光機能素子４０とに光学的に接続している。活性層は、光機能素子３０に設けられた電極によって電流が供給され光利得を発生する。
　光機能素子４０は、標本化回折格子（Sampled　Grating）を含むＤＢＲ（Distributed　Bragg　Reflector）型の回折格子層と、光導波層とを含む半導体積層構造を有する。
　この光機能素子４０は、反射スペクトル特性が、光機能素子１０、２０におけるものとは周期が異なる櫛形のピークを有しており、レーザ共振器の反射器の他の一方を構成する。光機能素子４０の回折格子層をヒータにて加熱することによって、反射ピーク波長を波長軸上で全体的にシフトさせることができる。
　このレーザ素子１００は、ヒータや電極に供給する電流を調整することによって、バーニア効果を利用した波長可変レーザ素子として機能する。
　なお、レーザ素子１００の構成において、反射器としての光機能素子４０を、光機能素子１０、２０により構成される反射器に置き換えてもよい。このように構成されたレーザ素子は、光機能素子１０、２０により構成される２つの反射器が、レーザ共振器を構成する。この場合、２つの反射器の櫛形の反射ピークの周期を互いに異ならせる必要がある。
　また、光機能素子１０は、反射ミラーと組み合わせて、櫛形の反射ピークを有する反射器を構成することもできる。このような反射器は、レーザ共振器の反射器として使用することができる。また、光機能素子１０は、波長選択フィルタとしても使用することもできる。
　なお、上記実施形態では、テーパ部は長手方向において幅が連続的かつ直線的に変化しているが、連続的かつ曲線的に変化していてもよいし、多段階的に変化していてもよい。
　また、上記実施形態では、第１光カプラと第２光カプラとが略同一の構成であるが、構成が互いに異なっていてもよい。
　また、上記実施形態では、ＭＭＩ導波路部は複数の狭幅部のみで構成されているが、ＭＭＩ導波路部が、狭幅部ではない部分を含んでいてもよい。たとえば、ＭＭＩ導波路部は、ＭＭＩ導波路部の端部での幅と略同じ幅を有する等幅部を含んでいてもよい。
　また、上記実施形態により本発明が限定されるものではない。上述した各実施形態の構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。
　本発明に係る光機能素子は、波長選択フィルタや波長可変レーザ素子におけるレーザ共振器の反射器に有用であり、本発明に係るレーザ素子は、光通信等に用いられる波長可変光源に有用である。
１、２　光カプラ
１ａ、１ｂ、１ｄ、１ｅ　入出力ポート
１ｃ　ＭＭＩ導波路部
１ｃａ、１ｃｂ　端部
１ｃｃ、１ｃｄ　テーパ部
１ｃｅ　等幅部
３、４、５、６　光入出力導波路
７、８　円弧状導波路
１０、２０、３０、４０　光機能素子
１００　レーザ素子
Ｌ１　実線
Ｌ２　破線
Ｓ　基板

Claims (7)

  1. 　長手方向において対向する第１端部および第２端部を有する多モード干渉導波路部と、前記第１端部において幅方向に並列する２つの第１入出力ポートと、前記第２端部において幅方向に並列する２つの第２入出力ポートと、を有する多モード干渉導波路型の第１光カプラと、
    　長手方向において第１端部および第２端部を有する多モード干渉導波路部と、前記第１端部において幅方向に並列する２つの第１入出力ポートと、前記第２端部において幅方向に並列する２つの第２入出力ポートと、を有する多モード干渉導波路型の第２光カプラと、
    　前記第１光カプラの前記第１入出力ポートの一方と、前記第２光カプラの前記第１入出力ポートの一方と、を光学的に接続する第１円弧状導波路と、
    　前記第１光カプラの前記第２入出力ポートの一方と、前記第２光カプラの前記第２入出力ポートの一方と、を光学的に接続する第２円弧状導波路と、
    　を備え、前記第１光カプラ、前記第２光カプラ、前記第１円弧状導波路、および前記第２円弧状導波路はリング共振器を構成しており、
    　前記第１光カプラおよび前記第２光カプラの多モード干渉導波路部は、それぞれ、前記第１端部または前記第２端部での幅よりも、長手方向における平均的な幅が狭い狭幅部を有する
    　ことを特徴とする光機能素子。
  2. 　前記第１光カプラまたは前記第２光カプラの多モード干渉導波路部の長さをＬmmi、該多モード干渉導波路部の前記第１端部または前記第２端部の幅をＷmmiとし、該多モード干渉導波路部の実効屈折率をｎとすると、波長λにおいて以下の式が成り立つ
    　ことを特徴とする請求項１に記載の光機能素子。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
  3. 　前記第１光カプラおよび前記第２光カプラの分岐比は０％より大きく５０％未満、または５０％より大きく１００％未満である
    　ことを特徴とする請求項１または２に記載の光機能素子。
  4. 　前記狭幅部は、長手方向において幅が連続的または多段階的に変化する
    　ことを特徴とする請求項１～３のいずれか一つに記載の光機能素子。
  5. 　前記狭幅部の幅が、長手方向において略一定であり、前記第１端部または前記第２端部の幅の２５％以上１００％未満である
    　ことを特徴とする請求項１～４のいずれか一つに記載の光機能素子。
  6. 　前記狭幅部の長さが前記多モード干渉導波路部の長さの１０％以上である
    　ことを特徴とする請求項５に記載の光機能素子。
  7. 　請求項１～６のいずれか一つに記載の光機能素子を備える
    　ことを特徴とするレーザ素子。
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