WO2024023940A1 - 光送信器 - Google Patents

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WO2024023940A1
WO2024023940A1 PCT/JP2022/028827 JP2022028827W WO2024023940A1 WO 2024023940 A1 WO2024023940 A1 WO 2024023940A1 JP 2022028827 W JP2022028827 W JP 2022028827W WO 2024023940 A1 WO2024023940 A1 WO 2024023940A1
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WO
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groove
optical transmitter
waveguide core
face
signal light
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PCT/JP2022/028827
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English (en)
French (fr)
Inventor
明晨 陳
隆彦 進藤
慈 金澤
Original Assignee
日本電信電話株式会社
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    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B10/00—Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
    • H04B10/50—Transmitters

Definitions

  • the present disclosure relates to an optical transmitter, and more specifically, to an optical transmitter using a laser.
  • DFB lasers are attracting attention.
  • FIG. 1 is a side view showing a schematic configuration of a general EADFB laser 10. Note that in FIG. 1, the optical axis direction corresponds to the x direction.
  • a typical EADFB laser 10 has a structure in which a DFB laser 11 that oscillates laser light and an EA modulator 12 that modulates the intensity of the laser light are integrated in the same chip.
  • the DFB laser 11 includes an active layer 111 having a multiple quantum well (hereinafter referred to as MQW) structure and a diffraction grating 112 formed in a resonator, and emits a single wavelength laser beam. .
  • MQW multiple quantum well
  • the EA modulator 12 includes a light absorption layer 121 having an MQW structure with a composition different from that of the DFB laser, and changes the amount of light absorption by applying a high frequency voltage to the light absorption layer 121.
  • the intensity of the emitted laser light is modulated and emitted as signal light.
  • the EADFB laser 10 having such a configuration has high extinction characteristics and excellent chirp characteristics compared to other directly modulated lasers. Therefore, they have been used in a wide range of applications as optical transmitters, including light sources for access networks.
  • EADFB laser 10 SOA Assisted Extended Reach EADFB Laser: hereinafter referred to as AXEL
  • SOA semiconductor optical amplifier
  • FIG. 2 is a side view showing a schematic structure of the AXEL 20 according to the prior art.
  • the conventional AXEL 20 has a structure that further includes an SOA 21 on the emission side of the EADFB laser 10. Then, the signal light intensity-modulated by the EA modulator 12 is introduced into the active layer 211 of the SOA 21, and the signal light is amplified by the SOA 21. As a result, the output of the signal light finally emitted is improved, and an output characteristic approximately twice that of a general EADFB laser 10 can be obtained.
  • AXEL20 is capable of highly efficient operation due to the SOA integration effect, so when driven under operating conditions that provide the same optical output, it is possible to reduce power consumption by approximately 40% compared to a general EADFB laser 10. It is. Furthermore, in the AXEL 20, an active layer having the same MQW structure as the DFB laser 11 can be used as the active layer 211 of the SOA. Therefore, there is no need for a separate process to re-grow the active layer 211 of the SOA 21, and it is possible to manufacture it in the same manufacturing process as a conventional EADFB laser.
  • the AXEL 20 having such a configuration and characteristics, it often becomes a problem that a part of the emitted signal light is reflected by the emitting end face of the chip.
  • This reflected signal light (reflected light) returns to the SOA 21 and enters it again, and the reflected light also has an amplification effect. Therefore, the amplified reflected light is fed back to the EADFB laser 10, resulting in a decrease in the output characteristics (especially waveform quality) of the chip. Therefore, the AXEL 20 according to the prior art requires a configuration for suppressing reflection near the output end face.
  • FIG. 3 is a top view schematically showing a structure near the output end face of the AXEL 20 according to the prior art, including a bent waveguide 31 and a window region 32 for suppressing reflection near the output end face. Note that in FIG. 3, the optical axis direction of the signal light is indicated by a dashed-dotted arrow. As shown in FIG. 3, a bending waveguide 31 and a window region 32 are arranged near the output end face of the AXEL 20 according to the prior art, thereby suppressing a decrease in output characteristics due to reflected light.
  • the bending waveguide 31 is arranged so that the optical axis direction of the emitted signal light is not perpendicular (90°) to the output end face of the chip, and the waveguide is arranged in the window region 32.
  • the bent waveguide 31 is a single mode waveguide based on an InP-based semiconductor material
  • the bent part of the bent waveguide 31 is sharp (the radius of curvature R is small)
  • radiation loss may occur. Therefore, the bent portion needs to have a gentle curvature.
  • the radius of curvature R of the bent part needs to be about several tens of ⁇ m.
  • the bent waveguide 31 requires a straight section after the bent portion (on the output end side) to stabilize the single mode. If the bent waveguide 31 requiring such a structure is mounted, the chip size of the AXEL 20 will increase, resulting in a decrease in chip yield per wafer.
  • the bent waveguide 31 is a single mode waveguide based on an InP-based semiconductor material
  • the optical axis direction is along the crystal orientation [011] direction of the InP crystal, and deviations from this condition This may reduce the flatness of the grown chip surface.
  • FIG. 4 is a side view schematically showing how beam vignetting occurs near the window region 32 of the AXEL 20 according to the prior art.
  • the thickness (height in the y direction) of the window region 32 formed by regrowth tends to be thinner than that of a general over cladding.
  • the bent waveguide 31 needs to be removed, as shown in FIGS. 3 and 4, in order to widen the signal light beam. In such a case, the beams spread in the optical axis direction may interfere (beam vignetting) at the upper end surface of the thinner portion of the window region 32.
  • the present disclosure has been made in view of the above-mentioned problems, and its purpose is to suppress an increase in chip size due to the arrangement of bent waveguides and to suppress beam vignetting of signal light.
  • the object of the present invention is to provide an optical transmitter that can emit high-power signal light.
  • the present disclosure provides an optical transmitter having a linear waveguide core for outputting laser light from an output end face, the laser light propagating within the waveguide core is
  • the first groove is formed to a position deeper than the bottom surface of the waveguide core, and the first groove causes total reflection approximately perpendicular to the optical axis direction of the laser beam, and emits the laser beam to the outside of the waveguide core.
  • a second groove formed to a position deeper than the bottom surface of the waveguide core, which reflects the reflected laser light toward the emission end face and in a direction at an angle with respect to the direction perpendicular to the emission end face.
  • FIG. 1 is a side view showing a schematic configuration of a general EADFB laser 10.
  • FIG. FIG. 2 is a side view showing a schematic structure of an AXEL 20 according to the prior art.
  • FIG. 2 is a top view schematically showing the structure of the AXEL 20 in the vicinity of the output end face according to the prior art, including a bent waveguide 31 and a window region 32 for suppressing reflection in the vicinity of the output end face.
  • FIG. 2 is a side view schematically showing how beam vignetting occurs near a window region 32 of an AXEL 20 according to the prior art.
  • FIG. 2 is a top view schematically showing the structure near the output end of the optical transmitter 50 according to the first embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 3 is a diagram showing a tendency of beam spread near the output end of the optical transmitter 50 according to the first embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 4 is a diagram showing the results of calculation of the beam spread when the width of the mesa region is 1 ⁇ m by simulation.
  • FIG. 7 is a top view schematically showing the configuration near the output end face of an optical transmitter 70 according to a second embodiment of the present disclosure.
  • 7A and 8B are diagrams schematically showing the configuration near the output end face of an optical transmitter 80 according to a third embodiment of the present disclosure, in which (a) is a top view, and (b) is an actually manufactured optical transmitter 80. The cross-sectional observation images taken along the VIIIb-VIIIb cross-sectional line are shown respectively.
  • the optical transmitter according to the present disclosure has the form of an EADFB laser equipped with an SOA, similar to the AXEL according to the prior art.
  • the curved waveguide it includes multiple grooves that reflect the signal light in the desired direction, making the curved waveguide unnecessary (a linear waveguide without curvature can be applied). . This makes it possible to suppress the above-mentioned increase in chip size.
  • the arrangement of the reflective surfaces of each of the plurality of grooves is set so that no reflection occurs at the output end face of the chip. This makes it possible to suppress a decrease in output due to reflected light, similar to the prior art AXEL having a bent waveguide or a window region.
  • the plurality of grooves described above are processed by etching or the like after the cladding covering the waveguide core through which the signal light is propagated is embedded. Therefore, unlike the window region according to the prior art which is formed by separate embedding, the occurrence of a region that becomes partially thin is suppressed. That is, the occurrence of beam vignetting is suppressed, and an optical transmitter with higher output than the conventional technology can be achieved.
  • optical transmitter in this embodiment has two grooves installed near the output end face as an alternative to the bent waveguide 31 of the AXEL 20 according to the prior art.
  • FIG. 5A is a top view schematically showing the structure near the output end of the optical transmitter 50 according to the first embodiment of the present disclosure.
  • the propagation direction of the signal light is shown by a dashed-dotted line.
  • the optical transmitter 50 in this embodiment has the same basic configuration as the EADFB laser 20 equipped with the SOA 21, and is manufactured using the same manufacturing technology as the EADFB lasers 10 and 20 according to the prior art.
  • the structure in the vicinity of the output end face of the chip does not include the bent waveguide 31 and the window region 32, but instead includes a waveguide core 51 and a structure in which the signal light is directed to the second groove 53 side.
  • the waveguide core 51 has a linear shape without curvature, and is connected flush with the reflective surface of the first groove 52.
  • the first groove 52 and the second groove 53 are hollow and contain air inside.
  • the first groove 52 and the second groove 53 may be formed by etching, for example, after embedding (regrowth) of the cladding in the mounting process.
  • the depth of each of the first groove 52 and the second groove 53 in the y direction is formed deeper than the bottom surface of the waveguide core 51.
  • the angle ⁇ e of the inclination angle of the reflecting surface of the first groove 52 (the angle between the reflecting surface and the optical axis direction of the signal light propagating through the waveguide core 51) is the angle ⁇ e of the signal guided through the waveguide core 51.
  • the wavelength of the signal light, the refractive index of the waveguide core and the air are set so that the light is totally reflected substantially vertically.
  • the angle of inclination ⁇ a of the reflective surface of the second groove 53 (the angle between the reflective surface and the optical axis direction of the signal light propagating through the waveguide core 51) is the angle of the reflective surface of the first groove 52.
  • the angle of inclination is smaller than the angle ⁇ e , and as described above, the optical axis direction of the signal light totally reflected by the reflecting surface of the second groove 53 is perpendicular (90°) to the output end face of the chip. It is set so that it does not occur.
  • the signal light amplified by the SOA 21 is totally reflected substantially perpendicularly to the y direction on the reflective surface of the first groove 52.
  • the reflected signal light is radiated to the outside (cladding side) of the waveguide core 51. Therefore, the light confinement effect is eliminated and the beam is spread, so that the same effect as the window region 32 in the prior art can be obtained.
  • this cladding sufficiently thick and having a smooth upper surface in advance in the regrowth process, it is possible to suppress the occurrence of beam eclipse as in the prior art.
  • the signal light is totally reflected in the x direction on the reflective surface of the second groove 53.
  • the optical axis direction of the signal light totally reflected by the second groove 53 is set so as not to be perpendicular to the output end face of the chip. Therefore, similar to the curved waveguide 31 in the prior art, the effect of suppressing reflection at the output end face of the chip is achieved. Further, with such a configuration, it is not necessary to arrange a bent waveguide having a gentle curvature as in the prior art, so it is possible to suppress an increase in chip size. Note that since the signal light emitted to the outside from the output end face of the chip is also refracted at the chip end face, it is emitted at an angle of ⁇ o with respect to the chip end face.
  • the DFB laser corresponding to the waveguide core 51 and the active layer of the SOA are made of InGaAsP (refractive index: 3.4) having an MQW structure, and the substrate and cladding are InP (refractive index: 3.4).
  • a buried type InGaAsP/InP semiconductor laser having a ratio of 3.2) was used.
  • the propagating signal light was a laser light having a single wavelength of 1310 nm.
  • the thickness of the active layer corresponding to the waveguide core 51 is 300 nm
  • the thickness of the cladding (over cladding: p-type InP) formed on the upper surface of the active layer is 2 ⁇ m
  • the area where the signal light propagates The width of the mesa region) in the z direction was 1 ⁇ m.
  • the optical axis direction of the signal light incident on the output end face of the chip was set to have an angle of 5° with respect to the optical axis direction of the signal light propagating through the waveguide core 51.
  • the above-described first groove 52 and second groove 53 were formed by etching.
  • the inclination angle ⁇ e of the first groove 52 was 45°
  • the inclination angle ⁇ a of the second groove 53 was 42.5°.
  • the transmission distance of the signal light (the length between A and B in FIG. 5A) from being totally reflected on the reflective surface of the first groove 52 to being incident on the reflective surface of the second groove 53 is 5 ⁇ m
  • the transmission distance of the signal light (the length between B and C in FIG. 5A) was set to 5 ⁇ m until it was totally reflected by the groove 53 of No. 2 and entered the output end face of the chip.
  • the refractive index of the waveguide core 51 is 3.4, and since the first groove 52 is hollow, the refractive index at its reflecting surface corresponds to the refractive index of air, 1.0. Therefore, the total reflection angle in the first groove 52 is calculated to be approximately 17°. Based on this result, the inclination angle ⁇ e of the first groove 52 was set to 45° in order to completely reflect the signal light substantially vertically. Further, in accordance with this, the inclination angle ⁇ a of the second groove 53 is such that the optical axis direction of the signal light incident on the output end face of the chip is 5° with respect to the optical axis direction of the signal light propagating through the waveguide core 51. From the viewpoint of having an angle, it was set to 42.5°.
  • EME method EndgenMode Expansion Method
  • the beam diameter in the xy plane of the signal light propagating through the waveguide core 51 is 1.23 ⁇ m.
  • the beam diameter of the signal light on the reflecting surface is 1.23 ⁇ (1/cos( ⁇ /4)), which is approximately 1.74 ⁇ m, which is approximately 3.5 ⁇ m when converted to a diameter.
  • the reflective surface of the first groove 52 only needs to have an area of 5.3 ⁇ m ⁇ 5.3 ⁇ m or more.
  • the transmission distance of the signal light from the reflective surface of the first groove 52 to the reflective surface of the second groove 53 is set to 5 ⁇ m.
  • the beam diameter at the position where the signal light has traveled by 5 ⁇ m is approximately 2.55 ⁇ m, which is approximately 5.1 ⁇ m in diameter.
  • the beam diameter of the signal light incident on the second groove 53 is 5.1 ⁇ (1/cos(42 .5 ⁇ /180)) ⁇ 1.5, which is calculated to be about 11 ⁇ m, so it is sufficient to have an area of 11 ⁇ m ⁇ 11 ⁇ m or more.
  • the arrangement (angle, area, distance, etc.) of the first groove 52 and the second groove 53 of the optical transmitter 50 is set depending on the total reflection angle and the spread of the beam diameter.
  • the optical loss of the reflected light from the output end face of the chip in the optical transmitter 50 designed as described above was simulated using the EME method, it was -39.6 dB. Furthermore, it was found that when an AR (Anti Reflection) coat was applied to the output end face of the chip, the optical loss was -60 dB.
  • This value is equal to or higher than the value required for a conventional optical transmitter (for example, AXEL20). That is, the optical transmitter 50 according to the present disclosure can achieve an output equal to or greater than that of the conventional technology while suppressing an increase in chip size due to the installation of the bent waveguide.
  • the optical transmitter according to the present embodiment further includes a third groove in the configuration of the optical transmitter 50 described in the first embodiment in order to suppress the influence of errors in cleavage in the manufacturing process. .
  • FIG. 7 is a top view schematically showing the configuration near the output end face of the optical transmitter 70 according to the second embodiment of the present disclosure.
  • the optical transmitter 70 according to the present embodiment has a third groove between the first groove 52 and the second groove 53 and the output end surface of the chip. It further includes a groove 71 .
  • the inner end surface of the third groove 71 has a surface parallel to the output end surface of the chip, and the width in the z direction includes the width from the first groove 52 to the second groove 53. is formed to encompass the width of the range. Further, the third groove 71 may be formed by etching similarly to the first groove 52 and the second groove 53. In FIG. 7, as an example, the third groove 71 is shown connected to the first groove 52, but the two do not necessarily have to be connected.
  • the end face inside the third groove 71 from which the signal light is emitted serves as the output end face. Therefore, the influence of errors in cleavage in the manufacturing process is alleviated, and it becomes possible to control the length of the window region with submicron precision determined by exposure precision.
  • the optical transmitter according to the present embodiment further suppresses the occurrence of beam vignetting near the output end face.
  • the present invention relates to a form further including a raised portion for increasing the height.
  • FIG. 8 is a diagram schematically showing the configuration near the output end face of an optical transmitter 80 according to the third embodiment of the present disclosure, where (a) is a top view and (b) is a diagram showing the structure actually produced.
  • a cross-sectional observation image of the optical transmitter 80 taken along the cross-sectional line VIIIb-VIIIb is shown. Note that the cross-sectional observation image in FIG. 8(b) was obtained using a scanning electron microscope (SEM).
  • the optical transmitter 80 according to the present embodiment includes a cladding installed on both sides of the waveguide core 51.
  • the upper surface further includes raised portions 81a and 81b made of the same material as the cladding.
  • the raised portions 81a and 81b may be formed, for example, by depositing extra cladding (InP) in a regrowth step in which the cladding is re-embedded in the portion removed in the processing of the mesa region in the mounting step.
  • Extra cladding InP
  • the raised portion 81a is formed in advance, so that the height in the y direction of the cladding (substantially equivalent to a window region) near the output end face is It is set higher than the conventional technology and the optical transmitter 50 or the optical transmitter 70. Therefore, it is possible to more efficiently suppress the occurrence of beam vignetting on the upper surface of the cladding.
  • FIG. 8 shows a form in which the raised portions are formed on both sides of the mesa region, the same effect can be achieved even if only the raised portions 81a are provided. In other words, if the raised portion is formed in the region where the signal light propagates, it becomes possible to more efficiently suppress the occurrence of beam vignetting on the upper surface of the cladding.
  • the optical transmitter according to the present disclosure can suppress the increase in chip size and reduce the reflection at the output end face of the signal light, compared to the optical transmitter according to the conventional technology (for example, AXEL20).
  • the conventional technology for example, AXEL20.
  • the optical transmitter according to the present disclosure has been described as an EADFB laser with an integrated SOA, but it is not limited to this, and any optical transmitter using a laser can be used in the same manner. be effective.
  • the optical transmitter according to the present disclosure can reduce the reflection of signal light at the output end face while suppressing an increase in chip size due to the use of a curved waveguide.
  • the optical transmitter according to the present disclosure which has such characteristics, has a smaller chip size than the conventional one and is expected to be applied to optical communication traffic as a high-output optical transmitter.

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Abstract

曲げ導波路の配置によるチップサイズの増大を抑制し、且つ信号光のビームケラレを抑制することによって、高出力な信号光を出射することができる光送信器を提供する。本開示による光送信器は、レーザ光を出射端面から出力するための直線形状の導波路コアを有する光送信器であって、導波路コア内を伝播するレーザ光を、レーザ光の光軸方向に対して略垂直に全反射させ、導波路コアの外にレーザ光を出射させる、導波路コアの底面より深い位置まで形成された第１の溝と、第１の溝で全反射されたレーザ光を、出射端面側に且つ出射端面の垂直方向に対して角度を有する方向に反射させる、導波路コアの底面より深い位置まで形成された第２の溝と、を備える。

Description

光送信器
　本開示は、光送信器に関し、より具体的には、レーザを用いた光送信器に関する。
　近年における動画配信サービスの普及やモバイルトラフィック需要の増大に伴い、ネットワークトラフィックが爆発的に増大している。このため、ネットワークを担う光伝送路においては、伝送レートの高速化や低消費電力化に対する要求が高まっている。また、伝送距離の長延化によるネットワークの低コスト化が図られる傾向も強まっており、長延化されたネットワークに用いられる半導体変調光源に対しても、高速化・高出力化の要求が高まっている。そして、このような長延化されたネットワークに適した光送信器の１つとして、電界吸収型（Electro-Absorption：以下、ＥＡという）変調器を搭載した集積分布帰還型レーザ（Distributed Feedback Laser；以下、ＤＦＢレーザという）が注目されている。
　図１は、一般的なＥＡＤＦＢレーザ１０の概略的な構成を示す側面図である。尚、図１において光軸方向は、ｘ方向に相当する。一般的なＥＡＤＦＢレーザ１０は、レーザ光を発振するＤＦＢレーザ１１と、当該レーザ光の強度を変調するＥＡ変調器１２が同一チップ内に集積された構造を有する。ＤＦＢレーザ１１は、多重量子井戸（Multiple Quantum Well：以下、ＭＱＷという）構造を有する活性層１１１と、共振器内に形成された回折格子１１２と、を含み、単一波長のレーザ光を出射する。一方、ＥＡ変調器１２は、ＤＦＢレーザとは異なる組成のＭＱＷ構造を有する光吸収層１２１を含み、当該光吸収層１２１に高周波電圧を印加することによって光吸収量を変化させ、ＤＦＢレーザ１１から出射されたレーザ光の強度を変調し、信号光として出射する。このような構成を有するＥＡＤＦＢレーザ１０は、他の直接変調型のレーザと比較して、高い消光特性と優れたチャープ特性を有する。そのため、これまでにアクセス系ネットワーク用光源を含め、光送信器として幅広い用途で用いられてきた。
　一方、ＥＡＤＦＢレーザ１０の課題として、ＥＡ変調器１２が大きな光損失を伴うため、高出力化が困難であるという点が挙げられる。この課題を解決する従来技術として、ＥＡＤＦＢレーザ１０の出射端側に、半導体光増幅器（Semiconductor Optical Amplifier：以下、ＳＯＡという）をさらに集積したＥＡＤＦＢレーザ（SOA Assisted Extended Reach EADFB Laser:以下、ＡＸＥＬという）が、提案されている（例えば、非特許文献１参照）。
　図２は、従来技術によるＡＸＥＬ２０の概略的な構造を示す側面図である。図２に示される通り、従来技術によるＡＸＥＬ２０は、ＥＡＤＦＢレーザ１０の出射側にＳＯＡ２１をさらに含んだ構造を有する。そして、ＥＡ変調器１２によって強度変調された信号光が、ＳＯＡ２１の活性層２１１に導入され、当該信号光がＳＯＡ２１によって増幅される。これにより、最終的に出射される信号光の出力が向上し、一般的なＥＡＤＦＢレーザ１０と比較して約２倍の出力特性が得られるようになる。加えて、ＡＸＥＬ２０は、ＳＯＡ集積効果による高効率動作が可能なため、同一の光出力が得られる動作条件で駆動した場合、一般的なＥＡＤＦＢレーザ１０と比べて約４割の消費電力削減が可能である。さらに、ＡＸＥＬ２０は、ＳＯＡの活性層２１１に、ＤＦＢレーザ１１と同一のＭＱＷ構造を有する活性層を用いることができる。したがって、ＳＯＡ２１の活性層２１１を別途再成長させるプロセスが不要であり、従来のＥＡＤＦＢレーザと同一の製造工程で作製することが可能である。
　このような構成及び特徴を有するＡＸＥＬ２０においては、出射される信号光の一部がチップの出射端面で反射することが、しばしば問題となる。この反射された信号光（反射光）は、ＳＯＡ２１に戻って再入射され、当該反射光にも増幅効果が及ぶ。このため、増幅された反射光がＥＡＤＦＢレーザ１０にフィードバックされ、結果的にチップの出力特性（特に、波形品質）の低下が生じる。したがって、従来技術によるＡＸＥＬ２０では、出射端面近傍における反射抑制のための構成が必要であった。
　図３は、出射端面近傍における反射抑制のための曲げ導波路３１及び窓領域３２を含む、従来技術によるＡＸＥＬ２０の出射端面近傍の構造を概略的に示す上面図である。なお、図３において信号光の光軸方向は一点鎖線の矢印で示されている。図３に示される通り、従来技術によるＡＸＥＬ２０の出射端面近傍では、曲げ導波路３１及び窓領域３２が配置されることにより、反射光による出力特性低下を抑制していた。具体的には、曲げ導波路３１の配置により、出射される信号光の光軸方向をチップの出射端面に対して垂直（９０°）とならないように設計とするとともに、窓領域３２において導波路コアを取り除き、信号光のビームを広げることによってチップの出射端面の反射を抑制していた。
　しかしながら、曲げ導波路３１がＩｎＰ系の半導体材料をベースにした単一モード導波路である場合、当該曲げ導波路３１の曲げ部が急激である（曲率半径Ｒが小さい）と、放射損失に起因する出力低下が生じ得るため、当該曲げ部は緩やかな曲率を有する必要がある。例えば、曲げ導波路３１の曲げ部を通過した後の光軸と出射端面に対する垂線のなす角θｗｇが５°程度の場合、曲げ部の曲率半径Ｒは、数十μｍ程度となる必要がある。加えて、曲がり導波路３１では、曲げ部の後（出射端側）に、単一モードを安定化させるための直線区間が必要となる。このような構造が要求される曲げ導波路３１を実装すると、ＡＸＥＬ２０のチップサイズが増加し、結果的に１枚のウエハ辺りのチップ収率の低下につながる。
　また、曲げ導波路３１がＩｎＰ系の半導体材料をベースにした単一モード導波路である場合、光軸方向はＩｎＰ結晶の結晶方位［０１１］方向に沿っていることが好ましく、この条件から逸脱すると、成長させたチップ表面の平坦性が低下し得る。上述のような緩やかな曲率を有する曲げ導波路３１を実装する場合、このようなＩｎＰ結晶の結晶方位を［０１１］方向に揃えることが困難であり、これにより実装プロセスの再現度が低下し、歩留まりの悪化につながり得る。
　加えて、従来技術によるＡＸＥＬ２０では、窓領域３２においても課題が挙げられる。
　図４は、従来技術によるＡＸＥＬ２０の窓領域３２近傍におけるビームケラレ発生の様相を概略的に示した側面図である。図４に示される通り、埋込により形成される窓領域３２では、再成長により形成される窓領域３２の厚さ（ｙ方向の高さ）が一般的なオーバークラッドよりも薄くなりやすい。また、窓領域３２では、信号光のビームを広げるという理由から、図３及び図４に示される通り、曲げ導波路３１は取り除かれる必要がある。このような場合、光軸方向へ広がったビームが、窓領域３２の厚さが薄くなった部分の上端面で干渉（ビームケラレ）する可能性がある。このような課題に対し、設計により窓領域３２の長さをビームケラレが生じない長さに設定することで、ビームケラレの発生を抑制することは可能である。しかしながら、製造プロセスにおけるチップ化のためのへき開工程において、へき開位置に５μｍ程度のばらつきが一般的に生じるため、ビームケラレを回避した設計であっても、製造上のばらつきによってビームケラレが生じる構造となり得る。このビームケラレの発生は、光ファイバへの結合効率を低下させるため、ＡＸＥＬ２０の高出力化における重要な課題として挙げられる。
　本開示は、上記のような課題に対して鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、曲げ導波路の配置によるチップサイズの増大を抑制し、且つ信号光のビームケラレを抑制することによって、高出力な信号光を出射することができる光送信器を提供することにある。
　上記のような課題に対し、本開示では、レーザ光を出射端面から出力するための直線形状の導波路コアを有する光送信器であって、導波路コア内を伝播するレーザ光を、レーザ光の光軸方向に対して略垂直に全反射させ、導波路コアの外にレーザ光を出射させる、導波路コアの底面より深い位置まで形成された第１の溝と、第１の溝で全反射されたレーザ光を、出射端面側に且つ出射端面の垂直方向に対して角度を有する方向に反射させる、導波路コアの底面より深い位置まで形成された第２の溝と、を備える光送信器を提供する。
一般的なＥＡＤＦＢレーザ１０の概略的な構成を示す側面図である。 従来技術によるＡＸＥＬ２０の概略的な構造を示す側面図である。 出射端面近傍における反射抑制のための曲げ導波路３１及び窓領域３２を含む、従来技術によるＡＸＥＬ２０の出射端面近傍の構造を概略的に示す上面図である。 従来技術によるＡＸＥＬ２０の窓領域３２近傍におけるビームケラレ発生の様相を概略的に示した側面図である。 本開示の第１の実施形態による、光送信器５０の出射端近傍の構造を概略的に示す上面図である。 本開示の第１の実施形態による、光送信器５０の出射端近傍におけるビームの広がりの傾向を示した図である。 メサ領域の幅が１μｍの場合におけるビームの広がりを、シミュレーションにより算出した結果を示した図である。 本開示の第２の実施形態による、光送信器７０の出射端面近傍の構成を概略的に示す上面図である。 本開示の第３の実施形態による、光送信器８０の出射端面近傍の構成を概略的に示す図であり、（ａ）は上面図を、（ｂ）は、実際に作製した光送信器８０のVIIIb－VIIIb断面線における断面観察像を、それぞれ示している。
　以下に、図面を参照しながら本開示の種々の実施形態について詳細に説明する。同一又は類似の参照符号は同一又は類似の要素を示し重複する説明を省略する場合がある。材料及び数値は例示を目的としており本開示の技術的範囲の限定を意図していない。以下の説明は、一例であって本開示の一実施形態の要旨を逸脱しない限り、一部の構成を省略若しくは変形し、又は追加の構成とともに実施することができる。
　本開示による光送信器は、従来技術によるＡＸＥＬと同様に、ＳＯＡを搭載したＥＡＤＦＢレーザの形態を有する。しかしながら、曲げ導波路の代替として、信号光を所望の方向へ反射させる複数の溝を含むことで曲げ導波路を不要（曲率を有さない直線形状の導波を適用することが可能）としている。これにより、上述したチップサイズの増大を抑制することが可能となる。
　さらに、本開示による光送信器では、複数の溝の各々の反射面の配置をチップの出射端面で反射が生じないように設定される。これにより、従来技術による、曲げ導波路や窓領域を有するＡＸＥＬと同様に、反射光による出力低下を抑制することが可能となる。
　加えて、本開示による本開示による光送信器では、上述の複数の溝は、信号光が伝播される導波路コアを覆うクラッドが埋め込まれた後、エッチング等によって加工される。したがって、別途埋込みによって形成される従来技術による窓領域とは異なり、部分的に薄くなる領域の発生が抑制される。すなわち、ビームケラレの発生が抑制され、従来技術にくらべ高出力な光送信器となり得る。
（第１の実施形態）
　以下に、本開示による光送信器の第１の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。本実施形態における光送信器は、従来技術によるＡＸＥＬ２０の曲げ導波路３１の代替として、出射端面近傍に２つの溝が設置される形態に関する。
　図５Ａは、本開示の第１の実施形態による、光送信器５０の出射端近傍の構造を概略的に示す上面図である。なお、図５Ａでは信号光の伝播方向が一点鎖線で示されている。本実施形態における光送信器５０は、ＳＯＡ２１を搭載したＥＡＤＦＢレーザ２０と同様な基本構成を有しており、従来技術によるＥＡＤＦＢレーザ１０、２０と同様の製造技術によって作製される。ただし、チップの出射端面近傍における構造は、図５Ａに示される通り、曲げ導波路３１及び窓領域３２は含まれず、代替的に、導波路コア５１と、信号光を第２の溝５３側で且つ導波路コア５１を導波する信号光の光軸方向に対して略垂直な方向（ｚ方向）に反射させる第１の溝５２と、当該反射された信号光を、出射端面側で且つチップの出射端面に対して垂直ではない（チップの出射端面の垂直方向に対して角度を有する）方向に反射させる第２の溝５３と、を含む。
　導波路コア５１は、従来技術によるＡＸＥＬ２０の曲げ導波路３１とは異なり、曲率を有さない直線形状を有し、第１の溝５２の反射面と面一で接続されている。
　第１の溝５２及び第２の溝５３は中空であり、内部には空気が含まれる。この第１の溝５２及び第２の溝５３は、例えば、実装工程におけるクラッドの埋込み（再成長）後に、エッチングによって形成され得る。また、第１の溝５２及び第２の溝５３の各々のｙ方向の深さは、導波路コア５１の底面よりも深く形成される。
　第１の溝５２の反射面の傾斜角（当該反射面と、導波路コア５１を伝播する信号光の光軸方向とのなす角）の角度θｅは、導波路コア５１を導波する信号光が、略垂直に全反射されるよう、信号光の波長、導波路コア及び空気の屈折率から設定される。
　第２の溝５３の反射面の傾斜角（当該反射面と、導波路コア５１を伝播する信号光の光軸方向とのなす角）θａの角度は、第１の溝５２の反射面の傾斜角の角度θｅよりも小さく、且つ、上述の通り、当該第２の溝５３の反射面で全反射される信号光の光軸方向がチップの出射端面に対し垂直（９０°）とはならないように設定される。
　このような構成を有する、本実施形態による光送信器５０では、ＳＯＡ２１によって増幅された信号光が、第１の溝５２の反射面において、ｙ方向に略垂直に全反射される。このとき、反射された信号光は、導波路コア５１の外側（クラッド側）に放射される。このため、光閉じ込め効果がなくなり、ビームが広がるため、従来技術における窓領域３２と同様の効果を得ることができる。このクラッドを、再成長の工程において、予め十分な厚さとし、且つ上面を平滑に形成すれば、従来技術のようなビームケラレの発生を抑制することが可能となる。
　次いで、信号光は、第２の溝５３の反射面において、ｘ方向に全反射される。上述の通り、この第２の溝５３で全反射された信号光の光軸方向は、チップの出射端面に対して、垂直とならないように設定されている。したがって、従来技術における曲げ導波路３１と同様に、チップの出射端面における反射を抑制する効果が奏される。また、このような構成とすれば、従来技術の様に緩やかな曲率を有する曲げ導波路を配置することが不要となるため、チップサイズの増大を抑制することが可能となる。尚、チップの出射端面から外部へ出射される信号光は、チップ端面でも屈折されるため、チップ端面に対してθoの角度を有して出射される。
（実施例）
　以下に、第１及び第２の溝における配置の設定について、実施例を挙げて詳細に説明する。ここでは、例として、光送信器５０は、導波路コア５１に相当するＤＦＢレーザ及びＳＯＡの活性層がＭＱＷ構造を有するＩｎＧａＡｓＰ（屈折率：３．４）であり、基板及びクラッドはＩｎＰ（屈折率：３．２）である埋込型ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ半導体レーザとした。また、伝播する信号光は、波長１３１０ｎｍの単一波長を有するレーザ光とした。
　また、ここでは、導波路コア５１に相当する活性層の厚さは３００ｎｍ、活性層の上面に形成されるクラッド（オーバークラッド：ｐ型ＩｎＰ）の厚さは２μｍ、信号光が伝播する領域（メサ領域）のｚ方向の幅は１μｍとした。さらに、チップの出射端面に入射する信号光の光軸方向は、導波路コア５１を伝播する信号光の光軸方向に対し、５°の角度を有するように設定した。
　このような光送信器５０において、上述の第１の溝５２及び第２の溝５３を、エッチングにより形成した。第１の溝５２の傾斜角θｅは４５°、第２の溝５３の傾斜角θａは、４２．５°とした。また、第１の溝５２の反射面で全反射され、第２の溝５３の反射面に入射されるまでの信号光の伝送距離（図５ＡにおけるＡ－Ｂ間の長さ）は５μｍ、第２の溝５３で全反射され、チップの出射端面に入射されるまでの信号光の伝送距離（図５ＡにおけるＢ－Ｃ間の長さ）は５μｍとした。
　今、導波路コア５１の屈折率は３．４であり、第１の溝５２は中空であるため、その反射面における屈折率は空気の屈折率１．０に相当する。このため、第１の溝５２における全反射角は約１７°と算出される。この結果から、信号光を略垂直に全反射させるための設定として、第１の溝５２の傾斜角θｅは４５°と設定した。また、これに伴い、第２の溝５３傾斜角θａは、チップの出射端面に入射する信号光の光軸方向が導波路コア５１を伝播する信号光の光軸方向に対し、５°の角度を有するという観点から、４２．５°とした。
　次いで、各反射面の幅（面積）の設定について、説明する。
　図６は、本実施例の様に、メサ領域の幅が１μｍの導波路から窓領域に入射した場合の窓領域におけるビームの広がりを、ＥＭＥ法(EngenMode Expansion Method)によりシミュレーションした結果を示した図である。ここで縦軸のビーム径は、１／ｅ２ビーム半径としている。メサ領域の幅が１μｍの場合、導波路コア５１では、クラッドであるＩｎＰとの屈折率（＝３．２）との関係により、信号光は導波路コア５１内に閉じ込められ、一定のビーム径で伝播される。図６に示されるシミュレーション結果に基づけば、導波路コア５１を伝播する信号光のｘｙ平面におけるビーム径は、１．２３μｍであることが分かる。この信号光が第１の溝５２に入射されると、第１の溝５２の反射面の傾斜角の角度θｅは４５°であるため、第１の溝５２の反射面で全反射された信号光の反射面上におけるビーム径は、１．２３×（１／ｃｏｓ(π／４)）となり、約１．７４μｍ、直径に換算すると約３．５μｍとなる。一方、１／ｅ２ビーム径で規定されるビーム径に対し、反射面が１．５倍の縦横幅を有していれば、９９％以上の光をその面で反射できることが知られている。したがって、第１の溝５２の反射面は、５．３μｍ×５．３μｍ以上の領域を有していればよいこととなる。
　第１の溝５２の反射面で全反射された信号光は、第２の溝５３へ入射されるが、この全反射された信号光は導波路コア５１内を伝播しないため、図５Ｂに示される傾向に従って、図６のとおりビームが広がりながら伝播する。したがって、第２の溝５３の反射面の幅（面積）は、図６のビーム径を考慮して設定される必要がある。
　上述の通り、第１の溝５２の反射面から第２の溝５３の反射面までの信号光の伝送距離は５μｍに設定されている。当該信号光が５μｍ進行した位置におけるビーム径は、図６に示される通り、２．５５μｍ程度、直径で約５．１μｍとなる。さらに、第２の溝５３の反射面の傾斜角θａは、４２．５°であるため、第２の溝５３に入射した信号光のビーム径は、５．１×（１／ｃｏｓ(４２．５π／１８０)）×１．５となり、１１μｍ程度と算出されることから、１１μｍ×１１μｍ以上の領域を有していればよいこととなる。
　このように、光送信器５０が有する第１の溝５２及び第２の溝５３は、全反射角とビーム径の広がりによって、配置（角度、面積、距離等）が設定される。
　実際に、このように設計された光送信器５０における、チップの出射端面からの反射光の光損失を、ＥＭＥ法によりシミュレーションしたところ、－３９．６ｄＢであった。さらに、チップの出射端面にＡＲ（Anti Reflection）コートを施工すると、光損失は－６０ｄＢとなることが認められた。これは、従来技術による光送信器（例えば、ＡＸＥＬ２０）に要求される数値と同等以上である。すなわち、本開示による光送信器５０は、曲げ導波路の設置によるチップサイズの増大を抑制しながらも、従来技術と同等又はそれ以上の出力が実現することが可能である。
（第２の実施形態）
　以下に、本開示の第２の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。本実施形態による光送信器は、第１の実施形態で述べた光送信器５０の構成に、製造プロセスにおけるへき開での誤差の影響を抑制するための、第３の溝をさらに含んだ形態に関する。
　図７は、本開示の第２の実施形態による、光送信器７０の出射端面近傍の構成を概略的に示す上面図である。本実施形態による光送信器７０は、第１の実施形態における光送信器５０の構成に加え、第１の溝５２及び第２の溝５３と、チップの出射端面との間に、第３の溝７１をさらに含む。
　図７に示される通り、第３の溝７１の内側の端面は、チップの出射端面と平行な面を有し、ｚ方向の幅が、第１の溝５２から第２の溝５３までが含まれる範囲の幅を包含するように形成される。また、第３の溝７１は、第１の溝５２及び第２の溝５３と同様にエッチングにより形成され得る。図７では、例として、第３の溝７１は、第１の溝５２と繋げられた形態が図示されているが、必ずしも両者は繋がっていなくてよい。
　このような構成を有する本実施形態における光送信器７０では、信号光が第３の溝７１の内側の端面が出射端面となる。したがって、製造プロセスのへき開における誤差の影響が緩和され、露光精度で決まるサブミクロンの精度で窓領域の長さを制御することが可能となる。
（第３の実施形態）
　以下に、本開示の第３の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。本実施形態による光送信器は、第１の実施形態で述べた光送信器５０、又は第２の実施形態で述べた光送信器７０の構成に加え、出射端面近傍におけるビームケラレの発生をさらに抑制するための嵩上げ部をさらに含んだ形態に関する。
　図８は、本開示の第３の実施形態による、光送信器８０の出射端面近傍の構成を概略的に示す図であり、（ａ）は上面図を、（ｂ）は、実際に作製した光送信器８０のVIIIb－VIIIb断面線における断面観察像を、それぞれ示している。なお、図８（ｂ）の断面観察像は走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により取得したものである。本実施形態による光送信器８０は、第１の実施形態における光送信器５０、又は第２の実施形態における光送信器７０の構成に加え、導波路コア５１の両側面に設置されるクラッドの上面に、クラッドと同じ材料で構成される嵩上げ部８１ａ、ｂをさらに含む。
　嵩上げ部８１ａ、ｂは、例えば、実装工程におけるメサ領域の加工において除去された部分にクラッドを再度埋め込む再成長工程において、余分にクラッド（ＩｎＰ）を堆積させることにより形成され得る。
　このような構成を有する本実施形態による光送信器８０では、予め嵩上げ部８１ａが形成されていることにより、出射端面近傍のクラッド（実質的に窓領域に相当）のｙ方向の高さが、従来技術や光送信器５０又は光送信器７０に比べて高く設定されている。したがって、クラッド上面におけるビームケラレの発生をより効率的に抑制することが可能となる。
　なお、図８では、嵩上げ部はメサ領域の両隣に形成される形態を示したが、嵩上げ部８１ａのみであっても同様の効果を奏する。換言すれば、信号光が伝播する領域に対して嵩上げ部が形成されれば、クラッド上面におけるビームケラレの発生をより効率的に抑制することが可能となる。
　上述の通り、本開示による光送信器は、従来技術による光送信器（例えば、ＡＸＥＬ２０）に比べ、チップサイズの増大を抑制しながら、信号光の出射端面における反射を緩和することができる。加えて、窓領域の埋込みおいて生成する厚さが薄くなる部分が存在しないため、ビームケラレの発生も抑制することが可能である。
　本明細書では、本開示による光送信器は、いずれも、ＳＯＡを集積したＥＡＤＦＢレーザの形態として説明してきたが、これには限定されず、レーザを用いた光送信器であれば、同様の効果を奏する。
　以上述べた通り、本開示による光送信器は、曲げ導波路を適用することによるチップサイズの増大を抑制しながら、信号光の出射端面における反射を緩和することができる。加えて、窓領域の埋込みおいて生成する厚さが薄くなる部分が存在しないため、ビームケラレの発生も抑制することが可能である。このような特徴を有する、本開示による光送信器は、従来よりもチップサイズが小型であり、且つ高出力な光送信器として、光通信トラフィック等への適用が見込まれる。

Claims (5)

  1. 　レーザ光を出射端面から出力するための直線形状の導波路コアを有する光送信器であって、
    　前記導波路コア内を伝播する前記レーザ光を、前記レーザ光の光軸方向に対して略垂直に全反射させ、前記導波路コアの外に前記レーザ光を出射させる、前記導波路コアの底面より深い位置まで形成された第１の溝と、
    　前記第１の溝で全反射された前記レーザ光を、前記出射端面側に且つ前記出射端面の垂直方向に対して角度を有する方向に反射させる、前記導波路コアの底面より深い位置まで形成された第２の溝と、
    を備える光送信器。
  2. 　前記第１の溝及び前記第２の溝と、前記出射端面との間に設置され、内側の端面が前記出射端面と平行な面を有し、前記第１の溝から前記第２の溝までが含まれる範囲の幅を包含するように形成される、第３の溝をさらに備える、請求項１に記載の光送信器。
  3. 　前記導波路コアの周囲を覆うクラッドの上面に設置され、前記クラッドと同じ材料が適用される嵩上げ部をさらに備える、請求項１又は２に記載の光送信器。
  4. 　単一波長で発振するＤＦＢレーザと、
    　前記ＤＦＢレーザの出力を変調して信号光を出力するＥＡ変調器と、
    　前記ＥＡ変調器からの前記信号光を増幅して、前記レーザ光として前記導波路コアに出力するＳＯＡとを備える、請求項１に記載の光送信器。
  5. 　前記出射端面にＡＲコートが形成された、請求項１に記載の光送信器。
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