(57)【要約】【課題】平坦化を行う樹脂材料を用いることなく、曲げ導波路上にヒータ電極を配置することができるリング共振器フィルタおよび可変半導体レーザ素子を提供する。【解決手段】リング共振器フィルタＦＲ１は、周回構造を形成する曲げ導波路１２４と、光を入出力する２つのアーム部１２２，１２３と、アーム部１２２，１２３の各々と曲げ導波路１２４と結合する２つの結合器１３１，１３２と、を備え、曲げ導波路１３４の幅Ｄ１は、結合器１３１，１３２の端部に接続されるアーム部１２２，１２３の幅Ｄ２よりも太い。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
周回構造を形成する曲げ導波路と、光を入出力する２つの入出力導波路と、前記２つの入出力導波路の各々と前記曲げ導波路と結合する２つの結合器と、を備えるリング共振器フィルタであって、
前記曲げ導波路の幅は、前記結合器の端部に接続される入出力導波路の幅よりも太い、
ことを特徴とするリング共振器フィルタ。
【請求項２】
請求項１に記載のリング共振器フィルタであって、
前記曲げ導波路および前記入出力導波路の各々は、互いに同一のコア層を有する、
ことを特徴とするリング共振器フィルタ。
【請求項３】
請求項１または２に記載のリング共振器フィルタであって、
前記曲げ導波路はメサ形状を有する、
ことを特徴とするリング共振器フィルタ。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一つに記載のリング共振器フィルタであって、
前記曲げ導波路上に設けられた電極をさらに備える、
ことを特徴とするリング共振器フィルタ。
【請求項５】
請求項４に記載のリング共振器フィルタであって、
前記電極は、
幅が前記曲げ導波路の幅よりも細い、
ことを特徴とするリング共振器フィルタ。
【請求項６】
請求項５に記載のリング共振器フィルタであって、
前記電極は、
当該リング共振器の波長特性を制御する制御電極である、
ことを特徴とするリング共振器フィルタ。
【請求項７】
請求項６に記載のリング共振器フィルタであって、
前記電極は、
マイクロヒータである、
ことを特徴とするリング共振器フィルタ。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか一つに記載のリング共振器フィルタであって、
前記曲げ導波路は、
内径側に光損失部を有する、
ことを特徴とするリング共振器フィルタ。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか一つに記載のリング共振器フィルタを備える、
波長可変レーザ素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、リング共振器フィルタおよび波長可変レーザ素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、波長可変レーザモジュールにおいて、ベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）や二酸化ケイ素等の誘電膜を用いて平坦化した上にヒータ電極を配置する技術が知られている（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−２４７９２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、曲げ半径の小さいリング共振器フィルタの導波路は、曲げ半径を小さくするため、閉じ込めが大きい導波路が適しており、例えばハイメサ導波路等が適している。このような導波路では、シングルモード性を確保するため、導波路の幅が２ｕｍ以下程度とする必要がある。また、上記以外の導波路を用いる場合でも、ヒータ電極の熱効率を上げる観点から、導波路周囲をメサ上に加工し、加熱体積を小さくすることが好ましい。しかしながら、このような細いメサ上にヒータ電極を形成することが難しく、メサの周囲をポリイミド等の樹脂材料等で平坦化を行った後、メサ上にヒータ電極を形成している。
【０００５】
しかしながら、従来のリング共振器では、樹脂材料等で平坦化を行ったとしても、メサと樹脂材料との段差による段切れや樹脂材料と半導体の線膨張係数の差による応力がハイメサ導波路に加わることによって、フィルタ特性が変化したりする問題点があった。
【０００６】
また、従来のリング共振器フィルタでは、樹脂材料による平坦化を行わずにメサ上にヒーター電極を形成する場合、ヒータ電極幅はメサ幅以下に制限されるため、幅2um以下の曲げ導波路上にフォトリソグラフィで導波路幅以下のパターンをパターニングして、ヒータ電極を形成することは困難であった。さらに、従来のリング共振器フィルタでは、必要な長さのヒータ電極を所望の抵抗値で形成するためには、幅狭で、かつ厚膜の電極となり、ヒータ形成が一層難しかった。
【０００７】
本開示は、上記に鑑みてなされたものであって、平坦化を行う樹脂材料を用いることなく、曲げ導波路上にヒータ電極を配置することができるリング共振器フィルタおよび可変半導体レーザ素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本開示に係るリング共振器フィルタは、周回構造を形成する曲げ導波路と、光を入出力する２つの入出力導波路と、前記２つの入出力導波路の各々と前記曲げ導波路と結合する２つの結合器と、を備えるリング共振器フィルタであって、前記曲げ導波路の幅は、前記結合器の端部に接続される入出力導波路の幅よりも太い。
【０００９】
また、本開示に係るリング共振器フィルタは、上記開示において、前記曲げ導波路および前記入出力導波路の各々は、互いに同一のコア層を有する。
【００１０】
また、本開示に係るリング共振器フィルタは、上記開示において、前記曲げ導波路はメサ形状を有する。
【００１１】
また、本開示に係るリング共振器フィルタは、上記開示において、前記曲げ導波路上に設けられた電極をさらに備える。
【００１２】
また、本開示に係るリング共振器フィルタは、上記開示において、前記電極は、幅が前記曲げ導波路の幅よりも細い。
【００１３】
また、本開示に係るリング共振器フィルタは、上記開示において、前記電極は、当該リング共振器の波長特性を制御する制御電極である。
【００１４】
また、本開示に係るリング共振器フィルタは、上記開示において、前記電極は、マイクロヒータである。
【００１５】
また、本開示に係るリング共振器フィルタは、上記開示において、前記曲げ導波路は、
内径側に光損失部を有する。
【００１６】
また、本開示に係る波長可変レーザ素子は、上記のリング共振器フィルタを備える。
【発明の効果】
【００１７】
本開示によれば、平坦化を行う樹脂材料を用いることなく、曲げ導波路上にヒータ電極を配置することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は、一実施の形態に係る波長可変レーザ素子の模式的な斜視図である。
【図２】図２は、一実施の形態に係るリング共振器フィルタの構成を模式的に示す平面図である。
【図３】図３は、入出力導波路と曲げ導波路の光強度分布との関係を示す図である。
【図４】図４は、互いに幅が異なる曲げ導波路と光強度分布が近い入出力導波路幅との関係を示す図である。
【図５】図５は、リング共振器フィルタにおける配線を模式的に示す平面図である。
【図６】図６は、一実施の形態の変形例に係るリング共振器フィルタの平面を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下に、図面を参照して本開示の実施の形態について説明する。なお、この実施の形態により、本開示が限定されるものでない。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ている。さらに、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、現実のものとは異なる場合があることに留意する必要がある。さらにまた、図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。また、図中で適宜ｘｙｚ座標軸を示し、これにより方向を説明する。
【００２０】
図１は、一実施の形態に係る波長可変レーザ素子の模式的な斜視図である。図１に示す波長可変レーザ素子１００は、例えば１.５５μｍ帯でレーザ発振することによってレーザ光を出力する。波長可変レーザ素子１００は、共通の基部Ｂ上に形成された、第１の導波路部１１０と、第２の導波路部１２０と、を備える。
【００２１】
〔第１の導波路部の構成〕
まず、第１の導波路部１１０について説明する。
第１の導波路部１１０は、導波路部１１１と、半導体積層部１１２と、ｐ側電極１１３と、マイクロヒータ１１４と、を備える。第１の導波路部１１０は、第１の導波路構造としての埋込み導波路構造を有する。
【００２２】
導波路部１１１は、半導体積層部１１２内にｚ方向に延伸するように形成されている。また、導波路部１１１は、半導体積層部１１２内に配置された利得部１１１ａとＤＢＲ型の回折格子層１１１ｂと、を有する。
【００２３】
利得部１１１ａは、交互に積層された複数の井戸層と複数のバリア層を含んで構成された多重量子井戸構造と、多重量子井戸構造を上下から下部および上部光閉じ込め層と、を有しており、電流注入により発光する。この利得部１１１ａの多重量子井戸構造を構成する井戸層およびバリア層は、各々の組成が異なるＩｎＧａＡｓＰからなる。実施の形態１では、利得部１１１ａからの発光波長帯域が１．５５μｍ帯である。また、下部光閉じ込め層は、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰからなる。上部光閉じ込め層は、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰからなる。下部光閉じ込め層および上部光閉じ込め層のバンドギャップ波長は、利得部１１１ａのバンドギャップ波長より短い波長に設定されている。
【００２４】
回折格子層１１１ｂは、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層にｚ方向に沿って標本化回折格子が形成され、回折格子の溝はＩｎＰで埋め込まれた構成を有する。回折格子層１１１ｂは、回折格子の格子間隔が一定であるが標本化されており、これにより波長に対し略周期的な反射応答を示す。回折格子層１１１ｂのｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層のバンドギャップ波長は、利得部１１１ａのバンドギャップ波長より短いことが好ましく、たとえば１．２μｍである。
【００２５】
半導体積層部１１２は、半導体層が積層して構成されている。半導体積層部１１２は、導波路部１１１に対して、クラッド部の機能等を有する。半導体積層部１１２は、利得部１１１ａが含まれる部分においては、利得部１１１ａが含まれる部分と同様の材料、構造からなるが、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層がｐ型ＩｎＰ層に置き換えられる点と、ｙ方向において利得部１１１ａを挟んでｐ型半導体層とｎ型半導体層との位置が逆転した積層構造を有する点とで異なる。また、半導体積層部１１２は、回折格子層１１１ｂが含まれる部分においては、ＩｎＧａＡｓＰからなる光導波層に置き換えられる点と、ｙ方向において回折格子層１１１ｂを挟んでｐ型半導体層とｎ型半導体層との位置が逆転した積層構造を有する点とで異なる。また、半導体積層部１１２には、ＳｉＮ保護膜が形成されており、
【００２６】
ｐ側電極１１３は、半導体積層部１１２上において、利得部１１１ａに沿うように配置されている。ｐ側電極１１３は、半導体積層部１１２のＳｉＮ保護膜に形成された開口部を介して半導体積層部１１２に接触している。また、半導体積層部１１２のｐ側電極１１３が形成された面と反対側の面には、不図示のｎ側電極が形成されている。
【００２７】
マイクロヒータ１１４は、半導体積層部１１２のＳｉＮ保護膜上において、回折格子層１１１ｂに沿うように配置されている。マイクロヒータ１１４は、第１の屈折率変化器として機能し、電流が供給されることによって発熱し、回折格子層１１１ｂを加熱する。即ち、マイクロヒータ１１４は、供給される電流量が変化させることによって回折格子層１１１ｂの温度が変化し、回折格子層１１１ｂの屈折率を変化させる。
【００２８】
〔第２の導波路部の構成〕
次に、第２の導波路部１２０について説明する。
第２の導波路部１２０は、メサ形状を有する２分岐部１２１と、メサ形状を有し、２つの直線導波路として機能するアーム部１２２およびアーム部１２３と、メサ形状を有するリング状の曲げ導波路１２４と、Ｔｉからなるマイクロヒータ１２５と、を備える。
【００２９】
２分岐部１２１は、１×２型の多モード干渉型（ＭＭＩ）導波路１２１ａを含む１×２型の分岐型導波路で構成され、２ポート側がアーム部１２２およびアーム部１２３の各々に接続されるとともに、１ポート側が第１の導波路部１１０側に接続される。２分岐部１２１により、アーム部１２２およびアーム部１２３の各々は、その一端が統合され、利得部１１１ａと光学的に結合される。
【００３０】
アーム部１２２およびアーム部１２３の各々は、いずれもｚ方向に延伸し、曲げ導波路１２４を挟むように配置されている。アーム部１２２およびアーム部１２３は、曲げ導波路１２４と近接し、いずれも同一の結合係数κで曲げ導波路１２４と光学的に結合している。κの値は、例えば０．２である。アーム部１２２、アーム部１２３および曲げ導波路１２４は、リング共振器フィルタＲＦ１を構成している。また、リング共振器フィルタＲＦ１と２分岐部１２１とは、反射ミラーＭ１を構成している。第２の屈折率変化器としてのマイクロヒータ１２５は、リング状であり、曲げ導波路１２４を覆うように形成されたＳｉＮ保護膜上に配置されている。
【００３１】
このように、第１の導波路部１１０および第２の導波路部１２０は、互いに光学的に接続された回折格子層１１１ｂと反射ミラーＭ１とにより構成されるレーザ共振器Ｃ１を構成している。利得部１１１ａは、レーザ共振器Ｃ１内に配置される。
【００３２】
また、波長可変レーザ素子１００では、その構成により、図１の光路ＯＰで示すように、レーザ共振器Ｃ１内の光帰還は、回折格子層１１１ｂから、２分岐部１２１、リング共振器フィルタＲＦ１のアーム部１２２、アーム部１２３のうちの一方、曲げ導波路１２４、アーム部１２２、アーム部１２３のうちの他方、２分岐部１２１を順に経由して回折格子層１１１ｂに帰還する経路で行われ、かつ１回の光帰還中に曲げ導波路１２４内を周回する。なお、光帰還の光路として、時計周りの光路と反時計周りの光路の２つが存在する。これにより、光帰還長が長くなるので、実効的な共振器長を長くでき、レーザ光Ｌ１の狭線幅化を実現できる。
【００３３】
〔リング共振器フィルタＲＦ１の構成〕
図２は、リング共振器フィルタＲＦ１の構成を模式的に示す平面図である。
【００３４】
図２に示すように、リング共振器フィルタＲＦ１は、周回構造を形成する曲げ導波路１２４と、リング共振器フィルタＲＦ１に光を入出力する入出力導波路として機能する２つのアーム部１２２およびアーム部１２３と、アーム部１２２、アーム部１２３および曲げ導波路１２４を結合する結合器１３１および結合器１３２と、を備える。さらに、曲げ導波路１２４の幅Ｄ１は、結合器１３１の端部に接続される入出力導波路の幅Ｄ２よりも太い（Ｄ１＞Ｄ２）。具体的には、曲げ導波路の幅Ｄ１は、２〜３ｕｍの幅で形成され、アーム部１２２およびアーム部１２３の幅Ｄ２は、１．１ｕｍの幅で形成される。
【００３５】
図３は、入出力導波路と曲げ導波路の基本モードの光強度分布を示す図である。図４は、互いに幅が異なる曲げ導波路と直線導波路において、基本モード同士の光の結合が最も大きくなる導波路幅の関係を示す図である。図３において、横軸が導波路内の幅方向の位置（ｕｍ）を示し、縦軸が光強度分布を示す。図３において、横軸０が導波路中心を示し、曲線Ｌ１０に対しては横軸正の方向が曲げの外側に定義している。さらに、図３において、曲線Ｌ１が幅１．１ｕｍの直線導波路の基本モードの光強度分布を示し、曲線Ｌ１０が幅１．１ｕｍ曲げ半径１０ｕｍの曲げ導波路における基本モードの光強度分布を示す。また、図４において、横軸が曲げ導波路１２４の幅（ｕｍ）を示し、縦幅が基本モードの光強度分布が最も近い(導波路中心位置を適切にずらした時に結合率が最も大きい)直線導波路幅（ｕｍ）を示す。さらに、図４において、曲線Ｌ１０が曲げ半径１０ｕｍの曲げ導波路を示し、曲線Ｌ１５が曲げ半径１５ｕｍの曲げ導波路を示し、曲線Ｌ２０が曲げ半径２０ｕｍの曲げ導波路を示し、曲線Ｌ２５が曲げ半径２５ｕｍの曲げ導波路を示す。
【００３６】
図３およびの曲線Ｌ１０に示すように、光分布は、曲げ導波路１２４の外側にピークが移動する。さらに、図４の曲線Ｌ１０に示すように、曲げ半径が１０ｕｍでは、幅が２umと広くても、基本モードの光強度分布の広がりは、幅１．１ｕｍの直線導波路と同程度となる。例えば図２に示す曲線Ｌ１０に示すように、曲げ導波路１２４の幅Ｄ１を広くした場合であっても、幅Ｄ２＝１．１ｕｍの直線導波路であるアーム部１２２，１２３と幅Ｄ１の曲げ導波路１２４を結合器１３１および結合器１３２を介して低損失で光学的に結合することができる。
【００３７】
〔リング共振器フィルタの配線〕
次に、上述したリング共振器フィルタＲＦ１における配線について説明する。図５は、リング共振器フィルタＲＦ１における配線を模式的に示す平面図である。
【００３８】
図５に示すように、リング共振器フィルタＲＦ１は、曲げ導波路１２４の内側に形成された島状のメサ１４０と、曲げ導波路１２４上に設けられた電極１４１と、結合器１３１上に設けられた電極１４２と、を有する。曲げ導波路１２４と島状のメサ１４０とは橋渡し部を介して繋がった、一連の半導体メサとして形成されている。電極１４１の幅Ｄ１０は、曲げ導波路１２４の幅Ｄ１（メサ幅）よりも細く形成される。電極１４１および電極１４２は、電気的に接続される。電極１４１および電極１４２は、リング共振器フィルタＲＦ１の波長特性を制御する制御電極である。具体的には、電極１４１は、電力が供給されることによって発熱するマイクロヒータ１２５（図１を参照）であり、電極１４２は、電極パッドとマイクロヒータ１２５とを電気的に接続する配線電極である。また、電極１４２は、結合器１３１のメサを乗り越えて形成されている。電極１４２が結合器１３１を乗り越える周辺をポリイミド等の樹脂材料を用いて平坦化することで、電極１４２の断線を防ぐ構成としても良い。このような構成でも、マイクロヒータ１２５の加熱部から離れたところに位置するため、樹脂材料の加熱が小さく線膨張係数差による応力の影響を少なくすることができる。
【００３９】
以上説明した一実施の形態によれば、曲げ導波路１２４の幅Ｄ１が結合器１３１の端部に接続される入出力導波路として機能するアーム部１２２およびアーム部１２３の各々の幅Ｄ２よりも太いので、平坦化を行う樹脂材料を（ヒータ加熱部に）用いることなく、曲げ導波路１２４上にマイクロヒータ１２５を配置することができる。
【００４０】
また、一実施の形態によれば、曲げ導波路１２４および入出力導波路として機能するアーム部１２２およびアーム部１２３の各々を互いに同一のコア層を有するハイメサ導波路によって構成したので、一度の結晶成長、一度の半導体エッチングにより形成でき、製造工程を簡易にすることができる。
【００４１】
（変形例）
次に、一実施の形態の変形例について説明する。図６は、一実施の形態の変形例に係るリング共振器フィルタの平面を模式的に示す図である。
【００４２】
図６に示すリング共振器フィルタＲＦ１Ａは、曲げ導波路１２４Ａの内径側に光損失部４００を有する。光損失部４００は、曲げ導波路１２４Ａの内径側に凹凸に形成される。曲げ導波路の高次モードは、基本モードよりも内径側に光強度を有する分布となるため、光損失部４００により、高次モードの光伝搬損失を選択的に大きくすることができる。リング共振器フィルタＲＦ１Ａでは、リングを周回する光が単一のモードでなく、高次モードが含まれてしまうと、フィルタの波長特性が乱れてしまう。
【００４３】
以上説明した一実施の形態の変形例によれば、曲げ導波路１２４Ａの内径側に光損失部４００を設けることによって、導波路形状を荒らすことで高次モードの散乱損を増加させることができるので、曲げ導波路１２４Ａを太くした場合であっても、高次モードの伝搬を抑制し、フィルタの波長特性を安定化することができる。
【００４４】
なお、上述した一実施の形態の変形例では、高次モードの伝搬を抑制する手法として、散乱損を増加させる構成を開示したが、イオン打ち込みや吸収層により、内径側の吸収損を増加させる構成も変更可能である。
【００４５】
（その他の実施の形態）
なお、上記した一実施の形態により本開示が限定されるものではない。上述した各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本開示に含まれる。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、本開示のより広範な態様は、上記の一実施の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。
【００４６】
以上、本願の一実施の形態のいくつかを図面に基づいて詳細に説明したが、これらは例示であり、本開示の欄に記載の態様を始めとして、当業者の知識に基づいて種々の変形、改良を施した他の形態で本開示を実施することが可能である。
【符号の説明】
【００４７】
１００  波長可変レーザ素子
１１０  第１の導波路部
１１１  導波路部
１１１ａ  利得部
１１１ｂ  回折格子層
１１２  半導体積層部
１１３  ｎ側電極
１１４，１２５，１２６  マイクロヒータ
１２０  第２の導波路部
１２１ａ  ＭＭＩ導波路
１２２，１２３  アーム部
１２４，１２４Ａ  曲げ導波路
１２８  オーバークラッド層
１３１，１３２  結合器
１４０  ハイメサ導波路
１４１，１４２  電極
４００  光損失部
Ｃ１  レーザ共振器
Ｌ１      ：レーザ光
Ｍ１  反射ミラー
ＯＰ  光路
ＲＦ１，ＲＦ１Ａ  リング共振器フィルタ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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