(57)【要約】  光素子（４）を、終端部へ向けて断面サイズが小さくなるテーパ部（１Ｘ）を備えるシリコン導波路コア（１）と、少なくともテーパ部を覆ってシリコン導波路コアに連なり、シリコン導波路コアよりも小さい屈折率を有し、単一モード導波路を構成する誘電体導波路コア（２）と、単一モード導波路に設けられ、分布ブラッグ反射鏡を構成する回折格子（３）とを備えるものとする。
2013145271.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
終端部へ向けて断面サイズが小さくなるテーパ部を備えるシリコン導波路コアと、
少なくとも前記テーパ部を覆って前記シリコン導波路コアに連なり、前記シリコン導波路コアよりも小さい屈折率を有し、単一モード導波路を構成する誘電体導波路コアと、
前記単一モード導波路に設けられ、分布ブラッグ反射鏡を構成する回折格子とを備えることを特徴とする光素子。
【請求項２】
前記テーパ部を備える遷移領域と、前記回折格子を備える分布ブラッグ反射鏡領域と、前記遷移領域と前記分布ブラッグ反射鏡領域とを接続する接続領域とを備えることを特徴とする、請求項１に記載の光素子。
【請求項３】
前記回折格子は、前記誘電体導波路コアと屈折率が異なり、かつ、周期的に設けられた膜によって構成されることを特徴とする、請求項１又は２に記載の光素子。
【請求項４】
前記回折格子は、前記誘電体導波路コアの外側へ突出していることを特徴とする、請求項３に記載の光素子。
【請求項５】
前記回折格子は、シリコン膜によって構成されており、前記シリコン導波路コアと同一面上に設けられていることを特徴とする、請求項３又は４に記載の光素子。
【請求項６】
前記回折格子は、前記誘電体導波路コアの上面に設けられていることを特徴とする、請求項３に記載の光素子。
【請求項７】
前記回折格子は、前記誘電体導波路コアの断面サイズを周期的に変化させることによって構成されることを特徴とする、請求項１又は２に記載の光素子。
【請求項８】
前記回折格子は、前記誘電体導波路コアの側面から突出した部分によって構成されることを特徴とする、請求項７に記載の光素子。
【請求項９】
前記回折格子は、前記誘電体導波路コアの上面を掘り込んだ部分によって構成されることを特徴とする、請求項７に記載の光素子。
【請求項１０】
前記誘電体導波路コアを覆うように、前記誘電体導波路コアよりも小さい屈折率を有するクラッド層を備えることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載の光素子。
【請求項１１】
終端部へ向けて断面サイズが小さくなるテーパ部を備える他のシリコン導波路コアを備え、
前記他のシリコン導波路コアの前記終端部が前記回折格子側になるように、前記他のシリコン導波路コアが、前記回折格子を挟んで前記シリコン導波路コアの反対側に設けられており、
前記誘電体導波路コアが、前記他のシリコン導波路コアの少なくとも前記テーパ部を覆っていることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の光素子。
【請求項１２】
前記誘電体導波路コアは、前記回折格子を挟んで前記シリコン導波路コアの反対側に、終端部へ向けて断面サイズが大きくなるテーパ部を備えることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の光素子。
【請求項１３】
前記誘電体導波路コアは、前記回折格子を挟んで前記シリコン導波路コアの反対側の端面が、光伝搬方向に対して傾いた斜め端面になっていることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の光素子。
【請求項１４】
前記シリコン導波路コアによって構成されるシリコン導波路に接続されたリング共振器フィルタを備えることを特徴とする、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の光素子。
【請求項１５】
請求項１４に記載された光素子と、
前記光素子に光結合された利得媒質と、
前記シリコン導波路、前記リング共振器フィルタ及び前記利得媒質を挟んで前記分布ブラッグ反射鏡の反対側に設けられ、レーザ共振器を構成する反射鏡とを備えることを特徴とするハイブリッドレーザ。
【請求項１６】
請求項１〜１０のいずれか１項に記載された光素子と、
前記光素子に光結合された利得媒質と、
前記利得媒質を挟んで前記分布ブラッグ反射鏡の反対側に設けられ、レーザ共振器を構成する反射鏡とを備えることを特徴とするハイブリッドレーザ。
【請求項１７】
請求項１〜１０、１２、１３のいずれか１項に記載の光素子を複数備え、
前記複数の光素子のそれぞれに１つずつ接続された複数のリング光変調器と、
前記複数のリング光変調器のそれぞれに接続された光合波器と、
前記光合波器に接続された出力導波路とを備えることを特徴とする光送信素子。
【請求項１８】
前記複数の光素子のそれぞれに備えられる前記シリコン導波路コアによって構成されるシリコン導波路のそれぞれに１つずつ接続された複数のリング共振器フィルタと、
前記複数のリング共振器フィルタのそれぞれに１つずつ接続された複数の光カプラとを備え、
前記複数のリング光変調器は、前記複数の光カプラのそれぞれに１つずつ接続されていることを特徴とする、請求項１７に記載の光送信素子。
【請求項１９】
２つの光カプラの間に２つのアームを有するマッハツェンダ干渉計を備え、
前記２つのアームのそれぞれに、請求項１１に記載の光素子を備え、
前記２つの光カプラの一方に接続された第１光検出器と、
前記２つの光カプラの他方に接続された光分波器と、
前記光分波器に接続された第２光検出器とを備えることを特徴とする光受信素子。
【請求項２０】
請求項１７又は１８に記載の光送信素子と、
前記光送信素子に光結合され、複数の利得媒質を備える利得媒質アレイと、
前記利得媒質アレイを挟んで前記光送信素子に備えられる前記複数の分布ブラッグ反射鏡の反対側に設けられ、レーザ共振器を構成する反射鏡とを備えることを特徴とする光送信装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光素子、光送信素子、光受信素子、ハイブリッドレーザ、光送信装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、安価で大規模集積が可能なシリコン電子回路製造技術を利用してシリコン基板上に形成するシリコン光素子が注目を集めている。
例えば、高性能サーバ、スーパーコンピュータ、パソコン等の情報処理機器の高性能化によって今後予想されるチップ間及びボード間の通信容量不足を解決すべく、低損失かつ小型なシリコン細線導波路をベースとした大規模なシリコン光通信素子の実現が期待されている。【０００３】
特に、伝送容量を増大させるために、光ファイバ通信で用いられている波長分割多重（ＷＤＭ：Wavelength Division Mutiplexing）伝送方式を適用し、独立に変調された波長の異なる複数の信号光を素子内で多重化して送受信するＷＤＭシリコン光通信素子の実現が期待されている。このＷＤＭシリコン光通信素子では、単一の伝送路内に波長の異なる複数の信号光を多重化して伝送できるため、伝送路当りの伝送容量（通信容量）が飛躍的に高まり、より小型で大容量の光通信素子を実現することが可能である。【０００４】
なお、半導体光増幅器（ＳＯＡ：Semiconductor Optical Amplifier）などの発光素子とシリコン光素子とを組み合わせたハイブリッドレーザに関する技術やシリコン光素子においてスポットサイズを変換する技術はある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−２４５３４４号公報
【特許文献２】特開２０１０−４４２９０号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Tai Tsuchizawa et al., “Microphonics Devices Based on Silicon Microfabrication Technology”, IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS, Vol.11, No.1, January/February 2005
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、例えばハイブリッドレーザ、ＷＤＭシリコン光通信素子などのシリコン光通信素子を実現する場合などに、分布ブラッグ反射鏡を構成する回折格子を備えるシリコン光素子を実現する必要がある。
この場合、シリコン導波路コアの幅を周期的に変化させて、シリコン導波路コアの側面から突出する部分によって回折格子を形成することが考えられる。【０００８】
しかしながら、シリコン導波路コアは、クラッドとの屈折率差が非常に大きく、かつ、断面サイズが非常に小さいため、その寸法がわずかにずれてしまうと、導波路の等価屈折率が大きく変化してしまう。この結果、シリコン導波路コアの側面部分に形成される回折格子によって構成される分布ブラッグ反射鏡のブラッグ波長も大きく変化してしまうことになる。【０００９】
このため、現状のプロセス精度において、安定して、設計通りのブラッグ波長を有する分布ブラッグ反射鏡を構成する回折格子を形成するのは困難であり、歩留まりが良くない。
そこで、シリコン導波路コアを備える光素子、光送信素子、光受信素子、ハイブリッドレーザ、光送信装置において、設計通りのブラッグ波長を有する分布ブラッグ反射鏡を構成する回折格子を歩留まり良く実現できるようにしたい。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本光素子は、終端部へ向けて断面サイズが小さくなるテーパ部を備えるシリコン導波路コアと、少なくともテーパ部を覆ってシリコン導波路コアに連なり、シリコン導波路コアよりも小さい屈折率を有し、単一モード導波路を構成する誘電体導波路コアと、単一モード導波路に設けられ、分布ブラッグ反射鏡を構成する回折格子とを備えることを要件とする。【００１１】
本ハイブリッドレーザは、上記光素子にさらにシリコン導波路コアによって構成されるシリコン導波路に接続されたリング共振器フィルタを備える光素子と、光素子に光結合された利得媒質と、シリコン導波路、リング共振器フィルタ及び利得媒質を挟んで分布ブラッグ反射鏡の反対側に設けられ、レーザ共振器を構成する反射鏡とを備えることを要件とする。【００１２】
本ハイブリッドレーザは、上記光素子と、光素子に光結合された利得媒質と、利得媒質を挟んで分布ブラッグ反射鏡の反対側に設けられ、レーザ共振器を構成する反射鏡とを備えることを要件とする。
本光送信素子は、上記光素子を複数備え、複数の光素子のそれぞれに１つずつ接続された複数のリング光変調器と、複数のリング光変調器のそれぞれに接続された光合波器と、光合波器に接続された出力導波路とを備えることを要件とする。【００１３】
本光受信素子は、２つの光カプラの間に２つのアームを有するマッハツェンダ干渉計を備え、２つのアームのそれぞれに、上記光素子にさらに終端部へ向けて断面サイズが小さくなるテーパ部を備える他のシリコン導波路コアを備え、他のシリコン導波路コアの終端部が回折格子側になるように、記他のシリコン導波路コアが、回折格子を挟んで記シリコン導波路コアの反対側に設けられており、誘電体導波路コアが、他のシリコン導波路コアの少なくともテーパ部を覆っている光素子を備え、２つの光カプラの一方に接続された第１光検出器と、２つの光カプラの他方に接続された光分波器と、光分波器に接続された第２光検出器とを備えることを要件とする。【００１４】
本光送信装置は、上記光送信素子と、光送信素子に光結合され、複数の利得媒質を備える利得媒質アレイと、利得媒質アレイを挟んで光送信素子に備えられる複数の分布ブラッグ反射鏡の反対側に設けられ、レーザ共振器を構成する反射鏡とを備えることを要件とする。
【発明の効果】
【００１５】
したがって、本光素子、光送信素子、光受信素子、ハイブリッドレーザ、光送信装置によれば、シリコン導波路コアを備えるものにおいて、設計通りのブラッグ波長を有する分布ブラッグ反射鏡を構成する回折格子を歩留まり良く実現できるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】第１実施形態にかかる光素子の構成を示す模式的斜視図である。
【図２】第１実施形態にかかる光素子の構成を示す模式図であって、光導波路が延びる方向に沿う断面図である。
【図３】図３（Ａ）は、第１実施形態にかかる光素子の遷移領域における光モード分布の形状変化を説明するために遷移領域近傍のみを切り出した模式的斜視図であり、図３（Ｂ）は、入力側（シリコン導波路）における光モード分布を示す図であり、図３（Ｃ）は、出力側（誘電体導波路）における光モード分布を示す図である。
【図４】図４（Ａ）は、第１実施形態にかかる光素子を構成する分布ブラッグ反射鏡領域における誘電体導波路コアとしてＳｉＯＮ導波路コア（屈折率ｎ＝１．５０）を備える誘電体導波路の回折格子がない領域における光電界分布を示す図であり、図４（Ｂ）は、この誘電体導波路の回折格子がある領域における光電界分布を示す図である。
【図５】第１実施形態にかかる光素子を構成する誘電体導波路コアの終端面の変形例の構成を示す模式的平面図である。
【図６】図６（Ａ）は、第１実施形態にかかる光素子を構成する分布ブラッグ反射鏡領域における導波路の等価屈折率の導波路幅依存性を示す図であり、図６（Ｂ）は、この分布ブラッグ反射鏡領域におけるブラッグ波長の導波路幅依存性を示す図である。
【図７】第１実施形態にかかる光素子を構成する分布ブラッグ反射鏡領域における反射スペクトル特性を示す図である。
【図８】図８（Ａ）〜図８（Ｃ）は、第１実施形態にかかる光素子の製造方法を説明するための模式的斜視図である。
【図９】第１実施形態の一の変形例にかかる光素子の構成を示す模式的斜視図である。
【図１０】第１実施形態の他の変形例にかかる光素子の構成を示す模式的斜視図である。
【図１１】第１実施形態の他の変形例にかかる光素子の構成を示す模式的斜視図である。
【図１２】第１実施形態の他の変形例にかかる光素子の構成を示す模式的斜視図である。
【図１３】第１実施形態の他の変形例にかかる光素子の構成を示す模式的斜視図である。
【図１４】第２実施形態にかかる光素子及びハイブリッドレーザの構成を示す模式的平面図である。
【図１５】第２実施形態にかかるハイブリッドレーザに備えられる波長選択機構における波長選択によって単一波長でレーザ発振することを説明するための図である。
【図１６】比較例のハイブリッドレーザの構成を示す模式的平面図である。
【図１７】図１７（Ａ）は、比較例のハイブリッドレーザに備えられる分布ブラッグ反射鏡の構成する側壁回折格子を有するシリコン導波路コアを示す模式的斜視図であり、図１７（Ｂ）は、比較例の分布ブラッグ反射鏡領域における導波路の等価屈折率の導波路幅依存性を示す図であり、図１７（Ｃ）は、この分布ブラッグ反射鏡領域におけるブラッグ波長の導波路幅依存性を示す図である。
【図１８】第２実施形態の変形例にかかる光素子及びハイブリッドレーザの構成を示す模式的平面図である。
【図１９】第３実施形態にかかる光送信素子及び光送信装置の構成を示す模式的平面図である。
【図２０】第３実施形態の変形例にかかる光送信素子及び光送信装置の構成、第３実施形態にかかるハイブリッドレーザの構成、及び、第３実施形態にかかる光受信素子の構成を示す模式的平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面により、本発明の実施の形態にかかる光素子、光送信素子、光受信素子、ハイブリッドレーザ、光送信装置について説明する。
［第１実施形態］
まず、第１実施形態にかかる光素子について、図１〜図８（Ｃ）を参照しながら説明する。
【００１８】
本実施形態にかかる光素子は、シリコン（Ｓｉ）基板上に形成されたシリコン光素子である。なお、この光素子を光機能素子ともいう。
本光素子は、図１に示すように、シリコン導波路コア１と、誘電体導波路コア２と、分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ：Distributed Bragg Reflector）を構成する回折格子３とを備える。このような光素子４を反射型光フィルタ素子ともいう。つまり、シリコン導波路コア１を備える光素子４に、シリコン導波路コア１とは材料が異なる誘電体導波路コア２を設けて、これらの異なる材料からなる２つの導波路コア１、２によって光導波路を構成している。なお、シリコン導波路コア１を、シリコン細線導波路コア又は入力導波路コアともいう。
【００１９】
具体的には、本光素子４は、Ｓｉ基板５上に、例えば厚さ約３μｍのＳｉＯ２層であるＢＯＸ層６と、例えば厚さ約２５０ｎｍのシリコン（Ｓｉ）層であるＳＯＩ層７とを備えるＳＯＩ基板８を用いて作製される。ここでは、ＳＯＩ層７をエッチングし、エッチングによって残されたＳＯＩ層７によって、ＢＯＸ層６上に、テーパ部１Ｘを備えるシリコン導波路コア１及び回折格子３が形成されている。そして、エッチングによって残されたＳＯＩ層７によって形成されたシリコン導波路コア１及び回折格子３を覆うように、ＢＯＸ層６上に、例えばＳｉＯＮからなる誘電体導波路コア２が形成されている。なお、シリコン層によって構成されるシリコン導波路コア１の材料は、単結晶シリコンだけでなく、ポリシリコンやアモルファスシリコンであっても良い。また、テーパ部１Ｘを、テーパ構造、テーパ導波路又は入力テーパ導波路ともいう。また、シリコン導波路コア１を、ＳＯＩ層導波路コアともいう。また、回折格子３を、ＳＯＩ表面回折格子又はＳＯＩ層回折格子ともいう。また、Ｓｉ基板を、Ｓｉ基板層ともいう。
【００２０】
ここで、シリコン導波路コア１は、終端部へ向けて断面サイズが小さくなるテーパ部１Ｘを備え、単一モード導波路を構成する。このシリコン導波路コア１は、テーパ部１Ｘの先端で終端されている。つまり、誘電体導波路コア２に内包されるシリコン導波路コア１は、途中で終端されている。
ここでは、シリコン導波路コア１と、これを覆う誘電体導波路コア２とによって、導波路が構成される。これをシリコン導波路、シリコン細線導波路又は入力導波路という。なお、シリコン導波路コア１のテーパ部１Ｘ以外の部分を誘電体導波路コア２によって覆わない場合には、シリコン導波路コア１と、その周囲の空気又はクラッド層とによって、導波路が構成される。
【００２１】
具体的には、シリコン導波路コア１のテーパ部１Ｘ以外の部分、即ち、入力端面側の部分の幅は、例えば約４５０ｎｍであり、このシリコン導波路コア１の両側のＳＯＩ層７が完全に除去されたチャネル導波路構造となっている。特に、シリコン導波路コア１は、光の各偏波方向で単一の導波モードのみが存在しうる単一モード導波路を構成しうるように設計されている。つまり、シリコン導波路コア１は、垂直及び水平方向についてそれぞれ屈折率境界による光閉じ込め機構が設定された単一モード導波路である。
【００２２】
また、シリコン導波路コア１のテーパ部１Ｘは、例えば、光伝搬方向に沿ってシリコン導波路コア１の幅が約４５０ｎｍから約５０ｎｍに徐々に狭まる幅テーパ型のシリコン導波路コアであり、そのテーパ長（後述の遷移領域９の長さ）は約３００μｍである。
なお、ここでは、テーパ部１Ｘを、幅テーパ型のシリコン導波路コアとしているが、これに限られるものではなく、シリコン導波路コア１の厚さが徐々に薄くなる厚さテーパ型のシリコン導波路コアとしても良い。
【００２３】
また、誘電体導波路コア２は、シリコン導波路コア１よりも小さい屈折率を有し、かつ、シリコン導波路コア１よりも大きい断面サイズを有し、単一モード導波路を構成する。ここでは、誘電体導波路コア２と、これを覆うクラッド層又は空気とによって、導波路が構成される。これを誘電体導波路という。
そして、誘電体導波路コア２は、シリコン導波路コア１の全体を覆ってシリコン導波路コア１に連なるように設けられている。つまり、誘電体導波路コア２は、シリコン導波路コア１のテーパ部１Ｘが設けられている側の反対側の端部（入力側の端部）からシリコン導波路コア１が設けられていない領域、即ち、回折格子３が設けられている領域まで延びている。そして、回折格子３が設けられている領域のシリコン導波路コア１が設けられている側の反対側で終端されている。この誘電体導波路コア２が延びる方向、即ち、誘電体導波路コア２の長手方向と、シリコン導波路コア１が延びる方向、即ち、シリコン導波路コア１の長手方向とは一致している。つまり、誘電体導波路の光伝搬方向と、シリコン導波路の光伝搬方向とは一致している。ここでは、誘電体導波路コア２は、シリコン導波路コア１を内包している。
【００２４】
具体的には、誘電体導波路コア２は、光素子４の一方の端面から他方の端面までの全長にわたって延びるように設けられており、水平方向が数μｍ程度の幅に加工されたチャネル導波路構造となっている。特に、誘電体導波路コア２は、光の各偏波方向で単一の導波モードのみが存在しうる単一モード導波路を構成しうるように設計されている。つまり、誘電体導波路コア２は、垂直及び水平方向についてそれぞれ屈折率境界による光閉じ込め機構が設定された単一モード導波路である。
【００２５】
ここでは、誘電体導波路コア２のサイズは、例えば高さ約３μｍ、幅約３μｍであり、シリコン導波路コア１のサイズと比べて大きくなっている。また、誘電体導波路コア２は、例えばＳｉＯＮからなり、その屈折率は例えば約１．５０であり、シリコン導波路コア１の屈折率（約３．４４）と比べて小さくなっている。なお、誘電体導波路コア２の屈折率は、これに限られるものではなく、材料の組成調整で様々な値を取りうるが、例えば約１．４４以上２．３０以下の範囲とするのが好ましい。
【００２６】
なお、ここでは、誘電体導波路コア２を、テーパ部１Ｘを備えるシリコン導波路コア１の全体を覆うように設けているが、これに限られるものではなく、少なくともテーパ部１Ｘを覆うように設ければ良い。
また、回折格子３は、誘電体導波路コア２によって構成される単一モード導波路に設けられている。この回折格子３は、シリコン導波路コア１を内包する誘電体導波路コア２の中のシリコン導波路コア１が存在しない領域に設けられている。つまり、回折格子３は、シリコン導波路コア１が存在せず、誘電体導波路コア２のみが存在する光導波路領域に設けられている。
【００２７】
ここでは、回折格子３は、誘電体導波路コア２と屈折率が異なり、かつ、周期的に設けられた細線状のシリコン膜によって構成される。また、ここでは、回折格子３は、シリコン導波路コア１と同一面上に設けられており、誘電体導波路コア２に内包されている。また、ここでは、回折格子３の幅、即ち、光伝搬方向に直交する方向の長さは、誘電体導波路コア２の幅と同一になっている。なお、シリコン膜をシリコン層ともいう。
【００２８】
具体的には、回折格子３は、光伝搬方向に沿って所定の周期（例えば約５２０ｎｍ）でＳＯＩ層（Ｓｉ層）７が除去された部分と残された部分とが繰り返された構造になっている。ここでは、回折格子３の高さは、ＳＯＩ層７の厚さと同じであるため、約２５０ｎｍである。また、回折格子３の幅は、誘電体導波路コア２の幅と同じであるため、約３μｍである。また、ＳＯＩ層７が除去された部分と残された部分の長さは、それぞれ、約２６０ｎｍであり、回折格子３のデューティー比は約５０％である。また、回折格子３が設けられている領域の長さ（後述の分布ブラッグ反射鏡領域１１の長さ）は、約５００μｍである。なお、シリコン膜によって構成される回折格子３の材料は、単結晶シリコンだけでなく、ポリシリコンやアモルファスシリコンであっても良い。但し、ＳＯＩ層によって形成されるＳＯＩ導波路の高度な加工技術によって精密な回折格子を形成できるという点で、回折格子３は、シリコン導波路コア１と同様に、ＳＯＩ層によって形成するのが好ましい。
【００２９】
なお、誘電体導波路コア２の上面及び側面を覆うように、誘電体導波路コア２よりも小さい屈折率を有する材料（例えばＳｉＯ２；屈折率約１．４４）からなるクラッド層を設けても良い。つまり、シリコン導波路コア１及び誘電体導波路コア２からなる光導波路の外側には、これらのコアよりも屈折率が小さい材料からなるクラッド層を設けても良い。但し、クラッド層を設けずに、これらのコアの周囲は空気であっても良い。
【００３０】
このように構成される本光素子４は、図２に示すように、シリコン導波路コア１のテーパ部１Ｘを備える遷移領域９と、回折格子３を備える分布ブラッグ反射鏡領域１１と、遷移領域９と分布ブラッグ反射鏡領域１１とを接続する接続領域１０とを備える。ここで、接続領域１０は、モードを安定化させる領域である。なお、遷移領域９は、シリコン導波路コア１のテーパ部１Ｘを備える領域である。つまり、遷移領域９では、シリコン導波路コア１はテーパ形状になっている。この遷移領域９は、シリコン導波路コア１の終端部、即ち、テーパ部１Ｘの先端部までの領域である。
【００３１】
このような本光素子４では、シリコン導波路コア１によって構成されるシリコン導波路に光が入力される。なお、この光を、信号光、入力光又は入力波ともいう。
そして、シリコン導波路内を伝搬してきた光は、シリコン導波路コアがテーパ形状になっている遷移領域９においてシリコン導波路から誘電体導波路コア２によって構成される誘電体導波路に高効率に遷移し、遷移領域９の終端ではほぼ全ての光パワーが誘電体導波路の導波モード（基本モード）に乗り移る。この現象は、例えば上述の非特許文献１で報告されているスポットサイズ変換器と同様の原理である。
【００３２】
ここで、図３（Ａ）〜図３（Ｃ）は、上述の具体的な構造を備える本光素子４の遷移領域９における光導波モード分布の変化を説明するための図であって、図３（Ａ）、図３（Ｂ）は、それぞれ、入力側、出力側の光導波モード分布を計算した結果を示している。
なお、ここでは、シリコン導波路に基本導波モードの信号光を入力し、遷移領域９を経た後の光導波モード分布を、ビーム伝搬法を用いて計算した。また、光導波モード分布を光モード分布ともいう。また、ここでは、図３（Ａ）に示すように、遷移領域９のシリコン導波路コア１のテーパ部１Ｘ及び誘電体導波路コア２を覆うようにクラッド層１２を設けたものに基づいて計算を行なっているが、クラッド層１２を設けていないものも同様の結果が得られる。また、ここでは、遷移領域９に備えられるシリコン導波路コア１のテーパ部１Ｘの全部を誘電体導波路コア２で覆っていないものに基づいて形成を行なっているが、テーパ部１Ｘの全部を誘電体導波路コア２で覆っている場合も同様の結果が得られる。なお、このように、遷移領域９のシリコン導波路コア１のテーパ部１Ｘの一部を誘電体導波路コア２で覆うようにしても良いし、全部を覆うようにしても良い。
【００３３】
図３（Ｂ）に示すように、入力側では信号光がシリコン導波路コア１の極めて小さい断面内に強く閉じ込められている。これに対し、図３（Ｃ）に示すように、遷移領域９を経た出力光は光電界分布が数μｍ程度の大きさまで広がっており、これは誘電体導波路コア（ＳｉＯＮ導波路コア）２によって構成される誘電体導波路（ＳｉＯＮ導波路）の基本導波モードに一致する。
【００３４】
上述のようにして、遷移領域９で誘電体導波路に遷移し、誘電体導波路の導波モードに乗り移った光は、図２に示すように、誘電体導波路内を伝搬していく。ここでは、まず接続領域１０でモード形状が安定化された後、誘電体導波路に設けられた分布ブラッグ反射鏡を構成する回折格子３によって光回折を受け、分布ブラッグ反射鏡の反射帯域波長に相当する所定の波長の光、即ち、ブラッグ波長に対応する波長の光成分のみが選択的に反射される。
【００３５】
ここで、図４（Ａ）、図４（Ｂ）、上述の具体的な構造を備える本光素子４の分布ブラッグ反射鏡領域１１における光導波モード分布を計算した結果を示している。なお、光導波モード分布を光電界分布ともいう。
なお、図４（Ａ）は、回折格子３がない領域の光導波モード分布を示しており、図４（Ｂ）は、回折格子３がある領域の光導波モード分布を示している。ここでは、誘電体導波路コア２としてのＳｉＯＮ導波路コア（高さ約３μｍ、幅約３μｍ）及び回折格子３（Ｓｉ層；高さ約２５０ｎｍ、幅約３μｍ）の周囲には十分に厚いクラッド層１２（ＳｉＯ２層）が設けられている。
【００３６】
図４（Ａ）、図４（Ｂ）に示すように、回折格子３の存在によって光導波モードが変形し、導波路の等価屈折率が変調されていることが分かる。つまり、回折格子３がない領域では、図４（Ａ）に示すように、等価屈折率ｎｅｑは１．４８０２であるのに対し、回折格子３がある領域では、図４（Ｂ）に示すように、等価屈折率ｎｅｑは１．４７６３であり、回折格子３の有無によって光導波モードが変形し、導波路の等価屈折率が変調されていることが分かる。この効果によって、分布ブラッグ反射鏡領域１１において信号光は回折格子周期の屈折率変調を感じ、ブラッグ波長に対応した特定の波長に反射回折が生じることになる。
【００３７】
そして、上述のようにして分布ブラッグ反射鏡によって反射された光は、図２に示すように、誘電体導波路内を逆方向へ伝搬し、再び、遷移領域９でシリコン導波路に遷移し、シリコン導波路内を逆方向へ伝搬していき、反射光としてシリコン導波路の端面から取り出される。なお、反射光を反射波ともいう。
一方、分布ブラッグ反射鏡で反射されない波長成分の光は、誘電体導波路内を直進し、誘電体導波路の終端（素子端部）にて外部へ放射されるため、シリコン導波路に再び混入することはない。
【００３８】
なお、誘電体導波路コア２の終端において、不要な端面反射を避けるために、導波路の断面積のサイズが徐々に変化するテーパ構造を設けても良い（例えば図１４参照）。つまり、誘電体導波路コア２を、回折格子３を挟んでシリコン導波路コア１の反対側に、終端部へ向けて断面サイズが大きくなるテーパ部２Ｘを備えるものとしても良い。また、図５に示すように、誘電体導波路コア２の終端において、終端面の法線が光伝搬方向に対して傾いた斜め端面構造を採用しても良い。つまり、誘電体導波路コア２を、回折格子３を挟んでシリコン導波路コア１の反対側の端面が、光伝搬方向に対して傾いた斜め端面２Ｙになっているものとしても良い。
【００３９】
このように、本実施形態では、寸法がわずかにずれると、等価屈折率、ひいては、ブラッグ波長が大きく変化してしまうという、大きな寸法依存性を持つシリコン導波路コア１に回折格子を設けるのに代えて、寸法依存性の小さい誘電体導波路に回折格子３を設けている。つまり、シリコン導波路を備える光素子４に、シリコン導波路とは別に誘電体導波路を設け、この誘電体導波路に回折格子３を設け、シリコン導波路と誘電体導波路とを高効率に結合させた構造としている。この場合、誘電体導波路コア２は、シリコン導波路コア１と比較して、クラッドとの屈折率差が小さく、かつ、断面サイズが大きいため、作製時に寸法がわずかにずれても、導波路の等価屈折率、ひいては、ブラッグ波長の変化が小さい。これにより、シリコン導波路コア１を備える光素子４において、設計通りのブラッグ波長を有する分布ブラッグ反射鏡を構成する回折格子３を歩留まり良く作製することが可能となる。
【００４０】
ここで、図６（Ａ）は、上述の具体的な構造を備える本光素子４の分布ブラッグ反射鏡領域１１における等価屈折率の導波路幅依存性を示している。なお、ここでは、導波路幅とは、誘電体導波路コア２としてのＳｉＯＮ導波路コアの幅である。
図６（Ａ）に示すように、誘電体導波路コア２は、シリコン導波路コア１に比べて、クラッドとの屈折率差（屈折率コントラスト）が小さく、かつ、断面サイズが大きいため、標準的な導波路形成の加工精度である±０．１μｍの導波路幅変化に対して、等価屈折率の変動は０．１％オーダと非常に小さい。
【００４１】
また、図６（Ｂ）は、この等価屈折率の計算結果から見積もった分布ブラッグ反射鏡のブラッグ波長の導波路幅依存性を示している。
図６（Ｂ）に示すように、加工精度の範囲内である±０．１μｍの導波路幅変化に対して、ブラッグ波長の変動量は約２ｎｍ程度となっており、十分に小さい。これは、後述するように、本光素子４をハイブリッドレーザなどの波長選択反射鏡として用いる場合に、リング共振器のピーク周期であるＦＳＲ（＞１０ｎｍ）に比べて十分に小さい。
【００４２】
このように、本光素子４は、作製時の寸法ばらつきによるブラッグ波長の変動量が、シリコン導波路コアに回折格子を形成する場合と比べて極めて小さく、現状のプロセス精度で、設計通りのブラッグ波長を持つ分布ブラッグ反射鏡を構成する回折格子３を安定して作製することが可能となる。特に、後述するように、本光素子４をハイブリッドレーザなどの波長選択反射鏡として用いる場合には、素子作製時の寸法ばらつきの影響を受けず、安定した発振波長と特性が得られることになる。
【００４３】
ここで、図７は、上述の具体的な構造を備える本光素子４の分布ブラッグ反射鏡の反射スペクトル特性を示している。
上述の具体的な構造では、周期約５２０ｎｍ、結合係数約７８ｃｍ−１の回折格子３を備える、長さ約５００μｍの分布ブラッグ反射鏡を用いることになる。この場合、図７に示すように、約３．５ｎｍの反射波長帯域幅と、約９０％以上の高い反射率が得られることが分かる。これは、後述のように、本光素子４をハイブリッドレーザなどの波長選択反射鏡として用いる場合にも、十分な特性である。
【００４４】
次に、本光素子の製造方法について、図８（Ａ）〜図８（Ｃ）を参照しながら説明する。
まず、ＳＯＩ基板８上に、図示しないＳｉＯ２ハードマスク層を形成し、このハードマスク層に、例えばフォトリソグラフィや電子ビーム露光によって、テーパ部１Ｘを備えるシリコン導波路コア１及び回折格子３のパターンを形成する。
【００４５】
次に、このようなパターンを有するハードマスク層を用いて、図８（Ａ）に示すように、ＳＯＩ層７をエッチングし、残されたＳＯＩ層７によって、テーパ部１Ｘを備えるシリコン導波路コア１及び回折格子３を形成する。
次いで、図８（Ｂ）に示すように、全面に例えばプラズマＣＶＤ法などによって、例えばＳｉＯＮからなり、厚さ約３μｍの誘電体層２Ａを形成する。
【００４６】
次に、例えばレジストマスクでパターニングし、ドライエッチングを行なって、図８（Ｃ）に示すように、誘電体層２Ａの不要な部分を除去して、誘電体導波路コア２を形成する。つまり、残されたＳＯＩ層７によって形成されたテーパ部１Ｘを備えるシリコン導波路コア１及び回折格子３を覆うように、ＢＯＸ層６上に、誘電体導波路コア２を形成する。
【００４７】
そして、必要に応じて、例えば厚さ約５μｍ程度のＳｉＯ２クラッド層を素子全面に成膜して、本光素子４が完成する。
したがって、本実施形態にかかる光素子によれば、シリコン導波路コア１を備えるものにおいて、設計通りのブラッグ波長を有する分布ブラッグ反射鏡を構成する回折格子３を歩留まり良く実現できるという利点がある。
【００４８】
なお、本発明は、上述した実施形態に記載した構成に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形することが可能である。
例えば、上述の実施形態では、回折格子３を、シリコン導波路コア１と同一面上に設けられ、誘電体導波路コア２の幅と同一の幅を有するシリコン膜を、周期的に設けることによって構成しているが、これに限られるものではない。
【００４９】
例えば、回折格子３を構成する材料としては、誘電体導波路コア２と屈折率が異なる材料を用いれば良く、シリコン以外に、ポリシリコン、誘電体、金属、ポリマーなどの様々な材料を用いることができる。つまり、回折格子３は、シリコン膜以外に、ポリシリコン膜、誘電体膜、金属膜、ポリマー膜などによって構成することもできる。このように、回折格子３を構成する材料には、シリコン導波路コア１を構成する材料と同一の材料、即ち、同一の屈折率を有する材料を用いても良いし、異なる材料、即ち、異なる屈折率を有する材料を用いても良い。
【００５０】
また、例えば、回折格子３の形状としては、誘電体導波路コア２の幅と同一の幅を有するものでなくても良く、図９に示すように、回折格子３、即ち、回折格子３を構成する膜が、誘電体導波路コア２の外側へ突出していても良い。
また、回折格子３、即ち、回折格子３を構成する膜を、誘電体導波路コア２の上面に設けるようにしても良い。
【００５１】
例えば、図１０に示すように、誘電体導波路コア２を、ＳｉＯＸ（屈折率約１．５５、厚さ約２μｍ、幅約２μｍ）からなるチャネル導波路構造とし、その上面にポリシリコン層（厚さ約３００ｎｍ）からなる回折格子３を設けるようにしても良い。このような構造は、ＳＯＩ基板８上に、テーパ部１Ｘを備えるシリコン導波路コア１のパターンを形成した後、ＳｉＯＸ層、ポリシリコン層を順に全面に形成し、ポリシリコン層を回折格子パターンにエッチングした後、ＳｉＯＸ層をエッチングして誘電体導波路コア２を形成することによって作製することができる。この構造では、ＳｉＯＸ層の寸法やポリシリコン層の厚さを適宜調整することで、上述の実施構造のものよりも分布ブラッグ反射鏡を構成する回折格子３の結合係数に大きな設計自由度が得られ、より短い作用長で高い反射率を得ることが可能となる。なお、この変形例では、誘電体導波路コア２の材料をＳｉＯＸとし、回折格子３の材料をポリシリコンとしているが、材料はこれらに限られるものではなく、上述の実施形態や変形例の材料を用いることができる。
【００５２】
また、回折格子３を、誘電体導波路コア２の断面サイズを周期的に変化させることによって構成しても良い。
例えば、図１１に示すように、回折格子３を、誘電体導波路コア２の側面から突出した部分によって構成しても良い。つまり、回折格子３を、誘電体導波路コア２の導波路幅を周期的に変調した、いわゆる側壁回折格子（誘電体側壁回折格子）としても良い。この場合、分布ブラッグ反射鏡を構成する回折格子３の形成するために、他の材料からなる膜を形成する必要がなく、誘電体導波路コア２を形成するためのマスクパターンを変更するだけで、簡易に回折格子３を形成することが可能となる。
【００５３】
また、例えば、図１２に示すように、回折格子３を、誘電体導波路コア２の上面を掘り込んだ部分によって構成しても良い。
また、回折格子３は、その周期や構造をチャープさせたものであっても良く、これにより、分布ブラッグ反射鏡の反射スペクトル特性を変化させることが可能である。このように、分布ブラック反射鏡は、その周期又は結合係数が光伝搬方向に沿って変化する、チャープされた分布ブラッグ反射鏡であっても良い。なお、このため、回折格子３の「周期的」とは、一定周期のものだけでなく、周期が変化するものも含むものとする。
【００５４】
また、上述の実施形態では、テーパ部１Ｘを備えるシリコン導波路コア１を、光伝搬方向に沿って分布ブラッグ反射鏡を構成する回折格子３の片側のみに設けているが、これに限られるものではない。例えば、図１３に示すように、光伝搬方向に沿って、分布ブラッグ反射鏡を構成する回折格子３の両側に、分布ブラッグ反射鏡を構成する回折格子３を挟んで対称構造になるように、テーパ部１Ｘを備えるシリコン導波路コア１、及び、テーパ部１ＸＡを備える他のシリコン導波路コア１Ａを設けるようにしても良い。この場合、上述の実施形態のものにおいて、さらに、終端部へ向けて断面サイズが小さくなるテーパ部１ＸＡを備える他のシリコン導波路コア１Ａを、他のシリコン導波路コア１Ａの終端部が回折格子３側になるように、回折格子３を挟んでシリコン導波路コア１の反対側に設け、誘電体導波路コア２が、他のシリコン導波路コア１Ａの少なくともテーパ部１ＸＡを覆っているものとすれば良い。また、この場合も、他のシリコン導波路コア１Ａのテーパ部１ＸＡが設けられている遷移領域９Ａと回折格子３が設けられている分布ブラッグ反射鏡領域１１との間には接続領域１０Ａを設ければ良い。この構造では、一方のシリコン導波路コア１の端面は、入射／反射ポートを構成し、他方のシリコン導波路コア１Ａの端面は、透過ポートを構成する。そして、この構造では、分布ブラッグ反射鏡を構成する回折格子３の作用長や結合係数を適宜設計することによって、分布ブラッグ反射鏡におけるピーク反射率を全反射よりも低い反射率に抑制し、入力された信号光のブラッグ波長に対応する波長成分について、一部を反射させ、一部を透過させるハーフミラーの機能を実現することができる。
［第２実施形態］
次に、第２実施形態にかかる光素子及びハイブリッドレーザについて、図１４〜図１７を参照しながら説明する。
【００５５】
本実施形態にかかる光素子は、図１４に示すように、上述の第１実施形態及び変形例（例えば図１、図５、図９〜図１２）の光素子４に備えられる構成に加え、さらに、リング共振器フィルタ２０と、入力導波路２１と、出力導波路２２と、光カプラ２３とを備える。つまり、本光素子４０は、上述の第１実施形態及び変形例の光素子４、即ち、反射型光フィルタ素子、リング共振器フィルタ２０、入力導波路２１、出力導波路２２及び光カプラ２３を、シリコン基板５上に集積した光集積素子である。
【００５６】
この光素子４０では、上述の第１実施形態及び変形例の光素子４、即ち、反射型光フィルタ素子は、後述のハイブリッドレーザ３０を構成するリング共振器フィルタ２０の周期的な透過ピーク波長の中の１つを選択するために用いられる。このため、上述の第１実施形態及び変形例の光素子４を波長選択反射鏡ともいう。また、この波長選択反射鏡４と、リング共振器フィルタ２０とを合わせて、波長選択機構又は波長フィルタともいう。また、本光素子４０を、光機能素子、光通信素子、光送信素子、シリコン素子、又は、シリコンフィルタ素子ともいう。
【００５７】
ここで、リング共振器フィルタ２０は、リング導波路２０Ａと、このリング導波路２０Ａを挟んで両側に設けられた２つのバス導波路２０Ｂ、２０Ｃとを備える。そして、一方のバス導波路２０Ｂが、上述の第１実施形態及び変形例の光素子４のシリコン導波路コア１によって構成されるシリコン導波路に接続されており、他方のバス導波路２０Ｃが、光カプラ２３に接続されている。つまり、リング共振器フィルタ２０の一方には、上述の第１実施形態及び変形例の波長選択反射鏡４が接続されており、他方には、光カプラ２３が接続されている。なお、リング共振器フィルタ２０を、単にリング共振器ともいう。
【００５８】
また、光カプラ２３は、一方の側の１つのポートに入力導波路２１が接続されており、他方の側の２つのポートの一方にリング共振器フィルタ２０の他方のバス導波路２０Ｃが接続されており、他方の側の２つのポートの他方に出力導波路２２が接続されている。つまり、入力導波路２１は、光カプラ２３及びリング共振器フィルタ２０を介して、上述の第１実施形態及び変形例の光素子４に接続されている。また、入力導波路２１は、光カプラ２３を介して、出力導波路２２に接続されている。ここでは、光カプラ２３は、例えば方向性結合器や多モード干渉カプラである。なお、光カプラ２３を、出力光カプラともいう。
【００５９】
なお、これらのリング共振器フィルタ２０、入力導波路２１、出力導波路２２、光カプラ２３は、上述の第１実施形態及び変形例の光素子４と同様に、ＳＯＩ基板８に備えられるＳＯＩ層７をエッチングすることによってＢＯＸ層６上に形成すれば良い。つまり、上述の第１実施形態及び変形例の光素子４、リング共振器フィルタ２０、入力導波路２１、出力導波路２２、光カプラ２３は、同一のシリコン基板５上に形成されている。このため、リング共振器フィルタ２０を、シリコンリング共振器フィルタともいう。また、入力導波路２１を、シリコン入力導波路ともいう。また、出力導波路２２を、シリコン出力導波路ともいう。また、光カプラ２３を、シリコン光カプラともいう。
【００６０】
したがって、本実施形態にかかる光素子４０によれば、上述の第１実施形態及び変形例の光素子４（例えば図１、図５、図９〜図１２）を備えるため、上述の第１実施形態の場合と同様に、シリコン導波路コア１を備えるものにおいて、設計通りのブラッグ波長を有する分布ブラッグ反射鏡を構成する回折格子３を歩留まり良く実現できるという利点がある。
【００６１】
また、本実施形態にかかるハイブリッドレーザ３０は、図１４に示すように、上述の光素子４０と、利得媒質３１と、反射鏡３２とを備える。なお、ハイブリッドレーザ３０を、シリコンハイブリッドレーザ、又は、レーザ光源ともいう。
ここで、利得媒質３１は、発光と光増幅を行なうものであり、例えば半導体光増幅器（ＳＯＡ）である。このＳＯＡ３１は、上述の光素子４０の入力導波路２１に光学的に接続されている。つまり、ＳＯＡ３１は、例えば突合せ光結合やファイバ光結合によって、上述の光素子４０に光結合されている。なお、利得媒質３１を、発光素子ともいう。また、ＳＯＡ３１を、化合物半導体を用いた発光素子ともいう。
【００６２】
また、反射鏡３２は、ＳＯＡ３１の一方の端面に形成された高反射膜によって構成される。つまり、ＳＯＡ３１の一方の端面には、反射鏡として機能する高反射膜３２が設けられており、他方の端面には無反射膜３３が設けられている。
この反射鏡３２は、上述の光素子４０のシリコン導波路コア１、リング共振器フィルタ２０、光カプラ２３及びＳＯＡ３１を挟んで、回折格子３によって構成される分布ブラッグ反射鏡の反対側に設けられており、レーザ共振器を構成する。つまり、回折格子３によって構成される分布ブラッグ反射鏡と反射鏡３２とによってレーザ共振器が構成され、レーザ共振器の中に、シリコン導波路コア１、リング共振器フィルタ２０、光カプラ２３及びＳＯＡ３１が設けられている。
【００６３】
このように構成される本ハイブリッドレーザ３０では、ＳＯＡ３１で生じる広い波長領域の光のうち、上述の第１実施形態及び変形例の光素子４に備えられる波長選択機構で選ばれた波長成分のみがレーザ共振器内で繰り返し増幅され、単一波長でのレーザ発振が生じる。そして、レーザ発振した光の一部は、光カプラ２３を介して、出力導波路２２を導波し、外部へ出力される。
【００６４】
特に、本ハイブリッドレーザ３０では、上述の第１実施形態及び変形例の光素子４、即ち、反射型光フィルタ素子を備えるため、ＳＯＡ３１から出力され、リング共振器フィルタ２０を透過する透過ピーク波長の光は、上述の第１実施形態及び変形例の光素子４のシリコン導波路コア１を備えるシリコン導波路に入力される。そして、シリコン導波路内を伝搬してきた光は、シリコン導波路コア１がテーパ形状になっている遷移領域９においてシリコン導波路から誘電体導波路コア２を備える誘電体導波路に高効率に遷移し、遷移領域９の終端ではほぼ全ての光パワーが誘電体導波路の基本モードに乗り移る。次に、接続領域１０でモード形状が安定化された後、誘電体導波路に設けられた分布ブラッグ反射鏡を構成する回折格子３によって、分布ブラッグ反射鏡のブラッグ波長に対応する波長の光成分のみが反射される。つまり、リング共振器の透過ピーク波長の中の１つが分布ブラッグ反射鏡によって選択されて反射される。そして、反射された光は、誘電体導波路内を逆方向へ伝搬し、再び、遷移領域９でシリコン導波路に遷移し、シリコン導波路内を逆方向へ伝搬していき、リング共振器フィルタ２０へ戻される。一方、分布ブラッグ反射鏡で反射されなかった残りの光成分は、誘電体導波路内を直進し、ここでは、テーパ部２Ｘで横方向に広く拡散し、誘電体導波路の終端（素子端部）にて外部へ放射される。ここでは、不要光成分は広く拡散した上で端面反射を受けるため、シリコン導波路に戻ることはない。なお、ここでは、誘電体導波路コア２がテーパ部２Ｘを備えるものとしているが、これに限られるものではなく、上述の第１実施形態及び変形例のように、テーパ部を備えないものとして構成しても良いし、斜め端面２Ｙを備えるものとして構成しても良い。
【００６５】
ところで、このように構成されるハイブリッドレーザ３０において、設計通りの発振波長を得るためには、図１５に示すように、リング共振器フィルタ２０の透過特性における透過ピーク波長の中の１つと波長選択反射鏡４の反射特性における反射波長帯とを精度良く一致させる必要がある。
例えば、波長選択反射鏡として、図１６に示すように、シリコン導波路コア１の幅を周期的に変化させて、シリコン導波路コア１の側面から突出する部分によって回折格子３００を形成することによって構成される分布ブラッグ反射鏡を用いることが考えられる。なお、図１６に示したものを、比較例のハイブリッドレーザという。
【００６６】
具体的には、図１７（Ａ）に示すように、ＳＯＩ基板８に備えられるＢＯＸ層６（ＳｉＯ２層）上の例えば厚さ約２５０ｎｍのＳＯＩ層（Ｓｉ層）７をエッチングし、シリコン導波路コア１の幅を周期的に変調させて、側壁回折格子３００を有するシリコン導波路コア１を形成することが考えられる。ここでは、シリコン導波路コア１及び回折格子３００の高さは、約２５０ｎｍであり、回折格子の周期は、約３００ｎｍである。
【００６７】
ここで、分布ブラッグ反射鏡における反射中心波長（ブラッグ波長λＢ）は、導波路の等価屈折率ｎｅｑ及び回折格子の周期Λを用いて、λＢ＝２ｎｅｑΛで表される。
そして、回折格子の周期Λは、エッチングに使用するマスクの精度で決まるため、ウエハ上で非常に均一で再現性も良好であるが、導波路の等価屈折率ｎｅｑはシリコン導波路コア１の幅や厚さで大きく変化する。
【００６８】
ここで、図１７（Ｂ）は、比較例の分布ブラッグ反射鏡領域１１における導波路の等価屈折率の導波路幅依存性を示している。また、図１７（Ｃ）は、この分布ブラッグ反射鏡領域１１におけるブラッグ波長の導波路幅依存性を示している。なお、図１７（Ｂ）、図１７（Ｃ）では、導波路のＴＥモードに対する依存性を示している。また、ここでは、導波路幅とは、シリコン導波路コア１の幅である。
【００６９】
図１７（Ｂ）に示すように、導波路の等価屈折率は、導波路を構成するシリコン導波路コア１の幅（導波路幅）に強い依存性を持ち、わずか１０ｎｍ程度の導波路幅の変化に対して等価屈折率は０．５％程度も変化する。つまり、シリコン導波路コア１を備える導波路の等価屈折率は、わずかに導波路幅がずれてしまうと等価屈折率が大きく変化するという、大きな導波路幅依存性を有する。
【００７０】
これは、シリコン導波路コア１を備える導波路が、例えばシリカ系ガラス導波路や半導体埋込構造チャネル導波路などの他の導波路と比べて、コア−クラッド間の屈折率差が非常に大きく、かつ、導波路コアの断面サイズが非常に小さいためである。つまり、シリコン導波路コア１を備える導波路は、コア−クラッド間の屈折率差が非常に大きく、かつ、導波路コアの断面サイズが非常に小さいため、わずかな導波路幅の変化に対して光導波モードの形状や光閉じ込め係数が大きく変化するためである。
【００７１】
このような導波路の等価屈折率の大きな導波路幅依存性によって、導波路の等価屈折率と比例関係にある分布ブラッグ反射鏡のブラッグ波長も大きな導波路幅依存性を持つことになる。
図１７（Ｃ）に示すように、わずか１５ｎｍ程度の導波路幅ズレによってリング共振器のピーク周期（ＦＳＲ）と同程度のブラッグ波長シフトが生じてしまう。つまり、分布ブラッグ反射鏡のブラッグ波長は、わずかに導波路幅がずれてしまうと分布ブラッグ反射鏡のブラッグ波長も大きく変化してしまうという、大きな導波路幅依存性を有する。
【００７２】
このため、リング共振器の所定の透過ピーク波長と分布ブラッグ反射鏡のブラッグ波長とを整合させるためには、現状のプロセス精度を超える数ｎｍ程度の非常に高い導波路コア寸法制御が必要となり、安定して波長整合を得るのが困難である。そして、リング共振器の所定の透過ピーク波長と分布ブラッグ反射鏡のブラッグ波長との波長整合が得られない場合、本来想定していない波長での発振が生じたり、複数ピーク波長での同時レーザ発振が生じたりしてしまうことになるため、ハイブリッドレーザを構成するのが困難になる。
【００７３】
なお、ここでは、導波路のＴＥモードに対する依存性を例に挙げて説明しているが、導波路のＴＭモードに対する依存性も同様の傾向がある。また、ここでは、ブラッグ波長の導波路幅依存性を例に挙げて説明しているが、導波路の厚さやリブ導波路構造におけるＳＯＩ層残存厚に対してもブラッグ波長は同様に大きな構造依存性を持つ。
このように、波長選択反射鏡として、シリコン導波路コア１に設けられた側壁回折格子３００によって構成される分布ブラッグ反射鏡を用いる場合、その反射中心波長が非常に強い導波路形状依存性を持つ。このため、現状のプロセス精度において安定して設計通りのブラッグ波長を得ることが困難であり、ハイブリッドレーザへの適用時にはレーザ特性の大幅な劣化を生じさせることになる。
【００７４】
そこで、本ハイブリッドレーザ３０では、上述のように、上述の第１実施形態及び変形例の光素子４、即ち、反射型光フィルタ素子を備えるものとし、この反射型光フィルタ素子４によって、リング共振器フィルタ２０の周期的な透過ピーク波長の中の１つが確実に選択されるようにしている。
したがって、本実施形態にかかるハイブリッドレーザによれば、上述の第１実施形態及び変形例の光素子４（例えば図１、図９〜図１２）を備えるため、上述の第１実施形態の場合と同様に、シリコン導波路コア１を備えるものにおいて、設計通りのブラッグ波長を有する分布ブラッグ反射鏡を構成する回折格子３を歩留まり良く実現できるという利点がある。このため、現状のプロセス精度において安定して設計通りのブラッグ波長を有する分布ブラッグ反射鏡を構成する回折格子３を形成することが可能となり、ハイブリッドレーザ３０のレーザ特性を向上させることが可能となる。
【００７５】
なお、上述の実施形態では、上述の第１実施形態及び変形例の光素子４（例えば図１、図５、図９〜図１３）のうち、テーパ部１Ｘを備えるシリコン導波路コア１を、光伝搬方向に沿って分布ブラッグ反射鏡を構成する回折格子３の片側のみに設けている光素子４（例えば図１、図９〜図１２）を、ハイブリッドレーザに適用した場合を例に挙げて説明しているが、これに限られるものではない。
【００７６】
例えば、上述の第１実施形態及び変形例の光素子４（例えば図１、図５、図９〜図１３）のうち、光伝搬方向に沿って分布ブラッグ反射鏡を構成する回折格子３の両側にテーパ部１Ｘ、１ＸＡを備えるシリコン導波路コア１、１Ａが設けられている光素子４（例えば図１３）をハイブリッドレーザに適用することもできる。
この場合、図１８に示すように、光素子４１は、上述の第１実施形態の変形例の光素子４（例えば図１３）に、さらに、リング共振器フィルタ２０と、入力導波路２１と、出力導波路２２とを備えた光集積素子とすれば良い。そして、上述の第１実施形態の変形例の光素子４（例えば図１３）に備えられる分布ブラッグ反射鏡のピーク反射率を例えば約１０〜約５０％程度に設定しておけば良い。また、リング共振器フィルタ２０の一方のバス導波路２０Ｂを、上述の第１実施形態の変形例の光素子４（例えば図１３）の一方の側のシリコン導波路コア１によって構成されるシリコン導波路に接続し、他方のバス導波路２０Ｃを、入力導波路２１に接続すれば良い。つまり、リング共振器フィルタ２０の一方には、上述の第１実施形態の変形例の光素子４（例えば図１３）を接続し、他方には、入力導波路２１を接続すれば良い。また、上述の第１実施形態の変形例の光素子４（例えば図１３）の他方の側のシリコン導波路コア１Ａによって構成されるシリコン導波路に、出力導波路２２を接続すれば良い。なお、この構成では、回折格子３によって構成される分布ブラッグ反射鏡が上述の実施形態の光カプラ２３としての機能も有するため、リング共振器フィルタ２０とＳＯＡ３１との間に光カプラ２３を設けなくても良くなる。
【００７７】
このような光素子４１を備えるハイブリッドレーザ４２は、図１８に示すように、上述の第１実施形態の変形例の光素子４（例えば図１３）と、利得媒質（ＳＯＡ）３１と、反射鏡３２とを備え、回折格子３によって構成される分布ブラッグ反射鏡と反射鏡３２とによって構成されるレーザ共振器の中に、シリコン導波路コア１、リング共振器フィルタ２０及びＳＯＡ３１が設けられているものとなる。
【００７８】
このように構成される本変形例のハイブリッドレーザ４２では、ＳＯＡ３１で生じる広い波長領域の光のうち、上述の第１実施形態の変形例の光素子４（例えば図１３）とリング共振器フィルタ２０とによって構成される波長選択機構で選ばれた波長成分のみがレーザ共振器内で繰り返し増幅され、単一波長でのレーザ発振が生じる。そして、レーザ発振した光の一部は、上述の第１実施形態の変形例の光素子４（例えば図１３）の他方の側のシリコン導波路１Ａを介して、出力導波路２２を導波し、外部へ出力される。つまり、上述のように、上述の第１実施形態の変形例の光素子４（例えば図１３）に備えられる分布ブラッグ反射鏡のピーク反射率が例えば約１０〜約５０％程度に設定されているため、分布ブラッグ反射鏡のブラッグ波長に対応する波長の光の一部はＳＯＡ３１側へ戻ってレーザ発振に寄与し、残りは出力導波路２２側へ取り出され、レーザ出力となる。このように、本変形例のハイブリッドレーザ４２では、分布ブラッグ反射鏡を、ブラッグ波長に対応する波長成分のうち、一部を反射させ、一部を透過させるハーフミラー機能を有するものとしている。
【００７９】
特に、本変形例のハイブリッドレーザ４２では、上述の第１実施形態の変形例の光素子４（例えば図１３）を備えるため、ＳＯＡ３１から出力され、リング共振器フィルタ２０を透過する透過ピーク波長の光は、上述の第１実施形態の変形例の光素子４（例えば図１３）のシリコン導波路コア１を備えるシリコン導波路に入力される。そして、シリコン導波路内を伝搬してきた光は、シリコン導波路コア１がテーパ形状になっている遷移領域９においてシリコン導波路から誘電体導波路コアを備える誘電体導波路に高効率に遷移し、遷移領域９の終端ではほぼ全ての光パワーが誘電体導波路の基本モードに乗り移る。次に、接続領域１０でモード形状が安定化された後、誘電体導波路に設けられた分布ブラッグ反射鏡を構成する回折格子３によって、分布ブラッグ反射鏡のブラッグ波長に対応する波長の光の一部が反射される。そして、反射された光は、誘電体導波路内を逆方向へ伝搬し、再び、遷移領域９でシリコン導波路に遷移し、シリコン導波路内を逆方向へ伝搬していき、リング共振器フィルタ２０へ戻される。一方、分布ブラッグ反射鏡のブラッグ波長に対応する波長の光の残りは、分布ブラッグ反射鏡を構成する回折格子３で反射されずに、誘電体導波路内を直進し、シリコン導波路コア１Ｘがテーパ形状になっている遷移領域９Ａにおいて誘電体導波路からシリコン導波路に高効率に遷移し、遷移領域９Ａの終端でほぼ全ての光パワーがシリコン導波路の基本モードに乗り移る。そして、シリコン導波路内を伝搬し、出力導波路２２を介して外部へ出力される。
【００８０】
なお、本発明は、上述した実施形態及び変形例に記載した構成に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形することが可能である。例えば、ハイブリッドレーザやこれに用いる光素子の構成は、上述の実施形態及び変形例のものに限られるものではなく、上述の第１実施形態及び変形例の光素子を適用しうるものであれば良い。
［第３実施形態］
次に、第３実施形態にかかる光送信素子、光受信素子及び光送信装置について、図１９を参照しながら説明する。
【００８１】
本実施形態にかかる光送信素子は、図１９に示すように、上述の第１実施形態及び変形例の光素子４（例えば図１、図５、図９〜図１２）を、波長選択反射鏡として、複数備え、さらに、複数のリング共振器フィルタ２０と、複数の入力導波路２１と、複数の光カプラ２３と、複数のリング光変調器５１と、光合波器５２と、出力導波路５３とを備える。つまり、本光送信素子５０は、上述の第１実施形態及び変形例の光素子４（例えば図１、図５、図９〜図１２）、リング共振器フィルタ２０、入力導波路２１、光カプラ２３、リング光変調器５１、光合波器５２、出力導波路５３を、シリコン基板５上に集積した光集積素子である。ここでは、光送信素子５０は、上述の第１実施形態及び変形例の光素子４（例えば図１、図５、図９〜図１２）、リング共振器フィルタ２０、入力導波路２１、光カプラ２３、リング光変調器５１を、それぞれ、４つ備え、４つの波長λ１〜λ４の信号光を合波してＷＤＭ信号光として出力する光送信素子である。なお、光送信素子５０を、光機能素子、光通信素子、光集積素子、ＷＤＭ光送信素子、ＷＤＭ光通信素子、又は、ＷＤＭ光集積素子ともいう。
【００８２】
なお、本光送信素子５０は、上述の第２実施形態及び変形例の光素子４０（例えば図１４）を複数備え、さらに、複数のリング光変調器５１と、光合波器５２と、出力導波路５３とを備える光集積素子であると見ることもできる。
ここで、上述の第１実施形態及び変形例の光素子４（例えば図１、図５、図９〜図１２）は、リング共振器フィルタ２０の周期的な透過ピーク波長の中の１つを選択するために用いられる。このため、上述の第１実施形態及び変形例の光素子４（例えば図１、図５、図９〜図１２）を波長選択反射鏡ともいう。また、この波長選択反射鏡４と、リング共振器フィルタ２０とを合わせて、波長選択機構又は波長フィルタともいう。本実施形態では、各光素子４に備えられる回折格子３は、互いに周期（ピッチ）Λ１〜Λ４が異なり、分布ブラッグ反射鏡のブラッグ波長が異なるものとなっている。
【００８３】
複数のリング共振器フィルタ２０は、複数の光素子４のそれぞれに備えられるシリコン導波路コア１によって構成されるシリコン導波路のそれぞれに１つずつ接続されている。各リング共振器フィルタ２０は、リング導波路２０Ａと、このリング導波路２０Ａを挟んで両側に設けられた２つのバス導波路２０Ｂ、２０Ｃとを備える。そして、一方のバス導波路２０Ｂが、上述の第１実施形態及び変形例の光素子４（例えば図１、図５、図９〜図１２）のシリコン導波路コア１によって構成されるシリコン導波路に接続されており、他方のバス導波路２０Ｃが、光カプラ２３に接続されている。ここでは、各リング共振器フィルタ２０の設計は共通である。
【００８４】
複数の入力導波路２１は、複数の光カプラ２３のそれぞれに１つずつ接続されている。
複数の光カプラ２３は、複数のリング共振器フィルタ２０のそれぞれに１つずつ接続されている。各光カプラ２３は、一方の側の１つのポートに入力導波路２１が接続されており、他方の側の２つのポートの一方にリング共振器フィルタ２０の他方のバス導波路２０Ｃが接続されており、他方の側の２つのポートの他方にリング光変調器５１が接続されている。つまり、入力導波路２１は、光カプラ２３及びリング共振器フィルタ２０を介して、上述の第１実施形態及び変形例の光素子４（例えば図１、図５、図９〜図１２）に接続されている。また、入力導波路２１は、光カプラ２３を介して、リング光変調器５１に接続されている。ここでは、光カプラ２３は、例えば方向性結合器や多モード干渉カプラである。なお、光カプラ２３を、出力光カプラともいう。
【００８５】
複数のリング光変調器５１は、複数の光カプラ２３のそれぞれに１つずつ接続されている。つまり、複数のリング光変調器５１は、複数の光素子４のそれぞれに１つずつ接続されている。各リング光変調器５１は、リング導波路５１Ａと、バス導波路５１Ｂとを備えるリング共振器型光変調器である。
光合波器５２は、複数のリング光変調器５１のそれぞれに接続されており、各信号光を合波するものである。例えば、光合波器５２は、アレー導波路回折格子（ＡＷＧ）型合波器、非対称マッハツェンダ干渉計型合波器、リング型合波器、エチェル回折格子型合波器などである。
【００８６】
出力導波路５３は、光合波器５２に接続されており、この出力導波路５３を介してＷＤＭ信号光が外部へ出力されるようになっている。
なお、これらのリング共振器フィルタ２０、入力導波路２１、出力導波路５３、光カプラ２３、リング光変調器５１、光合波器５２は、上述の第１実施形態及び変形例の光素子４（例えば図１、図５、図９〜図１２）と同様に、ＳＯＩ基板８に備えられるＳＯＩ層７をエッチングすることによってＢＯＸ層６上に形成すれば良い。つまり、上述の第１実施形態及び変形例の光素子４（例えば図１、図５、図９〜図１２）、リング共振器フィルタ２０、入力導波路２１、出力導波路５３、光カプラ２３、リング光変調器５１、光合波器５２は、同一のシリコン基板５上に形成されている。このため、光送信素子５０を、シリコン素子、シリコン光送信素子、シリコン光通信素子、シリコン光集積素子、ＷＤＭシリコン光送信素子、ＷＤＭシリコン光通信素子、又は、ＷＤＭシリコン光集積素子ともいう。また、リング共振器フィルタ２０を、シリコンリング共振器フィルタともいう。また、入力導波路２１を、シリコン入力導波路ともいう。また、出力導波路５３を、シリコン出力導波路ともいう。また、光カプラ２３を、シリコン光カプラともいう。また、リング光変調器５１を、シリコンリング光変調器ともいう。また、光合波器５２を、シリコン光合波器ともいう。
【００８７】
したがって、本実施形態にかかる光送信素子５０によれば、上述の第１実施形態及び変形例の光素子４（例えば図１、図５、図９〜図１２）を備えるため、上述の第１実施形態の場合と同様に、シリコン導波路コア１を備えるものにおいて、設計通りのブラッグ波長を有する分布ブラッグ反射鏡を構成する回折格子３を歩留まり良く実現できるという利点がある。
【００８８】
また、本実施形態にかかる光送信装置５４は、図１９に示すように、上述の光送信素子５０と、利得媒質アレイ５５と、反射鏡５６とを備える。なお、光送信装置５４を、光送信器、光通信装置、ＷＤＭ光送信装置又はＷＤＭ光通信装置ともいう。
ここで、利得媒質アレイ５５は、上述の光送信素子５０に光結合され、複数の利得媒質３１を備える。ここで、各利得媒質５８は、発光と光増幅を行なうものであり、例えば半導体光増幅器（ＳＯＡ）である。このため、利得媒質アレイ５５は、ＳＯＡアレイともいう。ここでは、ＳＯＡアレイ５５は、４つのＳＯＡ５８が集積された４ｃｈＳＯＡアレイである。つまり、ＳＯＡアレイ５５は、４つの導波路を備え、各導波路のそれぞれにＳＯＡ５８を備える４ｃｈＳＯＡアレイである。各ＳＯＡ５８は、上述の光送信素子５０の各入力導波路２１に光学的に接続されている。つまり、ＳＯＡアレイ５５は、例えば突合せ光結合やファイバ光結合によって、上述の光送信素子５０に光結合されている。なお、利得媒質５８を、発光素子ともいう。また、ＳＯＡ５８を、化合物半導体を用いた発光素子ともいう。また、ＳＯＡアレイ５５を、発光素子アレイともいう。
【００８９】
反射鏡５６は、ＳＯＡアレイ５５の一方の端面には高反射膜によって構成されている。つまり、ＳＯＡアレイ５５の一方の端面には、反射鏡として機能する高反射膜５６が設けられており、他方の端面には無反射膜５７が設けられている。
この反射鏡５６は、ＳＯＡアレイ５５を挟んで上述の光送信素子５０に備えられる複数の分布ブラッグ反射鏡の反対側に設けられており、レーザ共振器を構成する。つまり、反射鏡５６は、上述の光送信素子５０のシリコン導波路コア１、リング共振器フィルタ２０、光カプラ２３及びＳＯＡ５８を挟んで、回折格子３によって構成される分布ブラッグ反射鏡の反対側に設けられており、レーザ共振器を構成する。このように、回折格子３によって構成される分布ブラッグ反射鏡と反射鏡５６とによってレーザ共振器が構成され、レーザ共振器の中に、シリコン導波路コア１、リング共振器フィルタ２０、光カプラ２３及びＳＯＡ５８が設けられている。
【００９０】
なお、本光送信装置５４は、上述の第２実施形態及び変形例のハイブリッドレーザ３０（例えば図１４）を複数（ここでは４つ）備え、さらに、これらのそれぞれに接続された複数（ここでは４つ）のリング光変調器５１と、光合波器５２と、出力導波路５３とを備える光送信装置であると見ることもできる。この場合、各ハイブリッドレーザ３０は、互いに発振波長が異なる。
【００９１】
このように構成される本光送信装置５４では、各レーザ共振器、即ち、各ハイブリッドレーザにおいて、ＳＯＡ５８で生じる広い波長領域の光のうち、上述の第１実施形態及び変形例の光素子４（例えば図１、図５、図９〜図１２）とリング共振器フィルタ２０とによって構成される波長選択機構で選ばれた波長成分のみがレーザ共振器内で繰り返し増幅され、単一波長でのレーザ発振が生じる。つまり、上述のように、本光送信装置５４に備えられる各光素子４の回折格子３は、互いに周期Λ１〜Λ４が異なっており、分布ブラッグ反射鏡のブラッグ波長が異なるものとなっている。このため、波長選択反射鏡としての各分布ブラッグ反射鏡は、リング共振器フィルタ２０の周期的な透過ピーク波長のうち、それぞれ異なるピーク波長を選択して、各レーザ共振器で一定間隔の異なる波長λ１〜λ４でレーザ発振するようになっている。そして、各レーザ共振器でレーザ発振した光の一部は、それぞれの光カプラ２３を介して、各リング光変調器５１へ出力される。そして、各レーザ共振器で生成された一定強度（ＣＷ）信号光は、各リング光変調器５１において、データ変調され、さらに光合波器５２によって合波されて、ＷＤＭ信号光として、一本の出力導波路５３から外部へ出力される。なお、各レーザ共振器における光の伝搬については、上述の第２実施形態及び変形例の場合と同様である。
【００９２】
したがって、本実施形態にかかる光送信素子及び光送信装置によれば、上述の第１実施形態及び変形例の光素子４（例えば図１、図５、図９〜図１２）を備えるため、上述の第１実施形態の場合と同様に、シリコン導波路コア１を備えるものにおいて、設計通りのブラッグ波長を有する分布ブラッグ反射鏡を構成する回折格子３を歩留まり良く実現できるという利点がある。このため、上述の第２実施形態及び変形例の場合と同様に、現状のプロセス精度において安定して設計通りのブラッグ波長を有する分布ブラッグ反射鏡を構成する回折格子３を形成することが可能となり、光送信装置５４のレーザ特性を向上させることが可能となる。
【００９３】
なお、上述の第１実施形態及び変形例の光素子４（例えば図１、図５、図９〜図１２）を備える光送信素子及び光送信装置の構成は、上述の実施形態のものに限られるものではない。
例えば、図２０に示すように、光送信素子６０を、上述の第１実施形態及び変形例の光素子４（例えば図１、図５、図９〜図１２）を、波長選択反射鏡として、複数備え、さらに、複数の光素子４のそれぞれに１つずつ接続された複数のリング光変調器５１と、複数のリング光変調器５１のそれぞれに接続された光合波器５２と、光合波器５２に接続された出力導波路５３とを備えるものとして構成しても良い。つまり、上述の実施形態の光送信素子５０を構成する複数の入力導波路２１、複数の光カプラ２３及び複数のリング共振器フィルタ２０を設けないで、光送信素子を構成することもできる。
【００９４】
この場合、光送信素子６０の入力側の端面に、上述の第１実施形態及び変形例の各光素子４（例えば図１、図５、図９〜図１２）の誘電体導波路コア２の端面が露出するようにし、各誘電体導波路コア２の端面から、それぞれ、ＳＯＡアレイ５５を構成する各ＳＯＡ５８からの光が入力されるようにすれば良い。つまり、ＳＯＡアレイ５５を構成する各ＳＯＡ５８が、本変形例の光送信素子６０に備えられる各光素子４の誘電体導波路コア２の端面のそれぞれに光学的に接続されるように、ＳＯＡアレイ５５を光送信素子６０に光結合させれば良い。ここで、各誘電体導波路コア２の端面及びＳＯＡ５８における光導波モードのサイズはいずれも約３〜約４μｍ程度と整合しているため、例えば突合せ結合によって高効率な光結合が実現可能である。なお、この場合、上述の第１実施形態及び変形例の各光素子４（例えば図１、図５、図９〜図１２）に備えられる分布ブラッグ反射鏡を、特定の波長（チャネル）のみを反射させる波長フィルタ（反射選択反射鏡）として用いることになる。そして、上述の第１実施形態及び変形例の各光素子４（例えば図１、図５、図９〜図１２）のシリコン導波路コア１によって構成されるシリコン導波路を、それぞれ、リング光変調器５１に接続すれば良い。このような構成では、ＳＯＡアレイ５５の一方の端面に形成された高反射膜５６によって構成される反射鏡と、上述の第１実施形態及び変形例の各光素子４（例えば図１、図５、図９〜図１２）に備えられる回折格子３によって構成される分布ブラッグ反射鏡とによって構成される各レーザ共振器の中に、それぞれ、ＳＯＡ５８が設けられることになる。この場合、本変形例の光送信装置は、複数のハイブリッドレーザを備え、各ハイブリッドレーザは、上述の第１実施形態及び変形例の光素子４（例えば図１、図５、図９〜図１２）と、この光素子４に光結合された利得媒質（ＳＯＡ）５８と、利得媒質５８を挟んで分布ブラッグ反射鏡を構成する回折格子３の反対側に設けられ、レーザ共振器を構成する反射鏡５６とを備えるものとなる。
【００９５】
このように構成される本変形例の光送信装置６１では、各レーザ共振器、即ち、各ハイブリッドレーザにおいて、ＳＯＡ５８で生じる広い波長領域の光のうち、上述の第１実施形態及び変形例の光素子４（例えば図１、図５、図９〜図１２）に備えられる分布ブラッグ反射鏡のブラッグ波長（反射ピーク波長）に相当する波長成分のみが反射されてレーザ共振器内で繰り返し増幅され、単一波長でのレーザ発振が生じる。つまり、本変形例の光送信装置６１に備えられる各光素子の回折格子３は、互いに周期Λ１〜Λ４が異なっており、分布ブラッグ反射鏡のブラッグ波長が異なるものとなっている。このため、各レーザ共振器において異なる波長λ１〜λ４でレーザ発振することになる。特に、上述の第１実施形態の変形例の光素子４（例えば図１、図５、図９〜図１２）に備えられる分布ブラッグ反射鏡のピーク反射率が例えば約５０％に設定されているため、分布ブラッグ反射鏡のブラッグ波長に対応する波長の光の一部は、分布ブラッグ反射鏡を構成する回折格子３で反射され、ＳＯＡ５８側へ戻ってレーザ発振に寄与し、残りは、分布ブラッグ反射鏡を構成する回折格子３で反射されずに、誘電体導波路内を直進し、シリコン導波路コア１がテーパ形状になっている遷移領域９において誘電体導波路からシリコン導波路に高効率に遷移し、遷移領域８の終端でほぼ全ての光パワーがシリコン導波路の基本モードに乗り移る。そして、シリコン導波路内を伝搬し、リング光変調器５１側へ取り出され、レーザ出力となる。このように、本変形例の光送信装置６１では、回折格子３によって構成される分布ブラッグ反射鏡を、ブラッグ波長に対応する波長成分のうち、一部を反射させ、一部を透過させるハーフミラー機能を有するものとしている。そして、各レーザ共振器で生成された一定強度（ＣＷ）信号光は、各リング光変調器５１において、データ変調され、さらに光合波器５２によって合波されて、ＷＤＭ信号光として、共通の出力導波路５３から、例えば光ファイバ等の光伝送路６２へ出力される。
【００９６】
また、上述の実施形態及び変形例では、上述の第１実施形態及び変形例の光素子４（例えば図１、図５、図９〜図１３）のうち、テーパ部１Ｘを備えるシリコン導波路コア１を、光伝搬方向に沿って分布ブラッグ反射鏡を構成する回折格子３の片側のみに設けている光素子４（例えば図１、図５、図９〜図１２）を、光送信素子及び光送信装置に適用した場合を例に挙げて説明しているが、これに限られるものではない。
【００９７】
例えば、上述の第１実施形態及び変形例の光素子４（例えば図１、図５、図９〜図１３）のうち、光伝搬方向に沿って分布ブラッグ反射鏡を構成する回折格子３の両側にテーパ部１Ｘ、１ＸＡを備えるシリコン導波路コア１、１Ａが設けられている光素子４（例えば図１３）を、図２０に示すように、光受信素子７０に適用することもできる。なお、光受信素子を、光機能素子、光通信素子、光集積素子、ＷＤＭ光受信素子、ＷＤＭ光通信素子、ＷＤＭ光集積素子、又は、光受信装置ともいう。そして、上述の実施形態の変形例の光送信装置（例えば図２０）と組み合わせて、光通信システム８０を構成することもできる。なお、この光受信素子７０を、上述の実施形態の光送信装置（例えば図１９）と組み合わせて光通信システムを構成することも可能である。
【００９８】
この場合、光受信素子７０は、図２０に示すように、２つの光カプラ７１、７２の間に２つのアーム（光導波路）７３、７４を有するマッハツェンダ干渉計７５を備え、２つのアーム７３、７４のそれぞれに、上述の第１実施形態の変形例の光素子４（例えば図１３）を備え、２つの光カプラ７１、７２の一方に接続された第１光検出器７６と、２つの光カプラ７１、７２の他方に接続された光分波器７７と、光分波器７７に接続された第２光検出器７８とを備えるものとすれば良い。
【００９９】
ここでは、マッハツェンダ干渉計７５の入力側の光カプラ７１の一方のポートに入力導波路７９が接続されており、他方のポートに１つの第１光検出器７６が接続されている。また、マッハツェンダ干渉計７５の出力側の光カプラ７２の一のポートに光分波器７７が接続されている。また、光分波器７７に複数（ここでは３つ）の第２光検出器７８が接続されている。そして、マッハツェンダ干渉計７５の両アーム７３、７４に、それぞれ、上述の第１実施形態の変形例の光素子４（例えば図１３）であって、回折格子周期が同じで、ピーク反射率が約１００％のものが設けられている。このようにマッハツェンダ干渉計７５の両アーム７３、７４のそれぞれに上述の第１実施形態の変形例の光素子４（例えば図１３）を設けたものは、複数（ここでは４つ）の異なる波長λ１〜λ４を合波したＷＤＭ信号光を一の波長λ１の信号光と複数（ここでは３つ）の波長λ２〜λ４の信号光に分離する波長分離器８１として機能する。なお、２つの光カプラ７１、７２は、２入力２出力の光カプラ（２×２光カプラ）であり、例えば方向性結合器や多モード干渉カプラである。また、光分波器７７は、例えば、アレー導波路回折格子（ＡＷＧ）型分波器、非対称マッハツェンダ干渉計型合波器、リング型合波器、エチェル回折格子型合波器などである。
【０１００】
なお、これらのマッハツェンダ干渉計７５、光分波器７７は、上述の第１実施形態の変形例の光素子４（例えば図１３）と同様に、ＳＯＩ基板８に備えられるＳＯＩ層７をエッチングすることによってＢＯＸ層６上に形成すれば良い。また、第１光検出器７６及び第２光検出器７８は、例えば、ＳＯＩ層７をエッチングする前に、ＳＯＩ層７上にＧｅ層を結晶成長させておけば良い。つまり、ＳＯＩ層７上にＧｅ層を形成した後、エッチングによって導波路形状に加工することで、第１光検出器７６及び第２光検出器７８を形成することができる。この場合、Ｇｅ層は、光をキャリアに変換する光吸収層として機能する。このように、上述の第１実施形態の変形例の光素子４（例えば図１３）、マッハツェンダ干渉計７５、光分波器７７、第１光検出器７６、第２光検出器７８は、同一のシリコン基板５上に設けられている。このため、光受信素子７０を、シリコン素子、シリコン光受信素子、シリコン光通信素子、シリコン光集積素子、ＷＤＭシリコン光受信素子、ＷＤＭシリコン光通信素子、又は、ＷＤＭシリコン光集積素子ともいう。また、マッハツェンダ干渉計７５を、シリコンマッハツェンダ干渉計ともいう。また、光分波器７７を、シリコン光分波器ともいう。
【０１０１】
このように構成される光受信素子７０では、例えば光ファイバ等の光伝送路６２を介して送信されてきた、複数（ここでは４つ）の異なる波長λ１〜λ４を合波したＷＤＭ信号光は、入力導波路７９を介して波長分離器８１に入力される。そして、波長分離器８１で、回折格子３の周期に対応した波長（チャネル；ここではλ１）の信号光のみがアーム７３、７４内に設けられた光素子４に含まれる分布ブラッグ反射鏡で反射され、入力側の光カプラ７１の他方のポートから出力され、第１光検出器７６で検出される。一方、他の波長（チャネル；ここではλ２〜λ４）の信号光は、マッハツェンダ干渉計７５の両アーム７３、７４をそのまま透過し、出力側の光カプラ７２の一のポートから取り出される。そして、取り出された他の波長の信号光は、光分波器７７で分波されて、各波長毎に別々の第２光検出器７８で検出される。
【０１０２】
このように、上述の第１実施形態の変形例の光素子４（例えば図１３）は、波長分離器８１としても用いることができる。
なお、本発明は、上述した実施形態及び変形例に記載した構成に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形することが可能である。例えば、光送信素子、光受信素子、光送信装置の構成は、上述の実施形態及び変形例のものに限られるものではなく、上述の第１実施形態及び変形例の光素子を適用しうるものであれば良い。
【符号の説明】
【０１０３】
１  シリコン導波路コア
１Ａ  他のシリコン導波路コア
１Ｘ、１ＸＡ  テーパ部
２  誘電体導波路コア
２Ａ  誘電体層
２Ｘ  テーパ部
２Ｙ  斜め端面
３  回折格子（分布ブラッグ反射鏡）
４  光素子
５  Ｓｉ基板
６  ＢＯＸ層（ＳｉＯ２層）
７  ＳＯＩ層（Ｓｉ層）
８  ＳＯＩ基板
９、９Ａ  遷移領域
１０、１０Ａ  接続領域
１１  分布ブラッグ反射鏡領域
１２  クラッド層
２０  リング共振器フィルタ
２０Ａ  リング導波路
２０Ｂ、２０Ｃ  バス導波路
２１  入力導波路
２２  出力導波路
２３  光カプラ
３０  ハイブリッドレーザ
３１  利得媒質（ＳＯＡ）
３２  反射鏡（高反射膜）
３３  無反射膜
４０、４１  光素子
４２  ハイブリッドレーザ
５０  光送信素子
５１  リング光変調器
５２  光合波器
５３  出力導波路
５４  光送信装置
５５  利得媒質アレイ（ＳＯＡアレイ）
５６  反射鏡（高反射膜）
５７  無反射膜
５８  利得媒質（ＳＯＡ）
６０  光送信素子
６１  光送信装置
６２  光伝送路（光ファイバ）
７０  光受信素子
７１、７２  光カプラ
７３、７４  アーム
７５  マッハツェンダ干渉計
７６  第１光検出器
７７  光分波器
７８  第２光検出器
７９  入力導波路
８０  光通信システム
８１  波長分離器
３００シリコン側壁回折格子
【図１】
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【図２】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図３】
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【図４】
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【手続補正書】
【提出日】平成26年9月8日(2014.9.8)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
終端部へ向けて断面サイズが小さくなるテーパ部を備えるシリコン導波路コアと、
少なくとも前記テーパ部を覆って前記シリコン導波路コアに連なり、前記シリコン導波路コアよりも小さい屈折率を有し、単一モード導波路を構成する誘電体導波路コアと、
前記単一モード導波路に設けられ、分布ブラッグ反射鏡を構成する回折格子とを備えることを特徴とする光素子。
【請求項２】
前記テーパ部を備える遷移領域と、前記回折格子を備える分布ブラッグ反射鏡領域と、前記遷移領域と前記分布ブラッグ反射鏡領域とを接続する接続領域とを備えることを特徴とする、請求項１に記載の光素子。
【請求項３】
前記回折格子は、前記誘電体導波路コアと屈折率が異なり、かつ、周期的に設けられた膜によって構成されることを特徴とする、請求項１又は２に記載の光素子。
【請求項４】
前記回折格子は、前記誘電体導波路コアの断面サイズを周期的に変化させることによって構成されることを特徴とする、請求項１又は２に記載の光素子。
【請求項５】
前記誘電体導波路コアを覆うように、前記誘電体導波路コアよりも小さい屈折率を有するクラッド層を備えることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の光素子。
【請求項６】
終端部へ向けて断面サイズが小さくなるテーパ部を備える他のシリコン導波路コアを備え、
前記他のシリコン導波路コアの前記終端部が前記回折格子側になるように、前記他のシリコン導波路コアが、前記回折格子を挟んで前記シリコン導波路コアの反対側に設けられており、
前記誘電体導波路コアが、前記他のシリコン導波路コアの少なくとも前記テーパ部を覆っていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の光素子。
【請求項７】
前記シリコン導波路コアによって構成されるシリコン導波路に接続されたリング共振器フィルタを備えることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の光素子。
【請求項８】
請求項７に記載された光素子と、
前記光素子に光結合された利得媒質と、
前記シリコン導波路、前記リング共振器フィルタ及び前記利得媒質を挟んで前記分布ブラッグ反射鏡の反対側に設けられ、レーザ共振器を構成する反射鏡とを備えることを特徴とするハイブリッドレーザ。
【請求項９】
請求項１〜５のいずれか１項に記載された光素子と、
前記光素子に光結合された利得媒質と、
前記利得媒質を挟んで前記分布ブラッグ反射鏡の反対側に設けられ、レーザ共振器を構成する反射鏡とを備えることを特徴とするハイブリッドレーザ。
【請求項１０】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の光素子を複数備え、
前記複数の光素子のそれぞれに１つずつ接続された複数のリング光変調器と、
前記複数のリング光変調器のそれぞれに接続された光合波器と、
前記光合波器に接続された出力導波路とを備えることを特徴とする光送信素子。
【請求項１１】
前記複数の光素子のそれぞれに備えられる前記シリコン導波路コアによって構成されるシリコン導波路のそれぞれに１つずつ接続された複数のリング共振器フィルタと、
前記複数のリング共振器フィルタのそれぞれに１つずつ接続された複数の光カプラとを備え、
前記複数のリング光変調器は、前記複数の光カプラのそれぞれに１つずつ接続されていることを特徴とする、請求項１０に記載の光送信素子。
【請求項１２】
２つの光カプラの間に２つのアームを有するマッハツェンダ干渉計を備え、
前記２つのアームのそれぞれに、請求項１１に記載の光素子を備え、
前記２つの光カプラの一方に接続された第１光検出器と、
前記２つの光カプラの他方に接続された光分波器と、
前記光分波器に接続された第２光検出器とを備えることを特徴とする光受信素子。
【請求項１３】
請求項１０又は１１に記載の光送信素子と、
前記光送信素子に光結合され、複数の利得媒質を備える利得媒質アレイと、
前記利得媒質アレイを挟んで前記光送信素子に備えられる前記複数の分布ブラッグ反射鏡の反対側に設けられ、レーザ共振器を構成する反射鏡とを備えることを特徴とする光送信装置。
【国際調査報告】
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