(57)【要約】【課題】  簡単な構成かつ容易な加工によって中心波長の温度依存性が従来よりも小さい導波路型フィルタおよびそれを用いた半導体レーザ素子を提供すること。【解決手段】  本発明は、従来波長可変域を大きくするために用いられていたグレーティングアシストカプラを基礎とし、２つのコアおよびクラッド層の構造に一定の関係を持たせることにより、従来の常識とは全く逆に波長が変動しない導波路型フィルタを実現できる。等価屈折率の温度依存性の差により中心波長の温度依存性が決定されるため、基本モードの等価屈折率の温度依存性と１次モードの等価屈折率の温度依存性の大小関係を制御することにより、等価屈折率の温度依存性の符号にかかわらず、中心波長の温度依存性が正、ゼロ、負のいずれのフィルタも実現することができる。【選択図】  図２
2006330104.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に、第１のコアと、クラッド層を挟んで、第２のコアとが形成され、前記第１および第２のコアが、互いに近接して光学的に結合する領域を有する２つの導波路を備えた導波路型フィルタであって、
前記光学的に結合する領域に、周期Λが、前記光学的に結合する領域での導波モードのうち基本モードの等価屈折率ｎeq0および高次モードの等価屈折率ｎeq0と、信号の光中心波長λｃとを用いてΛ＝λｃ／（ｎeq0−ｎeq1）で表される屈折率の周期的な摂動が形成され、および
２つのモードの前記等価屈折率ｎeq0およびｎeq1の温度依存性ｄｎeq0／dTおよびｄｎeq1／dTの間にλｃ・（ｄｎeq0／dT−ｄｎeq1／dT）／（ｎeq0−ｎeq1）＜１０-4μｍ／℃の関係が成り立つことを特徴とする導波路型フィルタ。
【請求項２】
請求項１に記載の導波路型フィルタであって、前記第１のコアと前記第２のコアとは、前記半導体基板の一方の側面から他方の側面まで光軸方向の全てにわたって、互いに近接して光学的に結合することを特徴とする導波路型フィルタ。
【請求項３】
請求項１に記載の導波路型フィルタであって、前記第１のコアおよび前記第２のコアは、互いに近接せず、光学的に結合しない領域を有することを特徴とする導波路型フィルタ。
【請求項４】
請求項１乃至３に記載の導波路型フィルタであって、前記屈折率の周期的な摂動は、前記第１のコアおよび前記第２のコアの少なくともいずれか一方に形成されることを特徴とする導波路型フィルタ。
【請求項５】
請求項１乃至３に記載の導波路型フィルタであって、前記屈折率の周期的な摂動は、前記第１のコアと前記第２のコアとの間のクラッド層に形成されることを特徴とする導波路型フィルタ。
【請求項６】
請求項１乃至５に記載の導波路型フィルタであって、前記第１のコアと前記第２のコアは、同一面上に形成されることを特徴とする導波路型フィルタ。
【請求項７】
利得導波路と反射ミラーとにより構成されるレーザキャビティの内部に、請求項１乃至６に記載の前記導波路型フィルタを有することを特徴とする半導体レーザ素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、導波路型フィルタおよび半導体レーザ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体レーザの発振波長は、周囲温度および素子温度に依存し変化する。例えば、分布帰還型（ＤＦＢ）レーザの発振波長の温度依存性は、０．１ｎｍ／℃程度である（例えば、非特許文献１参照）。これは、半導体の屈折率（ｎ）が温度依存性を持ち、回折格子のブラッグ波長（λＢ）と屈折率（ｎ）との間に
【０００３】
【数１】
2006330104.tif 000003
【０００４】
という関係が成立しているためである。ここで、ｍは回折の次数、∧は回折格子の周期である。
【０００５】
例えば、光ファイバ通信の光源として半導体レーザを用いる場合、発光源である半導体レーザの発振波長を安定化することが必要である。特にいくつかの異波長光の信号を１本のファイバに多重化して伝送する波長多重通信（ＷＤＭ）を行う場合等、信号光波長の精度が重要である場合には、発信波長の安定化は必要不可欠である。このため、例えば、ペルチェ素子を用いて温度制御を行う必要があるが、素子構造や制御の複雑化、消費電力の増加等が問題となる。
【０００６】
ペルチェ素子等による温度制御を用いずに発振波長の温度依存性を安定させる方法には、大きく分類して２つの方法が考えられる。例えば、従来よりも屈折率の温度依存性の小さい半導体材料を開発する。すなわち、半導体のみの構成により温度依存性を低減する方法である（例えば、非特許文献２参照）。もう１つの方法は、例えば、半導体レーザと半導体以外の材料よりなる外部導波路を組み合わせたレーザ（例えば、非特許文献３参照）や、半導体と半導体とは逆の屈折率温度依存性を有する半導体以外の材料を交互に縦列接続した構造（例えば、特許文献１参照）等、半導体と半導体以外の材料の複合構成により温度依存性を低減する方法である。
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−１４２４７号公報
【非特許文献１】K.Sakai et al.,“1.５μｍ range InGaAsP/InP distributed feedback lasers”IEEE J. Quantum Electron., Aug.1982, vol. QW-18, pp.1272-1278
【非特許文献２】H,Asahi et al., jpn.J.Appl.Phys., 15 July 1996, vol.35, pp. L875-L879
【非特許文献３】T.Tanaka et al.,“Hybrid integrated external cavity laser without temperature dependent mode hopping”, Electron. Lett., 21 January 1999, vol.35, No.2, pp.149-150
【非特許文献４】D.Marcuse,“Directional Couplers Made of Nonidentical Asymmetric Slabs. Part II:Grating-Assisted Couplers”, Journal of Lightwave Technology, February 1987, vol. LT-5, pp.268-273
【非特許文献５】L.L.Buhl et al.,“Grating assisted vertical coupler/filter for extended tuning range”, Electronics Letters, 7 January 1993, vol.19, pp81-82
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、半導体のみの構成により温度依存性を低減する方法には、結晶成長や素子形成上、新しい半導体の開発が非常に困難であるという問題があった。一方、半導体以外の材料と組み合わせる方法には、光軸調整等の組み合わせ工程が煩雑または困難であるという問題があった。半導体基板上に有機材料をスピンコートする等簡便な作成法であったとしても、例えば、半導体と有機材料とを交互に縦列接続して分布反射器とするような場合がある。この場合、優れた特性の得られる１次の回折格子を作製するためには半導体と有機材料を１／４波長程度の長さで交互に並べる必要があり、加工の難易度、および、信頼性に大きな問題があった。
【０００９】
本発明の目的は、上記問題を鑑み、従来から標準的に用いられている信頼性の高い材料を用い、簡単な構成かつ容易な加工によって中心波長の温度依存性が従来よりも小さい導波路型フィルタおよびそれを用いた半導体レーザ素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、半導体基板上に、第１のコアと、クラッド層を挟んで、第２のコアとが形成され、第１および第２のコアが、互いに近接して光学的に結合する領域を有する２つの導波路を備えた導波路型フィルタであって、光学的に結合する領域に、周期Λが、光学的に結合する領域での導波モードのうち基本モードの等価屈折率ｎeq0および高次モードの等価屈折率ｎeq1と、信号の光中心波長λｃとを用いてΛ＝λｃ／（ｎeq0−ｎeq1）で表される屈折率の周期的な摂動が形成され、および２つのモードの等価屈折率ｎeq0およびｎeq1の温度依存性ｄｎeq0／dTおよびｄｎeq1／dTの間にλｃ・（ｄｎeq0／dT−ｄｎeq1／dT）／（ｎeq0−ｎeq1）＜１０-4μｍ／℃の関係が成り立つことを特徴とする。これにより、材料の屈折率の温度係数の符号にかかわらず、容易に中心波長の温度依存性を制御することが可能である。
【００１１】
請求項２記載の発明は、請求項１に記載の導波路型フィルタであって、第１のコアと第２のコアとは、半導体基板の一方の側面から他方の側面まで光軸方向の全てにわたって、互いに近接して光学的に結合することを特徴とする。
【００１２】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の導波路型フィルタであって、第１のコアおよび第２のコアは、互いに近接せず、光学的に結合しない領域を有することを特徴とする。
【００１３】
請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３に記載の導波路型フィルタであって、屈折率の周期的な摂動は、第１のコアおよび第２のコアのいずれか一方に形成されることを特徴とする。
【００１４】
請求項５に記載の発明は、請求項１乃至３に記載の導波路型フィルタであって、屈折率の周期的な摂動は、第１のコアと第２のコアとの間のクラッド層に形成されることを特徴とする。
【００１５】
請求項６に記載の発明は、請求項１乃至５に記載の導波路型フィルタであって、第１のコアと第２のコアは、同一面上に形成されることを特徴とする。
【００１６】
請求項７記載の発明は、利得導波路と反射ミラーとにより構成されるレーザキャビティの内部に、請求項１乃至６に記載の導波路型フィルタを有することを特徴とする。これにより、通常の利得媒質材料を用いて容易に発振波長の温度依存性を制御することが可能である。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の導波路型フィルタは、２つのコアおよびクラッド層の構造に一定の関係を持たせることにより、材料の屈折率の温度係数の符号にかかわらず、容易にフィルタの中心波長の温度依存性を従来よりも小さくすることが可能である。更に、本発明の導波路型フィルタを半導体レーザに適用することにより、発振波長の温度依存性を無くすことが可能な半導体レーザを実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
［実施形態１］
図１に、本発明の第１の実施形態にかかる導波路型フィルタ素子の構造を示す。第１のクラッド層を形成する半導体基板１０１上に第１のコア１０２を形成し、その上にクラッド層を挟んで、第１のコア１０２と光学的に結合する第２のコア１０３を形成する。また、第１のコア１０２と第２のコア１０３とは、半導体基板１０１の同一垂直面上に形成する。第２のコア１０３には、厚さ方向に周期Λの周期的摂動、すなわち回折格子を形成し、その上にクラッド層を形成する。
【００１９】
図２に、本発明の実施形態１にかかる導波路型フィルタの、導波路の長手方向と平行で、半導体基板に垂直な断面（図１のＡ−Ａ′断面）における構造を示す。第１のクラッド層を構成する半導体基板１０１上に、第１のコア１０２と、第２のクラッド層２０３と、第２のコア１０３と、第３のクラッド層２０５とを順に形成する。第２のコア１０３には、複素屈折率の周期Λの周期的摂動を厚さ方向に形成する。これは、第１のクラッド層１０１、第１のコア１０２、および第２のクラッド層２０３から構成される第１の導波路と、第２のクラッド層２０３、第２のコア１０３、および第３のクラッド層２０５から構成される第２の導波路とが互いに近接し、光学的に結合した状態を構成する。第１〜第３のクラッド層１０１，２０３，２０４は、例えばＩｎＰから構成することができ、第１および第２のコア１０２，１０３は例えばＩｎＧａＡｓＰにより構成することができる。また、第１のコア１０２および第２のコア１０３の組成は互いに異なるように設定することができる。例えば第１のコア１０２は、バンドギャップ波長１．３μｍのＩｎＧａＡｓＰ層を用いることができる。他方第２のコア１０３には、バンドギャップ波長１．１５μｍのＩｎＧａＡｓＰ層を用いることができる。また実施形態１では、第１のコア１０２の厚さが０．２μｍ、第２のコア１０３の厚さは０．３１７μｍ、そしてコア１とコア２に挟まれたＩｎＰクラッド層の厚さは１μｍにそれぞれ設定することができる。
【００２０】
以下に、実施形態１の動作原理および中心波長について説明する。
【００２１】
一般的に、コア１を有するシングルモード導波路１と、コア２を有するシングルモード導波路２とを互いに近接させると、２本の導波路が互いに光学的に結合し、近接部ではあたかも多モード導波路のようにふるまう。
【００２２】
すなわち、導波路１，２の各導波モードが、近接部では結合導波路の２つの導波モードに変換され、例えば、導波路１から入射した導波モード１は、結合導波路領域において許容される２つの導波モード、すなわち基本モードと１次モードとに展開される。両モードは、結合導波路内を伝搬し、光のエネルギーは伝搬距離に応じてコア１とコア２との間での移行を繰り返す。
【００２３】
導波路１と導波路２の構造が同一の場合、結合導波路領域も対称構造となり、コア１に入射した光は１００％コア２に移行する。これはよく知られている方向性結合器の基本動作原理と同一である。
【００２４】
これに対し、導波路１と導波路２の構造が異なる場合、結合導波路領域は非対称構造となり、そのままではコア１からコア２へのパワーの移行は十分には行われない。非対称構造の場合にパワーの移行を十分に行わせるためには、導波モード間の位相を整合させるための手段が必要となる。
【００２５】
位相整合のための手段としては、導波路の一部に屈折率の周期的摂動を設けることが一般的である。図１に示すような、互いに近接した光学的に結合した２本のコアからなる結合導波路の一部に、屈折率の周期的摂動が形成されているような構造は、グレーティングアシストカプラとして知られている。
【００２６】
近接する２本のコアの屈折率および厚みの少なくとも一方が異なる非対称構造の結合導波路における光の移行について説明する（非特許文献４参照）。屈折率の摂動の周期がΛのとき、ある波長λにおいて結合導波路の基本モード、１次モードの伝搬定数をそれぞれβ０，β１とすると、
【００２７】
【数２】
2006330104.tif 000004
【００２８】
を満足するような波長の光に対してコア１からコア２へ（非特許文献４ではＳＬＡＢ１からＳＬＡＢ２へ）のパワーの移行が行われる。そのため、図１のようなグレーティングアシストカプラは、波長選択制を有し、フィルタとして用いられる。グレーティングアシストカプラの波長に関しては数多くの研究がなされているが、通常のブラッググレーティングと比較して波長可変域が大きいことが知られている。電流注入２００ｍＡで３７０Åもの波長シフトが報告されている（例えば、非特許文献５参照）。
【００２９】
本発明は、従来波長可変域を大きくするために用いられていたグレーティングアシストカプラを基礎とし、２つのコアおよびクラッド層の構造に一定の関係を持たせることにより、従来の常識とは全く逆に波長が変動しない導波路型フィルタを実現できる。
【００３０】
以下に本発明の詳細な説明を述べる。伝搬定数βは波数ｋ（＝２π／λ）および等価屈折率ｎｅｑを用いてβ＝ｋ・ｎｅｑで表されるため、（１）式より中心波長λｃは
【００３１】
【数３】
2006330104.tif 000005
【００３２】
で表される。ここでｎeq0，ｎeq1は、それぞれ基本モードおよび１次モードの等価屈折率である。中心波長の温度依存性については次のように考えることができる。（２）式を温度で微分すると
【００３３】
【数４】
2006330104.tif 000006
【００３４】
で表される。
【００３５】
いま、コア１の組成の屈折率ｎ１(T) 、コア２の組成の屈折率をｎ２(T) 、クラッドの屈折率をｎｃ(T) とし、基本モードのコア１，コア２、クラッドへの閉じ込め係数をそれぞれΓｏ-ｎ1，Γｏ-ｎ２，Γｏ-ｎｃ、１次モードのコア１，コア２、クラッドへの閉じ込め係数をそれぞれΓ1-ｎ1，Γ1-ｎ2，Γ1-ｎｃとする。
閉じ込め係数Γとは、
両モードの等価屈折率の温度依存性は、コアおよびクラッド各層からの屈折率変化の寄与、すなわち各層における閉じ込め係数を考慮すると近似的に、
【００３６】
【数５】
2006330104.tif 000007
【００３７】
で表される。コア１，コア２、クラッドへの閉じ込め係数は各層の組成、膜厚等の導波路パラメータを所望の値に設定してやることにより制御可能であるため、（４）式、もしくは（５）式で表される等価屈折率の温度依存性も制御可能であることが理解できる。ＩｎＰやＧａＡｓといった通常の半導体材料を用いた場合、dｎ(t)/dT＞０であるため、（４）式、（５）式とも正の値をとる。従来の実施例で述べたようなブラッグ回折格子を用いたＤＦＢレーザ、またはＤＢＲレーザの場合、中心波長は、等価屈折率の値そのものにより決定されるため、等価屈折率の温度依存性がそのまま中心波長の温度依存性となる。したがって従来のブラッグフィルタ、ＤＦＢレーザおよびＤＢＲレーザは、必ず正の温度依存性を持つ。これに対し、本発明のグレーティングアシストカプラは、（３）式で表されるように、等価屈折率の温度依存性の差により中心波長の温度依存性が決定されるため、（４）式で表される基本モードの等価屈折率の温度依存性と（５）式で表される１次モードの等価屈折率の温度依存性の大小関係を制御することにより、等価屈折率の温度依存性の符号にかかわらず、中心波長の温度依存性が正、ゼロ（いわゆる温度無依存）、負のいずれのフィルタも実現することができる。
【００３８】
ここで実施形態１における各層の組成および膜厚について説明する。前述のとおり、第１のコア１０２にはバンドギャップ波長１．３μｍのＩｎＧａＡｓＰ層を用い、第２のコア１０３にはバンドギャップ波長１．１５μｍのＩｎＧａＡｓＰ層を用いている。また第１のコア１０２の厚さは０．２μｍ、周期的摂動が形成された第２のコア１０３の平均の厚さは０．３１７μｍ、そして第１のコア１０２と第２のコア１０３とに挟まれたＩｎＰクラッド層２０３の厚さは１μｍに、また、第２のコア１０３に形成した周期的摂動の周期∧は１０６．９μｍに設定した。
【００３９】
その結果、等価屈折率は基本モード、１次モードについてそれぞれｎeq0＝３．２１４５、ｎeq1＝３．２０００となり、さらに（２）式で示されるとおり実施形態１のグレーティングアシストカプラの中心波長は１．５５０μｍとなった。
【００４０】
また、コア１０２、コア１０３およびそれ以外のＩｎＰクラッド層の閉じ込め係数を、導波路を伝播する導波モードの電界分布から導出すると、基本モードでは、Γｏ-ｎ1＝０．２１６、Γｏ-ｎ2＝０．１３６、Γｏ-ｎｃ＝０．６４８、１次モードでは、Γ1-ｎ1＝０．１１８、Γ1-ｎ2＝０．３１２、Γ1-ｎｃ＝０．５７となった。ただしＩｎＰクラッド層の閉じ込め係数は、図１中に示したＩｎＰ層１０１，２０３，２０５のトータルの閉じ込め係数である。また、屈折率の温度依存性はＩｎＰクラッド層が dnc(T)/dT＝８．７８×１０-５、第１のコア１０２が dn1(T)/dT＝１．７８×１０-4、第２のコア１０３がdn2(T)/dT＝１．３７×１０-4であることから
【００４１】
【数６】
2006330104.tif 000008
【００４２】
となる。
【００４３】
これよりdｎeq0/dT ＝dｎeq1/dT が得られ、（３）式より
【００４４】
【数７】
2006330104.tif 000009
【００４５】
となり温度無依存が実現されていることがわかる。実際には波長依存性は厳密にゼロにする必要はなく、所望の範囲に中心波長が入るような設計をすればよい。通常の半導体材料において本構造がブラッググレーティングフィルタに対し優位となる領域、言い方を変えるとブラッグ グレーティングでは実現できず実施形態１の構造によって初めて可能となる温度依存性 dλｃ/dT ＜０．１ｎｍ／℃を実現する領域は、
【００４６】
【数８】
2006330104.tif 000010
【００４７】
で与えられる。また、上式が１０-２ｎｍ／℃よりも小さくなる領域は、半導体を用いながらガラス導波路と同等の温度依存性が得られる領域、すなわち特性が１桁以上改善される領域を示している。また、特に上式が負になる領域は、温度依存性が負になる領域を示しており、材料の屈折率の温度依存性が正の材料のみの組み合わせから中心波長の温度依存性が負であるフィルタを実現できる領域を表しており、本発明において始めて実現可能な領域を示している。
【００４８】
図３に、本発明の実施形態１にかかる導波路型フィルタの中心波長の温度依存性を示す。図中第１のコア１０２の厚さｄ１＝０．２０μｍが実施形態１に相当する。このときの温度依存性は、±２．５Å／５０℃であり、通常のブラッググレーティングフィルタの温度依存性である１Å／℃と比較して１桁以上改善される。同図には、第１のコア１０２の厚さｄ１を変化させた場合の温度特性の変化も合わせて示す。
【００４９】
ここで注目すべきは、ｄ１＝０．１９μｍの際に温度依存性が負の傾きをもっていることである。通常の半導体では、材料自体の屈折率の温度依存性が正、すなわちdn(T)/dT＞０であるため、温度依存性が dλ/dT ＜０となるフィルタは実現できないと考えられていた。実施形態１は、このように同符号の温度依存性をもつ材料のみの組み合わせで正、負もしくはゼロの温度依存性を有するフィルタ素子を実現できることを開示するものである。ｄ１＝０．２１μｍの場合は、温度依存性が０．２ｎｍ／℃と通常のブラッググレーティングの倍位以上の値となる。これは温度センシング用途に適した構造といえる。
【００５０】
図４に、本発明の実施形態１にかかる導波路型フィルタの別の構造を示す。第１のクラッド層を形成する半導体基板４０１上に第１のコア４０２を形成し、その上にクラッド層を挟んで、第１のコア４０２と光学的に結合する第２のコア４０３を形成する。第１のコア４０２と第２のコア４０３とは、半導体基板４０１の同一垂直面上に形成する。各コアは、光学的に結合しない領域も有する。第２のコア４０３には、厚さ方向に周期的な摂動を形成し、その上にクラッド層を形成する。
【００５１】
図５に、本発明の実施形態１にかかる導波路型フィルタの、導波路の長手方向と平行で、半導体基板に垂直な断面（図４のＡ−Ａ′断面）における構造を示す。第１のクラッド層を構成する半導体基板４０１上に第１のコア４０２と、第２のクラッド層５０３と、第２のコア４０３と、第３のクラッド層５０５とが順に積層されている。第２のコア４０３には、複素屈折率の周期Λの周期的摂動を導波路の厚さ方向に形成する。また、近接するコアがない第１のコア４０２のみの部分を、入力導波路５０６とし、第２のコア４０３のみの部分を、出力導波路５０８とする。フィルタ領域５０７は、第１のコア４０２と第２のコア４０３とが光学的に結合した状態にある部分とする。フィルタ領域５０７は、図１および図２に示した実施形態と同一のものである。したがって図４および図５は、図１および図２に示した実施形態に入力導波路および出力導波路を接続したものであると考えることができる。したがって動作原理その他図１および図２についての上記議論は、全てそのまま図４および図５の実施形態についてあてはまる。
【００５２】
図１、図２、図４、および図５で示した構成で用いるコア、クラッド層の材料および組成に関しては、（６）式の関係以外に特に制約を設けるものではない。通常用いられるすべての材料系のコア、クラッド層を用いた場合について本構成をとることにより上記説明のような効果が期待できる。すなわちコアおよびクラッド層に関してはＩｎＧａＡｓＰ，ＧａＡｓ，ＡｌＧａＡｓ，ＩｎＧａＡｓ，およびＧａＩｎＮＡｓ等任意の材質の組み合わせについて適用が可能である。層構造に関してもバルク、多重量子井戸（ＭＱＷ）、量子細線、量子ドットを問わず、また導波路構造に関してもｐｎ埋め込み、リッジ構造、半絶縁埋め込み構造、ハイメサ構造等を用いた場合でも同じ効果が期待できる。また、ガラス系材料、有機材料等の半導体材料以外を用いた場合でもまったく同じ効果が得られることは言うまでもない。
【００５３】
また、周期的摂動は、屈折率の周期的摂動に限定されるものではなく、利得／損失の周期的摂動であっても構わない。さらに、周期的摂動は、第２のコア１０３上に直に形成しなくとも例えば、第１のコア１０２に形成されていても、両方のコアに形成されていても良い。また実施形態２において説明するように、導波路を導波する光の電界が零でない有限な値を有する領域に形成すれば同じ効果が期待できる。
【００５４】
また、後述の実施形態３で示すように、周期的摂動は、コアの幅方向に形成しても同じ効果が期待できる。
【００５５】
［実施形態２］
図６に、本発明の実施形態２にかかる温度無依存フィルタの、導波路の長手方向と平行で、半導体基板に垂直な断面における構造を示す。第１のクラッド層を構成する半導体基板６０１上に、第１のコア６０２と、第２のクラッド層６０３と、第２のコア６０４と、第３のクラッド層６０５とを順に形成する。第１のコア６０２と第２のコア６０３とは、半導体基板６０１の同一垂直面上に形成する。第２のクラッド層６０３には、屈折率の周期的摂動６０６を形成する。本構造においても実施形態１同様に、第１のクラッド層６０１、第１のコア６０２、第２のクラッド層６０３から構成される第１の導波路と、第２のクラッド層６０３、第２のコア６０４、第３のクラッド層６０５から構成される第２の導波路とは、互いに近接し、光学的に結合した状態を構成する。
【００５６】
第１〜第３のクラッド層６０１，６０３，６０４は、例えばＩｎＰから構成することができる。第１および第２のコア６０２，６０４および屈折率の周期的摂動６０６は、例えばＩｎＧａＡｓＰにより構成することができる。また、第１のコア６０２および第２のコア６０２の組成は互いに異なるように設定することができる。例えば第１のコア６０２はバンドギャップ波長１．３μｍのＩｎＧａＡｓＰ層を用いることができ、第２のコア６０４はバンドギャップ波長１．１５μｍのＩｎＧａＡｓＰ層を用いることができる。さらに屈折率の周期的摂動６０６は例えばバンドギャップ波長１．１５μｍのＩｎＧａＡｓＰ層を用いることができる。また本実施例では第１のコア６０２の厚さは０．２μｍ、第２のコア６０４の厚さは０．３１２μｍ、屈折率の周期的摂動６０６の厚さは０．０５μｍ、そしてコア１と周期的摂動６０６とに挟まれたＩｎＰクラッド層の厚さは０．４μｍ、コア２と周期的摂動６０６とに挟まれたＩｎＰクラッド層の厚さは０．４μｍにそれぞれ設定することができる。
【００５７】
実施形態２では、屈折率の周期的摂動６０６が第２のクラッド層６０３の内部に埋め込まれているが、動作原理は図２に示した実施形態１と同じである。したがって、温度依存性を小さくする条件は、実施形態１の場合と同様に（６）式で与えられる。
【００５８】
実施形態２の構成で用いるコア、クラッド層の材料および組成に関しては、実施形態１同様に（６）式の関係以外に特に制約を設けるものではない。通常用いられるすべての材料系のコア、クラッド層を用いた場合について実施形態２の構成をとることにより、上記説明のような効果が期待できる。すなわち、コアおよびクラッド層に関してはＩｎＧａＡｓＰ，ＧａＡｓ，ＡｌＧａＡｓ，ＩｎＧａＡｓ，およびＧａＩｎＮＡｓ等任意の材質の組み合わせについて適用が可能である。層構造に関してもバルク、ＭＱＷ、量子細線、量子ドットを問わず、また導波路構造に関してもｐｎ埋め込み、リッジ構造、半絶縁埋め込み構造、ハイメサ構造等を用いた場合でも同じ効果が期待できる。また、ガラス系材料、有機材料等半導体材料以外を用いた場合でもまったく同じ効果が得られることは言うまでもない。
【００５９】
また、本実施例においても図４および図５で示したような入力導波路、出力導波路を接続した形態が可能なことは言うまでもない。
【００６０】
［実施形態３］
図７に、本発明の実施形態３にかかる導波路型フィルタ素子の構造を示す。第１のクラッド層を形成する半導体基板７０１上に第１のコア７０２を形成し、その上にクラッド層を挟んで光学的に結合する第２のコア７０３を形成する。第１のコア８０２と第２のコア８０３とは、半導体基板８０１の同一垂直面上に形成する。第２のコア７０３には、幅方向に周期的な摂動を形成し、その上にクラッド層を形成する。
【００６１】
図８に、第２のコアの長手方向の中心線を通り、半導体基板と水平な断面（図１のＢ−Ｂ′断面）における構造を示す。導波路の横方向クラッド層８０１、第２のコア８０２、横方向クラッド層８０３をそれぞれ示している。
【００６２】
実施形態３の場合も、実施形態１と同様に、第１のコア７０２およびクラッド層７０１から構成される第１の導波路と、第２のコア７０３およびクラッド層７０１から構成される第２の導波路が互いに近接し、光学的に結合した状態を形成する。実施形態３では、第２のコア７０３に、図８の８０２に示すように、複素屈折率の導波路の幅方向に周期的摂動を設ける。動作原理は、図２に示す導波路の厚さ方向に形成された周期的摂動を備えた実施形態１と同じである。
【００６３】
したがって、温度依存性を小さくする条件は、実施形態１の場合と同様に（６）式で与えられる。実施形態３の構成を実現するための材料および構造に関しても、実施形態１と全く同じ議論が成り立つ。なお、実施形態３において、周期的摂動を第２のコア７０３に形成しているが、第１のコア７０２に形成しても、両方のコアに形成しても同じ効果が期待できる。
【００６４】
また、実施形態３においても図４、図５で示したような入力導波路、出力導波路を接続した形態が可能なことは言うまでもない。
【００６５】
［実施形態４］
図９に、本発明の実施形態４にかかる導波路型フィルタ素子の構造を示す。第１のクラッド層を形成する半導体基板９０１上の同一層に、クラッド層を挟んで光学的に結合する第１のコア９０２と第２のコア９０３とを形成する。但し、第２のコア９０３には、幅方向に周期的な摂動を形成し、それらの上にクラッド層を形成する。
【００６６】
図１０に、本発明の実施形態４にかかる導波路型フィルタ素子の、導波路の長手方向と平行で、半導体基板と水平な断面（図９のＢ−Ｂ′断面）における構造を示す。導波路の横方向クラッド１００１、第１のコア９０２、横方向クラッド１００３、第２のコア９０３、および横方向クラッド１００５をそれぞれ示している。
【００６７】
実施形態４も、実施形態１と同様に、第１のコア９０２とクラッド９０１から構成される第１の導波路と、第２のコア９０３とクラッド層９０１から構成される第２の導波路が互いに近接し、光学的に結合した状態を構成する。実施形態４では、第２のコア９０３には、図８に示したように複素屈折率の周期的な摂動として導波路の幅が周期的に変化するような摂動が設けられている。図２に示した実施形態１が垂直方向に２本のコアが近接していたのに対し、実施形態４では水平方向に２本のコアが近接しているという点を除けば構成は同一であり、動作原理も同じである。したがって、温度依存性を小さくする条件は、実施形態１の場合と同様に（６）式で与えられる。
【００６８】
実施形態４の構成で用いるコア、クラッド層の材料および組成に関しては、実施形態１同様に（６）式の関係以外に特に制約を設けるものではなく、通常用いられるすべての材料系のコア、クラッド層を用いた場合について本構成をとることにより上記説明のような効果が期待できる。すなわちコアおよびクラッド層に関してはＩｎＧａＡｓＰ，ＧａＡｓ，ＡｌＧａＡｓ，ＩｎＧａＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ等任意の材質の組み合わせについて適用が可能であり、層構造に関してもバルク、ＭＱＷ、量子細線、量子ドットを問わず、また導波路構造に関してもｐｎ埋め込み、リッジ構造、半絶縁埋め込み構造を用いた場合でも同じ効果が期待できる。また、ガラス系材料、有機材料等半導体材料以外を用いた場合でもまったく同じ効果が得られることは言うまでもない。
【００６９】
なお、実施形態４では周期的摂動が第２のコア９０３に形成しているが、この周期的摂動は、第１のコア９０２に形成しても、または両方のコアに形成されていても同じ効果が期待できる。
【００７０】
また、実施形態４においても図４，図５で示したような入力導波路、出力導波路を接続した形態が可能なことは言うまでもない。
【００７１】
また、周期的摂動は、導波路の厚さ方向に形成されていても同じ効果が期待でき、さらに図６に示したように２本の近接するコアの間に、２本のコアとは独立して形成されていても構わない。
【００７２】
［実施形態５］
図１１に、本発明の実施形態５にかかるレーザ素子の構造を示す。半導体基板１１０１上に光軸の一致した利得を有する活性コア１１０２と、第１のコア１１０３とを形成し、その上にクラッド層を挟んで、第１のコア１１０３と光学的に結合する第２のコア１１０４を形成する。第１のコア１１０３および活性コア１１０２と第２のコア１１０４とを、半導体基板１１０１の同一垂直面上に形成する。第２のコア１１０４には、第１のコア１１０３と光学的に結合する領域において、厚さ方向に周期Λの周期的摂動を形成し、その上にクラッド層を形成する。
【００７３】
図１２に、本発明の実施形態５にかかるレーザ素子の、導波路の長手方向と平行で、半導体基板に垂直な断面（図１１におけるＡ−Ａ′断面）における構造を示す。半導体基板１１０１上に、利得媒質からなる活性コア１１０２と第１のコア１１０３とを光軸が一致するように形成する。この上に第２のクラッド層１２０４を形成し、第１のコア１１０３と光学的に結合する領域では周期的摂動を有する第２のコア１１０４を形成する。さらにその上に第３のクラッド層１２０６を形成する。加えて、反射ミラー１２０７，１２０８を導波路に垂直な入出力端面にそれぞれ形成する。フィルタ領域１２０９は、実施形態１において説明した導波路型フィルタを構成している。
【００７４】
本発明の実施形態５における要点は、反射ミラー１２０７および１２０８と、利得媒質からなる活性コア１１０２とを含むレーザキャビティの内部に、本発明の実施形態１〜４において説明した所望の温度依存性を有する波長フィルタ、つまり波長選択機構を備えることである。したがって、温度依存性を小さくする条件は、実施形態１の場合と同様に（６）式で与えられる。これにより、所望の温度依存性を有するレーザ素子を実現することができる。
【００７５】
利得媒質からなる活性コア１１０２を伝搬した光は、フィルタ領域１２０９の第１のコア１１０３に入射する。前述のとおり、フィルタ領域１２０９では波長λｃの光が第２のコア１１０５に乗り移り、反射ミラー１２０８まで伝搬する。反射ミラー１２０８で反射された光は、再びフィルタ領域に今度は第２のコアから入射する。この波長λｃの光は、今回はフィルタ領域において第２のコアから第１のコアにパワー移行し、再度活性コア１１０２で増幅され反射ミラー１２０７に到達する。反射ミラー１２０７で反射された光は再び活性コア１１０２に入射する。このようにフィルタ領域の中心波長で決まる波長を有する光が２つの反射ミラーと利得媒質からなる活性コアおよびフィルタ領域により形成されるレーザキャビティ内を伝搬する。これにより発振波長は、フィルタ領域の中心波長に決まる。  前述のとおりフィルタ領域の中心波長は、温度無依存化が可能であるため、実施形態５の構造を用いれば発振波長の温度無依存化が可能となる。また、前述のように温度依存性が負のフィルタを実現可能にするため、発振波長の温度依存性も負となるようなレーザ素子も実施形態５の構造を用いれば実現可能である。
【００７６】
本構成で用いる活性コア１１０２の構造に関しては、特に制約を設けるものではなく、通常用いられるすべての構造の活性コアについて実施形態５の構成をとることにより上記説明のような効果が期待できる。すなわち活性コアに関してはＩｎＧａＡｓＰ，ＧａＡｓ，ＡｌＧａＡｓ，ＩｎＧａＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ等任意の材質について適用が可能であり、活性コア構造に関しても、バルク、ＭＱＷ、量子細線、量子ドットを問わず、また活性コア領域の導波路構造に関してもｐｎ埋め込み、半絶縁埋め込み構造、酸化狭窄構造等を用いた場合でも同じ効果が期待できる。基板に関してもｎ型、ｐ型、半絶縁型等でも同じ効果が得られることは言うまでもない。
【００７７】
また、活性コア以外の導波路材料、構造についても、コアおよびクラッド層に関してはＩｎＧａＡｓＰ，ＧａＡｓ，ＡｌＧａＡｓ，ＩｎＧａＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ等任意の材質の組み合わせについて適用が可能であり、層構造に関してもバルク、ＭＱＷ、量子細線、量子ドットを問わず、また導波路構造に関してもｐｎ埋め込み、リッジ構造、半絶縁埋め込み構造、ハイメサ構造等を用いた場合でも同じ効果が期待できる。また、ガラス系材料、有機材料等半導体材料以外を用いた場合でもまったく同じ効果が得られることは言うまでもない。
【００７８】
実施形態５においては、フィルタ領域として図１および図２に示す実施形態１の構造を用いた場合について説明してきたが、図４〜図１０のいずれかに示すフィルタを用いた場合でも同じ効果が期待できることは言うまでもない。
【００７９】
また活性コア１１０２は、第２のコア１１０４と光学的に結合する領域を有していても同じ効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】本発明の第１の実施形態にかかる導波路型フィルタ素子の構造を示す図である。
【図２】本発明の実施形態１にかかる導波路型フィルタの、導波路の長手方向と平行で、半導体基板に垂直な断面（図１のＡ−Ａ′断面）における構造を示す断面図である。
【図３】本発明の実施形態１にかかる導波路型フィルタの中心波長の温度依存性を示す図である。
【図４】本発明の実施形態１にかかる導波路型フィルタの別の構造を示す図である。
【図５】本発明の実施形態１にかかる導波路型フィルタの、導波路の長手方向と平行で、半導体基板に垂直な断面（図４のＡ−Ａ′断面）における構造を示す断面図である。
【図６】本発明の実施形態２にかかる温度無依存フィルタの、導波路の長手方向と平行で、半導体基板に垂直な断面における構造を示す図である。
【図７】本発明の実施形態３にかかる導波路型フィルタ素子の構造を示す図である。
【図８】第２のコアの長手方向の中心線を通り、半導体基板と水平な断面（図１のＢ−Ｂ′断面）における構造を示す断面図である。
【図９】本発明の実施形態４にかかる導波路型フィルタ素子の構造を示す図である。
【図１０】本発明の実施形態４にかかる導波路型フィルタ素子の、導波路の長手方向と平行で、半導体基板と水平な断面（図９のＢ−Ｂ′断面）における構造を示す断面図である。
【図１１】本発明の実施形態５にかかるレーザ素子の構造を示す図である。
【図１２】本発明の実施形態５にかかるレーザ素子の、導波路の長手方向と平行で、半導体基板に垂直な断面（図１１におけるＡ−Ａ′断面）における構造を示す断面図である。
【符号の説明】
【００８１】
１０１  第１のクラッド層を形成する半導体基板
１０２  第１のコア
１０３  第２のコア
１０４  クラッド層
２０３  第２のクラッド層
２０５  第３のクラッド層
４０１  第１のクラッド層を形成する半導体基板
４０２  第１のコア
４０３  第２のコア
４０４  クラッド層
５０３  第２のクラッド層
５０５  第３のクラッド層
５０６  入力導波路
５０７  フィルタ領域
５０８  出力導波路
６０１  第１のクラッド層を形成する半導体基板
６０２  第１のコア
６０３  第２のクラッド層
６０４  第２のコア
６０５  第３のクラッド層
６０６  屈折率の周期的摂動
７０１  第１のクラッド層を形成する半導体基板
７０２  第１のコア
７０３  第２のコア
７０４  クラッド層
８０１  横方向クラッド
８０３  横方向クラッド
９０１  第１のクラッド層を形成する半導体基板
９０２  第１のコア
９０３  第２のコア
９０４  クラッド層
１００１  横方向クラッド
１００３  横方向クラッド
１００５  横方向クラッド
１１０１  第１のクラッド層を形成する半導体基板
１１０２  活性コア
１１０３  第１のコア
１１０４  第２のコア
１１０５  クラッド層
１２０４  第２のクラッド層
１２０６  第３のクラッド層
１２０７  反射ミラー
１２０８  反射ミラー
１２０９  フィルタ領域
【図１】
2006330104.tif 000011
【図２】
2006330104.tif 000012
【図３】
2006330104.tif 000013
【図４】
2006330104.tif 000014
【図５】
2006330104.tif 000015
【図６】
2006330104.tif 000016
【図７】
2006330104.tif 000017
【図８】
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【図９】
2006330104.tif 000019
【図１０】
2006330104.tif 000020
【図１１】
2006330104.tif 000021
【図１２】
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