(57)【要約】【課題】半導体光装置において温度が変化しても出力光の変動を抑制する。【解決手段】半導体光装置１は、半導体光増幅器２と光波長選択素子３とを有し、光波長選択素子３は第１の光導波路２１と、第１の光導波路２１の結合導波路３２に光学的に結合されるリング共振器２２を有する。さらに、リング共振器２２と光学的に結合される結合導波路４１を含む第２の光導波路２３が設けられており、第２の光導波路２３には、波長選択反射鏡２４が形成されている。波長選択反射鏡２４は、垂直回折格子２５からなり、リング共振器２２で選択された共振モードのピークのうち、１つの共振モードのピークの波長を有する光を反射する。【選択図】図１
2011253930.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を増幅する第１の光素子と、
前記第１の光素子に接続される第２の光素子と、
を有し、
前記第２の光素子は、
前記第１の光素子の一端に光学的に結合される第１の光導波路と、
前記第１の光導波路に光学的に結合されるリング共振器と、
前記リング共振器に光学的に結合される第２の光導波路と、
前記第２の光導波路に導かれた光が入射する波長選択反射鏡と、
前記第１の光素子の他端に設けられ、前記波長選択反射鏡と共振器を形成する反射膜と、
を含む半導体光装置。
【請求項２】
前記第１の光導波路と、前記リング共振器と、前記第２の光導波路と、前記波長選択反射鏡とが、同じ基板上に形成されている請求項１に記載の半導体光装置。
【請求項３】
前記波長選択反射鏡は、導波路の両側部に凹凸を周期的に設けた垂直回折格子である請求項１又は請求項２に記載の半導体光装置。
【請求項４】
前記波長選択反射鏡の反射率スペクトルの３ｄＢ帯域は、前記リング共振器の共振モードの複数のピークの発生間隔以上で、かつ前記発生間隔の１．５倍以下である請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の半導体光装置。
【請求項５】
前記リング共振器は、リング状の光導波路を有し、前記第１の光導波路、及び前記第２の光導波路は、それぞれが前記リング状の光導波路に沿って湾曲する結合導波路を有する請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の半導体光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバ通信や光インターコネクトにおいては、発光素子とシリコン（Ｓｉ）光導波路をハイブリッド積層した半導体光装置が光源などとして用いられる。このような半導体光装置では、低い消費電力で動作できると共に、モジュールを小型化できるという利点を有する。
【０００３】
これまでに開発されている半導体光装置としては、発光素子から出力される光の波長を複数のリング共振器を有する多重リング共振器を用いて選択し、発振させる外部共振型レーザがある。
【０００４】
ここで、多重リング共振器としては、特定の波長の光に共振する波長固定用リング状導波路と、共振波長を調整可能な波長可変用リング状導波路とを有するものが知られている。波長可変用リング状導波路には、膜状ヒータが取り付けられており、膜状ヒータで導波路の屈折率を変化させることで、波長可変用リング状導波路の共振波長を変化させている。このような多重リング共振器では、２つのリング状導波路の共振波長を僅かに異ならせることにより生じるバーニア効果によって発振波長を厳密に選択できる。
【０００５】
また、半導体光装置の他の例としては、３つのリング共振器を直列に光結合した波長フィルタと、リング共振器型の光変調器とを備えるものがある。光変調器には、導波路の屈折率を変化させるための電極が設けられている。波長フィルタと光変調器のそれぞれは、リング状導波路を有し、同一の基板上に集積され、実質的に同一の導波路構造を形成している。これにより、波長フィルタと光変調器の各光導波路の屈折率が一致し易くなり、光変調器の発振波長と発光素子の発振波長とを合わせ易くなる。なお、波長フィルタでは、複数のリング共振器が直列に光結合されるので、波長フィルタを通過する光の狭帯域化が図られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−２４５３４４号公報
【特許文献２】特開２０１０−２７６６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来の半導体光装置では、外部環境などにより温度が変化したときに、光導波路の屈折率が変化し、出力光の強度が大きく変動し易かった。即ち、複数のリング共振器を用いたときに得られるバーニア効果を用いて発振波長を厳密に選択する従来の半導体光装置では、温度変化によって各リング共振器の共振モードがずれると、全てのリング共振器を通過する光の光量が減少するので出力強度が大きく変動してしまう。このため、この半導体光装置では、リング共振器の温度を常にモニタしながら共振波長を調整する必要があった。
【０００８】
また、リング共振器を用いた波長フィルタと光変調器を有する従来の半導体光装置では、波長フィルタを構成する３つのリング共振器に温度調整機能がないため、各リング共振器を高い精度で製造しなければ、温度が変化したときに、波長フィルタの３つのリング共
振器の共振モードがずれて出力が変動し易かった。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、温度が変化しても出力光の変動を抑制する半導体光装置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】
【０００９】
本願の一観点によれば、光を増幅する第１の光素子と、前記第１の光素子に接続される第２の光素子と、を有し、前記第２の光素子は、前記第１の光素子の一端に光学的に結合される第１の光導波路と、前記第１の光導波路に光学的に結合されるリング共振器と、前記リング共振器に光学的に結合される第２の光導波路と、前記第２の光導波路に導かれた光が入射する波長選択反射鏡と、前記第１の光素子の他端に設けられ、前記波長選択反射鏡と共振器を形成する反射膜と、を含む半導体光装置が提供される。
【発明の効果】
【００１０】
本願の半導体光装置では、リング共振器を介して第２の光導波路に伝播した光のうち、波長選択反射鏡で選択された光を共振させることで特定の波長の光を出力することが可能になる。温度変化によってリング共振器の透過率特性と波長選択反射鏡の反射率特性が変化しても、リング共振器を透過した光を波長選択反射鏡で安定して反射させることができ、出力の変動を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、本発明の第１の実施の形態に係る半導体光装置の概略構成を示す図である。
【図２】図２は、本発明の第１の実施の形態に係る図１のＩ−Ｉ線に沿った断面図であって、第１の光素子の構成を示す断面図である。
【図３】図３は、本発明の第１の実施の形態に係る図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図であって、第２の光素子の構成を示す断面図である。
【図４】図４は、本発明の第１の実施の形態に係る図１の一部拡大図であって、波長選択反射鏡の構成を示す図である。
【図５】図５は、本発明の第１の実施の形態に係る図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図であって、波長選択反射鏡の構成を示す図である。
【図６Ａ】図６Ａは、本発明の第１の実施の形態に係る第２の光素子の製造工程を示す断面図（その１）である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、本発明の第１の実施の形態に係る第２の光素子の製造工程を示す断面図（その２）である。
【図７】図７は、本発明の第１の実施の形態に係るリング共振器の透過率特性と、波長選択反射鏡の反射率特性を示す図である。
【図８】図８は、本発明の第１の実施の形態に係る波長選択反射鏡の凸部の幅と３ｄＢ帯域の関係を示す図である。
【図９】図９は、本発明の第１の実施の形態に係る波長選択反射鏡の凸部の幅と反射率の関係を示す図である。
【図１０】図１０は、本発明の第１の実施の形態に係るリング共振器に合わせた結合導波路の形状を説明する図である。
【図１１】図１１は、本発明の第１の実施の形態に係る結合長と透過率の関係を示す図である。
【図１２】図１２は、本発明の第１の実施の形態に係るリング共振器の１つの共振モードのピーク位置の温度依存性を調べた結果を示す図である。
【図１３】図１３は、本発明の第１の実施の形態に係る波長選択反射鏡の反射率プロファイルの温度依存性を調べた結果を示す図である。
【図１４】図１４は、本発明の第１の実施の形態の変形例に係る半導体光装置の概略構成を示す図である。
【図１５】図１５は、本発明の第１の実施の形態の別の変形例に係る半導体光装置の概略構成を示す図である。
【図１６】図１６は、本発明の第２の実施の形態に係る半導体光装置の概略構成を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
発明の目的および利点は、請求の範囲に具体的に記載された構成要素および組み合わせによって実現され達成される。
前述の一般的な説明および以下の詳細な説明は、典型例および説明のためのものであって、本発明を限定するためのものではない、と理解すべきである。
【００１３】
以下に、図面を参照して本発明の好ましい実施形態を説明する。図面において、同様の構成要素には同じ参照番号が付されている。
（第１の実施の形態）
図１に第１の実施の形態に係る半導体光装置の概略構成を示す。
図１の平面図に示すように、第１の実施の形態の半導体光装置１は、第１の光素子である半導体光増幅器（ＳＯＡ:Semiconductor Optical Amplifier）２と、第２の光素子である光波長選択素子３とを有する。
【００１４】
最初に、図１と、図１のＩ−Ｉ線に沿った断面図である図２を参照して、半導体光増幅器２の構成の一例について説明する。
図２に示すように、半導体光増幅器２は、基板１０上に第１のクラッド層１１と、第１の光閉じ込め層１２と、光導波路となる活性層１３と、第２の光閉じ込め層１４と、第２のクラッド層１５とが順番に積層された光導波路構造を有する積層体１６を有する。
【００１５】
ここで、基板１０には、III−Ｖ族の化合物半導体、例えば、ｎ型ＩｎＰが用いられており、基板１０上の第１のクラッド層１１には、ｎ型ＩｎＰが用いられている。第１の光閉じ込め層１２には、アンドープのＩｎＧａＡｓＰが用いられる。活性層１３は、アンドープのＩｎＧａＡｓからなり、半導体光増幅器２の発光波長が例えば１．５５μｍ付近になるように、組成及び膜厚が調整されている。また、第２の光閉じ込め層１４には、アンドープＩｎＧａＡｓＰが用いられ、第２の光閉じ込め層１４の上にはｐ型ＩｎＰからなる第２のクラッド層１５と、ｐ型ＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層１５Ａとが順次形成されている。そして、コンタクト層１５Ａ上には、ｐ側電極１７が設けられ、基板１０の下面にはｎ側電極１８が形成されている。
【００１６】
さらに、上記の積層体１６は、エッチングによって半導体光増幅器２の軸方向に延びるメサストライプ形状を形成している。図１に示すように、メサストライプ状の積層体１６は、光波長選択素子３に接続される半導体光増幅器２の一方の端面２Ａに垂直な方向に対して、７°の角度で斜交するように形成されており、一方の端面２Ａから活性層１３への光の反射による帰還を抑制している。
【００１７】
半導体光増幅器２の一方の端面２Ａと、その反対側の他方の端面２Ｂとは、基板１０をへき開させることによりそれぞれ形成されている。半導体光増幅器２の一方の端面２Ａは、図示を省略するゲル状のマッチングオイルを介して光波長選択素子３に接続されている。半導体光増幅器２の他方の端面２Ｂには、高反射膜１９が形成されている。高反射膜１９は、例えば、電子ビーム蒸着により形成されている。
【００１８】
次に、図１と、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である図３を参照して光波長選択素子３の構成について説明する。
図１及び図３に示すように、光波長選択素子３は、例えばＳｉからなる基板２０を有す
る。基板２０の上には、第１の光導波路２１と、リング共振器２２と、第２の光導波路２３とが設けられている。さらに、第２の光導波路２３には、波長選択反射鏡２４が形成されている。第１、第２の光導波路２１，２３、及びリング共振器２２の幅は、それぞれ、例えば、０．５μｍになっている。
【００１９】
図３に示すように、第１の光導波路２１は、基板２０上のＳｉＯ２からなるクラッド層２６Ａ，２６Ｂに周囲を囲まれたコア２７Ａを有する。コア２７Ａには、クラッド層２６Ａ，２６Ｂよりも大きな屈折率を有する材料、例えばＳｉが用いられる。
図１に示すように、第１の光導波路２１は、光波長選択素子３の一方の端面３Ａから他方の端面３Ｂまで延び、その途中でリング共振器２２の形状に沿って一部が湾曲している。第１の光導波路２１の湾曲部分は、リング共振器２２と光結合される結合導波路３２になっている。
【００２０】
さらに、第１の光導波路２１において、光波長選択素子３の他方の端面３Ｂから湾曲部分である結合導波路３２までの間が、半導体光増幅器２からの光が入力される入力ポート３１になっている。入力ポート３１の入力端３１Ａは、他方の端面３Ａに垂直な方向に対して１５°の角度で斜交している。入力端３１Ａを他方の端面３Ａに対して斜交させることで、第１の光導波路２１を伝播する光が端面３Ｂでの反射により入力ポート３１に帰還することを抑制できる。
【００２１】
さらに、結合導波路３２から光波長選択素子３の一方の端面３Ａまでがスルーポート３３になっている。スルーポートの一方の端面３Ａは、光を外部に出力する出力端３３Ａ（第１の出力端）になっている。出力端３３Ａは、光波長選択素子３の一方の端面３Ａに垂直な方向に対して、１５°の角度で斜交させており、端面３Ａの反射による第１の光導波路２１への光の帰還を抑制している。なお、光波長選択素子３の一方の端面３Ａには、無反射膜３５が電子ビーム蒸着によって形成されている。
【００２２】
リング共振器２２は、第１の光導波路２１の結合導波路３２に光学的に結合可能な位置に形成されている。
リング共振器２２は、閉ループのリング状光導波路３６を有する。図３に示すように、リング状光導波路３６のコア２７Ｂの断面形状は、第１の光導波路２１のコア２７Ａと同様になっている。すなわち、リング状光導波路３６は、基板２０上のクラッド層２６Ａ，２６Ｂに周囲を囲まれたコア２７Ｂを有する。図１に示すように、リング状光導波路３６は、平面視で円形になっており、その半径Ｒは、例えば８μｍである。
【００２３】
また、第２の光導波路２３は、リング共振器２２を挟んで第１の光導波路２１と対向する位置に形成されている。第２の光導波路２３は、リング共振器２２に近接して配置される円弧状の結合導波路４１を有し、結合導波路４１より光波長選択素子３の一方の端面３Ａ側がアッドポート４２になっている。アッドポート４２の端面３Ａ近傍は、光を外部に出力する出力端４２Ａ（第２の出力端）になっている。出力端４２Ａは、光波長選択素子３の一方の端面３Ａに垂直な方向に対して１５°の角度で斜交させており、端面３Ａの反射による第１の光導波路２１への光の帰還を抑制している。
【００２４】
さらに、第２の光導波路２３の結合導波路３２からは、ドロップポート４３がアッドポート４２とは反対側に延びている。ドロップポート４３は、光波長選択素子３の他方の端面３Ｂに向かって延び、円弧状に湾曲し、再び光波長選択素子３の一方の端面３Ａまで延びて出力端４３Ａを形成するような、略Ｕ字形状を有する。出力端４３Ａは、光波長選択素子３の一方の端面３Ａに垂直な方向に対して、１５°の角度で斜交させており、端面３Ａから第１の光導波路２１への反射による光の帰還を抑制している。なお、ドロップポート４３の出力端４３Ａを無反射膜３５を設けた端面３Ａに導波することで、出力端４３Ａ
における出力が迷光として光波長選択素子３内部に留まることが防止される。
【００２５】
ここで、第２の光導波路２３の結合導波路３２とドロップポート４３の湾曲部分の間には、波長選択反射鏡２４が形成されている。
図４の拡大平面図と、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である図５に示すように、波長選択反射鏡２４には、第２の光導波路２３に形成された垂直回折格子２５が用いられている。垂直回折格子２５は、第２の光導波路２３のコア２７Ｃの両側に突出する凸部２５Ａが、第２の光導波路２３の長手方向に周期的に設けられた櫛波形を有する。凸部２５Ａは、第２の光導波路２３の側部のそれぞれの同じ位置に、同じ形状で、かつ同一の周期で配置されている。
【００２６】
凸部２５Ａが形成される周期Ｔは、反射する光の波長に応じて定められている。例えば、波長１．５５μｍ帯の光を選択的に反射するときには、周期Ｔを３００ｎｍにする。また、凸部２５Ａの幅Ｗは、例えば、３０ｎｍ〜１５０ｎｍとする。さらに、各凸部２５Ａの長さＬ及び繰り返し数Ｎは、例えば、長さＬが１００ｎｍで繰り返し数Ｎが２００回になっている。ここで、長さＬが長くなると、光の反射率が大きくなる。また、繰り返し数Ｎが多くなると、光の反射率が大きくなる。なお、凸部２５Ａの長さＬを長くすると、反射される光の帯域を広くすることができる。
そして、このような波長選択反射鏡２４と、半導体光増幅器２の高反射膜１９を形成した他方の端面２Ｂとの間で、第１、第２の光導波路２１，２３及びリング共振器２２により、共振器が形成される。
【００２７】
次に、半導体光装置１の製造方法について説明する。
最初に、図２に示した半導体光増幅器２の形成方法について説明する。
まず、基板１０上には、第１のクラッド層１１としてｎ型ＩｎＰをエピタキシャル成長させる。さらに、第１のクラッド層１１の上に、第１の光閉じ込め層１２として、アンドープＩｎＧａＡｓＰをエピタキシャル成長させる。続いて、第１の光閉じ込め層１２の上に、活性層１３として、アンドープＩｎＧａＡｓをエピタキシャル成長させる。この上に、第２の光閉じ込め層１４としてアンドープＩｎＧａＡｓＰをエピタキシャル成長させた後、ｐ型ＩｎＰをエピタキシャル成長させて第２のクラッド層１５を形成し、その上にｐ型ＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層１５Ａを形成する。そして、コンタクト層１５Ａ上にｐ側電極１７を形成した後、基板１０の下側主面上にｎ側電極１８が形成される。
【００２８】
続いて、第１の光閉じ込め層１２から第２の光閉じ込め層１４までの積層体１６を、例えば、ドライエッチング法を用いてパターニングし、半導体光増幅器２の軸方向に延在し、かつ端面２Ａに垂直な方向に対して７°で斜交するメサストライプを形成する。なお、メサストライプ状の積層体１６の両側には、図示を省略する電流狭搾領域が再成長工程により形成される。
【００２９】
次に、光波長選択素子３の形成方法について説明する。
図６Ａに示すように、光波長選択素子３には、Ｓｉの基板２０上にＳｉＯ２からなるクラッド層２６Ａと、単結晶のＳｉの薄膜５０とを積層させたＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板５１が用いられる。なお、クラッド層２６Ａの膜厚は、Ｓｉの薄膜５０でコア２７Ａ〜２７Ｃを形成したときに、コア２７Ａ〜２７Ｃと基板２０のＳｉとが光学的に結合されないような厚さに形成される。
【００３０】
続いて、図６Ｂに示すように、ＳＯＩ基板５１のＳｉの薄膜５０を例えばマスクを用いたドライエッチングにより加工し、第１、第２の光導波路２１，２３となるワイヤ状のコア２７Ａと、リング共振器２２となる真円のコア２７Ｂとを形成する。各コア２７Ａ〜２７Ｃの幅は５μｍとする。また、このとき、波長選択反射鏡２４の形成位置には、コア２
７Ａの両側に凸部２５Ａが周期的に複数形成された櫛歯を形成する。
【００３１】
さらに、図３に示すように、クラッド層２６Ａ上にＳｉＯ２からなるクラッド層２６Ｂを、各コア２７Ａ〜２７Ｃ及び凸部２５Ａを覆う膜厚に形成する。これにより、コア２７Ａ〜２７Ｃがクラッド層２６Ａ，２６Ｂに埋め込まれて、各光導波路２１、２３およびリンク共振器２２が形成される。さらに、櫛歯状に形成された凸部２５Ａがクラッド層２６Ａ，２６Ｂに埋め込まれることで、波長選択反射鏡２４が形成される。
【００３２】
この後、基板２０をダイシングにより切断し、一方の端面３Ａ及び他方の端面３Ｂをそれぞれ鏡面研磨する。さらに、一方の端面３Ａに無反射膜３５を電子ビーム蒸着により形成する。これにより、光波長選択素子３が形成される。そして、光波長選択素子３にマッチングオイルを介して半導体光増幅器２を取り付けると、半導体光装置１の製造が完了する。
【００３３】
次に、半導体光装置１の動作について説明する。
まず、半導体光増幅器２の電極１７，１８間に駆動バイアスを印加する。これにより、活性層１３で誘導放出が生じさせて、半導体光増幅器２が増幅された自然光の放出を開始する 。この光は、半導体光増幅器２の一方の端面２Ａから光波長選択素子３の第１の光導波路２１の入力端３１Ａに入射され、第１の光導波路２１を伝播し、一部の光が結合導波路３２によってリング共振器２２に光学的に結合される。
【００３４】
ここで、リング共振器２２に光学的に結合される光の波長は、リング共振器２２の共振波長に等しくなる。リング共振器２２の共振波長は、リング共振器２２に固有の共振モードのピークにより規定される。
【００３５】
図７のラインＬ１に示すように、共振モードのピークは、単一ではなく、光路長に応じて規定されるフリー・スペクトラル・レンジ（ＦＳＲ）の間隔で透過率のピークが複数現れる。ＦＳＲ値は、リング共振器２２のリング状光導波路３６の周長Ｌと次の関係にある。
【００３６】
ＦＳＲ＝ｃ／ｎ・Ｌ
なお、ｃは光速を示し、ｎは光導波路の屈折率を示す。
ここで、図７において、横軸は波長を示し、縦軸は透過率を示す。このリング共振器２２において、共振モードのピークは、λ１、λ２、λ３、λ４、λ５というように、等間隔で現れ、その周期は例えば約１０ｎｍである。
【００３７】
また、リング共振器２２は、リング共振器２２に近接して配置された第２の光導波路２３の結合導波路４１に光学的に結合される。これにより、第１の光導波路２１に入力された光のうち、リング共振器２２の共振波長と同じ波長の光は、リング共振器２２から結合導波路４１を通して第２の光導波路２３に伝播される。具体的には、図７のラインＬ１に示す櫛歯型のスペクトルを有する光が第２の光導波路２３に伝播される。このように、リング共振器２２は、光周波数フィルタとしての作用を示す。
【００３８】
さらに、リング共振器２２から第２の光導波路２３に伝播した光は、波長選択反射鏡２４に入射する。波長選択反射鏡２４は、図７のラインＬ２に示すような反射率特性を有する。波長選択反射鏡２４の反射率特性は、中心波長が垂直回折格子２５の凸部２５Ａの周期Ｔによって定まり、３ｄＢ帯域が凸部２５Ａの幅Ｗで決まる。
【００３９】
さらに、図８及び図９を参照して、図４及び図５に示す垂直回折格子２５の反射率特性の詳細について説明する。なお、図８の横軸は、垂直回折格子２５の凸部２５Ａの幅Ｗを
示し、縦軸は垂直回折格子２５の反射波長の３ｄＢ帯域の大きさを示す。また、図９の横軸は、垂直回折格子２５の凸部２５Ａの幅Ｗを示し、縦軸は垂直回折格子２５の反射率を示す。なお、図８及び図９は、図４に示す周期Ｔが３００ｎｍ、長さＬが１００ｎｍ、繰り返し数Ｎが２００回の垂直回折格子２５についての結果が示されている。
【００４０】
図８に示すように、垂直回折格子２５の反射率の３ｄＢ帯域は、凸部２５Ａの幅Ｗが１００ｎｍ付近が最も広く、それより幅Ｗが減少又は増大するにつれて、徐々に減少する。図８からは、凸部２５Ａの幅Ｗを３０ｎｍから１５０ｎｍにすれば、反射波長の３ｄＢ帯域を１０ｎｍから１５ｎｍに納められることがわかる。
また、図９に示すように、垂直回折格子２５の反射率は、凸部２５Ａの幅Ｗが１００ｎｍ付近で最も大きく、それよりも凸部２５Ａの幅Ｗが小さくなると減少する。また、凸部２５Ａの幅が大きくなると反射率は減少する。そして、凸部２５Ａの幅Ｗを３０ｎｍから１５０ｎｍにすれば、−１ｄＢ以上の反射率が得られることがわかる。
【００４１】
ここで、図７に示すように、リング共振器２２の共振モードのピークは、ラインＬ１に示すように１０ｎｍ以下の間隔で周期的に現れる。これに対し、ラインＬ２に示すように、波長選択反射鏡２４は、３ｄＢ帯域が１０ｎｍ〜１５ｎｍで、共振モードのピークのプロファイルよりブロードな反射率プロファイルを有する。その結果、波長選択反射鏡２４は、ターゲットとなる波長付近の１つの共振モードのピークとそのピークを中心にした３ｄＢ帯域の波長の光のみを反射する。具体的には、波長選択反射鏡２４では、第２の光導波路２３に伝播した光のうち、波長λ３に相当する波長の光のみが反射される。
【００４２】
このように、リング共振器２２の共振モードのピークの発生間隔である１０ｎｍに対し、波長選択反射鏡２４の反射率の３ｄＢ帯域を１０ｎｍ〜１５ｎｍ、つまり１倍〜１．５倍にすることで、いずれか１つの共振モードのピークの光を確実に反射することが可能になる。
【００４３】
なお、３ｄｂ帯域が共振モードのピークの発生間隔より小さいと、共振モードのピークと反射率特性がずれたときには光の反射量が減少してしまうので、出力が不安定になり易い。また、３ｄｂ帯域が共振モードのピークの発生間隔の１．５倍より大きいと、共振モードのピークと反射率特性がずれたときなどに、波長の異なる複数の共振モードのピークの光が反射されてしまい、１つの共振モードのピークを選択できなくなる。
【００４４】
そして、波長選択反射鏡２４で選択的に反射された光は、第２の光導波路２３の結合導波路４１からリング共振器２２に伝播すると共に、出力端４２Ａに導かれる。
リング共振器２２に伝播した反射光は、第１の光導波路２１の結合導波路３２に伝播され、第１の光導波路２１から半導体光増幅器２に入射する。さらに、反射光は、半導体光増幅器２の他方の端面２Ｂにおいて高反射膜１９で反射される。
【００４５】
このようにして、波長λ３を中心波長とした３ｄＢ帯域の光が、高反射膜１９と波長選択反射鏡２４との間で繰り返して折り返されることで、この波長帯域の光の強度が強められ、レーザ発振を起こす。このようにして発振させた光は、第１、第２の光導波路２１，２３の出力端３３Ａ，４２Ａから半導体光装置１の外部に出力される。
【００４６】
ここで、図１０及び図１１を参照して、光導波路２１，２３とリング共振器２２の結合長と透過率の関係について説明する。
まず、図１０に示すように、この実施の形態では、各光導波路２１，２３の結合導波路３２，４１は、リング共振器２２の形状に倣って円弧状になっている。例えば、第１の光導波路２１とリング共振器２２の結合長さＣＬ１は、第１の光導波路２１とリング共振器２２の間のギャップＧＰが一定となる部分の長さ、つまり対応する結合導波路３２の長さ
に等しい。
【００４７】
さらに、図１１に光導波路２１，２３とリング共振器２２の結合長と透過率の関係について計算した結果を示す。なお、図１１の横軸は、光導波路２１，２３とリング共振器２２の結合長（μｍ）を示し、縦軸は光導波路２１，２３とリング共振器２２の間で伝播される光の透過率を示す。
図１１において、ラインＬ１１は、光導波路２１，２３とリング共振器２２の間のギャップＧＰが１００ｎｍのときの結合長ＣＬ１と透過率の関係を示す。同様に、ラインＬ１２と、ラインＬ１３は、ギャップＧＰがそれぞれ２００ｎｍと、３００ｎｍのときの結合長ＣＬ１と透過率の関係を示す。
【００４８】
ラインＬ１１に示すように、ギャップＧＰを１００ｎｍにすると、結合長ＣＬ１が５μｍのときに透過率が約−１．７ｄＢになり、結合長ＣＬ２が１０μｍのときには透過率が約９ｄＢになる。さらに、ラインＬ１２〜Ｌ１３から、ギャップＧＰが変わっても同様な傾向を示す。そして、同じ結合長ＣＬ１では、ギャップＧＰが大きいほど、透過率が小さくなる傾向にある。このように、光導波路２１，２３とリング共振器２２の間の透過率は、ギャップＧＰの大きさと結合長ＣＬ１によって制御することができる。
【００４９】
なお、第１の光導波路２１とリング共振器２２との間のギャップＧＰの長さと、第２の光導波路２３とリング共振器２２との間のギャップＧＰの長さとは、同じ大きさであっても良いし、異ならせても良い。また、各光導波路２１，２３のそれぞれの出力端３３Ａ，４２Ａからの出力が略等しくなるように、各光導波路２１，２３とリング共振器２２のギャップＧＰの長さと結合長ＣＬ１を決定することが好ましい。
【００５０】
以上のような半導体光装置１では、特定の波長の光を選択して出力させることができ、特に温度に対して光の出力を安定させることが可能である。これは、図１２に示すリング共振器２２の共振波長の温度依存性と、図１３に示す垂直回折格子２５の反射スペクトルの温度依存性とに基づいて説明できる。なお、各図の横軸は入力波長を示し、図１２の縦軸が透過率を、図１３の縦軸が反射率をそれぞれ示す。
【００５１】
図１２は、図７の波長λ３のピーク位置の温度依存性について調べた結果を示している。リング共振器２２は、温度が１５℃から８５℃までの温度範囲において温度が高くなるほど、共振モードのピークが長波長側にシフトする。そのシフト量は、０．０７ｎｍ／℃であった。
【００５２】
また、図１３に示すように、垂直回折格子２５は、温度が１５℃から８５℃までの温度範囲において温度が高くなるほど、反射率プロファイルが全体的に長波長側にシフトする。反射率プロファイルの中心波長のシフト量は、０．０７ｎｍ／℃であった。なお、垂直回折格子２５の繰り返し数Ｎは２００回、周期Ｔは３００ｎｍ、凸部２５Ａの長さＬは１００ｎｍ、幅Ｗは５０ｎｍとした。
【００５３】
図１２及び図１３の結果から、リング共振器２２の透過率の温度依存性と、垂直回折格子２５の反射率の温度依存性が等しく、両者の温度依存性の整合性が良好であることがわかる。このため、温度が変化しても、リング共振器２２を透過する光の波長と、垂直回折格子２５で反射される光の波長との相対的な位置がずれ難い。つまり、温度が変化しても、リング共振器２２を通過した光のうち少なくとも１つの波長の光を垂直回折格子２５で反射することができ、半導体光装置１から安定して光を出力できる。
【００５４】
このように、この実施の形態の半導体光装置１は、リング共振器２２と波長選択反射鏡２４とを有するので、リング共振器２２が有する共振モードのうち、波長選択反射鏡２４
によって任意の共振モードを１つ選択してレーザ発振させることができる。また、光波長選択素子３は、２つの出力端３３Ａ，４２Ａを有するので、高出力のレーザ光が得られる。
【００５５】
また、波長選択反射鏡２４には、導波路のコア２７Ａの両側に周期的に凹凸を形成した垂直回折格子２５を用いたので、凸部２５Ａの周辺における屈折率の差を大きし、かつ反射波長帯域の広い反射鏡を形成できる。即ち、垂直回折格子２５や、凸部２５Ａの形状や数、周期を制御することで反射率プロファイルを調整できるので、リング共振器２２の共振モードから１つのモードを容易に選択できる。
【００５６】
光波長選択素子３は、１つの基板２０上に各光導波路２１，２３と、リング共振器２２と、波長選択反射鏡２４とが集積して形成されるので、導波路部分の屈折率を一致させ易く、透過特性や反射特性のばらつきを抑えることができる。
【００５７】
さらに、１つの基板２０上にリング共振器２２と波長選択反射鏡２４とを集積させることで、リング共振器２２の共振モードのピークの温度による波長シフトと、波長選択反射鏡２４の反射率プロファイルの温度による波長シフトを略一致させることができるので、温度が変動したときの波長シフトの不一致による出力変動を抑制できる。
【００５８】
なお、リング共振器２２の透過率の温度依存性と、垂直回折格子２５の反射率の温度依存性が一致しない場合でも、垂直回折格子２５の反射率プロファイルをリング共振器２２の１つの共振モードのピークに対してブロードに設計することで、１つの共振モードのピークの波長の光を安定して出力することが可能になる。
【００５９】
ここで、図１４及び図１５に本実施の形態の半導体光装置の変形例を示す。
図１４に示す第１の変形例に係る半導体光装置６１は、半導体光増幅器２と、光波長選択素子６２とを有する。光波長選択素子６２は、基板２０上の第１の光導波路２１のスルーポート３３の出力端に第１の変調器６３が接続されており、第１の変調器６３の出力は、基板２０に形成された光導波路６４に接続されている。光導波路６４は、光波長選択素子６２一方の端面６２Ａに出力端６４Ａを有する。
また、第２の光導波路２３のアッドポート４２の出力端には、第２の変調器６５が接続されており、第２の変調器６５の出力は、光導波路６６に接続されている。光導波路６６は、光波長選択素子６２の一方の端面６２Ａに出力端６６Ａを有する。
【００６０】
第１、第２の変調器６３，６５としては、例えば、マッハツェンダー干渉計を用いることができる。また、各光導波路２１，２３の出力端４３Ａ，６４Ａ，６６Ａは、それぞれ光波長選択素子６２の端面６２Ａ，６２Ｂに垂直な方向に対して１５°の傾斜角度を有する。
【００６１】
さらに、第２の光導波路２３のドロップポート４３は、光波長選択素子６２の他方の端面６２Ｂに出力端４３Ａを形成している。
この半導体光装置６１では、それぞれの光導波路２１，２３から出力された光を変調器６３，６５で変調させて、光信号を生成することができる。その他の作用及び効果は、半導体光装置１と同様である。
【００６２】
図１５に示す第２の変形例に係る半導体光装置７１は、半導体光増幅器２と、光波長選択素子７２とを有する。光波長選択素子７２は、第１の光導波路２１のスルーポート３３の出力端が第１の位相調整器７３を介して光結合器７４の入力端に接続されている。同様に、第２の光導波路２３のアッドポート４２の出力端が第２の位相調整器７５を介して光結合器７４の入力端に接続されている。
光結合器７４の出力端は、基板２０の上方に形成された光導波路７６に接続されており、光導波路７６は、光波長選択素子７２の一方の端面７２Ａに出力端を形成している。光導波路７６は、光波長選択素子７２の一方の端面７２Ａに垂直な方向に対して１５°の傾斜角度を有する。
【００６３】
さらに、第２の光導波路２３のドロップポート４３は、波長選択反射鏡２４を通過した後、光波長選択素子７２の他方の端面７２Ｂに出力端４３Ａを形成している。
【００６４】
この半導体光装置７２では、２つの光導波路２１，２３からの出力光が位相調整器７３，７５で位相調整された後、光結合器７４に入力される。そして、光結合器７４で２つの出力光が結合された後、光導波路７６を通って一方の端面７２Ａから出力される。２つの出力光が結合されるため、高出力にできる。その他の作用及び効果は、半導体光装置１と同様である。
【００６５】
なお、半導体光素子６１，７１では、半導体光増幅器２の高反射膜１９と波長選択反射鏡２４との間で、第１、第２の光導波路２１，２３及びリング共振器２２を介して共振器が形成される。
【００６６】
（第２の実施の形態）
図１６に第２の実施の形態に係る半導体光装置の概略構成を示す。なお、図１６において、図１と同じ構成要素には同一の符号を付してある。
半導体光装置８１は、波長選択反射鏡２４として、ギャップを有して形成された複数の格子８２からなる回折格子８３を有する。回折格子８３は、例えば、反射波長の３ｄＢ帯域が１０ｎｍから１５ｎｍの間に収まり、かつ反射率が−１ｄＢ以上になるように、導波路８２の周期Ｔ１や、光導波路８２の長さＬ１、光導波路８２の繰り返し数Ｎ１が設定されている。
【００６７】
この波長選択反射鏡２４では、リング共振器２２の共振モードのピークのうち、１つのピークを反射する。これにより、波長選択反射鏡２４と、半導体光増幅器２の端面２Ｂの高反射膜１９との間の共振器が形成され、光波長選択素子３の出力端３３Ａ，４２Ａからレーザ光が出力される。
【００６８】
なお、波長選択反射鏡２４は、図示を省略するバンドバスフィルタと、高反射膜を備える反射鏡とから構成しても良い。この場合のバンドパスフィルタは、図１又は図１６と同様の構成を有し、かつ図７のラインＬ２と同様の透過プロファイルを有するものが用いられる。この波長選択反射鏡２４では、バンドパスフィルタを透過した光が反射鏡で反射されることで、発振器が構成される。
【００６９】
なお、前記の各実施の形態において、リング共振器２２は、真円形に限定されない。例えば、レーストラック型であっても良い。
半導体光増幅器２の出力端の傾斜角度や、光波長選択素子３の入力端３１Ａや出力端３３Ａ，４２Ａ，４３Ａ，６４Ａ，６６Ａの傾斜角度は、７°や１５°に限定されない。また、傾斜角度を設けないことも可能である。
【００７０】
また、半導体光増幅器２の導波路の端部に、スポットサイズ変換器を配置しても良い。スポットサイズ変換器としては、例えば、導波路の幅を減少させた、テーパ導波路構成があげられる。これにより、半導体光発光素子１，６１，７１，８１の外部に光を取り出すために光ファイバとの光結合率を調整できる。
さらに、光導波路２１，２３は、断面が四角形のＳｉを用いたチャンネル構造になっているが、リッジ構造であっても良い。
第１の光素子である半導体光増幅器２の材料や構成や、第２の光素子である光波長選択素子３の材料は前記の各実施の形態に限定されない。第１の光素子は、光導波路を有する構成であれば良く、図１及び図２に示すような半導体光増幅器に限定されない。
【００７１】
ここで挙げた全ての例および条件的表現は、発明者が技術促進に貢献した発明および概念を読者が理解するのを助けるためのものであり、ここで具体的に挙げたそのような例および条件に限定することなく解釈するものであり、また、明細書におけるそのような例の編成は本発明の優劣を示すこととは関係ない。本発明の実施形態を詳細に説明したが、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、それに対して種々の変更、置換および変形を施すことができる。
【００７２】
以下に、実施の形態の特徴を付記する。
（付記１）  光を増幅する第１の光素子と、前記第１の光素子に接続される第２の光素子と、を有し、前記第２の光素子は、前記第１の光素子の一端に光学的に結合される第１の光導波路と、前記第１の光導波路に光学的に結合されるリング共振器と、前記リング共振器に光学的に結合される第２の光導波路と、前記第２の光導波路に導かれた光が入射する波長選択反射鏡と、前記第１の光素子の他端に設けられ、前記波長選択反射鏡と共振器を形成する反射膜と、を含む半導体光装置。
（付記２）  前記第１の光導波路と、前記リング共振器と、前記第２の光導波路と、前記波長選択反射鏡とが、同じ基板上に形成されている付記１に記載の半導体光装置。
（付記３）  前記波長選択反射鏡は、導波路に両側部に凹凸を周期的に設けた垂直回折格子である付記１又は付記２に記載の半導体光装置。
（付記４）  前記波長選択反射鏡の反射率スペクトルの３ｄＢ帯域は、前記リング共振器の共振モードの複数のピークの発生間隔以上で、かつ前記発生間隔の１．５倍以下である付記１乃至付記３のいずれか一項に記載の半導体光装置。
（付記５）  前記波長選択反射鏡の反射スペクトルの３ｄＢ帯域は、１０ｎｍ〜１５ｎｍの範囲内にある付記４に記載の半導体光装置。
（付記６）  前記リング共振器は、リング状の光導波路を有し、前記第１の光導波路、及び前記第２の光導波路は、それぞれが前記リング状の光導波路に沿って湾曲する結合導波路を有する付記１乃至付記５のいずれか一項に記載の半導体光装置。
（付記７）  前記第２の光導波路の前記結合導波路は、前記第２の光導波路から外部に光を出力する出力端と前記波長選択反射鏡との間に形成されている付記６に記載の半導体光装置。
（付記８）  前記第１の光素子内の光導波路と前記第１の光導波路が光学的に結合されるそれぞれの端面において、前記第１の光素子内の前記光導波路と前記第１の光導波路はそれぞれ異なる角度で光学的に結合されている付記１乃至付記７のいずれか一項に記載の半導体光装置。
（付記９）  前記第１の光導波路と前記第２の光導波路は、外部に光を出力する出力端がそれぞれ前記第２の光素子の同じ端面に形成されている付記１乃至付記７のいずれか一項に記載の半導体光装置。
【符号の説明】
【００７３】
１，６１，７１，８１  半導体光装置
２  半導体光増幅器（第１の光素子）
３，６２，７２  光波長選択素子（第２の光素子）
１３  活性層
２１  第１の光導波路
２２  リング共振器
２３  第２の光導波路
２４  波長選択反射鏡
２５  垂直回折格子
３１Ａ  入力端
３２，４１  結合導波路
３３Ａ，４２Ａ  出力端
【図１】
2011253930.tif 000003
【図２】
2011253930.tif 000004
【図３】
2011253930.tif 000005
【図４】
2011253930.tif 000006
【図５】
2011253930.tif 000007
【図６Ａ】
2011253930.tif 000008
【図６Ｂ】
2011253930.tif 000009
【図７】
2011253930.tif 000010
【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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