(57)【要約】【課題】広い温度範囲で単一モード動作し、かつ戻り光耐性を備えた光源を提供する。【解決手段】集積レーザ光源は、シリコンフォトニクス導波路と前記シリコンフォトニクス導波路上または前記シリコンフォトニクス導波路に隣接して配置されるミラー構造とを有する光導波路基板と、前記光導波路基板に形成された実装面に実装される分布帰還型のレーザ素子と、を有し、前記レーザ素子の出力端は前記シリコンフォトニクス導波路の入力端と対向しており、前記ミラー構造は、所定の温度範囲での前記レーザ素子のブラッグ波長を含む特定の帯域幅の反射帯を有し、前記反射帯で前記レーザ素子から出力される光の一部を反射して、前記レーザ素子に帰還する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコンフォトニクス導波路と、前記シリコンフォトニクス導波路上または前記シリコンフォトニクス導波路に隣接して配置されるミラー構造とを有する光導波路基板と、
前記光導波路基板に形成された実装面に実装される分布帰還型のレーザ素子と、
を有し、
前記レーザ素子の出力端は前記シリコンフォトニクス導波路の入力端と対向しており、
前記ミラー構造は、所定の温度範囲での前記レーザ素子のブラッグ波長を含む特定の帯域幅の反射帯を有し、前記反射帯で前記レーザ素子から出力される光の一部を反射して、前記レーザ素子に帰還することを特徴とする集積レーザ光源。
【請求項２】
前記反射帯は、前記所定の温度範囲内での温度変化と、製造ばらつきの少なくとも一方に対応する前記ブラッグ波長の変動範囲を含むことを特徴とする請求項１に記載の集積レーザ光源。
【請求項３】
前記反射帯の前記帯域幅は、１０ｎｍ〜３０ｎｍであることを特徴とする請求項２に記載の集積レーザ光源。
【請求項４】
前記ミラー構造は、前記レーザ素子の出力光の４％〜１０％を前記レーザ素子の単一の発振モードに帰還することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の集積レーザ光源。
【請求項５】
前記レーザ素子は、量子ドット活性層を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の集積レーザ光源。
【請求項６】
前記所定の温度範囲の高温側で前記レーザ素子の利得ピーク波長とブラッグ波長が一致していることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の集積レーザ光源。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の集積レーザ光源と、
前記集積レーザ光源からの出力光を変調する光変調器と、
前記光変調器を駆動する電子回路と、
を有することを特徴とする光トランシーバ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、集積レーザ光源、及びこれを用いた光トランシーバに関する。
【背景技術】
【０００２】
シリコンフォトニクスデバイスは、光インターコネクト向けの光トランシーバを実現するキーデバイスとして研究が進んでいる。シリコンフォトニクスでは、発光しないシリコンに代わり、他の材料系の光源を用いて光を導入している。
【０００３】
シリコンフォトニクス基板上に光源を搭載する場合、レーザ、アイソレータ、レンズ等の光学素子を組み込んだパッケージを基板上に高精度に搭載する構成が、従来用いられている。アイソレータをパッケージ内に配置することで、反射光がレーザに戻ることを防止して、動作が安定する。しかし、高精度に実装されるレーザパッケージの作製コストが高く、また、複数の光学素子を含むパッケージが大型化する。結果として、シリコンフォトニクスデバイスのサイズとコストも増大する。
【０００４】
これに対し、レーザを直接シリコンフォトニクス基板に搭載し、レーザ光源の光導波路をシリコンの光導波路に結合する直接接合構造も実施されている。この構成は、小さなレーザチップをシリコンフォトニクス基板に搭載するため、専有面積が小さく、サイズとコストの低減が期待される。一方、直接接合型の構成ではアイソレータを挿入することができないので、シリコンフォトニクス回路からの戻り光、及びその前方からの戻り光がレーザ光源に戻る。戻り光による外乱によって、レーザ共振器内で帰還する光の位相が乱れ、ノイズが発生してレーザ動作が不安定になる。
【０００５】
戻り光耐性が高いレーザとして、量子ドット（ＱＤ：Quantum  Dot）レーザがある。ＱＤレーザは、電子とホールを微細なドット構造に閉じ込めるため、高温になってもキャリアの移動が抑制され、量子井戸レーザと比較して電流対光出力の温度依存性が小さい。しかし、温度変化の影響をまったく受けないわけではなく、環境温度の変化の影響を受けてマルチモード発振する場合がある。
【０００６】
共振器内部に回折格子を持つＤＦＢ（Distributed  Feedback：分布帰還）レーザは、回折格子で選択される特定の波長を強め合うため、単一モードで発信する。半導体光増幅器（ＳＯＡ：Semiconductor  Optical  Amplifier）と、グレーティングが設けられた石英の光回路素子とをシリコンベンチに搭載した光集積素子が知られている（たとえば、特許文献１参照）。この光集積素子のグレーティングは、外部共振器を構成している。また、光の一部がグレーティングにより半導体レーザに帰還される構成が知られている（たとえば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−１１７７０６号公報
【特許文献２】特開平６−３７３８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ＤＦＢレーザの出力端面には、特定の波長の光を透過させる反射防止膜（ＡＲコーティング）が設けられている。戻り光の影響を低減するためには、レーザ出射端面での反射率をある程度上げてレーザ帰還による光強度を強くし、戻り光の影響を相対的に小さくして位相攪乱を受けにくくすることが考えられる。しかし、この対策を単一モードＤＦＢレーザに適用する場合、図１に示すように、レーザの利得スペクトルとブラッグ波長の温度依存性により、マルチモード発振またはＤＦＢモードでの発振不足の問題が生じる。
【０００９】
図１において、環境温度が０℃、３５℃、７０℃と変化すると、レーザ光源の利得と発振波長（ブラッグ波長）が変化する。発振波長はＤＦＢレーザの構成材料の屈折率の温度依存性の影響を受け、利得は活性層のバンドギャップで決まる。温度変化の影響で、発振波長と利得ピークとが乖離する。
【００１０】
利得ピークとブラッグ波長を低温で一致するように設計すると、高温で利得が足りず、動作しない（７０℃の利得スペクトルを参照）。高温でも動作するように利得ピークとブラッグ波長を高温で一致するように設計すると、低温側でブラッグ波長付近の利得が小さくなる。その結果、ブラッグ波長でＤＦＢモードのしきい値利得に達するよりも先に、利得ピークがファブリ-ペロー（ＦＰ）モードでのしきい値利得に達し、マルチモード発振する（０℃の利得スペクトル参照）。
【００１１】
このように、レーザ光源をシリコンフォトニクス導波路に直接結合する構成では、戻り光耐性と単一モード動作の両立が課題となる。
【００１２】
本発明は、広い温度範囲で単一モード動作し、かつ戻り光耐性を備えた光源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】
【００１３】
一つの態様では、集積レーザ光源は、
シリコンフォトニクス導波路と、前記シリコンフォトニクス導波路上または前記シリコンフォトニクス導波路に隣接して配置されるミラー構造とを有する光導波路基板と、
前記光導波路基板に形成された実装面に実装される分布帰還型のレーザ素子と、
を有し、
前記レーザ素子の出力端は前記シリコンフォトニクス導波路の入力端と対向しており、
前記ミラー構造は、所定の温度範囲での前記レーザ素子のブラッグ波長を含む特定の帯域幅の反射帯を有し、前記反射帯で前記レーザ素子から出力される光の一部を反射して、前記レーザ素子に帰還する。
【発明の効果】
【００１４】
一つの側面として、広い温度範囲で単一モード動作し、かつ戻り光耐性を備えた光源が実現される。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】戻り光耐性を高める対策をＤＦＢレーザに適用した場合の問題点を説明する図である。
【図２】本発明の原理を説明する図である。
【図３】実施形態の集積レーザ光源の基本構成を示す図である。
【図４】光導波路基板へのレーザ素子の実装例を示す図である。
【図５】第１実施形態の集積レーザ光源の構成例である。
【図６】ミラー構造の一例としての回折格子の構成例を示す図である。
【図７】レーザ素子のＤＦＢ波長の離調量と、回折格子の反射率の関係を示す図である。
【図８】第２実施形態の集積レーザ光源の構成例である。
【図９】第３実施形態の集積レーザ光源の構成例である。
【図１０】第４実施形態の集積レーザ光源の構成例である。
【図１１】位相シフタとしてヒータを用いる場合の構成例である。
【図１２】集積レーザ光源の実際の動作時におけるコントローラの動作を示すフローチャートである。
【図１３】集積レーザ光源１０の動作温度と単一モード動作との関係を示す図である。
【図１４】各温度におけるレーザ素子の利得ピーク、ブラッグ波長、光導波路基板側のミラー構造の中心波長、及びヒータ電力の関係を示す図である。
【図１５】実施形態の集積レーザ光源の適用例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図２は、本発明の原理を説明する図である。ブラッグ波長での単一モード発振を生じさせ、及び／またはマルチモード発振を防止するために、レーザ素子のブラッグ波長の変動範囲を含む所定の波長帯域でＤＦＢモードのしきい値利得を下げる。図２では、０℃、３５℃、７０℃でのブラッグ波長の変動を含む範囲で、ＤＦＢモード閾値利得が部分的に低くなっているが、ＦＰモードのしきい値利得は、高いままに維持される。これを実現するために、レーザ素子のブラッグ波長を含む所定の波長帯に反射帯域を有するミラー構造を、シリコンフォトニクス基板に設ける。
【００１７】
シリコンフォトニクス基板に設けられるミラー構造は、レーザ素子の共振を一定程度だけ強めて、外部からの戻り光の影響を相対的に小さくする。シリコンフォトニクス基板にミラー構造を設けることで、レーザ素子の出射端面に低反射膜を設けるのと等価の構成を実現する。
【００１８】
レーザ素子の出射端面に直接低反射膜をつけると、マルチモード発振しやすくなり、また、光損失が増える。シリコンフォトニクス技術を利用して、低反射膜と同等の機能を実現することで、必要な帯域で必要な量の光をレーザ素子に戻して、マルチモード発振を防止するとともに、外部からの戻り光の影響を緩和する。ミラー構造の反射帯域幅と反射率を適切に制御することで、マルチモード発振を防止し、かつ外部からの戻り光の影響を低減することができる。
【００１９】
図２において、ブラッグ波長近傍での反射帯域幅を広くしすぎると、ＦＰモードの閾値利得が低下する領域が広がり、低温（たとえば０℃）での利得ピークがＰＦモード閾値利得に達するおそれがある。低温側でのマルチモード発振を防止するために、反射率にもよるが、反射帯域幅の上限を３０ｎｍとする。３０ｎｍを超えると、発振してほしくない帯域でマルチモード発振するおそれがある。
【００２０】
ブラッグ波長は温度変化により変動し、またＤＦＢレーザの回折格子の製造ばらつきによっても変動する。そのため、反射帯域の下限を、温度変化と製造ばらつきの少なくとも一方に依存するブラッグ波長の変動範囲をカバーする１０ｎｍとする。１０ｎｍよりも狭くなると、温度依存性を有するブラッグ波長の発振に十分に寄与できなくなる。
【００２１】
一例として、環境の温度変化の範囲が８０℃の場合、温度変化によるＤＦＢ波長の変動範囲は８ｎｍ程度、製造ばらつきによるＤＦＢ波長の変動範囲が１０ｎｍとすると、ミラー構造の反射帯域幅は２０ｎｍ程度に設計される。
【００２２】
ミラー構造の反射率は、ブラッグ波長近傍でのＤＦＢモードしきい値利得の低下を決める。反射率が高すぎると、閾値利得が低下するが、高出力を得ることができない。反射率が小さすぎると、外部からの戻り光の影響を十分に緩和することができず、戻り光耐性が不十分になる。そこで、後述する手法で、ミラー構造の反射率と反射帯域幅を最適に設計する。
【００２３】
ＤＦＢモードで発振しているときには、ミラー構造から適切な量の帰還を得て、戻り光耐性を高め、かつ単一モードでの安定動作を実現する。反射光の帯域幅を制御することで反射光をＤＦＢモードにのみ帰還し、ＦＰモードへの帰還を回避して、ブラッグ波長での単一モード動作を安定的に得る。
【００２４】
ミラー構造の中、ミラー構造とレーザ素子の間に位相変化を制御する位相シフタを配置してもよい。位相シフタを配置することで、レーザ素子自体が単一モードで動作する位相状態にない場合でも、集積レーザ光源の全体として単一モードで動作する動作点に制御することができる。位相シフタの制御量を温度に応じて制御してもよい。
【００２５】
以下で、集積レーザ光源の具体的な構成例を説明する。
【００２６】
＜基本構成＞
図３は、実施形態の集積レーザ光源１０の基本構成を示す。図３（Ａ）は断面図、図３（Ｂ）は上面図である。集積レーザ光源１０は、シリコンフォトニクス技術で作製された光導波路３２を有する光導波路基板３０と、光導波路基板３０に実装されるレーザ素子２０を有する。
【００２７】
レーザ素子２０は、たとえば、室温（２５℃）で1.29μｍを利得ピークとする量子ドットを活性層に持つ量子ドットレーザである。レーザ素子２０の光軸方向の素子長は、たとえば６００μｍである。レーザ素子２０の光導波路基板３０に接続される出力側の端面には、反射防止膜（ＡＲ）が形成されている。出力端面と反対側の端面（後端面）には、高反射膜（ＨＲ）が形成されている。
【００２８】
レーザ素子２０の光導波路２１は活性層を含む光閉じ込め層であり、上下をクラッドで挟まれている。光導波路２１のバンドギャップはクラッドよりも小さく、屈折率はクラッドよりも高い。光導波路２１は、上下方向だけではなく水平方向も低屈折率のクラッドで囲んだ屈折率導波路であってもよい。あるいは、ストライプ状の電流注入領域で定義される利得導波路であってもよい。また、図３のような埋め込み型導波路に替えて、リッジ型の導波路を用いてもよい。
【００２９】
光導波路２１には、中央部を除いて、全体に均一な周期の回折格子２２が形成されている。回折格子２２は、たとえば活性層とクラッドの境界に形成されている。素子の中央には周期構造のない位相シフタ（ＰＳ）が形成されていてもよい。回折格子２２の周期は、室温（２５℃）でブラッグ波長が1.309μｍとなるように設計されている。
【００３０】
レーザ素子２０は、光導波路基板３０の実装面３５にマウントされている。光導波路基板３０は、たとえばＳＯＩ（Silicon  on  Insulator）ウェーハで作製されており、シリコン基板３１上に、シリコン層を導波路コアとする光導波路３２を有する。シリコンコアの光導波路３２は、二酸化ケイ素のクラッド３９で囲まれている。
【００３１】
光導波路３２のうち、少なくともレーザ素子２０と光学的に接続する端部領域が、光導波路基板３０への入力導波路となっている。入力導波路の先端は、レーザ素子２０からの出力光を効率良く光導波路３２に入力するためのスポットサイズ変換導波路３３になっている。スポットサイズ変換導波路３３は、レーザ素子２０の出力端でのモード径と、光導波路３２の入力端でのモード径が概ね一致するように、テーパ形状を有する。
【００３２】
一例として、光導波路３２の高さは約２５０ｎｍ、幅は約４００ｎｍである。スポットサイズ変換導波路３３は、先端に向かって導波路幅が徐々に狭くなるシリコン導波路であり、先端の幅は約１８０ｎｍである。光導波路３２とスポットサイズ変換導波路３３は、シリコンフォトニクス技術により一回の加工工程で形成される。光導波路３２とスポットサイズ変換導波路３３を合わせて、「シリコンフォトニクス導波路」と呼んでもよい。
【００３３】
光導波路基板３０のレーザ素子２０が実装される領域には、レーザ素子２０を配置する実装面３５が形成されている。実装面の深さは、レーザ素子２０の光導波路２１と、シリコンフォトニクス光導波路の高さ（より具体的にはスポットサイズ変換導波路３３の端面の高さ）が一致するように、設計されている。
【００３４】
レーザ素子２０は、金属はんだ層３８により、実装面３５に接続されている。金属はんだ層３８は、たとえばＡｕＳｎ層である。金属はんだ層３８は、レーザ素子２０を搭載するときに加熱溶融されて、レーザ素子２０を光導波路基板３０に融着する。
【００３５】
レーザ素子２０の光導波路２１の出力端と、光導波路基板３０の光導波路３２の入力端（より具体的にはスポットサイズ変換導波路３３の先端）は、レーザ出力光が効率良くシリコンフォトニクス導波路に結合するように、５μｍ以下の間隙３４を有して水平方向の直線状に整列している。この配置構成でのレーザ素子２０と光導波路３２の間の結合損失は、約１．５ｄＢである。
【００３６】
図３の特徴として、光導波路基板３０の光導波路３２上に、レーザ素子２０に光の一部を帰還するためのミラー構造４０が設けられている。ミラー構造４０は、後述するようにシリコンの光導波路３２上に形成された回折格子の反射鏡、あるいは回折格子と方向性結合器などの分岐器を組み合わせた反射鏡などである。
【００３７】
ミラー構造４０からレーザ素子２０へは、レーザ素子の出射光の４％〜１０％、好ましくは５％〜９％の範囲で、光の一部が帰還される。レーザ素子２０とミラー構造４０の少なくとも一方に位相調整器を設けることで、光の帰還は最適な位相状態で得られる。４％よりも少なくなると、外部からの戻り光の影響を十分に低減することが困難になる。１０％を超えると、集積レーザ光源１０の出力パワーに影響する。
【００３８】
図４は、光導波路基板３０へのレーザ素子２０の実装例を示す。レーザ素子２０は、光導波路基板３０の実装面３５にフリップチップ接合される。実装面３５に形成されたアライメントマーク３７と、レーザ素子２０の底面に形成されたアライメントマーク３７を用いて、レーザ素子２０を光導波路基板３０に対して位置合わせし、レーザ素子２０の電極２３と、実装面３５の電極３６を溶融接合する。
【００３９】
光導波路基板３０は複数の光導波路３２を含むシリコン導波路アレイ３２ａを有し、各光導波路３２の先端にスポットサイズ変換導波路３３が形成されている。各光導波路３２にミラー構造４０が配置されている。光導波路アレイ３２ａを設けることで、複数チャネルでの光通信が実現される。
【００４０】
このような集積レーザ光源１０は、たとえば、データセンタ内での短距離光通信に用いられる。データセンタでの用途では、集積レーザ光源１０は、膨大な量のデータを扱うＬＳＩデバイス等と同じブレード上に配置されることが多い。ヒートシンク等の冷却機構を併用しても、集積レーザ光源１０が置かれる環境での温度変化の範囲は８０℃以上に及ぶ場合がある。集積レーザ光源１０では、レーザ素子２０への帰還光の割合と反射帯域幅が適切に設計されているので、環境の温度変化や製造ばらつきにかかわらず、単一のＤＦＢモードで安定してレーザ発振し、かつ戻り光に対する耐性を備えている。
【００４１】
以下の例では、図示の簡便のために、一本の光導波路３２と、対応するミラー構造４０に着目して説明する。
【００４２】
＜第１実施形態＞
図５は、第１実施形態の集積レーザ光源１０Ａの構成例を示す概略上面図である。第１実施形態では、ミラー構造４０として、光導波路３２上に形成された回折格子４１の反射鏡４０Ａを用いる。レーザ素子２０は、図３を参照して説明したのと同様に、回折格子２２を有するＤＦＢ量子ドットレーザである。回折格子２２の中央部には、図３のように周期構造のない位相シフタが形成されていてもよい。レーザ素子２０の活性層は、室温（２５℃）で1.29μｍを利得ピークとする量子ドットの層を有し、回折格子２２のブラッグ波長は1.3μｍの近傍に設定されている。
【００４３】
このようなレーザ素子２０の一例として、たとえば、ＧａＡｓ上にＩｎＡｓ量子ドットを形成し、ＩｎＡｓとＧａＡｓの結晶成長を交互に１０〜２０回繰り返した、多層構造の量子ドットレーザを用いる。活性層の最上層にＧａＡｓの周期的な溝構造を形成してＩｎＧａＰで埋め込むことで、回折格子２２が形成される。
【００４４】
光導波路基板３０の光導波路３２上に形成される回折格子４１の反射中心波長は1.3μｍ、中心波長近傍での反射帯域幅は約２０ｎｍである。回折格子４１は、レーザ素子２０から出力された光の一部、好ましくは出力光パワーの４％から１０％の範囲で光を反射する。反射率は、反射帯域幅に応じて適切に設計することができる。
【００４５】
図６は、回折格子４１の構成例である。回折格子４１は、シリコンの光導波路３２とクラッド３９の界面４２に形成される。光導波路３２の高さｈは、たとえば２２０ｎｍ、線幅は４００ｎｍである。光導波路３２の下側のクラッド層３９ａの厚さは２μｍ以上、上側のクラッド層３９ｂの厚さは２μｍ以上である。下側のクラッド層３９ａは、ＳＯＩウェーハの埋め込み酸化層であってもよい。上側のクラッド層３９ｂは、エッチングによるシリコンの光導波路３２の形成後に成膜されたシリコン酸化層であってもよい。
【００４６】
図６の例では、光導波路３２の上面とクラッド３９の界面４２に回折格子４１が形成される。回折格子４１は、一例として、線幅Ｗが４５０ｎｍ、周期的に配置される格子４７の長さＬは５００ｎｍ、１周期の長さが２００ｎｍ程度、繰り返し数（周期数）は１６０であるが、この例に限定されない。レーザ素子２０のブラッグ波長と、反射鏡４０Ａを形成する回折格子４１の中心波長がほぼ一致する範囲で、周期数等を変更してもよい。
【００４７】
図７は、レーザ素子２０の利得波長とブラッグ波長（ＤＦＢ波長）の離調量と、回折格子４１からレーザ素子２０への反射率の関係を示す。上述のように、発振波長の温度依存性と利得の温度依存性とによって、ブラッグ波長と利得ピーク波長とが乖離し得る。レーザ素子２０のブラッグ波長の利得ピーク波長からの離調量（横軸）は、あらかじめレーザ素子２０の温度特性（図１参照）を測定することで取得可能である。縦軸は、ＦＰモードでの発振が生じるときの最大の反射率である。
【００４８】
図７の例では、レーザ素子２０の発振中心波長が利得ピーク波長から１７ｎｍ以上離れたときに、レーザへの反射率が５％（縦軸の値で0.05）を超えたときにＦＰモード動作する。レーザ素子２０の出力光パワーに対して５％の光を帰還する構成にするときは、反射帯域幅が３０ｎｍ（１５ｎｍ×２）以下の回折格子４１を形成する。
【００４９】
図７と図２を参照すると、温度変化、製造ばらつき等によりブラッグ波長が変動する範囲を含む所定の範囲で、ＤＦＢ発振モードに出射光の５％〜１０％の光を帰還する。発振波長以外の範囲では、反射率を１％以下とすることで、図２のようにブラッグ波長の近傍でだけＤＦＢモードのしきい値利得レベルを部分的に低くしたしきい値プロファイルが得られる。レーザ素子２０の外部の光導波路３２に回折格子４１を設け、ＤＦＢモードの閾値利得のプロファイルを適切に設計することで、ＤＦＢモードにだけ光を帰還し、ＦＰモードには帰還しない。これにより、ブラッグ波長での単一モード動作が安定的に得られ、かつ、外部からの戻り光の影響を低減することができる。
【００５０】
また、図７の反射率プロファイルを離調量が小さくなる方向に補間して、中心波長での反射率を９％、反射帯域幅が２０ｎｍ以下となるように、周期数７の５次の回折格子を形成してもよい。レーザ素子２０のＤＦＢ（ブラッグ）波長と、光導波路基板３０の回折格子４１の中心波長をほぼ一致させ、ブラッグ波長と同期する回折格子を１次のブラッグ反射鏡としたときに、５倍（５×λB）の周期長で繰り返し数が７の回折格子を形成することで、同様の効果が得られる。
【００５１】
＜第２実施形態＞
図８は、第２実施形態の集積レーザ光源１０Ｂの構成例を示す概略上面図である。第２実施形態では、ミラー構造４０として、光導波路３２に隣接して配置される反射鏡４０ＢＡを用いる。反射鏡４０Ｂは、シリコン導波路で形成された方向性結合器（または分岐器）４２と、シリコン導波路で形成された回折格子（ブラッグ反射鏡）４１とを有する。
【００５２】
方向性結合器４２の分岐率は３０％程度である。回折格子４１は、周期数が１６０であり、反射率が９６％以上の帯域幅が約２０ｎｍ、中心波長は室温（２５℃）で1.311μｍである。方向性結合器４２で分岐された光のほとんど（９６％以上）が回折格子４１で反射され、再び方向性結合器４２で３０％の光が光導波路３２に結合して、スポットサイズ変換導波路３３を通ってレーザ素子２０に帰還する。レーザ素子２０の出力光に対する反射光の割合は、約９％である。
【００５３】
反射鏡４０Ｂは、反射率と反射帯域幅を個別に制御できる点で有利である。図５のようにシリコンの光導波路３２上にミラー構造としての回折格子４１を作り込む場合、回折格子４１のみで反射率と反射帯域幅の双方を制御するので、設計と作製が複雑になる場合がある。これに対し、図８の構成では、反射帯域幅は回折格子４１で制御し、反射率は方向性結合器４２の分岐比で比較的容易に設計することができる。
【００５４】
反射鏡４０Ｂからレーザ素子２０に帰還する光により、レーザ素子２０のＤＦＢ波長での共鳴が高くなり、外部からの戻り光の割合が相対的に小さくなる。レーザ素子２０が図３のように中央部に位相シフタ（ＰＳ）を有する場合は、帰還した光の位相回転を調整して位相をそろえることができる。
【００５５】
この構成でも、温度変化のある環境下で安定した単一モード発振を維持し、かつ外部からの戻り光の影響を低減することができる。
【００５６】
＜第３実施形態＞
図９は、第３実施形態の集積レーザ光源１０Ｃの構成例を示す概略上面図である。第３実施形態では、ミラー構造４０として、光導波路３２に隣接して配置される反射鏡４０Ｃを用いる。反射鏡４０Ｃは、シリコン導波路で形成されたリング共振器４３ａ、リング共振器４３ｂ、方向性結合器４２、及び回折格子４１を有する。
【００５７】
リング共振器４３ａ、４３ｂの共振周波数は、それぞれのリング導波路の屈折率と周長で決まる。リング共振器４３ａと４３ｂは、その共振周波数がレーザ素子２０の共振周波数と同等になるように設計されている。
【００５８】
光導波路３２とリング共振器４３ａの間のギャップと結合長、リング共振器４３ａとリング共振器４３ｂの間のギャップと結合長、リング共振器４３ｂと方向性結合器４２の間のギャップと結合長によって、結合効率は決まる。したがって、これらのパラメータを適切に設計することで、結合比と通過帯域を制御することができる。一例として、第２実施形態と同様に、レーザ素子２０からの出射光の３０％が、光導波路３２から回折格子４１側に結合する構成とし、回折格子４１での反射率を９６％以上とする。回折格子４１の反射帯域幅を、たとえば３０ｎｍに設定し、リング共振器４３ａ及び４３ｂで帯域幅をさらに絞ってもよい。
【００５９】
リング共振器４３ａと４３ｂで反射率と反射帯域幅を微調整することができるので、回折格子４１の反射率と反射帯域幅を広く、あるいは大まかに設計することができる。この構成でも、第２実施形態と同様に、温度変化のある環境下で安定した単一モード動作を維持し、かつ外部からの戻り光の影響を低減することができる。
【００６０】
多連リング共振器で用いられるリング共振器４３の数は２個に制限されず、適切な数のリング共振器をカスケード接続してもよい。リング共振器４３の形状は、円形や楕円形に限定されず、レーストラック型、コーナーが所定の曲率半径で湾曲した正方形型など、適切な形状を選択することができる。
【００６１】
＜第４実施形態＞
図１０は、第４実施形態の集積レーザ光源１０Ｄの構成例を示す概略上面図である。第４実施形態では、ミラー構造４０として、光導波路３２に隣接して配置される反射鏡４０Ｄを用いる。反射鏡４０Ｄでは、方向性結合器４２と回折格子４１の間に、位相シフタ４４が配置されている。
【００６２】
位相シフタ４４は、反射鏡４０Ｄを形成するシリコンの光導波路を伝搬する光の位相回転量を制御する。位相シフタ４４は、方向性結合器４２と回折格子４１の間に延びるシリコン導波路をヒータで加熱、または電圧を印加することで屈折率を変化させる構成であってもよい。あるいは、シリコン導波路にフォトニック結晶導波路を接続してスローライト効果により光の群速度を変化させる構成であってもよい。シリコン導波路で形成されたマッハツェンダ干渉計とフォトニック結晶導波路の組み合わせを用いてもよい。フォトニック結晶導波路は、ＣＭＯＳプロセスを用いてシリコン導波路に規則的な微細な模様を形成して異なる材料（シリコン酸化膜）で埋め込むことで作製可能である。
【００６３】
反射鏡４０Ｄに位相シフタ４４を設けることで、レーザ素子２０が単一モード動作する位相状態にない場合でも、集積レーザ光源１０Ｄが全体として単一モード動作する動作ポイントに制御することができる。
【００６４】
図１１は、位相シフタ４４としてヒータ４４ａを用いる場合の集積レーザ光源１０Ｅの構成例を示す。集積レーザ光源１０Ｅは、ミラー構造４０として反射鏡４０Ｅを有する。反射鏡４０Ｅで用いられるヒータ４４ａは、方向性結合器４２から延びるシリコン導波路の上に金属薄膜として形成されており、通電により発熱する。金属薄膜は、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、白金（Ｐｔ）、これらの積層などで形成される。一例として、シリコン導波路の上にＴｉの金属膜を１５０μｍの長さにわたって配置する。このとき、ヒータ４４ａで加熱されるシリコン導波路の熱容量は、約１ｍＷ／Ｋである。
【００６５】
光導波路基板３０に温度モニタ４８が配置される。温度モニタ４８の出力はコントローラ７０の入力に接続される。温度モニタ４８は、たとえばｐｎダイオードセンサである。ｐｎダイオードに一定の順方向電流を流しておき、ｐｎダイオードの両端での電圧の変化を測定することで、温度変化をモニタする。コントローラ７０は、モニタ結果に基づいてヒータ４４ａに印加される電流量を制御する。コントローラ７０は、メモリとマイクロプロセッサの組み合わせ、またはメモリを内蔵するマイクロプロセッサで実現される。
【００６６】
コントローラ７０による制御は、たとえば以下のとおりである。集積レーザ光源１０Ｅの作成後、計測器を用いて、たとえば８０℃で単一モード動作する最適点のヒータ制御電力を計測しておく。この温度は、温度制御の基準温度となる。さらに、各温度に対するヒータ電力の関係をあらかじめ取得し、温度に対して温度モニタ４８を校正しておく。
【００６７】
図１２は、集積レーザ光源１０Ｅの動作時の、コントローラ７０の動作を示すフローチャートである。実際の動作時は、レーザ素子２０に所定の電流を注入した状態で、集積レーザ光源１０Ｅの動作温度を温度モニタ４８で計測する（Ｓ１）。計測した温度と基準温度（たとえば８０℃）との差から、ヒータ４４ａの駆動電力（位相シフタへの入力値）を決定する（Ｓ２）。決定された電力値（入力値）でヒータ４４ａを駆動する（Ｓ３）。ステップＳ１〜Ｓ３の動作は、集積レーザ光源１０Ｅが動作する間繰り返し行われるので、図１２のフローはループになっている。
【００６８】
図１３は、集積レーザ光源１０Ｅの動作温度と、単一モード動作との関係を示す図である。横軸がヒータ電力（ｍＷ）、縦軸が動作温度（℃）である。グレーの領域がマルチモードで動作する領域である。グラフの左下から右上へ対角に横切る白の領域が、単一モード動作領域である。単一モード動作領域の中央の直線が、温度に対するヒータ４４ａの制御値である。
【００６９】
図１３の測定に用いた集積レーザ光源１０Ｅの諸元は以下のとおりである。
【００７０】
レーザ素子２０（量子ドットＤＦＢレーザ）の素子長：６００μｍ
レーザ素子２０の回折効率κ：３０ｃｍ-1
レーザ素子の出射端面と後端面：ＡＲとＨＲ
レーザ出力端から反射鏡４０Ｅの入力端までの距離：２００μｍ
ヒータ長：１５０μｍ
温度モニタ４８の測定結果に基づいてヒータ４４ａの駆動電力を制御することで、集積レーザ光源１０Ｅを全体として最適な位相で動作させて、単一モード動作とすることができる。また、適切な量の反射光がＤＦＢモードに帰還されているので、単一モード発振が維持され、かつ外部からの戻り光の影響を低減することができる。
【００７１】
図１４は、各動作温度でのレーザ素子２０の活性層の利得ピーク波長、ブラッグ波長、光導波路基板３０側のミラー構造４０の中心波長、及びヒータ駆動電力を示す。レーザ素子２０は、最適条件とした８０℃において、利得ピークとブラッグ波長が概ね一致し、ミラー構造４０の中心波長も一致する。このとき、ミラー構造４０からレーザ素子２０に対して、約５％の反射率相当の帰還が、最適な位相状態で得られる。この結果、単一のＤＦＢモードでのレーザ発振と、戻り光に対する耐性が得られる。
【００７２】
０℃〜８０℃の温度範囲で、ブラッグ波長は８ｎｍ変動している。これにレーザ素子２０内の回折格子２２の製造ばらつきによるブラッグ波長の変動分を加えて、ミラー構造４０の反射帯域幅を２０ｎｍとする。
【００７３】
温度２５℃では、レーザ素子２０の利得ピーク波長は、レーザ素子２０のブラッグ波長に対して約１８ｎｍ、短波長になる。光導波路基板３０の反射鏡４０Ｅ（またはミラー構造）の中心波長はブラッグ波長に対して約１．７ｎｍ長波長となる。このとき、ＦＰモードはミラー構造４０の反射帯域の外側になるため、ＦＰモードでは発振しない。他方、レーザ素子２０のブラッグ波長はミラー構造４０の反射帯域内にあるため、レーザ素子２０のＤＦＢモードへの帰還が得られ、外部からの戻り光に対する耐性が得られる。モニタ温度が２５℃のときに、ヒータ電力を２２．５ｍＷとすることで、８０℃のときと同じ位相状態が得られ、安定して単一モードで動作する。
【００７４】
温度０℃では、レーザ素子２０の利得ピーク波長は、レーザ素子２０のブラッグ波長に対して約２６ｎｍ、短波長になる。光導波路基板３０のミラー構造４０Ｅの中心波長はブラッグ波長に対して約２．４ｎｍ長波長となる。この場合も、レーザ素子２０のＤＦＢモードへの帰還が得られる。モニタ温度が２５℃のときに、ヒータ電力を７．５ｍＷとすることで、８０℃のときと同じ位相状態が得られ、安定した単一モード動作が得られる。
【００７５】
上記の実施形態では、レーザ素子２０は量子ドットの活性層を有するものとしたが、シリコンに対して透明な波長で発光するものであれば、上述した実施形態と同様の効果が得られる。量子ドットを用いる場合は、キャリアの閉じ込めが強く利得波長の範囲が狭いため、本発明の効果が大きい。
【００７６】
また、上述した実施形態では、レーザ素子２０の利得波長、ブラッグ波長、ミラー構造の中心波長を１．３μｍ帯としたが、実施形態のように反射帯域と反射率が適切に設計されたミラー構造を用いることで、一般的に光通信で使用する波長の範囲内で同様の効果が得られる。
【００７７】
第２実施形態〜第４実施形態の構成では、ミラー構造４０で用いられる回折格子４１の反射帯域幅を２０ｎｍ、周期数を１６０としたが、回折格子４１の中心波長反射率がほぼ１００％となる範囲で周期数を適宜変更しても、同様の効果が得られる。
【００７８】
第１実施形態のように、シリコン導波路上に直接ミラー構造としての回折格子４１を形成する場合は、回折格子４１の中心波長反射率を１０％以下、反射帯域幅が２０ｎｍ以下となるように、適切な反射鏡を形成してもよい。
【００７９】
＜光トランシーバ＞
図１５は、実施形態の集積レーザ光源の適用例としての光トランシーバ１の概略図である。光トランシーバ１は、たとえばデータセンタ等の光インターコネクトに用いられる。
【００８０】
光トランシーバ１は、光送受信フロントエンドで電気信号と光信号の間を変換する光電気変換回路５０と、光電気変換回路５０を駆動する駆動電子回路６０を有する。
【００８１】
光電気変換回路５０は、レーザ光源１１０と、光変調部５１と、光受信部５２とを有する。レーザ光源１１０は、上述した実施形態の集積レーザ光源１０、１０Ａ〜１０Ｅのいずれを用いてもよい。
【００８２】
送信側では、レーザ光源１１０から出力される光は、光変調部５１に入射する。光変調部５１は、たとえばマッハツェンダ（ＭＺ）干渉計型の光変調器であり、所定の波長の入射光（搬送波）を多値変調するために用いられる。すなわち、レーザ光源１１０から入射する光を、駆動電子回路６０から入力される高速の駆動電気信号で変調して、光ファイバ等の外部光配線に出力する。光変調器がシリコン導波路で形成された半導体変調器の場合は、集積レーザ光源１０の基板３１と同一基板上に、光変調器を形成することができる。
【００８３】
駆動電子回路６０は、送信電気信号からその論理値に応じた高速の駆動信号を生成するドライバを有する。ドライバから出力される駆動電気信号で光変調部５１が駆動される。
【００８４】
受信側では、外部の光ファイバから入力される光信号が、光受信部５２のフォトディテクタで検出される。フォトディテクタは、検出された光量に対応する光電流を駆動電子回路６０に出力する。
【００８５】
駆動電子回路６０は、光電流を電圧に変換するトランスインピーダンスアンプを有し、受信電気信号を、たとえばサーバブレード上のＬＳＩチップ等に出力する。
【００８６】
光トランシーバ１は、駆動電子回路６０と光電気変換回路５０が同一のパッケージ基板に搭載されたモジュールとして形成されてもよい。光トランシーバ１のレーザ光源１００では、ミラー構造４０により最適な反射帯域幅で最適量の光がレーザ素子２０のＤＥＢモードに帰還されている。したがって、単一モード動作が維持され、光変調部や外部の光ファイバ等からの戻り光の影響を低減して、高利得、低雑音の光源が実現される。
【００８７】
光トランシーバ１をたとえばＬＳＩチップと同じボード上に配置することで、電気信号での伝送路を最小限にして、サーバ間、あるいはボード間などで高速の光通信が可能になる。
【００８８】
以上の説明に対し、以下の付記を提示する。
（付記１）
シリコンフォトニクス導波路と、前記シリコンフォトニクス導波路上または前記シリコンフォトニクス導波路に隣接して配置されるミラー構造とを有する光導波路基板と、
前記光導波路基板に形成された実装面に実装される分布帰還型のレーザ素子と、
を有し、
前記レーザ素子の出力端は前記シリコンフォトニクス導波路の入力端と対向しており、
前記ミラー構造は、所定の温度範囲での前記レーザ素子のブラッグ波長を含む特定の帯域幅の反射帯を有し、前記反射帯で前記レーザ素子から出力される光の一部を反射して、前記レーザ素子に帰還することを特徴とする集積レーザ光源。
（付記２）
前記反射帯は、前記所定の温度範囲内での温度変化と、製造ばらつきの少なくとも一方に対応する前記ブラッグ波長の変動範囲を含むことを特徴とする付記１に記載の集積レーザ光源。
（付記３）
前記反射帯の前記帯域幅は、１０ｎｍ〜３０ｎｍであることを特徴とする付記２に記載の集積レーザ光源。
（付記４）
前記ミラー構造は、前記レーザ素子の出力光の４％〜１０％を前記レーザ素子の単一の発振モードに帰還することを特徴とする付記１〜３のいずれかに記載の集積レーザ光源。
（付記５）
前記ミラー構造は、前記シリコンフォトニクス導波路に形成された回折格子の反射鏡であることを特徴とする付記１に記載の集積レーザ光源。
（付記６）
前記ミラー構造は、前記シリコンフォトニクス導波路に隣接して設けられる方向性結合器と、前記方向性結合器に接続される回折格子とを有し、前記方向性結合器の分岐比に応じた反射率と、前記回折格子で決まる反射帯域幅とを有することを特徴とする付記１に記載の集積レーザ光源。
（付記７）
前記ミラー構造は、前記シリコンフォトニクス導波路に隣接して設けられるリング共振器と、前記リング共振器に隣接する方向性結合器と、前記方向性結合器に接続される回折格子とを有し、前記リング共振器で前記反射帯の帯域が制限されることを特徴とする付記１に記載の集積レーザ光源。
（付記８）
前記ミラー構造は、前記ミラー構造を形成するシリコン導波路を伝搬する前記光の位相変化量を調整する位相シフタを有することを特徴とする付記１に記載の集積レーザ光源。
（付記９）
前記位相シフタは、前記シリコン導波路に設けられたヒータであり、
前記光回路基板の温度をモニタする温度モニタと、
前記温度モニタの出力に基づいて、前記ヒータの電力を制御するコントローラと、
をさらに有することを特徴とする付記８に記載の集積レーザ光源。
（付記１０）
前記レーザ素子の出射端面に反射防止膜が形成され、前記出射端面と反対側の後端面に高反射膜が形成されていることを特徴とする付記１〜９のいずれかに記載の集積レーザ光源。
（付記１１）
前記シリコンフォトニクス導波路は、前記レーザ素子と対向する入射側に設けられたスポットサイズ変換導波路を含むことを特徴とする付記１〜１０のいずれかに記載の集積レーザ光源。
（付記１２）
前記レーザ素子は、量子ドット活性層を有することを特徴とする付記１〜１１のいずれかに記載の集積レーザ光源。
（付記１３）
前記所定の温度範囲の高温側で前記レーザ素子の利得ピーク波長とブラッグ波長が一致していることを特徴とする付記１〜１２のいずれかに記載の集積レーザ光源。
（付記１４）
付記１〜１３のいずれかに記載の集積レーザ光源と、
前記集積レーザ光源からの出力光を変調する光変調器と、
前記光変調器を駆動する電子回路と、
を有することを特徴とする光トランシーバ。
【符号の説明】
【００８９】
１  光トランシーバ
１０、１０Ａ〜１０Ｆ  集積レーザ光源
２０  レーザ素子
３０  光導波路基板
３１  基板
３２  光導波路（シリコンフォトニクス導波路）
３３  スポットサイズ変換導波路
３５  実装面
４０  ミラー構造
４０Ａ〜４０Ｅ  反射鏡
４１  回折格子
４２  方向性結合器
４３ａ、４３ｂ  リング共振器
４４  位相シフタ
４４ａ  ヒータ
４８  温度モニタ
５０  光電気変換回路
６０  駆動電子回路
７０  コントローラ
ＡＲ  反射防止膜
ＨＲ  高反射膜
１１０  レーザ光源
【図１】
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【図２】
2019121691.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2019121691.tif 000009
【図８】
2019121691.tif 000010
【図９】
2019121691.tif 000011
【図１０】
2019121691.tif 000012
【図１１】
2019121691.tif 000013
【図１２】
2019121691.tif 000014
【図１３】
2019121691.tif 000015
【図１４】
2019121691.tif 000016
【図１５】
2019121691.tif 000017