(57)【要約】  本発明の目的は、波長可変幅が広く、結合損失が小さい光集積素子を提供することにある。光集積回路チップ（１０）は、半導体光アンプ部（２０）と、位相制御部（１８）、光学分離機能とを有し、部分反射鏡（１６）とマッハツェンダー光学変調器（２２）を使い、全ての素子は同じ基板上にモノリシックに形成される。光集積回路チップ（１０）のそれぞれの端面には、低反射コーティング（１２，１４）が形成される。レンズ（３０）と、光学フィルタ（３２）と、外部共振器ミラー（２８）が、光集積回路チップ（１０）の外側に配置され、外部共振レーザは半導体光学アンプ（ＳＯＡ）部（２０）を利得部として操作し、部分反射鏡（１６）は第一反射鏡として操作し、外部共振器ミラー（２８）が、第二反射鏡として操作する。
2008543028.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に光機能素子部、光分岐部、利得部および第１反射ミラーが形成された光集積回路チップと、
前記第１反射ミラーおよび前記利得部と共にレーザ共振器を構成する前記光集積回路チップの外に配置された第２反射ミラーと、を有する光集積素子であって、
前記光分岐部は、前記光集積回路チップ上の共振器内に形成され、前記レーザ共振器から光を分離して前記光機能素子部へ出力する光集積素子。
【請求項２】
前記第１の反射ミラーは、光電界が分岐部を通過してフィードバックするように分岐部の端部で全光電界を反射し、前記光分岐部が方向性結合器又は２×２型マルチモード干渉導波路である請求項１記載の光集積素子。
【請求項３】
前記反射部が、エッチングされた端面と、金属膜、回折格子、多層反射膜を備えるエッチングされた端面と、劈開された端面と、または劈開されて高反射コートされた端面のいずれかである請求項２記載の光集積素子。
【請求項４】
前記光分岐部が、１×２型マルチモード干渉導波路、２×２型マルチモード干渉導波路、Ｙ分岐導波路、方向性結合器のいずれかであり、第一の出力ポートは、レーザ共振器の一部を構成する第一の反射鏡へ導波され、第二の出力ポートは、レーザ共振器の出力へ導波される請求項１記載の光集積素子。
【請求項５】
第一の反射鏡はエッチングされた端面を含み、金属膜、回折格子、多層反射膜を伴うエッチングされた端面、劈開された端面または、劈開された端面で高反射コートされたもののである請求項４記載の光集積素子。
【請求項６】
チップからの出力結合側端面へ導入する前記導波路は傾斜している請求項１記載の光集積素子。
【請求項７】
チップからの出力結合側端面は無反射コートである請求項１記載の光集積素子。
【請求項８】
光学機能素子部は、マッハツェンダー型光変調器と、電界吸収型変調器および／または可変光減衰器を含む請求項１乃至７いずれか一つに記載の光集積素子。
【請求項９】
位相調整部は、利得部と外部共振器への導入する端面との間に形成される請求項１乃至８いずれか一つに記載の光集積素子。
【請求項１０】
位相調整部は、反射鏡と分岐部の間に形成される請求項１乃至９いずれか一つに記載の光集積素子。
【請求項１１】
光学フィルタは、第二反射鏡の前に供給される請求項１乃至９いずれか一つに記載の光集積素子。
【請求項１２】
第二の反射鏡は、また、調整可能なフィルタ機能を有する請求項１乃至９いずれか一つに記載の光集積素子。
【請求項１３】
エタロンは外部共振器内で提供される請求項１乃至１２いずれか一つに記載の光集積素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は外部共振器型レーザと光機能素子が集積された光集積素子に関する。
【０００２】
本発明に関する現時点での技術水準をより十分に説明する目的で、本願で引用され或いは特定される特許、特許出願、特許公報、科学論文等の全てを、ここに、参照することでそれらの全ての説明を組入れる。
【背景技術】
【０００３】
異なる光を搬送する波長分割多重（ＷＤＭ）光ネットワークにおいて、データストリームによってそれぞれデジタルに変換されて結合し、一つの光ファイバを通して伝送がなされる。これらの搬送波の波長は国際電気通信連合（ＩＴＵ）の標準波長として決定される。将来、波長可変レーザ光源は、大量のＩＴＵチャネル数を設定することができ、光ネットワークの動的な再構成を可能にする。そのような要求を満たす光源の一つとして、外部共振型波長可変レーザは、特開平１０−２２３９９１号公報に公開されている。波長可変レーザは、レーザダイオードと、外部共振器を形成する外部反射鏡とを含み、共振器の内部に挿入したバンドパスフィルタである波長選択素子に通過させて選択波長を変化させることにより、レーザの波長の可変範囲を拡大して提供しうる。
【０００４】
図５は、従来の外部共振器型波長可変レーザ装置の構成を示す図である。利得媒質６８ａの片端面には低反射膜６８ｂが施されており、利得媒質６８ａの他方の端面には無反射膜６８ｃが施されている。レーザダイオード６８から出射された光はレンズ６９ｂを通して平行光に変換される。レンズ６９ｂの後方には、反射ミラー６３が配置され、可変光学バンドパスフィルタ６２はレンズ６９ｂと反射ミラー６３との間に配置される。それゆえ、反射ミラー６３と低反射膜６８ｂにより外部共振器を構成している。また、レーザダイオード６８の低反射膜６８ｂの後方には他のレンズ６９ａが配置され、レンズ６９ａを透過したレーザ光は光ファイバ６０を伝送して出力ポート６１から出力される構成になっている。
【０００５】
加えてレーザ波長の調整を可能にするレーザダイオード光源や、光学変調、光学増幅、および光学波長フィルタのような素子の集積化および小型化は、ＷＤＭ光通信ネットワークからの要請である。
【０００６】
図６は、半導体レーザと光変調器をハイブリッド集積したときの光結合を示す概略図である。半導体レーザの光出力が第１のレンズによりコリメートされ、第２のレンズにより再び集光されて光変調器の端面へ入力される。このとき半導体レーザと光変調器との結合損失は１０ｄＢにもなる。このため後段となる光変調器の光出力を考慮すると前段の半導体レーザには高い光出力が要求される。さらに、この方法はパッケージングをたいへん困難にさせ、バルキーなデバイスになってしまう。
【０００７】
結合損失の削減方法は、この特許において集積することすなわち、米国特許第６２９５３０８号明細書に開示される。この特許で示されるよう同一基板上で外部共振レーザの利得媒質を伴う光変調器である利得部と光学変調器の間に部分反射鏡を追加することにより集積を実現する幾つかの方法は、すなわち、エッチングされた端面や、ループ鏡および分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ）が提案されている。しかしながら、エッチングされた端面は、変調器の入力端面でファブリーペロー共振器を生成し、波長依存性を有する反射率をもたらす。ループ鏡は、半導体チップの大きな面積を必要とし、ＤＢＲは、本質的に、バンド幅が制限されている。それゆえ、これらの解決方法は、外部共振器型波長可変レーザの使用は実用的でない。
【０００８】
そこで、他の光学的機能と外部共振器型波長可変レーザの集積のためのよりよき方法が必要とされている。
【発明の開示】
【０００９】
本発明の目的は、従って、半導体レーザ素子と光機能素子とが集積された光集積素子に関して、小型で、波長可変幅が広く、光素子間の結合損失が小さい光集積素子を提供することにある。
【００１０】
本発明の光集積素子は、同一基板上に光機能素子部、光分岐部、利得部および第１反射ミラーが形成された光集積回路チップと、前記第１反射ミラーおよび前記利得部と共にレーザ共振器を構成する前記光集積回路チップの外に配置された第２反射ミラーと、を有する光集積素子であって、前記光分岐部は、前記光集積回路チップ上の共振器内に形成され、前記レーザ共振器から光を分離して前記光機能素子部へ出力することを特徴とする。
【００１１】
本発明では、半導体レーザと光機能素子の光集積素子に外部共振器構造を採用することでレーザ発振の波長可変幅を広くしている。さらに、外部共振器レーザを構成する利得部および第１反射ミラーと、光機能素子部および光分岐部を同一基板上に形成した光集積回路チップを用いている。これにより光集積素子の高集積化、高機能化を図ると共に光素子間の結合損失を小さくしている。また、基板上に形成されたレーザ共振器内に光分岐部を設けることで小さな結合損失でレーザ光を分離することができる。
【００１２】
本発明に従えば、可変波長の広いレンジを提供し、結合損失を削減しうる小型の光集積素子を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明は、小型で、波長可変幅が広く、他の光機能素子との結合損失が小さい光集積素子を提供するという目的を達成する。
【実施例】
【００１４】
以下、本発明の第１の実施の形態について図１、図２を参照して説明する。
【００１５】
図１は、本発明の第１の実施の形態である光集積回路の構成を示す上面図である。図１に示すように、光集積回路チップ１０には、光アンプ部２０、位相調整部１８、部分反射鏡として機能する光分岐１５機能および反射鏡部１６、および、マッハツェンダー型光変調器（Mach-Zehnder optical modulator）２２が基板上にモノリシック集積されている。光集積回路チップ１０の両端面には、それぞれ低反射コーティング（Anti-Reflection coating）１２、１４が施されている。
【００１６】
さらに、集積回路チップ１０の外には、レンズ３０、光学フィルタ３２、外部共振器ミラー２８が配置され、利得部となる光アンプ（SOA: semiconductor optical amplifier）部２０と、第１反射ミラーとなる部分反射鏡部１６、および、第２反射ミラーとなる外部共振器ミラー２８により外部共振器型レーザを構成している。
【００１７】
外部共振器ミラー２８は、基板に多層反射膜をコーティングすることで形成される。本実施の形態では、光フィルタ３２は、エタロンの屈折率の変化によって適切な波長の選択が可能であり、その結果、透過ピーク波長のシフトが生じる。エタロンのレイアウトに依存して、例えば温度または電圧の変化によって実現しうる。光アンプ部２０は位相制御部１８と外部共振部１４に面したＡＲコート端面との間に位置する。位相調整部１８への電流供給によって、実効的な反射率が変化し、それ故、発振波長は正確に調整されうる。
【００１８】
図１に示すように、本発明の第１の実施の形態では、光機能素子部としてマッハツェンダー型光変調器２２を用いている。部分反射鏡１６からの出力光は、マッハツェンダー型光変調器２２で変調されて光ファイバ２４へ光集積回路チップの端面から出射される。
【００１９】
光集積回路チップ上に形成される能動導波路、受動導波路は、基板上にモノリシック形成することが好ましい。図２は、第１の実施の形態で用いた部分反射鏡１６の動作を説明する概略図である。この構成で、レーザ共振器からの光は方向性結合器の第一の入力ポートと結合される。光は、エバネセント結合を通じて近接する導波路に結合される。方向性結合器の端部で光は、エッチングされた端面で反射され、反射光は方向性結合器を通して戻る。方向性結合器を通って伝播した後に、光の一部は、レーザ共振器に戻って結合し、光の残りの部分は、レーザ共振器の外部に位置するマッハツェンダー型光変調器へ導入する出力ポートに送られる。反射部は、増幅部からの光ビームを反射しうるものであればいかなる物質や構造で形成されうる。例えば、金（Ａｕ）などの金属膜、屈折率の異なる層を交互に積層した多層反射膜、エアギャップで構成された回折格子で構成してもよい。反射部の配置は基板上に限るものではなく、方向性結合器を光集積回路チップの側面まで延ばすことで反射膜を光集積回路の側面に形成することもできる。
【００２０】
なお、第１の実施の形態では、光分岐部として方向性結合器を用いたが、これに限られるものではない。例えば、２×２型ＭＭＩ（マルチモード干渉（multi-mode interference））導波路を用いてもよい。
【００２１】
方向性結合器の例として、部分反射鏡の透過率と反射率は、結合器のｘ／１−ｘのパワー分割比と反射部Ｒ１の電力反射率によって決定される。全体の電力透過率Ｔおよび電力反射率Ｒは、
【数１】
2008543028.tif 000003
【００２２】
マッハツェンダー型光変調器は第１の実施の形態の光学機能素子として使用されるが、この構成に限定されるものではない。例えば、電界吸収型変調器や可変光減衰器を搭載しても良い。
【００２３】
透過型フィルタは、今回の特定のケースでは、エタロンであって、光集積回路チップと光学フィルタを形成するための外部共振器ミラー２８との間に配置されるが、外部共振器ミラー２８の面型の反射型波長選択素子を供給することによって、代用可能である。例えば、その表面上に形成される回折格子を有する外部共振器ミラーは、外部共振器ミラーとしても要求された波長を選択するよう操作されうるように使用される。
【００２４】
第１の実施の形態の光集積回路チップの生産工程は、以下の通り説明される。バンドギャップ波長が１．５８μｍのＭＱＷ構造を含むＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰダブルへテロ構造はＩｎＰ基板の上に積層される。そのあと、受動層と位相部２０を形成するための部分は、切り出され、１．３μｍのバンドギャップである光学導波路コア層はその切り出された部分内に形成される。次に、所望の導波路形状にメサエッチングした後、埋め込み層でメサ型導波路を埋め込む。なお、光集積回路チップへの光入出力に際し端面からの戻り光の影響を低減させるために、外部共振器ミラー２８からの反射光に対して導波路端面が垂直にならないようにチップのＡＲコート（１２、１４）への導波路を傾けて配置させる方が好ましい。具体的には７度から１０度程度傾くように形成している。最後に、素子分離のためのエッチングおよび能動導波路部の電極形成を行って光集積回路チップを完成させる。
【００２５】
本発明の第２の実施の形態は図３を参照して説明される。
【００２６】
図３は、本発明の第２の実施の形態に従って、光集積素子の外観を示す。図３に示されるように光集積回路チップ１０には、光アンプ（SOA: semiconductor optical amplifier）部２０、光分岐部３４、位相調整部１８、反射部３６、および、マッハツェンダー型光変調器２２を有し、それぞれ同一基板上にモノリシック集積されている。光集積回路チップ１０の入力および出力端面には、それぞれＡＲコート膜（Anti-Reflection coating）１２、１４が形成されている。
【００２７】
集積回路チップ１０の外にレンズ３０、光学フィルタ３２、外部共振器ミラー２８が配置されている。利得部である光アンプ（SOA: semiconductor optical amplifier）部２０と、第１反射ミラーである反射部３６、および、第２反射ミラーである外部共振器ミラー２８により外部共振器型レーザを構成している。外部共振器ミラー２８、光フィルタ３２、レンズ３０は、第１の実施の形態と同一のため説明を省略する。
【００２８】
外部共振器から光出力を取り出すための光分岐部として、１×２型マルチモード干渉導波路３４が反射部３６と光アンプ２０の間に設置されている。光パワーは分割されて、一方は光変調器へ導波されている。もう一方は、共振器を形成するために必要なフィードバックを供給する反射部へ導波される。光分岐部は１×２型マルチモード干渉導波路の他に２×２型マルチモード干渉導波路、Ｙ分岐導波路、あるいは、方向性結合器を用いてもよい。
【００２９】
位相調整部１８は、反射部３６と光アンプ部２０の間に設けられ、電流注入により位相調整部内部の有効屈折率を変化させて発振波長の位相を微調している。
【００３０】
反射部３６を光集積回路チップ内に設ける場合は、エッチングにより空間を形成し、そこに金（Ａｕ）のような金属膜を形成するか、あるいは、チップ内にエッチング等により形成したエアギャップ、または回折格子を形成することによって光を反射させてもよい。
【００３１】
図４は、本発明の第２の実施の形態の変形例である。図４に示されるように、反射部の位置はチップ内に限られるわけではなく、曲がり導波路を光集積回路の側面まで延長し、側面近傍に高反射膜３８を設ける構成でもよい。
【００３２】
光集積回路チップ上に形成される能動導波路、受動導波路は、基板上にモノリシック集積することが好ましい。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
以下のとおり、本発明に従い光集積回路は、情報通信用途、特に光ネットワーク信号源として有意である。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の第一の実施例に従った光集積素子の回路図である。
【図２】図１の実施例で使用されるループ鏡の他の配置を示す回路図である。
【図３】本発明の第二の実施例の光集積素子の回路図である。
【図４】本発明の第二の実施例の光集積素子の他の配置を示す回路概観図である。
【図５】従来の半導体外部共振器型レーザ素子の回路図である。
【図６】従来の光結合を示し、レーザダイオードと光変調が集積されている回路図である。
【図１】
2008543028.tif 000004
【図２】
2008543028.tif 000005
【図３】
2008543028.tif 000006
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【手続補正書】
【提出日】平成19年4月6日(2007.4.6)
【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】
基板上に光機能素子部、光分岐部、利得部および第１反射ミラーが形成された光集積回路チップと、
前記第１反射ミラーおよび前記利得部と共にレーザ共振器を構成する前記光集積回路チップの外に配置された第２反射ミラーと、を有する光集積素子であって、
前記光分岐部は、前記光集積回路チップ上の共振器内に形成され、前記レーザ共振器から光を分離して前記光機能素子部へ出力し、素子部および前記分岐部の分岐の一方は前記第一の反射鏡と結合される光集積素子。
【請求項２】
前記光分岐部が、１×２型マルチモード干渉導波路、２×２型マルチモード干渉導波路、Ｙ分岐導波路または方向性結合器のいずれかであり、第一の出力ポートは、レーザ共振器の一部を構成する第一の反射鏡へ導波され、第二の出力ポートは、レーザ共振器の出力へ導波される請求項１記載の光集積素子。
【請求項３】
前記反射部が、エッチングされた端面と、金属膜、回折格子、多層反射膜を備えるエッチングされた端面と、劈開された端面と、または劈開されて高反射コートされた端面のいずれかである請求項２記載の光集積素子。
【請求項４】
第一の反射鏡はエッチングされた端面を含み、前記エッチングされた端面は、金属膜、回折格子、多層反射膜、劈開された端面または、劈開された端面で高反射コートされたものである請求項３記載の光集積素子。
【請求項５】
チップからの出力結合側端面へ導入する前記導波路は傾斜している請求項１記載の光集積素子。
【請求項６】
チップからの出力結合側端面は無反射コートである請求項１記載の光集積素子。
【請求項７】
光学機能素子部は、マッハツェンダー型光変調器と、電界吸収型変調器および／または可変光減衰器を含む請求項１乃至６いずれか一つに記載の光集積素子。
【請求項８】
位相調整部は、反射鏡と分岐部の間に形成される請求項１乃至７いずれか一つに記載の光集積素子。
【請求項９】
光学フィルタは、第二反射鏡の前に供給される請求項１乃至７いずれか一つに記載の光集積素子。
【請求項１０】
第二の反射鏡は、また、調整可能なフィルタ機能を有する請求項１乃至７いずれか一つに記載の光集積素子。
【請求項１１】
エタロンは外部共振器内で提供される請求項１乃至１０いずれか一つに記載の光集積素子。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００４】
図３は、従来の外部共振器型波長可変レーザ装置の構成を示す図である。利得媒質６８ａの片端面には低反射膜６８ｂが施されており、利得媒質６８ａの他方の端面には無反射膜６８ｃが施されている。レーザダイオード６８から出射された光はレンズ６９ｂを通して平行光に変換される。レンズ６９ｂの後方には、反射ミラー６３が配置され、可変光学バンドパスフィルタ６２はレンズ６９ｂと反射ミラー６３との間に配置される。それゆえ、反射ミラー６３と低反射膜６８ｂにより外部共振器を構成している。また、レーザダイオード６８の低反射膜６８ｂの後方には他のレンズ６９ａが配置され、レンズ６９ａを透過したレーザ光は光ファイバ６０を伝送して出力ポート６１から出力される構成になっている。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
図４は、半導体レーザと光変調器をハイブリッド集積したときの光結合を示す概略図である。半導体レーザの光出力が第１のレンズによりコリメートされ、第２のレンズにより再び集光されて光変調器の端面へ入力される。このとき半導体レーザと光変調器との結合損失は１０ｄＢにもなる。このため後段となる光変調器の光出力を考慮すると前段の半導体レーザには高い光出力が要求される。さらに、この方法はパッケージングをたいへん困難にさせ、バルキーなデバイスになってしまう。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
本発明の光集積素子は、同一基板上に光機能素子部、光分岐部、利得部および第１反射ミラーが形成された光集積回路チップと、前記第１反射ミラーおよび前記利得部と共にレーザ共振器を構成する前記光集積回路チップの外に配置された第２反射ミラーと、を有する光集積素子であって、前記光分岐部は、前記光集積回路チップ上の共振器内に形成され、前記レーザ共振器から光を分離して前記光機能素子部へ出力し、素子部および前記分岐部の分岐の一方は前記第一の反射鏡と結合される。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１５】
図１は、本発明の第１の実施の形態である光集積回路の構成を示す上面図である。図１に示すように、光集積回路チップ１０には、光アンプ部２０、光分岐部３４、位相調整部１８、反射鏡３６、および、マッハツェンダー型光変調器（Mach-Zehnder optical modulator）２２が基板上にモノリシック集積されている。光集積回路チップ１０の入力および出力端面には、それぞれ低反射コーティング（Anti-Reflection coating）１２、１４が施されている。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１６】
さらに、集積回路チップ１０の外には、レンズ３０、光学フィルタ３２、外部共振器ミラー２８が配置され、利得部となる光アンプ（SOA: semiconductor optical amplifier）部２０と、第１反射ミラーとなる反射鏡部３６、および、第２反射ミラーとなる外部共振器ミラー２８により外部共振器型レーザを構成している。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１７】
外部共振器ミラー２８は、基板に多層反射膜をコーティングすることで形成される。本実施の形態では、光フィルタ３２は、エタロンの屈折率の変化によって適切な波長の選択が可能であり、その結果、透過ピーク波長のシフトが生じる。エタロンのレイアウトに依存して、例えば温度または電圧の変化によって実現しうる。
外部共振部からの光出力を取り出すための光分岐部として、光分岐部３４は反射部３６と光アンプ部２０の間に位置する。出力は分割されて、一方は、光変調器へ導波される。他方は、共振器を形成するのに必要なフィードバックを提供する反射部へ導波される。１×２型マルチモード干渉導波路以外に２×２型マルチモード干渉導波路、Ｙ分岐導波路または方向性結合器は、光分岐部として使用されうる。
位相制御部１８は、反射部３６と光分岐部３４の間に位置し、電流を注入して、実効的な反射率を変化させることによって、発振波長を精密に調整するために使用される。
位相制御部１８への注入電流によって、実効的な反射率は変化し、発振波長は正確に調整されうる。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１８】
図１に示すように、本発明の第１の実施の形態では、光機能素子部としてマッハツェンダー型光変調器２２を用いている。部分反射鏡１６からの出力光は、マッハツェンダー型光変調器２２で変調されて光ファイバ２４へ光集積回路チップの端面から出射される。
反射部３６は光集積回路チップ内で提供される場合には、エッチングで空間が形成されて、金（ＡＵ）が供給されて金属がコーティングされ、またはチップ内でエッチングされて形成されるエアギャップ又は回折格子により、光ビームの反射を可能にしている。例えば、光分岐部３４は、１×２型マルチモード干渉導波路として構成される。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１９】
光集積回路チップ上に形成される能動導波路、受動導波路は、基板上にモノリシック形成することが好ましい。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２５
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２６
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正１２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２７
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正１３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２８
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正１４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２９
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正１５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３０
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正１６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３１】
図２は、本発明の第２の実施の形態の変形例である。図２に示されるように、反射部の位置はチップ内に限られるわけではなく、曲がり導波路を光集積回路の側面まで延長されてもよい。
【手続補正１７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３４】
【図１】本発明の第一の実施例に従った光集積素子の回路図である。
【図２】本発明の第二の実施例の光集積素子の他の配置を示す回路概観図である。
【図３】従来の半導体外部共振器レーザ素子の回路図である。
【図４】従来の光結合を示し、このレーザダイオードと光変調が集積されている回路図である。
【手続補正１８】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2008543028.tif 000010
【図２】
2008543028.tif 000011
【図３】
2008543028.tif 000012
【図４】
2008543028.tif 000013
【手続補正書】
【提出日】平成20年6月16日(2008.6.16)
【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】
光集積回路チップ上に形成された第一の反射ミラーと、
前記光集積回路チップの外に形成され、前記第一の反射ミラーと共にレーザ共振器を構成する第二の反射ミラーと、
前記光集積回路チップ上の、前記レーザ共振器のレーザ発振光の光路上に形成された光分岐部と、を有する光集積装置。
【請求項２】
前記光分岐部は、１×２型マルチモード干渉導波路、２×２型マルチモード干渉導波路、Ｙ分岐導波路または方向性結合器のいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の光集積装置。
【請求項３】
前記第一の反射ミラーは、エッチングされた端面を有することを特徴とする請求項１または２に記載の光集積装置。
【請求項４】
前記第一の反射ミラーは、壁開された端面を有することを特徴とする請求項１または２に記載の光集積装置。
【請求項５】
前記光集積回路チップは更に、前記光集積回路チップの端面へ光を導波することを可能とした、傾斜した導波路を有することを特徴とする請求項１乃至４いずれかひとつに記載の光集積装置。
【請求項６】
前記光集積回路チップは更に、無反射コートされた端面を有することを特徴とする請求項１乃至５いずれかひとつに記載の光集積装置。
【請求項７】
前記第一の反射ミラーと前記光分岐部との間に、位相調整部を有することを特徴とする請求項１乃至６いずれかひとつに記載の光集積装置。
【請求項８】
前記第二の反射ミラーの前に、光学フィルタを有することを特徴とする請求項１乃至７いずれかひとつに記載の光集積装置。
【請求項９】
前記光学フィルタまたは前記第二の反射ミラーは、調節可能なフィルタ機能を有することを特徴とする請求項８に記載の光集積装置。
【請求項１０】
前記光学フィルタは、調節可能なフィルタ機能を有するエタロンであることを特徴とする請求項８に記載の光集積装置。
【請求項１１】
光機能素子を更に有し、
前記光分岐部は、前記光機能素子に光学的に結合していることを特徴とする請求項１乃至１０いずれかひとつに記載の光集積装置。
【請求項１２】
前記光機能素子は、少なくとも、マッハツェンダー型光変調器と、電界吸収型変調器と、可変光減衰器と、のいずれか一つを有することを特徴とする請求項１１に記載の光集積装置。
【請求項１３】
前記エッチングされた端面は、金属膜または回折格子または多層反射膜を有することを特徴とする請求項３に記載の光集積装置。
【請求項１４】
前記壁開された端面は、金属膜または多層反射膜を有することを特徴とする請求項４に記載の光集積装置。
【請求項１５】
半導体チップの内部と前記半導体チップの外部とで光を共振してレーザ発振光とする工程と、
前記レーザ発振光を分岐して分岐光とする工程と、
前記分岐光を出力光として前記半導体チップの外部に出力する工程と、からなる光出力方法。
【請求項１６】
前記出力光を制御する工程を更に有する、請求項１５に記載の光出力方法。
【請求項１７】
光集積回路チップ上に第一の反射ミラーを形成する工程と、
前記光集積回路チップの外に第二の反射ミラーを形成する工程と、
前記光集積回路チップ上の、レーザ共振器のレーザ発振光の光路上に、光分岐部を形成する工程と、を有する光集積装置の製造方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は外部共振器型レーザと光機能素子が集積された光集積装置、光出力方法並びにその製造方法に関する。
【０００２】
本発明に関する現時点での技術水準をより十分に説明する目的で、本願で引用され或いは特定される特許、特許出願、特許公報、科学論文等の全てを、ここに、参照することでそれらの全ての説明を組入れる。
【背景技術】
【０００３】
異なる光を搬送する波長分割多重（ＷＤＭ）光ネットワークにおいて、データストリームによってそれぞれデジタルに変換されて結合し、一つの光ファイバを通して伝送がなされる。これらの搬送波の波長は国際電気通信連合（ＩＴＵ）の標準波長として決定される。将来、波長可変レーザ光源は、大量のＩＴＵチャネル数を設定することができ、光ネットワークの動的な再構成を可能にする。そのような要求を満たす光源の一つとして、外部共振型波長可変レーザは、特許文献１に公開されている。波長可変レーザは、レーザダイオードと、外部共振器を形成する外部反射鏡とを含み、共振器の内部に挿入したバンドパスフィルタである波長選択素子に通過させて選択波長を変化させることにより、レーザの波長の可変範囲を拡大して提供しうる。
【０００４】
図３は、従来の外部共振器型波長可変レーザ装置の構成を示す図である。利得媒質６８ａの片端面には低反射膜６８ｂが施されており、利得媒質６８ａの他方の端面には無反射膜６８ｃが施されている。レーザダイオード６８から出射された光はレンズ６９ｂを通して平行光に変換される。レンズ６９ｂの後方には、反射ミラー６３が配置され、可変光学バンドパスフィルタ６２はレンズ６９ｂと反射ミラー６３との間に配置される。それゆえ、反射ミラー６３と低反射膜６８ｂにより外部共振器を構成している。また、レーザダイオード６８の低反射膜６８ｂの後方には他のレンズ６９ａが配置され、レンズ６９ａを透過したレーザ光は光ファイバ６０を伝送して出力ポート６１から出力される構成になっている。
【０００５】
加えてレーザ波長の調整を可能にするレーザダイオード光源や、光学変調、光学増幅、および光学波長フィルタのような素子の集積化および小型化は、ＷＤＭ光通信ネットワークからの要請である。
【０００６】
図４は、半導体レーザと光変調器をハイブリッド集積したときの光結合を示す概略図である。半導体レーザの光出力が第１のレンズによりコリメートされ、第２のレンズにより再び集光されて光変調器の端面へ入力される。このとき半導体レーザと光変調器との結合損失は１０ｄＢにもなる。このため後段となる光変調器の光出力を考慮すると前段の半導体レーザには高い光出力が要求される。さらに、この方法はパッケージングをたいへん困難にさせ、バルキーなデバイスになってしまう。
【０００７】
結合損失の削減方法は、この特許において集積することすなわち、特許文献２に開示される。この特許で示されるよう同一基板上で外部共振レーザの利得媒質を伴う光変調器である利得部と光学変調器の間に部分反射鏡を追加することにより集積を実現する幾つかの方法は、すなわち、エッチングされた端面や、ループ鏡および分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ）が提案されている。しかしながら、エッチングされた端面は、変調器の入力端面でファブリーペロー共振器を生成し、波長依存性を有する反射率をもたらす。ループ鏡は、半導体チップの大きな面積を必要とし、ＤＢＲは、本質的に、バンド幅が制限されている。それゆえ、これらの解決方法は、外部共振器型波長可変レーザの使用は実用的でない。
【０００８】
そこで、他の光学的機能と外部共振器型波長可変レーザの集積のためのよりよき方法が必要とされている。
【０００９】
【特許文献１】特開平１０−２２３９９１号公報
【特許文献２】米国特許第６２９５３０８号明細書
【発明の開示】
【００１０】
本発明の目的は、従って、半導体レーザ素子と光機能素子とが集積された光集積装置、光出力方法並びにその製造方法に関して、小型で、波長可変幅が広く、光素子間の結合損失が小さい光集積装置、光出力方法並びにその製造方法を提供することにある。
【００１１】
本発明に係る光集積装置は、光集積回路チップ上に形成された第一の反射ミラーと、前記光集積回路チップの外に形成され、前記第一の反射ミラーと共にレーザ共振器を構成する第二の反射ミラーと、前記光集積回路チップ上の、前記レーザ共振器のレーザ発振光の光路上に形成された光分岐部と、を有する。
【００１２】
また、本発明に係る光出力方法は、半導体チップの内部と前記半導体チップの外部とで光を共振してレーザ発振光とする工程と、前記レーザ発振光を分岐して分岐光とする工程と、前記分岐光を出力光として前記半導体チップの外部に出力する工程と、からなる。
【００１３】
さらに、本発明に係る光集積装置の製造方法は、光集積回路チップ上に第一の反射ミラーを形成する工程と、前記光集積回路チップの外に第二の反射ミラーを形成する工程と、前記光集積回路チップ上の、レーザ共振器のレーザ発振光の光路上に、光分岐部を形成する工程と、を有する。
【００１４】
本発明では、半導体レーザと光機能素子の光集積装置に外部共振器構造を採用することでレーザ発振の波長可変幅を広くしている。さらに、外部共振器レーザを構成する利得部および第１反射ミラーと、光機能素子部および光分岐部を同一基板上に形成した光集積回路チップを用いている。これにより光集積装置の高集積化、高機能化を図ると共に光素子間の結合損失を小さくしている。また、基板上に形成されたレーザ共振器内に光分岐部を設けることで小さな結合損失でレーザ光を分離することができる。
【００１５】
本発明に従えば、可変波長の広いレンジを提供し、結合損失を削減しうる小型の光集積装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明は、小型で、波長可変幅が広く、他の光機能素子との結合損失が小さい光集積装置を提供するという目的を達成する。
【実施例】
【００１７】
以下、本発明の第１の実施の形態について図１、図２を参照して説明する。
【００１８】
図１は、本発明の第１の実施の形態である光集積回路の構成を示す上面図である。図１に示すように、光集積回路チップ１０には、光アンプ部２０、光分岐部３４、位相調整部１８、反射鏡３６、および、マッハツェンダー型光変調器（Mach-Zehnder optical modulator）２２が基板上にモノリシック集積されている。光集積回路チップ１０の入力および出力端面には、それぞれ低反射コーティング（Anti-Reflection coating）１２、１４が施されている。
【００１９】
さらに、集積回路チップ１０の外には、レンズ３０、光学フィルタ３２、外部共振器ミラー２８が配置され、利得部となる光アンプ（SOA: semiconductor optical amplifier）部２０と、第１反射ミラーとなる反射鏡部３６、および、第２反射ミラーとなる外部共振器ミラー２８により外部共振器型レーザを構成している。
【００２０】
外部共振器ミラー２８は、基板に多層反射膜をコーティングすることで形成される。本実施の形態では、光フィルタ３２は、エタロンの屈折率の変化によって適切な波長の選択が可能であり、その結果、透過ピーク波長のシフトが生じる。エタロンのレイアウトに依存して、例えば温度または電圧の変化によって実現しうる。
【００２１】
外部共振部からの光出力を取り出すための光分岐部として、光分岐部３４は反射部３６と光アンプ部２０の間に位置する。出力は分割されて、一方は、光変調器へ導波される。他方は、共振器を形成するのに必要なフィードバックを提供する反射部へ導波される。１×２型マルチモード干渉導波路以外に２×２型マルチモード干渉導波路、Ｙ分岐導波路または方向性結合器は、光分岐部として使用されうる。
【００２２】
位相制御部１８は、反射部３６と光分岐部３４の間に位置し、電流を注入して、実効的な反射率を変化させることによって、発振波長を精密に調整するために使用される。
【００２３】
位相制御部１８への注入電流によって、実効的な反射率は変化し、発振波長は正確に調整されうる。
【００２４】
図１に示すように、本発明の第１の実施の形態では、光機能素子部としてマッハツェンダー型光変調器２２を用いている。部分反射鏡１６からの出力光は、マッハツェンダー型光変調器２２で変調されて光ファイバ２４へ光集積回路チップの端面から出射される。
【００２５】
反射部３６は光集積回路チップ内で提供される場合には、エッチングで空間が形成されて、金（ＡＵ）が供給されて金属がコーティングされ、またはチップ内でエッチングされて形成されるエアギャップ又は回折格子により、光ビームの反射を可能にしている。例えば、光分岐部３４は、１×２型マルチモード干渉導波路として構成される。
【００２６】
光集積回路チップ上に形成される能動導波路、受動導波路は、基板上にモノリシック形成することが好ましい。
【００２７】
なお、第１の実施の形態では、光分岐部として方向性結合器を用いたが、これに限られるものではない。例えば、２×２型ＭＭＩ（マルチモード干渉（multi-mode interference））導波路を用いてもよい。
【００２８】
方向性結合器の例として、部分反射鏡の透過率と反射率は、結合器のｘ／１−ｘのパワー分割比と反射部Ｒ１の電力反射率によって決定される。全体の電力透過率Ｔおよび電力反射率Ｒは、
【００２９】
【数１】
2008543028.tif 000014
【００３０】
マッハツェンダー型光変調器は第１の実施の形態の光学機能素子として使用されるが、この構成に限定されるものではない。例えば、電界吸収型変調器や可変光減衰器を搭載しても良い。
【００３１】
透過型フィルタは、今回の特定のケースでは、エタロンであって、光集積回路チップと光学フィルタを形成するための外部共振器ミラー２８との間に配置されるが、外部共振器ミラー２８の面型の反射型波長選択素子を供給することによって、代用可能である。例えば、その表面上に形成される回折格子を有する外部共振器ミラーは、外部共振器ミラーとしても要求された波長を選択するよう操作されうるように使用される。
【００３２】
第１の実施の形態の光集積回路チップの生産工程は、以下の通り説明される。バンドギャップ波長が１．５８μｍのＭＱＷ構造を含むＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰダブルへテロ構造はＩｎＰ基板の上に積層される。そのあと、受動層と位相部２０を形成するための部分は、切り出され、１．３μｍのバンドギャップである光学導波路コア層はその切り出された部分内に形成される。次に、所望の導波路形状にメサエッチングした後、埋め込み層でメサ型導波路を埋め込む。なお、光集積回路チップへの光入出力に際し端面からの戻り光の影響を低減させるために、外部共振器ミラー２８からの反射光に対して導波路端面が垂直にならないようにチップのＡＲコート（１２、１４）への導波路を傾けて配置させる方が好ましい。具体的には７度から１０度程度傾くように形成している。最後に、素子分離のためのエッチングおよび能動導波路部の電極形成を行って光集積回路チップを完成させる。
【００３３】
図２は、本発明の第２の実施の形態の変形例である。図２に示されるように、反射部の位置はチップ内に限られるわけではなく、曲がり導波路を光集積回路の側面まで延長されてもよい。
【００３４】
光集積回路チップ上に形成される能動導波路、受動導波路は、基板上にモノリシック集積することが好ましい。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明に従い光集積回路は、情報通信用途、特に光ネットワーク信号源として有意である。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の第一の実施例に従った光集積装置の回路図である。
【図２】本発明の第二の実施例の光集積装置の他の配置を示す回路概観図である。
【図３】従来の半導体外部共振器レーザ素子の回路図である。
【図４】従来の光結合を示し、このレーザダイオードと光変調が集積されている回路図である。
【国際調査報告】
2008543028.tif 000015