(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を増幅する第１光素子と、
基板上に形成され、前記第１光素子の一端面に光接続される第１の光導波路と、
前記基板上に形成され、前記第１の光導波路に光結合されるリング共振器と、
前記基板上に形成され、前記リング共振器に光結合される第２の光導波路と、
前記基板上に形成され、前記第２の光導波路に光結合され、前記第１光素子の前記一端面から入射する光から所定波長帯域の光を選択する第２光素子と、
前記基板上に形成され、前記第２光素子を介して前記第２の光導波路に接続され、光出力部を有する第３の光導波路と、
前記基板上に形成され、前記第３の光導波路に光結合される第１の反射鏡と、
前記第１光素子の他端面の側に配置される第２の反射鏡と、
前記第１の光導波路と前記第１光素子の前記一端面と前記第２の反射鏡のそれぞれの間のうち少なくとも１つの間に光結合され、前記所定波長帯域の３ｄＢ帯域波長内に含まれる縦モードの数を８０００個以下で存在させる長さを有する光ファイバと、
を有する半導体光装置。
【請求項２】
前記第２光素子と前記第１の反射鏡は、回折格子から形成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体光装置。
【請求項３】
前記第２の反射鏡は、前記第１光素子の前記他端面に形成される反射膜であることを特徴とする請求項１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などに使用される半導体光装置のうち、発光素子と光導波路構造を集積した装置は例えば光源に用いられる。そのような半導体光装置として、発光素子とシリコン光導波路をハイブリッドに集積した外部共振器型半導体レーザがあり、低消費電力動作が可能であり、小型モジュールなどに使用される。
【０００３】
そのような外部共振器型半導体レーザでは、単一縦モードの動作を目的として、例えば２つのリング共振器を用いてバーニア効果を利用する構造が知られている。また、２つのリング共振器のうちの１つのリング共振器の導波路上にヒータを配置し、ヒータによる温度調整により熱光学効果を発生させて、そのリング共振器の共振波長を変化させる構造が知られている。
【０００４】
また、波長可変光源に使用される半導体光装置として、例えば、半導体レーザの光出射端とコリメートレンズの間に光ファイバを配置し、さらにコリメートレンズの光伝搬方向に回折格子とミラーを配置する構造が知られている。この装置によれば、ミラーと半導体レーザ端部の間で共振器が形成され、光ファイバを長くすることにより発振可能なモード数を多くして擬似的なモードホップフリー状態とし、安定多モード動作が実現される。
【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２００６−０４９７８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記のように半導体レーザ、回折格子及びミラーを使用して共振器を形成する構造では、それらの間に光の空間伝搬領域が存在するので、部品配置等について取り扱いが難しい。さらに、所望の発振波長を得るために、ミラーの角度を調整し、さらに回折格子で回折された光を半導体レーザにフィードバックする構造になっているので、角度調整機構を１つの基板上に集積させることは容易ではなく、しかも出力光に雑音を誘発しやすい。
【０００７】
従って、そのような装置によれば、上記の外部共振器型半導体レーザのように全部品を集積化した装置の作成は困難である。
一方、上記のようにリング共振器の導波路上にヒータを取り付ける外部共振器型半導体レーザによれば、温度変化などによってリング共振器の屈折率がバーニア効果の単一モード条件から外れると、モードホップによる雑音が発生しやすくなる。
【０００８】
本発明の目的は、雑音の誘発を抑制する半導体光装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の１つの観点によれば、光を増幅する第１光素子と、基板上に形成され、前記第１光素子の一端面に光接続される第１の光導波路と、前記基板上に形成され、前記第１の光導波路に光結合されるリング共振器と、前記基板上に形成され、前記リング共振器に光結合される第２の光導波路と、前記基板上に形成され、前記第２の光導波路に光結合され、前記第１光素子の前記一端面から入射する光から所定波長帯域の光を選択する第２光素子と、前記基板上に形成され、前記第２光素子を介して前記第２の光導波路に接続され、光出力部を有する第３の光導波路と、前記基板上に形成され、前記第３の光導波路に光結合される第１の反射鏡と、前記第１光素子の他端面の側に配置される第２の反射鏡と、前記第１の光導波路と前記第１光素子の前記一端面と前記第２の反射鏡のそれぞれの間のうち少なくとも１つの間に光結合され、前記所定波長帯域の３ｄＢ帯域波長内に含まれる縦モードの数を８０００個以下で存在させる長さを有する光ファイバと、を有する半導体光装置が提供される。
なお、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。
【発明の効果】
【００１０】
本実施形態によれば、第２光素子によって所定波長帯域の光を選択するようにしたので、光共振器に駆動部が不要となる。しかも、長さの調整が容易な光ファイバにより光共振器の導波路の一部を形成しているので、長さを調整することにより光共振器の動作を安定させることが可能になり、雑音の誘発を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、本発明の第１実施形態に係る半導体光装置の構成図である。
【図２】図２は、本発明の実施形態に係る半導体光装置に使用される半導体光増幅素子の一例を示す断面図である。
【図３】図３は、本発明の第１実施形態に係る半導体光装置の利得領域への電流量と光ファイバ端利得の関係を示す図である。
【図４】図４は、本発明の第１実施形態に係る半導体光装置内のフィルタにおける光透過波長と透過率の関係を示す図である。
【図５】図５は、本発明の第１実施形態に係る半導体光装置から出力される光パワー強度と波長の関係を示す図である。
【図６】図６は、本発明の実施形態に係る半導体光装置の共振器長とフィルタ中の縦モード数の関係を示す図である。
【図７】図７は、本発明の実施形態に係る波長とフィルタ通過スペクトル強度の関係における２つの縦モードの変動を示す図である。
【図８】図８は、本発明の第２実施形態に係る半導体光装置を示す平面図である。
【図９】図９は、本発明の第２実施形態に係る半導体装置の部分断面図である。
【図１０】図１０は、本発明の第２実施形態に係る半導体装置内の回折格子を示す断面図である。
【図１１】図１１は、本発明の第２実施形態に係る半導体光装置内の回折格子を示す平面図である。
【図１２】図１２は、本発明の第２の実施の形態に係る半導体光装置内の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１３】図１３は、本発明の第２の実施の形態に係る半導体光装置内の波長選択反射鏡の凸部の厚さと３ｄＢ帯域の関係を示す図である。
【図１４】図１４は、本発明の第２の実施の形態に係る半導体光装置内の波長選択反射鏡の凸部の厚さと反射率の関係を示す図である。
【図１５】図１５は、本発明の第２の実施の形態に係る半導体光装置内の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内の結合導波路の結合長と透過率の関係を示す図である。
【図１７】図１７は、本発明の第２の実施の形態に係る半導体光装置内のリング共振器の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１８】図１８は、本発明の第２の実施の形態に係る半導体光装置内の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１９】図１９は、本発明の第２実施形態に係る半導体光装置の出力の波長と透過率の関係を示す図である。
【図２０】図２０は、本発明の第２実施形態に係る半導体光装置の第１の変形例を示す平面図である。
【図２１】図２１は、本発明の第２実施形態に係る半導体光装置内のリング共振器とその近傍の光導波路についての他の例を示す平面図である。
【図２２】図２２は、本発明の第２実施形態に係る半導体光装置の第２の変形例を示す平面図である。
【図２３】図２３は、本発明の第２実施形態に係る半導体光装置の第３の変形例を示す平面図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
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。
【００１３】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る半導体光装置を示す平面図である。
図１において、半導体光装置１は、第１の光素子である半導体光増幅素子（ＳＯＡ）２と、第２の光素子である光ファイバ３と、第３の光素子であるバンドパスフィルタ４を有している。バンドパスフィルタ４は、光波長選択素子として使用され、光ファイバ３は光導波路の一部として使用される。
【００１４】
半導体光増幅素子２の出射端はアイソレータ５の入射端に光結合され、また、アイソレータ５の出射端は光ファイバ３の一端に光結合され、さらに、光ファイバ３の他端はバンドパスフィルタ４の一端に光学的に結合されている。バンドパスフィルタ４の他端は、ファイバカプラ６を介して半導体光増幅素子２の入射端に光学的に結合されている。
【００１５】
ファイバカプラ６として、例えば一入力、二出力の２分岐型光カプラが使用され、入力端はバンドパスフィルタ４に光学的に接続され、一方の出力端は半導体光増幅素子２の入射端に光学的に接続される。また、２分岐型光カプラの他方の出力端は半導体光装置１の光出力端として使用される。この場合、一方の出力端からは例えば約９０％の強度で光が出射され、他方の出力端からは例えば約１０％で光が出射される。
【００１６】
これにより、半導体光装置１は、アイソレータ５及びファイバカプラ６を介して半導体光増幅素子２、光ファイバ３、バンドパスフィルタ４がループ状に光結合されたループ共振器となる。
【００１７】
なお、半導体光増幅素子２とアイソレータ５の光結合と、バンドパスフィルタ４とファイバカプラ６の光結合と、ファイバカプラ６と半導体光増幅素子２の光結合は、それぞれ例えば光ファイバ７、８、９を介して行われる。
【００１８】
バンドパスフィルタ４として、例えば、光照射面に凹凸を有する回折格子、或いは、屈折率の異なる誘電体薄膜を交互に重ねて形成した干渉フィルタが使用される。また、アイソレータ５として、例えば、偏光板の間にファラデー素子を挟んだ構造が適用される。なお、アイソレータ５として、シリコン基板の凹凸面上にシリコン層と酸化シリコン層を交互に積層した偏光分離素子を使用してもよい。
【００１９】
半導体光増幅素子２として、例えば、図２の断面図に示すような構造の半導体発光素子が使用される。
その半導体光発光素子は、ｎ型ＩｎＰ基板２ａ上に、ｎ型ＩｎＰクラッド層２ｂ、アンドープＩｎＧａＡｓＰ第１光閉込層２ｃ、アンドープＩｎＧａＡｓ活性層２ｄ、アンドープＩｎＧａＡｓＰ第２光閉込層２ｅ、ｐ型ＩｎＰクラッド下部層２ｆが順に形成されている。
【００２０】
ＩｎＧａＡｓ活性層２ｄは、例えば１．５５μｍ帯域付近の発光波長になるように組成が調整されている。ｐ型ＩｎＰクラッド下部層２ｆからその下方のｎ型ＩｎＰクラッド層２ｂは、パターニングにより光導波方向に長いストライプメサ形状が形成され、その両側（図２の紙面に対して垂直方向）には凹部（不図示）が形成されている。
【００２１】
また、ストライプメサ形状の両側の凹部には、ＩｎＧａＡｓ活性層２ｄの上端に達する深さのｐ型ＩｎＰ埋込層（不図示）が形成され、そのｐ型ＩｎＰ埋込層上にはｎ型ＩｎＰブロック層（不図示）が形成されている。さらに、そのｎ型ＩｎＰブロック層とｐ型ＩｎＰクラッド下部層２ｆの上には、ｐ型ＩｎＰクラッド上部層２ｇとｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層２ｈが順に形成されている。
【００２２】
また、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層２ｈ上にはｐ側電極２ｊが形成され、さらに、ｎ型ＩｎＰ基板２ａの下面にはｎ側電極２ｋが形成されている。
【００２３】
上記の半導体光装置１において、半導体光増幅素子２のｐ側電極２ｊからｎ側電極２ｋに電流を流すことにより、半導体光増幅素子２の活性層２ｄで誘導放出を生じさせて発光させる。
【００２４】
半導体光増幅素子２から放出された光はアイソレータ５に伝搬し、さらに、光ファイバ３、バンドパスフィルタ４、ファイバカプラ６を通して半導体光増幅素子２の入射端に伝搬する。この場合、光の伝搬方向はアイソレータ５により制御され、アイソレータ５から光ファイバ３、バンドパスフィルタ４に向けた周回方向にループ状に伝搬し、半導体光装置１はリングレーザ共振器として機能する。リングレーザ共振器の共振器長は、リングを一周する長さである。
【００２５】
半導体光増幅素子２に流す電流の大きさと光ファイバ３の端部で利得との関係は図３に示す関係にあり、例えば利得の高い２００ｍＡ以上の大きさの直流電流を半導体光増幅素子２に供給する。
【００２６】
バンドパスフィルタ４の透過３ｄＢ帯域を図４に例示するようにピーク波長に対して０．６ｎｍに設定し、光ファイバ３の長さを調整してリングレーザ共振器の共振器長を１１．６ｍにする。これにより、リングレーザ共振器では、図５のａに示すような単峰性のスペクトル波形の発振が起き、この状態は安定動作である。
【００２７】
これに対し、光ファイバ３の長さを調整してリングレーザ共振器の共振器長を１６．６ｍにすると、図５のｂに示すように、複数のピークを有するスペクトル形状で発振することもあるし、或いは、図５のａに示した１つのピークを有する発振することもある。そのような動作を不安定動作と呼ぶ。不安定動作は、出力光に雑音を誘発する原因になるため、抑制する必要がある。
【００２８】
光ファイバ３の長さを調整してリングレーザ共振器の共振器長を３．２ｍまで短くしても、安定動作が得られる。
このように、リングレーザ共振器の共振器長を変化させることにより、発振モードの安定動作と不安定動作が切り替わることは、本願発明者により見出されたことである。
【００２９】
バンドパスフィルタ４の３ｄＢ帯域波長の幅を１ｎｍに広げても同様な現象が起きる。この場合には、リングレーザ共振器長を７．６ｍより短くすると、リングレーザ共振器は安定動作する一方、９．６ｍより長くすると不安定動作をする。
【００３０】
バンドパスフィルタ４の３ｄＢ帯域波長の幅を０．６ｎｍ、１．０ｎｍ、５．０ｎｍ、１０ｎｍに設定した場合のそれぞれについて、それらの３ｄＢ帯域波長内に存在する縦モード数を共振器長との関係で示すと、図６に示す実線のようになる。また、図６の特性線において、縦軸及び横軸は対数目盛であり、安定動作が得られる共振器長を黒丸（●）で示し、不安定動作となる共振器長を白抜きの三角（△）で示している。
【００３１】
図６において、バンドパスフィルタ４のピーク波長に対する３ｄＢ帯域波長内に存在する縦モード数が８０００個以下の場合には、リングレーザ共振器は安定動作している。これに対し、その３ｄＢ帯域波長内に存在する縦モード数が８０００個より多い場合には、リングレーザ共振器は不安定動作となる。
【００３２】
一方、３ｄＢ帯域波長内の縦モード数が１個の場合には、リングレーザ共振器の環境の変化に伴って、１個の縦モードがバンドパスフィルタ４の３ｄＢ帯域波長から相対的にずれてしまい、これにリングレーザ共振器から出力されるレーザ強度が変動し易くなり、発振が停止することもある。
【００３３】
従って、縦モードの数は、例えば図７の実線の縦線に示すように、バンドパスフィルタ４の３ｄＢ帯域波長内で２個以上存在することが好ましい。２個存在すれば、図７の破線の縦線に示すように、発光波長が相対的にずれても３ｄＢ帯域波長内に少なくとも１個の縦モードが残るからである。その発光波長のずれは、３ｄＢ帯域波長の幅よりも大きくずれることはない、と考えられる。
【００３４】
従って、レーザ共振器を安定動作させるためには、バンドパスフィルタの３ｄＢ帯
域波長内に２個以上、８０００個以下の縦モードが存在する条件に設定することが好ましい。その設定は、本実施形態においては例えば光ファイバ３の長さを調整することにより行う。
【００３５】
このことは、リングレーザ共振器に限らず、後述する他の実施形態のレーザ共振器においても同様である。
【００３６】
本実施形態では、リングレーザ共振器を実質的に光ファイバ３のみで形成しているといえる。従って、例えば、光ファイバ３の長さ、即ち共振器長を少なくとも１ｍとなし、バンドパスフィルタ４の３ｄＢ帯域幅を０．６ｎｍとすると、その波長帯域には５００個以上の縦モードが存在する。
【００３７】
本実施形態では、例えば図４、図７に示したように、バンドパスフィルタ４の透過スペクトル形状をローレンツ関数に近い形状にしている。しかし、その透過スペクトル形状をガウス分布形状、その他の形状を用いてもよい。ただし、透過特性のピーク近傍で透過特性が平坦になる領域が大きくなる形状、例えば矩形形状は不安定動作し易くなってしまうので好ましくない。
【００３８】
なお、ファイバカプラ６の第１出射端、第２出射端のそれぞれの分岐率は上記のように９０％、１０％に限るものではなく、８５％、１５％など、適宜変更される。
【００３９】
（第２の実施の形態）
図８は、本発明の第２実施形態に係る半導体光装置を示す平面図である。
図８に示す半導体光装置１１は、第１の光素子である半導体光増幅素子（ＳＯＡ）２と、第２の光素子である光波長選択素子１３を有する。半導体増幅素子２の第１の端面２ａは、ゲル状のマッチングオイル（不図示）を介して光波長選択素子３の第１の端面１３ａに結合されている。
【００４０】
半導体光増幅素子２は、例えば図２と同様な断面構造を有している。本実施形態に適用される半導体光増幅素子２内の活性層２ｄは、光導波路の一部であり、図８の平面図に示すように半導体光増幅素子２の第１の端面２ｘに垂直な方向に対して例えば７°の角度で斜交するストライプ形状を有している。これにより、第１の端面２ｘでの光の反射による活性層２ｄへの帰還を抑制している。なお、図２は、図８のＩ−Ｉ線に沿った断面を示している。
【００４１】
光波長選択素子１３は、シリコン基板２０を有し、その上には、第１の光導波路２２、リング共振器２３及び第２の光導波路２４が形成されている。第１の光導波路２２、リング共振器２３及び第２の光導波路２４は、図９に示す断面図、即ち図８のII−II線に沿った断面図に示すように、シリコン基板２０上に形成された第１のシリコン酸化層２１と、その上に形成されたコア層２５ａ、２５ｂ、２５ｃと、コア層２５ａ、２５ｂ、２５ｃを覆う第２のシリコン酸化層２６から形成されている。それらのコア層２５ａ、２５ｂ、２５ｃの幅は例えば０．５μｍである。コア層２５ａ、２５ｂ、２５ｃはシリコン層をパターニングすることにより形成され、シリコン酸化層２１、２６よりも屈折率が高い。
【００４２】
第１の光導波路２２のコア層２５ａは、光波長選択素子１３の第１の端面１３ａ（図８中左端面）から第２の端面１３ｂ（図８中右端面）に向けて延在し、その途中でリング共振器２３のコア２５ｂの外周形状に沿って一部が湾曲している。第１の光導波路２２の湾曲部分は、リング共振器２３に光結合する円弧状の結合導波路３１となっている。
【００４３】
また、第１の光導波路２２において光波長選択素子１３の第１の端面１３ａから結合導波路３１までの間の領域は、半導体光増幅素子２の活性層２ｄに光結合する入力ポート３２となっている。この場合、第１の光導波路２２のコア２５ａの第１端面２２ａは、半導体光増幅素子２の活性層２ｄの第１の端面２ｘに結合されている。
【００４４】
入力ポート３２のうち半導体光増幅素子２寄りの先端部は、光波長選択素子１３の第１端面１３ａに垂直な方向に対して１５°の角度で斜交している。これにより、第１の光導波路２２の第１端面２２ａでの光の反射による活性層２ｄ及び第１の光導波路２２への帰還を抑制している。なお、入力ポート３２は、光波長選択素子１３と別な部材でもよく、波長を選択する光素子と半導体光増幅素子２を光結合する光導波路である。
【００４５】
第２の光導波路２４は、リング共振器２３に対して第１の光導波路２２とは反対側の領域に形成され、リング共振器２３の外周形状に沿って一部が湾曲している。第２の光導波路２４の湾曲部分は、リング共振器２３に光結合される結合導波路３３になっている。
【００４６】
また、第２の光導波路２４は、光波長選択素子１３において結合導波路３３から半導体光増幅素子２寄りの第１の端面１３ａの近傍に向かって延び、そこからさらにＵ字状に湾曲して反対側の第２の端面１３ｂの上に到達する形状の屈曲部３４を有している。
【００４７】
第２の光導波路２４の屈曲部３４の端面２４ａを含む光波長選択素子１３の第２の端面１３ｂとその周辺は、光出力端部である。また、光波長選択素子１３の第２の端面１３ｂに延びる第２の光導波路２４の端部は、光波長選択素子１３の第２の端面１３ｂに垂直な方向に対して１５°の角度で斜交されている。これにより、光波長選択素子３の第２の端面１３ｂで反射する光が第２の光導波路２４に帰還することを抑制している。
【００４８】
なお、光波長選択素子１３の第２の端面１３ｂには、無反射膜３６が形成され、これにより、光出力端となる第２の光導波路２４の端面２４ａから出射される光の反射を抑制している。
【００４９】
また、第２の光導波路２４において、Ｕ字状の屈曲部３４と結合導波路３３の間の領域には、波長選択反射鏡として回折格子３５が形成されている。回折格子３５は、図８のIII-III線の断面図である図１０に示すように、第２の光導波路２４のコア２５ｃの両側方に突出する複数の板状の凸部２５ｄから形成されている。
【００５０】
凸部２５ｄは、第２の光導波路２４の長手方向に間隔をおいて複数形成されている。複数の凸部２５ｄは、第２の導波路２４のコア２５ｃと同じようにシリコン層をパターニングすることにより形成され、図１１の拡大平面図に示すように第２の光導波路２４に交差する形状を有し、等間隔、同一形状及び同一の周期で形成されている。
【００５１】
凸部２５ｄの周期Ｔは、反射する光の波長を制御するために定められている。例えば、波長１．５５μｍ帯域の光を選択的に反射する場合には、凸部２５ｄの周期Ｔを３００ｎｍ、凸部２５ｄの厚さＷを例えば３０ｎｍ〜１５０ｎｍとする。さらに、凸部２５ｄのコア層２５ｃからの突出する長さＬを例えば１００ｎｍ、凸部２５ｄの繰り返し数Ｎを２００とする。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。
【００５２】
半導体光増幅素子２の第２の端面２ｙには、活性層２ｄの端面に光結合する光ファイバ３７の第１の端面が接続されている。また、光ファイバ３７の第２の端面上には、例えば反射率が約９０％の反射膜３８が形成されている。反射膜３８として、例えば、光ファイバ３７の第２端面の上に多層膜を形成し、或いは、第２端面の上に蒸着等により金属膜を形成する。なお、光ファイバ３７は光共振器の光導波路の一部であり、また、反射膜３８は反射鏡として機能する。
【００５３】
ところで、回折格子３５から結合導波路３３の間の第２の光導波路２４をさらに光波長選択素子１３の第２の端面１３ｂにまで延在させ、その端面を半導体光装置１１の光出力端としてもよい。
【００５４】
また、第２の光導波路２４を回折格子３５に貫通する構造にしているが、第２の光導波路２４にギャップを設け、そのギャップを含む領域内に回折格子３５を形成してもよい。この場合、第２の光導波路２４を伝搬する光は、ギャップと回折格子３５を透過することになる。
【００５５】
次に、半導体光装置１１の動作について説明する。
まず、図２、図８に示した半導体光装置１１の半導体光増幅素子２のｐ側電極２ｊとｎ側電極２ｋに駆動電流を流す。これにより、活性層２ｄで誘導放出を生じさせて、半導体光増幅素子２の第１の端面２ｘから多モードの光を出力させる。
【００５６】
半導体光増幅素子２から出射された光は、半導体光増幅素子２の第１の端面２ｘから光波長選択素子１３の第１の光導波路２２の入力端２２ａに入射し、第１の光導波路２２内を伝搬する。さらに、第１の光導波路２２を伝搬する光の一部は、結合導波路３１に光結合するリング共振器２３にも伝搬する。
【００５７】
ここで、リング共振器２３に伝搬した光の波長は、リング共振器２３による共振波長に等しくなる。リング共振器２３の共振波長は、リング共振器２３に固有の共振モードのピ
ークにより規定される。
【００５８】
共振モードのピークは、図１２の実線のラインＬ１に示すように単一ではなく、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。なお、図１２において、横軸は波長を示し、縦軸は透過率を示す。
【００５９】
ＦＳＲ値は、リング共振器２３の周長Ｌ０と次式（１）の関係にある。なお、式（１）において、ｃは光速を示し、ｎは光導波路の屈折率を示す。
ＦＳＲ＝ｃ／ｎ・Ｌ０        （１）
リング共振器２３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。
【００６０】
また、リング共振器２３は、第２の光導波路２４の結合導波路３３に光学的にも結合されている。これにより、第１の光導波路２２に入力された光のうち、リング共振器２３の共振波長と同じ波長の光の一部は、リング共振器２３から結合導波路３３に伝搬して第２の光導波路２４に伝搬される。具体的には、図１２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２４に伝搬される。
【００６１】
さらに、リング共振器２３から第２の光導波路２４に伝搬した光は、波長選択反射鏡である回折格子３５に入射する。回折格子３５は、図１２のラインＬ２に示すように１つのピークを有する反射率特性を有し、中心波長が回折格子３５の凸部２５ｄの周期Ｔによって定まり、３ｄＢ帯域幅は凸部２５ｄの厚さＷで決まる。
【００６２】
さらに、図１３及び図１４を参照して、図１１に示す回折格子３５の反射率特性について説明する。なお、図１３の横軸は、回折格子３５の凸部２５ｄの厚さＷを示し、縦軸は垂直回折格子３５の反射波長のピークに対する３ｄＢ帯域の大きさを示す。また、図１４の横軸は、回折格子３５の凸部２５ｄの厚さＷを示し、縦軸は回折格子３５の反射率を示す。なお、図１３及び図１４では、図１１に示す周期Ｔを３００ｎｍ、長さＬを１００ｎｍ、繰り返し数Ｎを２００とした構造の回折格子３５についての結果が示されている。
【００６３】
図１３に示すように、回折格子３５の反射率の３ｄＢ帯域は、凸部２５ｄの厚さＷが１００ｎｍ付近の状態で最も広くなり、それより厚さＷが減少、増大するにつれて、徐々に減少する。従って、凸部２５ｄの厚さＷを３０ｎｍ〜１５０ｎｍにすることにより、回折格子３５の反射波長の３ｄＢ帯域を１０ｎｍ〜１５ｎｍに納められることがわかる。
【００６４】
また、図１４に示すように、回折格子３５の反射率は、凸部２５ｄの厚みＷが１００ｎｍ付近で最も大きく、それよりも凸部２５Ａの厚みＷが減少、増大するにつれて反射率は減少する。そして、凸部２５Ａの幅Ｗを３０ｎｍ〜１５０ｎｍにすれば、回折格子３５は−１ｄＢ以上の反射率が得られることがわかる。
【００６５】
ここで、図１２に示すように、リング共振器２３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、回折格子３５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、回折格子３５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、回折格子３５では、第２の光導波路２４に伝搬した光のうち、波長λ３に相当する波長の光のみが反射される。
【００６６】
このように、リング共振器２３の共振モードのピークの発生間隔である１０ｎｍに対し、回折格子３５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。
【００６７】
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、回折格子３５による山状の反射率のプロファイルと共振モードのピークがずれる場合には、回折格子３５による光の反射量が減少してしまうので、半導体光装置１１の出力が不安定になり易い。
【００６８】
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山状の反射率プロファイルがずれたときに、反射率プロファイルに波長の異なる複数の共振モードのピークが含まれてしまい、回折格子３５により１つの共振モードのピークを選択できなくなる。
【００６９】
回折格子３５で選択的に反射された波長の光は、第２の光導波路２４の結合導波路３３からリング共振器２３に伝搬し、さらに、別の結合導波路３１を通して第１の光導波路２２に伝搬する。
【００７０】
第１の光導波路２２の結合導波路３１に伝搬された光は、さらに第１の光導波路２２の入力ポート３２内を伝搬して半導体光増幅素子２の第１の端面２ｘに入射し、さらに、半導体光増幅素子２の第２の端面２ｙから光ファイバ３７に伝搬する。光ファイバ３７を伝搬した光は高反射膜３８で反射し、さらに、光ファイバ３７内を伝搬して半導体光増幅素子２に戻される。
【００７１】
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３８と回折格子３５との間の光導波路を伝搬することにより、その波長帯域の光の強度が強められ、レーザ発振が起きる。発振光の一部は、回折格子３５を透過して第２の光導波路２３のＵ字状の屈曲部３４を経てさらに第２の光導波路２４のコア２５ｃの端面、即ち光波長選択素子１３の第２の端面１３ｂから出力される。
【００７２】
ここで、図１５及び図１６を参照して、第１、第２の光導波路２２、２４とリング共振器２３の結合長と透過率の関係について説明する。
【００７３】
図１５に示すように、第１、第２の光導波路２２、２４の結合導波路３１、３３は、それぞれリング共振器２３の外周形状に沿って円弧状になっている。例えば、第１の光導波路２２とリング共振器２３の結合長ＣＬ１は、第１の光導波路２２とリング共振器２３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３１、３３の長さに等しい。
【００７４】
さらに、図１６に第１、第２の光導波路２２、２４とリング共振器２３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１６の横軸は、第１、第２の光導波路２２、２４とリング共振器２３の結合長ＣＬ１を示し、縦軸は第１、第２の光導波路２２、２４とリング共振器２３の間で伝搬される光の透過率を示している。
【００７５】
図１６において、ラインＬ１１は、第１、第２の光導波路２２、２４とリング共振器２３の間のギャップＧＰを１００ｎｍにした場合の結合長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をそれぞれ２００ｎｍと、３００ｎｍとした場合の結合長ＣＬ１と透過率の関係を示している。
【００７６】
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ＣＬ１が１０μｍのときには透過率が約−９ｄＢになる。さらに、ラインＬ１２、Ｌ１３でも、結合長ＣＬ１が変わると同様な傾向を示す。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、第１、第２の光導波路２２、２４とリング共振器２３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。
【００７７】
なお、第１の光導波路２２とリング共振器２３との間のギャップＧＰの長さと、第２の光導波路２４とリング共振器２３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。
【００７８】
以上のような半導体光装置１１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１７に示すリング共振器２３の共振波長の温度依存性と、図１８に示す回折格子３５の反射率スペクトルの温度依存性とに基づいて説明できる。なお、図１７、図１８の横軸は入力波長を示し、図１７の縦軸が透過率を、図１８の縦軸が反射率をそれぞれ示す。
【００７９】
図１７は、図１２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２３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。
【００８０】
また、図１８に示すように、回折格子３５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。
【００８１】
図１７及び図１８の結果から、リング共振器２３の透過率の温度依存性と、回折格子３５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２３を透過する光の波長と、回折格子３５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２３を通過した光のうち少なくとも１つの波長の光を回折格子３５で反射することができ、半導体光装置１１から安定して光を出力することができる。
【００８２】
このように、本実施形態に係る半導体光装置１１は、波長選択反射鏡である回折格子３５とリング共振器２３を有するので、リング共振器２３が有する共振モードのうち、回折格子３５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。
【００８３】
また、波長選択反射鏡として、第２の導波路２４のコア２５ｃの両側に周期的に凹凸を形成した回折格子３５を用いたので、凸部２５ｄ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、回折格子３５や、凸部２５ｄ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２３の共振モードから１つのモードを容易に選択できる。
【００８４】
光波長選択素子１３は、１つの基板２０上に第１、第２の光導波路２２、２４と、リング共振器２３と、回折格子３５を集積させているので、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。
【００８５】
さらに、１つの基板２０上にリング共振器２３と回折格子３５を集積させることで、リング共振器２３の共振モードのピークの温度による波長シフトと、回折格子３５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。
【００８６】
なお、リング共振器２３の透過率の温度依存性と、回折格子３５の反射率の温度依存性が一致しない場合でも、回折格子３５の反射率プロファイルをリング共振器２３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。
【００８７】
以上のようなリング共振器２３と回折格子３５は、第１実施形態におけるバンドパスフィルタ４と同じ機能を有している。そして、図１５に示したように、第１、第２の光導波路２２、２４のそれぞれとリング共振器２３のギャップＧＰを２００ｎｍとし、結合長ＣＬ１を２．５μｍとすると、図１９に示すように、３ｄＢ帯域波長幅が約０．６μｍの透過スペクトルが得られる。
【００８８】
そのような第１、第２の光導波路２２、２４とリング共振器２３と回折格子３５を含む構造は、第１実施形態に示すバンドパスフィルタ４と同様の機能を有する。従って、反射鏡である回折格子３５により選択された０．６μｍの３ｄＢ帯域波長内に存在する縦モード数を８０００個以下にすると、半導体光装置１１は安定動作する。この場合、本実施形態の半導体光装置１１が光を往復させる光共振器構造であることを考慮すると、そのような縦モード数を得るためには、光ファイバ３７の長さを約５．８ｍ以下に設定することが好ましい。
【００８９】
ところで、光ファイバ３７の長さは、半導体光増幅素子２の特性や、光波長選択素子１３内の光導波路２２、２４とリング２３と回折格子３５の特性などに応じて短くすることも可能である。
【００９０】
例えば、図２０に示すように、光ファイバ３７の長さを０ｍに設定し、即ち光ファイバ３７を設けずに反射膜３８を半導体光増幅素子２の第２の端面２ｙ上に形成してもよい。この場合、半導体光増幅素子２、光導波路２２、２４、リング共振器２３及び回折格子３５による光共振器の共振器長を１ｍに設定すると、図６に示したように、０．６μｍの３ｄＢ帯域周波数内には８０００個以下で２つ以上の縦モードが存在することになる。
【００９１】
以上のように、リング共振器２３を介して第２の光導波路２４に伝播した光のうち、回折格子３５により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２３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２３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。しかも、光ファイバ３７等の導波路の長さを調整することにより、レーザ共振器の動作を安定させることができる。
【００９２】
ところで、上記のリング共振器２３の形状は、図８に示すような真円形に限るものではなく、例えば図２１に示すようなレーストラック型にしてもよい。レーストラック型を採用する場合には、結合導波路３１、３３は、第１、第２の光導波路２２、２４のうちリング共振器２３の直線領域に平行になる領域に形成される。
【００９３】
また、上記の光波長選択素子１３では、図８に示すように、第１、第２の光導波路２２，２４の端部を、光波長選択素子１３の端面１３ｂ、１３ａに垂直方向に対して傾斜させて７°、１５°の角度をつけているが、その角度を０°にしてもよい。但し、０°にする場合には、端面反射率によるリップルの影響に注意する必要がある。
【００９４】
また、半導体光増幅素子２では、図８に示したように端面２ａの垂直方向に対して活性層２ｄを７°の角度で傾斜させているが、その角度は７°に限るものではない。７°以外の角度を選択する場合には、それに応じて第１の光導波路２２の入力ポート３２の端部の傾斜角度も変更する必要がある。
【００９５】
また、第１の光導波路２２の端部２２ａにスポットサイズ変換器を配置し、これにより半導体光増幅素子２との光結合効率を向上させてもよい。さらに、第２の光導波路２２のうち光出力端部にスポットサイズ変換器を配置し、これにより外部から接続される光ファイバとの光結合効率を向上さてもよい。
【００９６】
スポットサイズ変換器として、例えば第１、第２の光導波路２２、２４の端部を斜め導波路に形成する構造を採用してもよい。斜め導波路は、例えば図９に示すコア層２５ａ、２５ｃの端部の幅と厚みのうち少なくとも一方をテーパー形状にすることによって形成される。
【００９７】
ところで、半導体光増幅素子２に接続する光ファイバ３７は、図２２に示すように、波長変換素子１３の第１の光導波路２２と半導体光増幅素子２の間に接続してもよい。これにより、利得媒体である半導体光増幅素子２と光波長選択素子１３を分離した構造となり、電流注入部である活性媒体を有する半導体光増幅素子２を光波長選択素子１３から離して配置することが可能になる。なお、光ファイバ３７は、光共振器において、光波長を選択する光素子と半導体光増幅素子２と反射膜３８のそれぞれの間のうち少なくとも１つに取り付けられる。
【００９８】
光ファイバ３７が不要な構造として、例えば図２３に示すように、光ファイバ３７に替えて、第２の光導波路２４のうち結合導波路３３近傍から回折格子３５までの長さを長くしてもよい。この場合、結合導波路３３から回折格子３５に至る領域の第２の光導波路２４を幾重に折り返す形状にしてもよい。なお、第２の光導波路２４の折り返し部分は、Ｕ字状に湾曲させる。長く形成される第２の光導波路２４は、光ファイバ３７と同じ機能を有する。
【００９９】
ところで、図２３において、半導体光増幅素子２の端面２ｙの反射膜３８と回折格子３５の間に形成される光共振器において、回折格子３５と光結合導波路３３の間の第２の光導波路２４の長さは、３ｄＢ帯域波長に縦モードの数が８０００個以下の範囲になる値に設定される。この場合、縦モード数を２個以上にすることが好ましい。
なお、上記の導波路として、光ファイバのような石英系導波路の代わりに、ポリマー導波路を使用してもよい。ポリマー導波路は、例えば、フッ素化ポリイミド系材料、フッ素化アクリル系材料、ポリシラン系材料等のポリマーを使用して形成される。
【０１００】
以上に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べきであり、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と理解すべきである。
【０１０１】
次に、本発明の実施形態について特徴を付記する。
（付記１）光を増幅する第１光素子と、前記第１光素子の一端面から入射する光から所定波長帯域の光を選択する第２光素子と、前記第２光素子と前記第１光素子を光結合させる第１の光導波路と、前記第１光素子の他端面から入射する光を反射する第１の反射鏡と、前記第１の反射鏡と前記第１光素子を光結合させる第２の光導波路とを備える光共振器と、前記光共振器に光結合される光出力部とを有し、前記第２の光導波路は光ファイバを有することを特徴とする半導体光装置。
（付記２）前記第２光素子と前記第１の光導波路と前記光出力部は同じ基板に形成されることを特徴とする付記１に記載の半導体光装置。
（付記３）光を増幅する第１光素子と、前記第１光素子の一端面から入射する光から所定波長帯域の光を選択する第２光素子と、前記第２光素子と前記第１光素子を光結合させる第１の光導波路と、前記第１光素子の他端面から入射する光を反射する第１の反射鏡と、前記第１の反射鏡と前記第１光素子を光結合させる第２の光導波路とを備えた光共振器と、前記光共振器に光結合される光出力部とを有し、前記第１の光導波路は光ファイバを有することを特徴とする半導体光装置。
（付記４）前記第２光素子と前記第２の光導波路と前記光出力部は同じ基板に形成されることを特徴とする付記３に記載の半導体光装置。
（付記５）基板上に形成され、前記第１の光導波路に光結合される第１の結合導波路と、前記基板上に形成され、前記第１の結合導波路に光結合されるリング共振器と、前記基板上に形成され、前記リング共振器に光結合される第２の結合導波路と、前記基板上に形成され、前記第２の結合導波路に光結合される第３の光導波路と、前記基板上に形成され、前記第３の光導波路に光結合される第２の反射鏡と、を有することを特徴とする付記１乃至付記４のいずれか１つに記載の半導体光装置。
（付記６）前記リング共振器は、前記基板上に形成され、周囲よりも高屈折率の環状のコア層を有することを特徴とする付記５に記載の半導体光装置。
（付記７）前記第２の反射鏡は回折格子を有していることを特徴とする付記５又は付記６に記載の半導体光装置
（付記８）前記光共振器は、前記所定波長光帯域の３ｄＢ帯域波長内に含まれる縦モードの数が、８０００個以下で存在する共振器長を有することを特徴とする付記１乃至付記７のいずれか１つに記載の半導体光装置。
（付記９）光を増幅する第１光素子と、前記第１光素子の一端面から入射する光から所定波長帯域の光を選択する第２光素子と、前記第１光素子の他端面から入射する光を反射する第１の反射鏡とを備える光共振器と、前記光共振器に光結合される光出力部とを有し、前記第１光素子の前記一端面と前記第２光素子と前記第１の反射鏡のそれぞれの間のうち少なくとも１つの間には光結合用の光ファイバが取り付けられていることを特徴とする半導体光装置。
【符号の説明】
【０１０２】
１  半導体光装置
２  半導体光増幅素子
３  光ファイバ
４  バンドパスフィルタ
５  アイソレータ
６、７、８  光ファイバ
１１  半導体光装置
２０  シリコン基板
２１、２６  シリコン酸化層
２２  第１の光導波路
２３  リング共振器
２４  第２の光導波路
２５ａ、２５ｂ、２５ｃ  コア層
２５ｄ  凸部
３１、３３  結合導波路
３５  回折格子
３６  無防止膜
３７  光ファイバ
３８  反射膜
【図１】
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【図２】
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【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】
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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２１】
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【図２２】
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【図２３】
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