(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力光が入力される第１の導波路と、
前記第１の導波路と光学的に結合するように配されたリング変調器と、
前記第１の導波路と光学的に結合するように配され、前記リング変調器の周回光路長より小さな周回光路長を有する第１のリング共振器と、
前記第１の導波路と光学的に結合するように配され、前記リング変調器の前記周回光路長より大きな周回光路長を有する第２のリング共振器と、
前記リング変調器と前記第１のリング共振器と前記第２のリング共振器とに近接して配されたヒータと、
前記第１のリング共振器中の光パワーをモニタする第１の光検出器と、
前記第２のリング共振器中の光パワーをモニタする第２の光検出器と、
前記第１の光検出器及び前記第２の光検出器により検出された信号に基づいて、前記リング変調器の共振波長が前記入力光の波長と一致するように前記ヒータを制御する制御部とを有し、
前記リング変調器の前記周回光路長と前記第１のリング共振器の前記周回光路長との差と、前記リング変調器の前記周回光路長と前記第２のリング共振器の前記周回光路長の差とが同一である
ことを特徴とする光半導体素子。
【請求項２】
請求項１記載の光半導体素子において、
前記第１の導波路と前記第１のリング共振器との間隔及び前記第１の導波路と前記第２のリング共振器との間隔は、前記第１の導波路と前記リング変調器との間隔より狭い
ことを特徴とする光半導体素子。
【請求項３】
請求項２記載の光半導体素子において、
前記第１の導波路は、第１の分岐導波路と第２の分岐導波路とを有し、
前記第１のリング共振器は、前記第１の分岐導波路と光学的に結合するように配され、
前記第２のリング共振器は、前記第２の分岐導波路と光学的に結合するように配されている
ことを特徴とする光半導体素子。
【請求項４】
請求項２記載の光半導体素子において、
前記第１のリング共振器と前記第２のリング共振器とは、前記第１の導波路の同じ場所において光学的に結合するように配されている
ことを特徴とする光半導体素子。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光半導体素子において、
前記リング変調器と光学的に結合するように配された第２の導波路を更に有し、
出力光は、前記第２の導波路から出力される
ことを特徴とする光半導体素子。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光半導体素子において、
前記第１の光検出器は、前記第１のリング共振器の一部に形成され、
前記第２の光検出器は、前記第２のリング共振器の一部に形成されている
ことを特徴とする光半導体素子。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光半導体素子において、
前記制御部は、前記第１の光検出器の出力信号と前記第２の光検出器の出力信号とが入力される電流減算回路と、前記電流減算回路から出力される出力信号に基づいて前記ヒータを制御するＰＩＤ制御回路とを有する
ことを特徴とする光半導体素子。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光半導体素子において、
前記ヒータに近接して、前記第１の導波路と光学的に結合するように配され、前記第１のリング共振器の前記周回光路長より大きく、前記リング変調器の前記周回光路長より小さな周回光路長を有する第３のリング共振器と、
前記ヒータに近接して、前記第１の導波路と光学的に結合するように配され、前記リング変調器の前記周回光路長より大きく、前記第２のリング共振器の前記周回光路長より小さな周回光路長を有する第４のリング共振器と、
前記第３のリング共振器中の光パワーをモニタする第３の光検出器と、
前記第４のリング共振器中の光パワーをモニタする第４の光検出器とを更に有する
ことを特徴とする光半導体素子。
【請求項９】
請求項８記載の光半導体素子において、
前記第１の導波路と前記第３のリング共振器との間隔及び前記第１の導波路と前記第４のリング共振器との間隔は、前記第１の導波路と前記リング変調器との間前記隔より狭く、前記第１の導波路と前記第１のリング共振器との前記間隔及び前記第１の導波路と前記第２のリング共振器との前記間隔より広い
ことを特徴とする光半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光半導体素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
光送受信器の小型大容量化・低消費電力化を行う上でシリコン上の光デバイスの実現が重要な役割を持つ。シリコン上の光デバイスは屈折率差の大きい光導波路が使えることから他材料と比較して小型化に有利であり、電子回路との集積が容易なことから１チップで多数の光送受信器を集積することが可能になる。光デバイスの中でも特に変調器は、その特性が光送受信器の消費電力やサイズに大きな影響を与える。特にリング型変調器は、素子自体が小型なことや、変調電圧が小さく、光損失も小さいため小型化・低消費電力化に有利である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許出願公開２００９／０１６９１４９号明細書
【特許文献２】特開２００８−２６８２７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、リング変調器には、変調効率を高くすると光を変調し得る波長帯域が狭くなるという問題がある。
【０００５】
本発明の目的は、光を変調し得る波長帯域が狭いリング共振器の共振波長を入力光の波長に容易に一致させ、高効率で入力光を変調し得る光半導体素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
実施形態の一観点によれば、入力光が入力される第１の導波路と、前記第１の導波路と光学的に結合するように配されたリング変調器と、前記第１の導波路と光学的に結合するように配され、前記リング変調器の周回光路長より小さな周回光路長を有する第１のリング共振器と、前記第１の導波路と光学的に結合するように配され、前記リング変調器の前記周回光路長より大きな周回光路長を有する第２のリング共振器と、前記リング変調器と前記第１のリング共振器と前記第２のリング共振器とに近接して配されたヒータと、前記第１のリング共振器中の光パワーをモニタする第１の光検出器と、前記第２のリング共振器中の光パワーをモニタする第２の光検出器と、前記第１の光検出器及び前記第２の光検出器により検出された信号に基づいて、前記リング変調器の共振波長が前記入力光の波長と一致するように前記ヒータを制御する制御部とを有し、前記リング変調器の前記周回光路長と前記第１のリング共振器の前記周回光路長との差と、前記リング変調器の前記周回光路長と前記第２のリング共振器の前記周回光路長の差とが同一である光半導体素子が提供される。
【発明の効果】
【０００７】
開示の光半導体素子によれば、入力光と光共振器との間の波長ずれを広い波長範囲で許容しつつ、光共振器の共振波長を入力光の波長に容易に一致させることができる。また、光共振器の共振を強めることが可能となり、変調効率を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、第１実施形態による光半導体素子を示す概略図である。
【図２】図２は、第１実施形態による光半導体素子を示す断面図（その１）である。
【図３】図３は、第１実施形態による光半導体素子を示す断面図（その２）である。
【図４】図４は、第１実施形態による光半導体素子を示す断面図（その３）である。
【図５】図５は、第１の光共振器の変調光出力パワーと波長との関係を示すグラフ（その１）である。
【図６】図６は、第１の光共振器の変調光出力パワーと波長との関係を示すグラフ（その２）である。
【図７】図７は、モニタ電流と波長との関係を示すグラフ（その１）である。
【図８】図８は、モニタ電流と波長との関係を示すグラフ（その２）である。
【図９】図９は、光半導体素子を示す概略図（その１）である。
【図１０】図１０は、光共振器の変調光出力パワーと波長との関係を示すグラフ（その１）である。
【図１１】図１１は、光共振器の変調光出力パワーと波長との関係を示すグラフ（その２）である。
【図１２】図１２は、モニタ光パワーと波長との関係を示すグラフである。
【図１３】図１３は、光半導体素子を示す概略図（その２）である。
【図１４】図１４は、モニタ可能波長幅と波長との関係を示すグラフである。
【図１５】図１５は、第２実施形態による光半導体素子を示す概略図である。
【図１６】図１６は、第３実施形態による光半導体素子を示す概略図である。
【図１７】図１７は、第４実施形態による光半導体素子を示す概略図である。
【図１８】図１８は、第５実施形態による光半導体素子を示す概略図である。
【図１９】図１９は、第６実施形態による光半導体素子を示す概略図である。
【図２０】図２０は、モニタ電流と波長との関係を示すグラフ（その３）である。
【図２１】図２１は、第７実施形態による光半導体素子を示す概略図である。
【図２２】図２２は、第７実施形態による光半導体素子を示す断面図（その１）である。
【図２３】図２３は、第７実施形態による光半導体素子を示す断面図（その２）である。
【図２４】図２４は、第８実施形態による光半導体素子を示す概略図である。
【図２５】図２５は、第８実施形態による光半導体素子を示す断面図である。
【図２６】図２６は、第９実施形態による光半導体素子を示す概略図である。
【図２７】図２７は、第１０実施形態による光半導体素子を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
［第１実施形態］
第１実施形態による光半導体素子について図１乃至図１４を用いて説明する。
【００１０】
図１は、本実施形態による光半導体素子を示す概略図である。図２乃至図４は、本実施形態による光半導体素子を示す断面図である。図５、図６、図１０及び図１１は、光共振器の変調光出力パワーと入力光の波長との関係を示すグラフである。図７及び図８は、モニタ電流と入力光の波長との関係を示すグラフである。図９及び図１３は、参考例による光半導体素子を示す概略図である。図１２は、モニタ光パワーと入力光の波長との関係を示すグラフである。図１４は、モニタ可能波長幅と入力光の波長との関係を示すグラフである。
【００１１】
はじめに、本実施形態による光半導体素子の構造について図１乃至図４を用いて説明する。なお、図２は、図１におけるＡ−Ａ′線断面図である。図３は、図１におけるＢ−Ｂ′線断面図である。図４は、図１におけるＣ−Ｃ′線断面図である。
【００１２】
本実施形態による光半導体素子は、図１に示すように、直線導波路１０と、直線導波路１０の近傍に光学的に結合するように配された第１の光共振器１２、第２の光共振器１４及び第３の光共振器１６とを有している。また、導波路２６，３０を有する光検出器３６ａ，３６ｂと、光検出器３６ａ，３６ｂにより検出された信号（モニタ電流）に基づいてヒータ２２を制御する制御部３８と、変調信号を出力するドライバ回路４０とを有している。
【００１３】
入力光であるＣＷ（Continuous Wave、連続）光が入力される直線導波路１０の入力端３２側には、第２の光共振器１４と第３の光共振器１６とが隣接して配されている。直線導波路１０の出力端３４側には、第１の光共振器１２が配されている。
【００１４】
第１の光共振器１２は、リング型導波路１８と、リング型導波路１８に近接して配されたヒータ２２とを有している。リング型導波路１８には、リング型導波路１８の屈折率を変化するための信号（変調信号）を与える電極２０ａ，２０ｂが接続されている。すなわち、第１の光共振器１２は、リング変調器として機能する。
【００１５】
第２の光共振器１４は、リング型導波路２４と、リング型導波路２４に近接して配されたヒータ２２とを有している。なお、リング型導波路により形成される光共振器は、リング共振器と呼ばれることもある。
【００１６】
第３の光共振器１６は、リング型導波路２８と、リング型導波路２８に近接して配されたヒータ２２とを有している。
【００１７】
ヒータ２２は、リング型導波路１８，２４，２８と近接するようにそれぞれ別個に設けられたものではなく、１つのヒータ２２によってリング型導波路１８，２４，２８を同時に加熱できるように形成されている。
【００１８】
リング型導波路１８，２４，２８の直径は、それぞれｄ，ｄ−Δｄ，ｄ＋Δｄとなるように設定されている。例えば、ｄ＝１０μｍ，Δｄ＝０．０１５μｍとして、リング型導波路１８の直径は１０μｍ、リング型導波路２４の直径は９．９８５μｍ、リング型導波路２８の直径は１０．０１５μｍとなっている。
【００１９】
直線導波路１０とリング型導波路１８との間隔は、直線導波路１０とリング型導波路２４，２８との間隔より広く設定されている。例えば、直線導波路１０とリング型導波路１８との間隔は、２５０ｎｍに設定されている。直線導波路１０とリング型導波路２４との間隔及び直線導波路１０とリング型導波路２８との間隔は、１００ｎｍに設定されている。
【００２０】
第２の光共振器１４には、リング型導波路２４に光学的に結合された導波路２６を介して光検出器３６ａが接続されている。同様に、第３の光共振器１６には、リング型導波路２８に光学的に結合された導波路３０を介して光検出器３６ｂが接続されている。
【００２１】
図１に示す光導波路構造は、例えばＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板５０のＳＯＩ層５２を用いて形成することができる。
【００２２】
例えば、図２乃至図４に示すように、直線導波路１０、リング型導波路１８，２４，２８及び導波路２６，３０は、ＳＯＩ層５２をパターニングすることにより形成される。ＳＯＩ層５２の周囲には、シリコン酸化膜層５４が形成されており、直線導波路１０、リング型導波路１８，２４，２８及び導波路２６，３０を囲うクラッドとして機能する。
【００２３】
リング型導波路１８の一部の領域には、光の導波方向に沿って外周側及び内周側に、それぞれＮ型領域５６ａ及びＰ型領域５６ｂが形成されている。なお、Ｎ型領域５６ａとＰ型領域５６ｂとは、逆に配置してもよい。
【００２４】
シリコン酸化膜層５４上には、ＶＩＡ配線５８ａを介してリング型導波路１８のＮ型領域５６ａに接続された電極２０ａと、ＶＩＡ配線５８ｂを介してリング型導波路１８のＰ型領域５６ｂに接続された電極２０ｂとが形成されている。電極２０ａは、ドライバ回路４０と接続されている。電極２０ｂは、グラウンド線に接続されている。電極２０ａ、２０ｂは、例えばアルミニウムによって形成される。ＶＩＡ配線５８ａ，５８ｂは、例えばタングステンにより形成される。
【００２５】
また、シリコン酸化膜層５４上には、ヒータ２２が形成されている。ヒータ２２としては、例えば白金薄膜ヒータを用いることができる。
【００２６】
制御部３８は、光検出器３６ａ，３６ｂに接続された電流減算回路６０と、電流減算回路６０に接続されたＰＩＤ（Proportional Integral Differential、比例・積分・微分）制御回路６２とを有している。ＰＩＤ制御回路とは、フィードバック制御回路の一種であり、入力値の制御を出力値と目標値との偏差、積分、及び微分の３つの要素によって行う回路である。こうして、光検出器３６ａ及び光検出器３６ｂの出力信号に基づいて、ＰＩＤ制御回路６２によってヒータ２２を制御できるようになっている。
【００２７】
ドライバ回路４０は、電極２０ａに接続されており、電極２０ａを介してリング型導波路１８に変調信号を入力できるようになっている。
【００２８】
次に、本実施形態による光半導体素子の動作について図５乃至図１４を用いて説明する。
【００２９】
まず、直線導波路１０の入力端３２から入力光である波長λ１のＣＷ光を入力する。このとき、直線導波路１０の出力端３４から出力される出力光の強度は、ＣＷ光の波長とリング型導波路１８の共振波長との関係に応じて変化する。
【００３０】
ＣＷ光の波長とリング型導波路１８の共振波長とが一致している場合、直線導波路１０からリング型導波路１８への透過率が最大となり、出力端３４から出力されるＣＷ光の強度（変調光出力パワー）は最小となる。直線導波路１０からリング型導波路１８への透過率は、ＣＷ光の波長がリング型導波路１８の共振波長からずれるに従って小さくなる。この結果、入力光の波長と出力光の強度との関係は、図５に実線で示すような変調光出力パワー曲線となる。
【００３１】
リング型導波路１８の共振波長は、電極２０ａ，２０ｂ間に電圧を印加してリング型導波路１８内の屈折率を変化することにより、変化することができる。例えば、電極２０ａ，２０ｂ間に電圧Ｖonを印加すると、リング型導波路１８の共振波長は長波長側にシフトしてλ′となり、図５に点線で示すように、変調光出力パワー曲線は共振波長の増加分だけ長波長側にシフトする。
【００３２】
ここで、入力光としてのＣＷ光の波長λ１がλである場合、電極２０ａ，２０ｂ間に印加する電圧を変化することにより、出力光の強度を変化することができる。例えば、電極２０ａ，２０ｂ間に電圧を印加していない状態（電圧Ｖ０）では、図５の実線上の●部に相当する出力パワーを得ることができ、電極２０ａ，２０ｂ間に電圧を印加した状態（電圧Ｖon）では、図５の点線上の●部に相当する出力パワーを得ることができる。
【００３３】
このように、本実施形態による光半導体素子は、入力光の強度を変調して出力するものである。変調効率の高い光半導体素子を得るためには、電圧を印加していない状態で出力光の強度が最小であること、即ち、リング型導波路１８の共振波長が入力光の波長に一致していることが望ましい。
【００３４】
しかしながら、ＣＷ光の波長とリング型導波路１８の共振波長とは、製造ばらつきや環境温度等によって必ずしも一致しているとは限らない。ＣＷ光の波長とリング型導波路１８の共振波長とが一致してない場合、例えば図６に示すように、リング型導波路１８に電圧が印加されても変調光出力パワーに十分な変化が生じないことがある。
【００３５】
そこで、そのような場合、本実施形態による光半導体素子では、第２の光共振器１４、第３の光共振器１６及びヒータ２２を用いて、ＣＷ光の波長とリング型導波路１８の共振波長とが一致するように調整を行う。
【００３６】
直線導波路１０に入力されるＣＷ光は、リング型導波路１８だけでなく、リング導波路２４，２８にも導かれる。リング型導波路２４，２８に導かれたＣＷ光は、導波路２６，３０に導かれ、光検出器３６ａ，３６ｂによって検出される。
【００３７】
光検出器３６ａ，３６ｂによって検出されるモニタ電流Ｉ１，Ｉ２は、図７に示すような波長特性を有する。即ち、モニタ電流Ｉ１の波長特性を示すモニタ電流曲線Ｓ１は波長λ−Δλにおいて最大値を示し、モニタ電流Ｉ２の波長特性を示すモニタ電流曲線Ｓ２は波長λ＋Δλにおいて最大値を示す。モニタ電流曲線Ｓ１，Ｓ２が波長λ−Δλ，λ＋Δλにおいて最大値を示すのは、リング型導波路１８，２４，２８の直径をｄ，ｄ−Δｄ，ｄ＋Δｄとなるように設定しているためである。
【００３８】
リング型導波路１８，２４，２８の実効屈折率をｎとすると、リング型導波路１８，２４，２８の光学的距離（周回光路長）は、それぞれ２πｎｄ，２πｎ（ｄ−Δｄ），２πｎ（ｄ＋Δｄ）と表される。共振波長は光学的距離の整数分の１であるので、リング型導波路１８の共振波長のうちの１つをλとすると、リング型導波路２４，２８の共振波長は、それぞれλ−Δλ，λ＋Δλと表される。例えば、リング型導波路１８の直径が１０μｍとすると、リング型導波路１８の共振波長が１３１０ｎｍのとき、リング型導波路２４の共振波長は１３０８ｎｍとなり、リング型導波路２８の共振波長は１３１２ｎｍとなる。
【００３９】
また、モニタ電流曲線Ｓ１とモニタ電流曲線Ｓ２とは、リング型導波路１８の共振波長である波長λにおいて交わるようになっている。これは、第２の光共振器１４の直径は第１の光共振器１２の直径よりΔｄだけ小さく、第３の光共振器１６の直径は第１の光共振器１２の直径よりΔｄだけ大きくなるように設定することにより実現することができる。また、これを実現するための付随的な特徴として、直線導波路１０とリング型導波路２４との間隔と、直線導波路１０とリング型導波路２８との間隔とが等しく、リング型導波路２４と導波路２６との間隔とリング型導波路２８と導波路３０との間隔が等しいことが挙げられる。リング型導波路２４と導波路２６との間隔及びリング型導波路２８と導波路３０との間隔は、例えば１００ｎｍに設定されている。
【００４０】
光検出器３６ａ，３６ｂによって検出されたモニタ電流Ｉ１，Ｉ２は、電流減算回路６０により、モニタ電流Ｉ１からモニタ電流Ｉ２を減算した電流Ｉ３に変換される。
【００４１】
ＰＩＤ制御回路６２は、電流減算回路６０によって生成される電流Ｉ３に基づいて、電流Ｉ３がゼロとなるようにヒータ２２を制御する。即ち、ＰＩＤ制御回路６０は、モニタ電流Ｉ１とモニタ電流Ｉ２とが等しくなるように、ヒータ２２をフィードバック制御する。
【００４２】
ＰＩＤ制御回路６０は、電流Ｉ３がゼロでない場合、即ち、モニタ電流Ｉ１とモニタ電流Ｉ２とが等しくない場合、入力光の波長λ１と第１の光共振器１２の共振波長λとが一致していないと判断し、ヒータ２２に駆動信号を出力する。
【００４３】
例えば、図７に示すように、入力光の波長λ１が第３の光共振器１６の共振波長λ＋Δλの近傍の値であるとき、モニタ電流Ｉ２はモニタ電流Ｉ１より大きくなり、電流Ｉ３はゼロにはならない。このようなとき、ＰＩＤ制御回路６２は、電流Ｉ３の大きさ、即ち、波長λ１と波長λとの乖離幅に応じた駆動信号をヒータ２２に出力し、ヒータ２２を加熱する。
【００４４】
リング型導波路２４，２８の形成材料であるシリコンの屈折率の温度係数は正であるため、リング型導波路２４，２８の温度が増加するほどに第２の光共振器１４及び第３の光共振器１６の共振波長は、長波長側にシフトする。即ち、モニタ電流曲線Ｓ１，Ｓ２は長波長側にシフトする。
【００４５】
ＰＩＤ制御回路６２は、ヒータ２２により加熱された状態において再び電流Ｉ３の測定を行い、電流Ｉ３がゼロになったかどうかをチェックする。電流Ｉ３がゼロであれば、ＰＩＤ制御回路６２は、ヒータ２２に出力する駆動信号をそのまま維持する。電流Ｉ３がゼロでない場合には、ＰＩＤ制御回路６２は、電流Ｉ３の値に応じてヒータ２２の駆動信号を適宜増減する。ＰＩＤ制御回路６２は、このようなフィードバック制御を継続して行い、電流Ｉ３がゼロ近傍で安定するようにヒータ２２を制御する。
【００４６】
電流Ｉ３がゼロのとき、信号光の波長λ１は、モニタ電流曲線Ｓ１とモニタ電流曲線Ｓ２との交点に位置する。また、リング型導波路１８は、リング型導波路２４及びリング型導波路２８とともにヒータ２２によって加熱されているため、第１の共振器１２の共振波長λも第２の光共振器１４の共振波長及び第３の光共振器１６の共振波長と同方向に同じ割合でシフトする。これにより、入力光の波長λ１と第１の光共振器１２の共振波長λとを一致させることができる。
【００４７】
なお、シリコンにより形成した光導波路は温度が高いほど共振波長が長波長側にシフトする性質を有するため、ヒータ２２により制御できるのは光共振器の共振波長を長波長側にシフトすることだけである。ヒータ２２の加熱温度を制御することによって光共振器の共振波長を信号光の波長と一致させるためには、リング型導波路１８の共振波長が入力光の波長よりも短波長側に位置するように、予め設定しておくことが望ましい。
【００４８】
モニタ電流Ｉ１，Ｉ２を用いてヒータ２２を制御する際、モニタ電流Ｉ１，Ｉ２を検出し得る波長帯域（モニタ可能波長幅）は、可能な限り広いことが望ましい。このような観点から、本実施形態では、直線導波路１０とリング型導波路２４，２８との間隔を、直線導波路１０とリング型導波路１８との間隔よりも狭く設定している。
【００４９】
直線導波路１０とリング型導波路２４，２８との間隔を直線導波路１０とリング型導波路１８との間隔より狭く設定する理由について、図９及び図１３に示す参考例による光半導体素子６８，８０と比較しながら説明する。
【００５０】
図９に示す光半導体素子６８は、直線導波路７０，７２と、その間に設けられたリング型導波路７４とを有するものである。直線導波路７０の一端部から入力されたＣＷ光は、リング型導波路７４に導かれ、電極７６ａ，７６ｂと電極７６ｃとの間に印加される変調信号によって変調される。変調されたＣＷ光は、直線導波路７２に導かれ、直線導波路７２の一端部から出力される。
【００５１】
図１３に示す光半導体素子８０は、直線導波路９０，９２と、その間に設けられたリング型導波路８２とを有するものである。直線導波路９０の一端部から入力されたＣＷ光は、直線導波路９０の他端部から出力される。電極８４ａ，８４ｂと電極８４ｃとの間に印加される変調信号によってリング型導波路８２の共振波長を変化することにより、直線導波路９０の他端部から出力される出力光を変調する。この光半導体素子８０では、直線導波路９２に接続された光検出器９４により検出されたモニタ電流に基づいて制御部９６がヒータ８６を制御することにより、ＣＷ光の波長とリング型導波路８２の共振波長とを一致させる。
【００５２】
図９に示す光半導体素子６８において、直線導波路７０とリング型導波路７４との間隔によって設定されるパワー透過率をＴ１、直線導波路７２とリング型導波路７４との間隔によって設定されるパワー透過率をＴ２とする。パワー透過率とは、ある導波路から別の導波路へ光が伝搬する割合である。導波路間の間隔が狭いほど、パワー透過率は高くなる。変調光出力パワー曲線のピークの波長帯域は、パワー透過率が高いほど、即ち、導波路間の間隔が狭いほど広くなる。
【００５３】
パワー透過率が低いとき、例えばＴ１＝Ｔ２＝１％の場合、図１０に示すような変調光パワー曲線が得られる。リング型導波路７４に変調信号を印加していない状態（電圧Ｖ０）では、実線で示すような変調光出力パワー曲線が得られる。また、リング型導波路７４に変調信号をした状態（電圧Ｖon）では、点線で示すような変調光出力パワー曲線が得られる。
【００５４】
このように、パワー透過率が低いときには、変調光出力パワー曲線のピークが急峻になり、変調光出力パワー曲線のピークの波長帯域は狭くなる。このことは、変調信号の変化に対する変調光出力パワーの変化が大きいことを意味するものであり、急峻な変調光出力パワー曲線は、光半導体素子の変調効率を高めるうえで有効である。すなわち、例えば図１０に矢印の範囲で示すように、変調信号の有無によって、大きな変調光出力パワーの変化を得ることができる。
【００５５】
このような特性は、本実施形態による光半導体素子でも同様である。すなわち、本実施形態による光半導体素子においても、変調光出力パワー曲線のピークを図１０に示すような急峻なピークにするために、直線導波路１０とリング導波路１８との間のパワー透過率は低い値に設定することが望ましい。
【００５６】
一方、パワー透過率が高いとき、例えばＴ１＝Ｔ２＝４０％の場合、図１１に示すような光変調パワー曲線が得られる。リング型導波路７４に変調信号を印加していない状態（電圧Ｖ０）では、実線で示すような変調光出力パワー曲線が得られる。また、リング型導波路７４に変調信号をした状態（電圧Ｖon）では、点線で示すような変調光出力パワー曲線が得られる。
【００５７】
このように、パワー透過率が高いときには、波長の変化に対する変調光出力パワーの変化は小さく、図１１に矢印の範囲で示すように、変調効率は高いとは言えない。その一方、変調光出力パワー曲線のピークの波長帯域は広いため、広い波長範囲において変調光出力をモニタするという観点からは、望ましいと言える。モニタ可能波長幅が広いほど、入力光の波長と光共振器１８の共振波長との間のずれの許容量を大きくすることができる。
【００５８】
すなわち、本実施形態による光半導体素子において、変調光出力パワー曲線のピークを図１１に示すようななだらかなピークとしてモニタ可能波長幅を広げるために、直線導波路１０とリング導波路２４との間及び直線導波路１０とリング導波路２８との間のパワー透過率は、高い値に設定することが望ましい。
【００５９】
図１３に示す光半導体素子８０において、リング型導波路８２と直線導波路９０，９２との間のパワー透過率が１％の場合、光検出器９４により検出されるモニタ光パワーは、図１２に示すようになる。モニタ限界パワーが１０−２程度であるとすると、モニタ可能波長幅はおよそ０．５ｎｍとなる。
【００６０】
これに対し、本実施形態による光半導体素子において、直線導波路１０とリング型導波路２４，２８との間のパワー透過率を８０％に設定すると、光検出器３６ａ，３６ｂにより検出されるモニタ光パワーは、図１２に示すようになる。モニタ限界パワーが１０−２程度であるとすると、モニタ可能波長幅はおよそ７．５ｎｍとなる。
【００６１】
光半導体素子のモニタ可能波長幅は、図１４に示すように、モニタ限界パワーが小さくなるほど大きくなる。本実施形態による光半導体素子によれば、モニタ可能波長幅を、光半導体素子８０のモニタ可能波長幅の約１３〜２０倍程度にまで高めることができる。
【００６２】
本実施形態による光半導体素子では、光変調を行う光共振器１０を別に設けており、直線導波路１０とリング型導波路１８との間のパワー透過率を、直線導波路１０とリング型導波路２４，２８との間のパワー透過率とは独立して設定することができる。したがって、モニタ可能波長幅を広げつつ、変調効率をも高めることができる。
【００６３】
このように、本実施形態では、入力光を変調する光共振器１２とは別に、光共振器１２の共振波長よりも共振波長が短波長及び長波長の光共振器１４，１６とを設ける。そして、これら光共振器１４，１６からの出力信号を用いて光共振器１２の共振波長が入力光の波長に一致するように温度制御を行う。したがって、本実施形態の光半導体素子によれば、入力光と光共振器１２との間の波長ずれを広い波長範囲で許容しつつ、光共振器１２の共振波長を入力光の波長に容易に一致させることができる。また、光共振器１２の共振を強めることが可能となり、変調効率を向上することができる。
【００６４】
［第２実施形態］
第２実施形態による光半導体素子について図１５を用いて説明する。図１乃至図１４に示す第１実施形態による光半導体素子と同一の構成要素には同一の符号を付し説明を省略し又は簡潔にする。
【００６５】
図１５は、本実施形態による光半導体素子を示す概略図である。
【００６６】
本実施形態による光半導体素子は、リング型導波路の平面形状が異なるほかは、第１実施形態による光半導体素子と同様である。
【００６７】
すなわち、本実施形態による光半導体素子は、リング型導波路１８，２４，２８の代わりに、図１５に示すように、４つの直線部分と４つの円弧部分とを組み合わせた構造のリング型導波路１８ａ，２４ａ，２８ａを有している。
【００６８】
リング型導波路１８ａ，２４ａ，２８ａの円弧部分は、半径ｒの円を４等分したものである。直線部分は、円弧部分の間に配され、対向する直線部分の長さは等しくなるように設定されている。直線導波路１０と光学的に結合するように配された直線部分の長さは、リング型導波路１８ａ，２４ａ，２８ａにおいてそれぞれ等しくなるように設定されている。直線導波路１０と光学的に結合するように配された直線部分の長さを、例えばｌ１とする。他の一対の対向する直線部分においては、リング型導波路１８ａにおける直線部分の長さをｌ２とすると、リング型導波路２４ａにおける直線部分の長さはｌ２−Δｌ２、リング型導波路２８ａにおける直線部分の長さはｌ２＋Δｌ２となるように設定されている。
【００６９】
このようなリング型導波路１８ａ，２４ａ，２８ａの共振波長は、以下のように表される。
【００７０】
リング型導波路１８ａ，２４ａ，２８ａの実効屈折率をｎとすると、リング型導波路１８ａ，２４ａ，２８ａの光学的距離は、それぞれ２ｎ（πｒ＋ｌ１＋ｌ２），２ｎ（πｒ＋ｌ１＋ｌ２−Δｌ２），２ｎ（πｒ＋ｌ１＋ｌ２＋Δｌ２）と表される。共振波長は光学的距離の整数分の１であるので整数をｍとすると、リング型導波路１８ａ，２４ａ，２８ａの共振波長は、それぞれ２ｎ（πｒ＋ｌ１＋ｌ２−Δｌ２）／ｍ、２ｎ（πｒ＋ｌ１＋ｌ２−Δｌ２）／ｍ、２ｎ（πｒ＋ｌ１＋ｌ２＋Δｌ２）と表される。即ち、リング型導波路２４ａ，２８ａの共振波長は、リング型導波路１８ａの共振波長からΔλ＝２ｎΔｌ２／ｍだけ離れた共振波長となる。
【００７１】
このように、本実施形態においても、リング型導波路１８ａと、リング型導波路１８ａの共振波長よりΔλだけ短波長であるリング型導波路２４ａと、リング型導波路１８ａの共振波長よりΔλだけ長波長であるリング型導波路２８ａとを設けることができる。
【００７２】
したがって、本実施形態の光半導体素子によれば、入力光と光共振器１２ａとの間の波長ずれを広い波長範囲で許容しつつ、光共振器１２ａの共振波長を入力光の波長に容易に一致させることができる。また、光共振器１２ａの共振を強めることが可能となり、変調効率を向上することができる。
【００７３】
［第３実施形態］
第３実施形態による光半導体素子について図１６を用いて説明する。図１乃至図１５に示す第１実施形態又は第２実施形態による光半導体素子と同一の構成要素には同一の符号を付し説明を省略し又は簡潔にする。
【００７４】
図１６は、本実施形態による光半導体素子を示す概略図である。
【００７５】
本実施形態による光半導体素子は、図１６に示すように、第２の光共振器１４と第３の光共振器１６との配置が逆であるほかは、第１実施形態による光半導体素子と同様である。
【００７６】
第２の光共振器１４と第３の光共振器１６とを逆に配置した場合にも、第１実施形態による光半導素子と同様に機能することができる。
【００７７】
このように、本実施形態の光半導体素子によれば、入力光と光共振器１２との間の波長ずれを広い波長範囲で許容しつつ、光共振器１２の共振波長を入力光の波長に容易に一致させることができる。また、光共振器１２の共振を強めることが可能となり、変調効率を向上することができる。
【００７８】
［第４実施形態］
第４実施形態による光半導体素子について図１７を用いて説明する。図１乃至図１６に示す第１乃至第３実施形態による光半導体素子と同一の構成要素には同一の符号を付し説明を省略し又は簡潔にする。
【００７９】
図１７は、本実施形態による光半導体素子を示す概略図である。
【００８０】
本実施形態では、第２の光共振器１４及び第３の光共振器を、直線導波路１０から分岐した導波路（分岐導波路）９９ａ，９９ｂに光学的に結合するように配置している。
【００８１】
すなわち、図１７に示すように、直線導波路１０から分岐して、導波路９９ａ及び導波路９９ｂが設けられている。第２の光共振器１４は、導波路９９ａに光学的に結合するように配されている。また、第３の光共振器１６は、導波路９９ｂに光学的に結合するように配されている。
【００８２】
第２の光共振器１４及び第３の光共振器１６を、直線導波路１０から分岐した導波路９９ａ，９９ｂに設けることにより、光共振器１２の共振波長を入力光の波長に一致させる際の温度制御性を向上することができる。
【００８３】
例えば、第１実施形態では、第３の光共振器１６は第２の光共振器１４の後段に配されているため、第２の光共振器１４に導かれるＣＷ光の光量の分だけ第３の光共振器１６に導かれるＣＷ光の光量が減少する。そのような場合、モニタ電流曲線Ｓ１のピーク値とモニタ電流曲線Ｓ２のピーク値とが異なり、モニタ電流曲線Ｓ１とモニタ電流曲線Ｓ２との交点が必ずしもピーク波長の中間点に一致するとは限らない。モニタ電流曲線Ｓ１とモニタ電流曲線Ｓ２との交点が中間点からずれると、モニタ電流Ｉ１とモニタ電流Ｉ２とが一致するようにヒータ２２を制御してもＣＷ光の波長とリング型導波路１８の共振波長とを一致させることはできない。
【００８４】
直線導波路１０から分岐して導波路９９ａ，９９ｂを設けることにより、第２の光共振器１４に導かれるＣＷ光の光量と、第３の光共振器１６に導かれるＣＷ光の光量とを等しくすることができる。これにより、モニタ電流曲線Ｓ１のピーク値とモニタ電流曲線Ｓ２のピーク値とを一致させ、モニタ電流曲線Ｓ１とモニタ電流曲線Ｓ２との交点をピーク波長の中間点に位置させることができる。
【００８５】
このように、本実施形態によれば、第２の光共振器１４及び第３の光共振器１６を、直線導波路１０から分岐した導波路９９ａ，９９ｂに設けるので、光共振器１２の共振波長を入力光の波長に一致させる際の温度制御性を向上することができる。
【００８６】
［第５実施形態］
第５実施形態による光半導体素子について図１８を用いて説明する。図１乃至図１７に示す第１乃至第４実施形態による光半導体素子と同一の構成要素には同一の符号を付し説明を省略し又は簡潔にする。
【００８７】
図１８は、本実施形態による光半導体素子を示す概略図である。
【００８８】
本実施形態による光半導体素子は、図１８に示すように、第２の光共振器１４と第３の光共振器１６とが直線導波路１０の同じ場所で光学的に結合するように配されているほかは、第１実施形態による光半導体素子と同様である。
【００８９】
第２の光共振器１４と第３の光共振器１６とを直線導波路１０の同じ場所で光学的に結合することにより、第２の光共振器１４に導かれるＣＷ光の光量と第３の光共振器１６に導かれるＣＷ光の光量とを等しくすることができる。これにより、モニタ電流曲線Ｓ１のピーク値とモニタ電流曲線Ｓ２のピーク値とを一致させ、モニタ電流曲線Ｓ１とモニタ電流曲線Ｓ２との交点をピーク波長の中間点に位置させることができる。
【００９０】
このように、本実施形態によれば、第２の光共振器１４及び第３の光共振器１６を、直線導波路１０から分岐した導波路９９ａ，９９ｂに設けるので、光共振器１２の共振波長を入力光の波長に一致させる際の温度制御性を向上することができる。
【００９１】
［第６実施形態］
第６実施形態による光半導体素子について図１９及び図２０を用いて説明する。図１乃至図１８に示す第１実施形態乃至第５実施形態による光半導体素子と同一の構成要素には同一の符号を付し説明を省略し又は簡潔にする。
【００９２】
図１９は、本実施形態による光半導体素子を示す概略図である。図２０は、モニタ電流曲線と波長との関係を示すグラフ（その３）である。
【００９３】
はじめに、本実施形態による光半導体素子の構造について図１９を用いて説明する。
【００９４】
本実施形態による光半導体素子は、図１に示す第１実施形態による光半導体素子において、モニタ用に更に２つの光共振器を追加したものである。すなわち、図１９に示すように、直線導波路１０に光学的に結合するように、第４の光共振器１００及び第５の光共振器１０２とが更に設けられている。また、導波路１０４，１０６を有する光検出器３６ｃ，３６ｄとが更に設けられている。
【００９５】
第４の光共振器１００は、リング型導波路１１０と、リング型導波路１１０に近接して配されたヒータ２２とを有している。
【００９６】
第５の光共振器１０２は、リング型導波路１１２と、リング型導波路１１２に近接して配されたヒータ２２とを有している。
【００９７】
リング型導波路１８，２４，２８，１１０，１１２の直径は、それぞれｄ，ｄ−ΔｄＡ，ｄ＋ΔｄＡ，ｄ−ΔｄＢ，ｄ＋ΔｄＢとなるように設定されている。本実施形態では、例えばΔｄＡはΔｄＢより大きくなるように設定されている。
【００９８】
直線導波路１０とリング型導波路２４，２８との間隔は、直線導波路１０とリング型導波路１１０，１１２との間隔より狭く設定されている。また、直線導波路１０とリング型導波路１１０，１１２との間隔は、直線導波路１０とリング型導波路１８との間隔より狭く設定されている。例えば、直線導波路１０とリング型導波路２４，２８との間隔は、１００ｎｍに設定されている。直線導波路１０とリング型導波路１１０，１１２との間隔は、２００ｎｍに設定されている。直線導波路１０とリング型導波路１８との間隔は、２５０ｎｍに設定されている。
【００９９】
光検出器３６ｃは、導波路１０４を介してリング型導波路１１０と光学的に結合している。光検出器３６ｄは、導波路１０６を介してリング型導波路１１２と光学的に結合している。
【０１００】
制御部３８ａは、光検出器３６ａ，３６ｂに接続された電流減算回路６０ａと、電流減算回路６０ａに接続されたＰＩＤ制御回路６２ａとを有している。制御部３８ｂは、光検出器３６ｃ，３６ｄに接続された電流減算回路６０ｂと、電流減算回路６０ｂに接続されたＰＩＤ制御回路６０ｂとを有している。
【０１０１】
電圧加算回路１０８は、ＰＩＤ制御回路６２ａ，６２ｂに接続されている。電圧加算回路１０８は、ＰＩＤ制御回路６２ａから出力される駆動信号とＰＩＤ制御回路６２ｂから出力される駆動信号とを加算するものである。
【０１０２】
次に、本実施形態による光半導体素子の動作について図２０を用いて説明する。
【０１０３】
ＣＷ光の波長とリング型導波路１８の共振波長とが一致している場合、本実施形態による光半導体素子は、第１実施形態による光半導体素子と同様に動作する。
【０１０４】
ＣＷ光の波長とリング型導波路１８の共振波長とが一致してない場合、第２の光共振器１４、第３の光共振器１６、第４の光共振器１００、第５の光共振器１０２及びヒータ２２を用いて、ＣＷ光の波長とリング型導波路１８の共振波長とが一致するように調整する。
【０１０５】
直線導波路１０に入力されるＣＷ光は、リング型導波路１８だけでなく、リング導波路２４，２８，１１０，１１２にも導かれる。リング型導波路２４，２８，１１０，１１２に導かれたＣＷ光は、導波路２６，３０，１０４，１０６に導かれ、光検出器３６ａ〜３６ｄによって検出される。
【０１０６】
光検出器３６ａ〜３６ｂによって検出されるモニタ電流Ｉ１，Ｉ２，Ｉ５，Ｉ６は、図２０に示すような波長特性を有する。図２０において、モニタ電流曲線Ｓ１はモニタ電流Ｉ１の波長特性を示し、モニタ電流曲線Ｓ２はモニタ電流Ｉ２の波長特性を示している。また、モニタ電流曲線Ｓ３はモニタ電流Ｉ５の波長特性を示し、モニタ電流曲線Ｓ４はモニタ電流Ｉ６の波長特性を示している。
【０１０７】
図２０に示すように、モニタ電流曲線Ｓ３，Ｓ４のピーク波長は、モニタ電流曲線Ｓ１のピーク波長とモニタ電流曲線Ｓ２のピーク波長との間に位置している。これは、ΔλＢがΔλＡより小さい、即ち、ΔｄＢがΔｄＡより大きくなるようにリング導波路２４，２８，１１０，１１２を設計しているからである。
【０１０８】
また、モニタ電流曲線Ｓ３，Ｓ４のピークの波長帯域は、モニタ電流曲線Ｓ１，Ｓ２のピークの波長帯域より狭くなっている。これは、直線導波路１０とリング型導波路１１０，１１２との間隔を直線導波路１０とリング型導波路２４，２８との間隔よりも広く設定しているからである。
【０１０９】
光検出器３６ａ，３６ｂによって検出されたモニタ電流Ｉ１，Ｉ２は、電流減算回路６０ａにより、モニタ電流Ｉ１からモニタ電流Ｉ２を減算した電流Ｉ３に変換される。光検出器３６ｃ，３６ｄによって検出されたモニタ電流Ｉ５，Ｉ６は、電流減算回路６０ｂにより、モニタ電流Ｉ５からモニタ電流Ｉ６を減算した電流Ｉ７に変換される。
【０１１０】
ＰＩＤ制御回路６２ａ，６２ｂは、電流減算回路６０ａ，６０ｂによって生成される電流Ｉ３，Ｉ７に基づいて、電流Ｉ３，Ｉ７がゼロとなるようにヒータ２２をフィードバック制御する。
【０１１１】
ＰＩＤ制御回路６２ａ，６２ｂは、電流Ｉ３，Ｉ７がゼロでない場合、入力光の波長λ１と第１の光共振器１２の共振波長λとが一致していないと判断し、ヒータ２２に駆動信号を出力する。
【０１１２】
ＰＩＤ制御回路６２ａから出力された駆動信号とＰＩＤ制御回路６２ｂから出力された駆動信号とは、電圧加算回路１０８により加算され、ヒータ２２に送信される。
【０１１３】
ヒータ２２による加熱後、ＰＩＤ制御回路６２ａ，６２ｂは再度電流Ｉ３，Ｉ７の測定を行い、電流Ｉ３，Ｉ７がゼロであるかどうかをチェックする。電流Ｉ３，Ｉ７がゼロであれば、ＰＩＤ制御回路６２ａ，６２ｂは、ヒータ２２に出力する駆動信号をそのまま維持する。電流Ｉ３，Ｉ７がゼロでない場合には、ＰＩＤ制御回路６２ａ，６２ｂは、電流Ｉ３，Ｉ７の値に応じてヒータ２２の駆動信号を適宜増減する。
【０１１４】
ＰＩＤ制御回路６２ａ，６２ｂは、このようなフィードバック制御を継続して行い、電流Ｉ３，Ｉ７がゼロ近傍で安定するようにヒータ２２を制御する。これにより、入力光の波長λ１と第１の光共振器１２の共振波長とを一致させることができる。
【０１１５】
電流Ｉ３だけでなく電流Ｉ７を更に用いてヒータ２２を制御するのは、上述したように、モニタ電流曲線Ｓ１とモニタ電流曲線とが波長λからずれて交わる場合があり、そのような場合、ＣＷ光の波長とリング型導波路１８の共振波長とがずれるためである。
【０１１６】
そのような場合、第４の光共振器１００と第５の光共振器１０２とを更に用い、ＣＷ光の波長とリング型導波路１８の共振波長とのずれを補正する。
【０１１７】
直線導波路１０とリング型導波路１１０，１１２との間隔は、直線導波路１０とリング型導波路２４，２８との間隔より広いため、モニタ電流曲線Ｓ３，Ｓ４のピークの波長帯域は、モニタ電流曲線Ｓ１，Ｓ２のピークの波長帯域より狭くなる。これにより、電流Ｉ３のみを用いた波長制御より精度の高い波長制御が可能となる。
【０１１８】
このように、本実施形態では、入力光を変調する光共振器１２とは別に、光共振器１２の共振波長より共振波長がΔλＡ，ΔλＢだけ短波長及び長波長の光共振器１４，１６，１００，１０２とを設ける。そして、これら光共振器１４，１６，１００，１０２からの出力信号を用いて光共振器１２の共振波長が入力光の波長に一致するように温度制御を行う。
【０１１９】
したがって、本実施形態によれば、広範囲の波長制御と、狭い波長範囲ではあるが高精度な波長制御とを組み合わせることにより、広い波長帯域で精度の高い波長制御が可能となる。
【０１２０】
［第７実施形態］
第７実施形態による光半導体素子について図２１乃至図２３を用いて説明する。図１乃至図２０に示す第１乃至第６実施形態による光半導体素子と同一の構成要素には同一の符号を付し説明を省略し又は簡潔にする。
【０１２１】
図２１は、本実施形態による光半導体素子を示す概略図である。図２２及び図２３は、本実施形態による光半導体素子を示す断面図である。
【０１２２】
本実施形態による光半導体素子は、図２１に示すように、光検出器３６ａ，３６ｂの代わりに、光検出器３６ｅと、光検出器３６ｆとが設けられているほかは、第１実施形態による光半導体素子と同様である。
【０１２３】
光検出器３６ｅ，３６ｆは、例えば図２２及び図２３に示すように、リング型導波路２４，２８の一部を用いて形成されている。リング型導波路２４，２８の一部の領域には、第１の導電型（例えばＮ型）の不純物がドーピングされており、その上に、例えばＧｅ等により第２導電型（例えばＰ型）の光吸収部１１４，１１８が形成されている。
【０１２４】
シリコン酸化膜５４上には、ＶＩＡ配線１２２ａを介してリング型導波路２４に接続された電極１１６ａと、ＶＩＡ配線１２２ｂを介して光吸収部１１４に接続された電極１１６ｂが形成されている。また、ＶＩＡ配線１２３ａを介してリング型導波路２８に接続された電極１２０ａと、ＶＩＡ配線１２３ｂを介して光吸収部１１８に接続された電極１２０ｂとが形成されている。電極１１６ａ，１２０ａは、電源１１３に接続されている。電極１１６ｂ，１２０ｂは、電流減算回路６０に接続されている。電極１１６ａ，１１６ｂ，１２０ａ，１２０ｂは、例えばアルミニウムによって形成される。ＶＩＡ配線１２２ａ，１２２ｂ，１２３ａ，１２３ｂは、例えばタングステンによって形成される。
【０１２５】
このように、光検出器３６ｅ，３６ｆでは、第１導電型を有するリング型導波路２４，２８の一部と第２導電型を有する光吸収部１１４，１１８とがＰＮ接合を形成している。したがって、このＰＮ結合に逆バイアスを印加することにより、光吸収部１１４，１１８に吸収された光をモニタ電流Ｉ１，Ｉ２として検出することができる。
【０１２６】
このように、本実施形態によれば、リング型導波路２４，２８の一部の領域に光検出器３６ｅ，３６ｆを形成することができる。
【０１２７】
［第８施形態］
第８施形態による光半導体素子について図２４及び図２５用いて説明する。図１乃至図２３に示す第１乃至第７実施形態による光半導体素子と同一の構成要素には同一の符号を付し説明を省略し又は簡潔にする。
【０１２８】
図２４は、本実施形態による光半導体素子を示す概略図である。図２５は、図２４におけるＡ−Ａ′線断面図である。
【０１２９】
本実施形態による光半導体素子は、図２４に示すように、リング型導波路１８，２４，２８の周囲に断熱溝１２４ａ〜１２４ｊが形成されているほかは、第１実施形態による光半導体素子と同様である。
【０１３０】
リング型導波路１８，２４，２８の周囲に断熱溝１２４ａ〜１２４ｊを形成するのでヒータ２２で発生した熱の拡散を抑制することができ、温度制御効率を向上させることができる
断熱溝１２４ａ〜１２４ｊは、例えば図２５に示すように、リング型導波路１８，２４，２８の周囲のＳＯＩ基板５０及びシリコン酸化膜層５４をエッチングすることにより形成される。
【０１３１】
このように、本実施形態によれば、リング型導波路１８，２４，２８の周囲に断熱溝１２４ａ〜１２４ｊを形成することにより、ヒータ２２で発生した熱の拡散を抑制することができ、温度制御効率を向上させることができる。
【０１３２】
［第９実施形態］
第８実施形態による光半導体素子について図２６を用いて説明する。図１乃至図２５に示す第１乃至第８実施形態による光半導体素子と同一の構成要素には同一の符号を付し説明を省略し又は簡潔にする。
【０１３３】
図２６は、本実施形態による光半導体素子を示す概略図である。
【０１３４】
本実施形態による光半導体素子では、図２６に示すように、リング型導波路１８と光学的に結合するように配された導波路１２６から出力光を出力するようにしているほかは、図１に示す第１実施形態による光半導体素子と同様である。
【０１３５】
本実施形態では、リング型導波路１８に導かれる光が出力光として導波路１２６の出力端１２８から出力される。このため、変調光出力パワーは、例えば図１０に示す光共振器７８の変調光出力パワーのように、直線導波路１０からリング型導波路１８への透過率が最大となるとき、変調光出力パワーも最大となる。すなわち、本実施形態による光半導体素子では、第１実施形態による光半導体素子と反転した変調信号が得られる。
【０１３６】
このように、本実施形態の光半導体素子によれば、入力光と光共振器１２との間の波長ずれを広い波長範囲で許容しつつ、光共振器１２の共振波長を入力光の波長に容易に一致させることができる。また、光共振器１２の共振を強めることが可能となり、変調効率を向上することができる。
【０１３７】
［第１０実施形態］
第１０実施形態による光半導体素子について図２７を用いて説明する。図２７は、本実施形態による光半導体素子を示す概略図である。図１乃至図２６に示す第１乃至第９実施形態による光半導体素子と同一の構成要素には同一の符号を付し説明を省略し又は簡潔にする。
【０１３８】
本実施形態では、電流減算回路６０及びＰＩＤ制御回路６２の具体例を示す。
【０１３９】
電流減算回路６０は、例えば図２７に示すように、抵抗値Ｒ１の抵抗１３０ａ，１３０ｂと、抵抗値Ｒ２の抵抗１３２ａ，１３２ｂと、オペアンプ（Operational Amplifier、オペレーショナル・アンプリファイア、演算増幅器）１３４とを有している。抵抗１３０ａの一端は光検出器３６ａに接続され、他端はオペアンプ１３４のマイナス入力端子に接続されている。抵抗１３０ｂの一端は光検出器３６ｂに接続され、他端はオペアンプ１３４のプラス入力端子に接続されている。抵抗１３２ａの一端は抵抗１３０ａとオペアンプ１３４との間に設けられた接続点Ｔ１に接続され、他端はオペアンプ１３４の出力端とＰＩＤ制御回路６２の入力端との間に設けられた接続点Ｔ２に接続されている。抵抗１３２ｂの一端は抵抗１３０ｂとオペアンプ１３４のプラス入力端子との間に設けられた接続点Ｔ３に接続され、他端はグラウンド線に接続されている。
【０１４０】
ＰＩＤ制御回路６２は、比例制御回路（負帰還増幅回路）１３６と、積分制御回路１３８と、微分制御回路１４０とを有している。比例制御回路とは、入力値を出力値と目標値との偏差の一次関数として制御する回路である。積分制御回路とは、出力値と目標値との偏差の時間積分に比例して入力値を変化させる回路である。微分制御回路とは、出力値と目標値との偏差の時間微分に比例して入力値を変化させる回路のことである。
【０１４１】
比例制御回路１３６は、例えば図２７に示すように、抵抗値ＲＰ１の抵抗１４２と、抵抗値ＲＰ２の１４４と、オペアンプ１４６とを有している。抵抗１４２と抵抗１４４とは直列に接続されている。抵抗１４２の一端はオペアンプ１３４の出力端に接続され、抵抗１４４の一端は微分制御回路１４０の抵抗１５４ａに接続されている。オペアンプ１４６のプラス入力端子は、グラウンド線に接続されている。オペアンプ１４６のマイナス入力端子は、抵抗１４２と抵抗１４４との間に設けられた接続点Ｔ４に接続されている。オペアンプ１４６の出力端は、抵抗１４４と微分制御回路１４０の抵抗１５４ａとの間に設けられた接続点Ｔ５に接続されている。
【０１４２】
積分制御回路１３８は、例えば図２７に示すように、抵抗値ＲＩの抵抗１４８と、容量ＣＩのキャパシタ１５０と、オペアンプ１５２とを有している。抵抗１４８とキャパシタ１５０とは、直列に接続されている。抵抗１４８の一端はオペアンプ１３４の出力端に接続され、キャパシタ１５０の一端は微分制御回路１４０の抵抗１５４ｂに接続されている。オペアンプ１５２のプラス入力端子は、グラウンド線に接続されている。オペアンプ１５２のマイナス入力端子は、抵抗１４８とキャパシタ１５０との間に設けられた接続点Ｔ６に接続されている。オペアンプ１５２の出力端は、キャパシタ１５０と微分制御回路１４０の抵抗１５４ｂとの間に設けられた接続点Ｔ７に接続されている。
【０１４３】
微分制御回路１４０は、例えば図２７に示すように、抵抗値ＲＤの抵抗１５４ａ〜１５４ｃと、抵抗値ＲＤ′の１５６と、容量ＣＤのキャパシタ１５８と、オペアンプ１６０とを有している。抵抗１５６とキャパシタ１６０とは直列に接続されている。抵抗１５６の一端はオペアンプ１５４のマイナス入力端子に接続され、キャパシタ１５８の一端はオペアンプ１３４の出力端に接続されている。オペアンプ１６０のプラス入力端子は、グラウンド線に接続されている。オペアンプ１６０の出力端はヒータ２２に接続されている。抵抗１５４ａの一端は、抵抗１５６とオペアンプ１６０のマイナス入力端子との間に設けられた接続点Ｔ８に接続されている。抵抗１５４ｂの一端は、抵抗１５６とオペアンプ１６０のマイナス入力端子との間に設けられた接続点Ｔ９に接続されている。抵抗１５４ｃの一端は抵抗１５６とオペアンプ１６０のマイナス入力端子との間に設けられた接続点Ｔ８に接続され、他端はオペアンプ１６０の出力端とヒータ２２との間に設けられた接続点Ｔ１０に接続されている。
【０１４４】
このような電流減算回路６０及びＰＩＤ制御回路６２は、第１乃至第９実施形態による光半導体素子に用いられる電流減算回路６０，６０ａ，６０ｂ及びＰＩＤ制御回路６２，６２ａ，６２ｂとして用いることができる。
【０１４５】
［変形実施形態］
上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。
【０１４６】
例えば、上記実施形態では、シリコンを用いて光共振器１２，１４，１６，１００，１０２を形成したが、光共振器１２，１４，１６，１００，１０２の形成材料は特に限定されるものではない。例えば、ＳｉＧｅや化合物半導体を用いてもよい。
【０１４７】
また、上記実施形態では、電極２０ａ，２０ｂ間に電圧を印加していない状態でＣＷ光の波長と第１の光共振器１２の共振波長とを一致させたが、これに限定されるものではない。例えば、電極２０ａ，２０ｂ間に電圧Ｖonを印加した状態でＣＷ光の波長と第１の光共振器１２の共振波長とが一致するように調整してもよい。その際は、電極２０ａ，２０ｂ間に電圧Ｖonを印加した際の第１の光共振器１２の共振波長がＣＷ光の波長より短くなるようにリング型導波路１８の直径を適宜設定するとよい。
【０１４８】
また、第６実施形態では、ΔλＡがΔλＢより大きくなるように設定したが、ΔλＡがΔλＢより小さくなるように設定してもよい。
【０１４９】
また、第４実施形態による光半導体素子と第５実施形態による光半導体素子とを組み合わせるほかは、第２乃至第９実施形態による光半導体素子を適宜組み合わせることができる。例えば、第６実施形態による光半導体素子と第８実施形態による光半導体素子とを組み合わせることにより、高い温度制御性を有し、且つ、広い波長帯域で精度の高い温度制御が可能な光半導体素子となる。
【０１５０】
以上の実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。
【０１５１】
（付記１）  入力光が入力される第１の導波路と、
前記第１の導波路と光学的に結合するように配されたリング変調器と、
前記第１の導波路と光学的に結合するように配され、前記リング変調器の周回光路長より小さな周回光路長を有する第１のリング共振器と、
前記第１の導波路と光学的に結合するように配され、前記リング変調器の前記周回光路長より大きな周回光路長を有する第２のリング共振器と、
前記リング変調器と前記第１のリング共振器と前記第２のリング共振器とに近接して配されたヒータと、
前記第１のリング共振器中の光パワーをモニタする第１の光検出器と、
前記第２のリング共振器中の光パワーをモニタする第２の光検出器と、
前記第１の光検出器及び前記第２の光検出器により検出された信号に基づいて、前記リング変調器の共振波長が前記入力光の波長と一致するように前記ヒータを制御する制御部と
を有することを特徴とする光半導体素子。
【０１５２】
（付記２）  付記１記載の光半導体素子において、
前記リング変調器の前記周回光路長と前記第１のリング共振器の前記周回光路長との差と、前記リング変調器の前記周回光路長と前記第２のリング共振器の前記周回光路長の差とが同一である
ことを特徴とする光半導体素子。
【０１５３】
（付記３）  付記１又は２記載の光半導体素子において、
前記第１の導波路と前記第１のリング共振器との間隔及び前記第１の導波路と前記第２のリング共振器との間隔は、前記第１の導波路と前記リング変調器との間隔より狭い
ことを特徴とする光半導体素子。
【０１５４】
（付記４）  付記３記載の光半導体素子において、
前記第１のリング共振器及び前記第２のリング共振器は、前記第１の導波路の入力端側に配されている
ことを特徴とする光半導体素子。
【０１５５】
（付記５）  付記４記載の光半導体素子において、
前記第１の導波路は、第１の分岐導波路と第２の分岐導波路とを有し、
前記第１のリング共振器は、前記第１の分岐導波路と光学的に結合するように配され、
前記第２のリング共振器は、前記第２の分岐導波路と光学的に結合するように配されている
ことを特徴とする光半導体素子。
【０１５６】
（付記６）  付記４記載の光半導体素子において、
前記第１のリング共振器と前記第２のリング共振器とは、前記第１の導波路の同じ場所において光学的に結合するように配されている
ことを特徴とする光半導体素子。
【０１５７】
（付記７）  付記１乃至６のいずれか１項に記載の光半導体素子において、
前記リング変調器と光学的に結合するように配された第２の導波路を更に有し、
出力光は、前記第２の導波路から出力される
ことを特徴とする光半導体素子。
【０１５８】
（付記８）  付記項１乃至７のいずれか１項に記載の光半導体素子において、
前記第１の光検出器は、前記第１のリング共振器の一部に形成され、
前記第２の光検出器は、前記第２のリング共振器の一部に形成されている
ことを特徴とする光半導体素子。
【０１５９】
（付記９）  付記１乃至８のいずれか１項に記載の光半導体素子において、
前記リング変調器と前記第１のリング共振器と前記第２のリング共振器の周囲に形成された断熱溝を更に有する
ことを特徴とする光半導体素子。
【０１６０】
（付記１０）  付記１乃至９のいずれか１項に記載の光半導体素子において、
前記制御部は、前記第１の光検出器の出力信号と前記第２の光検出器の出力信号とが入力される電流減算回路と、前記電流減算回路から出力される出力信号に基づいて前記ヒータを制御するＰＩＤ制御回路とを有する
ことを特徴とする光半導体素子。
【０１６１】
（付記１１）  付記１０記載の光半導体装置において、
前記ＰＩＤ制御回路は、前記電流減算回路から出力される前記出力信号がゼロになるように前記ヒータを制御する
ことを特徴とする光半導体素子。
【０１６２】
（付記１２）  付記１乃至１１のいずれか１項に記載の光半導体素子において、
前記ヒータに近接して、前記第１の導波路と光学的に結合するように配され、前記第１のリング共振器の前記周回光路長より大きく、前記リング変調器の前記周回光路長より小さな周回光路長を有する第３のリング共振器と、
前記ヒータに近接して、前記第１の導波路と光学的に結合するように配され、前記リング変調器の前記周回光路長より大きく、前記第２のリング共振器の前記周回光路長より小さな周回光路長を有する第４のリング共振器と、
前記第３のリング共振器中の光パワーをモニタする第３の光検出器と、
前記第４のリング共振器中の光パワーをモニタする第４の光検出器とを更に有する
ことを特徴とする光半導体素子。
【０１６３】
（付記１３）  付記１２記載の光半導体素子において、
前記リング変調器の前記周回光路長と前記第３のリング共振器の前記周回光路長との差と、前記リング変調器の前記周回光路長と前記第４のリング共振器の前記周回光路長の差とが同一である
ことを特徴とする光半導体素子。
【０１６４】
（付記１４）  付記１２又は１３記載の光半導体素子において、
前記第１の導波路と前記第３のリング共振器との間隔及び前記第１の導波路と前記第４のリング共振器との間隔は、前記第１の導波路と前記リング変調器との間前記隔より狭く、前記第１の導波路と前記第１のリング共振器との前記間隔及び前記第１の導波路と前記第２のリング共振器との前記間隔より広い
ことを特徴とする光半導体素子。
【０１６５】
（付記１５）  付記１４記載の光半導体素子において、
前記第３のリング共振器及び前記第４のリング共振器は、前記第１の導波路の前記入力端側に配されている
ことを特徴とする光半導体素子。
【符号の説明】
【０１６６】
１０…直線導波路
１２，１２ａ…第１の光共振器
１４，１４ａ，１４ｂ…第２の光共振器
１６，１６ａ，１６ｂ…第３の光共振器
１８，１８ａ…リング型導波路
２０ａ，２０ｂ…電極
２２…ヒータ
２４，２４ａ…リング型導波路
２６…導波路
２８，２８ａ…リング型導波路
３０…導波路
３２…入力端
３４…出力端
３６ａ〜３６ｆ…光検出器
３８…制御部
４０…ドライバ回路
５０…ＳＯＩ基板
５２…ＳＯＩ層
５４…シリコン酸化膜層
５６ａ…Ｐ型領域
５６ｂ…Ｎ型領域
５８ａ，５８ｂ…ＶＩＡ配線
６０，６０ａ，６０ｂ…電流減算回路
６２，６２ａ，６２ｂ…ＰＩＤ制御回路
６８…光半導体素子
７０…直線導波路
７２…直線導波路
７４…リング型導波路
７６ａ〜７６ｃ…電極
７８…光共振器
８０…光半導体素子
８２…リング型導波路
８４ａ〜８４ｃ…電極
８６…ヒータ
８８…光共振器
９０…直線導波路
９２…直線導波路
９４…光検出器
９６…制御部
９８…ドライバ回路
９９ａ，９９ｂ…導波路
１００…第４の光共振器
１０２…第５の光共振器
１０４…導波路
１０６…導波路
１０８…電圧加算回路
１１０…リング型導波路
１１２…リング型導波路
１１３…ＤＣ電源
１１４…光吸収部
１１６ａ，１１６ｂ…電極
１１８…光吸収部
１２０ａ，１２０ｂ…電極
１２２ａ，１２２ｂ…ＶＩＡ配線
１２３ａ，１２３ｂ…ＶＩＡ配線
１２４ａ〜１２４ｊ…断熱溝
１２６…導波路
１２８…出力端
１３０ａ，１３２ｂ…抵抗
１３２ａ，１３２ｂ…抵抗
１３４…オペアンプ
１３６…比例制御回路
１３８…積分制御回路
１４０…微分制御回路
１４２…抵抗
１４４…抵抗
１４６…オペアンプ
１４８…抵抗
１５０…キャパシタ
１５２…オペアンプ
１５４ａ〜１５４ｃ…抵抗
１５６…抵抗
１５８…キャパシタ
１６０…オペアンプ
Ｔ１〜Ｔ１０…接続点
【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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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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