(57)【要約】      （修正有）【課題】温度変化に対して鈍感である半導体レーザ光源を提供する。【解決手段】単色半導体レーザ光源（１０）は、内側で光信号が共振するファブリペロー空洞共振器の両端を規定する背面リフレクタ（１２）、前面リフレクタ（１４）、フィルタ（２２）をを含んでおり、フィルタ（２２）が内部に形成された導波路が、温度に対して鈍感な材用により形成されており、電気制御信号に応じて、ファブリペロー空洞光共振器の共振可能波長λＲｊを変えることができる調整装置（１６）と、フィルタ（２２）の中心波長λＣｆと可能波長λＲｊの一つの差を示す物理量を測定することができるセンサ（４０）と、レーザ光源の放出波長λＬｉを選択するフィルタ（２２）のそれぞれの通過帯域の中心に波長λRjを維持するために、センサで測定された物理量に応じて調整装置（１６）を制御する電気制御信号を発生させることができる電子回路（４２）と、を備えている。【選択図】図４
2017152683.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一つの波長λＬｉを放出することができる半導体レーザ光源であって、
複数の共振可能周波数で光信号を共振することができるファブリペロー空洞光学共振器の両端を形成する前面リフレクタ（１４、１９４、２２２）及び背面リフレクタ（１２、１８２、１８４、１９２、２２４）であって、前記共振可能周波数の可能波長λＲｊは、間隔ΔλＲの一定間隔で互いに離れており、かつ、前記可能波長の全てが前記前面リフレクタと前記背面リフレクタの反射帯域の内側にあり、前記反射帯域は中心波長λＣＲ、及び幅ΔＲである前面リフレクタ及び背面リフレクタと、
前記前面リフレクタと前記背面リフレクタに光学的に結合された導波路のセットと、を備え、
当該セットは、
シリコン製の導波路（１５、２５）と、
導波路（５０）内に製造され、前記前面リフレクタ及び背面リフレクタの間で共振した光信号を通過するよう配置された帯域通過フィルタ（２２、２２２、２６０）であって、当該帯域通過フィルタは、波長λＲｊから少なくとも一つの波長λＬｉを選択することができ、前記帯域通過フィルタはこの目的のため、選択されるべき波長λＬｉのそれぞれに中心がある通過帯域を有し、前記フィルタの通過帯域のそれぞれは中心波長λＣｆを中心としており、かつ間隔ΔλＲ以下の帯域幅Δλｆを有している帯域通過フィルタと、
前記フィルタによって選択されたそれぞれの波長λＬｉで光利得を発生することができ、前記前面リフレクタ及び背面リフレクタの間で共振した光信号を通過するよう配置されたＩＩＩ−Ｖ利得材料製の導波路２８であって、当該導波路は断熱結合又はエバネッセント結合（２６，３２）によってシリコン製の前記導波路に光学的に結合されている導波路と、を備え、
前記フィルタ（２２、２２２、２６０）が内部に製造された前記導波路（５０、２６２）は温度に対して鈍感な材料すなわち、温度の関数としての屈折率ｄｎｆ／ｄｔの変化が温度の関数としてのシリコンの屈折率の変化ｄｎＳｉ／ｄｔよりも少なくとも２倍低い材料で製造され、
前記レーザ光源は、
電気制御信号に応答して波長λＲｊをシフトすることができる調整装置（１６、２０２、２３６）と、
前記中心波長λＣｆと可能波長λＲｊの一つの差を示す物理量を測定することができるセンサ（４０）と、
波長λＬｉを選択する前記フィルタのそれぞれの通過帯域の中心に波長λＲｊを維持するために、前記センサで測定された前記物理量に応じて前記調整装置を制御する前記電気制御信号を発生させることができる電子回路（４２）と、を備え
前記前面リフレクタ及び前記背面リフレクタのそれぞれの反射帯域の前記幅ΔＲは、
前記フィルタが単一の波長λＬｉを選択する場合、Δλf +DT × (dλCR/dT)よりも厳密に大きく、
前記フィルタがＮ個の波長λＬｉを選択する場合、Δλf + max{DT × (dλCR/dT); N × Δvf + DT × (dλＣｆ/dT)}よりも厳密に大きく、
ここで、ＤＴはレーザ光源の動作温度のプリセット範囲の幅であり、dλCR/dTはnm/℃で示される温度の関数としての前記リフレクタの前記中心波長λCRの変化であり、dλＣｆ／ｄＴはnm/℃で示される温度の関数としての前記フィルタの前記中心波長λＣｆの変化であり、Ｎは２以上の整数であり、Δvfはｎｍで示される前記フィルタの２つの連続する通過帯域の間の間隔であり、max{…}は括弧の間に配置された要素の最大値を戻す関数であるレーザ光源。
【請求項２】
単一の波長λＬｉで光を放出し、
前記フィルタ（２２、２６０）はリング共振器を含み、当該フィルタの通過帯域は前記幅ΔＲよりも広い間隔Δvfの一定間隔で互いに離れている請求項１に記載のレーザ光源。
【請求項３】
複数の波長λＬｉで光を同時に放出し、
前記フィルタ（２２２）はリング共振器を含み、当該フィルタの通過帯域は前記間隔ΔλRの整数倍に等しく、かつ前記幅ΔＲよりも狭い間隔Δvfの一定間隔で互いに離れている請求項１に記載のレーザ光源。
【請求項４】
請求項２、又は３に記載のレーザ光源であって、
実質的に基板面に沿って延びる基板６０と、
第１の層（６６）の内側で前記基板面に平行に延びた前記シリコン製の導波路（１５、２５）であって、前記前面リフレクタと前記背面リフレクタとの間で共振した光信号をガイドする前記シリコン製の導波路と、
前記第１の層（６６）の上または下に配置された第２の層（６４）内に全体が延びている、前記リング共振器が製造された前記導波路（５０、２６２）であって、エバネッセント結合によってシリコン製の導波路（１５、２５）に光学的に結合されている、前記リング共振器が製造された前記導波路（５０、２６２）と、を備えたレーザ光源。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載のレーザ光源であって、
実質的に基板面に沿って延びる基板６０と、
第１の層（６６）の内側で前記基板面に平行に延びた前記シリコン製の導波路（１５、２５）であって、前記前面リフレクタと前記背面リフレクタとの間の共振した光信号をガイドする前記シリコン製の導波路と、
前記第１の層の上または下に配置された第２の層（６４）内で前記基板面に平行に延びている、温度に対して鈍感な材料製の前記導波路（５０、２６２）であって、エバネッセント結合又は断熱結合によってシリコン製の前記導波路に光学的に結合されている、前記温度に対して鈍感な材料製の前記導波路（５０，２６２）と、
前記第１の層の前記第２の層が配置された面と反対側の面に配置された第３の層（６８）の内側で前記基板面に平行に延びたＩＩＩ−Ｖ利得材料製の前記導波路（２８）と、
を備えたレーザ光源。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載のレーザ光源であって、レーザ光源は、
実質的に基板面内に延びる基板（６０）と、
ＩＩＩ-Ｖ利得材料製の導波路（２８）であって、前記基板面と平行な面に延びる、ｎ又はｐドープＩＩＩ-Ｖ利得材料製の副層（７０）を含む導波路（２８）と、
調整装置（１６）と、を備え、
前記調整装置は、前記ｎ又はｐドープＩＩＩ-Ｖ利得材料製の副層（７０）と同じ材料かつ同じドープにより製造された抵抗（８０）であって、前記ｎ又はｐドープＩＩＩ-Ｖ利得材料製の副層（７０）と同じ平面内において、シリコン製の導波路（１５，２５）の上または下に延びている前記抵抗と、
電子制御信号に応じて、上また下に配置された前記シリコン製の導波路を加熱するために、前記抵抗内に電流を流すために用いられる電気的なコンタクト（８２，８４）と、を備えているレーザ光源。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載のレーザ光源であって、
前記温度に対して鈍感な材料が窒化シリコン、又は窒化アルミニウムであるレーザ光源。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載のレーザ光源であって、
前記調整装置（２３６）が、
前記シリコン製の導波路の長手方向と直交する横方向において、前記シリコン製の導波路から先端部（２４６）まで延びているシリコン製の横アームであって、長手方向と直交する縦方向において、前記縦方向における前記シリコン製の導波路の厚さよりも小さい厚さを有している横アーム（２４４）と、
前記先端部（２４６）と対向し、前記シリコン製の導波路によってガイドされる前記光信号が循環する区間の外側に配置された抵抗（２４０）と、
前記抵抗に電気制御信号を流すために用いられる電気コンタクト（２４２）と、を備えたレーザ光源。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項に記載のレーザ光源であって、
前記前面リフレクタ及び背面リフレクタ（１８２、１８４、１９２、１９４）の少なくとも一部が前記温度に対して鈍感な材料により製造されているレーザ光源。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１項に記載のレーザ光源であって、前記前面リフレクタ及び背面リフレクタ（１２、１４、１８２、１８４、１９２、１９４）が、ブラッグ格子であるレーザ光源。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか１項に記載のレーザ光源であって、前記レーザ光源の動作温度のプリセット範囲の幅DTが、３０℃よりも大きくなっているレーザ光源。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか１項に記載のレーザ光源の製造方法であって、
複数の共振可能周波数で光信号を共振することができるファブリペロー光空洞共振器の両端を形成する前面及び背面リフレクタを製造する工程であって、前記共振可能周波数の可能波長λＲｊが間隔ΔλRの一定間隔で互いに分離されており、全ての前記可能波長が前記前面及び背面リフレクタの反射帯域に含まれており、前記反射帯域は中心波長λCR、かつ幅ΔＲを有している工程（１１０）と、
前記前面及び背面リフレクタに光学的に接続された導波路（１１０、１１６、１２８、１５２、１５８、１６０）のセットを製造する工程と、を備え、
当該セットは、シリコン製の導波路と、
導波路内に製造され、前記前面及び背面リフレクタの間で共振する光信号は通過するように配置された帯域通過フィルタであって、前記帯域通過フィルタは、前記波長λＲｊの中から少なくとも一つの波長λＬｉを選択することができ、かつ帯域通過フィルタは、選択されたそれぞれの波長λＬｉを中心とする通過帯域を有し、前記フィルタの通帯域のそれぞれは、中心波長λＣｆであり、間隔ΔλＲ以下の帯域幅Δλfを有している帯域通過フィルタと、
前記フィルタによって選択されたそれぞれ波長λＬｉで光利得を生じさせることができ、前記前面及び背面リフレクタの間で共振する光信号を通過させるように配置されたＩＩＩ−Ｖ利得材料製の導波路であって、断熱結合又はエバネッセント結合によって前記シリコン製の導波路に結合されている導波路と、を備え、
前記導波路のセットを製造する工程は、温度に対して鈍感な材料、つまり、温度の関数としての屈折率の変化ｄｎｆ／ｄｔが温度の関数としてのシリコンの屈折率ｄｎＳｉ／ｄｔの変化の少なくとも２倍低い材料で前記フィルタが内部に形成された導波路（１１６、１６０）を製造する工程を有し、
前記製造方法は、
電気制御信号に応じて前記波長λＲｊを変えることができる調整装置を製造する工程（１２８）と、
前記中心波長と前記可能波長λＲｊの一つの差を示す物理量を測定することができるセンサを製造する工程（１３０）と、
前記フィルタが選択した波長λＬｉの通過帯域の中心に一つの波長λＲｊを維持するために、前記センサで測定された前記物理量に応じて、前記調整装置を制御する電気制御信号を生成する電子回路を製造する工程（１３０）と、
前記フィルタが単一の波長λＬｉを選択する場合は、前面及び背面リフレクタの反射帯域の幅が厳密にΔλf + DT × (dλCR/dT)よりも広くなるように、前記フィルタがＮ波長λＬｉを選択する場合は、前面及び背面リフレクタの反射帯域の幅が厳密にΔλf + max{DT × (dλCR/dT); N × Δvf + DT × (dλＣｆ/dT)}よりも広くなるように、前記前面リフレクタ及び背面リフレクタを製造する工程と、を備え、
ここでＤＴはレーザ光源の動作温度のプリセット範囲であり、dλCR/dTは温度の関数として単位nm/℃で示される中心波長λCRの変化であり、dλＣｆ/dTは温度の関数として単位nm/℃で示される中心波長λＣｆの変化であり、Ｎは２以上の整数であり、Δvfは単位ナノメータで示される前記フィルタの２つの連続する通過帯域の間隔であり、max{…}を括弧内の最も高い要素を返す関数である製造方法。
【請求項１３】
請求項１２の製造方法であって、
第１のＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ−Ｏｎ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板の前面側シリコン第１層に前記前面及び背面リフレクタと、前記シリコン製の導波路を製造する工程（１１０）であって、前記第１のＳＯＩ基板は、第１の酸化シリコン層によって前記第１層と分離された第１のシリコン基板を有しており、
利得材料製の第１導波路を製造する前に、前記フィルタを製造する製造工程であって、前記フィルタを製造する製造工程は、前記第１層の前面上に前記温度に対して鈍感な材料で形成された層を連続堆積（１１６）する工程と、前記フィルタを内部に形成するために、堆積された層をエッチングする工程と、前記フィルタを酸化シリコン層内に封止する工程と、前記酸化シリコン層を研磨する工程と、を有し、
前記研磨された酸化シリコン層の外面を第２の基板に結合する工程と、
前記フィルタがある側と反対側において、前記第１層に関する結合面を得るために、前記第１のシリコン基板と、少なくとも前記第１のＳＯＩ基板の前記第１の酸化シリコン層の少なくとも一部を除去する工程と、
前記結合面にＩＩＩ−Ｖ利得材料製の層を結合又は堆積する工程と
前記ＩＩＩ−Ｖ利得材料製の層に、ＩＩＩ−Ｖ利得材料製の導波路を製造する工程と、を備えた製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は少なくとも１つの波長λＬｉを放出する半導体レーザ光源、及び半導体レーザ光源を製造するための方法に関する
【背景技術】
【０００２】
発明者らに知られているレーザ光源は、
前面リフレクタと背面リフレクタであって、これらの前面リフレクタと背面リフレクタは複数の共振周波数で光信号を共振することができるファブリペロー光学空洞共振器の両端を形成し、これらの共振可能周波数の可能波長λＲｊは他の可能波長から間隔ΔλRの一定間隔で離れており、全ては、前面リフレクタと背面リフレクタの反射帯域の内側であり、その帯域は、中心がλCRであり、幅ΔＲであり、
光学的に前面リフレクタと背面リフレクタに結合する導波路のセットを有しており、
このセットは、
導波路内に生成され、前面リフレクタと背面リフレクタとの間で共振している光信号によって通過されるよう配置された帯域通過フィルタであって、この帯域通過フィルタは、波長λＲｊから少なくとも１つの波長λＬｉを選択することができ、帯域通過フィルタはこの目的のため、選択されるそれぞれの波長λＬｉを中心とする通過帯域を有しており、フィルタのそれぞれの通過帯域は、中心波長λＣｆと間隔ΔλR以下の幅Δλfを有する帯域通過フィルタと、
フィルタによって選択されたそれぞれの波長λＬｉで光学的な増幅を発生させることができ、前面リフレクタと背面リフレクタとの間で共振している光信号によって通過されるよう配置されたるＩＩＩ−Ｖ利得材料製の導波路であって、この導波路は、シリコン製の導波路でガイドされた光学モードをＩＩＩ−Ｖ利得材料製の導波路でガイドされる光学モードに変換することができる断熱結合によってシリコン製の導波路に結合されているＩＩＩ−Ｖ利得材料製の導波路と、を備えている。
【０００３】
発明者に知られているこれらのレーザ光源において、フィルタとリフレクタはシリコン製の導波路内に製造され、フィルタは単一波長のみを選択する。
【０００４】
公知のレーザ光源の動作波温度が変わるとき、レーザ光源の放出波長は、約０．０７ｎｍ／℃の割合で変化する。この理由によって、これらの公知のレーザ光源は、温度に対して敏感であり、レーザ光源の放出波長は温度の関数としてドリフトすると言われている。
【０００５】
この欠点の改善のため、レーザ光源の温度を一定にするため、その動作温度を調整するための装置をレーザ光源に関連させることが知られている。しかしながら、調整装置は、大きく、たくさんの電力を消費する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許出願公開第2015/180201明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第US2014/153600A明細書
【特許文献３】米国特許出願公開第2014/153601明細書
【特許文献４】英国特許出願公開第2522252明細書
【特許文献５】米国特許出願公開第2009/135891明細書
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】NOBUHIDE FUJIOKA et al: “Compact and Low Power Consumption Hybrid Integrated Wavelength Tunable Laser Module Using Silicon Waveguide Resonators”, Journal of Lightwave Technology, IEEE Service Center, US, vol. 28, no. 21, 1/11/2010,
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
発明者は、製造が容易のままである一方、温度変化に対して鈍感である半導体レーザ光源を提供することでこの欠点の改善を救済することを目的とする。その主題の一つは、請求項１にかかる半導体レーザ光源である。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
クレームされたレーザ光源の温度ドリフトを制限するため、提案された解決策は、シリコン製の導波路の代わりに、温度に対して鈍感な材料製の導波路内フィルタを製造することにあり、このィルタをレーザ光源の構造に組み込むことにある。具体的には、フィルタが製造された導波路は、温度の関数である屈折率の変化がシリコンの屈折率の変化よりも少なくとも２倍小さい事実はフィルタの温度ドリフトを制限することができる。加えて、調整装置、センサ、及び電子回路は、１つの波長λＲｊが、波長λＬｉを選択するフィルタの通過帯域の中心で恒久的に維持されることを許す。この結果、レーザ光源の温度を調整する装置に頼る必要なく、レーザ光源の放出波長λＬｉの温度に対するドリフトの振幅を小さくすることができる。
【００１０】
このフィルタのレーザ光源の統合は、３つの導波路、つまりシリコン製の導波路、ＩＩＩ−Ｖ利得材料製の導波路、及び温度に対して鈍感な材料製の導波路を有するレーザ光源構造の使用を可能とする。３つの導波路の構造は、温度に対して鈍感な材料製の導波路とＩＩＩ−Ｖ利得材料製の導波路間の直接の断熱結合を達成させることが困難であるということによる困難性を避けることを可能にする。具体的には、これらの２つの導波路の材料は、屈折率の大きさ違いを有している。クレームされたレーザ光源では、シリコン製の導波路にＩＩＩ−Ｖ利得材料製の導波路を結合し、シリコン製の導波路に温度に鈍感な材料製の導波路を結合するため、シリコン製の導波路の使用を提案する。したがって、ＩＩＩ−Ｖ利得材料製の導波路と温度に対して鈍感な材料製の導波路は、シリコン製の導波路を経由して、互いに結合される。加えて、シリコン製の導波路の存在は、特に効果的な調整装置の製造に利点を持っているかもしれない。具体的には、温度の関数であるシリコンの屈折率の変化は大きく、シリコン製の導波路において自由なキャリアを容易に生成することができる。これらの２つの効果は、シリコン導波路を伝搬するどんな光信号の位相を修正する。
【００１１】
レーザ光源の実施形態は、一つ以上の従属請求項の特徴を有しているかもしれない。
【００１２】
レーザ光源のこれらの実施形態は、以下の利点を有している。フィルタを経由したリング共振器の使用はフィルタの体積が制限され、それゆえ、半導体レーザ光源の体積が制限される。リフレクタの反射帯域内に複数の通過帯域を有するリング共振器の使用は、多波長レーザ光源を容易に製造する。特に一つかつ同じ利得材料はこの多波長レーザ光源の様々な放出波長のため使用される。リング共振器はフィルタを断熱結合に頼ることなく、エバネッセント結合を用いて単独でシリコン製の導波路に直接接続する。これは、レーザ光源の体積を減少させ、断熱結合器に頼るのを避けることができる。具体的には、この場合、リング共振器のみ、温度に対して鈍感な材料によって製造される。シリコン製の導波路を含む層の一方の面上へのフィルタの製造と、利得材料製の導波路を含む他方の面上への製造は、利得材料を含む層のシリコンへの接合を容易にする。これは、フィルタのより精密なエッチングを可能にする。調整装置がシリコン導波路の上、かつ、利得材料製の導波路を形成するために用いられたドープされた材料製の副層と同層に製造されたという事実は、調整装置の製造を容易にする。具体的には、調整装置と利得材料製の導波路を製造するための動作が同時に実行されるかもしれない。加えて、このタイプの調整は、空洞共振器の光学モードの点で無損失であり、反対に調整装置は、シリコン製の導波路において生成されたｐ−ｎ接合又はｐ−i−ｎ接合を使用する。温度に対して鈍感な材料としての窒化シリコン又は窒化アルミニウムの使用は、温度に対するレーザ光源の感度を少なくとも１／５にする。少なくとも部分的なリフレクタの温度に対して鈍感な材料での製造は、温度に対する感度を制限する。これは、反射帯域の幅ΔＲがより狭いリフレクタの使用を許す。
【００１３】
本発明の他の主題は、クレームされたレーザ光源の製造方法である。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
本発明は、付随された図を参照し、単に限定されない実施例として与えられる以下の実施形態を読むことでより理解されるであろう。
【図１】図１は半導体レーザ光源のフィルタの通過帯域に対する、半導体レーザ光源のリフレクタの反射帯域の位置を示す模式図である。
【図２】図２は半導体レーザ光源のフィルタの通過帯域に対する、半導体レーザ光源のリフレクタの反射帯域の位置を示す模式図である。
【図３】図３は半導体レーザ光源のフィルタの通過帯域に対する、半導体レーザ光源のリフレクタの反射帯域の位置を示す模式図である。
【図４】図４は、半導体レーザ光源の構造の模式図である。
【図５】図５は、上側から見た、図４のレーザ光源に使用することができるリング共振器フィルタの一例を示す模式図である。
【図６】図６は、図５のフィルタの通過帯域に対する、リフレクタの反射帯域の位置を模式的に示すグラフである。
【図７】図７は、シリコン製の導波路がエバネッセント結合によって窒化シリコン製の導波路に結合された場合における図５のフィルタの縦方向断面の模式図である。
【図８】図８は、図４のレーザ光源の実施の形態１の縦方向断面の模式図である。
【図９】図９は、図８のレーザ光源の製造方法を示すフローチャートである。
【図１０】図１０は、図８に示すレーザ光源の製造方法の工程での縦方向断面の模式図である。
【図１１】図１１は、図８に示すレーザ光源の製造方法の工程での縦方向断面の模式図である。
【図１２】図１２は、図８に示すレーザ光源の製造方法の工程での縦方向断面の模式図である。
【図１３】図１３は、図８に示すレーザ光源の製造方法の工程での縦方向断面の模式図である。
【図１４】図１４は、図８に示すレーザ光源の製造方法の工程での縦方向断面の模式図である。
【図１５】図１５は、半導体レーザ光源の他の製造方法のフローチャートである。
【図１６】図１６は、図１５に示す半導体レーザ光源の製造方法の種々の工程での縦方向断面の模式図である。
【図１７】図１７は、図１５に示す半導体レーザ光源の製造方法の種々の工程での縦方向断面の模式図である。
【図１８】図１８は、図１５に示す半導体レーザ光源の製造方法の種々の工程での縦方向断面の模式図である。
【図１９】図１９は、半導体レーザ光源の種々の異なる実施形態の縦方向断面の模式図である。
【図２０】図２０は、半導体レーザ光源の種々の異なる実施形態の縦方向断面の模式図である。
【図２１】図２１は、半導体レーザ光源の種々の異なる実施形態の縦方向断面の模式図である。
【図２２】図２２は、多波長レーザ光源の種々の要素を示す模式図である。
【図２３】図２３は、図２２のレーザ光源のフィルタの通過帯域に対する、レーザ光源のリフレクタの反射帯域の位置を模式的に示すグラフである。
【図２４】図２４は、レーザ光源に使用可能な調整装置の一つの実施形態の縦方向断面の模式図である。
【図２５】図２５は、上側から見た、図２４の調整装置の模式図である。
【図２６】図２６は、上側から見た、図４のレーザ光源のためのフィルタの他の実施形態の模式図である。  これらの図において、同じ構成要素を示すために同じ符号が用いられている。この明細書の残りにおいて、当業者に公知の特徴と機能は詳細な説明が記載されていない。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
温度に対して鈍感な材料製の導波路におけるフィルタの製造がレーザ光源の温度に対する感度を減少させる理由が、まず、図１〜図３を参照して詳細に説明される。次に、そのようなフィルタを用いた半導体レーザ光源の一般的な構造が複数の特定の実施形態に従って記載される。
【００１６】
図１は、公知の半導体レーザ光源のファブリペロー光学空洞共振器の前面リフレクタと背面リフレクタの反射帯域４を示している。通過帯域４は、Ｘ軸がｎｍでの波長を示し、ｙ軸がワットでの光信号のパワーに対応するグラフに示されている。
【００１７】
反射帯域４は、その幅ΔＲ、中心波長λＣＲで特徴付けられている。幅ΔＲは、−３ｄＢでの反射帯域４の幅である。これらのリフレクタによって反射される最大パワーImaxの５０％以上のパワーで前面リフレクタと背面リフレクタによって反射することができる全ての波長λＲｊを含む波長の帯域の問題である。パワーImaxはこのパワーが最大となる波長λＲｊで反射される光信号のパワーに等しい。
【００１８】
中心波長λＣＲは、反射帯域４の中央に位置する波長である。
【００１９】
ファブリペロー空洞共振器の背景において、この空洞共振器が共振しやすい種々の波長λＲｊは、互いに間隔ΔλＲの一定間隔で離れている。図１において、ファブリペロー空洞共振器が共振できる波長λＲｊは、縦線によって表現された通過帯域４の内側にある。
【００２０】
単一波長λＬｉを放出する単色のレーザ光源の背景において、フィルタは、可能波長λＲｊの全てから一つの波長λＲｊを選択する。選択された波長λＲｊはレーザ光源の放出波長に等しい。この点で、フィルタは波長λＬｉを中心とする単一の狭い通過帯域６を有している。この通過帯域６は、幅Δλfと中心波長λＣｆとで特徴付けられる。幅Δλfは、−３ｄＢでの通過帯域６の幅である。中心波長λＣｆは、通過帯域６の中央に位置する波長である。
【００２１】
図１のグラフは、レーザ光源の動作温度が２０℃でのものを示している。
【００２２】
公知のレーザ光源において、光信号は、シリコン製の導波路とＩＩＩ−Ｖ利得材料製の導波路によって、前面リフレクタと背面リフレクタとの間をガイドされる。リフレクタとフィルタは、シリコン製の導波路内に製造されており、利得機能はＩＩＩ−Ｖ材料製の導波路によって与えられる。これらの状況下において、波長λＲｊと波長λＣＲは、０．０７ｎｍ／℃で温度の関数として変化することが知られている。波長λＣｆもまた、０．０７ｎｍ／℃で変化する。
【００２３】
図２のグラフは、図１のグラフと同じ要素を示しているが、レーザ光源の動作温度が３３℃となっている。通過帯域４と波長λＣＲ、λＲｊは約０．９ｎｍ（０．０７℃×１３℃程度）変化しており、通過帯域６は０．９ｎｍ変化している。レーザ光源の波長λＬｉは０．９ｎｍ変化している。
【００２４】
波長のドリフトを制限するため、提案された解決策は、導波路をシリコン製の導波路の代わりに温度に鈍感な材料製の導波路内にフィルタを製造し、このフィルタをレーザ光源の構造に組み込むことにある。ここで、温度に鈍感な材料は、同じ状況下において、屈折率の温度関数の変化ｄｎｆ／ｄｔが、シリコンの屈折率の温度の関数に対する変化ｄｎＳｉ／ｄｔよりも、少なくとも２倍小さい材料である。典型的には、変化ｄｎＳｉ／ｄｔは２．３×１０−４／℃に等しいか、その±２０％以下である。変化ｄｎｆ／ｄｔは、少なくとも１×１０−４／℃以下であり、好ましくは、０．５×１０−４／℃以下である。以下、温度に鈍感な材料が、窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）であり、この変化ｄｎｆ／ｄｔが０．４×１０−４／℃である特定の場合を記載する。しかしながら、この記載の最後に詳細に記載されているように、他の材料でも可能である。窒化シリコンの屈折率は、温度の関数として、シリコンよりも６〜７倍ゆっくりと変化する。したがって、窒化シリコン製の導波路内に製造されたフィルタの中心波長λＣｆは、温度の関数として、０．０１ｎｍ／℃で変化する。
【００２５】
図３は、フィルタが窒化シリコンで製造され、レーザ光源の動作温度が３３℃の場合の反射帯域４と通過帯域６の位置を示している。図３のグラフは、レーザ光源の動作温度が１３℃上昇すると、フィルタの中心波長λＣｆが０．１３ｎｍ（＝０．０１×１３℃）だけ変化することを示している。反対に、中心波長λＣＲの変化の大きさは、図２に示されている場合と同じである。しかしながら、温度に鈍感な材料でフィルタを製造することだけで、温度に対して波長λＣｆの感度をとても大きく制限するのに十分である。フィルタは、レーザ光源の放出波長λＬｉを選択するので、波長λＲｊが波長λＣｆを中心となった後、温度に対して鈍感なレーザ光源の放出波長λＬｉを得ることが可能となる。
【００２６】
以下に示されるように、記載されたレーザ光源において、波長λＬｉでレーザ光源の放出を得るため、調整装置、センサ、及び電子制御回路は、自動かつ正確に、波長λＲｊの最も近い一つをフィルタの通過帯域６の中心にセンタリングするために用いられる。具体的には、フィルタの通過帯域６は、波長λＲｊよりもとてもゆっくりと変化するので、波長λＲｊの一つを通過帯域６の中心にセンタリングするために、何もなされない場合、この通過帯域６は、波長λＲｊ又は不十分にセンタリングされた波長λＲｊを含まないかもしれず、これによって、レーザ光源の放出が抑制、又は放出された光信号のパワーが大きく制限される。
【００２７】
図４は、波長λＬｉで放出する単色半導体レーザ光源１０の一般的構造を模式的に示している。レーザ光源１０は、内側で光信号が共振するファブリペロー空洞共振器の両端を規定する背面リフレクタ１２、前面リフレクタ１４を備えてている。例えば、リフレクタ１２は、リフレクタ１４よりも厳密に高い反射効率を有している。反射効率は、リフレクタに入射した光信号のパワーに対するリフレクタで反射された光信号のパワーの比と等しくなっている。典型的には、波長λＬｉにおいて、リフレクタ１２の反射効率は、９０％以上、又は９５％以上である。リフレクタ１４の反射効率は、通常、３０％〜７０％の間であり、典型的には５０％である。
【００２８】
リフレクタ１２、１４は、広帯域リフレクタである。本実施形態において、これは、リフレクタ１２、１４の反射帯域４の幅ΔＲが厳密にΔλf + DT × (dλＣＲ/dT)よりも大きいことを意味する。ここで、Δλfは波長ΔλＬｉを選択したフィルタの通過帯域６の幅であり、ｎｍで表現されている。DTは、レーザ光源１０の動作温度のプリセット範囲の幅であり、℃で表現されている。dλＣＲ/dTは温度の関数としての、リフレクタ１２、１４の反射帯域の中心波長λＣＲの変化であり、ｎｍ／℃で表現されている。
【００２９】
レーザ光源の動作温度の範囲は、現時点では、しばしば、この範囲においてレーザ光源の動作温度がどうであろうと、波長λＬｉが０．３５ｎｍより大きく変化しないように選択される。例えば、この範囲の幅ＤＴは、１０℃〜３０℃よりも大きい。この基準に合致するため、動作温度の範囲は、＋２０℃〜＋５５℃の間を有するように選択される。幅ＤＴはここでは３５℃となっている。以下、動作温度の範囲の最低温度、及び最高温度はそれぞれ、Tmin、Tmaxと記載される。本実施形態において、リフレクタ１２、１４は、シリコン製の導波路内に製造されている。したがって、変化dλＣＲ/dTは０．０７ｎｍ／℃と等しくなる。図１〜図３を参照して記載されたように、幅Δλfは間隔ΔλRよりも小さい。典型的には、間隔ΔλRは０．５ｎｍ以下である。例えば、間隔ΔλRは０．３ｎｍに等しいか、その１５％〜３０％の範囲である。したがって、本実施形態では、幅Δλfは０．３ｎｍ以下である。幅ΔＲはそれゆえ、２．７５ｎｍ（＝０．０７×３５＋０．３）よりも厳密に大きくなる。
【００３０】
リフレクタ１２、１４は、温度Tminで、波長λＬｉが反射帯域４の下限λRminよりも上限λRmaxに近くなるように設計されている。例えば、温度Tminにおいて、波長λＬｉは０．９λRmaxとλRmaxとの間になっている。この制限は、幅ΔＲがΔλf + DT × (dλCR/dT)よりも十分大きいと緩和される。具体的には、後者の場合において、レーザ光源１０の動作波長がTminとTmaxとの間でどうであれ、波長λＬｉが反射帯域４の内側に含まれるために、波長λＬｉをλRmaxに近づけることは必要ではない。
【００３１】
ここで、リフレクタ１２、１４は、例えば、ブラッグ格子のようなリフレクタである。
【００３２】
リフレクタ１２とリフレクタ１４の間で、レーザ光源は、リフレクタ１２からリフレクタ１４に引き続いて、以下のフォトニック要素を含んでいる。
リフレクタ１２が内部に製造されたシリコン製の光学導波路１５、
導波路１５のシリコンの特性を用いており、電気制御信号に応じて波長λＲｊを変化させることができる調整装置１６、
レーザ光源１０の動作波長λＬｉをファブリペロー空洞共振器で可能な種々の波長λＲｊの中から選択することができる帯域通過フィルタ２２であり、窒化シリコン製の導波路内に製造されたフィルタ２２、
シリコン製の導波路２５、
導波路２５をＩＩＩ−Ｖ利得材料製の導波路２８の入り口に光学的に結合する断熱結合器２６、
導波路２８内に製造され、それぞれの波長λＲｊでファブリペロー空洞共振器内で共振する光信号を生成かつ増幅することができる半導体光学増幅器３０（頭文字ＳＯＡでよく知られている）、
導波路２８の出口をリフレクタ１４内に製造された端部で導波路２５に光学的に結合する断熱結合器３２。
【００３３】
以下、レーザ光源１０の特殊性のみが詳細に記載される。
シリコン製と、ＩＩＩ−Ｖ利得材料製の導波路を用いた半導体レーザ光源の製造と動作の一般的な情報については、読者は以下の文献を参考にすることができる。
Ben Bakir et al., “Hybrid Si/III-V lasers with adiabatic coupling”, 2011
【００３４】
断熱結合器の詳細な記載については、読者は以下の文献を参照することができる。
Amnon Yariv et al., “Supermode Si/III-V hybrid Lasers, optical amplifiers and modulators: proposal and analysis” Optics Express 9147, vol. 14, no. 15, 23/07/2007.
【００３５】
具体的には、断熱結合器は、シリコン製の第１の導波路でガイドされた光学モードをＩＩＩ−Ｖ利得材料製の第２の導波路でガイドされた光学モードに変換することができることを想起するであろう。具体的には、断熱結合器は、第１の導波路に存在するほぼ全ての光学信号を反射なしで、上または下に配置された第２の導波路に伝達することができる。
例えば、第２の導波路に伝達する光信号のパワーは、第１の導波路内を循環する光信号のパワーの９５％以上となる。そのような断熱結合器は、例えば、第２の導波路の幅に対して、第１の導波路の幅を修正することで得られる。典型的には、ＩＩＩ−Ｖ利得材料製の導波路からシリコン製の導波路への断熱結合器にとって、シリコン製の導波路の幅は、ＩＩＩ−Ｖ利得材料製の導波路に近づくにつれて徐々に減少する。反対に、断熱結合器によってＩＩＩ−Ｖ利得材料製の導波路からシリコン製の第１の導波路へ光信号を伝達するため、シリコン製の導波路の幅は、例えば、徐々に増加する。加えて、シリコン製とＩＩＩ−Ｖ利得材料製の導波路は、それぞれの伝搬屈折率が等しくなるような幅を有している。これは、ハイブリッドＳｉ／ＩＩＩ−Ｖ導波路の間の断熱結合器にとって事実である
【００３６】
本実施の形態で、フィルタ２２は、リング共振器フィルタであり、そのリングは、Ｓｉ３Ｎ４製の導波路５０（図５）内に製造されている。好ましくは、リングが内部に製造された導波路５０は、エバネッセント結合によってシリコン製の導波路１５、２５に光学的に直接結合する。シリコン製の導波路と窒化シリコン製の導波路の間のエバネッセント結合は、これらの２つの導波路を近接して配置し、２つの近接した導波路の伝搬屈折率が等しくなるようにすることで得られる。
【００３７】
第１と第２の導波路の間のエバネッセント結合は、第１の導波路に存在する光信号のパワーの一部を第２の導波路に伝達する。このパワーの比は、例えば、第１の導波路と第２の導波路との間の距離を調整することで調整される。導波路１５、２５とリングフィルタ２２が内部に製造された導波路５０の幾何構成と距離は、シリコン製の導波路と導波路５０の間を伝達される光信号のパワーが５％〜２５％、好ましくは、１０％から±１〜３％になるように調整される。導波路の幾何構成は、両方の導波路の伝搬屈折率が等しくなるように修正されている。ここで、シリコン製の導波路１５、２５の幅は、例えば、長さＬ１、Ｌ２とともに小さくなっており、Ｓｉ３Ｎ４製の導波路５０の幅は修正されていない。結合されたパワーを調整するため、２つの導波路１５、導波路２５と導波路５０のとの間の距離は、垂直方向において計算された距離ｄ１、ｄ２に修正され、それはより詳細には図５、７を参照して記載されている。
【００３８】
リングの導波路５０とシリコン製の導波路１５、２５の間のエバネッセント結合の使用は、レーザ光源の容積を制限する一方、断熱結合器と追加の窒化シリコン製の導波路に頼ることを避ける。
【００３９】
断熱結合又はエバネッセント結合は、また、２つの導波路の光学インターフェスにおいて、光信号の反射を制限するという利点を有している。
【００４０】
調整装置１６を制御するための電気信号を生成するため、レーザ光源１０は、波長λＣｆと波長λＲｊの最近傍の波長との差を示す物理量を測定可能なセンサ４０、及び波長λＲｊの一つをフィルタ２２の通過帯域６の中心に恒久的に維持するように、調整装置１６を制御するための電気信号を生成可能な電子回路４２を備えている。
【００４１】
この目的のため、ここで、センサ４０は、レーザ光源１０によって放出された光信号のパワーを測定する。本実施形態では、共振光信号は、二つの可能な方法、つまり、リフレクタ１４を通過するか、リフレクタ１２を通過することで、レーザ光源１０から出射する。リフレクタ１２の反射効率をリフレクタ１４よりも高くすることで、リフレクタ１２を通過することで出射する光信号は、リフレクタ１４を通過して出射する信号よりもより大きいパワーを有している。通常、リフレクタ１４を通過して出射する光信号は、”光有用信号”と呼ばれ、リフレクタ１２を通過して出射する信号は”光制御信号”又は”光監視信号”と呼ばれる。ここで、センサ４０は、リフレクタ１２を通過した光信号のパワーを測定する。例えば、センサ４０は光信号のパワーを測定する光検出器を有している。測定されたパワーは、電子回路４２に伝送される。測定されたパワーは、波長λＣｆと波長λＲｊの最も近い一つとの間の距離を示す。具体的には、波長λＣｆが波長λＲｊの一つに調整されたき、測定されたパワーは、最大となる。このパワーは、波長λＣｆを中心とする幅ΔλRの間隔から離れていない波長λＣｆから波長λＲｊが離れるにつれて単調減少する。
【００４２】
電子回路４２は、センサ４０で測定された物理量に応じて、波長λＲｊが通過帯域６の中心に維持されるように、制御信号を生成する。この目的のため、電子回路４２は、センサ４０に電気的に接続されている。加えて、電子回路４２は、生成した電気制御信号を出力するため、調整装置１６に電気的に接続されている。典型的には、センサ４０は、レーザ光源１０とは異なるフォトニック要素として同一基板上に製造されており、例えば、ＩＩＩ−Ｖ利得材料である。電子回路４２は、しばしばこの基板に加えられる。
【００４３】
図５は、後者がリング共振器を用いた場合のフィルタ２２を詳細に示す。具体的には、導波路５０は、それぞれが単一にエバネッセント結合によって導波路１５、２５に直接、光学的に結合されているリングを形成する。リングは、それゆえ、窒化シリコンにより形成され、一方、導波路１５、２５は、シリコンにより製造されている。図５において、フィルタ２２の入り口と出口はそれぞれＺＺＥとＺＺＳで示されている。
【００４４】
図６に示されるように、フィルタ２２の通過スペクトルは、互いに一定間隔で離れている複数の通過帯域を有している。ここで、２つの連続する通過帯域の中心周波数は、間隔Δvfで互いに離れている。この間隔Δvfは頭文字ＦＳＲ（Ｆｒｅｅ  Ｓｐｅｃｔｒａｌ  Ｒａｎｇｅ）で知られている。図６のグラフでは、通過帯域６と通過帯域６の前後にそれぞれ配置された２つの通過帯域５２、５４が示されている。
【００４５】
ここで、フィルタ２２の寸法は、間隔Δvfが反射帯域４の幅ΔＲよりも厳密に広くなるように、計算シミュレーション又は実験的に決定される。フィルタ２２の通過帯域の一つのみ、すなわち通過帯域６は、どのような動作温度においても反射帯域４の内側に配置されている。したがって、フィルタ２２は、選択されるべき単一波長λＲｊを通過し、レーザ光源１０は単色波長レーザ光源である。図６のグラフにおいて、選択された波長は、横座標λＬｉの波長の縦方向バーによって示される。
【００４６】
例えば、波長λＣｆと間隔Δvfの値は、以下のパラメータに基づくセットである。
リングの外周、導波路５０の伝搬屈折率neff、導波路５０の群屈折率ng（すなわち群屈折率）、及び共振のオーダＫ
図示によって、波長λＣｆと間隔Δvfは以下の式により推定される。
【数１】
2017152683.tif 000003
【数２】
2017152683.tif 000004
ここで、perimeterは導波路５０内に設けられたリングの外周であり、λは光信号の波長であるとして、波長λＣｆと間隔Δvfが計算されている。
【００４７】
幅はリングの導波路５０での伝搬損失と、導波路５０と導波路１５、２５との間のエバネッセント結合の結合係数とにより決定されるかもしれない。
【００４８】
図６のグラフは、動作温度がTminと等しい場合を示している。点線５６は、動作温度がTmaxと等しい時の反射帯域４の位置を示している。図６のグラフに示されているように、レーザ光源の動作温度がTmaxとTminとの間であれば、通過帯域６は、反射帯域４が温度に応じて移動したとしても、常に反射帯域４の内側に位置する。図６のグラフは、温度の関数としての通過帯域６のわずかな動きは図示していない。
【００４９】
フィルタ２２の寸法は、また、リングの導波路５０と導波路１５、２５との間のエバネッセント結合のために好ましい特性、具体的には導波路１５、２５と導波路５０との間のパワーの伝達の望ましい度合いを得るために規定される。例えば、フィルタ２２の規定された寸法は、以下の寸法から選択される。
リングＲの半径、
導波路１５、２５、５０の伝搬屈折率を等しくするように、導波路１５、２５の幅とともに減少する長さＬ１，Ｌ２、
距離ｄ１、ｄ２、
フィルタ２２の導波路５０の厚さeA, eAfと幅LA
エバネッセント結合の場合の導波路１５、２５の厚さeGと幅LG
導波路５０と導波路１５、２５とを分離する酸化シリコン製の縦空間eAG
寸法Ｌ１，Ｌ２は図５に示される。
寸法d1, d2, eG, LG, eAG, eA, eAf, LAは、図７において、導波路１５、２５に垂直であり、リング５０の中心を通過する縦断面によって示される。
この断面において、導波路１５、２５、５０は縦方向において互いに重なり合う、それぞれの水平層に配置されている。これらの層は、基板６０が主として延びる平面に平行であり、その上にはレーザ光源１０を製造するための様々な層が積層される。この平面を以下、基板面と称する。以下の図において、基板面は常に水平である。
【００５０】
実例として、典型的には、
距離d1、d2、０μｍ〜３μｍとなり、
厚さeGは、１００ｎｍ〜５００ｎｍとなり、
幅LGは、１００ｎｍ〜５００ｎｍとなり、
厚さeAGは０ｎｍ〜２００ｎｍであり、
厚さeAは５０ｎｍ〜７００ｎｍであり、
幅LAは５００ｎｍ〜１μｍであり、
リング５０の半径は、３μｍ〜１００μｍである。
【００５１】
例えば、リングの導波路５０と導波路１５の間において、１０％のパワーの伝達度合いを得るために、以下の寸法が可能である。R = 30 μm, L1 = 60 μm, eG = 300 nm, eAG = 50 nm, LG = 180 nm, eA = 500 nm, eAf = 50 nm, LA = 700 nm, d1 = 1.1 μm。
【００５２】
図８は、レーザ光源１０の第1の実施形態を示す。レーザ光源１０は、ＣＭＯＳ(complementary metal-oxide semiconductor)要素の製造に用いられるプロセスと同様の製造プロセスを用いて製造される。ここで、レーザ光源１０は、水平に延びるシリコン製の基板６０上に製造される。
【００５３】
図８において、レーザ光源１０は基板６０上に下から上に連続的に積層された、
酸化シリコンで封止され、導波路５０を含む窒化シリコン層６４と、
酸化シリコンで封止され、導波路１５、２５とリフレクタ１２、１４が製造されたシリコン層６６と、
増幅器３０が内部に製造された導波路２８を含む層６６と、備えている。
【００５４】
断熱結合器２６、３２は、部分的に導波路２５内と導波路２８内に製造される。
【００５５】
好ましくは、増幅器は、広帯域増幅器であり、例えば、広い波長範囲を生成し、増幅することができるものである。この範囲は、波長λＬｉを含んでいる。典型的には、この範囲は、温度(Tmax＋Tmin)/2において、この波長λＬｉを中心とする。この波長範囲の幅は−３ｄＢにおいて、例えば、少なくとも１０ｎｍ、又は２５ｎｍ、又は３５ｎｍであり、温度増加に応じて、広いままである。例えば、増幅器３０を構成するＩＩＩ−Ｖ材料は、以下の文献に記載されている。
Dimitris Fitsios et al. “High-gain 1.3 um GaInNAs semiconductor optical amplifier with enhanced temperature stability for all-optical processing and 10 Gb/s” Applied Optics, may 2015 vol. 54, no. 1, 1 January 2015.
この文献に記載された方法において、増幅器３０の製造は、加えて、温度に対して安定な広帯域増幅器が取得されることを許す。これは、レーザ光源の動作を改善し、特に、これは、レーザ光源から放出されるパワーが動作温度[Tmin; Tmax]のほぼ全体の範囲に対して、ほぼ一定に維持されることを許す。この場合、導波路２８と、増幅器３０は、ＧａＩｎＮＡｓ製の副層及び ＧａＮＡｓ製の副層が交互に積層形成され、これらの副層は、下側副層７０とｐドープＧａＡｓ製の上側副層の間に挿入される。副層７０は、上側副層と反対にドープされたＩＩＩ−Ｖ材料である。例えば、それはｎドープＧａＡｓ製の副層である。
【００５６】
増幅器３０は、導波路２８に加えて、ＧａＩｎＮＡｓとＧａＮＡｓ製の副層の積層の下に配置された副層７０の部分に直接機械的及び電気的に接触するコンタクト７４を有している。ｐドープＧａＡｓ製の副層は、増幅器３０の上側部分を電位に接続するためのコンタクト７６と機械的及び電気的に接触する。レーザの閾値電流よりも高い電流がコンタクト７４とコンタクト７６の間に与えられた場合、増幅器３０は、ファブリペロー空洞共振器内で共振する光信号を生成し、増幅する、
【００５７】
調整装置１６は、波長λＲｊを変えるために、導波路１５を加熱するヒータである。
【００５８】
本実施形態では、調整装置１６は、２つの電気的なコンタクト８２、８４を電気的に接続する抵抗８０を有しており、それは電気的なエネルギーを熱に変換するため、この抵抗８０に電流が流れるのを許す。これらのコンタクト８２、８４は、センサ４０での測定に応じて電子回路４２で制御される電圧源又は電流源に電気的に接続される。調整装置１６の制御は、それゆえ、抵抗８０を流れる電気的なエネルギーを調整する。抵抗８０に電流を流すことは、導波路１５が加熱されることを許し、それゆえ波長λＲｊが変化することを許す。
【００５９】
抵抗８０は、副層７０に形成された帯（strip)である。この帯は、ｎドープＧａＡｓ製の帯である。本実施形態において、それは、論理的に導波路１５の上に配置され、その屈折率変化ｄｎＳｉ／ｄｔは、屈折率変化ｄｎｆ／ｄｔよりも明らかに高くなる。
【００６０】
調整装置１６、導波路２８、及び増幅器３０は、それらを外部から機械的に絶縁する保護カバー９０に覆われている。コンタクト７４、７６、８２、８４のみがカバー９０を越えて、突出している。例えば、カバー９０は、窒化シリコン製である。
【００６１】
レーザ光源１０内の共振光信号のパスは、図８の両方向矢印で示されている。
【００６２】
レーザ光源１０の製造プロセスは、図１０〜１４を用いて、図９のプロセスを参照して説明される。
【００６３】
ステップ１００において、プロセスは、ＳＯＩ(silicon-on-insulator)基板１０２を供給することで開始する。基板１０２（図１０）は、上から下の順で、以下の層を有し、各層は連続して他の層の上に積層されている。
シリコン製の基板１０４、
酸化シリコンの層１０６、
シリコンの層６６。
【００６４】
ステップ１１０において、導波路１５、２５とリフレクタ１２、１４は、シリコン製の層６６で製造されている。例えば、これらは、層６６のフォトリソグラフィとエッチングによって製造される。このステップで、層６６内に配置された結合器２６、３２もまた製造される。
【００６５】
ステップ１１２において、層６６は、酸化シリコンの層１１４（図１１）内に封止される。この層１１４は層１１４の上面を平面化するため、例えば、ＣＭＰ  (chemical-mechanical planarization)プロセスによって、研磨、すなわち平坦化される
【００６６】
ステップ１１６において、窒化シリコン製の層は、層１１４の上面に堆積される。次に、窒化シリコン製の層は、導波路５０を形成するためにエッチングされて、酸化シリコンで封止される。図１２とその後の図において、簡略化のため、導波路５０は、窒化シリコンのブロックの形成で示されている。酸化シリコンで封止された窒化シリコンの層６４（図１２）が得られる。層６４の上面は、例えば、ステップ１１２を参照して記載されたように、研磨される。
【００６７】
ステップ１２０において、基板１２２（図１３）は、層６４の酸化シリコン製の外面に結合される。基板１２２は、酸化シリコンの厚膜上にあるシリコン基板である。それは、これらの互いに結合された酸化シリコンの層である。
【００６８】
ステップ１２４において、シリコン製の層１０４は除去され、酸化シリコンの薄い中間層１２６(図１４)のみを残すように層１０６は薄くなる。層１２６の外面は、ステップ１１２を参照して記載されたように研磨される。
【００６９】
ステップ１２８において、ＩＩＩ−Ｖ利得材料製の層６８は、層１２６に、結合又は堆積される。例えば、ＩＩＩ−Ｖ利得材料製の層６８（図８）は、層１２６の外面に結合される。層６８は、下側の副層７０、ＧａＩｎＮＡｓ製の層とＧａＮＡｓ製の層との交互の積層、及びドープされた上側の副層を有している。
【００７０】
一旦ステップ１２８が実行されると、ステップ１３０において、導波路２８，増幅器３０、及び抵抗８０を製造するため、層６８がエッチングされる。典型的には、第１のエッチングで、層６８の上側の副層が、増幅器３０を構築するためにエッチングされる。次に、第２のエッチングで、増幅器３０の構築を完成し、抵抗８０を製造するために、副層７０がエッチングされる。
【００７１】
最後に、ステップ１３２において、カバー９０とコンタクト７４，７６，８２，８４が製造される。図８に示される断面構造のレーザ光源が得られる。
【００７２】
図１５は、レーザ光源１５０（図１８）を製造するための２番目のプロセスを示している。このプロセスは、図９のプロセスを参照して記載されたステップ１１０、１１２によって開始する。
【００７３】
次に、上記の層６８と同一の層が層１１４(図１６)に結合又は堆積されるステップ１５２に続く。典型的には、この層は直接結合によって結合される。
【００７４】
次に、ステップ１５８において、この層は、導波路２８，増幅器３０，抵抗８０，及び追加の抵抗１５４（図１６）を製造するためにエッチングされる。例えば、これは、ステップ１２８を参照して記載されたようになされる。
【００７５】
例えば、調整装置１５６が電子回路４２によって生成された電子制御信号に応じてリフレクタ１４の反射帯域を変えることができるという点を除いて、調整装置１６と同一の調整装置１５６を製造するために、抵抗１５４が用いられる。調整装置１５６を制御するための電子信号は、典型的には、センサ４０の測定に応じて生成される。必要であれば、これは、リフレクタの反射帯域の幅が減少することを許す。例えば、この場合、それは、N × Δvfまで小さくなる。
【００７６】
抵抗１５４は、リフレクタ１４の上に配置されている。
【００７７】
ステップ１６０において、保護カバー９０が製造される。
このステップにおいて、導波路５０は、カバー９０内に製造され、それは、窒化シリコン製である。例えば、導波路５０は、導波路１５、２５（図１７）の端部近傍において、カバー９０のフォトリソグラフィ及びエッチングにより製造される。
【００７８】
ステップ１６２において、コンタクト７４，７６，８２、８４が製造される。抵抗１５４に機械的、電気的に接続するコンタクト１６４、１６６もまた、電流が抵抗１５４に流れるのを許すため、製造される。抵抗１５４とコンタクト１６４、１６６の組み合わせは、調整装置１５６を形成する。したがって、図１８に示されるレーザ光源１５０が得られる。
【００７９】
図１８において、レーザ光源１５０の共振光信号のパスは、両方向矢印によって示されている。
【００８０】
レーザ光源１５０は、導波路５０と導波路２８の両方が層６６の同じ側に配置されている点を除いてレーザ光源１０と同一である。加えて、レーザ光源１５０において、リフレクタ１２，１４は、レーザ光源１０内に示されたような下方向ではなく、上方向に向きを変えている。これは、リフレクタ１４の出力が、レーザ光源１５０の上に配置された光ファイバに接続されることを許す。
【００８１】
電子回路４２が、加えて、リフレクタ１２、１４を調整するように、調整装置１５６を調整するのに適している点を除いてレーザ光源１０と同様にレーザ光源１５０は動作する。
【００８２】
図１９は、レーザ光源１８０を示す図であり、レーザ光源１８０は以下の点を除いてレーザ光源１０と同一である。
リフレクタ１２，１４がそれぞれリフレクタ１８２、１８４にそれぞれ置き換わっている点、及び
調整装置１６が、導波路１５の上ではなく、例えば、導波路２５の上に配置されている点。
【００８３】
リフレクタ１８２、１８４は、それらが導波路５０となる窒化シリコン製の層と同層で製造されている点を除いて、リフレクタ１２、１４とそれぞれ同一である。例えば、リフレクタ１８２は窒化シリコン製の導波路１８６の一端に製造される一方、その導波路の他端はエバネッセント結合によってフィルタ２２のリングの導波路５０に光学的に結合されている。したがって、導波路１５は省略される。リングの導波路５０は、上記のエバネッセント結合によって導波路２５に光学的に結合する。同様に、リフレクタ１８４は、窒化シリコン製の導波路１８８の一端に製造される一方、その導波路の他端は断熱結合によって導波路２５に光学的に結合されている。
【００８４】
この場合、好ましくは、リフレクタ１８２、１８４の反射帯域の幅ΔＲはDT × (dλＣｆ/dT)よりも大きくなる。
【００８５】
導波路２５と２８とを結合する結合器は、断熱結合器である。
【００８６】
窒化シリコン製の導波路におけるリフレクタ１８２、１８４の製造は、それらの帯域幅の減少を許すことを記載しておく。これは、単色レーザを得るため必要なフィルタ２２の間隔Δvfが減少することを許す。
【００８７】
図１９において、共振光信号のパスは、両方向矢印によって示されている。
【００８８】
リフレクタ１８２、１８４の反射帯域４が、レーザ光源１０、１５０に比べて、よりゆっくり変動するという利点をレーザ光源１８０は有している。具体的には、本実施形態において、中心波長λCRの変化dλCR/dTは、変化dλＣｆ/dTと一致する。したがって、温度変化がどうであっても、通過帯域６は、常時、反射帯域４の内側にあり、反射帯域４の上限、及び下限に移動しない。反射帯域４の幅ΔＲは、それゆえ、小さくなるかもしれない。典型的には、幅ΔＲは、厳密に、DT × dλＣｆ/dT + Δλｆよりも大きくなる。
【００８９】
図２０は、リフレクタ１２，１４が層６４と層６６の一部に部分的に形成されているリフレクタ１９２、１９４に置き換わっている点を除いてレーザ光源１８０と同一であるレーザ光源１９０を示す。したがって、リフレクタは、窒化シリコンと部分的にシリコンによって部分的に製造される。典型的には、それぞれのリフレクタ１９２、１９４は、対向する２つのブラッグ格子により形成され、一つは、窒化シリコン製の導波路にあり、一つはシリコン製の導波路にある。
【００９０】
図２１は、調整装置１６が調整装置２０２に置き換わっている点を除いてレーザ光源１５０と同一であるレーザ光源２００を示す。調整装置２０２は、導波路１５又は導波路２５の一方に製造された抵抗２０４を形成するため、ｎ又はｐドープ部分を有している。図２１において、部分２０４は、導波路１５内に製造されている。調整装置２０２は、抵抗２０４を電子回路４２に接続するためのコンタクト２０６、２０８を含んでいる。レーザ光源２００の動作は、レーザ光源１５０の動作から推定される。
【００９１】
図２２は、Ｎ波長、つまり多色のレーザ光源２２０を示す。レーザ光源２２０は、フィルタ２２がフィルタ２２２に置き換わり、リフレクタ１２、１４がリフレクタ２２４、２２６に置き換わっている点を除いて、レーザ光源２２０は、レーザ光源１０と同一である。
【００９２】
フィルタ２２２は、リフレクタ２２４、２２６の反射帯域内において、同時に複数の通過帯域を有するようにフィルタ２２の寸法が修正されている点を除いてフィルタ２２と同一である。本実施形態において、フィルタ２２２は、導波路５０内に製造されたリング共振器であり、それはエバネッセント結合によって、導波路１５，２５に光学的に結合されたている。導波路５０内に製造されたリング共振器である。
【００９３】
図２３のグラフは、リフレクタ２２４、２２６の反射帯域２２８内にあるフィルタ２２２の３つの通過帯域２３０〜２３２を示している。これらの通過帯域の中心波長は、λＣｆ1、λＣｆ2、λＣｆ3で示されている。多波長のレーザ光源の場合、記号λＣｆは、中心波長λＣｆ1、λＣｆ2 、及びλＣｆ3のうちの任意の一つを示す。これらの通過帯域２３０〜２３２のそれぞれは、例えば、通過帯域６と同一である。加えて、二つの連続する通過帯域の間隔Δvfは、間隔ΔλRの整数倍であり、厳密に、反射帯域２３４の幅ΔＲよりも小さくなる。
【００９４】
好ましくは、リフレクタ２２４、２２６の反射帯域２３４の幅ΔＲは、N × Δvf < DT × (dλCR/dT)の場合、 DT × (dλCR/dT)よりも大きく、かつN × Δvf > DT × dλCR/dTの場合、N × Δvf + DT × (dλCR/dT)よりも大きくなる。ここで、Ｎは、２以上の整数であり、フィルタ２２２によって選択される波長λＲｊの数に等しい。
【００９５】
レーザ光源２２０の動作は、同時にλL1、λL2、λL3のＮ波長を放出する点を除いてレーザ光源１０と同一である。
【００９６】
図２４、２５は、調整装置１６と好適に置き換えられる調整装置２３６を示す。図２４は、導波路１５を垂直に横切る断面に沿った調整装置２３６の縦方向断面図を示している。調整装置１６のように、調整装置２３６は、電子制御信号に応じてシリコン製の導波路１５を加熱することができる。調整装置２３６は、導波路１５の中心を通過する縦平面２３９について対称な二つのヒータ２３７、２３８を有している。記載を簡素化するため、ヒータ２３７のみについて詳述する。ヒータ２３７は、例えば、調整装置１６と同一の要素を含んでいる。具体的には、それは、副層７０内に製造された抵抗２４０と、抵抗２４０に電流を流すための２つのコンタクト２４２Ａ、２４２Ｂを含んでいる。図２４では、一つのコンタクト２４２Ａが示されている。
【００９７】
ヒータ２３７は、加えて、層６０のシリコンで製造された横アーム２４４を含んでいる。アーム２４４は、導波路１５と熱的に連続であり、つまり、アーム２４４は、導波路１５と熱的に直接結合されている。このアーム２４４は、導波路１５の左側から水平に横切るように延びている。その縦方向の厚みは、導波路１５の厚みよりも小さくなっている。より正確には、その寸法は、光信号がアーム２４４内を伝搬できず、主として、導波路１５を取り囲む区間２４５内に制限されて滞在するようになっている。導波路１５と反対側の端部において、本実施形態では、アーム２４４は、抵抗２４０に向かい合う先端部２４６を有している。先端部２４６は、厚さeSPの酸化シリコンの薄い層によって抵抗２４０から分離している。典型的には、厚さeSPは導波路２８を導波路２５から分離する酸化シリコンの厚さと等しい。したがって、先端部２４６は突出部を形成する。ここで、先端部２４６の厚さは、導波路１５の厚さと等しい。アーム２４４は、導波路１５で、材料の単一ブロックを形成する。
【００９８】
調整装置２３６の動作中、抵抗２４０は、優先的に先端部２４６を加熱し、アーム２４４を介した熱伝導によって、熱は、導波路１５に伝達される。導波路１５は、それゆえ順番に加熱され、これにより、屈折率を変化させる。本実施形態では、抵抗２４０は、共振信号が循環する区間２４５の外側に配置される。具体的には、抵抗２４０は、縦方向において、導波路１５に向かい合わず、かつ導波路１５の上に、配置されていない。したがって、この導波路を効率的に加熱することができたとしても、光損失は制限される。具体的には、比較として、調整装置１６において、抵抗８０が導波路１５に向かい合い、かつ、区間２４５内に配置されており、これによって、光損失が生じる。ここで、ヒータ２３７は、導波路１５を直接加熱していないが、光信号が伝搬しないアーム２４４を介して加熱している。
【００９９】
図２６は、フィルタ２２の代わりに用いることができるフィルタ２６０を示している。フィルタ２６０は、リング共振器を形成する窒化シリコン製の導波路２６２と、窒化シリコン製の２つの導波路２６４、２６６であって、導波路２６２と同一の平面に配置され、エバネッセント結合によって導波路２６２に光学的に結合された導波路２６４、２６６と、を備えている。
【０１００】
典型的には、導波路２６２と導波路２６４、２６６との間のエバネッセント結合の結合係数は、フィルタ２２の場合に記載されたものと同じである。二つの導波路２６４、２６６は、断熱結合器２６８、２７０を介して、それぞれ導波路１５、２５と光学的に結合される。本実施形態では、導波路２６２は、直接、導波路１５，２５と光学的に接続されていないが、窒化シリコン製の導波路２６４、２６６を介して、これらの導波路と接続されている。
【０１０１】
多数の他の実施形態が可能である。例えば、調整装置１６、１５６は、省略されていてもよい。反対に、調整装置１５６のような追加の調整装置が、リフレクタの反射帯域を変えるため、上記の実施形態の任意の一つに追加されていてもよい。
【０１０２】
調整装置は、ヒータが必須ではない。例えば、調整装置の一例として、シリコン製の導波路の一つに設けられたｐｎ接合を用いることが可能となる。このｐｎ接合と同じ高さのシリコンの屈折率は、この接合のバイアスに応じて変化する。調整装置を制御する電子信号は、このｐｎ接合のバイアスを変化させる。シリコンの屈折率を変化させるこの方法は、例えば、以下の文献に詳細に記載されている。
G.T. Reed et al., “Silicon optical modulators”, Nature Photonics, vol. 4, August 2010.
【０１０３】
前面及び背面のリフレクタの反射効率は等しい。
【０１０４】
レーザ光源１８０のフィルタ２２がフィルタ２２２に置き換わった場合、リフレクタ１８２、１８４の反射帯域の幅ΔＲは、減少するかもしれない。しかしながら、好ましくは、それはN × Δvf + DT × (dλＣｆ/dT)よりも大きくなる。ここで、Ｎは２以上の整数であり、フィルタ２２２によって選択された波長λＲｊの数と等しい。
【０１０５】
導波路２８と増幅器３０の他の実施形態も可能である。典型的には、導波路２８は、基板６０から引き続いて、ドープされた下側副層と、４要素（quaternary material）からなる量子井戸の積層と、ドープされた上側副層とを備え、上側副層と下側副層は、反対のタイプにドープされている。ドープされた副層７０は、ｐ又はｎドープさえたＩｎＰのような他の材料により製造される。この場合、量子井戸の積層は、ＩｎＧａＡｓＰ製の副層とＧａＩｎＮＡｓ製の副層などを含んでいる。温度に対して安定な広帯域増幅器であって、副層がＩｎＰ製の実施形態において、以下の文献を参照してもよい。
K. Morito et al. “GaInNAs / InP Tensile-Strained Bulk Polarization-Insensitive SOA”, ECOC2006, IEEE.
下側副層及び上側副層がＧａＡｓ製の場合、量子井戸の積層は、ＡｌＧａＡｓ製の積層を用いて製造されてもよい。上側副層と下側副層のドープタイプは、反転している。
【０１０６】
変形例として、導波路２８と増幅器３０は、導波路１５，２５とエバネッセント結合によって、光学的に結合されている。この場合、断熱結合器２６，３２は省略される。このような増幅器とシリコン製の導波路の結合は、例えば、以下の文献に記載されている。
Ａ． Ｗ． Fang et al., “Electrically pumped hybrid AlGaInAs-silicon evanescent laser”, Optics Express, vol. 14, pp. 9203-9210(2006)
【０１０７】
センサ４０の他の実施形態も可能である。例えば、変形例として、センサ４０は、レーザ光源の動作温度を測定するセンサに置き換えられてもよい。具体的には、レーザ光源のそれぞれの動作温度で、波長λＣｆと波長λＲｊの間の差に関連付けることができる。この場合、例えば、電子回路４２は、予め記録されたテーブルを含んでおり、テーブルはレーザ光源の複数の動作温度をフィルタの通過帯域６の中心に波長λＬｉを維持するように生成された電子制御信号の特性に関連付けている。例えば、予め記録されたテーブルは、実験によって作成される。レーザ光源の温度は、ｐｎ接合のようなトランスデューサを用いて測定される。具体的には、ｐｎ接合の電子特性は、温度の関数として変化する。
【０１０８】
変形例として、ヒータ２３８は省略される。この場合、装置２３６は、もはや平面２３９に対して対称ではない。他の変形例では、突出部２４６は、省略される。
【０１０９】
フィルタの他の実施形態も可能である。例えば、リング共振器は、アレイ導波路格子（ＡＷＧ）によって置き換えられてもよい。後者の場合、エバネッセント結合ではなく、図２６に示された断熱結合器２６８、２７０のような断熱結合器によって、フィルタは、シリコン製の導波路に結合されている。
【０１１０】
窒化シリコン以外の材料を用いることも可能である。例えば、温度に対して鈍感な材料の一例として、窒化アルミを用いることも可能である。
【０１１１】
複数の波長λＬｉを放出するレーザ光源は、例えば、以下の文献の図２、６を参照して製造されてもよい。
Katarzyna Lawmiczuk et al. “Design of integrated photonic transmitter for applications in fiber-to-the-home systems” Photonics Applications in Astronomy, Communications, Industry and High-Energy Physics Experiments 2010 Proceedings of SPIE, vol. 7745, 2010.
この場合、フィルタは、アレイ導波路格子（ＡＷＧ）である。このＡＷＧ要素は温度に対して鈍感な材料で製造される。
【０１１２】
他の製造プロセスも可能である。例えば、以下の文献の図１７を参照して記載されるプロセスがレーザ光源１５０の製造に容易に適用される。
Martijn J. R. Heck et al, “Ultra-low loss waveguide platform and its integration with silicon photonics”, Laser Photonics Rev. 8, No. 5, pages 667-686 (2014).
より正確には、導波路５０は、第１の基板に製造される。次に、第２のＳＯＩ基板が第１の基板に結合される。導波路１５，２５は、第２の基板のシリコン製の層に製造される。最後に、層６８は、シリコン製の導波路の上に結合され、増幅器３０がこの層６８内に製造される。
【０１１３】
他の実施形態において、中間層１２６は、層１０６を完全に除去し、そして、酸化シリコン製の層を露出する層６６ａの上から堆積することによって得られる。
【０１１４】
最後に、ファブリペロー共振器内に配置された種々のフォトニック要素の順番は、修正されていてもよい。例えば、フィルタ２２は、結合器３２とリフレクタ１４の間に配置されていてもよい。
【０１１５】
調整装置２３６は、光学導波路を加熱する必要がある一方、損失を制限する、どのような半導体フォトニックシステムに用いられてもよい。具体的には、レーザ光源以外のシステムの導波路を加熱するものを用いるようにしてもよい。この他のシステムは、光信号の位相又は強度を変調する変調器であってもおよい。
【図１】
2017152683.tif 000005
【図２】
2017152683.tif 000006
【図３】
2017152683.tif 000007
【図４】
2017152683.tif 000008
【図５】
2017152683.tif 000009
【図６】
2017152683.tif 000010
【図７】
2017152683.tif 000011
【図８】
2017152683.tif 000012
【図９】
2017152683.tif 000013
【図１０】
2017152683.tif 000014
【図１１】
2017152683.tif 000015
【図１２】
2017152683.tif 000016
【図１３】
2017152683.tif 000017
【図１４】
2017152683.tif 000018
【図１５】
2017152683.tif 000019
【図１６】
2017152683.tif 000020
【図１７】
2017152683.tif 000021
【図１８】
2017152683.tif 000022
【図１９】
2017152683.tif 000023
【図２０】
2017152683.tif 000024
【図２１】
2017152683.tif 000025
【図２２】
2017152683.tif 000026
【図２３】
2017152683.tif 000027
【図２４】
2017152683.tif 000028
【図２５】
2017152683.tif 000029
【図２６】
2017152683.tif 000030
【外国語明細書】
2017152683000001.pdf