特許 6722204 ホイッスル形状可変フィルタに結合されたＩＩＩ−Ｖ族半導体利得部を有する発光装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6722204

(24)【登録日】2020年6月23日

(45)【発行日】2020年7月15日

(54)【発明の名称】ホイッスル形状可変フィルタに結合されたＩＩＩ−Ｖ族半導体利得部を有する発光装置

(51)【国際特許分類】

   H01S 5/14 20060101AFI20200706BHJP

   H01S 5/022 20060101ALI20200706BHJP

   G02B 6/12 20060101ALI20200706BHJP

   G02B 6/125 20060101ALI20200706BHJP

【ＦＩ】

   H01S5/14

   H01S5/022

   G02B6/12 301

   G02B6/125

   G02B6/125 301

   G02B6/12 361

【請求項の数】19

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2017-568249(P2017-568249)

(86)(22)【出願日】2016年6月29日

(65)【公表番号】特表2018-527746(P2018-527746A)

(43)【公表日】2018年9月20日

(86)【国際出願番号】EP2016065125

(87)【国際公開番号】WO2017001466

(87)【国際公開日】20170105

【審査請求日】2019年4月23日

(31)【優先権主張番号】15174743.3

(32)【優先日】2015年7月1日

(33)【優先権主張国】EP

(73)【特許権者】

【識別番号】517452372

【氏名又は名称】アンスティチュート ミンヌ＝テレコム

(73)【特許権者】

【識別番号】517451814

【氏名又は名称】ユニバーシティ・オブ・ニューメキシコ

(74)【代理人】

【識別番号】110001416

【氏名又は名称】特許業務法人 信栄特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】オシンスキ、マレク

(72)【発明者】

【氏名】グリロ、フレデリク

【審査官】 小濱 健太

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００８−１９８９５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１０−５１１８９８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１４／０１６１１４８（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２００５／０９６４６２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 Guang-Hua Duan, et al.，Hybrid III-V on Silicon Lasers for Photonic Integrated Circuits on Silicon，IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS，VOL.20, NO.4, JULY/AUGUST 2014

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｓ ５／００−５／５０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１の端部（５２１，６２１，７２１）と第２の端部（５２２，６２２，７２２）を有する光導波路（５２０，６２０，７２０）に光学的に結合されたレーザ利得部（５１０，６１０，７１０）と、前記第１の端部と前記レーザ利得部との間に配置された第１の受動マイクロリング共振器（５３０，６３０，７３０）と、を備えた波長可変半導体レーザであって、
前記第１の受動マイクロリング共振器は、ホイッスル形状にしたがって前記第１のマイクロリング共振器に接線方向において接続された第１の光導波路分岐（５４０，６４０，７４０）によって延出され、
前記第１の光導波路分岐は、自由端部において、第１の高反射性広帯域ミラー（５４１，６４１，７４１）を備え、
前記光導波路は、前記第１の端部において第１のミラー（５２３，６２３，７２３）と、前記第２の端部において第２のミラー（５２４，６２４，７２４）とを備え、
前記第１のマイクロリング共振器は、前記レーザ利得部の第１の側において前記光導波路にエバネッセント結合されることで、前記レーザ利得部に光フィードバックを提供する、
波長可変半導体レーザ。

【請求項2】

前記第１の受動マイクロリング共振器は、制御式ヒータ（５８０，６８０，７８０）を備える、請求項１に記載の波長可変半導体レーザ。

【請求項3】

前記第１の受動マイクロリング共振器と前記光導波路の間に配置された中間受動マイクロリング共振器（７６０）をさらに備え、
前記中間受動マイクロリング共振器は、前記第１の受動マイクロリング共振器及び前記光導波路にエバネッセント結合されている、
請求項１または２に記載の波長可変半導体レーザ。

【請求項4】

前記中間受動マイクロリング共振器は、制御式ヒータ（７９０）を備える、
請求項３に記載の波長可変半導体レーザ。

【請求項5】

前記第１の光導波路分岐は、直線状分岐として構成されている、
請求項１から４のうちいずれか一項に記載の波長可変半導体レーザ。

【請求項6】

前記第１の高反射性広帯域ミラーは、ブラッグ（Ｂｒａｇｇ）グレーティングである、請求項１から５のうちいずれか一項に記載の波長可変半導体レーザ。

【請求項7】

前記第２の端部（５２２）と前記レーザ利得部との間に配置された第２の受動マイクロリング共振器（５６０）をさらに備え、
前記第２の受動マイクロリング共振器は、ホイッスル形状にしたがって前記第２のマイクロリング共振器に接線方向において接続された第２の光導波路分岐（５７０）によって延出され、
前記第２の光導波路分岐は、自由端部において第２の高反射性広帯域ミラー（５７１）を備え、
前記第２の受動マイクロリング共振器は、前記第１の側の反対側である前記レーザ利得部の第２の側において前記光導波路にエバネッセント結合されている、
請求項１に記載の波長可変半導体レーザ。

【請求項8】

前記第１の受動マイクロリング共振器及び／又は前記第２の受動マイクロリング共振器は、制御式ヒータ（５８０，５９０）を備える、請求項７に記載の波長可変半導体レーザ。

【請求項9】

前記第１の受動マイクロリング共振器及び／又は前記第２の受動マイクロリング共振器は、レーストラック形状を有する、請求項８に記載の波長可変半導体レーザ。

【請求項10】

前記光導波路の端部のうち少なくとも一方は、前記光導波路から出力された光の方向を変更する出力ミラーを備える、請求項１から９のうちのいずれか一項に記載の波長可変半導体レーザ。

【請求項11】

前記光導波路の一方の端部は、前記導波路から出力された光の方向を変更する出力ミラーを備える一方、前記光導波路の他方の端部は、高反射性広帯域ミラーを備える、
請求項１から９のうちいずれか一項に記載の波長可変半導体レーザ。

【請求項12】

前記波長可変半導体レーザは、ＩＩＩ−Ｖ族／Ｓｉ技術によって実装される、請求項１から１１のうちいずれか一項に記載の波長可変半導体レーザ。

【請求項13】

前記光導波路と、前記第１と第２の光導波路分岐を含む前記第１と第２の受動マイクロリング共振器は、Ｓｉ基板を被覆するＳｉＯ_２層の上のシリコンのパターンを構成する、
請求項１２に記載の波長可変半導体レーザ。

【請求項14】

前記レーザ利得部は、ＩＩＩ−Ｖ族基板上に成膜された多層のエピタキシャルＩＩＩ−Ｖ族層を備え、
前記レーザ利得部は、前記エピタキシャル層を下にした状態で、前記シリコンのパターン上に接合される、請求項１３に記載の波長可変半導体レーザ。

【請求項15】

前記ＩＩＩ−Ｖ族エピタキシャル層は、分子ウェハボンディング技法によって前記シリコンのパターン上に接合される、請求項１４に記載の波長可変半導体レーザ。

【請求項16】

前記ＩＩＩ−Ｖ族エピタキシャル層は、接着ボンディングによって前記シリコンのパターン上に接合される、請求項１４に記載の波長可変半導体レーザ。

【請求項17】

前記レーザ利得部は、断熱シリコン逆テーパによって前記光導波路に結合され、
前記シリコンテーパの幅は、前記レーザ利得部から前記光導波路のうち一方の端部に向けて増加し、
前記断熱シリコン逆テーパは、前記レーザ利得部の光学モードを前記光導波路の光学モードに変換する、請求項１５または１６に記載の波長可変半導体レーザ。

【請求項18】

前記多層のエピタキシャル層は、２つのＩｎＧａＡｓＰ分離閉じ込めへテロ構造層によって包囲された複数のＩｎＧａＡｓＰ量子井戸を備える、
請求項１４から１７のうちいずれか一項に記載の波長可変半導体レーザ。

【請求項19】

前記多層のエピタキシャル層は、２つのＡｌＩｎＧａＡｓ分離閉じ込めへテロ構造層によって包囲された複数のＩｎＧａＡｓ／ＡｌＩｎＧａＡｓ量子井戸を備える、
請求項１４から１７のうちいずれか一項に記載の波長可変半導体レーザ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、波長可変半導体レーザの分野に関する。より詳細には、本発明は、可変ハイブリッド型シリコン／ＩＩＩ−Ｖ族レーザに関する。

【背景技術】

【0002】

半導体レーザの波長を調整（チューニング）するための種々の技法が知られている。

【0003】

半導体レーザの波長を調整（チューニング）するための一般的な手法は、光学キャビティへの電流注入に基づいている。しかしながら、この技法は、電流注入によって誘起され得る最大屈折率変化の制約によって、広いチューニング範囲を提供しない。さらに、電流調整には光出力パワーの大きな変化を伴い、それは多くの場合望ましくない。

【0004】

光出力パワーの大きな変化を伴わずに半導体レーザのチューニング範囲を増強するために、レーザ活性領域の外部で受動マイクロリング共振器を使用することが提案されている。

【0005】

マイクロリング共振器は、それらの小型のサイズ、高い品質係数Ｑ、オフレゾナンス光に対する透過性および固有反射がないことが知られている。

【0006】

マイクロリング共振器を用いた第１の可変レーザ構造が、ダブルリング共振器可変レーザ（ＤＤＲ−ＴＬ）を開示する非特許文献１において提案されている。この構造は、活性領域とフィルタ領域を含む。活性領域は、デバイスの中心にあり、光学利得をもたらす。フィルタ領域は、レーザの利得領域に結合された２つの受動マイクロリングを備える。２つのマイクロリングは、フィルタとして働き、それぞれ、異なる自由スペクトル範囲（ＦＳＲ）でのくし型の周波数応答を有する。両マイクロリングの共通共振周波数の光のみが増幅され得る。持続周波数は、リング共振器の共振周波数をバーニア効果に従って制御することによって選択され得る。

【0007】

より最近では、マイクロリング共振器を用いた第２の可変レーザ構造が非特許文献２において提案されている。

【0008】

後者のレーザ構造１００は、図１に模式的に示されている。レーザ構造１００は、第１の端部１２１と第２の端部１２２を有する第１のシリコン導波路１２０に一体化及び結合された（例えばＩｎＰ系材料の）ＩＩＩ−Ｖ族半導体利得部１１０を備えている。

【0009】

シリコンの第１のマイクロリング共振器１３０は、第１の端部１２１と利得部１１０との間に配置されている。マイクロリング共振器１３０は、１２３において第１のシリコン導波路１２０にエバネッセント結合されると共に、第１のシリコン導波路と平行に配置された第２のシリコン導波路１４０にエバネッセント結合されている。

【0010】

同様に、シリコンの第２のマイクロリング共振器１５０は、利得部１１０と、第１のシリコン導波路１２０の第２の端部１２２との間に配置されている。第２のマイクロリング共振器も、１２４において第１のシリコン導波路にエバネッセント結合されると共に、第１のシリコン導波路と平行に配置された第３のシリコン導波路１６０にエバネッセント結合されている。

【0011】

第２のシリコン導波路１４０は、第１のブラッグ反射器が配設された近位端１４１と、開放した遠位端１４２を備える。同様に、第３のシリコン導波路１６０は、第２のブラッグ反射器が配設された近位端１６１と、開放した遠位端１６２を備える。

【0012】

利得部１１０から左向きに出力された光は、エバネッセントカプラ１２３を介して第１のマイクロリング共振器１３０に部分的に注入されて、第１の時計回り方向の伝播波を生じさせる。次に、この波は、第２のシリコン導波路１４０に結合されて右向きの伝播波を生じさせる。右向きの伝播波は、第１のブラッグ反射器１４１によって反射されて第１のマイクロリング共振器１３０に戻り、そこで第１の反時計回りの伝播波を生じさせる。

【0013】

同様に、利得部１１０から右向きに出力された光は、エバネッセント結合１２４を介して第２のマイクロリング共振器１５０に部分的に注入されて、第２の反時計回り方向の伝播波を生じさせる。次に、この波は、第３のシリコン導波路１６０に結合されて左向きの伝播波を生じさせる。左向きの伝播波は第２のブラッグ反射器１６１によって反射されて第２のマイクロリング共振器１５０に戻り、そこで第２の時計回りの伝播波を生じさせる。

【0014】

第１のシリコン導波路の第２の端部１２２には、例えば、非特許文献３に記載された手法を用いて、例えば、光ファイバ（図示せず）に光を垂直に出力するためのブラッググレーティングが配設されている。

【0015】

第１のマイクロリング共振器と第２のマイクロリング共振器は、多少異なる半径を有しているため、多少異なるＦＳＲのくし型周波数応答を示す。第１と第２のマイクロリング共振器にそれぞれ配設されたヒータ１８０，１９０が、屈折率の温度依存性による共振周波数を多少修正する。２つの周波数のくし（ｃｏｍｂ）の間のバーニア効果が、レーザの波長をチューニングするために用いられることができ、波長は２つの周波数のくしの間のオーバーラップによって選択される。

【0016】

シリコン導波路は、一般的に、ＳＯＩウェハ上にパターニングすることによって得られる。ＩｎＰ系利得部は、ＩｎＰウェハ上に多層のエピタキシャル層を成長させ、パターニングされたＳＯＩウェハ上に、未処理のＩｎＰウェハを、エピタキシャル層を下にしてボンディングすることによって得られる。ボンディング後にＩｎＰ基板が除去され、半導体レーザが、従来型のウェハスケール加工を用い、下部のＳＯＩパターンにリソグラフィーによって位置合わせされて製造され得る。

【0017】

しかしながら、図１に示したレーザ構造は、通常の動作条件では不安定となる。特に、実験により、レーザ構造がモードジャンプとカオス的な発振を生じやすいことが実証されている。さらに、レーザの効率はやや低いため、光出力パワーが非常に低い。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0018】

【非特許文献1】S.Matsuo et al, “Microring-resonator-based widely tunable lasers”, IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, vol.15，No.3,, May/June 2009, pp.545-554

【非特許文献2】Po Dong et al, “Silicon photonic devices and integrated circuits”Nanophotonics 2014,Vol.3, No.4-5, pp.215-228

【非特許文献3】G.Roelkens et al, “Grating-based optical fiber interfaces for silicon-on-insulator photonic integrated circuits”, IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics 2011, Vol.17, No.3, pp.571-580

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0019】

したがって、本出願の目的は、上記で説明した欠点を改善する波長可変半導体レーザを提供することである。特に本発明の主要な目的は、非常に高度な安定性と高効率を示す波長可変半導体レーザ構造を提案することである。

【課題を解決するための手段】

【0020】

本発明は、添付の独立請求項に定義される。種々の有利な実施形態は従属請求項に定義される。

【図面の簡単な説明】

【0021】

本発明は、以下の実施形態の説明からより良く理解されるとともに、以下の実施形態の説明に限定されるものではない。

【図1】従来技術から知られる波長可変半導体レーザの構造を示す模式図である。

【図2】従来技術から知られる４ポートリング共振器フィルタの構造を示す模式図である。

【図3】本発明の一実施形態に有用な、３ポートホイッスル形状リング共振器フィルタ（ＷＧＦ）の構造を示す模式図である。

【図4】本発明の一実施形態に有用な、３ポートホイッスル形状レーストラック共振器フィルタの構造を示す模式図である。

【図5】本発明の第１の実施形態による、ダブルＷＧＦ波長可変半導体レーザの構造を示す模式図である。

【図6】本発明の第２の実施形態による、シングルＷＧＦ波長可変半導体レーザの構造を示す模式図である。

【図7】本発明の第３の実施形態による、タンデムＷＧＦ／リング共振器波長可変半導体レーザの構造を示す模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0022】

本発明の根底にある思想は、複合レーザキャビティから外れる迷光が非常に少ない、より高効率の波長可変半導体レーザ構造を提供することである。実際、第２および第３の導波路の切断された遠位端で反射される迷光は、図１に示すレーザ構造においてカオス的なモードジャンプを引き起こすことが認識されている。

【0023】

本発明の主要な要素は、図２で模式的に示す標準型４ポートリング共振器フィルタ２００を、図３に示すホイッスル形状フィルタ（ＷＧＦ）３００で置き換えることにある。標準型４ポートリング共振器フィルタは対称であり、どのポートが入力として取り扱われようとも透過と反射の可能性が等しい。２つの導波路２２０および２４０はそれぞれエバネッセントカプラ２２５および２３５を介してリング共振器２３０に結合され、リング共振器２３０の２つの対向する側部に対称に配置されている。

【0024】

対照的に、ＷＧＦ構成はポート間に強度の非対称性をもたらし、結果として、第１の導波路３４０に出入りする、リング共振器３３０内で循環する光の強度の結合をもたらす。エバネッセントカプラ部２３５は接線カプラ３３５に置き換えられることで、第１の導波路３４０は、リング共振器３３０に直結する。この特徴は、導波路３４０の側のリング共振器３３０に出入りする光の結合の効率を劇的に変化させる。第２の導波路３２０の、リング共振器３３０に対する配置は、第２の導波路３２０とリング共振器３３０との間にエバネッセントカプラ３２５があって、本質的に図２と同じままである。

【0025】

リング共振器と導波路との間の結合のより良い制御のために、ＷＧＦ４００のもう１つの実施形態は、図４に示すようにレーストラック形状のリング共振器を有し得る。

【0026】

第１の導波路４４０は、レーストラック共振器導波路４３０の直線セクション４３５に直結する。第２の導波路４２０とレーストラックリング共振器４３０との間の、方向性カプラ４２５を介した光結合は、図３の環状のリング共振器３３０と導波路３２０との間のエバネッセント結合よりも制御し易い。

【0027】

図５は、本発明の第１の実施形態によるダブルＷＧＦ波長可変半導体レーザの構造を模式的に示す。

【0028】

図示された半導体レーザ５００は、光増幅を実行するレーザ利得部５１０を備える。このセクションの詳細な構造は以下にさらに説明される。

【0029】

レーザ利得部５１０は、第１の端部５２１と第２の端部５２２を有する光導波路５２０に光学的に結合される。レーザ光は、例えばブラッグ反射器である第１のミラー５２３及び第２のミラー５２４を介して両端で出力される。２つのミラー５２３または５２４のうち一方が高反射性である構成も可能である。高反射性とは、ミラーの反射率が少なくとも６０％であることを意味する。

【0030】

レーザ利得部５１０と光導波路５２０の第１の端部５２１の間に第１の受動マイクロリング共振器５３０が配置されている。第１のマイクロリング共振器５３０は、ホイッスル形状にしたがって第１のマイクロリング共振器５３０に５３５において接線方向に接続された第１の光導波路分岐５４０によって延出されている。第１の光導波路分岐５４０は、自由（接続されていない）端部において、例えば高反射性広帯域ブラッグ反射器である第３のミラー５４１を備える。広帯域とは、レーザが動作可能な全波長範囲にわたりミラーの反射率が高い（すなわち少なくとも６０％）状態を保つことを意味する。

【0031】

同様に、レーザ利得部５１０と光導波路５２０の第２の端部５２２との間に第２の受動マイクロリング共振器５６０が配置されている。第２のマイクロリング共振器５６０は、ホイッスル形状にしたがって第２のマイクロリング共振器５６０に接線方向において接続された第２の光導波路分岐５７０によって延出されている。第２の光導波路分岐５７０は、自由（接続されていない）端部において、例えば、上記で定義した意味の範囲の高反射性広帯域ブラッグ反射器である第４のミラー５７１を備える。

【0032】

第１と第２の光導波路分岐５４０および５７０は好ましくは直線状分岐である。

【0033】

第１の光導波路分岐５４０（対応する第２の光導波路分岐５７０）は、接線接続５３５（対応する５６５）を通じて第１のマイクロリング共振器５３０（対応する第２のマイクロリング共振器５６０）に接続されている。接線接続とは、光導波路分岐の中心線がマイクロリング共振器の中心円に対して正接方向に整列していることを意味する。共振器５３０（対応する５６０）と光導波路分岐５４０（対応する５７０）が光ファイバによって実装される場合、共振器のコアは、光導波路分岐のコアと整列すると共に融合されている。直線状の導波路５４０（対応する５７０）と環状の共振器５３０（対応する５６０）のモードの間のより良い整合をもたらすために、軸外接線結合も可能である。軸外結合において、導波路の幾何学的軸線というよりは、モードの強度分布のピークが整合される。

【0034】

第１の受動マイクロリング共振器５３０と第２の受動マイクロリング共振器５６０は、レーザ利得部のいずれかの側の光導波路５２０にエバネッセント結合されている。エバネッセント結合とは、マイクロリング共振器が光導波路付近に配置されて、その結果、光導波路からのエバネッセント波がマイクロリング共振器に進入する、または、マイクロリング共振器からのエバネッセント波が光導波路に進入することを意味する。

【0035】

レーザ利得部５１０から出射され、第１の端部５２１に向かって移動する光波は、エバネッセント結合によって第１のマイクロリング共振器５３０内に注入される。このように注入された光波は、第１のマイクロリング共振器５３０内で時計回りに移動する。注入された光波の一部はさらに、接線接続５３５を介して第１の光導波路分岐５４０内に注入される。第１の光導波路分岐５４０内に注入された波は、第３のミラー５４１によって反射されて第１のマイクロリング共振器５３０に戻る。その後、反射波は反時計回りに移動する。反射波の一部は、エバネッセント結合によって光導波路５２０内に注入されて、レーザ利得部５１０内にフィードバックされる。

【0036】

同様に、レーザ利得部５１０から出射されて、第２の端部５２２に向かって移動する光波は、エバネッセント結合によって第２のマイクロリング共振器５６０内に注入される。このように注入された光波は、第２のマイクロリング共振器５６０内で反時計回りに移動する。注入された光波の一部は、さらに、接線接続５６５を介して第２の光導波路分岐５７０内に注入される。第２の光導波路分岐５７０内に注入された波は、第４のミラー５７１によって反射されて第２のマイクロリング共振器５６０に戻る。その後、反射波は時計回りに移動する。反射波の一部はエバネッセント結合によって光導波路５２０内に注入されて、レーザ利得部５１０内にフィードバックされる。

【0037】

第１のマイクロリング共振器５３０と第２のマイクロリング共振器５６０が図３に示すホイッスル形状を有している場合、２つのマイクロリングは好ましくは多少異なる直径を有し、したがって異なるＦＳＲを表す。同様に、第１の受動マイクロリング共振器５３０と第２の受動マイクロリング共振器５６０が図４に示すホイッスル形状を有している場合、対応する２つのレーストラック共振器の光学的長さは好ましくは異なっている（例えば、それらの対応する直線部分の長さが異なっていてもよい）。両方の場合において、波長はバーニア効果によって選択されてもよく、共振器の対応するくし型周波数応答の一致に対応する波長のみが増幅される。

【0038】

第１のマイクロリング共振器５３０及び／又は第２のマイクロリング共振器５６０は、好ましくは、第１のマイクロリング共振器５３０及び／又は第２のマイクロリング共振器５６０を加熱するように構成されたオームヒータ５８０及び／又は５９０を備えてよい。したがって、ヒータ内を流れる電流を制御することで一方または両方のマイクロリング共振器の光路長を変えることが可能となり、レーザの波長をチューニングすることができる。別の手法として、特に、マイクロリング共振器５３０，５６０が半導体材料（例えばシリコン等）からなる場合に、マイクロリング共振器の光路長は、それらを流れる電流を駆動することによって変えることができる。

【0039】

図５に図示されたレーザ構造は、好ましくはＩＩＩ−Ｖ族／Ｓｉフォトニクス技術に従って実装される。

【0040】

そのような例において、Ｓｉ基板上に成長させたＳｉＯ_２層上にシリコン層が成膜される。光導波路５２０及び分岐延出部５４０，５７０を含む受動マイクロリング共振器５３０，５６０は、シリコン層内にパターニングされてリブ導波路回路を形成する。

【0041】

ヒータ５８０，５９０は、マイクロリング共振器上に成膜された金属性又は抵抗性材料のパッチによって実装され得る。第３および第４のミラー５４１，５７１は、それぞれシリコン導波路５４０，５７０にエッチングされた高反射性広帯域ブラッグ（Ｂｒａｇｇ）グレーティングであってもよい。

【0042】

レーザ利得部５１０は、ウェハボンディング技法を用いてシリコン導波路回路上に、エピタキシャル層を下にしてヘテロ集積された、ＩＩＩ−Ｖ族基板上の多層のＩＩＩ−Ｖ族半導体層として実装され得る。ウェハボンディング後に、ＩＩＩ−Ｖ族基板は機械的研磨を施し最終的にストップ層までエッチングすることによって除去される。このために種々の既知のボンディング技法が用いられ得る。ボンディングは、例えば、Ａ．Ｗ．Ｆａｎｇらによる、「Ａ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｆｅｅｄｂａｃｋ ｓｉｌｉｃｏｎ ｅｖａｎｅｓｃｅｎｔ ｌａｓｅｒ」というタイトルの、Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ，Ｖｏｌ．１６，Ｉｓｓｕｅ７，ｐｐ．４４１３−４４１９（２００８）に掲載された論文に開示されるように、分子ウェハボンディング（酸化表面と親水面間のファンデルワールス相互作用に基づいて）によって実行され得る。代替的に、ボンディングは、ＤＶＳ−ＢＣＢとも呼ばれる熱硬化性ポリマー、ジビニルシロキサンベンゾシクロブテンをボンディング剤として用いた接着ボンディングによって達成されてもよい。この接着ボンディング方法は、例えば、Ｓ．Ｋｅｙｖａｎｉｎｉａらによる、「Ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｏｕｓｌｙ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ＩＩＩ−Ｖ／ＳＯＩ ｓｉｎｇｌｅ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｔｕｎａｂｌｅ ｌａｓｅｒ」というタイトルの、Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ，Ｖｏｌ．２１，Ｉｓｓｕｅ ３，ｐｐ． ３７８４−３７９２（２０１３）に掲載された論文に記載されている。

【0043】

レーザ利得部は、有利には、厚いボンディング層（典型的に５０から３００ｎｍの間）で光導波路５２０にボンディングされたＩＩＩ−Ｖ族導波路である。ＩＩＩ−Ｖ族導波路は、横方向に光学モードを封じ込めるのに対し、長手方向では、２つのエッチング若しくは切断面、又は大きな光学帯域幅のブラッググレーティングがレーザキャビティを形成する。ＩＩＩ−Ｖ族導波路は、電気的に励起されることでレーザ構造に光学利得を提供する。

【0044】

レーザ利得部５１０の両端で、断熱カプラ（図示せず）が、下部のシリコン光導波路５２０に光学モードを転換する。断熱カプラは、ＩＩＩ−Ｖ族導波路の横モードをシリコン光導波路の横モードに徐々に変換する逆テーパである。この断熱カプラは、参照により本明細書に組み込まれる、Ｇ．Ｒｏｅｌｋｅｎｓによる、「Ｌａｓｅｒ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ａｎｄ ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｉｎ ａｎ ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ ｌａｙｅｒ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｏｎ ａｎｄ ｃｏｕｐｌｅｄ ｔｏ ａ ｓｉｌｉｃｏｎ−ｏｎ−ｉｎｓｕｌａｔｏｒ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ｃｉｒｃｕｉｔ」というタイトルの、Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ，Ｖｏｌ．１４，Ｉｓｓｕｅ １８，ｐｐ．８１５４−８１５９（２００６）に掲載された論文に記載されるような、ＩＩＩ−Ｖ族導波路の端部に当接したポリマー導波路として実装され得る。代替的に、断熱カプラは、ＩＩＩ−Ｖ族導波路のモードをシリコン光導波路のモードに断熱的に伝えるために、その幅が漸次テーパ状になるシリコン光導波路自体によって具現化され得る。そのような、シリコン導波路の幅をテーパ状にすることによる断熱的伝送は、参照により本明細書に組み込まれる、Ｂ．Ｂ．Ｂａｋｉｒらによる、「Electrically driven hybrid Si/ III-V Fabry-Perot lasers based on adiabatic mode transformers」というタイトルの、Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ，Ｖｏｌ．１９，Ｉｓｓｕｅ １１，ｐｐ．１０３１７−１０３２５（２０１１）に掲載された論文に記載されている。

【0045】

受動マイクロリング共振器５３０，５６０からの光フィードバックは、シリコン光導波路５２０によってＩＩＩ−Ｖ族利得部に提供される。これにより、２つのマイクロリング共振器の共振条件に合う１つのレーザ波長が（ＤＢＲレーザの場合のように）選択される。

【0046】

上記のように、レーザ利得部５１０は、ＩＩＩ−Ｖ族基板上に成膜された多層のＩＩＩ−Ｖ族半導体エピタキシャル層として実装され得る。

【0047】

例えば、エピタキシャル構造は、ＩｎＰウェハ上に成膜され、ｐ^＋−ＩｎＧａＡｓコンタクト層と、ｐ−ＩｎＰクラッド層と、２つの無作為にドープされたＩｎＧａＡｓＰ分離閉じ込めへテロ構造（ＳＣＨ）層によって包囲された複数のＩｎＧａＡｓＰ量子井戸と、薄膜ｎ−ＩｎＰクラッド層を備えており、シリコン光導波路との結合を容易にする。

【0048】

もう１つの例として、エピタキシャル構造は、ＩｎＰウェハ上に成膜され、ｐ^＋−ＩｎＧａＡｓコンタクト層と、ｐ−ＩｎＰクラッディング層と、２つの無作為にドープされたＡｌＩｎＧａＡｓ分離閉じ込めへテロ構造（ＳＣＨ）層によって包囲された複数のＩｎＧａＡｓ／ＡｌＩｎＧａＡｓ量子井戸と、薄膜ｎ−ＩｎＰクラッディング層を備えており、シリコン光導波路との結合を容易にする。

【0049】

上述のエピタキシャル構造は、Ｑ井戸レーザ（Ｑ−ｗｅｌｌレーザ）としても指定されるＭＱＷ（または多重量子井戸）レーザを実装する。別の手法として、代わりに多重量子細線（Ｑ細線）、量子ダッシュ（Ｑダッシュ）または量子ドット（Ｑドット）レーザを想定することも可能である。

【0050】

レーザのタイプが如何なるものであっても、エピタキシャル構造は、当業者に知られるような金属−有機化学蒸着（ＭＯＣＶＤ）、分子ビームエピタキシ（ＭＢＥ）又は化学ビームエピタキシ（ＣＢＥ）によって成長され得る。

【0051】

図６は、本発明の第２の実施形態による、単一のＷＧＦ波長可変半導体レーザの構造を模式的に示す。

【0052】

図示される半導体レーザ６００は、光増幅を実行するレーザ利得部６１０を備える。このセクションの詳細な構造は、図５に関連して上述した構造と同じである。

【0053】

レーザ利得部６１０は、第１の端部６２１と第２の端部６２２を有する光導波路６２０に光学的に結合される。レーザ光は、例えばブラッグ反射器である第１のミラー６２３及び第２のミラー６２４を介して両端で出力される。２つのミラー６２３又は６２４のうち一方が高反射性である構成も可能である。

【0054】

レーザ利得部６１０と光導波路６２０の第１の端部６２１との間に受動マイクロリング共振器６３０が配置されている。マイクロリング共振器６３０は、ホイッスル形状にしたがってマイクロリング共振器６３０に６３５で接線接続された光導波路分岐６４０によって延出される。

【0055】

受動マイクロリング共振器は、図３または図４のホイッスル形状を有してもよい。

【0056】

光導波路分岐６４０は、その自由（接続されていない）端部において、例えば、高反射性広帯域ブラッグ反射器である第３のミラー６４１を備える。

【0057】

光導波路分岐６４０は好ましくは直線状分岐である。

【0058】

光導波路分岐６４０は、接線接続６３５を介してマイクロリング共振器６３０に接続されている。接線接続とは、光導波路分岐の中心線がマイクロリング共振器の中心円に対して正接方向に整列していることを意味する。共振器６３０と光導波路分岐６４０が光ファイバによって実装される場合、共振器のコアは光導波路分岐のコアと整列し融合されている。直線状の導波路６４０のモードと環状の共振器６３０とのモードの間のより良い整合のために、軸外接線結合も可能である。軸外結合において、導波路の幾何学的軸線というよりは、モードの強度分布のピークが整合される。

【0059】

受動マイクロリング共振器６３０は、光導波路６２０にエバネッセント結合されている。エバネッセント結合とは、マイクロリング共振器が光導波路付近に配置される結果として、光導波路からのエバネッセント波がマイクロリング共振器に進入する、または、マイクロリング共振器からのエバネッセント波が光導波路に進入することを意味する。

【0060】

レーザ利得部６１０から出射されて、第１の端部６２１に向かって移動する光波は、エバネッセント結合によってマイクロリング共振器６３０内に注入される。このように注入された光波は、マイクロリング共振器６３０内で時計回りに移動する。注入された光波の一部はさらに、接線接続６３５を介して光導波路分岐６４０内に注入される。光導波路分岐６４０内に注入された波は、第３のミラー６４１によって反射されて第１のマイクロリング共振器６３０に戻る。その後、反射波は反時計回りに移動する。反射波の一部はエバネッセント結合によって光導波路６２０内に注入されて、レーザ利得部６１０内にフィードバックされる。

【0061】

レーザ利得部６１０によって出射されて、第２の端部６２２に向かって移動する光波は、第２のミラー６２４によって部分的に反射されて光導波路６２０に戻り、レーザ利得部６１０にフィードバックされる。

【0062】

マイクロリング共振器６３０は、好ましくは、マイクロリング共振器６３０を加熱するように構成されたオームヒータ６８０を備えてもよい。したがって、ヒータ内を流れる電流を制御することによってマイクロリング共振器６３０の光路長を変えることで、レーザの波長をチューニングすることができる。代替的に、特に、マイクロリング共振器６３０が半導体材料（例えばシリコン等）からなる場合、マイクロリング共振器６３０の光路長は、それらを流れる電流を駆動することによって変えられ得る。

【0063】

図６に図示されたレーザ構造は、好ましくはＩＩＩ−Ｖ族／Ｓｉフォトニクス技術に従って実装される。

【0064】

そのような例において、Ｓｉ基板上に成長されたＳｉＯ_２層の上にシリコン層が成膜される。光導波路６２０及び分岐延出部６４０を含む受動マイクロリング共振器６３０は、シリコン層内にパターニングされることでリブ導波路回路を形成する。

【0065】

ヒータ６８０は、マイクロリング共振器６３０上に成膜された金属性又は抵抗性材料のパッチによって実装され得る。第３のミラー６４１は、シリコン導波路６４０にエッチングされた高反射性広帯域ブラッググレーティングであってもよい。

【0066】

レーザ利得部６１０は、図５で説明したのと同じ方式で実装され得る。

【0067】

レーザ利得部６１０の両端で、断熱カプラ（図示せず）は、下部のシリコン光導波路６２０に光学モードを伝える。断熱カプラは、図５で説明したのと同じ方式で実装され得る。

【0068】

受動マイクロリング共振器６３０からの光フィードバックは、シリコン光導波路６２０によってＩＩＩ−Ｖ族利得部に提供される。これにより、第２のミラー６２４とマイクロリング共振器６３０との間の光学キャビティとマイクロリング共振器６３０の共振条件に合うレーザ波長が選択される。

【0069】

図７は、本発明の第３の実施形態によるタンデム型のＷＧＦ／リング共振器波長可変半導体 レーザの構造を模式的に示す。

【0070】

図示された半導体レーザ７００は、光増幅を実行するレーザ利得部７１０を備える。このセクションの詳細な構造は、図５で上記に説明したものと同じである。

【0071】

レーザ利得部７１０は、第１の端部７２１と第２の端部７２２を有する光導波路７２０に光学的に結合され、レーザ光は、例えばブラッグ反射器である第１のミラー７２３及び第２のミラー７２４を介して両端で出力される。２つのミラー７２３又は７２４のうち一方が高反射性である構成も可能である。

【0072】

レーザ利得部７１０と光導波路７２０の第１の端部７２１の間に中間受動マイクロリング共振器７６０が配置されている。

【0073】

中間マイクロリング共振器７６０に極めて接近して第２の受動マイクロリング共振器７３０が配置されることで、２つのマイクロリング共振器がエバネッセント結合される。第２のマイクロリング共振器７３０は、ホイッスル形状により第２のマイクロリング共振器７３０に接線接続された光導波路分岐７４０によって延出される。光導波路分岐７４０は、その自由（接続されていない）端部に、例えば、高反射性広帯域ブラッグ反射器である第３のミラー７４１を備える。

【0074】

光導波路分岐７４０は好ましくは直線状分岐である。

【0075】

光導波路分岐７４０は、接線接続７３５を介して第２の受動マイクロリング共振器７３０に接続されている。接線接続とは、光導波路分岐の中心線がマイクロリング共振器の中心円に対して正接方向に整列していることを意味する。共振器７３０と光導波路分岐７４０が光ファイバによって実装される場合、共振器のコアは光導波路分岐のコアと整列し融合されている。直線状の導波路７４０のモードと環状の共振器７３０のモードとの間におけるより良い整合のために軸外接線結合も可能である。軸外結合において、導波路の幾何学的軸線というよりは、モードの強度分布のピークが整合される。第２の受動マイクロリング共振器７３０は、以後ＷＧＦ共振器と呼ばれる光導波路分岐７４０によって延出される。

【0076】

中間受動マイクロリング共振器７６０は、光導波路７２０と第２のマイクロリング共振器７３０両方にエバネッセント結合されている。エバネッセント結合とは、中間受動マイクロリング共振器が光導波路（対応してＷＧＦ共振器７３０）付近に配置されることで、光導波路（対応するＷＧＦマイクロリング共振器）からのエバネッセント波が中間マイクロリング共振器に進入する、または、中間マイクロリング共振器からのエバネッセント波が光導波路（対応してＷＧＦマイクロリング共振器）に進入することを意味する。

【0077】

第１の変形形態によれば、中間受動マイクロリング共振器は環状の形状を有し、ＷＧＦマイクロリング共振器は図３の幾何学的形状を有する。

【0078】

第２の変形形態によれば、中間受動マイクロリング共振器はレーストラック形状を有し、第２のマイクロリング共振器は図４の幾何学的形状を有する。

【0079】

レーザ利得部７１０によって出射されて、第１の端部７２１に向かって移動する光波は、エバネッセント結合によって中間マイクロリング共振器７６０内に注入される。このように注入された光波は、中間マイクロリング共振器７６０内で時計回りに移動する。注入された光波の一部はさらに、ＷＧＦ共振器７３０内に注入され、そこで反時計回りに移動する。次に、ＷＧＦ共振器７３０内で反時計回りに伝播した光波の一部は、接線接続７３５を介して光導波路分岐７４０内に注入される。 光導波路分岐７４０内に注入された波は、第３のミラー７４１によって反射されてＷＧＦ共振器７３０に戻り、そこで反射波は時計回りに移動する。反射波の一部はＷＧＦ共振器７３０からエバネッセント結合を介して中間マイクロリング共振器７６０に注入されて、中間マイクロリング共振器７６０内で反時計回りに伝播する。さらに、中間マイクロリング共振器７６０内で反時計回りに伝播する光の一部は、エバネッセント結合によって光導波路７２０に注入されてレーザ利得部７１０内にフィードバックされる。

【0080】

レーザ利得部７１０によって出射されて、第２の端部７２２に向かって移動する光波は、第２のミラー７２４によって光導波路７２０に反射されて、レーザ利得部７１０にフィードバックされる。

【0081】

マイクロリング共振器７３０と７６０は好ましくは多少異なる直径を有するので、異なるＦＳＲを表す。したがって、波長はバーニア効果によって選択されてもよく、対応するくし型周波数応答の一致に対応する波長のみが増幅される。

【0082】

ＷＧＦ及び／又は中間マイクロリング共振器７３０及び／又は７６０は、好ましくは、マイクロリング共振器７３０及び／又は７６０を加熱するように構成されたオームヒータ７８０及び／又は７９０が配設されてもよい。したがって、各ヒータ内を流れる電流を制御することによって一方または両方のマイクロリング共振器の光路長を変化させることで、レーザの波長をチューニングすることが可能である。別の手法として、特に、マイクロリング共振器７３０，７６０が半導体材料（例えばシリコン等）からなる場合、マイクロリング共振器の光路長は、それらを流れる電流を駆動することによって変えられ得る。

【0083】

図７に図示されたレーザ構造は、好ましくはＩＩＩ−Ｖ族／Ｓｉフォトニクス技術に従って実装される。

【0084】

そのような例において、Ｓｉ基板上に成長されたＳｉＯ_２層の上にシリコン層が成膜される。光導波路７２０及び分岐延出部７４０を含む受動マイクロリング共振器７３０，７６０は、シリコン層内にパターニングされることでリブ導波路回路を形成する。

【0085】

ヒータ７８０，７９０は、マイクロリング共振器上に成膜された金属性又は抵抗性の材料のパッチによって実装され得る。第３のミラー７４１は、シリコン導波路７４０にエッチングされた高反射性広帯域ブラッググレーティングであり得る。

【0086】

レーザ利得部７１０は、図５に関して説明したのと同じ方式で実装され得る。

【0087】

レーザ利得部７１０の両端で、断熱カプラ（図示せず）が、下部のシリコン光導波路７２０に光学モードを伝える。断熱カプラは、図５で説明したのと同じ方式で実装され得る。

【0088】

受動マイクロリング共振器７３０からの光フィードバックは、シリコン光導波路７２０によってＩＩＩ−Ｖ族利得部に提供されることで、第２のミラー７２４と中間マイクロリング共振器７６０との間の光学キャビティと２つのマイクロリング共振器７３０，７６０との共振条件に合う１つのレーザ波長が選択される。

【0089】

当業者ならば、本発明のさらなる実施形態が、添付の特許請求の範囲に規定された保護の範囲から逸脱せずに想定されてもよいことを理解するであろう。

【符号の説明】

【0090】

５１０，６１０，７１０：レーザ利得部
５２０，６２０，７２０：光導波路
５２１，６２１，７２１：第１の端部
５２２，６２２，７２２：第２の端部
５２３，６２３，７２３：第１のミラー
５２４，６２４，７２４：第２のミラー
５３０，６３０，７３０：第１の受動マイクロリング共振器
５４０，６４０，７４０：第１の光導波路分岐
５４１，６４１，７４１：第１の高反射性広帯域ミラー
５６０：第２の受動マイクロリング共振器
５７０：第２の光導波路分岐
５７１：第２の高反射性広帯域ミラー
５８０，５９０，７９０：制御式ヒータ
７６０：中間受動マイクロリング共振器

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】