特許 7060395 波長可変レーザ素子

(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】

(24)【登録日】2022-04-18

(45)【発行日】2022-04-26

(54)【発明の名称】波長可変レーザ素子

(51)【国際特許分類】

   H01S 5/065 20060101AFI20220419BHJP

   H01S 5/14 20060101ALI20220419BHJP

【ＦＩ】

H01S5/065

H01S5/14

【請求項の数】 12

(21)【出願番号】P 2018024032

(22)【出願日】2018-02-14

(65)【公開番号】P2019140308

(43)【公開日】2019-08-22

【審査請求日】2020-10-20

(73)【特許権者】

【識別番号】000005290

【氏名又は名称】古河電気工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002147

【氏名又は名称】特許業務法人酒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】川北 泰雅

(72)【発明者】

【氏名】比嘉 康貴

【審査官】村川 雄一

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１６－１７８２８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－２１３３７９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｓ ５／０６５

Ｈ０１Ｓ ５／１４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

回折格子と反射フィルタ素子とにより構成されるレーザ共振器と、前記レーザ共振器内に配置された利得部と、を備える波長可変レーザ素子であって、
前記回折格子は、第１の櫛状反射スペクトルを生成し、
前記反射フィルタ素子は、
リング状導波路と、各々が前記リング状導波路と光学的に結合する２つのアーム部と、を有するリング共振器フィルタと、
光が入出力する光入出力ポートと、前記光入出力ポートから入力された光が２分岐して出力される２つの分岐ポートとを有し、前記２つのアーム部が各々前記２つの分岐ポートに接続された２分岐部と、
を備え、前記２つのアーム部の少なくともいずれか一方に位相調整部が設けられており、かつ、前記光入出力ポート側が前記回折格子と光学的に結合されており、
前記第１の櫛状反射スペクトルの波長間隔とは異なる波長間隔を有する第２の櫛状反射スペクトルを生成し、
前記回折格子と前記反射フィルタ素子は前記第１の櫛状反射スペクトルのピークの一つと前記第２の櫛状反射スペクトルのピークの一つとを波長軸上で重ね合わせ可能に構成されており、
前記位相調整部は、前記レーザ共振器における１回の光帰還中に、光が一方向にのみ通過する箇所に設けられていることを特徴とする波長可変レーザ素子。

【請求項2】

前記反射フィルタ素子において、前記２つのアーム部の両方に位相調整部が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の波長可変レーザ素子。

【請求項3】

前記反射フィルタ素子において、前記２つのアーム部はハイメサ導波路構造を有することを特徴とする請求項１または２に記載の波長可変レーザ素子。

【請求項4】

前記反射フィルタ素子は、前記第１の櫛状反射スペクトルのピークの半値全幅よりも狭い半値全幅のピークの前記第２の櫛状反射スペクトルを生成することを特徴とする請求項１～３のいずれか一つに記載の波長可変レーザ素子。

【請求項5】

前記光入出力ポート側は、前記回折格子を有する導波路構造に対して、光の導波モードを略同等にした状態で光学的に結合されていることを特徴とする請求項１～４のいずれか一つに記載の波長可変レーザ素子。

【請求項6】

半導体光増幅器が集積されていることを特徴とする請求項１～５のいずれか一つに記載の波長可変レーザ素子。

【請求項7】

前記回折格子の屈折率を変化させる第１の屈折率変化器と、前記リング状導波路の屈折率を変化させる第２の屈折率変化器とを備え、前記第１の屈折率変化器および前記第２の屈折率変化器の少なくともいずれか一つを用いて、前記第１の櫛状反射スペクトルのピークの一つと前記第２の櫛状反射スペクトルのピークの一つとを波長軸上で重ね合わせることを特徴とする請求項１～６のいずれか一つに記載の波長可変レーザ素子。

【請求項8】

前記回折格子は前記利得部の近傍に設けられていることを特徴とする請求項１～７のいずれか一つに記載の波長可変レーザ素子。

【請求項9】

前記回折格子は前記利得部に沿って設けられていることを特徴とする請求項１～８のいずれか一つに記載の波長可変レーザ素子。

【請求項10】

前記レーザ共振器は、共振器モードのモード間の間隔が、前記第１の櫛状反射スペクトルのピーク内に、前記共振器モードが２本以上含まれるように構成されていることを特徴とする請求項１～９のいずれか一つに記載の波長可変レーザ素子。

【請求項11】

前記第１の櫛状反射スペクトルのピークはガウシャン型の形状であり、前記第２の櫛状反射スペクトルのピークは二重指数分布型の形状であることを特徴とする請求項１～１０のいずれか一つに記載の波長可変レーザ素子。

【請求項12】

前記位相調整部の屈折率を調整する第３の屈折率変化器をさらに備え、前記第１、第２、および第３の屈折率変化器はそれぞれ、前記回折格子、前記リング状導波路、および前記位相調整部のそれぞれの近傍に設けられ、それぞれの屈折率を熱的に変化させる抵抗ヒータであることを特徴とする請求項７に記載の波長可変レーザ素子。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、反射フィルタ素子およびこれを用いた波長可変レーザ素子に関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来、波長可変レーザ素子において、レーザ共振器内の光の位相を調整し、縦モードの波長の調整を行う技術が開示されている（特許文献１）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１６－１７８２８３号公報

【文献】特開２０１７－１４２３４８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上記のような波長可変レーザ素子において、近年のコヒーレント通信に利用する場合に求められる程度の狭線幅のレーザ光を得るために、レーザ共振器を長くすると、縦モード間隔が狭くなる。その結果、単一モード発振を得るためには、位相の微調整がしやすいことが好ましい。

【0005】

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、位相の微調整がしやすい反射フィルタ素子を用いた波長可変レーザ素子を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の一態様に係る反射フィルタ素子は、リング状導波路と、各々が前記リング状導波路と光学的に結合する２つのアーム部と、を有するリング共振器フィルタと、光が入出力する光入出力ポートと、前記光入出力ポートから入力された光が２分岐して出力される２つの分岐ポートとを有し、前記２つのアーム部が各々前記２つの分岐ポートに接続された２分岐部と、を備え、前記２つのアーム部の少なくともいずれか一方に位相調整部が設けられていることを特徴とする。

【0007】

本発明の一態様に係る反射フィルタ素子は、前記２つのアーム部の両方に位相調整部が設けられていることを特徴とする。

【0008】

本発明の一態様に係る反射フィルタ素子は、前記２つのアーム部はハイメサ導波路構造を有することを特徴とする。

【0009】

本発明の一態様に係る波長可変レーザ素子は、回折格子と、前記光入出力ポート側が前記回折格子と光学的に結合された、本発明の一態様に係る反射フィルタ素子とにより構成されるレーザ共振器と、前記レーザ共振器内に配置された利得部と、を備える波長可変レーザ素子であって、前記回折格子は、第１の櫛状反射スペクトルを生成し、前記反射フィルタ素子は、前記第１の櫛状反射スペクトルのピークの半値全幅よりも狭い半値全幅のピークで、前記第１の櫛状反射スペクトルの波長間隔とは異なる波長間隔を有する第２の櫛状反射スペクトルを生成し、前記回折格子と前記反射フィルタ素子は前記第１の櫛状反射スペクトルのピークの一つと前記第２の櫛状反射スペクトルのピークの一つとを波長軸上で重ね合わせ可能に構成されていることを特徴とする。

【0010】

本発明の一態様に係る波長可変レーザ素子は、前記光入出力ポート側は、前記回折格子を有する導波路構造に対して、光の導波モードを略同等にした状態で光学的に結合されていることを特徴とする。

【0011】

本発明の一態様に係る波長可変レーザ素子は、半導体光増幅器が集積されていることを特徴とする。

【0012】

本発明の一態様に係る波長可変レーザ素子は、前記回折格子の屈折率を変化させる第１の屈折率変化器と、前記リング状導波路の屈折率を変化させる第２の屈折率変化器とを備え、前記第１の屈折率変化器および前記第２の屈折率変化器の少なくともいずれか一つを用いて、前記第１の櫛状反射スペクトルのピークの一つと前記第２の櫛状反射スペクトルのピークの一つとを波長軸上で重ね合わせることを特徴とする。

【0013】

本発明の一態様に係る波長可変レーザ素子は、前記回折格子は前記利得部の近傍に設けられていることを特徴とする。

【0014】

本発明の一態様に係る波長可変レーザ素子は、前記回折格子は前記利得部に沿って設けられていることを特徴とする。

【0015】

本発明の一態様に係る波長可変レーザ素子は、前記レーザ共振器は、前記共振器モードのモード間の間隔が、前記第１の櫛状反射スペクトルのピーク内に、前記共振器モードが２本以上含まれるように構成されていることを特徴とする。

【0016】

本発明の一態様に係る波長可変レーザ素子は、前記第１の櫛状反射スペクトルのピークはガウシャン型の形状であり、前記第２の櫛状反射スペクトルのピークは二重指数分布型の形状であることを特徴とする。

【0017】

本発明の一態様に係る波長可変レーザ素子は、前記位相調整部の屈折率を調整する第３の屈折率変化器をさらに備え、前記第１、第２、および第３の屈折率変化器はそれぞれ、前記回格格子、前記リング状導波路、および前記位相調整部のそれぞれの近傍に設けられ、それぞれの屈折率を熱的に変化させる抵抗ヒータであることを特徴とする。

【発明の効果】

【0018】

本発明によれば、位相の微調整がしやすい反射フィルタ素子を実現できるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】図１は、実施形態１に係る反射フィルタ素子を備えた波長可変レーザ素子の模式的な斜視図である。

【図2A】図２Ａは、図１に示す波長可変レーザ素子の模式的な断面図である。

【図2B】図２Ｂは、図１に示す波長可変レーザ素子の模式的な断面図である。

【図2C】図２Ｃは、図１に示す波長可変レーザ素子の模式的な断面図である。

【図3A】図３Ａは、第１の櫛状反射スペクトル、第２の櫛状反射スペクトルを示す図である。

【図3B】図３Ｂは、第１の櫛状反射スペクトル、第２の櫛状反射スペクトルおよび共振器モードを示す図である。

【図4】図４は、第１の櫛状反射スペクトル、第２の櫛状反射スペクトルおよびその重なりを示す図である。

【図5】図５は、図１に示す波長可変レーザ素子におけるレーザ発振波長の選択方法を説明する図である。

【図6】図６は、電力と位相量との関係の一例を説明する図である。

【図7】図７は、実施形態２に係る波長可変レーザ素子の模式的な斜視図である。

【図8】図８は、実施形態３に係る波長可変レーザ素子の模式的な斜視図である。

【図9】図９は、実施形態４に係るレーザモジュールの模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

以下に、図面を参照して実施形態を詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、各図面において、同一または対応する要素には適宜同一の符号を付している。さらに、図面は模式的なものであり、各要素の寸法の関係、各要素の比率などは、現実のものとは異なる場合があることに留意する必要がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。また、図中で適宜ｘｙｚ座標軸を示し、これにより方向を説明する。

【0021】

（実施形態１）
図１は、実施形態１に係る反射フィルタ素子を備えた波長可変レーザ素子の模式的な斜視図である。波長可変レーザ素子１００は、１．５５μｍ帯でレーザ発振し、レーザ光を出力するように構成されている。波長可変レーザ素子１００は、共通の基部Ｓ１上に形成された、第１の導波路部１０と第２の導波路部２０とを備えている。基部Ｓ１はたとえばｎ型ＩｎＰからなる。なお、基部Ｓ１の裏面にはｎ側電極３０が形成されている。ｎ側電極３０は、たとえばＡｕＧｅＮｉを含んで構成され、基部Ｓ１とオーミック接触する。

【0022】

第１の導波路部１０は、導波路部１１と、半導体積層部１２と、ｐ側電極１３、１５と、Ｔｉを含む抵抗ヒータであるマイクロヒータ１４とを備えている。導波路部１１は、半導体積層部１２内にｚ方向に延伸するように形成されている。第１の導波路部１０内には、利得部１１ａと、光増幅部１１ｃと、ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）型の回折格子層１１ｂとが配置されている。半導体積層部１２は、半導体層が積層して構成されており、導波路部１１に対してクラッド部の機能等を備える。導波路部１１、半導体積層部１２の構成については後に詳述する。

【0023】

ｐ側電極１３は、半導体積層部１２上において、利得部１１ａに沿うように配置されている。ｐ側電極１５は、半導体積層部１２上において、光増幅部１１ｃに沿うように配置されている。なお、半導体積層部１２には後述するＳｉＮ保護膜が形成されており、ｐ側電極１３、１５はＳｉＮ保護膜に形成された開口部を介して半導体積層部１２に接触している。第１の屈折率変化器としてのマイクロヒータ１４は、半導体積層部１２のＳｉＮ保護膜上において、回折格子層１１ｂに沿うように配置されている。

【0024】

図２Ａは、第１の導波路部１０のうち利得部１１ａが含まれる部分を、図１のｘｙ平面に平行な面に沿って切断した断面図である。

【0025】

利得部１１ａは、活性コア層である。利得部１１ａは、交互に積層された複数の井戸層と複数のバリア層とを含んで構成された多重量子井戸構造と、多重量子井戸構造を上下から挟む下部および上部光閉じ込め層とを有しており、電流注入により発光する。この利得部１１ａの多重量子井戸構造を構成する井戸層およびバリア層は各々組成が異なるＩｎＧａＡｓＰからなる。利得部１１ａの発光波長帯は、本実施形態では１．５５μｍ帯である。下部光閉じ込め層はｎ型ＩｎＧａＡｓＰからなる。上部光閉じ込め層はｐ型ＩｎＧａＡｓＰからなる。下部および上部光閉じ込め層のバンドギャップ波長は、井戸層のバンドギャップ波長より短い波長に設定されている。

【0026】

利得部１１ａが含まれる部分の半導体積層部１２は、たとえば以下のような構成を有する。半導体積層部１２は、基部Ｓ１を構成するｎ型ＩｎＰ基板上に、ｎ型ＩｎＰからなる、下部クラッド層の機能を有するバッファ層で構成されたｎ型半導体層１２ａを有している。ｎ型半導体層１２ａ上に利得部１１ａが積層されている。さらに利得部１１ａ上には、ｐ型ＩｎＰからなるスペーサ層１２ｂが積層されている。利得部１１ａおよびスペーサ層１２ｂは、エッチング等により、１．５５μｍ帯の光をシングルモードで光導波するのに適した幅（例えば１．８μｍ）にされたストライプメサ構造とされている。ストライプメサ構造の両脇（紙面左右方向）は、ｐ型ＩｎＰ埋め込み層１２ｃおよびｎ型ＩｎＰ電流ブロッキング層１２ｄからなる電流ブロッキング構造を有した埋込み構造となっている。さらに、利得部１１ａおよび埋込構造の上には、ｐ型ＩｎＰからなるスペーサ層１２ｅａと、スペーサ層１２ｅａ上に積層したｐ型ＩｎＧａＡｓからなり半導体積層部１２の最上層を形成するコンタクト層１２ｅｂとで構成されたｐ型半導体層１２ｅが積層されている。ｐ型半導体層１２ｅは、少なくとも利得部１１ａの直上からその両脇の埋め込み構造の一部にわたって設けられている。半導体積層部１２には半導体積層部１２を覆うようにＳｉＮ保護膜１６が形成されている。ｐ側電極１３はＡｕＺｎを含んで構成されており、コンタクト層１２ｅｂ上に形成されて、ＳｉＮ保護膜１６の開口部１６ａを介してコンタクト層１２ｅｂとオーミック接触している。以上の構成により、ｎ側電極３０およびｐ側電極１３から利得部１１ａへの電流注入が可能になっている。

【0027】

光増幅部１１ｃも、利得部１１ａと同様の構成を有する活性コア層である。光増幅部１１ｃが含まれる部分の半導体積層部１２は、利得部１１ａが含まれる部分の半導体積層部１２と同様の構成を有している。これにより、ｎ側電極３０およびｐ側電極１５から光増幅部１１ｃへの電流注入が可能になっている。光増幅部１１ｃは、波長可変レーザ素子１００に集積された半導体光増幅器として機能する。

【0028】

一方、図２Ｂは、第１の導波路部１０のうち回折格子層１１ｂが含まれる部分を、図１のｘｙ平面に平行な面に沿って切断した断面図である。図２Ｂに示すように、回折格子層１１ｂを含む第１の導波路部１０の断面構造は、図２Ａに示す構造において利得部１１ａを光導波層である回折格子層１１ｂに置き換え、ｐ側電極１３をマイクロヒータ１４に置き換え、コンタクト層１２ｅｂを削除し、ＳｉＮ保護膜１６に開口部１６ａが形成されていない構造を有している。

【0029】

回折格子層１１ｂは、利得部１１ａの近傍に設けられており、本実施形態では、導波路部１１の光の導波方向（ｚ方向）において、利得部１１ａに隣接して設けられている。回折格子層１１ｂは、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層にｚ方向に沿って標本化回折格子が形成され、回折格子の溝はＩｎＰで埋め込まれた構成を有する。回折格子層１１ｂにおいて回折格子の格子間隔は一定であるが標本化されており、これにより波長に対し略周期的な反射応答を示す。回折格子層１１ｂのｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層のバンドギャップ波長は利得部１１ａ、光増幅部１１ｃのバンドギャップ波長より短いことが好ましく、たとえば１．２μｍである。

【0030】

以上のように、第１の導波路部１０は埋込み導波路構造を有する。

【0031】

つぎに、図１に戻って、第２の導波路部２０について説明する。第２の導波路部２０は、２分岐部２１と、２つのアーム部２２、２３と、リング状導波路２４と、Ｔｉを含む抵抗ヒータであるマイクロヒータ２５とを備えている。

【0032】

２分岐部２１は、光が入出力する光入出力ポートと、光入出力ポートから入力された光が２分岐して出力される２つの分岐ポートとを有している。本実施形態では、２分岐部２１は、１×２型の多モード干渉型（ＭＭＩ）導波路を含む１×２型の分岐型導波路で構成されており、２つの分岐ポートが２つのアーム部２２、２３のそれぞれに接続されるとともに、光入出力ポートが第１の導波路部１０側に接続されている。２分岐部２１により、２つのアーム部２２、２３は、その一端が統合され、回折格子層１１ｂと光学的に結合される。

【0033】

アーム部２２、２３は、２分岐部２１からＹ字形状に延び、さらに互いに平行になるように形成されている。アーム部２２、２３は、リング状導波路２４を挟むように配置されている。アーム部２２、２３はリング状導波路２４と近接し、いずれも同一の結合係数κでリング状導波路２４と光学的に結合している。κの値はたとえば０．２である。アーム部２２、２３とリング状導波路２４とは、リング共振器フィルタＲＦ１を構成している。また、リング共振器フィルタＲＦ１と２分岐部２１とは、反射フィルタ素子としての反射ミラーＭ１を構成している。第２の屈折率変化器としてのマイクロヒータ２５はリング状であり、リング状導波路２４を覆うように形成されたＳｉＮ保護膜上に配置されている。

【0034】

また、アーム部２３には、Ｔｉを含むマイクロヒータ２６と、位相調整部２７とが設けられている。

【0035】

図２Ｃは、位相調整部２７を含むアーム部２３を、アーム部２３の延伸方向に垂直な面に沿って切断した断面図である。図２Ｃに示すように、アーム部２３は、基部Ｓ１上に、ｎ型ＩｎＰからなる下部クラッド層２０ａ、ＩｎＧａＡｓＰからなる光導波層２０ｂ、およびｐ型ＩｎＰからなる上部クラッド層２０ｃがこの順で積層して構成されたハイメサ導波路構造を有している。ＳｉＮ保護膜２０ｄはアーム部２３を覆うように形成されている。第３の屈折率変化器としてのマイクロヒータ２６はＳｉＮ保護膜２０ｄ上において、位相調整部２７に沿うように配置されている。なお、第２の導波路部２０のその他の構成要素である２分岐部２１、アーム部２２、リング状導波路２４も同様にハイメサ導波路構造を有しており、ＳｉＮ保護膜で覆われている。

【0036】

互いに光学的に接続された回折格子層１１ｂと反射ミラーＭ１とは、レーザ共振器Ｃ１を構成している。利得部１１ａはレーザ共振器Ｃ１内に配置される。位相調整部２７は反射ミラーＭ１の内部に設けられ、反射ミラーＭ１の特性を調整する。

【0037】

つぎに、回折格子層１１ｂと反射ミラーＭ１との反射特性について図３Ａ、３Ｂを用いて説明する。図３Ａ、３Ｂにおいて縦軸は反射率（Reflectance）を示している。回折格子層１１ｂは、図３Ａに凡例「ＳＧ」で曲線を示すように、略所定の波長間隔で略周期的な反射特性を有する第１の櫛状反射スペクトルを生成する。一方、反射ミラーＭ１は、図３Ａに凡例「Ｒｉｎｇ」で曲線を示すように、所定の波長間隔で周期的な反射特性を有する第２の櫛状反射スペクトルを生成する。図３Ｂは図３Ａの反射スペクトルの１５５０ｎｍ近傍を拡大して示した図である。図３Ｂにおいて、凡例「Ｍｏｄｅ」は、レーザ共振器Ｃ１の共振器モードを示している。共振器モードは少なくとも図３Ａに示す１５３０ｎｍ～１５７０ｎｍの波長範囲に亘って存在しているが、図面では一部のみ示している。図３Ａ、３Ｂに示すように、第２の櫛状反射スペクトルは、第１の櫛状反射スペクトルのスペクトル成分ＳＣ１の半値全幅よりも狭い半値全幅のピークＳＣ２を有し、第１の櫛状反射スペクトルの波長間隔とは異なる波長間隔で略周期的な反射特性を有する。但し、屈折率の波長分散を考慮すると、スペクトル成分は厳密には等波長間隔になっていないことに注意が必要である。

【0038】

各櫛状反射スペクトルの特性について例示すると、第１の櫛状反射スペクトルのピーク間の波長間隔（自由スペクトル領域：ＦＳＲ）は光の周波数で表すと３７３ＧＨｚであり、各ピークの半値全幅は光の周波数で表すと４３ＧＨｚである。また、第２の櫛状反射スペクトルのピーク間の波長間隔（ＦＳＲ）は光の周波数で表すと４００ＧＨｚであり、各ピークの半値全幅は光の周波数で表すと２５ＧＨｚである。

【0039】

また、第２の櫛状反射スペクトルのピークは波長に対して急峻に変化する形状を有しており、波長に対する反射率の２次微分がピークより短波長側および長波長側で正値をとる波長域がある。第２の櫛状反射スペクトルのピークは例えば二重指数分布（ラプラス分布）型の形状である。一方、第１の櫛状反射スペクトルのピークは、第２の櫛状反射スペクトルのピークに比して、波長に対して緩やかに変化する形状を有しており、波長に対する反射率の２次微分がピークに対して短波長側および長波長側で負値をとる波長域がある。第１の櫛状反射スペクトルのピークは例えばガウシャン型の形状である。

【0040】

波長可変レーザ素子１００において、レーザ発振を実現するために、第１の櫛状反射スペクトルのピークの一つと第２の櫛状反射スペクトルのピークの一つとを波長軸上で重ね合わせ可能に構成されている。図４は、第１の櫛状反射スペクトル、第２の櫛状反射スペクトルおよびその重なりを示す図である。凡例「Ｏｖｅｒｌａｐ」で示す曲線がスペクトルの重なりを示す。図４に示す例では、波長１５５０ｎｍにて重なりがもっとも大きくなる。

【0041】

なお、このような重ね合わせは、マイクロヒータ１４およびマイクロヒータ２５の少なくともいずれか一つを用いて、マイクロヒータ１４に電流を流して回折格子層１１ｂを加熱して熱光学効果によりその屈折率を変化させて第１の櫛状反射スペクトルを波長軸上で全体的に移動させる、および、マイクロヒータ２５に電流を流してリング状導波路２４を加熱してその屈折率を変化させて第２の櫛状反射スペクトルを波長軸上で全体的に移動させる、の少なくともいずれか一つを行うことにより、実現することができる。

【0042】

一方、波長可変レーザ素子１００において、図３Ｂにその一部を示すように、レーザ共振器Ｃ１による共振器モードが存在する。波長可変レーザ素子１００においては、共振器モードの間隔（縦モード間隔）は２５ＧＨｚ以下となるようにレーザ共振器Ｃ１の共振器長が設定されている。この設定の場合、レーザ共振器Ｃ１の共振器長は１８００μｍ以上となり、発振するレーザ光の狭線幅化が期待できる。

【0043】

波長可変レーザ素子１００は、ｎ側電極３０およびｐ側電極１３から利得部１１ａへ電流を注入し、発光させると、第１の櫛状反射スペクトルのスペクトル成分のピーク、第２の櫛状反射スペクトルのスペクトル成分のピーク、およびレーザ共振器の共振器モードの一つが一致した波長、たとえば１５５０ｎｍでレーザ発振し、回折格子層１１ｂの側からレーザ光を出力する。このレーザ光は、ｎ側電極３０およびｐ側電極１５から電流を注入されて半導体光増幅器として機能する光増幅部１１ｃによって光増幅され、レーザ光Ｌ１（図１参照）として出力する。なお、レーザ共振器Ｃ１の共振器モードの波長は、マイクロヒータ２６に電流を流して位相調整部２７を加熱してその屈折率を変化させて反射ミラーＭ１の特性を変化させ、その結果共振器モードの波長を波長軸上で全体的に移動させることにより微調整することができる。すなわち、位相調整部２７は、反射ミラーＭ１内で光の位相を調整することで反射ミラーＭ１の特性を変化させ、その結果レーザ共振器Ｃ１内でレーザ共振器Ｃ１の光路長を制御するための部分である。

【0044】

レーザ光の狭線幅化のために共振器長を長くすると、共振器モード間の間隔が狭くなっていくが、特に、第１の櫛状反射スペクトルのピークの半値全幅内に複数の共振器モードが存在するほどに共振器モードのモード間の間隔が狭くなると、通常の場合はレーザ発振させる共振器モードの選択が困難となってしまう。

【0045】

しかし、波長可変レーザ素子１００では、このように共振器モード間の間隔が狭い場合であっても、第１の櫛状反射スペクトルの半値全幅の広いピークの中に、これよりも半値全幅の狭い第２の櫛状反射スペクトルのピークを存在させることとなるため、共振器モードを選択する制御が容易となる。したがって、波長可変レーザ素子１００では、レーザ共振器Ｃ１は、共振器モードのモード間の間隔が、第１の櫛状反射スペクトルのピーク内に共振器モードが２本以上含まれるような長い共振器長に構成されていても、共振器モードを選択する制御が容易となる。

【0046】

さらに、第２の櫛状反射スペクトルのピークが二重指数分布型の形状であれば、第１の櫛状反射スペクトルのピークがガウシャン型の形状の場合に、第１の櫛状反射スペクトルのピークに対するピークの先鋭度を大きくすることができる。これにより、第１の櫛状反射スペクトルのピークの高さよりも第２の櫛状反射スペクトルのピークが突出して高くなり、第２の櫛状反射スペクトルのピークの反射率を、第１の櫛状反射スペクトルのピークの反射率よりも容易に高くできる。したがって、安定した単一モード発振をより容易に実現できる。

【0047】

つぎに、図３Ａ、３Ｂ、４、５を用いて、波長可変レーザ素子１００におけるレーザ発振波長の選択方法を説明する。波長可変レーザ素子１００では、バーニア効果を利用してレーザ発振波長の選択を行っている。

【0048】

図３Ａ、３Ｂ、４にも示すように、第１の櫛状反射スペクトルと第２の櫛状反射スペクトルとのＦＳＲは、わずかに異なるように設計されている。なお、ピークがより鋭い第２の櫛状反射スペクトルのＦＳＲの方を大きくすることで、スペクトルの重なりのピークが最も高い１５５０ｎｍに隣接する重なり（例えば、１５４７ｎｍ付近の重なり）のピークの高さが相対的に小さくなる。その結果、スペクトルの重なりのピークが最も高い波長に隣接する重なりのピークの波長でのレーザ発振が抑制されることとなるので、サイドモード抑圧比を高くできる。

【0049】

波長可変レーザ素子１００における可変波長範囲は、バーニア効果により、ＦＳＲの最小公倍数で決定される。第１の櫛状反射スペクトルのピークの一つと第２の櫛状反射スペクトルのピークの一つが重ね合わせられ、そのピークが一致した波長で反射率が最大となり、レーザ発振が起こる。つまり、回折格子層１１ｂと反射ミラーＭ１のバーニア効果により大まかなレーザ発振波長が決定される（スーパーモード）。より精密には、レーザ発振波長は、レーザ共振器Ｃ１内において、回折格子層１１ｂから、２分岐部２１、リング共振器フィルタＲＦ１のアーム部２２、２３のうちの一方、リング状導波路２４、アーム部２２、２３のうちの他方、２分岐部２１を順に経由して回折格子層１１ｂに帰還する経路（共振器長）で定義される共振器モードの波長とスーパーモードとの重なりで決定される。すなわち、重ね合わされた第１の櫛状反射スペクトルのピークと第２の櫛状反射スペクトルのピークの重なり領域に、レーザ共振器Ｃ１の共振器モードの一つを一致させ、その一致した共振器モードの波長でレーザ発振することとなる。したがって、波長可変レーザ素子１００では、回折格子層１１ｂに対するマイクロヒータ１４とリング共振器フィルタＲＦ１に対するマイクロヒータ２５とにより第１の櫛状反射スペクトルと第２の櫛状反射スペクトルとをそれぞれチューニングすることで粗調を行い、位相調整部２７に対するマイクロヒータ２６により共振器長をチューニングすることで微調を行う波長可変動作が実現される。

【0050】

図３Ａ、３Ｂに示す状態（第１の状態とする）では、第１の櫛状反射スペクトルと第２の櫛状反射スペクトルとは波長１５５０ｎｍで重なりが最も大きい（スーパーモード）。第１の状態ではレーザ発振波長は１５５０ｎｍ付近に粗調されている状態である。第１の状態で位相調整部２７をチューニングすることで共振器モードを微調することで、波長１５５０ｎｍでのレーザ発振を得ることができる。

【0051】

つぎに、レーザ発振波長を変更する場合は、リング共振器フィルタＲＦ１のチューニングを固定した状態で、回折格子層１１ｂのみマイクロヒータ１４で加熱する。すると、熱光学効果により回折格子層１１ｂの屈折率が上昇し、回折格子層１１ｂの反射スペクトル（第１の櫛状反射スペクトル）は、図５に矢印で示すように全体的に長波側にシフトする。その結果、１５５０ｎｍ付近の反射ミラーＭ１の反射スペクトル（第２の櫛状反射スペクトル）のピークとの重なりが解かれ、長波側に存在する別のピーク（１５５６ｎｍ付近）に重なる。これにより、別のスーパーモードへの遷移が実現する。さらに、位相調整部２７をチューニングして共振器モードを微調することで、１５５６ｎｍ付近でのレーザ発振を実現できる。なお、レーザ発振波長を短波側に変更する際は、回折格子層１１ｂのチューニングを固定し、反射ミラーＭ１のみマイクロヒータ２５で加熱して、反射ミラーＭ１の櫛状反射スペクトルを全体的に長波側にシフトさせればよい。

【0052】

波長可変レーザ素子１００では、波長可変動作を実現するために、マイクロヒータによる熱光学効果を利用しているが、波長可変動作を実現するために電流注入によるキャリアプラズマ効果も利用可能にするようにしてもよい。この場合は電流注入により屈折率が下がるため、櫛状反射スペクトルは全体的に短波側にシフトし、それまでスーパーモードが形成されていた波長より短波側に存在する別のスペクトル成分において重なりが生じ、新たなスーパーモードを形成することが可能である。

【0053】

なお、波長可変レーザ素子１００では、スーパーモードの遷移が行われた後、位相調整部２７をチューニングして共振器モードの微調整を行っている。ここで、共振器モードの間の間隔が狭く、回折格子層１１ｂの櫛状反射スペクトルのピークの半値全幅よりも狭い場合は、回折格子層１１ｂのピークの中に複数本の共振器モードが存在することも有りうる。しかし、波長可変レーザ素子１００では、反射ミラーＭ１の櫛状反射スペクトルのピークの半値全幅の方が、回折格子層１１ｂの櫛状反射スペクトルのピークの半値全幅よりも狭い。そのため、反射ミラーＭ１の櫛状反射スペクトルのピークに、複数本の共振器モードが競合する可能性は低く、一本のみの共振器モードを反射ミラーＭ１のピークに一致するように、位相調整部２７をチューニングして共振器モードの微調整を行うのは容易である。

【0054】

ここで、波長可変レーザ素子１００では、レーザ共振器Ｃ１内の光帰還は、回折格子層１１ｂから、２分岐部２１、アーム部２２、２３のうちの一方、リング状導波路２４、アーム部２２、２３のうちの他方、２分岐部２１を順に経由して回折格子層１１ｂに帰還する経路で行われ、かつ１回の光帰還中にリング状導波路２４内を周回する。なお、光帰還の光路として、時計周りの光路と反時計周りの光路の２つが存在する。これにより、光帰還長が長くなるので、実効的な共振器長を長くでき、レーザ光Ｌ１の狭線幅化を実現できる。

【0055】

このとき、位相調整部２７はアーム部２３に設けられているため、１回の光帰還中に、光は位相調整部２７を一方向にのみ通過する。そのため、１回の光帰還中に光が位相の調整を受ける光路長は、位相調整部２７における光路長に相当する。一方、たとえば特許文献１に記載の実施形態１の波長可変レーザ素子（以下、従来構造の波長可変レーザ素子と記載する）のように、位相調整部が第１の導波路部に配置されている場合は、１回の光帰還中に、光は位相調整部を往復する。そのため、１回の光帰還中に光が位相の調整を受ける光路長は、位相調整部における光路長の２倍に相当し、位相がより多く変化することとなる。なお、位相調整部が、１回の光帰還中に光が位相調整部を往復するような位置に設けられている場合は、同様に位相がより多く変化する。

【0056】

このため、位相調整のために位相調整部のマイクロヒータに与える電力Ｗと、これにより調整される光の位相量φとの関係は、たとえば図６に示す特性となる。ここで、線Ｘ１は従来構造の波長可変レーザ素子の特性を示し、線Ｘ２は波長可変レーザ素子１００の特性を示す。

【0057】

図６からわかるように、微少量の位相量Δφだけ光の位相を調整したい場合、従来構造の波長可変レーザ素子では、ΔＷ１のように微少量の電力の調整が必要となる。これに対して、波長可変レーザ素子１００では、ΔＷ１より大きいΔＷ２のような電力の調整量で、位相量Δφだけ調整を行うことができる。言い換えれば、波長可変レーザ素子１００では、位相調整部のマイクロヒータに与える電力の調整分解能に比して、より細かく位相量の調整ができる。

【0058】

このように、波長可変レーザ素子１００では、反射フィルタ素子としての反射ミラーＭ１内において、位相調整部２７がアーム部２３に設けられているため、光の位相を調整する場合、すなわちレーザ共振器Ｃ１の共振器長を調整する場合に、より微調整がしやすくなる。

【0059】

波長可変レーザ素子１００では、狭線幅化のために共振器長が長くされるので、縦モードの間隔が比較的狭い。そのため、波長可変レーザ素子１００が、より微調整がしやすい構成であることは、レーザ発振波長の正確な調整、または調整のためのマイクロヒータ（第３の屈折率変化器）の制御を容易にするために効果的である。

【0060】

また、波長可変レーザ素子１００では、位相調整部２７が設けられたアーム部２３がハイメサ導波路構造を有しているため、マイクロヒータ２６からの熱が光導波層２０ｂに効率的かつ早く到達するため、レーザ発振波長の制御上好ましい。

【0061】

以上説明したように、波長可変レーザ素子１００は、位相の微調整がしやすい反射ミラーＭ１を備えているため、レーザ発振波長をより正確に調整でき、また調整のための制御を容易にできる。

【0062】

なお、特許文献１の波長可変レーザ素子では、位相調整部と利得部とが隣接しているので、利得部の動作により発生する熱が位相調整部に伝達する。その結果、位相調整部のマイクロヒータに、所望の位相調整のために必要な熱量を加えても、利得部から伝達してきた熱が干渉して、所望の位相調整を実現しにくい。これに対して、波長可変レーザ素子１００は、位相調整部２７およびマイクロヒータ２６が、アーム部２３における利得部１１ａから離間した位置に配置されているので、特許文献１の波長可変レーザ素子の構成に比べて、利得部１１ａが発生する熱の干渉が防がれ、所望の位相調整をより一層容易に実現できる。

【0063】

また、波長可変レーザ素子１００は、たとえば特許文献１に記載の従来構造の波長可変レーザ素子と同様な方法で製造できる。また、第１の導波路部１０と第２の導波路部２０との接続部は、互いに異なる導波路構造の接続部であるため、たとえば特許文献２に開示される光導波構造を採用し、損失が少なく、製造誤差に対するトレランスが高いものとすることが好ましい。これにより、２分岐部２１の光入出力ポート側は、回折格子層１１ｂを有する導波路構造（埋込み導波路構造）に対して、光の導波モードを略同等にした状態で光学的に結合される。ここで、光の導波モードを略同じにした状態とは、２つの導波路構造の間の接続損失の低減を目的として、導波する光のスポットサイズを変換し、光の導波モードを近づけるように設計された状態を意味するものであり、導波モードが同じ場合だけでなく、接続損失が所望値以下に低減される程度に相違がある場合も含まれる。なお、特許文献１に対応するUS Patent Application NO. 15/708,994はここにその全ての開示において挿入されているものとする（US Patent Application NO. 15/708,994 are hereby incorporated by reference in their entireties.）。

【0064】

第１の導波路部１０と第２の導波路部２０との接続部の光導波路構造（以下、接続光導波路構造と適宜記載する）は、特許文献２に開示される光導波構造と同様に、第１部と、第２部と、第３部と、第４部と、を備えている。これらの導波路は、長手方向（光導波方向）において、第１部、第３部、第４部、第２部の順に配列している。

【0065】

第１部は、埋込み導波路構造を有する、利得部１１ａを含む第１の導波路部１０の部分である。

【0066】

第２部は、２つのハイメサ導波路構造である、２分岐部２１の２つの分岐ポートおよび２つのアーム部２２、２３の部分である。

【0067】

第３部は、埋め込み導波路構造を含むメサストライプ構造を有する、利得部１１ａを含む第１の導波路部１０の部分である。すなわち、第３部は、埋め込み導波路構造がメサストライプ形状となっている部分である。

【0068】

第３部の埋め込み導波路構造における幅方向の光の閉じ込めは、主に埋め込み構造の部分により規定され、メサストライプ構造の幅方向両側に存在する媒質の光閉じ込めへの影響は無視できるほど小さくなるように、第３部の設計がなされている。

【0069】

第４部は、ハイメサ導波路構造を有する、２分岐部２１の光入出力ポートと２つの分岐ポートとの間の部分、すなわちＭＭＩ導波路の部分である。

【0070】

第２部の各ハイメサ導波路構造および第４部のハイメサ導波路構造の幅方向両側は、光導波層よりも屈折率が低い材料、たとえばＳｉＯ_２、空気、ポリイミドなどが存在する。

【0071】

第４部は、第２部の２つのハイメサ導波路構造と、第３部の埋め込み導波路構造とを光学的に接続する。具体的には、第４部のハイメサ導波路構造の、第３部の埋め込み導波路構造との接続端における導波路幅は、第３部の埋め込み導波路構造の導波路幅（利得部１１ａの幅）よりも広くなっている。なお、第１部の埋め込み導波路構造の導波路幅は第３部の埋め込み導波路構造の導波路幅と同じである。また、第４部のハイメサ導波路構造の、第２部の２つのハイメサ導波路構造との接続端における導波路幅は、２つのハイメサ導波路構造の導波路幅の合計よりも広い。そして、第４部のハイメサ導波路構造の一方の端部において第４部の光導波層が第２部の２つの光導波層と接続し、第４部のハイメサ導波路構造の他方の端部において光導波層が第３部の利得部１１ａと接続することにより、第４部のハイメサ導波路構造と第３部の埋め込み導波路構造とが光学的に接続される。

【0072】

また、この接続光導波路構造において、第３部のメサストライプ構造の幅は、第４部のハイメサ導波路構造の導波路幅と等しい。その構造において、第４部が第３部と接続することにより、ハイメサ導波路構造から埋め込み導波路構造へと遷移する。

【0073】

この接続光導波路構造は、第１部から入力された光を、第４部によりマルチモードで導波し、かつ第２部の２つのハイメサ導波路構造のそれぞれとの接続部に光のスポットを結像させ、２分岐して出力するように動作する。また、この接続光導波路構造は、第２部の２つのハイメサ導波路構造のそれぞれから入力された光を、第４部によりマルチモードで導波し、合波して第３部の埋め込み導波路構造との接続部に光のスポットを結像させ、第１部から出力するように動作する。

【0074】

この接続光導波路構造は、上記構造を有することにより、製造誤差等により、第４部のハイメサ導波路構造の光導波層の長手方向に垂直な方向（幅方向）における中心軸と、第３部の埋め込み導波路構造の利得部１１ａの幅方向における中心軸および第１部の埋め込み導波路構造の利得部１１ａの幅方向における中心軸とが、幅方向で位置ずれしてしまったとしても、この位置ずれにより発生する過剰損失を小さくすることができる。すなわち、この接続光導波路構造は、異なる導波路構造の接続部における損失が少なく、製造誤差に対するトレランスが高いものである。

【0075】

（実施形態２）
つぎに、実施形態２について説明する。本実施形態２では、第２の導波路部がシリコン（Ｓｉ）フォトニクス導波路からなるなど点で実施形態１と異なる。

【0076】

図７は、実施形態２に係る波長可変レーザ素子の模式的な斜視図である。波長可変レーザ素子２００は、１．５５μｍ帯でレーザ発振し、レーザ光を出力するように構成されている。波長可変レーザ素子２００は、第１の導波路部２１０と第２の導波路部２２０とを備えている。

【0077】

第１の導波路部２１０は、導波路部２１１と、半導体積層部２１２と、ｎ側電極２１３と、マイクロヒータ２１４とを備えている。導波路部２１１は、半導体積層部２１２内にｚ方向に延伸するように形成されている。第１の導波路部２１０内には、利得部２１１ａとＤＢＲ型の回折格子層２１１ｂとが配置されている。半導体積層部２１２は、半導体層が積層して構成されており、導波路部２１１に対してクラッド部の機能等を備える。利得部２１１ａは、実施形態１における利得部１１ａと同一の材料からなる多重量子井戸構造と光閉じ込め層とを有する。また、回折格子層２１１ｂは、実施形態１における回折格子層１１ｂと同一の材料からなる標本化回折格子で構成されている。また、半導体積層部２１２は、利得部２１１ａが含まれる部分においては、実施形態１における半導体積層部１２の利得部１１ａが含まれる部分と同様の材料、構造からなるが、ｙ方向において利得部２１１ａを挟んでｐ型半導体層とｎ型半導体層との位置が逆転した積層構造を有する点とで異なる。また、半導体積層部２１２は、回折格子層２１１ｂが含まれる部分においては、実施形態１における半導体積層部１２の回折格子層１１ｂが含まれる部分と同様の材料、構造からなるが、ｙ方向において回折格子層２１１ｂを挟んでｐ型半導体層とｎ型半導体層との位置が逆転した積層構造を有する点とで異なる。第１の導波路部２１０は埋込み導波路構造を有する。

【0078】

ｎ側電極２１３は、半導体積層部２１２上において、利得部２１１ａに沿うように配置されている。なお、半導体積層部２１２にはＳｉＮ保護膜が形成されており、ｎ側電極２１３はＳｉＮ保護膜に形成された開口部を介して半導体積層部２１２に接触している。第１の屈折率変化器としてのマイクロヒータ２１４は、半導体積層部２１２のＳｉＮ保護膜上において、回折格子層２１１ｂに沿うように配置されている。また、半導体積層部２１２のｎ側電極２１３が形成された面と反対側の面には、不図示のｐ側電極が形成されている。

【0079】

つぎに、第２の導波路部２２０について説明する。第２の導波路部２２０は、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板Ｓ２で構成されている。第２の導波路部２２０は、２分岐部２２１と、アーム部２２２、２２３と、リング状導波路２２４と、マイクロヒータ２２５と、ＳｉＯ_２からなるオーバークラッド層２３０とを備えている。また、アーム部２２３には、マイクロヒータ２２６と、位相調整部２２７とが設けられている。

【0080】

２分岐部２２１は、光が入出力する光入出力ポートと、光入出力ポートから入力された光が２分岐して出力される２つの分岐ポートとを有している。本実施形態では、２分岐部２２１は、１×２型のＭＭＩ導波路を含む１×２型の分岐型導波路で構成されており、２つの分岐ポートが２つのアーム部２２２、２２３のそれぞれに接続されるとともに、光入出力ポートが第１の導波路部２１０側に接続されている。２分岐部２２１により、２つのアーム部２２２、２２３は、その一端が統合され、回折格子層２１１ｂと光学的に結合される。２分岐部２２１の光入出力ポート側には、第１の導波路部２１０に向かって幅が細くなるテーパ部が形成されている。テーパ部の外周には、ＳｉＯ_２より屈折率の高い、たとえばＳｉＮからなるオーバークラッド層が形成されており、スポットサイズ変換器構造となっている。

【0081】

アーム部２２２、２２３は、２分岐部２２１からＹ字形状に延び、さらに互いに平行になるように形成されている。アーム部２２２、２２３は、リング状導波路２２４を挟むように配置されている。アーム部２２２、２２３はリング状導波路２２４と近接し、いずれも同一の結合係数κでリング状導波路２２４と光学的に結合している。アーム部２２２、２２３とリング状導波路２２４とは、リング共振器フィルタＲＦ２を構成している。また、リング共振器フィルタＲＦ２と２分岐部２２１とは、反射フィルタ素子としての反射ミラーＭ２を構成している。第２の屈折率変化器としてのマイクロヒータ２２５はリング状であり、オーバークラッド層２３０上でリング状導波路２２４の直上に配置されている。また、第３の屈折率変化器としてのマイクロヒータ２２６は、オーバークラッド層２３０上に位相調整部２２７に沿って配置されている。

【0082】

アーム部２２２は、ＳＯＩ基板Ｓ２のＳｉの支持基板からなる支持層と、支持層上に位置するＳｉＯ_２からなるＢＯＸ（Buried OXide）層とで構成された下層と、ＢＯＸ層上に位置するＳｉからなるデバイス層と、からなるハイメサ導波路構造を有する。デバイス層が光導波層として機能し、ハイメサ導波路構造はオーバークラッド層２３０で覆われている。なお、第２の導波路部２２０のその他の構成要素である２分岐部２２１、アーム部２２３、リング状導波路２２４も同様にハイメサ導波路構造を有している。

【0083】

また、第１の導波路部２１０は、ゲインチップとして公知の方法で別途作製され、第２の導波路部２２０を構成するＳＯＩ基板Ｓ２においてデバイス層とＢＯＸ層と支持基板の一部とが除去されることにより形成された凹部ＣＣに実装されている。このとき、第１の導波路部２１０の利得部２１１ａと、第２の導波路部２２０の２分岐部２２１の光入出力ポートとはバットジョイント接続されている。

【0084】

互いに光学的に接続された回折格子層２１１ｂと反射ミラーＭ２とは、レーザ共振器Ｃ２を構成している。利得部２１１ａはレーザ共振器Ｃ２内に配置され、位相調整部２２７は反射ミラーＭ２内に配置されている。

【0085】

この波長可変レーザ素子２００においても、実施形態１、２と同様に、回折格子層２１１ｂは、略所定の波長間隔で略周期的な反射特性を有する第１の櫛状反射スペクトルを生成する。また、反射ミラーＭ２は、第１の櫛状反射スペクトルのスペクトル成分の半値全幅よりも狭い半値全幅のピークを有し、第１の櫛状反射スペクトルの波長間隔とは異なる波長間隔で略周期的な反射特性を有する第２の櫛状反射スペクトルを生成する。そして、第１の櫛状反射スペクトルのピーク、第２の櫛状反射スペクトルのピーク、およびレーザ共振器Ｃ２の共振器モードの一つが一致した波長でレーザ発振する。また、レーザ共振器Ｃ２の共振器モードのモード間の間隔が、第１の櫛状反射スペクトルのスペクトル成分の半値全幅よりも狭い。さらには、レーザ共振器Ｃ２内の光帰還は、回折格子層２１１ｂから、２分岐部２２１、リング共振器フィルタＲＦ２のアーム部２２２、２２３のうちの一方、リング状導波路２２４、アーム部２２２、２２３のうちの他方、２分岐部２２１を順に経由して回折格子層２１１ｂに帰還する経路で行われ、かつ１回の光帰還中にリング状導波路２２４内を周回する。これにより、波長可変レーザ素子２００によれば、光帰還長が長くなるので、実効的なレーザ光の狭線幅化が可能となる。また、実施形態１と同様に、安定した単一モード発振を実現できる。

【0086】

また、波長可変レーザ素子２００においても、レーザ発振波長については、実施形態１の場合と同様に、回折格子層２１１ｂに対するマイクロヒータ２１４とリング状導波路２２４に対するマイクロヒータ２２５とにより第１の櫛状反射スペクトルと第２の櫛状反射スペクトルとをそれぞれチューニングすることで粗調、位相調整部２２７に対するマイクロヒータ２２６により共振器長をチューニングすることで微調を行うことにより、波長可変動作が実現される。

【0087】

波長可変レーザ素子２００によれば、実施形態１と同様に、レーザ光の狭線幅化および安定した単一モード発振を実現できる。さらに、波長可変レーザ素子２００は、第２の導波路部２２０がＳｉフォトニクス導波路で構成されている。Ｓｉフォトニクス導波路は、導波路閉じ込めが強いため曲げに強い。したがって、直径の小さなリング状導波路２２４を容易に実現できる。これにより、ＦＳＲの大きいリング状導波路２２４が実現でき、リング共振器フィルタＲＦ２の設計自由度が向上するということを意味する。これにより、波長可変レーザ素子２００によれば、フットプリントが小さくコンパクトであり、且つサイドモード抑圧比の高いレーザ光を出力することができる。

【0088】

さらに、波長可変レーザ素子２００では、反射フィルタ素子としての反射ミラーＭ２内において、位相調整部２２７がアーム部２２３に設けられているため、光の位相を調整する場合、すなわちレーザ共振器Ｃ２の共振器長を調整する場合に、より微調整がしやすくなる。そして、レーザ発振波長の正確な調整、または調整のためのマイクロヒータ２２６の制御を容易にするために効果的である。

【0089】

以上説明したように、波長可変レーザ素子２００は、位相の微調整がしやすい反射ミラーＭ２を備えているため、レーザ発振波長をより正確に調整でき、また調整のための制御を容易にできる。

【0090】

なお、波長可変レーザ素子２００は、たとえば特許文献１の実施形態３の波長可変レーザ素子と同様な方法で製造できる。

【0091】

（実施形態３）
つぎに、実施形態３について説明する。本実施形態３でも、実施形態２と同様に第２の導波路部がシリコンフォトニクス導波路からなるが、第２の導波路部に回折格子が設けられる点と、第１の導波路部がＵ字形状の導波路を備える点などで実施形態３と異なる。

【0092】

図８は、実施形態３に係る波長可変レーザ素子の模式な斜視図である。波長可変レーザ素子３００は、１．５５μｍ帯でレーザ発振し、レーザ光を出力するように構成されている。波長可変レーザ素子３００は、第１の導波路部３１０と第２の導波路部３２０とを備えている。

【0093】

第１の導波路部３１０は、導波路部３１１と、半導体積層部３１２と、ｎ側電極３１３とを備えている。導波路部３１１は、半導体積層部３１２内においてその一部がｚ方向に延伸するようなＵ字形状に形成されている。第１の導波路部３１０内には、利得部３１１ａと光導波層３１１ｂとが配置されている。半導体積層部３１２は、半導体層が積層して構成されており、導波路部３１１に対してクラッド部の機能等を備える。利得部３１１ａは、ｚ方向に延伸しており、実施形態１における利得部１１ａと同一の材料からなる多重量子井戸構造を有する。また、光導波層３１１ｂは、ＩｎＧａＡｓＰからなる光導波層である。光導波層３１１ｂでの光損失を低減し、光を効果的に閉じ込めるために、光導波層３１１ｂのバンドギャップ波長は利得部３１１ａのバンドギャップ波長より短いことが好ましく、たとえば１．３μｍ以下である。光導波層３１１ｂは、利得部３１１ａとともにＵ字形状を形成している。また、半導体積層部３１２は、利得部３１１ａが含まれる部分においては、実施形態１における半導体積層部１２の利得部１１ａが含まれる部分と同様の材料、構造からなるが、ｙ方向において利得部３１１ａを挟んでｐ型半導体層とｎ型半導体層との位置が逆転した積層構造を有する点とで異なる。また、半導体積層部３１２は、光導波層３１１ｂが含まれる部分においては、実施形態１における半導体積層部１２の回折格子層１１ｂが含まれる部分と同様の材料、構造からなるが、ｙ方向において利得部３１１ａを挟んでｐ型半導体層とｎ型半導体層との位置が逆転した積層構造を有する点とで異なる。第１の導波路部３１０は埋込み導波路構造を有する。

【0094】

ｎ側電極３１３は、半導体積層部３１２上において、利得部３１１ａに沿うように配置されている。なお、半導体積層部３１２には半導体積層部３１２を覆うようにＳｉＮ保護膜が形成されており、ｎ側電極３１３はＳｉＮ保護膜に形成された開口部を介して半導体積層部３１２に接触している。また、半導体積層部３１２のｎ側電極３１３が形成された面と反対側の面には、不図示のｐ側電極が形成されている。

【0095】

つぎに、第２の導波路部３２０について説明する。第２の導波路部３２０は、ＳＯＩ基板で構成されている。第２の導波路部３２０は、２分岐部３２１と、アーム部３２２、３２３と、リング状導波路３２４と、マイクロヒータ３２５、３３３と、ＳｉＯ_２からなるオーバークラッド層３３０と、導波路部３３１と、回折格子部３３２と、を備えている。また、アーム部３２３には、マイクロヒータ３２６と、位相調整部３２７とが設けられている。

【0096】

２分岐部３２１は、光が入出力する光入出力ポートと、光入出力ポートから入力された光が２分岐して出力される２つの分岐ポートとを有している。本実施形態では、２分岐部３２１は、１×２型のＭＭＩ導波路を含む１×２型の分岐型導波路で構成されており、２つの分岐ポートが２つのアーム部３２２、３２３のそれぞれに接続されるとともに、光入出力ポートが第１の導波路部３１０側に接続されている。２分岐部３２１により、２つのアーム部３２２、３２３は、その一端が統合され、回折格子部３３２と光学的に結合される。２分岐部３２１の光入出力ポート側には、第１の導波路部３１０に向かって幅が細くなるテーパ部が形成されている。テーパ部の外周には、ＳｉＯ_２より屈折率の高い、たとえばＳｉＮからなるオーバークラッド層が形成されており、スポットサイズ変換器構造となっている。

【0097】

アーム部３２２、３２３は、２分岐部３２１からＹ字形状に延び、さらに互いに平行になるように形成されている。アーム部３２２、３２３は、リング状導波路３２４を挟むように配置されている。アーム部３２２、３２３はリング状導波路３２４と近接し、いずれも同一の結合係数κでリング状導波路３２４と光学的に結合している。アーム部３２２、３２３とリング状導波路３２４とは、リング共振器フィルタＲＦ３を構成している。また、リング共振器フィルタＲＦ３と２分岐部３２１とは、反射ミラーＭ３を構成している。第２の屈折率変化器としてのマイクロヒータ３２５はリング状であり、オーバークラッド層３３０上のリング状導波路３２４の直上に配置されている。

【0098】

導波路部３３１は、ｚ方向に延伸する導波路であり、一端が第１の導波路部３１０の光導波層３１１ｂ側に接続されており、他の一端が回折格子部３３２に接続されている。第１の屈折率変化器としてのマイクロヒータ３３３は、オーバークラッド層３３０上において回折格子部３３２に沿うように配置されている。

【0099】

なお、第２の導波路部３２０の構成要素である２分岐部３２１、アーム部３２２、３２３、リング状導波路３２４、位相調整部３２７、導波路部３３１、回折格子部３３２は、実施形態２の対応する要素と同様のハイメサ導波路構造を有している。なお、回折格子部３３２は、光導波層として機能するデバイス層にｚ方向に沿って標本化回折格子が形成され、回折格子の溝はオーバークラッド層３３０のＳｉＯ_２で埋め込まれた構成を有する。

【0100】

また、第１の導波路部３１０は、ゲインチップとして公知の方法で別途作製され、第２の導波路部３２０を構成するＳＯＩ基板においてデバイス層とＢＯＸ層と支持基板の一部とが除去されることにより形成された凹部ＣＣに実装されている。このとき、第１の導波路部３１０の利得部３１１ａと第２の導波路部３２０の２分岐部３２１の光入出力ポート側とがバットジョイント接続され、かつ第１の導波路部３１０の光導波層３１１ｂと第２の導波路部３２０の導波路部３３１とがバットジョイント接続されている。なお、実施形態２の場合と同様に、第２の導波路部３２０の２分岐部３２１の１ポート側は、第１の導波路部３１０に向かって幅が細くなるテーパ部とされ、その外周にたとえばＳｉＮからなるオーバークラッド層が形成され、スポットサイズ変換器構造となっていることが好ましい。

【0101】

互いに光学的に接続された回折格子部３３２と反射ミラーＭ３とは、レーザ共振器Ｃ３を構成している。利得部３１１ａはレーザ共振器Ｃ３内に配置され、位相調整部３２７は反射ミラーＭ３内に配置されている。

【0102】

この波長可変レーザ素子３００においても、実施形態１、２と同様に、回折格子部３３２は、略所定の波長間隔で略周期的な反射特性を有する第１の櫛状反射スペクトルを生成する。また、反射ミラーＭ３は、第１の櫛状反射スペクトルのピークの半値全幅よりも狭い半値全幅のピークを有し、第１の櫛状反射スペクトルの波長間隔とは異なる波長間隔で略周期的な反射特性を有する第２の櫛状反射スペクトルを生成する。そして、第１の櫛状反射スペクトルのピーク、第２の櫛状反射スペクトルのピーク、およびレーザ共振器Ｃ３の共振器モードの一つが一致した波長でレーザ発振する。また、レーザ共振器Ｃ３の共振器モードのモード間の間隔が、第１の櫛状反射スペクトルのスペクトル成分の半値全幅よりも狭い。さらには、レーザ共振器Ｃ３内の光帰還は、回折格子部３３２から、２分岐部３２１、リング共振器フィルタＲＦ３のアーム部３２２、３２３のうちの一方、リング状導波路３２４、アーム部３２２、３２３のうちの他方、２分岐部３２１を順に経由して回折格子部３３２に帰還する経路で行われ、かつ１回の光帰還中にリング状導波路３２４内を周回する。これにより、実施形態１、２と同様に、本実施形態３に係る波長可変レーザ素子３００によれば、レーザ光の狭線幅化および安定した単一モード発振を実現できる。

【0103】

また、波長可変レーザ素子３００においても、レーザ発振波長については、実施形態１、２の場合と同様に、回折格子部３３２に対するマイクロヒータ３３３とリング共振器フィルタＲＦ３に対するマイクロヒータ３２５とにより第１の櫛状反射スペクトルと第２の櫛状反射スペクトルとをそれぞれチューニングすることで粗調、位相調整部３２７に対する第３の屈折率変化器としてのマイクロヒータ３２６により共振器長をチューニングすることで微調を行うことにより、波長可変動作が実現される。

【0104】

波長可変レーザ素子３００も、実施形態２に係る波長可変レーザ素子２００と同様にして製造できる。すなわち、ＳＯＩ基板を用いて第２の導波路部３２０に関連する部分を作製し、その凹部ＣＣに、別途作製した第１の導波路部３１０をフリップチップボンディングにより実装する。これにより波長可変レーザ素子３００が完成する。

【0105】

本実施形態３に係る波長可変レーザ素子３００によれば、実施形態１、２と同様に、レーザ光の狭線幅化および安定した単一モード発振を実現できるとともに、実施形態２と同様に、フットプリントが小さくコンパクトであり、且つサイドモード抑圧比の高いレーザ光を出力することができる。

【0106】

さらに、波長可変レーザ素子３００では、反射フィルタ素子としての反射ミラーＭ３内において、位相調整部３２７がアーム部３２３に設けられているため、光の位相を調整する場合に、より微調整がしやすくなる。そして、レーザ発振波長の正確な調整、または調整のためのマイクロヒータ３２６の制御を容易にするために効果的である。

【0107】

以上説明したように、波長可変レーザ素子３００は、位相の微調整がしやすい反射ミラーＭ３を備えているため、レーザ発振波長をより正確に調整でき、また調整のための制御を容易にできる。

【0108】

（実施の形態４）
つぎに、実施の形態４に係るレーザモジュールについて説明する。図９は、本実施形態４に係るレーザモジュールの模式図である。レーザモジュール１０００は、実施形態１に係る波長可変レーザ素子１００と、コリメートレンズ１００１と、光アイソレータ１００２と、ビームスプリッタ１００３と、集光レンズ１００５と、光ファイバ１００６と、受光素子としてのパワーモニタＰＤ（Photo Diode）１００９と、エタロンフィルタ１０１０と、パワーモニタＰＤ１０１１と、を備えている。また、波長可変レーザ素子１００は、波長可変レーザ素子１００の温度を調節するための不図示の電子冷却素子に載置されている。波長可変レーザ素子１００、パワーモニタＰＤ１００９、１０１１および電子冷却素子は外部の制御部に接続されている。

【0109】

波長可変レーザ素子１００は、制御部から駆動電流を供給され、制御部によりマイクロヒータ１４、２５、２６を制御することにより調整された回折格子層１１ｂ、リング共振器フィルタＲＦ１、位相調整部２７などの条件で決定される波長のレーザ光を光増幅部１１ｃにて所望の出力強度まで増幅してレーザ光Ｌ２として出力する。コリメートレンズ１００１は、波長可変レーザ素子１００から出力されたレーザ光Ｌ２を平行光線とする。光アイソレータ１００２は、コリメートレンズ１００１による平行光線とされたレーザ光Ｌ２を一方向のみに透過する。ビームスプリッタ１００３は、光アイソレータ１００２を透過したレーザ光Ｌ２の大部分を透過しつつ一部をパワーモニタＰＤ１００９側に分岐する。パワーモニタＰＤ１００９は、ビームスプリッタ１００８により分岐されたレーザ光Ｌ２の一部を受光し、その受光強度に応じた値の電流を出力する。エタロンフィルタ１０１０は、多重干渉の次数に応じて周期的に変化するピークを有する透過波長特性を有しており、ビームスプリッタ１００８を透過したレーザ光Ｌ２をレーザ光Ｌ２の波長における透過波長特性に応じた透過率で透過する。エタロンフィルタ１０１０の周期はたとえば光の周波数で５０ＧＨｚである。パワーモニタＰＤ１０１１は、エタロンフィルタ１０１０を透過したレーザ光Ｌ２を受光し、その受光強度に応じた値の電流を出力する。集光レンズ１００５は、ビームスプリッタ１００３を透過したレーザ光Ｌ２を集光して光ファイバ１００６に結合する。光ファイバ１００６は結合されたレーザ光Ｌ２を外部に伝搬する。レーザ光Ｌ２はたとえば光ファイバ通信用の信号光として使用される。エタロンフィルタ１０１０はバルクのものを使用しているが、それに代えて、導波路型のフィルタを用いることもできる。

【0110】

このレーザモジュール１０００によれば、波長可変レーザ素子１００を備えることで、レーザ光Ｌ２の狭線幅化および安定した単一モード発振を実現し、レーザ光Ｌ２をより高いパワーで出力し、さらにレーザ発振波長の正確な調整や容易な制御ができる。さらに、パワーモニタＰＤ１００９、１０１１から出力される電流をモニタすることにより受光強度をモニタし、制御部による波長ロック制御を行うことができる。

【0111】

具体的には、波長ロック制御では、制御部は、パワーモニタＰＤ１００９によってモニタされたレーザ光の強度と、パワーモニタＰＤ１０１１によってモニタされた、エタロンフィルタ１０１０透過後のレーザ光の強度との比が、レーザ光Ｌ２の波長が所望の波長になるときの比になるように、波長可変レーザ素子１００Ａの駆動電流と温度とを変化させる制御をする。これにより、レーザ光Ｌ２の波長を所望の波長（ロック波長）に制御することができる。

【0112】

なお、上記実施形態１、２では、第１の導波路部において、回折格子層は、導波路部の光の導波方向において利得部に隣接して設けられている。しかしながら、本発明はこれに限られず、回折格子層を、第１の導波路部における半導体層の積層方向（ｙ方向）において利得部の近傍に利得部に沿って設け、ＤＦＢ（Distributed FeedBack）型のレーザ構造を構成してもよい。

【0113】

また、上記実施形態１～３では、２つのアーム部の一方に位相調整部が設けられている。しかながら、本発明はこれに限られず、２つのアーム部の両方に位相調整部を設け、一つ当たりの位相調整部の長さを、実施形態１～３の場合より短くしてもよい。この場合も、１回の光帰還中に、光は一つの位相調整部を一方向にのみ通過するので、本発明の効果を得られるとともに、必要な位相調整量を与えるための位相調整部およびアーム部の長さをより短くできる。

【0114】

また、上記実施形態２、３の第１の導波路部であるゲインチップは、上述したものに限定されない。たとえば、ＩｎＰまたはＧａＡｓ基板上に量子井戸構造または量子ドット構造を有するものであってもよい。量子井戸構造を構成する化合物半導体材料としては、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＮ、ＡｌＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓなどのＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体を使用できる。また、量子ドット構造を構成する化合物半導体材料としては、ＩｎＡｓ、ＩｎＧａＡ、またはその他のＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体を使用できる。

【0115】

また、上記実施形態では、回折格子は標本化回折格子であるが、回折格子の種類はこれに限られず、超構造回折格子（Superstructure Grating）や重畳回折格子（Superimposed Grating）でもよい。

【0116】

また、上記実施形態では、アーム部はリング状導波路と近接することでリング状導波路と光学的に結合しているが、ハイメサ導波路構造のＭＭＩ導波路や、方向性結合型の導波路によって、アーム部とリング状導波路とを光学的に結合してもよい。

【0117】

また、上記実施形態により本発明が限定されるものではない。上述した各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。

【符号の説明】

【0118】

１０、２１０、３１０ 第１の導波路部
１１、２１１、３１１、３３１ 導波路部
１１ａ、２１１ａ、３１１ａ 利得部
１１ｂ、２１１ｂ 回折格子層
１１ｃ 光増幅部
１２、２１２、３１２ 半導体積層部
１２ａ ｎ型半導体層
１２ｂ スペーサ層
１２ｃ ｐ型ＩｎＰ埋め込み層
１２ｄ ｎ型ＩｎＰ電流ブロッキング層
１２ｅ ｐ型半導体層
１２ｅａスペーサ層
１２ｅｂ コンタクト層
１３、１５ ｐ側電極
１４、２５、２６、２１４、２２５、２２６、３２５、３２６、３３３ マイクロヒータ
１６、２２ｄ ＳｉＮ保護膜
１６ａ 開口部
２０、２２０、３２０ 第２の導波路部
２２、２３、２２２、２２３、３２２、３２３ アーム部
２２ａ 下部クラッド層
２２ｂ、３１１ｂ 光導波層
２２ｃ 上部クラッド層
２４、２２４、３２４ リング状導波路
２７、２２７、３２７ 位相調整部
３０、２１３、３１３ ｎ側電極
１００、２００、３００ 波長可変レーザ素子
２３０、３３０ オーバークラッド層
３３２ 回折格子部
Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３ レーザ共振器
ＣＣ 凹部
Ｌ１ レーザ光
Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３ 反射ミラー
ＲＦ１、ＲＦ２、ＲＦ３ リング共振器フィルタ
Ｓ１ 基部
Ｓ２ ＳＯＩ基板

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図2C】

【図3A】

【図3B】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】