半導体波長可変フィルタ及び半導体波長可変レーザ
【課題】従来よりも広い波長可変帯域を有し、かつ、正確な発振波長制御が簡便な半導体波長可変レーザを提供すること。
【解決手段】半導体波長可変レーザ４００のフィルタ領域４２０は、第１のＭＺＩ４２１と第２のＭＺＩ４２２を並列配置し、２×２光カプラ４２３の２つの出力ポートに各々接続している。各ＭＺＩは、２つの２×２光カプラの間に、同一構造の２本のアーム導波路を有する対称ＭＺＩである。各アーム導波路は、一方の２×２光カプラの出力ポートに接続された第１のミラーと、第１のミラーと所定の長さ（第１のＭＺＩ４２１では第１の長さＬ１、第２のＭＺＩ４２２では第２の長さＬ２）の光導波路により接続され、他方の２×２光カプラの入力ポートに接続された第２のミラーとを有するファブリペローエタロンを備える。当該他方の２×２光カプラの出力ポートには、反射率９０％以上の高反射ミラー４２４、４２５が設けられている。
【解決手段】半導体波長可変レーザ４００のフィルタ領域４２０は、第１のＭＺＩ４２１と第２のＭＺＩ４２２を並列配置し、２×２光カプラ４２３の２つの出力ポートに各々接続している。各ＭＺＩは、２つの２×２光カプラの間に、同一構造の２本のアーム導波路を有する対称ＭＺＩである。各アーム導波路は、一方の２×２光カプラの出力ポートに接続された第１のミラーと、第１のミラーと所定の長さ（第１のＭＺＩ４２１では第１の長さＬ１、第２のＭＺＩ４２２では第２の長さＬ２）の光導波路により接続され、他方の２×２光カプラの入力ポートに接続された第２のミラーとを有するファブリペローエタロンを備える。当該他方の２×２光カプラの出力ポートには、反射率９０％以上の高反射ミラー４２４、４２５が設けられている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体波長可変フィルタ及び半導体波長可変レーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、インターネットにおけるトラフィックの増大により、ノード間を結ぶ伝送には波長多重を用いて伝送容量を増加させている。このような波長多重伝送において、波長可変レーザは欠かすことのできない重要な光部品である。
【０００３】
図１に、従来提案されている２重リング共振器を用いたモノリシック集積型波長可変レーザを示す（非特許文献１参照）。リング共振器は、一定周波数間隔（ＦＳＲ）で透過強度が大きくなる特長を持つ透過型光フィルタであり、このレーザでは、異なるＦＳＲを有する２つのリング共振器を用いることにより、２つのＦＳＲの最小公倍数の周波数領域で波長可変動作を得ることを可能にしている（バーニア効果）。
【０００４】
通信波長帯、例えばＣ帯（１５３０〜１５７０ｎｍ）をカバーするような大きな波長可変帯域を得るためにはＦＳＲを大きく、すなわち、リング共振器の共振器長を小さくする必要があり、コア層および下部クラッド層まで垂直に半導体をエッチングした、急峻な曲げ半径が実現可能なハイメサ光導波路を用いている。図２にハイメサ光導波路の断面図を示す。また、リング共振器の光カプラ部分には、光結合効率が５０％のマルチモード干渉（ＭＭＩ）光カプラを用いている。レーザの発振波長を変化させるためには、２つのリング共振器にそれぞれ独立に電流注入し、光導波路の屈折率を変化させて共振ピーク波長を調整する。電流注入はナノ秒程度で高速に屈折率変調が可能である。さらに、位相調整用の光導波路（位相調整領域）をレーザ共振器内に設けることにより縦モード間隔を微調し、正確に所望の発振波長に調整可能としている。この位相調整も電流注入によって行っている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】IEEE Photonics Technology Letters, vol. 19, 2007, pp. 1322-1324
【非特許文献２】IEEE 21st International Semiconductor Laser Conference (ISLC 2008), 2008, pp. 153-154
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、図１の構造では、さらなる波長可変帯域の拡大が困難である。波長分割多重伝送方式を用いた現在の光通信システムにおいて、通信容量の大容量化とともに前述のＣ帯のみではなく、Ｌ帯（１５７０〜１６１０ｎｍ）やＳ帯（１４６０〜１５３０ｎｍ）などの波長帯域も使用されている。したがって、１台の波長可変レーザで複数の波長帯をカバーできるより広い波長可変帯域を有することが求められているが、図１の構成では、リング共振器のフィネスで決定される波長選択性能とのトレードオフから、副モード抑圧比が高々３０ｄＢ、波長可変帯域が５０ｎｍまでと限界がある。
【０００７】
リング共振器への通過回数を削減し、かつ端面反射を用いない構成として、図３に示すように、２つのリング共振器と非対称マッハツェンダー干渉計（以下「ＭＺＩ」という。）を直列接続し、Ｓａｇｎａｃ干渉計によるループミラー内に配置した１チップ集積型半導体波長可変レーザが提案されている（非特許文献２参照）。この構成において、利得領域からの光は１×２光カプラにより等分岐され、それぞれ右回りと左回りにループ内を周回し再び１×２光カプラに入射する。右回り光と左回り光は同位相で１×２光カプラに再入射するため、ほぼ１００％の光結合効率で利得領域にフィードバックされる。このとき、２つのリング共振器のＦＳＲを異ならせ、バーニア効果により波長可変帯域を拡大する手法は図１の構成と同様であるが、各リング共振器への通過回数はループ構成により１回となる。通過回数の削減によりリング共振器に起因する損失は低減できるものの波長選択性能は劣化する。したがって、そのフィルタ性能の劣化を補うため、非対称ＭＺＩを第３のフィルタとしてループに挿入し、波長可変帯域拡大と波長選択性能の両立を試みている。だが、第３のフィルタを波長制御のために追加することには問題がある。それは、波長可変レーザの波長制御機構が複雑化し、例えば波長可変特性を取得するのに長時間の測定を必要とすることである。
【０００８】
リング共振器あるいはＭＺＩフィルタにおいて、ＦＳＲと透過ピーク波長の設計値と実測値は必ずしも一致することはなく、実際の値には製造誤差で決まるばらつきが存在する。したがって、波長可変レーザの製造後には、レーザの発振波長と波長制御フィルタに注入する電流（熱で制御する場合は印加電力、電圧で制御する場合は印加電圧）との関係を実際に調べなければ、レーザの発振波長を正確に制御することができない。例えば、リング共振器の共振ピークを隣の共振ピークまで移動させるのに１０ｍＡの注入電流が必要であったとする。図１の構成によりバーニア効果で波長可変帯域を拡大させた場合、２つのリング共振器にそれぞれ最大１０ｍＡの電流を注入することで波長可変帯域内のすべての波長を選択できることになる。０．１ｍＡのステップで上述の発振波長と電流の関係を取得する場合、１００×１００＝１００００点の数値データが必要になる。測定時間が１点あたり１秒かかる測定系（例えば、電流源と波長計で構成）を用いた場合、１台の波長可変レーザの特性取得にかかる時間は約２．８時間になる。非対称ＭＺＩによる波長制御フィルタが追加された図３の構成で同様な電流ステップ数の測定を行うと、約２８０時間（１００×１００×１００＝１００００００点）が必要になることになる。上記の例は必要とする発振波長の精度やフィルタ形状、測定速度等に依存するが、急峻なフィルタ特性を持つリング共振器を含む場合、十分な測定ステップ数が必要になる。したがって、新たに波長制御フィルタを追加した図３の構成は波長制御機構が複雑化し、著しい量産性の低下を招いていた。
【０００９】
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、従来よりも広い波長可変帯域を有し、かつ、正確な発振波長制御が簡便な半導体波長可変レーザを提供することにある。また、本発明のもう１つの目的は、当該半導体波長可変レーザを可能にする半導体波長可変フィルタを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
このような目的を達成するために、本発明の第１の態様は、２つの２×２光カプラの間に２本のアーム導波路が接続され、各アーム導波路は、前記２つの２×２光カプラのうちの一方の２×２光カプラの出力ポートに接続された第１のミラーと、前記第１のミラーと所定の長さの光導波路により接続され、前記２つの２×２光カプラのうちの他方の２×２光カプラの入力ポートに接続された第２のミラーとを有するファブリペローエタロンを備え、前記他方の２×２光カプラの出力ポートに高反射ミラーが設けられていることを特徴とする半導体波長可変フィルタである。
【００１１】
また、本発明の第２の態様は、第１の態様において、前記２本のアーム導波路は、前記第１のミラーと前記第２のミラーを接続する前記光導波路の前記所定の長さが異なり、前記一方の２×２光カプラと前記第１のミラーとを接続する光導波路、および、前記第２のミラーと前記他方の２×２光カプラを接続する光導波路の長さが等しいことを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の第３の態様は、第１及び第２の半導体波長可変フィルタが２×２光カブラに並列に接続され、各半導体波長可変フィルタは、第１の態様の半導体波長可変フィルタであって、前記２本のアーム導波路がそれぞれ備えるファブリペローエタロンの構造が同一であり、前記第１の半導体波長可変フィルタにおいて、前記第１のミラーと前記第２のミラーとを接続する前記光導波路の前記所定の長さは第１の長さであり、前記第２の半導体波長可変フィルタにおいて、前記第１のミラーと前記第２のミラーとを接続する前記光導波路の前記所定の長さは前記第１の長さと異なる第２の長さであることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明の第４の態様は、第１及び第２の半導体波長可変フィルタが２×２光カブラに直列に接続され、各半導体波長可変フィルタは、第１の態様の半導体波長可変フィルタであって、前記２本のアーム導波路の構造が同一であり、前記第１の半導体波長可変フィルタの前記他方の２×２光カプラの前記出力ポートは、高反射ミラーの代わりに前記第２の半導体波長可変フィルタの前記一方の２×２光カプラの入力ポートに接続されており、前記第１の半導体波長可変フィルタにおいて、前記第１のミラーと前記第２のミラーとを接続する前記光導波路の前記所定の長さは第１の長さであり、前記第２の半導体波長可変フィルタにおいて、前記第１のミラーと前記第２のミラーとを接続する前記光導波路の前記所定の長さは前記第１の長さと異なる第２の長さであることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明の第５の態様は、利得領域と、前記利得領域からの光に対する波長選択機能を有するフィルタ領域と、前記利得領域と前記フィルタ領域との間の位相調整領域とを備える半導体波長可変レーザであって、前記フィルタ領域は、第１から第４のいずれかの態様の半導体波長可変フィルタで構成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係る半導体波長可変フィルタ及び当該フィルタを備える半導体波長可変レーザによれば、２つの２×２光カプラの間に２本のアーム導波路が接続され、各アーム導波路は、当該２つの２×２光カプラのうちの一方の２×２光カプラの出力ポートに接続された第１のミラーと、当該第１のミラーと所定の長さの光導波路により接続され、当該２つの２×２光カプラのうちの他方の２×２光カプラの入力ポートに接続された第２のミラーとを有するファブリペローエタロンを備え、当該他方の２×２光カプラの出力ポートに高反射ミラーが設けられていることにより、従来よりも広い波長可変帯域を有し、かつ、正確な発振波長制御が簡便な半導体波長可変レーザを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】従来提案されている２重リング共振器を用いたモノリシック集積型波長可変レーザを示す図である。
【図２】ハイメサ光導波路の断面図を示す図である。
【図３】リング共振器への通過回数を削減し、かつ端面反射を用いない構成とした半導体波長可変レーザの従来例を示す図である。
【図４】本発明の実施形態１に係る半導体波長可変レーザを示す図である。
【図５】（ａ）にファブリペローエタロンの透過スペクトル、（ｂ）にその位相の特性図を示す図である。
【図６】実施形態１に係る半導体波長可変レーザ４００の各ＭＺＩの詳細図を示す図である。
【図７】実施形態１に係る半導体波長可変レーザ４００の各ＭＺＩの反射スペクトル及びフィルタ領域４２０全体からの反射スペクトルを示す図である。
【図８】エタロンを構成するギャップミラーの電子顕微鏡（ＳＥＭ）像を示す図である。
【図９】計算で求めたギャップミラーの反射率と透過率のギャップ間隔ｄとの関係を示す図である。
【図１０】２×２光カプラの出力ポートに作製した高反射ミラーのＳＥＭ像を示す図である。
【図１１】実施形態２に係る半導体波長可変レーザが備える半導体波長可変フィルタを示す図である。
【図１２】並列接続の実施形態１と直列接続の実施形態２について、反射率差ΔＲとＭの関係を計算で求めた結果を示す図である。
【図１３】本発明の実施形態３に係る半導体波長可変レーザを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。
（実施形態１）
図４に、本発明の実施形態１に係る半導体波長可変レーザを示す。図示のように、半導体波長可変レーザ４００は、利得領域４１０と、利得領域４１０からの光に対する波長選択機能を有するフィルタ領域４２０と、利得領域４１０とフィルタ領域４２０との間の位相調整領域４３０とを備える。
【００１８】
フィルタ領域４２０は、第１のＭＺＩ４２１と第２のＭＺＩ４２２を並列配置し、２入力２出力型（２×２）光カプラ４２３の２つの出力ポートに各々接続している。各ＭＺＩは、２つの２×２光カプラの間に、同一構造の２本のアーム導波路を有する対称ＭＺＩである。
【００１９】
各アーム導波路は、一方の２×２光カプラの出力ポートに接続された第１のミラーと、第１のミラーと所定の長さ（第１のＭＺＩ４２１では第１の長さＬ１、第２のＭＺＩ４２２では第２の長さＬ２）の光導波路により接続され、他方の２×２光カプラの入力ポートに接続された第２のミラーとを有するファブリペローエタロンを備える。例えば、各ミラーの反射率を３５％とすることができる。当該他方の２×２光カプラの出力ポートには、反射率９０％以上の高反射ミラー４２４、４２５が設けられている。
【００２０】
ファブリペローエタロンは、透過型フィルタ、ないし反射型フィルタとして知られている。図５（ａ）にファブリペローエタロンの透過スペクトル、図５（ｂ）にその位相の特性図を示す。ここで、ファブリペローエタロンの透過ピーク間隔ＦＳＲは、
【００２１】
【数１】
【００２２】
と表せる。ｃは光速、ｎeffは光導波路の実効屈折率、Ｌはファブリペローエタロンの長さである。エタロンの透過スペクトルは、リング共振器のように複数の透過ピークを有する。さらに、隣接する透過ピーク波長間では、位相差が常にπであることが図５（ｂ）より分かる。
【００２３】
実施形態１において、対称ＭＺＩの２つのアーム導波路に同一構造のファブリペローエタロンを配置するのは、透過光と反射光を空間的に分離するためである。図６に、本実施形態に係る半導体波長可変レーザ４００の各ＭＺＩの詳細図を示す。ＭＺＩに入力された光は、２つの２×２光カプラのうち、利得領域４２０側の一方の２×２光カプラにより等しく分岐され、各々ファブリペローエタロンに入射する。エタロンからの反射光は、再び利得領域４２０側の２×２光カプラに入射する。２つのファブリペローエタロンは構造が等しく、かつ、２×２光カプラとファブリペローエタロンとの間の距離は等しいため（対称ＭＺＩのため）、アーム導波路を伝搬する光には位相差は付与されない。すなわち、ファブリペローエタロンからの反射光は、すべて出力ポート１に出力される。一方、ファブリペローエタロンの透過光は、同様に位相差が付与されないので、出力ポート２にすべて出力される。本実施形態ではファブリペローエタロンの透過光のみを用い、反射光は、利得領域４２０側の２×２光カプラに接続された放射導波路から廃棄される。透過光は、ＭＺＩの出力ポート２に形成された高反射ミラーにより反射され、ＭＺＩに再入射される。
【００２４】
本実施形態では、第１のＭＺＩ４２１及び第２のＭＺＩ４２２は、互いに異なるＦＳＲを有するファブリペローエタロンを備える。それらを並列に２×２光カプラ４２３に接続することによりバーニア効果による波長可変帯域を拡大させるとともに、２組のファブリペローエタロンの透過ピーク間の位相差を利用することで、さらなる波長可変帯域の増大を可能にしている。さらに、位相調整領域４３０の導波路上に電流注入用電極を形成することで、レーザ共振器のキャビティモードを連続的に調整することが可能となり、正確な発振波長制御が可能となる。ファブリペローエタロンは、ガラス基板等に誘電体多層膜を形成したバルク形態が一般的であるが、本実施形態では、ＩｎＰ基板上にフォトリソグラフィ等の半導体プロセス技術を用いて各構成要素を平面的に配置することにより実現している。この手法により、バルク形態のファブリペローエタロンと利得媒質とを空間光学的に配置した場合に比べ、素子の小型化が図れる。
【００２５】
図７に、本実施形態に係る半導体波長可変レーザ４００の各ＭＺＩの反射スペクトル及びフィルタ領域４２０全体からの反射スペクトルを示す。図７より、第１のＭＺＩ４２１及び第２のＭＺＩ４２２の反射ピークが一致する波長で最大のフィルタ反射率が得られる一方、両ＭＺＩの反射ピークが次に一致する短波長側、ないし長波長側の波長で最少の反射率となることが分かる。これは、反射ピークの一致した波長において、同相（位相差０）、ないし逆相（位相差π）の状態で各ＭＺＩからの反射光が２×２光カプラ４２３に結合するためで、本実施形態では、次式の関係を満たすように２組のファブリペローエタロンのＦＳＲを設定することにより、それを可能としている。
【００２６】
【数２】
【００２７】
ここで、ＦＳＲ１＜ＦＳＲ２である。
【００２８】
ここで、実施形態１に係る半導体波長可変レーザ４００の作製方法について述べる。素子のレーザ活性層は、ｎ−ＩｎＰ基板上にｎ−ＩｎＰ層、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の活性層（フォトルミネッセンスピーク波長１．５３μｍ）と活性層の上下をＳＣＨ（Ｓｅｐａｒａｔｅ−ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）層で閉じこめる構造とした。次にＳｉＯ2膜をスパッタリングにより成膜し、利得領域となる部分を除きエッチングにより除去、さらにパタン化されたＳｉＯ2膜をマスクとして活性層を除去する。次に、選択成長により１．４Ｑ組成、０．３μｍ膜厚のＩｎＧａＡｓＰ光導波路層をバットジョイント成長し、その後ＳｉＯ2層を除去して基板全体にｐ−ＩｎＰ層、ｐ+−ＩｎＧａＡｓ層を成長した。実施形態１では、利得領域、位相調整領域、そしてファブリペローエタロン部分をコア層の直上までエッチングされたリッジ導波路を用い、それ以外の光カプラ部分を含むフィルタ領域は、ハイメサ光導波路構造で作製した。実施形態１では、作製が容易、かつ低損失に作製可能な３ｄＢマルチモード干渉（ＭＭＩ）光カプラを２×２光カプラとして用いる。リッジ導波路およびハイメサ導波路は、フォトリソグラフィとドライエッチングにより作製した。導波路を形成後、局所領域への埋め込みが可能で平坦化に優れた有機材料であるベンゾシクロブテン（Ｂｅｎｚｏｃｙｃｌｏｂｕｔｅｎｅ：ＢＣＢ）をスピンコートにより塗布し、Ｏ2／Ｃ2Ｆ6混合ガスを用いたＲＩＥにより基板表面が露出するまでエッチバックを実施し、基板表面を平坦化した。その後、電流注入用電極を利得領域、位相調整領域、そしてエタロンのリッジ導波路のｐ+−ＩｎＧａＡｓ層上に形成し、さらに基板裏面電極を形成し完成となる。
【００２９】
本実施形態でファブリペローエタロンを構成するミラーは、ＭＺＩのアーム導波路に光の伝搬方向に対して垂直に空間的な隙間（ギャップ）を形成することで反射鏡とする、いわゆるギャップミラーで実現することができる。図８に、作製したギャップミラーの電子顕微鏡（ＳＥＭ）像を示す。このギャップミラーは、エタロンのリッジ光導波路と光カプラ側のハイメサ光導波路との間に配置されている。このギャップミラーの作製は、光カプラで用いるハイメサ光導波路の作製工程、すなわちフォトリソグラフィによるパタン形成やドライエッチングによるＩｎＰ加工と同時に行っており、追加工程なしに実現できることが特長である。
【００３０】
図９に、計算で求めたギャップミラーの反射率と透過率のギャップ間隔ｄとの関係を示す。ここでは、ギャップがＢＣＢ（屈折率１．５４）で充填され、また回折による放射損失を３次元ＢＰＭ法（Ｂｅａｍ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ）による計算から１ｄＢ／μｍとしている。図９より、ギャップミラーの反射率は、ｄに対して干渉による増減を示すのが分かる。本実施形態では、作製に用いるフォトリソグラフィのパタン分解能からｄを０．７５μｍとして作製し、反射率を３５％した。一般に、ファブリペローエタロンフィルタの透過特性は、ミラーの反射率を増大させると透過スペクトルが急峻化し、波長選択性能が向上する。したがって、ギャップに充填されたＢＣＢを局所的に除去し、空気、あるいはＢＣＢより低い屈折率を持つ材料に変更することにより、半導体との屈折率差を増大させ（ミラー反射率を増大させ）、本実施形態の波長選択性能を向上させることも可能である。本実施形態のファブリペローエタロンで用いるミラーの反射率は、１０％以上６０％以下程度であることが好ましい。
【００３１】
本実施形態では、ファブリペローエタロンに用いるミラーとして、導波路に空間的な隙間（ギャップ）を形成し、干渉反射を用いたギャップミラーを用いることができる。しかし、ＭＺＩを透過した光を反射させ、利得領域にフィードバックさせるにはより高い反射率、理想的には１００％の反射率をもつ高反射ミラーをＭＺＩの出力側に集積する必要がある。実施例として、光導波路の端面にＡｕを蒸着することで高反射率を有するミラーを実現した。図１０に、作製した高反射ミラーのＳＥＭ像を示す。ＡｕやＡｇを用いた金属反射鏡は、電流を流し、金属中の自由電子のプラズマ振動に起因した高い反射率が得られ、かつ形成が容易（真空蒸着法による）な特徴がある。図１０の実施例では、ハイメサ光導波路の作製時に光伝搬方向に対して垂直な端面をドライエッチングで形成（マスクパタン上であらかじめ図１２のようなエッチング領域を作成）し、その端面にＡｕを斜め蒸着（膜厚３００ｎｍ）することで反射率９３％以上が得られた。高反射ミラーの反射率としては、９０％以上が好ましい。また、へき開端面に誘電体多層膜をスパッタ等で形成しても同等の反射率をもつ高反射ミラーが作製できる。
【００３２】
本実施形態では、第１のＭＺＩ４２１及び第２のＭＺＩ４２２を並列に２×２光カプラ４２３に接続しているが、接続する光導波路の長さを２つのＭＺＩ間で異なるものにしてもよい。前記第２のＭＺＩと２×２光カプラとの間に
【００３３】
【数３】
【００３４】
の長さＬPhaseの光導波路を付与することで不等長としても透過光の位相差を用いた波長可変域の拡大効果が期待できる。ここで、Ｌ１、Ｌ２はそれぞれ第１のＭＺＩ４２１及び第２のＭＺＩ４２２におけるファブリペローエタロンの長さである。
【００３５】
（実施形態２）
図１１に、実施形態２に係る半導体波長可変レーザが備える半導体波長可変フィルタを示す。従来技術である非特許文献１の構成では、異なるＦＳＲを有するリング共振器を２つ直列接続し、バーニア効果により波長可変帯域を拡大している。実施形態１に係る半導体波長可変レーザ４００においても、図１１のようにＭＺＩを直列接続することが可能である。
【００３６】
第１のＭＺＩ４２１及び第２のＭＺＩ４２２のＦＳＲをそれぞれＦＳＲ１及びＦＳＲ２とすると、フィルタ領域４２０の波長可変帯域Δλ’は、非特許文献１に示されているようにバーニア効果により、
【００３７】
【数４】
【００３８】
と表せる。比較のため、図７にΔλ’とΔλを記載する。式（２）と比較すると、実施形態１では、複数ピークを有するフィルタ素子を直列接続した場合に比べて２倍の波長可変帯域を可能としている。実施形態１では、ＦＳＲ１を４００ＧＨｚ、ＦＳＲ２を４４４ＧＨｚ、Ｍを１０、Ｎを９とすると、波長可変帯域Δλは８０００ＧＨｚ（６４ｎｍ）となるが、図１１に示すバーニア効果のみを用いた場合の波長可変帯域Δλ’は４０００ＧＨｚ（３２ｎｍ）となり、実施形態１の構成により実施形態２の２倍の波長可変性能を得ることが可能である。しかしながら、実施形態２の半導体波長可変フィルタによっても、従来のリング共振器を用いた波長可変フィルタと比較して広い波長可変帯域が得られる。通常、バーニア効果で大きな波長可変帯域を得るには、式（７）より、Ｍ（またはＮ）を大きくする、またはＦＳＲを大きくする必要がある。ＦＳＲを大きくするには、式（１）よりファブリペローエタロンの長さＬを小さく、あるいはリング共振器の場合は共振器の長さ（曲率一定のリング共振器の場合、その長さは２πＲとなる。Rは曲げ半径）を小さくすればよい。しかし、リング共振器を構成する曲がり導波路の曲げ半径には下限があり、本実施形態で使用する半導体ハイメサ光導波路の場合、曲げ半径を１０μｍ程度より小さくすると急激に光損失が増加する。したがって、リング共振器のＦＳＲは、それを構成する光カプラの長さも考慮すると７００ＧＨｚ程度に上限がある。一方、ファブリペローエタロンの場合、単純な直線導波路で構成されるため、曲げ半径による制約はない。したがって、リング共振器のＦＳＲを超える１０ＴＨｚのＦＳＲも実現できる。ファブリペローエタロンと位相調整領域の導波路とにそれぞれ屈折率制御用の電極を形成することで半導体波長可変レーザの正確な発振波長制御が簡便に実現できることを留意されたい。
【００３９】
バーニア効果で大きな波長可変帯域を得るためには、Ｍ（またはＮ）を大きくするか、ＦＳＲを大きくする必要があることは先に述べた。Ｍを増大させるためには、２つのＦＳＲの差を減少させる必要がある。その場合、２組のファブリペローエタロンの透過スペクトルの重なりが大きくなる。すなわちフィルタ領域からの反射スペクトルにおいて、メインピークと隣接ピークの反射率差ΔＲが減少する。ΔＲはフィルタ領域の波長選択性能、つまり波長可変レーザの副モード抑圧比（ＳＭＳＲ）を決定する重要なパラメータであり、波長可変域とトレードオフの関係にある。
【００４０】
図１２に、並列接続の実施形態１と、直列接続の実施形態２を比較するため、反射率差ΔＲとＭの関係を計算で求めた結果を示す。計算では光導波路の損失を５ｄＢ／ｃｍ、カプラの損失を０．５ｄＢ、ＦＳＲ１を４００ＧＨｚとして求めた。図１２より明らかなように、同じＭに対して、実施形態１は、実施形態２に比べてΔＲが向上する。これは、２×２光カプラ４２３に位相と振幅の差に応じて放射導波路側にも光が出力され、透過ピーク波長以外の光は利得領域４１０への結合効率の低下が生じるためである。これにより、メインピークと隣接ピークの反射率差ΔＲが直列接続の実施形態２と比較して向上し、副モード抑圧比が改善する。すなわち、実施形態１では、波長可変帯域が倍になるとともに、高ＳＭＳＲの波長可変レーザが実現できる。実施形態１では、ΔＲを１．２ｄＢとしてＳＭＳＲが４０ｄＢ以上を得ることができ、従来技術である非特許文献１と比較しても、広い波長可変帯域かつ高ＳＭＳＲの波長可変レーザが作製できる。
【００４１】
（実施形態３）
図１３に、本発明の実施形態３に係る半導体波長可変レーザを示す。実施形態３に係る半導体波長可変レーザ１３００は、利得領域４１０、フィルタ領域１３２０、及び位相調整領域４３０を備え、フィルタ領域１３２０は、２つの２×２光カプラの間に接続された２本のアーム導波路内にそれぞれ異なるＦＳＲを有するファブリペローエタロンを配置したＭＺＩ１３２１を備える。２本のアーム導波路は、ファブリペローエタロンを構成するミラー間を接続する光導波路の長さが異なるので、ＭＺＩ１３２１は非対称ＭＺＩである。しかし、２×２光カプラとミラーとを接続する光導波路の長さは２本のアーム導波路で等しい。
【００４２】
このような構成により、実施形態１と同様に、ファブリペローエタロンの透過光の位相を利用することで波長可変帯域を単純なバーニア効果を用いた実施形態２と比較して２倍に増大させることが可能となる。さらに、用いるファブリペローエタロンの数が半分になり、素子面積の縮小が可能である。さらには波長可変に必要な電力も半分になる。また、レーザ共振器内の光カプラの数は、実施形態１で５個、実施形態３で２個となり、光カプラによる光損失を低減できる。
【００４３】
本実施形態では、２つのファブリペローエタロンを並列に２つの２×２光カプラに接続しているが、接続する光導波路の長さは二つのアーム導波路間で等しい。しかし、例えば長さL２のファブリペローエタロンと一方の２×２光カプラとの間に
【００４４】
【数５】
【００４５】
の長さＬPhaseの光導波路を付与することで不等長としても透過光の位相差を用いた波長可変域の拡大効果が期待できる。ここで、L１、Ｌ２はそれぞれファブリペローエタロンの長さ、Kは正の整数である。
【００４６】
本実施形態に係る半導体波長可変レーザ１３００は、実施形態１及び２と同様に、ファブリペローエタロン部分にリッジ導波路構造を用いて作製することができるが、他にハイメサ導波路や、コア層の両横が半導体で埋め込まれた埋め込み型導波路やリブ型導波路なども考えられる。
【００４７】
最後に、本実施形態では、ＩｎＰ系の化合物半導体を用いることができるが、ＧａＡｓ系や石英系、あるいはＳｉとＳｉＯ2やポリイミドなどで構成されるシリコン細線導波路でも利得媒質を集積すれば同様に実現できる事を付記しておく。また、本実施形態では、電流注入による屈折率変化を用いることができるが、電圧や熱や圧力による屈折率変化を用いても、波長可変動作を得ることができる。
【符号の説明】
【００４８】
４００ 半導体波長可変レーザ
４１０ 利得領域
４２０ フィルタ領域（「半導体波長可変フィルタ」に相当）
４２１ 第１のＭＺＩ
４２２ 第２のＭＺＩ
４２３ ２×２光カプラ
４２４、４２５ 高反射ミラー
４３０ 位相調整領域
１３００ 半導体波長可変レーザ
１３２０ フィルタ領域（「半導体波長可変フィルタ」に相当）
１３２１ ＭＺＩ
１３２２ 高反射ミラー
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体波長可変フィルタ及び半導体波長可変レーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、インターネットにおけるトラフィックの増大により、ノード間を結ぶ伝送には波長多重を用いて伝送容量を増加させている。このような波長多重伝送において、波長可変レーザは欠かすことのできない重要な光部品である。
【０００３】
図１に、従来提案されている２重リング共振器を用いたモノリシック集積型波長可変レーザを示す（非特許文献１参照）。リング共振器は、一定周波数間隔（ＦＳＲ）で透過強度が大きくなる特長を持つ透過型光フィルタであり、このレーザでは、異なるＦＳＲを有する２つのリング共振器を用いることにより、２つのＦＳＲの最小公倍数の周波数領域で波長可変動作を得ることを可能にしている（バーニア効果）。
【０００４】
通信波長帯、例えばＣ帯（１５３０〜１５７０ｎｍ）をカバーするような大きな波長可変帯域を得るためにはＦＳＲを大きく、すなわち、リング共振器の共振器長を小さくする必要があり、コア層および下部クラッド層まで垂直に半導体をエッチングした、急峻な曲げ半径が実現可能なハイメサ光導波路を用いている。図２にハイメサ光導波路の断面図を示す。また、リング共振器の光カプラ部分には、光結合効率が５０％のマルチモード干渉（ＭＭＩ）光カプラを用いている。レーザの発振波長を変化させるためには、２つのリング共振器にそれぞれ独立に電流注入し、光導波路の屈折率を変化させて共振ピーク波長を調整する。電流注入はナノ秒程度で高速に屈折率変調が可能である。さらに、位相調整用の光導波路（位相調整領域）をレーザ共振器内に設けることにより縦モード間隔を微調し、正確に所望の発振波長に調整可能としている。この位相調整も電流注入によって行っている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】IEEE Photonics Technology Letters, vol. 19, 2007, pp. 1322-1324
【非特許文献２】IEEE 21st International Semiconductor Laser Conference (ISLC 2008), 2008, pp. 153-154
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、図１の構造では、さらなる波長可変帯域の拡大が困難である。波長分割多重伝送方式を用いた現在の光通信システムにおいて、通信容量の大容量化とともに前述のＣ帯のみではなく、Ｌ帯（１５７０〜１６１０ｎｍ）やＳ帯（１４６０〜１５３０ｎｍ）などの波長帯域も使用されている。したがって、１台の波長可変レーザで複数の波長帯をカバーできるより広い波長可変帯域を有することが求められているが、図１の構成では、リング共振器のフィネスで決定される波長選択性能とのトレードオフから、副モード抑圧比が高々３０ｄＢ、波長可変帯域が５０ｎｍまでと限界がある。
【０００７】
リング共振器への通過回数を削減し、かつ端面反射を用いない構成として、図３に示すように、２つのリング共振器と非対称マッハツェンダー干渉計（以下「ＭＺＩ」という。）を直列接続し、Ｓａｇｎａｃ干渉計によるループミラー内に配置した１チップ集積型半導体波長可変レーザが提案されている（非特許文献２参照）。この構成において、利得領域からの光は１×２光カプラにより等分岐され、それぞれ右回りと左回りにループ内を周回し再び１×２光カプラに入射する。右回り光と左回り光は同位相で１×２光カプラに再入射するため、ほぼ１００％の光結合効率で利得領域にフィードバックされる。このとき、２つのリング共振器のＦＳＲを異ならせ、バーニア効果により波長可変帯域を拡大する手法は図１の構成と同様であるが、各リング共振器への通過回数はループ構成により１回となる。通過回数の削減によりリング共振器に起因する損失は低減できるものの波長選択性能は劣化する。したがって、そのフィルタ性能の劣化を補うため、非対称ＭＺＩを第３のフィルタとしてループに挿入し、波長可変帯域拡大と波長選択性能の両立を試みている。だが、第３のフィルタを波長制御のために追加することには問題がある。それは、波長可変レーザの波長制御機構が複雑化し、例えば波長可変特性を取得するのに長時間の測定を必要とすることである。
【０００８】
リング共振器あるいはＭＺＩフィルタにおいて、ＦＳＲと透過ピーク波長の設計値と実測値は必ずしも一致することはなく、実際の値には製造誤差で決まるばらつきが存在する。したがって、波長可変レーザの製造後には、レーザの発振波長と波長制御フィルタに注入する電流（熱で制御する場合は印加電力、電圧で制御する場合は印加電圧）との関係を実際に調べなければ、レーザの発振波長を正確に制御することができない。例えば、リング共振器の共振ピークを隣の共振ピークまで移動させるのに１０ｍＡの注入電流が必要であったとする。図１の構成によりバーニア効果で波長可変帯域を拡大させた場合、２つのリング共振器にそれぞれ最大１０ｍＡの電流を注入することで波長可変帯域内のすべての波長を選択できることになる。０．１ｍＡのステップで上述の発振波長と電流の関係を取得する場合、１００×１００＝１００００点の数値データが必要になる。測定時間が１点あたり１秒かかる測定系（例えば、電流源と波長計で構成）を用いた場合、１台の波長可変レーザの特性取得にかかる時間は約２．８時間になる。非対称ＭＺＩによる波長制御フィルタが追加された図３の構成で同様な電流ステップ数の測定を行うと、約２８０時間（１００×１００×１００＝１００００００点）が必要になることになる。上記の例は必要とする発振波長の精度やフィルタ形状、測定速度等に依存するが、急峻なフィルタ特性を持つリング共振器を含む場合、十分な測定ステップ数が必要になる。したがって、新たに波長制御フィルタを追加した図３の構成は波長制御機構が複雑化し、著しい量産性の低下を招いていた。
【０００９】
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、従来よりも広い波長可変帯域を有し、かつ、正確な発振波長制御が簡便な半導体波長可変レーザを提供することにある。また、本発明のもう１つの目的は、当該半導体波長可変レーザを可能にする半導体波長可変フィルタを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
このような目的を達成するために、本発明の第１の態様は、２つの２×２光カプラの間に２本のアーム導波路が接続され、各アーム導波路は、前記２つの２×２光カプラのうちの一方の２×２光カプラの出力ポートに接続された第１のミラーと、前記第１のミラーと所定の長さの光導波路により接続され、前記２つの２×２光カプラのうちの他方の２×２光カプラの入力ポートに接続された第２のミラーとを有するファブリペローエタロンを備え、前記他方の２×２光カプラの出力ポートに高反射ミラーが設けられていることを特徴とする半導体波長可変フィルタである。
【００１１】
また、本発明の第２の態様は、第１の態様において、前記２本のアーム導波路は、前記第１のミラーと前記第２のミラーを接続する前記光導波路の前記所定の長さが異なり、前記一方の２×２光カプラと前記第１のミラーとを接続する光導波路、および、前記第２のミラーと前記他方の２×２光カプラを接続する光導波路の長さが等しいことを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の第３の態様は、第１及び第２の半導体波長可変フィルタが２×２光カブラに並列に接続され、各半導体波長可変フィルタは、第１の態様の半導体波長可変フィルタであって、前記２本のアーム導波路がそれぞれ備えるファブリペローエタロンの構造が同一であり、前記第１の半導体波長可変フィルタにおいて、前記第１のミラーと前記第２のミラーとを接続する前記光導波路の前記所定の長さは第１の長さであり、前記第２の半導体波長可変フィルタにおいて、前記第１のミラーと前記第２のミラーとを接続する前記光導波路の前記所定の長さは前記第１の長さと異なる第２の長さであることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明の第４の態様は、第１及び第２の半導体波長可変フィルタが２×２光カブラに直列に接続され、各半導体波長可変フィルタは、第１の態様の半導体波長可変フィルタであって、前記２本のアーム導波路の構造が同一であり、前記第１の半導体波長可変フィルタの前記他方の２×２光カプラの前記出力ポートは、高反射ミラーの代わりに前記第２の半導体波長可変フィルタの前記一方の２×２光カプラの入力ポートに接続されており、前記第１の半導体波長可変フィルタにおいて、前記第１のミラーと前記第２のミラーとを接続する前記光導波路の前記所定の長さは第１の長さであり、前記第２の半導体波長可変フィルタにおいて、前記第１のミラーと前記第２のミラーとを接続する前記光導波路の前記所定の長さは前記第１の長さと異なる第２の長さであることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明の第５の態様は、利得領域と、前記利得領域からの光に対する波長選択機能を有するフィルタ領域と、前記利得領域と前記フィルタ領域との間の位相調整領域とを備える半導体波長可変レーザであって、前記フィルタ領域は、第１から第４のいずれかの態様の半導体波長可変フィルタで構成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係る半導体波長可変フィルタ及び当該フィルタを備える半導体波長可変レーザによれば、２つの２×２光カプラの間に２本のアーム導波路が接続され、各アーム導波路は、当該２つの２×２光カプラのうちの一方の２×２光カプラの出力ポートに接続された第１のミラーと、当該第１のミラーと所定の長さの光導波路により接続され、当該２つの２×２光カプラのうちの他方の２×２光カプラの入力ポートに接続された第２のミラーとを有するファブリペローエタロンを備え、当該他方の２×２光カプラの出力ポートに高反射ミラーが設けられていることにより、従来よりも広い波長可変帯域を有し、かつ、正確な発振波長制御が簡便な半導体波長可変レーザを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】従来提案されている２重リング共振器を用いたモノリシック集積型波長可変レーザを示す図である。
【図２】ハイメサ光導波路の断面図を示す図である。
【図３】リング共振器への通過回数を削減し、かつ端面反射を用いない構成とした半導体波長可変レーザの従来例を示す図である。
【図４】本発明の実施形態１に係る半導体波長可変レーザを示す図である。
【図５】（ａ）にファブリペローエタロンの透過スペクトル、（ｂ）にその位相の特性図を示す図である。
【図６】実施形態１に係る半導体波長可変レーザ４００の各ＭＺＩの詳細図を示す図である。
【図７】実施形態１に係る半導体波長可変レーザ４００の各ＭＺＩの反射スペクトル及びフィルタ領域４２０全体からの反射スペクトルを示す図である。
【図８】エタロンを構成するギャップミラーの電子顕微鏡（ＳＥＭ）像を示す図である。
【図９】計算で求めたギャップミラーの反射率と透過率のギャップ間隔ｄとの関係を示す図である。
【図１０】２×２光カプラの出力ポートに作製した高反射ミラーのＳＥＭ像を示す図である。
【図１１】実施形態２に係る半導体波長可変レーザが備える半導体波長可変フィルタを示す図である。
【図１２】並列接続の実施形態１と直列接続の実施形態２について、反射率差ΔＲとＭの関係を計算で求めた結果を示す図である。
【図１３】本発明の実施形態３に係る半導体波長可変レーザを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。
（実施形態１）
図４に、本発明の実施形態１に係る半導体波長可変レーザを示す。図示のように、半導体波長可変レーザ４００は、利得領域４１０と、利得領域４１０からの光に対する波長選択機能を有するフィルタ領域４２０と、利得領域４１０とフィルタ領域４２０との間の位相調整領域４３０とを備える。
【００１８】
フィルタ領域４２０は、第１のＭＺＩ４２１と第２のＭＺＩ４２２を並列配置し、２入力２出力型（２×２）光カプラ４２３の２つの出力ポートに各々接続している。各ＭＺＩは、２つの２×２光カプラの間に、同一構造の２本のアーム導波路を有する対称ＭＺＩである。
【００１９】
各アーム導波路は、一方の２×２光カプラの出力ポートに接続された第１のミラーと、第１のミラーと所定の長さ（第１のＭＺＩ４２１では第１の長さＬ１、第２のＭＺＩ４２２では第２の長さＬ２）の光導波路により接続され、他方の２×２光カプラの入力ポートに接続された第２のミラーとを有するファブリペローエタロンを備える。例えば、各ミラーの反射率を３５％とすることができる。当該他方の２×２光カプラの出力ポートには、反射率９０％以上の高反射ミラー４２４、４２５が設けられている。
【００２０】
ファブリペローエタロンは、透過型フィルタ、ないし反射型フィルタとして知られている。図５（ａ）にファブリペローエタロンの透過スペクトル、図５（ｂ）にその位相の特性図を示す。ここで、ファブリペローエタロンの透過ピーク間隔ＦＳＲは、
【００２１】
【数１】
【００２２】
と表せる。ｃは光速、ｎeffは光導波路の実効屈折率、Ｌはファブリペローエタロンの長さである。エタロンの透過スペクトルは、リング共振器のように複数の透過ピークを有する。さらに、隣接する透過ピーク波長間では、位相差が常にπであることが図５（ｂ）より分かる。
【００２３】
実施形態１において、対称ＭＺＩの２つのアーム導波路に同一構造のファブリペローエタロンを配置するのは、透過光と反射光を空間的に分離するためである。図６に、本実施形態に係る半導体波長可変レーザ４００の各ＭＺＩの詳細図を示す。ＭＺＩに入力された光は、２つの２×２光カプラのうち、利得領域４２０側の一方の２×２光カプラにより等しく分岐され、各々ファブリペローエタロンに入射する。エタロンからの反射光は、再び利得領域４２０側の２×２光カプラに入射する。２つのファブリペローエタロンは構造が等しく、かつ、２×２光カプラとファブリペローエタロンとの間の距離は等しいため（対称ＭＺＩのため）、アーム導波路を伝搬する光には位相差は付与されない。すなわち、ファブリペローエタロンからの反射光は、すべて出力ポート１に出力される。一方、ファブリペローエタロンの透過光は、同様に位相差が付与されないので、出力ポート２にすべて出力される。本実施形態ではファブリペローエタロンの透過光のみを用い、反射光は、利得領域４２０側の２×２光カプラに接続された放射導波路から廃棄される。透過光は、ＭＺＩの出力ポート２に形成された高反射ミラーにより反射され、ＭＺＩに再入射される。
【００２４】
本実施形態では、第１のＭＺＩ４２１及び第２のＭＺＩ４２２は、互いに異なるＦＳＲを有するファブリペローエタロンを備える。それらを並列に２×２光カプラ４２３に接続することによりバーニア効果による波長可変帯域を拡大させるとともに、２組のファブリペローエタロンの透過ピーク間の位相差を利用することで、さらなる波長可変帯域の増大を可能にしている。さらに、位相調整領域４３０の導波路上に電流注入用電極を形成することで、レーザ共振器のキャビティモードを連続的に調整することが可能となり、正確な発振波長制御が可能となる。ファブリペローエタロンは、ガラス基板等に誘電体多層膜を形成したバルク形態が一般的であるが、本実施形態では、ＩｎＰ基板上にフォトリソグラフィ等の半導体プロセス技術を用いて各構成要素を平面的に配置することにより実現している。この手法により、バルク形態のファブリペローエタロンと利得媒質とを空間光学的に配置した場合に比べ、素子の小型化が図れる。
【００２５】
図７に、本実施形態に係る半導体波長可変レーザ４００の各ＭＺＩの反射スペクトル及びフィルタ領域４２０全体からの反射スペクトルを示す。図７より、第１のＭＺＩ４２１及び第２のＭＺＩ４２２の反射ピークが一致する波長で最大のフィルタ反射率が得られる一方、両ＭＺＩの反射ピークが次に一致する短波長側、ないし長波長側の波長で最少の反射率となることが分かる。これは、反射ピークの一致した波長において、同相（位相差０）、ないし逆相（位相差π）の状態で各ＭＺＩからの反射光が２×２光カプラ４２３に結合するためで、本実施形態では、次式の関係を満たすように２組のファブリペローエタロンのＦＳＲを設定することにより、それを可能としている。
【００２６】
【数２】
【００２７】
ここで、ＦＳＲ１＜ＦＳＲ２である。
【００２８】
ここで、実施形態１に係る半導体波長可変レーザ４００の作製方法について述べる。素子のレーザ活性層は、ｎ−ＩｎＰ基板上にｎ−ＩｎＰ層、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の活性層（フォトルミネッセンスピーク波長１．５３μｍ）と活性層の上下をＳＣＨ（Ｓｅｐａｒａｔｅ−ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）層で閉じこめる構造とした。次にＳｉＯ2膜をスパッタリングにより成膜し、利得領域となる部分を除きエッチングにより除去、さらにパタン化されたＳｉＯ2膜をマスクとして活性層を除去する。次に、選択成長により１．４Ｑ組成、０．３μｍ膜厚のＩｎＧａＡｓＰ光導波路層をバットジョイント成長し、その後ＳｉＯ2層を除去して基板全体にｐ−ＩｎＰ層、ｐ+−ＩｎＧａＡｓ層を成長した。実施形態１では、利得領域、位相調整領域、そしてファブリペローエタロン部分をコア層の直上までエッチングされたリッジ導波路を用い、それ以外の光カプラ部分を含むフィルタ領域は、ハイメサ光導波路構造で作製した。実施形態１では、作製が容易、かつ低損失に作製可能な３ｄＢマルチモード干渉（ＭＭＩ）光カプラを２×２光カプラとして用いる。リッジ導波路およびハイメサ導波路は、フォトリソグラフィとドライエッチングにより作製した。導波路を形成後、局所領域への埋め込みが可能で平坦化に優れた有機材料であるベンゾシクロブテン（Ｂｅｎｚｏｃｙｃｌｏｂｕｔｅｎｅ：ＢＣＢ）をスピンコートにより塗布し、Ｏ2／Ｃ2Ｆ6混合ガスを用いたＲＩＥにより基板表面が露出するまでエッチバックを実施し、基板表面を平坦化した。その後、電流注入用電極を利得領域、位相調整領域、そしてエタロンのリッジ導波路のｐ+−ＩｎＧａＡｓ層上に形成し、さらに基板裏面電極を形成し完成となる。
【００２９】
本実施形態でファブリペローエタロンを構成するミラーは、ＭＺＩのアーム導波路に光の伝搬方向に対して垂直に空間的な隙間（ギャップ）を形成することで反射鏡とする、いわゆるギャップミラーで実現することができる。図８に、作製したギャップミラーの電子顕微鏡（ＳＥＭ）像を示す。このギャップミラーは、エタロンのリッジ光導波路と光カプラ側のハイメサ光導波路との間に配置されている。このギャップミラーの作製は、光カプラで用いるハイメサ光導波路の作製工程、すなわちフォトリソグラフィによるパタン形成やドライエッチングによるＩｎＰ加工と同時に行っており、追加工程なしに実現できることが特長である。
【００３０】
図９に、計算で求めたギャップミラーの反射率と透過率のギャップ間隔ｄとの関係を示す。ここでは、ギャップがＢＣＢ（屈折率１．５４）で充填され、また回折による放射損失を３次元ＢＰＭ法（Ｂｅａｍ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ）による計算から１ｄＢ／μｍとしている。図９より、ギャップミラーの反射率は、ｄに対して干渉による増減を示すのが分かる。本実施形態では、作製に用いるフォトリソグラフィのパタン分解能からｄを０．７５μｍとして作製し、反射率を３５％した。一般に、ファブリペローエタロンフィルタの透過特性は、ミラーの反射率を増大させると透過スペクトルが急峻化し、波長選択性能が向上する。したがって、ギャップに充填されたＢＣＢを局所的に除去し、空気、あるいはＢＣＢより低い屈折率を持つ材料に変更することにより、半導体との屈折率差を増大させ（ミラー反射率を増大させ）、本実施形態の波長選択性能を向上させることも可能である。本実施形態のファブリペローエタロンで用いるミラーの反射率は、１０％以上６０％以下程度であることが好ましい。
【００３１】
本実施形態では、ファブリペローエタロンに用いるミラーとして、導波路に空間的な隙間（ギャップ）を形成し、干渉反射を用いたギャップミラーを用いることができる。しかし、ＭＺＩを透過した光を反射させ、利得領域にフィードバックさせるにはより高い反射率、理想的には１００％の反射率をもつ高反射ミラーをＭＺＩの出力側に集積する必要がある。実施例として、光導波路の端面にＡｕを蒸着することで高反射率を有するミラーを実現した。図１０に、作製した高反射ミラーのＳＥＭ像を示す。ＡｕやＡｇを用いた金属反射鏡は、電流を流し、金属中の自由電子のプラズマ振動に起因した高い反射率が得られ、かつ形成が容易（真空蒸着法による）な特徴がある。図１０の実施例では、ハイメサ光導波路の作製時に光伝搬方向に対して垂直な端面をドライエッチングで形成（マスクパタン上であらかじめ図１２のようなエッチング領域を作成）し、その端面にＡｕを斜め蒸着（膜厚３００ｎｍ）することで反射率９３％以上が得られた。高反射ミラーの反射率としては、９０％以上が好ましい。また、へき開端面に誘電体多層膜をスパッタ等で形成しても同等の反射率をもつ高反射ミラーが作製できる。
【００３２】
本実施形態では、第１のＭＺＩ４２１及び第２のＭＺＩ４２２を並列に２×２光カプラ４２３に接続しているが、接続する光導波路の長さを２つのＭＺＩ間で異なるものにしてもよい。前記第２のＭＺＩと２×２光カプラとの間に
【００３３】
【数３】
【００３４】
の長さＬPhaseの光導波路を付与することで不等長としても透過光の位相差を用いた波長可変域の拡大効果が期待できる。ここで、Ｌ１、Ｌ２はそれぞれ第１のＭＺＩ４２１及び第２のＭＺＩ４２２におけるファブリペローエタロンの長さである。
【００３５】
（実施形態２）
図１１に、実施形態２に係る半導体波長可変レーザが備える半導体波長可変フィルタを示す。従来技術である非特許文献１の構成では、異なるＦＳＲを有するリング共振器を２つ直列接続し、バーニア効果により波長可変帯域を拡大している。実施形態１に係る半導体波長可変レーザ４００においても、図１１のようにＭＺＩを直列接続することが可能である。
【００３６】
第１のＭＺＩ４２１及び第２のＭＺＩ４２２のＦＳＲをそれぞれＦＳＲ１及びＦＳＲ２とすると、フィルタ領域４２０の波長可変帯域Δλ’は、非特許文献１に示されているようにバーニア効果により、
【００３７】
【数４】
【００３８】
と表せる。比較のため、図７にΔλ’とΔλを記載する。式（２）と比較すると、実施形態１では、複数ピークを有するフィルタ素子を直列接続した場合に比べて２倍の波長可変帯域を可能としている。実施形態１では、ＦＳＲ１を４００ＧＨｚ、ＦＳＲ２を４４４ＧＨｚ、Ｍを１０、Ｎを９とすると、波長可変帯域Δλは８０００ＧＨｚ（６４ｎｍ）となるが、図１１に示すバーニア効果のみを用いた場合の波長可変帯域Δλ’は４０００ＧＨｚ（３２ｎｍ）となり、実施形態１の構成により実施形態２の２倍の波長可変性能を得ることが可能である。しかしながら、実施形態２の半導体波長可変フィルタによっても、従来のリング共振器を用いた波長可変フィルタと比較して広い波長可変帯域が得られる。通常、バーニア効果で大きな波長可変帯域を得るには、式（７）より、Ｍ（またはＮ）を大きくする、またはＦＳＲを大きくする必要がある。ＦＳＲを大きくするには、式（１）よりファブリペローエタロンの長さＬを小さく、あるいはリング共振器の場合は共振器の長さ（曲率一定のリング共振器の場合、その長さは２πＲとなる。Rは曲げ半径）を小さくすればよい。しかし、リング共振器を構成する曲がり導波路の曲げ半径には下限があり、本実施形態で使用する半導体ハイメサ光導波路の場合、曲げ半径を１０μｍ程度より小さくすると急激に光損失が増加する。したがって、リング共振器のＦＳＲは、それを構成する光カプラの長さも考慮すると７００ＧＨｚ程度に上限がある。一方、ファブリペローエタロンの場合、単純な直線導波路で構成されるため、曲げ半径による制約はない。したがって、リング共振器のＦＳＲを超える１０ＴＨｚのＦＳＲも実現できる。ファブリペローエタロンと位相調整領域の導波路とにそれぞれ屈折率制御用の電極を形成することで半導体波長可変レーザの正確な発振波長制御が簡便に実現できることを留意されたい。
【００３９】
バーニア効果で大きな波長可変帯域を得るためには、Ｍ（またはＮ）を大きくするか、ＦＳＲを大きくする必要があることは先に述べた。Ｍを増大させるためには、２つのＦＳＲの差を減少させる必要がある。その場合、２組のファブリペローエタロンの透過スペクトルの重なりが大きくなる。すなわちフィルタ領域からの反射スペクトルにおいて、メインピークと隣接ピークの反射率差ΔＲが減少する。ΔＲはフィルタ領域の波長選択性能、つまり波長可変レーザの副モード抑圧比（ＳＭＳＲ）を決定する重要なパラメータであり、波長可変域とトレードオフの関係にある。
【００４０】
図１２に、並列接続の実施形態１と、直列接続の実施形態２を比較するため、反射率差ΔＲとＭの関係を計算で求めた結果を示す。計算では光導波路の損失を５ｄＢ／ｃｍ、カプラの損失を０．５ｄＢ、ＦＳＲ１を４００ＧＨｚとして求めた。図１２より明らかなように、同じＭに対して、実施形態１は、実施形態２に比べてΔＲが向上する。これは、２×２光カプラ４２３に位相と振幅の差に応じて放射導波路側にも光が出力され、透過ピーク波長以外の光は利得領域４１０への結合効率の低下が生じるためである。これにより、メインピークと隣接ピークの反射率差ΔＲが直列接続の実施形態２と比較して向上し、副モード抑圧比が改善する。すなわち、実施形態１では、波長可変帯域が倍になるとともに、高ＳＭＳＲの波長可変レーザが実現できる。実施形態１では、ΔＲを１．２ｄＢとしてＳＭＳＲが４０ｄＢ以上を得ることができ、従来技術である非特許文献１と比較しても、広い波長可変帯域かつ高ＳＭＳＲの波長可変レーザが作製できる。
【００４１】
（実施形態３）
図１３に、本発明の実施形態３に係る半導体波長可変レーザを示す。実施形態３に係る半導体波長可変レーザ１３００は、利得領域４１０、フィルタ領域１３２０、及び位相調整領域４３０を備え、フィルタ領域１３２０は、２つの２×２光カプラの間に接続された２本のアーム導波路内にそれぞれ異なるＦＳＲを有するファブリペローエタロンを配置したＭＺＩ１３２１を備える。２本のアーム導波路は、ファブリペローエタロンを構成するミラー間を接続する光導波路の長さが異なるので、ＭＺＩ１３２１は非対称ＭＺＩである。しかし、２×２光カプラとミラーとを接続する光導波路の長さは２本のアーム導波路で等しい。
【００４２】
このような構成により、実施形態１と同様に、ファブリペローエタロンの透過光の位相を利用することで波長可変帯域を単純なバーニア効果を用いた実施形態２と比較して２倍に増大させることが可能となる。さらに、用いるファブリペローエタロンの数が半分になり、素子面積の縮小が可能である。さらには波長可変に必要な電力も半分になる。また、レーザ共振器内の光カプラの数は、実施形態１で５個、実施形態３で２個となり、光カプラによる光損失を低減できる。
【００４３】
本実施形態では、２つのファブリペローエタロンを並列に２つの２×２光カプラに接続しているが、接続する光導波路の長さは二つのアーム導波路間で等しい。しかし、例えば長さL２のファブリペローエタロンと一方の２×２光カプラとの間に
【００４４】
【数５】
【００４５】
の長さＬPhaseの光導波路を付与することで不等長としても透過光の位相差を用いた波長可変域の拡大効果が期待できる。ここで、L１、Ｌ２はそれぞれファブリペローエタロンの長さ、Kは正の整数である。
【００４６】
本実施形態に係る半導体波長可変レーザ１３００は、実施形態１及び２と同様に、ファブリペローエタロン部分にリッジ導波路構造を用いて作製することができるが、他にハイメサ導波路や、コア層の両横が半導体で埋め込まれた埋め込み型導波路やリブ型導波路なども考えられる。
【００４７】
最後に、本実施形態では、ＩｎＰ系の化合物半導体を用いることができるが、ＧａＡｓ系や石英系、あるいはＳｉとＳｉＯ2やポリイミドなどで構成されるシリコン細線導波路でも利得媒質を集積すれば同様に実現できる事を付記しておく。また、本実施形態では、電流注入による屈折率変化を用いることができるが、電圧や熱や圧力による屈折率変化を用いても、波長可変動作を得ることができる。
【符号の説明】
【００４８】
４００ 半導体波長可変レーザ
４１０ 利得領域
４２０ フィルタ領域（「半導体波長可変フィルタ」に相当）
４２１ 第１のＭＺＩ
４２２ 第２のＭＺＩ
４２３ ２×２光カプラ
４２４、４２５ 高反射ミラー
４３０ 位相調整領域
１３００ 半導体波長可変レーザ
１３２０ フィルタ領域（「半導体波長可変フィルタ」に相当）
１３２１ ＭＺＩ
１３２２ 高反射ミラー
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの２×２光カプラの間に２本のアーム導波路が接続され、
各アーム導波路は、
前記２つの２×２光カプラのうちの一方の２×２光カプラの出力ポートに接続された第１のミラーと、
前記第１のミラーと所定の長さの光導波路により接続され、前記２つの２×２光カプラのうちの他方の２×２光カプラの入力ポートに接続された第２のミラーと
を有するファブリペローエタロンを備え、
前記他方の２×２光カプラの出力ポートに高反射ミラーが設けられていることを特徴とする半導体波長可変フィルタ。
【請求項２】
前記２本のアーム導波路は、前記第１のミラーと前記第２のミラーを接続する前記光導波路の前記所定の長さが異なり、
前記一方の２×２光カプラと前記第１のミラーとを接続する光導波路、および、前記第２のミラーと前記他方の２×２光カプラを接続する光導波路の長さが等しいことを特徴とする請求項１記載の半導体波長可変フィルタ。
【請求項３】
第１及び第２の半導体波長可変フィルタが２×２光カブラに並列に接続され、
各半導体波長可変フィルタは、請求項１記載の半導体波長可変フィルタであって、前記２本のアーム導波路がそれぞれ備えるファブリペローエタロンの構造が同一であり、
前記第１の半導体波長可変フィルタにおいて、前記第１のミラーと前記第２のミラーとを接続する前記光導波路の前記所定の長さは第１の長さであり、
前記第２の半導体波長可変フィルタにおいて、前記第１のミラーと前記第２のミラーとを接続する前記光導波路の前記所定の長さは前記第１の長さと異なる第２の長さであることを特徴とする半導体波長可変フィルタ。
【請求項４】
第１及び第２の半導体波長可変フィルタが２×２光カブラに直列に接続され、
各半導体波長可変フィルタは、請求項１記載の半導体波長可変フィルタであって、前記２本のアーム導波路の構造が同一であり、
前記第１の半導体波長可変フィルタの前記他方の２×２光カプラの前記出力ポートは、高反射ミラーの代わりに前記第２の半導体波長可変フィルタの前記一方の２×２光カプラの入力ポートに接続されており、
前記第１の半導体波長可変フィルタにおいて、前記第１のミラーと前記第２のミラーとを接続する前記光導波路の前記所定の長さは第１の長さであり、
前記第２の半導体波長可変フィルタにおいて、前記第１のミラーと前記第２のミラーとを接続する前記光導波路の前記所定の長さは前記第１の長さと異なる第２の長さであることを特徴とする半導体波長可変フィルタ。
【請求項５】
利得領域と、
前記利得領域からの光に対する波長選択機能を有するフィルタ領域と、
前記利得領域と前記フィルタ領域との間の位相調整領域と
を備える半導体波長可変レーザであって、
前記フィルタ領域は、請求項１から４のいずれかに記載の半導体波長可変フィルタで構成されていることを特徴とする半導体波長可変レーザ。
【請求項１】
２つの２×２光カプラの間に２本のアーム導波路が接続され、
各アーム導波路は、
前記２つの２×２光カプラのうちの一方の２×２光カプラの出力ポートに接続された第１のミラーと、
前記第１のミラーと所定の長さの光導波路により接続され、前記２つの２×２光カプラのうちの他方の２×２光カプラの入力ポートに接続された第２のミラーと
を有するファブリペローエタロンを備え、
前記他方の２×２光カプラの出力ポートに高反射ミラーが設けられていることを特徴とする半導体波長可変フィルタ。
【請求項２】
前記２本のアーム導波路は、前記第１のミラーと前記第２のミラーを接続する前記光導波路の前記所定の長さが異なり、
前記一方の２×２光カプラと前記第１のミラーとを接続する光導波路、および、前記第２のミラーと前記他方の２×２光カプラを接続する光導波路の長さが等しいことを特徴とする請求項１記載の半導体波長可変フィルタ。
【請求項３】
第１及び第２の半導体波長可変フィルタが２×２光カブラに並列に接続され、
各半導体波長可変フィルタは、請求項１記載の半導体波長可変フィルタであって、前記２本のアーム導波路がそれぞれ備えるファブリペローエタロンの構造が同一であり、
前記第１の半導体波長可変フィルタにおいて、前記第１のミラーと前記第２のミラーとを接続する前記光導波路の前記所定の長さは第１の長さであり、
前記第２の半導体波長可変フィルタにおいて、前記第１のミラーと前記第２のミラーとを接続する前記光導波路の前記所定の長さは前記第１の長さと異なる第２の長さであることを特徴とする半導体波長可変フィルタ。
【請求項４】
第１及び第２の半導体波長可変フィルタが２×２光カブラに直列に接続され、
各半導体波長可変フィルタは、請求項１記載の半導体波長可変フィルタであって、前記２本のアーム導波路の構造が同一であり、
前記第１の半導体波長可変フィルタの前記他方の２×２光カプラの前記出力ポートは、高反射ミラーの代わりに前記第２の半導体波長可変フィルタの前記一方の２×２光カプラの入力ポートに接続されており、
前記第１の半導体波長可変フィルタにおいて、前記第１のミラーと前記第２のミラーとを接続する前記光導波路の前記所定の長さは第１の長さであり、
前記第２の半導体波長可変フィルタにおいて、前記第１のミラーと前記第２のミラーとを接続する前記光導波路の前記所定の長さは前記第１の長さと異なる第２の長さであることを特徴とする半導体波長可変フィルタ。
【請求項５】
利得領域と、
前記利得領域からの光に対する波長選択機能を有するフィルタ領域と、
前記利得領域と前記フィルタ領域との間の位相調整領域と
を備える半導体波長可変レーザであって、
前記フィルタ領域は、請求項１から４のいずれかに記載の半導体波長可変フィルタで構成されていることを特徴とする半導体波長可変レーザ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図９】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図８】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図９】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図８】
【図１０】
【公開番号】特開２０１３−１５７２８（Ｐ２０１３−１５７２８Ａ）
【公開日】平成２５年１月２４日（２０１３．１．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１４９３９９（Ｐ２０１１−１４９３９９）
【出願日】平成２３年７月５日（２０１１．７．５）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月２４日（２０１３．１．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月５日（２０１１．７．５）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【Ｆターム（参考）】
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