波長可変光フィルタ、波長可変レーザ、および波長可変レーザアレイ
【課題】広帯域で反射率のピーク波長が可変であり、かつ長さが短い波長可変光フィルタ、ならびに広帯域でレーザ光の波長が可変であり、かつレーザ光の強度が安定した波長可変レーザおよび波長可変レーザアレイを提供すること。
【解決手段】マルチモード干渉型導波路と、前記マルチモード干渉型導波路の長さ方向の一端に設けられた第１光入出力部と、前記マルチモード干渉型導波路の他の一端に設けられた反射手段と、前記マルチモード干渉型導波路の屈折率を変化させる手段と、を備え、前記マルチモード干渉型導波路の長さおよび幅は、前記第１光入出力部から入力した光を、前記反射手段により反射した後に、該第１光入出力部において所望の分岐比で結像させるように設定されている。
【解決手段】マルチモード干渉型導波路と、前記マルチモード干渉型導波路の長さ方向の一端に設けられた第１光入出力部と、前記マルチモード干渉型導波路の他の一端に設けられた反射手段と、前記マルチモード干渉型導波路の屈折率を変化させる手段と、を備え、前記マルチモード干渉型導波路の長さおよび幅は、前記第１光入出力部から入力した光を、前記反射手段により反射した後に、該第１光入出力部において所望の分岐比で結像させるように設定されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、波長可変光フィルタならびにこれを用いた波長可変レーザおよび波長可変レーザアレイに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
波長分割多重（ＷＤＭ）技術を用いた光通信において、信号光源として波長可変レーザが使用されている。波長可変レーザを実現する方式としては、レーザ発振波長が互いに異なる複数の半導体レーザとマルチモード干渉型（Multi Mode Interference、ＭＭＩ）光合流器（非特許文献１参照）とを組み合わせて、駆動するＤＦＢレーザを切り換えて、出力するレーザ光の波長を可変とする方式がある（特許文献１参照）。一方、半導体レーザと波長可変光フィルタとを組み合わせて、出力するレーザ光の波長を可変とする方式がある。
【０００３】
大容量のＷＤＭ通信においては広い波長範囲を使用するので、波長可変レーザにおいてもレーザ光の波長の可変の範囲がより広帯域であることが要求されている。波長可変レーザにおいて広帯域で波長可変を行なう代表的な方法の一つに、反射率の波長依存性が周期的にピークを示し、かつ互いに周期の異なる２つのグレーティング素子をミラーとして組み合わせて光共振器を構成する方法がある。この方法では、グレーティング素子のピークが重なり合った波長において光共振器が形成されるが、一方のグレーティング素子のピーク波長を変化させることによって、その重なり合うピーク波長をバーニア効果によって大きく動かせるという原理を用いて、広帯域での波長可変を実現している。たとえば、非特許文献２では、２つのサンプルドグレーティング(Sampled Grating：SG)を組み合わせて光共振器を構成している。一方、非特許文献３では、２つの超周期構造グレーティング(Super-Structure Grating：SSG)を組み合わせて光共振器を構成している。
【０００４】
一方、別の方法として、反射率の波長依存性が周期的にピークを示すグレーティング素子と、比較的半値全幅がひろい反射率のピークを有し、このピークを変化させることができる波長可変光フィルタとを組み合わせて光共振器を構成する方法がある。たとえば、非特許文献４では、サンプルドグレーティングと、波長可変光フィルタとしてのグレーティングアシスト方向性結合器光フィルタとを組み合わせて光共振器を構成している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−２５０８８９号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Pierre A. Besse, et al., Journal of Lightwave Technology, vol.12, No.6, pp.1004-1009, 1994
【非特許文献２】Vijaysekhar Jayaraman, et al., IEEE Journal of Quantum Electronics, vol.29, No.6, pp.1824-1834, 1993
【非特許文献３】Yuichi Tohmori, et al., IEEE Journal of Quantum Electronics, vol.29, No.6, pp.1817-1823, 1993
【非特許文献４】M. Oberg, et al., IEEE Photonics Technology Letters, vol.5, No.7, pp.735-738, 1993
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来の波長可変レーザにおいては、光共振器のミラーとなる素子の長さが、いずれも５００μｍ以上と長いため、光共振器の共振器長も長くなる。したがって、光共振器の縦モードの波長間隔が狭くなり、複数の縦モードにおいてレーザ発振が可能な状態となる。その結果、レーザ発振をさせた場合に縦モード間でのモードホップが発生し、出力するレーザ光の強度が不安定になるという問題があった。ゆえに、広帯域で反射率のピーク波長が可変であり、かつ長さが短い波長可変光フィルタが求められていた。
【０００８】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、広帯域で反射率のピーク波長が可変であり、かつ長さが短い波長可変光フィルタ、ならびに広帯域でレーザ光の波長が可変であり、かつレーザ光の強度が安定した波長可変レーザおよび波長可変レーザアレイ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】
【０００９】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る波長可変光フィルタは、マルチモード干渉型導波路と、前記マルチモード干渉型導波路の長さ方向の一端に設けられた第１光入出力部と、前記マルチモード干渉型導波路の他の一端に設けられた反射手段と、前記マルチモード干渉型導波路の屈折率を変化させる手段と、を備え、前記マルチモード干渉型導波路の長さおよび幅は、前記第１光入出力部から入力した光を、前記反射手段により反射した後に、該第１光入出力部において所望の分岐比で結像させるように設定されていることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明に係る波長可変光フィルタは、上記の発明において、前記マルチモード干渉型導波路の長さおよび幅は、前記第１光入出力部から入力した所定の波長を有するシングルモードの光をマルチモードで導波し、前記反射手段により反射した後に、前記第１光入出力部においてシングルモードの状態で結像させるように設定されていることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明に係る波長可変光フィルタは、上記の発明において、前記反射手段は半導体のへき開面であることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明に係る波長可変光フィルタは、上記の発明において、前記反射手段は半導体のエッチング面であることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明に係る波長可変レーザは、前記マルチモード干渉型導波路の前記一端に設けられ、前記第１光入出力部から入力し前記反射手段により反射した光の一部が結像される第２光入出力部をさらに備える上記の発明のいずれか一つの波長可変光フィルタと、反射率の波長依存性が周期的にピークを示す周期性反射手段と、前記波長可変光フィルタと前記周期性反射手段との間に配置した光増幅手段と、を備えることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明に係る波長可変レーザは、上記の発明において、半導体光増幅器をさらに備えることを特徴とする。
【００１５】
また、本発明に係る波長可変レーザアレイは、上記の発明のいずれか一つの波長可変レーザを複数備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、マルチモード干渉型導波路と反射手段とを組み合わせることによって、広帯域で反射率のピーク波長が可変であり、かつ長さが短い波長可変光フィルタ、ならびに広帯域でレーザ光の波長が可変であり、かつレーザ光の強度が安定した波長可変レーザおよび波長可変レーザアレイを実現できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、実施の形態１に係る波長可変レーザの模式的な平面図である。
【図２】図２は、図１に示す波長可変レーザのＡ−Ａ線要部断面図である。
【図３】図３は、図１に示す波長可変レーザのＢ−Ｂ線要部断面図である。
【図４】図４は、図１に示す波長可変レーザのＣ−Ｃ線要部断面図である。
【図５】図５は、図１に示す波長可変光フィルタの構成および動作について説明するための模式的な平面図である。
【図６】図６は、波長可変光フィルタの反射率の波長特性を模式的に示す図である。
【図７】図７は、サンプルドグレーティング導波路部の反射率の波長特性の一例を模式的に示す図である。
【図８】図８は、図１に示す波長可変レーザの発振波長について説明する図である。
【図９】図９は、図１に示す波長可変レーザの発振波長と縦モードとの関係について説明する図である。
【図１０】図１０は、図１に示す波長可変レーザの製造方法の一例を説明する図である。
【図１１】図１１は、実施の形態１の変形例に係る波長可変レーザの模式的な要部断面図である。
【図１２】図１２は、実施の形態２に係る波長可変レーザアレイの模式的な平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下に、図面を参照して本発明に係る波長可変光フィルタ、波長可変レーザ、および波長可変レーザアレイの実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の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構成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、各層の厚みと幅との関係、各層の比率などは、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。
【００１９】
（実施の形態１）
はじめに、本発明の実施の形態１に係る波長可変レーザについて説明する。以下では、はじめに本実施の形態１に係る波長可変レーザの構造について説明し、つぎに、その動作について説明し、最後に、その製造方法の一例について説明する。
【００２０】
（構造）
図１は、本発明の実施の形態１に係る波長可変レーザ１００の模式的な平面図である。図１に示すように、この波長可変レーザ１００は、周期性反射手段としてのＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）ミラーであるサンプルドグレーティング導波路部１と、光増幅手段としての光増幅導波路部２と、位相調整導波路部３と、ＭＭＩ導波路部４と、曲がり導波路部５と、半導体光増幅器としての光増幅導波路部６と、レーザ光５０を出力すべき曲がり導波路部７とを備え、これらの光導波路は、この順番で光学的に接続し、かつＭＭＩ導波路部４を基点として折り返すように配置している。また、この波長可変レーザ１００の上面は、後述するｐ側電極とコンタクト層とのコンタクト部分以外が、たとえばＳｉＮｘからなる厚さ数十〜数百ｎｍ程度の保護膜１１によって覆われている。
【００２１】
つぎに、図２〜図４を用いて波長可変レーザ１００の積層構造について説明する。はじめに、図２は、図１に示す波長可変レーザ１００のＡ−Ａ線要部断面図である。図２に示すように、サンプルドグレーティング導波路部１は、裏面にｎ側電極２１を形成したｎ−ＩｎＰからなる基板２２上に、バッファ層としての役割も果たしているｎ−ＩｎＰからなる下部クラッド層２３と、ＩｎＧａＡｓＰからなるコア層２４と、ｐ−ＩｎＰからなる上部クラッド層２５と、ＩｎＧａＡｓＰからなり、短周期のグレーティングが形成されたグレーティング領域２６ａが所定の周期で配置されたグレーティング層２６と、ｐ−ＩｎＰからなる上部クラッド層２７、２８と、ＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層２９とが順次積層した構造を有している。また、コンタクト層２９上にはｐ側電極１２が形成されている。ここで、コア層２４の組成は１．４Ｑ、グレーティング層２６の組成は１．５Ｑに調整されている。なお、１．４Ｑとは、バンドギャップ波長が１．４μｍという意味である。
【００２２】
また、光増幅導波路部２は、サンプルドグレーティング導波路部１と共通の基板２２および下部クラッド層２３と、ＩｎＧａＡｓＰからなるＳＣＨ（Separate confinement heterostructures）層３０ａと、ＩｎＧａＡｓＰからなる多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有する活性層３０と、ＳＣＨ層３０ｂと、ｐ−ＩｎＰからなる上部クラッド層３１、２８と、コンタクト層２９とが順次積層した構造を有している。また、コンタクト層２９上にはｐ側電極１３が形成されている。
【００２３】
また、位相調整導波路部３およびＭＭＩ導波路部４は、共通の基板２２および下部クラッド層２３と、コア層２４と、ｐ−ＩｎＰからなる上部クラッド層３２、２８と、コンタクト層２９とが順次積層した構造を有している。また、コンタクト層２９上にはｐ側電極１４、１５が形成されている。
【００２４】
また、サンプルドグレーティング導波路部１、光増幅導波路部２、位相調整導波路部３、およびＭＭＩ導波路部４の間には、これらを電気的に分離するための分離溝１８〜２０が形成されている。なお、保護膜１１は、各分離溝１８〜２０内の表面も覆っている。
【００２５】
また、光増幅導波路部６は、光増幅導波路部２と同様の積層構造を有しており、そのコンタクト層２９上にはｐ側電極１６が形成されている。また、曲がり導波路部５、７は、ｐ側電極を有していない点以外は、位相調整導波路部３と同様の積層構造を有している。
【００２６】
以上のように、この波長可変レーザ１００は、波長１．５５μｍ帯のレーザ光を出力するために、ＩｎＧａＡｓＰ系の半導体材料を使用している。また、サンプルドグレーティング導波路部１、光増幅導波路部２、位相調整導波路部３、ＭＭＩ導波路部４、曲がり導波路部５、光増幅導波路部６、および曲がり導波路部７が、同一基板２２上にモノリシックに集積した構成を有している。
【００２７】
また、図１に示すように、波長可変レーザ１００の曲がり導波路部７側の積層構造の端面には反射防止膜８が形成されている。一方、図１、２に示すように、ＭＭＩ導波路部４側の積層構造の端面には、反射手段として、反射率がたとえば９０％以上の高光反射膜９が形成されている。このＭＭＩ導波路部４と高光反射膜９とが後述する波長可変光フィルタ１０を構成している。
【００２８】
つぎに、図３は、図１に示す波長可変レーザ１００のＢ−Ｂ線要部断面図である。図３に示すように、サンプルドグレーティング導波路部１および光増幅導波路部６は、埋め込みメサ構造を有している。具体的には、サンプルドグレーティング導波路部１においては、下部クラッド層２３の一部から上部クラッド層２７までがメサ構造を有している。そして、このメサ構造がｐ−ＩｎＰからなる埋め込み層３３とｎ−ＩｎＰからなる電流阻止層３４とによって埋め込まれた構造をしており、さらにその上に上部クラッド層２８、コンタクト層２９、ｐ側電極１２が順次積層している。一方、光増幅導波路部６においては、下部クラッド層２３の一部から上部クラッド層３１までがメサ構造を有している。そして、このメサ構造が埋め込み層３３と電流阻止層３４とによって埋め込まれた構造をしており、さらにその上に上部クラッド層２８、コンタクト層２９、ｐ側電極１６が順次積層している。これらの電流阻止層３４は電流を効率的に注入させる機能を有する。また、サンプルドグレーティング導波路部１と光増幅導波路部６との間には、これらを電気的に分離するための分離溝１７が形成されている。また、保護膜１１は、分離溝１７内の表面も覆っている。なお、光増幅導波路部２、位相調整導波路部３、および曲がり導波路部７も同様の埋め込みメサ構造を有している。これらの埋め込みメサ構造の光導波路のメサ幅は、所定の波長の光をシングルモードで導波するように設定されており、所定の波長が１．５５μｍ帯の場合は、たとえば２μｍである。
【００２９】
一方、図４は、図１に示す波長可変レーザ１００のＣ−Ｃ線要部断面図である。図４に示すように、ＭＭＩ導波路部４は、ハイメサ構造を有している。具体的には、下部クラッド層２３の一部からコンタクト層２９までがハイメサ構造を有しており、このハイメサ構造の側面および下部クラッド層２３の表面は保護膜１１によって覆われており、さらにコンタクト層２９の上を覆うようにｐ側電極１５が形成されている。なお、曲がり導波路部５も同様のハイメサ構造を有している。曲がり導波路部５のメサ幅は、所定の波長の光をシングルモードで導波するように設定されており、所定の波長が１．５５μｍ帯の場合は、たとえば０．７μｍである。また、図１に示すように、保護膜１１は埋め込みメサ構造以外の領域の表面を覆うように形成されている。
【００３０】
（動作）
つぎに、本実施の形態１に係る波長可変レーザ１００の動作について説明する。以下では、はじめに波長可変光フィルタ１０について説明し、つぎにサンプルドグレーティング導波路部１について説明し、つぎに波長可変レーザ１００の動作について説明する。
【００３１】
はじめに波長可変光フィルタ１０について説明する。図５は、図１に示す波長可変光フィルタ１０の構成および動作について説明するための模式的な平面図である。なお、説明のためにｐ側電極１５等は記載を省略している。図５に示すように、この波長可変光フィルタ１０は、ＭＭＩ導波路部４と反射手段としての高光反射膜９とを備えている。
【００３２】
ＭＭＩ導波路部４は、光をマルチモードで導波させるＭＭＩ導波路４ａと、ＭＭＩ導波路４ａの長さ方向の一端に設けられた第１光入出力部としての光入出力部４ｂ、および第２光入出力部としての光入出力部４ｃとを備えている。また、高光反射膜９は、ＭＭＩ導波路４ａの他の一端に設けられている。また、ＭＭＩ導波路４ａは、長さＬ１と、幅Ｗとを有している。なお、光入出力部４ｂと光入出力部４ｃとは、ＭＭＩ導波路４ａの長さＬ１方向の中心軸に対して略対称の位置に設けられている。
【００３３】
この波長可変光フィルタ１０においては、ＭＭＩ導波路４ａの長さＬ１および幅Ｗは、光入出力部４ｂから入力したシングルモードの光を、マルチモードで導波させ、高光反射膜９により反射した後に、光入出力部４ｂ、４ｃにおいて分岐比１：１で結像させるように設定されている。
【００３４】
以下、具体的に説明する。まず、仮に、ＭＭＩ導波路４ａの長さを、図５の破線で示すような長さＬ２であると想定する。この想定された長さＬ２は、幅Ｗとの関係で、ＭＭＩ導波路４ａが所定の光の波長に対して分岐比が１：１の２×２カプラとして機能するように設定されているとする。この場合、光入出力部４ｂから入力された所定の波長のシングルモードの光５１は、ＭＭＩ導波路４ａを長さＬ２だけマルチモードで導波し、光入出力部４ｂ、４ｃと対向する位置にある点Ｐ１、Ｐ２において、その光強度比（分岐比）が１：１のシングルモードの光５２、５３として結像する。
【００３５】
これに対して、この波長可変光フィルタ１０においては、ＭＭＩ導波路４ａの長さＬ１を、上述した想定された長さＬ２の１／２の長さに設定しており、さらに高光反射膜９を備えている。すると、光入出力部４ｂと点Ｐ１、および光入出力部４ｃと点Ｐ２は、高光反射膜９の反射面に対して面対称の位置関係となる。その結果、光入出力部４ｂから入力された光５１は、長さＬ１だけ導波してマルチモード状態の光５４として高光反射膜９により反射した後に、点Ｐ１、Ｐ２と面対称の位置にある光入出力部４ｂ、４ｃにおいて、ちょうど分岐比１：１がシングルモードの光５５、５６として結像することとなる。
【００３６】
すなわち、この波長可変光フィルタ１０は、所定の波長の光に対しては、光入出力部４ｂから入力した光を略１：１の光強度で分岐して光入出力部４ｂおよび光入出力部４ｃにそれぞれ出力するので、少なくとも光入出力部４ｂに対しては反射型の１：１分岐素子として機能する。一方、上記所定の波長以外の波長の光を入力させると、ＭＭＩ導波路４ａ内での光の干渉状態が変化するので、分岐比も変化する。この波長可変光フィルタ１０は、所定の波長においては分岐比が略１：１となり、それ以外の波長においては光入出力部４ｂへの光の分岐比が小さくなるように設定してあるので、所定の波長を反射率のピークとした波長特性を有する反射型光フィルタとして機能する。
【００３７】
図６は、波長可変光フィルタ１０の反射率の波長特性の一例を模式的に示す図である。なお、図６においては、コア層２４の特性については、組成を１．４Ｑ、厚さを７００ｎｍ、長さＬ１の値を１８５μｍ、幅Ｗの値を１０μｍ、光入出力部４ｂと光入出力部４ｃとの間隔を５．６μｍに設定している。また、コア層２４の等価屈折率は３．４４である。図６に示すように、この波長可変光フィルタ１０は、波長１．５５μｍ付近を反射率のピークとした波長依存性を有する反射型光フィルタとして機能する。
【００３８】
ここで、屈折率を変化させる手段としてのｎ側電極２１とｐ側電極１５との間に電圧を印加し、コア層２４に電流を注入すると、プラズマ効果によってコア層２４の屈折率が変化する。コア層２４の屈折率が変化すると、ＭＭＩ導波路４ａ内での光の干渉状態が変化するため、光の分岐比が１：１となる波長も変化することとなるので、反射率のピーク波長も変化する。したがって、上記の電流注入によって、反射率のピーク波長を変化させることができるので、波長可変光フィルタ１０は波長可変光フィルタとして機能するのである。なお、反射率のピーク波長を変化させた場合に、そのピーク反射率が変化しないようにするために、使用する波長帯域において高光反射膜９の反射率が略一定であることが好ましい。
【００３９】
なお、上記のように、所定の波長におけるＭＭＩ導波路４ａの長さＬ１および幅Ｗの設定方法としては、たとえば非特許文献１に記載される方法で、導波路の等価屈折率等の設計パラメータを用いてまず２×２カプラとして機能するための長さＬ２および幅Ｗを設計し、その後長さＬ１を長さＬ２の１／２の値として設定すればよい。このとき、たとえば、所定の波長におけるＭＭＩ導波路４ａの０次モード、１次モードの伝搬定数をそれぞれβ０、β１とすると、長さＬ１の値Ｌ０は、Ｌ０＝３π／｛４（β０−β１）｝となる。
【００４０】
また、上述したように、この波長可変光フィルタ１０は、図６に示す例のように長さＬ１の値は１８５μｍとでき、従来よりも大幅に短くできる。
【００４１】
つぎに、サンプルドグレーティング導波路部１について説明する。サンプルドグレーティング導波路部１は、反射率の波長依存性が周期的にピークを示す特性を有している。この反射率のピークの波長および周期は、積層した下部クラッド層２３から上部クラッド層２７までの各層の屈折率、グレーティング領域２６ａにおける短周期グレーティングの周期、およびグレーティング領域２６ａの配置の周期を調整することで設定できる。
【００４２】
図７は、サンプルドグレーティング導波路部１の反射率の波長特性の一例を模式的に示す図である。なお、図７においては、グレーティング層２６の特性については、組成を１．５Ｑ、厚さを５０ｎｍ、グレーティング領域２６ａにおける短周期グレーティングの周期を２４１ｎｍ、グレーティング領域２６ａの配置の周期を３７．４μｍに設定している。また、グレーティング層２６の屈折率は３．４９である。また、サンプルドグレーティング導波路部１の長さは６００μｍである。図７に示すように、このサンプルドグレーティング導波路部１は、その反射率が、波長１．５５μｍ付近にピークを有し、さらに約６０ｎｍの帯域にわたって約１０ｎｍの周期でピークを示す波長依存性を有するものとなる。また、各ピークの半値全幅は１ｎｍ程度となる。
【００４３】
なお、このサンプルドグレーティング導波路部１についても、波長可変光フィルタ１０と同様に、ｎ側電極２１とｐ側電極１２との間に電圧を印加し、グレーティング層２６に電流を注入すると、電気光学効果によってグレーティング層２６の等価屈折率が変化する。これによって、反射率のピーク波長を変化させることができる。たとえば、図７に示す場合において、電流注入によって反射率のピーク波長を１０ｎｍ変化させるようにすれば、１．５１５〜１．５８５μｍの全域にわたって反射率のピークをすきまなく配置させることができる。
【００４４】
つぎに、図１、図８を用いて波長可変レーザ１００の動作について説明する。図８は、図１に示す波長可変レーザ１００の発振波長について説明する図である。まず、波長可変光フィルタ１０が、図８に示す反射スペクトル６０のような反射率の波長依存性を有しているとする。この場合、サンプルドグレーティング導波路部１の反射率のピークのうち、反射スペクトル６０との重なりが最も大きい反射ピーク６１の波長において、サンプルドグレーティング導波路部１と波長可変光フィルタ１０とによって光共振器が形成される。
【００４５】
ここで、ｎ側電極２１とｐ側電極１３との間に電圧を印加し、光増幅導波路部２の活性層３０に電流を注入すると、光増幅導波路部２は発光する。すると、光増幅導波路部２の誘導放出による光増幅機能と、サンプルドグレーティング導波路部１と波長可変光フィルタ１０とが形成する光共振器の作用によって、反射ピーク６１にほぼ対応するピーク波長の強度スペクトル６２を有するレーザ光が発振する。つぎに、曲がり導波路部５は発振したレーザ光を導波する。一方、光増幅導波路部６については、ｎ側電極２１とｐ側電極１６との間に電圧を印加し、光増幅導波路部６の活性層３０に電流を注入することによって、半導体光増幅器として機能する。そして、光増幅導波路部６は、曲がり導波路部５が導波したレーザ光を受け付けてこれを光増幅し、曲がり導波路部７に出力する。曲がり導波路部７は、光増幅されたレーザ光を導波し、レーザ光５０として出力する。なお、曲がり導波路部７は、反射防止膜８が形成された端面に対して角度を有する光導波路となっているので、レーザ光５０の一部が端面反射によって戻り光として波長可変レーザ１００内に戻ることが抑制されるため、レーザ光５０の強度はさらに安定する。なお、光増幅導波路部６の出力側に窓構造を採用すれば、戻り光はさらに抑制されるので好ましい。
【００４６】
つぎに、電流注入によって、波長可変光フィルタ１０の反射率の波長依存性を、図８に示す反射スペクトル６３のように変化させたとする。この場合、サンプルドグレーティング導波路部１の反射率のピークのうち、反射スペクトル６３との重なりが最も大きい反射ピーク６４の波長において、サンプルドグレーティング導波路部１と波長可変光フィルタ１０とによって光共振器が形成される。その結果、光増幅導波路部２の活性層３０に電流を注入すると、反射ピーク６４にほぼ対応するピーク波長の強度スペクトル６５を有するレーザ光が発振する。その後、曲がり導波路部５は、発振したレーザ光を導波し、光増幅導波路部６は、曲がり導波路部５が導波したレーザ光を受け付けてこれを光増幅し、曲がり導波路部７は、光増幅されたレーザ光を導波し、レーザ光５０として出力する。
【００４７】
このように、波長可変レーザ１００は、波長可変光フィルタ１０への電流注入によって、サンプルドグレーティング導波路部１の反射率のピークのうちのいずれかに対応する波長のレーザ光５０を出力することができる。さらに、上述したように、サンプルドグレーティング導波路部１は、電流注入によって、反射率のピーク波長をすきまなく変化させることができる。したがって、この波長可変レーザ１００は、広帯域にわたって波長可変なレーザとなる。
【００４８】
ところで、上述したように、たとえば発振するレーザ光の強度スペクトル６２は、反射ピーク６１にほぼ対応するピーク波長を有しているが、厳密には、強度スペクトル６２のピーク波長は、反射ピーク６１の近傍に存在する光共振器の縦モードに対応する波長となっている。以下具体的に説明する。
【００４９】
図９は、波長可変レーザ１００の発振波長と縦モードとの関係について説明する図である。図９において、符号６６は、波長可変光フィルタ１０の反射スペクトル６０とサンプルドグレーティング導波路部１の反射ピーク６１との重ね合わせスペクトルを示している。一方、符号６７は、光共振器の縦モードを示している。これらの縦モード６７は、波長軸上において所定の波長間隔６８で配列している。厳密には、レーザ発振波長は、重ね合わせスペクトル６６のピーク近傍の波長であって、縦モード６７のいずれかの波長となる。
【００５０】
この波長可変レーザ１００では、位相調整導波路部３によって、光共振器の縦モードの波長を調整し、レーザ発振波長を調整できる。すなわち、位相調整導波路部３において、ｎ側電極２１とｐ側電極１４との間に電圧を印加し、コア層２４に電流を注入すると、電気光学効果によってコア層２４の等価屈折率が変化する。これによって、光共振器の光学長を変化させて、縦モードの波長を調整し、最終的なレーザ発振波長を調整することができる。
【００５１】
ここで、光共振器の共振器長が長い場合は、縦モード６７の波長間隔６８も狭くなるため、重ね合わせスペクトル６６のピーク近傍に複数の縦モード６７が含まれることとなるため、レーザ発振をさせた場合に縦モード間でのモードホップが発生し、出力するレーザ光の強度が不安定になる。
【００５２】
これに対して、この波長可変レーザ１００では、ＭＭＩ導波路を用いた波長可変光フィルタ１０を光共振器のミラーとして用いているので、共振器長が短くなる。その結果、重ね合わせスペクトル６６のピーク近傍の縦モード６７の数が減少するので、モードホップの問題の発生が抑制され、出力するレーザ光５０の強度は安定したものとなる。
【００５３】
たとえば、サンプルドグレーティング導波路部１の長さを６００μｍ、光増幅導波路部２の長さを２５０μｍ、位相調整導波路部３の長さを１００μｍ、ＭＭＩ導波路部４の長さを１８５μｍとすると、光共振器の光学長は約７００μｍと短くなる。この場合、縦モード６７の波長間隔６８は約０．５ｎｍ程度となる。一方、重ね合わせスペクトル６６の半値全幅は、サンプルドグレーティング導波路部１の反射ピークの半値全幅と同程度の１ｎｍ程度である。したがって、位相調整導波路部３によって、或る縦モード６７の波長と重ね合わせスペクトル６６のピーク波長とを一致させるようにすれば、一致させた縦モード６７の両側の縦モードへのモードホップはほぼ抑制されるので、出力するレーザ光５０の強度はきわめて安定したものとなる。
【００５４】
ちなみに、この波長可変レーザ１００では、ＭＭＩ導波路部４の長さが短く、さらに、サンプルドグレーティング導波路部１から曲がり導波路部７までの光導波路がＭＭＩ導波路部４を基点として折り返すように配置しているので、各光導波路の長さを上記のように設定した場合に、その全体の長さが約１．２５ｍｍ程度のきわめて小型のものとなり、かつ小型のため１枚の基板から多数製造できるので、低コストのものとなる。
【００５５】
以上説明したように、本実施の形態１に係る波長可変レーザ１００は、広帯域で反射率のピーク波長が可変であり、かつ長さが短い波長可変光フィルタ１０を用いることによって、広帯域でレーザ光の波長が可変であり、かつレーザ光の強度が安定した波長可変レーザとなる。
【００５６】
（製造方法）
つぎに、本実施の形態１に係る波長可変レーザ１００の製造方法について説明する。図１０は、図１に示す波長可変レーザの製造方法の一例を説明する図である。
【００５７】
まず、ＭＯＣＶＤ結晶成長装置を用い、基板２２上に、下部クラッド層２３の一部２３ａ、ＳＣＨ層３０ａ、活性層３０、ＳＣＨ層３０ｂ、および上部クラッド層３１の一部３１ａを順次結晶成長する。つぎに、光増幅導波路部２および光増幅導波路部６を形成する領域Ａ１を保護するためのＳｉＮｘ膜からなるマスクを形成し、このマスクを用いて、領域Ａ１以外の領域のＳＣＨ層３０ａ、活性層３０、ＳＣＨ層３０ｂ、および上部クラッド層３１の一部３１ａをエッチングにより除去する。つぎに、領域Ａ１以外の領域において、エッチングにより除去した部分の下部クラッド層２３の一部２３ａ上に、下部クラッド層２３を形成する残部２３ｂ、コア層２４、上部クラッド層２５、グレーティング層２６を形成するためのＩｎＧａＡｓＰからなるグレーティング形成層３５をバットジョイント成長により形成する。
【００５８】
つぎに、全面にＳｉＮｘ膜を形成した後、サンプルドグレーティング導波路部１を形成する領域に、グレーティング領域２６ａのパターンニングを施す。また、位相調整導波路部３、ＭＭＩ導波路部４、曲がり導波路部５、および曲がり導波路部７を形成すべき領域にもパターンニングを施す。そして、このＳｉＮｘ膜をマスクとしてエッチングして、サンプルドグレーティング導波路部１を形成する領域のグレーティング形成層３５にグレーティング領域２６ａを形成するとともに、その他の領域のグレーティング形成層３５を全て取り除く。つぎに、ＳｉＮｘ膜のマスクを除去した後に、全面にｐ−ＩｎＰ層を再び結晶成長する。これによって、上部クラッド層２７、３１、３２が形成される。
【００５９】
つぎに、ＳｉＮｘ膜のマスクを形成し、ドライエッチングによって曲がり導波路部５、ＭＭＩ導波路部４以外の光導波路のメサ構造を形成する。その後、埋め込み層３３と電流阻止層３４とによって埋め込んで、埋め込みメサ構造を形成する。つぎに、ＳｉＮｘのマスクを除去した後に、全面に上部クラッド層２８、コンタクト層２９を形成する。つぎに、ＳｉＮｘ膜のマスクを形成し、ドライエッチングによって曲がり導波路部５、ＭＭＩ導波路部４の光導波路のハイメサ構造を形成する。つぎに、埋め込みメサ構造の領域にパターニングしたマスクを形成し、ドライエッチングにより分離溝１７〜２０を形成する。その後、全面に保護膜１１を形成し、保護膜１１上にパターニングしたマスクを形成し、保護膜１１の所定の領域を除去して開口部を設け、リフトオフ法によってたとえばＡｕＺｎ／Ａｕ構造のｐ側電極１２〜１６を形成し、基板２２の裏面を研磨した後に裏面全体にたとえばＡｕＧｅＮｉ／Ａｕ構造のｎ側電極２１を形成する。その後、反射防止膜８と高光反射膜９とを形成すべき端面をへき開により形成し、たとえば誘電体多層膜からなる反射防止膜８と高光反射膜９を形成し、波長可変レーザ１００が完成する。
【００６０】
なお、波長可変レーザ１００において、高反射膜９を形成せずに、へき開により形成した端面すなわちへき開面を、反射手段としてのへき開ミラーとして利用してもよい。
【００６１】
（変形例）
つぎに、本発明の実施の形態１の変形例について説明する。図１１は、実施の形態１の変形例に係る波長可変レーザの模式的な要部断面図である。この波長可変レーザ２００は、実施の形態１に係る波長可変レーザ１００において、ＭＭＩ導波路部４、高光反射膜９を、それぞれＭＭＩ導波路部４´、高光反射膜９´に置き換えた構成を有している。そして、ＭＭＩ導波路部４´と高光反射膜９´とが波長可変光フィルタ１０´を構成している。
【００６２】
この波長可変レーザ２００においては、位相調整導波路部３とは反対側のＭＭＩ導波路部４´の端部に溝３６が形成されており、高光反射膜９´は溝３６内に形成されている。なお、溝３６内の表面も保護膜１１によって覆われている。この波長可変レーザ２００は、紙面右側に位置するＭＭＩ導波路部４´側の端面を使用しないので、たとえばこの端面側に他の光素子等を集積することができる。なお、このような溝３６は、ｐ側電極を電気的に分離する分離溝を形成する工程において、ドライエッチングによって同時に形成することができる。
【００６３】
なお、この波長可変レーザ２００において、反射手段としての高光反射膜９´の代わりに、溝３６に誘電体多層膜フィルタやグレーティングミラー等の反射フィルタを挿入してもよい。また、高光反射膜９´を形成せずに、エッチング面である溝３６の側壁をエッチドミラーとして利用してもよい。
【００６４】
（実施の形態２）
つぎに、本発明の実施の形態２について説明する。本実施の形態２に係る波長可変レーザアレイは、実施の形態１に係る波長可変レーザ１００と同様の材質および構造を有する２つの波長可変レーザをアレイ状に集積したものである。
【００６５】
図１２は、実施の形態２に係る波長可変レーザアレイの模式的な平面図である。図１２に示すように、この波長可変レーザアレイ３００は、共通の基板上にアレイ状に集積した波長可変レーザ１００Ａ、１００Ｂを備えている。波長可変レーザ１００Ａは、波長可変レーザ１００と同様に、サンプルドグレーティング導波路部１Ａと、光増幅導波路部２Ａと、位相調整導波路部３Ａと、ＭＭＩ導波路部４Ａと高光反射膜９Ａとが構成する波長可変光フィルタ１０Ａと、曲がり導波路部５Ａとを備えている。さらに、波長可変レーザ１００Ａは、各光導波路に電流を注入するためのｐ側電極１２Ａ〜１５Ａと、分離溝１８Ａ〜２０Ａとを備えている。同様に、波長可変レーザ１００Ｂは、サンプルドグレーティング導波路部１Ｂと、光増幅導波路部２Ｂと、位相調整導波路部３Ｂと、ＭＭＩ導波路部４Ｂと高光反射膜９Ａとが構成する波長可変光フィルタ１０Ｂと、曲がり導波路部５Ｂと、ｐ側電極１２Ｂ〜１５Ｂと、分離溝１８Ｂ〜２０Ｂとを備えている。なお、波長可変レーザ１００Ａ、１００Ｂの積層構造およびメサ構造は、波長可変レーザ１００と同様である。また、この波長可変レーザ２００の上面は、ｐ側電極１２Ａ〜１５Ａ、１２Ｂ〜１５Ｂとコンタクト層とのコンタクト部分以外が、たとえばＳｉＮｘからなる保護膜１１Ａで覆われている。
【００６６】
また、曲がり導波路部５Ａ、５Ｂは、埋め込みメサ型の導波路構造を有するＭＭＩ合流器３７に接続している。また、ＭＭＩ合流器３７には、光増幅導波路部６Ａ、曲がり導波路部７Ａが順次接続している。また、曲がり導波路部７Ａ側の積層構造の端面には反射防止膜８Ａが形成されている。また、光増幅導波路部６Ａ上にはｐ側電極１６Ａが形成されている。このｐ側電極６Ａは、ｐ側電極１２Ａ、１２Ｂ等とは分離溝１７Ａ、１７Ｂにより電気的に分離している。
【００６７】
この波長可変レーザアレイ３００においては、ＭＭＩ合流器３７が、波長可変レーザ１００Ａおよび波長可変レーザ１００Ｂのいずれか一方から出力したレーザ光を合流して出力し、光増幅導波路部６ＡがＭＭＩ合流器３７から出力したレーザ光を光増幅し、曲がり導波路部７Ａが光増幅されたレーザ光を導波し、レーザ光５７として出力する。
【００６８】
この波長可変レーザアレイ３００は、２つの波長可変レーザ１００Ａ、１００Ｂの出力するレーザ光の波長可変範囲をずらすことによって、実施の形態１に係る波長可変レーザ１００よりも、いっそう広帯域で波長が可変する波長可変レーザとなる。
【００６９】
また、この波長可変レーザアレイ３００において、たとえば２つの波長可変レーザ１００Ａ、１００Ｂの波長可変範囲の合計が、波長可変レーザ１００の波長可変範囲と同一になるようにしてもよい。この場合、個々の波長可変レーザ１００Ａ、１００Ｂの波長可変範囲は波長可変レーザ１００の波長可変範囲の１／２でよいので、たとえばサンプルドグレーティング導波路部１Ａ、１Ｂや、波長可変光フィルタ１０Ａ、１０Ｂについて、所望に光学特性を実現するための光学設計のマージンが増加する等という効果がある。
【００７０】
なお、この波長可変レーザアレイ３００においては、２つの波長可変レーザ１００Ａ、１００Ｂをアレイ状に集積しているが、さらに多数の波長可変レーザを集積してもよい。
【００７１】
また、上記実施の形態では、光共振器を構成するＤＢＲミラーとしてサンプルドグレーティング導波路を用いているが、反射率の波長依存性が周期的にピークを示すものであれば特に限定されず、たとえば超周期構造グレーティング等の他のＤＢＲミラーを用いてもよい。また、たとえばサンプルドグレーティングはコア層や下部クラッド層などに形成してもよい。
【００７２】
また、上記実施の形態では、波長可変レーザを波長１．５５μｍ帯で使用するために、ＩｎＧａＡｓＰ系の半導体材料を使用しているが、使用する半導体材料は使用する波長帯に応じて適宜選択することができる。
【００７３】
また、上記実施の形態では、各光導波路の構造として、たとえばサンプルドグレーティング導波路部１については埋め込みメサ構造を採用し、ＭＭＩ導波路部４についてはハイメサ構造を採用している。しかしながら、いずれの光導波路についても、その構造については上記実施の形態において採用したものに限定されず、たとえば要求される特性に応じて埋め込みメサ構造、ハイメサ構造、またはローメサ構造等を任意に採用することができる。
【００７４】
また、上記実施の形態において、半導体光増幅器として機能する光増幅導波路部６、６Ａ等の導波路構造を、テーパ構造やフレア構造とすれば、利得飽和が抑制され、より高出力のレーザ光を出力できるので好ましい。
【００７５】
また、上記実施の形態に係る波長可変光フィルタ１０において、ＭＭＩ導波路４ａおよび光入出力部４ｂ、４ｃは、光入出力部４ｂからシングルモードの光が入力した場合に、光入出力部４ｂ、４ｃから分岐比１：１のシングルモードの光が出力するように構成されている。しかしながら、本発明に係る波長可変光フィルタはこれに限定されない。すなわち、本発明に係る波長可変光フィルタは、所定の波長のシングルモードまたはマルチモードの光を入力させた場合に、各光入出力部から、所望のシングルモードまたはマルチモードの光を所望の分岐比で出力させるように構成してもよい。このように、入出力させる光のモード、および分岐比については、ＭＭＩ導波路の幅、長さ、および等価屈折率等、ならびに光入出力部の位置等を調整することで設定できる。
【００７６】
また、上記実施の形態では、波長可変光フィルタ１０は、波長可変レーザ１００の光共振器として使用されるので、光入出力部４ｂと、発振したレーザ光を出力するための光入出力部４ｃとを備えている。しかしながら、本発明はこれに限られない。すなわち、波長可変光フィルタ１０から光入出力部４ｃが削除され光入出力部４ｂのみを備えるような構造の波長可変光フィルタも、広帯域で反射率のピーク波長が可変であり、かつ長さが短いという本発明の効果を奏するものとなる。
【符号の説明】
【００７７】
１、１Ａ、１Ｂ サンプルドグレーティング導波路部
２、２Ａ、２Ｂ 光増幅導波路部
３、３Ａ、３Ｂ 位相調整導波路部
４、４Ａ、４Ｂ ＭＭＩ導波路部
４ａ ＭＭＩ導波路
４ｂ、４ｃ 光入出力部
５、５Ａ、５Ｂ 曲がり導波路部
６、６Ａ、６Ｂ 光増幅導波路部
７、７Ａ 曲がり導波路部
８、８Ａ 反射防止膜
９、９Ａ 高光反射膜
１０、１０Ａ、１０Ｂ 波長可変光フィルタ
１１、１１Ａ 保護膜
１２〜１６、１２Ａ〜１６Ａ、１２Ｂ〜１５Ｂ ｐ側電極
１７〜２０、１７Ａ〜２０Ａ、１７Ｂ〜２０Ｂ 分離溝
２１ ｎ側電極
２２ 基板
２３ 下部クラッド層
２３ａ 下部クラッド層の一部
２３ｂ 下部クラッド層を形成する残部
２４ コア層
２５ 上部クラッド層
２６ グレーティング層
２６ａ グレーティング領域
２７、２８、３１、３２ 上部クラッド層
２９ コンタクト層
３０ 活性層
３０ａ、３０ｂ ＳＣＨ層
３１ａ 上部クラッド層の一部
３３ 埋め込み層
３４ 電流阻止層
３５ グレーティング形成層
３６ 溝
３７ ＭＭＩ合流器
５０、５７ レーザ光
５１〜５６ 光
６０、６３ 反射スペクトル
６１、６４ 反射ピーク
６２、６５ 強度スペクトル
６６ 重ね合わせスペクトル
６７ 縦モード
６８ 波長間隔
１００、１００Ａ、１００Ｂ 波長可変レーザ
２００ 波長可変レーザ
３００ 波長可変レーザアレイ
Ａ１ 領域
Ｌ１、Ｌ２ 長さ
Ｐ１、Ｐ２ 位置
Ｗ 幅
【技術分野】
【０００１】
本発明は、波長可変光フィルタならびにこれを用いた波長可変レーザおよび波長可変レーザアレイに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
波長分割多重（ＷＤＭ）技術を用いた光通信において、信号光源として波長可変レーザが使用されている。波長可変レーザを実現する方式としては、レーザ発振波長が互いに異なる複数の半導体レーザとマルチモード干渉型（Multi Mode Interference、ＭＭＩ）光合流器（非特許文献１参照）とを組み合わせて、駆動するＤＦＢレーザを切り換えて、出力するレーザ光の波長を可変とする方式がある（特許文献１参照）。一方、半導体レーザと波長可変光フィルタとを組み合わせて、出力するレーザ光の波長を可変とする方式がある。
【０００３】
大容量のＷＤＭ通信においては広い波長範囲を使用するので、波長可変レーザにおいてもレーザ光の波長の可変の範囲がより広帯域であることが要求されている。波長可変レーザにおいて広帯域で波長可変を行なう代表的な方法の一つに、反射率の波長依存性が周期的にピークを示し、かつ互いに周期の異なる２つのグレーティング素子をミラーとして組み合わせて光共振器を構成する方法がある。この方法では、グレーティング素子のピークが重なり合った波長において光共振器が形成されるが、一方のグレーティング素子のピーク波長を変化させることによって、その重なり合うピーク波長をバーニア効果によって大きく動かせるという原理を用いて、広帯域での波長可変を実現している。たとえば、非特許文献２では、２つのサンプルドグレーティング(Sampled Grating：SG)を組み合わせて光共振器を構成している。一方、非特許文献３では、２つの超周期構造グレーティング(Super-Structure Grating：SSG)を組み合わせて光共振器を構成している。
【０００４】
一方、別の方法として、反射率の波長依存性が周期的にピークを示すグレーティング素子と、比較的半値全幅がひろい反射率のピークを有し、このピークを変化させることができる波長可変光フィルタとを組み合わせて光共振器を構成する方法がある。たとえば、非特許文献４では、サンプルドグレーティングと、波長可変光フィルタとしてのグレーティングアシスト方向性結合器光フィルタとを組み合わせて光共振器を構成している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−２５０８８９号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Pierre A. Besse, et al., Journal of Lightwave Technology, vol.12, No.6, pp.1004-1009, 1994
【非特許文献２】Vijaysekhar Jayaraman, et al., IEEE Journal of Quantum Electronics, vol.29, No.6, pp.1824-1834, 1993
【非特許文献３】Yuichi Tohmori, et al., IEEE Journal of Quantum Electronics, vol.29, No.6, pp.1817-1823, 1993
【非特許文献４】M. Oberg, et al., IEEE Photonics Technology Letters, vol.5, No.7, pp.735-738, 1993
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来の波長可変レーザにおいては、光共振器のミラーとなる素子の長さが、いずれも５００μｍ以上と長いため、光共振器の共振器長も長くなる。したがって、光共振器の縦モードの波長間隔が狭くなり、複数の縦モードにおいてレーザ発振が可能な状態となる。その結果、レーザ発振をさせた場合に縦モード間でのモードホップが発生し、出力するレーザ光の強度が不安定になるという問題があった。ゆえに、広帯域で反射率のピーク波長が可変であり、かつ長さが短い波長可変光フィルタが求められていた。
【０００８】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、広帯域で反射率のピーク波長が可変であり、かつ長さが短い波長可変光フィルタ、ならびに広帯域でレーザ光の波長が可変であり、かつレーザ光の強度が安定した波長可変レーザおよび波長可変レーザアレイ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】
【０００９】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る波長可変光フィルタは、マルチモード干渉型導波路と、前記マルチモード干渉型導波路の長さ方向の一端に設けられた第１光入出力部と、前記マルチモード干渉型導波路の他の一端に設けられた反射手段と、前記マルチモード干渉型導波路の屈折率を変化させる手段と、を備え、前記マルチモード干渉型導波路の長さおよび幅は、前記第１光入出力部から入力した光を、前記反射手段により反射した後に、該第１光入出力部において所望の分岐比で結像させるように設定されていることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明に係る波長可変光フィルタは、上記の発明において、前記マルチモード干渉型導波路の長さおよび幅は、前記第１光入出力部から入力した所定の波長を有するシングルモードの光をマルチモードで導波し、前記反射手段により反射した後に、前記第１光入出力部においてシングルモードの状態で結像させるように設定されていることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明に係る波長可変光フィルタは、上記の発明において、前記反射手段は半導体のへき開面であることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明に係る波長可変光フィルタは、上記の発明において、前記反射手段は半導体のエッチング面であることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明に係る波長可変レーザは、前記マルチモード干渉型導波路の前記一端に設けられ、前記第１光入出力部から入力し前記反射手段により反射した光の一部が結像される第２光入出力部をさらに備える上記の発明のいずれか一つの波長可変光フィルタと、反射率の波長依存性が周期的にピークを示す周期性反射手段と、前記波長可変光フィルタと前記周期性反射手段との間に配置した光増幅手段と、を備えることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明に係る波長可変レーザは、上記の発明において、半導体光増幅器をさらに備えることを特徴とする。
【００１５】
また、本発明に係る波長可変レーザアレイは、上記の発明のいずれか一つの波長可変レーザを複数備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、マルチモード干渉型導波路と反射手段とを組み合わせることによって、広帯域で反射率のピーク波長が可変であり、かつ長さが短い波長可変光フィルタ、ならびに広帯域でレーザ光の波長が可変であり、かつレーザ光の強度が安定した波長可変レーザおよび波長可変レーザアレイを実現できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、実施の形態１に係る波長可変レーザの模式的な平面図である。
【図２】図２は、図１に示す波長可変レーザのＡ−Ａ線要部断面図である。
【図３】図３は、図１に示す波長可変レーザのＢ−Ｂ線要部断面図である。
【図４】図４は、図１に示す波長可変レーザのＣ−Ｃ線要部断面図である。
【図５】図５は、図１に示す波長可変光フィルタの構成および動作について説明するための模式的な平面図である。
【図６】図６は、波長可変光フィルタの反射率の波長特性を模式的に示す図である。
【図７】図７は、サンプルドグレーティング導波路部の反射率の波長特性の一例を模式的に示す図である。
【図８】図８は、図１に示す波長可変レーザの発振波長について説明する図である。
【図９】図９は、図１に示す波長可変レーザの発振波長と縦モードとの関係について説明する図である。
【図１０】図１０は、図１に示す波長可変レーザの製造方法の一例を説明する図である。
【図１１】図１１は、実施の形態１の変形例に係る波長可変レーザの模式的な要部断面図である。
【図１２】図１２は、実施の形態２に係る波長可変レーザアレイの模式的な平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下に、図面を参照して本発明に係る波長可変光フィルタ、波長可変レーザ、および波長可変レーザアレイの実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の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構成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、各層の厚みと幅との関係、各層の比率などは、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。
【００１９】
（実施の形態１）
はじめに、本発明の実施の形態１に係る波長可変レーザについて説明する。以下では、はじめに本実施の形態１に係る波長可変レーザの構造について説明し、つぎに、その動作について説明し、最後に、その製造方法の一例について説明する。
【００２０】
（構造）
図１は、本発明の実施の形態１に係る波長可変レーザ１００の模式的な平面図である。図１に示すように、この波長可変レーザ１００は、周期性反射手段としてのＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）ミラーであるサンプルドグレーティング導波路部１と、光増幅手段としての光増幅導波路部２と、位相調整導波路部３と、ＭＭＩ導波路部４と、曲がり導波路部５と、半導体光増幅器としての光増幅導波路部６と、レーザ光５０を出力すべき曲がり導波路部７とを備え、これらの光導波路は、この順番で光学的に接続し、かつＭＭＩ導波路部４を基点として折り返すように配置している。また、この波長可変レーザ１００の上面は、後述するｐ側電極とコンタクト層とのコンタクト部分以外が、たとえばＳｉＮｘからなる厚さ数十〜数百ｎｍ程度の保護膜１１によって覆われている。
【００２１】
つぎに、図２〜図４を用いて波長可変レーザ１００の積層構造について説明する。はじめに、図２は、図１に示す波長可変レーザ１００のＡ−Ａ線要部断面図である。図２に示すように、サンプルドグレーティング導波路部１は、裏面にｎ側電極２１を形成したｎ−ＩｎＰからなる基板２２上に、バッファ層としての役割も果たしているｎ−ＩｎＰからなる下部クラッド層２３と、ＩｎＧａＡｓＰからなるコア層２４と、ｐ−ＩｎＰからなる上部クラッド層２５と、ＩｎＧａＡｓＰからなり、短周期のグレーティングが形成されたグレーティング領域２６ａが所定の周期で配置されたグレーティング層２６と、ｐ−ＩｎＰからなる上部クラッド層２７、２８と、ＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層２９とが順次積層した構造を有している。また、コンタクト層２９上にはｐ側電極１２が形成されている。ここで、コア層２４の組成は１．４Ｑ、グレーティング層２６の組成は１．５Ｑに調整されている。なお、１．４Ｑとは、バンドギャップ波長が１．４μｍという意味である。
【００２２】
また、光増幅導波路部２は、サンプルドグレーティング導波路部１と共通の基板２２および下部クラッド層２３と、ＩｎＧａＡｓＰからなるＳＣＨ（Separate confinement heterostructures）層３０ａと、ＩｎＧａＡｓＰからなる多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有する活性層３０と、ＳＣＨ層３０ｂと、ｐ−ＩｎＰからなる上部クラッド層３１、２８と、コンタクト層２９とが順次積層した構造を有している。また、コンタクト層２９上にはｐ側電極１３が形成されている。
【００２３】
また、位相調整導波路部３およびＭＭＩ導波路部４は、共通の基板２２および下部クラッド層２３と、コア層２４と、ｐ−ＩｎＰからなる上部クラッド層３２、２８と、コンタクト層２９とが順次積層した構造を有している。また、コンタクト層２９上にはｐ側電極１４、１５が形成されている。
【００２４】
また、サンプルドグレーティング導波路部１、光増幅導波路部２、位相調整導波路部３、およびＭＭＩ導波路部４の間には、これらを電気的に分離するための分離溝１８〜２０が形成されている。なお、保護膜１１は、各分離溝１８〜２０内の表面も覆っている。
【００２５】
また、光増幅導波路部６は、光増幅導波路部２と同様の積層構造を有しており、そのコンタクト層２９上にはｐ側電極１６が形成されている。また、曲がり導波路部５、７は、ｐ側電極を有していない点以外は、位相調整導波路部３と同様の積層構造を有している。
【００２６】
以上のように、この波長可変レーザ１００は、波長１．５５μｍ帯のレーザ光を出力するために、ＩｎＧａＡｓＰ系の半導体材料を使用している。また、サンプルドグレーティング導波路部１、光増幅導波路部２、位相調整導波路部３、ＭＭＩ導波路部４、曲がり導波路部５、光増幅導波路部６、および曲がり導波路部７が、同一基板２２上にモノリシックに集積した構成を有している。
【００２７】
また、図１に示すように、波長可変レーザ１００の曲がり導波路部７側の積層構造の端面には反射防止膜８が形成されている。一方、図１、２に示すように、ＭＭＩ導波路部４側の積層構造の端面には、反射手段として、反射率がたとえば９０％以上の高光反射膜９が形成されている。このＭＭＩ導波路部４と高光反射膜９とが後述する波長可変光フィルタ１０を構成している。
【００２８】
つぎに、図３は、図１に示す波長可変レーザ１００のＢ−Ｂ線要部断面図である。図３に示すように、サンプルドグレーティング導波路部１および光増幅導波路部６は、埋め込みメサ構造を有している。具体的には、サンプルドグレーティング導波路部１においては、下部クラッド層２３の一部から上部クラッド層２７までがメサ構造を有している。そして、このメサ構造がｐ−ＩｎＰからなる埋め込み層３３とｎ−ＩｎＰからなる電流阻止層３４とによって埋め込まれた構造をしており、さらにその上に上部クラッド層２８、コンタクト層２９、ｐ側電極１２が順次積層している。一方、光増幅導波路部６においては、下部クラッド層２３の一部から上部クラッド層３１までがメサ構造を有している。そして、このメサ構造が埋め込み層３３と電流阻止層３４とによって埋め込まれた構造をしており、さらにその上に上部クラッド層２８、コンタクト層２９、ｐ側電極１６が順次積層している。これらの電流阻止層３４は電流を効率的に注入させる機能を有する。また、サンプルドグレーティング導波路部１と光増幅導波路部６との間には、これらを電気的に分離するための分離溝１７が形成されている。また、保護膜１１は、分離溝１７内の表面も覆っている。なお、光増幅導波路部２、位相調整導波路部３、および曲がり導波路部７も同様の埋め込みメサ構造を有している。これらの埋め込みメサ構造の光導波路のメサ幅は、所定の波長の光をシングルモードで導波するように設定されており、所定の波長が１．５５μｍ帯の場合は、たとえば２μｍである。
【００２９】
一方、図４は、図１に示す波長可変レーザ１００のＣ−Ｃ線要部断面図である。図４に示すように、ＭＭＩ導波路部４は、ハイメサ構造を有している。具体的には、下部クラッド層２３の一部からコンタクト層２９までがハイメサ構造を有しており、このハイメサ構造の側面および下部クラッド層２３の表面は保護膜１１によって覆われており、さらにコンタクト層２９の上を覆うようにｐ側電極１５が形成されている。なお、曲がり導波路部５も同様のハイメサ構造を有している。曲がり導波路部５のメサ幅は、所定の波長の光をシングルモードで導波するように設定されており、所定の波長が１．５５μｍ帯の場合は、たとえば０．７μｍである。また、図１に示すように、保護膜１１は埋め込みメサ構造以外の領域の表面を覆うように形成されている。
【００３０】
（動作）
つぎに、本実施の形態１に係る波長可変レーザ１００の動作について説明する。以下では、はじめに波長可変光フィルタ１０について説明し、つぎにサンプルドグレーティング導波路部１について説明し、つぎに波長可変レーザ１００の動作について説明する。
【００３１】
はじめに波長可変光フィルタ１０について説明する。図５は、図１に示す波長可変光フィルタ１０の構成および動作について説明するための模式的な平面図である。なお、説明のためにｐ側電極１５等は記載を省略している。図５に示すように、この波長可変光フィルタ１０は、ＭＭＩ導波路部４と反射手段としての高光反射膜９とを備えている。
【００３２】
ＭＭＩ導波路部４は、光をマルチモードで導波させるＭＭＩ導波路４ａと、ＭＭＩ導波路４ａの長さ方向の一端に設けられた第１光入出力部としての光入出力部４ｂ、および第２光入出力部としての光入出力部４ｃとを備えている。また、高光反射膜９は、ＭＭＩ導波路４ａの他の一端に設けられている。また、ＭＭＩ導波路４ａは、長さＬ１と、幅Ｗとを有している。なお、光入出力部４ｂと光入出力部４ｃとは、ＭＭＩ導波路４ａの長さＬ１方向の中心軸に対して略対称の位置に設けられている。
【００３３】
この波長可変光フィルタ１０においては、ＭＭＩ導波路４ａの長さＬ１および幅Ｗは、光入出力部４ｂから入力したシングルモードの光を、マルチモードで導波させ、高光反射膜９により反射した後に、光入出力部４ｂ、４ｃにおいて分岐比１：１で結像させるように設定されている。
【００３４】
以下、具体的に説明する。まず、仮に、ＭＭＩ導波路４ａの長さを、図５の破線で示すような長さＬ２であると想定する。この想定された長さＬ２は、幅Ｗとの関係で、ＭＭＩ導波路４ａが所定の光の波長に対して分岐比が１：１の２×２カプラとして機能するように設定されているとする。この場合、光入出力部４ｂから入力された所定の波長のシングルモードの光５１は、ＭＭＩ導波路４ａを長さＬ２だけマルチモードで導波し、光入出力部４ｂ、４ｃと対向する位置にある点Ｐ１、Ｐ２において、その光強度比（分岐比）が１：１のシングルモードの光５２、５３として結像する。
【００３５】
これに対して、この波長可変光フィルタ１０においては、ＭＭＩ導波路４ａの長さＬ１を、上述した想定された長さＬ２の１／２の長さに設定しており、さらに高光反射膜９を備えている。すると、光入出力部４ｂと点Ｐ１、および光入出力部４ｃと点Ｐ２は、高光反射膜９の反射面に対して面対称の位置関係となる。その結果、光入出力部４ｂから入力された光５１は、長さＬ１だけ導波してマルチモード状態の光５４として高光反射膜９により反射した後に、点Ｐ１、Ｐ２と面対称の位置にある光入出力部４ｂ、４ｃにおいて、ちょうど分岐比１：１がシングルモードの光５５、５６として結像することとなる。
【００３６】
すなわち、この波長可変光フィルタ１０は、所定の波長の光に対しては、光入出力部４ｂから入力した光を略１：１の光強度で分岐して光入出力部４ｂおよび光入出力部４ｃにそれぞれ出力するので、少なくとも光入出力部４ｂに対しては反射型の１：１分岐素子として機能する。一方、上記所定の波長以外の波長の光を入力させると、ＭＭＩ導波路４ａ内での光の干渉状態が変化するので、分岐比も変化する。この波長可変光フィルタ１０は、所定の波長においては分岐比が略１：１となり、それ以外の波長においては光入出力部４ｂへの光の分岐比が小さくなるように設定してあるので、所定の波長を反射率のピークとした波長特性を有する反射型光フィルタとして機能する。
【００３７】
図６は、波長可変光フィルタ１０の反射率の波長特性の一例を模式的に示す図である。なお、図６においては、コア層２４の特性については、組成を１．４Ｑ、厚さを７００ｎｍ、長さＬ１の値を１８５μｍ、幅Ｗの値を１０μｍ、光入出力部４ｂと光入出力部４ｃとの間隔を５．６μｍに設定している。また、コア層２４の等価屈折率は３．４４である。図６に示すように、この波長可変光フィルタ１０は、波長１．５５μｍ付近を反射率のピークとした波長依存性を有する反射型光フィルタとして機能する。
【００３８】
ここで、屈折率を変化させる手段としてのｎ側電極２１とｐ側電極１５との間に電圧を印加し、コア層２４に電流を注入すると、プラズマ効果によってコア層２４の屈折率が変化する。コア層２４の屈折率が変化すると、ＭＭＩ導波路４ａ内での光の干渉状態が変化するため、光の分岐比が１：１となる波長も変化することとなるので、反射率のピーク波長も変化する。したがって、上記の電流注入によって、反射率のピーク波長を変化させることができるので、波長可変光フィルタ１０は波長可変光フィルタとして機能するのである。なお、反射率のピーク波長を変化させた場合に、そのピーク反射率が変化しないようにするために、使用する波長帯域において高光反射膜９の反射率が略一定であることが好ましい。
【００３９】
なお、上記のように、所定の波長におけるＭＭＩ導波路４ａの長さＬ１および幅Ｗの設定方法としては、たとえば非特許文献１に記載される方法で、導波路の等価屈折率等の設計パラメータを用いてまず２×２カプラとして機能するための長さＬ２および幅Ｗを設計し、その後長さＬ１を長さＬ２の１／２の値として設定すればよい。このとき、たとえば、所定の波長におけるＭＭＩ導波路４ａの０次モード、１次モードの伝搬定数をそれぞれβ０、β１とすると、長さＬ１の値Ｌ０は、Ｌ０＝３π／｛４（β０−β１）｝となる。
【００４０】
また、上述したように、この波長可変光フィルタ１０は、図６に示す例のように長さＬ１の値は１８５μｍとでき、従来よりも大幅に短くできる。
【００４１】
つぎに、サンプルドグレーティング導波路部１について説明する。サンプルドグレーティング導波路部１は、反射率の波長依存性が周期的にピークを示す特性を有している。この反射率のピークの波長および周期は、積層した下部クラッド層２３から上部クラッド層２７までの各層の屈折率、グレーティング領域２６ａにおける短周期グレーティングの周期、およびグレーティング領域２６ａの配置の周期を調整することで設定できる。
【００４２】
図７は、サンプルドグレーティング導波路部１の反射率の波長特性の一例を模式的に示す図である。なお、図７においては、グレーティング層２６の特性については、組成を１．５Ｑ、厚さを５０ｎｍ、グレーティング領域２６ａにおける短周期グレーティングの周期を２４１ｎｍ、グレーティング領域２６ａの配置の周期を３７．４μｍに設定している。また、グレーティング層２６の屈折率は３．４９である。また、サンプルドグレーティング導波路部１の長さは６００μｍである。図７に示すように、このサンプルドグレーティング導波路部１は、その反射率が、波長１．５５μｍ付近にピークを有し、さらに約６０ｎｍの帯域にわたって約１０ｎｍの周期でピークを示す波長依存性を有するものとなる。また、各ピークの半値全幅は１ｎｍ程度となる。
【００４３】
なお、このサンプルドグレーティング導波路部１についても、波長可変光フィルタ１０と同様に、ｎ側電極２１とｐ側電極１２との間に電圧を印加し、グレーティング層２６に電流を注入すると、電気光学効果によってグレーティング層２６の等価屈折率が変化する。これによって、反射率のピーク波長を変化させることができる。たとえば、図７に示す場合において、電流注入によって反射率のピーク波長を１０ｎｍ変化させるようにすれば、１．５１５〜１．５８５μｍの全域にわたって反射率のピークをすきまなく配置させることができる。
【００４４】
つぎに、図１、図８を用いて波長可変レーザ１００の動作について説明する。図８は、図１に示す波長可変レーザ１００の発振波長について説明する図である。まず、波長可変光フィルタ１０が、図８に示す反射スペクトル６０のような反射率の波長依存性を有しているとする。この場合、サンプルドグレーティング導波路部１の反射率のピークのうち、反射スペクトル６０との重なりが最も大きい反射ピーク６１の波長において、サンプルドグレーティング導波路部１と波長可変光フィルタ１０とによって光共振器が形成される。
【００４５】
ここで、ｎ側電極２１とｐ側電極１３との間に電圧を印加し、光増幅導波路部２の活性層３０に電流を注入すると、光増幅導波路部２は発光する。すると、光増幅導波路部２の誘導放出による光増幅機能と、サンプルドグレーティング導波路部１と波長可変光フィルタ１０とが形成する光共振器の作用によって、反射ピーク６１にほぼ対応するピーク波長の強度スペクトル６２を有するレーザ光が発振する。つぎに、曲がり導波路部５は発振したレーザ光を導波する。一方、光増幅導波路部６については、ｎ側電極２１とｐ側電極１６との間に電圧を印加し、光増幅導波路部６の活性層３０に電流を注入することによって、半導体光増幅器として機能する。そして、光増幅導波路部６は、曲がり導波路部５が導波したレーザ光を受け付けてこれを光増幅し、曲がり導波路部７に出力する。曲がり導波路部７は、光増幅されたレーザ光を導波し、レーザ光５０として出力する。なお、曲がり導波路部７は、反射防止膜８が形成された端面に対して角度を有する光導波路となっているので、レーザ光５０の一部が端面反射によって戻り光として波長可変レーザ１００内に戻ることが抑制されるため、レーザ光５０の強度はさらに安定する。なお、光増幅導波路部６の出力側に窓構造を採用すれば、戻り光はさらに抑制されるので好ましい。
【００４６】
つぎに、電流注入によって、波長可変光フィルタ１０の反射率の波長依存性を、図８に示す反射スペクトル６３のように変化させたとする。この場合、サンプルドグレーティング導波路部１の反射率のピークのうち、反射スペクトル６３との重なりが最も大きい反射ピーク６４の波長において、サンプルドグレーティング導波路部１と波長可変光フィルタ１０とによって光共振器が形成される。その結果、光増幅導波路部２の活性層３０に電流を注入すると、反射ピーク６４にほぼ対応するピーク波長の強度スペクトル６５を有するレーザ光が発振する。その後、曲がり導波路部５は、発振したレーザ光を導波し、光増幅導波路部６は、曲がり導波路部５が導波したレーザ光を受け付けてこれを光増幅し、曲がり導波路部７は、光増幅されたレーザ光を導波し、レーザ光５０として出力する。
【００４７】
このように、波長可変レーザ１００は、波長可変光フィルタ１０への電流注入によって、サンプルドグレーティング導波路部１の反射率のピークのうちのいずれかに対応する波長のレーザ光５０を出力することができる。さらに、上述したように、サンプルドグレーティング導波路部１は、電流注入によって、反射率のピーク波長をすきまなく変化させることができる。したがって、この波長可変レーザ１００は、広帯域にわたって波長可変なレーザとなる。
【００４８】
ところで、上述したように、たとえば発振するレーザ光の強度スペクトル６２は、反射ピーク６１にほぼ対応するピーク波長を有しているが、厳密には、強度スペクトル６２のピーク波長は、反射ピーク６１の近傍に存在する光共振器の縦モードに対応する波長となっている。以下具体的に説明する。
【００４９】
図９は、波長可変レーザ１００の発振波長と縦モードとの関係について説明する図である。図９において、符号６６は、波長可変光フィルタ１０の反射スペクトル６０とサンプルドグレーティング導波路部１の反射ピーク６１との重ね合わせスペクトルを示している。一方、符号６７は、光共振器の縦モードを示している。これらの縦モード６７は、波長軸上において所定の波長間隔６８で配列している。厳密には、レーザ発振波長は、重ね合わせスペクトル６６のピーク近傍の波長であって、縦モード６７のいずれかの波長となる。
【００５０】
この波長可変レーザ１００では、位相調整導波路部３によって、光共振器の縦モードの波長を調整し、レーザ発振波長を調整できる。すなわち、位相調整導波路部３において、ｎ側電極２１とｐ側電極１４との間に電圧を印加し、コア層２４に電流を注入すると、電気光学効果によってコア層２４の等価屈折率が変化する。これによって、光共振器の光学長を変化させて、縦モードの波長を調整し、最終的なレーザ発振波長を調整することができる。
【００５１】
ここで、光共振器の共振器長が長い場合は、縦モード６７の波長間隔６８も狭くなるため、重ね合わせスペクトル６６のピーク近傍に複数の縦モード６７が含まれることとなるため、レーザ発振をさせた場合に縦モード間でのモードホップが発生し、出力するレーザ光の強度が不安定になる。
【００５２】
これに対して、この波長可変レーザ１００では、ＭＭＩ導波路を用いた波長可変光フィルタ１０を光共振器のミラーとして用いているので、共振器長が短くなる。その結果、重ね合わせスペクトル６６のピーク近傍の縦モード６７の数が減少するので、モードホップの問題の発生が抑制され、出力するレーザ光５０の強度は安定したものとなる。
【００５３】
たとえば、サンプルドグレーティング導波路部１の長さを６００μｍ、光増幅導波路部２の長さを２５０μｍ、位相調整導波路部３の長さを１００μｍ、ＭＭＩ導波路部４の長さを１８５μｍとすると、光共振器の光学長は約７００μｍと短くなる。この場合、縦モード６７の波長間隔６８は約０．５ｎｍ程度となる。一方、重ね合わせスペクトル６６の半値全幅は、サンプルドグレーティング導波路部１の反射ピークの半値全幅と同程度の１ｎｍ程度である。したがって、位相調整導波路部３によって、或る縦モード６７の波長と重ね合わせスペクトル６６のピーク波長とを一致させるようにすれば、一致させた縦モード６７の両側の縦モードへのモードホップはほぼ抑制されるので、出力するレーザ光５０の強度はきわめて安定したものとなる。
【００５４】
ちなみに、この波長可変レーザ１００では、ＭＭＩ導波路部４の長さが短く、さらに、サンプルドグレーティング導波路部１から曲がり導波路部７までの光導波路がＭＭＩ導波路部４を基点として折り返すように配置しているので、各光導波路の長さを上記のように設定した場合に、その全体の長さが約１．２５ｍｍ程度のきわめて小型のものとなり、かつ小型のため１枚の基板から多数製造できるので、低コストのものとなる。
【００５５】
以上説明したように、本実施の形態１に係る波長可変レーザ１００は、広帯域で反射率のピーク波長が可変であり、かつ長さが短い波長可変光フィルタ１０を用いることによって、広帯域でレーザ光の波長が可変であり、かつレーザ光の強度が安定した波長可変レーザとなる。
【００５６】
（製造方法）
つぎに、本実施の形態１に係る波長可変レーザ１００の製造方法について説明する。図１０は、図１に示す波長可変レーザの製造方法の一例を説明する図である。
【００５７】
まず、ＭＯＣＶＤ結晶成長装置を用い、基板２２上に、下部クラッド層２３の一部２３ａ、ＳＣＨ層３０ａ、活性層３０、ＳＣＨ層３０ｂ、および上部クラッド層３１の一部３１ａを順次結晶成長する。つぎに、光増幅導波路部２および光増幅導波路部６を形成する領域Ａ１を保護するためのＳｉＮｘ膜からなるマスクを形成し、このマスクを用いて、領域Ａ１以外の領域のＳＣＨ層３０ａ、活性層３０、ＳＣＨ層３０ｂ、および上部クラッド層３１の一部３１ａをエッチングにより除去する。つぎに、領域Ａ１以外の領域において、エッチングにより除去した部分の下部クラッド層２３の一部２３ａ上に、下部クラッド層２３を形成する残部２３ｂ、コア層２４、上部クラッド層２５、グレーティング層２６を形成するためのＩｎＧａＡｓＰからなるグレーティング形成層３５をバットジョイント成長により形成する。
【００５８】
つぎに、全面にＳｉＮｘ膜を形成した後、サンプルドグレーティング導波路部１を形成する領域に、グレーティング領域２６ａのパターンニングを施す。また、位相調整導波路部３、ＭＭＩ導波路部４、曲がり導波路部５、および曲がり導波路部７を形成すべき領域にもパターンニングを施す。そして、このＳｉＮｘ膜をマスクとしてエッチングして、サンプルドグレーティング導波路部１を形成する領域のグレーティング形成層３５にグレーティング領域２６ａを形成するとともに、その他の領域のグレーティング形成層３５を全て取り除く。つぎに、ＳｉＮｘ膜のマスクを除去した後に、全面にｐ−ＩｎＰ層を再び結晶成長する。これによって、上部クラッド層２７、３１、３２が形成される。
【００５９】
つぎに、ＳｉＮｘ膜のマスクを形成し、ドライエッチングによって曲がり導波路部５、ＭＭＩ導波路部４以外の光導波路のメサ構造を形成する。その後、埋め込み層３３と電流阻止層３４とによって埋め込んで、埋め込みメサ構造を形成する。つぎに、ＳｉＮｘのマスクを除去した後に、全面に上部クラッド層２８、コンタクト層２９を形成する。つぎに、ＳｉＮｘ膜のマスクを形成し、ドライエッチングによって曲がり導波路部５、ＭＭＩ導波路部４の光導波路のハイメサ構造を形成する。つぎに、埋め込みメサ構造の領域にパターニングしたマスクを形成し、ドライエッチングにより分離溝１７〜２０を形成する。その後、全面に保護膜１１を形成し、保護膜１１上にパターニングしたマスクを形成し、保護膜１１の所定の領域を除去して開口部を設け、リフトオフ法によってたとえばＡｕＺｎ／Ａｕ構造のｐ側電極１２〜１６を形成し、基板２２の裏面を研磨した後に裏面全体にたとえばＡｕＧｅＮｉ／Ａｕ構造のｎ側電極２１を形成する。その後、反射防止膜８と高光反射膜９とを形成すべき端面をへき開により形成し、たとえば誘電体多層膜からなる反射防止膜８と高光反射膜９を形成し、波長可変レーザ１００が完成する。
【００６０】
なお、波長可変レーザ１００において、高反射膜９を形成せずに、へき開により形成した端面すなわちへき開面を、反射手段としてのへき開ミラーとして利用してもよい。
【００６１】
（変形例）
つぎに、本発明の実施の形態１の変形例について説明する。図１１は、実施の形態１の変形例に係る波長可変レーザの模式的な要部断面図である。この波長可変レーザ２００は、実施の形態１に係る波長可変レーザ１００において、ＭＭＩ導波路部４、高光反射膜９を、それぞれＭＭＩ導波路部４´、高光反射膜９´に置き換えた構成を有している。そして、ＭＭＩ導波路部４´と高光反射膜９´とが波長可変光フィルタ１０´を構成している。
【００６２】
この波長可変レーザ２００においては、位相調整導波路部３とは反対側のＭＭＩ導波路部４´の端部に溝３６が形成されており、高光反射膜９´は溝３６内に形成されている。なお、溝３６内の表面も保護膜１１によって覆われている。この波長可変レーザ２００は、紙面右側に位置するＭＭＩ導波路部４´側の端面を使用しないので、たとえばこの端面側に他の光素子等を集積することができる。なお、このような溝３６は、ｐ側電極を電気的に分離する分離溝を形成する工程において、ドライエッチングによって同時に形成することができる。
【００６３】
なお、この波長可変レーザ２００において、反射手段としての高光反射膜９´の代わりに、溝３６に誘電体多層膜フィルタやグレーティングミラー等の反射フィルタを挿入してもよい。また、高光反射膜９´を形成せずに、エッチング面である溝３６の側壁をエッチドミラーとして利用してもよい。
【００６４】
（実施の形態２）
つぎに、本発明の実施の形態２について説明する。本実施の形態２に係る波長可変レーザアレイは、実施の形態１に係る波長可変レーザ１００と同様の材質および構造を有する２つの波長可変レーザをアレイ状に集積したものである。
【００６５】
図１２は、実施の形態２に係る波長可変レーザアレイの模式的な平面図である。図１２に示すように、この波長可変レーザアレイ３００は、共通の基板上にアレイ状に集積した波長可変レーザ１００Ａ、１００Ｂを備えている。波長可変レーザ１００Ａは、波長可変レーザ１００と同様に、サンプルドグレーティング導波路部１Ａと、光増幅導波路部２Ａと、位相調整導波路部３Ａと、ＭＭＩ導波路部４Ａと高光反射膜９Ａとが構成する波長可変光フィルタ１０Ａと、曲がり導波路部５Ａとを備えている。さらに、波長可変レーザ１００Ａは、各光導波路に電流を注入するためのｐ側電極１２Ａ〜１５Ａと、分離溝１８Ａ〜２０Ａとを備えている。同様に、波長可変レーザ１００Ｂは、サンプルドグレーティング導波路部１Ｂと、光増幅導波路部２Ｂと、位相調整導波路部３Ｂと、ＭＭＩ導波路部４Ｂと高光反射膜９Ａとが構成する波長可変光フィルタ１０Ｂと、曲がり導波路部５Ｂと、ｐ側電極１２Ｂ〜１５Ｂと、分離溝１８Ｂ〜２０Ｂとを備えている。なお、波長可変レーザ１００Ａ、１００Ｂの積層構造およびメサ構造は、波長可変レーザ１００と同様である。また、この波長可変レーザ２００の上面は、ｐ側電極１２Ａ〜１５Ａ、１２Ｂ〜１５Ｂとコンタクト層とのコンタクト部分以外が、たとえばＳｉＮｘからなる保護膜１１Ａで覆われている。
【００６６】
また、曲がり導波路部５Ａ、５Ｂは、埋め込みメサ型の導波路構造を有するＭＭＩ合流器３７に接続している。また、ＭＭＩ合流器３７には、光増幅導波路部６Ａ、曲がり導波路部７Ａが順次接続している。また、曲がり導波路部７Ａ側の積層構造の端面には反射防止膜８Ａが形成されている。また、光増幅導波路部６Ａ上にはｐ側電極１６Ａが形成されている。このｐ側電極６Ａは、ｐ側電極１２Ａ、１２Ｂ等とは分離溝１７Ａ、１７Ｂにより電気的に分離している。
【００６７】
この波長可変レーザアレイ３００においては、ＭＭＩ合流器３７が、波長可変レーザ１００Ａおよび波長可変レーザ１００Ｂのいずれか一方から出力したレーザ光を合流して出力し、光増幅導波路部６ＡがＭＭＩ合流器３７から出力したレーザ光を光増幅し、曲がり導波路部７Ａが光増幅されたレーザ光を導波し、レーザ光５７として出力する。
【００６８】
この波長可変レーザアレイ３００は、２つの波長可変レーザ１００Ａ、１００Ｂの出力するレーザ光の波長可変範囲をずらすことによって、実施の形態１に係る波長可変レーザ１００よりも、いっそう広帯域で波長が可変する波長可変レーザとなる。
【００６９】
また、この波長可変レーザアレイ３００において、たとえば２つの波長可変レーザ１００Ａ、１００Ｂの波長可変範囲の合計が、波長可変レーザ１００の波長可変範囲と同一になるようにしてもよい。この場合、個々の波長可変レーザ１００Ａ、１００Ｂの波長可変範囲は波長可変レーザ１００の波長可変範囲の１／２でよいので、たとえばサンプルドグレーティング導波路部１Ａ、１Ｂや、波長可変光フィルタ１０Ａ、１０Ｂについて、所望に光学特性を実現するための光学設計のマージンが増加する等という効果がある。
【００７０】
なお、この波長可変レーザアレイ３００においては、２つの波長可変レーザ１００Ａ、１００Ｂをアレイ状に集積しているが、さらに多数の波長可変レーザを集積してもよい。
【００７１】
また、上記実施の形態では、光共振器を構成するＤＢＲミラーとしてサンプルドグレーティング導波路を用いているが、反射率の波長依存性が周期的にピークを示すものであれば特に限定されず、たとえば超周期構造グレーティング等の他のＤＢＲミラーを用いてもよい。また、たとえばサンプルドグレーティングはコア層や下部クラッド層などに形成してもよい。
【００７２】
また、上記実施の形態では、波長可変レーザを波長１．５５μｍ帯で使用するために、ＩｎＧａＡｓＰ系の半導体材料を使用しているが、使用する半導体材料は使用する波長帯に応じて適宜選択することができる。
【００７３】
また、上記実施の形態では、各光導波路の構造として、たとえばサンプルドグレーティング導波路部１については埋め込みメサ構造を採用し、ＭＭＩ導波路部４についてはハイメサ構造を採用している。しかしながら、いずれの光導波路についても、その構造については上記実施の形態において採用したものに限定されず、たとえば要求される特性に応じて埋め込みメサ構造、ハイメサ構造、またはローメサ構造等を任意に採用することができる。
【００７４】
また、上記実施の形態において、半導体光増幅器として機能する光増幅導波路部６、６Ａ等の導波路構造を、テーパ構造やフレア構造とすれば、利得飽和が抑制され、より高出力のレーザ光を出力できるので好ましい。
【００７５】
また、上記実施の形態に係る波長可変光フィルタ１０において、ＭＭＩ導波路４ａおよび光入出力部４ｂ、４ｃは、光入出力部４ｂからシングルモードの光が入力した場合に、光入出力部４ｂ、４ｃから分岐比１：１のシングルモードの光が出力するように構成されている。しかしながら、本発明に係る波長可変光フィルタはこれに限定されない。すなわち、本発明に係る波長可変光フィルタは、所定の波長のシングルモードまたはマルチモードの光を入力させた場合に、各光入出力部から、所望のシングルモードまたはマルチモードの光を所望の分岐比で出力させるように構成してもよい。このように、入出力させる光のモード、および分岐比については、ＭＭＩ導波路の幅、長さ、および等価屈折率等、ならびに光入出力部の位置等を調整することで設定できる。
【００７６】
また、上記実施の形態では、波長可変光フィルタ１０は、波長可変レーザ１００の光共振器として使用されるので、光入出力部４ｂと、発振したレーザ光を出力するための光入出力部４ｃとを備えている。しかしながら、本発明はこれに限られない。すなわち、波長可変光フィルタ１０から光入出力部４ｃが削除され光入出力部４ｂのみを備えるような構造の波長可変光フィルタも、広帯域で反射率のピーク波長が可変であり、かつ長さが短いという本発明の効果を奏するものとなる。
【符号の説明】
【００７７】
１、１Ａ、１Ｂ サンプルドグレーティング導波路部
２、２Ａ、２Ｂ 光増幅導波路部
３、３Ａ、３Ｂ 位相調整導波路部
４、４Ａ、４Ｂ ＭＭＩ導波路部
４ａ ＭＭＩ導波路
４ｂ、４ｃ 光入出力部
５、５Ａ、５Ｂ 曲がり導波路部
６、６Ａ、６Ｂ 光増幅導波路部
７、７Ａ 曲がり導波路部
８、８Ａ 反射防止膜
９、９Ａ 高光反射膜
１０、１０Ａ、１０Ｂ 波長可変光フィルタ
１１、１１Ａ 保護膜
１２〜１６、１２Ａ〜１６Ａ、１２Ｂ〜１５Ｂ ｐ側電極
１７〜２０、１７Ａ〜２０Ａ、１７Ｂ〜２０Ｂ 分離溝
２１ ｎ側電極
２２ 基板
２３ 下部クラッド層
２３ａ 下部クラッド層の一部
２３ｂ 下部クラッド層を形成する残部
２４ コア層
２５ 上部クラッド層
２６ グレーティング層
２６ａ グレーティング領域
２７、２８、３１、３２ 上部クラッド層
２９ コンタクト層
３０ 活性層
３０ａ、３０ｂ ＳＣＨ層
３１ａ 上部クラッド層の一部
３３ 埋め込み層
３４ 電流阻止層
３５ グレーティング形成層
３６ 溝
３７ ＭＭＩ合流器
５０、５７ レーザ光
５１〜５６ 光
６０、６３ 反射スペクトル
６１、６４ 反射ピーク
６２、６５ 強度スペクトル
６６ 重ね合わせスペクトル
６７ 縦モード
６８ 波長間隔
１００、１００Ａ、１００Ｂ 波長可変レーザ
２００ 波長可変レーザ
３００ 波長可変レーザアレイ
Ａ１ 領域
Ｌ１、Ｌ２ 長さ
Ｐ１、Ｐ２ 位置
Ｗ 幅
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マルチモード干渉型導波路と、
前記マルチモード干渉型導波路の長さ方向の一端に設けられた第１光入出力部と、
前記マルチモード干渉型導波路の他の一端に設けられた反射手段と、
前記マルチモード干渉型導波路の屈折率を変化させる手段と、
を備え、前記マルチモード干渉型導波路の長さおよび幅は、前記第１光入出力部から入力した光を、前記反射手段により反射した後に、該第１光入出力部において所望の分岐比で結像させるように設定されていることを特徴とする波長可変光フィルタ。
【請求項２】
前記マルチモード干渉型導波路の長さおよび幅は、前記第１光入出力部から入力した所定の波長を有するシングルモードの光をマルチモードで導波し、前記反射手段により反射した後に、前記第１光入出力部においてシングルモードの状態で結像させるように設定されていることを特徴とする請求項１に記載の波長可変光フィルタ。
【請求項３】
前記反射手段は半導体のへき開面であることを特徴とする請求項１または２に記載の波長可変光フィルタ。
【請求項４】
前記反射手段は半導体のエッチング面であることを特徴とする請求項１または２に記載の波長可変光フィルタ。
【請求項５】
前記マルチモード干渉型導波路の前記一端に設けられ、前記第１光入出力部から入力し前記反射手段により反射した光の一部が結像される第２光入出力部をさらに備える請求項１〜４のいずれか一つに記載の波長可変光フィルタと、
反射率の波長依存性が周期的にピークを示す周期性反射手段と、
前記波長可変光フィルタと前記周期性反射手段との間に配置した光増幅手段と、
を備えることを特徴とする波長可変レーザ。
【請求項６】
前記周期性反射手段はＤＢＲミラーであることを特徴とする請求項５に記載の波長可変レーザ。
【請求項７】
半導体光増幅器をさらに備えることを特徴とする請求項５または６に記載の波長可変レーザ。
【請求項８】
請求項５〜７のいずれか一つに記載の波長可変レーザを複数備えることを特徴とする波長可変レーザアレイ。
【請求項１】
マルチモード干渉型導波路と、
前記マルチモード干渉型導波路の長さ方向の一端に設けられた第１光入出力部と、
前記マルチモード干渉型導波路の他の一端に設けられた反射手段と、
前記マルチモード干渉型導波路の屈折率を変化させる手段と、
を備え、前記マルチモード干渉型導波路の長さおよび幅は、前記第１光入出力部から入力した光を、前記反射手段により反射した後に、該第１光入出力部において所望の分岐比で結像させるように設定されていることを特徴とする波長可変光フィルタ。
【請求項２】
前記マルチモード干渉型導波路の長さおよび幅は、前記第１光入出力部から入力した所定の波長を有するシングルモードの光をマルチモードで導波し、前記反射手段により反射した後に、前記第１光入出力部においてシングルモードの状態で結像させるように設定されていることを特徴とする請求項１に記載の波長可変光フィルタ。
【請求項３】
前記反射手段は半導体のへき開面であることを特徴とする請求項１または２に記載の波長可変光フィルタ。
【請求項４】
前記反射手段は半導体のエッチング面であることを特徴とする請求項１または２に記載の波長可変光フィルタ。
【請求項５】
前記マルチモード干渉型導波路の前記一端に設けられ、前記第１光入出力部から入力し前記反射手段により反射した光の一部が結像される第２光入出力部をさらに備える請求項１〜４のいずれか一つに記載の波長可変光フィルタと、
反射率の波長依存性が周期的にピークを示す周期性反射手段と、
前記波長可変光フィルタと前記周期性反射手段との間に配置した光増幅手段と、
を備えることを特徴とする波長可変レーザ。
【請求項６】
前記周期性反射手段はＤＢＲミラーであることを特徴とする請求項５に記載の波長可変レーザ。
【請求項７】
半導体光増幅器をさらに備えることを特徴とする請求項５または６に記載の波長可変レーザ。
【請求項８】
請求項５〜７のいずれか一つに記載の波長可変レーザを複数備えることを特徴とする波長可変レーザアレイ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１１−１０９０４８（Ｐ２０１１−１０９０４８Ａ）
【公開日】平成２３年６月２日（２０１１．６．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２６５６７７（Ｐ２００９−２６５６７７）
【出願日】平成２１年１１月２０日（２００９．１１．２０）
【出願人】（０００００５２９０）古河電気工業株式会社 (4,457)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年６月２日（２０１１．６．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１１月２０日（２００９．１１．２０）
【出願人】（０００００５２９０）古河電気工業株式会社 (4,457)
【Ｆターム（参考）】
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