【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光素子に関する。更に詳しくは、光損失が小さく、素子サイズを従来に比べて大幅にコンパクト化することができる多波長レーザ素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光データ伝送システムや光通信システムに組み込む光素子として、近年、多波長レーザ素子が注目を集めている。その多波長レーザ素子の１例を図５に示す。
このレーザ素子は、１枚の例えばＩｎＰ基板１の上に、次のような各要素が集積された構造になっている。すなわち、まず複数個（図では４個）の単一波長で発振するレーザ素子２ａ（例えばＤＦＢレーザ素子やＤＢＲレーザ素子など）を互いに平行に配列して成るレーザ素子の配列構造２が配置されている。そして、各レーザ素子２ａの出射端に接続されている複数本の導波路３ａから成る受動導波路部分３を介して、各導波路３ａを伝搬してきた各レーザ素子２ａからの出力光を合流せしめるＭＭＩカプラ（Ｍｕｌｔｉ−ｍｏｄｅ−ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ Ｃｏｕｐｌｅｒ：多光波干渉素子）４が配置されている。そして、ＭＭＩカプラ４の出射端には１本の導波路５が接続されている。
【０００３】
なお、このレーザ素子から大きな光出力を得るために、例えば導波路５の下流側に光増幅器を集積することもある。
上記したレーザ素子において、各要素はいずれも半導体材料を用いた所定の層構造になっている。そして、導波路３ａ、導波路５は、いずれも、光導波路が上・下のクラッド層でサンドイッチされた３層スラブ導波路構造になっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した構造のレーザ素子に関しては次のような問題点が指摘されている。
すなわち、受動導波路部分３における３層スラブ導波路構造の導波路３ａを用いて各レーザ素子２ａからの出力光をＭＭＩカプラ４で合流させる場合、伝搬してきた光を急峻に曲げると曲がり損失は大きくなり、合流後の光出力が大幅に低減する。このような問題を解消するためには、レーザ素子２ａからの出力光を徐々に曲げてＭＭＩカプラ４への入射端では略平行状態にすることが必要になる。しかしながら、そのような状態を実現するためには、受動導波路部分３の長さを充分に長くしなければならない。その結果、レーザ素子の全体サイズは非常に大きくなる。例えばその長さは２ｍｍ以上になってしまう。
【０００５】
また、受動導波路部分３の長さを長くすると、導波路３ａを伝搬するレーザ素子２ａからの光出力光の吸収は大きくなって光損失が進み、結局、導波路５からの光出力も低減するという問題も生じてくる。
本発明は、図５で示した従来の多波長レーザ素子における上記した問題を解決し、光損失が小さく、同時に素子サイズも大幅にコンパクトになっている新規構造の光素子、具体的には多波長レーザ素子の提供を目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、本発明においては、
単一波長で発振する複数個のレーザ素子の配列構造と、前記レーザ素子からの各出力光を合流させるフォトニック結晶の導波路構造とが、同一基板の上に集積されていることを特徴とする光が提供される。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明の光素子（多波長レーザ素子）の１例Ａを図１に示す。
このレーザ素子Ａは、図５で示した従来のレーザ素子において、受動導波路部分３、ＭＭＩカプラ４、および出力用の導波路５がフォトニック結晶から成る導波路構造になっていることを特徴とする。
【０００８】
すなわち、図１で示したように、基板１の上に、単一波長で発振する複数個のレーザ素子２ａを平行配列して形成したレーザ素子の配列構造と、後述するフォトニック結晶の導波路構造６が集積された構造になっている。
この導波路構造６を説明するに際して、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図を図２に、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図を図３にそれぞれ示す。
【０００９】
これらの図において、各レーザ素子２ａの出射端から延びる４本の導波路部分６Ａと、出射端に対して傾斜している２本の導波路部分６Ｂと、導波路部分６Ｂの合流地点から延びている１本の導波路部分６Ｃと、これら導波路部分６Ａ，６Ｂ，６Ｃを取り囲む部分６Ｄとをもって、導波路構造６が構成されている。
ここで、部分６Ｄはフォトニック結晶になっている。このフォトニック結晶は、屈折率差の大きい材料が２次元状または３次元状に光の波長のオーダで周期的に配列された構造のことをいい、この格子間隔が伝搬されてくる光の波長と同程度である場合には、この光はブラッグ反射により完全反射される。
【００１０】
したがって、上記した導波路構造６のフォトニック結晶の部分６Ｄにおける格子周期を、レーザ素子２ａからのレーザ光の波長と同程度に設定することにより、各レーザ素子２ａの出射端から導波路構造６に入射したレーザ光は、フォトニック結晶になっていない導波路部分６Ａ、導波路部分６Ｂ、および導波路部分６Ｃの領域の中に完全に閉じ込められた状態で伝搬していく。
【００１１】
すなわち、各レーザ素子２ａからの出力光は、実質的に光損失を起こすことなく、導波路部分６Ａを経由して導波路部分６Ｂで合流し、更に全体は導波路部分６Ｃで合流したのち、素子Ａから出射していく。
そして、この間、周囲のフォトニック結晶の部分６Ｄに吸収されることはないので、上記した導波路部分６Ａ，６Ｂ，６Ｃの長さは極力短くすることができ、もって素子サイズのコンパクト化を実現することができる。
【００１２】
このレーザ素子Ａは、次のようにして製作することができる。
まず、基板１の上に、例えばＤＦＢレーザ素子やＤＢＲレーザ素子のように単一波長を発振するレーザ素子の活性層とその上の回折格子用の層までの層構造を半導体材料で形成する。
ついで、レーザ素子がＤＢＲレーザ素子の場合には、回折格子を描画し、エッチングにより回折格子層を形成し、この回折格子の部分を覆ってマスクパターンを形成したのち、回折格子層以外の箇所、具体的には導波路構造６を形成すべき箇所を活性層を含めてエッチング除去する。なお、このとき全体の層構造における下部クラッド層は残しておく。
【００１３】
ついで、エッチング除去した箇所に所定の半導体材料を用いた選択成長を行い、残置しているレーザ素子の活性層との間で導波路層をバットジョイント成長させる。
その後、ＤＦＢレーザ素子のストライプパターンを形成し、ドライエッチングでメサを形成したのち埋め込み成長を行い、更に全体の表面に上部クラッド層を形成する。
【００１４】
ついで、上記した導波路層の部分の上面（上部クラッド層）に、電子線描画装置を用いて、導波路構造６のパターンを描画する。
具体的には、レーザ素子からの出力光の波長と略同じ周期で超微細孔が導波路層の部分の垂直方向に形成でき、前記した導波路部分６Ａ，６Ｂ，６Ｃの部分にはその超微細孔が形成されないようなパターンである。
【００１５】
ついで、全体の表面からドライエッチングを行い、上記したパターンに従って、導波路層部分に超微細孔から成るフォトニック結晶を形成する。その場合、超微細孔の深さは、レーザ素子の配列構造における活性層の位置よりも深くすることが必要である。活性層の位置を含むような深さである場合には、レーザ素子からの光をフォトニック結晶で確実に閉じ込めることができなくなるからである。
【００１６】
このようにして製作された導波路構造６の場合、導波路部分６Ａ，６Ｂ，６Ｃでは、その縦方向は光導波路が上・下クラッド層でサンドウィッチされた３層スラブ導波路構造になっており、また横方向は上記したフォトニック結晶で取り込まれているので、レーザ素子からの出力光は効率よくこの導波路部分に閉じ込められる。
【００１７】
図４に、本発明素子の別の例Ｂを示す。
このレーザ素子Ｂは、レーザ素子２ａからの出力光の波長が互いに例えば２０ｎｍ変化し、各レーザ素子２ａの反射端側にもフォトニック結晶を集積し、その格子周期を変化させたタイプのものである。
このレーザ素子Ｂは、素子サイズがコンパクト化されているにもかかわらず、広い波長域をカバーする光源として動作することができる。また、埋め込み型の回折格子ではなく、フォトニック結晶を集積して波長を制御することにより、作業プロセスが大幅に簡略化され、低コストな多波長レーザ素子の製作が可能になるといった効果を奏することもできる。
【００１８】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明の光素子（多波長レーザ素子）は、フォトニック結晶の導波路構造を用いているので、光損失が小さく、またその素子サイズは従来の多波長レーザ素子に比べて大幅にコンパクト化しており、光伝送システムや光通信システムに組み込む光素子としてその用途を大いに期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明素子の１例Ａを示す平面図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。
【図３】図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図である。
【図４】本発明素子の別の例Ｂを示す平面図である。
【図５】従来の多波長レーザ素子を示す平面図である。
【符号の説明】
１ 基板
２ レーザ素子の配列構造
２ａ レーザ素子
３ 受動導波路部分
３ａ 導波路
４ ＭＭＩカプラ
５ 導波路
６ 導波路構造
６Ａ，６Ｂ，６Ｃ 導波路部分
６Ｄ フォトニック結晶の部分[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical device. More specifically, the present invention relates to a multi-wavelength laser device having a small optical loss and capable of significantly reducing the size of the device as compared with a conventional device.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art In recent years, a multi-wavelength laser device has attracted attention as an optical device incorporated in an optical data transmission system or an optical communication system. One example of the multi-wavelength laser device is shown in FIG.
This laser element has a structure in which the following elements are integrated on one InP substrate 1, for example. That is, first, a laser element array structure 2 in which a plurality of (four in the figure) laser elements 2a (for example, a DFB laser element or a DBR laser element) oscillating at a single wavelength are arranged in parallel to each other is arranged. I have. Then, the output light from each laser element 2a propagating through each waveguide 3a is merged via the passive waveguide portion 3 composed of a plurality of waveguides 3a connected to the emission end of each laser element 2a. An MMI (Multi-mode-interferometer Coupler) 4 is arranged. One waveguide 5 is connected to the emission end of the MMI coupler 4.
[0003]
Incidentally, in order to obtain a large optical output from the laser element, for example, an optical amplifier may be integrated downstream of the waveguide 5.
In the above-described laser device, each of the elements has a predetermined layer structure using a semiconductor material. Each of the waveguides 3a and 5 has a three-layer slab waveguide structure in which an optical waveguide is sandwiched between upper and lower cladding layers.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, the following problems have been pointed out with respect to the laser device having the above-described structure.
That is, when the output light from each laser element 2a is combined by the MMI coupler 4 using the waveguide 3a of the three-layer slab waveguide structure in the passive waveguide portion 3, the bending loss is reduced when the transmitted light is sharply bent. And the light output after the merger is greatly reduced. In order to solve such a problem, it is necessary to gradually bend the output light from the laser element 2a so that the output end of the MMI coupler 4 becomes substantially parallel. However, in order to realize such a state, the length of the passive waveguide portion 3 must be sufficiently long. As a result, the overall size of the laser device becomes very large. For example, the length becomes 2 mm or more.
[0005]
Further, when the length of the passive waveguide portion 3 is increased, the absorption of the optical output light from the laser element 2a propagating through the waveguide 3a is increased, the optical loss is advanced, and the optical output from the waveguide 5 is eventually reduced. The problem of doing so also arises.
The present invention solves the above-described problems in the conventional multi-wavelength laser device shown in FIG. 5, and has a novel structure in which the optical loss is small and the size of the device is greatly reduced. It is intended to provide a wavelength laser device.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, in the present invention,
An array structure of a plurality of laser elements oscillating at a single wavelength, and a waveguide structure of a photonic crystal for merging respective output lights from the laser elements, are integrated on the same substrate. Light is provided.
[0007]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 1 shows an example A of an optical device (multi-wavelength laser device) of the present invention.
This laser device A is characterized in that the passive waveguide portion 3, the MMI coupler 4, and the output waveguide 5 have a waveguide structure made of a photonic crystal in the conventional laser device shown in FIG. And
[0008]
That is, as shown in FIG. 1, an array structure of a plurality of laser elements 2a oscillating at a single wavelength formed in parallel on a substrate 1, and a photonic crystal waveguide described later. The structure 6 is an integrated structure.
In describing the waveguide structure 6, a cross-sectional view along the line II-II in FIG. 1 is shown in FIG. 2, and a cross-sectional view along the line III-III in FIG. 1 is shown in FIG.
[0009]
In these figures, four waveguide portions 6A extending from the emission end of each laser element 2a, two waveguide portions 6B inclined with respect to the emission end, and extending from the junction of the waveguide portions 6B. The waveguide structure 6 is constituted by one waveguide portion 6C and a portion 6D surrounding the waveguide portions 6A, 6B, 6C.
Here, the portion 6D is a photonic crystal. The photonic crystal has a structure in which materials having a large difference in the refractive index are periodically arranged two-dimensionally or three-dimensionally in the order of the wavelength of light. When the light intensity is about the same as the above, this light is completely reflected by Bragg reflection.
[0010]
Therefore, by setting the lattice period in the photonic crystal portion 6D of the waveguide structure 6 to be substantially the same as the wavelength of the laser beam from the laser element 2a, the waveguide structure 6 is moved from the emission end of each laser element 2a. Is propagated in a state where it is completely confined in the regions of the waveguide portion 6A, the waveguide portion 6B, and the waveguide portion 6C which are not photonic crystals.
[0011]
That is, the output light from each laser element 2a merges at the waveguide portion 6B via the waveguide portion 6A and substantially merges at the waveguide portion 6C without substantially causing optical loss. The light is emitted from the element A.
During this period, since the light is not absorbed by the surrounding photonic crystal portion 6D, the lengths of the waveguide portions 6A, 6B, and 6C can be reduced as much as possible, thereby realizing a compact element size. can do.
[0012]
This laser element A can be manufactured as follows.
First, a layer structure including an active layer of a laser element that oscillates a single wavelength such as a DFB laser element or a DBR laser element and a diffraction grating layer thereover is formed on the substrate 1 using a semiconductor material.
Next, when the laser element is a DBR laser element, a diffraction grating is drawn, a diffraction grating layer is formed by etching, and a mask pattern is formed by covering the diffraction grating portion. Specifically, a portion where the waveguide structure 6 is to be formed is removed by etching including the active layer. At this time, the lower clad layer in the entire layer structure is left.
[0013]
Then, selective growth is performed using a predetermined semiconductor material on the portion removed by etching, and a waveguide layer is butt-joint-grown with the remaining active layer of the laser element.
Thereafter, a stripe pattern of the DFB laser element is formed, a mesa is formed by dry etching, burying growth is performed, and an upper clad layer is formed on the entire surface.
[0014]
Next, the pattern of the waveguide structure 6 is drawn on the upper surface (upper clad layer) of the above-mentioned waveguide layer portion using an electron beam drawing apparatus.
More specifically, ultrafine holes can be formed in a direction substantially perpendicular to the wavelength of the output light from the laser element in the direction perpendicular to the waveguide layer portion, and the above-described waveguide portions 6A, 6B, and 6C have the ultrafine holes. The pattern is such that fine holes are not formed.
[0015]
Next, dry etching is performed from the entire surface to form a photonic crystal composed of ultra-fine holes in the waveguide layer portion according to the above-described pattern. In that case, the depth of the ultrafine holes needs to be deeper than the position of the active layer in the array structure of the laser elements. If the depth is such that it includes the position of the active layer, light from the laser element cannot be reliably confined by the photonic crystal.
[0016]
In the case of the waveguide structure 6 manufactured as described above, the waveguide portions 6A, 6B, and 6C have a three-layer slab waveguide structure in which the optical waveguide is sandwiched between upper and lower cladding layers in the longitudinal direction. Since the photonic crystal is taken in the horizontal direction, the output light from the laser element is efficiently confined in this waveguide portion.
[0017]
FIG. 4 shows another example B of the device of the present invention.
The laser element B is of a type in which the wavelength of the output light from the laser element 2a changes, for example, by 20 nm, and a photonic crystal is integrated also on the reflection end side of each laser element 2a, and the lattice period is changed. is there.
The laser element B can operate as a light source that covers a wide wavelength range, despite the fact that the element size is downsized. In addition, by controlling the wavelength by integrating a photonic crystal instead of a buried diffraction grating, there is an effect that the working process is greatly simplified and a low-cost multi-wavelength laser device can be manufactured. You can also.
[0018]
【The invention's effect】
As is clear from the above description, the optical element (multi-wavelength laser element) of the present invention uses a waveguide structure of a photonic crystal, so that light loss is small and the element size is smaller than that of a conventional multi-wavelength laser. It is much more compact than the element, and its use as an optical element incorporated in an optical transmission system or an optical communication system can be greatly expected.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a plan view showing an example A of a device of the present invention.
FIG. 2 is a sectional view taken along the line II-II in FIG.
FIG. 3 is a sectional view taken along line III-III in FIG.
FIG. 4 is a plan view showing another example B of the device of the present invention.
FIG. 5 is a plan view showing a conventional multi-wavelength laser device.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Substrate 2 Arrangement structure of laser element 2a Laser element 3 Passive waveguide part 3a Waveguide 4 MMI coupler 5 Waveguide 6 Waveguide structure 6A, 6B, 6C Waveguide part 6D Photonic crystal part
