JP2014056264A - 波長可変フィルタ及び波長可変レーザモジュール - Google Patents
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Abstract
【課題】プロセス誤差による特性変動の少ない同方向性光結合器型の波長可変フィルタ、および波長可変レーザを提供する。
【解決手段】半導体基板上に、第１のコア層をもつ第１の光導波路と第２のコア層をもつ第２の光導波路とが面内で平行に設けられ、それらの光導波路のうちで１つ以上の光導波路に回折格子が形成され、第１のコア層にはｐ型導電型の半導体とｎ型導電型の半導体が近接し電流注入または電圧印加可能な構造をもち、第２のコア層には一方の導電型の半導体のみが接しており、前記第２のコア層の上部には、前記第１のコア層への前記電流注入または前記電圧印加から電気的に分離させる半絶縁性半導体層が形成される。
【選択図】図４
【解決手段】半導体基板上に、第１のコア層をもつ第１の光導波路と第２のコア層をもつ第２の光導波路とが面内で平行に設けられ、それらの光導波路のうちで１つ以上の光導波路に回折格子が形成され、第１のコア層にはｐ型導電型の半導体とｎ型導電型の半導体が近接し電流注入または電圧印加可能な構造をもち、第２のコア層には一方の導電型の半導体のみが接しており、前記第２のコア層の上部には、前記第１のコア層への前記電流注入または前記電圧印加から電気的に分離させる半絶縁性半導体層が形成される。
【選択図】図４
Description
本発明は、波長可変レーザモジュール及び波長可変フィルタに関する。
光通信の伝送容量は年々急速に増加しており、これに応える安価で高速、大容量の技術として波長多重通信（WDM）が実用されている。WDMは周波数が５０GHzや１００GHzだけ異なる多数の単色光（数十〜１００波長）を同時に用い、各波長で異なる信号を伝送する技術であり、ファイバ１本当りの伝送容量を数十倍以上にできるので、ファイバの敷設費用を著しく減らすことができる。
従来WDMの光源は、半導体レーザ素子が筐体に格納され、それを駆動する半導体ICや配線が接続されることでモジュール化された装置（以下、モジュールと略す）が波長毎に複数必要であった。
レーザを製造するには波長毎に結晶を作る必要があり、また、モジュールも波長ごとに製造しなければならなく、コストの点で問題があった。これに対して、波長を自由に変えられる波長可変モジュールが開発された。この波長可変モジュールは、光波長が４０ｎｍ程度の範囲で可変であるため、半導体レーザの数を減らせるので、モジュールを安価に供することが出来るため、WDMの主要な光源となっている。
波長可変レーザとして様々な方式が検討されてきた。ひとつの例として、非特許文献１を参考にして、ＧＣＳＲ(Grating Assisted Codirectional coupler laser with rear Sampled grating Reflector)レーザについて説明する。図１にＧＣＳＲレーザの断面構造図を、図２にＧＣＳＲレーザの動作原理を示すスペクトルを示す。このレーザは、回折格子型反射鏡１２、位相調整領域１３、同方向性光結合器１４、ゲイン領域１５が光学的に接続されている。それぞれの領域は、電極１２，１３，１４，１５の間隔で区切られている。
ｎ型ＩｎＰ基板１上の、回折格子型反射鏡１２、位相調整領域１３及び同方向性光結合器１４にストライプ状の低屈折率光導波路層２が配置され、ゲイン領域１５にストライプ状のゲイン層（発光層）４が配置されている。その上に、ｐ型クラッド層を介して、回折格子型反射鏡１２、位相調整領域１３及び同方向性光結合器１４に高屈折率光導波路層３が配置されている。さらに、その上に、ｐ型クラッド層を介して、回折格子型反射鏡１２に回折格子層５、位相調整領域１３にｐ型クラッド層、同方向性光結合器１４に長周期回折格子６が配置されている。さらに、その上に、ｐ型クラッド層を介して、前述の通り、回折格子型反射鏡１２、位相調整領域１３及び同方向性光結合器１４及びゲイン領域１５の各領域毎に分離された電極７、８、９、１０が形成されている。また、ｎ型ＩｎＰ基板の下には、上記領域（回折格子型反射鏡１２、位相調整領域１３、同方向性光結合器１４、ゲイン領域１５）の全面に渡って共通電極１１が配置されている。
なお、低屈折率光導波路２と高屈折率光導波路３とは同じ長さで構成され、ゲイン領域１５まで（電極１０端と重なる位置まで）配置されている。つまり、高屈折率光導波路層の開始点１８と、低屈折率光導波路層の開始点１９とは同じ位置にあり、長周期回折格子の開始点１７が内側にある構造である。
図２に示す通り、同方向性光結合器の透過スペクトル３１のピークと回折格子型反射鏡の反射スペクトル３２が一致する波長付近の縦モード３４でレーザ発振する。同方向性光結合器の透過スペクトル３１、回折格子型反射鏡の反射スペクトル３２はそれぞれ電流を注入することにより、調整することができ、その結果レーザ発振３４の波長を変化させることができる。
このレーザには下記の問題があった。回折格子型反射鏡１２、位相調整領域１３及び同方向性光結合器１４は回折格子を形成する層まで同一プロセスで構成することができるが、ゲイン領域１５は全く別構造となるので、別プロセスで形成することになる。これは発光効率を優先するゲイン領域１５と光閉じ込め効率を優先する光導波路の機能の違いである。このように、縦方向の構造が全く異なるために、ゲイン層４と低屈折率光導波路層２とを精度よく接続させることが困難であるという問題である。実際の膜厚を見てみると、ｎ型ＩｎＰ１６の厚さは０.９μｍ、高屈折率光導波路層２の厚さは０.３４μｍ、低屈折率光導波路層３の厚さは０.２μｍある。このため、ゲイン層４をまず成長し不要な部分を除去し、ｎ型ＩｎＰ１６、高屈折率光導波路層２、低屈折率光導波路層３を再成長すると、厚さの差が大きいため、低屈折率光導波路層２とゲイン層４が滑らかに接続されない。成長の順番が逆の場合でも同様である。
この問題を解決する波長可変フィルタが特許文献１に開示されている。この特許文献１に開示された波長可変フィルタの構造図（鳥瞰図）を図３に示す。基板平面上に平行に伸びる低屈折率光導波路層と高屈折率光導波路層が基板平面上に形成された構造となっている(ここでは、横方向結合型同方向性光結合器と称する。)。図３に示すように、基板４１上に、左側光導波路層４２と右側光導波路層４３が形成され、基板面内平行に、左側光導波路４４と長周期回折格子４６が形成された右側光導波路４５が形成されており、特定の波長λのみが左側光導波路層４２と右側光導波路層４３との間を移動し、波長選択フィルタとして動作する。このように波長選択フィルタを形成することにより、光導波路の段差は軽減され、ゲイン領域(図中には示されていない)との接続を滑らかに形成することが可能となる。
また、問題を解決する波長可変レーザが特許文献２に開示されている。この特許文献２に開示された波長可変レーザは、マッハツェンダ型干渉計フィルタとSSG-DBRフィルタでゲイン領域を挟んでいる。
IEEEPhotonics Technology Letters, VOL. ７, NO. ７, July １９９５, P６９７-６９９
特許文献１の段落番号００３９には、「左側光導波路７０５には、屈折率制御用電極１４０が備えられており、屈折率１４０を介して入力した電流がGaＣＣ型波長可変フィルタ１２０の左側光導波路７０５に入力されるようになっている。」と記載されている。つまり、図３の左側光導波路４４の上に屈折率制御用電極が形成されていることが開示されている。しかし、他に開示されている光導波路構造は、リッジ構造をハイメサ構造にすること（特許文献１の段落番号００４０）や、２本の光導波路にグレーティングを設けること（特許文献１の段落番号００４０）、２本の光導波路の中間層にグレーティングを設けること（特許文献１の段落番号００４０）、２本の光導波路を構成するリッジ部の幅と高さを異ならせること（特許文献１の段落番号００３７）、グレーティングを光導波路の上部表面に設けること（特許文献１の段落番号００４０）、２本の光導波路の組成を同一にする又は異ならせること（特許文献１の段落番号００４１）のみである。
つまり、特許文献１には、右側光導波路４５自体の構造やその右側光導波路４５上にはどのような構造が形成されるかは何ら開示されていない。
光導波路の組成を異ならせる最も一般的な方法は、バットジョイント接続により、異なる組成の結晶を接続することである。しかし、同方向性結合器が動作するためには左側光導波路４４と右側光導波路４５の間の距離が２μｍ以下である必要があるが、選択成長を用いるバットジョイント接続では、光導波路付近の組成の制御が難しい。更に、左側光導波路層と右側光導波路層との境界４７、左側光導波路４４、右側光導波路４５の位置関係に依存して、フィルタ特性が変化してしまうという課題が発生する。
また、図１のＧＣＳＲレーザの同方向性光結合器１４の別の課題として、微妙な構造の変化にしたがって同方向性光結合器の透過スペクトル特性が変化してしまうことがある。ゲイン領域１５を通った光が同方向性結合器１４に入射するとき、長周期回折格子の開始点１７と高屈折率光導波路層の開始点１８の位置が変動することにより同方向性結合器への入射光の位相が変化してしまうためである。特に、高屈折率光導波路層３が突然出現するため、その制御は大変難しくなっている。特許文献１中にはこれに対する解決法は記載されていない。
本発明の目的は、プロセス誤差による特性変動の少ない同方向性光結合器型の波長可変フィルタ、および波長可変レーザを提供することにある。
特許文献２のマッハツェンダ型干渉計では、波長可変範囲を広く取ろうとすると、フィルタ特性がなだらかになるという課題がある。このため、いわゆるＣバンド帯(波長１５３０-１５７０ｎｍ)で波長変化し、かつシングルモード発振を実現することは難しい。
本願では、上記課題を解決する方法の一つとして、次の横方向結合型同方向性光結合器型波長可変フィルタの構造を開示している。
１つ目の課題（組成の異なる横方向結合型同方向性光結合器の形成方法）を解消する構造を図４の斜視図で示す。ｎ型ＩｎＰ基板上に高屈折率光導波路６０と低屈折率光導波路６１を備えている。高屈折率光導波路６０は、光導波路層Ａ５３、ｎ型ＩｎＰ５４、光導波路層Ｂ５５、ｐ型ＩｎＰ５６が積層された構造である。一方、低屈折率光導波路６１は、光導波路層Ａ５３、ｎ型ＩｎＰ５４、半絶縁ＩｎＰ５２、ｐ型ＩｎＰ５６が積層された構造である。この構造は、選択成長によるバットジョイントを用いずにウエットエッチング工程を用いて異なる屈折率をもつ並行光導波路を形成するので、近接配置が可能である。そして、光導波路Ａ５３、ｎ型ＩｎＰの積層体を高屈折率光導波路６０と低屈折率光導波路６１の双方が備えているので、光導波路層Ａ５３からｐ型ＩｎＰ５６まで連続成長させた後、低屈折率光導波路６１を構成する光導波路層Ｂ５５とｐ型ＩｎＰ５６を選択的に除去することで形成でき、高屈折率光導波路６０と低屈折率光導波路６１との間に選択成長のバットジョイントがなくせるので、選択成長に起因する組成の制御性の低下を抑えることができる。従って、安定した特性をもつ波長可変フィルタを実現できる。
また、低屈折率光導波路６１の上面が半絶縁ＩｎＰ５２で覆われているために、長周期回折格子を備えた高屈折率光導波路への効率的な電流注入が可能となり、結果として電流注入による波長変化率が高くなる。
また、低屈折率光導波路６１の上面を半絶縁ＩｎＰ５２で覆うとともに、無機絶縁膜を配置しているので、電流が直接的に低屈折率光導波路６１に流れることはないので、低屈折率光導波路６１の上に電極が配置できている。このような電極の配置の自由度は、外部との電気的な接合をしやすくし、ジャンクダウン実装時における接合面積、光半導体素子の実装時における位置ズレを抑制できるというメリットを得ることができる。
２つ目の課題(同方向性光結合器の透過スペクトル特性が微妙な構造の変化にしたがって変化してしまうこと)を解決する構造の上面図を図５に示す。光が高屈折率光導波路の直線部７２に入射する。このとき低屈折率光導波路は曲線の構造を持ち(曲線部７４) 、高屈折率光導波路の直線部７２から十分離れている。曲線構造により徐々に低屈折率光導波路が近づき、長周期回折格子７７が形成される領域では、距離２μｍ以下、例えば、１μｍ程度まで近づき、同方向性光結合器を形成している。光出射付近では、高屈折率光導波路７２が低屈折率光導波路７５から徐々に離れ、光出射部分では、十分低屈折率光導波路７５が高屈折率光導波路７２から十分離れている。この構造により、ＧＣＳＲレーザの同方向性光結合器で問題になっていた高屈折率光導波路層が突然出現することによる課題が解決される。更に、長周期回折格子７７が、高屈折率光導波路７２、低屈折率光導波路７５と同じマスクで同時にパターン形成できるため、ＧＣＳＲレーザの同方向性光結合器で問題になっていた長周期回折格子の開始点１７と高屈折率光導波路層の開始点１８の位置関係による特性の変動も抑制される。
本発明によれば、特性変動の少ない同方向性光結合器型の波長可変フィルタ、および波長可変レーザを提供できる。
（実施例１）
本発明の第１の実施例を、図４、図５、図６を用いて説明する。本実施例はＩｎＰ基板上の１．５５μｍ帯の横方向結合型同方向性光結合器型波長可変フィルタである。本実施例の横方向結合型同方向性光結合器型波長可変フィルタの部分断面図を図４に、本実施例の横方向結合型同方向性光結合器型波長可変フィルタの上面構成図を図５に示す。以下、レイアウトを詳述する。
本発明の第１の実施例を、図４、図５、図６を用いて説明する。本実施例はＩｎＰ基板上の１．５５μｍ帯の横方向結合型同方向性光結合器型波長可変フィルタである。本実施例の横方向結合型同方向性光結合器型波長可変フィルタの部分断面図を図４に、本実施例の横方向結合型同方向性光結合器型波長可変フィルタの上面構成図を図５に示す。以下、レイアウトを詳述する。
本実施例の横方向結合型同方向性光結合器型波長可変フィルタは、高屈折率光導波路６０、低屈折率光導波路６１の２本の光導波路が面内に１μｍのギャップを介して配置されている。高屈折率光導波路６０及び低屈折率光導波路６１は、図５の平面レイアウトで示すように、実質的に平行に、対向する辺の間を並行して伸びているメサストライプ形状の半導体で構成されている。
高屈折率光導波路６０は、図４の部分断面図で示すように、ｎ型ＩｎＰ５１の左側の凸部上に、光導波路層Ａ５３、ｎ型ＩｎＰ５４、光導波路層Ｂ５５、ｐ型ＩｎＰ５６が順に積層された積層体で構成されている。ｎ型ＩｎＰ５１の裏面には図示しないが裏面電極が形成されている。この高屈折率光導波路６０は、ｎ型ＩｎＰ５１の左側の凸部、光導波路層Ａ５３、ｎ型ＩｎＰ５４、光導波路層Ｂ５５の全層が長周期回折格子５７となるように、導波方向に沿って、左右に、周期的な矩形の平面パターン（光導波路の幅が周期的に変わるパターン）を備えている。
高屈折率光導波路６０は、図５の符号７２、７３で示すように、横方向結合型同方向性光結合器型波長可変フィルタの中央部（低屈折率光導波路６１の中央部）は直線で、横方向結合型同方向性光結合器型波長可変フィルタの一方の端部（低屈折率光導波路６１の端部）では低屈折率光導波路６１から離れ、間隔が広がる方向に（中央に向って徐々に近づくように）湾曲した平面レイアウトになっている。この平面レイアウトを、図５では、高屈折率光導波路の直線部７２、高屈折率光導波路の曲線部７３として図示している。
低屈折率光導波路６１は、図４の部分断面図で示すように、ｎ型ＩｎＰ５１の右側の凸部上に、光導波路層Ａ５３が積層された積層体で構成されており、ｎ型ＩｎＰ５１の裏面には図示しないが、裏面電極が形成されている構造となっている。なお、低屈折率光導波路６１にとって、この裏面電極は必ずしも必要ないが、本実施例では形成してある。この低屈折率光導波路６１は、ほぼ一定幅であるが、高屈折率光導波路６０と同様に、ｎ型ＩｎＰ５１の右側の凸部、光導波路層Ａ５３が長周期回折格子となるように、導波方向に沿って、左右に、周期的な矩形の平面パターン（光導波路の幅が周期的に変わるパターン）となっていてもよい。
低屈折率光導波路６１は、図５の符号７４、７５で示すように、横方向結合型同方向性光結合器型波長可変フィルタの中央部（低屈折率光導波路６１の中央部）は直線で、横方向結合型同方向性光結合器型波長可変フィルタの他方の端部（低屈折率光導波路６１の端部）で高屈折率光導波路６０から離れ、間隔が広がる方向に（中央に向って徐々に近づくように）湾曲した平面レイアウトになっている。この平面レイアウトを、図５では、低屈折率光導波路の直線部７５、低屈折率光導波路の曲線部７４として図示している。
さらに、本実施例の横方向結合型同方向性光結合器型波長可変フィルタは、背が高い高屈折率光導波路６０のメサ上面を露出させ、かつ、背が低い低屈折率光導波路６１を完全に覆うように、半絶縁ＩｎＰ５２が形成されている。この半絶縁ＩｎＰ５２があることにより、電極５９からの電流パスが狭窄され、低屈折率光導波路６１にほとんど流れなくなっている。
高屈折率光導波路６０と低屈折率光導波路６１の上には、ｐ型ＩｎＰ５６がクラッド層として配置されるが、低屈折率光導波路６１と接するように既に半絶縁ＩｎＰ５２が形成されているので、低屈折率光導波路６１の上には、半絶縁ＩｎＰ５２を介してｐ型ＩｎＰ５６が配置される。
このｐ型ＩｎＰ５６の上には、電極５９が形成されている。電極５９の平面パターンは、図５で符号７６として示すように、ＩｎＰ基板７１（図４のｎ型ＩｎＰ５１に相当する。）よりも一回り小さい。そして、電極７６の全周にＩｎＰ基板７１がある構造となっている。従って、高屈折率光導波路の曲線部７３と、低屈折率光導波路の曲線部７４と、高屈折率光導波路の直線部７２の低屈折率光導波路の曲線部７４と隣接する部分と、低屈折率光導波路の直線部７５の高屈折率光導波路の曲線部７３と隣接する部分とが電極で覆われない構造となっている。なお、低屈折率光導波路６１には電流を流すことを意図していないないので、本来、低屈折率光導波路６１と重なる領域には電極５９を形成する必要はないが、本実施例では低屈折率光導波路６１と重なる領域にも形成されている。但し、電流注入効率を向上させるため、高屈折率光導波路６０の周辺領域（直上及びその左右の一定領域）を除き、無機絶縁膜としてＳｉＯ２５８を配置した構造となっている。
次に、本実施例の横方向結合型同方向性光結合器型波長可変フィルタの作製プロセスを説明する。このプロセスを図６に示す。まず、ｎ型ＩｎＰ基板全面（１０１）に組成波長１.３μｍのｎ型ＩｎＧａＡｓＰを厚さ１００ｎｍ(１０２)、ｎ型ＩｎＰを厚さ１００ｎｍ（１０３）、組成波長１.４μｍのＩｎＧａＡｓＰを厚さ３５０ｎｍ(１０４)、ｐ型ＩｎＰを厚さ４００ｎｍ(１０５)、ＩｎＧａＡｓを厚さ１００ｎｍ(１０６)を、既知のＭＯＶＰＥ法を用いて形成する（図６Ａ）。この多層構造を有するＩｎＰウェハ上に、二酸化珪素膜（SiO２）１０９を被覆して保護マスクとする。この二酸化珪素マスクを用いて、ｎ型ＩｎＰ基板（１０１）まで、エッチングすることで、ｎ型ＩｎＰ基板の凸部の上に、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ(１０２)、ｎ型ＩｎＰ（１０３）、ＩｎＧａＡｓＰ(１０４)、ｐ型ＩｎＰ(１０５)、ＩｎＧａＡｓ(１０６)の積層体で構成されたメサストライプが配置されることになる（図６B）。左側メサストライプ１０７の幅は１μｍ、右側メサストライプ１０８の幅は１μｍ、メサストライプ間は１μｍである。エッチングには、例えば塩素系ガスによる反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：ＲｅＡｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）等のドライエッチング、あるいは臭素系溶液等によるウェットエッチング、さらには両者の併用、いずれの手法を用いても良い。続いて右側メサストライプの上を除いてレジストで被覆する(図６C)。その後、バッファードフッ酸で二酸化珪素膜１０９、H３PO４:H２O２:H２O=１:１:１０溶液でｐ型ＩｎＧａＡｓ１０６、HBｒ:H３PO４=１:４溶液でｐ型ＩｎＰ１０５、H３PO４:H２O２:H２O=１:１:１０溶液でＩｎＧａＡｓＰ膜１０４を除去して、右側メサストライプ１０８のコア層を形成する(図６D)。その後、レジスト１１０を除去する。続いて、ＭＯＶＰＥ法を用いて半絶縁性ＩｎＰを再成長する(図６E)。この工程で、高さの高い高屈折率光導波路７２の一部の層（高屈折率光導波路７２のコア層となる組成波長１.４μｍのＩｎＧａＡｓＰ膜１０４を除去し、残った層で組成波長１.３μｍのＩｎＧａＡｓＰ低屈折率光導波路１０２を構成する。その後、二酸化珪素膜１０９を除去した後、全面にｐ型ＩｎＰ１１２をＭＯＶＰＥ法により成長する。二酸化珪素膜１１３、電極１１４を形成し、フィルタは完成する（図６F）。高屈折率光導波路７２は図６F中の左側メサストライプ１０７に対応し、低屈折率光導波路７４は右側メサストライプ１０８に対応する。
本実施例の横方向結合型同方向性光結合器型波長可変フィルタは、電極から注入される電流量を制御することにより、１．５μｍから１.５７μｍの広い波長範囲で透過率ピーク波長を制御できた。
なお、本実施例では、基板としてＩｎＰを用いたが、ＧａＡｓ、ＧａＮ、ＺｎＳｅを用いることもできる。
また、本実施例では、発光波長が１.５５μｍ帯のレーザについて説明したが、その他の波長帯のでもよい。
ここで、本実施例の横方向結合型同方向性光結合器型波長可変フィルタの代表的な特徴を述べる。
本実施例の横方向結合型同方向性光結合器型波長可変フィルタは、連続成長した同じ組成波長材料で、同じ膜厚の２本のメサストライプ型（ｎ型ＩｎＰ５１の凸部上に形成された光導波路層Ａ５３）の光導波路の一方に、さらに、別の光導波路（ｎ型ＩｎＰ５４、光導波路層Ｂ５５、ｐ型ＩｎＰ５６）を配置させた構造をしている。従って、選択成長に伴うバットジョイント工程を経る必要がなく、光導波路の組成が部分的に変わりにくい再現性の高い構造となっている。また、高屈折率光導波路６０を、低屈折率光導波路６１を形成した層とは異なり、より高い層に形成することで実現できている。また、この構造により、２本の光導波路（高屈折率光導波路７２、低屈折率光導波路７５）の平面パターンを１ホトでパターニングできるようになるので、光導波路の位置ズレを考慮して狭めることができなかった２本の光導波路の間隔を２μｍ以下、具体的には、１μｍ程度に近接配置できるようになる。
また、長周期回折格子７７が、導波路の幅の周期的変化により実現されているので、２本の光導波路（高屈折率光導波路７２、低屈折率光導波路７５）加工時に、１ホトでパターニングできるので、それらの間の位置ズレは解消し、フィルタ特性は安定化する。
また、左側メサストライプ１０７へは電流注入可能である一方、右側メサストライプ１０８は半絶縁ＩｎＰ１１１に囲まれているために、電流が注入されない。この結果、フィルタする波長を電流注入により効率よく変化させることができる。
（実施例２）
本発明の第２の実施例を、図７、図８を用いて説明する。本実施例はＩｎＰ基板上の１．５５μｍ帯の横方向結合型同方向性光結合器型波長可変フィルタを用いた波長可変レーザである。
本発明の第２の実施例を、図７、図８を用いて説明する。本実施例はＩｎＰ基板上の１．５５μｍ帯の横方向結合型同方向性光結合器型波長可変フィルタを用いた波長可変レーザである。
図７Ａは、本実施例の波長可変レーザの上面図である。波長可変レーザは、横方向結合型同方向性光結合器型波長可変フィルタ１３１、位相調整領域１３２、ゲイン領域１３３、回折格子型反射鏡１３４が接続されている。図７Bは、本実施例の波長可変レーザの断面図である。ｎ型ＩｎＰ基板１３５上に電流注入によりゲインを発生する光導波路層１３７と電流注入により屈折率が変化する光導波路層１３６が形成されている。光導波路層１３７はゲイン領域１３３のコア層（ゲイン層）となり、光導波路層１３６は横方向結合型同方向性光結合器型波長可変フィルタ１３１、位相調整領域１３２、回折格子型反射鏡１３４のコア層となる。回折格子型反射鏡１３４には回折格子１３８が形成されている。光導波路層１３７と光導波路層１３６とは異なる組成波長の材料で構成されている。波長可変レーザの端面、つまり、図７Ａ中の横方向結合型同方向性光結合器型波長可変フィルタ１３１の左側と回折格子型反射鏡１３４の右側は、へき開面による反射面が構成されているが、多層誘電体膜でも構わない。「端面の反射面」の用語には、へき開面と多層誘電体膜の双方の意味を含むものとする。
動作原理は図２に説明したとおりであり、それぞれの領域に電流を流すことにより、発振波長を調整する。
この構成は、フィルタリング原理が異なる第１フィルタ手段と第２フィルタ手段とにゲイン領域が挟まれた波長可変レーザモジュールであって、前記ゲイン領域は、電流を供給することで発光し、前記第１フィルタ手段と前記第２フィルタ手段は、反射光強度のピーク波長が電気的に制御可能であり、第１フィルタ手段は、第２フィルタ手段のピーク波長がシフトする波長範囲において、周期的なピークが複数あるフィルタ特性を備え、前記第１フィルタ手段又は前記第２フィルタ手段を透過した光が出力されるようになっているといえ、特に、第２フィルタ手段として、同方向性光結合器型波長可変フィルタと端面の反射面を備えていることにより、マッハツェンダ干渉計を用いた特許文献２で実現困難であった、広い波長範囲でのシングルモード発振が可能となる。具体的には、Ｃバンド帯(波長１５３０-１５７０ｎｍ)で波長変化させてもシングルモード発振をさせることができるようになる。
この実施例の第１フィルタ手段は、特定波長に反射強度のピークがある反射フィルタとして回折格子型反射鏡１３４と付加的な反射膜である端面の反射面とで構成されているが、これは、（液晶）エタロンフィルタと端面の反射面とで構成することも、リング共振器と端面の反射面とで構成することもできる。
この構成は、第１フィルタ手段として回折格子型反射鏡１３４、第２フィルタ手段として、横方向結合型同方向性光結合器型波長可変フィルタ１３１を用いた場合に、特に好適な構成である。従来の縦方向結合型同方向性光結合器型波長可変フィルタ１３１を用いる場合には、再成長工程とホト工程が増えるが、この構成に用いると製造プロセスが簡単で、導波路の光結合が効率的だからである。
次に、波長可変レーザの作製方法を図８に示す。ｎ型ＩｎＰ基板１３５上にＭＯＶＰＥ法で電流注入によりゲインを発生する活性層として機能する光導波路層１３７（ゲイン層）を形成する(図８Ａ)。次に、窒化珪素をマスクとして、反応性イオンエッチングでゲイン領域１３３以外の領域の光導波路層１３７を除去する。
続いて、電流注入により屈折率が変化する光導波路層１３６をＭＯＶＰＥ法により選択成長する（図８Ｂ）。次にEB描画法により回折格子１３８を形成後、ＭＯＶＰＥ法によりp-ＩｎＰ１３９を成長し、ウエハを平坦化する（図８C）。続いて実施例１に示した、メサストライプ形成後、電極を形成して、レーザが完成する(図７Ｂ)。この際、ゲイン層となる光導波路１３７と光導波路１３６とは異なる組成の半導体材料で構成されたバットジョイント構造となっている。
このレーザは、１．５μｍから１.５７μｍの広い波長範囲でシングルモード発振した。
本実施例では、基板としてＩｎＰを用いたが、ＧａＡs、ＧａＮ、ＺｎＳｅでもよい。また、波長帯は１.５５μｍ帯に限定したが、その他の波長帯でもよい。
１：ＩｎＰ基板、２：低屈折率光導波路層、３：高屈折率光導波路層、４：ゲイン層、５：回折格子、６：長周期回折格子、７：回折格子型反射鏡の電極、８：位相調整領域の電極、９：同方向性光結合器の電極、１０：ゲイン領域の電極、１１：共通電極、１２：回折格子型反射鏡、１３：位相調整領域、１４：同方向性光結合器、１５：ゲイン領域、１６：ｎ型ＩｎＰ、１７：長周期回折格子の開始点、１８：高屈折率光導波路層の開始点、１９：低屈折率光導波路層の開始点、３１：回折格子型反射鏡の反射スペクトル、３２：同方向性光結合器の透過スペクトル、３３：縦モード、３４：レーザ発振、４１：基板、４２：左側光導波路層、４３：右側光導波路層、４４：左側光導波路、４５：右側光導波路、４６：長周期回折格子、４７：左側光導波路層と右側光導波路層の境界、５１：ｎ型ＩｎＰ、５２：半絶縁ＩｎＰ、５３：光導波路層Ａ、５４：ｎ型ＩｎＰ、５５：光導波路層Ｂ、５６：ｐ型ＩｎＰ、５７：長周期回折格子、５８：二酸化珪素、５９：電極、６０：高屈折率光導波路、６１：低屈折率光導波路、７１：ＩｎＰ基板、７２：高屈折率光導波路の直線部、７３：高屈折率光導波路の曲線部、７４：低屈折率光導波路の曲線部、７５：低屈折率光導波路の直線部、７６：電極、７７:長周期回折格子、１０１：ｎ型ＩｎＰ基板、１０２：ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ（組成１．３μｍ、厚さ１００ｎｍ）、１０３：ｎ型ＩｎＰ（厚さ１００ｎｍ）、１０４：ＩｎＧａＡｓＰ（組成１．４μｍ、厚さ３５０ｎｍ）、１０５：ｐ型ＩｎＰ（厚さ４００ｎｍ）、１０６：ｐ型ＩｎＧａＡｓ（厚さ１００ｎｍ）、１０７：左側メサストライプ、１０８：右側メサストライプ、１０９：二酸化珪素膜、１１０：レジスト、１１１：半絶縁ＩｎＰ、１１２：ｐ型ＩｎＰ、１１３：二酸化珪素膜、１１４：電極、１３１：横方向結合型同方向性光結合器型波長可変フィルタ、１３２：位相調整領域、１３３：ゲイン領域、１３４：回折格子型反射鏡、１３５：ｎ型ＩｎＰ基板、１３６：電流注入により屈折率が変化する光導波路層、１３７：電流注入によりゲインを発生する光導波路層、１３８：回折格子、１３９：ｐ型ＩｎＰ。
Claims (10)
- 半導体基板上に、第１のコア層をもつ第１の光導波路と第２のコア層をもつ第２の光導波路とが面内で平行に設けられ、
それらの光導波路のうちで１つ以上の光導波路に回折格子が形成され、第１のコア層にはｐ型導電型の半導体とｎ型導電型の半導体が近接し電流注入または電圧印加可能な構造をもち、
第２のコア層には一方の導電型の半導体のみが接しており、
前記第２のコア層の上部には、前記第１のコア層への前記電流注入または前記電圧印加から電気的に分離させる半絶縁性半導体層が形成されることを特徴とする波長可変フィルタ。 - 第１のコア層と第２のコア層が一部共通の結晶構造を持つことを特徴とする請求項１記載の波長可変フィルタ。
- 前記第１の光導波路と第２の光導波路との間の間隔は、前記第２導波路の中央部よりも端部の方が広いことを特徴とする請求項１記載の波長可変フィルタ。
- 請求項１に記載の波長可変フィルタと、前記半導体基板上に形成され、前記第１のコア層と光結合するゲイン層を有するゲイン領域と、第２の回折格子を有し、かつ、前記ゲイン層と光結合する分布ブラッグ反射鏡(DBR)光導波路と、を備えることを特徴とする波長可変レーザモジュール。
- 第１導電型の半導体層で構成された半導体基板上に、前記半導体基板の第１辺から対向する第２辺に向って並行して伸びる第１光導波路と第２光導波路とを備え、
前記第１光導波路は、第１回折格子を備え、
前記第１光導波路は、第１導電型の半導体層の上に配置された第１コア層と、前記第１導電型半導体層の下に配置された第１電極と、前記第１コア層の上に配置された第２導電型の半導体層と、前記第２導電型半導体層の上に配置された第２電極とを備え、
前記第２光導波路は、第１導電型の半導体層の上に配置された第２コア層と、前記第２コア層と前記第２電極との間に配置された絶縁膜と、
前記第２コア層と前記絶縁膜との間に配置された半絶縁性半導体層と、を備え、
前記版絶縁性半導体層により、前記第２コア層と前記第２電極および前記第２導電型の半導体層との間が電気的に分離をしていることを特徴とする波長可変フィルタ。 - 請求項５において、
前記第１コア層と前記第２コア層とは、組成波長の異なる材料で構成されていることを特徴とする波長可変フィルタ。 - 請求項６において、
前記第１コア層より下に配置された第１導電型の半導体層は、前記第２コア層と前記第２コア層の下に配置された第１導電型の半導体層との積層体と、同じ組成、同じ膜厚で構成された層を含むことを特徴とする波長可変フィルタ。 - 請求項６において、
前記第１回折格子は、前記第１コア層の幅が周期的に変化する構造を含むことを特徴とする波長可変フィルタ。 - 請求項５において、
前記第１コア層と前記第２コア層との間隔は、前記第２コア層の中央部よりも端部の方が広いことを特徴とする請求項１記載の波長可変フィルタ。 - 請求項５に記載された波長可変フィルタと、ゲイン領域とを備え、
前記ゲイン領域は、前記第１導電型半導体層の上に配置されたゲイン層を備え、
前記ゲイン層は、前記波長可変フィルタの前記第１コア層と異なる組成波長の材料で構成されていることを特徴とする波長可変レーザモジュール。
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