JP6200642B2

JP6200642B2 - 光学装置

Info

Publication number: JP6200642B2
Application number: JP2012262503A
Authority: JP
Inventors: 有本　英生; 英生有本; 光一郎足立; みすず佐川; 鈴木　崇功; 崇功鈴木; 佐々木　博康; 博康佐々木
Original assignee: 日本オクラロ株式会社
Priority date: 2012-11-30
Filing date: 2012-11-30
Publication date: 2017-09-20
Anticipated expiration: 2032-11-30
Also published as: US20160111852A1; US20210351562A1; US9244231B2; US11075500B2; JP2014110257A; US20140153605A1; US20190036295A1

Description

本発明は、光学装置に関する。

ルータ、サーバ等の情報装置内のインターコネクション容量は年々増加している。従来、電気インターコネクションが用いられているが、さらなる大容量化を実現化するためには、光インターコネクションが望ましい。光インターコネクションを実現する技術の一つとして、シリコンフォトニクスの開発がなされている。シリコンフォトニクスを実現するには、シリコン基板上に結晶成長可能であり、かつ、レーザ発振する材料が望まれるが、かかる材料は、実用レベルでは知られていない。

米国特許出願公開第２００６／０２３９６１２号明細書特開２００８−２７７４４５号公報

Frederik Van Laere, et. Al.，Journal of Lightwave Technology，ｖｏｌ．２５，Ｎｏ．１，January ２００７，１５１−１５６頁 Christopher R. Doerr et al., IEEE Photonics Technology Letters,，ｖｏｌ．２２，Ｎｏ．１９，October１，２０１０，１４６１−１４６３頁

シリコンフォトニクスにおいて、光源の集積が大きな課題である。従来、シリコンフォトニクス用の光源が、特許文献１に開示されている。かかる光源は、表面に反射鏡を持つＩＩＩ−Ｖ族半導体レーザをシリコン基板上にフリップチップ実装し、シリコン基板上のグレーティングカップラに結合する光学装置である。しかし、この構造ではレーザからの出射光が広がってしまうので、レーザからの出射光をグレーティングカップラに高効率で結合することができない。表面出射型レーザとグレーティングカップラの間にレンズを入れることにより、レーザからの出射光を平行化することが出来る。しかし、レンズを基板の同じ表面側に形成することは困難である。これは通常のレーザは表面から２μｍ程度の深さに形成されるのに対し、レンズの深さは１５μmに達するためである。このため、レンズをレーザとは別体として形成することとなり、表面出射型レーザとレンズとを備える光学装置において、レーザ部とレンズとの搭載位置調整を高精度で行うことは困難な上に、製造コストの増加、小型化の阻害となってしまう。

本発明は、かかる課題を鑑みてなされてものであり、本発明の目的は、半導体レーザとレンズとグレーティングカップラとを備え、少ない部品数で簡便に作製される光学装置の提供とする。

（１）上記課題を解決するために、本発明に係る光学装置は、｛第１の表面及び前記第１の表面の裏面となる第２の表面を有する、半導体材料の第１の基板｝と、｛前記第２の表面に対向する第３の表面を有し、前記第３の表面上にグレーティングカップラ及び前記グレーティングカップラに入射する光が伝搬する光導波路が形成される、第２の基板｝と、を備える、光学装置であって、前記第１の基板は、｛前記第１の表面と前記第２の表面との間に積層される活性層を有し、前記活性層より前記第１の基板内部へ光を出射する、レーザ部｝と、｛前記レーザ部が出射して伝搬する光の光軸に対して斜交する平面を有し、前記レーザ部が出射して伝搬する光を前記第２の表面へ向けて反射するよう、前記第１の表面に形成される、反射鏡｝と、｛前記第２の表面であって、前記反射鏡が反射する光の光軸を含む領域に形成される、凸レンズ｝と、を備える。

（２）上記（１）に記載の光学装置であって、前記凸レンズは、前記反射鏡が反射する光を収束して又は平行化して、前記グレーティングカップラへ到達させてもよい。

（３）上記（２）に記載の光学装置であって、前記反射鏡が反射する光の光軸が、前記凸レンズの中心を貫く軸より、前記第２の基板の前記光導波路側とは反対側にずれて、前記凸レンズの表面を貫いていてもよい。

（４）上記（２）又は（３）に記載の光学装置であって、前記レーザ部が出射して伝搬して前記反射鏡に到達する光の光軸と、前記反射鏡の法線とがなす角は、４５度より大きくてもよい。

（５）上記（１）乃至（４）のいずれかに記載の光学装置であって、前記第１の基板と前記第２の基板との間であって、前記凸レンズを通過した光が前記グレーティングカップラに到達するまでの光路上に配置される、アイソレータを、さらに備えていてもよい。

（６）上記（１）に記載の光学装置であって、前記第１の基板と前記第２の基板との間であって、前記凸レンズを通過した光を反射する、第１の角度可変反射鏡と、前記第１の角度可変反射鏡が反射した光を反射して前記グレーティングカップラに到達させる、第２の角度可変反射鏡と、をさらに備えていてもよい。

（７）上記（６）に記載の光学装置であって、前記第１の角度可変反射鏡が反射した光が前記第２の角度可変反射鏡に到達するまでの光路上に配置される、アイソレータを、さらに備えていてもよい。

（８）上記（３）に記載の光学装置であって、前記反射鏡が反射する光の光軸の、前記凸レンズの中心を貫く軸に対するずれは１８μｍ以下であってもよい。

（９）上記（４）に記載の光学装置であって、前記なす角は、４８度以下であってもよい。

（１０）上記（１）に記載の光学装置であって、｛前記第１の基板は、前記レーザ部、前記反射鏡、及び前記凸レンズを有する集積レーザ素子部｝を、複数備え、｛前記第２の基板に、前記グレーティングカップラ、及び前記光導波路を有する集積導波路回路部｝が、複数形成され、各前記集積レーザ素子部の前記凸レンズを通過した光が、対応する集積導波路回路部の前記グレーティングカップラに入射してもよい。

（１１）上記（１０）に記載の光学装置であって、前記第１の基板と前記第２の基板との間であって、複数の前記集積レーザ素子部の前記凸レンズを通過した光が、対応する前記集積導波路回路部の前記グレーティングカップラに到達するまでの光路上それぞれに亘って配置される、アイソレータを、さらに備えていてもよい。

（１２）上記（１）に記載の光学装置であって、前記第１の基板は、｛前記レーザ部、及び前記レーザ部が出射する光を前記反射鏡に伝搬するレーザ光導波路を有する集積レーザ素子部｝を、複数備え、複数の前記集積レーザ素子部の前記レーザ部それぞれが出射する光の波長は互いに異なり、複数の前記集積レーザ素子部の前記レーザ光導波路を伝搬し、前記反射鏡によって反射される光の光軸は、それぞれ、前記凸レンズの中心を貫く軸より、前記第２の基板の前記光導波路側とは反対側にずれて、前記凸レンズの表面を貫いていてもよい。

（１３）上記（１）乃至（１２）のいずれかに記載の光学装置であって、前記第２の基板は、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、及びガラスの内のいずれか一つの材料であってよい。

本発明により、半導体レーザとレンズとグレーティングカップラとを備え、少ない部品数で簡便に作製される光学装置が提供される。

本発明の第１の実施形態に係る光学装置の上面図である。本発明の第１の実施形態に係る光学装置の断面図である。本発明の第１の実施形態に係る光学装置のシリコン基板の上面図である。本発明の第２の実施形態に係る光学装置の断面図である。凸レンズへの入射光のずれｄと、グレーティングカップラへ光の入射角Θ_ｉｎとの関係を示す図である。本発明の第３の実施形態に係る光学装置の断面図である。反射鏡への光の入射角Θ_ｍと、グレーティングカップラへ光の入射角Θ_ｉｎとの関係を示す図である。本発明の第４の実施形態に係る光学装置の上面図である。本発明の第４の実施形態に係る光学装置の断面図である。本発明の第５の実施形態に係る光学装置の断面図である。本発明の第６の実施形態に係る光学装置の上面図である。本発明の第６の実施形態に係る光学装置のシリコン基板の上面図である。本発明の第７の実施形態に係る光学装置の上面図である。本発明の第７の実施形態に係る光学装置の断面図である。本発明の第７の実施形態に係る光学装置の断面図である。グレーティングカップラへ入射する光の入射角Θｉｎと、波長λの関係を示す図である。

以下に、図面に基づき、本発明の実施形態を具体的かつ詳細に説明する。なお、実施形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、以下に示す図は、あくまで、実施形態の実施例を説明するものであって、図の大きさと本実施例記載の縮尺は必ずしも一致するものではない。

［第１の実施形態］
図１Ａは、本発明の第１の実施形態に係る光学装置の上面図である。当該実施形態に係る光学装置は、第１の半導体基板（第１の基板）と、第２の半導体基板（第２の基板）と、を備えている。第１の半導体基板（半導体レーザ素子１）は、ＤＦＢレーザ部２と、反射鏡３と、凸レンズ４と、を備えている。すなわち、半導体レーザ素子１は、第１の半導体基板上に、ＤＦＢレーザ部２と、反射鏡３と、凸レンズ４とが一体集積された半導体光素子である。なお、ＤＦＢレーザは、分布帰還型（Distributed-FeedBack）レーザであり、ＩｎＰ基板上に形成される。すなわち、ここで、第１の基板の半導体材料はＩｎＰであるが、これに限定されることはなく、他の半導体材料の基板であってもよい。また、第２の半導体基板はシリコン基板２１であり、シリコン基板２１の表面には、後述する通り、グレーティングカップラ２２と光導波路とが形成されている。

図１Ｂは、当該実施形態に係る光学装置の断面図であり、図１Ａに示すＩＢ−ＩＢ線の断面を表している。第１の半導体基板は、図１Ｂに示す上側表面である第１の表面及び図１Ｂに示す下側表面である第２の表面を有しており、第２の表面は第１の表面の裏面となっている。ＤＦＢレーザ部２は、ゲインを発生する活性層１１と、回折格子１２とを備えており、活性層１１は第１の表面と第２の表面との間に積層されており、活性層１１の端部より第１の半導体基板内部へ光を出射する。第１の半導体基板（半導体レーザ素子１）のうち、ＤＦＢレーザ部２の第１の表面には上側電極１３（表面電極）が、第２の表面には下側電極１４（裏面電極）が形成されており、上側電極１３及び下側電極１４により、活性層１１へ電流を注入することが出来る。

ＤＦＢレーザ部２が端部より第１の半導体基板内部へ出射する光は、内部を図１Ｂの右向きに伝搬して反射鏡３へ到達する。反射鏡３は、第１の半導体基板の第１の表面（上側表面）下に位置する半導体を除去し、反射鏡３に到達する光の光軸に対して斜交する平面が形成されたものである。すなわち、反射鏡３は第１の表面に形成されており、反射鏡３の平面は第１の表面の一部となっている。反射鏡３の平面の法線は、反射鏡３に到達する光の光軸と４５度で斜交しており、反射鏡３は、当該光を図１Ｂの下向きに反射する。すなわち、反射鏡３は、当該光を第２の表面（下側表面）に向けて反射する。

反射鏡３で反射される光は、内部を図１Ｂの下向きに伝搬して凸レンズ４へ到達する。凸レンズ４は、第１の半導体基板の第２の表面（下側表面）下に位置する半導体を除去し、凸曲面が形成されたものである。凸レンズ４は、第２の表面であって、反射鏡３が反射する光の光軸を含む領域に形成されている。凸レンズ４は、反射鏡３が反射する光を収束して又は平行化して、後述するグレーティングカップラ２２へ到達させる。図１Ｂには、ＤＦＢレーザ部２より出射し、反射鏡３にて反射され、凸レンズ４を通過して、グレーティングカップラ２２へ到達する光の光軸が、破線で図示されており、凸レンズ４を通過する光の光軸は、凸レンズ４の中心を貫いている。ここで、凸レンズ４の直径は９０μｍであり、レンズ面の曲率半径は１２５μmである。半導体レーザ素子１は、例えば、特許文献２に記載の製造方法により作製される。

図１Ｃは、当該実施形態に係る光学装置のシリコン基板２１（第２の半導体基板）の上面図である。シリコン基板２１は図１Ｂに示す上側表面である第３の表面を有しており、第３の表面は、第１の半導体基板の第２の表面（下側表面）に対向して配置される。当該実施形態に係る光学装置では、シリコン基板２１の上に、半導体レーザ素子１を直接搭載している。シリコン基板２１の第３の表面には、グレーティングカップラ２２、第１光導波路２３、第２光導波路２４が形成されている。なお、グレーティングカップラ２２及び光導波路（第１光導波路２３と第２光導波路２４）を合わせて、集積導波路回路部２５と呼ぶこととする。グレーティングカップラ２２は、半導体レーザ素子１の凸レンズ４を通過した光を結合するための素子である。第１光導波路２３はグレーティングカップラ２２の図１Ｃの右側で接して配置され、右側に進むにつれて幅が短くなる形状（三角形状）をしている。第１光導波路２３は、グレーティングカップラ２２にて結合された光が第１光導波路２３を伝搬し、第２導波路２４にシングルモードのまま伝播する。第１光導波路２３に接して配置され図１Ｂ及び図１Ｃの右向きに延伸する第２光導波路２４は、シングルモード条件を満たし安定的に導波する導波路である。第２光導波路２４が延伸する先には、図示しないが、例えば、ＭＺ（マッハツェンダ：Mach-Zehnder）変調器、グレーティングカップラ、及び光を伝送するための光ファイバが形成されていてもよい。

本発明に係る光学装置の特徴は、第１の表面に反射鏡３が第２の表面に凸レンズ４がそれぞれ形成される半導体レーザ素子１（第１の半導体基板）と、グレーティングカップラ２２が第３の表面に形成される第２の半導体基板とを備えることにある。凸レンズ４により、ＤＦＢレーザ部２を出射した光が収束され又は平行化されて、グレーティングカップラ２２へ到達しており、グレーティングカップラ２２において高効率での結合を可能としている。反射鏡３や凸レンズ４を第１の半導体基板の表面に形成することにより、反射鏡や凸レンズをレーザとは別体として形成される場合と比較して、部品数の減少が実現しており、それゆえ、より簡便な工程での光学装置の作製が可能となっている。よって、製造コストの抑制や装置の小型化を実現することが出来る。

［第２の実施形態］
本発明の第２の実施形態に係る光学装置は、凸レンズ４の配置が異なっているが、それ以外については、第１の実施形態に係る光学装置と同じ構造を有している。第１の実施形態に係る光学装置では、凸レンズ４の中心を貫く軸が、反射鏡３で反射されて凸レンズ４へ到達する光の光軸と一致しているが、当該実施形態に係る光学装置では、反射鏡３が反射する光の光軸（凸レンズ４への入射光の光軸）が、凸レンズ４の中心を貫く軸（凸レンズ４の光軸）より、第２の半導体基板の光導波路側とは反対側にずれて凸レンズ４の表面を貫いている。ここで、「凸レンズ４への入射光の光軸が凸レンズ４の光軸より光導波路側の反対側にずれて凸レンズ４の表面を貫いている」とは、以下に説明する通りである。第２の半導体基板の第３の表面に形成される光導波路は、第１光導波路２３及び第２光導波路２４であり、第１光導波路２３はグレーティングカップラ２２の図１Ｃの右側に接し、第２光導波路はさらに図１Ｃの右側へ延伸している。よって、凸レンズ４への入射光の光軸が凸レンズ４の光軸より図１Ｃの左側にずれて凸レンズ４の表面を貫いていることを言う。なお、凸レンズ４の光軸及び凸レンズ４への入射光の光軸がともに、第３の表面に垂直な平面であって第２光導波路２４を貫く平面に含まれているのが望ましい。しかし、凸レンズ４の光軸及び凸レンズ４への入射光の光軸の両方又は一方がかかる平面に含まれていない場合もあり得る。そのような場合であっても、第２光導波路２４の延伸方向に垂直な平面であって、凸レンズ４の光軸を含む平面より、凸レンズ４への入射光の光軸が光導波路側とは反対側にずれて凸レンズ４の表面を貫いていればよい。

図２は、当該実施形態に係る光学装置の断面図であり、図１Ａに示すＩＢ−ＩＢ線の断面に対応している。図の破線で囲われた領域の拡大図が下部に示されている。図１Ａと同様に、反射鏡３で反射された光は図２の下向きに伝搬して凸レンズ４へ到達する。図２に示す光学装置では、第３の表面に垂直な平面であって第２光導波路２４を貫く平面に、凸レンズ４の光軸及び凸レンズ４への入射光の光軸がともに含まれている。入射光の光軸（破線）は凸レンズ４の光軸（実線）より左側にずれており、凸レンズ４への入射光の光軸のずれは、ｄである。凸レンズ４への入射光が凸レンズ４の中心から光導波路とは反対側にずれていることにより、凸レンズ４を通過した光の光軸は、凸レンズ４により、入射光の光軸から凸レンズ４の中心の軸側へ（図２の右側へ）傾斜する。ここで、凸レンズ４を通過した光の光軸が、第３の表面の法線となす角を入射角Θ_ｉｎとする。

図３は、凸レンズ４への入射光のずれｄと、グレーティングカップラ２２へ光の入射角Θ_ｉｎとの関係を示す図である。グレーティングカップラ２２へ入射する光が法線方向に対して光導波路側に傾斜していると、結合効率が高まる。特に、入射角Θ_ｉｎが２０度以下で結合効率は高い。このとき、入射光の光軸のずれｄは１８μｍであり、ずれｄは１８μｍ以下が望ましい。結合効率の観点からは、入射角Θ_ｉｎが１０度±５度以内（ずれｄは５〜１４．５μｍ）が望ましく、１０度±２度以内（ずれｄは８〜１２μｍ）がさらに望ましい。なお、ずれｄが１０μｍのとき、入射角Θ_ｉｎは１０度となる。

［第３の実施形態］
本発明の第３の実施形態に係る光学装置は、反射鏡３の平面の傾斜が異なっている点を除いて、第１の実施形態に係る光学装置と同じ構造を有している。第１の実施形態に係る光学装置では、反射鏡３の平面の法線は、反射鏡３に到達する光（反射鏡３への入射光）の光軸と４５度で斜交しているが、当該実施形態に係る光学装置では、ＤＦＢレーザ部２が出射して伝搬して反射鏡３に到達する光の光軸と、反射鏡３の法線とがなす角は、４５度より大きい。

図４は、当該実施形態に係る光学装置の断面図であり、図１Ａに示すＩＢ−ＩＢ線の断面に対応している。図の破線で囲われた領域の拡大図が下部に示されている。反射鏡３の平面に入射する光の光軸と、反射鏡３の法線とがなす角は、反射鏡３への入射角Θ_ｍとする。ここでは、反射鏡３への入射角Θ_ｍが４５度より大きいので、反射鏡３で反射された光の光軸は、第３の表面の法線より光導波路側に傾斜している。ここでは、反射鏡３で反射された光の光軸は、凸レンズ４の中心を貫いており、凸レンズ４を通過した光の光軸は凸レンズで屈折することなく、反射鏡３で反射された光の光軸と一致している。図２と同様に、グレーティングカップラ２２へ光の入射角を入射角Θ_ｉｎとする。

図５は、反射鏡３への光の入射角Θ_ｍと、グレーティングカップラ２２へ光の入射角Θ_ｉｎとの関係を示す図である。第２の実施形態と同様に、グレーティングカップラ２２へ入射する光が法線方向に対して光導波路側に傾斜していると、結合効率が高まる。特に、入射角Θ_ｍが４８度以下のとき入射角Θ_ｉｎが０度より大きく２０度以下となり望ましい。結合効率の観点からは、入射角Θｉｎが１０度±５度以内（Θ_ｍは４５．８度〜４７．３度）が望ましく、１０度±２度以内（Θ_ｍは４６．２度〜４６．８度）がさらに望ましい。なお、入射角Θ_ｍが４６．５度のとき入射角Θｉｎが１０度となり最適である。

なお、ここでは、反射鏡３で反射され凸レンズ４へ入射する光の光軸は、凸レンズ４の中心を貫いているが、これに限定されることはない。第２の実施形態と同様に、凸レンズ４へ入射する光の光軸が凸レンズ４の中心からずれて凸レンズ４の表面を貫いていてもよい。この場合、グレーティングカップラ２２へ光の入射角Θ_ｉｎは、反射鏡３の反射による傾斜と、凸レンズ４表面での屈折による傾斜を重畳的に合わせたものとなる。また、反射鏡３へ入射する光の光軸が作る入射面が、第２光導波路２４を貫いているのが望ましいが、これに限定されることはない。この場合であっても、グレーティングカップラ２２への光の光軸が、グレーティングカップラ２２の表面を貫く点を含み第２光導波路２４の延伸方向に垂直な平面よりも、光導波路側に傾斜していればよい。

［第４の実施形態］
本発明の第４の実施形態に係る光学装置は、アイソレータ３２をさらに備え、それに伴って保持部材が追加されている点で第１乃至第３の実施形態と異なっているが、それ以外の構造は第１乃至第３のいずれかの実施形態に係る光学装置と同じである。アイソレータ３２は、半導体レーザ素子１（第１の半導体基板）とシリコン基板２１（第２の半導体基板）の間にあって、凸レンズ４を通過した光がグレーティングカップラ２２に到達するまでの光路上に配置される。

図６Ａは、当該実施形態に係る光学装置の上面図である。図６Ｂは、当該実施形態に係る光学装置の断面図であり、図６Ａに示すＶＩＢ−ＶＩＢ線の断面を表している。図６Ｂに示す半導体レーザ素子１及びシリコン基板２１は、第１の実施形態に係る半導体レーザ素子１及びシリコン基板２１と同じである。図６Ｂに示す通り、当該実施形態に係る光学装置は、レーザサブマウント３１、アイソレータ３２、及びＵ字ガイド３３をさらに備えている。レーザサブマウント３１に半導体レーザ素子１は実装されており、半導体レーザ素子１は上側電極１３（表面電極）でレーザサブマウント３１と固定される。アイソレータ３２は、アイソレータ用チップ３４とアイソレータ用磁石３５からなり、アイソレータ用チップ３４はアイソレータ用磁石３５に固定される。Ｕ字ガイド３３とアイソレータ用磁石３５が、シリコン基板２１上に固定され、半導体レーザ素子１が実装されたレーザサブマウント３１は、Ｕ字ガイド３３とアイソレータ用磁石３５に固定される。すなわち、アイソレータ３２のアイソレータ用チップ３４が、半導体レーザ素子１の凸レンズ４と、シリコン基板２１のグレーティングカップラ２２との間に配置される。なお、レーザサブマウント３１、Ｕ字ガイド３３、及びアイソレータ用磁石３５は、半導体レーザ素子１及びアイソレータ用チップ３４を固定する保持部材である。

当該実施形態に係る光学装置では、凸レンズ４とグレーティングカップラ２２との間にアイソレータ３２を配置することにより、シリコン基板２１上の光導波路やその先の光学部材（例えば、光ファイバ）から反射光が逆方向に伝搬してきても、アイソレータ３２が当該反射光を削減することが出来、半導体レーザ素子１に入射する反射光の強度が大幅に減衰され、光学装置の発振状態が安定化されるという更なる効果を奏する。アイソレータ３２を配置したことにより、凸レンズ４とグレーティングカップラ２２の距離は第１乃至第３の実施形態と比較して長くなっている。半導体レーザ素子が出射する光が発散している場合には、距離が長くなるのに伴ってグレーティングカップラの素子サイズを大きくする必要がある。しかしながら、当該実施形態では、凸レンズ４により、半導体レーザ素子１が凸レンズ４より出射する光は収束され又は平行化されており、グレーティングカップラ２２に入射する光のモード半径は２０μｍ程度と小さくなっている。それゆえ、厚さ１．５ｍｍ程度あるアイソレータ３２を通過してもグレーティングカップラ２２の素子サイズを発散光の場合と比較して大きくする必要はなく、本発明は顕著な効果を有する。

［第５の実施形態］
本発明の第５の実施形態に係る光学装置は、アイソレータ３２と、２つの角度可変反射鏡４１，４２をさらに備え、それに伴って保持部材が追加されている点で第１の実施形態と異なっているが、それ以外の構造は第１の実施形態に係る光学装置と同じである。

図７は、当該実施形態に係る光学装置の断面図である。２つの角度可変反射鏡４１，４２はともに、半導体レーザ素子１（第１の半導体基板）とシリコン基板２１（第２の半導体基板）の間にあって、１つ目の角度可変反射鏡４１（第１の角度可変反射鏡）は、凸レンズ４を通過した光の光軸上に配置され、かかる光を反射する。２つ目の角度可変反射鏡４２（第２の角度可変反射鏡）は、角度可変反射鏡４１が反射した光を反射してグレーティングカップラ２２に到達させる。さらに、アイソレータ３２（のアイソレータ用チップ）は、角度可変反射鏡４１が反射した光が角度可変反射鏡４２に到達するまでの光路上に配置される。１つ目の角度可変反射鏡４１により反射された光が、アイソレータ３２を通過して、２つ目の角度可変反射鏡４２へ入射する。シリコン基板２１上に、角度可変反射鏡４１，４２をそれぞれ保持するシリコン基板４３，４４が固定される。半導体レーザ素子１は下側電極１４（裏面電極）でレーザサブマウント３１と固定され、半導体レーザ素子１が実装されたレーザサブマウント３１はシリコン基板４３の上面に固定される。

２つの角度可変反射鏡４１，４２はともに、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）構造を有し、制御により角度を調整することが出来る。２つ目の角度可変反射鏡４２で反射された光がシリコン基板２１上に形成されるグレーティングカップラ２２へ入射する。グレーティングカップラ２２への入射角Θ_ｉｎを、２つの角度可変反射鏡４１，４２により、角度を含めた光軸調整が可能となる。それゆえ、半導体レーザ素子１を光学装置に実装する際に細かい調整が不要となり実装が容易になる上に、半導体レーザ素子１の作製後にも、角度調整をすることが出来るという顕著な効果を有する。

ここでは、２つの角度可変反射鏡４１，４２の間にアイソレータ３２を配置しているが、アイソレータ３２は必ずしも必要ではない。また、当該実施形態において、２つの角度可変反射鏡４１，４２及びアイソレータ３２を配置したことにより、凸レンズ４とグレーティングカップラ２２との間の光路長は長くなってしまっている。しかしながら、当該実施形態において、凸レンズ４により、半導体レーザ素子１が凸レンズ４より出射する光は収束され又は平行化されており、第４の実施形態同様に、グレーティングカップラ２２の素子サイズを大きくする必要はなく、本発明は顕著な効果を有する。

［第６の実施形態］
本発明の第６の実施形態に係る光学装置は、半導体レーザ及びグレーティングカプラがアレイとなっている点で第４の実施形態と異なっているが、それ以外の構造は第４の実施形態に係る光学装置と同じである。すなわち、半導体レーザ素子（第１の半導体基板）は、前記レーザ部、前記反射鏡、及び前記凸レンズを有する集積レーザ素子部を、複数（ここでは４つ）備え、シリコン基板２１（第２の半導体基板）に、グレーティングカップラ及び光導波路を有する集積導波路回路部が、複数（ここでは４つ）形成される。アイソレータ３２は、第１の半導体基板と第２の半導体基板の間にあって、複数の集積レーザ素子部の凸レンズを通過した光が、対応する集積導波路回路部のグレーティングカップラに到達するまでの光路上それぞれに亘って配置される。

図８Ａは、当該実施形態に係る光学装置の上面図である。図８Ｂは、当該実施形態に係る光学装置のシリコン基板２１（第２の半導体基板）の上面図である。当該実施形態に係る半導体レーザ素子５１は、ＤＦＢレーザ部、反射鏡、及び凸レンズを有する集積レーザ素子部を１アレイとして、ＤＦＢレーザ部の光の出射方向に交差する方向（垂直方向）に並んで配置される合計４アレイを備えている。半導体レーザ素子５１の集積レーザ素子部にそれぞれ対応して、シリコン基板２１に、グレーティングカップラ、及び光導波路（第１光導波路と第２光導波路）を有する集積導波路回路部を１アレイとして、集積レーザ素子部が並んで配置される方向に沿うように並んで配置される合計４アレイが第３の表面に形成されている。図８Ａには、４つの集積レーザ素子部５２Ａ，５２Ｂ，５２Ｃ，５２Ｄが、４つのＤＦＢレーザ部と、４つの反射鏡３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄと、４つの凸レンズ４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄとともに、それぞれ示されているが、集積レーザ素子部の各構成は第１乃至第３のいずれかの実施形態に係る半導体レーザ素子１に備えられる構成とそれぞれ同じである。

図８Ｂには、４つの集積導波路回路部２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃ，２５Ｄが、４つのグレーティングカップラ２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ，２２Ｄと、４つの第１光導波路２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃ，２３Ｄと、４つの第２光導波路２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃ，２４Ｄとともに、それぞれ示されているが、集積導波路回路部の各構成は第１の実施形態に係るシリコン基板２１に形成される構成とそれぞれ同じである。よって、図８Ａに示す当該実施形態に係る光学装置のＶＩＢ−ＶＩＢ線の断面は、図６Ｂに示す第４の実施形態に係る光学装置の断面と、半導体レーザ素子の符号が異なることを除いて同じである。

アイソレータ３２（のアイソレータ用チップ）は、４つの凸レンズ４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄと、４つのグレーティングカップラ２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ，２２Ｄをそれぞれ結ぶ４つすべての光路上に亘って配置されている。ここで、アイソレータ３２は１つであり、１つのアイソレータ３２が４つすべての光路上において、シリコン基板２１上の光導波路やその先の光学部材（例えば、光ファイバ）から反射光が逆方向に伝搬してきても、アイソレータ３２が当該反射光を削減することが出来、半導体レーザ素子５１に入射する反射光の強度が大幅に減衰され、光学装置の発振状態が安定化されるという更なる効果を奏する。４つのＤＦＢレーザ部の間隔（隣り合うＤＦＢレーザ部の中心線間の距離）は１００μｍである。図６Ｂに示す光学装置と同様に、半導体レーザ素子５１が実装されたレーザサブマウント３１と、シリコン基板２１との間に、アイソレータ３２が配置される。このとき、アイソレータ３２は１つで４つの光路に対してアイソレータとして動作する。アイソレータ３２（アイソレータ用磁石３４）の大きさは１ｍｍ×１ｍｍであるのに対し、４つのレンズの中心は最大で３００μｍしか離れておらず、１つのアイソレータ３２を４つのアレイで共用することが出来る。

当該実施形態に係る光学装置では、第１の半導体基板に４つの集積レーザ素子部を集積している。凸レンズを第１の半導体基板の第２の表面に形成することにより、凸レンズの直径は７０μｍとなっており、通常のガラスレンズより小さく形成出来ている。よって、ＤＦＢレーザ部の間隔より小さく、凸レンズを４つ並んで配置することが出来、４つのアレイを備える光学装置が実現されている。当該実施形態では、半導体レーザ素子５１に４つのＤＦＢレーザ部が備えられる場合を例として示したが、複数（２以上）のＤＦＢレーザ部の場合であればこれに限定されることはない。アイソレータの数は、配置するアレイの数とアイソレータの素子サイズとを考慮して決定すればよい。

［第７の実施形態］
図９Ａは、本発明の第７の実施形態に係る光学装置の上面図である。当該実施形態に係る光学装置は、第１の半導体基板と、第２の半導体基板と、を備えている。第１の半導体基板（半導体レーザ素子６１）の光の出射方向に交差する方向（垂直方向）に並んで配置される４つのＤＦＢレーザ部６２Ａ，６２Ｂ，６２Ｃ，６２Ｄと、反射鏡６３と、凸レンズ６４と、４つのＤＦＢレーザ部６２Ａ，６２Ｂ，６２Ｃ，６２Ｄそれぞれが出射する光を伝搬して反射鏡６３へ到達させる４本のレーザ光導波路６７Ａ，６７Ｂ，６７Ｃ，６７Ｄと、を備えている。なお、１つのＤＦＢレーザ部と、その端部より延伸するレーザ光導波路とを合わせて、ここでは、集積レーザ素子部と呼ぶこととすると、第１の半導体基板は、複数の集積レーザ素子部と、反射鏡６３と、凸レンズ６４とを備えている。隣り合うＤＦＢレーザ部の間隔は１００μｍである。４つのＤＦＢレーザ部６２Ａ，６２Ｂ，６２Ｃ，６２Ｄはそれぞれ、波長λ_１＝１３４０ｎｍ、λ_２＝１３２０ｎｍ、λ_３＝１３００ｎｍ、λ_４＝１２８０ｎｍの波長の光を出射している。すなわち、４つのＤＦＢレーザ部６２Ａ，６２Ｂ，６２Ｃ，６２Ｄは互いに異なる波長の光を出射している。４本のレーザ光導波路６７Ａ，６７Ｂ，６７Ｃ，６７Ｄは、４つのＤＦＢレーザ部６２Ａ，６２Ｂ，６２Ｃ，６２Ｄの端部より延伸し、延伸するに従って、反射鏡６３に集まるように湾曲し、等間隔に並びながらさらに延伸し反射鏡６３に至る。すなわち、レーザ光導波路はＤＦＢレーザ部が出射する光を反射鏡６３に伝搬する光導波路である。ここで、反射鏡６３近傍において隣り合う２本のレーザ光導波路の間隔は２．５μｍと、ＤＦＢレーザ部側よりも狭い間隔となっている。

図９Ｂ及び図９Ｃは、当該実施形態に係る光学装置の断面図であり、図９Ｂは、図９Ａに示すＩＸＢ−ＩＸＢ線の断面を、図９Ｃは、図９Ａに示すＩＸＣ−ＩＸＣ線の断面を、それぞれ示している。なお、図９Ａに示すＩＸＢ−ＩＸＢ線とは、ＤＦＢレーザ部６２Ａの中心線を通り、さらにレーザ光導波路６７Ａの中心線を通って湾曲し、さらに反射鏡６３を直線的に横切って光学装置の端部に至る断面である。図９Ｂに示す通り、レーザ光導波路６７Ａは、コア層６６に形成されており、レーザ光導波路を伝搬する光は低損失で、反射鏡６３へ到達することが出来る。図９Ｂに示す通り、反射鏡６３の平面の法線は、反射鏡６３に到達する４本の光の光軸４とすべて４５度で斜交しており、反射鏡３は４本の光を第２の表面（下側表面）に向けて反射する。このとき、４本の光の光軸は、凸レンズ６４の中心を通り、図９ＡのＩＸＣ−ＩＸＣ線に沿う直線上に並んで、凸レンズ６４の第２の表面に至っている。そして、４本の光の光軸は、凸レンズ６４の中心より光導波路側の反対側に、順にずれて凸レンズ６４の表面を貫いている。凸レンズ６４の中心に最も近い光は、ＤＦＢレーザ部６２Ｄより出射し、レーザ光導波路６７Ｄを伝搬して、反射鏡６３で反射された光であり、凸レンズ６４の中心から５．５μｍとした。凸レンズ６４の中心より順にずれている４本の光は、ＤＦＢレーザ部６２Ｄ，６２Ｃ，６２Ｂ，６２Ａより出射される光の順に、並んでいる。

図９Ｃに示す通り、シリコン基板２１の第３の表面に、第１の実施形態と同様に、グレーティングカップラ７２と、第１の光導波路７３と、第２の光導波路７４とが、順に並んで形成されるが、ＤＦＢレーザ部の出射方向と平行な方向ではなく、垂直な方向に並んでおり、第２の光導波路７４は、当該垂直な方向に沿って延伸している。反射鏡６３で反射された４本の光は、当該垂直な方向に沿って並んでいる。図９Ｃには、４本の光のうち、ＤＦＢレーザ部６２Ａより出射して伝搬する光と、ＤＦＢレーザ部６２Ｄより出射して伝搬する光とが、それぞれ、λ_１，λ_４として示されているが、実際には、２本の光の間には、ＤＦＢレーザ部６２Ｂ，６２Ｃより出射して伝搬する２本の光が存在している。これら４本の光は、凸レンズ６４の中心からずれた位置に入射する結果、異なる角度でグレーティングカップラ７２に入射する。ここで、４本の光のグレーティングカップラ７２への入射角Θ_ｉｎは、ＤＦＢレーザ部６２Ａ，６２Ｂ，６２Ｃ，６２Ｄより出射する光の順に（図９Ｃの左側から右側へ順に）、Θ_ｉｎ（λ_１）＝１２．９度、Θ_ｉｎ（λ_２）＝１０．４度、Θ_ｉｎ（λ_３）＝８度、Θ_ｉｎ（λ_４）＝５．６度となった。

ここで、グレーティングカップラにおける光の結合に関する技術が、非特許文献１及び非特許文献２に開示されている。グレーティングカップラの回折格子ピッチをｄ、グレーティングカップラの屈折率をｎ_ｅｆｆ（＝２．６）、空気の屈折率をｎ_ａｉｒ（＝１）、光の入射角をΘ_ｉｎ、波長をλとすると、ｄ・ｎ_ｅｆｆ＋ｄ・ｎ_ａｉｒ・ｓｉｎΘ_ｉｎ＝λ（数式１）で表すことが出来る。（数式１）で表されるグレーティングカップラの結合効率について、非特許文献２の（１）に開示されており、（数式１）を満たす波長λの光が、最も効率よくグレーティングカップラに結合することが出来る。なお、（数式１）でｓｉｎΘ_ｉｎの前の符号が＋となっているのは、非特許文献２の式（１）とは入射角Θｉｎの定義が異なっているためであるが、式としては等価である。

図１０は、グレーティングカップラへ入射する光の入射角Θｉｎと、波長λの関係を示す図である。図１０に示す曲線は、数式１に基づく入射角Θｉｎと波長λの関係を表しており、上述した４本の光それぞれにおける入射角Θ_ｉｎと波長λは、（数式１）を実質的に満たしており、かかる４本の光は、低損失でグレーティングカップラ７２に結合することが出来る。波長が互いに異なり、波長が小さい方から順に並ぶ４つのＤＦＢレーザ部６２Ｄ，６２Ｃ，６２Ｂ，６２Ａより出射する４本の光が、凸レンズ６４の中心より、この順でずれた位置で、凸レンズ６４の表面を貫くことにより、４本の光のグレーティングカップラへ入射する光の入射角Θ_ｉｎを互いに異なり、入射角を順に大きくすることが出来ている。さらに、中心からのずれを（数式１）に実質的に満たすように決定することにより、４本の光をさらに効率よくグレーティングカップラに結合させることが可能となり、顕著な効果を奏する。当該実施形態では、半導体レーザ素子６１に４つのＤＦＢレーザ部が備えられる場合を例として示したが、複数（２以上）のＤＦＢレーザ部の場合であればこれに限定されることはない。

以上、本発明の実施形態に係る光学装置について説明した。光学装置の半導体レーザ素子の光源はＤＦＢレーザとしたが、これに限定されることはないのは言うまでもない。例えば、ＤＢＲ（分布ブラッグ反射型：Distributed Bragg Reflector）レーザであってもよいし、光源は、レーザと変調器を集積した素子であってもよい。ここで変調器は、例えば、ＥＡ(電界吸収型：Electro-Absorption)変調器やＭＺ変調器でもよい。また、上記実施形態において、第２の半導体基板（第２の基板）の材料はシリコン（Ｓｉ）を最も好ましい実施例として記載したが、ＩｎＰ、ＧａＡｓのなどの半導体材料の他、ケイ素ガラス（ＳｉＯ_２）や一般のガラスを用いることができる。このため、実施例中の「第２の半導体基板」は、「第２の基板」の例示であり、第２の基板は半導体基板には限定されない。そして、本発明は、半導体レーザとレンズとグレーティングカップラとを備える光学装置に広く適用することが出来る。

１半導体レーザ素子、２ＤＦＢレーザ部、３反射鏡、４凸レンズ、１１活性層、１２回折格子、１３上側電極、１４下側電極、２１シリコン基板、２２グレーティングカップラ、２３第１光導波路、２４第２光導波路、２５集積導波路回路部、３１レーザサブマウント、３２アイソレータ、３３Ｕ字ガイド、３４アイソレータ用チップ、３５アイソレータ用磁石、４１，４２角度可変反射鏡、４３，４４シリコン基板、５１半導体レーザ素子、５２Ａ，５２Ｂ，５２Ｃ，５２Ｄ集積レーザ素子部、６１半導体レーザ素子、６２Ａ，６２Ｂ，６２Ｃ，６２ＤＤＦＢレーザ部、６３反射鏡、６４凸レンズ、６６コア層、６７Ａ，６７Ｂ，６７Ｃ，６７Ｄレーザ光導波路、７２グレーティングカップラ、７３第１光導波路、７４第２光導波路。

Claims

第１の表面及び前記第１の表面の裏面となる第２の表面を有する、半導体材料の第１の基板と、
前記第２の表面に対向する第３の表面を有し、前記第３の表面上にグレーティングカップラ及び前記グレーティングカップラに入射する光が伝搬する光導波路が形成される、第２の基板と、
第４の表面を有し、前記第１の表面に接するよう、前記第１の基板を前記第４の表面の上に搭載する、レーザサブマウントと、
前記第２の基板の前記第３の表面の上に配置され、前記第１の基板が搭載される前記レーザサブマウントを、前記第４の表面に接して保持する、Ｕ字ガイドと、
を備える、光学装置であって、
前記第１の基板は、
前記第１の表面と前記第２の表面との間に積層される活性層を有し、前記活性層より前記第１の基板内部へ光を出射する、レーザ部と、
前記レーザ部が出射して伝搬する光の光軸に対して斜交する平面を有し、前記レーザ部が出射して伝搬する光を前記第２の表面へ向けて反射するよう、前記第１の表面に形成される、反射鏡と、
前記第２の表面であって、前記反射鏡が反射する光の光軸を含む領域に形成される、凸レンズと、
を備える、ことを特徴とする、光学装置。
請求項１に記載の光学装置であって、
前記凸レンズは、前記反射鏡が反射する光を収束して又は平行化して、前記グレーティングカップラへ到達させる、
ことを特徴とする、光学装置。
請求項２に記載の光学装置であって、
前記反射鏡が反射する光の光軸が、前記凸レンズの中心を貫く軸より、前記第２の基板の前記光導波路側とは反対側にずれて、前記凸レンズの表面を貫いている、
ことを特徴とする、光学装置。
請求項２又は３に記載の光学装置であって、
前記レーザ部が出射して伝搬して前記反射鏡に到達する光の光軸と、前記反射鏡の法線とがなす角は、４５度より大きい、
ことを特徴とする、光学装置。
請求項１乃至４のいずれかに記載の光学装置であって、
前記第２の基板の前記第３の表面の上に配置され、前記第１の基板が搭載される前記レーザサブマウントを、前記Ｕ字ガイドとともに、前記第４の表面に接して保持する、アイソレータ用磁石と、
前記アイソレータ用磁石に固定され、前記凸レンズを通過した光が前記グレーティングカップラに到達するまでの光路上に配置される、アイソレータ用チップと、
をさらに備える、ことを特徴とする、光学装置。
第１の表面及び前記第１の表面の裏面となる第２の表面を有する、半導体材料の第１の基板と、
前記第２の表面に対向する第３の表面を有し、前記第３の表面上にグレーティングカップラ及び前記グレーティングカップラに入射する光が伝搬する光導波路が形成される、第２の基板と、
前記第２の基板の前記第３の表面の上に配置される、第１保持部材と、
前記第２の基板の前記第３の表面の上に配置される、第２保持部材と、
前記第１保持部材に搭載される、第１の角度可変反射鏡と、
前記第２保持部材に搭載され、前記第１の角度可変反射鏡が反射した光を反射して前記グレーティングカップラに到達させる、第２の角度可変反射鏡と、
を備える、光学装置であって、
前記第１の基板は、
前記第１の表面と前記第２の表面との間に積層される活性層を有し、前記活性層より前記第１の基板内部へ光を出射する、レーザ部と、
前記レーザ部が出射して伝搬する光の光軸に対して斜交する平面を有し、前記レーザ部が出射して伝搬する光を前記第２の表面へ向けて反射するよう、前記第１の表面に形成される、反射鏡と、
前記第２の表面であって、前記反射鏡が反射する光の光軸を含む領域に形成される、凸レンズと、
を備え、
前記第１の基板は、前記第１保持部材の上方に配置され、
前記第１の角度可変反射鏡は、前記第１の基板と前記第２の基板との間であって、前記凸レンズを通過した光を反射する、
ことを特徴とする、光学装置。
請求項６に記載の光学装置であって、
前記第１の角度可変反射鏡が反射した光が前記第２の角度可変反射鏡に到達するまでの光路上に配置される、アイソレータを、さらに備える、ことを特徴とする、光学装置。
請求項３に記載の光学装置であって、
前記反射鏡が反射する光の光軸の、前記凸レンズの中心を貫く軸に対するずれは１８μｍ以下である、
ことを特徴とする、光学装置。
請求項４に記載の光学装置であって、
前記なす角は、４８度以下である、ことを特徴とする、光学装置。
請求項１に記載の光学装置であって、
前記第１の基板は、前記レーザ部、前記反射鏡、及び前記凸レンズを有する集積レーザ素子部を、複数備え、
前記第２の基板に、前記グレーティングカップラ、及び前記光導波路を有する集積導波路回路部が、複数形成され、
各前記集積レーザ素子部の前記凸レンズを通過した光が、対応する集積導波路回路部の前記グレーティングカップラに入射する、
、ことを特徴とする、光学装置。
請求項１０に記載の光学装置であって、
前記第１の基板と前記第２の基板との間であって、複数の前記集積レーザ素子部の前記凸レンズを通過した光が、対応する前記集積導波路回路部の前記グレーティングカップラに到達するまでの光路上それぞれに亘って配置される、アイソレータを、
さらに備える、ことを特徴とする、光学装置。
請求項１に記載の光学装置であって、
前記第１の基板は、
前記レーザ部、及び前記レーザ部が出射する光を前記反射鏡に伝搬するレーザ光導波路を有する集積レーザ素子部を、複数備え、
複数の前記集積レーザ素子部の前記レーザ部それぞれが出射する光の波長は互いに異なり、
複数の前記集積レーザ素子部の前記レーザ光導波路を伝搬し、前記反射鏡によって反射される光の光軸は、それぞれ、前記凸レンズの中心を貫く軸より、前記第２の基板の前記光導波路側とは反対側にずれて、前記凸レンズの表面を貫いている、
ことを特徴とする、光学装置。
請求項１乃至請求項１２のいずれかに記載の光学装置であって、
前記第２の基板は、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ガラスの内のいずれか一つの材料であることを特徴とする、光学装置。