CN109891283B - 半导体光波导以及光集成元件 - Google Patents

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Abstract

目的在于提供一种能够对埋入型波导的芯层高效地注入电流的技术。在基板的一端侧，配设包括芯层、包层以及电流阻挡层的埋入型波导，并且，芯层的层叠方向上的两侧被包层夹住，芯层的与层叠方向垂直的宽度方向上的两侧被电流阻挡层夹住。在基板的另一端侧，配设包括芯层以及包层的脊型波导，并且，芯层的层叠方向上的两侧被包层夹住。

Description

半导体光波导以及光集成元件
技术领域
本发明涉及配设于基板上的半导体光波导以及具备其的光集成元件。
背景技术
在半导体激光器、光调制器等光器件中，器件的构造和器件的特性相互关联。例如，作为光器件的构造，已知埋入型波导、脊型波导、以及高台面型波导。在埋入型波导中，具有用包层包围传输光的芯层、即进行波导的芯层的剖面构造。该埋入型波导相比于脊型波导，向芯层的电流注入效率更优良、具有适合于低功耗的动作的特性。在脊型波导中，具有不对芯层进行图案化加工，使基板在下方而针对芯层上部的包层的剖面形状凸形地进行图案化加工而得到的剖面构造。该脊型波导具有适合于长时间的动作的特性。高台面型波导相对进行波导的光模式的大小，芯层所占的比值大、具有能够相对于其他剖面构造以低功耗进行光调制的特性。
另外，在将半导体激光器、光调制器等多个功能要素集成到1个元件的光集成元件中，为了满足向各个功能要素的要求，有时集成作为脊型波导的剖面构造的脊构造以及作为埋入型波导的剖面构造的埋入构造等相互不同的剖面构造的波导。并且，在不同的剖面构造的波导相互耦合的结构中，要求光输出的损失小。
然而，在单纯地耦合相互不同的剖面构造的波导时，在各个剖面构造的波导中进行波导的光的模式形状不同，所以在波导彼此的耦合部中发生光的反射和放射。其结果，光输出的损失变大。
相对于此，报告了如下技术：在耦合不同的剖面构造的波导的部分中，通过随着从一方的剖面构造朝向另一方的剖面构造，使一方的剖面构造逐渐变化为另一方的剖面构造，能够抑制上述光输出的损失。
例如在专利文献1中，公开了具备脊构造和埋入构造的光模式形状变换的剖面构造。具体而言，在专利文献1中，公开了使脊构造中的InP埋入/包层的宽度以及厚度成为锥形形状，并且使埋入构造中的InP第1包层以及InGaAsP导引层的宽度以及厚度成为锥形形状的技术。根据这样的技术，构成为随着从一方的剖面构造朝向另一方的剖面构造，使一方的剖面构造逐渐变化为另一方的剖面构造，所以降低光模式的变换中的损失。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平7-174931号公报
发明内容
然而，如专利文献1，在埋入构造中，InP第1包层以及InGaAsP导引层仅被InP埋入/包层和InP基板包围。在此，在想要将埋入构造采用为例如激光器、光调制器这样的有源元件的情况下，InP第1包层以及InGaAsP导引层成为希望注入电流的芯层。因此，在专利文献1的结构中，芯层仅被InP埋入/包层以及InP基板包围，所以发生电流不流入到芯层而仅流过InP埋入/包层以及InP基板的电流路径。在发生这样的电流路径时，无法对埋入型波导的芯层高效地注入电流。
此外，使用电流阻力高的材料作为InP埋入/包层的情况下，能够抑制发生从InP埋入/包层不通过芯层而直接流向InP基板的电流路径。然而，在该情况下，从InP埋入/包层通过芯层流向InP基板的电流的阻力也变高。其结果，该电流也被抑制，所以无法对埋入型波导的芯层高效地注入电流的状况没有变化。
因此，本发明是鉴于如上述的问题点而完成的，其目的在于提供一种能够对埋入型波导的芯层高效地注入电流的技术。
本发明涉及的半导体光波导是配设于基板上的半导体光波导，具备：芯层，折射率比所述基板高；包层，折射率比所述芯层低；以及电流阻挡层，电阻比所述芯层高，且折射率比所述芯层低。在所述基板的一端侧，配设包括所述芯层、所述包层以及所述电流阻挡层的埋入型波导，并且所述芯层的层叠方向上的两侧被所述包层夹住，所述芯层的与所述层叠方向垂直的宽度方向上的两侧被所述电流阻挡层夹住。在所述基板的另一端侧，配设包括所述芯层以及所述包层的脊型波导，并且所述芯层的所述层叠方向上的两侧被所述包层夹住。夹着所述芯层的所述包层中的、远离所述基板的一侧的所述包层的剖面形状具有凸形，在所述基板的所述一端侧与所述另一端侧之间，所述埋入型波导和所述脊型波导被耦合。
根据本发明，在埋入型波导中，芯层的层叠方向上的两侧被包层夹住，芯层的与层叠方向垂直的宽度方向上的两侧被电流阻挡层夹住。由此，能够对埋入型波导的芯层高效地注入电流。
本发明的目的、特征、方案以及优点通过以下的详细的说明和附图将变得更加明确。
附图说明
图1是示出实施方式1所涉及的光集成元件的结构的顶视图。
图2是示出实施方式1所涉及的光集成元件的结构的剖面图。
图3是示出实施方式1所涉及的光集成元件的结构的剖面图。
图4是示出实施方式1所涉及的光集成元件的结构的剖面图。
图5是示出实施方式1所涉及的光集成元件的结构的剖面图。
图6是示出实施方式1所涉及的光集成元件的结构的剖面图。
图7是示出实施方式1所涉及的光集成元件的结构的剖面图。
图8是示出实施方式1所涉及的光集成元件的结构的立体图。
图9是示出实施方式1所涉及的光集成元件的制造方法的立体图。
图10是示出实施方式1所涉及的光集成元件的制造方法的立体图。
图11是示出实施方式1所涉及的光集成元件的制造方法的立体图。
图12是示出实施方式1所涉及的光集成元件的制造方法的立体图。
图13是示出实施方式1所涉及的光集成元件的制造方法的立体图。
图14是示出实施方式1所涉及的光集成元件的制造方法的立体图。
图15是示出实施方式1所涉及的光集成元件的制造方法的立体图。
图16是示出实施方式2所涉及的光集成元件的结构的顶视图。
图17是示出实施方式2所涉及的光集成元件的结构的剖面图。
图18是示出实施方式2所涉及的光集成元件的结构的剖面图。
图19是示出实施方式2所涉及的光集成元件的结构的剖面图。
图20是示出实施方式2所涉及的光集成元件的结构的剖面图。
图21是示出实施方式2所涉及的光集成元件的结构的剖面图。
图22是示出实施方式2所涉及的光集成元件的结构的剖面图。
图23是示出实施方式2所涉及的光集成元件的结构的剖面图。
图24是示出实施方式2所涉及的光集成元件的结构的立体图。
图25是示出变形例所涉及的光集成元件的结构的剖面图。
图26是示出实施方式3所涉及的光集成元件的结构的剖面图。
图27是示出实施方式3所涉及的光集成元件的结构的顶视图。
图28是示出实施方式3所涉及的光集成元件的结构的顶视图。
图29是示出实施方式3所涉及的光集成元件的结构的剖面图。
图30是示出实施方式3所涉及的光集成元件的结构的剖面图。
图31是示出实施方式3所涉及的光集成元件的结构的剖面图。
图32是示出实施方式3所涉及的光集成元件的结构的剖面图。
图33是示出实施方式3所涉及的光集成元件的制造方法的立体图。
图34是示出变形例所涉及的光集成元件的结构的立体图。
图35是示出实施方式1、2所涉及的光集成元件的结构的剖面图。
图36是示出实施方式3所涉及的光集成元件的结构的剖面图。
图37是示出实施方式1、2、3所涉及的光集成元件的结构的剖面图。
具体实施方式
参照附图，说明本发明的实施方式所涉及的半导体光波导以及具备其的光集成元件。有时对相同的构成要素附加相同的符号，省略反复说明。
<实施方式1>
图1是示出本实施方式1所涉及的光集成元件的结构的顶视图，图2是从上表面观察该光集成元件的结构的剖面图。图1以及图2示出波导方向A-A’。
图3、图4、图5、图6以及图7是从光的传输方向观察上述光集成元件的结构的剖面图，是沿着图1以及图2的B-B’、C-C’、D-D’、E-E’、F-F’的剖面图。在这些图3～图7中，示出图2的剖面图的剖面位置G-G’。此外，在以下的说明中，还有时将图3～图7的上下方向称为“层叠方向”，将图3～图7的与层叠方向垂直的左右方向称为“宽度方向”。图8是示出上述光集成元件的结构的立体图。
另外，如图1以及图2所示，本实施方式1所涉及的光集成元件具备半导体激光器121、作为半导体光波导的连接波导122、以及光调制器等调制器123。这些半导体激光器121、连接波导122以及调制器123配设于图3～图8所示的作为1个基板的InP基板101上而集成。此外，从InP基板101的一端侧向另一端侧的方向与图1以及图2的波导方向A-A’相同。因此，在以下的说明中，还有时将InP基板101的一端侧记载为“一端侧A”，还有时将InP基板101的另一端侧记载为“另一端侧A”’。
如图1以及图2所示，半导体激光器121是和连接波导122的与一端侧A对应的部分在接合位置114处与连接波导122连接。另外，调制器123是和连接波导122的与另一端侧A’对应的部分在接合位置115处与连接波导122连接。
连接波导122具有将从半导体激光器121发射的光引导到调制器123的功能。如在以下的说明中可知，连接波导122在一端侧A具有埋入型波导的剖面构造，在另一端侧A’具有脊型波导的剖面构造。并且，半导体激光器121具有与连接波导122的埋入型波导同样的剖面构造，调制器123具有与连接波导122的脊型波导同样的剖面构造。
<半导体激光器121>
图3是沿着图1以及图2的B-B’的剖面图，示出半导体激光器121的剖面构造。半导体激光器121具备配设于InP基板101上的第1包层110、第1芯层102、第2包层111、电流阻挡层104、以及第5包层103。
第1包层110以及电流阻挡层104在InP基板101上层叠，第1芯层102以及第2包层111按照该顺序在第1包层110上层叠，第5包层103在电流阻挡层104以及第2包层111上层叠。此外，第1包层110以及第2包层111构成为折射率比第1芯层102低，所以从第1芯层102向第1包层110以及第2包层111的光的放射被抑制，光被封入到第1芯层102。
通过对第1包层110、第1芯层102以及第2包层111的各个进行去除左右部分的图案化加工，这些层在层叠方向上延伸。并且，以使第1包层110、第1芯层102以及第2包层111的宽度方向上的两侧被电流阻挡层104夹住的方式，将这些层埋入到电流阻挡层104。此外，电流阻挡层104构成为折射率比第1芯层102低，所以从第1芯层102向电流阻挡层104的光的放射被抑制，光被封入到第1芯层102。
如以上所述，在本实施方式1中，半导体激光器121具有包括第1包层110、第1芯层102、第2包层111以及电流阻挡层104的埋入型波导的剖面构造。并且，第1芯层102的层叠方向上的两侧被第1包层110以及第2包层111夹住，第1芯层102的宽度方向上的两侧被电流阻挡层104夹住。
在此，电流阻挡层104构成为电阻比第1芯层102高。由此，从第5包层103以及第2包层111流来的电流由于电流阻力值比第1芯层102高的电流阻挡层104，难以流到第1芯层102以外的区域，所以高效地流到第1芯层102。此外，例如，使用包含Zn、S、Fe、Ru中的任一个和InP的半导体层作为电流阻挡层104。
<调制器123>
图7是沿着图1以及图2的F-F’的剖面图，示出调制器123的剖面构造。调制器123具备配设于InP基板101上的第3包层112、第2芯层109、第4包层113、以及第5包层103。
第3包层112、第2芯层109、第4包层113以及第5包层103按照该顺序在InP基板101上层叠。此外，第3包层112以及第4包层113构成为折射率比第2芯层109低。
通过对第4包层113的上部以及第5包层103的各个进行去除左右部分的图案化加工，第4包层113的上部以及第5包层103在层叠方向上延伸。
这样在本实施方式1中，调制器123具有不对第2芯层109进行图案化加工，而对作为第2芯层109的上层的第4包层113以及第5包层103进行图案化加工而得到的脊型波导的剖面构造。此外，该脊型波导包括第3包层112、第2芯层109以及第4包层113。并且，第2芯层109的层叠方向上的两侧被第3包层112以及第4包层113夹住，但第2芯层109的宽度方向上的两侧未被电流阻挡层104夹住。
在此，在脊型波导中，没有对第2芯层109的图案化加工，所以能够降低由于该加工而产生的芯层加工剖面中的缺陷等劣化由于长时间动作而扩大的可能性。
在以下的说明中，还有时将通过上述图案化加工形成的、第5包层103上表面与第4包层113的露出的上表面之间的台阶差称为“脊深”，还有时将脊型波导的凸部的突起的宽度方向的长度称为“脊宽”。在图7中，作为一个例子，示出脊宽f2。在本实施方式1和后述实施方式3中，脊宽与第5包层103的宽度、以及第4包层113的上部的宽度的各个相同、即与远离InP基板101的一侧的包层的剖面形状具有的凸形的宽度相同。另一方面，在后述实施方式2中，脊宽与第5包层103的宽度、以及第4包层113的上部的宽度和电流阻挡层104的一部分的宽度之和的各个相同。
<连接波导122>
接下来，说明连接波导122的结构。在详细说明图4～图6所示的各结构之前，详细说明连接波导122的整体结构。
连接波导122如图4～图6所示，具备配设于InP基板101上的第3包层112、第2芯层109、第4包层113、以及第5包层103。另外，在图1以及图2的C-C’的位置等比较接近一端侧A的位置处，如图4所示，连接波导122还具备电流阻挡层104。
作为芯层的第2芯层109的折射率比InP基板101高。在本实施方式1中，第2芯层109包含InGaAsP或者AlGaInAs。
作为包层的第3包层112以及第4包层113的折射率比第2芯层109低。电流阻挡层104相比于第2芯层109，电阻更高，相比于第2芯层109，折射率更低。
在本实施方式1中，在图1以及图2所示的接合位置114处，图3的第1包层110、第1芯层102以及第2包层111、和图4等的第3包层112、第2芯层109以及第4包层113被接合。
虽然在图中未示出，在本实施方式1中，设想图4等的第2芯层109比图3的第1芯层102厚的结构。在该结构中，在假设使第2包层111的厚度和第4包层113的厚度成为相同的情况下，在第2包层111的上表面与第4包层113的上表面之间，出现与第1芯层102的厚度和第2芯层109的厚度之差对应的台阶差。该台阶差有时成为使光集成元件的未图示的电极等的形成变得困难的原因。
因此，在本实施方式1中，使第4包层113比第2包层111薄。由此，能够抑制第2包层111的上表面与第4包层113的上表面之间的台阶差。另外，同样地，为了抑制第1包层110的下表面与第3包层112的下表面之间的台阶差，使第3包层112比第1包层110薄。
另外，在图4等的第2芯层109比图3的第1芯层102厚的结构中，通常，由图3的第1包层110、第1芯层102以及第2包层111形成的光模式的形状、和由图4等的第3包层112、第2芯层109以及第4包层113形成的光模式的形状不同。这样，在两者的光模式的形状相互不同的情况下，在接合位置114处产生光的反射甚至光的损失。因此，在本实施方式1中，以使第1包层110的折射率和第3包层112的折射率相互不同，使第2包层111的折射率和第4包层113的折射率相互不同的方式，在这些层中使用不同的材料。由此，构成为两者的光模式的形状相互相同。
如以上所述，在本实施方式1中，关于第1包层110与第3包层112之间、以及第2包层111与第4包层113之间的各个，厚度、和与折射率对应的材料不同。但是，在上述台阶差未成为问题的情况或光模式的形状的差是可忽略的程度的情况等下，第1包层110和第3包层112也可以相同，第2包层111和第4包层113也可以相同。
除去上述差时，在本实施方式1中，半导体激光器121的剖面构造、和从连接波导122的接合位置114至作为连接波导122的第2芯层109的宽度的变化开始的位置的芯层宽变化开始位置105的剖面构造相同。因此，与图3的半导体激光器121具有包括第1芯层102、第1及第2包层110、111以及电流阻挡层104的埋入型波导的剖面构造的情形同样地，图4的连接波导122也具有包括第2芯层109、第3及第4包层112、113以及电流阻挡层104的埋入型波导的剖面构造。并且，在连接波导122的埋入型波导中，第2芯层109的层叠方向上的两侧被第3及第4包层112、113夹住，第2芯层109的宽度方向上的两侧被电流阻挡层104夹住。
同样地，在本实施方式1中，调制器123的剖面构造、和从连接波导122的脊宽成为调制器123的脊宽f2的脊宽变化结束位置108至接合位置115的剖面构造相同。因此，与图7的调制器123具有包括第2芯层109、第3及第4包层112、113的脊型波导的剖面构造的情形同样地，图6的连接波导122也具有包括第2芯层109、第3及第4包层112、113的脊型波导的剖面构造。并且，在连接波导122的脊型波导中，第2芯层109的层叠方向上的两侧被第3及第4包层112、113夹住，但第2芯层109的宽度方向上的两侧未被电流阻挡层104夹住。
连接波导122中的埋入型波导和脊型波导在一端侧A与另一端侧A’之间耦合、即光耦合。在本实施方式1中，构成为随着从埋入型波导以及脊型波导中的一方朝向另一方，使一方的波导构造逐渐变化为另一方的波导构造。以下对其进行详细说明。
如图1以及图2所示，在接合位置114与芯层宽变化开始位置105之间，连接波导122的第2芯层109的宽度恒定，与半导体激光器121的第1芯层102的宽度b1相同。同样地，第3及第4包层112、113的宽度也恒定，与半导体激光器121的第1芯层102的宽度b1相同。
图4是沿着图1以及图2的C-C’的剖面图，示出从芯层宽变化开始位置105至在连接波导122中第2芯层109的宽度c1成为与调制器123的第2芯层109的宽度d1相同的位置即芯层宽变化结束位置106的途中的位置处的、连接波导122的剖面构造。图5是沿着图1以及图2的D-D’的剖面图，示出芯层宽变化结束位置106处的连接波导122的剖面构造。接合位置114与芯层宽变化结束位置106之间的连接波导122的剖面构造成为上述埋入型波导的剖面构造。
如图1以及图2所示，在芯层宽变化开始位置105与芯层宽变化结束位置106之间，随着从芯层宽变化开始位置105朝向芯层宽变化结束位置106，第2芯层109的宽度c1从宽度b1逐渐扩展到宽度d1。这样在本实施方式1中，第2芯层109在一端侧A与另一端侧A’之间，具有宽度随着从一端侧A朝向另一端侧A’变大的逆锥形形状的部分。与第2芯层109的宽度c1的扩展同样地，第3及第4包层112、113的宽度也从宽度b1逐渐扩展到宽度d1，与其相伴地夹入第2芯层109的2个电流阻挡层104各自的宽度变窄。在芯层宽变化结束位置106处，如图5所示，电流阻挡层104消失，替代地第2芯层109以及第3及第4包层112、113各自的宽度d1与InP基板101的宽度相同。
由于第2芯层109的宽度c1和电流阻挡层104的宽度逐渐变化，通过第2芯层109和电流阻挡层104的折射率差封入的、从芯层宽变化开始位置105波导至芯层宽变化结束位置106的光的光模式宽度在光的损失被抑制的状态下逐渐扩展。
在此，在芯层宽变化开始位置105与芯层宽变化结束位置106之间的哪个位置，电流阻力值比第2芯层109大的电流阻挡层104都夹住第2芯层109。因此，不经由第2芯层109而通过电流阻挡层104的电流被抑制，能够对第2芯层109高效地注入电流。
另外，从芯层宽变化结束位置106至调制器123，成为无电流阻挡层104的状态。由此，从芯层宽变化结束位置106波导至调制器123的光模式的宽度由作为脊型波导的凸部的突起的宽度的脊宽决定。
在本实施方式1中，芯层宽变化结束位置106和脊宽变化开始位置107是相同的位置，脊宽变化开始位置107处的剖面构造与芯层宽变化结束位置106处的剖面构造(图5)相同，两者的剖面构造成为平板波导构造。此外，在脊宽变化开始位置107处，脊宽d2与InP基板101的宽度相同。
图6是沿着图1以及图2的E-E’的剖面图，示出从脊宽变化开始位置107至脊宽d2成为与调制器123的脊宽f2相同的宽度的脊宽变化结束位置108的途中的位置处的连接波导122的剖面构造。脊宽变化开始位置107与接合位置115之间的连接波导122的剖面构造成为上述脊型波导的剖面构造。连接波导122的脊深与调制器123的脊深相同。
如图1以及图2所示，在脊宽变化开始位置107与脊宽变化结束位置108之间，随着从脊宽变化开始位置107朝向脊宽变化结束位置108，脊宽e2逐渐变窄。这样在本实施方式1中，脊型波导的凸部在一端侧A与另一端侧A’之间，具有脊宽随着从一端侧A朝向另一端侧A’变小的锥形形状的部分。
如图1以及图2所示，在脊宽变化结束位置108与接合位置115之间，连接波导122的脊宽恒定，与调制器123的脊宽f2相同。连接波导122的接合位置115处的层结构以及脊宽与调制器123相同，所以连接波导122的接合位置115处的剖面构造与调制器123的剖面构造相同。
通过从脊宽变化开始位置107至脊宽变化结束位置108，脊宽逐渐变狭窄，脊中的第5包层103以及第4包层113、和图案化加工的部位处的空气的折射率差针对光模式宽度影响的影响力逐渐变强。其结果，从脊宽变化开始位置107波导至脊宽变化结束位置108的光的光模式宽度在光的损失被抑制的状态下逐渐变窄。
另外，在从芯层宽变化结束位置106至调制器123中，无夹住第2芯层109的电流阻挡层104，第2芯层109的宽度与InP基板101的宽度相同，所以光模式宽度仅由脊宽决定。接合位置115处的连接波导122的脊宽与调制器123的脊宽f2相同，所以接合位置115处的连接波导122的光模式、和调制器123的光模式成为相同的形状。
接下来，说明对半导体激光器121以及调制器123施加电压的构造。
首先，说明半导体激光器121。在此前说明的图3等的埋入型波导的构造中，在InP基板101之下和第5包层之上分别设置图35的电极197、198。用该2个电极施加电压。如图35所示，有时在第5包层103与电极198之间、并且处于第1芯层102的上部的区域以外的区域，设置绝缘膜或电介体层201，使得电流不流到第1芯层102以外的区域。
接下来，说明调制器123。在此前说明的图7等的脊型波导的构造中，在InP基板101之下和第5包层103之上分别设置图37的电极199、200。用该2个电极施加电压。如图37所示，有时用绝缘膜或电介体层201覆盖脊型波导的表面，仅在第5包层103的上部去除绝缘膜或电介体层201而使第5包层103露出，在其上设置电极200。
<制造方法>
接下来，说明如以上的本实施方式1所涉及的光集成元件的制造方法。首先，如图9所示，在InP基板101上，依次层叠构成埋入型波导的第1包层110、第1芯层102以及第2包层111。
之后，如图10所示，进行去除这些层中的如下区域的图案化加工：在宽度方向上具有与InP基板101的宽度相同的长度，在波导方向A-A’上具有从接合位置114至调制器123的端部的长度，在深度方向上具有从第2包层111至InP基板101的长度。
接下来，如图11所示，在InP基板101上的去除的区域中，使构成脊型波导的第3包层112、第2芯层109以及第4包层113生长。
之后，如图12所示，以使第1及第2芯层102、109的宽度成为上述宽度的方式，进行去除从半导体激光器121的端部至连接波导122的芯层宽变化结束位置106的、在深度方向上具有从第2包层111至InP基板101的长度的区域的图案化加工。
接下来，如图13所示，在InP基板101上的去除的区域中，层叠电流阻挡层104。
之后，如图14所示，在第2及第4包层111、113、以及电流阻挡层104之上，层叠第5包层103。
接下来，如图15所示，以使脊宽成为上述宽度的方式，进行去除从连接波导122的脊宽变化开始位置107至调制器123的端部的、在深度方向上具有从第5包层103至第4包层113的一部分的长度的区域的图案化加工。
最后，在埋入型波导以及脊型波导的各区域中配置先前说明的图35以及图37的电极197、电极198、电极199、电极200，从而能够制造本实施方式1所涉及的光集成元件。此外，在以上的制造方法中，各层叠以及加工的处理工序仅由厚度分布均匀地层叠的处理、以及深度分布恒定地加工的处理构成。因此，是再现性高的制造方法，是能够成品率优良地制造光集成元件的方法。
<实施方式1的总结>
根据如以上的本实施方式1所涉及的半导体光波导以及光集成元件，构成为从芯层宽变化开始位置105到脊宽变化结束位置108，第2芯层109的宽度以及脊宽逐渐变化。因此，能够在光的损失被抑制的状态下，从在由埋入型波导构成的半导体激光器121中波导的光模式形状变换到在由脊型波导构成的调制器123中波导的光模式形状。另外，在从埋入型波导至芯层宽变化结束位置106的区域中，第1芯层102被第1及第2包层110、111和电流阻挡层104包围，第2芯层109被第3及第4包层112、113和电流阻挡层104包围。因此，能够对第1芯层102和第2芯层109高效地注入电流。
<实施方式2>
在实施方式1中，如图1以及图2所示，芯层宽变化结束位置106和脊宽变化开始位置107是相同的位置，但不限于此。图16是示出本发明的实施方式2所涉及的光集成元件的结构的顶视图，图17是从上表面观察该光集成元件的结构的剖面图。
图18、图19、图20、图21、图22以及图23是从光的传输方向观察上述光集成元件的结构的剖面图，是沿着图16以及图17的B-B’、C-C’、D1-D1’、D2-D2’、E-E’、F-F’的剖面图。在这些图18～图23中，示出图17的剖面图的剖面位置G-G’。图24是示出上述光集成元件的结构的立体图。
如图18所示，本实施方式2所涉及的半导体激光器121的剖面构造与实施方式1所涉及的半导体激光器121的剖面构造(图3)相同。另外，如图23所示，本实施方式2所涉及的调制器123的剖面构造与实施方式1所涉及的调制器123的剖面构造(图7)相同。
另外，在本实施方式2中，以随着从半导体激光器121朝向调制器123，使芯层宽变化的开始、脊宽变化的开始、芯层宽变化的结束、以及脊宽变化的结束依次存在的方式，构成连接波导122的剖面构造。在该情况下，构成为随着从芯层宽变化开始位置105朝向脊宽变化结束位置108，连接波导122的剖面构造依次变化为以下说明的第1剖面构造～第4剖面构造。
图19是沿着图16以及图17的C-C’的剖面图，是示出从芯层宽变化开始位置105至脊宽变化开始位置107的第1剖面构造的剖面图。第1剖面构造如图19所示，与在实施方式1中说明的、从芯层宽变化开始位置105至芯层宽变化结束位置106的剖面构造(图4)相同。因此，在此省略剖面构造的说明。
图20是沿着图16以及图17的D1-D1’的剖面图，是示出从脊宽变化开始位置107至第2芯层109的宽度和脊宽相等的宽度等价位置116的第2剖面构造的剖面图。在第2剖面构造中，随着从脊宽变化开始位置107朝向宽度等价位置116，第2芯层109的宽度d11、以及第3及第4包层112、113的宽度逐渐扩展。其另一方面，随着从脊宽变化开始位置107朝向宽度等价位置116，脊型波导的凸部的脊宽d12在虽然比第2芯层109的宽度d11长但比InP基板101的宽度短这样的范围内逐渐变窄。
图21是沿着图16以及图17的D2-D2’的剖面图，是示出从宽度等价位置116至芯层宽变化结束位置106的第3剖面构造的剖面图。在第3剖面构造中，随着从宽度等价位置116朝向芯层宽变化结束位置106，第2芯层109的宽度d21、以及第3及第4包层112、113的宽度逐渐扩展。其另一方面，随着从宽度等价位置116朝向芯层宽变化结束位置106，脊型波导的凸部的脊宽d22在虽然比第2芯层109的宽度d21短但比调制器123的脊宽f2长这样的范围内逐渐变窄。
图22是沿着图16以及图17的E-E’的剖面图，是示出从芯层宽变化结束位置106至脊宽变化结束位置108的第4剖面构造的剖面图。第4剖面构造如图22所示，与在实施方式1中说明的、从脊宽变化开始位置107至脊宽变化结束位置108的剖面构造(图6)相同。因此，在此省略剖面构造的说明。
此外，如以上的本实施方式2所涉及的光集成元件的制造方法当然能够通过在实施方式1中说明的制造方法中在图12的图案化加工中使芯层宽变化结束位置106接近脊宽变化结束位置108、或者、在图15的图案化加工中使脊宽变化开始位置107接近芯层宽变化开始位置105、或者、进行这两方、的任一个来实现。
<实施方式2的总结>
通过如以上的本实施方式2所涉及的半导体光波导以及光集成元件，也能够得到与实施方式1同样的效果。即，不仅能够在光的损失被抑制的状态下变换光模式形状，而且能够对第1芯层102和第2芯层109高效地注入电流。
<实施方式3>
在实施方式1和实施方式2中，如图3以及图18所示，电流阻挡层104是相比于第1芯层102其折射率更低且电阻更高的半导体，沿着B-B’的部分等的剖面构造是埋入型波导的构造。但是，在将电流阻挡层104变更为空气的情况下，相比于第1芯层102，空气的折射率更低且电阻更高。此时，在使第5包层103的宽度与第1芯层102的宽度相同时，沿着B-B’的部分等的剖面构造如图26成为高台面型波导的构造。
在此，如图27和图28所示，从实施方式1的构造，将电流阻挡层变更为空气，并且使第5包层103的宽度以成为与从芯层宽变化开始位置至芯层宽变化结束位置的第2芯层109的宽度的变化相同的变化的方式变更。根据这样变更的构造，成为能够从高台面型波导向脊型波导无损失地变换光模式且能够对第1芯层102以及第2芯层109高效地注入电流的构造。
图29、图30、图31以及图32是从光的传输方向观察上述光集成元件的结构的剖面图，是沿着图27以及图28的C-C’、D-D’、E-E’、F-F’的剖面图。图29的沿着C-C’的剖面构造与图26的沿着B-B’的剖面构造同样地是高台面型波导的构造。图30～图32的剖面构造与图5～图7的剖面构造相同。
说明对高台面型波导施加电压的构造。在此前说明的图26等的高台面型波导的构造中，在InP基板101之下和第5包层103之上分别设置图36的电极195、196。用该2个电极施加电压。如图36所示，有时用绝缘膜或电介体层201覆盖高台面型波导的表面，仅在第5包层103的上部去除绝缘膜或电介体层201而使第5包层103露出，在其上设置电极196。
接下来，说明如以上的本实施方式3所涉及的光集成元件的制造方法。首先，实施在实施方式1中说明的制造方法中的图9的层叠工序至图15的电极的配置工序之前。之后，如图33所示，在顶视时电流阻挡层104存在的区域中，进行去除从第5包层103至InP基板101的在垂直方向上层叠的部分的加工。之后，在高台面型波导以及脊型波导的各个中，形成如先前说明的图36以及图37的电极。能够用以上的方法实现光集成元件的制造。
通过如以上的本实施方式3所涉及的半导体光波导以及光集成元件，也能够得到与实施方式1、实施方式2同样的效果。即，不仅能够在光的损失被抑制的状态下变换光模式形状，而且能够对第1芯层102和第2芯层109高效地注入电流。
此外，关于第2芯层109和第5包层103的宽度的变化结束位置，在实施方式3中是与脊宽变化开始位置相同的位置。但是，不限于此，例如如实施方式2所示，这些位置也可以相互不同。
<变形例>
在实施方式1以及实施方式2中，如图2以及图17所示，将埋入型波导采用为半导体激光器121，将脊型波导采用为调制器123，但本发明不限于该结构。例如，也可以如图25所示，设为调制器123具有埋入型波导的剖面构造，半导体激光器121具有脊型波导的剖面构造，设为调制器123与连接波导122的和一端侧A对应的部分连接，半导体激光器121与连接波导122的和另一端侧A’对应的部分连接。在该情况下，不仅能够在抑制波导损失的状态下将从作为脊型波导的半导体激光器121波导的光向作为埋入型波导的调制器123波导，而且能够对调制器123的芯层高效地注入电流。
另外，也可以是代替半导体激光器121或者调制器123，而采用半导体光放大器的构造。其原因为，半导体光放大器与半导体激光器121、调制器123相同，通过被施加电压而发挥功能。
另外，也可以是埋入型波导构造和脊型波导构造并非有源元件的结构、即埋入型波导构造和脊型波导构造中的某一方或者两方仅为波导的结构。即使是该结构，在从埋入型波导构造朝向脊型波导构造的方向、或者与其相逆的方向的光模式变换中，也能够抑制光的损失。
另外，在脊型波导的部位处接合实施方式1或者实施方式2的构造(第1半导体光波导的构造)、和实施方式3的构造(第2半导体光波导的构造)时，得到包括埋入型波导、脊型波导以及高台面型波导的图34的3个构造。根据这样的结构，能够进行2次的光模式的变换。另外，能够构成针对3个构造各个独立的芯层、即第1芯层102、第2芯层109以及第3芯层301，能够针对3个构造的各个成为有源元件或者波导的结构。由此，能够实现具有最大3个功能要素的光集成元件。
另外，在以上说明的结构中，脊型波导具有的第2芯层109的宽度方向上的两侧未被电流阻挡层104夹住。但是，不限于此，也可以是脊型波导具有的第2芯层109的宽度方向上的两侧被电流阻挡层104适当地夹住的结构。另外，在以上说明的结构中，在脊型波导中构成凸部。但是，不限于此，也可以是脊型波导的该凸部被适当地埋入到上部平坦的其他构成要素内的结构。
此外，本发明能够在该发明的范围内自由地组合各实施方式以及各变形例、或者使各实施方式以及各变形例适当地变形、省略。
虽然详细说明了本发明，但上述说明在所有方案中为例示，本发明不限于此。应被理解为未例示的无数的变形例不脱离本发明的范围而能够设想。
(附图标记说明)
101：InP基板；103：第5包层；104：电流阻挡层；109：第2芯层；112：第3包层；113：第4包层；121：半导体激光器；122：连接波导；123：调制器。

Claims (12)

1.一种半导体光波导，配设于基板上，该半导体光波导具备：
芯层，折射率比所述基板的折射率高；
包层，折射率比所述芯层的折射率低；以及
电流阻挡层，电阻比所述芯层的电阻高，折射率比所述芯层的折射率低，
在所述基板的一端侧，配设包括所述芯层、所述包层以及所述电流阻挡层的埋入型波导，并且所述芯层的层叠方向上的两侧被所述包层夹住，所述芯层的与所述层叠方向垂直的宽度方向上的两侧被所述电流阻挡层夹住，
在所述基板的另一端侧，配设包括所述芯层以及所述包层的脊型波导，并且所述芯层的层叠方向上的两侧被所述包层夹住，
在所述基板的所述一端侧与所述另一端侧之间，所述埋入型波导和所述脊型波导被耦合，
所述芯层在所述基板的所述一端侧与所述另一端侧之间具有宽度随着从所述一端侧朝向所述另一端侧变大的部分，
所述脊型波导的凸形的突起在所述基板的所述一端侧与所述另一端侧之间具有宽度随着从所述一端侧朝向所述另一端侧变小的部分，
在所述突起的宽度与所述芯层的宽度变得相同的部位与所述基板的所述另一端侧之间，所述突起的宽度随着从所述一端侧朝向所述另一端侧变小，从而变得小于所述芯层的宽度。
2.根据权利要求1所述的半导体光波导，其中，
在所述基板的另一端侧，夹着所述芯层的所述包层中的远离所述基板的一侧的所述包层的剖面形状具有凸形，
所述电流阻挡层在所述基板的所述一端侧与所述另一端侧之间具有宽度随着从所述一端侧朝向所述另一端侧根据所述芯层的宽度的变化而变化的部分。
3.根据权利要求2所述的半导体光波导，其中，
所述芯层包含InGaAsP或者AlGaInAs。
4.根据权利要求2或者3所述的半导体光波导，其中，
所述电流阻挡层包含Zn、S、Fe、Ru中的任一种和InP。
5.一种半导体光波导，配设于基板上，该半导体光波导具备：
芯层，折射率比所述基板的折射率高；以及
包层，折射率比所述芯层的折射率低，
在所述基板的一端侧，配设高台面型波导，该高台面型波导包括所述芯层以及所述包层，所述包层的宽度和所述芯层的宽度相同，并且所述芯层的层叠方向上的两侧被所述包层夹住，所述芯层的与所述层叠方向垂直的宽度方向上的两侧与空气相接，
在所述基板的另一端侧，配设包括所述芯层以及所述包层的脊型波导，并且所述芯层的层叠方向上的两侧被所述包层夹住，
在所述基板的所述一端侧与所述另一端侧之间，所述高台面型波导和所述脊型波导被耦合，
所述芯层在所述基板的所述一端侧与所述另一端侧之间具有宽度随着从所述一端侧朝向所述另一端侧变大的部分，
所述脊型波导的凸形的突起在所述基板的所述一端侧与所述另一端侧之间具有宽度随着从所述一端侧朝向所述另一端侧变小的部分，
在所述突起的宽度与所述芯层的宽度变得相同的部位与所述基板的所述另一端侧之间，所述突起的宽度随着从所述一端侧朝向所述另一端侧变小，从而变得小于所述芯层的宽度。
6.一种光集成元件，具备：
权利要求2至4中的任意一项所述的半导体光波导；
半导体激光器，配设于所述基板上，具有与所述埋入型波导同样的剖面构造；以及
调制器，配设于所述基板上，具有与所述脊型波导同样的剖面构造，
所述半导体激光器与所述半导体光波导的和所述一端侧对应的部分连接，
所述调制器与所述半导体光波导的和所述另一端侧对应的部分连接。
7.一种光集成元件，具备：
权利要求2至4中的任意一项所述的半导体光波导；
调制器，配设于所述基板上，具有与所述埋入型波导同样的剖面构造；以及
半导体激光器，配设于所述基板上，具有与所述脊型波导同样的剖面构造，
所述调制器与所述半导体光波导的和所述一端侧对应的部分连接，
所述半导体激光器与所述半导体光波导的和所述另一端侧对应的部分连接。
8.一种光集成元件，具备：
权利要求2至4中的任意一项所述的半导体光波导；
半导体激光器，配设于所述基板上，具有与所述埋入型波导同样的剖面构造；以及
半导体光放大器，配设于所述基板上，具有与所述脊型波导同样的剖面构造，
所述半导体激光器与所述半导体光波导的和所述一端侧对应的部分连接，
所述半导体光放大器与所述半导体光波导的和所述另一端侧对应的部分连接。
9.一种光集成元件，具备：
权利要求2至4中的任意一项所述的半导体光波导；
半导体光放大器，配设于所述基板上，具有与所述埋入型波导同样的剖面构造；以及
半导体激光器，配设于所述基板上，具有与所述脊型波导同样的剖面构造，
所述半导体光放大器与所述半导体光波导的和所述一端侧对应的部分连接，
所述半导体激光器与所述半导体光波导的和所述另一端侧对应的部分连接。
10.一种光集成元件，具备：
权利要求2至4中的任意一项所述的半导体光波导；
半导体光放大器，配设于所述基板上，具有与所述埋入型波导同样的剖面构造；以及
调制器，配设于所述基板上，具有与所述脊型波导同样的剖面构造，
所述半导体光放大器与所述半导体光波导的和所述一端侧对应的部分连接，
所述调制器与所述半导体光波导的和所述另一端侧对应的部分连接。
11.一种光集成元件，具备：
权利要求2至4中的任意一项所述的半导体光波导；
调制器，配设于所述基板上，具有与所述埋入型波导同样的剖面构造；以及
半导体光放大器，配设于所述基板上，具有与所述脊型波导同样的剖面构造，
所述调制器与所述半导体光波导的和所述一端侧对应的部分连接，
所述半导体光放大器与所述半导体光波导的和所述另一端侧对应的部分连接。
12.一种半导体光波导，具备：
作为权利要求2所述的半导体光波导的第1半导体光波导；以及
作为权利要求5所述的半导体光波导的第2半导体光波导，
所述第1半导体光波导的所述脊型波导和所述第2半导体光波导的所述脊型波导被耦合。
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