JP2005156674A

JP2005156674A - 複合光導波路

Info

Publication number: JP2005156674A
Application number: JP2003391856A
Authority: JP
Inventors: Tamotsu Tanaka; 有田中; Yoshimasa Sugimoto; 喜正杉本; Kiyoshi Asakawa; 潔浅川
Original assignee: Fujitsu Ltd; NEC Corp
Current assignee: Fujitsu Ltd; NEC Corp
Priority date: 2003-11-21
Filing date: 2003-11-21
Publication date: 2005-06-16
Anticipated expiration: 2023-11-21
Also published as: JP4212040B2

Abstract

【課題】２次元ホトニック結晶構造光導波路と、チャネル型光導波路とを有する新規な複合光導波路を提供する。
【解決手段】複合光導波路は、基板と、前記基板上に形成された下クラッド層と、前記下クラッド層上に形成され、下クラッド層より屈折率が高く、連続した半導体層であって、欠陥を備えた２次元周期構造を有するホトニック結晶構造を含む第１光導波路部と、前記第１光導波路部に接続され、面内形状が前記第１光導波路部から離れるにしたがって幅が広がるテーパ形状チャネルを有する第２光導波路部と、を有し、前記下クラッド層は、前記第１光導波路部および第２光導波路部に整合した平面形状を有する表面層を有し、前記表面層は前記第１光導波路部下では全面的に酸化された酸化半導体層を含み、前記第２導波路下では側面から一定の厚さが酸化された酸化半導体層を含み、酸化半導体層間に残る領域が非酸化半導体で形成され、前記第１光導波路部から離れるに従い徐々に幅が拡大している。
【選択図】図１

Description

本発明は、２次元ホトニック結晶構造を有する光導波路とチャネル型光導波路とを有する複合光導波路に関する。

近年、屈折率の２次元、３次元周期構造を有するホトニック結晶が注目されている。対象とする光の波長のおよそ半分程度の周期の微細周期構造（ホトニック結晶構造）を作りこむことにより、その波長の光が存在できないホトニックバンドギャップを発生させることができる。

ホトニック結晶構造内に光を伝播させたい経路に沿って欠陥を作ることにより、欠陥部分が光導波路として機能する。ホトニック結晶構造内では、対象波長の光が存在できず、欠陥で形成された光導波路内でほぼ１００％の光閉じ込め効果が期待できる。このため、急激な曲げも可能となり、光回路の小型化が期待される。

２次元ホトニック結晶構造を形成して面内方向の光閉じ込めを行なうと共に、厚さ方向に関して、ホトニック結晶構造の欠陥光導波路を、より屈折率の低いクラッド層で挟み込むことにより厚さ方向の光閉じ込めを行なうことができる。２次元ホトニック結晶構造は作製が比較的容易であるため、検討が進んでいる。

ホトニック結晶構造の欠陥光導波路は、断面積が例えば０．４μｍ程度となる。外部光学系に光ファイバを用いる場合、光ファイバ内のスポットサイズは失球加工ファイバの場合例えば３μｍ程度である。両者のスポットサイズは大きく異なり、効率的光学結合が容易でない。

エレクトロニクス・レターズ(Electronics Letters) Vol.138,p1669-1670 (2002) は、ホトニック結晶構造光導波路と外部光学系との結合に関する提案を行なっている。
図１０Ａ，１０Ｂは、提案されている構成を再現する。図１０Ａは断面図、図１０Ｂは平面図を示す。断面積約０．３μｍ×０．３μｍのシリコン細線１３３の先端を先鋭化し、共通のクラッド層１３５上で、断面積約３μｍ×３μｍのポリイミド光導波路１３４に接続する。Ｓｉ細線の他端はホトニック結晶の光導波路に接続される。ポリイミド光導波路１３４は，シングルモードのコア径を大きくして光ファイバーに接続する。

上述の関連技術においては、クラッド層は均一な組成を有している。断面積の狭い伝搬光を断面積の広い伝搬光に接続するため、構成の異なるＳｉ細線とポリイミド光導波路を用いている。

Electronics Letters vol. 38, p1669-1670 (2002) 特開２００１−３５６２２９号は、絶縁層上にシリコン層を形成したＳＯＩ(silicon oninsulator)基板を用い、シリコン層に２次元ホトニック結晶構造と、この２次元ホトニック結晶構造の光導波路に接続したリブ型光導波路とを形成した複合光導波路を提案している。

ＳｉＯ_２をクラッドとするＳｉ光導波路では波長１．５５μｍでＳｉの屈折率が約３．４８、ＳｉＯ_２の屈折率が約１．４４と比屈折率差が大きい。ＳｉコアをＳｉＯ_２クラッドで完全に包囲するシングルモード光導波路は、コア径、すなわちＳｉ光導波路の幅と厚さとがおよそ０．２５ｎｍ程度になり、光の入出力が困難になる。

リブ型光導波路では、面内方向のクラッド層の等価屈折率が高くなり、光導波路幅がある程度大きくなる。このため、光導波路の加工や光の入出力が比較的容易になる。
図１１Ａ−１１Ｆは、特開２００１−３５６２２９号が提案する複合光導波路の構成を再現する。図１１Ａは、ＳＯＩ基板の構成を示す。Ｓｉ基板１１３の上に、ＳｉＯ_２層１１４、Ｓｉ層１１５が積層されている。

図１１Ｂは、リブ型光導波路の構成を示す。ＳｉＯ_２層１１４の上のＳｉ層１１５の厚さの一部が光導波路を残すようにパターニングされ、リブ１１６を残す。リブ１１６の下の領域がコア１１１となる。コア１１１の両側の薄いＳｉ層とＳｉ層の下のＳｉＯ_２層１１４が側方及び下方のクラッドを形成する。リブ上の空気は上方クラッドを形成する。空気の変わりにＳｉＯ_２等の低屈折率材料層を形成してもよい。

図１１Ｃは、ホトニック結晶構造の構成例を示す。ＳｉＯ_２層１１４上のＳｉ層１１５に周期的に貫通孔１１８が形成され、周期構造を構成している。２次元周期構造が２次元ホトニック結晶構造を構成する。周期構造に欠陥を形成することにより光導波路を形成できる。Ｓｉ層１１５の下のＳｉＯ_２層１１４が下クラッドを構成し、Ｓｉ層１１５上の空気が上クラッドを構成する。

図１１Ｄは、ホトニック結晶光導波路の平面構成例を示す。Ｓｉ層１１５の光導波路となる経路１１９を囲むように、貫通孔１１８が周期的に形成されている。貫通孔１１８が周期的に配置された領域は、ホトニック結晶となり、対象波長の光は侵入できないため、周期構造のない欠陥部である経路１１９が光導波路となる。光導波路１１９を急激に曲げることも可能である。

図１１Ｅは、複合光導波路の構成例を示す。貫通孔１１８が周期的に配置された周期構造がホトニック結晶を構成し、その中に配置された周期構造のない欠陥部１１９がホトニック結晶光導波路を構成する。ホトニック結晶光導波路１１９の両端に次第に幅の増大するテーパ形状を有するリブ型光導波路１１２が形成されている。テーパ形状を有するリブ型光導波路１１２は、スポットサイズ変換機能を有する。左側のスポットサイズ変換機能を有するリブ型光導波路にはさらに幅が一定のリブ型光導波路１２０が接続されている。

幅の広いリブ型光導波路１２０を右方向に進行してきた光は、幅が次第に減少するスポットサイズ変換光導波路１１２でスポットサイズを減少され、ホトニック結晶光導波路の狭い光導波路１１９に入射する。ホトニック結晶光導波路の狭い光導波路１１９を出射した光は、幅が次第に増大するスポットサイズ変換光導波路１１２で分布幅が次第に拡大する。

図１１Ｆは、複合光導波路の他の構成例を示す。欠陥部の幅が一定のホトニック結晶光導波路１１９の両側に欠陥部の幅が次第に拡大するホトニック結晶光導波路１２２が接続されている。ホトニック結晶光導波路内で光導波路の幅をある程度広げた後、リブ型光導波路１２０，１１２が接続されている。

上述の関連技術においては、Ｓｉコア層、ＳｉＯ_２クラッド層は均一な組成を有している。リブ型光導波路の幅を調整することにより伝搬光の横方向分布を調整できる。ただし、厚さ方向の調整を行うのは容易でないであろう。
特開２００１−３５６２２９号公報半導体として、Ｓｉの代りに化合物半導体を使用することが望まれる場合もある。化合物半導体を用いる場合、低屈折率のクラッド層としては化合物半導体の酸化物を用いることが考えられる。

特開平１０−１３５５６４号は、ホトニック結晶ではなく、半導体レーザに接続される光導波路構造を提案している。高組成のＡｌを含む化合物半導体は酸化され易い性質を利用している。

図１２Ａ−１２Ｇは、特開平１０−１３５５６４号に提案された構成を再現する。
図１２Ａに示すように、ＧａＡｓ基板１５１の上に、ｎ型Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓ下クラッド層１５２、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓの量子井戸層で形成された活性層１５３、ｐ型Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓ上クラッド層１５４、ｐ^＋型ＧａＡｓコンタクト層１５５を積層し、積層上にＳｉＯ_２で形成されたハードマスク１５６を形成する。ハードマスク１５６をエッチングマスクとしてマスク間に露出した積層をエッチングすることにより、半導体レーザ構造を作成する。

ハードマスク層１５６をマスクとして用い、Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓの下クラッド層１５７、組成が厚さ方向に変化するＡｌＧａＡｓコア層１５８、Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓの上クラッド層１５９、ＧａＡｓのキャップ層１６０を基板１５１上に選択的にエピタキシャル成長する。組成勾配コア層１５８は、上下端でＡｌ組成が１．０と高く、中央でＡｌ組成が０．９７と低くなるように組成勾配が形成されている。コア層１５８の中央部は、活性層１５３と同一レベルである。

ハードマスク１５６を除去し、半導体レーザ及び導波路に対し別のマスクを形成し、半導体レーザ及びモードフィールドを制御する導波路構造を形成する。
図１２Ｂは、半導体レーザの断面構造を示す。キャップ層１５５をエッチングした後、上クラッド層１５４の一部厚さを残すようにエッチングが行われ、リブ型レーザ構造が形成される。ストライプ状領域の両側で上クラッド層１５４の厚さの大部分が除去されることにより、横方向の光閉じ込め効果が生じる。

図１２Ｃは、モードフィールド制御用の光導波路構造の断面構成を示す。キャップ層１６０、上クラッド層１５９、コア層１５８の全厚さがエッチングされ、さらに下クラッド層１５７の厚さの一部がエッチングされて、リッジ型構造が形成されている。

図１２Ｄは、半導体レーザとモードフィールド制御用光導波路の接続状況を平面図で示す。半導体レーザ１６１は矩形状の平面形状を有し、モードフィールド制御用光導波路部１６２は、半導体レーザ１６１と接続する端部で広く、他端で狭くなる台形状の平面形状を有する。

このような形状をパターニングした後、例えば水蒸気雰囲気中４００℃でウエット熱酸化を行なう。コア層１５８は、他の部分と較べてＡｌ組成が高い。このため、コア層１５８が選択的に酸化を受ける。さらに、コア層１５８の厚さ方向に関して、中央部のＡｌ組成は０．９７と比較的低く、上下端部のＡｌ組成は１と比較的高くなっている。Ａｌ組成１の上下端とＡｌ組成０．９７の中央においては酸化速度は約１桁相違し、上下端で酸化がより優先的に進行する。光導波路部１６２の広幅部上下端で酸化領域が左右から合し、厚さ方向中央部では非酸化領域が残るように酸化を調整する。

光導波路部１６２は台形形状を有するため、幅のより狭い他の部分では左右からの酸化領域はより大きな重なりを有する。厚さ方向の中央部ではＡｌ組成が比較的低く、酸化速度が低いので側面から一定厚さの領域が酸化され、幅方向中央部に非酸化領域が残る。台形の左右側面から酸化が進行したとき残る非酸化領域の断面積は長さ方向で変化する。

図１２Ｅ、１２Ｆ、１２Ｇは、それぞれ台形形状の広幅部、中間部、細幅部の断面形状を示している。側面から進行した酸化領域１６３により、非酸化領域１６４が残されている。広幅部においては非酸化領域１６４は長円状であり、次第に長軸方向の寸法が減少し、狭幅部においては非酸化領域１６４がほぼ円形断面となる。このような形状を実現することにより、光ファイバ等との接続効率を改善する。

上述の関連技術においては、クラッド層は均一な組成を有している。伝搬光の縦方向、横方向の分布を調整するため、厚さ方向で組成が変化するコア層を形成し、横方向から熱酸化して非酸化領域の幅、高さを調整している。このようなコア層を作成するためにはコア層作成時に厚さ方向で厳密な組成制御を行い、酸化を高精度で制御することが必要であろう。
特開平１０−１３５５６４号公報

本発明の目的は、２次元ホトニック結晶構造光導波路と、チャネル型光導波路とを有する新規な複合光導波路を提供することである。
本発明の他の目的は、簡単な工程により実現でき、光進行方向で実効的屈折率が変化する下クラッド層を有する複合光導波路を提供することである。

本発明のさらに他の目的は、化合物半導体の下クラッド層とコア層とを有し、下クラッド層の実効屈折率が光進行方向で変化する複合光導波路を提供することである。

本発明の１観点によれば、基板と、前記基板上に形成された下クラッド層と、前記下クラッド層上に形成され、下クラッド層より屈折率が高く、連続した半導体層であって、欠陥を備えた２次元周期構造を有するホトニック結晶構造を含む第１光導波路部と、前記第１光導波路部に接続され、面内形状が前記第１光導波路部から離れるにしたがって幅が広がるテーパ形状チャネルを有する第２光導波路部と、を有し、前記下クラッド層は、前記第１光導波路部および第２光導波路部に自己整合した平面形状を有する表面層を有し、前記表面層は前記第１光導波路部下では全面的に酸化された半導体で形成されており、前記第２導波路下では側面から一定の厚さが酸化された半導体で形成されており、残る領域が非酸化半導体で形成され、前記第１光導波路部から離れるに従い徐々に幅が拡大している複合光導波路が提供される。

幅が広がる面内テーパ形状を有する下クラッド層において、側面から一定幅を酸化することにより、下クラッド層の実効屈折率が光進行方向で変化する。下クラッド層の実効屈折率の変化につれ、コア層と下クラッド層を含む光導波路内の厚さ方向の光分布も変化する。

図１は、本発明の実施例による複合光導波路の構成を概略的に示す斜視図である。基板２５の上にクラッド層２４、コア層２３が積層され、同一形状にパターニングされている。例えば、コア層２３はＧａＡｓまたはＡｌ組成の低いＡｌＧａＡｓで形成され、クラッド層２４はＡｌ組成の高い被酸化性ＡｌＧａＡｓで形成される。基板２５は、例えばＧａＡｓで形成されている。基板２５をＧａＡｓ結晶基板で構成すると、他の領域に機能素子等を形成するのに好適である。

コア層２３、クラッド層２４の積層が、中央部に平面形状がほぼ矩形のホトニック結晶光導波路１１と、その両端に接続され、平面形状が次第に幅が拡がるテーパ形状を有するチャネル型光導波路１２とを構成している。

コア層２３は、周期的に形成された孔２０とその周期構造中に形成された欠陥部で構成される光導波路部を含むホトニック結晶光導波路部２１とその両側に形成され、平面形状がテーパ形状を有するチャネル型光導波路部２２とを有する。なお、光導波路部は、コア層中光導波路に相当する部分を指す。

図２Ａ、２Ｂは、ホトニック結晶の孔の配置例を示す。図２Ａにおいては、孔２０が四角格子状に配列されている。図２Ｂにおいては、孔２０が三角格子状に配列されている。ホトニック結晶の配置は、これら四角格子、三角格子に限らず種々の配置を採用することができる。

図１に戻って、クラッド層２４は、中央部に配置され、平面形状が矩形状のホトニック結晶光導波路用クラッド部２４ｘとその両側に配置され、平面形状がテーパ状のチャネル型光導波路用クラッド部２４ｙを含む。ホトニック結晶光導波路１１の孔２０は、クラッド部２４ｘに達している。クラッド部２４ｘは、その全面積、全厚さが酸化された酸化半導体で構成されている。チャネル型光導波路用クラッド部２４ｙは、その幅が徐々に変化し、側壁から一定の厚さの領域２７が酸化された酸化半導体で形成されている。両側の酸化半導体の間に残された領域２６は非酸化半導体で形成されている。したがって、非酸化領域２６の幅は徐々に変化している。

コア層２３が感じるクラッド部２４ｙの実効屈折率は、屈折率が相対的に低い酸化領域２７と屈折率が相対的に高い非酸化領域２６との組み合わせで決定される。従って、クラッド部２４ｙの長さ方向の実効屈折率は幅が拡がるにつれ徐々に増大する。基本的に、チャネル型光導波路１２の幅の変化により、横方向のフールドパターンは変化する。さらに、クラッド部２４ｙの実効屈折率の変化によってもフィールドパターンは変化する。後述するように厚さ方向のフィールドパターンも変化する。

図２Ｃは、光進行方向の屈折率の分布を概略的に示す。コア層２３は、均一な厚さで配置されたＧａＡｓまたはＡｌ組成の低いＡｌＧａＡｓで形成され、均一な屈折率を有する。クラッド層２４は、当初均一な組成、均一な厚さのＡｌ組成の高いＡｌＧａＡｓ層で形成され、その後露出表面から一定の厚さが酸化されている。チャネル型光導波路用クラッド部２４ｙにおいては、側面から酸化され、幅方向の中央部に残る非酸化領域の幅がテーパ形状の狭幅端に進むに従って徐々に減少している。従って、クラッド部２４ｙの実効屈折率は、右側の狭幅端に近づくに従って徐々に減少する。

ホトニック結晶用クラッド部２４ｘは、周期的に配置された孔２０からの酸化により、その全面積、全厚さが酸化されており、低い屈折率を有する。チャネル型光導波路の非酸化領域が右端において０になるように設定すれば、チャネル型光導波路用クラッド部２４ｙの実効屈折率は、徐々に減少し、ホトニック結晶用クラッド部２４ｘの屈折率に連続的に接続することができる。屈折率が急激に変化する光学界面を形成しないことにより、反射を抑制し、入射光の利用効率を向上することができる。

図１に示す実施例においては、コア層２３、クラッド層２４の全厚さが同一形状にパターニングされ、ホトニック結晶用クラッド部２４ｘはその全体が酸化されている。孔２０の深さを浅くし、クラッド部２４ｘの上層部のみが酸化されるようにしてもよい。さらにクラッド層の厚さの一部のみをパターニングして上述の実施例同様の機能を有する構成を作成することもできる。

図３Ａ−３Ｄは、コア層の全厚さとクラッド層の中間までの深さが同一形状にパターニングされた構成である。
図３Ａは、コア層及びパターニングされたクラッド層上層部の平面形状を示す。中央に孔２０が周期的に形成されたホトニック結晶構造２１が配置され、その両側にテーパ状平面形状を有するリッジ型半導体導波路３１が形成されている。リッジ型半導体光導波路３１は、ホトニック結晶と接する部分において例えば幅０．５μｍであり、ホトニック結晶から離れた幅一定の領域においては約３μｍの幅を有する。リッジ型半導体光導波路３１の長さは、例えば５０μｍ〜１００μｍである。パターニング後、前述の実施例同様酸化を行なう。

図３Ｂ、３Ｃ、３Ｄは、図３ＡにおけるＩＩＩＢ−ＩＩＩＢ、ＩＩＩＣ−ＩＩＩＣ、ＩＩＩＤ−ＩＩＩＤ線に沿う断面形状を示す。
図３Ｂは、リッジ型半導体光導波路の太幅部の断面形状を示す。コア層２３の全厚さ、クラッド層２４の中間までの深さが同一形状にパターニングされている。コア層２３は、均一な厚さのＧａＡｓ層、またはＡｌ組成の低いＧａＡｌＡｓで形成され、クラッド層２４は、Ａｌ組成の高いＧａＡｌＡｓで形成されている。クラッド層２４の表面から一定深さが酸化され、酸化半導体領域３１に変化している。酸化半導体領域３１に挟まれた領域３２は、矩形断面を有する非酸化半導体領域である。

図３Ｃにおいては、コア層２３、クラッド層２４の幅が減少しており、酸化領域３１に挟まれた非酸化領域３２の幅が減少している。コア層２３が感じるクラッド層２４の屈折率は、酸化領域３１と非酸化領域３２の組み合わせが構成する実効屈折率であり、リッジ型半導体光導波路の幅が狭くなるほどクラッド層２４の実効屈折率は減少する。

図３Ｄは、ホトニック結晶光導波路部の断面構造を示す。コア層２３及びクラッド層２４の中間深さまでに孔２０が周期的に形成されている。露出表面から一定深さの領域が酸化領域３１となる。クラッド層２４の両側面及び底面から一定の厚さが酸化されていることは、図３Ｂ、３Ｃと同様である。

さらにコア層２３を貫通し、クラッド層２４の中間深さまで達する孔２０の表面から上述の一定厚さが酸化され、互いに重なり合って孔の底面から一定の深さまでが酸化半導体領域３１となっている。孔２０を深く形成すれば、コア層２３下の酸化領域３１の厚さも厚くなる。

リッジ型半導体光導波路２２のテーパ形状とホトニック結晶光導波路２１内の孔の形状を制御することにより、クラッド層２４の屈折率がリッジ型光導波路２２からホトニック結晶光導波路２１に連続的に変化するように設定することができる。

図４Ａ−４Ｆは、図３Ａ−３Ｄに示す複合光導波路の製造方法の例を概略的に示す断面図である。
図４Ａに示すように、ＧａＡｓ基板２５の上に、厚さ２μｍ−３μｍ、例えば厚さ３μｍのＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓのクラッド層２４をエピタキシャルに成長する。さらにクラッド層２４の上に厚さ０．２μｍ〜０．３μｍ、例えば厚さ０．３μｍのＧａＡｓ層２３をエピタキシャルに成長する。このようにして、エピタキシャル積層構造が形成される。クラッド層２４のＡｌ組成は、後に説明するように高い値に設定する。

図４Ｂに示すように、積層構造の上にＥＲレジスト層をスピン塗布する。
図４Ｃに示すように、レジスト層ＰＲに対し電子ビーム描画を行い、ホトニック結晶の孔パターンを形成する。露光後レジスト層ＰＲを現像する。

図４Ｄに示すように、塩素ガスをエッチャントとし、現像したレジストパターンをマスクとして、コア層２３の全厚さ、及びクラッド層２４の一部厚さを異方性エッチングする。

図４Ｅに示すように、エッチング後レジストパターンＰＲは除去する。。
図４Ｆに示すように、水蒸気雰囲気中でウエット熱酸化を行うことにより、高Ａｌ組成のクラッド層２４を表面から一定深さ酸化する。ＧａＡｓで形成された基板２５及びコア層２３はほとんど酸化されない。なお、ＧａＡｓをＡｌ組成の低いＡｌＧａＡｓで置換しても同様の選択的酸化を行なえる。このようにして、図３Ａ−３Ｄに示す構造が作成される。

図５は、Ａｌ組成ｘを変化させたＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓの、酸化温度に対する初期酸化速度の関係を示すグラフである。Ａｌ組成ｘ＝０．８の時は、４５０℃以上の温度としなければ、酸化はほとんど進行しない。Ａｌ組成をｘ＝０．９１とすると、４１０℃以上の温度において酸化が進行するようになる。Ａｌ組成をｘ＝０．９８とすると、３４０℃付近から酸化が進行を始め、３８０℃以上で酸化速度は大幅に増大する。

酸化領域の幅を精密に制御するためには、遅い酸化速度を用いることが望ましい。さらに、低Ａｌ組成のＡｌＧａＡｓ又はＧａＡｓをほとんど酸化しないためには、酸化速度差が大きいほうが好ましい。高Ａｌ組成のＡｌＧａＡｓのＡｌ組成ｘを０．９以上、より好ましくは０．９５以上とし、低Ａｌ組成のＡｌＧａＡｓのＡｌ組成ｘを例えば０．６以下として、低温で酸化を行えば、ＧａＡｓや低Ａｌ組成のＡｌＧａＡｓはほとんど酸化しないで、高Ａｌ組成のＡｌＧａＡｓのみを酸化させることができる。

図６は、実際にリッジ型光導波路構造を作成し、水蒸気中で熱酸化を行った顕微鏡写真である。ＧａＡｓコア層６１の下にＡｌ_０．９５Ｇａ_０．０５Ａｓのクラッド６３が配置され、その表面から深さ０．６７μｍの領域が酸化領域６２となっている。リッジ型光導波路の幅を徐々に変化させると酸化領域６２は同一幅を保ち、その間に挟まれた非酸化領域６３の幅が徐々に減少する。コア層６１に対するクラッド層の実効屈折率は、酸化領域６２、非酸化領域６３の組み合わせが決定する。従って、クラッド層の実効屈折率は、光導波路の幅の減少と共に、その値が徐々に減少する。

コア層、クラッド層は、当初それぞれ均一組成の半導体層で形成でき、その成長及び加工工程の制御が容易になる。
以上の実施例においては、コア層の上は空気が上クラッドを形成した。コア層の上に固体クラッド層を配置することもできる。

図７Ａは、下クラッド層２４の上に、コア層２３を成長し、さらに下クラッド層２４と同一組成の上クラッド層２６、例えば基板と同一組成のキャップ層２７を形成した構成を示す。上クラッド層２６は、例えば下クラッド２４のパターニングされた厚さと同一厚さとすることができる。キャップ層２７から下クラッド層２３の中間深さまでを同一パターンにエッチングする。このような構成とすれば、コア層２３の上下に対称的なクラッド構造が配置される。キャップ層２７は、上クラッド層２６の酸化を防止する機能を有する。

図７Ｂは、下クラッド層２４、コア層２３をパターニングし、熱酸化を行った後、高Ａｌ組成のＡｌＧａＡｓのＡｌ組成ｘを０．９５以上とその表面を一定厚さの絶縁層２９で覆った構成を示す。絶縁層２９は、例えば酸化シリコンや窒化シリコンで形成することができる。絶縁層２９は、クラッドの役割を果たすと共に保護層としての機能も有する。

図７Ｃは、ホトニック結晶構造において、孔を絶縁層２９で埋め込んだ構成を示す。この絶縁層２９は、図７Ｂに示す絶縁層２９と同一層で形成することもできる。
図７Ｄは、コア層２３をリブ型構成とした場合を示す。リブ型コア層２３をさらにストライプ状にパターニングし、その外形と同一形状にクラッド層２４をパターニングしている。

図８は、光回路の構成例を示す。ホトニック結晶光導波路８１は、合波／分波構造を有し、３つのチャネル型光導波路８２に接続されている。
上述の実施例においては、コア層の下に配置されたクラッド層が、その幅が徐々に変化するテーパ形状を有し、その実効屈折率が幅と共に徐々に変化する。このような光導波路内において、伝播光がどのように分布するか、フィールドパターンをシミュレーションにより求めた。

図９Ａ、９Ｂ、９Ｃは、チャネル型光導波路の幅が次第に減少するとき伝播光のフィールドパターンがどのように変化するかをシミュレーションで求めた結果を示す。フィールドパターン９１は、光導波路の幅の減少と共に、次第に幅方向分布を縮小し、厚さ方向に関しては分布が次第に上方に集中し、コア層に閉じ込められるようになる。クラッド層の実効屈折率が次第に低下し、屈折率差が次第に大きくなるため、クラッド層内への光分布の滲み出しが次第に抑制されるためであろう。このようにして、外部光学系との接続部分においては幅、厚さが拡大した光のフィールドパターンを、ホトニック結晶光導波路に接続する領域においてはコア層に集中したフィールドパターンに連続的に変化させることが可能となる。

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば被酸化性クラッド層をＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓの代りに，ＩＩＩ族元素としてＡｌを含むＡｌ_ｘＩｎ_１−ｘＡｓ、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＰ、Ａｌ_ｘＩｎ_１−ｘＰ、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘーｙ}Ｐ、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘーｙ}Ａｓ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ＜１）の少なくとも１種で形成してもよい。コア層の組成もＧａＡｓ、低Ａｌ組成のＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓに限定されない。その他、種々の変更、改良、組み合わせが可能なことは当業者に自明であろう。

以下、本発明の特徴を付記する。
（付記１）
基板と、
前記基板上に形成された下クラッド層と、
前記下クラッド層上に形成され、下クラッド層より屈折率が高く、連続した半導体層であって、欠陥を備えた２次元周期構造を有するホトニック結晶構造を含む第１光導波路部と、前記第１光導波路部に接続され、面内形状が前記第１光導波路部から離れるにしたがって幅が広がるテーパ形状チャネルを有する第２光導波路部と、
を有し、
前記下クラッド層は、前記第１光導波路部および第２光導波路部に整合した平面形状を有する表面層を有し、前記表面層は前記第１光導波路部下では全面的に酸化された酸化半導体層を含み、前記第２導波路部下では側面から一定の厚さが酸化された酸化半導体層を含み、酸化半導体層間に残る領域が非酸化半導体で形成され、前記第１光導波路部から離れるに従い徐々に幅が拡大している複合光導波路。（１）
（付記２）
前記ホトニック結晶構造が前記半導体層を貫通して周期的に形成された孔を有する付記１記載の複合光導波路。（２）
（付記３）
さらに、前記孔を埋める、前記半導体層より屈折率の低い低屈折率領域を有する付記２記載の複合光導波路。（３）
（付記４）
さらに、前記半導体層の上に形成された、前記半導体層より屈折率の低い上クラッド層を有する付記１〜３のいずれか１項記載の複合光導波路。（４）
（付記５）
前記下クラッド層の非酸化半導体が、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ，Ａｌ_ｘＩｎ_１−ｘＡｓ、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＰ、Ａｌ_ｘＩｎ_１−ｘＰ、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘーｙ}Ｐ、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘーｙ}Ａｓ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ＜１）の少なくとも１種で形成されている付記１〜４のいずれか１項記載の複合光導波路。（５）
（付記６）
前記下クラッド層の非酸化半導体のＡｌ組成が０．９５以上である付記５記載の複合光導波路。

（付記７）
前記下クラッド層の全厚さが前記第１光導波路部及び前記第２光導波路部に整合した形状にパターニングされている付記１記載の複合光導波路。

（付記８）
前記ホトニック結晶が三角格子、又は四角格子である付記１記載の複合光導波路。
（付記９）
前記第２光導波路が、リッジ型構造を有する付記１記載の複合光導波路。

（付記１０）
前記第２光導波路が、リブ型構造を有する付記１記載の複合光導波路。
（付記１１）
さらに、前記半導体層、前記下クラッド層を覆う酸化膜又は窒化膜を有する付記１記載の複合光導波路。

（付記１２）
（ａ）基板上にＡｌ組成の高い化合物半導体のクラッド層を成長する工程と、
（ｂ）クラッド層の上にＡｌ組成の低い化合物半導体のコア層を成長する工程と、
（ｃ）欠陥部を除いて、周期的に配置された孔を、前記コア層を貫通して形成し、光導波路を備えたホトニック結晶構造を形成する工程と、
（ｄ）前記コア層の全厚さ及び前記クラッド層の少なくとも一部の厚さをパターニングし、前記ホトニック結晶構造を含むホトニック結晶光導波路とそこに接続され、面内形状が前記ホトニック結晶光導波路から離れるにしたがって幅が広がるテーパ形状を有するチャネル型光導波路を形成する工程と、
（ｅ）前記クラッド層を露出表面から選択的に酸化する工程と、
を含む複合光導波路の製造方法。

（付記１３）
前記クラッド層が、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ，Ａｌ_ｘＩｎ_１−ｘＡｓ、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＰ、Ａｌ_ｘＩｎ_１−ｘＰ、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘーｙ}Ｐ、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘーｙ}Ａｓ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ＜１）の少なくとも１種で形成されている付記１２記載の複合光導波路の製造方法。

（付記１４）
前記クラッド層のＡｌ組成が０．９５以上である付記１２記載の複合光導波路の製造方法。

（付記１５）
前記工程（ｅ）が、前記チャネル型光導波路の狭幅端で両側面からの酸化層がほぼ接するように酸化を行う付記１２記載の複合光導波路の製造方法。

（付記１６）
前記工程（ｅ）が、前記ホトニック結晶下のクラッド層の全面積を酸化する付記１２記載の複合光導波路の製造方法。

（付記１７）
前記工程（ｄ）が、前記クラッド層の全厚さをパターニングする付記１２記載の複合光導波路の製造方法。

（付記１８）
前記工程（ｅ）が、ウエット酸化を行なう付記１２記載の複合光導波路の製造方法。
（付記１９）
さらに、（ｆ）前記工程（ｅ）の後、表面上に前記コア層より屈折率の低い絶縁層を堆積する工程を含む付記１２−１８のいずれか１項記載の複合光導波路の製造方法。

（付記２０）
前記工程（ｆ）が前記コア層を貫通する孔を埋める付記１９記載の複合光導波路の製造方法。

本発明の実施例による複合光導波路の構成を示す概略斜視図である。図１に示す複合光導波路の光進行方向に沿う屈折率分布を説明する概略断面図である。他の実施例による複合光導波路の構成を示す平面図及び断面図である。図３Ａ−３Ｄに示す構造を作成するための製造工程を示す断面図である。Ａｌ組成ｘをパラメータとした時の温度に対する初期酸化速度の関係を示すグラフである。クラッド層を酸化したサンプルの断面構成を示す写真である。変形例の構成を示す断面図である。光回路の構成例を示す平面図である。伝播光のフィールドパターンを示すシミュレーション結果のグラフである。関連技術の例を示す断面図及び平面図である。関連技術の他の例を示す断面図及び平面図である。関連技術の他の例を示す断面図及び平面図である。

符号の説明

１１ホトニック結晶光導波路
１２チャネル型光導波路
２０孔
２３コア層
２４クラッド層
２４ｘホトニック結晶光導波路用クラッド部
２４ｙチャネル型光導波路用クラッド部
２５基板
２６上クラッド層
２７キャップ層
２９絶縁保護層
３１酸化領域
３２非酸化領域
６１コア層
６２酸化領域
６３クラッド層
８１分波・合波回路
８２チャネル型光導波路
９１フィールドパターン
１１１コア
１１２テーパ形状を有する光導波路
１１３Ｓｉ基板
１１４酸化シリコン層
１１５Ｓｉ層
１１８孔
１１６リブ
１１９光伝播経路
１２０光導波路
１２２光導波路幅が徐々に変化するホトニック結晶光導波路
１３３Ｓｉ細線
１３４ポリイミド光導波路
１３５クラッド層
１５１、１５５ＧａＡｓ層
１５２、１５３、１５４ＡｌＧａＡｓ層
１５６ハードマスク層
１５７ＡｌＧａＡｓクラッド層
１５８ＡｌＧａＡｓコア層
１６１半導体レーザ
１６２光導波構造

Claims

基板と、
前記基板上に形成された下クラッド層と、
前記下クラッド層上に形成され、下クラッド層より屈折率が高く、連続した半導体層であって、欠陥を備えた２次元周期構造を有するホトニック結晶構造を含む第１光導波路部と、前記第１光導波路部に接続され、面内形状が前記第１光導波路部から離れるにしたがって幅が広がるテーパ形状チャネルを有する第２光導波路部と、
を有し、
前記下クラッド層は、前記第１光導波路部および第２光導波路部に整合した平面形状を有する表面層を有し、前記表面層は前記第１光導波路部下では全面的に酸化された酸化半導体層を含み、前記第２導波路部下では側面から一定の厚さが酸化された酸化半導体層を含み、酸化半導体層間に残る領域が非酸化半導体で形成され、前記第１光導波路部から離れるに従い徐々に幅が拡大している複合光導波路。
前記ホトニック結晶構造が前記半導体層を貫通して周期的に形成された孔を有する請求項１記載の複合光導波路。
さらに、前記孔を埋める、前記半導体層より屈折率の低い低屈折率領域を有する請求項２記載の複合光導波路。
さらに、前記半導体層の上に形成された、前記半導体層より屈折率の低い上クラッド層を有する請求項１〜３のいずれか１項記載の複合光導波路。
前記下クラッド層の非酸化半導体が、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ，Ａｌ_ｘＩｎ_１−ｘＡｓ、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＰ、Ａｌ_ｘＩｎ_１−ｘＰ、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘーｙ}Ｐ、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘーｙ}Ａｓ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ＜１）の少なくとも１種で形成されている請求項１〜４のいずれか１項記載の複合光導波路。