JP2006106587A - 集積光導波路、光素子および集積光導波路の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 光導波路の集積化に対応しつつ、異なる屈折率の材料が結合された界面における反射を低減する。
【解決手段】 第１光導波路Ｒ１および第２光導波路Ｒ２が光学的に結合されるように、第１光導波路Ｒ１および第２光導波路Ｒ２を半導体基板１０１上に形成し、第１光導波路Ｒ１と第２光導波路Ｒ２との結合面には、第１光導波路Ｒ１および第２光導波路Ｒ２と屈折率の異なる誘電体膜１０４を介挿し、誘電体膜１０４の屈折率を第１光導波路Ｒ１の屈折率と第２光導波路Ｒ２の屈折率との間の屈折率とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は集積光導波路、光素子および集積光導波路の製造方法に関し、特に、半導体光導波路とその半導体光導波路とは屈折率の異なる材料からなる光導波路との集積構造およびこれを用いた光素子に適用して好適なものである。

半導体光導波路と半導体とは異なる特性を有する材料からなる光導波路を接続することにより、半導体のみでは得られない新しい特性を有する光導波路が得られている。
例えば、半導体の屈折率は温度上昇により増大する、すなわち正の温度依存性を有するが、これとは逆に温度上昇により屈折率が低下する、すなわち負の温度依存性を有する材料からなる光導波路を半導体光導波路に縦続接続する方法がある。

これにより、全体として、屈折率と導波路長の積である光学長が温度に依存しない光導波路を得ることができ、非特許文献１に開示されているように、半導体レーザの外部に負の屈折率温度依存性を有する材料からなる共振器を構成することで、発振波長が温度に依存しない温度無依存レーザを実現することができる。
ここで、半導体光導波路と半導体以外の材料からなる導波路を接合する場合、その界面において２つの導波路の屈折率の違いから反射が生じる。第１光導波路の屈折率をＮ₁、第２光導波路の屈折率をＮ₂とし、接合面に対して垂直に入射した場合を考えると、反射率Ｒは以下の（１）式で与えることができる。
Ｒ＝（（Ｎ₁−Ｎ₂）／（Ｎ₁＋Ｎ₂））² ・・・（１）

図８は、屈折率差と反射率の関係を示す図である。
図８において、第１光導波路が半導体で構成されているとし、第１光導波路と第２光導波路との屈折率差をΔＮとすると、屈折率差ΔＮが大きくなるに従って、第１光導波路と第２光導波路との接合面での反射率は上昇する。例えば、半導体光導波路同士を結合させた場合、それらの屈折率差ΔＮは通常０．５以下であるので、それらの接合面での反射率は０．５％よりも小さくなる。

一方、光導波路間の屈折率差ΔＮが０．５となると、それらの接合面での反射率は０．７％、屈折率差ΔＮが１．０となると、それらの接合面での反射率は３．３％、屈折率差ΔＮが１．５となると、それらの接合面での反射率は９．１％となる。従って、半導体光導波路の屈折率は３．０以上、高分子導波路や石英導波路の屈折率は通常２．５以下であるため、半導体光導波路と半導体以外の材料からなる導波路を接合すると、光導波路間の屈折率差ΔＮが０．５以上となり、それらの接合面での反射が無視できなくなる。

一方、半導体や石英導波路を伝播した光を外部に放射する場合、導波路と外部との屈折率が異なるために反射が生じる。このため、例えば、半導体光導波路中を伝播した光が半導体レーザの端面から空気中（屈折率＝１．０）に放射される場合、非特許文献２に開示されているように、ある特定の厚さの蒸着膜を半導体端面に成膜することにより、反射を防止することが行われている。すなわち、光の波長をλ₀、蒸着膜の屈折率をＮ、蒸着膜の厚さをｄとすると、
Ｎｄ＝λ₀／４（２ｍ＋１）（ｍ＝０，１，２，・・・） ・・・（２）
であるため、蒸着膜の屈折率が半導体の屈折率より小さい時に反射率は極小となる。

Ｋ．Ｔａｄａ ｅｔ ａｌ．"Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ ｃｏｕｐｌｅｄ ｃａｖｉｔｙ ｄｉｏｄｅ ｌａｓｅｒｓ"，Ｏｐｔｉｃａｌ ａｎｄ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，ｖｏｌ．１６，ｐｐ．４６３−４６９，１９８４． 草川徹著 「レンズ光学」東海大学出版会 ｐｐ．２７３〜２８８

しかしながら、半導体光導波路とその半導体光導波路とは屈折率の異なる材料からなる光導波路とを結合する場合、屈折率差に応じて接合界面での反射が起こるため、導波路設計の自由度が制限される。また、半導体光導波路から空気中に放射される光の反射を低減させる方法も広く知られているが、半導体光導波路とそれ以外の材料からなる屈折率差の大きい光導波路が半導体基板上に集積された導波路間の反射を低減させる方法は知られていなかった。
そこで、本発明の目的は、光導波路の集積化に対応しつつ、異なる屈折率の材料が結合された界面における反射を低減することが可能な集積光導波路、光素子および集積光導波路の製造方法を提供することである。

上述した課題を解決するために、請求項１記載の集積光導波路によれば、第１光導波路と、前記第１光導波路に光学的に結合され、前記第１光導波路と屈折率の異なる第２光導波路と、前記第１光導波路と前記第２光導波路との結合面に介挿され、前記第１光導波路および前記第２光導波路と屈折率の異なる誘電体膜とを備えることを特徴とする。
これにより、誘電体膜の屈折率および膜厚を調整することで、第１光導波路と第２光導波路との結合面における屈折率差を調整することが可能となる。このため、第１光導波路と第２光導波路との結合面における反射率を変化させることが可能となり、第１光導波路と第２光導波路との結合面における反射率を低減させることができる。

また、請求項２記載の集積光導波路によれば、基板上に形成された第１光導波路と、前記第１光導波路の垂直面を露出させるように前記基板に形成された段差と、前記段差を埋め込むように前記基板上に形成され、前記第１光導波路と屈折率の異なる第２光導波路と、少なくとも前記段差部分の垂直面に成膜され、前記第１光導波路および前記第２光導波路と屈折率の異なる誘電体膜とを備えることを特徴とする。

これにより、第１光導波路と第２光導波路との結合面に誘電体膜が介挿された状態で、互いに屈折率の異なる第１光導波路と第２光導波路とを同一基板上に集積化することができる。このため、光導波路間の反射を抑制しつつ、様々の材料から構成される光導波路を接続することが可能となり、光導波路の集積化に対応しつつ、半導体のみでは得られない新しい特性を有する光導波路を実現することが可能となる。

また、請求項３記載の集積光導波路によれば、前記誘電体膜は、前記第１光導波路および前記第２光導波路の双方と屈折率の異なる単層膜または互いに屈折率の異なる材料が積層された多層膜であることを特徴とする。
これにより、誘電体膜の積層数を単に増加することで、第１光導波路と第２光導波路との結合面における屈折率差をより多彩に調整することが可能となる。このため、製造プロセスの煩雑化を抑制しつつ、第１光導波路と第２光導波路との結合面における反射特性を容易に向上させることができる。

また、請求項４記載の集積光導波路によれば、前記第１光導波路と前記第２光導波路との屈折率差は０．５以上であり、前記単層膜または前記多層膜の少なくとも一層の屈折率は、前記第１光導波路の屈折率と前記第２光導波路の屈折率との間の屈折率であることを特徴とする。
これにより、第１光導波路と第２光導波路との結合面における屈折率差を緩和することが可能となり、第１光導波路と第２光導波路との結合面における屈折率差が大きい場合においても、第１光導波路と第２光導波路との境界における反射率を低くすることができる。

また、請求項５記載の集積光導波路によれば、前記第１光導波路および前記第２光導波路は半導体基板上に形成され、前記第１光導波路または前記第２光導波路の少なくともいずれか一方の一部もしくは全部が半導体であることを特徴とする。
これにより、光導波路間の反射を抑制しつつ、半導体とは異なる特性を有する材料からなる光導波路を発光素子に接続することができ、発光素子の特性を向上させることが可能となるとともに、発振波長が温度に依存しない温度無依存レーザを実現することができる。

また、請求項６記載の集積光導波路によれば、前記第１光導波路および前記第２光導波路を伝搬する光の波長をλ₀、前記単層膜または前記多層膜の少なくとも一層の屈折率をＮ_iとすると、前記単層膜または前記多層膜の少なくとも一層の膜厚が、
（λ₀／（８Ｎ_i）〜３λ₀／（８Ｎ_i））＋λ₀／（２Ｎ_i）×ｍ
（ｍ＝０，１，２，・・・）
であることを特徴とする。
これにより、誘電体膜の膜厚を調整することで、第１光導波路と第２光導波路との結合面での反射率を最大値と最小値の中間の値以下に低減させることができ、製造プロセスの煩雑化を抑制しつつ、第１光導波路と第２光導波路との結合面における反射率を低減させることができる。

また、請求項７記載の集積光導波路によれば、請求項１〜６のいずれか１項記載の集積光導波路の少なくとも１種類が２つ以上縦続接続されていることを特徴とする。
これにより、屈折率の異なる光導波路を縦続接続することが可能となり、様々の機能を各光導波路に分担させることができる。このため、導波路設計の自由度を向上させることを可能としつつ、半導体のみでは得られない新しい特性を有する光導波路を実現することが可能となる。

また、請求項８記載の光素子によれば、請求項１〜７のいずれか１項記載の集積光導波路が用いられていることを特徴とする。
これにより、光導波路間の反射を抑制しつつ、様々の材料から構成される光導波路を接続することが可能となり、光導波路の集積化に対応しつつ、半導体のみでは得られない新しい特性を有する光素子を実現することが可能となる。

また、請求項９記載の集積光導波路の製造方法によれば、基板上に第１光導波路を形成する工程と、前記第１光導波路のエッチング加工を行うことにより、前記第１光導波路の垂直面を露出させる段差を前記基板に形成する工程と、前記第１光導波路と屈折率の異なる誘電体膜を前記段差部分の垂直面に成膜する工程と、前記第１光導波路および前記誘電体膜と屈折率の異なる第２光導波路を前記段差に埋め込む工程とを備えることを特徴とする。

これにより、段差が形成された基板の全面に誘電体膜を成膜することで、第１光導波路と第２光導波路との結合面に誘電体膜を介挿することが可能となるとともに、互いに屈折率の異なる第１光導波路と第２光導波路とを同一基板上に集積化することができる。このため、ウェハのままで全ての素子の端面に対して誘電体膜を一括して形成することが可能となるとともに、第１光導波路と第２光導波路との結合面が互いに異なる方向を向いている場合においても、これらの結合面に一度に誘電体膜を形成することができる。この結果、第１光導波路と第２光導波路との結合面に誘電体膜を介挿させるために、ウェハから切り出された光導波路を１個ずつ治具に固定したり、位置合わせを行ったりする必要がなくなり、製造プロセスの煩雑化を抑制しつつ、第１光導波路と第２光導波路との結合面における屈折率差を調整することが可能となる。

以上説明したように、本発明によれば、第１光導波路と前記第２光導波路との結合面に誘電体膜を介挿することにより、第１光導波路と第２光導波路との境界における反射を低減させることができ、光導波路の集積化に対応しつつ、半導体のみでは得られない新しい特性を有する光導波路を実現することが可能となる。

以下、本発明の実施形態に係る集積光導波路およびその製造方法について図面を参照しながら説明する。
図１（ａ）は、本発明の第１実施形態に係る集積光導波路の概略構成を光導波方向に沿って示す断面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ´線で切断した断面図、図１（ｃ）は図１（ａ）のＢ−Ｂ´線で切断した断面図である。

図１（ａ）において、半導体基板１０１上には、第１光導波路Ｒ１および第２光導波路Ｒ２が形成されている。ここで、第１光導波路Ｒ１および第２光導波路Ｒ２は光学的に結合されるとともに、第１光導波路Ｒ１と第２光導波路Ｒ２との結合面には、第１光導波路Ｒ１および第２光導波路Ｒ２と屈折率の異なる誘電体膜１０４が介挿されている。なお、第１光導波路Ｒ１と第２光導波路Ｒ２とは互いに屈折率の異なる材料で構成することができ、第１光導波路Ｒ１と第２光導波路Ｒ２との屈折率差は０．５以上であってもよい。また、誘電体膜１０４の屈折率は、第１光導波路Ｒ１の屈折率と第２光導波路Ｒ２の屈折率との間の屈折率であることが好ましい。

ここで、第１光導波路Ｒ１では、図１（ｂ）に示すように、半導体基板１０１上に第１コア層１０２が積層され、第１コア層１０２上には、クラッド層１０３が積層されている。そして、半導体基板１０１の表層、第１コア層１０２およびクラッド層１０３が導波方向に沿ってストライプ状に加工され、半導体基板１０１の表層、第１コア層１０２およびクラッド層１０３の両側を埋め込む埋め込み層１０８が半導体基板１０１上に形成されている。

そして、半導体基板１０１には、第１光導波路Ｒ１の第１コア層１０２の垂直面を露出させる段差Ｄが形成されている。そして、段差Ｄには、第１コア層１０２の垂直面を覆うように誘電体膜１０４が成膜されている。
また、第２光導波路Ｒ２では、図１（ｃ）に示すように、半導体基板１０１上に誘電体膜１０４が成膜され、誘電体膜１０４上には、下部クラッド層１０５、第２コア層１０６および上部クラッド層１０７が順次積層されている。ここで、第２コア層１０６は、導波方向に沿ってストライプ状に加工され、下部クラッド層１０５および上部クラッド層１０７にて埋め込まれている。

これにより、第１光導波路Ｒ１と第２光導波路Ｒ２との結合面に誘電体膜１０４が介挿された状態で、互いに屈折率の異なる第１光導波路Ｒ１と第２光導波路Ｒ２とを同一の半導体基板１０１上に集積化することができる。このため、第１光導波路Ｒ１と第２光導波路Ｒ２とを互いに屈折率の異なる材料で構成した場合においても、光導波路の集積化に対応しつつ、第１光導波路Ｒ１と第２光導波路Ｒ２と間の反射を抑制することが可能となり、素子の小型化を図りつつ、単一材料のみでは得られない新しい特性を有する光導波路を実現することが可能となる。

なお、第１光導波路Ｒ１または第２光導波路の少なくともいずれか一方の一部もしくは全部が半導体であってもよく、半導体光導波路と半導体とは異なる特性を有する材料からなる光導波路を接続するようにしてもよい。例えば、負の温度依存性を有する材料からなる光導波路を半導体光導波路に縦続接続することにより、発振波長が温度に依存しない温度無依存レーザを実現することができる。

ここで、第１光導波路Ｒ１を半導体、第２光導波路Ｒ２を半導体以外の材料にて構成する場合、例えば、半導体基板１０１、クラッド層１０３および埋め込み層１０８としてＩｎＰ、第１コア層１０２としてＧａＩｎＡｓＰ、下部クラッド層１０５、第２コア層１０６および上部クラッド層１０７としてポリイミドを用いることができる。この場合、第２コア層１０６には、伝送損失を低減するために、下部クラッド層１０５および上部クラッド層１０７に用いられるポリイミドよりも屈折率の高いポリイミドを用いることが好ましい。

なお、第１光導波路Ｒ１または第２光導波路Ｒ２に用いられる半導体以外の材料としては、ポリイミド以外にも、屈折率の温度依存性や熱膨張係数や透過率などの所望の導波路の特性に応じて、例えば、ＢＣＢ（ベンゾシクロブテン）やＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）やＰＣ（ポリカーボネート）などの高分子材料を用いるようにしてもよい。
また、半導体材料に関しても、ＩｎＰおよびＧａＩｎＡｓＰの組み合わせに限定されることなく、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓなど任意の材質について適用が可能である。また、第１コア層１０２の形状に関しては、特に制約を設けるものではなく、埋め込みヘテロ構造以外にも、例えば、コア層中央部の屈折率とクラッド層の屈折率との間の屈折率を持つ材料によりサンドイッチされた分離閉じ込めヘテロ構造（ＳＣＨ）や、屈折率を段階的に変化させた傾斜屈折率（ＧＩ−）ＳＣＨとしてもよい。

また、半導体レーザに本構造を適用する場合、第１コア層１０２として活性領域を用いてもよく、その形状は、バルク、ＭＱＷ（多重量子井戸）、量子細線、量子ドットを問わず、また活性領域の導波路構造に関しても、ｐｎ埋め込み、リッジ構造、半絶縁埋め込み構造、ハイメサ構造等を用いるようにしてもよい。さらに、半導体光導波路には、回折格子などの波長選択機能を設けるようにしてもよい。

また、図１の構成では、第２光導波路Ｒ２に導波路構造を持たせる方法について説明したが、半導体以外の材料から構成された光導波路については必ずしも導波路構造を持たせる必要はなく、コア層がなくてもよい。また、第２光導波路Ｒ２の形状に関しても、特に制約を設けるものではなく、リッジ導波路やハイメサ導波路等を用いるようにしてもよい。

また、誘電体膜１０４としては、例えば、ＳｉＮ膜やＳｉＯ₂膜などを用いることができ、半導体の導波路構造にダメージを及ぼすことなく、誘電体膜１０４のみを加工できる方法がある材料が望ましい。例えば、誘電体膜１０４としてＳｉＮ膜やＳｉＯ₂膜を用いることにより、成膜条件や成膜方法あるいは不純物の割合により屈折率を変化させることができ、誘電体膜１０４の特性を要求される導波路間の反射特性に容易に適合させることができる。

図２は、図１の集積光導波路における第１導波路Ｒ１と第２導波路Ｒ２との間の誘電体膜１０４の膜厚と反射率との関係を示す図である。なお、図２の例では、第１光導波路Ｒ１および第２光導波路Ｒ２を伝搬する光の波長をλ₀＝１．５５μｍ、第１導波路Ｒ１の屈折率Ｎ₁＝３．２４、第２導波路Ｒ２の屈折率Ｎ₂＝１．５７とした。また、誘電体膜１０４としてＳｉＮを使用し、ＳｉＮの屈折率Ｎ_SiN＝１．８５とした。
図２において、第１光導波路Ｒ１と第２光導波路Ｒ２との間のＳｉＮ膜の膜厚が０μｍ、すなわち第１光導波路Ｒ１と第２光導波路Ｒ２とを直接結合した場合、第１光導波路Ｒ１と第２光導波路Ｒ２との屈折率差は１．６７であるため、第１光導波路Ｒ１と第２光導波路Ｒ２との結合面で１２％程度の反射が生じる。

一方、第１光導波路Ｒ１と第２光導波路Ｒ２とを誘電体膜１０４を介して結合し、以下の（３）式を満たすようにＳｉＮの膜厚ｄ_SiNを設定することにより、第１光導波路Ｒ１と第２光導波路Ｒ２との結合面での反射率を極小値まで低減させることができる。
Ｎ_SiNｄ_SiN＝λ₀／４（２ｍ＋１） ・・・（３）
例えば、第１光導波路Ｒ１と第２光導波路Ｒ２との間のＳｉＮ膜の膜厚ｄ_SiNを約０．２１μｍに設定することにより、第１光導波路Ｒ１と第２光導波路Ｒ２との結合面での反射率を３．８％にまで低減させることができる。

ここで、第１光導波路Ｒ１と第２光導波路Ｒ２との間のＳｉＮ膜の膜厚ｄ_SiNをλ₀／（８Ｎ_SiN）から３λ₀／（８Ｎ_SiN）の間に設定することにより、第１光導波路Ｒ１と第２光導波路Ｒ２との結合面での反射率を最大値と最小値の中間の値以下に低減させることができる。この現象は、ＳｉＮ膜の膜厚ｄ_SiNがλ₀／（２Ｎ_SiN）ごとに繰り返される。このため、以下の（４）式を満たすようにＳｉＮ膜の膜厚ｄ_SiNを設定することにより、第１光導波路Ｒ１と第２光導波路Ｒ２との結合面での反射率を最大値と最小値の中間の値以下に低減させることができる。
（λ₀／（８Ｎ_SiN）〜３λ₀／（８Ｎ_SiN））＋λ₀／（２Ｎ_SiN）×ｍ
（ｍ＝０，１，２，・・・） ・・・（４）

さらに、ＳｉＮの成膜方法や不純物を適宜選択することによりＳｉＮの屈折率を上げ、ＳｉＮの屈折率を２．２〜２．３程度とすることにより、第１光導波路Ｒ１と第２光導波路Ｒ２との結合面での反射率をさらに低減することができる。ここで、第１光導波路Ｒ１と第２光導波路Ｒ２との結合面での反射率を低減するには、第１光導波路Ｒ１の屈折率と第２光導波路Ｒ２の屈折率との間になるように、誘電体膜１０４の屈折率を設定する必要がある。

一方、第１光導波路Ｒ１と第２光導波路Ｒ２との結合面での反射率を上昇させるには、第１光導波路Ｒ１の屈折率と第２光導波路Ｒ２の屈折率のいずれよりも高くなるかまたは低くなるように、誘電体膜１０４の屈折率を設定すればよい。この場合、（３）式を満たすように、第１光導波路Ｒ１と第２光導波路Ｒ２との間のＳｉＮ膜の膜厚ｄ_SiNを設定することにより、第１光導波路Ｒ１と第２光導波路Ｒ２との結合面での反射率を極大値まで上昇させることができる。

これにより、誘電体膜１０４の屈折率および膜厚を調整することで、第１光導波路Ｒ１と第２光導波路Ｒ２との結合面における反射率を変化させることが可能となり、第１光導波路Ｒ１と第２光導波路Ｒ２とを直接結合させた場合に比べて、第１光導波路Ｒ１と第２光導波路Ｒ２との結合面における反射率を低減させたり上昇させたりすることができる。

図３は、図１の集積光導波路の製造方法の一例を示す断面図である。
図３（ａ）において、第１コア層１０２およびクラッド層１０３を半導体基板１０１上に順次積層する。なお、第１コア層１０２およびクラッド層１０３を半導体基板１０１上に順次積層する場合、例えば、ＭＢＥ（ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｂｅａｍ ｅｐｉｔａｘｙ）、ＭＯＣＶＤ（ｍｅｔａｌ ｏｒｇａｎｉｃ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｅｒ ｄｅｐｉｏｓｉｔｉｏｎ）、あるいはＡＬＣＶＤ（ａｔｏｍｉｃ ｌａｙｅｒ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｅｒ ｄｅｐｉｏｓｉｔｉｏｎ）などのエピタキシャル成長を用いることができる。

次に、図３（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィー技術およびエッチング技術を用いて、クラッド層１０３、第１コア層１０２および半導体基板１０１の表層を選択的に除去することにより、第１コア層１０２の垂直面を露出させる段差Ｄを半導体基板１０１に形成する。ここで、クラッド層１０３、第１コア層１０２および半導体基板１０１の表層をエッチング加工する場合、例えば、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）、ＥＣＲ（ｅｌｅｃｔｏｒｏｎ ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ：電子サイクロトロン共鳴）エッチング、ＲＩＢＥ（反応性イオンビームエッチング）、ＳＷＰ（ｓｕｒｆａｃｅ ｗａｖｅ ｐｌａｓｍａ：サーフェスウェーブプラズマ）エッチング、ＨＥＰ（ｈｅｌｉｃｏｎ−ｗａｖｅ ｅｘｃｉｔｅｄ ｐｌａｓｍａ：ヘリコン波励起プラズマ）エッチング、ＩＣＰ（ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ ｃｏｕｐｌｅｄ ｐｌａｓｍａ：誘導結合型プラズマ）エッチング、ＴＣＰ（ｔｒａｎｓｆｅｒ ｃｏｕｐｌｅｄ ｐｌａｓｍａ：転送結合型プラズマ）エッチングなどを用いることができる。

なお、第１コア層１０２およびクラッド層１０３のエッチング面は、誘電体膜１０４の堆積量を制御するために、必ずしも半導体基板１０１に対して垂直でなくてもよい。また、第１コア層１０２およびクラッド層１０３のエッチング面は、必ずしも導波路に対して垂直である必要はなく、導波路に対して傾斜していてもよい。
また、第１コア層１０２の垂直面を露出させる段差Ｄを半導体基板１０１に形成すると同時に、第１光導波路Ｒ１における半導体基板１０１の表層、第１コア層１０２およびクラッド層１０３を導波方向に沿ってストライプ状に加工することができる。そして、図１（ｂ）に示すように、選択エピタキシャル成長を行うことにより、ストライプ状に加工された半導体基板１０１の表層、第１コア層１０２およびクラッド層１０３の両側を埋め込む埋め込み層１０８を半導体基板１０１上に形成することができる。

次に、図３（ｃ）に示すように、例えば、ＣＶＤ（ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：化学気相成長）法を用いることにより、段差Ｄの側面が覆われるようにして、半導体基板１０１上に誘電体膜１０４を成膜する。なお、化学反応を起こさせる方法としては、熱や光やプラズマなどを用いることができる。ここで、ＣＶＤ法を用いることにより、半導体基板１０１に垂直な面に対しても制御性よく誘電体膜１０４を成膜することができる。

なお、誘電体膜１０４を成膜する方法は、ＣＶＤ法以外にも、例えば、蒸着やスパッタなどの方法であっても、半導体基板１０１または蒸着源やスパッタ源を回転させるなどの方法により半導体基板１０１に垂直な面に対しても成膜できればよい。
次に、図３（ｄ）に示すように、段差Ｄが埋め込まれるようにして、下部クラッド層１０５、第２コア層１０６および上部クラッド層１０７を半導体基板１０１上に順次積層する。

これにより、段差Ｄが形成された半導体基板１０１の全面に誘電体膜１０４を成膜することで、第１光導波路Ｒ１と第２光導波路Ｒ２との結合面に誘電体膜１０４を介挿することが可能となるとともに、互いに屈折率の異なる第１光導波路Ｒ１と第２光導波路Ｒ２とを同一の半導体基板１０１上に集積化することができる。このため、ウェハのままで全ての素子の端面に対して誘電体膜１０４を一括して形成することが可能となるとともに、第１光導波路Ｒ１と第２光導波路Ｒ２との結合面が互いに異なる方向を向いている場合においても、これらの結合面に一度に誘電体膜１０４を形成することができる。この結果、第１光導波路Ｒ１と第２光導波路Ｒ２との結合面に誘電体膜１０４を介挿させるために、ウェハから切り出された光導波路を１個ずつ治具に固定したり、位置合わせを行ったりする必要がなくなり、製造プロセスの煩雑化を抑制しつつ、第１光導波路Ｒ１と第２光導波路Ｒ２との結合面における屈折率差を調整することが可能となる。

なお、下部クラッド層１０５、第２コア層１０６および上部クラッド層１０７の材料として、ポリイミドやＢＣＢなどの樹脂を用いることにより、スピンコートにて下部クラッド層１０５、第２コア層１０６および上部クラッド層１０７を半導体基板１０１上に順次塗布した後、ベーキングにて固めることができる。また、第２光導波路Ｒ２に導波路構造を形成する場合、屈折率の異なる材料を半導体基板１０１上に積層した後、フォトリソグラフィー技術およびエッチング技術を用いて加工することにより、導波路構造を容易に形成することができる。

次に、図３（ｅ）に示すように、フォトリソグラフィー技術およびエッチング技術を用いて、第１導波路Ｒ１上の誘電体膜１０４を選択的に除去することにより、クラッド層１０３の表面を露出させる。そして、必要に応じてクラッド層１０３上に電極を形成する。ここで、クラッド層１０３上に電極を形成することにより、第１導波路Ｒ１に利得を持たせることができ、半導体レーザなどの光能動素子を第１導波路Ｒ１に形成することができる。

なお、誘電体膜１０４としてＳｉＮ膜やＳｉＯ₂膜などを用いることにより、ＣＦ系ガスを用いたドライエッチングやフッ酸を用いたウェットエッチングなどによって誘電体膜１０４をエッチング加工することができる。このため、半導体光導波路の構造を変化させることなく誘電体膜１０４のみを容易に加工することができ、第１導波路Ｒ１と第２導波路Ｒ２との結合面にのみ誘電体膜１０４を残すことができる。また、図３の方法では、第２光導波路Ｒ２を半導体基板１０１上に形成した後に誘電体膜１０４のエッチング加工を行う方法について説明したが、第２光導波路Ｒ２を半導体基板１０１上に形成する前に誘電体膜１０４のエッチング加工を行うようにしてもよい。

図４は、本発明の第２実施形態に係る集積光導波路の概略構成を光導波方向に沿って示す断面図である。
図４において、半導体基板２０１上には、第１光導波路Ｒ１１および第２光導波路Ｒ１２が形成されている。ここで、第１光導波路Ｒ１１および第２光導波路Ｒ１２は光学的に結合され、第１光導波路Ｒ１１と第２光導波路Ｒ１２との結合面には、第１光導波路Ｒ１１および第２光導波路Ｒ１２の双方と屈折率の異なる誘電体膜２０４ａ、２０４ｂが介挿されている。なお、第１光導波路Ｒ１１と第２光導波路Ｒ１２とは互いに屈折率の異なる材料で構成することができ、第１光導波路Ｒ１１と第２光導波路Ｒ１２との屈折率差は０．５以上であってもよい。また、誘電体膜２０４ａ、２０４ｂは互いに異なる屈折率を有する材料で構成することができ、誘電体膜２０４ａ、２０４ｂの少なくとも一層の屈折率は、第１光導波路Ｒ１１の屈折率と第２光導波路Ｒ１２の屈折率との間の屈折率であることが好ましい。

ここで、第１光導波路Ｒ１１では、半導体基板２０１上に第１コア層２０２が積層され、第１コア層２０２上には、クラッド層２０３が積層されている。そして、半導体基板２０１には、第１光導波路Ｒ１１の第１コア層２０２の垂直面を露出させる段差Ｄ２が形成されている。そして、段差Ｄ２には、第１コア層２０２の垂直面を覆うように誘電体膜２０４ａ、２０４ｂが順次成膜されている。

また、第２光導波路Ｒ１２では、半導体基板２０１上に誘電体膜２０４ａ、２０４ｂが順次成膜され、誘電体膜２０４ｂ上には、下部クラッド層２０５、第２コア層２０６および上部クラッド層２０７が順次積層されている。
ここで、第１光導波路Ｒ１１を半導体、第２光導波路Ｒ１２を半導体以外の材料にて構成する場合、例えば、半導体基板２０１およびクラッド層２０３としてＩｎＰ、第１コア層２０２としてＧａＩｎＡｓＰ、下部クラッド層２０５、第２コア層２０６および上部クラッド層２０７としてポリイミドを用いることができる。この場合、第２コア層２０６には、伝送損失を低減するために、下部クラッド層２０５および上部クラッド層２０７に用いられるポリイミドよりも屈折率の高いポリイミドを用いることが好ましい。また、誘電体膜２０４ａとしては、例えば、ＳｉＮ膜を用いることができ、誘電体膜２０４ｂとしては、例えば、ＳｉＯ₂膜を用いることができる。

これにより、誘電体膜２０４ａ、２０４ｂの積層数を単に増加させることで、第１光導波路２０４ａと第２光導波路２０４ｂとの結合面における屈折率差をより多彩に調整することが可能となる。このため、製造プロセスの煩雑化を抑制しつつ、第１光導波路２０４ａと第２光導波路２０４ｂとの結合面における反射特性を容易に向上させることができる。

なお、図４の実施形態では、２層構造の誘電体膜２０４ａ、２０４ｂを用いる方法について説明したが、誘電体膜２０４ａ、２０４ｂの層数は必ずしも２層に限定されることなく、３層以上であってもよい。この場合、互いに隣り合う誘電体膜の屈折率が異なっていればよく、互いに屈折率の異なる２種類の誘電体膜を交互に積層してもよい。例えば、第１光導波路Ｒ１１に半導体レーザを形成するとともに、第１光導波路Ｒ１１と第２光導波路Ｒ１２との間に分布ブラッグ反射膜を介挿することにより、半導体レーザと光導波路とを同一基板上に集積化することができる。

図５は、図４の集積光導波路における第１導波路Ｒ１１と第２導波路Ｒ１２との間の誘電体膜２０４ｂの膜厚と反射率との関係を示す図である。なお、図５の例では、第１光導波路Ｒ１１および第２光導波路Ｒ１２を伝搬する光の波長をλ₀＝１．５５μｍ、第１導波路Ｒ１１の屈折率Ｎ₁＝３．２４、第２導波路Ｒ１２の屈折率Ｎ₂＝１．５７とした。また、誘電体膜２０４ａとしてＳｉＮ、誘電体膜２０４ｂとしてＳｉＯ₂膜を使用し、ＳｉＮの屈折率Ｎ_SiN＝１．８５、ＳｉＮの膜厚ｄ_SiN＝０．２１μｍ、ＳｉＯ₂の屈折率Ｎ_SiO2＝１．４６とした。

図５において、第１光導波路Ｒ１１と第２光導波路Ｒ１２とを誘電体膜２０４ａ、２０４ｂを介して結合し、上記の（３）式をそれぞれ満たすようにＳｉＮの膜厚ｄ_SiNおよびＳｉＯ₂の膜厚ｄ_SiO2を設定することにより、第１光導波路Ｒ１１と第２光導波路Ｒ１２との結合面での反射率を極小値まで低減させることができる。
例えば、第１光導波路Ｒ１１と第２光導波路Ｒ１２との間のＳｉＮ膜の膜厚ｄ_SiNを約０．２１μｍに設定するとともに、第１光導波路Ｒ１１と第２光導波路Ｒ１２との間のＳｉＯ₂の膜厚ｄ_SiO2を約０．２６μｍに設定することにより、第１光導波路Ｒ１１と第２光導波路Ｒ１２との結合面での反射率を１．６％にまで低減させることができる。なお、（３）式は、ＳｉＮに関する式であるが、ＳｉＯ₂の場合には、Ｎ_SiNをＮ_SiO2に、ｄ_SiNをｄ_SiO2にそれぞれ置き換えればよい。

この場合、図１に示すように、誘電体膜１０４としてＳｉＮ膜を単層で使用すると、第１光導波路Ｒ１と第２光導波路Ｒ２との結合面での反射率を３．８％までしか低減させることができない。これに対し、図４に示すように、誘電体膜２０４ａ、２０４としてＳｉＮ膜とＳｉＯ₂膜との積層構造を用いると、第１光導波路Ｒ１１と第２光導波路Ｒ１２との結合面での反射率を１．６％にまで低減させることができ、第１光導波路Ｒ１１と第２光導波路Ｒ１２との結合面での反射率をより一層低下させることができる。

ここで、（３）式を満たすようにＳｉＮ膜の膜厚ｄ_SiNを固定した場合、第１光導波路Ｒ１１と第２光導波路Ｒ１２との間のＳｉＯ₂膜の膜厚ｄ_SiO2を、λ₀／（２Ｎ_SiO2）の周期で繰り返されるλ₀／（８Ｎ_SiO2）から３λ₀／（８Ｎ_SiO2）の間の膜厚に設定することにより、第１光導波路Ｒ１１と第２光導波路Ｒ１２との結合面での反射率を最大値と最小値の中間の値以下に低減させることができる。

図６は、本発明の第３実施形態に係る集積光導波路の概略構成を光導波方向に沿って示す断面図である。
図６において、半導体基板３０１上には、第１光導波路Ｒ２１、第２光導波路Ｒ２２および第３光導波路Ｒ２３が形成されている。ここで、第１光導波路Ｒ２１および第３光導波路Ｒ２３は第２光導波路Ｒ２２に光学的に結合され、第１光導波路Ｒ２１と第２光導波路Ｒ２２との結合面および第２光導波路Ｒ２２と第３光導波路Ｒ２３との結合面には、第１光導波路Ｒ２１、第２光導波路Ｒ２２および第３光導波路Ｒ２３と屈折率の異なる誘電体膜３０４が介挿されている。なお、第２光導波路Ｒ２２は、第１光導波路Ｒ２１および第３光導波路Ｒ２３と屈折率の異なる材料で構成することができ、第２光導波路Ｒ２２と第１光導波路Ｒ２１または第３光導波路Ｒ２３との屈折率差は０．５以上であってもよい。また、誘電体膜３０４の屈折率は、第２光導波路Ｒ２２の屈折率と第１光導波路Ｒ２１または第３光導波路Ｒ２３の屈折率との間の屈折率であることが好ましい。

ここで、第１光導波路Ｒ２１および第３光導波路Ｒ２３では、半導体基板３０１上に第１コア層３０２が積層され、第１コア層３０２上には、クラッド層３０３が積層されている。そして、半導体基板３０１には、第１光導波路Ｒ２１および第３光導波路Ｒ２３の第１コア層３０２の垂直面をそれぞれ露出させる段差Ｄ３ａ、Ｄ３ｂが形成されている。そして、段差Ｄ３ａ、Ｄ３ｂには、第１コア層３０２の垂直面を覆うように誘電体膜３０４が成膜されている。また、第２光導波路Ｒ２２では、半導体基板３０１上に誘電体膜３０４が成膜され、誘電体膜３０４上には、下部クラッド層３０５、第２コア層３０６および上部クラッド層３０７が順次積層されている。

なお、第１光導波路Ｒ２１および第３光導波路Ｒ２３を半導体、第２光導波路Ｒ２２を半導体以外の材料にて構成する場合、例えば、半導体基板３０１およびクラッド層３０３としてＩｎＰ、第１コア層３０２としてＧａＩｎＡｓＰ、下部クラッド層３０５、第２コア層３０６および上部クラッド層３０７としてポリイミドを用いることができる。この場合、第２コア層３０６には、伝送損失を低減するために、下部クラッド層３０５および上部クラッド層３０７に用いられるポリイミドよりも屈折率の高いポリイミドを用いることが好ましい。また、誘電体膜３０４としては、例えば、ＳｉＮ膜またはＳｉＯ₂膜を単層で用いるようにしてもよいし、ＳｉＮ膜とＳｉＯ₂膜との積層構造を用いるようにしてもよい。なお、第２光導波路Ｒ２２と屈折率が異なっていれば、第１光導波路Ｒ２１および第３光導波路Ｒ２３は必ずしも同一の構造である必要はない。

このように半導体光導波路の一部を他の材料で構成された光導波路で置き換えた場合においても、半導体光導波路とその他の材料で構成された光導波路との結合面における反射率を低減させることができる。また、要求される光導波路の特性に合わせて複数の集積光導波路を接続することができる。
また、第１光導波路Ｒ２１および第３光導波路Ｒ２３を半導体にて構成し、第２光導波路Ｒ２２をポリイミドなどの高分子にて構成することにより、光導波路の屈折率の温度依存性を互いに補償することができ、温度によって光学長が変化しない光導波路を作製したり、光学長により波長選択性を持った温度に依存しない波長フィルタなどを構成したりすることができる。

また、第１光導波路Ｒ２１および第３光導波路Ｒ２３に電極を設け、電流注入により利得を持つように構成することにより、半導体レーザなどの半導体光素子を第１光導波路Ｒ２１および第３光導波路Ｒ２３に形成することができる。また、第１光導波路Ｒ２１および第３光導波路Ｒ２３に回折格子を設け、第１光導波路Ｒ２１および第３光導波路Ｒ２３に波長選択性を持たせることにより、単一波長で動作させることが可能となる。さらに、半導体光導波路とポリイミド光導波路とを接続することにより、屈折率の温度依存性を互いに補償することができ、波長が温度によって変わらない半導体レーザを作製することができる。

図７は、本発明の第４実施形態に係る集積光導波路の概略構成を光導波方向に沿って示す断面図である。
図７において、半導体基板４０１上には、第１光導波路Ｒ３１、第２光導波路Ｒ３２および第３光導波路Ｒ３３が形成されている。ここで、第１光導波路Ｒ３１および第３光導波路Ｒ３３は第２光導波路Ｒ３２に光学的に結合され、第１光導波路Ｒ３１と第２光導波路Ｒ３２との結合面および第２光導波路Ｒ３２と第３光導波路Ｒ３３との結合面には、第１光導波路Ｒ３１、第２光導波路Ｒ３２および第３光導波路Ｒ３３と屈折率の異なる誘電体膜４０４が介挿されている。なお、第２光導波路Ｒ３２は、第１光導波路Ｒ３１および第３光導波路Ｒ３３と屈折率の異なる材料で構成することができ、第２光導波路Ｒ３２と第１光導波路Ｒ３１または第３光導波路Ｒ３３との屈折率差は０．５以上であってもよい。また、誘電体膜４０４の屈折率は、第２光導波路Ｒ３２の屈折率と第１光導波路Ｒ３１または第３光導波路Ｒ３３の屈折率との間の屈折率であることが好ましい。

ここで、第２光導波路Ｒ２２では、半導体基板４０１上に第１コア層４０２が積層され、第１コア層４０２上には、クラッド層４０３が積層されている。そして、半導体基板４０１には、第２光導波路Ｒ３１の両端の第１コア層３０２の垂直面をそれぞれ露出させる段差Ｄ４ａ、Ｄ４ｂが形成されている。そして、段差Ｄ４ａ、Ｄ４ｂには、第１コア層４０２の垂直面を覆うように誘電体膜４０４ａ、４０４ｂがそれぞれ成膜されている。また、第１光導波路Ｒ３１および第３光導波路Ｒ３１では、半導体基板４０１上に誘電体膜４０４ａ、４０４ｂがそれぞれ成膜され、誘電体膜４０４ａ、４０４ｂ上には、段差Ｄ４ａ、Ｄ４ｂをそれぞれ埋め込む埋め込み層４０５ａ、４０５ｂがそれぞれ形成されている。

なお、第２光導波路Ｒ３２を半導体、第１光導波路Ｒ３１および第３光導波路Ｒ３３を半導体以外の材料にて構成する場合、例えば、半導体基板４０１およびクラッド層４０３としてＩｎＰ、第１コア層４０２としてＧａＩｎＡｓＰ、埋め込み層４０５ａ、４０５ｂとしてポリイミドを用いることができる。また、誘電体膜４０４ａ、４０４ｂとしては、例えば、ＳｉＮ膜またはＳｉＯ₂膜を単層で用いるようにしてもよいし、ＳｉＮ膜とＳｉＯ₂膜との積層構造を用いるようにしてもよい。なお、第２光導波路Ｒ３２と屈折率が異なっていれば、第１光導波路Ｒ３１および第３光導波路Ｒ３３は必ずしも同一の構造である必要はない。

このように半導体光導波路の両端に他の材料で構成された光導波路を集積した場合においても、半導体光導波路とその他の材料で構成された光導波路との結合面における反射率を低減させることができる。また、誘電体膜４０４ａ、４０４ｂをＳｉＮ膜とＳｉＯ₂膜との積層構造で形成した場合、ＳｉＮ膜とＳｉＯ₂膜との配置順序を変えることにより、反射波の位相を変えることができ、半導体光導波路とその他の材料で構成された光導波路との結合面における反射率を増加させることもできる。また、半導体以外の材料で構成された光導波路のコア層はなくてもよく、さらに、材料の屈折率が１、すなわち空気であってもよい。また、第２光導波路Ｒ３２に電極を設け、電流注入により利得を持つように構成することにより、へき開によりウェハから素子列を切り出すことなく、半導体レーザを第２光導波路Ｒ３２に形成することができる。

また、エッチングにより半導体基板４０１上に段差Ｄ４ａ、Ｄ４ｂを形成し、ウェハの状態で成膜を行うことにより、異なる方向を向いた複数の垂直面に一度に反射防止膜を形成することができる上、ウェハのままで全ての素子の両端面に一度に形成することができるため、コーティングプロセスを簡略化することができる。

本発明の集積光導波路は、半導体レーザやその他の光半導体素子、あるいはこれらの集積構造に利用することができ、半導体のみでは得られない新しい特性を有する光導波路や光半導体素子を実現することが可能となる。

図１（ａ）は、本発明の第１実施形態に係る集積光導波路の概略構成を光導波方向に沿って示す断面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ´線で切断した断面図、図１（ｃ）は図１（ａ）のＢ−Ｂ´線で切断した断面図である。 図１の集積光導波路における第１導波路Ｒ１と第２導波路Ｒ２との間のＳｉＮ膜１０４の膜厚と反射率との関係を示す図である。 図１の集積光導波路の製造方法の一例を示す断面図である。 本発明の第２実施形態に係る集積光導波路の概略構成を光導波方向に沿って示す断面図である。 図４の集積光導波路における第１導波路Ｒ１１と第２導波路Ｒ１２との間のＳｉＯ₂膜２０４ｂの膜厚と反射率との関係を示す図である。 本発明の第３実施形態に係る集積光導波路の概略構成を光導波方向に沿って示す断面図である。 本発明の第４実施形態に係る集積光導波路の概略構成を光導波方向に沿って示す断面図である。 屈折率差と反射率の関係を示す図である。

符号の説明

Ｒ１、Ｒ１１、Ｒ２１、Ｒ３１ 第１光導波路
Ｒ２、Ｒ１２、Ｒ２２、Ｒ３２ 第２光導波路
Ｒ２３、Ｒ３３ 第３光導波路
Ｄ、Ｄ２、Ｄ３ａ、Ｄ３ｂ、Ｄ４ａ、Ｄ４ｂ 段差
１０１、２０１、３０１、４０１ 半導体基板
１０２、２０２、３０２、４０２ 第１コア層
１０３、２０３、３０３、４０３ クラッド層
１０４、２０４ａ、２０４ｂ、３０４、４０４ａ、４０４ｂ 誘電体膜
１０５、２０５、３０５ 下部クラッド層
１０６、２０６、３０６ 第２コア層
１０７、２０７、３０７ 上部クラッド層
１０８、４０５ａ、４０５ｂ 埋め込み層

Claims (9)

1. 第１光導波路と、
   前記第１光導波路に光学的に結合され、前記第１光導波路と屈折率の異なる第２光導波路と、
   前記第１光導波路と前記第２光導波路との結合面に介挿され、前記第１光導波路および前記第２光導波路と屈折率の異なる誘電体膜とを備えることを特徴とする集積光導波路。
2. 基板上に形成された第１光導波路と、
   前記第１光導波路の垂直面を露出させるように前記基板に形成された段差と、
   前記段差を埋め込むように前記基板上に形成され、前記第１光導波路と屈折率の異なる第２光導波路と、
   少なくとも前記段差部分の垂直面に成膜され、前記第１光導波路および前記第２光導波路と屈折率の異なる誘電体膜とを備えることを特徴とする集積光導波路。
3. 前記誘電体膜は、前記第１光導波路および前記第２光導波路の双方と屈折率の異なる単層膜または互いに屈折率の異なる材料が積層された多層膜であることを特徴とする請求項１または２記載の集積光導波路。
4. 前記第１光導波路と前記第２光導波路との屈折率差は０．５以上であり、前記単層膜または前記多層膜の少なくとも一層の屈折率は、前記第１光導波路の屈折率と前記第２光導波路の屈折率との間の屈折率であることを特徴とする請求項３記載の集積光導波路。
5. 前記第１光導波路および前記第２光導波路は半導体基板上に形成され、前記第１光導波路または前記第２光導波路の少なくともいずれか一方の一部もしくは全部が半導体であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載の集積光導波路。
6. 前記第１光導波路および前記第２光導波路を伝搬する光の波長をλ₀、前記単層膜または前記多層膜の少なくとも一層の屈折率をＮ_iとすると、前記単層膜または前記多層膜の少なくとも一層の膜厚が、
   （λ₀／（８Ｎ_i）〜３λ₀／（８Ｎ_i））＋λ₀／（２Ｎ_i）×ｍ
   （ｍ＝０，１，２，・・・）
   であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項記載の集積光導波路。
7. 請求項１〜６のいずれか１項記載の集積光導波路の少なくとも１種類が２つ以上縦続接続されていることを特徴とする集積光導波路。
8. 請求項１〜７のいずれか１項記載の集積光導波路が用いられていることを特徴とする光素子。
9. 基板上に第１光導波路を形成する工程と、
   前記第１光導波路のエッチング加工を行うことにより、前記第１光導波路の垂直面を露出させる段差を前記基板に形成する工程と、
   前記第１光導波路と屈折率の異なる誘電体膜を前記段差部分の垂直面に成膜する工程と、
   前記第１光導波路および前記誘電体膜と屈折率の異なる第２光導波路を前記段差に埋め込む工程とを備えることを特徴とする集積光導波路の製造方法。

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