JP2008198944A

JP2008198944A - 半導体光集積素子

Info

Publication number: JP2008198944A
Application number: JP2007035318A
Authority: JP
Inventors: Shinsuke Tanaka; 信介田中; Takeshi Morito; 健森戸
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2007-02-15
Filing date: 2007-02-15
Publication date: 2008-08-28
Also published as: US20080199128A1; EP1959278A1

Abstract

【課題】互いに等価屈折率の異なる異種の光導波路間における光信号の反射を生ぜしめることなく、光結合における反射損失及び放射損失の発生を可及的に抑止し、極めて良好な光結合特性を得ることができる信頼性の高い半導体光集積素子を実現する。
【解決手段】単一の半導体基板１上に互いに等価屈折率の異なる第１の光導波路２と第２の光導波路３とが並列配設されており、両者の光導波路２，３間における光結合を行う方向性結合器が構成される。第１の光導波路２を伝播してきた第１の光導波モードＭ₁の光信号は、両者の光導波路２，３が平行に隣接する方向性結合器領域４内で生ずる光導波モードの変換作用により、第２の光導波路３を伝播する、第１の光導波モードＭ₁と異なる第２の光導波モードＭ₂にほぼ完全に変換され、出力される。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体基板上に２種の光導波路が形成されている半導体光集積素子に関する。

近年、急激に増加し続けるデータ量に対応するため、急速に導入が進んでいるフォトニックネットワークには、更なる大容量化・高機能化が求められている。また、このようなフォトニックネットワーク中で用いる光源、光増幅器、光検出器等として重要な構成要素となっている光半導体集積素子には、単一の半導体基板上への複数素子の集積化や複数機能の集積化による小型化及び高機能化が求められている。

例えば、発振波長の異なる複数の半導体レーザと、半導体光増幅器、光導波路、光合波器とを組み合わせた広帯域波長可変レーザや、複数の半導体光増幅器と光導波路、光合波器とを組み合わせた光ゲートスイッチアレイ等の、様々な形状及び機能を持った光半導体集積素子が提案され、開発が進められている。

半導体光集積素子は、複数の半導体レーザ、半導体光増幅器（以下、単にＳＯＡと記す。）、位相制御器、光検出器等の活性領域と、光信号を伝播させる光導波路や光結合器等の光パッシブ領域とが組み合わされた構成を有する。これら半導体光集積素子では、当該素子内の構成要素それぞれにおいて良好な特性を得るため、各領域毎に最適な導波路設計を施すことが好ましい。その結果、半導体光集積素子内の各領域では、光コア層の材料として互いに異なった屈折率を持つ半導体材料が用いられたり、異なった導波路形状（光コア層の厚さ及び幅等）を持つ。

特願平９−１９７１５４号公報

上記のように、活性領域を構成する光導波路と光パッシブ領域を構成する光導波路とを有する半導体光集積素子では、各光導波路においては光導波モードが感じる等価屈折率が異なる。このような構造を持つ半導体光集積素子においては、異種の光導波路間における光結合が大きな課題となる。

従来における、２種の互いに等価屈折率の異なる光導波路により光結合を得る半導体光集積素子の一例を図１に示す。
この半導体光集積素子は、半導体基板１０１上に互いに等価屈折率の異なる光導波路１０２，１０３が設けられており、光導波路１０２，１０３が所謂バットジョイント接合によりこれらの光軸方向に縦列接続（突き当て接続）され、光導波路１０２，１０３が光結合するように構成されている。

しかしながらこの半導体光集積素子では、光導波路１０２，１０３の等価屈折率が異なるために、各光導波路を伝播する光導波モードの不一致、及びバットジョイントの近傍における層厚、材料組成のズレや界面の不均一性に起因して、バットジョイントで反射・放射現象が生じる。これにより、大きな放射損失及び反射損失が発生し、光導波路間の光結合効率が低下する。

この問題を解決するためには、（１）突き当て結合を構成する両導波路間の等価屈折率をそろえる、（２）両導波路内を導波する光導波モードの形状を一致させ、その光軸高さ（光導波モードの中心軸の半導体基板からの高さ）も揃えた構造とする等の施策が有効であるが、これらの施策は半導体光集積素子の各導波路の独立最適化による素子特性の向上とトレードオフの関係にある。

また、特許文献１には、２種の光導波路間で突き当て結合を行う際に、光導波路間の接合面を光軸方向に垂直な面に対して交差する面に形成し、接合面における反射光を光導波路以外の領域へ吸収させる技術が開示されている。しかしながらこの場合、その構成上、接合面において当然に反射損失が発生し光結合効率の低下は免れず、しかも反射光を完全に光導波路以外の領域へ吸収させることは不可能である。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、互いに等価屈折率の異なる異種の光導波路間における光信号の反射を生ぜしめることなく、光結合における反射損失及び放射損失の発生を可及的に抑止し、極めて良好な光結合特性を実現する信頼性の高い半導体光集積素子を提供することを目的とする。

本発明の半導体光集積素子は、単一の半導体基板と、前記半導体基板上に形成された、互いに等価屈折率の異なる第１の光導波路及び第２の光導波路とを含み、前記第１の光導波路から前記第２の光導波路に光信号を伝播させる半導体光集積素子であって、前記第１の光導波路と前記第２の光導波路とが前記半導体基板上で並列して設けられ、前記第１の光導波路と前記第２の光導波路とが隣接する部位に、前記第１の光導波路と前記第２の光導波路との間における光結合を行う方向性結合器が形成されており、前記第１の光導波路における第１の光導波モードの光信号を、前記第２の光導波路における第２の光導波モードの光信号に変換して出力する。

本発明によれば、互いに等価屈折率の異なる異種の光導波路間における光信号の反射を生ぜしめることなく、光結合における反射損失及び放射損失の発生を可及的に抑止し、極めて良好な光結合特性を得ることができる信頼性の高い半導体光集積素子が実現する。

−本発明の基本骨子−
本発明者は、２種の互いに等価屈折率の異なる光導波路により光結合を得る半導体光集積素子において、両光導波路を突き合せ接合法で光結合させる構成が、放射損失及び反射損失を発生させる主因となっている事実に鑑み、両光導波路のバットジョイントが光結合に関与しない構成を実現すべく鋭意検討した結果、本発明に想到した。

本発明の半導体光集積素子では、単一の半導体基板上に、互いに等価屈折率の異なる第１の光導波路及び第２の光導波路を並列して配置し、両者の光導波路が隣接する部位に両者の光導波路間における光結合を行う方向性結合器を形成し、第１の光導波路における第１の光導波モードの光信号を、第２の光導波路における第２の光導波モードの光信号に変換して出力する。この構成により、当該方向性結合器における光導波モードの変換作用により、両者の光導波路間で良好な光結合特性が実現する。

図２は、本発明の半導体光集積素子の主要構成を示す概略平面図である。
本発明の半導体光集積素子では、単一の半導体基板１上に互いに等価屈折率の異なる第１の光導波路２と第２の光導波路３とが並列配設されており、両者の光導波路２，３間における光結合を行う方向性結合器が構成される。第１の光導波路２を伝播してきた第１の光導波モードＭ₁の光信号は、両者の光導波路２，３が平行に隣接する方向性結合器領域４内で生ずる光導波モードの変換作用により、第２の光導波路３を伝播する、第１の光導波モードＭ₁と異なる第２の光導波モードＭ₂にほぼ完全に変換され、出力される。なお、図２には、製造工程で除去されたバットジョイントを示す。

方向性結合器領域４では、その長さ（結合長：Ｌｃ）と両導波路の間隔（Ｗ）が第１及び第２の光導波路２，３の構造（屈折率、寸法）に応じて最も結合効率が高くなるように設計される。この構成により、ほぼ１００％の高い光変換効率が実現可能である。ここで、厳密に理論的には、両者の光導波路の等価屈折率が同一でなければ、完全に１００％の変換効率は得られない。本発明では、両者の光導波路に等価屈折率に大きな差があったり、両者の光導波路の光導波モードが大きく異なる場合においても、光導波路間における反射損失及び放射損失の発生を可及的に抑止し、極めて高い結合効率を得ることができる。

具体的に、方向性結合器では、伝搬係数β⁽¹⁾，β⁽²⁾を有する第１及び第２の光導波路からなる、方向性結合器のパワー変換効率Ｆは、
Ｆ＝１／［１＋｛（β⁽¹⁾−β⁽²⁾）／２｜Ｋ₁₂｜｝²］・・・（１）
で表される。ここで、Ｋ₁₂は両者の光導波路の結合係数であり、導波路間隔Ｗを初めとする多数の構造パラメータから決定される値である。

また、上記の方向性結合器において、最も高いパワー変換効率が実現される方向性結合器の長さＬｃは、
Ｌｃ＝π／２［｛（β⁽¹⁾−β⁽²⁾）／２｝²＋｜Ｋ₁₂｜²］^1/2・・・（２）
で与えられる。

本発明では、上記の方向性結合器を作製するに際して、（１）式に基づいて、与えられた２本の光導波路に対して、このＫ₁₂が最も大きくなるように導波路間隔W、各光導波路の幅を設計するとともに、（２）式に基づいて、方向性結合器において最大のパワー変換効率を得るように、方向性結合器の長さＬｃを設計する。

本発明の半導体光集積素子では、第１及び第２の光導波路の等価屈折率、コア層材料、導波路形状が著しく異なる状況下においても、適当な結合長Ｌｃ、両者の光導波路の間隔Ｗ、及び各導波路の幅を適宜設計することにより、反射損失や放射損失が極めて小さく高効率な光結合を得ることが可能である。

また、従来技術で問題であったバットジョイント付近における両者の光導波路の層厚、材料組成のズレや界面の不均一性に起因した反射・放射現象に関しても、本発明の半導体光集積素子では、光伝播方向に異種材料のバットジョイントを有しないため、当該問題を根本的に解決できる。

更に、本発明の半導体光集積素子では、両者の光導波路の高さの差に殆ど影響を受けないため、互いに光軸高さの異なる導波路間でも高効率な光結合を容易に実現することができる。

−本発明を適用した具体的な諸実施形態−
以下、本発明を適用した具体的な諸実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

（第１の実施形態）
本実施形態では、図２に示した主要構成を含む半導体光集積素子について、その製造方法の具体的な一例を説明する。ここでは、第１の光導波路２として活性領域を構成するＳＯＡ光導波路と、第２の光導波路３として光パッシブ領域を構成する光導波路とが、同一の半導体基板上に集積された半導体光集積素子について例示する。これに伴って本実施形態では、第１の光導波路２をＳＯＡ光導波路１０、第２の光導波路３を光導波路２０と記す。

図３及び図４は、図２に示した主要構成を含む半導体光集積素子の製造方法を工程順に示す概略断面図であり、図４（ｃ）では、第１の実施形態による半導体光集積素子の完成形態を示す。図５は、図４（ｃ）に対応した半導体光集積素子の概略平面図であり、図４（ｃ）が図５の断面に相当する。各図において、左側がＳＯＡ光導波路１０の形成領域（ＳＯＡ形成領域）１０ａ、右側が光導波路２０の形成領域（光導波路形成領域）２０ａをそれぞれ表している。

先ず、図３（ａ）に示すように、半導体基板１上に、ＳＯＡの活性層構造（兼導波路構造）の構成材料である下部クラッド層１１、下部分離閉じ込め（ＳＣＨ）層１２、活性層１３、上部ＳＣＨ層１４、及び上部クラッド層１５を順次形成する。

詳細には、例えばｎ型の導電型とされたＩｎＰ（ｎ−ＩｎＰ）基板である半導体基板１上に、例えば有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）を用いて、ｎ−ＩｎＰ層（厚み５００ｎｍ程度）、不純物濃度の低い真性半導体状態のＩｎＧａＡｓＰ（ｉ−ＩｎＧａＡｓＰ）層（厚み１００ｎｍ程度、組成波長１．２μｍ程度）、ｉ−ＩｎＧａＡｓ層（厚み５０ｎｍ程度、組成波長１．５５μｍ程度）、ｉ−ＩｎＧａＡｓＰ層（厚み１００ｎｍ程度、組成波長１．２μｍ程度）、ｐ型の導電型とされたＩｎＰ（ｐ−ＩｎＰ）層（厚み２００ｎｍ程度）を順次積層する。これにより、半導体基板１上に、下部クラッド層１１、下部ＳＣＨ層１２、活性層１３、上部ＳＣＨ層１４、及び上部クラッド層１５が積層形成される。

続いて、図３（ｂ）に示すように、上記のように形成したＳＯＡの活性層構造のうち下部クラッド層１１を残して、光導波路形成領域２０ａの部分を除去する。
詳細には、先ず、上部クラッド層１５上の全面を覆うようにマスク材料、ここではシリコン酸化膜を堆積し、このシリコン酸化膜をリソグラフィー及びドライエッチングにより加工して、ＳＯＡ形成領域１０ａを覆い、光導波路形成領域２０ａを露出させるマスク層１６を形成する。

次に、マスク層１６を用いて、上部クラッド層１５、上部ＳＣＨ層１４、活性層１３、及び下部ＳＣＨ層１２をエッチングする。これにより、光導波路形成領域２０ａの下部ＳＣＨ層１２、活性層１３、上部ＳＣＨ層１４、及び上部クラッド層１５が除去される。

続いて、図３（ｃ）に示すように、光導波路形成領域２０ａのみに導波路層１７及び上部クラッド層１８を形成する。
詳細には、光導波路形成領域２０ａで露出した下部クラッド層１１上に、光導波路構造を再成長（バットジョイント成長）させる。例えばＭＯＶＰＥ法を用いて、ｉ−ＩｎＧａＡｓＰ層（厚み２００ｎｍ程度、組成波長１．３μｍ程度）、及びｐ−ＩｎＰ層（厚み２５０ｎｍ程度）を順次積層する。これにより、光導波路形成領域２０ａで露出した下部クラッド層１１上に、導波路層１７及び上部クラッド層１８が積層形成される。このとき、ＳＯＡ形成領域１０ａの下部ＳＣＨ層１２、活性層１３、上部ＳＣＨ層１４、及び上部クラッド層１５と側面で接触するように、光導波路形成領域２０ａに導波路層１７及び上部クラッド層１８が形成され、バットジョイント接合面が形成される。
その後、マスク層１６を、例えば所定のウェットエッチングにより除去する。

続いて、図４（ａ）に示すように、第１の光導波路であるＳＯＡ光導波路１０を形成するための第１のマスク層１９ａと、第２の光導波路３である光導波路２０を形成するための第２のマスク層１９ｂをそれぞれ形成する。
詳細には、先ず、上部クラッド層１５，１８上の全面を覆うようにマスク材料、ここではシリコン酸化膜を堆積し、このシリコン酸化膜をリソグラフィー及びドライエッチングにより加工して、ＳＯＡ形成領域１０ａには図２の第１の光導波路２と同様の平面形状を有する第１のマスク層１９ａを、光導波路形成領域２０ａ図２の第２の光導波路３と同様の平面形状を有する第２のマスク層１９ｂを、それぞれ形成する。ここで、第１及び第２のマスク層１９ａの平面形状は、図２の方向性結合器の平面形状を含む形状となる。このとき、第１及び第２のマスク層１９ａ，１９ｂは、両者のほぼ中間部位にバットジョイントの界面が位置するように形成することが好ましい。

続いて、図４（ｂ）に示すように、第１の光導波路であるＳＯＡ光導波路１０、及び第２の光導波路３である光導波路２０を形成する。
詳細には、第１及び第２のマスク層１９ａ，１９ｂを用いて、例えばＩＣＰ−ＲＩＥ法等のドライエッチングにより、ＳＯＡ形成領域１０ａでは上部クラッド層１５、上部ＳＣＨ層１４、活性層１３、下部ＳＣＨ層１２、及び下部クラッド層１１を、光導波路形成領域２０ａでは上部クラッド層１８、導波路層１７、及び下部クラッド層１１を同時にメサ形状に加工する。これにより、ＳＯＡ形成領域１０ａには、下部クラッド層１１、下部ＳＣＨ層１２、活性層１３、上部ＳＣＨ層１４、及び上部クラッド層１５からなり、第１の光導波路であるＳＯＡ光導波路１０が、光導波路形成領域２０ａには、下部クラッド層１１、導波路層１７、及び上部クラッド層１８からなり、第２の光導波路３である光導波路２０がそれぞれ形成される。

例えば、ＳＯＡ光導波路１０の幅が１．３μｍ程度、光導波路２０の幅が２．５μｍ程度、方向性結合器領域４の結合長（Ｌｃ）が３３０μｍ程度、両者の光導波路の間隔（Ｗ）が１．０μｍ程度に設定される。ここで、ＳＯＡ光導波路１０では下部ＳＣＨ層１２、活性層１３、及び上部ＳＣＨ層１４からなる部分が、光導波路２０では導波路層１７の部分がそれぞれ光コア層となる。上記のように、ＳＯＡ光導波路１０と光導波路２０とは、互いに異なる半導体材料からなる光コア層を有し、各光コア層の中心部位から前記半導体基板までの高さが互いに異なる、互いに等価屈折率の異なる光導波路として形成される。

当該ドライエッチングにおいて、第１及び第２のマスク層１９ａ，１９ｂのほぼ中間部位にバットジョイントの界面が位置しているため、ＳＯＡ光導波路１０及び光導波路２０の形成と共に、バットジョイント接合面が完全に除去されることになる。

更に、このドライエッチングにおいて、図２に示したように、第１の光導波路２、即ちＳＯＡ光導波路１０の（光信号の進行方向を基準とした）終端部、及び第２の光導波路３、即ち光導波路２０の（光信号の進行方向を基準とした）始端部を、それぞれ幅テーパ構造（先細り形状）で且つ光信号の光導波路の長手方向に対して非対称形状、即ち言わば刀形状の端部とする。このような形状にＳＯＡ光導波路１０及び光導波路２０を形成することにより、仮に光信号の反射が生じた場合でも、反射光を光導波路以外の領域へ吸収させることができるため、方向性結合器領域４における反射率低減の効果を更に向上させることができる。

続いて、図４（ｃ）及び図５に示すように、ブロック層２１，２２、クラッド層２３、コンタクト層２４、及び一対の電極２５ａ，２５ｂを順次形成する。
詳細には、先ず、第１及び第２のマスク層１９ａ，１９ｂが形成された状態で、例えばＭＯＶＰＥ法を用いて、ＳＯＡ光導波路１０及び光導波路２０の両脇部分を埋め込むように、ｐ−ＩｎＰ層及びｎ−ＩｎＰ層を順次成長し、電流狭窄構造となるブロック層２１，２２を形成する。

次に、第１及び第２のマスク層１９ａ，１９ｂを、例えば所定のウェットエッチングにより除去する。その後、ｐ−ＩｎＰ層（厚み３μｍ程度）及びＩｎＧａＡｓＰ層（厚み１００ｎｍ程度、組成波長１．３μｍ程度）を順次成長する。このとき、ｐ−ＩｎＰ層によりクラッド層２３が形成される。

次に、クラッド層２３上にｐ−ＩｎＧａＡｓＰ層を成長し、当該ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ層を、クラッド層２３上のＳＯＡ光導波路１０の上方に相当する部分のみに残すように、即ちＳＯＡ光導波路１０の上方で当該ＳＯＡ光導波路１０の平面形状に倣って覆う形状に加工し、コンタクト層２４を形成する。

しかる後、コンタクト層２４上には電極２５ａを、半導体基板１の裏面の全体には電極２５ｂをそれぞれ形成する。電極２５ａは、特に図５に示すように、コンタクト層２４と同様に、ＳＯＡ光導波路１０の上方で当該ＳＯＡ光導波路１０の平面形状に倣って覆う形状とされる。ここで、一対の電極２５ａ，２５ｂは、通常の半導体レーザで用いられている電極と同様のものである。ＳＯＡ光導波路１０では、電極２５ａが正極、電極２５ｂが負極となるようにバイアス電圧が印加される（電流が注入される）。
以上により、本実施形態による半導体光集積素子を完成させる。

なお、本実施形態では、電流狭窄構造となるブロック層２１，２２としてｐ−ＩｎＰ層及びｎ−ＩｎＰ層を用いた場合を例示したが、ｐ−ＩｎＰ層及びｎ−ＩｎＰ層の代わりに高抵抗ＩｎＰ層を用いて電流狭窄構造を形成する場合でも、上記の同等の製法で作製可能であり本発明を同様に実施可能である。また、各製造工程における手法や順序はこの限りではなく、他の工程・手法を用いた場合でも本発明は実施可能である。また、使用する半導体基板、各層の構成(厚さ、組成、材料)等についても上記に示した限りではなく、いかなる組み合わせを持った素子においても正しく結合長Ｌｃ及び導波路の間隔Ｗを設定することで本発明は実施可能である。

以上説明したように、本実施形態によれば、互いに等価屈折率の異なる異種の光導波路間における光信号の反射を生ぜしめることなく、光結合における反射損失及び放射損失の発生を可及的に抑止し、極めて良好な光結合特性を得ることができる信頼性の高い半導体光集積素子が実現する。

−変形例−
ここで、第１の実施形態の諸変形例について説明する。

（変形例１）
変形例１では、第１の実施形態と同様に、互いに等価屈折率の異なるＳＯＡ光導波路と光導波路とを備えた半導体光集積素子を開示するが、所定の構成部材の厚み・幅等が異なる点で相違する。

本例では先ず、第１の実施形態と同様に、図３（ａ），（ｂ）の各工程を行う。その後、図３（ｃ）の工程において、光導波路形成領域２０ａで露出した下部クラッド層１１上に、光導波路構造を再成長（バットジョイント成長）させる際に、例えばＭＯＶＰＥ法を用いて、ｉ−ＩｎＧａＡｓＰ層（厚み４００ｎｍ程度、組成波長１．３μｍ程度）、及びｐ−ＩｎＰ層（厚み５０ｎｍ程度）を順次積層する。これにより、光導波路形成領域２０ａで露出した下部クラッド層１１上に、第１の実施形態とは厚みの異なる導波路層１７及び上部クラッド層１８が積層形成される。

続いて、図４（ａ），（ｂ）の工程において、第１及び第２のマスク層１９ａ，１９ｂを用いた例えばＩＣＰ−ＲＩＥ法等のドライエッチングを行い、図２と同様の形状であり、幅が２．５μｍ程度のＳＯＡ光導波路１０と、幅が０．５μｍ程度の光導波路２０を同時形成する。ここで、図２において、方向性結合器領域４の結合長（Ｌｃ）が７０μｍ程度、両者の光導波路の間隔（Ｗ）が０．５μｍ程度に設定される。

本例においても、第１の実施形態と同様に、上記のにおいて、第１及び第２のマスク層１９ａ，１９ｂのほぼ中間部位にバットジョイントの界面が位置しているため、ＳＯＡ光導波路１０及び光導波路２０の形成と共に、バットジョイント接合面が完全に除去される。

また、第１の実施形態と同様に、ＳＯＡ光導波路１０と光導波路２０とは、互いに異なる半導体材料からなる光コア層を有し、各光コア層の中心部位から前記半導体基板までの高さが互いに異なる、互いに等価屈折率の異なる光導波路として形成される。

また、第１の実施形態と同様に、第１の光導波路２、即ちＳＯＡ光導波路１０の終端部、及び第２の光導波路３、即ち光導波路２０の始端部を、それぞれ幅テーパ構造（先細り形状）で且つ光信号の光導波路の長手方向に対して非対称形状、即ち言わば刀型形状の端部とする。

しかる後、図４（ｃ）と同様に、ブロック層２１，２２、クラッド層２３、コンタクト層２４、及び一対の電極２５ａ，２５ｂを順次形成し、本例による半導体光集積素子を完成させる。

以上説明したように、変形例１によれば、互いに等価屈折率の異なる異種の光導波路間における光信号の反射を生ぜしめることなく、光結合における反射損失及び放射損失の発生を可及的に抑止し、極めて良好な光結合特性を得ることができる信頼性の高い半導体光集積素子が実現する。

（変形例２）
変形例２では、第１の実施形態と同様に、互いに等価屈折率の異なるＳＯＡ光導波路と光導波路とを備えた半導体光集積素子を開示するが、ＳＯＡ光導波路の終端に光吸収領域を設ける点で相違する。
図６は、第１の実施形態の変形例２における半導体光集積素子の完成形態を示す概略平面図である。

本例では、第１の実施形態と同様に、図３（ａ）〜（ｃ），図４（ａ），（ｂ）の各工程を行う。ここで、図４（ｂ）の工程において、ＳＯＡ光導波路１０の終端部（入力側と反対側の端部）の形状を、上記した刀形状に形成することが望ましいが、ＳＯＡ光導波路１０の他の部分と同一形状としても良い。その後、図４（ｃ）の工程において、第１の実施形態と同様に、ブロック層２１，２２を形成し、第１及び第２のマスク層１９ａ，１９ｂを除去した後、クラッド層２３を形成する。

次に、クラッド層２３上にｐ−ＩｎＧａＡｓＰ層を成長する。そして、当該p−ＩｎＧａＡｓＰ層を、クラッド層２３上のＳＯＡ光導波路１０（ＳＯＡ光導波路１０の終端部を除く）の上方に相当する部分のみに残すように加工し、コンタクト層２４を形成する。即ちこの場合、コンタクト層２４は、ＳＯＡ光導波路１０の上方で当該ＳＯＡ光導波路１０の平面形状に倣って覆うように形成されるが、ＳＯＡ光導波路１０の終端部の上方には形成されない。

しかる後、コンタクト層２４上には電極２５ａを、半導体基板１の裏面の全体には電極２５ｂをそれぞれ形成する。電極２５ａは、図６に示すように、コンタクト層２４と同様に、ＳＯＡ光導波路１０の終端部の上方を除き、ＳＯＡ光導波路１０の上方で当該ＳＯＡ光導波路１０の平面形状に倣って覆う形状とされる。上方に電極２５ａを欠く、ＳＯＡ光導波路１０の終端部が光吸収領域１０ｂとなる。

ここで、一対の電極２５ａ，２５ｂは、通常の半導体レーザで用いられている電極と同様のものである。ＳＯＡ光導波路１０では、電極２５ａが正極、電極２５ｂが負極となるようにバイアス電圧が印加される（電流が注入される）。
以上により、本実施形態による半導体光集積素子を完成させる。

本例の半導体光集積素子では、ＳＯＡ光導波路１０を伝播し、方向性結合器領域４で光導波路２０に光結合しなかった光成分が生じた場合でも、ＳＯＡ光導波路１０の電流が注入されない活性層部分である光吸収領域１０ｂにおいて、当該光成分が全て吸収される。この構成により、不要な反射戻り光や迷光の発生が防止される。

以上説明したように、変形例２によれば、互いに等価屈折率の異なる異種の光導波路間における光信号の反射を生ぜしめることなく、光結合における反射損失及び放射損失の発生を可及的に抑止し、極めて良好な光結合特性を得ることができる信頼性の高い半導体光集積素子が実現する。

（第２の実施形態）
本実施形態の半導体光集積素子では、第１の実施形態で説明したＳＯＡ光導波路１０と同一の光導波路構造を、ＳＯＡ光導波路として用いる代わりに、自然放出光（ＡＳＥ）光源として用いる。この場合、ＳＯＡ光導波路１０と同様に、電極２５ａが正極、電極２５ｂが負極となるようにバイアス電圧が印加される（電流が注入される）。

なお、本実施形態でも、第１の実施形態の変形例２と同様に、ＡＳＥ光源の終端部に光吸収領域を設けても好適である。

本実施形態によれば、互いに等価屈折率の異なる異種の光導波路間における光信号の反射を生ぜしめることなく、光結合における反射損失及び放射損失の発生を可及的に抑止し、極めて良好な光結合特性を得ることができる信頼性の高い半導体光集積素子が実現する。

（第３の実施形態）
本実施形態の半導体光集積素子では、第１の実施形態で説明したＳＯＡ光導波路１０と同一の光導波路構造を、ＳＯＡ光導波路として用いる代わりに、光信号を検出する光検出器として用いる。この場合、ＳＯＡ光導波路１０とは逆に、電極２５ａが負極、電極２５ｂが正極となるようにバイアス電圧が印加される。

なお、本実施形態でも、第１の実施形態の変形例２と同様に、光検出器の終端部に光吸収領域を設けても好適である。

（第４の実施形態）
本実施形態の半導体光集積素子では、第１の実施形態で説明したＳＯＡ光導波路１０と同一の光導波路構造を、ＳＯＡ光導波路として用いる代わりに、光信号の振幅、位相、周波数、方向等を変調する光変調器として用いる。この光変調器では、その光コア層を構成する活性層１３の材料として、第１の実施形態におけるＳＯＡ光導波路１０の活性層１３の材料であるｉ−ＩｎＧａＡｓ層（厚み５０ｎｍ程度、組成波長１．５５μｍ程度）の代わりに、ｉ−ＩｎＧａＡｓＰ層（厚み５０ｎｍ程度、組成波長１．４μｍ程度）を用いる。

この場合、ＳＯＡ光導波路１０とは逆に、電極２５ａが負極、電極２５ｂが正極となるようにバイアス電圧が印加される。

（第５の実施形態）
本実施形態の半導体光集積素子では、第１の実施形態で説明したＳＯＡ光導波路１０と同一の光導波路構造を、ＳＯＡ光導波路として用いる代わりに、電流注入又は光励起により光信号を発生する、例えばＤＦＢレーザ等の光発振器として用いる。

図７は、第５の実施形態による半導体光集積素子の製造方法の各工程のうち、主要工程を示す概略断面図であり、順に第１の実施形態における図３（ａ），図４（ｂ）に相当する。図８は、図７（ｂ）に対応した概略平面図であり、図７（ｂ）が図８の断面に相当する。各図において、左側が光発振器導波路３０の形成領域（光発振器導波路形成領域）３０ａ、右側が光導波路２０の形成領域（光導波路形成領域）２０ａをそれぞれ表している。

第５の実施形態による半導体光集積素子を作製するには、先ず図７（ａ）に示すように、半導体基板１上に、回折格子層３１、ＳＯＡの活性層構造（兼導波路構造）の構成材料である下部クラッド層１１、下部分離閉じ込め（ＳＣＨ）層１２、活性層１３、上部ＳＣＨ層１４、及び上部クラッド層１５を順次形成する。

詳細には、例えばｎ型の導電型とされたＩｎＰ（ｎ−ＩｎＰ）基板である半導体基板１上に、ＥＢ露光装置を用いて図８の３０ｂ（前段部分）のみに局所的に回折格子マスクを形成し、３０ｂに回折格子構造３１を形成する。

次に、例えば有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）を用いて、回折格子３１を形成した半導体基板上にｎ−ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層（厚さ５０ｎｍ程度、組成波長１．１μｍ程度）、ｎ−ＩｎＰ層（厚み５００ｎｍ程度）、不純物濃度の低い真性半導体状態のＩｎＧａＡｓＰ（ｉ−ＩｎＧａＡｓＰ）層（厚み１００ｎｍ程度、組成波長１．２μｍ程度）、ｉ−ＩｎＧａＡｓ層（厚み５０ｎｍ程度、組成波長１．５５μｍ程度）、ｉ−ＩｎＧａＡｓＰ層（厚み１００ｎｍ程度、組成波長１．２μｍ程度）、ｐ型の導電型とされたＩｎＰ（ｐ−ＩｎＰ）層（厚み２００ｎｍ程度）を順次積層する。これにより、半導体基板１上に、回折格子層３１を埋め込む下部クラッド層１１、下部ＳＣＨ層１２、活性層１３、上部ＳＣＨ層１４、及び上部クラッド層１５が積層形成される。

続いて、第１の実施形態における図３（ｂ），図３（ｃ），図４（ａ）の各工程を行った後、図７（ｂ）に示すように、第１の光導波路である光発振器導波路３０、及び第２の光導波路３である光導波路２０を形成する。

詳細には、第１及び第２のマスク層１９ａ，１９ｂを用いて、例えばＩＣＰ−ＲＩＥ法等のドライエッチングにより、光発振器導波路形成領域３０ａでは上部クラッド層１５、上部ＳＣＨ層１４、活性層１３、下部ＳＣＨ層１２、下部クラッド層１１、及び回折格子層３１を、光導波路形成領域２０ａでは上部クラッド層１８、導波路層１７、及び下部クラッド層１１を同時にメサ形状に加工する。これにより、光発振器導波路形成領域３０ａには、回折格子層３１、下部クラッド層１１、下部ＳＣＨ層１２、活性層１３、上部ＳＣＨ層１４、及び上部クラッド層１５からなり、第１の光導波路である光発振器導波路３０が、光導波路形成領域２０ａには、下部クラッド層１１、導波路層１７、及び上部クラッド層１８からなり、第２の光導波路３である光導波路２０がそれぞれ形成される。

更に、このドライエッチングにおいて、第１及び第２のマスク層１９ａ，１９ｂのほぼ中間部位にバットジョイントの界面が位置しているため、光発振器導波路３０及び光導波路２０の形成と共に、バットジョイント接合面が完全に除去されることになる。

更に、このドライエッチングにおいて、図８に示したように、第１の光導波路２、即ち光発振器導波路３０の終端部、及び第２の光導波路３、即ち光導波路２０の始端部を、それぞれ幅テーパ構造（先細り形状）で且つ光信号の光導波路の長手方向に対して非対称形状、即ち言わば刀形状の端部とする。このような形状に光発振器導波路３０及び光導波路２０を形成することにより、仮に光信号の反射が生じた場合でも、反射光を光導波路以外の領域へ吸収させることができるため、方向性結合器領域３２における反射率低減の効果を更に向上させることができる。

しかる後、図４（ｃ）と同様に、ブロック層２１，２２、クラッド層２３、コンタクト層２４、及び一対の電極２５ａ，２５ｂを順次形成し、本実施形態による半導体光集積素子を完成させる。
光発振器導波路３０では、第１の実施形態におけるＳＯＡ光導波路１０と同様に、電極２５ａが正極、電極２５ｂが負極となるようにバイアス電圧が印加される（電流が注入される）。

なお、本実施形態でも、第１の実施形態の変形例２と同様に、ＤＦＢレーザ光源の終端部に光吸収領域を設けても好適である。

従来における、２種の互いに等価屈折率の異なる光導波路により光結合を得る半導体光集積素子の一例を示す概略平面図である。本発明の半導体光集積素子の主要構成を示す概略平面図である。図２に示した主要構成を含む半導体光集積素子の製造方法を工程順に示す概略断面図である。図３に引き続き、図２に示した主要構成を含む半導体光集積素子の製造方法を工程順に示す概略断面図である。図４（ｃ）に対応した半導体光集積素子の概略平面図である。第１の実施形態の変形例２における半導体光集積素子の完成形態を示す概略平面図である。第５の実施形態による半導体光集積素子の製造方法の各工程のうち、主要工程を示す概略断面図である。図７（ｂ）に対応した概略平面図である。

符号の説明

１半導体基板
２第１の光導波路２
３第２の光導波路
４方向性結合器領域
１０ＳＯＡ光導波路
１０ａＳＯＡ形成領域
１０ｂ光吸収領域
２０光導波路
２０ａ光導波路形成領域
１１下部クラッド層
１２下部分離閉じ込め（ＳＣＨ）層
１３活性層
１４上部ＳＣＨ層
１５上部クラッド層
１６マスク層
１７導波路層
１８上部クラッド層
１９ａ第１のマスク層
１９ｂ第２のマスク層
２１，２２ブロック層
２３クラッド層
２４コンタクト層
２５ａ，２５ｂ一対の電極
３０光発振器導波路
３０ａ光発振器導波路形成領域
３１回折格子層

Claims

単一の半導体基板と、
前記半導体基板上に形成された、互いに等価屈折率の異なる第１の光導波路及び第２の光導波路と
を含み、前記第１の光導波路から前記第２の光導波路に光信号を伝播させる半導体光集積素子であって、
前記第１の光導波路と前記第２の光導波路とが前記半導体基板上で並列して設けられ、前記第１の光導波路と前記第２の光導波路との間における光結合を行う方向性結合器を形成しており、
前記第１の光導波路における第１の光導波モードの光信号を、前記第２の光導波路における第２の光導波モードの光信号に変換して出力することを特徴とする半導体光集積素子。
前記第１の光導波路及び前記第２の光導波路は、互いに異なる半導体材料からなる光コア層をそれぞれ有することを特徴とする請求項１に記載の半導体光集積素子。
前記第１の光導波路及び前記第２の光導波路は、前記各光コア層の中心部位から前記半導体基板までの高さが互いに異なるものであることを特徴とする請求項２に記載の半導体光集積素子。
前記第１の光導波路の終端部位に光吸収領域が設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体光集積素子。
前記第１の光導波路及び前記第２の光導波路のいずれか一方又は双方は、光信号の強度及び位相を変化させる機能を持つ光機能導波路であることを特徴とする請求項１に記載の半導体光集積素子。
前記第１の光導波路及び前記第２の光導波路のいずれか一方又は双方は、光信号を発生させる光発信器又はＡＳＥ光源であることを特徴とする請求項１に記載の半導体光集積素子。
前記第１の光導波路及び前記第２の光導波路のいずれか一方又は双方は、光信号を変調する光変調器であることを特徴とする請求項１に記載の半導体光集積素子。
前記第１の光導波路及び前記第２の光導波路のいずれか一方又は双方は、光信号を検出する光検出器であることを特徴とする請求項１に記載の半導体光集積素子。