JP2012038908A - 半導体光素子及び光集積装置 - Google Patents

Abstract

【課題】導波路を伝搬した後に出射端面で反射されてこの反射光の光パワーが該導波路に結合することを低減できる半導体光素子を提供する。
【解決手段】第１の埋め込み層１５は、半導体ストライプメサ１３の第１の部分１３ａの第１のコア層２７ｂにおける一方の側面２８ａを覆い、一端面２３から延在する。第１の埋め込み領域１７は、第１の部分１３ａの第１のコア層２７ｂにおける一方の側面２８ａ上に設けられ、一端面２３から延在する。第２の埋め込み領域１９は、第１の部分１３ａの第１のコア層２７ｂにおける他方の側面２８ｂを覆い、一端面２３から延在する。第１の埋め込み層１５は第１のコア層２７ｂと第１の埋め込み領域１７との間に設けられる。第１の埋め込み層１５の屈折率は第１の埋め込み領域１７の屈折率より大きく、第２の埋め込み領域１９の屈折率より大きい。第１のコア層２７ｂにおける側面２８ａ、２８ｂを埋め込む埋込構造は半導体ストライプメサ１３に関して非対称である。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体光素子及び光集積装置に関する。

特許文献１には半導体光増幅素子を集積した波長可変レーザが記載されている。特許文献２には周波数チャープを抑制できる集積型変調器が記載されている。

米国特許６６５４４００号公報 特開２００６−１０８６９２号公報

特許文献１及び２のいずれにおいても、反射光の影響を低減するために出射端面の付近で光導波路を曲げている。端面付近で導波路を曲げるためには、屈曲のための領域が必要である。また、ウェットエッチングを導波路メサの形成のために用いることができない。ウェットエッチングでは、エッチングされる化合物半導体結晶の面方位によりエッチングレートが異なるので、滑らかな曲がり導波路をウェットエッチングにより形成することができないからである。これ故に、ウェットエッチングを利用する場合、導波路メサの作製方法及び適用材料は限られる。

本発明は、このような事情を鑑みて為されたものであり、導波路を伝搬した後に出射端面で反射されてこの反射光の光パワーが該導波路に結合することを低減できる半導体光素子を提供することを目的とし、またこの半導体光素子を含む光集積装置を提供することを目的とする。

本発明に係る半導体光素子は、（ａ）基板上に順に設けられた第１のクラッド層、第１のコア層及び第２のクラッド層を含む第１の部分と第２の部分とを含み、導波路構造を有する半導体ストライプメサと、（ｂ）前記半導体ストライプメサの前記第１の部分の前記第１のコア層における一方の側面を覆う第１の埋め込み層と、（ｃ）前記半導体ストライプメサの前記第１の部分の前記第１のコア層における一方の側面上に設けられた第１の埋め込み領域と、（ｄ）前記半導体ストライプメサの前記第１の部分の前記第１のコア層における他方の側面を覆う第２の埋め込み領域と、（ｅ）前記半導体ストライプメサの前記第２の部分における一方の側面を覆う別の埋め込み領域と、（ｆ）当該半導体光素子の一端面及び他端面とを備える。前記第２の埋め込み領域は、前記第２の部分おける他方の側面上に設けられ、前記第１の部分は前記第２の部分に光学的に結合され、前記半導体ストライプメサの前記第１の部分は前記一端面から延在し、前記第１の埋め込み領域は前記一端面から延在し、前記第１の埋め込み層は前記一端面から延在し、前記第２の埋め込み領域は前記一端面から延在し、前記第１の埋め込み層は、前記第１のコア層と前記第１の埋め込み領域との間に設けられ、前記第１の埋め込み層の屈折率は、前記第１の埋め込み領域の屈折率より大きく、前記埋め込み層の屈折率は、前記第２の埋め込み領域の屈折率より大きく、前記第１の埋め込み層の屈折率は、前記別の埋め込み領域の屈折率より大きい。

この半導体光素子によれば、第１の埋め込み層は、半導体ストライプメサの第１の部分の第１のコア層における一方の側面を覆うと共に、一端面から延在する。第１の埋め込み領域は、半導体ストライプメサの第１の部分の第１のコア層における一方の側面上に設けられると共に、一端面から延在する。第２の埋め込み領域は、半導体ストライプメサの第１の部分の第１のコア層における他方の側面を覆うと共に、一端面から延在する。第１の埋め込み層は第１のコア層と第２の埋め込み領域との間に設けられる。この構造において、第１の埋め込み層の屈折率は第１の埋め込み領域の屈折率より大きく、第１の埋め込み層の屈折率は第２の埋め込み領域の屈折率より大きい。故に、一端面付近の第１の部分では、第１のコア層の両側面を覆う埋込構造は、非対称である。したがって、半導体ストライプメサを伝搬するビームは、一端面付近において埋込構造の非対称な屈折率分布に応じて曲がる。このため、このビーム（入射光）は、一端面の法線に対して角度φラジアンを成して一端面に到達する。一端面の反射により反射光が生成され、その反射角は入射角に等しい。これは、反射光が入射光に対して角度２×φで結合されることを意味する。上記の端面付近の構造は、反射光の光導波路に対する結合効率を小さくできる。

本発明に係る半導体光素子では、前記半導体ストライプメサの前記第２の部分は、前記基板上に順に設けられた第３のクラッド層、第２のコア層及び第４のクラッド層を含み、前記別の埋め込み領域の材料は前記第１の埋め込み領域の材料と同じであることができる。

この半導体光素子によれば、半導体ストライプメサの第２の部分を埋め込む埋込構造が対称になる。これ故に、ビームの曲がりを第１の部分により調整できる。

本発明に係る半導体光素子では、前記第１の埋め込み層は前記第１及び第２のクラッド層の側面上に設けられ、前記第１の埋め込み層は半絶縁性半導体からなり、前記第１及び第２の埋め込み領域並びに別の埋め込み領域はＢＣＢ樹脂からなることができる。

この半導体光素子によれば、第１の埋め込み層を介して第１及び第２のクラッド層間の電気的な導通を避けることができる。

本発明に係る半導体光素子では、前記半導体ストライプメサは第３の部分をさらに含み、前記半導体ストライプメサにおいて前記第２の部分は前記第１の部分と前記第３の部分との間に設けられ、前記第３の部分は、前記基板上に順に設けられた第５のクラッド層、第３のコア層及び第６のクラッド層を含むことができる。当該半導体光素子は、前記半導体ストライプメサの前記第３の部分の前記第３のコア層における一方の側面上に設けられた第３の埋め込み領域と、前記半導体ストライプメサの前記第３の部分の前記第３のコア層における一方の側面を覆う第２の埋め込み層と、前記半導体ストライプメサの前記第３の部分の前記第３のコア層における他方の側面を覆う第４の埋め込み領域とを備えることができる。前記半導体ストライプメサの前記第３の部分は前記他端面から延在し、前記第３の埋め込み領域は前記他端面から延在し、前記第２の埋め込み層は前記他端面から延在し、前記第４の埋め込み領域は前記他端面から延在し、前記第２の埋め込み層は、前記第３の部分の前記第３のコア層と前記第３の埋め込み領域との間に設けられ、前記第２の埋め込み層の屈折率は、前記第３の埋め込み領域の屈折率より大きく、前記第２の埋め込み層の屈折率は、前記第４の埋め込み領域の屈折率より大きい。

この半導体光素子によれば、他端面において半導体ストライプメサの第３の部分は非対称な埋込構造により埋め込まれる。

本発明に係る半導体光素子は、前記半導体ストライプメサの第２の部分に設けられ半導体光増幅素子のための電極を更に備えることができる。前記半導体ストライプメサの前記第２の部分は、前記半導体光増幅素子のための活性層を含むことができる。

この半導体光素子によれば、一端面による反射光が半導体光増幅素子へ戻り、発光に影響することを低減できる。

本発明に係る半導体光素子では、前記半導体ストライプメサの前記第２の部分は第１ミラー部、第２ミラー部、及び利得領域を含み、前記利得領域は前記第１ミラー部と前記第２ミラー部と間に配列されることができる。当該半導体光素子は、前記利得領域及び前記第１ミラー部のためにそれぞれ設けられた第１及び第２の電極を更に備えることができる。

この半導体光素子によれば、第１ミラー部、第２ミラー部、及び利得領域は、波長可変素子を構成する。半導体光素子の一端面による反射光が、この波長可変素子へ戻り発光に影響することを低減できる。

本発明に係る光集積装置は、（ａ）上記のいずれかの半導体光素子と、（ｂ）第１及び第２の端面を有する平面光回路とを備える。前記平面光回路は、前記第１の端面から延在する第１の光導波路メサと、前記第２の端面から延在する第２の光導波路メサと、第３の光導波路メサと、前記第１の光導波路メサと前記第３の光導波路メサとを光学的に結合する第１のリング共振器と、前記第２の光導波路メサと前記第３の光導波路メサとを光学的に結合する第２のリング共振器とを含むことができる。前記平面光回路の前記第１の端面は、前記半導体光素子の前記他端面に光学的に結合される。

この光集積装置によれば、一端面による反射光が平面光回路へ戻り光に影響することを低減できる。

本発明に係る光集積装置では、前記第１の光導波路メサは第１及び第２の部分を含み、前記第１の光導波路メサの前記第１の部分は前記第１の端面から延在し、前記第１の光導波路メサの前記第２の部分は前記第１の光導波路メサの前記第１の部分に接続されると共に前記第１のリング共振器に光学的に結合されることができる。前記平面光回路は、前記第１の光導波路メサの前記第１の部分における一方の側面上に設けられた第１の埋込領域と、前記第１の光導波路メサの前記第１の部分における他方の側面上に設けられた第２の埋込領域と、前記第１の光導波路メサの前記第１の部分における前記他方の側面と前記第２の埋込領域との間に設けられた埋込層とを含むことができる。前記第１の埋込領域は、前記第１の光導波路メサの前記第１の部分における一方の側面を覆い、前記埋込層は、前記第１の光導波路メサの前記第１の部分における他方の側面を覆い、前記埋込層の屈折率は、前記第１及び第２の埋込領域の屈折率より大きい。

この光集積装置によれば、第１〜第３の光導波路メサ並びに第１及び第２のリング共振器を用いて波長選択の機能を提供できる。

本発明に係る光集積装置では、前記第１の光導波路メサはシリコン系材料から構成され、前記第２の光導波路メサはシリコン系材料から構成され、前記半導体ストライプメサは化合物半導体から構成されることができる。

この光集積装置によれば、平面光回路をシリコン系材料から構成するとき、リング共振器といった曲がり導波路を比較的容易に平面光回路に取り込むことができる。しかしながら、発光に係る素子をシリコン系材料を用いて構成できない。半導体光素子の半導体ストライプメサが化合物半導体から構成されるので、発光に係る素子を比較的容易に半導体光素子に取り込むことができる。

以上説明したように、本発明によれば、導波路を伝搬した後に出射端面で反射されてこの反射光の光パワーが該導波路に結合することを低減できる半導体光素子を提供でき、またこの半導体光素子を含む光集積装置を提供できる。

図１は、本実施の形態に係る半導体光素子の構造を概略的に示す図面である。 図２は、出射端面における入射光及び反射光の光結合を示す図面である。 図３は、非対称埋込構造を用いて半導体ストライプメサを埋め込んで構成された光導波路の端部に関するシミュレーション結果を示す図面である。 図４は、図３の３次元シミュレーションに用いたモデルを示す図面である。 図５は半導体光素子を含む光集積装置の一例を示す図面である。 図６は、本実施の形態に係る半導体光素子を作製する方法における主要な工程を模式的に示す図面である。 図７は、本実施の形態に係る半導体光素子を作製する方法における主要な工程を模式的に示す図面である。 図８は、本実施の形態に係る半導体光素子を作製する方法における主要な工程を模式的に示す図面である。 図９は、本実施の形態に係る半導体光素子を作製する方法における主要な工程を模式的に示す図面である。

本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、本発明の半導体光素子及び光集積装置に係る実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。

図１は、本実施の形態に係る半導体光素子の構造を概略的に示す図面である。図１の（ａ）部は、基板上における導波路の配置を示す図面である。図１の（ａ）部を参照すると、半導体光素子１１は、半導体ストライプメサ１３と、第１の埋め込み層１５と、第１の埋め込み領域１７と、第２の埋め込み領域１９と、別の埋め込み領域２１と、一端面２３及び他端面２５とを備える。半導体光素子１１は、第１の部分１１ａ、第２の部分１１ｂ及び第３の部分１１ｃを含むことができ、半導体ストライプメサ１３は、直線軸Ａｘに沿って延在する。半導体ストライプメサ１３は、ビームの伝搬を可能にする導波路構造を有する、また、半導体ストライプメサ１３は第１の部分１３ａと第２の部分１３ｂとを含むことができる。第１の部分１３ａは第２の部分１３ｂに光学的に結合される。第１の埋め込み層１５、第１の埋め込み領域１７、第２の埋め込み領域１９、及び別の埋め込み領域２１は埋込構造を構成しており、この埋込構造が基板２９上に設けられる。

図１の（ｂ）部は、半導体光素子１１における第１の部分１１ａのI−I線に沿って取られた断面を示す。第１の部分１３ａは、第１のクラッド層２７ａ、第１のコア層２７ｂ及び第２のクラッド層２７ｃを含み、これらの層２７ａ、２７ｂ、２７ｃは基板２９上にその主面の法線方向に順に配列される。第１のコア層２７ｂの屈折率は、第１のクラッド層２７ａ及び第２のクラッド層２７ｃの屈折率より大きい。第１のクラッド層２７ａ、第１のコア層２７ｂ及び第２のクラッド層２７ｃの各々は、化合物半導体からなることができる。第１のコア層２７ｂのバンドギャップ波長は、第１のクラッド層２７ａ及び第２のクラッド層２７ｃのバンドギャップ波長より長い。第１のコア層２７ｂのバンドギャップ波長は、当該導波路構造を伝搬するビームの光波長以下である。必要な場合には、第１のコア層２７ｂは、異なる屈折率の半導体積層を含むことができる。

図１の（ｂ）部を参照すると、第１の部分１１ａでは、第１の埋め込み層１５は、第１のコア層２７ｂにおける一方の側面２８ａを覆う。第２の埋め込み領域１９は、第１のコア層２７ｂにおける他方の側面２８ｂを覆う。第１の埋め込み領域１７は、第１のコア層２７ｂにおける一方の側面２８ａ上に設けられており、本実施例では第１の埋め込み層１５を覆っている。第１の埋め込み層１５は半導体ストライプメサ１３の第１の部分１３ａにおける一方の側面３０ａを覆っており、第２の埋め込み領域１９は半導体ストライプメサ１３の第１の部分１３ａにおける他方の側面３０ｂを覆う。半導体ストライプメサ１３の第１の部分１３ａは一端面２３から延在する。第１の埋め込み層１５は一端面２３から延在し、第１の埋め込み領域１７は一端面２３から延在する。第１の埋め込み層１５は、第１のコア層２７ｂと第１の埋め込み領域１７との間に設けられる。第２の埋め込み領域１９は一端面２３から延在し、第１の埋め込み層１５の屈折率は第１の埋め込み領域１７の屈折率より大きく、第２の埋め込み領域１９の屈折率より大きい。

第２の部分１１ｂでは、第２の埋め込み領域１９が半導体ストライプメサ１３の第２の部分１３ｂにおける他方の側面３２ｂ上に設けられ、別の埋め込み領域２１が第２の部分１３ｂおける一方の側面３２ａを覆う。

この半導体光素子１１によれば、第１の埋め込み層１５は、半導体ストライプメサ１３の第１の部分１３ａの第１のコア層２７ｂにおける一方の側面２８ａを覆うと共に、一端面２３から延在する。第１の埋め込み領域１７は、半導体ストライプメサ１３の第１の部分１３ａの第１のコア層２７ｂにおける一方の側面２８ａ上に設けられると共に、一端面２３から延在する。第２の埋め込み領域１９は、半導体ストライプメサ１３の第１の部分１３ａの第１のコア層２７ｂにおける他方の側面２８ｂを覆うと共に、一端面２３から延在する。第１の埋め込み層１５は第１のコア層２７ｂと第１の埋め込み領域１７との間に設けられる。この構造において、第１の埋め込み層１５の屈折率は第１の埋め込み領域１７の屈折率より大きく、第１の埋め込み層１５の屈折率は第２の埋め込み領域１９の屈折率より大きい。故に、一端面２３付近の第１の部分１３ａでは、第１のコア層２７ｂにおける両側面２８ａ、２８ｂを埋め込む埋込構造は、非対称である。したがって、半導体ストライプメサ１３を伝搬するビームは、図２に示されるように、一端面２３付近において埋込構造の非対称な屈折率分布に応じて曲がる。このため、このビーム（入射光）は、一端面２３の法線軸Ｎｘに対して角度φラジアンを成して一端面２３に到達する。一端面２３の反射により反射光が生成され、その反射角は入射角に等しい。これは、反射光は入射光に対して角度２×φで結合されることを意味し、上記の端面２３付近の構造は、光導波路に対する反射光の結合効率を小さくできる。

光の結合について簡単な例に基づいて更に説明を行う。入射光は波長λを有し、入射光のビーム形状が０次のガウシアンビームＢＥＡＭとして近似し、ガウシアンビームＢＥＡＭはスポット幅ｗを有する。このガウシアンビームＢＥＡＭに係る出射光と反射光が角度θで結合するとき、光パワーの結合効率ηは以下のように表される。
結合効率η＝ｅｘｐ（−（π×θ×ｗ／λ）^２）。
結合角θがゼロから増加するにつれて、出射光と反射光との光パワーの結合が小さくなる。

なお、本実施の形態における出射光と反射光との光パワーの結合の低減は、ブリュースター角に関する技術とは異なる。入射面と平行に電界が振動している光成分（ｐ成分）では、出射光の進行方向と出射端面の法線と成す角が大きくなるに従い反射率が小さくなり、ブリュースター角φＢで反射率はゼロになる。さらに大きな角度では、全反射が生じる。ブリュースター角に係る上記技術では、ゼロ度〜ブリュースター角φＢまでの範囲で反射率を下げることができるが、本実施の形態に係る技術的寄与は、ブリュースター角に関するものと異なる。

再び図１の（ｃ）部を参照すると、第２の部分１１ｂでは、半導体ストライプメサ１３の第２の部分１３ｂは、第３のクラッド層３１ａ、第２のコア層３１ｂ及び第４のクラッド層３１ｃを含み、基板２９上に順に配列されている。第２のコア層３１ｂの屈折率は、第３のクラッド層３１ａ及び第４のクラッド層３１ｃの屈折率より大きい。第３のクラッド層３１ａ、第２のコア層３１ｂ及び第４のクラッド層３１ｃの各々は、化合物半導体からなることができる。第２のコア層３１ｂのバンドギャップ波長は、第３のクラッド層３１ａ及び第４のクラッド層３１ｃのバンドギャップ波長より長い。必要な場合には、第２のコア層３１ｂは、異なる屈折率の半導体積層を含むことができ、図１の（ｃ）部に示されるように、第２のコア層３１ｂは例えば活性層３３ａと該活性層３３ａを挟む一対の光ガイド層３３ｂ、３３ｃとを含むことができる。活性層は、例えば半導体光増幅素子のために設けることができる。活性層のフォトルミネッセンス波長は、当該導波路構造を伝搬するビームの光波長にほぼ等しい。半導体光増幅素子は、絶縁膜３５の開口を介して第２の部分１１ｂに接続された電極３７と、基板２９の裏面２９ｂに設けられた電極３９とを含むことができる。この半導体光素子１１によれば、一端面２３による反射光が半導体光増幅素子へ戻り発光に影響することを低減できる。なお、第２の部分１１ｂには発光に係る半導体素子を設けることなく、外部の光源からの光を導波する光導波路を設けることができる。また、第２の部分１３ｂの半導体積層が第１の部分１３ａの半導体積層と同じであってもよい。

第２の部分１１ｂに係る埋込構造は以下の構造を有する。別の埋め込み領域２１は、第２の部分１３ｂにおける一方の側面３２ａを覆い、埋め込み領域１９は、第２の部分１３ｂにおける他方の側面３２ｂを覆う。埋め込み領域１９の材料は埋め込み領域２１の材料と同じであることができる。この半導体光素子１１によれば、半導体ストライプメサ１３の第２の部分１３ｂを埋め込む埋込構造が対称になる。これ故に、ビームの曲がりを第１の部分１３ａの厚さ、長さ、屈折率等により調整できる。

本実施例では、第１の埋め込み層１５は第１及び第２のクラッド層２７ａ、２７ｃの側面上に設けられている。第１の埋め込み層１５は半絶縁性半導体からなることができ、半絶縁性半導体は例えば遷移金属ドープＩｎＰ、ＦｅドープＩｎＰ、ＣｒドープＧａＡｓ等であることができる。第１及び第２の埋め込み領域１７、１９並びに別の埋め込み領域２１はベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）樹脂、ポリイミド等の樹脂体からなることができる。この半導体光素子１１によれば、第１の埋め込み層１５を介して第１及び第２のクラッド層２７ａ、２７ｃ間の電気的な導通を避けることができる。

一実施例の半導体光素子は以下のものである。
第１の埋め込み層１５：鉄ドープＩｎＰ。
第１、第２、別の埋め込み領域１７、１９、２１：ＢＣＢ樹脂。
第１のクラッド層２７ａ：Ｓｉドープのｎ型ＩｎＰ。
第１のコア層２７ｂ：InGaAsP多重量子井戸。
第２のクラッド層２７ｃ：Ｚｎドープのｐ型ＩｎＰ。
第３のクラッド層３１ａ：Ｓｉドープのｎ型ＩｎＰ。
第２のコア層３１ｂ：InGaAsP多重量子井戸。
第４のクラッド層３１ｃ：Ｚｎドープのｐ型ＩｎＰ。
基板２９：ｎ型ＩｎＰ基板。

製造上の理由、ビームの曲げ量や出射光の広がりを考慮すると、第１の埋め込み層１５の厚さＴＨ１は例えば1μｍ以上6μｍ以下であり、また第１の埋め込み層１５の長さＬＮ１は例えば1μｍ以上50μｍ以下であることができる。

半導体光素子１１は、図１の（ａ）部に示されるように、一端面２３上に設けられた低反射コーティング膜４１を備えることができる。また、半導体光素子１１は、他端面２５上に設けられた低反射コーティング膜４３を備えることができる。

半導体光素子１１は、図１の（ｄ）部に示されるように、例えば波長可変レーザ１２を含むことができる。この波長可変レーザ１２は、例えば第１〜第５部分１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、１２ｅを含むことができる。第１部分１２ａは、半導体ストライプメサ１１のコアに光学的に結合された第１ミラー部を含み、第４部分１２ｄは半導体ストライプメサ１１のコアに光学的に結合された第２ミラー部を含むことができる。また、第２及び第３部分１２ｂ、１２ｃのいずれか一方は、利得領域を含むことができる。必要な場合には、第２及び第３部分１２ｂ、１２ｃの他方は、位相調整領域を含むことができる。半導体ストライプメサ１１の第１〜第４部分１２ａ〜１２ｄ上には、それぞれ、第１〜第４の電極１４ａ〜１４ｄが、波長可変レーザのために設けられる。第１〜第４の電極１４ａ〜１４ｄは、それぞれ、波長可変レーザにおける第１ミラー部、利得領域、位相調整領域及び第２ミラー部のために設けられている。利得領域は光源であり、第１及び第２ミラー部は共振器のための反射鏡である。位相調整領域は共振器内を伝搬する光の位相条件を調整する。また、第５部分１２ｅは、半導体光増幅素子を含むことができる。半導体光増幅素子は、波長可変レーザからの光を増幅する。この半導体光素子１１によれば、一端面２３による反射光が波長可変素子へ戻り発光に影響することを低減できる。

図３は、非対称埋込構造を用いて半導体ストライプメサを埋め込んで構成された光導波路の端部における光パワー分布をビーム伝搬法（ＢＰＭ）で解析したシミュレーション結果を示す図面である。黒矢印の位置に出射端面が位置する。白抜き矢印が高屈折率の埋め込み層を示す。導波路を伝搬してきたビームが高屈折率媒質の作用により曲げられている様子が示されている。この曲がりにより、導波路への戻り光の光パワーが低減される。曲げの程度は、用途に応じて異なるが、様々なシミュレーション結果から以下の事項が示される。
（１）出射光を曲げすぎると出射端面において全反射が生じて、光の出射が不可能になる。
（２）高屈折率媒質が厚すぎると、出射光の広がりが大きくなり、当該半導体光素子と次段との光結合に支障が生じる。

図４は、図３の３次元シミュレーションに用いたモデルを示す図面である。メサ幅は１．５μｍであり、基板上のエピ厚は６．０μｍである。屈折率及び厚さの一覧を示す。
層の項目、屈折率、厚さ（μｍ）。
活性層：３．３９、０．３０３。
上部、下部ＳＣＨ層：３．３４、０．０５。
ｎ型クラッド層：３．１７、１．２４。
ｐ型クラッド層：３．１７、０．５５。
ｎ型基板：３．１７、４。
高屈折率埋込：３．１７、２．１９３（幅：１．５μｍ）。
様々なシミュレーション結果によれば、屈折率の関係として以下のものが導き出される。
（ａ）活性層＞ＳＣＨ層＞クラッド層≧埋め込み層。
（ｂ）高屈折率埋込＞埋め込み層。

再び図１を参照しながら、半導体光素子１１を説明する。半導体ストライプメサ１３は第３の部分１３ｃを含むことができる。半導体ストライプメサ１３において第２の部分１３ｂは第１の部分１３ａと第３の部分１３ｃとの間に設けられる。第３の部分１３ｃは、導波路のための半導体積層を含むことができ、この半導体積層は、第５のクラッド層、第３のコア層及び第６のクラッド層を含むことができ、これらの半導体層は基板２９上に順に設けられる。該半導体積層は、第１又は第２の部分１３ａ、１３ｂにおける積層構造と同じものであることができるが、これに限定されることなく、第１及び第２の部分１３ａ、１３ｂにおける積層構造と異なるものでもよい。

半導体ストライプメサ１３の第３の部分１３ｃの端部に、第１の部分１３ａと同様に非対称埋込構造を適用することができる。第３の部分１１ｃでは、第１の埋め込み層１５は、第３の部分１３ｃにおける一方の側面３４ａを覆う。第２の埋め込み領域１９は、第３の部分１３ｃにおける他方の側面３４ｂを覆う。第１の埋め込み領域１７は、第３の部分１３ｃにおける一方の側面３４ａ上に設けられており、本実施例では第１の埋め込み層１５を覆っている。第１の埋め込み層１５は、第１の部分１３ａと同様に、コア層の側面を覆うようにしてもよく、また第２の埋め込み領域１９は、第１の部分１３ａと同様に、コア層の側面を覆うようにしてもよい。半導体ストライプメサ１３の第３の部分１３ｃは他端面２５から延在する。第１の埋め込み層１５は他端面２５から延在し、第１の埋め込み領域１７は他端面２５から延在する。第１の埋め込み層１５は、第３のコア層と第１の埋め込み領域１７との間に設けられる。第２の埋め込み領域１９は他端面２５から延在する。この半導体光素子１１によれば、他端面２５の近傍においても、半導体ストライプメサ１３の第３の部分１３ｃは非対称な埋込構造により埋め込まれる。例えば半導体光素子が半導体光増幅器(SOA)である場合、反射があると、透過特性にリップルが生じるが、反射を低減することでこれを抑えられる。

第３の部分１３ｃの端部における第１の埋め込み層１５及び第１の部分１３ａの端部における第１の埋め込み層１５は半導体ストライプメサ１３の同じ側面上に設けられている。埋め込み層１５の位置により光が曲がる方向が変わるので、素子組み立ての都合に合わせて埋め込み層１５を配置する。

図５は、半導体光素子を含む光集積装置の一例を示す図面である。光集積装置５１は、半導体光素子１１及び平面光回路５３を備える。平面光回路５３は第１及び第２の端面５５、５７を有する。第１及び第２の端面５５、５７には、それぞれ、低反射（ＡＲ）コーティング５９ａ及び高反射（ＨＲ）コーティング５９ｂが設けられている。平面光回路５３は第１の光導波路メサ６１、第２の光導波路メサ６３、第３の光導波路メサ６５、第１のリング共振器６７、及び第２のリング共振器６９を含む。第１の光導波路メサ６１は端面５５から延在する。第２の光導波路メサ６３は端面５７から延在する。第１のリング共振器６７は、第１の光導波路メサ６１と第３の光導波路メサ６５とを光学的に結合する。第２のリング共振器６９は、第２の光導波路メサ６３と第３の光導波路メサ６５とを光学的に結合する。第２のリング共振器６９は、ＦＳＲを変更するための調整手段、例えばヒーター７１を含むことができる。この光集積装置５１によれば、第１〜第３の光導波路メサ６１、６３、６５並びに第１及び第２のリング共振器６７、６９を用いて波長選択の機能を提供できる。

平面光回路５３の端面５５は、半導体光素子１１の他端面２５に光学的に結合されており、この実施例では、平面光回路５３の端面５５は半導体光素子１１の他端面２５に突き当てられている。半導体光素子１１の一端面２３の近傍の埋込構造は第１の埋め込み層１５を含むので、一端面２３における反射による光パワーを低減できる。この光集積装置５１によれば、一端面２３による反射光が戻り光となり平面光回路５３に影響することを低減できる。本実施例では、光導波路メサ６１、６３、６５は、それぞれのための直線軸に沿って延在する。

第１の光導波路メサ６１は第１及び第２の部分６１ａ、６１ｂを含むことができる。第１の光導波路メサ６１の第１の部分６１ａは端面５５から延在する。第１の光導波路メサ６１の第２の部分６１ｂは第１の部分６１ａに接続されると共に、第１のリング共振器６７の第１の部分６７ａに光学的に結合される。また、第２の光導波路メサ６３は第１及び第２の部分６３ａ、６３ｂを含むことができる。第２の光導波路メサ６３の第１の部分６３ａは、共振器端面を構成する端面５７に到達する。第２の光導波路メサ６３の第２の部分６３ｂは第１の部分６３ａに接続されると共に、第２のリング共振器６９の第１の部分６９ａに光学的に結合される。さらに、第３の光導波路メサ６５は第１及び第２の部分６５ａ、６５ｂを含むことができる。第３の光導波路メサ６５の第１の部分６５ａは第１のリング共振器６７の第２の部分６７ｂに光学的に結合される。第３の光導波路メサ６５の第２の部分６５ｂは第１の部分６５ａに接続されると共に、第２のリング共振器６９の第２の部分６９ｂに光学的に結合される。

平面光回路５３は、第１の埋込領域７３、第２の埋込領域７５、及び埋込層７７を含む。第１の埋込領域７３は、第１の光導波路メサ６１の第１の部分６１ａにおける一方の側面６２ａを覆う。第２の埋込領域７５は、第１の光導波路メサ６１の第１の部分６１ａにおける他方の側面６２ｂ上に設けられる。埋込層７７は第１の光導波路メサ６１の第１の部分６１ａにおける他方の側面６２ｂを覆う。埋込層７７は、他方の側面６２ｂと第２の埋込領域７５との間に設けられる。埋込層７７の屈折率は、第１及び第２の埋込領域７３、７５の屈折率より大きい。埋込層７７は、例えばＧｅＯ_２がドープされたＳｉＯ_２からなる。第１及び第２の埋込領域７３、７５は、例えばＳｉＯ_２からなることができる。なお、屈折率調整のためにＳｉＯ_２へのＧｅＯ_２のドープ量を調整することもできる。

平面光回路５３は、半導体光素子１１の一端面２３付近における埋込構造と同様の高屈折率媒質を設けた非対称埋込構造を端面５５の付近に含む。これ故に、平面光回路５３の端面５５における反射光の光パワーの結合を低減できる。また、平面光回路５３の端面５５を通過した出射光は、直ちに半導体光素子１１の他端面２５に入射する。半導体光素子１１の端面２５付近における光導波路１３ｃは非対称埋込構造により埋め込まれる。これ故に、突き当て面での反射を低減できるという技術的意義がある。さらに、平面光回路５３の端面５５付近における非対称埋込構造は、光導波路の延在軸に関して、半導体光素子１１の端面２５付近における非対称埋込構造と反対側に設けられている。このような構成にすることにより、半導体光素子１１の半導体ストライプメサ１３と、平面光導波路５３の第２の光導波路メサ６１とが高い結合効率で光結合することができるとともに、突き当て面での光反射を低減することができる。なお、半導体ストライプメサ１３の第３の部分での導波された光の曲がりと、第１の光導波路メサ６１の第１の部分６１ａでの光の曲がりに応じて、半導体ストライプメサ１３と第１の光導波路メサの光軸をずらして光結合が最大になるように突き合わせ部においてそれぞれの光軸が調整される。

光集積装置５１では、光導波路メサ６１、６３、６５はシリコン系材料から構成されることができ、シリコン系材料は、例えばシリコン酸化物、シリコン窒化物等を包含する。また、屈折率を増加させるために光導波路メサ（のコア部）にはＧｅＯ_２等の屈折率増加用元素がドープされる。一方、半導体ストライプメサ１３は化合物半導体から構成される。この光集積装置５１によれば、平面光回路５３をシリコン系材料から構成するとき、リング共振器といった曲がり導波路を平面光回路５３に比較的容易に取り込むことができる。しかしながら、発光に係る素子をシリコン系材料を用いて構成できない。半導体光素子１１の半導体ストライプメサ１３が化合物半導体から構成されるので、発光に係る素子を半導体光素子１１に比較的容易に取り込むことができる。

次いで、図６から図９を参照しながら、半導体光素子を作製する方法を説明する。引き続く説明では、半導体光素子として半導体光増幅素子を形成する。図６の（ａ）部に示されるように、まず、工程Ｓ１０１では、半導体基板１００の主面１１０ａ上に半導体積層１０２がエピタキシャルに成長される。半導体基板１００は、例えばｎ型ＩｎＰ基板である。半導体積層１０２は、ｎ型クラッド層１０３、コア半導体層１０４、ｐ型クラッド層１０５、及びｐ型コンタクト層１０６を含む。コア半導体層１０４は、例えば下部光ガイド層１０４ａ、活性層１０４ｂ及び上部光ガイド層１０４ｃを含む。

次の工程Ｓ１０２では、図６の（ｂ）部に示されるように、フォトリソグラフィ及びエッチングを用いて、半導体積層１０２から半導体ストライプメサ１０７を形成する。

工程Ｓ１０３では、図７の（ａ）部に示されるように、半導体ストライプメサ１０７を埋め込むように高屈折率膜を成長する。高屈折率膜は、例えば鉄ドープＩｎＰであることができる。

工程Ｓ１０４では、図７の（ｂ）部に示されるように、フォトリソグラフィ及びエッチングを用いて、半導体ストライプメサ１０７の第１及び第３の部分１０７ａ、１０７ｃの一方の側面１０６ａを覆う埋め込み層１０８ａ、１０８ｂを形成する。半導体ストライプメサ１０７の側面１０６ｂは埋め込み層１０８ａ、１０８ｂで覆われていない。また、半導体ストライプメサ１０７の第２の部分１０７ｂの一方の側面１０６ａも埋め込み層１０８ａ、１０８ｂで覆われていない。

工程Ｓ１０５では、図８の（ａ）部に示されるように、樹脂体１０９を基板１００上に塗布して、半導体ストライプメサ１０７及び埋め込み層１０８ａ、１０８ｂを埋め込む。この塗布では、半導体ストライプメサ１０７の側面だけでなく上面も覆われる。樹脂体１０９は、高屈折率膜の屈折率より小さい低屈折率を有する。樹脂体１０９は例えばＢＣＢ樹脂である。

工程Ｓ１０６では、図８の（ｂ）部に示されるように、基板１００上に塗布された樹脂体１０９に、マスクを用いた露光及びプラズマ処理等を行って、半導体ストライプメサ１０７の上面及び埋め込み層１０８ａ、１０８ｂの上面を露出させる。この工程により、半導体ストライプメサ１０７の側面及び埋め込み層１０８ａ、１０８ｂの側面は、加工された樹脂体１１０で覆われる。この工程により、半導体ストライプメサ１０７の第１及び第３の部分１０７ａ、１０７ｃの側面には非対称埋込構造が形成される。一方、半導体ストライプメサ１０７の第２の部分１０７ｂの側面には対称埋込構造が形成される。

工程Ｓ１０７では、図９の（ａ）部に示されるように、樹脂体１１０の上面及び半導体ストライプメサ１０７の上面に保護膜１１１を形成する。保護膜１１１は、半導体ストライプメサ１０７の第２の部分１０７ｂの位置に合わせて開口１１１ａを有する。開口１１１ａには、半導体ストライプメサ１０７の上面（最上層のコンタクト層）が露出される。

工程Ｓ１０９では、図９の（ｂ）部に示されるように、保護膜１１１上に電極（例えば、アノード）１１２を形成すると共に、基板１００の裏面に電極（例えば、カソード）１１３を形成する。これらの工程により、本実施の形態に係る半導体光素子が作製される。

本実施の形態によれば、導波路を伝搬した後に出射端面で反射されてこの反射光の光パワーが該導波路に結合することを低減できる半導体光素子を提供でき、またこの半導体光素子を含む光集積装置を提供できる。

１１…半導体光素子、１２…波長可変レーザ、１３…半導体ストライプメサ、１５…第１の埋め込み層、１７…第１の埋め込み領域、１９…第２の埋め込み領域、２１…別の埋め込み領域、２３…一端面、２５…他端面、２７ａ…第１のクラッド層、２７ｂ…第１のコア層、２７ｃ…第２のクラッド層、３１ａ…第３のクラッド層、３１ｂ…第２のコア層、３１ｃ…第４のクラッド層、２９…基板、４１、４３…低反射コーティング膜、５１…光集積装置、５３…平面光回路、５５、５７…端面、５９ａ…低反射（ＡＲ）コーティング、５９ｂ…高反射（ＨＲ）コーティング、６１、６３、６５…光導波路メサ、６７、６９…リング共振器、７７…埋込層、７３，７５…埋込領域。

Claims (9)

1. 半導体光素子であって、
   基板上に順に設けられた第１のクラッド層、第１のコア層及び第２のクラッド層を含む第１の部分と第２の部分とを含み、導波路構造を有する半導体ストライプメサと、
   前記半導体ストライプメサの前記第１の部分の前記第１のコア層における一方の側面を覆う第１の埋め込み層と、
   前記半導体ストライプメサの前記第１の部分の前記第１のコア層における一方の側面上に設けられた第１の埋め込み領域と、
   前記半導体ストライプメサの前記第１の部分の前記第１のコア層における他方の側面を覆う第２の埋め込み領域と、
   前記半導体ストライプメサの前記第２の部分における一方の側面を覆う別の埋め込み領域と、
   当該半導体光素子の一端面及び他端面と、
   を備え、
   前記第２の埋め込み領域は、前記第２の部分おける他方の側面上に設けられ、
   前記第１の部分は前記第２の部分に光学的に結合され、
   前記半導体ストライプメサの前記第１の部分は前記一端面から延在し、
   前記第１の埋め込み領域は前記一端面から延在し、
   前記第１の埋め込み層は前記一端面から延在し、
   前記第２の埋め込み領域は前記一端面から延在し、
   前記第１の埋め込み層は、前記第１のコア層と前記第１の埋め込み領域との間に設けられ、
   前記第１の埋め込み層の屈折率は、前記第１の埋め込み領域の屈折率より大きく、
   前記第１の埋め込み層の屈折率は、前記第２の埋め込み領域の屈折率より大きく、
   前記第１の埋め込み層の屈折率は、前記別の埋め込み領域の屈折率より大きいことを特徴とする半導体光素子。
2. 前記半導体ストライプメサの前記第２の部分は、前記基板上に順に設けられた第３のクラッド層、第２のコア層及び第４のクラッド層を含み、
   前記別の埋め込み領域の材料は前記第１の埋め込み領域の材料と同じであることを特徴とする請求項１に記載された半導体光素子。
3. 前記第１の埋め込み層は前記第１及び第２のクラッド層の側面上に設けられ、
   前記第１の埋め込み層は半絶縁性半導体からなり、
   前記第１及び第２の埋め込み領域並びに別の埋め込み領域はＢＣＢ樹脂からなることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載された半導体光素子。
4. 前記半導体ストライプメサは第３の部分をさらに含み、
   前記半導体ストライプメサにおいて前記第２の部分は前記第１の部分と前記第３の部分との間に設けられ、
   前記第３の部分は、前記基板上に順に設けられた第５のクラッド層、第３のコア層及び第６のクラッド層を含み、
   当該半導体光素子は、
   前記半導体ストライプメサの前記第３の部分の前記第３のコア層における一方の側面上に設けられた第３の埋め込み領域と、
   前記半導体ストライプメサの前記第３の部分の前記第３のコア層における一方の側面を覆う第２の埋め込み層と、
   前記半導体ストライプメサの前記第３の部分の前記第３のコア層における他方の側面を覆う第４の埋め込み領域と、
   を備え、
   前記半導体ストライプメサの前記第３の部分は前記他端面から延在し、
   前記第３の埋め込み領域は前記他端面から延在し、
   前記第２の埋め込み層は前記他端面から延在し、
   前記第４の埋め込み領域は前記他端面から延在し、
   前記第２の埋め込み層は、前記第３の部分の前記第３のコア層と前記第３の埋め込み領域との間に設けられ、
   前記第２の埋め込み層の屈折率は、前記第３の埋め込み領域の屈折率より大きく、
   前記第２の埋め込み層の屈折率は、前記第４の埋め込み領域の屈折率より大きいことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載された半導体光素子。
5. 前記半導体ストライプメサの前記第２の部分に設けられ半導体光増幅素子のための電極を更に備え、
   前記半導体ストライプメサの前記第２の部分は、前記半導体光増幅素子のための活性層を含むことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載された半導体光素子。
6. 前記半導体ストライプメサの前記第２の部分は第１ミラー部、第２ミラー部、及び利得領域を含み、
   前記利得領域は前記第１ミラー部と前記第２ミラー部と間に配列され、
   当該半導体光素子は、前記利得領域及び前記第１ミラー部のためにそれぞれ設けられた第１及び第２の電極を更に備えることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載された半導体光素子。
7. 光集積装置であって、
   請求項５に記載された半導体光素子と、
   第１及び第２の端面を有する平面光回路と、
   を備え、
   前記平面光回路は、
   前記第１の端面から延在する第１の光導波路メサと、
   前記第２の端面から延在する第２の光導波路メサと、
   第３の光導波路メサと、
   前記第１の光導波路メサと前記第３の光導波路メサとを光学的に結合する第１のリング共振器と、
   前記第２の光導波路メサと前記第３の光導波路メサとを光学的に結合する第２のリング共振器と、
   を含み、
   前記平面光回路の前記第１の端面は、前記半導体光素子の前記他端面に光学的に結合されることを特徴とする光集積装置。
8. 前記第１の光導波路メサは、第１及び第２の部分を含み、
   前記第１の光導波路メサの前記第１の部分は前記第１の端面から延在し、
   前記第１の光導波路メサの前記第２の部分は前記第１の光導波路メサの前記第１の部分に接続されると共に前記第１のリング共振器に光学的に結合され、
   前記平面光回路は、前記第１の光導波路メサの前記第１の部分における一方の側面上に設けられた第１の埋込領域と、前記第１の光導波路メサの前記第１の部分における他方の側面上に設けられた第２の埋込領域と、前記第１の光導波路メサの前記第１の部分における前記他方の側面と前記第２の埋込領域との間に設けられた埋込層とを含み、
   前記第１の埋込領域は、前記第１の光導波路メサの前記第１の部分における一方の側面を覆い、
   前記埋込層は、前記第１の光導波路メサの前記第１の部分における他方の側面を覆い、
   前記埋込層の屈折率は、前記第１及び第２の埋込領域の屈折率より大きいことを特徴とする請求項７に記載された光集積装置。
9. 前記第１の光導波路メサはシリコン系材料から構成され、
   前記第２の光導波路メサはシリコン系材料から構成され、
   前記半導体ストライプメサは化合物半導体から構成されることを特徴とする請求項７又は請求項８に記載された光集積装置。