JP2012175571A - 偏波回転素子の製造方法及び偏波回転素子 - Google Patents

偏波回転素子の製造方法及び偏波回転素子 Download PDF

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Abstract

【課題】基板の積層面に対して傾斜したコア部を容易に形成することが可能な半導体材料からなる偏波回転素子の製造方法等を提供する。
【解決手段】偏波回転素子の製造方法は、半導体基板３と、その積層面３Ｓから突出して当該積層面３Ｓと平行な第１方向Ｄ１に沿って延びる凸部２７とを有する構造体２９を形成する構造体形成工程と、第１半導体層３３を、凸部２７に接する凸部隣接領域３３Ａを有するように、かつ、当該凸部隣接領域３３Ａの少なくとも一部が、傾斜面３３Ｌを規定するように堆積させる第１半導体層形成工程と、第２半導体層を傾斜面３３Ｌ上に位置する傾斜部を有するように形成する第２半導体層形成工程と、を備える。傾斜面３３Ｌは、積層面３Ｓと鋭角θＡを成す第２方向Ｄ２に沿って延び、傾斜部は、第１方向Ｄ１と垂直な断面において第２方向Ｄ２に沿って延びる。
【選択図】図８

Description

本発明は、偏波回転素子の製造方法及び偏波回転素子に関する。
下記特許文献１には、誘電体導波路からなる非対称コア部と当該非対称コア部を埋め込むクラッド部とを備える偏波変換器（偏波回転素子）が記載されている。この偏波回転素子の非対称コア部は、偏波の導波方向である長手方向にわたって、当該偏波回転素子が設けられる面（例えば、基板の積層面）に対して一定の鋭角の傾斜角度を成す傾斜面が現れるように部分的に切り落とされた形状を有している。このような偏波回転素子によれば、コア部の形状の非対称性に起因して、素子内を導波する偏波の偏波面を回転させることが可能であることが記載されている。
特開２０１０−８８１１０号公報
偏波回転素子は、例えば、偏波多重光伝送システムにおいて、偏波した光信号の偏波状態を変換するために用いられる。この場合、偏波回転素子は、偏波光からなる光信号の偏波面を回転させることにより、例えばＴＥ偏波の光信号をＴＭ偏波の光信号に変換する。
このような偏波多重光伝送システムにおいては、光信号を送受信する素子として、一般的に半導体光素子が使用される。具体的には、光送信素子として半導体レーザー素子等の半導体発光素子が使用され、光受信素子として半導体フォトダイオード等の半導体受光素子が使用される。そのため、偏波多重光伝送システムの小型化を図る観点から、光信号を送受信するための半導体光素子と偏波回転素子とを、同一の半導体基板上にモノリシックに集積することが好ましい。
しかしながら、上記特許文献１に記載されている偏波回転素子は、誘電体材料で構成されている。このように半導体材料以外の材料で構成される偏波回転素子と半導体光素子とを同一の半導体基板上にモノリシックに集積させることは困難であり、一般に、この偏波回転素子は光ファイバなどの光導波路中に挿入して使用される。また、屈折率の異なる誘電体材料からなる偏波回転素子と半導体光素子とを同一の半導体基板上にモノリシックに集積した場合、偏波回転素子と半導体光素子との１μｍ単位の精密な光軸合わせが必要であり、さらに、偏波回転素子と半導体光素子との光結合部での反射戻り光が半導体光素子の動作に悪影響を与えることが考えられる。
上記特許文献１に記載されている偏波回転素子と同様の形状を有する偏波回転素子を半導体材料を用いて、半導体光素子と一体に形成すれば、この半導体偏波回転素子と半導体光素子とを同一の半導体基板上にモノリシックに集積させる際の、上述のような光軸合わせの課題や反射戻り光に起因した課題は解消すると考えられる。
しかしながら、そのような形状の半導体材料からなる偏波回転素子は知られていない。さらに、半導体光素子は、一般に半導体堆積法を用いて半導体基板上に形成される。従って、偏波回転素子と半導体光素子とを一体に形成するためには、半導体堆積法によって偏波回転素子も形成する必要がある。しかし、一般的な半導体堆積法によって、半導体基板上に当該半導体基板の積層面に対して鋭角の傾斜角度を成すような半導体層を、所望の形状に堆積させることは困難である。そのため、上記特許文献１に記載されている偏波回転素子と同様の形状を有する偏波回転素子を半導体材料を用いて形成することは困難である。上記特許文献１には、偏波回転素子を半導体材料で形成することについては触れられていない。
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、基板の積層面に対して傾斜したコア部を容易に形成することが可能な半導体材料からなる偏波回転素子の製造方法、及び、そのようなコア部を有する半導体材料からなる偏波回転素子を提供することを目的とする。
上述の課題を解決するため、本発明に係る偏波回転素子の製造方法は、半導体基板と、第１半導体コア部と、第１半導体クラッド部とを有し、半導体基板の積層面上に設けられた偏波回転部とを備える偏波回転素子の製造方法であって、半導体基板と、半導体基板の積層面から突出して当該積層面と平行な第１方向に沿って延びる凸部と、を有する構造体を形成する構造体形成工程と、半導体基板の積層面上に、第１半導体層を、凸部の側面に接する凸部隣接領域を有するように、かつ、当該凸部隣接領域の少なくとも一部が、傾斜面を規定するように堆積させる第１半導体層形成工程と、第１半導体層上に、第２半導体層を、凸部隣接領域の上記傾斜面上に位置する傾斜部を有するように形成する第２半導体層形成工程と、第２半導体層上に、第３半導体層を形成することにより、第１半導体層、第２半導体層、及び、第３半導体層からなる半導体積層を形成する第３半導体層形成工程と、第３半導体層の表面のうち、第２半導体層の上記傾斜部の少なくとも一部の上方の表面を第１方向に沿って延びる形状を有するマスク層でマスクするマスク工程と、第２半導体層のうち、マスク層下方の第２半導体層の上記傾斜部の上記少なくとも一部と接する領域が除去されるようにマスク層をマスクとして半導体積層をエッチングすることにより、マスク層の下に、半導体積層の積層方向に突出して第１方向に沿って延びると共に、マスク層下方の第２半導体層の上記傾斜部の上記少なくとも一部からなる第１半導体コア部を含むストライプ状の突出部を形成する半導体積層エッチング工程と、ストライプ状の突出部を埋め込むように第４半導体層を形成することにより、第１半導体層、第３半導体層、及び、第４半導体層を含むと共に、第１半導体コア部の周囲を覆う第１半導体クラッド部を形成する第４半導体層形成工程と、を備え、凸部隣接領域の上記傾斜面は、第１方向と垂直な断面において凸部に近づくにつれて半導体基板の積層面からの高さが増加するように、半導体基板の積層面と鋭角を成す第２方向に沿って延び、第２半導体層の上記傾斜部は、第１方向と垂直な断面において第２方向に沿って延びることを特徴とする。
本発明に係る偏波回転素子の製造方法においては、第１半導体コア部と第１半導体クラッド部をそれぞれ半導体材料で形成する。
その上、本発明に係る偏波回転素子の製造方法においては、第１半導体層形成工程において凸部隣接領域を有する第１半導体層を形成し、この凸部隣接領域は、半導体基板の積層面と鋭角を成す第２方向に沿って延びる傾斜面を規定する。このような傾斜面を有する凸部隣接領域は、構造体形成工程で形成した構造体を用いて、容易に形成することができる。即ち、第１半導体層形成工程において、半導体基板の積層面上に、第１半導体層を構造体の凸部の側面に接するように堆積させるだけで、当該凸部に近い領域ほど第１半導体層を構成する半導体材料が厚く堆積されるため、上述のような傾斜面を有する凸部隣接領域を容易に形成することができる。
続いて、第２半導体層形成工程において、この第１半導体層上に第２半導体層を形成するだけで、当該第２半導体層は上記第２方向に沿って延びる傾斜部を有することになる。そのため、この傾斜部も容易に形成することができる。その後、エッチング工程において半導体積層のエッチングが行われて、当該傾斜部の少なくとも一部が第１半導体コア部となる。そのため、本発明に係る偏波回転素子の製造方法によれば、半導体基板の積層面に対して傾斜したコア部を容易に形成することが可能である。
以上より、本発明に係る偏波回転素子の製造方法によれば、半導体材料からなる偏波回転素子が得られ、また、基板の積層面に対して傾斜したコア部の形成が容易となる。
さらに、本発明に係る偏波回転素子の製造方法において、半導体基板の積層面と第２方向とが成す角度は、２０度以上、８０度以下であることが好ましい。この角度が２０度以上であると、積層面と平行又は垂直な偏波面を有する直線偏波を偏波回転部に入射させた場合に、偏波回転部の単位長さ当たりの偏波面回転効率を十分に高くすることができるため、偏波回転素子の小型化が可能となる。この角度が８０度以下である場合も同様に、積層面と平行又は垂直な偏波面を有する直線偏波を偏波回転部に入射させた場合に、偏波回転部の単位長さ当たりの偏波面回転効率を十分に高くすることができるため、偏波回転素子の小型化が可能となる。
さらに、本発明に係る偏波回転素子の製造方法において、構造体形成工程は、凸部となるべき領域を含む初期半導体基板を準備する準備工程と、初期半導体基板のうち、凸部となるべき領域上に凸部用マスク部を形成するマスク部形成工程と、凸部用マスク部をマスクとして初期半導体基板をエッチングすることにより、凸部用マスク部の下に位置する凸部と、凸部の下に位置する上記半導体基板とを形成する初期半導体基板エッチング工程と、を有することが好ましい。これにより、半導体基板と凸部とからなる上記構造体を容易に形成することができる。
さらに、本発明に係る偏波回転素子の製造方法は、上記半導体基板上に、第１方向に沿って延びると共に第１方向と垂直な断面において第２方向と異なる第３方向に沿って延びる形状を有する第２半導体コア部と、第２半導体コア部の周囲を覆う第２半導体クラッド部とを有し、偏波回転部の第１方向の一端面と隣接して偏波回転部と光結合する第１導波路部を形成する第１導波路部形成工程をさらに備えることが好ましい。
このような第１導波路部の遅相軸の方向は、第１方向から見て、偏波回転部の遅相軸の方向と異なる。そのため、第１導波路部と偏波回転部は、同一の偏波に対する偏波面回転特性が互いに異なる。その結果、本発明に係る偏波回転素子の製造方法によれば、第１導波路部によって、偏波面を回転させずに第１導波路部の一端面から他端面に直線偏波を導波させて偏波回転部に導いた後に、偏波回転部によって、偏波面を回転させながら偏波回転部の一端面から他端面まで当該直線偏波を導波させるという使用方法が可能な偏波回転素子が得られる。
さらに、本発明に係る偏波回転素子の製造方法は、上記半導体基板上に、第１方向に沿って延びると共に第１方向と垂直な断面において第３方向に沿って延びる形状を有する第３半導体コア部と、第３半導体コア部の周囲を覆う第３半導体クラッド部とを有し、偏波回転部の第１方向の他端面と隣接して偏波回転部と光結合する第２導波路部を形成する第２導波路部形成工程をさらに備えることが好ましい。
このような第２導波路部の遅相軸の方向は、第１方向から見て、偏波回転部の遅相軸の方向と異なる。そのため、第２導波路部と偏波回転部は、同一の偏波に対する偏波面回転特性が互いに異なる。その結果、本発明に係る偏波回転素子の製造方法によれば、偏波回転部によって、偏波面を回転させながら偏波回転部の一端面から他端面まで導波させて第２導波路部に導いた後に、第２導波路部によって、偏波面を回転させずに第２導波路部の一端面から他端面まで当該偏波を導波させるという使用方法が可能な偏波回転素子が得られる。
さらに、本発明に係る偏波回転素子の製造方法において、第２方向と第３方向は、略４５度の角度を成すことが好ましい。これにより、第１導波路部内のみ、又は、第１導波路部と第２導波路部内を偏波面を回転させずに直線偏波を導波させる場合に、偏波回転部による当該直線偏光の偏波面の回転効率を特に特に大きくすることができる。
また、上述の課題を解決するため、本発明に係る偏波回転素子は、半導体基板と、第１半導体コア部と、第１半導体クラッド部とを有し、半導体基板の積層面上に設けられた偏波回転部と、を備え、第１半導体コア部は、半導体基板の積層面に平行な第１方向に沿って延び、第１半導体クラッド部は、第１半導体コア部の周囲を覆い、第１方向と垂直な第１半導体コア部の断面は、半導体基板の前記積層面と鋭角を成す第２方向に沿って延びた形状を有することを特徴とする。
本発明に係る偏波回転素子においては、第１半導体コア部と第１半導体クラッド部は、それぞれ半導体材料で構成されている。その上、本発明に係る偏波回転素子においては、第１方向と垂直な第１半導体コア部の断面は、半導体基板の積層面と鋭角を成す第２方向に沿って延びた形状を有する。そのため、基板の積層面に対して傾斜したコア部を有する偏波回転素子となる。
さらに、本発明に係る偏波回転素子において、半導体基板の積層面と第２方向とが成す角度は、２０度以上、８０度以下であることが好ましい。この角度が２０度以上であると、積層面と平行又は垂直な偏波面を有する直線偏波を偏波回転部に入射させた場合に、偏波回転部の単位長さ当たりの偏波面回転効率を十分に高くすることができるため、偏波回転素子の小型化が可能となる。この角度が８０度以下である場合も同様に、積層面と平行又は垂直な偏波面を有する直線偏波を偏波回転部５に入射させた場合に、偏波回転部の単位長さ当たりの偏波面回転効率を十分に高くすることができるため、偏波回転素子の小型化が可能となる。
さらに、本発明に係る偏波回転素は、第２半導体コア部と、第２半導体クラッド部とを有し、上記半導体基板上に設けられていると共に、偏波回転部と光結合するように当該偏波回転部の第１方向の一端面と隣接する第１導波路部をさらに備え、第２半導体コア部は、第１方向に沿って延び、第２半導体クラッド部は、第２半導体コア部の周囲を覆い、第１方向と垂直な第２半導体コア部の断面は、第２方向とは異なる第３方向に沿って延びた形状を有することが好ましい。
このような第１導波路部の遅相軸の方向は、第１方向から見て、偏波回転部の遅相軸の方向と異なる。そのため、第１導波路部と偏波回転部は、同一の偏波状態の偏波に対する偏波面回転特性が互いに異なる。その結果、本発明に係る偏波回転素子によれば、第１導波路部によって、偏波面を回転させずに第１導波路部の一端面から他端面に直線偏波を導波させて偏波回転部に導いた後に、偏波回転部によって、偏波面を回転させながら偏波回転部の一端面から他端面まで当該直線偏波を導波させて、他の偏光状態の偏波に変換するという使用方法が可能となる。
さらに、本発明に係る偏波回転素は、第３半導体コア部と、第３半導体クラッド部とを有し、半導体基板上に設けられていると共に、偏波回転部と光結合するように当該偏波回転部の第１方向の他端面と隣接する第２導波路部をさらに備え、第３半導体コア部は、半導体基板の積層面に平行な第１方向に沿って延び、第３半導体クラッド部は、第３半導体コア部の周囲を覆い、第１方向と垂直な第３半導体コア部の断面は、第３方向に沿って延びた形状を有することが好ましい。
このような第２導波路部の遅相軸の方向は、第１方向から見て、偏波回転部の遅相軸の方向と異なる。そのため、第２導波路部と偏波回転部は、同一の偏波に対する偏波面回転特性が互いに異なる。その結果、本発明に係る偏波回転素子によれば、偏波回転部によって、偏波面を回転させながら偏波回転部の一端面から他端面まで直線偏波を導波させて第２導波路部に導いた後に、第２導波路部によって、偏波面を回転させずに第２導波路部の一端面から他端面まで当該直線偏波を導波させるという使用方法が可能となる。
さらに、本発明に係る偏波回転素において、第２方向と第３方向は、略４５度の角度を成すことが好ましい。これにより、第１導波路部内のみ、又は、第１導波路部と第２導波路部内を偏波面を回転させずに直線偏波を導波させる場合に、偏波回転部による当該直線偏光の偏波面の回転効率を特に特に大きくすることができる。
さらに、本発明に係る偏波回転素において、第１方向と垂直な第１半導体コア部の断面は、第２方向に沿った長さが、第２方向と垂直な方向に沿った幅の３倍以上、１０倍以下である形状を有することが好ましい。上記断面の第２方向に沿った長さが、第２方向と垂直な方向に沿った幅の３倍以下の場合、コアの断面形状が正方形に近いために、第２方向に沿った偏波に対する屈折率と、第２方向とは垂直な方向に沿った偏波に対する屈折率の差である複屈折率が小さくなり、偏波回転効率が小さくなる。また、上記断面の第２方向に沿った長さが、第２方向と垂直な方向に沿った幅の１０倍以上の場合、コアへの光閉じ込めが弱くなるために、第２方向に沿った偏波に対する屈折率と、第２方向と垂直な方向に沿った偏波に対する屈折率の差である複屈折率が小さくなり、やはり偏波回転効率が小さくなる。従って、第１方向と垂直な第１半導体コア部の断面は、第２方向に沿った長さが、第２方向と垂直な方向に沿った幅の３倍以上、１０倍以下である形状を有することにより、好適な偏波回転効率を得ることができる。
さらに、本発明に係る偏波回転素において、半導体基板は、ＩｎＰからなることができる。
本発明によれば、基板の積層面に対して傾斜したコア部を容易に形成することが可能な半導体材料からなる偏波回転素子の製造方法、及び、そのようなコア部を有する半導体材料からなる偏波回転素子が提供される。
実施形態に係る偏波回転素子を示す斜視図である。 実施形態に係る偏波回転素子を示す分解斜視図である。 図３（Ａ）は、図１の偏波回転素子のＩＩＩＡ−ＩＩＩＡ線に沿った断面を示す図であり、図３（Ｂ）は、図１の偏波回転素子のＩＩＩＢ−ＩＩＩＢ線に沿った断面を示す図であり、図３（Ｃ）は、図１の偏波回転素子のＩＩＩＣ−ＩＩＩＣ線に沿った断面を示す図である。 導波路部Ａ及び偏波回転部Ａ〜Ｉの特性について計算した結果を示す図である。 偏波回転部Ａ〜Ｉについての計算結果を示す図である。 実施形態の偏波回転素子の製造方法で行われる一連の工程を説明するための図である。 実施形態の偏波回転素子の製造方法で行われる一連の工程を説明するための図である。 実施形態の偏波回転素子の製造方法で行われる一連の工程を説明するための図である。 実施形態の偏波回転素子の製造方法で行われる一連の工程を説明するための図である。 実施形態の偏波回転素子の製造方法で行われる一連の工程を説明するための図である。 実施形態の偏波回転素子の製造方法で行われる一連の工程を説明するための図である。 実施形態の偏波回転素子の製造方法で行われる一連の工程を説明するための図である。 実施形態の偏波回転素子の製造方法で行われる一連の工程を説明するための図である。 実施形態の偏波回転素子の製造方法で行われる一連の工程を説明するための図である。 実施形態の偏波回転素子の製造方法で行われる一連の工程を説明するための図である。 実施形態の偏波回転素子の製造方法で行われる一連の工程を説明するための図である。 実施形態の偏波回転素子の製造方法で行われる一連の工程を説明するための図である。
以下、実施の形態に係る偏波回転素子の製造方法及び偏波回転素子について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図面において、可能な場合には同一要素には同一符号を用いる。また、図面中の構成要素内及び構成要素間の寸法比は、図面の見易さのため、それぞれ任意となっている。
まず、本実施形態に係る偏波回転素子について説明する。図１は、本実施形態に係る偏波回転素子を示す斜視図である。
図１に示すように、本実施形態の偏波回転素子１は、積層面３Ｓを有する半導体基板３と、偏波回転部５と、第１導波路部７と、第２導波路部９と、を備えている。本実施形態においては、半導体基板３は板状であり、半導体基板３の積層面３Ｓは略平面である。偏波回転部５、第１導波路部７、及び、第２導波路部９は、半導体基板３の積層面３Ｓ上に設けられている。
なお、図１においては、直交座標系２を示しており、半導体基板３の積層面３Ｓと平行にＸ軸及びＹ軸を設定している。図２以降の各図においても、必要に応じて図１に対応させた直交座標系２を示している。
図１に示すように、偏波回転部５、第１導波路部７、及び、第２導波路部９は、それぞれＹ軸と平行な第１方向Ｄ１に沿って延びている。即ち、偏波回転部５、第１導波路部７、及び、第２導波路部９は、それぞれ半導体基板３の積層面３Ｓに平行な第１方向Ｄ１に沿って延びている。
半導体基板３は、例えば、Ｓｉ、Ｇｅ等の単元素半導体材料や、III−Ｖ族化合物半導体等の化合物半導体材料からなる。半導体基板３を構成するIII−Ｖ族化合物半導体としては、例えば、ＩｎＰを挙げることができる。
図２は、本実施形態に係る偏波回転素子を示す分解斜視図である。図２においては、偏波回転部５、第１導波路部７、及び、第２導波路部９を互いに第１方向Ｄ１に離間させた状態の偏波回転素子１を示しており、また、半導体基板３の図示を省略している。
図２に示すように、偏波回転部５は、第１方向Ｄ１に沿って延びる第１半導体コア部５Ｃと、第１半導体クラッド部５Ｌと、を有している。第１半導体コア部５Ｃは、偏波回転部５の第１方向Ｄ１方向の一端面５Ｅ１から、偏波回転部５の第１方向Ｄ１方向の他端面５Ｅ２まで延びている。一端面５Ｅ１及び他端面５Ｅ２は、第１方向Ｄ１と略直交する平面とすることができる。第１半導体クラッド部５Ｌは、第１半導体コア部５Ｃの周囲を覆っている。即ち、第１方向Ｄ１に垂直な断面において、第１半導体コア部５Ｃは第１半導体クラッド部５Ｌに取り囲まれている。
第１半導体コア部５Ｃを構成する半導体材料の屈折率は、第１半導体クラッド部５Ｌを構成する半導体材料の屈折率よりも大きい。偏波回転部５の第１方向Ｄ１に沿った方向の長さは、例えば、２０μｍ以上、５００μｍ以下とすることができる。
また、図２に示すように、第１導波路部７は、第１方向Ｄ１に沿って延びる第２半導体コア部７Ｃと、第２半導体クラッド部７Ｌと、を有している。第２半導体コア部７Ｃは、第１導波路部７の第１方向Ｄ１方向の一端面７Ｅ１から、第１導波路部７の第１方向Ｄ１方向の他端面７Ｅ２まで延びている。一端面７Ｅ１及び他端面７Ｅ２は、第１方向Ｄ１と略直交する平面とすることができる。第２半導体クラッド部７Ｌは、第２半導体コア部７Ｃの周囲を覆っている。即ち、第１方向Ｄ１に垂直な断面において、第２半導体コア部７Ｃは第２半導体クラッド部７Ｌに取り囲まれている。第１導波路部７が偏波回転部５と光結合するように、第１導波路部７の他端面７Ｅ２は、偏波回転部５の一端面５Ｅ１と隣接している。
第２半導体コア部７Ｃを構成する半導体材料の屈折率は、第２半導体クラッド部７Ｌを構成する半導体材料の屈折率よりも大きい。第１導波路部７の第１方向Ｄ１に沿った方向の長さは、例えば、１００μｍとすることができる。
また、本実施形態においては、第２導波路部９は第１導波路部７と同様の構成を有している。即ち、図２に示すように、第２導波路部９は、第１方向Ｄ１に沿って延びる第３半導体コア部９Ｃと、第３半導体クラッド部９Ｌと、を有している。第３半導体コア部９Ｃは、第２導波路部９の第１方向Ｄ１方向の一端面９Ｅ１から、第２導波路部９の第１方向Ｄ１方向の他端面９Ｅ２まで延びている。一端面９Ｅ１及び他端面９Ｅ２は、第１方向Ｄ１と略直交する平面とすることができる。第３半導体クラッド部９Ｌは、第３半導体コア部９Ｃの周囲を覆っている。即ち、第１方向Ｄ１に垂直な断面において、第３半導体コア部９Ｃは第３半導体クラッド部９Ｌに取り囲まれている。第２導波路部９が偏波回転部５と光結合するように、第２導波路部９の一端面９Ｅ１は、偏波回転部５の他端面５Ｅ２と隣接している。
第３半導体コア部９Ｃを構成する半導体材料の屈折率は、第３半導体クラッド部９Ｌを構成する半導体材料の屈折率よりも大きい。第２導波路部９の第１方向Ｄ１に沿った方向の長さは、例えば、１００μｍとすることができる。
次に、偏波回転部５、第１導波路部７、及び、第２導波路部９の断面形状について説明する。
図３（Ａ）は、図１の偏波回転素子のＩＩＩＡ−ＩＩＩＡ線に沿った断面を示す図であり、図３（Ｂ）は、図１の偏波回転素子のＩＩＩＢ−ＩＩＩＢ線に沿った断面を示す図であり、図３（Ｃ）は、図１の偏波回転素子のＩＩＩＣ−ＩＩＩＣ線に沿った断面を示す図である。
図３（Ａ）に示すように、第１方向Ｄ１と垂直な第１半導体コア部５Ｃの断面は、半導体基板３の積層面３Ｓと鋭角θＡを成す第２方向Ｄ２に沿って延びた形状を有している。そのため、第１方向Ｄ１と垂直な第１半導体コア部５Ｃの断面は、第１方向Ｄ１に沿った方向の長さが、第１方向Ｄ１とは垂直な方向に沿った幅よりも長い形状を有している。後述のような理由により、鋭角θＡは、２０度以上、８０度以下であることが好ましく、略４５度であることが特に好ましい。
第１方向Ｄ１と垂直な第１半導体コア部５Ｃの断面の形状は、例えば、矩形状、平行四辺形状、又は台形状とすることができる。第１方向Ｄ１と垂直な第１半導体コア部５Ｃの断面の第２方向Ｄ２に沿った長さは、例えば、１μｍ以上、５μｍ以下とすることができ、第１方向Ｄ１と垂直な第１半導体コア部５Ｃの断面の第２方向Ｄ２と垂直な方向に沿った幅は、例えば、０．１μｍ以上、０．５μｍ以下とすることができる。
第１方向Ｄ１と垂直な第１半導体クラッド部５Ｌの断面の形状は、例えば、正方形状、矩形状、平行四辺形状、又は台形状とすることができる。また、第１半導体クラッド部５Ｌは、半導体基板３の表面全体に形成されていてもよい。
第１半導体コア部５Ｃは、単元素半導体材料や化合物半導体材料からなる。第１半導体コア部５Ｃを構成する化合物半導体材料としては、例えば、ＧａＩｎＡｓＰ等のIII−Ｖ族化合物半導体材料を挙げることができる。第１半導体クラッド部５Ｌは、単元素半導体材料や化合物半導体材料からなる。第１半導体クラッド部５Ｌを構成する化合物半導体材料としては、例えば、ＩｎＰ等のIII−Ｖ族化合物半導体材料を挙げることができる。
また、図３（Ｂ）に示すように、第１方向Ｄ１と垂直な第２半導体コア部７Ｃの断面は、第３方向Ｄ３に沿って延びた形状を有している。第３方向Ｄ３は、第２方向Ｄ２と異なる方向である。（即ち、第２方向Ｄ２と第３方向Ｄ３は、０度よりも大きい角度θ２３を成す。）そのため、第１方向Ｄ１と垂直な第２半導体コア部７Ｃの断面は、第３方向Ｄ３に沿った方向の長さが、第３方向Ｄ３とは垂直な方向に沿った幅よりも長い形状を有している。第３方向Ｄ３は、本実施形態では、半導体基板３の積層面３Ｓと平行である。即ち、本実施形態では、第３方向Ｄ３はＸ軸と平行である。第１導波路部７と偏波回転部５との光結合の効率を高める観点から、第１方向Ｄ１方向から見て、第２半導体コア部７Ｃは第１半導体コア部５Ｃと重なる部分を有することが好ましい（図１及び図２参照）。
第１方向Ｄ１と垂直な第２半導体コア部７Ｃの断面の形状は、例えば、矩形状、平行四辺形状、又は台形状とすることができる。第１方向Ｄ１と垂直な第２半導体コア部７Ｃの断面の第３方向Ｄ３に沿った長さは、例えば、１μｍ以上、５μｍ以下とすることができ、第１方向Ｄ１と垂直な第２半導体コア部７Ｃの断面の第３方向Ｄ３と垂直な方向に沿った幅は、例えば、０．１μｍ以上、０．５μｍ以下とすることができる。
第１方向Ｄ１と垂直な第２半導体クラッド部７Ｌの断面の形状は、例えば、正方形状、矩形状、平行四辺形状、又は台形状とすることができる。また、第２半導体クラッド部７Ｌは、半導体基板３の表面全体に形成されていてもよい。本実施形態においては、第１方向Ｄ１と垂直な第２半導体クラッド部７Ｌの断面の形状は、第１方向Ｄ１と垂直な第１半導体クラッド部５Ｌの断面の形状と略同一である。
第２半導体コア部７Ｃは、単元素半導体材料や化合物半導体材料からなる。第２半導体コア部７Ｃを構成する化合物半導体材料としては、例えば、ＧａＩｎＡｓＰ等のIII−Ｖ族化合物半導体材料を挙げることができる。第２半導体クラッド部７Ｌは、単元素半導体材料や化合物半導体材料からなる。第２半導体クラッド部７Ｌを構成する化合物半導体材料としては、例えば、ＩｎＰ等のIII−Ｖ族化合物半導体材料を挙げることができる。
また、図３（Ｃ）に示すように、第１方向Ｄ１と垂直な第３半導体コア部９Ｃの断面は、第３方向Ｄ３に沿って延びた形状を有している。そのため、第１方向Ｄ１と垂直な第３半導体コア部９Ｃの断面は、第３方向Ｄ３に沿った方向の長さが、第３方向Ｄ３とは垂直な方向に沿った幅よりも長い形状を有している。第３半導体コア部９Ｃと偏波回転部５との光結合の効率を高める観点から、第１方向Ｄ１方向から見て、第３半導体コア部９Ｃは第１半導体コア部５Ｃと重なる部分を有することが好ましい（図１及び図２参照）。
第１方向Ｄ１と垂直な第３半導体コア部９Ｃの断面の形状は、例えば、矩形状、平行四辺形状、又は台形状とすることができる。第１方向Ｄ１と垂直な第３半導体コア部９Ｃの断面の第３方向Ｄ３に沿った長さは、例えば、１μｍ以上、５μｍ以下とすることができ、第１方向Ｄ１と垂直な第３半導体コア部９Ｃの断面の第３方向Ｄ３と垂直な方向に沿った幅は、例えば、０．１μｍ以上、０．５μｍ以下とすることができる。
第１方向Ｄ１と垂直な第３半導体クラッド部９Ｌの断面の形状は、例えば、正方形状、矩形状、平行四辺形状、又は台形状とすることができる。また、第３半導体クラッド部９Ｌは、半導体基板３の表面全体に形成されていてもよい。本実施形態においては、第１方向Ｄ１と垂直な第３半導体クラッド部９Ｌの断面の形状は、第１方向Ｄ１と垂直な第１半導体クラッド部５Ｌの断面の形状と略同一である。
第３半導体コア部９Ｃは、単元素半導体材料や化合物半導体材料からなる。第３半導体コア部９Ｃを構成する化合物半導体材料としては、例えば、ＧａＩｎＡｓＰ等のIII−Ｖ族化合物半導体材料を挙げることができる。第３半導体クラッド部９Ｌは、単元素半導体材料や化合物半導体材料からなる。第３半導体クラッド部９Ｌを構成する化合物半導体材料としては、例えば、ＩｎＰ等のIII−Ｖ族化合物半導体材料を挙げることができる。
次に、図１〜図３を参照しながら、本実施形態の偏波回転素子１の機能について説明する。
まず、偏波回転部５の機能について説明する。図３（Ａ）に示すように、第１方向Ｄ１と垂直な断面において、偏波回転部５の第１半導体コア部５Ｃは、第２方向Ｄ２方向に沿って延びている。そして、上述のように第１半導体コア部５Ｃを構成する半導体材料の屈折率は、第１半導体クラッド部５Ｌを構成する半導体材料の屈折率よりも高い。
そのため、第１方向Ｄ１方向に沿って偏波回転部５内を偏波が導波する際、当該偏波に対する偏波回転部５の実効的な屈折率は、当該偏波の偏波面の方向（電場ベクトルの方向）に依存する。具体的には、偏波回転部５は、第２方向Ｄ２に沿った偏波面を有する偏波に対して最も高い実効的な屈折率を示し、第２方向Ｄ２に垂直な方向に沿った偏波面を有する偏波に対して最も小さい実効的な屈折率を示す。そのため、偏波回転部５は、第２方向Ｄ２と平行な遅相軸を有し、第１方向Ｄ１及び第２方向Ｄ２の双方に垂直な進相軸を有する複屈折素子として機能する。
そのため、例えば、偏波面が第２方向Ｄ２と鋭角を成す直線偏波を、第１方向Ｄ１に沿って偏波回転部５内を導波させると、当該直線偏波の偏波面は偏波回転部５によって回転させられる。当該直線偏波の偏波面が第２方向Ｄ２と４５度の角度を成す場合、偏波回転部５による当該直線偏波の偏波面の回転効率（第１方向Ｄ１に沿った単位長さ当たりの偏波回転部５による直線偏波の偏波面の回転角度の大きさ）が最も高くなる。また、例えば、偏波面が第２方向Ｄ２と平行又は９０度の角度を成す直線偏波を、第１方向Ｄ１に沿って偏波回転部５内を導波させると、当該直線偏波の偏波面は偏波回転部５によって変化しない。
次に、第１導波路部７及び第２導波路部９の機能について説明する。図３（Ｂ）及び（Ｃ）に示すように、第１方向Ｄ１と垂直な断面において、第１導波路部７の第２半導体コア部７Ｃ及び第２導波路部９の第３半導体コア部９Ｃは、それぞれ第３方向Ｄ３に沿って延びている。そして、上述のように第２半導体コア部７Ｃを構成する半導体材料の屈折率は、第２半導体クラッド部７Ｌを構成する半導体材料の屈折率よりも高く、第３半導体コア部９Ｃを構成する半導体材料の屈折率は、第３半導体クラッド部９Ｌを構成する半導体材料の屈折率よりも高い。
そのため、第１方向Ｄ１方向に沿って第１導波路部７及び第２導波路部９内を偏波が導波する際、当該偏波に対する第１導波路部７及び第２導波路部９の実効的な屈折率は、それぞれ当該偏波の偏波面の方向（電場ベクトルの方向）に依存する。具体的には、第１導波路部７及び第２導波路部９は、それぞれ第３方向Ｄ３に沿った偏波面を有する偏波に対して最も高い実効的な屈折率を示し、第３方向Ｄ３に垂直な方向に沿った偏波面を有する偏波に対して最も小さい実効的な屈折率を示す。そのため、第１導波路部７及び第２導波路部９は、それぞれ第３方向Ｄ３と平行な遅相軸を有し、第１方向Ｄ１及び第３方向Ｄ３の双方に垂直な進相軸を有する複屈折素子として機能する。
そのため、例えば、偏波面が第３方向Ｄ３と鋭角を成す直線偏波を、第１方向Ｄ１に沿って第１導波路部７又は第２導波路部９内を導波させると、当該直線偏波の偏波面は第１導波路部７又は第２導波路部９によって回転させられる。当該直線偏波の偏波面が第３方向Ｄ３と４５度の角度を成す場合、第１導波路部７又は第２導波路部９による当該直線偏波の偏波面の回転効率（第１方向Ｄ１に沿った単位長さ当たりの第１導波路部７又は第２導波路部９による直線偏波の偏波面の回転角度の大きさ）が最も高くなる。また、例えば、偏波面が第３方向Ｄ３と平行又は９０度の角度を成す直線偏波（即ち、本実施形態においては、偏波面がＸ軸又はＺ軸と平行な直線偏波）を、第１方向Ｄ１に沿って第１導波路部７又は第２導波路部９内を導波させると、当該直線偏波の偏波面は第１導波路部７又は第２導波路部９によって変化しない。
続いて、偏波回転素子１全体の機能について説明する。図１及び図２に示すように、偏波回転素子１は、第１導波路部７の一端面７Ｅ１から入射した偏波を、第１導波路部７、偏波回転部５、及び、第２導波路部９内を順に第１方向Ｄ１に沿って導波させ、第２導波路部９の他端面９Ｅ２から出射させる。そして、上述のような偏波回転部５、第１導波路部７、及び、第２導波路部９の機能に基づき、偏波が第１導波路部７、偏波回転部５、及び、第２導波路部９内を導波する際、偏波回転素子１は、第１導波路部７、偏波回転部５、及び、第２導波路部９の一部又は全部において、当該偏波の偏波面を回転させる機能を有する。そのため、偏波回転素子１は、波長板として機能する。
一例として、偏波回転素子１が１／２波長板（λ／２板）として機能し、図１に示すように偏波回転素子１に直線偏波であるＴＥ（Transverse Electric）偏波ＰＬ１を入射させた場合について説明する。
この場合、偏波回転素子１は、第１導波路部７の一端面７Ｅ１に入射したＴＥ偏波ＰＬ１の偏波面を９０度回転させて直線偏波であるＴＭ（Transverse Magnetic）偏波ＰＬ２に変換し、このＴＭ偏波ＰＬ２を第２導波路部９の他端面９Ｅ２から出射する。ここで、ＴＥ偏波ＰＬ１の電場Ｅは、ＹＺ平面と平行な入射面と直交しており、ＴＭ偏波ＰＬ２の磁場Ｂは、当該入射面と直交している。そのため、ＴＥ偏波ＰＬ１の電場Ｅの第１方向Ｄ１と垂直な成分は、Ｘ軸と平行であり、ＴＭ偏波ＰＬ２の電場Ｅの第１方向Ｄ１と垂直な成分は、Ｚ軸と平行である。
この偏波回転素子１による偏波面の回転について具体的に説明する。上述のように、第１導波路部７は、偏波面がＸ軸と平行な直線偏波の偏波面を回転させないため、本実施形態においては、第１導波路部７は偏波状態を保ったままＴＥ偏波ＰＬ１を一端面７Ｅ１から他端面７Ｅ２まで導波させ、他端面７Ｅ２から出射させる。
続いて、このＴＥ偏波ＰＬ１は、偏波回転部５の一端面５Ｅ１に入射する。上述のように、偏波回転部５は、偏波面が第２方向Ｄ２と鋭角を成す直線偏波の偏波面を回転させるため、本実施形態においては、偏波回転部５は偏波面を回転させながらＴＥ偏波ＰＬ１を一端面５Ｅ１から他端面５Ｅ２まで導波させ、ＴＭ偏波ＰＬ２を他端面５Ｅ２から出射させる。
続いて、このＴＭ偏波ＰＬ２は、第２導波路部９の一端面９Ｅ１に入射する。上述のように、第２導波路部９は、偏波面がＺ軸と平行な直線偏波の偏波面を回転させないため、本実施形態においては、第２導波路部９は偏波状態を保ったままＴＭ偏波ＰＬ２を一端面９Ｅ１から他端面９Ｅ２まで導波させ、他端面７Ｅ２から出射させる。
このようにして、偏波回転素子１は、入射した偏波の偏波面を回転させて偏波状態の異なる偏波に変換し、当該偏波状態が変換された偏波を出射する。
上述のような本実施形態に係る偏波回転素子１においては、図１〜図３に示すように、第１半導体コア部５Ｃと第１半導体クラッド部５Ｌは、それぞれ半導体材料で構成されている。そのため、半導体基板３の積層面３Ｓ上に、偏波回転素子１の半導体基板３以外の要素と、他の半導体素子とを、容易にモノリシックに集積することが可能である。
その上、本実施形態に係る偏波回転素子１においては、第１半導体コア部５Ｃの第１方向Ｄ１と垂直な断面は、半導体基板３の積層面３Ｓと鋭角θＡを成す第２方向Ｄ２に沿って延びた形状を有する（図３（Ａ）参照）。そのため、半導体基板３の積層面３Ｓに対して傾斜した第１半導体コア部５Ｃを有する偏波回転素子１となる。
また、本実施形態に係る偏波回転素子１において、半導体基板３の積層面３Ｓと第２方向Ｄ２とが成す角度（鋭角θＡ）は、２０度以上、８０度以下であることが好ましい。鋭角θＡが２０度以上であると、積層面３Ｓと平行な偏波面を有する直線偏波（例えば、上述のＴＥ偏波ＰＬ１）又は積層面３Ｓと垂直な偏波面を有する直線偏波を偏波回転部５に入射させた場合に、偏波回転部５の単位長さ当たりの偏波面回転効率を十分に高くすることができる（図１及び図３（Ａ）参照）。そのため、偏波回転部５の第１方向Ｄ１に沿った長さを短くすることが可能になるため、偏波回転素子１の小型化が可能となる。
鋭角θＡが８０度以下である場合も同様に、積層面３Ｓと平行な偏波面を有する直線偏波（例えば、上述のＴＥ偏波ＰＬ１）又は積層面３Ｓと垂直な偏波面を有する直線偏波を偏波回転部５に入射させた場合に、偏波回転部５の単位長さ当たりの偏波面回転効率を十分に高くすることができる（図１及び図３（Ａ）参照）。
さらに、本実施形態に係る偏波回転素子１は、半導体材料からなる第２半導体コア部７Ｃと、半導体材料からなる第２半導体クラッド部７Ｌとを有し、半導体基板３上に設けられていると共に、偏波回転部５と光結合するように当該偏波回転部５の第１方向Ｄ１の一端面５Ｅ１と隣接する第１導波路部７をさらに備え、第２半導体コア部７Ｃは、第１方向Ｄ１に沿って延び、第２半導体クラッド部７Ｌは、第２半導体コア部７Ｃの周囲を覆い、第２半導体コア部７Ｃの第１方向Ｄ１と垂直な断面は、第２方向Ｄ２とは異なる第３方向Ｄ３に沿って延びた形状を有する（図１、図２、及び、図３（Ｂ）参照）。
そのため、このような第１導波路部７の遅相軸の方向（即ち、第３方向Ｄ３と平行な方向）は、第１方向Ｄ１から見て、偏波回転部５の遅相軸の方向（即ち、第２方向Ｄ２と平行な方向）と異なる（図３（Ａ）及び図３（Ｂ）参照）。そのため、第１導波路部７と偏波回転部５は、同一の偏波状態の偏波に対する偏波面回転特性が互いに異なる。その結果、本実施形態に係る偏波回転素子１によれば、第１導波路部７によって、偏波面を回転させずに第１導波路部７の一端面７Ｅ１から他端面７Ｅ２に直線偏波（例えば、上述のＴＥ偏波ＰＬ１）を導波させて偏波回転部５に導いた後に、偏波回転部５によって、偏波面を回転させながら偏波回転部５の一端面５Ｅ１から他端面５Ｅ２まで当該直線偏波を導波させて、他の偏光状態の偏波に変換するという使用方法が可能となる。
具体的には、例えば上述のように、第１導波路部７によって、偏波面を回転させずに第１導波路部７の一端面７Ｅ１から他端面７Ｅ２にＴＥ偏波ＰＬ１を導波させて偏波回転部５に導いた後に、偏波回転部５によって、偏波面を回転させながら偏波回転部５の一端面５Ｅ１から他端面５Ｅ２まで当該ＴＥ偏波ＰＬ１を導波させて、ＴＭ偏波ＰＬ２に変換するという使用方法が可能となる。
さらに、本実施形態に係る偏波回転素子１は、第３半導体コア部９Ｃと、第３半導体クラッド部９Ｌとを有し、半導体基板３上に設けられていると共に、偏波回転部５と光結合するように当該偏波回転部５の第１方向Ｄ１の他端面５Ｅ２と隣接する第２導波路部９をさらに備え、第３半導体コア部９Ｃは、半導体基板３の積層面３Ｓに平行な第１方向Ｄ１に沿って延び、第３半導体クラッド部９Ｌは、第３半導体コア部９Ｃの周囲を覆い、第３半導体コア部９Ｃの第１方向Ｄ１と垂直な断面は、第３方向Ｄ３に沿って延びた形状を有する（図１、図２、及び、図３（Ｃ）参照）。
そのため、このような第２導波路部９の遅相軸の方向（即ち、第３方向Ｄ３と平行な方向）は、第１方向Ｄ１から見て、偏波回転部５の遅相軸の方向（即ち、第２方向Ｄ２と平行な方向）と異なる（図３（Ａ）及び図３（Ｃ）参照）。そのため、第２導波路部９と偏波回転部５は、同一の偏波状態の偏波に対する偏波面回転特性が互いに異なる。その結果、本実施形態に係る偏波回転素子１によれば、偏波回転部５によって、偏波面を回転させながら偏波回転部５の一端面５Ｅ１から他端面５Ｅ２まで直線偏波を導波させて第２導波路部９に導いた後に、第２導波路部９によって、偏波面を回転させずに第２導波路部９の一端面９Ｅ１から他端面９Ｅ２まで当該直線偏波を導波させるという使用方法が可能となる。
具体的には、例えば上述のように、偏波回転部５によって、偏波面を回転させながら偏波回転部５の一端面５Ｅ１から他端面５Ｅ２までＴＥ偏波ＰＬ１を導波させてＴＭ偏波ＰＬ２に変換し、当該ＴＭ偏波ＰＬ２を第２導波路部９に導き、第２導波路部９によって、偏波面を回転させずに第２導波路部９の一端面９Ｅ１から他端面９Ｅ２まで当該ＴＭ偏波ＰＬ２を導波させるという使用方法が可能となる。
また、上述のような本実施形態に係る偏波回転素子１において、第２方向Ｄ２と第３方向Ｄ３は、略４５度の角度を成すことが好ましい。即ち、第２方向Ｄ２と第３方向Ｄ３とが成す角度θ２３は、略４５度であることが好ましい（図３（Ａ）参照）。これにより、上述のように、第１導波路部７と第２導波路部９内を偏波面を回転させずに直線偏波を導波させる場合に、当該直線偏波の偏波面と偏波回転部５の遅相軸との成す角度が略４５度になるため、偏波回転部５による当該直線偏光の偏波面の回転効率を特に特に大きくすることができる。
また、本実施形態に係る偏波回転素子１において、第１方向Ｄ１と垂直な第１半導体コア部５Ｃの断面は、第２方向Ｄ２に沿った長さが、第２方向Ｄ２と垂直な方向に沿った幅の３倍以上、１０倍以下である形状を有することが好ましい（図３（Ａ）参照）。当該断面の第２方向Ｄ２に沿った長さが、第２方向Ｄ２と垂直な方向に沿った幅の３倍以下の場合、第１半導体コア部５Ｃの断面形状が正方形に近いために、第２方向Ｄ２に沿った偏波に対する屈折率と、第２方向Ｄ２とは垂直な方向に沿った偏波に対する屈折率の差である複屈折率が小さくなり、偏波回転効率が小さくなる。また、当該断面の第２方向Ｄ２に沿った長さが、第２方向Ｄ２と垂直な方向に沿った幅の１０倍以上の場合、第１半導体コア部５Ｃへの光閉じ込めが弱くなるために、第２方向Ｄ２に沿った偏波に対する屈折率と、第２方向Ｄ２と垂直な方向に沿った偏波に対する屈折率の差である複屈折率が小さくなり、やはり偏波回転効率が小さくなる。従って、第１方向Ｄ１と垂直な第１半導体コア部５Ｃの断面は、第２方向Ｄ２に沿った長さが、第２方向Ｄ２と垂直な方向に沿った幅の３倍以上、１０倍以下である形状を有することにより、好適な偏波回転効率を得ることができる。
次に、本発明者らが偏波回転素子の偏波回転部及び導波路部に対して行った特性の計算結果について説明する。初めに、上述の実施形態の第１導波路部７（又は、第２導波路部９）に対応する構成を有する導波路部Ａについて、下記のような条件を設定した上で特性の計算を行った。
導波路部Ａの第２半導体コア部７Ｃ（又は第３半導体コア部９Ｃ）を構成する半導体材料は、屈折率が約３．４０１のＧａＩｎＡｓＰとした。導波路部Ａの第２半導体クラッド部７Ｌ（又は第３半導体クラッド部９Ｌ）を構成する材料は、屈折率が約３．１６９のＩｎＰとした。導波路部Ａの第２半導体コア部７Ｃ（又は第３半導体コア部９Ｃ）は第３方向Ｄ３に沿って延びるが（図３（Ｂ）及び図３（Ｃ）参照）、第３方向Ｄ３はＸ軸と平行（即ち、半導体基板３の積層面３Ｓと平行）とした。導波路部Ａの第２半導体コア部７Ｃ（又は第３半導体コア部９Ｃ）の第１方向Ｄ１と垂直な断面の第３方向Ｄ３に沿った長さは、１．５μｍとした。導波路部Ａの第２半導体コア部７Ｃ（又は第３半導体コア部９Ｃ）の第１方向Ｄ１と垂直な断面の第３方向Ｄ３と垂直な方向に沿った幅は、０．３μｍとした。
このような導波路部Ａについて、ＢＰＭ（Beam Propagation Method）法によって、偏波状態が互いに異なる波長１．５５μｍの４種類の直線偏波を導波路部Ａ内を第１方向Ｄ１に沿って導波させた場合の、各直線偏波に対する導波路部Ａの実効的な屈折率をそれぞれ計算した。４種類の直線偏波は、偏波面がＸ軸と平行な直線偏波（ＴＥ偏波）、偏波面がＺ軸と平行な直線偏波（ＴＭ偏波）、偏波面がＸ軸と４５度を成す直線偏波（以下、「４５度偏波」という）、及び、偏波面がＸ軸と１３５度を成す直線偏波（以下、「１３５度偏波」という）とした。
ＴＥ偏波に対する導波路部Ａの実効的な屈折率は、３．２３１８となり、ＴＭ偏波に対する導波路部Ａの実効的な屈折率は、３．２２２９となった。また、４５度偏波に対する導波路部Ａの実効的な屈折率と、１３５度偏波に対する導波路部Ａの実効的な屈折率は、いずれも３．２２７４となった。４５度偏波に対する導波路部Ａの実効的な屈折率と、１３５度偏波に対する導波路部Ａの実効的な屈折率とが等しいことから、ＴＥ偏波やＴＭ偏波を導波路部Ａの導波路部内を第１方向Ｄ１に沿って導波させた場合、導波路部ＡはこれらのＴＥ偏波やＴＭ偏波の偏波面を回転させないことが確認された。
次に、上述の実施形態の偏波回転部５に対応する構成を有する偏波回転部Ａについて、下記のような条件を設定した上で特性の計算を行った。
偏波回転部Ａの第１半導体コア部５Ｃを構成する半導体材料は、屈折率が約３．４０１のＧａＩｎＡｓＰとした。偏波回転部Ａの第１半導体クラッド部５Ｌを構成する材料は、屈折率が約３．１６９のＩｎＰとした。偏波回転部Ａの第１半導体コア部５Ｃは第２方向Ｄ２に沿って延びるが（図３（Ａ）参照）、第２方向Ｄ２と半導体基板３の積層面３Ｓとが成す鋭角θＡは、４５度とした。偏波回転部Ａの第１半導体コア部５Ｃの第１方向Ｄ１と垂直な断面の第２方向Ｄ２に沿った長さは、１．８μｍとした。第１方向Ｄ１と垂直な偏波回転部Ａの第１半導体コア部５Ｃの断面の第２方向Ｄ２と垂直な方向に沿った幅は、０．３μｍとした。
このような偏波回転部Ａについて、ＢＰＭ（Beam Propagation Method）法によって、偏波状態が互いに異なる波長１．５５μｍの２種類の直線偏波（４５度偏波及び１３５度偏波）を偏波回転部Ａ内を第１方向Ｄ１に沿って導波させた場合の、各直線偏波に対する偏波回転部Ａの実効的な屈折率をそれぞれ計算した。なお、４５度偏波の偏波面は第２方向Ｄ２と平行であり、１３５度偏波の偏波面は第２方向Ｄ２と直交する。
その結果、４５度偏波に対する偏波回転部Ａの実効的な屈折率は、３．２２８４となった。また、１３５度偏波に対する偏波回転部Ａの実効的な屈折率は、３．２１９７となった。４５度偏波に対する偏波回転部Ａの実効的な屈折率と、１３５度偏波に対する偏波回転部Ａの実効的な屈折率とが異なることから、ＴＥ偏波やＴＭ偏波を偏波回転部Ａの導波路部内を第１方向Ｄ１に沿って導波させた場合、偏波回転部ＡはこれらのＴＥ偏波やＴＭ偏波の偏波面を回転させることが確認された。
次に、上述の導波路部Ａ及び偏波回転部Ａと、下記のような偏波回転部Ｂ〜Ｉについて、特性の計算を行った。
偏波回転部Ｂ〜Ｉは、第２方向Ｄ２と半導体基板３の積層面３Ｓとが成す鋭角θＡ以外は、偏波回転部Ｂと同様の構成とした。偏波回転部Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈ及びＩの第２方向Ｄ２と半導体基板３の積層面３Ｓとが成す鋭角θＡは、それぞれ、５度、１０度、２５度、３０度、４０度、５０度、６０度、及び６５度とした。
導波路部Ａ及び偏波回転部Ａ〜Ｉについて、ＢＰＭ法によって、偏波状態が互いに異なる波長１．５５μｍの２種類の直線偏波（４５度偏波及び１３５度偏波）を導波路部Ａ及び偏波回転部Ａ〜Ｉ内を第１方向Ｄ１に沿って導波させた場合の、各直線偏波に対する偏波回転部Ａの実効的な屈折率をそれぞれ計算した。
図４は、導波路部Ａ及び偏波回転部Ａ〜Ｉの特性について計算した結果を示す図である。図４の縦軸は、屈折率の差、即ち、導波路部Ａ及び偏波回転部Ａ〜Ｉそれぞれについての４５度偏波に対する屈折率と１３５度偏波に対する屈折率との差を表している。図４の横軸は、コア角度、即ち、導波路部Ａ及び偏波回転部Ａ〜Ｉそれぞれについての第１半導体コア部５Ｃ、第２半導体コア部７Ｃ、又は第３半導体コア部９Ｃの延び方向（第２方向Ｄ２又は第３方向Ｄ３）と、半導体基板３の積層面３Ｓとが成す角度を表している。導波路部Ａ及び偏波回転部Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈ、及びＩのコア角度は、それぞれ順に、０度、４５度、５度、１５度、２５度、３０度、４０度、５０度、６０度、及び６５度である。図４におけるプロットＥ０、Ｅ５、Ｅ１５、Ｅ２５、Ｅ３０、Ｅ４０、Ｅ４５、Ｅ５０、Ｅ６０、及びＥ６５は、それぞれ順に、導波路部Ａ、偏波回転部Ｂ、偏波回転部Ｃ、偏波回転部Ｄ、偏波回転部Ｅ、偏波回転部Ｆ、偏波回転部Ａ、偏波回転部Ｇ、偏波回転部Ｈ、及び偏波回転部Ｉに対応する。
図４に示されるように、コア角度が４５度に近づく程、屈折率の差は大きくなった。この屈折率の差が大きい程、偏波回転部による偏波の偏波面の回転効率が高くなる。そのため、コア角度が４５度の近づく程、偏波回転部による偏波の偏波面の回転効率は高くなることが確認された。
偏波回転部Ａ〜Ｉについて、ＢＰＭ法によって、波長１．５５μｍのＴＥ偏波を偏波回転部Ａ〜Ｉ内を第１方向Ｄ１に沿って導波させた場合に、偏波回転部Ａ〜Ｉが当該ＴＥ偏波をＴＭ偏波に変換するのに必要な偏波回転部Ａ〜Ｉの第１方向Ｄ１の長さ（以下、単に「偏波回転部の所要長さ」という）を、それぞれ計算した。
図５は、偏波回転部Ａ〜Ｉについての計算結果を示す図である。各プロットの符号と偏波回転部Ａ〜Ｉとの関係は、図４における当該関係と同じである。図５の縦軸は、偏波回転部の所要長さを表している。図５の横軸は、図４の横軸と同様に、コア角度を表している。
図５に示されるように、コア角度が２０度以上であると、偏波回転部の所要長さが特に短くなることが確認された。これにより、コア角度が２０度以上であると、偏波回転部５の第１方向Ｄ１の長さを短くし、これにより偏波回転素子１全体の大きさを小型化することが可能であるため、好ましいことが確認された。
次に、本実施形態に係る偏波回転素子の製造方法について説明する。本実施形態の偏波回転素子１の製造方法は、構造体形成工程と、第１半導体層形成工程と、第２半導体層形成工程と、第３半導体層形成工程と、マスク工程と、半導体積層エッチング工程と、第４半導体層形成工程と、第１導波路部形成工程と、第２導波路部形成工程と、を備えている。以下、図６〜図１７を参照しながら、これらの工程の詳細について説明する。図６〜図１７は、本実施形態の偏波回転素子の製造方法で行われる一連の工程を説明するための図である。
（構造体形成工程）
図６（Ａ）及び図７（Ａ）は、構造体形成工程を説明するための平面図であり、図６（Ｂ）及び図７（Ｂ）は、それぞれ図６（Ａ）のＶＩＢ−ＶＩＢ線に沿った断面を示す図、及び、図７（Ａ）のＶＩＩＢ−ＶＩＩＢ線に沿った断面を示す図である。
本実施形態の構造体形成工程は、初期半導体基板を準備する準備工程と、マスク部形成工程と、初期半導体基板エッチング工程とを有する。準備工程においては、図６に示すように、初期半導体基板３Ｆを準備する。初期半導体基板３Ｆは、後に得られる半導体基板３（図７参照）と同様の半導体材料からなり、例えば、ＩｎＰからなる。初期半導体基板３Ｆは、例えば板状であり、略平坦なＸＹ平面に沿って延びる表面を有する。また、初期半導体基板３Ｆは、後に凸部２７（図７参照）となるべき領域２７Ｐを含んでいる。領域２７Ｐは、Ｙ軸に沿った第１方向Ｄ１に沿って延びる領域である。
続いて、マスク部形成工程では、図６に示すように、初期半導体基板３Ｆの表面の一部上、即ち、領域２７Ｐ上に凸部用マスク部２５を形成する。本実施形態の凸部用マスク部２５は、初期半導体基板３Ｆに接するＧａＩｎＡｓ等の半導体材料からなる第１マスク部（キャップ層）２１と、第１マスク部２１上に形成された酸化シリコンや窒化シリコン等の誘電体材料からなる第２マスク部２３と、を有する。半導体材料からなる第１マスク部２１は、例えば、ＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）等のエピタキシャル成長法によって形成することができる。また、誘電体材料からなる第２マスク部２３は、例えば、プラズマCVD法を用いて形成することができる。
このような凸部用マスク部２５は、例えば、初期半導体基板３Ｆの表面全体に第１マスク部２１を形成し、その第１マスク部２１の表面全体に第２マスク部２３を形成した後に、第２マスク部２３の表面の一部にレジストマスクを形成してから第２マスク部２３及び第１マスク部２１をドライエッチング法等でエッチングしてパターニングすることにより、形成することができる。なお、マスク部２５は、第１マスク部２１を有していなくてもよい。
続いて、初期半導体基板エッチング工程では、図７に示すように、マスク部２５をマスクとして初期半導体基板３Ｆをドライエッチング法等でエッチングすることにより、マスク部２５の下に位置する凸部２７と、凸部２７の下に位置する半導体基板３と、を有する構造体２９を形成する。半導体基板３は、略平坦な積層面３Ｓを有する。凸部２７は、半導体基板３の積層面３Ｓから突出すると共に、積層面３Ｓと平行な第１方向Ｄ１に沿って延びる。
（第１半導体層形成工程）
続いて、第１半導体層形成工程が行われる。図８（Ａ）は、第１半導体層形成工程を説明するための平面図であり、図８（Ｂ）は、図８（Ａ）のＶＩＩＩＢ−ＶＩＩＩＢ線に沿った断面を示す図である。
第１半導体層形成工程においては、第１半導体クラッド部５Ｌ（図１３（Ｂ）参照）と同じ材料からなる第１半導体層３３を、例えばＭＯＣＶＤ法等のエピタキシャル成長法によって、半導体基板３の積層面３Ｓ上に堆積させる。この際、マスク部２５の誘電体材料からなる第２マスク部２３が選択成長マスクとして用いられる。第１半導体層３３は、凸部２７の側面２７Ｓと隣接する凸部隣接領域３３Ａと、凸部２７の側面２７Ｓとは離間した領域である第１非隣接領域３３Ｆと、を有するようにする。また、マスク部２５にＧａＩｎＡｓ等の半導体材料からなる第１マスク部２１を形成することで、第１半導体層３３を形成する際に、凸部２７の側面２７Ｓ上に形成する第１半導体層３３(３３Ａ)の異常成長を防止することができる。また、ＧａＩｎＡｓ等の半導体材料からなる第１マスク部２１を、燐酸系エッチング液（燐酸、過酸化水素水および水の混合液）を用いて選択的にエッチングすることで、第２マスク部２３の庇を形成してもよい。誘電体材料からなる第２マスク部２３の庇を形成することにより、さらに凸部２７の側面２７Ｓ上に形成する第１半導体層３３(３３Ａ)の異常成長を防止することができる。また、凸部２７の側面２７Ｓ上に形成される第１半導体層３３（３３Ａ）の形状を再現性よく制御することができる。
このように第１半導体層３３が凸部隣接領域３３Ａを有するように積層面３Ｓ上に第１半導体層３３を堆積させると、凸部２７の影響により、凸部隣接領域３３Ａの少なくとも一部は、第１方向Ｄ１と垂直な断面において、凸部２７に近づくにつれて半導体基板３の積層面３Ｓからの高さが増加する傾斜面３３Ｌを規定する。この傾斜面３３Ｌは、半導体基板３の積層面３Ｓと鋭角θＡを成す第２方向Ｄ２に沿って延びる。この傾斜面３３Ｌの傾きの大きさ、即ち、鋭角θＡの大きさは、第１半導体層３３を堆積させる際の堆積条件、例えば、堆積時間等によって、容易に制御することができる。例えば、第１半導体層３３の堆積時間を長くして第１半導体層３３の膜厚を厚くする程、鋭角θＡの大きさは小さくなって凸部隣接領域３３Ａの表面は平坦に近づく。
第１非隣接領域３３Ｆは、凸部隣接領域３３Ａと比較して凸部２７の影響を受け難いため、膜厚は略均等となり、略平坦な表面を有する。
（第２半導体層形成工程）
続いて、第２半導体層形成工程が行われる。図９（Ａ）は、第２半導体層形成工程を説明するための平面図であり、図９（Ｂ）は、図９（Ａ）のＩＸＢ−ＩＸＢ線に沿った断面を示す図である。
第２半導体層形成工程においては、第１半導体コア部５Ｃ（図１２（Ｂ）参照）と同じ材料からなる第２半導体層３５を、例えばＭＯＣＶＤ法等のエピタキシャル成長法によって、第１半導体層３３上に形成する。この際、マスク部２５の誘電体材料からなる第２マスク部２３が選択成長マスクとして用いられる。また、第２半導体層３５が、凸部２７の側面２７Ｓに隣接し、傾斜面３３Ｌ上に位置する傾斜部３５Ａと、凸部２７の側面２７Ｓと離間し、第１非隣接領域３３Ｆ上に位置する第２非隣接領域３５Ｆと、を有するようにする。第２半導体層３５の傾斜部３５Ａは、第１半導体層３３の凸部隣接領域３３Ａの傾斜面３３Ｌに沿って延びるため、第２方向Ｄ２に沿って延びる。また、ＧａＩｎＡｓ等の半導体材料からなる第１マスク部２１を形成することで、第２半導体層３５を形成する際に、凸部２７の側面２７Ｓ上に形成する第２半導体層３５の傾斜部３５Ａの異常成長を防止することができる。さらに、第２マスク部２３の庇を有することにより、第２半導体層３５の傾斜部３５Ａの異常成長を防止するとともに、第２半導体層３５の傾斜部３５Ａの形状を再現性よく制御することができる。
（第３半導体層形成工程）
続いて、第３半導体層形成工程が行われる。図１０（Ａ）は、第３半導体層形成工程を説明するための平面図であり、図１０（Ｂ）は、図１０（Ａ）のＸＢ−ＸＢ線に沿った断面を示す図である。
第３半導体層形成工程においては、第１半導体クラッド部５Ｌ（図１３（Ｂ）参照）と同じ材料からなる第３半導体層３７を、例えばＭＯＣＶＤ法等のエピタキシャル成長法によって、第２半導体層３５上に堆積させる。この際、マスク部２５の誘電体材料からなる第２マスク部２３が選択成長マスクとして用いられる。また、ＧａＩｎＡｓ等の半導体材料からなる第１マスク部２１を形成することで、凸部２７の側面および第２半導体層３５上に第３半導体層３７を形成する際に異常成長を防止することができる。さらに、第２マスク部２３の庇を有することにより、この異常成長を防止することができるとともに、第３半導体層３７を第１マスク部２１の高さで平坦に形成することができる。これにより、第１半導体層３３、第２半導体層３５、及び、第３半導体層３７からなる半導体積層３９を半導体基板３の積層面３Ｓ上に形成する。半導体積層３９は凸部２７の側面２７Ｓに隣接する。その後、例えば、フッ酸系のエッチング液を用いたウェットエッチング等により、マスク部２５の第２マスク部２３を除去し、燐酸系エッチング液（燐酸、過酸化水素水および水の混合液）を用いて、第１マスク部２１をエッチングし除去する。
（マスク工程）
続いて、マスク工程が行われる。図１１（Ａ）は、マスク工程を説明するための平面図であり、図１１（Ｂ）は、図１１（Ａ）のＸＩＢ−ＸＩＢ線に沿った断面を示す図である。
マスク工程では、図１１に示すように、第３半導体層３７の表面３７Ｓのうち、第２半導体層３５の傾斜部３５Ａの少なくとも一部の上方の表面を、第１方向Ｄ１に沿って延びる形状を有するマスク層４１でマスクする。マスク層４１は、後の工程で形成される第１半導体コア部５Ｃ（図１２（Ｂ）参照）を第３半導体層３７を介して覆っている。本実施形態のマスク層４１は、凸部２７とＸ軸方向（積層面３Ｓと平行かつ第１方向Ｄ１と直交する方向）に離間しているが、これらは隣接していてもよい。マスク層４１は、例えば、酸化シリコンや窒化シリコン等の誘電体材料からなる。
（半導体積層エッチング工程）
続いて、半導体積層エッチング工程が行われる。図１２（Ａ）は、マスク工程を説明するための平面図であり、図１２（Ｂ）は、図１２（Ａ）のＸＩＩＢ−ＸＩＩＢ線に沿った断面を示す図である。
半導体積層エッチング工程では、図１２に示すように、マスク層４１をマスクとして半導体積層３９（図１１参照）をドライエッチング法等によってエッチングする。この際、第２半導体層３５のうち、マスク層４１下方の第２半導体層３５の傾斜部３５Ａの上記少なくとも一部と接する領域が除去されるようにする。本実施形態では、第２半導体層３５のうち、マスク層４１下方の第２半導体層３５の傾斜部３５Ａの上記少なくとも一部以外を全てエッチングする。これにより、マスク層４１の下に、半導体積層３９の積層方向に突出して第１方向Ｄ１に沿って延びるストライプ状の突出部４５を形成する。突出部４５は、マスク層４１下方の第２半導体層３５の傾斜部３５Ａの上記少なくとも一部からなる第１半導体コア部５Ｃを含む。
本実施形態においては、半導体積層３９のエッチングは、第１半導体層３３の一部が残存するように行っているが、第１半導体層３３を全て除去するように行ってもよい。また、本実施形態においては、半導体積層３９のエッチングは、凸部２７の一部が残存するように行っているが、凸部２７を全て除去するように行ってもよい。
（第４半導体層形成工程、第１導波路部形成工程、及び第２導波路部形成工程）
続いて、第４半導体層形成工程、第１導波路部形成工程、及び第２導波路部形成工程が行われる。第４半導体層形成工程が行われると、偏波回転部５の形成が完了する。図１３（Ａ）、図１４（Ａ）、図１５（Ａ）、及び図１６（Ａ）、は、第４半導体層形成工程、第１導波路部形成工程、及び第２導波路部形成工程を説明するための平面図である。図１３（Ｂ）及び（Ｃ）は、それぞれ図１３（Ａ）のＸＩＩＩＢ−ＸＩＩＩＢ線に沿った断面及びＸＩＩＩＣ−ＸＩＩＩＣ線に沿った断面を示す図である。図１４（Ｂ）、（Ｃ）、及び（Ｄ）は、それぞれ図１４（Ａ）のＸＩＶＢ−ＸＩＶＢ線に沿った断面、ＸＩＶＣ−ＸＩＶＣ線に沿った断面、及びＸＩＶＤ−ＸＩＶＤ線に沿った断面を示す図である。図１５（Ｂ）、（Ｃ）、及び（Ｄ）は、それぞれ図１５（Ａ）のＸＶＢ−ＸＶＢ線に沿った断面、ＸＶＣ−ＸＶＣ線に沿った断面、及びＸＶＤ−ＸＶＤ線に沿った断面を示す図である。図１６（Ｂ）、（Ｃ）、及び（Ｄ）は、それぞれ図１６（Ａ）のＸＶＩＢ−ＸＶＩＢ線に沿った断面、ＸＶＩＣ−ＸＶＩＣ線に沿った断面、及びＸＶＩＤ−ＸＶＩＤ線に沿った断面を示す図である。
これらの工程においては、まず図１３に示すように、ストライプ状の突出部４５を埋め込むように、例えばＭＯＣＶＤ法等の化学気相成長法や物理気相成長法によって、第１半導体クラッド部５Ｌと同じ材料からなる第４半導体層４７を形成する。これにより、第１半導体層３３、第３半導体層３７、第４半導体層４７を含む第１半導体クラッド部５Ｌを形成する。第１半導体クラッド部５Ｌは、第１半導体コア部５Ｃの周囲を覆っている。このようにして、第１半導体コア部５Ｃと第１半導体クラッド部５Ｌを備える偏波回転部５が形成される。その後、マスク層４１をウェットエッチング等により除去する。
続いて、図１４（Ａ）に示すように、最終的な第１半導体コア部５Ｃの形状（図１７参照）に対応した第１方向Ｄ１の長さを有するマスク層４９を、第３半導体層３７及び第４半導体層４７上に形成する。即ち、マスク層４９は、最終的な第１半導体コア部５Ｃの形状（図１７参照）の第１方向Ｄ１の長さを規定する。
マスク層４９は、第１半導体コア部５Ｃ全体を覆っていてもよいし、第１半導体コア部５Ｃの第１方向Ｄ１方向における両端部又は一方の端部は覆わないように、第１半導体コア部５Ｃの一部のみを覆っていてもよい。マスク層４９は、例えば、酸化シリコンや窒化シリコン等の誘電体材料からなる。
そして、マスク層４９をマスクとして、第４半導体層４７をエッチングし、第１半導体コア部５Ｃの第１方向Ｄ１の両端部を露出させる。マスク層４９が第１半導体コア部５Ｃの第１方向Ｄ１方向における両端部又は一方の端部を覆っていない場合、第４半導体層４７と共に第１半導体コア部５Ｃの第１方向Ｄ１方向における当該両端部又は当該一方の端部もエッチングする。これにより、偏波回転部５の一端面５Ｅ１及び他端面５Ｅ２が規定される。
本実施形態においては、図１４（Ｃ）及び（Ｄ）に示すように、第４半導体層４７の中間部までエッチングすることによりマスク層４９で覆われていない領域の第４半導体層４７を残存させているが、マスク層４９で覆われていない領域の第４半導体層４７が全て除去されるように第４半導体層４７のエッチングを行ってもよい。
次に、図１４に示すように、第１方向Ｄ１において偏波回転部５の一端面５Ｅ１及び他端面５Ｅ２に隣接する領域に、即ち、上述のマスク層４９をマスクとして行ったエッチングによって除去された領域に、第２半導体コア部７Ｃ及び第３半導体コア部９Ｃ（図１５参照）と同じ半導体材料からなる第５半導体層５３と、第２半導体クラッド部７Ｌ及び第３半導体クラッド部９Ｌ（図１６参照）と同じ半導体材料からなる第６半導体層５５とを、この順に形成する。第５半導体層５３は、第１方向Ｄ１と垂直な断面において、第２方向Ｄ２とは異なる第３方向Ｄ３に沿って延びる。本実施形態においては、第３方向Ｄ３は、半導体基板３の積層面３Ｓと平行である。
続いて、図１５（Ａ）に示すように、第６半導体層５５の表面上に、第１方向Ｄ１に沿って延びる２つのマスク層５９を形成する。マスク層５９は、例えば、酸化シリコンや窒化シリコン等の誘電体材料からなる。
マスク層５９は、最終的な第２半導体コア部７Ｃ及び第３半導体コア部９Ｃの形状に対応した第１方向Ｄ１と垂直方向（Ｘ軸方向）の幅を有する。即ち、マスク層５９は、最終的な第２半導体コア部７Ｃ及び第３半導体コア部９Ｃの形状の第１方向Ｄ１と垂直方向（Ｘ軸方向）の幅を規定する。
続いて、図１５（Ｃ）及び（Ｄ）に示すように、第５半導体層５３のＸ軸方向の幅が第２半導体コア部７Ｃ及び第３半導体コア部９ＣのＸ軸方向の幅に規定されるように、マスク層４９及びマスク層５９をマスクとして、第６半導体層５５、第５半導体層５３、第４半導体層４７、及び、第１半導体層３３をエッチングする。これにより、マスク層５９の下に、凸部５６を形成する。本実施形態においては、凸部５６は、マスク層５９の下に残存した第６半導体層５５、第５半導体層５３、第４半導体層４７、及び、第１半導体層３３を含む。マスク層５９の下に残存した第５半導体層５３は、第２半導体コア部７Ｃ及び第３半導体コア部９Ｃとなる。
なお、本実施形態では、このエッチングは、半導体基板３の積層面３Ｓを露出させるように行っているが、第５半導体層５３のＸ軸方向の幅が第２半導体コア部７Ｃ及び第３半導体コア部９ＣのＸ軸方向の幅に規定されるように行われればよく、例えば、第１半導体層３３を残存させるように行われてもよく、第１半導体層３３及び第４半導体層４７を残存するように行われてもよい。
続いて、図１６に示すように、凸部５６を埋め込むように、第２半導体クラッド部７Ｌ及び第３半導体クラッド部９Ｌと同じ半導体材料からなる第７半導体層６３を形成する。これにより、偏波回転部５の一端面５Ｅ１に隣接するように、第１半導体層３３、第４半導体層４７、第６半導体層５５、及び、第７半導体層６３からなる第２半導体クラッド部７Ｌが形成され、また、偏波回転部５の他端面５Ｅ２に隣接するように、１半導体層３３、第４半導体層４７、第６半導体層５５、及び、第７半導体層６３からなる第３半導体クラッド部９Ｌが形成される。第２半導体クラッド部７Ｌは第２半導体コア部７Ｃの周囲を覆っており、第３半導体クラッド部９Ｌは第３半導体コア部９Ｃの周囲を覆っている。
その結果、偏波回転部５の一端面５Ｅ１に隣接するように、第２半導体クラッド部７Ｌと第２半導体コア部７Ｃとからなる第１導波路部７が形成され、また、偏波回転部５の他端面５Ｅ２と隣接するように、第３半導体クラッド部９Ｌと第３半導体コア部９Ｃとからなる第２導波路部９が形成される。第１導波路部７及び第２導波路部９は、それぞれ偏波回転部５と光結合する。その後、マスク層５９を除去する。
以上のような工程を経ることにより、本実施形態に係る偏波回転素子１が製造される。
また、上述のような工程の後、図１７に示す工程をさらに行ってもよい。図１７（Ａ）は、第４半導体層形成工程、第１導波路部形成工程、及び第２導波路部形成工程の後に任意に行うことができる工程を説明するための平面図である。図１７（Ｂ）（Ｃ）及び（Ｄ）は、それぞれ図１７（Ａ）のＸＶＩＩＢ−ＸＶＩＩＢ線に沿った断面、ＸＶＩＩＣ−ＸＶＩＩＣ線に沿った断面、ＸＶＩＩＤ−ＸＶＩＩＤ線に沿った断面を示す図である。
この工程では、図１７（Ａ）に示すように、第１導波路部７、及び、第２導波路部９の第１方向Ｄ１に沿った長さ、及び、偏波回転部５、第１導波路部７、及び、第２導波路部９の第１方向Ｄ１と直交かつ半導体基板３の積層面３Ｓと平行な方向（Ｘ軸方向）に沿った幅が、それぞれ所望の長さ、及び、所望の幅となるように、偏波回転部５、第１導波路部７、及び、第２導波路部９のエッチングを行う。このようなエッチングは、例えば、偏波回転部５、第１導波路部７、及び、第２導波路部９の残存させたい領域の表面をマスクしてから、偏波回転部５、第１導波路部７、及び、第２導波路部９をドライエッチング等でエッチングすることにより行うことができる。これにより、半導体基板３の積層面３Ｓの一部を露出させる。
上述の本実施形態に係る偏波回転素子１の製造方法においては、第１半導体コア部５Ｃと第１半導体クラッド部５Ｌをそれぞれ半導体材料で形成する（図９〜図１４参照）。そのため、半導体基板３の積層面３Ｓ上に、偏波回転素子１の半導体基板３以外の要素と、他の半導体素子とを、容易にモノリシックに集積することが可能である。
その上、上述の本実施形態に係る偏波回転素子１の製造方法においては、第１半導体層形成工程において凸部隣接領域３３Ａを有する第１半導体層３３を形成し、この凸部隣接領域３３Ａは、半導体基板３の半導体基板３あと鋭角θＡを成す第２方向Ｄ２に沿って延びる傾斜面３３Ｌを規定する（図８参照）。このような傾斜面３３Ｌを有する凸部隣接領域３３Ａは、構造体形成工程で形成した構造体２９を用いて、容易に形成することができる（図７及び図８参照）。即ち、第１半導体層形成工程において、半導体基板３の積層面３Ｓ上に、第１半導体層３３を構造体２９の凸部２７の側面２７Ｓに接するように堆積させるだけで、当該凸部２７に近い領域ほど第１半導体層３３を構成する半導体材料が厚く堆積されるため、上述のような傾斜面３３Ｌを有する凸部隣接領域３３Ａを容易に形成することができる（図７及び図８参照）。
続いて、第２半導体層形成工程において、この第１半導体層３３上に第２半導体層３５を形成するだけで、当該第２半導体層３５は上記第２方向Ｄ２に沿って延びる傾斜部３５Ａを有することになる（図９参照）。そのため、この傾斜部３５Ａも容易に形成することができる。その後、エッチング工程において半導体積層３９のエッチングが行われて、当該傾斜部３５Ａの少なくとも一部が第１半導体コア部５Ｃとなる（図１１及び図１２参照）。そのため、本実施形態に係る偏波回転素子１の製造方法によれば、半導体基板３の積層面３Ｓに対して傾斜した第１半導体コア部５Ｃを容易に形成することが可能である。
以上より、上述の本実施形態に係る偏波回転素子１の製造方法によれば、半導体材料からなる偏波回転素子１が得られ、また、半導体基板３の積層面３Ｓに対して傾斜した第１半導体コア部５Ｃの形成が容易となる。
さらに、上述の本実施形態に係る偏波回転素子１の製造方法において、半導体基板３の積層面３Ｓと第２方向Ｄ２とが成す角度（鋭角θＡ、図８〜図１０参照）は、２０度以上、８０度以下であることが好ましい。鋭角θＡが２０度以上であると、積層面３Ｓと平行な偏波面を有する直線偏波（例えば、上述のＴＥ偏波ＰＬ１）又は積層面３Ｓと垂直な偏波面を有する直線偏波を偏波回転部５に入射させた場合に、偏波回転部５の単位長さ当たりの偏波面回転効率を十分に高くすることができる（図１及び図３（Ａ）参照）。そのため、偏波回転部５の第１方向Ｄ１に沿った長さを短くすることが可能になるため、偏波回転素子１の小型化が可能となる。
鋭角θＡが８０度以下である場合も同様に、積層面３Ｓと平行な偏波面を有する直線偏波（例えば、上述のＴＥ偏波ＰＬ１）又は積層面３Ｓと垂直な偏波面を有する直線偏波を偏波回転部５に入射させた場合に、偏波回転部５の単位長さ当たりの偏波面回転効率を十分に高くすることができる（図１及び図３（Ａ）参照）。
さらに、上述の本実施形態に係る偏波回転素子１の製造方法において、構造体形成工程は、凸部２７となるべき領域２７Ｐを含む初期半導体基板３Ｆを準備する準備工程と、初期半導体基板３Ｆのうち、凸部２７となるべき領域２７Ｐ上に凸部用のマスク部２５を形成するマスク部形成工程と、凸部用のマスク部２５をマスクとして初期半導体基板３Ｆをエッチングすることにより、凸部用のマスク部２５の下に位置する凸部２７と、凸部２７の下に位置する上記半導体基板３とを形成する初期半導体基板エッチング工程と、を有している（図６及び図７参照）。これにより、半導体基板３と凸部２７とからなる上記構造体２９を容易に形成することができる。
さらに、上述の本実施形態に係る偏波回転素子１の製造方法は、上記半導体基板３上に、半導体材料からなり第１方向Ｄ１に沿って延びると共に第１方向Ｄ１と垂直な断面において第２方向Ｄ２と異なる第３方向Ｄ３に沿って延びる形状を有する第２半導体コア部７Ｃと、半導体材料からなり第２半導体コア部７Ｃの周囲を覆う第２半導体クラッド部７Ｌとを有し、偏波回転部５の第１方向Ｄ１の一端面５Ｅ１と隣接して偏波回転部５と光結合する第１導波路部７を形成する第１導波路部形成工程をさらに備えている（図１４〜図１７参照）。
このような第１導波路部の遅相軸の方向は、第１方向から見て、偏波回転部の遅相軸の方向と異なる。そのため、第１導波路部と偏波回転部は、同一の偏波に対する偏波面回転特性が互いに異なる。その結果、本発明に係る偏波回転素子の製造方法によれば、第１導波路部によって、偏波面を回転させずに第１導波路部の一端面から他端面に直線偏波を導波させて偏波回転部に導いた後に、偏波回転部によって、偏波面を回転させながら偏波回転部の一端面から他端面まで当該直線偏波を導波させるという使用方法が可能な偏波回転素子が得られる。
そのため、このような第１導波路部７の遅相軸の方向（即ち、第３方向Ｄ３と平行な方向）は、第１方向Ｄ１から見て、偏波回転部５の遅相軸の方向（即ち、第２方向Ｄ２と平行な方向）と異なる（図１４（Ｂ）及び（Ｃ）参照）。そのため、第１導波路部７と偏波回転部５は、同一の偏波状態の偏波に対する偏波面回転特性が互いに異なる。その結果、本実施形態に係る偏波回転素子１によれば、第１導波路部７によって、偏波面を回転させずに第１導波路部７の一端面７Ｅ１から他端面７Ｅ２に直線偏波（例えば、上述のＴＥ偏波ＰＬ１）を導波させて偏波回転部５に導いた後に、偏波回転部５によって、偏波面を回転させながら偏波回転部５の一端面５Ｅ１から他端面５Ｅ２まで当該直線偏波を導波させて、他の偏光状態の偏波に変換するという使用方法が可能となる。
具体的には、例えば上述のように、第１導波路部７によって、偏波面を回転させずに第１導波路部７の一端面７Ｅ１から他端面７Ｅ２にＴＥ偏波ＰＬ１を導波させて偏波回転部５に導いた後に、偏波回転部５によって、偏波面を回転させながら偏波回転部５の一端面５Ｅ１から他端面５Ｅ２まで当該ＴＥ偏波ＰＬ１を導波させて、ＴＭ偏波ＰＬ２に変換するという使用方法が可能となる。
さらに、上述の本実施形態に係る偏波回転素子１の製造方法は、上記半導体基板３上に、半導体材料からなり第１方向Ｄ１に沿って延びると共に第１方向Ｄ１と垂直な断面において第３方向Ｄ３に沿って延びる形状を有する第３半導体コア部９Ｃと、半導体材料からなり第３半導体コア部９Ｃの周囲を覆う第３半導体クラッド部９Ｌとを有し、偏波回転部５の第１方向Ｄ１の他端面５Ｅ２と隣接して偏波回転部５と光結合する第２導波路部９を形成する第２導波路部形成工程をさらに備えている（図１４〜図１７参照）。
そのため、このような第２導波路部９の遅相軸の方向（即ち、第３方向Ｄ３と平行な方向）は、第１方向Ｄ１から見て、偏波回転部５の遅相軸の方向（即ち、第２方向Ｄ２と平行な方向）と異なる（図１４（Ｂ）及び（Ｃ）参照）。そのため、第２導波路部９と偏波回転部５は、同一の偏波状態の偏波に対する偏波面回転特性が互いに異なる。その結果、本実施形態に係る偏波回転素子１によれば、偏波回転部５によって、偏波面を回転させながら偏波回転部５の一端面５Ｅ１から他端面５Ｅ２まで直線偏波を導波させて第２導波路部９に導いた後に、第２導波路部９によって、偏波面を回転させずに第２導波路部９の一端面９Ｅ１から他端面９Ｅ２まで当該直線偏波を導波させるという使用方法が可能となる。
具体的には、例えば上述のように、偏波回転部５によって、偏波面を回転させながら偏波回転部５の一端面５Ｅ１から他端面５Ｅ２までＴＥ偏波ＰＬ１を導波させてＴＭ偏波ＰＬ２に変換し、当該ＴＭ偏波ＰＬ２を第２導波路部９に導き、第２導波路部９によって、偏波面を回転させずに第２導波路部９の一端面９Ｅ１から他端面９Ｅ２まで当該ＴＭ偏波ＰＬ２を導波させるという使用方法が可能となる。
さらに、上述の本実施形態に係る偏波回転素子１の製造方法において、第２方向Ｄ２と第３方向Ｄ３は、略４５度の角度を成すことが好ましい。即ち、第２方向Ｄ２と第３方向Ｄ３とが成す角度θ２３は、略４５度であることが好ましい（図３（Ａ）参照）。これにより、上述のように、第１導波路部７と第２導波路部９内を偏波面を回転させずに直線偏波を導波させる場合に、当該直線偏波の偏波面と偏波回転部５の遅相軸との成す角度が略４５度になるため、偏波回転部５による当該直線偏光の偏波面の回転効率を特に特に大きくすることができる。
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、様々な変形態様が可能である。
例えば、上述の実施形態における偏波回転素子１は、第１導波路部７及び第２導波路部９を備えているが（図１〜図３参照）、偏波回転素子１は、第１導波路部７及び／又は第２導波路部９を備えていなくてもよい。
また、上述の実施形態における偏波回転素子１の製造方法は、第１導波路部形成工程及び第２導波路部形成工程を備えているが（図１４〜図１７参照）、偏波回転素子１の製造方法は、第１導波路部形成工程及び／又は第２導波路部形成工程を備えていなくてもよい。
また、上述の実施形態における偏波回転素子１の製造方法の構造体形成工程においては、初期半導体基板３Ｆを準備する準備工程と、凸部用のマスク部２５を形成するマスク部形成工程と、初期半導体基板エッチング工程と、を行うことにより、構造体２９を形成しているが（図６及び図７参照）、構造体２９の形成方法はこのような態様に限られない。例えば、構造体形成工程においては、半導体基板３を準備する工程と、半導体基板３の積層面３Ｓ上に凸部２７を形成する工程と、を行うことにより、構造体２９を形成することができる。この場合の凸部２７を形成する工程は、半導体基板３の積層面３Ｓ上の全面に膜を堆積させる工程と、この膜の凸部２７となるべき領域以外の領域をエッチングする工程と、を含むことができる。
１・・・偏波回転素子、３・・・半導体基板、５・・・偏波回転部、５Ｃ・・・第１半導体コア部、５Ｅ１・・・偏波回転部の一端面、５Ｅ２・・・偏波回転部の他端面、５Ｌ・・・第１半導体クラッド部、７・・・第１導波路部、７Ｃ・・・第２半導体コア部、７Ｌ・・・第２半導体クラッド部、２７・・・凸部、２９・・・構造体、３３・・・第１半導体層、３３Ａ・・・凸部隣接領域、３３Ｌ・・・傾斜面、３５・・・第２半導体層、３５Ａ・・・傾斜部、Ｄ１・・・第１方向、Ｄ２・・・第２方向、θＡ・・鋭角。

Claims (13)

  1. 半導体基板と、
    第１半導体コア部と、第１半導体クラッド部とを有し、前記半導体基板の積層面上に設けられた偏波回転部と、
    を備える偏波回転素子の製造方法であって、
    前記半導体基板と、前記半導体基板の前記積層面から突出して当該積層面と平行な第１方向に沿って延びる凸部と、を有する構造体を形成する構造体形成工程と、
    前記半導体基板の前記積層面上に、第１半導体層を、前記凸部の側面に接する凸部隣接領域を有するように、かつ、当該凸部隣接領域の少なくとも一部が、傾斜面を規定するように堆積させる第１半導体層形成工程と、
    前記第１半導体層上に、第２半導体層を、前記凸部隣接領域の前記傾斜面上に位置する傾斜部を有するように形成する第２半導体層形成工程と、
    前記第２半導体層上に、第３半導体層を形成することにより、前記第１半導体層、前記第２半導体層、及び、前記第３半導体層からなる半導体積層を形成する第３半導体層形成工程と、
    前記第３半導体層の表面のうち、前記第２半導体層の前記傾斜部の少なくとも一部の上方の表面を前記第１方向に沿って延びる形状を有するマスク層でマスクするマスク工程と、
    前記第２半導体層のうち、前記マスク層下方の前記第２半導体層の前記傾斜部の前記少なくとも一部と接する領域が除去されるように前記マスク層をマスクとして前記半導体積層をエッチングすることにより、前記マスク層の下に、前記半導体積層の積層方向に突出して前記第１方向に沿って延びると共に、前記マスク層下方の前記第２半導体層の前記傾斜部の前記少なくとも一部からなる前記第１半導体コア部を含むストライプ状の突出部を形成する半導体積層エッチング工程と、
    前記ストライプ状の突出部を埋め込むように第４半導体層を形成することにより、前記第１半導体層、前記第３半導体層、及び、前記第４半導体層を含むと共に、前記第１半導体コア部の周囲を覆う前記第１半導体クラッド部を形成する第４半導体層形成工程と、
    を備え、
    前記凸部隣接領域の前記傾斜面は、前記第１方向と垂直な断面において前記凸部に近づくにつれて前記半導体基板の前記積層面からの高さが増加するように、前記半導体基板の前記積層面と鋭角を成す第２方向に沿って延び、
    前記第２半導体層の前記傾斜部は、前記第１方向と垂直な断面において前記第２方向に沿って延びることを特徴とする偏波回転素子の製造方法。
  2. 前記半導体基板の前記積層面と前記第２方向とが成す角度は、２０度以上、８０度以下であることを特徴とする請求項１に記載の偏波回転素子の製造方法。
  3. 前記構造体形成工程は、
    前記凸部となるべき領域を含む初期半導体基板を準備する準備工程と、
    前記初期半導体基板のうち、前記凸部となるべき領域上に凸部用マスク部を形成するマスク部形成工程と、
    前記凸部用マスク部をマスクとして前記初期半導体基板をエッチングすることにより、前記凸部用マスク部の下に位置する前記凸部と、前記凸部の下に位置する前記半導体基板とを形成する初期半導体基板エッチング工程と、
    を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の偏波回転素子の製造方法。
  4. 前記半導体基板上に、前記第１方向に沿って延びると共に前記第１方向と垂直な断面において前記第２方向と異なる第３方向に沿って延びる形状を有する第２半導体コア部と、前記第２半導体コア部の周囲を覆う第２半導体クラッド部とを有し、前記偏波回転部の前記第１方向の一端面と隣接して当該偏波回転部と光結合する第１導波路部を形成する第１導波路部形成工程をさらに備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の偏波回転素子の製造方法。
  5. 前記半導体基板上に、前記第１方向に沿って延びると共に前記第１方向と垂直な断面において前記第３方向に沿って延びる形状を有する第３半導体コア部と、前記第３半導体コア部の周囲を覆う第３半導体クラッド部とを有し、前記偏波回転部の前記第１方向の他端面と隣接して当該偏波回転部と光結合する第２導波路部を形成する第２導波路部形成工程をさらに備えることを特徴とする請求項４に記載の偏波回転素子の製造方法。
  6. 前記第２方向と前記第３方向は、略４５度の角度を成すことを特徴とする請求項４又は５に記載の偏波回転素子の製造方法。
  7. 半導体基板と、
    第１半導体コア部と、第１半導体クラッド部とを有し、前記半導体基板の積層面上に設けられた偏波回転部と、
    を備え、
    前記第１半導体コア部は、前記半導体基板の前記積層面に平行な第１方向に沿って延び、
    前記第１半導体クラッド部は、前記第１半導体コア部の周囲を覆い、
    前記第１方向と垂直な前記第１半導体コア部の断面は、前記半導体基板の前記積層面と鋭角を成す第２方向に沿って延びた形状を有することを特徴とする偏波回転素子。
  8. 前記半導体基板の前記積層面と前記第２方向とが成す角度は、２０度以上、８０度以下であることを特徴とする請求項７に記載の偏波回転素子。
  9. 第２半導体コア部と、第２半導体クラッド部とを有し、前記半導体基板上に設けられていると共に、前記偏波回転部と光結合するように当該偏波回転部の前記第１方向の一端面と隣接する第１導波路部をさらに備え、
    前記第２半導体コア部は、前記第１方向に沿って延び、
    前記第２半導体クラッド部は、前記第２半導体コア部の周囲を覆い、
    前記第１方向と垂直な前記第２半導体コア部の断面は、前記第２方向とは異なる第３方向に沿って延びた形状を有することを特徴とする請求項７又は８に記載の偏波回転素子。
  10. 第３半導体コア部と、第３半導体クラッド部とを有し、前記半導体基板上に設けられていると共に、前記偏波回転部と光結合するように当該偏波回転部の前記第１方向の他端面と隣接する第２導波路部をさらに備え、
    前記第３半導体コア部は、前記半導体基板の前記積層面に平行な前記第１方向に沿って延び、
    前記第３半導体クラッド部は、前記第３半導体コア部の周囲を覆い、
    前記第１方向と垂直な前記第３半導体コア部の断面は、前記第３方向に沿って延びた形状を有することを特徴とする請求項９に記載の偏波回転素子。
  11. 前記第２方向と前記第３方向は、略４５度の角度を成すことを特徴とする請求項９又は１０に記載の偏波回転素子。
  12. 前記第１方向と垂直な前記第１半導体コア部の断面は、前記第２方向に沿った長さが、前記第２方向と垂直な方向に沿った幅の３倍以上、１０倍以下である形状を有することを特徴とする請求項７〜１１のいずれか一項に記載の偏波回転素子。
  13. 前記半導体基板は、ＩｎＰからなることを特徴とする請求項７〜１２のいずれか一項に記載の偏波回転素子。
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