JP2016024438A - 半導体光素子 - Google Patents

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直哉 河野
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和彦 堀野
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Abstract

【課題】スポットサイズ変換器と集積される光導波路素子のクラッド層と整合性の良いクラッド層をスポットサイズ変換器に含む半導体光素子を提供する。
【解決手段】半導体光素子１は、外部光導波路と光学的に結合されるべき端面１０Ａから第１軸Ａｘ１の方向に順に配列された第１領域２Ａ及び第２領域２Ｂを含む基板２と、基板２の主面上に設けられスポットサイズ変換器のための第１半導体光導波路１０と、基板２の主面上に設けられスポットサイズ変換器に光学的に結合された第２半導体光導波路２０とを備える。第１半導体光導波路１０は第１領域２Ａ上に設けられ、第２半導体光導波路２０は第２領域２Ｂ上に設けられ、第１半導体光導波路１０は、第１軸Ａｘ１の方向に延在するコア層１２及びクラッド層１３を備える。クラッド層１３は、第１クラッド領域１４と、クラッド層１３内において単一の補助半導体層１５とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、スポットサイズ変換器を含む半導体光素子に関する。
特許文献１は、スポットサイズ変換のための導波路形ビーム変換素子を開示する。特許文献２は、スポットサイズ変換のための光結合デバイスを開示する。
特開平５−１４２４３５号公報 特開平９−１５４３５号公報
特許文献１のビーム変換素子は、主コアを挟む上クラッド及び下クラッドを備え、これらのクラッドの各々は、交互に配置される複数の副コア及び複数のクラッドを含む。上クラッド及び下クラッドでは、副コアが光の電界振幅を高めるように働いて、光導波路の電界プロファイルの形状は、複数の峰を有する。複数の峰の電界プロファイルにより、ビーム変換素子は、その端面におけるスポットサイズを外部光導波路におけるスポットサイズに近づけて、ビーム変換素子と外部光導波路との結合損失を低減している。
特許文献２の光結合デバイスは、コア層の直上に突起部を有するクラッド領域を備える。この突起部は、コア層の直上におけるクラッドの厚みを増大させるように働く。この増大により、光結合デバイスにおけるスポットサイズを外部光導波路におけるスポットサイズに近づけることが可能になって、ビーム変換素子と外部光導波路との結合損失を低減している。
特許文献１及び特許文献２におけるスポットサイズ変換器は、物理的なクラッド層の厚みを大きくして、導波光のスポットサイズを変更している。これ故に、これらのクラッド層は、スポットサイズ変換器のために厚みの点で専用に作り込まれたものである。一方で、スポットサイズ変換器は、その機能から理解されるように、該スポットサイズ変換器とモノリシックに集積される光導波路素子に光を提供し、或いはこの光導波路素子から光を受ける。光導波路素子は、スポットサイズ変換器のために専用に作り込まれたクラッド層に馴染まないことがある。
本発明は、スポットサイズ変換器と集積される光導波路素子のクラッド層に整合性の良いクラッド層をスポットサイズ変換器に含む半導体光素子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、外部光導波路と光学的に結合されるべき端面から第１軸の方向に順に配列された第１領域及び第２領域を含む基板と、前記基板の主面上に設けられスポットサイズ変換器のための第１半導体光導波路と、前記基板の前記主面上に設けられ前記スポットサイズ変換器に光学的に結合された第２半導体光導波路と、を備え、前記第１半導体光導波路は前記基板の前記第１領域上に設けられ、前記第２半導体光導波路は前記基板の前記第２領域上に設けられ、前記第１半導体光導波路は、前記第１軸の方向に延在するコア層及びクラッド層を備え、前記コア層及び前記クラッド層は、前記基板の前記主面の法線方向を示す第２軸の方向に順に配列されており、前記クラッド層は、前記コア層に接触を成す第１クラッド領域と、該クラッド層内における単一の補助半導体層とを備え、前記クラッド層は、前記第１クラッド領域の屈折率より小さい屈折率の領域に接触を成し、前記単一の補助半導体層の厚みは、前記第１クラッド領域の厚みより小さく、前記第１クラッド領域の屈折率は、前記コア層の屈折率及び前記補助半導体層の屈折率より低く、前記補助半導体層は、第１面及び第２面を有し、前記第１面は前記第２面の反対側に位置し、前記補助半導体層の第１面は、前記第１クラッド領域に接触を成し、前記第１クラッド領域及び前記補助半導体層は前記第１軸の方向に延在し、前記第１半導体光導波路の前記コア層は、前記端面の位置において第１幅を有すると共に、前記第１領域と前記第２領域との境界の位置において第２幅を有しており、前記第１幅は前記第２幅より大きく、前記コア層の幅は前記第１軸の方向に関して、前記第１幅から前記第２幅に単調に変化し、前記コア層は、前記端面の位置において第１厚を有すると共に、前記境界の位置において第２厚を有しており、前記第２厚は前記第１厚より大きく、前記コア層の厚みは前記第１軸の方向に関して、前記第１厚から前記第２厚に単調に変化する。
本発明によれば、スポットサイズ変換器と集積される光導波路素子のクラッド層に整合性の良いクラッド層をスポットサイズ変換器に含む半導体光素子を提供することができる。
第１実施形態に係る半導体光素子の構造を示す図である。 第１半導体光導波路の一実施例における光の電界プロファイルを示す図である。 第１モデルにおける光の電界プロファイルと第２モデルにおける光の電界プロファイルとを示す図である。 外部光導波路と第１モデルの第１半導体光導波路との結合損失と、補助半導体層の厚みとの関係を示す図である。 第１実施形態に係る半導体光素子の作製方法の一工程を示す図である。 第２実施形態に係る半導体光素子の構造を示す図である。
本発明の実施形態の内容を説明する。本発明の一形態に係る半導体光素子は、（ａ）外部光導波路と光学的に結合されるべき端面から第１軸の方向に順に配列された第１領域及び第２領域を含む基板と、（ｂ）前記基板の主面上に設けられスポットサイズ変換器のための第１半導体光導波路と、（ｃ）前記基板の前記主面上に設けられ前記スポットサイズ変換器に光学的に結合された第２半導体光導波路と、を備え、前記第１半導体光導波路は前記基板の前記第１領域上に設けられ、前記第２半導体光導波路は前記基板の前記第２領域上に設けられ、前記第１半導体光導波路は、前記第１軸の方向に延在するコア層及びクラッド層を備え、前記コア層及び前記クラッド層は、前記基板の前記主面の法線方向を示す第２軸の方向に順に配列されており、前記クラッド層は、前記コア層に接触を成す第１クラッド領域と、該クラッド層内において単一の補助半導体層とを備え、前記クラッド層は、前記第１クラッド領域の屈折率より小さい屈折率の領域に接触を成し、前記単一の補助半導体層の厚みは、前記第１クラッド領域の厚みより小さく、前記第１クラッド領域の屈折率は、前記コア層の屈折率及び前記補助半導体層の屈折率より低く、前記補助半導体層は、第１面及び第２面を有し、前記第１面は前記第２面の反対側に位置し、前記補助半導体層の第１面は、前記第１クラッド領域に接触を成し、前記第１クラッド領域及び前記補助半導体層は前記第１軸の方向に延在し、前記第１半導体光導波路の前記コア層は、前記端面の位置において第１幅を有すると共に、前記第１領域と前記第２領域との境界の位置において第２幅を有しており、前記第１幅は前記第２幅より大きく、前記コア層の幅は前記第１軸の方向に関して、前記第１幅から前記第２幅に単調に変化し、前記コア層は、前記端面の位置において第１厚を有すると共に、前記境界の位置において第２厚を有しており、前記第２厚は前記第１厚より大きく、前記コア層の厚みは前記第１軸の方向に関して、前記第１厚から前記第２厚に単調に変化する。
この半導体光素子によれば、第１半導体光導波路のコア層は、上記半導体素子の端面の位置において第１幅を有すると共に第１領域と第２領域との境界の位置において第１幅より小さい第２幅を有しており、また、コア層の幅は第１軸の方向に関して、第１幅から第２幅に単調に変化する。このコア層は、端面の位置において第１厚を有すると共に上記境界の位置において第１厚より大きい第２厚を有しており、また、コア層の厚みは第１軸の方向に関して第１厚から第２厚に単調に変化する。この第１半導体光導波路では、光の電界プロファイルに関して、端面に近づくにつれて光がコア層の外に広がって、光の電界振幅がクラッド層において大きくなる。このクラッド層は、コア層に接触を成す第１クラッド領域と、該第１クラッド領域内に設けられた単一の補助半導体層とを備え、この第１クラッド領域の屈折率がコア層の屈折率及び補助半導体層の屈折率より低い。第１クラッド領域より高い屈折率の補助半導体層と、第１クラッド領域との組み合わせの作用により、コア層の外に浸み出した光の電界振幅が第１クラッド領域において比較的緩やかに小さくなる。第１クラッド領域に接触を成す補助半導体層がクラッド層の内側部分に設けられることに加えて、クラッド層の外には、第１クラッド領域の屈折率より小さい屈折率の領域が設けられる。これ故に、外側の低い屈折率の領域と補助半導体層との組み合わせの作用により、クラッド層の外側の低い屈折率の領域において光の電界振幅は速やかに低くできて、補助半導体層における光の電界振幅の大きさを調整できる。第１クラッド領域及び単一の補助半導体層を含むクラッド層は、スポットサイズ変換器に光学的に結合される第２半導体光導波路におけるクラッド層への制約を緩和できる。
一形態に係る半導体光素子は、前記領域内に位置し前記クラッド層に接する絶縁体層を更に備え、前記クラッド層は、前記コア層と前記絶縁体層との間に設けられ、前記絶縁体層の屈折率は前記第１クラッド領域の屈折率よりも低い。この半導体光素子は、クラッド層外に位置しクラッド層に接する絶縁体層を更に備える。このため、絶縁体層は、上記の小さい屈折率の領域として作用できる。この作用により、補助半導体層の外側では、屈折率の低い絶縁体層によって光の電界振幅が速やかに減少し、これによって、高い屈折率の補助半導体層における光の電界振幅の大きさを抑制できると共に絶縁体層の屈折率に応じて補助半導体層における光の電界振幅を調整できる。
一形態に係る半導体光素子では、前記絶縁体層が酸化ケイ素又はベンゾシクロブテンを備える。この半導体光素子では、これらの材料が絶縁体層に適用できる。
一形態に係る半導体光素子では、前記クラッド層は、第２クラッド領域を更に備え、前記第２クラッド領域の厚みは、前記第１クラッド領域の厚みより小さく、前記第２クラッド領域の屈折率は、前記補助半導体層の屈折率より小さく、前記第２クラッド領域は、前記補助半導体層の前記第２面に接触を成す。この半導体光素子によれば、第１クラッド領域より小さい厚み及び補助半導体層より低い屈折率の第２クラッド領域の作用により、第１クラッド領域及び補助半導体層における光の電界振幅の減少の程度が調整される。また、第２クラッド領域及び絶縁体層を構成する材料の屈折率に応じて、補助半導体層における光の電界振幅が調整される。
一形態に係る半導体光素子では、前記第２クラッド領域がＩｎＰからなる。また、一形態に係る半導体光素子では、前記第１クラッド領域がＩｎＰからなり、前記コア層がＡｌＧａＩｎＡｓからなり、前記補助半導体層がＡｌＧａＩｎＡｓからなる。この半導体光素子では、これらの材料が適用可能である。
いくつかの実施形態に係る半導体光素子を、以下に図面を参照しつつ説明する。以下の説明では、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付する。
（第１の実施の形態）
図１は、第１実施形態に係る半導体光素子の構造を示す図である。図１の（ａ）部は、半導体光素子を概略的に示す平面図である。図１の（ｂ）部は、図１の（ａ）部におけるＩｂ−Ｉｂ線に沿ってとられた断面を示す図である。図１の（ｃ）部から（ｆ）部は、図１の（ｂ）部の典型的な構造例を示す図である。
図１を参照すると、第１実施形態に係る半導体光素子１は、第１半導体光導波路１０と第２半導体光導波路２０とを備える。半導体光素子１の端面１０Ａは、外部光導波路と光学的に結合される。第１半導体光導波路１０は、スポットサイズ変換器のために設けられている。第１半導体光導波路１０は第２半導体光導波路２０に光学的に結合されている。スポットサイズ変換器は、外部光導波路からの光を第２半導体光導波路２０に提供でき、第２半導体光導波路２０からの光を外部光導波路に提供できる。図１の（ｂ）部を参照すると、第１半導体光導波路１０及び第２半導体光導波路２０は、基板２の主面２Ｃ上に設けられ、基板２は、第１領域２Ａ及び第２領域２Ｂを含む。第１半導体光導波路１０は第１領域２Ａ上に設けられ、第２半導体光導波路２０は第２領域２Ｂ上に設けられる。第１領域２Ａ及び第２領域２Ｂは、第１軸Ａｘ１の方向に順に配列されている。第２半導体光導波路２０はコア層２２を備え、コア層２２を挟む下部クラッド層１１とクラッド層２３とを備えることができる。第２半導体光導波路２０のコア層２２は、第１領域２Ａと第２領域２Ｂとの境界１０Ｂにおいて、第１半導体光導波路１０のコア層１２に光学的に結合される。第２半導体光導波路２０は、例えば半導体変調器、半導体レーザ、及び半導体導波路型フォトダイオード等の光導波路素子に光学的に結合され、あるいは、これらの光導波路素子に含まれることができる。本実施例では、第１半導体光導波路１０は、境界１０Ｂにおいて第２半導体光導波路２０に物理的に接続されている。
第１半導体光導波路１０は、下部クラッド層１１、コア層１２及びクラッド層１３を備える。下部クラッド層１１、コア層１２及びクラッド層１３は、第２軸Ａｘ２に沿って順に配列されている。クラッド層１３は、第１クラッド領域１４、及びクラッド層１３において単一の補助半導体層１５を備え、また、クラッド層１３は、第１面１３Ａ及び第２面１３Ｂを備え、第１面１３Ａは第２面１３Ｂの反対側に位置する。クラッド層１３は、第１クラッド領域１４の屈折率よりも小さい屈折率の領域１７と、コア層１２との間に位置し、クラッド層１３の第１面１３Ａはコア層１２に接しており、また、クラッド層１３の第２面１３Ｂは、領域１７に接している。第１クラッド領域１４は、コア層１２の上面に接触を成している。補助半導体層１５は、第１半導体光導波路１０及び第２半導体光導波路２０の接続に起因して厚みに制限を受ける層間クラッド（例えばコア層１２と補助半導体層１５との間の第１クラッド領域１４）を補助して、層間クラッドおける光の電界振幅の減少の程度を小さくする。補助半導体層１５は、第１面１５Ａ及び第２面１５Ｂを備え、第１面１５Ａは第２面１５Ｂの反対側に位置する。補助半導体層１５の第１面１５Ａは、第１クラッド領域１４に接触を成している。補助半導体層１５の厚みは、第１クラッド領域１４の厚みより小さく、第１クラッド領域１４の屈折率は、コア層１２の屈折率及び補助半導体層１５の屈折率より低くなっている。コア層１２及びクラッド層１３は、第１軸Ａｘ１方向に延在している。クラッド層１３内において、第１クラッド領域１４及び補助半導体層１５は第１軸Ａｘ１方向に延在しており、第１クラッド領域１４及び補助半導体層１５は、第１軸Ａｘ１の方向に交差する第２軸Ａｘ２の方向に配列される。好適な実施例では、第１軸Ａｘ１は、第２軸Ａｘ２と直交している。
図１の（ａ）部に示されるように、第１半導体光導波路１０のコア層１２は、端面１０Ａの位置において第１幅Ｗ１と、境界１０Ｂの位置において第２幅Ｗ２とを有している。第１幅Ｗ１は第２幅Ｗ２より大きく、コア層１２の幅は、第１軸Ａｘ１方向に関して、第１幅Ｗ１から第２幅Ｗ２に単調な変化をする。この単調な変化は、好ましくは単調な減少であることができる。導波路幅が「単調な減少」を為すとき、導波路軸に沿って常に導波路幅が減少することを示し、導波路幅が「単調な変化」を為すとき、光導波路は、「単調な減少」の導波路幅の部分に加えて、導波路幅の変化のない一定幅の導波路幅の部分を含むことができる。
図１の（ｂ）部に示されるように、コア層１２は、端面１０Ａの位置において第１厚Ｔ１を有する。また、コア層１２は、境界１０Ｂの位置において第２厚Ｄ１を有しており、厚みＤ１は厚みＴ１より大きく、コア層１２の厚みは第１軸Ａｘ１方向に関して、厚みＴ１から厚みＤ１に単調な変化を為す。このため、第１半導体光導波路１０では、光の電界プロファイルに関して、境界１０Ｂから端面１０Ａに近づくにつれて、光がコア層１２の外に広がってクラッド層１３における光の電界振幅が大きくなる。「単調な変化」は、好ましくは単調な増大であることができる。
この半導体光素子１によれば、第１半導体光導波路１０のコア層１２は、半導体光素子１の端面１０Ａの位置において第１幅Ｗ１を有すると共に第１領域２Ａと第２領域２Ｂとの境界１０Ｂの位置において第１幅Ｗ１より小さい第２幅Ｗ２を有しており、また、コア層１２の幅は第１軸Ａｘ１の方向に関して、第１幅Ｗ１から第２幅Ｗ２に単調に変化する。このコア層１２は、端面１０Ａの位置において第１厚Ｔ１を有すると共に上記境界１０Ｂの位置において第１厚Ｔ１より大きい第２厚Ｄ１を有しており、また、コア層１２の厚みは第１軸Ａｘ１の方向に関して第１厚Ｔ１から第２厚Ｄ１に単調に変化する。この第１半導体光導波路１０では、光の電界プロファイルに関して、端面１０Ａに近づくにつれて光がコア層１２の外に広がって、光の電界振幅がクラッド層１３において大きくなる。このクラッド層１３は、コア層１２に接触を成す第１クラッド領域１４と、該第１クラッド領域内に設けられた単一の補助半導体層１５とを備え、この第１クラッド領域１４の屈折率がコア層１２の屈折率及び補助半導体層１５の屈折率より低い。第１クラッド領域１４より高い屈折率の補助半導体層１５と、第１クラッド領域１４との組み合わせの作用により、コア層１２の外に浸み出した光の電界振幅が第１クラッド領域１４において比較的緩やかに小さくなる。クラッド層１３の内側には、第１クラッド領域１４に接触を成す補助半導体層１５が設けられることに加えて、クラッド層１３の外側には、第１クラッド領域１４の屈折率より小さい屈折率の領域１７が設けられている。これ故に、外側の低い屈折率の領域１７と補助半導体層１５との組み合わせの作用により、クラッド層１３の外側の低い屈折率の領域１７において光の電界振幅は速やかに低くできて、補助半導体層１５における光の電界振幅の大きさを調整できる。第１クラッド領域１４及び単一の補助半導体層１５を含むクラッド層１３は、スポットサイズ変換器に光学的に結合される第２半導体光導波路２０におけるクラッド層２３への制約を緩和できる。
引き続き、いくつかのクラッド層１３の構造例を説明する。
（構成例１）
図１の（ｃ）部を参照すると、第１半導体光導波路１０では、クラッド層１３は第１クラッド領域１４及び補助半導体層１５を備え、第１クラッド領域１４及び補助半導体層１５は第２軸Ａｘ２方向に沿って順に配置される。本実施例では、補助半導体層１５の第２面１５Ｂは、大気（第１クラッド領域１４の屈折率よりも小さい屈折率の領域１７）に接触を成しており、補助半導体層１５の表面は外界に露出される。このため、第１クラッド領域１４より高い屈折率の補助半導体層１５と、第１クラッド領域１４との組み合わせの作用により、コア層１２の外に浸み出した光の電界振幅が第１クラッド領域１４において比較的緩やかに小さくなる。また、クラッド層１３内の補助半導体層１５が領域１７に接するので、クラッド層１３の外側において光の電界プロファイルが速やかに減少して、これによって、クラッド層１３内の電界振幅に望まれない増大が、高い屈折率の補助半導体層１５に働きにより生じることを回避できる。
第１半導体光導波路１０では、第１クラッド領域１４及び単一の補助半導体層１５を含むクラッド層１３は、非常に厚いクラッドを設けることなく、スポットサイズ変換を可能にする。クラッド層１３の構造は、スポットサイズ変換器に光学的に結合される第２半導体光導波路２０のクラッド層２３への制約を緩和できる。このため、スポットサイズ変換器と集積される光導波路素子のクラッド層と整合性の良いクラッド層をスポットサイズ変換器に含む半導体光素子１が提供される。
（構成例２）
図１の（ｄ）部を参照すると、第１半導体光導波路１０では、クラッド層１３が第１クラッド領域１４及び補助半導体層１５を備え、第１クラッド領域１４及び補助半導体層１５は、第２軸Ａｘ２方向に沿って順に配置される。第１半導体光導波路１０は、領域１７として絶縁体層１８を含み、絶縁体層１８は、シリコン系無機絶縁膜（例えばシリコン酸化物、シリコン窒化物）又はベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）樹脂であることができる。絶縁体層１８はクラッド層１３に接すると共に、絶縁体層１８の表面は外界に露出されている。本実施例では、補助半導体層１５の第２面１５Ｂは、絶縁体層１８に接している。補助半導体層１５の外側では、クラッド層１３の外側に位置する屈折率の低い絶縁体層１８によって、光の電界振幅は速やかに、かつ、単調に減少する。この作用により、補助半導体層１５における光の電界振幅の大きさが抑制される。第１半導体光導波路１０では、絶縁体層１８は、その屈折率に応じて、補助半導体層１５における光の電界振幅の大きさに対する抑制量を調整でき、また絶縁体層１８における光の電界振幅の減少量を調整できる。
（構成例３）
図１の（ｅ）部を参照すると、第１半導体光導波路１０では、クラッド層１３が、第１クラッド領域１４、補助半導体層１５及び第２クラッド領域１６を備え、第１クラッド領域１４、補助半導体層１５及び第２クラッド領域１６は第２軸Ａｘ２方向に沿って順に配置される。第２クラッド領域１６の屈折率は、第１クラッド領域１４の屈折率以下であり、領域１７の屈折率は、第２クラッド領域１６の屈折率より低い。第２クラッド領域１６は、第３面１６Ａ及び第４面１６Ｂを備え、第３面１６Ａは第４面１６Ｂの反対側に位置する。本実施例では、補助半導体層１５の第２面１５Ｂは、第２クラッド領域１６の第３面１６Ａに接触を成している。第２クラッド領域１６の第４面１６Ｂは、大気（領域１７）に接触を成している。第２クラッド領域１６の表面は外界に露出されている。補助半導体層１５の外側では第２クラッド領域１６及び領域１７の順に屈折率が低くなるので、光の電界振幅は速やかに、かつ、単調に減少する。また、第２クラッド領域１６及び領域１７の作用により、補助半導体層１５における光の電界振幅の大きさが抑制される。第１半導体光導波路１０では、第２クラッド領域１６は、その屈折率に応じて、補助半導体層１５における光の電界振幅の大きさに対する抑制量を調整でき、また、第２クラッド領域１６における光の電界振幅の減少量を調整できる。
（構成例４）
図１の（ｆ）部を参照すると、第１半導体光導波路１０では、クラッド層１３が、第１クラッド領域１４、補助半導体層１５及び第２クラッド領域１６を備え、第１クラッド領域１４、補助半導体層１５及び第２クラッド領域１６が、第２軸Ａｘ２方向に沿って順に配置される。第１半導体光導波路１０は、領域１７として絶縁体層１８を含み、クラッド層１３は、コア層１２と絶縁体層１８との間に設けられる。絶縁体層１８はクラッド層１３に接すると共に、絶縁体層１８の表面は外界に露出されている。第２クラッド領域１６の第３面１６Ａは、補助半導体層１５の第２面１５Ｂに接し、第４面１６Ｂは、絶縁体層１８に接する。第２クラッド領域１６の屈折率は、第１クラッド領域１４の屈折率以下であり、絶縁体層１８の屈折率は第２クラッド領域１６の屈折率よりも低く、領域１７の屈折率は第２クラッド領域１６の屈折率よりも低い。
（実施例１）
図２は、第１半導体光導波路の一実施例における光の電界プロファイルを示す図である。図２では、光の電界プロファイルとともに、第１半導体光導波路１０の各層における屈折率が示される。図２においては、計算用モデルの構造の理解を容易にするために、図１に示された符号が付されている。光の電界プロファイルのための計算用第１モデルは、以下の構造を有する。
各層の名称、 各層の材料、端面１０Ａでの厚み、屈折率。
絶縁体層： ＳｉＯ２、 ３μｍ、 １．４４。
第２クラッド領域： ＩｎＰ、 ０．５μｍ以下、 ３．１７。
補助半導体層：AlGaInAsバルク、 ０．２３μｍ、 ３．３５。
第１クラッド領域： ＩｎＰ、 ０．８７μｍ、 ３．１７。
コア層：AlGaInAs多重量子井戸、 ０．１２μｍ、 ３．４。
下部クラッド層： ＩｎＰ、 ２μｍ、 ３．１７。
基板： ＩｎＰ、 ２００μｍ、 ３．１７。
実施例に係る半導体光素子１は、例えば１．５５μｍ帯の波長（１．５３μｍ〜１．５７μｍ）の光を適用することができる。半導体光素子１は、１．５５μｍよりも長い波長域、例えば１．６μｍ帯（１．５６５μｍ〜１．６２５μｍ）の光を適用することができる。更に、半導体光素子１は、１．５５μｍよりも短い波長域、例えば１．５μｍ帯（１．４６μｍ〜１．５３μｍ）の光を適用することができる。
図２に示された電界プロファイルを参照しながら、第１半導体光導波路１０における電界分布を説明する。この説明において、理解を容易にするために、図１で用いられた符合が参照される。第１半導体光導波路１０では、光の電界振幅は、コア層１２及びその付近で最も大きく、また、コア層１２からクラッド層１３に向かって単調に減少する。単一の補助半導体層１５の屈折率が第１クラッド領域１４の屈折率より高いので、第１クラッド領域１４及び補助半導体層１５の屈折率プロファイルは、コア層１２と補助半導体層１５との間に位置する第１クラッド領域１４において光の電界振幅が比較的緩やかに減少することを可能にする。
また、補助半導体層１５は、補助半導体層１５より低い屈折率の第２クラッド領域１６に接触を成すと共に、第２クラッド領域１６は絶縁体層１８に接触を成す。このため、第２クラッド領域１６と、絶縁体層１８（第２クラッド領域１６より小さい屈折率の領域１７）との屈折率プロファイルは、高い屈折率の補助半導体層１５における光の電界振幅が大きな第２の峰を形成することを防止する。
また、補助半導体層１５の外側においては、第２クラッド領域１６、絶縁体層１８の順に屈折率プロファイルが低くなるので、光の電界振幅はクラッド層１３の外側で速やかに、かつ、単調に減少する。半導体光素子１では、第２クラッド領域１６と絶縁体層１８との屈折率プロファイルは、第２クラッド領域１６に接する補助半導体層１５における光の電界振幅の大きさを抑制できる。補助半導体層１５の外側に共に位置する第２クラッド領域１６及び絶縁体層１８は、その屈折率に応じて、第２クラッド領域１６及び絶縁体層１８における光の電界プロファイルの減少量を調整できる。
図３は、第１モデルにおける光の電界プロファイルと第２モデルにおける光の電界プロファイルとを示す図である。第２モデルは、第１モデルとクラッド層の構造の点で異なる。第２モデルの半導体光導波路では、クラッド層は十分に厚い単一の材料からなる。第２モデルの半導体光導波路のクラッド層は、外部光導波路に結合される端面において広い電界プロファイルが端面から離れるにつれてクラッド層内で十分に減衰できるように厚い。第２モデルの半導体光導波路は、外部光導波路との結合のために良好な電界プロファイルを提供できる。半導体光導波路内のコア層及びその付近に限って第１モデルの半導体光導波路を第２モデルの半導体光導波路と比較すると、図３に示されるように、第１モデルの半導体光導波路の光の電界プロファイルが、第２モデルとほぼ一致している。電界プロファイルにおけるこの傾向は、第１モデルの半導体光導波路と外部光導波路との結合損失が、第２モデルの半導体光導波路と外部光導波路との結合損失に近づくことを意味している。
第１モデルの第１半導体光導波路１０と第２モデルの半導体光導波路とにおける外部光導波路との結合損失の見積もりのためにシミュレーションを行った。このシミュレーションにおいて、第１モデルの半導体光導波路におけるクラッド層（例えばクラッド層１３に対応する）の厚み、及び第２モデルの半導体光導波路におけるクラッド層の厚みとして、以下に示されるものを用いた。
半導体光導波路のタイプ、クラッド層の厚み。
第１モデルの半導体光導波路：１．２０μｍ。
第２モデルの半導体光導波路：１．９４μｍ。
これらのクラッド構造に用いて、第１モデルの第１半導体光導波路１０と第２モデルの半導体光導波路とにおける外部光導波路との結合損失（計算値）を以下に示す。
半導体光導波路のモデル、 結合損失。
第１モデルの半導体光導波路：０．２０６ｄＢ。
第２モデルの半導体光導波路：０．２１３ｄＢ。
第２モデルの半導体光導波路のクラッド層の厚みが第１モデルの半導体光導波路と同じ１．２０μｍを有するとき、第２モデルの半導体光導波路の結合損失は０．２９１ｄＢに増加する。
図３における電界プロファイルに示されるように、第１モデルの半導体光導波路は、第１半導体光導波路１０のクラッド層１３（第１クラッド領域１４、補助半導体層１５及び第２クラッド領域１６を含む積層）の一例となる構造を備え、また、第２モデルの半導体光導波路のような十分に厚いクラッド層の損失に近い損失特性を示すスポットサイズ変換を可能にする。第１モデルの半導体光導波路（例えば第１半導体光導波路１０）のクラッド層の厚みが小さいので、スポットサイズ変換器とモノリシックに集積される半導体処理素子のための半導体光導波路（例えば第２半導体光導波路２０）のクラッド層２３の作製プロセスなどにおける制約が緩和される。
第１モデルを用いた検討に加えて、構成例に示されるモデルついても同様な検討を行った結果、第１実施形態に示される構成例において第１モデルと同様な特性が得られる。
第１モデルの導波路では、補助半導体層１５の屈折率と絶縁体層１８の屈折率との差分を示す第１屈折率差Δ１、及び補助半導体層１５の屈折率と第２クラッド領域１６の屈折率との差分を示す第２屈折率差Δ２を、上述の各値を用いて具体的に見積もる。
第１屈折率差Δ１＝３．３５−１．５＝１．８５である。
第２屈折率差Δ２＝３．３５−３．１７＝０．１８である。
第１屈折率差Δ１は、第２屈折率差Δ２のおよそ１０倍の値を有している。このため、第２クラッド領域１６の屈折率は、絶縁体層１８の屈折率よりも、補助半導体層１５の屈折率に近い値を有する。一方、第２クラッド領域１６の厚みが０．５μｍ以下に抑えられるので、補助半導体層１５における光の電界振幅の大きさに対する抑制量を調整できる。このような調整ができる理由は、第２クラッド領域１６の厚みが媒質内の光の波長（真空中の光の波長を媒質の屈折率で割った値のこと。ここでは１．５５÷３．１７≒０．５μｍ）より薄いために第２クラッド領域１６中での電界振幅の変化が小さいことに加え、第２クラッド領域１６の上下の層（絶縁体層１８と補助半導体層１５）の屈折率差Δ１が大きいため絶縁体層１８が第２クラッド領域１６および補助半導体層１５の電界分布に与える影響が大きいためである。
引き続き、光導波路に係る具体的な検討結果を説明する。図４は、外部光導波路と第１モデルの第１半導体光導波路１０との結合損失と、補助半導体層１５の厚みＴ３との関係を示す。第１半導体光導波路１０では、補助半導体層１５の厚みＴ３が０．２３μｍであるときに、結合損失が０．２０６ｄＢの最小値を示す。第２クラッド領域１６の厚みＴ４も、外部光導波路と第１半導体光導波路１０との結合損失に関連する。例えば約２μｍのモードフィールド径のレンズを含む外部光導波路に光結合においては、第２クラッド領域１６の０．１μｍの厚みＴ４で、結合損失が最小値を示す。
第１半導体光導波路１０はスポットサイズ変換のために設けられる。このため、スポットサイズ変換を行うために光の電界プロファイルを端面１０Ａの近傍において広げる。補助半導体層１５及び端面１０Ａ近傍におけるコア層１２の厚みＴ１は、縦方向にこの広がりを形成するために役立つ。具体的には、端面１０Ａ近傍におけるコア層１２の厚みＴ１が小さいことが好ましく、厚みＴ１は、例えば０．０５μｍ〜０．２μｍでの範囲にあることができる。縦方向に光の電界プロファイルを広げるためには、補助半導体層１５の屈折率ｎ３と厚みＴ３との積が、コア層１２の屈折率ｎ１と厚みＴ１との積よりも大きいことが好ましい。この値が小さいと、屈折率の低い絶縁体層１８の影響で補助半導体層１５中の光の電界振幅が小さくなり過ぎてしまい、結合損失が増加するためである。
第２半導体光導波路２０は、スポットサイズ変換器に光学的に結合される、例えば半導体変調器の構成物であることができる。第２半導体光導波路２０のクラッド層２３も第１半導体光導波路１０のクラッド層１３と同様の層構造（第１クラッド領域１４、補助半導体層１５、第２クラッド領域１６）を備える。半導体変調器の形態では、補助半導体層１５における光の電界振幅よりも第２半導体光導波路２０のコア層２２における光の電界振幅が大きい方が、半導体変調器の変調効率の向上の点で好ましい。変調効率の向上のためには、補助半導体層１５がコア層２２から第２軸Ａｘ２方向にある程度離れていることが良く、第２半導体光導波路２０においては第１クラッド領域１４の厚みＴ２は、例えば０．４μｍよりも大きいことが好ましい。
第２半導体光導波路２０及び境界１０Ｂ近傍においては、コア層２２の厚みＤ１はシングルモード条件を満たすような大きさであることが良く、コア層２２の厚みＤ１は例えば０．２μｍ〜０．６μｍの範囲にあることができる。このコア層２２の厚み範囲は、第２半導体光導波路２０が例えばマッハツェンダー変調器のために設けられるとき、マッハツェンダー変調器のコア層の値として好適である。
また、第２半導体光導波路２０での変調効率が向上するためには、補助半導体層１５の屈折率ｎ３と厚みＴ３との積が、コア層２２の屈折率ｎ１と厚みＤ１との積よりも小さくして、コア層２２の光の電界振幅を補助半導体層１５より大きくすることが良い。さらに、クラッド層２３における電圧降下（抵抗）を小さくしてマッハツェンダー変調器の変調速度の向上を得るためには、通常ｐ型またはｎ型にドーピングされているクラッド層２３の厚みは、厚みに比例する電気抵抗削減の点に基づき、例えば１．８μｍより小さいことが良い。
第２半導体光導波路２０が例えばマッハツェンダー変調器であるとき、コア層２２のドーピング濃度は、ｐ型及びｎ型クラッド層のドーピング濃度よりも低いことが良い。第１半導体光導波路１０の補助半導体層１５のキャリア濃度は、ドーピングに起因するフリーキャリア吸収による光損失を低減する点で、低いことが好ましい。
また、第２半導体光導波路２０が例えばマッハツェンダー変調器であるとき、クラッド層２３の上面に接してコンタクト層が設けられる。ドーピングに起因するフリーキャリア吸収による光損失を第２半導体光導波路２０において低減する点で、例えば、コンタクト層のキャリア濃度は、１０１９ｃｍ−３程度よりも低いことが好ましい。第１半導体光導波路１０のコア層１２及び第２半導体光導波路２０のコア層２２でのドーピング濃度は、例えば５×１０１７ｃｍ−３以下であり、補助半導体層１５でのキャリア濃度は、例えば２×１０１８ｃｍ−３以下である。
第２半導体光導波路２０が例えば半導体変調器であるときには、その変調効率の観点から、第２幅Ｗ２は、例えば１．５μｍであることができる。また、外部光導波路の横方向の光の電界プロファイルの広がりの大きさが例えば２μｍであるときには、端面１０Ａの位置において第１幅Ｗ１は、例えば４μｍであることができる。
（実施例２）
本実施形態に係る例示的な構造を以下に示す。
名称、 材質、 端面１０Ａでの厚み。
第２クラッド領域： ＩｎＰ、 ０μｍ〜０．５μｍ。
補助半導体層：AlGaInAsバルク、０．０５μｍ~０．４μｍ。
第１クラッド領域： ＩｎＰ、 ０．４μｍ〜１．５μｍ。
コア層：AlGaInAs多重量子井戸、０．０５μｍ〜０．２μｍ。
下部クラッド層： ＩｎＰ、 ２μｍ。
基板： ＩｎＰ、 ２００μｍ。
絶縁体層：シリコン酸化物、 ３μｍ。
絶縁体層としてベンゾシクロブテン樹脂を用いることもできる。
名称、 材質、 境界１０Ｂでの厚み。
コア層１２：AlGaInAs多重量子井戸、０．２μｍ〜０．６μｍ。
コア層１２はＡｌＧａＩｎＡｓ多重量子井戸を備え、多重量子井戸のバンドギャップ波長は１．３５μｍである。補助半導体層１５のＡｌＧａＩｎＡｓのバンドギャップ波長は、１．２μｍである。
第１クラッド領域１４が上記の厚み（０．４μｍ〜１．５μｍ）を有するとき、第２半導体光導波路２０においては、コア層２２及びその付近での光の電界分布が、十分に厚い単一材料のクラッド層を有する半導体光導波路と比較して大きく変化しない。
次いで、半導体光素子１を作製する方法を説明する。図５（ａ）〜（ｄ）は、第１実施形態に係る半導体光素子の作製方法の一工程を示す図である。図５（ａ）〜（ｄ）では、半導体光素子１の一素子分の領域が示されている。半導体光素子１の作製においては、例えばＩｎＰからなる基板２が用意される。次に、例えばＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法によって、基板２上に下部クラッド層１１のための半導体膜がエピタキシャル成長される。下部クラッド層１１のための半導体膜は、例えばＩｎＰを含む。下部クラッド層１１のための半導体膜の上には、スペーサ層３１のための半導体膜がエピタキシャル成長される。スペーサ層３１のための半導体膜は、例えばＡｌＧａＩｎＡｓを含む。この半導体膜の上には、シャドーマスク層３２のための半導体膜が形成される。シャドーマスク層３２のための半導体膜は、例えばＩｎＰからなり、また、例えばエピタキシャル成長によって形成される。シャドーマスク層３２のための半導体膜が形成された後は、シャドーマスク層３２をパターニングするための絶縁膜が、例えばＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法によって形成される。絶縁膜は、例えばＳｉ３Ｎ４からなる。絶縁膜上にレジストパターンが設けられ、このレジストパターンをマスクとしたウェットエッチングによって、レジストパターンと同一パターンを有する絶縁膜マスクが形成される。ウェットエッチングには、例えばバッファードフッ酸（ＢＨＦ）が用いられる。次に、絶縁膜マスクを用いるエッチングによって、シャドーマスク層３２に開口部３３を形成する。開口部３３は、図５（ａ）に示されるような長半円に類似する形状の縁３３ａを有する。このエッチングは、例えばハロゲン系ガス反応性イオンエッチング法によるドライエッチングを適用できる。
シャドーマスク層３２へのパターン形成の後には、例えばＢＨＦを用いるウェットエッチングによって、絶縁性マスクが除去される。次に、例えば硫酸、過酸化水素水及び水からなる混合液を用いたウェットエッチングによって、スペーサ層３１のための半導体膜がエッチングされる。このエッチングの結果、スペーサ層３１は、間隙３４を形成する。
シャドーマスク層３２の開口部３３及びスペーサ層３１の間隙３４は、第１半導体光導波路１０のコア層１２の作製を可能にする。第１半導体光導波路１０では、図１に示されるように、端面１０Ａでのコア層１２の第１幅Ｗ１は、境界１０Ｂでのコア層１２の第２幅Ｗ２と異なる。また、端面１０Ａでのコア層１２の厚みＴ１も、境界１０Ｂでのコア層１２の厚みＤ１と異なる。一方、間隙３４に接する下部クラッド層１１上でのエピタキシャル成長速度は、スペーサ層３１の高さＨ１０と、開口部３３の幅Ｗ１０との割合Ｒ１０によって異なる。このため、割合Ｒ１０を連続的に変化させることによって、間隙３４に接する下部クラッド層１１上でエピタキシャル成長されるコア層１２のための半導体膜は、その断面が端面１０Ａで図５（ａ）のような長半円に類似する形状を有するように制御される。コア層１２のための半導体膜は、例えばＡｌＧａＩｎＡｓからなる。コア層１２のための半導体膜を覆うように、例えばクラッド領域１４と同じ材料のＩｎＰからなるキャップ層２４を形成する。コア層１２のための半導体膜およびキャップ層２４は、例えばＭＯＣＶＤ法によって形成される。
コア層１２のための半導体膜の形成後は、例えば硫酸、過酸化水素水及び水からなる混合液を用いたウェットエッチングにより、スペーサ層３１がエッチングされシャドーマスク層３２がリフトオフされる。コア層１２はキャップ層２４により保護され、図５（ｂ）のようにキャップ層２４とともに下部クラッド層１１上に残る。このリフトオフの後に、基板２の第１領域２Ａにおいては、例えば第１クラッド領域１４、補助半導体層１５、及び第２クラッド領域１６のための半導体積層が順に成長される。この半導体積層の成長は、例えばＭＯＣＶＤ法による。
基板２の第２領域２Ｂにおいては、第２半導体光導波路２０のコア層２２の幅及び高さが、第２領域２Ｂの全域に亘ってほぼ一様であるので、コア層２２のための半導体膜は、シャドーマスク層３２及びスペーサ層３１が設けられない領域で形成される。コア層２２のための半導体膜は、例えばＡｌＧａＩｎＡｓからなり、また、例えばＭＯＣＶＤ法によって形成される。コア層２２のための半導体膜の上には、例えばクラッド層２３が形成される。クラッド層２３では、例えば第１クラッド領域、補助半導体層、及び第２クラッド領域のための半導体積層が順にエピタキシャル成長される。
これらの半導体積層の形成の後には、第１領域２Ａの第１半導体光導波路１０及び第２領域２Ｂの第２半導体光導波路２０の形状を規定するマスクが形成される。このマスクを用いて半導体層がエッチングされて、半導体光導波路が形成される。エッチングの後にはマスクが除去されて、この後に、必要に応じて、パッシベーションのための絶縁膜が成長される。さらに、必要に応じて、例えばＢＣＢ樹脂によって半導体光導波路が埋め込まれ、更に図５（ｄ）に示されるように、電極２９が形成される。
第２半導体光導波路２０として、例えば半導体レーザ２０ａが作製されるときには、半導体レーザ２０ａでは、例えば、基板２の第２領域２Ｂの上に、クラッド層２３及び活性層が形成され、更に、電極２９が形成される。半導体光素子１では、第２半導体光導波路２０からのレーザ光が、第１半導体光導波路１０によってスポットサイズ変換された後に、外部光導波路に低損失で光結合される。
半導体光素子１においては、例えば、第２半導体光導波路２０が半導体変調器であるときには、外部光導波路からのレーザ光が、低損失で第１半導体光導波路１０と光結合される。次いで、第１半導体光導波路１０によってスポットサイズ変換されたレーザ光が、第２半導体光導波路２０の半導体変調器によって変調を受ける。
（第２の実施の形態）
図６は、第２実施形態に係る半導体光素子の構造を示す図である。図６の（ａ）部を参照すると、半導体光素子１Ｙでは、第１半導体光導波路１０の第１クラッド領域１４の厚みを境界１０Ｂから端面１０Ａに向けて徐々に大きくして、境界１０Ｂから端面１０Ａに向けてコア層１２の厚みの減少を補っている。このため、第１半導体光導波路１０の上面が、第１軸Ａｘ１方向に関して、第２半導体光導波路２０の上面を規定する基準面に沿って延在する。第１半導体光導波路１０及び第２半導体光導波路２０によって構成される半導体光素子１の上面が、例えば、ほぼ直線あるいは緩やかな曲線とみなせる形状を有することになるので、他の光学素子との実装が容易になる。コア層１２上に形成されるクラッド層１３及び絶縁体層１８が、第２軸Ａｘ２方向に沿って配列される。この形成は、以下のように行われる。コア層１２及びコア層２２上に開口を有する第１絶縁膜マスクを形成する。第１絶縁膜マスクの開口の幅は、コア層１２上において、境界１０Ｂから端面１０Ａに向かって徐々に狭くなるようにする。第１絶縁膜マスクを用いて第１クラッド領域１４を選択成長すると、第１半導体光導波路１０上の境界１０Ｂから端面１０Ａにかけて厚みが増加する第１クラッド領域１４が得られる。この選択成長にはＭＯＶＰＥ法を用いる。第１絶縁マスクを除去した後に、第１クラッド領域１４上に補助半導体層１５をエピタキシャル成長する。第１領域２Ａの補助半導体層１５上に第２絶縁膜マスクを形成し、第２領域２Ｂ上の補助半導体層１５を例えば硫酸、過酸化水素水及び水からなる混合液により選択的にエッチングする。第２絶縁膜マスクを除去した後に、第２クラッド領域１６をエピタキシャル成長し、第２クラッド領域１６の上に絶縁体層１８をＣＶＤ法で堆積する。
図６の（ｂ）部を参照すると、第１半導体光導波路１０の補助半導体層１５の厚みを境界１０Ｂから端面１０Ａに向けて徐々に大きくして、端面１０Ａ及び端面１０Ａ近傍における補助半導体層１５の作用を強めている。また、補助半導体層１５の厚みが端面から境界に向けて減少して、最終的には消失して終端している。この構成によれば、境界１０Ｂ近傍及び第２半導体光導波路２０において、補助半導体層１５が設けられていないので、光の電界振幅がコア層２２に集中する。コア層２２に光学的に結合される第２半導体光導波路２０が例えば半導体変調器のために設けられるとき、この半導体変調器の変調効率を向上できる。半導体光素子１Ｚでは、コア層１２上に形成されるクラッド層１３の補助半導体層１５が、境界１０Ｂの近傍において終端している。この形成は、以下のように行われる。コア層１２及びコア層２２上に第１クラッド領域１４を選択成長した後、パターニングされた第３絶縁膜マスクを用いて第１半導体光導波路１０上の境界１０Ｂから端面１０Ａにかけて厚みが増加するように補助半導体層１５を選択成長する。例えば硫酸、過酸化水素水及び水からなる低濃度の混合液により第２領域２Ｂ上では補助半導体層１５が消失し、かつ、第１領域２Ａでは補助半導体層１５が残存するような厚さだけ、エッチングを行う。第２クラッド領域１６を成長し、絶縁体層１８を堆積する。
以上、好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置及び詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲及びその精神の範囲から来る全ての修正及び変更に権利を請求する。
本実施の形態によれば、スポットサイズ変換器と集積される光導波路素子のクラッド層と整合性の良いクラッド層をスポットサイズ変換器に含む半導体光素子が提供される。
１…半導体光素子、２…基板、２Ａ…第１領域、２Ｂ…第２領域、１０…第１半導体光導波路、１０Ａ…端面、１０Ｂ…境界、１２…コア層、１３…クラッド層、１４…第１クラッド領域、１５…補助半導体層、１６…第２クラッド領域、１７…領域、１８…絶縁体層、２０…第２半導体光導波路。

Claims (6)

  1. 半導体光素子であって、
    外部光導波路と光学的に結合されるべき端面から第１軸の方向に順に配列された第１領域及び第２領域を含む基板と、
    前記基板の主面上に設けられスポットサイズ変換器のための第１半導体光導波路と、
    前記基板の前記主面上に設けられ前記スポットサイズ変換器に光学的に結合された第２半導体光導波路と、
    を備え、
    前記第１半導体光導波路は前記基板の前記第１領域上に設けられ、前記第２半導体光導波路は前記基板の前記第２領域上に設けられ、
    前記第１半導体光導波路は、前記第１軸の方向に延在するコア層及びクラッド層を備え、
    前記コア層及び前記クラッド層は、前記基板の前記主面の法線方向を示す第２軸の方向に順に配列されており、
    前記クラッド層は、前記コア層に接触を成す第１クラッド領域と、該クラッド層内において単一の補助半導体層とを備え、
    前記クラッド層は、前記第１クラッド領域の屈折率より小さい屈折率の領域に接触を成し、
    前記単一の補助半導体層の厚みは、前記第１クラッド領域の厚みより小さく、
    前記第１クラッド領域の屈折率は、前記コア層の屈折率及び前記補助半導体層の屈折率より低く、
    前記補助半導体層は、第１面及び第２面を有し、前記第１面は前記第２面の反対側に位置し、前記補助半導体層の第１面は、前記第１クラッド領域に接触を成し、
    前記第１クラッド領域及び前記補助半導体層は前記第１軸の方向に延在し、
    前記第１半導体光導波路の前記コア層は、前記端面の位置において第１幅を有すると共に、前記第１領域と前記第２領域との境界の位置において第２幅を有しており、前記第１幅は前記第２幅より大きく、前記コア層の幅は前記第１軸の方向に関して、前記第１幅から前記第２幅に単調に変化し、
    前記コア層は、前記端面の位置において第１厚を有すると共に、前記境界の位置において第２厚を有しており、前記第２厚は前記第１厚より大きく、前記コア層の厚みは前記第１軸の方向に関して、前記第１厚から前記第２厚に単調に変化する、半導体光素子。
  2. 前記領域内に位置し前記クラッド層に接する絶縁体層を更に備え、
    前記クラッド層は、前記コア層と前記絶縁体層との間に設けられ、
    前記絶縁体層の屈折率は前記第１クラッド領域の屈折率よりも低い、請求項１に記載の半導体光素子。
  3. 前記絶縁体層が酸化ケイ素又はベンゾシクロブテンからなる、請求項２に記載の半導体光素子。
  4. 前記クラッド層は、第２クラッド領域を更に備え、
    前記第２クラッド領域の厚みは、前記第１クラッド領域の厚みより小さく、
    前記第２クラッド領域の屈折率は、前記補助半導体層の屈折率より小さく、
    前記第２クラッド領域は、前記補助半導体層の前記第２面に接触を成す、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の半導体光素子。
  5. 前記第２クラッド領域がＩｎＰからなる、請求項４に記載の半導体光素子。
  6. 前記第１クラッド領域がＩｎＰからなり、
    前記コア層がＡｌＧａＩｎＡｓからなり、
    前記補助半導体層がＡｌＧａＩｎＡｓからなる、請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の半導体光素子。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2020003559A (ja) * 2018-06-26 2020-01-09 住友電気工業株式会社 スポットサイズ変換器、スポットサイズ変換器を作製する方法
US11215757B2 (en) 2019-07-18 2022-01-04 Sumitomo Electric Industries, Ltd. Spot size converter and manufacturing method of the same

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10606143B2 (en) * 2017-06-27 2020-03-31 Sumitomo Electric Industries, Ltd. Multimode interferometer, Mach-Zehnder modulation device
CN112217093B (zh) * 2020-09-28 2021-11-30 武汉云岭光电有限公司 一种小发散角半导体激光器及其制备方法
EP4012871B1 (de) 2020-12-08 2023-06-07 Gip Ag Verfahren zum gerichteten übertragen von energie in form von energiepaketen
US11604313B2 (en) * 2021-06-30 2023-03-14 Headway Technologies, Inc. Waveguide and manufacturing method thereof

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11511870A (ja) * 1996-06-28 1999-10-12 アルカテル・アルストム・コンパニイ・ジエネラル・デレクトリシテ ディープリッジウェーブガイドを有する光半導体部品
JP2005156674A (ja) * 2003-11-21 2005-06-16 Fujitsu Ltd 複合光導波路
US20120328234A1 (en) * 2011-06-24 2012-12-27 National Central University Low-loss Optical Coupling Apparatus
JP2013004688A (ja) * 2011-06-15 2013-01-07 Japan Oclaro Inc スポットサイズ変換器、半導体光素子、及びそれらの製造方法
JP2013162085A (ja) * 2012-02-08 2013-08-19 Fujitsu Ltd 光半導体素子及び光半導体素子の製造方法

Family Cites Families (28)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3012775C2 (de) * 1980-04-02 1982-05-27 Licentia Patent-Verwaltungs-Gmbh, 6000 Frankfurt Übergang zwischen zwei Monomodelichtleitern
JPH05142435A (ja) 1991-11-26 1993-06-11 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 導波路形ビーム変換素子およびその製造方法
NL9200328A (nl) * 1992-02-21 1993-09-16 Nederland Ptt Optische schakelcomponent.
JPH0915435A (ja) 1995-06-26 1997-01-17 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 光結合デバイスおよび光機能デバイス
US6795622B2 (en) * 1998-06-24 2004-09-21 The Trustess Of Princeton University Photonic integrated circuits
US6293688B1 (en) * 1999-11-12 2001-09-25 Sparkolor Corporation Tapered optical waveguide coupler
US20010026670A1 (en) * 2000-03-28 2001-10-04 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Optical waveguide and method for making the same
JP3941368B2 (ja) * 2000-09-28 2007-07-04 株式会社日立製作所 光伝送モジュールおよびそれを用いた光通信システム
US6580850B1 (en) * 2000-11-24 2003-06-17 Applied Wdm, Inc. Optical waveguide multimode to single mode transformer
WO2003044580A2 (en) * 2001-04-03 2003-05-30 Little Optics, Inc. Optical waveguide mode transformer
JP3976514B2 (ja) * 2001-04-05 2007-09-19 日本電気株式会社 光導波路の製造方法
US20040114869A1 (en) * 2001-06-15 2004-06-17 Fike Eugene E. Mode converter including tapered waveguide for optically coupling photonic devices
US6768855B1 (en) * 2001-07-05 2004-07-27 Sandia Corporation Vertically-tapered optical waveguide and optical spot transformer formed therefrom
US6884327B2 (en) * 2002-03-16 2005-04-26 Tao Pan Mode size converter for a planar waveguide
US7221826B2 (en) * 2002-10-08 2007-05-22 Tdk Corporation Spot-size transformer, method of producing spot-size transformer and waveguide-embedded optical circuit using spot-size transformer
US7079727B1 (en) * 2002-10-09 2006-07-18 Little Optics, Inc. Integrated optical mode shape transformer and method of fabrication
CN1839331A (zh) * 2003-08-04 2006-09-27 皮雷利&C.有限公司 与外部光场有低耦合损耗的集成光波导结构
JP2008509450A (ja) * 2004-08-23 2008-03-27 モレックス インコーポレーテッド 光ファイバと一体型平面導波路との間の光結合効率を改善するためのシステム及びテーパ導波路並びにその製造方法
US7356226B2 (en) * 2005-03-30 2008-04-08 Nec Corporation Optical waveguide coupler, sub-assembled optical unit, optical module and optically coupling method
US20070172185A1 (en) * 2006-01-25 2007-07-26 Hutchinson John M Optical waveguide with mode shape for high efficiency modulation
US8170383B2 (en) * 2006-12-01 2012-05-01 Nec Corporation Optical converter
WO2008111447A1 (ja) * 2007-03-14 2008-09-18 Nec Corporation 光導波路及びその製造方法
WO2009106139A1 (en) * 2008-02-29 2009-09-03 Pirelli & C. S.P.A. Optical mode transformer, in particular for coupling an optical fiber and a high-index contrast waveguide
US8718432B1 (en) * 2011-04-21 2014-05-06 Octrolix Bv Method for forming a spotsize converter
KR20130069146A (ko) * 2011-12-16 2013-06-26 한국전자통신연구원 광연결 소자 및 이를 구비하는 실리콘 포토닉스 칩
EP2917929A4 (en) * 2012-11-12 2016-07-06 Demaray Llc PLANAR ADIABATIC SHAFT COUPLER TRANSFORMER
JP6175263B2 (ja) * 2013-03-28 2017-08-02 富士通株式会社 スポットサイズ変換器、その製造方法及び光集積回路装置
JP6295762B2 (ja) * 2014-03-25 2018-03-20 日本電気株式会社 光集積回路とその製造方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11511870A (ja) * 1996-06-28 1999-10-12 アルカテル・アルストム・コンパニイ・ジエネラル・デレクトリシテ ディープリッジウェーブガイドを有する光半導体部品
JP2005156674A (ja) * 2003-11-21 2005-06-16 Fujitsu Ltd 複合光導波路
JP2013004688A (ja) * 2011-06-15 2013-01-07 Japan Oclaro Inc スポットサイズ変換器、半導体光素子、及びそれらの製造方法
US20120328234A1 (en) * 2011-06-24 2012-12-27 National Central University Low-loss Optical Coupling Apparatus
JP2013162085A (ja) * 2012-02-08 2013-08-19 Fujitsu Ltd 光半導体素子及び光半導体素子の製造方法

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2020003559A (ja) * 2018-06-26 2020-01-09 住友電気工業株式会社 スポットサイズ変換器、スポットサイズ変換器を作製する方法
JP7070148B2 (ja) 2018-06-26 2022-05-18 住友電気工業株式会社 スポットサイズ変換器、スポットサイズ変換器を作製する方法
US11215757B2 (en) 2019-07-18 2022-01-04 Sumitomo Electric Industries, Ltd. Spot size converter and manufacturing method of the same

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