JP2016145891A - アレイ導波路回折格子および光集積素子 - Google Patents

Abstract

【課題】低損失なアレイ導波路回折格子および光集積素子を提供する。
【解決手段】アレイ導波路回折格子１００は、半導体からなるアレイ導波路回折格子であって、光を入力される入力側スラブ導波路１１０と、入力側スラブ導波路に接続され、互いに長さが異なり並列に配列された複数のハイメサ型導波路からなるアレイ導波路１２０と、アレイ導波路に接続され、光を出力する出力側スラブ導波路１３０と、を備え、アレイ導波路は、入力側スラブ導波路側の端部、または出力側スラブ導波路側の端部の少なくともいずれか一方に形成されたスポットサイズ変換部を有し、スポットサイズ変換部は、入力側スラブ導波路または出力側スラブ導波路に接する端部がローメサ型導波路であり、かつ他方の端部がハイメサ型導波路であり、光導波方向に沿って導波路の構造が徐々に変化する領域を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、アレイ導波路回折格子および光集積素子に関するものである。

アレイ導波路回折格子（ＡＷＧ：Ａｒｒａｙｅｄ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ Ｇｒａｔｉｎｇ）は、高性能な波長分波、合波素子として用いられている。

半導体材料を用いたＡＷＧは、石英系材料の平面光波回路（ＰＬＣ：Ｐｌａｎａｒ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｃｉｒｃｕｉｔ）のＡＷＧに比べて導波路コア層とクラッドとの屈折率差が大きい。そのため、半導体材料を用いたＡＷＧでは、アレイ導波路部分の曲率を大きくしても曲げ損失が小さく、大幅に小型化したＡＷＧを実現することができる。さらに、半導体からなる光素子（発光素子、増幅器、変調器、受光素子など）と同一基板上にモノリシックに集積できるため、光集積回路の要素素子としても有望である（たとえば非特許文献１参照）。

半導体からなるＡＷＧの導波路構造としては種々のものが考えられるが、メサ構造の両側に形成されたトレンチ溝の底部が導波路コア層より深いハイメサ型導波路を好適に用いることができる。ハイメサ型導波路では、水平方向のクラッドが空気（屈折率１）または絶縁膜（屈折率およそ２）であり、半導体からなる導波路コア層（屈折率およそ３）との屈折率差が非常に大きい。そのため、ハイメサ型導波路は、水平方向の光の閉じ込めが強く曲げ損失が小さいため、大きい曲率でＡＷＧのアレイ導波路部分を形成できる。したがって、半導体からなるハイメサ型導波路を用いたＡＷＧは、小型化に非常に有利である。さらに、ハイメサ型導波路は、半導体結晶の面方位に依存しない作製方法で作製できるため、ＡＷＧのように大きい曲率の導波路を有する光回路の作製においても有利な構造である。

ＡＷＧでは、まず光入力導波路から入射された光が入力側スラブ導波路でビーム状に拡散され、広げられた光がアレイ導波路に入射される。さらに光はアレイ導波路で位相変化を受け、出力側スラブ導波路に入射される。そして出力側スラブ導波路でビーム状の光が集光され、光出力導波路から出力される。

特開２００１−９１７６５号公報

Ｙｕｚｏ Ｙｏｓｈｉｋｕｎｉ， "Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ａｒｒａｙｅｄ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ Ｇｒａｔｉｎｇｓ ｆｏｒ Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｄｅｖｉｃｅｓ，" ＩＥＥＥ ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＳＥＬＥＣＴＥＤ ＴＯＰＩＣＳ ＩＮ ＱＵＡＮＴＵＭ ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ， ＶＯＬ． ８， ＮＯ． ６， ＮＯＶＥＭＢＥＲ／ＤＥＣＥＭＢＥＲ ２００２， ｐｐ． １１０２ − １１１４

アレイ導波路への入力部では、入力側スラブ導波路で緩やかに広げられたビームが幅の狭いハイメサ型導波路に結合する。このとき、アレイ導波路の各ハイメサ型導波路の水平横モードの光分布に合致しない成分は損失となる。同様に、アレイ導波路から出力側スラブ導波路への入力部では、出力側スラブ導波路の水平横モードの光分布に合致しない成分は、所望の位置以外に別の次数の回折光として集光することにより、やはり損失となる。この２つの損失は、本質的には同じメカニズムで発生する損失を別の見方で見ていることに相当する。

非特許文献１のＦｉｇ． ５には、半導体からなるハイメサ型導波路を用いたＡＷＧの過剰損失の理論値が記載されている。そして、入力側スラブ導波路または出力側スラブ導波路とアレイ導波路との接合部において、ハイメサ型導波路のメサ構造間の距離が小さいほど損失が小さいことが開示されている。しかしながら、ハイメサ型導波路のメサ構造間の距離は、リソグラフィーによるパターン作製精度の制限により、０にはできない。さらに、仮にメサ構造間の距離をほぼ０にできたとしても、２ｄＢという無視できない過剰損失が残留する。このように、従来のハイメサ型導波路を用いたＡＷＧには原理的に過剰損失が存在しており、ＡＷＧの損失をある程度以上に低減することができないという課題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、低損失なアレイ導波路回折格子および光集積素子を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の一態様に係るアレイ導波路回折格子は、半導体からなるアレイ導波路回折格子であって、光を入力される入力側スラブ導波路と、前記入力側スラブ導波路に接続され、互いに長さが異なり並列に配列された複数のハイメサ型導波路からなるアレイ導波路と、前記アレイ導波路に接続され、光を出力する出力側スラブ導波路と、を備え、前記アレイ導波路は、前記入力側スラブ導波路側の端部、または前記出力側スラブ導波路側の端部の少なくともいずれか一方に形成されたスポットサイズ変換部を有し、該スポットサイズ変換部は、前記入力側スラブ導波路または前記出力側スラブ導波路に接する端部がローメサ型導波路であり、かつ他方の端部がハイメサ型導波路であり、光導波方向に沿って導波路の構造が徐々に変化する領域を含むことを特徴とする。

また、本発明の一態様に係るアレイ導波路回折格子は、前記スポットサイズ変換部は、光が導波する導波路コア層と前記ローメサ型導波路のメサ構造の両側に形成されたトレンチ溝の底部との距離が徐々に変化する領域を含むことを特徴とする。

また、本発明の一態様に係るアレイ導波路回折格子は、前記スポットサイズ変換部は、光が導波する導波路コア層と前記ローメサ型導波路のメサ構造の両側に形成されたトレンチ溝の底部との距離が徐々に小さくなり、前記トレンチ溝の底部が前記導波路コア層に達する領域を含むことを特徴とする。

また、本発明の一態様に係るアレイ導波路回折格子は、前記スポットサイズ変換部は、前記入力側スラブ導波路または前記出力側スラブ導波路に接する端部から前記他方の端部に向かって、導波路の幅が徐々に狭くなるフレア構造を含むことを特徴とする。

また、本発明の一態様に係るアレイ導波路回折格子は、前記フレア構造は、第１領域と、前記第１領域より前記入力側スラブ導波路または前記出力側スラブ導波路に接する端部側に形成され、前記第１領域より長さあたりの幅の変化率が小さい第２領域と、を有することを特徴とする。

また、本発明の一態様に係るアレイ導波路回折格子は、前記入力側スラブ導波路または前記出力側スラブ導波路のうちいずれか一方は、複数の並設された導波路を有する第１導波路に接続され、前記入力側スラブ導波路または前記出力側スラブ導波路のうちいずれか他方は、１本以上の並設された導波路を有する第２導波路に接続され、互いに異なる波長の光をそれぞれ異なる前記第１導波路から入力したときに、前記各波長の光を前記アレイ導波路によって波長ごとに位相差をつけて伝搬させることにより前記各波長の光を合波して前記第２導波路から出力することができ、複数の波長の光を前記第２導波路から入力したときに、前記各波長の光を前記アレイ導波路によって波長ごとに位相差をつけて伝搬させることにより前記各波長の光を分波してそれぞれ異なる前記第１導波路から出力することができる光合分波器として動作可能なアレイ導波路回折格子において、前記スポットサイズ変換部は、前記アレイ導波路の両端部に形成され、前記スポットサイズ変換部の前記第１導波路側の端部の導波路の幅は、前記スポットサイズ変換部の前記第２導波路側の端部の導波路の幅より狭いことを特徴とする。

また、本発明の一態様に係るアレイ導波路回折格子は、前記入力側スラブ導波路または前記出力側スラブ導波路のうちいずれか一方は、複数の並設された導波路を有する第１導波路に接続され、前記入力側スラブ導波路または前記出力側スラブ導波路のうちいずれか他方は、１本以上の並設された導波路を有する第２導波路に接続され、互いに異なる波長の光をそれぞれ異なる前記第１導波路から入力したときに、前記各波長の光を前記アレイ導波路によって波長ごとに位相差をつけて伝搬させることにより前記各波長の光を合波して前記第２導波路から出力することができ、複数の波長の光を前記第２導波路から入力したときに、前記各波長の光を前記アレイ導波路によって波長ごとに位相差をつけて伝搬させることにより前記各波長の光を分波してそれぞれ異なる前記第１導波路から出力することができる光合分波器として動作可能なアレイ導波路回折格子において、前記スポットサイズ変換部は、前記第２導波路が接続されている側のみに形成されていることを特徴とする。

また、本発明の一態様に係る光集積素子は、上述したアレイ導波路回折格子と、発光素子とをモノリシックに集積したことを特徴とする。

また、本発明の一態様に係る光集積素子は、前記発光素子は、発振波長の異なる複数のレーザを備え、前記複数のレーザと前記入力側スラブ導波路とは、前記複数のレーザの各レーザに接続され、並設された導波路で接続されることを特徴とする。

本発明によれば、低損失なアレイ導波路回折格子および光集積素子を実現することができる。

図１は、本発明の実施の形態１に係るＡＷＧの上面を表す模式図である。 図２は、図１の領域Ａを拡大した模式図である。 図３は、図２のＩ−Ｉ線断面を表す模式図である。 図４は、図２のＩＩ−ＩＩ線断面を表す模式図である。 図５は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面を表す模式図である。 図６は、トレンチ溝の底部の位置と導波路の水平横モードの光強度分布との関係を表す図である。 図７は、トレンチ溝の底部の位置とモード幅との関係を表す図である。 図８は、ハイメサ型導波路の幅を徐々に広げるスポットサイズ変換器について、変換器の長さと結合効率との関係を表す図である。 図９は、ローメサ型導波路においてトレンチ溝の底部から導波路コア層までの距離を徐々に小さくするスポットサイズ変換器について、変換器の長さと結合効率との関係を表す図である。 図１０は、本発明の実施の形態２に係る光集積素子の上面を表す模式図である。 図１１は、導波路に垂直な面におけるＤＦＢレーザの断面模式図である。 図１２は、導波路に垂直な面における入力側スラブ導波路および出力側スラブ導波路の断面模式図である。 図１３は、導波路に垂直な面におけるアレイ導波路の断面模式図である。 図１４は、導波路に垂直な面におけるＳＯＡの断面模式図である。 図１５は、導波路に垂直な面における端面窓構造の断面模式図である。

以下に、図面を参照して本発明に係るアレイ導波路回折格子および光集積素子の実施の形態を説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、図面の記載において、同一または対応する要素には適宜同一の符号を付している。また、図面は模式的なものであり、各要素の寸法の関係、各要素の比率などは、現実と異なる場合があることに留意する必要がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。

［実施の形態１］
まず、本発明の実施の形態１に係るＡＷＧについて説明する。図１は、本発明の実施の形態１に係るＡＷＧの上面を表す模式図である。図１に示すように、ＡＷＧ１００は、光を入力される入力側スラブ導波路１１０と、入力側スラブ導波路１１０に接続されたアレイ導波路１２０と、アレイ導波路１２０に接続され、光を出力する出力側スラブ導波路１３０と、を備える。ＡＷＧ１００は、入力側スラブ導波路１１０とアレイ導波路１２０と出力側スラブ導波路１３０とが同一基板上にモノリシックに集積された半導体からなるＡＷＧである。

入力側スラブ導波路１１０には、ＡＷＧ１００に光を入力する第１導波路としての光入力導波路１０が接続されている。出力側スラブ導波路１３０には、ＡＷＧ１００の出力光を入力される第２導波路としての光出力導波路２０が接続されている。光入力導波路１０および光出力導波路２０は、その用途によって、複数の並設された導波路を有する構成、または１本の導波路のみを有する構成とすることができる。具体的には、たとえば、光入力導波路１０および光出力導波路２０は、幅２μｍの互いに５μｍ間隔で並べられた１４本のハイメサ型導波路からなる。

入力側スラブ導波路１１０および出力側スラブ導波路１３０は、水平方向の光の閉じ込め構造を有さない導波路であり、入力側スラブ導波路１１０および出力側スラブ導波路１３０に入出力された導波光は水平方向に発散する。ＡＷＧ１００において、入力側スラブ導波路１１０に入射された光は、入力側スラブ導波路１１０内で水平方向にビームとして広がりながら伝播し、アレイ導波路１２０に結合する。アレイ導波路１２０から出射された光は、ふたたび出力側スラブ導波路１３０でビームとして集光する。したがって、ＡＷＧ１００の入力側スラブ導波路１１０および出力側スラブ導波路１３０は、水平方向の閉じ込め構造を有さない。

アレイ導波路１２０は、互いに長さが異なり並列に配列された複数のハイメサ型導波路からなり、波長に依存した光路長差が設けられている。したがって、この波長に依存した光路長差に応じて、入力側スラブ導波路１１０の所定の位置に光を入力すると、出力側スラブ導波路１３０の所定の位置から光が出力される。

具体的には、アレイ導波路１２０は、幅２μｍの互いに３．５μｍ間隔で並べられた４０本のハイメサ型導波路からなり、ＡＷＧ１００の焦点距離が４８０μｍとなるように構成されている。

図２は、図１の領域Ａを拡大した模式図である。図２に示すように、アレイ導波路１２０は、入力側スラブ導波路１１０側の端部に形成されたスポットサイズ変換部１４０を有する。アレイ導波路１２０は、出力側スラブ導波路１３０側の端部にも、スポットサイズ変換部を有するが、スポットサイズ変換部１４０と同一の構成であってよいので、適宜その説明を省略する。また、アレイ導波路１２０は、入力側スラブ導波路１１０側の端部、および出力側スラブ導波路１３０側の端部から十分離れた位置に形成され、一様な導波路幅を有するハイメサ型導波路１２１を有する。

スポットサイズ変換部１４０は、メサ構造１４１とメサ構造１４１の両側に形成されたトレンチ溝１４２とを有する。スポットサイズ変換部１４０は、入力側スラブ導波路１１０に接する端部から他方の端部に向かって、メサ構造１４１の幅Ｗｍが徐々に狭くなるフレア構造１４３を含む。フレア構造１４３は、ハイメサ型導波路１２１に接続された第１領域１４３ａと、第１領域１４３ａよりも入力側スラブ導波路１１０側に形成された第２領域１４３ｂと、を有する。また、第２領域１４３ｂは、第１領域１４３ａより長さあたりのメサ構造１４１の幅Ｗｍの変化率が小さい構成とされている。第１領域１４３ａの長さは、たとえば１０μｍであり、第２領域１４３ｂの長さは、たとえば３０μｍである。

また、フレア構造１４３が形成されているため、メサ構造１４１の間に形成されたトレンチ溝１４２の幅Ｗｔは入力側スラブ導波路１１０に向かって徐々に狭くなっている。トレンチ溝１４２の幅Ｗｔは、たとえば、ハイメサ型導波路１２１側の端部で１．６μｍ、第１領域１４３ａと第２領域１４３ｂとの境界面で０．７μｍ、入力側スラブ導波路１１０側の端部で０．３μｍである。なお、入力側スラブ導波路１１０側の端部のトレンチ溝１４２の幅Ｗｔが小さいほど損失を低減させることができる。そのため、この端部の幅Ｗｔは、リソグラフィーによるパターン形成工程上で可能な最小の値に設定することが好ましい。

図３は、図２のＩ−Ｉ線断面を表す模式図である。図３に示すように、スポットサイズ変換部１４０は、不図示のＩｎＰ基板上に順に積層されたＩｎＰからなる下部クラッド層１４５と、ＧａＩｎＡｓＰからなる導波路コア層１４４と、ＩｎＰからなる上部クラッド層１４６とを有する。Ｉ−Ｉ線断面において、スポットサイズ変換部１４０は、トレンチ溝１４２の底部が導波路コア層１４４より深い位置にあるハイメサ型導波路である。なお、図３には、半導体からなる部分のみを示すが、周囲をＳｉＯ_２膜などの絶縁膜からなるパシベーション膜で覆ってもよい。

導波路コア層１４４は、下部クラッド層１４５および上部クラッド層１４６より屈折率が高い。その結果、垂直方向において光が導波路コア層１４４へ閉じ込められる。一方、水平方向では、クラッドが空気または不図示の絶縁膜であり、光が導波路コア層１４４へより強く閉じ込められる。

Ｉ−Ｉ線断面において、たとえば、メサ構造１４１の幅Ｗｍは２μｍ、導波路コア層１４４の厚さは０．２μｍ、上部クラッド層１４６の厚さは２μｍ、導波路コア層１４４の下面からトレンチ溝１４２の底部までの距離Ｌ１は０．５μｍである。

図４は、図２のＩＩ−ＩＩ線断面を表す模式図である。図４に示すように、ＩＩ−ＩＩ線断面において、スポットサイズ変換部１４０は、トレンチ溝１４２の底部が導波路コア層１４４より浅い位置にあるローメサ型導波路である。

ＩＩ−ＩＩ線断面において、たとえば、メサ構造１４１の幅Ｗｍは３．１μｍ、導波路コア層１４４の厚さは０．２μｍ、上部クラッド層１４６の厚さは２μｍ、トレンチ溝１４２の底部から導波路コア層１４４の上面までの距離Ｌ２は０．４μｍである。

図５は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面を表す模式図である。図５のＩ−Ｉ線断面およびＩＩ−ＩＩ線断面の位置は図２と対応している。図５において、第２領域１４３ｂは、第１領域１４３ａより長さあたりのトレンチ溝１４２の底部の位置の変化率が小さい構成とされている。まず、Ｉ−Ｉ線断面では、距離Ｌ１は、上述したように０．５μｍである。そして、図５に示すように、ハイメサ型導波路１２１側の端部から入力側スラブ導波路１１０側に向かって距離Ｌ１が徐々に小さくなり、トレンチ溝１４２の底部が導波路コア層１４４に達する。さらに、導波路コア層１４４の厚さが徐々に厚くなる領域を経て、ローメサ型導波路となる。そして、入力側スラブ導波路１１０側の端部に向けて距離Ｌ２が徐々に大きくなり、ＩＩ−ＩＩ線断面では、距離Ｌ２は、上述したように０．４μｍとなる。このように、スポットサイズ変換部１４０は、入力側スラブ導波路１１０に接する端部がローメサ型導波路であり、かつ他方の端部がハイメサ型導波路であり、光導波方向に沿って導波路の構造が徐々に変化する領域１４７を含む。

ここで、本発明者らは、ハイメサ型導波路から徐々にローメサ型導波路となる構造が、スポットサイズ変換部としてどのように動作するかを理論計算により導出した。

図６は、トレンチ溝の底部の位置と導波路の水平横モードの光強度分布との関係を表す図である。図６は、メサ構造１４１の幅Ｗｍが２．０μｍの導波路について、３次元時間領域差分法によって計算した結果である。ここで、トレンチ溝１４２の底部の位置は、導波路コア層１４４の中心を基準に深い方を正、浅い方を負とした。導波路コア層１４４の厚さは０．２μｍであるから、トレンチ溝１４２の底部の位置が０．１μｍより大きいとハイメサ型導波路となり、−０．１μｍより小さいとローメサ型導波路となる。

図６から、ハイメサ型導波路よりもローメサ型導波路の方が水平横モードの光の広がりが大きいことがわかる。さらに、ローメサ型導波路において、トレンチ溝１４２の底部の位置が小さい（図４の距離Ｌ２が大きい）ほど、水平横モードの光の広がりが大きいことがわかる。

ここで、本明細書において、図６の半値全幅をモード幅と定義する。図７は、トレンチ溝の底部の位置とモード幅との関係を表す図である。図７からわかるように、ハイメサ型導波路からトレンチ溝１４２の底部の位置が導波路コア層１４４に達するまでのトレンチ溝１４２の底部の位置の変化ではモード幅の変化は少ない。さらにトレンチ溝１４２の底部の位置が小さくなりローメサ型導波路になるとややモード幅は広がるが、その程度は小さい。一方、ローメサ型導波路においてトレンチ溝１４２の底部の位置を小さくしていく（図４の距離Ｌ２を大きくしていく）と、わずかな位置の変化で大きくモード幅が変化する。すなわち、水平方向のスポットサイズ変換を行うためには、ハイメサ型導波路からローメサ型導波路に導波路の構造を変化させることよりも、ローメサ型導波路においてトレンチ溝１４２の底部の位置を変化させることの方が、顕著な効果があることが確認された。そして、急激なモード幅の変化は損失の増加につながることから、スポットサイズ変換部１４０は、トレンチ溝１４２の底部との距離が徐々に小さくなり、トレンチ溝１４２の底部が導波路コア層１４４に達する領域１４７を含むことが好ましい。

ところで、スポットサイズ変換器は、徐々に導波路の構造を変えることにより、連続的に水平横モードのモード形状を変化させ、スポットサイズを変換する。そのため、導波路の構造が急激に変化しすぎると損失が大きくなる。一方で導波路の構造を緩やかに変化させれば損失を低減させることができる。

導波路の構造の変化として、メサ構造１４１の幅Ｗｍおよびトレンチ溝１４２の深さを変化させることができる。メサ構造１４１の幅Ｗｍの変化は、水平方向の光の閉じ込めが強いハイメサ型導波路においてモード形状に与える影響が大きい。一方、トレンチ溝１４２の深さの変化は、図７で示したようにローメサ型導波路においてモード形状に与える影響が大きい。すなわち、ハイメサ型導波路においてメサ構造１４１の幅Ｗｍを徐々に変化させる構造と、ローメサ型導波路においてトレンチ溝１４２の底部から導波路コア層１４４までの距離Ｌ２を徐々に変化させる構造とを組み合わせることにより、より好適なスポットサイズ変換器を構成することができる。

まず、幅Ｗｍと距離Ｌ２との構造の変化を、それぞれどの程度の変化率で行えば十分に損失を低減できるかを導出した。図８は、ハイメサ型導波路の幅を徐々に広げるスポットサイズ変換器について、変換器の長さと結合効率との関係を表す図である。図８は、３次元ビーム伝播法による計算結果であり、メサ構造１４１の幅Ｗｍは、１．８μｍから３．５μｍまで変化させている。すなわち、スポットサイズ変換器の長さが短い場合、幅Ｗｍが急激に変化することを意味し、スポットサイズ変換器の長さが長い場合、幅Ｗｍが緩やかに変化することを意味する。一方で、距離Ｌ２は０．７μｍに固定した。また、図８において、結合効率の１との差分は損失である。

図８に示すように、スポットサイズ変換器の長さが短い場合、ハイメサ型導波路のモード形状が急激に変化するため損失が大きくなる。図８から、ハイメサ型導波路においてメサ構造１４１の幅Ｗｍを徐々に変化させるスポットサイズ変換器では、スポットサイズ変換器の長さが１０μｍ以上であると、十分に損失を低減できることがわかる。

図９は、ローメサ型導波路においてトレンチ溝の底部から導波路コア層までの距離を徐々に小さくするスポットサイズ変換器について、変換器の長さと結合効率との関係を表す図である。図９は、図８と同様に３次元ビーム伝播法による計算結果であり、トレンチ溝１４２の底部から導波路コア層１４４までの距離Ｌ２を０．０５μｍから０．４μｍまで変化させた。図８と同様に、スポットサイズ変換器の長さが短い場合、距離Ｌ２が急激に変化することを意味し、スポットサイズ変換器の長さが長い場合、距離Ｌ２が緩やかに変化することを意味する。一方で、幅Ｗｍは２．０μｍに固定した。また、図９においても結合効率の１との差分は損失である。

図９に示すように、スポットサイズ変換器の長さが短い場合、ローメサ型導波路のモード形状が急激に変化するため損失が大きくなる。図９から、ローメサ型導波路において距離Ｌ２を徐々に広げるスポットサイズ変換器では、スポットサイズ変換器の長さが３０μｍ以上であると、十分に損失を低減できることがわかる。

図８および図９からわかるように、変化させる導波路の構造によって、損失を十分低減させるために必要な長さが異なる。そして、これらの導波路の構造の変化を縦続して組み合わせることがより効果的である。

そこで、ＡＷＧ１００のスポットサイズ変換部１４０では、ハイメサ型導波路においてメサ構造１４１の幅Ｗｍを徐々に変化させる領域として長さ１０μｍの第１領域１４３ａと、ローメサ型導波路において徐々に距離Ｌ２を変化させる領域として長さ３０μｍの第２領域１４３ｂと、を縦続することにより、損失を低減させている。したがって、ＡＷＧ１００は、スポットサイズ変換部１４０を有することにより低損失なＡＷＧである。

つぎに、ＡＷＧ１００の製造方法を説明する。まず、不図示のＩｎＰ基板上にＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法によりＩｎＰからなる下部クラッド層１４５、ＧａＩｎＡｓＰからなる導波路コア層１４４、およびＩｎＰからなる上部クラッド層１４６をこの順に積層する。

つぎに、全面にＳｉＮ_ｘ膜を堆積し、アレイ導波路１２０のトレンチ溝となる領域に相当する部分に開口ができるようにパターニングを施す。このとき、アレイ導波路１２０と入力側スラブ導波路１１０および出力側スラブ導波路１３０との接続部近傍については、スポットサイズ変換部１４０として所望のメサ構造１４１およびトレンチ溝１４２が形成されるようにパターニングを施す。

そのＳｉＮ_ｘ膜をマスクとして、ドライエッチングにより上部クラッド層１４６、導波路コア層１４４、および下部クラッド層１４５を所定の深さまでエッチングする。ここでは、ハイメサ型導波路１２１において、エッチング深さが設計値である２．７μｍに一致するようにエッチングを行う。すなわち、ハイメサ型導波路１２１となる領域において、厚さ２μｍの上部クラッド層１４６と、厚さ０．２μｍの導波路コア層１４４とがエッチングされ、さらに距離Ｌ１が０．５μｍとなるように下部クラッド層１４５の一部がエッチングされる。

このドライエッチングでは、エッチングにより形成するメサ構造１４１間の幅が狭いとエッチング速度が遅くなるマイクロローディング効果が起こるようにエッチング条件を設定する。このとき、メサ構造１４１間の幅Ｗｔが最も狭いＩＩ−ＩＩ線断面において、エッチング深さは１．６μｍとなる。すなわち、ＩＩ−ＩＩ線断面では、厚さ２μｍの上部クラッド層１４６のうち１．６μｍがエッチングされ、距離Ｌ２が０．４μｍのローメサ型導波路が形成される。このように、この製造方法では、マイクロローディング効果を用いることによって、１回のエッチングでハイメサ型導波路からローメサ型導波路に徐々に導波路の構造が変化する領域１４７を作製することができる。

その後、公知の方法により、各部分にパシベーション膜などを形成する。表面の加工が終了した後に、基板を研磨して所望の厚さにする。さらに、基板へき開によって端面形成し、端面コーティングや素子分離を行ってＡＷＧ１００が完成する。

この製造方法では、メサ構造１４１間の幅Ｗｔが狭いとエッチング速度が遅くなることを利用してエッチング深さを所定の位置のみ浅くすることにより、ＡＷＧ１００の構造を作製している。ＡＷＧ１００のアレイ導波路１２０では導波路の間隔が設計上決まるために、導波路幅を広げることとメサ構造１４１間の幅Ｗｔを小さくすることが等価である。このため、この製造方法では、ハイメサ型導波路で徐々に導波路幅を広げることによるスポットサイズ変換と、ローメサ型導波路で徐々に残し厚を厚くすることによるスポットサイズ変換を組み合わせる設計に好適である。

上述したように、ローメサ型導波路で徐々に距離Ｌ２を大きくすることによるスポットサイズ変換では、変換器の長さが比較的大きく必要となる。そこで、メサ構造１４１間の幅Ｗｔによるエッチング深さの差によってハイメサ型導波路からローメサ型導波路になるまでは比較的急速に導波路幅を大きく（すなわち幅Ｗｔを小さく）し、ローメサ型導波路になってからは比較的緩やかに幅Ｗｔを小さく（すなわち導波路幅を大きく）して距離Ｌ２を大きくすることが望ましい。そこで、導波路のフレア構造１４３は２段階であって、急速に広がる第１領域１４３ａと、緩やかに広がる第２領域１４３ｂからなることが好適である。

つぎに、ＡＷＧ１００の別の製造方法について説明する。まず、不図示のＩｎＰ基板上にＭＯＣＶＤ法によりＩｎＰからなる下部クラッド層１４５、ＧａＩｎＡｓＰ層からなる導波路コア層１４４、およびＩｎＰからなる上部クラッド層１４６をこの順に積層する。

つぎに、全面にＳｉＯ_２膜、ＳｉＮ_ｘ膜をこの順に堆積する。その後、入力側スラブ導波路１１０および出力側スラブ導波路１３０となる部分に開口ができるようにパターニングを行う。その後、バッファードフッ酸によってウェットエッチングを行うと、ＳｉＯ_２膜のエッチングが速いために、開口した部分の端から内側へ向かって徐々にＳｉＯ_２膜が除去される。すると、スポットサイズ変換部１４０となる領域のＳｉＯ_２膜が除去されてＳｉＮ_ｘ膜がオーバーハングした部分が形成される。さらにＭＯＣＶＤ法によって上部クラッド層１４６を再成長する。このとき、入力側スラブ導波路１１０および出力側スラブ導波路１３０となる部分には結晶成長によって上部クラッド層１４６が積み増しされる一方、ＳｉＮ_ｘ膜がオーバーハングした部分は結晶成長材料供給が少なくなるシャドウマスク効果によって入力側スラブ導波路１１０側の端部または出力側スラブ導波路１３０側の端部から遠ざかるほど薄くなるように上部クラッド層１４６が積み増しされる。

つぎに、全面にＳｉＮ_ｘ膜を堆積し、アレイ導波路１２０のトレンチ溝となる部分に開口ができるようにパターニングを施す。このとき、アレイ導波路１２０と入力側スラブ導波路１１０および出力側スラブ導波路１３０との接続部近傍については、所望のメサ構造１４１およびトレンチ溝１４２が形成されるようにパターニングを施す。

そのＳｉＮ_ｘ膜をマスクとして、ドライエッチングにより上部クラッド層１４６、導波路コア層１４４、および下部クラッド層１４５を所定の深さまでエッチングする。このとき、エッチング深さが均一となるようにエッチングを行うと、スポットサイズ変換部１４０となる領域では入力側スラブ導波路１１０および出力側スラブ導波路１３０に近づくほど上部クラッド層１４６が厚くなっているために、ハイメサ型導波路から徐々にローメサ型導波路となり、ローメサ型導波路の距離Ｌ２が徐々に大きくなる構造が形成される。

その後、公知の方法により、各部分にパシベーション膜などを形成する。表面の加工が終了した後に、基板を研磨して所望の厚さにする。さらに、基板へき開によって端面形成し、端面コーティングや素子分離を行ってＡＷＧ１００が完成する。

以上説明したように、本実施の形態１に係るＡＷＧ１００によれば、低損失なＡＷＧを実現することができる。

なお、ＡＷＧ１００において、アレイ導波路１２０の入力側スラブ導波路１１０側の端部と出力側スラブ導波路１３０側の端部との両端部に同一の構造を有するスポットサイズ変換部１４０が形成されているものとして説明したが、本発明はこれに限られない。たとえば、入力側スラブ導波路１１０側の端部と出力側スラブ導波路１３０側の端部とのうちいずれか一方にスポットサイズ変換部１４０が形成されていてもよい。

また、入力側スラブ導波路１１０側の端部に形成されたスポットサイズ変換部１４０と、出力側スラブ導波路１３０側の端部に形成されたスポットサイズ変換部１４０とが異なる構造を有していてもよい。

特許文献１には、光入力導波路１０または光出力導波路２０のうちいずれか一方は複数の並設された導波路を有し、光入力導波路１０または光出力導波路２０のうちいずれか他方は、１本以上の並設された導波路を有する場合に、複数の並設された導波路を有する側のスポットサイズ変換部１４０の端部の導波路の幅を、他端部の導波路の幅より狭くする構成が開示されている。ここで、たとえば互いに異なる波長の光を複数の並設された導波路のうちそれぞれ異なる導波路から入力したときに、各波長の光をアレイ導波路１２０によって波長ごとに位相差をつけて伝搬させることにより各波長の光を合波して他方の導波路から出力して使用する構成とすることができる。あるいは、逆に複数の波長の光を1本以上の並設された導波路から入力したときに、各波長の光をアレイ導波路１２０によって波長ごとに位相差をつけて伝搬させることにより他方の導波路のうちそれぞれ異なる導波路から各波長の光を分波して使用する構成とすることができる。特許文献１には、この構成によりＡＷＧにおける損失低減と低波長間損失偏差を両立できることが開示されている。

この構成を、本実施の形態１に係るＡＷＧ１００に適用することで、損失を低減させた上に、さらに波長間損失偏差を小さくすることができる。すなわち、ＡＷＧ１００において、光入力導波路１０または光出力導波路２０のうち複数の並設された導波路を有する側のスポットサイズ変換部１４０の端部の導波路の幅を、他端部の導波路の幅より狭くする構成が好適である。同様に、ＡＷＧ１００において、光入力導波路１０または光出力導波路２０のうち１本以上の並設された導波路を有する側のみにスポットサイズ変換部１４０を形成する構成としてもよい。

［実施の形態２］
つぎに、本発明の実施の形態２に係る光集積素子について説明する。

（平面構造）
図１０は、本発明の実施の形態２に係る光集積素子の上面を表す模式図である。図１０では、簡単化のために、導波路のみを示し、電極などのパターンは省略してある。図１０に示すように、光集積素子２００は、発光素子としてのＤＦＢレーザアレイ２１０と、ＡＷＧ２２０と、半導体光増幅器（ＳＯＡ：Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）２３０とが同一基板上にモノリシックに集積された半導体からなる光集積素子である。ＳＯＡ２３０の出力端面には、端面窓構造２３１が形成されている。

ＤＦＢレーザアレイ２１０は、発振波長が３．５ｎｍずつ異なるように設計された、たとえば１４個のＤＦＢレーザ２１１を備える。ＤＦＢレーザアレイ２１０は、ＤＦＢレーザアレイ２１０のうち特定の１つのＤＦＢレーザ２１１を選択することで波長の粗調を行い、温度変さらによって波長の微調を行い、全体として、連続的な波長範囲において波長が可変な波長可変光源として動作する。ＤＦＢレーザ２１１と入力側スラブ導波路２２１とは、各ＤＦＢレーザ２１１に接続され、並設された導波路で接続される。そして、各ＤＦＢレーザ２１１の出力光は、そのＤＦＢレーザ２１１に接続された導波路に入力され、各導波路間の間隔が５μｍとされた状態で入力側スラブ導波路２２１に入力される。

ＡＷＧ２２０は、入力側スラブ導波路２２１と、アレイ導波路２２２と、出力側スラブ導波路２２３とを備える。ＡＷＧ２２０の透過波長は各ＤＦＢレーザ２１１の発振波長に一致するように設計されている。アレイ導波路２２２は、互いに３．５μｍ間隔で並べられた８０本のハイメサ型導波路からなり、ＡＷＧ２２０の焦点距離が６３０μｍとなるように構成されている。

アレイ導波路２２２は、入力側スラブ導波路２２１側の端部、および出力側スラブ導波路２２３側の端部に形成されたスポットサイズ変換部２２２ａおよびスポットサイズ変換部２２２ｂを有する。また、アレイ導波路２２２は、入力側スラブ導波路２２１および出力側スラブ導波路２２３から十分離れた位置に形成され、一様な導波路幅を有するハイメサ型導波路２２２ｃを有する。スポットサイズ変換部２２２ａ、スポットサイズ変換部２２２ｂの構成は実施の形態１と同様であってよいので、説明を省略する。ハイメサ型導波路２２２ｃは、実施の形態１のハイメサ型導波路１２１と導波路の配置が異なるものの、その機能は同一である。

ＳＯＡ２３０は、ＡＷＧ２２０によって結像された導波光を増幅する。端面窓構造２３１は、端面の反射率を低減するためのものである。これによって、低反射コートを行っても残存する反射率を、さらに低減することができる。端面窓構造２３１は、端面付近において導波路コア層を除去することによって形成される。

（断面構造）
図１１〜図１５は、導波路に垂直な面におけるそれぞれＤＦＢレーザ２１１、入力側スラブ導波路２２１および出力側スラブ導波路２２３、アレイ導波路２２２、ＳＯＡ２３０、および端面窓構造２３１の断面模式図である。

（断面構造：ＤＦＢレーザ）
図１１に示すように、ＤＦＢレーザ２１１は、基板２０１上に、下部クラッド層２０２、導波路コア層２０３ａ、および上部クラッド層２０４を順次積層した構造を有している。基板２０１の材料はＩｎＰであり、下部クラッド層２０２の材料はｎ−ＩｎＰであり、上部クラッド層２０４の材料はｐ−ＩｎＰである。なお、基板２０１の材料は、ｎ−ＩｎＰとしてもよい。また、高周波特性を重視する場合には、ｎ側電極を下部クラッド層２０２に設けて、基板２０１の材料を半絶縁ＩｎＰとしてもよい。

導波路コア層２０３ａは、電流注入によって発光するＧａＩｎＡｓＰを材料とした多重量子井戸構造の活性層として構成されている。また、導波路コア層２０３ａの上面には不図示の回折格子層が設けられている。導波路コア層２０３ａの厚さはＳＣＨ層を含めて１５０ｎｍであり、幅は２μｍである。

ＤＦＢレーザ２１１の導波路コア層２０３ａは、導波路コア層２０３ａの両側近傍に下部埋め込みクラッド層２０６および上部埋め込みクラッド層２０７が埋め込まれた構造を有している。下部埋め込みクラッド層２０６および上部埋め込みクラッド層２０７の材料は、それぞれｐ−ＩｎＰおよびｎ−ＩｎＰである。下部埋め込みクラッド層２０６および上部埋め込みクラッド層２０７は電流ブロッキング層として機能し、導波路コア層２０３ａに注入される電流の注入効率を高めている。

上部クラッド層２０４の厚さはエッチング停止層２０５を含めて４．５μｍである。上部クラッド層２０４上には、ｐ−ＧａＩｎＡｓからなるコンタクト層２０８が設けられており、ｐ側電極２０９ａと接触している。また、各ＤＦＢレーザ２１１の間にはトレンチ溝が形成されており、隣接するＤＦＢレーザ２１１の各々が電気的に分離されている。ＤＦＢレーザ２１１の上面および側面には、ＳｉＮ_ｘを材料としたパシベーション膜２４１が適切に形成されている。さらにｐ側電極２０９ａは、ボンディングワイヤ等の配線２４２ａに接触している。

（断面構造：入力側スラブ導波路および出力側スラブ導波路）
図１２に示すように、入力側スラブ導波路２２１および出力側スラブ導波路２２３は、基板２０１上に、下部クラッド層２０２、導波路コア層２０３ｂ、および上部クラッド層２０４を順次積層した構造を有している。なお、基板２０１および下部クラッド層２０２の材料は、ＤＦＢレーザ２１１と同一である。上部クラッド層２０４の材料は、ｉ−ＩｎＰである。

導波路コア層２０３ｂは、ＧａＩｎＡｓＰを材料としたバルク構造で構成されている。導波路コア層２０３ｂの厚さは２００ｎｍであり、幅は２μｍである。

上部クラッド層２０４の厚さはエッチング停止層２０５を含めて４．５μｍである。上部クラッド層２０４には、エッチング停止層２０５が設けられているが、このエッチング停止層２０５が除去されても構わない。また、入力側スラブ導波路２２１および出力側スラブ導波路２２３の上面には、ＳｉＮ_ｘを材料としたパシベーション膜２４１が適切に形成されている。

（断面構造：アレイ導波路）
図１３に示すように、ＡＷＧ２２０のアレイ導波路２２２は、基板２０１上に、下部クラッド層２０２、導波路コア層２０３ｃ、および上部クラッド層２０４を順次積層した構造を有している。なお、基板２０１、下部クラッド層２０２、および上部クラッド層２０４の材料は、ＤＦＢレーザ２１１と同一である。

導波路コア層２０３ｃは、バルクのＧａＩｎＡｓＰである導波路コア層２０３ｃの厚さは２００ｎｍであり、幅は２μｍである。

上部クラッド層２０４の厚さは２．３μｍである。上部クラッド層２０４上には、エッチング停止層２０５が設けられているが、このエッチング停止層２０５が除去されても構わない。また、アレイ導波路２２２の上面には、ＳｉＮ_ｘを材料としたパシベーション膜２４１が適切に形成されている。

（断面構造：ＳＯＡ）
図１４に示すように、ＳＯＡ２３０は、基板２０１上に、下部クラッド層２０２、導波路コア層２０３ｄ、および上部クラッド層２０４を順次積層した構造を有している。なお、基板２０１、下部クラッド層２０２、および上部クラッド層２０４の材料は、ＤＦＢレーザ２１１と同一である。

導波路コア層２０３ｄは、電流注入によって発光するＧａＩｎＡｓＰ多重量子井戸活性層である。導波路コア層２０３ｄの厚さはＳＣＨ層を含めて１５０ｎｍであり、幅は２μｍである。

上部クラッド層２０４の内部にはエッチング停止層２０５が挿入されている。エッチング停止層２０５は、ＧａＩｎＡｓＰからなり、上部クラッド層２０４とエッチング耐性が異なる。実施の形態１と同様に、製造法によっては、このエッチング停止層２０５を省略することも可能である。上部クラッド層２０４の厚さはエッチング停止層２０５も含めて４．５μｍである。なお、エッチング停止層２０５を挿入する場合のエッチング停止層２０５の厚さは、たとえば１０ｎｍである。

ＳＯＡ２３０の導波路コア層２０３ｄは、導波路コア層１４４の両側近傍に下部埋め込みクラッド層２０６および上部埋め込みクラッド層２０７が埋め込まれた導波路構造を有している。下部埋め込みクラッド層２０６および上部埋め込みクラッド層２０７の材料は、それぞれｐ−ＩｎＰおよびｎ−ＩｎＰである。下部埋め込みクラッド層２０６および上部埋め込みクラッド層２０７は電流ブロッキング層として機能し、導波路コア層２０３ｄに注入される電流の注入効率を高めている。

上部クラッド層２０４上には、ｐ−ＧａＩｎＡｓからなるコンタクト層２０８が設けられており、ｐ側電極２０９ｄと接触している。また、ＳＯＡ２３０の上面には、ＳｉＮ_ｘを材料としたパシベーション膜２４１が適切に形成されている。さらにｐ側電極２０９ｄは、ボンディングワイヤ等の配線２４２ｄに接触している。

（断面構造：端面窓構造）
図１５に示すように、ＳＯＡ２３０の出力端面に形成された端面窓構造２３１は、ＳＯＡ２３０の導波路コア層２０３ｄがない構造であり、その代わりに、下部埋め込みクラッド層２０６および上部埋め込みクラッド層２０７が下部クラッド層２０２と上部クラッド層２０４との間を充たしている。

以上で説明したとおり、導波路の構造は、ＤＦＢレーザアレイ２１０、ＳＯＡ２３０、および各部を接続する導波路においては埋め込み型導波路である。ＡＷＧ２２０のアレイ導波路２２２は複数のハイメサ型導波路からなる。ＤＦＢレーザアレイ２１０およびＳＯＡ２３０は埋め込み構造によって、導波路脇での表面再結合速度が小さいという利点を享受することができる。また、アレイ導波路２２２はハイメサ型導波路によって、小さい曲率半径と密集した導波路間隔が可能になり、著しい小型化が可能となる。

つぎに、光集積素子２００の動作を説明する。まず、所望の波長に応じてＤＦＢレーザアレイ２１０の複数のＤＦＢレーザ２１１のうち、いずれか１つのＤＦＢレーザ２１１を選択する。選択したＤＦＢレーザ２１１から出射された光は、その発振波長の光が高効率に結合するように設計されたＡＷＧ２２０を介してＳＯＡ２３０に入射する。ＳＯＡ２３０に入射した光は、ＳＯＡ２３０により増幅されて端面窓構造２３１を介して出力される。

ここで、ＤＦＢレーザアレイ２１０とＳＯＡ２３０とを接続するカプラが波長選択性のないものであったとすると、各ＤＦＢレーザ２１１からＳＯＡ２３０への結合効率はおよそＤＦＢレーザ２１１の本数分の１に過ぎない。しかしながら、光集積素子２００では、各々異なるＤＦＢレーザ２１１の波長ごとに高効率で透過するＡＷＧ２２０をカプラとして用いていることで、各ＤＦＢレーザ２１１からＳＯＡ２３０への結合効率が高い。さらに、光集積素子２００のＡＷＧ２２０は、スポットサイズ変換部２２２ａおよびスポットサイズ変換部２２２ｂを有するため、ＡＷＧ２２０における損失が少ない。したがって、光集積素子２００は、損失が少なく高効率な光集積素子である。

つぎに、本実施の形態２に係る光集積素子２００の製造方法を説明する。まず、ｎ−ＩｎＰからなる基板２０１上にＭＯＣＶＤ法によりｎ−ＩｎＰからなる下部クラッド層２０２、ＤＦＢレーザ２１１およびＳＯＡ２３０の導波路コア層２０３ａ、導波路コア層２０３ｄとなるＧａＩｎＡｓＰ多重量子井戸活性層、およびｐ−ＩｎＰからなる上部クラッド層２０４の一部、ＧａＩｎＡｓＰ回折格子層をこの順に積層する。

つぎに、全面にＳｉＮ_ｘ膜を堆積した後、各ＤＦＢレーザ２１１となる領域に周期的な回折格子のパターンを形成するとともにＳＯＡ２３０となる領域のＳｉＮ_ｘ膜を除去する。そして、ＳｉＮ_ｘ膜をマスクとしてエッチングする。これにより、回折格子層に回折格子構造が形成される。その後、ＳｉＮ_ｘ膜を全て除去した後に、ＭＯＣＶＤ法による回折格子埋め込み成長によってｐ−ＩｎＰからなる上部クラッド層２０４を積層する。

再度全面にＳｉＮ_ｘ膜を堆積した後、ＤＦＢレーザアレイ２１０およびＳＯＡ２３０に対応した部分で、やや幅広のパターンになるようにパターニングを施す。そして、ＳｉＮ_ｘ膜をマスクとしてエッチングしてアレイ導波路２２２を形成する領域の導波路コア層を除去して下部クラッド層２０２を露出する。続いてＳｉＮ_ｘ膜のマスクをそのまま選択成長のマスクとして、ＭＯＣＶＤ法により、アレイ導波路２２２のＧａＩｎＡｓＰからなる導波路コア層２０３ｃ、ｉ−ＩｎＰからなる上部クラッド層２０４を積層する。

つぎに、ＳｉＮ_ｘ膜のマスクを除去した後、新たにＳｉＮ_ｘ膜を堆積し、各ＤＦＢレーザ２１１、ＳＯＡ２３０、入力側スラブ導波路２２１、アレイ導波路２２２、出力側スラブ導波路２２３、および各部を接続する導波路に対応するパターンになるようにパターニングを施す。このとき、後にハイメサ型導波路を形成するアレイ導波路２２２は、ハイメサ型導波路の間隔が狭いので、アレイ導波路２２２近傍を全体的に覆うように幅広にパターニングしておく。また、端面窓構造２３１となる部分のＳｉＮ_ｘ膜は除去しておく。そして、このＳｉＮ_ｘ膜をマスクとしてエッチングして、各ＤＦＢレーザ２１１、ＳＯＡ２３０、および各部を接続する導波路を形成するとともに、下部クラッド層２０２を露出させる。つぎに、このＳｉＮ_ｘ膜のマスクを選択成長のマスクとして、ＭＯＣＶＤ法を用いて、露出した下部クラッド層２０２の上に、ｐ−ＩｎＰからなる下部埋め込みクラッド層２０６およびｎ−ＩｎＰからなる上部埋め込みクラッド層２０７を積層する。

つぎに、ＳｉＮ_ｘ膜のマスクを除去した後、ＭＯＣＶＤ法を用いて、全面にｐ−ＩｎＰからなる上部クラッド層２０４、ｐ−ＧａＩｎＡｓＰからなるエッチング停止層２０５、ｐ−ＩｎＰからなる上部クラッド層２０４、ｐ−ＧａＩｎＡｓからなるコンタクト層２０８を積層する。

つぎに、後にハイメサ型導波路を形成する領域以外を覆うようにパターニングを行い、そのパターンをマスクとして、硫酸と過酸化水素を含むエッチャントによりコンタクト層２０８を除去し、さらに塩酸系のエッチャントによるウェットエッチングでエッチング停止層２０５までのｐ−ＩｎＰを除去する。

つぎに、全面にＳｉＮ_ｘ膜を堆積し、アレイ導波路２２２のトレンチ溝に相当する部分に開口ができるようにパターニングを施す。このとき、ＤＦＢレーザ２１１およびＳＯＡ２３０となる領域の周辺はＳｉＮ_ｘ膜で覆われている状態にするとともに、ＤＦＢレーザ２１１の左右のトレンチ溝となる領域には開口ができるようにする。このとき、アレイ導波路２２２と入力側スラブ導波路２２１および出力側スラブ導波路２２３との接続部近傍については、スポットサイズ変換部２２２ａおよびスポットサイズ変換部２２２ｂとして所望のメサ構造およびトレンチ溝が形成されるようにパターニングを施す。

そのＳｉＮ_ｘ膜をマスクとして、ドライエッチングにより上部クラッド層２０４、導波路コア層、および下部クラッド層２０２を所定の深さまでエッチングする。このエッチングにより実施の形態１と同様にマイクロローディング効果によって、ハイメサ型導波路からローメサ型導波路へと徐々に構造が変化するスポットサイズ変換部２２２ａおよびスポットサイズ変換部２２２ｂを形成する。

このとき、ＤＦＢレーザ２１１の左右のトレンチ溝は、少なくともエッチング停止層２０５に達する深さまでエッチングする。さらに、レジスト等でトレンチ溝以外の部分を覆い、塩酸系のウェットエッチングによってこのトレンチ溝のエッチング深さを大きくする。

その後、公知の方法により、各部分にパシベーション膜やその開口部、電流注入のための電極などを形成する。表面の加工が終了した後に、基板を研磨して所望の厚さにし、裏面に電極を形成する。

さらに、基板へき開によって端面形成し、端面コーティングや素子分離を行って光集積素子２００が完成する。

本実施の形態２に係る光集積素子２００は、ＤＦＢレーザアレイ２１０とＡＷＧ２２０とをモノリシック集積している。光集積素子２００を構成するＡＷＧ２２０は、レーザと親和性が高い半導体材料を用いているため、モノリシック集積に好適である。また、アレイ導波路２２２の部分がハイメサ型導波路となっているため、大幅な小型化が可能である。さらに、実施の形態１と同様の低損失なＡＷＧ２２０を用いているため、発光素子としての効率が高く、低消費電力な信号光源として使用できる。

なお、上述した実施の形態では、ＩｎＰ系の材料からなるＡＷＧについて説明したが、本発明はこれに限られない。ＡＷＧは、半導体からなるＡＷＧであれば特にその材料は限定されない。

また、上記実施の形態により本発明が限定されるものではない。上述した各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。

１０ 光入力導波路
２０ 光出力導波路
１００、２２０ ＡＷＧ
１１０、２２１ 入力側スラブ導波路
１２０、２２２ アレイ導波路
１２１、２２２ｃ ハイメサ型導波路
１３０、２２３ 出力側スラブ導波路
１４０、２２２ａ、２２２ｂ スポットサイズ変換部
１４１ メサ構造
１４２ トレンチ溝
１４３ フレア構造
１４３ａ 第１領域
１４３ｂ 第２領域
１４４、２０３ａ、２０３ｂ、２０３ｃ、２０３ｄ 導波路コア層
１４５、２０２ 下部クラッド層
１４６、２０４ 上部クラッド層
１４７、Ａ 領域
２００ 光集積素子
２０１ 基板
２０５ エッチング停止層
２０６ 下部埋め込みクラッド層
２０７ 上部埋め込みクラッド層
２０８ コンタクト層
２０９ａ、２０９ｄ ｐ側電極
２１０ ＤＦＢレーザアレイ
２１１ ＤＦＢレーザ
２３０ ＳＯＡ
２３１ 端面窓構造
２４１ パシベーション膜
２４２ａ、２４２ｄ 配線
Ｌ１、Ｌ２ 距離
Ｗｍ、Ｗｔ 幅

Claims (9)

1. 半導体からなるアレイ導波路回折格子であって、
   光を入力される入力側スラブ導波路と、前記入力側スラブ導波路に接続され、互いに長さが異なり並列に配列された複数のハイメサ型導波路からなるアレイ導波路と、前記アレイ導波路に接続され、光を出力する出力側スラブ導波路と、を備え、
   前記アレイ導波路は、前記入力側スラブ導波路側の端部、または前記出力側スラブ導波路側の端部の少なくともいずれか一方に形成されたスポットサイズ変換部を有し、
   該スポットサイズ変換部は、前記入力側スラブ導波路または前記出力側スラブ導波路に接する端部がローメサ型導波路であり、かつ他方の端部がハイメサ型導波路であり、光導波方向に沿って導波路の構造が徐々に変化する領域を含むことを特徴とするアレイ導波路回折格子。
2. 前記スポットサイズ変換部は、光が導波する導波路コア層と前記ローメサ型導波路のメサ構造の両側に形成されたトレンチ溝の底部との距離が徐々に変化する領域を含むことを特徴とする請求項１に記載のアレイ導波路回折格子。
3. 前記スポットサイズ変換部は、光が導波する導波路コア層と前記ローメサ型導波路のメサ構造の両側に形成されたトレンチ溝の底部との距離が徐々に小さくなり、前記トレンチ溝の底部が前記導波路コア層に達する領域を含むことを特徴とする請求項１または２に記載のアレイ導波路回折格子。
4. 前記スポットサイズ変換部は、前記入力側スラブ導波路または前記出力側スラブ導波路に接する端部から前記他方の端部に向かって、導波路の幅が徐々に狭くなるフレア構造を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載のアレイ導波路回折格子。
5. 前記フレア構造は、
   第１領域と、
   前記第１領域より前記入力側スラブ導波路または前記出力側スラブ導波路に接する端部側に形成され、前記第１領域より長さあたりの幅の変化率が小さい第２領域と、を有することを特徴とする請求項４に記載のアレイ導波路回折格子。
6. 前記入力側スラブ導波路または前記出力側スラブ導波路のうちいずれか一方は、複数の並設された導波路を有する第１導波路に接続され、
   前記入力側スラブ導波路または前記出力側スラブ導波路のうちいずれか他方は、１本以上の並設された導波路を有する第２導波路に接続され、
   互いに異なる波長の光をそれぞれ異なる前記第１導波路から入力したときに、前記各波長の光を前記アレイ導波路によって波長ごとに位相差をつけて伝搬させることにより前記各波長の光を合波して前記第２導波路から出力することができ、
   複数の波長の光を前記第２導波路から入力したときに、前記各波長の光を前記アレイ導波路によって波長ごとに位相差をつけて伝搬させることにより前記各波長の光を分波してそれぞれ異なる前記第１導波路から出力することができる光合分波器として動作可能なアレイ導波路回折格子において、
   前記スポットサイズ変換部は、前記アレイ導波路の両端部に形成され、
   前記スポットサイズ変換部の前記第１導波路側の端部の導波路の幅は、前記スポットサイズ変換部の前記第２導波路側の端部の導波路の幅より狭いことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載のアレイ導波路回折格子。
7. 前記入力側スラブ導波路または前記出力側スラブ導波路のうちいずれか一方は、複数の並設された導波路を有する第１導波路に接続され、
   前記入力側スラブ導波路または前記出力側スラブ導波路のうちいずれか他方は、１本以上の並設された導波路を有する第２導波路に接続され、
   互いに異なる波長の光をそれぞれ異なる前記第１導波路から入力したときに、前記各波長の光を前記アレイ導波路によって波長ごとに位相差をつけて伝搬させることにより前記各波長の光を合波して前記第２導波路から出力することができ、
   複数の波長の光を前記第２導波路から入力したときに、前記各波長の光を前記アレイ導波路によって波長ごとに位相差をつけて伝搬させることにより前記各波長の光を分波してそれぞれ異なる前記第１導波路から出力することができる光合分波器として動作可能なアレイ導波路回折格子において、
   前記スポットサイズ変換部は、前記第２導波路が接続されている側のみに形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載のアレイ導波路回折格子。
8. 請求項１〜７に記載のアレイ導波路回折格子と、発光素子とをモノリシックに集積したことを特徴とする光集積素子。
9. 前記発光素子は、発振波長の異なる複数のレーザを備え、
   前記複数のレーザと前記入力側スラブ導波路とは、前記複数のレーザの各レーザに接続され、並設された導波路で接続されることを特徴とする請求項８に記載の光集積素子。

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