JP4962279B2 - 半導体素子、半導体光集積素子及び光伝送装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば光通信システムで用いられる多モード干渉カプラとして機能する半導体素子、並びに、これを備える半導体光集積素子及び光伝送装置に関する。

近年、波長多重信号処理方式が導入され、光通信システムにおける伝送容量が飛躍的に増大してきている。
光通信システムでは、様々な光信号処理を行なうために、光信号を分岐（分波）したり、結合（合波）したりする光カプラ（光分岐結合器）が必要となる。
このような光通信システムで用いられる光カプラ（光分岐・合波素子）に求められる条件としては、動作波長の広帯域性（低波長依存性）、偏光無依存性、大きな作製トレランス、コンパクトさ、及び、モノリシック集積性などが挙げられる。

これまで、モノリシック集積化に適した光カプラとして、半導体ベースの方向性結合器、スターカプラ、多モード干渉（ＭＭＩ：multimode interference）結合器などが研究されてきたが、上記の必要条件の観点から、ＭＭＩ結合器（ＭＭＩカプラ）は、方向性結合器やスターカプラよりも優れた特性を有する。
しかし、ＭＭＩ結合器は、横方向の導波路構造によって、光分岐・結合特性に対する波長依存性、偏光依存性及び作製トレランスが大きく異なり、それぞれ、一長一短がある。

一般に、ＭＭＩ結合器の横方向の導波路構造としては、横方向の光閉じ込め作用が弱い低屈折率差（ＬＩＣ：low index contrast）の構造（ＬＩＣ構造）と、横方向の光閉じ込め作用が強い高屈折率差（ＨＩＣ：high index contrast）の構造（ＨＩＣ構造）がある。
ＨＩＣ構造は、曲げ導波路における曲率半径を大幅に減少させても過剰損失が生じないため、ＬＩＣ構造と比較して、素子サイズを小さくする（素子の小型化）のに有利である。ＭＭＩ結合器の横方向の導波路構造として、このようなＨＩＣ構造を用いたものは、例えば非特許文献１や特許文献１に開示されている。

ここで、図１４は、ＨＩＣ構造を有する１×８ＭＭＩ結合器（ＨＩＣ型１×８ＭＭＩ結合器）の概略を示す模式図であり、図１５は、その透過特性を示す図（その光透過率を、波長および偏光状態に対してプロットしたもの）である。なお、ここでは、メサ構造の入力導波路１００、出力導波路１０１及びＭＭＩ導波路１０２によってＨＩＣ構造を構成している。また、入力導波路１００及び出力導波路１０１の幅は２．８μｍとし、ＭＭＩ導波路（ＭＭＩ領域）１０２の幅（Ｗ_mmi）を５０μｍとしている。

図１５に示すように、ＨＩＣ構造を用いたＭＭＩ結合器は、波長１．５５μｍのＴＥモードに対して最適設計になっている。つまり、ＨＩＣ構造を用いたＭＭＩ結合器は、波長１．５５μｍで最大の光透過率を有し、波長が１．５５μｍから短波長側もしくは長波長側へシフトすると、光透過率が減少することが分かる。このように、ＨＩＣ構造を用いたＭＭＩ結合器は波長依存性がある。

また、偏光状態がＴＥモードからＴＭモードになると、波長によって光透過率が大きく異なることになる。つまり、ＨＩＣ構造を用いたＭＭＩ結合器は偏光依存性がある。
さらに、ＨＩＣ構造を用いたＭＭＩ結合器は、作製誤差の許容範囲を表す指標である作製トレランスが小さい。
一般に、入出力チャネルポート数が増大すればするほど、波長依存性及び偏光依存性は顕著になり、作製トレランスも小さくなる。これらは、応用上、望ましくない。

一方、ＭＭＩ結合器の横方向の導波路構造としてＬＩＣ構造を用いると、ＨＩＣ構造を用いた場合よりも波長依存性、偏光依存性及び作製トレランスの点で優位な特性を有するものとなる。ＭＭＩ結合器の横方向の導波路構造として、このようなＬＩＣ構造を用いたものは、例えば非特許文献２に開示されている。
ここで、図１６は、ＬＩＣ構造を有する１×８ＭＭＩ結合器（ＬＩＣ型１×８ＭＭＩ結合器）の概略を示す模式図であり、図１７は、その透過特性を示す図（その光透過率を、波長および偏光状態に対してプロットしたもの）である。なお、ここでは、メサ構造の入力導波路１００、出力導波路１０１及びＭＭＩ導波路１０２を、半導体材料１０３によって埋め込むことによってＬＩＣ構造を構成している。また、入力導波路１００及び出力導波路１０１の幅は２．８μｍとし、ＭＭＩ導波路（ＭＭＩ領域）１０２の幅（Ｗ_mmi）を５０μｍとしている。

図１７に示すように、ＬＩＣ構造を用いたＭＭＩ結合器は、ＨＩＣ構造を用いたＭＭＩ結合器［図１５参照］よりも波長依存性及び偏光依存性が低い（小さい）ことが分かる。また、ＬＩＣ構造を用いたＭＭＩ結合器は作製トレランスが大きいという特徴を有する。これらの優位性は、入出力チャネルポート数が増大すればするほど、有効に働くことになる。

しかし、ＬＩＣ構造を用いる場合、ＭＭＩ結合器が曲げ導波路を含んでいるときは、ＨＩＣ構造を用いる場合と比較して曲げ導波路の曲率半径を大きくする必要があるため、素子サイズが増大してしまうことになる。また、入出力チャネルポート数が増大すればするほど、素子サイズの増大が顕著になるため、応用上、望ましくない。
このように、現状では、波長依存性及び偏光依存性が低く、作製トレランスが大きく、コンパクトで、多チャネル化への応用性に優れたＭＭＩ結合器は実現されていない。
特開２００６−３２３１３５号公報 J. M. Heaton et al., "Novel 1-to-N way integrated optical beam splitters using symmetric mode micing in GaAs/AlGaAs multimode waveguides", Applied Physics Letters, 61(15), 12 October 1992, pp. 1754-1756 Lucas B. Soldano et al., "Planar Monomode Optical Couplers Based on Multimode Interference Effects", Journal of Lightwave Technology, Vol.10, No.12, December 1992, pp.1843-1850

ところで、上述のＨＩＣ構造を入出力導波路に用いる一方、上述のＬＩＣ構造をＭＭＩ導波路に用いることで、上記の全ての点において優れたＭＭＩ結合器を実現できるように思われる。
しかしながら、屈折率差の異なる構造を有する導波路をそのまま接続すると、導波路間のモード不整合に起因して、ＭＭＩ結合器の特性が劣化してしまうことになる。

ここで、図１８は、ＬＩＣ構造を用いたＭＭＩ導波路、及び、これに接続され、ＨＩＣ構造を用いた入出力導波路を備える１×８ＭＭＩ結合器（複合型１×８ＭＭＩ結合器；ＭＭＩ導波路のみ埋め込まれたもの）の概略を示す模式図であり、図１９は、その透過特性を示す図（その光透過率を、波長および偏光状態に対してプロットしたもの）である。なお、ここでは、メサ構造の入力導波路１００及び出力導波路１０１によってＨＩＣ構造を構成するとともに、メサ構造のＭＭＩ導波路１０２を半導体材料１０３によって埋め込むことによってＬＩＣ構造を構成している。また、入力導波路１００及び出力導波路１０１の幅は２．８μｍとし、ＭＭＩ導波路（ＭＭＩ領域）１０２の幅（Ｗ_mmi）を５０μｍとしている。

図１９に示すように、ＨＩＣ構造とＬＩＣ構造を単純に組み合わせると、上述のＬＩＣ構造を用いたＭＭＩ結合器の特性［図１７参照］と比較して、波長依存性及び偏光依存性が劣化してしまうことが分かった。また、いずれの偏光状態の場合も損失が増大してしまい、光出力のパワーレベルが下がってしまうことも分かった。
本発明は、このような課題に鑑み創案されたもので、波長依存性及び偏光依存性が低く、十分な光出力が得られ、作製トレランスが大きく、コンパクトで、多チャネル化への応用性に優れた、半導体素子、半導体光集積素子及び光伝送装置を提供することを目的とする。

このため、本発明の半導体素子は、入力導波路と、出力導波路と、一端に入力導波路が接続され、他端に出力導波路が接続された多モード干渉導波路とを備え、多モード干渉導波路は、多モード干渉導波路を構成するメサ構造の側面に接する領域の屈折率が多モード干渉導波路の等価屈折率よりも小さく、多モード干渉導波路の等価屈折率と多モード干渉導波路を構成するメサ構造の側面に接する領域の屈折率との差が第１屈折率差である第１屈折率差構造になっており、入力導波路及び出力導波路は、多モード干渉導波路に連なり、入力導波路及び出力導波路を構成するメサ構造の側面に接する領域の屈折率が入力導波路及び出力導波路の等価屈折率よりも小さく、入力導波路及び出力導波路の等価屈折率と入力導波路及び出力導波路を構成するメサ構造の側面に接する領域の屈折率との差が第１屈折率差である第１屈折率差構造部と、第１屈折率差構造部に連なり、入力導波路及び出力導波路を構成するメサ構造の側面に接する領域の屈折率が入力導波路及び出力導波路の等価屈折率よりも小さく、入力導波路及び出力導波路の等価屈折率と入力導波路及び出力導波路を構成するメサ構造の側面に接する領域の屈折率との差が第１屈折率差よりも大きい第２屈折率差である第２屈折率差構造部とを備え、入力導波路及び出力導波路の第２屈折率差構造部は、第１屈折率差構造部との境界で第１屈折率差構造部よりも幅が広くなっていることを特徴としている。

また、本発明の半導体素子は、入力導波路と、出力導波路と、一端に入力導波路が接続され、他端に出力導波路が接続された多モード干渉導波路とを備え、多モード干渉導波路は、多モード干渉導波路を構成するメサ構造の側面に接する領域の屈折率が多モード干渉導波路の等価屈折率よりも小さく、多モード干渉導波路の等価屈折率と多モード干渉導波路を構成するメサ構造の側面に接する領域の屈折率との差が第１屈折率差である第１屈折率差構造になっており、入力導波路及び出力導波路は、入力導波路及び出力導波路を構成するメサ構造の側面に接する領域の屈折率が入力導波路及び出力導波路の等価屈折率よりも小さく、入力導波路及び出力導波路の等価屈折率と入力導波路及び出力導波路を構成するメサ構造の側面に接する領域の屈折率との差が第１屈折率差よりも大きい第２屈折率差である第２屈折率差構造になっており、入力導波路及び出力導波路は、多モード干渉導波路との境界で、シングルモード条件を満たすように設定された所望の導波路幅よりも幅が広くなっていることを特徴としている。

また、本発明の半導体光集積素子は、上記の半導体素子と、半導体素子が形成されている半導体基板上に集積された光機能素子とを備えることを特徴としている。
また、本発明の光伝送装置は、上記の半導体素子を備えることを特徴としている。

したがって、本発明の半導体素子、半導体光集積素子及び光伝送装置によれば、波長依存性及び偏光依存性が低く、十分な光出力が得られ、作製トレランスが大きく、コンパクトで、多チャネル化への応用性に優れたものを実現できるという利点がある。

以下、図面により、本発明の実施の形態にかかる半導体素子、半導体光集積素子及び光伝送装置について説明する。
［第１実施形態］
まず、本発明の第１実施形態にかかる半導体素子について、図１〜図４を参照しながら説明する。

本実施形態にかかる半導体素子は、図１に示すように、例えば光伝送装置に備えられる多モード干渉（ＭＭＩ：multimode interference）カプラ（光合分岐器素子；光分岐・合波素子；光分岐結合器；ここでは１×８ＭＭＩカプラ）２０であって、１つの入力導波路（入力ポート）１と、複数（ここでは８つ）の出力導波路（出力ポート）２と、多モード干渉導波路（ＭＭＩ導波路；多モード干渉領域；多モード干渉カプラ部）３とを備える。

ここで、多モード干渉導波路３は、図１に示すように、その一端に入力導波路１が接続され、他端に出力導波路２が接続されている。特に、多モード干渉導波路３は、多モード干渉導波路３を構成するメサ構造３Ａ［図４（Ｂ）参照］の側面に接する領域［ここでは半絶縁性ＩｎＰ層（半絶縁性半導体層）４；図４（Ｂ）参照］に対する屈折率差が所定値以下の低屈折率差構造［ＬＩＣ（low index contrast）構造］になっている。

入力導波路１及び出力導波路２は、多モード干渉導波路３に連なり、入力導波路１及び出力導波路２を構成するメサ構造１Ａ(＝１Ｂ＋１Ｄ)，２Ａ(＝２Ｂ＋２Ｄ)の側面に接する領域［ここでは半絶縁性ＩｎＰ層（半絶縁性半導体層）４；図４（Ｃ）参照］に対する屈折率差が所定値以下の低屈折率差構造部［ＬＩＣ（low index contrast）構造部］１Ｂ，２Ｂと、低屈折率差構造部に連なり、入力導波路及び出力導波路を構成するメサ構造の側面に接する領域に対する屈折率差が所定値よりも大きい高屈折率差構造部［ＨＩＣ（high index contrast）構造部］１Ｃ，２Ｃとを備える。

本実施形態では、入力導波路１及び出力導波路２の高屈折率差構造部１Ｃ，２Ｃは、これらを構成するメサ構造１Ａ，２Ａが半導体材料によって埋め込まれておらず、その両側、即ち、メサ構造１Ａ，２Ａの側面に接する領域が空気によって構成されている［図４（Ｄ）参照］。ここで、メサ構造１Ａ，２Ａは、リブ構造、リッジ構造、ハイメサ構造のいずれかである。

なお、高屈折率差構造部１Ｃ，２Ｃを構成するメサ構造１Ａ，２Ａの側面に接する領域は、多モード干渉導波路３や低屈折率差構造部１Ｂ，２Ｂを構成するメサ構造１Ａ，２Ａ，３Ａの側面に接する領域を構成する半導体材料よりも屈折率が一定値以上小さいものによって構成されていれば良く（例えば屈折率２以下の低屈折率材料によって構成されているのが好ましい）、例えばＢＣＢ（高分子材料），ＳｉＯ₂（ガラス系材料）などの空気以外のものによって構成されていても良い。

このように、入力導波路１及び出力導波路２の高屈折率差構造部１Ｃ，２Ｃは、半導体埋込構造を有しないため、入力導波路１及び出力導波路２の高屈折率差構造部１Ｃ，２Ｃの等価屈折率とこれらを構成するメサ構造１Ａ，２Ａの側面に接する領域（ここでは空気）の屈折率との差が所定値よりも大きくなっており、横方向の光閉じ込め作用が強い高屈折率差（ＨＩＣ：high index contrast）を有する構造（ＨＩＣ導波路構造）になっている。

一方、多モード干渉導波路３、及び、入力導波路１及び出力導波路２の低屈折率差構造部１Ｂ，２Ｂは、これらを構成するメサ構造１Ａ，２Ａ，３Ａが半導体埋込層［ここでは半絶縁性ＩｎＰ層（半絶縁性半導体層）４；図４（Ｂ），（Ｃ）参照］によって埋め込まれており、その両側、即ち、メサ構造１Ａ，２Ａ，３Ａの側面に接する領域が空気よりも屈折率が一定値以上大きい半導体材料（ここでは半絶縁性半導体材料）によって構成されている。ここで、メサ構造１Ａ，２Ａ，３Ａは、リブ構造、リッジ構造、ハイメサ構造のいずれかである。

このように、多モード干渉導波路３は、半導体埋込構造を有するため、多モード干渉導波路３の等価屈折率とこれを構成するメサ構造３Ａの側面に接する領域（ここでは半絶縁性半導体材料）の屈折率との差が所定値以下になっており、横方向の光閉じ込め作用が弱い低屈折率差（ＬＩＣ：low index contrast）を有する構造（ＬＩＣ導波路構造）になっている。

また、入力導波路１及び出力導波路２の低屈折率差構造部１Ｂ，２Ｂは、多モード干渉導波路３と同様に、半導体埋込構造を有するため、入力導波路１及び出力導波路２の低屈折率差構造部１Ｂ，２Ｂの等価屈折率とこれらを構成するメサ構造１Ａ，２Ａの側面に接する領域（ここでは半絶縁性半導体材料）の屈折率との差が所定値以下になっており、横方向の光閉じ込め作用が弱い低屈折率差（ＬＩＣ：low index contrast）を有する構造（ＬＩＣ導波路構造）になっている。

つまり、入力導波路１及び出力導波路２の高屈折率差構造部１Ｃ，２Ｃの等価屈折率とこれらを構成するメサ構造１Ａ，２Ａの側面に接する領域（ここでは空気）の屈折率との差が、多モード干渉導波路３の等価屈折率とこれを構成するメサ構造３Ａの側面に接する領域（ここでは半絶縁性半導体材料）の屈折率との差、及び、入力導波路１及び出力導波路２の低屈折率差構造部１Ｂ，２Ｂの等価屈折率とこれらを構成するメサ構造１Ａ，２Ａの側面に接する領域（ここでは半絶縁性半導体材料）の屈折率との差よりも大きくなっている。

このように、本ＭＭＩカプラ２０は、多モード干渉導波路３がＬＩＣ導波路構造になっており、入力導波路１及び出力導波路２がＨＩＣ導波路構造になっている複合型ＭＭＩカプラとして構成される。
この場合、単に、多モード干渉導波路３をＬＩＣ導波路構造とし、入力導波路１及び出力導波路２をＨＩＣ導波路構造とすると、上述の「発明が解決しようとする課題」の欄で説明したように［図１９参照］、モード不整合による特性劣化が起こることになる。

このため、本実施形態では、図１に示すように、入力導波路１及び出力導波路２の一部、即ち、入力導波路１及び出力導波路２と多モード干渉導波路３との接続部分から所定の長さまでの部分を、多モード干渉導波路３と同様のＬＩＣ導波路構造を有する低屈折率差構造部１Ｂ，２Ｂとし、入力導波路１及び出力導波路２と多モード干渉導波路３との接続部分においてモード不整合による特性劣化が起こらないようにしている。なお、入力導波路１及び出力導波路２の低屈折率差構造部１Ｂ，２Ｂは、モード整合のために用いられるため、モード整合部（モード整合領域）ともいう。

具体的には、入力導波路１及び出力導波路２を構成するメサ構造１Ａ，２Ａの一部を半導体材料（ここでは半絶縁性半導体材料）によって埋め込むことで、入力導波路１及び出力導波路２の一部を、ＬＩＣ導波路構造を有する低屈折率差構造部１Ｂ，２Ｂとし、ＬＩＣ導波路構造を有する多モード干渉導波路３と、多モード干渉導波路３と同様のＬＩＣ導波路構造を有する入力導波路１及び出力導波路２の低屈折率差構造部１Ｂ，２Ｂとの間で光信号を結合させるようにして、モード不整合による特性劣化を防ぐようにしている。

一方、本実施形態では、入力導波路１及び出力導波路２の他の部分はＨＩＣ導波路構造を有する高屈折率差構造部１Ｃ，２Ｃとなっているため、入力導波路及び出力導波路の途中にＬＩＣ導波路構造とＨＩＣ導波路構造との境界が存在することになり、この境界部分でモード不整合による特性劣化が起こることになる。
このため、本実施形態では、図１に示すように、入力導波路１及び出力導波路２の高屈折率差構造部１Ｃ，２Ｃの幅が、低屈折率差構造部１Ｂ，２Ｂとの境界で低屈折率差構造部１Ｂ，２Ｂよりも広くなるようにしている。

具体的には、入力導波路１及び出力導波路２の高屈折率差構造部１Ｃ，２Ｃを、低屈折率差構造部１Ｂ，２Ｂとの境界で幅が最も広くなるテーパ構造１Ｄ，２Ｄを有するものとして構成している。つまり、ＨＩＣ導波路構造とＬＩＣ導波路構造との間のモード整合のために、入力導波路１及び出力導波路２の高屈折率差構造部１Ｃ，２Ｃを、低屈折率差構造部１Ｂ，２Ｂとの境界部分に向かって幅が広くなるテーパ構造１Ｄ，２Ｄを有するものとして構成している。なお、入力導波路１及び出力導波路２の高屈折率差構造部１Ｃ，２Ｃに形成されるテーパ構造１Ｄ，２Ｄは、モード整合のために用いられるため、モード整合部（モード整合領域）ともいう。

特に、高屈折率差構造部１Ｃ，２Ｃにおける屈折率差と低屈折率差構造部１Ｂ，２Ｂにおける屈折率差の違いに応じて、高屈折率差構造部１Ｃ，２Ｃと低屈折率差構造部１Ｂ，２Ｂとの境界部分における高屈折率差構造部１Ｃ，２Ｃ及び低屈折率差構造部１Ｂ，２Ｂの幅を設定すれば良い。本実施形態では、高屈折率差構造部１Ｃ，２Ｃのテーパ構造１Ｄ，２Ｄの幅を最適化することによって、高屈折率差構造部１Ｃ，２Ｃと低屈折率差構造部１Ｂ，２Ｂとの境界部分で過剰損失を生じることなく、高屈折率差構造部１Ｃ，２Ｃから低屈折率差構造部１Ｂ，２Ｂへ光信号を結合させることができるようにしている。

ここで、図２は、上述のように構成される本ＭＭＩカプラ２０の透過特性を示す図［その光透過率（光入力パワーに対する光出力パワーの割合）を、波長および偏光状態に対してプロットしたもの）］である。
ここでは、入力導波路１及び出力導波路２の幅はいずれも２．８μｍとしている。また、入力導波路１及び出力導波路２の高屈折率差構造部１Ｃ，２Ｃに形成されるテーパ構造１Ｄ，２Ｄの長さ（テーパ長）は１００μｍとし、テーパ構造１Ｄ，２Ｄの幅（テーパ幅；最も広い部分の幅）は４．２μｍとしている。また、入力導波路１及び出力導波路２の低屈折率差構造部１Ｂ，２Ｂの長さ（モード整合領域長；Ｌ_T）は１００μｍとしている。また、ＭＭＩ導波路（ＭＭＩ領域）３の幅（Ｗ_mmi）は５０μｍとしている。また、出力導波路２の数（出力ポート数；Ｎ）は８に設定している。

図２に示すように、本ＭＭＩカプラ２０は、上述の「発明が解決しようとする課題」の欄で説明した構造のもの［図１９参照］と比較して、Ｃバンド帯域において、波長変化及び偏光状態変化に対する出力強度変化（光出力のパワーレベルの変化）が小さく、波長依存性及び偏光依存性が低く、十分な光出力が得られることが分かる。つまり、上述の「背景技術」の欄で説明したＬＩＣ構造を有するＭＭＩカプラ［図１７参照］と同様に、波長依存性及び偏光依存性を低くすることができる。また、ＬＩＣ構造を用いているため、作製トレランスが大きい。これらは、入出力チャネルポート数が増大すればするほど、有効に働くことになる。

なお、図２では、一例として１×Ｎ（Ｎ＝８）ＭＭＩカプラの素子特性を示しているが、Ｎが８以外の値になっても同様の効果が得られる。例えば、１×２、１×４、１×１６、１×３２ＭＭＩカプラなどに対しても有効である。また、１×Ｎ（Ｎは１以上の整数）ＭＭＩカプラのみならず、２×Ｎ（Ｎは１以上の整数）ＭＭＩカプラ、Ｎ（Ｎは１以上の整数）×Ｎ（Ｎは１以上の整数）ＭＭＩカプラのように、自己結像効果の原理が異なるＭＭＩカプラに対しても同様に特性向上が可能である。

また、本ＭＭＩカプラ２０では、入力導波路１及び出力導波路２がＨＩＣ導波路構造になっているため、素子の小型化を図ることができ、コンパクトさに優れた素子を実現することができる。なお、入力ポート数又は出力ポート数が増大すればするほど、素子サイズの縮小効果が顕著になることは言うまでもない。
ところで、本ＭＭＩカプラ２０では、入力導波路１及び出力導波路２の低屈折率差構造部１Ｂ，２Ｂの長さ（モード整合領域長）Ｌ_Tは４０μｍ以上に設定するのが好ましい。

ここで、図３（Ａ）〜（Ｄ）は、本ＭＭＩカプラ２０におけるモード整合領域長Ｌ_Tに対する透過特性を示しており、図３（Ａ）はモード整合領域長Ｌ_Tが２０μｍの場合、図３（Ｂ）はモード整合領域長Ｌ_Tが３０μｍの場合、図３（Ｃ）はモード整合領域長Ｌ_Tが４０μｍの場合、図３（Ｄ）はモード整合領域長Ｌ_Tが１００μｍの場合をそれぞれ示している。

図３（Ａ）に示すように、モード整合領域長Ｌ_Tが比較的に短い場合（Ｌ_T＝２０μｍ)、チャネル毎の透過率（光入力パワーに対する光出力パワーの割合）にばらつきが生じており、一部のチャネルは波長によっては過剰損失が生じている。
一方、図３（Ｂ）に示すように、モード整合領域長Ｌ_Tが３０μｍに増大すると、透過率のチャネル毎のばらつきが低減し、一部のチャネルにおける過剰損失も低減する。

さらに、図３（Ｃ）に示すように、モード整合領域長Ｌ_Tが４０μｍになると、上記図２に示すような特性に近づき、透過率のチャネル毎のばらつきが減少し、一部のチャネルにおける過剰損失も減少し、結合器の特性が向上することが分かる。
なお、図３（Ｄ）に示すように、モード整合領域長Ｌ_Tが１００μｍのように長くなっても、透過特性はあまり変わらない。

また、図３（Ａ）〜（Ｄ）では、ＴＥモードの光入力に対する透過特性を示しているが、ＴＭモードの光入力に対する透過特性も同様の結果が得られる。
このように構成されるＭＭＩカプラ２０は、以下のような半導体導波路作製プロセスによって作製される。
以下、具体的な作製手順について説明する。

ｎ型ＩｎＰ基板上１０（あるいは無ドープＩｎＰ基板）上に、例えば有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）によって、無ドープＧａＩｎＡｓＰコア層１２（発光波長λｇ＝１．０５μｍ，層厚０．５μｍ）、無ドープＩｎＰ層１３（層厚２．０μｍ）をエピタキシャル成長させる［図４（Ｂ）〜（Ｄ）参照］。
次いで、エピタキシャル成長を行なったウェハに、例えばＳｉＯ₂膜を蒸着装置などによって成膜し、光露光プロセスによって、入力導波路１及び出力導波路２の低屈折率差構造部１Ｂ，２Ｂを形成するためのハイメサ導波路パターン（導波路幅２．８μｍ；導波路長１００μｍ）及びＭＭＩ導波路３を形成するためのハイメサ導波路パターン（導波路幅５０μｍ）をパターニングする。

次に、このようにしてパターニングされたＳｉＯ₂膜をマスクとして、例えば誘導結合型プラズマ反応性イオンエッチング（ＩＣＰ−ＲＩＥ；Inductive Coupled Plasma-Reactive Ion Etching）などの方法でドライエッチングを行ない、例えば高さ３μｍ程度のハイメサ導波路ストライプ構造１Ａ，２Ａ，３Ａを形成する［図４（Ｂ），（Ｃ）参照］。
そして、例えばＭＯＶＰＥ法によって、半絶縁性ＩｎＰ層４によってハイメサ導波路構造１Ａ，２Ａ，３Ａが埋め込まれるように埋込成長を行なって、高抵抗埋込導波路構造を形成する［図４（Ｂ），（Ｃ）参照］。これにより、入力導波路１及び出力導波路２の低屈折率差構造部１Ｂ，２Ｂ及びＭＭＩ導波路３がＬＩＣ導波路構造を有するものとして形成される［図４（Ａ）参照］。

次いで、再び、例えばＳｉＯ₂膜を蒸着装置などによって成膜し、光露光プロセスによって、入力導波路１及び出力導波路２の高屈折率差構造部１Ｃ，２Ｃ（テーパ構造１Ｄ，２Ｄを含む）を形成するためのハイメサ導波路パターン（導波路幅２．８μｍ；テーパ長１００μｍ；テーパ幅４．２μｍ）をパターニングする。
次に、このようにしてパターニングされたＳｉＯ₂膜をマスクとして、例えばＩＣＰ−ＲＩＥなどの方法でドライエッチングを行ない、例えば高さ３μｍ程度のハイメサ導波路ストライプ構造１Ａ，２Ａを形成する［図４（Ｄ）参照］。なお、ここでは、半絶縁性ＩｎＰ層による埋込成長は行なわない。これにより、入力導波路１及び出力導波路２の高屈折率差構造部１Ｃ，２Ｃ（テーパ構造１Ｄ，２Ｄを含む）がＨＩＣ導波路構造を有するものとして形成される。

このようにして、図１に示すようなＨＩＣ導波路構造及びＬＩＣ導波路構造を備える複合型ＭＭＩカプラ２０が完成する。
したがって、本実施形態にかかる半導体素子（ＭＭＩカプラ）によれば、入力導波路１及び出力導波路２が、ＬＩＣ導波路構造の低屈折率差構造部１Ｂ，２Ｂ、及び、テーパ構造１Ｄ，２Ｄを含むＨＩＣ導波路構造の高屈折率差構造部１Ｃ，２Ｃを有するため、波長依存性及び偏光依存性が低く、十分な光出力が得られ、作製トレランスが大きく、コンパクトで、多チャネル化への応用性に優れたものを実現できるという利点がある。

なお、本実施形態では、ＭＭＩカプラ２０は、光通信システム内で光信号を分岐（分波）したり、結合（合波）したりする単体の光カプラとして用いられるが、これ以外にも、ＭＭＩカプラは、光導波路の屈折率を制御することによって、光スイッチや可変アテネータなどの光機能素子として用いることもできる。
また、本実施形態では、１本の入力導波路１を設け、８本の出力導波路２を設けているが、これに限られるものではない。例えば、１本の入力導波路と、Ｎ本（Ｎは１以上の整数；複数本）の出力導波路とを設けても良いし、Ｎ本（Ｎは１以上の整数；複数本）の入力導波路と、１本の出力導波路とを設けても良いし、Ｎ本（Ｎは１以上の整数；複数本）の入力導波路と、Ｎ本（Ｎは１以上の整数；複数本）の出力導波路とを設けても良い。
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態にかかる半導体素子について、図５，図６を参照しながら説明する。

本実施形態にかかる半導体素子（ＭＭＩカプラ）２０は、図５に示すように、上述の第１実施形態のものに対し、入力導波路１及び出力導波路２を構成するＬＩＣ導波路構造を有する低屈折率差構造部１Ｂ，２Ｂがテーパ構造１Ｅ，２Ｅを有する点が異なる。なお、図５では、上述の第１実施形態（図１参照）と同一のものには同一の符号を付している。
ここで、入力導波路１及び出力導波路２の低屈折率差構造部１Ｂ，２Ｂに形成されるテーパ構造１Ｅ，２Ｅは、図５に示すように、ＭＭＩ導波路（ＭＭＩ領域）３との境界部分で幅が最も広くなるように形成される。つまり、入力導波路１及び出力導波路２の低屈折率差構造部１Ｂ，２Ｂを、ＭＭＩ導波路３との境界部分に向かって幅が広くなるテーパ構造１Ｅ，２Ｅを有するものとしている。

ここで、図６は、本実施形態のＭＭＩカプラの透過特性を示す図（その光透過率を、波長および偏光状態に対してプロットしたもの）である。
ここでは、入力導波路１及び出力導波路２の幅はいずれも２．８μｍとしている。また、入力導波路１及び出力導波路２の高屈折率差構造部１Ｃ，２Ｃに形成されるテーパ構造１Ｄ，２Ｄの長さ（テーパ長）は１００μｍとし、テーパ構造１Ｄ，２Ｄの幅（テーパ幅；最も広い部分の幅）は４．２μｍとしている。また、入力導波路１及び出力導波路２の低屈折率差構造部１Ｂ，２Ｂに形成されるテーパ構造１Ｅ，２Ｅの長さ（テーパ長）は１００μｍとし、テーパ構造１Ｅ，２Ｅの幅（テーパ幅；最も広い部分の幅）は３．８μｍとしている。また、ＭＭＩ導波路（ＭＭＩ領域）３の幅（Ｗ_mmi）は５０μｍとしている。また、出力導波路２の数（出力ポート数；Ｎ）は８に設定している。

図６に示すように、本ＭＭＩカプラ２０は、上述の第１実施形態のもの（図２参照）と比較して、Ｃバンド帯域において、波長変化及び偏光状態変化に対する出力強度が増大し（光出力のパワーレベルが増大し）、十分な光出力が得られるとともに、上述の第１実施形態のもの（図２参照）と同様に、波長依存性及び偏光依存性を低くすることができ、結合器特性を向上させることができる。また、上述の第１実施形態のもの（図１参照）と同様に、ＬＩＣ構造を用いているため、作製トレランスが大きい。これらは、入出力チャネルポート数が増大すればするほど、有効に働くことになる。

なお、図６では、一例として１×Ｎ（Ｎ＝８）ＭＭＩカプラの素子特性を示しているが、Ｎが８以外の値になっても同様の効果が得られる。例えば、１×２、１×４、１×１６、１×３２ＭＭＩカプラなどに対しても有効である。また、１×Ｎ（Ｎは１以上の整数）ＭＭＩカプラのみならず、２×Ｎ（Ｎは１以上の整数）ＭＭＩカプラ、Ｎ（Ｎは１以上の整数）×Ｎ（Ｎは１以上の整数）ＭＭＩカプラのように、自己結像効果の原理が異なるＭＭＩカプラに対しても同様に特性向上が可能である。

また、本ＭＭＩカプラ２０では、上述の第１実施形態のもの（図１参照）と同様に、入力導波路１及び出力導波路２がＨＩＣ導波路構造になっているため、素子の小型化を図ることができ、コンパクトさに優れた素子を実現することができる。なお、入力ポート数又は出力ポート数が増大すればするほど、素子サイズの縮小効果が顕著になることは言うまでもない。

このように構成されるＭＭＩカプラ２０は、上述の第１実施形態のものと同様の作製プロセスによって作製することができる。つまり、上述の第１実施形態の作製プロセス中、入力導波路１及び出力導波路２のＬＩＣ導波路構造を有する低屈折率差構造部１Ｂ，２Ｂを形成するための光露光プロセスにおいて、フォトマスク上の導波路パターンにテーパ構造パターンを組み込むだけで作製することができる。

なお、その他の構成及び製造方法は、上述の第１実施形態のものと同じであるため、ここでは説明を省略する。
したがって、本実施形態にかかる半導体素子（ＭＭＩカプラ）によれば、上述の第１実施形態のものと同様に、波長依存性及び偏光依存性が低く、十分な光出力が得られ、作製トレランスが大きく、コンパクトで、多チャネル化への応用性に優れたものを実現できるという利点がある。
［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態にかかる半導体素子について、図７を参照しながら説明する。

本実施形態にかかる半導体素子（ＭＭＩカプラ）２０は、図７に示すように、上述の第２実施形態のものに対し、入力導波路１及び出力導波路２を構成するＨＩＣ導波路構造を有する高屈折率差構造部１Ｃ，２Ｃがテーパ構造を有しない点が異なる。なお、図７では、上述の第２実施形態（図５参照）と同一のものには同一の符号を付している。
ここで、入力導波路１及び出力導波路２の高屈折率差構造部１Ｃ，２Ｃは、図７に示すように、少なくとも低屈折率差構造部１Ｂ，２Ｂとの境界部分及びその近傍領域において、低屈折率差構造部１Ｂ，２Ｂの導波路幅（最も狭い部分の幅；ここでは２．８μｍ）よりも広くなっている。例えば、入力導波路１及び出力導波路２の高屈折率差構造部１Ｃ，２Ｃは、低屈折率差構造部１Ｂ，２Ｂとの境界部分から所望の長さまでが低屈折率差構造部１Ｂ，２Ｂの幅よりも広くなるようにすれば良い。

このように構成されるＭＭＩカプラ２０は、上述の第１実施形態及び第２実施形態のものと同様の作製プロセスによって作製することができる。つまり、上述の第１実施形態及び第２実施形態の作製プロセス中、入力導波路１及び出力導波路２のＨＩＣ導波路構造を有する高屈折率差構造部１Ｃ，２Ｃを形成するための再パターニングの際の光露光プロセスにおいて、フォトマスクで保護する領域を変えるだけで、即ち、フォトマスク上の導波路パターンにテーパ構造パターンを組み込まないようにし、同一の幅を有する導波路パターンを形成するだけで作製することができる。

なお、その他の構成及び製造方法は、上述の第１実施形態のものと同じであるため、ここでは説明を省略する。
したがって、本実施形態にかかる半導体素子（ＭＭＩカプラ）によれば、上述の第１実施形態及び第２実施形態のものと同様に、波長依存性及び偏光依存性が低く、十分な光出力が得られ、作製トレランスが大きく、コンパクトで、多チャネル化への応用性に優れたものを実現できるという利点がある。

なお、上述の実施形態は、上述の第２実施形態の変形例として説明しているが、上述の第１実施形態の変形例として構成することもできる。つまり、上述の実施形態において、入力導波路１及び出力導波路２を構成するＬＩＣ導波路構造を有する低屈折率差構造部１Ｂ，２Ｂがテーパ構造を有しないものとして構成することもできる。
［第４実施形態］
次に、本発明の第４実施形態にかかる半導体素子について、図８を参照しながら説明する。

本実施形態にかかる半導体素子（ＭＭＩカプラ）２０は、上述の第１実施形態のものに対し、入力導波路１及び出力導波路２を構成するＬＩＣ導波路構造を有する低屈折率差構造部１Ｂ，２Ｂを有しない点が異なる。なお、図８では、上述の第１実施形態（図１参照）と同一のものには同一の符号を付している。
本実施形態では、図８に示すように、入力導波路１及び出力導波路２は、入力導波路１及び出力導波路２を構成するメサ構造１Ａ，２Ａの側面に接する領域（ここでは空気）に対する屈折率差が所定値よりも大きい高屈折率差構造［ＨＩＣ（high index contrast）構造］になっている。

つまり、本実施形態では、入力導波路１及び出力導波路２は、これらを構成するメサ構造１Ａ，２Ａが半導体材料によって埋め込まれておらず、その両側、即ち、メサ構造１Ａ，２Ａの側面に接する領域が空気によって構成されている。ここで、メサ構造１Ａ，２Ａは、リブ構造、リッジ構造、ハイメサ構造のいずれかである。
なお、入力導波路１及び出力導波路２を構成するメサ構造１Ａ，２Ａの側面に接する領域は、多モード干渉導波路３を構成するメサ構造３Ａの側面に接する領域を構成する半導体材料よりも屈折率が一定値以上小さいものによって構成されていれば良く（例えば屈折率２以下の低屈折率材料によって構成されているのが好ましい）、例えばＢＣＢ（高分子材料），ＳｉＯ₂（ガラス系材料）などの空気以外のものによって構成されていても良い。

このように、入力導波路１及び出力導波路２は、半導体埋込構造を有しないため、入力導波路１及び出力導波路２の等価屈折率とこれらを構成するメサ構造１Ａ，２Ａの側面に接する領域（ここでは空気）の屈折率との差が所定値よりも大きくなっており、横方向の光閉じ込め作用が強い高屈折率差（ＨＩＣ：high index contrast）を有する構造（ＨＩＣ導波路構造）になっている。

つまり、入力導波路１及び出力導波路２の等価屈折率とこれらを構成するメサ構造１Ａ，２Ａの側面に接する領域（ここでは空気）の屈折率との差が、多モード干渉導波路３の等価屈折率とこれを構成するメサ構造３Ａの側面に接する領域（ここでは半絶縁性半導体材料）の屈折率との差よりも大きくなっている。
一方、本実施形態のように、多モード干渉導波路３をＬＩＣ導波路構造とし、入力導波路１及び出力導波路２をＨＩＣ導波路構造とすると、上述の「発明が解決しようとする課題」の欄で説明したように［図１９参照］、モード不整合による特性劣化が起こることになる。

このため、本実施形態では、入力導波路１及び出力導波路２の幅が、多モード干渉導波路３との境界で、シングルモード条件を満たすように設定された所望の導波路幅よりも広くなるようにしている。
具体的には、入力導波路１及び出力導波路２を、ＭＭＩ導波路（ＭＭＩ領域）３との境界で幅が最も広くなるテーパ構造１Ｄ，２Ｄを有するものとして構成している。つまり、ＨＩＣ導波路構造とＬＩＣ導波路構造との間のモード整合のために、ＨＩＣ導波路構造を有する入力導波路１及び出力導波路２を、ＬＩＣ導波路構造を有するＭＭＩ導波路３との境界部分に向かって幅が広くなるテーパ構造１Ｄ，２Ｄを有するものとしている。なお、入力導波路１及び出力導波路２のテーパ構造１Ｄ，２Ｄは、モード整合のために用いられるため、モード整合部（モード整合領域）ともいう。

特に、入力導波路１及び出力導波路２における屈折率差とＭＭＩ導波路３における屈折率差の違いに応じて、入力導波路１及び出力導波路２とＭＭＩ導波路３との境界部分における入力導波路１及び出力導波路２の幅を設定すれば良い。本実施形態では、入力導波路１及び出力導波路２のテーパ構造１Ｄ，２Ｄの幅を最適化することによって、入力導波路１及び出力導波路２とＭＭＩ導波路３との境界部分で過剰損失を生じることなく、入力導波路１及び出力導波路２からＭＭＩ導波路３へ光信号を結合させることができるようにしている。

なお、ここでは、入力導波路１及び出力導波路２を、テーパ構造１Ｄ，２Ｄを有するものとして構成しているが、これに限られるものではなく、例えば、入力導波路１及び出力導波路２は、少なくともＭＭＩ導波路３との境界部分及びその近傍領域において、シングルモード条件を満たすように設定された所望の導波路幅（ここでは２．８μｍ）よりも広くなっていれば良く、例えば、入力導波路１及び出力導波路２は、ＭＭＩ導波路３との境界部分から所望の長さまでがシングルモード条件を満たすように設定された所望の導波路幅よりも広くなるようにしても良い。

このように構成されるＭＭＩカプラ２０は、上述の第１実施形態のものと同様の作製プロセスによって作製することができる。つまり、上述の第１実施形態の作製プロセス中、ＭＭＩ導波路３を形成するための最初のパターニングの際の光露光プロセスにおいて、フォトマスクで保護する領域を変えるだけで、即ち、入力導波路１及び出力導波路２のＬＩＣ導波路構造を有する低屈折率差構造部１Ｂ，２Ｂを形成するための導波路パターンを組み込まないようにするだけで作製することができる。

なお、その他の構成及び製造方法は、上述の第１実施形態のものと同じであるため、ここでは説明を省略する。
したがって、本実施形態にかかる半導体素子（ＭＭＩカプラ）によれば、上述の第１実施形態のものと同様に、波長依存性及び偏光依存性が低く、十分な光出力が得られ、作製トレランスが大きく、コンパクトで、多チャネル化への応用性に優れたものを実現できるという利点がある。
［その他］
なお、上述の各実施形態では、半導体基板上にＭＭＩカプラ２０のみを備える半導体素子を例に挙げて説明しているが、例えば、このような半導体素子（ＭＭＩカプラ）２０が形成されている半導体基板上に、半導体光増幅器、半導体レーザ（レーザ光源）、光変調器、位相変調器、光フィルタなどの他の光機能素子及び光導波路を集積させることによって高機能な半導体光集積素子を構成することもできる。このような半導体光集積素子によって高機能な光信号処理が可能となるため、このような高機能な半導体光集積素子を備えるものとして光伝送装置を構成することで、光伝送装置の高性能化を図ることができる。

例えば図９に示すように、単一の半導体基板（同一半導体基板）２１上に、上述の各実施形態にかかる半導体素子（ＭＭＩカプラ）のいずれかの半導体素子（ＭＭＩカプラ）２０と、半導体光増幅器（ＳＯＡ）２２と、光導波路２３とをモノリシックに集積させて、半導体光集積素子としての光ゲートスイッチ２４を構成することができる。ここでは、ＭＭＩカプラ（多モード干渉導波路）２０の入力側に複数の曲げ導波路（入力導波路）２３Ａを介して複数のＳＯＡ２２Ａ（ＳＯＡゲートアレイ）を接続し、ＭＭＩカプラ２０の出力側に１つの光導波路（出力導波路）２３Ｂを介して１つのＳＯＡ２２Ｂを接続している。

このように構成される光ゲートスイッチ２４では、入力側に位置する複数のＳＯＡ２２Ａの電流制御によって、任意のチャネルの光信号を取り出すことができる。この際に、上述の各実施形態にかかるＭＭＩカプラ２０による低波長依存性及び低偏光依存性によって波長多重された光信号や偏光制御されていない光信号に対して光強度が一定に保たれ、高品質な光信号処理が可能となる。

また、例えば図１０に示すように、単一の半導体基板（同一半導体基板）２１上に、上述の各実施形態にかかる半導体素子（ＭＭＩカプラ）のいずれかの半導体素子（ＭＭＩカプラ）２０と、半導体レーザ（ＬＤ；レーザダイオード）２５と、半導体光増幅器（ＳＯＡ）２２と、光導波路２３とをモノリシックに集積させて、半導体光集積素子としての波長可変レーザ（波長可変光源）２６を構成することもできる。ここでは、ＭＭＩカプラ（多モード干渉導波路）２０の入力側に複数の曲げ導波路（入力導波路）２３Ａを介して複数の半導体レーザ２５を接続し、ＭＭＩカプラ２０の出力側に１つの光導波路（出力導波路）２３Ｂを介してＳＯＡ２２を接続している。

このように、上述の各実施形態にかかるＭＭＩカプラ２０を用いて波長可変レーザ２６を構成することで、上述の各実施形態にかかるＭＭＩカプラ２０による低波長依存性によって全てのチャネルにわたってレーザ出力パワーを一定に保つことができるようになる。
また、例えば図１１に示すように、単一の半導体基板（同一半導体基板）２１上に、上述の各実施形態にかかる半導体素子（ＭＭＩカプラ）のいずれかの半導体素子（ＭＭＩカプラ）２０と、半導体レーザ（ＬＤ；レーザダイオード）２５と、半導体光増幅器（ＳＯＡ）２２と、光変調器（ＭＯＤ）２７と、光導波路２３とをモノリシックに集積させて、半導体光集積素子としての外部変調器集積型波長可変レーザ（外部変調器集積型波長可変光源）２８を構成することもできる。ここでは、ＭＭＩカプラ（多モード干渉導波路）２０の入力側に複数の曲げ導波路（入力導波路）２３Ａを介して複数の半導体レーザ２５を接続し、ＭＭＩカプラ２０の出力側に１つの光導波路（出力導波路）２３Ｂを介してＳＯＡ２２及びＭＯＤ２７を接続している。

また、例えば図１２に示すように、単一の半導体基板（同一半導体基板）２１上に、上述の各実施形態にかかる半導体素子（ＭＭＩカプラ）のいずれかの半導体素子（ＭＭＩカプラ）２０と、半導体レーザ（ＬＤ；レーザダイオード）２５［又は半導体光増幅器（ＳＯＡ）２２］と、位相変調器（Ｐｈ−ＭＯＤ）２９と、半導体光増幅器（ＳＯＡ）２２と、光変調器（ＭＯＤ）２７と、光導波路２３とをモノリシックに集積させて、半導体光集積素子３０を構成することもできる。ここでは、ＭＭＩカプラ（多モード干渉導波路）２０の入力側に複数の曲げ導波路（入力導波路）２３Ａを介して複数の半導体レーザ２５（又はＳＯＡ２２Ａ）及び複数のＰｈ−ＭＯＤ２９を接続し、ＭＭＩカプラ２０の出力側に１つの光導波路（出力導波路）２３Ｂを介してＳＯＡ２２Ｂ及びＭＯＤ２７を接続している。

また、例えば図１３に示すように、単一の半導体基板（同一半導体基板）２１上に、上述の各実施形態にかかる半導体素子（ＭＭＩカプラ）のいずれかの半導体素子（ＭＭＩカプラ）２０と、半導体レーザ（ＬＤ；レーザダイオード）２５［又は半導体光増幅器（ＳＯＡ）２２］と、半導体光増幅器（ＳＯＡ）２２と、光フィルタ（ＯＦ）３１と、光導波路２３とをモノリシックに集積させて、半導体光集積素子３２を構成することもできる。ここでは、ＭＭＩカプラ（多モード干渉導波路）２０の入力側に複数の曲げ導波路（入力導波路）２３Ａを介して複数の半導体レーザ２５（又はＳＯＡ２２Ａ）を接続し、ＭＭＩカプラ２０の出力側に１つの光導波路（出力導波路）２３Ｂを介してＳＯＡ２２Ｂ及びＯＦ３１を接続している。

また、本発明は、上述した各実施形態及び変形例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形することができる。
以下、上述の各実施形態及び変形例に関し、更に、付記を開示する。
（付記１）
入力導波路と、
出力導波路と、
一端に前記入力導波路が接続され、他端に前記出力導波路が接続された多モード干渉導波路とを備え、
前記多モード干渉導波路は、前記多モード干渉導波路を構成するメサ構造の側面に接する領域に対する屈折率差が所定値以下の低屈折率差構造になっており、
前記入力導波路及び前記出力導波路は、前記多モード干渉導波路に連なり、前記入力導波路及び前記出力導波路を構成するメサ構造の側面に接する領域に対する屈折率差が所定値以下の低屈折率差構造部と、前記低屈折率差構造部に連なり、前記入力導波路及び前記出力導波路を構成するメサ構造の側面に接する領域に対する屈折率差が所定値よりも大きい高屈折率差構造部とを備え、
前記入力導波路及び前記出力導波路の前記高屈折率差構造部は、前記低屈折率差構造部との境界で前記低屈折率差構造部よりも幅が広くなっていることを特徴とする半導体素子。

（付記２）
前記入力導波路及び前記出力導波路の前記高屈折率差構造部は、前記低屈折率差構造部との境界で幅が最も広くなるテーパ構造を有することを特徴とする、付記１記載の半導体素子。
（付記３）
前記入力導波路及び前記出力導波路の前記低屈折率差構造部は、テーパ構造を有することを特徴とする、付記１又は２記載の半導体素子。

（付記４）
前記テーパ構造は、前記多モード干渉導波路との境界で幅が最も広くなるテーパ構造であることを特徴とする、付記３記載の半導体素子。
（付記５）
前記入力導波路及び前記出力導波路の前記高屈折率差構造部は、前記メサ構造の側面に接する領域が半導体材料よりも屈折率が一定値以上小さいものによって構成されており、
前記多モード干渉導波路、及び、前記入力導波路及び前記出力導波路の前記低屈折率差構造部は、前記メサ構造の側面に接する領域が半導体材料によって構成されていることを特徴とする、付記１〜４のいずれか１項に記載の半導体素子。

（付記６）
入力導波路と、
出力導波路と、
一端に前記入力導波路が接続され、他端に前記出力導波路が接続された多モード干渉導波路とを備え、
前記多モード干渉導波路は、前記多モード干渉導波路を構成するメサ構造の側面に接する領域に対する屈折率差が所定値以下の低屈折率差構造になっており、
前記入力導波路及び前記出力導波路は、前記入力導波路及び前記出力導波路を構成するメサ構造の側面に接する領域に対する屈折率差が所定値よりも大きい高屈折率差構造になっており、
前記入力導波路及び前記出力導波路は、前記多モード干渉導波路との境界で、シングルモード条件を満たすように設定された所望の導波路幅よりも幅が広くなっていることを特徴とする半導体素子。

（付記７）
前記入力導波路及び前記出力導波路は、前記多モード干渉導波路との境界で幅が最も広くなるテーパ構造を有することを特徴とする、付記６記載の半導体素子。
（付記８）
前記入力導波路及び前記出力導波路は、前記メサ構造の側面に接する領域が半導体材料よりも屈折率が一定値以上小さいものによって構成されており、
前記多モード干渉導波路は、前記メサ構造の側面に接する領域が半導体材料によって構成されていることを特徴とする、付記６又は７記載の半導体素子。

（付記９）
前記メサ構造は、リブ構造、リッジ構造、ハイメサ構造のいずれかであることを特徴とする、付記１〜８のいずれか１項に記載の半導体素子。
（付記１０）
前記入力導波路は、１つ設けられており、
前記出力導波路は、複数設けられていることを特徴とする、付記１〜９のいずれか１項に記載の半導体素子。

（付記１１）
前記入力導波路は、複数設けられており、
前記出力導波路は、１つ設けられていることを特徴とする、付記１〜９のいずれか１項に記載の半導体素子。
（付記１２）
前記入力導波路は、複数設けられており、
前記出力導波路は、複数設けられていることを特徴とする、付記１〜９のいずれか１項に記載の半導体素子。

（付記１３）
付記１〜１２のいずれか１項に記載の半導体素子と、
前記半導体素子が形成されている半導体基板上に集積された光機能素子とを備えることを特徴とする半導体光集積素子。
（付記１４）
前記光機能素子として、前記半導体素子の前記入力導波路に接続された光増幅器と、前記半導体素子の前記出力導波路に接続された光増幅器とを備えることを特徴とする、付記１３記載の半導体光集積素子。

（付記１５）
前記光機能素子として、前記半導体素子の前記入力導波路に接続されたレーザと、前記半導体素子の前記出力導波路に接続された光増幅器とを備えることを特徴とする、付記１３記載の半導体光集積素子。
（付記１６）
前記光機能素子として、前記半導体素子の前記入力導波路に接続されたレーザと、前記半導体素子の前記出力導波路に接続された光増幅器及び光変調器とを備えることを特徴とする、付記１３記載の半導体光集積素子。

（付記１７）
前記光機能素子として、
前記半導体素子の前記入力導波路に接続されたレーザ及び位相変調器、又は、光増幅器及び位相変調器と、
前記半導体素子の前記出力導波路に接続された光増幅器及び光変調器とを備えることを特徴とする、付記１３記載の半導体光集積素子。

（付記１８）
前記光機能素子として、前記半導体素子の前記入力導波路に接続されたレーザ又は光増幅器と、前記半導体素子の前記出力導波路に接続された光増幅器及び光フィルタとを備えることを特徴とする、付記１３記載の半導体光集積素子。
（付記１９）
付記１〜１２のいずれか１項に記載の半導体素子を備えることを特徴とする、光伝送装置。

（付記２０）
付記１３〜１８のいずれか１項に記載の半導体光集積素子を備えることを特徴とする、光伝送装置。

本発明の第１実施形態にかかる半導体素子（ＭＭＩカプラ）の構成を示す模式図である。 本発明の第１実施形態にかかる半導体素子（ＭＭＩカプラ）の透過特性を示す図である。 （Ａ）〜（Ｄ）は、本発明の第１実施形態にかかる半導体素子（ＭＭＩカプラ）の入力導波路及び出力導波路の低屈折率差構造部の長さを変えた場合の透過特性を示す図であって、（Ａ）は低屈折率差構造部の長さを２０μｍにした場合、（Ｂ）は低屈折率差構造部の長さを３０μｍにした場合、（Ｃ）は低屈折率差構造部の長さを４０μｍにした場合、（Ｄ）は低屈折率差構造部の長さを１００μｍにした場合をそれぞれ示している。 （Ａ）〜（Ｄ）は、本発明の第１実施形態にかかる半導体素子（ＭＭＩカプラ）の構成及びその製造方法を説明するための図である。 本発明の第２実施形態にかかる半導体素子（ＭＭＩカプラ）の構成を示す模式図である。 本発明の第２実施形態にかかる半導体素子（ＭＭＩカプラ）の透過特性を示す図である。 本発明の第３実施形態にかかる半導体素子（ＭＭＩカプラ）の構成を示す模式図である。 本発明の第４実施形態にかかる半導体素子（ＭＭＩカプラ）の構成を示す模式図である。 本発明の一実施形態にかかる半導体光集積素子の構成例を示す模式図である。 本発明の一実施形態にかかる半導体光集積素子の他の構成例を示す模式図である。 本発明の一実施形態にかかる半導体光集積素子の他の構成例を示す模式図である。 本発明の一実施形態にかかる半導体光集積素子の他の構成例を示す模式図である。 本発明の一実施形態にかかる半導体光集積素子の他の構成例を示す模式図である。 従来のＨＩＣ構造を用いた１×８ＭＭＩ結合器の概略を示す模式図である。 従来のＨＩＣ構造を用いた１×８ＭＭＩ結合器の透過特性を示す図である。 従来のＬＩＣ構造を用いた１×８ＭＭＩ結合器の概略を示す模式図である。 従来のＬＩＣ構造を用いた１×８ＭＭＩ結合器の透過特性を示す図である。 本発明の創案過程で提案された複合型１×８ＭＭＩ結合器（ＬＩＣ構造を用いたＭＭＩ導波路と、ＨＩＣ構造を用いた入出力導波路とを備えるもの）の概略を示す模式図である。 本発明の創案過程で提案された複合型１×８ＭＭＩ結合器の透過特性を示す図である。

符号の説明

１ 入力導波路（入力ポート）
１Ａ，２Ａ メサ構造
１Ｂ，２Ｂ 低屈折率差構造部（ＬＩＣ構造部）
１Ｃ，２Ｃ 高屈折率差構造部（ＨＩＣ構造部）
１Ｄ，２Ｄ テーパ構造
１Ｅ，２Ｅ テーパ構造
２ 出力導波路（出力ポート）
３ 多モード干渉導波路（ＭＭＩ導波路）
３Ａ メサ構造
４ 半絶縁性ＩｎＰ層（半絶縁性半導体層）
１０ ｎ型ＩｎＰ基板
１２ 無ドープＧａＩｎＡｓＰコア層
１３ 無ドープＩｎＰ層
２０ 多モード干渉カプラ（ＭＭＩカプラ；半導体素子）
２１ 半導体基板
２２，２２Ａ，２２Ｂ 半導体光増幅器（ＳＯＡ）
２３，２３Ｂ 光導波路
２３Ａ 曲げ導波路
２４ 光ゲートスイッチ（半導体光集積素子）
２５ 半導体レーザ
２６ 波長可変レーザ（波長可変光源；半導体光集積素子）
２７ 光変調器（ＭＯＤ）
２８ 外部変調器集積型波長可変レーザ（外部変調器集積型波長可変光源；半導体光集積素子）
２９ 位相変調器（Ｐｈ−ＭＯＤ）
３０ 半導体光集積素子
３１ 光フィルタ（ＯＦ）
３２ 半導体光集積素子

Claims (10)

1. 入力導波路と、
   出力導波路と、
   一端に前記入力導波路が接続され、他端に前記出力導波路が接続された多モード干渉導波路とを備え、
   前記多モード干渉導波路は、前記多モード干渉導波路を構成するメサ構造の側面に接する領域の屈折率が前記多モード干渉導波路の等価屈折率よりも小さく、前記多モード干渉導波路の等価屈折率と前記多モード干渉導波路を構成するメサ構造の側面に接する領域の屈折率との差が第１屈折率差である第１屈折率差構造になっており、
   前記入力導波路及び前記出力導波路は、前記多モード干渉導波路に連なり、前記入力導波路及び前記出力導波路を構成するメサ構造の側面に接する領域の屈折率が前記入力導波路及び前記出力導波路の等価屈折率よりも小さく、前記入力導波路及び前記出力導波路の等価屈折率と前記入力導波路及び前記出力導波路を構成するメサ構造の側面に接する領域の屈折率との差が前記第１屈折率差である第１屈折率差構造部と、前記第１屈折率差構造部に連なり、前記入力導波路及び前記出力導波路を構成するメサ構造の側面に接する領域の屈折率が前記入力導波路及び前記出力導波路の等価屈折率よりも小さく、前記入力導波路及び前記出力導波路の等価屈折率と前記入力導波路及び前記出力導波路を構成するメサ構造の側面に接する領域の屈折率との差が前記第１屈折率差よりも大きい第２屈折率差である第２屈折率差構造部とを備え、
   前記入力導波路及び前記出力導波路の前記第２屈折率差構造部は、前記第１屈折率差構造部との境界で前記第１屈折率差構造部よりも幅が広くなっていることを特徴とする半導体素子。
2. 前記入力導波路及び前記出力導波路の前記第２屈折率差構造部は、前記第１屈折率差構造部との境界で幅が最も広くなるテーパ構造を有することを特徴とする、請求項１記載の半導体素子。
3. 前記入力導波路及び前記出力導波路の前記第１屈折率差構造部は、テーパ構造を有することを特徴とする、請求項１又は２記載の半導体素子。
4. 前記多モード干渉導波路、及び、前記入力導波路及び前記出力導波路の前記第１屈折率差構造部は、前記メサ構造の側面に接する領域が半導体材料によって構成されており、
   前記入力導波路及び前記出力導波路の前記第２屈折率差構造部は、前記メサ構造の側面に接する領域が前記半導体材料よりも屈折率が小さいものによって構成されていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体素子。
5. 入力導波路と、
   出力導波路と、
   一端に前記入力導波路が接続され、他端に前記出力導波路が接続された多モード干渉導波路とを備え、
   前記多モード干渉導波路は、前記多モード干渉導波路を構成するメサ構造の側面に接する領域の屈折率が前記多モード干渉導波路の等価屈折率よりも小さく、前記多モード干渉導波路の等価屈折率と前記多モード干渉導波路を構成するメサ構造の側面に接する領域の屈折率との差が第１屈折率差である第１屈折率差構造になっており、
   前記入力導波路及び前記出力導波路は、前記入力導波路及び前記出力導波路を構成するメサ構造の側面に接する領域の屈折率が前記入力導波路及び前記出力導波路の等価屈折率よりも小さく、前記入力導波路及び前記出力導波路の等価屈折率と前記入力導波路及び前記出力導波路を構成するメサ構造の側面に接する領域の屈折率との差が前記第１屈折率差よりも大きい第２屈折率差である第２屈折率差構造になっており、
   前記入力導波路及び前記出力導波路は、前記多モード干渉導波路との境界で、シングルモード条件を満たすように設定された所望の導波路幅よりも幅が広くなっていることを特徴とする半導体素子。
6. 前記入力導波路及び前記出力導波路は、前記多モード干渉導波路との境界で幅が最も広くなるテーパ構造を有することを特徴とする、請求項５記載の半導体素子。
7. 前記多モード干渉導波路は、前記メサ構造の側面に接する領域が半導体材料によって構成されており、
   前記入力導波路及び前記出力導波路は、前記メサ構造の側面に接する領域が前記半導体材料よりも屈折率が小さいものによって構成されていることを特徴とする、請求項５又は６記載の半導体素子。
8. 前記メサ構造は、リブ構造、リッジ構造、ハイメサ構造のいずれかであることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の半導体素子。
9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の半導体素子と、
   前記半導体素子が形成されている半導体基板上に集積された光機能素子とを備えることを特徴とする半導体光集積素子。
10. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の半導体素子を備えることを特徴とする、光伝送装置。

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