JP5275634B2 - 光集積素子および光集積素子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、主に光通信に用いられる光集積素子およびその製造方法に関するものである。

日々進歩する光通信技術の中で、素子の高機能化、小型化、低消費電力化などへの要求は大きくなっている。このような要求に対する回答として、光素子を高度に集積化した光集積素子が期待されている。

半導体を用いた光集積素子において、導波路構造として有望視されているのがハイメサ型導波路である（特許文献１参照）。図３２は、従来のハイメサ型導波路の構造を示す模式的な断面図である。図３２に示すように、このハイメサ型導波路は、基板７０上に、その一部が突出高さｄ５だけ突出しながら基板７０表面に沿って延設され下部クラッド層７１と、コア層７２と、上部クラッド層７３とが順次積層した構造を有している。ここで、コア層７２の屈折率は、下部クラッド層７１および上部クラッド層７３よりも大きく、空気よりもきわめて大きい。したがって、コア層７２を伝播する光は、厚さ方向にはコア層７２と下部クラッド層７１および上部クラッド層７３との屈折率差によって閉じ込められ、幅方向にはコア層７２と空気との大きい屈折率差によって閉じ込められる。このような構造は、基板７０上にコア層７２、上部クラッド層７３を順次積層し、その後上部クラッド層７３とコア層７２とを貫くように、基板７０内部に到る深さまでエッチングを行って、導波路としたい部分のみを残すことで作製できる。

光集積素子における導波路は、光を基本モードのみで伝播させる単一モード導波路であることが望ましい。半導体のハイメサ型導波路を完全に単一モード導波路になるよう設計すると、導波路の幅（メサ幅）は１μｍを大きく下回ることとなる。この幅は作製の容易性の観点からは許容しづらいほど小さい値であるため、実際にはある程度高次モードでも光を伝播させるような多モード導波路となることを許容して、メサ幅を２μｍ程度に設計することが多い。

これに対して、特許文献１には、多モード導波路となるようなメサ幅を有するハイメサ型導波路において、高次モードでの光の伝播を抑制するための設計が開示されている。要約すると、ハイメサ型導波路において、基本モードの等価屈折率が基板の屈折率よりも大きく、高次モードの等価屈折率が基板の屈折率よりも小さくなるようにコア層および上下部クラッド層を設計し、さらに下部クラッド層の基板からの突出高さを小さくすることによって、高次モードで伝播する光が基板内に放射して減衰し、その結果高次モードでの光の伝播を抑制することができる。

特開２００３−２０７６６５号公報

ところで、光集積素子においては、光素子の各要素を適切に接続するために、直線状に形成された直線導波路だけでなく、基板の表面と平行な面内において曲げを有する曲げ導波路の使用が必要となる。しかしながら、高次モードでの光の伝播を抑制するために設計された曲げ導波路には、曲げによる過剰な基本モードの伝播損失（曲げ伝播損失）が発生する。

ここで、特許文献１のように高次モードで伝播する光が基板に放射するように設計されたハイメサ型導波路について、電磁界シミュレーションを用いた計算結果から、曲げの曲率半径と基本モードの曲げ伝播損失との関係を説明する。なお、計算において、コア層の厚さを０．３０μｍ、下部クラッド層の基板からの突出高さを０．５０μｍ、上部クラッド層の厚さを２．５０μｍ、メサ幅を２．０μｍとした。また、コア層の屈折率を３．３１、上部クラッド層および下部クラッド層および基板の屈折率を３．１７とし、メサ構造の周囲の屈折率を１．００とした。このような数値に設計することにより、この導波路における基本モードの等価屈折率が基板の屈折率よりも大きく、高次モードの等価屈折率が基板の屈折率よりも小さくなり、これによって高次モードで伝播する光が基板内放射する。

図３３は、従来のハイメサ型導波路における曲率半径に対する基本モードの曲げ伝播損失の計算結果を示す図である。図３３に示すように、従来のハイメサ型導波路では、曲げ伝播損失は、ＴＥモード、ＴＭモードのいずれについても曲率半径が小さくなるにしたがって指数関数的に増加し、その値は曲率半径が２００μｍの場合で２ｄＢ／ｍｍ、曲率半径が１００μｍの場合では８ｄＢ／ｍｍにも達する。

このように、高次モードで伝播する光が放射するように設計されたハイメサ型導波路では、曲げ導波路とした場合には無視できない基本モードの曲げ伝播損失が発生するという問題がある。この曲げ伝播損失は、曲げ導波路の曲率半径を小さくした場合に特に顕著となるため、光集積素子を小型化、高集積化する際に特に問題となる。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ハイメサ型導波路における基本モードの曲げ伝播損失が抑制された光集積素子および光集積素子の製造方法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、本発明に係る光集積素子は、基板と、前記基板上に突出しながら該基板表面に沿って延設され、下部クラッド層と、前記下部クラッド層上に形成され該下部クラッド層よりも大きい屈折率を有するコア層と、前記コア層上に形成され該コア層よりも小さい屈折率を有する上部クラッド層とを有する導波路と、を備え、前記導波路は、直線導波路部と前記基板の表面と平行な面内において曲げを有する曲げ導波路部とを含み、前記曲げ導波路部における下部クラッド層の前記基板からの突出高さは、前記直線導波路部における下部クラッド層の前記基板からの突出高さよりも大きいことを特徴とする。

また、本発明に係る光集積素子は、上記の発明において、前記曲げ導波路部における下部クラッド層の突出高さと前記直線導波路部における下部クラッド層の突出高さとの差をΔｄとし、素子の動作波長をλとし、前記下部クラッド層と前記コア層と前記上部クラッド層とが形成する積層構造と同一の積層構造を有する平板導波路の前記動作波長における実効屈折率をｎeffとし、前記下部クラッド層の前記動作波長における屈折率をｎcladとすると、前記Δｄは、式（１）
Δｄ≧０．１３λ／（ｎeff^２−ｎclad^２）^１／２ ・・・ （１）
を満たすことを特徴とする。

また、本発明に係る光集積素子は、上記の発明において、前記曲げ導波路部の曲率半径は２５０μｍ以下であり、前記曲げ導波路部における下部クラッド層の突出高さは０．９０μｍ以上であることを特徴とする。

また、本発明に係る光集積素子は、上記の発明において、前記曲げ導波路部の曲率半径は１２５μｍ以下であり、前記曲げ導波路部における下部クラッド層の突出高さは１．２０μｍ以上であることを特徴とする。

また、本発明に係る光集積素子は、上記の発明において、前記導波路の幅方向両側において該導波路から離隔した領域に、前記基板上に突出するように設けたメサ構造を有するサポートメサ部を備え、前記曲げ導波路部と前記サポートメサ部との離隔幅は、前記直線導波路と前記サポートメサ部との離隔幅よりも大きいことを特徴とする。

また、本発明に係る光集積素子は、上記の発明において、前記直線導波路と前記サポートメサ部との離隔幅は、４μｍ以下であることを特徴とする。

また、本発明に係る光集積素子の製造方法は、基板上に、少なくとも前記基板よりも大きい屈折率を有するコア層と前記コア層よりも小さい屈折率を有する上部クラッド層とを順次積層し、積層構造を形成する積層構造形成工程と、前記積層構造上に、直線部と曲げ部とを有する導波路マスクパターンと、前記導波路マスクパターンの幅方向両側において該導波路マスクパターンから離隔した領域に、前記導波路マスクパターンの曲げ部に対する離隔幅が前記導波路マスクパターンの直線部に対する離隔幅よりも大きいサポートメサマスクパターンとを有するマスクを形成するマスク形成工程と、前記積層構造を形成した基板を前記基板内部に到る深さまでドライエッチングし、前記導波路マスクパターンの直下に、前記曲げ部における前記基板のエッチング深さが前記直線部における前記基板のエッチング深さよりも大きい導波路を形成するとともに、前記サポートメサマスクパターン直下にメサ構造を有するサポートメサを形成するメサ構造形成工程と、を含むことを特徴とする。

また、本発明に係る光集積素子の製造方法は、上記の発明において、前記積層構造形成工程は、半導体材料を用いて前記基板、前記コア層、および前記上部クラッド層を積層し、前記マスク形成工程は、前記導波路マスクパターンの直線部に対する前記サポートメサマスクパターンの離隔幅を４μｍ以下となるように前記導波路マスクパターンおよび前記サポートメサマスクパターンを形成し、前記メサ構造形成工程は、ドライエッチングとして塩素ガスを用いた反応性イオンエッチングを行なうことを特徴とする。

本発明によれば、ハイメサ型導波路における基本モードの曲げ伝播損失が抑制された光集積素子を実現できるという効果を奏する。

以下に、図面を参照して本発明に係る光集積素子および光集積素子の製造方法の実施の形態を詳細に説明する。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。

（実施の形態１）
はじめに、本発明の実施の形態１について説明する。本実施の形態１に係る光集積素子は、動作波長が１．５５μｍ帯であるマッハツェンダ干渉計型の光スイッチである。

図１は、本実施の形態１に係る光スイッチ１００の模式的な平面図である。また、図２は、図１に示す光スイッチ１００の半導体からなる部分のみを示した平面図である。図１、２に示すように、この光スイッチ１００は、順次接続しているハイメサ型の導波路である入力導波路１１、入力側ＭＭＩ(多モード干渉器)１２、入力側曲げ導波路１３ａ、１３ｂ、位相変調導波路１４ａ、１４ｂ、出力側曲げ導波路１５ａ、１５ｂ、出力側ＭＭＩ１６、出力導波路１７と、メサ構造を有するサポートメサ部１８ａ〜１８ｇと、パッド電極２７と、低反射コーティング膜２９とを備えている。

入力導波路１１、出力導波路１７の長さは、いずれも２００μｍである。また、入力側曲げ導波路１３ａ、１３ｂ、および出力側曲げ導波路１５ａ、１５ｂは、いずれも曲率半径２５０μｍの２つの円弧状導波路を接続したものであり、Ｓ字状を有している。また、ＭＭＩを除く各ハイメサ型導波路の幅はいずれも２．０μｍである。

この光スイッチ１００は以下のように動作する。すなわち、入力側ＭＭＩ１２が、入力導波路１１から入力した波長１．５５μｍ帯の光を２分岐し、入力側曲げ導波路１３ａ、１３ｂを介して位相変調導波路１４ａ、１４ｂに出力する。位相変調導波路１４ａ、１４ｂは、入力する電圧信号に応じて、入力した各光間にゼロまたは所定量の位相差を与え、出力側曲げ導波路１５ａ、１５ｂを介して出力側ＭＭＩ１６に出力する。出力側ＭＭＩ１６は、入力した各光間の位相差がゼロの場合にはこれらを合波して出力導波路１７から出力し、位相差が所定量の場合は入力した各光を出力しないようにする。その結果、この光スイッチ１００は、入力する電圧信号に応じて光出力のＯＮ／ＯＦＦを切り替えられる光スイッチとして動作する。

以下、各構成要素の断面構造について具体的に説明する。図３は、図１に示すＡ−Ａ線に沿った断面構造を模式的に示す図である。図３に示すように、入力導波路１１は、ハイメサ型導波路であり、ｎ−ＩｎＰからなる基板２０上に、基板２０の一部が突出高さｄ１だけ突出しながら基板２０表面に沿って延設された下部クラッド層２１ａと、ＧａＩｎＡｓＰ多重量子井戸構造を有するコア層２２と、ｐ−ＩｎＰからなる上部クラッド層２３とが順次積層した構造を有している。また、入力導波路１１の幅方向両側には、メサ構造を有し、入力導波路１１と同様の積層構造を有するサポートメサ部１８ａ、１８ｂが入力導波路１１からそれぞれ離隔幅Ｗ１だけ離隔して形成されている。このサポートメサ部１８ａ、１８ｂは、微細な凸部である各ハイメサ型導波路が、製造時の組み立て作業中などに他の物との物理的接触によって壊れるのを防ぐという機能を有する。また、図３に示すように、入力導波路１１およびサポートメサ部１８ａ、１８ｂの表面を覆うように、ＳｉＮ_ｘからなるパッシベーション膜２４が形成されている。また、基板２０の裏面にはＡｕＧｅＮｉ／Ａｕからなるｎ側電極２８が形成されている。また、出力導波路１７も入力導波路１１と同様の構造を有している。また、サポートメサ部１８ｆ、１８ｇもサポートメサ部１８ａ、１８ｂと同様の構造を有している。

つぎに、図４は、図１に示すＢ−Ｂ線に沿った断面の構造を模式的に示す図である。図４に示すように、入力側曲げ導波路１３ａは、入力導波路１１と同様にハイメサ型導波路であり、基板２０上に、基板２０の一部が突出高さｄ２だけ突出しながら基板２０表面に沿って延設された下部クラッド層２１ｂと、コア層２２と、上部クラッド層２３とが順次積層した構造を有している。そして、入力側曲げ導波路１３ａは、基板２０の表面と平行な面内において曲率半径２５０μｍの曲げを有する。また、入力側曲げ導波路１３ａの表面を覆うようにパッシベーション膜２４が形成されている。また、基板２０の裏面にはｎ側電極２８が形成されている。また、入力側曲げ導波路１３ｂ、出力側曲げ導波路１５ａ、１５ｂも入力側曲げ導波路１３ａと同様の構造を有している。

つぎに、図５は、図１に示すＣ−Ｃ線に沿った断面の構造を模式的に示す図である。図５に示すように、位相変調導波路１４ａは、入力導波路１１と同様にハイメサ型導波路であり、基板２０上に、基板２０の一部が突出高さｄ１だけ突出しながら基板２０表面に沿って延設された下部クラッド層２１ａと、コア層２２と、上部クラッド層２３とが順次積層した構造を有している。上部クラッド層２３上には、ＧａＩｎＡｓＰからなるコンタクト層２５、Ａｕ／ＡｕＺｎからなるｐ側電極２６が順次積層形成されている。また、位相変調導波路１４ａの幅方向両側には、サポートメサ部１８ａ、１８ｂと同様の積層構造を有するが、さらに上部クラッド層２３上にコンタクト層２５が形成されたサポートメサ部１８ｃ、１８ｄが離隔幅Ｗ２だけ離隔して形成されている。また、サポートメサ部１８ｃ、１８ｄの表面と位相変調導波路１４ａのｐ側電極２６以外の表面を覆うようにパッシベーション膜２４が形成されている。また、サポートメサ部１８ｃの表面の一部と位相変調導波路１４ａのｐ側電極２６の表面を覆うようにＴｉ／Ｐｔ／Ａｕからなるパッド電極２７が形成されている。また、基板２０の裏面にはｎ側電極２８が形成されている。また、位相変調導波路１４ｂも位相変調導波路１４ａと同様の構造を有している。また、サポートメサ部１８ｅもサポートメサ部１８ｃと同様の構造を有している。

コア層２２のバンドギャップエネルギーに対応する波長は１．４５μｍであり、波長１．５５μｍの波長を透過する。また、コア層２２の厚さ方向での平均屈折率は３．３１であり、基板２０、下部クラッド層２１ａ、２１ｂ、および上部クラッド層２３の屈折率は３．１７である。なお、位相変調導波路１４ａ、１４ｂにおいては、パッド電極２７を介してｐ側電極２６とｎ側電極２８との間に電流を流すことによりコア層２２の屈折率を変化させ、位相変調導波路１４ａ、１４ｂを伝播する光の位相を変化させることができる。また、上部クラッド層２３の厚さは２．５０μｍであり、コア層２２の総厚さは０．３０μｍである。また、コンタクト層２５の厚さは０．３０μｍである。

ここで、下部クラッド層２１ａ、２１ｂの突出高さについて説明する。入力導波路１１などの直線導波路における下部クラッド層２１ａの突出高さｄ１の値は０．５０μｍである。その結果、特許文献１の場合と同様に、高次モードで伝播する光が導波路の長さの中で充分に減衰し、高次モードでの光の伝播が抑制される。

一方、入力側曲げ導波路１３ａ、１３ｂ、出力側曲げ導波路１５ａ、１５ｂにおける下部クラッド層２１ｂの突出高さｄ２の値は１．００μｍであり、直線導波路における下部クラッド層２１ａの突出高さｄ１よりも大きくなっている。その結果、基本モードで伝播する光の曲げ伝播損失が十分に抑制される。

以下、具体的に説明する。一般に、導波路の曲げ伝播損失は、外界の屈折率と導波路のモード屈折率との差に依存し、この屈折率差が大きいほど曲げ伝播損失が小さくなることが知られている。ハイメサ型導波路ではコア層の両側面が屈折率の小さい空気で挟まれているために、幅方向の屈折率差が極めて大きい。したがって、従来、ハイメサ型導波路は曲げ伝播損失の低減に関して有利であり、曲げの曲率半径を小さくしても低伝播損失特性を示すと考えられてきた。

しかしながら、高次モードで伝播する光が適切に放射し、減衰するように設計されたハイメサ型導波路においては、曲げ導波路とした場合の基本モードの曲げ伝播損失が実用上無視できない程度の大きさとなる。本発明者らは、その理由は、ハイメサ型導波路には、下部クラッド層の下に基板が存在しているためであると考えた。

図６は、入力導波路１１について、電磁界数値計算シミュレーションを用いて計算した電磁界分布を示す図である。図６に示すように、基本モードで伝播する光の電磁界は、コア層２２だけに分布するのではなく、そのエバネッセント成分が上部クラッド層２３、下部クラッド層２１ａに広がり、さらに基板２０にも存在している。したがって、基板２０に存在するエバネッセント成分が曲げ伝播損失に寄与する可能性を考える必要がある。このようなエバネッセント成分について考えれば、外界の屈折率とは基板２０の屈折率である。したがって、曲げ伝播損失を決定する屈折率差は、入力導波路１１のモード屈折率と基板２０の屈折率の間の屈折率差となる。ここで、基板２０は半導体であるから、屈折率は空気よりもはるかに大きく、入力導波路１１のモード屈折率に近い。このため、エバネッセント成分に対しては、曲げ伝播損失を決定する屈折率差は大きくない。

しかしながら、入力導波路１１のコア層２２から基板２０へ達するまでの間に電磁界のエバネッセント成分は既にある程度減衰している。すなわち、エバネッセント成分のうち、低屈折率差による曲げ伝播損失の増加の影響を受ける成分の割合は小さくなる。その結果として、ハイメサ型導波路では、単純な低屈折率差の導波路よりも曲げ伝播損失は低減される。したがって、基板２０に達するまでのエバネッセント成分の減衰をより大きなものにすれば、さらに曲げ伝播損失を低減させることができる。

図７は、入力導波路１１および入力側曲げ導波路１３ａにおける電磁界のエバネッセント成分の広がりを模式的に示した図である。図７において、領域Ａ１、Ａ２は、エバネッセント成分の広がり領域を模式的に示している。図７に示すように、入力導波路１１においては、下部クラッド層２１ａの突出高さｄ１が比較的小さいため、基板２０における領域Ａ１の面積が大きいが、入力側曲げ導波路１３ａにおいては、下部クラッド層２１ｂの突出高さｄ２が突出高さｄ１よりも差Δｄだけ大きいため、基板２０に達するまでのエバネッセント成分の減衰が大きく、基板２０における領域Ａ２の面積が小さくなっている。

したがって、本実施の形態１係る光スイッチ１００は、入力導波路１１などの直線導波路における下部クラッド層２１ａの突出高さｄ１を０．５０μｍとするとともに、入力側曲げ導波路１３ａ、１３ｂ、出力側曲げ導波路１５ａ、１５ｂにおける下部クラッド層２１ｂの突出高さｄ２を１．００μｍとし、突出高さｄ１よりも大きくすることにより、高次モードでの光の伝播が抑制されるとともに、基本モードで伝播する光の曲げ伝播損失が十分に抑制される。

つぎに、光スイッチ１００の製造方法の一例について、図８〜１５を参照して説明する。はじめに、図１に示すＤ−Ｄ線に沿った断面の構造を模式的に示す図８、９を用いて説明する。図８に示すように、たとえばＭＯＣＶＤ装置などの結晶成長装置を用い、ｎ−ＩｎＰからなる基板２０上に、ＧａＩｎＡｓＰ多重量子井戸構造を有するコア層２２、ｐ−ＩｎＰからなる上部クラッド層２３、ＧａＩｎＡｓＰからなるコンタクト層２５を順次積層し、積層構造を形成する。なお、コア層２２と上部クラッド層２３との合計の厚さは２．８０μｍであり、コンタクト層２５の厚さは０．３０μｍである。つぎに、位相変調導波路１４ａ、１４ｂおよびサポートメサ部１８ｃ〜１８ｅを形成すべき領域のコンタクト層２５を残留させ、その他の領域のコンタクト層を除去するようにエッチングを行なう。なお、図９において、領域Ａ３は位相変調導波路１４ａを形成すべき領域を示し、領域Ａ４は出力側曲げ導波路１５ａを形成すべき領域を示している。

つぎに、エッチングを行った後の全面にＳｉＮｘ膜からなるマスクを形成する。このマスクは、導波路マスクパターンと、サポートメサマスクパターンとを有する。導波路マスクパターンは、図２に示す形成すべき入力導波路１１、入力側ＭＭＩ１２、入力側曲げ導波路１３ａ、１３ｂ、位相変調導波路１４ａ、１４ｂ、出力側曲げ導波路１５ａ、１５ｂ、出力側ＭＭＩ１６、および出力導波路１７と同一の形状をしており、直線導波路に対応する部分において直線部を有し、曲げ導波路に対応する部分において曲げ部を有する。一方、サポートメサマスクパターンは、導波路マスクパターンの幅方向両側において、導波路マスクパターンから離隔した領域に形成され、形成すべきサポートメサ部１８ａ〜１８ｇと同一の形状をしている。

つぎに、形成したマスクをマスクとして、コンタクト層２５、上部クラッド層２３、コア層２２を貫いて基板２０内部に到る深さまで、塩素ガスを用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によってドライエッチングし、メサ構造を形成する。

図１０は、ドライエッチングをした後のＢ−Ｂ線に沿った断面構造を模式的に示している。図１０に示すように、ドライエッチングによって、導波路マスクパターン３４ａの直下に、基板２０の一部が突出し、突出高さｄ２が１．００μｍである下部クラッド層２１ｂが形成されるとともに、コア層２２、上部クラッド層２３を有する入力側曲げ導波路１３ａとなるべきメサ構造が形成されている。なお、曲げ導波路を形成すべき領域において、導波路マスクパターン３４ａの下面からのエッチングの深さＤ１の値は３．８０μｍであり、導波路マスクパターン３４ａとサポートメサマスクパターンとの離隔幅は２０μｍ以上である。

また、図１１は、ドライエッチングをした後のＡ−Ａ線に沿った断面構造を模式的に示している。図１１に示すように、ドライエッチングによって、導波路マスクパターン３４ａの直下に、基板２０の一部が突出し、突出高さｄ１が０．５０μｍである下部クラッド層２１ａが形成されるとともに、コア層２２、上部クラッド層２３を有する入力導波路１１となるべきメサ構造が形成される。また、サポートメサマスクパターン３４ｂの直下には、サポートメサ部１８ａ、１８ｂとなるべきメサ構造が形成される。なお、入力導波路１１、出力導波路１７を形成すべき領域において、導波路マスクパターン３４ａの下面からのエッチングの深さＤ２の値は３．３０μｍであり、導波路マスクパターン３４ａとサポートメサマスクパターン３４ｂとの離隔幅Ｗ１は１．７μｍである。

また、図１２は、ドライエッチングをした後のＣ−Ｃ線に沿った断面構造を模式的に示している。図１２に示すように、ドライエッチングによって、導波路マスクパターン３４ａの直下に、突出高さｄ１が０．５０μｍである下部クラッド層２１ａが形成されるとともに、コア層２２、上部クラッド層２３、コンタクト層２５を有する位相変調導波路１４ａとなるべきメサ構造が形成される。また、サポートメサマスクパターン３４ｂの直下には、サポートメサ部１８ｃ、１８ｄとなるべきメサ構造が形成される。なお、位相変調導波路１４ａ、１４ｂを形成すべき領域において、導波路マスクパターン３４ａの下面からのエッチングの深さＤ３の値は３．６０μｍであり、導波路マスクパターン３４ａとサポートメサマスクパターン３４ｂとの離隔幅Ｗ２は４．０μｍである。

ここで、上述したドライエッチング工程の際には、マイクロローディング効果を利用することによって、１度のエッチング工程によって、領域毎にエッチングの深さＤ１〜Ｄ３が異なるようなエッチングを実現している。具体的には、領域によって導波路マスクパターン３４ａとサポートメサマスクパターン３４ｂとの離隔幅、すなわちエッチング幅を変えて領域毎にエッチングの深さＤ１〜Ｄ３が異なるようにしている。ここで、マイクロローディング効果とは、マスクパターン間のエッチング幅に応じてエッチング速度が異なる現象である。

図１３は、ＩｎＰ系の半導体材料に塩素ガスによるＲＩＥを行なった際の、エッチング幅と相対エッチング速度との関係を示した図である。なお、相対エッチング速度は、充分にエッチング幅が大きくマイクロローディング効果が無視できる場合のエッチング速度を1とした比率で表している。図１３に示すように、エッチング幅が小さいほどエッチング速度が小さく、エッチング幅が４μｍよりも小さい場合にマイクロローディング効果は顕著であり、明確な速度の低下が見られる。一方、エッチング幅が２０μｍの場合は、マイクロローディング効果はほとんど発生していない。すなわち、マイクロローディング効果によるエッチング速度変化を積極的に利用するためには、浅いエッチングを行う領域ではエッチング幅を４μｍ以下とするとよい。

上述のドライエッチング工程では、図１３に示すエッチング速度の差異を利用して、各領域における所望の突出高さの下部クラッド層を形成するように、導波路マスクパターンとサポートメサマスクパターンとの離隔幅を設定している。なお、位相変調導波路１４ａ、１４ｂを形成すべき領域と、入力導波路１１、出力導波路１７を形成すべき領域とでは、下部クラッド層２１ａの突出高さｄ１はともに０．５０μｍとするが、位相変調導波路１４ａ、１４ｂを形成すべき領域には、厚さが０．３０μｍのコンタクト層２５が存在する。このため、各領域における離隔幅Ｗ１、Ｗ２を異なるものとして、エッチングの深さＤ２、Ｄ３を異なるようにしている。

また、入力側ＭＭＩ１２、出力側ＭＭＩ１６を形成すべき領域については、導波路マスクパターンとサポートメサマスクパターンとの離隔幅を、曲げ導波路を形成すべき領域と同様に２０μｍ以上に十分に大きくした。しかし、入力側ＭＭＩ１２、出力側ＭＭＩ１６については、下部クラッド層の突出高さは特性に大きい影響を与えないため、離隔幅は特に限定されない。また、直線導波路を形成すべき領域においても、曲げ導波路との接続箇所の近傍の部分では、離隔幅を大きくすることが好ましい。

また、上述のエッチング工程によれば、エッチング工程が１度でよいので、低コストで素子を製造することができ、さらにマスク形成のためのリソグラフィーを複数回行う必要もないので、パターンずれなどの問題も発生しないという利点がある。しかしながら、このエッチング工程は一例であり、これに限定されるものではない。たとえば、エッチング深さを領域によって異なるようにするために、エッチング深さの違いに応じて複数回のエッチングを行ってもよい。

つぎに、Ｃ−Ｃ線に沿った断面構造を模式的に示す図１４、１５を用いて説明する。図１４に示すように、全面にＳｉＮ_ｘからなるパッシベーション膜２４を形成した後、位相変調導波路１４ａ、１４ｂとなる領域だけパッシベーション膜２４を除去し、Ａｕ／ＡｕＺｎからなるｐ側電極２６を蒸着によって形成する。さらに、図１５に示すように、所定の領域にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕからなるパッド電極２７を形成し、さらに基板２０の裏面を研磨した後にこの裏面にＡｕＧｅＮｉ／Ａｕからなるｎ側電極２８を形成する。その後、劈開によって入力導波路１１、出力導波路１７に端面を形成し、この端面に低反射コーティング膜２９を形成して、光スイッチ１００が完成する。

以上説明したように、本実施の形態１係る光スイッチ１００は、高次モードでの光の伝播が抑制されるとともに、基本モードで伝播する光の曲げ伝播損失が十分に抑制される。

なお、本実施の形態１では、直線導波路における下部クラッド層２１ａの突出高さｄ１を０．５０μｍとし、曲げ導波路における下部クラッド層２１ｂの突出高さｄ２を１．００μｍとし、曲げ導波路の曲率半径は２５０μｍとしているが、これに限定されない。

図１６は、本実施の形態１の入力側曲げ導波路１３ａと同様の導波路構造の曲げ導波路において曲率半径を変化させた場合の基本モードの曲げ伝播損失の計算値を示した図である。なお、下部クラッド層の突出高さが本実施の形態１の１．００μｍである場合と、直線導波路の下部クラッド層の突出高さと同じである０．５０μｍである場合について示している。図１６に示すように、曲げ伝播損失は、ＴＥモード、ＴＭモードのいずれも、曲率半径が小さくなるにつれて指数関数的に増大するが、本実施の形態１のように突出高さが１．００μｍの場合には、全ての曲率半径において、曲げ伝播損失の増大が抑制され、しかも曲率半径が２５０μｍ以下程度に小さくなるにつれて突出高さが０．５０μｍの場合との差が顕著になる。なお、突出高さを大きくすることによる曲げ伝播損失の低減効果に関しては、特に曲率半径の下限値は無いが、曲率半径が２０μｍより小さい場合には、直線導波路と曲げ導波路との接続箇所におけるモード変換損失が大きくなるため、曲率半径は２０μｍ以上が好ましい。

一方、図１７は、本実施の形態１の入力側曲げ導波路１３ａと同様の導波路構造の曲げ導波路において下部クラッド層の突出高さを変化させた場合の曲げ伝播損失の計算値を示した図である。なお、曲げ導波路の曲率半径が１２５μｍ、２５０μｍの場合について示している。また、図１７の縦軸は対数スケールで示されている。図１７に示すように、曲げ伝播損失（ｄＢ／ｍｍ）は、ＴＥモード、ＴＭモードのいずれも、突出高さが大きくなるにつれて指数関数的に小さくなり、図１７では直線的な形状になっている。この直線の傾きが示すように、下部クラッド層の突出高さの差が０．５０μｍ以上であれば、曲げ伝播損失（ｄＢ／ｍｍ）の大きさの比が５倍以上となり、曲げ伝播損失に明確な差が現われる。

すなわち、たとえば本実施の形態１のように、直線導波路における下部クラッド層２１ａの突出高さｄ１を０．５０μｍとするとともに、曲げ導波路における下部クラッド層２１ｂの突出高さｄ２を１．００μｍとすれば、全ての導波路において下部クラッド層の突出高さを直線導波路の設計値である０．５０μｍとした場合に比べて、明確な曲げ伝播損失の低減効果が得られる。

また、図１７に示すように、下部クラッド層の突出高さが大きいほど曲げ伝播損失が小さくなり好ましいが、実際には突出高さが無限に大きい下部クラッド層は作製できないから、所望の曲率半径のときに曲げ伝播損失が実用上充分小さくなるように下部クラッド層の突出高さを設計することが好ましい。ここで、現行のハイメサ型導波路の作製技術では、一般的に作製上の揺らぎに起因する散乱損失が発生し、その大きさは０．５ｄＢ／ｍｍ程度であるため、曲げ伝播損失についても０．５ｄＢ／ｍｍ以下程度であれば実用上許容されると考えることができる。図１７に示す場合、曲げ伝播損失を０．５ｄＢ／ｍｍ以下とするためには、曲率半径が２５０μｍ以下の場合には突出高さを０．９０μｍ以上とする必要がある。また、曲率半径を１２５μｍ以下とする場合には、曲げ伝播損失を０．５ｄＢ／ｍｍ以下とするためには下部クラッド層突出高さを１．２０μｍ以上とする必要がある。

つぎに、本発明の実施例１として、本実施の形態１に係る光スイッチ１００と同様の構造を有する光スイッチを製造した。また、比較例として、光スイッチ１００と同様の構造を有するが、全ての導波路における下部クラッド層の突出高さが、一定の０．５０μｍである光スイッチ（比較例１）、および一定の１．００μｍである光スイッチ（比較例２）を、それぞれ製造した。そして、製造した各光スイッチに波長１．５５μｍの光を入射し、その特性を測定した。

その結果、各スイッチの消光比については、実施例１および比較例１の光スイッチでは３０ｄＢと良好であった。一方、比較例２の光スイッチでは１５ｄＢと低い値となった。この理由は、比較例２の光スイッチは、単一モード性が良好でないために高次モードで光が伝播し、高次モードは基本モードと消光特性が異なるために、消光時に高次モードで伝播する光が残存するためであると考えられる。

また、各スイッチの非消光時のスイッチの挿入損失については、実施例１および比較例２の光スイッチでは、結合損失を除いた挿入損失が１．５ｄＢと良好であった。一方、比較例１の光スイッチでは２．５ｄＢと大きい値となった。この理由は、比較例１の光スイッチは、曲げ導波路において曲げ伝播損失が大きいため、挿入損失が大きくなったものと考えられる。

以上のように、本実施例１の光スイッチは、高次モードでの光の伝播が抑制されているために消光比が良好であって、かつ曲げ伝播損失が小さいために挿入損失が小さいという利点を併せ持つことが確認された。

ここで、図１７では、下部クラッド層の突出高さの差が０．５０μｍ以上であれば、曲げ伝播損失（ｄＢ／ｍｍ）の大きさの比（以下、曲げ伝播損失の低減比とする）が５倍以上となる。しかし、厳密に考えるならば、曲げ伝播損失の低減比が５倍以上となる下部クラッド層の突出高さの差は、コア層の厚さ及び屈折率によって異なる。したがって、積層方向の構造設計を変更する場合には、それに応じて直線導波路と曲げ導波路との下部クラッド層突出高さの差を変更する必要がある。

以下、具体的に説明する。上述したように、下部クラッド層の突出高さを大きくすることによって曲げ伝播損失が低減されるのは、下部クラッド層において電磁界のエバネッセント成分が減衰するためであった。したがって、このエバネッセント成分の減衰の急峻さの程度によって、曲げ伝播損失の下部クラッド層突出高さに対する依存性が変化する。

コア層への光の閉じ込めがある程度大きいチャネル導波路では、等価屈折率法によって厚さ方向と幅方向との閉じ込めを別個に計算することができる。ここで、ハイメサ型導波路と同一の積層構造を有し、幅方向に十分に大きい平板導波路の所定波長における実効屈折率がｎeffで与えられたとすると、クラッド層におけるエバネッセント成分の電界分布Ｅは次の式（２）で表される。

Ｅ＝Ｅ_０ｅｘｐ（−ｋ_０（ｎeff^２−ｎclad^２）^１／２・ｙ） ・・・ （２）

ここで、Ｅ_０は電界の次元をもつ定数、ｋ_０は自由空間の波数であり、ｎcladはクラッド層の屈折率である。ｙはコア層とクラッド層との界面をゼロとした積層方向の位置であり、導波路から遠ざかる方向を正とする。なお、実効屈折率ｎeffは転送行列法などで計算することができる。

電界分布が式（２）のように表されると、光パワーの分布はその２乗で表すことができる。曲げ伝播損失には光パワーの分布が下部クラッド層においてどれだけ減衰するかが影響するから、曲げ伝播損失Ｌは、下部クラッド層の突出高さｄlowerに対して次の式（３）のような依存性を示すと考えることができる。

Ｌ＝Ｌ_０ｅｘｐ（−２ｋ_０（ｎeff^２−ｎclad^２）^１／２・ｄlower）
＝Ｌ_０ｅｘｐ（−α・ｄlower） ・・・ （３）
ただし、α＝２ｋ_０（ｎeff^２−ｎclad^２）^１／２ ・・・ （４）

なお、Ｌ_０は曲げ伝播損失の定数である。ここで、αは、下部クラッド層の突出高さの増加による曲げ伝播損失の低減効果を表す数値である。このαは、数値計算シミュレーション上では、図１７に示す、曲げ伝播損失の下部クラッド層突出高さ依存性からフィッティングによって求めることができる。

図１８は、平板導波路の実効屈折率ｎeffとαとの関係を示す図である。図１８においては、黒丸は、所定波長を１．５５μｍ、クラッド層の屈折率を３．１７、コア層の厚さを０．３０μｍとして、コア層の屈折率を変えることによって平板導波路の実効屈折率を変化させた場合の、数値計算シミュレーションによって得られるαの値を示している。なお、各黒丸は、コア層の屈折率がそれぞれ３．２８、３．３１、３．３４、３．３９の場合であるが、このときの平板導波路の実効屈折率は、それぞれ３．１９３、３．２０３、３．２１７、３．２４２となる。一方、図１８において、破線は式（４）の理論式を示している。図１８に示すように、黒丸と破線とはよく一致していることから、この式（４）は正しいことがわかる。なお、この式（４）は、コア層とクラッド層との屈折率、および光の波長が決定されれば、原理的にコア層とクラッド層との材料系によらず有効である。

以上より、直線導波路における下部クラッド層の突出高さをｄ₁、曲げ導波路における下部クラッド層の突出高さをｄ₂とすると、曲げ伝播損失の低減比が５以上となるような直線導波路と曲げ導波路との下部クラッド層の突出高さの差Δd＝ｄ₂−ｄ₁は、式（３）を用いて次のように求めることができる。

５≦Ｌ_０ｅｘｐ（−α・ｄ₁）／Ｌ_０ｅｘｐ（−α・ｄ₂）
＝ｅｘｐ（−α・Δd）
したがって、
Δd≧ｌｎ５／α
＝ｌｎ５／｛２ｋ_０（ｎeff^２−ｎclad^２）^１／２｝
＝０．８１／｛ｋ_０（ｎeff^２−ｎclad^２）^１／２｝
＝０．１３λ／（ｎeff^２−ｎclad^２）^１／２
すなわち、
Δｄ≧０．１３λ／（ｎeff^２−ｎclad^２）^１／２ ・・・ （１）
ただし、λは、真空中の波長である。

したがって、式（１）を満たす突出高さの差Δｄであれば、コア層とクラッド層との材料系によらず、全ての導波路において下部クラッド層の突出高さを直線導波路の設計値の突出高さとした場合に比べて、曲げ導波路における突出高さを大きくすることによる明確な曲げ伝播損失の低減効果が得られる。すなわち、上記実施の形態１では、ＩｎＰ系の半導体材料を用いて導波路を構成しているが、他の半導体材料やガラス等の光学材料などを用いて、式（１）を満たす導波路を構成してもよい。

（実施の形態２）
つぎに、本発明の実施の形態２について説明する。本実施の形態２に係る光集積素子は、動作波長すなわち発振波長が１．５５μｍ帯である曲げ導波路集積レーザである。

図１９は、本実施の形態２に係る曲げ導波路集積レーザ２００の模式的な平面図である。また、図２０は、図１９に示す曲げ導波路集積レーザ２００の半導体からなる部分のみを示した平面図である。図１９、２０に示すように、この曲げ導波路集積レーザ２００は、順次接続しているハイメサ型の導波路であるレーザ部導波路４１ａ、曲げ導波路４２、レーザ部導波路４１ｂと、サポートメサ部４３ａ、４３ｂと、コーティング膜４４と、パッド電極５７とを備えている。

レーザ部導波路４１ａ、４１ｂの長さは、いずれも２００μｍである。また、曲げ導波路４２は、曲率半径１２５μｍの円弧状導波路である。また、各ハイメサ型導波路の幅はいずれも２．０μｍである。また、コーティング膜４４はたとえば誘電体からなり、１．５５μｍ帯の波長において９９％程度の反射率を有する。

この曲げ導波路集積レーザ２００は以下のように動作する。すなわち、レーザ部導波路４１ａ、４１ｂにレーザ駆動電流を注入すると、レーザ部導波路４１ａ、４１ｂにおいて１．５５μｍ帯の蛍光を発生する。そして、この蛍光が、レーザ部導波路４１ａ、曲げ導波路４２、レーザ部導波路４１ｂを導波路とし、コーティング膜４４を反射鏡とする光共振器によってレーザ発振を起こし、コーティング膜４４からレーザ光が出力する。

以下、各構成要素の構造について具体的に説明する。図２１は、図１９に示すＥ−Ｅ線に沿った断面の構造を模式的に示す図である。図２１に示すように、レーザ部導波路４１ａは、ｎ−ＩｎＰからなる基板５０上に、基板５０の一部が突出高さｄ３だけ突出した下部クラッド層５１ａと、ＧａＩｎＡｓＰ多重量子井戸構造を有し、１．５５μｍ帯において発光する活性コア層５２と、ｐ−ＩｎＰからなる上部クラッド層５３とが順次積層した構造を有している。上部クラッド層５３上には、ＧａＩｎＡｓＰからなるコンタクト層５５、Ａｕ／ＡｕＺｎからなるｐ側電極５６が順次積層形成されている。また、サポートメサ部４３ａ、４３ｂの表面とレーザ部導波路４１ａのｐ側電極５６以外の表面を覆うようにパッシベーション膜５４が形成されている。また、サポートメサ部４３ｂの表面の一部とレーザ部導波路４１ａのｐ側電極５６の表面を覆うようにＴｉ／Ｐｔ／Ａｕからなるパッド電極５７が形成されている。また、基板５０の裏面にはＡｕＧｅＮｉ／Ａｕからなるｎ側電極５８が形成されている。また、レーザ部導波路４１ｂもレーザ部導波路４１ａと同様の積層構造を有している。

つぎに、図２２は、図１９に示すＦ−Ｆ線に沿った断面の構造を模式的に示す図である。図２２に示すように、曲げ導波路４２は、基板５０上に、基板５０の一部が突出高さｄ４だけ突出した下部クラッド層５１ｂと、ＧａＩｎＡｓＰからなり、１．５５μｍ帯において光吸収のないバルクコア層５９と、上部クラッド層５３とが順次積層した構造を有している。また、曲げ導波路４２の表面を覆うようにパッシベーション膜５４が形成されている。また、基板５０の裏面にはｎ側電極５８が形成されている。なお、サポートメサ部４３ａ、４３ｂは、曲げ導波路４２と同様の積層構造を有する。

レーザ部導波路４１ａ、４１ｂにおいては、パッド電極５７を介してｐ側電極５６とｎ側電極５８との間に電流を流すことにより活性コア層５２中に蛍光が発生する。また、活性コア層５２、バルクコア層５９の厚さ方向での平均屈折率は３．３１であり、基板５０、下部クラッド層５１ａ、５１ｂ、および上部クラッド層５３の屈折率は３．１７である。また、上部クラッド層５３の厚さは、レーザ部導波路４１ａ、４１ｂにおいては３．２０μｍであり、曲げ導波路４２においては２．５０μｍである。また、活性コア層５２の総厚さ、バルクコア層５９の厚さはそれぞれ０．３０μｍである。また、コンタクト層５５の厚さは０．３０μｍである。

ここで、直線導波路であるレーザ部導波路４１ａ、４１ｂにおける下部クラッド層５１ａの突出高さｄ３の値は０．５０μｍであり、曲げ導波路４２における下部クラッド層５１ｂの突出高さｄ４の値は１．５０μｍである。その結果、実施の形態１の場合と同様に、高次モードでの光の伝播が抑制されるとともに、基本モードで伝播する光の曲げ伝播損失が十分に抑制される。

つぎに、曲げ導波路集積レーザ２００の製造方法の一例について、図２３〜３１を参照して説明する。はじめに、図１９に示すＧ−Ｇ線に沿った断面の構造を模式的に示す図２３〜２７を用いて説明する。図２３に示すように、たとえばＭＯＣＶＤ装置などの結晶成長装置を用い、ｎ−ＩｎＰからなる基板５０上に、活性コア層５２、厚さ０．９０μｍの上部クラッド層の一部５３１を順次積層し、積層構造を形成する。つぎに、全面にＳｉＮｘ膜を形成し、図２４に示すように、レーザ部導波路４１ａ、４１ｂを形成すべき領域だけ残留させてマスク６４とし、それ以外の領域のＳｉＮｘ膜を除去するようにエッチングを行い、さらに、ＳｉＮｘ膜を除去した領域において活性コア層５２と上部クラッド層の一部５３１とを除去するようにエッチングを行なう。なお、図２４において、領域Ａ５はレーザ部導波路４１ａを形成すべき領域を示し、領域Ａ６は曲げ導波路４２を形成すべき領域を示している。

つぎに、図２５に示すように、マスク６４をマスクとして、バルクコア層５９、および厚さ０．２０μｍの上部クラッド層の一部５３２をバッドジョイント成長により順次積層形成する。

つぎに、図２６に示すように、マスク６４をエッチング除去して、全面に、厚さ２．３０μｍの上部クラッド層の残り部５３３を積層して上部クラッド層５３を形成し、さらに厚さ０．３０μｍのコンタクト層５５を積層する。

つぎに、図２７に示すように、レーザ部導波路４１ａ、４１ｂを形成すべき領域のコンタクト層５５を残留させ、それ以外の領域のコンタクト層５５をエッチングにより除去する。

つぎに、全面にＳｉＮｘ膜からなるマスクを形成する。このマスクは、導波路マスクパターンと、サポートメサマスクパターンとを有する。導波路マスクパターンは、図２０に示す形成すべきレーザ部導波路４１ａ、４１ｂ、曲げ導波路４２と同一の形状をしており、直線導波路に対応する部分において直線部を有し、曲げ導波路に対応する部分において曲げ部を有する。一方、サポートメサマスクパターンは、導波路マスクパターンの幅方向両側において、導波路マスク部から離隔した領域に形成され、形成すべきサポートメサ部４３ａ、４３ｂと同一の形状をしている。

つぎに、形成したマスクをマスクとして、基板５０内部に到る深さまで、塩素ガスを用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によってドライエッチングし、メサ構造を形成する。

図２８は、ドライエッチングをした後のＥ−Ｅ線に沿った断面の構造を模式的に示す図である。図２８に示すように、ドライエッチングによって、導波路マスクパターン６４ａの直下に、基板５０の一部が突出し、突出高さｄ３が０．５０μｍである下部クラッド層５１ａが形成されるとともに、活性コア層５２、上部クラッド層５３を有するレーザ部導波路４１ａとなるべきメサ構造が形成されている。

また、図２９は、ドライエッチングをした後のＦ−Ｆ線に沿った断面の構造を模式的に示す図である。図２９に示すように、ドライエッチングによって、導波路マスクパターン６４ａの直下に、基板５０の一部が突出し、突出高さｄ４が１．５０μｍである下部クラッド層５１ｂが形成されるとともに、バルクコア層５９、上部クラッド層５３を有する曲げ導波路４２となるべきメサ構造が形成される。この製造方法では、上部クラッド層５３の厚さに段差を設けているので、同じ深さのエッチングによって異なる突出高さを実現している。

つぎに、図３０、３１に示すように、実施の形態１における製造方法と同様にして、パッシベーション膜５４、ｐ側電極５６、パッド電極５７を形成する。さらに、ｎ側電極５８を形成し、劈開によって形成した端面にコーティング膜４４を形成して、曲げ導波路集積レーザ２００が完成する。

ここで、本発明の実施例２として、本実施の形態２に係る曲げ導波路集積レーザ２００と同様の構造を有する曲げ導波路集積レーザを製造した。また、比較例として、曲げ導波路集積レーザ２００と同様の構造を有するが、全ての導波路における下部クラッド層の突出高さが、一定の０．５０μｍである曲げ導波路集積レーザ（比較例３）、および一定の１．５０μｍである曲げ導波路集積レーザ（比較例４）を、それぞれ製造した。そして、製造した各曲げ導波路集積レーザをレーザ発振させて、その特性を測定した。

その結果、各曲げ導波路集積レーザのレーザ発振光の遠視野像については、実施例２および比較例３の曲げ導波路集積レーザでは、単峰性の良好な遠視野像が得られた。一方、比較例４の曲げ導波路集積レーザでは、遠視野像に複数のピークが観測された。この理由は、比較例４の曲げ導波路集積レーザは、単一モード性が良好でないために高次モード横モードのレーザ発振が起こっているためであると考えられる。

また、各曲げ導波路集積レーザの発振閾値電流については、実施例２および比較例４の曲げ導波路集積レーザでは１５ｍＡと良好であった。一方、比較例３の曲げ導波路集積レーザでは２０ｍＡと高い値となった。この理由は、比較例３の曲げ導波路集積レーザは、曲げ導波路において基本モードの曲げ伝播損失が大きいため、挿入損失が大きくなったのだと考えられる。

以上のように、本実施例２の曲げ導波路集積レーザは、高次モードでの光の伝播が抑制されているために遠視野像が良好であって、かつ曲げ伝播損失が小さいために発振閾値電流が小さいという利点を併せ持つことが確認された。

なお、上記実施の形態２に係る曲げ導波路集積レーザにおいて、コーティング膜４４のかわりにＡＲコーティング膜を形成した構造とすることによって、たとえばレーザ部導波路４１ａの端面から入力した光を、レーザ部導波路４１ａ、４１ｂによって増幅し、レーザ部導波路４１ｂの端面から出力する機能を有する曲げ導波路集積光増幅素子を実現できる。

実施の形態１に係る光スイッチの模式的な平面図である。 図１に示す光スイッチの半導体からなる部分のみを示した平面図である。 図１に示すＡ−Ａ線に沿った断面構造を模式的に示した図である。 図１に示すＢ−Ｂ線に沿った断面構造を模式的に示した図である。 図１に示すＣ−Ｃ線に沿った断面構造を模式的に示した図である。 入力導波路について、電磁界数値計算シミュレーションを用いて計算した電磁界分布を示す図である。 入力導波路および入力側曲げ導波路における電磁界のエバネッセント成分の広がりを模式的に示した図である。 図１に示す光スイッチの製造方法の一例について説明する説明図である。 図１に示す光スイッチの製造方法の一例について説明する説明図である。 図１に示す光スイッチの製造方法の一例について説明する説明図である。 図１に示す光スイッチの製造方法の一例について説明する説明図である。 図１に示す光スイッチの製造方法の一例について説明する説明図である。 ＩｎＰ系の半導体材料に塩素ガスによるＲＩＥを行なった際の、エッチング幅と相対エッチング速度との関係を示した図である。 図１に示す光スイッチの製造方法の一例について説明する説明図である。 図１に示す光スイッチの製造方法の一例について説明する説明図である。 曲げ導波路において曲率半径を変化させた場合の基本モードの曲げ伝播損失の計算値を示した図である。 曲げ導波路において下部クラッド層の突出高さを変化させた場合の曲げ伝播損失の計算値を示した図である。 平板導波路の実効屈折率ｎeffとαとの関係を示す図である。 実施の形態２に係る曲げ導波路集積レーザの模式的な平面図である。 図１９に示す曲げ導波路集積レーザの半導体からなる部分のみを示した平面図である。 図１９に示すＥ−Ｅ線に沿った断面の構造を模式的に示す図である。 図１９に示すＦ−Ｆ線に沿った断面の構造を模式的に示す図である。 図１９に示す曲げ導波路集積レーザの製造方法の一例について説明する説明図である。 図１９に示す曲げ導波路集積レーザの製造方法の一例について説明する説明図である。 図１９に示す曲げ導波路集積レーザの製造方法の一例について説明する説明図である。 図１９に示す曲げ導波路集積レーザの製造方法の一例について説明する説明図である。 図１９に示す曲げ導波路集積レーザの製造方法の一例について説明する説明図である。 図１９に示す曲げ導波路集積レーザの製造方法の一例について説明する説明図である。 図１９に示す曲げ導波路集積レーザの製造方法の一例について説明する説明図である。 図１９に示す曲げ導波路集積レーザの製造方法の一例について説明する説明図である。 図１９に示す曲げ導波路集積レーザの製造方法の一例について説明する説明図である。 従来のハイメサ型導波路の構造を示す模式的な断面図である。 従来のハイメサ型導波路における曲率半径に対する曲げ伝播損失の計算結果を示す図である。

符号の説明

１１ 入力導波路
１２ 入力側ＭＭＩ
１３ａ、１３ｂ 入力側曲げ導波路
１４ａ、１４ｂ 位相変調導波路
１５ａ、１５ｂ 出力側曲げ導波路
１６ 出力側ＭＭＩ
１７ 出力導波路
１８ａ〜１８ｇ、４３ａ、４３ｂ サポートメサ部
２０、５０ 基板
２１ａ、２１ｂ、５１ａ、５１ｂ 下部クラッド層
２２ コア層
２３、５３ 上部クラッド層
２４、５４ パッシベーション膜
２５、５５ コンタクト層
２６、５６ ｐ側電極
２７、５７ パッド電極
２８、５８ ｎ側電極
２９ コーティング膜
３４ａ、６４ａ 導波路マスクパターン
３４ｂ サポートメサマスクパターン
４１ａ、４１ｂ レーザ部導波路
４２ 曲げ導波路
４４ コーティング膜
５２ 活性コア層
５９ バルクコア層
６４ マスク
１００ 光スイッチ
２００ 曲げ導波路集積レーザ
５３１、５３２ 上部クラッド層の一部
５３３ 上部クラッド層の残り部
Ａ１〜Ａ６ 領域
Ｗ１、Ｗ２ 離隔幅
Ｄ１〜Ｄ３ 深さ
ｄ１〜ｄ４ 突出高さ
Δｄ 差

Claims (8)

1. 基板と、
   前記基板上に突出しながら該基板表面に沿って延設され、下部クラッド層と、前記下部クラッド層上に形成され該下部クラッド層よりも大きい屈折率を有するコア層と、前記コア層上に形成され該コア層よりも小さい屈折率を有する上部クラッド層とを有する導波路と、
   を備え、
   前記導波路は、高次モードが選択的に前記基板に放射されることによって実質的に基本モードのみが伝搬するように、基本モードの等価屈折率が前記基板の屈折率よりも大きく、高次モードの等価屈折率が前記基板の屈折率よりも小さくなるように前記コア層ならびに前記上下部クラッド層が設計され、かつ前記下部クラッド層の前記基板からの突出高さが設計されており、
   前記導波路は、直線導波路部と前記基板の表面と平行な面内において曲げを有する曲げ導波路部とを含み、前記曲げ導波路部における下部クラッド層の前記基板からの突出高さは、前記直線導波路部における下部クラッド層の前記基板からの突出高さよりも大きいことを特徴とする光集積素子。
2. 前記曲げ導波路部における下部クラッド層の突出高さと前記直線導波路部における下部クラッド層の突出高さとの差をΔｄとし、素子の動作波長をλとし、前記下部クラッド層と前記コア層と前記上部クラッド層とが形成する積層構造と同一の積層構造を有する平板導波路の前記動作波長における実効屈折率をｎeffとし、前記下部クラッド層の前記動作波長における屈折率をｎcladとすると、前記Δｄは、式（１）
   Δｄ≧０．１３λ／（ｎeff^２−ｎclad^２）^１／２ ・・・ （１）
   を満たすことを特徴とする請求項１に記載の光集積素子。
3. 前記曲げ導波路部の曲率半径は２５０μｍ以下であり、前記曲げ導波路部における下部クラッド層の突出高さは０．９０μｍ以上であることを特徴とする請求項２に記載の光集積素子。
4. 前記曲げ導波路部の曲率半径は１２５μｍ以下であり、前記曲げ導波路部における下部クラッド層の突出高さは１．２０μｍ以上であることを特徴とする請求項３に記載の光集積素子。
5. 前記導波路の幅方向両側において該導波路から離隔した領域に、前記基板上に突出するように設けたメサ構造を有するサポートメサ部を備え、前記曲げ導波路部と前記サポートメサ部との離隔幅は、前記直線導波路と前記サポートメサ部との離隔幅よりも大きいことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の光集積素子。
6. 前記直線導波路と前記サポートメサ部との離隔幅は、４μｍ以下であることを特徴とする請求項５に記載の光集積素子。
7. 請求項１〜６のいずれか一つに記載の光集積素子の製造方法であって、
   基板上に、少なくとも前記基板よりも大きい屈折率を有するコア層と前記コア層よりも小さい屈折率を有する上部クラッド層とを順次積層し、積層構造を形成する積層構造形成工程と、
   前記積層構造上に、直線部と曲げ部とを有する導波路マスクパターンと、前記導波路マスクパターンの幅方向両側において該導波路マスクパターンから離隔した領域に、前記導波路マスクパターンの曲げ部に対する離隔幅が前記導波路マスクパターンの直線部に対する離隔幅よりも大きいサポートメサマスクパターンとを有するマスクを形成するマスク形成工程と、
   前記積層構造を形成した基板を前記基板内部に到る深さまでドライエッチングし、前記導波路マスクパターンの直下に、前記曲げ部における前記基板のエッチング深さが前記直線部における前記基板のエッチング深さよりも大きい導波路を形成するとともに、前記サポートメサマスクパターン直下にメサ構造を有するサポートメサを形成するメサ構造形成工程と、
   を含むことを特徴とする光集積素子の製造方法。
8. 前記積層構造形成工程は、半導体材料を用いて前記基板、前記コア層、および前記上部クラッド層を積層し、
   前記マスク形成工程は、前記導波路マスクパターンの直線部に対する前記サポートメサマスクパターンの離隔幅を４μｍ以下となるように前記導波路マスクパターンおよび前記サポートメサマスクパターンを形成し、
   前記メサ構造形成工程は、ドライエッチングとして塩素ガスを用いた反応性イオンエッチングを行なうことを特徴とする請求項７に記載の光集積素子の製造方法。