JP6335609B2 - スポットサイズ変換素子および半導体装置 - Google Patents

Description

本発明はスポットサイズ変換素子および半導体装置に関し、例えば、光変調器付き半導体レーザ等の出力光のモード形状を変換し、光ファイバや他の光導波路と結合するスポットサイズ変換素子に関する。

スポットサイズの異なる光導波路間（例えば光導波路と光ファイバ間）を低損失に結合するために、スポットサイズ変換器（Ｓｐｏｔ−ｓｉｚｅ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ：ＳＳＣ）が用いられている。

スポットサイズを拡大する場合、ＳＳＣではスポットサイズの小さい入射側導波路の入射光がスポットサイズの大きい出射光へと徐々に移行される。このようなＳＳＣとして、入射側導波路のコアの幅や厚さを先細形状とした例がある（例えば、特許文献１と２参照）。

特許文献１に記載のスポットサイズ変換器は、先端にかけて先が細い形状の第１コアと、第１コアの先端部とそれを囲む第１クラッドを備えた、スポットサイズ変換光導波路と、第１クラッドに接続し、大きなスポットサイズの光が伝搬する第２コアと、それを囲む第２クラッドを備えた拡大スポット光導波路、を備えている。第１コアの先端部において、伝搬光の光閉じ込めが弱まるため、徐々にモードサイズが拡大される。入射光はスポットサイズの大きい出射側導波路に移行された後に出射され、出射光のスポットサイズは、出射側導波路のモード形状でよく決定される。

特許文献２では、先端にかけて先が細い形状の第１コア、第１コアの先端部から光入出射端まで配置され、第１コアの先端部を覆い、光入出射端にかけて先細りの第２コアを備える。第１コアの先端部と第２コアの先端部のいずれにおいても伝搬光の光閉じ込めが弱まるため、徐々にモードサイズが拡大される。

また、光導波路と光ファイバを、レンズ等を介さず直接結合させる場合には、光導波路からの出射光のモード形状が光ファイバ伝搬光のモード形状にできるだけ近い方が結合損失を小さくできる。石英系光導波路においては、ＳＳＣの出射側導波路のモード形状を光ファイバのモード形状に近づけることが比較的容易であるので、レンズ等を介さず直接バット結合させることが行われている。

また、光導波路と光ファイバをレンズで結合することも一般的である。光ファイバ伝搬光に整合するために、光導波路からの出射光のモード形状の真円性が高い方が結合損失を小さくできる。このような場合、ＳＳＣを用いて、出射光を結合光学系の仕様に見合った所望のスポットサイズで真円性の良好な形状とすることにより、結合損失を小さくすることができる。

また、光変調器付き半導体レーザ等の半導体光送信素子においては、半導体レーザへの戻り光が大きくなると、レーザ発振が不安定になり送信波形の劣化や雑音の原因になりうることが知られている。そのため、スポットサイズ変換素子の出射端を無反射コーティングして反射率を低減させることが一般的に行われる。しかし、無反射コーティングしても反射率を例えば０．０１％以下にすることは容易ではない。そのため、さらに窓構造を設けて出射端面からの反射光を拡散させて、半導体レーザへの戻り光を低減させることも行われている（例えば、特許文献３参照）。

特許文献３では、半導体ＤＦＢレーザと電界吸収型変調器を集積した素子の出射部に窓構造が形成される。半導体ＤＦＢレーザと電界吸収型変調器は逆メサのリッジ導波路であり、電界吸収型変調器は反射戻り光をさらに低減するために出射側が曲がり導波路となっている。窓構造と曲がり導波路を併用することで、電界吸収型変調器への戻り光が低減される。

特開平８−１２９１１３号公報 特開２０１３−２３１７５３号公報 特開２０１０−１７１０９８号公報

しかしながら、上述の特許文献１、２に記載の技術では、たとえ出射端面に無反射コーティングを設けたとしても、出射端面の残留反射による戻り光が比較的低損失で入射側導波路に戻ることになる。この戻り光により、光送信素子においてレーザ発振の不安定性が増大するという問題がある。

上述の特許文献３の技術のように窓構造を設けた場合は、出射端面の無反射コーティングにより戻り光が低減されることに加えて、出射端面の残留反射による戻り光が入射側導波路に戻るまでの損失が大きくなるため、レーザへの戻り光による不安定性が抑制される。しかし、素子の製造時には出射端面のへき開工程におけるへき開位置ばらつきによる窓領域長のばらつきが存在する。よって、窓領域長に応じた出射端面における出射光のモード形状の変化を介して光ファイバへの結合効率ばらつきが大きくなるという問題がある。また、出射側に曲がり導波路を設けると、出射光が素子端面から出射される方向が垂直から大きく外れた角度となるため、結合光学系の位置調整が複雑になるという問題がある。

以上のように、上述した各技術では、高い結合効率と、戻り光の低減を、素子の製造ばらつきによる影響を抑制して両立することができない問題があった。

本発明は、以上のような課題を解消するためになされたものであり、結合効率が高く、素子の製造ばらつきによる結合効率のばらつきが小さく、かつ、戻り光が低減されたスポットサイズ変換素子の提供を目的とする。

本発明に係るスポットサイズ変換素子は、下部クラッドとしての基板と、入射光が入射する入射端側から先端に向けて幅が小さくなる先端部を備える第１コアと、第１コアの先端部と、当該先端部を基板との間で囲む第１クラッドと、を備えるスポットサイズ変換光導波路と、第１コアの先端部の先端および第１クラッドの終端と接し、当該第１コアの入射端における幅よりも幅の広い第２コアと、当該第２コアを基板との間で囲む第２クラッドと、を備える拡大スポット光導波路と、第２コアの終端および第２クラッドの終端と接するスラブ導波路を備える窓領域と、を備え、光伝搬方向に対して前記第２コアの厚みが一定であり、光伝搬方向に向けて前記第２コアの幅がその始端から終端にかけて連続的に小さくなり、前記第２コアの終端における幅は、前記第１コアの最大幅よりも大きい。

本発明に係るスポットサイズ変換素子は、第１コアに先端部を設けたため、比較的高い結合効率を得ることが可能である。また、窓領域をスラブ導波路としたため、出射端面で反射して入射側導波路に戻る反射光の低減が可能である。さらに、窓領域の長さに比較的依存せずに、比較的高い結合効率を得ることが可能である。また、光伝搬方向に向けて前記第２コアの幅がその始端から終端にかけて連続的に小さくなるため、窓領域の実効的な長さが短縮され結合効率が向上するよって、製造のばらつきにより窓領域の長さにばらつきが生じた場合であっても、高い結合効率および入射側導波路に戻る反射光の低減を実現することが可能である。

実施の形態１に係るスポットサイズ変換素子の平面図である。 実施の形態１に係るスポットサイズ変換素子の図１の線分Ａ１Ａ２における断面図である。 実施の形態１に係るスポットサイズ変換素子の図１の線分Ｂ１Ｂ２，Ｃ１Ｃ２，Ｄ１Ｄ２，Ｅ１Ｅ２における断面図である。 実施の形態１に係るスポットサイズ変換素子の製造方法を説明する図である。 実施の形態１に係るスポットサイズ変換素子の断面における光強度分布を示す図である。 第１の比較用素子の平面図である。 第１の比較用素子の断面における光強度分布を示す図である。 第２の比較用素子の平面図である。 第２の比較用素子の断面における光強度分布を示す図である。 実施の形態１に係るスポットサイズ変換素子の結合損失と窓領域の長さの関係を示す図である。 実施の形態１に係るスポットサイズ変換素子の反射戻り光率と窓領域の長さの関係を示す図である。 実施の形態２に係るスポットサイズ変換素子の平面図である。 実施の形態２に係るスポットサイズ変換素子の図１２の線分Ａ１Ａ２，Ｂ１Ｂ２における断面図である。 実施の形態１および実施の形態２におけるスポットサイズ変換素子の結合効率および反射戻り光率を示す図である。 実施の形態１および２に係るスポットサイズ変換素子の伝搬光の等位相面を示す図である。 実施の形態３に係る半導体装置の平面図である。

＜実施の形態１＞
＜構成＞
図１、図２および図３は、本実施の形態１におけるスポットサイズ変換素子（以下、ＳＳ変換素子とも記載）の構成を示す概略図である。図１は、ＳＳ変換素子の平面図である。図２は、図１に点線で示した線分Ａ１Ａ２における断面図である。また、図３（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）のそれぞれは、図１に点線で示した線分Ｂ１Ｂ２，Ｃ１Ｃ２，Ｄ１Ｄ２，Ｅ１Ｅ２における断面図である。

本実施の形態１におけるＳＳ変換素子は、基板１０１と、スポットサイズ変換光導波路と、拡大スポット光導波路と、窓領域１３０とを備える。

スポットサイズ変換光導波路は、第１コア１１１の先端部１１３と、第１クラッド１１２とを備える。拡大スポット光導波路は、第２コア１２１と、第２クラッド１２２とを備える。

本実施の形態１におけるＳＳ変換素子の構成を光の入射側（図１のＡ１側）から出射側（図１のＡ２側）への順に説明する。基板１０１は、下部クラッドとして使用される。第１コア１１１は、基板１０１上に形成される。第１コア１１１に入射光が導波光として入射し伝搬する。第１コア１１１は、第１クラッド１１２と基板１０１との間で囲まれる。

第１コアは、均一幅部と、先端部１１３から構成される。均一幅部の幅は光伝搬方向に対して均一である。先端部１１３の幅は、光伝搬方向に向けて小さくなる。図１に示すように、先端部１１３は、第１コア先端部開始位置１１４から第１コア先端部終端位置１１５まで形成される。入射側導波路部の断面図を図３（ａ）に示す。入射側導波路部は、第１コア１１１の均一幅部と、第１クラッド１１２により構成される。

スポットサイズ変換導波路部の断面を図３（ｂ）に示す。スポットサイズ変換導波路部は、第１コア１１１の先端部１１３、第１クラッド１１２、第２クラッド１２２から構成される。第１コア１１１の先端部１１３は、第１クラッド１１２と基板１０１との間で囲まれる。第１クラッド１１２は、第２クラッド１２２と基板１０１との間で囲まれる。スポットサイズ変換導波路部において、入射光は、より大きなスポットサイズの導波光へ変換される。

拡大スポット光導波路部の断面を図３（ｃ）に示す。拡大スポット光導波路部は、第２コア１２１と第２クラッド１２２から構成される。第２コア１２１は、第１コア先端部終端位置１１５で第１クラッド１１２に接続し、第２コア終端位置１１７まで形成される。第２コアは、第２クラッド１２２と基板１０１との間で囲まれる。

窓領域１３０の断面を図３（ｄ）に示す。窓領域１３０は、第２コア終端位置１１７と出射端面１４０の間に設けられる。窓領域１３０には、拡大スポット光導波路部からの光が入射するスラブ導波路が備わる。

ここで、スポットサイズ変換導波路部、拡大スポット光導波路部、窓領域１３０の長さを、図１に示すようにそれぞれ、Ｌ１、Ｌ２，Ｌ３と定義する。また、図３（ａ）に示すように、入射側導波路部の第１コア１１１の幅と厚さをそれぞれＷ１、ｄ１と定義する。また、図３（ｃ）に示すように、拡大スポット光導波路部の第２コア１２１の幅と厚さをそれぞれＷ２、ｄ２と定義する。

本実施の形態１におけるＳＳ変換素子において、入射側導波路部を導波してきた光信号は、スポットサイズ変換導波路部においてスポットサイズが拡大される。そして、拡大スポット光導波路部、窓領域を順次伝搬し、バット接続またはレンズ光学系により接続される光ファイバ（図示せず）に光結合して導波する。

本実施の形態では、第１コア１１１の厚さｄ１、第１クラッド１１２の厚さ、第２コア１２１の厚さｄ２、第２クラッド１２２の厚さは、光伝搬方向に対して一定である。第１コア１１１、第１クラッド１１２、第２コア１２１、第２クラッド１２２のそれぞれは、所望の面内形状を付与した導波路素子を形成してスポットサイズ変換特性を実現する。本実施の形態１では、第１コア１１１の厚さｄ１、第１クラッド１１２の厚さ、第２コア１２１の厚さｄ２、第２クラッド１２２の厚さをテーパ状に変化させることがないので、これらを形成する際に選択成長等の複雑な製造プロセスが不要となり、ＳＳ変換素子の製造が容易になる。

スポットサイズ変換素子の構成要素の屈折率は、各部分で光導波する条件を満たす必要がある。即ち、基板１０１の屈折率＜第１コア１１１の屈折率、かつ、第１クラッド１１２の屈折率＜第１コア１１１の屈折率、かつ、第２クラッド１２２の屈折率＜第１クラッド１１２の屈折率、かつ、第２クラッド１２２の屈折率＜第２コア１２１の屈折率、であるように構成される。なお、第１クラッド１１２と第２コア１２１は、同じ材料で構成することが可能である。製造プロセスの簡単化、伝搬光の界面反射低減の点からもそのように構成することが望ましい。また、第２コア１２１と窓領域１３０のスラブ導波路コアも、同じ材料で構成することが可能である。製造プロセスの簡単化、伝搬光の界面反射低減の点からもそのように構成することが望ましい。

＜製造方法＞
次に、本実施の形態１のスポットサイズ変換素子の製造方法について説明する。第１コア１１１は、図３（ａ）で示すように、半導体部をエッチングにより第１コア１１１の下部までハイメサ形状に加工した後、第１コア１１１を第１クラッド１１２で囲んだ構造をしたハイメサ導波路である。例えば、基板１０１はｎ型ＩｎＰである。第１コア１１１は、ＩｎＰ基板上にエピ成長させたＩｎＧａＡｓＰ等の４元エピタキシャル成長層である。第１クラッド１１２はエピタキシャル成長させたｐ型ＩｎＰ層である。基板１０１上に第１コア１１１をエピタキシャル成長させた後、公知の露光技術とドライエッチング技術を用いてハイメサ形状を作成する。その後、第１クラッド１１２をエピタキシャル成長させる。

第１クラッド１１２、第２コア１２１および窓領域１３０のスラブ導波路コア層は、同じエピタキシャル成長層で構成する。第１クラッド１１２、第２コア１２１および窓領域１３０は、第１コア１１１形成と同様のプロセス技術を用いて図３（ｂ）等に示したハイメサ構造を作成した後、第２クラッド１２２として窒化シリコンや酸化シリコン等の半導体層により、低屈折率の誘電体層を成膜する。

上述の工程により製造されたチップは、へき開後、出射端面１４０上に誘電体膜が成膜される。誘電体膜は公知の無反射コーティングにより成膜される。出射端面１４０上に誘電体膜を成膜することにより、出射端面１４０を低反射化する。

また、各構成要素の組成および導波路断面形状は入射光の波長において単一横モードで伝搬するように構成される。また、第２クラッド１２２は、第２コア１２１を伝搬する光に対して光の閉じ込めが十分になるように設計される必要がある。第２クラッド１２２の外側が空気等で低屈折率となっている場合は、第２クラッド１２２の幅は薄くてもよい。この場合、半導体の表面保護膜を兼ねた誘電体膜の堆積により、第２クラッド１２２を形成することが可能である。また、半導体の表面保護膜の堆積後に低屈折率の異種誘電体膜を堆積してもよい。なお、第２クラッド１２２が溝状に形成され、第２クラッド１２２の外側に化合物半導体等の高屈折率の部分が接している場合には、第２クラッド１２２の幅が薄いと第２コアの伝搬光の閉じ込めが不十分になる。このような場合は、第２クラッド１２２に、例えば１μｍ以上の幅を設けるようにする。

また、図１に示す、第１コア１１１の先端部１１３の先端の形状を、数１０ｎｍ以下の小さい曲率半径としてもよいが、エッチングばらつきを介して先端部終端位置１１５が光の伝搬方向にばらつく可能性がある。第１コア１１１の先端部１１３の先端の形状を台形形状とし、先端部終端位置１１５において、例えば０．１±０．０５μｍの導波路幅を残すように設計すると、先端部終端位置１１５が光の伝搬方向にばらつく度合いを低減することが可能である。

発光素子とスポットサイズ変換素子をモノリシック集積した場合を考える。この場合のスポットサイズ変換素子の図１の線分Ｂ１Ｂ２における、図３（ｂ）とは別の断面図を図４（ａ），（ｂ）にそれぞれ示す。発光素子とスポットサイズ変換素子をモノリシック集積する場合、発光素子への効率のよい電流注入のために、発光素子の活性層の近傍に電流ブロック層を設けて上部クラッド層からの電流注入のもれを低減する構造が広く用いられている。本実施の形態のスポットサイズ変換素子の第１クラッド１１２あるいは第２コア１２１を、図４（ａ）に示すように電流ブロック層１１８を含むエピタキシャル成長層で形成する。さらに、上述の発光素子の上部クラッド層および電流ブロック層と共通の層とする。これにより、製造プロセスにおけるエピタキシャル成長の回数が低減できるので、製造上有利であり好適である。また、図４（ｂ）に示すように、電極界面での電気抵抗を低減するためのコンタクト層１１９を第１クラッド１１２あるいは第２コア１２１に含めてもよい。

窓領域１３０以外の構成要素のサイズは露光プロセスにより決まるので、光伝搬方向のサイズのばらつきとしてはμｍオーダー以下が期待できる。一方、窓領域１３０の長さ（Ｌ３）は素子のへき開位置のばらつきに依存する。つまり、窓領域１３０の長さ（Ｌ３）には、１０μｍ以上の比較的大きなばらつきが生じる恐れがある。このばらつきにより、素子の特性にもばらつきが生じる。窓領域１３０から出射端面１４０を経て素子外部に出射された光の結合効率も窓領域１３０の長さのばらつきによる影響を受ける。よって、結合効率の特性の窓領域長依存性は小さいことが望ましい。なお、窓領域１３０の水平方向の幅は、出射端面１４０において、出射光の水平方向のスポットサイズより大きくすればよい。

第１コア１１１を伝搬する入射光は、先端部１１３以外ではスポットサイズが小さいため、第２クラッド１２２と第１コア１１１の間に光波長程度の十分な距離があれば、第２クラッド１２２が存在してもしなくても伝搬モードへの影響はほとんどない。また、第２クラッド１２２が第１コア１１１に近接して存在する場合も、第２クラッド１２２の方が第１コア１１１よりも屈折率が小さいので、第１コア１１１の光閉じ込めが減少することはなく、元から小さいスポットサイズはあまり変化しない。そのため、第２クラッド１２２の開始位置１１６は、第１コア先端部開始位置１１４と一致する必要はない。例えば、図１のように第２クラッド１２２の開始位置１１６の方が、第１コア先端部開始位置１１４よりも入射側にあってもよい。

＜動作＞
次に、本実施の形態のスポットサイズ変換素子の特性のシミュレーション結果について説明する。

Ｌ３とｄ２は、実現したい出射光のスポットサイズと同程度の値にすればよい。ＩｎＰ系の集積素子を考える場合、Ｌ１は２０μｍ以上６０μｍ以下、Ｌ２は０μｍ以上１０μｍ以下の値が好適である。Ｌ２は０μｍ（窓領域開始位置と第１コア先端の位置が一致）としてもよい。入射光の波長が１．３μｍの場合、ｗ１は１．０μｍ以上２．０μｍ以下、ｄ１は０．２μｍ以上０．６μｍ以下、ｄ２は１．５μｍ以上４．０μｍ以下の値が好適である。また、ｗ２の値は、出射光の基板水平方向の所望の放射角に合わせて設定すればよく、たとえば１５°以上２０°以下の範囲の放射角を得る場合には、波長が１．３μｍの場合、３．５μｍ以上４．５μｍ以下が好適である。

例として、波長１．３μｍ、ＴＥ偏光の最低次モードの導波光がスポットサイズ変換素子に入射する場合のシミュレーション結果を説明する。図５は、本実施の形態のスポットサイズ変換素子における伝搬光の光強度分布のシミュレーション結果である。計算には市販のビーム伝搬法（ｂｅａｍ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ：ＢＰＭ）シミュレータを用いた。図５（ａ），（ｂ）は、入射側導波路、第２クラッド終端位置１１７における光強度分布である。また、図５（ｃ），（ｄ）は、Ｌ３を１０μｍ、３０μｍとした場合の出射端面１４０における光強度分布である。

図５（ａ）から、伝搬光が第１コア１１１によく閉じ込められていることがわかる。また、図５（ｂ）から、伝搬光のスポットサイズが、概ね、第２コア１２１の層厚と窓領域開始位置（即ち、第２クラッド終端位置１１７）における導波路幅Ｗ２により決まっていることがわかる。第２コア１２１においては、少数個の伝搬モードが許容されるが、図５（ｂ）のモード形状は単峰的であり、入射側導波路部の伝搬光の多くが第２コア１２１を伝搬する最低次モードに移行していることが分かる。

本実施の形態におけるスポットサイズ変換素子（図１）と比較するために、図６に示すスポットサイズ変換素子（以下、第１の比較用素子と記載する）を考える。図６に示す第１の比較用素子は、図１のスポットサイズ変換素子において第２クラッド開始位置１１６から第２クラッド終端位置１１７までの領域を取り除いた構造である。図７に、図６に示す第１の比較用素子について光強度分布のシミュレーションを行った結果を示す。図７（ａ）は、窓領域開始位置（第２クラッド終端位置１１７）における光強度分布である。また、図７（ｂ）は、Ｌ３が３０μｍの場合の出射端面１４０における光強度分布である。なお、図７（ａ），（ｂ）のシミュレーション結果は、モード形状が図５（ｂ）〜（ｄ）に近い大きさになるように、光閉じ込めを弱めてモードサイズを大きくした場合の結果である。図７（ａ），（ｂ）から、基板に水平方向へのモード形状の拡大が垂直方向への拡大よりも小さいことが分かる。

図５（ｂ），（ｄ）と図７（ａ）、（ｂ）を比べると、図５の方がモード形状の窓領域１３０の長さＬ３に対する変動が小さくなっていることがわかる。これは、図５の場合、第２コア１２１の幅ｗ２を波長に比べて大きくしたので、窓領域開始位置でのスポットサイズが図６の場合より大きく、窓領域１３０を伝搬中の光強度分布の広がりが小さくなるためである。

さらに、本実施の形態におけるスポットサイズ変換素子の窓構造の効果を示すために、図８に示す、窓領域１３０がスラブ導波路形状でないスポットサイズ変換素子（以下、第２の比較用素子と記載する）との比較を行う。第２の比較用素子においては、窓領域１３０を囲むように第２クラッド１２２が、無反射コーティングされた出射端面１４０まで延長されている。つまり、窓領域１３０は拡大スポット光導波路部と同様の構造となっている。その他は図１と同じ構造である。図９に、図８に示す第２の比較用素子について光強度分布のシミュレーションを行った結果を示す。図９（ａ）は、図８の窓領域開始位置（第２クラッド終端位置１１７）における光強度分布である。図９（ｂ）は、図８においてＬ３を３０μｍとした場合の出射端面１４０における光強度分布である。図８（ａ），８（ｂ）から、第２の比較用素子においては、第２コア１２１の光閉じ込めが出射端面１４０まで継続していることがわかる。図４（ｄ）と図８（ｂ）を比較すると、第２の比較用素子の方が、本実施の形態におけるスポットサイズ変換素子よりも、出射端面１４０におけるスポットサイズの変動が小さい。

次に、上述した３種類のスポットサイズ素子（本実施の形態におけるスポットサイズ変換素子、第１、第２の比較用素子）について、レンズ結合による光ファイバ結合効率の窓領域長（窓領域１３０の長さＬ３）依存性を計算した結果を述べる。光ファイバ結合効率の計算は、ＢＰＭシミュレーションにより得られた出力光の複素電界振幅データと光ファイバの基本モードとの重なり積分に基づき求めた。光ファイバの基本モード（モードフィールド径＝８．６μｍ）をガウシアンビームで近似し、電界振幅が理想的なレンズ結合光学系により出力光の出射端面１４０におけるモード形状程度に適切に縮小されたデータに対して素子の出射端面１４０における重なり積分を計算した。光モジュールの組立時に行う調芯作業を模して、出射端面１４０に対する入射角とガウシアンビームのビームウエストの中心座標を調整パラメータとして、光ファイバ結合効率が最大となる条件を求めた。

図１０に、光ファイバ結合効率の窓領域長依存性の計算結果を示す。第２の比較用素子（図８）が最も結合効率が高く、かつ窓領域長（窓領域１３０の長さＬ３）依存性が小さい。これは図９（ａ），（ｂ）に示したスポットサイズの変動が小さい結果とも整合する。第１の比較用素子（図６）は、結合効率が最も小さく、かつ窓領域長依存性が大きい。これは図７（ａ），（ｂ）に示したスポットサイズの変動の大きい結果と整合する。本実施の形態のＳＳ変換素子（図１）においては、結合効率の大きさとその窓領域長依存性は、第１、第２の比較用素子の結果の中間の値となっている。本実施の形態のＳＳ変換素子は、窓領域１３０の長さＬ３が１０μｍ以上３０μｍ以下の範囲において−１．３ｄＢ以上の結合効率が得られることがわかる。

図１１は、上述した３種類の素子について、反射戻り光率の窓領域長依存性をＢＰＭシミュレータにより計算した結果である。ここで、反射戻り光率とは、出射端面１４０で反射した反射光が戻り光として入射導波路部に入射して逆方向の伝搬光となる割合である。なお、実際の反射戻り光率は、出射端面１４０に施される無反射コーティングによる反射減衰が加わった値となる。よって、実際の反射戻り光率は、−３０ｄＢ以下の大きさとなりうる。図１１に示す結果は、無反射コーティングによる反射減衰の寄与を除いたもの（出射端面１４０での反射率を１とみなした場合の計算結果）である。これは、素子導波特性の比較を容易にするためである。

図１１から、第２の比較用素子（図８）が最も反射戻り光率が高く、かつ窓領域長（窓領域１３０の長さＬ３）依存性が小さいことがわかる。これは、図９（ａ），（ｂ）に示したように、スポットサイズの変動が小さい結果、より多くの反射光が入射側導波路部に届くためである。一方、第１の比較用素子（図６）は、反射戻り光率が最も小さく、窓領域長依存性が大きい。これも図７に示したスポットサイズの変動の大きい結果と整合する。スポットサイズの変動が大きいため、反射光が入射側導波路部に到達するまでの拡散が大きくなる。本実施の形態１のＳＳ変換素子（図１）は、図１０に示した結合効率と同じように、反射戻り光率の大きさとその窓領域長依存性は、第１、第２の比較用素子の中間の値となっている。本実施の形態のＳＳ変換素子は、窓領域１３０の長さＬ３が２０μｍ以上３０μｍ以下の範囲で約−４ｄＢ以下の反射戻り光率が得られることがわかる。

一般に、光結合効率が小さいスポットサイズ変換素子は、モジュールの光出力不足や消費電力増加などで特性が劣化してしまう。また、光変調器付き半導体レーザや直接変調半導体レーザにおいては、レーザへの戻り光率がある閾値を超えると、レーザ発振の不安定化による送信波形の劣化が生じる。さらに、所定の仕様より光結合効率が高く反射戻り光率の低い素子の歩留まりが、製造ばらつきにより低下する場合は、低コストに製造することが困難になる。

図１０および図１１に示したように、本実施の形態１のＳＳ変換素子は、比較的高い結合効率と、比較的低い反射戻り光率を、窓領域１３０の長さＬ３に比較的依存せずに得ることが可能である。

本実施の形態１によれば、結合効率が高く、素子の製造ばらつきによる結合効率のばらつきが小さく、戻り光が低減されたスポットサイズ変換素子を得ることが可能である。

＜効果＞
本実施の形態１におけるスポットサイズ変換素子は、下部クラッドとしての基板１０１と、入射光が入射する入射端側から先端に向けて幅が小さくなる先端部１１３を備える第１コア１１１と、第１コア１１１の先端部１１３と、先端部１１３を基板１０１との間で囲む第１クラッド１１２と、を備えるスポットサイズ変換光導波路と、第１コア１１１の先端部１１３の先端および第１クラッド１１２の終端と接し、第１コア１１１の入射端における幅よりも幅の広い第２コア１２１と、第２コア１２１を基板１０１との間で囲む第２クラッド１２２と、を備える拡大スポット光導波路と、第２コア１２１の終端および第２クラッド１２２の終端と接するスラブ導波路を備える窓領域１３０と、を備える。

従って、本実施の形態１におけるＳＳ変換素子は、第１コア１１１に先端部１１３を設けたため、比較的高い結合効率を得ることが可能である。また、窓領域１３０をスラブ導波路としたため、出射端面１４０で反射して入射側導波路に戻る反射光の低減が可能である。さらに、窓領域１３０の長さＬ３に比較的依存せずに、比較的高い結合効率を得ることが可能である。よって、製造のばらつきにより窓領域１３０の長さＬ３にばらつきが生じた場合であっても、高い結合効率および入射側導波路に戻る反射光の低減を実現することが可能である。

また、本実施の形態１におけるスポットサイズ変換素子において、第１クラッド１１２と第２コア１２１の屈折率が等しい。

従って、第１クラッド１１２と第２コア１２１の屈折率が等しいことにより、第１クラッド１１２と第２コア１２１を同一の部材で形成することが可能となり、製造プロセスの簡易化および製造コストの低減が可能である。

また、本実施の形態１におけるスポットサイズ変換素子において、光伝搬方向に対して第２コア１２１の幅および厚みが一定である。

従って、第２コア１２１の幅および厚みを一定とすることにより、第２コア１２１を形成する際に、選択成長等の複雑な製造プロセスが不要となり、ＳＳ変換素子の製造が容易になる。

＜実施の形態２＞
＜構成＞
図１２および図１３は、本実施の形態２におけるＳＳ変換素子の構成を示す概略図である。図１２は、ＳＳ変換素子の平面図である。図１３（ａ），（ｂ）は、図１２に点線で示した線分Ａ１Ａ２，Ｂ１Ｂ２における断面図である。

本実施の形態２におけるＳＳ変換素子は、実施の形態１よりもさらに反射戻り光率を低減することが可能である。以下では、実施の形態１との相違点について説明し、同じ点については説明を省略する。

本実施の形態２におけるＳＳ変換素子は、実施の形態１とは、第１クラッド１１２および第２コア１２１の面内形状が異なる。図１２に示すように、第１クラッド１１２および第２コア１２１は光伝搬方向に向かって幅が小さくなる形状である。図１２において、線分Ａ１Ａ２は入射側導波路における第１コア１１１の先端部１１３の開始位置である。第１コア１１１は、第１クラッド１１２、第２クラッド１２２の順に囲まれている。第１コア１１１の先端部１１３の開始位置（線分Ａ１Ａ２の位置）における第１コアの幅をｗ１、第１クラッドの幅をｗ３とそれぞれ表記する。また、窓領域１３０の開始位置（即ち、線分Ｂ１Ｂ２の位置）における第２コア１２１の幅をｗ４と表記する。

本実施の形態におけるＳＳ変換素子の構造として、ｗ３＞ｗ４＞ｗ１となるようにする。この条件下では、テーパ状の拡大スポット光導波路をスポットサイズが縮小しながら光が伝搬する。そして、窓領域１３０の開始位置において入射側導波路部よりもスポットサイズが拡大されているようになる。線分Ａ１Ａ２から線分Ｂ１Ｂ２の区間で、第２コア１２１の先細構造はたとえば直線テーパ状である。

＜動作＞
図１４は、本実施の形態２におけるＳＳ変換素子の光ファイバ結合効率と反射戻り光率を、前述のＢＰＭシミュレーションにより計算した結果である。また、図１４に、実施の形態１におけるＳＳ変換素子の光ファイバ結合効率と反射戻り光率も併せて示す。図１４の横軸は、窓領域１３０の長さＬ３である。縦軸は光ファイバ結合効率と反射戻り光率をともにｄＢ単位で示した。図１４から、実施の形態１、２において、結合効率にほとんど差がないことがわかる。一方、反射戻り光率は、本実施の形態２の方が０．２ｄＢから０．７ｄＢ程度低減され、改善されていることがわかる。また、後述するように結合効率と反射戻り光率はトレードオフの関係があるため、本実施の形態２では、素子構造を調整することにより、反射戻り光率を実施の形態１と同程度とし、結合効率を実施形態１よりも改善することも可能である。

図１４に示したように、本実施の形態２のＳＳ変換素子は、実施の形態１のＳＳ変換素子よりも反射戻り光率が改善した。その理由について定性的に説明する。

まず、スラブ導波路の窓領域１３０における伝搬における一般的な性質を述べる。スラブ導波路において、基板水平方向には光閉じ込めがなく、垂直方向には光閉じ込めが存在する。そのため、光が窓領域１３０を伝搬するにつれて、出射光のモード形状が水平方向に延伸し真円形状から離れて楕円形状に変化する。また、水平方向と垂直方向の光波面がビーム拡散に応じて曲がる度合いが異なることにより、伝搬光がＳＳ変換素子外部に出射したときに、出射光に非点収差が発生する。これらの理由により、モード形状が真円的で波面の曲がり方が等方的であるガウシアンビームと、ＳＳ変換素子からの出射光との重なり積分が小さくなって、結合効率が低下する。結合効率が低いＳＳ変換素子は、上記の乖離が大きい状況になっており、このとき出射端面１４０における反射光が入射側導波路に戻るまでにさらにモード形状の延伸等が加わるので、結合効率が低い素子ほど反射戻り光率が低減されやすい。逆に、反射戻り光率が小さい素子構造では、結合効率も低い。つまり、一般に、結合効率と反射戻り光率はトレードオフの関係がある。同時に、窓領域１３０の長さＬ３が小さいほど、結合効率が高くなる。

図１５（ａ），（ｂ）は、本実施の形態２のＳＳ変換素子（図１２）と実施の形態１のＳＳ変換素子（図１）における伝搬光の基板水平方向の波面（等位相面）を模式的に示した図である。実施の形態２のＳＳ変換素子においては、図１５（ａ）に示すように、光が拡大スポット光導波路を導波する際に、導波路の先細テーパ形状のために、基板水平方向の波面の位相が周辺部ほど進む。そのため、窓領域１３０の開始位置（第２クラッド終端位置１１７）では波面が曲がっており、窓領域１３０を伝搬するにしたがい球面波状の波面の曲がりが加わる。そのため、もっとも波面が平坦になる位置１５０は窓領域１３０の開始位置から光がある程度伝搬した位置となり、本実施の形態２では、窓領域１３０の開始位置から数μｍ程度の距離にある。つまり、窓領域１３０の実効的な長さＬ３が短縮されため、結合効率は、出射端面１４０と波面が平坦になる位置１５０の距離（即ち実効的な長さＬ３ａ）に見合ったものになる。窓領域１３０の実効的な長さがＬ３である実施の形態１（図１５（ｂ））と比較して、実施の形態２（図１５（ａ））では窓領域１３０の実効的な長さがＬ３ａに短縮されるため、結合効率が向上する。

また、反射戻り光率は、窓領域１３０の開始位置と出射端面１４０との実際の距離（即ち、窓領域１３０の実際の長さＬ３に依存すると考えられる。つまり、実施の形態１、２のＳＳ変換素子では、反射戻り光率は同程度となると考えられる。

以上から、本実施の形態２のＳＳ変換素子は、実施の形態１のＳＳ変換素子と比較して、窓領域１３０の実効的な長さが短縮されるため、結合効率が改善される。一方、反射戻り光率は窓領域１３０の実際の長さＬ３に依存すると考えられるため、実施の形態１、２で差は生じない。このように、本実施の形態２においては、実施の形態１に対して、結合効率と反射戻り光率のトレードオフの関係を改善することができる。

＜効果＞
本実施の形態２におけるスポットサイズ変換素子において、光伝搬方向に対して第２コア１２１の厚みが一定であり、光伝搬方向に向けて第２コア１２１の幅が小さくなり、第２コア１２１の終端における幅Ｗ４は、第１コア１１１の最大幅Ｗ１よりも大きい。

従って、光伝搬方向に向けて第２コア１２１の幅を小さくすることにより、第２コアを伝搬する伝搬光に位相差が生じるため、窓領域１３０の実効的な長さを短縮することが可能となる。よって、第２コア１２１の幅が均一である実施の形態１よりも、さらに結合効率を向上させることが可能である。

＜実施の形態３＞
図１６は、本実施の形態３における半導体装置の平面図である。本実施の形態における半導体装置は、半導体光素子２００と、接続部３００と、実施の形態１のＳＳ変換素子とを集積した素子である。以下では、実施の形態１と同じ点については説明を省略する。

半導体光素子２００は、コア層２０１の両サイドが半導体で埋め込まれない、クラッド層２０２を備えたハイメサリッジ導波路を採用している。半導体光素子２００は、例えば光変調器つき半導体レーザ素子における光変調器部である。実施の形態１のＳＳ変換素子は、第１コア１１１の両サイドが半導体で埋め込まれたハイメサリッジ導波路で構成される。半導体光素子２００からの出力光が、実施の形態１のＳＳ変換素子へ入射し、適切にスポットサイズ変換された出射光として素子の出射端面１４０から出射する。半導体光素子２００と実施の形態１または２のＳＳ変換素子の間に、接続部３００が設けられる。

接続部３００のコア層は、第１接続コア２１０と第２接続コア２２０により構成される。第１接続コア２１０の両側は、半導体で埋め込まれないクラッド層２１１を備えており、第１接続コア２１０とクラッド層２１１は、ハイメサリッジ導波路を形成する。また、第２接続コア２２０の両側は、半導体で埋め込まれたクラッド層２２２を備えており、第２接続コア２２０とクラッド層２２２は、埋め込み型導波路を形成する。

第１接続コア２１０の両サイドが半導体で埋め込まれないハイメサリッジ導波路において、第１接続コア２１０の幅Ｗ５は、光伝搬方向に向けて大きくなる。つまり、第１接続コア２１０の幅ｗ５は、半導体光素子２００側から出射端面１４０側に向かって広くなる。

第２接続コア２２０の両サイドが半導体で埋め込まれた埋込型導波路において、クラッド層２２１で構成される導波路の幅Ｗ６は、半導体光素子２００側から出射端面１４０側に向かって大きくなる。また、第２接続コア２２０の幅Ｗ７は、半導体光素子２００側から出射端面１４０側に向かって小さくなる。幅Ｗ７が小さくなる第２接続コア２２０は、実施の形態１のＳＳ変換素子の入射側導波路の第１コア１１１として、先細の形状の先端部１１３までを構成するようにする。

なお、クラッド層２０２、２１１、２２１は同一の材料により構成し相互に接続した構造としてもよい。さらに、実施の形態１または２の第２クラッド１２２を、クラッド層２０２、２１１、２２１と同一の材料で構成して、これらに接続してもよい。さらに、これらのクラッド層２０２、２１１、２２１，１２２と第２クラッド１２２は、誘電体保護膜と空気（溝構造）であってもよい。

＜効果＞
本実施の形態における半導体装置は、実施の形態１におけるスポットサイズ変換素子と、光の変調を行う半導体光素子２００と、半導体光素子２００とスポットサイズ変換素子を接続する接続部３００と、を備え、半導体光素子２００は、コア層２０１を備え、接続部３００は、前端が半導体光素子２００のコア層２０１と接した第１接続コア２１０と、前端が第１接続コア２１０の後端と接し、後端が第１コア１１１の入射端と接した第２接続コア２２０と、を備え、半導体光素子２００のコア層２０１は、両側が半導体で埋め込まれないハイメサリッジ構造の導波路コアであり、第１接続コア２１０は、両側が半導体で埋め込まれないハイメサリッジ構造の導波路コアであり、第２接続コア２２０は、埋め込み型の導波路コアであり、第１接続コア２１０は、光伝搬方向に向けて幅が大きくなり、第２接続コア２２０は、光伝搬方向に向けて幅が小さくなる。

以上のような構造とすることにより、コア層２０１の両サイドが半導体で埋め込まれないハイメサリッジ導波路からなる半導体光素子２００の出力光を、低損失にＳＳ変換素子に入射させることができる。よって、ＳＳ変換素子からの出射光の光強度の減衰を抑制することができる。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１０１ 基板、１１１ 第１コア、１１２ 第１クラッド、１１３ 先端部、１１４ 第１コア先端部開始位置、１１５ 第１コア先端部終端位置、１１６ 第２クラッド開始位置、１１７ 第２クラッド終端位置、１１８ 電流ブロック層、１１９ コンタクト層、１２１ 第２コア、１２２ 第２クラッド、１３０ 窓領域、１４０ 素子出射端面、１５０ 波面平坦位置、２００ 半導体光素子、２０１ コア層、２０２ クラッド層、２１０ 第１接続コア、２１１ クラッド層、２２０ 第２接続コア、２２１，２２２ クラッド層、３００ 接続部。

Claims (3)

1. 下部クラッドとしての基板と、
   入射光が入射する入射端側から先端に向けて幅が小さくなる先端部を備える第１コアと、
   前記第１コアの前記先端部と、当該先端部を前記基板との間で囲む第１クラッドと、を備えるスポットサイズ変換光導波路と、
   前記第１コアの前記先端部の先端および前記第１クラッドの終端と接し、当該第１コアの前記入射端における幅よりも幅の広い第２コアと、当該第２コアを前記基板との間で囲む第２クラッドと、を備える拡大スポット光導波路と、
   前記第２コアの終端および前記第２クラッドの終端と接するスラブ導波路を備える窓領域と、
   を備え、
   光伝搬方向に対して前記第２コアの厚みが一定であり、
   光伝搬方向に向けて前記第２コアの幅がその始端から終端にかけて連続的に小さくなり、
   前記第２コアの終端における幅は、前記第１コアの最大幅よりも大きい、
   スポットサイズ変換素子。
2. 前記第１クラッドと前記第２コアの屈折率が等しい、
   請求項１に記載のスポットサイズ変換素子。
3. スポットサイズ変換素子と、
   光の変調を行う半導体光素子と、
   前記半導体光素子と前記スポットサイズ変換素子を接続する接続部と、
   を備え、
   前記スポットサイズ変換素子は、下部クラッドとしての基板と、
   入射光が入射する入射端側から先端に向けて幅が小さくなる先端部を備える第１コアと、
   前記第１コアの前記先端部と、当該先端部を前記基板との間で囲む第１クラッドと、を備えるスポットサイズ変換光導波路と、
   前記第１コアの前記先端部の先端および前記第１クラッドの終端と接し、当該第１コアの前記入射端における幅よりも幅の広い第２コアと、当該第２コアを前記基板との間で囲む第２クラッドと、を備える拡大スポット光導波路と、
   前記第２コアの終端および前記第２クラッドの終端と接するスラブ導波路を備える窓領域と、
   を備え、
   前記半導体光素子は、コア層を備え、
   前記接続部は、前端が前記半導体光素子の前記コア層と接した第１接続コアと、
   前端が当該第１接続コアの後端と接し、後端が前記第１コアの前記入射端と接した第２接続コアと、
   を備え、
   前記半導体光素子の前記コア層は、両側が半導体で埋め込まれないハイメサリッジ構造の導波路コアであり、
   前記第１接続コアは、両側が半導体で埋め込まれないハイメサリッジ構造の導波路コアであり、
   前記第２接続コアは、埋め込み型の導波路コアであり、
   前記第１接続コアは、光伝搬方向に向けて幅が大きくなり、
   前記第２接続コアは、光伝搬方向に向けて幅が小さくなる、
   半導体装置。