JP6452451B2 - 光集積素子およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、光集積素子およびその製造方法に関するものである。

近年のインターネットトラフィックの増大に応えるために、デジタルコヒーレント通信の導入が長距離光通信において開始されており、通信の大容量化が進行している。デジタルコヒーレント通信の次のターゲットは中近距離の光通信であり、光送受信デバイスとしては、小型化、低消費電力化が強く求められてきている。現在のデジタルコヒーレント通信用送信機の変調器として、ＬＮ（ニオブ酸リチウム）変調器が使われているが、小型化を考える際に半導体変調器が候補に挙がる。例えば、ＩｎＰ（インジウムリン）を構成材料に用いたＩｎＰ−ＭＺ（マッハツェンダ）変調器は、ＬＮ変調器と比較して、チップサイズが小さく、駆動電圧が低く、変調可能な波長帯域が広いということが報告されている（非特許文献１参照）。また、ＩｎＰ−ＭＺ光変調器と波長可変レーザとをマルチチップ実装した低消費電力かつコンパクトな波長可変レーザモジュールが近年開発されている。このような波長可変レーザモジュールは、光変調器と波長可変レーザという異なる機能を有する光機能素子を１つの基板上に集積した光集積素子を備えている。

光集積素子としては、同一の基板上に、それぞれ異なる光機能素子であるＳＯＡ（半導体光増幅素子）とＭＺ光変調器とが集積されたもの（特許文献１）や、同一の基板上に、それぞれ異なる光機能素子であるＤＦＢ（分布帰還型）レーザ素子とＥＡ（電界吸収型）光変調器とが集積されたもの（特許文献２）が開示されている。

特開２００９−１９８８８１号公報 特開２００２−３２４９３６号公報

Ｊ．Ｓ．Ｂａｒｔｏｎ， ｅｔ ａｌ．，"Ａ Ｗｉｄｅｌｙ Ｔｕｎａｂｌｅ Ｈｉｇｈ−Ｓｐｅｅｄ Ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ Ｕｓｉｎｇ ａｎ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ＳＧＤＢＲ Ｌａｓｅｒ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ ａｎｄ Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ，"，ＩＥＥＥ Ｊ．Ｓｅｌ．Ｔｏｐｉｃｓ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．，Ｖｏｌ．９，Ｎｏ．５，ｐｐ．１１１３−１１１７，Ｓｅｐ．／Ｏｃｔ．２００３

ところで、特許文献１のようなＳＯＡとＭＺ光変調器とを集積する場合、各素子の光導波路層である量子井戸層の合計厚さは、それぞれの特性に応じて最適化されることが望ましい。たとえば、ＭＺ光変調器等の位相変調器については、電気容量を低減して応答特性を高速化するためには、量子井戸層の合計厚さを厚くすることが好ましい。一方ＳＯＡについては、その量子井戸層の合計厚さを厚くすると飽和出力が低下するため、ある程度の厚さ以下することが望ましい。このように各素子の量子井戸層の合計厚さを最適化すると、その合計厚さの差異が大きくなるため、素子の接合部分で接続損失が増大するという問題がある。

特許文献２では、ＥＡ光変調器を構成する合計厚さの厚い第１の量子井戸層を成長した後、ＤＦＢレーザ素子を構成する合計厚さの薄い第２の量子井戸層を成長し、その後、第１および第２の量子井戸層との間の部分をエッチング除去して、そこに、互いに厚さが異なる第１および第２の量子井戸層を接続する光導波路層の成長を行っている。このとき、導波路層を成長するときに選択成長マスクパターンを工夫し、導波路層の厚さを、第１の量子井戸層側と第２の量子井戸層側とで変化させ、接続損失を減少させるようにしている。

しかしながら、このような方法の場合、光導波路層形成のためのエッチング時に、互いに厚さが異なる第１および第２の量子井戸層の両方をエッチングするため、第１および第２の量子井戸層の両方を適切なエッチング量だけエッチングするのが困難である。特に、特許文献２では、ＥＡ光変調器を構成する第１の量子井戸層がＡｌＧａＩｎＡｓ系の多重量子井戸層、ＤＦＢレーザ素子を構成する第２の量子井戸層がＩｎＧａＡｓＰ系の多重量子井戸層で構成されており、ドライエッチングとウェットエッチングとで光導波路層形成のためのエッチングを行っている。この場合、２つの量子井戸層は、材料系が異なるため、ウェットエッチングでそれぞれの量子井戸層を適切にエッチングすることが困難である。

各量子井戸層に適正にエッチングを行うためには、光の導波方向において、第１の量子井戸層、光導波路層、第２の量子井戸層をこの順番またはこれとは逆の順番に成長することが望ましい。具体的には、まず第１の量子井戸層を成長し、その一部をエッチング除去してそこに光導波路層を再成長する。さらに、光導波路層の一部をエッチング除去してそこに第２の量子井戸層を再成長する、またはこれとは逆の順番で工程を行う。このようにすることで、エッチングを行う際には、各量子井戸層又は、導波路層ごとにエッチングを行うことができる。しかしながら、光導波路層は、厚さが第１の量子井戸層から第２の量子井戸層に向かって連続して変化している。したがって、光導波路層の一部をエッチングして次の量子井戸層を成長するときに、光導波路層のエッチングのためのエッチングマスクの位置が、光の導波方向にばらついてしまうと、エッチングにより側部に露出したエッチング断面における光導波路層の厚さがばらついてしまう。その結果、光導波路層と、その後再成長により形成する量子井戸層との接合部分において、光導波路層と量子井戸層との厚さの差にもばらつきが発生するため、当該接合部分での接続損失がばらついてしまうという問題がある。このような接続損失のばらつきは、光集積素子における内部の接続損失のばらつきを発生させる。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、内部の接続損失のばらつきが小さい光集積素子およびそ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、本発明の一態様に係る光集積素子は、同一基板上に形成された、第１の光導波路層を有する第１の導波路型光機能素子と、前記第１の光導波路層とは厚さが異なる第２の光導波路層を有する第２の導波路型光機能素子と、前記第１の光導波路層と前記第２の光導波路層とを接続する受動型の接続光導波路層を有する接続光導波路と、を備え、前記接続光導波路層は、前記第１の光導波路層側に位置する第１端部と前記第２の光導波路層側に位置する第２端部とを有し、前記第１端部から前記第２端部に向かって前記第１の光導波路層の厚さから前記第２の光導波路層の厚さに近付くように厚さが変化する厚さ変化部と、前記第２端部に接続し、前記第２端部と同一の厚さでありかつ光の導波方向で一定の厚さを有する定厚さ部とを有することを特徴とする。

本発明の一態様に係る光集積素子は、前記第１の導波路型光機能素子は位相変調器であり、前記第２の導波路型光機能素子は発光素子または光増幅素子であることを特徴とする。

本発明の一態様に係る光集積素子は、前記第１の導波路型光機能素子はハイメサ構造を有し、前記第２の導波路型光機能素子は半導体埋込構造を有することを特徴とする。

本発明の一態様に係る光集積素子は、前記第１および第２の光導波路層は多重量子井戸構造を有することを特徴とする。

本発明の一態様に係る光集積素子は、前記第１の光導波路層はＡｌＧａＩｎＡｓまたはＡｌＩｎＡｓで構成され、前記第２の光導波路層はＩｎＧａＡｓＰで構成されていることを特徴とする。

本発明の一態様に係る光集積素子は、前記第１の光導波路層の合計厚さは前記第２の光導波路層の合計厚さの２倍以上であることを特徴とする。

本発明の一態様に係る光集積素子の製造方法は、同一基板上に形成された、第１の光導波路層を有する第１の導波路型光機能素子と、前記第１の光導波路層とは厚さが異なる第２の光導波路層を有する第２の導波路型光機能素子と、前記第１の光導波路層と前記第２の光導波路層とを接続する受動型の接続光導波路層を有する接続光導波路と、を備える光集積素子の製造方法であって、前記基板上に、前記第１の光導波路層を形成する第１工程と、前記第１の光導波路層の一部の領域を除去し、前記除去した領域に前記接続光導波路層を形成する第２工程と、前記接続光導波路層の一部の領域を除去し、前記除去した領域に第２の光導波路層を形成する第３工程と、を含み、前記第２工程では、前記第１の光導波路層側に位置する第１端部と前記第２の光導波路層側に位置する第２端部とを有し、前記第１端部から前記第２端部に向かって前記第１の光導波路層の厚さから前記第２の光導波路層の厚さに近付くように厚さが変化する厚さ変化部と、前記第２端部に接続し、前記第２端部と同一の厚さでありかつ光の導波方向で一定の厚さを有する定厚さ部とを有するように前記接続光導波路層を形成し、前記第３工程では、前記接続光導波路層の前記定厚さ部における一部の領域を除去することを特徴とする。

本発明によれば、内部の接続損失のばらつきが小さい光集積素子を実現できるという効果を奏する。

図１は、実施の形態１に係る光集積素子の模式的な平面図である。 図２は、図１に示すＳＯＡの模式的な断面図である。 図３は、図１に示す光変調器の模式的な断面図である。 図４は、図１に示す光集積素子のＸ−Ｘ線断面図である。 図５は、図１に示す光集積素子の製造方法を説明する図である。 図６は、図１に示す光集積素子の製造方法を説明する図である。 図７は、図１に示す光集積素子の製造方法を説明する図である。 図８は、図１に示す光集積素子の製造方法を説明する図である。 図９は、図１に示す光集積素子の製造方法を説明する図である。 図１０は、図１に示す光集積素子の製造方法を説明する図である。

以下に、図面を参照して本発明に係る光集積素子およびそ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。また、各図面において、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。さらに、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、現実のものとは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）
図１は、本実施の形態１に係る光集積素子の模式的な平面図である。光集積素子１００は、基板上に形成され、光集積素子１００の外部に設けられたレーザ発振部からシード光を受信してこれを位相変調し、変調後の信号光、および局所発振光（ＬＯ光）、およびモニタ光を出力する光変調器として機能する。光集積素子１００は、図１に示すように、光入力部１１０と、光導波路１２０、１２１、１２２、１２３と、２つのＳＯＡ１３０、１３１と、光変調器１４０と、信号光出力部１５１、１５２と、モニタ光出力部１５１ａ、１５２ａと、ＬＯ光出力部１６０と、を備えている。

光導波路１２０、１２１、１２２、１２３は、基板の表面に沿って延在するように、基板の内部または表面に形成される。光導波路１２０の一方の端部はシード光を入力するためのポートである光入力部１１０に接続している。光導波路１２０は分岐部１２０ａにおいて分岐し、一方はＳＯＡ１３０に接続している。ＳＯＡ１３０はさらに後述する接続光導波路を介して光変調器１４０に接続している。光変調器１４０はさらに光導波路１２１、１２２を介して、信号光を出力するためのポートである信号光出力部１５１、１５２と、光集積素子１００の動作監視用のモニタ光を出力するためのポートであるモニタ光出力部１５１ａ、１５２ａとに接続している。光導波路１２０の分岐した他方はＳＯＡ１３１に接続している。ＳＯＡ１３１は光導波路１２３を介してＬＯ光を出力するためのポートであるＬＯ光出力部１６０に接続している。

光変調器１４０は、光導波路が複数の光カプラによって分岐および合流されることで形成される４つのマッハツェンダ干渉計（ＭＺＩ）１４１と、光導波路１４２、１４３、１４４とを備える。光変調器１４０の入力側の光導波路１４２は、２段の導波路型光カプラによって４つに分岐され、４つのＭＺＩ１４１の入力側に接続される。４つのＭＺＩ１４１のうち、２つのＭＺＩ１４１の出力側には不図示の９０度位相シフタが接続される。そして、９０度位相シフタが接続されているＭＺＩ１４１と、９０度位相シフタが接続されていないＭＺＩ１４１とがペアとして、それぞれ光導波路１４３，１４４の導波路型光カプラにより合流され、それぞれ光導波路１２１、１２２に接続される。光導波路１２１、１２２はそれぞれ分岐しており、分岐した一方は信号光出力部１５１または１５２に接続される。このような構成により、光変調器１４０によって所望の変調が行われて生成された信号光は、信号光出力部１５１、１５２から出力される。また、光導波路１２１、１２２の分岐した他方は、モニタ光出力部１５１ａ、１５２ａに接続されている。

ＳＯＡ１３０は、光導波路１２０の分岐部１２０ａで分岐された一方のシード光を光増幅し、光変調器１４０に入力させる。ＳＯＡ１３１は、光導波路１２０の分岐部１２０ａで分岐された他方のシード光を光増幅し、ＬＯ光としてＬＯ光出力部１６０から出力させる。

つぎに、第１の光機能素子である光変調器１４０と第２の光機能素子であるＳＯＡ１３０、１３１の構造について説明する。まず、ＳＯＡ１３０について説明する。なお、ＳＯＡ１３１もＳＯＡ１３０と同一の断面構造を有する。

図２は、図１に示すＳＯＡ１３０の、光の導波方向とは垂直の面における模式的な断面図である。ＳＯＡ１３０は、光集積素子１００の基板である、Ｆｅをドープした半絶縁性のＩｎＰで構成される基板１００ａ上に、バッファ層としての役割も果たしているｎ−ＩｎＰで構成される下部クラッド層１３０ａと、ＩｎＧａＡｓＰで構成される多重量子井戸構造を有する、第２の光導波路層である活性層１３０ｂと、ｐ−ＩｎＰで構成される上部クラッド層１３０ｃとが順次積層した構造を有している。活性層１３０ｂは、互いに組成が異なるＩｎＧａＡｓＰで構成された井戸層と障壁層とが交互に積層して構成されており、発光波長が１５５０ｎｍとなるように井戸層のＩｎＧａＡｓＰの組成が調整されている。下部クラッド層１３０ａの一部から上部クラッド層１３０ｃまではメサ構造となっており、メサ構造の両側はＦｅドープの半絶縁性のｐ−ＩｎＰで構成される下部電流阻止層１３０ｄａとｎ−ＩｎＰで構成される上部電流阻止層１３０ｄｂとからなる電流阻止層１３０ｄによって埋め込まれている。したがって、ＳＯＡ１３０は半導体埋込構造を有している。なお、電流阻止層１３０ｄは活性層１３０ｂに対して幅方向でのクラッド層としても機能する。

ＳＯＡ１３０は、さらに、電流阻止層１３０ｄと上部クラッド層１３０ｃとの上部に順次積層された、ｐ−ＩｎＰで構成される上部クラッド層１３０ｅと、ＩｎＧａＡｓで構成されるコンタクト層１３０ｆとを備えている。コンタクト層１３０ｆ上にはｐ側電極１３０ｈが形成されている。また、コンタクト層１３０ｆから下部クラッド層１３０ａに到る深さのリセスが形成されており、溝の底部の下部クラッド層１３０ａの表面にはｎ側電極１３０ｉが形成されている。また、ＳＯＡ１３０を構成する半導体層の表面は、ＳｉＮｘ等の絶縁体からなる保護膜１３０ｇで覆われている。なお、図１では図面の簡略化のためにｐ側電極１３０ｈ、ｎ側電極１３０ｉ、およびこれらに電力を供給するための配線パターンは図示を省略している。

ＳＯＡ１３０の動作について説明する。ｎ側電極１３０ｉとｐ側電極１３０ｈとの間に電圧を印加して電流を注入した状態で、ＳＯＡ１３０にたとえば波長が１５５０ｎｍのシード光を入力すると、活性層１３０ｂはシード光を導波しながら増幅して出力する。このように、ＳＯＡ１３０は、第２の光導波路層である活性層１３０ｂが光増幅機能を有する導波路型光機能素子である。

図３は、図１に示す光変調器１４０の、光の導波方向とは垂直の面における模式的な断面図である。なお、図１では、光変調器１４０を構成するＭＺＩ１４１の２本のアーム部のうち一方の断面を示しているが、他方のアーム部も同様の断面構造を有する。ＭＺＩ１４１は、光集積素子１００の基板でありＳＯＡ１３０と共通の基板１００ａ上に、ＳＯＡ１３０と共通の下部クラッド層１３０ａと、互いに組成が異なるＡｌＧａＩｎＡｓ（もしくはＡｌＩｎＡｓ）で構成された井戸層と障壁層、またはＡｌＧａＩｎＡｓ井戸層／ＡｌＩｎＡｓ障壁層で構成される多重量子井戸構造を有する、第１の光導波路層である光導波路層１４０ｂと、ノンドープのＩｎＰで構成される上部クラッド層１４０ｃと、ｐ−ＩｎＰで構成される上部クラッド層１４０ｅと、ＩｎＧａＡｓで構成されるコンタクト層１４０ｆとが順次積層した構造を有している。光導波路層１４０ｂは、シード光を吸収しないように、たとえば発光波長が１４３０ｎｍとなるようにその組成が調整されている。コンタクト層１４０ｆ上には変調信号印加電極１４０ｈが形成されている。コンタクト層１４０ｆから下部クラッド層１３０ａの一部まではハイメサ構造となっている。すなわち、光変調器１４０はハイメサ構造を有している。ハイメサ構造に隣接する下部クラッド層１３０ａの表面にはグラウンド電極１４０ｉが形成されている。また、光変調器１４０を構成する半導体層の表面は、ＳｉＮｘ等の絶縁体からなる保護膜１４０ｇで覆われている。さらに、ハイメサ構造の両側はポリイミド１４０ｊで埋め込まれている。ポリイミド１４０ｊの表面も保護膜１４０ｇで覆われている。なお、光変調器１４０を構成する光導波路１４２、１４３、１４４は、コンタクト層１４０ｆに変調信号印加電極１４０ｈが形成されておらずに保護膜１４０ｇで覆われており、かつグラウンド電極１４０ｉが形成されていない以外は、図３に示すＭＺＩ１４１のアーム部と同様の断面構造を有する。

光変調器１４０の動作について説明する。変調信号印加電極１４０ｈに高周波変調電力を印加すると、量子閉じ込めシュタルク効果（ＱＣＳＥ）又はポッケルス効果によって、光導波路層１４０ｂの屈折率が変化する。そうすると、ＭＺＩ１４１の２本のアーム部の光導波路層１４０ｂを通過する光の位相差が変化し、ＭＺＩ１４１の出力側光カプラにおける干渉状態が変化する。このような構成において、変調信号印加電極１４０ｈへ印加する変調電力を制御することによって、ＭＺＩ１４１からの光の出力の有無を切り替え、光の変調を行うことができる。

このように、光集積素子１００は、同一の基板である基板１００ａ上に、光変調機能を有する第１の導波路型光機能素子である光変調器１４０と、光増幅機能を有する第２の導波路型光機能素子であるＳＯＡ１３０、１３１とを集積したものである。

なお、図１に示す破線で区切られた領域ＡＡ、ＢＡのそれぞれに含まれる光導波路は異なる導波路構造を有している。すなわち、領域ＡＡに在る光導波路はＳＯＡ１３０と同様に半導体埋込構造を有しており、領域ＢＡに在る光導波路は光変調器１４０と同様にハイメサ構造を有している。

図４は、図１に示す光集積素子のＸ−Ｘ線断面図である。なお、Ｘ−Ｘ線は、光の導波方向に沿った線である。図４に示すように、光変調器１４０とＳＯＡ１３０との間には、接続光導波路１７０が形成されており、光変調器１４０とＳＯＡ１３０とは接続光導波路１７０で接続されている。接続光導波路１７０は、光集積素子１００の基板でありＳＯＡ１３０および光変調器１４０と共通の基板１００ａ上に、ＳＯＡ１３０と共通の下部クラッド層１３０ａと、ＩｎＧａＡｓＰで構成されるバルク構造を有する、受動型の接続光導波路層である光導波路層１７０ｂと、ノンドープのＩｎＰからなる上部クラッド層１７０ｃと、ｐ−ＩｎＰで構成される上部クラッド層１７０ｅと、ＩｎＧａＡｓで構成される不図示のコンタクト層とが順次積層した構造を有している。光導波路層１７０ｂは、シード光を吸収しないように、たとえば発光波長が１３００ｎｍとなるようにその組成が調整されている。

図４に示すように、第２の光導波路層である活性層１３０ｂの合計厚さは第１の光導波路層である光導波路層１４０ｂの合計厚さよりも薄く、両者は厚さがたとえば２倍以上異なる。これにより、光変調器１４０の応答特性が高速化されるように光導波路層１４０ｂの合計厚さが最適化されている。また、ＳＯＡ１３０の飽和出力が低下しないように活性層１３０ｂの合計厚さが最適化されている。

さらに、光導波路層１７０ｂは活性層１３０ｂと光導波路層１４０ｂとを接続している。ここで、光導波路層１７０ｂは、厚さ変化部１７０ｂａと定厚さ部１７０ｂｂとを有する。厚さ変化部１７０ｂａは、光導波路層１４０ｂ側に位置する第１端部１７０ｂａ１と活性層１３０ｂ側に位置する第２端部１７０ｂａ２とを有している。第１端部１７０ｂａ１の厚さは光導波路層１４０ｂの厚さと同一または近い値を有しており、接続部における光のスポットサイズを勘案して接続損失が十分に許容できる範囲になっている。第２端部１７０ｂａ２の厚さは活性層１３０ｂと同一または近い値を有しており、接続部における光のスポットサイズを勘案して接続損失が十分に許容できる範囲になっている。そして、厚さ変化部１７０ｂａは、第１端部１７０ｂａ１から第２端部１７０ｂａ２に向かって、光導波路層１４０ｂの厚さから活性層１３０ｂの厚さに近付くように厚さが変化している。一方、定厚さ部１７０ｂｂは、第２端部１７０ｂａ２に接続し、第２端部１７０ｂａ２と同一かつ、光の導波方向において一定の厚さを有する。これにより、光導波路層１７０ｂは、定厚さ部１７０ｂｂにおいて活性層１３０ｂと接続し、厚さ変化部１７０ｂａの第１端部１７０ｂａ１において光導波路層１４０ｂと接続する。

ここで、光集積素子１００を製造する際に、半導体層のエッチングと再成長とを繰り返して光導波路層１４０ｂ、光導波路層１７０ｂ、活性層１３０ｂを順番に成長させる場合を考える。仮に光導波路層１７０ｂが厚さ変化部１７０ｂａのみで形成されていたとする。この場合、厚さ変化部１７０ｂａの領域の一部をエッチング除去してその領域に活性層１３０ｂを再成長する時に、厚さ変化部１７０ｂａのエッチングのためのエッチングマスクの位置が、光の導波方向にばらついてしまうと、エッチングにより側部に露出したエッチング断面における厚さ変化部１７０ｂａの厚さがばらついてしまう。その結果、厚さ変化部１７０ｂａと、その後再成長により形成する活性層１３０ｂとの接合部分において、厚さ変化部１７０ｂａと活性層１３０ｂとの厚さの差にもばらつきが発生するため、当該接合部分での接続損失がばらついてしまう。また、厚さ変化部１７０ｂａの厚さのばらつきによりエッチング深さのずれが生じ、接合部に上下方向のずれが生じる場合がある。これにより、接合部分での接合損失がばらついてしまう。

これに対して、本実施の形態では、光導波路層１７０ｂが定厚さ部１７０ｂｂを有しているため、たとえエッチングマスクの位置が、光の導波方向にばらついてしまったとしても、エッチングにより側部に露出したエッチング断面における定厚さ部１７０ｂｂの厚さのばらつきはほとんど無い。したがって、光導波路層１７０ｂとその後再成長により形成する活性層１３０ｂとの接合部分での接続損失のばらつきもほとんど無くなる。また、定厚さ部１７０ｂをエッチングする場合、厚さが一定であるためエッチング深さの制御性が著しく高くなり、接合部での上下方向のずれは生じない。したがって接合部分での接合損失のばらつきはほとんどなくなる。その結果、光集積素子１００の内部の接続損失のばらつきも小さくなる。

なお、光導波路層１４０ｂの合計厚さをｔ１、光導波路層１７０ｂの厚さ変化部１７０ｂａの第１端部１７０ｂａ１の厚さをｔ２、第２端部１７０ｂａ２および定厚さ部１７０ｂｂの厚さをｔ３、活性層１３０ｂの合計厚さをｔ４とし、それぞれの値を例示すると、ｔ１は５００ｎｍ、ｔ２は４００ｎｍ、ｔ３は２００ｎｍ、ｔ４は１５０ｎｍである。すなわち、厚さ変化部１７０ｂａは４００ｎｍから２００ｎｍまで厚さが変化している。なお、接続される部分の厚さ（たとえば光導波路層１４０ｂの合計厚さｔ１と、第１端部１７０ｂａ１の厚さｔ２）は、かならずしも等しく無くても良く、接続部分における光のスポットサイズを勘案して、接続損失が許容される範囲内となる程度に差があってもよい。

また、定厚さ部１７０ｂｂが一定の厚さを有するとは、光の導波方向においてその厚さｔ３の変化が５％以内程度の範囲であることを意味する。この程度の変化であれば、定厚さ部１７０ｂｂを導波する光はその厚さの変化の影響を受けないので、上述した接続損失のばらつきを解消するために好ましい。また、光の導波方向における厚さ変化部１７０ｂａの長さＬ１は、モードフィールド径が滑らかに変化するよう５００μｍとなっているが、特に限定はされない。また、光の導波方向における定厚さ部１７０ｂｂの長さＬ２は、１０μｍ以上であれば、上述したエッチングマスクの位置のばらつきの現実的な値よりも大きいので接続損失のばらつきを解消するために好ましい。また、Ｌ２は１００μｍ以下程度で十分である。

なお、図４は、図１に示す光集積素子１００のＸ−Ｘ線断面図であるが、図１に示すＹ−Ｙ線断面についても、図４と同様に、ＳＯＡ１３１の活性層と光導波路１２０の光導波層とが、厚さ変化部と定厚さ部とを有する接続光導波路で接続されていてもよい。

以上のように、この光集積素子１００は、内部の接続損失のばらつきが小さいものとなる。

（製造方法）
つぎに、この光集積素子１００の製造方法について説明する。図５〜図１０は、図１に示す光集積素子１００の製造方法の一例を説明する図である。

まず、図５（ａ）に示すように、ＭＯＣＶＤ結晶成長装置を用い、基板１００ａ上に、下部クラッド層１３０ａ、光導波路層１４０ｂ、上部クラッド層１４０ｃを順次結晶成長する。つぎに、上部クラッド層１４０ｃ上に、領域ＢＡを保護するＳｉＮｘからなるマスクＭ１を形成する。つづいて、図５（ｂ）に示すように、マスクＭ１をエッチングマスクとして、マスクＭ１を形成していない領域ＡＡ側の上部クラッド層１４０ｃ、光導波路層１４０ｂをエッチングにより除去する。つづいて、図５（ｃ）に示すように、マスクＭ１を成長マスクとして、エッチングにより除去した部分の領域に光導波路層１７０ｂ、上部クラッド層１７０ｃをバットジョイント成長により形成する。ここで、マスクＭ１は、図５（ｄ）に示すように、方向Ｄ１に延伸する開口Ｏを有しており、開口Ｏの両側でマスクＭ１の幅Ｗ１が変化している。なお、方向Ｄ１は、形成すべき光導波路の光の導波方向に合わせてある。これにより、開口Ｏの直下では、光導波路層１７０ｂおよび上部クラッド層１７０ｃを、幅Ｗ１が広い箇所から狭い箇所に向かって厚さが薄くなるように選択成長することができる。これにより、厚さ変化部１７０ｂａと定厚さ部１７０ｂｂとを有する光導波路層１７０ｂを形成することができる。

つづいて、図６（ａ）に示すように、マスクＭ１を除去した後、活性層１３０ｂを形成するためのＳｉＮｘからなるマスクＭ２を上部クラッド層１４０ｃ、１７０ｃ上に形成する。つづいて、図６（ｂ）に示すように、マスクＭ２をエッチングマスクとして、マスクＭ２を形成していない領域の上部クラッド層１７０ｃ、光導波路層１７０ｂをエッチングにより除去する。ここで、光導波路層１７０ｂは定厚さ部１７０ｂｂを有するので、マスクＭ２の端部の位置がばらついたとしても、そのエッチング端面における光導波路層１７０ｂの厚さは定厚さ部１７０ｂｂの厚さとなり、略一定である。つづいて、図６（ｃ）に示すように、マスクＭ２を成長マスクとして、エッチングにより除去した領域に活性層１３０ｂ、上部クラッド層１３０ｃをバットジョイント成長により形成する。

なお、このように、光導波路層１４０ｂ、光導波路層１７０ｂ、活性層１３０ｂをこの順番で形成することによって、互いに厚さが異なり、かつ互いに構成材料が異なる光導波路層１４０ｂと活性層１３０ｂとを両方同時にエッチングすることを回避できる。その結果、光導波路層１４０ｂと活性層１３０ｂと対してエッチング材やエッチング時間などを最適化した適切なエッチングを各層に対して行うことができる。

つづいて、図７に示すように、全面にＳｉＮｘからなるマスクＭ３を形成する。マスクＭ３は、領域ＡＡに形成されるマスク部Ｍ３ａと、領域ＢＡに形成されるマスク部Ｍ３ｂとを有する。マスク部Ｍ３ａは、領域ＡＡに形成されるべき半導体埋込構造の光導波路のメサ構造を形成するためのものであり、形成すべき光導波路のパターンに形成される。なお、そのマスク幅は、半導体埋込構造における所定のメサ幅を実現するように、たとえばエッチング時のサイドエッチング量を考慮して設定される。たとえば、メサ幅を２．０μｍにする場合、サイドエッチング量を片側０．５μｍと仮定すると、マスク幅は約３．０μｍに設定される。一方、マスク部Ｍ３ｂは、領域ＢＡに形成されるべき光導波路のハイメサ構造を後工程で形成するために、ハイメサ構造を形成すべき部分を保護するためのものであり、形成すべき光導波路のパターンに形成される。マスク部Ｍ３ｂのマスク幅は、形成すべきハイメサ構造のメサ幅よりも広くしておくことが好ましい。

つづいて、図８に示すように、マスクＭ３をエッチングマスクとして、下部クラッド層１３０ａに到る深さまでエッチングを行い、メサ構造を形成する。その後、メサ構造の両側に下部電流阻止層１３０ｄａと上部電流阻止層１３０ｄｂとを成長して電流阻止層１３０ｄを形成し、メサ構造を埋め込む。これにより、領域ＡＡにおける半導体埋込構造が形成される。また電流阻止層に、半絶縁性の半導体を用いた場合は、一層構造の電流阻止層でもよい。なお、領域ＢＡにおいても半導体埋込構造が形成されるが、後工程でハイメサ構造になるように加工される。その後、上部クラッド層１３０ｃ、１４０ｃ、１７０ｃ、電流阻止層１３０ｄの上に上部クラッド層１３０ｅ、１７０ｅ、１４０ｅを成長し、さらにこれらの上にコンタクト層（コンタクト層１３０ｆ、１４０ｆ、および上部クラッド層１７０ｅ上のコンタクト層）を成長する。

つづいて、図９に示すように、全面にＳｉＮｘからなるマスクＭ４を形成する。マスクＭ４は、領域ＡＡに形成されるマスク部Ｍ４ａと、領域ＢＡに形成されるマスク部Ｍ４ｂとを有する。マスク部Ｍ４ａは、後述するエッチングの際に領域ＡＡに形成された半導体埋込構造の光導波路を保護するためのものであり、半導体埋込構造の光導波路のパターンに形成される。なお、そのマスク幅は、メサ構造の両側の埋込部である電流阻止層を所望の幅で覆うような幅に設定される。一方、マスク部Ｍ４ｂは、領域ＢＡに形成されるべき光導波路のハイメサ構造を形成するためのものであり、形成すべき光導波路のパターンに形成される。なお、そのマスク幅は、所定のメサ幅を実現するように、たとえばエッチング時のサイドエッチング量を考慮して設定される。たとえば、ハイメサ構造のメサ幅を３．５μｍにする場合、サイドエッチング量を片側０．１μｍと仮定すると、マスク幅は約３．７μｍに設定される。

つづいて、図１０に示すように、マスクＭ４をエッチングマスクとして、下部クラッド層１３０ａに到る深さまでエッチングを行う。これにより、領域ＢＡにおけるハイメサ構造が形成される。また、このエッチングによって、領域ＡＡにおいて下部クラッド層１３０ａの表面にｎ側電極１３０ｉを形成するためのリセス構造も形成される。

つづいて、ＣＶＤ法等により保護膜１３０ｇ、１４０ｇ等の保護膜を形成し、スピンコート等によりポリイミドなどの絶縁性樹脂層を１４１ｊを形成し、さらにＣＶＤ法等により保護膜１４０ｇ等の保護膜を形成する。その後、保護膜１３０ｇ、１４１ｇに開口を形成し、開口に金属膜を蒸着し、リフトオフすることによってｐ側電極１３０ｈ、ｎ側電極１３０ｉ、変調信号印加電極１４０ｈ、グラウンド電極１４０ｉを形成し、これらに対する配線パターンを形成することで、光集積素子１００が完成する。

なお、上記実施の形態では、第１の導波路型光機能素子が位相変調器であり、第２の導波路型光機能素子が光増幅素子であるが、本発明はこれに限らず、第１および第２の導波路型光機能素子は、電圧の印加、電流の注入、加熱などにより所定の機能を発揮するように構成された光機能素子であればよい。たとえば第２の導波路型光機能素子が半導体レーザ素子などの発光素子であってもよい。

また、上記実施の形態では、第１の導波路型光機能素子はハイメサ構造を有し、第２の導波路型光機能素子は半導体埋込構造を有するが、第１および第２の導波路型光機能素子の導波路構造はこれらに限られず、たとえばローメサ構造でもよい。

また、上記実施の形態では、第１の導波路型光機能素子の第１の光導波路層の合計厚さが、第２の導波路型光機能素子の第２の光導波路層の合計厚さよりも厚くなっているが、第１の光導波路層の合計厚さが、第２の導波路型光機能素子の第２の光導波路層の合計厚さよりも薄くてもよい。この場合も、その厚さの比が２倍以上であれば、本発明の効果がより効果的となる。

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。

１００ 光集積素子
１００ａ 基板
１１０ 光入力部
１２０、１２１、１２２、１２３、１４２、１４３、１４４ 光導波路
１２０ａ 分岐部
１３０、１３１ ＳＯＡ
１３０ａ 下部クラッド層
１３０ｂ 活性層
１３０ｃ、１３０ｅ、１４０ｃ、１４０ｅ、１７０ｃ、１７０ｅ 上部クラッド層
１３０ｄ 電流阻止層
１３０ｄａ 下部電流阻止層
１３０ｄｂ 上部電流阻止層
１３０ｆ、１４０ｆ コンタクト層
１３０ｇ、１４０ｇ 保護膜
１３０ｈ ｐ側電極
１３０ｉ ｎ側電極
１４０ 光変調器
１４０ｂ、１７０ｂ 光導波路層
１４０ｈ 変調信号印加電極
１４０ｉ グラウンド電極
１４０ｊ ポリイミド
１４１ ＭＺＩ
１５１、１５２ 信号光出力部
１５１ａ、１５２ａ モニタ光出力部
１６０ ＬＯ光出力部
１７０ 接続光導波路
１７０ｂａ 厚さ変化部
１７０ｂａ１ 第１端部
１７０ｂａ２ 第２端部
１７０ｂｂ 定厚さ部
ＡＡ、ＢＡ 領域
Ｄ１ 方向
Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４ マスク
Ｍ３ａ、Ｍ３ｂ、Ｍ４ａ、Ｍ４ｂ マスク部
Ｏ 開口

Claims (6)

1. 同一基板上に形成された、第１の光導波路層を有する第１の導波路型光機能素子と、前記第１の光導波路層とは厚さが異なる第２の光導波路層を有する第２の導波路型光機能素子と、前記第１の光導波路層と前記第２の光導波路層とを接続する受動型の接続光導波路層を有する接続光導波路と、を備える光集積素子の製造方法であって、
   前記基板上に、前記第１の光導波路層を形成する第１工程と、
   前記第１の光導波路層の一部の領域を除去し、前記除去した領域に前記接続光導波路層を形成する第２工程と、
   前記接続光導波路層の一部の領域を除去し、前記除去した領域に第２の光導波路層を形成する第３工程と、
   を含み、
   前記第２工程では、前記第１の光導波路層側に位置する第１端部と前記第２の光導波路層側に位置する第２端部とを有し、前記第１端部から前記第２端部に向かって前記第１の光導波路層の厚さから前記第２の光導波路層の厚さに近付くように厚さが変化する厚さ変化部と、前記第２端部に接続し、前記第２端部と同一の厚さでありかつ光の導波方向で一定の厚さを有する定厚さ部とを有するように前記接続光導波路層を形成し、
   前記第３工程では、前記接続光導波路層の前記定厚さ部における一部の領域を除去することを特徴とする光集積素子の製造方法。
2. 前記第１の導波路型光機能素子は位相変調器であり、前記第２の導波路型光機能素子は発光素子または光増幅素子であることを特徴とする請求項１に記載の光集積素子の製造方法。
3. 前記第１の導波路型光機能素子はハイメサ構造を有し、前記第２の導波路型光機能素子は半導体埋込構造を有することを特徴とする請求項１または２に記載の光集積素子の製造方法。
4. 前記第１および第２の光導波路層は多重量子井戸構造を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の光集積素子の製造方法。
5. 前記第１の光導波路層はＡｌＧａＩｎＡｓまたはＡｌＩｎＡｓで構成され、前記第２の光導波路層はＩｎＧａＡｓＰで構成されていることを特徴とする請求項４に記載の光集積素子の製造方法。
6. 前記第１の光導波路層の合計厚さは前記第２の光導波路層の合計厚さの２倍以上であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の光集積素子の製造方法。

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