JP7031082B1 - 半導体光集積素子及び光集積装置 - Google Patents

Abstract

半導体光集積素子（１）は、基板（９）と、ＭＭＩ導波路（１０）と、有機絶縁層（２０）と、ヒータ層（２５）とを備える。ＭＭＩ導波路（１０）は、基板（９）上に設けられており、かつ、半導体材料で形成されている。ＭＭＩ導波路（１０）は、第１側面（１０ｃ）と、第１側面（１０ｃ）とは反対側にある第２側面（１０ｄ）とを含む。有機絶縁層（２０）は、第１側面（１０ｃ）及び第２側面（１０ｄ）を埋め込んでいる。ヒータ層（２５）は、有機絶縁層（２０）を加熱し得る。

Description

本開示は、半導体光集積素子及び光集積装置に関する。

特開２０１３－２５０５２７号公報（特許文献１）は、半導体マッハツェンダ光変調器を開示している。半導体マッハツェンダ光変調器は、二本のアーム導波路と、二本のアーム導波路に接続されている２×２多モード干渉（ＭＭＩ）光スプリッタと、二本のアーム導波路に接続されている２×２ＭＭＩ光カプラとを含む。二本のアーム導波路と２×２ＭＭＩ光スプリッタと２×２ＭＭＩ光カプラとは、ＩｎＰのような半導体材料で形成されており、かつ、ハイメサ構造を有している。二本のアーム導波路と２×２ＭＭＩ光スプリッタと２×２ＭＭＩ光カプラとは、ベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）樹脂のような有機絶縁樹脂で形成されている埋め込み層によって埋め込まれている。

特開２０１３－２５０５２７号公報

半導体材料で形成されているＭＭＩ導波路（ＭＭＩ光スプリッタ、ＭＭＩ光カプラ）の熱膨張係数と有機絶縁樹脂の熱膨張係数との間の差に起因して、埋め込み層からＭＭＩ導波路に大きな応力が印加される。この応力により、ＭＭＩ導波路の屈折率が変化して、ＭＭＩ光スプリッタの光分岐比及びＭＭＩ光カプラの光結合比のような半導体光集積素子の光学特性が、半導体光集積素子の目標光学特性からずれることがある。また、半導体光集積素子の製造誤差（例えば、ＭＭＩ導波路の寸法誤差及びＭＭＩ導波路の組成ずれなど）に起因して、半導体光集積素子の目標光学特性からずれることがある。

本開示は、上記の課題を鑑みてなされたものであり、本開示の第一の局面の目的は、目標光学特性からの半導体光集積素子の光学特性のずれを低減するまたは無くすことができる半導体光集積素子を提供することである。本開示の第二の局面の目的は、目標光学特性からの光集積装置の光学特性のずれを低減するまたは無くすことができる光集積装置を提供することである。

本開示の半導体光集積素子は、基板と、多モード干渉導波路と、有機絶縁層と、ヒータ層とを備える。多モード干渉導波路は、基板上に設けられており、かつ、半導体材料で形成されている。多モード干渉導波路は、基板に対向する下面と、下面とは反対側の上面と、上面に接続されている第１側面と、上面に接続されておりかつ第１側面とは反対側にある第２側面とを含む。有機絶縁層は、第１側面及び第２側面を埋め込んでいる。ヒータ層は、有機絶縁層を加熱し得る。

本開示の光集積装置は、本開示の半導体光集積素子と、ヒータ層に供給する電力を制御し得るコントローラとを備える。

ヒータ層を用いて有機絶縁層を加熱することにより、有機絶縁層は熱膨張して、多モード干渉導波路に応力を印加する。この応力に起因して、多モード干渉導波路の屈折率が変化する。そのため、本開示の半導体光集積素子によれば、目標光学特性からの半導体光集積素子の光学特性ずれを低減するまたは無くすことができる。本開示の光集積装置によれば、目標光学特性からの光集積装置の光学特性ずれを低減するまたは無くすことができる。

実施の形態１の半導体光集積素子の概略平面図である。 実施の形態１の半導体光集積素子の、図１に示される断面線ＩＩ－ＩＩにおける概略断面図である。 実施の形態１の変形例の半導体光集積素子の概略断面図である。 実施の形態１から実施の形態４の光集積装置を示すブロック図である。 実施の形態１及びその変形例の半導体光集積素子の制御方法のフローチャートを示す図である。 実施の形態２の半導体光集積素子の概略断面図である。 実施の形態２の変形例の半導体光集積素子の概略断面図である。 実施の形態３の半導体光集積素子の概略平面図である。 実施の形態３の半導体光集積素子の、図８に示される断面線ＩＸ－ＩＸにおける概略断面図である。 実施の形態４の半導体光集積素子の概略平面図である。 実施の形態４の変形例の半導体光集積素子の概略平面図である。 実施の形態４及びその変形例の半導体光集積素子の制御方法のフローチャートを示す図である。

以下、本開示の実施の形態を説明する。なお、同一の構成には同一の参照番号を付し、その説明は繰り返さない。

実施の形態１．
図１及び図２を参照して、実施の形態１の半導体光集積素子１を説明する。半導体光集積素子１は、基板９と、入力導波路３１と、多モード干渉（ＭＭＩ）導波路１０と、出力導波路３２と、第１無機絶縁層１８と、有機絶縁層２０と、ヒータ層２５とを主に備える。半導体光集積素子１は、パッド電極２８，２９をさらに備えてもよい。

基板９は、例えば、ＩｎＰ基板のような半導体基板である。
半導体積層体が、基板９上に設けられている。半導体積層体は、下部クラッド層１１と、コア層１２と、上部クラッド層１３とを含む。ＭＭＩ導波路１０は、下部クラッド層１１と、コア層１２と、上部クラッド層１３とを含む。下部クラッド層１１は、基板９上に形成されている。下部クラッド層１１は、例えば、ｎ型ＩｎＰ層である。コア層１２は、下部クラッド層１１上に形成されている。コア層１２の屈折率は、下部クラッド層１１の屈折率より大きく、かつ、上部クラッド層１３の屈折率より大きい。コア層１２は、例えば、ＡｌＧａＩｎＡｓのような半導体材料で形成されている。コア層１２は、例えば、多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有してもよい。コア層１２は、例えば、ｉ型半導体層である。上部クラッド層１３は、コア層１２上に形成されている。上部クラッド層１３は、例えば、ｉ型ＩｎＰ層またはｐ型ＩｎＰ層である。半導体積層体は、ＭＭＩ導波路１０と、入力導波路３１と、出力導波路３２とを含む。

半導体積層体をエッチングすることによって、半導体積層体に溝１６，１７が形成されている。溝１６，１７は、半導体積層体の上面から下部クラッド層１１まで延在している。ＭＭＩ導波路１０は、溝１６，１７の間に形成されている。ＭＭＩ導波路１０は、ハイメサ構造を有している。具体的には、ＭＭＩ導波路１０は、基板９に対向する下面１０ａと、下面１０ａとは反対側の上面１０ｂと、上面１０ｂに接続されている第１側面１０ｃと、上面１０ｂに接続されておりかつ第１側面１０ｃとは反対側にある第２側面１０ｄとを含む。ＭＭＩ導波路１０の第１側面１０ｃは、上部クラッド層１３の第１側面と、コア層１２の第１側面と、下部クラッド層１１の第１側面とを含む。ＭＭＩ導波路１０の第２側面１０ｄは、上部クラッド層１３の第２側面と、コア層１２の第２側面と、下部クラッド層１１の第２側面とを含む。第１側面１０ｃ及び第２側面１０ｄは、ＭＭＩ導波路１０における光の伝搬方向に沿って延在している。

ＭＭＩ導波路１０の入力端面に、入力導波路３１が接続されている。ＭＭＩ導波路１０の出力端面に、出力導波路３２が接続されている。入力導波路３１及び出力導波路３２は、各々、ＭＭＩ導波路１０と同様に構成されており、ハイメサ構造を有している。入力導波路３１及び出力導波路３２は、例えば、単一モード導波路である。入力導波路３１及び出力導波路３２の各々のハイメサ構造の幅（導波路の幅）は、ＭＭＩ導波路１０のハイメサ構造の幅（導波路の幅）より狭い。

本実施の形態では、ＭＭＩ導波路１０は、２×２ＭＭＩ導波路である。２×２ＭＭＩ導波路は、二つの入力ポートと二つの出力ポートとを有するＭＭＩ導波路を意味する。ＭＭＩ導波路１０は、２×２ＭＭＩ導波路に限られず、ｍ×ｎＭＭＩ導波路（ｍ，ｎは自然数）であってもよい。

第１無機絶縁層１８は、溝１６，１７を規定する半導体積層体の表面上と上面１０ｂ上とに形成されている。第１無機絶縁層１８は、第１側面１０ｃ、第２側面１０ｄ及び上面１０ｂ上に形成されている。第１無機絶縁層１８は、第１側面１０ｃと第１有機絶縁部分２１との間に形成されているとともに、第２側面１０ｄと第２有機絶縁部分２２との間に形成されている。第１無機絶縁層１８は、例えば、ＳｉＯ₂で形成されている。第１無機絶縁層１８の厚さは、例えば、約５００ｎｍである。第１無機絶縁層１８は、ＭＭＩ導波路１０、入力導波路３１及び出力導波路３２が半導体光集積素子１の周囲雰囲気に含まれている酸素または水などに接触して、酸化または変質することを防ぐ。

溝１６，１７は、有機絶縁層２０で埋め込まれている。有機絶縁層２０は、第１側面１０ｃ及び第２側面１０ｄを埋め込んでいる。有機絶縁層２０は、第１側面１０ｃを埋め込む第１有機絶縁部分２１と、第２側面１０ｄを埋め込む第２有機絶縁部分２２とを含む。本実施の形態では、上面１０ｂは有機絶縁層２０から露出しており、第１有機絶縁部分２１と第２有機絶縁部分２２とは互いに分離されている。有機絶縁層２０は、ＭＭＩ導波路１０、入力導波路３１及び出力導波路３２が半導体光集積素子１の周囲雰囲気に含まれている酸素または水などに接触して、酸化または変質することを防ぐ。

有機絶縁層２０は、例えば、ベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）樹脂またはポリイミド樹脂で形成されている。半導体光集積素子１を光変調器に適用する場合に、有機絶縁層２０上に高周波電気信号が入力される電極を形成することがある。ベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）樹脂またはポリイミド樹脂は低い誘電率を有しているため、有機絶縁層２０をベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）樹脂またはポリイミド樹脂で形成することは、光変調器の帯域を拡げることを可能にする。

ヒータ層２５は、有機絶縁層２０を加熱し得る。ヒータ層２５は、有機絶縁層２０上に形成されている。ヒータ層２５は、第１有機絶縁部分２１を加熱する第１ヒータ膜２６と、第２有機絶縁部分２２を加熱する第２ヒータ膜２７とを含む。第１ヒータ膜２６は、第１有機絶縁部分２１上に形成されている。第２ヒータ膜２７は、第２有機絶縁部分２２上に形成されている。そのため、第１有機絶縁部分２１に印加される熱の量と第２有機絶縁部分２２に印加される熱の量とは、互いに独立に制御され得る。ヒータ層２５は、例えば、白金膜もしくはチタン膜のような金属薄膜、ニクロム膜のような合金薄膜、タンタルもしくはニオブの酸化物もしくは窒化物のような薄膜、または、これら薄膜の積層体などで形成されている。ヒータ層２５には、外部電力源（例えば、外部電流源）から電力（例えば、電流）が供給される。

パッド電極２８，２９は、第１無機絶縁層１８上に形成されている。パッド電極２８，２９は、ヒータ層２５に接続されている。具体的には、パッド電極２８は、第１ヒータ膜２６に接続されている。パッド電極２９は、第２ヒータ膜２７に接続されている。外部電力源（例えば、外部電流源）に接続されている配線（図示せず）が、パッド電極２８，２９に接続される。パッド電極２８，２９は、例えば、チタン膜と金膜との積層体で形成されている。

図３を参照して、本実施の形態の変形例の半導体光集積素子１ａでは、有機絶縁層２０は、上面１０ｂをさらに埋め込んでいる。具体的には、有機絶縁層２０は、上面１０ｂを埋め込む第３有機絶縁部分２３をさらに含む。第３有機絶縁部分２３は、第１有機絶縁部分２１と第２有機絶縁部分２２とに接続されている。

半導体光集積素子１，１ａの動作を説明する。ＭＭＩ導波路１０は、光スプリッタであってもよい。具体的には、ＭＭＩ導波路１０は、入力導波路３１のうちの一つに入力された光を、複数の光に分波して、出力導波路３２に出力する。ＭＭＩ導波路１０は、光カプラであってもよい。具体的には、ＭＭＩ導波路１０は、入力導波路３１に入力された光を合波して、出力導波路３２のうちの一つに出力する。

図４を参照して、本実施の形態の光集積装置２は、半導体光集積素子１（または半導体光集積素子１ａ）と、コントローラ３５とを備える。コントローラ３５は、例えば、プロセッサを含むマイクロコンピュータまたは電子回路である。コントローラ３５は、ヒータ層２５に供給する電力（例えば、電流）を制御し得る。

具体的には、半導体材料で形成されているＭＭＩ導波路１０の熱膨張係数と有機絶縁層２０の熱膨張係数との間の差に起因して、ＭＭＩ導波路１０に第１応力が印加される。第１応力により、ＭＭＩ導波路１０の屈折率が変化して、ＭＭＩ光スプリッタの光分岐比及びＭＭＩ光カプラの光結合比のような半導体光集積素子１，１ａの光学特性が、半導体光集積素子１，１ａの目標光学特性からずれることがある。また、半導体光集積素子の製造誤差（ＭＭＩ導波路の寸法誤差及びＭＭＩ導波路の組成ずれなど）に起因して、半導体光集積素子の目標光学特性からずれることがある。

ヒータ層２５に電力（例えば、電流）を供給することによって、ヒータ層２５は有機絶縁層２０を加熱する。有機絶縁層２０は熱膨張して、ＭＭＩ導波路１０に第２応力を印加する。第２応力は、ＭＭＩ導波路１０の屈折率を変化させる。ヒータ層２５に供給する電力は、コントローラ３５によって制御される。こうして、目標光学特性からの半導体光集積素子１，１ａの光学特性のずれを低減させるまたは無くすことができる。半導体光集積素子１，１ａの光学特性が目標光学特性に維持されるように、コントローラ３５は、ヒータ層２５に供給する電力（例えば、電流）を制御し続けてもよい。

図５を参照して、本実施の形態の半導体光集積素子１，１ａの制御方法を説明する。
半導体光集積素子１，１ａに光を入力する（Ｓ１）。具体的には、光源（図示せず）から放射される光は、入力導波路３１を通して、ＭＭＩ導波路１０の入力ポートに入力される。

半導体光集積素子１，１ａから出力される光の強度を検出する（Ｓ２）。具体的には、ＭＭＩ導波路１０の出力ポートから出力された光を、出力導波路３２を通して、光検出器（図示せず）で検出する。光検出器は、出力導波路３２から出力される光の強度を検出する。

光検出器によって検出される光の強度に基づいて、ヒータ層２５に印加する電力（例えば、電流）を調整する（Ｓ３）。例えば、ＭＭＩ導波路１０が光スプリッタである場合には、出力導波路３２から出力される光の強度が互いに等しくなるように、コントローラ３５は、ヒータ層２５に印加する電力を制御する。例えば、ＭＭＩ導波路１０が光カプラである場合には、出力導波路３２のうちの一つから出力される光の強度が最大となるように、ヒータ層２５に印加する電力を制御する。こうして、目標光学特性からの半導体光集積素子１，１ａの光学特性のずれを低減させるまたは無くすことができる。半導体光集積素子１，１ａの光学特性が目標光学特性に維持されるように、コントローラ３５は、ヒータ層２５に供給する電力（例えば、電流）を制御し続けてもよい。

本実施の形態の半導体光集積素子１，１ａの効果を説明する。
本実施の形態の半導体光集積素子１，１ａは、基板９と、多モード干渉（ＭＭＩ）導波路１０と、有機絶縁層２０と、ヒータ層２５とを備える。ＭＭＩ導波路１０は、基板９上に設けられており、かつ、半導体材料で形成されている。ＭＭＩ導波路１０は、基板９に対向する下面１０ａと、下面１０ａとは反対側の上面１０ｂと、上面１０ｂに接続されている第１側面１０ｃと、上面１０ｂに接続されておりかつ第１側面１０ｃとは反対側にある第２側面１０ｄとを含む。有機絶縁層２０は、第１側面１０ｃ及び第２側面１０ｄを埋め込んでいる。ヒータ層２５は、有機絶縁層２０を加熱し得る。

半導体材料で形成されているＭＭＩ導波路１０の熱膨張係数と有機絶縁層２０の熱膨張係数との間の差に起因する第１応力が、ＭＭＩ導波路１０に印加されることがある。第１応力はＭＭＩ導波路１０の屈折率を変化させて、半導体光集積素子１，１ａの光学特性が半導体光集積素子１，１ａの目標光学特性からずれることがある。しかし、ヒータ層２５を用いて有機絶縁層２０を加熱すると、有機絶縁層２０は熱膨張して、ＭＭＩ導波路１０に第２応力を印加する。第２応力は、ＭＭＩ導波路１０の屈折率を変化させる。そのため、目標光学特性からの半導体光集積素子１，１ａの光学特性のずれを低減させるまたは無くすことができる。

本実施の形態の半導体光集積素子１，１ａでは、有機絶縁層２０は、第１側面１０ｃを埋め込む第１有機絶縁部分２１と、第２側面１０ｄを埋め込む第２有機絶縁部分２２とを含む。ヒータ層２５は、第１有機絶縁部分２１を加熱する第１ヒータ膜２６と、第２有機絶縁部分２２を加熱する第２ヒータ膜２７とを含む。

そのため、第１有機絶縁部分２１に印加される熱の量と第２有機絶縁部分２２に印加される熱の量とは、互いに独立に制御され得る。ヒータ層２５による有機絶縁層２０の加熱に基づく第２応力の大きさ及び分布が、よりきめ細かに調整され得る。そのため、目標光学特性からの半導体光集積素子１，１ａの光学特性のずれをより一層低減させるまたは無くすことができる。

本実施の形態の半導体光集積素子１，１ａでは、第１ヒータ膜２６は、第１有機絶縁部分２１上に形成されている。第２ヒータ膜２７は、第２有機絶縁部分２２上に形成されている。そのため、目標光学特性からの半導体光集積素子１，１ａの光学特性のずれをより一層低減させるまたは無くすことができる。

本実施の形態の半導体光集積素子１，１ａは、第１無機絶縁層１８をさらに備える。第１無機絶縁層１８は、第１側面１０ｃ、第２側面１０ｄ及び上面１０ｂ上に形成されている。第１無機絶縁層１８は、第１側面１０ｃと第１有機絶縁部分２１との間に形成されているとともに、第２側面１０ｄと第２有機絶縁部分２２との間に形成されている。

第１無機絶縁層１８は、ＭＭＩ導波路１０が半導体光集積素子１，１ａの周囲雰囲気に含まれている酸素または水などに接触して、酸化または変質することを防ぐ。そのため、目標光学特性からの半導体光集積素子１，１ａの光学特性のずれを低減させるまたは無くすことができる。

本実施の形態の半導体光集積素子１ａでは、有機絶縁層２０は、第３有機絶縁部分２３をさらに含む。第３有機絶縁部分２３は、上面１０ｂを埋め込み、かつ、第１有機絶縁部分２１と第２有機絶縁部分２２とに接続されている。

有機絶縁層２０は、ＭＭＩ導波路１０が半導体光集積素子１ａの周囲雰囲気に含まれている酸素または水などに接触して、酸化または変質することを防ぐ。そのため、目標光学特性からの半導体光集積素子１ａの光学特性のずれを低減させるまたは無くすことができる。

本実施の形態の光集積装置２は、半導体光集積素子１，１ａと、ヒータ層２５に供給する電力を制御し得るコントローラ３５とを備える。そのため、目標光学特性からの光集積装置２の光学特性ずれを低減するまたは無くすことができる。

実施の形態２．
図６を参照して、実施の形態２の半導体光集積素子１ｂを説明する。本実施の形態の半導体光集積素子１ｂは、実施の形態１の半導体光集積素子１と同様の構成を備えるが、主に、以下の点で異なる。

半導体光集積素子１ｂは、第２無機絶縁層３８をさらに備える。第２無機絶縁層３８は、有機絶縁層２０（第１有機絶縁部分２１及び第２有機絶縁部分２２）上に形成されている。第２無機絶縁層３８は、第１無機絶縁層１８上にも形成されてもよい。第２無機絶縁層３８は、例えば、ＳｉＯ₂で形成されている。第２無機絶縁層３８の厚さは、例えば、約５００ｎｍである。第２無機絶縁層３８は、有機絶縁層２０が半導体光集積素子１ｂの周囲雰囲気に含まれている酸素または水などに接触して変質することを防ぐ。ヒータ層２５は、第２無機絶縁層３８上に形成されている。

図７を参照して、本実施の形態の変形例の半導体光集積素子１ｃを説明する。半導体光集積素子１ｃでは、実施の形態１の変形例の半導体光集積素子１ａにおいて、第２無機絶縁層３８をさらに備える。第２無機絶縁層３８は、第１有機絶縁部分２１、第２有機絶縁部分２２及び第３有機絶縁部分２３上に形成されている。ヒータ層２５は、第２無機絶縁層３８上に形成されている。

図４を参照して、本実施の形態の光集積装置２は、半導体光集積素子１ｂ（または半導体光集積素子１ｃ）と、コントローラ３５とを備える。本実施の形態の半導体光集積素子１ｂ，１ｃの制御方法は、図５に示される実施の形態１の半導体光集積素子１，１ａの制御方法と同じである。

本実施の形態の半導体光集積素子１ｂ，１ｃは、実施の形態１の半導体光集積素子１，１ａの効果に加えて、以下の効果を奏する。

本実施の形態の半導体光集積素子１ｂ，１ｃは、第１有機絶縁部分２１及び第２有機絶縁部分２２上に形成されている第２無機絶縁層３８をさらに備える。ヒータ層２５は、第２無機絶縁層３８上に形成されている。

第２無機絶縁層３８は、有機絶縁層２０が半導体光集積素子１ｂ，１ｃの周囲雰囲気に含まれている酸素または水などに接触して変質することを防ぐ。そのため、目標光学特性からの半導体光集積素子１ｂ，１ｃの光学特性のずれを一層低減させるまたは無くすことができる。

実施の形態３．
図８及び図９を参照して、実施の形態３の半導体光集積素子１ｄを説明する。本実施の形態の半導体光集積素子１ｄは、実施の形態１の半導体光集積素子１と同様の構成を備えるが、主に、以下の点で異なる。

半導体光集積素子１ｄでは、ヒータ層２５は、第１有機絶縁部分２１から第２有機絶縁部分２２にわたって連続的に形成されている。ヒータ層２５は、パッド電極２８，２９に接続されている。

図４を参照して、本実施の形態の光集積装置２は、半導体光集積素子１ｄと、コントローラ３５とを備える。本実施の形態の半導体光集積素子１ｄの制御方法は、図５に示される実施の形態１の半導体光集積素子１，１ａの制御方法と同じである。

本実施の形態の半導体光集積素子１ｄは、実施の形態１の半導体光集積素子１の効果に加えて、以下の効果を奏する。

本実施の形態の半導体光集積素子１ｄでは、有機絶縁層２０は、第１側面１０ｃを埋め込む第１有機絶縁部分２１と、第２側面１０ｄを埋め込む第２有機絶縁部分２２とを含む。ヒータ層２５は、第１有機絶縁部分２１から第２有機絶縁部分２２にわたって連続的に形成されている。

そのため、ヒータ層２５の製造プロセスが簡素化される。半導体光集積素子１ｄの製造コストが低減され得る。

実施の形態４．
図１０を参照して、実施の形態４の半導体光集積素子１ｅを説明する。半導体光集積素子１ｅは、二値以上の多値光信号を出力する多値光位相変調器である。二値以上の多値光信号として、ＱＰＳＫ（Quadrature Phase Shift Keying）信号、ＤＰ－ＱＰＳＫ（Dual-Polarization Quadrature Phase Shift Keying）信号を例示することができる。本実施の形態では、半導体光集積素子１ｅは、ＤＰ－ＱＰＳＫ光位相変調器である。半導体光集積素子１ｅは、基板９と、入力導波路７１と、光スプリッタ３９と、導波路７２ａ，７２ｂと、光位相変調器７０ａ，７０ｂと、出力導波路７３ａ，７３ｂと、モニタ用フォトダイオード６０ａ，６０ｂ，６２とを主に備える。

基板９は、実施の形態１の基板９と同じである。入力導波路７１と、光スプリッタ３９と、導波路７２ａ，７２ｂと、光位相変調器７０ａ，７０ｂと、出力導波路７３ａ，７３ｂと、モニタ用フォトダイオード６０ａ，６０ｂ，６２とは、基板９上に形成されている。

光スプリッタ３９は、入力ポートと、第１出力ポートと、第２出力ポートとを含む。光スプリッタ３９は、例えば、１×２ＭＭＩスプリッタである。入力導波路７１は、光スプリッタ３９の入力ポートに接続されている。導波路７２ａは、光スプリッタ３９の第１出力ポートに接続されている。導波路７２ｂは、光スプリッタ３９の第２出力ポートに接続されている。

光位相変調器７０ａは、ＱＰＳＫ光位相変調器として機能する。光位相変調器７０ａは、親マッハツェンダ干渉計４０と、二つの子マッハツェンダ干渉計５０と、位相変調部５５，５６と、親位相調整部４７，４８と、子位相調整部５７，５８とを含む。

親マッハツェンダ干渉計４０は、二本の第一アーム導波路４１，４２と、光スプリッタ４３と、光カプラ４４とを含む。

光位相変調器７０ａの光スプリッタ４３は、導波路７２ａと二本の第一アーム導波路４１，４２とに接続されている。光スプリッタ４３は、例えば、１×２ＭＭＩスプリッタである。光スプリッタ４３の入力ポートは、導波路７２ａに接続されている。光スプリッタ４３の二つの出力ポートは、二本の第一アーム導波路４１，４２に接続されている。光スプリッタ４３は、光スプリッタ３９によって分波された光をさらに分波して、二本の第一アーム導波路４１，４２に出力する。

光位相変調器７０ａの光カプラ４４は、二本の第一アーム導波路４１，４２と出力導波路７３ａとに接続されている。光カプラ４４は、例えば、２×２ＭＭＩカプラである。光カプラ４４の二つの入力ポートは、二本の第一アーム導波路４１，４２に接続されている。光カプラ４４の二つの出力ポートのうちの一方は、出力導波路７３ａに接続されている。光カプラ４４は、二本の第一アーム導波路４１，４２を伝搬する光を合波して、出力導波路７３ａに出力する。

二つの子マッハツェンダ干渉計５０は、それぞれ、二本の第一アーム導波路４１，４２に接続されている。第一アーム導波路４１に接続されている子マッハツェンダ干渉計５０と位相変調部５５，５６は、例えば、Ｉチャネル用のマッハツェンダ型光位相変調器を構成する。第一アーム導波路４２に接続されている子マッハツェンダ干渉計５０と位相変調部５５，５６は、例えば、Ｑチャネル用のマッハツェンダ型光位相変調器を構成する。子マッハツェンダ干渉計５０は、各々、二本の第二アーム導波路５１，５２と、光スプリッタ５３と、光カプラ５４とを含む。

光スプリッタ５３は、二本の第一アーム導波路４１，４２のうちの一つと二本の第二アーム導波路５１，５２とに接続されている。光スプリッタ５３は、例えば、１×２ＭＭＩスプリッタである。光スプリッタ５３の入力ポートは、二本の第一アーム導波路４１，４２のうちの一つに接続されている。光スプリッタ５３の二つの出力ポートは、二本の第二アーム導波路５１，５２に接続されている。光スプリッタ５３は、光スプリッタ４３によって分波された光をさらに分波して、二本の第二アーム導波路５１，５２に出力する。

光カプラ５４は、二本の第二アーム導波路５１，５２と二本の第一アーム導波路４１，４２のうちの一つとに接続されている。光カプラ５４は、例えば、２×２ＭＭＩカプラである。光カプラ４４の二つの入力ポートは、二本の第二アーム導波路５１，５２に接続されている。光カプラ４４の二つの出力ポートのうちの一方は、二本の第一アーム導波路４１，４２のうちの一つに接続されている。光カプラ５４は、二本の第二アーム導波路５１，５２を伝搬する光を合波して、二本の第一アーム導波路４１，４２のうちの一つに出力する。

位相変調部５５，５６は、二本の第二アーム導波路５１，５２に設けられている。具体的には、位相変調部５５は、第二アーム導波路５１に設けられている。位相変調部５６は、第二アーム導波路５２に設けられている。位相変調部５５，５６は、各々、下部クラッド層１１、コア層１２及び上部クラッド層１３に加えて、電極（図示せず）を含む。

親位相調整部４７，４８は、二本の第一アーム導波路４１，４２に設けられている。具体的には、親位相調整部４７は、第一アーム導波路４１に設けられている。親位相調整部４８は、第一アーム導波路４２に設けられている。親位相調整部４７，４８は、位相変調部５５，５６と同様の構成を有している。親位相調整部４７，４８は、各々、下部クラッド層１１、コア層１２及び上部クラッド層１３に加えて、電極（図示せず）を含む。例えば、光カプラ４４の入力ポートにおいて第一アーム導波路４１から出力されるＩチャネル光信号と第一アーム導波路４２から出力されるＱチャネル光信号との間の位相差がπ／２となるように、親位相調整部４７，４８においてＩチャネル光信号及びＱチャネル光信号に与えられる位相が調整される。

子位相調整部５７，５８は、二本の第二アーム導波路５１，５２に設けられている。具体的には、子位相調整部５７は、第二アーム導波路５１に設けられている。子位相調整部５８は、第二アーム導波路５２に設けられている。子位相調整部５７，５８は、位相変調部５５，５６と同様の構成を有している。子位相調整部５７，５８は、各々、下部クラッド層１１、コア層１２及び上部クラッド層１３に加えて、電極（図示せず）を含む。

光位相変調器７０ｂも、ＱＰＳＫ光位相変調器として機能する。光位相変調器７０ｂは、光位相変調器７０ａと同様に構成されている。光位相変調器７０ｂの光スプリッタ４３は、導波路７２ｂと二本の第一アーム導波路４１，４２とに接続されている。光位相変調器７０ｂの光カプラ４４は、二本の第一アーム導波路４１，４２と出力導波路７３ｂとに接続されている。

モニタ用フォトダイオード６０ａは、光位相変調器７０ａの光カプラ４４の二つの出力ポートのうちの他方に光学的に結合されている。モニタ用フォトダイオード６０ａは、光位相変調器７０ａの光カプラ４４の二つの出力ポートのうちの他方から出力される光の強度を検出する。モニタ用フォトダイオード６０ｂは、光位相変調器７０ｂの光カプラ４４の二つの出力ポートのうちの他方に光学的に結合されている。モニタ用フォトダイオード６０ｂは、光位相変調器７０ｂの光カプラ４４の二つの出力ポートのうちの他方から出力される光の強度を検出する。モニタ用フォトダイオード６２は、光カプラ５４の二つの出力ポートのうちの他方に光学的に結合されている。モニタ用フォトダイオード６２は、光カプラ５４の二つの出力ポートのうちの他方から出力される光の強度を検出する。

本実施の形態では、光スプリッタ４３，５３は、実施の形態１から実施の形態３及びそれらの変形例の半導体光集積素子１，１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄのいずれかと同じ構成を有している。すなわち、光スプリッタ４３，５３は、有機絶縁層２０及びヒータ層２５を備えている。光カプラ４４，５４は、実施の形態１から実施の形態３及びそれらの変形例の半導体光集積素子１，１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄのいずれかと同様の構成を有しているが、ヒータ層２５を備えていない。入力導波路７１、導波路７２ａ，７２ｂ、二つの第一アーム導波路４１，４２、二つの第二アーム導波路５１，５２、出力導波路７３ａ，７３ｂは、各々、実施の形態１の入力導波路３１及び出力導波路３２の各々と同じ構成を有している。

図１１を参照して、本実施の形態の変形例の半導体光集積素子１ｆは、モニタ用フォトダイオード６７，６８をさらに備えている。モニタ用フォトダイオード６７，６８は、二つの第二アーム導波路５１，５２に設けられている。モニタ用フォトダイオード６７，６８は、二つの第二アーム導波路５１，５２を伝搬する二つの光の一部の強度を検出する。第二アーム導波路５１，５２を伝搬する二つの光の残部は、モニタ用フォトダイオード６７，６８を通過する。

具体的には、モニタ用フォトダイオード６７は、二つの第二アーム導波路５１，５２のうちの一方（第二アーム導波路５１）に設けられている。モニタ用フォトダイオード６７は、二つの第二アーム導波路５１，５２のうちの一方を伝搬する光の一部の強度を検出する。二つの第二アーム導波路５１，５２のうちの一方を伝搬する光の残部は、モニタ用フォトダイオード６７を通過する。モニタ用フォトダイオード６８は、二つの第二アーム導波路５１，５２のうちの他方（第二アーム導波路５２）に設けられている。モニタ用フォトダイオード６８は、二つの第二アーム導波路５１，５２のうちの他方を伝搬する光の一部の強度を検出する。二つの第二アーム導波路５１，５２のうちの他方を伝搬する光の残部は、モニタ用フォトダイオード６８を通過する。

図４を参照して、本実施の形態の光集積装置２は、半導体光集積素子１ｅ（または半導体光集積素子１ｆ）と、コントローラ３５とを備える。コントローラ３５は、ヒータ層２５に供給する電力（例えば、電流）と、位相変調部５５，５６に印加する電圧と、親位相調整部４７，４８に印加する電圧と、子位相調整部５７，５８に印加する電圧とを制御し得る。コントローラ３５は、モニタ用フォトダイオード６０ａ，６０ｂ，６２によって検出される光の強度に基づいて、または、モニタ用フォトダイオード６０ａ，６０ｂ，６７，６８によって検出される光の強度に基づいて、ヒータ層２５に供給する電力を制御する。

本実施の形態の半導体光集積素子１ｅ，１ｆの動作を説明する。
位相変調部５５，５６に高周波電気信号を印加して、位相変調部５５，５６のコア層１２の屈折率を変化させる。光位相変調器７０ａの出力導波路７３ａから第１光信号が出力されるとともに、光位相変調器７０ｂの出力導波路７３ｂから第２光信号が出力される。半導体光集積素子１ｅ，１ｆの出力側に、偏光回転子（図示せず）と、偏光ビームコンバイナ（図示せず）とが配置されている。第１光信号及び第２光信号のうちの一方は、偏光回転子を通って、その偏光方向が９０°回転する。第１光信号及び第２光信号のうちの他方は、偏光回転子を通らずに、偏光ビームコンバイナに入射する。偏光ビームコンバイナは、偏光方向が回転された第１光信号及び第２光信号のうちの一方と、第１光信号及び第２光信号のうちの他方とを合波して、ＤＰ－ＱＰＳＫ信号を出力する。

図１２を参照して、本実施の形態の半導体光集積素子１ｅの制御方法を説明する。半導体光集積素子１ｅの目標光学特性は、例えば、位相変調部５５，５６に電気信号が印加されていないときに、出力導波路７３ａ，７３ｂから光が出力されないこととする。半導体光集積素子１ｅの光学特性が目標光学特性を満たす場合には、半導体光集積素子１ｅのＳ／Ｎ比を最大にすることができる。半導体光集積素子１ｅのＳ／Ｎ比は、位相変調部５５，５６に電気信号が印加されていないときに半導体光集積素子１ｅから出力される光の強度（ノイズ強度）に対する、位相変調部５５，５６に電気信号が印加されているときに半導体光集積素子１ｅから出力される光信号の強度の比として与えられる。

具体的には、半導体光集積素子１ｅに光を入力する（Ｓ１１）。ステップＳ１１は、ステップＳ１と同様である。具体的には、光源（図示せず）から放射される光が、入力導波路７１に入力される。

モニタ用フォトダイオード６２で検出される光の強度に基づいて、子位相調整部５７，５８に印加する電圧を調整する（Ｓ１２）。例えば、位相変調部５５，５６に電気信号が印加されていないときに、モニタ用フォトダイオード６２で検出される光の強度が最大となるように、コントローラ３５は子位相調整部５７，５８に印加する電圧を調整する。

モニタ用フォトダイオード６２で検出される光の強度に基づいて、光スプリッタ５３のヒータ層２５に印加する電力（例えば、電流）を調整する（Ｓ１３）。例えば、位相変調部５５，５６に電気信号が印加されていないときに、モニタ用フォトダイオード６２で検出される光の強度が最大となるように、コントローラ３５は光スプリッタ５３のヒータ層２５に印加する電力（例えば、電流）を制御する。ステップＳ１２とステップＳ１３とは、いずれか先に行われてもよい。ステップＳ１２とステップＳ１３とは、繰り返し行われてもよい。

モニタ用フォトダイオード６０ａ，６０ｂで検出される光の強度に基づいて、親位相調整部４７，４８に印加する電圧を調整する（Ｓ１４）。例えば、位相変調部５５，５６に電気信号が印加されていないときに、モニタ用フォトダイオード６０ａ，６０ｂで検出される光の強度が最大となるように、コントローラ３５は親位相調整部４７，４８に印加する電圧を調整する。

モニタ用フォトダイオード６０ａ，６０ｂで検出される光の強度に基づいて、光スプリッタ４３のヒータ層２５に印加する電力（例えば、電流）を調整する（Ｓ１５）。例えば、位相変調部５５，５６に電気信号が印加されていないときに、モニタ用フォトダイオード６０ａ，６０ｂで検出される光の強度が最大となるように、コントローラ３５は光スプリッタ４３のヒータ層２５に印加する電力（例えば、電流）を制御する。ステップＳ１４とステップＳ１５とは、いずれか先に行われてもよい。ステップＳ１４とステップＳ１５とは、繰り返し行われてもよい。

こうして、目標光学特性からの半導体光集積素子１ｅの光学特性のずれを低減させるまたは無くすことができる。

図１２に示されるように、本実施の形態の変形例の半導体光集積素子１ｆの制御方法は、本実施の形態の半導体光集積素子１ｅの制御方法と同様であるが、両者は以下の点で異なっている。

モニタ用フォトダイオード６７，６８で検出される光の強度に基づいて、光スプリッタ５３のヒータ層２５に印加する電力（例えば、電流）を調整する（Ｓ１３）。例えば、位相変調部５５，５６に電気信号が印加されていないときに、モニタ用フォトダイオード６７で検出される光の強度とモニタ用フォトダイオード６８で検出される光の強度とが互いに等しくなるように、コントローラ３５は光スプリッタ５３のヒータ層２５に印加する電力（例えば、電流）を制御する。

本実施の形態の半導体光集積素子１ｅ，１ｆは、実施の形態１の半導体光集積素子１の効果に加えて、以下の効果を奏する。

本実施の形態の半導体光集積素子１ｅ，１ｆは、多モード干渉導波路１０から出力される光の強度を検出するモニタ用フォトダイオード（例えば、モニタ用フォトダイオード６０ａ，６０ｂ，６２，６７，６８の少なくとも一つ）をさらに備える。

モニタ用フォトダイオード（例えば、モニタ用フォトダイオード６０ａ，６０ｂ，６２，６７，６８の少なくとも一つ）で検出される光の強度に基づいて、有機絶縁層２０に印加される熱の量が調整され得る。目標光学特性からの半導体光集積素子１ｅ，１ｆの光学特性のずれを低減させるまたは無くすことができる。

本実施の形態の半導体光集積素子１ｅ，１ｆは、多モード干渉導波路１０に接続される二本のアーム導波路（二本の第一アーム導波路４１，４２または二本の第二アーム導波路５１，５２）と、二本のアーム導波路に接続される光カプラ（光カプラ４４または光カプラ５４）とをさらに備える。多モード干渉導波路１０は、光スプリッタ（光スプリッタ４３または光スプリッタ５３）である。モニタ用フォトダイオード（例えば、モニタ用フォトダイオード６０ａ，６０ｂ，６２，６７，６８の少なくとも一つ）は、光カプラから出力される第１光の第１強度を検出する、または、二本のアーム導波路を伝搬する二つの第２光の第２強度を検出する。

モニタ用フォトダイオード（例えば、モニタ用フォトダイオード６０ａ，６０ｂ，６２，６７，６８の少なくとも一つ）で検出される光の強度に基づいて、有機絶縁層２０に印加される熱の量が調整され得る。目標光学特性からの半導体光集積素子１ｅ，１ｆの光学特性のずれを低減させるまたは無くすことができる。

今回開示された実施の形態１から実施の形態４及びそれらの変形例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。矛盾のない限り、今回開示された実施の形態１から実施の形態４及びそれらの変形例の少なくとも２つを組み合わせてもよい。本開示の範囲は、上記した説明ではなく請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることを意図される。

１，１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅ，１ｆ 半導体光集積素子、２ 光集積装置、９ 基板、１０ 多モード干渉導波路、１０ａ 下面、１０ｂ 上面、１０ｃ 第１側面、１０ｄ 第２側面、１１ 下部クラッド層、１２ コア層、１３ 上部クラッド層、１６，１７ 溝、１８ 第１無機絶縁層、２０ 有機絶縁層、２１ 第１有機絶縁部分、２２ 第２有機絶縁部分、２３ 第３有機絶縁部分、２５ ヒータ層、２６ 第１ヒータ膜、２７ 第２ヒータ膜、２８，２９ パッド電極、３１ 入力導波路、３２ 出力導波路、３５ コントローラ、３８ 第２無機絶縁層、３９ 光スプリッタ、４０ 親マッハツェンダ干渉計、４１，４２ 第一アーム導波路、４３，５３ 光スプリッタ、４４，５４ 光カプラ、４７，４８ 親位相調整部、５０ 子マッハツェンダ干渉計、５１，５２ 第二アーム導波路、５５，５６ 位相変調部、５７，５８ 子位相調整部、６０ａ，６０ｂ，６２，６７，６８ モニタ用フォトダイオード、７１ 入力導波路、７０ａ，７０ｂ 光位相変調器、７２ａ，７２ｂ 導波路，７３ａ，７３ｂ 出力導波路。

Claims (10)

1. 半導体基板上の、多モード干渉導波路を用いて一端から他端への入出力方向へ光信号を伝搬する半導体光集積素子において、
   前記半導体基板上に前記入出力方向に延在するよう配置された有機絶縁層と、
   前記有機絶縁層を加熱するヒータ層とを備え、
   前記多モード干渉導波路は、前記半導体基板に対向する下面と、前記下面とは反対側の上面と、前記上面に接続されている第１側面と、前記上面に接続されておりかつ前記第１側面とは反対側にある第２側面とを含み、
   前記有機絶縁層は、前記第１側面を埋め込む第１有機絶縁部分と、前記第２側面を埋め込む第２有機絶縁部分とを含み、
   前記ヒータ層は、前記第１有機絶縁部分を加熱する第１ヒータ膜と、前記第２有機絶縁部分を加熱する第２ヒータ膜とを含み、
   前記第１側面、前記第２側面及び前記上面上に形成されている第１無機絶縁層をさらに備え、
   前記第１無機絶縁層は、前記第１側面と前記第１有機絶縁部分との間に形成されているとともに、前記第２側面と前記第２有機絶縁部分との間に形成されている、半導体光集積素子。
2. 前記第１ヒータ膜は、前記第１有機絶縁部分上に形成されており、
   前記第２ヒータ膜は、前記第２有機絶縁部分上に形成されている、請求項１に記載の半導体光集積素子。
3. 前記ヒータ層は、前記第１有機絶縁部分から前記第２有機絶縁部分にわたって連続的に形成されている、請求項１に記載の半導体光集積素子。
4. 前記有機絶縁層は、前記上面を埋め込み、かつ、前記第１有機絶縁部分と前記第２有機絶縁部分とに接続されている第３有機絶縁部分をさらに含む、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の半導体光集積素子。
5. 半導体基板上の、多モード干渉導波路を用いて一端から他端への入出力方向へ光信号を伝搬する半導体光集積素子において、
   前記半導体基板上に前記入出力方向に延在するよう配置された有機絶縁層と、
   前記有機絶縁層を加熱するヒータ層とを備え、
   前記多モード干渉導波路は、前記半導体基板に対向する下面と、前記下面とは反対側の上面と、前記上面に接続されている第１側面と、前記上面に接続されておりかつ前記第１側面とは反対側にある第２側面とを含み、
   前記有機絶縁層は、前記第１側面を埋め込む第１有機絶縁部分と、前記第２側面を埋め込む第２有機絶縁部分とを含み、
   前記ヒータ層は、前記第１有機絶縁部分を加熱する第１ヒータ膜と、前記第２有機絶縁部分を加熱する第２ヒータ膜とを含み、
   前記第１有機絶縁部分及び前記第２有機絶縁部分上に形成されている第２無機絶縁層をさらに備え、
   前記ヒータ層は、前記第２無機絶縁層上に形成されている、半導体光集積素子。
6. 前記多モード干渉導波路は、２×２多モード干渉導波路である、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の半導体光集積素子。
7. 前記有機絶縁層は、ベンゾシクロブテン樹脂またはポリイミド樹脂で形成されている、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の半導体光集積素子。
8. 前記多モード干渉導波路から出力される光の強度を検出するモニタ用フォトダイオードをさらに備える、請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の半導体光集積素子。
9. 前記多モード干渉導波路に接続される二本のアーム導波路と、
   前記二本のアーム導波路に接続される光カプラとをさらに備え、
   前記多モード干渉導波路は、光スプリッタであり、
   前記モニタ用フォトダイオードは、前記光カプラから出力される第１光の第１強度を検出する、または、前記二本のアーム導波路を伝搬する二つの第２光の第２強度を検出する、請求項８に記載の半導体光集積素子。
10. 請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の前記半導体光集積素子と、
    前記ヒータ層に供給する電力を制御し得るコントローラとを備える、光集積装置。

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