JPWO2017135436A1 - 光素子及びその製造方法、並びに光変調器 - Google Patents

Abstract

基本モードの損失を小さく抑制しつつ高次モードを十分に低減又は除去することができ、しかも低廉かつ容易に製造することができる光素子及びその製造方法、並びに光変調器を提供する。基板と、前記基板上に形成され、それぞれ下部クラッド層とコア層と上部クラッド層とを有し、前記コア層が、前記下部クラッド層及び前記上部クラッド層よりも屈折率が大きい第１乃至第３の光導波路とを有し、前記第１の光導波路が前記第２の光導波路に光学的に接続され、前記第２の光導波路が前記第３の光導波路に光学的に接続され、前記第１乃至第３の光導波路が、少なくとも前記上部クラッド層及び前記コア層の上部が前記下部クラッド層上に突出するメサ状に形成されたメサ構造を有し、コア高さを、前記メサ構造の両側の底面又は前記メサ構造の側面の傾きが前記底面にかけて不連続となる箇所から前記コア層の上面までの高さとしたとき、前記第３の光導波路の前記コア高さが、前記第１の光導波路の前記コア高さよりも低く、メサ幅を前記コア層の中央の幅としたとき、前記第３の光導波路の前記メサ幅が、前記第１の光導波路の前記メサ幅よりも狭い。

Description

本発明は、光導波路を有する光素子及びその製造方法に関する。

光導波路のひとつとして、半導体基板上に形成された半導体材料からなるコア層及びクラッド層を有する半導体光導波路が知られている。光機能素子等における半導体光導波路の導波路構造としては、例えばハイメサ構造と呼ばれる構造が採用されている。ハイメサ構造の光導波路は、導波損失が小さく、曲げ半径を小さくすることができるという特徴を有している。

ハイメサ構造の光導波路は、カットオフメサ幅が非常に狭いため、高次横モードを抑制することが困難である。このため、ハイメサ構造の光導波路は、通常、高次モードの損失が大きくなるように設計される。具体的には、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設計される。これにより、高次モードが基板側に放射される結果、高次モードの損失が大きくなる。

一方、ハイメサ構造の光導波路において、高次モード損失を大きくするためにメサ幅を狭くしすぎると、基本モード損失までもが大きくなってしまう。

このようにハイメサ構造の光導波路では高次モードを抑制することが困難であるため、これまで、高次モードを抑制する高次モードフィルタとして機能する光導波路又は素子が提案されている（特許文献１〜３）。

特開２００３−２０７６６５号公報 特開２０１１−６４７９３号公報 特開平１１−５２１４９号公報

しかしながら、特許文献１〜３に記載されるような従来の光導波路又は素子では、基本モードの損失と高次モードの損失との差を十分に確保することができず、高次モードを十分に低減又は除去することは困難であった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、基本モードの損失を小さく抑制しつつ高次モードを十分に低減又は除去することができ、しかも低廉かつ容易に製造することができる光素子及びその製造方法、並びに光変調器を提供することを目的とする。

本発明の一観点によれば、基板と、前記基板上に形成され、それぞれ下部クラッド層とコア層と上部クラッド層とを有し、前記コア層が、前記下部クラッド層及び前記上部クラッド層よりも屈折率が大きい第１乃至第３の光導波路とを有し、前記第１の光導波路が前記第２の光導波路に光学的に接続され、前記第２の光導波路が前記第３の光導波路に光学的に接続され、前記第１乃至第３の光導波路が、少なくとも前記上部クラッド層及び前記コア層の上部が前記下部クラッド層上に突出するメサ状に形成されたメサ構造を有し、コア高さを、前記メサ構造の両側の底面又は前記メサ構造の側面の傾きが前記底面にかけて不連続となる箇所から前記コア層の上面までの高さとしたとき、前記第３の光導波路の前記コア高さが、前記第１の光導波路の前記コア高さよりも低く、メサ幅を前記コア層の中央の幅としたとき、前記第３の光導波路の前記メサ幅が、前記第１の光導波路の前記メサ幅よりも狭いことを特徴とする光素子が提供される。

本発明の他の観点によれば、下部クラッド層とコア層と上部クラッド層とを有し、前記コア層が、前記下部クラッド層及び前記上部クラッド層よりも屈折率が大きい第１乃至第３の光導波路を有し、前記第１の光導波路が前記第２の光導波路に光学的に接続され、前記第２の光導波路が前記第３の光導波路に光学的に接続された光素子の製造方法であって、基板上に、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を積層する工程と、前記上部クラッド層上にハードマスクを形成する工程と、前記ハードマスクをマスクとして用い、少なくとも前記上部クラッド層及び前記コア層の上部をドライエッチングする工程とを有し、前記ハードマスクは、第１のマスク部と、第２のマスク部とを有し、前記第１のマスク部は、前記第１乃至第３の光導波路の導波路パターンを有し、前記第１の光導波路の前記導波路パターンの幅よりも、前記第３の光導波路の前記導波路パターンの幅が狭く、前記第２のマスク部は、前記第１のマスク部の前記第１乃至第３の光導波路の前記導波路パターンの両側の領域のうち、前記第３の光導波路の前記導波路パターンの両側の領域に選択的に形成されていることを特徴とする光素子の製造方法が提供される。

本発明のさらに他の観点によれば、光導波路と、前記光導波路の一部に形成され、前記光導波路を導波する光の位相を変調する変調部と、前記光導波路に形成された上記光素子とを有することを特徴とする光変調器が提供される。

本発明によれば、基本モードの損失を小さく抑制しつつ高次モードを十分に低減又は除去することができる。また、本発明によれば、基本モードの損失を小さく抑制しつつ高次モードを十分に低減又は除去することができる光素子を低廉かつ容易に製造することができる。

図１は、本発明の第１実施形態による光素子を示す平面図である。 図２は、本発明の第１実施形態による光素子を示す断面図（その１）である。 図３Ａは、本発明の第１実施形態による光素子を示す断面図（その２−１）である。 図３Ｂは、本発明の第１実施形態による光素子を示す断面図（その２−２）である。 図３Ｃは、本発明の第１実施形態による光素子を示す断面図（その２−３）である。 図４Ａは、光導波路のハイメサ構造が有しうる断面形状の他の例を示す断面図（その１）である。 図４Ｂは、光導波路のハイメサ構造が有しうる断面形状の他の例を示す断面図（その２）である。 図５は、異なるコア下深さについて得られたメサ幅と高次モード損失との関係のビーム伝搬法での計算結果の例を示すグラフである。 図６Ａは、本発明の第１実施形態による光素子について計算された基本モード損失及び高次モード損失の計算結果の一例を示す図（その１）である。 図６Ｂは、本発明の第１実施形態による光素子について計算された基本モード損失及び高次モード損失の計算結果の一例を示す図（その２）である。 図７Ａは、本発明の第１実施形態による光素子について計算された基本モード損失及び高次モード損失の計算結果の他の例を示す図（その１）である。 図７Ｂは、本発明の第１実施形態による光素子について計算された基本モード損失及び高次モード損失の計算結果の他の例を示す図（その２）である。 図８Ａは、本発明の第１実施形態による光素子について計算された基本モード損失及び高次モード損失の計算結果のさらに他の例を示す図（その１）である。 図８Ｂは、本発明の第１実施形態による光素子について計算された基本モード損失及び高次モード損失の計算結果のさらに他の例を示す図（その２）である。 図９Ａは、本発明の第１実施形態による光素子の製造方法を示す工程図（その１−１）である。 図９Ｂは、本発明の第１実施形態による光素子の製造方法を示す工程図（その１−２）である。 図９Ｃは、本発明の第１実施形態による光素子の製造方法を示す工程図（その１−３）である。 図９Ｄは、本発明の第１実施形態による光素子の製造方法を示す工程図（その１−４）である。 図１０Ａは、本発明の第１実施形態による光素子の製造方法を示す工程図（その２−１）である。 図１０Ｂは、本発明の第１実施形態による光素子の製造方法を示す工程図（その２−２）である。 図１０Ｃは、本発明の第１実施形態による光素子の製造方法を示す工程図（その２−３）である。 図１０Ｄは、本発明の第１実施形態による光素子の製造方法を示す工程図（その２−４）である。 図１１Ａは、本発明の第１実施形態による光素子の製造方法を示す工程図（その３−１）である。 図１１Ｂは、本発明の第１実施形態による光素子の製造方法を示す工程図（その３−２）である。 図１１Ｃは、本発明の第１実施形態による光素子の製造方法を示す工程図（その３−３）である。 図１１Ｄは、本発明の第１実施形態による光素子の製造方法を示す工程図（その３−４）である。 図１２Ａは、本発明の第１実施形態による光素子の製造方法を示す工程図（その４−１）である。 図１２Ｂは、本発明の第１実施形態による光素子の製造方法を示す工程図（その４−２）である。 図１２Ｃは、本発明の第１実施形態による光素子の製造方法を示す工程図（その４−３）である。 図１２Ｄは、本発明の第１実施形態による光素子の製造方法を示す工程図（その４−４）である。 図１３は、本発明の第１実施形態による光素子の製造方法におけるハードマスクの変形例を示す平面図である。 図１４は、本発明の第２実施形態による光素子における第３の光導波路を示す断面図である。 図１５Ａは、本発明の第３実施形態による光変調器を示す概略図（その１）である。 図１５Ｂは、本発明の第３実施形態による光変調器を示す概略図（その２）である。 図１６は、本発明の第４実施形態による光変調器を示す平面図である。

［第１実施形態］
本発明の第１実施形態による光素子及びその製造方法について図１乃至図１３を用いて説明する。

まず、本実施形態による光素子の構成について図１乃至図４Ｂを用いて説明する。図１は、本実施形態による光素子を示す平面図である。図２は、図１のＸ−Ｘ線に沿った断面図である。図３Ａは、図１のＡ−Ａ線に沿った断面図である。図３Ｂは、図１のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。図３Ｃは、図１のＣ−Ｃ線に沿った断面図である。図４Ａ及び図４Ｂは、光導波路のハイメサ構造が有しうる断面形状の他の例を示す断面図である。

本実施形態による光素子は、高次モードフィルタとして機能するものである。本実施形態による光素子は、例えば、後述の第３及び第４実施形態において説明するように、光変調器等の能動素子その他の素子と半導体基板上に集積されて光集積素子を構成することができる。

図１乃至図３Ｃに示すように、本実施形態による光素子１は、第１の光導波路１０と、第２の光導波路２０と、第３の光導波路３０と、第４の光導波路４０と、第５の光導波路５０とを有している。第１乃至第５の光導波路１０、２０、３０、４０、５０は、直線状の光導波路である。これら第１乃至第５の光導波路１０、２０、３０、４０、５０は、半導体基板である基板６０上に形成されている。基板６０は、例えばＩｎＰ基板である。

第１乃至第５の光導波路１０、２０、３０、４０、５０が形成された基板６０上には、下部クラッド層６２と、下部クラッド層６２よりも屈折率が大きいコア層６４と、コア層６４よりも屈折率が小さい上部クラッド層６６とが形成されている。

下部クラッド層６２は、半導体層により構成され、その上部がメサ状に加工されてなる凸部６２ａを有している。下部クラッド層６２を構成する半導体層は、例えばＩｎＰ層である。なお、下部クラッド層６２は、基板６０上に形成された半導体層に限定されるものではない。下部クラッド層６２は、例えば、基板６０の上部がメサ状に加工されて構成されていてもよい。この場合、下部クラッド層６２を構成する基板６０は、例えばＩｎＰ基板である。

コア層６４は、下部クラッド層６２上に形成された半導体層がメサ状に加工されて構成されている。コア層６４は、下部クラッド層６２及び上部クラッド層６６よりも屈折率が大きい。コア層６４を構成する半導体層は、例えばＧａＩｎＡｓＰ層である。

上部クラッド層６６は、コア層６４上に形成された半導体層がメサ状に加工されて構成されている。上部クラッド層６６を構成する半導体層は、下部クラッド層６２を構成する半導体層と同種の半導体材料とすることができ、例えばＩｎＰ層である。

第１乃至第５の光導波路１０、２０、３０、４０、５０は、それぞれ、所定のメサ幅のメサ状に一体的に形成された下部クラッド層６２の凸部６２ａ、コア層６４、及び上部クラッド層６６を有し、下部クラッド層６２上に凸状に突出したハイメサ構造を有している。なお、ハイメサ構造とは、下部クラッド層、コア層、及び上部クラッド層を有する光導波路の厚さ方向において、少なくとも上部クラッド層及びコア層の上部が下部クラッド層上に突出するメサ状に形成されたメサ構造をいう。ハイメサ構造には、光導波路の厚さ方向において、上部クラッド層、コア層、及び下部クラッド層の少なくとも上部が下部クラッド層上に突出するメサ状に形成されたメサ構造、並びに、上部クラッド層及びコア層の上部が下部クラッド層上に突出するメサ状に形成されたメサ構造が含まれる。第１乃至第５の光導波路１０、２０、３０、４０、５０は、いずれのメサ構造であってもよいが、本実施形態では、上述のように、上部クラッド層６６、コア層６４、及び下部クラッド層６２の凸部６２ａが下部クラッド層６２上に突出するメサ状に形成されたハイメサ構造を有している。

ハイメサ構造を有する第１乃至第５の光導波路１０、２０、３０、４０、５０は、基板６０上に一体的に形成され、直線状に並ぶように配置されている。なお、第３の光導波路３０の両側には、上部クラッド層６６、コア層６４、及び下部クラッド層６２が矩形状の平面形状に加工されてなる残存部７０が残存している。残存部７０は、後述するように第１乃至第５の光導波路１０、２０、３０、４０、５０を形成するドライエッチングのエッチングレートを調整するためのハードマスク８０の第２のマスク部８２（図１０Ａ及び図１０Ｃ、並びに図１１Ａ及び図１１Ｃ参照）により残存したものである。残存部７０は、除去されていてもよい。

直線状に配置された第１乃至第５の光導波路１０、２０、３０、４０、５０は、互いに光学的に接続されている。

具体的には、第１の光導波路１０の一端は、第１乃至第５の光導波路１０、２０、３０、４０、５０により導波すべき光が入力される入力端になっている。なお、入力端となる第１の光導波路１０の一端には、第１の光導波路１０の一端に入力される光を出力する素子を、光導波路等を介して光学的に接続することができる。この場合、光を出力する素子は、例えば、半導体レーザ、光変調器、光増幅器等であり、本実施形態による光素子１と同一の基板６０上に集積化することができる。

また、第１の光導波路１０の他端は、第２の光導波路２０の一端に光学的に接続されている。これにより、第１の光導波路１０と第２の光導波路２０とは、互いに光学的に接続されている。

また、第２の光導波路２０の他端は、第３の光導波路３０の一端に光学的に接続されている。これにより、第２の光導波路２０と第３の光導波路３０とは、互いに光学的に接続されている。

また、第３の光導波路３０の他端は、第４の光導波路４０の一端に光学的に接続されている。これにより、第３の光導波路３０と第４の光導波路４０とは、互いに光学的に接続されている。

また、第４の光導波路４０の他端は、第５の光導波路５０の一端に光学的に接続されている。これにより、第４の光導波路４０と第５の光導波路５０とが光学的に接続されている。

また、第５の光導波路５０の他端は、第１乃至第５の光導波路１０、２０、３０、４０、５０を導波した光が出力される出力端になっている。なお、出力端となる第５の光導波路５０の他端には、第５の光導波路５０の他端から出力された光を処理する素子を、光導波路等を介して光学的に接続することができる。この場合、出力された光を処理する素子は、例えば、光変調器、光増幅器等であり、本実施形態による光素子１と同一の基板６０上に集積化することができる。

本実施形態による光素子１において、第１乃至第５の光導波路１０、２０、３０、４０、５０のメサ幅は、以下に述べるようになっている。なお、メサ幅は、ハイメサ構造に含まれるコア層６４の中央の幅、すなわちハイメサ構造に含まれるコア層６４の厚さ方向における中央での幅のことである。

まず、第１の光導波路１０は、直線状の光導波路であり、一端から他端にわたって、ほぼ一定のメサ幅Ｗ_１を有している。また、第５の光導波路５０も、直線状の光導波路であり、一端から他端にわたって、ほぼ一定のメサ幅Ｗ_５を有している。第１の光導波路１０のメサ幅Ｗ_１は、第５の光導波路５０のメサ幅Ｗ_５とほぼ等しくなっている。メサ幅Ｗ_１、Ｗ_５は、それぞれ例えば１．５〜２μｍである。

また、第３の光導波路３０は、直線状の光導波路であり、一端から他端にわたって、ほぼ一定のメサ幅Ｗ_３を有している。第３の光導波路３０のメサ幅Ｗ_３は、第１の光導波路１０のメサ幅Ｗ_１及び第５の光導波路５０のメサ幅Ｗ_５よりも狭くなっている。メサ幅Ｗ_３は、例えば０．９〜１．２μｍである。

また、第２の光導波路２０は、直線状の光導波路であり、一端から他端に向かって、第１の光導波路１０のメサ幅Ｗ_１から第３の光導波路３０のメサ幅Ｗ_３に漸減するメサ幅を有している。このようにメサ幅が漸減する第２の光導波路２０を介して、第１の光導波路１０に対して、第１の光導波路１０よりもメサ幅が狭い第３の光導波路３０が光学的に連続して接続されている。

また、第４の光導波路４０は、直線状の光導波路であり、一端から他端に向かって、第３の光導波路３０のメサ幅Ｗ_３から第５の光導波路５０のメサ幅Ｗ_５に漸増するメサ幅を有している。このようにメサ幅が漸増する第４の光導波路４０を介して、第５の光導波路５０に対して、第５の光導波路５０よりもメサ幅が狭い第３の光導波路３０が光学的に連続して接続されている。

また、本実施形態による光素子１において、第１乃至第５の光導波路１０、２０、３０、４０、５０のコア高さは、以下に述べるようになっている。なお、コア高さとは、ハイメサ構造を有する光導波路の凸状部の底面、すなわちハイメサ構造の両側の底面からコア層６４の上部クラッド層６６側の上面までの高さのことをいう。すなわち、コア高さとは、ハイメサ構造を有する光導波路のコア層６４の上部クラッド層６６側の上面までのメサ高さのことである。

まず、第１の光導波路１０は、一端から他端にわたって、ほぼ一定のコア高さｄ_１を有している。また、第５の光導波路５０も、一端から他端にわたって、ほぼ一定のコア高さｄ_５を有している。第１の光導波路１０のコア高さｄ_１は、第５の光導波路５０のコア高さｄ_５とほぼ等しくなっている。

また、本実施形態では、第１及び第５の光導波路１０、５０のコア高さｄ_１、ｄ_５は、コア層６４の厚さｄ_ｃよりも大きくなっている。なお、コア層６４の厚さｄ_ｃは、第１乃至第５の光導波路１０、２０、３０、４０、５０にわたってほぼ一定になっている。第１乃至第５の光導波路１０、２０、３０、４０、５０のコア層６４の厚さｄ_ｃは、特に限定されるものではない。コア層６４の厚さｄ_ｃは、光素子１の小型化、薄型化の観点からは、２μｍ以下であることが好ましい。コア層６４の厚さｄ_ｃは、後述の図６Ａ乃至図８Ｂに示す計算結果から、例えば０．２μｍ以上に設定することができる。

また、第３の光導波路３０は、一端から他端にわたって、ほぼ一定のコア高さｄ_３を有している。第３の光導波路３０のコア高さｄ_３も、コア層６４の厚さｄ_ｃよりも大きくなっている。また、第３の光導波路３０のコア高さｄ_３は、第１の光導波路１０のコア高さｄ_１及び第５の光導波路５０のコア高さｄ_５よりも低くなっている。

また、第２の光導波路２０は、一端から他端に向かって、第１の光導波路１０のコア高さｄ_１から第３の光導波路３０のコア高さｄ_３に漸減するコア高さを有している。このようにコア高さが漸減する第２の光導波路２０を介して、第１の光導波路１０に対して、第１の光導波路１０よりもコア高さが低い第３の光導波路３０が光学的に連続して接続されている。

また、第４の光導波路４０は、一端から他端に向かって、第３の光導波路３０のコア高さｄ_３から第５の光導波路５０のコア高さｄ_５に漸増するコア高さを有している。このようにコア高さが漸増する第４の光導波路４０を介して、第５の光導波路５０に対して、第５の光導波路５０よりもコア高さが低い第３の光導波路３０が光学的に連続して接続されている。

なお、第１乃至第５の光導波路１０、２０、３０、４０、５０のハイメサ構造は、光の導波方向と直交する面に沿った断面形状として、必ずしも例えば図３Ａ、図３Ｂ及び図３Ｃに示すような厳密な矩形状の断面形状を有するわけではない。ハイメサ構造は、エッチング条件等に起因して、矩形状の断面形状とは一部異なる断面形状を有しうる。図４Ａ及び図４Ｂは、光導波路のハイメサ構造が有しうる断面形状の他の例を示す断面図である。

例えば、図４Ａに示すように、ハイメサ構造は、上部クラッド層６６側から下部クラッド層６２側に向かうに従って徐々に幅広となる裾状部分Ｓを有しうる。この場合、ハイメサ構造を有する光導波路のコア高さｄ_ｎは、ハイメサ構造を有する光導波路の凸状部の底面Ｂ_ｍ、すなわちハイメサ構造の両側の底面Ｂ_ｓからコア層６４の上部クラッド層６６側の上面Ｔ_ｃまでの高さとなる。

また、例えば、図４Ｂに示すように、ハイメサ構造の両脇には、窪みＲが生じうる。窪みＲは、ハイメサ構造の側面の傾きが、ハイメサ構造の両側の底面Ｂ_ｓにかけて不連続となる箇所Ｐを含んでいる。この場合、ハイメサ構造を有する光導波路のコア高さｄ_ｎは、箇所Ｐからコア層６４の上部クラッド層６６側の上面Ｔ_ｃまでの高さとなる。このコア高さｄ_ｎは、底面Ｂ_ｓよりも下に位置する底面Ｂ_ｍから上面Ｔ_ｃまでの高さと一致する。

このように、コア高さｄ_ｎは、ハイメサ構造の両側の底面Ｂ_ｓ又はハイメサ構造の側面の傾きが底面Ｂ_ｓにかけて不連続となる箇所Ｐからコア層６４の上面Ｔ_ｃまでの高さと規定することができる。

上記本実施形態による光素子１では、第３の光導波路３０では、その基本モード及び高次モードの等価屈折率が基板６０の屈折率との関係で次のようになっている。すなわち、第３の光導波路３０の基本モードの等価屈折率は、基板６０の屈折率より大きくなっている。これに対し、第３の光導波路３０の高次モードの等価屈折率は、基板６０の屈折率より小さくなっている。これにより、第３の光導波路３０では、基本モードと比較して、高次モードが基板６０側に放射されやすくなっている。このように等価屈折率が設定されていることにより、第３の光導波路３０では、その基本モードの損失よりもその高次モードの損失が大きくなっている。等価屈折率は、ハイメサ構造のような２次元的な光閉じ込めに関して、一般に知られている等価屈折率法により導出が可能である。まず、メサ形状が無いと仮定して、積層方向のみの構造（クラッド／コア／クラッド）、すなわち３層スラブ構造を仮定する。この縦方向の３層スラブの固有モードを計算し、その時の伝搬定数βから、縦方向の等価屈折率が求まる。この縦方向の等価屈折を横方向の３層スラブのコア層の屈折率として、横方向の固有モードを計算するのが等価屈折率法である。等価屈折率法で計算した固有モードの伝搬定数βから、導波路の等価屈折率が求まる。なお、光導波路の伝搬モードのうち、０次モードを基本モードといい、Ｎ次モード（ただし、Ｎは１以上の整数）を総称して高次モードという。

上述のように構成された本実施形態による光素子１では、第１乃至第５の光導波路１０、２０、３０、４０、５０のうち第３の光導波路３０で高次モードの損失が最も大きくなっている。これにより、第３の光導波路３０は、高次モードを十分に低減又は除去する高次モードフィルタとして機能するフィルタ部となっている。

一方、第１の光導波路１０及び第５の光導波路５０は、それぞれ擬似シングルモード又はマルチモードの光導波路とすることができる。

光導波路において、高次モードの損失を大きくするためには、光導波路のメサ幅を狭くすることが考えられる。しかしながら、メサ幅を狭くしすぎると、基本モードまで基板側に放射されて基本モードの損失までも大きくなる。このため、基本モードの損失が小さく、高次モードの損失が大きい、いわゆるシングルモード性を満たす設計解が存在する。このように設計解が存在するものの、シングルモード性を満たしうるトレランスは小さく、例えば半導体光導波路のようにコア層の屈折率の大きな光導波路に設計する際に、シングルモード性を満たすことが困難となる。

さらに、ハイメサ構造のようなメサ構造を有する光導波路では、屈折率差が大きいため、メサ側面での散乱損が大きな問題となる。このため、低損失な光導波路を実現するためには、シングルモード性を満たす範囲内で可能なかぎり光導波路のメサ幅を広くする必要があるので、条件はより厳しくなる。

低損失でシングルモード性を満たすことが要求される光導波路では、例えば±０．１μｍ又はそれを上回る作製精度が必要とされ、要求されるトレランスが厳しいため、作製が困難であるという課題がある。このような課題を解決するため、高次モードを除去又は低減する高次モードフィルタがこれまでに提案されている。提案されている高次モードフィルタでは、メサ構造を有する光導波路における下部クラッド層の厚さを所定の厚さ以下に設定すること等により、高次モードを抑制することが行われている（特許文献１、２参照）。

しかしながら、基本モードの損失が小さい光導波路では、下部クラッド層の厚さを薄くすること等によりコア高さを低くしても、高次モードの損失が大きくならないという課題がある。

図５は、異なるコア下深さについて得られたメサ幅と高次モード損失との関係のビーム伝搬法での計算結果の例を示すグラフである。なお、コア下深さとは、ハイメサ構造の光導波路におけるコア層の下部クラッド層側の下面から光導波路の凸状部の底面までの深さをいう。コア下深さは、コア高さとコア層の厚さとの差として計算することができる。図５では、コア下深さが０．７５μｍ、０．５μｍ、及び０．２μｍの場合について、それぞれメサ幅と高次モードのひとつである１次モードの損失との関係の計算結果を示している。

図５に示すように、作製が容易なメサ幅１．５〜２μｍの導波路では、コア下深さを浅くしても１次モードの損失は十分に大きくならないことがわかる。また、１次モードの損失が大きくなるメサ幅１μｍの導波路では、基本モード損失が大きくなる。このように高次モードの損失が十分に大きくない場合、高次モードを十分に低減するためには、フィルタの素子長を長くする必要があるが、それではチップサイズが大きくなるとともに、基本モードの損失も大きくなると考えられる。

これに対して、本実施形態による光素子１では、第３の光導波路３０のメサ幅Ｗ_３が、第１の光導波路１０のメサ幅Ｗ_１及び第５の光導波路５０のメサ幅Ｗ_５よりも狭くなっている。さらに、本実施形態による光素子１では、第３の光導波路３０のコア高さｄ_３は、第１の光導波路１０のコア高さｄ_１及び第５の光導波路５０のコア高さｄ_５よりも低くなっている。換言すれば、第３の光導波路３０のコア下深さ（ｄ_３−ｄ_ｃ）は、第１の光導波路１０のコア下深さ（ｄ_１−ｄ_ｃ）及び第５の光導波路５０のコア下深さ（ｄ_５−ｄ_ｃ）よりも浅くなっている。

このように、第３の光導波路３０は、第１の光導波路１０及び第５の光導波路５０と比較して、メサ幅が狭く、かつ、コア高さが低く、換言すればコア下深さが浅くなっている。このようにメサ幅及びコア高さの両者が設定されるため、本実施形態による光素子１では、フィルタ部として機能する第３の光導波路３０により、基本モードの損失を小さく抑制しつつ高次モードを十分に低減又は除去することができる。

また、本実施形態による光素子１では、第３の光導波路３０において十分に大きな高次モードの損失が得られるため、第３の光導波路３０の導波路長を短くすることができる。例えば、第３の光導波路３０の導波路長は、０．１ｍｍ以下と短くすることができる。このように、本実施形態では、第３の光導波路３０の導波路長を短くすることができるため、光素子１の素子長短くすることができる。

さらに、本実施形態による光素子１では、第３の光導波路３０のメサ幅及びコア高さの両者を上述のように設定することにより高次モードフィルタとしての機能を実現する。このため、本実施形態では、メサ幅のみを狭くすることにより高次モードフィルタを実現する場合と比較して、設計に際してより広いトレランスを確保することができ、設計の自由度を高めることができる。

図６Ａ及び図６Ｂは、光素子１における第３の光導波路３０のコア下深さ（ｄ_３−ｄ_ｃ）及びメサ幅Ｗ_３を変更した場合の光素子１を伝搬する光の基本モードの損失及び高次モードの損失をビーム伝搬法により計算した結果の一例を示す図である。図６Ａは、基本モードの損失の計算結果を示す表である。図６Ｂは、高次モードである１次モードの損失の計算結果を示す表である。なお、図６Ａ及び図６Ｂに結果を示す計算に際して、コア層６４の厚さｄ_ｃは、６００ｎｍに設定している。第１の光導波路１０のメサ幅Ｗ_１及び第５の光導波路５０のメサ幅Ｗ_５は、いずれも１．５μｍに固定している。また、第１の光導波路１０のコア下深さ（ｄ_１−ｄ_ｃ）及び第５の光導波路５０のコア下深さ（ｄ_５−ｄ_ｃ）は、いずれも０．５μｍに固定している。また、第３の光導波路３０の導波路長は、５０μｍに設定している。

図６Ａにおいて、基本モードの損失が０．１ｄＢを下回っている領域が、基本モードの損失が十分に低減されている領域である。また、図６Ｂにおいて、１次モードの損失が５ｄＢを超えている領域が、１次モードの損失が十分に大きくなっている領域である。

また、図７Ａ及び図７Ｂは、光素子１における第３の光導波路３０のコア下深さ（ｄ_３−ｄ_ｃ）及びメサ幅Ｗ_３を変更した場合の光素子１を伝搬する光の基本モードの損失及び高次モードの損失をビーム伝搬法により計算した結果の他の例を示す図である。図７Ａは、基本モードの損失の計算結果を示す表である。図７Ｂは、高次モードである１次モードの損失の計算結果を示す表である。なお、図７Ａ及び図７Ｂに結果を示す計算に際して、コア層６４の厚さｄ_ｃは、２００ｎｍに設定している。第１の光導波路１０のメサ幅Ｗ_１及び第５の光導波路５０のメサ幅Ｗ_５は、いずれも２μｍに固定している。また、第１の光導波路１０のコア下深さ（ｄ_１−ｄ_ｃ）及び第５の光導波路５０のコア下深さ（ｄ_５−ｄ_ｃ）は、いずれも０．５μｍに固定している。また、第３の光導波路３０の導波路長は、５０μｍに設定している。なお、図７Ａ及び図７Ｂの表中の空欄は、未計算であることを示している。

図７Ａにおいても、基本モードの損失が０．１ｄＢを下回っている領域が、基本モードの損失が十分に低減されている領域である。また、図７Ｂにおいて、１次モードの損失が５ｄＢを超えている領域が、１次モードの損失が十分に大きくなっている領域である。

また、図８Ａ及び図８Ｂは、光素子１における第３の光導波路３０のコア下深さ（ｄ_３−ｄ_ｃ）及びメサ幅Ｗ_３を変更した場合の光素子１を伝搬する光の基本モードの損失及び高次モードの損失をビーム伝搬法により計算した結果のさらに他の例を示す図である。図８Ａは、基本モードの損失の計算結果を示す表である。図８Ｂは、高次モードである１次モードの損失の計算結果を示す表である。なお、図８Ａ及び図８Ｂに結果を示す計算に際して、コア層６４の厚さｄ_ｃは、４００ｎｍに設定している。第１の光導波路１０のメサ幅Ｗ_１及び第５の光導波路５０のメサ幅Ｗ_５は、いずれも２μｍに固定している。また、第１の光導波路１０のコア下深さ（ｄ_１−ｄ_ｃ）及び第５の光導波路５０のコア下深さ（ｄ_５−ｄ_ｃ）は、いずれも０．５μｍに固定している。また、第３の光導波路３０の導波路長は、５０μｍに設定している。なお、図８Ａ及び図８Ｂの表中の空欄は、未計算であることを示している。

上記図６Ａ乃至図８Ｂに示す計算結果からは、いずれの設計においても、第３の光導波路３０のコア下深さ（ｄ_３−ｄ_ｃ）が０．３μｍ以下であると、基本モードの損失が十分に小さくなり、かつ１次モードの損失が十分に大きくなるメサ幅が存在することが分かる。したがって、第３の光導波路３０が、上部クラッド層６６、コア層６４、及び下部クラッド層６２の凸部６２ａが下部クラッド層６２上に突出するメサ状に形成されたハイメサ構造を有する場合、第３の光導波路３０のコア下深さ（ｄ_３−ｄ_ｃ）を０．３μｍ以下に設定することが好ましい。このように第３の光導波路３０のコア下深さ（ｄ_３−ｄ_ｃ）を設定することにより、基本モードの損失を十分に小さく抑制しつつ高次モードを十分に低減し又は除去することができる。

なお、第３の光導波路３０のメサ幅Ｗ_３は、設計に応じて適宜設定することができる。

また、コア層の厚さｄ_ｃは、上記図６Ａ乃至図８Ｂに示す計算結果から２００ｎｍ以上であることが好ましい。

次に、本実施形態による光素子の製造方法について図９Ａ乃至図１２Ｄを用いて説明する。図９Ａ、図１０Ａ、図１１Ａ、及び図１２Ａは、本実施形態による光素子の製造方法を示す工程平面図である。図９Ｂ、図１０Ｂ、図１１Ｂ、及び図１２Ｂは、それぞれ図９Ａ、図１０Ａ、図１１Ａ、及び図１２ＡのＡ−Ａ線に沿った工程断面図である。図９Ｃ、図１０Ｃ、図１１Ｃ、及び図１２Ｃは、それぞれ図９Ａ、図１０Ａ、図１１Ａ、及び図１２ＡのＢ−Ｂ線に沿った工程断面図である。図９Ｄ、図１０Ｄ、図１１Ｄ、及び図１２Ｄは、それぞれ図９Ａ、図１０Ａ、図１１Ａ、及び図１２ＡのＣ−Ｃ線に沿った工程断面図である。

まず、例えばＩｎＰ基板である基板６０上に、例えば有機金属気相成長法により、ＩｎＰ層からなる下部クラッド層６２と、ＧａＩｎＡｓＰ層からなるコア層６４と、ＩｎＰ層からなる上部クラッド層６６とをエピタキシャル成長する（図９Ａ乃至図９Ｄ参照）。こうして、基板６０上に、下部クラッド層６２とコア層６４と上部クラッド層６６とを積層する。なお、基板６０を下部クラッド層６２として用いることもできる。

次いで、上部クラッド層６６上に、例えば化学気相成長法により、ハードマスクとなるシリコン酸化膜を堆積する。次いで、フォトリソグラフィ及びエッチングによりシリコン酸化膜をパターニングする。これにより、シリコン酸化膜からなるハードマスク８０を形成する（図１０Ａ乃至図１０Ｄ参照）。こうして形成されたハードマスク８０は、第１乃至第５の光導波路１０、２０、３０、４０、５０の導波路パターン８１ａ、８１ｂ、８１ｃ、８１ｄ、８１ｅを有する第１のマスク部８１を有している。さらに、ハードマスク８０は、第１のマスク部８１における第３の光導波路３０の導波路パターン８１ｃの両側に形成された第２のマスク部８２を有している。

なお、ハードマスク８０を構成する膜は、シリコン酸化膜に限定されるものではない。ハードマスク８０を構成する膜としては、シリコン酸化膜のほか、ドライエッチングのマスクとなりうるあらゆる無機膜その他の膜を用いることができる。

第１のマスク部８１において、第３の光導波路３０の導波路パターン８１ｃの幅は、第１の光導波路１０の導波路パターン８１ａの幅及び第５の光導波路５０の導波路パターン８１ｅの幅よりも狭くなっている。このように、第１のマスク部８１は、上述した第１、第３、及び第５の光導波路１０、３０、５０のメサ幅Ｗ_１、Ｗ_３、Ｗ_５の広狭関係に応じた幅を有している。

第２のマスク部８２は、第１乃至第５の光導波路１０、２０、３０、４０、５０をドライエッチングにより形成する際に、第３の光導波路３０が形成される部分におけるドライエッチングのエッチングレートを遅くするためのものである。第２のマスク部８２は、第３の光導波路３０の導波路パターン８１ｃの両側の領域に形成されている。第１、第２、第４、及び第５の光導波路１０、２０、４０、５０の導波路パターン８１ａ、８１ｂ、８１ｄ、８１ｅの両側は、ハードマスクが形成されておらず、上部クラッド層６６が露出した領域になっている。

このように、第２のマスク部８２は、第１乃至第５の光導波路１０、２０、３０、４０、５０の導波路パターン８１ａ、８１ｂ、８１ｃ、８１ｄ、８１ｅの両側の領域のうち、第３の光導波路３０の導波路パターン８１ｃの両側の領域に選択的に形成されている。

次いで、第１のマスク部８１及び第２のマスク部８２を有するハードマスク８０をマスクとして用い、上部クラッド層６６、コア層６４及び下部クラッド層６２の上部をドライエッチングする。ドライエッチングには、例えば反応性イオンエッチングを用いることができる。ドライエッチングにより、上部クラッド層６６、コア層６４及び下部クラッド層６２の上部を異方性エッチングする。これにより、上部クラッド層６６、コア層６４、及び下部クラッド層６２の上部がメサ状に加工される。

上述のように、第１のマスク部８１における第３の光導波路３０の導波路パターン８１ｃの両側の領域には、第２のマスク部８２が選択的に形成されている。このため、マイクロローディング効果により、第３の光導波路３０が形成される部分におけるドライエッチングのエッチングレートが低下する。すなわち、第３の光導波路３０が形成される部分におけるドライエッチングのエッチングレートは、第１、第２、第４、及び第５の光導波路１０、２０、４０、５０が形成される部分におけるドライエッチングのエッチングレートよりも遅くなる。これにより、第１の光導波路１０のコア高さｄ_１及び第５の光導波路５０のコア高さｄ_５よりも低いコア高さｄ_３を有する第３の光導波路３０を形成することができる。

なお、マイクロローディング効果を十分に得るため、第１のマスク部８１における第３の光導波路３０の導波路パターン８１ｃと第２のマスク部８２との間の距離Ｄ_ｍは、１０μｍ以下であることが好ましい。

こうして、上述したようにメサ幅及びコア高さが設定されたハイメサ構造を有する第１乃至第５の光導波路１０、２０、３０、４０、５０を形成する（図１１Ａ乃至図１１Ｄ参照）。

その後、マスクとして用いたハードマスク８０を除去し、本実施形態による光素子１を完成する（図１２Ａ乃至図１２Ｄ参照）。

このように、本実施形態では、第１の光導波路１０のコア高さｄ_１及び第５の光導波路５０のコア高さｄ_５よりも低いコア高さｄ_３を有する第３の光導波路３０を追加の工程を必要となく形成することができる。したがって、本実施形態によれば、低廉かつ容易に光素子１を製造することができる。

なお、ハードマスク８０における第２のマスク部８２は、上記図１０Ａに示す平面形状に限定されるものではない。図１３は、本実施形態による光素子の製造方法におけるハードマスク８０の他の例を示す平面図である。

図１３に示すように、ハードマスク８０は、上記図１０Ａに示す場合と同様の第１のマスク部８１と、第２のマスク部８３とを有している。第２のマスク部８３は、第１のマスク部８１の両側に帯状に形成されている。

第１のマスク部８１における第１の光導波路１０の導波路パターン８１ａの両側には、第２のマスク部８３がほぼ一定の距離を空けてほぼ平行に形成されている。第１のマスク部８１における第１の光導波路１０の導波路パターン８１ａと第２のマスク部８３との間の距離は、第１のマスク部８１における第３の光導波路３０の導波路パターン８１ｃと第２のマスク部８３との間の距離Ｄ_ｍよりも長くなっている。

第１のマスク部８１における第２の光導波路２０の導波路パターン８１ｂの両側には、第１の光導波路１０の導波路パターン８１ａ側から第３の光導波路３０の導波路パターン８１ｃ側に向かって徐々に近接するように第２のマスク部８３が形成されている。第１のマスク部８１における第２の光導波路２０の導波路パターン８１ｂと第２のマスク部８３との間の距離は、第１のマスク部８１における第３の光導波路３０の導波路パターン８１ｃと第２のマスク部８３との間の距離Ｄ_ｍよりも長くなっている。

第１のマスク部８１における第４の光導波路４０の導波路パターン８１ｄの両側には、第３の光導波路３０の導波路パターン８１ｃ側から第５の光導波路５０の導波路パターン８１ｅ側に向かって徐々に離間するように第２のマスク部８３が形成されている。第１のマスク部８１における第４の光導波路４０の導波路パターン８１ｄと第２のマスク部８３との間の距離は、第１のマスク部８１における第３の光導波路３０の導波路パターン８１ｃと第２のマスク部８３との間の距離Ｄ_ｍよりも長くなっている。

第１のマスク部８１における第５の光導波路５０の導波路パターン８１ｅの両側には、第２のマスク部８３がほぼ一定の距離を空けてほぼ平行に形成されている。第１のマスク部８１における第５の光導波路５０の導波路パターン８１ｅと第２のマスク部８３との間の距離は、第１のマスク部８１における第３の光導波路３０の導波路パターン８１ｃと第２のマスク部８３との間の距離Ｄ_ｍよりも長くなっている。

このように、第１乃至第５の光導波路１０、２０、３０、４０、５０の導波路パターン８１ａ、８１ｂ、８１ｃ、８１ｄ、８１ｅの両側の領域に第２のマスク部８３が形成されていてもよい。この場合においても、第２のマスク部８３は、第１のマスク部８１から一定の距離だけ離れた領域において、第３の光導波路３０の導波路パターン８１ｃの両側の領域に選択的に形成された部分を有している。すなわち、第２のマスク部８３は、第１乃至第５の光導波路１０、２０、３０、４０、５０の導波路パターン８１ａ、８１ｂ、８１ｃ、８１ｄ、８１ｅの両側で距離Ｄ_ｍだけ離れた領域では、第３の光導波路３０の導波路パターン８１ｃの両側の領域に選択的に形成されている。

上記図１３に示す場合、第２のマスク部８３と第１のマスク部８１における第３の光導波路３０の導波路パターン８１ｃとの間隔は、第２のマスク部８３と第１のマスク部８１における第１の光導波路１０の導波路パターン８１ａとの間隔よりも狭くなっている。また、第２のマスク部８３と第１のマスク部８１における第３の光導波路３０の導波路パターン８１ｃとの間隔は、第２のマスク部８３と第１のマスク部８１における第２の光導波路２０の導波路パターン８１ｂとの間隔よりも狭くなっている。また、第２のマスク部８３と第１のマスク部８１における第３の光導波路３０の導波路パターン８１ｃとの間隔は、第２のマスク部８３と第１のマスク部８１における第４の光導波路４０の導波路パターン８１ｄとの間隔よりも狭くなっている。また、第２のマスク部８３と第１のマスク部８１における第３の光導波路３０の導波路パターン８１ｃとの間隔は、第２のマスク部８３と第１のマスク部８１における第５の光導波路５０の導波路パターン８１ｅとの間隔よりも狭くなっている。

なお、図１３に示す場合においても、第１のマスク部８１における第３の光導波路３０の導波路パターン８１ｃと第２のマスク部８３との間の距離Ｄ_ｍは、上述のように、１０μｍ以下であることが好ましい。

上記図１３に示すハードマスク８０を用いてエッチングを行った場合、第１乃至第５の光導波路１０、２０、３０、４０、５０の両側に、上部クラッド層６６、コア層６４、及び下部クラッド層６２が帯状の平面形状に加工されてなる残存部が残存する。

［第２実施形態］
本発明の第２実施形態による光素子及びその製造方法について図１４を用いて説明する。図１４は、本実施形態による光素子における第３の光導波路を示す断面図である。なお、上記第１実施形態による光素子及びその製造方法と同様の構成要素については同一の符号を付し説明を省略し又は簡略にする。

本実施形態による光素子の基本的構成は、第１実施形態による光素子１の構成とほぼ同様である。本実施形態による光素子は、第３の光導波路３０が、上部クラッド層６６からコア層６４の上部までがメサ状に形成されたハイメサ構造を有している。この点で、本実施形態による光素子は、第３の光導波路３０が、上部クラッド層６６から下部クラッド層６２の上部までがメサ状に形成されたハイメサ構造を有する第１実施形態による光素子１とは異なっている。

図１４に示すように、本実施形態による光素子では、第３の光導波路３０が、その厚さ方向において、上部クラッド層６６、及びコア層６４の上部が下部クラッド層６２上に突出するメサ状に形成されたハイメサ構造を有している。

本実施形態における第３の光導波路３０では、第３の光導波路３０の凸状部の底面がコア層６４中に存在している。このため、本実施形態における第３の光導波路３０のコア高さｄ３′は、コア層６４中に存在する凸状部の底面からコア層６４の上部クラッド層６６側の上面までの高さになっている。すなわち、コア高さｄ３′は、コア層６４の厚さｄ_ｃよりも小さくなっている。

本実施形態による光素子のように、第３の光導波路３０が、上部クラッド層６６からコア層６４の上部までがメサ状に形成されたハイメサ構造を有していてもよい。

また、第１、第２、第４、及び第５の光導波路１０、２０、４０、５０も、上記第３の光導波路３０と同様に、それらの厚さ方向において、上部クラッド層６６及びコア層６４の上部が下部クラッド層６２上に突出するメサ状に形成されたハイメサ構造を有していてもよい。

本実施形態による光素子も、第１実施形態による光素子１と同様に、マイクロローディング効果によるエッチングレートの低下を利用することにより製造することができる。したがって、本実施形態による光素子も低廉かつ容易に製造することができる。

なお、本実施形態による光素子の場合、ハードマスク８０を用いたドライエッチングでは、第１実施形態とはドライエッチングの終点を変更して、上部クラッド層６６からコア層６４の上部までをドライエッチングする。

［第３実施形態］
本発明の第３実施形態による光変調器について図１５Ａ及び図１５Ｂを用いて説明する。図１５Ａ及び図１５Ｂは、本実施形態による光変調器を示す概略図である。なお、上記第１及び第２実施形態による光素子及びその製造方法と同様の構成要素については同一の符号を付し説明を省略し又は簡略にする。

上記第１及び第２実施形態による光素子は、光変調器等の能動素子その他の素子と半導体基板上に集積されて光集積素子を構成することができる。本実施形態では、そのような光集積素子の一例について説明する。具体的には、本実施形態による光変調器は、マッハツェンダ型光変調器であり、その光導波路の所定の箇所に形成されて挿入された複数の上記第１実施形態による光素子１を有するものである。

以下、本実施形態による光変調器の構成について図１５Ａ及び図１５Ｂを用いて説明する。図１５Ａは、本実施形態による光変調器を示す平面図、図１５Ｂは、図１５ＡのＤ−Ｄ線に沿った断面図である。

図１５Ａに示すように、本実施形態による光変調器１００は、入力側光導波路１０４と、マッハツェンダ干渉計１０６と、出力側光導波路１０８とを有している。入力側光導波路１０４、マッハツェンダ干渉計１０６、及び出力側光導波路１０８は、半導体基板である基板１０２上に一体的に形成されている。

入力側光導波路１０４は、基板１０２の対向する両端のうちの一方に位置する一端と、変調部を構成するマッハツェンダ干渉計１０６の入力端に光学的に接続された他端とを有している。入力側光導波路１０４の一端は、本実施形態による光変調器１００に入力すべき入力光が入力される入力端である。入力光は、例えば、不図示の半導体レーザ等の光源から出力されたものである。なお、半導体レーザ等の光源は、本実施形態による光変調器１００と同一の基板１０２にモノリシックに集積することができる。

出力側光導波路１０８は、変調部を構成するマッハツェンダ干渉計１０６の出力端に光学的に接続された一端と、基板１０２の対向する両端のうちの他方に位置する他端とを有している。出力側光導波路１０８の他端は、本実施形態による光変調器１００の出力光が出力される出力端である。

マッハツェンダ干渉計１０６は、光変調器１００における光導波路の一部に形成され、光導波路を導波する光を変調する変調部を構成するものである。マッハツェンダ干渉計１０６は、光分波器（光スプリッタ）１１０と、一対のアーム光導波路１１２、１１４と、光合波器（光カプラ）１１６とを有している。マッハツェンダ干渉計１０６は、例えば、アーム光導波路１１２、１１４の導波路長が互いに等しく、対称に形成された対称マッハツェンダ干渉計である。なお、マッハツェンダ干渉計１０６は、アーム光導波路１１２、１１４の導波路長が互いに異なる非対称マッハツェンダ干渉計であってもよい。

光分波器１１０は、１入力２出力のものであり、その入力ポートに入力側光導波路１０４の他端が光学的に接続され、その２つの出力ポートにそれぞれアーム光導波路１１２、１１４の一端が光学的に接続されている。光分波器１１０は、入力側光導波路１０４から入力ポートに入力される入力光を２つの出力ポートに例えば均等に分岐してアーム光導波路１１２、１１４にそれぞれ出力する。光分波器１１０は、例えば、Ｙ分岐光導波路、ＭＭＩ（Multimode Interference）カプラ、方向性結合器等により構成することができる。

光合波器１１６は、２入力１出力のものであり、その２つの入力ポートにそれぞれアーム光導波路１１２、１１４の他端が光学的に接続され、その出力ポートに出力側光導波路１０８の一端が光学的に接続されている。光合波器１１６は、２つの入力ポートにそれぞれアーム光導波路１１２、１１４から入力される光を合波して出力ポートに出力する。光合波器１１６は、例えば、Ｙ分岐光導波路、ＭＭＩカプラ、方向性結合器等により構成することができる。

アーム光導波路１１２、１１４は、例えば、導波路長が互いに等しくなっており、互いに平行な直線状部分を有するように形成されている。さらに、アーム光導波路１１２、１１４は、それぞれ、直線状部分から光分波器１１０の出力ポートに光学的に接続するように湾曲した曲げ部分を有している。また、アーム光導波路１１２、１１４は、それぞれ、直線状部分から光合波器１１６の入力ポートに光学的に接続するように湾曲した曲げ部分を有している。

アーム光導波路１１２、１１４の直線状部分上には、それぞれアーム光導波路１１２、１１４に対して高周波電圧を印加する高周波電極１１８、１２０が形成されている。高周波電極１１８、１２０は、それぞれアーム光導波路１１２、１１４の直線状部分に沿った細長い矩形状の平面形状を有している。

アーム光導波路１１２、１１４の直線状部分の間の領域には、高周波電極１１８、１２０に沿った細長い矩形状の平面形状を有するグラウンド電極１２２が形成されている。また、アーム光導波路１１２、１１４の直線状部分の外側の領域には、それぞれ高周波電極１１８、１２０に沿った細長い矩形状の平面形状を有するグラウンド電極１２４、１２６が形成されている。

高周波電極１１８の一端及び他端には、それぞれ基板１０２上に形成された配線１２８、１３０が接続されている。配線１２８には、基板１０２上に形成された電極パッド１３２が接続されている。配線１３０には、基板１０２上に形成された電極パッド１３３が接続されている。高周波電極１１８には、電極パッド１３２、１３３及び配線１２８、１３０を介して、高周波電圧を印加することができる。

高周波電極１２０の一端及び他端には、それぞれ基板１０２上に形成された配線１３４、１３６が接続されている。配線１３４には、基板１０２上に形成された電極パッド１３８が接続されている。配線１３６には、基板１０２上に形成された電極パッド１３９が接続されている。高周波電極１２０には、電極パッド１３８、１３９及び配線１３４、１３６を介して、高周波電圧を印加することができる。

図１５Ｂは、図１５ＡのＤ−Ｄ線に沿った断面図であり、アーム光導波路１１２及び高周波電極１１８を含む断面構造を示している。

図１５Ｂに示すように、例えばＩｎＰ基板である基板１０２上には、例えばｎ型ＩｎＰ層である下部クラッド層１４４が形成されている。下部クラッド層１４４上には、例えばＡｌＧａＩｎＡｓ／ＡｌＩｎＡｓからなる多重量子井戸構造（ＭＱＷ：Multi-Quantum Well）を有する活性層であるコア層１４６が形成されている。コア層１４６上には、例えばｐ型ＩｎＰ層である上部クラッド層１４８が形成されている。上部クラッド層１４８上には、コンタクト層１５０が形成されている。

コンタクト層１５０、上部クラッド層１４８、コア層１４６、及び下部クラッド層１４４の上部は、所定のメサ幅のメサ形状に一体的に形成されたハイメサ構造になっている。このハイメサ構造の両側は、例えばポリイミド、ベンゾシクロブテン（ＢＣＢ：Benzocyclobutene）等の絶縁性樹脂１５２及び例えばシリコン窒化膜からなる保護膜（図示せず）で順次覆われている。

コンタクト層１５０上には、高周波電極１１８が形成されている。また、上記メサ構造の両側の下部クラッド層１４４上には、グラウンド電極１２２、１２４がそれぞれ形成されている。

なお、アーム光導波路１１４及び高周波電極１２０を含む断面構造も、上記アーム光導波路１１２及び高周波電極１１８を含む断面構造と同様の構造になっている。

高周波電極１１８、１２０に高周波電圧を印加すると、量子閉じ込めシュタルク効果（ＱＣＳＥ：Quantum-Confined Stark Effect）によって、多重量子井戸構造を有するコア層１４６の屈折率が変化する。そうすると、２本のアーム光導波路１１２、１１４のコア層１４６を伝搬する光の位相差が変化し、マッハツェンダ干渉計１０６の光合波器１１６における干渉が変化する。このような構成において、高周波電極１１８、１２０への高周波電圧の印加を制御することにより、マッハツェンダ干渉計１０６からの光の出力の有無を切り替え、また、出力光の光強度を変調することができる。

上記のようにして、アーム光導波路１１２には、高周波電極１１８により高周波電圧を印加することができる。アーム光導波路１１２に電圧が印加されると、アーム光導波路１１２のコア層１４６の屈折率が変化する。アーム光導波路１１２のコア層１４６の屈折率が変化すると、アーム光導波路１１２のコア層１４６を伝搬する光の位相が変化する。本実施形態による光変調器１００では、アーム光導波路１１２と、高周波電極１１８とを有する位相変調部１４０が構成されている。位相変調部１４０は、高周波電極１１８により高周波電圧をアーム光導波路１１２に印加してアーム光導波路１１２のコア層１４６の屈折率を変化させることにより、アーム光導波路１１２のコア層１４６を伝搬する光の位相を変調する。

また、アーム光導波路１１４には、高周波電極１２０により高周波電圧を印加することができる。アーム光導波路１１４に電圧が印加されると、アーム光導波路１１４のコア層１４６の屈折率が変化する。アーム光導波路１１４のコア層１４６の屈折率が変化すると、アーム光導波路１１４のコア層１４６を伝搬する光の位相が変化する。本実施形態による光変調器１００では、アーム光導波路１１４と、高周波電極１２０とを有する位相変調部１４２が構成されている。位相変調部１４２は、高周波電極１２０により高周波電圧をアーム光導波路１１４に印加してアーム光導波路１１４のコア層１４６の屈折率を変化させることにより、アーム光導波路１１４のコア層１４６を伝搬する光の位相を変調する。

本実施形態による光変調器１００では、入力側光導波路１０４から入力される入力光を２つのアーム光導波路１１２、１１４に分岐し、アーム光導波路１１２、１１４を導波する光を合波して出力側光導波路１０８から出力光として出力する。この際、位相変調部１４０、１４２の両方又は一方により、アーム光導波路１１２、１１４の両方又は一方のコア層１４６を伝搬する光の位相を変調する。こうしてアーム光導波路１１２、１１４のコア層１４６を伝搬する光の間に生じる位相差に応じて、出力光の出力の有無を切り替え、また、出力光の光強度を変調して、出力光の変調を実現することができる。

上記本実施形態による光変調器１００における入力側光導波路１０４、マッハツェンダ干渉計１０６のアーム光導波路１１２、１１４、及び出力側光導波路１０８は、それぞれハイメサ構造を有している。さらに、これらの光導波路には、以下に述べるように、上記第１実施形態による光素子１が形成されている。なお、これらの光導波路に形成された光素子１では、光変調器１００の入力端側から出力端側に向かって、第１の光導波路１０、第２の光導波路２０、第３の光導波路３０、第４の光導波路４０、及び第５の光導波路５０が順次形成されている。

まず、入力側光導波路１０４には、２つの第１実施形態による光素子１が形成されている。具体的には、入力側光導波路１０４の入力光が入力される入力側の部分に、第１実施形態による光素子１が形成されている。また、入力側光導波路１０４のマッハツェンダ干渉計１０６の側の部分、すなわちマッハツェンダ干渉計１０６の前段にも、第１実施形態による光素子１が形成されている。

また、マッハツェンダ干渉計１０６の一対のアーム光導波路１１２、１１４には、それぞれ１つの第１実施形態による光素子１が形成されている。具体的には、アーム光導波路１１２の位相変調部１４０の前段の入力側の部分であって光分波器１１０側の曲げ部分の後段の部分に、第１実施形態による光素子１が形成されている。また、アーム光導波路１１４の位相変調部１４２の前段の入力側の部分であって光分波器１１０側の曲げ部分の後段の部分にも、第１実施形態による光素子１が形成されている。

さらに、出力側光導波路１０８には、１つの第１実施形態による光素子１が形成されている。具体的には、出力側光導波路１０８の出力光が出力される出力側の部分、すなわちマッハツェンダ干渉計１０６の後段に、第１実施形態による光素子１が形成されている。

上記のように、本実施形態による光変調器１００では、その入力側光導波路１０４、アーム光導波路１１２、１１４、及び出力側光導波路１０８に、それぞれ第１実施形態による光素子１が形成されている。これらの光導波路に形成された第１実施形態による光素子１は、高次モードフィルタとして機能する。このような光素子１により、光変調器１００に入力される入力光に含まれる高次モード、及びこれらの光導波路を光が導波する間に励振される高次モードを十分に低減又は除去することができる。

本実施形態による光変調器１００に入力される入力光には、高次モードが含まれうる。入力側光導波路１０４の入力側の部分及びマッハツェンダ干渉計１０６の側の部分にそれぞれ形成された第１実施形態による光素子１は、基本モードの損失を小さく抑制しつつ、入力光に含まれる高次モードを十分に低減又は除去することができる。また、マッハツェンダ干渉計１０６の前段に形成された第１実施形態による光素子１により高次モードを十分に低減又は除去することにより、変調部を構成するマッハツェンダ干渉計１０６において光の変調を高精度に行うことができる。

また、ＭＭＩカプラ等により構成される光分波器１１０では、導波する光の高次モードが励振されうる。アーム光導波路１１２の位相変調部１４０の前段の入力側の部分に形成された第１実施形態による光素子１は、基本モードの損失を小さく抑制しつつ、光分波器１１０で励振された高次モードを十分に低減又は除去することができる。また、アーム光導波路１１４の位相変調部１４２の前段の入力側の部分に形成された第１実施形態による光素子１も、基本モードの損失を小さく抑制しつつ、光分波器１１０で励振された高次モードを十分に低減又は除去することができる。

また、ＭＭＩカプラ等により構成される光合波器１１６でも、導波する光の高次モードが励振されうる。出力側光導波路１０８の出力側の部分に形成された第１実施形態による光素子１は、基本モードの損失を小さく抑制しつつ、光合波器１１６で励振された高次モードを十分に低減又は除去することができる。また、出力側光導波路１０８の出力側の部分に形成された第１実施形態による光素子１は、基本モードの損失を小さく抑制しつつ、出力側光導波路１０８まで光が導波する間に励振された高次モードを、出力光が出力される前に十分に低減又は除去することができる。

また、アーム光導波路１１２、１１４の曲げ部分でも、導波する光の高次モードが励振されうる。アーム光導波路１１２、１１４の位相変調部１４０、１４２の前段の入力側の部分に形成された第１実施形態による光素子１は、それぞれアーム光導波路１１２、１１４の光分波器１１０側の曲げ部分の後段に形成されている。また、出力側光導波路１０８の出力側の部分に形成された第１実施形態による光素子１は、アーム光導波路１１２、１１４の光分波器１１０側及び光合波器１１６側の曲げ部分の後段に形成されている。これらの光素子１は、基本モードの損失を小さく抑制しつつ、アーム光導波路１１２、１１４の曲げ部分で励振された高次モードを十分に低減又は除去することができる。

このように、本実施形態による光変調器１００では、入力側光導波路１０４、アーム光導波路１１２、１１４、及び出力側光導波路１０８にそれぞれ第１実施形態による光素子１が形成されている。これらの光素子１により、基本モードの損失を小さく抑制しつつ、光変調器１００に入力されうる高次モード、及び光変調器１００において励振されうる高次モードを十分に低減又は除去することができる。このように高次モードを十分に低減又は除去することにより、本実施形態による光変調器１００では、オフ状態での出力レベルを十分に低減することができ、よって、高い消光比を実現して消光比特性を向上することができる。

なお、本実施形態による光変調器１００において、上記で説明した複数の光素子１のすべてが形成されている必要はなく、上記で説明した複数の光素子１のうちの少なくともいずれか１つが形成されていればよい。また、上記で説明した以外の光導波路の部分にも、光素子１が形成されていてもよい。

また、上記では、光変調器１００において第１実施形態による光素子１が形成されている場合について説明したが、第１実施形態による光素子１に代えて、第２実施形態による光素子が形成されていてもよい。

［第４実施形態］
本発明の第４実施形態による光変調器について図１６を用いて説明する。図１６は、本実施形態による光変調器を示す平面図である。なお、上記第１及び第２実施形態による光素子及びその製造方法、並びに上記第３実施形態による光変調器と同様の構成要素については同一の符号を付し説明を省略し又は簡略にする。

本実施形態による光変調器は、複数のマッハツェンダ干渉計を有する多段のマッハツェンダ型光変調器である。本実施形態による光変調器は、その光導波路の所定の箇所に形成されて挿入された複数の上記第１実施形態による光素子１を有している。

以下、本実施形態による光変調器の構成について図１６を用いて説明する。

図１６に示すように、本実施形態による光変調器２００は、入力側光導波路２０４と、４つのマッハツェンダ干渉計２０６ａ、２０６ｂ、２０６ｃ、２０６ｄと、出力側光導波路２０８ａ、２０８ｂ、２０８ｃ、２０８ｄとを有している。１本の入力側光導波路２０４に対し、４本の出力側光導波路２０８ａ、２０８ｂ、２０８ｃ、２０８ｄが形成されている。入力側光導波路２０４は、光変調器２００の入力端側に形成されている。また、出力側光導波路２０８ａ、２０８ｂ、２０８ｃ、２０８ｄは、光変調器２００の出力端側に形成されている。また、４つのマッハツェンダ干渉計２０６ａ、２０６ｂ、２０６ｃ、２０６ｄは、並列に形成されている。

また、本実施形態による光変調器２００は、光分波器及び光導波路により構成される分波部２１０と、光合波器、光分波器、及び光導波路により構成される合波分波部２１２とを有している。分波部２１０は、入力側光導波路２０４とマッハツェンダ干渉計２０６ａ、２０６ｂ、２０６ｃ、２０６ｄとの間に形成されている。また、合波分波部２１２は、マッハツェンダ干渉計２０６ａ、２０６ｂ、２０６ｃ、２０６ｄと出力側光導波路２０８ａ、２０８ｂ、２０８ｃ、２０８ｄとの間に形成されている。

入力側光導波路２０４、分波部２１０、マッハツェンダ干渉計２０６ａ、２０６ｂ、２０６ｃ、２０６ｄ、合波分波部２１２、出力側光導波路２０８ａ、２０８ｂ、２０８ｃ、２０８ｄは、半導体基板である基板２０２上に一体的に形成されている。

入力側光導波路２０４は、基板２０２の対向する両端のうちの一方に位置する一端と、分波部２１０の入力端に光学的に接続された他端とを有している。入力側光導波路２０４の一端は、本実施形態による光変調器２００に入力すべき入力光が入力される入力端である。入力光は、例えば、不図示の半導体レーザ等の光源から出力されたものである。なお、半導体レーザ等の光源は、本実施形態による光変調器２００と同一の基板２０２にモノリシックに集積することができる。

分波部２１０は、光分波器（光スプリッタ）２１４と、光導波路２１６ａ、２１６ｂと、光分波器（光スプリッタ）２１８ａ、２１８ｂと、光導波路２２０ａ、２２０ｂ、２２０ｃ、２２０ｄとを有している。

光分波器２１４は、１入力２出力のものであり、その入力ポートに入力側光導波路２０４の他端が光学的に接続され、その２つの出力ポートにそれぞれ光導波路２１６ａ、２１６ｂの一端が光学的に接続されている。光分波器２１４は、入力側光導波路２０４から入力ポートに入力される入力光を２つの出力ポートに例えば均等に分岐して光導波路２１６ａ、２１６ｂにそれぞれ出力する。

光分波器２１８ａは、１入力２出力のものであり、その入力ポートに光導波路２１６ａの他端が光学的に接続され、その２つの出力ポートにそれぞれ光導波路２２０ａ、２２０ｂの一端が光学的に接続されている。光分波器２１８ａは、光導波路２１６ａから入力ポートに入力される光を２つの出力ポートに例えば均等に分岐して光導波路２２０ａ、２２０ｂにそれぞれ出力する。

光分波器２１８ｂは、１入力２出力のものであり、その入力ポートに光導波路２１６ｂの他端が光学的に接続され、その２つの出力ポートにそれぞれ光導波路２２０ｃ、２２０ｄの一端が光学的に接続されている。光分波器２１８ｂは、光導波路２１６ｂから入力ポートに入力される光を２つの出力ポートに例えば均等に分岐して光導波路２２０ｃ、２２０ｄにそれぞれ出力する。

上記光分波器２１４、２１８ａ、２１８ｂは、例えば、Ｙ分岐光導波路、ＭＭＩカプラ、方向性結合器等により構成することができる。

光導波路２２０ａ、２２０ｂ、２２０ｃ、２２０ｄの他端は、それぞれマッハツェンダ干渉計２０６ａ、２０６ｂ、２０６ｃ、２０６ｄの入力端に光学的に接続されている。

上記入力側光導波路２０４及び分波部２１０における光導波路２１６ａ、２１６ｂ、２１６ｃ、２１６ｄ、２２０ａ、２２０ｂ、２２０ｃ、２２０ｄは、それぞれハイメサ構造を有している。さらに、これらの光導波路には、以下に述べるように、上記第１実施形態による光素子１が形成されている。なお、これらの光導波路に形成された光素子１では、光変調器２００の入力端側から出力端側に向かって、第１の光導波路１０、第２の光導波路２０、第３の光導波路３０、第４の光導波路４０、及び第５の光導波路５０が順次形成されている。

まず、入力側光導波路２０４には、１つの第１実施形態による光素子１が形成されている。入力側光導波路２０４に形成された第１実施形態による光素子１は、基本モードの損失を小さく抑制しつつ、入力側光導波路２０４入力される入力光に含まれる高次モードを十分に低減又は除去することができる。

また、光分波器２１４の出力ポートに光学的に接続された光導波路２１６ａ、２１６ｂには、それぞれ１つの第１実施形態による光素子１が形成されている。光導波路２１６ａ、２１６ｂはそれぞれ湾曲した曲げ部分を有しているが、第１実施形態による光素子１は、それぞれ光導波路２１６ａ、２１６ｂの曲げ部分の後段に形成されている。

光導波路２１６ａの曲げ部分の後段に形成された第１実施形態による光素子１は、基本モードの損失を小さく抑制しつつ、光分波器２１４で励振された高次モード、及び光導波路２１６ａの曲げ部分で励振された高次モードを十分に低減又は除去することができる。光導波路２１６ｂの曲げ部分の後段に形成された第１実施形態による光素子１は、基本モードの損失を小さく抑制しつつ、光分波器２１４で励振された高次モード、及び光導波路２１６ｂの曲げ部分で励振された高次モードを十分に低減又は除去することができる。

また、光分波器２１８ａの出力ポートに光学的に接続された光導波路２２０ａ、２２０ｂには、それぞれ１つの第１実施形態による光素子１が形成されている。また、光分波器２１８ｂの出力ポートに光学的に接続された光導波路２２０ｃ、２２０ｄには、それぞれ１つの第１実施形態による光素子１が形成されている。光導波路２２０ａ、２２０ｂ、２２０ｃ、２２０ｄはそれぞれ湾曲した曲げ部分を有しているが、第１実施形態による光素子１は、それぞれ光導波路２２０ａ、２２０ｂ、２２０ｃ、２２０ｄの曲げ部分の後段に形成されている。

光導波路２２０ａの曲げ部分の後段に形成された第１実施形態による光素子１は、基本モードの損失を小さく抑制しつつ、光分波器２１８ａで励振された高次モード、及び光導波路２２０ａの曲げ部分で励振された高次モードを十分に低減又は除去することができる。光導波路２２０ｂの曲げ部分の後段に形成された第１実施形態による光素子１は、基本モードの損失を小さく抑制しつつ、光分波器２１８ａで励振された高次モード、及び光導波路２２０ｂの曲げ部分で励振された高次モードを十分に低減又は除去することができる。

光導波路２２０ｃの曲げ部分の後段に形成された第１実施形態による光素子１は、基本モードの損失を小さく抑制しつつ、光分波器２１８ｂで励振された高次モード、及び光導波路２２０ｃの曲げ部分で励振された高次モードを十分に低減又は除去することができる。光導波路２２０ｄの曲げ部分の後段に形成された第１実施形態による光素子１は、基本モードの損失を小さく抑制しつつ、光分波器２１８ｂで励振された高次モード、及び光導波路２２０ｄの曲げ部分で励振された高次モードを十分に低減又は除去することができる。

基板２０２上に並列に形成されたマッハツェンダ干渉計２０６ａ、２０６ｂ、２０６ｃ、２０６ｄは、それぞれ第３実施形態におけるマッハツェンダ干渉計１０６と同様の構成を有するものである。なお、図１６では電極及び配線を省略しているが、マッハツェンダ干渉計２０６ａ、２０６ｂ、２０６ｃ、２０６ｄのそれぞれに対して、マッハツェンダ干渉計１０６と同様に、高周波電極、グラウンド電極、配線、及び電極パッドが形成されている。

マッハツェンダ干渉計２０６ａ、２０６ｂ、２０６ｃ、２０６ｄのアーム光導波路には、それぞれ１つの第１実施形態による光素子１が形成されている。具体的には、マッハツェンダ干渉計２０６ａ、２０６ｂ、２０６ｃ、２０６ｄのそれぞれにおいて、一対のアーム光導波路の位相変調部の前段の入力側の部分であって光分波器側の曲げ部分の後段の部分に、第１実施形態による光素子１が形成されている。

マッハツェンダ干渉計２０６ａ、２０６ｂ、２０６ｃ、２０６ｄのそれぞれにおいても、第３実施形態と同様、アーム光導波路に形成された第１実施形態による光素子１は、基本モードの損失を小さく抑制しつつ高次モードを十分に低減又は除去することができる。この場合に十分に低減又は除去される高次モードは、光分波器で励振された高次モード、及びアーム導波路の曲げ部分で励振された高次モードである。

合波分波部２１２は、光導波路２２２ａ、２２２ｂ、２２２ｃ、２２２ｄと、光合波器（光カプラ）２２４ａ、２２４ｂと、光導波路２２６ａ、２２６ｂと、光分波器（光スプリッタ）２２８ａ、２２８ｂとを有している。

光導波路２２２ａ、２２２ｂ、２２２ｃ、２２２ｄの一端は、それぞれマッハツェンダ干渉計２０６ａ、２０６ｂ、２０６ｃ、２０６ｄの出力端に光学的に接続されている。

光合波器２２４ａは、２入力１出力のものであり、その２つの入力ポートにそれぞれ光導波路２２２ａ、２２２ｂの他端が光学的に接続され、その出力ポートに光導波路２２６ａの一端が光学的に接続されている。光合波器２２４ａは、２つの入力ポートにそれぞれ光導波路２２２ａ、２２２ｂから入力される光を合波して出力ポートに出力する。

光合波器２２４ｂは、２入力１出力のものであり、その２つの入力ポートにそれぞれ光導波路２２２ｃ、２２２ｄの他端が光学的に接続され、その出力ポートに光導波路２２６ｂの一端が光学的に接続されている。光合波器２２４ｂは、２つの入力ポートにそれぞれ光導波路２２２ｃ、２２２ｄから入力される光を合波して出力ポートに出力する。

光合波器２２４ａ、２２４ｂは、例えば、Ｙ分岐光導波路、ＭＭＩカプラ、方向性結合器等により構成することができる。

光分波器２２８ａは、１入力２出力のものであり、その入力ポートに光導波路２２６ａの他端が光学的に接続され、その２つの出力ポートにそれぞれ出力側光導波路２０８ａ、２０８ｂの一端が光学的に接続されている。光分波器２２８ａは、光導波路２２６ａから入力ポートに入力される光を２つの出力ポートに例えば均等に分岐して出力側光導波路２０８ａ、２０８ｂにそれぞれ出力する。

光分波器２２８ｂは、１入力２出力のものであり、その入力ポートに光導波路２２６ｂの他端が光学的に接続され、その２つの出力ポートにそれぞれ出力側光導波路２０８ｃ、２０８ｄの一端が光学的に接続されている。光分波器２２８ｂは、光導波路２２６ｂから入力ポートに入力される光を２つの出力ポートに例えば均等に分岐して出力側光導波路２０８ｃ、２０８ｄにそれぞれ出力する。

光分波器２２８ａ、２２８ｂは、例えば、Ｙ分岐光導波路、ＭＭＩカプラ、方向性結合器等により構成することができる。

出力側光導波路２０８ａ、２０８ｂ、２０８ｃ、２０８ｄは、それぞれ基板２０２の対向する両端のうちの他方に位置する他端を有している。出力側光導波路２０８ａ、２０８ｂ、２０８ｃ、２０８ｄの他端は、本実施形態による光変調器２００の出力光が出力される出力端である。なお、出力側光導波路２０８ａ、２０８ｂのうちの一方から出力される出力光は、動作監視用のモニタ光として用いることができる。また、出力側光導波路２０８ｃ、２０８ｄのうちの一方から出力される出力光も、動作監視用のモニタ光として用いることができる。

合波分波部２１２における光導波路２２２ａ、２２２ｂ、２２２ｃ、２２２ｄ、２２６ａ、２２６ｂ、及び出力側光導波路２０８ａ、２０８ｂ、２０８ｃ、２０８ｄは、それぞれハイメサ構造を有している。さらに、出力側光導波路２０８ａ、２０８ｂ、２０８ｃ、２０８ｄには、以下に述べるように、上記第１実施形態による光素子１が形成されている。なお、出力側光導波路２０８ａに形成された光素子１では、光変調器２００の入力端側から出力端側に向かって、第１の光導波路１０、第２の光導波路２０、第３の光導波路３０、第４の光導波路４０、及び第５の光導波路５０が順次形成されている。出力側光導波路２０８ｂ、２０８ｃ、２０８ｄに形成された光素子１でも、同様の順で、第１の光導波路１０、第２の光導波路２０、第３の光導波路３０、第４の光導波路４０、及び第５の光導波路５０が順次形成されている。

出力側光導波路２０８ａ、２０８ｂ、２０８ｃ、２０８ｄには、それぞれ１つの第１実施形態による光素子１が形成されている。出力側光導波路２０８ａ、２０８ｂ、２０８ｃ、２０８ｄはそれぞれ湾曲した曲げ部分を有しているが、第１実施形態による光素子１は、それぞれ出力側光導波路２０８ａ、２０８ｂ、２０８ｃ、２０８ｄの曲げ部分の後段に形成されている。

出力側光導波路２０８ａの曲げ部分の後段に形成された第１実施形態による光素子１は、基本モードの損失を小さく抑制しつつ、光合波器２２４ａ及び光分波器２２８ａで励振された高次モードを十分に低減又は除去することができる。また、この光素子１は、基本モードの損失を小さく抑制しつつ、出力側光導波路２０８ａの曲げ部分で励振された高次モードを十分に低減又は除去することができる。さらに、この光素子１は、基本モードの損失を小さく抑制しつつ、出力側光導波路２０８ａまで光が導波する間に励振された高次モードを、出力光が出力される前に十分に低減又は除去することができる。

出力側光導波路２０８ｂの曲げ部分の後段に形成された第１実施形態による光素子１は、基本モードの損失を小さく抑制しつつ、光合波器２２４ａ及び光分波器２２８ａで励振された高次モードを十分に低減又は除去することができる。また、この光素子１は、基本モードの損失を小さく抑制しつつ、出力側光導波路２０８ｂの曲げ部分で励振された高次モードを十分に低減又は除去することができる。さらに、この光素子１は、基本モードの損失を小さく抑制しつつ、出力側光導波路２０８ｂまで光が導波する間に励振された高次モードを、出力光が出力される前に十分に低減又は除去することができる。

出力側光導波路２０８ｃの曲げ部分の後段に形成された第１実施形態による光素子１は、基本モードの損失を小さく抑制しつつ、光合波器２２４ｂ及び光分波器２２８ｂで励振された高次モードを十分に低減又は除去することができる。また、この光素子１は、基本モードの損失を小さく抑制しつつ、出力側光導波路２０８ｃの曲げ部分で励振された高次モードを十分に低減又は除去することができる。さらに、この光素子１は、基本モードの損失を小さく抑制しつつ、出力側光導波路２０８ｃまで光が導波する間に励振された高次モードを、出力光が出力される前に十分に低減又は除去することができる。

出力側光導波路２０８ｄの曲げ部分の後段に形成された第１実施形態による光素子１は、基本モードの損失を小さく抑制しつつ、光合波器２２４ｂ及び光分波器２２８ｂで励振された高次モードを十分に低減又は除去することができる。また、この光素子１は、基本モードの損失を小さく抑制しつつ、出力側光導波路２０８ｄの曲げ部分で励振された高次モードを十分に低減又は除去することができる。さらに、この光素子１は、基本モードの損失を小さく抑制しつつ、出力側光導波路２０８ｄまで光が導波する間に励振された高次モードを、出力光が出力される前に十分に低減又は除去することができる。

本実施形態による光変調器２００においては、マッハツェンダ干渉計２０６ａ、２０６ｂ、２０６ｃ、２０６ｄの位相変調部によりアーム光導波路を導波する光の位相を変調する。これにより、出力側光導波路２０８ａ、２０８ｂの組、及び出力側光導波路２０８ｃ、２０８ｄの組から出力される出力光の出力の有無を切り替え、また、出力光の光強度を変調して、出力光の変調を実現することができる。

上述のように、複数のマッハツェンダ干渉計２０６ａ、２０６ｂ、２０６ｃ、２０６ｄを有する本実施形態による光変調器２００においても、上述のように、複数の第１実施形態による光素子１を形成することができる。これにより、基本モードの損失を小さく抑制しつつ高次モードを十分に低減又は除去することができる。

なお、本実施形態による光変調器２００において、上記で説明した複数の光素子１のすべてが形成されている必要はなく、上記で説明した複数の光素子１のうちの少なくともいずれか１つが形成されていればよい。また、上記で説明した以外の光導波路の部分にも、光素子１が形成されていてもよい。

また、上記では、光変調器２００において第１実施形態による光素子１が形成されている場合について説明したが、第１実施形態による光素子１に代えて、第２実施形態による光素子が形成されていてもよい。

［変形実施形態］
本発明は、上記実施形態に限らず、種々の変形が可能である。

例えば、上記実施形態では、ＩｎＰ系化合物半導体材料を用いて光素子を構成する場合を例に説明したが、光素子を構成する材料はこれに限定されるものではない。例えば、ＧａＡｓ系化合物半導体材料、Ｓｉ系半導体材料、誘電体材料、高分子材料等を用いて光素子を構成することによっても、上記実施形態の光素子と同様の効果を得ることができる。

また、上記実施形態では、光素子１が第１乃至第５の光導波路１０、２０、３０、４０、５０を有する場合を例に説明したが、光素子１は、少なくとも第１乃至第３の光導波路１０、２０、３０の光導波路を有していればよい。この場合であっても、光素子１は、高次モードフィルタとして機能することができる。

また、上記実施形態に記載した光素子の構造、構成材料、製造条件等は、一例を示したものにすぎず、当業者の技術常識等に応じて適宜修正や変更が可能である。

１……光素子
１０…第１の光導波路
２０…第２の光導波路
３０…第３の光導波路
４０…第４の光導波路
５０…第５の光導波路
６０…基板
６２…下部クラッド層
６４…コア層
６６…上部クラッド層
８０…ハードマスク
８１…第１のマスク部
８２…第２のマスク部
１００…光変調器
１０２…基板
１０４…入力側光導波路
１０６…マッハツェンダ干渉計
１０８…出力側光導波路
１１０…光分波器
１１２、１１４…アーム光導波路
１１６…光合波器
１４０、１４２…位相変調部
２００…光変調器
２０６ａ、２０６ｂ、２０６ｃ、２０６ｄ…マッハツェンダ干渉計

Claims (10)

1. 基板と、
   前記基板上に形成され、それぞれ下部クラッド層とコア層と上部クラッド層とを有し、前記コア層が、前記下部クラッド層及び前記上部クラッド層よりも屈折率が大きい第１乃至第３の光導波路とを有し、
   前記第１の光導波路が前記第２の光導波路に光学的に接続され、前記第２の光導波路が前記第３の光導波路に光学的に接続され、
   前記第１乃至第３の光導波路が、少なくとも前記上部クラッド層及び前記コア層の上部が前記下部クラッド層上に突出するメサ状に形成されたメサ構造を有し、
   コア高さを、前記メサ構造の両側の底面又は前記メサ構造の側面の傾きが前記底面にかけて不連続となる箇所から前記コア層の上面までの高さとしたとき、前記第３の光導波路の前記コア高さが、前記第１の光導波路の前記コア高さよりも低く、
   メサ幅を前記コア層の中央の幅としたとき、前記第３の光導波路の前記メサ幅が、前記第１の光導波路の前記メサ幅よりも狭いことを特徴とする光素子。
2. 前記基板上に形成され、それぞれ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を有する第４及び第５の光導波路をさらに有し、
   前記第３の光導波路が前記第４の光導波路に光学的に接続され、前記第４の光導波路が前記第５の光導波路に光学的に接続され、
   前記第４及び第５の光導波路が、少なくとも前記上部クラッド層及び前記コア層の上部が前記下部クラッド層上に突出するメサ状に形成されたメサ構造を有し、
   前記第３の光導波路の前記コア高さが、前記第５の光導波路の前記コア高さよりも低く、
   前記第３の光導波路の前記メサ幅が、前記第５の光導波路の前記メサ幅よりも狭いことを特徴とする請求項１記載の光素子。
3. 前記第１乃至第３の光導波路が、前記上部クラッド層、前記コア層、及び前記下部クラッド層が前記下部クラッド層上に突出するメサ状に形成されたメサ構造を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の光素子。
4. 前記第３の光導波路の、前記コア高さと前記コア層の厚さの差であるコア下深さが、０．３μｍ以下であることを特徴とする請求項３に記載の光素子。
5. 前記第３の光導波路の基本モードの等価屈折率が、前記下部クラッド層の屈折率より大きく、
   前記第３の光導波路の高次モードの等価屈折率が、前記基板の屈折率より小さいことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光素子。
6. 前記コア層の厚さが、０．２μｍ以上であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光素子。
7. 下部クラッド層とコア層と上部クラッド層とを有し、前記コア層が、前記下部クラッド層及び前記上部クラッド層よりも屈折率が大きい第１乃至第３の光導波路を有し、前記第１の光導波路が前記第２の光導波路に光学的に接続され、前記第２の光導波路が前記第３の光導波路に光学的に接続された光素子の製造方法であって、
   基板上に、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を積層する工程と、
   前記上部クラッド層上にハードマスクを形成する工程と、
   前記ハードマスクをマスクとして用い、少なくとも前記上部クラッド層及び前記コア層の上部をドライエッチングする工程とを有し、
   前記ハードマスクは、第１のマスク部と、第２のマスク部とを有し、
   前記第１のマスク部は、前記第１乃至第３の光導波路の導波路パターンを有し、前記第１の光導波路の前記導波路パターンの幅よりも、前記第３の光導波路の前記導波路パターンの幅が狭く、
   前記第２のマスク部は、前記第１のマスク部の前記第１乃至第３の光導波路の前記導波路パターンの両側の領域のうち、前記第３の光導波路の前記導波路パターンの両側の領域に選択的に形成されていることを特徴とする光素子の製造方法。
8. 前記第２のマスク部は、前記第１のマスク部における前記第１乃至第３の光導波路の前記導波路パターンの両側の領域に形成されており、
   前記第２のマスク部は、前記第１のマスク部から一定の距離だけ離れた領域において、前記第３の光導波路の前記導波路パターンの両側の領域に選択的に形成された部分を有し、
   前記第２のマスク部と前記第１のマスク部における前記第３の光導波路の前記導波路パターンとの間隔は、前記第２のマスク部と前記第１のマスク部における前記第１の光導波路の前記導波路パターンとの間隔、及び前記第２のマスク部と前記第１のマスク部における前記第２の光導波路の前記導波路パターンとの間隔よりも狭いことを特徴とする請求項７記載の光素子の製造方法。
9. 前記第１のマスク部における前記第３の光導波路の前記導波路パターンと前記第２のマスク部との間の距離が１０μｍ以下であることを特徴とする請求項７又は８に記載の光素子の製造方法。
10. 光導波路と、
    前記光導波路の一部に形成され、前記光導波路を導波する光の位相を変調する変調部と、
    前記光導波路に形成された請求項１乃至６のいずれか１項に記載された光素子と
    を有することを特徴とする光変調器。

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