JPWO2018117077A1 - 光集積素子および光送信機モジュール - Google Patents

光集積素子および光送信機モジュール Download PDF

Info

Publication number
JPWO2018117077A1
JPWO2018117077A1 JP2018557991A JP2018557991A JPWO2018117077A1 JP WO2018117077 A1 JPWO2018117077 A1 JP WO2018117077A1 JP 2018557991 A JP2018557991 A JP 2018557991A JP 2018557991 A JP2018557991 A JP 2018557991A JP WO2018117077 A1 JPWO2018117077 A1 JP WO2018117077A1
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
layer
integrated device
mesa structure
optical integrated
region
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2018557991A
Other languages
English (en)
Other versions
JP6961621B2 (ja
Inventor
裕介 齋藤
立郎 黒部
竜也 木本
慎一 神谷
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Original Assignee
THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD. filed Critical THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Publication of JPWO2018117077A1 publication Critical patent/JPWO2018117077A1/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP6961621B2 publication Critical patent/JP6961621B2/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/12004—Combinations of two or more optical elements
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/122—Basic optical elements, e.g. light-guiding paths
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/122—Basic optical elements, e.g. light-guiding paths
    • G02B6/1228—Tapered waveguides, e.g. integrated spot-size transformers
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/14—Mode converters
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/30—Optical coupling means for use between fibre and thin-film device
    • G02B6/305—Optical coupling means for use between fibre and thin-film device and having an integrated mode-size expanding section, e.g. tapered waveguide
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
    • H01S5/026—Monolithically integrated components, e.g. waveguides, monitoring photo-detectors, drivers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/50—Amplifier structures not provided for in groups H01S5/02 - H01S5/30
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/27—Optical coupling means with polarisation selective and adjusting means
    • G02B6/2726—Optical coupling means with polarisation selective and adjusting means in or on light guides, e.g. polarisation means assembled in a light guide
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/005—Optical components external to the laser cavity, specially adapted therefor, e.g. for homogenisation or merging of the beams or for manipulating laser pulses, e.g. pulse shaping
    • H01S5/0085—Optical components external to the laser cavity, specially adapted therefor, e.g. for homogenisation or merging of the beams or for manipulating laser pulses, e.g. pulse shaping for modulating the output, i.e. the laser beam is modulated outside the laser cavity
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
    • H01S5/022—Mountings; Housings
    • H01S5/023—Mount members, e.g. sub-mount members
    • H01S5/02325—Mechanically integrated components on mount members or optical micro-benches
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/1003—Waveguide having a modified shape along the axis, e.g. branched, curved, tapered, voids
    • H01S5/1014—Tapered waveguide, e.g. spotsize converter
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/1028—Coupling to elements in the cavity, e.g. coupling to waveguides adjacent the active region, e.g. forward coupled [DFC] structures
    • H01S5/1032—Coupling to elements comprising an optical axis that is not aligned with the optical axis of the active region

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
  • Optical Integrated Circuits (AREA)
  • Semiconductor Lasers (AREA)

Abstract

光集積素子は、基板上に、第２コア層と、下部クラッド層と、第１コア層と、上部クラッド層とを順次積層したパッシブ導波路領域と、基板上に、第２コア層と、下部クラッド層と、第１コア層と、電流が注入されることによって光を増幅する量子井戸層と、上部クラッド層とを順次積層した活性領域と、を備え、第１コア層と量子井戸層との間は、第１コア層を導波している光のモードフィールドの範囲内で近接しており、パッシブ導波路領域の少なくとも一部および活性領域は、上部クラッド層がメサ状に突出した第１メサ構造を有し、パッシブ導波路領域は、第１メサ構造に加えて、第１コア層と下部クラッド層と第２コア層とがメサ状に突出した第２メサ構造を有する第２スポットサイズ変換領域を含み、第２メサ構造の幅は、第１メサ構造の幅よりも広く、かつ第２メサ構造を有するパッシブ導波路領域では、第１メサ構造の幅が連続的に変化している。

Description

本発明は、光集積素子および光送信機モジュールに関する。
近年の光通信用デバイスにおける小型化の要請に伴い、半導体光増幅器や位相変調器など、異なる機能の光素子を同一の基板上に集積させる光集積素子に対する要求水準も高まっている（例えば特許文献１参照）。
特開２０１６−１２６２１６号公報
しかしながら、半導体光増幅器や位相変調器などを同一の基板上に集積させる場合、それぞれの導波路層の厚さは、それぞれの素子の特性に応じて最適化されることが好ましい。例えば、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、導波路層の厚さを厚くすることが好ましいが、半導体光増幅器については、飽和出力の低下を抑制するためには、導波路層の厚さをある程度の厚さ以下とすることが好ましい。
このように集積される各素子の導波路層の厚さを最適化すると、最適な導波路層の厚さの差異が大きくなるため、素子間の接合部分で接続損失が増大するという問題がある。図８は、厚さの異なる導波路層の接続損失の例を示すグラフである。図８に示すように、接続先と接続元の導波路層の厚さの比が１から離れるほど、接続損失が増大してしまう。また、接続部で屈折率の不連続が生じれば、接続部での反射も生じることになるが、接続部における導波路層の厚さの比が１から離れるほど、当該反射も大きくなり、ますます光集積素子の特性に悪影響を与えることになる。
さらに、光集積素子に集積される各素子の導波路層の厚さを最適化すると、光集積素子の周辺の光学素子に対するトレランスに関しても影響を及ぼす。すなわち、光集積素子から出射または入射する光は、光ファイバや光源等と結合することになるが、集積される各素子の導波路層に最適化されたスポットサイズは、光ファイバや光源等に最適なスポットサイズとは差異が大きくなるので、光集積素子と周辺の光学素子との間の結合レンズのトレランスが厳しくなってしまうのである。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、その目的は、スポットサイズの不整合に起因する問題を抑制することができる光集積素子および光送信機モジュールを提供することにある。
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、基板と、前記基板上に、前記基板よりも屈折率の高い第２コア層と、前記第２コア層よりも屈折率の低い下部クラッド層と、前記下部クラッド層よりも屈折率の高い第１コア層と、前記第１コア層よりも屈折率の低い上部クラッド層とを順次積層したパッシブ導波路領域と、前記基板上に、前記第２コア層と、前記下部クラッド層と、前記第１コア層と、電流が注入されることによって光を増幅する量子井戸層と、前記上部クラッド層とを順次積層した活性領域と、を備え、前記第１コア層と前記量子井戸層との間は、前記第１コア層を導波している光のモードフィールドの範囲内で近接しており、前記パッシブ導波路領域の少なくとも一部および前記活性領域は、前記上部クラッド層がメサ状に突出した第１メサ構造を有し、前記パッシブ導波路領域は、前記第１メサ構造に加えて、前記第１コア層と前記下部クラッド層と前記第２コア層とがメサ状に突出した第２メサ構造を有する第２スポットサイズ変換領域を含み、前記第２メサ構造の幅は、前記第１メサ構造の幅よりも広く、かつ、前記第２メサ構造を有する前記パッシブ導波路領域では、前記第１メサ構造の幅が連続的に変化している。
本発明の一態様に係る光集積素子は、前記第１コア層と、前記量子井戸層の間に、前記第１コア層及び前記量子井戸層と異なる組成の中間層を備える。
本発明の一態様に係る光集積素子は、前記中間層は、前記下部あるいは上部クラッド層と同じ組成である。
本発明の一態様に係る光集積素子は、前記パッシブ導波路領域は、前記第１コア層の層厚が変化している第１スポットサイズ変換領域を含む。
本発明の一態様に係る光集積素子は、前記パッシブ導波路領域は、前記第１コア層の層厚が変化している第１スポットサイズ変換領域を含む。
本発明の一態様に係る光集積素子は、基板と、前記基板上に、下部クラッド層と、前記下部クラッド層よりも屈折率の高い第１コア層と、前記第１コア層よりも屈折率の低い上部クラッド層とを順次積層したパッシブ導波路領域と、前記基板上に、前記下部クラッド層と、前記第１コア層と、電流が注入されることによって光を増幅する量子井戸層と、前記上部クラッド層とを順次積層した活性領域と、を備え、前記第１コア層と前記量子井戸層との間は、前記第１コア層を導波している光のモードフィールドの範囲内で近接しており、前記パッシブ導波路領域は、前記第１コア層の層厚が変化している第１スポットサイズ変換領域を含む。
本発明の一態様に係る光集積素子は、前記パッシブ導波路領域および前記活性領域では、前記基板と前記下部クラッド層との間に、前記基板および前記下部クラッド層よりも屈折率の高い第２コア層が積層されており、前記パッシブ導波路領域の少なくとも一部および前記活性領域は、前記上部クラッド層がメサ状に突出した第１メサ構造を有し、前記パッシブ導波路領域は、前記第１メサ構造に加えて、前記第１コア層と前記下部クラッド層と前記第２コア層とがメサ状に突出した第２メサ構造を有する第２スポットサイズ変換領域を含み、前記第２メサ構造の幅は、前記第１メサ構造の幅よりも広く、かつ、前記第２メサ構造を有する前記パッシブ導波路領域では、前記第１メサ構造の幅が連続的に変化している。
本発明の一態様に係る光集積素子は、基板と、前記基板上に、前記基板よりも屈折率の高い第２コア層と、前記第２コア層よりも屈折率の低い下部クラッド層と、前記下部クラッド層よりも屈折率の高い第１コア層と、前記第１コア層よりも屈折率の低い上部クラッド層とを順次積層したパッシブ導波路領域と、を備え、前記パッシブ導波路領域の少なくとも一部は、前記上部クラッド層がメサ状に突出した第１メサ構造を有し、前記パッシブ導波路領域は、前記第１メサ構造に加えて、前記第１コア層の層厚が変化している第１スポットサイズ変換領域と、前記第１コア層と前記下部クラッド層と前記第２コア層とがメサ状に突出した第２メサ構造を有する第２スポットサイズ変換領域とを含み、前記第２メサ構造の幅は、前記第１メサ構造の幅よりも広く、かつ、前記第２メサ構造を有する前記パッシブ導波路領域では、前記第１メサ構造の幅が連続的に変化している。
本発明の一態様に係る光集積素子は、前記基板上に、前記第２コア層と、前記下部クラッド層と、前記第１コア層と、電流が注入されることによって光を増幅する量子井戸層と、前記上部クラッド層とを順次積層した活性領域を備え、前記第１コア層と前記量子井戸層との間は、前記第１コア層を導波している光のモードフィールドの範囲内で近接している。
本発明の一態様に係る光集積素子は、前記第１スポットサイズ変換領域と前記第２スポットサイズ変換領域との間に、前記活性領域が配置されている。
本発明の一態様に係る光集積素子は、前記第２スポットサイズ変換領域は、当該光集積素子の端面に隣接して配置されている。
本発明の一態様に係る光集積素子は、前記第２スポットサイズ変換領域における前記第１メサ構造の幅は、前記端面まで延設せずに途中でゼロになる。
本発明の一態様に係る光集積素子は、前記パッシブ導波路領域の他の一部は、前記第１スポットサイズ変換領域を含み、かつ、前記上部クラッド層と前記第１コア層と前記下部クラッド層の一部とがメサ状に突出したハイメサ構造を有し、前記第１メサ構造と前記ハイメサ構造とが光学的に接続されている。
本発明の一態様に係る光集積素子は、前記基板上に、導波する光の位相を変調する位相変調器として機能する変調器領域を備えている。
本発明の一態様に係る光集積素子は、前記変調器領域にて光を導波する変調器コア層は、前記第１コア層と突合せ接合されている。
本発明の一態様に係る光集積素子は、前記パッシブ導波路領域の他の一部は、前記第１スポットサイズ変換領域を含み、かつ、前記上部クラッド層と前記第１コア層と前記下部クラッド層の一部とがメサ状に突出したハイメサ構造を有し、前記第１メサ構造と前記ハイメサ構造とが光学的に接続されている。
本発明の一態様に係る光集積素子は、前記基板上に、導波する光の位相を変調する位相変調器として機能する変調器領域を備えている。
本発明の一態様に係る光集積素子は、前記変調器領域にて光を導波する変調器コア層は、前記第１コア層と突合せ接合されている。
本発明の一態様に係る光集積素子は、前記パッシブ導波路領域の他の一部は、前記第１スポットサイズ変換領域を含み、かつ、前記上部クラッド層と前記第１コア層と前記下部クラッド層の一部とがメサ状に突出したハイメサ構造を有し、前記第１メサ構造と前記ハイメサ構造とが光学的に接続されている。
本発明の一態様に係る光集積素子は、前記基板上に、導波する光の位相を変調する位相変調器として機能する変調器領域を備えている。
本発明の一態様に係る光集積素子は、前記変調器領域にて光を導波する変調器コア層は、前記第１コア層と突合せ接合されている。
本発明の一態様に係る光送信機モジュールは、上記記載の光集積素子を備えることを特徴とする。
本発明に係る光集積素子および光送信機モジュールは、スポットサイズの不整合に起因する問題を抑制することができるという効果を奏する。
図１Ａは、第１実施形態に係る光集積素子の導波路方向断面図である。 図１Ｂは、第１実施形態に係る光集積素子の上面図である。 図１Ｃは、第１実施形態に係る光集積素子の断面図である。 図２Ａは、第２実施形態に係る光集積素子の導波路方向断面図である。 図２Ｂは、第２実施形態に係る光集積素子の上面図である。 図２Ｃは、第２実施形態に係る光集積素子の断面図である。 図３Ａは、第３実施形態に係る光集積素子の導波路方向断面図である。 図３Ｂは、第３実施形態に係る光集積素子の上面図である。 図３Ｃは、第３実施形態に係る光集積素子の断面図である。 図４は、第４実施形態に係る光集積素子の概略上面図である。 図５Ａは、第４実施形態に係る光集積素子の導波路方向断面図である。 図５Ｂは、第４実施形態に係る光集積素子の上面図である。 図５Ｃは、第４実施形態に係る光集積素子の断面図である。 図６は、パシベーション膜および電極の形成例を示す断面図である。 図７は、第５実施形態に係る光送信機モジュールの概略構成図である。 図８は、厚さの異なる導波路層の接続損失の例を示すグラフである。
以下に、図面を参照しながら、本発明の実施形態に係る光集積素子を詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態により本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構成要素には適宜同一の符号を付している。また、図面は模式的なものであり、各層の厚さや厚さの比率などは現実のものとは異なることに留意すべきである。また、図面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ことがある。
（第１実施形態）
図１Ａは、第１実施形態に係る光集積素子の導波路方向断面図であり、図１Ｂは、第１実施形態に係る光集積素子の上面図であり、図１Ｃは、第１実施形態に係る光集積素子の断面図である。なお、図１Ａおよび図１Ｂに記載の矢印（ａ）〜（ｅ）は、図１Ｃに記載の断面の箇所に対応している。
図１Ａ〜図１Ｃに示される光集積素子１００は、位相変調器から半導体光増幅器（ＳＯＡ：Semiconductor Optical Amplifier）までの連結領域に用いる構成例として説明する。しかしながら、第１実施形態に係る光集積素子は、位相変調器との組み合わせに限定されるものではない。位相変調器に限らずコア層の厚いデバイスとの組み合わせにおいて特に好適な効果を得ることができる。ここでは、位相変調器の例として、マッハツェンダ型の変調器を想定している。また、光集積素子１００は、１．５５μｍ波長帯の光を紙面の左右どちらの端面から入射する用途にも応用し得る。
図１Ａに示すように、光集積素子１００は、基板１０１上に、下部クラッド層１０２と導波路コア１０３と上部クラッド層１０４とコンタクト層１０５とを順次積層したパッシブ導波路領域Ｒ１１と、基板１０１上に、下部クラッド層１０２と導波路コア１０３と量子井戸層１０７と上部クラッド層１０４とコンタクト層１０５とを順次積層した活性領域Ｒ１２とを備えている。また、光集積素子１００は、位相変調器を同一素子に集積する構成例として、基板１０１上に、下部クラッド層１０２と変調器コア１０６と上部クラッド層１０４とコンタクト層１０５とを順次積層した変調器領域Ｒ１３を備えている。
具体的には、光集積素子１００では、基板１０１の上に下部クラッド層１０２が積層されている。例えば、基板１０１はＩｎＰ基板であり、下部クラッド層１０２はＮ型にドープされたＩｎＰであり、層厚は１５００ｎｍである。
また、光集積素子１００では、下部クラッド層１０２の上に変調器コア１０６および導波路コア１０３が形成されており、変調器コア１０６と導波路コア１０３が接続されている。例えば、変調器コア１０６は、ＡｌＧａＩｎＡｓ多重量子井戸によって構成され、層厚は５００ｎｍである。
一方、例えば、導波路コア１０３は、屈折率３．３９のＧａＩｎＡｓＰによって構成され、下部クラッド層１０２および上部クラッド層１０４よりも屈折率が高くなるように構成されている。つまり、導波路コア１０３を導波している光は下部クラッド層１０２および上部クラッド層１０４との屈折率差によって生じる閉じ込め力を受けることになる。
パッシブ導波路領域Ｒ１１は、変調器コア１０６との接続部（図中（ｂ）付近）から所定の箇所（図中（ｃ）付近）までの区間に、導波路コア層の層厚が変化しているスポットサイズ変換領域Ｒ１４を含んでいる。スポットサイズ変換領域Ｒ１４における導波路コア１０３は、変調器コア１０６との接続部の層厚が４００ｎｍであり、そこから層厚が２００ｎｍまで減少する。スポットサイズ変換領域Ｒ１４における導波路コア１０３の層厚の変化により光の閉じ込め力も変化し、導波路コア１０３を導波している光のモードフィールド径も変換される。また、スポットサイズ変換領域Ｒ１４は、活性領域Ｒ１２と変調器領域Ｒ１３との間に配置されている。
また、図１Ａに示すように、活性領域Ｒ１２における導波路コア１０３の近傍には、量子井戸層１０７が設けられている。ここで、導波路コア１０３の近傍とは、導波路コア１０３を導波している光のモードフィールドの範囲内で近接していることを意味し、導波路コア１０３と量子井戸層１０７との間には、導波路コア１０３及び量子井戸層１０７と異なる組成であり、上部クラッド層１０４と同じ組成の材料の層（中間層）が介在している。中間層は下部クラッド層１０２と同じ組成の材料でもよい。なお、図中に示される曲線は、導波路コア１０３を導波している光のモードフィールドを視覚的に例示したものである。
量子井戸層１０７は、例えば、ＧａＩｎＡｓＰ多重量子井戸で構成され、層厚は１００ｎｍである。この量子井戸層１０７は、ＳＯＡの活性層として機能する。すなわち、導波路コア１０３を導波している光のモードフィールドは、量子井戸層１０７にまで広がっているので、量子井戸層１０７には不図示の電極（図６にて例示）から電流が注入されると、導波路コア１０３を導波している光の光強度にもその増幅効果（例えば１０ｄＢ程度の利得）が及ぶことになるのである。このような、導波路コア１０３に対して間隔を隔てて量子井戸層１０７を設けたものは、オフセット量子井戸と呼ばれることもあり、導波路コア１０３の上近傍に量子井戸層の材料を積層し、活性領域Ｒ１２以外では量子井戸層１０７をエッチングして除去するだけでＳＯＡの活性層を作成できるので、追加の結晶成長およびエッチングをする必要がないという利点がある。
変調器コア１０６、導波路コア１０３および量子井戸層１０７の上には、上部クラッド層１０４が積層されている。例えば、上部クラッド層１０４は、Ｐ型にドープされたＩｎＰであり、層厚が２μｍである。さらに、上部クラッド層１０４の上には、コンタクト層１０５が積層されている。例えば、コンタクト層１０５は、Ｐ型にドープされたＩｎＧａＡｓであり、層厚が５００ｎｍである。
光集積素子１００は、いわゆるメサ構造の導波路であるが、光集積素子１００の各領域において、このメサ構造に違いがある。そこで、図１Ａ〜図１Ｃを並べて参照することにより、光集積素子１００の各領域におけるメサ構造について説明する。
図１Ｂおよび図１Ｃに示すように、光集積素子１００におけるメサ構造の幅は、一定であり、例えば２．０μｍである。なお、本例の光集積素子１００では、メサ構造の幅が一定であるが、必要に応じて各領域におけるメサ構造の幅に違いを設けてもよい。
図１Ｃ（ａ）に示すように、光集積素子１００における位相変調器の領域では、変調器コア１０６を貫通して下部クラッド層１０２の一部までがメサ状に突出したハイメサ構造が形成されている。したがって、図１Ｂに示すように、光集積素子１００における位相変調器の領域を上から見た図では、メサ構造の両側に下部クラッド層１０２が示されている。
図１Ｃ（ｂ）および（ｃ）に示すように、光集積素子１００における導波路コア１０３の一部の領域（先述のスポットサイズ変換器の領域）では、導波路コア１０３を貫通して下部クラッド層１０２の一部までがメサ状に突出したハイメサ構造が形成されている。ただし、図１Ｃ（ｂ）および（ｃ）を比較すると解るように、導波路コア１０３の層厚が異なっている。これは、先述のように導波路コア１０３の一部の領域にスポットサイズの変換の作用を持たせるためである。また、図１Ｂに示すように、導波路コア１０３の一部の領域（（ｂ）から（ｃ）の領域）を上から見た図では、メサ構造の両側に下部クラッド層１０２が示されている。なお、本例では導波路コア１０３の一部の領域にハイメサ構造を採用しているが、当該領域にローメサ構造（後述する図１Ｃ（ｄ）参照）を採用することも可能である。
図１Ｃ（ｄ）に示すように、光集積素子１００における導波路コア１０３の一部の領域（先述のスポットサイズ変換器以外の領域）では、上部クラッド層１０４までがメサ状に突出したローメサ構造が形成されている。ここで、光集積素子１００における導波路コア１０３では、ハイメサ構造の導波路とローメサ構造の導波路とが途中で変換されている。一般に、ハイメサ構造とローメサ構造とでは、光の閉じ込めに関する特性が異なるので、ハイメサ構造の導波路とローメサ構造の導波路とを接続すると損失が発生してしまう。そこで、例えば特開２０１４−３５５４０号公報に記載のように、ハイメサ構造の導波路とローメサ構造の導波路との間に中間領域を設け、当該中間領域ではハイメサ構造およびローメサ構造とは異なる光の閉じ込めを実現することにより、ハイメサ構造の導波路とローメサ構造の導波路との間の光学接続における損失を低減させることができる。また、図１Ｂに示すように、導波路コア１０３の一部の領域（（ｄ）の領域）を上から見た図では、メサ構造の両側に導波路コア１０３が示されている。ここでメサ構造の両側は、上部クラッド層１０４が表面に出ていても良い。
図１Ｃ（ｅ）に示すように、光集積素子１００における活性領域Ｒ１２では、量子井戸層１０７の上までの上部クラッド層１０４がメサ状に突出したローメサ構造が形成されている。したがって、図１Ｂに示すように、導波路コア１０３の上に量子井戸層１０７が設けられた領域（（ｅ）の領域）を上から見た図では、メサ構造の両側に量子井戸層１０７が示されている。ここでメサ構造の両側は、上部クラッド層１０４が表面に出ていても良い。
ここで、図１Ａを参照しながら、製造方法の観点で光集積素子１００の構成について説明する。
光集積素子１００の製造方法では、まず基板１０１としてのＩｎＰ基板の上に、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法を用いて、下部クラッド層１０２としてのｎ−ＩｎＰと、変調器コア１０６としてのＡｌＧａＩｎＡｓ多重量子井戸層と、上部クラッド層１０４の一部としてのｐ−ＩｎＰとを順次形成する。
次に、上部クラッド層１０４の一部としてのｐ−ＩｎＰの層の全面に、ＳｉＮｘ膜を堆積した後、位相変調器よりもやや広いパターンになるようにパターニングを施して、当該ＳｉＮｘ膜をマスクとして、ＡｌＧａＩｎＡｓ多重量子井戸層までをエッチングし、下部クラッド層１０２としてのｎ−ＩｎＰの層を露出する。
続いて、上記ＳｉＮｘ膜をそのまま選択成長のマスクとして用いて、ＭＯＣＶＤ法により、導波路コア１０３としてのＧａＩｎＡｓＰと、導波路コア１０３と量子井戸層１０７との間をオフセットするためのｐ−ＩｎＰと、量子井戸層１０７としてのＧａＩｎＡｓＰ多重量子井戸と、上部クラッド層１０４としてのｐ−ＩｎＰとを順次積層する。このとき平坦領域と選択成長領域で概ね１：２程度の膜厚になるように調整する。
次に、上記ＳｉＮｘ膜を一度除去し、新たなＳｉＮｘ膜を全面に形成し、位相変調器でもＳＯＡでもない領域を開口するようにパターニングを行う。そして、このＳｉＮｘ膜をマスクとして、ｐ−ＩｎＰの層とＧａＩｎＡｓＰ多重量子井戸の層とをエッチングする。その後、ＳｉＮｘ膜を除去した後、ＭＯＣＶＤ法により、上部クラッド層１０４の一部としてのｐ−ＩｎＰおよびコンタクト層１０５としてのｐ−ＩｎＧａＡｓを積層する。
次に、再度ＳｉＮｘ膜を全面に形成し、ローメサ構造のパターニングおよびエッチングを行い、ＳｉＮｘ膜を一度除去した後にＳｉＮｘ膜を全面に形成し、ハイメサ構造のパターニングおよびエッチングを行う。
その後、公知の方法により、各部分にパシベーション膜、樹脂層やその開口部、電流注入や電圧印加のための電極などを形成する。表面の加工が終了した後に、基板を研磨して所望の厚さにし、必要であれば裏面に電極を形成する。さらに、基板へき開によって端面形成し、端面コーティングや素子分離を行って光集積素子１００が完成する。
以上のように、光集積素子１００の構成では、３回の結晶成長および２回のメサ構造形成で、位相変調器とＳＯＡとスポットサイズ変換器を一つの素子に集積することができる。
以上説明した第１実施形態に係る光集積素子１００は、位相変調器のように導波路層が厚い素子とＳＯＡのように導波路層が薄い素子を一つの素子に集積しても、位相変調器とＳＯＡとの間に配置されたスポットサイズ変換器によって、スポットサイズを変換することができるので、位相変調器およびＳＯＡの両方で最適な構成を採用することが可能である。
（第２実施形態）
図２Ａは、第２実施形態に係る光集積素子の導波路方向断面図であり、図２Ｂは、第２実施形態に係る光集積素子の上面図であり、図２Ｃは、第２実施形態に係る光集積素子の断面図である。なお、図２Ａおよび図２Ｂに記載の矢印（ａ）〜（ｃ）は、図２Ｃに記載の断面の箇所に対応している。また、第２実施形態に係る光集積素子も、１．５５μｍ波長帯の光を紙面の左右どちらの端面から入射する用途にも応用し得る。
図２Ａに示すように、光集積素子２００は、基板２０１上に、スポットサイズコンバータ（ＳＳＣ）コア２０８と下部クラッド層２０２と導波路コア２０３と上部クラッド層２０４とコンタクト層２０５とを順次積層したパッシブ導波路領域Ｒ２１と、基板２０１上に、ＳＳＣコア２０８と下部クラッド層２０２と導波路コア２０３と量子井戸層２０７と上部クラッド層２０４とコンタクト層２０５とを順次積層した活性領域Ｒ２２とを備えている。また、パッシブ導波路領域Ｒ２１は、後述の図２Ｂおよび図２Ｃに示すように、２段階のメサ構造を有するスポットサイズ変換領域Ｒ２３を含んでいる。
具体的には、光集積素子２００では、基板２０１の上にＳＳＣコア２０８が積層されている。例えば、基板２０１はＩｎＰ基板である。一方、ＳＳＣコア２０８は、スポットサイズ変換用のコアであり、例えば屈折率３．３４のＧａＩｎＡｓＰによって構成され、層厚が１００ｎｍである。ここで、基板２０１の上にＳＳＣコア２０８を直接積層せず、別途のＩｎＰを基板２０１の上に積層し、その上にＳＳＣコア２０８を積層してもよい。
例えば、下部クラッド層２０２は、Ｎ型にドープされたＩｎＰであり、層厚は１５００ｎｍである。また、下部クラッド層２０２の上に導波路コア２０３が形成されており、例えば、導波路コア２０３は、屈折率３．３９のＧａＩｎＡｓＰによって構成され、下部クラッド層２０２および上部クラッド層２０４よりも屈折率が高くなるように構成されている。
また、図２Ａに示すように、活性領域Ｒ２２における導波路コア２０３の近傍には、量子井戸層２０７が設けられている。ここで、導波路コア２０３の近傍とは、導波路コア２０３を導波している光のモードフィールドの範囲内で近接していることを意味し、導波路コア２０３と量子井戸層２０７との間には、導波路コア２０３及び量子井戸層２０７と異なる組成であり、上部クラッド層２０４と同じ材料の層（中間層）が介在している。中間層は下部クラッド層２０２と同じ組成の材料でもよい。量子井戸層２０７は、例えば、ＧａＩｎＡｓＰ多重量子井戸で構成され、層厚は１００ｎｍである。この量子井戸層２０７の構成は、第１実施形態と同様であり、ＳＯＡの活性層として機能する。
導波路コア２０３の上には、上部クラッド層２０４が積層されている。例えば、上部クラッド層２０４は、Ｐ型にドープされたＩｎＰであり、層厚が２μｍである。さらに、上部クラッド層２０４の上には、コンタクト層２０５が積層されている。例えば、コンタクト層２０５は、Ｐ型にドープされたＩｎＧａＡｓであり、層厚が５００ｎｍである。
光集積素子２００は、いわゆるメサ構造の導波路であるが、光集積素子２００の各領域において、このメサ構造に違いがある。そこで、図２Ａ〜図２Ｃを並べて参照することにより、光集積素子２００の各領域におけるメサ構造について説明する。
図２Ｂおよび図２Ｃに示すように、光集積素子２００におけるメサ構造は、２段階存在する。すなわち、光集積素子２００は、パッシブ導波路領域Ｒ２１および活性領域Ｒ２２では、コンタクト層２０５および上部クラッド層２０４がメサ状に突出した第１メサ構造Ｍ１を有し、パッシブ導波路領域Ｒ２１の一部では、第１メサ構造Ｍ１に加え、導波路コア２０３と下部クラッド層２０２とＳＳＣコア２０８と基板２０１の一部とがメサ状に突出した第２メサ構造Ｍ２を有している。この第１メサ構造Ｍ１と第２メサ構造Ｍ２を有するパッシブ導波路領域Ｒ２１の領域は、後述するようにスポットサイズ変換器として機能する。また、この第１メサ構造Ｍ１と第２メサ構造Ｍ２を有するパッシブ導波路領域Ｒ２１の領域は、光集積素子２００の端面に隣接して配置されている。ここで、図２Ｂにおいて、導波路コア２０３、量子井戸層２０７が表面に出ている領域は、上部クラッド層２０４が表面に出ていても良い。
図２Ｃ（ａ）および（ｂ）に示すように、第２メサ構造Ｍ２が形成されていない領域では、第１メサ構造Ｍ１の幅は一定であり、例えば２．０μｍである。一方、図２Ｃ（ｃ）に示すように、第２メサ構造Ｍ２が形成されている領域では、第１メサ構造Ｍ１の幅は、端面に近づくに従い幅が連続的に減少している。なお、図２Ｂに示すように、第１メサ構造Ｍ１の幅は、終端部において一定の幅（例えば０．５μｍ）とすることが好ましく、光集積素子２００の端面まで延設せずに途中で途切れる（幅がゼロになる）構造とすることが好ましい。スポットサイズ変換のバラツキを低減する効果を得るためである。
上記構成がスポットサイズ変換のバラツキを低減する理由は以下の通りである。上記構成の光集積素子２００では、図２Ａに示すように、第１メサ構造Ｍ１の幅が狭くなるに従い、導波路コア２０３を導波している光のモードフィールドは、ＳＳＣコア２０８へ断熱的に移っていく。なお、図中に示される曲線は、導波路コア２０３からＳＳＣコア２０８へ移っていく光のモードフィールドを視覚的に例示したものである。
このとき、導波路コア２０３からＳＳＣコア２０８へ移っていく光のモードフィールドは、第１メサ構造Ｍ１によって上側にシフトされる作用を受けるが、この光のモードフィールドを上側にシフトする作用の大きさは、第１メサ構造Ｍ１の幅によって決定される。つまり、縦方向の光のモードフィールドの大きさは、第１メサ構造Ｍ１の幅の精度に敏感となる。そこで、第１メサ構造Ｍ１を光集積素子２００の端面まで延設せずに途中で途切れる構造とすると、幅方向の精度の影響をより受けやすい細いメサ構造を作製しないので、スポットサイズ変換のバラツキを低減する効果を得るのである。
ここで、図２Ａを参照しながら、製造方法の観点で光集積素子２００の構成について説明する。
光集積素子２００の製造方法では、まず基板２０１としてのＩｎＰ基板の上に、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法を用いて、ＳＳＣコア２０８としてのＧａＩｎＡｓＰと、下部クラッド層２０２としてのｎ−ＩｎＰと、導波路コア２０３としてのＧａＩｎＡｓＰと、導波路コア２０３と量子井戸層２０７との間のバッファ層としてのｐ−ＩｎＰと、量子井戸層２０７としてのＧａＩｎＡｓＰ多重量子井戸と、上部クラッド層２０４としてのｐ−ＩｎＰとを順次形成する。
次に、上部クラッド層２０４の一部としてのｐ−ＩｎＰの層の全面に、ＳｉＮｘ膜を堆積した後、ＳＯＡでないパッシブ導波路領域Ｒ２１を開口するようにパターニングを行う。そして、このＳｉＮｘ膜をマスクとして、ｐ−ＩｎＰの層とＡｌＧａＩｎＡｓ多重量子井戸の層とをエッチングする。その後、ＳｉＮｘ膜を除去した後、ＭＯＣＶＤ法により、上部クラッド層２０４の一部としてのｐ−ＩｎＰおよびコンタクト層２０５としてのｐ−ＩｎＧａＡｓを積層する。
次に、再度ＳｉＮｘ膜を全面に形成し、第１メサ構造Ｍ１のパターニングおよびエッチングを行い、ＳｉＮｘ膜を一度除去した後にＳｉＮｘ膜を全面に形成し、第２メサ構造Ｍ２のパターニングおよびエッチングを行う。
その後、公知の方法により、各部分にパシベーション膜、樹脂層やその開口部、電流注入や電圧印加のための電極などを形成する。表面の加工が終了した後に、基板を研磨して所望の厚さにし、必要であれば裏面に電極を形成する。さらに、基板へき開によって端面形成し、端面コーティングや素子分離を行って光集積素子２００が完成する。
以上の構造により、光集積素子２００は、ＳＯＡとスポットサイズ変換器を一つの素子に集積することができ、そのスポットサイズ変換器は、１／ｅ２の全幅で測定したスポットサイズが１μｍ弱から３μｍ程度にまで広げることが可能となる。
また、上記説明のように、光集積素子２００は、２回の結晶成長と２回のメサ構造の形成によって、ＳＯＡとスポットサイズ変換器を一つの素子に集積することができるので、製造が容易である。なお、上記光集積素子２００では、第１メサ構造Ｍ１と第２メサ構造Ｍ２との２段階のメサ構造であるが、このメサ構造をより多段化しても、本発明の要旨を逸脱するものではない。
以上説明した第２実施形態に係る光集積素子２００は、位相変調器のように導波路層が厚い素子を集積しても、光集積素子２００の端面に隣接して配置されたスポットサイズ変換器によって、光集積素子２００の周辺の光学素子に対するトレランスが緩和される。また、光集積素子２００では、活性領域Ｒ２２における量子井戸層２０７は、導波路コア２０３の近傍に配置されているので、量子井戸層２０７による導波路コア２０３を導波している光の吸収を抑制することができる。また、スポットサイズ変換器の設計とＳＯＡの活性層としての量子井戸層２０７の設計を独立させることができるので、スポットサイズ変換器とＳＯＡとのそれぞれを最適化することが可能である。
（第３実施形態）
図３Ａは、第３実施形態に係る光集積素子の導波路方向断面図であり、図３Ｂは、第３実施形態に係る光集積素子の上面図であり、図３Ｃは、第３実施形態に係る光集積素子の断面図である。なお、図３Ａおよび図３Ｂに記載の矢印（ａ）〜（ｅ）は、図３Ｃに記載の断面の箇所に対応している。図３Ａ〜図３Ｃに示される光集積素子３００は、位相変調器からＳＣＣまでの連結領域に用いる構成例として説明するが、第３実施形態に係る光集積素子は、位相変調器との組み合わせに限定されるものではない。また、第３実施形態に係る光集積素子も、１．５５μｍ波長帯の光を紙面の左右どちらの端面から入射する用途にも応用し得る。
図３Ａに示すように、光集積素子３００は、基板３０１上に、ＳＳＣコア３０８と下部クラッド層３０２と導波路コア３０３と上部クラッド層３０４とコンタクト層３０５とを順次積層したパッシブ導波路領域Ｒ３１を備えている。また、光集積素子３００は、位相変調器を同一素子に集積する構成例として、基板３０１上に、ＳＳＣコア３０８と下部クラッド層３０２と変調器コア３０６と上部クラッド層３０４とコンタクト層３０５とを順次積層した変調器領域Ｒ３２を備えている。
具体的には、光集積素子３００では、基板３０１の上にＳＳＣコア３０８が積層されている。例えば、基板３０１はＩｎＰ基板である。一方、ＳＳＣコア３０８は、スポットサイズ変換用のコアであり、例えば屈折率３．３４のＧａＩｎＡｓＰによって構成され、層厚が１００ｎｍである。ここで、基板３０１の上にＳＳＣコア３０８を直接積層せず、別途のＩｎＰを基板３０１の上に積層し、その上にＳＳＣコア３０８を積層してもよい。
例えば、下部クラッド層３０２は、Ｎ型にドープされたＩｎＰであり、層厚は１５００ｎｍである。また、光集積素子３００では、下部クラッド層３０２の上に変調器コア３０６および導波路コア３０３が形成されており、変調器コア３０６と導波路コア３０３が結晶学的に接続（突き合わせ接合）されている。例えば、変調器コア３０６は、ＡｌＧａＩｎＡｓ多重量子井戸によって構成され、層厚は５００ｎｍである。一方、例えば、導波路コア３０３は、屈折率３．３９のＧａＩｎＡｓＰによって構成され、下部クラッド層３０２および上部クラッド層３０４よりも屈折率が高くなるように構成されている。
導波路コア３０３および変調器コア３０６の上には、上部クラッド層３０４が積層されている。例えば、上部クラッド層３０４は、Ｐ型にドープされたＩｎＰであり、層厚が２μｍである。さらに、上部クラッド層３０４の上には、コンタクト層３０５が積層されている。例えば、コンタクト層３０５は、Ｐ型にドープされたＩｎＧａＡｓであり、層厚が５００ｎｍである。
パッシブ導波路領域Ｒ３１は、変調器コア３０６との接続部（図中（ｂ）付近）から所定の箇所（図中（ｃ）付近）までの区間に、導波路コアの層厚が変化している第１スポットサイズ変換領域Ｒ３３を含んでいる。第１スポットサイズ変換領域Ｒ３３における導波路コア３０３は、変調器コア３０６との接続部の層厚が４００ｎｍであり、そこから層厚が２００ｎｍまで減少する。第１スポットサイズ変換領域Ｒ３３における導波路コア３０３の層厚の変化により光の閉じ込め力も変化し、導波路コア３０３を導波している光のモードフィールド径も変換される。
また、パッシブ導波路領域Ｒ３１は、後述の図３Ｂおよび図３Ｃに示すように、２段階のメサ構造を有する第２スポットサイズ変換領域Ｒ３４を含んでいる。すなわち、光集積素子３００は、第１スポットサイズ変換領域Ｒ３３と第２スポットサイズ変換領域Ｒ３４とによる２段階のスポットサイズ変換器が組み込まれた構成である。また、第２スポットサイズ変換領域Ｒ３４は、光集積素子３００の端面に隣接して配置されている。また、第１スポットサイズ変換領域Ｒ３３は、変調器領域Ｒ３２と第２スポットサイズ変換領域Ｒ３４との間に配置されている。
ここで、図３Ａ〜図３Ｃを並べて参照しながら、光集積素子３００の各領域におけるメサ構造を説明する。
図３Ａ〜図３Ｃに示すように、光集積素子３００におけるメサ構造は、３種類存在する。すなわち、光集積素子３００は、変調器領域Ｒ３２および第１スポットサイズ変換領域Ｒ３３では、導波路コア３０３を貫通して下部クラッド層３０２の一部までがメサ状に突出したハイメサ構造が形成され、第１スポットサイズ変換領域Ｒ３３以外のパッシブ導波路領域Ｒ３１では、コンタクト層３０５および上部クラッド層３０４がメサ状に突出したローメサ構造である第１メサ構造Ｍ１が形成され、第２スポットサイズ変換領域Ｒ３４では、第１メサ構造Ｍ１に加え、導波路コア３０３と下部クラッド層３０２とＳＳＣコア３０８と基板３０１の一部とがメサ状に突出した第２メサ構造Ｍ２が形成されている。なお、第２スポットサイズ変換領域Ｒ３４は、第１スポットサイズ変換領域Ｒ３３以外のパッシブ導波路領域Ｒ３１の一部を成すので、第２スポットサイズ変換領域Ｒ３４は、第１メサ構造Ｍ１と第２メサ構造Ｍ２とが形成されていることになる。
より具体的には、図３Ｃ（ａ）に示すように、光集積素子３００における変調器領域Ｒ３２では、変調器コア３０６を貫通して下部クラッド層３０２の一部までがメサ状に突出したハイメサ構造が形成されている。したがって、図３Ｂに示すように、光集積素子３００における位相変調器の領域を上から見た図では、メサ構造の両側に下部クラッド層３０２が示されている。
図３Ｃ（ｂ）および（ｃ）に示すように、光集積素子３００における第１スポットサイズ変換領域Ｒ３３では、導波路コア１０３を貫通して下部クラッド層３０２の一部までがメサ状に突出したハイメサ構造が形成されている。ただし、図３Ｃ（ｂ）および（ｃ）を比較すると解るように、スポットサイズの変換の作用を持たせるように導波路コア３０３の層厚が異なっている。また、図３Ｂに示すように、第１スポットサイズ変換領域Ｒ３３を上から見た図では、メサ構造の両側に下部クラッド層３０２が示されている。
図３Ｃ（ｄ）に示すように、光集積素子３００における第１スポットサイズ変換領域Ｒ３３でも第２スポットサイズ変換領域Ｒ３４でもないパッシブ導波路領域Ｒ３１では、上部クラッド層３０４までがメサ状に突出したローメサ構造である第１メサ構造Ｍ１が形成されている。図３Ｂに示すように、第１スポットサイズ変換領域Ｒ３３でも第２スポットサイズ変換領域Ｒ３４でもないパッシブ導波路領域Ｒ３１を上から見た図では、メサ構造の両側に導波路コア３０３が示されている。ここで、メサ構造の両側は上側クラッド３０４が表面に出ていても良い。
なお、光集積素子３００においても、第１実施形態に係る光集積素子１００と同様に、ハイメサ構造の導波路とローメサ構造の導波路とが途中で変換されている。よって、光集積素子３００においても、第１実施形態に係る光集積素子１００と同様に、ハイメサ構造の導波路とローメサ構造の導波路との間に中間領域を設け、当該中間領域ではハイメサ構造およびローメサ構造とは異なる光の閉じ込めを実現することにより、ハイメサ構造の導波路とローメサ構造の導波路との間の光学接続における損失を低減させることが好ましい。
図３Ｃ（ｅ）に示すように、光集積素子３００における第２スポットサイズ変換領域Ｒ３４では、上部クラッド層３０４までがメサ状に突出したローメサ構造である第１メサ構造Ｍ１と導波路コア３０３と下部クラッド層３０２とＳＳＣコア３０８と基板３０１の一部とがメサ状に突出した第２メサ構造Ｍ２とが形成されている。光集積素子３００における第２スポットサイズ変換領域Ｒ３４の第１メサ構造Ｍ１と第２メサ構造Ｍ２とは、第２実施形態に係る光集積素子２００と同様に、導波路コア３０３を導波している光のモードフィールドがＳＳＣコア３０８へ断熱的に移っていくことにより、スポットサイズの変換を行うものである。
図３Ａ〜図３Ｃに示すように、光集積素子３００におけるメサ構造の幅は、第２スポットサイズ変換領域Ｒ３４を除いて一定であり、例えば２．０μｍである。一方、光集積素子３００におけるメサ構造の幅は、第２スポットサイズ変換領域Ｒ３４では、第１メサ構造Ｍ１の幅は、端面に近づくに従い幅が連続的に減少している。なお、図３Ｂに示すように、第１メサ構造Ｍ１の幅は、終端部において一定の幅（例えば０．５μｍ）とすることが好ましく、光集積素子３００の端面まで延設せずに途中で途切れる（幅がゼロになる）構造とすることが好ましい。第２実施形態と同様に、スポットサイズ変換のバラツキを低減する効果を得るためである。
ここで、図３Ａを参照しながら、製造方法の観点で光集積素子３００の構成について説明する。
光集積素子３００の製造方法では、まず基板３０１としてのＩｎＰ基板の上に、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法を用いて、ＳＳＣコア３０８としてのＧａＩｎＡｓＰと、下部クラッド層３０２としてのｎ−ＩｎＰと、変調器コア３０６としてのＡｌＧａＩｎＡｓ多重量子井戸層と、上部クラッド層３０４の一部としてのｐ−ＩｎＰとを順次形成する。
次に、上部クラッド層３０４の一部としてのｐ−ＩｎＰの層の全面に、ＳｉＮｘ膜を堆積した後、位相変調器よりもやや広いパターンになるようにパターニングを施して、当該ＳｉＮｘ膜をマスクとして、ＡｌＧａＩｎＡｓ多重量子井戸層までをエッチングし、下部クラッド層３０２としてのｎ−ＩｎＰの層を露出する。
続いて、上記ＳｉＮｘ膜をそのまま選択成長のマスクとして用いて、ＭＯＣＶＤ法により、導波路コア３０３としてのＧａＩｎＡｓＰと、上部クラッド層３０４としてのｐ−ＩｎＰとを順次積層する。このとき平坦領域と選択成長領域で概ね１：２程度の膜厚になるように調整する。その後、ＳｉＮｘ膜を除去した後、ＭＯＣＶＤ法により、上部クラッド層３０４としてのｐ−ＩｎＰとコンタクト層３０６としてのｐ−ＩｎＧａＡｓとを積層する。
次に、再度ＳｉＮｘ膜を全面に形成し、ローメサ構造である第１メサ構造Ｍ１のパターニングおよびエッチングを行い、ＳｉＮｘ膜を一度除去した後にＳｉＮｘ膜を全面に形成し、ハイメサ構造および第２メサ構造Ｍ２のパターニングおよびエッチングを同時に行う。
その後、公知の方法により、各部分にパシベーション膜、樹脂層やその開口部、電流注入や電圧印加のための電極などを形成する。表面の加工が終了した後に、基板を研磨して所望の厚さにし、必要であれば裏面に電極を形成する。さらに、基板へき開によって端面形成し、端面コーティングや素子分離を行って光集積素子３００が完成する。
以上の構造により、光集積素子３００は、位相変調器のように導波路層が厚いデバイスと２段階のスポットサイズ変換器を一つの素子に集積することができ、そのスポットサイズ変換器は、１／ｅ２の全幅で測定したスポットサイズが１μｍ弱から３μｍ程度にまで広げることが可能となる。
また、上記説明のように、光集積素子３００は、２回の結晶成長と２回のメサ構造の形成によって、位相変調器のように導波路層コアが厚いデバイスと２段階のスポットサイズ変換器とを一つの素子に集積することができるので、製造が容易である。なお、上記光集積素子３００では、第１メサ構造Ｍ１と第２メサ構造Ｍ２との２段階のメサ構造であるが、このメサ構造をより多段化しても、本発明の要旨を逸脱するものではない。
以上説明した第３実施形態に係る光集積素子３００は、位相変調器のように導波路層が厚い素子を集積しても、第１スポットサイズ変換領域Ｒ３３と第２スポットサイズ変換領域Ｒ３４との２段階のスポットサイズ変換器によって、効率よくスポットサイズ変換を行うことができる。すなわち、位相変調器のように導波路層が厚い素子では光の閉じ込めが強く、スポットサイズが小さいので、そのままでは、導波路コア３０３からＳＳＣコア３０８へ光を移行させることが困難である。一方、本構成では、第１スポットサイズ変換領域Ｒ３３で導波路層の厚さを変更し、その後に導波路コア３０３からＳＳＣコア３０８へ光を移行させるので、効率よくスポットサイズ変換を行うことが可能となる。
（第４実施形態）
第４実施形態に係る光集積素子４００は、より実際的な実施形態であり、上記第１実施形態から第３実施形態の特徴のすべてを一つの光集積素子に適用した実施形態である。図４は、第４実施形態に係る光集積素子４００の概略上面図である。
図４に示すように、第４実施形態に係る光集積素子４００は、マッハツェンダ型のＩＱ変調器４２０とＳＯＡ４３０とＳＳＣ４４０とを一つの素子に集積した光集積素子である。例えば、光集積素子４００は、端部Ｔ１から入射した光を変調して端部Ｔ２から出射する変調器として利用される。なお、ＩＱ変調器とは、光の振幅および位相の両方に対して変調を加える変調器のことである。
図４に示すように、光集積素子４００は、ＩＱ変調器４２０とＳＯＡ４３０およびＳＳＣ４４０との配置が直交する、いわゆるＵターン型の構成となっており、光集積素子４００の実装面積を小さくすることが可能である。
しかも、Ｕターン型の構成である光集積素子４００は、基板の面方位の関係から、ＩＱ変調器４２０、ＳＯＡ４３０およびＳＳＣ４４０のメサ構造を作製する際のウェットエッチングが容易になる。具体的には、ＳＯＡ４３０およびＳＳＣ４４０は、基板の［０１１］方向に平行な方向にメサ構造を作製することが好ましく、ＩＱ変調器４２０は、基板の［０１−１］方向に平行な方向にメサ構造を作製することが好ましい。なお、ＩＱ変調器４２０は、量子閉じ込めシュタルク効果を用いて位相変化を生じさせているが、［０１−１］方向はポッケルス効果がシュタルク効果と同じ符号で働き、［０１１］方向はポッケルス効果がシュタルク効果と逆の符号で働く。ゆえに、［０１−１］方向でメサ構造を作製すると、ＩＱ変調器４２０における位相変化の効率がよくなる。つまり、紙面上下方向を基板の［０１１］方向とし、紙面左右方向を基板の［０１−１］方向とした場合、ＩＱ変調器４２０とＳＯＡ４３０およびＳＳＣ４４０との配置を直交させると、それぞれが基板の面方位に対して適した配置となる。
なお、光集積素子４００では、ＩＱ変調器４２０よりも前段にのみＳＯＡ４３０およびＳＳＣ４４０が挿入されているが、後段にも挿入して良い。また、後段のみに挿入することもできる。
図５Ａは、第４実施形態に係る光集積素子の導波路方向断面図であり、図５Ｂは、第４実施形態に係る光集積素子の上面図であり、図５Ｃは、第４実施形態に係る光集積素子の断面図である。なお、図５Ａおよび図５Ｂに記載の矢印（ａ）〜（ｆ）は、図５Ｃに記載の断面の箇所に対応している。また、図５Ａ〜図５Ｃに示される光集積素子４００は、図４に示される領域Ａに対応した部分のみを記載している。
図５Ａに示すように、光集積素子４００は、基板４０１上に、ＳＳＣコア４０８と下部クラッド層４０２と導波路コア４０３と上部クラッド層４０４とコンタクト層４０５を順次積層したパッシブ導波路領域Ｒ４１と、基板４０１上に、下部クラッド層４０２と導波路コア４０３と量子井戸層４０７と上部クラッド層４０４とコンタクト層４０５とを順次積層した活性領域Ｒ４２と、基板４０１上に、ＳＳＣコア４０８と下部クラッド層４０２と変調器コア４０６と上部クラッド層４０４とコンタクト層４０５とを順次積層した変調器領域Ｒ４３を備えている。
具体的には、光集積素子４００では、基板４０１の上にＳＳＣコア４０８が積層されている。例えば、基板４０１はＩｎＰ基板である。一方、ＳＳＣコア４０８は、スポットサイズ変換用のコアであり、例えば屈折率３．３４のＧａＩｎＡｓＰによって構成され、層厚が１００ｎｍである。
例えば、下部クラッド層４０２は、Ｎ型にドープされたＩｎＰであり、層厚は１５００ｎｍである。また、光集積素子４００では、下部クラッド層４０２の上に変調器コア４０６および導波路コア４０３が形成されており、変調器コア４０６と導波路コア４０３が結晶学的に接続（突き合わせ接合）されている。例えば、変調器コア４０６は、ＡｌＧａＩｎＡｓ多重量子井戸によって構成され、層厚は５００ｎｍである。一方、例えば、導波路コア４０３は、屈折率３．３９のＧａＩｎＡｓＰによって構成され、下部クラッド層４０２および上部クラッド層４０４よりも屈折率が高くなるように構成されている。
また、図５Ａに示すように、活性領域Ｒ４２における導波路コア４０３の近傍には、量子井戸層４０７が設けられている。ここで、導波路コア４０３の近傍とは、導波路コア４０３を導波している光のモードフィールドの範囲内で近接していることを意味し、導波路コア４０３と量子井戸層４０７との間には、導波路コア４０３及び量子井戸層４０７と異なる組成であり、上部クラッド層４０４と同じ組成の材料の層（中間層）が介在している。中間層は下部クラッド層４０２と同じ組成の材料でもよい。量子井戸層４０７は、例えば、ＧａＩｎＡｓＰ多重量子井戸で構成され、層厚は１００ｎｍである。この量子井戸層４０７の構成は、第１実施形態と同様であり、ＳＯＡの活性層として機能する。
変調器コア４０６、導波路コア４０３および量子井戸層４０７の上には、上部クラッド層４０４が積層されている。例えば、上部クラッド層４０４は、Ｐ型にドープされたＩｎＰであり、層厚が２μｍである。さらに、上部クラッド層４０４の上には、コンタクト層４０５が積層されている。例えば、コンタクト層４０５は、Ｐ型にドープされたＩｎＧａＡｓであり、層厚が５００ｎｍである。
パッシブ導波路領域Ｒ４１は、変調器コア４０６との接続部（図中（ｂ）付近）から所定の箇所（図中（ｃ）付近）までの区間に、導波路層の層厚が変化している第１スポットサイズ変換領域Ｒ４４を含んでいる。第１スポットサイズ変換領域Ｒ４４における導波路コア４０３は、変調器コア４０６との接続部の層厚が４００ｎｍであり、そこから層厚が２００ｎｍまで減少する。第１スポットサイズ変換領域Ｒ４４における導波路コア４０３の層厚の変化により光の閉じ込め力も変化し、導波路コア４０３を導波している光のモードフィールド径も変換される。
また、パッシブ導波路領域Ｒ４１は、後述の図５Ｂおよび図５Ｃに示すように、２段階のメサ構造を有する第２スポットサイズ変換領域Ｒ４５を含んでいる。すなわち、光集積素子４００は、第１スポットサイズ変換領域Ｒ４４と第２スポットサイズ変換領域Ｒ４５とによる２段階のスポットサイズ変換器が組み込まれた構成である。また、第２スポットサイズ変換領域Ｒ４５は、光集積素子４００の端面に隣接して配置されている。
図５Ａに示すように、活性領域Ｒ４２は、第１スポットサイズ変換領域Ｒ４４と第２スポットサイズ変換領域Ｒ４５との間に配置されている。したがって、光集積素子４００では、変調器領域Ｒ４３、第１スポットサイズ変換領域Ｒ４４、活性領域Ｒ４２、第２スポットサイズ変換領域Ｒ４５の順で配列されており、第２スポットサイズ変換領域Ｒ４５にて光集積素子４００の端面に接する。なお、当該順序は、必ずしも光の進行方向を意味するものではなく、各領域の間に、他の機能を有する領域が挿入される可能性を排除するものではない。
ここで、図５Ａ〜図５Ｃを並べて参照しながら、光集積素子４００の各領域におけるメサ構造を説明する。
図５Ａ〜図５Ｃに示すように、光集積素子４００におけるメサ構造は、３種類存在する。すなわち、光集積素子４００は、変調器領域Ｒ４３および第１スポットサイズ変換領域Ｒ４４では、導波路コア４０３を貫通して下部クラッド層４０２の一部までがメサ状に突出したハイメサ構造が形成され、第１スポットサイズ変換領域Ｒ４４以外のパッシブ導波路領域Ｒ４１では、コンタクト層４０５および上部クラッド層４０４がメサ状に突出したローメサ構造である第１メサ構造Ｍ１が形成され、第２スポットサイズ変換領域Ｒ４５では、導波路コア４０３と下部クラッド層４０２とＳＳＣコア４０８と基板４０１の一部とがメサ状に突出した第２メサ構造Ｍ２が形成されている。なお、第２スポットサイズ変換領域Ｒ４５は、第１スポットサイズ変換領域Ｒ４４以外のパッシブ導波路領域Ｒ４１の一部を成すので、第２スポットサイズ変換領域Ｒ４５は、第１メサ構造Ｍ１と第２メサ構造Ｍ２とが形成されていることになる。
より具体的には、図５Ｃ（ａ）に示すように、光集積素子４００における変調器領域Ｒ４３では、変調器コア４０６を貫通して下部クラッド層４０２の一部までがメサ状に突出したハイメサ構造が形成されている。したがって、図５Ｂに示すように、光集積素子４００における位相変調器の領域を上から見た図では、メサ構造の両側に下部クラッド層４０２が示されている。
図５Ｃ（ｂ）および（ｃ）に示すように、光集積素子４００における第１スポットサイズ変換領域Ｒ４４では、導波路コア４０３を貫通して下部クラッド層４０２の一部までがメサ状に突出したハイメサ構造が形成されている。ただし、図５Ｃ（ｂ）および（ｃ）を比較すると解るように、スポットサイズの変換の作用を持たせるように導波路コア４０３の層厚が異なっている。また、図５Ｂに示すように、第１スポットサイズ変換領域Ｒ４４を上から見た図では、メサ構造の両側に下部クラッド層４０２が示されている。
図５Ｃ（ｄ）に示すように、光集積素子４００における第１スポットサイズ変換領域Ｒ４４でも第２スポットサイズ変換領域Ｒ４５でもないパッシブ導波路領域Ｒ４１では、上部クラッド層４０４までがメサ状に突出したローメサ構造である第１メサ構造Ｍ１が形成されている。図５Ｂに示すように、第１スポットサイズ変換領域Ｒ４４でも第２スポットサイズ変換領域Ｒ４５でもないパッシブ導波路領域Ｒ４１を上から見た図では、メサ構造の両側に導波路コア４０３が示されている。ここで、メサ構造の両側は、上部クラッド層４０４が表面に出ていても良い。
なお、光集積素子４００においても、第１実施形態に係る光集積素子１００と同様に、ハイメサ構造の導波路とローメサ構造の導波路とが途中で変換されている。よって、光集積素子４００においても、第１実施形態に係る光集積素子１００と同様に、ハイメサ構造の導波路とローメサ構造の導波路との間に中間領域を設け、当該中間領域ではハイメサ構造およびローメサ構造とは異なる光の閉じ込めを実現することにより、ハイメサ構造の導波路とローメサ構造の導波路との間の光学接続における損失を低減させることが好ましい。
図５Ｃ（ｅ）に示すように、光集積素子４００における活性領域Ｒ４２では、量子井戸層４０７の上までの上部クラッド層４０４がメサ状に突出したローメサ構造が形成されている。したがって、図５Ｂに示すように、活性領域Ｒ４２を上から見た図では、メサ構造の両側に量子井戸層４０７が示されている。ここで、メサ構造の両側は、上部クラッド層４０４が表面に出ていても良い。
図５Ｃ（ｆ）に示すように、光集積素子４００における第２スポットサイズ変換領域Ｒ４５では、上部クラッド層４０４までがメサ状に突出したローメサ構造である第１メサ構造Ｍ１と導波路コア４０３と下部クラッド層４０２とＳＳＣコア４０８と基板４０１の一部とがメサ状に突出した第２メサ構造Ｍ２とが形成されている。光集積素子４００における第２スポットサイズ変換領域Ｒ４５の第１メサ構造Ｍ１と第２メサ構造Ｍ２とは、第２実施形態に係る光集積素子２００と同様に、導波路コア４０３を導波している光のモードフィールドがＳＳＣコア４０８へ断熱的に移っていくことにより、スポットサイズの変換を行うものである。
図５Ａ〜図５Ｃに示すように、光集積素子４００におけるメサ構造の幅は、第２スポットサイズ変換領域Ｒ４５を除いて一定であり、例えば２．０μｍである。一方、光集積素子４００におけるメサ構造の幅は、第２スポットサイズ変換領域Ｒ４５では、第１メサ構造Ｍ１の幅は、端面に近づくに従い幅が連続的に減少している。なお、図５Ｂに示すように、第１メサ構造Ｍ１の幅は、終端部において一定の幅（例えば０．５μｍ）とすることが好ましく、光集積素子４００の端面まで延設せずに途中で途切れる（幅がゼロになる）構造とすることが好ましい。第２実施形態と同様に、スポットサイズ変換のバラツキを低減する効果を得るためである。
ここで、図５Ａを参照しながら、製造方法の観点で光集積素子４００の構成について説明する。
光集積素子４００の製造方法では、まず基板４０１としてのＩｎＰ基板の上に、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法を用いて、ＳＳＣコア４０８としてのＧａＩｎＡｓＰと、下部クラッド層４０２としてのｎ−ＩｎＰと、変調器コア４０６としてのＡｌＧａＩｎＡｓ多重量子井戸層と、上部クラッド層４０４の一部としてのｐ−ＩｎＰとを順次形成する。
次に、上部クラッド層４０４の一部としてのｐ−ＩｎＰの層の全面に、ＳｉＮｘ膜を堆積した後、位相変調器よりもやや広いパターンになるようにパターニングを施して、当該ＳｉＮｘ膜をマスクとして、ＡｌＧａＩｎＡｓ多重量子井戸層までをエッチングし、下部クラッド層４０２としてのｎ−ＩｎＰの層を露出する。
続いて、上記ＳｉＮｘ膜をそのまま選択成長のマスクとして用いて、ＭＯＣＶＤ法により、導波路コア４０３としてのＧａＩｎＡｓＰと、導波路コア４０３と量子井戸層４０７との間をオフセットするためのｐ−ＩｎＰと、量子井戸層４０７としてのＧａＩｎＡｓＰ多重量子井戸と、上部クラッド層４０４としてのｐ−ＩｎＰとを順次積層する。このとき平坦領域と選択成長領域で概ね１：２程度の膜厚になるように調整する。
次に、上記ＳｉＮｘ膜を一度除去し、新たなＳｉＮｘ膜を全面に形成し、位相変調器でもＳＯＡでもない領域を開口するようにパターニングを行う。そして、このＳｉＮｘ膜をマスクとして、ｐ−ＩｎＰの層とＧａＩｎＡｓＰ多重量子井戸の層とをエッチングする。その後、ＳｉＮｘ膜を除去した後、ＭＯＣＶＤ法により、上部クラッド層４０４の一部としてのｐ−ＩｎＰおよびコンタクト層４０５としてのｐ−ＩｎＧａＡｓを積層する。
次に、再度ＳｉＮｘ膜を全面に形成し、ローメサ構造である第１メサ構造Ｍ１のパターニングおよびエッチングを行い、ＳｉＮｘ膜を一度除去した後にＳｉＮｘ膜を全面に形成し、ハイメサ構造および第２メサ構造Ｍ２のパターニングおよびエッチングを同時に行う。
その後、公知の方法により、各部分にパシベーション膜、樹脂層やその開口部、電流注入や電圧印加のための電極などを形成する。表面の加工が終了した後に、基板を研磨して所望の厚さにし、必要であれば裏面に電極を形成する。さらに、基板へき開によって端面形成し、端面コーティングや素子分離を行って光集積素子４００が完成する。
図６は、パシベーション膜および電極の形成例を示す断面図を示している。図６（ａ）は、図４におけるＩ−Ｉ断面に対応し、図６（ｂ）は、図４におけるＩＩ−ＩＩ断面に対応している。図６（ａ）に示すように、ＩＱ変調器４２０のメサ構造の断面では、コンタクト層４０５と上部クラッド層４０４と変調器コア４０６と下部クラッド層４０２の一部までがメサ状に突出したハイメサ構造が例えばＳｉＯ２やＳｉＮｘを材料としたパシベーション膜４１０によって被膜され、さらに、パシベーション膜４１０の外側に例えばＢＣＢやポリイミドなどの樹脂を材料とした樹脂層４１１が形成されている。そして、コンタクト層４０５上に形成された電極４０９ａから下部クラッド層４０２上に形成された接地電極ＧＮＤまで電流が流れる構成である。一方、図６（ｂ）に示すように、ＳＯＡ４３０のメサ構造の断面では、コンタクト層４０５と上部クラッド層４０４までがメサ状に突出したローメサ構造が例えばＳｉＯ２やＳｉＮｘを材料としたパシベーション膜４１０によって被膜されている。そして、コンタクト層４０５上に形成された電極４０９ｂから下部クラッド層４０２上に形成された接地電極ＧＮＤまで電流が流れる構成である。
以上の構造により、光集積素子４００は、ＩＱ変調器４２０のように導波路層が厚いデバイスとＳＯＡ４３０と２段階のＳＳＣ４４０とを一つの素子に集積することができ、そのスポットサイズ変換器は、１／ｅ２の全幅で測定したスポットサイズが１μｍ弱から３μｍ程度にまで広げることが可能となる。
また、上記説明のように、光集積素子４００は、ＩＱ変調器４２０のように導波路層が厚いデバイスとＳＯＡ４３０と２段階のＳＳＣ４４０とを一つの素子に集積することができる。なお、上記光集積素子４００では、第１メサ構造Ｍ１と第２メサ構造Ｍ２との２段階のメサ構造であるが、このメサ構造をより多段化しても、本発明の要旨を逸脱するものではない。
以上説明した第４実施形態に係る光集積素子４００は、第１実施形態から第３実施形態に係る光集積素子におけるすべての利点を享受することができるものの、製造時において、結晶成長回数およびメサ構造の形成回数が増加することがないという利点がある。
（第５実施形態）
図７は、第５実施形態に係る光送信機モジュールの概略構成図である。第５実施形態に係る光送信機モジュール５００は、上記第１実施形態から第４実施形態に係る光集積素子のうち何れか１つを用いた光送信機モジュールであるが、ここでは、第４実施形態に係る光集積素子４００を用いた光送信機モジュールを例示する。
図７に示すように、光送信機モジュール５００は、波長可変半導体レーザ５０１と、第１レンズ５０２ａ，５０２ｂと、光集積素子４００と、第２レンズ５０３ａ，５０３ｂと、光ファイバ５０４とを備えている。
波長可変半導体レーザ５０１は、搬送波となるレーザ光を出力する光源である。波長可変半導体レーザ５０１から出射したレーザ光は、第１レンズ５０２ａによってコリメートされた後、第１レンズ５０２ｂによって、光集積素子４００の入射端面に入射される。
光集積素子４００は、先述のようにＩＱ変調器とＳＯＡとＳＳＣとを１つの素子に集積した光集積素子であり、光集積素子４００の入射端面に入射されたレーザ光は、ＳＳＣによってスポットサイズが変換され、かつ、ＳＯＡによって光強度が増幅され、ＩＱ変調器によって変調が加えられる。
光集積素子４００から出射したレーザ光は、第２レンズ５０３ａによってコリメートされた後、第２レンズ５０３ｂによって、光ファイバ５０４の端面に入射され、光ファイバ５０４によって、光送信機モジュール５００の外部に導出される。
上記構成の光送信機モジュール５００は、光集積素子４００が備えるＳＳＣの作用により、波長可変半導体レーザ５０１から光集積素子４００へ入射する際の結合のトレランスが緩和されている。また、光集積素子４００が備えるＳＳＣの作用により、光集積素子４００から光ファイバ５０４へ入射する際の結合のトレランスも緩和されている。
以上、本発明を実施形態に基づいて説明したが、上記実施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の範疇に含まれる。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。例えば上記実施形態の説明で用いた光集積素子の層構成は、順番が説明の態様であればよく、間に別途の半導体層を挿入したとしても、本発明の範疇に含まれる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施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。
以上のように、本発明は、例えば光通信の分野に適用して好適なものである。
１００，２００，３００，４００ 光集積素子
１０１，２０１，３０１，４０１ 基板
１０２，２０２，３０２，４０２ 下部クラッド層
１０３，２０３，３０３，４０３ 導波路コア
１０４，２０４，３０４，４０４ 上部クラッド層
１０５，２０５，３０５，４０５ コンタクト層
１０６，３０６，４０６ 変調器コア
１０７，２０７，４０７ 量子井戸層
２０８，３０８，４０８ ＳＳＣコア
４０９ａ，４０９ｂ 電極
４１０ パシベーション膜
４１１ 樹脂層
４２０ ＩＱ変調器
４３０ ＳＯＡ
４４０ ＳＳＣ
５００ 光送信機モジュール
５０１ 波長可変半導体レーザ
５０２ａ，５０２ｂ 第１レンズ
５０３ａ，５０３ｂ 第２レンズ
５０４ 光ファイバ

Claims (24)

  1. 基板と、
    前記基板上に、前記基板よりも屈折率の高い第２コア層と、前記第２コア層よりも屈折率の低い下部クラッド層と、前記下部クラッド層よりも屈折率の高い第１コア層と、前記第１コア層よりも屈折率の低い上部クラッド層とを順次積層したパッシブ導波路領域と、
    前記基板上に、前記第２コア層と、前記下部クラッド層と、前記第１コア層と、電流が注入されることによって光を増幅する量子井戸層と、前記上部クラッド層とを順次積層した活性領域と、
    を備え、
    前記第１コア層と前記量子井戸層との間は、前記第１コア層を導波している光のモードフィールドの範囲内で近接しており、
    前記パッシブ導波路領域の少なくとも一部および前記活性領域は、前記上部クラッド層がメサ状に突出した第１メサ構造を有し、
    前記パッシブ導波路領域は、前記第１メサ構造に加えて、前記第１コア層と前記下部クラッド層と前記第２コア層とがメサ状に突出した第２メサ構造を有する第２スポットサイズ変換領域を含み、
    前記第２メサ構造の幅は、前記第１メサ構造の幅よりも広く、かつ、前記第２メサ構造を有する前記パッシブ導波路領域では、前記第１メサ構造の幅が連続的に変化している、
    ことを特徴とする光集積素子。
  2. 前記第１コア層と、前記量子井戸層の間に、前記第１コア層及び前記量子井戸層と異なる組成の中間層を備える、
    ことを特徴とする請求項１に記載の光集積素子。
  3. 前記中間層は、前記下部あるいは上部クラッド層と同じ組成である、
    ことを特徴とする請求項２に記載の光集積素子。
  4. 前記パッシブ導波路領域は、前記第１コア層の層厚が変化している第１スポットサイズ変換領域を含む、
    ことを特徴とする請求項３に記載の光集積素子。
  5. 前記パッシブ導波路領域は、前記第１コア層の層厚が変化している第１スポットサイズ変換領域を含む、
    ことを特徴とする請求項１に記載の光集積素子。
  6. 基板と、
    前記基板上に、下部クラッド層と、前記下部クラッド層よりも屈折率の高い第１コア層と、前記第１コア層よりも屈折率の低い上部クラッド層とを順次積層したパッシブ導波路領域と、
    前記基板上に、前記下部クラッド層と、前記第１コア層と、電流が注入されることによって光を増幅する量子井戸層と、前記上部クラッド層とを順次積層した活性領域と、
    を備え、
    前記第１コア層と前記量子井戸層との間は、前記第１コア層を導波している光のモードフィールドの範囲内で近接しており、
    前記パッシブ導波路領域は、前記第１コア層の層厚が変化している第１スポットサイズ変換領域を含む、
    ことを特徴とする光集積素子。
  7. 前記パッシブ導波路領域および前記活性領域では、前記基板と前記下部クラッド層との間に、前記基板および前記下部クラッド層よりも屈折率の高い第２コア層が積層されており、
    前記パッシブ導波路領域の少なくとも一部および前記活性領域は、前記上部クラッド層がメサ状に突出した第１メサ構造を有し、
    前記パッシブ導波路領域は、前記第１メサ構造に加えて、前記第１コア層と前記下部クラッド層と前記第２コア層とがメサ状に突出した第２メサ構造を有する第２スポットサイズ変換領域を含み、
    前記第２メサ構造の幅は、前記第１メサ構造の幅よりも広く、かつ、前記第２メサ構造を有する前記パッシブ導波路領域では、前記第１メサ構造の幅が連続的に変化している、
    ことを特徴とする請求項６に記載の光集積素子。
  8. 基板と、
    前記基板上に、前記基板よりも屈折率の高い第２コア層と、前記第２コア層よりも屈折率の低い下部クラッド層と、前記下部クラッド層よりも屈折率の高い第１コア層と、前記第１コア層よりも屈折率の低い上部クラッド層とを順次積層したパッシブ導波路領域と、
    を備え、
    前記パッシブ導波路領域の少なくとも一部は、前記上部クラッド層がメサ状に突出した第１メサ構造を有し、
    前記パッシブ導波路領域は、前記第１メサ構造に加えて、前記第１コア層の層厚が変化している第１スポットサイズ変換領域と、前記第１コア層と前記下部クラッド層と前記第２コア層とがメサ状に突出した第２メサ構造を有する第２スポットサイズ変換領域とを含み、
    前記第２メサ構造の幅は、前記第１メサ構造の幅よりも広く、かつ、前記第２メサ構造を有する前記パッシブ導波路領域では、前記第１メサ構造の幅が連続的に変化している、
    ことを特徴とする光集積素子。
  9. 前記基板上に、前記第２コア層と、前記下部クラッド層と、前記第１コア層と、電流が注入されることによって光を増幅する量子井戸層と、前記上部クラッド層とを順次積層した活性領域を備え、
    前記第１コア層と前記量子井戸層との間は、前記第１コア層を導波している光のモードフィールドの範囲内で近接している、
    ことを特徴とする請求項８に記載の光集積素子。
  10. 前記第１スポットサイズ変換領域と前記第２スポットサイズ変換領域との間に、前記活性領域が配置されている、
    ことを特徴とする請求項５に記載の光集積素子。
  11. 前記第２スポットサイズ変換領域は、当該光集積素子の端面に隣接して配置されている、
    ことを特徴とする請求項１０に記載の光集積素子。
  12. 前記第２スポットサイズ変換領域における前記第１メサ構造の幅は、前記端面まで延設せずに途中でゼロになる、
    ことを特徴とする請求項１１に記載の光集積素子。
  13. 前記パッシブ導波路領域の他の一部は、前記第１スポットサイズ変換領域を含み、かつ、前記上部クラッド層と前記第１コア層と前記下部クラッド層の一部とがメサ状に突出したハイメサ構造を有し、
    前記第１メサ構造と前記ハイメサ構造とが光学的に接続されている、
    ことを特徴とする請求項５に記載の光集積素子。
  14. 前記基板上に、導波する光の位相を変調する位相変調器として機能する変調器領域を備えている、
    ことを特徴とする請求項１３に記載の光集積素子。
  15. 前記変調器領域にて光を導波する変調器コア層は、前記第１コア層と突合せ接合されている、
    ことを特徴とする請求項１４に記載の光集積素子。
  16. 前記パッシブ導波路領域の他の一部は、前記第１スポットサイズ変換領域を含み、かつ、前記上部クラッド層と前記第１コア層と前記下部クラッド層の一部とがメサ状に突出したハイメサ構造を有し、
    前記第１メサ構造と前記ハイメサ構造とが光学的に接続されている、
    ことを特徴とする請求項６に記載の光集積素子。
  17. 前記基板上に、導波する光の位相を変調する位相変調器として機能する変調器領域を備えている、
    ことを特徴とする請求項１６に記載の光集積素子。
  18. 前記変調器領域にて光を導波する変調器コア層は、前記第１コア層と突合せ接合されている、
    ことを特徴とする請求項１７に記載の光集積素子。
  19. 前記パッシブ導波路領域の他の一部は、前記第１スポットサイズ変換領域を含み、かつ、前記上部クラッド層と前記第１コア層と前記下部クラッド層の一部とがメサ状に突出したハイメサ構造を有し、
    前記第１メサ構造と前記ハイメサ構造とが光学的に接続されている、
    ことを特徴とする請求項８に記載の光集積素子。
  20. 前記基板上に、導波する光の位相を変調する位相変調器として機能する変調器領域を備えている、
    ことを特徴とする請求項１９に記載の光集積素子。
  21. 前記変調器領域にて光を導波する変調器コア層は、前記第１コア層と突合せ接合されている、
    ことを特徴とする請求項２０に記載の光集積素子。
  22. 請求項５に記載の光集積素子を備えることを特徴とする光送信機モジュール。
  23. 請求項６に記載の光集積素子を備えることを特徴とする光送信機モジュール。
  24. 請求項８に記載の光集積素子を備えることを特徴とする光送信機モジュール。
JP2018557991A 2016-12-19 2017-12-19 光集積素子および光送信機モジュール Active JP6961621B2 (ja)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2016245616 2016-12-19
JP2016245616 2016-12-19
PCT/JP2017/045459 WO2018117077A1 (ja) 2016-12-19 2017-12-19 光集積素子および光送信機モジュール

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPWO2018117077A1 true JPWO2018117077A1 (ja) 2019-10-24
JP6961621B2 JP6961621B2 (ja) 2021-11-05

Family

ID=62626410

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2018557991A Active JP6961621B2 (ja) 2016-12-19 2017-12-19 光集積素子および光送信機モジュール

Country Status (4)

Country Link
US (1) US11002909B2 (ja)
JP (1) JP6961621B2 (ja)
CN (1) CN110088995B (ja)
WO (1) WO2018117077A1 (ja)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2019156189A1 (ja) * 2018-02-08 2019-08-15 古河電気工業株式会社 光集積素子および光モジュール
US11435522B2 (en) * 2018-09-12 2022-09-06 Ii-Vi Delaware, Inc. Grating coupled laser for Si photonics
FR3095903B1 (fr) 2019-05-09 2022-12-09 Commissariat Energie Atomique Laser monomode hybride III-V sur silicium de fabrication simplifiée
CN115152107A (zh) * 2020-02-28 2022-10-04 三菱电机株式会社 半导体激光装置
WO2023228403A1 (ja) * 2022-05-27 2023-11-30 日本電信電話株式会社 光デバイス

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH05243679A (ja) * 1991-12-04 1993-09-21 Alcatel Alsthom Co General Electricite 広域出力モード型半導体光学部品及び該部品の製造方法
JPH07120795A (ja) * 1993-10-26 1995-05-12 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 半導体光マトリックススイッチ
JPH11223739A (ja) * 1997-11-28 1999-08-17 Sharp Corp 集積型光回路素子及びその製造方法
US6310995B1 (en) * 1998-11-25 2001-10-30 University Of Maryland Resonantly coupled waveguides using a taper
JP2002519842A (ja) * 1998-06-24 2002-07-02 ザ トラスティーズ オブ プリンストン ユニバーシテイ フォトニック集積回路用の双導波管べースの設計
KR20040009325A (ko) * 2002-07-23 2004-01-31 한국전자통신연구원 광 모드 크기 변환기가 집적된 봉우리형 집적화 반도체광소자
JP2016126216A (ja) * 2015-01-06 2016-07-11 古河電気工業株式会社 光集積素子およびその製造方法

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH06174982A (ja) * 1992-12-03 1994-06-24 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 光結合デバイス
JP2924811B2 (ja) * 1996-09-20 1999-07-26 日本電気株式会社 半導体光集積素子とその製造方法
US6480640B1 (en) * 1997-11-28 2002-11-12 Sharp Kabushiki Haisha Integrated optical circuit device and method for producing the same
US6600847B2 (en) * 2001-11-05 2003-07-29 Quantum Photonics, Inc Semiconductor optical device with improved efficiency and output beam characteristics
CN2689539Y (zh) * 2004-04-02 2005-03-30 华中科技大学 一种脊型波导偏振无关半导体光放大器
KR100737348B1 (ko) * 2004-12-14 2007-07-09 한국전자통신연구원 전계흡수형 광 변조기 및 그 제조방법
JP5170869B2 (ja) * 2007-11-05 2013-03-27 古河電気工業株式会社 光半導体素子及び光半導体素子の製造方法
JP4444368B1 (ja) * 2009-07-30 2010-03-31 古河電気工業株式会社 集積型半導体レーザ素子および半導体レーザモジュールならびに光伝送システム
JP6372112B2 (ja) * 2014-03-14 2018-08-15 住友電気工業株式会社 半導体光導波路素子を作製する方法

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH05243679A (ja) * 1991-12-04 1993-09-21 Alcatel Alsthom Co General Electricite 広域出力モード型半導体光学部品及び該部品の製造方法
JPH07120795A (ja) * 1993-10-26 1995-05-12 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 半導体光マトリックススイッチ
JPH11223739A (ja) * 1997-11-28 1999-08-17 Sharp Corp 集積型光回路素子及びその製造方法
JP2002519842A (ja) * 1998-06-24 2002-07-02 ザ トラスティーズ オブ プリンストン ユニバーシテイ フォトニック集積回路用の双導波管べースの設計
US6310995B1 (en) * 1998-11-25 2001-10-30 University Of Maryland Resonantly coupled waveguides using a taper
KR20040009325A (ko) * 2002-07-23 2004-01-31 한국전자통신연구원 광 모드 크기 변환기가 집적된 봉우리형 집적화 반도체광소자
JP2016126216A (ja) * 2015-01-06 2016-07-11 古河電気工業株式会社 光集積素子およびその製造方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN110088995B (zh) 2021-06-04
JP6961621B2 (ja) 2021-11-05
CN110088995A (zh) 2019-08-02
US20190302360A1 (en) 2019-10-03
WO2018117077A1 (ja) 2018-06-28
US11002909B2 (en) 2021-05-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2018117077A1 (ja) 光集積素子および光送信機モジュール
US8472494B2 (en) Semiconductor laser silicon waveguide substrate, and integrated device
JP6623073B2 (ja) 光導波路構造、光集積素子、および光導波路構造の製造方法
JP6490705B2 (ja) 半導体光集積素子およびその製造方法
JP5897414B2 (ja) 光デバイスの製造方法
US8380032B2 (en) Semiconductor optical amplifier module
US8401352B2 (en) Optical waveguide device, its manufacture method, laser module and optical transmission system
US8412008B2 (en) Semiconductor optical device
US10302861B2 (en) Semiconductor optical apparatus
JP2002139717A (ja) 光変調器およびその製造方法並びに光半導体装置
US20160025922A1 (en) Semiconductor optical device
US20130207140A1 (en) Semiconductor Optical Element Semiconductor Optical Module and Manufacturing Method Thereof
US11281029B2 (en) Optical integrated element and optical module
US20230009186A1 (en) Optical Device
JP2006091880A (ja) アクティブ構造体に接続する低寄生容量の突合せ接合型パッシブ導波路装置及び方法
US6453105B1 (en) Optoelectronic device with power monitoring tap
JP5655643B2 (ja) 半導体光集積回路装置及びその製造方法
US10725241B2 (en) Asymmetrical spot-size converter and method of manufacturing spot-size converter
WO2023238184A1 (ja) 光変調器
JP2014016452A (ja) 光分岐器及び光半導体集積回路装置
US20200326476A1 (en) Semiconductor integrated optical device, and method of fabricating semiconductor integrated optical device
JP2011018713A (ja) 半導体レーザ
JP2012038908A (ja) 半導体光素子及び光集積装置
JPH02118613A (ja) 半導体光ゲート素子
JP2017167359A (ja) リッジ導波路型光変調器

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20200924

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20210713

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20210909

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20210914

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20211013

R151 Written notification of patent or utility model registration

Ref document number: 6961621

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151