WO2004088802A1 - 光半導体素子および光半導体集積回路 - Google Patents

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Nobuhiro Nunoya
Yasuo Shibata
Naoki Fujiwara
Nobuhiro Kikuchi
Yuichi Tomori
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Nippon Telegraph And Telephone Corporation
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    • H01S5/22—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers having a ridge or stripe structure
    • H01S5/2205—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers having a ridge or stripe structure comprising special burying or current confinement layers
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    • H01S5/22—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers having a ridge or stripe structure
    • H01S5/227—Buried mesa structure ; Striped active layer

Definitions

  • the present invention relates to an optical semiconductor device such as a semiconductor laser, an optical waveguide, and other optical devices and an optical semiconductor integrated circuit, and particularly to a combination of materials having different refractive indexes and temperature dependence on a semiconductor substrate.
  • optical semiconductor device and optical semiconductor integrated circuit are described in detail below.
  • the oscillation wavelength of a semiconductor laser changes depending on the ambient temperature and the device temperature.
  • the temperature dependence of the oscillation wavelength of a distributed feedback (DFB) laser is about 0.1 nmZK because the refractive index (n) of a semiconductor has a temperature dependence,
  • the Bragg wavelength ( ⁇ ⁇ ) of the diffraction grating becomes
  • mA B 2 ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ (1)
  • m is the order of diffraction
  • ⁇ is the period of the diffraction grating
  • the accuracy of the signal light wavelength is important. Therefore, it is indispensable to stabilize the oscillation wavelength of the semiconductor laser that is the light emitting source. Therefore, for example, the oscillation wavelength of a semiconductor laser is stabilized by controlling the temperature of the semiconductor laser using a Peltier element.
  • WDM wavelength division multiplexing
  • the temperature dependence of the oscillation wavelength can be reduced without using temperature control by a Peltier element or the like.
  • the first method is, for example, as shown in H. Asahieta 1, J pn. J. Ap p 1. py s., Vol .. 35, pp. L 875-, 1996.
  • This is a method of reducing the temperature dependency by using only a semiconductor, by using a semiconductor material having a temperature dependency of the refractive index smaller than that of a conventional semiconductor material.
  • the second method is to reduce the temperature dependency by using a composite structure of a semiconductor and a material other than a semiconductor.
  • the method of controlling the temperature of a semiconductor laser using a Peltier device has a problem that the device structure and control are complicated and power consumption is increased.
  • a new semiconductor has been developed by using a semiconductor material with a small temperature dependence of the refractive index to reduce the temperature dependence by using only a semiconductor. It is very difficult to do this in terms of crystal growth and device formation.
  • the combination can be made as simple as possible, for example, by making optical axis adjustment unnecessary.
  • a simple manufacturing method such as spin-coating an organic material on a semiconductor substrate
  • a distributed reflector is formed by alternately connecting semiconductors and organic materials in cascade
  • it is excellent.
  • it is necessary to alternately arrange semiconductors and organic materials with a length of about 14 wavelengths, which poses major problems in processing difficulty and reliability. is there.
  • an optical waveguide having new characteristics that cannot be obtained with a semiconductor alone Is obtained.
  • the refractive index of a semiconductor increases with an increase in temperature, that is, it has a positive temperature dependence
  • the refractive index decreases with an increase in temperature, that is, a material having a negative temperature dependence.
  • the difference between the refractive indices of the two waveguides at the interface Reflection occurs.
  • the refractive index of the first optical waveguide is N
  • the refractive index of the second optical waveguide is N 2 and the plane wave is considered for simplicity
  • the reflectance R can be given by the following equation (3).
  • ⁇ ⁇ t an- 1 (/ ) ⁇ ⁇ ⁇ (5)
  • the Ru with Puriyusu evening corner 0 B the light at the interface between the waveguides Is refracted, and the waveguide direction becomes non-linear.
  • the pre-Uster angle of 0 B is used to reduce reflection between waveguides having different refractive indices, it becomes difficult to fabricate a buried semiconductor waveguide along a specific crystallographic direction. There was a problem that it was not possible to manufacture a reliable.
  • a semiconductor laser includes a gain region having wavelength selectivity, and a temperature dependence of an effective refractive index optically coupled to the gain region. Includes a propagation region having no wavelength selectivity different from that of the gain region, and a reflection region for reflecting light propagating through the propagation region.
  • a semiconductor laser according to another embodiment of the present invention includes a gain region having wavelength selectivity, and a material that is optically coupled to the gain region and has a temperature dependency of an effective refractive index different from that of the gain region. And a reflection region having no gain and wavelength selectivity, and a reflection region having no gain for reflecting light propagating through the propagation region.
  • a semiconductor laser according to another embodiment of the present invention has a structure in which a gain region having wavelength selectivity is optically coupled to the gain region, and the temperature dependence of an effective refractive index is different from that of the gain region. And a reflection region having no gain and wavelength selectivity, and a reflection region having no gain for reflecting light propagating through the propagation region.
  • a semiconductor laser includes a first gain region having wavelength selectivity, and optically coupled to the first gain region, wherein the effective refractive index has temperature dependency.
  • the semiconductor laser can be easily monolithically integrated, and the temperature dependence of the oscillation wavelength can be controlled by using a simple configuration and an easy processing method without using a new material. It becomes possible.
  • a semiconductor laser includes a semiconductor substrate, an active layer formed on the semiconductor substrate and having a distributed reflection structure, and a cladding layer formed on the active layer.
  • the propagation region without wavelength selectivity can be easily coupled to the gain region with wavelength selectivity.
  • a semiconductor laser includes: a semiconductor substrate; a distributed Bragg reflection layer laminated on the semiconductor substrate; and a laminated Bragg reflection layer laminated on the distribution Bragg reflection layer.
  • An active layer having a distributed reflection structure, a temperature compensation layer laminated on the active layer, and a temperature dependence of an effective refractive index different from that of the active layer, and a reflection laminated on the temperature compensation layer. And a layer.
  • a semiconductor laser includes a semiconductor substrate, an active layer formed on the semiconductor substrate and having a distributed reflection structure, and an active layer formed on the active layer.
  • the temperature compensation layer on the clad layer having the inclined surface, it is possible to easily couple the propagation region without wavelength selectivity to the gain region with wavelength selectivity, and a simple configuration. By using a simple processing method, it is possible to control the temperature dependence of the oscillation wavelength.
  • an integrated optical waveguide is a first optical waveguide, a second optical waveguide optically coupled to the first optical waveguide, and having a different refractive index from the first optical waveguide, A groove portion disposed at a predetermined distance from an interface between the first optical waveguide and the second optical waveguide so as to cross an optical path of the first optical waveguide; and a gap from the interface and a width of the groove portion. Is set such that reflection at a boundary between the first optical waveguide and the second optical waveguide is weakened.
  • the phase of the reflected wave at the boundary between the first optical waveguide and the second optical waveguide can be adjusted, and the first optical waveguide and the second optical waveguide can be adjusted.
  • the reflected waves at the boundaries of the optical waveguide can cancel each other. For this reason, even when the refractive indexes of the first optical waveguide and the second optical waveguide are different from each other, the reflection at the boundary between the first optical waveguide and the second optical waveguide can be reduced.
  • the loss at the boundary between the first optical waveguide and the second optical waveguide can be reduced without forming an antireflection film at the interface between the first optical waveguide and the second optical waveguide.
  • an integrated optical waveguide includes a first optical waveguide formed on a semiconductor substrate, and a second optical waveguide formed on the semiconductor substrate and having a different refractive index from the first optical waveguide.
  • a semiconductor which is disposed on a boundary between the first optical waveguide and the second optical waveguide, and is formed on the semiconductor substrate so as to be perpendicular to the waveguide direction via a groove from the first optical waveguide.
  • a width of the groove and a thickness of the semiconductor plate wherein light reflected at an interface between the first optical waveguide and the groove is light reflected at an interface between the groove and the semiconductor plate. And it is set so as to be weakened by light reflected at the interface between the semiconductor plate and the second optical waveguide.
  • the light reflected at the interface between the first optical waveguide and the groove can be weakened by the light reflected at the interface between the groove and the semiconductor plate and the light reflected at the interface between the semiconductor plate and the second optical waveguide. For this reason, even when the semiconductor optical waveguide and the non-semiconductor optical waveguide are integrated on the same semiconductor substrate, it is possible to reduce the reflection between these optical waveguides and maintain the flexibility of the waveguide design. However, it is possible to realize an optical waveguide having new characteristics that cannot be obtained by using only a semiconductor.
  • an integrated optical waveguide includes a first optical waveguide formed on a semiconductor substrate, and a second optical waveguide formed on the semiconductor substrate and having a different refractive index from the first optical waveguide.
  • a waveguide which is disposed on a boundary between the first optical waveguide and the second optical waveguide, and is formed on the semiconductor substrate so as to be perpendicular to the waveguide direction with a first groove portion separated from the first optical waveguide.
  • Light reflected at the interface with the first semiconductor plate, the first semiconductor plate and the second groove And the light reflected at the interface between the second groove and the second semiconductor plate and the light reflected at the interface between the second semiconductor plate and the second optical waveguide.
  • the light reflected at the interface between the first groove and the first semiconductor plate light reflected at the interface between the first semiconductor plate and the second groove, light reflected at the interface between the second groove and the second semiconductor plate, and the like.
  • the light reflected at the interface between the first optical waveguide and the first groove can be weakened by the light reflected at the interface between the second semiconductor plate and the second optical waveguide. For this reason, even when a semiconductor optical waveguide and a non-semiconductor optical waveguide are integrated on the same semiconductor substrate, it is possible to reduce the reflection between these optical waveguides, while maintaining the flexibility of the waveguide design. However, it is possible to realize an optical waveguide having new characteristics that cannot be obtained by using only a semiconductor.
  • a first optical waveguide region, and a boundary surface between the first optical waveguide region and the first optical waveguide region are arranged obliquely with respect to a waveguide direction of the first optical waveguide region.
  • a second optical waveguide region having a different refractive index from the first optical waveguide region, and the second optical waveguide region so that the refraction direction at the interface between the second optical waveguide region and the second optical waveguide region coincides with the waveguide direction.
  • the first optical waveguide having the first refractive index and the third optical waveguide, and the first optical waveguide and the third optical waveguide having the first refractive index are formed.
  • the first optical waveguide and the second optical waveguide region are connected to each other, and on the extension of the light refraction direction at the interface between the first optical waveguide and the second optical waveguide region, the second optical waveguide.
  • the second optical waveguide region and the third optical waveguide are connected such that a boundary surface between the optical waveguide region and the third optical waveguide is not perpendicular to the extension line, and the second optical waveguide region and the third optical waveguide are connected to each other.
  • the refraction direction of light at the boundary surface with the third optical waveguide is the same as the direction of the third optical waveguide.
  • the interface between the first optical waveguide and the second optical waveguide and the interface between the second optical waveguide and the third optical waveguide can be improved. This includes reducing reflection and suppressing loss due to refraction.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a semiconductor laser according to a first example of the present invention along an optical waveguide direction.
  • FIG. 2 is a diagram showing the phase characteristics of the reflected spectrum and the reflected wave of the semiconductor laser according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining the principle of compensating the temperature dependence of the oscillation wavelength of the semiconductor laser according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating the temperature coefficient difference of the refractive index and the temperature dependence of the oscillation wavelength of the semiconductor laser according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a sectional view showing the configuration of a semiconductor laser according to a second embodiment of the present invention along the optical waveguide direction.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view showing a configuration of a semiconductor laser according to a third example of the present invention along an optical waveguide direction.
  • FIG. 7 is a sectional view showing the configuration of a semiconductor laser according to a fourth embodiment of the present invention along the optical waveguide direction.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view showing a configuration of a semiconductor laser according to a fifth example of the present invention along an optical waveguide direction.
  • FIGS. 9A to 9E are cross-sectional views showing a method of configuring a semiconductor laser according to a sixth embodiment of the present invention by cutting along a direction perpendicular to the optical waveguide direction.
  • FIG. 10 shows a schematic configuration of a coupling portion of an integrated optical waveguide according to a seventh embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view taken along line XI, XII—XI, XII along the optical waveguide direction in FIG.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a coupling portion of an integrated optical waveguide according to an eighth embodiment of the present invention along the optical waveguide direction.
  • FIG. 13 is a sectional view showing a schematic configuration of an integrated optical waveguide according to a ninth embodiment of the present invention along a direction orthogonal to the optical waveguide direction.
  • FIG. 14 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of an integrated optical waveguide according to the tenth embodiment of the present invention along a direction orthogonal to the optical waveguide direction.
  • Figure 1 5 is a graph showing the relationship between the width d ⁇ the semiconductor plate B 6 1 thickness d 2 of the groove portion A 6 1 the reflectance at the coupling section of an integrated optical waveguide Figure 1 1.
  • FIG. 16 is a sectional view showing a schematic configuration of the integrated optical waveguide according to the tenth embodiment of the present invention.
  • FIG. 17 is a sectional view showing a schematic configuration of the integrated optical waveguide according to the eleventh embodiment of the present invention.
  • FIG. 18 is a perspective view showing a schematic configuration of a coupling portion of the integrated optical waveguide according to the 12th embodiment of the present invention.
  • FIG. 19 is a sectional view taken along the line XIX, XX—XX, XX along the optical waveguide direction in FIG.
  • FIG. 20 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a coupling portion of the integrated optical waveguide according to the thirteenth embodiment of the present invention along the optical waveguide direction.
  • Figure 2 1 shows the relationship between the area A 1 3 2, B 1 3 2, R 1 3 reflectance configured optical waveguide 2 and the semiconductor plate B 1 3 2 thickness d 4 of FIG 8 FIG.
  • 2 2 is a diagram showing the relationship between the groove A 1 3 width d 3 of the 2 and the reflection of the incident wave in FIG 8.
  • FIG. 23 is a cross-sectional view illustrating a schematic configuration of an integrated optical waveguide according to the fourteenth embodiment of the present invention.
  • FIG. 24 is a sectional view showing a schematic configuration of the integrated optical waveguide according to the fifteenth embodiment of the present invention.
  • FIG. 25 is a sectional view showing a schematic configuration of an integrated optical waveguide according to a sixteenth embodiment of the present invention.
  • FIG. 26 is a plan view showing a schematic configuration of the integrated optical waveguide according to the seventeenth embodiment of the present invention.
  • FIG. 27 is a cross-sectional view illustrating a schematic configuration of the first waveguide region 1221 in FIG.
  • FIG. 28 is a plan view showing a schematic configuration of the integrated optical waveguide according to the eighteenth embodiment of the present invention.
  • FIG. 29 is a cross-sectional view illustrating a schematic configuration of the second waveguide 144 of FIG.
  • FIG. 30 is a schematic diagram showing a relationship between an incident angle and a refraction angle when light is incident on a bonding surface of substances having different refractive indexes.
  • FIG. 31 is a diagram showing the relationship between the angle formed by the waveguide direction and the refractive index ratio when light guides substances having different refractive indexes.
  • FIG. 32 is a diagram showing a relationship between an incident angle and a reflectance of a component parallel to the incident surface when light is incident on a joining surface of materials having different refractive indexes.
  • FIG. 33 is a plan view showing a schematic configuration of the integrated optical waveguide according to the nineteenth embodiment of the present invention.
  • FIG. 34 is a plan view showing a schematic configuration of the integrated optical waveguide according to the 20th embodiment of the present invention.
  • FIG. 35 is a plan view showing a schematic configuration of the integrated optical waveguide according to the twenty-first embodiment of the present invention.
  • FIG. 36 is a perspective view showing a schematic configuration of the integrated optical waveguide according to the second embodiment of the present invention.
  • the temperature dependence of the oscillation wavelength of the semiconductor laser can be controlled by combining the semiconductor laser with a material having a different refractive index temperature dependence.
  • an application example in an integrated optical waveguide will be described with reference to some examples.
  • a semiconductor optical waveguide is integrated with an optical waveguide having a different refractive index and a different temperature dependency, it is possible to reduce the reflection at the interface between these optical waveguides.
  • integrating a semiconductor optical waveguide and an optical waveguide having a different refractive index it becomes possible to realize an optical waveguide having new characteristics that cannot be obtained by using only a semiconductor.
  • the interface between the semiconductor optical waveguide and the optical waveguide having a different refractive index is arranged obliquely to the waveguide direction, and the waveguide loss due to reflection and refraction between these optical waveguides is reduced. It becomes possible to reduce.
  • by integrating a semiconductor optical waveguide and an optical waveguide having a different refractive index it becomes possible to realize an optical waveguide having new characteristics that cannot be obtained by using only a semiconductor.
  • a semiconductor laser according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. According to the first embodiment, it is possible to provide a semiconductor laser capable of controlling the temperature dependence of the oscillation wavelength by combining materials having different refractive index temperature characteristics. Hereinafter, some specific examples according to the present embodiment will be described.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a semiconductor laser according to a first example of the present invention along an optical waveguide direction. Note that the first embodiment does not have gains having different refractive indexes between the first gain region R 1 having wavelength selectivity and the second gain region R 2 having wavelength selectivity. By providing the propagation region R3, the temperature dependence of the oscillation wavelength can be controlled.
  • a semiconductor substrate 101 there are a first gain region R1 having wavelength selectivity, a propagation region R3 having no gain with different refractive index, and a second gain having wavelength selectivity.
  • An area R2 is provided.
  • an active layer 102 formed on the semiconductor substrate 101 is provided in the gain region R1.
  • a first gain region electrode 105 is formed on the active layer 102 via the cladding layer 110.
  • an active layer 104 formed on the semiconductor substrate 101 is provided in the gain region R2.
  • the second A gain region electrode 106 is formed.
  • the semiconductor substrate 101 and the cladding layer 110 can be, for example, InP, and the active layers 102, 104 can be, for example, 0 & 111P having an emission wavelength of 1.55111.
  • the active layer 102 formed on the semiconductor substrate 101 has a first gain having wavelength selectivity
  • the active layer 104 has a second gain having wavelength selectivity.
  • Periodic perturbations of the complex refractive index, that is, diffraction gratings are formed in the active layers 102 and 104, respectively, and the active layers 102 and 104 have a distributed reflection structure.
  • a removal region 111 formed by removing a part of the active layers 102 and 104 and the cladding layer 110 on the semiconductor substrate 101 is provided. It is filled with a temperature compensating material 103 whose temperature dependence of the rate differs from that of the gain regions R 1 and Z or R 2.
  • the temperature compensating material 103 for example, an organic material having a temperature dependency of a refractive index opposite to that of a semiconductor can be used.
  • an organic material for example, BCB (Benz o cycl obu t ene).
  • waveguide loss can be reduced.
  • a groove having a desired width is formed between the gain regions R1 and R2 by using anisotropic etching such as reactive ion etching.
  • the groove can be filled with an organic material by a method such as spin coating.
  • a first gain region side anti-reflection film 108 and a second gain region side anti-reflection film 109 are formed on the end surfaces of both resonators, respectively.
  • a back surface electrode 107 is formed on the back surface of the semiconductor substrate 101. Have been.
  • the lengths of the first gain region R1, the second waveguide region R2, and the propagation region R3 are set so that oscillation does not occur only in the first gain region R1 or the second waveguide region R2. Can be set to
  • laser oscillation can be performed in the first gain region Rl, the second waveguide region R2, and the propagation region R3, and the first gain region R1 and the second waveguide region Variations in oscillation wavelength due to temperature changes in R2 can be compensated for by phase variations due to temperature changes in propagation region R3.
  • the length of the propagation region R3 having no gain is determined by the sum of the effective length of the diffraction grating provided in the active layers 102 and 104 and the length of the propagation region R3 having no gain. It is possible to set the longitudinal mode interval to be wider than the stop band width of the diffraction grating. As a result, only one longitudinal mode can exist within the stop bandwidth of the diffraction grating, and the gain of the other longitudinal modes can be suppressed. Can be increased.
  • the oscillation principle and the oscillation wavelength will be described in detail with reference to the present embodiment. Since the first gain region R 1 having wavelength selectivity and the second gain region R 2 having wavelength selectivity have both wavelength selectivity and optical gain, only light having a wavelength determined by the diffraction grating is provided. Can be reflected and amplified.
  • the wavelength band where the reflection is greatest can be determined by the stop band width around the Bragg wavelength of the diffraction grating.
  • the coupling coefficient K of the diffraction grating is set to 300 cm ⁇ 1 and the length is set to 50 nm, a stop band width of about 1 O nm can be obtained.
  • the length of the propagation region 103 having no gain can be set to, for example, about 10 m.
  • FIG. 2 is a diagram showing the phase characteristics of the reflected spectrum and the reflected wave of the semiconductor laser according to one embodiment of the present invention, and the diffraction gratings of the first gain region R 1 and the second gain region R 2 2 shows the phase lag between the reflected spectrum and the reflected wave.
  • the first gain region R 1 and the second gain region R 2 When the sum of the phase delay in the diffraction grating is 0 or an integer multiple of 2, that is, when considering only one of the first gain region R1 and the second gain region R2, when the phase delay is 0 or ⁇ The wavelength becomes a resonance mode.
  • the phase changes from the time when light exits the first gain region R1 to the time when the light enters the second gain region R2. Therefore, according to the phase change in the propagation region R3, the phase delay of the entire resonator including the first gain region R1, the second gain region R2, and the propagation region R3 is 0 or 27T.
  • the resonance mode changes between stopbands such that
  • the refractive index also increases as the ambient temperature increases. Therefore, the Bragg wavelength of the diffraction grating is expressed by the formula ( Move to the longer wavelength side according to 1). As a result, the reflection spectrum of FIG. 2 also shifts to the longer wavelength side as a whole.
  • the temperature compensating material 103 is, for example, a material having a temperature dependence of the refractive index opposite to that of a semiconductor
  • the refractive index of the temperature compensating material 103 decreases as the temperature increases, and the gain decreases.
  • the optical length of the propagation region R3, which is not provided, decreases. For this reason, the phase of the light passing through the propagation region R3 having no gain changes, and the oscillation wavelength moves from the long wavelength side to the center and then to the short wavelength side in the stop band as the temperature rises. .
  • a change in Bragg wavelength due to a temperature change in the first gain region R 1 and the second waveguide region R 2 can be compensated for by a phase change due to a temperature change in the propagation region R 3.
  • the temperature dependence of the oscillation wavelength of the semiconductor laser can be controlled.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating the principle of compensation for the temperature dependence of the oscillation wavelength of the semiconductor laser according to one embodiment of the present invention.
  • the Bragg wavelength ⁇ ⁇ of the diffraction grating shifts to the longer wavelength side, but the oscillation wavelength does not change even if the temperature changes.
  • the coupling coefficient of the diffraction grating was set to 300 cm— 1.
  • the method of using the temperature compensation material 103 having a temperature dependence of the refractive index opposite to that of the semiconductor in the propagation region R3 having neither wavelength selectivity nor gain has been described.
  • the material of the propagation region R3 it is possible to manufacture a semiconductor laser having an arbitrary temperature dependency.
  • the propagation region R3 having no gain does not need to have good crystallinity because it does not need to emit light. For this reason, organic materials and other materials other than semiconductors can be used, and the selectivity of materials can be expanded.
  • a propagation region having no gain may be formed by using a material having a temperature dependence of a refractive index larger than that of the semiconductor in the diffraction grating portion.
  • a laser can be formed and used as a temperature sensor or the like.
  • the temperature dependence of the oscillation wavelength is reduced by using a material that has a smaller refractive index than the semiconductor in the diffraction grating. can do.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating the temperature coefficient difference of the refractive index and the temperature dependence of the oscillation wavelength of the semiconductor laser according to one embodiment of the present invention.
  • the horizontal axis represents the difference between the refractive index temperature coefficient of the gain region having wavelength selectivity and the refractive index temperature coefficient of the propagation region having neither wavelength selectivity nor gain, and the length of the propagation region having neither wavelength selectivity nor gain.
  • the vertical axis shows the temperature dependence of the oscillation wavelength.
  • an example is shown in which only the semiconductor is used and the length of each region, the coupling coefficient of the diffraction grating, and the like are used as in FIG.
  • the temperature dependence of the oscillation wavelength is about 1 AZK. Therefore, when the oscillation wavelength is changed by about 10%, the difference between the temperature derivative of the effective refractive index in the gain regions Rl and R2 and the temperature derivative of the effective refractive index in the propagation region R3 is , the product of the length of the propagation region R 3, may be the point a (decrease) or a 'point (increase), its value is ⁇ 7. 5 X 1 0- 4 im / Kl.
  • the difference between the temperature differential coefficient of the effective refractive index of the gain regions Rl and R2 and the temperature differential coefficient of the effective refractive index of the propagation region R3 is obtained.
  • the product of the length of the propagation region R 3, ⁇ 1 4. 5 X 1 0- 4 inm / K] it can be seen that may be a degree.
  • the length of the propagation region R 3 is 10 m, respectively ⁇ 7. 5X 10 '4 [ 1 / K], the ⁇ 1. 45X 10- 4 [1 / K]. '"
  • the structure of the active layers 102 and 104 in FIG. 1 is not particularly limited, and the temperature dependence of the oscillation wavelength of the semiconductor laser can be obtained by applying the present invention to the active layers of all commonly used structures. Can be controlled. That is, the active layers 102 and 104 can be applied to any material such as InGaAsP, GaAs., A1GaAs, InGaAs, and GalNAs. Regardless of the structure of the active layer, regardless of whether it is a parc, MQW (multiple quantum well), quantum wire, or quantum dot, the pn buried, ridge, semi-insulating buried, high mesa, etc. Is also good.
  • the semiconductor substrate 101 is not limited to the n-type substrate, but may be a P-type substrate, a semi-insulating substrate, or the like.
  • the periodic perturbation is not formed directly on the active layers 102 and 104, the same effect can be expected if it is formed in a region where the electric field of light guided through the active layer has a non-zero finite value. it can.
  • it may be formed on the SCH layer of a separate confinement structure (SCH structure) used in a normal semiconductor laser, and a layer having a higher refractive index than the cladding layer may be formed in a region not in contact with the active layer.
  • the layers may be stacked and a periodic perturbation may be formed there.
  • the same effect can be expected even when the structure of the present invention is formed in the thickness direction of the substrate and the surface emitting laser type is used. Further, if the first gain region 1, the propagation region R3, and the second gain region R2 are arranged along the optical axis, the first gain region Rl, the propagation region The region R3 and the second gain region R2 may be provided, and the optical axis may be bent in the layer direction or the lateral direction in the middle of the waveguide.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing a configuration of a semiconductor laser according to a second example of the present invention along an optical waveguide direction.
  • the gain region R1 having wavelength selectivity is used.
  • the temperature dependence of the oscillation wavelength is controlled by providing a propagation region R13 having no gain with different refractive index temperature dependence between 1 and the reflection region R12 having no gain. It was done.
  • -In Fig. 5 on the semiconductor substrate 201, there is a gain region R11 with wavelength selectivity, a propagation region R13 with no gain with different temperature dependence of refractive index, and wavelength selectivity.
  • a reflection region R12 having no gain is provided.
  • an active layer 202 formed on the semiconductor substrate 201 and having a gain having wavelength selectivity is provided in the gain region R 11. Then, a periodic perturbation of the complex refractive index, that is, a diffraction grating is formed in the active layer 202, and the active layer 202 has a distributed reflection structure.
  • An electrode 205 is formed on the active layer 202 with a clad layer 210 interposed therebetween.
  • a semiconductor layer 204 having wavelength selectivity and having no gain, which is formed on the semiconductor substrate 201 is provided.
  • a periodic perturbation of the complex refractive index that is, a diffraction grating is formed in the semiconductor layer 204, and the semiconductor layer 204 has a distributed reflection structure.
  • a cladding layer 210 is formed on the semiconductor layer 204.
  • the semiconductor substrate 201 and the cladding layer 210 may be, for example, InP
  • the active layer 202 may be, for example, GaInAsP having an emission wavelength of 1.55 mm.
  • As the layer 204 for example, GaInAsP having an emission wavelength of 1.2 m can be used.
  • the semiconductor layer 204 can be formed by growing a material having a composition different from that of the active layer 202 by selective growth or the like, and then forming a diffraction grating having a periodic structure.
  • a removed region 2 11 1 formed by removing a part of the active layer 202, the semiconductor layer 204 and the cladding layer 210 on the semiconductor substrate 201 is formed.
  • the removal region 2 11 is filled with a temperature compensating material 203 whose refractive index has a temperature dependency different from that of the gain region R 11 and the reflection region R 12.
  • the temperature compensating material 203 for example, an organic material having a temperature dependence of a refractive index opposite to that of a semiconductor can be used.
  • an organic material for example, BCB can be used.
  • waveguide loss can be reduced.
  • a desired region between the gain regions R11 and R12 is formed by using anisotropic etching such as reactive ion etching.
  • a groove having a width can be formed, and the groove can be filled with an organic material by a method such as spin coating.
  • a gain region side antireflection film 208 and a reflection region side antireflection film 209 are formed on both end surfaces of the resonator, and a back surface electrode 207 is formed on the back surface of the semiconductor substrate 201.
  • the length of the gain region R 11 can be set so that the reflection loss is not large and oscillation does not occur only in the gain region R 11.
  • the light emitted or reflected in the wavelength-selective gain region R 11 passes through the gain-free propagation region R 13 and the wavelength-selective reflection region R 12 without gain.
  • the laser oscillation can be caused while causing feedback by returning to the gain area R11 having wavelength selectivity by passing through the reflected propagation area R13 having no gain again.
  • the gain region R 11, the reflection region R 12, and the propagation region R 13 can be related to the laser oscillation, and the oscillation caused by the temperature change in the gain region R 11 and the reflection region R 12
  • the wavelength variation can be compensated for by the phase variation due to the temperature change in the propagation region R13.
  • the length of the propagation region R 13 having no gain is determined by the effective length of the diffraction grating provided in each of the active layer 202 and the semiconductor layer 204 and the length of the propagation region R 13 having no gain. Can be set so that the vertical mode interval determined by the sum of is larger than the stop band width of the diffraction grating. As a result, only one longitudinal mode can be present within the stop band width of the diffraction grating, and the gain of the other longitudinal modes can be suppressed, and the stability of single mode operation can be improved. Can be enhanced.
  • a propagation region having no gain may be configured by using a material having a temperature dependence of a refractive index larger than that of the semiconductor in the diffraction grating portion.
  • a laser can be formed and used as a temperature sensor or the like.
  • the temperature dependence of the oscillation wavelength can be reduced by using a material having a smaller refractive index than the semiconductor in the diffraction grating portion. It can be reduced.
  • the structure of the active layer 202 in FIG. 5 is not particularly limited, and the temperature dependence of the oscillation wavelength of the semiconductor laser can be reduced by applying the present invention to active layers of all commonly used structures. It becomes possible to control. That is, the active layer 202 can be applied to any material such as InGaAsP, GaAs, A1 GaAs, InGaAs, and GaInNAs, and the structure of the active layer 202 can be any of Norck, MQW ( Regardless of the quantum well, the quantum wire, or the quantum dot, and the waveguide structure in the active layer region, a pn buried structure, a ridge structure, a semi-insulated buried structure, a high mesa structure, or the like may be used.
  • the semiconductor substrate 201 is not limited to the n-type substrate, but may be a p-type substrate, a semi-insulating type substrate, or the like.
  • the periodic perturbation is not formed directly on the active layer 202, a similar effect can be expected if the electric field of the light guided through the active layer is formed in a region having a non-zero finite value.
  • it may be formed on the SCH layer having a separate confinement structure (SCH structure) used in ordinary semiconductor lasers, and a layer having a higher refractive index than the cladding layer in a region not in contact with the active layer. And periodic perturbations may be formed there.
  • SCH structure separate confinement structure
  • the propagation loss is reduced by forming a waveguide structure having an optical confinement structure in at least one of the upper, lower, right and left sides of the propagation region having no gain. It is possible to improve the characteristics of the semiconductor laser.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view showing a configuration of a semiconductor laser according to a third example of the present invention along an optical waveguide direction.
  • the temperature dependence of the oscillation wavelength is determined by coupling the gain region R 21 having wavelength selectivity to the propagation region R 22 having no gain with different temperature dependence of the refractive index. It controls the sex.
  • a gain region R 21 having wavelength selectivity and a propagation region R 22 having no gain with different temperature dependence of refractive index are provided on a semiconductor substrate 301.
  • an active layer 302 formed on the semiconductor substrate 301 and having a gain having wavelength selectivity is provided in the gain region R 21, an active layer 302 formed on the semiconductor substrate 301 and having a gain having wavelength selectivity.
  • a periodic perturbation of the complex refractive index, that is, a diffraction grating is formed in the active layer 302, and the active layer 302 has a distributed reflection structure.
  • an electrode 305 is formed via a cladding layer 310.
  • the semiconductor substrate 301 and the cladding layer 310 are made of, for example, InP, and the active layer 302 is made of, for example, GaInAsP having an emission wavelength of 1.55 m. Can be.
  • a removal region 3 12 formed by removing a part of the active layer 302 and the cladding layer 310 on the semiconductor substrate 301 is provided.
  • the removal region 3 12 is filled with a temperature compensating material 303 in which the temperature dependence of the refractive index is different from that of the gain region R 21.
  • the temperature compensating material 303 for example, an organic material having a temperature dependence of a refractive index opposite to that of a semiconductor can be used.
  • an organic material for example, BCB can be used.
  • waveguide loss can be reduced.
  • an end portion of the gain region R21 is formed using anisotropic etching such as reactive ion etching.
  • a groove having a desired width is formed in the groove, and the groove can be filled with an organic material by a method such as spin coating.
  • an antireflection film 308 is formed on the cleavage plane of the semiconductor substrate 301 on which the active layer 302 is formed.
  • a high-reflection film 311 is formed on the end face of the resonator on the side of the propagation region R22.
  • a back electrode 307 is formed on the back surface of the semiconductor substrate 301.
  • the length of the gain region R 21 can be set so that only the gain region R 21 causes a large return loss and does not oscillate.
  • the gain region R 21 and the propagation region R 22 can be related to the laser oscillation, and the fluctuation of the oscillation wavelength due to the temperature change in the gain region R 21 can be reduced. It is possible to compensate for the phase change caused by the temperature change.
  • the length of the propagation region R 22 having no gain is determined by the sum of the effective length of the diffraction grating provided in the active layer 202 and the length of the propagation region R 22 having no gain.
  • the longitudinal mode interval can be set to be wider than the stop band width of the diffraction grating. As a result, only one longitudinal mode can exist within the stop bandwidth of the J1I folded grating, and the gain of the other longitudinal modes can be suppressed, thereby improving the stability of single-mode operation. Can be.
  • a method has been described in which a temperature compensating material 303 having a temperature dependence of a refractive index, which is opposite to that of a semiconductor, is used for the propagation region R 22 having neither wavelength selectivity nor gain.
  • a temperature compensating material 303 having a temperature dependence of a refractive index, which is opposite to that of a semiconductor, is used for the propagation region R 22 having neither wavelength selectivity nor gain.
  • the material of the propagation region R22 it is possible to fabricate a semiconductor laser having an arbitrary temperature dependency.
  • a propagation region having no gain may be configured by using a material having a temperature dependence of a refractive index larger than that of the semiconductor in the diffraction grating portion.
  • a laser can be formed and used as a temperature sensor or the like.
  • the temperature dependence of the oscillation wavelength can be reduced by using a material having a smaller refractive index than the semiconductor in the diffraction grating portion. It can be reduced.
  • the structure of the active layer 302 in FIG. 6 is not particularly limited, and the present invention is applied to the active layers of all the structures that are generally used, so that the temperature dependence of the oscillation wavelength of the semiconductor laser can be improved. It is possible to control the performance. That is, for the active layer 302, any material such as InGasP, GaAs, AlGaAs, InGaAs, GaInNAs can be applied.
  • the structure of the active layer 302 is not limited to bulk, MQW (multiple quantum well), quantum wires, and quantum dots. A structure, a semi-insulating buried structure, a high-mesa structure, or the like may be used.
  • the semiconductor substrate 301 is not limited to the n-type substrate, but may be a p-type substrate, a semi-insulating substrate, or the like.
  • the periodic perturbation is not formed directly on the active layer 302, the same effect can be expected if the periodic electric perturbation is formed in a region where the electric field of light guided through the active layer has a non-zero finite value. I can wait.
  • it may be formed on a SCH layer having a separate confinement structure (SCH structure) used in a normal semiconductor laser, and a layer having a higher refractive index than the cladding layer is formed in a region not in contact with the active layer. Laminate and form a periodic perturbation there.
  • SCH structure separate confinement structure
  • the propagation loss can be reduced, and the characteristics of the semiconductor laser can be improved. It becomes possible.
  • the structure of the present invention may be formed in the thickness direction of the substrate to form a surface emitting laser type structure. Similar effects can be expected. Furthermore, if the gain region R 21 and the propagation region R 22 are arranged along the optical axis, the gain region R 21 and the propagation region R 22 are arranged via a reflector made by etching or the like. Alternatively, the optical axis may be bent in the layer direction or the lateral direction in the middle of the waveguide.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view showing a configuration of a semiconductor laser according to a fourth example of the present invention along an optical waveguide direction.
  • the temperature dependence of the oscillation wavelength is controlled by laminating a propagation region R32 having no gain on a surface-emitting type laser.
  • a gain region R 31 having wavelength selectivity is laminated on a semiconductor substrate 401. Further, on the gain region R 31, a propagation region R 32 having a different refractive index with respect to the temperature is laminated, and the propagation region R 32 has a temperature dependence of the refractive index with the gain region R. A temperature compensation material 404 different from 31 is provided.
  • the distributed Bragg reflection layer 402 and the active region 40 0 laminated on the semiconductor substrate 401 and having wavelength selectivity are laminated. Three are provided.
  • the distributed Bragg reflection layer 402 has a structure in which semiconductor layers 409 a and 409 b having different compositions are alternately stacked, and the active region 403 is an active layer 408 a And a structure in which the cladding layers 408 b are alternately stacked.
  • an electrode 405 provided with an opening 406 for emitting light is formed on the active region 403, an electrode 405 provided with an opening 406 for emitting light is formed. Note that the entire gain region R31 does not have to have a gain, as long as the gain is obtained as a whole in the gain region R31.
  • semiconductor substrate 401 for example, InP
  • active layer 408a and the cladding layer 408b for example, GaInAs / InA1As
  • semiconductor As the layers 409a and 409b for example, InA1GaAsInA1As can be used. '
  • the temperature compensating material 404 for example, an organic material having a temperature dependence of a refractive index opposite to that of a semiconductor can be used.
  • an organic material for example, BCB can be used.
  • waveguide loss can be reduced.
  • the transmission region R32 having no gain is formed by applying or depositing an organic material or the like on the gain region R31. Can be formed.
  • a high-reflection film 4111 is formed on the temperature compensating material 404, and a back electrode 407 is formed on the back surface of the semiconductor substrate 401.
  • the number of each of the active layer 408a and the cladding layer 408b of the active region 403 can be set so that the reflection loss by itself alone does not cause a large oscillation.
  • the light emitted or reflected in the gain region R 31 having wavelength selectivity passes through the propagation region R 32 having no gain, is reflected by the high reflection film 4 11 1, and is propagated in the gain region R 31 having no gain.
  • the gain region R31 and the propagation region R32 can be related to the laser oscillation, and the fluctuation of the oscillation wavelength due to the temperature change in the gain region R31 can be reduced by the propagation region R32. It is possible to compensate for the phase change due to the temperature change in the above.
  • the thickness of the propagation region R32 without gain is determined by the longitudinal mode interval determined by the sum of the effective length of the diffraction grating in the gain region R31 and the length of the propagation region R32 without gain.
  • the method of using the temperature compensation material 404 having a temperature dependence of the refractive index opposite to that of the semiconductor in the propagation region R32 having neither wavelength selectivity nor gain has been described.
  • the material of the propagation region R32 it is possible to fabricate a semiconductor laser having an arbitrary temperature dependency.
  • a propagation region having no gain may be formed by using a material having a temperature dependence of the refractive index, whereby a semiconductor laser having a large temperature dependence can be formed. Can be used.
  • the temperature dependence of the oscillation wavelength can be reduced by using a material having a smaller refractive index than the semiconductor in the diffraction grating portion. It can be reduced.
  • the structure of the active region 403 in FIG. 7 is not particularly limited, and the present invention is applied to the active region 403 of all the structures that are generally used. It is possible to control the temperature dependence of the wavelength. That is, regarding the active region 403, it is possible to apply to any material such as InGaAsP, GaAs, ALGaAs, InGaAs, GalnNAs, Regarding the structure of the active region 403, as long as it can be periodically laminated to form a diffraction grating, regardless of the bulk, MQW (multiple quantum well), quantum wires, and quantum dots, the active region waveguide As for the structure, a pn buried structure, a semi-insulating buried structure, an oxide confined structure, or the like may be used.
  • the semiconductor substrate 401 is not limited to the n-type substrate, but may be a p-type substrate, a semi-insulating substrate, or the like. Furthermore, by making the propagation region having no gain a waveguide structure having an optical confinement structure, the propagation loss can be reduced and the characteristics of the semiconductor laser can be improved.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view showing a configuration of a semiconductor laser according to a fifth example of the present invention along an optical waveguide direction.
  • a gain region R 41 having wavelength selectivity and a propagation region R 42 having no gain with different temperature dependence of refractive index are coupled via an optical path conversion structure.
  • the temperature dependence of the oscillation wavelength is controlled.
  • a gain region R 41 having wavelength selectivity, a reflecting mirror 51 2 and a propagation region R 42 having no gain are provided on a semiconductor substrate 501, and a gain region R 41 and a gain region R 41 are provided.
  • the propagation region R 4 2 is optically coupled via a reflector 5 12.
  • an active layer 502 formed on the semiconductor substrate 501 and having a gain having wavelength selectivity is provided in the gain region R41.
  • the active layer 502 has a complex refractive index A periodic perturbation, ie, a diffraction grating is formed, and the active layer 502 has a distributed reflection structure.
  • an electrode 505 is formed on the active layer 502 via a cladding layer 510.
  • the semiconductor substrate 501 and the cladding layer 501 are made of, for example, InP, and the active layer 502 is made of, for example, GaInAsP having an emission wavelength of 1.55 m. Can be.
  • a reflecting mirror 5122 is provided so as to be disposed at one end of the gain region R41.
  • the reflecting mirror 512 etches the cladding layer 510 at the end of the gain region R41, and forms an inclined surface 90 ° in the vertical direction on the cladding layer 510. By doing so, it can be manufactured.
  • a temperature compensating material 503 in which the temperature dependence of the refractive index differs from that of the gain region R41 is provided in the propagation region R42, and the temperature compensating material 503 faces the reflecting mirror 512.
  • the propagation region R 42 having no gain includes an optical path from the light emitted from the gain region R 41 until the light is reflected by the reflecting mirror 5 12 and reaches the temperature compensating material 5 03. 503.
  • the temperature compensation material 503 for example, an organic material having a temperature dependence of a refractive index opposite to that of a semiconductor can be used, and such an organic material can be, for example, BCB. .
  • an organic material can be, for example, BCB.
  • waveguide loss can be reduced.
  • the propagation region R42 having no gain is formed on the cladding layer 5100, it can be manufactured by applying or depositing an organic material by a method such as spin coating.
  • An anti-reflection film 508 is formed on the cleavage plane.
  • a back electrode 507 is formed on the back surface of the semiconductor substrate 501.
  • the length of the gain region R41 can be set so that only the gain region R41 has a large return loss and does not oscillate.
  • the gain region R 41 and the propagation region R 42 can be related to the laser oscillation, and the fluctuation of the oscillation wavelength due to the temperature change in the gain region R 41 can be reduced by the propagation region R 42 It is possible to compensate for the phase change due to the temperature change in the above.
  • the length of the propagation region R 42 having no gain is determined by the sum of the effective length of the diffraction grating provided in the active layer 502 and the length of the propagation region R 42 having no gain.
  • the longitudinal mode interval can be set to be wider than the stop band width of the diffraction grating. As a result, only one longitudinal mode can be present within the stop bandwidth of the diffraction grating, and the gain of the other longitudinal modes can be suppressed, thereby improving the stability of single mode operation. it can.
  • the reflecting mirror is used as the optical path conversion structure.
  • the reflecting mirror is formed so as to convert the horizontal and vertical optical axes.
  • the optical axis may be changed by reflecting in the same horizontal plane. There is no need to be one.
  • a method of using a temperature compensation material 503 having a temperature dependence of a refractive index opposite to that of a semiconductor in the propagation region R 42 having neither wavelength selectivity nor gain has been described. By changing the material, it is possible to fabricate a semiconductor laser with any temperature dependence.
  • the propagation region R42 having no gain does not need to have good crystallinity because it does not need to emit light. For this reason, organic materials and other materials other than semiconductors can be used, and the selectivity of materials can be expanded. Also, for example, the temperature of the refractive index is larger than that of the semiconductor in the diffraction grating portion.
  • a propagation region having no gain may be formed by using a material having temperature dependence, whereby a semiconductor laser having a large temperature dependence can be formed and used as a temperature sensor or the like. it can.
  • the temperature dependence of the oscillation wavelength is reduced by using a material that has a smaller refractive index than the semiconductor in the diffraction grating. can do.
  • the structure of the active layer 502 in FIG. 8 is not particularly limited, and the temperature dependence of the oscillation wavelength of the semiconductor laser can be reduced by applying the present invention to the active layers of all the commonly used structures. It becomes possible to control. That is, the active layer 502 can be applied to any material such as InGaAsP, GaAs, AlGaAs, InGaAs, and GaInNAs, and the structure of the active layer 502 can be bulk, MQW (multiple Regardless of the quantum well), the quantum wire, and the quantum dot, and the waveguide structure in the active layer region, a pn buried structure, a ridge structure, a semi-insulated buried structure, a high mesa structure, or the like may be used.
  • the semiconductor substrate 501 is not limited to the n-type substrate, but may be a p-type substrate, a semi-insulating type substrate, or the like.
  • the periodic perturbation is not formed directly on the active layer 502, a similar effect can be expected if the electric field of the light guided through the active layer is formed in a region having a non-zero finite value.
  • it may be formed on the SCH layer having a separate confinement structure (SCH structure) used in ordinary semiconductor lasers, and a layer having a higher refractive index than the cladding layer in a region not in contact with the active layer. And periodic perturbations may be formed there.
  • SCH structure separate confinement structure
  • FIG. 9 is a cross-sectional view showing a configuration of a semiconductor laser according to a sixth embodiment of the present invention, cut in a direction perpendicular to the optical waveguide direction.
  • the temperature dependence of the oscillation wavelength is controlled by providing a gain region having a structure different from that of the light propagation region.
  • a sofa layer 602 on a semiconductor substrate 601, a sofa layer 602, an optical confinement layer 603, a core layer 604, an optical confinement layer 605, and a cap layer 606 are sequentially laminated. Each of these layers is buried with a buried layer 607.
  • a semiconductor layer 6 11, a semiconductor layer 6 12, an optical confinement layer 6 13, a core layer 6 14, an optical confinement layer 6 15 and a cap layer 6 16 are formed on the semiconductor substrate 6 11. These layers are sequentially stacked, and each of these layers is buried with a buried layer 6 17.
  • a buffer layer 622, an optical confinement layer 623, a core layer 624, an optical confinement layer 625, and a cap layer 626 are sequentially formed on the semiconductor substrate 621. Next, these layers are buried with a buried layer 627.
  • a buffer layer 632, an optical confinement layer 633, a core layer 634, and a cap layer 6336 are sequentially laminated on the semiconductor substrate 631, and these layers are It is buried with a buried layer 6 3 7.
  • a buffer layer 642, a light confinement layer 643, a core layer 644, a light confinement layer 645, and a cap layer 6464 are formed on the semiconductor substrate 641. These layers are sequentially stacked, and each of these layers is embedded with an organic material 647 such as BCB.
  • the core layer 6 14 in FIG. 9B is thinner than the core layer 604 in FIG. 9A. For this reason, it is possible to change the vertical light field distributions F 2 and F 12 without changing the horizontal light field distributions F 1 and F 11, and it is possible to change the effective refractive index and its effective refractive index. The contribution of each layer to the temperature dependence can be different. As a result, the effective refractive index and its temperature dependency can be changed between the configuration of FIG. 9A and the configuration of FIG. 9B, and the configuration of FIG. 9A and the configuration of FIG. 9B are combined. This makes it possible to control the temperature dependence of the oscillation wavelength of the semiconductor laser.
  • the width of the core layer 62 4 and the optical confinement layers 6 23 and 6 25 in FIG. 9C is narrower than that of the core layer 61 4 and the optical confinement layers 6 13 and 6 15 in FIG. 9B. ing. For this reason, it is possible to change the horizontal light field distributions F11 and F21 without changing the vertical light field distributions F12 and F22. The contribution of each layer to its temperature dependence can be different. As a result, the effective refractive index and its temperature dependence are different between the configuration in Fig. 9B and the configuration in Fig. 9C. It is possible to control the temperature dependence of the oscillation wavelength of the semiconductor laser by combining the configuration of FIG. 9B and the configuration of FIG. 9C. Further, in the configuration of FIG.
  • the optical confinement layer 635 on the core layer 633 is omitted as compared with the configuration of FIG. 9B. For this reason, it is possible to change the vertical light field distributions F12 and F32 without changing the horizontal light field distributions F11 and F31, and to reduce the effective refractive index and its temperature dependence. The contribution of each layer can be made different. As a result, the effective refractive index and its temperature dependence can be changed between the configuration of FIG. 9B and the configuration of FIG. 9D, and the configuration of FIG. 9B and the configuration of FIG. 9D can be combined. Accordingly, it is possible to control the temperature dependence of the oscillation wavelength of the semiconductor laser.
  • an organic material 647 is used instead of providing the buried layer 627 of FIG. 9C.
  • the effective refractive index and its temperature dependency can be changed between the configuration of FIG. 9C and the configuration of FIG. 9E, and the configuration of FIG. 9C and the configuration of FIG. 9E can be combined. This makes it possible to control the temperature dependence of the oscillation wavelength of the semiconductor laser.
  • the core layers 604, 614, 624, 634, 644 for example, Ga InAsP having an emission wavelength of 1.3 m
  • the optical confinement layers 603, 613, 623, 633, 643, 605 , 615, 625, and 645 for example, GaInAsP having an emission wavelength of 1.1 m can be used, respectively.
  • the oscillation wavelength of the semiconductor laser is determined by using a material whose refractive index has a temperature dependence different from that of the gain region and having a relatively simple configuration and easy processing. Can be controlled to a desired value.
  • a material that has a temperature dependence of the refractive index opposite to that of a semiconductor as a material of the propagation region having no gain, it is possible to eliminate the temperature dependence of the oscillation wavelength, An independent semiconductor laser can be realized.
  • an integrated optical waveguide according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
  • an integrated structure of a semiconductor optical waveguide and an optical waveguide made of a material having a different refractive index from the semiconductor optical waveguide, and an optical semiconductor element and an optical semiconductor integrated circuit using the same are provided. can do.
  • some specific examples according to the present embodiment will be described.
  • FIG. 10 is a perspective view showing a schematic configuration of a coupling portion of an integrated optical waveguide according to a seventh embodiment of the present invention.
  • the provision of a pair of the groove A61 and the semiconductor plate B61 reduces the reflection at the boundary between the optical waveguide region R61 and the optical waveguide region R62. It was made.
  • an optical waveguide region R 61, a groove A 61, a semiconductor plate B 61, and an optical waveguide region R 62 are sequentially formed on a semiconductor substrate 70 1 along the optical waveguide direction.
  • the refractive indices of the optical waveguide region R61 and the optical waveguide region R62 can be set to be different from each other.
  • the optical waveguide region R61 can be made of a semiconductor material.
  • the optical waveguide region R62 can be made of a material other than the semiconductor.
  • the groove portion A61 can be filled with a material other than a semiconductor, for example, the same material as the material of the optical waveguide region R62.
  • the semiconductor plate B61 can be configured to have the same structure as the optical waveguide region R61.
  • the groove A 61 and the semiconductor plate B 61 are arranged so as to cross the optical waveguide direction, and preferably, the groove A 61 and the semiconductor plate B 61 are arranged perpendicular to the optical waveguide direction. can do.
  • the width of the groove A 61 and the thickness of the semiconductor plate B 61 are determined by the light reflected at the interface between the optical waveguide region R 61 and the groove A 61 and the light reflected at the interface between the groove A 61 and the semiconductor plate B 61. In addition, it can be set so as to be weakened by light reflected at the interface between the semiconductor plate B 61 and the optical waveguide region R 62.
  • the groove portion A61 and the semiconductor plate B61 can be formed on the semiconductor substrate 701. Therefore, reflection at the boundary between the optical waveguide region R61 and the optical waveguide region R62 can be reduced without forming an anti-reflection film at the interface between the optical waveguide region R61 and the optical waveguide region R62. It is possible to easily cope with integration of devices.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view taken along line XI-XI along the optical waveguide direction in FIG.
  • core layers 702a and 702b are stacked on a semiconductor substrate 701
  • upper cladding layers 703a and 703b are stacked on the core layers 702a and 702b, respectively.
  • the semiconductor substrate 70 and the upper cladding layers 703a and 703b may be made of InP, for example, and the core layers 702a and 702b may be made of GaInAsP having an emission wavelength of 1.3 m. it can.
  • MBE metal cub beam ep it axy
  • M ⁇ CVD metal gan icch em ica 1 vape rdepiosition
  • AL C VD a Epitaxy growth such as tomi cl aye r chemi calvaper de piositi on
  • the semiconductor substrate 701 on which the core layers 702a and 702b and the upper cladding layers 703a and 703b are sequentially laminated is etched; a groove 704 having a width arranged perpendicular to the optical waveguide direction. a is formed, and a step 704 b arranged at a predetermined distance d 2 from the groove 704 a is formed on the semiconductor substrate 701.
  • the phase of the reflected wave at the boundary between the optical waveguide region R61 and the optical waveguide region R62 can be adjusted, and the reflected waves at the boundary between the optical waveguide region R61 and the optical waveguide region R62 cancel each other. be able to.
  • the optical waveguide can be integrated on the 701, and an optical waveguide having new characteristics that cannot be obtained with a semiconductor alone can be realized.
  • a material having a refractive index different from that of a semiconductor can be used, and for example, BCB (Benzocyc1obuene) can be mentioned.
  • the equivalent refractive index of the optical waveguide region R 61 and the semiconductor plate B 61 can be set to 3.12, and the equivalent refractive index of the optical waveguide region R 62 and the groove portion A 61 can be set to 1.54.
  • Refractive index is a refractive index defined for light propagating in an optical waveguide, and therefore, when dealing with light propagating in an optical waveguide, the existing refractive index may be replaced with an equivalent refractive index.
  • the waveguide loss in the groove A 61 and the optical waveguide region R 62 is negligibly small when the propagation distance is short, but when the propagation distance in the groove A 61 and the optical waveguide region R 62 is long, The waveguide loss cannot be ignored. For this reason, the sectional structure of FIG. 11 taken along the line XII-XII in FIG. 10 may be replaced with the sectional structure of FIG.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a coupling portion of an integrated optical waveguide according to an eighth embodiment of the present invention along the optical waveguide direction.
  • a core layer is provided in the groove A61 and the optical waveguide region R62 in FIG.
  • an optical waveguide region R 71, a groove A 71, a semiconductor plate B 71, and an optical waveguide region R 72 are sequentially formed on a semiconductor substrate 81 along the optical waveguide direction. That is, on the semiconductor substrate 801, the core layers 802a, 802b are laminated, and on the core layers 802a, 802b, the upper cladding layers 803a, 8b are formed. 0 3 b are stacked.
  • the semiconductor substrate 801 and the upper cladding layers 803 a, 803 b are, for example, In P, and the core layers 802, 802 b are, for example, an emission wavelength of 1.3.
  • m G a In As P can be used.
  • the semiconductor substrate 801 is etched in the optical waveguide direction.
  • a vertically arranged groove 804a is formed, and a step 804b arranged at a predetermined interval from the groove 804a is formed on the semiconductor substrate 801.
  • the core layer 806 a sandwiched between the cladding layers 805 a and 807 a is buried in the groove 804 a and the core layer sandwiched between the cladding layers 805 b and 807 b
  • By embedding 806b in the step 804b it is possible to form the groove A71 arranged at the interface with the optical waveguide region R71, and to form the semiconductor plate from the groove A71.
  • An optical waveguide region R 72 disposed with the B 71 therebetween can be formed.
  • the material of the core layers 806a and 806b for example, BCB can be used, and the cladding layers 805a, 807a, 805b, and 807b can be used.
  • a material for example, polyimide having a refractive index higher than that of the core layers 806a and 806b can be used.
  • FIG. 13 is a sectional view showing a schematic configuration of an integrated optical waveguide according to a ninth embodiment of the present invention along a direction orthogonal to the optical waveguide direction.
  • a core layer 902 and an upper cladding layer 903 are sequentially laminated on a semiconductor substrate 901. Then, upper portions of the upper cladding layer 903, the core layer 902, and the semiconductor substrate 901 are etched into stripes along the optical waveguide direction, and the upper cladding layer 903, the core layer 9 Buried layers 904a and 904b are formed on both sides of the upper part of the semiconductor substrate 901, respectively.
  • the semiconductor substrate 901, the upper cladding layer 903 and the buried layers 904 a and 904 b are, for example, InP, and the core layer 902 is, for example, an emission wavelength of 1.3.
  • G a I n A s P can be used.
  • the cross-sectional structure cut along the line XIV—XIV of FIG. 10 may be replaced with the cross-sectional structure of FIG. Good.
  • FIG. 14 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of an integrated optical waveguide according to the tenth embodiment of the present invention along a direction orthogonal to the optical waveguide direction.
  • a core layer 1002 surrounded by a clad layer 1003 is formed on a semiconductor substrate 1001.
  • the semiconductor substrate 1001 is, for example, InP
  • the material of the core layer 1002 is, for example, BCB
  • the material of the cladding layer 03 is, for example, the core layer 1002.
  • Polyimide having a lower refractive index than that of polyimide can be used.
  • SCH separated confinement heterostructure
  • GI- gradient refractive index
  • an active region may be used as a core, and the shape of the active region is not limited to any of Nork, MQW (multiple quantum well), quantum wires, and quantum dots.
  • the waveguide structure As for the waveguide structure, a pn buried structure, a ridge structure, a semi-insulated buried structure, a high mesa structure, or the like may be used. Further, the material is not limited to the combination of InP and GaInAsP, but can be applied to any material such as GaAs, AlGaAs, InGaAs, and GaInNAs.
  • a ridge waveguide, a high-mesa waveguide, or the like which is generally used as a semiconductor waveguide structure, may be used.
  • optical waveguide region R62 in FIG. 14 is not particularly limited, and a ridge waveguide, a high-mesa waveguide, or the like may be used.
  • Figure 15 is a graph showing the relationship between the thickness d 2 of the width d E and the semiconductor plate B 61 of the groove section A 61 the reflectance at the coupling section of an integrated optical waveguide of Figure 11.
  • FIG. 15 the optical waveguide path region R 61 and the semiconductor board equivalent refractive the index E 3.12 of B 61, the equivalent refractive index N 2 of the optical waveguide region R62 and groove A61 1.
  • the grooves A 61 the reflectivity to the thickness d 2 of the width and the semiconductor plate B 61 illustrates contour lines.
  • the optical length is shown on the axis opposite to each axis. In FIG.
  • N 1 d 1 > A / 2n
  • N 2 d 2 > A / 2m
  • the reflectance is 10% or less (approx. 80%), similarly, in region b shifted by ⁇ 32, the reflectance is 5% or less (approximately 40% for a mere two-waveguide junction). Similarly, in region a shifted by ⁇ 6, the reflectance is 1%. (Approximately 8% of a simple two-waveguide junction).
  • the region d is a region where the reflectance is lower than the reflectivity when only two waveguides are joined.
  • n are integers
  • N 1 d 1 + N 2 d 2 ⁇ ⁇ / (2 ⁇ ) [cos— 1 ⁇ (N ⁇ + l ⁇ 2 ) / (I ⁇ + N 2 ⁇ + 2 ⁇ ]
  • N 1 d 1 -N 2 d 2 A / 2 ⁇ (9) This corresponds to the approximate center of each triangular area.
  • the method of filling the groove A61 with the same material as the material of the optical waveguide region R62 has been described.However, the material filled in the groove A61 and the material of the optical waveguide region R62 are different. They may be different from each other.
  • the optical waveguide region R61 and the semiconductor plate B61 do not necessarily have to have the same layer structure.
  • FIG. 16 is a sectional view showing a schematic configuration of an integrated optical waveguide according to the tenth embodiment of the present invention.
  • a semiconductor substrate 1101 includes an optical waveguide region R111, a groove portion A111, a semiconductor plate B111, an optical waveguide region R112, a semiconductor plate B112, a groove portion A112, and an optical waveguide region.
  • R 113 are sequentially formed along the optical waveguide direction.
  • the refractive indices of the optical waveguide regions R111 and R113 and the optical waveguide region R112 can be set to be different from each other.
  • the optical waveguide regions R111 and R113 are semiconductors.
  • the optical waveguide region Rl12 can be made of a material other than a semiconductor.
  • the groove portions A111 and A112 can be filled with a material other than a semiconductor, for example, the same material as the material of the optical waveguide region R112.
  • the semiconductor plates B111 and B112 can be configured to have the same structure as the optical waveguide regions R111 and R113.
  • the grooves A111, All2 and the semiconductor plates B111, B112 are arranged so as to cross the optical waveguide direction, and preferably, the grooves A111, A112 and the semiconductor plates B111, B 1 12 can be arranged perpendicular to the optical waveguide direction.
  • the width of the groove A 111 and the thickness of the semiconductor plate B 111 are determined by the fact that the light reflected at the interface between the optical waveguide region R 111 and the groove A 111 is formed by the light reflected by the groove A 111 and the semiconductor plate B 111. It can be set so as to be weakened by light reflected at the interface with the substrate 11 and light reflected at the interface between the semiconductor plate B 111 and the optical waveguide region R 112.
  • the width of the groove A 1 12 and the thickness of the semiconductor plate B 1 12 are determined by the optical waveguide region R 1
  • the light reflected at the interface between the semiconductor plate B 112 and the semiconductor plate B 112 is weakened by the light reflected at the interface between the semiconductor plate B 112 and the groove A 1 12 and the light reflected at the interface between the groove A 112 and the optical waveguide region R 113.
  • core layers 1101a to L101d are stacked on the semiconductor substrate 1101, and upper cladding layers 1103a to 1103d are stacked on the core layers 1101a to 1101d, respectively.
  • the semiconductor substrate 1101 and the upper cladding layers 1103 a to 103 d are, for example, InP, and the core layers 1101 a to 110 d are, for example, GaInAsP having an emission wavelength of 1.3 m. Can be used.
  • a recess 1104b is formed on the semiconductor substrate 1101 at a predetermined distance from the grooves 1104a and 1104c.
  • the optical waveguide is formed.
  • Grooves A111 and A112 arranged at the interface with regions Rl11 and R113, respectively, can be formed.
  • the optical waveguide regions are arranged so as to separate the semiconductor plates B111 and B112 from the grooves A111 and All2, respectively.
  • R 112 can be formed.
  • BCB BCB
  • a material of the cladding layers 1105a to 105c and 1107a to 1107c for example, a core layer Polyimide having a lower refractive index than 1106a to 1106c can be used.
  • the structure of FIG. 12 is arranged opposite to the above. Therefore, the materials and structures of the waveguide, the core layer and the cladding layer of the embodiment of FIG. Instead, materials and structures other than those described here may be used. Further, in the embodiment of FIG. 16, a method of arranging only one set of the structure of FIG. 12 to face each other has been described. However, three or more structures of FIG. 12 may be connected in cascade. Here, by using the structure of FIG. 12, the reflectance between the individual optical waveguides can be suppressed, and the reflectance of the entire integrated optical waveguide can be suppressed.
  • the refractive index of the semiconductor increases with an increase in temperature, that is, the temperature derivative of the refractive index is positive. The length becomes longer.
  • the optical waveguide region R62 in FIG. 11 and the optical waveguide region R112 in FIG. 16 may be configured using a material having a negative refractive index temperature differential coefficient. Accordingly, even when the optical length of each optical waveguide changes due to a temperature change, it is possible to suppress the temperature change of the optical length of the entire optical waveguide.
  • a material having a negative temperature coefficient of refractive index for example, PMMA can be used.
  • FIG. 17 is a sectional view showing a schematic configuration of the integrated optical waveguide according to the eleventh embodiment of the present invention. In the eleventh embodiment, a semiconductor laser is integrated into the structure shown in FIG. In FIG.
  • the semiconductor substrate 1221 has an optical waveguide region R121, a groove A121, a semiconductor plate B121, an optical waveguide region R122, and a semiconductor plate B122.
  • the groove A 1 2 2 and the optical waveguide region R 1 2 3 are sequentially formed along the optical waveguide direction, and a laser diode is formed in the optical waveguide region R 1 2 1 and the optical waveguide region R 1 2 3. ing.
  • the refractive indices of the optical waveguide regions R 1 2 1 and R 1 2 3 and the optical waveguide region R 1 2 2 can be set to be different from each other.
  • the optical waveguide regions R 1 2 1 and R 1 23 can be composed of a semiconductor material, and the optical waveguide region R122 is other than a semiconductor. Material.
  • the grooves A121 and A122 can be filled with a material other than a semiconductor, for example, the same material as the material of the optical waveguide region R122.
  • the semiconductor plates B121 and B122 can be configured to have the same structure as the optical waveguide regions R121 and R123.
  • the grooves A121, A122 and the semiconductor plates B121, B122 are arranged so as to cross the optical waveguide direction, and preferably, the grooves A121, A122 and the semiconductor plates B121, B122 are perpendicular to the optical waveguide direction. Can be arranged.
  • the width of the groove A 121 and the thickness of the semiconductor plate B 121 are such that the light reflected at the interface between the optical waveguide region R 121 and the groove A 121 is reflected at the interface between the groove A 121 and the semiconductor plate B 121. It can be set so as to be weakened by light and light reflected on the interface between the semiconductor plate B 121 and the optical waveguide region R 122.
  • the width of the groove A 122 and the thickness of the semiconductor plate B 122 are such that the light reflected at the interface between the optical waveguide region R 122 and the semiconductor plate B 122 changes at the interface between the semiconductor plate B 122 and the groove A 122. It can be set to be weakened by the reflected light and the light reflected at the interface between the groove portion A 122 and the optical waveguide region R 123.
  • the active layers 1202 a and 1202 d and the core layers 1201 b and 1201 c are laminated on the semiconductor substrate 1201, and the semiconductor layers are formed on the active layers 1201 a and 1201 d and the core layers 1202 b and 1202 c.
  • Upper cladding layers 1203 a, 1203 d, 1203 b, and 1203 c of a conductivity type different from that of the substrate 1201 are respectively laminated.
  • the semiconductor substrate 1201 and the upper cladding layers 1203 a to 203 d include, for example, InP, the active layers 1202 a and 1202 d, and the core layers 1202 b and 1202 c, for example, having a wavelength of 1.55 111. 0 & 1 1183P can be used.
  • the semiconductor substrate 1201 can be n-type
  • the upper cladding layers 1203 a to 203 d can be p-type.
  • the semiconductor substrate 1201 in which the upper cladding layers 1203a to 1203d are laminated on the active layers 1202a and 1202d and the core layers 1202c and 1202c is etched to be arranged perpendicularly to the optical waveguide direction.
  • Grooves 1204a and 1204c are formed, and a predetermined distance from the grooves 1204a and 1204c.
  • a recess 1204b arranged only at a distance is formed on the semiconductor substrate 1201.
  • the active layers 1202a and 1202d are arranged corresponding to the optical waveguide regions R121 and R123, and the core layers 1202b and 1202c are arranged respectively corresponding to the semiconductor plates B121 and B1.22. Can be.
  • the optical waveguide is formed.
  • Grooves A121 and A122 arranged at the interface with regions R121 and R123, respectively, can be formed.
  • the optical waveguide regions are arranged so as to separate the semiconductor plates B121 and B122 from the grooves A121 and A122, respectively.
  • R 122 can be formed.
  • the laser is formed on the optical waveguide region R121 and the optical waveguide region R123.
  • the diodes can each be formed.
  • a material of the core layers 1206 a to l 206 c for example, BCB can be used, and as a material of the clad layers 1205 a to 205 c and 1207 a to 1207 c, for example, a core layer 1206 Polyimides having a lower refractive index than a to 120.6 can be used.
  • the optical waveguide region R 122 may be configured using a material having a negative refractive index temperature derivative, for example, PMMA splashcan be used. In this case, the temperature dependence of the oscillation wavelength of the semiconductor laser can be suppressed.
  • a wavelength grating may be provided by forming a diffraction grating or the like in the optical waveguide regions R 121 and R 123, such as a distributed feedback (DFB) semiconductor laser or a distributed reflector (DBR). It may be.
  • a distributed feedback (DFB) semiconductor laser or a distributed reflector (DBR). It may be.
  • DFB distributed feedback
  • DBR distributed reflector
  • the active layers 1202 a and 1202 d and the core layers 1202 b and 1202 c The structure can be, for example, a separate confinement heterostructure (SCH) sandwiched by a material with an index of refraction between that of the active or core layer center and that of the cladding layer, or a graded index of refraction.
  • the changed gradient refractive index (GI—) S CH may be used.
  • the shape of the active layers 1202a and 1202d can be any of Nork, MQW (multiple quantum well), quantum wire, and quantum dot.
  • a structure, a high-mesa structure, or the like may be used.
  • the material is not limited to the combination of InP and GaInAsP, but can be applied to any material such as GaAs, AlGaAs, InGaAs, and GaInNas.
  • FIG. 18 is a perspective view showing a schematic configuration of a coupling portion of an integrated optical waveguide according to a twelfth embodiment of the present invention.
  • the reflection at the boundary between the optical waveguide region R 131 and the optical waveguide region R 132 is reduced by providing two pairs of the groove portions A131 and A132 and the semiconductor plates B131 and B132.
  • the wavelength range that can be used can be expanded.
  • an optical waveguide region R131, a groove portion A131, a semiconductor plate B131, a groove portion A132, a semiconductor plate B132, and an optical waveguide region R132 are sequentially formed in a semiconductor substrate 711 in the optical waveguide direction.
  • the refractive indices of the optical waveguide region R 131 and the optical waveguide region R 132 can be set to be different from each other.
  • the optical waveguide region R 131 can be made of a semiconductor material.
  • R 132 can be composed of a material other than a semiconductor.
  • the grooves A131 and A132 can be filled with a material other than a semiconductor, for example, the same material as the material of the optical waveguide region R132 can be filled.
  • the semiconductor plates B 131 and B 132 can be configured to have the same structure as the optical waveguide_region R 131.
  • the grooves A131, A132 and the semiconductor plates B131, B132 are arranged so as to cross the optical waveguide direction, and preferably, the grooves A131, A132 and the semiconductor plates B131, B132 are arranged with respect to the optical waveguide direction. Can be placed vertically.
  • the width of the groove portions A131 and A132 and the thickness of the semiconductor plates B131 and B132 are determined by the light reflected at the interface between the optical waveguide region R131 and the groove portion A131.
  • Light reflected at the interface between the semiconductor plate B 1 3 1 and the semiconductor plate B 1 3 1, light reflected at the interface between the semiconductor plate B 1 3 1 and the groove A 1 3 2, and the light reflected at the groove A 1 3 2 and the semiconductor plate B 1 3 2 Can be set to be weakened by the light reflected at the interface of the semiconductor substrate B13 and the light reflected at the interface between the semiconductor plate B132 and the optical waveguide region R132.
  • the grooves A 13 1 and A 13 2 and the semiconductor plates B 13 1 and B 13 2 It can be formed on the substrate 7 11. Therefore, without forming an anti-reflection film at the interface between the optical waveguide region R 13 1 and the optical waveguide region R 13 2, the boundary between the optical waveguide region R 13 1 and the optical waveguide region R 13 2 In this case, it is possible to reduce the reflection of the optical waveguide and easily cope with the integration of the optical waveguide.
  • the optical waveguide regions R 13 1 and R 13 2 can be expanded, and an optical waveguide with new characteristics that cannot be obtained with semiconductors alone is realized, while being applicable to wavelength multiplexing optical networks and the like. It is possible to do.
  • FIG. 19 is a sectional view taken along the line XIX, XX—XX, XX along the optical waveguide direction in FIG.
  • a core layer 71 2 a to 71 2 c is laminated on a semiconductor substrate 71 1, and an upper cladding layer 71 3 on the core layer 71 2 a to 72 c.
  • a to 7 13 c are respectively stacked.
  • the semiconductor substrate 71 1 and the upper cladding layers 7 13 a to 7 13 c are, for example, In P, and the core layers 7 12 a to 12 c are, for example, an emission wavelength of 1.3.
  • m G a In As P can be used.
  • the semiconductor substrate 711 on which the core layers 711 a to 712 c and the upper cladding layer 713 a to 713 c are sequentially laminated is etched to obtain a light guide direction.
  • step 714 c by embedding an optical waveguide material 715 c in step 714 c, it is possible to form the optical waveguide region R 132 which are disposed with a semiconductor plate B 132 in the thickness d 4 from the groove A1 32.
  • the filling materials 715a and 715b and the optical waveguide material 715c a material having a refractive index different from that of a semiconductor can be used, and for example, BCB can be used.
  • the equivalent refractive index of the optical waveguide region R 131 and the semiconductor plates B 131 and B 132 can be 3.12
  • the equivalent refractive index of the optical waveguide region R 132 and the groove portions A 131 and A 132 can be 1.54. .
  • 132 can be integrated on the same semiconductor substrate 711, and an optical waveguide having new characteristics that cannot be obtained by using only a semiconductor can be realized.
  • the waveguide loss in the grooves A 131 and A 132 and the optical waveguide region R 132 is negligibly small when the propagation distance is short. However, the propagation loss in the grooves A 131 and A 1 32 and the optical waveguide region R 132 is small. When the length is longer, the waveguide loss cannot be ignored.
  • FIG. 19 cut along the line XX—XX of FIG. 18 may be replaced with the cross-sectional structure of FIG.
  • FIG. 20 is a sectional view showing a schematic configuration of a coupling portion of an integrated optical waveguide according to a thirteenth embodiment of the present invention along the optical waveguide direction.
  • the core layers are provided in the grooves A131 and A132 and the optical waveguide region R132 in FIG. It is something.
  • an optical waveguide region R141, a groove portion A141, a semiconductor plate B141, a groove portion A142, a semiconductor plate B142, and an optical waveguide region R142 are sequentially formed on a semiconductor substrate 811 along the optical waveguide direction. ing.
  • the core layers 812 a to 812 c are stacked on the semiconductor substrate 811, and the upper cladding layers 813 a to 813 c are respectively stacked on the core layers 812 a to 812 c.
  • the semiconductor substrate 811 and the upper cladding layers 813 a to 813 c may be, for example, InP, and the core layers 812 a to 812 c may be, for example, GaInAsP having an emission wavelength of 1.3 m. it can.
  • the semiconductor substrate 811 on which the core layers 812 a to 812 c and the upper cladding layers 813 a to 813 c are sequentially laminated is etched to form a groove 814 a arranged perpendicular to the optical waveguide direction.
  • a groove 814b is formed at a predetermined distance from the groove 814a
  • a step 814c is formed on the semiconductor substrate 811 at a predetermined distance from the groove 814b.
  • the optical waveguide It is possible to form the groove A 141 arranged at the interface with the region R 141, and to form the groove A 142 arranged with the semiconductor plate B 141 separated from the groove A 141. Become. Further, by embedding the core layer 816c sandwiched between the cladding layers 815c and 817c in the step 814c, it is possible to form the optical waveguide region R142 arranged with the semiconductor plate B142 separated from the groove A142. it can.
  • core layers 816a to 816c for example, BCB can be used.
  • a material of the cladding layers 815a to 815c and 817a to 817c for example, a core layer 816 Polyimide having a lower refractive index than a to 816 c can be used.
  • the cross-sectional structure cut along the line XIII-XIII in FIG. 18 may be replaced with the cross-sectional structure in FIG.
  • the cross-sectional structure cut along the line XI VX IV in FIG. 18 may be replaced with the cross-sectional structure in FIG.
  • the structure may be a separated confinement heterostructure (SCH) sandwiched by, or a gradient refractive index (GI-) SCH in which the refractive index is changed stepwise.
  • SCH separated confinement heterostructure
  • GI- gradient refractive index
  • an active region may be used as a core.
  • the shape of the active region is not limited to any one of a NORK, an MQW (multiple quantum well), a quantum wire, and a quantum dot.
  • a ⁇ embedding, a ridge structure, a semi-insulating embedding structure, a high mesa structure, or the like may be used.
  • the material is not limited to the combination of I ⁇ and GaInAs ⁇ , but can be applied to any material such as GaAs, AlGaAs, InGaAs, GaInNAs. Is possible.
  • the equivalent refractive index of the optical waveguide region R 131 and the semiconductor plates B 131 and B 132 in FIG. 19 is 3.12, and the equivalent refractive index N 2 of the optical waveguide region R 132 and the groove portions A 131 and A 132 is 1.54.
  • the reflectivity for the width of the groove portion A 131 and the thickness d 2 of the semiconductor plate B 131 is the same as in FIG. become.
  • the relationship of the expression (6) or (7) is required. as satisfied may be set the width and thickness of the semiconductor plate B 131 d 2 of the groove a 131.
  • the relationship of the expression (8) or (9) is satisfied. as it may be set thickness d 2 of the width and the semiconductor plate B 131 of the groove a 131.
  • the entire configuration of FIG. 19 is divided by the groove A 132, and the optical waveguide region R 131 and the groove A 13
  • An optical waveguide composed of a semiconductor plate B 131 and a groove A 132, and a groove A 13
  • the reflectance of the optical waveguide composed of the optical waveguide region R 131, the groove A 131, the semiconductor plate B 131, and the groove A 132 is necessary that the reflectance of the optical waveguide constituted by the optical waveguide region R 132 be zero.
  • the condition for setting the reflectivity of the optical waveguide constituted by the groove portion A 132, the semiconductor plate B 132 and the optical waveguide region R 132 to 0 can be given by the following equation (10).
  • N 2 d 4 A / 2 n... (10)
  • Figure 21 is a groove A 132, indicates to view the relationship between the thickness d 4 of the reflectance of the semiconductor plate B 132 of the configured optical waveguide in the semiconductor plate B 132 and the optical waveguide region R 1 32 in FIG. 19 .
  • the incident wavelength was 1.55 zm.
  • the reflectivity of the optical waveguide composed of the groove portion A 132, the semiconductor plate B 132 and the optical waveguide region R 132 is larger than the mere two-waveguide junction (about 12%) in the hatched region. Become smaller.
  • the condition for making the reflectivity of the optical waveguide composed of the groove A1 32, the semiconductor plate B 132 and the optical waveguide region R 132 smaller than that of a mere two-waveguide junction is given by the following equation (11). it can.
  • the entire optical waveguide in FIG. 19 includes a left optical waveguide composed of an optical waveguide region R131, a groove A131, a semiconductor plate B131 and a groove A132, and a groove A132, a semiconductor plate B132 and an optical waveguide.
  • the right optical waveguide formed by the region R 132 is connected to the right optical waveguide. Since the rear end of the left optical waveguide and the front end of the right optical waveguide have the same refractive index, no reflection occurs at this portion. Therefore, the entire optical waveguide before splitting In consideration of the above, at the incident wavelength ⁇ , the reflection at the coupling portion between the optical waveguide region R 131 and the optical waveguide region R 132 can be made zero. This is, in the width d 3 of the groove A132 does not depend on.
  • Figure 22 is a graph showing the relationship between the reflectance with respect to the width d 3 and the incident wavelength of the groove A 132 of FIG. 18.
  • the optical length is also shown for more general discussion.
  • the region d is a region where the reflectance is lower than the reflectance (about 12%) when the optical waveguide region R 131 and the optical waveguide region R 132 are simply joined
  • the region c is a region where the reflectance is 10% or less.
  • Area b is an area with a reflectance of 5% or less
  • area a is an area with a reflectance of 1% or less.
  • the method for filling the grooves A131 and A132 with the same material as the material of the optical waveguide region R132 has been described.
  • the material filling the grooves A131 and A132 and the optical waveguide region R132 may be different from each other.
  • the optical waveguide region R 131 and the semiconductor plates B 131 and B 132 do not necessarily have to have the same layer structure.
  • FIG. 23 is a sectional view showing a schematic configuration of the integrated optical waveguide according to the fourteenth embodiment of the present invention.
  • the grooves A 151 to A 154 and the semiconductor plates B 15:! To B 154 are alternately and repeatedly arranged so that the wavelength band of low reflection can be sharpened. It is.
  • an optical waveguide region R 15 1 and an optical waveguide region R 15 2 are formed along the optical waveguide direction, and the optical waveguide region R 15 1 between the optical waveguide region R 15 2, the groove portions A 15 1 to A 15 4 and the semiconductor plates B 15 1 to B 15 5 are alternately arranged along the optical waveguide direction.
  • the refractive indices of the optical waveguide region R 15 1 and the optical waveguide region R 15 2 can be set to be different from each other.
  • the optical waveguide region R 15 1 is made of a semiconductor material.
  • the optical waveguide region R152 can be made of a material other than a semiconductor.
  • the groove portions A151-A154 can be filled with a material other than a semiconductor, for example, the same material as the material of the optical waveguide region R152.
  • the semiconductor plates B151 to B154 can be configured to have the same structure as the optical waveguide region R151.
  • the groove portions A 15 1 to A 15 4 and the semiconductor plate 8 15 1 to: B 15 4 are arranged so as to cross the optical waveguide direction, preferably, the groove portions A 15 1 to A 15 4 and the semiconductor plates B 15 1 to B 15 4 can be arranged perpendicular to the optical waveguide direction.
  • the width of the groove A 15 1 and the thickness of the semiconductor plate B 15 1 are composed of the optical waveguide region R 14, the groove A 15 1, the semiconductor plate B 15 1, and the groove A 15 2 It can be set so that the reflectance in the optical waveguide is weakened.
  • the width of the groove A 152 and the thickness of the semiconductor plate B 152 are determined by the fact that the optical waveguide composed of the groove A 152, the semiconductor plate B 152 and the groove A 153 has a non-reflection rate. It can be set to meet the conditions.
  • width of the grooves A 15 3 and A 15 4 and the thickness of the semiconductor plates B 15 3 and B 15 4 are the same as the width of the grooves A 15 2 and the thickness of the semiconductor plates B 15-2, respectively. They can be set to be the same.
  • the width of the groove A 15 2 and the width of the semiconductor plate B 15 are adjusted so that the optical waveguide composed of the groove A 15 2, the semiconductor plate B 15 2 and the groove A 15 2 and the width of the grooves A 15 3 and A 15 4 and the width of the semiconductor plate B 15 so that they are the same as the width of the groove A 15 2 and the thickness of the semiconductor plate B 15 2 respectively.
  • the thickness of B154 By setting the thickness of B154, the groove A151-1 ⁇ A154 and the semiconductor plate Even when B 151 to B 154 are alternately and repeatedly arranged, the reflectance at the incident wavelength ⁇ can be kept constant.
  • the core layers 912a to 912e are stacked on the semiconductor substrate 911, and the upper cladding layers 913a to 913e are stacked on the core layers 912a to 912e, respectively.
  • the semiconductor substrate 911 and the upper cladding layers 913 a to 913 e are, for example, InP, and the core layers 912 a to 912 e are, for example, GaInAsP having an emission wavelength of 1.3 m. Can be used.
  • the grooves 914 a to 914 d arranged perpendicular to the optical waveguide direction are formed. And a step 914 e arranged at a predetermined distance from the groove 914 d is formed on the semiconductor substrate 911.
  • 154 and the semiconductor plates B151 to B154 can be formed between the optical waveguide region R151 and the optical waveguide region R152, and the optical waveguide disposed with the semiconductor plate B154 separated from the groove A154.
  • the waveguide region R 152 can be formed on the semiconductor substrate 911.
  • FIG. 24 is a sectional view showing a schematic configuration of the integrated optical waveguide according to the fifteenth embodiment of the present invention.
  • the structure of FIG. 19 is arranged to face.
  • a semiconductor substrate 1011 has an optical waveguide region R 161 and a groove A 16 1, semiconductor plate B 16 1, groove A 16 2, semiconductor plate B 16 2, optical waveguide region R 16 2, semiconductor plate B 16 3, groove A 16 3, semiconductor plate B 16 4.
  • the groove A 164 and the optical waveguide region R 163 are sequentially formed along the optical waveguide direction.
  • the refractive indices of the optical waveguide regions R 16 1 and R 16 3 and the optical waveguide region R 16 2 can be set to be different from each other.
  • the optical waveguide regions R 16 1 and R 1 63 can be made of a semiconductor material
  • the optical waveguide region R 162 can be made of a material other than a semiconductor.
  • the grooves A 16 1 to A 16 4 can be filled with a material other than a semiconductor, for example, the same material as the material of the optical waveguide region R 16 2 can be filled.
  • the semiconductor plates B 161 to B 164 can be configured to have the same structure as the optical waveguide regions R 161 and R 163.
  • the groove portions A 16 1 to A 16 4 and the semiconductor plate B 16 1 to B 16 4 are arranged so as to cross the optical waveguide direction, preferably, the groove portions A 16 1 to A 16 4 and the semiconductor plate.
  • the plates B 161 to B 164 can be arranged perpendicular to the optical waveguide direction.
  • the width of the groove A 161 and the thickness of the semiconductor plate B 161 are such that the light reflected at the interface between the optical waveguide region R 161 and the groove A 161 is equal to that of the groove A 161 and the semiconductor.
  • Light reflected at the interface between plate B 161 and light reflected at the interface between semiconductor plate B 161 and groove A 162 light reflected at the interface between groove A 162 and semiconductor plate B 162 It can be set so that it is weakened by the reflected light and the light reflected at the interface between the semiconductor plate B 16 2 and the optical waveguide region R 16 2.
  • the width of the groove A 164 and the thickness of the semiconductor plate B 164 are such that the light reflected at the interface between the optical waveguide region R 166 and the groove A 164 is equal to that of the groove A 164 and the semiconductor.
  • Light reflected at the interface with the plate B 164, light reflected at the interface between the semiconductor plate B 164 and the groove A 163, and light reflected at the interface between the groove A 163 and the semiconductor plate B 163 It can be set so as to be weakened by the reflected light and the light reflected at the interface between the semiconductor plate B 16 3 and the optical waveguide region R 16 2.
  • a core layer 1102a ⁇ : L012f is laminated, and on the core layer 101_2a ⁇ l102f, an upper cladding layer is provided.
  • 10 13 a to 10 13 f are respectively laminated.
  • the semiconductor substrate 101 and the upper For example, InP can be used as the doped layers 1013a to 1013f, and GaInAsP having an emission wavelength of 1.3 m can be used as the core layers 1012a to 102f, for example.
  • the grooves 1014 a and 1014 b arranged perpendicular to the optical waveguide direction are formed.
  • lQ 14d and 1014e are formed, and a recess 1014c is formed on the semiconductor substrate 1011 at a predetermined distance from the grooves 1014b and 1014d.
  • Grooves A 161 and A 162 disposed between the waveguide region R 161 and the optical waveguide region R 162 can be formed.
  • the core layer 1016d sandwiched between the cladding layers 1015d and 1017d is embedded in the groove 1014d
  • the core layer 1016e sandwiched between the cladding layers 1015e and 1017e is embedded in the groove 1014e, so that the optical waveguide is formed.
  • Grooves A 163 and A 164 arranged between the waveguide region R 162 and the optical waveguide region R 163 can be formed.
  • the optical waveguides are arranged with the semiconductor plates B 162 and B 164 separated from the trenches A 162 and A 164 respectively.
  • a region R162 can be formed.
  • the core layers 1016 a to 1016 e for example, BCB can be used.
  • the core layer 1016 a Polyimide having a lower refractive index than a to 1016 e can be used.
  • the materials and structures of the waveguide, the core layer and the cladding layer of the embodiment of FIG. 24 are particularly restricted. Instead, materials and structures other than those described here may be used. Further, in the embodiment of FIG. 24, a method has been described in which only one set of the structure of FIG. 20 is arranged to face each other. However, three or more structures of FIG. 20 may be connected in tandem. Here, by using the structure of FIG. 20, the reflectance between individual optical waveguides can be suppressed, and the reflectance of the entire integrated optical waveguide can be suppressed.
  • the refractive index of the semiconductor increases with an increase in temperature, that is, the temperature derivative of the refractive index is positive. The length becomes longer.
  • the optical waveguide region R 13 2 in FIG. 19 and the optical waveguide region R 16 2 in FIG. 24 may be configured using a material having a negative temperature coefficient of refractive index.
  • a material having a negative temperature coefficient of refractive index for example, PMMA can be used.
  • FIG. 25 is a sectional view showing a schematic configuration of an integrated optical waveguide according to a sixteenth embodiment of the present invention.
  • a semiconductor laser is integrated on the structure shown in FIG.
  • the semiconductor substrate 1 11 1 has an optical waveguide region R 17 1, a groove A 17 1, a semiconductor plate B 17 1, a groove A 17 2, a semiconductor plate B 17 2, an optical waveguide
  • the region R 17 2, the semiconductor plate B 17 3, the groove A 17 3, the semiconductor plate B 17 4, the groove A 17 4, and the optical waveguide region R 17 3 are sequentially formed along the optical waveguide direction.
  • a laser diode is formed in the optical waveguide region R 171 and the optical waveguide region R 173.
  • the refractive indices of the optical waveguide regions R 17 1 and R 17 3 and the optical waveguide region R 17 2 can be set to be different from each other.
  • the optical waveguide regions R 17 1 and R 17 73 can be made of a semiconductor material
  • the optical waveguide region R172 can be made of a material other than a semiconductor.
  • the groove portions A 171 to A 174 can be filled with a material other than the semiconductor, for example, the same material as the material of the optical waveguide region R 172 can be filled.
  • the semiconductor plates B 171 to B 174 can be configured to have the same structure as the optical waveguide regions R 171 and R 173.
  • the grooves A 17 1 to A 17 4 and The semiconductor plates B 171 to B 174 are arranged so as to cross the optical waveguide direction.
  • the groove portions A 171 to A 174 and the semiconductor plates B 171 to B 174 can be arranged perpendicular to the optical waveguide direction.
  • the width of the groove A 171 and the thickness of the semiconductor plate B 171 are such that the light reflected at the interface between the optical waveguide region R 171 and the groove A 171 is reflected at the interface between the groove A 171 and the semiconductor plate B 171 Light, light reflected at the interface between the semiconductor plate B 171 and the groove A 172, light reflected at the interface between the groove A 172 and the semiconductor plate B 172, and light reflected at the interface between the semiconductor plate B 172 and the optical waveguide region R172 Each can be set to be weakened by light.
  • the width of the groove A 174 and the thickness of the semiconductor plate B 174 are such that the light reflected at the interface between the optical waveguide region R 173 and the groove A 174 was reflected at the interface between the groove A 174 and the semiconductor plate B 174.
  • Light, light reflected at the interface between the semiconductor plate B 174 and the groove A 173, light reflected at the interface between the groove A 173 and the semiconductor plate B 173, and light reflected at the interface between the semiconductor plate B 173 and the optical waveguide region R 172 Each can be set to be weakened by light.
  • the active layers 1112a and 1112f and the core layers 1112b to: L112e are stacked, and on the active layers 1112a and 1112f and the core layers 1112b to 112e,
  • the upper cladding layers 1113 a, 1113 f, and 1113 b to 1113 e having different conductivity types from the semiconductor substrate 1111 are respectively laminated.
  • the semiconductor substrate 1111 and the upper cladding layers 1113 a to 113 f may be, for example, InP, the active layers 1112 a, 1112 f, and the core layers 1112 b to 1112 e, for example, having a wavelength of 1.55 m.
  • GaInAsP can be used.
  • the semiconductor substrate 1111 can be n-type
  • the upper cladding layers 1113 a to 113 f can be p-type.
  • the semiconductor substrate 1111 in which the upper cladding layers 1113 a to 1113 13 are stacked on the active layers 1112 a and 1112 f and the core layer 1112 (: to 1112 e) is etched to be perpendicular to the optical waveguide direction.
  • the grooves 1114a, 1114b, 1114d, and 1114e are formed, and the recesses 1114c are spaced apart from the grooves 1114ba and 1114d by a predetermined distance.
  • the active layers 1112a and 1112f are respectively arranged corresponding to the optical waveguide regions R171 and R173, and the core layers 1112b to 1112e are arranged respectively corresponding to the semiconductor plates B171 to B174. be able to.
  • Grooves A 171 and A 172 arranged between the waveguide region R 171 and the optical waveguide region R 172 can be formed.
  • the core layer 1116d sandwiched between the cladding layers 1115d and 1117d is embedded in the groove 1114d
  • the core layer 1116e sandwiched between the cladding layers 1115e and 1117e is embedded in the groove 1114e. Accordingly, it becomes possible to form the groove portions A173 and A174 arranged between the optical waveguide region R172 and the optical waveguide region R173.
  • the optical waveguide region is arranged such that the semiconductor plates B172 and B174 are separated from the grooves A172 and A174, respectively.
  • R 172 can be formed.
  • the layers are formed on the optical waveguide region R171 and the optical waveguide region R173.
  • the diodes can each be formed.
  • a material of the core layers 1116 a to 116 e for example, BCB can be used, and as a material of the cladding layers 1115 a to 115 e and 1117 a to 1117 e, for example, a core layer Polyimide having a lower refractive index than 1116a to 1116e can be used.
  • the optical waveguide region R172 may be formed using a material having a negative refractive index temperature derivative, and for example, PMMA can be used.
  • the cavity length can be kept constant with respect to temperature, and the oscillation wavelength of the semiconductor laser can be reduced. Temperature dependency can be suppressed.
  • a wavelength grating may be provided by forming a diffraction grating or the like in the optical waveguide regions R 171 and R 173, such as a distributed feedback (DFB) semiconductor laser or a distributed reflector (DBR). It may be.
  • a distributed feedback (DFB) semiconductor laser or a distributed reflector (DBR). It may be.
  • DFB distributed feedback
  • DBR distributed reflector
  • the structures of the active layers 1112a and 1112f and the core layers 1112b to 112e are made of, for example, a material having a refractive index between the refractive index of the central part of the active layer or the core layer and the refractive index of the cladding layer. It may be a sandwiched confinement heterostructure (SCH) or a gradient refractive index (GI-) S CH in which the refractive index is changed stepwise.
  • the shape of the active layers 1112a and 1112f can be any of bulk, MQW (multiple quantum well), quantum wire, and quantum dot. A structure, a high-mesa structure, or the like may be used. Further, the material is not limited to the combination of InP and GaInAsP, but can be applied to any material such as GaAs, AlGaAs, InGaAs, and GaInNas.
  • the first optical waveguide and the second optical waveguide can be formed without forming an antireflection film at the interface between the first optical waveguide and the second optical waveguide. Can reduce the reflection at the boundary with the optical waveguide, and with the integration of optical waveguides, it is possible to easily realize optical waveguides with new characteristics that cannot be obtained with semiconductors alone on semiconductor substrates .
  • an integrated optical waveguide according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
  • the waveguide loss due to reflection and refraction between waveguides having different refractive indices can be reduced, while improving the degree of freedom in the design in the waveguide direction.
  • An optical waveguide and an optical device that can be integrated on a substrate can be provided.
  • some specific examples according to the present embodiment will be described.
  • FIG. 26 is a sectional view showing a schematic configuration of the integrated optical waveguide according to the seventeenth embodiment of the present invention.
  • a first waveguide 1201, a second waveguide region 1202, and a third waveguide 1203 are formed on a semiconductor substrate 1200. 2 is disposed between the first waveguide 122 and the third waveguide 123.
  • the refractive indices of the first waveguide 123 and the third waveguide 123 can be set to be equal to each other, and the first waveguide 122 and the second waveguide region 1 can be set to have the same refractive index.
  • the refractive index with 202 can be set to be different from each other.
  • the first waveguide 123 and the third waveguide 122 can be made of a semiconductor material, and the second waveguide region 122 can be made of a material other than a semiconductor.
  • a material of the second waveguide region 122 for example, deuterated polyfluorene acrylate (d-PFMA) or the like can be used.
  • the interface between the first waveguide and the second waveguide region is arranged so as to be inclined with respect to the light propagation direction of the first waveguide. can do.
  • a boundary surface 125 between the second waveguide region 122 and the third waveguide 123 is formed by the first waveguide 122 and the second waveguide region 122. It can be arranged so as to be inclined with respect to the extension of the direction of refraction of light at the boundary surface 124 of the light.
  • the second waveguide region 120 When the interface 1 2 0 5 between the second waveguide 3 and the third waveguide 1 2 0 3 is tilted, at the interface 1 2 0 5 between the second waveguide region 1 2 0 2 and the third waveguide 1 2 0 3
  • the refraction direction of the light can be set so as to match the propagation direction of the light in the third waveguide 123.
  • the first waveguide can be formed. Boundary surface between 1 2 0 1 and 2nd waveguide region 1 2 0 2 1 2 0 4 and 2nd waveguide region, 1 2 0 5 Boundary surface between 1 2 0 2 and 3rd waveguide 1 2 0 3 , And the loss due to refraction can be suppressed.
  • the first waveguide 122 and the second waveguide region 122 are arranged such that the boundary surface 1204 therebetween is inclined with respect to the light propagation direction of the first waveguide 122. Reflected light generated at the boundary surface 124 does not return to the first waveguide 122, and the first waveguide 122 constitutes a local resonator. Can be avoided.
  • the boundary surface 1205 between the second waveguide region 122 and the third waveguide 1203 has an interface with respect to the light propagation direction of the second waveguide region 122. Connected to tilt Therefore, it is possible to avoid that the second waveguide region 122 and the third waveguide 122 form a local resonator.
  • the direction of refraction of light at the boundary surface 125 between the second waveguide region 122 and the third waveguide 123 is changed in the direction of light propagation in the third waveguide 122.
  • the light propagating through the first waveguide 122, the second waveguide region 122, and the third waveguide 122 is transmitted by the first waveguide 122 and the second waveguide. Even if the light is refracted at the interface 1 20.4 between the waveguide region 122 and the interface 1 205 between the second waveguide region 122 and the third waveguide 123, Leakage from the first waveguide 122, the second waveguide region 122, and the third waveguide 123 can be prevented.
  • the light incident from the first waveguide 122 1 has a smaller loss than the conventional one, and the first waveguide 122 1, the second waveguide region 122, and the third waveguide 122 0 3, and can be emitted from the third waveguide 123.
  • first waveguide 1221 and the second waveguide 1201 correspond to the light propagation direction of the first waveguide 1221.
  • the inclination angle of the boundary surface 124 can be set so as to satisfy the Brews evening angle.
  • the second waveguide region 122 and the third waveguide 120 are arranged with respect to the light propagation direction of the second waveguide region 122.
  • the inclination angle of the interface 1205 can be set so as to satisfy the pre-use evening angle.
  • the first waveguide 123 and the third waveguide 122 are connected to the second waveguide region 122 so as to be point-symmetric with respect to the midpoint of the second waveguide region 122. It can be connected to 202.
  • the interface between the first waveguide and the second waveguide, and the interface between the second waveguide and the third waveguide can be made parallel to each other while reducing the reflection at the boundary surface 125.
  • first waveguide 122 and the third waveguide 122 materials having different refractive indices are used for the first waveguide 122 and the third waveguide 122.
  • FIG. 27 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of the first waveguide 1201 and the third waveguide 1203 of FIG.
  • a core layer 1301 and an upper cladding layer 1302 are sequentially laminated.
  • the upper cladding layer 1302, the core layer 1301, and the upper portion of the semiconductor substrate 1201 are etched in a stripe shape along the optical waveguide direction, and the upper cladding layer 1302, the core layer 1301, and the upper portion of the semiconductor substrate 1200 are formed on both sides.
  • the buried layers 1303 and 1304 are formed respectively.
  • the first waveguide 1201 and the third waveguide 1203 can have a buried hetero (BH) structure, and light can be confined in the lateral direction, and the waveguides in the first waveguide 1201 and the third waveguide 1203 can be formed. Loss can be reduced.
  • the semiconductor substrate 1200, the upper cladding layer 1302, and the buried layers 1303 and 1304 can be, for example, InP, and the core layer 1301, for example, can be GaInAsP.
  • MBE mol cu lar be am epitaxy
  • MOC VD metal ganic chemi calvaper de po sition
  • AL C VD atomic 1 aye rc hemi calvaper depo sition
  • FIG. 28 is a plan view showing a schematic configuration of the integrated optical waveguide according to the eighteenth embodiment of the present invention.
  • a first waveguide 1401, a second waveguide 1402, and a third waveguide 1403 are formed on a semiconductor substrate 1400, and the second waveguide 1402 includes a first waveguide 401, a third waveguide 1403, It is located between.
  • the refractive indices of the first waveguide 1401 and the third waveguide 1403 can be set to be equal to each other, and the refractive indices of the first waveguide 1401 and the second waveguide 1402 are interchangeable.
  • the first waveguide 1441 and the third waveguide 1443 can be made of a semiconductor material
  • the second waveguide 1442 can be made of a material other than a semiconductor.
  • a boundary surface 1404 between the first waveguide 1441 and the second waveguide 1402 is disposed so as to be inclined with respect to the light propagation direction of the first waveguide 1441. be able to.
  • the boundary surface 1405 between the second waveguide 144 and the third waveguide 1403 is the boundary surface between the first waveguide 1401 and the second waveguide 144. It can be arranged so as to be inclined with respect to the extension of the light refraction direction at 144.
  • the second waveguide 1442 and the second waveguide When tilting the boundary surface 1405 with the third waveguide 1403, the refraction direction of light at the boundary surface 1445 between the second waveguide 1442 and the third waveguide 1443 Can be set to coincide with the light propagation direction of the third waveguide 144.
  • the angles of inclination of these boundary surfaces 1404 and 1405 are set so as to satisfy the pre-use evening angle, and point symmetry is made with respect to the midpoint of the second waveguide 144.
  • the first waveguide 1401 and the third waveguide 1403 can be connected to the second waveguide 1442 such that
  • FIG. 29 is a cross-sectional view illustrating a schematic configuration of the second waveguide 144 of FIG.
  • a core layer 1501 surrounded by a cladding layer 1502 is formed on the semiconductor substrate 140.
  • I ⁇ ⁇ can be used as the semiconductor substrate 140 0.
  • a deuterated polyfluorene resin (d-PFMA) whose refractive index is changed by changing the fluorine content is used. be able to.
  • a di-waveguide, a high-mesa waveguide, or the like may be used.
  • the shapes of the core layer and the cladding layer of the waveguide are no particular restrictions on the shapes of the core layer and the cladding layer of the waveguide.
  • a sandwich made of a material having a refractive index between the refractive index of the core layer and the refractive index of the cladding layer is used.
  • SCH separated confinement heterostructure
  • GI- gradient refractive index
  • an active region may be used as a core.
  • the shape of the active region may be irrespective of the shape of a norm, MQW (multiple quantum well), quantum wire, or quantum dot.
  • a pn buried structure, a ridge structure, a semi-insulated buried structure, a high mesa structure, or the like may be used.
  • the material is not limited to the combination of InP and GaInAsP, but can be applied to any material such as GaAs, AlGaAs, InGaAs, and GaInNas.
  • the second waveguide region 1202 in FIG. 26 and the second waveguide 1402 in FIG. 28 are not particularly limited, and for example, polyimide or benzocyclobutene may be used.
  • the refractive index of the semiconductor increases with an increase in temperature, that is, the temperature derivative of the refractive index is positive. The length becomes longer.
  • the second waveguide region 1202 in FIG. 26 and the second waveguide 1402 in FIG. 28 may be configured using a material having a negative refractive index temperature derivative. Accordingly, even when the optical length of each optical waveguide changes due to a temperature change, it is possible to suppress the temperature change of the optical length of the entire optical waveguide.
  • a material having a negative temperature coefficient of refractive index for example, JPMMA can be used.
  • FIG. 30 is a schematic diagram illustrating a relationship between an incident angle and a refraction angle when light is incident on a bonding surface of substances having different refractive indexes.
  • the angle of inclination at the interface 1404 between the first waveguide 1401 and the second waveguide region 1402 and the interface 1405 between the second waveguide region 1402 and the third waveguide 1403 can be made to coincide with the Brews angle.
  • the directions of the first waveguide 1201 and the third waveguide 1203 can be made parallel to each other.
  • the angle formed theta 12 and the direction guided through the material of the refractive index N 2 and a direction guided through the material of the refractive index be represented by the following formula (13) Can be.
  • FIG. 31 is a diagram showing a relationship between the angle 0 12 where light in the material side of the refractive index New 2 formed by the waveguide direction when incident to the refractive index ratio NaZNi from material side of the refractive index is there.
  • the angle 0 2 formed by the guide Namikata direction is in the configuration of FIG. 26, the direction in which the first waveguide 1201 light is guided, the angle formed between the direction of the second waveguide region 1202 light is guided 28, the angle formed between the direction of the first waveguide 1401 and the direction of the second waveguide 1402 is shown.
  • the refractive index ratio between the first waveguide 1401 and the second waveguide 1402 is 0.9 (for example, the refractive index of the, 1 waveguide 1401 is 3.
  • the first waveguide 1401 square 0 12 formed between the second waveguide 1402 is about six degrees. Therefore, for example, assuming that the waveguide length of the second waveguide 1402 is 10 m, the emission position of light from the second waveguide 1402 is shifted by about 1 m from the extension of the first waveguide 1401.
  • the refractive index ratio between the first waveguide 1401 and the second waveguide 1402 is 0.8.
  • angle 0 12 about 12 degrees formed between the first waveguide 1401 and second waveguide 1402 the refractive index ratio between the first waveguide 1401 and second waveguide 1402 is 0.7
  • the first conductive angle 0 12 about 20 degrees formed between waveguide 1401 and second waveguide 1402 the refractive index ratio between the first waveguide 1 401 and the second waveguide 1402 is 0.6
  • the refractive index ratio between the first waveguide 1401 and second waveguide 1402 is 0.5
  • the first waveguide 1401 second waveguide 1402 angle 0 i 2 becomes about 37 degrees that forms the bets, the deviation from an extension of the first waveguide 1401 is further increased.
  • the first waveguide 1401 and the third waveguide 1403 are arranged on a straight line, light cannot be guided efficiently, but the first waveguide 1401 and the second waveguide 1402 form By disposing the third waveguide 1403 from the extension of the first waveguide 1401 so as to correspond to the angle 012 and the waveguide length of the second waveguide 1402, light can be efficiently guided. .
  • N 2 Since the trajectory of light is the same even if the traveling direction is reversed, when N 2 > N 1 , as is clear from equations (3) to (5) and (12), N 2 It is only necessary to replace and with.
  • the first waveguide 1401 and the third waveguide 1403 have a refractive index of 3.12
  • the second waveguide 1402 has a refractive index of 1.54
  • the first waveguide 1401 and the second waveguide 1402 have a refractive index.
  • the rate ratio is assumed to be 0.48
  • the Brewster angle 0 B from the first waveguide 1401 to the second waveguide 1402 is 25.6 degrees
  • the refractive angle 0 2 becomes 25.6 degrees
  • the first guide waveguide 1401 to the angle 0 12 formed between the second waveguide 1402 becomes 38.8 degrees.
  • the first waveguide 1401 and the second waveguide 1402 are clearly understood from the equations (3) to (5) and (12). because corresponds to the case where replacing the refractive index of the Brewster angle B is 64.4 degrees, the refractive angle 0 2 is the 25.6 degrees.
  • the first waveguide 1401 and the third waveguide 1403 can be connected to the second waveguide region 1402 so as to be point-symmetric with respect to the midpoint of the second waveguide region 1402 in FIG. While suppressing reflection between the waveguides, the first waveguide 1401 and the The direction with the three waveguides 1403 can be made parallel to each other. Therefore, the first waveguide 1401 and the third waveguide 1403 can be manufactured along the same crystal direction, and the first waveguide 1401 and the third waveguide 1403 having a buried heterostructure can be manufactured with high reliability. can do.
  • the angle formed by the first waveguide 1401 and the second waveguide 1402 is 0 12 Can be 45 degrees, and the directions of the first waveguide 1401 and the third waveguide 1403 can be orthogonal to each other.
  • first waveguide 1401 and the third waveguide 1403 are made of a material other than a semiconductor, the principle of the present invention is the same, so the direction between the first waveguide 1401 and the third waveguide 1403 is Can be parallel to each other.
  • FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the reflectance of a component parallel to the incident surface.
  • the incident angle at which the reflectivity R decreases becomes 1 Z 3 of the reflectivity scale when the incident angle is 0 degree.
  • the angle can be set within a range larger than the pre-Star angle ⁇ B by 23 which is the difference between the total reflection angle 0 A and the pre-use setting angle ⁇ B. That is, the incident angle 0 ° at which the reflectance R becomes small can be given by the following equation (16).
  • the incident angle is 0, that is, the first angle with respect to the light propagation direction in the first waveguide 1401 by matching the first waveguide 1401 and angle between the boundary surface 1404 between the second waveguide 1402 in Buryusu evening corner 0 beta, parallel Ingredient reflectance at the interface 1404 may be zero.
  • the light propagating through the waveguide is a ⁇ mode having only a component parallel to the interface, so that the light propagating through the first waveguide 1401 is not affected by the loss due to the interface 1404, 1402 can be transmitted. Further, by setting the incident angle 0 to a range represented by the expression (16), the loss due to reflection can be reduced.
  • FIG. 33 is a plan view showing a schematic configuration of the integrated optical waveguide according to the nineteenth embodiment of the present invention.
  • a first waveguide 1601, a second waveguide 1602, and a third waveguide 1603 are formed on a semiconductor substrate 1600, and the second waveguide 1602 is composed of a first waveguide 1601, a third waveguide 1603, It is located between.
  • the refractive indices of the first waveguide 1601 and the third waveguide 1603 can be set to be equal to each other.
  • the refractive indices of the first waveguide 1601 and the second waveguide 1602 can be set to be different from each other, and the refractive index ratio of the first waveguide 1401 and the second waveguide 1402 is 0.41. Degree.
  • a boundary surface 1604 between the first waveguide 1601 and the second waveguide 1602 and a boundary surface 1605 between the second waveguide 1602 and the third waveguide 1603 satisfy an angle of Brewz in the light incident direction, respectively. Can be inclined as follows.
  • the angle formed between the first waveguide 1601 and the second waveguide 1602 and the angle formed between the second waveguide 1602 and the third waveguide 1603 can be 45 degrees, respectively.
  • the directions of the third waveguide 1603 and the third waveguide 1603 can be made orthogonal to each other, and the interface 1604 between the first waveguide 1601 and the second waveguide 1602 and the interface between the second waveguide 1602 and the third waveguide 1603 can be changed.
  • At the interface 1605 Can be reduced. For this reason, considering the crystal structure, when forming cleavage planes in the first waveguide 1601 and the third waveguide 163, the cleavage planes should be arranged orthogonally even if they are not parallel. Can be.
  • FIG. 34 is a plan view showing a schematic configuration of the integrated optical waveguide according to the fourth embodiment of the present invention.
  • the semiconductor substrate 170 includes a first waveguide 1701, a second waveguide 1702, a third waveguide 1703, a fourth waveguide 1704, A fifth waveguide 175 is formed.
  • the second waveguide 1702 is disposed between the first waveguide 1701 and the third waveguide 1703, and the fourth waveguide 1704 is arranged in the third waveguide 1702. It is arranged between 1703 and the fifth waveguide 1705.
  • the refractive indices of the first waveguide 1701, the third waveguide 1703, and the fifth waveguide 1705 can be set to be equal to each other.
  • the refractive indices of O 2 and fourth waveguide 1704 can be set to be equal to each other.
  • the refractive indices of the first waveguide 1701 and the second waveguide 1702 can be set to be different from each other.
  • the first waveguide 1701, the third waveguide 1703 and the fifth waveguide 1705 can be made of a semiconductor material
  • the second waveguide 1702 and the fourth waveguide 170 can be made of a semiconductor material.
  • the waveguide 1704 can be made of a material other than a semiconductor.
  • a boundary surface 1706 between the first waveguide 1701 and the second waveguide 1702 is disposed so as to be inclined with respect to the light propagation direction of the first waveguide 1701. be able to.
  • the interface 1707 between the second waveguide 1702 and the third waveguide 1703 is the interface between the first waveguide 1701 and the second waveguide 1702. It can be arranged so as to be inclined with respect to an extension of the light refraction direction at 1706.
  • the second waveguide 1702 and the second waveguide 1702 When the j-boundary 1707 with the 3rd waveguide 1703 is tilted, the refraction direction of light at the interface 1706 with the 2nd waveguide 1702 and the 3rd waveguide 1703 The direction can be set so as to match the light propagation direction of the third waveguide 103. Furthermore, the boundary surface 1708 between the third waveguide 1703 and the fourth waveguide 1704 is disposed so as to be inclined with respect to the light propagation direction of the third waveguide 1703. be able to.
  • the boundary surface 170 between the fourth waveguide 1704 and the fifth waveguide 1705 is formed by the third waveguide 1703 and the fourth waveguide 1704.
  • the extension of the direction of refraction of light at the boundary surface 17 08 It can be arranged so as to be inclined with respect to the long line.
  • the fourth waveguide 1704 and the fourth waveguide 1704 extend on the extension line in the refraction direction of light at the boundary surface 1708 between the third waveguide 1703 and the fourth waveguide 1704.
  • the direction can be set so as to coincide with the light propagation direction of the fifth waveguide 1705.
  • the inclination angles of these boundary surfaces 1706 to 1709 are set so as to satisfy the Bruce evening angle, and are point-symmetric with respect to the middle point of the second waveguide 1702.
  • the first waveguide 1701 and the third waveguide 1703 are connected to the second waveguide 1702, and the point is set with respect to the middle point of the fourth waveguide 1704.
  • the third waveguide 1703 and the fifth waveguide 1705 can be connected to the fourth waveguide 1704 so as to be symmetric.
  • the configuration of FIG. 28 is folded and arranged, so that the first waveguide 1701, the second waveguide 1702, As the material and shape of the third waveguide 1703, the fourth waveguide 1704, and the fifth waveguide 1705, those described in the above embodiments can be used.
  • a plurality of the configurations shown in FIG. 34 may be connected in cascade, which makes it possible to arrange the waveguide regions made of a material different from that of the semiconductor in a distributed manner. It is possible to realize an optical waveguide having no new characteristics.
  • FIG. 35 is a plan view showing a schematic configuration of the integrated optical waveguide according to the fifth embodiment of the present invention.
  • the first waveguide 1801, the second waveguide 1802, and the third waveguide 1803 are formed on the semiconductor substrate 180, and the second waveguide 180 is formed. O2 is disposed between the first waveguide 1801 and the third waveguide 1803.
  • the refractive indices of the waveguide 1801 and the third waveguide 1803 can be set to be equal to each other, and the refractive indices of the first waveguide 1801 and the second waveguide 1802 can be set.
  • the rates can be set differently.
  • the first waveguide 1801 and the third waveguide 1803 can be made of a semiconductor material
  • the second waveguide 1802 can be made of a material other than a semiconductor. it can.
  • the interface 1804 between the first waveguide 1801 and the second waveguide 1802 is arranged so as to be inclined with respect to the light propagation direction of the first waveguide 1801. be able to.
  • the interface 1805 between the second waveguide 1802 and the third waveguide 1803 is the interface between the first waveguide 1801 and the second waveguide 1802. It can be arranged so as to be inclined with respect to the extension of the light refraction direction at 1804.
  • the first waveguide 1801 and the third waveguide 1803 are arranged on the same straight line, and correspond to the refraction directions at the boundary surfaces 1804 and 1805, respectively.
  • the second waveguide 1802 can be bent in an arc shape so that the first waveguide 1801 and the third waveguide 1803 can be connected.
  • angles of inclination of these boundary surfaces 1804 and 1805 are set so as to satisfy the Bruce sunset, and are symmetrical with respect to the center line of the second waveguide 1802.
  • the first waveguide 1801 and the third waveguide 1803 can be connected to the second waveguide 1802.
  • the second waveguide region 1802 is bent by a waveguide in order to correct the bending of the light beam due to the refraction angle.
  • the first waveguide region 1801 or the third waveguide region 1803 may be formed by a curved waveguide.
  • the 21st embodiment of FIG. 35 is a modification of the configuration of FIG. 28, the first waveguide 1801; the second waveguide 1802 and the third waveguide 180 As the material and shape of 03, those described in the above embodiment can be used.
  • FIG. 35 a plurality of the configurations shown in FIG. 35 may be connected in cascade.
  • FIG. 36 is a cross-sectional view illustrating a schematic configuration of an integrated optical waveguide according to the second embodiment of the present invention.
  • the first waveguide WG1, the second waveguide WG2, and the third waveguide WG3 are formed on the semiconductor substrate 190
  • the second waveguide WG2 is the first waveguide WG2. It is arranged between the waveguide WG1 and the third waveguide WG3.
  • the refractive indices of the first waveguide WG1 and the third waveguide WG3 can be set to be equal to each other, and the refractive indices of the first waveguide WG1 and the second waveguide WG2 can be set.
  • the first waveguide WG1 and the third waveguide WG3 can be made of a semiconductor material
  • the second waveguide WG2 can be made of a material other than a semiconductor.
  • a boundary surface between the first waveguide WG1 and the second waveguide WG2 can be arranged so as to be inclined with respect to the light propagation direction of the first waveguide WG1. Also, the interface between the second waveguide WG2 and the third waveguide WG3 is inclined with respect to the extension of the light refraction direction at the interface between the first waveguide WG1 and the second waveguide WG2. It can be arranged as follows.
  • the interface between the second waveguide WG2 and the third waveguide WG3 is When tilted, the direction of light refraction at the interface between the second waveguide WG2 and the third waveguide WG3 can be set so as to match the light propagation direction of the third waveguide WG3.
  • a laser diode is formed in the first waveguide WG1 and the third waveguide WG3.
  • a core layer 1901 is laminated on the semiconductor substrate 1900, and an upper cladding layer 1900 having a conductivity type different from that of the semiconductor substrate 1900 is formed on the core layer 1901.
  • InP can be used as the semiconductor substrate 190 and the upper cladding layer 1902
  • GalnAsP can be used as the core layer 1901, for example.
  • the semiconductor substrate 1901 can be made n-type
  • the upper cladding layer 1902 can be made p-type. Then, the semiconductor substrate 190 on which the core layer 1901 and the upper cladding layer 1902 are sequentially laminated is etched to form the upper cladding layer 1902 and the core layer 190.
  • the semiconductor substrate 190 are formed into the shapes of the first waveguide WG1 and the third waveguide WG3. Then, buried layers 1903 and 1905 are grown on both sides of the first waveguide WG1 and the third waveguide WG3 to form a buried heterostructure.
  • the buried layers 1903 and 1905 for example, an Fe-doped InP insulating layer can be used.
  • the upper part of the upper cladding layer 1902, the core layer 1901, and the semiconductor substrate 190 between the first waveguide WG1 and the third waveguide WG3 is connected to the first waveguide WG1.
  • the first waveguide WG2 is formed.
  • a second waveguide WG2 connected to 1 and a third waveguide WG3 is formed on a semiconductor substrate 190.
  • electrodes 1906 and 1907 are formed on the upper cladding layer 1902 corresponding to the arrangement positions of the first waveguide WG1 and the third waveguide WG3, respectively.
  • electrodes 1906 and 1907 are formed on the upper cladding layer 1902 corresponding to the arrangement positions of the first waveguide WG1 and the third waveguide WG3, respectively.
  • the electrode 190 By forming the electrode 190 on the back surface of 190, a laser diode can be formed in each of the first waveguide WG1 and the third waveguide WG3.
  • the method of providing the electrodes 190 to 1908 has been described by taking the structure of FIG. 28 as an example. Electrodes may be provided for the structures shown in FIGS.
  • the semiconductor waveguide since the semiconductor waveguide has an active layer for current injection, the first waveguide WG1, the second waveguide WG2 and the third waveguide WG2 have the same structure.
  • the material and shape of the waveguide WG3 those described in the above embodiment can be applied as they are.
  • a diffraction grating or the like may be formed in the semiconductor waveguide portion to provide wavelength selectivity, and a distributed feedback (DFB) semiconductor laser or a distributed reflector (DBR) may be manufactured. May be. If a material having a negative temperature coefficient of the refractive index is used for the second waveguide WG2, it is possible to make the oscillation wavelength uniform by wavelength selectivity, and to obtain a laser whose wavelength does not change with temperature. be able to.
  • DFB distributed feedback
  • DBR distributed reflector
  • the reflection at the boundary surface is suppressed while the materials in the waveguide direction are suppressed.
  • This makes it possible to improve the degree of freedom in design, and makes it possible to make effective use of crystal orientations suitable for cleavage, etching, embedding, etc. during fabrication of integrated optical waveguides. Waveguides and optical devices can be easily realized on a semiconductor substrate. Industrial applicability
  • processing and integration are easy by applying materials having different refractive indexes and their temperature dependence on the semiconductor substrate to the propagation region and the Z or waveguide region. It is possible to provide an optical semiconductor device and an optical semiconductor integrated circuit having new characteristics that cannot be obtained by using only a semiconductor.

Abstract

半導体基板上において、屈折率およびその温度依存性の異なる材料を組み合わせることによって、光半導体素子および光半導体集積回路を提供する。特に、半導体レーザの利得領域と屈折率の温度依存性が異なる材料および／または構造を有する伝搬領域により、発振波長の温度依存性を制御することが可能になる。また、光導波路において、光導波方向に沿って複数の界面を形成し、第１の界面で反射した光が他の界面で反射した光によって弱められるように構成することができる。さらに、界面が光の伝播方向に対して傾くように配置することによって、屈折率が異なる光導波路間における反射および屈折による導波路損失を低減することもできる。

Description

明 細 書 光半導体素子および光半導体集積回路 技術分野
本発明は、 半導体レ一ザ、 光導波路、 およびその他の光デバイスなどの光半導 体素子および光半導体集積回路に関し、 特に、 半導体基板上において屈折率およ びその温度依存性の異なる材料を組み合わせた光半導体素子および光半導体集積 回路に関する。 背景技術
半導体レーザの発振波長は、 周囲温度および素子温度に依存して変化する。 例 K. S a k a i , 1. 5 m r ange I nGaAs P/ i nP d i s t r i bu t e d f e edbac k l a s e r s, "I EEEJ. Q u a n t urn El e c t r on. , vo l. QW - 18， pp. 1272 - 12 78， Aug. 1982に示されているように、 分布帰還型 （DFB) レーザの 発振波長の温度依存性は 0. 1 nmZK程度である。これは、半導体の屈折率（n) が温度依存性を持ち、 これにより回折格子のブラッグ波長 （λΒ) が、
mAB=2 ηΛ · · · (1) に従って変化するためである。 ここで、 mは回折の次数、 Λは回折格子の周期で ある。
例えば、 光ファイバ通信の光源として半導体レーザを用いる場合、 特にいくつ かの異なる波長の光信号を 1本のファイバに多重化して伝送する波長多重通信 (WDM) を行う場合は、 信号光波長の精度が重要である。 そのため、 発光源で ある半導体レーザの発振波長を安定化することが必要不可欠である。 このため、 例えば、 ペル'チェ素子を用いて半導体レーザの温度制御を行うことにより、 半導 体レーザの発振波長を安定化することが行われている。
また、 ペルチェ素子などによる温度制御を用いずに発振波長の温度依存性を安 定させる方法としては、 大きく分類して 2つの方法が考えられる。 すなわち、 1 番目の方法は、 例えば、 H. As ah i e t a 1, J pn. J. Ap p 1. p y s. ， vo l.. 35， pp. L 875 -, 1996. に示されるように、 従来に比べて屈折率の温度依存性の小さい半導体材料を用いることで、 半導体の みの構成により温度依存性を低減する方法である。 また、 2番目の方法は、 半導 体と半導体以外の材料による複合構成により温度依存性を低減する方法である。 例えば、 "Hyb r i d i n t e g r a t e d ex t enna l C a v i t y l a s e r wi t hou t t emp e r a t ur e dep ende n t mode hopp i ng, "T. T a n a k a e t a 1 , E l e c t r o n. Le t t. ， vo l. 35, no. 2, pp. 149 - 150, 19 99. に示されるように、 半導体レーザと半導体以外の材料よりなる外部導波路 を組み合わせたレ一ザや、 特開 2002— 14247号公報に示されるように、 半導体と半導体とは逆の屈折率温度依存性を有する半導体以外の材料とを交互に 縦列接続した構成が知られている、
しかしながら、 ペルチェ素子を用いて半導体レーザの温度制御を行う方法では 素子構造や制御が複雑化するとともに、消費電力が増加するという問題があつた。 また、 屈折率の温度依存性の小さい半導体材料を用いることで、 半導体のみの 構成により温度依存性を低減する方法では、 これまでに実用化された新材料の報 告は無く、 新しい半導体を開発することは、 結晶成長や素子形成上、 非常に困難 である。
また、 半導体と半導体以外の材料と組み合わせる方法では、 光軸調整を不要と するなど出来るだけ簡便に組み合わせできることが望ましい。 しかし、 半導体基 板上に有機材料をスピンコートするなど簡便な作成法であったとしても、例えば、 半導体と有機材料を交互に縦列接続して分布反射器を構成するような場合は、 優 れた特性の得られる 1次の回折格子を作製するためには、 半導体と有機材料を 1 4波長程度の長さで交互に並べる必要があり、 加工の難易度および信頼性に大 きな問題がある。
一方、 半導体光導波路と半導体とは異なる特性を有する材料からなる光導波路 を接続することにより、 半導体のみでは得られない新しい特性を有する光導波路 が得られている。 例えば、 半導体の屈折率は温度上昇により増大する、 すなわち 正の温度依存性を有するが、 これとは逆に温度上昇により屈折率が低下する、 す なわち負の温度依存性を有する材料からなる光導波路を半導体光導波路に縦続接 続する方法がある。
これにより、 全体として、 屈折率と導波路長の積である光学長が温度に依存し ない光導波路を得ることができ、 K. Tad a e t a 1. "Temp e r a t u r e c omp en s a t ed c oup l e d c av i t y d i od e l a s e r s , O t i c a l and Quan t um E l e c t r on i c s, vo l. 16， pp. 463-469, 1984. に開示されてい るように、 半導体レーザの外部に負の屈折率温度依存性を有する材料からなる共 振器を構成することで、 発振波長が温度の依存しない温度無依存レーザを実現す ることができる。
すなわち、 半導体媒質の実効屈折率 nDの増大により、 レーザ共振器の光学長 nDLDは温度上昇に伴って増大する。 ここで、光学長 nRLRが温度上昇に伴って 低下する外部共振器にレーザダイオードが結合されているものとすると、 共振器 の全体の光学長 nDLD+nRLRが温度に対して一定となる条件は、 以下の （2) 式で与えることができる。
d/dT (nDLD+nRLR)
= LD5 nD aT + nD5LD/aT + LRa nR/5T + nRaLR ^T=0
· · · (2) ただし、 （9 nDZ3Tおよび 3 LDZSTは通常正であるため、
Figure imgf000005_0001
よび 3 LRZ3Tは負となる。
ここで、 半導体光導波路と半導体以外の材料とからなる導波路を接合する場合 のように異なる屈折率をもつ導波路を接合する場合には、 その界面において 2つ の導波路の屈折率の違いから反射が生じる。 第 1光導波路の屈折率を Nい 第 2 光導波路の屈折率を N2とし、 簡単のため平面波で考えると、 反射率 Rは以下の (3) 式で与えることができる。
Figure imgf000005_0002
) 2 · · · (3) 半導体や石英導波路を伝播した光を外部に放射する場合、 導波路と外部との屈 折率が異なるために反射が生じる。 このため、 例えば、 半導体光導波路中を伝播 した光が半導体レーザの端面から空気中に放射される場合、 草川徹著 「レンズ光 学」 東海大学出版会 P P. 273〜288に開示されているように、 ある特定の 厚さの蒸着膜を半導体端面に成膜することにより、反射を防止することができる。 しかしながら、 異なる材料からなる導波路を半導体基板上に集積する場合、 この ような反射防止膜を精度よく形成することは困難である。
一方、 屈折率が互いに異なる物質の境界面に光が斜めに入射した場合、 入射角 を 0い 屈折角を 02とすると、 スネルの法則に従い、 以下の （4) 式で表される ように、 その境界面で屈折が生じる。
s i η Θ x s \ η θ 2 = Ν2/Ν1 · · · (4) ここで、 入射角 0ェがブリュースター （B r ews t e r) 角 0Bに一致する場 合、 入射面に平行な成分の反射をなくすことができ、 ブリュースター角 0Bは、 以下の （5) 式で表すことができる。
ΘΒ= t an-1 ( / ） · · · (5) ところで、 一般的に、 半導体導波路には、 埋め込みヘテロ （HB) 構造やリツ ジ構造などが広く用いられている。 そして、 半導体のエッチングや埋め込み成長 では、 エッチングや埋め込みに適した結晶方位が存在する。
しかしながら、 半導体光導波路とその半導体光導波路とは屈折率の異なる材料 からなる光導波路とを結合する場合、 屈折率の差に応じて接合界面での反射が起 こるため、 導波路設計の自由度が制限される。
ここで、 ブリュース夕一角 0Bを利用することにより、 屈折率が互いに異なる 導波路間における反射を低減することができるが、 プリユース夕一角 0 Bを用い ると、 導波路間の境界面で光が屈折し、 導波方向が直線でなくなるという問題が ある。
また、 屈折率が互いに異なる導波路間における反射を低減するためにプリユー スター角 0Bを用いると、 埋め込み半導体導波路を特定の結晶方向に沿って作製 することが困難になり、 埋め込み半導体導波路を信頼性よく作製することができ なくなるという問題があつた。
さらに、 屈折率が互いに異なる導波路間における反射を低減するためにプリュ —スター角 0 Bを用いると、 半導体導波路を劈開面に垂直に配置することが困難 となり、 半導体レーザなどの反射面として劈開面を用いることができなくなると いう問題があった。
以上のように、 屈折率およびその温度依存性の異なる材料を組み合わせるには 種々の問題があり、 さらなる改善が望まれる。 発明の開示
上述した課題を解決するために、 本発明の一実施形態に係る半導体レーザは、 波長選択性を有する利得領域と、 前記利得領域に光学的に結合され、 実効的な屈 折率の温度依存性が前記利得領域と異なる波長選択性を有しない伝搬領域と、 前 記伝搬領域を伝播する光を反射させる反射領域とを備える。
これにより、 波長選択性を有する利得領域に波長選択性を有しない伝搬領域を 結合することで、発振波長の温度依存性を制御することが可能となる。すなわち、 利得領域は波長選択性を有するため特定の波長の光を選択的に励振することがで きる。 伝搬領域は波長選択性を持たず、 前記利得領域と光学的に結合しているた め、 前記利得領域で励振された光がそのまま伝搬領域を伝搬し、 伝搬する光の位 相が変化する。 反射領域により前記伝搬領域を伝搬した光が反射され再び前記利 得領域に戻るため、 前記利得領域の温度変化による光の波長変動を前記伝搬領域 の温度変化による位相変化で補償することが可能となる。 このため、 発振波長の 温度依存性を有する材料を利得媒質として用いた場合においても、 半導体と半導 体以外の材料とを複雑に組み合わせることなく、 半導体レ一ザの発振波長の温度 依存性を所望の値に制御することが可能となり、 簡単な構成および容易な加工方 法を用いることにより、半導体レーザの発振波; Sを安定化することが可能となる。 また、 本発明の他の実施形態に係る半導体レーザは、 波長選択性を有する利得 領域と、 前記利得領域に光学的に結合され、 実効的な屈折率の温度依存性が前記 利得領域と異なる材料を有し、 利得および波長選択性を有しない伝搬領域と、 前 記伝搬領域を伝播する光を反射させる利得を有しない反射領域とを備える。
これにより、 有機材料などの入手可能な材料を用いることで伝搬領域を構成す ることが可能となり、 新材料を用いることなく、 簡単な構成および容易な加工方 法を用いることで、 発振波長の温度依存性を制御することが可能となる。
また、 本発明の他の実施形態に係る半導体レーザは、 波長選択性を有する利得 領域と、 前記利得領域に光学的に結合され、 実効的な屈折率の温度依存性が前記 利得領域と異なる構造を有し、 利得および波長選択性を有しない伝搬領域と、 前 記伝搬領域を伝播する光を反射させる利得を有しない反射領域とを備える。 これにより、 実効的な屈折率の温度依存性が異なる材料を用いることなく、 伝 搬領域を構成することが可能となり、 簡単な構成および容易な加工方法を用いる ことで、 発振波長の温度依存性を制御することが可能となる。
また、 本発明の他の実施形態に係る半導体レーザは、 波長選択性を有する第 1 の利得領域と、 前記第 1の利得領域に光学的に結合され、 実効的な屈折率の温度 依存性が前記利得領域と異なる材料または構造の少なくとも一方を有し、 利得お よび波長選択性を有しない伝搬領域と、 前記伝搬領域に光学的に結合され、 波長 選択性を有する第 2の利得領域とを備える。
これにより、 有機材料などの入手可能な材料を用いることで伝搬領域を構成す ることが可能となるとともに、 ミラ一を反射領域として用いる必要がなくなる。 このため、 半導体レーザのモノリシック集積化を容易に図ることが可能となると ともに、 新材料を用いることなく、 簡単な構成および容易な加工方法を用いるこ とにより、 発振波長の温度依存性を制御することが可能となる。
また、 本発明の他の実施形態に係る半導体レーザは、 半導体基板と、 前記半導 体基板上に形成され、 分布反射構造を有する活性層と、 前記活性層上に形成され たクラッド層と、 前記活性層および前記クラッド層の一部が除去された除去領域 と、 前記除去領域内に埋め込まれ、 実効的な屈折率の温度依存性が前記活性層と 異なる温度補償層とを備える。 ―
これにより、 活性層およびクラッド層の一部を除去した後に、 温度補償層を充 填することで、 波長選択性を有する利得領域に波長選択性を有しない伝搬領域を 容易に結合することが可能となり、 簡単な構成および容易な加工方法を用いるこ とで、 発振波長の温度依存性を制御することが可能となる。
また、 本発明の他の実施形態に係る半導体レーザは、 半導体基板と、 前記半導 体基板上に積層された分布ブラッグ反射層と、 前記分布ブラッグ反射層上に積層 され、 分布反射構造を有する活性層と、 前記活性層上に積層され、 実効的な屈折 率の温度依存性が前記活性層と異なる温度補償層と、 前記温度補償層上に積層さ れた反射層とを備える。
これにより、 分布ブラッグ反射層、 活性層、 温度補償層および反射層を半導体 基板上に順次積層することで、 波長選択性を有する利得領域に波長選択性を有し ない伝搬領域を容易に結合することが可能となり、 簡単な構成および容易な加工 方法を用いることで、 発振波長の温度依存性を制御することが可能となる。 また、 本発明の他の実施形態に係る半導体レーザは、 半導体基板と、 前記半導 体基板上に形成され、分布反射構造を有する活性層と、前記活性層上に形成され、 前記活性層の端部に傾斜面が設けられたクラッド層と、 前記クラッド層上に形成 され、実効的な屈折率の温度依存性が前記活性層と異なる温度補償層とを備える。 これにより、 傾斜面が設けられたクラッド層上に温度補償層を設けることで、 波長選択性を有する利得領域に波長選択性を有しない伝搬領域を容易に結合する ことが可能となり、 簡単な構成および容易な加工方法を用いることにより、 発振 波長の温度依存性を制御することが可能となる。
また、 本発明の一実施形態に係る集積光導波路は、 第 1光導波路と、 前記第 1 光導波路に光学的に結合され、 前記第 1光導波路と屈折率の異なる第 2光導波路 と、 前記第 1光導波路の光路を横切るように前記第 1光導波路と前記第 2光導波 路との界面から所定間隔だけ隔てて配置された溝部とを備え、 前記界面からの間 隔と前記溝部の幅は、 前記第 1光導波路と前記第 2光導波路との境界での反射が 弱められるように設定される。
これにより、 第 1光導波路の光路を横切るように溝を形成することで、 第 1光 導波路と第 2光導波路の境界における反射波 位相を調整することができ、 第 1 光導波路と第 2光導波路の境界における反射波を互いに打ち消し合わせることが できる。 このため、 第 1光導波路と第 2光導波路との屈折率が互いに異なる場合 においても、 第 1光導波路と第 2光導波路との境界での反射を弱めることができ る。 この結果、 第 1光導波路と第 2光導波路との界面に反射防止膜を形成するこ となく、 第 1光導波路と第 2光導波路との境界における損失を低減させることが でき、 光導波路の集積化に対応しつつ、 半導体のみでは得られない新しい特性を 有する光導波路を実現することが可能となる。
また、 本発明の他の実施形態に係る集積光導波路は、 半導体基板上に形成され た第 1光導波路と、 前記半導体基板上に形成され、 前記第 1光導波路と屈折率の 異なる第 2光導波路と、 前記第 1光導波路と前記第 2光導波路との境界に配置さ れ、 前記第 1光導波路から溝部を隔てて導波方向と垂直になるように前記半導体 基板上に形成された半導体板とを備え、 前記溝部の幅および前記半導体板の厚さ は、 前記第 1光導波路と前記溝部との界面で反射した光が、 前記溝部と前記半導 体板との界面で反射した光および前記半導体板と前記第 2光導波路との界面で反 射した光によって弱められるように設定される。
これにより、 溝部と半導体板との界面で反射した光および半導体板と第 2光導 波路との界面で反射した光によって、 第 1光導波路と溝部との界面で反射した光 を弱めることができる。 このため、 半導体光導波路と半導体以外の光導波路とを 同一半導体基板上に集積した場合においても、 これらの光導波路間の反射を低減 することが可能となり、 導波路設計の自由度を維持しつつ、 半導体のみでは得ら れない新しい特性を有する光導波路を実現することが可能となる。
また、 本発明の他の実施形態に係る集積光導波路は、 半導体基板上に形成され た第 1光導波路と、 前記半導体基板上に形成され、 前記第 1光導波路と屈折率の 異なる第 2光導波路と、 前記第 1光導波路と前記第 2光導波路との境界に配置さ れ、 前記第 1光導波路から第 1溝部を隔てて導波方向と垂直になるように前記半 導体基板上に形成された第 1半導体板と、 前記第 1半導体板から第 2溝部を隔て て導波方向と垂直になるように前記半導体基板上に形成された第 2半導体板とを 備え、 前記第 1溝部および前記第 2溝部の幅ならびに前記第 1半導体基板および 前記第 2半導体基板の厚さは、 前記第 1光導波 _路と前記第 1溝部との界面で反射 した光が、 前記第 1溝部と前記第 1半導体板との界面で反射した光、 前記第 1半 導体板と前記第 2溝部と界面で反射した光、 前記第 2溝部と前記第 2半導体板と の界面で反射した光および前記第 2半導体板と前記第 2光導波路との界面で反射 した光によって弱められるように設定される。
これにより、 第 1溝部と第 1半導体板との界面で反射した光、 第 1半導体板と 第 2溝部と界面で反射した光、 第 2溝部と第 2半導体板との界面で反射した光お よび第 2半導体板と第 2光導波路との界面で反射した光によって、 第 1光導波路 と第 1溝部との界面で反射した光を弱めることができる。 このため、 半導体光導 波路と半導体以外の光導波路とを同一半導体基板上に集積した場合においても、 これらの光導波路間の反射を低減することが可能となり、 導波路設計の自由度を 維持しつつ、 半導体のみでは得られない新しい特性を有する光導波路を実現する ことが可能となる。
また、 本発明の他の実施形態に係る集積光導波路は、 第 1光導波領域と、 前記 第 1光導波領域との境界面が前記第 1光導波領域の導波方向に対して斜めに配置 され、 第 1光導波領域と屈折率が異なる第 2光導波領域と、 前記第 2光導波領域 との境界面における屈折方向が導波方向と一致するように、 前記第 2光導波領域 との境界面が配置された第 3光導波領域とを備える。
これにより、 第 1光導波領域と第 2光導波領域との境界面を導波方向に対して 傾けることが可能となり、 第 1光導波領域と第 2光導波領域との屈折率が互いに 異なる場合においても、 第 1光導波領域と第 2光導波領域との境界面での反射を 減らすことが可能となるとともに、 屈折方向が導波方向と一致するように境界面 が配置された第 3光導波領域を設けることで、 屈折率が互いに異なる導波路間に おける反射および屈折による導波路損失を低減しつつ、 導波方向を調整すること が可能となる。
このため、 屈折率が互いに異なる材料を光導波領域間に挿入した場合において も、 導波路損失を抑制しつつ、 劈開やエッチングや埋め込みなどに適した結晶方 位を有効に活用することが可能となり、 導波路作製時の信頼性の劣化を抑制しつ つ、 半導体のみでは得られない新しい特性を有する光導波路を実現することが可 能となるとともに、 導波路設計の自由度を向上させることができる。
また、 本発明の他の実施形態に係る集積光導波路によれば、 第 1の屈折率を持 つ第 1光導波路と第 3光導波路、 および前記第 1光導波路と前記第 3光導波路と の間にあって第 2の屈折率を持つ第 2光導波領域を備え、 前記第 1光導波路と前 記第 2光導波領域との境界面が前記第 1光導波路の方向に対して垂直でないよう に、 前記第 1光導波路と前記第 2光導波領域とが接続され、 前記第 1光導波路と 前記第 2光導波領域との境界面での光の屈折方向の延長線上において、 前記第 2 光導波領域と前記第 3光導波路との境界面が前記延長線に対して垂直でないよう に、 前記第 2光導波領域と前記第 3光導波路とが接続され、 前記第 2光導波領域 と前記第 3光導波路との境界面での光の屈折方向と前記第 3光導波路の方向とが 一致していることを特徴とする。
これにより、 屈折率が互いに異なる材料を光導波路間に挿入した場合において も、 第 1光導波路と第 2光導波領域との境界面および第 2光導波領域と第 3光導 波路との境界面における反射を低減し、 力つ屈折による損失を抑制することがで 含る。 図面の簡単な説明
図 1は、 本発明の第 1の実施例に係る半導体レーザの構成を光導波方向に沿つ て示す断面図である。
図 2は、 本発明の一実施形態に係る半導体レーザの反射スぺクトルおよび反射 波の位相特性を示す図である。
図 3は、 本発明の一実施形態に係る半導体レ一ザの発振波長の温度依存性の補 償原理を説明する図である。
図 4は、 本発明の一実施形態に係る半導体レーザの屈折率の温度係数差と発振 波長温度依存性を説明する図である。
図 5は、 本発明の第 2の実施例に係る半導体レ一ザの構成を光導波方向に沿つ て示す断面図である。
図 6は、 本発明の第 3の実施例に係る半導体レーザの構成を光導波方向に沿つ て示す断面図である。
図 7は、 本発明の第 4の実施例に係る半導体„レーザの構成を光導波方向に沿つ て示す断面図である。
図 8は、 本発明の第 5の実施例に係る半導体レーザの構成を光導波方向に沿つ て示す断面図である。
図 9 A〜 9 Eは、 本発明の第 6の実施例に係る半導体レーザの一構成方法を光 導波方向に垂直に切断して示す断面図である。
図 1 0は、 本発明の第 7の実施例に係る集積光導波路の結合部の概略構成を示 す斜視図である。
図 1 1は、 図 1 0の光導波方向に沿った X I， X I I— X I , X I I線で切断 した断面図である。
図 1 2は、 本発明の第 8の実施例に係る集積光導波路の結合部の概略構成を光 導波方向に沿って示す断面図である。
図 1 3は、 本発明の第 9の実施例に係る集積光導波路の概略構成を光導波方向 と直交する方向に沿って示す断面図である。
図 1 4は、 本発明の第 1 0の実施例に係る集積光導波路の概略構成を光導波方 向と直交する方向に沿って示す断面図である。
図 1 5は、 図 1 1の集積光導波路の結合部における反射率を溝部 A 6 1の幅 d 丄と半導体板 B 6 1の厚さ d 2との関係で示す図である。
図 1 6は、 本発明の第 1 0の実施例に係る集積光導波路の概略構成を示す断面 図である。
図 1 7は、 本発明の第 1 1の実施例に係る集積光導波路の概略構成を示す断面 図である。
図 1 8は、 本発明の第 1 2の実施例に係る集積光導波路の結合部の概略構成を 示す斜視図である。
図 1 9は、 図 1 8の光導波方向に沿った X I X， XX— X I X, XX線で切断 した切断図である。
図 2 0は、 本発明の第 1 3の実施例に係る集積光導波路の結合部の概略構成を 光導波方向に沿って示す断面図である。
図 2 1は、 図 1 8の領域 A 1 3 2、 B 1 3 2、 R 1 3 2で構成される光導波路 の反射率と半導体板 B 1 3 2の厚さ d 4との関係を示す図である。
図 2 2は、 図 1 8の溝部 A 1 3 2の幅 d 3と入射波長に対する反射率との関係 を示す図である。
図 2 3は、 本発明の第 1 4の実施例に係る集積光導波路の概略構成を示す断面 図である。
図 2 4は、 本発明の第 1 5の実施例に係る集積光導波路の概略構成を示す断面 図である。 図 2 5は、 本発明の第 1 6の実施例に係る集積光導波路の概略構成を示す断面 図である。
図 2 6は、 本発明の第 1 7の実施例に係る集積光導波路の概略構成を示す平面 図である。
図 2 7は、 図 2 6の第 1導波領域 1 2 0 1の概略構成を示す断面図である。 図 2 8は、 本発明の第 1 8の実施例に係る集積光導波路の概略構成を示す平面 図である。
図 2 9は、 図 2 8の第 2導波路 1 4 0 2の概略構成を示す断面図である。 図 3 0は、 屈折率の異なる物質の接合面に光が入射した場合の入射角と屈折角 との関係を示す模式図である。
図 3 1は、 屈折率の異なる物質を光が導波する場合の導波方向の成す角と屈折 率比との関係を示す図である。
図 3 2は、 屈折率の異なる物質の接合面に光が入射した場合の入射角と入射面 に平行な成分の反射率との関係を示す図である。
図 3 3は、 本発明の第 1 9の実施例に係る集積光導波路の概略構成を示す平面 図である。
図 3 4は、 本発明の第 2 0の実施例に係る集積光導波路の概略構成を示す平面 図である。
図 3 5は、 本発明の第 2 1の実施例に係る集積光導波路の概略構成を示す平面 図である。
図 3 6は、 本発明の第 2 2の実施例に係る集積光導波路の概略構成を示す斜視 図である。 発明を実施するための最良の形態
以下、 本発明のいくつかの実施形態について図面を参照しながら説明する。 先 ず、 第 1の実施形態として、 半導体レーザにおける応用例についていくつかの実 施例を示しながら説明する。 この実施形態においては、 半導体レーザと屈折率の 温度依存性が異なる材料とを組み合わせることにより、 半導体レーザの発振波長 の温度依存性を制御することが可能になる。 次に、 第 2の実施形態として集積光導波路における応用例についていくつかの 実施例を示しながら説明する。 この実施例においては、 半導体光導波路と屈折率 およびその温度依存性が異なる光導波路とを集積する際にこれら光導波路間にお ける境界面での反射を低減することが可能になる。 また、 半導体光導波路と屈折 率の異なる光導波路とを集積することにより、 半導体のみでは得られない新しい 特性を有する光導波路を実現することが可能となる。
さらに、 第 3の実施形態として半導体光導波路と屈折率の異なる光導波路との 境界面を導波方向に対して斜めに配置して、 これら光導波路間における反射およ び屈折による導波路損失を低減することが可能になる。 また、 半導体光導波路と 屈折率の異なる光導波路とを集積することにより、 半導体のみでは得られない新 しい特性を有する光導波路を実現することが可能となる。
(半導体レーザにおける応用例）
本発明の第 1の実施形態に係る半導体レーザについて図面を参照しながら説明 する。 この第 1の実施形態によれば、 屈折率の温度特性の異なる材料を組み合わ せて、 発振波長の温度依存性を制御することが可能な半導体レ一ザを提供するこ とができる。 以下、 本実施形態に係るいくつかの具体的な実施例について説明す る。
図 1は、 本発明の第 1の実施例に係る半導体レーザの構成を光導波方向に沿つ て示す断面図である。 なお、 第 1の実施例は、 波長選択性を持った第 1の利得領 域 R 1と波長選択性を持った第 2の利得領域 R 2との間に、 屈折率の異なる利得 を有しない伝搬領域 R 3を設けることにより、 発振波長の温度依存性を制御する ことができる。
図 1において、 半導体基板 1 0 1上には、 波長選択性を持った第 1の利得領域 R 1、 屈折率の異なる利得を有しない伝搬領域 R 3および波長選択性を持った第 2の利得領域 R 2が設けられている。 ここで、 利得領域 R 1には、 半導体基板 1 0 1上に形成された活性層 1 0 2が設けられている。 そして、 活性層 1 0 2上に は、 クラッド層 1 1 0を介して第 1の利得領域用電極 1 0 5が形成されている。 また、 利得領域 R 2には、 半導体基板 1 0 1上に形成された活性層 1 0 4が設 けられている。 そして、 活性層 1 0 4上には、 クラッド層 1 1 0を介して第 2の 利得領域用電極 106が形成されている。
なお、 半導体基板 101およびクラッド層 110としては、 例えば、 I nP、 活性層 102、 104としては、 例えば、 発光波長 1. 55 111の0& 1 11 3 Pを用いることができる。 ここで、 半導体基板 101上に形成された活性層 10 2は波長選択性を持つた第 1の利得を有し、 活性層 104は波長選択性を持つた 第 2の利得を有している。 そして、 活性層 102、 104には、 複素屈折率の周 期的な摂動、 すなわち回折格子がそれぞれ形成され、 活性層 102、 104は分 布反射構造となっている。
さらに、 伝搬領域 R 3には、 半導体基板 101上の活性層 102、 104およ びクラッド層 110の一部を除去することで形成された除去領域 111が設けら れ、 除去領域 111には屈折率の温度依存性が利得領域 R 1および Zまたは R 2 と異なる温度補償材料 103が充填されている。
ここで、 温度補償材料 103としては、 例えば、 半導体とは逆の屈折率の温度 依存性を持つ有機材料を用いることができ、このような有機材料として、例えば、 BCB (Benz o cyc l obu t ene) を挙げることができる。 また、 温 度補償材料 103として、 有機材料の多層膜を用いることで導波損失を低減する ことができる。
なお、 利得を有しない伝搬領域 R 3を半導体基板 101上に形成する場合、 反 応性イオンェツチングなどの異方性ェツチングを用いて利得領域 R 1、 R 2の間 に所望の幅の溝を形成し、 スピンコーティングなどの方法により有機材料を溝部 に充填することができる。
また、 共振器両』の端面には、 第 1の利得領域側反射防止膜 108および第 2 の利得領域側反射防止膜 109がそれぞれ形成され、 半導体基板 101の裏面に は、 裏面電極 107が形成されている。
ここで、 第 1の利得領域 R 1、 第 2の導波領域 R 2および伝搬領域 R 3の長さ は、 第 1の利得領域 R 1もしくは第 2の導波領域 R 2のみで発振しないように設 定することができる。
そして、 波長選択性を持つた第 1の利得領域 R 1で発光もしくは反射された光 が、 利得を有しない伝搬領域 R 3を通り、 波長選択性を持った第 2の利得領域 R 2により反射される。反射された光は、利得を有しない伝搬領域 R 3を再度通り、 波長選択性を持つた第 1の利得領域 R 1に戻ることにより、 レーザ発振を起こす ことができる。
このため、 第 1の利得領域 R l、 第 2の導波領域 R 2および伝搬領域 R 3にお いてレーザ発振を行うことが可能となり、 第 1の利得領域 R 1および第 2の導波 領域 R 2での温度変化による発振波長の変動を、 伝搬領域 R 3での温度変化によ る位相の変動で補償することが可能となる。
B C Bなどの有機材料を用いることで、 半導体レーザの発振波長の温度依存性 を制御することが可能となる。 このため、 新材料を用いることなく、 簡単な構成 および容易な加工方法を用いることにより、 半導体レーザの発振波長の安定化を 図ることが可能となる。
なお、 利得を有しない伝搬領域 R 3の長さは、 活性層 1 0 2、 1 0 4に設けら れた回折格子の実効長と利得を有しない伝搬領域 R 3の長さの和により決定され る縦モード間隔が、 回折格子のストップバンド幅よりも広くなるように設定する ことができる。 これにより、 1個の縦モードのみを回折格子のストップバンド幅 内に存在させることが可能となり、 他の縦モ一ドの利得を抑圧することを可能と して、 単一モード動作の安定性を高めることができる。
以下、 本実施例を参照して発振原理および発振波長について詳細に説明する。 波長選択性を持つた第 1の利得領域 R 1と波長選択性を持った第 2の利得領域 R 2は、 波長選択性と光学利得を併せ持つため、 回折格子によって決定される波 長の光のみを反射し、 増幅することができる。 ここで、 反射が最も大きくなる波 長帯域は、 回折格子のブラッグ波長を中心としたストップバンド幅で決定するこ とができる。 例えば、 回折格子の結合係数 Kを 3 0 0 c m—1とし、 長さを 5 0 n mに設定することにより、 ストップバンド幅として約 1 O nmを得ることができ る。 また、 利得を有しない伝搬領域 1 0 3の長さは、 例えば、 約 1 0 mに設定 することができる。
図 2は、 本'発明の一実施形態に係る半導体レーザの反射スぺクトルおよび反射 波の位相特性を示す図であり、 第 1の利得領域 R 1および第 2の利得領域 R 2の 回折格子の反射スぺクトルと反射波の位相遅れを示す。 図 2において、 利得を有しない伝搬領域 R 3がない、 もしくは、 伝搬領域 R 3 を光が通過する際の位相遅れがない場合、 第 1の利得領域 R 1および第 2の利得 領域 R 2の回折格子での位相遅れの和が 0か 2 の整数倍、 すなわち、 第 1の利 得領域 R 1または第 2の利得領域 R 2の一方のみで考えると、 位相遅れが 0か π であるとき、 その波長は共振モードとなる。
次に、 利得を有しない伝搬領域 R 3が存在すると、 光が第 1の利得領域 R 1を 出てから、 第 2の利得領域 R 2に入るまでに位相が変わる。 このため、 伝搬領域 R 3における位相変化に応じて、 第 1の利得領域 R l、 第 2の利得領域 R 2およ び伝搬領域 R 3からなる共振器全体での位相遅れが 0または 2 7Tとなるように、 共振モードはストップバンドの間で変化する。
ここで、 I n Pや G a A sなどの通常の半導体レーザに現在使われている半導 体材料では、 周囲温度が上昇すると屈折率も上昇するため、 回折格子のブラッグ 波長は、 式 （1 ) に従って長波長側に移動する。 この結果、 図 2の反射スぺクト ルも全体的に長波長側にシフトする。
一方、 温度補償材料 1 0 3が、 例えば、 半導体とは逆の屈折率の温度依存性を 持つ材料である場合、 温度上昇に伴い、 温度補償材料 1 0 3の屈折率が減少し、 利得を有しない伝搬領域 R 3の光学長が減少する。 このため、 利得を有しない伝 搬領域 R 3を通過した光の位相が変化し、 温度上昇に伴って、 発振波長がストツ プバンド内を長波長側から中央部、 そして短波長側へと移動する。
このため、 第 1の利得領域 R 1および第 2の導波領域 R 2での温度変化による ブラッグ波長の変動を、 伝搬領域 R 3での温度変化による位相の変動で補償する ことが可能となり、 半導体レーザの発振波長の温度依存性を制御することができ る。 ―
図 3は、 本発明の一実施形態に係る半導体レーザの発振波長の温度依存性の補 償原理を説明する図である。
図 3において、 温度が上昇すると、 回折格子のブラッグ波長 λ Βは長波長側に シフトするが、 発振波長は温度変化があっても変化しないことがわかる。 なお、 ストップバンド幅 S Bが広いほど、 広い温度範囲において補償が可能である。 例 えば、 図 1の例では、 回折格子の結合係数を 3 0 0 c m— 1としたが、 さらに、 大 きな結合係数とすることで、 ストップバ /ドの幅を拡大し、 補償する温度範囲を 拡大することが可能である。
なお、 上述した実施例では、 波長選択性も利得も有しない伝搬領域 R 3に、 半 導体とは逆の屈折率の温度依存性を持つ温度補償材料 1 0 3を用いる方法につい て説明したが、 伝搬領域 R 3の材料を換えることで、 任意の温度依存性を持つ半 導体レーザを作製することが可能である。また、利得を有しない伝搬領域 R 3は、 発光する必要がないため、必ずしも良好な結晶性を有する必要はない。このため、 有機材料やその他の半導体以外の材料を用いることができ、 材料の選択性を広げ ることができる。 また、 例えば、 回折格子部分の半導体よりも大きな屈折率の温 度依存性を持つ材料を用いて、 利得を有しない伝搬領域を構成するようにしても よく、 これにより、 温度依存性の大きな半導体レーザを形成することができ、 温 度センサなどとして用いることができる。 また、 半導体のように温度上昇により 屈折率が上昇する材料であっても、 回折格子部分の半導体よりも小さな屈折率の 温度依存性を持つ材料とすることにより、 発振波長の温度依存性を低減すること ができる。
図 4は、 本発明の一実施形態に係る半導体レーザの屈折率の温度係数差と発振 波長温度依存性を説明する図である。 なお、 図 4では、 横軸は、 波長選択性を有 する利得領域と波長選択性も利得も有しない伝搬領域の屈折率温度係数の差と、 波長選択性も利得も有しない伝搬領域の長さの積、 縦軸は、 発振波長の温度依存 性の変化を示す。 また、 ここでは、 半導体のみの構成で、 図 1と同じ各領域の長 さ、 回折格子の結合係数などを用いた場合の例を示した。
図 4において、 D F Bレーザの場合、 発振波長の温度依存性は 1 AZK程度で ある。 このため、 発振波長をその 1 0 %程度変化させる場合、 利得領域 R l、 R 2の実効的な屈折率の温度微分係数と伝搬領域 R 3の実効的な屈折率の温度微分 係数の差と、 伝搬領域 R 3の長さの積を、 A点 （減少） もしくは A '点 （増加） にすればよく、 その値は、 ± 7 . 5 X 1 0— 4 i m/Kl である。 また、 発振波 長を 2 0 %程度変化させる場合、 利得領域 R l、 R 2の実効的な屈折率の温度微 分係数と伝搬領域 R 3の実効的な屈折率の温度微分係数の差と、 伝搬領域 R 3の 長さの積を、 ± 1 4 . 5 X 1 0— 4 i n m/K] 程度とすれば良いことがわかる。 例えば、 伝搬領域 R 3の長さが 10 mのとき、 それぞれ ±7. 5X 10'4 [1 /K] 、 ±1. 45X 10— 4 [1/K] となる。' "
なお、 図 1の活性層 102、 104の構造に関しては、 特に制約を設けるもの ではなく、 通常用いられるすべての構造の活性層について本発明を適用すること により、 半導体レーザの発振波長の温度依存性を制御することが可能となる。 す なわち、 活性層 102、 104に関しては、 I nGaAs P、 GaAs.、 A 1 G aAs、 I nGaAs、 Ga l nNAsなど任意の材質について適用が可能であ り、活性層 102、 104の構造に関しても、パルク、 MQW (多重量子井戸）、 量子細線、 量子ドットを問わず、 また活性層領域の導波路構造に関しても、 pn 埋め込み、 リッジ構造、 半絶縁埋め込み構造、 ハイメサ構造等を用いるようにし てもよい。 半導体基板 101に関しても、 n型基板に限定されるものではなく、 P型基板、 半絶縁型基板等を用いるようにしてもよい。
また、 周期的摂動は活性層 102、 104上に直に形成しなくとも、 活性層を 導波する光の電界が零でない有限な値を有する領域に形成されていれば、 同様な 効果が期待できる。 例えば、 通常の半導体レーザで用いられている分離閉じ込め 構造 （SCH構造） の SCH層上に形成されていても良く、 また、 活性層と接し ていない領域にクラッド層よりも屈折率が高い層を積層し、 そこに周期的摂動を 形成してもよい。
さらに、 利得を有しない伝搬領域の上下もしくは左右の少なくともどちらかー 方が光閉じ込め構造を有する導波路構造とすることにより、 伝搬損失を低減する ことができ、 半導体レーザの特性を向上させることが可能となる。
また、 本発明の構造を基板の厚さ方向に形成し、 面発光レーザ型としても同様 な効果が期待できる。 さらに、 第 1の利得領域 1、 伝搬領域 R3および第 2の 利得領域 R 2が光軸に沿って並んでいれば、 エッチングなどにより作製した反射 鏡を介して、 第 1の利得領域 Rl、 伝搬領域 R 3および第 2の利得領域 R 2を配 置してもよく、 導波路途中で層方向もしくは横方向に光軸が曲げられるようにし てもよい。
図 5は、 本発明の第 2の実施例に係る半導体レーザの構成を光導波方向に沿つ て示す断面図である。 なお、 第 2の実施例は、 波長選択性を持った利得領域 R1 1と利得を有しない反射領域 R 1 2との間に、 屈折率の温度依存性が異なる利得 を有しない伝搬領域 R 1 3を設けることにより、 発振波長の温度依存性を制御す るようにしたものである。 - 図 5において、半導体基板 2 0 1上には、波長選択性を持った利得領域 R 1 1、 屈折率の温度依存性が異なる利得を有しない伝搬領域 R 1 3および波長選択性を 持った利得を有しない反射領域 R 1 2が設けられている。 ここで、 利得領域 R 1 1には、 半導体基板 2 0 1上に形成され、 波長選択性を持った利得を有する活性 層 2 0 2が設けられている。 そして、 活性層 2 0 2には、 複素屈折率の周期的な 摂動、 すなわち回折格子が形成され、 活性層 2 0 2は、 分布反射構造となってい る。 そして、 活性層 2 0 2上には、 クラッド層 2 1 0を介して電極 2 0 5が形成 されている。
また、 反射領域 R 1 2には、 半導体基板 2 0 1上に形成され、 波長選択性を持 つた利得を有しない半導体層 2 0 4が設けられている。 ここで、 半導体層 2 0 4 には、 複素屈折率の周期的な摂動、 すなわち回折格子が形成され、 半導体層 2 0 4は、 分布反射構造となっている。 そして、 半導体層 2 0 4上には、 クラッド層 2 1 0が形成されている。 なお、 半導体基板 2 0 1およびクラッド層 2 1 0とし ては、 例えば、 I n P、 活性層 2 0 2としては、 例えば、 発光波長 1 . 5 5 ΠΙ の G a I n A s P、 半導体層 2 0 4としては、 例えば、 発光波長 1 . 2 mの G a I n A s Pを用いることができる。 また、 半導体層 2 0 4は、 選択成長などに より活性層 2 0 2とは異なる組成の材料を成長させた後に、 周期構造を有する回 折格子を作成することにより形成できる。
さらに、 伝搬領域 R 1 3には、 半導体基板 2 0 1上の活性層 2 0 2、 半導体層 2 0 4およびクラッド層 2 1 0の一部を除去することで形成された除去領域 2 1 1が設けられ、 除去領域 2 1 1には屈折率の温度依存性が利得領域 R 1 1および 反射領域 R 1 2とは異なる温度補償材料 2 0 3が充填されている。
ここで、 温度補償材料 2 0 3としては、 例えば、 半導体とは逆の屈折率の温度 依存性を持つ有機材料を用いることができ、このような有機材料として、例えば、 B C Bを挙げることができる。 また、 温度補償材料 2 0 3として、 有機材料の多 層膜を用いることで導波損失を低減することができる。 なお、 利得を有しない伝搬領域 R l 3を半導体基板 2 0 1上に形成する場合、 反応性イオンエッチングなどの異方性エッチングを用いて利得領域 R 1 1、 R 1 2の間に所望の幅の溝を形成し、 スピンコ一ティングなどの方法により有機材料 を溝部に充填することができる。
また、 共振器両側の端面には、 利得領域側反射防止膜 2 0 8および反射領域側 反射防止膜 2 0 9が形成され、 半導体基板 2 0 1の裏面には、 裏面電極 2 0 7が 形成されている。 ここで、 利得領域 R 1 1の長さは、 利得領域 R 1 1のみでは反 射損失が大きく発振しないように設定することができる。
そして、 波長選択性を持った利得領域 R l 1で発光もしくは反射された光が、 利得を有しない伝搬領域 R 1 3を通り、 波長選択性を持った利得を有しない反射 領域 R 1 2により反射され、 利得を有しない伝搬領域 R 1 3を再度通り、 波長選 択性を持った利得領域 R l 1に戻ることにより、 帰還を生じさせつつ、 レーザ発 振を起こさせることができる。
このため、 利得領域 R 1 1、 反射領域 R 1 2および伝搬領域 R 1 3をレーザ発 振に係わらせることが可能となり、 利得領域 R 1 1および反射領域 R 1 2での温 度変化による発振波長の変動を、 伝搬領域 R 1 3での温度変化による位相の変動 で補償することが可能となる。
B C Bなどの有機材料を用いることで、 半導体レーザの発振波長の温度依存性 を制御することが可能となる。 このため、 新材料を用いることなく、 簡単な構成 および容易な加工方法を用いることにより、 半導体レーザの発振波長の安定化を 図ることが可能となる。
なお、 利得を有しない伝搬領域 R 1 3の長さは、 活性層 2 0 2および半導体層 2 0 4にそれぞれ設けられた回折格子の実効長と利得を有しない伝搬領域 R 1 3 の長さの和により決定される縦モ一ド間隔が、 回折格子のストップバンド幅より も広くなるように設定することができる。 これにより、 1個の縦モードのみを回 折格子のストップバンド幅内に存在させることが可能となり、 他の縦モードの利 得を抑圧するヒとを可能として、単一モード動作の安定性を高めることができる。 なお、 上述した実施例では、 波長選択性も利得も有しない伝搬領域 R 1 3に、 半導体とは逆の屈折率の温度依存性を持つ温度補償材料 2 0 3を用いる方法につ いて説明したが、 伝搬領域 R13の材料を換えることで、 任意の温度依存性を持 つ半導体レーザを作製することが可能である。 また、 利得を有しない伝搬領域 R
13は、 発光する必要がないため、 必ずしも良好な結晶性を有する必要はない。 このため、 有機材料やその他の半導体以外の材料を用いることができ、 材料の選 択性を広げることができる。 また、 例えば、 回折格子部分の半導体よりも大きな 屈折率の温度依存性を持つ材料を用いて、 利得を有しない伝搬領域を構成するよ うにしてもよく、 これにより、 温度依存性の大きな半導体レ一ザを形成すること ができ、 温度センサなどとして用いることができる。 また、 半導体のように温度 上昇により屈折率が上昇する材料であっても、 回折格子部分の半導体よりも小さ な屈折率の温度依存性を持つ材料とすることにより、 発振波長の温度依存性を低 減することができる。
また、図 5の活性層 202の構造に関しては、特に制約を設けるものではなく、 通常用いられるすべての構造の活性層について本発明を適用することにより、 半 導体レーザの発振波長の温度依存性を制御することが可能となる。 すなわち、 活 性層 202に関しては、 I nGaAs P、 GaAs、 A 1 GaAs, I nGaA s、 Ga I nNAsなど任意の材質について適用が可能であり、 活性層 202の 構造に関しても、 ノ ルク、 MQW (多重量子井戸） 、 量子細線、 量子ドットを問 わず、 また活性層領域の導波路構造に関しても、 pn埋め込み、 リッジ構造、 半 絶縁埋め込み構造、 ハイメサ構造等を用いるようにしてもよい。 半導体基板 20 1に関しても、 n型基板に限定されるものではなく、 p型基板、 半絶縁型基板等 を用いるようにしてもよい。
また、 周期的摂動は活性層 202上に直に形成しなくとも、 活性層を導波する 光の電界が零でない有限な値を有する領域に形成されていれば、 同様な効果が期 待できる。 例えば、 通常の半導体レーザで用いられている分離閉じ込め構造 （S CH構造） の SCH層上に形成されていても良く、 また、 活性層と接していない 領域にクラッド層よりも屈折率が高い層を積層し、 そこに周期的摂動を形成して もよい。
さらに、 利得を有しない伝搬領域の上下もしくは左右の少なくともどちらかー 方が光閉じ込め構造を有する導波路構造とすることにより、 伝搬損失を低減する ことができ、 半導体レーザの特性を向上させることが可能となる。
また、 本発明の構造を基板の厚さ方向に形成し、 面発光レーザ型としても同様 な効果が期待できる。 さらに、 利得領域 R 1 1、 伝搬領域 R 1 3および反射領域 R 1 2が光軸に沿って並んでいれば、 エッチングなどにより作製した反射鏡を介 して、利得領域 R 1 1、伝搬領域 R 1 3および反射領域 R 1 2を配置してもよく、 導波路途中で層方向もしくは横方向に光軸が曲げられるようにしてもよい。 図 6は、 本発明の第 3の実施例に係る半導体レーザの構成を光導波方向に沿つ て示す断面図である。 なお、 この第 3の実施例は、 波長選択性を持った利得領域 R 2 1に屈折率の温度依存性が異なる利得を有しない伝搬領域 R 2 2を結合する ことにより、 発振波長の温度依存性を制御するようにしたものである。
図 6において、 半導体基板 3 0 1上には、 波長選択性を持った利得領域 R 2 1 および屈折率の温度依存性が異なる利得を有しない伝搬領域 R 2 2が設けられて いる。 ここで、 利得領域 R 2 1には、 半導体基板 3 0 1上に形成され、 波長選択 性を持った利得を有する活性層 3 0 2が設けられている。 そして、 活性層 3 0 2 には、 複素屈折率の周期的な摂動、 すなわち回折格子が形成され、 活性層 3 0 2 は、 分布反射構造となっている。 また、 活性層 3 0 2上には、 クラッド層 3 1 0 を介して電極 3 0 5が形成されている。 なお、 半導体基板 3 0 1およびクラッド 層 3 1 0としては、 例えば、 I n P、 活性層 3 0 2としては、 例えば、 発光波長 1 . 5 5 mの G a I n A s Pを用いることができる。
さらに、 伝搬領域 R 2 2には、 半導体基板 3 0 1上の活性層 3 0 2およびクラ ッド層 3 1 0の一部を除去することで形成された除去領域 3 1 2が設けられ、 除 去領域 3 1 2には屈折率の温度依存性が利得領域 R 2 1とは異なる温度補償材料 3 0 3が充填されている。 „
ここで、 温度補償材料 3 0 3としては、 例えば、 半導体とは逆の屈折率の温度 依存性を持つ有機材料を用いることができ、このような有機材料として、例えば、 B C Bを挙げることができる。 また、 温度補償材料 3 0 3として、 有機材料の多 層膜を用いる とで導波損失を低減することができる。
なお、 利得を有しない伝搬領域 R 2 2を半導体基板 3 0 1上に形成する場合、 反応性イオンエッチングなどの異方性エッチングを用いて利得領域 R 2 1の端部 'に所望の幅の溝を形成し、 スピンコ一ティングなどの方法により有機材料を溝部 に充填することができる。
また、 共振器の利得領域 R 2 1側の端面には、 活性層 3 0 2が形成された半導 体基板 3 0 1の劈開面に対して、 反射防 膜 3 0 8が形成されている。 また、 共 振器の伝搬領域 R 2 2側の端面には、高反射膜 3 1 1が形成されている。さらに、 半導体基板 3 0 1の裏面には、 裏面電極 3 0 7が形成されている。 ここで、 利得 領域 R 2 1の長さは、 利得領域 R 2 1のみでは反射損失が大きく発振しないよう に設定することができる。
そして、 波長選択性を持った利得領域 R 2 1で発光もしくは反射された光が、 利得を有しない伝搬領域 R 2 2を通り、 高反射膜 3 1 1により反射され、 利得を 有しない伝搬領域 R 2 2を再度通り、 波長選択性を持った利得領域 R 2 1に戻る ことにより、 帰還を生じさせつつ、 レーザ発振を起こさせることができる。 このため、 利得領域 R 2 1および伝搬領域 R 2 2をレーザ発振に係わらせるこ とが可能となり、 利得領域 R 2 1での温度変化による発振波長の変動を、 伝搬領 域 R 2 2での温度変ィ匕による位相の変動で補償することが可能となる。
B C Bなどの有機材料を用いることで、 半導体レーザの発振波長の温度依存性 を制御することが可能となる。 このため、 新材料を用いることなく、 簡単な構成 および容易な加工方法を用いることにより、 半導体.レーザの発振波長の安定化を 図ることが可能となる。
なお、 利得を有しない伝搬領域 R 2 2の長さは、 活性層 2 0 2に設けられた回 折格子の実効長と利得を有しない伝搬領域 R 2 2の長さの和により決定される縦 モード間隔が、 回折格子のストップバンド幅よりも広くなるように設定すること ができる。 これにより、 1個の縦モードのみを J1I折格子のストップバンド幅内に 存在させることが可能となり、他の縦モードの利得を抑圧することを可能として、 単一モード動作の安定性を高めることができる。
なお、 上述した実施例では、 波長選択性も利得も有しない伝搬領域 R 2 2に、 半導体とは逆め屈折率の温度依存性を持つ温度補償材料 3 0 3を用いる方法につ いて説明したが、 伝搬領域 R 2 2の材料を換えることで、 任意の温度依存性を持 つ半導体レーザを作製することが可能である。 また、 利得を有しない伝搬領域 R 2 2は、 発光する必要がないため、 必ずしも良好な結晶性を有する必要はない。 このため、 有機材料やその他の半導体以外の材料を用いることができ、 材料の選 択性を広げることができる。 また、 例えば、 回折格子部分の半導体よりも大きな 屈折率の温度依存性を持つ材料を用いて、 利得を有しない伝搬領域を構成するよ うにしてもよく、 これにより、 温度依存性の大きな半導体レーザを形成すること ができ、 温度センサなどとして用いることができる。 また、 半導体のように温度 上昇により屈折率が上昇する材料であっても、 回折格子部分の半導体よりも小さ な屈折率の温度依存性を持つ材料とすることにより、 発振波長の温度依存性を低 減することができる。
また、図 6の活性層 3 0 2の構造に関しては、特に制約を設けるも ではなく、 通常用いられるすべての構造の活性層について本発明を適用することにより、 半 導体レーザの発振波長の温度依存性を制御することが可能となる。 すなわち、 活 性層 3 0 2に関しては、 I n G a A s P、 G a A s、 A l G a A s、 I n G a A s、 G a I n N A sなど任意の材質について適用が可能であり、 活性層 3 0 2の 構造に関しても、 バルク、 MQW (多重量子井戸） 、 量子細線、 量子ドットを問. わず、 また活性層領域の導波路構造に関しても、 p n埋め込み、 リッジ構造、 半 絶縁埋め込み構造、 ハイメサ構造等を用いるようにしてもよい。 半導体基板 3 0 1に関しても、 n型基板に限定されるものではなく、 p型基板、 半絶縁型基板等 を用いるようにしてもよい。
また、 周期的摂動は活性層 3 0 2上に直に形成しなくとも、 活性層を導波する 光の電界が零でない有限な値を有する領域に形成されていれば、 同様な効果が期 待できる。 例えば、 通常の半導体レーザで用いられている分離閉じ込め構造 （S C H構造） の S C H層上に形成されていても良く、 また、 活性層と接していない 領域にクラッド層よりも屈折率が高い層を積層し、 そこに周期的摂動を形成して ちょい。
さらに、 利得を有しない伝搬領域の上下もしくは左右の少なくともどちらか一 方が光閉じ込め構造を有する導波路構造とすることにより、 伝搬損失を低減する ことができ、 半導体レーザの特性を向上させることが可能となる。
また、 本発明の構造を基板の厚さ方向に形成し、 面発光レーザ型構造としても 同様な効果が期待できる。 さらに、 利得領域 R 2 1および伝搬領域 R 2 2が光軸 に沿って並んでいれば、 エッチングなどにより作製した反射鏡を介して、 利得領 域 R 2 1および伝搬領域 R 2 2を配置してもよく、 導波路途中で層方向もしくは 横方向に光軸が曲げられるようにしてもよい。
図 7は、 本発明の第 4の実施例に係る半導体レーザの構成を光導波方向に沿つ て示す断面図である。 なお、 この第 4の実施例は、 面発光型レ一ザ上に利得を有 しない伝搬領域 R 3 2を積層することにより、 発振波長の温度依存性を制御する ようにしたものである。
図 7において、 半導体基板 4 0 1上には、 波長選択性を持った利得領域 R 3 1 が積層されている。 また、 利得領域 R 3 1上には、 屈折率の温度依存性が異なる 利得を有しない伝搬領域 R 3 2が積層され、 伝搬領域 R 3 2には、 屈折率の温度 依存性が利得領域 R 3 1とは異なる温度補償材料 4 0 4が設けられている。 ここ で、 利得領域 R 3 1には、 半導体基板 4 0 1上に積層された分布ブラッグ反射層 4 0 2および分布ブラッグ反射層 4 0 2上に積層され、 波長選択性を有する活性 領域 4 0 3が設けられている。 なお、 分布ブラッグ反射層 4 0 2は、 組成の異な る半導体層 4 0 9 a、 4 0 9 bが交互に積層された構造を有し、 活性領域 4 0 3 は、 活性層 4 0 8 aおよびクラッド層 4 0 8 bが交互に積層された構造を有する ことができる。 そして、 活性領域 4 0 3上には、 光を出射させる開口部 4 0 6が 設けられた電極 4 0 5が形成されている。 なお、 利得領域 R 3 1は、 その全てが 利得を持つていなくとも良く、利得領域 R 3 1全体として利得が得られれば良い。 ここで、 半導体基板 4 0 1としては、 例えば、 I n P、 活性層 4 0 8 aおよび クラッド層 4 0 8 bとしては、 例えば、 G a I n A s / I n A 1 A s、 半導体層 4 0 9 a、 4 0 9 bとしては、 例えば、 I n A 1 G a A s I n A 1 A sを用い ることができる。 '
また、 温度補償材料 4 0 4としては、 例えば、 半導体とは逆の屈折率の温度依 存性を持つ有機材料を用いることができ、 このような有機材料として、 例えば、 B C Bを挙げることができる。 また、 温度補償材料 4 0 4として、 有機材料の多 層膜を用いることで導波損失を低減することができる。 また、 利得を有しない伝 搬領域 R 3 2は、 利得領域 R 3 1上に有機材料などを塗布または堆積することに より形成できる。
また、 温度補償材料 4 0 4上には、 高反射膜 4 1 1が形成され、 半導体基板 4 0 1の裏面には、 裏面電極 4 0 7が形成されている。 ここで、 活性領域 4 0 3の 活性層 4 0 8 aおよびクラッド層 4 0 8 bの各層数は、 それのみでは反射損失が 大きく発振しないように設定することができる。
そして、 波長選択性を持った利得領域 R 3 1で発光もしくは反射された光が、 利得を有しない伝搬領域 R 3 2を通り、 高反射膜 4 1 1により反射され、 利得を 有しない伝搬領域 R 3 2を再度通り、 波長選択性を持った利得領域 R 3 1に戻る ことにより、 帰還を生じさせつつ、 レーザ発振を起こさせることができる。 このため、 利得領域 R 3 1および伝搬領域 R 3 2をレーザ発振に係わらせるこ とが可能となり、 利得領域 R 3 1での温度変ィヒによる発振波長の変動を、 伝搬領 域 R 3 2での温度変化による位相の変動で補償することが可能となる。
B C Bなどの有機材料を用いることで、 半導体レーザの発振波長の温度依存性 を制御することが可能となる。 このため、 新材料を用いることなく、 簡単な構成 および容易な加工方法を用いることにより、 半導体レーザの発振波長の安定化を 図ることが可能となる。
なお、 利得を有しない伝搬領域 R 3 2の厚さは、 利得領域 R 3 1の回折格子の 実効長と利得を有しない伝搬領域 R 3 2の長さの和により決定される縦モード間 隔が、回折格子のストップパンド幅よりも広くなるように設定することができる。 これにより、 1個の縦モードのみを回折格子のストップバンド幅内に存在させる ことが可能となり、 他の縦モードの利得を抑圧することを可能として、 単一モー ド動作の安定性を高めることができる。
なお、 上述した実施例では、 波長選択性も利得も有しない伝搬領域 R 3 2に、 半導体とは逆の屈折率の温度依存性を持つ温度補償材料 4 0 4を用いる方法につ いて説明したが、 伝搬領域 R 3 2の材料を換えることで、 任意の温度依存性を持 つ半導体レーザを作製することが可能である。 また、 利得を有しない伝搬領域 R
3 2は、 発光する必要がないため、 必ずしも良好な結晶性を有する必要はない。 このため、 有機材料やその他の半導体以外の材料を用いることができ、 材料の選 択性を広げることができる。 また、 例えば、 回折格子部分の半導体よりも大きな 屈折率の温度依存性を持つ材料を用いて、 利得を有しない伝搬領域を構成するよ うにしてもよく、 これにより、 温度依存性の大きな半導体レーザを形成すること ができ、 温度センサなどとして用いることができる。 また、 半導体のように温度 上昇により屈折率が上昇する材料であっても、 回折格子部分の半導体よりも小さ な屈折率の温度依存性を持つ材料とすることにより、 発振波長の温度依存性を低 減することができる。
また、 図 7の活性領域 4 0 3の構造に関しては、 特に制約を設けるものではな く、 通常用いられるすべての構造の活性領域 4 0 3について本発明を適用するこ とにより、 半導体レーザの発振波長の温度依存性を制御することが可能となる。 すなわち、 活性領域 4 0 3に関しては、 I n G a A s P、 G a A s、 A L G a A s、 I n G a A s、 G a l n NA sなど任意の材質について適用が可能であり、 活性領域 4 0 3の構造に関しても、 周期的に積層して回折格子を形成可能であれ ば、 バルク、 MQW (多重量子井戸） 、 量子細線、 量子ドットを問わず、 また活 性領域の導波路構造に関しても、 p n埋め込み、 半絶縁埋め込み構造、 酸化狭窄 構造等を用いるようにしてもよい。 半導体基板 4 0 1に関しても、 n型基板に限 定されるものではなく、 p型基板、 半絶縁型基板等を用いるようにしてもよい。 さらに、 利得を有しない伝搬領域を光閉じ込め構造のある導波路構造とするこ とにより、 伝搬損失を低減することができ、 半導体レーザの特性を向上させるこ とが可能となる。
図 8は、 本発明の第 5の実施例に係る半導体レーザの構成を光導波方向に沿つ て示す断面図である。 なお、 この第 5の実施例は、 光路変換構造を介して波長選 択性を持った利得領域 R 4 1と屈折率の温度依存性が異なる利得を有しない伝搬 領域 R 4 2とを結合することにより、 発振波長—の温度依存性を制御するようにし たものである。
図 8において、半導体基板 5 0 1上には、波長選択性を持つた利得領域 R 4 1、 反射鏡 5 1 2および利得を有しない伝搬領域 R 4 2が設けられ、 利得領域 R 4 1 と伝搬領域 R 4 2は反射鏡 5 1 2を介して光学的に結合されている。 ここで、 利 得領域 R 4 1には、 半導体基板 5 0 1上に形成され、 波長選択性を持った利得を 有する活性層 5 0 2が設けられている。 そして、 活性層 5 0 2には、 複素屈折率 の周期的な摂動、 すなわち回折格子が形成され、 活性層 5 0 2は、 分布反射構造 となっている。 また、 活性層 5 0 2上には、 クラッド層 5 1 0を介して電極 5 0 5が形成されている。なお、半導体基板 5 0 1およびクラッド層 5 1 0としては、 例えば、 I n P、 活性層 5 0 2としては、 例えば、 発光波長 1 . 5 5 mの G a I n A s Pを用いることができる。 また、 半導体基板 5 0 1上には、 利得領域 R 4 1の一端に配置されるようにして、 反射鏡 5 1 2が設けられている。.ここで、 反射鏡 5 1 2は、 利得領域 R 4 1の端部のクラッド層 5 1 0をエッチングし、 垂 直方向に 9 0度だけ傾斜された傾斜面をクラッド層 5 1 0に形成することにより 作製することができる。
また、 伝搬領域 R 4 2には屈折率の温度依存性が利得領域 R 4 1とは異なる温 度補償材料 5 0 3が設けられ、 温度補償材料 5 0 3は、 反射鏡 5 1 2と向き合う ようにして、 クラッド層 5 1 0上に配置されている。 なお、 利得を有しない伝搬 領域 R 4 2は、 利得領域 R 4 1から出射された光が反射鏡 5 1 2で反射されて温 度補償材料 5 0 3に至るまでの光路と、 温度補償材料 5 0 3とから構成すること ができる。
ここで、 温度補償材料 5 0 3としては、 例えば、 半導体とは逆の屈折率の温度 依存性を持つ有機材料を用いることができ、このような有機材料として、例えば、 B C Bを挙げることができる。 また、 温度補償材料 5 0 3として、 有機材料の多 層膜を用いることで導波損失を低減することができる。
なお、 利得を有しない伝搬領域 R 4 2をクラッド層 5 1 0上に形成する場合、 有機材料をスピンコ一ティングなどの方法により塗布または堆積することで作製 できる。
また、 温度補償材料 5 0 3上には、 高反射膜 5 1 1が形成され、 共振器の利得 領域 R 4 1側の端面には、 活性層 5 0 2が形成された半導体基板 5 0 1の劈開面 に対して、 反射防止膜 5 0 8が形成されている。 さらに、 半導体基板 5 0 1の裏 面には、 裏面電極 5 0 7が形成されている。 ここで、 利得領域 R 4 1の長さは、 利得領域 R 4 1のみでは反射損失が大きく発振しないように設定することができ る。
そして、 波長選択性を持った利得領域 R 4 1で発光もしくは反射された光が、 反射鏡 5 1 2を介して光軸が上方向に折り曲げられ、 利得を有しない伝搬領域 R 4 2を通り、 高反射膜 5 1 1により反射される。 そして、 高反射膜 5 1 1により 反射された光は、 利得を有しない伝搬領域 R 4 2を再度通り、 反射鏡 5 1 2で水 平方向に光軸が曲げられ、波長選択性を持った利得領域 R 4 1に戻ることにより、 帰還を生じさせつつ、 レーザ発振を起こさせることができる。
このため、 利得領域 R 4 1および伝搬領域 R 4 2をレーザ発振に係わらせるこ とが可能となり、 利得領域 R 4 1での温度変ィ匕による発振波長の変動を、 伝搬領 域 R 4 2での温度変化による位相の変動で補償することが可能となる。
B C Bなどの有機材料を用いることで、 半導体レーザの発振波長の温度依存性 を制御することが可能となる。 このため、 新材料を用いることなく、 簡単な構成 および容易な加工方法を用いることにより、 半導体レーザの発振波長の安定化を 図ることが可能となる。
なお、 利得を有しない伝搬領域 R 4 2の長さは、 活性層 5 0 2に設けられた回 折格子の実効長と利得を有しない伝搬領域 R 4 2の長さの和により決定される縦 モード間隔が、 回折格子のストップバンド幅よりも広くなるように設定すること ができる。 これにより、 1個の縦モードのみを回折格子のストップバンド幅内に 存在させることが可能となり、他の縦モードの利得を抑圧することを可能として、 単一モード動作の安定性を高めることができる。
なお、 上述した実施例では、 光路変換構造として反射鏡を用いたが、 例えば、 回折格子などにより光路変換を行っても同様の効果が期待できる。 また、 上述し た実施例では、 水平と上下の光軸の変換を行うように反射鏡を形成したが、 例え ば、 同一水平面内において反射させて光軸を換えても良く、 反射位置が一つであ る必要もない。 また、 波長選択性も利得も有しない伝搬領域 R 4 2に、 半導体と は逆の屈折率の温度依存性を持つ温度補償材料 5 0 3を用いる方法について説明 したが、 伝搬領域 R 4 2の材料を換えることで、 任意の温度依存性を持つ半導体 レーザを作製することが可能である。 また、 利得を有しない伝搬領域 R 4 2は、 発光する必要がないため、必ずしも良好な結晶性を有する必要はない。このため、 有機材料やその他の半導体以外の材料を用いることができ、 材料の選択性を広げ ることができる。 また、 例えば、 回折格子部分の半導体よりも大きな屈折率の温 度依存性を持つ材料を用いて、 利得を有しない伝搬領域を構成するようにしても よく、 これにより、 温度依存性の大きな半導体レーザを形成することができ、 温 度センサなどとして用いることができる。 また、 半導体のように温度上昇により 屈折率が上昇する材料であっても、 回折格子部分の半導体よりも小さな屈折率の 温度依存性を持つ材料とすることにより、 発振波長の温度依存性を低減すること ができる。
また、図 8の活性層 502の構造に関しては、特に制約を設けるものではなく、 通常用いられるすべての構造の活性層について本発明を適用することにより、 半 導体レーザの発振波長の温度依存性を制御することが可能となる。 すなわち、 活 性層 502に関しては、 I nGaAs P、 GaAs、 A l GaAs、 I nGaA s、 Ga I nNAsなど任意の材質について適用が可能であり、 活性層 502の 構造に関しても、 バルク、 MQW (多重量子井戸） 、 量子細線、 量子ドットを問 わず、 また活性層領域の導波路構造に関しても、 pn埋め込み、 リッジ構造、 半 絶縁埋め込み構造、 ハイメサ構造等を用いるようにしてもよい。 半導体基板 50· 1に関しても、 n型基板に限定されるものではなく、 p型基板、 半絶縁型.基板等 を用いるようにしてもよい。
また、 周期的摂動は活性層 502上に直に形成しなくとも、 活性層を導波する 光の電界が零でない有限な値を有する領域に形成されていれば、 同様な効果が期 待できる。 例えば、 通常の半導体レーザで用いられている分離閉じ込め構造 （S CH構造） の SCH層上に形成されていても良く、 また、 活性層と接していない 領域にクラッド層よりも屈折率が高い層を積層し、 そこに周期的摂動を形成して もよい。
さらに、 利得を有しない伝搬領域を光閉じ込 _め構造のある導波路構造とするこ とにより、 伝搬損失を低減することができ、 半導体レーザの特性を向上させるこ とが可能となる。
図 9は、 本発明の第 6の実施例に係る半導体レーザの構成を光導波方向に垂直 に切断して示す断面図である。 なお、 この第 6の実施例は、 光の伝播領域と構造 が異なる利得領域を設けることにより、 発振波長の温度依存性を制御するように したものである。 図 9 Aにおいて、 半導体基板 6 0 1上には、 ノ ソファ層 6 0 2、 光閉じ込め層 6 0 3、 コア層 6 0 4、 光閉じ込め層 6 0 5およびキヤップ層 6 0 6が順次積層 され、 これら各層は埋め込み層 6 0 7で埋め込まれている。
また、 図 9 Bにおいて、 半導体基板 6 1 1上には、 ノ ソファ層 6 1 2、 光閉じ 込め層 6 1 3、 コア層 6 1 4、 光閉じ込め層 6 1 5およびキャップ層 6 1 6が順 次積層され、 これら各層は埋め込み層 6 1 7で埋め込まれている。
また、 図 9 Cにおいて、 半導体基板 6 2 1上には、 バッファ層 6 2 2、 光閉じ 込め層 6 2 3、 コア層 6 2 4、 光閉じ込め層 6 2 5およびキヤップ層 6 2 6が順 次積層され、 これら各層は埋め込み層 6 2 7で埋め込まれている。
また、 図 9 Dにおいて、 半導体基板 6 3 1上には、 バッファ層 6 3 2、 光閉じ 込め層 6 3 3、 コア層 6 3 4およびキャップ層 6 3 6が順次積層され、 これら各 層は埋め込み層 6 3 7で埋め込まれている。
また、 図 9 Eにおいて、 半導体基板 6 4 1上には、 バッファ層 6 4 2、 光閉じ 込め層 6 4 3、， コア層 6 4 4、 光閉じ込め層 6 4 5およびキヤップ層 6 4 6が順 次積層され、 これら各層は、 B C Bなどの有機材料 6 4 7で埋め込まれている。 ここで、 図 9 Bのコア層 6 1 4は、 図 9 Aのコア層 6 0 4よりも厚さが薄くな つている。 このため、 水平方向の光フィールド分布 F 1、 F 1 1を変化させるこ となく、 垂直方向の光フィールド分布 F 2、 F 1 2を変化させることが可能とな り、 実効的屈折率およびその温度依存性への各層の寄与分を異ならせることがで きる。 この結果、 図 9 Aの構成と図 9 Bの構成とで、 実効的屈折率およびその温 度依存性を変化させることが可能となり、 図 9 Aの構成と図 9 Bの構成とを組み 合わせることにより、 半導体レーザの発振波長の温度依存性を制御することが可 能となる。 „
また、 図 9 Cのコア層 6 2 4および光閉じ込め層 6 2 3、 6 2 5は、 図 9 Bの コア層 6 1 4および光閉じ込め層 6 1 3、 6 1 5よりも幅が狭くなつている。 こ のため、 垂直方向の光フィールド分布 F 1 2、 F 2 2を変化させることなく、 水 平方向の光フィールド分布 F 1 1、 F 2 1を変化させることが可能となり、 実効 的屈折率およびその温度依存性への各層の寄与分を異ならせることができる。 こ の結果、 図 9 Bの構成と図 9 Cの構成とで、 実効的屈折率およびその温度依存性 を変化させることが可能となり、 図 9Bの構成と図 9Cの構成とを組み合わせる ことにより、半導体レーザの発振波長の温度依存性を制御することが可能となる。 また、 図 9Dの構成では、 図 9Bの構成に比べて、 コア層 633の上層の光閉 じ込め層 635が省略されている。 このため、 水平方向の光フィールド分布 F 1 1、 F 31を変化させることなく、 垂直方向の光フィールド分布 F 12、 F 32 を変化させることが可能となり、 実効的屈折率およびその温度依存性への各層の 寄与分を異ならせることができる。この結果、図 9 Bの構成と図 9 Dの構成とで、 実効的屈折率およびその温度依存性を変化させることが可能となり、 図 9 Bの構 成と図 9 Dの構成とを組み合わせることにより、 半導体レ一ザの発振波長の温度 依存性を制御することが可能となる。
また、 図 9Eの構成では、 図 9 Cの埋め込み層 627を設ける代わりに、 有機 材料 647が用いられている。 このため、 垂直方向の光フィールド分布 F 22、 F42を変化させることなく、 水平方向の光フィールド分布 F 21、 F41を変 化させることが可能となり、 実効的屈折率およびその温度依存性への構造の寄与 分を異ならせることができる。 この結果、 図 9 Cの構成と図 9 Eの構成とで、 実 効的屈折率およびその温度依存性を変化させることが可能となり、 図 9 Cの構成 と図 9 Eの構成とを組み合わせることにより、 半導体レ一ザの発振波長の温度依 存性を制御することが可能となる。
このように、 図 9 A〜図 9 Eの構成のいずれかを組み合わせることにより、 光 の導波方向に沿って光のフィールド分布を変化させることが可能となり、 同一の 材料を用いて半導体レーザを構成した場合においても、 半導体レーザの発振波長 の温度依存性を制御することが可能となる。
なお、 半導体基板 601、 611、 621、— 631、 641、 バッファ層 60 2、 612、 622、 632、 642、 キャップ層 606、 616、 626、 6 36、 646および埋め込み層 607、 617、 627、 637としては、 例え ば、 I nP、 コア層 604、 614、 624、 634、 644としては、例えば、 発光波長 1. 3 mの Ga I nAsP、 光閉じ込め層 603、 613、 623、 633、 643、 605、 615、 625、 645としては、 例えば、 発光波長 1. 1 mの Ga I n A s Pをそれぞれ用いることができる。 以上説明したように、 本発明の第 1の実施形態によれば、 屈折率の温度依存性 が利得領域とは異なる材料を用い、 比較的簡単な構成および容易な加工により半 導体レーザの発振波長の温度依存性を所望の値に制御できる。 特に、 利得を持た ない伝搬領域の材料として、 半導体とは逆の屈折率の温度依存性を持つ材料を用 いることにより、 発振波長の温度依存性を無くすことが可能であり、 発振波長温 度無依存半導体レーザを実現できる。
(集積光導波路における応用例）
次に、 本発明の第 2の実施形態に係る集積光導波路について図面を参照しなが ら説明する。 この第 2の実施形態によれば、 半導体光導波路とその半導体光導波 路とは屈折率の異なる材料からなる光導波路との集積構造、 ならびにこれを用い た光半導体素子および光半導体集積回路を提供することができる。 特に、 本実施 形態により、 屈折率の異なる材料が接合された界面において反射を低減させるこ とが可能となる。 以下、 本実施形態に係るいくつかの具体的な実施例について説 明する。
図 1 0は、 本発明の第 7の実施例に係る集積光導波路の結合部の概略構成を示 す斜視図である。 なお、 この第 7の実施例は、 溝部 A 6 1および半導体板 B 6 1 を 1対設けることにより、 光導波路領域 R 6 1と光導波路領域 R 6 2との境界に おける反射を低減するようにしたものである。
図 1 0において、 半導体基板 7 0 1には、 光導波路領域 R 6 1、 溝部 A 6 1、 半導体板 B 6 1および光導波路領域 R 6 2が光導波方向に沿つて順次形成されて いる。 ここで、 光導波路領域 R 6 1と光導波路領域 R 6 2との屈折率は互いに異 なるように設定することができ、 例えば、 光導波路領域 R 6 1は半導体材料で構 成することができ、 光導波路領域 R 6 2は半導 _体以外の材料で構成することがで きる。
また、 溝部 A 6 1には、 半導体以外の材料を充填することができ、 例えば、 光 導波路領域 R 6 2の材料と同一の材料を充填することができる。 また、 半導体板 B 6 1は、光導波路領域 R 6 1の構造と同一となるように構成することができる。 また、 溝部 A 6 1および半導体板 B 6 1は光導波方向を横切るように配置され、 好ましくは、 溝部 A 6 1および半導体板 B 6 1は光導波方向に対して垂直に配置 することができる。
そして、 溝部 A 61の幅および半導体板 B 61の厚さは、 光導波路領域 R 61 と溝部 A 61との界面で反射した光が、 溝部 A 61と半導体板 B 61との界面で 反射した光および半導体板 B 61と光導波路領域 R 62との界面で反射した光に よって弱められるように設定することができる。
これにより、 半導体光導波路と半導体以外の光導波路とを同一半導体基板 70 1上に集積した場合においても、 これらの光導波路間の反射を低減することが可 能となり、 導波路設計の自由度を維持しつつ、 半導体のみでは得られない新しい 特性を有する光導波路を実現することが可能となる。
また、 光導波路領域 R 61が形成された半導体基板 701のエッチング加工を 行うことにより、 溝部 A61および半導体板 B61を半導体基板 701に形成す ることができる。 このため、 光導波路領域 R 61と光導波路領域 R 62との界面 に反射防止膜を形成することなく、 光導波路領域 R61と光導波路領域 R62と の境界における反射を低減させることができ、 光導波路の集積化に容易に対応す ることが可能となる。
さらに、 半導体基板 701に半導体板 B 61を 1枚だけ設けることで、 光導波 路領域 R 61と光導波路領域 R 62との境界における反射を低減させることがで き、 分布反射器のように多数枚の半導体板を配置する必要をなくして、 集積光導 波路の作製を容易化することができる。
図 11は、図 10の光導波方向に沿った X I -X I線で切断した断面図である。 図 11において、 半導体基板 701上には、 コア層 702 a、 702 bが積層さ れ、 コア層 702 a、 702 b上には、 上部クラッド層 703 a、 703 bがそ れぞれ積層されている。なお、半導体基板 70 および上部クラッド層 703 a、 703 bとしては、 例えば、 I nP、 コア層 702 a、 702 bとしては、 例え ば、 発光波長 1. 3 mの Ga I nAs Pを用いることができる。
また、 コア層 702 a、 702 bおよび上部クラッド層 703 a、 703 b¾ 半導体基板 701上に順次積層する場合、 例えば、 MBE (mo l e cu l a r be am ep i t axy) 、 M〇CVD (me t a l o r gan i c c h em i c a 1 vape r d e p i o s i t i o n)、あるいは AL C VD ( a t omi c l aye r chemi c a l v a p e r de p i o s i t i on) などのェピタキシャル成長を用いることができる。
そして、 コア層 702 a、 702 bぉ び上部クラッド層 703 a、 703 b が順次積層された半導体基板 701をエッチング加工することにより； 光導波方 向に対して垂直に配置された幅 の溝 704 aを形成するとともに、 溝 704 aから所定間隔 d2だけ隔てて配置された段差 704 bを半導体基板 701上に 形成する。
そして、 溝 704 aに充填材料 705 aを埋め込むとともに、 段差 704bに 光導波路材料 705 bを埋め込むことにより、 光導波路領域 R 61との界面に配 置された溝部 A 61を形成することが可能となるとともに、 溝部 A 61から厚さ d 2の半導体板 B 61を隔てて配置された光導波路領域 R 62を形成することが できる。
これにより、 光導波路領域 R 61と光導波路領域 R 62との境界における反射 波の位相を調整することができ、 光導波路領域 R 61と光導波路領域 R 62の境 界における反射波を互いに打ち消し合わせることができる。
このため、 光導波路領域 R 61と光導波路領域 R 62との境界における反射を 低減させることを可能としつつ、 屈折率が互いに異なる光導波路領域 R 61と光 導波路領域 R 62とを同一半導体基板 701上に集積することが可能なり、 半導 体のみでは得られない新しい特性を有する光導波路を実現することが可能となる。 ここで、 充填材料 705 aおよび光導波路材料 705 bとしては、 半導体とは 異なる屈折率を持つ材料を用いることができ、 例えば、 BCB (Benz o cy c 1 obu t ene) を挙げることができる。 この場合、 光導波路領域 R 61お よび半導体板 B 61の等価屈折率は 3. 12、„光導波路領域 R 62および溝部 A 61の等価屈折率は 1. 54とすることができる。 なお、 等価屈折率とは、 光導 波路を伝播する光に対して定義される屈折率である。 従って、 光導波路を伝播す る光を取り扱う場合には、 これまでの屈折率を等価屈折率に置き換えればよい。 なお、 溝部 A 61および光導波路領域 R 62における導波損失は、 これらの伝 播距離が短い場合は無視できる程小さいが、 溝部 A 61および光導波路領域 R 6 2における伝播距離が長くなると、 導波損失が無視できなくなる。 このため、 図 1 0の X I I - X I I線で切断した図 1 1の断面構造を図 1 2の 断面構造に置き換えるようにしてもよい。
図 1 2は、 本発明の第 8の実施例に係る集積光導波路の結合部の概略構成を光 導波方向に沿って示す断面図である。 なお、 この第 8の実施例は、 図 1 1の溝部 A 6 1および光導波路領域 R 6 2にコア層を設けるようにしたものである。 図 1 2において、 半導体基板 8 0 1には、 光導波路領域 R 7 1、 溝部 A 7 1、 半導体 板 B 7 1および光導波路領域 R 7 2が光導波方向に沿って順次形成されている。 すなわち、 半導体基板 8 0 1上には、 コア層 8 0 2 a、 8 0 2 bが積層され、 コア層 8 0 2 a、 8 0 2 b上には、 上部クラッド層 8 0 3 a、 8 0 3 bがそれぞ れ積層されている。 なお、 半導体基板 8 0 1および上部クラッド層 8 0 3 a、 8 0 3 bとしては、例えば、 I n P、 コア層 8 0 2 a , 8 0 2 bとしては、例えば、 発光波長 1 . 3 mの G a I n A s Pを用いることができる。
そして、 コア層 8 0 2 a、 8 0 2 bおよび上部クラッド層 8 0 3 a、 8 0 3 b が順次積層された半導体基板 8 0 1をエッチング加工することにより、 光導波方 向に対して垂直に配置された溝 8 0 4 aを形成するとともに、 溝 8 0 4 aから所 定間隔だけ隔てて配置された段差 8 0 4 bを半導体基板 8 0 1上に形成する。 そして、 クラッド層 8 0 5 a、 8 0 7 aで挟まれたコア層 8 0 6 aを溝 8 0 4 aに埋め込むとともに、 クラッド層 8 0 5 b、 8 0 7 bで挟まれたコア層 8 0 6 bを段差 8 0 4 bに埋め込むことにより、 光導波路領域 R 7 1との界面に配置さ れた溝部 A 7 1を形成することが可能となるとともに、 溝部 A 7 1から半導体板 B 7 1を隔てて配置された光導波路領域 R 7 2を形成することができる。
ここで、 コア層 8 0 6 a、 8 0 6 bの材料としては、 例えば、 B C Bを用いる ことができ、 クラッド層 8 0 5 a、 8 0 7 a、 8 0 5 b、 8 0 7 bの材料として は、 例えば、 コア層 8 0 6 a、 8 0 6 bよりも屈折率が いポリイミドを用いる ことができる。
これにより、 光導波路領域 R 7 1と光導波路領域 R 7 2との境界における反射 を低減させることを可能としつつ、 溝部 A 7 1および光導波路領域 R 7 2におけ る導波損失を低減させることができる。
なお、図 1 0の光導波路領域 R 6 1における横方向の導波損失を抑えるために、 図 1 0の X I I I— X I I I線で切断した断面構造を図 1 3の断面構造に置き換 えるようにしてもよい。
図 1 3は、 本発明の第 9の実施例に係る集積光導波路の概略構成を光導波方向 と直交する方向に沿って示す断面図である。 図 1 3において、 半導体基板 9 0 1 上には、 コア層 9 0 2および上部クラッド層 9 0 3が順次積層されている。 そし て、 上部クラッド層 9 0 3、 コア層 9 0 2および半導体基板 9 0 1の上部は、 光 導波方向に沿ってストライブ状にエッチング加工され、 上部クラッド層 9 0 3、 コア層 9 0 2および半導体基板 9 0 1の上部の両側には、 埋め込み層 9 0 4 a、 9 0 4 bがそれぞれ形成されている。
なお、 半導体基板 9 0 1、 上部クラッド層 9 0 3および埋め込み層 9 0 4 a、 9 0 4 bとしては、 例えば、 I n P、 コア層 9 0 2としては、 例えば、 発光波長 1 . 3 の G a I n A s Pを用いることができる。
これにより、 光導波路領域 R 6 1と光導波路領域 R 6 2との境界における反射 を低減させることを可能としつつ、 光導波路領域 R 6 1における導波損失を低減 させることができる。
なお、図 1 0の光導波路領域 R 6 2における横方向の導波損失を抑えるために、 図 1 0の X I V— X I V線で切断した断面構造を図 1 4の断面構造に置き換える ようにしてもよい。
図 1 4は、 本発明の第 1 0の実施例に係る集積光導波路の概略構成を光導波方 向と直交する方向に沿って示す断面図である。 図 1 4において、 半導体基板 1 0 0 1上には、 クラッド層 1 0 0 3にて周囲を囲まれたコア層 1 0 0 2が形成され ている。 なお、 半導体基板 1 0 0 1としては、 例えば、 I n P、 コア層 1 0 0 2 の材料としては、例えば、 B C B、クラッド層 0 0 3の材料としては、例えば、 コア層 1 0 0 2よりも屈折率が低いポリイミドを用いることができる。
これにより、 光導波路領域 R 6 1と光導波路領域 R 6 2との境界における反射 を低減させることを可能としつつ、 光導波路領域 R 6 2における導波損失を低減 させることができる。
なお、 図 1 1のコア層 7 0 2 a、 7 0 2 bの形状に関しては、 特に制約を設け るものではなく、 例えば、 コア層中央部の屈折率とクラッド層の屈折率との間の 屈折率を持つ材料によりサンドイッチされた分離閉じ込めヘテロ構造 (SCH) や、 屈折率を段階的に変化させた傾斜屈折率 （GI—） SCHとしてもよい。 また、 半導体レ一ザに本構造を麵する場合、 コアとして活性領域を用いても よく、 その形状は、 ノルク、 MQW (多重量子井戸） 、 量子細線、 量子ドットを 問わず、 また活性領域の導波路構造に関しても、 pn埋め込み、 リッジ構造、 半 絶縁埋め込み構造、 ハイメサ構造等を用いるようにしてもよい。 さらに、 材料に 関しても、 I nPおよび Ga I nAs Pの組み合わせに限定されることなく、 G aAs、 A l GaAs、 I nGaAs、 G a I nNA sなど任意の材質について 適用が可能である。
また、 図 13の横方向閉じ込めに関しても、 特に制約を設けるものではなく、 半導体導波路構造として通常用いられているリッジ導波路やハイメサ導波路等を 用いるようにしてもよい。
また、 図 14の光導波路領域 R 62に関しても、 特に制約を設けるものではな く、 リツジ導波路やハイメサ導波路等を用いるようにしてもよい。
以下、 図 11の実施例の動原理作をより詳細に説明する。
図 1 1において、光導波路領域 R 61および半導体板 B 61の等価屈折率を 3. 12、 光導波路領域 R 62および溝部 A 61の等価屈折率を 1. 54とすると、 (3) 式により、 各領域の界面で 12%程度の反射が生じる。 しかし、 各領域の 界面における全体の反射率は単なる足し合わせではなく、 反射波の位相を考慮す る必要がある。 すなわち、 強度が同等でも、 位相が反転していれば、 光は打ち消 し合う。 従って、 溝部 A 61の幅および半導体板 B 61の厚さを調整することに より、 各領域の界面における反射波の位相を最適化して、 これらの界面における 全体の反射率を低減することができる。
図 15は、 図 11の集積光導波路の結合部における反射率を溝部 A 61の幅 d ェと半導体板 B 61の厚さ d2との関係で示す図である。 なお、 図 15は、 光導波 路領域 R 61および半導体板 B 61の等価屈折率 ェを 3. 12、 光導波路領域 R62および溝部 A61の等価屈折率 N2を 1. 54、 として、 溝部 A 61の幅 と半導体板 B 61の厚さ d2に対する反射率を等高線で示したものである。 ま た、 より一般的に話を進めるため、 各軸の反対側の軸に光学長を示した。 図 15において、 太い実線は、 溝部 A 61および半導体板 B 61を形成するこ となく、 光導波路領域 R 61と光導波路領域 R 62とを直接接合した場合の反射 率 （約 12%) を示す。 すなわち、 入射波長を λとすると、 溝部 A 61もしくは 半導体板 B 61の光学長が λΖ 2の時の直線と、
Figure imgf000041_0001
+ Nsdg =λ/4Χ (21 +1) の直線 （1は整数） に近接した曲線である。
これらの太線で囲まれたほぼ三角形の領域では、 単なる二導波路の接合よりも 反射率が小さくなる。 これらの三角形の領域は、 近似的に、
N1d1>A/2n、 N2d2>A/2m, Ni d 1 + N2 d 2<λ/4 (2 1 +1)
…（6) ( 1、 m、 nは n + m= 1の関係を満たす整数）
もしくは、
N1d1<A/2 n, N2d2<A/2m、 Nx d X + N2 d 2>λ/4 (2 1 +1)
··· (7)
( 1、 m、 nは n +m= 1— 1の関係を満たす整数）
の範囲で示すことができる。
ここで、 原点に最も近い三角形で示したように、 この三角形の各辺を λΖ64 だけ三角形の中心寄りにずらした領域 cでは、 反射率 10%以下 （単なる二導波 路の接合に対して約 80%) 、 同様に λΖ 32だけずらした領域 bでは、 反射率 5%以下 （単なる二導波路の接合に対して約 40%) 、 同様に λΖΐ 6だけずら した領域 aでは、 反射率 1%以下 （単なる二導波路の接合に対して約 8%) とす ることができる。 なお、 領域 dは、 単なる二導波路を接合した時の反射率よりも 低くなる領域である。
すなわち、 三角形の各辺を小さくする量を Xとすると、 これを表す各辺は、 N1d1>nA//2土 δ χ、
N2d2>mAノ 2土（5 χ、
N1d1HhN2d2=A/4X (2 1 +1) 土 δχ、
となる。 これらは、 他の三角形の領域でも同様である。
また、 無反射を得るには、 m、 nを整数として、
N1d1 + N2d2 = ±λ/ (2 π) [c o s—1 {± (N^ + l^2) / (I^ + N 2} +2πιπ]
…（8)
N1d1-N2d2=A/2 η ··· (9) を満たせばよい。 これは、 各三角形の領域のほぼ中心に相当する。
なお、 上述した実施例では、 溝部 A 61に充填する材料を光導波路領域 R 62 の材料と同一とする方法について説明したが、 溝部 A 61に充填する材料と光導 波路領域 R 62の材料とは互いに異なっていてもよい。 また、 光導波路領域 R6 1と半導体板 B 61とは、 必ずしも同じ層構造でなくてもよい。
図 16は、 本発明の第 10の実施例に係る集積光導波路の概略構成を示す断面 図である。 なお、 この第 10の実施例は、 図 12の構造を対向配置したものであ る。 図 16において、 半導体基板 1101には、 光導波路領域 R 1 1 1、 溝部 A 1 1 1、 半導体板 B 1 1 1、 光導波路領域 R 112、 半導体板 B 1 12、 溝部 A 112および光導波路領域 R 1 13が光導波方向に沿って順次形成されている。 ここで、 光導波路領域 R 1 1 1、 R 1 13と光導波路領域 R 1 12との屈折率 は互いに異なるように設定することができ、 例えば、 光導波路領域 R l 1 1、 R 113は半導体材料で構成することができ、 光導波路領域 Rl 12は半導体以外 の材料で構成することができる。
また、溝部 A 1 11、 A 1 12には、半導体以外の材料を充填することができ、 例えば、 光導波路領域 R l 12の材料と同一の材料を充填することができる。 ま た、 半導体板 B 111、 B 1 12は、 光導波路領域 R 1 1 1、 R 1 13の構造と 同一となるように構成することができる。 また、 溝部 A1 1 1、 Al l 2および 半導体板 B 11 1、B 1 12は光導波方向を横切るように配置され、好ましくは、 溝部 A 1 1 1、 A 112および半導体板 B 1 11、 B 1 12は光導波方向に対し て垂直に配置することができる。
そして、 溝部 A 11 1の幅および半導体板 B 1 1 1の厚さは、 光導波路領域 R 1 1 1と溝部 A 1 11との界面で反射した光が、 溝部 A 1 11と半導体板 B 1 1 1との界面で反射した光および半導体板 B 1 11と光導波路領域 R 1 12との界 面で反射した光によって弱められるように設定することができる。
また、 溝部 A 1 12の幅および半導体板 B 1 12の厚さは、 光導波路領域 R 1 12と半導体板 B 112との界面で反射した光が、 半導体板 B 112と溝部 A 1 12との界面で反射した光および溝部 A 112と光導波路領域 R 113との界面 で反射した光によって弱められるように設定することができる。
すなわち、 半導体基板 1101上には、 コア層 1101 a〜： L 101 dが積層 され、 コア層 1101 a〜 1101 d上には、 上部クラッド層 1103 a〜 11 03 dがそれぞれ積層されている。 なお、 半導体基板 1101および上部クラッ ド層 1103 a〜l 103 dとしては、 例えば、 I nP、 コア層 1101 a〜l 10 I dとしては、 例えば、 発光波長 1. 3 mの Ga I nAs Pを用いること ができる。
そして、 コア層 1101 a〜l 101 dおよび上部クラッド層 1103 a〜l 103 dが順次積層された半導体基板 1101をエッチング加工することにより、 光導波方向に対して垂直に配置された溝 1104a、 110 cを形成するとと もに、 溝 1 104 a、 1104 cから所定間隔だけ隔てて配置された凹部 110 4 bを半導体基板 1101上に形成する。
そして、 クラッド層 1105 a、 1107 aで挟まれたコア層 1106 aを溝 1104 aに埋め込むとともに、 クラッド層 1105 c、 1107 cで挟まれた コア層 1106じを溝1104cに埋め込むことにより、光導波路領域 Rl 11、 R 113との界面にそれぞれ配置された溝部 A 111、 A 112を形成すること が可能となる。
また、 クラッド層 1105 b、 1107 bで挟まれたコア層 1106 bを凹部 1104bに埋め込むことにより、 溝部 A111、 Al l 2から半導体板 B 11 1、 B 112をそれぞれ隔てて配置された光導波路領域 R 112を形成すること ができる。 ―
ここで、 コア層 1106 a〜： L 106 cの材料としては、 例えば、 BCBを用 いることができ、 クラッド層 1105 a〜l 105 c、 1107 a〜1107 c の材料としては、 例えば、 コア層 1106 a〜 1106 cよりも屈折率が低いポ リイミドを用いることができる。
これにより、 半導体光導波路と半導体以外の光導波路とを同一半導体基板 11 01上に集積した際の光導波路間の反射を低減することを可能としつつ、 半導体 とは異なる屈折率を有する材料からなる光導波路を半導体光導波路の途中に集積 することができる。 このため、 導波路設計の自由度を向上させることを可能とし つつ、 半導体のみでは得られない新しい特性を有する光導波路を実現することが 可能となる。
なお、 図 1 6の実施例は、 図 1 2の構造を対向配置したものであるため、 図 1 6の実施例の導波路、 コア層およびクラッド層の材料や構造は、 特に制約を設け るものではなく、 ここで説明した以外の材料や構造を用いるようにしてもよい。 また、 図 1 6の実施例では、 図 1 2の構造を 1組だけ対向配置する方法につい て説明したが、図 1 2の構造を 3個以上縦列接続するようにしてもよい。ここで、 図 1 2の構造を用いることにより、 個々の光導波路間の反射率を抑制することが でき、 集積光導波路全体の反射率を抑制することができる。
また、 上述した集積光導波路の光学長について考えると、 半導体の屈折率は温 度上昇により増大する、 すなわち屈折率の温度微分係数は正であるため、 周囲温 度が上昇すると、 光導波路の光学長が長くなる。
そこで、 例えば、 図 1 1の光導波路領域 R 6 2や図 1 6の光導波路領域 R 1 1 2を、負の屈折率温度微分係数を有する材料を用いて構成するようにしてもよい。 これにより、温度変化により個々の光導波路の光学長が変化した場合においても、 光導波路全体の光学長の温度変化を抑制することが可能となる。 なお、 負の屈折 率温度微分係数を有する材料としては、例えば、 P MMAを用いることができる。 図 1 7は、 本発明の第 1 1の実施例に係る集積光導波路の概略構成を示す断面 図である。 なお、 この第 1 1の実施例は、 図 1 6の構造に半導体レーザを集積化 するようにしたものである。 図 1 7において、 半導体基板 1 2 0 1には、 光導波 路領域 R 1 2 1、 溝部 A 1 2 1、 半導体板 B 1 2 1、 光導波路領域 R 1 2 2、 半 導体板 B 1 2 2、 溝部 A 1 2 2および光導波路領域 R 1 2 3が光導波方向に沿つ て順次形成され、 光導波路領域 R 1 2 1および光導波路領域 R 1 2 3には、 レー ザダイォードが形成されている。
ここで、 光導波路領域 R 1 2 1、 R 1 2 3と光導波路領域 R 1 2 2との屈折率 は互いに異なるように設定することができ、 例えば、 光導波路領域 R 1 2 1、 R 1 2 3は半導体材料で構成することができ、 光導波路領域 R 1 2 2は半導体以外 の材料で構成することができる。
また、溝部 A 121、 A 122には、半導体以外の材料を充填することができ、 例えば、 光導波路領域 R 122の材料と同一の材料を充填することができる。 ま た、 半導体板 B 121、 B 122は、 光導波路領域 R 121、 R123の構造と 同一となるように構成することができる。 また、 溝部 A121、 A122および 半導体板 B 121、B 122は光導波方向を横切るように配置され、好ましくは、 溝部 A 121、 A 122および半導体板 B 121、 B 122は光導波方向に対し て垂直に配置することができる。
そして、 溝部 A 121の幅および半導体板 B 121の厚さは、 光導波路領域 R 121と溝部 A 121との界面で反射した光が、 溝部 A 121と半導体板 B 12 1との界面で反射した光および半導体板 B 121と光導波路領域 R 122との界 面で反射した光によって弱められるように設定することができる。
また、 溝部 A 122の幅および半導体板 B 122の厚さは、 光導波路領域 R 1 22と半導体板 B 122との界面で反射した光が、 半導体板 B 122と溝部 A 1 22との界面で反射した光および溝部 A 122と光導波路領域 R 123との界面 で反射した光によって弱められるように設定することができる。
すなわち、 半導体基板 1201上には、 活性層 1202 a、 1202 dおよび コア層 1201 b、 1201 cが積層され、 活性層 1201 a、 1201 dおよ びコア層 1202 b、 1202 c上には、 半導体基板 1201と異なる導電型の 上部クラッド層 1203 a、 1203 d, 1203 b, 1203 cがそれぞれ積 層されている。 なお、 半導体基板 1201および上部クラッド層 1203 a〜l 203 dとしては、 例えば、 I n P、 活性層 1202 a、 1202 dおよびコア 層 1202 b、 1202 cとしては、 例えば、 波長 1. 55 111の0& 1 11八3 Pを用いることができる。 また、 例えば、 半導体基板 1201を n型とし、 上部 クラッド層 1203 a〜l 203 dを p型とすることができる。
そして、 活性層 1202 a、 1202 dおよびコア層 1202 c、 1202 c 上に上部クラッド層 1203 a〜 1203 dが積層された半導体基板 1201を エッチング加工することにより、 光導波方向に対して垂直に配置された溝 120 4 a、 1204 cを形成するとともに、 溝 1204 a、 1204cから所定間隔 だけ隔てて配置された凹部 1204bを半導体基板 1201上に形成する。 これ により、 光導波路領域 R121、 R123に対応して活性層 1202 a、 120 2 dをそれぞれ配置するとともに、 半導体板 B 121、 B 1.22に対応してコア 層 1202 b、 1202 cをそれぞれ配置することができる。
そして、 クラッド層 1205 a、 1207 aで挟まれたコア層 1206 aを溝 1204 aに埋め込むとともに、 クラッド層 1205 c、 1207 c 挟まれた コア層 1206 cを溝 1204 cに埋め込むことにより、光導波路領域 R 121、 R 123との界面にそれぞれ配置された溝部 A 121、 A 122を形成すること が可能となる。
また、 クラッド層 1205 b、 1207 bで挟まれたコア層 1206 bを凹部 1204bに埋め込むことにより、 溝部 A 121、 A 122から半導体板 B 12 1、 B 122をそれぞれ隔てて配置された光導波路領域 R 122を形成すること ができる。
また、 上部クラッド層 1203 a、 1203 d上に電極 1208 a、 1208 bをそれぞれ形成するとともに、 半導体基板 1201の裏面に電極 1208 cを 形成することにより、 光導波路領域 R121および光導波路領域 R123にレー ザダイォ一ドをそれぞれ形成することができる。
ここで、 コア層 1206 a〜l 206 cの材料としては、 例えば、 BCBを用 いることができ、 クラッド層 1205 a〜l 205 c、 1207 a〜1207 c の材料としては、 例えば、 コア層 1206 a〜 120.6じよりも屈折率が低いポ リイミドを用いることができる。
また、 負の屈折率温度微分係数を有する材料を用いて光導波路領域 R 122を 構成するようにしてもよく、 例えば、 PMMA„を用いることができる。 これによ り、 共振器長を温度に対して一定とすることができ、 半導体レーザの発振波長の 温度依存性を抑制することができる。
さらに、 光導波路領域 R 121および R 123に回折格子などを形成して波長 選択性を付与するようにしてもよく、 分布帰還型 （DFB) 半導体レーザや分布 反射器 (DBR) などを作製するようにしてもよい。
なお、 活性層 1202 a、 1202 dおよびコア層 1202 b、 1202 cの 構造は、 例えば、 活性層またはコア層中央部の屈折率とクラッド層の屈折率との 間の屈折率を持つ材料によりサンドイッチされた分離閉じ込めヘテロ構造 （SC H)や、屈折率を段階的に変化させた傾斜屈折率（G I—） S CHとしてもよい。 また、 活性層 1202 a、 1202 dの形状は、 ノルク、 MQW (多重量子井 戸） 、 量子細線、 量子ドットを問わず、 また活性領域の導波路構造に関しても、 pn埋め込み、 リッジ構造、 埋め込みヘテロ構造、 ハイメサ構造等を用いるよう にしてもよい。 さらに、 材料に関しても、 I nPおよび Ga I nAs Pの組み合 わせに限定されることなく、 GaAs、 Al GaAs、 I nGaAs、 Ga i n NA sなど任意の材質について適用が可能である。
図 18は、 本発明の第 12の実施例に係る集積光導波路の結合部の概略構成を 示す斜視図である。 なお、 この第 12の実施例は、 溝部 A131、 A132およ び半導体板 B 131、 B 132を 2対設けることにより、 光導波路領域 R 131 と光導波路領域 R 132との境界での反射を低減できる波長範囲を拡大できるよ うにしたものである。
図 18において、 半導体基板 711には、 光導波路領域 R 131、 溝部 A 13 1、 半導体板 B 131、 溝部 A132、 半導体板 B 132および光導波路領域 R 132が光導波方向に沿って順次形成されている。 ここで、 光導波路領域 R 13 1と光導波路領域 R 132との屈折率は互いに異なるように設定することができ、 例えば、 光導波路領域 R131は半導体材料で構成することができ、 光導波路領 域 R 132は半導体以外の材料で構成することができる。
また、溝部 A 131、 A 132には、半導体以外の材料を充填することができ、 例えば、 光導波路領域 R132の材料と同一の材料を充填することができる。 ま た、 半導体板 B 131、 B 132は、 光導波路 _領域 R 131の構造と同一となる ように構成することができる。 また、 溝部 A131、 A132および半導体板 B 131, B 132は光導波方向を横切るように配置され、 好ましくは、 溝部 A 1 31、 A 132および半導体板 B 131、 B 132は光導波方向に対して垂直に 配置することができる。
そして、 溝部 A 131、 A 132の幅および半導体板 B 131、 B 132の厚 さは、 光導波路領域 R 131と溝部 A 131との界面で反射した光が、 溝部 A 1 3 1と半導体板 B 1 3 1との界面で反射した光、 半導体板 B 1 3 1と溝部 A 1 3 2との界面で反射した光、 溝部 A 1 3 2と半導体板 B 1 3 2との界面で反射した 光および半導体板 B 1 3 2と光導波路領域 R 1 3 2との界面で反射した光によつ て弱められるようにそれぞれ設定することができる。
これにより、 半導体光導波路と半導体以外の光導波路とを同一半導体基板 7 1 1上に集積した場合においても、 これらの光導波路間の反射を低減することが可 能となり、 導波路設計の自由度を維持しつつ、 半導体のみでは得られない新しい 特性を有する光導波路を実現することが可能となる。
また、 光導波路領域 R 1 3 1が形成された半導体基板 7 1 1のエッチング加工 を行うことにより、 溝部 A 1 3 1、 A 1 3 2および半導体板 B 1 3 1、 B 1 3 2 を半導体基板 7 1 1に形成することができる。 このため、 光導波路領域 R 1 3 1 と光導波路領域 R 1 3 2との界面に反射防止膜を形成することなく、 光導波路領 域 R 1 3 1と光導波路領域 R 1 3 2との境界における反射を低減させることがで き、 光導波路の集積ィ匕に容易に対応することが可能となる。
さらに、 溝部 A 1 3 1、 A 1 3 2の幅および半導体板 B 1 3 1、 B 1 3 2の厚 さを調整することで、 光導波路領域 R 1 3 1と光導波路領域 R 1 3 2との境界で の反射を低減できる波長範囲を拡大することが可能となり、 波長多重光ネットヮ ークなどへの適用を可能としつつ、 半導体のみでは得られない新しい特性を有す る光導波路を実現することが可能となる。
図 1 9は、 図 1 8の光導波方向に沿った X I X， XX— X I X, XX線で切断 した切断図である。 図 1 9において、 半導体基板 7 1 1上には、 コア層 7 1 2 a 〜7 1 2 cが積層され、 コア層 7 1 2 a〜7 1 2 c上には、 上部クラッド層 7 1 3 a〜7 1 3 cがそれぞれ積層されている。 お、 半導体基板 7 1 1および上部 クラッド層 7 1 3 a〜7 1 3 cとしては、 例えば、 I n P、 コア層 7 1 2 a〜マ 1 2 cとしては、 例えば、 発光波長 1 . 3 mの G a I n A s Pを用いることが できる。
そして、 コア層 7 1 2 a〜7 1 2 cおよび上部クラッド層 7 1 3 a〜7 1 3 c が順次積層された半導体基板 7 1 1をエッチング加工することにより、 光導波方 向に対して垂直に配置された幅 の溝 7 1 4 aを形成するとともに、 溝 7 1 4 aから所定間隔 d2だけ隔てて配置された幅 d3の溝 714bを形成し、 さらに、 溝 714 bから所定間隔 d4だけ隔てて配置された段差 714 cを半導体基板 7 11上に形成する。
そして、 溝 714 a、 714bに充填材料 715 a, 715 bをそれぞれ埋め 込むことにより、 光導波路領域 R131との界面に配置された溝部 A 131を形 成することが可能となるとともに、 溝部 A131から厚さ d2の半導体板 B 13 1を隔てて配置された溝部 A 132を形成することが可能となる。
また、 段差 714 cに光導波路材料 715 cを埋め込むことにより、 溝部 A1 32から厚さ d4の半導体板 B 132を隔てて配置された光導波路領域 R 132 を形成することができる。
ここで、 充填材料 715 a、 715 bおよび光導波路材料 715 cとしては、 半導体とは異なる屈折率を持つ材料を用いることができ、 例えば、 BCBを挙げ ることができる。 この場合、 光導波路領域 R 131および半導体板 B 131、 B 132の等価屈折率は 3. 12、 光導波路領域 R 132および溝部 A 131、 A 132の等価屈折率は 1. 54とすることができる。
これにより、 光導波路領域 R 131と光導波路領域 R 132との境界における 反射を広い波長範囲に渡って低減させることを可能としつつ、 屈折率が互いに異 なる光導波路領域 R 131と光導波路領域 R 132とを同一半導体基板 711上 に集積することが可能なり、 半導体のみでは得られない新しい特性を有する光導 波路を実現することが可能となる。
なお、 溝部 A 131、 A 132および光導波路領域 R 132における導波損失 は、 これらの伝播距離が短い場合は無視できる程小さいが、 溝部 A 131、 A1 32および光導波路領域 R 132における伝播—距離が長くなると、 導波損失が無 視できなくなる。
このため、 図 18の XX— XX線で切断した図 19の断面構造を図 20の断面 構造に置き換えるようにしてもよい。
図 20は、 本発明の第 13の実施例に係る集積光導波路の結合部の概略構成を 光導波方向に沿って示す断面図である。 なお、 この第 13の実施例は、 図 19の 溝部 A131、 A132および光導波路領域 R132にコア層を設けるようにし たものである。
図 20において、 半導体基板 811には、 光導波路領域 R 141、 溝部 A 14 1、 半導体板 B 141、 溝部 A 142、 半導体板 B 142および光導波路領域 R 142が光導波方向に沿って順次形成されている。
すなわち、 半導体基板 811上には、 コア層 812 a〜812 cが積層され、 コア層 812 a〜812 c上には、 上部クラッド層 813 a〜813 c.がそれぞ れ積層されている。 なお、 半導体基板 811および上部クラッド層 813 a〜8 13 cとしては、例えば、 I nP、コア層 812 a〜 812 cとしては、例えば、 発光波長 1. 3 mの Ga I nAs Pを用いることができる。
そして、 コア層 812 a〜812 cおよび上部クラッド層 813 a〜813 c が順次積層された半導体基板 811をエッチング加工することにより、 光導波方 向に対して垂直に配置された溝 814 aを形成するとともに、 溝 814 aから所 定間隔だけ隔てて配置された溝 814bを形成し、 さらに、 溝 814bから所定 間隔だけ隔てて配置された段差 814 cを半導体基板 811上に形成する。 そして、 クラッド層 815 a、 817 aで挟まれたコア層 816 aを溝 814 aに埋め込むとともに、 クラッド層 815 b、 817 bで挟まれたコア層 816 bを溝 814bに埋め込むことにより、 光導波路領域 R 141との界面に配置さ れた溝部 A 141を形成することが可能となるとともに、 溝部 A 141から半導 体板 B 141を隔てて配置された溝部 A 142を形成することが可能となる。 また、 クラッド層 815 c、 817 cで挟まれたコア層 816 cを段差 814 cに埋め込むことにより、 溝部 A 142から半導体板 B 142を隔てて配置され た光導波路領域 R 142を形成することができる。
ここで、 コア層 816 a〜816 cの材料と—しては、 例えば、 BCBを用いる ことができ、 クラッド層 815 a〜815 c、 817 a〜 817 cの材料として は、 例えば、 コア層 816 a〜 816 cよりも屈折率が低いポリイミドを用いる ことができる。
これにより、 光導波路領域 R 141と光導波路領域 R 142との境界における 反射を低減させることを可能としつつ、 溝部 A 141、 A142および光導波路 領域 R 142における導波損失を低減させることができる。 なお、 図 19の光導波路領域 R 131における横方向の導波損失を抑えるため に、 図 18の X I I I— X I I I線で切断した断面構造を図 13の断面構造に置 き換えるようにしてもよい。 また、 図 18の光導波路領域 R132における横方 向の導波損失を抑えるために、 図 18の X I V-X I V線で切断した断面構造を 図 14の断面構造に置き換えるようにしてもよい。
また、 図 19のコア層 712 a、 712 bの形状に関しては、 特に制約を設け るものではなく、 例えば、 コア層中央部の屈折率とクラッド層の屈折率との間の 屈折率を持つ材料によりサンドイッチされた分離閉じ込めヘテロ構造 （SCH) や、 屈折率を段階的に変化させた傾斜屈折率 （GI— ) SCHとしてもよい。 また、 半導体レーザに本構造を適用する場合、 コアとして活性領域を用いても よく、 その形状は、 ノ レク、 MQW (多重量子井戸） 、 量子細線、 量子ドットを 問わず、 また活性領域の導波路構造に関しても、 ρη埋め込み、 リッジ構造、 半 絶縁埋め込み構造、 ハイメサ構造等を用いるようにしてもよい。 さらに、 材料に 関しても、 I ηΡおよび Ga I nAs Ρの組み合わせに限定されることなく、 G aAs、 A l GaAs、 I n G a A s、 G a I n NA sなど任意の材質について 適用が可能である。
なお、 図 19の光導波路領域 R 131および半導体板 B 131、 B 132の等 価屈折率 を 3. 12、 光導波路領域 R132および溝部 A 131、 A132 の等価屈折率 N2を 1. 54とすると、 光導波路領域 R 131、 溝部 A 131、 半導体板 B 131および溝部 A 132で構成される光導波路では、 溝部 A 131 の幅 と半導体板 B 131の厚さ d2に対する反射率は図 15と同様になる。 このため、 光導波路領域 R 131、 溝部 A 131、 半導体板 B 131および溝 部 A132で構成される光導波路の反射率を低減させるためには、 （6) 式また は （7) 式の関係を満たすように、 溝部 A131の幅 と半導体板 B 131 d2 の厚さを設定すればよい。
また、 光導波路領域 R 131、 溝部 A 131、 半導体板 B 131および溝部 A 132で構成される光導波路の反射率を 0にするためには、 （8)式または（9) 式の関係を満たすように、溝部 A131の幅 と半導体板 B 131の厚さ d2を 設定すればよい。 また、ある波長 λについて図 19の光導波路全体での反射を 0にするためには、 図 19の全体構成を溝部 A 132で分割し、 光導波路領域 R 131、 溝部 A 13
1、 半導体板 B 131および溝部 A 132で構成される光導波路と、 溝部 A 13
2、 半導体板 B 132および光導波路領域 R 132で構成される光導波路とを想 定すると、 これら双方の光導波路の反射率を 0とする必要がある。
このため、 光導波路領域 R 131、 溝部 A 131、 半導体板 B 131.および溝 部 A 132で構成される光導波路の反射率を 0にした上で、 溝部 A 132、 半導 体板 B 132および光導波路領域 R 132で構成される光導波路の反射率を 0と する必要がある。
ここで、 溝部 A 132、 半導体板 B 132および光導波路領域 R 132で構成 される光導波路の反射率を 0とする条件は、 以下の （10) 式で与えることがで きる。
N2d4=A/2 n … (10)
(nは整数）
図 21は、 図 19の溝部 A 132、 半導体板 B 132および光導波路領域 R 1 32で構成される光導波路の反射率と半導体板 B 132の厚さ d4との関係を示 す図である。 なお、 入射波長は 1. 55 zmとした。
図 21において、 溝部 A 132、 半導体板 B 132および光導波路領域 R 13 2で構成される光導波路の反射率は、 斜線で示した領域では、 単なる二導波路の 接合 （約 12%) よりも小さくなる。 そして、 溝部 A1 32、 半導体板 B 132 および光導波路領域 R 132で構成される光導波路の反射率を単なる二導波路の 接合よりも小さくする条件は、 以下の （1 1) 式で与えることができる。
λ/2η-λ/16<N2d4<A/2 η + λ/16 · · · (1 1)
(ηは整数）
ここで、 図 19の全体の光導波路は、 光導波路領域 R 131、 溝部 A 131、 半導体板 B 131および溝部 A 132で構成される左側光導波路と、 溝部 A13 2、 半導体板 B 132および光導波路領域 R 132で構成される右側光導波路と を接続したものであり、 左側光導波路の後端と右側光導波路の前端とは同じ屈折 率であるから、 この部分では反射は生じない。 このため、 分割前の光導波路全体 を考えても、 入射波長 λの時、 光導波路領域 R 131と光導波路領域 R 132と の結合部での反射を 0とすることができる。 これは、 溝部 A132の幅 d3には 依存しない。
図 22は、 図 18の溝部 A 132の幅 d 3と入射波長に対する反射率との関係 を示す図である。 なお、 図 22では、 N -l. 54、 N2=3. 21として入射 波長 λ = 1. 55 mとした時に反射率が 0となる条件を満たすよう.に、 ά,= 1. 08/ m、 d2=l. 00 ΠΙ、 d4=0. 966 mとした。 また、 より一 般的に話を進めるために光学長も示した。
図 22において、 領域 dは光導波路領域 R 131と光導波路領域 R 132とを 単に接合した時の反射率（約 12%)よりも低くなる領域、領域 cは反射率 10% 以下.の領域、 領域 bは反射率 5 %以下の領域、 領域 aは反射率 1 %以下の領域で ある。
すなわち、 溝部 A132の幅 d3を変えることにより、 低反射率が得られる領 域を変化させることができる。 例えば、 領域 dの波長幅を広げるには、
λ/2 (η+ 1/4) <N1d3<A/2 (n+1)
(nは整数）
とすればよい。 また、 領域 aの波長幅を広げるには、
λ/2 (m+3/8) <N1d3<A/2 (m+ 3/4)
(mは整数）
とすればよい。
なお、 上述した実施例では、 溝部 A131、 A132に充填する材料を光導波 路領域 R132の材料と同一とする方法について説明したが、 溝部 A 131、 A 132に充填する材料と光導波路領域 R 132_の材料とは互いに異なっていても よい。 また、 光導波路領域 R 131と半導体板 B 131、 B 132とは、 必ずし も同じ層構造でなくてもよい。
図 23は、 本発明の第 14の実施例に係る集積光導波路の概略構成を示す断面 図である。 なお、 この第 14の実施例は、 溝部 A 151〜A 154および半導体 板 B 1 5：!〜 B 154を交互に繰り返し配置することにより、 低反射となる波長 帯を急峻化できるようにしたものである。 図.2 3において、 半導体基板 9 1 1には、 光導波路領域 R 1 5 1および光導波 路領域 R 1 5 2が光導波方向に沿って形成されるとともに、 光導波路領域 R 1 5 1と光導波路領域 R 1 5 2との間には、 溝部 A 1 5 1〜A 1 5 4および半導体板 B 1 5 1〜： B 1 5 4が光導波方向に沿って交互に配置されている。
ここで、 光導波路領域 R 1 5 1と光導波路領域 R 1 5 2との屈折率は互いに異 なるように設定することができ、 例えば、 光導波路領域 R 1 5 1は半導体材料で 構成することができ、 光導波路領域 R 1 5 2は半導体以外の材料で構成すること ができる。
また、溝部 A 1 5 1〜 A 1 5 4には、半導体以外の材料を充填することができ、 例えば、 光導波路領域 R 1 5 2の材料と同一の材料を充填することができる。 ま た、 半導体板 B 1 5 1〜B 1 5 4は、 光導波路領域 R 1 5 1の構造と同一となる ように構成することができる。 また、 溝部 A 1 5 1〜A 1 5 4ぉょび半導体板8 1 5 1〜： B 1 5 4は光導波方向を横切るように配置され、 好ましくは、 溝部 A 1 5 1〜A 1 5 4および半導体板 B 1 5 1〜B 1 5 4は光導波方向に対して垂直に 配置することができる。
そして、 溝部 A 1 5 1の幅および半導体板 B 1 5 1の厚さは、 光導波路領域 R 1 4、 溝部 A 1 5 1、 半導体板 B 1 5 1および溝部 A 1 5 2で構成される光導波 路における反射率が弱められるように設定することができる。
また、 溝部 A 1 5 2の幅および半導体板 B 1 5 2の厚さは、 溝部 A 1 5 2、 半 導体板 B 1 5 2および溝部 A 1 5 3で構成される光導波路が無反射率条件を満た すように設定することができる。
さらに、 溝部 A 1 5 3、 A l 5 4の幅および半導体板 B 1 5 3、 B 1 5 4の厚 さは、 溝部 A 1 5 2の幅および半導体板 B 1 5—2の厚さとそれぞれ同一となるよ うに設定することができる。
ここで、 溝部 A 1 5 2、 半導体板 B 1 5 2および溝部 A 1 5 3で構成される光 導波路が無反射率条件を満たすように溝部 A 1 5 2の幅および半導体板 B 1 5 2 の厚さを設定するとともに、 溝部 A 1 5 2の幅および半導体板 B 1 5 2の厚さと それぞれ同一となるように溝部 A 1 5 3、 A 1 5 4の幅および半導体板 B 1 5 3、 B 1 5 4の厚さを設定することにより、 溝部 A 1 5 1〜A 1 5 4および半導体板 B 151〜B 154を交互に繰り返し配置した場合においても、 入射波長 λにお ける反射率を一定に保つことができる。
すなわち、 半導体基板 911上には、 コア層 912 a〜912 eが積層され、 コア層 912 a〜912 e上には、 上部クラッド層 913 a〜913 eがそれぞ れ積層されている。 なお、 半導体基板 911および上部クラッド層 913 a〜9 13 eとしては、例えば、 I nP、コア層 912 a〜912 eとしては、.例えば、 発光波長 1. 3 mの G a I n As Pを用いることができる。
そして、 コア層 912 a〜912 eおよび上部クラッド層 913 a〜913 e が順次積層された半導体基板 911をエッチング加工することにより、 光導波方 向に対して垂直に配置された溝 914a〜914 dを形成するとともに、 溝 91 4 dから所定間隔だけ隔てて配置された段差 914 eを半導体基板 911上に形 成する。
そして、 溝 914a〜914dに充填材料 915 a〜915dをそれぞれ埋め 込むとともに、 段差 914 eに光導波路材料 915 eを埋め込むことにより、 光 導波方向に沿って交互に配置された溝部 A 151〜A 154および半導体板 B 1 51〜B 154を光導波路領域 R 151と光導波路領域 R 152との間に形成す ることが可能となるとともに、 溝部 A154から半導体板 B 154を隔てて配置 された光導波路領域 R 152を半導体基板 911に形成することができる。 これにより、 溝 914 a〜 914 dを形成するためのエッチング加工を半導体 基板 911に行うことにより、 低反射となる波長帯を急峻化することが可能とな り、 半導体光導波路と半導体以外の光導波路とを同一半導体基板 911上に集積 した場合においても、 これらの光導波路間にける特定の波長の反射を効率よく低 減することが可能となる。 ―
なお、 上述した実施例では、 溝部 A 151〜A 154および半導体板 B 151 〜B 154を 4回繰り返し配置する方法について説明したが、 溝部および半導体 板を 3回または 5回以上繰り返し配置してもよい。
図 24は、 本発明の第 15の実施例に係る集積光導波路の概略構成を示す断面 図である。 なお、 この第 15の実施例は、 図 19の構造を対向配置したものであ る。 図 24において、 半導体基板 1011には、 光導波路領域 R 161、 溝部 A 1 6 1、 半導体板 B 1 6 1、 溝部 A 1 6 2、 半導体板 B 1 6 2、 光導波路領域 R 1 6 2、 半導体板 B 1 6 3、 溝部 A 1 6 3、 半導体板 B 1 6 4、 溝部 A 1 6 4お よび光導波路領域 R 1 6 3が光導波方向に沿って順次形成されている。
ここで、 光導波路領域 R 1 6 1、 R 1 6 3と光導波路領域 R 1 6 2との屈折率 は互いに異なるように設定することができ、 例えば、 光導波路領域 R 1 6 1、 R 1 6 3は半導体材料で構成することができ、 光導波路領域 R 1 6 2は半導体以外 の材料で構成することができる。
また、溝部 A 1 6 1〜A 1 6 4には、半導体以外の材料を充填することができ、 例えば、 光導波路領域 R 1 6 2の材料と同一の材料を充填することができる。 ま た、 半導体板 B 1 6 1〜B 1 6 4は、 光導波路領域 R 1 6 1、 R 1 6 3の構造と 同一となるように構成することができる。 また、 溝部 A 1 6 1〜A 1 6 4および 半導体板 B 1 6 1〜B 1 6 4は光導波方向を横切るように配置され、好ましくは、 溝部 A 1 6 1〜A 1 6 4および半導体板 B 1 6 1〜B 1 6 4は光導波方向に対し て垂直に配置することができる。
そして、 溝部 A 1 6 1の幅および半導体板 B 1 6 1の厚さは、 光導波路領域 R 1 6 1と溝部 A 1 6 1との界面で反射した光が、 溝部 A 1 6 1と半導体板 B 1 6 1との界面で反射した光、 半導体板 B 1 6 1と溝部 A 1 6 2との界面で反射した 光、 溝部 A 1 6 2と半導体板 B 1 6 2との界面で反射した光および半導体板 B 1 6 2と光導波路領域 R 1 6 2との界面で反射した光によって弱められるようにそ れぞれ設定することができる。
また、 溝部 A 1 6 4の幅および半導体板 B 1 6 4の厚さは、 光導波路領域 R 1 6 3と溝部 A 1 6 4との界面で反射した光が、 溝部 A 1 6 4と半導体板 B 1 6 4 との界面で反射した光、半導体板 B 1 6 4と溝部 A 1 6 3との界面で反射した光、 溝部 A 1 6 3と半導体板 B 1 6 3との界面で反射した光および半導体板 B 1 6 3 と光導波路領域 R 1 6 2との界面で反射した光によって弱められるようにそれぞ れ設定することができる。
すなわち、 半導体基板 1 0 1 1上には、 コア層 1 0 1 2 a〜： L 0 1 2 fが積層 され、 コア層 1 0 1 2 a〜l 0 1 2 f上には、 上部クラッド層 1 0 1 3 a〜 1 0 1 3 fがそれぞれ積層されている。 なお、 半導体基板 1 0 1 1および上部クラッ ド層 1013 a〜l 013 f としては、 例えば、 I nP、 コア層 1012 a〜l 012 f としては、 例えば、 発光波長 1. 3 mの Ga I nAs Pを用いること ができる。
そして、 コア層 1012 a〜1012 fおよび上部クラッド層 1013 a〜l 013 fが順次積層された半導体基板 1011をエッチング加工することにより、 光導波方向に対して垂直に配置された溝 1014 a、 1014b, l Q 14d、 1014 eを形成するとともに、 溝 1014b、 1014 dから所定間隔だけ隔 てて配置された凹部 1014cを半導体基板 1011上に形成する。
そして、 クラッド層 1015 a、 1017 aで挟まれたコア層 1016 aを溝 1014 aに埋め込むとともに、 クラッド層 1015 b、 1017 bで挟まれた コア層 1016 bを溝 1014 bに埋め込むことにより、 光導波路領域 R 161 と光導波路領域 R 162との間に配置された溝部 A 161、 A 162を形成する ことが可能となる。
また、 クラッド層 1015d、 1017 dで挟まれたコア層 1016 dを溝 1 014dに埋め込むとともに、 クラッド層 1015 e、 1017 eで挟まれたコ ァ層 1016 eを溝 1014 eに埋め込むことにより、 光導波路領域 R 162と 光導波路領域 R 163との間に配置された溝部 A 163、 A 164を形成するこ とが可能となる。
さらに、 クラッド層 1015 c、 1017 cで挟まれたコア層 1016 cを凹 部 1014 cに埋め込むことにより、 溝部 A 162、 A164から半導体板 B 1 62、 B 164をそれぞれ隔てて配置された光導波路領域 R 162を形成するこ とができる。
ここで、 コア層 1016 a〜l 016 eの材料としては、 例えば、 BCBを用 いることができ、 クラッド層 1015 a〜l 015 e、 1017 a〜1017 e の材料としては、 例えば、 コア層 1016 a〜1016 eよりも屈折率が低いポ リイミドを用いることができる。
なお、 図 2 '4の実施例は、 図 20の構造を対向配置したものであるため、 図 2 4の実施例の導波路、 コア層およびクラッド層の材料や構造は、 特に制約を設け るものではなく、 ここで説明した以外の材料や構造を用いるようにしてもよい。 また、 図 2 4の実施例では、 図 2 0の構造を 1組だけ対向配置する方法につい て説明したが、図 2 0の構造を 3個以上縦列接続するようにしてもよい。ここで、 図 2 0の構造を用いることにより、 個々の光導波路間の反射率を抑制することが でき、 集積光導波路全体の反射率を抑制することができる。
また、 上述した集積光導波路の光学長について考えると、 半導体の屈折率は温 度上昇により増大する、 すなわち屈折率の温度微分係数は正であるため、 周囲温 度が上昇すると、 光導波路の光学長が長くなる。
そこで、 例えば、 図 1 9の光導波路領域 R 1 3 2や図 2 4の光導波路領域 R 1 6 2を、 負の屈折率温度微分係数を有する材料を用いて構成するようにしてもよ い。 これにより、 温度変化により個々の光導波路の光学長が変化した場合におい ても、 光導波路全体の光学長の温度変化を抑制することが可能となる。 なお、 負 の屈折率温度微分係数を有する材料としては、 例えば、 P MMAを用いることが できる。
図 2 5は、 本発明の第 1 6の実施例に係る集積光導波路の概略構成を示す断面 図である。 なお、 この第 1 6の実施例は、 図 2 4の構造に半導体レ一ザを集積ィ匕 するようにしたものである。
図 2 5において、 半導体基板 1 1 1 1には、 光導波路領域 R 1 7 1、 溝部 A 1 7 1、 半導体板 B 1 7 1、 溝部 A 1 7 2、 半導体板 B 1 7 2、 光導波路領域 R 1 7 2、 半導体板 B 1 7 3、 溝部 A 1 7 3、 半導体板 B 1 7 4、 溝部 A 1 7 4およ び光導波路領域 R 1 7 3が光導波方向に沿って順次形成され、 光導波路領域 R 1 7 1および光導波路領域 R 1 7 3には、 レーザダイォ一ドが形成されている。 ここで、 光導波路領域 R 1 7 1、 R 1 7 3と光導波路領域 R 1 7 2との屈折率 は互いに異なるように設定することができ、 えば、 光導波路領域 R 1 7 1、 R 1 7 3は半導体材料で構成することができ、 光導波路領域 R 1 7 2は半導体以外 の材料で構成することができる。
また、溝部 A 1 7 1〜A 1 7 4には、半導体以外の材料を充填することができ、 例えば、 光導波路領域 R 1 7 2の材料と同一の材料を充填することができる。 ま た、 半導体板 B 1 7 1〜B 1 7 4は、 光導波路領域 R 1 7 1、 R 1 7 3の構造と 同一となるように構成することができる。 また、 溝部 A 1 7 1〜A 1 7 4および 半導体板 B 171〜B 174は光導波方向を横切るように配置され、好ましくは、 溝部 A 171〜A 174および半導体板 B 171〜B 174は光導波方向に対し て垂直に配置することができる。
そして、 溝部 A 171の幅および半導体板 B 171の厚さは、 光導波路領域 R 171と溝部 A 171との界面で反射した光が、 溝部 A 171と半導体板 B 17 1との界面で反射した光、 半導体板 B 171と溝部 A 172との界面で反射した 光、 溝部 A 172と半導体板 B 172との界面で反射した光および半導体板 B 1 72と光導波路領域 R172との界面で反射した光によって弱められるようにそ れぞれ設定することができる。
また、 溝部 A 174の幅および半導体板 B 174の厚さは、 光導波路領域 R 1 73と溝部 A 174との界面で反射した光が、 溝部 A 174と半導体板 B 174 との界面で反射した光、半導体板 B 174と溝部 A 173との界面で反射した光、 溝部 A 173と半導体板 B 173との界面で反射した光および半導体板 B 173 と光導波路領域 R 172との界面で反射した光によって弱められるようにそれぞ れ設定することができる。
すなわち、 半導体基板 1111上には、 活性層 1112 a、 1112 fおよび コア層 1112 b〜： L 112 eが積層され、 活性層 1112 a、 1112 fおよ びコア層 1112 b〜l 112 e上には、 半導体基板 1111と異なる導電型の 上部クラッド層 1113 a、 1113 f、 1113 b〜 1113 eがそれぞれ積 層されている。 なお、 半導体基板 1111および上部クラッド層 1113 a〜l 113 f としては、 例えば、 I n P、 活性層 1112 a、 1112 fおよびコア 層 1112 b〜 1112 eとしては、 例えば、 波長 1. 55 mの Ga I nAs Pを用いることができる。 また、 例えば、 半導本基板 1111を n型とし、 上部 クラッド層 1113 a〜l 113 f を p型とすることができる。
そして、 活性層 1112 a、 1112 fおよびコア層 1112 (：〜 1112 e 上に上部クラッド層 1113 a〜 1113 ίが積層された半導体基板 1111を エッチング加工することにより、 光導波方向に対して垂直に配置された溝 111 4 a、 1114b, 1114d、 1114 eを形成するとともに、 溝 1114 b a、 1114 dから所定間隔だけ隔てて配置された凹部 1114cを半導体基板 1111上に形成する。 これにより、 光導波路領域 R 171、 R 173に対応し て活性層 1112 a、 1112 f をそれぞれ配置するとともに、 半導体板 B 17 1〜B 174に対応してコア層 1112b〜1112 eをそれぞれ配置すること ができる。
そして、. クラッド層 1115 a、 1117 aで挟まれたコア層 1116 aを溝 1114 aに埋め込むとともに、 クラッド層 1115b、 1117 bで挟まれた コア層 1116 bを溝 1114 bに埋め込むことにより、 光導波路領域 R 171 と光導波路領域 R 172との間に配置された溝部 A 171、 A172を形成する ことが可能となる。
また、 クラッド層 1115 d、 1117 dで挟まれたコア層 1116 dを溝 1 114 dに埋め込むとともに、 クラッド層 1115 e、 1117 eで挟まれたコ ァ層 1116 eを溝 1114 eに埋め込むことにより、 光導波路領域 R 172と 光導波路領域 R 173との間に配置された溝部 A 173、 A 174を形成するこ とが可能となる。
さらに、 クラッド層 1115 c、 1117 cで挟まれたコア層 1116 cを凹 部 1114 cに埋め込むことにより、 溝部 A172、 A174から半導体板 B 1 72、 B 174をそれぞれ隔てて配置された光導波路領域 R 172を形成するこ とができる。
また、 上部クラッド層 1113 a、 1113 f上に電極 1118 a、 1118 bをそれぞれ形成するとともに、 半導体基板 1111の裏面に電極 1118 cを 形成することにより、 光導波路領域 R171および光導波路領域 R173にレー ザダイォ一ドをそれぞれ形成することができる。
ここで、 コア層 1116 a〜l 116 eの材料としては、 例えば、 BCBを用 いることができ、 クラッド層 11 15 a〜l 115 e、 1117 a〜1117 e の材料としては、 例えば、 コア層 1116 a〜 1116 eよりも屈折率が低いポ リイミドを用いることができる。
また、 負の屈折率温度微分係数を有する材料を用いて光導波路領域 R172を 構成するようにしてもよく、 例えば、 PMMAを用いることができる。 これによ り、 共振器長を温度に対して一定とすることができ、 半導体レーザの発振波長の 温度依存性を抑制することができる。
さらに、 光導波路領域 R 171および R 173に回折格子などを形成して波長 選択性を付与するようにしてもよく、 分布帰還型 （DFB) 半導体レーザや分布 反射器 (DBR) などを作製するようにしてもよい。
なお、 活性層 1112 a、 1112 fおよびコア層 1112 b〜l 112 eの 構造は、 例えば、 活性層またはコア層中央部の屈折率とクラッド層の屈折率との 間の屈折率を持つ材料によりサンドイッチされた分離閉じ込めヘテロ構造 (S C H)や、屈折率を段階的に変化させた傾斜屈折率（G I—） S CHとしてもよい。 また、 活性層 1112 a、 1112 fの形状は、 バルク、 MQW (多重量子井 戸） 、 量子細線、 量子ドットを問わず、 また活性領域の導波路構造に関しても、 pn埋め込み、 リッジ構造、 埋め込みヘテロ構造、 ハイメサ構造等を用いるよう にしてもよい。 さらに、 材料に関しても、 I nPおよび Ga I nAs Pの組み合 わせに限定されることなく、 GaAs、 A l GaAs、 I nGaAs、 Ga i n NA sなど任意の材質について適用が可能である。
以上説明したように、 本発明の第 2の実施形態によれば、 第 1光導波路と第 2 光導波路との界面に反射防止膜を形成することなく、 第 1光導波路と第 2光導波 路との境界における反射を低減させることができ、 光導波路の集積化に対応しつ つ、 半導体のみでは得られない新しい特性を有する光導波路を半導体基板上に安 易に実現することが可能となる。
(ブリュースター角を用いた光導波路および光デバイス）
次に、 本発明の第 3の実施形態に係る集積光導波路について図面を参照しなが ら説明する。 この第 3の実施形態によれば、 導波方向の設計の自由度を向上させ ることを可能にしつつ、 屈折率が互いに異なる一導波路間における反射および屈折 による導波路損失を低減し、 半導体基板上に集積化が可能な光導波路および光デ パイスを提供することができる。 以下、 本実施形態に係るいくつかの具体的な実 施例について説明する。
図 26は、 本発明の第 17の実施例に係る集積光導波路の概略構成を示す断面 図である。 図 26において、 半導体基板 1200には、 第 1導波路 1201、 第 2導波領域 1202および第 3導波路 1203が形成され、 第 2導波領域 120 2は、 第 1導波路 1 2 0 1と第 3導波路 1 2 0 3との間に配置されている。 ここ で、 第 1導波路 1 2 0 1および第 3導波路 1 2 0 3の屈折率は互いに等しくなる ように設定することができ、 第 1導波路 1 2 0 1と第 2導波領域 1 2 0 2との屈 折率は互いに異なるように設定することができる。 例えば、 第 1導波路 1 2 0 1 および第 3導波路 1 2 0 3は半導体材料で構成することができ、 第 2導波領域 1 2 0 2は半導体以外の材料で構成することができる。 なお、 第 2導波領域 1 2 0 2の材料としては、 例えば、 重水素化ポリフルォロメ夕クリレート （d— P F M A) などを用いることができる。
また、 第 1導波路 1 2 0 1と第 2導波領域 1 2 0 2との境界面 1 2 0 4は、 第 1導波路 1 2 0 1の光の伝播方向に対して傾くように配置することができる。 ま た、 第 2導波領域 1 2 0 2と第 3導波路 1 2 0 3との境界面 1 2 0 5は、 第 1導 波路 1 2 0 1と第 2導波領域 1 2 0 2との境界面 1 2 0 4における光の屈折方向 の延長線上に対して傾くように配置することができる。 ここで、 第 1導波路 1 2 0 1と第 2導波領域 1 2 0 2との境界面 1 2 0 4における光の屈折方向の延長線 上に対して、 第 2導波領域 1 2 0 2と第 3導波路 1 2 0 3との境界面 1 2 0 5を 傾ける場合、 第 2導波領域 1 2 0 2と第 3導波路 1 2 0 3との境界面 1 2 0 5に おける光の屈折方向が第 3導波路 1 2 0 3の光の伝播方向に一致するように設定 することができる。
これにより、 第 1導波路 1 2 0 1と第 3導波路 1 2 0 3との間に屈折率が互い に異なる第 2導波領域 1 2 0 2を配置した場合においても、 第 1導波路 1 2 0 1 と第 2導波領域 1 2 0 2との境界面 1 2 0 4および第 2導波領域, 1 2 0 2と第 3 導波路 1 2 0 3との境界面 1 2 0 5における反射を低減し、 かつ屈折による損失 を抑制することができる。 一
すなわち、 第 1導波路 1 2 0 1と第 2導波領域 1 2 0 2とは、 その間の境界面 1 2 0 4が第 1導波路 1 2 0 1の光の伝播方向に対して傾くように接続されてい るため、境界面 1 2 0 4で生じる反射光が第 1導波路 1 2 0 1に戻ることがなく、 第 1導波路 1 2 0 1が局所的な共振器を構成することを回避することができる。 同様に、 第 2導波領域 1 2 0 2と第 3導波路 1 2 0 3とは、 その間の境界面 1 2 0 5が第 2導波領域 1 2 0 2の光の伝播方向に対して傾くように接続されている ため、 第 2導波領域 1 2 0 2および第 3導波路 1 2 0 3が局所的な共振器を構成 することを回避することができる。
さらに、 第 2導波領域 1 2 0 2と第 3導波路 1 2 0 3との境界面 1 2 0 5にお ける光の屈折方向を第 3導波路 1 2 0 3の光の伝播方向に一致させることにより、 第 1導波路 1 2 0 1、 第 2導波領域 1 2 0 2および第 3導波路 1 2 0 3を伝播す る光が、 第 1導波路 1 2 0 1と第 2導波領域 1 2 0 2との境界面 1 2 0.4および 第 2導波領域 1 2 0 2と第 3導波路 1 2 0 3との境界面 1 2 0 5において屈折し た場合においても、 第 1導波路 1 2 0 1、 第 2導波領域 1 2 0 2および第 3導波 路 1 2 0 3から漏れ出すことを防止することができる。
この結果、第 1導波路 1 2 0 1から入射した光は、従来に比べて小さな損失で、 第 1導波路 1 2 0 1、 第 2導波領域 1 2 0 2および第 3導波路 1 2 0 3を伝播し て、 第 3導波路 1 2 0 3から出射することができる。
ここで、 第 1導波路 1 2 0 1の光の伝播方向に対して第 1導波路 1 2 0 1と第
2導波領域 1 2 0 2との境界面 1 2 0 4を傾ける場合、 その境界面 1 2 0 4の傾 斜角はブリュース夕一角を満たすように設定することができる。 また、 第 2導波 領域 1 2 0 2の光の伝播方向に対して第 2導波領域 1 2 0 2と第 3導波路 1 2 0
3との境界面 1 2 0 5を傾ける場合、 その境界面 1 2 0 5の傾斜角はプリユース 夕一角を満たすように設定することができる。 この際、 第 2導波領域 1 2 0 2の 中点に対して点対称になるように、 第 1導波路 1 2 0 1および第 3導波躋 1 2 0 3を第 2導波領域 1 2 0 2に接続することができる。
これにより、 第 1導波路 1 2 0 1と第 2導波領域 1 2 0 2との境界面 1 2 0 4 および第 2導波領域 1 2 0 2と第 3導波路 1 2 0 3との境界面 1 2 0 5での反射 を低減することを可能としつつ、 第 1導波路 1 _2 0 1と第 3導波路 1 2 0 3との 方向を互いに平行にすることが可能となる。
このため、 屈折率の異なる材料が挿入された導波路間の反射を抑制するために、 ブリュース夕一角を用いた場合においても、 入射方向と出射方向とを互いに一致 させることが可能となる。
このため、 屈折率が互いに異なる材料を第 1導波路 1 2 0 1と第 3導波路 1 2
0 3との間に挿入した場合においても、 導波路損失を抑制しつつ、 劈開やエッチ ングゃ埋め込みなどに適した結晶方位を有効に活用することが可能となり、 第 1 導波路 1201および第 3導波路 1203の作製時における信頼性の劣化を抑制 しつつ、 半導体のみでは得られない新しい特性を有する光導波路を実現すること が可能となるとともに、 導波路設計の自由度を向上させることができる。
図 27は、 図 26の第 1導波路 1201および第 3導波路 1203の概略構成 を示す断面図である。 図 27において、 半導体基板 1200上には、 コア層 13 01および上部クラッド層 1302が順次積層されている。 そして、 上部クラッ ド層 1302、 コア層 1301および半導体基板 1201の上部は、 光導波方向 に沿ってストライブ状にエッチング加工され、 上部クラッド層 1302、 コア層 1301および半導体基板 1200の上部の両側には、 埋め込み層 1303、 1 304がそれぞれ形成されている。
これにより、 第 1導波路 1201および第 3導波路 1203を埋め込みヘテロ (BH) 構造とすることができ、 横方向の光閉じ込めを可能として、 第 1導波路 1201および第 3導波路 1203における導波損失を低減することができる。 なお、 半導体基板 1200、 上部クラッド層 1302および埋め込み層 130 3、 1304としては、 例えば、 I nP、 コア層 1301としては、 例えば、 G a I nAs Pを用いることができる。
また、 コア層 1301および上部クラッド層 1302を半導体基板 1200上 に順次積層する場合、 例えば、 MBE (mo l e cu l a r be am e p i t a x y) 、 MOC VD (me t a l o r gan i c chemi c a l v a p e r de po s i t i on) 、 あるいは AL C VD (a t omi c 1 a ye r c hemi c a l v a p e r depo s i t i on) などのェピタ キシャル成長を用いることができる。
図 28は、 本発明の第 18の実施例に係る集積光導波路の概略構成を示す平面 図である。 図 28において、 半導体基板 1400には、 第 1導波路 1401、 第 2導波路 1402および第 3導波路 1403が形成され、第 2導波路 1402は、 第 1導波路 401と第 3導波路 1403との間に配置されている。 ここで、 第 1導波路 1401および第 3導波路 1403の屈折率は互いに等しくなるように 設定することができ、 第 1導波路 1401と第 2導波路 1402との屈折率は互 いに異なるように設定することができる。 例えば、 第 1導波路 1 4 0 1および第 3導波路 1 4 0 3は半導体材料で構成することができ、 第 2導波路 1 4 0 2は半 導体以外の材料で構成することができる。
また、 第 1導波路 1 4 0 1と第 2導波路 1 4 0 2との境界面 1 4 0 4は、 第 1 導波路 1 4 0 1の光の伝播方向に対して傾くように配置することができる。また、 第 2導波路 1 4 0 2と第 3導波路 1 4 0 3との境界面 1 4 0 5は、 第 1導波路 1 4 0 1と第 2導波路 1 4 0 2との境界面 1 4 0 4における光の屈折方向の延長線 上に対して傾くように配置することができる。 ここで、 第 1導波路 1 4 0 1と第 2導波路 1 4 0 2との境界面 1 4 0 4における光の屈折方向の延長線上に対して、 第 2導波路 1 4 0 2と第 3導波路 1 4 0 3との境界面 1 4 0 5を傾ける場合、 第 2導波路 1 4 0 2と第 3導波路 1 4 0 3との境界面 1 4 0 5における光の屈折方 向が第 3導波路 1 4 0 3の光の伝播方向に一致するように設定することができる。 例えば、 これらの境界面 1 4 0 4、 1 4 0 5の傾斜角はプリユース夕一角を満 たすようにそれぞれ設定するとともに、 第 2導波路 1 4 0 2の中点に対して点対 称になるように、 第 1導波路 1 4 0 1および第 3導波路 1 4 0 3を第 2導波路 1 4 0 2に接続することができる。
図 2 9は、 図 2 8の第 2導波路 1 4 0 2の概略構成を示す断面図である。 図 2 9 ί'こおいて、 半導体基板 1 4 0 0上には、 クラッド層 1 5 0 2にて周囲を囲まれ たコア層 1 5 0 1が形成されている。 なお、 半導体基板 1 4 0 0としては、 例え ば、 I η Ρを用いることができる。 また、 クラッド層 1 5 0 2およびコア層 1 5 0 1としては、 例えば、 フッ素含有量を変えて屈折率が変更された重水素化ポリ フルォロメ夕クリレ一ト （d— P F MA) などを用いることができる。
これにより、 第 2導波路 1 4 0 2における導狭損失を低減させることを可能と しつつ、 第 1導波路 1 4 0 1と第 2導波路 1 4 0 2との境界面 1 4 0 4および第 2導波路 1 4 0 2と第 3導波路 1 4 0 3との境界面 1 4 0 5での反射を低減する ことが可能となる。
なお、 図 2 6の第 1導波路 1 2 0 1および第 3導波路 1 2 0 3、 図 2 8の第 1 導波路 1 4 0 1、 第 2導波路 1 4 0 2および第 3導波路 1 4 0 3に関しては、 特 に制約を設けるものではなく、 半導体導波路構造として通常用いられているリッ ジ導波路やハイメサ導波路等を用いるようにしてもよい。
また、 導波路のコア層およびクラッド層の形状に関しては、 特に制約を設ける ものではなく、 例えば、 コア層中央部の屈折率とクラッド層の屈折率との間の屈 折率を持つ材料によりサンドイッチされた分離閉じ込めヘテロ構造（SCH)や、 屈折率を段階的に変化させた傾斜屈折率 （G I—) SCHとしてもよい。
また、 半導体レーザに本構造を適用する場合、 コアとして活性領域を用いても よく、 その形状は、 ノ ルク、 MQW (多重量子井戸） 、 量子細線、 量子ドットを 問わず、 また活性領域の導波路構造に関しても、 pn埋め込み、 リッジ構造、 半 絶縁埋め込み構造、 ハイメサ構造等を用いるようにしてもよい。 さらに、 材料に 関しても、 I nPおよび Ga I nAs Pの組み合わせに限定されることなく、 G aAs、 A l GaAs、 I nGaAs, G a I nNA sなど任意の材質について 適用が可能である。
さらに、 図 26の第 2導波領域 1202および図 28の第 2導波路 1402に ついても、 特に制約を設けるものではなく、 例えば、 ポリイミドやべンゾシクロ ブテンなどを用いるようにしてもよい。
また、 上述した集積光導波路の光学長について考えると、 半導体の屈折率は温 度上昇により増大する、 すなわち屈折率の温度微分係数は正であるため、 周囲温 度が上昇すると、 光導波路の光学長が長くなる。
そこで、 例えば、 図 26の第 2導波領域 1202や図 28の第 2導波路 140 2を、負の屈折率温度微分係数を有する材料を用いて構成するようにしてもよい。 これにより、温度変化により個々の光導波路の光学長が変化した場合においても、 光導波路全体の光学長の温度変化を抑制することが可能となる。 なお、 負の屈折 率温度微分係数を有する材料としては、例えば、 JPMMAを用いることができる。 以下、 図 26および図 28の実施例の動作原理をより詳細に説明する。
図 30は、 屈折率の異なる物質の接合面に光が入射した場合の入射角と屈折角 との関係を示す模式図である。
図 30において、 屈折率 の物質側から屈折率 N2の物質側に入射角 0ェで入 射した光は、 これらの物質の界面において屈折角 02で屈折する。 この時、 入射 角 Siと屈折角 02との間の関係は （4) 式で表すことができる。 特に、 入射角 0 iが （5) 式で表される関係を満たし、 入射角 0ェがブリュース夕一角 0Bに一致 する場合、 入射面に平行な成分の反射をなくすことができる。
そして、入射角 Θ iがプリュ一スター角 θ Bに一致する場合、 （4)式および（ 5 ) 式から以下の （12) 式が成り立つ。
c o s ^^s i η θ
Figure imgf000067_0001
このため、図 28の第 2導波領域 1402の中点に対して点対称になるように、 第 1導波路 1401および第 3導波路 1403を第 2導波領域 1402に接続す ることにより、 第 1導波路 1401と第 2導波領域 1402との境界面 1404 および第 2導波領域 1402と第 3導波路 1403との境界面 1405における 傾斜角をブリュース夕一角に一致させることを可能としつつ、 第 1導波路 120 1と第 3導波路 1203との方向を互いに平行にすることが可能となる。
また、 図 30から明らかなように、 屈折率 の物質内を導波する方向と屈折 率 N2の物質内を導波する方向との成す角 θ12は、 以下の （13) 式で表すこと ができる。
θ 12 = π/2-2 Θ！ · · · (13) 図 31は、屈折率 の物質側から屈折率 Ν2の物質側に光が入射した場合の導 波方向の成す角 012と屈折率比 NaZNiとの関係を示す図である。なお、導波方 向の成す角 0 2は、 図 26の構成では、 第 1導波路 1201を光が導波する方向 と、 第 2導波領域 1202を光が導波する方向との成す角、 図 28の構成では、 第 1導波路 1401の方向と第 2導波路 1402の方向との成す角を示す。
図 31において、 図 28の構成を例にとると、 第 1導波路 1401と第 2導波 路 1402との屈折率比が 0. 9 (例えば、 , 1導波路 1401の屈折率が 3.
21であるとすると、第 2導波路 1402の屈折率が 2. 89)であるとすると、 第 1導波路 1401と第 2導波路 1402との成す角 012は 6度程度となる。 こ のため、 例えば、 第 2導波路 1402の導波長が 10 mであるとすると、 第 2 導波路 1402からの光の出射位置は第 1導波路 1401の延長線上から 1 m 程度ずれる。
また、 第 1導波路 1401と第 2導波路 1402との屈折率比が 0. 8になる と、 第 1導波路 1401と第 2導波路 1402との成す角 012は 12度程度、 第 1導波路 1401と第 2導波路 1402との屈折率比が 0. 7になると、 第 1導 波路 1401と第 2導波路 1402との成す角 012は 20度程度、第 1導波路 1 401と第 2導波路 1402との屈折率比が 0. 6になると、 第 1導波路 140 1と第 2導波路 1402との成す角 012は 28度程度、第 1導波路 1401と第 2導波路 1402との屈折率比が 0. 5になると、 第 1導波路 1401と第 2導 波路 1402との成す角 0 i 2は 37度程度となり、第 1導波路 1401の延長線 上からのずれはさらに大きくなる。
このため、第 1導波路 1401と第 3導波路 1403とを直線上に配置すると、 光を効率よく導波させることができなくなるが、 第 1導波路 1401と第 2導波 路 1402との成す角 012および第 2導波路 1402の導波長に対応させて、 第 1導波路 1401の延長線上から第 3導波路 1403をずらして配置すること により、 光を効率よく導波させることが可能となる。
なお、光の軌跡は進行方向が逆であっても同じであるので、 N2>N1の場合は、 (3) 式〜 （5) 式および （12) 式より明らかなように、 N2と とを入れ替 えて考えればよい。
例えば、 第 1導波路 1401および第 3導波路 1403の屈折率が 3. 12、 第 2導波路 1402の屈折率が 1. 54で、 第 1導波路 1401と第 2導波路 1 402との屈折率比が 0. 48であるとすると、 第 1導波路 1401から第 2導 波路 1402へのブリュースター角 0Bは 25. 6度、 屈折角 02は 25. 6度と なり、 第 1導波路 1401と第 2導波路 1402との成す角 012は 38. 8度と なる。
一方、第 2導波路 1402から第 3導波路 1403への場合は、 （3)式〜（5) 式および （12) 式より明らかなように、 第 1導波路 1401と第 2導波路 14 02との屈折率を入れ替えた場合に相当するので、 ブリュースター角 Bは 64. 4度、 屈折角 02は 25. 6度となる。
従って、 図 28の第 2導波領域 1402の中点に対して点対称になるように、 第 1導波路 1401および第 3導波路 1403を第 2導波領域 1402に接続す ることにより、 各導波路間における反射を抑制しつつ、 第 1導波路 1401と第 3導波路 1403との方向を互いに平行にすることが可能となる。 このため、 第 1導波路 1401と第 3導波路 1403とを同じ結晶方向に沿って作製すること が可能となり、 埋め込みヘテロ構造を持つ第 1導波路 1401および第 3導波路 1403を信頼性よく作製することができる。
特に、 図 31から判るように、 第 1導波路 1401と第 2導波路 1402との 屈折率比が 0. 41程度の場合、 第 1導波路 1401と第 2導波路 1402との 成す角 012は 45度とすることができ、第 1導波路 1401と第 3導波路 140 3との方向を互いに直交させることができる。
なお、 第 1導波路 1401および第 3導波路 1403が半導体以外の材料で構 成した場合においても、 本発明の原理は同じであるため、 第 1導波路 1401と 第 3導波路 1403との方向を互いに平行にすることが可能となる。
次に、 第 1導波路 1401の屈折率を N1 第 2導波路 1402の屈折率を N2 とすると、 入射面に平行な成分の反射率 Rは以下の （14) 式で与えることがで さる。
R= I t an ( — s i n- 1 (Ns/N s i n ） ） Z
t an (0 !+ s i n-1 (N2/N! s i n 0 x) ) I 2 · · · (14) 図 32は、 屈折率の異なる物質の接合面に光が入射した場合の入射角と入射面 に平行な成分の反射率との関係を示す図である。 なお、 図 32の例では、 第 1導 波路 1401
Figure imgf000069_0001
21、第 2導波路 1402の屈折率を N2=l. 54とした。
図 32において、 入射角 6»ェが増加するに従って、 入射面に平行な成分の反射 率 Rは漸減し、 入射角 0iがブリュース夕一角 0B=25. 6度に一致した時に反 射率 Rが 0となる。 そして、 入射角 0ェがブリーユースター角 ΘΒを超えると、 入射 面に平行な成分の反射率 Rは急激に増加し、 全反射角 0Α=28. 7度に漸近す る。
なお、 全反射角 0Αは以下の （15) 式で与えることができる。
6A= s i ή"1 (Ν2/Ν,) · · · (15) ここで、 反射率 Rが小さくなる入射角 として、 入射角 が 0度の時の反射 率尺の 1 Z 3になる場合を例にとると、 プリユース夕一角 0 Bの 5の角度か ら、 プリユースター角 θ Bより全反射角 0 Aとプリユース夕一角 θ Bの差の 2 3 だけ大きい角度の範囲内とすることができる。 すなわち、 反射率 Rが小さくなる 入射角 0ェは、 以下の （16) 式により与えることができる。
4θΒ/5≤θ1≤θΒ+2/'3 (ΘΑ—ΘΒ) · · · (16) このように、 入射角 0い つまり、 第 1導波路 1401における光の伝播方向 に対する第 1導波路 1401と第 2導波路 1402との境界面 1404との成す 角をブリュース夕一角 0Βに一致させることにより、 境界面 1404に平行な成 分の反射率を 0とすることができる。
通常、 導波路を伝播する光は、 境界面に平行な成分のみを持つ ΤΕモードである から、 第 1導波路 1401を伝播する光は、 境界面 1404による損失を受ける ことなく、 第 2導波路 1402に透過させることができる。 また、 入射角 0 を (16) 式で示される範囲に設定することにより、 反射による損失を小さくする ことができる。
図 33は、 本発明の第 19の実施例に係る集積光導波路の概略構成を示す平面 図である。 図 33において、 半導体基板 1600には、 第 1導波路 1601、 第 2導波路 1602および第 3導波路 1603が形成され、第 2導波路 1602は、 第 1導波路 1601と第 3導波路 1603との間に配置されている。 ここで、 第 1導波路 1601および第 3導波路 1603の屈折率は互いに等しくなるように 設定することができる。 また、 第 1導波路 1601と第 2導波路 1602との屈 折率は互いに異なるように設定することができ、 第 1導波路 1401と第 2導波 路 1402との屈折率比は 0. 41程度とすることができる。
また、 第 1導波路 1601と第 2導波路 1602との境界面 1604および第 2導波路 1602と第 3導波路 1603との境界面 1605は、 光の入射方向に 対してブリュース夕一角をそれぞれ満たすように傾斜させることができる。
これにより、 第 1導波路 1601と第 2導波路 1602との成す角および第 2 導波路 1602と第 3導波路 1603との成す角をそれぞれ 45度とすることが でき、 第 1導波路 1601と第 3導波路 1603との方向を互いに直交させるこ とが可能となるとともに、 第 1導波路 1601と第 2導波路 1602との境界面 1604および第 2導波路 1602と第 3導波路 1603との境界面 1605で の反射を低減することが可能となる。 このため、 結晶構造から考えると、 第 1導 波路 1 6 0 1および第 3導波路 1 6 0 3に劈開面を形成する場合には、 劈開面は 平行でなくても、 直交に配置することができる。
図 3 4は、 本発明の第 4の実施例に係る集積光導波路の概略構成を示す平面図 である。 図 3 4において、 半導体基板 1 7 0 0には、 第 1導波路 1 7 0 1、 第 2 導波路 1 7 0 2、 第 3導波路 1 7 0 3、 第 4導波路 1 7 0 4および第 5導波路 1 7 0 5が形成されている。 そして、 第 2導波路 1 7 0 2は、 第 1導波路 1 7 0 1 と第 3導波路 1 7 0 3との間に配置され、 第 4導波路 1 7 0 4は、 第 3導波路 1 7 0 3と第 5導波路 1 7 0 5との間に配置されている。
ここで、 第 1導波路 1 7 0 1、 第 3導波路 1 7 0 3および第 5導波路 1 7 0 5 の屈折率は互いに等しくなるように設定することができ、 第 2導波路 1 7 0 2お よび第 4導波路 1 7 0 4の屈折率は互いに等しくなるように設定することができ る。 また、 第 1導波路 1 7 0 1と第 2導波路 1 7 0 2との屈折率は互いに異なる ように設定することができる。 例えば、 第 1導波路 1 7 0 1、 第 3導波路 1 7 0 3および第 5導波路 1 7 0 5は半導体材料で構成することができ、 第 2導波路 1 7 0 2および第 4導波路 1 7 0 4は半導体以外の材料で構成することができる。 また、 第 1導波路 1 7 0 1と第 2導波路 1 7 0 2との境界面 1 7 0 6は、 第 1 導波路 1 7 0 1の光の伝播方向に対して傾くように配置することができる。また、 第 2導波路 1 7 0 2と第 3導波路 1 7 0 3との境界面 1 7 0 7は、 第 1導波路 1 7 0 1と第 2導波路 1 7 0 2との境界面 1 7 0 6における光の屈折方向の延長線 上に対して傾くように配置することができる。 ここで、 第 1導波路 1 7 0 1と第 2導波路 1 7 0 2との境界面 1 7 0 6における光の屈折方向の延長線上に対して、 第 2導波路 1 7 0 2と第 3導波路 1 7 0 3との j境界面 1 7 0 7を傾ける場合、 第 2導波路 1 7 0 2と第 3導波路 1 7 0 3との境界面 1 7 0 6における光の屈折方 向が第 3導波路 1 Ί 0 3の光の伝播方向に一致するように設定することができる。 さらに、 第 3導波路 1 7 0 3と第 4導波路 1 7 0 4との境界面 1 7 0 8は、 第 3導波路 1 7 0 3の光の伝播方向に対して傾くように配置することができる。 ま た、 第 4導波路 1 7 0 4と第 5導波路 1 7 0 5との境界面 1 7 0 9は、 第 3導波 路 1 7 0 3と第 4導波路 1 7 0 4との境界面 1 7 0 8における光の屈折方向の延 長線上に対して傾くように配置することができる。 ここで、 第 3導波路 1 7 0 3 と第 4導波路 1 7 0 4との境界面 1 7 0 8における光の屈折方向の延長線上に対 して、 第 4導波路 1 7 0 4と第 5導波路 1 7 0 5との境界面 1 7 0 9を傾ける場 合、 第 4導波路 1 7 0 4と第 5導波路 1 7 0 5との境界面 1 7 0 9における光の 屈折方向が第 5導波路 1 7 0 5の光の伝播方向に一致するように設定することが できる。
例えば、 これらの境界面 1 7 0 6〜1 7 0 9の傾斜角はブリュース夕一角を満 たすようにそれぞれ設定し、 第 2導波路 1 7 0 2の中点に対して点対称になるよ うに、 第 1導波路 1 7 0 1および第 3導波路 1 7 0 3を第 2導波路 1 7 0 2に接 続するとともに、 第 4導波路 1 7 0 4の中点に対して点対称になるように、 第 3 導波路 1 7 0 3および第 5導波路 1 7 0 5を第 4導波路 1 7 0 4に接続すること ができる。
これにより、 これらの境界面 1 7 0 6〜1 7 0 9での反射を低減することを可 能としつつ、 入力側の第 1導波路 1 7 0 1および出力側の第 5導波路 1 7 0 5と を一直線上に配置することが可能となり、 導波路設計の自由度を向上させること ができる。
なお、 図 3 4の第 2 0の実施例は、 図 2 8の構成を折り返して配置するように したものであるため、 第 1導波路 1 7 0 1、 第 2導波路 1 7 0 2、 第 3導波路 1 7 0 3、第 4導波路 1 7 0 4および第 5導波路 1 7 0 5の材料および形状などは、 上述した実施例で説明したものを使用することができる。
また、 図 3 4の構成をさらに複数個縦列接続するようにしてもよく、 これによ り、 半導体とは異なる材料の導波領域を分布させて配置することが可能となり、 半導体のみでは得られない新しい特性を有する光導波路を実現することが可能と なる。
図 3 5は、 本発明の第 5の実施例に係る集積光導波路の概略構成を示す平面図 である。
図 3 5において、 半導体基板 1 8 0 0には、 第 1導波路 1 8 0 1、 第 2導波路 1 8 0 2および第 3導波路 1 8 0 3が形成され、 第 2導波路 1 8 0 2は、 第 1導 波路 1 8 0 1と第 3導波路 1 8 0 3との間に配置されている。 ここで、 第 1導波 路 1 8 0 1および第 3導波路 1 8 0 3の屈折率は互いに等しくなるように設定す ることができ、 第 1導波路 1 8 0 1と第 2導波路 1 8 0 2との屈折率は互いに異 なるように設定することができる。 例えば、 第 1導波路 1 8 0 1·および第 3導波 路 1 8 0 3は半導体材料で構成することができ、 第 2導波路 1 8 0 2は半導体以 外の材料で構成することができる。
また、 第 1導波路 1 8 0 1と第 2導波路 1 8 0 2との境界面 1 8 0 4は、 第 1 導波路 1 8 0 1の光の伝播方向に対して傾くように配置することができる。また、 第 2導波路 1 8 0 2と第 3導波路 1 8 0 3との境界面 1 8 0 5は、 第 1導波路 1 8 0 1と第 2導波路 1 8 0 2との境界面 1 8 0 4における光の屈折方向の延長線 上に対して傾くように配置することができる。 また、 第 1導波路 1 8 0 1と第 3 導波路 1 8 0 3は、 同一直線上に配置するとともに、 各境界面 1 8 0 4、 1 8 0 5における屈折方向に対応しつつ、 第 1導波路 1 8 0 1と第 3導波路 1 8 0 3と を接続可能となるように、 第 2導波路 1 8 0 2を円弧状に折り曲げることができ る。
例えば、 これらの境界面 1 8 0 4、 1 8 0 5の傾斜角はブリュース夕一角を満 たすようにそれぞれ設定するとともに、 第 2導波路 1 8 0 2の中央線に対して線 対称になるように、 第 1導波路 1 8 0 1および第 3導波路 1 8 0 3を第 2導波路 1 8 0 2に接続することができる。
これにより、 導波損失を抑制しつつ、 屈折角による光線の曲がりを修正するこ とが可能となるとともに、 第 3光導波路 1 8 0 3の位置を任意の場所に設定する ことが可能となり、 導波路設計の自由度を向上させることができる。
なお、 図 1 0の第 2 1の実施例では、 屈折角による光線の曲がりを修正するた めに、第 2導波領域 1 8 0 2を曲がり導波路で横成する方法について説明したが、 第 1導波領域 1 8 0 1または第 3導波領域 1 8 0 3を曲がり導波路で構成するよ うにしてもよい。
また、 図 3 5の第 2 1の実施例は、 図 2 8の構成の変形例であるため、 第 1導 波路 1 8 0 1 ; 第 2導波路 1 8 0 2および第 3導波路 1 8 0 3の材料および形状 などは、 上述した実施例で説明したものを使用することができる。
また、 図 3 5の構成をさらに複数個縦列接続するようにしてもよく、 これによ り、 半導体とは異なる材料の導波領域を分布させて配置することが可能となり、 半導体のみでは得られない新しい特性を有する光導波路を実現することが可能と なる。
図 3 6は、 本発明の第 2 2の実施例に係る集積光導波路の概略構成を示す断面 図である。 - 図 3 6において、 半導体基板 1 9 0 0には、 第 1導波路 WG 1、 第 2導波路 W G 2および第 3導波路 WG 3が形成され、 第 2導波路 WG 2は、 第 1導波路 WG 1と第 3導波路 WG 3との間に配置されている。 ここで、 第 1導波路 WG 1およ び第 3導波路 WG 3の屈折率は互いに等しくなるように設定することができ、 第 1導波路 WG 1と第 2導波路 WG 2との屈折率は互いに異なるように設定するこ とができる。 例えば、 第 1導波路 WG 1および第 3導波路 WG 3は半導体材料で 構成することができ、 第 2導波路 WG 2は半導体以外の材料で構成することがで さる。
また、 第 1導波路 WG 1と第 2導波路 WG 2との境界面は、 第 1導波路 WG 1 の光の伝播方向に対して傾くように配置することができる。 また、 第 2導波路 W G 2と第 3導波路 WG 3との境界面は、 第 1導波路 WG 1と第 2導波路 WG 2と の境界面における光の屈折方向の延長線上に対して傾くように配置することがで きる。 ここで、 第 1導波路 WG 1と第 2導波路 WG 2との境界面における光の屈 折方向の延長線上に対して、 第 2導波路 WG 2と第 3導波路 WG 3との境界面を 傾ける場合、 第 2導波路 WG 2と第 3導波路 WG 3との境界面における光の屈折 方向が第 3導波路 WG 3の光の伝播方向に一致するように設定することができる。 また、 第 1導波路 WG 1および第 3導波路 WG 3には、 レーザダイオードが形成 されている。 _
すなわち、 半導体基板 1 9 0 0上には、 コア層 1 9 0 1が積層され、 コア層 1 9 0 1上には、 半導体基板 1 9 0 0と異なる導電型の上部クラッド層 1 9 0 2が 積層されている。 なお、 半導体基板 1 9 0 0および上部クラッド層 1 9 0 2とし ては、 例えば、 I n P、 コア層 1 9 0 1としては、 例えば、 G a l n A s Pを用 いることができる。 また、 例えば、 半導体基板 1 9 0 1を n型とし、 上部クラッ ド層 1 9 0 2を p型とすることができる。 そして、 コア層 1 9 0 1および上部クラッド層 1 9 0 2が順次積層された半導 体基板 1 9 0 0をエッチング加工することにより、 上部クラッド層 1 9 0 2、 コ ァ層 1 9 0 1および半導体基板 1 9 0 0の上部を第 1導波路 WG 1および第 3導 波路 WG 3の形状に成形する。 そして、 第 1導波路 WG 1および第 3導波路 WG 3の両側に埋め込み層 1 9 0 3、 1 9 0 5をそれぞれ成長させることにより、 埋 め込みへテロ構造を形成する。 なお、 埋め込み層 1 9 0 3、 1 9 0 5 しては、 例えば、 F eドープされた I n P絶縁層を用いることができる。
そして、 第 1導波路 WG 1と第 3導波路 WG 3との間の上部クラッド層 1 9 0 2、 コア層 1 9 0 1および半導体基板 1 9 0 0の上部を、 第 1導波路 WG 1と第 2導波路 WG 2との境界および第 2導波路 WG 2と第 3導波路 WG 3との境界に それぞれ沿って除去する。
そして、 第 2導波路 WG 2の形状に対応するようにして、 B C Bなどの有機材料 を第 1導波路 WG 1と第 3導波路 WG 3との間に埋め込むことにより、 第 1導波 路 WG 1と第 3導波路 WG 3とに接続された第 2導波路 WG 2を半導体基板 1 9 0 0上に形成する。
また、 第 1導波路 WG 1と第 3導波路 WG 3の配置位置にそれぞれ対応して上 部クラッド層 1 9 0 2上に電極 1 9 0 6、 1 9 0 7を形成するとともに、 半導体 基板 1 9 0 0の裏面に電極 1 9 0 8を形成することにより、 第 1導波路 WG 1お よび第 3導波路 WG 3にレーザダイォードをそれぞれ形成することができる。 なお、 図 3 6の第 2 2の実施例では、 図 2 8の構造を例にとつて電極 1 9 0 6 〜1 9 0 8を設ける方法について説明したが、 上述した図 2 6または図 3 3〜図 3 5の構造に対して電極を設けるようにしてもよい。
また、 図 3 6の第 2 2の実施例では、 電流 ¾注入するための活性層を半導体導 波路に設けた構造であるため、 第 1導波路 WG 1、 第 2導波路 WG 2および第 3 導波路 WG 3の材料および形状などは、 上述した実施例で説明したものをそのま ま適用することができる。
さらに、 例えば、 半導体導波路部分に回折格子などを形成して波長選択性を付 与するようにしてもよく、 分布帰還型 （D F B) 半導体レーザや分布反射器 (D B R) などを作製するようにしてもよい。 また、 第 2導波路 WG 2として屈折率の温度係数が負の材料を用いれば、 波長 選択性により発振波長を単一とすることが可能となるとともに、 温度によって波 長が変わらないレーザを得ることができる。
以上説明したように、 本発明の第 3の実施形態によれば、 屈折率が互いに異な る材料を光導波領域間に挿入した場合においても、 境界面における反射を抑制し つつ、 導波方向の設計の自由度を向上させることが可能となり、 集積光導波路作 製時に劈開やエッチングや埋め込みなどに適した結晶方位を有効に活用すること を可能として、 半導体のみでは得られない新しい特性を有する光導波路および光 デバイスを半導体基板上に安易に実現することが可能となる。 産業上の利用可能性
以上説明したように、 本発明によれば、 半導体基板上において屈折率およびそ の温度依存性の異なる材料を伝搬領域および Zまたは導波路領域に適用すること によって、 加工および集積化が容易で、 半導体のみでは得られない新しい特性を 有する光半導体素子および光半導集積回路を提供することが可能となる。

Claims

請 求 の 範 囲
1 . 波長選択性を有する利得領域と、
前記利得領域に光学的に結合され、 実効的な屈折率の温度依存性が前記利得領 域と異なる波長選択性を有しない伝搬領域と、
前記伝搬領域を伝播する光を反射させる反射領域と
を備えることを特徴とする半導体レーザ。
2 . 波長選択性を有する利得領域と、
前記利得領域に光学的に結合され、 実効的な屈折率の温度依存性が前記利得領 域と異なる材料を有し、 利得および波長選択性を有しない伝搬領域と、
前記伝搬領域を伝播する光を反射させる利得を有しない反射領域と
を備えることを特徴とする半導体レーザ。
3 . 波長選択性を有する利得領域と、
前記利得領域に光学的に結合され、 実効的な屈折率の温度依存性が前記利得領 域と異なる構造を有し、 利得および波長選択性を有しない伝搬領域と、
前記伝搬領域を伝播する光を反射させる利得を有しない反射領域と
を備えることを特徴とする半導体レーザ。
4. 前記反射領域は、 ミラ一もしくは周期構造を有する回折格子であることを特 徴とする請求項 1〜 3記載の半導体レーザ。
5 . 波長選択性を有する第 1の利得領域と、
前記第 1の利得領域に光学的に結合され、 実効的な屈折率の温度依存性が前記 利得領域と異なる材料を有し、 利得および波長選択性を有しない伝搬領域と、 前記伝搬領域に光学的に結合され、 波長選択性を有する第 2の利得領域と を備えることを特徴とする半導体レーザ。
6 . 波長選択性を有する第 1の利得領域と、
前記第 1の利得領域に光学的に結合され、 実効的な屈折率の温度依存性が前記 利得領域と異なる構造を有し、 利得および波長選択性を有しない伝搬領域と、 前記伝搬領域に光学的に結合され、 波長選択性を有する第 2の利得領域と を備えることを特徴とする半導体レーザ。
7. 前記構造は、 層構造、 層厚または導波路幅の少なくとも 1つが異なることを 特徴とする請求項 3、 4または 6のいずれか 1項記載の半導体レーザ。
8. 前記利得領域の実効的な屈折率の温度微分係数と前記伝搬領域の実効的な屈 折率の温度微分係数の差と、 前記伝搬領域の長さの積の絶対値が 7. 5X 10-4 itim/K] 以上であることを特徴とする請求項 1〜7のいずれか 1項記載の半 導体レーザ。
9. 前記伝搬領域は、 半導体の実効的な屈折率の温度微分係数と異なる材料によ り構成されていることを特徴とする請求項 1〜 8のいずれか 1項記載の半導体レ —ぜ。
10. 前記伝搬領域は、 実効的な屈折率の温度微分係数が負である材料により構 成されていることを特徴とする請求項：！〜 9のいずれか 1項記載の半導体レーザ。
11. 前記利得領域は、 複素屈折率の実部もしくは虚部またはその両方の周期的 な摂動により形成される回折格子を備えていることを特徴とする請求項 1〜 10 のいずれか 1項記載の半導体レーザ。
12. 前記伝搬領域の長さは、 前記利得領域の回折格子の実効長と前記伝搬領域 との長さとの和で決定される縦モード間隔が、 前記回折格子のストップパンド幅 よりも広くなるように設定されていることを特徴とする請求項 11記載の半導体 レーザ。
13. 前記利得領域の回折格子の結合係数が 300 cm—1よりも大きいことを特 徵とする請求項 1 1または 12記載の半導体レーザ。
14. 前記利得領域、 前記伝搬領域および前記反射領域は積層されていることを 特徴とする請求項 1〜 13のいずれか 1項記載の半導体レーザ。
15. 前記利得領域と前記伝搬領域とは、 光路変換手段を介して結合されている ことを特徴とする請求項 1〜 13のいずれか 1項記載の半導体レーザ。
16. 前記伝搬領域は、 上下もしくは左右の少なくともどちらか一方が光閉じ込 め構造を有する導波路構造であることを特徴とする請求項 1〜 15のいずれか 1 項記載の半導体レーザ。
17. 半導体基板と、
前記半導体基板上に形成され、 分布反射構造を有する活性層と、 前記活性層上に形成されたクラッド層と、
前記活性層および前記クラッド層の一部が除去された除去領域と、
前記除去領域内に埋め込まれ、 実効的な屈折率の温度依存性が前記活性層と異 なる温度補償層と
を備えることを特徴とする半導体レーザ。
1 8 . 半導体基板と、
前記半導体基板上に積層された分布ブラッグ反射層と、
前記分布ブラッグ反射層上に積層され、 分布反射構造を有する活性層と、 前記活性層上に積層され、 実効的な屈折率の温度依存性が前記活性層と異なる 温度補償層と、
前記温度補償層上に積層された反射層と
を備えることを特徴とする半導体レーザ。
1 9 . 半導体基板と、
前記半導体基板上に形成され、 分布反射構造を有する活性層と、
前記活性層上に形成され、 前記活性層の端部に傾斜面が設けられたクラッド層 と、
前記クラッド層上に形成され、 実効的な屈折率の温度依存性が前記活性層と異 なる温度補償層と
を備えることを特徴とする半導体レーザ。
2 0 . 第 1光導波路と、
前記第 1光導波路に光学的に結合され、 前記第 1光導波路と屈折率の異なる第 2光導波路と、
前記第 1光導波路の光路を横切るように前 第 1光導波路と前記第 2光導波路 との界面から所定間隔だけ隔てて配置された溝部とを備え、
前記界面からの間隔と前記溝部の幅は、 前記第 1光導波路と前記第 2光導波路 との境界での反射が弱められるように設定されていることを特徴とする集積光導 波路。 '
2 1 . 半導体基板上に形成された第 1光導波路と、
前記半導体基板上に形成され、 前記第 1光導波路と屈折率の異なる第 2光導波 路と、
前記第 1光導波路と前記第 2光導波路との境界に配置され、 前記第 1光導波路 から溝部を隔てて導波方向と垂直になるように前記半導体基板上に形成された半 導体板とを備え、 前記溝部の幅および前記半導体板の厚さは、 前記第 1光導波 路と前記溝部との界面で反射した光が、 前記溝部と前記半導体板との界面で反射 した光および前記半導体板と前記第 2光導波路との界面で反射した光によって弱 められるように設定されていることを特徴とする集積光導波路。
22. 前記溝部には、 前記第 1光導波路の屈折率とは異なる屈折率を有する物質 が充填され、 前記第 1光導波路および前記半導体板の屈折率が等しく、 かつ前記 第 2光導波路および前記溝部に充填された物質の屈折率が等しく、 前記溝部の屈 折率および幅をそれぞれ dp 前記半導体板の屈折率および厚さをそれぞれ N2、 d2とし、 導波光の波長を λとすると、
N1d1>A/2n, N2d2>A/2m. Nx d X + N2 d 2<λ/4 (2 1 +1) (1、 m、 nは n+m= 1の関係を満たす整数）
もしくは、
N1d1<A/2n, N2d2<A/2m, Nx d x + N2 d 2>λ/4 (2 1 +1) (1、 m、 nは n+m= l— 1の関係を満たす整数）
の関係を満たすことを特徴とする請求項 21記載の集積光導波路。
23. 前記溝部には、 前記第 1光導波路の屈折率とは異なる屈折率を有する物質 が充填され、 前記溝部の屈折率および幅をそれぞれ 前記半導体板の屈 折率および厚さをそれぞれ N2、 d2、 導波光の波長を λとすると、
N1d1+N2d2
= ±λ " (2 π) [c o s— 1 {± (Ν + Γ^2) / (Nx + N2) 2} +2πιπ]
Nxd 1-N2d2 = A/2 η
(m、 nは整数）
の関係を満たすことを特徴とする請求項 21記載の集積光導波路。
24. 半導体基板上に形成された第 1光導波路と、
前記半導体基板上に形成され、 前記第 1光導波路と屈折率の異なる第 2光導波 路と、 前記第 1光導波路と前記第 2光導波路との境界に配置され、 前記第 1光導波路 から第 1溝部を隔てて導波方向と垂直になるように前記半導体基板上に形成され た第 1半導体板と、
前記第 1半導体板から第 2溝部を隔てて導波方向と垂直になるように前記半導 体基板上に形成された第 2半導体板とを備え、
前記第 1溝部および前記第 2溝部の幅ならびに前記第 1半導体基板および前記 第 2半導体基板の厚さは、 前記第 1光導波路と前記第 1溝部との界面で反射した 光が、 前記第 1溝部と前記第 1半導体板との界面で反射した光、 前記第 1半導体 板と前記第 2溝部と界面で反射した光、 前記第 2溝部と前記第 2半導体板との界 面で反射した光および前記第 2半導体板と前記第 2光導波路との界面で反射した 光によって弱められるように設定されていることを特徴とする集積光導波路。
25. 前記第 1半導体板と前記第 2半導体板との厚さが互いに異なるか、 または 前記第 1溝部と前記第 2溝部との幅が互いに異なることを特徴とする請求項 24 記載の集積光導波路。
26. 前記第 1溝部および前記第 2溝部には、 前記第 1光導波路の屈折率とは異 なる屈折率を有する物質が充填され、 前記第 1光導波路、 前記第 1半導体板およ び前記第 2半導体板の屈折率が等しく、 かつ前記第 2光導波路、 前記第 1溝部お よび前記第 2溝部の屈折率が等しく、 前記第 1溝部の屈折率および幅をそれぞれ Nい とし、 前記第 1半導体板の屈折率および厚さをそれぞれ N2、 d2、 導波 光の波長を λとすると、
Ν1(11>λΖ2η、 N2d2>A/2m、 Nx d x + N2 d 2<λ/4 (21 + 1) ( 1、 m、 nは n +m= 1の関係を満たす整数）
もしくは、 _
Figure imgf000081_0001
N2d2く λ/2πι、 Nx d X + N2 d 2>λ/4 (21 + 1) ( 1、 m、 nは n +m= 1 - 1の関係を満たす整数）
の関係を満たすことを特徴とする請求項 24または 25記載の集積光導波路。
27. 前記第 Ί溝部および前記第 2溝部には、 前記第 1光導波路の屈折率とは異 なる屈折率を有する物質が充填され、 前記第 1光導波路、 前記第 1半導体板およ び前記第 2半導体板の屈折率が等しく、 かつ前記第 2光導波路、 前記第 1溝部お よび前記第 2溝部の屈折率が等しく、 前記第 2半導体板の屈折率および厚さをそ れぞれ N2、 d4とし、 導波光の波長を久とすると、
λ/2 η-λ/16<N2d4<A/2 η + λ/16
(ηは整数）
の関係を満たすことを特徴とする請求項 24〜 26のいずれか 1項記載の集積光
28. 前記第 1溝部および前記第 2溝部には、 前記第 1光導波路の屈折率とは異 なる屈折率を有する物質が充填され、 前記第 1光導波路、 前記第 1半導体板およ び前記第 2半導体板の屈折率が等しく、 かつ前記第 2光導波路、 前記第 1溝部お よび前記第 2溝部の屈折率が等しく、 前記第 2溝部の屈折率および幅をそれぞれ Nl、 d 3とし、 導波光の波長を λとすると、
λ/2 (η+ 1/4) く Nl d 3<λ/2 (η+ 1)
(ηは整数）
の関係を満たすことを特徴とする請求項 24〜 27のいずれか 1項記載の集積光
29. 前記第 1溝部および前記第 2溝部には、 前記第 1光導波路の屈折率とは異 なる屈折率を有する物質が充填され、前記第 2半導体板と同じ厚みの半導体板が、 前記第 2溝部と同じ幅の溝部をそれぞれ隔てて導波方向に沿って繰り返し配置さ れていることを特徴とする請求項 24〜 28のいずれか 1項記載の集積光導波路。
30. 前記第 2光導波路は負の屈折率温度微分係数を有する材料により構成され ていることを特徴とする請求項 21〜29のいずれか 1項記載の集積光導波路。
31. 請求項 21〜30のいずれか 1項記載の集積光導波路が 2個互いに対向配 置され、 前記第 2光導波路の端面同士が接続されていることを特徴とする集積光 導波路。
32. 請求項 31記載の集積光導波路が複数回繰り返し縦列接続されていること を特徴とする集積光導波路。
33. 前記第 1光導波路は、
前記半導体基板上に形成されたコア層と、
前記コア層上に積層され、前記半導体基板と導電型の異なる上部クラッド層と、 前記上部クラッド層上に形成された第 1電極と、
前記半導体基板の裏面に形成された第 2電極と
を備えることを特徴とする請求項 2 1〜3 2のいずれか 1項記載の光デバイス。
3 4. 前記第 1光導波路 （または前記第 2光導波路のいずれか少なくとも一方） は波長選択性を持つことを特徴とする請求項 2 4〜 3 3のいずれか 1項記載の光 デバイス。
3 5 . 請求項 2 4〜 3 4のいずれか 1項記載の集積光導波路を備えることを特徴 とする光デバイス。
3 6 . 第 1光導波領域と、
前記第 1光導波領域との境界面が前記第 1光導波領域の導波方向に対して斜め に配置され、 第 1光導波領域と屈折率が異なる第 2光導波領域と、
前記第 2光導波領域との境界面における屈折方向が導波方向と一致するように、 前記第 2光導波領域との境界面が配置された第 3光導波領域と
を備えることを特徴とする集積光導波路。
3 7 . 第 1の屈折率を持つ第 1光導波路と第 3光導波路および前記第 1光導波路 と前記第 3光導波路との間にあって第 2の屈折率を持つ第 2光導波領域を備え、 前記第 1光導波路と前記第 2光導波領域との境界面が前記第 1光導波路の方向 に対して垂直でないように、 前記第 1光導波路と前記第 2光導波領域とが接続さ れ、
前記第 1光導波路と前記第 2光導波領域との境界面での光の屈折方向の延長線 上において、 前記第 2光導波領域と前記第 3光導波路との境界面が前記延長線に 対して垂直でないように、前記第 2光導波領域と前記第 3光導波路とが接続され、 前記第 2光導波領域と前記第 3光導波路との境界面での光の屈折方向と前記第 3光導波路の方向とがー致していることを特徴とする集積光導波路。
3 8 . 前記第 1光導波路の方向と前記第 3光導波路の方向とが互いに平行である ことを特徴とする請求項 3 7記載の集積光導波路。
3 9 . 前記第 1光導波路の方向と前記第 3光導波路の方向とが互いに垂直である ことを特徴とする請求項 3 7記載の集積光導波路。
4 0 . 前記第 1光導波路の方向に対して前記第 1光導波路と前記第 2光導波領域 との境界面の成す角と、 前記第 3光導波路の方向に対して前記第 2光導波領域と 前記第 3光導波路の境界面の成す角とが互いに等しく、 前記第 1の屈折率を Nい 前記第 2の屈折率を N 2とすると、 前記第 1光導波路の方向に対して前記第 1光 導波路と前記第 2光導波領域との境界面の成す角 Θは、
4 θΒ/ζ>≤θ≤θΒ+2/Ζ (ΘΑ-ΘΒ)
θΰ= t an— 1 (Nノ N
9A=s i n- 1 (Nノ N
の関係を満たすことを特徴とする請求項 37-39のいずれか 1項記載の集積光
41. 0 = 0Bであることを特徴とする請求項 40記載の集積光導波路。
42. 前記第 2光導波領域は導波構造を備えることを特徴とする請求項 37〜4
1のいずれか 1項記載の集積光導波路。
43. 前記第 2光導波領域は円弧形状を持つことを特徴とする請求項 42記載の
44. 前記第 1光導波路および前記第 3光導波路は半導体で構成され、 前記第 2 光導波領域は半導体以外の材料で構成されていることを特徴とする請求項 37〜 43のいずれか 1項記載の集積光導波路。
45. 前記第 1の屈折率を 前記第 2の屈折率を N2とすると、 屈折率比 N2 または NiZNsが 0. 9以下であることを特徴とする請求項 37〜44の いずれか 1項記載の集積光導波路。
6. 請求項 37 ~ 45のいずれか 1項記載の集積光導波路が複数個縦列接続さ れていることを特徴とする集積光導波路。
47. 前記第 1光導波路または前記第 3光導波路のいずれか少なくとも一方は、 半導体基板上に形成されたコア層と、
前記コア層上に積層され、前記半導体基板と導電型の異なる上部クラッド層と、 前記上部クラッド層上に形成された第 1電極と、
前記半導体基板の裏面に形成された第 2電極と
を備えることを特徴とする請求項 37〜 46のいずれか 1項記載の光デバイス。
48. 前記第 1光導波路または前記第 3光導波路のいずれか少なくとも一方は波 長選択性を持つことを特徴とする請求項 3 7〜 4 7のいずれか 1項記載の光デバ イス。
4 9 . 請求項 3 7〜4 8のいずれか 1項記載の集積光導波路を備えることを特徴 とする光デバイス。
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