WO2019156189A1 - 光集積素子および光モジュール - Google Patents

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裕介 齋藤
和明 清田
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古河電気工業株式会社
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    • H01S5/34306—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser emitting light at a wavelength longer than 1000nm, e.g. InP based 1300 and 1500nm lasers

Definitions

  • the present invention relates to an optical integrated device and an optical module.
  • the thickness of each waveguide layer is preferably optimized according to the characteristics of each element.
  • phase modulators it is preferable to increase the thickness of the waveguide layer in order to reduce the capacitance and speed up the response characteristics.
  • semiconductor optical amplifiers the reduction in saturation output is suppressed. In order to achieve this, it is preferable to set the thickness of the waveguide layer to a certain thickness or less.
  • FIG. 8 is a graph showing an example of connection loss of waveguide layers having different thicknesses. As shown in FIG. 7, the connection loss increases as the ratio of the thicknesses of the connection destination and the connection source waveguide layer increases from 1. In addition, if the refractive index discontinuity occurs at the connection portion, reflection at the connection portion will also occur, but the reflection increases as the ratio of the thickness of the waveguide layer at the connection portion increases from 1. Increasingly, the characteristics of optical integrated devices will be adversely affected.
  • the tolerance with respect to the optical elements around the optical integrated element is also affected. That is, the light emitted or incident from the optical integrated device is combined with an optical fiber or a light source, but the spot size optimized for the waveguide layer of each integrated device is limited to the optical fiber or the light source. Since the difference from the optimum spot size becomes large, the tolerance of the coupling lens between the optical integrated element and the peripheral optical element becomes severe.
  • the present invention has been made in view of the above, and an object thereof is to provide an optical integrated device and an optical module capable of suppressing problems caused by spot size mismatch.
  • an optical integrated device includes a substrate, a lower cladding layer on the substrate, and a first refractive index higher than that of the lower cladding layer.
  • An optical integrated device includes an intermediate layer having a composition different from that of the second core layer and the quantum well layer between the first core layer and the quantum well layer. .
  • the optical integrated device is characterized in that the intermediate layer has the same composition as the lower clad layer or the upper clad layer.
  • the optical integrated device is characterized in that the conductivity type of the lower cladding layer is n-type and the conductivity type of the upper cladding layer is p-type.
  • An optical integrated device includes a second waveguide region in which the lower cladding layer, the second core layer, and the upper cladding layer are sequentially stacked on the substrate.
  • the waveguide region is connected in cascade with the active region.
  • the second waveguide region is stacked between the substrate and the lower cladding layer, and has a third core having a higher refractive index than the substrate and the lower cladding layer. At least a portion of the second waveguide region has a first mesa region having a low mesa structure in which the upper cladding layer protrudes in a mesa shape, and the second waveguide region is
  • the second core layer, the lower cladding layer, and the third core layer include a spot size conversion region having a mesa structure protruding in a mesa shape, and the mesa width of the mesa structure in the spot size conversion region is the first mesa In the spot size conversion region having a mesa width wider than the mesa width of the low mesa structure in the region, the mesa width of the low mesa structure in the first mesa region continuously changes. And butterflies.
  • the first waveguide region includes a second mesa region having a low mesa structure in which the upper cladding layer protrudes in a mesa shape, the upper cladding layer, and the first core layer.
  • the lower cladding layer has a high mesa structure third mesa region protruding in a mesa shape
  • the active region has a low mesa structure
  • the active region and the second mesa region are a low mesa region.
  • the low mesa structure of the second mesa region and the high mesa structure of the third mesa region are optically connected.
  • the first waveguide region on the substrate has a modulator region that functions as a phase modulator that modulates a phase of light to be guided, and the modulation
  • the first core layer in the modulator region is a modulator core layer that guides light.
  • the optical integrated device is characterized in that the phase modulator is a Mach-Zehnder type modulator.
  • An optical module according to an aspect of the present invention includes the above-described optical integrated device.
  • the optical integrated device and the optical module according to the present invention have an effect of suppressing problems caused by spot size mismatch.
  • FIG. 1A is a cross-sectional view in the waveguide direction of the optical integrated device according to the first embodiment.
  • FIG. 1B is a top view of the optical integrated device according to the first embodiment.
  • FIG. 1C is a cross-sectional view of the optical integrated device according to the first embodiment.
  • FIG. 2A is a cross-sectional view in the waveguide direction of the optical integrated device according to the second embodiment.
  • FIG. 2B is a top view of the optical integrated device according to the second embodiment.
  • FIG. 2C is a cross-sectional view of the optical integrated device according to the second embodiment.
  • FIG. 3A is a cross-sectional view in the waveguide direction of the optical integrated device according to the third embodiment.
  • FIG. 3B is a top view of the optical integrated device according to the third embodiment.
  • FIG. 3C is a cross-sectional view of the optical integrated device according to the third embodiment.
  • FIG. 4 is a schematic top view of an optical integrated device according to the fourth embodiment.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing an example of formation of a passivation film and electrodes.
  • FIG. 6 is a schematic configuration diagram of an optical module according to the fifth embodiment.
  • FIG. 7 is a graph showing an example of connection loss of waveguide layers having different thicknesses.
  • FIG. 1A is a cross-sectional view in the waveguide direction of the optical integrated device according to the first embodiment
  • FIG. 1B is a top view of the optical integrated device according to the first embodiment
  • FIG. It is sectional drawing of the optical integrated device which concerns. Note that arrows (a) to (c) shown in FIGS. 1A and 1B correspond to the cross-sectional locations shown in FIG. 1C.
  • the optical integrated device 100 shown in FIGS. 1A to 1C will be described as a configuration example used in a connection region from a phase modulator to a semiconductor optical amplifier (SOA).
  • the optical integrated device according to the first embodiment is not limited to the combination with the phase modulator. A particularly suitable effect can be obtained not only in the phase modulator but also in combination with a device having a thick core layer.
  • a Mach-Zehnder type modulator is assumed as an example of the phase modulator.
  • the optical integrated device 100 can be applied to a use in which light having a wavelength band of 1.55 ⁇ m is incident from either the left or right end surface of the paper.
  • the optical integrated device 100 includes a substrate 101 on which a passive waveguide region R13 in which a lower cladding layer 102, a waveguide core 103, an upper cladding layer 104, and a contact layer 105 are sequentially stacked.
  • An active region R12 in which a lower cladding layer 102, a waveguide core 103, an intermediate layer 108, a quantum well layer 107, an upper cladding layer 104, and a contact layer 105 are sequentially stacked is provided.
  • the optical integrated device 100 is a modulation example in which a phase modulator is integrated in the same device, and a modulation in which a lower cladding layer 102, a modulator core 106, an upper cladding layer 104, and a contact layer 105 are sequentially stacked on a substrate 101.
  • a vessel region R11 is provided.
  • the modulator region R11 corresponds to the first waveguide region
  • the passive waveguide region R13 corresponds to the second waveguide region.
  • the passive waveguide region R13 is cascaded with the active region R12.
  • the modulator core 106 corresponds to the first core layer
  • the waveguide core 103 corresponds to the second core layer.
  • the lower cladding layer 102 is laminated on the substrate 101.
  • the substrate 101 is an InP substrate
  • the lower cladding layer 102 is InP doped so that the conductivity type is n-type
  • the layer thickness is, for example, 1500 nm.
  • the modulator core 106 and the waveguide core 103 are formed on the lower cladding layer 102, and the modulator core 106 and the waveguide core 103 are butt-joined.
  • the modulator core 106 is configured by an AlGaInAs multiple quantum well having a band gap wavelength of 1.4 ⁇ m, for example, and the layer thickness is, for example, 500 nm.
  • the modulator core 106 is configured to have a higher refractive index than the lower cladding layer 102 and the upper cladding layer 104.
  • the curve shown superimposed on the modulator core 106 is a visual example of the mode field of light that is guided through the modulator core 106.
  • the modulator core 106 has a band gap wavelength of 1.4 ⁇ m, for example, and therefore hardly absorbs 1.55 ⁇ m light and functions as a waveguide core. That is, the modulator core 106 is a so-called passive waveguide, and the modulator region R11 can be said to be a passive waveguide region. As described above, the passive waveguide is a concept including a waveguide that changes the phase of light to be guided by applying a reverse bias voltage.
  • the waveguide core 103 is made of, for example, GaInAsP having a band gap wavelength of 1.3 ⁇ m, and has a refractive index higher than that of the lower cladding layer 102 and the upper cladding layer 104.
  • the layer thickness of the waveguide core 103 is, for example, 200 nm.
  • a quantum well layer 107 is provided in the vicinity of the waveguide core 103 in the active region R12.
  • the vicinity of the waveguide core 103 means within the range of the mode field of the light guided through the waveguide core 103, for example, within the range of 1 / e 2 half-width of the peak intensity of the mode field. means.
  • the gap between the waveguide core 103 and the quantum well layer 107 is within the range of the mode field of light guided through the waveguide core 103.
  • an intermediate layer 108 having a composition different from that of the waveguide core 103 and the quantum well layer 107 and having the same composition as that of the upper cladding layer 104 is interposed in the present embodiment.
  • the intermediate layer 108 may be made of a material having the same composition as that of the lower cladding layer 102.
  • the layer thickness of the intermediate layer 108 is, for example, 10 nm.
  • the curve superimposed on the waveguide core 103 and the quantum well layer 107 in the drawing visually illustrates the mode field of light guided through the waveguide core 103.
  • the modulator core 106, the quantum well layer 107, and the intermediate layer 108 are butt-joined.
  • the quantum well layer 107 is composed of, for example, a GaInAsP multiple quantum well, and the layer thickness is, for example, 100 nm.
  • the quantum well layer 107 is configured to have a refractive index higher than that of the lower clad layer 102 and the upper clad layer 104, and amplifies input light when a current is injected.
  • the composition of the GaInAsP multiple quantum well is adjusted so that, for example, light in a 1.55 ⁇ m wavelength band can be amplified.
  • An upper cladding layer 104 is laminated on the modulator core 106, the waveguide core 103, and the quantum well layer 107.
  • the upper cladding layer 104 is, for example, InP doped so that the conductivity type is p-type, and the layer thickness is, for example, 2 ⁇ m.
  • a contact layer 105 is stacked on the upper cladding layer 104.
  • the contact layer 105 is P-type doped InGaAs and has a layer thickness of, for example, 500 nm.
  • the quantum well layer 107 functions as an active layer of the SOA. That is, since the mode field of light guided through the waveguide core 103 extends to the quantum well layer 107, current is injected into the quantum well layer 107 from an electrode (not shown) (illustrated in FIG. 5). Then, the amplification effect (for example, a gain of about 10 dB) is also exerted on the light intensity of the light guided through the waveguide core 103.
  • Such a structure in which the quantum well layer 107 is provided at a distance from the waveguide core 103 is sometimes referred to as an offset quantum well, and a material of the quantum well layer is laminated in the vicinity of the waveguide core 103.
  • the core layer (waveguide core 103) of the passive waveguide can be produced simply by etching and removing the quantum well layer 107, there is an advantage that it is not necessary to perform additional crystal growth and etching. is there.
  • the optical integrated device 100 is a so-called mesa waveguide, specifically, a low mesa waveguide. As shown in FIGS. 1B and 1C, the mesa width of the low mesa structure in the optical integrated device 100 is constant, for example, 2.0 ⁇ m. In the optical integrated device 100 of this example, the mesa width of the low mesa structure is constant, but a difference may be provided in the mesa width of the low mesa structure in each region as necessary.
  • a low mesa structure is formed in which the contact layer 105 and the upper cladding layer 104 protrude in a mesa shape. Therefore, as shown in FIG. 1B, in the view of the active region R12 in the optical integrated device 100 from above, the quantum well layers 107 are shown on both sides of the contact layer 105, which is the uppermost layer of the low mesa structure.
  • a low mesa structure is formed in which the contact layer 105 and the upper cladding layer 104 protrude in a mesa shape. ing. Therefore, as shown in FIG. 1B, the waveguide core 103 is shown on both sides of the contact layer 105 which is the uppermost layer of the low mesa structure in the view of the passive waveguide region R13 in the optical integrated device 100 from above.
  • the configuration of the optical integrated device 100 will be described from the viewpoint of the manufacturing method with reference to FIGS. 1A to 1C.
  • n-InP as the lower cladding layer 102 and the modulator core 106 are formed on the InP substrate as the substrate 101 by using a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method.
  • MOCVD metal organic chemical vapor deposition
  • An AlGaInAs multiple quantum well layer and p-InP as a part of the upper cladding layer 104 are sequentially formed.
  • GaInAsP as the waveguide core 103 and p as the intermediate layer 108 in the region to be the active region R12 and the region to be the passive waveguide region R13 are formed by MOCVD.
  • -InP, a GaInAsP multiple quantum well as the quantum well layer 107, and p-InP as a part of the upper cladding layer 104 are sequentially stacked.
  • a butt junction structure of the modulator core 106, the waveguide core 103, the intermediate layer 108, and the quantum well layer 107 is formed.
  • the SiNx film is removed once, a new SiNx film is formed on the entire surface, and patterning is performed so as to open a region to be the passive waveguide region R13. Then, using this SiNx film as a mask, the p-InP layer and the GaInAsP multiple quantum well layer are etched. Thereafter, after removing the SiNx film, p-InP as a part of the upper cladding layer 104 and p-InGaAs as the contact layer 105 are stacked by MOCVD.
  • a SiNx film is again formed on the entire surface, and patterning and etching of the low mesa structure is performed.
  • a passivation film, a resin layer and its opening, electrodes for current injection and voltage application, etc. are formed in each part by a known method.
  • the substrate is polished to a desired thickness, and if necessary, electrodes are formed on the back surface. Further, an end face is formed by cleaving the substrate, and end face coating and element separation are performed to complete the optical integrated device 100.
  • the phase modulator and the SOA can be integrated into one device by three crystal growths and one mesa structure formation.
  • the modulator core 106, the waveguide core 103, and the quantum well layer 107 are butt-joined.
  • the spot size or mode field between the waveguide core 103 and the quantum well layer 107 having a large layer thickness can be matched.
  • the optimum configuration is adopted for both the phase modulator and the SOA.
  • the light field approaches the lower cladding layer 102 side due to the influence of the waveguide core 103.
  • optical loss due to valence band absorption (light absorption by the p-type cladding layer) in the upper cladding layer 104, which is p-InP, can be suppressed, so that waveguide loss can be reduced.
  • the GaInAsP multiple quantum well as the quantum well layer 107 is removed by etching in the region where the passive waveguide region R13 is formed, and a part of the upper cladding layer 104 is formed thereon. Since p-InP as a layer and p-InGaAs as a contact layer 105 may be stacked, passive elements can be easily integrated after the SOA.
  • the quantum well layer 107 does not exist, and light is guided only by the waveguide core 103, so that the light confinement is weakened and the mode field is expanded. This facilitates connection of an optical fiber or the like to the passive waveguide region R13 side of the optical integrated device 100.
  • the passive waveguide region R13 has a light spot size of slightly less than 1 ⁇ m to slightly more than 1 ⁇ m (for example, 0.7 ⁇ m to 1 .3 ⁇ m).
  • the modulator core 106, the waveguide core 103, and the quantum well layer 107 are exposed on the both sides of the low mesa structure, but the upper clad layer 104 is slightly left on them. Etching may be performed.
  • FIG. 2A is a sectional view in the waveguide direction of the optical integrated device according to the second embodiment
  • FIG. 2B is a top view of the optical integrated device according to the second embodiment
  • FIG. It is sectional drawing of the optical integrated device which concerns.
  • the arrows (a) to (c) shown in FIGS. 2A and 2B correspond to the cross-sectional locations shown in FIG. 2C.
  • the optical integrated device 200 shown in FIGS. 2A to 2C will be described as a configuration example used in the connection region from the phase modulator to the SOA.
  • the optical integrated device according to the second embodiment is not limited to the combination with the phase modulator. A particularly suitable effect can be obtained not only in the phase modulator but also in combination with a device having a thick core layer.
  • a Mach-Zehnder type modulator is assumed as an example of the phase modulator.
  • the optical integrated device 200 can be applied to a use in which light having a wavelength band of 1.55 ⁇ m is incident from either the left or right end surface of the paper.
  • a lower cladding layer 202, a waveguide core 203, an intermediate layer 208, a quantum well layer 207, an upper cladding layer 204, and a contact layer 205 are sequentially stacked on a substrate 201.
  • An active region R22 is provided.
  • the optical integrated device 200 is a modulation example in which a phase modulator is integrated in the same device, and a lower clad layer 202, a modulator core 206, an upper clad layer 204, and a contact layer 205 are sequentially laminated on a substrate 201.
  • a vessel region R21 is provided.
  • the modulator region R21 corresponds to the first waveguide region.
  • the modulator core 206 corresponds to the first core layer
  • the waveguide core 203 corresponds to the second core layer.
  • the substrate 201, the lower cladding layer 202, the waveguide core 203, the intermediate layer 208, the quantum well layer 207, the upper cladding layer 204, the contact layer 205, and the modulator core 206 are substrates corresponding elements in the optical integrated device 100, respectively.
  • 101, the lower clad layer 102, the waveguide core 103, the intermediate layer 108, the quantum well layer 107, the upper clad layer 104, the contact layer 105, and the modulator core 106 have the same constituent materials and layer thickness, and thus the description thereof is omitted. .
  • the curve superimposed on the modulator core 206 is a visual example of the mode field of the light guided through the modulator core 206.
  • a curve superimposed on the waveguide core 203 and the quantum well layer 207 visually illustrates a mode field of light guided through the waveguide core 203.
  • the optical integrated device 200 is a waveguide having a mesa structure. As shown in FIGS. 2B and 2C, the mesa width of the mesa structure in the optical integrated device 200 is constant, for example, 2.0 ⁇ m. In the optical integrated device 200 of this example, the mesa width of the mesa structure is constant, but a difference may be provided in the mesa width of the low mesa structure in each region as necessary.
  • a part of the modulator region R21 (first waveguide region) (of (a) on the left side of the drawing).
  • a high mesa structure is formed in which the contact layer 205, the upper cladding layer 204, the modulator core 206, and a part of the lower cladding layer 204 protrude in a mesa shape.
  • the second mesa region of the modulator region R21 in the optical integrated device 200 is viewed from above, and the lower cladding layer 202 is shown on both sides of the contact layer 205 which is the uppermost layer of the high mesa structure.
  • the modulator region R21 region (b) on the right side of the drawing
  • a low mesa structure in which the contact layer 205 and the upper cladding layer 204 protrude in a mesa shape is formed. Therefore, as shown in FIG.
  • the modulator core 206 is provided on both sides of the contact layer 205, which is the uppermost layer of the low mesa structure. It is shown.
  • the region (b) (second mesa region) and the region (a) (third mesa region) are optically connected.
  • a waveguide having a high mesa structure and a waveguide having a low mesa structure are converted on the way.
  • the high mesa structure and the low mesa structure have different characteristics regarding the light confinement.
  • FIG. 2C (c) in the active region R22 of the optical integrated device 200, a low mesa structure in which the contact layer 205 and the upper cladding layer 204 protrude in a mesa shape is formed. Therefore, as shown in FIG. 2B, in the view of the active region R22 in the optical integrated device 200 from above, the quantum well layers 207 are shown on both sides of the contact layer 205 which is the uppermost layer of the low mesa structure. The active region R22 and the second mesa region are connected with a low mesa structure.
  • the optical integrated device 200 can be manufactured by the same process as the optical integrated device 100. However, the GaInAsP multiple quantum well as the quantum well layer 207 is not removed by etching. Further, after patterning and etching the low mesa structure, the SiNx film is once removed, and a SiNx film is deposited again on the entire surface, and then the high mesa structure is patterned in the modulator region R21. Then, a high mesa structure is formed by dry etching using the SiNx film as a mask. Thereafter, a passivation film, a resin layer and its opening, electrodes for current injection and voltage application, and the like are formed in each part by a known method. After finishing the surface processing, the substrate is polished to a desired thickness, and if necessary, electrodes are formed on the back surface. Further, an end face is formed by cleaving the substrate, and end face coating and element separation are performed to complete the optical integrated device 200.
  • the phase modulator and the SOA can be integrated into one device by three times of crystal growth and two times of mesa structure formation.
  • the modulator core 206, the waveguide core 203, and the quantum well layer 207 are butt-joined.
  • the mode field between the waveguide core 203 and the quantum well layer 207 having a large layer thickness can be matched.
  • the optimum configuration is adopted for both the phase modulator and the SOA.
  • the light field is shifted toward the lower cladding layer 202 due to the influence of the waveguide core 203, so that the optical loss due to the absorption in the valence band in the upper cladding layer 204, which is p-InP, can be suppressed. Therefore, the waveguide loss can be reduced.
  • the parasitic capacitance of the region can be reduced, which is suitable for higher-speed modulation.
  • the modulator core 206, the waveguide core 203, and the quantum well layer 207 are exposed on the surface on both side surfaces of the low mesa structure, but the upper cladding layer 204 is slightly left on them. Etching may be performed.
  • FIG. 3A is a cross-sectional view in the waveguide direction of the optical integrated device according to the third embodiment
  • FIG. 3B is a top view of the optical integrated device according to the third embodiment
  • FIG. It is sectional drawing of the optical integrated device which concerns. Note that arrows (a) to (e) shown in FIGS. 3A and 3B correspond to the cross-sectional locations shown in FIG. 3C.
  • the optical integrated device 300 shown in FIGS. 3A to 3C will be described as a configuration example used in a connection region from the phase modulator to the SOA.
  • the optical integrated device according to the third embodiment is not limited to the combination with the phase modulator. A particularly suitable effect can be obtained not only in the phase modulator but also in combination with a device having a thick core layer.
  • a Mach-Zehnder type modulator is assumed as an example of the phase modulator.
  • the optical integrated device 300 can be applied to a use in which light having a wavelength band of 1.55 ⁇ m is incident from either the left or right end surface of the paper.
  • a spot size converter (SSC) core 309, a lower cladding layer 302, a waveguide core 303, an upper cladding layer 304, and a contact layer 305 are sequentially stacked on a substrate 301.
  • a passive waveguide region R33 is provided.
  • an SSC core 309, a lower cladding layer 302, a waveguide core 303, an intermediate layer 308, a quantum well layer 307, an upper cladding layer 304, and a contact layer 305 are sequentially stacked on a substrate 301.
  • a region R32 is provided.
  • the optical integrated device 300 includes a SSC core 309, a lower cladding layer 302, a modulator core 306, an upper cladding layer 304, and a contact layer 305 on a substrate 301 as a configuration example in which phase modulators are integrated in the same device.
  • a modulator region R31 is sequentially stacked.
  • the passive waveguide region R33 includes a spot size conversion region R34 having a two-stage mesa structure, as shown in FIGS. 3B and 3C described later.
  • the modulator region R31 corresponds to the first waveguide region.
  • the passive waveguide region R33 corresponds to the second waveguide region.
  • the passive waveguide region R31 is cascaded with the active region R32.
  • the modulator core 306 corresponds to the first core layer
  • the waveguide core 303 corresponds to the second core layer.
  • the SSC core 309 corresponds to a third core layer.
  • the substrate 301, the lower cladding layer 302, the waveguide core 303, the intermediate layer 308, the quantum well layer 307, the upper cladding layer 304, the contact layer 305, and the modulator core 306 are substrates that are corresponding elements in the optical integrated device 100.
  • 101, the lower clad layer 102, the waveguide core 103, the intermediate layer 108, the quantum well layer 107, the upper clad layer 104, the contact layer 105, and the modulator core 106 have the same constituent materials and layer thickness, and thus the description thereof is omitted. .
  • the SSC core 309 is a spot size conversion core laminated between the substrate 301 and the lower clad layer 302.
  • the SSC core 309 is configured to have a refractive index higher than that of the substrate 301 and the lower clad layer 302.
  • the SSC core 309 is made of GaInAsP having a refractive index of 3.34 and has a layer thickness of, for example, 100 nm.
  • a separate InP layer may be stacked on the substrate 301, and the SSC core 309 may be stacked thereon.
  • the optical integrated device 300 is a waveguide having a mesa structure, but the mesa structure is different in each region of the optical integrated device 300. Accordingly, the mesa structure in each region of the optical integrated device 300 will be described with reference to FIGS. 3A to 3C side by side.
  • the mesa structure in the optical integrated device 300 has three stages. That is, in the optical integrated device 300, in a part of the modulator region R31 (region (a)), the contact layer 305, the upper cladding layer 304, the modulator core 306, and a part of the lower cladding layer 302 are mesa-shaped. It has the 1st mesa structure M1 which is a protruding high mesa structure. In the other part of the modulator region R31 (region (b)), the active region R32 (region (c)), and the region other than the spot size conversion region R34 (region (d)) in the passive waveguide region R33.
  • the contact layer 305 and the upper cladding layer 304 have a second mesa structure M2 which is a low mesa structure protruding in a mesa shape.
  • the waveguide core 303, the lower cladding layer 302, the SSC core 309, and a part of the substrate 301 have a high mesa structure protruding in a mesa shape. It has a mesa structure M3.
  • the region of the passive waveguide region R33 having the second mesa structure M2 and the third mesa structure M3 functions as a spot size converter as will be described later.
  • the region having the second mesa structure M2 corresponds to the first mesa region.
  • the widths of the first mesa structure M1 and the second mesa structure M2 are constant, for example, 2.0 ⁇ m. It is.
  • the width of the second mesa structure M2 continuously decreases as it approaches the end face. That is, the mesa width of the third mesa structure M3 in the spot size conversion region R34 is wider than the mesa width of the low mesa structure (second mesa structure M2) in the first mesa region, and the spot size has the second mesa structure M2.
  • the mesa width of the second mesa structure M2 continuously changes.
  • the width of the second mesa structure M2 is preferably a constant width (for example, 0.5 ⁇ m) at the terminal end, and does not extend to the end face of the optical integrated device 300. It is preferable that the structure is interrupted (the width becomes zero). This is to obtain an effect of reducing variation in spot size conversion.
  • the reason why the above configuration reduces the variation in spot size conversion is as follows.
  • the mode field of light guided through the waveguide core 303 is adiabatic to the SSC core 309 as the width of the second mesa structure M2 becomes narrower. Move on.
  • the curve shown in the figure visually illustrates the mode field of light moving from the waveguide core 303 to the SSC core 309.
  • the mode field of light moving from the waveguide core 303 to the SSC core 309 is subjected to the action of being shifted upward by the second mesa structure M2, but the magnitude of the action of shifting this light mode field to the upper side.
  • the length is determined by the width of the second mesa structure M2. That is, the size of the mode field of the vertical light is sensitive to the accuracy of the width of the second mesa structure M2. Therefore, if the second mesa structure M2 is a structure in which the second mesa structure M2 is not extended to the end face of the optical integrated device 300 and is interrupted in the middle, a thin mesa structure that is more susceptible to the influence of the accuracy in the width direction is not produced. The effect of reducing the is obtained.
  • the configuration of the optical integrated device 300 will be described from the viewpoint of the manufacturing method.
  • the optical integrated device 300 In the method of manufacturing the optical integrated device 300, first, on the InP substrate as the substrate 301, using GaCVD, GaInAsP as the SSC core 309, n-InP as the lower cladding layer 302, and the waveguide core 303 are formed. GaInAsP, p-InP as the intermediate layer 308, GaInAsP multiple quantum wells as the quantum well layer 307, and p-InP as a part of the upper cladding layer 304 are sequentially formed.
  • a SiNx film is deposited on the entire surface of the p-InP layer as a part of the upper clad layer 304, patterning is performed so as to open a passive waveguide region R33 that is not an SOA. Then, using this SiNx film as a mask, the p-InP layer and the AlGaInAs multiple quantum well layer are etched. Thereafter, after the SiNx film is removed, p-InP as a part of the upper cladding layer 304 and p-InGaAs as the contact layer 305 are stacked by MOCVD.
  • the SiNx film is formed again on the entire surface, the second mesa structure M2 is patterned and etched, and after removing the SiNx film once, the SiNx film is formed on the entire surface, and the first mesa structure M1 and the third mesa structure M3 are formed. Patterning and etching are performed.
  • a passivation film, a resin layer and its opening, electrodes for current injection and voltage application, etc. are formed in each part by a known method.
  • the substrate is polished to a desired thickness, and if necessary, electrodes are formed on the back surface. Further, an end face is formed by cleaving the substrate, and end face coating and element separation are performed to complete the optical integrated device 300.
  • the optical integrated device 300 can integrate the SOA and the spot size converter into one device, and the spot size converter can expand the spot size from about 1 ⁇ m to about 3 ⁇ m. Become.
  • the optical integrated device 300 can be easily manufactured because the SOA and the spot size converter can be integrated into one device by three times of crystal growth and two times of mesa structure formation. It is.
  • the optical integrated device 300 has a three-stage mesa structure. However, even if the mesa structure is further increased, it does not depart from the gist of the present invention.
  • the modulator core 306, the waveguide core 303, and the quantum well layer 307 are butt-joined, the modulator core 106 having a large layer thickness,
  • the mode field between the waveguide core 303 and the quantum well layer 307 having a large layer thickness can be matched.
  • the optimum configuration is adopted for both the phase modulator and the SOA.
  • the light field approaches the lower cladding layer 302 side due to the influence of the waveguide core 303.
  • optical loss due to absorption in the valence band in the upper cladding layer 304 of p-InP can be suppressed, so that waveguide loss can be reduced.
  • the parasitic capacitance of the region can be reduced, which is suitable for higher-speed modulation.
  • the GaInAsP multiple quantum well as the quantum well layer 307 is removed by etching in the region where the passive waveguide region R33 is formed, and a part of the upper cladding layer 304 is formed thereon. Since p-InP as a layer and p-InGaAs as a contact layer 105 may be stacked, passive elements can be easily integrated after the SOA.
  • the modulator core 306, the waveguide core 303, and the quantum well layer 307 are exposed on the surface on both side surfaces of the low mesa structure, but the upper cladding layer 304 is left slightly on these. Etching may be performed.
  • an intermediate region is provided between a waveguide having a high mesa structure and a waveguide having a low mesa structure, and light confinement different from the high mesa structure and the low mesa structure is realized in the intermediate region.
  • the loss in the optical connection between the waveguide having the high mesa structure and the waveguide having the low mesa structure may be reduced.
  • An optical integrated device 400 according to the fourth embodiment is an optical integrated device to which the features of the third embodiment are applied.
  • FIG. 4 is a schematic top view of the optical integrated device 400 according to the fourth embodiment.
  • an optical integrated device 400 is an optical integrated device in which a Mach-Zehnder IQ modulator 420, SOA 430, and SSC 440 are integrated into one device.
  • the optical integrated device 400 is used as a modulator that modulates light incident from the end T 1 and emits the light from the end T 2 .
  • the IQ modulator is a modulator that modulates both the amplitude and phase of light.
  • the optical integrated device 400 has a so-called U-turn configuration in which the arrangement of the IQ modulator 420, the SOA 430, and the SSC 440 are orthogonal, and the mounting area of the optical integrated device 400 is reduced. Is possible.
  • the optical integrated device 400 having a U-turn configuration can be easily wet-etched when the mesa structure of the IQ modulator 420, the SOA 430, and the SSC 440 is produced because of the plane orientation of the substrate.
  • the SOA 430 and the SSC 440 preferably form a mesa structure in a direction parallel to the [011] direction of the substrate, and the IQ modulator 420 has a mesa structure in a direction parallel to the [01-1] direction of the substrate. It is preferable to create the structure.
  • the IQ modulator 420 uses the quantum confined Stark effect to cause a phase change.
  • the Pockels effect works with the same sign as the Stark effect
  • the [011] direction has the Pockels effect.
  • the efficiency of the phase change in the IQ modulator 420 is improved.
  • the IQ modulator 420, the SOA 430, and the SSC 440 are arranged orthogonally to each other. The arrangement is suitable for the plane orientation.
  • the SOA 430 and the SSC 440 are inserted only in the preceding stage than the IQ modulator 420, but may be inserted in the subsequent stage. Further, it can be inserted only in the subsequent stage.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing an example of formation of a passivation film and electrodes.
  • 5A corresponds to a cross section of the IQ modulator 420 perpendicular to the extending direction of the waveguide
  • FIG. 5B corresponds to a cross section of the SOA 430 perpendicular to the extending direction of the waveguide.
  • an SSC core 409, a lower cladding layer 402, a modulator core 406, an upper cladding layer 404, and a contact layer 405 are sequentially stacked on a substrate 401. Yes.
  • the contact layer 405, the upper clad layer 404, the modulator core 406, a part of the lower clad layer 402, and the high mesa structure projecting in a mesa shape are made of, for example, SiO 2 or SiNx.
  • the passivation film 411 is coated. Further, a resin layer 412 made of a resin such as BCB or polyimide is formed outside the passivation film 411. A current flows from the electrode 410 a formed on the contact layer 405 to the ground electrode GND formed on the lower cladding layer 402. On the other hand, as shown in FIG.
  • the SOA 430 in the SOA 430, the SSC core 409, the lower cladding layer 402, the waveguide core 403, the intermediate layer 408, the quantum well layer 407, and the upper cladding layer 404 are contacted on the substrate 401.
  • the layers 405 are sequentially stacked.
  • the mesa structure of the SOA 430 there are a low mesa structure in which the contact layer 405 and the upper cladding layer 404 project in a mesa shape, and a high mesa structure in which the quantum well layer 407, the intermediate layer 408, and the waveguide core project on the mesa.
  • it is coated with a passivation film 411 made of SiO 2 or SiNx.
  • a current flows from the electrode 410b formed on the contact layer 405 to the ground electrode GND formed on the lower cladding layer 402.
  • the optical integrated device 400 can integrate a device having a thick waveguide layer such as the IQ modulator 420, the SOA 430, and the two-stage SSC 440 into one device, and the spot size converter is
  • the spot size defined by the full width of 1 / e 2 can be expanded from a little less than 1 ⁇ m to about 3 ⁇ m.
  • the optical integrated device 400 can integrate a device having a thick waveguide layer, such as the IQ modulator 420, the SOA 430, and the two-stage SSC 440 into one device.
  • the optical integrated device 400 has a two-stage mesa structure. However, even if the mesa structure is multistaged, it does not depart from the gist of the present invention.
  • the optical integrated device 400 according to the fourth embodiment described above can enjoy all the advantages of the optical integrated device according to the first to third embodiments, but at the time of manufacture, the number of crystal growths and mesa There is an advantage that the number of formation of the structure does not increase.
  • FIG. 6 is a schematic configuration diagram of a transmitter module which is an optical module according to the fifth embodiment.
  • the optical transmitter module 500 according to the fifth embodiment is an optical transmitter module that uses any one of the optical integrated elements according to the first to fourth embodiments.
  • An optical transmitter module using the optical integrated device 400 according to the embodiment is illustrated.
  • the optical transmitter module 500 includes a wavelength tunable semiconductor laser 501, first lenses 502 a and 502 b, an optical integrated device 400, second lenses 503 a and 503 b, and an optical fiber 504. Yes.
  • the wavelength tunable semiconductor laser 501 is a light source that outputs laser light serving as a carrier wave. Laser light emitted from the wavelength tunable semiconductor laser 501 is collimated by the first lens 502 a and then incident on the incident end face of the optical integrated device 400 by the first lens 502 b.
  • the optical integrated device 400 is an optical integrated device in which the IQ modulator, the SOA, and the SSC are integrated into one device as described above, and the laser light incident on the incident end face of the optical integrated device 400 is spot-sized by the SSC. Is converted, and the light intensity is amplified by the SOA and modulated by the IQ modulator.
  • the laser light emitted from the optical integrated element 400 is collimated by the second lens 503 a, then incident on the end surface of the optical fiber 504 by the second lens 503 b, and is led out of the optical transmitter module 500 by the optical fiber 504. Is done.
  • the tolerance of coupling when entering from the wavelength tunable semiconductor laser 501 to the optical integrated device 400 is reduced by the action of the SSC included in the optical integrated device 400. Further, due to the action of the SSC included in the integrated optical device 400, the coupling tolerance when entering the optical fiber 504 from the integrated optical device 400 is also reduced.
  • the optical integrated device and the optical module according to the present invention are suitable for application to optical communication.
  • Optical integrated device 101 201, 301, 401 Substrate 102, 202, 302, 402 Lower cladding layer 103, 203, 303, 403 Waveguide core 104, 204, 304, 404 Upper cladding layer 105, 205, 305, 405 Contact layer 106, 206, 306, 406 Modulator core 107, 207, 307, 407 Quantum well layer 108, 208, 308, 408 Intermediate layer 309, 409 SSC core 410a, 410b Electrode 411 Passivation film 412 Resin Layer 420 IQ modulator 430 SOA 440 SSC 500 Optical transmitter module 501 Tunable semiconductor laser 502a, 502b First lens 503a, 503b Second lens 504 Optical fiber

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Abstract

光集積素子は、基板と、前記基板上に、下部クラッド層と、前記下部クラッド層よりも屈折率の高い第１コア層と、前記第１コア層よりも屈折率の低い上部クラッド層とを順次積層した第１導波路領域と、前記基板上に、前記下部クラッド層と、前記下部クラッド層よりも屈折率の高い第２コア層と、電流が注入されることによって光を増幅する量子井戸層と、前記上部クラッド層とを順次積層した活性領域と、を備え、前記第２コア層と前記量子井戸層との間は、前記第２コア層を導波している光のモードフィールドの範囲内で近接しており、前記第１コア層と、前記第２コア層及び前記量子井戸層とが突合せ接合されている。

Description

光集積素子および光モジュール
　本発明は、光集積素子および光モジュールに関する。
　近年の光通信用デバイスにおける小型化の要請に伴い、半導体光増幅器や位相変調器など、異なる機能の光素子を同一の基板上に集積させる光集積素子に対する要求水準も高まっている（例えば特許文献１参照）。
特開２０１６－１２６２１６号公報 特開２０１４－３５５４０号公報
　しかしながら、半導体光増幅器や位相変調器などを同一の基板上に集積させる場合、それぞれの導波路層の厚さは、それぞれの素子の特性に応じて最適化されることが好ましい。例えば、位相変調器については、電気容量を低減して応答特性を高速化するためには、導波路層の厚さを厚くすることが好ましいが、半導体光増幅器については、飽和出力の低下を抑制するためには、導波路層の厚さをある程度の厚さ以下とすることが好ましい。
　このように集積される各素子の導波路層の厚さを最適化すると、最適な導波路層の厚さの差異が大きくなるため、素子間の接合部分で接続損失が増大するという問題がある。図８は、厚さの異なる導波路層の接続損失の例を示すグラフである。図７に示すように、接続先と接続元の導波路層の厚さの比が１から離れるほど、接続損失が増大してしまう。また、接続部で屈折率の不連続が生じれば、接続部での反射も生じることになるが、接続部における導波路層の厚さの比が１から離れるほど、当該反射も大きくなり、ますます光集積素子の特性に悪影響を与えることになる。
　さらに、光集積素子に集積される各素子の導波路層の厚さを最適化すると、光集積素子の周辺の光学素子に対するトレランスに関しても影響を及ぼす。すなわち、光集積素子から出射または入射する光は、光ファイバや光源等と結合することになるが、集積される各素子の導波路層に最適化されたスポットサイズは、光ファイバや光源等に最適なスポットサイズとは差異が大きくなるので、光集積素子と周辺の光学素子との間の結合レンズのトレランスが厳しくなってしまうのである。
　なお、このような接続損失の増大等の問題を解消する方法として、厚さの異なる導波路層の間に、光の導波方向に沿って導波路層の厚さが変化するスポットサイズ変換領域を設ける方法があるが、このようなスポットサイズ変換領域を設けるには、一般的に難しい加工プロセスが必要である。
　本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、その目的は、スポットサイズの不整合に起因する問題を抑制することができる光集積素子および光モジュールを提供することにある。
　上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の一態様に係る光集積素子は、基板と、前記基板上に、下部クラッド層と、前記下部クラッド層よりも屈折率の高い第１コア層と、前記第１コア層よりも屈折率の低い上部クラッド層とを順次積層した第１導波路領域と、前記基板上に、前記下部クラッド層と、前記下部クラッド層よりも屈折率の高い第２コア層と、電流が注入されることによって光を増幅する量子井戸層と、前記上部クラッド層とを順次積層した活性領域と、を備え、前記第２コア層と前記量子井戸層との間は、前記第２コア層を導波している光のモードフィールドの範囲内で近接しており、前記第１コア層と、前記第２コア層及び前記量子井戸層とが突合せ接合されていることを特徴とする。
　本発明の一態様に係る光集積素子は、前記第１コア層と、前記量子井戸層の間に、前記第２コア層及び前記量子井戸層と異なる組成の中間層を備えることを特徴とする。
　本発明の一態様に係る光集積素子は、前記中間層は、前記下部クラッド層または前記上部クラッド層と同じ組成であることを特徴とする。
　本発明の一態様に係る光集積素子は、前記下部クラッド層の導電型がｎ型であり、前記上部クラッド層の導電型がｐ型であることを特徴とする。
　本発明の一態様に係る光集積素子は、前記基板上に、前記下部クラッド層と、前記第２コア層と、前記上部クラッド層とを順次積層した第２導波路領域を備え、前記第２導波路領域は、前記活性領域と縦続接続していることを特徴とする。
　本発明の一態様に係る光集積素子は、前記第２導波路領域は、前記基板と前記下部クラッド層との間に積層され、前記基板および前記下部クラッド層よりも屈折率の高い第３コア層を備えており、前記第２導波路領域の少なくとも一部は、前記上部クラッド層がメサ状に突出したローメサ構造の第１メサ領域を有しており、前記第２導波路領域は、前記第２コア層と前記下部クラッド層と前記第３コア層とがメサ状に突出したメサ構造を有するスポットサイズ変換領域を含み、前記スポットサイズ変換領域におけるメサ構造のメサ幅は、前記第１メサ領域におけるローメサ構造のメサ幅よりも広く、かつ、前記メサ構造を有するスポットサイズ変換領域では、前記第１メサ領域におけるローメサ構造のメサ幅が連続的に変化していることを特徴とする。
　本発明の一態様に係る光集積素子は、前記第１導波路領域は、前記上部クラッド層がメサ状に突出したローメサ構造の第２メサ領域と、前記上部クラッド層と前記第１コア層と前記下部クラッド層の一部とがメサ状に突出したハイメサ構造の第３メサ領域とを有し、前記活性領域は、ローメサ構造を有し、前記活性領域と前記第２メサ領域とは、ローメサ構造で接続されており、前記第２メサ領域のローメサ構造と前記第３メサ領域のハイメサ構造とが光学的に接続されている、ことを特徴とする。
　本発明の一態様に係る光集積素子は、前記基板上の前記第１導波路領域は、導波する光の位相を変調する位相変調器として機能する変調器領域を有しており、前記変調器領域における前記第１コア層が、光を導波する変調器コア層であることを特徴とする。
　本発明の一態様に係る光集積素子は、前記位相変調器は、マッハツェンダ型の変調器であことを特徴とする。
　本発明の一態様に係る光モジュールは、上記記載の光集積素子を備えることを特徴とする。
　本発明に係る光集積素子および光モジュールは、スポットサイズの不整合に起因する問題を抑制することができるという効果を奏する。
図１Ａは、第１実施形態に係る光集積素子の導波路方向断面図である。 図１Ｂは、第１実施形態に係る光集積素子の上面図である。 図１Ｃは、第１実施形態に係る光集積素子の断面図である。 図２Ａは、第２実施形態に係る光集積素子の導波路方向断面図である。 図２Ｂは、第２実施形態に係る光集積素子の上面図である。 図２Ｃは、第２実施形態に係る光集積素子の断面図である。 図３Ａは、第３実施形態に係る光集積素子の導波路方向断面図である。 図３Ｂは、第３実施形態に係る光集積素子の上面図である。 図３Ｃは、第３実施形態に係る光集積素子の断面図である。 図４は、第４実施形態に係る光集積素子の概略上面図である。 図５は、パシベーション膜および電極の形成例を示す断面図である。 図６は、第５実施形態に係る光モジュールの概略構成図である。 図７は、厚さの異なる導波路層の接続損失の例を示すグラフである。
　以下に、図面を参照しながら、本発明の実施形態に係る光集積素子および光モジュールを詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態により本発明が限定されるものではない。また、各図面において、同一または対応する構成要素には適宜同一の符号を付している。また、図面は模式的なものであり、各層の厚さや厚さの比率などは現実のものとは異なることに留意すべきである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることがある。
（第１実施形態）
　図１Ａは、第１実施形態に係る光集積素子の導波路方向断面図であり、図１Ｂは、第１実施形態に係る光集積素子の上面図であり、図１Ｃは、第１実施形態に係る光集積素子の断面図である。なお、図１Ａおよび図１Ｂに記載の矢印（ａ）～（ｃ）は、図１Ｃに記載の断面の箇所に対応している。
　図１Ａ～図１Ｃに示される光集積素子１００は、位相変調器から半導体光増幅器（ＳＯＡ：Semiconductor　Optical　Amplifier）までの連結領域に用いる構成例として説明する。しかしながら、第１実施形態に係る光集積素子は、位相変調器との組み合わせに限定されるものではない。位相変調器に限らずコア層の厚いデバイスとの組み合わせにおいて特に好適な効果を得ることができる。ここでは、位相変調器の例として、マッハツェンダ型の変調器を想定している。また、光集積素子１００は、１．５５μｍ波長帯の光を紙面の左右どちらの端面から入射する用途にも応用し得る。
　図１Ａに示すように、光集積素子１００は、基板１０１上に、下部クラッド層１０２と導波路コア１０３と上部クラッド層１０４とコンタクト層１０５とを順次積層したパッシブ導波路領域Ｒ１３と、基板１０１上に、下部クラッド層１０２と導波路コア１０３と中間層１０８と量子井戸層１０７と上部クラッド層１０４とコンタクト層１０５とを順次積層した活性領域Ｒ１２とを備えている。また、光集積素子１００は、位相変調器を同一素子に集積する構成例として、基板１０１上に、下部クラッド層１０２と変調器コア１０６と上部クラッド層１０４とコンタクト層１０５とを順次積層した変調器領域Ｒ１１を備えている。変調器領域Ｒ１１は第１導波路領域に相当し、パッシブ導波路領域Ｒ１３は第２導波路領域に相当する。パッシブ導波路領域Ｒ１３は活性領域Ｒ１２と縦続接続している。また、変調器コア１０６は第１コア層に相当し、導波路コア１０３は第２コア層に相当する。
　具体的には、光集積素子１００では、基板１０１の上に下部クラッド層１０２が積層されている。例えば、基板１０１はＩｎＰ基板であり、下部クラッド層１０２は導電型がｎ型になるようにドープされたＩｎＰであり、層厚は例えば１５００ｎｍである。
　また、光集積素子１００では、下部クラッド層１０２の上に変調器コア１０６および導波路コア１０３が形成されており、変調器コア１０６と導波路コア１０３とが突き合わせ接合されている。例えば、変調器コア１０６は、バンドギャップ波長が例えば１．４μｍのＡｌＧａＩｎＡｓ多重量子井戸によって構成され、層厚は例えば５００ｎｍである。また、変調器コア１０６は、下部クラッド層１０２および上部クラッド層１０４よりも屈折率が高くなるように構成されている。図中に、変調器コア１０６と重ねて示される曲線は、変調器コア１０６を導波している光のモードフィールドを視覚的に例示したものである。
　変調器コア１０６は、バンドギャップ波長が例えば１．４μｍであるので、１．５５μｍの光を殆ど吸収せず、導波路のコアとして機能する。すなわち、変調器コアは１０６はいわゆるパッシブ導波路であり、変調器領域Ｒ１１はパッシブ導波路領域と言うことができる。このように、パッシブ導波路は、逆バイアス電圧を印加して、導波する光の位相を変化させる導波路も含む概念である。
　導波路コア１０３は、例えば、バンドギャップ波長が１．３μｍのＧａＩｎＡｓＰによって構成され、下部クラッド層１０２および上部クラッド層１０４よりも屈折率が高くなるように構成されている。導波路コア１０３の層厚は例えば２００ｎｍである。
　また、図１Ａに示すように、活性領域Ｒ１２における導波路コア１０３の近傍には、量子井戸層１０７が設けられている。ここで、導波路コア１０３の近傍とは、導波路コア１０３を導波している光のモードフィールドの範囲内を意味し、例えば、モードフィールドのピーク強度の１／ｅ２半幅の範囲内を意味する。量子井戸層１０７の一部が、導波路コア１０３の近傍にあるときに、導波路コア１０３と量子井戸層１０７の間が、導波路コア１０３を導波している光のモードフィールドの範囲内で近接している。導波路コア１０３と量子井戸層１０７との間には、導波路コア１０３及び量子井戸層１０７と異なる組成であり、本実施形態では上部クラッド層１０４と同じ組成である中間層１０８が介在している。なお、中間層１０８は下部クラッド層１０２と同じ組成の材料でもよい。中間層１０８の層厚は例えば１０ｎｍである。
　なお、図中に導波路コア１０３及び量子井戸層１０７と重ねて示される曲線は、導波路コア１０３を導波している光のモードフィールドを視覚的に例示したものである。また、変調器コア１０６と量子井戸層１０７及び中間層１０８とが突き合わせ接合されている。
　量子井戸層１０７は、例えば、ＧａＩｎＡｓＰ多重量子井戸で構成され、層厚は例えば１００ｎｍである。量子井戸層１０７は、下部クラッド層１０２および上部クラッド層１０４よりも屈折率が高くなるように構成されており、電流が注入されることによって、入力された光を増幅する。ここで、ＧａＩｎＡｓＰ多重量子井戸は、例えば１．５５μｍ波長帯の光を増幅し得るように組成が調整されている。
　変調器コア１０６、導波路コア１０３および量子井戸層１０７の上には、上部クラッド層１０４が積層されている。上部クラッド層１０４は、例えば、導電型がｐ型になるようにドープされたＩｎＰであり、層厚が例えば２μｍである。さらに、上部クラッド層１０４の上には、コンタクト層１０５が積層されている。例えば、コンタクト層１０５は、Ｐ型にドープされたＩｎＧａＡｓであり、層厚が例えば５００ｎｍである。
　量子井戸層１０７は、ＳＯＡの活性層として機能する。すなわち、導波路コア１０３を導波している光のモードフィールドは、量子井戸層１０７にまで広がっているので、量子井戸層１０７には不図示の電極（図５にて例示）から電流が注入されると、導波路コア１０３を導波している光の光強度にもその増幅効果（例えば１０ｄＢ程度の利得）が及ぶことになるのである。このような、導波路コア１０３に対して間隔を隔てて量子井戸層１０７を設けたものは、オフセット量子井戸と呼ばれることもあり、導波路コア１０３の上近傍に量子井戸層の材料を積層し、パッシブ導波路領域Ｒ１３では量子井戸層１０７をエッチングして除去するだけでパッシブ導波路のコア層（導波路コア１０３）を作製できるので、追加の結晶成長およびエッチングをする必要がないという利点がある。
　光集積素子１００は、いわゆるメサ構造の導波路であり、具体的にはローメサ構造の導波路である。図１Ｂおよび図１Ｃに示すように、光集積素子１００におけるローメサ構造のメサ幅は、一定であり、例えば２．０μｍである。なお、本例の光集積素子１００では、ローメサ構造のメサ幅が一定であるが、必要に応じて各領域におけるローメサ構造のメサ幅に違いを設けてもよい。
　図１Ｃの（ａ）に示すように、光集積素子１００における変調器領域Ｒ１１（第１導波路領域）では、コンタクト層１０５と上部クラッド層１０４とがメサ状に突出したローメサ構造が形成されている。したがって、図１Ｂに示すように、光集積素子１００における変調器領域Ｒ１１を上から見た図では、ローメサ構造の最上層であるコンタクト層１０５の両側に変調器コア１０６が示されている。
　図１Ｃの（ｂ）に示すように、光集積素子１００における活性領域Ｒ１２では、コンタクト層１０５と上部クラッド層１０４とがメサ状に突出したローメサ構造が形成されている。したがって、図１Ｂに示すように、光集積素子１００における活性領域Ｒ１２を上から見た図では、ローメサ構造の最上層であるコンタクト層１０５の両側に量子井戸層１０７が示されている。
　図１Ｃの（ｃ）に示すように、光集積素子１００におけるパッシブ導波路領域Ｒ１３（第２導波路領域）では、コンタクト層１０５と上部クラッド層１０４とがメサ状に突出したローメサ構造が形成されている。したがって、図１Ｂに示すように、光集積素子１００におけるパッシブ導波路領域Ｒ１３を上から見た図では、ローメサ構造の最上層であるコンタクト層１０５の両側に導波路コア１０３が示されている。
　ここで、図１Ａ～１Ｃを参照しながら、製造方法の観点で光集積素子１００の構成について説明する。
　光集積素子１００の製造方法では、まず基板１０１としてのＩｎＰ基板の上に、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法を用いて、下部クラッド層１０２としてのｎ－ＩｎＰと、変調器コア１０６としてのＡｌＧａＩｎＡｓ多重量子井戸層と、上部クラッド層１０４の一部としてのｐ－ＩｎＰとを順次形成する。
　次に、上部クラッド層１０４の一部としてのｐ－ＩｎＰの層の全面に、ＳｉＮｘ膜を堆積した後、位相変調器よりもやや広いパターンになるようにパターニングを施して、当該ＳｉＮｘ膜をマスクとして、変調器領域Ｒ１１となる領域以外のＡｌＧａＩｎＡｓ多重量子井戸層までをエッチングし、下部クラッド層１０２としてのｎ－ＩｎＰの層を露出する。
　続いて、上記ＳｉＮｘ膜をそのまま成長マスクとして用いて、ＭＯＣＶＤ法により、活性領域Ｒ１２となる領域及びパッシブ導波路領域Ｒ１３となる領域において、導波路コア１０３としてのＧａＩｎＡｓＰと、中間層１０８としてのｐ－ＩｎＰと、量子井戸層１０７としてのＧａＩｎＡｓＰ多重量子井戸と、上部クラッド層１０４の一部としてのｐ－ＩｎＰとを順次積層する。これにより、変調器コア１０６と、導波路コア１０３、中間層１０８及び量子井戸層１０７との突き合わせ接合構造が形成される。
　次に、上記ＳｉＮｘ膜を一度除去し、新たなＳｉＮｘ膜を全面に形成し、パッシブ導波路領域Ｒ１３となる領域を開口するようにパターニングを行う。そして、このＳｉＮｘ膜をマスクとして、ｐ－ＩｎＰの層とＧａＩｎＡｓＰ多重量子井戸の層とをエッチングする。その後、ＳｉＮｘ膜を除去した後、ＭＯＣＶＤ法により、上部クラッド層１０４の一部としてのｐ－ＩｎＰおよびコンタクト層１０５としてのｐ－ＩｎＧａＡｓを積層する。
　次に、再度ＳｉＮｘ膜を全面に形成し、ローメサ構造のパターニングおよびエッチングを行う。
　その後、公知の方法により、各部分にパシベーション膜、樹脂層やその開口部、電流注入や電圧印加のための電極などを形成する。表面の加工が終了した後に、基板を研磨して所望の厚さにし、必要であれば裏面に電極を形成する。さらに、基板へき開によって端面形成し、端面コーティングや素子分離を行って光集積素子１００が完成する。
　以上のように、光集積素子１００の構成では、３回の結晶成長および１回のメサ構造形成で、位相変調器とＳＯＡとを一つの素子に集積することができる。
　以上説明した第１実施形態に係る光集積素子１００は、変調器コア１０６と、導波路コア１０３及び量子井戸層１０７とが突き合わせ接合されているので、層厚が厚い変調器コア１０６と、合計の層厚が厚い導波路コア１０３及び量子井戸層１０７との間のスポットサイズ又はモードフィールドを整合することができる。その結果、位相変調器のように導波路層が厚い素子とＳＯＡのように導波路層が薄い素子を一つの素子に集積しても、位相変調器およびＳＯＡの両方で最適な構成を採用しつつ、スポットサイズ又はモードフィールドを整合させることが可能である。
　また、活性領域Ｒ１２においては、導波路コア１０３の影響によって、光のフィールドが下部クラッド層１０２側に寄る。その結果、ｐ－ＩｎＰである上部クラッド層１０４における価電子帯内吸収（ｐ型クラッド層による光吸収）による光損失を抑制できるので、導波路損失を低減できる。
　また、パッシブ導波路領域Ｒ１３を形成する際には、パッシブ導波路領域Ｒ１３を形成する領域において、量子井戸層１０７としてのＧａＩｎＡｓＰ多重量子井戸をエッチング除去し、その上に上部クラッド層１０４の一部としてのｐ－ＩｎＰおよびコンタクト層１０５としてのｐ－ＩｎＧａＡｓを積層すればよいので、容易にＳＯＡの後段にパッシブ素子を集積することができる。
　また、パッシブ導波路領域Ｒ１３では、量子井戸層１０７が存在せず、導波路コア１０３のみで光を導波するので、光の閉じ込めが弱くなり、モードフィールドが広がる。これにより、光集積素子１００のパッシブ導波路領域Ｒ１３側への光ファイバ等の接続が容易になる。例えば、光のスポットサイズを、ピークの１／ｅ２倍の強度となる位置の全幅で定義すると、パッシブ導波路領域Ｒ１３は、光のスポットサイズを１μｍ弱から１μｍ強（例えば０．７μｍから１．３μｍ）程度へと広げることができる。
　なお、上記実施形態では、ローメサ構造の両側面において変調器コア１０６、導波路コア１０３、量子井戸層１０７が表面に露出しているが、これらの上にわずかに上部クラッド層１０４を残すようにエッチングをしてもよい。
（第２実施形態）
　図２Ａは、第２実施形態に係る光集積素子の導波路方向断面図であり、図２Ｂは、第２実施形態に係る光集積素子の上面図であり、図２Ｃは、第２実施形態に係る光集積素子の断面図である。なお、図２Ａおよび図２Ｂに記載の矢印（ａ）～（ｃ）は、図２Ｃに記載の断面の箇所に対応している。
　図２Ａ～図２Ｃに示される光集積素子２００は、位相変調器からＳＯＡまでの連結領域に用いる構成例として説明する。しかしながら、第２実施形態に係る光集積素子は、位相変調器との組み合わせに限定されるものではない。位相変調器に限らずコア層の厚いデバイスとの組み合わせにおいて特に好適な効果を得ることができる。ここでは、位相変調器の例として、マッハツェンダ型の変調器を想定している。また、光集積素子２００は、１．５５μｍ波長帯の光を紙面の左右どちらの端面から入射する用途にも応用し得る。
　図２Ａに示すように、光集積素子２００は、基板２０１上に、下部クラッド層２０２と導波路コア２０３と中間層２０８と量子井戸層２０７と上部クラッド層２０４とコンタクト層２０５とを順次積層した活性領域Ｒ２２を備えている。また、光集積素子２００は、位相変調器を同一素子に集積する構成例として、基板２０１上に、下部クラッド層２０２と変調器コア２０６と上部クラッド層２０４とコンタクト層２０５とを順次積層した変調器領域Ｒ２１を備えている。変調器領域Ｒ２１は第１導波路領域に相当する。また、変調器コア２０６は第１コア層に相当し、導波路コア２０３は第２コア層に相当する。
　基板２０１、下部クラッド層２０２、導波路コア２０３、中間層２０８、量子井戸層２０７、上部クラッド層２０４、コンタクト層２０５、変調器コア２０６は、それぞれ、光集積素子１００における対応する要素である基板１０１、下部クラッド層１０２、導波路コア１０３、中間層１０８、量子井戸層１０７、上部クラッド層１０４、コンタクト層１０５、変調器コア１０６と同一の構成材料及び層厚を有するので、説明を省略する。
　図中に、変調器コア２０６と重ねて示される曲線は、変調器コア２０６を導波している光のモードフィールドを視覚的に例示したものである。導波路コア２０３及び量子井戸層２０７と重ねて示される曲線は、導波路コア２０３を導波している光のモードフィールドを視覚的に例示したものである。
　光集積素子２００は、メサ構造の導波路である。図２Ｂおよび図２Ｃに示すように、光集積素子２００におけるメサ構造のメサ幅は、一定であり、例えば２．０μｍである。なお、本例の光集積素子２００では、メサ構造のメサ幅が一定であるが、必要に応じて各領域におけるローメサ構造のメサ幅に違いを設けてもよい。
　ここで、図２Ｃの（ａ）に示すように、光集積素子２００では、光集積素子１００とは異なり、変調器領域Ｒ２１（第１導波路領域）の一部（図面左側の（ａ）の領域）では、コンタクト層２０５と上部クラッド層２０４と変調器コア２０６と下部クラッド層２０４の一部とがメサ状に突出したハイメサ構造が形成されている。変調器領域Ｒ２１の一部においてハイメサ構造を採用することにより、変調器領域Ｒ２１の電気容量が小さくなるので、より高速な変調を行うことができる。したがって、図２Ｂに示すように、光集積素子２００における変調器領域Ｒ２１の第２メサ領域を上から見た図では、ハイメサ構造の最上層であるコンタクト層２０５の両側に下部クラッド層２０２が示されている。一方、変調器領域Ｒ２１の他部（図面右側の（ｂ）の領域）では、コンタクト層２０５と上部クラッド層２０４とがメサ状に突出したローメサ構造が形成されている。したがって、図２Ｂに示すように、光集積素子２００における変調器領域Ｒ２１の（ｂ）の領域を上から見た図では、ローメサ構造の最上層であるコンタクト層２０５の両側に変調器コア２０６が示されている。変調器領域Ｒ２１において、（ｂ）の領域（第２メサ領域）と（ａ）の領域（第３メサ領域）とは光学的に接続されている。ここで、変調器コア２０６では、ハイメサ構造の導波路とローメサ構造の導波路とが途中で変換されている。一般に、ハイメサ構造とローメサ構造とでは、光の閉じ込めに関する特性が異なるので、ハイメサ構造の導波路とローメサ構造の導波路とを接続すると損失が発生してしまう。そこで、例えば特許文献２に記載のように、ハイメサ構造の導波路とローメサ構造の導波路との間に中間領域を設け、当該中間領域ではハイメサ構造およびローメサ構造とは異なる光の閉じ込めを実現することにより、ハイメサ構造の導波路とローメサ構造の導波路との間の光学接続における損失を低減させてもよい。
　また、図２Ｃの（ｃ）に示すように、光集積素子２００における活性領域Ｒ２２では、コンタクト層２０５と上部クラッド層２０４とがメサ状に突出したローメサ構造が形成されている。したがって、図２Ｂに示すように、光集積素子２００における活性領域Ｒ２２を上から見た図では、ローメサ構造の最上層であるコンタクト層２０５の両側に量子井戸層２０７が示されている。そして、活性領域Ｒ２２と第２メサ領域とは、ローメサ構造で接続されている。
　光集積素子２００は、光集積素子１００と同一の工程によって製造することができる。ただし、量子井戸層２０７としてのＧａＩｎＡｓＰ多重量子井戸のエッチング除去は行わない。また、ローメサ構造のパターニングおよびエッチングを行った後に、ＳｉＮｘ膜を一度除去し、再度全面にＳｉＮｘ膜を堆積した後、変調器領域Ｒ２１におけるハイメサ構造のパターニングを行う。そして、ＳｉＮｘ膜をマスクとして、ドライエッチングによってハイメサ構造を形成する。その後、公知の方法により、各部分にパシベーション膜、樹脂層やその開口部、電流注入や電圧印加のための電極などを形成する。表面の加工が終了した後に、基板を研磨して所望の厚さにし、必要であれば裏面に電極を形成する。さらに、基板へき開によって端面形成し、端面コーティングや素子分離を行って光集積素子２００が完成する。
　以上のように、光集積素子２００の構成では、３回の結晶成長および２回のメサ構造形成で、位相変調器とＳＯＡとを一つの素子に集積することができる。
　以上説明した第２実施形態に係る光集積素子２００は、変調器コア２０６と、導波路コア２０３及び量子井戸層２０７とが突き合わせ接合されているので、層厚が厚い変調器コア２０６と、合計の層厚が厚い導波路コア２０３及び量子井戸層２０７との間のモードフィールドを整合することができる。その結果、位相変調器のように導波路層が厚い素子とＳＯＡのように導波路層が薄い素子を一つの素子に集積しても、位相変調器およびＳＯＡの両方で最適な構成を採用しつつ、モードフィールドを整合させることが可能である。
　また、活性領域Ｒ２２においては、導波路コア２０３の影響によって、光のフィールドが下部クラッド層２０２側に寄るので、ｐ－ＩｎＰである上部クラッド層２０４における価電子帯内吸収による光損失を抑制できるので、導波路損失を低減できる。
　また、変調器領域Ｒ２１の一部の領域をハイメサ構造とすることで、その領域の寄生容量を低減でき、より高速な変調に適する。
　なお、上記実施形態では、ローメサ構造の両側面において変調器コア２０６、導波路コア２０３、量子井戸層２０７が表面に露出しているが、これらの上にわずかに上部クラッド層２０４を残すようにエッチングをしてもよい。
（第３実施形態）
　図３Ａは、第３実施形態に係る光集積素子の導波路方向断面図であり、図３Ｂは、第３実施形態に係る光集積素子の上面図であり、図３Ｃは、第３実施形態に係る光集積素子の断面図である。なお、図３Ａおよび図３Ｂに記載の矢印（ａ）～（ｅ）は、図３Ｃに記載の断面の箇所に対応している。
　図３Ａ～図３Ｃに示される光集積素子３００は、位相変調器からＳＯＡまでの連結領域に用いる構成例として説明する。しかしながら、第３実施形態に係る光集積素子は、位相変調器との組み合わせに限定されるものではない。位相変調器に限らずコア層の厚いデバイスとの組み合わせにおいて特に好適な効果を得ることができる。ここでは、位相変調器の例として、マッハツェンダ型の変調器を想定している。また、光集積素子３００は、１．５５μｍ波長帯の光を紙面の左右どちらの端面から入射する用途にも応用し得る。
　図３Ａに示すように、光集積素子３００は、基板３０１上に、スポットサイズコンバータ（ＳＳＣ）コア３０９と下部クラッド層３０２と導波路コア３０３と上部クラッド層３０４とコンタクト層３０５とを順次積層したパッシブ導波路領域Ｒ３３を備えている。また、光集積素子３００は、基板３０１上に、ＳＳＣコア３０９と下部クラッド層３０２と導波路コア３０３と中間層３０８と量子井戸層３０７と上部クラッド層３０４とコンタクト層３０５とを順次積層した活性領域Ｒ３２を備えている。また、光集積素子３００は、位相変調器を同一素子に集積する構成例として、基板３０１上に、ＳＳＣコア３０９と下部クラッド層３０２と変調器コア３０６と上部クラッド層３０４とコンタクト層３０５とを順次積層した変調器領域Ｒ３１を備えている。また、パッシブ導波路領域Ｒ３３は、後述の図３Ｂおよび図３Ｃに示すように、２段階のメサ構造を有するスポットサイズ変換領域Ｒ３４を含んでいる。変調器領域Ｒ３１は第１導波路領域に相当する。パッシブ導波路領域Ｒ３３は第２導波路領域に相当する。パッシブ導波路領域Ｒ３１は活性領域Ｒ３２と縦続接続している。また、変調器コア３０６は第１コア層に相当し、導波路コア３０３は第２コア層に相当する。また、ＳＳＣコア３０９は第３コア層に相当する。
　基板３０１、下部クラッド層３０２、導波路コア３０３、中間層３０８、量子井戸層３０７、上部クラッド層３０４、コンタクト層３０５、変調器コア３０６は、それぞれ、光集積素子１００における対応する要素である基板１０１、下部クラッド層１０２、導波路コア１０３、中間層１０８、量子井戸層１０７、上部クラッド層１０４、コンタクト層１０５、変調器コア１０６と同一の構成材料及び層厚を有するので、説明を省略する。
　ＳＳＣコア３０９は、基板３０１と下部クラッド層３０２との間に積層されたスポットサイズ変換用のコアである。ＳＳＣコア３０９は、基板３０１および下部クラッド層３０２よりも屈折率が高くなるように構成されており、例えば屈折率３．３４のＧａＩｎＡｓＰによって構成され、層厚が例えば１００ｎｍである。なお、基板３０１の上にＳＳＣコア３０９を直接積層せず、別途のＩｎＰ層を基板３０１の上に積層し、その上にＳＳＣコア３０９を積層してもよい。
　光集積素子３００は、メサ構造の導波路であるが、光集積素子３００の各領域において、このメサ構造に違いがある。そこで、図３Ａ～図３Ｃを並べて参照することにより、光集積素子３００の各領域におけるメサ構造について説明する。
　図３Ｂおよび図３Ｃに示すように、光集積素子３００におけるメサ構造は、３段階存在する。すなわち、光集積素子３００は、変調器領域Ｒ３１の一部（（ａ）の領域）では、コンタクト層３０５と上部クラッド層３０４と変調器コア３０６と下部クラッド層３０２の一部とがメサ状に突出したハイメサ構造である第１メサ構造Ｍ１を有している。また、変調器領域Ｒ３１の他部（（ｂ）の領域）および活性領域Ｒ３２（（ｃ）の領域）およびパッシブ導波路領域Ｒ３３におけるスポットサイズ変換領域Ｒ３４以外の領域（（ｄ）の領域）では、コンタクト層３０５および上部クラッド層３０４がメサ状に突出したローメサ構造である第２メサ構造Ｍ２を有している。スポットサイズ変換領域Ｒ３４の一部では、第２メサ構造Ｍ２に加え、導波路コア３０３と下部クラッド層３０２とＳＳＣコア３０９と基板３０１の一部とがメサ状に突出したハイメサ構造である第３メサ構造Ｍ３を有している。この第２メサ構造Ｍ２と第３メサ構造Ｍ３とを有するパッシブ導波路領域Ｒ３３の領域は、後述するようにスポットサイズ変換器として機能する。第２メサ構造Ｍ２を有する領域は第１メサ領域に相当する。
　図３Ｃの（ａ）～（ｄ）に示すように、第３メサ構造Ｍ３が形成されていない領域では、第１メサ構造Ｍ１および第２メサ構造Ｍ２の幅は一定であり、例えば２．０μｍである。一方、図３Ｃの（ｅ）に示すように、第３メサ構造Ｍ３が形成されている領域では、第２メサ構造Ｍ２の幅は、端面に近づくに従い幅が連続的に減少している。すなわち、スポットサイズ変換領域Ｒ３４における第３メサ構造Ｍ３のメサ幅は、第１メサ領域におけるローメサ構造（第２メサ構造Ｍ２）のメサ幅よりも広く、かつ、第２メサ構造Ｍ２を有するスポットサイズ変換領域Ｍ３４では、第２メサ構造Ｍ２のメサ幅が連続的に変化している。なお、図３Ｂに示すように、第２メサ構造Ｍ２の幅は、終端部において一定の幅（例えば０．５μｍ）とすることが好ましく、光集積素子３００の端面まで延設せずに途中で途切れる（幅がゼロになる）構造とすることが好ましい。スポットサイズ変換のバラツキを低減する効果を得るためである。
　上記構成がスポットサイズ変換のバラツキを低減する理由は以下の通りである。上記構成の光集積素子３００では、図３Ａに示すように、第２メサ構造Ｍ２の幅が狭くなるに従い、導波路コア３０３を導波している光のモードフィールドは、ＳＳＣコア３０９へ断熱的に移っていく。なお、図中に示される曲線は、導波路コア３０３からＳＳＣコア３０９へ移っていく光のモードフィールドを視覚的に例示したものである。
　このとき、導波路コア３０３からＳＳＣコア３０９へ移っていく光のモードフィールドは、第２メサ構造Ｍ２によって上側にシフトされる作用を受けるが、この光のモードフィールドを上側にシフトする作用の大きさは、第２メサ構造Ｍ２の幅によって決定される。つまり、縦方向の光のモードフィールドの大きさは、第２メサ構造Ｍ２の幅の精度に敏感となる。そこで、第２メサ構造Ｍ２を光集積素子３００の端面まで延設せずに途中で途切れる構造とすると、幅方向の精度の影響をより受けやすい細いメサ構造を作製しないので、スポットサイズ変換のバラツキを低減する効果を得るのである。
　ここで、製造方法の観点で光集積素子３００の構成について説明する。
　光集積素子３００の製造方法では、まず基板３０１としてのＩｎＰ基板の上に、ＭＯＣＶＤ法を用いて、ＳＳＣコア３０９としてのＧａＩｎＡｓＰと、下部クラッド層３０２としてのｎ－ＩｎＰと、導波路コア３０３としてのＧａＩｎＡｓＰと、中間層３０８としてのｐ－ＩｎＰと、量子井戸層３０７としてのＧａＩｎＡｓＰ多重量子井戸と、上部クラッド層３０４の一部としてのｐ－ＩｎＰとを順次形成する。
　次に、上部クラッド層３０４の一部としてのｐ－ＩｎＰの層の全面に、ＳｉＮｘ膜を堆積した後、ＳＯＡでないパッシブ導波路領域Ｒ３３を開口するようにパターニングを行う。そして、このＳｉＮｘ膜をマスクとして、ｐ－ＩｎＰの層とＡｌＧａＩｎＡｓ多重量子井戸の層とをエッチングする。その後、ＳｉＮｘ膜を除去した後、ＭＯＣＶＤ法により、上部クラッド層３０４の一部としてのｐ－ＩｎＰおよびコンタクト層３０５としてのｐ－ＩｎＧａＡｓを積層する。
　次に、再度ＳｉＮｘ膜を全面に形成し、第２メサ構造Ｍ２のパターニングおよびエッチングを行い、ＳｉＮｘ膜を一度除去した後にＳｉＮｘ膜を全面に形成し、第１メサ構造Ｍ１および第３メサ構造Ｍ３のパターニングおよびエッチングを行う。
　その後、公知の方法により、各部分にパシベーション膜、樹脂層やその開口部、電流注入や電圧印加のための電極などを形成する。表面の加工が終了した後に、基板を研磨して所望の厚さにし、必要であれば裏面に電極を形成する。さらに、基板へき開によって端面形成し、端面コーティングや素子分離を行って光集積素子３００が完成する。
　以上の構造により、光集積素子３００は、ＳＯＡとスポットサイズ変換器を一つの素子に集積することができ、そのスポットサイズ変換器は、スポットサイズを１μｍ弱から３μｍ程度にまで広げることが可能となる。
　また、上記説明のように、光集積素子３００は、３回の結晶成長と２回のメサ構造の形成によって、ＳＯＡとスポットサイズ変換器を一つの素子に集積することができるので、製造が容易である。なお、上記光集積素子３００は、３段階のメサ構造であるが、このメサ構造をより多段化しても、本発明の要旨を逸脱するものではない。
　以上説明した第３実施形態に係る光集積素子３００は、変調器コア３０６と、導波路コア３０３及び量子井戸層３０７とが突き合わせ接合されているので、層厚が厚い変調器コア１０６と、合計の層厚が厚い導波路コア３０３及び量子井戸層３０７との間のモードフィールドを整合することができる。その結果、位相変調器のように導波路層が厚い素子とＳＯＡのように導波路層が薄い素子を一つの素子に集積しても、位相変調器およびＳＯＡの両方で最適な構成を採用しつつ、モードフィールドを整合させることが可能である。
　また、活性領域Ｒ３２においては、導波路コア３０３の影響によって、光のフィールドが下部クラッド層３０２側に寄る。その結果、ｐ－ＩｎＰである上部クラッド層３０４における価電子帯内吸収による光損失を抑制できるので、導波路損失を低減できる。
　また、変調器領域Ｒ３１の一部の領域をハイメサ構造とすることで、その領域の寄生容量を低減でき、より高速な変調に適する。
　また、パッシブ導波路領域Ｒ３３を形成する際には、パッシブ導波路領域Ｒ３３を形成する領域において、量子井戸層３０７としてのＧａＩｎＡｓＰ多重量子井戸をエッチング除去し、その上に上部クラッド層３０４の一部としてのｐ－ＩｎＰおよびコンタクト層１０５としてのｐ－ＩｎＧａＡｓを積層すればよいので、容易にＳＯＡの後段にパッシブ素子を集積することができる。
　なお、上記実施形態では、ローメサ構造の両側面において変調器コア３０６、導波路コア３０３、量子井戸層３０７が表面に露出しているが、これらの上にわずかに上部クラッド層３０４を残すようにエッチングをしてもよい。
　また、例えば特許文献２に記載のように、ハイメサ構造の導波路とローメサ構造の導波路との間に中間領域を設け、当該中間領域ではハイメサ構造およびローメサ構造とは異なる光の閉じ込めを実現することにより、ハイメサ構造の導波路とローメサ構造の導波路との間の光学接続における損失を低減させてもよい。
（第４実施形態）
　第４実施形態に係る光集積素子４００は、第３実施形態の特徴を適用した光集積素子である。図４は、第４実施形態に係る光集積素子４００の概略上面図である。
　図４に示すように、第４実施形態に係る光集積素子４００は、マッハツェンダ型のＩＱ変調器４２０とＳＯＡ４３０とＳＳＣ４４０とを一つの素子に集積した光集積素子である。例えば、光集積素子４００は、端部Ｔ１から入射した光を変調して端部Ｔ２から出射する変調器として利用される。なお、ＩＱ変調器とは、光の振幅および位相の両方に対して変調を加える変調器のことである。
　図４に示すように、光集積素子４００は、ＩＱ変調器４２０とＳＯＡ４３０およびＳＳＣ４４０との配置が直交する、いわゆるＵターン型の構成となっており、光集積素子４００の実装面積を小さくすることが可能である。
　しかも、Ｕターン型の構成である光集積素子４００は、基板の面方位の関係から、ＩＱ変調器４２０、ＳＯＡ４３０およびＳＳＣ４４０のメサ構造を作製する際のウェットエッチングが容易になる。具体的には、ＳＯＡ４３０およびＳＳＣ４４０は、基板の［０１１］方向に平行な方向にメサ構造を作製することが好ましく、ＩＱ変調器４２０は、基板の［０１－１］方向に平行な方向にメサ構造を作製することが好ましい。なお、ＩＱ変調器４２０は、量子閉じ込めシュタルク効果を用いて位相変化を生じさせているが、［０１－１］方向はポッケルス効果がシュタルク効果と同じ符号で働き、［０１１］方向はポッケルス効果がシュタルク効果と逆の符号で働く。ゆえに、［０１－１］方向でメサ構造を作製すると、ＩＱ変調器４２０における位相変化の効率がよくなる。つまり、紙面上下方向を基板の［０１１］方向とし、紙面左右方向を基板の［０１－１］方向とした場合、ＩＱ変調器４２０とＳＯＡ４３０およびＳＳＣ４４０との配置を直交させると、それぞれが基板の面方位に対して適した配置となる。
　なお、光集積素子４００では、ＩＱ変調器４２０よりも前段にのみＳＯＡ４３０およびＳＳＣ４４０が挿入されているが、後段にも挿入して良い。また、後段のみに挿入することもできる。
　図５は、パシベーション膜および電極の形成例を示す断面図を示している。図５の（ａ）は、ＩＱ変調器４２０の、導波路の延伸方向と垂直な断面に対応し、図５の（ｂ）は、ＳＯＡ４３０の、導波路の延伸方向と垂直な断面に対応している。図５の（ａ）に示すように、ＩＱ変調器４２０では、基板４０１上に、ＳＳＣコア４０９と下部クラッド層４０２と変調器コア４０６と上部クラッド層４０４とコンタクト層４０５とを順次積層している。そして、ＩＱ変調器４２０のメサ構造では、コンタクト層４０５と上部クラッド層４０４と変調器コア４０６と下部クラッド層４０２の一部とメサ状に突出したハイメサ構造が、例えばＳｉＯ２やＳｉＮｘを材料としたパシベーション膜４１１によって被膜されている。さらに、パシベーション膜４１１の外側に例えばＢＣＢやポリイミドなどの樹脂を材料とした樹脂層４１２が形成されている。そして、コンタクト層４０５上に形成された電極４１０ａから下部クラッド層４０２上に形成された接地電極ＧＮＤまで電流が流れる構成である。一方、図５の（ｂ）に示すように、ＳＯＡ４３０では、基板４０１上に、ＳＳＣコア４０９と下部クラッド層４０２と導波路コア４０３と中間層４０８と量子井戸層４０７と上部クラッド層４０４とコンタクト層４０５とを順次積層している。そして、ＳＯＡ４３０のメサ構造では、コンタクト層４０５と上部クラッド層４０４とがメサ状に突出したローメサ構造と、量子井戸層４０７と中間層４０８と導波路コアとがメサ上に突出したハイメサ構造とが、例えばＳｉＯ２やＳｉＮｘを材料としたパシベーション膜４１１によって被膜されている。そして、コンタクト層４０５上に形成された電極４１０ｂから下部クラッド層４０２上に形成された接地電極ＧＮＤまで電流が流れる構成である。
　以上の構造により、光集積素子４００は、ＩＱ変調器４２０のように導波路層が厚いデバイスとＳＯＡ４３０と２段階のＳＳＣ４４０とを一つの素子に集積することができ、そのスポットサイズ変換器は、１／ｅ２の全幅で定義したスポットサイズを１μｍ弱から３μｍ程度にまで広げることが可能となる。
　また、上記説明のように、光集積素子４００は、ＩＱ変調器４２０のように導波路層が厚いデバイスとＳＯＡ４３０と２段階のＳＳＣ４４０とを一つの素子に集積することができる。なお、上記光集積素子４００は、２段階のメサ構造であるが、このメサ構造をより多段化しても、本発明の要旨を逸脱するものではない。
　以上説明した第４実施形態に係る光集積素子４００は、第１実施形態から第３実施形態に係る光集積素子におけるすべての利点を享受することができるものの、製造時において、結晶成長回数およびメサ構造の形成回数が増加することがないという利点がある。
（第５実施形態）
　図６は、第５実施形態に係る光モジュールである送信機モジュールの概略構成図である。第５実施形態に係る光送信機モジュール５００は、上記第１実施形態から第４実施形態に係る光集積素子のうち何れか１つを用いた光送信機モジュールであるが、ここでは、第４実施形態に係る光集積素子４００を用いた光送信機モジュールを例示する。
　図６に示すように、光送信機モジュール５００は、波長可変半導体レーザ５０１と、第１レンズ５０２ａ，５０２ｂと、光集積素子４００と、第２レンズ５０３ａ，５０３ｂと、光ファイバ５０４とを備えている。
　波長可変半導体レーザ５０１は、搬送波となるレーザ光を出力する光源である。波長可変半導体レーザ５０１から出射したレーザ光は、第１レンズ５０２ａによってコリメートされた後、第１レンズ５０２ｂによって、光集積素子４００の入射端面に入射される。
　光集積素子４００は、先述のようにＩＱ変調器とＳＯＡとＳＳＣとを１つの素子に集積した光集積素子であり、光集積素子４００の入射端面に入射されたレーザ光は、ＳＳＣによってスポットサイズが変換され、かつ、ＳＯＡによって光強度が増幅され、ＩＱ変調器によって変調が加えられる。
　光集積素子４００から出射したレーザ光は、第２レンズ５０３ａによってコリメートされた後、第２レンズ５０３ｂによって、光ファイバ５０４の端面に入射され、光ファイバ５０４によって、光送信機モジュール５００の外部に導出される。
　上記構成の光送信機モジュール５００は、光集積素子４００が備えるＳＳＣの作用により、波長可変半導体レーザ５０１から光集積素子４００へ入射する際の結合のトレランスが緩和されている。また、光集積素子４００が備えるＳＳＣの作用により、光集積素子４００から光ファイバ５０４へ入射する際の結合のトレランスも緩和されている。
　以上、本発明を実施形態に基づいて説明したが、上記実施形態により本発明が限定されるものではない。上述した各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。例えば上記実施形態の説明で用いた光集積素子の層構成は、順番が説明の態様であればよく、間に別途の半導体層を挿入したとしても、本発明に含まれる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。
　以上のように、本発明に係る光集積素子および光モジュールは、光通信に適用して好適なものである。
　１００，２００，３００，４００　光集積素子
　１０１，２０１，３０１，４０１　基板
　１０２，２０２，３０２，４０２　下部クラッド層
　１０３，２０３，３０３，４０３　導波路コア
　１０４，２０４，３０４，４０４　上部クラッド層
　１０５，２０５，３０５，４０５　コンタクト層
　１０６，２０６，３０６，４０６　変調器コア
　１０７，２０７，３０７，４０７　量子井戸層
　１０８，２０８，３０８，４０８　中間層
　３０９，４０９　ＳＳＣコア
　４１０ａ，４１０ｂ　電極
　４１１　パシベーション膜
　４１２　樹脂層
　４２０　ＩＱ変調器
　４３０　ＳＯＡ
　４４０　ＳＳＣ
　５００　光送信機モジュール
　５０１　波長可変半導体レーザ
　５０２ａ，５０２ｂ　第１レンズ
　５０３ａ，５０３ｂ　第２レンズ
　５０４　光ファイバ

Claims (10)

  1. 　基板と、
    　前記基板上に、下部クラッド層と、前記下部クラッド層よりも屈折率の高い第１コア層と、前記第１コア層よりも屈折率の低い上部クラッド層とを順次積層した第１導波路領域と、
    　前記基板上に、前記下部クラッド層と、前記下部クラッド層よりも屈折率の高い第２コア層と、電流が注入されることによって光を増幅する量子井戸層と、前記上部クラッド層とを順次積層した活性領域と、
    　を備え、
    　前記第２コア層と前記量子井戸層との間は、前記第２コア層を導波している光のモードフィールドの範囲内で近接しており、
    　前記第１コア層と、前記第２コア層及び前記量子井戸層とが突合せ接合されている
    　ことを特徴とする光集積素子。
  2. 　前記第１コア層と、前記量子井戸層の間に、前記第２コア層及び前記量子井戸層と異なる組成の中間層を備える
    　ことを特徴とする請求項１に記載の光集積素子。
  3. 　前記中間層は、前記下部クラッド層または前記上部クラッド層と同じ組成である
    　ことを特徴とする請求項２に記載の光集積素子。
  4. 　前記下部クラッド層の導電型がｎ型であり、前記上部クラッド層の導電型がｐ型である
    　ことを特徴とする請求項１～３のいずれか一つに記載の光集積素子。
  5. 　前記基板上に、前記下部クラッド層と、前記第２コア層と、前記上部クラッド層とを順次積層した第２導波路領域を備え、
    　前記第２導波路領域は、前記活性領域と縦続接続している
    　ことを特徴とする請求項１～４のいずれか一つに記載の光集積素子。
  6. 　前記第２導波路領域は、前記基板と前記下部クラッド層との間に積層され、前記基板および前記下部クラッド層よりも屈折率の高い第３コア層を備えており、
    　前記第２導波路領域の少なくとも一部は、前記上部クラッド層がメサ状に突出したローメサ構造の第１メサ領域を有しており、
    　前記第２導波路領域は、前記第２コア層と前記下部クラッド層と前記第３コア層とがメサ状に突出したメサ構造を有するスポットサイズ変換領域を含み、
    　前記スポットサイズ変換領域におけるメサ構造のメサ幅は、前記第１メサ領域におけるローメサ構造のメサ幅よりも広く、かつ、前記メサ構造を有するスポットサイズ変換領域では、前記第１メサ領域におけるローメサ構造のメサ幅が連続的に変化している
    　ことを特徴とする請求項５に記載の光集積素子。
  7. 　前記第１導波路領域は、前記上部クラッド層がメサ状に突出したローメサ構造の第２メサ領域と、前記上部クラッド層と前記第１コア層と前記下部クラッド層の一部とがメサ状に突出したハイメサ構造の第３メサ領域とを有し、
    　前記活性領域は、ローメサ構造を有し、
    　前記活性領域と前記第２メサ領域とは、ローメサ構造で接続されており、
    　前記第２メサ領域のローメサ構造と前記第３メサ領域のハイメサ構造とが光学的に接続されている、
    　ことを特徴とする請求項１～６のいずれか一つに記載の光集積素子。
  8. 　前記基板上の前記第１導波路領域は、導波する光の位相を変調する位相変調器として機能する変調器領域を有しており、前記変調器領域における前記第１コア層が、光を導波する変調器コア層である
    　ことを特徴とする請求項１～６のいずれか一つに記載の光集積素子。
  9. 　前記位相変調器は、マッハツェンダ型の変調器である
    　ことを特徴とする請求項８に記載の光集積素子。
  10. 　請求項１～９のいずれか一つに記載の光集積素子を備えることを特徴とする光モジュール。
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