(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板に形成され、対向する端部それぞれから光を出力する半導体レーザと、
前記基板に形成され、前記半導体レーザの一方の端部からの出力光が入力される第１光導波路を有する第１位相変調部と、
前記基板に形成され、前記半導体レーザの他方の端部からの出力光が入力される第２光導波路を有する第２位相変調部と、
前記基板に形成され、前記第１光導波路及び前記第２光導波路からの出力光を結合して出力する光結合器と、
を備える光半導体素子。
【請求項２】
前記半導体レーザの一方の端部と前記第１位相変調部との間に、又は前記半導体レーザの他方の端部と前記第２位相変調部との間に、前記基板に形成され、前記半導体レーザからの出力光を入力し強度を調整して出力する利得調整部を備える請求項１に記載の光半導体素子。
【請求項３】
前記半導体レーザは、第１埋め込み層により埋め込まれた第１メサ部を有し、
前記第１光導波路及び前記第２光導波路は、前記第１光導波路及び前記第２光導波路のコア層よりも屈折率が小さい第２埋め込み層により埋め込まれており、
前記基板に形成され、光を入力し伝搬方向を曲げて光を伝搬する曲がり光導波路を備え、
前記曲がり光導波路の入力側の部分は、前記第１埋め込み層により埋め込まれており、前記曲がり光導波路の出力側の部分は、前記第２埋め込み層により埋め込まれており、前記曲がり光導波路の途中の位置に、前記第１埋め込み層と前記第２埋め込み層との接合界面が形成される請求項１又は２に記載の光半導体素子。
【請求項４】
前記基板に形成され、入力側のコア層から光を入力し、湾曲させて出力側のコア層へ光を伝搬するコア層を有する曲がり光導波路を備え、
前記曲がり光導波路のコア層の入力側の部分は、前記入力側のコア層と一体に形成され、
前記曲がり光導波路のコア層の出力側の部分は、前記出力側のコア層と一体に形成され、
前記曲がり光導波路の途中の位置に、前記入力側のコア層と前記出力側のコア層の接合界面が形成される請求項１又は２に記載の光半導体素子。
【請求項５】
前記曲がり光導波路として、
前記基板に形成され、前記半導体レーザの一方の端部からの出力光を入力し湾曲させて前記第１光導波路に光を伝搬する第１曲がり光導波路と、
前記基板に形成され、前記半導体レーザの他方の端部からの出力光を入力し湾曲させて前記第２光導波路に光を伝搬する第２曲がり光導波路と、
を備える請求項３又は４に記載の光半導体素子。
【請求項６】
前記第１位相変調部及び前記第２位相変調部は、直列に配置されており、
前記半導体レーザは、直列に配置された前記第１位相変調部及び前記第２位相変調部と並列に配置される請求項１から５の何れか一項に記載の光半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光半導体素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体レーザとマッハツェンダ（Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ）干渉計型光変調器(以下、単にＭＺ光変調器ともいう)とを組み合わせた光送信器が開発されている。この種の光送信機は、例えば、波長多重伝送システムで使用される。また、光送信機として、小型なものが求められている。
【０００３】
ＭＺ光変調器としては、例えば、非線形光学結晶であるニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3：ＬＮ）の電気光学効果を利用したＭＺ光変調器(以下、単にＬＮ−ＭＺ光変調器ともいう)がある。ＬＮ−ＭＺ光変調器は、動作波長帯域が広く、チャープ制御が可能である。そして、半導体レーザとＬＮ−ＭＺ光変調器とを、レンズ及びアイソレータ等の光学部品と共に組み合わせて同一モジュール内に集積し、光送信機を小型にすることが提案されている。
【０００４】
しかし、ＬＮ−ＭＺ光変調器自体の寸法が大きいこと、またレンズ及びアイソレータ等の複数の光学部品を組み合わせることでは、光送信機の寸法を小型にすることには限界がある。
【０００５】
また、石英系の材料により形成された平面光導波路回路（Ｐｌａｎｅｒ  Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ  Ｃｉｒｃｕｉｔ：ＰＬＣ）素子を用いて、半導体レーザ及びＬＮ−ＭＺ光変調器をハイブリッド集積することにより、光送信機の寸法を更に小型にすることが提案されている。
【０００６】
しかし、このような光送信機は、形成部品同士を光学的に結合することが容易ではないので、製造することが難しい。
【０００７】
また、半導体レーザが形成される同一基板に、基板と同程度の格子定数を有する半導体を用いた半導体マッハツェンダ干渉計型光変調器(以下、半導体ＭＺ光変調器ともいう)を形成した光半導体素子が提案されている。この場合、半導体レーザと、半導体ＭＺ光変調器と、これらを接続する光導波路とが、直線状に同一基板に配置される。この光半導体素子では、半導体レーザ及び半導体ＭＺ光変調器が、同一基板にインラインに製造することができる。
【０００８】
また、半導体ＭＺ光変調器では、特に量子井戸構造に電界を印加して屈折率を変化させる量子閉じ込めシュタルク効果（Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｃｏｎｆｉｎｅｄ  Ｓｔａｒｋ  Ｅｆｆｅｃｔ  ：ＱＣＳＥ）を用いた半導体ＭＺ光変調器では、ＬＮ−ＭＺ光変調器と比べて、屈折率の変化量が大きい。そのため、半導体ＭＺ光変調器は、光半導体素子の寸法及び駆動電圧を低減することが期待される。
【０００９】
半導体レーザが、ファブリペロー型レーザ又は分布帰還型（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  ＦｅｅｄＢａｃｋ：ＤＦＢ）レーザの場合には、レーザの素子長は数１００μｍ程度となる。一方、出力する光の波長が可変である半導体レーザの場合、特に波長可変帯域が広い波長可変型半導体レーザの場合には、レーザの素子長が数ｍｍとなることもある。
【００１０】
また、光結合器、及び光導波路、及び位相変調部等のその他の要素を合わせた長さが数ｍｍ程度になるので、半導体レーザと半導体ＭＺ光変調器とを直線状に配置することは、光半導体素子の長手方向の寸法を大きくする。また、上述した光分岐器は、ＭＺ光変調器において入力光を２つの光導波路に分岐する形成要素であるが、製造工程の変動等によって、光分岐器は光分岐特性のばらつきを有しており、入力光が２つの光導波路に分岐される光分岐比が等分岐からずれる場合がある。
【００１１】
更に、光半導体素子の長手方向の寸法が大きいことは、一枚の基板から製造され得る素子の個数を低減すると共に、素子の縦横比(アスペクト比)を大きくすることは、素子の製造における歩留りを低下させる原因ともなり得る。
【００１２】
そこで、半導体レーザ及び半導体ＭＺ光変調器を備えた光半導体素子の寸法を低減することが期待されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００９−１９８８８１号公報
【特許文献２】特開２００４−２２６１８号公報
【特許文献３】特開２００５−１５９１１８号公報
【特許文献４】特開２００４−５３８３０号公報
【特許文献５】特開２００７−９３７１７号公報
【特許文献６】特開２００９−１４６９９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本明細書は、寸法の低減された光半導体素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記課題を解決するために、本明細書で開示する光半導体素子の一形態によれば、基板に形成され、対向する端部それぞれから光を出力する半導体レーザと、基板に形成され、半導体レーザの一方の端部からの出力光が入力される第１光導波路を有する第１位相変調部と、基板に形成され、半導体レーザの他方の端部からの出力光が入力される第２光導波路を有する第２位相変調部と、基板に形成され、第１光導波路及び第２光導波路からの出力光を結合して出力する光結合器と、を備える。
【発明の効果】
【００１６】
上述した本明細書で開示する光半導体素子の一形態によれば、寸法が低減される。
【００１７】
本発明の目的及び効果は、特に請求項において指摘される構成要素及び組み合わせを用いることによって認識され且つ得られるだろう。
【００１８】
前述の一般的な説明及び後述の詳細な説明の両方は、例示的及び説明的なものであり、クレームされている本発明を制限するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本明細書に開示する光半導体素子の第１実施形態を示す図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線拡大断面図である。
【図３】図１のＢ−Ｂ線拡大断面図である。
【図４】図１のＣ−Ｃ’線拡大断面図である。
【図５】（Ａ）は、図１の要部の拡大図であり、（Ｂ）は、第１埋め込み層に埋め込まれているコア層を伝搬する光の強度分布を示し、（Ｃ）は、第２埋め込み層に埋め込まれているコア層を伝搬する光の強度分布を示す。
【図６】第１実施形態の光半導体素子の製造工程を示す図（その１）である。
【図７】第１実施形態の光半導体素子の製造工程を示す図（その２）である。
【図８】第１実施形態の光半導体素子の製造工程を示す図（その３）であり、図７のＤ−Ｄ’線拡大断面図である。
【図９】第１実施形態の光半導体素子の製造工程を示す図（その４）である。
【図１０】第１実施形態の光半導体素子の製造工程を示す図（その５）であり、図９のＥ−Ｅ’線拡大断面図である。
【図１１】第１実施形態の光半導体素子の製造工程を示す図（その６）である。
【図１２】第１実施形態の光半導体素子の製造工程を示す図（その７）である。
【図１３】第１実施形態の光半導体素子の製造工程を示す図（その８）であり、図１２のＦ−Ｆ線拡大断面図である。
【図１４】第１実施形態の光半導体素子の製造工程を示す図（その９）であり、図１２のＧ−Ｇ線拡大断面図である。
【図１５】第１実施形態の光半導体素子の製造工程を示す図（その１０）である。
【図１６】第１実施形態の光半導体素子の製造工程を示す図（その１１）であり、図１５のＨ−Ｈ線拡大断面図である。
【図１７】第１実施形態の光半導体素子の製造工程を示す図（その１２）であり、図１５のＩ−Ｉ線拡大断面図である。
【図１８】第１実施形態の光半導体素子の製造工程を示す図（その１３）である。
【図１９】第１実施形態の光半導体素子の製造工程を示す図（その１４）である。
【図２０】第１実施形態の光半導体素子の製造工程を示す図（その１５）である。
【図２１】第１実施形態の光半導体素子の製造工程を示す図（その１６）である。
【図２２】第１実施形態の光半導体素子の変形例１を示す図である。
【図２３】第１実施形態の光半導体素子の変形例２を示す図である。
【図２４】本明細書に開示する光半導体素子の第２実施形態を示す図である。
【図２５】位相変調電圧と位相変化量及び損失量との関係を示す図である。
【図２６】本明細書に開示する光半導体素子の第３実施形態を示す図である。
【図２７】本明細書に開示する光半導体素子の第４実施形態を示す図である。
【図２８】図２７のＪ−Ｊ’線拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本明細書で開示する光半導体素子の好ましい第１実施形態を、図面を参照して説明する。但し、本発明の技術範囲はそれらの実施形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶ点に留意されたい。
【００２１】
図１は、本明細書に開示する光半導体素子の第１実施形態を示す図である。図２は、図１のＡ−Ａ線拡大断面図である。図３は、図１のＢ−Ｂ線拡大断面図である。
【００２２】
本実施形態の光半導体素子１０は、半導体の基板３０に形成され、長手方向の対向する端部それぞれから光を出力する半導体レーザ１１を備える。また、光半導体素子１０は、半導体レーザ１１の長手方向における一方の端部からの出力光が入力される第１光導波路１２ａを有する第１位相変調部１２を備える。また、光半導体素子１０は、半導体レーザの長手方向における他方の端部からの出力光が入力される第２光導波路１３ａを有する第２位相変調部１３を備える。第１位相変調部１２及び第２位相変調部１３は、半導体レーザ１１と共に基板３０に形成される。
【００２３】
また、光半導体素子１０は、基板３０に形成され、第１光導波路１２ａ及び第２光導波路１３ａからの出力光を結合して出力する光結合器１５を備える。
【００２４】
第１位相変調部１２は、第１光導波路１２ａと共に、第１光導波路１２ａに変調電界を印加して光導波路の屈折率を変化させる第１位相変調電極１２ｂを有する。第１光導波路１２ａは、直線状の縦長に形成される。第１位相変調電極１２ｂは、縦長であり、第１光導波路１２ａの長手方向を全体に覆っている。図１に示すように、第１位相変調部１２は、縦長であり、その長手方向は、第１光導波路１２ａ及び第１位相変調電極１２ｂの長手方向と一致する。第１光導波路１２ａを伝搬する光は、光導波路の屈折率の大きさに対応して位相が変化する。第１位相変調電極１２ｂは、図３に示すように、第１光導波路１２ａの上方に配置される。
【００２５】
第２位相変調部１３は、第２光導波路１３ａと共に、第２光導波路１３ａに変調電界を印加する第２位相変調電極１３ｂを有する。第２位相変調部１３の構造は、上述した第１位相変調部１２と同様である。
【００２６】
第１位相変調部１２及び第２位相変調部１３の長手方向は、光半導体素子１０の長手方向と一致する。
【００２７】
第１位相変調部１２と第２位相変調部１３とは、幅方向に離間して並列に配置されている。ここで、幅方向は、第１光導波路１２ａ及び第２光導波路１３ａの長手方向と直交する方向である。また、光半導体素子１０では、第１光導波路１２ａ及び第２光導波路１３ａは、同じ長さを有している。
【００２８】
次に、半導体レーザ１１について、更に説明する。
【００２９】
半導体レーザ１１は、図１及び図２に示すように、レーザメサ部１１ａと、レーザメサ部１１ａに駆動電流を注入するレーザ駆動電極１１ｂとを有する。図１に示すように、レーザ駆動電極１１ｂは、縦長であり、レーザメサ部１１ａの長手方向を全体に覆っている。図２に示すように、レーザ駆動電極１１ｂは、レーザメサ部１１ａの上方に配置される。
【００３０】
半導体レーザ１１は、第１位相変調部１２及び第２位相変調部１３の長手方向の一方の端部側に配置される。第１位相変調部１２及び第２位相変調部１３は、長手方向を一致させて並列に配置される。また、半導体レーザ１１は、第１位相変調部１２及び第２位相変調部１３の間に配置されており、半導体レーザ１１の長手方向は、第１位相変調部１２及び第２位相変調部１３の長手方向と交差する。具体的には、半導体レーザ１１の長手方向と、第１位相変調部１２及び第２位相変調部１３の長手方向とは、直交する関係にある。
【００３１】
半導体レーザ１１の長手方向の端部と第１位相変調部１２又は第２位相変調部１３とが離間する距離は、レーザ駆動電極１１ｂと第１位相変調電極１２ｂ又は第２位相変調電極１３ｂとの間にクロストークが発生しない程度とすることが好ましい。例えば、半導体レーザ１１と第１位相変調部１２又は第２位相変調部１３との間の距離は、１００〜２００μｍとすることができる。
【００３２】
半導体レーザ１１は、シングルモードレーザであることが好ましい。また、半導体レーザ１１は、波長可変型レーザであっても良い。具体的には、半導体レーザ１１は、分布帰還（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  ＦｅｅｄＢａｃｋ：ＤＦＢ）型レーザ、分布ブラッグ反射（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｂｒａｇｇ  Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ：ＤＢＲ）型レーザ、超周期構造回折格子（Ｓｕｐｅｒ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ  Ｇｒａｔｉｎｇ：ＳＳＧ）型ＤＢＲレーザ、又はＣＳＧ−ＤＲ（Ｃｈｉｒｐｅｄ  Ｓａｍｐｌｅｄ  Ｇｒａｔｉｎｇ  Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）型レーザであっても良い。
【００３３】
本実施形態では、半導体レーザ１１がＤＦＢ型レーザである場合を例として以下の説明を行う。
【００３４】
次に、半導体レーザ１１の断面構造を、図面を参照して、以下に説明する。
【００３５】
図２に示すように、半導体レーザ１１は、基板３０上に形成されたレーザメサ部１１ａと、その上に形成されたレーザ駆動電極１１ｂとを有する。
【００３６】
レーザメサ部１１ａは、基板３０上に配置された下クラッド層３１と、下クラッド層３１上に配置された回折格子層３２と、回折格子層３２上に配置されたスペーサ層３３と、スペーサ層３３上に配置された半導体レーザのコア層３４と、を有する。レーザメサ部１１ａの回折格子層３２には、光伝搬方向に周期性を有する回折格子が形成される。また、レーザメサ部１１ａにおける回折格子層３２の長手方向の中央部には、λ／４位相シフトが形成されている。λ／４位相シフトを回折格子層に有するＤＦＢ型レーザは、長手方向の両端部から出力される光強度を等しくすることができる。また、レーザメサ部１１ａは、半導体レーザのコア層３４上に配置された第１上クラッド層３６と、第１上クラッド層３６上に配置された第３上クラッド層３８と、第３上クラッド層３８上に配置された第１コンタクト層３９と、を有する。また、下クラッド層３１の下に位置する基板３０の部分も、レーザメサ部１１ａの一部分を形成する。
【００３７】
レーザ駆動電極１１ｂは、第１電極４０及び第２電極４１を有する。レーザ駆動電極１１ｂは、第１電極４０及び第２電極４１を介して、レーザメサ部１１ａと電気的に接続する。
【００３８】
レーザメサ部１１ａは、第１埋め込み層４２により埋め込まれている。第１埋め込み層４２上には、第１パッシベーション層４３が配置され、第１パッシベーション層４３上には第２埋め込み層４４が配置され、第２埋め込み層４４上には第２パッシベーション層４５が配置される。レーザ駆動電極１１ｂの下側は、第２埋め込み層４４により埋め込まれている。
【００３９】
レーザメサ部１１ａは、レーザ駆動電極１１ｂから電流の注入を受けて、レーザ光を発振するのと共に発熱して熱膨張する。また、第１埋め込み層４２も、レーザメサ部１１ａに加熱されて熱膨張する。そこで、レーザメサ部１１ａと第１埋め込み層４２とは、熱膨張係数に差がないことが、レーザメサ部１１ａ又は第１埋め込み層４２に熱応力が発生することを防止する上で好ましい。レーザメサ部１１ａ又は第１埋め込み層４２に熱応力が発生すると、亀裂等の発生により、半導体レーザ１１の寿命が短縮するおそれがある。
【００４０】
例えば、第１埋め込み層４２と、半導体レーザのコア層３４の熱膨張係数の違いは±数％以内であることが、上述した観点から好ましい。第１埋め込み層４２の形成材料としては、基板と同様の半導体を用いて形成されることが好ましい。また、第１埋め込み層４２は、コア層３４への電流の注入効率を高めるために半絶縁性の導電性を有することが好ましい。
【００４１】
図１には、第１埋め込み層４２が形成される領域が、第１埋め込み領域Ｂ１として示されている。第１埋め込み領域Ｂ１では、半導体レーザ１１が第１埋め込み層４２により埋め込まれている。また、第１埋め込み領域Ｂ１には、後述する第１曲がり光導波路１７ａ及び第２曲がり光導波路１７ｂの入力側の部分が第１埋め込み層４２により埋め込まれている。
【００４２】
次に、第１位相変調部１２の断面構造を、図面を参照して、以下に説明する。
【００４３】
図３に示すように、第１位相変調部１２の第１光導波路１２ａは、メサ構造を有する。
【００４４】
第１光導波路１２ａは、下記の点を除いて、半導体レーザ１１のレーザメサ部１１ａと同様の構造を有する。第１光導波路１２ａでは、回折格子層３２には回折格子が形成されない。また、スペーサ層３３上には、光導波路のコア層３５が配置され、光導波路のコア層３５上には第２上クラッド層３７が配置される。また、第１光導波路１２ａの両側面は、第１パッシベーション層４３により覆われている。この第１パッシベーション層４３は、第１光導波路１２ａの両側の基板３０上も覆っている。第１光導波路１２ａ上には、第１位相変調電極１２ｂが配置される。第１位相変調電極１２ｂの下側の部分は、第２埋め込み層４４により埋め込まれている。
【００４５】
第１光導波路１２ａは、第１光導波路１２ａのコア層３５よりも屈折率が小さい第２埋め込み層４４により埋め込まれている。第１光導波路１２ａを伝播する光の閉じ込めの観点から、第２埋め込み層４４の屈折率と、第１光導波路のコア層３５の屈折率との差は大きい方が好ましい。
【００４６】
第２埋め込み層４４の形成材料としては、例えば、低誘電率を有する樹脂又は空気を用いることができる。
【００４７】
第２位相変調部１３は、第１位相変調部１２と同様の断面構造を有しており、上述した説明は、第２位相変調部１３に対しても適宜適用される。
【００４８】
図１には、第２埋め込み層４４によって光導波路等のメサ構造が埋め込まれる領域が、第２埋め込み領域Ｂ２として示されている。第２埋め込み領域Ｂ２には、第１光導波路１２ａと、第２光導波路１３ａと、光結合器１５とが、第２埋め込み層４４により埋め込まれている。また、第２埋め込み領域Ｂ２では、後述する説明する第１曲がり光導波路１７ａ及び第２曲がり光導波路１７ｂの出力側の部分が第２埋め込み層４４により埋め込まれている。
【００４９】
また、基板３０の裏側には、レーザ駆動電極１１ｂ及び第１及び第２位相変調電極１２ｂ、１３ｂに対応して、図示しない下部電極が配置される。
【００５０】
次に、半導体レーザ１１の一方の端部からの出力光を入力し湾曲させて第１光導波路１２ａに光を伝搬する第１曲がり光導波路１７ａについて、図面を参照して、以下に説明する。
【００５１】
図１に示すように、光半導体素子１０は、基板３０に形成された第１曲がり光導波路１７ａを備える。第１曲がり光導波路１７ａは、半導体レーザ１１の出力光を入力し、伝搬方向を９０度曲げて光を伝搬する。このように、光半導体素子１０は、第１曲がり光導波路１７ａを用いて、直交する方向に配置された半導体レーザ１１から第１光導波路１２ａに光を伝搬する。
【００５２】
次に、第１曲がり光導波路１７ａと半導体レーザ１１との接合部分の断面構造を、図面を参照して、以下に説明する。
【００５３】
図４は、図１のＣ−Ｃ’線拡大断面図である。図４は、第１曲がり光導波路１７ａと半導体レーザ１１との接合部分における長手方向の断面構造を示す。
【００５４】
図４に示すように、第１曲がり光導波路１７ａは、下記の点を除いて、上述した第１光導波路１２ａと同様の構造を有する。第１曲がり光導波路１７ａでは、第１位相変調電極１２ｂが配置されない。また、第１コンタクト層３９は、第１パッシベーション層４３により覆われる。
【００５５】
第１曲がり光導波路１７ａと半導体レーザ１１との接合部分では、光導波路のコア層３５と半導体レーザのコア層３４との接合界面Ｓ１が形成される。接合界面Ｓ１は、いわゆるバットジョイント界面である。また、接合界面Ｓ１の位置には、半導体レーザのコア層３４上に配置される第１上クラッド層３６と、光導波路のコア層３５上に配置される第２上クラッド層３７との接合界面も形成される。
【００５６】
直線状の半導体レーザのコア層３４の端面である接合界面Ｓ１から、光導波路のコア層３５が第１光導波路１２ａに向かって円弧上に延びる。
【００５７】
第１曲がり光導波路１７ａの曲率半径は、上述した半導体レーザ１１と第１位相変調部１２との好ましい離間距離を確保するように決定され得る。また、第１曲がり光導波路１７ａの曲率半径の下限値は、製造工程上の制約を受ける場合もある。このような観点から、第１曲がり光導波路１７ａの曲率半径を、例えば１００μｍとすることができる。
【００５８】
また、図１に示すように、第１曲がり光導波路１７ａの入力側の部分は、レーザメサ部１１ａと同様に、第１埋め込み領域Ｂ１に含まれる。
【００５９】
一方、図１に示すように、第１光導波路１２ａに接続する第１曲がり光導波路１７ａの出力側の部分は、第２埋め込み領域Ｂ２に含まれており、第１曲がり光導波路１７ａの途中の位置に、第１埋め込み層４２と第２埋め込み層４４との接合界面Ｓ２が形成される。
【００６０】
次に、第１埋め込み層４２と第２埋め込み層４４との接合界面Ｓ２の位置について、図面を参照して、以下に説明する。
【００６１】
図５（Ａ）は、図１の要部の拡大図である。図５（Ｂ）は、第１埋め込み層４２に埋め込まれているコア層３５を伝搬する光の強度分布を示す。図５（Ｃ）は、第２埋め込み層４４に埋め込まれているコア層３５を伝搬する光の強度分布を示す。
【００６２】
図５（Ａ）には、レーザメサ部１１ａの接合界面Ｓ１から、円弧上に延びる第１曲がり光導波路１７ａの部分が示されている。また、図５（Ａ）には、第１曲がり光導波路１７ａの途中の位置Ｐに形成される接合界面Ｓ２が一点鎖線で示されている。また、図５（Ａ）には、円弧状の第１曲がり光導波路１７ａの位置Ｐにおける接線Ｌ１が示されている。また、図５（Ａ）には、接合界面Ｓ１から出力される光の直進方向が、直線Ｌ２で示されている。
【００６３】
接合界面Ｓ２が形成される第１曲がり光導波路１７ａの途中の位置Ｐは、接線Ｌ１と直線Ｌ２とのなす角度αにより決定される。また、角度αは、第１曲がり光導波路１７ａの曲率中心Ｏを中心として、接合界面Ｓ１の位置と位置Ｐとが形成する円弧の中心角でもある。
【００６４】
図５（Ｂ）に示すように、第１埋め込み層４２に埋め込まれた第１曲がり光導波路１７ａの部分では、第１曲がり光導波路１７ａのメサ部１７ａａのコア層３５を伝搬する光の強度分布は、コア層３５の幅を超えて広がっている。一方、図５（Ｃ）に示すように、第２埋め込み層４４に埋め込まれた第１曲がり光導波路１７ａの部分では、コア層３５を伝搬する光の強度分布は、コア層３５の幅内にほぼ閉じ込められている。
【００６５】
図５（Ｂ）に示すような強度分布を有する光が接合界面Ｓ２を通過すると、光が、等価屈折率が異なる接合界面Ｓ２で反射して、半導体レーザ１１の方へ第１曲がり光導波路１７ａ内を戻る光が生じる。
【００６６】
そこで、光半導体素子１０では、第１曲がり光導波路１７ａの途中の位置に、第１埋め込み層４２と第２埋め込み層４４との接合界面Ｓ２を形成して、反射により半導体レーザ１１の方へ第１曲がり光導波路１７ａ内を戻る光の量を低減している。
【００６７】
反射により半導体レーザ１１の方へ第１曲がり光導波路１７ａ内を戻る光の量は、接合界面の位置Ｐを定める角度αの値が大きい程低減する。
【００６８】
一方、角度αは、製造工程の制約から上限が定められる場合がある。例えば、角度αが大きくなると、第１埋め込み層４２が第１曲がり光導波路１７ａのメサ構造の上に盛り上がるように成長する場合がある。このような場合には、角度αは、第１埋め込み層４２が異常成長しない範囲内の大きさにすることが好ましい。
【００６９】
そこで、本実施形態では、角度αとして、第１曲がり光導波路１７ａのメサ構造を埋め込む際に第１埋め込み層４２が異常成長しない上限の値とした。このようにして、角度αを決定することにより、第１埋め込み層４２と第２埋め込み層４４との接合界面Ｓ２の位置Ｐが定められる。角度αとして、例えば１０度とすることができる。
【００７０】
また、光半導体素子１０は、半導体レーザ１１の長手方向の他方の端部からの出力光を入力し湾曲させて第２光導波路１３ａに光を伝搬する第２曲がり光導波路１７ｂを有する。第２曲がり光導波路１７ｂは、第１曲がり光導波路１７ａと同様の構造を有する。従って、上述した第１曲がり光導波路１７ａに対する説明は、第２曲がり光導波路１７ｂに対しても適宜適用される。
【００７１】
次に、光結合器１５について説明する。光結合器１５は、入力した２つの光を干渉させて、位相差に応じた光強度を有する光を出力する。光結合器１５としては、例えば、２つの入力ポート及び２つの出力ポートを有する多モード干渉結合器を用いることができる。光結合器１５の断面構造は、上述した第１曲がり光導波路１７ａと同様である。なお、光結合器１５として、２つの入力ポート及び１つの出力ポートを有する多モード干渉結合器を用いても良い。
【００７２】
また、図１に示すように、光半導体素子１０は、基板３０に形成され、第１光導波路１２ａの出力光を入力し、伝搬方向を曲げて光結合器１５に光を伝搬する第３曲がり光導波路１８ａを備える。また、光半導体素子１０は、基板３０に形成され、第２光導波路１３ａの出力光を入力し、伝搬方向を曲げて光結合器１５に光を伝搬する第４曲がり光導波路１８ｂを備える。
【００７３】
光半導体素子１０は、光結合器１５の出力ポートから光を入力し、外部に光を出力する第５及び第６光導波路１９ａ、１９ｂを有する。第５及び第６光導波路１９ａ、１９ｂの露出した端面は、例えば、無反射コーティングされることが好ましい。
【００７４】
第３及び第４曲がり光導波路１８ａ、１８ｂ、並びに第５及び第６光導波路１９ａ、１９ｂの断面構造は、上述した第１曲がり光導波路１７ａと同様である。
【００７５】
上述した第２埋め込み領域Ｂ２には、第３及び第４曲がり光導波路１８ａ、１８ｂと、第５及び第６光導波路１９ａ、１９ｂと、が第２埋め込み層４４により埋め込まれている。
【００７６】
また、上述した第１位相変調部１２及び第２位相変調部１３と、光結合器１５と、第３及び第４曲がり光導波路１８ａ、１８ｂと、第５及び第６光導波路１８ａ、１８ｂと、により同一基板３０上に半導体光変調器が形成される。
【００７７】
次に、上述した本実施形態の光半導体素子１０の好ましい製造方法の一例を、図面を参照して、以下に説明する。
【００７８】
まず、図６に示すように、基板３０上に、下クラッド層３１が形成される。下クラッド層３１の形成方法としては、例えば、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法によるエピタキシャル成長を用いることができる。後述する回折格子層３２から第１上クラッド層３６も、同様に、ＭＯＣＶＤ法を用いて形成され得る。基板３０の形成材料には、例えば、ｎ−ＩｎＰを用いることができる。下クラッド層３１は、例えば、形成材料にｎ−ＩｎＰを用いて、厚さは２００ｎｍとすることができる。
【００７９】
そして、下クラッド層３１上に、回折格子層３２が形成される。回折格子層３２の形成材料には、例えば組成波長が１．２μｍであるｎ−ＩｎＧａＡｓＰを用いることができる。回折格子層３２の厚さは、例えば７０ｎｍとすることができる。また、回折格子層３２の半導体レーザとなる領域には、例えば、光の伝搬方向に約２４０ｎｍ周期を有する回折格子が、電子ビーム（ＥＢ）露光及びドライエッチングを用いて形成される。また、回折格子層３２の半導体レーザとなる領域の長手方向の中央部には、λ／４位相シフトが形成される。なお、回折格子層３２の半導体レーザとならない領域には、回折格子は形成されない。
【００８０】
そして、回折格子層３２上に、スペーサ層３３が形成される。スペーサ層３３は、例えば、形成材料にｎ−ＩｎＰを用いて、厚さは１００ｎｍとすることができる。
【００８１】
そして、スペーサ層３３上に半導体レーザのコア層３４が形成される。コア層３４は、多層量子井戸（ＭＱＷ）活性層と、このＭＱＷ活性層の上下に配置されるＳＣＨ層とにより形成される。ＭＱＷ活性層は、例えば、形成材料にｉ−ＩｎＧａＡｓＰを用いて、厚さが１５ｎｍのバリア層と厚さが５ｎｍの井戸層とが８周期積層されて形成され、ＰＬ発光波長を１．５５μｍとすることができる。ＳＣＨ層それぞれの内側には、バリア層が配置される。ＳＣＨ層は、例えば、形成材料に組成波長が１．１５μｍであるｉ−ＩｎＧａＡｓＰを用いて、厚さは１２．５ｎｍとすることができる。
【００８２】
そして、半導体レーザのコア層３４上に、第１上クラッド層３６が形成される。第１上クラッド層３６は、例えば、形成材料にｐ−ＩｎＰを用いて、厚さは２００ｎｍとすることができる。
【００８３】
次に、図７に示すように、フォトリソグラフィー等の技術を用いて、第１上クラッド層３６の半導体レーザとなる領域上にパターニングされた第１マスク層Ｍ１が形成される。第１マスク層Ｍ１は、例えば、形成材料にＳｉＯ2を用いることができる。第１マスク層Ｍ１の形成方法としては、例えば、化学気相成長（ＣＶＤ）法を用いることができる。
【００８４】
次に、図８に示すように、第１マスク層Ｍ１をマスクとして、第１マスク層Ｍ１が形成されていない領域に対して、ウエットエッチング等を用いて、第１上クラッド層３６及びコア層３４が選択的に除去されて、スペーサ層３３が露出する。
【００８５】
次に、図９及び図１０に示すように、第１マスク層Ｍ１を選択成長マスクとして、第１マスク層Ｍ１が形成されていない領域のスペーサ層３３上に、光導波路のコア層３５と、第２上クラッド層３７とが順番に形成される。コア層３５及び第２上クラッド層３７の形成方法としては、例えば、ＭＯＣＶＤ法によるエピタキシャル成長を用いることができる。コア層３５は、例えば、形成材料に組成波長が１．３８μｍであるｉ−ＩｎＧａＡｓＰを用いて、厚さは２００ｎｍとすることができる。第２上クラッド層３７は、形成材料にｐ−ＩｎＰを用いて、厚さは２００ｎｍとすることができる。このように、光導波路のコア層３５は、半導体レーザのコア層３４に対してバットジョイント成長されて、光導波路のコア層３５と半導体レーザのコア層３４との接合界面Ｓ１が形成される。そして、第１マスク層Ｍ１が除去される。
【００８６】
また、この光導波路のコア層３５を含む光導波路構造が、将来、第１曲がり光導波路１７ａ及び第２曲がり光導波路１７ｂと、第１及び第２光導波路１２ａ、１３ａと、光結合器１５と、第３及び第４曲がり光導波路１８ａ、１８ｂと、第５及び第６光導波路１９ａ、１９ｂの光導波路構造を形成する。
【００８７】
次に、図１１に示すように、第１上クラッド層３６及び第２上クラッド層３７上に、第３上クラッド層３８と、第１コンタクト層３９とが、順番に形成される。第３上クラッド層３８及び第１コンタクト層３９の形成方法としては、例えば、ＭＯＣＶＤ法を用いることができる。第３上クラッド層３８は、例えば、形成材料にｐ−ＩｎＰを用いて、厚さは１２００ｎｍとすることができる。第１コンタクト層３９は、例えば、形成材料にｐ−ＩｎＧａＡｓを用いて、厚さは３００ｎｍとすることができる。
【００８８】
次に、図１２に示すように、フォトリソグラフィー等の技術を用いて、第１コンタクト層３９上に、パターニングされた第２マスク層Ｍ２が形成される。第２マスク層Ｍ２の形成材料には、ＳｉＯ2を用いた。そして、第２マスク層Ｍ２をマスクとして、第２マスク層Ｍ２が形成されていない領域がエッチングにより除去されて、図１３及び図１４に示すようなメサ構造が形成される。エッチングの方法としては、例えば、ＩＣＰ−ＲＩＥを用いることができる。このエッチングによって、表面から約３μｍの厚さの部分が取り除かれてメサ構造が形成される。また、このエッチングにより、基板３０の表面の一部も除去されている。図１３には、半導体レーザを形成するメサ構造の図１２のＦ−Ｆ線拡大断面図が示される。図１４には、第１光導波路を形成するメサ構造の図１２のＧ−Ｇ線拡大断面図が示される。図１２に示すように、第１曲がり光導波路を形成するコア層は、第２マスク層Ｍ２と同様に曲がって形成される。
【００８９】
次に、図１５及び図１６に示すように、フォトリソグラフィー等の技術を用いて、メサ構造が形成された基板３０上に、パターニングされた第３マスク層Ｍ３が形成される。第３マスク層Ｍ３の形成材料には、例えばＳｉＮを用いることができる。第３マスク層Ｍ３が形成された領域が、将来第２埋め込み領域Ｂ２となる。また、第１及び第２曲がり光導波路を形成するメサ構造の部分に対しては、第３マスク層Ｍ３は、図５を用いて説明された位置Ｐの部分まで覆うように形成される。即ち、半導体レーザを形成するメサ構造の部分と、第１及び第２曲がり光導波路を形成するメサ構造の位置Ｐから半導体レーザ側の部分には、第３マスク層Ｍ３は形成されない。
【００９０】
そして、図１７に示すように、第２マスク層Ｍ２及び第３マスク層Ｍ３を選択成長マスクとして、第２マスク層Ｍ２及び第３マスク層Ｍ３が形成されていない領域上に、第１埋め込み層４２が形成されて、基板３０上のメサ構造が第１埋め込み層４２により埋め込まれる。第１埋め込み層４２の形成方法としては、例えば、ＭＯＣＶＤ法を用いることができる。第１埋め込み層４２の形成材料としては、例えば、半絶縁性のＩｎＰ（ＳｅｍｉＩｎｓｕｌａｔｉｎｇ−ＩｎＰ）を用いることができる。この第１埋め込み層４２が形成された部分が、第１埋め込み領域Ｂ１となる。
【００９１】
そして、第２マスク層Ｍ２及び第３マスク層Ｍ３が除去される。これらのマスク層は、例えば、フッ酸系のエッチャントを用いて取り除かれる。
【００９２】
次に、基板３０上の全面に、第１パッシベーション層４３が形成される。第１パッシベーション層４３の形成方法としては、例えば、ＣＶＤ法を用いることができる。第１パッシベーション層４３の形成材料には、例えば、ＳｉＯ2を用いることができる。
【００９３】
そして、図１８に示すように、第１パッシベーション層４３上に、第２埋め込み層４４が形成されて、第２埋め込み領域Ｂ２のメサ構造が第２埋め込み層４４により埋め込まれる。第２埋め込み層４４の形成方法としては、例えば、スピンコート法を用いることができる。また、第２埋め込み層４４の形成材料としては、例えば、ベンゾシクロブテン（Ｂｅｎｚｏｃｙｃｌｏｂｕｔｅｎｅ：ＢＣＢ）のような低屈折率材料を用いることができる。そして、ＢＣＢがスピンコートされた基板３０には、適切な熱処理が施される。ここで、図１８は、図１６に示す位置に対応する断面構造である。
【００９４】
また、図１９に示すように、第１埋め込み領域Ｂ１に含まれる第１埋め込み層４２上にも、第１パッシベーション層４３を介して、第２埋め込み層４４が形成される。図１９は、図１７に示す位置に対応する断面構造である。
【００９５】
次に、基板３０上の全面に、第２パッシベーション層４５が形成される。第２パッシベーション層４５の形成方法としては、例えば、プラズマＣＶＤを用いることができる。また、第２パッシベーション層４５の形成材料としては、例えばＳｉＮを用いることができる。
【００９６】
そして、レーザ駆動電極と、第１及び第２位相変調電極とが形成される領域に開口を有するパターニングされた第４マスク層Ｍ４が形成され、この第４マスク層Ｍ４を用いて、開口に露出している第２パッシベーション層４５が、ウエットエッチング等により除去される。第４マスク層Ｍ４の形成材料としては、例えば、フォトレジストを用いることができる。
【００９７】
続けて、レーザ駆動電極と、第１及び第２位相変調電極とが形成される領域に露出している第２埋め込み層４４の部分が、ＩＣＰ−ＲＩＥ等のドライエッチングを用いて除去されて、第１パッシベーション層４３が露出する。この状態の断面図として、図２０に、図１５のＨ−Ｈ線に対応する位置における拡大断面図を示し、図２１に、図１５のＩ−Ｉ線に対応する位置における拡大断面図を示す。
【００９８】
次に、レーザ駆動電極と第１及び第２位相変調電極とが形成される領域の第４マスク層Ｍ４の開口に露出している第１パッシベーション層４３の部分が、ウエットエッチング等を用いて除去されて、メサ構造の第１コンタクト層３９が露出する。
【００９９】
そして、基板３０上の全面に、第１電極４０が形成される。第１電極４０は、レーザ駆動電極と第１及び第２位相変調電極が形成される領域の第４マスク層Ｍ４の開口では、第１コンタクト層３９上に形成される。第１電極４０は、例えば、真空蒸着法を用いて、Ａｕ／Ｚｎ／Ａｕ膜として形成される。そして、第４マスク層Ｍ４上に形成された第１電極４０の部分は、第４マスク層Ｍ４と共に除去される。
【０１００】
そして、基板３０上の全面に、第２電極４１が形成される。第２電極４１は、例えば、スパッタリング法を用いて、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ膜として形成される。そして、この第２電極４１上に、レーザ駆動電極と、第１及び第２位相変調電極とが形成される領域に開口を有するマスクパターン（図示せず）が形成される。そして、第２電極４１を電極として、マスクパターンの開口に露出する第２電極４１上の部分に導電層がメッキされる。この導電層の形成材料としては、Ａｕを用いることができる。そして、マスクパターンが除去された後、メッキにより形成された導電層をマスクとして、ドライエッチング等を用いて、導電層が形成されていない領域の第２電極４１の部分が除去される。
【０１０１】
このようにして、レーザ駆動電極となる領域にメッキされた導電層の部分がレーザ駆動電極となり、第１及び第２位相変調電極となる領域にメッキされた導電層の部分が第１及び第２位相変調電極となる。
【０１０２】
このようにして、図１〜図４及び図６に示す構造が形成される。
【０１０３】
そして、基板３０の裏面（電極等が形成されている面の反対側の面）が、基板３０の厚さが１５０μｍ程度となるように研磨され、裏面上の全面に、例えば、真空蒸着法により、ＡｕＧｅ／Ａｕ膜が形成される。そして、このＡｕＧｅ／Ａｕ膜上に、フォトレジストを用いて適宜パターニングされた開口を有するマスクパターンが形成された後、開口に露出したＡｕＧｅ／Ａｕの部分にＡｕメッキが形成されて、下部電極が形成される。その後、マスクパターンが除去された基板３０に対して、適宜熱処理が行われて、基板３０の表面及び裏面にオーミック性の良好なコンタクトが得られて、図１に示す光半導体素子が完成される。
【０１０４】
上述した本実施形態の光半導体素子１０によれば、半導体レーザ１１及び半導体光変調器が同一基板に形成され、且つ寸法が低減される。具体的には、光半導体素子１０は、従来の半導体ＭＺ光変調器が有する光分岐器を備えないので、長手方向の寸法が低減される。また、半導体レーザ１１が、第１位相変調部１２及び第２位相変調部１３の長手方向の一方の端部側に、直交するように配置されるので、長手方向の寸法が更に低減される。
【０１０５】
また、光半導体素子１０によれば、その長手方向の寸法が低減することにより、一枚の基板から製造され得る素子の個数が増加する。
【０１０６】
更に、光半導体素子１０によれば、その長手方向の寸法が低減することにより、素子の縦横比(アスペクト比)が低減するので、素子の製造における歩留りが向上する。
【０１０７】
また、光半導体素子１０によれば、上述したように、通常のＭＺ光変調器が備える分岐用の光分岐器が不要となる。通常、ＭＺ光変調器は、入力光を２つの光導波路に分岐する光分岐器を備える。高い消光比を得るためには、入力光が２つの光導波路に分岐される光分岐比を０．５として、同じ光強度で分岐されることが望ましい。このような分岐比を用いると、各光導波路を伝搬した伝搬光が干渉して合波した光信号では、理想的には光強度がゼロのオフ状態が実現される。しかし、ＭＺ光変調器は、製造工程の変動等によって、光分岐器の光分岐特性のばらつきを有しており、入力光が２つの光導波路に分岐される光分岐比が０．５からずれる場合がある。また、光分岐器は、光の分岐比に対する波長依存性を有する。
【０１０８】
一方、光半導体素子１０では、入力光を２つの光導波路に分岐する光分岐器を備えていないので、この光分岐器が発生し得る光損失又は分岐比の波長依存性が生じないため、この光分岐器に起因する問題を有さない。
【０１０９】
また、光半導体素子１０によれば、半導体レーザ１１の対向する端部それぞれから出力する光強度を調整することにより、第１光導波路１２ａ及び第２光導波路１３ａに出力する光の分岐比を調整することもできる。出力光の強度の調整は、例えば、半導体レーザ１１の内部構造の設計、又は半導体レーザ１１の外部に利得または損失領域を配置することにより行うことができる。このようにして、光の分岐比を調整することにより、消光比が改善される。また、光の分岐比を調整することにより、チャープ制御の際に生じる光の損失差が補償される。このようにして、光半導体素子１０は、伝送特性を向上する。
【０１１０】
また、光半導体素子１０によれば、半導体レーザ１１の対向する端部それぞれから出力する光を用いることにより、半導体レーザの一方の端部から出力する光のみを利用する場合と比べて、半導体レーザ１１に注入した電力を有効に活用することができる。従って、半導体レーザの消費電力が低減される。
【０１１１】
次に、上述した第１実施形態の光半導体素子の変形例を、図面を参照して、以下に説明する。
【０１１２】
図２２は、第１実施形態の光半導体素子の変形例１を示す図である。
【０１１３】
図２２に示すように、変形例１の光半導体素子１０ａは、第１位相変調部１２及び第２位相変調部１３それぞれが、基板３０に形成された位相調整部２３を有する。位相調整部２３は、第１光導波路１２ａの第１曲がり光導波路１７ａ側の部分と、第２光導波路１３ａの第２曲がり光導波路１７ｂ側の部分と、位相調整電極２３ａとにより形成される。
【０１１４】
位相調整部２３は、位相調整電極２３ａに電圧を印加することにより、第１光導波路１２ａ又は第２光導波路１３ａ内を伝搬する光の位相を、第１位相変調電極１２ｂ又は第２位相変調電極１３ｂによる変調とは独立して制御することができる。
【０１１５】
光導波路の幅等には、加工精度によるズレが生じる場合がある。このような寸法のズレによって、第１光導波路１２ａに入射する光と、第２光導波路１３ａに入射する光との間には、位相差が生じる。
【０１１６】
そこで、変形例１では、第１位相変調部１２及び第２位相変調部１３それぞれに位相調整部２３を配置して、第１光導波路１２ａに入射する光と、第２光導波路１３ａに入射する光との間の位相差が調整される。
【０１１７】
変形例１の光半導体素子１０ａのように、第１位相変調部１２及び第２位相変調部１３それぞれに位相調整部２３を配置することを、他の実施形態又はその変形例に適用しても良い。
【０１１８】
なお、変形例１では、位相調整部２３は、第２埋め込み領域Ｂ２に形成されているが、位相調整部２３は、第１埋め込み領域Ｂ１に形成されても良い。
【０１１９】
また、位相調整部２３は、電流注入によるプラズマ効果を利用して、光の位相調整を行っても良い。
【０１２０】
また、変形例１では、位相調整部２３が、第１位相変調部１２及び第２位相変調部１３それぞれに配置されていたが、位相調整部２３は、第１位相変調部１２又は第２位相変調部１３の何れか一方に配置されても良い。
【０１２１】
また、位相調整部２３は、第１位相変調部１２及び第２位相変調部１３それぞれと、光結合器１５との間に配置されても良い。
【０１２２】
図２３は、第１実施形態の光半導体素子の変形例２を示す図である。
【０１２３】
変形例２の光半導体素子１０ｂは、第１及び第２光導波路１２ａ、１３ａの形状が、上述した第１実施形態とは異なっている。
【０１２４】
即ち、第１光導波路１２ａは、光半導体素子１０の半導体レーザ１１側の端部から、長手方向に沿って光結合器１５側の端部に向かって直線状に延びた後、光半導体素子１０の幅方向の内方に向かって斜めに延びて、第３曲がり光導波路１８ａと接続する。
【０１２５】
第２光導波路１３ａは、光半導体素子１０の幅方向の中心軸に対して、第１光導波路１２ａと線対称に形成される。
【０１２６】
なお、変形例２及び上述した第１実施形態における第１及び第２光導波路１２ａ、１３ａの形状の形状は、一例であり、他の形状を有していても良い。
【０１２７】
次に、本明細書に開示する第２から第４実施形態の光半導体素子を、図面を参照しながら以下に説明する。第２から第４実施形態について特に説明しない点については、上述の第１実施形態に関して詳述した説明が適宜適用される。また、図２４〜図２８において、図１〜図２３と同じ形成要素に同じ符号を付してある。
【０１２８】
図２４は、本明細書に開示する光半導体素子の第２実施形態を示す図である。
【０１２９】
本実施形態の光半導体素子５０は、半導体レーザ１１の一方の端部と第１位相変調部１２との間、及び半導体レーザ１１の他方の端部と第２位相変調部１３との間に、半導体レーザ１１からの出力光を入力し強度を調整して出力する利得調整部２７を備える。利得調整部２７は、半導体レーザ１１と同様に、基板３０に形成される。
【０１３０】
利得調整部２７は、半導体レーザ１１のレーザメサ部１１ａが延出して形成された利得調整メサ部２７ａと、この利得調整メサ部２７ａに電流を注入する利得調整電極２７ｂとを有する。利得調整メサ部２７ａの回折格子層３２の部分には、回折格子は形成されない。
【０１３１】
利得調整部２７は、利得調整電極２７ｂに電流を注入することにより、半導体レーザ１１の出力光の強度を増加する。一方、利得調整部２７は、利得調整電極２７ｂに電流を注入しないことにより、半導体レーザ１１の出力光を吸収して、出力光の強度を減少させる。
【０１３２】
光半導体素子５０は、利得調整部２７を用いて、半導体レーザ１１からの２つの出力光の強度それぞれを調整することができる。
【０１３３】
利得調整部２７からの出力光は、第１曲がり光導波路１７ａ又は第２曲がり光導波路１７ｂに入力される。
【０１３４】
そして、光半導体素子５０は、利得調整部２７を用いて、良好な消光比を確保しつつ、チャープ制御を行うことができる。以下に、利得調整部２７を用いたチャープ制御について、図面を参照して説明する。
【０１３５】
長距離を光伝送された光信号は、伝送路の波長分散の影響を受けて波形劣化が生じてしまう。そのため、ＭＺ光変調器では、波長分散を補償するために、変調時に意図的に出力光に周波数変動を起こさせるチャープ制御を利用して、伝送後の光信号波形の劣化を抑える技術が用いられている。この技術は、プリチャーピング法とも呼ばれる。
【０１３６】
光半導体素子５０において、チャープ制御は、例えば、第２光導波路１３ａを伝搬する伝搬光の位相変化量を、第１光導波路１２ａを伝搬する伝搬光のものよりも大きくすることによって行われる。
【０１３７】
図２５は、位相変調電圧と位相変化量及び損失量との関係を示す図である。
【０１３８】
図２５に示すように、第２位相変調電極１３ｂに印加する第２位相変調電圧Ｖ2の大きさは、第１位相変調電極１２ｂに印加する第１位相変調電圧Ｖ1よりも大きい。第１位相変調電圧Ｖ1は、振幅電圧Ｖppで中心電圧値を中心に変化する。同様に、第２位相変調電圧Ｖ2は、振幅電圧Ｖppで中心電圧値を中心に変化する。
【０１３９】
半導体光変調器では、変調電圧に対する屈折率変化量、即ち光の位相変化量が非線形関係にあるので、振幅電圧Ｖppが同じであっても、第２光導波路１３ａを伝搬する光の位相変化量φ2は、第１光導波路１２ａを伝搬する光の位相変化量φ1よりも大きくなる。
【０１４０】
一方、光導波路を伝搬する光の損失量は、位相変調電圧の値が大きい方が大きくなる。
【０１４１】
従って、図２５に示すように、位相変調電圧の値が大きい第２光導波路１３ａを伝搬する光の損失量α2は、第１光導波路１２ａを伝搬する光の損失量α1よりも大きくなるので、チャープ制御により、消光比が悪くなる場合が生じる。
【０１４２】
そこで、光半導体素子５０では、チャープ制御により伝搬する光の損失量が増加する第２光導波路１３ａに入力する光の強度を、利得調整部２７を用いて増加させて、第１光導波路１２ａを伝搬する光の強度と同等にすることにより、良好な消光比を確保できる。
【０１４３】
このようにして、光半導体素子５０は、良好な消光比を確保しつつ、チャープ制御を行うことができる。
【０１４４】
なお、光半導体素子５０では、チャープ制御による光の損失量が少ない第１光導波路１２ａに入力する光の強度を、利得調整部２７を用いて減少させて、第２光導波路１３ａを伝搬する光の強度と同等にすることにより、良好な消光比を確保しても良い。
【０１４５】
また、第１位相変調電極１２ｂに印加する第１位相変調電圧Ｖ1の方が、第２位相変調電極１３ｂに印加する第２位相変調電圧Ｖ2よりも大きい場合には、利得調整部２７を用いて、第１光導波路１２ａに入力する光の強度を増加させれば良い。
【０１４６】
更に、光半導体素子５０では、チャープ制御を行わない場合でも、光導波路の微妙な損失バランスを補償して良好な消光比を得るために、利得調整部２７を用いても良い。
【０１４７】
また、光半導体素子５０は、第１位相変調部１２及び第２位相変調部１３それぞれが、基板３０に形成された位相調整部２３を有する。
【０１４８】
次に、第２実施形態の光半導体素子５０の製造方法を以下に説明する。
【０１４９】
第２実施形態の光半導体素子５０は、用いるマスクパターンの形状を除いては、上述した第１実施形態の光半導体素子１０と同様に製造することができる。具体的には、光半導体素子５０では、利得調整電極及び補助位相変調電極が追加されており、第１及び第２位相変調電極の形状が、第１実施形態とは異なっている。そこで、第１実施形態の光半導体素子１０の製造に用いるマスクパターンを適宜変更すれば、上述した第１実施形態と同様に、第２実施形態を製造することができる。また、利得調整部の回折格子層には、回折格子は形成されない。
【０１５０】
なお、上述した第２実施形態の光半導体素子５０では、利得調整部２７が半導体レーザ１１の両側に配置されていたが、利得調整部は、半導体レーザ１１のどちらか一方にのみ配置されても良い。また、利得調整部は、第１又は第２位相変調部の後ろに配置されても良い。
【０１５１】
図２６は、本明細書に開示する光半導体素子の第３実施形態を示す図である。
【０１５２】
本実施形態の光半導体素子６０は、出力光の波長が可変な半導体レーザ２４を備える。具体的には、半導体レーザ２４として、超周期構造回折格子（Ｓｕｐｅｒ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ  Ｇｒａｔｉｎｇ：ＳＳＧ）型ＤＢＲレーザ（以下、単にＳＳＧ−ＤＢＲともいう）を用いる。
【０１５３】
半導体レーザ２４は、図２６に示すように、前方ＤＢＲ領域２４ａと、位相調整領域２４ｂと、利得領域２４ｃと、後方ＤＢＲ領域２４ｄとを有する。また、半導体レーザ２４は、前方ＤＢＲ領域２４ａに電流を注入する第１駆動電極２４ｅと、位相調整領域２４ｂに電流を注入する第２駆動電極２４ｆと、利得領域２４ｃに電流を注入する第３駆動電極２４ｇと、後方ＤＢＲ領域２４ｄに電流を注入する第４駆動電極２４ｈとを有する。
【０１５４】
前方ＤＢＲ領域２４ａと、位相調整領域２４ｂと、利得領域２４ｃと、後方ＤＢＲ領域２４ｄとは、基板３０に直列に配置される。各領域を形成するレーザメサ部も、同様に直列に配置される。
【０１５５】
前方ＤＢＲ領域２４ａと、位相調整領域２４ｂとは、コア層が一体に形成される。また、後方ＤＢＲ領域２４ｄを形成するコア層は、前方ＤＢＲ領域２４ａ及び位相調整領域２４ｂと同じ材料により形成される。前方ＤＢＲ領域２４ａと、位相調整領域２４ｂと、後方ＤＢＲ領域２４ｄとを併せて屈折率制御領域ともいう。利得領域２４ｃのコア層は、屈折率制御領域のコア層とは異なる材料により形成される。
【０１５６】
ＳＳＧ−ＤＢＲ型レーザは、前方及び後方の２カ所のＤＢＲ領域を個別に制御することにより、バーニア効果を利用して広い波長可変動作が得られる。従って、光半導体素子６０は、複数の波長で信号光を出力できる。
【０１５７】
図２６に示すように、第１曲がり光導波路１７ａは、後方ＤＢＲ領域２４ｄの一方の端面から第１光導波路１２ａに向かって円弧状に延びる。同様に、第２曲がり光導波路１７ｂは、前方ＤＢＲ領域２４ａの一方の端面から第２光導波路１３ａに向かって円弧状に延びる。
【０１５８】
半導体レーザ２４の長手方向の一方からの出力光は、後方ＤＢＲ領域２４ｄの一方の端面から、第１曲がり光導波路１７ａへ出力される。半導体レーザ２４の長手方向の他方からの出力光は、前方ＤＢＲ領域２４ａの一方の端面から、第２曲がり光導波路１７ｂへ出力される。
【０１５９】
また、光半導体素子６０は、第１位相変調部１２及び第２位相変調部１３それぞれが、基板３０に形成された位相調整部２３を有する。
【０１６０】
次に、第３実施形態の光半導体素子６０の製造方法を以下に説明する。
【０１６１】
第３実施形態の製造方法は、半導体レーザ２４の形成方法を除いては、上述した光半導体素子１０の製造方法と同様である。そこで、半導体レーザ２４の形成について、以下に説明する。
【０１６２】
半導体レーザ２４の形成方法と、上述した光半導体素子１０の製造方法における半導体レーザ１１の形成方法との大きな違いは、屈折率制御領域のコア層を利得領域２４ｃのコア層に対してバットジョイント成長させること、及び、回折格子が前方ＤＢＲ領域２４ａ及び後方ＤＢＲ領域２４ｄには形成されるが、位相調整領域２４ｂと利得領域２４ｃには回折格子が形成されないことの２点となる。
【０１６３】
具体的には、図６において、スペーサ層３２上の全面に、利得領域２４ｃのコア層及び第１上クラッド層３６が形成された後に、利得領域２４ｃが形成されるコア層の領域上のみにマスクパターンが形成される。そして、マスクパターンが形成されていない領域における第１上クラッド層３６及び利得領域２４ｃのコア層及びスペーサ層３２が、エッチングにより除去される。そして、前方ＤＢＲ領域２４ａ及び後方ＤＢＲ領域２４ｄが形成される領域の回折格子層３２の部分に、ドライエッチング等を用いて回折格子が形成される。そして、マスクパターンが形成されていない領域に、スペーサ層３２と、屈折率制御領域のコア層と、第１上クラッド層３６とが形成されて、利得領域２４ｃのコア層に対して、屈折率制御領域のコア層がバットジョイント成長される。そして、半導体レーザ２４が形成される領域に、マスクパターンが形成されて、このマスクパターンが形成されていない領域におけるコア層までが、ウエットエッチング等により除去される。そして、半導体レーザが形成される以外の領域上に、光導波路のコア層３５及び第２上クラッド層３７が形成される。その後の工程は、上述した製造方法と同様である。また、第３実施形態の半導体レーザ２４の駆動電極及び補助位相変調電極の形成に関しては、マスクパターンを適宜変更すれば良い。
【０１６４】
また、光半導体素子６０では、曲がり光導波路等の受動的な光導波路のコア層が、屈折率制御領域のコア層を用いて形成されても良い。
【０１６５】
図２７は、本明細書に開示する光半導体素子の第４実施形態を示す図である。図２８は、図２７のＪ−Ｊ’線拡大断面図である。
【０１６６】
本実施形態の光半導体素子７０は、第１位相変調部１２及び第２位相変調部１３が、直列に配置されている。また、半導体レーザ２４は、直列に配置された第１位相変調部１２及び第２位相変調部１３と並列に配置される。半導体レーザ２４は、上述した第３実施形態と同様に、ＳＳＧ−ＤＢＲ型レーザである。
【０１６７】
半導体レーザ２４の長手方向の両端部の外側それぞれには、利得調整部２７と位相調整部２３が順番に直列に配置される。利得調整部２７及び位相調整部２３は、半導体レーザ２４と共に、直列に配置された第１位相変調部１２及び第２位相変調部１３と並列に配置される。
【０１６８】
半導体レーザ２４と、２つの利得調整部２７と、２つの位相調整部２３とをあわせた長さは、第１光導波路１２ａと第２光導波路１３ａとをあわせた長さにほぼ等しい。
【０１６９】
半導体レーザ２４の長手方向の一方の端面からの出力光は、利得調整部２７及び位相調整部２３を通過して、第１曲がり光導波路１７ａに出力される。同様に、半導体レーザ２４の長手方向の他方の端面からの出力光は、利得調整部２７及び位相調整部２３を通過して、第２曲がり光導波路１７ｂに出力される。
【０１７０】
図２７に示すように、第１曲がり光導波路１７ａは、半導体レーザ２４の一方の側に位置する位相調整部２３の端面から第１光導波路１２ａに向かって円弧状に延びる。同様に、第２曲がり光導波路１７ｂは、半導体レーザ２４の他方の側に位置する位相調整部２３の端面から第２光導波路１３ａに向かって円弧状に延びる。
【０１７１】
利得調整部２７における利得調整メサ部２７ａのコア層は、前方ＤＢＲ領域２４ａ又は後方ＤＢＲ領域２４ｄのコア層とバットジョイント接合されている。利得調整メサ部２７ａのコア層は、半導体レーザ２４の利得領域２４ｃのコア層と同じ材料により形成される。
【０１７２】
位相調整部２３におけるメサ構造のコア層は、利得調整部２７における利得調整メサ部２７ａのコア層とバットジョイント接合されている。位相調整部２３におけるメサ構造のコア層は、半導体レーザ２４の屈折率制御領域のコア層と同じ材料により形成される。
【０１７３】
第１曲がり光導波路１７ａは、入力側のコア層から光を入力し、湾曲させて出力側のコア層へ光を伝搬するコア層を有する。
【０１７４】
第１曲がり光導波路１７ａを形成するコア層の入力側の位相調整部２３側の部分は、入力側の位相調整部２３のコア層と一体に形成される。一方、第１曲がり光導波路１７ａのコア層の出力側の第１光導波路１７ａ側の部分は、出力側の第１光導波路１２ａのコア層と一体に形成される。
【０１７５】
図２８に示すように、第１曲がり光導波路１７ａの途中の位置に、入力側の位相調整部２３のコア層３４ａと出力側の第１光導波路１２ａのコア層３５との接合界面Ｓ３が形成される。
【０１７６】
光半導体素子７０では、異なるコア層３４ａ、３５の接合界面Ｓ３を、第１曲がり光導波路１７ａの途中の位置に配置して、接合界面Ｓ３における反射により第１曲がり光導波路１７ａ内を半導体レーザ２４の方へ戻る光の量を低減している。
【０１７７】
また、第１埋め込み層４２と第２埋め込み層４４との接合界面Ｓ２は、上述した第１実施形態と同様に、第１曲がり光導波路１７ａの途中の位置に配置される。
【０１７８】
光半導体素子７０では、第２曲がり光導波路１７ｂも第１曲がり光導波路１７ａと同様に形成されており、上述した第１曲がり光導波路１７ａに関する説明は、第２曲がり光導波路１７ｂに対しても適宜適用される。
【０１７９】
第３曲がり光導波路１８ａは、第１光導波路１２ａの出力光を入力し、伝搬方向を曲げて光を光結合器１５に伝搬する。同様に、第４曲がり光導波路１８ｂは、第２光導波路１３ａの出力光を入力し、伝搬方向を１８０度曲げて光を光結合器１５に伝搬する。
【０１８０】
第５及び第６光導波路１９ａ、１９ｂは、第２光導波路１３ａと並列に配置され、第２光導波路１３ａの長手方向に延びている。
【０１８１】
次に、第４実施形態の光半導体素子７０の製造方法を以下に説明する。
【０１８２】
第４実施形態の製造方法は、下記の点を除いては、上述した第３実施形態の光半導体素子の製造方法と同様である。そこで、異なる点について、以下に説明する。
【０１８３】
利得調整部２７のコア層は、半導体レーザ２４の利得領域２４ｃのコア層と同時に形成される。また、位相調整部２３のコア層は、半導体レーザ２４の屈折率制御領域のコア層と同時に形成される。
【０１８４】
また、利得領域２４ｃのコア層に対して、屈折率制御領域のコア層がバットジョイント成長された後には、半導体レーザ２４と利得調整部２７と位相調整部２３とが形成される領域並びに第１及び第２曲がり光導波路における位相調整部側の部分（図２７の接合界面Ｓ３が形成される部分まで）に、マスクパターンが形成されて、このマスクパターンが形成されていない領域におけるコア層までが、ウエットエッチング等により除去される。そして、半導体レーザ２４と利得調整部２７と位相調整部２３とが形成される領域並びに第１及び第２曲がり光導波路における位相調整部側の部分が形成される部分以外の領域上に、光導波路のコア層３５及び第２上クラッド層３７が形成される。その後の工程は、上述した製造方法と同様である。
【０１８５】
上述した本実施形態の光半導体素子７０によれば、寸法が低減される。具体的には、直列に配置された第１位相変調部１２及び第２位相変調部１３と、直列に配置された半導体レーザ２４及び利得調整部２７及び位相調整部２３とを、並列に配置することにより、幅方向の寸法が低減される。
【０１８６】
なお、利得調整部２７の位置と位相調整部２３の位置とは入れ替えられても良い。また、利得調整部２７又は位相調整部２３は、第１光導波路１２ａ又は第２光導波路１３ａと直列に配置されても良い。また、光結合器１５並びに第５及び第６光導波路１９ａ、１９ｂを、光半導体素子７０の長手方向の反対側に配置させて、出力光を反対側から出力させても良い。
【０１８７】
光半導体素子７０のように、第１曲がり光導波路１７ａの途中に、入力側のコア層と一体に形成された光導波路のコア層と、出力側のコア層と一体に形成された光導波路のコア層との接合界面を配置することを、他の実施形態又はその変形例に適用しても良い。
【０１８８】
以上の上述した各実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。
【０１８９】
（付記１）
基板に形成され、対向する端部それぞれから光を出力する半導体レーザと、
前記基板に形成され、前記半導体レーザの一方の端部からの出力光が入力される第１光導波路を有する第１位相変調部と、
前記基板に形成され、前記半導体レーザの他方の端部からの出力光が入力される第２光導波路を有する第２位相変調部と、
前記基板に形成され、前記第１光導波路及び前記第２光導波路からの出力光を結合して出力する光結合器と、
を備える光半導体素子。
【０１９０】
（付記２）
前記半導体レーザの一方の端部と前記第１位相変調部との間に、又は前記半導体レーザの他方の端部と前記第２位相変調部との間に、前記基板に形成され、前記半導体レーザからの出力光を入力し強度を調整して出力する利得調整部を備える付記１に記載の光半導体素子。
【０１９１】
（付記３）
前記半導体レーザは、第１埋め込み層により埋め込まれた第１メサ部を有し、
前記第１光導波路及び前記第２光導波路は、前記第１光導波路及び前記第２光導波路のコア層よりも屈折率が小さい第２埋め込み層により埋め込まれており、
前記基板に形成され、光を入力し伝搬方向を曲げて光を伝搬する曲がり光導波路を備え、
前記曲がり光導波路の入力側の部分は、前記第１埋め込み層により埋め込まれており、前記曲がり光導波路の出力側の部分は、前記第２埋め込み層により埋め込まれており、前記曲がり光導波路の途中の位置に、前記第１埋め込み層と前記第２埋め込み層との接合界面が形成される付記１又は２に記載の光半導体素子。
【０１９２】
（付記４）
前記基板に形成され、入力側のコア層から光を入力し、湾曲させて出力側のコア層へ光を伝搬するコア層を有する曲がり光導波路を備え、
前記曲がり光導波路のコア層の入力側の部分は、前記入力側のコア層と一体に形成され、
前記曲がり光導波路のコア層の出力側の部分は、前記出力側のコア層と一体に形成され、
前記曲がり光導波路の途中の位置に、前記入力側のコア層と前記出力側のコア層の接合界面が形成される付記１又は２に記載の光半導体素子。
【０１９３】
（付記５）
前記曲がり光導波路として、
前記基板に形成され、前記半導体レーザの一方の端部からの出力光を入力し湾曲させて前記第１光導波路に光を伝搬する第１曲がり光導波路と、
前記基板に形成され、前記半導体レーザの他方の端部からの出力光を入力し湾曲させて前記第２光導波路に光を伝搬する第２曲がり光導波路と、
を備える付記３又は４に記載の光半導体素子。
【０１９４】
（付記６）
前記第１位相変調部及び前記第２位相変調部は、並列に配置されており、
前記半導体レーザは、並列に配置された前記第１位相変調部及び前記第２位相変調部の一方の端部側に配置される付記１から５の何れかに記載の光半導体素子。
【０１９５】
（付記７）
前記半導体レーザの長手方向は、並列に配置された前記第１位相変調部及び前記第２位相変調部の長手方向と交差する方向にある付記６に記載の光半導体素子。
【０１９６】
（付記８）
前記第１位相変調部及び前記第２位相変調部は、直列に配置されており、
前記半導体レーザは、直列に配置された前記第１位相変調部及び前記第２位相変調部と並列に配置される付記１から５の何れか一項に記載の光半導体素子。
【０１９７】
（付記９）
前記第１位相変調部及び前記第２位相変調部それぞれは、位相調整部を有する付記１〜８の何れか一項に記載の光半導体素子。
【０１９８】
（付記１０）
前記半導体レーザは、波長が可変である付記１から９の何れか一項に記載の光半導体素子。
【符号の説明】
【０１９９】
１０、５０、６０、７０    光半導体素子
１１    半導体レーザ
１１ａ    レーザメサ部
１１ｂ    レーザ駆動電極
１２    第１位相変調部
１２ａ    第１光導波路
１２ｂ    第１位相変調電極
１３    第２位相変調部
１３ａ    第２光導波路
１３ｂ    第２位相変調電極
１５    光結合器
１７ａ    第１曲がり光導波路
１７ａａ    第１曲がり光導波路のメサ部
１７ｂ    第２曲がり光導波路
１８ａ    第３曲がり光導波路
１８ｂ    第４曲がり光導波路
１９ａ    第５光導波路
１９ｂ    第６光導波路
２３    位相調整部
２３ａ    位相調整電極
２４    半導体レーザ
２４ａ    前方ＤＢＲ領域
２４ｂ    位相調整領域
２４ｃ    利得領域
２４ｄ    後方ＤＢＲ領域
２４ｅ    第１駆動電極
２４ｆ    第２駆動電極
２４ｇ    第３駆動電極
２４ｈ    第４駆動電極
存在しません
２７    利得調整部
２７ａ    利得調整メサ部
２７ｂ    利得調整電極
３０    基板
３１    下クラッド層
３２    回折格子層
３３    スペーサ層
３４    半導体レーザのコア層
３５    光導波路のコア層
３６    第１上クラッド層
３７    第２上クラッド層
３８    第３上クラッド層
３９    第１コンタクト層
４０    第１電極
４１    第２電極
４２    第１埋め込み層
４３    第１パッシベーション層
４４    第２埋め込み層
４５    第２パッシベーション層
Ｂ１    第１埋め込み領域
Ｂ２    第２埋め込み領域
Ｓ１、Ｓ３    コア層接合界面
Ｓ２    埋め込み接合界面
Ｍ１    第１マスク層
Ｍ２    第２マスク層
Ｍ３    第３マスク層
Ｍ４    第４マスク層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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