(57)【要約】【課題】ハイメサ型光導波路を伝送する光伝送損失を抑えながら、位相変化部により効率良く電界を当該ハイメサ型光導波路に印加して、光導波路内部を伝送する光の位相を変化させることが可能な光集積素子を提供する。【解決手段】半導体基板１ａ上に形成されたハイメサ型受動光導波路１０と、ハイメサ型受動光導波路１０と同一の半導体基板１ａ上に形成され、ハイメサ型受動光導波路１０を伝送する光の位相を変化させる位相変化部２０と、を備え、位相変化部２０は、ハイメサ型受動光導波路１０と光を伝送可能に接続されたハイメサ型光導波路２１０を有し、ハイメサ型光導波路２１０の間に電界を印加することでハイメサ型光導波路２１０を伝送する光の位相を変化させ、ハイメサ型光導波路２１０の幅Ｗｍは、ハイメサ型受動光導波路１０の幅ＷＷよりも狭いことを特徴とする。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に形成された第１のハイメサ型光導波路と、
前記第１のハイメサ型光導波路と同一の半導体基板上に形成され、当該第１のハイメサ型光導波路を伝送する光の位相を変化させる位相変化部と、を備え、
前記位相変化部は、前記第１のハイメサ型光導波路に光を伝送可能に接続された第２のハイメサ型光導波路を有し、当該第２のハイメサ型光導波路に電界を印加することで当該第２のハイメサ型光導波路を伝送する光の位相を変化させ、
前記第２のハイメサ型光導波路のメサ幅は、前記第１のハイメサ型光導波路のメサ幅よりも狭いことを特徴とする光集積素子。
【請求項２】
前記第２のハイメサ型光導波路のメサ幅は、当該第２のハイメサ型光導波路に１次横モード光を閉じ込めることが可能な幅であることを特徴とする請求項１記載の光集積素子。
【請求項３】
前記第２のハイメサ型光導波路は、１次横モード光を感じる光導波路コア部での実効屈折率が、前記半導体基板側に積層されている下部クラッド層であって、該第２のハイメサ型光導波路のメサの裾部の面よりも下方の下部クラッド層での実効屈折率よりも大きく、２次横モード光を感じる当該光導波路コア部での実効屈折率が、当該下方の下部クラッド層での実効屈折率よりも小さいことを特徴とする請求項１又は２記載の光集積素子。
【請求項４】
前記第２のハイメサ型光導波路における前記半導体基板側に積層された下部クラッド層であって、該第２のハイメサ型光導波路のメサの裾部の面よりも上部の下部クラッド層のメサ深さは、前記第１のハイメサ型光導波路における前記半導体基板側に積層された下部クラッド層であって、該第１のハイメサ型光導波路のメサの裾部の面よりも上部の下部クラッド層のメサ深さよりも深いことを特徴とする請求項３記載の光集積素子。
【請求項５】
前記第２のハイメサ型光導波路における前記半導体基板側に積層された下部クラッド層であって、該第２のハイメサ型光導波路のメサの裾部の面よりも上部の下部クラッド層のメサ深さは、前記第１のハイメサ型光導波路における前記半導体基板側に積層された下部クラッド層であって、該第１のハイメサ型光導波路のメサの裾部の面よりも上部の下部クラッド層のメサ深さよりも深く、
前記第２のハイメサ型光導波路は、１次横モード光を感じる光導波路コア部での実効屈折率が、前記半導体基板側に積層されている下部クラッド層であって、該第２のハイメサ型光導波路のメサの裾部の面よりも下方の下部クラッド層の実効屈折率よりも小さく、２次横モード光を感じる当該光導波路コア部での実効屈折率が当該下方の下部クラッドでの実効屈折率よりも小さいことを特徴とする請求項１の光集積素子。
【請求項６】
前記第２のハイメサ型光導波路のメサ幅は、２次横モード光の光伝送損失が１次横モード光の光伝送損失よりも大きくなるようなメサ幅であることを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれか１項記載の光集積素子。
【請求項７】
前記第１のハイメサ型光導波路は、そのメサ幅が、前記位相変化部との接続部に近づくにつれて前記第２のハイメサ型光導波路のメサ幅へ次第に狭くなっていくように形成されていることを特徴とする請求項１乃至６のうちいずれか１項記載の光集積素子。
【請求項８】
複数の前記位相変化部のそれぞれが前記第１のハイメサ型光導波路に直列に接続されることで、マッハツェンダー型光変調器を構成することを特徴とする請求項１乃至７のうちいずれか１項記載の光集積素子。
【請求項９】
前記マッハツェンダー型光変調器は、光マトリックススイッチを構成することを特徴とする請求項８記載の光集積素子。
【請求項１０】
前記位相変化部は、当該位相変化部に接続される駆動回路の線路とインピーダンス整合していることを特徴とする請求項１乃至第９のいずれか１項記載の光集積素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ハイメサ型光導波路と、ハイメサ型光導波路を伝送する光の位相を変化させる位相変化部とを同一の半導体基板上に集積した光集積素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から同一半導体基板上に複数の光学素子を集積した光集積素子が用いられている。例えば、特許文献１には、モノリシック集積技術を用いて作製した多値光位相変調器が記載されている。
【０００３】
特許文献１に記載された多値光位相変調器では、まず、入力された光を２分岐し、分岐した光の一方を並列接続した２つのマッハツェンダー（Mach-Zehnder）型強度変調器の一方に入力し、他方の光を、その位相を一方の光に対して所定の位相量だけシフトさせて、他方のマッハツェンダー型強度変調器に入力させる。一方のマッハツェンダー型強度変調器は、一方の光を実部の情報を有する信号によって強度変調し、実部光信号とし出力する。また、他方のマッハツェンダー型強度変調器は、位相をシフトされた他方の光を、虚部の情報を有する信号によって強度変調し、虚部光信号として出力する。
【０００４】
以上のようにして、多値光位相変調器は、各マッハツェンダー型強度変調器が出力した実部光信号と虚部光信号とを合成し、変調がされた光信号として出力している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−１１２８７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に記載された多値光位相変調器では、多値度が高くなると光部品数が増えて光伝送損失が増大する傾向にある。具体的には、半導体基板のサイズが大きくなることで、光導波路の光導波路長が長くなることに起因して、伝送損失が増大する傾向にある。
【０００７】
本発明の目的は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、ハイメサ型光導波路を伝送する光伝送損失を抑えながら、位相変化部により効率良く電界を当該ハイメサ型光導波路に印加して、光導波路内部を伝送する光の位相を変化させることが可能な光集積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】
【０００８】
（第１の態様）
本発明の第１の態様に係る光集積素子は、半導体基板上に形成された第１のハイメサ型光導波路と、第１のハイメサ型光導波路と同一の半導体基板上に形成され、第１のハイメサ型光導波路を伝送する光の位相を変化させる位相変化部と、を備え、位相変化部は、第１のハイメサ型光導波路に光を伝送可能に接続された第２のハイメサ型光導波路を有し、第２のハイメサ型光導波路に電界を印加することで第２のハイメサ型光導波路を伝送する光の位相を変化させ、第２のハイメサ型光導波路のメサ幅は、第１のハイメサ型光導波路のメサ幅よりも狭いことを特徴とする。
【０００９】
ハイメサ型光導波路は、そのメサ幅が狭いほど光伝送損失が高くなる傾向にある。他方、ハイメサ型光導波路は、そのメサ幅が狭いほど当該ハイメサ型光導波路の平面面積が小さくなるので、静電容量を小さくすることができる。静電容量を小さくする場合には、例えば、ハイメサ型導波路を構成する位相変化部の特性インピーダンスが大きくなるように調整することができるので、位相変化部に接続する駆動部のインピーダンスと特性インピーダンスとの整合を取るように調整できる。これにより、位相変化部がハイメサ型光導波路に電界を印加する際に発生する反射損失などを抑制できるため、効率良く位相変化部に電力を供給することができる。
【００１０】
このようなハイメサ型光導波路に係る特性を利用して、上記第１の態様によれば、第１のハイメサ型光導波路のメサ幅を相対的に幅広にすることで当該第１のハイメサ型光導波路を伝送する光伝送損失を抑えることができ、第２のハイメサ型光導波路のメサ幅を相対的に狭くして位相変化部の反射損失の低減などを図ることで効率良く光の位相を変化させることができる。
【００１１】
（第２の態様）
本発明の第２の態様に係る光集積素子は、上記第１の態様において、第２のハイメサ型光導波路のメサ幅は、第２のハイメサ型光導波路に１次横モード光を閉じ込めることが可能な幅であることを特徴とする。
【００１２】
上記第２の態様によれば、第２のハイメサ型光導波路のメサ幅を、第２のハイメサ型光導波路の内部に１次横モード光を少なくとも閉じ込めることが可能なメサ幅とすることで、第２のハイメサ型光導波路を伝送する主要な信号成分である１次横モード光の伝送損失を抑えながら、位相変化部により効率良く電界を第２のハイメサ型光導波路に印加して、光導波路内部を伝送する光の位相を変化させることができる。
【００１３】
（第３の態様）
本発明の第３の態様に係る光集積素子は、上記第１又は第２の態様において、第２のハイメサ型光導波路は、１次横モード光を感じる光導波路コア部での実効屈折率が、半導体基板側に積層されている下部クラッド層であって、第２のハイメサ型光導波路のメサの裾部の面よりも下方の下部クラッド層での実効屈折率よりも大きく、２次横モード光を感じる当該光導波路コア部での実効屈折率が、当該下方の下部クラッド層での実効屈折率よりも小さいことを特徴とする。
【００１４】
上記第３の態様によれば、第２のハイメサ型光導波路を伝送する主要な信号成分である１次横モード光を光導波路コア部に閉じ込め、主要な信号成分以外の２次横モード光を下部クラッド層側に漏洩させて放出することができる。
【００１５】
（第４の態様）
本発明の第４の態様に係る光集積素子は、上記第３の態様において、第２のハイメサ型光導波路における半導体基板側に積層された下部クラッド層であって、第２のハイメサ型光導波路のメサの裾部の面よりも上部の下部クラッド層のメサ深さは、第１のハイメサ型光導波路における半導体基板側に積層された下部クラッド層であって、第１のハイメサ型光導波路のメサの裾部の面よりも上部の下部クラッド層のメサ深さよりも深いことを特徴とする。
【００１６】
ハイメサ型光導波路は、下部クラッド層のメサ深さが深いほど当該光導波路の光伝送損失が低くなる傾向にある。このような特性を利用して、上記第４の態様によれば、第２のハイメサ型光導波路の下部クラッド層のメサ深さを、第１のハイメサ型光導波路の下部クラッド層のメサ深さよりも深くすることで、位相変化部により効率良く電界を第２のハイメサ型光導波路に印加しつつ、第２のハイメサ型光導波路の光伝送損失をできるだけ抑制することができる。
【００１７】
（第５の態様）
本発明の第５の態様に係る光集積素子は、上記第１の態様において、第２のハイメサ型光導波路における半導体基板側に積層された下部クラッド層であって、第２のハイメサ型光導波路のメサの裾部の面よりも上部の下部クラッド層のメサ深さは、第１のハイメサ型光導波路における半導体基板側に積層された下部クラッド層であって、第１のハイメサ型光導波路のメサの裾部の面よりも上部の下部クラッド層のメサ深さよりも深く、第２のハイメサ型光導波路は、１次横モード光を感じる光導波路コア部での実効屈折率が、半導体基板側に積層されている下部クラッド層であって、第２のハイメサ型光導波路のメサの裾部の面よりも下方の下部クラッド層での実効屈折率よりも小さく、２次横モード光を感じる光導波路コア部での実効屈折率が当該下方の下部クラッドでの実効屈折率よりも小さいことを特徴とする。
【００１８】
上記第５の態様によれば、第２のハイメサ型光導波路における１次横モード光を感じる光導波路コア部での実効屈折率が、半導体基板側に積層されている下部クラッド層であって、第２のハイメサ型光導波路のメサの裾部の面よりも下方の下部クラッド層での実効屈折率よりも小さくても、第２のハイメサ型光導波路のメサの裾部の面よりも上方の下部クラッド層のメサ深さを相対的に深くすることで１次横モード光が半導体基板側に漏洩して放出されることを抑制し、第２のハイメサ型光導波路の光伝送損失をできるだけ抑制することができる。
【００１９】
（第６の態様）
本発明の第６の態様に係る光集積素子は、上記第１乃至第５の態様において、第２のハイメサ型光導波路のメサ幅は、２次横モード光の光伝送損失が１次横モード光の光伝送損失よりも大きくなるようなメサ幅であることを特徴とする。
【００２０】
上記第６の態様によれば、第２のハイメサ型光導波路を伝送する主要な信号成分である１次横モード光を光導波路コア部に閉じ込め、主要な信号成分以外の２次横モード光を第２のハイメサ型光導波路の基板側に漏洩させて、ハイメサ型光導波路に導波させないようにすることができる。
【００２１】
（第７の態様）
本発明の第７の態様に係る光集積素子は、上記第１乃至第６の態様において、第１のハイメサ型光導波路は、そのメサ幅が、位相変化部との接続部に近づくにつれて第２のハイメサ型光導波路のメサ幅へ次第に狭くなっていくように形成されていることを特徴とする。
【００２２】
ハイメサ型光導波路では、メサ幅が急激に変化する部分が存在すると光が拡散することで光伝送損失が悪くなる傾向にある。上記第７の態様によれば、第１及び第２のハイメサ型光導波路の接続部分の幅を緩やかに変化させることで、当該接続部分に発生する光伝送損失を抑制することができる。
【００２３】
（第８の態様）
上記第８の態様に係る光集積素子は、上記第１乃至第７の態様において、複数の位相変化部のそれぞれが第１のハイメサ型光導波路に直列に接続されることで、マッハツェンダー型光変調器を構成することを特徴とする。
【００２４】
上記第８の態様において、位相変化部が、第１のハイメサ型光導波路に対して直列に複数接続されている場合には、第１のハイメサ型光導波路が長くなる傾向にある。上記第８の態様によれば、第１のハイメサ型光導波路が長くなっても、第２のハイメサ型光導波路のメサ幅に対して第１のハイメサ型光導波路のメサ幅を幅広にすることで、第１のハイメサ型光導波路を伝送する光伝送損失を効率良く抑えることができる。
【００２５】
（第９の態様）
上記第９の態様に係る光集積素子は、上記第８の態様において、マッハツェンダー型光変調器は、光マトリックススイッチを構成することを特徴とする。
【００２６】
上記第９の態様において、光マトリックススイッチとして機能するためには、第１のハイメサ型光導波路が長くなる傾向にある。上記第９の態様によれば、第１のハイメサ型光導波路が長くなっても、第２のハイメサ型光導波路のメサ幅に対して第１のハイメサ型光導波路のメサ幅を幅広にすることで、第１のハイメサ型光導波路を伝送する光伝送損失を効率良く抑えることができる。
【００２７】
（第１０の態様）
上記第１０の態様に係る光集積素子は、上記第１乃至第９の態様において、位相変化部は、位相変化部に接続される駆動回路の線路とインピーダンス整合していることを特徴とする。
【００２８】
上記第１０の態様によれば、第１のハイメサ型光導波路のメサ幅に対して第２のハイメサ型光導波路の幅を比較的狭くすることでハイメサ型光導波路の静電容量を小さくさせて、ハイメサ型導波路を構成する位相変化部の特性インピーダンスが大きくなるように調整して位相変化部を構成要素とするマッハツェンダー型光変調器と、マッハツェンダー型光変調器に接続される駆動回路の線路との間で、容易にインピーダンス整合させて、位相変化部の反射損失の低減などを図ることができる。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、ハイメサ型光導波路を伝送する光伝送損失を抑えながら、位相変化部により効率良く電界を当該ハイメサ型光導波路に印加して、光導波路内部を伝送する光の位相を変化させることが可能な光集積素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明が適用されたマッハツェンダー型光変調器の構成について説明するための図である。
【図２】本発明が適用されたマッハツェンダー型光変調器の他の構成について説明するための図である。
【図３】本発明が適用されたマッハツェンダー型光変調器において、ハイメサ型受動光導波路と位相変化部との接続部分を示す図である。
【図４】ハイメサ型受動光導波路と、位相変化部が有するハイメサ型光導波路との接続部分について説明するための図である。
【図５】ハイメサ型光導波路の光導波路コア部のメサ幅を変化させたときの、当該ハイメサ型光導波路の光伝送損失について説明するための図である。
【図６】ハイメサ型光導波路のメサ幅を変化させたときの、位相変化部による反射損失Ｓ１１について説明するための図である。
【図７】横軸に、ハイメサ型光導波路のメサ幅と分岐した段数とをそれぞれ変化させた各マッハツェンダー型光変調器の構成を示し、縦軸に、ハイメサ型光導波路の光伝送損失を示す図である。
【図８】ハイメサ型光導波路の下部クラッド層の厚さを変化させたときの、当該ハイメサ型光導波路の伝送損失について説明するための図である。
【図９】変形例に係る位相変化部が有するハイメサ型光導波路の実効屈折率について説明するための図である。
【図１０】他の変形例に係る位相変化部が有するハイメサ型光導波路の実効屈折率について説明するための図である。
【図１１】他の変形例に係る位相変化部が有するハイメサ型光導波路の実効屈折率について説明するための図である。
【図１２】本発明が適用されたマッハツェンダー型光変調器において、ハイメサ型受動光導波路と位相変化部との接続部分の変形例について説明するための図である。
【図１３】本発明の他の適用例に係る光マトリクススイッチの構成について説明するための図である。
【図１４】位相変化部と駆動回路との接続について説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
本発明を実施するための形態（以下、本実施形態という。）について具体例を示して説明する。本実施形態は、ハイメサ型光導波路と、ハイメサ型光導波路を伝送する光の位相を変化させる位相変化部とを同一の半導体基板上に集積した光集積素子に関するものである。このような光集積素子の具体例として、図１に示すような、マッハツェンダー型光変調器１の構成について説明する。
【００３２】
（１）全体構成
図１に示すように、マッハツェンダー型光変調器１は、半導体基板１ａに合計三段で分岐したハイメサ型受動光導波路１０に、位相変化部２１、２２、・・・、２８（以下、位相変化部２０ともいう。）が接続された位相変調器である。
【００３３】
具体的に、マッハツェンダー型光変調器１０１は、ハイメサ型受動光導波路１０の入力端Ｉｎｐｕｔが例えばＤＦＢレーザ装置に接続され、当該入力端Ｉｎｐｕｔから分岐点Ｂ１１、Ｂ２１、Ｂ２２、Ｂ３１、Ｂ３２、Ｂ３３、Ｂ３４を介して合計３段階で分岐したハイメサ型受動光導波路１０に位相変化部２０がそれぞれ直列接続されたものである。また、マッハツェンダー型光変調器１０１は、位相変化部２０のそれぞれが、出力端Ｏｕｔｐｕｔから分岐点Ｂ３５、Ｂ３６、Ｂ３７、Ｂ３８、Ｂ２３、Ｂ２４、Ｂ１２を介して合計３段階で分岐したハイメサ型受動光導波路１０に直列接続されたものである。
【００３４】
以上のような構成からなるマッハツェンダー型光変調器１０１は、位相変化部２０などの光部品数が増えるため、伝送損失が増大する傾向にある。例えば、図２（Ａ）に示すような合計二段で分岐したハイメサ型受動光導波路１０に位相変化部２１、２２、２３、２４を接続したマッハツェンダー型光変調器１０２や、図２（Ｂ）に示すような合計一段で分岐したハイメサ型受動光導波路１０のそれぞれに位相変化部２１、２２を接続したマッハツェンダー型光変調器１０３などと比べて、図１に示すようなハイメサ型受動光導波路１０が三段で分岐したマッハツェンダー型光変調器１０１は、特に半導体基板１ａのサイズが大きくなり、また、ハイメサ型受動光導波路１０の光導波路長が長くなることに起因して、光伝送損失が増大してしまう。
【００３５】
そこで、マッハツェンダー型光変調器１０１、１０２、１０３では、ハイメサ型受動光導波路１０の光導波路長が長くなっても、当該光導波路の伝送損失を抑えながら、個々の位相変化部２０により効率良く光の位相を変化させるため、次のような構成を有する。なお、本発明が適用されるマッハツェンダー型光変調器は、上述したマッハツェンダー型光変調器１０１、１０２、１０３に限定されず、任意の段数にハイメサ型受動光導波路１０が分岐したものであってもよい。以下では、マッハツェンダー型光変調器１０１、１０２、１０３を総称して便宜上マッハツェンダー型光変調器１と呼ぶ。
【００３６】
図３は、マッハツェンダー型光変調器１において、ハイメサ型受動光導波路１０と位相変化部２１、２２との接続部分を示す図である。位相変化部２１、２２は、ハイメサ型受動光導波路１０と光を伝送可能に接続されたハイメサ型光導波路２１１、２２１（以下、便宜上ハイメサ型光導波路２１０ともいう。）をそれぞれ有し、ハイメサ型光導波路２１０の間に電界を印加することでハイメサ型光導波路２１０を伝送する光の位相を変化させる。具体的にマッハツェンダー型光変調器１により変調を行うため、位相変化部２１、２２は、一方の位相変化部に対して所定量の位相を変化させるといった変調処理を行う。
【００３７】
また、図４（Ａ）は、ハイメサ型受動光導波路１０と、位相変化部２０が有するハイメサ型光導波路２１０との接続部分を示す半導体基板１ａの上面図である。図４（Ａ）に示すように、位相変化部２０が有するハイメサ型光導波路２１０のメサ幅Ｗｍは、ハイメサ型受動光導波路１０のメサ幅Ｗｗよりも狭い。
【００３８】
また、図４（Ｂ）は、図４（Ａ）に示すハイメサ型受動光導波路１０のＡＡ’断面から見た断面図であり、図４（Ｃ）は、位相変化部２０が有するハイメサ型光導波路２１０のＢＢ’断面から見た断面図である。
【００３９】
図４（Ｂ）に示すように、ハイメサ型受動光導波路１０は、下部クラッド層１１、光導波路コア部１２、上部クラッド層１３の順で半導体基板１ａに積層され、その後、光導波路コア部１２の側面が外部に露出するまでエッチングされたハイメサ構造を有する。ここで、下部クラッド層１１は、図４（Ｂ）に示すように、ハイメサ導波路１０のメサの裾部の面１０ａよりも下方の第１の下部クラッド層１１ａと、ハイメサ導波路１０のメサの裾部の面１０ａよりも上方の第２の下部クラッド層１１ｂと、から構成される。
【００４０】
また、図４（Ｃ）に示すように、ハイメサ型光導波路２１０は、下部クラッド層２１１、光導波路コア部２１２、上部クラッド層２１３の順で半導体基板１ａに積層され、その後、光導波路コア部２１２の側面が外部に露出するまでエッチングされたハイメサ構造を有する。ここで、下部クラッド層２１１は、図４（Ｃ）に示すように、ハイメサ導波路２１０のメサの裾部の面２１０ａよりも下方の第１の下部クラッド層２１１ａと、ハイメサ導波路２１０のメサの裾部の面２１０ａよりも上方の第２の下部クラッド層２１１ｂと、から構成される。
【００４１】
このような構成からなるハイメサ型光導波路２１０は、位相変化部２０により、例えば半導体基板１ａと上部クラッド層２１３とにそれぞれ設けられたコンタクト層から光導波路コア部２１２に電圧を印加することで、光導波路コア部２１２の屈折率が変化して光の位相が変化することとなる。
【００４２】
以上の積層構造からなるハイメサ型受動光導波路１０とハイメサ型光導波路２１０とを形成する工程では、後述するように個々にメサ幅を決定可能とするため、エッチング処理の前処理として、各光導波路の位置とメサ幅に対応した領域にＳｉＮｘなどの材料からなるマスクを成膜する。
【００４３】
また、当該マスクを成膜する処理において、後述するように、ハイメサ型受動光導波路１０とハイメサ型光導波路２１０とを個々にメサ深さを決定可能とするため、同一の半導体基板１ａ上に形成するサポートメサ構造を次のように決定する。ここで、メサ深さは、ドライエッチング処理の際のマイクロローディング効果を利用することで、１度のエッチング処理によって、領域毎にエッチング深さを変化させることができる。つまり、光導波路が形成される領域と、サポートメサが形成される領域との離隔幅、すなわちエッチング幅を変えることで、領域毎にメサ深さを変化させることができる。
【００４４】
また、以上のような工程により製造されるマッハツェンダー型光変調器１では、図４（Ｂ）及び図４（Ｃ）に示すように、ハイメサ型受動光導波路１０とハイメサ型光導波路２１０との間で光伝送可能とするため、光導波路コア部１２、２１２は、互いに同一平面内にあるように積層されている。また、マッハツェンダー型光変調器１は、ハイメサ型光導波路２１０のメサ深さＨｍを、ハイメサ型受動光導波路１０のメサ深さＨｗ以上とする。具体的に、メサ深さＨｗとは、上部クラッド層１３の表面からハイメサ導波路１０のメサの裾部の面１０ａまでの深さである。メサ深さＨｍとは、上部クラッド層２１３の表面からハイメサ導波路２１０のメサの裾部の面２１０ａまでの深さである。つまり、マッハツェンダー型光変調器１は、ハイメサ型光導波路２１０の第２の下部クラッド層２１１ｂのメサ深さを、ハイメサ型受動光導波路１０の第２の下部クラッド層１１ｂのメサ深さよりも深くする。
【００４５】
以上のような構成からなるマッハツェンダー型光変調器１は、後述するハイメサ型光導波路に係る特性を利用することで、ハイメサ型受動光導波路１０を伝送する光伝送損失を抑えながら、位相変化部２０により効率良く電界をハイメサ型光導波路２１０に印加して、ハイメサ型光導波路２１０内部を伝送する光の位相を変化させることが可能となる。
【００４６】
（２）ハイメサ型光導波路に係る特性
まず、ハイメサ型光導波路のメサ幅、具体的にはハイメサ型光導波路の光導波路コア部のメサ幅を変化させたときの、当該ハイメサ型光導波路の光伝送損失について、図５を用いて評価する。図５は、縦軸にメサ幅［μｍ］を示し、縦軸に光伝送損失［ｄＢ／ｍｍ］の実測値と解析値を示した図である。図５の具体例では、厚さ５［ｎｍ］のＡｌＩｎＡｓをバリア層として、バンドギャップ波長が１．５［μｍ］のＡｌＧａＩｎＡｓで厚さ１０［ｎｍ］の活性層を合計２５層で多層化した多重量子井戸（ＭＱＷ）を、光導波路コア部の構造として用いた。また、図５の具体例では、ハイメサ導波路のメサの裾部の面よりも上方の下クラッド層の厚さを０．５μｍとし、光伝送損失として、ｐドーパントによる吸収損を０．４ｄＢ／ｍｍにして散乱損のみを考慮した。
【００４７】
この図５から明らかなように、ハイメサ型光導波路は、その幅が狭いほど当該ハイメサ型光導波路の光伝送損失が高くなる傾向にある。
【００４８】
また、ハイメサ型光導波路のメサ幅を変化させたときの、位相変化部による反射損失Ｓ１１について、図６を用いて評価する。図６（Ａ）は、縦軸にメサ幅［μｍ］を示し、縦軸に位相変化部の反射損失Ｓ１１［ｄＢ］を示した図である。また、図６（Ｂ）は、縦軸にメサ幅［μｍ］に対応した光伝送損失［ｄＢ／ｍｍ］（図４を参照）を示し、縦軸に位相変化部の反射損失Ｓ１１［ｄＢ］を示した図である。図６に示す具体例では、ハイメサ型光導波路が図４で示した具体例と同様の構造を有するものとする。また、図６に示す具体例では、ハイメサ型光導波路の単位長さ当たりのインダクタンスを６００ｎＨ／ｍ、ｉ層幅を５００ｎｍとした。この図６（Ａ）及び図６（Ｂ）で示す結果から明らかなように、位相変化部がハイメサ型光導波路に電界を印加する際に発生する反射損失Ｓ１１を抑制することができる。特に、メサ幅１．１μｍで光伝送損失が２．４５ｄＢ／ｍｍのとき、反射損失Ｓ１１が最も低くなるため、駆動回路が位相変化部２０とのインピーダンス整合を取りやすくなり、効率良く位相変化部２０に電力を供給することができる。
【００４９】
このようにして、位相変化部の反射損失Ｓ１１を抑制可能なのは、次の通りである。すなわち、ハイメサ型光導波路の幅が狭いほど当該ハイメサ型光導波路の平面面積が小さくなるので、静電容量を小さくすることができる。静電容量を小さくする場合には、例えば、ハイメサ型導波路を構成する位相変化部の特性インピーダンスが大きくなるように調整することができるので、位相変化部に接続する駆動部のインピーダンスと特性インピーダンスとの整合を取るように調整できる。このようにインピーダンスを整合することによって、位相変化部がハイメサ型光導波路に電界を印加する際に発生する反射損失などを抑制できるため、効率良く位相変化部に電力を供給することができる。
【００５０】
上述した図５及び図６に示したようなハイメサ型光導波路に係る特性を利用し、ハイメサ型受動光導波路１０を相対的に幅広にすることで当該ハイメサ型受動光導波路１０を伝送する光伝送損失を抑えることができ、さらに、ハイメサ型光導波路２１０の幅を比較的狭くして位相変化部２０の反射損失Ｓ１１を低くすることで効率良く光の位相を変化させることができる。
【００５１】
特に、マッハツェンダー型光変調器１は、ハイメサ型受動光導波路１０がより多段で分岐する場合には、当該ハイメサ型受動光導波路１０の光導波路長が長くなるが、ハイメサ型受動光導波路１０を相対的に幅広にしているので、図７の表から明らかなように、ハイメサ型受動光導波路１０を伝送する光伝送損失を効率良く抑えることが可能となる。
【００５２】
すなわち、図７は、横軸に、ハイメサ型光導波路のメサ幅と分岐した段数とをそれぞれ変化させた各マッハツェンダー型光変調器の構成を示し、縦軸に、ハイメサ型光導波路の光伝送損失を示している。図７中で「全て１．１μｍ」とはハイメサ型光導波路全体でメサ幅を１．１μｍとした比較例に係るマッハツェンダー型光変調器を示している。また、「変調器１．１μｍ＋光導波路２．５μｍ」とは、ハイメサ型受動光導波路１０のメサ幅を２．５μｍとし位相変化部２０が有するハイメサ型光導波路２１０のメサ幅を２．５μｍとしたマッハツェンダー型光変調器１を示している。
【００５３】
また、図７に示す具体例では、ハイメサ型光導波路の分岐する段数を一段とした場合、位相変化部に当たるハイメサ型光導波路の光導波路長を１ｍｍとし、ハイメサ型受動光導波路の光導波路長を２ｍｍとした。また、図７に示す具体例では、ハイメサ型光導波路の分岐する段数を二段とした場合、位相変化部に当たるハイメサ型光導波路の光導波路長を１ｍｍとし、ハイメサ型受動光導波路の光導波路長を６ｍｍとした。さらに、図７に示す具体例では、ハイメサ型光導波路の分岐する段数を三段とした場合、位相変化部に当たるハイメサ型光導波路の光導波路長を１ｍｍとし、ハイメサ型受動光導波路の光導波路長を１５ｍｍとした。
【００５４】
図７から明らかなように、ハイメサ型光導波路の分岐する段数が一段、二段、三段と増えるのに伴って、全体の光導波路長が長くなり概して光伝送損失が大きくなる。ここで、「変調器１．１μｍ＋光導波路２．５μｍ」の方が、「全て１．１μｍ」に比べて光伝送損失を抑制している。
【００５５】
この図７の結果から見ても、マッハツェンダー型光変調器１は、ハイメサ型受動光導波路１０のメサ幅を相対的に幅広にすることで、当該ハイメサ型受動光導波路１０を伝送する光伝送損失を効率良く抑えることが可能となり、より多値化を図った場合、すなわちハイメサ型光導波路を多段に分岐した場合に、特に光伝送損失を効率良く抑制することができる。
【００５６】
次に、下部クラッド層のメサ深さ、すなわち、ハイメサ型光導波路のメサの裾部の面よりも上方の下部クラッド層の厚さを変化させたときの、当該ハイメサ型光導波路の伝送損失について、図８を用いて評価する。図８は、縦軸に下部クラッド層のメサ深さ［μｍ］を示し、縦軸に伝送損失［ｄＢ／ｍｍ］を示した図である。なお、図８（Ａ）は縦軸を対数軸とし、図８（Ｂ）は縦軸を線形軸として表している。図８の具体例では、図４の場合と同様の構造からなり、メサ幅が０．８μｍの光導波路コア部を用いた。また、図８の具体例では、図４と異なり、散乱損を０と仮定して散乱損以外の損失を伝送損失とした。
【００５７】
この図８から明らかなように、下部クラッド層のメサ深さが深いほど、光導波路コア部と半導体基板との間の距離を長くすることができ、半導体基板への光の漏れを防ぐため、当該光導波路の伝送損失が低くなる傾向にある。
【００５８】
以上のような図８を用いて評価した特性を利用して、ハイメサ型光導波路２１０の下部クラッド層２１１のメサ深さを、ハイメサ型受動光導波路１０の下部クラッド層１１のメサ深さよりも深くすることで、特に位相変化部２０により効率良く電界をハイメサ型光導波路２１０に印加しつつ、ハイメサ型光導波路２１０の伝送損失をできるだけ抑制することができる。
【００５９】
また、マッハツェンダー型光変調器１におけるハイメサ型光導波路２１０のメサ幅は、ハイメサ型受動光導波路１０のメサ幅に比べて狭いが、ハイメサ型光導波路２１０の内部に１次横モード光を少なくとも閉じ込めることが可能な幅であることが望ましい。ここで、ハイメサ型導波路を完全に１次横モード光の単一モード導波路になるよう設計すると、メサ幅が非常に狭くなるため、２次横モード光を含む高次モードでも光を伝播させるような多モード導波路となることを許容して、メサ幅を設計することも可能である。
【００６０】
このようにしてハイメサ型光導波路２１０のメサ幅を、１次横モード光を少なくとも閉じ込めることが可能な幅とすることで、ハイメサ型光導波路２１０を伝送する主要な信号成分である１次横モード光の伝送損失を抑えながら、位相変化部２０により効率良く電界をハイメサ型光導波路２１０に印加して、ハイメサ型光導波路２１０内部を伝送する光の位相を変化させることができる。
【００６１】
（３）変形例
また、マッハツェンダー型光変調器１では、ハイメサ型光導波路２１０に１次横モード光を効率良く伝送可能とするため、次のような変形例を採用することが好ましい。具体的には、マッハツェンダー型光変調器１は、位相変化部２０が有するハイメサ型光導波路２１０の実効屈折率が図９に示すような関係となることが好ましい。
【００６２】
まず、図９において、ｎａｉｒ，ｎｅｆｆ＿ｕｐｐｅｒ−ｃｌａｄ，ｎｅｆｆ＿ｃｏｒｅ，ｎｅｆｆ＿ｕｎｄｅｒ−ｃｌａｄ，ｎｓｕｂは、空気、上クラッド層２１３、光導波路コア部２１２、第２の下クラッド層２１１ｂ、第１のクラッド層２１１ａの各媒質が１次横モード光を感じる実効屈折率を示している。
【００６３】
図９に示す具体例において、ハイメサ型光導波路２１０は、下記の（１）式のような条件を満たすように各部材を決定する。
【００６４】
ｎｅｆｆ＿ｕｎｄｅｒ−ｃｌａｄ＝ｎｅｆｆ＿ｕｐｐｅｒ−ｃｌａｄ＜ｎｓｕｂ＜ｎｅｆｆ−ｃｏｒｅ  （１）
すなわち、ハイメサ型光導波路２１０は、１次横モード光を感じる光導波路コア部２１２での実効屈折率ｎｅｆｆ＿ｃｏｒｅを、第１の下部クラッド層２１１ａでの実効屈折率ｎｓｕｂよりも大きくする。さらに（１）式の条件に加えて、ハイメサ型光導波路２１０は、２次横モード光を感じる光導波路コア部２１２での実効屈折率を、第１の下部クラッド層２１１ａでの実効屈折率よりも小さくする。
【００６５】
上記の実効屈折率となるような媒質を選択することで、マッハツェンダー型光変調器１は、ハイメサ型光導波路２１０を伝送する主要な信号成分である１次横モード光を光導波路コア部２１２に閉じ込め、主要な信号成分以外の２次横モード光を第１の下部クラッド層２１１ａ側に漏洩させて放出することができる。このようにして１次横モード光を光導波路コア部２１２に閉じ込め可能なので、マッハツェンダー型光変調器１では、Ｈｗ＝Ｈｍの条件を満たし、ハイメサ型光導波路２１０の第２の下部クラッド層２１１ｂのメサ深さを、ハイメサ型受動光導波路１０の第２の下部クラッド層１１ｂのメサ深さと同じ深さにしても、良好な光伝送特性を実現することが可能である。特に好ましくは、Ｈｗ＜Ｈｍの条件を満たし、第２の下部クラッド層２１１ｂのメサ深さを、第２の下部クラッド層１１ｂのメサ深さよりも深くすることでより良好な光伝送特定を実現することが可能となる。
【００６６】
また、他の変形例として、マッハツェンダー型光変調器１では、位相変化部２０が有するハイメサ型光導波路２１０の実効屈折率が、具体的には図１０に示すような関係となるようにしてもよい。図１０に示す具体例において、ハイメサ型光導波路２１０は、下記の（２）式のような条件を満たすように各部材を決定する。
【００６７】
ｎｅｆｆ＿ｕｎｄｅｒ−ｃｌａｄ＝ｎｅｆｆ＿ｕｐｐｅｒ−ｃｌａｄ＜ｎｅｆｆ−ｃｏｒｅ＜ｎｓｕｂ  （２）
すなわち、ハイメサ型光導波路２１０は、１次横モード光を感じる光導波路コア部２１２での実効屈折率ｎｅｆｆ−ｃｏｒｅを第１のクラッド層２１１ａでの実効屈折率ｎｓｕｂよりも小さくする。さらに（２）式の条件に加えて、ハイメサ型光導波路２１０は、２次横モード光を感じる光導波路コア部２１２での実効屈折率を第１のクラッド層２１１ａでの実効屈折率よりも小さくする。
【００６８】
上記の実効屈折率となるような媒質を選択した場合、マッハツェンダー型光変調器１は、１次横モード光を感じる光導波路コア部２１２での実効屈折率ｎｅｆｆ−ｃｏｒｅが第１のクラッド層２１１ａでの実効屈折率ｎｓｕｂよりも小さても、Ｈｗ＜Ｈｍの条件を満たすことで、すなわちハイメサ型光導波路２１０の第２の下部クラッド層２１１ｂのメサ深さを相対的に、第２の下部クラッド層１１ｂのメサ深さよりも深くすることで１次横モード光が半導体基板１ａ側に漏洩して放出されることを抑制して、ハイメサ型光導波路２１０の伝送損失をできるだけ抑制することができる。
【００６９】
また、他の変形例として、マッハツェンダー型光変調器１では、ハイメサ型光導波路２１０のメサ幅を、図１１に示すように、２次横モード光の光伝送損失が１次横モード光の光伝送損失よりも大きくなるようなメサ幅に設定してもよい。このようにしてメサ幅を設定することで、ハイメサ型光導波路２１０を伝送する主要な信号成分である１次横モード光を光導波路コア部２１２に閉じ込め、主要な信号成分以外の２次横モード光を光導波路コア部２１２の外部に漏洩させて放出することができる。
【００７０】
また、他の変形例として、マッハツェンダー型光変調器１は、図１２に示すように、ハイメサ型受動光導波路１０のメサ幅が、位相変化部２０との接続部３００に近づくにつれてハイメサ型光導波路２１０のメサ幅へ次第に狭くなっていくように形成してもよい。ここで、ハイメサ型光導波路では、メサ幅が急激に変化する部分が存在すると光が拡散することで伝送損失が悪くなる傾向にある。これに対して、図１２に示すように、ハイメサ型受動光導波路１０及びハイメサ型光導波路２１０の接続部３００のメサ幅を緩やかに変化させることで、接続部３００に発生する伝送損失を抑制することができる点で好ましい。
【００７１】
（４）他の適用例
本発明に係る光集積素子は、上述した光信号を変調するマッハツェンダー型光変調器１の用途に限定されず、例えば図１３に示すような光マトリクススイッチ２に適用することも可能である。図１３（Ａ）は、８入力で８出力のマトリクススイッチ２の全体構成を示す図である。また、図１３（Ｂ）は、マトリクススイッチ２を構成する光スイッチ部３を示す図である。
【００７２】
まず、光マトリクススイッチ２は、図１３（Ａ）に示すように、入出力数に応じた数（例えば２４個）の光スイッチ部３と、これら光スイッチ部３を接続するハイメサ型受動光導波路１０とを備える。このような構成からなる光マトリクススイッチ２では、例えば図１３（Ａ）の太線で示すように、合計で７個のスイッチ部３を介して光信号が伝送され、所望とする出力端子から出力される。
【００７３】
また、スイッチ部３は、図１３（Ｂ）に示すように、２つの位相変化部２０から構成されるマッハツェンダー型光変調器であって、入力端子３ａ、３ｂのうち一方の入力端子から入力した光を、２つの位相変化部２０で変調することで、出力端子３ｃ、３ｄのうち所望となる出力端子に光を出力する。このような機能を有するスイッチ部３においても、位相変化部２０が、ハイメサ型受動光導波路１０よりもメサ幅が狭いハイメサ型光導波路２１０を有する。
【００７４】
以上のような構成からなる光マトリクススイッチ２では、光ハイメサ型受動光導波路１０のメサ幅を相対的に幅広にすることで当該ハイメサ型受動光導波路１０を伝送する光伝送損失を抑えることができ、ハイメサ型光導波路２１０のメサ幅を比較的狭くして位相変化部２０の反射損失Ｓ１１を低くすることで効率良く光の位相を変化させることができる。
【００７５】
また、以上のような構成を有するマッハツェンダー型光変調器１及び光マトリクススイッチ２は、ハイメサ型受動光導波路１０のメサ幅に対してハイメサ型光導波路２１０の幅を比較的狭くすることでハイメサ型光導波路２１０の静電容量を小さくさせて、ハイメサ型導波路２１０を構成する位相変化部２０の特性インピーダンスが大きくなるように調整することができる。具体的には、例えば図１４に示すように、位相変化部２０に接続される駆動回路４の線路と直接インピーダンス整合を取ることができる。すなわち、位相変化部２０のインピーダンスをＺＭとし、位相変化部２０と駆動回路４との線間のインピーダンスをＺＬとし、駆動回路４のインピーダンスをＺ０とすると、容易にＺＭ≒ＺＬとすることができ、位相変化部２０の反射損失の低減などを図ることができる。
【００７６】
なお、本発明が適用された光集積素子は、上述した光信号を変調するマッハツェンダー型光変調器１や多入力多出力の光マトリクススイッチ２の用途に限定されるものではなく、ハイメサ型光導波路と、ハイメサ型光導波路を伝送する光の位相を変化させる位相変化部とを同一の半導体基板上に集積した光集積素子であれば、他の用途に適用可能であることはもちろんである。
【符号の説明】
【００７７】
１  マッハツェンダー型光変調器
１ａ  半導体基板
２  光マトリクススイッチ
１０  ハイメサ型受動光導波路
２０  位相変化部
２１０  ハイメサ型光導波路
【図１】
2014211581.tif 000003
【図２】
2014211581.tif 000004
【図３】
2014211581.tif 000005
【図４】
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【図５】
2014211581.tif 000007
【図６】
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【図７】
2014211581.tif 000009
【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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