(57)【要約】【課題】位置合わせされる２つの光導波路の幅方向の位置ズレを補償できる構造を有する半導体光導波路素子を提供する。【解決手段】第１導波路構造に１５おいて、基板１３の第２部分１３ｂにおいて第１２導波路メサ部２１ｇ及び第２２導波路メサ部２３ｇが第２軸Ａｘ２の方向に配列されるので、基板１３の第２部分１３ｂにおいて第１２導波路メサ部２１ｇが第２半導体層２３ａを介して第２２導波路メサ部２３ｇに光学的に結合される。光学的結合が、幅広の第１２導波路メサ部２１ｇ及び幅広の第２２導波路メサ部２３ｇにおいて成される。この結合構造においては、第１導波路構造１５の第１導波路メサ２１ｂと第２導波路構造１７の第２導波路メサ２３ｂとの間の位置ズレに起因する光結合の低減の増大を、幅広の第１２導波路メサ部２１ｇ及び第２２導波路メサ部２３ｇの結合長を調整することにより補償できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体光導波路素子であって、
第１軸の方向に配列された第１部分、第２部分及び第３部分を含み、前記第１軸の方向に延在する溝と該溝を規定する第１テラス及び第２テラスとを有する基板と、
前記基板の主面上に設けられた第１導波路構造と、
前記基板の前記主面上に設けられた第２導波路構造と、
を備え、
前記第１導波路構造は、前記基板の前記第１テラス及び前記第２テラスに支持された第１半導体層と、該第１半導体層上に設けられた第１導波路メサとを含み、
前記第２導波路構造は、前記第１導波路構造の第１テラス及び第２テラスに支持された第２半導体層と、該第２半導体層上に設けられた第２導波路メサとを含み、
前記第１導波路構造は、前記基板の前記第１部分、前記第２部分及び前記第３部分上にそれぞれ設けられた第１部分、第２部分及び第３部分を含み、
前記第２導波路構造は、前記第１導波路構造の前記第１部分及び前記第２部分上にそれぞれ設けられた第１部分及び第２部分を含み、
前記第１導波路構造の前記第１導波路メサは、前記基板の前記第２部分及び前記第３部分上にそれぞれ設けられた第１２導波路メサ部及び第１３導波路メサ部を含み、前記第１２導波路メサ部の幅は前記第１３導波路メサ部の幅より大きく、
前記第２導波路構造の前記第２導波路メサは、前記第１導波路構造の前記第１部分及び前記第２部分上にそれぞれ設けられた第２１導波路メサ部及び第２２導波路メサ部を含み、前記第２２導波路メサ部の幅は前記第２１導波路メサ部の幅より大きく、
前記基板の前記第２部分において、前記溝、前記第１２導波路メサ部及び前記第２２導波路メサ部は、前記基板の前記主面に交差する第２軸の方向に配列されている、半導体光導波路素子。
【請求項２】
前記第１導波路構造は前記基板に接合されており、
前記第２導波路構造は前記第１導波路構造に接合されており、
前記第１２導波路メサ部及び前記第２２導波路メサ部のいずか一方は端部を有する、請求項１に記載された半導体光導波路素子。
【請求項３】
前記第１導波路メサは、前記第１２導波路メサ部と前記第１３導波路メサ部との間に設けられた第１テーパ導波路部を含み、
前記第１２導波路メサ部は終端する、請求項１又は請求項２に記載された半導体光導波路素子。
【請求項４】
前記第２導波路メサは、前記第２１導波路メサ部と前記第２２導波路メサ部との間に設けられた第２テーパ導波路部を含み、
前記第２２導波路メサ部は終端する、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載された半導体光導波路素子。
【請求項５】
前記第１２導波路メサ部の幅は前記第２２導波路メサ部の幅に実質的に等しい、請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載された半導体光導波路素子。
【請求項６】
前記第１２導波路メサ部は前記第１導波路構造の前記第２部分の一端から他端まで延在し、
前記第２２導波路メサ部は前記第２導波路構造の前記第２部分の一端から他端まで延在し、
前記第１導波路構造の前記第２部分の長さは基準長より長く、
前記第２導波路構造の前記第２部分の長さは基準長より長く、
前記基準長は、前記第１軸及び前記第２軸に交差する第３軸の方向に関して前記第１導波路構造及び前記第２導波路構造の一方が他方に対して軸ずれしていないときに前記第１導波路構造及び前記第２導波路構造の一方から他方への光の透過率が１になる長さである、請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載された半導体光導波路素子。
【請求項７】
前記第１３導波路メサ部はシングルモード導波路であり、
前記第１２導波路メサ部は４μｍ以上である、請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載された半導体光導波路素子。
【請求項８】
前記第２１導波路メサ部はシングルモード導波路であり、
前記第２２導波路メサ部は４μｍ以上である、請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載された半導体光導波路素子。
【請求項９】
前記第１半導体層はＩｎＰを備え、
前記第１導波路メサは、光導波路のコアのためのＩｎＧａＡｓＰを備え、
前記第２半導体層はＩｎＰを備え、
前記第２導波路メサは光導波路のコアのためのＩｎＧａＡｓＰを備える、請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載された半導体光導波路素子。
【請求項１０】
半導体光導波路素子を作製する方法であって、
第１軸の方向に配置された第１部分、第２部分及び第３部分を含み、前記第１軸の方向に延在する溝と該溝を規定する第１テラス及び第２テラスとを有する支持基板を準備する工程と、
導波路構造のための第１半導体積層を第１基板上に備える第１エピタキシャル基板を準備する工程と、
前記第１エピタキシャル基板の前記第１半導体積層を前記支持基板の前記第１テラス及び前記第２テラスが支持するように、前記第１エピタキシャル基板の前記第１半導体積層を前記支持基板に接合する工程と、
前記第１エピタキシャル基板の前記第１半導体積層を前記支持基板に接合した後に、前記第１エピタキシャル基板から前記第１基板を除去する工程と、
前記第１エピタキシャル基板から前記第１基板を除去した後に、前記第１半導体積層を加工して、前記支持基板の前記第１テラス及び前記第２テラスに支持された第１半導体層と該第１半導体層上に設けられた第１導波路メサとを含む第１導波路構造を含む第１基板生産物を形成する工程と、
導波路構造のための第２半導体積層を第２基板上に備える第２エピタキシャル基板を準備する工程と、
前記第１導波路構造の第１テラス及び第２テラスに支持された第２半導体層と該第２半導体層上に設けられた第２導波路メサとを含む第２導波路構造を前記第２エピタキシャル基板から形成して、前記支持基板、前記第２導波路構造及び前記第２導波路構造の第２軸の方向に関する配列を形成する工程と、
を備え、
前記第２導波路構造は前記第２半導体積層から作製され、
前記第１導波路構造は、前記基板の前記第１部分、前記第２部分及び前記第３部分上にそれぞれ設けられた第１部分、第２部分及び第３部分を含み、
前記第２導波路構造は、前記第１導波路構造の前記第１部分及び前記第２部分上にそれぞれ設けられた第１部分及び第２部分を含み、
前記第１導波路構造の前記第１導波路メサは、前記基板の前記第２部分及び前記第３部分上にそれぞれ設けられた第１２導波路メサ部及び第１３導波路メサ部を含み、前記第１２導波路メサ部の幅は前記第１３導波路メサ部の幅より大きく、
前記第２導波路構造の前記第２導波路メサは、前記第１導波路構造の前記第１部分及び前記第２部分上にそれぞれ設けられた第２１導波路メサ部及び第２２導波路メサ部を含み、前記第２２導波路メサ部の幅は前記第２１導波路メサ部の幅より大きく、
前記第１導波路メサの前記第１２導波路メサ部の延在方向は、前記支持基板の前記第２部分において前記溝の延在方向に合わせされており、前記第２導波路メサの前記第２２導波路メサ部の延在方向は、前記第１導波路メサの前記第１２導波路メサ部の延在方向に合わせされている、半導体光導波路素子を作製する方法。
【請求項１１】
前記配列を形成する前記工程では、
前記第２エピタキシャル基板を加工して、前記第２導波路構造を含む第１半導体生産物を形成する工程と、
前記第１半導体生産物を支持体に固定して、第２半導体生産物を形成する工程と、
前記第２半導体生産物から前記第２基板を除去して前記第２半導体層を露出させて、第３半導体生産物を形成する工程と、
前記第３半導体生産物の前記第２半導体層が前記第１導波路構造の前記第１テラス及び前記第２テラスに支持されるように、前記第２導波路構造を前記第１導波路構造に貼り合わせて、第３基板生産物を形成する工程と、
前記第３基板生産物から前記支持体を除去する工程と、
を含み、
前記第１２導波路メサ部及び前記第２２導波路メサ部のいずか一方は端部を有する、請求項１０に記載された半導体光導波路素子を作製する方法。
【請求項１２】
前記第１２導波路メサ部及び前記第２２導波路メサ部の長さに関して、基準長を見積もる工程を更に備え、
前記基準長は、前記第１軸及び前記第２軸に交差する第３軸の方向に関して前記第１導波路構造及び前記第２導波路構造の一方が他方に対して軸ずれしていないときに前記第１導波路構造及び前記第２導波路構造の一方から他方への光の透過率が１になる長さであり、
前記第１２導波路メサ部及び前記第２２導波路メサ部の長さは基準長より長い、請求項１０又は請求項１１に記載された半導体光導波路素子を作製する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体光導波路素子、及び半導体光導波路素子を作製する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
非特許文献１は、ＳＯＩ導波路に光学結合した光変調器を開示する。この光変調器は以下のように形成される。ＳＯＩ基板上に受動型の導波路構造を形成する。この導波路構造の形成の後に、接合法を用いてＩｎＰ系エピタキシャル層を当該基板上にＳＯＩ基板上に移載する。そして、下側のＳＯＩ導波路と光学結合を成すように、導波路構造の加工、電極形成等を行って光変調器を形成する。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】Optics  express  Vol.19,  No.7,  p5811,  28  March  2011
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
受動型の光導波路構造が形成された半導体基板の上に、接合方法を用いて、機能素子を構成する半導体エピ層構造を形成する。その後、フォトリソグラフィーの法を用いて下の光導波路構造に位置合わせして、機能素子を構成する光導波路素子構造を形成する。
【０００５】
上記のように、接合方法を利用して、積み立て構造（例えば２階立て構造）の光機能素子を構成する。１階部分に相当する光導波路と、２階部分の相当する光導波路構造との光学結合を実現するために、縦型の光方向性結合器構造を形成する。
【０００６】
非特許文献１の方法では、光導波路構造を形成した半導体基板に半導体エピタキシャル層を接合により移設する。この後に、エピタキシャル層に加工を施す。
【０００７】
非特許文献１に記載されたような作製方法と異なる作製方法もある。非特許文献１の方法に代わる方法では、あらかじめ光導波路としての加工が施された２つのエピタキシャル積層片を互いに接合する。この方法により、非特許文献１と同様な構造を有する光機能素子を構成できる。ところが、この方法によれば、１枚のエピタキシャル基板にあらかじめ加工を行って光導波路を形成したエピタキシャル積層を含む半導体片を準備すると共にこの半導体片を複数の光導波路構造を形成した導体基板に接合していく手法を採用できるようになる。この手法によれば、光導波路構造を含む半導体基板ごとに行なわなくてはならなかった工程（エピタキシャル基板上に光導波路を形成する工程）を一括して行なえる。このため、製作工程を効率化できる。しかし、このような方法はこれまで取られてこなかった。その理由は以下の通りである。
【０００８】
高い屈折率のコア層となる半導体層を低い屈折率のクラッド層で挟み込んだ半導体構造をメサストライプ又はリッジストライプ状に加工した半導体光導波路においては、縦型の光方向性結合器構造のための光導波路として、基本モードを安定して伝搬できる程度の狭いストライプ幅の光導波路を用いる。例えば、現在の光通信に用いられる光波長のために、２μｍ以下の光導波路幅が用いられる。
【０００９】
２μｍ幅の半導体光導波路を導波路の幅方向の中心が一致するように上下に重ねて、光方向性結合器を構成する。しかしながら、上下に重ねる際に半導体光導波路の幅方向の中心に位置ズレが生じると、光導波路間における光透過の割合（透過率）が減少する。この割合は、幅２μｍの半導体光導波路同士を重ね合わせる場合、位置ズレ０．４μｍで約５％であり、位置ズレ０．６μｍで約２０％となり、位置ズレ１μｍでは約７５％に達する。ステッパ装置によるフォトリソグラフィーを使用する場合には、０．４μｍ以下の位置ズレを達成できるけれども、ウエハ同士もしくはウエハと半導体片を接合する装置を用いる作製工程では、位置ズレを１μｍ以下に抑えることは容易ではない。これ故に、ステッパ装置によるフォトリソグラフィー程度の高い精度を求める位置合わせは、接合のスループットを低下させる。
【００１０】
本発明は、上記の経緯を鑑みて為されたものであり、位置合わせされる２つの光導波路の幅方向の位置ズレを補償できる構造を有する半導体光導波路素子を提供することを目的とする。また、本発明は、この半導体光導波路素子を作製する方法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】
【００１１】
本発明に係る半導体光導波路素子は、（ａ）第１軸の方向に配列された第１部分、第２部分及び第３部分を含み、前記第１軸の方向に延在する溝と該溝を規定する第１テラス及び第２テラスとを有する基板と、（ｂ）前記基板の主面上に設けられた第１導波路構造と、（ｃ）前記基板の前記主面上に設けられた第２導波路構造とを備える。前記第１導波路構造は、前記基板の前記第１テラス及び前記第２テラスに支持された第１半導体層と、該第１半導体層上に設けられた第１導波路メサとを含み、前記第２導波路構造は、前記第１導波路構造の前記第１テラス及び前記第２テラスに支持された第２半導体層と、該第２半導体層上に設けられた第２導波路メサとを含み、前記第１導波路構造は、前記基板の前記第１部分、前記第２部分及び前記第３部分上にそれぞれ設けられた第１部分、第２部分及び第３部分を含み、前記第２導波路構造は、前記第１導波路構造の前記第１部分及び前記第２部分上にそれぞれ設けられた第１部分及び第２部分を含み、前記第１導波路構造の前記第１導波路メサは、前記基板の前記第２部分及び前記第３部分上にそれぞれ設けられた第１２導波路メサ部及び第１３導波路メサ部を含み、前記第１２導波路メサ部の幅は前記第１３導波路メサ部の幅より大きく、前記第２導波路構造の前記第２導波路メサは、前記第１導波路構造の前記第１部分及び前記第２部分上にそれぞれ設けられた第２１導波路メサ部及び第２２導波路メサ部を含み、前記第２２導波路メサ部の幅は前記第２１導波路メサ部の幅より大きく、前記基板の前記第２部分において、前記溝、前記第１２導波路メサ部及び前記第２２導波路メサ部は、前記基板の前記主面に交差する第２軸の方向に配列されている。
【００１２】
この半導体光導波路素子によれば、第１導波路構造の第１導波路メサが、基板の溝に位置合わせされると共に第２導波路構造の第２導波路メサが第１導波路構造の第１導波路メサに位置合わせされる。第１導波路構造において第１２導波路メサ部の幅が第１３導波路メサ部の幅より大きいと共に、第２導波路構造において第２２導波路メサ部の幅が第２１導波路メサ部の幅より大きい。また、基板の第２部分において第１２導波路メサ部及び第２２導波路メサ部が第２軸の方向に配列されるので、基板の第２部分において第１２導波路メサ部が第２半導体層を介して第２２導波路メサ部に光学的に結合される。この結合構造においては、光学的結合が、幅広の第１２導波路メサ部及び第２２導波路メサ部において為されるので、第１導波路構造の第１導波路メサと第２導波路構造の第２導波路メサとの間の位置ズレに起因する光結合の低減の増大を、幅広の第１２導波路メサ部及び第２２導波路メサ部の結合長を調整することにより補償できる。
【００１３】
さらに、この光結合構造においては、第２導波路構造を第１導波路構造の第１テラス及び第２テラスに支持する構造において第１導波路構造の第１導波路メサと第２導波路構造の第２導波路メサとの位置ズレのマージンを拡大できる。
【００１４】
本発明に係る半導体光導波路素子では、前記第１導波路構造は前記基板に接合されており、前記第２導波路構造は前記第１導波路構造に接合されていることが好ましい。この半導体光導波路素子によれば、第１導波路構造を基板に接合すること、及び第２導波路構造を第１導波路構造に接合することにより作製可能である。
【００１５】
本発明に係る半導体光導波路素子では、前記第１導波路メサは、前記第１２導波路メサ部と前記第１３導波路メサ部との間に設けられた第１テーパ導波路部を含み、前記第１２導波路メサ部は終端することが好ましい。この半導体光導波路素子によれば、第１テーパ導波路部は第１２導波路メサ部の基底導波モードと第１３導波路メサ部の基底導波モードとを断熱的に結合させることができる。
【００１６】
本発明に係る半導体光導波路素子では、前記第２導波路メサは、記第２１導波路メサ部と前記第２２導波路メサ部との間に設けられた第２テーパ導波路部を含み、前記第１２導波路メサ部は終端することが好ましい。この半導体光導波路素子によれば、第２テーパ導波路部は第２２導波路メサ部の基底導波モードと第２１導波路メサ部の基底導波モードとを断熱的に結合させることができる。
【００１７】
本発明に係る半導体光導波路素子では、前記第１２導波路メサ部は前記第１導波路構造の前記第２部分の一端から他端まで延在し、前記第２２導波路メサ部は前記第２導波路構造の前記第２部分の一端から他端まで延在し、前記基板の前記第２部分の長さは基準長より長いことが好ましい。前記基準長は、前記第１軸及び前記第２軸に交差する第３軸の方向に関して前記第１導波路構造及び前記第２導波路構造の一方が他方に対して軸ずれしていないときに前記第１導波路構造及び前記第２導波路構造の一方から他方への光の透過率が１になる長さである。
【００１８】
この半導体光導波路素子によれば、基板の第２部分の長さを基準長より長くすることによって、第１２導波路メサ部と第２２導波路メサ部との結合長の調整により、第３軸の方向の位置合わせズレによる透過率の変化幅を第１軸方向に係る結合長により低減できる。
【００１９】
本発明に係る半導体光導波路素子では、前記第１３導波路メサ部はシングルモード導波路であり、前記第１２導波路メサ部は４μｍ以上であることが好ましい。この半導体光導波路素子によれば、幅広の導波路部における光結合を行うので、第１導波路構造の第１導波路メサと第２導波路構造の第２導波路メサとの間の目合わせズレを相対的に緩和できる。
【００２０】
本発明に係る半導体光導波路素子では、前記第２３導波路メサ部はシングルモード導波路であり、前記第２２導波路メサ部は４μｍ以上であることが好ましい。この半導体光導波路素子によれば、幅広の導波路部における光結合を行うので、第１導波路構造の第１導波路メサと第２導波路構造の第２導波路メサとの間の目合わせズレを相対的に緩和できる。
【００２１】
本発明に係る半導体光導波路素子では、前記第２２導波路メサ部の導波路幅は前記第１２導波路メサ部の導波路幅に実質的に等しいことが好ましい。この半導体光導波路素子によれば、第１２導波路メサ部及び第２２導波路メサ部の一方から他方への効率的な光伝搬を可能にする。
【００２２】
本発明に係る半導体光導波路素子では、前記第１半導体層はＩｎＰを備え、前記第１導波路メサは光導波路のコアのためのＩｎＧａＡｓＰを備え、前記第２半導体層はＩｎＰを備え、前記第２導波路メサは光導波路のコアのためのＩｎＧａＡｓＰを備えることができる。この半導体光導波路素子によれば、第２軸の方向に係る屈折率分布に関しては、第２半導体層におけるＩｎＰ層が、第１導波路メサの光導波路コアと第２導波路メサの光導波路コアとを光学的に分離すると共に光学的に結合させる。
【００２３】
本発明に係る発明は半導体光導波路素子を作製する方法に係る。この作製方法は、（ａ）第１軸の方向に配置された第１部分、第２部分及び第３部分を含み、前記第１方向に延在する溝と該溝を規定する第１テラス及び第２テラスとを有する支持基板を準備する工程と、（ｂ）導波路構造のための第１半導体積層を第１基板上に備える第１エピタキシャル基板を準備する工程と、（ｃ）前記第１エピタキシャル基板の前記第１半導体積層を前記支持基板の前記第１テラス及び前記第２テラスが支持するように、前記第１エピタキシャル基板の前記第１半導体積層を前記基板に接合する工程と、（ｄ）前記第１エピタキシャル基板の前記第１半導体積層を前記支持基板に接合した後に、前記第１エピタキシャル基板から前記第１基板を除去する工程と、（ｅ）前記第１エピタキシャル基板から前記第１基板を除去した後に、前記第１半導体積層を加工して、前記支持基板の前記第１テラス及び前記第２テラスに支持された第１半導体層と該第１半導体層上に設けられた第１導波路メサとを含む第１導波路構造を含む第１基板生産物を形成する工程と、（ｆ）導波路構造のための第２半導体積層を第２基板上に備える第２エピタキシャル基板を準備する工程と、（ｇ）前記第１導波路構造の前記第１テラス及び前記第２テラスに支持された第２半導体層と該第２半導体層上に設けられた第２導波路メサとを含む第２導波路構造を前記第２エピタキシャル基板から形成する工程とを備える。前記第２導波路構造は前記第２半導体積層から作製され、前記第１導波路構造は、前記基板の前記第１部分、前記第２部分及び前記第３部分上にそれぞれ設けられた第１部分、第２部分及び第３部分を含み、前記第２導波路構造は、前記第１導波路構造の前記第１部分及び前記第２部分上にそれぞれ設けられた第１部分及び第２部分を含み、前記第１導波路構造の前記第１導波路メサは、前記基板の前記第２部分及び前記第３部分上にそれぞれ設けられた第１２導波路メサ部及び第１３導波路メサ部を含み、前記第１２導波路メサ部の幅は前記第１３導波路メサ部の幅より大きく、前記第２導波路構造の前記第２導波路メサは、前記第１導波路構造の前記第１部分及び前記第２部分上にそれぞれ設けられた第２１導波路メサ部及び第２２導波路メサ部を含み、前記第２２導波路メサ部の幅は前記第２１導波路メサ部の幅より大きく、前記第１導波路メサの前記第１２導波路メサ部の延在方向は、前記基板の前記第２部分において前記溝の延在方向に合わせされており、前記第２導波路メサの前記第２２導波路メサ部の延在方向は、前記第１導波路メサの前記第１２導波路メサ部の延在方向に合わせされている。
【００２４】
本発明に係る作製方法では、前記第２導波路構造を前記第２エピタキシャル基板から形成する前記工程は、前記第２エピタキシャル基板を加工して、前記第２導波路構造を含む第１半導体生産物を形成する工程と、前記第１半導体生産物の前記第２導波路構造上に支持体を固定して、第２半導体生産物を形成する工程と、前記第２半導体生産物から前記第２基板を除去して前記第２半導体層を露出させて、第３半導体生産物を形成する工程と、前記第３半導体生産物の前記第２半導体層が前記第１導波路構造の前記第１テラス及び前記第２テラスに支持されるように、前記第２導波路構造を前記第１導波路構造に貼り合わせて、第３基板生産物を形成する工程と、前記第３基板生産物から前記支持体を除去する工程と、を含むことができる。前記第１２導波路メサ部及び前記第２２導波路メサ部のいずか一方は端部を有することができる。
【００２５】
本発明に係る作製方法は、前記第１２導波路メサ部及び前記第２２導波路メサ部の長さに関して、基準長を見積もる工程を更に備えることができる。前記基準長は、前記第１軸及び前記第２軸に交差する第３軸の方向に関して前記第１導波路構造及び前記第２導波路構造の一方が他方に対して軸ずれしていないときに前記第１導波路構造及び前記第２導波路構造の一方から他方への光の透過率が１になる長さであり、前記第１２導波路メサ部及び前記第２２導波路メサ部の長さは基準長より長い。
【００２６】
本発明の上記の目的および他の目的、特徴、並びに利点は、添付図面を参照して進められる本発明の好適な実施の形態の以下の詳細な記述から、より容易に明らかになる。
【発明の効果】
【００２７】
以上説明したように、本発明によれば、位置合わせされる２つの光導波路の幅方向の位置ズレを補償できる構造を有する半導体光導波路素子を提供できる。また、本発明によれば、この半導体光導波路素子を作製する方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】図１は、本実施の形態における半導体光導波路素子の構造を模試的に示す図面である。
【図２】図２は、本実施の形態における半導体光導波路素子の構造を模試的に示す図面である。
【図３】図３は、層構造及び導波路幅が共に同じである２つの導波路構造体を上下に重ね合わせて構成された光方向性結合器を示す図面である。
【図４】図４は、規格化結合長と透過率との関係を示す図面である。
【図５】図５は、結合係数の成分κ（垂直）及び成分κ（水平）に係る光結合を示す図面である。
【図６】図６、導波路オフセット割合と、透過率１となる規格化導波路長との関係を示す図面である。
【図７】図７は、導波路オフセット割合と、結合係数κ（水平）との関係を示す図面である。
【図８】図８は、導波路オフセット割合と、透過率の関係を示す図面である。
【図９】図９は、いくつかの導波路オフセット割合に関して、規格化導波路長と、透過率との関係を示す図面である。
【図１０】図１０は、いくつかの結合長に関して、導波路オフセット割合と、透過率との関係を示す図面である。
【図１１】図１１は、半導体光導波路素子を作製する方法おける主要な工程を示す図面である。
【図１２】図１２は、半導体光導波路素子を作製する方法おける主要な工程を示す図面である。
【図１３】図１３は、半導体光導波路素子を作製する方法おける主要な工程を示す図面である。
【図１４】図１４は、半導体光導波路素子を作製する方法おける主要な工程を示す図面である。
【図１５】図１５は、半導体光導波路素子を作製する方法おける主要な工程を示す図面である。
【図１６】図１６は、半導体光導波路素子を作製する方法おける主要な工程を示す図面である。
【図１７】図１７は、いくつかの幅広の導波路に関して、結合係数と透過率との関係を示す図面である。
【図１８】図１８は、導波路幅とオフセット割合ゼロのときの結合長との関係を示す図面である。
【図１９】図１９は、本実施の形態に係る半導体光導波路素子を作製する方法における主要な工程を示す図面である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、本発明の半導体光導波路素子、及び半導体光導波路素子を作製する方法に係る実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。
【００３０】
図１は、本実施の形態における半導体光導波路素子の構造を模試的に示す図面である。図２は、本実施の形態における半導体光導波路素子の構造を模試的に示す図面である。半導体光導波路素子１１の構成部材は大きく分けて部材Ａ、部材Ｂ及び部材Ｃを備える。
【００３１】
半導体光導波路素子１１は基板１３を備える。基板１３は第１部分１３ａ、第２部分１３ｂ及び第３部分１３ｃを含み、第１部分１３ａ〜第３部分１３ｃは第１軸Ａｘ１の方向に配列されている。基板１３は、第１軸Ａｘ１の方向に延在する溝１９ａと該溝１９ａを規定する第１テラス１９ｂ及び第２テラス１９ｃとを有する。
【００３２】
半導体光導波路素子１１は第１導波路構造１５を備え、第１導波路構造１５は基板１３の主面１３ｄ上に設けられる。第１導波路構造１５は、基板１１の第１部分１３ａ、第２部分１３ｂ及び第３部分１３ｃ上にそれぞれ設けられた第１部分１５ａ、第２部分１５ｂ及び第３部分１５ｃを含む。第１導波路構造１５は、第１半導体層２１ａ、第１導波路メサ２１ｂ、第１テラス２１ｃ及び第２テラス２１ｄを含む。第１半導体層２１ａは、基板１１の第１テラス１９ｂ及び第２テラス１９ｃに支持される。第１導波路メサ２１ｂは第１半導体層２１ａ上に設けられる。第１テラス２１ｃ及び第１導波路メサ２１ｂは第１溝２１ｅを規定し、第２テラス２１ｄ及び第１導波路メサ２１ｂは第２溝２１ｆを規定する。本実施例では、第１部分１５ａでは、溝２１ｅ及び溝２１ｆが合体して単一の溝になる。第２部分１５ｂ及び第３部分１５ｃにおいて、第１溝２１ｅ及び第２溝２１ｆは第１導波路メサ２１ｂを規定する。
【００３３】
第１導波路構造１５の第１導波路メサ２１ｂは第１２導波路メサ部２１g及び第１３導波路メサ部２１hを含み、第１２導波路メサ部２１ｇ及び第１３導波路メサ部２１ｈは基板１３の第２部分１３ｂ（１５ｂ）及び第３部分１３ｃ（１５ｃ）上にそれぞれ設けられる。第１２導波路メサ部２１ｇの導波路幅は第１３導波路メサ部２１ｈの導波路幅より大きい。第１２導波路メサ部２１ｇは第１３導波路メサ部２１ｈに光学的に結合されている。第１２導波路メサ部２１ｇの幅ＷＧ１（Ｗ）は第１３導波路メサ部２１ｈの幅ＷＧ１（Ｎ）より大きい。第１２導波路メサ部２１ｇは第１軸Ａｘ１の方向に直線的に延在し、第１３導波路メサ部２１ｈは第１軸Ａｘ１の方向に延在する部分を含むことができる。
【００３４】
半導体光導波路素子１１は第２導波路構造１７を備え、第２導波路構造１７は基板１３の主面１３ｄの上に設けられる。第２導波路構造１７は、第１導波路構造１５の第１部分１５ａ（第１部分１３ａ）及び第２部分１５ｂ（第２部分１３ｂ）上にそれぞれ設けられた第１部分１７ａ及び第２部分１７ｂを含み、必要な場合には、第１導波路構造１５の第３部分１５ｃ（第３部分１３ｃ）上に設けられた第３部分１７ｃを含むことができる。第２導波路構造１７は、第１導波路構造１５の第１テラス２１ｃ及び第２テラス２１ｄに支持された第２半導体層２３ａと、第２半導体層２３ａ上に設けられた第２導波路メ２３ｂと、第１テラス２３ｃ及び第２テラス２３ｄとを含む。第１テラス２３ｃ及び第２導波路メサ２３ｂは第１溝２３ｅを規定し、第２テラス２３ｄ及び第１導波路メサ２３ｂは第２溝２３ｆを規定する。第１溝２３ｅ及び第２溝２３ｆは第１導波路メサ２３ｂを規定する。第２導波路構造１７の第２導波路メサ２３ｂは第２１導波路メサ部２３ｈ及び第２２導波路メサ部２３ｇを含み、第２１導波路メサ部２３ｈ及び第２２導波路メサ部２３ｇは、それぞれ、第１導波路構造１５の第１部分１５ａ（１７ａ）及び第２部分１５ｂ（１７ｂ）上に設けられる。第２２導波路メサ部２３ｇは第２１導波路メサ部２３ｈに光学的に結合される。第２２導波路メサ部２３ｇの幅ＷＧ２（Ｗ）は第２１導波路メサ部２３ｈの幅ＷＧ２（Ｎ）より大きい。第２２導波路メサ部２３ｇは第１軸Ａｘ１の方向に直線的に延在し、第１３導波路メサ部２３ｈは第１軸Ａｘ１の方向に延在する部分を含むことができる。
【００３５】
基板１３の第２部分１３ｂにおいて、溝１９ａ、第１２導波路メサ部２１ｇ及び第２２導波路メサ部２３ｇが基板１３の主面１３ｄに交差する第２軸Ａｘ２の方向に配列されている。
【００３６】
この半導体光導波路素子１１によれば、第１導波路構造１５の第１導波路メサ２１ｂは、基板１３の溝１９ａに位置合わせされると共に第２導波路構造１７の第２導波路メサ２３ｂは第１導波路構造１５の第１導波路メサ２１ｂに位置合わせされる。第１導波路構造に１５おいて第１２導波路メサ部２１ｇの幅が第１３導波路メサ部２１ｈの幅より大きいと共に、第２導波路構造１７において第２２導波路メサ部２３ｇの幅が第２１導波路メサ部２３ｈの幅より大きい。また、基板１３の第２部分１３ｂにおいて第１２導波路メサ部２１ｇ及び第２２導波路メサ部２３ｇが第２軸Ａｘ２の方向に配列されるので、基板１３の第２部分１３ｂ上において第１２導波路メサ部２１ｇが第２半導体層２３ａを介して第２２導波路メサ部２３ｇに光学的に結合される。この結合構造においては、光学的結合が、幅広の第１２導波路メサ部２１ｇ及び幅広の第２２導波路メサ部２３ｇにおいて為されるので、第２導波路構造１７を第１導波路構造１５の第１テラス２１ｃ及び第２テラス２１ｄに支持する構造において第１導波路構造１５の第１導波路メサ２１ｂと第２導波路構造２３の第２導波路メサ２３ｂとの位置ズレのマージンを拡大できる。
【００３７】
さらに、この光結合構造においては、第１導波路構造１５の第１導波路メサ２１ｂと第２導波路構造１７の第２導波路メサ２３ｂとの間の位置ズレに起因する光結合の変化幅を、幅広の第１２導波路メサ部２１ｇ及び第２２導波路メサ部２３ｇの結合長を長くすることにより調整できる。
【００３８】
半導体光導波路素子１１では、第１導波路構造１５は基板１３の主面１３ｄに接合Ｊ１を成しており、第２導波路構造１７は第１導波路構造１５の主面１５ｄに接合Ｊ２を成している。矢印ＡＲ１に従って第１導波路構造１５を基板１３に接合すること、及び矢印ＡＲ２に従って第２導波路構造１７を第１導波路構造１５に接合することにより作製可能である。
【００３９】
半導体光導波路素子１１が方向性結合器であるときは、第１２導波路メサ部２１ｇ及び第２２導波路メサ部２３ｇのいずか一方は端部を有する。本実施例では、第１２導波路メサ部２１ｇ及び第２２導波路メサ部２３ｇの両方が端部２１ｊ、２３ｊを有する。第１２導波路メサ部２１ｇ及び第２２導波路メサ部２３ｇが終端しないときは、第１２導波路メサ部２１ｇ及び第２２導波路メサ部２３ｇの間の光学的結合を避けるために、第２軸Ａｘ２に係る重なりを形成しないように、第１２導波路メサ部２１ｇ及び第２２導波路メサ部２３ｇのいずれか一方又は両方が、曲がり導波路を構成することができる。
【００４０】
第１導波路メサ２１ｂは第１２導波路メサ部２１ｇと第１３導波路メサ部２１ｈとの間に設けられた第１テーパ導波路部２１ｉを含むことができる。この半導体光導波路素子１１によれば、第１テーパ導波路部２１ｉは第１２導波路メサ部２１ｇの基底導波モードと第１３導波路メサ部２１ｈの基底導波モードとを断熱的に結合させることができる。また、第１２導波路メサ部は終端することが好ましい。第１テーパ導波路部２１ｉの幅は第１３導波路メサ部２１ｈから第１２導波路メサ部２１ｇへの方向に単調に変化している。より具体的には、第１テーパ導波路部２１ｉは、第１３導波路メサ部２１ｈに接続される一端と、第１２導波路メサ部２１ｇに接続される他端とを有する。第１テーパ導波路部２１ｉの一端は第１３導波路メサ部２１ｈの導波路幅に実質的に等しい導波路幅を有し、また第１テーパ導波路部２１ｉの他端は第１２波路メサ部２１ｇの導波路幅に実質的に等しい導波路幅を有する。好適な実施例では、第１テーパ導波路部２１ｉは、その一端から他端への方向に単調に増加する。
【００４１】
また、第２導波路メサ２３ｂは、第２１導波路メサ部２３ｈと第２２導波路メサ部２３ｇとの間に設けられた第２テーパ導波路部２３ｉを含む。第２テーパ導波路部２３ｉは第２２導波路メサ部２３ｇの基底導波モードと第２１導波路メサ部２３ｈの基底導波モードとを断熱的に結合させることができる。第１２導波路メサ部は終端することが好ましい。
【００４２】
第２テーパ導波路部２３ｉの幅は第２１導波路メサ部２３ｈから第２２導波路メサ部２３ｇへの方向に単調に変化している。より具体的には、第２テーパ導波路部２３ｉは、第２１導波路メサ部２３ｈに接続される一端と、第２２導波路メサ部２３ｇに接続される他端とを有する。第２テーパ導波路部２３ｉの一端は第２１導波路メサ部２３ｈの導波路幅に実質的に等しい導波路幅を有し、また第２テーパ導波路部２３ｉの他端は第２２導波路メサ部２３ｇの導波路幅に実質的に等しい導波路幅を有する。好適な実施例では、第２テーパ導波路部２３ｉは、その一端から他端への方向に単調に増加する。
【００４３】
半導体光導波路素子１１に係る好適な実施例では、第１２導波路メサ部２１ｇは第１導波路構造１５の第２部分１５ｂの一端から他端までの全体にわたって延在し、第２２導波路メサ部２３ｇは第２導波路構造１７の第２部分１７ｂ（１３ｂ、１５ｂ）の一端から他端までの全体にわたって延在する。基板１３の第２部分１３ｂの長さは基準長より長く、この基準長は、第１軸Ａｘ１及び第２軸Ａｘ２に交差する第３軸Ａｘ３の方向に関して、第１導波路構造１５及び第２導波路構造１７の一方が他方に対して軸ずれしていないときに、第１導波路構造１５及び第２導波路構造１７の、一方から他方への光の透過率が１になる長さであることが好ましい。この半導体光導波路素子によれば、基板１３の第２部分１３ｂ（１５ｂ、１７ｂ）の長さを基準長より長くすることによって、第１２導波路メサ部２１ｇと第２２導波路メサ部２３ｇとの結合長の調整により、第３軸Ａｘ３の方向の位置合わせズレによる透過率の低下を第１軸Ａｘ１の方向に係る結合長の増加により補うことができる。
【００４４】
第１３導波路メサ部２１ｈはシングルモード導波路であり、第１２導波路メサ部２１ｇの幅は４μｍ以上であることが好ましく、このとき、幅広の導波路部における光結合を行うので、第１導波路構造１５の第１導波路メサ２１ｂと第２導波路構造１７の第２導波路メサ２３ｂとの間の目合わせズレを相対的に緩和できる。但し、第１２導波路メサ部２１の幅が広すぎると、構造上の摂動がある場合に第１２導波路メサ部２１を伝搬する光モードを単峰性に保つことが難しくなるため、第１２導波路メサ部２１ｇは１０μｍ以下であることが好ましい。
【００４５】
また、第２３導波路メサ部２３ｈはシングルモード導波路であり、第２２導波路メサ部２３ｇは４μｍ以上であることが好ましく、このとき、幅広の導波路部における光結合を行うので、第１導波路構造１５の第１導波路メサ２１ｂと第２導波路構造１７の第２導波路メサ２３ｂとの間の目合わせズレを相対的に緩和できる。但し、第１２導波路メサ部２１の幅が広すぎると、構造上の摂動がある場合に第１２導波路メサ部２１を伝搬する光モードを単峰性に保つことが難しくなるため、第２３導波路メサ部２１ｇは１０μｍ以下であることが好ましい。
【００４６】
より好ましくは、第２２導波路メサ部２１ｇの導波路幅が第１２導波路メサ部２３ｇの導波路幅に実質的に等しいとき、第１２導波路メサ部２１ｇ及び第２２導波路メサ部２３ｇの一方から他方への効率的な光伝搬を可能にする。各々の導波路を伝搬する光の伝搬定数が同一となるためである。
【００４７】
半導体光導波路素子１１では、第１半導体層２１ａは例えばＩｎＰを備えることができる。第１導波路メサ２１ｂは、例えば光導波路のためのＩｎＧａＡｓＰコア層及びこれを挟むＩｎＰクラッド層を備えることができる。第２半導体層２３aは例えばＩｎＰを備えることができる。第２導波路メサ２３ｂは、例えば光導波路のためのＩｎＧａＡｓＰコア層及びこれを挟むＩｎＰクラッド層を備えることができる。この積層構造によれば、第２軸Ａｘ２の方向に係る屈折率分布に関しては、第２半導体層２３ａにおけるＩｎＰ層が、第１導波路メサ２１ｂの光導波路コアと第２導波路メサ２３ｂの光導波路コアとを光学的に分離すると共に光学的に結合させることができる。
【００４８】
本実施の形態における好適な実施例に係る半導体光導波路素子は、モード形状が単峰性のモードが安定して伝搬するような狭い光導波路幅を有する光導波路と、これより広い導波路幅を有する光導波路を含む複合光導波路構造を採用する。この複合光導波路構造では、これら幅の異なる光導波路を連続的に（または階段状に）光導波路幅が変化する光導波路で連結することが好ましい。
【００４９】
複合光導波路構造を、基板上に設けられる第１光導波路構造１５とこの上に貼り合わせられる第２光導波路構造１７の双方に適用する。複合光導波路構造では、広い導波路幅を有する方向性結合器を構成する光導波路部分を互いに光学的に結合させ、一方の光導波路から他方の光導波路に光が伝達される。
【００５０】
再び図２を参照すると、半導体光導波路素子の構成部材は大きく分けて部材Ａ、部材Ｂ及び部材Ｃを備える。
【００５１】
部材Ａは、例えばＳｉ基板に加工を施して溝を形成した支持基板である。
【００５２】
部材Ｂは、例えばＩｎＰ系半導体のエピタキシャル積層（２つのクラッド層と該クラッド層の間に設けられるコア層とを含む積層体）に、リッジ状又はメサ状の構造物を加工により作製した導波路構造体である。下側の導波路構造体１５は、シングルモード光導波路のための半導体メサ及びテーパ形状に幅を変化させたテーパ導波路のための半導体メサとこれらのメサ形状を規定する一対の溝とを含む第３部分１５ｃ、シングルモード光導波路よりも広い幅の光導波路のための半導体メサとこのメサ形状を規定する一対の溝とを含む第２部分１５ｂ、及び半導体メサを含むことなく一対の溝の合体により構成される単一溝を含む第１部分１５aを含む。第3部分１５cにおける半導体メサ及び第２部分１５ｂにおける半導体メサは第１軸Ａｘ１の方向に延在し、第3部分１５c及び第２部分１５ｂにおける一対の溝と第1部分１５aにおける単一の溝も第１軸Ａｘ１の方向に延在する。第1部分１５aにおける単一の溝により、第２部分１５ｂにおける半導体メサ２１ｇは、第3部分１５cにおける半導体メサ２１ｈ、２１ｉに接続される一端と、終端する他端とを含む。
【００５３】
部材Ｃは、例えばＩｎＰ系半導体のエピタキシャル積層（２つのクラッド層と該クラッド層の間に設けられるコア層とを含む積層体）に、リッジ状又はメサ状の構造物を加工により作製した導波路構造体である。上側の導波路構造体１７は、シングルモード光導波路のための半導体メサ及びテーパ形状に幅を変化させたテーパ導波路のための半導体メサとこれらのメサ形状を規定する一対の溝とを含む第1部分１７a、シングルモード光導波路よりも広い幅の光導波路のための半導体メサとこのメサ形状を規定する一対の溝とを含む第２部分１７ｂ、及び半導体メサを含むことなく一対の溝の合体により構成される単一溝を含む第3部分１７ｃを含む。第1部分１７aにおける半導体メサ及び第２部分１７ｂにおける半導体メサは第１軸Ａｘ１の方向に延在し、第２部分１７ｂ及び第1部分１７aにおける一対の溝と第3部分１７cにおける単一の溝も第１軸Ａｘ１の方向に延在する。第3部分１７cにおける単一の溝により、第２部分１７ｂにおける半導体メサ２３ｇは、第1部分１７aにおける半導体メサ２３ｈ、２３ｉに接続される一端と、終端する他端とを含む。
【００５４】
上側の導波路構造体１７の第１部分１７ａ、第２部分１７ｂ及び第３部分１７ｃが、それぞれ、下側の導波路構造体１５の第１部分１５ａ、第２部分１５ｂ及び第３部分１５ｃ上に設けられている。下側の導波路構造体１５の第１部分１５ａ、第２部分１５ｂ及び第３部分１５ｃが、それぞれ、支持基板１３の第１部分１３ａ、第２部分１３ｂ及び第３部分１３ｃ上に設けられている。この重ね合わせ構造のため、下側の導波路構造体１５の第２部分１５ｂにおける幅広の光導波路２１ｇが上側の導波路構造体１７の第２部分１７ｂにおける幅広の光導波路２３ｇに光学的に結合される。下側の導波路構造体１５の第２部分１５ｂにおける幅広の光導波路２１ｇの下には、支持基板１３の溝１９ａが延在している。これ故に、部材Ａは、下側の導波路構造体１５の第１部分１５ａ〜第３部分１５ｃの下側に位置する中空の構造を有しており、この中空部分を含めて縦方向の導波路層の屈折率分布が規定されている。部材Ｂは、上側の導波路構造体１７の第１部分１７ａの下側に位置する中空の構造（単一の溝）を有しており、この中空部分を含めて縦方向の導波路層の屈折率分布が規定されている。上側の導波路構造体１７及び下側の導波路構造体１５の導波路構造における上下方向の屈折率分布を所望のプロファイル規定するために、上記のような中空構造を有している。
【００５５】
重ね合わせ構造により光方向性結合器が構成されるとき、上側の導波路構造体１７及び下側の導波路構造体１５における第２部分１７ｂ、１５ｂには、幅広の光導波路部２１ｇ、２３ｇが上下に重なり合うように配置される。この配置により、この重なり接合部分において、半導体光導波路同士の幅方向の位置ズレが生じても、上側の導波路構造体１７及び下側の導波路構造体１５に係る縦方向の光導波路間の光透過率の減少を抑えることができる。
【００５６】
本実施の形態における半導体光導波路素子の動作原理を説明する。発明者は、縦型の光方向性結合器において、導波路幅方向（導波路の延在方向に直交する方向）の位置合わせズレが生じた素子において、光の透過率が減少する原因について検討する。
【００５７】
図３に示すように、層構造及び導波路幅が共に同じである２つの導波路構造体を上下に重ね合わせて光方向性結合器を構成する。この光方向性結合器において、例えば下側の光導波路から上側の光導波路に光を透過させる際に、上下に重ね合わせた２つの導波路構造体に横方向の位置ズレ（オフセット）が生じたとき、光方向性結合器の光透過率が変化する。下側の光導波路と上側の光導波路との重なり部分の長さＬｃは、方向性結合器を構成する部分の結合導波路長である。図４を参照すると、規格化結合長に対する光方向性結合器の光透過率の変化が示されている。オフセット割合は、導波路幅に対するズレ（オフセット）の割合を示している。横軸は、規格化結合長を示し、この規格化結合長は、オフセット割合ゼロ（ズレなし）であるときに、一方の導波路から他方の導波路に１００％の光移行（透過）が発生する結合長で規格化した導波路の長さである。この光方向性結合器における下側の光導波路の一端から入射した光は、下側の光導波路を伝搬する。この導波光は、光方向性結合器における下側の光導波路を伝搬するうちに上側の光導波路に透過していく。規格化導波路長１のところで完全に透過することになる。さらに、これを超えて結合導波路が長いとき、今度は、上側の導波路から下側の導波路への移行が発生する。これ故に、規格化導波路長２のところで透過率が０になる。
【００５８】
次に、導波路幅方向にズレ（オフセット）が発生すると、透過率のピークが１００％になる規格化結合長はあるけれども、その規格化結合長（光の移行が１００％になる長さ）は、単位の値１よりも大きくなる。つまり、完全な移行に必要な導波路長（結合長）が長くなる。この長くなる割合は、オフセット量が多くなればなるほど大きくなる。
【００５９】
オフセットがゼロである場合に最大の透過率を与える長さ（規格化導波路長１）に結合導波路長を設定する方向性結合器では、ゼロより大きいオフセットにより最大透過を与える導波路長が長くなるので、上側の導波路に光が完全に透過する前に方向性結合器を構成する結合する光導波路が終端する。これ故に、残りの未透過光が、透過ロスとなる。
【００６０】
ここで、発明者は、オフセット量、光導波路幅（2μｍ以上）、および光導波路に関していくつかの層構造を用いて、単峰性のモードが導波路を伝搬する際に、光方向性結合器の透過率１を与える光導波路長（結合長）を調べると、これにより、２つの導波路の光学的な結合の程度を示す結合係数κの構造依存性に関する知見が得られた。
【００６１】
結合係数κは実質的に、上下の光導波路の縦方向の光の重なり具合によって決まる成分κ（垂直）と、上下の光導波路の横方向の光の重なり具合によって決まる成分κ（水平）との積により与えられる。
【００６２】
図５は、結合係数の２成分、つまり垂直成分κ（垂直）及び水平成分κ（水平）に係る光結合を示す図面である。図５の（ａ）部及び（ｂ）部に示されるように、上下の結合係数κ（垂直）は、上下の光導波路の上下方向での導波光の染み出しの、重なり積分で決まる。上下の導波路でのオフセットがない場合、横方向での導波光の重なりは一致しているので重なり積分により決まるκ（水平）は１になる。
【００６３】
次に、オフセットが生じているとき、上下方向の結合係数κ（垂直）は変化しないけれども、横方向の重なり積分は小さくなるので、κ（平行）は１より小さくなり、結合係数κもそれに比例して減少し、透過率１を与える光導波路長が長くなる。
【００６４】
図５の（ｃ）部及び（ｄ）部は、上下の光導波路の層構造は変化しないけれども、図５の（ａ）部及び（ｂ）部導波路より広い導波路幅を有する導波路の結合構造を示す。上下の導波路でのオフセットがないとき、図５の（ｃ）部を示されるように、上下方向での結合定数κ（垂直）に変化がなく、また横方向の結合係数κ（水平）も１である。これ故に、両方の結合を考慮した総合の結合係数κは図５の（ａ）部に示される結合構造と変化がなく、透過率１を与える光導波路長も同じとなる。次に、オフセットが発生すると、上下方向の結合係数κ（垂直）は変化しないけれども、図５の（ｄ）部に示されるように、横方向の重なり積分は小さくなる。
【００６５】
ここで、半導体導波路において、基本モードのみが安定して励振されて伝搬される光導波路幅の上限、例えば２μｍを超えて光導波路幅を広くする構造では、横方向の単峰性の光モードは光導波路内にほぼ完全に閉じ込められている（その形はほぼraised cosine型を有する）。光導波路幅が変化しても、その導波路幅方向の光強度分布は相似形になる。これ故に、導波路幅で規格化したオフセット割合が同じであるとき、導波路幅の絶対値にはよらず、κ（水平）の値は同じになることの知見が得られる。
【００６６】
図６及び図７は、オフセット割合を変化させたときの透過率１を与える光導波路長、およびκ（水平）への依存性を示す。
【００６７】
図５の（ｅ）部に示されるように、上下の導波路の層構造が変化すると共に上下の導波路間でオフセットはゼロである場合、上下方向の光の重なり積分が変化するので、上下方向の結合係数κ（垂直）が変化して、この結果、結合定数κが変化すると共に透過率１を与える光導波路長の絶対値も変化する。これに、図５の（ｆ）部に示されるように、更にゼロでないオフセットが加わるとき、横方向の光モードの重なり積分で決まる横方向の結合係数κ（水平）は、上下方向の結合係数κ（垂直）の変化と独立して変化する。
【００６８】
換言すれば、発明者の検討によれば、上下の導波路の層構造が変化しても、そのときのオフセットがゼロの場合の透過率１を与える結合長を用いて導波路長を規格化するとき、透過率１を与える規格化導波路長や結合定数κ（水平）の、導波路オフセット割合に対する依存性は全て図６及び図７と同様となる。
【００６９】
図４を参照しながら説明したように、方向性結合器を構成する部分の導波路長（下側の光導波路と上側の光導波路とが重なっている部分）が規格化導波路長１（オフセットがゼロの場合に最大の透過率を与える長さ）であるとき、接合により方向性結合器を構成する際にオフセットが生じると、透過率１を与える導波路長が長くなる。このため、一方の導波路から他方の導波路に光が完全に透過する前に方向性結合器を構成する部分の導波路が終端してしまって、透過していな光が透過ロスとなる。
【００７０】
図８は、導波路オフセット割合と透過率との関係を示す。図８を参照すると、透過率の減少について５％以内（９５％以上の透過）を得るためには、導波路オフセット割合の許容値は１８%となる。
【００７１】
透過率は導波路オフセット割合のみに依存するので、方向性結合器を構成する部分に広い導波路幅を用いる構造では、許容されるオフセットの絶対値も導波路幅に比例して大きくできる。このため、広い導波路幅を有する光導波路に単峰性の単一モードが伝搬するときは、接合工程において許容される導波路オフセットの絶対値を広い部分の導波路幅に比例して大きくすることが可能となる。
【００７２】
このような方向性結合器は、例えば以下のような複合光導波路構造により構成される。複合光導波路構造は、単峰性のモードを安定して伝搬可能な狭い光導波路幅を有する光導波路を、これより広い導波路幅を有する光導波路に、連続的に光導波路幅が変化する光導波路を介して光学的に結合させる導波路構造を多層に（例えば２層に）重ねて、広い導波路幅を有する光導波路部分を介して上下に光学結合させる。この構成により、方向性結合器を構成できる。この方向性結合器においては、接合時に許容される導波路オフセットの絶対値も、広い部分の導波路幅に比例して大きくすることが可能となる。
【００７３】
この複合光導波路構造では、オフセットがゼロでないとき、透過率１を与える結合長が長くなる。ゼロオフセットにおいて透過率１を与える結合導波路の長さよりも、許容するオフセット量に合わせて方向性結合器部分の光結合部の長さを大きくする方向性結合器では、許容オフセット割合を大きくすると共に許容レベル以上の透過率を達成しながら、当該許容オフセット量内の最大光結合は同じ（つまり１）に保つことが可能となる。
【００７４】
図９は、方向性結合器部分の光結合部の長さを１．１４倍（オフセットはない場合に最大結合を与える結合長の値の１．１４倍）に設定した複合光導波路構造において、規格化導波路長と透過率との関係を示す。方向性結合器部分の光結合部の長さを１．１４倍に設定することにより、導波路オフセット割合０には透過率が０．９５である一方で、オフセット割合が増加するとき透過率が１まで上昇し、オフセット割合が更に大きくなると次第に透過率は減少していく。
【００７５】
図１０は、方向性結合器部分の光結合部の長さを、オフセットがない場合に最大結合を与える結合長の１倍、１．１４倍、１．２１倍、１．２６倍に設定した複合光導波路構造において、導波路オフセット割合と透過率との関係を示す。割合が１．１４倍であるとき、結合率の最大は１に保ちながら、方向性結合器部分の光結合０．９５以上を与える導波路オフセット割合を、０．１８から０．２５に向上できる。このときにも、方向性結合器の導波路幅を広く取るほど、実際の許容導波路オフセット量を大きくできる。
【００７６】
上記の説明により、以下のことが理解される。つまり、方向性結合器部分の光結合部の長さを、オフセットがない場合に最大結合を与える結合長より長くすることにより、結合率の最大を１に保ちながら、方向性結合器部分の光結合を所望の値より大きくできるオフセット量を大きくすることができる。
【００７７】
（実施例）
まず、貼り合わせの手法を用いて、光導波路素子を作製する方法を説明する。光導波路素子として方向性結合器の作製を行う。引き続く説明は、方向性結合器の２つの光導波路の延在方向に交差する方向にとられた断面を参照しながら行われる。図１１の（ａ）部に示されるように、基板を準備する。この基板として、例えばシリコン基板、InP基板等を用いることができる。図１１の（ｂ）部に示されるように、シリコン（Ｓｉ）基板上に、溝を規定するためのマスクを形成する。マスクは、マスク膜の成膜、フォトリソグラフィ及びエッチングを用いた加工により作製される。このマスクの材料は、ＳｉＮ、SiO2等を使用できる。マスク膜の成膜は、例えば気相成長法を適用できる。
【００７８】
Ｓｉ基板上にＳｉＮ層のマスクを形成した後に、図１１の（ｃ）部に示されるように、Ｓｉ基板をエッチングして溝を形成する。溝の深さは例えば０．５μｍである。エッチングガスとして例えば塩素ガス等が用いられる。Ｓｉ基板に溝を形成した後に、図１１の（ｄ）部に示されるように、バッファードフッ酸を用いてＳｉＮマスクを除去して、Ｓｉ加工基板を準備する。Ｓｉ加工基板は、第１軸の方向に延在する溝と該溝を規定する第１テラス及び第２テラスとを有し、第１軸は溝の延在方向である。Ｓｉ加工基板は第１部分、第２部分及び第３部分を含み、第１部分、第２部分及び第３部分は第１軸の方向に配列されている。
【００７９】
次に、III−Ｖ半導体基板上に成長された導波路構造のためのエピタキシャル積層を含むエピタキシャル基板（基板生産物）を準備する。エピタキシャル基板は例えば以下のように作製される。ＩｎＰ基板上に、厚さ０．２μｍのＩｎＧａＡｓ層、厚さ０．６μｍのＩｎＰ層、厚さ０．５μｍ厚のＩｎＧａＡｓＰ層（室温でのＰＬ波長λｐが１．３５μｍの半導体）、厚さ０．６μｍのＩｎＰ層を順にエピタキシャルに成長して、エピタキシャル基板を作製する。
【００８０】
図１２の（ａ）部に示されるように、このエピタキシャル基板をＳｉ加工基板上に接合する。この接合に際して、ＩＣＰプラズマ発生装置を用いて、Ｓｉ加工基板及びエピタキシャル基板のプラズマ処理を行う。Ｓｉ加工基板のプラズマ処理は、例えば励起されたＮ２プラズマを用いて行われる。このプラズマ処理としては、ガス圧０．３Ｐａ及びＩＣＰ励起電力３００Ｗの条件を用いる。Ｓｉ加工基板のためのプラズマ処理時間は例えば２分間である。エピタキシャル基板のためのプラズマ処理時間は例えば６分間である。このプラズマ処理により、半導体表面を親水化させることができる。この親水化された基板生産物同士を室温（例えば２５℃）の空気中で軽く圧接することにより、両基板を接合する（これを仮接合と記す）。この仮接合の後に、仮接合された基板生産物に熱処理を施して堅固に固着して、合体された基板生産物を形成する。この熱処理の温度は、例えば摂氏３５０度程度であり、この熱処理のためにホットプレートを用いることができ、熱処理時間は例えば２時間程度である。
【００８１】
その後、図１２の（ｂ）部に示されるように、接合された基板生産物からエピタキシャル基板のIII−Ｖ半導体基板を除去する。この除去では、例えばＩｎＰ基板の除去のために濃塩酸によるエッチングを用いることができる。この処理により、Ｓｉ加工基板を残すと共にＩｎＰ基板を選択的にエッチングすることができる。具体的には、エピタキシャル積層内のＩｎＧａＡｓ層は濃塩酸には不溶であるので、ＩｎＧａＡｓ層の表面でエッチングが停止する。III−Ｖ半導体基板を除去した後に、図１２の（ｃ）部に示されるように、別のエッチャント（硫酸：過酸化水素：純水の混合液）を用いて、残されたＩｎＧａＡｓ層を選択的にエッチングする。残されたＩｎＧａＡｓ層の下に位置するＩｎＰ層は、上記のエッチャント（硫酸：過酸化水素：純水の混合液）に不溶であるので、ＩｎＰ層の表面でエッチングが停止する。これらの工程の後に、接合された基板生産物の表面にはＩｎＰ層が露出されている。
【００８２】
図１２の（ｄ）部に示されるように、接合された基板生産物のエピタキシャル積層に第１導波路構造を形成するためのマスクを形成する。このマスクは例えばＳｉＮからなることができる。ＳｉＮマスクは、既に説明した方法と同様に作製されるけれども、これに限定されるものではない。
【００８３】
その後に、この絶縁膜マスクを用いて、Ｓｉ加工基板上に移載されたエピタキシャル積層を加工して、図１３の（ａ）部に示されるように、第１導波路構造を形成する。この絶縁膜マスクは、エピタキシャル積層によって構成される光導波路を規定するパターンを有する。絶縁膜マスクのパターンは、図１及び図２に示されるように、Ｓｉ加工基板の第２部分及び第３部分上にそれぞれの第１２導波路部及び第１３導波路部の平面形状を規定する。絶縁膜マスクを除去して、第１導波路構造を含む基板生産物を作製する。図１３の（ｂ）部に示されるように、Ｓｉ加工基板の溝の上に位置する半導体メサ構造を有する。第１導波路構造は、Ｓｉ加工基板の第１テラス及び第２テラスに支持された第１半導体層（ＩｎＰ層）と、該第１半導体層上に設けられた第１導波路メサと、該第１導波路メサを規定する第１溝及び第２溝とを含む。第１導波路構造は、Ｓｉ加工基板の第１部分、第２部分及び第３部分上にそれぞれ設けられた第１部分、第２部分及び第３部分を含む。第１導波路構造の第１導波路メサは、Ｓｉ加工基板の第２部分及び第３部分上にそれぞれ設けられた第１２導波路メサ部及び第１３導波路メサ部を含み、第１２導波路メサ部の幅は第１３導波路メサ部の幅より大きい。
【００８４】
ＳｉＮマスクは、狭い幅の光導波路及び広い幅の光導波路を規定する。狭い光導波路は幅１．５μｍを有し、広い光導波路は幅８μｍを有する、必要な場合には、狭い光導波路及び広い光導波路の間の光学的な結合を中間導波路を介して構成されることができる。中間導波路して、連続的に変化する導波路幅を有するテーパー導波路を採用できる。テーパー導波路の幅は、導波路幅１．５μｍから８μｍまでを長さ４５０μｍの間に直線的に変化する。このときには、ＳｉＮマスクは、狭い幅の光導波路、テーパー光導波路、および広い幅の光導波路を規定する。
【００８５】
第１導波路メサは、本実施例ではＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰのエピタキシャル積層を１．５μｍの深さでエッチングする。残されたＩｎＰ層（第１半導体層）は０．２μｍである。第１導波路メサの加工のために、例えばＨＩガスを用いることができる。エッチングにより第１導波路構造を形成した後に、バッファードフッ酸を用いてＳｉＮマスクを除去する。これらの工程により、Ｓｉ加工基板とこのＳｉ加工基板上に設けられた第１導波路構造とを含む第１基板生産物又は第１導波路生産物が作製される。
【００８６】
次に、上記導波路の形成された基板上に貼り合わせする第２導波路生産物を作製する。第２導波路生産物は例えば半導体素子片を備えることができる。半導体素子片は、機能素子及びそれに接続する光導波路を含むことができる。
【００８７】
次に、III−Ｖ半導体基板上に成長された導波路構造のためのエピタキシャル積層を含む別のエピタキシャル基板（基板生産物）を準備する。エピタキシャル基板は例えば以下のように作製される。ＩｎＰ基板上に、厚さ０．２μｍのＩｎＧａＡｓ層、厚さ０．６μｍのＩｎＰ層、厚さ０．５μｍ厚のＩｎＧａＡｓＰ層（室温でのＰＬ波長λｐが１．３５μｍの半導体）、厚さ０．６μｍのＩｎＰ層を順にエピタキシャルに成長して、図１４の（ａ）部に示されるように、エピタキシャル基板を作製する。
【００８８】
エピタキシャル基板を用いて第２光導波路構造を作製する。第２光導波路構造は、第１光導波路構造に光学的に結合される幅広い光導波路とこの光導波路に結合される幅狭い光導波路を含み、さらにこの光導波路には、モノリシックに形成された受光素子や発光素子等の機能素子が結合されることができる。これらの機能素子のためのエピタキシャル層構造を上記のエピタキシャル層構造とは別に成長することができる。これら導波路構造及び機能素子のためのエピ構造はＩｎＧａＡｓ層上に成長されている。
【００８９】
図１４は、広い光導波路に交差するようにとられた断面を示す。図１４の（ａ）部に示されるように、第２光導波路構造のためのエピタキシャル積層上に、第２光導波路構造を規定するマスクを形成する。このマスクは、ＳｉＮからなることができ、このＳｉＮマスクは、既に説明した方法と同様に作製されることができるけれども、これに限定されるものではない。
【００９０】
このＳｉＮマスクは、少なくとも広い光導波路および連続的に導波路幅が変化する光導波路部分の両方の導波路幅を規定する。広い幅の光導波路は例えば８μｍであり、狭い幅の光導波路は例えば１．５μｍであることができる。
【００９１】
第２導波路構造は、III−Ｖ化合物半導体基板に支持された第２半導体層と、該第２半導体層上に設けられた第２導波路メサと、該第２導波路メサを規定する第１テラス及び第２テラスとを含む。第２導波路構造は、Ｓｉ加工基板の第１部分、第２部分及び第３部分の位置に合わせるように配列された第１部分、第２部分及び第３部分を含むことができる。
【００９２】
第２導波路構造の第２導波路メサは、Ｓｉ加工基板の第１部分及び第２部分に合わせるようにそれぞれ設けられた第２１導波路メサ部及び第２２導波路メサ部を含む。第２２導波路メサ部の幅は第２１導波路メサ部の幅より大きい。
【００９３】
ＳｉＮマスクは、狭い幅の光導波路及び広い幅の光導波路を規定する。狭い光導波路は幅１．５μｍを有し、広い光導波路は幅８μｍを有する、必要な場合には、狭い光導波路及び広い光導波路の間の光学的な結合を中間導波路を介して構成されることができる。中間導波路して、連続的に変化する導波路幅を有するテーパー導波路を採用できる。テーパー導波路の幅は、導波路幅１．５μｍから８μｍまでを長さ４５０μｍの間に直線的に変化する。このときには、ＳｉＮマスクは、狭い幅の光導波路、テーパー光導波路、および広い幅の光導波路を規定する。
【００９４】
図１４の（ｂ）部に示されるように、第２導波路メサは、本実施例ではＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰのエピタキシャル積層を１．５μｍの深さでエッチングすることにより作製される。残されたＩｎＰ層（第１半導体層）は０．２μｍである。第２導波路メサの加工のために、例えばＨＩガスを用いることができる。エッチングにより第２導波路構造を形成した後に、図１４の（ｃ）部に示されるように、バッファードフッ酸を用いてＳｉＮマスクを除去する。これらの工程により、III−Ｖ化合物半導体基板とこの基板上に設けられた第２導波路構造とを含む第２基板生産物が作製される。
【００９５】
本実施例では、この第２基板生産物から、第１基板生産物に貼り合わせるべき第２導波路生産物（例えば半導体素子片）を作製する。第２導波路生産物は、第２基板生産物であっても良いが、好適な実施例では、機能素子及びそれに接続する光導波路を含む半導体素子片であることができる。例えば第２基板生産物を切断して、半導体素子片を作製できる。
【００９６】
図１４の（ｄ）部に示されるように、接合材を用いて半導体素子片をサポート基板に貼り合わせる。本実施例では、サポート基板としてサファイア基板を用いる。サファイア支持基板に仮接合材（例えばテルペンフェノール樹脂を主成分とするワックス材）を用いて、半導体素子片を仮固定する。サファイア支持基板に第２導波路構造を向けて仮固定を行って、III―Ｖ化合物半導体基板の裏面を露出させる。
【００９７】
支持基板に第２導波路構造を仮固定した後に、図１５の（ａ）部に示されるように、III―Ｖ化合物半導体基板（例えばＩｎＰ基板）を除去する。ＩｎＰ基板の除去には、濃塩酸を用いることができる。ＩｎＰ基板のエッチングは、ＩｎＧａＡｓ層で停止する。この後に、図１５の（ｂ）部に示されるように、別のエッチャント（例えば硫酸：過酸化水素：純水の混合液）を用いてＩｎＧａＡｓ層を除去する。これらの選択エッチングの後に、第２導波路構造は支持基板に逆さに仮固定されるので、第２導波路構造は仮固定材に埋め込まれて第２導波路構造の第２半導体層の裏面が露出される。より具体的には、第２半導体層上に設けられた第２導波路メサ並びに該第２導波路メサを規定する第１溝及び第２溝は、仮固定材に埋め込まれている。これらの工程により、支持基板と該支持基板に固定された第２導波路生産物、例えば半導体素子片、とを含む中間生産物が作製される。
【００９８】
図１６の（ａ）部に示されるように、この第２導波路生産物を第１導波路生産物に接合する。この接合に際して、ＩＣＰプラズマ発生装置を用いて、第１導波路生産物及び第２導波路生産物のプラズマ処理を行う。このプラズマ処理は、例えば励起されたＮ２プラズマを用いて行われる。このプラズマ処理としては、ガス圧０．３Ｐａ及びＩＣＰ励起電力３００Ｗの条件を用いる。両生産物のためのプラズマ処理時間は例えば６分間である。プラズマ処理により、半導体表面を親水化させることができる。この親水化された半導体生産物同士を室温空気中で接触させる（例えば軽く圧接する）ことにより、両基板が接合される（これを仮接合と記す）。この仮接合の後に、加温したアセトン中に、仮接合された生産物を浸し、仮接合材料をアセトン中に溶解することにより、図１６の（ａ）部に示されるように、仮固定されたサポート基板を取り外す。
【００９９】
仮接合された生産物に熱処理を施して堅固に固着して、合体された基板生産物を形成する。この熱処理の温度は、例えば摂氏３５０度程度であり、この熱処理のためにホットプレートを用いることができ、熱処理時間は例えば２時間程度である。この熱処理することより、接合したエピ層（機能素子を含む）を堅固に固着できる。このようにして、半導体光導波路素子が作製される。
【０１００】
本実施例において製作される半導体光導波路素子では、第１基板生産物における狭い導波路の幅ＷＧ１（Ｎ）及び第２導波路生産物における狭い導波路の幅Ｗ２（Ｎ）は共に２μｍ以下であり、シングルモード導波路の幅である。テーパ導波路の長さＬｔは４５０μｍである。波長１．５５μｍの光をこれらの光導波路の結合部を伝搬させるとき、本実施例で示された層構造における透過率１を提供する光方向性結合器の結合長Ｌｃは３３５μｍである。したがって、透過率０．９５以上を補償する導波路オフセットのトレランスは、広い幅の光導波路部分が３３５μｍの長さを有する素子では、狭い導波路のまま導波路間を光が透過する場合の１．５μｍ×０．１８＝０．２７μｍから、８μm×０．１８＝１．４４μmに改善される。また、広い光導波路部分の長さＬｃが３３５μｍ×１．１４＝３８１．９μｍである素子では、透過率０．９５以上を補償する導波路オフセットのトレランスは、１．５μm×０．１８＝０．２７μｍから８μｍ×０．２５＝２μｍに増大される。
【０１０１】
次に、導波路オフセットが存在する場合に、下側の光導波路から上側の光導波路に移行した光が、テーパ状の部分を伝搬する場合について検討する。
【０１０２】
方向性結合器部分が、作製時の位置合わせのオフセットがゼロではないことに起因して、上側の導波路に伝達される光が、導波路幅方向の電界分布に関して非対称になる。光導波路は厚さ０．６μｍのＩｎＰクラッド層、０．４μｍ厚さのＩｎＧａＡｓＰ（λｐ=１．３５μｍ）コア層を含み、光方向性結合器部における広い導波路幅WG1(W)、WG2(W)が８μｍ、上側の狭い幅の光導波路幅WG2(N)が２μｍであり、テーパ導波路長Ｌｔが４５０μｍであり、導波路オフセット割合０．３であるとき、上側の導波路を伝達する導波光は、導波路オフセットに起因して、導波路の中央から外れて光強度のピークが位置する。光強度ピークは、派生した導波路オフセットの向きに依存して、導波路の中央から左右どちらかに偏りながらテーパ状の部分を伝搬するとともに、左右に振れていく。これは、オフセットの存在に起因して、上側の導波路構造における光導波路の屈折率分布が摂動を受けるので、導波路幅方向で左右対称の単峰性のモードに加えて、導波路幅方向で偶数個のピークを持つモードが方向性結合器で励振される。単峰性のモードと偶数個のピークを持つモードでは伝搬定数が異なるので、それらの重ね合わせで決まる伝搬光の光電界の分布が、導波路幅方向で左右に振れる。導波路幅方向に関して偶数個のピークを持つモードは、高次のモードであるため、幅広のテーパ導波路において導波路幅が狭くなるにつれて、高次モードの一部はカットオフとなり、カットオフのモードは導波路外に放射されて導波路ロスとなる。
【０１０３】
図１７は、導波路層中のコア層厚とクラッド層厚を変化させて上下方向の結合係数κ（垂直）を変化させた各々の層構造について、導波路オフセット割合を変化させた場合に、透過率の低下の変化を、光導波路幅毎に示す図面である。横軸は、導波路オフセット割合が０の場合のκ（垂直）の値を示し、縦軸は透過率を示す。この構造において、透過率は導波路外に光の一部が放射されることにより低下する。
【０１０４】
上側の光導波路構造において狭い幅の導波路幅WG2(N)は２μｍである。透過率が１であるとき光学ロスなく伝搬されることを示し、透過率が小さいほどテーパ導波路における光学ロスが大きいことを示す。
【０１０５】
導波路幅毎、結合係数κが大きくなるにつれて、上側の導波路が下側の導波路から受ける屈折率分布の摂動が大きくなる。このとき、透過率が小さいことは、高次モードが励振されやすくなることを示している。図１７に示されるように、透過率０．９５を確実に与えるために必要な結合係数κは導波路幅が大きいほど小さく、導波路幅Ｗ（透過率０．９５）は、導波路幅４μｍ、６μｍ、８μｍ、１０μｍについて、それぞれ、１０５ｃｍ−１、６７．５ｃｍ−１, ４５ｃｍ−１,３０ｃｍ−１である。光導波路の幅が狭いほど、高次モードが励振されにくくなるので、高いκ値までテーパ部における光学ロスなく伝搬できることを示している。
【０１０６】
この説明から、結合係数κ（垂直）の値は直接、光方向性結合器部分で透過率１を与える光導波路長（結合長ｚ）に変換できる（κｚ＝π／２のとき透過率１を与えることより結合長はπ／２κとなる）。この具体例では、図１８に示されるように、結合係数κ＝１０５ｃｍ−１、６７．５ｃｍ−１, ４５ｃｍ−１,３０ｃｍ−１に対して、光方向性結合器部分の結合長は、１４９．６μｍ、２３２．７μｍ、３４９．１μｍ、５２３μｍになる。この関係は、この具体例では導波路幅ｘ（μｍ）の関するとして、結合長ｙμｍは、以下の関係式で表される。
ｙ=５．７１３９ｘ２−１８．０７７ｘ＋１３１．７３。
導波路幅ｘに対し、光方向性結合器部分の結合長が上式で与えられる以上の結合長となるように、導波路層中のコア層厚とクラッド層厚を適宜選ぶことにより、テーパ部における光学ロスなく伝搬できることになる。本実施の形態に係る半導体光導波路素子によれば、光方向性結合器部での導波路オフセットマージン拡大を図りながらテーパ部での逸散ロスを低減可能な構造を提供できる。
【０１０７】
以上説明したように、本実施の形態によれば、縦型の光方向性結合器を構成する半導体光導波路同士の幅方向の位置ズレが大きくても、光導波路間の透過率の減少が少ない光方向性結合器を実現できる。また本実施の形態によれば、テーパ光導波路部分での光逸散の少ない光導波路構成をとることができる。
【０１０８】
図１９は、本実施の形態に係る半導体光導波路素子を作製する方法における主要な工程を示す図面である。理解を容易にするために、可能な場合には、図１１〜図１６に示された工程の模式断面を参照すると共に、図１及び図２に付された参照符号を用いる。
【０１０９】
工程Ｓ１０１では、支持基板１３を準備する（図１１の（ａ）部〜（ｄ）部）。支持基板１３は、第１軸Ａｘ１の方向に配置された第１部分１３ａ、第２部分１３ｂ及び第３部分１３ｃを含み、また第１軸Ａｘ１の方向に延在する溝１９ａと該溝１９ａを規定する第１テラス１９ｂ及び第２テラス１９ｃとを有する。
【０１１０】
工程Ｓ１０２では、導波路構造のための第１半導体積層ＳＳ１を第１基板（図１２の（ａ）部に示されたＩｎＰ基板）上に備える第１エピタキシャル基板Ｅ１を準備する。
【０１１１】
工程Ｓ１０３では、第１エピタキシャル基板Ｅ１の第１半導体積層ＳＳ１を支持基板の第１テラス１９ｂ及び第２テラス１９ｂが支持するように、第１エピタキシャル基板Ｅ１の第１半導体積層ＳＳ１を支持基板に接合する（図１２の（ａ）部）。
【０１１２】
工程Ｓ１０４では、第１エピタキシャル基板Ｅ１の第１半導体積層ＳＳ１を支持基板に接合した後に、第１エピタキシャル基板Ｅ１から第１基板（図１２の（ａ）部に示されたＩｎＰ基板）を除去する（図１２の（ｂ）部及び（ｃ）部）。
【０１１３】
工程Ｓ１０５では、第１エピタキシャル基板Ｅ１から第１基板を除去した後に、第１半導体積層ＳＳ１を加工して、支持基板の第１テラス１９ｂ及び第２テラス１９ｃに支持された第１半導体層２１ａと該第１半導体層２１ａ上に設けられた第１導波路メサ２１ｂとを含む第１導波路構造１５を含む第１基板生産物を形成する（図１２の（ｂ）部及び（ｃ）部並びに図１３の（ａ）部及び（ｂ）部）。第１導波路構造１５は、基板１３の第１部分１３ａ、第２部分１３ｂ及び第３部分１３ｃ上にそれぞれ設けられた第１部分１５ａ、第２部分１５ｂ及び第３部分１５ｃを含む。第１導波路構造１５の第１導波路メサ２１ｂは基板１３の第２部分１３ｂ及び第３部分１３ｃ上にそれぞれ設けられた第１２導波路メサ部２１ｇ及び第１３導波路メサ部２１ｈを含む。第１２導波路メサ２１ｇ部の幅は第１３導波路メサ部２１ｈの幅より大きい。基板１３及び第１導波路構造１５の間の位置合わせに関しては、第１導波路メサ２１ｂの第１２導波路メサ部２１ｇの延在方向は、基板１３の第２部分１３ｂにおいて溝１９ａの延在方向に合わせされている。
【０１１４】
工程Ｓ１０６では、導波路構造のための第２半導体積層ＳＳ２を第２基板上に備える第２エピタキシャル基板Ｅ２を準備する（図１４の（ａ）部）。
【０１１５】
工程Ｓ１０７では、第１導波路構造１５の第１テラス２１ｃ及び第２テラス２１ｄに支持された第２半導体層２３ａと該第２半導体層２３ａ上に設けられた第２導波路メサ２３ｂとを含む第２導波路構造１７を第２エピタキシャル基板Ｅ２から形成して、支持基板１３、第１導波路構造１５及び第２導波路構造１７の第２軸の方向に関する配列を形成する（図１６の（ｂ）部）。第２エピタキシャル基板Ｅ２を加工して、第２半導体積層ＳＳ２から第２導波路構造１７を形成するので、第２導波路構造１７は第２半導体積層ＳＳ２から作製される。第２導波路構造１７は、第１導波路構造１５の第１部分１５ａ及び第２部分１５ｂ上にそれぞれ設けられた第１部分１７ａ及び第２部分１７ｂを含む。第２導波路構造１７の第２導波路メサ２１ｂは、第１導波路構造１５の第１部分１５ａ及び第２部分１５ｂ上にそれぞれ設けられた第２１導波路メサ部２３ｈ及び第２２導波路メサ部２３ｇを含む。第２２導波路メサ部２３ｇの幅は第２１導波路メサ部２３ｈの幅より大きい。第１導波路構造１５及び第２導波路構造１７の間の位置合わせに関しては、第２導波路メサ２３ｂの第２２導波路メサ部２３ｇの延在方向は、第１導波路メサ２１ｂの第１２導波路メサ部２１ｇの延在方向に合わせされている。
【０１１６】
本実施の形態に係る好適な実施例では、第１導波路構造１５及び第２導波路構造１７の作製に先立って、工程Ｓ１０８において、作製されるべき第１２導波路メサ部２１ｇ及び第２２導波路メサ部２３ｇの長さに関して、基準長を見積もる。この基準長は、第１軸Ａｘ１及び第２軸Ａｘ２に交差する第３軸Ａｘ３の方向に関して第１導波路構造１５及び第２導波路構造１７の一方が他方に対して軸ずれしていないときに第１導波路構造１５及び第２導波路構造１７の一方から他方への光の透過率が１になる長さとして規定される。第１２導波路メサ部２１ｇ及び第２２導波路メサ部２３ｇの長さは基準長より長い。この見積もりにより、上記の軸ずれがゼロより大きいときに、ある軸ズレの範囲において、軸ズレに起因する透過率の減少を、上記の基準長に対して延在された部分を含む第１２導波路メサ部２１ｇ及び第２２導波路メサ部２３ｇを用いることにより補償できるようになる。
【０１１７】
工程Ｓ１０７（第２導波路構造１７を第２エピタキシャル基板Ｅ２から形成する工程）は、以下の工程を含むことができる。工程Ｓ１０９では、第２エピタキシャル基板Ｅ２を加工して、第２導波路構造１７を含む第１半導体生産物を形成する（図１４の（ａ）部〜（ｃ）部）。工程Ｓ１１０では、この第１半導体生産物を支持体（サポート基板）に固定して、第２半導体生産物を形成する（図１４の（ｄ）部）。工程Ｓ１１１では、この第２半導体生産物から第２基板（図１４の（ｄ）部に示されたＩｎＰ基板）を除去して第２半導体層２３ａを露出させて、第３半導体生産物を形成する（図１５の（ａ）部及び（ｂ）部）。工程Ｓ１１２では、この第３半導体生産物の第２半導体層２３ａが第１導波路構造１５の第１テラス２１ｃ及び第２テラス２１ｄに支持されるように、第２導波路構造１７を第１導波路構造１５に貼り合わせて、第３基板生産物を形成する（図１６の（ａ）部）。工程Ｓ１１３では、この第３基板生産物から支持体（サポート基板及び仮固定材）を除去する（図１６の（ｂ）部）。本作製方法を用いて、方向性結合器を作製するときには、第１２導波路メサ部２１ｇ及び第２２導波路メサ部２３ｇの少なくともいずか一方が端部を有するように、第１導波路構造１５及び／又は第２導波路構造１７を作製することができる。
【０１１８】
本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。
【産業上の利用可能性】
【０１１９】
以上説明したように、本実施の形態によれば、位置合わせされる２つの光導波路の幅方向の位置ズレを補償できる構造を有する半導体光導波路素子を提供できる。また、本実施の形態によれば、この半導体光導波路素子を作製する方法を提供できる。
【符号の説明】
【０１２０】
１１…半導体光導波路素子、１３…基板、１３ａ…第１部分、１３ｂ…第２部分、１３ｃ…第３部分、１３ｄ…基板主面、１５…第１導波路構造、１５ａ…第１部分、１５ｂ…第２部分、１５ｃ…第３部分、１７…第２導波路構造、１７ａ…第１部分、１７ｂ…第２部分、１７ｃ…第３部分、１９ａ…溝、１９ｂ、１９ｃ…テラス、２１ａ…第１半導体層、２１ｂ…第１導波路メサ、２１ｃ…第１テラス、２１ｄ…第２テラス、２１ｅ…第１溝、２１ｆ…第２溝、２１ｇ…第１２導波路メサ部、２１ｈ…第１３導波路メサ部、２３ａ…第２半導体層、２３ｂ…第２導波路メサ、２３ｃ…第１テラス、２３ｄ…第２テラス、２３ｅ…第１溝、２３ｆ…第２溝、２３ｇ…第２２導波路メサ部、２３ｈ…第２１導波路メサ部。
【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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