(57)【要約】【課題】小型・低コストであるシリコン光集積回路を実現するためには、シリコンＣＭＯＳプロセスに親和性を有する材料系を用いた発光素子と、発光素子から発せられた光を低損失でシリコン光集積回路上のシリコン光導波路に入射することが必要であるが、従来技術では実現が困難である。【解決手段】発光素子は、半導体基板上に形成された光を発生する活性層と、活性層の一端と電気的に接続された第一の導電型の半導体層と、活性層の一端と電気的に接続された第二の導電型の半導体層と、第一及び第二の電極と、レーザ発振のためのフィードバック機構と、活性層から発生する光を導波する導波路を有する。活性層はシリコンＣＭＯＳプロセスに親和性を有する半導体により構成され、第一及び第二の半導体層及び導波路は半導体基板の一部であるシリコンから構成される。【選択図】図１Ａ
2014165292.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に形成された光を発生する活性層と、
前記活性層の一端と電気的に接続された第一の導電型の半導体層と、
前記活性層の一端と電気的に接続された第二の導電型の半導体層と、
第一及び第二の電極と、
レーザ発振のためのフィードバック機構と、
前記活性層から発生する光を導波する導波路と、
を有し、
前記活性層は、シリコンＣＭＯＳプロセスと親和性がある半導体により構成され、
前記第一及び第二の導電型の半導体層と前記導波路は前記半導体基板の一部であるシリコン層から構成されている発光素子。
【請求項２】
請求項１に記載の発光素子において、前記導波路は前記活性層と隣接し、光学的に結合している発光素子。
【請求項３】
請求項１乃至２のいずれか１項に記載の発光素子において、前記半導体基板はシリコン、二酸化シリコン、シリコンにより構成される基板である発光素子。
【請求項４】
請求項３に記載の発光素子において、前記導波路を構成する材料の中でシリコンがもっとも屈折率が大きい発光素子。
【請求項５】
請求項２乃至４のいずれか１項に記載の発光素子において、前記活性層の一部において光軸方向に対して導波路に近づくほど膜厚が薄くなる発光素子。
【請求項６】
請求項２乃至５のいずれか１項に記載の発光素子において、前記活性層の一部において光軸方向に対して導波路に近づくほど前記活性層の幅が狭くなる発光素子。
【請求項７】
請求項５乃至６のいずれか１項に記載の発光素子において、前記活性層と前記半導体基板との界面と、前記活性層と前記半導体基板とは逆側の界面とはほぼ平行である発光素子。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれか１項に記載の発光素子において、前記活性層がゲルマニウムまたはシリコン・ゲルマニウムにより構成されている発光素子。
【請求項９】
（ａ）支持基板と絶縁膜とシリコンとで構成されるＳＯＩ基板を準備する工程と、
（ｂ）前記シリコンを所定の形状に加工して導波路を形成する工程と、
（ｃ）前記シリコンに第一の導電型の半導体層と第二の導電型の半導体層とを形成する工程と、
（ｄ）前記シリコン上の所定の領域に絶縁膜を形成する工程と、
（ｅ）前記シリコン上であって、絶縁膜が形成されていない領域にゲルマニウムまたはシリコン・ゲルマニウムを気相成長法により選択成長させて活性層を形成する工程と、
を有する発光素子の製造方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の発光素子の製造方法の工程（ｅ）において、前記活性層を構成しない領域にも前記ゲルマニウムまたはシリコン・ゲルマニウムを形成する発光素子の製造方法。
【請求項１１】
請求項１０に記載の発光素子の製造方法において、前記活性層を構成しない領域は、前記活性層の膜厚を変化させる領域の近傍に設けられている発光素子の製造方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載の発光素子の製造方法において、前記活性層を構成する領域の面積に対する前記活性層を構成しない領域の面積の比率は、前記導波路近傍側のほうが大きい発光素子の製造方法。
【請求項１３】
請求項１乃至８のいずれか１項に記載の発光素子と発光素子以外の光素子とが同一の前記半導体基板上に集積されている光集積基板。
【請求項１４】
請求項１乃至８のいずれか１項に記載の発光素子とフォトダイオードとを前記半導体基板に集積される光送受信器。
【請求項１５】
請求項１４に記載の光送受信器は、さらに送信用光ファイバに接続されるスポットサイズコンバータ又は回折格子結合器と、受信用光ファイバに接続されるスポットサイズコンバータ又は回折格子結合器と、を有する光送受信器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、発光素子に関し、例えば、フルモノリシックに集積化された発光素子とその製造方法、及び光送受信器に適用可能である。
【背景技術】
【０００２】
高度情報化社会の進展とともに、ネットワークを流れる情報の伝達量は年率４０％の割合で上昇し、この大容量の情報を処理するサーバやデータセンタ等の情報処理装置を支える演算処理装置の高速化、高機能化が求められている。このため、この情報処理装置には、大容量化、小型化、低コスト化が求められ、そのアプローチのひとつとしてインターコネクションの光化が進められている。このインターコネクションの光化（光インターコネクション）は、筐体間、ボード間、チップ間、チップ内と、より短距離へと適用が進みつつある。
【０００３】
この光インターコネクションの送信器、受信器は、光源、変調器、受信器などの光部品から構成されており、近年、シリコンＣＭＯＳプロセス技術を用いてこれらの素子の集積化をはかる、シリコンフォトニクス技術が盛んに研究されている。シリコンフォトニクスはシリコンを光素子として用いる技術で、高度に発達したシリコンＣＭＯＳプロセス技術を用いることができるため、微細加工、大量一括生産が可能である。したがって、シリコンＣＭＯＳプロセス技術を用いるシリコンフォトニクスは低コストな光集積回路作製技術である。
【０００４】
一方、光源に関しては、非特許文献１で示されたようにＣＷ（Continuous Wave）レーザから発生する光をシリコンフォトニクス集積化チップに外部から導入する方法、非特許文献２で示されたように半導体レーザチップをシリコンフォトニクスチップ上に搭載することにより実現する方法、非特許文献３で示されたようにシリコンフォトニクス集積化チップ上に化合物半導体による活性層を接合によって形成する方法がある。シリコンＣＭＯＳプロセスに親和性のある材料系であるゲルマニウムについては、非特許文献４に示されたように端面をへき開により形成したファブリペロ共振器によるレーザが報告されている。
【０００５】
また、一般に、光集積回路を構成するシリコン導波路と半導体レーザとは、その光モード分布が異なるため、モード変換によるモードマッチングが必要になる。半導体レーザにおけるモード変換方式は、特許文献１から４で開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平８−１１６１３５号公報
【特許文献２】特開平１０−０９８２３１号公報
【特許文献３】特開２００５−２１０１２０号公報
【特許文献４】特開平１０−１１７０４５号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Adithyaram Narasimha et al.,“A Fully Integrated 4x10 Gb/s DWDM Optoelectronic Transceiver in a standard 0.13μｍ CMOS SOI,”International Solid-State Circuits Conference  2007  p.42-43,586
【非特許文献２】Yutaka Urino et al.,“First Demonstration of High Density Optical Interconnects Integrated with Laser, Optical Modulators and  Photodetectors on a Single Silicon Substrate,”European Conference and Exhibition on Optical Communication 2011 We9LeSaleve4
【非特許文献３】Matthew N. Sysak et al.,“Reduction of hybrid silicon laser thermal impedance using Poly Si thermal shunts,”Optical Fiber Communication Conference and Exhibition 2011 OWZ6
【非特許文献４】Rodolfo E. Camacho-Aguilera et al.,“An electrically pumped germanium laser,”Optics Express, 2012, Vol.20, No.10, p.11316-11320
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
光インターコネクションを実現する送信器、受信器には大容量化とともに小型化、低コスト化、低消費電力化が求められている。したがって、送信器を構成する送信用光集積回路は、小型化、低コスト化が必須である。このため、光源を集積したフルモノリシック光集積回路が必須である。小型化を実現するためには、光源が光集積化回路に搭載されている必要がある。また、低コスト化を実現するためには、光源を含めた光集積回路をシリコンＣＭＯＳプロセスによるシリコンフォトニクス技術により作製し、フルモノリシック化する必要がある。非特許文献１に示された外部から光を導入する方式では光集積化回路の他に外部光源を用意する必要があり、小型化が難しい。非特許文献２に示された発光素子をシリコン光集積化回路上に搭載する方式では高い実装精度で素子を搭載する必要があり、高コスト化となる。非特許文献３に示された化合物半導体による活性層を接合によって形成する方法では、化合物半導体がシリコンＣＭＯＳプロセスにはなじまないため、シリコンＣＭＯＳプロセスを用いることができず、低コスト化が難しい。非特許文献４で示されたシリコンＣＭＯＳプロセスと親和性のあるゲルマニウムによる発光素子はへき開端面を用いているため集積化は難しい。
【０００９】
また、シリコン光集積化回路上のシリコン導波路を導波する光モードは、発光素子内の導波モードと異なるため、単純な接続では反射や損失が生じるため、発光素子の導波モードからシリコン導波路の導波モードへのモード変換が必要となる。特許文献１乃至４にはモード変換機能を有する発光素子が開示されているが、この方法ではシリコン光集積回路上のシリコン導波路に光結合することはできない。
【００１０】
すなわち、小型・低コストであるシリコン光集積回路を実現するためには、シリコンＣＭＯＳプロセスに親和性を有する材料系を用いた発光素子と、発光素子から発せられた光を低損失でシリコン光集積回路上のシリコン光導波路に入射することが必要であるが、従来技術では実現が困難である。  
その他の課題と新規な特徴は、本開示の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本開示のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。  
すなわち、発光素子は、半導体基板上に形成された光を発生する活性層と、活性層の一端と電気的に接続された第一の導電型の半導体層と、活性層の一端と電気的に接続された第二の導電型の半導体層と、第一及び第二の電極と、レーザ発振のためのフィードバック機構と、活性層から発生する光を導波する導波路を有する。活性層はシリコンＣＭＯＳプロセスに親和性を有する半導体により構成される。第一及び第二の半導体層及び導波路は半導体基板の一部であるシリコンから構成される。
【００１２】
発光素子の製造方法は、（ａ）支持基板と絶縁膜とシリコンとで構成されるＳＯＩ基板を準備する工程と、（ｂ）シリコンを所定の形状に加工して導波路を形成する工程と、（ｃ）シリコンに第一の導電型の半導体層と第二の導電型の半導体層とを形成する工程と、（ｄ）シリコン上の所定の領域に絶縁膜を形成する工程と、（ｅ）シリコン上であって、絶縁膜が形成されていない領域にゲルマニウムまたはシリコン・ゲルマニウムを気相成長法により選択成長させて活性層を形成する工程と、を有する。
【発明の効果】
【００１３】
上記発光素子または発光素子の製造方法によれば、小型・低コストであるシリコン光集積回路を実現することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１Ａ】第１の実施例である発光素子の上面図である。
【図１Ｂ】図１ＡのＡ−Ａ’断面図である。
【図１Ｃ】図１ＡのＢ−Ｂ’断面図である。
【図２】第１の実施例のモード変換機能を示す図である。
【図３Ａ】第１の実施例の作製工程を表した図である。
【図３Ｂ】第１の実施例の作製工程を表した図である。
【図４Ａ】第２の実施例である発光素子の上面図である。
【図４Ｂ】図４ＡのＡ−Ａ’断面図である。
【図４Ｃ】図４ＡのＢ−Ｂ’断面図である。
【図５】第３の実施例である送受信器の構造図である。
【図６】第４の実施例である送受信器の構造図である。
【図７】第５の実施例である光インターコネクションを用いた装置の構造図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、実施例について、図面を用いて説明する。ただし、以下の説明において、同一構成要素には同一符号を付し繰り返しの説明は省略する。
【実施例１】
【００１６】
＜構造＞
第１の実施例を、図１Ａ、図１Ｂ、図１Ｃを用いて説明する。図１Ａ、図１Ｂ、図１Ｃは、第１の実施例である光集積回路に集積するための発光素子の構造図である。図１Ａは上面図、図１Ｂは図１ＡのＡ−Ａ’断面図、図１Ｃは図１ＡのＢ−Ｂ’断面図である。本実施例に係る発光素子１０１は、フルモノリシック光源を構成している。
【００１７】
発光素子１０１は、シリコン支持基板（支持基板）１、二酸化シリコン（絶縁膜）２、シリコンにより形成されたＳＯＩ（Silicon on Insulator）層３、シリコンＣＭＯＳプロセスと親和性のある半導体からなる活性層４を有する。ここで、支持基板１、絶縁膜２、ＳＯＩ層３で構成される半導体基板をＳＯＩ基板という。シリコンＣＭＯＳプロセスと親和性のある半導体としては、例えば、ゲルマニウム、シリコン・ゲルマニウム（Ｓｉ１−ｘＧｅｘ）等である。ＳＯＩ層３の一部は、活性層４に電子を注入するためのｎ型シリコン領域（第一の導電型の半導体層）９、活性層４に正孔を注入するためのｐ型シリコン領域（第二の導電型の半導体層）１０となっている。
【００１８】
また、発光素子１０１は、ｎ側電極（第一の電極）１３、ｐ側電極（第二の電極）１４、モード変換領域７、レーザ発振を得るために必要な帰還（フィードバック）機構である分布ブラッグ反射鏡５，６、ダミー成長領域１１を有する。活性層４にはｎ側電極１３からｎ型シリコン領域９を介して電子が、ｐ側電極１４からｐ型シリコン領域１０を介して正孔が注入される。また、モード変換領域７においては、活性層４の幅及び膜厚がシリコン光導波路８に向かってそれぞれ小さくなっている。活性層４から発生した光は、活性層４内を導波され、モード変換領域７によりモード変換が行われ、シリコン光導波路８に導波される。なお、活性層４も光導波路を構成している。さらに、分布ブラッグ反射鏡５及び６により帰還が生じ、レーザ光を出力する。ここで、分布ブラッグ反射鏡５は分布ブラッグ反射鏡６よりも反射率を大きくなるように構成しているため、活性層４、モード変換領域７、分布ブラッグ反射鏡５、６により構成された発光素子から発せられるレーザ光は主に反射率が小さい分布ブラッグ反射鏡６側から出射される。分布ブラッグ反射鏡５、６は、図１Ｂに示すようなＳＯＩ層３のシリコン１２で構成する。
【００１９】
シリコン光導波路８の典型的な寸法は、幅約５００ｎｍ、高さ約２００ｎｍである。一方、発光素子の活性層４の典型的な寸法は、幅約５００ｎｍ、高さ約５００ｎｍである。また、シリコン光導波路８を構成するシリコンの屈折率は３．５であり、発光素子の活性層４を構成するゲルマニウムの屈折率は４．２である。シリコン光導波路８を構成する材料の中でシリコンがもっとも屈折率を大きくする。二酸化シリコン２の厚さは、約２μｍである。
【００２０】
図２は第１の実施例のモード変換機能を示す図である。図２（ａ）は導波路中央部（図１Ｂに相当）における断面図及びその時の光モード分布を、図２（ｂ）から（ｅ）は、それぞれ図２（ａ）のＡ−Ａ’断面からＤ−Ｄ’断面における光モード分布を示している。発光素子から発せられた光がシリコン集積回路上のシリコン光導波路に低損失で入射するためには、両者の光モード分布が一致している必要がある。ところが、発光素子の光モード分布とシリコン光導波路の光モード分布は一致しない。本実施例ではモード変換領域を形成することにより、発光素子の光モード分布を低損失でシリコン光導波路の光モード分布に変換させている。どのように変換しているかを以下に説明する。
【００２１】
発光素子領域内では、シリコンは電流注入するために、発光領域における光モード分布よりもはるかに幅が広く構成されており、活性層４により光導波路が形成される。このため、光モード分布２４は図２（ｂ）で示されているように、そのほとんどが活性層４内に存在する。図２（ａ）におけるＢ−Ｂ’断面で示されるモード変換領域においては、活性層４の膜厚はＡ−Ａ’断面における膜厚よりも薄くなり、また、ＳＯＩ層３の幅も狭くなる。このため、図２（ｃ）で示されているように、光モード分布２５は活性層４からＳＯＩ層３へと徐々に移動する。図２（ａ）におけるＣ−Ｃ’断面で示されるモード変換領域においては、Ｂ−Ｂ’断面におけるモード変換領域よりもさらに活性層４の厚みは薄くなり、幅は狭くなる。また、ＳＯＩ層３の幅も狭くなる。このため、図２（ｄ）で示されているように、Ｃ−Ｃ’断面における光モード分布２６はＳＯＩ層３により多く分布するようになる。図２（ａ）におけるＤ−Ｄ’断面で示される領域は、ＳＯＩ層３から構成されるシリコン光導波路８を示しており、この領域では活性層４は存在しない。図２（ｅ）で示されているように、光モード分布２７は、完全にシリコン光導波路に分布する。このように、発光素子の部分では活性層を厚く、モード変換領域７においては、シリコン光導波路に近づくに従い膜厚を薄くすることによって、発光素子から発せられた光を低損失でシリコン光集積回路上のシリコン導波路に入射することが可能となる。
【００２２】
また、本実施例の構造では、モード変換領域７に活性層４が存在するが、モード変換領域７に電流を注入することができる構造とすることにより、モード変換領域７においても、活性層４から利得が発生するため、発光特性のモード変換領域７による劣化は生じない。
【００２３】
＜製法＞
次に、発光素子１０１の作製プロセスについて図３Ａ及び図３Ｂを用いて説明する。図３Ａ及び図３Ｂの（ａ）から（ｆ）は図１Ａに相当する素子上面図を、図３Ａ及び図３Ｂの（ａ’）から（ｆ’）は図１Ｂに相当する素子断面図を示している。発光素子１０１の作製プロセスにおいて、シリコンＣＭＯＳプロセスと親和性のある半導体としてゲルマニウムを用いた例について、以下説明するが、シリコン・ゲルマニウムでも同様に作製することができる。
【００２４】
まず、支持基板１と絶縁膜２とシリコンにより形成されたＳＯＩ層３から構成されるＳＯＩ基板を準備する。そして、ＳＯＩ基板におけるＳＯＩ層３を、フォトエッチング工程により図３（ａ）に示す形状のとおり形成（加工）し、二酸化シリコン２を露出させる。このとき、ＳＯＩ層３は、図１Ａにおけるシリコン光導波路層８、ｎ型シリコン領域９、ｐ型シリコン領域１０、ダミー成長領域１１、活性層領域４Ｒ、モード変換領域７を合わせた形状となっている。ここで、フォトエッチングとは、フォトリソグラフィ後に、エッチングを施すことである。フォトリソグラフィとは、レジストを塗布した後に、マスク露光によって、所望の領域にのみレジストを残すことである。
【００２５】
その後、図３（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィ工程、リン等のｎ型不純物を注入するイオン注入工程によりｎ型シリコン領域９を、フォトリソグラフィ工程、ボロン等のｐ型不純物を注入するイオン注入工程によりｐ型シリコン領域１０を形成する。ここで、ｎ型シリコン領域９及びｐ型シリコン領域１０を除いたＳＯＩ層３のうち、平面視において二酸化シリコン２によって上下に挟まれたＳＯＩ層がシリコン光導波路８を形成する。
【００２６】
その後、図３（ｃ）に示すように、活性層領域４Ｒ及びダミー成長領域１１を形成するための選択成長マスクである二酸化シリコン１５をデポジションによって形成する。
【００２７】
次に、図３（ｄ）に示すように、ゲルマニウムを超高真空化学気相成長（ＵＨＶ−ＣＶＤ）法を用いて堆積することにより、活性層４を形成する。このとき、ゲルマニウムはシリコン上のみに形成され、二酸化シリコン上には形成されない。このため、ゲルマニウムはダミー成長領域１１及び活性層領域４Ｒのみに形成される。また、ゲルマニウムの形成領域の密度（面積）が大きいほど形成される膜厚は薄くなる。従って、活性層領域４Ｒにおいて、ダミー成長領域１１近傍となるモード変換領域７においては、活性層４中心部と比較して膜厚が薄くなる。また、ダミー成長領域１１の形状と位置関係からシリコン光導波路８に近づくにつれゲルマニウム膜厚が薄くなる。二酸化シリコン１５をエッチングして除去する。
【００２８】
次に、図３（ｅ）に示すように、ＳＯＩ層３を図１Ｂに示す形状となるようにフォトエッチング工程で加工することによって分布ブラッグ反射鏡５、６を作製する。
最後に、図３（ｆ）に示すように、ｎ側電極１３、ｐ側電極１４を形成する。なお、図示していないが、発光素子１０１は、ｎ側電極１３およびｐ側電極１４の上を除いて、パッシベーション（二酸化シリコンや窒化シリコン等の絶縁膜）で覆われる。
【００２９】
発光素子１０１は、分布ブラッグ反射鏡５、６におり共振器を構成している。モード変換領域７は共振器内に存在するが、発光素子１０１の発振特性とその発振条件とを比較したところ、モード変換領域７による過剰損はなかった。
【００３０】
以上まとめると、モード変換領域を形成する方法としては、気相成長法によるゲルマニウムの選択成長による成長特性を利用する。ゲルマニウムは、二酸化シリコン上には結晶成長せず、シリコンもしくはゲルマニウム上のみに結晶成長する。また、選択成長方法によると、結晶成長する領域に対して結晶成長しない二酸化シリコン領域の割合が高いほど、結晶の成長レートが大きくなり、形成した結晶の厚みが厚くなる。実施例に係る発光素子の部分では活性層を厚く、モード変換領域においては、シリコン光導波路に近づくに従い膜厚を薄くする必要がある。これを実現するために、発光素子の部分では、活性層領域以外は二酸化シリコン領域で形成し、モード変換領域においては、シリコン光導波路に近づくに従い、二酸化シリコン領域の割合を小さくするようダミー成長領域を設ける。このダミー成長領域により、所望の膜厚分布を得ることができる。また、ゲルマニウムによる活性層の幅については、結晶成長する領域を形成する際に、フォトリソグラフィ及びエッチング工程において所望の活性層幅となるよう二酸化シリコンの形状を加工することにより、所望の活性層幅を得ることができる。
【００３１】
また、本実施例に係る光素子は、シリコンＣＭＯＳプロセスによって作成することができる。これによって、小型・低コストであるシリコン光集積回路を実現することができる。
【実施例２】
【００３２】
第２の実施例を、図４Ａ、図４Ｂ、図４Ｃを用いて説明する。図４は、第２の実施例である光集積回路に集積するための発光素子の構造図である。図４Ａは上面図、図４Ｂは図４ＡのＡ−Ａ’断面図、図４Ｃは図４ＡのＢ−Ｂ’断面図である。本実施例に係る発光素子１０２は、フルモノリシック光源を構成している。
【００３３】
発光素子１０２は、シリコン支持基板３１、二酸化シリコン３２、シリコンにより形成されたＳＯＩ層３３、シリコンＣＭＯＳプロセスと親和性のある半導体からなる活性層３４を有する。ここで、シリコン支持基板３１、二酸化シリコン３２、ＳＯＩ層３３で構成される半導体基板をＳＯＩ基板という。シリコンＣＭＯＳプロセスと親和性のある半導体としては、例えば、ゲルマニウム、シリコン・ゲルマニウム等がある。ＳＯＩ層３３の一部は、活性層３４に電子を注入するためのｎ型シリコン領域（第一の導電型を有する第一の半導体層）３９、活性層３４に正孔を注入するためのｐ型シリコン領域（第二の導電型を有する第二の半導体層）４０となっている。また、発光素子１０２は、ｎ側電極４３、ｐ側電極４４、モード変換領域３７、レーザ発振を得るために必要な帰還（フィードバック）機構である分布帰還回折格子３５、ダミー成長領域４１を有する。活性層３４にはｎ側電極４３からｎ型シリコン領域３９を介して電子が、ｐ側電極４４からｐ型シリコン領域４０を介して正孔が注入される。また、モード変換領域３７においては、活性層３４の幅及び膜厚がシリコン光導波路３８に向かってそれぞれ小さくなっている。活性層３４から発生した光は、活性層３４内を導波され、モード変換領域３７によりモード変換が行われ、シリコン光導波路３８に導波される。さらに、分布帰還回折格子３５により帰還が生じ、レーザ光を出力する。分布帰還回折格子３５は、図４Ｂに示すような窒化シリコン３５で構成する。発光素子１０２の作製プロセスは、実施例１で開示した方法に準ずる。但し、実施例１では、図３Ｂ（ｅ）及び（ｅ’）の工程で分布ブラッグ反射鏡を作製したが、本実施例では、分布帰還回折格子３５を作製する。その後の電極形成工程は、図３Ｂ（ｆ）及び（ｆ’）の通りである。発光素子１０２も、ｎ側電極４３及びｐ側電極４４の上を除いて、パッシベーション（二酸化シリコンや窒化シリコン等の絶縁膜）で覆われる。本実施例のモード変換機能は、実施例１のモード変換機能と同じであるので、説明は省略する。
【００３４】
発光素子１０２は、分布帰還回折格子３５により帰還がかかり、レーザ発振する。そこで、発光素子１０２と、分布帰還回折格子３５及び活性層４のみで構成するよう切り出した発光素子の光出力特性を比較したところ、モード変換領域３７による過剰損は認められなかった。
【００３５】
本実施例は実施例１と同様に、発光素子の部分では活性層３４を厚く、モード変換領域３７においては、シリコン光導波路に近づくに従い膜厚を薄くすることによって、発光素子から発せられた光を低損失でシリコン光集積回路上のシリコン導波路に入射することが可能となる。
【００３６】
また、本実施例は実施例１と同様に、シリコンＣＭＯＳプロセスによって作成することができる。これによって、小型・低コストであるシリコン光集積回路を実現することができる。
【実施例３】
【００３７】
第３の実施例を、図５を用いて説明する。図５は、第３の実施例である光送受信器の構造図である。
【００３８】
本実施例による光送受信器１０３は、４波長の信号光を送受信する送受信器である。送受信用光集積回路（モノリシック光送受信器）１０３は、ＳＯＩ基板６３上に、異なる波長で発振するモノリシック集積光源５１、出射した光を光集積回路内で導波させる光導波路５２，６５、出射した光強度をモニターするためのフォトダイオード６４、出射した光を変調させる光変調器５３、各波長に対応する入力光導波路５４を、それぞれ４つ有する。さらに、光送受信器１０３は、入射した波長が異なる信号光を合波する波長合波器５５、合波した光の出力光導波路６６、送信用光ファイバ５７へ信号光を結合するためのスポットサイズコンバータ５６を有する。以上により、送信用光集積回路（モノリシック光送信器）が構成される。
【００３９】
また、光送受信器１０３は、ＳＯＩ基板６３上に、受信用光ファイバ５８からの信号光を結合するためのスポットサイズコンバータ５９、４波長からなる信号光を波長分波器６０に入力するための入力光導波路６７、入射した異なる波長の光信号を波長ごとに分波する波長分波器６０を有する。さらに、光送受信器１０３は、波長ごとに分波した光を出力する出力光導波路６１、光を検出するフォトダイオード６２を、それぞれ４つ有する。以上により、受信用光集積回路（モノリシック光受信器）が構成される。
【００４０】
なお、光送受信器１０３は受信器部分をＳＯＩ基板６３上に有しない受信用光集積回路（モノリシック光送信器）であってもよい。また、送信用光集積回路は、複数のＳＯＩ基板上に搭載した光素子によって構成してもよい。ここで、それぞれのＳＯＩ基板を光素子基板ともいう。例えば、モノリシック集積光源５１と光導波路５２と光変調器５３とをＳＯＩ基板上に搭載して一つの光素子基板を構成する。あるいは、モノリシック集積光源５１と光導波路６５とフォトダイオード６４とをＳＯＩ基板上に搭載して一つの光素子基板を構成してもとい。同様に、受信用光集積回路も、複数のＳＯＩ基板上に搭載した光素子によって構成してもよい。
【００４１】
モノリシック集積光源５１は、実施例１の発光素子１０１又は実施例２の発光素子１０２で構成され、モノリシック集積光源５１から発せられた光は縦横単一モード発振している。モノリシック光源５１から発せられた光は、光導波路５２及び光導波路６５に入射する。光導波路６５に入射した光は、フォトダイオード６４に入射し、ここでモノリシック光源５１から発せられた光の強度をモニターする。光導波路５２に入射した光は、光変調器５３に入射し、変調される。変調された光は、入力光導波路５４に入射した後に波長合波器５５に入射する。波長合波器５５は、光の干渉効果を利用して波長を合波する機能を有し、それぞれの入力光導波路５４から入射された異なる波長の入力光を出力光導波路６６に入射する。出力光導波路６４では、異なる４波長からなる信号が入射されている。出力光導波路６４に導波された光は、スポットサイズコンバータ５６により、そのスポットサイズを変化させ、送信用光ファイバ５７に入射される。
【００４２】
一方、受信用光ファイバ５８から出力された光は、スポットサイズコンバータ５９を経由して、波長分波器６０に入力するための入力光導波路６７に入射する。このときの光信号は、異なる４波長から構成されている。入力光導波路６７に入射した光は、波長分波器６０に入射する。波長分波器６０は、光の干渉効果を利用して波長を分波する機能を有し、それぞれの波長に対応した出力光導波路６１に入射し、その後、フォトダイオード６２に入射して光信号を電気信号に変換する。
【００４３】
送受信器１０３は全てシリコンＣＭＯＳプロセスと親和性の高い材料形を用いた光素子から構成されている。このため、送受信器１０３は、すべて一括したウェファプロセスにより作製することができたため、小型、低コスト化を図ることができる。
【００４４】
なお、本実施例では、モノリシック光源を連続光源とし、光変調器により光信号を生成する構成を示したが、モノリシック光源を変調させることで、直接光信号を生成することもできる。また、波長合波器及び波長分波器については、Arrayed Waveguide Grating、Machzehnder干渉計、リング干渉計、Echelle Gratingなど方法を問わない。また、光ファイバへの入出力方法として、スポットサイズコンバータを経由したバットジョイント方式を示したが、回折格子結合器（Grating Coupler）を用いてもかまわない。また、送受信器からの信号の伝送媒体としてシングルモードファイバを示したが、導波路でもかまわない。
【実施例４】
【００４５】
第４の実施例を、図６を用いて説明する。図６は、第４の実施例である光送受信器の構造図である。
【００４６】
本実施例による光送受信器１０４は、４チャンネルのパラレル信号光を送受信する送受信用光集積回路（モノリシック送受信器）である。光送受信器１０４は、ＳＯＩ基板７１上に、モノリシック集積光源７２、出射した光を光集積回路内で導波させる光導波路７３，８５、出射した光強度をモニターするためのフォトダイオード８４、導波した光を等光強度に４分岐する光スプリッタ７４を有する。また、光送受信器１０４は、光スプリッタ７４から入射した光を導波する光導波路７５、出射した光を変調させる光変調器７６、変調された光を出力する出力光導波路７７、送信用光ファイバ７９へ信号光を結合するためのスポットサイズコンバータ７８を、それぞれ４つ有する。以上により、送信用光集積回路（モノリシック光送信器）が構成される。
【００４７】
また、光送受信器１０４は、ＳＯＩ基板７１上に、受信用光ファイバ８０からの信号光を結合するためのスポットサイズコンバータ８１、受信した信号光を導波する入力光導波路８２、光を検出するフォトダイオード８３を、それぞれ４つ有する。以上により、受信用光集積回路（モノリシック光受信器）が構成される。なお、光送受信器１０４は受信器部分をＳＯＩ基板７１上に有しない送信用光集積回路（モノリシック光送信器）であってもよい。
【００４８】
モノリシック光源７２は、実施例１の発光素子１０１又は実施例２の発光素子１０２で構成され、モノリシック集積光源７２から発せられた光は、光導波路７３及び光導波路８５に入射する。光導波路８５に入射した光は、フォトダイオード８４に入射し、ここでモノリシック光源７２から発せられた光の強度をモニターする。光導波路７３に入射した光は、光を等強度に分岐する光スプリッタ７４に入射し、４分岐された光はそれぞれ光スプリッタに接続している光導波路７５に入射する。これらの光は変調器７６に入射し、変調される。変調された光は、出力光導波路７７に入射した後、スポットサイズコンバータ７８により、そのスポットサイズを変化させ、送信用光ファイバ７９に入射される。
【００４９】
一方、受信用光ファイバ８０から出力された光は、スポットサイズコンバータ８１を経由して、入力光導波路８２に入射後、フォトダイオード８３に入射して光信号を電気信号に変換する。
【００５０】
送受信器１０４は全てシリコンＣＭＯＳプロセスと親和性の高い材料形を用いた光素子から構成されている。このため、送受信器１０４は、すべて一括したウェファプロセスにより作製することができたため、小型、低コスト化を図ることができる。
【００５１】
なお、本実施例では、モノリシック光源を連続光源とし、４分岐して光変調器により光信号を生成する構成を示したが、モノリシック光源をチャネル数分用意し、モノリシック光源を変調させることで、直接光信号を生成することもできる。また、光ファイバへの入出力方法として、スポットサイズコンバータを経由したバットジョイント方式を示したが、回折格子結合器（Grating Coupler）を用いてもかまわない。また、送受信器からの信号の伝送媒体としてシングルモードファイバを示したが、導波路でもかまわない。さらに、マルチモードファイバ又はマルチモード導波路でも問題ない。
【実施例５】
【００５２】
第５の実施例を、図７を用いて説明する。図７は、第５の実施例である光インターコネクションを用いた装置の構造図である。
【００５３】
本実施例による光インターコネクションを用いた装置１０５は、複数のインターフェースカード９１、スイッチカード９２から構成されており、それらがバックプレーンにおいて光ファイバ９４により接続され、光信号が送受されている。具体的には、インターフェースカード９１の外部から光ファイバ９４を介して入力された光信号は光送受信器９３により電気信号に変換され、集積回路９７により信号処理される。この信号処理された電気信号は光送受信器９３により光信号に変換され、光ファイバ９４を介してスイッチカード９２に送られる。スイッチカード９２上の送受信器９３により電気信号に変換された信号はスイッチング素子９８により信号に応じた経路にスイッチされ、その出力は送受信器９３により光信号に変換され、光ファイバ９４を介してインターフェースカード９１に入力する。この光信号は、光送受信器９３により電気信号に変換され、その後集積回路９７により信号処理され、再度光送受信器９６により光信号に変換され、光ファイバ９５を介して出力される。ここで、光送受信器９３，９６は、実施例３に係る光送受信器１０３もしくは実施例４に係る光送受信器１０４を用いている。光送受信器１０３は送信用光ファイバ５７と受信用光ファイバ５８の２本の光ファイバと接続可能となっているので、必要に応じて複数の光送受信器１０３を同一のＳＯＩ基板に設けてもよい。
【００５４】
また、光送受信器１０４は４本の送信用光ファイバ７９と４本の受信用光ファイバ８０と接続可能となっているので、必要に応じて複数の光送受信器１０４を同一のＳＯＩ基板に設けてもよいし、接続する光ファイバを減らしてもよい。光インターコネクションを用いた装置１０５は、サーバやパケット光トランスポート装置を構成する。
【００５５】
このように、一括したウェファプロセスにより作製した送受信器を用いることにより、大容量化を実現しながら同時に小型、低コスト化が可能なサーバ、パケット光トランスポート装置を提供することができる。
【００５６】
以上、本発明者によってなされた発明を実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は、上記実施例に限定されるものではなく、種々変更可能であることはいうまでもない。
【００５７】
その他、実施の形態に記載された内容の一部を以下に記載する。
（１）光素子は、ＳＯＩ基板上に形成された光を発生する活性層と、前記活性層から発生する光を導波する導波路とを有し、活性層はゲルマニウム又はシリコン・ゲルマニウムにより構成され、導波路はＳＯＩ基板のシリコンから構成され、導波路は、活性層と隣接し、活性層と光学的に結合している。
（２）上記（１）の光素子において、活性層の一部において光軸方向に対して導波路に近づくほど膜厚が薄くなる。
（３）上記（１）乃至（２）のいずれか１つの光素子において、活性層の一部において光軸方向に対して導波路に近づくほど前記活性層の幅が狭くなる。
（４）上記（１）乃至（３）のいずれか１つの光素子において、活性層は光導波路を構成する。
（５）上記（１）乃至（４）のいずれか１つの光素子は、さらに、活性層の一端と電気的に接続され、第一の導電型を有する第一の半導体層と、活性層の一端と電気的に接続され、第二の導電型を有する第二の半導体層と、分布ブラッグ反射鏡又は分布帰還回折格子のいずれかによるレーザ発振のためのフィードバック機構とを有する。
【符号の説明】
【００５８】
１、３１…シリコン支持基板（支持基板）
２、１５、３２…二酸化シリコン（絶縁物）
３、３３…ＳＯＩ（Silicon on Insulator）層
４、３４…活性層
５、６…分布ブラッグ反射鏡
７、３７…モード変換領域
８、３８…シリコン光導波路
９、３９…ｎ型シリコン領域
１０、４０…ｐ型シリコン領域
１１、４１…ダミー成長領域
１２…シリコン層
１３、４３…ｎ側電極
１４、４４…ｐ側電極
２４、２５、２６、２７…光モード分布
３５…分布帰還回折格子
５１、７２…モノリシック集積光源
５２、６５、７３、７５、８２、８５…光導波路
６２、６４、８３、８４、…フォトダイオード
５３、７６…光変調器
５４、６７…入力光導波路
５５…波長合波器
５６、５９、７８、８１…スポットサイズコンバータ
５７、７９…送信用光ファイバ
５８、８０…受信用光ファイバ
６０…波長分波器
６１、６６、７７…出力光導波路
６３、７１…ＳＯＩ基板
７４…光スプリッタ
９１…インターフェースカード、
９２…スイッチカード、
９３、９６…光送受信器
９４、９５…光ファイバ
９７…集積回路
９８…スイッチング素子
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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