(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
下部コア層と、前記下部コア層より屈折率が大きい上部コア層と、を含む複数層が積層される多層構造が、ｎ型半導体基板上に形成され、
前記多層構造は、光遷移領域において、光の出射方向に沿って前記上部コア層の幅が徐々に小さくなり、前記下部コア層の幅が徐々に大きくなっており、
一方の端面より入射される光が、前記上部コア層を伝搬し、前記光遷移領域において光が前記上部コア層から前記下部コア層へ遷移し、さらに、前記下部コア層を伝搬して、他方の端面より出射する、スポットサイズ変換器であって、
前記光遷移領域において、前記多層構造の両側と上側が、半絶縁性半導体層によって埋め込まれている、
ことを特徴とするスポットサイズ変換器。
【請求項２】
前記複数層は、前記上部コア層の上側にｐ型の第１の半導体クラッド層を含み、
さらに、前記光遷移領域において前記半絶縁性半導体層の上側にｐ型の第２の半導体クラッド層が形成される、
ことを特徴とする、請求項１に記載のスポットサイズ変換器。
【請求項３】
請求項２に記載のスポットサイズ変換器と、
前記スポットサイズ変換器へ入射する光の光軸上に配置される第１のメサストライプ構造と該第１のメサストライプ構造の側方に並んで形成される第２のメサストライプ構造とを有する波長選択フィルタとが、
同一の半導体基板上にモノリシックに集積される半導体光素子であって、
前記第１のメサストライプ構造は、前記スポットサイズ変換器の前記上部コア層と同じ組成で形成される第１のコア層を含み、
前記第２のメサストライプ構造は、前記スポットサイズ変換器の前記下部コア層と同じ組成で形成される第２のコア層を含み、
前記第２のメサストライプ構造の上面は前記第１のコア層の下面より低い、
ことを特徴とする、半導体光素子。
【請求項４】
前記スポットサイズ変換器の前記光遷移領域における前記多層構造の両側に配置される前記半絶縁性半導体層の下面と、
前記波長選択フィルタの前記第１のメサストライプ構造の両側に配置される前記半絶縁性半導体層の下面とは、等しい高さとなっている、
ことを特徴とする、請求項３に記載の半導体光素子。
【請求項５】
請求項２に記載のスポットサイズ変換器と、前記上部コア層に接する活性層を含むメサストライプ構造を有する半導体レーザ素子とが、同一の半導体基板上にモノリシックに集積される半導体光素子であって、
前記スポットサイズ変換器の前記上部コア層の上側に積層される半導体層の層厚が、前記半導体レーザ素子の前記活性層の上側に積層される半導体層の層厚より大きい、
ことを特徴とする、半導体光素子。
【請求項６】
請求項２に記載のスポットサイズ変換器と、電流によって光導波路の屈折率を変化させて選択する波長が制御される波長選択フィルタとが、同一の半導体基板上にモノリシックに集積される半導体光素子。
【請求項７】
前記波長選択フィルタは、前記スポットサイズ変換器の前記上部コア層と同じ組成で形成される第１のコア層と、前記スポットサイズ変換器の前記下部コア層と同じ組成で形成される第２のコア層との間に生じる光の遷移により、光の波長を選択する、
ことを特徴とする、請求項６に記載の半導体光素子。
【請求項８】
前記波長選択フィルタの選択波長帯域より狭い選択波長帯域を有する第２の波長選択フィルタと、
光を発光する利得部と、
光の位相を調整する位相調整部とが、
前記半導体基板上にモノリシックにさらに集積される請求項７に記載の半導体光素子。
【請求項９】
前記ｎ型半導体基板、前記半絶縁性半導体層、前記第１の半導体クラッド層、及び前記第２の半導体クラッド層は、ＩｎＰ系材料によって形成される、
ことを特徴とする、請求項２に記載のスポットサイズ変換器。
【請求項１０】
前記第１の半導体クラッド層には、亜鉛がドーパントとして添加され、前記半絶縁性半導体層には、ルテニウムがドーパントとして添加される、
ことを特徴とする、請求項９に記載のスポットサイズ変換器。
【請求項１１】
下部コア層と、前記下部コア層より屈折率が大きい上部コア層と、を含む複数層が積層される多層構造が、ｎ型半導体基板上に形成され、
前記多層構造は、光遷移領域において、光の出射方向に沿って前記上部コア層の幅が徐々に小さくなり、前記下部コア層の幅が徐々に大きくなっており、
一方の端面より入射される光が、前記上部コア層を伝搬し、前記光遷移領域において光が前記上部コア層から前記下部コア層へ遷移し、さらに、前記下部コア層を伝搬して、他方の端面より出射する、スポットサイズ変換器の製造方法であって、
前記上部コア層の形状に対応する上部メサマスクを前記下部コア層と前記上部コア層を含む多層の上面に形成する上部メサマスク形成工程を含むとともに、前記上部コア層及び前記下部コア層を所定の形状に形成するデュアルメサ形成工程と、
前記上部メサマスクの、少なくとも前記光遷移領域に対応する部分を除去する、上部メサマスク除去工程と、
前記多層を半絶縁性半導体層で埋め込み、前記光遷移領域において、前記多層の両側に加えて上側に前記半絶縁性半導体層が形成される、埋め込み工程と、
を含むことを特徴とする、スポットサイズ変換器の製造方法。
【請求項１２】
前記複数層は、前記上部コア層の上側にｐ型の第１の半導体クラッド層を含むとともに、
前記埋め込み工程の後に、ｐ型の第２の半導体クラッド層を積層する、クラッド層形成工程を、さらに含む、
ことを特徴とする、請求項１１に記載のスポットサイズ変換器の製造方法。
【請求項１３】
前記デュアルメサ形成工程は、
前記上部マスクと異なる材料からなる下部メサマスクを前記上部メサマスクの上側に前記下部コア層の形状に対応して形成する下部メサマスク形成工程と、
前記下部メサマスクをマスクとして、前記下部メサマスクの周縁を所定の深さまでエッチングにより除去する、第１エッチング工程と、
前記下部メサマスクを除去する、下部メサマスク除去工程と、
前記上部メサマスクをマスクとして前記上部メサマスクの周縁を前記多層の上面から前記上部コア層と前記下部コア層との間までエッチングにより除去するとともに、前記第１エッチング工程で前記所定の深さまでエッチングを行った領域をさらに前記下部コア層より低い深さまでエッチングにより除去する、第２エッチング工程と、
をさらに含む、
ことを特徴とする、請求項１１に記載のスポットサイズ変換器の製造方法。
【請求項１４】
前記デュアルメサ形成工程は、
下部メサマスクを前記多層の上面に前記下部コア層の形状に対応して形成する下部メサマスク形成工程と、
前記下部メサマスクをマスクとして、前記下部メサマスクの周縁を前記多層の上面から前記下部コア層より低い深さまでエッチングにより除去する、第１エッチング工程と、
前記上部メサマスクをマスクとして、前記上部メサマスクの周縁を前記多層の上面から前記上部コア層と前記下部コア層との間までエッチングにより除去する、第２エッチング工程と、
をさらに含み、
前記上部メサマスク形成工程において、前記下部メサマスクの一部を除去することにより、前記上部メサマスクにする、
ことを特徴とする、請求項１１に記載のスポットサイズ変換器の製造方法。
【請求項１５】
請求項１２に記載のスポットサイズ変換器と、メサストライプ構造を有する半導体レーザ素子とが、同一の半導体基板上にモノリシックに集積される半導体光素子の製造方法であって、
前記埋め込み工程において、前記スポットサイズ変換器の前記多層とともに、前記半導体レーザ素子の前記メサストライプ構造を半絶縁性半導体層で埋め込み、前記メサストライプ構造の両側に前記半絶縁性半導体層が形成され、
前記クラッド層形成工程において、前記スポットサイズ変換器の前記多層とともに、前記半導体レーザ素子の前記メサストライプ構造の上側に前記ｐ型の第２の半導体クラッド層を積層する、
ことを特徴とする、半導体光素子の製造方法。
【請求項１６】
請求項１３に記載のスポットサイズ変換器と、
前記スポットサイズ変換器へ入射する光の光軸上に配置される第１のメサストライプ構造と該第１のメサストライプ構造の側方に並んで形成される第２のメサストライプ構造とを有する波長選択フィルタとが、
同一の半導体基板上にモノリシックに集積される半導体光素子の製造方法であって、
前記第１のメサストライプ構造は、前記スポットサイズ変換器の前記上部コア層と同じ組成で形成される第１のコア層を含み、
前記第２のメサストライプ構造は、前記スポットサイズ変換器の前記下部コア層と同じ組成で形成される第２のコア層を含み、
前記第２のメサストライプ構造の上面は前記第１のコア層より低く、
前記波長選択フィルタの前記第１のメサストライプ構造及び前記第２のメサストライプ構造にそれぞれ対応して形成される第１のメサマスク及び第２のメサマスクの周縁を前記第２のコア層より低い深さまでエッチングにより除去する工程を、前記第１エッチング工程及び前記第２エッチング工程におけるエッチングで行う、
ことを特徴とする、半導体光素子の製造方法。
【請求項１７】
請求項１４に記載のスポットサイズ変換器と、
前記スポットサイズ変換器へ入射する光の光軸上に配置される第１のメサストライプ構造と該第１のメサストライプ構造の側方に並んで形成される第２のメサストライプ構造とを有する波長選択フィルタとが、
同一の半導体基板上にモノリシックに集積される半導体光素子の製造方法であって、
前記第１のメサストライプ構造は、前記スポットサイズ変換器の前記上部コア層と同じ組成で形成される第１のコア層を含み、
前記第２のメサストライプ構造は、前記スポットサイズ変換器の前記下部コア層と同じ組成で形成される第２のコア層を含み、
前記第２のメサストライプ構造の上面は前記第１のコア層の下面より低く、
前記波長選択フィルタの前記第１のメサストライプ構造及び前記第２のメサストライプ構造にそれぞれ対応して形成される第１のメサマスク及び第２のメサマスクの周縁を前記第２のコア層より低い深さまでエッチングにより除去する工程を、前記第１エッチング工程におけるエッチングで行い、
前記第２のメサストライプ構造の上側に配置される部分を前記第２のメサストライプ構造の上面まで除去する工程を、前記第２エッチング工程におけるエッチングで行う、
ことを特徴とする、半導体光素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スポットサイズ変換器、それを備える半導体光素子、及びそれらの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体レーザ素子を備えるレーザモジュールに、例えば、光ファイバが接続される。その場合、レーザモジュールが出射するレーザ光を、効率的に光ファイバに結合することが重要である。半導体レーザ素子の出射面において光導波路での光閉じ込めが強い場合、レーザ光の遠視野像（Far Field Pattern：以下、ＦＦＰと記す）が広がってしまい、光ファイバとの結合効率が低減してしまう。また、光導波路での光閉じ込めが、縦方向と横方向のうち、一方が強く、他方が弱い場合は、それに応じて、ＦＦＰが、一方の方向に広く他方の方向に狭い楕円形状となり、円形の断面形状を有する光ファイバとの結合効率は低下する。それゆえ、光導波路での光閉じ込めが適度に緩和されるとともに、縦方向と横方向とが近い強度で光閉じ込めされることにより、ＦＦＰが適度に狭くかつ円形に近い形状に調整するのが望ましい。
【０００３】
光導波路での光閉じ込めを緩和し、半導体レーザ素子のＦＦＰを調整するために、スポットサイズ変換器が用いられる。例えば、非特許文献１及び非特許文献２に、メサ幅テーパー型のスポットサイズ変換器を備える半導体レーザ素子が開示されている。図１２は、従来技術に係るメサ幅テーパー型のスポットサイズ変換器の構造を示す模式図である。図の背面がレーザ光の入射面であり、図の前面がレーザ光の出射面である。半導体レーザ素子が埋込型構造（Buried Hetero-Structure：以下、ＢＨ構造と記す）を有する場合に、半導体レーザ素子の出射側にスポットサイズ変換器を備え、スポットサイズ変換器は、コア層１１２を含むメサストライプ構造のメサ幅がレーザ光の出射方向に沿って小さくなるテーパー構造を有している。メサストライプ構造の両側が埋込層で埋め込まれるＢＨ構造となっていることにより、かかる形状のコア層１１２の周縁がクラッド層１１１に囲われる。コア層１１２に閉じ込められていた光は、メサ幅が小さくなるのに伴って、周りのクラッド層１１１に染み出すので、導波路を伝搬する光のモードフィールドが縦方向にも横方向にも広がり、ＦＦＰを縦方向にも横方向にも狭くすることができる。
【０００４】
また、非特許文献２に、膜厚テーパー型のスポットサイズ変換器を備える半導体レーザ素子が開示されている。図１３は、従来技術に係る膜厚テーパー型のスポットサイズ変換器の構造を示す模式図である。図１２と同様に、図の前面がレーザ光の出射面であり、コア層１１２の周縁がクラッド層１１１に囲われている。図１３に示すスポットサイズ変換器は、コア層１１２の層厚がレーザ光の出射方向に沿って徐々に小さくなるテーパー構造を有している。コア層１１２に閉じ込められていた光が、層厚が小さくなる（層が薄くなる）のに伴って、周りのクラッド層１１１に染み出すために、図１２に示すスポットサイズ変換器と同様に、光のモードフィールドが広がり、ＦＦＰを狭くすることが出来る。
【０００５】
さらに、例えば、特許文献１及び非特許文献２に、上部コア層と下部コア層の２層のコア層から形成されるデュアルメサテーパー型のスポットサイズ変換器が開示されている。上部コア層の屈折率は下部コア層の屈折率より高く、上部コア層のメサ幅は、図１２に示すコア層１１２と同様に、レーザ光の出射方向に沿って小さくなる。これに対して、下部コア層のメサ幅はレーザ光の出射方向に沿って大きくなっている。スポットサイズ変換器の入射側では、光の閉じ込めは、屈折率が大きい上部コア層において強く、上部コア層のメサ幅が小さくなるのに伴って、光が上部コア層から下部コア層に遷移する。下部コア層の屈折率は上部コア層の屈折率により低いことから、下部コア層に遷移した光の閉じ込めは弱くなり、スポットサイズ変換器の出射側では、光のモードフィールドは広がり、ＦＦＰを狭くすることが出来る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平０９−１０２６５１号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Electronics Letters，vol.３０，No.１１，８５７−８５９頁，１９９４年
【非特許文献２】Journal of Selected Topics in Quantum Electronics，vol. ３，No. ６，１３０８−１３２０頁, １９９７年
【非特許文献３】Optical Fiber Communication Conference 2011、ＯＷＤ７，２０１１年３月
【非特許文献４】IEEE Photonics Technology Letters，vol.５，No. ７，７３５−７３８頁，１９９３年
【非特許文献５】Journal of Quantum Electronics、vol. ４３，No. ９，７９８−８０３頁，２００７年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
メサ幅テーパー型のスポットサイズ変換器及び膜厚テーパー型のスポットサイズ変換器において、スポットサイズ変換器の出射面での光のモードフィールドは、コア層１１２の形状やコア層１１２の先端からレーザ光の出射面までの距離などに依存するので、それらを高精度に制御する必要がある。とくに、膜厚テーパー型のスポットサイズ変換器の製造工程において、コア層１１２の結晶成長時に誘電体マスクを用いた選択成長効果を利用する場合、マスク形状や成長条件の制御は困難である。これに対して、デュアルメサテーパー型のスポットサイズ変換器では、出射面での光のモードフィールドは下部コア層の屈折率やメサ幅、膜厚に主に依存するので、レーザ光のスポットサイズの制御性の観点では、デュアルメサテーパー型のスポットサイズ変換器が望ましい。
【０００９】
一般に、スポットサイズ変換器を配置する際に生じるスポットサイズ変換器の挿入損失は、モードフィールドが変換される際の遷移損失と、導波路伝搬時に発生する伝搬損失とに分類できる。デュアルメサテーパー型のスポットサイズ変換器において、上部コア層から下部コア層に光が遷移する領域を光遷移領域として、光遷移領域の長さをＬとすると、デュアルメサテーパー型のスポットサイズ変換器の光遷移領域における伝搬損失［ｄＢ］は、−１０Ｌｏｇ｛ｅｘｐ（−αＬ）｝（数式１とする）で表される。ここで、α［ｃｍ−１］は単位長さあたりの損失である。
【００１０】
数式１に示す通り、Ｌが減少するのに伴い、伝搬損失は減少するので、Ｌは出来る限り小さくするのが、伝搬損失を低減する観点からは望ましい。しかし、光遷移領域の長さＬを小さくする（光遷移領域を短くする）と、上部コア層から下部コア層へのモード変換が急峻となり、遷移損失が増加する。遷移損失を低減するためには、モード変換が緩やかであるのが望ましい。すなわち、光遷移領域において、出射方向に沿って上部コア層のメサ幅がゆっくりと小さくなり下部コア層のメサ幅がゆっくりと大きくなるのが望ましい。モード変換が緩やかであれば遷移損失は無視できるほどに小さい。よって、遷移損失を軽減する観点からは、光遷移領域の長さＬは大きくする（光遷移領域を長くする）のが望ましく、光遷移領域の長さＬを小さくするのには限界がある。
【００１１】
それゆえ、光遷移領域の所定の長さＬにおいて、スポットサイズ変換器の挿入損失を低減するためには、数式１に示す通り、単位長さあたりの損失αを低減させて伝搬損失を低減させる必要がある。スポットサイズ変換器の素子長を低減する技術について、特許文献１に開示されているが、単位長さあたりの損失αを低減させる技術については開示も示唆もされていない。
【００１２】
本発明は、係る事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、光遷移領域において伝搬損失が抑制される構造とすることにより、変換特性が向上されるスポットサイズ変換器、それを備える半導体光素子、及びそれらの製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
（１）上記課題を解決するために、本発明に係るスポットサイズ変換器は、下部コア層と、前記下部コア層より屈折率が大きい上部コア層と、を含む複数層が積層される多層構造が、ｎ型半導体基板上に形成され、前記多層構造は、光遷移領域において、光の出射方向に沿って前記上部コア層の幅が徐々に小さくなり、前記下部コア層の幅が徐々に大きくなっており、一方の端面より入射される光が、前記上部コア層を伝搬し、前記光遷移領域において光が前記上部コア層から前記下部コア層へ遷移し、さらに、前記下部コア層を伝搬して、他方の端面より出射する、スポットサイズ変換器であって、前記光遷移領域において、前記多層構造の両側と上側が、半絶縁性半導体層によって埋め込まれている、ことを特徴とする。
【００１４】
（２）上記（１）に記載のスポットサイズ変換器であって、前記複数層は、前記上部コア層の上側にｐ型の第１の半導体クラッド層を含み、さらに、前記光遷移領域において前記半絶縁性半導体層の上側にｐ型の第２の半導体クラッド層が形成されてもよい。
【００１５】
（３）本発明に係る半導体光素子は、上記（２）に記載のスポットサイズ変換器と、前記スポットサイズ変換器へ入射する光の光軸上に配置される第１のメサストライプ構造と該第１のメサストライプ構造の側方に並んで形成される第２のメサストライプ構造とを有する波長選択フィルタとが、同一の半導体基板上にモノリシックに集積される半導体光素子であって、前記第１のメサストライプ構造は、前記スポットサイズ変換器の前記上部コア層と同じ組成で形成される第１のコア層を含み、前記第２のメサストライプ構造は、前記スポットサイズ変換器の前記下部コア層と同じ組成で形成される第２のコア層を含み、前記第２のメサストライプ構造の上面は前記第１のコア層の下面より低くてもよい。
【００１６】
（４）上記（３）に記載の半導体光素子であって、前記スポットサイズ変換器の前記光遷移領域における前記多層構造の両側に配置される前記半絶縁性半導体層の下面と、前記波長選択フィルタの前記第１のメサストライプ構造の両側に配置される前記半絶縁性半導体層の下面とは、等しい高さとなっていてもよい。
【００１７】
（５）本発明に係る半導体光素子は、上記（２）に記載のスポットサイズ変換器と、前記上部コア層に接する活性層を含むメサストライプ構造を有する半導体レーザ素子とが、同一の半導体基板上にモノリシックに集積される半導体光素子であって、前記スポットサイズ変換器の前記上部コア層の上側に積層される半導体層の層厚が、前記半導体レーザ素子の前記活性層の上側に積層される半導体層の層厚より大きくてもよい。
【００１８】
（６）本発明に係る半導体光素子は、上記（２）に記載のスポットサイズ変換器と、電流によって光導波路の屈折率を変化させて選択する波長が制御される波長選択フィルタとが、同一の半導体基板上にモノリシックに集積されてもよい。
【００１９】
（７）上記（６）に記載の半導体光素子であって、前記波長選択フィルタは、前記スポットサイズ変換器の前記上部コア層と同じ組成で形成される第１のコア層と、前記スポットサイズ変換器の前記下部コア層と同じ組成で形成される第２のコア層との間に生じる光の遷移により、光の波長を選択してもよい。
【００２０】
（８）上記（７）に記載の半導体光素子であって、前記波長選択フィルタの選択波長帯域より狭い選択波長帯域を有する第２の波長選択フィルタと、光を発光する利得部と、光の位相を調整する位相調整部とが、前記半導体基板上にモノリシックにさらに集積されてもよい。
【００２１】
（９）上記（２）に記載のスポットサイズ変換器であって、前記ｎ型半導体基板、前記半絶縁性半導体層、前記第１の半導体クラッド層、及び前記第２の半導体クラッド層は、ＩｎＰ系材料によって形成されてもよい。
【００２２】
（１０）上記（９）に記載のスポットサイズ変換器であって、前記第１の半導体クラッド層には、亜鉛がドーパントとして添加され、前記半絶縁性半導体層には、ルテニウムがドーパントとして添加されてもよい。
【００２３】
（１１）本発明に係るスポットサイズ変換器の製造方法は、下部コア層と、前記下部コア層より屈折率が大きい上部コア層と、を含む複数層が積層される多層構造が、ｎ型半導体基板上に形成され、前記多層構造は、光遷移領域において、光の出射方向に沿って前記上部コア層の幅が徐々に小さくなり、前記下部コア層の幅が徐々に大きくなっており、一方の端面より入射される光が、前記上部コア層を伝搬し、前記光遷移領域において光が前記上部コア層から前記下部コア層へ遷移し、さらに、前記下部コア層を伝搬して、他方の端面より出射する、スポットサイズ変換器の製造方法であって、前記上部コア層の形状に対応する上部メサマスクを前記下部コア層と前記上部コア層を含む多層の上面に形成する上部メサマスク形成工程を含むとともに、前記上部コア層及び前記下部コア層を所定の形状に形成するデュアルメサ形成工程と、前記上部メサマスクの、少なくとも前記光遷移領域に対応する部分を除去する、上部メサマスク除去工程と、前記多層を半絶縁性半導体層で埋め込み、前記光遷移領域において、前記多層の両側に加えて上側に前記半絶縁性半導体層が形成される、埋め込み工程と、を含んでいてもよい。
【００２４】
（１２）上記（１１）に記載のスポットサイズ変換器の製造方法であって、前記複数層は、前記上部コア層の上側にｐ型の第１の半導体クラッド層を含むとともに、前記埋め込み工程の後に、ｐ型の第２の半導体クラッド層を積層する、クラッド層形成工程を、さらに含んでいてもよい。
【００２５】
（１３）上記（１１）に記載のスポットサイズ変換器の製造方法であって、前記デュアルメサ形成工程は、前記上部マスクと異なる材料からなる下部メサマスクを前記上部メサマスクの上側に前記下部コア層の形状に対応して形成する下部メサマスク形成工程と、前記下部メサマスクをマスクとして、前記下部メサマスクの周縁を所定の深さまでエッチングにより除去する、第１エッチング工程と、前記下部メサマスクを除去する、下部メサマスク除去工程と、前記上部メサマスクをマスクとして前記上部メサマスクの周縁を前記多層の上面から前記上部コア層と前記下部コア層との間までエッチングにより除去するとともに、前記第１エッチング工程で前記所定の深さまでエッチングを行った領域をさらに前記下部コア層より低い深さまでエッチングにより除去する、第２エッチング工程と、をさらに含んでいてもよい。
【００２６】
（１４）上記（１１）に記載のスポットサイズ変換器の製造方法であって、前記デュアルメサ形成工程は、下部メサマスクを前記多層の上面に前記下部コア層の形状に対応して形成する下部メサマスク形成工程と、前記下部メサマスクをマスクとして、前記下部メサマスクの周縁を前記多層の上面から前記下部コア層より低い深さまでエッチングにより除去する、第１エッチング工程と、前記上部メサマスクをマスクとして、前記上部メサマスクの周縁を前記多層の上面から前記上部コア層と前記下部コア層との間までエッチングにより除去する、第２エッチング工程と、をさらに含み、前記上部メサマスク形成工程において、前記下部メサマスクの一部を除去することにより、前記上部メサマスクにしてもよい。
【００２７】
（１５）本発明に係る半導体光素子の製造方法は、上記（１２）に記載のスポットサイズ変換器と、メサストライプ構造を有する半導体レーザ素子とが、同一の半導体基板上にモノリシックに集積される半導体光素子の製造方法であって、前記埋め込み工程において、前記スポットサイズ変換器の前記多層とともに、前記半導体レーザ素子の前記メサストライプ構造を半絶縁性半導体層で埋め込み、前記メサストライプ構造の両側に前記半絶縁性半導体層が形成され、前記クラッド層形成工程において、前記スポットサイズ変換器の前記多層とともに、前記半導体レーザ素子の前記メサストライプ構造の上側に前記ｐ型の第２の半導体クラッド層を積層してもよい。
【００２８】
（１６）本発明に係る半導体光素子の製造方法は、上記（１３）に記載のスポットサイズ変換器と、前記スポットサイズ変換器へ入射する光の光軸上に配置される第１のメサストライプ構造と該第１のメサストライプ構造の側方に並んで形成される第２のメサストライプ構造とを有する波長選択フィルタとが、同一の半導体基板上にモノリシックに集積される半導体光素子の製造方法であって、前記第１のメサストライプ構造は、前記スポットサイズ変換器の前記上部コア層と同じ組成で形成される第１のコア層を含み、前記第２のメサストライプ構造は、前記スポットサイズ変換器の前記下部コア層と同じ組成で形成される第２のコア層を含み、前記第２のメサストライプ構造の上面は前記第１のコア層より低く、前記波長選択フィルタの前記第１のメサストライプ構造及び前記第２のメサストライプ構造にそれぞれ対応して形成される第１のメサマスク及び第２のメサマスクの周縁を前記第２のコア層より低い深さまでエッチングにより除去する工程を、前記第１エッチング工程及び前記第２エッチング工程におけるエッチングで行ってもよい。
【００２９】
（１７）本発明に係る半導体光素子の製造方法は、上記（１４）に記載のスポットサイズ変換器と、前記スポットサイズ変換器へ入射する光の光軸上に配置される第１のメサストライプ構造と該第１のメサストライプ構造の側方に並んで形成される第２のメサストライプ構造とを有する波長選択フィルタとが、同一の半導体基板上にモノリシックに集積される半導体光素子の製造方法であって、前記第１のメサストライプ構造は、前記スポットサイズ変換器の前記上部コア層と同じ組成で形成される第１のコア層を含み、前記第２のメサストライプ構造は、前記スポットサイズ変換器の前記下部コア層と同じ組成で形成される第２のコア層を含み、前記第２のメサストライプ構造の上面は前記第１のコア層の下面より低く、前記波長選択フィルタの前記第１のメサストライプ構造及び前記第２のメサストライプ構造にそれぞれ対応して形成される第１のメサマスク及び第２のメサマスクの周縁を前記第２のコア層より低い深さまでエッチングにより除去する工程を、前記第１エッチング工程におけるエッチングで行い、前記第２のメサストライプ構造の上側に配置される部分を前記第２のメサストライプ構造の上面まで除去する工程を、前記第２エッチング工程におけるエッチングで行ってもよい。
【発明の効果】
【００３０】
本発明により、光遷移領域において伝搬損失が抑制される構造とすることにより、変換特性が向上されるスポットサイズ変換器、それを備える半導体光素子、及びそれらの製造方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るスポットサイズ変換器の構造を示す模式図である。
【図２Ａ】本発明の第１の実施形態に係るスポットサイズ変換器の構造を示す模式上面図である。
【図２Ｂ】本発明の第１の実施形態に係るスポットサイズ変換器の断面図である。
【図２Ｃ】本発明の第１の実施形態に係るスポットサイズ変換器の断面図である。
【図２Ｄ】本発明の第１の実施形態に係るスポットサイズ変換器の断面図である。
【図３Ａ】本発明の第２の実施形態に係る集積半導体レーザ素子の構造を示す模式上面図である。
【図３Ｂ】本発明の第２の実施形態に係る集積半導体レーザ素子の構造を示す模式断面図である。
【図４Ａ】本発明の第３の実施形態に係る集積半導体レーザ素子の構造を示す模式上面図である。
【図４Ｂ】本発明の第３の実施形態に係る集積半導体レーザ素子の構造を示す模式断面図である。
【図５】本発明の第３の実施形態に係る集積半導体レーザ素子のＬＧＬＣフィルタ部の断面図である。
【図６】本発明の第３の実施形態に係る集積半導体レーザ素子の製造工程の過程を示す断面図である。
【図７Ａ】本発明の第３の実施形態に係る集積半導体レーザ素子の製造工程の過程を示す断面図である。
【図７Ｂ】本発明の第３の実施形態に係る集積半導体レーザ素子の製造工程の過程を示す断面図である。
【図７Ｃ】本発明の第３の実施形態に係る集積半導体レーザ素子の製造工程の過程を示す断面図である。
【図７Ｄ】本発明の第３の実施形態に係る集積半導体レーザ素子の製造工程の過程を示す断面図である。
【図７Ｅ】本発明の第３の実施形態に係る集積半導体レーザ素子の製造工程の過程を示す断面図である。
【図８Ａ】本発明の第３の実施形態に係る集積半導体レーザ素子の製造工程の過程を示す断面図である。
【図８Ｂ】本発明の第３の実施形態に係る集積半導体レーザ素子の製造工程の過程を示す断面図である。
【図８Ｃ】本発明の第３の実施形態に係る集積半導体レーザ素子の製造工程の過程を示す断面図である。
【図８Ｄ】本発明の第３の実施形態に係る集積半導体レーザ素子の製造工程の過程を示す断面図である。
【図８Ｅ】本発明の第３の実施形態に係る集積半導体レーザ素子の製造工程の過程を示す断面図である。
【図９】本発明の第３の形態に係る集積半導体レーザ素子の特性を示す図である。
【図１０Ａ】本発明の第４の実施形態に係る集積半導体レーザ素子の製造工程の過程を示す断面図である。
【図１０Ｂ】本発明の第４の実施形態に係る集積半導体レーザ素子の製造工程の過程を示す断面図である。
【図１１Ａ】本発明の第４の実施形態に係る集積半導体レーザ素子の製造工程の過程を示す断面図である。
【図１１Ｂ】本発明の第４の実施形態に係る集積半導体レーザ素子の製造工程の過程を示す断面図である。
【図１２】従来技術に係るメサ幅テーパー型のスポットサイズ変換器の構造を示す模式図である。
【図１３】従来技術に係る膜厚テーパー型のスポットサイズ変換器の構造を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
本発明に係る実施形態について、以下に、詳細な説明をする。ただし、以下に示す図は、あくまで、各実施形態の実施例を説明するものであって、図の大きさと本実施例記載の縮尺は必ずしも一致するものではない。なお、以下に示す図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、以下の実施の形態では、特に必要なときを除き、同一または同様な部分の説明を原則として繰り返さない。
【００３３】
［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態に係るスポットサイズ変換器１の構造を示す模式図である。当該実施形態に係るスポットサイズ変換器１は、図１に示す通り、デュアルメサテーパー型のスポットサイズ変換器であり、スポットサイズ変換器１は、上部コア層１２と下部コア層１３を含む複数層が積層される多層構造を有している。詳細については後述する通り、２層のコア層の周縁がクラッド層１１に囲われている。また、スポットサイズ変換器１において、図の背面側よりレーザ光が上部コア層１２に入射し、上部コア層１２を伝搬する光が下部コア層１３に遷移し、スポットサイズ変換器１は、図の前面側より、スポットサイズが変換されたレーザ光を出射する。すなわち、図１に示す背面が入射端面５１であり、前面が出射端面５２である。光遷移領域において、多層構造は、上部メサストライプ構造と下部メサストライプ構造からなるデュアルメサ構造となっており、上部コア層１２を含む上部メサストライプ構造のメサ幅は、レーザ光の出射方向に沿って小さくなっている。これに対して、下部コア層１３を含む下部メサストライプ構造のメサ幅は、レーザ光の出射方向に沿って大きくなっている。上部コア層１２の屈折率は、下部コア層１３の屈折率より大きい。
【００３４】
図２Ａは、当該実施形態に係るスポットサイズ変換器１の構造を示す模式上面図である。図２Ａには、スポットサイズ変換器１を上方から見たときの、下部コア層１３と、下部コア層１３の上方に配置される上部コア層１２との平面的な重なりが模式的に表されている。便宜上、スポットサイズ変換器１の上方から見て、右から順に、入射光伝搬領域、光遷移領域、出射光伝搬領域とする。
【００３５】
図２Ａに示す通り、入射端面５１から出射端面５２へレーザ光の出射方向に沿って、上部コア層１２は、等幅で延伸し、途中から、幅は徐々に小さくなりながら延伸し、出射端面５２の近傍で消滅している。ここで、光遷移領域とは、上方から見て平面的に、上部コア層１２の幅が細くなり始める箇所から消滅する箇所までの領域である。入射光伝搬領域は、入射端面５１から上部コア層１２の幅が細くなり始める箇所まで、出射光伝搬領域は、上部コア層１２の先端から出射端面５２まで、である。図２Ａには、光遷移領域の長さがＬとして表されている。一方、下部コア層１３は、入射端面５１から出射端面５２へレーザ光の出射方向に沿って、入射光伝搬領域において、上部コア層１２とほぼ等しい幅であってかつ等幅で延伸し、光遷移領域の始まりから幅が徐々に大きくなりながら延伸し、出射光伝搬領域においては、等しい幅で延伸し、出射端面５２に至っている。
【００３６】
図２Ｂ乃至図２Ｄは、当該実施形態に係るスポットサイズ変換器１の断面図である。図２Ｂには、図２Ａに示すＩＩＢ−ＩＩＢ線の断面が、図２Ｃには、図２Ａに示すＩＩＣ−ＩＩＣ線の断面が、図２Ｄには、図２Ａに示すＩＩＤ−ＩＩＤ線の断面が、それぞれ示されている。図２Ｄに示す断面は、スポットサイズ変換器１の入射端面５１でのメサ断面図に等しく、スポットサイズ変換器１が有する多層構造の基本多層となっており、ＢＨ構造となっている。
【００３７】
図２Ｄに示す通り、入射光伝搬領域において、ｎ型ＩｎＰ基板２１上に、ｎ型の下部コア層１３、ｎ型のＩｎＰエッチング停止層２２、ｉ型の上部コア層１２、ｐ型のＩｎＰ第１クラッド層２３（複数層）が、この順に積層されている。上部に位置するＩｎＰ第１クラッド層２３から、上部コア層１２、ＩｎＰエッチング停止層２２、下部コア層１３と、ｎ型ＩｎＰ基板２１の一部に亘って、メサストライプ構造が形成されている。下部コア層１３の屈折率はＩｎＰの屈折率よりも高く、上部コア層１２の屈折率よりも低い。よって、ｎ型ＩｎＰ基板２１は２層のコア層に対してクラッド層として機能している。さらに、下部コア層１３の層厚は上部コア層１２の層厚よりも小さい。よって、当該メサストライプ構造において、上部コア層１２における光の閉じ込めは、下部コア層１３における光の閉じ込めよりも強く、入射端面５１より入射した光が伝搬する主となる光導波路は上部コア層１２となる。例えば、２層のコア層にＩｎＧａＡｓＰを用いた場合は、上部コア層１２の組成波長を下部コア層１３の組成波長よりも長波長側となるように、各コア層を形成すればよい。なお、ここでは、上部コア層１２は意図的にドーパントが添加されていないｉ型としているが、スポットサイズ変換器としてはこれに限定されることはなく、ｎ型であってもよい。
【００３８】
上部コア層１２と下部コア層１３とを含む当該メサストライプ構造の両側が、半絶縁性ＩｎＰ埋め込み層２４によって埋め込まれている。上部コア層１２の屈折率及び下部コア層１３の屈折率はともに、半絶縁性ＩｎＰ埋め込み層２４の屈折率より高く、半絶縁性ＩｎＰ埋め込み層２４は２層のコア層に対してクラッド層として機能している。半絶縁性ＩｎＰ埋め込み層２４の上面は、メサストライプ構造の最上層から外側に斜面となって広がっており、さらに外側において平面となっている。そして、メサストライプ構造の最上層と半絶縁性ＩｎＰ埋め込み層２４の上面とを覆って、ｐ型のＩｎＰ第２クラッド層２５が形成されている。よって、上部コア層１２と下部コア層１３の周りには、図１に示す通り、クラッド層１１が形成されている。
【００３９】
図２Ｃに示す通り、光遷移領域において、上部コア層１２と下部コア層１３とを含む多層構造は、図２Ｄに示すメサストライプ構造とは異なる構造となっており、当該多層構造は、光遷移領域において、上部メサストライプ構造と下部メサストライプ構造からなるデュアルメサ構造である。ここで、上部メサストライプ構造は、ＩｎＰ第１クラッド層２３から、上部コア層１２、ＩｎＰエッチング停止層２２の一部までであり、下部メサストライプ構造は、ＩｎＰエッチング停止層２２の残りの部分から、下部コア層１３、ｎ型ＩｎＰ基板２１の一部までである。光遷移領域において、レーザ光の出射方向に沿って、上部コア層１２を含む上部メサストライプ構造のメサ幅は、レーザ光の出射方向に沿って小さくなっている。これに対して、下部コア層１３を含む下部メサストライプ構造のメサ幅は、レーザ光の出射方向に沿って大きくなっている。かかる構造を、デュアルメサテーパー構造と呼ぶが、デュアルメサテーパー構造では、レーザ光の出射方向に沿って伝搬する光に対して、上部コア層１２における光の閉じ込めが徐々に弱くなる。その結果、上部コア層１２から下部コア層１３に光が遷移し、下部コア層１３に閉じ込められる光の割合が徐々に大きくなる。
【００４０】
当該多層構造の両側が、図２Ｄと同様に、半絶縁性ＩｎＰ埋め込み層２４によって埋め込まれているが、図２Ｄとは異なり、さらに、当該多層構造の上側にも半絶縁性ＩｎＰ埋め込み層２４が形成されている。すなわち、光遷移領域において、当該多層構造の両側と上側が、半絶縁性ＩｎＰ埋め込み層２４によって埋め込まれている。そして、半絶縁性ＩｎＰ埋め込み層２４の上面を覆って、ｐ型のＩｎＰ第２クラッド層２５が形成されている。よって、上部コア層１２の上側には、ＩｎＰ第１クラッド層２３、半絶縁性ＩｎＰ埋め込み層２４、ＩｎＰ第２クラッド層２５が順に積層されている。
【００４１】
図２Ｂに示す通り、出射光伝搬領域において、ｎ型ＩｎＰ基板２１上に、多層構造は、前述の下部メサストライプ構造のみとなっており、上部コア層１２は配置されていない。光遷移領域において、光が上部コア層１２から下部コア層１３に遷移しており、出射光伝搬領域における主たる光導波路は、下部コア層１３となっている。ここで、前述の通り、下部コア層１３の屈折率は上部コア層１２の屈折率より小さく、下部コア層１３の層厚は上部コア層１２の層厚より小さい。それゆえ、出射光伝搬領域の下部コア層１３における光の閉じ込めは、入射光伝搬領域の上部コア層１２における光閉じ込めよりも弱く、クラッド層１１への光の縦方向及び横方向への染み出しはともに大きくなっている。それゆえ、出射端面５２におけるモードフィールドは、縦方向及び横方向へともに広がっている。それゆえ、スポットサイズ変換器１より出射するレーザ光のＦＦＰを狭くすることが出来る。
【００４２】
前述の通り、伝搬損失を軽減する観点からは、光遷移領域の長さＬを小さくするのが望ましいが、遷移損失を抑制するために所定の長さが必要であり、長さＬを小さくするのには制限がある。光遷移領域の所定の長さＬであるとき、スポットサイズ変換器１の挿入損失を軽減するために、数式１に示す通り、スポットサイズ変換器１が単位長さあたりの損失αを低減させる構造を有しているのが望ましい。スポットサイズ変換器１に入射するレーザ光の波長が１．５５μｍであるとき、スポットサイズ変換器１の多層構造にある上部コア層１２や下部コア層１３を、例えば、組成波長が１．４μｍ以下のＩｎＧａＡｓＰで形成すると、１．５５μｍの光の吸収は小さく、上部コア層１２及び下部コア層１３はほぼ透明であると言ってもよい。例えば、上部コア層１２の組成波長を１．４μｍとし、下部コア層１３の組成波長を１．２μｍ〜１．３μｍとすればよい。かかる場合には、単位長さあたりの損失αは、コア層の周りに配置されるｐ型ＩｎＰ層での価電子帯吸収（Inter Valence Band Absorption：以下、ＩＶＢＡと記す）によって決まる。それゆえ、光遷移領域において、上部コア層１２及び下部コア層１３を含む複数層が積層される多層構造の両側のみならず上側に、半絶縁性ＩｎＰ埋め込み層２４を配置することにより、半絶縁性ＩｎＰ埋め込み層２４のさらに上側に形成されるｐ型のＩｎＰ第２クラッド層２５を遠ざけることが出来ており、ｐ型のＩｎＰ第２クラッド層２５において発生するＩＶＢＡを抑制することが出来ている。
【００４３】
当該実施形態に係るスポットサイズ変換器１の光遷移領域において、上部コア層１２及び下部コア層１３の近傍には、下側にｎ型ＩｎＰ基板２１が、両側と上方には、半絶縁性ＩｎＰ埋め込み層２４が配置されており、ｐ型ＩｎＰ層は、上部コア層１２の上側に配置されるｐ型のＩｎＰ第１クラッド層２３のみである。なお、半絶縁性ＩｎＰ埋め込み層２４の半絶縁性ＩｎＰやｎ型ＩｎＰ基板２１のｎ型ＩｎＰは、吸収損失が無視出来るほどに小さい。さらに、ｐ型のＩｎＰ第１クラッド層２３の層厚は小さいので、上部コア層１２及び下部コア層１３の近傍に、吸収損失となるｐ型ＩｎＰ層の配置が抑制されている。
【００４４】
また、同様に、出射光遷移領域においても、下部コア層１３の近傍には、下側にｎ型ＩｎＰ基板２１が、上側にＩｎＰエッチング停止層２２が、両側と上方に、半絶縁性ＩｎＰ埋め込み層２４がそれぞれ配置されており、吸収損失となるｐ型ＩｎＰ層が配置されておらず、吸収損失が抑制されている。
【００４５】
後述する通り、スポットサイズ変換器を、半導体変調器や半導体波長可変フィルタなどの光機能素子、又は半導体レーザ素子と、同一の半導体基板上にモノリシックに集積する素子を作製する場合など、他の製造工程により、多層構造に積層される複数層にｐ型の半導体層を積層することがある。かかる場合などにより、デュアルメサテーパー型のスポットサイズ変換器の上部コア層の上側に、ｐ型の半導体層を配置される場合であっても、スポットサイズ変換器における挿入損失が低減される。
【００４６】
半導体光素子がＩｎＰ系材料によって形成される場合、半絶縁性半導体埋め込み層には、Ｆｅ（鉄）をドーパントとして添加したＦｅドープＩｎＰがよく用いられている。しかしながら、ＦｅドープＩｎＰは、ｐ型ＩｎＰ層のドーパントとして用いられるＺｎ（亜鉛）と相互拡散が大きいため、ｐ型ＩｎＰ層から半絶縁性ＩｎＰ埋め込み層へＺｎが拡散するので、Ｚｎが拡散した半絶縁性ＩｎＰ層においても光の吸収損失が発生してしまう。それゆえ、半絶縁性半導体層のドーパントとして、Ｚｎとの相互拡散が抑制されているＲｕ（ルテニウム）を用いるのが、吸収損失抑制の観点から望ましい。半絶縁性半導体埋め込み層として、Ｒｕがドーパントとして添加されるＲｕドープＩｎＰを用いる場合、ｐ型ＩｎＰとの接触面においても、Ｚｎの拡散が著しく低減されるので、絶縁性半導体埋め込み層における光の吸収損失は抑制される。ｐ型ＩｎＰのドーパントがＺｎと異なる材料である場合は、半絶縁性ＩｎＰのドーパントとして、当該ドーパントとの相互拡散が小さい材料を選択すればよい。
【００４７】
なお、光遷移領域における伝搬損失をさらに低減するために、ｐ型のＩｎＰ第１クラッド層２３を除去すればよいが、さらにそのための工程が必要となる。当該実施形態に係るスポットサイズ変換器１においては、製造工程において積層されるｐ型のＩｎＰ第１クラッド層２３を残すことによって、製造工程を増大させることなく、光遷移領域における伝搬損失を低減することが出来ている。また、当該実施形態に係るスポットサイズ変換器１において、半導体はＩｎＰ系材料を用いているが、他の半導体材料を用いて作製されてもよいことは言うまでもない。
【００４８】
次に、当該実施形態に係るスポットサイズ変換器１の主な製造工程について説明する。最初に、ｎ型ＩｎＰ基板２１に、例えば分子線エピタキシャル成長法を用いて、順に、ＩｎＧａＡｓＰからなる下部コア層１３、ＩｎＰエッチング停止層２２、ＩｎＧａＡｓＰからなる上部コア層１２、ＩｎＰ第１クラッド層２３、からなる多層を積層する（多層形成工程）。
【００４９】
続いて、多層形成工程によって形成した多層を上述の通り、所定の形状に形成するデュアルメサ形成工程を行う。デュアルメサ形成工程の一例として、まず、多層の最上層であるＩｎＰ第１クラッド層２３の上側に、下部コア層１３の上述の形状に対応するパターンマスク（下部メサマスク）を形成し、これをマスクとして、ＩｎＰ第１クラッド層２３、上部コア層１２、ＩｎＰエッチング停止層２２、下部コア層１３、及びｎ型ＩｎＰ基板２１の一部までエッチングを行うことにより、下部メサストライプ構造の側面を形成する。次に、下部メサマスクを除去し、ＩｎＰ第１クラッド層２３の上側に、上部コア層１２の上述の形状に対応するパターンマスク（上部メサマスク）を形成（上部メサマスク形成工程）し、これをマスクとして、ＩｎＰ第１クラッド層２３、上部コア層１２、ＩｎＰエッチング停止層２２の一部までエッチングを行うことにより、上部メサストライプ構造を形成する。
【００５０】
デュアルメサ形成工程の後、上部メサマスクのうち、光遷移領域及び出射光伝搬領域に形成される部分を除去し（上部メサマスク除去工程）、多層を半絶縁性ＩｎＰ埋め込み層２４で埋め込む（埋め込み工程）。入射光伝搬領域に形成される上部メサマスクは除去されず、かかる上部メサマスクにより、図２Ｄに示す通り、多層の両側に半絶縁性ＩｎＰ埋め込み層２４が形成され、半絶縁性ＩｎＰ埋め込み層２４の上面は、外側に斜面となって広がっており、さらに外側において平面となっている。これに対して、光遷移領域及び出射光伝搬領域に形成される上部メサマスクは除去されているので、図２Ｂ及び図２Ｃに示す通り、多層の両側に加えて上側に半絶縁性ＩｎＰ埋め込み層２４が形成される。
【００５１】
そして、入射光伝搬領域に残存する上部メサマスクを除去し、さらに、ｐ型のＩｎＰ第２クラッド層２５を積層し（クラッド層形成工程）、スポットサイズ変換器１が作製される。
【００５２】
以上、当該実施形態に係るスポットサイズ変換器１について説明した。スポットサイズ変換器１のデュアルメサテーパー構造は、これに限定されることなく、いろいろな形状が考えられる。例えば、当該実施形態に係るスポットサイズ変換器１の光遷移領域において、上部コア層１２の幅が徐々に小さくなり始める箇所と、下部コア層１３の幅が徐々に大きくなり始める箇所は同じであるが、異なっていてもよい。この場合、光遷移領域の入射側の端部は、上部コア層１２の幅が徐々に小さくなり始める箇所とする。また、例えば、光遷移領域における光の遷移が十分な場合など、出射光遷移領域の長さは小さくてもよいし、また、出射光遷移領域を設けず、光遷移領域の出射側の端部が、出射端面５２であってもよい。この場合、上部コア層１２の出射側の先端は出来る限り細くなっているのが望ましく、プロセスの作製限界に設計するのが望ましいが、これに限定されることはない。なお、これらの場合であっても、上部メサマスク除去工程において、上部メサマスクの光遷移領域に対応する部分を除去すればよい。
【００５３】
［第２の実施形態］
本発明の第２の実施形態に係る半導体光素子は、スポットサイズ変換器部３と半導体レーザの利得部４とが同一の半導体基板上に集積された集積半導体レーザ素子２である。ここでは、半導体レーザは１．５５μｍ帯のファブリペロー型レーザであり、多重量子井戸層３２にはＩｎＧａＡｓＰ系材料を用いている。
【００５４】
図３Ａは、当該実施形態に係る集積半導体レーザ素子２の構造を示す模式上面図である。図３Ａには、集積半導体レーザ素子２を上方からみたときの、下部コア層１３と、下部コア層１３の上方に配置される上部コア層１２とのスポットサイズ変換器部３における平面的な重なりが模式的に表されている。また、利得部４の上面に形成されるｐ型電極３１が示されているが、さらに、利得部４における光導波路が模式的に表されている。
【００５５】
スポットサイズ変換器部３の構造は、第１の実施形態に係るスポットサイズ変換器１と基本的に同じであるが、入射光伝搬領域は、第１の実施形態に係るスポットサイズ変換器１と比べて非常に短くなっているか、又は、設けられていない。
【００５６】
図３Ｂは、当該実施形態に係る集積半導体レーザ素子２の構造を示す模式断面図である。図３Ｂには、図３Ａの横方向に延びる光導波路の中心を貫く断面が示されている。半導体レーザの利得部４は、井戸層と障壁層がともにＩｎＧａＡｓＰ系材料を用いて形成される多重量子井戸層３２を備えている。利得部４は、ｎ型ＩｎＰ基板２１上に、多重量子井戸層３２を含むメサストライプ構造が形成され、メサストライプ構造の両側が半絶縁性ＩｎＰ埋め込み層２４によって埋め込まれているＢＨ構造をしている。メサストライプ構造の上側には、ｐ型のＩｎＰ第２クラッド層２５、ｐ型コンタクト層３３、さらに、ｐ型電極３１が形成され、ｎ型ＩｎＰ基板２１の裏面にはｎ型電極３４が形成されている。
【００５７】
スポットサイズ変換器部３の上部コア層１２も同様にＩｎＧａＡｓＰ系材料を用いて形成されており、バットジョイント成長により、多重量子井戸層３２と上部コア層１２は光学的に接続されており、光導波路を形成している。すなわち、スポットサイズ変換器部３の上部コア層１２に接する半導体レーザの利得部４の活性層は、多重量子井戸層３２である。なお、上部コア層１２及び多重量子井戸層３２の上側にはＩｎＰ第１クラッド層２３が形成されているが、ＩｎＰ第１クラッド層２３はＩｎＰ第２クラッド層２５と比べて薄いので、図３Ｂには図示されていない。
【００５８】
スポットサイズ変換器部３の光遷移領域において、伝搬する光が上部コア層１２から下部コア層１３に遷移する際に、光のモードフィールドが広がり、上部コア層１２の上側にも光の染み出しが発生する。光のモードフィールドが広がり、利得部４のｐ型コンタクト層３３やｐ型電極３１と接触すると、損失が増大する要因となってしまう。かかる問題は、一般には、半導体レーザの多層構造の上側に配置されるｐ型クラッド層の層厚を大きくすることにより回避されるが、半導体レーザの素子抵抗が増大し素子特性を劣化させることとなる。
【００５９】
当該実施形態に係る集積半導体レーザ素子２のスポットサイズ変換器部３には、上部コア層１２の両側と上方に、半絶縁性ＩｎＰ埋め込み層２４が配置されていることにより、スポットサイズ変換器部３の光遷移領域において、上部コア層１２の上側に積層される半導体層は、ＩｎＰ第１クラッド層２３、半絶縁性ＩｎＰ埋め込み層２４、ＩｎＰ第２クラッド層２５からなる複数の半導体層（クラッド層）であり、これら半導体層の層厚の合計（長さＤ２）は、半導体レーザの利得部４の活性層である多重量子井戸層３２の上側に積層される半導体層（ｐ型クラッド層）の層厚の合計より大きくなっている（厚くなっている）。これにより、半導体レーザの利得部４のｐ型クラッド層の層厚を増大させることなく、かかる問題を回避することが出来ている。なお、スポットサイズ変換器部３において、入射端面側と出射端面側とでは、ＩｎＰ第２クラッド層２５の上面の高さは異なっているが、出射光伝搬領域（出射端面）の下部コア層１３の上側に位置する複数の半導体層（クラッド層）の層厚の合計（長さＤ１）も、光遷移領域の上部コア層１２の上側に位置する複数の半導体層（クラッド層）の層厚の合計（長さＤ２）も、ほぼ同じであり、光のモードフィールドが半導体レーザの利得部４に広がることを抑制している。
【００６０】
次に、当該実施形態に係る集積半導体レーザ素子２の主な製造工程について簡単に説明する。スポットサイズ変換器部３と半導体レーザの利得部４とを、ｎ型ＩｎＰ基板２１上に形成するが、同一層上で共通する材料によって作製される層については、同一の工程で積層すればよい。図３Ｂに示す通り、利得部４の多重量子井戸層３２とスポットサイズ変換器部３の上部コア層１２は構成が異なっているので、別々に積層される。エッチングについても同様であり、共通の工程でエッチングを行えばよい。
【００６１】
さらに、埋め込み工程において、スポットサイズ変換器部３の多層構造とともに、半導体レーザの利得部４のメサストライプ構造を、半絶縁性ＩｎＰ埋め込み層２４で埋め込み、利得部４のメサストライプ構造の両側を半絶縁性ＩｎＰ埋め込み層２４によって埋め込み、ＢＨ構造とする。そして、クラッド層形成工程において、スポットサイズ変換器部３とともに、利得部４のメサストライプ構造の上側にＩｎＰ第２クラッド層２５を積層する。利得部４の上面にｐ型コンタクト層３３、ｐ型電極３１を形成し、ｎ型ＩｎＰ基板２１の裏面にｎ型電極３４を形成し、集積半導体レーザ素子２は作製される。
【００６２】
以上の通り、当該実施形態に係る集積半導体レーザ素子２は、スポットサイズ変換器部３を形成する工程と、半導体レーザの利得部４を形成する工程とのうち、作製プロセスに共通となっている工程が含まれている。作製プロセスを共通とすることにより、工程やそれにかかるコストの増大を抑制しつつ作製することが出来る。また、ホトリソグラフィー工程やエッチング工程などをスポットサイズ変換器部３と半導体レーザの利得部４とで別々に行うプロセスにおいては、位置ずれなどが発生する可能性があるところ、作製プロセスを共通にすることにより、位置ずれの発生なども抑制され、集積素子としての特性を向上させることが出来る。
【００６３】
なお、当該実施形態に係る集積半導体レーザ素子２の半導体レーザは、ファブリペロー型のレーザとしたが、他の構造の半導体レーザ、例えば、ＤＦＢ（Distributed Bragg Grating）レーザやＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）レーザなどであってもよい。また、当該実施形態において、半導体光素子は、スポットサイズ変換器と半導体レーザがともに同一基板上に集積される集積半導体レーザ素子２としたが、半導体レーザに限定されることはなく、半導体変調器や半導体波長可変フィルタなどの光機能素子がともに同一基板上に集積されてもよい。
【００６４】
［第３の実施形態］
本発明の第３の実施形態に係る半導体光素子は、スポットサイズ変換器部３と波長可変レーザ部６とが同一の半導体基板上に集積された集積半導体レーザ素子５である。波長可変レーザ部６は、ＬＧＬＣ（Lateral Grating assisted Co-directional Coupler）型の波長可変レーザであり、当該波長可変レーザの構造については、非特許文献３に記載されている。
【００６５】
図４Ａは、当該実施形態に係る集積半導体レーザ素子５の構造を示す模式上面図である。図４Ａに示す通り、集積半導体レーザ素子２の波長可変レーザ部６には、光の出射側から順に、ＤＢＲ部７、光を発生する利得部４、光の位相を調整する位相調整部８、ＬＧＬＣフィルタ部９が配置されている。集積半導体レーザ素子５の出射側の端面には前方端面膜３６が、反対側の端面には後方端面膜３７が、それぞれ形成されており、後方端面膜３７は反射膜（ミラー）として機能している。図４Ａには、集積半導体レーザ素子５を上方からみたときの、下部コア層１３と、下部コア層１３の上方に配置される上部コア層１２とのスポットサイズ変換器部３における平面的な重なりが模式的に表されている。また、波長可変レーザ部６の各部位それぞれの上面に形成されるｐ型電極３１が示されている。さらに、波長可変レーザ部６における光導波路が模式的に表されているが、ＤＢＲ部７、位相調整部８、及びＬＧＬＣフィルタ部９の光導波路は、上部コア層１２（第１のコア層）である。ＬＧＬＣフィルタ部９には、さらにもう１本の光導波路が形成されており、下部コア層１３（第２のコア層）である。ここで、前者は高屈折率導波路、後者は低屈折率導波路である。ＬＧＬＣフィルタ部９において、高屈折率光導波路は、横方向に延伸しているが、後方の端面付近で、屈曲しており、後方端面膜３７に及んでいる。これに対して、低屈折率光導波路は、後方の端面より垂直に位相調整部８へ延伸し、境界付近において屈曲し、位相調整部８に及んでいる。
【００６６】
図４Ｂは、当該実施形態に係る集積半導体レーザ素子５の構造を示す模式断面図である。図４Ｂには、図４Ａの横方向に延びる光導波路（高屈折率光導波路）の中心を貫く断面が示されている。なお、前述の通り、高屈折率光導波路は、後方の端面付近で屈曲しているが、光導波路の中心に沿った断面なので、図４Ｂの右端にも上部コア層１２及び下部コア層１３が表されている。
【００６７】
図４Ｂに示す通り、下部コア層１３は、集積半導体レーザ素子５の後方の端面から前方の端面に亘って、延伸しており、また、利得部４の光導波路は前述の通り多重量子井戸層３２であるが、それ以外の部位においては、後方の端面から位相調整部８に亘って、また、ＤＢＲ部７からスポットサイズ変換器部３の光遷移領域に亘って、上部コア層１２が延伸している。
【００６８】
図５は、当該実施形態に係る集積半導体レーザ素子５のＬＧＬＣフィルタ部９の断面図である。図５に示す断面は、図４Ａに示すＶ−Ｖ線の断面を図の右側から見た場合を表している。ＬＧＬＣフィルタ部９では、屈折率が異なる光導波路が平行に並んだ方向性結合器型構造が形成されており、図５の左側に位置する第１のメサストライプ構造の上部コア層１２（第１のコア層）が高屈折率光導波路である。また、図５に示す通り、第１のメサストライプ構造の右側（側方）に並んで、第２のメサストライプ構造が形成されており、第２のメサストライプ構造の下部コア層１３（第２のコア層）が低屈折率光導波路である。第１のメサストライプ構造にはさらに下部コア層１３を含んでおり、第１のメサストライプ構造は２層のコア層を含んでいる。また、第２のメサストライプ構造の上面の高さは、第１のメサストライプ構造の上部コア層１２と下部コア層の間に位置しており、第１のメサストライプ構造の上部コア層１２（第１のコア層）の下面より低い。
【００６９】
屈折率の高い高屈折率光導波路に光が入射されると、所定の条件を満たす波長の光のみが、屈折率の低い低屈折率光導波路に遷移する。ここで、所定の条件とは、波長がΛ×（ｎｈ−ｈｌ）（数式２とする）となるときである。なお、Λは高屈折率光導波路の回折格子周期、ｎｈは高屈折率光導波路の有効屈折率、ｎｌは低屈折率光導波路の有効屈折率である。回折格子は高屈折率光導波路の導波路幅を伝搬方向に周期的に変化させることで形成される。高屈折率光導波路に電流を注入し、高屈折率光導波路の実効的な屈折率を変化させることで、遷移する光の波長を制御することが出来、波長選択フィルタとしての透過波長を制御することが出来る。
【００７０】
当該実施形態に係る集積半導体レーザ素子５のＬＧＬＣフィルタ部９は、高屈折率光導波路を形成する第１のコア層と、低屈折率光導波路を形成する第２のコア層を用いることにより、波長選択フィルタとしている。ここで、ＬＧＬＣフィルタ部９では高屈折率光導波路と低屈折率光導波路とが横方向に並んで形成されているが、非特許文献４に開示されているように、高屈折率光導波路と低屈折率光導波路とが縦方向に並んで形成されている波長選択フィルタがある。いずれであっても、このように、２層のコア層を用いる半導体素子を、２層のコア層を有するデュアルメサテーパー型のスポットサイズ変換器と、同一基板上にモノリシックに集積される半導体光素子とすることにより、製造工程の増大を抑制しつつ、集積素子としての特性を向上させることが出来る。
【００７１】
なお、第１のメサストライプ構造の上部コア層１２（高屈折率光導波路）は、図４Ａに示す通り、スポットサイズ変換器部３、ＤＢＲ部７、利得部４、位相調整部８と、図４Ａの横方向に延びる１本の光導波路を形成しており、活性層は、利得部４が多重量子井戸層３２で、それ以外の部位が上部コア層１２である。さらに、第１のメサストライプ構造から延伸する１本の光導波路は、スポットサイズ変換器部３の上部コア層１２に接続され、波長可変レーザ部６が出射するレーザ光がスポットサイズ変換器部３の上部コア層１２へ入射される。すなわち、スポットサイズ変換器部３へ入射する光の光軸上に、第１のメサストライプ構造の上部コア層１２（第１のコア層）は配置されている。ＬＧＬＣフィルタ部９の第１のメサストライプ構造と、スポットサイズ変換器部３の入射端面のメサストライプ構造は同一の構造である。位相調整部８及びＤＢＲ部７のメサストライプ構造も、同一の構造である。利得部４のメサストライプ構造も、活性層が多重量子井戸層３２でありこの点において異なっているが、それ以外については同一である。よって、ＬＧＬＣフィルタ部９の上部コア層１２及び下部コア層１３は、スポットサイズ変換器部３の上部コア層１２及び下部コア層１３と、同じプロセス工程でそれぞれ形成されるので、それぞれ同じ組成で形成されると言っても良い。また、ＬＧＬＣフィルタ部９の第１のメサストライプ構造は、スポットサイズ変換器部３の上部コア層１２と下部コア層１３とを含む複数層と同じ多層を有しており、両部位の上部コア層１２は同一層上に形成されていると言っても良い。第１のメサストライプ構造が有する多層は、スポットサイズ変換器部３の上部コア層と同一層状に同じ組成で形成される上部コア層１２（第１のコア層）を含んでいれば、該複数層の一部と重なっているだけでもよい。下部コア層１３についても同様である。同様に、ＬＧＬＣフィルタ部９の第２のメサストライプ構造の多層は、スポットサイズ変換器部３の複数層の一部と同じ多層を有しており、両部位の下部コア層１３は同一層上に形成されていると言ってもよい。
【００７２】
次に、当該実施形態に係る集積半導体レーザ素子５の主な製造工程について説明する。図６、図７Ａ乃至図７Ｅ、及び、図８Ａ乃至図８Ｅは、当該実施形態に係る集積半導体レーザ素子５の製造工程の過程を示す断面図である。なお、図７Ａ乃至図７Ｅは、ＬＧＬＣフィルタ部９の断面を、図８Ａ乃至図８Ｅは、スポットサイズ変換器部３の光遷移領域における断面を、それぞれ示している。
【００７３】
最初に、ｎ型ＩｎＰ基板２１に、順に、下部コア層１３、ＩｎＰエッチング停止層２２、上部コア層１２、ＩｎＰ第１クラッド層２３からなる多層を積層する（多層形成工程）。図６は、多層形成工程後の断面図であり、スポットサイズ変換器部３の断面と、ＬＧＬＣフィルタ部９の断面とを示している。その際、同一層上で共通する材料によって作製される層については、同一の工程で積層すればよい。図４Ａ及び図４Ｂに示す通り、ＩｎＰエッチング停止層２２の上側に、スポットサイズ変換器部３、ＤＢＲ部７、位相調整部８、ＬＧＬＣフィルタ部９には、上部コア層１２が形成され、利得部４には、多重量子井戸層３２が形成されており、別々に積層される。
【００７４】
続いて、多層形成工程によって形成された多層より、各部位のメサストライプ構造を形成する。ここで、スポットサイズ変換器部３のデュアルメサ構造を形成する工程が、デュアルメサ形成工程である。当該工程の特徴は、２段階に分けてエッチングを行っている点である。各部位のメサ構造を形成する工程について、以下に説明する。
【００７５】
多層の最上層であるＩｎＰ第１クラッド層２３の上側に、所定の形状のパターンマスクを形成する。ここで、所定の形状とは、２個の島形状からなる。一方の島形状は、ＬＧＬＣフィルタ部９の第１のメサストライプ構造から、スポットサイズ変換器部３の上部メサストライプ構造に至るまでの、光導波路の形状に対応している。すなわち、図４Ａに、上部コア層１２として示されている２つの領域と、該領域の間に模式的に示されている光導波路領域（多重量子井戸層３２の形状）である。他方の島形状は、ＬＧＬＣフィルタ部９の第２のメサストライプ構造の領域であり、図４Ａに、該一方の領域の上側に示されている下部コア層１３の形状に対応している。パターンマスクをマスクとしてエッチングを行って上部コア層１２が所望の形状となるように、当該所定の形状を決定すればよい。かかるパターンマスクが、図７Ａには、第１のメサストライプ構造に対応するマスク４１（第１のマスク）と、第２のメサストライプ構造に対応するマスク４１（第２のマスク）として、示されている。また、かかるパターンマスクのうち、スポットサイズ変換器部３の領域が図８Ａに示す通り上部メサマスク４２であり、また、上部メサマスク４２を形成する工程が上部メサマスク形成工程である。
【００７６】
次に、上部メサマスク４２の上側に、上部メサマスク４２と異なる材料からなる下部メサマスク４３を所定の形状に形成する（下部メサマスク形成工程）。なお、下部メサマスク４３が図８Ａに示されている。下部メサマスク４３の所定の形状とは、スポットサイズ変換器部３の下部メサストライプ構造に対応しており、図４Ａのスポットサイズ変換器部３の領域に、上部コア層１２として示されている領域及び下部コア層１３として示される領域に対応している。
【００７７】
続いて、多層に形成されているパターンマスクをマスクとして、所定の深さまで１段階目のエッチングを行う。１段階目のエッチングは例えばドライエッチングである。図７Ａに示す通り、ＬＧＬＣフィルタ部９においては、２個のマスク４１（第１のマスク及び第２のマスク）をマスクとして、該マスクの周縁を所定の深さまでエッチングにより除去する。図８Ａに示す通り、スポットサイズ変換器部３においては、下部メサマスク４３をマスクとして、下部メサマスク４３の周縁を所定の深さまでエッチングにより除去する（第１エッチング工程）。なお、図７Ａ及び図８Ａに示す通り、所定の深さとは、ここでは、ＩｎＰ第１クラッド層２３の一部までの深さである。
【００７８】
第１エッチング工程の後、下部メサマスク４３を除去する（下部メサマスク除去工程）。ここで、上部メサマスク４２と下部メサマスク４３は、上述の通り、マスクの材料が異なるので、エッチングレートの選択比が大きいエッチングを行うことにより、上部メサマスク４２を残すことが出来る。
【００７９】
下部メサマスク除去工程の後、残存しているパターンマスクをマスクとして２段階目のエッチングを行う。ここで、２段階目のエッチングは例えばドライエッチングである。図７Ｂに示す通り、ＬＧＬＣフィルタ部９においては、２個のマスク４１をマスクとして、該マスクの周縁を、該所定の深さから下部コア層１３より低い深さまでエッチングにより除去する。かかる工程により、第１のメサストライプ構造が形成される。また、第２のメサストライプ構造については、後の工程で除去する多層上部が、第２のメサストライプ構造の上に配置される構造となっている。図８Ｂに示す通り、スポットサイズ変換器部３においては、上部メサマスク４２をマスクとして、上部メサマスク４２の周縁を多層の上面（ＩｎＰ第１クラッド層２３の上面）からＩｎＰエッチング停止層２２の一部まで、すなわち、上部コア層１２と下部コア層１３との間まで、エッチングにより除去することにより、上部メサストライプ構造を形成する。また、第１エッチング工程で所定の深さまでエッチングを行った領域をさらに下部コア層１３より低い深さまでエッチングにより除去することにより、下部メサストライプ構造を形成する（第２エッチング工程）。第２エッチング工程では、スポットサイズ変換器部３の光遷移領域における多層構造は、第１エッチング工程で発生した段差を維持して、エッチングを行うので、上部メサストライプ構造と下部メサストライプ構造とが当該工程後に完成する。第１エッチング工程における所定の深さは、第２エッチング工程において、上部メサストライプ構造の両側をＩｎＰエッチング停止層２２の途中までエッチングをして上部メサストライプ構造を形成するときに、下部メサストライプ構造の両側が下部コア層１３より低い深さまでエッチングされるよう、決定すればよい。なお、スポットサイズ変換器部３のデュアルメサ構造がここで完成し、デュアルメサ形成工程が終了する。
【００８０】
ここで、スポットサイズ変換器部３とＬＧＬＣフィルタ部９とは、共通するプロセスでエッチングを行っており、両部位のメサの深さは同じである。ＬＧＬＣフィルタ部９において、メサストライプ構造の両側のｎ型ＩｎＰ基板２１の表面の高さと、スポットサイズ変換器部３のデュアルメサ構造の両側のｎ型ＩｎＰ基板２１の表面の高さは、等しくなっている。図７Ｂに示す通り、ＬＧＬＣフィルタ部９の第１のメサストライプ構造の上部コア層１２上面のｎ型ＩｎＰ基板２１表面からの高さＤ３と、図８Ｂに示す通り、スポットサイズ変換器部３の上部コア層１２上面のｎ型ＩｎＰ基板２１表面からの高さＤ４とは、等しくなっている。同様に、ＬＧＬＣフィルタ部９の第１メサストライプ構造の両側に埋め込まれる半絶縁性ＩｎＰ埋め込み層２４の下面と、スポットサイズ変換器部３のデュアルメサ構造の両側に埋め込まれる半絶縁性ＩｎＰ埋め込み層２４の下面とは、等しい高さとなっている。
【００８１】
第２エッチング工程の後、ＬＧＬＣフィルタ部９の第２のメサストライプ構造の上側に残存する多層上部を除去する（メサ上部除去工程）。すなわち、第２のメサストライプ構造に対応して形成されていたマスク４１（第２のマスク）を除去し、かかる多層についてエッチングを行い、ＩｎＰエッチング停止層２２の一部まで除去することにより、第２のメサストライプ構造が形成される（図７Ｃ）。なお、所定の形状のパターンマスクより、スポットサイズ変換器部３に配置される領域（上部メサマスク４２）を除去して（図８Ｃ）、各部位のメサ構造を形成する工程が終了する。
【００８２】
各部位のメサ構造を形成する工程の後に、各部位のメサ構造を、半絶縁性ＩｎＰ埋め込み層２４で埋め込む（埋め込み工程）。スポットサイズ変換器部３のＩｎＰ第１クラッド層２３の上面にマスクが配置しておらず、図８Ｄに示す通り、半絶縁性ＩｎＰ埋め込み層２４がＩｎＰ第１クラッド層２３の上側にも形成される。これに対して、ＬＧＬＣフィルタ部９の第１のメサストライプ構造のＩｎＰ第１クラッド層２３の上面にはマスク４１（第１のマスク）が配置しているので、図７Ｄに示す通り、半絶縁性ＩｎＰ埋め込み層２４が第１のメサストライプ構造の両側に広がって形成されている。なお、ＬＧＬＣフィルタ部９の第２のメサとライプ構造のＩｎＰ第１クラッド層２３の上面にはマスクが配置されておらず、スポットサイズ変換器部３と同様に、半絶縁性ＩｎＰ埋め込み層２４がＩｎＰ第１クラッド層２３の上側にも形成される。
【００８３】
埋め込み工程の後、残存するパターンマスクを除去し、ｐ型のＩｎＰ第２クラッド層２５を積層する（クラッド層形成工程）。図７Ｄ及び図８Ｄは、クラッド層形成工程後の状態を示している。さらに、半導体基板の上面に、ｐ型コンタクト層３３とｐ型電極３１を、半導体基板の下面に、ｎ型電極３４を形成し（電極形成工程）し、当該実施形態に係る集積半導体レーザ素子５が作製される。図７Ｅ及び図８Ｅは、電極形成工程後の状態を示している。
【００８４】
以上、当該実施形態に係る製造方法について説明した。当該実施形態に係る製造方法の特徴は、スポットサイズ変換器部３において下部メサマスク４３をマスクとして、下部メサマスク４３の周縁をエッチングにより除去する第１エッチング工程と、上部メサマスク４２をマスクとして、上部メサマスク４２の周縁をエッチングにより除去する第２エッチング工程とで、ＬＧＬＣフィルタ部９の第１のメサストライプ構造（と第２メサストライプ構造の上側に多層上部が配置される構造）を形成しているところにある。前述の通り、作製プロセスに共通の工程を含むことにより、工程やそれにかかるコストの増大を抑制しつつ作製することが出来、集積素子としての特性を向上させることが出来る。
【００８５】
なお、波長可変レーザ部６の出射側に配置されるＤＢＲ部７の活性層である上部コア層１２と、スポットサイズ変換器部３の上部コア層１２とが、同一プロセスで形成されるので、端面における位置ずれなどが生じておらず、素子としての特性が向上している。
【００８６】
次に、当該実施形態の製造方法で作製された集積半導体レーザ素子５の特性について説明する。ここで、スポットサイズ変換器部３の入射端面での上部コア層１２及び下部コア層１３のメサ幅を１μｍとし、図４Ａの出射側に配置される出射光伝搬領域を設けず、光遷移領域のみとした。スポットサイズ変換器部３の光遷移領域において、上部コア層１２のメサ幅を、入射端面における１μｍから出射方向に沿って徐々に小さくし、出射端面において０．２〜０．５μｍのいずれかまで小さくしている。一方、下部コア層１３のメサ幅を入射端面における１μｍから出射方向に沿って徐々に大きくし、出射端面において１．８μｍ〜４μｍのいずれかまで大きくしている。なお、スポットサイズ変換器部３の全長（光遷移領域の長さＬ）を１００μｍとしている。
【００８７】
図９は、当該実施形態に係る集積半導体レーザ素子５の特性を示す図である。図９に、上部コア層１２の出射端面におけるメサ幅をｄ［μｍ］、下部コア層１３の出射端面におけるメサ幅を１．８μｍとして、上部コア層１２の異なるｄ［μｍ］に対するＦＦＰ［°］が示されている。ＶＦＦＰは、半導体基板に垂直な方向（縦方向：積層方向）のＦＦＰであり、ＨＦＦＰは、半導体基板に平行な方向（横方向）のＦＦＰである。当該実施形態に係る集積半導体レーザ素子５のＶＦＦＰの計算値を実線で、ＨＦＦＰの計算値を破線で示すとともに、ＶＦＦＰの実測値をシンボル◇で、ＨＦＦＰの実測値をシンボル□で示している。また、比較例として、スポットサイズ変換器部を備えていない集積半導体ＬＧＬＣレーザ素子について、ＶＦＦＰの実測値をシンボル◆で、ＨＦＦＰの実測値をシンボル■で示している。
【００８８】
図９に示す通り、スポットサイズ変換器を備えていない集積半導体ＬＧＬＣレーザ素子では、ＦＦＰが縦方向に６０°、横方向に５０°と大きい値となっているのに対して、当該実施形態に係る集積半導体レーザ素子５は、２０°程度にまで狭小化することができている。さらに、ＦＦＰの実測値が計算値とほぼ一致していることから、当該実施形態に係る製造方法によって、所望の特性を有する集積半導体レーザ素子５の作製が可能であることがわかる。
【００８９】
一般に、光通信の伝送容量は年々増大の傾向にあり、これに対応して高速かつ大容量の伝送技術として波長分割多重（ＷＤＭ）システムが実用化され始めている。ＷＤＭはＩＴＵ−Ｔ（International Telecommunication Union-Telecommunication Standardization Sector）によって標準化された波長間隔（たとえば、波長間隔０．８ｎｍもしくは０．４ｎｍ）の波長信号光を多重して１本の光ファイバ内に同時に伝送するシステムであり、ファイバ１本あたりの伝送容量を増やすことが可能である。
【００９０】
このシステムを実現するためには、波長の異なる多数の半導体レーザダイオード（以下、レーザと略す）と、それを駆動するモジュール化された装置（以下、モジュールと略す）が必要であった。各レーザを製造するには、該レーザの波長に対応した組成波長となる
活性層をそれぞれ結晶成長させる必要があり、また、モジュールも該レーザの波長に対応してそれぞれ製造する必要があった。製造コストが高くなること、モジュールの在庫管理が煩雑であることから、通信キャリアや装置ベンダーにとってはコストのかかるモジュールであった。そこで、１種類のモジュールで波長を自由に変えられる波長可変レーザモジュールがあれば、必要なレーザは１種類若しくは少ない種類で足りるので、製造コストの低減及び在庫管理の煩雑さも解消できる。このレーザモジュールの実現には、所望の波長範囲（たとえば、中長距離通信の一般的な波長帯であるＣ−ｂａｎｄやＬ−ｂａｎｄ）で発振波長が可変である波長可変レーザが必要である。仮にＣ−ｂａｎｄの波長帯域を４０ｎｍ、波長間隔０．４ｎｍとした場合、１００種類の異なる波長を１種類のレーザから切り換え発振させる必要があり、波長可変レーザには、広波長帯域に亘って安定した波長制御性が求められている。さらに、波長可変レーザは固定波長レーザの代替であるため、固定波長レーザと同程度のコストが望ましく、更に、レーザモジュールの小型・低消費電力化が望ましい。
【００９１】
波長可変レーザに備えられる波長選択フィルタは、消費電力、波長変動量の観点から電流注入によるプラズマ効果を用いる場合が一般的である。すなわち、かかる波長選択フィルタでは、活性層に電流を注入し、電流量に応じて屈折率が変化することにより、波長選択フィルタが選択する光の波長が制御される。非特許文献５に、回折格子型の波長選択フィルタを用いた波長可変レーザが開示されているが、数ｎｍの波長変化量を数十ｍＡの電流注入で実現させるためには、屈折率を０．０１前後変化させる必要がある。このように少ない電流で大きな屈折率変化を与えるためには、波長選択フィルタの光導波路となる活性層の層厚を大きくすることが望ましいが、活性層の層厚を大きくすると、層厚方向（縦方向）の光の閉じ込めをさらに強めることを意味しており、縦方向のＦＦＰを拡大させる原因になる。
【００９２】
以上、説明した通り、電流注入によって選択する波長が制御される波長選択フィルタを備える波長可変レーザには、活性層の層厚が大きいことによる縦方向の光の閉じ込めが大きいという問題を有しているところ、本発明を適用して、本発明に係るスポットサイズ変換器と、波長可変レーザとを、同一の半導体基板上にモノリシックに集積される半導体光素子とすることにより、より顕著な効果が得られる。前述の通り、デュアルメサテーパー型のスポットサイズ変換器は２層のコア層を有しているので、波長選択フィルタも、高屈折率導波路と低屈折率導波路とを有し、それぞれを構成する２層のコア層を有しているものが望ましい。波長選択フィルタがＬＧＬＣフィルタのように、互いに横方向に並ぶ２本の光導波路に互いに異なる屈折率のコア層が用いられているのが、さらに望ましく、当該実施形態に係る製造方法を用いることで、製造工程においてプロセス工程をより共通にすることが出来る。
【００９３】
また、一般に、波長可変レーザには、光を発生する利得部（ゲイン）と、出射方向に沿って該利得部の前後に配置される２個の反射特性を有する波長選択フィルタが配置される。当該実施形態に係る集積半導体レーザ素子５のように、光の出射側に、スポットサイズ変換器のような素子を配置する場合、該利得部の前方に配置する波長選択フィルタは、反射特性によって光の波長を選択する反射型の波長選択フィルタが望ましく、例えば、ＤＢＲである。これに対して、該利得部の後方に配置する波長選択フィルタは、反射型の波長選択フィルタであっても、透過特性によって光の波長を選択する透過型の波長選択フィルタであってもよい。透過型の波長選択フィルタを用いる場合には、素子の後方端面に反射膜を配置することにより、透過型の波長選択フィルタと反射膜とで、所望の反射特性を有する波長選択フィルタが構成できる。なお、当該実施形態に係るＬＧＬＣフィルタは透過型の波長選択フィルタである。透過型の波長選択フィルタと反射膜とで一つの反射特性を有する波長選択フィルタを構成するが、それらが隣り合って配置されている必要はない。すなわち、利得部の後方に隣り合って、透過型の波長選択フィルタと反射膜が配置されてもいいし、透過型の波長選択フィルタと反射膜の間に他の素子が挿入されていてもよい。さらに、透過型の波長選択フィルタが利得部の前方に配置されていても、該透過型の波長選択フィルタと後方端面の反射膜で、１つの反射特性を有する波長選択フィルタを構成することができる。そして、２個の波長選択フィルタの少なくとも一方を、選択する波長が可変である波長選択フィルタを用いることにより、波長可変レーザが実現される。選択する波長が可変である波長選択フィルタの波長選択帯域が広く、他方の波長選択フィルタの波長選択帯域が狭くするとよい。当該実施形態に係る波長可変レーザ部６は、ＬＧＬＣフィルタ部９が透過型の波長選択フィルタで、波長選択帯域が広く、ＤＢＲ部７は、反射型の波長選択フィルタで、波長選択帯域が狭い。
【００９４】
［第４の実施形態］
本発明の第４の実施形態に係る半導体光素子は、第３の実施形態に係る半導体光素子と基本的な構造は同じであり、スポットサイズ変換器部３と波長可変レーザ部６とが同一の半導体基板上に集積された集積半導体レーザ素子５である。当該実施形態に係る集積半導体レーザ素子５は、その製造方法が第３の実施形態と異なっている。
【００９５】
当該実施形態に係る集積半導体レーザ素子５の主な製造工程について説明する。図１０Ａと図１０Ｂ、及び、図１１Ａと図１１Ｂは、当該実施形態に係る集積半導体レーザ素子５の製造工程の過程を示す断面図である。なお、図１０Ａと図１０Ｂは、ＬＧＬＣフィルタ部９の断面を、図１１Ａと図１１Ｂは、スポットサイズ変換器部３の光遷移領域における断面を、それぞれ示している。
【００９６】
ｎ型ＩｎＰ基板２１に多層を積層する多層形成工程は、第３の実施形態と同じである（図６）が、多層形成工程によって形成された多層より各部位のメサストライプ構造を形成する工程が、第３の実施形態と異なっている。各部位のメサ構造を形成する工程について、以下に説明する。
【００９７】
第３の実施形態と同様に、多層の最上層であるＩｎＰ第１クラッド層２３の上側に、所定の形状のパターンマスクを形成する。所定の形状とは、２個の島形状からなるが、ＬＧＬＣフィルタ部９の第１のメサストライプ構造からスポットサイズ変換器部３に延伸する一方の島形状が第３の実施形態と異なっており、所定の形状のパターンマスクのスポットサイズ変換器部３における領域の形状は、上部メサストライプ構造ではなく下部メサストライプ構造の形状に対応している。すなわち、図４Ａのスポットサイズ変換器部３の領域に、上部コア層１２として示されている領域及び下部コア層１３として示されている領域に対応しており、第３の実施形態における下部メサマスク４３の領域と同じである。かかるパターンマスクが、図１０Ａには、図７Ａと同様に、第１のメサストライプ構造に対応するマスク４１（第１のマスク）と、第２のメサストライプ構造に対応するマスク４１として、示されている。また、かかるパターンマスクのうち、スポットサイズ変換器部３の領域が、図１１Ａには、下部メサマスク４４として、示されている。第３の実施形態と異なり、かかるパターンマスクで、スポットサイズ変換器部３に下部メサマスク４３を形成している（下部マスク形成工程）。
【００９８】
続いて、多層に形成されているパターンマスクをマスクとして、下部コア層１３より低い深さまで１段階目のエッチングを行う。ここで、１段階目のエッチングは、例えばドライエッチングである。図１０Ａに示す通り、ＬＧＬＣフィルタ部９においては、２個のマスク４１（第１のマスク及び第２のマスク）をマスクとして、該マスクの周縁をそれぞれ下部コア層１３より低い深さまでエッチングにより除去する。かかる工程により、第１のメサストライプ構造が形成され、第２のメサストライプ構造については、後の工程で除去する多層上部が第２のメサストライプ構造の上に配置される構造となっている。すなわち、かかる工程で、第３の実施形態における２段階目のエッチング工程の後（図７Ｂ）と同様の状態となっている。また、図１１Ａに示す通り、スポットサイズ変換器部３においては、下部メサマスク４４をマスクとして、該マスクの周縁を下部コア層１３より低い深さまでエッチングにより除去する（第１エッチング工程）。第３の実施形態と異なり、第１エッチング工程により、下部メサストライプ構造の下部コア層１３が所定の形状に形成されている。
【００９９】
第１エッチング工程の後、公知のホトリソグラフィーによって、スポットサイズ変換器部３に形成される下部メサマスク４４の一部を除去することにより、上部メサマスク４５とする（上部メサマスク形成工程）。ここで上部メサマスク４５の形状は、図４Ａのスポットサイズ変換器部３の上部コア層１２の形状に対応している。その際、ＬＧＬＣフィルタ部９の第２のメサストライプ構造に対応するマスク４１（第２のマスク）を除去する。
【０１００】
上部メサマスク形成工程の後、残存しているパターンマスクをマスクとして２段階目のエッチングを行う。ここで、２段階目のエッチングは、例えばウェットエッチングである。図１１Ｂに示す通り、スポットサイズ変換器部３において、上部メサストライプ構造に対応する上部メサマスク４５をマスクとして、該マスクの周縁を、多層の上面（ＩｎＰ第１クラッド層２３の上面）からＩｎＰエッチング停止層２２の一部まで、すなわち、上部コア層１２と下部コア層１３との間まで、エッチングにより除去する（第２エッチング工程）ことにより、上部メサストライプ構造を形成する。かかる多層が除去されたことにより、下部メサストライプ構造が形成される。この際、図１０Ｂに示す通り、ＬＧＬＣフィルタ部９の第２のメサストライプ構造の多層上部が除去され、第２のストライプ構造が形成される。その後の工程については、第３の実施形態に係る製造工程と同じであるので、省略する。
【０１０１】
当該実施形態に係る製造方法の特徴は、スポットサイズ変換器部３において下部メサマスク４４をマスクとして、下部メサマスク４４の周縁をエッチングにより除去する第１エッチング工程で、ＬＧＬＣフィルタ部９の第１のメサストライプ構造（と第２メサストライプ構造の上側に多層上部が配置される構造）を形成し、さらに、スポットサイズ変換器部３において上部メサマスク４５をマスクとして、上部メサマスク４５の周縁をエッチングにより除去する第２エッチング工程で、ＬＧＬＣフィルタ部９の第２のメサストライプ構造の多層上部を除去することにより、第１の実施形態より工程数をさらに減じて、スポットサイズ変換器部３とＬＧＬＣフィルタ部９とを形成することが出来ている。
【０１０２】
以上、本発明に係るスポットサイズ変換器、それを備える半導体光素子、及び、それらの製造法について説明した。本発明は、上記実施形態に限定されることなく、広く適用することが出来ることは言うまでもない。
【符号の説明】
【０１０３】
１  スポットサイズ変換器、２  集積半導体レーザ素子、３  スポットサイズ変換器部、４  利得部、５  集積半導体レーザ素子、６  波長可変レーザ部、７  ＤＢＲ部、８  位相調整部、９  ＬＧＬＣフィルタ部、１１  クラッド層、１２  上部コア層、１３  下部コア層、２１  ｎ型ＩｎＰ基板、２２  ＩｎＰエッチング停止層、２３  ＩｎＰ第１クラッド層、２４  半絶縁性ＩｎＰ埋め込み層、２５  ＩｎＰ第２クラッド層、３１  ｐ型電極、３２  多重量子井戸層、３３  ｐ型コンタクト層、３４  ｎ型電極、３６  前方端面膜、３７  後方端面膜、４１  マスク、４２  上部メサマスク、４３，４４  下部メサマスク、４５  上部メサマスク、５１  入射端面、５２  出射端面、１１１  クラッド層、１１２  コア層。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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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５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図７Ｅ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図８Ｄ】
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【図８Ｅ】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２】
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【図１３】
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