(57)【要約】【課題】ヒータによる加熱効率を高めるとともに、構造設計の制約がより少ない光導波路構造を提供すること。【解決手段】光導波路構造は、基板と、前記基板上に位置する下部クラッド層と、前記下部クラッド層上に位置する光導波層と、前記光導波層上に位置する上部クラッド層と、前記上部クラッド層上に位置するヒータと、前記基板と前記光導波層との間に位置し、互いに異なる半導体材料からなる半導体部分が堆積方向において隣接するように堆積した堆積構造部と、を備える。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に位置する下部クラッド層と、
前記下部クラッド層上に位置する光導波層と、
前記光導波層上に位置する上部クラッド層と、
前記上部クラッド層上に位置するヒータと、
前記基板と前記光導波層との間に位置し、互いに異なる半導体材料からなる半導体部分が堆積方向において隣接するように堆積した堆積構造部と、
を備えることを特徴とする光導波路構造。
【請求項２】
前記半導体部分は半導体層であり、前記堆積構造部は、互いに異なる半導体材料からなる前記半導体層が交互に、合計で３層以上積層した構造を含んでいることを特徴とする請求項１に記載の光導波路構造。
【請求項３】
前記各半導体層の厚さは１００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項２に記載の光導波路構造。
【請求項４】
前記各半導体層の厚さは５０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項２又は３に記載の光導波路構造。
【請求項５】
前記基板はＩｎＰからなることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の光導波路構造。
【請求項６】
前記互いに異なる半導体材料は、ＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＩｎＡｓ、及びＡｌＩｎＧａＡｓから選択される２種以上であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の光導波路構造。
【請求項７】
前記半導体部分は起伏のある界面を形成していることを特徴とする請求項１に記載の光導波路構造。
【請求項８】
前記互いに異なる半導体材料は、ＩｎＧａＡｓ及びＩｎＡｓから選択される１種以上、並びに、ＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＩｎＡｓ、及びＡｌＩｎＧａＡｓから選択される１種以上であることを特徴とする請求項７に記載の光導波路構造。
【請求項９】
前記光導波層に対して前記上部クラッド層側又は前記下部クラッド層側に位置する回折格子層をさらに備えることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一つに記載の光導波路構造。
【請求項１０】
前記光導波層は活性コア層であり、前記活性コア層に電流を注入するための電極をさらに備えることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一つに記載の光導波路構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光導波路構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光導波路構造を備える半導体レーザ素子において、光導波路構造を構成する光導波層や回折格子層の屈折率を、ヒータによって加熱することで変化させて、レーザ発振波長を変化させる技術が知られている（たとえば、特許文献１）。ヒータによる加熱の効率を高めるために、光導波層と基板との間に熱伝導率が低い層や領域を設ける技術が特許文献２〜４に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第２０１６／１５２２７４号
【特許文献２】特開２０１５−１２１７６号公報
【特許文献３】特許第５３０３５８０号公報
【特許文献４】米国特許第８２３６５８９号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献２〜４にも開示されているように、ヒータによる加熱の効率を高めることが要求されている。しかしながら、熱伝導率が低い層や領域が、半導体の酸化層などの誘電体層や、空気等の気体で満たされた空洞領域の場合は、半導体との屈折率差が大きい。そのため、これらの層や領域を用いる場合には、光導波路構造の光導波特性に影響を与えないように、例えば光導波層から離れた場所に設けなければならない等、構造設計が制約を受ける場合がある。
【０００５】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ヒータによる加熱効率を高めるとともに、構造設計の制約がより少ない光導波路構造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】
【０００６】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の一態様に係る光導波路構造は、基板と、前記基板上に位置する下部クラッド層と、前記下部クラッド層上に位置する光導波層と、前記光導波層上に位置する上部クラッド層と、前記上部クラッド層上に位置するヒータと、前記基板と前記光導波層との間に位置し、互いに異なる半導体材料からなる半導体部分が堆積方向において隣接するように堆積した堆積構造部と、を備えることを特徴とする。
【０００７】
本発明の一態様に係る光導波路構造は、前記半導体部分は半導体層であり、前記堆積構造部は、互いに異なる半導体材料からなる前記半導体層が交互に、合計で３層以上積層した構造を含んでいることを特徴とする。
【０００８】
本発明の一態様に係る光導波路構造は、前記各半導体層の厚さは１００ｎｍ以下であることを特徴とする。
【０００９】
本発明の一態様に係る光導波路構造は、前記各半導体層の厚さは５０ｎｍ以下であることを特徴とする。
【００１０】
本発明の一態様に係る光導波路構造は、前記基板はＩｎＰからなることを特徴とする。
【００１１】
本発明の一態様に係る光導波路構造は、前記互いに異なる半導体材料は、ＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＩｎＡｓ、及びＡｌＩｎＧａＡｓから選択される２種以上であることを特徴とする。
【００１２】
本発明の一態様に係る光導波路構造は、前記半導体部分は起伏のある界面を形成していることを特徴とする。
【００１３】
本発明の一態様に係る光導波路構造は、前記互いに異なる半導体材料は、ＩｎＧａＡｓ及びＩｎＡｓから選択される１種以上、並びに、ＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＩｎＡｓ、及びＡｌＩｎＧａＡｓから選択される１種以上であることを特徴とする。
【００１４】
本発明の一態様に係る光導波路構造は、前記光導波層に対して前記上部クラッド層側又は前記下部クラッド層側に位置する回折格子層をさらに備えることを特徴とする。
【００１５】
本発明の一態様に係る光導波路構造は、前記光導波層は活性コア層であり、前記活性コア層に電流を注入するための電極をさらに備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、ヒータによる加熱効率を高めるとともに、構造設計の制約がより少ない光導波路構造を実現できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、実施形態１に係る光導波路構造を含む波長可変レーザ素子の構成を示す模式図である。
【図２】図２は、図１のＡ−Ａ線断面、Ｂ−Ｂ線断面を示す図である。
【図３】図３は、図２の堆積構造部の構成を示す図である。
【図４】図４は、実施形態２に係る光導波路構造を含む波長可変レーザ素子の構成を示す模式図である。
【図５】図５は、図４のＣ−Ｃ線断面、Ｄ−Ｄ線断面を示す図である。
【図６】図６は、図５の堆積構造部の構成を示す図である。
【図７】図７は、光導波路構造の変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下に、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、図面の記載において、同一又は対応する要素には適宜同一の符号を付している。また、図面は模式的なものであり、各要素の寸法の関係、各要素の比率などは、現実と異なる場合があることに留意する必要がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。また、図中で適宜ｘｙｚ座標軸を示し、これにより方向を説明する。
【００１９】
（実施形態１）
図１は、実施形態１に係る光導波路構造を含む波長可変レーザ素子の構成を示す模式図である。波長可変レーザ素子１００は、共通の基部Ｓ上に形成された、第１光導波路部１０と第２光導波路部２０とを備えている。基部Ｓはたとえばｎ型ＩｎＰからなる。なお、基部Ｓの裏面にはｎ側電極３０が形成されている。ｎ側電極３０は、たとえばＡｕＧｅＮｉを含んで構成され、基部Ｓとオーミック接触する。
【００２０】
第１光導波路部１０は、光導波路１１と、積層部１２と、ｐ側電極１３と、Ｔｉからなるマイクロヒータ１４と、２つの電極パッド１５とを備えている。第１光導波路部１０は、埋め込み構造を有しており、光導波路１１は、積層部１２内にｚ方向に延伸するように形成されている。積層部１２は、光導波路１１に対してクラッド部の機能等を備える。
【００２１】
ｐ側電極１３は、積層部１２上において、光導波路１１の所定の部分に沿うように配置されている。なお、積層部１２には後述するＳｉＮ保護膜が形成されており、ｐ側電極１３はＳｉＮ保護膜に形成された開口部を介して積層部１２に接触している。マイクロヒータ１４は、積層部１２のＳｉＮ保護膜上において、光導波路１１の所定の部分に沿うように配置されている。各電極パッド１５は、積層部１２のＳｉＮ保護膜上に配置され、マイクロヒータ１４と電気的に接続している。マイクロヒータ１４は、各電極パッド１５を介して電流を供給されることによって発熱する。
【００２２】
図２（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、図１のＡ−Ａ線断面、Ｂ−Ｂ線断面を示す図である。
【００２３】
図２（ａ）に示すように、Ａ−Ａ線断面において積層部１２は、基部Ｓを構成するｎ型ＩｎＰ基板上に、下部クラッド層１２ａを有している。下部クラッド層１２ａは、ｎ型ＩｎＰからなる第１層１２ａ１と、ｎ型半導体からなる堆積構造部１２ａｂと、ｎ型ＩｎＰからなる第２層１２ａ２とが、図１のｙ方向に沿ってこの順番で積層した構造を有する。
【００２４】
下部クラッド層１２ａ上には、Ａ−Ａ線断面における光導波路１１である、光導波層としての活性コア層１１ａが積層している。さらに活性コア層１１ａ上には、ｐ型ＩｎＰからなる上部クラッド層１２ｂが積層している。下部クラッド層１２ａの上部、活性コア層１１ａ及び上部クラッド層１２ｂは、エッチング等により、１．５５μｍ帯の光をシングルモードで光導波するのに適した幅（たとえば２μｍ）にされたストライプメサ構造になっている。ストライプメサ構造の両脇（紙面左右方向）は、ｐ型ＩｎＰ埋め込み層１２ｃ及びｎ型ＩｎＰ電流ブロッキング層１２ｄからなる電流ブロッキング構造を有した埋め込み構造となっている。さらに、上部クラッド層１２ｂ及び埋め込み構造の上には、ｐ型半導体層１２ｅが積層している。ｐ型半導体層１２ｅは、ｐ型ＩｎＰからなる上部クラッド層１２ｅａと、上部クラッド層１２ｅａ上に積層したｐ型ＩｎＧａＡｓからなり積層部１２の最上層を形成するコンタクト層１２ｅｂと、で構成されている。ｐ型半導体層１２ｅは、少なくとも上部クラッド層１２ｂの直上からその両脇の埋め込み構造にわたって設けられている。積層部１２には積層部１２を覆うようにＳｉＮ保護膜１６が形成されている。ｐ側電極１３はＡｕＺｎを含んで構成されており、活性コア層１１ａに沿ってコンタクト層１２ｅｂ上に形成されており、ＳｉＮ保護膜１６の開口部１６ａを介してコンタクト層１２ｅｂとオーミック接触している。以上の構成により、ｎ側電極３０及びｐ側電極１３から活性コア層１１ａへの電流注入が可能になっている。
【００２５】
活性コア層１１ａは、交互に積層された複数の井戸層と複数のバリア層を含んで構成された多重量子井戸構造と、多重量子井戸構造を上下から挟む下部及び上部光閉じ込め層とを有しており、電流注入により発光する。この活性コア層１１ａの多重量子井戸構造を構成する井戸層及びバリア層は、各々組成が異なるＧａＩｎＡｓＰからなり、活性コア層１１ａからの発光波長帯は、本実施形態では１．５５μｍ帯である。下部光閉じ込め層はｎ型のＧａＩｎＡｓＰからなる。上部光閉じ込め層はｐ型ＧａＩｎＡｓＰからなる。下部及び上部光閉じ込め層のバンドギャップ波長は、活性コア層１１ａのバンドギャップ波長より短い波長に設定されている。
【００２６】
また、図２（ｂ）に示すように、Ｂ−Ｂ線断面において積層部１２は、図２（ａ）に示す構造において、活性コア層１１ａ及び上部クラッド層１２ｂを、光導波層１１ｃａ、スペーサ層１２ｆ、及び回折格子層１１ｃｂに置き換えた構造を有している。また、マイクロヒータ１４が、光導波層１１ｃａ、スペーサ層１２ｆ、及び回折格子層１１ｃｂに沿って、ＳｉＮ保護膜１６上に設けられている。光導波層１１ｃａ、スペーサ層１２ｆ、及び回折格子層１１ｃｂが、Ｂ−Ｂ線断面における光導波路１１である。積層部１２において、活性コア層１１ａと光導波層１１ｃａとはｚ方向に沿って直列に配置されている。
【００２７】
光導波層１１ｃａは、ＧａＩｎＡｓＰからなる。光導波層１１ｃａのバンドギャップ波長は、活性コア層１１ａのバンドギャップ波長より短いことが好ましく、たとえば１．２μｍである。
【００２８】
回折格子層１１ｃｂは、ｐ型ＩｎＰからなるスペーサ層１２ｆを挟んで光導波層１１ｃａの近傍かつ直上に光導波層１１ｃａに沿って設けられた標本化回折格子（Sampled  Grating）を含む層であり、ＤＢＲ（Distributed  Bragg  Reflector）型の回折格子層として形成されている。すなわち、回折格子層１１ｃｂは、光導波層１１ｃａに対して上部クラッド層１２ｅａ側に位置する。回折格子層１１ｃｂは、ｐ型ＧａＩｎＡｓＰ層にｚ方向に沿って標本化回折格子が形成され、回折格子の溝はＩｎＰで埋め込まれた構成を有する。回折格子層１１ｃｂにおいて回折格子の格子間隔は一定であるが標本化されており、これにより波長に対し略周期的な反射応答を示す。回折格子層１１ｃｂのｐ型ＧａＩｎＡｓＰ層のバンドギャップ波長は活性コア層１１ａのバンドギャップ波長より短いことが好ましく、たとえば１．２μｍである。
【００２９】
さらに、上述したように、マイクロヒータ１４は、各電極パッド１５を介して電流を供給されることによって発熱し、回折格子層１１ｃｂを加熱する。供給される電流量を変化させることによって回折格子層１１ｃｂの温度が変化し、その屈折率が変化する。
【００３０】
ここで、堆積構造部１２ａｂについてより具体的に説明する。堆積構造部１２ａｂは、基部Ｓと光導波層（光導波層１１ｃａ及び活性コア層１１ａ）との間に位置している。図３は、堆積構造部１２ａｂの構成を示す図である。堆積構造部１２ａｂは、互いに異なる半導体材料からなる半導体部分である半導体層１２ａｂ１と半導体層１２ａｂ２とが、交互に、合計で３層以上、堆積方向において隣接するように積層した構造を含んでいる。本実施形態１では、半導体層１２ａｂ１は、ＩｎＰと格子整合する組成のｎ型ＧａＩｎＡｓからなり、その厚さは１０ｎｍである。また、半導体層１２ａｂ２は、ｎ型ＩｎＰからなり、その厚さは１０ｎｍである。そして、堆積構造部１２ａｂでは、半導体層１２ａｂ１と半導体層１２ａｂ２とが、交互に、合計で４９層積層している。半導体層１２ａｂ１は合計で２５層あり、半導体層１２ａｂ２は合計で２４層ある。堆積構造部１２ａｂの厚さは４９０ｎｍである。
【００３１】
図１に戻って、第２光導波路部２０について説明する。第２光導波路部２０は、２分岐部２１と、２つのアーム部２２、２３と、リング状導波路２４と、Ｔｉからなるマイクロヒータ２５とを備えている。
【００３２】
２分岐部２１は、１×２型の多モード干渉型（ＭＭＩ）導波路２１ａを含む１×２型の分岐型導波路で構成され、２ポート側が２つのアーム部２２、２３のそれぞれに接続されるとともに１ポート側が第１光導波路部１０側に接続されている。２分岐部２１により、２つのアーム部２２、２３は、その一端が統合され、回折格子層１１ｃｂと光学的に結合される。
【００３３】
アーム部２２、２３は、いずれもｚ方向に延伸し、リング状導波路２４を挟むように配置されている。アーム部２２、２３はリング状導波路２４と近接し、いずれも同一の結合係数κでリング状導波路２４と光学的に結合している。κの値はたとえば０．２である。アーム部２２、２３とリング状導波路２４とは、リング共振器フィルタＲＦ１を構成している。また、リング共振器フィルタＲＦ１と２分岐部２１とは、反射ミラーＭ１を構成している。マイクロヒータ２５はリング状であり、リング状導波路２４を覆うように形成されたＳｉＮ保護膜上に配置されている。マイクロヒータ２５は、電流を供給されることによって発熱し、リング状導波路２４を加熱する。供給される電流量を変化させることによってリング状導波路２４の温度が変化し、その屈折率が変化する。
【００３４】
２分岐部２１、アーム部２２、２３、及びリング状導波路２４は、いずれも、ＧａＩｎＡｓＰからなる光導波層２０ａが下部クラッド層及び上部クラッド層によって挟まれたハイメサ導波路構造を有している。下部クラッド層は、下部クラッド層１２ａと同様に、ｎ型ＩｎＰからなる第１層と、ｎ型半導体からなり、図３に示す構成を有する堆積構造部と、ｎ型ＩｎＰからなる第２層と、がこの順番で積層した構造を有する。上部クラッド層はｐ型ＩｎＰからなる。
【００３５】
また、アーム部２３の一部のＳｉＮ保護膜上には、マイクロヒータ２６が配置されている。アーム部２３のうちマイクロヒータ２６の下方の領域は、光の位相を変化させる位相調整部２７として機能する。マイクロヒータ２６は、電流を供給されることによって発熱し、位相調整部２７を加熱する。供給される電流量を変化させることによって位相調整部２７の温度が変化し、その屈折率が変化する。
【００３６】
第１光導波路部１０と第２光導波路部２０は、互いに光学的に接続された一組の波長選択要素である回折格子層１１ｃｂと反射ミラーＭ１とにより構成される、光共振器Ｃ１を構成している。
【００３７】
波長可変レーザ素子１００において、回折格子層１１ｃｂは、略所定の波長間隔で略周期的な反射特性を有する第一の櫛状反射スペクトルを生成する。一方、リング共振器フィルタＲＦ１は、略所定の波長間隔で略周期的な反射特性を有する第二の櫛状反射スペクトルを生成する。第二の櫛状反射スペクトルは、第一の櫛状反射スペクトルのピークの半値全幅よりも狭い半値全幅のピークを有し、第一の櫛状反射スペクトルの波長間隔とは異なる波長間隔で略周期的な反射特性を有する。但し、屈折率の波長分散を考慮すると、スペクトル成分は厳密には等波長間隔になっていないことに注意が必要である。
【００３８】
各櫛状反射スペクトルの特性について例示すると、第一の櫛状反射スペクトルのピーク間の波長間隔（自由スペクトル領域：ＦＳＲ）は光の周波数で表すと３７３ＧＨｚである。また、第二の櫛状反射スペクトルのピーク間の波長間隔（ＦＳＲ）は光の周波数で表すと４００ＧＨｚである。
【００３９】
波長可変レーザ素子１００において、レーザ発振を実現するために、第一の櫛状反射スペクトルのピークの一つと第二の櫛状反射スペクトルのピークの一つとを波長軸上で重ね合わせ可能に構成されている。このような重ね合わせは、マイクロヒータ１４及びマイクロヒータ２５の少なくともいずれか一つを用いて、マイクロヒータ１４により回折格子層１１ｃｂを加熱して熱光学効果によりその屈折率を変化させて第一の櫛状反射スペクトルを波長軸上で全体的に移動させて変化させる、及び、マイクロヒータ２５によりリング状導波路２４を加熱してその屈折率を変化させて第二の櫛状反射スペクトルを波長軸上で全体的に移動させて変化させる、の少なくともいずれか一つを行うことにより、実現することができる。
【００４０】
一方、波長可変レーザ素子１００において、光共振器Ｃ１による共振器モードが存在する。波長可変レーザ素子１００においては、共振器モードの間隔（縦モード間隔）は２５ＧＨｚ以下となるように光共振器Ｃ１の共振器長が設定されている。なお、光共振器Ｃ１の共振器モードの波長は、マイクロヒータ２６を用いて位相調整部２７を加熱してその屈折率を変化させて共振器モードの波長を波長軸上で全体的に移動させることにより微調整することができる。すなわち、位相調整部２７は、光共振器Ｃ１の光路長を能動的に制御するための部分である。
【００４１】
波長可変レーザ素子１００は、ｎ側電極３０及びｐ側電極１３から活性コア層１１ａへ電流を注入し、活性コア層１１ａを発光させると、第一の櫛状反射スペクトルのスペクトル成分のピーク、第二の櫛状反射スペクトルのスペクトル成分のピーク、及び光共振器Ｃ１の共振器モードの一つが一致した波長、たとえば１５５０ｎｍでレーザ発振し、レーザ光Ｌ１を出力するように構成されている。
【００４２】
また、波長可変レーザ素子１００では、バーニア効果を利用してレーザ発振波長を変化させることができる。たとえば、回折格子層１１ｃｂをマイクロヒータ１４で加熱すると、熱光学効果により回折格子層１１ｃｂの屈折率が上昇し、回折格子層１１ｃｂの反射スペクトル（第一の櫛状反射スペクトル）は全体的に長波側にシフトする。その結果、１５５０ｎｍ付近における、第一の櫛状反射スペクトルのピークは、リング共振器フィルタＲＦ１の反射スペクトル（第二の櫛状反射スペクトル）のピークとの重なりが解かれ、長波側に存在する、第二の櫛状反射スペクトルの別のピーク（たとえば１５５６ｎｍ付近）に重なる。さらに、位相調整部２７をチューニングして共振器モードを微調し、共振器モードの１つを、２つの櫛状反射スペクトルに重ねることで、１５５６ｎｍ付近でのレーザ発振を実現できる。
【００４３】
ここで、上述したように、波長可変レーザ素子１００では、レーザ発振の実現及びレーザ発振波長の変化のために、例えば回折格子層１１ｃｂをマイクロヒータ１４で加熱する。マイクロヒータ１４による加熱効率を高めるために、堆積構造部１２ａｂが設けられている。
【００４４】
堆積構造部１２ａｂは、上述したように、ＧａＩｎＡｓからなる半導体層１２ａｂ１とＩｎＰからなる半導体層１２ａｂ２とが、交互に、合計で４９層積層している。その結果、第１層１２ａ１と堆積構造部１２ａｂと第２層１２ａ２とで、ＧａＩｎＡｓとＩｎＰとの界面が５０だけ形成される。互いに異なる半導体材料であるＧａＩｎＡｓとＩｎＰとでは、結晶中を伝搬するフォノンの分散関係が互いに異なるので、これらの界面に進行してきたフォノンは反射又は散乱される。その結果、界面において垂直方向への熱伝導率は低下する。この熱伝導低下の効果は堆積構造の各界面でそれぞれ生じるため、４９層によって構成されている積層構造部１２ａｂにおいては、より強く熱伝導を低下させる効果を得ることができる。したがって、マイクロヒータ１４によって与えられた熱の基部Ｓ側への散逸が堆積構造部１２ａｂの存在によって抑制されるので、回折格子層１１ｃｂを所望の温度にするためにマイクロヒータ１４が発生すべき熱量を小さくすることができる。すなわち、堆積構造部１２ａｂによってマイクロヒータ１４による加熱効率を高めることができる。
【００４５】
また、堆積構造部１２ａｂは半導体材料からなるので、半導体材料からなる光導波層（光導波層１１ｃａ及び活性コア層１１ａ）との屈折率差が、誘電体層や空洞領域の場合よりも小さい。したがって、堆積構造部１２ａｂは誘電体層や空洞領域に比較して光導波層に近づけて配置しても光導波層の光導波特性に与える影響が小さいので、所望の光導波特性を実現する上での構造設計上の制約を少なくできる。例えば、堆積構造部１２ａｂは、所望の光導波特性を実現しながらも、誘電体層や空洞領域よりも光導波層に近づけて配置することができるため、熱源であるマイクロヒータ１４や加熱すべき回折格子層１１ｃｂにも近づけることができる。その結果、マイクロヒータ１４による加熱効率を、より効果的に高めることができる。
【００４６】
なお、上述したように、堆積構造部１２ａｂと同様の構成の堆積構造部は第２光導波路部２０の下部クラッド層にも設けられている。したがって、マイクロヒータ２５、２６の加熱効率も高められる。
【００４７】
以上説明したように、実施形態１に係る光導波路構造を含む波長可変レーザ素子１００は、マイクロヒータ１４、２５、２６による加熱効率が高く、かつ光導波特性を実現する上での構造設計の制約がより少ないものである。
【００４８】
なお、波長可変レーザ素子１００は、以下のような工程で製造することができる。まず基部Ｓを構成するｎ型ＩｎＰ基板上に、有機金属気相成長（Metal  Organic  Chemical  Vapor  Deposition:ＭＯＣＶＤ）法を用いて、下部クラッド層１２ａ及び第２光導波路部２０における下部クラッド層、活性コア層１１ａ、並びに上部クラッド層１２ｂを順次堆積する。
【００４９】
つづいて、全面にＳｉＮ膜を堆積した後、ＳｉＮ膜にパターニングを施す。その後、ＳｉＮ膜をマスクとしてエッチングし、第１光導波路部１０において活性コア層１１ａを残す領域以外の領域の活性コア層１１ａ及び上部クラッド層１２ｂを全て除去する。さらに、ＳｉＮ膜のマスクをそのまま選択成長マスクとして、ＭＯＣＶＤ法により、光導波層１１ｃａ及び第２光導波路部２０における光導波層２０ａ、スペーサ層１２ｆ、回折格子層１１ｃｂとなるｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層、上部クラッド層１２ｅａの一部を順次堆積する。
【００５０】
つづいて、ＳｉＮ膜のマスクを除去した後に、全面にＳｉＮ膜を堆積した後、回折格子層１１ｃｂを形成する領域のＳｉＮ膜に、回折格子のパターニングを施す。そして、ＳｉＮ膜をマスクとしてエッチングし、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層に回折格子となる格子溝を形成するとともに、回折格子層１１ｃｂを形成する位置以外の位置のｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層を全て取り除く。
【００５１】
つづいて、ＳｉＮ膜のマスクを除去した後に、全面にｐ型ＩｎＰ層を再成長する。その後、新たにＳｉＮ膜を堆積し、第１光導波路部１０における光導波路１１及び第２光導波路部２０における光導波層２０ａに対応するパターンになるようにパターンニングを施す。そして、このＳｉＮ膜をマスクとしてエッチングして、第１光導波路部１０にストライプメサ構造を形成しかつ第２光導波路部２０にメサ構造を形成する。このとき、エッチング深さは、下部クラッド層１２ａの堆積構造部１２ａｂ及び第２光導波路部２０における下部クラッド層の堆積構造部がエッチングされないような深さとする。また、このとき、２分岐部２１、アーム部２２、２３、リング状導波路２４に相当する領域は、それらを含む広い領域の形状でエッチングを行う。
【００５２】
つづいて、直前の工程で用いたＳｉＮ膜マスクを選択成長マスクとして、ＭＯＣＶＤ法を用いて、露出した下部クラッド層１２ａ及び第２光導波路部２０における下部クラッド層上に、ｐ型ＩｎＰ埋め込み層１２ｃ、ｎ型ＩｎＰ電流ブロッキング層１２ｄを順次堆積して埋め込み構造を形成する。つづいて、ＳｉＮ膜のマスクを除去した後、ＭＯＣＶＤ法を用いて、全面に、上部クラッド層１２ｅａ及び第２光導波路部２０における上部クラッド層の残りの部分となるｐ型ＩｎＰ層、コンタクト層１２ｅｂを順次堆積する。つづいて、活性コア層１１ａを残した領域以外のコンタクト層１２ｅｂを除去する工程を行う。つづいて、全面にＳｉＮ膜を堆積した後、第１光導波路部１０の形状のパターニング及び２分岐部２１、アーム部２２、２３、リング状導波路２４に相当する導波路のパターンニングを施す。そして、このＳｉＮ膜をマスクとしてエッチングを行い、第１光導波路部１０の形状及び第２光導波路部２０におけるハイメサ導波路構造を形成する。このエッチングは、たとえば基部Ｓに到る深さまで行う。その後、ＳｉＮ保護膜１６、ｎ側電極３０、マイクロヒータ１４、２５、２６及び電極パッド１５及び配線パターンを形成する。最後に、基板を波長可変レーザ素子１００が複数並んだバー状に劈開し、第１光導波路部１０の端面、及びアーム部２２、２３の端面に反射防止膜をコートしたのち、各波長可変レーザ素子１００ごとに素子分離することにより、波長可変レーザ素子１００が完成する。
【００５３】
（実施形態２）
図４は、実施形態２に係る光導波路構造を含む波長可変レーザ素子の構成を示す模式図である。波長可変レーザ素子１００Ａは、波長可変レーザ素子１００において第１光導波路部１０を第１光導波路部１０Ａに置き換え、マイクロヒータ２６を削除した構成を有する。以下、第１光導波路部１０Ａの構成について具体的に説明する。
【００５４】
第１光導波路部１０Ａは、光導波路１１Ａと、積層部１２Ａと、ｐ側電極１３Ａと、Ｔｉからなるマイクロヒータ１４Ａ、１７Ａとを備えている。第１光導波路部１０Ａは、埋め込み構造を有しており、光導波路１１Ａは、積層部１２Ａ内にｚ方向に延伸するように形成されている。積層部１２Ａは、光導波路１１Ａに対してクラッド部の機能等を備える。
【００５５】
ｐ側電極１３Ａは、積層部１２Ａ上において、光導波路１１Ａの所定の部分に沿うように配置されている。積層部１２ＡにはＳｉＮ保護膜が形成されており、ｐ側電極１３ＡはＳｉＮ保護膜に形成された開口部を介して積層部１２Ａに接触している。マイクロヒータ１７Ａは、積層部１２ＡのＳｉＮ保護膜上において、光導波路１１Ａの所定の部分に沿うように配置されている。マイクロヒータ１４Ａは、積層部１２のＳｉＮ保護膜上において、ｐ側電極１３Ａに沿うように配置されている。
【００５６】
図５（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、図４のＣ−Ｃ線断面、Ｄ−Ｄ線断面を示す図である。
【００５７】
図５（ａ）に示すように、Ｃ−Ｃ線断面において積層部１２Ａは、基部Ｓを構成するｎ型ＩｎＰ基板上に、下部クラッド層１２Ａａを有している。下部クラッド層１２Ａａは、ｎ型ＩｎＰからなる第１層１２Ａａ１と、ｎ型半導体からなる堆積構造部１２Ａａｂと、ｎ型ＩｎＰからなる第２層１２Ａａ２と、がこの順番で積層した構造を有する。
【００５８】
下部クラッド層１２Ａａ上には、Ｃ−Ｃ線断面における光導波路１１Ａである、光導波層としての活性コア層１１Ａａａが積層している。さらに活性コア層１１Ａａａ上には、ｐ型ＩｎＰからなるスペーサ層１２Ａｆを介して、活性コア層１１Ａａａの近傍かつ直上に活性コア層１１Ａａａに沿って設けられた標本化回折格子からなる回折格子層１１Ａａｂが積層している。回折格子層１１ＡａｂはＤＦＢ（Distributed  FeedBack）型の回折格子層として形成されている。下部クラッド層１２Ａａの上部、活性コア層１１Ａａａ、スペーサ層１２Ａｆ及び回折格子層１１Ａａｂは、エッチング等により、１．５５μｍ帯の光をシングルモードで光導波するのに適した幅（たとえば２μｍ）にされたストライプメサ構造になっている。ストライプメサ構造の両脇（紙面左右方向）は、ｐ型ＩｎＰ埋め込み層１２Ａｃ及びｎ型ＩｎＰ電流ブロッキング層１２Ａｄからなる電流ブロッキング構造を有した埋め込み構造となっている。さらに、回折格子層１１Ａａｂ及び埋め込み構造の上には、ｐ型半導体層１２Ａｅが積層している。ｐ型半導体層１２Ａｅは、ｐ型ＩｎＰからなる上部クラッド層１２Ａｅａと、上部クラッド層１２Ａｅａ上に積層したｐ型ＩｎＧａＡｓからなり積層部１２Ａの最上層を形成するコンタクト層１２Ａｅｂとで構成されている。ｐ型半導体層１２Ａｅは、少なくとも回折格子層１１Ａａｂの直上からその両脇の埋め込み構造にわたって設けられている。積層部１２Ａには積層部１２Ａを覆うようにＳｉＮ保護膜１６Ａが形成されている。ｐ側電極１３ＡはＡｕＺｎを含んで構成されており、活性コア層１１Ａａａに沿ってコンタクト層１２Ａｅｂ上に形成されて、ＳｉＮ保護膜１６Ａの開口部１６Ａａを介してコンタクト層１２Ａｅｂとオーミック接触している。以上の構成により、ｎ側電極３０及びｐ側電極１３Ａから活性コア層１１Ａａａへの電流注入が可能になっている。さらに、マイクロヒータ１４Ａは、ｐ側電極１３Ａとマイクロヒータ１４Ａとを絶縁するために積層部１２Ａに設けられたＳｉＮ保護膜１８Ａ上に、ｐ側電極１３Ａに沿うように配置されている。
【００５９】
活性コア層１１Ａａａは、活性コア層１１ａと同様に、多重量子井戸構造と、下部及び上部光閉じ込め層とを有しており、電流注入により発光する。また、回折格子層１１Ａａｂは、回折格子層１１ｃｂと同様に、ｐ型ＧａＩｎＡｓＰ層にｚ方向に沿って標本化回折格子が形成され、回折格子の溝はＩｎＰで埋め込まれた構成を有する。回折格子層１１Ａａｂは波長に対し略周期的な反射応答を示す。
【００６０】
一方、図５（ｂ）に示すように、Ｄ−Ｄ線断面において積層部１２Ａは、図５（ａ）に示す構造において活性コア層１１ＡａａをＩｎＧａＡｓＰからなる光導波層である位相調整部１１Ａｂに置き換え、回折格子層１１Ａａｂ及びスペーサ層１２Ａｆをｐ型ＩｎＰからなる上部クラッド層１２Ａｂに置き換え、コンタクト層１２Ａｅｂを削除した構造を有している。位相調整部１１Ａｂでの光損失を低減し、光を効果的に閉じ込める為に、位相調整部１１Ａｂのバンドギャップ波長は活性コア層１１Ａａａのバンドギャップ波長より短いことが好ましく、たとえば１．３μｍ以下である。
【００６１】
マイクロヒータ１４Ａは、電流を供給されることによって発熱し、回折格子層１１Ａａｂを加熱する。供給される電流量を変化させることによって回折格子層１１Ａａｂの温度が変化し、その屈折率が変化する。
【００６２】
第１光導波路部１０Ａと第２光導波路部２０は、互いに光学的に接続された一組の波長選択要素である回折格子層１１Ａａｂと反射ミラーＭ１とにより構成される、光共振器Ｃ２を構成している。
【００６３】
波長可変レーザ素子１００Ａは、波長可変レーザ素子１００と同様に、ｎ側電極３０及びｐ側電極１３Ａから活性コア層１１Ａａａへ電流を注入し、活性コア層１１Ａａａを発光させると、回折格子層１１Ａａｂが生成する第一の櫛状反射スペクトルのスペクトル成分のピーク、リング共振器フィルタＲＦ１が生成する第二の櫛状反射スペクトルのスペクトル成分のピーク、及び光共振器Ｃ２の共振器モードの一つが一致した波長、たとえば１５５０ｎｍでレーザ発振し、レーザ光Ｌ１を出力するように構成されている。光共振器Ｃ２の共振器モードの波長は、マイクロヒータ１７Ａを用いて位相調整部１１Ａｂを加熱してその屈折率を変化させて共振器モードの波長を波長軸上で全体的に移動させることにより微調整することができる。
【００６４】
また、波長可変レーザ素子１００Ａでは、波長可変レーザ素子１００と同様に、バーニア効果を利用してレーザ発振波長を変化させることができる。
【００６５】
ここで、堆積構造部１２Ａａｂについてより具体的に説明する。堆積構造部１２Ａａｂは、基部Ｓと光導波層（位相調整部１１Ａｂ及び活性コア層１１Ａａａ）との間に位置している。図６は、堆積構造部１２Ａａｂの構成を示す図である。堆積構造部１２Ａａｂは、互いに異なる半導体材料からなる半導体部分である凸状部１２Ａａｂ１と、カバー層１２Ａａｂ２とを備えている。堆積構造部１２Ａａｂでは、凸状部１２Ａａｂ１と、凸状部１２Ａａｂ１を覆うように形成されたカバー層１２Ａａｂ２とが、交互に、堆積方向において隣接するように堆積した構造を含んでいる。本実施形態２では、凸状部１２Ａａｂ１は、ｎ型ＩｎＡｓからなる、量子ドット又は量子ダッシュのような形状であり、その高さは１０ｎｍである。ＩｎＡｓは、ＩｎＰに対してある程度格子不整合となる半導体材料であり、ＩｎＰ又はこれに格子整合する半導体上に三次元成長させることができる。また、カバー層１２Ａａｂ２は、ｎ型ＩｎＰからなり、その厚さ（破線で示す凸状部１２Ａａｂ１の高さを示す面から表面までの厚さ）は１０ｎｍである。そして、堆積構造部１２Ａａｂでは、凸状部１２Ａａｂ１が成す層とカバー層１２Ａａｂ２とが、交互に、合計で５０層積層している。凸状部１２Ａａｂ１が成す層は合計で２５層あり、カバー層１２Ａａｂ２は合計で２５層ある。堆積構造部１２Ａａｂの厚さは５００ｎｍである。
【００６６】
波長可変レーザ素子１００Ａでも、レーザ発振の実現及びレーザ発振波長の変化のために、例えば回折格子層１１Ａａｂをマイクロヒータ１４Ａで加熱し、位相調整部１１Ａｂをマイクロヒータ１７Ａで加熱する。マイクロヒータ１４Ａ、１７Ａによる加熱効率を高めるために、堆積構造部１２Ａａｂが設けられている。
【００６７】
堆積構造部１２Ａａｂは、上述したように、ＩｎＡｓからなる凸状部１２Ａａｂ１とＩｎＰからなるカバー層１２Ａａｂ２とが、交互に、合計で５０層積層している。その結果、ＩｎＡｓとＩｎＰとの界面が５０だけ形成される。さらに、凸状部１２Ａａｂ１によって界面は起伏のある三次元的な界面となる。ＩｎＡｓとＩｎＰとでは、結晶中を伝搬するフォノンの分散関係が異なり、かつ界面が起伏していることにより、界面に進行してきたフォノンはより一層強く反射又は散乱される。その結果、堆積方向での熱伝導率は低下する。したがって、マイクロヒータ１４Ａ、１７Ａによって与えられた熱の基部Ｓ側への伝導が堆積構造部１２Ａａｂの存在によって抑制されるので、回折格子層１１Ａａｂ及び位相調整部１１Ａｂを所望の温度にするためにマイクロヒータ１４Ａ、１７Ａがそれぞれ発生すべき熱量を小さくすることができる。すなわち、堆積構造部１２Ａａｂによってマイクロヒータ１４Ａ、１７Ａによる加熱効率を高めることができる。
【００６８】
また、堆積構造部１２Ａａｂは半導体材料からなるので、光導波層において所望の光導波特性を実現する上での構造設計上の制約を少なくできる。
【００６９】
また、堆積構造部１２Ａａｂは、導電性を有する半導体材料からなるので、ｎ側電極３０と活性コア層１１Ａａａとの間に配置されていても、活性コア層１１Ａａａへ電流を注入することができる。
【００７０】
また、本実施形態２では、堆積構造部１２Ａａｂと同様の構成の堆積構造部が第２光導波路部２０の下部クラッド層にも設けられている。したがって、マイクロヒータ２５の加熱効率も高められる。
【００７１】
以上説明したように、実施形態２に係る光導波路構造を含む波長可変レーザ素子１００Ａは、マイクロヒータ１４Ａ、１７Ａ、２５による加熱効率が高く、かつ光導波特性を実現する上での構造設計の制約がより少なく、かつ活性コア層１１Ａａａに電流を注入する上でも好適なものである。
【００７２】
なお、上記実施形態１では、回折格子層１１ｃｂは光導波層１１ｃａよりもマイクロヒータ１４側（上部クラッド層１２ｅａ側）にあるが、図７に示す変形例の光導波路構造を備える第１光導波路部１０Ｂのように、回折格子層１１ｃｂが光導波層１１ｃａよりも基部Ｓ側（下部クラッド層１２ａ側）にあってもよい。
【００７３】
また、上記実施形態１では、堆積構造部１２ａｂにおける互いに異なる半導体材料からなる半導体層１２ａｂ１と半導体層１２ａｂ２とは、それぞれＧａＩｎＡｓとＩｎＰであるが、ＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＩｎＡｓ、及びＡｌＩｎＧａＡｓから選択される２種であれば、ＩｎＰ基板と格子整合させる組成を選択できるので好ましい。また、互いに異なる半導体材料は２種に限らず、３種以上でもよい。たとえば、ＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰのそれぞれからなる半導体層を、同種の半導体層が重ならないように積層して、堆積構造部を構成してもよい。また、上記実施形態１では、半導体層１２ａｂ１と半導体層１２ａｂ２との厚さはいずれも１０ｎｍであるが、厚さは特に限定されない。ただし、フォノンを反射又は散乱させて熱伝導率を低下させる効果は、異なる半導体からなる半導体部分の界面の数が多くなるほど大きくなるので、半導体の堆積方向の単位厚さ当たりの界面の数を増やす上では、半導体層の厚さは１００ｎｍ以下であることが好ましく、５０ｎｍ以下であることがさらに好ましい。また、半導体層を再現性良く作製し、かつ界面がフォノンを反射又は散乱させる効果を発揮させるには、ある程度厚い方が好ましく、厚さは３ｎｍ以上であることが好ましく、５ｎｍ以上がさらに好ましい。また、互いに異なる半導体材料からなる半導体層が、交互に、合計で３層以上積層した構造であれば、フォノンの分散関係が異なる半導体層の界面が複数（２つ以上）形成されるので好ましい。より好ましい界面の数は、１０〜１００である。
【００７４】
また、上記実施形態２では、堆積構造部１２Ａａｂにおける互いに異なる半導体材料からなる凸状部１２Ａａｂ１とカバー層１２Ａａｂ２とは、それぞれＩｎＡｓとＩｎＰであるが、凸状部を、ＩｎＰとある程度格子不整合となる半導体材料であるＩｎＧａＡｓ及びＩｎＡｓから選択される１種以上とし、カバー層を、ＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＩｎＡｓ、及びＡｌＩｎＧａＡｓから選択される１種以上としてもよい。また、凸状部の成す層の厚さ（凸状部の高さ）又はカバー層の厚さについても、１００ｎｍ以下であることが好ましく、５０ｎｍ以下であることがさらに好ましく、３ｎｍ以上であることが好ましく、５ｎｍ以上がさらに好ましい。また、実施形態２では各凸状部が離散しており、島状になっているが、複数の凸状部が連結して上面に起伏を有するような層状になっていてもよい。
【００７５】
また、上記実施形態１、２では、回折格子は標本化回折格子であるが、回折格子の種類はこれに限られず、超構造回折格子（Superstructure  Grating）や重畳回折格子（Superimposed  Grating）でもよい。
【００７６】
また、上記実施形態により本発明が限定されるものではない。上述した各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。例えば、堆積構造部としては、実施形態１の半導体層が積層した構造と、凸状部とカバー層とを備える構造とを組み合わせた構造を採用してもよい。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。
【符号の説明】
【００７７】
１０、１０Ａ、１０Ｂ  第１光導波路部
１１、１１Ａ  光導波路
１１ａ、１１Ａａａ  活性コア層
１１ｃａ、２０ａ  光導波層
１１ｃｂ、１１Ａａｂ  回折格子層
１１Ａｂ、２７  位相調整部
１２、１２Ａ  積層部
１２ａ、１２Ａａ  下部クラッド層
１２ａ１、１２Ａａ１  第１層
１２ｂ、１２Ａｂ、１２ｅａ、１２Ａｅａ  上部クラッド層
１２ａ２、１２Ａａ２  第２層
１２ａｂ、１２Ａａｂ  堆積構造部
１２Ａａｂ１  凸状部
１２Ａａｂ２  カバー層
１２ｃ、１２Ａｃ  ｐ型ＩｎＰ埋め込み層
１２ｄ、１２Ａｄ  ｎ型ＩｎＰ電流ブロッキング層
１２ｅ、１２Ａｅ  ｐ型半導体層
１２ｅｂ、１２Ａｅｂ  コンタクト層
１２ｆ、１２Ａｆ  スペーサ層
１２ａｂ１、１２ａｂ２  半導体層
１３、１３Ａ  ｐ側電極
１４、１４Ａ、１７Ａ、２５、２６  マイクロヒータ
１５  電極パッド
１６、１６Ａ、１８Ａ  ＳｉＮ保護膜
１６ａ、１６Ａａ  開口部
２０  第２光導波路部
２１  ２分岐部
２１ａ  ＭＭＩ導波路
２２、２３  アーム部
２４  リング状導波路
３０  ｎ側電極
１００、１００Ａ  波長可変レーザ素子
Ｃ１、Ｃ２  光共振器
Ｌ１  レーザ光
Ｍ１  反射ミラー
ＲＦ１  リング共振器フィルタ
Ｓ  基部
【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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