(57)【要約】【課題】モードフィールドが大きく異なる異種光導波路を接続する際に、従来のテーパ構造の光導波路と比べて効率的な光の接合を可能とする光導波路を提供することにある。【解決手段】構造の異なる２つの導波路４１，４２が所定の長さＬtaperを有する不連続テーパ構造接合部本体５０を介して接し、一方の導波路４１を導波する光の横方向の広がりが、他方の導波路４２を導波する光の横方向の広がりよりも広い光導波路において、不連続テーパ構造接合部本体５０の幅が前記一方の導波路４１と接する一方の端部５１から他方の導波路４２と接する他方の端部５２に向けて徐々に狭くなり、不連続テーパ構造接合部本体５０における一方の端部５１の幅Ｗtaperを一方の導波路４１の幅Ｗridgeよりも広くした。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
構造の異なる２つの導波路が所定の長さを有する接合部を介して接し、一方の導波路を導波する光の横方向の広がりが、他方の導波路を導波する光の横方向の広がりよりも広い光導波路において、
前記接合部の幅が前記一方の導波路と接する一方の端部から前記他方の導波路と接する他方の端部に向けて徐々に狭くなり、
前記接合部における前記一方の端部の幅が前記一方の導波路の幅よりも広い
ことを特徴とする光導波路。
【請求項２】
前記一方の導波路および前記他方の導波路はメサをそれぞれ有し、
前記一方の導波路のメサの高さが、前記他方の導波路のメサの高さよりも低い
ことを特徴とする請求項１記載の光導波路。
【請求項３】
前記接合部はメサを有し、
前記接合部のメサの高さが、前記他方の導波路のメサの高さと同じである
ことを特徴とする請求項２記載の光導波路。
【請求項４】
前記一方の導波路と前記接合部の間に、所定の長さを有すると共に、前記接合部の幅よりも広い幅を有し、横方向に光を閉じ込める構造をもたない接続領域が設けられる
ことを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか一項記載の光導波路。
【請求項５】
リッジ型構造を有する光半導体素子とハイメサ型構造を有する光半導体素子が請求項１乃至請求項４の何れか一項記載の光導波路を介して接続される
ことを特徴とする光半導体装置。
【請求項６】
複数の光源と、前記複数の光源から入射する光をそれぞれ変調する複数の変調器と、前記複数の変調器から出射される光を合波する合波器とが、光導波路を介して同一半導体基板上で接続され、前記変調器と前記合波器との間の光導波路の一部が請求項１乃至請求項４の何れか一項記載の光導波路である
ことを特徴とする光半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光導波路およびそれを用いた光半導体装置に関し、より詳しくは、歪量子井戸層を有する電界吸収型光変調器集積半導体レーザのような光半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在のインターネットの爆発的な広がりから、ネットワークの光化は大都市間の基幹網からＦＴＴＨ（Fiber To The Home）に代表されるアクセス網までも広がっており、通信の種類としても従来のテレコミュニケーション用途からデータ通信まで多岐に亘りはじめている。特に最近ではイーサネット（登録商標）の光化が議論されており、その送受信機に関して、各種の形態、性能に関する標準化が進められている。
【０００３】
その中でも次世代ネットワークの一つとして議論されている１００ギガビットイーサネット（１００ＧｂＥ）用送受信機は将来の超高速ネットワークとしてさかんに研究されている。１００ＧｂＥでは伝送距離に応じて各種の規格が議論されているが、シングルモードファイバ（Single Mode Fiber:ＳＭＦ）を伝送媒体に用いる中距離（１０ｋｍ）、長距離（４０ｋｍ）の伝送に関しては、規格の名前がそれぞれ１００ＧＢＡＳＥ−ＬＲ４（以下、ＬＲ４と称す）、１００ＧＢＡＳＥ−ＥＲ４（以下、ＥＲ４と称す）と規定されており、１２９４．５３ｎｍ〜１２９６．５９ｎｍ（ｌａｎｅ１）、１２９９．０２ｎｍ〜１３０１．０９ｎｍ（ｌａｎｅ２）、１３０３．５４ｎｍ〜１３０５．６３ｎｍ（ｌａｎｅ３）、１３０８．０９ｎｍ〜１３１０．１９ｎｍ（ｌａｎｅ４）という、４．５ｎｍ間隔、全体で１５ｎｍにもわたる、４波分の送信機を用意し、各レーンをそれぞれ２５Ｇｂｉｔ／ｓで動作させ、なおかつ、各送信機のサイドモード抑圧比（Side Mode Suppression Ratio:ＳＭＳＲ）が３０ｄＢ以上、動的消光比がＬＲ４に対して４ｄＢ、ＥＲ４に対して８ｄＢ以上必要であるなど、要求される性能がこまかく設定されている。
【０００４】
１００ＧｂＥ用送信機中の光源としては、現在、電界吸収型変調器集積レーザ（Electroabsorption Modulator integrated with DFB laser:ＥＡＤＦＢレーザ）が有望視されている。ＥＡＤＦＢレーザでは、半導体レーザ部と変調器部を独立に最適化できるため、高速の変調には非常に有利なことが知られており、特に１００ＧｂＥのＥＲ４に対しては動的消光比が８ｄＢ以上必要であり、高消光比を得ることが容易なＥＡＤＦＢレーザがほぼ必須となっている。
【０００５】
１００ＧｂＥ用の送受信機として、現在、ＣＦＰ ＭＳＡトランシーバという規格のパッケージが提案されており、その中では、４つの光送信機（Transmitter Optical SubAssembly:ＴＯＳＡ）が並べられていて、それとは別に合波器が設置されている。トランシーバ中にはその他にも４つの受信機、分波器、電気信号処理部があり、そのサイズは７５ｍｍ×１４０ｍｍと非常に大きくなっている。それぞれのＴＯＳＡには、２５Ｇｂｉｔ／ｓで動作する光源の他に、温度制御のためのペルチエ素子、光ファイバに集光するためのレンズ、戻り光を防ぐためのアイソレータ、光ファイバが含まれ、それ自体のサイズも大きい上に、レンズ、アイソレータ、ペルチエ素子、光ファイバが４つの波長ごとに必要となっており、部材コスト、消費電力共に大きくなってしまう。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】T. Fujisawa, M. Arai, N. Fujiwara, W. Kobayashi, T. Tadokoro, K. Tsuzuki, Y. Akage, R. Iga, T. Yamanaka and F. Kano, "25 Gbit/s 1.3 μｍ InGaAlAs-based electroabsorption modulator integrated with DFB laser for metro-area (40km) 100 Gbit/s Ethernet system", IEE Electronics Letters, vol.45, no. 17, pp.900-901, 2009年8月13日
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
これらの課題を解決するためには、４つの送信機と合波器を集積化することが有効である。集積の方法には、異種材料を用いて集積するハイブリッド集積と、一つの基板上に集積するモノリシック集積の２種類がある。ハイブリッド集積では、例えば、ある材料系で作製した合波器に、別の材料系で作製した４つの光源をなんらかの方法で集積する、という方法をとるが、４つの送信機と合波器の間での結合ロスを低減するためにアクティブアラインメントはほぼ必須であり、実装工程の複雑化は避けられない。また、送信機と合波器を別々に作製するために、集積化とは言っても、サイズの小型化には自ずと限界があり、作製、実装工程も複雑である。
【０００８】
一方、モノリシック集積では、一つの基板上に送信機と合波器を作りこんでしまうために、アラインメントがそもそも必要なく、実装は容易であり、１回の実装で４つの素子の実装が終了する。また、２つの素子が直接結合されているために、小型化も容易である。さらに、ＴＯＳＡ作製に必要なペルチエ素子、レンズ、アイソレータの数は１個で済むために、大幅な部材コスト、消費電力の低減が可能である。しかし、現在提案されているＥＡＤＦＢレーザは２５Ｇｂｉｔ／ｓという高速変調を可能にするために、その光導波路にリッジ構造を採用している。この構造では光の閉じ込めが弱く、光導波路の曲げ損失が大きく、曲げ半径を小さくできないために合波器が大きくなり、小型化には限界がある。この問題は、合波部に、より光閉じ込めの強い、例えばハイメサ型導波路を用いることによってある程度解決することができるが、リッジ型導波路内の光電界分布が、特に横方向に広く広がっているのに対し、ハイメサ型導波路内での光電界分布は、横方向に強く閉じ込められているため、通常のテーパ構造ではモードのマッチングがとれず、結合効率が小さくなってしまう。
【０００９】
したがって、本発明は上述したような課題を解決するために為されたものであって、モードフィールドが大きく異なる異種光導波路を接続する際に、従来のテーパ構造の光導波路と比べて効率的な光の接合を可能とする光導波路およびそれを用いた光半導体装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述した課題を解決する第１の発明に係る光導波路は、
構造の異なる２つの導波路が所定の長さを有する接合部を介して接し、一方の導波路を導波する光の横方向の広がりが、他方の導波路を導波する光の横方向の広がりよりも広い光導波路において、
前記接合部の幅が前記一方の導波路と接する一方の端部から前記他方の導波路と接する他方の端部に向けて徐々に狭くなり、
前記接合部における前記一方の端部の幅が前記一方の導波路の幅よりも広い
ことを特徴とする。
【００１１】
上述した課題を解決する第２の発明に係る光導波路は、
第１の発明に係る光導波路であって、
前記一方の導波路および前記他方の導波路はメサをそれぞれ有し、
前記一方の導波路のメサの高さが、前記他方の導波路のメサの高さよりも低い
ことを特徴とする。
【００１２】
上述した課題を解決する第３の発明に係る光導波路は、
第２の発明に係る光導波路であって、
前記接合部はメサを有し、
前記接合部のメサの高さが、前記他方の導波路のメサの高さと同じである
ことを特徴とする。
【００１３】
上述した課題を解決する第４の発明に係る光導波路は、
第１の発明乃至第３の発明の何れか１つに係る光導波路であって、
前記一方の導波路と前記接合部の間に、所定の長さを有すると共に、前記接合部の幅よりも広い幅を有し、横方向に光を閉じ込める構造をもたない接続領域が設けられる
ことを特徴とする。
【００１４】
上述した課題を解決する第５の発明に係る光半導体装置は、
リッジ型構造を有する光半導体素子とハイメサ型構造を有する光半導体素子が第１の発明乃至第４の発明の何れか１つに係る光導波路を介して接続される
ことを特徴とする。
【００１５】
上述した課題を解決する第６の発明に係る光半導体装置は、
複数の光源と、前記複数の光源から入射する光をそれぞれ変調する複数の変調器と、前記複数の変調器から出射される光を合波する合波器とが、光導波路を介して同一半導体基板上で接続され、前記変調器と前記合波器との間の光導波路の一部が第１の発明乃至第４の発明の何れか１つに係る光導波路である
ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係る光導波路およびそれを用いた光半導体装置によれば、モードフィールドが大きく異なる異種光導波路を接続する際に、従来のテーパ構造の光導波路と比べて効率的な光の接合が可能となり、このような光導波路を用いることで、高い結合効率を保ったまま、一つのチップ上で一方および他方の導波路のモノリシック集積が可能になり、集積する各要素を独立に最適化することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明に係る光半導体装置の基本的な構造を示した断面図である。
【図２】本発明の第１，第２の実施例に係る光半導体装置の構造を示した斜視図である。
【図３】光導波路の構造を模式的に示した図であって、図３（ａ）に埋め込み型の場合を示し、図３（ｂ）にリッジ型の場合を示し、図３（ｃ）にハイメサ型の場合を示す。
【図４】本発明の第１の実施例に係る光半導体装置で用いた光導波路の電界分布を示す図であって、図４（ａ）にリッジ型光導波路の場合を示し、図４（ｂ）にハイメサ型光導波路の場合を示す。
【図５】従来の、異種の光導波路を接合するテーパ構造接合部の説明図であって、図５（ａ）にその平面を示し、図５（ｂ）にその一例の斜視を示し、図５（ｂ）にその他例の斜視を示す。
【図６】本発明の第１の実施例に係る光半導体装置で用いた光導波路における不連続テーパ構造接合部の説明図であって、図６（ａ）にその平面を示し、図６（ｂ）にその斜視を示す。
【図７】不連続テーパ構造接合部による結合効率とハイメサ型光導波路の幅方向の大きさとの関係を示すグラフである。
【図８】不連続テーパ構造接合部による結合効率と不連続テーパ構造接合部のテーパ長との関係を示すグラフである。
【図９】不連続テーパ構造接合部の説明図である。
【図１０】本発明の第２の実施例に係る光半導体装置で用いた光導波路における不連続テーパ構造接合部の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明に係る光導波路およびそれを用いた光半導体装置の実施例について具体的に説明する。
はじめに、本発明に係る光半導体装置の基本的な構造について図１を参照して説明する。
【００１９】
図１に示すように、本発明に係る光半導体装置は、モノリシック集積光源であって、半導体混晶からなる基板１上に、半導体レーザ活性部（Laser diode：ＬＤ部）２１と、パッシブ層（光導波部）２２と、電界吸収型光変調器部（Electroabsorption modulator部：ＥＡＭ部）２３と、合波部２４とが形成された構成となっている。
【００２０】
ＬＤ部２１は、量子井戸層、バリア層及び回折格子形成層を含む多重量子井戸構造の活性部２と、この活性部２の上下に設けられたクラッド部３，４とを有している。
【００２１】
ＥＡＭ部２３は、量子井戸層、バリア層及び光閉じ込め層を含む多重量子井戸構造の活性部５と、この活性部５の上下に設けられたクラッド部６，７とを有している。
【００２２】
パッシブ層２２は、コア部８と、このコア部８の上下に設けられたクラッド部９，１０とを有している。
【００２３】
合波部２４は、コア部１１と、このコア部１１の上下に設けられたクラッド部１２，１３とを有している。
【００２４】
基板１の下面には下部電極１４が設けられる。ＬＤ部２１における上部のクラッド部３の上面と、ＥＡＭ部２３における上部のクラッド部６の上面には、コンタクト層１５を介して上部電極１６が設けられている。一方、パッシブ層２２における上部のクラッド部９の上面にはコンタクト層も上部電極も設けられておらず、パッシブ層２２はＬＤ部２１とＥＡＭ部２３とを電気的に絶縁している。合波部２４における上部のクラッド部１２の上面にはコンタクト層も上部電極も設けられていない。
【実施例１】
【００２５】
本発明の第１の実施例に係る光導波路およびそれを用いた光半導体装置について図２を参照して説明する。
【００２６】
図２に示すように、本実施例に係る光半導体装置である１００ＧｂＥ用モノリシック集積光源は、半導体混晶からなる基板１上に４つのレーン３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃ，３１Ｄが設けられた構成になっている。各レーン３１Ａ〜３１Ｄには、フォトダイオード部（ＰＤ部）２５とＬＤ部２１とＥＡＭ部２３が設けられており、ＰＤ部２５とＬＤ部２１とＥＡＭ部２３は光導波路を介して同一基板１上で接続されている。そして、４つのレーン３１Ａ〜３１Ｄは、合波部２４である多モード干渉型カプラ（MultiMode Interference coupler:ＭＭＩカプラ）により各レーン３１Ａ〜３１Ｄを導波した光は１つに合波される。
【００２７】
ＬＤ部２１は、ｎ型のＩｎＰ基板１上に形成され、ＩｎＰ基板１側から順番に、下部のｎ−ＩｎＰクラッド部４と、ＩｎＡｌＧａＡｓバリア層、ＩｎＡｌＧａＡｓ量子井戸層及びＩｎＡｌＧａＡｓ回折格子形成層を含む多重量子井戸構造の活性部２と、上部のｐ−ＩｎＰクラッド部３とを有して成るものである。
【００２８】
ＥＡＭ部２３は、ｎ型のＩｎＰ基板１上に形成され、ＩｎＰ基板１側から順番に、下部のｎ−ＩｎＰクラッド部７と、ＩｎＧａＡｓＰガイド層、ＩｎＡｌＧａＡｓバリア層及びＩｎＡｌＧａＡｓ量子井戸層を含む多重量子井戸構造の活性部５と、上部のｐ−ＩｎＰクラッド部６とを有して成るものである。
【００２９】
パッシブ層２２のコア部８および上下のクラッド部９，１０は、ＥＡＭ部２３と同様の構成となっている。すなわち、パッシブ層２２は、ｎ型のＩｎＰ基板１上に形成され、ＩｎＰ基板１側から順番に、下部のｎ−ＩｎＰクラッド部１０と、ＩｎＧａＡｓＰガイド層、ＩｎＡｌＧａＡｓバリア層及びＩｎＡｌＧａＡｓ量子井戸層を含む多重量子井戸構造の活性部からなるコア部８と、上部のｐ−ＩｎＰクラッド部９とを有して成るものである。ただし、パッシブ層２２によってＰＤ部２５とＬＤ部２１とＥＡＭ部２３とを電気的に絶縁するため、パッシブ層２２には上部電極が設けられていない。
【００３０】
ＰＤ部２５は、各レーン３１Ａ〜３１Ｄの一方の端部側に設けられている。ＰＤ部２５は、ＬＤ部２１とほぼ同じ層構造であって、ｎ型のＩｎＰ基板１上に形成され、ＩｎＰ基板１側から順番に、下部のｎ−ＩｎＰクラッド部と、ＩｎＡｌＧａＡｓバリア層及びＩｎＡｌＧａＡｓ量子井戸層を含む多重量子井戸構造の活性部と、上部のｐ−ＩｎＰクラッド部とを有して成るものである。
【００３１】
本実施例では、上述したような構造の１００ＧｂＥ用モノリシック集積光源において、ＬＤ部２１の活性部２としてバンドギャップ波長が１．３μｍとなるような多重量子井戸構造を用い、ＥＡＭ部２３の活性部５として井戸層のバンドギャップ波長はＬＤ部２１との離調が室温で７０ｎｍとなるように、与えられた歪に対して第１量子化準位間波長が１．２３μｍとなるような混晶を用いる。合波部２４に関しては、コア部１１をバンドギャップ波長１．１５μｍのＩｎＧａＡｓＰとし、下部のクラッド部１３をｎ−ＩｎＰとする。
【００３２】
バリア材料の組成は基板に格子整合するものとしているが、歪補償の目的でバリア層に歪を導入しても問題は無い。半導体混晶の組成比は、歪量、井戸幅、第一量子化準位間波長によって特定し、必要が無ければ具体的に述べない。
【００３３】
次に、本実施例に係る光半導体装置である１００ＧｂＥ用モノリシック集積光源の製造方法について説明する。
まず、ｎ型のＩｎＰ基板１上に、ＩｎＰ基板１側から順番に、下部のクラッド部と多重量子井戸構造の活性部とを成長させる。これにより、ＬＤ部２１およびＰＤ部２５における下部のクラッド部および活性部が作製される。また、パッシブ層２２、ＥＡＭ部２３および合波部２４における下部のクラッド部が作製される。
次に、この成長させた多重量子井戸構造の活性部のうち、ＬＤ部２１およびＰＤ部２５として必要な部分以外の部分をウェットエッチングによって削り取り、多重量子井戸構造の活性部と多重量子井戸構造の活性部からなるコア部とをバットジョイント再成長させる。これにより、ＥＡＭ部２３の活性部５およびパッシブ層２２のコア部８が作製される。
そして、このバットジョイント再成長させた活性部５およびコア部８のうち、ＥＡＭ部２３およびパッシブ層２２として必要な部分以外をウェットエッチングによって削り取り、合波部２４のコア部１１をバットジョイント再成長させる。
【００３４】
続いて、ＬＤ部２１に回折格子を形成した後、ＬＤ部２１、パッシブ層２２、ＥＡＭ部２３、合波部２４、およびＰＤ部２５のそれぞれに上部のクラッド部を２μｍ成長させ、さらに、ｐ−ＩｎＧａＡｓのコンタクト層１５を成長させることで、ＰＤ部２５、ＬＤ部２１、パッシブ層２２、ＥＡＭ部２３、および合波部２４が作りこまれたウェハーが完成する。ここで、このまま、合波部２４のＭＭＩカプラを作りこむと、上部のクラッド部がｐ−ＩｎＰであるために、光の損失が大きく、出射光パワーが小さくなってしまう。そこで、ここでは、この状態からさらに、合波部２４の上部のクラッド部をエッチングによって削り取り、ノンドープのＩｎＰをバットジョイント再成長させる。
【００３５】
完成したウェハーに、ＬＤ部２１、ＥＡＭ部２３、パッシブ層２２、ＰＤ部２５にリッジ型導波路用メサ形成プロセス、合波部２４にハイメサ型導波路用メサ形成プロセス、及び電極形成プロセス（ただしパッシブ層２２および合波部２４には上部電極を形成しない）を実施し、へき開後、チップの前後端面に無反射コーティング（図示せず）を施すことによって完成となる。
【００３６】
上述したメサとは、リッジ型光導波路の場合、図３（ｂ）に示す上部のクラッド部１１４に相当する部分であって、その高さがＨ１である。ハイメサ型光導波路の場合、メサとは、図３（ｃ）に示す上部のクラッド部１２４、多重量子井戸（ＭＱＷ）構造の活性層１２３、そして下部のクラッド部１２２の基板１２１に達するまでの部分、つまり、半導体の平面から突き出している、半導体で構成された凸の部分であって、その高さがＨ２である。
【００３７】
完成した光半導体装置（デバイス）は、次のような制御方法で使用する。それぞれのＬＤ部２１に電流を注入し、連続光を発生させる。ＥＡＭ部２３に入射した光は、あるバイアス電圧を中心に、ある電圧振幅で駆動して、光を変調する。ＰＤ部２５に入射した光は吸収電流に変換され、この電流の値によってＬＤ部２１の発振波長を求め、それをＬＤ部２１の注入電流にフィードバックし、発振波長が変化しないように、波長モニタとして用いる。
【００３８】
ここで、集積素子中の各要素に用いる光導波路の構造について図３を用いて説明する。
半導体光デバイスで用いられる光導波路には主に、埋め込み型光導波路、リッジ型光導波路、ハイメサ型光導波路の３種類の構造があり、それぞれの模式図を図３（ａ）、図３（ｂ）、図３（ｃ）に示す。
【００３９】
埋め込み型光導波路１００は、図３（ａ）に示すように、基板１０１上に、下部のクラッド部１０２、ＭＱＷ構造の活性層１０３、上部のクラッド部１０４を順番に形成し、ＭＱＷ構造の活性層１０３の両脇を基板１０１に達するまでエッチングしてＭＱＷ構造の活性層１０３の両脇をけずり、半導体１０５により埋め込んだ構造であり、放射性が良く、効率的な電流の注入が可能である。また、ビームの形状を円に近づけることができるため、光ファイバとの結合が容易で、これまで半導体レーザに広く用いられてきた。しかし、ＥＡＭ部への適用を考えた場合、誘電率の大きな半導体の上部に電極を形成するため、寄生容量が増加し、１００ギガ規格に必要な高速変調が難しいという問題点がある。また、ＩｎＡｌＧａＡｓ系の材料は空気に触れると酸化するために、活性層両脇のエッチングの際に活性層がむき出しになるため、結晶の品質が劣化する可能性がある。
【００４０】
リッジ型光導波路１１０は、図３（ｂ）に示すように、基板１１１上に、下部のクラッド部１１２、ＭＱＷ構造の活性層１１３、上部のクラッド部１１４を順番に形成し、ＭＱＷ構造の活性層１１３を削らずに、上部のクラッド部１１４のみをエッチングすることによってメサを形成し、導波路を形成したものである。メサの両脇を誘電率の小さな有機物１１５で埋め込むことによって、ＥＡＭ部での寄生容量を大幅に減らすことが可能なため、高速変調に有利であると考えられる。また、上部のクラッド部１１４とＭＱＷ構造の活性層１１３の間にエッチングストップ層を挟むことによりＭＱＷ構造の活性層１１３を空気中に晒すことなく作製可能で、ＩｎＡｌＧａＡｓ系の材料を用いる場合には、活性層の結晶の品質を守ることが可能である。不利な点としては、ビームの形状が楕円になるためファイバとの結合が埋め込み型に比べると難しいことが挙げられる。
【００４１】
ハイメサ型光導波路１２０は、図３（ｃ）に示すように、基板１２１上に、下部のクラッド部１２２、ＭＱＷ構造の活性層１２３、上部のクラッド部１２４を順番に形成し、ＭＱＷ構造の活性層１２３の両脇を基板１２１に達するまでエッチングし、通常、そこを誘電率の小さな有機材料１２５で埋め込んだ構造である。この光導波路では、ＭＱＷ構造の活性層１２３と横方向の屈折率の差が非常に大きくなることから、光が強く閉じ込められるため、光導波路を曲げても光が放射しにくい、という利点があるが、ＭＱＷ構造の活性層１２３の両脇をエッチングするために、結晶品質の劣化は避けられない。そのため、１００ＧｂＥのような高速変調が必要な光源に関しては、ＬＤ部２１、ＥＡＭ部２３共に、ＩｎＡｌＧａＡｓ系の結晶品質を保護し、大きな変調帯域を確保できる、有機物埋め込みのリッジ構造が有用であると考えられる。
【００４２】
一方、合波部２４においても当然、光導波路構造が必要であるが、求められる性能は光送信部、信号変換部とは異なる。一つのチップ上に多数の素子を集積するためには、一つの素子から出た信号を出力部まで配線するに当たって、通常、光導波路を曲げることを避けることはできない。光導波路を曲げたときには、曲げに対して外側の領域に光が放射していくことが知られており、これを曲げ損失と呼ぶ。この損失はゆるやかに曲げるほど（曲げ半径が大きいほど）小さく、急激に曲げるほど（曲げ損失が小さいほど）大きい。そして、この損失の大きさは光導波路のコア部の屈折率とそれを囲むクラッド部の屈折率の差によって決まる。この屈折率の差が大きいほど光はコア部に良く閉じ込められるが、小さいとクラッド部に大きく漏れ出し曲げ損失が大きくなる。そのため、曲げ損失が小さければ、より急激な角度で導波路を曲げることが可能なため、チップの小型化に有利である。
【００４３】
また、ＭＭＩカプラにおいても、導波路のコア部とクラッド部の屈折率差が大きいほど光の放射損失を抑えることができる。これらの観点から集積部に用いる光導波路の構造を考えた場合、リッジ型、埋め込み型の光導波路では曲げ損失が大きく、集積用の光導波路には適さないと考えられる。ハイメサ型光導波路は光導波路のコア部と横方向のクラッド部の屈折率差が非常に大きく、曲げ損失を少なくすることが可能で、なおかつＭＭＩカプラにおける放射損失も抑えることが可能である。ただし、光導波路のコア部には、酸化の問題のあるＩｎＡｌＧａＡｓよりもＩｎＧａＡｓＰのほうが適していると考えられる。
【００４４】
ここで問題になるのは、ＥＡＭ部を含む光源（リッジ型光導波路）と、合波部（ハイメサ型光導波路）との接続の問題である。ここで、光導波路の電界分布を示す図４を用いて説明する。図４（ａ）に典型的なリッジ型光導波路の電界分布を示し、図４（ｂ）にハイメサ型光導波路の電界分布を示す。図４（ａ）および図４（ｂ）において、ドットの濃淡が光の強度の強弱を示している。メサ幅は、横モードに関してシングルモード導波路になるように、リッジ型光導波路では１．８μｍとし、ハイメサ型光導波路では１．５μｍとしている。ハイメサ型光導波路の方が、より光閉じ込めが強いため、シングルモード条件を満足するメサ幅は小さい。図４からわかるように、リッジ型光導波路では、屈折率の大きなコア層が横方向に広がっているために、電界が、メサ幅よりも広く分布している。それに対し、ハイメサ型光導波路では、電界分布のほとんどがメサ幅内に収まっている。図４から明らかなように、２つのモードフィールドが大きく異なるために、単純にバットジョイント結合しただけでは結合損失が大きくなり、反射点となってしまう。図４の２つの導波路のバットジョイント結合に対する結合効率はわずか８５％（図７内の点Ａ参照）であり、より高効率な結合が必要である。
【００４５】
このような場合、図５（ａ）に示すようなテーパ構造の光導波路１３０を用いて電界分布を断熱的に変換する手法が良く行われている。この光導波路１３０は、リッジ型光導波路１４１に接続すると共に、ハイメサ型光導波路１４２に接続している。光導波路１３０の一方の端部１３１の幅は、リッジ型光導波路１４１の幅Ｗridgeと同じに形成されている。光導波路１３０の他方の端部１３２の幅は、ハイメサ型光導波路１４２の幅Ｗhmと同じに形成されている。光導波路１３０の幅は、一方の端部１３１から他方の端部１３２に向けて徐々に狭くなるように形成されている。この場合考えられる構成としては、図５（ｂ）に示すように、リッジ型光導波路１４１のメサをテーパ構造とする光導波路１３０Ａの場合と、図５（ｃ）に示すような、ハイメサ型光導波路１４２をテーパ構造とする光導波路１３０Ｂの場合とが考えられる。図５（ｂ）の場合には、リッジ型光導波路１４１とハイメサ型光導波路１４２の接合点では、メサ幅１．５μｍのリッジ型光導波路がハイメサ型光導波路に接続することになるが、リッジ型光導波路１４１の場合、メサ幅が小さくなると、コア中の電界分布は、より、横方向へと染み出していくから、結合効率はテーパ構造を使わずにバットジョイントする場合よりもさらに悪くなる。また、図５（ｃ）の場合には、接続点でメサ幅が同じリッジ型光導波路１４１とハイメサ型光導波路１４２が接続されるが、この場合の結合効率は９３％（図７の点Ｂ）でありまだ損失が大きい。なお、図５（ｂ）および図５（ｃ）には、導波路１４１，１４２および光導波路１３０Ａ，１３０Ｂにおける、光の導波に関与するメサを図示し、それ以外の部分の図示を省略している。
【００４６】
そこで、本実施例では、図６に示すような、不連続テーパ構造接合部を用いる。不連続テーパ構造接合部は、図６に示すように、リッジ型光導波路４１およびハイメサ型光導波路４２、すなわち、構造の異なる２つの導波路４１，４２に接する光導波路であって、所定の長さＬtaperを有する不連続テーパ構造接合部本体５０からなる。不連続テーパ構造接合部本体５０の一方の端部５１は一方の導波路４１と接し、不連続テーパ構造接合部本体５０の他方の端部５２は他方の導波路４２と接する。一方の導波路４１は、当該一方の導波路４１を導波する光の横方向の広がりが、他方の導波路４２を導波する光の横方向の広がりよりも広くなるように形成された構造を有している。一方の光導波路４１のメサの高さが、他方の光導波路のメサの高さよりも低く形成されている。不連続テーパ構造接合部本体５０の幅は、一方の端部５１から他方の端部５２に向けて徐々に狭くなるように形成されている。不連続テーパ構造接合部本体５０における一方の端部５１の幅Ｗtaperが一方の導波路４１の幅Ｗridgeよりも広く形成されている。このような不連続テーパ構造接合部本体５０により、リッジ型光導波路である一方の導波路４１と、ハイメサ型光導波路である他方の導波路４２の接合部で、ハイメサ型光導波路の幅を広くすることにより、リッジ構造中のメサの外側に分布している光も、ハイメサ型光導波路に取り込むことが可能である。不連続テーパ構造接合部は、ハイメサ型導波路用メサ形成プロセスにて作製されており、不連続テーパ構造接合部本体５０のメサの高さは、他方の導波路４２のメサの高さと同じである。なお、図６には、導波路４１，４２および不連続テーパ構造接合部本体５０における、光の導波に関与するメサを図示し、それ以外の部分の図示を省略している。
【００４７】
図７に不連続テーパ構造接合部における、リッジ型光導波路とハイメサ型光導波路の結合効率のテーパ幅Ｗtaper依存性を示す。図７に示すように、テーパ幅Ｗtaper、すなわち不連続テーパ構造接合部本体５０の一方の端部５１の幅を大きくしていくと結合効率が大きくなり、ある幅以上では結合効率は減少する。図７から、９５％以上の結合効率を得るには、テーパ幅Ｗtaperは２．０μｍ以上２．８μｍ以下とすれば良いことがわかる。図８にテーパ幅Ｗtaper＝２．５μｍのときの結合効率のテーパ長さＬtaper依存性を示す。テーパ長Ｌtaperが４０μｍ以上で結合効率が飽和しており、２０μｍで９５％以上の結合効率が得られ、４０μｍ以上で結合効率が９８％以上となり、実用上問題無いことが分かる。ただし、光導波路そのものの損失があるので、あまり長すぎると、導波路損失が大きくなってしまうので、せいぜい１００μｍ程度にするのが良い。
【００４８】
最後に、各種の接合と本実施例による接合の損失を比較すると、リッジ型光導波路、ハイメサ型光導波路をそれぞれの導波路幅で直接バットジョイントし（図７の点Ａ参照）、テーパ構造を設けない場合の損失は１．４１ｄＢ、ハイメサ型光導波路の導波路幅をリッジ型光導波路と同じにしてバットジョイントし（図７の点Ｂ参照）、テーパの長さを１μｍ程度とした場合の結合損失は１．０２ｄＢ、テーパの長さを４０μｍ以上とすると結合損失は０．４ｄＢ、そして、本実施例の不連続テーパ構造接合部を用いて、テーパの長さを４０μｍ以上とした場合の結合損失はわずか０．１７ｄＢであり、異種導波路の接続の低損失化に関して大きな効果を得ることができる。
【００４９】
本実施例にて示している、光源と合波部を集積化する光デバイス（光半導体装置）の場合、光源から出力された信号の強度は、途中の光導波路や合波部による損失によりかなり弱くなってしまうため少しでも損失を下げ、最終的な光出力を大きくする必要がある。本実施例による異種導波路接続技術である不連続テーパ構造接合部を用いない場合の光出力が０ｄＢだった場合、本実施例に係る光導波路が具備する不連続テーパ構造接合部を用いることで、その出力を１．４ｄＢｍにも増大できるため、本実施例は特に、多数の光デバイスを集積する集積光デバイスにおいて大きな効果を得ることができる。
【実施例２】
【００５０】
本発明の第２の実施例に係る光導波路およびそれを用いた光半導体装置について、図２、図９、および図１０を参照して説明する。
本実施例に係る光導波路およびそれを用いた光半導体装置は、上述した第１の実施例に係る光導波路およびそれを用いた光半導体装置が具備する不連続テーパ構造接合部本体に、横方向に光を閉じ込める構造をもたない接続領域を追加した構成であって、それ以外は上述した第１の実施例に係る光導波路およびそれを用いた光半導体装置と同じ構成を有している。
【００５１】
本実施例に係る光半導体装置は、上述した第１の実施例の場合と同様の工程を経て製造される。すなわち、まず、ＬＤ部２１、パッシブ層２２、ＥＡＭ部２３、合波部２４、およびＰＤ部２５における各層を作り込んだウェハーを作製する。続いて、ＬＤ部２１、パッシブ層２２、ＥＡＭ部２３、およびＰＤ部２５にリッジ型導波路用メサ形成プロセスを実施し、合波部２４にハイメサ型導波路用メサ形成プロセス、及び電極形成プロセス（ただしパッシブ層２２および合波部２４には上部電極を形成しない）を実施し、へき開後、チップの前後端面に無反射コーティング（図示せず）を施すことによって完成となる。
【００５２】
そして、本実施例に係る光導波路が具備する不連続テーパ構造接合部は、上述した第１の実施例の場合と同様、ハイメサ型導波路用メサ形成プロセスにおいて、ＥＡＭ部２３と合波部２４の間の光導波路の一部に作製される。
【００５３】
ここで、リッジ型導波路用メサ形成プロセスやハイメサ型導波路用メサ形成プロセスは、導波路マスクを用いて実施される。導波路マスクの作製には、フォトリソグラフィーによるパターニングを用いる。光導波路の寸法は通常１μｍよりも大きいため、上述した不連続テーパ構造接合部本体５０の構造は通常のフォトリソグラフィーで十分に作製可能であるが、場合によっては図９に示すように不連続テーパ構造接合部がなまってしまう、すなわち、不連続テーパ構造接合部本体１５０における一方の端部１５１が一方の光導波路４１の延在方向に直交する方向に対して角度θの傾斜する方向に延在する形状になってしまう場合がある。このとき、リッジ型光導波路である一方の導波路４１とハイメサ型光導波路である不連続テーパ構造接合部本体１５０は原理的に同じメサ幅で接合してしまうため、角度θが十分に小さければ問題が無いが、ある程度以上になると結合効率が劣化してしまう。
【００５４】
この問題を避けるために本実施例では図１０に示すような不連続テーパ構造接合部を用いる。不連続テーパ構造接合部は、図１０に示すように、上述した不連続テーパ構造接合部本体５０と、不連続テーパ構造接合部本体５０の一方の端部５１と一方の導波路４１との間に設けられる接続領域６０とを有する。接続領域６０は、合波部２４と同じ層構造である。接続領域６０は、一方の導波路４１の端部に接し、一方の導波路４１の延在方向に直交する方向に延在する一方の端部６１と、不連続テーパ構造接合部本体５０の一方の端部５１に接し、一方の端部６１に対向する他方の端部６２と、一方の端部６１と他方の端部６２の両端を接続する側端部６３とを有している。接続領域６０は、不連続テーパ構造接合部本体５０の一方の端部５１の幅Ｗtaperよりも広い幅を有すると共に、所定の長さＧを有している。また、接続領域６０は、横方向に光を閉じ込めるためのメサを持たない構造に形成されている。接続領域６０は、不連続テーパ構造本体５０と同様、ハイメサ型導波路用メサ形成プロセスにて作製されており、接続領域６０のメサの高さは、不連続テーパ構造接合部本体５０や他方の導波路４２のメサの高さと同じである。
【００５５】
このような不連続テーパ構造接合部により、図９のような角度の鈍りによる結合効率の劣化を原理的に避けることが可能である、Ｇの値としては、リッジ型光導波路である一方の導波路４１から出射されるビームが広がらない程度の距離にしておけば良く、０．５μｍ〜５μｍ程度であればビームの広がりは問題にならず、第１の実施例の場合と同様の効果を得ることができる。また、この横方向の光閉じ込め構造の無い領域に関して、横方向の幅は、Ｗtaperより十分に大きければ任意ではあるけれども、通常の光半導体デバイスのチップの幅がせいぜい２００μｍ〜４００μｍであること、そして、通常の光導波路のメサ幅が数μｍであることを考慮すれば、１０μｍ〜２００μｍ程度としておけば良い。
【００５６】
なお、上記では、リッジ型光導波路４１とハイメサ型光導波路４２とを接続する不連続テーパ構造接合部本体のテーパ幅を線形的に変化させたが、一方の光導波路と接する端部から他方の光導波路と接する端部まで徐々に狭くなる形状であればよい。
【００５７】
また、上記では、光源と変調部と合波部を集積した光半導体装置であったが、半導体光増幅器、導波路型回折格子など、他の素子を集積したものであっても構わない。
【００５８】
また、上記では、リッジ型構造とハイメサ型構造との接続に関する光導波路について説明したが、構造の異なる２つの光導波路の接続において、一方の光導波路を導波する光の横方向の広がりが、他方の光導波路を導波する光の横方向の広がりよりも広い場合であればよい。例えば、閉じ込めの弱い埋め込み型光導波路とハイメサ型光導波路の接続に上述した光導波路を適用しても、上述した第１，第２の実施例と同様な作用効果を得ることができる。
【００５９】
上記では、基板としてＩｎＰを用い、コア部としてＩｎＧａＡｓＰを用い、活性部としてＩｎＡｌＧａＡｓを用いた光半導体装置について説明したが、他の化合物半導体、例えば、ＧａＡｓやＳｉなどを適用した光半導体装置としてもよい。また、石英系光導波路やポリマー光導波路にも適用可能である。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
本発明は光導波路およびそれを用いた光半導体装置に関するものであり、モードフィールドが大きく異なる異種光導波路を接続する際に、従来のテーパ構造の光導波路と比べて効率的に光の接合ができ、各要素デバイスを同一基板に集積した場合に、各要素デバイスの導波路構造を自由に選択することが可能であり、それぞれを独立に最適化できるので、光通信産業などにおいて、極めて有益に利用することができる。
【符号の説明】
【００６１】
１          基板
２          多重量子井戸構造の活性部
３，４      クラッド部
５          多重量子井戸構造の活性部
６，７      クラッド部
８          コア部
９，１０    クラッド部
１１        コア部
１２，１３  クラッド部
１４        下部電極
１５        コンタクト層
１６        上部電極
２１        半導体レーザ活性部（ＬＤ部）
２２        パッシブ層（光導波路部）
２３        電界吸収型光変調器部（ＥＡＭ部）
２４        合波部
２５        フォトダイオード部（ＰＤ部）
３１Ａ〜３１Ｄ  レーン
５０        不連続テーパ構造接合部本体
５１        一方の端部
５２        他方の端部
６０        接続領域
【図１】
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【図２】
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【図３】
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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４】
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