(57)【要約】【課題】電力効率が高く作製が容易なフォトニック結晶光素子を提供すること。【解決手段】能動領域上側クラッド層と能動領域下側クラッド層との間に活性層を含む能動領域コア層を積層形成した能動領域積層部に所定の波長の光を導波する線欠陥部を除き能動領域上側クラッド層から能動領域コア層の下面よりも深い位置まで能動領域コア層主面方向に周期配列した複数の空孔を設けフォトニック結晶光導波路を形成した能動領域部と、受動領域上側クラッド層と受動領域下側クラッド層との間に受動領域コア層を積層形成した受動領域積層部にフォトニック結晶光導波路に光学的に接続する受動光導波路を形成した受動領域部とが半導体基板上に集積され、能動領域積層部の積層構造の実効屈折率は受動領域積層部の積層構造の実効屈折率よりも大きく、活性層はフォトニック結晶光導波路の分散曲線上で高周波数側に位置する零群速度点において利得を有する。【選択図】        図１
2008078418.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
能動領域上側クラッド層と能動領域下側クラッド層との間に活性層を含む能動領域コア層を積層して形成した能動領域積層部に、所定の波長の光を導波する線欠陥部を除いて前記能動領域上側クラッド層から前記能動領域コア層の下面よりも深い位置まで該能動領域コア層の主面方向に周期的に配列した複数の空孔を設けてフォトニック結晶光導波路を形成した能動領域部と、受動領域上側クラッド層と受動領域下側クラッド層との間に受動領域コア層を積層して形成した受動領域積層部に、前記フォトニック結晶光導波路に光学的に接続する受動光導波路を形成した受動領域部とが半導体基板上に集積されたフォトニック結晶光素子であって、
前記能動領域積層部の積層構造の実効屈折率は、前記受動領域積層部の積層構造の実効屈折率よりも大きく、前記活性層は、前記フォトニック結晶光導波路の有する分散曲線上で高周波数側に位置する零群速度点において利得を有することを特徴とするフォトニック結晶光素子。
【請求項２】
能動領域上側クラッド層と能動領域下側クラッド層との間に活性層を含む能動領域コア層を積層して形成した能動領域積層部に、所定の波長の光を導波する線欠陥部を除いて前記能動領域上側クラッド層から前記能動領域コア層の下面よりも深い位置まで該能動領域コア層の主面方向に周期的に配列した複数の空孔を設けてフォトニック結晶光導波路を形成した能動領域部と、受動領域上側クラッド層と受動領域下側クラッド層との間に受動領域コア層を積層して形成した受動領域積層部に、前記フォトニック結晶光導波路に光学的に接続する受動光導波路を形成した受動領域部とが半導体基板上に集積されたフォトニック結晶光素子であって、
前記能動領域積層部の積層構造の実効屈折率は、前記受動領域積層部の積層構造の実効屈折率よりも小さく、前記活性層は、前記フォトニック結晶光導波路の有する分散曲線上で低周波数側に位置する零群速度点において利得を有することを特徴とするフォトニック結晶光素子。
【請求項３】
前記能動領域コア層は、前記活性層を上下から挟むように形成した上側分離閉じ込め層と下側分離閉じ込め層とを有することを特徴とする請求項２に記載のフォトニック結晶光素子。
【請求項４】
前記受動領域部に形成した受動光導波路の少なくとも前記能動領域部に接続する部分は、所定の波長の光を導波する線欠陥部を除いて前記受動領域上側クラッド層から前記受動領域コア層の下面よりも深い位置まで該受動領域コア層の主面方向に周期的に配列した複数の空孔を設けて形成したフォトニック結晶受動光導波路であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載のフォトニック結晶光素子。
【請求項５】
前記フォトニック結晶受動光導波路と前記フォトニック結晶導波路とは、フォトニック結晶を規定する構造パラメータが同一であることを特徴とする請求項４に記載のフォトニック結晶光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フォトニック結晶によって光導波路を形成した活性層を有するフォトニック結晶光素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
フォトニック結晶は、半導体などに屈折率が該半導体とは異なる媒質を光の波長程度の周期で配列させることにより周期構造を形成したものであり、様々な光デバイスへの応用が検討されている。フォトニック結晶においては、周期場中のマックスウェル方程式の解に従って、光に対するフォトニックバンドギャップ（Ｐｈｏｔｏｎｉｃ  Ｂａｎｄ  Ｇａｐ：ＰＢＧ）が形成される。ＰＢＧに相当する波長の光はフォトニック結晶中をいかなる方向にも伝搬することができない。このような周期構造に適切に設計された欠陥を導入すると、光はその欠陥部に局在することになる。ゆえに、例えば周期構造に点欠陥を導入することにより光共振器が実現でき、線欠陥を導入することにより光導波路、すなわちフォトニック結晶光導波路が実現できる(非特許文献１、２)。
【０００３】
図１８は、光増幅器やレーザなどに用いられる従来のフォトニック結晶光素子を模式的に表した平面図であり、図１９は、図１８のフォトニック結晶光素子のＦ−Ｆ線断面図であり、図２０は、図１８のフォトニック結晶光素子のＧ−Ｇ線断面図である。このフォトニック結晶光素子４００は、能動領域上側クラッド層４１３と能動領域下側クラッド層４１４との間に能動領域コア層として活性層４１２を積層して形成した能動領域積層部に、所定の波長の光を導波する線欠陥部を除いて能動領域上側クラッド層４１３から活性層４１２の下面よりも深い位置まで活性層４１２の主面方向に周期的に配列した複数の円状の空孔４０８を設けてフォトニック結晶光導波路４０４を形成した能動領域部４０２と、受動領域上側クラッド層４１３と受動領域下側クラッド層４１４との間に受動領域コア層４１１を積層して形成した受動領域積層部に、フォトニック結晶光導波路４０４に光学的に接続するハイメサリッジ型の受動光導波路４０５を形成した受動領域部４０１とが半導体基板Ｓ４上に集積されたものである。なお、符号４１８はコンタクト層、符号４３０は絶縁膜、符号４３１は上側電極、符号４３２は下側電極を示すが、図１８においては説明のために絶縁膜４３０および上側電極４３１は透明に表している。
【０００４】
このフォトニック結晶光素子４００は、フォトニック結晶光導波路４０４においてフォトニック結晶の低群速度効果を利用することにより、短い素子長であっても正味の光路長を極めて長くすることができる。その結果、実効的な利得を極めて高くすることができるので、小型であるとともに低消費電力で動作するという特徴をもつ。この低群速度効果とは、フォトニック結晶の波数空間においてブリルアンゾーンの境界付近、すなわち、フォトニック結晶の格子定数をａとすると波数ｋがｋ＝π／ａの整数倍となる値の付近で光がブラッグ反射を受けるために、群速度が零まで低下する現象である。ここで、零群速度点とは波数と角周波数との関係を示す分散曲線上で角周波数の波数による微分が零になる点のことである。フォトニック結晶光導波路４０４は透過帯域内の高周波数側および／または低周波数側において分散曲線上に零群速度点を有するように設計できる。また、活性層４１２はフォトニック結晶光導波路４０４の分散曲線上の零群速度点およびその近傍の周波数帯域において利得を有するように設計される。
【０００５】
なお、フォトニック結晶光導波路４０４は、半導体基板Ｓ４上に能動領域部４０２と受動領域部４０１とを順次形成した後、リソグラフィーとエッチングとを用いて所定のパターンの空孔４０８を形成することによって形成される。
【０００６】
【非特許文献１】A.  Talneau,  et  al.,  “High  external  efficiency  in  a  monomode  full-photonic-crystal  laser  under  continuous  wave  electric  injection”,  Applied  Physics  Letters,  v.85,  no.11,  pp.1913-1915(2004)
【非特許文献２】H.  Takano,  et  al.,  “In-plane-type  channel  drop  filter  in  a  two-dimensional  photonic  crystal  slab”,  Applied  Physics  Letters,  v.84,  no.13,  pp.2226-2228(2004)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来のフォトニック結晶光素子では、空孔のパターンを形成する際に、わずか数μｍ程度のパターニングのずれによって能動領域部と受動領域部との間の接続部で光の反射が発生し、能動領域部と受動領域部との光接続の効率が損なわれてしまうため、電力効率が低下する場合があるという問題があった。一方、この電力効率の低下を防止するためにはパターニングのずれを防止すればよいが、数μｍ程度のパターニングのずれを制御するのは困難である。
【０００８】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、電力効率が高く、作製が容易なフォトニック結晶光素子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】
【０００９】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るフォトニック結晶光素子は、能動領域上側クラッド層と能動領域下側クラッド層との間に活性層を含む能動領域コア層を積層して形成した能動領域積層部に、所定の波長の光を導波する線欠陥部を除いて前記能動領域上側クラッド層から前記能動領域コア層の下面よりも深い位置まで該能動領域コア層の主面方向に周期的に配列した複数の空孔を設けてフォトニック結晶光導波路を形成した能動領域部と、受動領域上側クラッド層と受動領域下側クラッド層との間に受動領域コア層を積層して形成した受動領域積層部に、前記フォトニック結晶光導波路に光学的に接続する受動光導波路を形成した受動領域部とが半導体基板上に集積されたフォトニック結晶光素子であって、前記能動領域積層部の積層構造の実効屈折率は、前記受動領域積層部の積層構造の実効屈折率よりも大きく、前記活性層は、前記フォトニック結晶光導波路の有する分散曲線上で高周波数側に位置する零群速度点において利得を有することを特徴とする。
【００１０】
また、本発明に係るフォトニック結晶光素子は、能動領域上側クラッド層と能動領域下側クラッド層との間に活性層を含む能動領域コア層を積層して形成した能動領域積層部に、所定の波長の光を導波する線欠陥部を除いて前記能動領域上側クラッド層から前記能動領域コア層の下面よりも深い位置まで該能動領域コア層の主面方向に周期的に配列した複数の空孔を設けてフォトニック結晶光導波路を形成した能動領域部と、受動領域上側クラッド層と受動領域下側クラッド層との間に受動領域コア層を積層して形成した受動領域積層部に、前記フォトニック結晶光導波路に光学的に接続する受動光導波路を形成した受動領域部とが半導体基板上に集積されたフォトニック結晶光素子であって、前記能動領域積層部の積層構造の実効屈折率は、前記受動領域積層部の積層構造の実効屈折率よりも小さく、前記活性層は、前記フォトニック結晶光導波路の有する分散曲線上で低周波数側に位置する零群速度点において利得を有することを特徴とする。
【００１１】
ここにおいて、積層構造の実効屈折率とは、光素子の積層構造を有する多層平板導波路の伝播定数βと角周波数ω、真空中の光速ｃを用いてｃβ／ωと定義されるものであり、マトリックス法などを用いて決定することができる。
【００１２】
また、本発明に係るフォトニック結晶光素子は、上記の発明において、前記能動領域コア層は、前記活性層を上下から挟むように形成した上側分離閉じ込め層と下側分離閉じ込め層とを有することを特徴とする。
【００１３】
また、本発明に係るフォトニック結晶光素子は、上記の発明において、前記受動領域部に形成した受動光導波路の少なくとも前記能動領域部に接続する部分は、所定の波長の光を導波する線欠陥部を除いて前記受動領域上側クラッド層から前記受動領域コア層の下面よりも深い位置まで該受動領域コア層の主面方向に周期的に配列した複数の空孔を設けて形成したフォトニック結晶受動光導波路であることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明に係るフォトニック結晶光素子は、上記の発明において、前記フォトニック結晶受動光導波路と前記フォトニック結晶導波路とは、フォトニック結晶を規定する構造パラメータが同一であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係るフォトニック結晶光素子は、能動領域積層部の積層構造の実効屈折率が受動領域積層部の積層構造の実効屈折率よりも大きく、活性層が、フォトニック結晶光導波路の有する分散曲線上で高周波数側に位置する零群速度点において利得を有するので、能動領域部のフォトニック結晶を形成するときのパターニングのずれが発生したとしても、能動領域部と受動領域部との間の接続部で光の反射が発生せずに光接続の効率が損なわれない。その結果、電力効率が高く、作製が容易なフォトニック結晶光素子が実現できるという効果を奏する。
【００１６】
また、本発明に係るフォトニック結晶光素子は、能動領域積層部の積層構造の実効屈折率が受動領域積層部の積層構造の実効屈折率よりも小さく、活性層が、フォトニック結晶光導波路の有する分散曲線上で低周波数側に位置する零群速度点において利得を有するので、能動領域部のフォトニック結晶を形成するときのパターニングのずれが発生したとしても、能動領域部と受動領域部との間の接続部で光の反射が発生せずに光接続の効率が損なわれない。その結果、電力効率が高く、作製が容易なフォトニック結晶光素子が実現できるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下に、図面を参照して本発明に係るフォトニック結晶光素子の実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１８】
（実施の形態１）
まず、本発明の実施の形態１に係るフォトニック結晶光素子について説明する。図１は、本実施の形態１に係るフォトニック結晶光素子を模式的に表した平面図であり、図２は、図１のフォトニック結晶光素子のＡ−Ａ線断面図であり、図３は、図１のフォトニック結晶光素子のＢ−Ｂ線断面図である。図１〜３に示すように、本実施の形態１に係るフォトニック結晶光素子１００は半導体増幅器として動作するものであり、ｐ−ＩｎＰからなる上側クラッド層１１３とｎ−ＩｎＰからなる下側クラッド層１１４との間にＧａＩｎＡｓＰからなる活性層１１２を能動領域コア層として積層して形成した能動領域積層部に、所定の波長の光を導波する線欠陥部を除いて上側クラッド層１１３から活性層１１２の下面よりも深い位置である下側クラッド層１１４の一部まで活性層１１２の主面方向に周期的に配列した複数の空孔１０８aを設けてフォトニック結晶光導波路１０４を形成した能動領域部１０２と、能動領域と共通の上側クラッド層１１３と下側クラッド層１１４との間にＧａＩｎＡｓＰからなる受動領域コア層１１１を積層して形成した受動領域積層部に、フォトニック結晶光導波路１０４に光学的に接続するハイメサリッジ型の受動光導波路１０５を形成した受動領域部１０１とを、ＩｎＰからなる半導体基板Ｓ１上に集積したものである。
【００１９】
また、能動領域部１０２において上側クラッド層１１３上にはＧａＩｎＡｓＰからなるコンタクト層１１８が形成され、コンタクト層１１８上にはフォトニック結晶光導波路１０４直上に位置する部分を除いてＳｉＮｘからなる絶縁膜１３０が形成されている。また、絶縁膜１３０上にはＡｕ／ＡｕＺｎからなる上側電極１３１が形成され、絶縁膜１３０が形成されていないフォトニック結晶光導波路１０４直上の位置でのみコンタクト層１１８と密着している。ただし、図１においては、説明のために絶縁膜１３０と上側電極１３１を透明に表している。なお、上側電極１３１は、その上部にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ、Ａｕなどからなる金属層を形成して多層化してもよい。また、基板Ｓ１の下面にはＡｕＧｅＮｉからなる下側電極１３２が形成されている。
【００２０】
活性層１１２の発光ピーク波長は１５５０ｎｍであり、利得波長帯域は１４８０ｎｍから１５８０ｎｍである。また、受動領域コア層１１１のフォトルミネッセンス波長は１．３μｍである。各層の厚さは、活性層１１２が５０５ｎｍ、上側クラッド層１１３が１０００ｎｍ、コンタクト層１１８が２００ｎｍ、受動領域コア層１１１が５０５ｎｍである。なお、能動領域部１０２の導波路方向の長さは、活性層１１２においてフォトニック結晶光導波路１０４の低群速度効果を利用して所望の利得が得られるように設計されている。
【００２１】
また、空孔１０８ａは三角格子状に配列しており、半径は１０５ｎｍ、配列周期は３５５ｎｍ、深さは３０００ｎｍである。また、フォトニック結晶光導波路１０４は、上記空孔１０８の配列のうち１列を半周期だけシフトし、さらにその１列の空孔を半径１００ｎｍで深さ３０００ｎｍとした空孔１０８ｂを形成することによって実現されている。
【００２２】
また、受動領域１０１においては、幅５００ｎｍのハイメサリッジ型の受動光導波路１０５を形成している。受動光導波路１０５の高さは空孔１０８ａの深さと同じく３０００ｎｍである。受動光導波路１０５の先には、不図示のスポットサイズ変換部を経て幅２０００ｎｍのリッジ導波路が接続され、その端部に不図示の低反射コート膜が形成されている。
【００２３】
このフォトニック結晶光素子１００は、能動領域部１０２の上側および下側電極１３１、１３２に電圧を印加して活性層１１２に前記の波長帯域の利得を発生させながら、受動領域１０１の受動光導波路１０５の一方から利得帯域内の波長の光信号を入力し、入力した光信号をフォトニック結晶光導波路１０４を導波しながら増幅し、もう一方の受動光導波路１０５から増幅した光信号を出力する。
【００２４】
ここで、このフォトニック結晶光素子１００において、能動領域部１０２の能動領域積層部の積層構造の実効屈折率は３．４１８であり、受動領域部１０１の受動領域積層部の積層構造の実効屈折率である３．２９２より大きい。
【００２５】
また、図５は、フォトニック結晶光導波路１０４の有する分散曲線２２ａと、活性層１１２の利得周波数帯域２０ａとの関係を模式的に示す図である。分散曲線２２ａは、空孔１０８ｂの存在によって、波数が大きくなるにつれて角周波数が大きくなる形状となっており、低周波数側と高周波数側にそれぞれ零群速度点を有する。符号２１ａは高周波側の零群速度点を示す。そして、能動領域部１０２の活性層１１２はフォトニック結晶光導波路１０４の分散曲線上の高周波側に位置する零群速度点２１ａにおいて所望利得の利得周波数帯域２０ａを有し、動作するように設計されている。なお、図中白抜きの部分はフォトニック結晶のフォトニックバンドギャップを示す。また、前述のように活性層１１２の利得周波数帯域２０ａは波長１４８０ｎｍから１５８０ｎｍに対応する。
【００２６】
上記のように、フォトニック結晶光素子１００においては、活性層１１２は、フォトニック結晶光導波路１０４の有する分散曲線２２ａ上で高周波数側に位置する零群速度点２１ａにおいて利得周波数帯域２０ａを有する。その結果、フォトニック結晶光素子１００は、空孔１０８ａを形成する際にパターニングのずれが発生したとしても、能動領域部１０２と受動領域部１０１との間の接続部で光の反射が発生せずに光接続の効率が損なわれない。以下、具体的に説明する。
【００２７】
まず、空孔１０８ａのパターンを形成する際に、図４に示すように、パターニングがずれてしまい、能動領域部と受動領域部との境界にまたがって空孔パターンが形成されてしまう場合がある。このパターニングのずれは概ね数μｍの程度である。その結果、フォトニック結晶光導波路が形成されない能動領域部１０２ａと、フォトニック結晶光導波路が形成された能動領域部１０２ｂと、フォトニック結晶光導波路が形成された受動領域部１０１ａが形成される。
【００２８】
一方、前述のように、能動領域部１０２の能動領域積層部の積層構造の実効屈折率は、受動領域部１０１の受動領域積層部の積層構造の実効屈折率より大きいので、フォトニック結晶光導波路が形成された受動領域部１０１ａにおいては実効屈折率が設計値より小さくなる。その結果、図５に示すように、受動領域部１０１ａにおけるフォトニック結晶光導波路の分散曲線は能動領域部１０２ｂに形成されたフォトニック結晶導波路の分散曲線２２ａよりも高周波数側にシフトし、分散曲線２３ａのようになる。
【００２９】
ここで、上述のように、活性層１１２はフォトニック結晶光導波路１０４の分散曲線上の高周波数側に位置する零群速度点２１ａにおいて所望利得の利得周波数帯域２０ａを有し、動作するように設計されている。一方、分散曲線２３ａは分散曲線２２ａよりも高周波数側にシフトするので、分散曲線２３ａは利得周波数帯域２０ａと必ず交差する、すなわち、利得周波数帯域２０ａにおいて受動領域部１０１ａには必ず伝搬モードが存在する。その結果、受動領域部１０１ａは利得周波数帯域２０ａに対応する光を透過するので、能動領域部と受動領域部との間の接続部で光の反射が発生しない。したがって、光接続の効率が高く、電力効率が高いフォトニック結晶光素子となる。それとともに、空孔のパターニングに必要な位置精度を緩和できるので、作製が容易なフォトニック結晶光素子となり、製造歩留まりが向上する。
【００３０】
なお、図６は、時間領域差分法を用いた計算によって得られた、図４に示す能動領域部１０２ｂと受動領域部１０１ａとに形成されたフォトニック結晶光導波路の分散曲線をそれぞれ示す図である。横軸は規格化波数、縦軸は規格化周波数および対応する波長を示す。なお、ａはフォトニック結晶の格子定数、ｃは光速度である。図６に示すように、各分散曲線は図５に模式的に示す分散曲線２２ａ、２３ａと同様の関係になっていることが確認できる。
【００３１】
一方、図１８〜２０に示す従来のフォトニック結晶光素子４００は、図２２に示すような分散曲線２２ｃを有し、活性層４１２は、分散曲線２２ｃ上で低周波数側に位置する零群速度点２１ｃにおいて所望利得の利得周波数帯域２０ｃを有する。ここで、図２１に示すような空孔のパターニングのずれが発生した場合、フォトニック結晶光導波路が形成された受動領域部４０１ａにおけるフォトニック結晶光導波路の分散曲線は、能動領域部４０２ｂに形成されたフォトニック結晶導波路の分散曲線２２ｃよりも高周波数側にシフトし、分散曲線２３ｃのようになる。しかし、フォトニック結晶光素子１００とは異なり、高周波数側にシフトした分散曲線２３ｃは周波数帯域２０ｃと交差せず、周波数帯域２０ｃにおいて受動領域部４０１ａには伝搬モードが存在しない。その結果、受動領域部４０１ａは能動領域部４０２ｂに対して反射鏡として作用するので、能動領域部と受動領域部との光接続の効率は接続部の光の反射によって損なわれ、電力効率が低下する。
【００３２】
つぎに、本実施の形態１に係るフォトニック結晶光素子１００の製造方法について説明する。なお、以下においては、受動光導波路１０５の先に形成されるスポットサイズ変換部については、図示を省略するものとする。
図７から１０は、図１のフォトニック結晶光素子１００の製造方法を模式的に説明する斜視図である。
【００３３】
まず、図７に示すように、半導体基板Ｓ１上に、下側クラッド層１１４、活性層１１２、上側クラッド層１１３、およびコンタクト層１１８をＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法やＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ）法を用いて順次成長する。つぎに、受動領域部１０２に相当する領域のコンタクト層１１８、上側クラッド層１１３、および活性層１１２をフォトリソグラフィーおよびＩＣＰ−ＲＩＥ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｐｌａｓｍａ  Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ）法によるエッチングを用いて除去し、能動領域部１０２を残す。
【００３４】
つぎに、図８に示すように、突合せ接合成長法を用いて受動領域部１０１に受動領域コア層１１１および上側クラッド層１１３をＭＯＣＶＤ法やＭＢＥ法を用いて順次成長する。つぎに、このように積層構造を形成した基板に、電子線描画を用いて空孔１０８ａ、１０８ｂおよびハイメサリッジ型の受動光導波路１０５のパターンを形成した後、リソグラフィーよって作製したレジストパターン、あるいはこのレジストパターンを誘電体膜にエッチングを用いて転写したものをマスクとしてＩＣＰ−ＲＩＥ法によるエッチングを行い、空孔１０８ａ、１０８ｂおよび受動光導波路１０５を形成する。
【００３５】
つぎに、図９に示すように、能動領域部１０２のコンタクト層１０８上に、ＰＣＶＤ（Ｐｌａｓｍａ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いて絶縁膜１３０を成膜し、成膜した絶縁膜１３０上にフォトリソグラフィーを用いてパターニングを行い、ＲＩＥ法を用いて転写することによって、フォトニック結晶光導波路１０４直上の絶縁膜のみを取り除く。なお、説明のために絶縁膜１３０は透明に表している。さらに、電子線蒸着や抵抗加熱蒸着などの方法を用いて上側電極１３１、下側電極１３２を順に形成する。この際、フォトリソグラフィーによるリフトオフ工程を用いて能動領域部１０２のみに上側電極１３１を形成する。
【００３６】
最後に、図１０に示すように、端面をへき開によって形成し、形成した端面に低反射コート膜を形成する。その後、所定の大きさの素子に切断することで、本実施の形態１に係るフォトニック結晶光素子１００が完成する。
【００３７】
以上説明したように、本実施の形態１に係るフォトニック結晶光素子１００は、能動領域積層部の積層構造の実効屈折率が受動領域積層部の積層構造の実効屈折率よりも大きく、活性層１１２が、フォトニック結晶光導波路の有する分散曲線上で高周波数側に位置する零群速度点において利得周波数帯域を有するので、電力効率が高く、作製が容易なフォトニック結晶光素子となる。
【００３８】
（実施の形態２）
つぎに、本発明の実施の形態２に係るフォトニック結晶光素子について説明する。本実施の形態２に係るフォトニック結晶光素子は、実施の形態１に係るフォトニック結晶光素子とは、能動領域積層部と受動領域積層部との実効屈折率の関係や、フォトニック結晶光導波路の分散曲線と利得周波数帯域との関係が異なる。
【００３９】
図１１は、本実施の形態２に係るフォトニック結晶光素子を模式的に表した平面図であり、図１２は、図１１のフォトニック結晶光素子のＣ−Ｃ線断面図であり、図１３は、図１１のフォトニック結晶光素子のＤ−Ｄ線断面図である。図１１〜１３に示すように、本実施の形態２に係るフォトニック結晶光素子２００は半導体増幅器として動作するものであり、ｐ−ＩｎＰからなる上側クラッド層２１３とｎ−ＩｎＰからなる下側クラッド層２１４との間に、ＧａＩｎＡｓＰからなる多重量子井戸活性層２１７とこの多重量子井戸活性層２１７を上下から挟むように形成したそれぞれＧａＩｎＡｓＰからなる上側分離閉じ込め層２１５および下側分離閉じ込め層２１６とを能動領域コア層として積層して形成した能動領域積層部に、所定の波長の光を導波する線欠陥部を除いて上側クラッド層２１３から下側分離閉じ込め層２１６の下面よりも深い位置である下側クラッド層２１４の一部まで多重量子井戸活性層２１７の主面方向に周期的に配列した複数の空孔２０８を設けてフォトニック結晶光導波路２０４を形成した能動領域部２０２と、能動領域と共通の上側クラッド層２１３と下側クラッド層２１４との間にＧａＩｎＡｓＰからなる受動領域コア層２１１を積層して形成した受動領域積層部に、フォトニック結晶光導波路２０４に光学的に接続するハイメサリッジ型の受動光導波路２０５を形成した受動領域部２０１とを、ＩｎＰからなる半導体基板Ｓ２上に集積したものである。
【００４０】
また、実施の形態１に係るフォトニック結晶光素子１００と同様のコンタクト層２１８、絶縁膜２３０、上側電極２３１、下側電極２３２がそれぞれ所定の位置に形成されている。ただし、図１１においては、説明のために絶縁膜２３０と上側電極２３１を透明に表している。
【００４１】
多重量子井戸活性層２１７の発光ピーク波長は１５５０ｎｍであり、利得波長帯域は１４８０ｎｍから１５８０ｎｍである。また、上側分離閉じ込め層２１５および下側分離閉じ込め層２１６のフォトルミネッセンス波長は１１５０ｎｍであり、受動領域コア層２１１のフォトルミネッセンス波長は１．３μｍである。各層の厚さは、多重量子井戸活性層２１７が７０ｎｍ、上側分離閉じ込め層２１５および下側分離閉じ込め層２１６がそれぞれ２３５ｎｍ、上側クラッド層２１３が１０００ｎｍ、コンタクト層２１８が２００ｎｍ、受動領域コア層２１１が５４０ｎｍである。
【００４２】
また、空孔２０８は三角格子状に配列しており、半径は１４０ｎｍ、配列周期は３８０ｎｍ、深さは３０００ｎｍである。フォトニック結晶光導波路２０４は、上記空孔１０８の配列のうち１列だけを形成しないことによって実現されている。
【００４３】
また、受動領域２０１に形成された受動光導波路２０５は、実施の形態１に係るフォトニック結晶光素子１００と同様のものであり、不図示のスポットサイズ変換部を経て幅２０００ｎｍのリッジ導波路が接続され、その端面に低反射コート膜が形成されている。
【００４４】
そして、このフォトニック結晶光素子２００においては、多重量子井戸構造２１７や上側分離閉じ込め層２１５、下側分離閉じ込め層２１６の組成や厚さを適宜調整することにより、能動領域部２０２の能動領域積層部の積層構造の実効屈折率が受動領域部２０１の受動領域積層部の積層構造の実効屈折率よりも小さくされている。本実施形態例では、能動領域部２０２の能動領域積層部の積層構造の実効屈折率は３．２３７であり、受動領域部２０１の受動領域積層部の積層構造の実効屈折率である３．２９８より小さい。
【００４５】
また、図１４は、フォトニック結晶光導波路２０４の分散曲線２２ｂと、多重量子井戸活性層２１７の利得周波数帯域２０ｂとの関係を模式的に示す図である。能動領域部２０２の多重量子井戸活性層２１７はフォトニック結晶光導波路２０４の分散曲線の零群速度点２１ｂにおいて所望利得の利得周波数帯域２０ｂを有し、動作するように設計されている。なお、前述のように多重量子井戸活性層２１７の利得周波数帯域２０ｂは波長１４８０ｎｍから１５８０ｎｍに対応する。
【００４６】
ここで、図１４に示すように、フォトニック結晶光素子２００においては、多重量子井戸活性層２１７は、フォトニック結晶光導波路２０４の有する分散曲線２２ｂ上で低周波数側に位置する零群速度点２１ｂにおいて利得周波数帯域２０ｂを有する。その結果、フォトニック結晶光素子２００は、空孔２０８を形成する際にパターニングのずれが発生したとしても、能動領域部２０２と受動領域部２０１との間の接続部で光の反射が発生せずに光接続の効率が損なわれない。以下、具体的に説明する。
【００４７】
まず、空孔２０８のパターンを形成する際に、図４に示す場合と同様にパターニングのずれが生じた場合、能動領域部２０２の能動領域積層部の積層構造の実効屈折率は受動領域部２０１の受動領域積層部の積層構造の実効屈折率より小さいので、パターニングのずれによってフォトニック結晶光導波路が形成された受動領域部においては実効屈折率が設計値より大きくなる。その結果、図１４に示すように、受動領域部におけるフォトニック結晶光導波路の分散曲線は分散曲線２２ｂよりも低周波数側にシフトし、分散曲線２３ｂのようになる。
【００４８】
すなわち、分散曲線２３ｂは分散曲線２２ｂより低周波数側にシフトするので、分散曲線２３ｂは周波数帯域２０ｂと必ず交差する、すなわち、利得周波数帯域２０ｂにおいて、フォトニック結晶光導波路が形成された受動領域部には必ず伝搬モードが存在する。その結果、実施の形態１の場合と同様に、受動領域が能動領域に対して反射鏡とはならないので、能動領域部と受動領域部との光接続の効率が高く、電力効率が高いフォトニック結晶光素子となる。それとともに、空孔のパターニングに必要な位置精度を緩和できるので、作製が容易なフォトニック結晶光素子となる。
【００４９】
なお、図１５は、時間領域差分法を用いた計算によって得られた、パターニングのずれによってフォトニック結晶光素子２００の能動領域部と受動領域部とに形成されたフォトニック結晶光導波路の分散曲線を示す図である。横軸は規格化波数、縦軸は規格化周波数および対応する波長を示す。図１５に示すように、各分散曲線は図１４に模式的に示す分散曲線２２ｂ、２３ｂと同様の関係になっていることが確認できる。
【００５０】
また、本実施の形態２に係るフォトニック結晶光素子２００の製造方法については、上側分離閉じ込め層２１５および下側分離閉じ込め層２１５を成長する点、および空孔１０８ｂを形成しない点以外は、図７〜１０に示した実施の形態１に係るフォトニック結晶光素子１００の製造方法と同様である。
【００５１】
以上説明したように、本実施の形態２に係るフォトニック結晶光素子２００は、能動領域積層部の積層構造の実効屈折率が受動領域積層部の積層構造の実効屈折率よりも小さく、活性層が、フォトニック結晶光導波路の有する分散曲線上で低周波数側に位置する零群速度点において利得周波数帯域を有するので、電力効率が高く、作製が容易なフォトニック結晶光素子となる。
【００５２】
（実施の形態３）
つぎに、本発明の実施の形態３に係るフォトニック結晶光素子について説明する。本実施の形態３に係るフォトニック結晶光素子は、実施の形態２に係るフォトニック結晶光素子とは、受動光導波路がフォトニック結晶を形成した光導波路である点が異なる。
【００５３】
図１６は、本実施の形態３に係るフォトニック結晶光素子を模式的に表した平面図であり、図１７は、図１６のフォトニック結晶光素子のＥ−Ｅ線断面図である。本実施の形態３に係るフォトニック結晶光素子３００は、実施の形態２に係るフォトニック結晶光素子２００の能動領域部２０２と同様の能動領域部３０２を備えており、空孔３０８、フォトニック結晶光導波路３０４も同様に形成されている。絶縁膜と上側電極も同様に形成されているが、図１６においては、説明のために透明に表している。
【００５４】
一方、フォトニック結晶光素子３００において、受動領域部３０１はフォトニック結晶光素子２００の受動領域部２０１と同様の受動領域積層部を有するが、受動領域部３０１に形成した受動光導波路は、所定の波長の光を導波する線欠陥部を除いて上側クラッド層３１３から受動領域コア層３１１の下面よりも深い位置である下側クラッド層３１４の一部まで、受動領域コア層３１１の主面方向に、能動領域部３０２に設けた空孔３０８と同様の構造パラメータを有する、すなわち半径および配列の周期を有する同様の深さの複数の空孔３０８を設けて形成したフォトニック結晶受動光導波路３０５である。なお、符号Ｓ３は基板、符号３３０は絶縁膜、符号３３２は下側電極を示すが、いずれもフォトニック結晶光素子２００に形成したものと同様である。なお、図示されていないが、受動光導波路３０５の先には、スポットサイズ変換部を経て幅２０００ｎｍのリッジ導波路が接続され、その端面に低反射コート膜が形成されている。
【００５５】
このフォトニック結晶光素子３００は、電力効率が一層高いとともに、作製が一層容易なフォトニック結晶光素子となる。以下、具体的に説明する。
【００５６】
たとえば、実施の形態１に係るフォトニック結晶光素子１００においては、図４に示すように空孔のパターニングのずれが発生した場合に前記のように能動領域部１０２ｂと受動領域部１０１ａとの光接続の効率が損なわれることはないとしても、フォトニック結晶光導波路が形成されない能動領域部１０２ａについては、フォトニック結晶導波路の低群速度効果を利用できないため、フォトニック結晶素子の特性が設計した特性と異なる場合がある。
【００５７】
この点、本実施の形態３に係るフォトニック結晶光素子３００は、受動領域３０１にフォトニック結晶光導波路３０４と同様のフォトニック結晶受動光導波路３０５が形成されているので、空孔のパターンニングのずれが発生したとしても、能動領域部３０２は全域にわたって設計通りのフォトニック結晶の低群速度効果を利用でき、設計どおりの特性で動作する。その結果、電力効率が一層高いとともに、必要なパターニングの精度が著しく緩和されるため、作製が一層容易なフォトニック結晶光素子となる。
【００５８】
さらに、フォトニック結晶光素子３００は、能動領域部３０２と受動領域部３０１とに同一の構造パラメータのフォトニック結晶を形成するので、作製が一層容易になる。
【００５９】
本実施の形態３に係るフォトニック結晶光素子３００の製造方法については、受動領域部にハイメサリッジ型の受動光導波路のパターンを形成する代わりに能動領域部と同様の空孔のパターンを形成する点以外は、実施の形態２に係るフォトニック結晶光素子２００の製造方法と同様である。
【００６０】
なお、従来のフォトニック結晶光素子４００においてフォトニック結晶を用いて受動光導波路を構成しようとすると、たとえば図２３に示すフォトニック結晶光素子５００のように受動領域５０１におけるフォトニック結晶受動光導波路５０５と能動領域５０２におけるフォトニック結晶光導波路５０４とを異なる構造パラメータのものにする必要がある。そのため、フォトニック結晶光素子５００においては、フォトニック結晶受動光導波路５０５の最も内側に構造パラメータが空孔５０８ａとは異なる空孔５０８ｂを設けているが、この場合作製が煩雑になる。
【００６１】
また、本実施の形態３に係るフォトニック結晶光素子３００においては、受動領域部３０１の全体にわたってフォトニック結晶光受動導波路３０５を形成したが、能動領域部３０２に接続する部分にパターニングの精度よりも十分に大きい範囲に形成すればよく、その先にさらにハイメサリッジ型の受動光導波路を接続または形成してもよい。
【００６２】
また、上記の実施の形態において、活性層をはじめとする各層の材料やレーザ発振する光の波長は上記実施の形態に示したものに限らず、化合物半導体全般を各層として用いることができ、増幅する光の波長も材料の選択によって任意に設計することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明の実施の形態１に係るフォトニック結晶光素子を模式的に表した平面図である。
【図２】図１のフォトニック結晶光素子のＡ−Ａ線断面図である。
【図３】図１のフォトニック結晶光素子のＢ−Ｂ線断面図である
【図４】図１のフォトニック結晶光素子において発生するパターニングのずれを説明する説明図である。
【図５】図１のフォトニック結晶光素子について、フォトニック結晶光導波路の分散曲線と、活性層の利得周波数帯域との関係を模式的に示す図である。
【図６】時間領域差分法を用いた計算によって得られた、図４に示す能動領域部と受動領域部とに形成されたフォトニック結晶光導波路の分散曲線をそれぞれ示す図である。
【図７】図１のフォトニック結晶光素子の製造方法を模式的に説明する斜視図である。
【図８】図１のフォトニック結晶光素子の製造方法を模式的に説明する斜視図である。
【図９】図１のフォトニック結晶光素子の製造方法を模式的に説明する斜視図である。
【図１０】図１のフォトニック結晶光素子の製造方法を模式的に説明する斜視図である。
【図１１】本発明の実施の形態２に係るフォトニック結晶光素子を模式的に表した平面図である。
【図１２】図１１のフォトニック結晶光素子のＣ−Ｃ線断面図である。
【図１３】図１１のフォトニック結晶光素子のＤ−Ｄ線断面図である。
【図１４】図１１のフォトニック結晶光素子について、フォトニック結晶光導波路の分散曲線と、多重量子井戸活性層の利得周波数帯域との関係を模式的に示す図である。
【図１５】時間領域差分法を用いた計算によって得られた、パターニングのずれによって図１１のフォトニック結晶光素子の能動領域部と受動領域部とに形成されたフォトニック結晶光導波路の分散曲線を示す図である。
【図１６】本発明の実施の形態３に係るフォトニック結晶光素子を模式的に表した平面図である。
【図１７】図１６のフォトニック結晶光素子のＥ−Ｅ線断面図である。
【図１８】従来のフォトニック結晶光素子を模式的に表した平面図である。
【図１９】図１８のフォトニック結晶光素子のＦ−Ｆ線断面図である。
【図２０】図１８のフォトニック結晶光素子のＧ−Ｇ線断面図である。
【図２１】図１８のフォトニック結晶光素子において発生するパターニングのずれを説明する説明図である。
【図２２】従来のフォトニック結晶光素子について、フォトニック結晶光導波路の分散曲線と、活性層の利得周波数帯域との関係を模式的に示す図である。
【図２３】従来のフォトニック結晶光素子においてフォトニック結晶を用いて受動光導波路を構成した場合を模式的に表した平面図である。
【符号の説明】
【００６４】
１００〜３００  フォトニック結晶光素子
１０１〜３０１  受動領域部
１０１ａ  フォトニック結晶光導波路が形成された受動領域部
１０２〜３０２  能動領域部
１０２ａ  フォトニック結晶光導波路が形成されない能動領域部
１０２ｂ  フォトニック結晶光導波路が形成された能動領域部
１０４〜３０４  フォトニック結晶光導波路
１０５、２０５  受動光導波路
１０８ａ、１０８ｂ、２０８、３０８  空孔
１１１〜３１１  受動領域コア層
１１２  活性層
１１３〜３１３  上側クラッド層
１１４〜３１４  下側クラッド層
１１８、２１８  コンタクト層
１３０〜３３０  絶縁膜
１３１、２３１  上側電極
１３２〜３３２  下側電極
２０ａ、２０ｂ  利得周波数帯域
２１５  上側分離閉じ込め層
２１６  下側分離閉じ込め層
２１７  多重量子井戸活性層
２１ａ、２１ｂ  零群速度点
２２ａ、２２ｂ、２３ａ、２３ｂ  分散曲線
３０５  フォトニック結晶受動光導波路
Ｓ１〜Ｓ３  基板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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