(57)【要約】【課題】小型化が可能で生産性が高い光デバイスおよびその製造方法を提供する。【解決手段】光デバイス１０００は、同一基板１０上に形成された光能動素子部１００および光受動素子部２００を含み、前記光能動素子部１００は、前記基板１０に設けられた凸部２０の上に配置されるデバイス層１２０と、前記基板１０の一方の面および前記デバイス層１２０の上に配置される電極層１１０，１３０と、を含み、前記光受動素子部２００は、導波路層２１０を含み、前記導波路層２１０は、柱状孔２２０が周期的に配列された２次元フォトニック結晶構造を有し、該２次元フォトニック結晶構造内には導波路として機能する線欠陥２３０が形成され、前記デバイス層１２０の少なくとも一方の端面は、前記導波路層２１０の線欠陥２３０の一方の端部と接している。【選択図】        図１
2004163731.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
同一基板上に形成された光能動素子部および光受動素子部を含み、
前記光能動素子部は、前記基板に設けられた凸部の上に配置されるデバイス層と、前記基板の一方の面および前記デバイス層の上に配置される電極層と、を含み、
前記光受動素子部は、導波路層を含み、
前記導波路層は、柱状孔が周期的に配列された２次元フォトニック結晶構造を有し、該２次元フォトニック結晶構造内には導波路として機能する線欠陥が形成され、
前記デバイス層の少なくとも一方の端面は、前記導波路層の線欠陥の一方の端部と接している、光デバイス。
【請求項２】
請求項１において、
前記デバイス層は、複数設けられ、かつそれぞれが端面から波長の異なるレーザー光を出射可能な半導体発光素子として機能するように形成され、
前記導波路層は、前記線欠陥による光の入射口が前記デバイス層に対応して設けられ、かつ前記線欠陥によって前記デバイス層から出射されたレーザー光を合波して出射可能に形成されている、光デバイス。
【請求項３】
請求項１において、
前記デバイス層は、複数設けられ、かつ光を受光可能な半導体受光素子として機能するように形成され、
前記導波路層は、前記線欠陥による光の出射口が前記デバイス層に対応して設けられ、かつ前記線欠陥によって入射光を分波して前記デバイス層へ出射可能に形成されている、光デバイス。
【請求項４】
請求項３において、
前記導波路層は、前記線欠陥によって、異なる波長の光が含まれる入射光を波長ごとに分波して前記デバイス層へ出射可能に形成されている、光デバイス。
【請求項５】
請求項１において、
前記デバイス層は、電極層から与えられるバイアスの方向に応じて、所定の波長の光を吸収する半導体光吸収素子として機能するように形成され、
前記導波路層は、第１の導波路層と第２の導波路層とを含み、
前記第１の導波路層の線欠陥の一方の端部と前記デバイス層の一方の端部とが接するように形成され、かつ前記第２の導波路層の線欠陥の一方の端部と前記デバイス層の他方の端部とが接するように形成される、光デバイス。
【請求項６】
基板の一部をマスクしてパターニングすることにより基板に凸部を形成し、
前記基板の上に第１の層、第２の層、および第３の層を順次形成し、
前記第２の層をウエットエッチングにより除去することを含み、
前記基板の凸部上に形成された第１の層は、光能動素子として機能するように形成され、
前記基板の凸部と異なる領域の上に形成された前記第３の層は、前記第１の層より厚い膜厚で形成されるとともに、柱状孔が周期的にパターニングされて、２次元フォトニック結晶構造および線欠陥を含む光受動素子として機能するように形成され、
前記基板の凸部と異なる領域の上に形成された前記第２の層は、前記第３の層に前記柱状孔を形成した後に、当該柱状孔を通じてウエットエッチングすることにより除去される、光デバイスの製造方法。
【請求項７】
請求項６において、
前記第２の層の膜厚は、前記基板の凸部と異なる領域の上に形成される前記第１の層および第２の層の総膜厚が少なくとも前記基板の凸部の段差より小さくなるように形成される、光デバイスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光デバイスおよびその製造方法に関し、特に光能動素子と光受動素子とが集積化された光デバイスおよびその製造方法に関する。
【０００２】
【背景技術】
近年のインターネットの普及に伴い、高速かつ大容量の光通信システムの需要が高まっている。かかる光通信システムの伝送方式としては、１本の光ファイバに波長の異なる複数の光信号を多重化して伝送する波長分割多重（ＷＤＭ）方式が注目されている。
【０００３】
ＷＤＭ方式においては、大量の信号を処理するための光伝送装置が必要とされ、例えば、送信部には異なる波長の光を送信するための光源およびこれを多重化するための合波器が必要であり、受信部には多重化された信号群を波長ごとに分割するための分波器およびこれらを受信するための光検出器が必要となる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の光伝送装置においては、上記した送信部や受信部に内蔵される素子は個別に形成され、各素子について光軸調整を伴う正確な位置決めを行って基板上に実装していたため、生産性に乏しく、小型化することが困難であった。
【０００５】
本発明の目的は、小型化が可能で生産性が高い光デバイスおよびその製造方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
（１）本発明の光デバイスは、
同一基板上に形成された光能動素子部および光受動素子部を含み、
前記光能動素子部は、前記基板に設けられた凸部の上に配置されるデバイス層と、前記基板の一方の面および前記デバイス層の上に配置される電極層と、を含み、
前記光受動素子部は、導波路層を含み、
前記導波路層は、柱状孔が周期的に配列された２次元フォトニック結晶構造を有し、該２次元フォトニック結晶構造内には導波路として機能する線欠陥が形成され、
前記デバイス層の少なくとも一方の端面は、前記導波路層の線欠陥の一方の端部と接している。
【０００７】
本発明において、光能動素子とは、例えば、光／電気変換機能、電気／光変換機能、光増幅機能、や光吸収機能など光信号に関して新たな作用を奏する素子をいい、光受動素子とは、例えば、導波機能など光信号に関して新たな作用を奏しない素子をいう。なお、光の多重分割機能を有する素子については、外的作用による制御の必要性の有無で分類し、かかる外的作用により制御されて機能を発揮する素子は、光能動素子に含まれ、外的作用を必要としない素子は、光受動素子に含まれる。
【０００８】
本発明の光デバイスによれば、光能動素子と光受動素子とが同一基板上に形成されており、光受動素子として２次元フォトニック結晶構造により形成されるフォトニックバンドギャップによって光を線欠陥内に閉じ込める導波路層を用いているため、かかる各素子を高集積化して装置を小型化することができる。また、かかる光デバイスによれば、光能動素子と光受動素子を個別の部品として作成する場合に比べて部品点数を削減することができるため、生産コストを低減することができる。
【０００９】
本発明の光デバイスは、以下に示す各種態様を取り得る。
【００１０】
（Ａ）前記デバイス層を、複数設けて、かつそれぞれが端面から波長の異なるレーザー光を出射可能な半導体発光素子として機能するように形成し、
前記導波路層を、前記線欠陥による光の入射口が前記デバイス層に対応するように設けて、かつ前記線欠陥によって前記デバイス層から出射されたレーザー光を合波して出射可能に形成することができる。
【００１１】
かかる態様によれば、光能動素子が光送信源として形成され、光受動素子が合波器として形成されているため、多重化した光信号を送信する光送信装置を小型化することができる。
【００１２】
（Ｂ）前記デバイス層を、複数設けて、かつ光を受光可能な半導体受光素子として機能するように形成し、
前記導波路層を、前記線欠陥による光の出射口が前記デバイス層に対応するように設けて、かつ前記線欠陥によって入射光を分波して前記デバイス層へ出射可能に形成することができる。
【００１３】
かかる態様においては、前記導波路層を、前記線欠陥によって異なる波長の光が含まれる入射光を波長ごとに分波して前記デバイス層へ出射可能に形成することができる。
【００１４】
かかる態様によれば、光能動素子が光検出器として形成され、光受動素子が分波器として形成されているため、多重化した光信号を分割して受信する光受信装置を小型化することができる。
【００１５】
（Ｃ）前記デバイス層を、電極層から与えられるバイアスの方向に応じて、所定の波長の光を吸収する半導体光吸収素子として機能するように形成し、
前記導波路層は、第１の導波路層と第２の導波路層とを含み、
前記第１の導波路層の線欠陥の一方の端部と前記デバイス層の一方の端部とを接するように形成し、かつ前記第２の導波路層の線欠陥の一方の端部と前記デバイス層の他方の端部とを接するように形成することができる。
【００１６】
かかる態様によれば、光能動素子が半導体光吸収素子として形成されているため、電極層から与えるバイアスの方向を制御することによって光が吸収されたときは、ＯＦＦ動作を行い、光が吸収されないときは、ＯＮ動作を行う小型で光ファイバとの結合性がよい光スイッチや光変調器を実現することができる。
【００１７】
（２）本発明に係る光デバイス製造方法は、
基板の一部をマスクしてパターニングすることにより基板に凸部を形成し、
前記基板の上に第１の層、第２の層、および第３の層を順次形成し、
前記第２の層をウエットエッチングにより除去することを含み、
前記基板の凸部上に形成された第１の層は、光能動素子として機能するように形成され、
前記基板の凸部と異なる領域の上に形成された前記第３の層は、前記第１の層より厚い膜厚で形成されるとともに、柱状孔が周期的にパターニングされて、２次元フォトニック結晶構造および線欠陥を含む光受動素子として機能するように形成され、
前記基板の凸部と異なる領域の上に形成された前記第２の層は、前記第３の層に前記柱状孔を形成した後に、当該柱状孔を通じてウエットエッチングすることにより除去される。
【００１８】
本発明に係る光デバイスの製造方法によれば、凸部を有する基板上に第３の層を第１の層より厚い膜厚で形成することにより、基板に設けた凸部の段差によって、第１の層から形成される光能動素子と、第３の層から形成される光受動素子との光軸が自己整合的に調整される。このため、本発明の製造方法は、生産性が高く、両素子間の光の結合効率を向上させることができる。
【００１９】
また、本発明の製造方法によれば、第３の層の下に形成される第２の層を取り除く工程を第３の層に形成された柱状孔を通じて行うことにより、第３の層の下部がアンダーカットされて第３の層の上下が空気の層となる。これにより、第３の層から形成される導波路層内の線欠陥において、縦方向に対する光の閉じ込めを行うことができ、確実に導波路層内で光を伝搬させる構成を形成することができる。
【００２０】
また、本発明の光デバイスの製造方法において、前記第２の層の膜厚を、前記基板の凸部と異なる領域に形成される前記第１の層および第２の層の総膜厚が少なくとも前記基板の凸部の段差より小さくなるように形成することができる。
【００２１】
かかる態様によれば、第１の層からなるデバイス層と第３の層からなる導波路層の高さを第２の層により調整することで、両層により形成される光能動素子と光受動素子との間の個別の光軸調整が不要となる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に好適な実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００２３】
［第１の実施形態］
（デバイスの構造および機能）
図１（Ａ）〜図１（Ｃ）は、第１の実施形態に係る光デバイス１０００を模式的に示す図である。なお、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）におけるａ−ａ断面図を表し、図１（Ｃ）は、図１（Ａ）におけるｂ−ｂ断面図を表す。
【００２４】
光デバイス１０００は、図１（Ａ）に示すように、光能動素子からなる発光素子部１００と光受動素子からなる光合波部２００とから形成されている。かかる光デバイス１０００は、例えば、ＷＤＭ方式用の光送信器として用いることができる。
【００２５】
発光素子部１００は、図１（Ｂ）に示すように、基板１０の凸部２０上にデバイス層１２０が配置され、かつデバイス層１２０の上および基板１０の裏面側に電極層１１２、１１４が配置された端面出射型の半導体レーザー１３１〜１３４を複数有する。基板１０としては、不純物がドーピングされた化合物半導体基板、例えば、ｎ−ＧａＡｓ基板やｎ−ＩｎＰ基板などを用いることができる。
【００２６】
また、図１（Ｃ）に示すように、発光素子部１００の各半導体レーザー１３１〜１３４は、絶縁層１４０により絶縁されており、絶縁層１４０に設けられたコンタクト領域を通じて電極層１１０と電気的に接続されている。
【００２７】
図２（Ａ）は、発光素子部１００における半導体レーザー１３１〜１３４の層構造の一例を模式的に示す断面図である。
【００２８】
この半導体レーザー１３１〜１３４は、ｎ型ＧａＡｓからなる基板１０上にｎ型ＧａＡｓバッファ層１２１、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１２２、ＡｌＧａＡｓバリア層１２３、ＧａＡｓ井戸層１２４、ＡｌＧａＡｓバリア層１２５、ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１２６、およびｐ型ＧａＡｓコンタクト層１２７が順次積層されて構成されている。また、基板１０の裏面には、ｎ型電極となる電極層１１４が設けられ、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１２７の上部には、ポリイミド絶縁層１４０に設けられたコンタクト領域を通じてｐ型電極となる電極層１１２が接続されている。
【００２９】
この半導体レーザーは、電極層１１２、１１４から与えられるバイアス電流によって、ＡｌＧａＡｓバリア層１２３、ＧａＡｓ井戸層１２４、およびＡｌＧａＡｓバリア層１２５からなる量子井戸（活性層）から誘導放出により発生する光がこの量子井戸構造を含むデバイス層１２０の側端面の間で共振することによりレーザー発振してレーザー光として端面から出射されるファブリー・ペロー型レーザーである。半導体レーザー１３１〜１３４の構成としては、この他に、回折格子を備えた分布ブラッグ反射型（ＤＢＲ）レーザーや分布帰還型（ＤＦＢ）レーザーなどを採用することができる。
【００３０】
また、発光素子部１００を構成する複数の半導体レーザー１３１〜１３４は、それぞれ発光波長が異なるように形成されている。このように同一基板上において波長の異なる半導体レーザーを設けるには、図１（Ｃ）に示すように、デバイス層１２０の膜厚を調整して形成することにより実現することができる。これは、図２（Ｂ）に示すように、半導体レーザー１３１〜１３４における量子井戸（活性層）の膜厚ｔが異なると半導体レーザー１３１〜１３４から出射されるレーザー光の発光波長が異なることを利用したものである。
【００３１】
一方、光合波部２００は、図１（Ａ）に示すように、柱状孔２２０が周期的に配列された２次元フォトニック結晶構造内に導波路として機能する線欠陥２３０が形成されたスラブ型の導波路層２１０により構成される。また、導波路層２１０の材料は、例えば、ＧａＡｓなどを用いることができる。
【００３２】
線欠陥２３０は、柱状孔２２０の周期的な配列の一部を乱すように線状に形成された欠陥であって、柱状孔２２０の周期的な配列により形成されるフォトニックバンドギャップによってスラブの面内に光が閉じ込められて光の導波路として機能する。この線欠陥２３０は、発光素子部１００の各半導体レーザー１３１〜１３４に対応して複数に分岐した入射口を有し、これらが一つの出射口２４０に収束された平面形状を有する。また、線欠陥２３０は、図１（Ｂ）に示すように、端部がデバイス層１２０の端面と接して設けられている。このため、光デバイス１０００においては、デバイス層１２０から出射されるレーザー光を低損失で導波路層２１０に入射させることができる。
【００３３】
また、柱状孔２２０の配列は、図３（Ａ）に示すような三角格子状の配列や、図３（Ｂ）に示すような正方格子状の配列など任意の配列を適宜選択して採用することができる。また、柱状孔２２０の平面形状は、図３（Ａ）および図３（Ｂ）に示す円形に限らず、楕円形や多角形など種々の平面形状を採用することができる。
【００３４】
次に、本実施の形態に係る光デバイス１０００の機能について説明する。まず、発光素子部１００の電極層１１２、１１４からデバイス層１２０に順方向バイアスが供給されると、各半導体レーザー１３１〜１３４からデバイス層１２０における量子井戸の膜厚に応じて波長λ１〜λ４のレーザー光が出射される。このレーザー光は、デバイス層１２０と導波路層２１０との界面から線欠陥２３０に入射され、線欠陥２３０内で合波されて出射口２４０から外部に出射される。
【００３５】
このように、本実施形態に係る光デバイス１０００によれば、発光素子部１００と光合波部２００とが同一の基板１０の上に集積化されているため、デバイス寸法を従来に比べて大幅に小型化することができる。また、かかる光デバイス１０００によれば、発光素子部１００の各半導体レーザー１３１〜１３４と光合波部２００の導波路層２１０とを個別の部品として製造し、改めて基板に実装する場合に比べて部品点数を削減することができるため、生産コストを低減することができる。
【００３６】
（デバイスの製造方法）
以下に、本実施の形態に係る光デバイス１０００の製造方法について図４〜図７の各図を参照しながら説明する。
【００３７】
（１）まず、図４（Ａ）に示すように、基板１０の上に、例えば、ＳｉＯ２などの酸化物からなるマスク３００を形成する。このマスク３００は、基板１０上の全面にＣＶＤ法などを用いて形成した後、レジストを塗布して、これをフォトリソグラフィー技術を用いてパターニングする。そして、後に凸部２０を形成する領域を残すように例えば、ＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ）などを用いてレジストをエッチングすることによって形成することができる。
【００３８】
（２）次に、図４（Ｂ）に示すように、基板１０をエッチングして基板１０に凸部２０を形成する。かかる工程におけるエッチングには、例えば、ＩＣＰ（Ｉｏｎ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｐｌａｓｍａ）装置を用いることができる。
【００３９】
（３）次に、図４（Ｃ）に示すように、凸部２０が形成された基板１０上にデバイス層１２０、犠牲層２５０、および導波路層２１０を順次積層する。各層は、例えば、ＭＯＣＶＤ法により成膜することができる。
【００４０】
ここで、デバイス層１２０は、例えば、図２（Ａ）に示す層構造により形成することができる。また、犠牲層２５０は、例えば、ＡｌＡｓなどを材料として形成され、より具体的には、デバイス層１２０や導波路層２１０に対して、ウエットエッチングにおける選択比の高い材料を採用することができる。
【００４１】
また、かかる工程においては、導波路層２１０の膜厚は、デバイス層１２０の膜厚より厚くなるように形成される。これにより、デバイス層１２０から出射されるレーザー光を導波路層２１０内に低損失で入射させることができる。また、かかる工程では、犠牲層２５０の膜厚を、基板１０の凸部２０と異なる領域に形成されるデバイス層１２０および犠牲層２５０の総膜厚が少なくとも基板１０の凸部２０の段差より小さくなるように形成する。このように犠牲層２５０の膜厚を調整して成膜することで、デバイス層１２０の端面と導波路層２１０の端面とが接するように形成することができる。すなわち、本実施の形態の製造方法では、デバイス層１２０と導波路層２１０との光軸調整を犠牲層２５０の膜厚調整によって再現性よく行うことができる。
【００４２】
（４）次に、導波路層２１０をパターニングして線欠陥２３０からなる導波路を有する２次元フォトニック結晶構造を形成する。具体的には、図５（Ａ）に示すように、レジスト３１０を塗布して、ＥＢ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｂｅａｍ）露光により柱状孔２２０となる部分の配列をパターニングする。なお、線欠陥２３０となる部分についてはレジスト３１０を残すようにパターニングが行われる。
【００４３】
（５）続いて、図５（Ｂ）に示すように、導波路層２１０を例えば、ＩＣＰエッチングによりパターンニングして、この導波路層２１０内に柱状孔２２０ならびに線欠陥２３０からなる２次元フォトニック結晶構造を形成する。
【００４４】
（６）次に、図５（Ｃ）に示すように、犠牲層２５０を例えば、塩酸（ＨＣｌ）溶液や沸酸（ＨＦ）溶液などを用いてウエットエッチングすることにより除去する。このとき、エッチャントは、柱状孔２２０を通じて犠牲層２５０を除去していく。これにより、導波路層２１０の上下を空気の層とすることができ、導波路層２１０内の線欠陥２３０において、光の進行方向に対する縦方向においても光が閉じ込められるように形成することができ、確実に導波路層２１０内で光を伝搬させる構成を実現することができる。
【００４５】
また、このとき基板１０の凸部２０上に形成された犠牲層２５０も除去されるので、この犠牲層２５０の除去に伴い、凸部２０の上に形成されたデバイス層１２０の上層部も除去され、基板１０の凸部２０の上においては、デバイス層１２０が露出する。
【００４６】
（７）最終的には、図５（Ｄ）に示すように、基板１０の凸部２０上において露出したデバイス層１２０を複数個に絶縁分離する加工をして、その上に電極層１１２を形成し、また、基板１０の裏面に電極層１１４を形成して、光デバイス１０００を得ることができる。
【００４７】
このように、本実施の形態に係る光デバイス１０００の製造方法によれば、基板１０に設けた凸部２０の段差を用いて、デバイス層１２０から形成される光能動素子と、導波路層２１０から形成される光受動素子との光軸が製造工程内で自己整合的に調整されるため、生産性が高い。また、かかる製造方法によれば、導波路層２１０の膜厚がデバイス層１２０の膜厚よりも厚くなるように形成されるため、デバイス層１２０と導波路層２１０との光の結合効率を向上させることができる。
【００４８】
なお、光デバイス１０００において、発光素子部１００に複数設けられた半導体レーザー１３１〜１３４が、それぞれ波長の異なるレーザー光を出射可能に形成すべく、本実施の形態では、以下に説明する製造方法を採用することができる。
【００４９】
図６（Ａ）〜図６（Ｅ）および図７（Ａ）〜図７（Ｄ）は、かかる発光素子部１００を形成するための工程を模式的に示す断面図である。
【００５０】
まず、図６（Ａ）に示すように、上記（１）の工程に対応して、基板１０の上に凸部２０を形成するためのマスク３００を形成する。ここで、本工程においては、デバイス層１２０の膜厚を調整して形成するために、基板１０のデバイス層１２０の形成面の幅を変更するようにマスク３００はパターニングされる。なお、ここでは基板１０のデバイス層１２０の形成面の幅を変更する場合に限られず、デバイス層１２０の形成面の少なくとも面積が変更されるようにパターニングすればよい。
【００５１】
次に、図６（Ｂ）に示すように、上記（２）の工程に対応して、例えば、ＩＣＰエッチングにより基板１０がエッチングされて凸部２１〜２４が形成される。このとき凸部２１〜２４の幅は、所望の発光波長を得るために必要なデバイス層１２０の膜厚に対応する幅に形成される。
【００５２】
次に、図６（Ｃ）に示すように、上記（３）の工程に対応して、例えば、ＭＯＣＶＤ法を用いて、デバイス層１２０、犠牲層２５０および導波路層２１０を順次積層する。このとき凸部２１〜２４の上にはそれぞれの幅に応じた膜厚の層が成膜される。なお、かかる工程においては、デバイス層１２０等を成膜する前に、凸部２１〜２４以外の領域の上に酸化物マスクなどを設けることによって、凸部２１〜２４の上のみにデバイス層１２０等を選択的に成膜することもできる。
【００５３】
次に、図６（Ｄ）に示すように、上記（６）の工程に対応して、犠牲層２５０のウエットエッチングによって犠牲層２５０が除去されるとともに、基板１０の凸部上の導波路層２１０が除去され、続いて、図６（Ｅ）に示すように、デバイス層１２０をエッチングしてストライプパターニングする。
【００５４】
次に、図７（Ａ）〜（Ｄ）に示すように、デバイス層１２０および基板１０に対して電極層１１２、１１４を形成するための工程を行う。
【００５５】
具体的には、まず、図７（Ａ）に示すように、基板１０の各凸部上に形成されたデバイス層１２０を電気的に分離するための絶縁層１４０を形成する。絶縁層１４０は、例えば、ポリイミドなどの樹脂材料を塗布することにより形成することができる。
【００５６】
次に、図７（Ｂ）に示すように、絶縁層１４０の上にレジスト３２０を塗布した後に、コンタクト領域３０を形成する部分についてレジスト３２０をフォトリソグラフィー技術を用いてパターニングする。このとき、レジスト３２０を、コンタクト領域３０の平面形状がストライプ形状となるように、パターニングすることができる。その後、図７（Ｃ）に示すように、例えば、ＩＣＰエッチングにより絶縁層１４０にコンタクト領域３０を形成する。
【００５７】
最後に、図７（Ｄ）に示すように、例えば、真空蒸着法を用いて絶縁層１４０の上部からデバイス層１２０の上面に対して電極層１１２を形成し、基板１０の裏面側に電極層１１４を形成する。これにより、同一基板上において、波長の異なる光を出射可能な半導体レーザー１３１〜１３４を有する発光素子部１００を形成することができる。
【００５８】
［第２の実施形態］
図８（Ａ）〜図８（Ｃ）は、本発明の第２の実施形態に係る光デバイス２０００を模式的に示す図である。なお、図８（Ｂ）は、図８（Ａ）におけるａ−ａ断面図を表し、図８（Ｃ）は、図８（Ａ）におけるｂ−ｂ断面図を表す。本実施の形態においては、第１の実施形態で説明したものと実質的に同様の機能を有する部材には同一符号を付して詳細な説明を省略し、主要な相違点について説明する。
【００５９】
本実施の形態に係る光デバイス２０００は、図８（Ａ）に示すように、光能動素子からなる受光素子部１０１と光受動素子からなる光分波部２０１とから構成されている。かかる光デバイス２０００は、例えば、ＷＤＭ方式用の光受信器として用いることができる。
【００６０】
受光素子部１０１は、図８（Ｂ）に示すように、基板１１の凸部２１上にデバイス層１５０が配置され、デバイス層１５０の上および基板１１の裏面側に電極層１１２、１１４が配置された複数のフォトダイオード１６１〜１６４を有する。基板１１としては、第１の実施形態で説明した基板１０と同様のものを用いることができる。
【００６１】
また、受光素子部１０１の各フォトダイオード１６１〜１６４は、図８（Ｃ）に示すように、それぞれ絶縁層１４０により絶縁されており、絶縁層１４０に設けられたコンタクト領域を通じて電極層１１２と電気的に接続されている。
【００６２】
図９は、受光素子部１０１におけるフォトダイオード１６１〜１６４の層構造の一例を模式的に示す断面図である。
【００６３】
フォトダイオード１６１〜１６４は、ｎ型ＧａＡｓからなる基板１１上にＧａＡｓ吸収層１５２、ｐ型ＧａＡｓ層１５４が順次積層されて構成されている。また、基板１１の裏面には、ｎ型電極となる電極層１１２が設けられ、ｐ型ＧａＡｓ層１５４の上部には、ポリイミド絶縁層１４０に設けられたコンタクト領域を通じてｐ型電極となる電極層１１４が接続されている。
【００６４】
このフォトダイオードは、ＧａＡｓ吸収層において、光を吸収して、電気に変換する光／電気変換機能を有する。なお、このフォトダイオードは、受光感度を高めるべく、ＧａＡｓ吸収層の代わりに例えば、多重量子井戸構造の吸収層としてもよい。
【００６５】
一方、光分波部２０１は、図８（Ａ）に示すように、柱状孔２２０が周期的に配列された２次元フォトニック結晶構造内に導波路として機能する線欠陥２３１が形成されたスラブ型の導波路層２１１により構成される。また、導波路層２１１の材料としては、第１の実施形態で説明した導波路層２１０と同様のものを用いることができる。
【００６６】
線欠陥２３０は、柱状孔２２０の周期的な配列により形成されるフォトニックバンドギャップによってスラブの面内に光が閉じ込められる光導波路として機能する。この線欠陥２３１は、一つの入射口２４１と、受光素子部１０１の各フォトダイオード１６１〜１６４に対応して複数に分岐した出射口とを有する。また、線欠陥２３１は、図８（Ｂ）に示すように、その端部がデバイス層１５０の端面と接するように設けられている。このため、光デバイス２０００においては、導波路層２１１の線欠陥２３１を通過してきた光を低損失でデバイス層１５０へ入射させることができる。
【００６７】
なお、線欠陥２３１において、入射口２４１から入射された複数の波長の光を波長ごとに分波させるためには、例えば、図１０に示すように２次元フォトニック結晶構造を形成することで実現することができる。例えば、波長λ１、λ２の光を分波する場合には、線欠陥の分岐した部分において、柱状孔２２０の内側に柱状孔２２１を設けて、分岐した線欠陥の幅ｄ１、ｄ２を変更することにより、それぞれの線欠陥におけるフォトニックバンドギャップを調整して、所定の波長を通過させるように形成することができる。これにより、線欠陥は分岐した領域において波長選択性を有することになり、例えば、幅ｄ１の線欠陥には、波長λ１の光が通過し、また例えば、幅ｄ２の線欠陥には、波長λ２の光が通過すように導波路層２１１を形成することができる。この手法は、分波させる波長の数が多くなっても同様の手法を用いることができる。
【００６８】
次に、本実施形態に係る光デバイス２０００の機能について説明する。まず、導波路層２１１の入射口２４１から波長λ１〜λ４が多重化された光が入射されると、導波路層２１１では、これらが線欠陥２３１において波長ごとに分波されてフォトダイオード１６１〜１６４のデバイス層１５０に向けて出射される。デバイス層１５０では、かかる光を吸収して電気信号に変換し、かかる信号が電極層１１２、１１４を通じて出力される。
【００６９】
このように、本実施形態に係る光デバイス２０００によれば、受光素子部１０１と光分波部２０１とが同一基板１１の上に集積化されているため、デバイス寸法を小型化することができ、かつ生産性が高い。また、かかる光デバイス２０００によれば、受光素子部１０１の各フォトダイオード１６１〜１６４と光分波部２０１の導波路層２１１とを個別の部品として製造して別途基板に実装する場合に比べて部品点数を削減することができるため、生産コストを低減することができる。
【００７０】
（デバイスの製造方法）
以下に、本実施の形態に係る光デバイス２０００の製造方法について説明する。第１の実施形態における製造方法と重複する部分については詳細な説明を省略し、主要な相違点について説明する。
【００７１】
本実施の形態に係る光デバイス２０００は、基本的には、図４、図５で示したように、第１の実施形態に係る光デバイス１０００と同様の製造工程（１）〜（７）により形成することができる。従って、本実施の形態に係る光デバイス２０００の製造方法においても、基板１１に設けた凸部２１の段差を用いて、デバイス層１５０から形成される光能動素子と、導波路層２１１から形成される光受動素子との光軸を自己整合的に調整することができるため、生産性が高い。また、導波路層２１１の膜厚がデバイス層１５０の膜厚よりも厚くなるように形成されるため、デバイス層１５０と導波路層２１１との光の結合効率を向上させることができる。
【００７２】
なお、本実施の形態に係る光デバイス２０００においては、第１の実施形態に係る光デバイス１０００のように、デバイス層１５０の膜厚を変更して形成する工程を必ずしも行う必要はないため、受光素子部１０１を以下のような工程で形成することができる。
【００７３】
具体的には、図１１（Ａ）〜図１１（Ｅ）にその製造工程が示される。まず、図１１（Ａ）に示すように、基板１１上にデバイス層１５０を露出させた状態で、フォトダイオード１６１〜１６４を分離するために、デバイス層１５０の上にレジスト３３０を形成し、例えば、フォトリソグラフィー技術を用いてレジスト３３０をパターニングする。続いて、図１１（Ｂ）に示すように、例えば、ＩＣＰエッチングによりデバイス層１５０をパターンに沿った形状にエッチングする。
【００７４】
次に、図１１（Ｃ）に示すように、例えば、ポリイミドを塗布して、絶縁層１４０を形成し、パターニングされたデバイス層１５０を電気的に絶縁する。そして、絶縁層１４０の上に、レジスト３４０を形成して、これを例えば、フォトリソグラフィー技術によってパターニングし、その後絶縁層１４０を例えば、ＩＣＰエッチングによりエッチングして、図１１（Ｄ）に示すように、コンタクト領域３０を形成する。
【００７５】
最終的には、図１１（Ｅ）に示すように、絶縁層１４０の上部から例えば、真空蒸着法を用いて、ｐ型電極となる電極層１１２を形成して、かかる電極層１１２をデバイス層１５０とコンタクト領域３０を通じて電気的に接続し、また、基板１１の裏面側にｎ型電極となる電極層１１４を形成する。かかる工程により、複数のフォトダイオード１６１〜１６４を有する受光素子部１０１を形成することができる。
【００７６】
［第３の実施形態］
図１２（Ａ）〜図１２（Ｃ）は、本発明の第３の実施形態に係る光デバイス３０００を模式的に示す図である。なお、図１２（Ｂ）は、図１２（Ａ）におけるａ−ａ断面図を表し、図１２（Ｃ）は、図１２（Ａ）におけるｂ−ｂ断面図を表す。本実施の形態においては、第１の実施形態で説明したものと実質的に同様の機能を有する部材には同一符号を付して詳細な説明を省略し、主要な相違点について説明する。
【００７７】
本実施の形態に係る光デバイス３０００は、図１２（Ａ）に示すように、光能動素子からなる光吸収素子部１０３と光受動素子からなる光導波路部２０３とから構成されている。かかる光デバイス３０００は、例えば、光スイッチや光変調器として用いることができる。
【００７８】
光吸収素子部１０３は、図１２（Ｂ）に示すように、基板１２の凸部２２上にデバイス層１７０が配置され、デバイス層１７０の上および基板１２の裏面側に電極層１１２、１１４が配置された半導体光吸収（ＳＯＡ）デバイス１８１〜１８４を有する。かかる半導体光吸収デバイス１８１〜１８４の層構造の具体例としては、図２に示した半導体レーザー１６１〜１６４と同様の層構造に対して量子井戸となる層の少なくとも一方の端面に光の共振を防止するための光反射防止膜を設けた構造を採用することができる。かかる構造により、電極層１１２から電極層１１４にかけてバイアスを０若しくは逆方向のバイアスを印加することで、量子井戸において光を吸収してＯＦＦ動作を行い、順方向のバイアスを印加することで、量子井戸における自然放出光を利用して入射されたレーザー光を増幅してＯＮ動作を行う光スイッチを実現することができる。また、この光スイッチにおける光のＯＮ／ＯＦＦ動作を利用して、本実施の形態に係る光デバイス３０００は、光変調器として利用することができる。
【００７９】
また、光吸収素子部１０３は、図１２（Ｃ）に示すように、波長λ１〜λ４の光に対応して複数の半導体光吸収デバイス１８１〜１８４を並列的に設けることができ、それぞれが増幅する波長が異なるようにデバイス層１７０の膜厚を調整して形成することができる。かかるデバイス層１７０の膜厚調整手法は、第１の実施形態において説明した手法を用いることができる。
【００８０】
一方、光導波路部２０３は、第１の導波路層２１２と第２の導波路層２１３とから構成されている。第１および第２の導波路層２１２、２１３は、上記実施形態において説明した導波路層２１０、２１１と同様に線欠陥２３２、２３３からなる導波路を有する２次元フォトニック結晶構造のスラブ型導波路である。
【００８１】
また、光導波路部２０３は、図１２（Ｂ）に示すように、第１の導波路層２１２の線欠陥２３２の一方の端部と第２の導波路層の線欠陥２３３の一方の端部とが光吸収素子部１０３のデバイス層１７０の端面と少なくとも接するように形成されている。また、各導波路層２１２、２１３は、デバイス層１７０より厚い膜厚で形成されているため、光デバイス３０００では、各導波路層２１２、２１３とデバイス層１７０との光の結合効率がよい。
【００８２】
次に、本実施形態に係る光デバイス３０００の機能について説明する。まず、第１の導波路層２１２の端部２４１からそれぞれの線欠陥に波長λ１〜λ４の光が入射されると、電極層１１２、１１４から与えられる電気信号のバイアス方向に応じて光吸収素子部１０３の半導体光吸収デバイス１８１〜１８４で入射光のスイッチング動作が行われる。このとき、ＯＮ動作においては、入射光がデバイス層１７０で増幅されて第２の導波路層２１３の端部２４３から外部に出射される。一方、ＯＦＦ動作においては、入射光がデバイス層１７０で吸収されて遮断される。
【００８３】
このように、本実施形態に係る光デバイス３０００によれば、光吸収素子部１０３と光導波路部２０３とが同一基板１２の上に集積化されているため、デバイス寸法を小型化することができ、かつ生産性が高い。また、かかる光デバイス３０００によれば、光吸収素子部１０３の各半導体光吸収デバイス１８１〜１８４に対して、入出力用の第１および第２の導波路層２１２、２１３が光軸の合った状態で形成されているため、光ファイバとの結合性もよい。
【００８４】
なお、本実施の形態に係る光デバイス３０００は、第１の実施形態に係る光デバイス１０００と同様の上記（１）〜（７）の製造工程に従って形成することができる。
【００８５】
また、本実施の形態に係る光デバイス３０００は、図１２（Ａ）〜図１２（Ｃ）に示したように第１および第２の導波路層２１２、２１３が並列的に形成された構成に限られず、例えば、図１３に示す光デバイス３１００のように、第１の導波路層２１２に分波機能を持たせ、第２の導波路層２１３に合波機能を持たせた構成としてもよい。
【００８６】
以上、本発明に好適な実施の形態について説明したが、本発明の実施の形態は、上述したものに限られず、本発明の要旨範囲内で各種態様を取り得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に係る光デバイスを示す図である。
【図２】第１の実施形態に係る光デバイスのデバイス層を示す図である。
【図３】第１の実施形態に係る光デバイスの導波路層を説明するための図である。
【図４】第１の実施形態に係る光デバイスの製造工程を示す図である。
【図５】第１の実施形態に係る光デバイスの製造工程を示す図である。
【図６】第１の実施形態に係る光デバイスの製造工程を示す図である。
【図７】第１の実施形態に係る光デバイスの製造工程を示す図である。
【図８】第２の実施形態に係る光デバイスを示す図である。
【図９】第２の実施形態に係る光デバイスのデバイス層を示す図である。
【図１０】第２の実施形態に係る光デバイスの導波路層を説明するための図である。
【図１１】第２の実施形態に係る光デバイスの製造工程を示す図である。
【図１２】第３の実施形態に係る光デバイスを示す図である。
【図１３】第３の実施形態に係る光デバイスの変形例を示す図である。
【符号の説明】
１０  基板、２０  凸部、１００  発光素子部、１１２，１１４  電極層、１２０  デバイス層、２００  光合波部、２１０  導波路層、２２０  柱状孔、２３０  線欠陥、１０００  光デバイス
【図１】
2004163731.tif 000003
【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】
2004163731.tif 000011
【図１０】
2004163731.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
2004163731.tif 000014
【図１３】
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