(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に形成された第１光導波路と、
前記半導体基板上に形成され、前記第１光導波路と屈折率の異なる第２光導波路と、
前記第１光導波路と前記第２光導波路との境界に配置され、前記第１光導波路から溝部を隔てて導波方向と垂直になるように前記半導体基板上に形成された半導体板とを備え、
前記溝部には、前記第１光導波路の屈折率とは異なる屈折率を有する物質が充填され、前記第１光導波路および前記半導体板の屈折率が等しく、かつ前記第２光導波路および前記溝部に充填された物質の屈折率が等しく、前記溝部の屈折率および幅をそれぞれＮ１、ｄ１、前記半導体板の屈折率および厚さをそれぞれＮ２、ｄ２とし、導波光の波長をλとすると、
Ｎ１ｄ１＞λ／２ｎ、Ｎ２ｄ２＞λ／２ｍ、Ｎ１ｄ１＋Ｎ２ｄ２＜λ／４（２ｌ＋１）
（ｌ、ｍ、ｎはｎ＋ｍ＝ｌの関係を満たす整数）
もしくは、
Ｎ１ｄ１＜λ／２ｎ、Ｎ２ｄ２＜λ／２ｍ、Ｎ１ｄ１＋Ｎ２ｄ２＞λ／４（２ｌ＋１）
（ｌ、ｍ、ｎはｎ＋ｍ＝ｌ−１の関係を満たす整数）
の関係を満たすことを特徴とする集積光導波路。
【請求項２】
前記溝部には、前記第１光導波路の屈折率とは異なる屈折率を有する物質が充填され、前記溝部の屈折率および幅をそれぞれＮ１、ｄ１、前記半導体板の屈折率および厚さをそれぞれＮ２、ｄ２、導波光の波長をλとすると、
Ｎ１ｄ１＋Ｎ２ｄ２
＝±λ／（２π）［ｃｏｓ−１｛±（Ｎ１２＋Ｎ２２）／（Ｎ１＋Ｎ２）２｝＋２ｍπ］
Ｎ１ｄ１−Ｎ２ｄ２＝λ／２ｎ
（ｍ、ｎは整数）
の関係を満たすことを特徴とする請求項１記載の集積光導波路。
【請求項３】
半導体基板上に形成された第１光導波路と、
前記半導体基板上に形成され、前記第１光導波路と屈折率の異なる第２光導波路と、
前記第１光導波路と前記第２光導波路との境界に配置され、前記第１光導波路から第１溝部を隔てて導波方向と垂直になるように前記半導体基板上に形成された第１半導体板と、
前記第１半導体板から第２溝部を隔てて導波方向と垂直になるように前記半導体基板上に形成された第２半導体板とを備え、
前記第１溝部および前記第２溝部には、前記第１光導波路の屈折率とは異なる屈折率を有する物質が充填され、前記第１光導波路、前記第１半導体板および前記第２半導体板の屈折率が等しく、かつ前記第２光導波路、前記第１溝部および前記第２溝部の屈折率が等しく、前記第１溝部の屈折率および幅をそれぞれＮ１、ｄ１とし、前記第１半導体板の屈折率および厚さをそれぞれＮ２、ｄ２、導波光の波長をλとすると、
Ｎ１ｄ１＞λ／２ｎ、Ｎ２ｄ２＞λ／２ｍ、Ｎ１ｄ１＋Ｎ２ｄ２＜λ／４（２ｌ＋１）
（ｌ、ｍ、ｎはｎ＋ｍ＝ｌの関係を満たす整数）
もしくは、
Ｎ１ｄ１＜λ／２ｎ、Ｎ２ｄ２＜λ／２ｍ、Ｎ１ｄ１＋Ｎ２ｄ２＞λ／４（２ｌ＋１）
（ｌ、ｍ、ｎはｎ＋ｍ＝ｌ−１の関係を満たす整数）
の関係を満たすことを特徴とする集積光導波路。
【請求項４】
前記第１半導体板と前記第２半導体板との厚さが互いに異なるか、または前記第１溝部と前記第２溝部との幅が互いに異なることを特徴とする請求項３記載の集積光導波路。
【請求項５】
前記第１溝部および前記第２溝部には、前記第１光導波路の屈折率とは異なる屈折率を有する物質が充填され、前記第１光導波路、前記第１半導体板および前記第２半導体板の屈折率が等しく、かつ前記第２光導波路、前記第１溝部および前記第２溝部の屈折率が等しく、前記第２半導体板の屈折率および厚さをそれぞれＮ２、ｄ４とし、導波光の波長をλとすると、
λ／２ｎ−λ／１６＜Ｎ２ｄ４＜λ／２ｎ＋λ／１６
（ｎは整数）
の関係を満たすことを特徴とする請求項３または４記載の集積光導波路。
【請求項６】
前記第１溝部および前記第２溝部には、前記第１光導波路の屈折率とは異なる屈折率を有する物質が充填され、前記第１光導波路、前記第１半導体板および前記第２半導体板の屈折率が等しく、かつ前記第２光導波路、前記第１溝部および前記第２溝部の屈折率が等しく、前記第２溝部の屈折率および幅をそれぞれＮ１、ｄ３とし、導波光の波長をλとすると、
λ／２（ｎ＋１／４）＜Ｎ１ｄ３＜λ／２（ｎ＋１）
（ｎは整数）
の関係を満たすことを特徴とする請求項３〜５のいずれか１項記載の集積光導波路。
【請求項７】
前記第１溝部および前記第２溝部には、前記第１光導波路の屈折率とは異なる屈折率を有する物質が充填され、前記第２半導体板と同じ厚みの半導体板が、前記第２溝部と同じ幅の溝部をそれぞれ隔てて導波方向に沿って繰り返し配置されていることを特徴とする請求項３〜６のいずれか１項記載の集積光導波路。
【請求項８】
前記第２光導波路は負の屈折率温度微分係数を有する材料により構成されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項記載の集積光導波路。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項記載の集積光導波路が２個互いに対向配置され、前記第２光導波路の端面同士が接続されていることを特徴とする集積光導波路。
【請求項１０】
請求項９記載の集積光導波路が複数回繰り返し縦列接続されていることを特徴とする集積光導波路。
【請求項１１】
前記第１光導波路は、
前記半導体基板上に形成されたコア層と、
前記コア層上に積層され、前記半導体基板と導電型の異なる上部クラッド層と、
前記上部クラッド層上に形成された第１電極と、
前記半導体基板の裏面に形成された第２電極と
を備えることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項記載の光デバイス。
【請求項１２】
前記第１光導波路（または前記第２光導波路のいずれか少なくとも一方）は波長選択性を持つことを特徴とする請求項３〜１１のいずれか１項記載の光デバイス。
【請求項１３】
請求項３〜１２のいずれか１項記載の集積光導波路を備えることを特徴とする光デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザ、光導波路、およびその他の光デバイスなどの光半導体素子および光半導体集積回路に関し、特に、半導体基板上において屈折率およびその温度依存性の異なる材料を組み合わせた光半導体素子および光半導体集積回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体レーザの発振波長は、周囲温度および素子温度に依存して変化する。例えば、Ｋ．Ｓａｋａｉ，“１．５μｍ  ｒａｎｇｅ  ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ  ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  ｆｅｅｄｂａｃｋ  ｌａｓｅｒｓ，“ＩＥＥＥＪ．Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．，ｖｏｌ．ＱＷ−１８，ｐｐ．１２７２−１２７８，Ａｕｇ．１９８２に示されているように、分布帰還型（ＤＦＢ）レーザの発振波長の温度依存性は０．１ｎｍ／Ｋ程度である。これは、半導体の屈折率（ｎ）が温度依存性を持ち、これにより回折格子のブラッグ波長（λＢ）が、
ｍλＢ＝２ｎΛ                                              ・・・（１）
に従って変化するためである。ここで、ｍは回折の次数、Λは回折格子の周期である。
【０００３】
例えば、光ファイバ通信の光源として半導体レーザを用いる場合、特にいくつかの異なる波長の光信号を１本のファイバに多重化して伝送する波長多重通信（ＷＤＭ）を行う場合は、信号光波長の精度が重要である。そのため、発光源である半導体レーザの発振波長を安定化することが必要不可欠である。このため、例えば、ペルチェ素子を用いて半導体レーザの温度制御を行うことにより、半導体レーザの発振波長を安定化することが行われている。
【０００４】
また、ペルチェ素子などによる温度制御を用いずに発振波長の温度依存性を安定させる方法としては、大きく分類して２つの方法が考えられる。すなわち、１番目の方法は、例えば、Ｈ．Ａｓａｈｉ  ｅｔ  ａｌ，Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．ｐｈｙｓ．，ｖｏｌ．３５，ｐｐ．Ｌ８７５−，１９９６．に示されるように、従来に比べて屈折率の温度依存性の小さい半導体材料を用いることで、半導体のみの構成により温度依存性を低減する方法である。また、２番目の方法は、半導体と半導体以外の材料による複合構成により温度依存性を低減する方法である。例えば、“Ｈｙｂｒｉｄ  ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  ｅｘｔｅｎｎａｌ  Ｃａｖｉｔｙ  ｌａｓｅｒ  ｗｉｔｈｏｕｔ  ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ  ｍｏｄｅ  ｈｏｐｐｉｎｇ，“Ｔ．Ｔａｎａｋａ  ｅｔ  ａｌ，Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．Ｌｅｔｔ．，ｖｏｌ．３５，ｎｏ．２，ｐｐ．１４９−１５０，１９９９．に示されるように、半導体レーザと半導体以外の材料よりなる外部導波路を組み合わせたレーザや、特開２００２−１４２４７号公報に示されるように、半導体と半導体とは逆の屈折率温度依存性を有する半導体以外の材料とを交互に縦列接続した構成が知られている、
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、ペルチェ素子を用いて半導体レーザの温度制御を行う方法では素子構造や制御が複雑化するとともに、消費電力が増加するという問題があった。
【０００６】
また、屈折率の温度依存性の小さい半導体材料を用いることで、半導体のみの構成により温度依存性を低減する方法では、これまでに実用化された新材料の報告は無く、新しい半導体を開発することは、結晶成長や素子形成上、非常に困難である。
【０００７】
また、半導体と半導体以外の材料と組み合わせる方法では、光軸調整を不要とするなど出来るだけ簡便に組み合わせできることが望ましい。しかし、半導体基板上に有機材料をスピンコートするなど簡便な作成法であったとしても、例えば、半導体と有機材料を交互に縦列接続して分布反射器を構成するような場合は、優れた特性の得られる１次の回折格子を作製するためには、半導体と有機材料を１／４波長程度の長さで交互に並べる必要があり、加工の難易度および信頼性に大きな問題がある。
【０００８】
一方、半導体光導波路と半導体とは異なる特性を有する材料からなる光導波路を接続することにより、半導体のみでは得られない新しい特性を有する光導波路が得られている。例えば、半導体の屈折率は温度上昇により増大する、すなわち正の温度依存性を有するが、これとは逆に温度上昇により屈折率が低下する、すなわち負の温度依存性を有する材料からなる光導波路を半導体光導波路に縦続接続する方法がある。
【０００９】
これにより、全体として、屈折率と導波路長の積である光学長が温度に依存しない光導波路を得ることができ、Ｋ．Ｔａｄａ  ｅｔ  ａｌ．“Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ  ｃｏｕｐｌｅｄ  ｃａｖｉｔｙ  ｄｉｏｄｅ  ｌａｓｅｒｓ”，Ｏｐｔｉｃａｌ  ａｎｄ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，ｖｏｌ．１６，ｐｐ．４６３−４６９，１９８４．に開示されているように、半導体レーザの外部に負の屈折率温度依存性を有する材料からなる共振器を構成することで、発振波長が温度の依存しない温度無依存レーザを実現することができる。
【００１０】
すなわち、半導体媒質の実効屈折率ｎＤの増大により、レーザ共振器の光学長ｎＤＬＤは温度上昇に伴って増大する。ここで、光学長ｎＲＬＲが温度上昇に伴って低下する外部共振器にレーザダイオードが結合されているものとすると、共振器の全体の光学長ｎＤＬＤ＋ｎＲＬＲが温度に対して一定となる条件は、以下の（２）式で与えることができる。
∂／∂Ｔ（ｎＤＬＤ＋ｎＲＬＲ）
＝ＬＤ∂ｎＤ／∂Ｔ＋ｎＤ∂ＬＤ／∂Ｔ＋ＬＲ∂ｎＲ／∂Ｔ＋ｎＲ∂ＬＲ／∂Ｔ＝０
・・・（２）
ただし、∂ｎＤ／∂Ｔおよび∂ＬＤ／∂Ｔは通常正であるため、∂ｎＲ／∂Ｔおよび∂ＬＲ／∂Ｔは負となる。
【００１１】
ここで、半導体光導波路と半導体以外の材料とからなる導波路を接合する場合のように異なる屈折率をもつ導波路を接合する場合には、その界面において２つの導波路の屈折率の違いから反射が生じる。第１光導波路の屈折率をＮ１、第２光導波路の屈折率をＮ２とし、簡単のため平面波で考えると、反射率Ｒは以下の（３）式で与えることができる。
Ｒ＝（（Ｎ１−Ｎ２）／（Ｎ１＋Ｎ２））２                        ・・・（３）
【００１２】
半導体や石英導波路を伝播した光を外部に放射する場合、導波路と外部との屈折率が異なるために反射が生じる。このため、例えば、半導体光導波路中を伝播した光が半導体レーザの端面から空気中に放射される場合、草川徹著「レンズ光学」東海大学出版会ｐｐ．２７３〜２８８に開示されているように、ある特定の厚さの蒸着膜を半導体端面に成膜することにより、反射を防止することができる。しかしながら、異なる材料からなる導波路を半導体基板上に集積する場合、このような反射防止膜を精度よく形成することは困難である。
【００１３】
一方、屈折率が互いに異なる物質の境界面に光が斜めに入射した場合、入射角をθ１、屈折角をθ２とすると、スネルの法則に従い、以下の（４）式で表されるように、その境界面で屈折が生じる。
【００１４】
ｓｉｎθ１／ｓｉｎθ２＝Ｎ２／Ｎ１                            ・・・（４）
ここで、入射角θ１がブリュースター（Ｂｒｅｗｓｔｅｒ）角θＢに一致する場合、入射面に平行な成分の反射をなくすことができ、ブリュースター角θＢは、以下の（５）式で表すことができる。
【００１５】
θＢ＝ｔａｎ−１（Ｎ２／Ｎ１）                                ・・・（５）
ところで、一般的に、半導体導波路には、埋め込みヘテロ（ＨＢ）構造やリッジ構造などが広く用いられている。そして、半導体のエッチングや埋め込み成長では、エッチングや埋め込みに適した結晶方位が存在する。
【００１６】
しかしながら、半導体光導波路とその半導体光導波路とは屈折率の異なる材料からなる光導波路とを結合する場合、屈折率の差に応じて接合界面での反射が起こるため、導波路設計の自由度が制限される。
【００１７】
ここで、ブリュースター角θＢを利用することにより、屈折率が互いに異なる導波路間における反射を低減することができるが、ブリュースター角θＢを用いると、導波路間の境界面で光が屈折し、導波方向が直線でなくなるという問題がある。
【００１８】
また、屈折率が互いに異なる導波路間における反射を低減するためにブリュースター角θＢを用いると、埋め込み半導体導波路を特定の結晶方向に沿って作製することが困難になり、埋め込み半導体導波路を信頼性よく作製することができなくなるという問題があった。
【００１９】
さらに、屈折率が互いに異なる導波路間における反射を低減するためにブリュースター角θＢを用いると、半導体導波路を劈開面に垂直に配置することが困難となり、半導体レーザなどの反射面として劈開面を用いることができなくなるという問題があった。
【００２０】
以上のように、屈折率およびその温度依存性の異なる材料を組み合わせるには種々の問
題があり、さらなる改善が望まれる。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
上述した課題を解決するために、本発明の一実施形態に係る半導体レーザは、波長選択性を有する利得領域と、前記利得領域に光学的に結合され、実効的な屈折率の温度依存性が前記利得領域と異なる波長選択性を有しない伝搬領域と、前記伝搬領域を伝播する光を反射させる反射領域とを備える。
【００２２】
これにより、波長選択性を有する利得領域に波長選択性を有しない伝搬領域を結合することで、発振波長の温度依存性を制御することが可能となる。すなわち、利得領域は波長選択性を有するため特定の波長の光を選択的に励振することができる。伝搬領域は波長選択性を持たず、前記利得領域と光学的に結合しているため、前記利得領域で励振された光がそのまま伝搬領域を伝搬し、伝搬する光の位相が変化する。反射領域により前記伝搬領域を伝搬した光が反射され再び前記利得領域に戻るため、前記利得領域の温度変化による光の波長変動を前記伝搬領域の温度変化による位相変化で補償することが可能となる。このため、発振波長の温度依存性を有する材料を利得媒質として用いた場合においても、半導体と半導体以外の材料とを複雑に組み合わせることなく、半導体レーザの発振波長の温度依存性を所望の値に制御することが可能となり、簡単な構成および容易な加工方法を用いることにより、半導体レーザの発振波長を安定化することが可能となる。
【００２３】
また、本発明の他の実施形態に係る半導体レーザは、波長選択性を有する利得領域と、前記利得領域に光学的に結合され、実効的な屈折率の温度依存性が前記利得領域と異なる材料を有し、利得および波長選択性を有しない伝搬領域と、前記伝搬領域を伝播する光を反射させる利得を有しない反射領域とを備える。
【００２４】
これにより、有機材料などの入手可能な材料を用いることで伝搬領域を構成することが可能となり、新材料を用いることなく、簡単な構成および容易な加工方法を用いることで、発振波長の温度依存性を制御することが可能となる。
【００２５】
また、本発明の他の実施形態に係る半導体レーザは、波長選択性を有する利得領域と、前記利得領域に光学的に結合され、実効的な屈折率の温度依存性が前記利得領域と異なる構造を有し、利得および波長選択性を有しない伝搬領域と、前記伝搬領域を伝播する光を反射させる利得を有しない反射領域とを備える。
【００２６】
これにより、実効的な屈折率の温度依存性が異なる材料を用いることなく、伝搬領域を構成することが可能となり、簡単な構成および容易な加工方法を用いることで、発振波長の温度依存性を制御することが可能となる。
【００２７】
また、本発明の他の実施形態に係る半導体レーザは、波長選択性を有する第１の利得領域と、前記第１の利得領域に光学的に結合され、実効的な屈折率の温度依存性が前記利得領域と異なる材料または構造の少なくとも一方を有し、利得および波長選択性を有しない伝搬領域と、前記伝搬領域に光学的に結合され、波長選択性を有する第２の利得領域とを備える。
【００２８】
これにより、有機材料などの入手可能な材料を用いることで伝搬領域を構成することが可能となるとともに、ミラーを反射領域として用いる必要がなくなる。このため、半導体レーザのモノリシック集積化を容易に図ることが可能となるとともに、新材料を用いることなく、簡単な構成および容易な加工方法を用いることにより、発振波長の温度依存性を制御することが可能となる。
【００２９】
また、本発明の他の実施形態に係る半導体レーザは、半導体基板と、前記半導体基板上に形成され、分布反射構造を有する活性層と、前記活性層上に形成されたクラッド層と、前記活性層および前記クラッド層の一部が除去された除去領域と、前記除去領域内に埋め込まれ、実効的な屈折率の温度依存性が前記活性層と異なる温度補償層とを備える。
【００３０】
これにより、活性層およびクラッド層の一部を除去した後に、温度補償層を充填することで、波長選択性を有する利得領域に波長選択性を有しない伝搬領域を容易に結合することが可能となり、簡単な構成および容易な加工方法を用いることで、発振波長の温度依存性を制御することが可能となる。
【００３１】
また、本発明の他の実施形態に係る半導体レーザは、半導体基板と、前記半導体基板上に積層された分布ブラッグ反射層と、前記分布ブラッグ反射層上に積層され、分布反射構造を有する活性層と、前記活性層上に積層され、実効的な屈折率の温度依存性が前記活性層と異なる温度補償層と、前記温度補償層上に積層された反射層とを備える。
【００３２】
これにより、分布ブラッグ反射層、活性層、温度補償層および反射層を半導体基板上に順次積層することで、波長選択性を有する利得領域に波長選択性を有しない伝搬領域を容易に結合することが可能となり、簡単な構成および容易な加工方法を用いることで、発振波長の温度依存性を制御することが可能となる。
【００３３】
また、本発明の他の実施形態に係る半導体レーザは、半導体基板と、前記半導体基板上に形成され、分布反射構造を有する活性層と、前記活性層上に形成され、前記活性層の端部に傾斜面が設けられたクラッド層と、前記クラッド層上に形成され、実効的な屈折率の温度依存性が前記活性層と異なる温度補償層とを備える。
【００３４】
これにより、傾斜面が設けられたクラッド層上に温度補償層を設けることで、波長選択性を有する利得領域に波長選択性を有しない伝搬領域を容易に結合することが可能となり、簡単な構成および容易な加工方法を用いることにより、発振波長の温度依存性を制御することが可能となる。
【００３５】
また、本発明の一実施形態に係る集積光導波路は、第１光導波路と、前記第１光導波路に光学的に結合され、前記第１光導波路と屈折率の異なる第２光導波路と、前記第１光導波路の光路を横切るように前記第１光導波路と前記第２光導波路との界面から所定間隔だけ隔てて配置された溝部とを備え、前記界面からの間隔と前記溝部の幅は、前記第１光導波路と前記第２光導波路との境界での反射が弱められるように設定される。
【００３６】
これにより、第１光導波路の光路を横切るように溝を形成することで、第１光導波路と第２光導波路の境界における反射波の位相を調整することができ、第１光導波路と第２光導波路の境界における反射波を互いに打ち消し合わせることができる。このため、第１光導波路と第２光導波路との屈折率が互いに異なる場合においても、第１光導波路と第２光導波路との境界での反射を弱めることができる。この結果、第１光導波路と第２光導波路との界面に反射防止膜を形成することなく、第１光導波路と第２光導波路との境界における損失を低減させることができ、光導波路の集積化に対応しつつ、半導体のみでは得られない新しい特性を有する光導波路を実現することが可能となる。
【００３７】
また、本発明の他の実施形態に係る集積光導波路は、半導体基板上に形成された第１光導波路と、前記半導体基板上に形成され、前記第１光導波路と屈折率の異なる第２光導波路と、前記第１光導波路と前記第２光導波路との境界に配置され、前記第１光導波路から溝部を隔てて導波方向と垂直になるように前記半導体基板上に形成された半導体板とを備え、前記溝部の幅および前記半導体板の厚さは、前記第１光導波路と前記溝部との界面で反射した光が、前記溝部と前記半導体板との界面で反射した光および前記半導体板と前記第２光導波路との界面で反射した光によって弱められるように設定される。
【００３８】
これにより、溝部と半導体板との界面で反射した光および半導体板と第２光導波路との界面で反射した光によって、第１光導波路と溝部との界面で反射した光を弱めることができる。このため、半導体光導波路と半導体以外の光導波路とを同一半導体基板上に集積した場合においても、これらの光導波路間の反射を低減することが可能となり、導波路設計の自由度を維持しつつ、半導体のみでは得られない新しい特性を有する光導波路を実現することが可能となる。
【００３９】
また、本発明の他の実施形態に係る集積光導波路は、半導体基板上に形成された第１光導波路と、前記半導体基板上に形成され、前記第１光導波路と屈折率の異なる第２光導波路と、前記第１光導波路と前記第２光導波路との境界に配置され、前記第１光導波路から第１溝部を隔てて導波方向と垂直になるように前記半導体基板上に形成された第１半導体板と、前記第１半導体板から第２溝部を隔てて導波方向と垂直になるように前記半導体基板上に形成された第２半導体板とを備え、前記第１溝部および前記第２溝部の幅ならびに前記第１半導体基板および前記第２半導体基板の厚さは、前記第１光導波路と前記第１溝部との界面で反射した光が、前記第１溝部と前記第１半導体板との界面で反射した光、前記第１半導体板と前記第２溝部と界面で反射した光、前記第２溝部と前記第２半導体板との界面で反射した光および前記第２半導体板と前記第２光導波路との界面で反射した光によって弱められるように設定される。
【００４０】
これにより、第１溝部と第１半導体板との界面で反射した光、第１半導体板と第２溝部と界面で反射した光、第２溝部と第２半導体板との界面で反射した光および第２半導体板と第２光導波路との界面で反射した光によって、第１光導波路と第１溝部との界面で反射した光を弱めることができる。このため、半導体光導波路と半導体以外の光導波路とを同一半導体基板上に集積した場合においても、これらの光導波路間の反射を低減することが可能となり、導波路設計の自由度を維持しつつ、半導体のみでは得られない新しい特性を有する光導波路を実現することが可能となる。
【００４１】
また、本発明の他の実施形態に係る集積光導波路は、第１光導波領域と、前記第１光導波領域との境界面が前記第１光導波領域の導波方向に対して斜めに配置され、第１光導波領域と屈折率が異なる第２光導波領域と、前記第２光導波領域との境界面における屈折方向が導波方向と一致するように、前記第２光導波領域との境界面が配置された第３光導波領域とを備える。
【００４２】
これにより、第１光導波領域と第２光導波領域との境界面を導波方向に対して傾けることが可能となり、第１光導波領域と第２光導波領域との屈折率が互いに異なる場合においても、第１光導波領域と第２光導波領域との境界面での反射を減らすことが可能となるとともに、屈折方向が導波方向と一致するように境界面が配置された第３光導波領域を設けることで、屈折率が互いに異なる導波路間における反射および屈折による導波路損失を低減しつつ、導波方向を調整することが可能となる。
【００４３】
このため、屈折率が互いに異なる材料を光導波領域間に挿入した場合においても、導波路損失を抑制しつつ、劈開やエッチングや埋め込みなどに適した結晶方位を有効に活用することが可能となり、導波路作製時の信頼性の劣化を抑制しつつ、半導体のみでは得られない新しい特性を有する光導波路を実現することが可能となるとともに、導波路設計の自由度を向上させることができる。
【００４４】
また、本発明の他の実施形態に係る集積光導波路によれば、第１の屈折率を持つ第１光導波路と第３光導波路、および前記第１光導波路と前記第３光導波路との間にあって第２の屈折率を持つ第２光導波領域を備え、前記第１光導波路と前記第２光導波領域との境界面が前記第１光導波路の方向に対して垂直でないように、前記第１光導波路と前記第２光導波領域とが接続され、前記第１光導波路と前記第２光導波領域との境界面での光の屈折方向の延長線上において、前記第２光導波領域と前記第３光導波路との境界面が前記延長線に対して垂直でないように、前記第２光導波領域と前記第３光導波路とが接続され、前記第２光導波領域と前記第３光導波路との境界面での光の屈折方向と前記第３光導波路の方向とが一致していることを特徴とする。
【００４５】
これにより、屈折率が互いに異なる材料を光導波路間に挿入した場合においても、第１光導波路と第２光導波領域との境界面および第２光導波領域と第３光導波路との境界面における反射を低減し、かつ屈折による損失を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４６】
以下、本発明のいくつかの実施形態について図面を参照しながら説明する。先ず、第１の実施形態として、半導体レーザにおける応用例についていくつかの実施例を示しながら説明する。この実施形態においては、半導体レーザと屈折率の温度依存性が異なる材料とを組み合わせることにより、半導体レーザの発振波長の温度依存性を制御することが可能になる。
【００４７】
次に、第２の実施形態として集積光導波路における応用例についていくつかの実施例を示しながら説明する。この実施例においては、半導体光導波路と屈折率およびその温度依存性が異なる光導波路とを集積する際にこれら光導波路間における境界面での反射を低減することが可能になる。また、半導体光導波路と屈折率の異なる光導波路とを集積することにより、半導体のみでは得られない新しい特性を有する光導波路を実現することが可能となる。
【００４８】
さらに、第３の実施形態として半導体光導波路と屈折率の異なる光導波路との境界面を導波方向に対して斜めに配置して、これら光導波路間における反射および屈折による導波路損失を低減することが可能になる。また、半導体光導波路と屈折率の異なる光導波路とを集積することにより、半導体のみでは得られない新しい特性を有する光導波路を実現することが可能となる。
【００４９】
（半導体レーザにおける応用例）
本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザについて図面を参照しながら説明する。この第１の実施形態によれば、屈折率の温度特性の異なる材料を組み合わせて、発振波長の温度依存性を制御することが可能な半導体レーザを提供することができる。以下、本実施形態に係るいくつかの具体的な実施例について説明する。
【００５０】
図１は、本発明の第１の実施例に係る半導体レーザの構成を光導波方向に沿って示す断面図である。なお、第１の実施例は、波長選択性を持った第１の利得領域Ｒ１と波長選択性を持った第２の利得領域Ｒ２との間に、屈折率の異なる利得を有しない伝搬領域Ｒ３を設けることにより、発振波長の温度依存性を制御することができる。
【００５１】
図１において、半導体基板１０１上には、波長選択性を持った第１の利得領域Ｒ１、屈折率の異なる利得を有しない伝搬領域Ｒ３および波長選択性を持った第２の利得領域Ｒ２が設けられている。ここで、利得領域Ｒ１には、半導体基板１０１上に形成された活性層１０２が設けられている。そして、活性層１０２上には、クラッド層１１０を介して第１の利得領域用電極１０５が形成されている。
【００５２】
また、利得領域Ｒ２には、半導体基板１０１上に形成された活性層１０４が設けられている。そして、活性層１０４上には、クラッド層１１０を介して第２の利得領域用電極４０６が形成されている。
【００５３】
なお、半導体基板１０１およびクラッド層１１０としては、例えば、ＩｎＰ、活性層１０２、１０４としては、例えば、発光波長１．５５μｍのＧａＩｎＡｓＰを用いることができる。ここで、半導体基板１０１上に形成された活性層１０２は波長選択性を持った第１の利得を有し、活性層１０４は波長選択性を持った第２の利得を有している。そして、活性層１０２、１０４には、複素屈折率の周期的な摂動、すなわち回折格子がそれぞれ形成され、活性層１０２、１０４は分布反射構造となっている。
【００５４】
さらに、伝搬領域Ｒ３には、半導体基板１０１上の活性層１０２、１０４およびクラッド層１１０の一部を除去することで形成された除去領域１１１が設けられ、除去領域１１１には屈折率の温度依存性が利得領域Ｒ１および／またはＲ２と異なる温度補償材料１０３が充填されている。
【００５５】
ここで、温度補償材料１０３としては、例えば、半導体とは逆の屈折率の温度依存性を持つ有機材料を用いることができ、このような有機材料として、例えば、ＢＣＢ（Ｂｅｎｚｏｃｙｃｌｏｂｕｔｅｎｅ）を挙げることができる。また、温度補償材料１０３として、有機材料の多層膜を用いることで導波損失を低減することができる。
【００５６】
なお、利得を有しない伝搬領域Ｒ３を半導体基板１０１上に形成する場合、反応性イオンエッチングなどの異方性エッチングを用いて利得領域Ｒ１、Ｒ２の間に所望の幅の溝を形成し、スピンコーティングなどの方法により有機材料を溝部に充填することができる。
【００５７】
また、共振器両側の端面には、第１の利得領域側反射防止膜１０８および第２の利得領域側反射防止膜１０９がそれぞれ形成され、半導体基板１０１の裏面には、裏面電極１０７が形成されている。
【００５８】
ここで、第１の利得領域Ｒ１、第２の導波領域Ｒ２および伝搬領域Ｒ３の長さは、第１の利得領域Ｒ１もしくは第２の導波領域Ｒ２のみで発振しないように設定することができる。
【００５９】
そして、波長選択性を持った第１の利得領域Ｒ１で発光もしくは反射された光が、利得を有しない伝搬領域Ｒ３を通り、波長選択性を持った第２の利得領域Ｒ２により反射される。反射された光は、利得を有しない伝搬領域Ｒ３を再度通り、波長選択性を持った第１の利得領域Ｒ１に戻ることにより、レーザ発振を起こすことができる。
【００６０】
このため、第１の利得領域Ｒ１、第２の導波領域Ｒ２および伝搬領域Ｒ３においてレーザ発振を行うことが可能となり、第１の利得領域Ｒ１および第２の導波領域Ｒ２での温度変化による発振波長の変動を、伝搬領域Ｒ３での温度変化による位相の変動で補償することが可能となる。
【００６１】
ＢＣＢなどの有機材料を用いることで、半導体レーザの発振波長の温度依存性を制御することが可能となる。このため、新材料を用いることなく、簡単な構成および容易な加工方法を用いることにより、半導体レーザの発振波長の安定化を図ることが可能となる。
【００６２】
なお、利得を有しない伝搬領域Ｒ３の長さは、活性層１０２、１０４に設けられた回折格子の実効長と利得を有しない伝搬領域Ｒ３の長さの和により決定される縦モード間隔が、回折格子のストップバンド幅よりも広くなるように設定することができる。これにより、１個の縦モードのみを回折格子のストップバンド幅内に存在させることが可能となり、他の縦モードの利得を抑圧することを可能として、単一モード動作の安定性を高めることができる。
【００６３】
以下、本実施例を参照して発振原理および発振波長について詳細に説明する。
【００６４】
波長選択性を持った第１の利得領域Ｒ１と波長選択性を持った第２の利得領域Ｒ２は、波長選択性と光学利得を併せ持つため、回折格子によって決定される波長の光のみを反射し、増幅することができる。ここで、反射が最も大きくなる波長帯域は、回折格子のブラッグ波長を中心としたストップバンド幅で決定することができる。例えば、回折格子の結合係数Ｋを３００ｃｍ−１とし、長さを５０μｍに設定することにより、ストップバンド幅として約１０ｎｍを得ることができる。また、利得を有しない伝搬領域１０３の長さは、例えば、約１０μｍに設定することができる。
【００６５】
図２は、本発明の一実施形態に係る半導体レーザの反射スペクトルおよび反射波の位相特性を示す図であり、第１の利得領域Ｒ１および第２の利得領域Ｒ２の回折格子の反射スペクトルと反射波の位相遅れを示す。
【００６６】
図２において、利得を有しない伝搬領域Ｒ３がない、もしくは、伝搬領域Ｒ３を光が通過する際の位相遅れがない場合、第１の利得領域Ｒ１および第２の利得領域Ｒ２の回折格子での位相遅れの和が０か２πの整数倍、すなわち、第１の利得領域Ｒ１または第２の利得領域Ｒ２の一方のみで考えると、位相遅れが０かπであるとき、その波長は共振モードとなる。
【００６７】
次に、利得を有しない伝搬領域Ｒ３が存在すると、光が第１の利得領域Ｒ１を出てから、第２の利得領域Ｒ２に入るまでに位相が変わる。このため、伝搬領域Ｒ３における位相変化に応じて、第１の利得領域Ｒ１、第２の利得領域Ｒ２および伝搬領域Ｒ３からなる共振器全体での位相遅れが０または２πとなるように、共振モードはストップバンドの間で変化する。
【００６８】
ここで、ＩｎＰやＧａＡｓなどの通常の半導体レーザに現在使われている半導体材料では、周囲温度が上昇すると屈折率も上昇するため、回折格子のブラッグ波長は、式（１）に従って長波長側に移動する。この結果、図２の反射スペクトルも全体的に長波長側にシフトする。
【００６９】
一方、温度補償材料１０３が、例えば、半導体とは逆の屈折率の温度依存性を持つ材料である場合、温度上昇に伴い、温度補償材料１０３の屈折率が減少し、利得を有しない伝搬領域Ｒ３の光学長が減少する。このため、利得を有しない伝搬領域Ｒ３を通過した光の位相が変化し、温度上昇に伴って、発振波長がストップバンド内を長波長側から中央部、そして短波長側へと移動する。
【００７０】
このため、第１の利得領域Ｒ１および第２の導波領域Ｒ２での温度変化によるブラッグ波長の変動を、伝搬領域Ｒ３での温度変化による位相の変動で補償することが可能となり、半導体レーザの発振波長の温度依存性を制御することができる。
【００７１】
図３は、本発明の一実施形態に係る半導体レーザの発振波長の温度依存性の補償原理を説明する図である。
【００７２】
図３において、温度が上昇すると、回折格子のブラッグ波長λＢは長波長側にシフトするが、発振波長は温度変化があっても変化しないことがわかる。なお、ストップバンド幅ＳＢが広いほど、広い温度範囲において補償が可能である。例えば、図１の例では、回折格子の結合係数を３００ｃｍ−１としたが、さらに、大きな結合係数とすることで、ストップバンドの幅を拡大し、補償する温度範囲を拡大することが可能である。
【００７３】
なお、上述した実施例では、波長選択性も利得も有しない伝搬領域Ｒ３に、半導体とは逆の屈折率の温度依存性を持つ温度補償材料１０３を用いる方法について説明したが、伝搬領域Ｒ３の材料を換えることで、任意の温度依存性を持つ半導体レーザを作製することが可能である。また、利得を有しない伝搬領域Ｒ３は、発光する必要がないため、必ずしも良好な結晶性を有する必要はない。このため、有機材料やその他の半導体以外の材料を用いることができ、材料の選択性を広げることができる。また、例えば、回折格子部分の半導体よりも大きな屈折率の温度依存性を持つ材料を用いて、利得を有しない伝搬領域を構成するようにしてもよく、これにより、温度依存性の大きな半導体レーザを形成することができ、温度センサなどとして用いることができる。また、半導体のように温度上昇により屈折率が上昇する材料であっても、回折格子部分の半導体よりも小さな屈折率の温度依存性を持つ材料とすることにより、発振波長の温度依存性を低減することができる。
【００７４】
図４は、本発明の一実施形態に係る半導体レーザの屈折率の温度係数差と発振波長温度依存性を説明する図である。なお、図４では、横軸は、波長選択性を有する利得領域と波長選択性も利得も有しない伝搬領域の屈折率温度係数の差と、波長選択性も利得も有しない伝搬領域の長さの積、縦軸は、発振波長の温度依存性の変化を示す。また、ここでは、半導体のみの構成で、図１と同じ各領域の長さ、回折格子の結合係数などを用いた場合の例を示した。
【００７５】
図４において、ＤＦＢレーザの場合、発振波長の温度依存性は１Å／Ｋ程度である。このため、発振波長をその１０％程度変化させる場合、利得領域Ｒ１、Ｒ２の実効的な屈折率の温度微分係数と伝搬領域Ｒ３の実効的な屈折率の温度微分係数の差と、伝搬領域Ｒ３の長さの積を、Ａ点（減少）もしくはＡ′点（増加）にすればよく、その値は、±７．５×１０−４［μｍ／Ｋ］である。また、発振波長を２０％程度変化させる場合、利得領域Ｒ１、Ｒ２の実効的な屈折率の温度微分係数と伝搬領域Ｒ３の実効的な屈折率の温度微分係数の差と、伝搬領域Ｒ３の長さの積を、±１４．５×１０−４［μｍ／Ｋ］程度とすれば良いことがわかる。例えば、伝搬領域Ｒ３の長さが１０μｍのとき、それぞれ±７．６×１０−４［１／Ｋ］、±１．４５×１０−４［１／Ｋ］となる。
【００７６】
なお、図１の活性層１０２、１０４の構造に関しては、特に制約を設けるものではなく、通常用いられるすべての構造の活性層について本発明を適用することにより、半導体レーザの発振波長の温度依存性を制御することが可能となる。すなわち、活性層１０２、１０４に関しては、ＩｎＧａＡｓＰ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓなど任意の材質について適用が可能であり、活性層１０２、１０４の構造に関しても、バルク、ＭＱＷ（多重量子井戸）、量子細線、量子ドットを問わず、また活性層領域の導波路構造に関しても、ｐｎ埋め込み、リッジ構造、半絶縁埋め込み構造、ハイメサ構造等を用いるようにしてもよい。半導体基板１０１に関しても、ｎ型基板に限定されるものではなく、ｐ型基板、半絶縁型基板等を用いるようにしてもよい。
【００７７】
また、周期的摂動は活性層１０２、１０４上に直に形成しなくとも、活性層を導波する光の電界が零でない有限な値を有する領域に形成されていれば、同様な効果が期待できる。例えば、通常の半導体レーザで用いられている分離閉じ込め構造（ＳＣＨ構造）のＳＣＨ層上に形成されていても良く、また、活性層と接していない領域にクラッド層よりも屈折率が高い層を積層し、そこに周期的摂動を形成してもよい。
【００７８】
さらに、利得を有しない伝搬領域の上下もしくは左右の少なくともどちらか一方が光閉じ込め構造を有する導波路構造とすることにより、伝搬損失を低減することができ、半導体レーザの特性を向上させることが可能となる。
【００７９】
また、本発明の構造を基板の厚さ方向に形成し、面発光レーザ型としても同様な効果が期待できる。さらに、第１の利得領域Ｒ１、伝搬領域Ｒ３および第２の利得領域Ｒ２が光軸に沿って並んでいれば、エッチングなどにより作製した反射鏡を介して、第１の利得領域Ｒ１、伝搬領域Ｒ３および第２の利得領域Ｒ２を配置してもよく、導波路途中で層方向もしくは横方向に光軸が曲げられるようにしてもよい。
【００８０】
図５は、本発明の第２の実施例に係る半導体レーザの構成を光導波方向に沿って示す断面図である。なお、第２の実施例は、波長選択性を持った利得領域Ｒ１１と利得を有しない反射領域Ｒ１２との間に、屈折率の温度依存性が異なる利得を有しない伝搬領域Ｒ１３を設けることにより、発振波長の温度依存性を制御するようにしたものである。
【００８１】
図５において、半導体基板２０１上には、波長選択性を持った利得領域Ｒ１１、屈折率の温度依存性が異なる利得を有しない伝搬領域Ｒ１３および波長選択性を持った利得を有しない反射領域Ｒ１２が設けられている。ここで、利得領域Ｒ１１には、半導体基板２０１上に形成され、波長選択性を持った利得を有する活性層２０２が設けられている。そして、活性層２０２には、複素屈折率の周期的な摂動、すなわち回折格子が形成され、活性層２０２は、分布反射構造となっている。そして、活性層２０２上には、クラッド層２１０を介して電極２０５が形成されている。
【００８２】
また、反射領域Ｒ１２には、半導体基板２０１上に形成され、波長選択性を持った利得を有しない半導体層２０４が設けられている。ここで、半導体層２０４には、複素屈折率の周期的な摂動、すなわち回折格子が形成され、半導体層２０４は、分布反射構造となっている。そして、半導体層２０４上には、クラッド層２１０が形成されている。なお、半導体基板２０１およびクラッド層２１０としては、例えば、ＩｎＰ、活性層２０２としては、例えば、発光波長１．５５μｍのＧａＩｎＡｓＰ、半導体層２０４としては、例えば、発光波長１．２μｍのＧａＩｎＡｓＰを用いることができる。また、半導体層２０４は、選択成長などにより活性層２０２とは異なる組成の材料を成長させた後に、周期構造を有する回折格子を作成することにより形成できる。
【００８３】
さらに、伝搬領域Ｒ１３には、半導体基板２０１上の活性層２０２、半導体層２０４およびクラッド層２１０の一部を除去することで形成された除去領域２１１が設けられ、除去領域２１１には屈折率の温度依存性が利得領域Ｒ１１および反射領域Ｒ１２とは異なる温度補償材料２０３が充填されている。
【００８４】
ここで、温度補償材料２０３としては、例えば、半導体とは逆の屈折率の温度依存性を持つ有機材料を用いることができ、このような有機材料として、例えば、ＢＣＢを挙げることができる。また、温度補償材料２０３として、有機材料の多層膜を用いることで導波損失を低減することができる。
【００８５】
なお、利得を有しない伝搬領域Ｒ１３を半導体基板２０１上に形成する場合、反応性イオンエッチングなどの異方性エッチングを用いて利得領域Ｒ１１、Ｒ１２の間に所望の幅の溝を形成し、スピンコーティングなどの方法により有機材料を溝部に充填することができる。
【００８６】
また、共振器両側の端面には、利得領域側反射防止膜２０８および反射領域側反射防止膜２０９が形成され、半導体基板２０１の裏面には、裏面電極２０７が形成されている。ここで、利得領域Ｒ１１の長さは、利得領域Ｒ１１のみでは反射損失が大きく発振しないように設定することができる。
【００８７】
そして、波長選択性を持った利得領域Ｒ１１で発光もしくは反射された光が、利得を有しない伝搬領域Ｒ１３を通り、波長選択性を持った利得を有しない反射領域Ｒ１２により反射され、利得を有しない伝搬領域Ｒ１３を再度通り、波長選択性を持った利得領域Ｒ１１に戻ることにより、帰還を生じさせつつ、レーザ発振を起こさせることができる。
【００８８】
このため、利得領域Ｒ１１、反射領域Ｒ１２および伝搬領域Ｒ１３をレーザ発振に係わらせることが可能となり、利得領域Ｒ１１および反射領域Ｒ１２での温度変化による発振波長の変動を、伝搬領域Ｒ１３での温度変化による位相の変動で補償することが可能となる。
【００８９】
ＢＣＢなどの有機材料を用いることで、半導体レーザの発振波長の温度依存性を制御することが可能となる。このため、新材料を用いることなく、簡単な構成および容易な加工方法を用いることにより、半導体レーザの発振波長の安定化を図ることが可能となる。
【００９０】
なお、利得を有しない伝搬領域Ｒ１３の長さは、活性層２０２および半導体層２０４にそれぞれ設けられた回折格子の実効長と利得を有しない伝搬領域Ｒ１３の長さの和により決定される縦モード間隔が、回折格子のストップバンド幅よりも広くなるように設定することができる。これにより、１個の縦モードのみを回折格子のストップバンド幅内に存在させることが可能となり、他の縦モードの利得を抑圧することを可能として、単一モード動作の安定性を高めることができる。
【００９１】
なお、上述した実施例では、波長選択性も利得も有しない伝搬領域Ｒ１３に、半導体とは逆の屈折率の温度依存性を持つ温度補償材料２０３を用いる方法について説明したが、伝搬領域Ｒ１３の材料を換えることで、任意の温度依存性を持つ半導体レーザを作製することが可能である。また、利得を有しない伝搬領域Ｒ１３は、発光する必要がないため、必ずしも良好な結晶性を有する必要はない。このため、有機材料やその他の半導体以外の材料を用いることができ、材料の選択性を広げることができる。また、例えば、回折格子部分の半導体よりも大きな屈折率の温度依存性を持つ材料を用いて、利得を有しない伝搬領域を構成するようにしてもよく、これにより、温度依存性の大きな半導体レーザを形成することができ、温度センサなどとして用いることができる。また、半導体のように温度上昇により屈折率が上昇する材料であっても、回折格子部分の半導体よりも小さな屈折率の温度依存性を持つ材料とすることにより、発振波長の温度依存性を低減することができる。
【００９２】
また、図５の活性層２０２の構造に関しては、特に制約を設けるものではなく、通常用いられるすべての構造の活性層について本発明を適用することにより、半導体レーザの発振波長の温度依存性を制御することが可能となる。すなわち、活性層２０２に関しては、ＩｎＧａＡｓＰ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓなど任意の材質について適用が可能であり、活性層２０２の構造に関しても、バルク、ＭＱＷ（多重量子井戸）、量子細線、量子ドットを問わず、また活性層領域の導波路構造に関しても、ｐｎ埋め込み、リッジ構造、半絶縁埋め込み構造、ハイメサ構造等を用いるようにしてもよい。半導体基板２０１に関しても、ｎ型基板に限定されるものではなく、ｐ型基板、半絶縁型基板等を用いるようにしてもよい。
【００９３】
また、周期的摂動は活性層２０２上に直に形成しなくとも、活性層を導波する光の電界が零でない有限な値を有する領域に形成されていれば、同様な効果が期待できる。例えば、通常の半導体レーザで用いられている分離閉じ込め構造（ＳＣＨ構造）のＳＣＨ層上に形成されていても良く、また、活性層と接していない領域にクラッド層よりも屈折率が高い層を積層し、そこに周期的摂動を形成してもよい。
【００９４】
さらに、利得を有しない伝搬領域の上下もしくは左右の少なくともどちらか一方が光閉じ込め構造を有する導波路構造とすることにより、伝搬損失を低減することができ、半導体レーザの特性を向上させることが可能となる。
【００９５】
また、本発明の構造を基板の厚さ方向に形成し、面発光レーザ型としても同様な効果が期待できる。さらに、利得領域Ｒ１１、伝搬領域Ｒ１３および反射領域Ｒ１２が光軸に沿って並んでいれば、エッチングなどにより作製した反射鏡を介して、利得領域Ｒ１１、伝搬領域Ｒ１３および反射領域Ｒ１２を配置してもよく、導波路途中で層方向もしくは横方向に光軸が曲げられるようにしてもよい。
【００９６】
図６は、本発明の第３の実施例に係る半導体レーザの構成を光導波方向に沿って示す断面図である。なお、この第３の実施例は、波長選択性を持った利得領域Ｒ２１に屈折率の温度依存性が異なる利得を有しない伝搬領域Ｒ２２を結合することにより、発振波長の温度依存性を制御するようにしたものである。
【００９７】
図６において、半導体基板３０１上には、波長選択性を持った利得領域Ｒ２１および屈折率の温度依存性が異なる利得を有しない伝搬領域Ｒ２２が設けられている。ここで、利得領域Ｒ２１には、半導体基板３０１上に形成され、波長選択性を持った利得を有する活性層３０２が設けられている。そして、活性層３０２には、複素屈折率の周期的な摂動、すなわち回折格子が形成され、活性層３０２は、分布反射構造となっている。また、活性層３０２上には、クラッド層３１０を介して電極３０５が形成されている。なお、半導体基板３０１およびクラッド層３１０としては、例えば、ＩｎＰ、活性層３０２としては、例えば、発光波長１．５５μｍのＧａＩｎＡｓＰを用いることができる。
【００９８】
さらに、伝搬領域Ｒ２２には、半導体基板３０１上の活性層３０２およびクラッド層３１０の一部を除去することで形成された除去領域３１２が設けられ、除去領域３１２には屈折率の温度依存性が利得領域Ｒ２１とは異なる温度補償材料３０３が充填されている。
【００９９】
ここで、温度補償材料３０３としては、例えば、半導体とは逆の屈折率の温度依存性を持つ有機材料を用いることができ、このような有機材料として、例えば、ＢＣＢを挙げることができる。また、温度補償材料３０３として、有機材料の多層膜を用いることで導波損失を低減することができる。
【０１００】
なお、利得を有しない伝搬領域Ｒ２２を半導体基板３０１上に形成する場合、反応性イオンエッチングなどの異方性エッチングを用いて利得領域Ｒ２１の端部に所望の幅の溝を形成し、スピンコーティングなどの方法により有機材料を溝部に充填することができる。
【０１０１】
また、共振器の利得領域Ｒ２１側の端面には、活性層３０２が形成された半導体基板３０１の劈開面に対して、反射防止膜３０８が形成されている。また、共振器の伝搬領域Ｒ２２側の端面には、高反射膜３１１が形成されている。さらに、半導体基板３０１の裏面には、裏面電極３０７が形成されている。ここで、利得領域Ｒ２１の長さは、利得領域Ｒ２１のみでは反射損失が大きく発振しないように設定することができる。
【０１０２】
そして、波長選択性を持った利得領域Ｒ２１で発光もしくは反射された光が、利得を有しない伝搬領域Ｒ２２を通り、高反射膜３１１により反射され、利得を有しない伝搬領域Ｒ２２を再度通り、波長選択性を持った利得領域Ｒ２１に戻ることにより、帰還を生じさせつつ、レーザ発振を起こさせることができる。
【０１０３】
このため、利得領域Ｒ２１および伝搬領域Ｒ２２をレーザ発振に係わらせることが可能となり、利得領域Ｒ２１での温度変化による発振波長の変動を、伝搬領域Ｒ２２での温度変化による位相の変動で補償することが可能となる。
【０１０４】
ＢＣＢなどの有機材料を用いることで、半導体レーザの発振波長の温度依存性を制御することが可能となる。このため、新材料を用いることなく、簡単な構成および容易な加工方法を用いることにより、半導体レーザの発振波長の安定化を図ることが可能となる。
【０１０５】
なお、利得を有しない伝搬領域Ｒ２２の長さは、活性層２０２に設けられた回折格子の実効長と利得を有しない伝搬領域Ｒ２２の長さの和により決定される縦モード間隔が、回折格子のストップバンド幅よりも広くなるように設定することができる。これにより、１個の縦モードのみを回折格子のストップバンド幅内に存在させることが可能となり、他の縦モードの利得を抑圧することを可能として、単一モード動作の安定性を高めることができる。
【０１０６】
なお、上述した実施例では、波長選択性も利得も有しない伝搬領域Ｒ２２に、半導体とは逆の屈折率の温度依存性を持つ温度補償材料３０３を用いる方法について説明したが、伝搬領域Ｒ２２の材料を換えることで、任意の温度依存性を持つ半導体レーザを作製することが可能である。また、利得を有しない伝搬領域Ｒ２２は、発光する必要がないため、必ずしも良好な結晶性を有する必要はない。このため、有機材料やその他の半導体以外の材料を用いることができ、材料の選択性を広げることができる。また、例えば、回折格子部分の半導体よりも大きな屈折率の温度依存性を持つ材料を用いて、利得を有しない伝搬領域を構成するようにしてもよく、これにより、温度依存性の大きな半導体レーザを形成することができ、温度センサなどとして用いることができる。また、半導体のように温度上昇により屈折率が上昇する材料であっても、回折格子部分の半導体よりも小さな屈折率の温度依存性を持つ材料とすることにより、発振波長の温度依存性を低減することができる。
【０１０７】
また、図６の活性層３０２の構造に関しては、特に制約を設けるものではなく、通常用いられるすべての構造の活性層について本発明を適用することにより、半導体レーザの発振波長の温度依存性を制御することが可能となる。すなわち、活性層３０２に関しては、ＩｎＧａＡｓＰ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓなど任意の材質について適用が可能であり、活性層３０２の構造に関しても、バルク、ＭＱＷ（多重量子井戸）、量子細線、量子ドットを問わず、また活性層領域の導波路構造に関しても、ｐｎ埋め込み、リッジ構造、半絶縁埋め込み構造、ハイメサ構造等を用いるようにしてもよい。半導体基板３０１に関しても、ｎ型基板に限定されるものではなく、ｐ型基板、半絶縁型基板等を用いるようにしてもよい。
【０１０８】
また、周期的摂動は活性層３０２上に直に形成しなくとも、活性層を導波する光の電界が零でない有限な値を有する領域に形成されていれば、同様な効果が期待できる。例えば、通常の半導体レーザで用いられている分離閉じ込め構造（ＳＣＨ構造）のＳＣＨ層上に形成されていても良く、また、活性層と接していない領域にクラッド層よりも屈折率が高い層を積層し、そこに周期的摂動を形成してもよい。
【０１０９】
さらに、利得を有しない伝搬領域の上下もしくは左右の少なくともどちらか一方が光閉じ込め構造を有する導波路構造とすることにより、伝搬損失を低減することができ、半導体レーザの特性を向上させることが可能となる。
【０１１０】
また、本発明の構造を基板の厚さ方向に形成し、面発光レーザ型構造としても同様な効果が期待できる。さらに、利得領域Ｒ２１および伝搬領域Ｒ２２が光軸に沿って並んでいれば、エッチングなどにより作製した反射鏡を介して、利得領域Ｒ２１および伝搬領域Ｒ２２を配置してもよく、導波路途中で層方向もしくは横方向に光軸が曲げられるようにしてもよい。
【０１１１】
図７は、本発明の第４の実施例に係る半導体レーザの構成を光導波方向に沿って示す断面図である。なお、この第４の実施例は、面発光型レーザ上に利得を有しない伝搬領域Ｒ３２を積層することにより、発振波長の温度依存性を制御するようにしたものである。
【０１１２】
図７において、半導体基板４０１上には、波長選択性を持った利得領域Ｒ３１が積層されている。また、利得領域Ｒ３１上には、屈折率の温度依存性が異なる利得を有しない伝搬領域Ｒ３２が積層され、伝搬領域Ｒ３２には、屈折率の温度依存性が利得領域Ｒ３１とは異なる温度補償材料４０４が設けられている。ここで、利得領域Ｒ３１には、半導体基板４０１上に積層された分布ブラッグ反射層４０２および分布ブラッグ反射層４０２上に積層され、波長選択性を有する活性領域４０３が設けられている。なお、分布ブラッグ反射層４０２は、組成の異なる半導体層４０９ａ、４０９ｂが交互に積層された構造を有し、活性領域４０３は、活性層４０８ａおよびクラッド層４０８ｂが交互に積層された構造を有することができる。そして、活性領域４０３上には、光を出射させる開口部４０６が設けられた電極４０５が形成されている。なお、利得領域Ｒ３１は、その全てが利得を持っていなくとも良く、利得領域Ｒ３１全体として利得が得られれば良い。
【０１１３】
ここで、半導体基板４０１としては、例えば、ＩｎＰ、活性層４０８ａおよびクラッド層４０８ｂとしては、例えば、ＧａＩｎＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ、半導体層４０９ａ、４０９ｂとしては、例えば、ＩｎＡｌＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓを用いることができる。
【０１１４】
また、温度補償材料４０４としては、例えば、半導体とは逆の屈折率の温度依存性を持つ有機材料を用いることができ、このような有機材料として、例えば、ＢＣＢを挙げることができる。また、温度補償材料４０４として、有機材料の多層膜を用いることで導波損失を低減することができる。また、利得を有しない伝搬領域Ｒ３２は、利得領域Ｒ３１上に有機材料などを塗布または堆積することにより形成できる。
【０１１５】
また、温度補償材料４０４上には、高反射膜４１１が形成され、半導体基板４０１の裏面には、裏面電極４０７が形成されている。ここで、活性領域４０３の活性層４０８ａおよびクラッド層４０８ｂの各層数は、それのみでは反射損失が大きく発振しないように設定することができる。
【０１１６】
そして、波長選択性を持った利得領域Ｒ３１で発光もしくは反射された光が、利得を有しない伝搬領域Ｒ３２を通り、高反射膜４１１により反射され、利得を有しない伝搬領域Ｒ３２を再度通り、波長選択性を持った利得領域Ｒ３１に戻ることにより、帰還を生じさせつつ、レーザ発振を起こさせることができる。
【０１１７】
このため、利得領域Ｒ３１および伝搬領域Ｒ３２をレーザ発振に係わらせることが可能となり、利得領域Ｒ３１での温度変化による発振波長の変動を、伝搬領域Ｒ３２での温度変化による位相の変動で補償することが可能となる。
【０１１８】
ＢＣＢなどの有機材料を用いることで、半導体レーザの発振波長の温度依存性を制御することが可能となる。このため、新材料を用いることなく、簡単な構成および容易な加工方法を用いることにより、半導体レーザの発振波長の安定化を図ることが可能となる。
【０１１９】
なお、利得を有しない伝搬領域Ｒ３２の厚さは、利得領域Ｒ３１の回折格子の実効長と利得を有しない伝搬領域Ｒ３２の長さの和により決定される縦モード間隔が、回折格子のストップバンド幅よりも広くなるように設定することができる。これにより、１個の縦モードのみを回折格子のストップバンド幅内に存在させることが可能となり、他の縦モードの利得を抑圧することを可能として、単一モード動作の安定性を高めることができる。
【０１２０】
なお、上述した実施例では、波長選択性も利得も有しない伝搬領域Ｒ３２に、半導体とは逆の屈折率の温度依存性を持つ温度補償材料４０４を用いる方法について説明したが、伝搬領域Ｒ３２の材料を換えることで、任意の温度依存性を持つ半導体レーザを作製することが可能である。また、利得を有しない伝搬領域Ｒ３２は、発光する必要がないため、必ずしも良好な結晶性を有する必要はない。このため、有機材料やその他の半導体以外の材料を用いることができ、材料の選択性を広げることができる。また、例えば、回折格子部分の半導体よりも大きな屈折率の温度依存性を持つ材料を用いて、利得を有しない伝搬領域を構成するようにしてもよく、これにより、温度依存性の大きな半導体レーザを形成することができ、温度センサなどとして用いることができる。また、半導体のように温度上昇により屈折率が上昇する材料であっても、回折格子部分の半導体よりも小さな屈折率の温度依存性を持つ材料とすることにより、発振波長の温度依存性を低減することができる。
【０１２１】
また、図７の活性領域４０３の構造に関しては、特に制約を設けるものではなく、通常用いられるすべての構造の活性領域４０３について本発明を適用することにより、半導体レーザの発振波長の温度依存性を制御することが可能となる。すなわち、活性領域４０３に関しては、ＩｎＧａＡｓＰ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓなど任意の材質について適用が可能であり、活性領域４０３の構造に関しても、周期的に積層して回折格子を形成可能であれば、バルク、ＭＱＷ（多重量子井戸）、量子細線、量子ドットを問わず、また活性領域の導波路構造に関しても、ｐｎ埋め込み、半絶縁埋め込み構造、酸化狭窄構造等を用いるようにしてもよい。半導体基板４０１に関しても、ｎ型基板に限定されるものではなく、ｐ型基板、半絶縁型基板等を用いるようにしてもよい。
【０１２２】
さらに、利得を有しない伝搬領域を光閉じ込め構造のある導波路構造とすることにより、伝搬損失を低減することができ、半導体レーザの特性を向上させることが可能となる。
【０１２３】
図８は、本発明の第５の実施例に係る半導体レーザの構成を光導波方向に沿って示す断面図である。なお、この第５の実施例は、光路変換構造を介して波長選択性を持った利得領域Ｒ４１と屈折率の温度依存性が異なる利得を有しない伝搬領域Ｒ４２とを結合することにより、発振波長の温度依存性を制御するようにしたものである。
【０１２４】
図８において、半導体基板５０１上には、波長選択性を持った利得領域Ｒ４１、反射鏡５１２および利得を有しない伝搬領域Ｒ４２が設けられ、利得領域Ｒ４１と伝搬領域Ｒ４２は反射鏡５１２を介して光学的に結合されている。ここで、利得領域Ｒ４１には、半導体基板５０１上に形成され、波長選択性を持った利得を有する活性層５０２が設けられている。そして、活性層５０２には、複素屈折率の周期的な摂動、すなわち回折格子が形成され、活性層５０２は、分布反射構造となっている。また、活性層５０２上には、クラッド層５１０を介して電極５０５が形成されている。なお、半導体基板５０１およびクラッド層５１０としては、例えば、ＩｎＰ、活性層５０２としては、例えば、発光波長１．５５μｍのＧａＩｎＡｓＰを用いることができる。また、半導体基板５０１上には、利得領域Ｒ４１の一端に配置されるようにして、反射鏡５１２が設けられている。ここで、反射鏡５１２は、利得領域Ｒ４１の端部のクラッド層５１０をエッチングし、垂直方向に９０度だけ傾斜された傾斜面をクラッド層５１０に形成することにより作製することができる。
【０１２５】
また、伝搬領域Ｒ４２には屈折率の温度依存性が利得領域Ｒ４１とは異なる温度補償材料５０３が設けられ、温度補償材料５０３は、反射鏡５１２と向き合うようにして、クラッド層５１０上に配置されている。なお、利得を有しない伝搬領域Ｒ４２は、利得領域Ｒ４１から出射された光が反射鏡５１２で反射されて温度補償材料５０３に至るまでの光路と、温度補償材料５０３とから構成することができる。
【０１２６】
ここで、温度補償材料５０３としては、例えば、半導体とは逆の屈折率の温度依存性を持つ有機材料を用いることができ、このような有機材料として、例えば、ＢＣＢを挙げることができる。また、温度補償材料５０３として、有機材料の多層膜を用いることで導波損失を低減することができる。
【０１２７】
なお、利得を有しない伝搬領域Ｒ４２をクラッド層５１０上に形成する場合、有機材料をスピンコーティングなどの方法により塗布または堆積することで作製できる。
【０１２８】
また、温度補償材料５０３上には、高反射膜５１１が形成され、共振器の利得領域Ｒ４１側の端面には、活性層５０２が形成された半導体基板５０１の劈開面に対して、反射防止膜５０８が形成されている。さらに、半導体基板５０１の裏面には、裏面電極５０７が形成されている。ここで、利得領域Ｒ４１の長さは、利得領域Ｒ４１のみでは反射損失が大きく発振しないように設定することができる。
【０１２９】
そして、波長選択性を持った利得領域Ｒ４１で発光もしくは反射された光が、反射鏡５１２を介して光軸が上方向に折り曲げられ、利得を有しない伝搬領域Ｒ４２を通り、高反射膜５１１により反射される。そして、高反射膜５１１により反射された光は、利得を有しない伝搬領域Ｒ４２を再度通り、反射鏡５１２で水平方向に光軸が曲げられ、波長選択性を持った利得領域Ｒ４１に戻ることにより、帰還を生じさせつつ、レーザ発振を起こさせることができる。
【０１３０】
このため、利得領域Ｒ４１および伝搬領域Ｒ４２をレーザ発振に係わらせることが可能となり、利得領域Ｒ４１での温度変化による発振波長の変動を、伝搬領域Ｒ４２での温度変化による位相の変動で補償することが可能となる。
【０１３１】
ＢＣＢなどの有機材料を用いることで、半導体レーザの発振波長の温度依存性を制御することが可能となる。このため、新材料を用いることなく、簡単な構成および容易な加工方法を用いることにより、半導体レーザの発振波長の安定化を図ることが可能となる。
【０１３２】
なお、利得を有しない伝搬領域Ｒ４２の長さは、活性層５０２に設けられた回折格子の実効長と利得を有しない伝搬領域Ｒ４２の長さの和により決定される縦モード間隔が、回折格子のストップバンド幅よりも広くなるように設定することができる。これにより、１個の縦モードのみを回折格子のストップバンド幅内に存在させることが可能となり、他の縦モードの利得を抑圧することを可能として、単一モード動作の安定性を高めることができる。
【０１３３】
なお、上述した実施例では、光路変換構造として反射鏡を用いたが、例えば、回折格子などにより光路変換を行っても同様の効果が期待できる。また、上述した実施例では、水平と上下の光軸の変換を行うように反射鏡を形成したが、例えば、同一水平面内において反射させて光軸を換えても良く、反射位置が一つである必要もない。また、波長選択性も利得も有しない伝搬領域Ｒ４２に、半導体とは逆の屈折率の温度依存性を持つ温度補償材料５０３を用いる方法について説明したが、伝搬領域Ｒ４２の材料を換えることで、任意の温度依存性を持つ半導体レーザを作製することが可能である。また、利得を有しない伝搬領域Ｒ４２は、発光する必要がないため、必ずしも良好な結晶性を有する必要はない。このため、有機材料やその他の半導体以外の材料を用いることができ、材料の選択性を広げることができる。また、例えば、回折格子部分の半導体よりも大きな屈折率の温度依存性を持つ材料を用いて、利得を有しない伝搬領域を構成するようにしてもよく、これにより、温度依存性の大きな半導体レーザを形成することができ、温度センサなどとして用いることができる。また、半導体のように温度上昇により屈折率が上昇する材料であっても、回折格子部分の半導体よりも小さな屈折率の温度依存性を持つ材料とすることにより、発振波長の温度依存性を低減することができる。
【０１３４】
また、図８の活性層５０２の構造に関しては、特に制約を設けるものではなく、通常用いられるすべての構造の活性層について本発明を適用することにより、半導体レーザの発振波長の温度依存性を制御することが可能となる。すなわち、活性層５０２に関しては、ＩｎＧａＡｓＰ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓなど任意の材質について適用が可能であり、活性層５０２の構造に関しても、バルク、ＭＱＷ（多重量子井戸）、量子細線、量子ドットを問わず、また活性層領域の導波路構造に関しても、ｐｎ埋め込み、リッジ構造、半絶縁埋め込み構造、ハイメサ構造等を用いるようにしてもよい。半導体基板５０１に関しても、ｎ型基板に限定されるものではなく、ｐ型基板、半絶縁型基板等を用いるようにしてもよい。
【０１３５】
また、周期的摂動は活性層５０２上に直に形成しなくとも、活性層を導波する光の電界が零でない有限な値を有する領域に形成されていれば、同様な効果が期待できる。例えば、通常の半導体レーザで用いられている分離閉じ込め構造（ＳＣＨ構造）のＳＣＨ層上に形成されていても良く、また、活性層と接していない領域にクラッド層よりも屈折率が高い層を積層し、そこに周期的摂動を形成してもよい。
【０１３６】
さらに、利得を有しない伝搬領域を光閉じ込め構造のある導波路構造とすることにより、伝搬損失を低減することができ、半導体レーザの特性を向上させることが可能となる。
【０１３７】
図９は、本発明の第６の実施例に係る半導体レーザの構成を光導波方向に垂直に切断して示す断面図である。なお、この第６の実施例は、光の伝播領域と構造が異なる利得領域を設けることにより、発振波長の温度依存性を制御するようにしたものである。
【０１３８】
図９Ａにおいて、半導体基板６０１上には、バッファ層６０２、光閉じ込め層６０３、コア層６０４、光閉じ込め層６０５およびキャップ層６０６が順次積層され、これら各層は埋め込み層６０７で埋め込まれている。
【０１３９】
また、図９Ｂにおいて、半導体基板６１１上には、バッファ層６１２、光閉じ込め層６１３、コア層６１４、光閉じ込め層６１５およびキャップ層６１６が順次積層され、これら各層は埋め込み層６１７で埋め込まれている。
【０１４０】
また、図９Ｃにおいて、半導体基板６２１上には、バッファ層６２２、光閉じ込め層６２３、コア層６２４、光閉じ込め層６２５およびキャップ層６２６が順次積層され、これら各層は埋め込み層６２７で埋め込まれている。
【０１４１】
また、図９Ｄにおいて、半導体基板６３１上には、バッファ層６３２、光閉じ込め層６３３、コア層６３４およびキャップ層６３６が順次積層され、これら各層は埋め込み層６３７で埋め込まれている。
【０１４２】
また、図９Ｅにおいて、半導体基板６４１上には、バッファ層６４２、光閉じ込め層６４３、コア層６４４、光閉じ込め層６４５およびキャップ層６４６が順次積層され、これら各層は、ＢＣＢなどの有機材料６４７で埋め込まれている。
【０１４３】
ここで、図９Ｂのコア層６１４は、図９Ａのコア層６０４よりも厚さが薄くなっている。このため、水平方向の光フィールド分布Ｆ１、Ｆ１１を変化させることなく、垂直方向の光フィールド分布Ｆ２、Ｆ１２を変化させることが可能となり、実効的屈折率およびその温度依存性への各層の寄与分を異ならせることができる。この結果、図９Ａの構成と図９Ｂの構成とで、実効的屈折率およびその温度依存性を変化させることが可能となり、図９Ａの構成と図９Ｂの構成とを組み合わせることにより、半導体レーザの発振波長の温度依存性を制御することが可能となる。
【０１４４】
また、図９Ｃのコア層６２４および光閉じ込め層６２３、６２５は、図９Ｂのコア層６１４および光閉じ込め層６１３、６１５よりも幅が狭くなっている。このため、垂直方向の光フィールド分布Ｆ１２、Ｆ２２を変化させることなく、水平方向の光フィールド分布Ｆ１１、Ｆ２１を変化させることが可能となり、実効的屈折率およびその温度依存性への各層の寄与分を異ならせることができる。この結果、図９Ｂの構成と図９Ｃの構成とで、実効的屈折率およびその温度依存性を変化させることが可能となり、図９Ｂの構成と図９Ｃの構成とを組み合わせることにより、半導体レーザの発振波長の温度依存性を制御することが可能となる。
【０１４５】
また、図９Ｄの構成では、図９Ｂの構成に比べて、コア層６３３の上層の光閉じ込め層６３５が省略されている。このため、水平方向の光フィールド分布Ｆ１１、Ｆ３１を変化させることなく、垂直方向の光フィールド分布Ｆ１２、Ｆ３２を変化させることが可能となり、実効的屈折率およびその温度依存性への各層の寄与分を異ならせることができる。この結果、図９Ｂの構成と図９Ｄの構成とで、実効的屈折率およびその温度依存性を変化させることが可能となり、図９Ｂの構成と図９Ｄの構成とを組み合わせることにより、半導体レーザの発振波長の温度依存性を制御することが可能となる。
【０１４６】
また、図９Ｅの構成では、図９Ｃの埋め込み層６２７を設ける代わりに、有機材料６４７が用いられている。このため、垂直方向の光フィールド分布Ｆ２２、Ｆ４２を変化させることなく、水平方向の光フィールド分布Ｆ２１、Ｆ４１を変化させることが可能となり、実効的屈折率およびその温度依存性への構造の寄与分を異ならせることができる。この結果、図９Ｃの構成と図９Ｅの構成とで、実効的屈折率およびその温度依存性を変化させることが可能となり、図９Ｃの構成と図９Ｅの構成とを組み合わせることにより、半導体レーザの発振波長の温度依存性を制御することが可能となる。
【０１４７】
このように、図９Ａ〜図９Ｅの構成のいずれかを組み合わせることにより、光の導波方向に沿って光のフィールド分布を変化させることが可能となり、同一の材料を用いて半導体レーザを構成した場合においても、半導体レーザの発振波長の温度依存性を制御することが可能となる。
【０１４８】
なお、半導体基板６０１、６１１、６２１、６３１、６４１、バッファ層６０２、６１２、６２２、６３２、６４２、キャップ層６０６、６１６、６２６、６３６、６４６および埋め込み層６０７、６１７、６２７、６３７としては、例えば、ＩｎＰ、コア層６０４、６１４、６２４、６３４、６４４としては、例えば、発光波長１．３μｍのＧａＩｎＡｓＰ、光閉じ込め層６０３、６１３、６２３、６３３、６４３、６０５、６１５、６２５、６４５としては、例えば、発光波長１．１μｍのＧａＩｎＡｓＰをそれぞれ用いることができる。
【０１４９】
以上説明したように、本発明の第１の実施形態によれば、屈折率の温度依存性が利得領域とは異なる材料を用い、比較的簡単な構成および容易な加工により半導体レーザの発振波長の温度依存性を所望の値に制御できる。特に、利得を持たない伝搬領域の材料として、半導体とは逆の屈折率の温度依存性を持つ材料を用いることにより、発振波長の温度依存性を無くすことが可能であり、発振波長温度無依存半導体レーザを実現できる。
【０１５０】
（集積光導波路における応用例）
次に、本発明の第２の実施形態に係る集積光導波路について図面を参照しながら説明する。この第２の実施形態によれば、半導体光導波路とその半導体光導波路とは屈折率の異なる材料からなる光導波路との集積構造、ならびにこれを用いた光半導体素子および光半導体集積回路を提供することができる。特に、本実施形態により、屈折率の異なる材料が接合された界面において反射を低減させることが可能となる。以下、本実施形態に係るいくつかの具体的な実施例について説明する。
【０１５１】
図１０は、本発明の第７の実施例に係る集積光導波路の結合部の概略構成を示す斜視図である。なお、この第７の実施例は、溝部Ａ６１および半導体板Ｂ６１を１対設けることにより、光導波路領域Ｒ６１と光導波路領域Ｒ６２との境界における反射を低減するようにしたものである。
【０１５２】
図１０において、半導体基板７０１には、光導波路領域Ｒ６１、溝部Ａ６１、半導体板Ｂ６１および光導波路領域Ｒ６２が光導波方向に沿って順次形成されている。ここで、光導波路領域Ｒ６１と光導波路領域Ｒ６２との屈折率は互いに異なるように設定することができ、例えば、光導波路領域Ｒ６１は半導体材料で構成することができ、光導波路領域Ｒ６２は半導体以外の材料で構成することができる。
【０１５３】
また、溝部Ａ６１には、半導体以外の材料を充填することができ、例えば、光導波路領域Ｒ６２の材料と同一の材料を充填することができる。また、半導体板Ｂ６１は、光導波路領域Ｒ６１の構造と同一となるように構成することができる。また、溝部Ａ６１および半導体板Ｂ６１は光導波方向を横切るように配置され、好ましくは、溝部Ａ６１および半導体板Ｂ６１は光導波方向に対して垂直に配置することができる。
【０１５４】
そして、溝部Ａ６１の幅および半導体板Ｂ６１の厚さは、光導波路領域Ｒ６１と溝部Ａ６１との界面で反射した光が、溝部Ａ６１と半導体板Ｂ６１との界面で反射した光および半導体板Ｂ６１と光導波路領域Ｒ６２との界面で反射した光によって弱められるように設定することができる。
【０１５５】
これにより、半導体光導波路と半導体以外の光導波路とを同一半導体基板７０１上に集積した場合においても、これらの光導波路間の反射を低減することが可能となり、導波路設計の自由度を維持しつつ、半導体のみでは得られない新しい特性を有する光導波路を実現することが可能となる。
【０１５６】
また、光導波路領域Ｒ６１が形成された半導体基板７０１のエッチング加工を行うことにより、溝部Ａ６１および半導体板Ｂ６１を半導体基板７０１に形成することができる。このため、光導波路領域Ｒ６１と光導波路領域Ｒ６２との界面に反射防止膜を形成することなく、光導波路領域Ｒ６１と光導波路領域Ｒ６２との境界における反射を低減させることができ、光導波路の集積化に容易に対応することが可能となる。
【０１５７】
さらに、半導体基板７０１に半導体板Ｂ６１を１枚だけ設けることで、光導波路領域Ｒ６１と光導波路領域Ｒ６２との境界における反射を低減させることができ、分布反射器のように多数枚の半導体板を配置する必要をなくして、集積光導波路の作製を容易化することができる。
【０１５８】
図１１は、図１０の光導波方向に沿ったＸＩ−ＸＩ線で切断した断面図である。図１１において、半導体基板７０１上には、コア層７０２ａ、７０２ｂが積層され、コア層７０２ａ、７０２ｂ上には、上部クラッド層７０３ａ、７０３ｂがそれぞれ積層されている。なお、半導体基板７０１および上部クラッド層７０３ａ、７０３ｂとしては、例えば、ＩｎＰ、コア層７０２ａ、７０２ｂとしては、例えば、発光波長１．３μｍのＧａＩｎＡｓＰを用いることができる。
【０１５９】
また、コア層７０２ａ、７０２ｂおよび上部クラッド層７０３ａ、７０３ｂを半導体基板７０１上に順次積層する場合、例えば、ＭＢＥ（ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  ｂｅａｍ  ｅｐｉｔａｘｙ）、ＭＯＣＶＤ（ｍｅｔａｌ  ｏｒｇａｎｉｃ  ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｖａｐｅｒ  ｄｅｐｉｏｓｉｔｉｏｎ）、あるいはＡＬＣＶＤ（ａｔｏｍｉｃ  ｌａｙｅｒ  ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｖａｐｅｒ  ｄｅｐｉｏｓｉｔｉｏｎ）などのエピタキシャル成長を用いることができる。
【０１６０】
そして、コア層７０２ａ、７０２ｂおよび上部クラッド層７０３ａ、７０３ｂが順次積層された半導体基板７０１をエッチング加工することにより、光導波方向に対して垂直に配置された幅ｄ１の溝７０４ａを形成するとともに、溝７０４ａから所定間隔ｄ２だけ隔てて配置された段差７０４ｂを半導体基板７０１上に形成する。
【０１６１】
そして、溝７０４ａに充填材料７０５ａを埋め込むとともに、段差７０４ｂに光導波路材料７０５ｂを埋め込むことにより、光導波路領域Ｒ６１との界面に配置された溝部Ａ６１を形成することが可能となるとともに、溝部Ａ６１から厚さｄ２の半導体板Ｂ６１を隔てて配置された光導波路領域Ｒ６２を形成することができる。
【０１６２】
これにより、光導波路領域Ｒ６１と光導波路領域Ｒ６２との境界における反射波の位相を調整することができ、光導波路領域Ｒ６１と光導波路領域Ｒ６２の境界における反射波を互いに打ち消し合わせることができる。
【０１６３】
このため、光導波路領域Ｒ６１と光導波路領域Ｒ６２との境界における反射を低減させることを可能としつつ、屈折率が互いに異なる光導波路領域Ｒ６１と光導波路領域Ｒ６２とを同一半導体基板７０１上に集積することが可能なり、半導体のみでは得られない新しい特性を有する光導波路を実現することが可能となる。
【０１６４】
ここで、充填材料７０５ａおよび光導波路材料７０５ｂとしては、半導体とは異なる屈折率を持つ材料を用いることができ、例えば、ＢＣＢ（Ｂｅｎｚｏｃｙｃｌｏｂｕｔｅｎｅ）を挙げることができる。この場合、光導波路領域Ｒ６１および半導体板Ｂ６１の等価屈折率は３．１２、光導波路領域Ｒ６２および溝部Ａ６１の等価屈折率は１．５４とすることができる。なお、等価屈折率とは、光導波路を伝播する光に対して定義される屈折率である。従って、光導波路を伝播する光を取り扱う場合には、これまでの屈折率を等価屈折率に置き換えればよい。
【０１６５】
なお、溝部Ａ６１および光導波路領域Ｒ６２における導波損失は、これらの伝播距離が短い場合は無視できる程小さいが、溝部Ａ６１および光導波路領域Ｒ６２における伝播距離が長くなると、導波損失が無視できなくなる。
【０１６６】
このため、図１０のＸＩＩ−ＸＩＩ線で切断した図１１の断面構造を図１２の断面構造に置き換えるようにしてもよい。
【０１６７】
図１２は、本発明の第８の実施例に係る集積光導波路の結合部の概略構成を光導波方向に沿って示す断面図である。なお、この第８の実施例は、図１１の溝部Ａ６１および光導波路領域Ｒ６２にコア層を設けるようにしたものである。図１２において、半導体基板８０１には、光導波路領域Ｒ７１、溝部Ａ７１、半導体板Ｂ７１および光導波路領域Ｒ７２が光導波方向に沿って順次形成されている。
【０１６８】
すなわち、半導体基板８０１上には、コア層８０２ａ、８０２ｂが積層され、コア層８０２ａ、８０２ｂ上には、上部クラッド層８０３ａ、８０３ｂがそれぞれ積層されている。なお、半導体基板８０１および上部クラッド層８０３ａ、８０３ｂとしては、例えば、ＩｎＰ、コア層８０２ａ、８０２ｂとしては、例えば、発光波長１．３μｍのＧａＩｎＡｓＰを用いることができる。
【０１６９】
そして、コア層８０２ａ、８０２ｂおよび上部クラッド層８０３ａ、８０３ｂが順次積層された半導体基板８０１をエッチング加工することにより、光導波方向に対して垂直に配置された溝８０４ａを形成するとともに、溝８０４ａから所定間隔だけ隔てて配置された段差８０４ｂを半導体基板８０１上に形成する。
【０１７０】
そして、クラッド層８０５ａ、８０７ａで挟まれたコア層８０６ａを溝８０４ａに埋め込むとともに、クラッド層８０５ｂ、８０７ｂで挟まれたコア層８０６ｂを段差８０４ｂに埋め込むことにより、光導波路領域Ｒ７１との界面に配置された溝部Ａ７１を形成することが可能となるとともに、溝部Ａ７１から半導体板Ｂ７１を隔てて配置された光導波路領域Ｒ７２を形成することができる。
【０１７１】
ここで、コア層８０６ａ、８０６ｂの材料としては、例えば、ＢＣＢを用いることができ、クラッド層８０５ａ、８０７ａ、８０５ｂ、８０７ｂの材料としては、例えば、コア層８０６ａ、８０６ｂよりも屈折率が底いポリイミドを用いることができる。
【０１７２】
これにより、光導波路領域Ｒ７１と光導波路領域Ｒ７２との境界における反射を低減させることを可能としつつ、溝部Ａ７１および光導波路領域Ｒ７２における導波損失を低減させることができる。
【０１７３】
なお、図１０の光導波路領域Ｒ６１における横方向の導波損失を抑えるために、図１０のＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線で切断した断面構造を図１３の断面構造に置き換えるようにしてもよい。
【０１７４】
図１３は、本発明の第９の実施例に係る集積光導波路の概略構成を光導波方向と直交する方向に沿って示す断面図である。図１３において、半導体基板９０１上には、コア層９０２および上部クラッド層９０３が順次積層されている。そして、上部クラッド層９０３、コア層９０２および半導体基板９０１の上部は、光導波方向に沿ってストライブ状にエッチング加工され、上部クラッド層９０３、コア層９０２および半導体基板９０１の上部の両側には、埋め込み層９０４ａ、９０４ｂがそれぞれ形成されている。
【０１７５】
なお、半導体基板９０１、上部クラッド層９０３および埋め込み層９０４ａ、９０４ｂとしては、例えば、ＩｎＰ、コア層９０２としては、例えば、発光波長１．３μｍのＧａＩｎＡｓＰを用いることができる。
【０１７６】
これにより、光導波路領域Ｒ６１と光導波路領域Ｒ６２との境界における反射を低減させることを可能としつつ、光導波路領域Ｒ６１における導波損失を低減させることができる。
【０１７７】
なお、図１０の光導波路領域Ｒ６２における横方向の導波損失を抑えるために、図１０のＸＩＶ−ＸＩＶ線で切断した断面構造を図１４の断面構造に置き換えるようにしてもよい。
【０１７８】
図１４は、本発明の第１０の実施例に係る集積光導波路の概略構成を光導波方向と直交する方向に沿って示す断面図である。図１４において、半導体基板１００１上には、クラッド層１００３にて周囲を囲まれたコア層１００２が形成されている。なお、半導体基板１００１としては、例えば、ＩｎＰ、コア層１００２の材料としては、例えば、ＢＣＢ、クラッド層１００３の材料としては、例えば、コア層１００２よりも屈折率が低いポリイミドを用いることができる。
【０１７９】
これにより、光導波路領域Ｒ６１と光導波路領域Ｒ６２との境界における反射を低減させることを可能としつつ、光導波路領域Ｒ６２における導波損失を低減させることができる。
【０１８０】
なお、図１１のコア層７０２ａ、７０２ｂの形状に関しては、特に制約を設けるものではなく、例えば、コア層中央部の屈折率とクラッド層の屈折率との間の屈折率を持つ材料によりサンドイッチされた分離閉じ込めヘテロ構造（ＳＣＨ）や、屈折率を段階的に変化させた傾斜屈折率（ＧＩ−）ＳＣＨとしてもよい。
【０１８１】
また、半導体レーザに本構造を適用する場合、コアとして活性領域を用いてもよく、その形状は、バルク、ＭＱＷ（多重量子井戸）、量子細線、量子ドットを問わず、また活性領域の導波路構造に関しても、ｐｎ埋め込み、リッジ構造、半絶縁埋め込み構造、ハイメサ構造等を用いるようにしてもよい。さらに、材料に関しても、ＩｎＰおよびＧａＩｎＡｓＰの組み合わせに限定されることなく、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓなど任意の材質について適用が可能である。
【０１８２】
また、図１３の横方向閉じ込めに関しても、特に制約を設けるものではなく、半導体導波路構造として通常用いられているリッジ導波路やハイメサ導波路等を用いるようにしてもよい。
【０１８３】
また、図１４の光導波路領域Ｒ６２に関しても、特に制約を設けるものではなく、リッジ導波路やハイメサ導波路等を用いるようにしてもよい。
【０１８４】
以下、図１１の実施例の動原理作をより詳細に説明する。
【０１８５】
図１１において、光導波路領域Ｒ６１および半導体板Ｂ６１の等価屈折率を３．１２、光導波路領域Ｒ６２および溝部Ａ６１の等価屈折率を１．５４とすると、（３）式により、各領域の界面で１２％程度の反射が生じる。しかし、各領域の界面における全体の反射率は単なる足し合わせではなく、反射波の位相を考慮する必要がある。すなわち、強度が同等でも、位相が反転していれば、光は打ち消し合う。従って、溝部Ａ６１の幅および半導体板Ｂ６１の厚さを調整することにより、各領域の界面における反射波の位相を最適化して、これらの界面における全体の反射率を低減することができる。
【０１８６】
図１５は、図１１の集積光導波路の結合部における反射率を溝部Ａ６１の幅ｄ１と半導体板Ｂ６１の厚さｄ２との関係で示す図である。なお、図１５は、光導波路領域Ｒ６１および半導体板Ｂ６１の等価屈折率Ｎ１を３．１２、光導波路領域Ｒ６２および溝部Ａ６１の等価屈折率Ｎ２を１．５４、として、溝部Ａ６１の幅ｄ１と半導体板Ｂ６１の厚さｄ２に対する反射率を等高線で示したものである。また、より一般的に話を進めるため、各軸の反対側の軸に光学長を示した。
【０１８７】
図１５において、太い実線は、溝部Ａ６１および半導体板Ｂ６１を形成することなく、光導波路領域Ｒ６１と光導波路領域Ｒ６２とを直接接合した場合の反射率（約１２％）を示す。すなわち、入射波長をλとすると、溝部Ａ６１もしくは半導体板Ｂ６１の光学長がλ／２の時の直線と、破線で示したＮ１ｄ１＋Ｎ２ｄ２＝λ／４×（２ｌ＋１）の直線（ｌは整数）に近接した曲線である。
【０１８８】
これらの太線で囲まれたほぼ三角形の領域では、単なる二導波路の接合よりも反射率が小さくなる。これらの三角形の領域は、近似的に、
Ｎ１ｄ１＞λ／２ｎ、Ｎ２ｄ２＞λ／２ｍ、Ｎ１ｄ１＋Ｎ２ｄ２＜λ／４（２ｌ＋１）
・・・（６）
（ｌ、ｍ、ｎはｎ＋ｍ＝ｌの関係を満たす整数）
もしくは、
Ｎ１ｄ１＜λ／２ｎ、Ｎ２ｄ２＜λ／２ｍ、Ｎ１ｄ１＋Ｎ２ｄ２＞λ／４（２ｌ＋１）
・・・（７）
（ｌ、ｍ、ｎはｎ＋ｍ＝ｌ−１の関係を満たす整数）
の範囲で示すことができる。
【０１８９】
ここで、原点に最も近い三角形で示したように、この三角形の各辺をλ／６４だけ三角形の中心寄りにずらした領域ｃでは、反射率１０％以下（単なる二導波路の接合に対して約８０％）、同様にλ／３２だけずらした領域ｂでは、反射率５％以下（単なる二導波路の接合に対して約４０％）、同様にλ／１６だけずらした領域ａでは、反射率１％以下（単なる二導波路の接合に対して約８％）とすることができる。なお、領域ｄは、単なる二導波路を接合した時の反射率よりも低くなる領域である。
【０１９０】
すなわち、三角形の各辺を小さくする量をδｘとすると、これを表す各辺は、
Ｎ１ｄ１＞ｎλ／２±δｘ、
Ｎ２ｄ２＞ｍλ／２±δｘ、
Ｎ１ｄ１＋Ｎ２ｄ２＝λ／４×（２ｌ＋１）±δｘ、
となる。これらは、他の三角形の領域でも同様である。
【０１９１】
また、無反射を得るには、ｍ、ｎを整数として、
Ｎ１ｄ１＋Ｎ２ｄ２
＝±λ／（２π）［ｃｏｓ−１｛±（Ｎ１２＋Ｎ２２）／（Ｎ１＋Ｎ２）２｝＋２ｍπ］
・・・（８）
Ｎ１ｄ１−Ｎ２ｄ２＝λ／２ｎ                                  ・・・（９）
を満たせばよい。これは、各三角形の領域のほぼ中心に相当する。
【０１９２】
なお、上述した実施例では、溝部Ａ６１に充填する材料を光導波路領域Ｒ６２の材料と同一とする方法について説明したが、溝部Ａ６１に充填する材料と光導波路領域Ｒ６２の材料とは互いに異なっていてもよい。また、光導波路領域Ｒ６１と半導体板Ｂ６１とは、必ずしも同じ層構造でなくてもよい。
【０１９３】
図１６は、本発明の第１０の実施例に係る集積光導波路の概略構成を示す断面図である。なお、この第１０の実施例は、図１２の構造を対向配置したものである。図１６において、半導体基板１１０１には、光導波路領域Ｒ１１１、溝部Ａ１１１、半導体板Ｂ１１１、光導波路領域Ｒ１１２、半導体板Ｂ１１２、溝部Ａ１１２および光導波路領域Ｒ１１３が光導波方向に沿って順次形成されている。
【０１９４】
ここで、光導波路領域Ｒ１１１、Ｒ１１３と光導波路領域Ｒ１１２との屈折率は互いに異なるように設定することができ、例えば、光導波路領域Ｒ１１１、Ｒ１１３は半導体材料で構成することができ、光導波路領域Ｒ１１２は半導体以外の材料で構成することができる。
【０１９５】
また、溝部Ａ１１１、Ａ１１２には、半導体以外の材料を充填することができ、例えば、光導波路領域Ｒ１１２の材料と同一の材料を充填することができる。また、半導体板Ｂ１１１、Ｂ１１２は、光導波路領域Ｒ１１１、Ｒ１１３の構造と同一となるように構成することができる。また、溝部Ａ１１１、Ａ１１２および半導体板Ｂ１１１、Ｂ１１２は光導波方向を横切るように配置され、好ましくは、溝部Ａ１１１、Ａ１１２および半導体板Ｂ１１１、Ｂ１１２は光導波方向に対して垂直に配置することができる。
【０１９６】
そして、溝部Ａ１１１の幅および半導体板Ｂ１１１の厚さは、光導波路領域Ｒ１１１と溝部Ａ１１１との界面で反射した光が、溝部Ａ１１１と半導体板Ｂ１１１との界面で反射した光および半導体板Ｂ１１１と光導波路領域Ｒ１１２との界面で反射した光によって弱められるように設定することができる。
【０１９７】
また、溝部Ａ１１２の幅および半導体板Ｂ１１２の厚さは、光導波路領域Ｒ１１２と半導体板Ｂ１１２との界面で反射した光が、半導体板Ｂ１１２と溝部Ａ１１２との界面で反射した光および溝部Ａ１１２と光導波路領域Ｒ１１３との界面で反射した光によって弱められるように設定することができる。
【０１９８】
すなわち、半導体基板１１０１上には、コア層１１０１ａ〜１１０１ｄが積層され、コア層１１０１ａ〜１１０１ｄ上には、上部クラッド層１１０３ａ〜１１０３ｄがそれぞれ積層されている。なお、半導体基板１１０１および上部クラッド層１１０３ａ〜１１０３ｄとしては、例えば、ＩｎＰ、コア層１１０１ａ〜１１０１ｄとしては、例えば、発光波長１．３μｍのＧａＩｎＡｓＰを用いることができる。
【０１９９】
そして、コア層１１０１ａ〜１１０１ｄおよび上部クラッド層１１０３ａ〜１１０３ｄが順次積層された半導体基板１１０１をエッチング加工することにより、光導波方向に対して垂直に配置された溝１１０４ａ、１１０４ｃを形成するとともに、溝１１０４ａ、１１０４ｃから所定間隔だけ隔てて配置された凹部１１０４ｂを半導体基板１１０１上に形成する。
【０２００】
そして、クラッド層１１０５ａ、１１０７ａで挟まれたコア層１１０６ａを溝１１０４ａに埋め込むとともに、クラッド層１１０５ｃ、１１０７ｃで挟まれたコア層１１０６ｃを溝１１０４ｃに埋め込むことにより、光導波路領域Ｒ１１１、Ｒ１１３との界面にそれぞれ配置された溝部Ａ１１１、Ａ１１２を形成することが可能となる。
【０２０１】
また、クラッド層１１０５ｂ、１１０７ｂで挟まれたコア層１１０６ｂを凹部１１０４ｂに埋め込むことにより、溝部Ａ１１１、Ａ１１２から半導体板Ｂ１１１、Ｂ１１２をそれぞれ隔てて配置された光導波路領域Ｒ１１２を形成することができる。
【０２０２】
ここで、コア層１１０６ａ〜１１０６ｃの材料としては、例えば、ＢＣＢを用いることができ、クラッド層１１０５ａ〜１１０５ｃ、１１０７ａ〜１１０７ｃの材料としては、例えば、コア層１１０６ａ〜１１０６ｃよりも屈折率が低いポリイミドを用いることができる。
【０２０３】
これにより、半導体光導波路と半導体以外の光導波路とを同一半導体基板１１０１上に集積した際の光導波路間の反射を低減することを可能としつつ、半導体とは異なる屈折率を有する材料からなる光導波路を半導体光導波路の途中に集積することができる。このため、導波路設計の自由度を向上させることを可能としつつ、半導体のみでは得られない新しい特性を有する光導波路を実現することが可能となる。
【０２０４】
なお、図１６の実施例は、図１２の構造を対向配置したものであるため、図１６の実施例の導波路、コア層およびクラッド層の材料や構造は、特に制約を設けるものではなく、ここで説明した以外の材料や構造を用いるようにしてもよい。
【０２０５】
また、図１６の実施例では、図１２の構造を１組だけ対向配置する方法について説明したが、図１２の構造を３個以上縦列接続するようにしてもよい。ここで、図１２の構造を用いることにより、個々の光導波路間の反射率を抑制することができ、集積光導波路全体の反射率を抑制することができる。
【０２０６】
また、上述した集積光導波路の光学長について考えると、半導体の屈折率は温度上昇により増大する、すなわち屈折率の温度微分係数は正であるため、周囲温度が上昇すると、光導波路の光学長が長くなる。
【０２０７】
そこで、例えば、図１１の光導波路領域Ｒ６２や図１６の光導波路領域Ｒ１１２を、負の屈折率温度微分係数を有する材料を用いて構成するようにしてもよい。これにより、温度変化により個々の光導波路の光学長が変化した場合においても、光導波路全体の光学長の温度変化を抑制することが可能となる。なお、負の屈折率温度微分係数を有する材料としては、例えば、ＰＭＭＡを用いることができる。
【０２０８】
図１７は、本発明の第１１の実施例に係る集積光導波路の概略構成を示す断面図である。なお、この第１１の実施例は、図１６の構造に半導体レーザを集積化するようにしたものである。図１７において、半導体基板１２０１には、光導波路領域Ｒ１２１、溝部Ａ１２１、半導体板Ｂ１２１、光導波路領域Ｒ１２２、半導体板Ｂ１２２、溝部Ａ１２２および光導波路領域Ｒ１２３が光導波方向に沿って順次形成され、光導波路領域Ｒ１２１および光導波路領域Ｒ１２３には、レーザダイオードが形成されている。
【０２０９】
ここで、光導波路領域Ｒ１２１、Ｒ１２３と光導波路領域Ｒ１２２との屈折率は互いに異なるように設定することができ、例えば、光導波路領域Ｒ１２１、Ｒ１２３は半導体材料で構成することができ、光導波路領域Ｒ１２２は半導体以外の材料で構成することができる。
【０２１０】
また、溝部Ａ１２１、Ａ１２２には、半導体以外の材料を充填することができ、例えば、光導波路領域Ｒ１２２の材料と同一の材料を充填することができる。また、半導体板Ｂ１２１、Ｂ１２２は、光導波路領域Ｒ１２１、Ｒ１２３の構造と同一となるように構成することができる。また、溝部Ａ１２１、Ａ１２２および半導体板Ｂ１２１、Ｂ１２２は光導波方向を横切るように配置され、好ましくは、溝部Ａ１２１、Ａ１２２および半導体板Ｂ１２１、Ｂ１２２は光導波方向に対して垂直に配置することができる。
【０２１１】
そして、溝部Ａ１２１の幅および半導体板Ｂ１２１の厚さは、光導波路領域Ｒ１２１と溝部Ａ１２１との界面で反射した光が、溝部Ａ１２１と半導体板Ｂ１２１との界面で反射した光および半導体板Ｂ１２１と光導波路領域Ｒ１２２との界面で反射した光によって弱められるように設定することができる。
【０２１２】
また、溝部Ａ１２２の幅および半導体板Ｂ１２２の厚さは、光導波路領域Ｒ１２２と半導体板Ｂ１２２との界面で反射した光が、半導体板Ｂ１２２と溝部Ａ１２２との界面で反射した光および溝部Ａ１２２と光導波路領域Ｒ１２３との界面で反射した光によって弱められるように設定することができる。
【０２１３】
すなわち、半導体基板１２０１上には、活性層１２０２ａ、１２０２ｄおよびコア層１２０１ｂ、１２０１ｃが積層され、活性層１２０１ａ、１２０１ｄおよびコア層１２０２ｂ、１２０２ｃ上には、半導体基板１２０１と異なる導電型の上部クラッド層１２０３ａ、１２０３ｄ、１２０３ｂ、１２０３ｃがそれぞれ積層されている。なお、半導体基板１２０１および上部クラッド層１２０３ａ〜１２０３ｄとしては、例えば、ＩｎＰ、活性層１２０２ａ、１２０２ｄおよびコア層１２０２ｂ、１２０２ｃとしては、例えば、波長１．５５μｍのＧａＩｎＡｓＰを用いることができる。また、例えば、半導体基板１２０１をｎ型とし、上部クラッド層１２０３ａ〜１２０３ｄをｐ型とすることができる。
【０２１４】
そして、活性層１２０２ａ、１２０２ｄおよびコア層１２０２ｃ、１２０２ｃ上に上部クラッド層１２０３ａ〜１２０３ｄが積層された半導体基板１２０１をエッチング加工することにより、光導波方向に対して垂直に配置された溝１２０４ａ、１２０４ｃを形成するとともに、溝１２０４ａ、１２０４ｃから所定間隔だけ隔てて配置された凹部１２０４ｂを半導体基板１２０１上に形成する。これにより、光導波路領域Ｒ１２１、Ｒ１２３に対応して活性層１２０２ａ、１２０２ｄをそれぞれ配置するとともに、半導体板Ｂ１２１、Ｂ１２２に対応してコア層１２０２ｂ、１２０２ｃをそれぞれ配置することができる。
【０２１５】
そして、クラッド層１２０５ａ、１２０７ａで挟まれたコア層１２０６ａを溝１２０４ａに埋め込むとともに、クラッド層１２０５ｃ、１２０７ｃで挟まれたコア層１２０６ｃを溝１２０４ｃに埋め込むことにより、光導波路領域Ｒ１２１、Ｒ１２３との界面にそれぞれ配置された溝部Ａ１２１、Ａ１２２を形成することが可能となる。
【０２１６】
また、クラッド層１２０５ｂ、１２０７ｂで挟まれたコア層１２０６ｂを凹部１２０４ｂに埋め込むことにより、溝部Ａ１２１、Ａ１２２から半導体板Ｂ１２１、Ｂ１２２をそれぞれ隔てて配置された光導波路領域Ｒ１２２を形成することができる。
【０２１７】
また、上部クラッド層１２０３ａ、１２０３ｄ上に電極１２０８ａ、１２０８ｂをそれぞれ形成するとともに、半導体基板１２０１の裏面に電極１２０８ｃを形成することにより、光導波路領域Ｒ１２１および光導波路領域Ｒ１２３にレーザダイオードをそれぞれ形成することができる。
【０２１８】
ここで、コア層１２０６ａ〜１２０６ｃの材料としては、例えば、ＢＣＢを用いることができ、クラッド層１２０５ａ〜１２０５ｃ、１２０７ａ〜１２０７ｃの材料としては、例えば、コア層１２０６ａ〜１２０６ｃよりも屈折率が低いポリイミドを用いることができる。
【０２１９】
また、負の屈折率温度微分係数を有する材料を用いて光導波路領域Ｒ１２２を構成するようにしてもよく、例えば、ＰＭＭＡを用いることができる。これにより、共振器長を温度に対して一定とすることができ、半導体レーザの発振波長の温度依存性を抑制することができる。
【０２２０】
さらに、光導波路領域Ｒ１２１およびＲ１２３に回折格子などを形成して波長選択性を付与するようにしてもよく、分布帰還型（ＤＦＢ）半導体レーザや分布反射器（ＤＢＲ）などを作製するようにしてもよい。
【０２２１】
なお、活性層１２０２ａ、１２０２ｄおよびコア層１２０２ｂ、１２０２ｃの構造は、例えば、活性層またはコア層中央部の屈折率とクラッド層の屈折率との間の屈折率を持つ材料によりサンドイッチされた分離閉じ込めヘテロ構造（ＳＣＨ）や、屈折率を段階的に変化させた傾斜屈折率（ＧＩ−）ＳＣＨとしてもよい。
【０２２２】
また、活性層１２０２ａ、１２０２ｄの形状は、バルク、ＭＱＷ（多重量子井戸）、量子細線、量子ドットを問わず、また活性領域の導波路構造に関しても、ｐｎ埋め込み、リッジ構造、埋め込みヘテロ構造、ハイメサ構造等を用いるようにしてもよい。さらに、材料に関しても、ＩｎＰおよびＧａＩｎＡｓＰの組み合わせに限定されることなく、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓなど任意の材質について適用が可能である。
【０２２３】
図１８は、本発明の第１２の実施例に係る集積光導波路の結合部の概略構成を示す斜視図である。なお、この第１２の実施例は、溝部Ａ１３１、Ａ１３２および半導体板Ｂ１３１、Ｂ１３２を２対設けることにより、光導波路領域Ｒ１３１と光導波路領域Ｒ１３２との境界での反射を低減できる波長範囲を拡大できるようにしたものである。
【０２２４】
図１８において、半導体基板７１１には、光導波路領域Ｒ１３１、溝部Ａ１３１、半導体板Ｂ１３１、溝部Ａ１３２、半導体板Ｂ１３２および光導波路領域Ｒ１３２が光導波方向に沿って順次形成されている。ここで、光導波路領域Ｒ１３１と光導波路領域Ｒ１３２との屈折率は互いに異なるように設定することができ、例えば、光導波路領域Ｒ１３１は半導体材料で構成することができ、光導波路領域Ｒ１３２は半導体以外の材料で構成することができる。
【０２２５】
また、溝部Ａ１３１、Ａ１３２には、半導体以外の材料を充填することができ、例えば、光導波路領域Ｒ１３２の材料と同一の材料を充填することができる。また、半導体板Ｂ１３１、Ｂ１３２は、光導波路領域Ｒ１３１の構造と同一となるように構成することができる。また、溝部Ａ１３１、Ａ１３２および半導体板Ｂ１３１、Ｂ１３２は光導波方向を横切るように配置され、好ましくは、溝部Ａ１３１、Ａ１３２および半導体板Ｂ１３１、Ｂ１３２は光導波方向に対して垂直に配置することができる。
【０２２６】
そして、溝部Ａ１３１、Ａ１３２の幅および半導体板Ｂ１３１、Ｂ１３２の厚さは、光導波路領域Ｒ１３１と溝部Ａ１３１との界面で反射した光が、溝部Ａ１３１と半導体板Ｂ１３１との界面で反射した光、半導体板Ｂ１３１と溝部Ａ１３２との界面で反射した光、溝部Ａ１３２と半導体板Ｂ１３２との界面で反射した光および半導体板Ｂ１３２と光導波路領域Ｒ１３２との界面で反射した光によって弱められるようにそれぞれ設定することができる。
【０２２７】
これにより、半導体光導波路と半導体以外の光導波路とを同一半導体基板７１１上に集積した場合においても、これらの光導波路間の反射を低減することが可能となり、導波路設計の自由度を維持しつつ、半導体のみでは得られない新しい特性を有する光導波路を実現することが可能となる。
【０２２８】
また、光導波路領域Ｒ１３１が形成された半導体基板７１１のエッチング加工を行うことにより、溝部Ａ１３１、Ａ１３２および半導体板Ｂ１３１、Ｂ１３２を半導体基板７１１に形成することができる。このため、光導波路領域Ｒ１３１と光導波路領域Ｒ１３２との界面に反射防止膜を形成することなく、光導波路領域Ｒ１３１と光導波路領域Ｒ１３２との境界における反射を低減させることができ、光導波路の集積化に容易に対応することが可能となる。
【０２２９】
さらに、溝部Ａ１３１、Ａ１３２の幅および半導体板Ｂ１３１、Ｂ１３２の厚さを調整することで、光導波路領域Ｒ１３１と光導波路領域Ｒ１３２との境界での反射を低減できる波長範囲を拡大することが可能となり、波長多重光ネットワークなどへの適用を可能としつつ、半導体のみでは得られない新しい特性を有する光導波路を実現することが可能となる。
【０２３０】
図１９は、図１８の光導波方向に沿ったＸＩＸ，ＸＸ−ＸＩＸ，ＸＸ線で切断した切断図である。図１９において、半導体基板７１１上には、コア層７１２ａ〜７１２ｃが積層され、コア層７１２ａ〜７１２ｃ上には、上部クラッド層７１３ａ〜７１３ｃがそれぞれ積層されている。なお、半導体基板７１１および上部クラッド層７１３ａ〜７１３ｃとしては、例えば、ＩｎＰ、コア層７１２ａ〜７１２ｃとしては、例えば、発光波長１．３μｍのＧａＩｎＡｓＰを用いることができる。
【０２３１】
そして、コア層７１２ａ〜７１２ｃおよび上部クラッド層７１３ａ〜７１３ｃが順次積層された半導体基板７１１をエッチング加工することにより、光導波方向に対して垂直に配置された幅ｄ１の溝７１４ａを形成するとともに、溝７１４ａから所定間隔ｄ２だけ隔てて配置された幅ｄ３の溝７１４ｂを形成し、さらに、溝７１４ｂから所定間隔ｄ４だけ隔てて配置された段差７１４ｃを半導体基板７１１上に形成する。
【０２３２】
そして、溝７１４ａ、７１４ｂに充填材料７１５ａ、７１５ｂをそれぞれ埋め込むことにより、光導波路領域Ｒ１３１との界面に配置された溝部Ａ１３１を形成することが可能となるとともに、溝部Ａ１３１から厚さｄ２の半導体板Ｂ１３１を隔てて配置された溝部Ａ１３２を形成することが可能となる。
【０２３３】
また、段差７１４ｃに光導波路材料７１５ｃを埋め込むことにより、溝部Ａ１３２から厚さｄ４の半導体板Ｂ１３２を隔てて配置された光導波路領域Ｒ１３２を形成することができる。
【０２３４】
ここで、充填材料７１５ａ、７１５ｂおよび光導波路材料７１５ｃとしては、半導体とは異なる屈折率を持つ材料を用いることができ、例えば、ＢＣＢを挙げることができる。この場合、光導波路領域Ｒ１３１および半導体板Ｂ１３１、Ｂ１３２の等価屈折率は３．１２、光導波路領域Ｒ１３２および溝部Ａ１３１、Ａ１３２の等価屈折率は１．５４とすることができる。
【０２３５】
これにより、光導波路領域Ｒ１３１と光導波路領域Ｒ１３２との境界における反射を広い波長範囲に渡って低減させることを可能としつつ、屈折率が互いに異なる光導波路領域Ｒ１３１と光導波路領域Ｒ１３２とを同一半導体基板７１１上に集積することが可能なり、半導体のみでは得られない新しい特性を有する光導波路を実現することが可能となる。
【０２３６】
なお、溝部Ａ１３１、Ａ１３２および光導波路領域Ｒ１３２における導波損失は、これらの伝播距離が短い場合は無視できる程小さいが、溝部Ａ１３１、Ａ１３２および光導波路領域Ｒ１３２における伝播距離が長くなると、導波損失が無視できなくなる。
【０２３７】
このため、図１８のＸＸ−ＸＸ線で切断した図１９の断面構造を図２０の断面構造に置き換えるようにしてもよい。
【０２３８】
図２０は、本発明の第１３の実施例に係る集積光導波路の結合部の概略構成を光導波方向に沿って示す断面図である。なお、この第１３の実施例は、図１９の溝部Ａ１３１、Ａ１３２および光導波路領域Ｒ１３２にコア層を設けるようにしたものである。
【０２３９】
図２０において、半導体基板８１１には、光導波路領域Ｒ１４１、溝部Ａ１４１、半導体板Ｂ１４１、溝部Ａ１４２、半導体板Ｂ１４２および光導波路領域Ｒ１４２が光導波方向に沿って順次形成されている。
【０２４０】
すなわち、半導体基板８１１上には、コア層８１２ａ〜８１２ｃが積層され、コア層８１２ａ〜８１２ｃ上には、上部クラッド層８１３ａ〜８１３ｃがそれぞれ積層されている。なお、半導体基板８１１および上部クラッド層８１３ａ〜８１３ｃとしては、例えば、ＩｎＰ、コア層８１２ａ〜８１２ｃとしては、例えば、発光波長１．３μｍのＧａＩｎＡｓＰを用いることができる。
【０２４１】
そして、コア層８１２ａ〜８１２ｃおよび上部クラッド層８１３ａ〜８１３ｃが順次積層された半導体基板８１１をエッチング加工することにより、光導波方向に対して垂直に配置された溝８１４ａを形成するとともに、溝８１４ａから所定間隔だけ隔てて配置された溝８１４ｂを形成し、さらに、溝８１４ｂから所定間隔だけ隔てて配置された段差８１４ｃを半導体基板８１１上に形成する。
【０２４２】
そして、クラッド層８１５ａ、８１７ａで挟まれたコア層８１６ａを溝８１４ａに埋め込むとともに、クラッド層８１５ｂ、８１７ｂで挟まれたコア層８１６ｂを溝８１４ｂに埋め込むことにより、光導波路領域Ｒ１４１との界面に配置された溝部Ａ１４１を形成することが可能となるとともに、溝部Ａ１４１から半導体板Ｂ１４１を隔てて配置された溝部Ａ１４２を形成することが可能となる。
【０２４３】
また、クラッド層８１５ｃ、８１７ｃで挟まれたコア層８１６ｃを段差８１４ｃに埋め込むことにより、溝部Ａ１４２から半導体板Ｂ１４２を隔てて配置された光導波路領域Ｒ１４２を形成することができる。
【０２４４】
ここで、コア層８１６ａ〜８１６ｃの材料としては、例えば、ＢＣＢを用いることができ、クラッド層８１５ａ〜８１５ｃ、８１７ａ〜８１７ｃの材料としては、例えば、コア層８１６ａ〜８１６ｃよりも屈折率が低いポリイミドを用いることができる。
【０２４５】
これにより、光導波路領域Ｒ１４１と光導波路領域Ｒ１４２との境界における反射を低減させることを可能としつつ、溝部Ａ１４１、Ａ１４２および光導波路領域Ｒ１４２における導波損失を低減させることができる。
【０２４６】
なお、図１９の光導波路領域Ｒ１３１における横方向の導波損失を抑えるために、図１８のＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線で切断した断面構造を図１３の断面構造に置き換えるようにしてもよい。また、図１８の光導波路領域Ｒ１３２における横方向の導波損失を抑えるために、図１８のＸＩＶ−ＸＩＶ線で切断した断面構造を図１４の断面構造に置き換えるようにしてもよい。
【０２４７】
また、図１９のコア層７１２ａ、７１２ｂの形状に関しては、特に制約を設けるものではなく、例えば、コア層中央部の屈折率とクラッド層の屈折率との間の屈折率を持つ材料によりサンドイッチされた分離閉じ込めヘテロ構造（ＳＣＨ）や、屈折率を段階的に変化させた傾斜屈折率（ＧＩ−）ＳＣＨとしてもよい。
【０２４８】
また、半導体レーザに本構造を適用する場合、コアとして活性領域を用いてもよく、その形状は、バルク、ＭＱＷ（多重量子井戸）、量子細線、量子ドットを問わず、また活性領域の導波路構造に関しても、ｐｎ埋め込み、リッジ構造、半絶縁埋め込み構造、ハイメサ構造等を用いるようにしてもよい。さらに、材料に関しても、ＩｎＰおよびＧａＩｎＡｓＰの組み合わせに限定されることなく、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓなど任意の材質について適用が可能である。
【０２４９】
なお、図１９の光導波路領域Ｒ１３１および半導体板Ｂ１３１、Ｂ１３２の等価屈折率Ｎ１を３．１２、光導波路領域Ｒ１３２および溝部Ａ１３１、Ａ１３２の等価屈折率Ｎ２を１．５４とすると、光導波路領域Ｒ１３１、溝部Ａ１３１、半導体板Ｂ１３１および溝部Ａ１３２で構成される光導波路では、溝部Ａ１３１の幅ｄ１と半導体板Ｂ１３１の厚さｄ２に対する反射率は図１５と同様になる。
【０２５０】
このため、光導波路領域Ｒ１３１、溝部Ａ１３１、半導体板Ｂ１３１および溝部Ａ１３２で構成される光導波路の反射率を低減させるためには、（６）式または（７）式の関係を満たすように、溝部Ａ１３１の幅ｄ１と半導体板Ｂ１３１ｄ２の厚さを設定すればよい。
【０２５１】
また、光導波路領域Ｒ１３１、溝部Ａ１３１、半導体板Ｂ１３１および溝部Ａ１３２で構成される光導波路の反射率を０にするためには、（８）式または（９）式の関係を満たすように、溝部Ａ１３１の幅ｄ１と半導体板Ｂ１３１の厚さｄ２を設定すればよい。
【０２５２】
また、ある波長λについて図１９の光導波路全体での反射を０にするためには、図１９の全体構成を溝部Ａ１３２で分割し、光導波路領域Ｒ１３１、溝部Ａ１３１、半導体板Ｂ１３１および溝部Ａ１３２で構成される光導波路と、溝部Ａ１３２、半導体板Ｂ１３２および光導波路領域Ｒ１３２で構成される光導波路とを想定すると、これら双方の光導波路の反射率を０とする必要がある。
【０２５３】
このため、光導波路領域Ｒ１３１、溝部Ａ１３１、半導体板Ｂ１３１および溝部Ａ１３２で構成される光導波路の反射率を０にした上で、溝部Ａ１３２、半導体板Ｂ１３２および光導波路領域Ｒ１３２で構成される光導波路の反射率を０とする必要がある。
【０２５４】
ここで、溝部Ａ１３２、半導体板Ｂ１３２および光導波路領域Ｒ１３２で構成される光導波路の反射率を０とする条件は、以下の（１０）式で与えることができる。
【０２５５】
Ｎ２ｄ４＝λ／２ｎ                                          ・・・（１０）
（ｎは整数）
図２１は、図１９の溝部Ａ１３２、半導体板Ｂ１３２および光導波路領域Ｒ１３２で構成される光導波路の反射率と半導体板Ｂ１３２の厚さｄ４との関係を示す図である。なお、入射波長は１．５５μｍとした。
【０２５６】
図２１において、溝部Ａ１３２、半導体板Ｂ１３２および光導波路領域Ｒ１３２で構成される光導波路の反射率は、斜線で示した領域では、単なる二導波路の接合（約１２％）よりも小さくなる。そして、溝部Ａ１３２、半導体板Ｂ１３２および光導波路領域Ｒ１３２で構成される光導波路の反射率を単なる二導波路の接合よりも小さくする条件は、以下の（１１）式で与えることができる。
【０２５７】
λ／２ｎ−λ／１６＜Ｎ２ｄ４＜λ／２ｎ＋λ／１６            ・・・（１１）
（ｎは整数）
ここで、図１９の全体の光導波路は、光導波路領域Ｒ１３１、溝部Ａ１３１、半導体板Ｂ１３１および溝部Ａ１３２で構成される左側光導波路と、溝部Ａ１３２、半導体板Ｂ１３２および光導波路領域Ｒ１３２で構成される右側光導波路とを接続したものであり、左側光導波路の後端と右側光導波路の前端とは同じ屈折率であるから、この部分では反射は生じない。このため、分割前の光導波路全体を考えても、入射波長λの時、光導波路領域Ｒ１３１と光導波路領域Ｒ１３２との結合部での反射を０とすることができる。これは、溝部Ａ１３２の幅ｄ３には依存しない。
【０２５８】
図２２は、図１８の溝部Ａ１３２の幅ｄ３と入射波長に対する反射率との関係を示す図である。なお、図２２では、Ｎ１＝１．５４、Ｎ２＝３．２１として入射波長λ＝１．５５μｍとした時に反射率が０となる条件を満たすように、ｄ１＝１．０８μｍ、ｄ２＝１．００μｍ、ｄ４＝０．９６６μｍとした。また、より一般的に話を進めるために光学長も示した。
【０２５９】
図２２において、領域ｄは光導波路領域Ｒ１３１と光導波路領域Ｒ１３２とを単に接合した時の反射率（約１２％）よりも低くなる領域、領域ｃは反射率１０％以下の領域、領域ｂは反射率５％以下の領域、領域ａは反射率１％以下の領域である。
【０２６０】
すなわち、溝部Ａ１３２の幅ｄ３を変えることにより、低反射率が得られる領域を変化させることができる。例えば、領域ｄの波長幅を広げるには、
λ／２（ｎ＋１／４）＜Ｎ１ｄ３＜λ／２（ｎ＋１）
（ｎは整数）
とすればよい。また、領域ａの波長幅を広げるには、
λ／２（ｍ＋３／８）＜Ｎ１ｄ３＜λ／２（ｍ＋３／４）
（ｍは整数）
とすればよい。
【０２６１】
なお、上述した実施例では、溝部Ａ１３１、Ａ１３２に充填する材料を光導波路領域Ｒ１３２の材料と同一とする方法について説明したが、溝部Ａ１３１、Ａ１３２に充填する材料と光導波路領域Ｒ１３２の材料とは互いに異なっていてもよい。また、光導波路領域Ｒ１３１と半導体板Ｂ１３１、Ｂ１３２とは、必ずしも同じ層構造でなくてもよい。
【０２６２】
図２３は、本発明の第１４の実施例に係る集積光導波路の概略構成を示す断面図である。なお、この第１４の実施例は、溝部Ａ１５１〜Ａ１５４および半導体板Ｂ１５１〜Ｂ１５４を交互に繰り返し配置することにより、低反射となる波長帯を急峻化できるようにしたものである。
【０２６３】
図２３において、半導体基板９１１には、光導波路領域Ｒ１５１および光導波路領域Ｒ１５２が光導波方向に沿って形成されるとともに、光導波路領域Ｒ１５１と光導波路領域Ｒ１５２との間には、溝部Ａ１５１〜Ａ１５４および半導体板Ｂ１５１〜Ｂ１５４が光導波方向に沿って交互に配置されている。
【０２６４】
ここで、光導波路領域Ｒ１５１と光導波路領域Ｒ１５２との屈折率は互いに異なるように設定することができ、例えば、光導波路領域Ｒ１５１は半導体材料で構成することができ、光導波路領域Ｒ１５２は半導体以外の材料で構成することができる。
【０２６５】
また、溝部Ａ１５１〜Ａ１５４には、半導体以外の材料を充填することができ、例えば、光導波路領域Ｒ１５２の材料と同一の材料を充填することができる。また、半導体板Ｂ１５１〜Ｂ１５４は、光導波路領域Ｒ１５１の構造と同一となるように構成することができる。また、溝部Ａ１５１〜Ａ１５４および半導体板Ｂ１５１〜Ｂ１５４は光導波方向を横切るように配置され、好ましくは、溝部Ａ１５１〜Ａ１５４および半導体板Ｂ１５１〜Ｂ１５４は光導波方向に対して垂直に配置することができる。
【０２６６】
そして、溝部Ａ１５１の幅および半導体板Ｂ１５１の厚さは、光導波路領域Ｒ１４、溝部Ａ１５１、半導体板Ｂ１５１および溝部Ａ１５２で構成される光導波路における反射率が弱められるように設定することができる。
【０２６７】
また、溝部Ａ１５２の幅および半導体板Ｂ１５２の厚さは、溝部Ａ１５２、半導体板Ｂ１５２および溝部Ａ１５３で構成される光導波路が無反射率条件を満たすように設定することができる。
【０２６８】
さらに、溝部Ａ１５３、Ａ１５４の幅および半導体板Ｂ１５３、Ｂ１５４の厚さは、溝部Ａ１５２の幅および半導体板Ｂ１５２の厚さとそれぞれ同一となるように設定することができる。
【０２６９】
ここで、溝部Ａ１５２、半導体板Ｂ１５２および溝部Ａ１５３で構成される光導波路が無反射率条件を満たすように溝部Ａ１５２の幅および半導体板Ｂ１５２の厚さを設定するとともに、溝部Ａ１５２の幅および半導体板Ｂ１５２の厚さとそれぞれ同一となるように溝部Ａ１５３、Ａ１５４の幅および半導体板Ｂ１５３、Ｂ１５４の厚さを設定することにより、溝部Ａ１５１〜Ａ１５４および半導体板Ｂ１５１〜Ｂ１５４を交互に繰り返し配置した場合においても、入射波長λにおける反射率を一定に保つことができる。
【０２７０】
すなわち、半導体基板９１１上には、コア層９１２ａ〜９１２ｅが積層され、コア層９１２ａ〜９１２ｅ上には、上部クラッド層９１３ａ〜９１３ｅがそれぞれ積層されている。なお、半導体基板９１１および上部クラッド層９１３ａ〜９１３ｅとしては、例えば、ＩｎＰ、コア層９１２ａ〜９１２ｅとしては、例えば、発光波長１．３μｍのＧａＩｎＡｓＰを用いることができる。
【０２７１】
そして、コア層９１２ａ〜９１２ｅおよび上部クラッド層９１３ａ〜９１３ｅが順次積層された半導体基板９１１をエッチング加工することにより、光導波方向に対して垂直に配置された溝９１４ａ〜９１４ｄを形成するとともに、溝９１４ｄから所定間隔だけ隔てて配置された段差９１４ｅを半導体基板９１１上に形成する。
【０２７２】
そして、溝９１４ａ〜９１４ｄに充填材料９１５ａ〜９１５ｄをそれぞれ埋め込むとともに、段差９１４ｅに光導波路材料９１５ｅを埋め込むことにより、光導波方向に沿って交互に配置された溝部Ａ１５１〜Ａ１５４および半導体板Ｂ１５１〜Ｂ１５４を光導波路領域Ｒ１５１と光導波路領域Ｒ１５２との間に形成することが可能となるとともに、溝部Ａ１５４から半導体板Ｂ１５４を隔てて配置された光導波路領域Ｒ１５２を半導体基板９１１に形成することができる。
【０２７３】
これにより、溝９１４ａ〜９１４ｄを形成するためのエッチング加工を半導体基板９１１に行うことにより、低反射となる波長帯を急峻化することが可能となり、半導体光導波路と半導体以外の光導波路とを同一半導体基板９１１上に集積した場合においても、これらの光導波路間にける特定の波長の反射を効率よく低減することが可能となる。
【０２７４】
なお、上述した実施例では、溝部Ａ１５１〜Ａ１５４および半導体板Ｂ１５１〜Ｂ１５４を４回繰り返し配置する方法について説明したが、溝部および半導体板を３回または５回以上繰り返し配置してもよい。
【０２７５】
図２４は、本発明の第１５の実施例に係る集積光導波路の概略構成を示す断面図である。なお、この第１５の実施例は、図１９の構造を対向配置したものである。図２４において、半導体基板１０１１には、光導波路領域Ｒ１６１、溝部Ａ１６１、半導体板Ｂ１６１、溝部Ａ１６２、半導体板Ｂ１６２、光導波路領域Ｒ１６２、半導体板Ｂ１６３、溝部Ａ１６３、半導体板Ｂ１６４、溝部Ａ１６４および光導波路領域Ｒ１６３が光導波方向に沿って順次形成されている。
【０２７６】
ここで、光導波路領域Ｒ１６１、Ｒ１６３と光導波路領域Ｒ１６２との屈折率は互いに異なるように設定することができ、例えば、光導波路領域Ｒ１６１、Ｒ１６３は半導体材料で構成することができ、光導波路領域Ｒ１６２は半導体以外の材料で構成することができる。
【０２７７】
また、溝部Ａ１６１〜Ａ１６４には、半導体以外の材料を充填することができ、例えば、光導波路領域Ｒ１６２の材料と同一の材料を充填することができる。また、半導体板Ｂ１６１〜Ｂ１６４は、光導波路領域Ｒ１６１、Ｒ１６３の構造と同一となるように構成することができる。また、溝部Ａ１６１〜Ａ１６４および半導体板Ｂ１６１〜Ｂ１６４は光導波方向を横切るように配置され、好ましくは、溝部Ａ１６１〜Ａ１６４および半導体板Ｂ１６１〜Ｂ１６４は光導波方向に対して垂直に配置することができる。
【０２７８】
そして、溝部Ａ１６１の幅および半導体板Ｂ１６１の厚さは、光導波路領域Ｒ１６１と溝部Ａ１６１との界面で反射した光が、溝部Ａ１６１と半導体板Ｂ１６１との界面で反射した光、半導体板Ｂ１６１と溝部Ａ１６２との界面で反射した光、溝部Ａ１６２と半導体板Ｂ１６２との界面で反射した光および半導体板Ｂ１６２と光導波路領域Ｒ１６２との界面で反射した光によって弱められるようにそれぞれ設定することができる。
【０２７９】
また、溝部Ａ１６４の幅および半導体板Ｂ１６４の厚さは、光導波路領域Ｒ１６３と溝部Ａ１６４との界面で反射した光が、溝部Ａ１６４と半導体板Ｂ１６４との界面で反射した光、半導体板Ｂ１６４と溝部Ａ１６３との界面で反射した光、溝部Ａ１６３と半導体板Ｂ１６３との界面で反射した光および半導体板Ｂ１６３と光導波路領域Ｒ１６２との界面で反射した光によって弱められるようにそれぞれ設定することができる。
【０２８０】
すなわち、半導体基板１０１１上には、コア層１０１２ａ〜１０１２ｆが積層され、コア層１０１２ａ〜１０１２ｆ上には、上部クラッド層１０１３ａ〜１０１３ｆがそれぞれ積層されている。なお、半導体基板１０１１および上部クラッド層１０１３ａ〜１０１３ｆとしては、例えば、ＩｎＰ、コア層１０１２ａ〜１０１２ｆとしては、例えば、発光波長１．３μｍのＧａＩｎＡｓＰを用いることができる。
【０２８１】
そして、コア層１０１２ａ〜１０１２ｆおよび上部クラッド層１０１３ａ〜１０１３ｆが順次積層された半導体基板１０１１をエッチング加工することにより、光導波方向に対して垂直に配置された溝１０１４ａ、１０１４ｂ、１０１４ｄ、１０１４ｅを形成するとともに、溝１０１４ｂ、１０１４ｄから所定間隔だけ隔てて配置された凹部１０１４ｃを半導体基板１０１１上に形成する。
【０２８２】
そして、クラッド層１０１５ａ、１０１７ａで挟まれたコア層１０１６ａを溝１０１４ａに埋め込むとともに、クラッド層１０１５ｂ、１０１７ｂで挟まれたコア層１０１６ｂを溝１０１４ｂに埋め込むことにより、光導波路領域Ｒ１６１と光導波路領域Ｒ１６２との間に配置された溝部Ａ１６１、Ａ１６２を形成することが可能となる。
【０２８３】
また、クラッド層１０１５ｄ、１０１７ｄで挟まれたコア層１０１６ｄを溝１０１４ｄに埋め込むとともに、クラッド層１０１５ｅ、１０１７ｅで挟まれたコア層１０１６ｅを溝１０１４ｅに埋め込むことにより、光導波路領域Ｒ１６２と光導波路領域Ｒ１６３との間に配置された溝部Ａ１６３、Ａ１６４を形成することが可能となる。
【０２８４】
さらに、クラッド層１０１５ｃ、１０１７ｃで挟まれたコア層１０１６ｃを凹部１０１４ｃに埋め込むことにより、溝部Ａ１６２、Ａ１６４から半導体板Ｂ１６２、Ｂ１６４をそれぞれ隔てて配置された光導波路領域Ｒ１６２を形成することができる。
【０２８５】
ここで、コア層１０１６ａ〜１０１６ｅの材料としては、例えば、ＢＣＢを用いることができ、クラッド層１０１５ａ〜１０１５ｅ、１０１７ａ〜１０１７ｅの材料としては、例えば、コア層１０１６ａ〜１０１６ｅよりも屈折率が低いポリイミドを用いることができる。
【０２８６】
なお、図２４の実施例は、図２０の構造を対向配置したものであるため、図２４の実施例の導波路、コア層およびクラッド層の材料や構造は、特に制約を設けるものではなく、ここで説明した以外の材料や構造を用いるようにしてもよい。
【０２８７】
また、図２４の実施例では、図２０の構造を１組だけ対向配置する方法について説明したが、図２０の構造を３個以上縦列接続するようにしてもよい。ここで、図２０の構造を用いることにより、個々の光導波路間の反射率を抑制することができ、集積光導波路全体の反射率を抑制することができる。
【０２８８】
また、上述した集積光導波路の光学長について考えると、半導体の屈折率は温度上昇により増大する、すなわち屈折率の温度微分係数は正であるため、周囲温度が上昇すると、光導波路の光学長が長くなる。
【０２８９】
そこで、例えば、図１９の光導波路領域Ｒ１３２や図２４の光導波路領域Ｒ１６２を、負の屈折率温度微分係数を有する材料を用いて構成するようにしてもよい。これにより、温度変化により個々の光導波路の光学長が変化した場合においても、光導波路全体の光学長の温度変化を抑制することが可能となる。なお、負の屈折率温度微分係数を有する材料としては、例えば、ＰＭＭＡを用いることができる。
【０２９０】
図２５は、本発明の第１６の実施例に係る集積光導波路の概略構成を示す断面図である。なお、この第１６の実施例は、図２４の構造に半導体レーザを集積化するようにしたものである。
【０２９１】
図２５において、半導体基板１１１１には、光導波路領域Ｒ１７１、溝部Ａ１７１、半導体板Ｂ１７１、溝部Ａ１７２、半導体板Ｂ１７２、光導波路領域Ｒ１７２、半導体板Ｂ１７３、溝部Ａ１７３、半導体板Ｂ１７４、溝部Ａ１７４および光導波路領域Ｒ１７３が光導波方向に沿って順次形成され、光導波路領域Ｒ１７１および光導波路領域Ｒ１７３には、レーザダイオードが形成されている。
【０２９２】
ここで、光導波路領域Ｒ１７１、Ｒ１７３と光導波路領域Ｒ１７２との屈折率は互いに異なるように設定することができ、例えば、光導波路領域Ｒ１７１、Ｒ１７３は半導体材料で構成することができ、光導波路領域Ｒ１７２は半導体以外の材料で構成することができる。
【０２９３】
また、溝部Ａ１７１〜Ａ１７４には、半導体以外の材料を充填することができ、例えば、光導波路領域Ｒ１７２の材料と同一の材料を充填することができる。また、半導体板Ｂ１７１〜Ｂ１７４は、光導波路領域Ｒ１７１、Ｒ１７３の構造と同一となるように構成することができる。また、溝部Ａ１７１〜Ａ１７４および半導体板Ｂ１７１〜Ｂ１７４は光導波方向を横切るように配置され、好ましくは、溝部Ａ１７１〜Ａ１７４および半導体板Ｂ１７１〜Ｂ１７４は光導波方向に対して垂直に配置することができる。
【０２９４】
そして、溝部Ａ１７１の幅および半導体板Ｂ１７１の厚さは、光導波路領域Ｒ１７１と溝部Ａ１７１との界面で反射した光が、溝部Ａ１７１と半導体板Ｂ１７１との界面で反射した光、半導体板Ｂ１７１と溝部Ａ１７２との界面で反射した光、溝部Ａ１７２と半導体板Ｂ１７２との界面で反射した光および半導体板Ｂ１７２と光導波路領域Ｒ１７２との界面で反射した光によって弱められるようにそれぞれ設定することができる。
【０２９５】
また、溝部Ａ１７４の幅および半導体板Ｂ１７４の厚さは、光導波路領域Ｒ１７３と溝部Ａ１７４との界面で反射した光が、溝部Ａ１７４と半導体板Ｂ１７４との界面で反射した光、半導体板Ｂ１７４と溝部Ａ１７３との界面で反射した光、溝部Ａ１７３と半導体板Ｂ１７３との界面で反射した光および半導体板Ｂ１７３と光導波路領域Ｒ１７２との界面で反射した光によって弱められるようにそれぞれ設定することができる。
【０２９６】
すなわち、半導体基板１１１１上には、活性層１１１２ａ、１１１２ｆおよびコア層１１１２ｂ〜１１１２ｅが積層され、活性層１１１２ａ、１１１２ｆおよびコア層１１１２ｂ〜１１１２ｅ上には、半導体基板１１１１と異なる導電型の上部クラッド層１１１３ａ、１１１３ｆ、１１１３ｂ〜１１１３ｅがそれぞれ積層されている。なお、半導体基板１１１１および上部クラッド層１１１３ａ〜１１１３ｆとしては、例えば、ＩｎＰ、活性層１１１２ａ、１１１２ｆおよびコア層１１１２ｂ〜１１１２ｅとしては、例えば、波長１．５５μｍのＧａＩｎＡｓＰを用いることができる。また、例えば、半導体基板１１１１をｎ型とし、上部クラッド層１１１３ａ〜１１１３ｆをｐ型とすることができる。
【０２９７】
そして、活性層１１１２ａ、１１１２ｆおよびコア層１１１２ｃ〜１１１２ｅ上に上部クラッド層１１１３ａ〜１１１３ｆが積層された半導体基板１１１１をエッチング加工することにより、光導波方向に対して垂直に配置された溝１１１４ａ、１１１４ｂ、１１１４ｄ、１１１４ｅを形成するとともに、溝１１１４ｂａ、１１１４ｄから所定間隔だけ隔てて配置された凹部１１１４ｃを半導体基板１１１１上に形成する。これにより、光導波路領域Ｒ１７１、Ｒ１７３に対応して活性層１１１２ａ、１１１２ｆをそれぞれ配置するとともに、半導体板Ｂ１７１〜Ｂ１７４に対応してコア層１１１２ｂ〜１１１２ｅをそれぞれ配置することができる。
【０２９８】
そして、クラッド層１１１５ａ、１１１７ａで挟まれたコア層１１１６ａを溝１１１４ａに埋め込むとともに、クラッド層１１１５ｂ、１１１７ｂで挟まれたコア層１１１６ｂを溝１１１４ｂに埋め込むことにより、光導波路領域Ｒ１７１と光導波路領域Ｒ１７２との間に配置された溝部Ａ１７１、Ａ１７２を形成することが可能となる。
【０２９９】
また、クラッド層１１１５ｄ、１１１７ｄで挟まれたコア層１１１６ｄを溝１１１４ｄに埋め込むとともに、クラッド層１１１５ｅ、１１１７ｅで挟まれたコア層１１１６ｅを溝１１１４ｅに埋め込むことにより、光導波路領域Ｒ１７２と光導波路領域Ｒ１７３との間に配置された溝部Ａ１７３、Ａ１７４を形成することが可能となる。
【０３００】
さらに、クラッド層１１１５ｃ、１１１７ｃで挟まれたコア層１１１６ｃを凹部１１１４ｃに埋め込むことにより、溝部Ａ１７２、Ａ１７４から半導体板Ｂ１７２、Ｂ１７４をそれぞれ隔てて配置された光導波路領域Ｒ１７２を形成することができる。
【０３０１】
また、上部クラッド層１１１３ａ、１１１３ｆ上に電極１１１８ａ、１１１８ｂをそれぞれ形成するとともに、半導体基板１１１１の裏面に電極１１１８ｃを形成することにより、光導波路領域Ｒ１７１および光導波路領域Ｒ１７３にレーザダイオードをそれぞれ形成することができる。
【０３０２】
ここで、コア層１１１６ａ〜１１１６ｅの材料としては、例えば、ＢＣＢを用いることができ、クラッド層１１１５ａ〜１１１５ｅ、１１１７ａ〜１１１７ｅの材料としては、例えば、コア層１１１６ａ〜１１１６ｅよりも屈折率が低いポリイミドを用いることができる。
【０３０３】
また、負の屈折率温度微分係数を有する材料を用いて光導波路領域Ｒ１７２を構成するようにしてもよく、例えば、ＰＭＭＡを用いることができる。これにより、共振器長を温度に対して一定とすることができ、半導体レーザの発振波長の温度依存性を抑制することができる。
【０３０４】
さらに、光導波路領域Ｒ１７１およびＲ１７３に回折格子などを形成して波長選択性を付与するようにしてもよく、分布帰還型（ＤＦＢ）半導体レーザや分布反射器（ＤＢＲ）などを作製するようにしてもよい。
【０３０５】
なお、活性層１１１２ａ、１１１２ｆおよびコア層１１１２ｂ〜１１１２ｅの構造は、例えば、活性層またはコア層中央部の屈折率とクラッド層の屈折率との間の屈折率を持つ材料によりサンドイッチされた分離閉じ込めヘテロ構造（ＳＣＨ）や、屈折率を段階的に変化させた傾斜屈折率（ＧＩ−）ＳＣＨとしてもよい。
【０３０６】
また、活性層１１１２ａ、１１１２ｆの形状は、バルク、ＭＱＷ（多重量子井戸）、量子細線、量子ドットを問わず、また活性領域の導波路構造に関しても、ｐｎ埋め込み、リッジ構造、埋め込みヘテロ構造、ハイメサ構造等を用いるようにしてもよい。さらに、材料に関しても、ＩｎＰおよびＧａＩｎＡｓＰの組み合わせに限定されることなく、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓなど任意の材質について適用が可能である。
【０３０７】
以上説明したように、本発明の第２の実施形態によれば、第１光導波路と第２光導波路との界面に反射防止膜を形成することなく、第１光導波路と第２光導波路との境界における反射を低減させることができ、光導波路の集積化に対応しつつ、半導体のみでは得られない新しい特性を有する光導波路を半導体基板上に安易に実現することが可能となる。
【０３０８】
（ブリュースター角を用いた光導波路および光デバイス）
次に、本発明の第３の実施形態に係る集積光導波路について図面を参照しながら説明する。この第３の実施形態によれば、導波方向の設計の自由度を向上させることを可能にしつつ、屈折率が互いに異なる導波路間における反射および屈折による導波路損失を低減し、半導体基板上に集積化が可能な光導波路および光デバイスを提供することができる。以下、本実施形態に係るいくつかの具体的な実施例について説明する。
【０３０９】
図２６は、本発明の第１７の実施例に係る集積光導波路の概略構成を示す断面図である。図２６において、半導体基板１２００には、第１導波路１２０１、第２導波領域１２０２および第３導波路１２０３が形成され、第２導波領域１２０２は、第１導波路１２０１と第３導波路１２０３との間に配置されている。ここで、第１導波路１２０１および第３導波路１２０３の屈折率は互いに等しくなるように設定することができ、第１導波路１２０１と第２導波領域１２０２との屈折率は互いに異なるように設定することができる。例えば、第１導波路１２０１および第３導波路１２０３は半導体材料で構成することができ、第２導波領域１２０２は半導体以外の材料で構成することができる。なお、第２導波領域１２０２の材料としては、例えば、重水素化ポリフルオロメタクリレート（ｄ−ＰＦＭＡ）などを用いることができる。
【０３１０】
また、第１導波路１２０１と第２導波領域１２０２との境界面１２０４は、第１導波路１２０１の光の伝播方向に対して傾くように配置することができる。また、第２導波領域１２０２と第３導波路１２０３との境界面１２０５は、第１導波路１２０１と第２導波領域１２０２との境界面１２０４における光の屈折方向の延長線上に対して傾くように配置することができる。ここで、第１導波路１２０１と第２導波領域１２０２との境界面１２０４における光の屈折方向の延長線上に対して、第２導波領域１２０２と第３導波路１２０３との境界面１２０５を傾ける場合、第２導波領域１２０２と第３導波路１２０３との境界面１２０５における光の屈折方向が第３導波路１２０３の光の伝播方向に一致するように設定することができる。
【０３１１】
これにより、第１導波路１２０１と第３導波路１２０３との間に屈折率が互いに異なる第２導波領域１２０２を配置した場合においても、第１導波路１２０１と第２導波領域１２０２との境界面１２０４および第２導波領域１２０２と第３導波路１２０３との境界面１２０５における反射を低減し、かつ屈折による損失を抑制することができる。
【０３１２】
すなわち、第１導波路１２０１と第２導波領域１２０２とは、その間の境界面１２０４が第１導波路１２０１の光の伝播方向に対して傾くように接続されているため、境界面１２０４で生じる反射光が第１導波路１２０１に戻ることがなく、第１導波路１２０１が局所的な共振器を構成することを回避することができる。同様に、第２導波領域１２０２と第３導波路１２０３とは、その間の境界面１２０５が第２導波領域１２０２の光の伝播方向に対して傾くように接続されているため、第２導波領域１２０２および第３導波路１２０３が局所的な共振器を構成することを回避することができる。
【０３１３】
さらに、第２導波領域１２０２と第３導波路１２０３との境界面１２０５における光の屈折方向を第３導波路１２０３の光の伝播方向に一致させることにより、第１導波路１２０１、第２導波領域１２０２および第３導波路１２０３を伝播する光が、第１導波路１２０１と第２導波領域１２０２との境界面１２０４および第２導波領域１２０２と第３導波路１２０３との境界面１２０５において屈折した場合においても、第１導波路１２０１、第２導波領域１２０２および第３導波路１２０３から漏れ出すことを防止することができる。
【０３１４】
この結果、第１導波路１２０１から入射した光は、従来に比べて小さな損失で、第１導波路１２０１、第２導波領域１２０２および第３導波路１２０３を伝播して、第３導波路１２０３から出射することができる。
【０３１５】
ここで、第１導波路１２０１の光の伝播方向に対して第１導波路１２０１と第２導波領域１２０２との境界面１２０４を傾ける場合、その境界面１２０４の傾斜角はブリュースター角を満たすように設定することができる。また、第２導波領域１２０２の光の伝播方向に対して第２導波領域１２０２と第３導波路１２０３との境界面１２０５を傾ける場合、その境界面１２０５の傾斜角はブリュースター角を満たすように設定することができる。この際、第２導波領域１２０２の中点に対して点対称になるように、第１導波路１２０１および第３導波路１２０３を第２導波領域１２０２に接続することができる。
【０３１６】
これにより、第１導波路１２０１と第２導波領域１２０２との境界面１２０４および第２導波領域１２０２と第３導波路１２０３との境界面１２０５での反射を低減することを可能としつつ、第１導波路１２０１と第３導波路１２０３との方向を互いに平行にすることが可能となる。
【０３１７】
このため、屈折率の異なる材料が挿入された導波路間の反射を抑制するために、ブリュースター角を用いた場合においても、入射方向と出射方向とを互いに一致させることが可能となる。
【０３１８】
このため、屈折率が互いに異なる材料を第１導波路１２０１と第３導波路１２０３との間に挿入した場合においても、導波路損失を抑制しつつ、劈開やエッチングや埋め込みなどに適した結晶方位を有効に活用することが可能となり、第１導波路１２０１および第３導波路１２０３の作製時における信頼性の劣化を抑制しつつ、半導体のみでは得られない新しい特性を有する光導波路を実現することが可能となるとともに、導波路設計の自由度を向上させることができる。
【０３１９】
図２７は、図２６の第１導波路１２０１および第３導波路１２０３の概略構成を示す断面図である。図２７において、半導体基板１２００上には、コア層１３０１および上部クラッド層１３０２が順次積層されている。そして、上部クラッド層１３０２、コア層１３０１および半導体基板１２０１の上部は、光導波方向に沿ってストライブ状にエッチング加工され、上部クラッド層１３０２、コア層１３０１および半導体基板１２００の上部の両側には、埋め込み層１３０３、１３０４がそれぞれ形成されている。
【０３２０】
これにより、第１導波路１２０１および第３導波路１２０３を埋め込みヘテロ（ＢＨ）構造とすることができ、横方向の光閉じ込めを可能として、第１導波路１２０１および第３導波路１２０３における導波損失を低減することができる。
【０３２１】
なお、半導体基板１２００、上部クラッド層１３０２および埋め込み層１３０３、１３０４としては、例えば、ＩｎＰ、コア層１３０１としては、例えば、ＧａＩｎＡｓＰを用いることができる。
【０３２２】
また、コア層１３０１および上部クラッド層１３０２を半導体基板１２００上に順次積層する場合、例えば、ＭＢＥ（ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  ｂｅａｍ  ｅｐｉｔａｘｙ）、ＭＯＣＶＤ（ｍｅｔａｌ  ｏｒｇａｎｉｃ  ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｖａｐｅｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、あるいはＡＬＣＶＤ（ａｔｏｍｉｃ  ｌａｙｅｒ  ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｖａｐｅｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）などのエピタキシャル成長を用いることができる。
【０３２３】
図２８は、本発明の第１８の実施例に係る集積光導波路の概略構成を示す平面図である。図２８において、半導体基板１４００には、第１導波路１４０１、第２導波路１４０２および第３導波路１４０３が形成され、第２導波路１４０２は、第１導波路１４０１と第３導波路１４０３との間に配置されている。ここで、第１導波路１４０１および第３導波路１４０３の屈折率は互いに等しくなるように設定することができ、第１導波路１４０１と第２導波路１４０２との屈折率は互いに異なるように設定することができる。例えば、第１導波路１４０１および第３導波路１４０３は半導体材料で構成することができ、第２導波路１４０２は半導体以外の材料で構成することができる。
【０３２４】
また、第１導波路１４０１と第２導波路１４０２との境界面１４０４は、第１導波路１４０１の光の伝播方向に対して傾くように配置することができる。また、第２導波路１４０２と第３導波路１４０３との境界面１４０５は、第１導波路１４０１と第２導波路１４０２との境界面１４０４における光の屈折方向の延長線上に対して傾くように配置することができる。ここで、第１導波路１４０１と第２導波路１４０２との境界面１４０４における光の屈折方向の延長線上に対して、第２導波路１４０２と第３導波路１４０３との境界面１４０５を傾ける場合、第２導波路１４０２と第３導波路１４０３との境界面１４０５における光の屈折方向が第３導波路１４０３の光の伝播方向に一致するように設定することができる。
【０３２５】
例えば、これらの境界面１４０４、１４０５の傾斜角はブリュースター角を満たすようにそれぞれ設定するとともに、第２導波路１４０２の中点に対して点対称になるように、第１導波路１４０１および第３導波路１４０３を第２導波路１４０２に接続することができる。
【０３２６】
図２９は、図２８の第２導波路１４０２の概略構成を示す断面図である。図２９において、半導体基板１４００上には、クラッド層１５０２にて周囲を囲まれたコア層１５０１が形成されている。なお、半導体基板１４００としては、例えば、ＩｎＰを用いることができる。また、クラッド層１５０２およびコア層１５０１としては、例えば、フッ素含有量を変えて屈折率が変更された重水素化ポリフルオロメタクリレート（ｄ−ＰＦＭＡ）などを用いることができる。
【０３２７】
これにより、第２導波路１４０２における導波損失を低減させることを可能としつつ、第１導波路１４０１と第２導波路１４０２との境界面１４０４および第２導波路１４０２と第３導波路１４０３との境界面１４０５での反射を低減することが可能となる。
【０３２８】
なお、図２６の第１導波路１２０１および第３導波路１２０３、図２８の第１導波路１４０１、第２導波路１４０２および第３導波路１４０３に関しては、特に制約を設けるものではなく、半導体導波路構造として通常用いられているリッジ導波路やハイメサ導波路等を用いるようにしてもよい。
【０３２９】
また、導波路のコア層およびクラッド層の形状に関しては、特に制約を設けるものではなく、例えば、コア層中央部の屈折率とクラッド層の屈折率との間の屈折率を持つ材料によりサンドイッチされた分離閉じ込めヘテロ構造（ＳＣＨ）や、屈折率を段階的に変化させた傾斜屈折率（ＧＩ−）ＳＣＨとしてもよい。
【０３３０】
また、半導体レーザに本構造を適用する場合、コアとして活性領域を用いてもよく、その形状は、バルク、ＭＱＷ（多重量子井戸）、量子細線、量子ドットを問わず、また活性領域の導波路構造に関しても、ｐｎ埋め込み、リッジ構造、半絶縁埋め込み構造、ハイメサ構造等を用いるようにしてもよい。さらに、材料に関しても、ＩｎＰおよびＧａＩｎＡｓＰの組み合わせに限定されることなく、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓなど任意の材質について適用が可能である。
【０３３１】
さらに、図２６の第２導波領域１２０２および図２８の第２導波路１４０２についても、特に制約を設けるものではなく、例えば、ポリイミドやベンゾシクロブテンなどを用いるようにしてもよい。
【０３３２】
また、上述した集積光導波路の光学長について考えると、半導体の屈折率は温度上昇により増大する、すなわち屈折率の温度微分係数は正であるため、周囲温度が上昇すると、光導波路の光学長が長くなる。
【０３３３】
そこで、例えば、図２６の第２導波領域１２０２や図２８の第２導波路１４０２を、負の屈折率温度微分係数を有する材料を用いて構成するようにしてもよい。これにより、温度変化により個々の光導波路の光学長が変化した場合においても、光導波路全体の光学長の温度変化を抑制することが可能となる。なお、負の屈折率温度微分係数を有する材料としては、例えば、ＰＭＭＡを用いることができる。
【０３３４】
以下、図２６および図２８の実施例の動作原理をより詳細に説明する。
【０３３５】
図３０は、屈折率の異なる物質の接合面に光が入射した場合の入射角と屈折角との関係を示す模式図である。
【０３３６】
図３０において、屈折率Ｎ１の物質側から屈折率Ｎ２の物質側に入射角θ１で入射した光は、これらの物質の界面において屈折角θ２で屈折する。この時、入射角θ１と屈折角θ２との間の関係は（４）式で表すことができる。特に、入射角θ１が（５）式で表される関係を満たし、入射角θ１がブリュースター角θＢに一致する場合、入射面に平行な成分の反射をなくすことができる。
【０３３７】
そして、入射角θ１がブリュースター角θＢに一致する場合、（４）式および（５）式から以下の（１２）式が成り立つ。
ｃｏｓθ１＝ｓｉｎθ２
∴θ２＝π／２−θ１                                          ・・・（１２）
このため、図２８の第２導波領域１４０２の中点に対して点対称になるように、第１導波路１４０１および第３導波路１４０３を第２導波領域１４０２に接続することにより、第１導波路１４０１と第２導波領域１４０２との境界面１４０４および第２導波領域１４０２と第３導波路１４０３との境界面１４０５における傾斜角をブリュースター角に一致させることを可能としつつ、第１導波路１２０１と第３導波路１２０３との方向を互いに平行にすることが可能となる。
【０３３８】
また、図３０から明らかなように、屈折率Ｎ１の物質内を導波する方向と屈折率Ｎ２の物質内を導波する方向との成す角θ１２は、以下の（１３）式で表すことができる。
θ１２＝π／２−２θ１                                        ・・・（１３）
図３１は、屈折率Ｎ１の物質側から屈折率Ｎ２の物質側に光が入射した場合の導波方向の成す角θ１２と屈折率比Ｎ２／Ｎ１との関係を示す図である。なお、導波方向の成す角θ１２は、図２６の構成では、第１導波路１２０１を光が導波する方向と、第２導波領域１２０２を光が導波する方向との成す角、図２８の構成では、第１導波路１４０１の方向と第２導波路１４０２の方向との成す角を示す。
【０３３９】
図３１において、図２８の構成を例にとると、第１導波路１４０１と第２導波路１４０２との屈折率比が０．９（例えば、第１導波路１４０１の屈折率が３．２１であるとすると、第２導波路１４０２の屈折率が２．８９）であるとすると、第１導波路１４０１と第２導波路１４０２との成す角θ１２は６度程度となる。このため、例えば、第２導波路１４０２の導波長が１０μｍであるとすると、第２導波路１４０２からの光の出射位置は第１導波路１４０１の延長線上から１μｍ程度ずれる。
【０３４０】
また、第１導波路１４０１と第２導波路１４０２との屈折率比が０．８になると、第１導波路１４０１と第２導波路１４０２との成す角θ１２は１２度程度、第１導波路１４０１と第２導波路１４０２との屈折率比が０．７になると、第１導波路１４０１と第２導波路１４０２との成す角θ１２は２０度程度、第１導波路１４０１と第２導波路１４０２との屈折率比が０．６になると、第１導波路１４０１と第２導波路１４０２との成す角θ１２は２８度程度、第１導波路１４０１と第２導波路１４０２との屈折率比が０．５になると、第１導波路１４０１と第２導波路１４０２との成す角θ１２は３７度程度となり、第１導波路１４０１の延長線上からのずれはさらに大きくなる。
【０３４１】
このため、第１導波路１４０１と第３導波路１４０３とを直線上に配置すると、光を効率よく導波させることができなくなるが、第１導波路１４０１と第２導波路１４０２との成す角θ１２および第２導波路１４０２の導波長に対応させて、第１導波路１４０１の延長線上から第３導波路１４０３をずらして配置することにより、光を効率よく導波させることが可能となる。
【０３４２】
なお、光の軌跡は進行方向が逆であっても同じであるので、Ｎ２＞Ｎ１の場合は、（３）式〜（５）式および（１２）式より明らかなように、Ｎ２とＮ１とを入れ替えて考えればよい。
【０３４３】
例えば、第１導波路１４０１および第３導波路１４０３の屈折率が３．１２、第２導波路１４０２の屈折率が１．５４で、第１導波路１４０１と第２導波路１４０２との屈折率比が０．４８であるとすると、第１導波路１４０１から第２導波路１４０２へのブリュースター角θＢは２５．６度、屈折角θ２は２５．６度となり、第１導波路１４０１と第２導波路１４０２との成す角θ１２は３８．８度となる。
【０３４４】
一方、第２導波路１４０２から第３導波路１４０３への場合は、（３）式〜（５）式および（１２）式より明らかなように、第１導波路１４０１と第２導波路１４０２との屈折率を入れ替えた場合に相当するので、ブリュースター角θＢは６４．４度、屈折角θ２は２５．６度となる。
【０３４５】
従って、図２８の第２導波領域１４０２の中点に対して点対称になるように、第１導波路１４０１および第３導波路１４０３を第２導波領域１４０２に接続することにより、各導波路間における反射を抑制しつつ、第１導波路１４０１と第３導波路１４０３との方向を互いに平行にすることが可能となる。このため、第１導波路１４０１と第３導波路１４０３とを同じ結晶方向に沿って作製することが可能となり、埋め込みヘテロ構造を持つ第１導波路１４０１および第３導波路１４０３を信頼性よく作製することができる。
【０３４６】
特に、図３１から判るように、第１導波路１４０１と第２導波路１４０２との屈折率比が０．４１程度の場合、第１導波路１４０１と第２導波路１４０２との成す角θ１２は４５度とすることができ、第１導波路１４０１と第３導波路１４０３との方向を互いに直交させることができる。
【０３４７】
なお、第１導波路１４０１および第３導波路１４０３が半導体以外の材料で構成した場合においても、本発明の原理は同じであるため、第１導波路１４０１と第３導波路１４０３との方向を互いに平行にすることが可能となる。
【０３４８】
次に、第１導波路１４０１の屈折率をＮ１、第２導波路１４０２の屈折率をＮ２とすると、入射面に平行な成分の反射率Ｒは以下の（１４）式で与えることができる。
Ｒ＝｜ｔａｎ（θ１−ｓｉｎ−１（Ｎ２／Ｎ１ｓｉｎθ１））／
ｔａｎ（θ１＋ｓｉｎ−１（Ｎ２／Ｎ１ｓｉｎθ１））｜２  ・・・（１４）
【０３４９】
図３２は、屈折率の異なる物質の接合面に光が入射した場合の入射角と入射面に平行な成分の反射率との関係を示す図である。なお、図３２の例では、第１導波路１４０１の屈折率をＮ１＝３．２１、第２導波路１４０２の屈折率をＮ２＝１．５４とした。
【０３５０】
図３２において、入射角θ１が増加するに従って、入射面に平行な成分の反射率Ｒは漸減し、入射角θ１がブリュースター角θＢ＝２５．６度に一致した時に反射率Ｒが０となる。そして、入射角θ１がブリュースター角θＢを超えると、入射面に平行な成分の反射率Ｒは急激に増加し、全反射角θＡ＝２８．７度に漸近する。
【０３５１】
なお、全反射角θＡは以下の（１５）式で与えることができる。
【０３５２】
θＡ＝ｓｉｎ−１（Ｎ２／Ｎ１）                              ・・・（１５）
ここで、反射率Ｒが小さくなる入射角θ１として、入射角θ１が０度の時の反射率Ｒの１／３になる場合を例にとると、ブリュースター角θＢの４／５の角度から、ブリュースター角θＢより全反射角θＡとブリュースター角θＢの差の２／３だけ大きい角度の範囲内とすることができる。すなわち、反射率Ｒが小さくなる入射角θ１は、以下の（１６）式により与えることができる。
【０３５３】
４θＢ／５≦θ１≦θＢ＋２／３（θＡ−θＢ）                ・・・（１６）
このように、入射角θ１、つまり、第１導波路１４０１における光の伝播方向に対する第１導波路１４０１と第２導波路１４０２との境界面１４０４との成す角をブリュースター角θＢに一致させることにより、境界面１４０４に平行な成分の反射率を０とすることができる。通常、導波路を伝播する光は、境界面に平行な成分のみを持つＴＥモードであるから、第１導波路１４０１を伝播する光は、境界面１４０４による損失を受けることなく、第２導波路１４０２に透過させることができる。また、入射角θ１を（１６）式で示される範囲に設定することにより、反射による損失を小さくすることができる。
【０３５４】
図３３は、本発明の第１９の実施例に係る集積光導波路の概略構成を示す平面図である。図３３において、半導体基板１６００には、第１導波路１６０１、第２導波路１６０２および第３導波路１６０３が形成され、第２導波路１６０２は、第１導波路１６０１と第３導波路１６０３との間に配置されている。ここで、第１導波路１６０１および第３導波路１６０３の屈折率は互いに等しくなるように設定することができる。また、第１導波路１６０１と第２導波路１６０２との屈折率は互いに異なるように設定することができ、第１導波路１４０１と第２導波路１４０２との屈折率比は０．４１程度とすることができる。
【０３５５】
また、第１導波路１６０１と第２導波路１６０２との境界面１６０４および第２導波路１６０２と第３導波路１６０３との境界面１６０５は、光の入射方向に対してブリュースター角をそれぞれ満たすように傾斜させることができる。
【０３５６】
これにより、第１導波路１６０１と第２導波路１６０２との成す角および第２導波路１６０２と第３導波路１６０３との成す角をそれぞれ４５度とすることができ、第１導波路１６０１と第３導波路１６０３との方向を互いに直交させることが可能となるとともに、第１導波路１６０１と第２導波路１６０２との境界面１６０４および第２導波路１６０２と第３導波路１６０３との境界面１６０５での反射を低減することが可能となる。このため、結晶構造から考えると、第１導波路１６０１および第３導波路１６０３に劈開面を形成する場合には、劈開面は平行でなくても、直交に配置することができる。
【０３５７】
図３４は、本発明の第４の実施例に係る集積光導波路の概略構成を示す平面図である。図３４において、半導体基板１７００には、第１導波路１７０１、第２導波路１７０２、第３導波路１７０３、第４導波路１７０４および第５導波路１７０５が形成されている。そして、第２導波路１７０２は、第１導波路１７０１と第３導波路１７０３との間に配置され、第４導波路１７０４は、第３導波路１７０３と第５導波路１７０５との間に配置されている。
【０３５８】
ここで、第１導波路１７０１、第３導波路１７０３および第５導波路１７０５の屈折率は互いに等しくなるように設定することができ、第２導波路１７０２および第４導波路１７０４の屈折率は互いに等しくなるように設定することができる。また、第１導波路１７０１と第２導波路１７０２との屈折率は互いに異なるように設定することができる。例えば、第１導波路１７０１、第３導波路１７０３および第５導波路１７０５は半導体材料で構成することができ、第２導波路１７０２および第４導波路１７０４は半導体以外の材料で構成することができる。
【０３５９】
また、第１導波路１７０１と第２導波路１７０２との境界面１７０６は、第１導波路１７０１の光の伝播方向に対して傾くように配置することができる。また、第２導波路１７０２と第３導波路１７０３との境界面１７０７は、第１導波路１７０１と第２導波路１７０２との境界面１７０６における光の屈折方向の延長線上に対して傾くように配置することができる。ここで、第１導波路１７０１と第２導波路１７０２との境界面１７０６における光の屈折方向の延長線上に対して、第２導波路１７０２と第３導波路１７０３との境界面１７０７を傾ける場合、第２導波路１７０２と第３導波路１７０３との境界面１７０６における光の屈折方向が第３導波路１７０３の光の伝播方向に一致するように設定することができる。
【０３６０】
さらに、第３導波路１７０３と第４導波路１７０４との境界面１７０８は、第３導波路１７０３の光の伝播方向に対して傾くように配置することができる。また、第４導波路１７０４と第５導波路１７０５との境界面１７０９は、第３導波路１７０３と第４導波路１７０４との境界面１７０８における光の屈折方向の延長線上に対して傾くように配置することができる。ここで、第３導波路１７０３と第４導波路１７０４との境界面１７０８における光の屈折方向の延長線上に対して、第４導波路１７０４と第５導波路１７０５との境界面１７０９を傾ける場合、第４導波路１７０４と第５導波路１７０５との境界面１７０９における光の屈折方向が第５導波路１７０５の光の伝播方向に一致するように設定することができる。
【０３６１】
例えば、これらの境界面１７０６〜１７０９の傾斜角はブリュースター角を満たすようにそれぞれ設定し、第２導波路１７０２の中点に対して点対称になるように、第１導波路１７０１および第３導波路１７０３を第２導波路１７０２に接続するとともに、第４導波路１７０４の中点に対して点対称になるように、第３導波路１７０３および第５導波路１７０５を第４導波路１７０４に接続することができる。
【０３６２】
これにより、これらの境界面１７０６〜１７０９での反射を低減することを可能としつつ、入力側の第１導波路１７０１および出力側の第５導波路１７０５とを一直線上に配置することが可能となり、導波路設計の自由度を向上させることができる。
【０３６３】
なお、図３４の第２０の実施例は、図２８の構成を折り返して配置するようにしたものであるため、第１導波路１７０１、第２導波路１７０２、第３導波路１７０３、第４導波路１７０４および第５導波路１７０５の材料および形状などは、上述した実施例で説明したものを使用することができる。
【０３６４】
また、図３４の構成をさらに複数個縦列接続するようにしてもよく、これにより、半導体とは異なる材料の導波領域を分布させて配置することが可能となり、半導体のみでは得られない新しい特性を有する光導波路を実現することが可能となる。
【０３６５】
図３５は、本発明の第５の実施例に係る集積光導波路の概略構成を示す平面図である。  図３５において、半導体基板１８００には、第１導波路１８０１、第２導波路１８０２および第３導波路１８０３が形成され、第２導波路１８０２は、第１導波路１８０１と第３導波路１８０３との間に配置されている。ここで、第１導波路１８０１および第３導波路１８０３の屈折率は互いに等しくなるように設定することができ、第１導波路１８０１と第２導波路１８０２との屈折率は互いに異なるように設定することができる。例えば、第１導波路１８０１および第３導波路１８０３は半導体材料で構成することができ、第２導波路１８０２は半導体以外の材料で構成することができる。
【０３６６】
また、第１導波路１８０１と第２導波路１８０２との境界面１８０４は、第１導波路１８０１の光の伝播方向に対して傾くように配置することができる。また、第２導波路１８０２と第３導波路１８０３との境界面１８０５は、第１導波路１８０１と第２導波路１８０２との境界面１８０４における光の屈折方向の延長線上に対して傾くように配置することができる。また、第１導波路１８０１と第３導波路１８０３は、同一直線上に配置するとともに、各境界面１８０４、１８０５における屈折方向に対応しつつ、第１導波路１８０１と第３導波路１８０３とを接続可能となるように、第２導波路１８０２を円弧状に折り曲げることができる。
【０３６７】
例えば、これらの境界面１８０４、１８０５の傾斜角はブリュースター角を満たすようにそれぞれ設定するとともに、第２導波路１８０２の中央線に対して線対称になるように、第１導波路１８０１および第３導波路１８０３を第２導波路１８０２に接続することができる。
【０３６８】
これにより、導波損失を抑制しつつ、屈折角による光線の曲がりを修正することが可能となるとともに、第３光導波路１８０３の位置を任意の場所に設定することが可能となり、導波路設計の自由度を向上させることができる。
【０３６９】
なお、図１０の第２１の実施例では、屈折角による光線の曲がりを修正するために、第２導波領域１８０２を曲がり導波路で構成する方法について説明したが、第１導波領域１８０１または第３導波領域１８０３を曲がり導波路で構成するようにしてもよい。
【０３７０】
また、図３５の第２１の実施例は、図２８の構成の変形例であるため、第１導波路１８０１、第２導波路１８０２および第３導波路１８０３の材料および形状などは、上述した実施例で説明したものを使用することができる。
【０３７１】
また、図３５の構成をさらに複数個縦列接続するようにしてもよく、これにより、半導体とは異なる材料の導波領域を分布させて配置することが可能となり、半導体のみでは得られない新しい特性を有する光導波路を実現することが可能となる。
【０３７２】
図３６は、本発明の第２２の実施例に係る集積光導波路の概略構成を示す断面図である。
【０３７３】
図３６において、半導体基板１９００には、第１導波路ＷＧ１、第２導波路ＷＧ２および第３導波路ＷＧ３が形成され、第２導波路ＷＧ２は、第１導波路ＷＧ１と第３導波路ＷＧ３との間に配置されている。ここで、第１導波路ＷＧ１および第３導波路ＷＧ３の屈折率は互いに等しくなるように設定することができ、第１導波路ＷＧ１と第２導波路ＷＧ２との屈折率は互いに異なるように設定することができる。例えば、第１導波路ＷＧ１および第３導波路ＷＧ３は半導体材料で構成することができ、第２導波路ＷＧ２は半導体以外の材料で構成することができる。
【０３７４】
また、第１導波路ＷＧ１と第２導波路ＷＧ２との境界面は、第１導波路ＷＧ１の光の伝播方向に対して傾くように配置することができる。また、第２導波路ＷＧ２と第３導波路ＷＧ３との境界面は、第１導波路ＷＧ１と第２導波路ＷＧ２との境界面における光の屈折方向の延長線上に対して傾くように配置することができる。ここで、第１導波路ＷＧ１と第２導波路ＷＧ２との境界面における光の屈折方向の延長線上に対して、第２導波路ＷＧ２と第３導波路ＷＧ３との境界面を傾ける場合、第２導波路ＷＧ２と第３導波路ＷＧ３との境界面における光の屈折方向が第３導波路ＷＧ３の光の伝播方向に一致するように設定することができる。また、第１導波路ＷＧ１および第３導波路ＷＧ３には、レーザダイオードが形成されている。
【０３７５】
すなわち、半導体基板１９００上には、コア層１９０１が積層され、コア層１９０１上には、半導体基板１９００と異なる導電型の上部クラッド層１９０２が積層されている。なお、半導体基板１９００および上部クラッド層１９０２としては、例えば、ＩｎＰ、コア層１９０１としては、例えば、ＧａＩｎＡｓＰを用いることができる。また、例えば、半導体基板１９０１をｎ型とし、上部クラッド層１９０２をｐ型とすることができる。
【０３７６】
そして、コア層１９０１および上部クラッド層１９０２が順次積層された半導体基板１９００をエッチング加工することにより、上部クラッド層１９０２、コア層１９０１および半導体基板１９００の上部を第１導波路ＷＧ１および第３導波路ＷＧ３の形状に成形する。そして、第１導波路ＷＧ１および第３導波路ＷＧ３の両側に埋め込み層１９０３、１９０５をそれぞれ成長させることにより、埋め込みヘテロ構造を形成する。なお、埋め込み層１９０３、１９０５としては、例えば、ＦｅドープされたＩｎＰ絶縁層を用いることができる。
【０３７７】
そして、第１導波路ＷＧ１と第３導波路ＷＧ３との間の上部クラッド層１９０２、コア層１９０１および半導体基板１９００の上部を、第１導波路ＷＧ１と第２導波路ＷＧ２との境界および第２導波路ＷＧ２と第３導波路ＷＧ３との境界にそれぞれ沿って除去する。そして、第２導波路ＷＧ２の形状に対応するようにして、ＢＣＢなどの有機材料を第１導波路ＷＧ１と第３導波路ＷＧ３との間に埋め込むことにより、第１導波路ＷＧ１と第３導波路ＷＧ３とに接続された第２導波路ＷＧ２を半導体基板１９００上に形成する。
【０３７８】
また、第１導波路ＷＧ１と第３導波路ＷＧ３の配置位置にそれぞれ対応して上部クラッド層１９０２上に電極１９０６、１９０７を形成するとともに、半導体基板１９００の裏面に電極１９０８を形成することにより、第１導波路ＷＧ１および第３導波路ＷＧ３にレーザダイオードをそれぞれ形成することができる。
【０３７９】
なお、図３６の第２２の実施例では、図２８の構造を例にとって電極１９０６〜１９０８を設ける方法について説明したが、上述した図２６または図３３〜図３５の構造に対して電極を設けるようにしてもよい。
【０３８０】
また、図３６の第２２の実施例では、電流を注入するための活性層を半導体導波路に設けた構造であるため、第１導波路ＷＧ１、第２導波路ＷＧ２および第３導波路ＷＧ３の材料および形状などは、上述した実施例で説明したものをそのまま適用することができる。
【０３８１】
さらに、例えば、半導体導波路部分に回折格子などを形成して波長選択性を付与するようにしてもよく、分布帰還型（ＤＦＢ）半導体レーザや分布反射器（ＤＢＲ）などを作製するようにしてもよい。
【０３８２】
また、第２導波路ＷＧ２として屈折率の温度係数が負の材料を用いれば、波長選択性により発振波長を単一とすることが可能となるとともに、温度によって波長が変わらないレーザを得ることができる。
【０３８３】
以上説明したように、本発明の第３の実施形態によれば、屈折率が互いに異なる材料を光導波領域間に挿入した場合においても、境界面における反射を抑制しつつ、導波方向の設計の自由度を向上させることが可能となり、集積光導波路作製時に劈開やエッチングや埋め込みなどに適した結晶方位を有効に活用することを可能として、半導体のみでは得られない新しい特性を有する光導波路および光デバイスを半導体基板上に安易に実現することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【０３８４】
以上説明したように、本発明によれば、半導体基板上において屈折率およびその温度依存性の異なる材料を伝搬領域および／または導波路領域に適用することによって、加工および集積化が容易で、半導体のみでは得られない新しい特性を有する光半導体素子および光半導集積回路を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０３８５】
【図１】本発明の第１の実施例に係る半導体レーザの構成を光導波方向に沿って示す断面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る半導体レーザの反射スペクトルおよび反射波の位相特性を示す図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る半導体レーザの発振波長の温度依存性の補償原理を説明する図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る半導体レーザの屈折率の温度係数差と発振波長温度依存性を説明する図である。
【図５】本発明の第２の実施例に係る半導体レーザの構成を光導波方向に沿って示す断面図である。
【図６】本発明の第３の実施例に係る半導体レーザの構成を光導波方向に沿って示す断面図である。
【図７】本発明の第４の実施例に係る半導体レーザの構成を光導波方向に沿って示す断面図である。
【図８】本発明の第５の実施例に係る半導体レーザの構成を光導波方向に沿って示す断面図である。
【図９Ａ】本発明の第６の実施例に係る半導体レーザの一構成方法を光導波方向に垂直に切断して示す断面図である。
【図９Ｂ】本発明の第６の実施例に係る半導体レーザの一構成方法を光導波方向に垂直に切断して示す断面図である。
【図９Ｃ】本発明の第６の実施例に係る半導体レーザの一構成方法を光導波方向に垂直に切断して示す断面図である。
【図９Ｄ】本発明の第６の実施例に係る半導体レーザの一構成方法を光導波方向に垂直に切断して示す断面図である。
【図９Ｅ】本発明の第６の実施例に係る半導体レーザの一構成方法を光導波方向に垂直に切断して示す断面図である。
【図１０】本発明の第７の実施例に係る集積光導波路の結合部の概略構成を示す斜視図である。
【図１１】図１０の光導波方向に沿ったＸＩ，ＸＩＩ−ＸＩ，ＸＩＩ線で切断した断面図である。
【図１２】本発明の第８の実施例に係る集積光導波路の結合部の概略構成を光導波方向に沿って示す断面図である。
【図１３】本発明の第９の実施例に係る集積光導波路の概略構成を光導波方向と直交する方向に沿って示す断面図である。
【図１４】本発明の第１０の実施例に係る集積光導波路の概略構成を光導波方向と直交する方向に沿って示す断面図である。
【図１５】図１１の集積光導波路の結合部における反射率を溝部Ａ６１の幅ｄ１と半導体板Ｂ６１の厚さｄ２との関係で示す図である。
【図１６】本発明の第１０の実施例に係る集積光導波路の概略構成を示す断面図である。
【図１７】本発明の第１１の実施例に係る集積光導波路の概略構成を示す断面図である。
【図１８】本発明の第１２の実施例に係る集積光導波路の結合部の概略構成を示す斜視図である。
【図１９】図１８の光導波方向に沿ったＸＩＸ，ＸＸ−ＸＩＸ，ＸＸ線で切断した切断図である。
【図２０】本発明の第１３の実施例に係る集積光導波路の結合部の概略構成を光導波方向に沿って示す断面図である。
【図２１】図１８の領域Ａ１３２、Ｂ１３２、Ｒ１３２で構成される光導波路の反射率と半導体板Ｂ１３２の厚さｄ４との関係を示す図である。
【図２２】図１８の溝部Ａ１３２の幅ｄ３と入射波長に対する反射率との関係を示す図である。
【図２３】本発明の第１４の実施例に係る集積光導波路の概略構成を示す断面図である。
【図２４】本発明の第１５の実施例に係る集積光導波路の概略構成を示す断面図である。
【図２５】本発明の第１６の実施例に係る集積光導波路の概略構成を示す断面図である。
【図２６】本発明の第１７の実施例に係る集積光導波路の概略構成を示す平面図である。
【図２７】図２６の第１導波領域１２０１の概略構成を示す断面図である。
【図２８】本発明の第１８の実施例に係る集積光導波路の概略構成を示す平面図である。
【図２９】図２８の第２導波路１４０２の概略構成を示す断面図である。
【図３０】屈折率の異なる物質の接合面に光が入射した場合の入射角と屈折角との関係を示す模式図である。
【図３１】屈折率の異なる物質を光が導波する場合の導波方向の成す角と屈折率比との関係を示す図である。
【図３２】屈折率の異なる物質の接合面に光が入射した場合の入射角と入射面に平行な成分の反射率との関係を示す図である。
【図３３】本発明の第１９の実施例に係る集積光導波路の概略構成を示す平面図である。
【図３４】本発明の第２０の実施例に係る集積光導波路の概略構成を示す平面図である。
【図３５】本発明の第２１の実施例に係る集積光導波路の概略構成を示す平面図である。
【図３６】本発明の第２２の実施例に係る集積光導波路の概略構成を示す斜視図である。
【符号の説明】
【０３８６】
１０１，２０１，３０１，４０１，５０１  半導体基板
１０２，２０２，３０２，４０８ａ，５０２  活性層
１０３，２０３，３０３，４０４，５０３  温度補償材料
１０４  活性層
１０５，２０５，３０５，４０５，５０５  電極
１０６，４０６  電極
１０７，２０７，３０７，４０７，５０７  裏面電極
１０８，２０８，３０８，５０８  反射防止膜
１０９，２０９  反射防止膜
１１０，２１０，３１０，４０８ｂ，５１０  クラッド層
１１１，２１１，３１２  除去領域
２０４，４０９ａ，４０９ｂ  半導体層
３１１，４１１，５１１  高反射膜
４０２  分布ブラッグ反射層
４０３  活性領域
５１２  反射鏡
６０１，６１１，６２１，６３１，６４１  半導体基板
６０２，６１２，６２２，６３２，６４２  バッファ層
６０３，６１３，６２３，６３３，６４３  光閉じ込め層
６０４，６１４，６２４，６３４，６４４  コア層
６０５，６１５，６２５，６４５  光閉じ込め層
６０６，６１６，６２６，６３６，６４６  キャップ層
６０７，６１７，６２７，６３７，６４７  埋め込み層
７０１，７１１，８０１，８１１，９０１，９１１，１００１，１０１１，１１０１，１２０１，１１１１  半導体基板
７０２ａ，７０２ｂ，７１２ａ，７１２ｂ，７１２ｃ，８０２ａ，８０２ｂ，８１２ａ，８１２ｂ，８１２ｃ，９０２，９１２ａ，９１２ｂ，９１２ｃ，９１２ｄ，９１２ｅ，１００２，１０１２ａ，１０１２ｂ，１０１２ｃ，１０１２ｄ，１０１２ｅ，１０１２ｆ，１１０２ａ，１１０２ｂ，１１０２ｃ，１１０２ｄ，１１１２ｂ，１１１２ｃ，１１１２ｄ，１１１２ｅ，１２０２ｂ，１２０２ｃ  コア層
７０３ａ，７０３ｂ，７１３ａ，７１３ｂ，７１３ｃ，８０３ａ，８０３ｂ，８１３ａ，８１３ｂ，８１３ｃ，９０３，９１３ａ，９１３ｂ，９１３ｃ，９１３ｄ，９１３ｅ，１０１３ａ，１０１３ｂ，１０１３ｃ，１０１３ｄ，１０１３ｅ，１０１３ｆ，１１０３ａ，１１０３ｂ，１１０３ｃ，１１０３ｄ，１１１３ａ，１１１３ｂ，１１１３ｃ，１１１３ｄ，１１１３ｅ、１１１３ｆ，１２０３ａ，１２０３ｂ，１２０３ｃ，１２０３ｄ  上部クラッド層
７０４ａ，７１４ａ，７１４ｂ，８０４ａ，８１４ａ，８１４ｂ，９１４ａ，９１４ｂ，９１４ｃ，９１４ｄ，１０１４ａ，１０１４ｂ，１０１４ｄ，１０１４ｅ，１１０４ａ，１１０４ｃ，１１１４ａ，１１１４ｂ，１１１４ｄ，１１１４ｅ，１２０４ａ，１２０４ｃ  溝
７０４ｂ，７１４ｃ，８０４ｂ，８１４ｃ  段差
７０５ａ，７１５ａ，７１５ｂ，９１５ａ，９１５ｂ，９１５ｃ，９１５ｄ  充填材料
７０５ｂ  光導波路材料
８０５ａ，８０５ｂ，８０７ａ，８０７ｂ，８１５ａ，８１５ｂ，８１５ｃ，８１７ａ，８１７ｂ，８１７ｃ，１００３，１０１５ａ，１０１５ｂ，１０１５ｃ，１０１５ｄ，１０１５ｅ，１０１７ａ，１０１７ｂ，１０１７ｃ，１０１７ｄ，１０１７ｅ，１１０５ａ，１１０５ｂ，１１０５ｃ、１１０７ａ，１１０７ｂ，１１０７ｃ，１１１５ａ，１１１５ｂ，１１１５ｃ，１１１５ｄ，１１１５ｅ，１１１７ａ，１１１７ｂ，１１１７ｃ，１１１７ｄ，１１１７ｅ，１２０５ａ，１２０５ｂ，１２０５ｃ，１２０７ａ，１２０７ｂ，１２０７ｃ  クラッド層
８０６ａ，８０６ｂ，８１６ａ，８１６ｂ，８１６ｃ，１０１６ａ，１０１６ｂ，１０１６ｃ，１０１６ｄ，１０１６ｄ，１０１６ｅ，１１０６ａ，１１０６ｂ，１１０６ｃ，１１１６ａ，１１１６ｂ，１１１６ｃ，１１１６ｄ，１１１６ｅ，１２０６ａ，１２０６ｂ，１２０６ｃ  コア層
９０４ａ，９０４ｂ  埋め込み層
１０１４ｃ，１１０４ｂ，１１１４ｃ，１２０４ｂ  凹部
１１１２ａ，１１１２ｆ，１２０２ａ，１２０２ｄ  活性層
１１１８ａ，１１１８ｂ，１２０８ａ，１２０８ｂ，１２０８ｃ  電極
１２００，１３００，１４００，１５００，１６００，１７００，１８００，１９００  半導体基板
１２０１，１２０３，１４０１，１４０２，１４０３，１６０１，１６０２，１６０３，１７０１，１７０２，１７０３，１７０４，１７０５，１８０１，１８０２，１８０３  導波路
１２０２  導波領域
１２０４，１２０５，１４０４，１４０５，１６０４，１６０５，１７０６，１７０７，１７０８，１７０９，１８０４，１８０５  境界面
１３０１，１５０１，１９０１  コア層
１３０２，１９０２  上部クラッド層
１３０３，１３０４，１９０３，１９０５  埋め込み層
１５０２  クラッド層
１９０６，１９０７  電極
Ａ６１，Ａ７１，Ａ１１１，Ａ１１２，Ａ１２１，Ａ１２２，Ａ１３１，Ａ１３２，Ａ１４１，Ａ１４２，Ａ１５１，Ａ１５２，Ａ１５３，Ａ１５４，Ａ１６１，Ａ１６２，Ａ１６３，Ａ１６４，Ａ１７１，Ａ１７２，Ａ７３，Ａ１７４  溝部
Ｂ６１，Ｂ７１，Ｂ１１１，Ｂ１１２，Ｂ１２１，Ｂ１２２，Ｂ１３１，Ｂ１３２，Ｂ１４１，Ｂ１４２，Ｂ１５１，Ｂ１５２，Ｂ１５３，Ｂ１５４，Ｂ１６１，Ｂ１６２，Ｂ１６３，Ｂ１６４，Ｂ１７１，Ｂ１７２，Ｂ１７３，Ｂ１７４  半導体板
Ｆ１  水平方向の光フィールド分布
Ｆ２  垂直方向の光フィールド分布
Ｒ１，Ｒ１１，Ｒ２１，Ｒ３１，Ｒ４１  利得領域
Ｒ２  利得領域
Ｒ３，Ｒ１３，Ｒ２２，Ｒ３２，Ｒ４２  伝搬領域
Ｒ１２  反射領域
Ｒ６１，Ｒ６２，Ｒ７１，Ｒ７２、Ｒ１１１，Ｒ１１２，Ｒ１１３，Ｒ１２１，Ｒ１２２，Ｒ１２３，Ｒ１３１，Ｒ１３２，Ｒ１４１，Ｒ１４２，Ｒ１５１，Ｒ１５２，Ｒ１６１，Ｒ１６２，Ｒ１６，Ｒ１７１，Ｒ１７２，Ｒ１７３  光導波路領域
ＷＧ１，ＷＧ２，ＷＧ３  導波路
【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９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図９Ｄ】
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【図９Ｅ】
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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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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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