(57)【要約】【課題】  簡単な構造で製作工程を少なくし、光結合損失を低減することができる光導波路デバイスを実現する。【解決手段】  基板上に形成された光導波路デバイスにおいて、光が入射する側の光導波路をリッジ型に形成し、入射した光が導波する光導波路をスラブ型に形成すると共にリッジ型からスラブ型に移行する途中の光導波路のメサ段差を段階的に薄くなるように形成した。【選択図】                    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成された光導波路デバイスにおいて、光が入射する側の光導波路をリッジ型に形成し、入射した光が導波する光導波路をスラブ型に形成すると共にリッジ型からスラブ型に移行する途中の光導波路のメサ段差を段階的に薄くなるように形成したことを特徴とする光導波路デバイス。
【請求項２】
前記光導波路のメサ段差は少なくとも２段であることを特徴とする請求項１記載の光導波路デバイス。
【請求項３】
前記光導波路デバイスのコア層をInGaAsP、クラッド層をInPとしたことを特徴とする請求項１記載の光導波路デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光導波路型光スイッチなどの光導波路型半導体光デバイスと、光ファイバ−、ガラス光導波路デバイス、レンズ集光系との光結合部における結合損失の改善を図った光導波路デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から光導波路型半導体光デバイスには、光スイッチ、レ−ザダイオ−ド、光アンプ、光変調器など多くの光デバイスがある。これらの光デバイスの光導波路の光の入出力端には、光ファイバ−、ガラス光導波路デバイス、レンズ集光系などが実装されている。
【０００３】
一般に、光ファイバ−やレンズ集光系などの光の入出力端のモ−ドフィ−ルドと光デバイスの光導波路を伝搬するモ−ドフィ−ルドとは大きく異なり、光の結合損失が生じる。また、光デバイスの光導波路を伝搬する光が光導波路入出力端から出射する放射角度が大きくなると、実装する光ファイバ−やレンズ集光系などの光入力端に入らずに漏れる光が生じて結合損失が増加する。
【０００４】
逆に、実装する光ファイバ−やレンズ集光系などの光出力端からの放射角度が大きい場合、光デバイスの光導波路入力端から光導波路の伝搬光とならずに漏れ光となり結合損失が生じる。
【０００５】
この光の結合損失を低減するには、従来、光デバイスの光導波路の光の入出力端のモ−ドフィ−ルドを実装する光ファイバ−やレンズ集光系などの光の入出力端のモ−ドフィ−ルドに近づけるため、また、光導波路から放射角を小さくするためのモ−ド変換部を形成する方法が提案されている。
【０００６】
このような光導波路から出射する光の放射角を小さくするためのモ−ド変換部を形成する先行文献として下記のものが知られている。
【０００７】
【非特許文献１】Koch・T．L．et・al．：Tapered・waveguide・InGaAs／InGaAsP・multiple−quantum−well・lasers．IEEE・Photonic．Tech．Lett．，2，pp．88−90（1990）．・
【非特許文献２】K．Kasaya・et・al．：Monolithically・integrated・DBR・lasers・with・simple・tapered・waveguide・for・lowloss・fiber・coupling．Electron．Lett．，29，pp．2067−2068（1993）．・
【非特許文献３】P．Doussiere・et・al．：Tapered・active・stripe・for・1．5μmInGaAsP／InP・strained・multiple・quantum・well・lasers・with・reduced・beam・divergence．Appl．Phys．Lett．，64，pp．539−541（1994）．
【非特許文献４】I．F．Lealman・et・al．：1．56μm・InGaAsP／InP・tapered・active・layer・multiquantum・well・laser・with・improved・coupling・to・cleaved・singlemode・fiber．Electron．Lett．，30，pp．857−859（1994）．
【非特許文献５】H．Kobayashi・et・al．：Tapered・thickness・MQW・waveguide・BH・MQW・lasers．IEEE・Photon．Tech．Lett．，6，pp．1080−1081（1994）．
【非特許文献６】Xuejin・Yan・Masanovic，M．L．Skogen，E．J．Hu，Z．Blumenthal，D．J．Coldren，L．A．，IEEE・Photonics・Technology・Letters，14，1249−1251（2002）．
【０００８】
図３（ａ〜ｄ）は模式的に示した光導波路端の導波路構造で、（ａ）は上述の非特許文献１に開示され、（ｂ）は上述の非特許文献２，３，４に開示され、（ｃ）は上述の非特許文献５に開示され、（ｄ）は上述の非特許文献６に開示された技術であり、いずれも屈折率の高いコア部の断面を端面付近で小さくする構成となっている。
【０００９】
図４（ａ）はスポットサイズが小さく放射角の大きな通常のレーザの構成を示し、図４（ｂ）はスポットサイズが大きく放射角の小さなレーザの構成を示している。また、図４（ｃ）は図４（ａ，ｂ）のレーザを組み合わせて光閉じ込めを弱くして、光導波路端面付近でモ−ドフィ−ルド（スポット）を拡大して放射角度を小さくした状態を示している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところで、図３（ａ〜ｄ）に示すような構造を実際に製作する場合は、屈折率の高いコア部の構造（厚さや幅）を屈折率の低い部分内で変化させなければならない。この製作には、コア部のエッチング加工とその後の埋め込みのための結晶成長、また、部分的にマスク（SiO2膜など）を形成した基板上への選択結晶成長など複雑な工程が必要であった。
【００１１】
例えば、上述の非特許文献６（図３ｄ）では、コア部の層まで結晶成長した後、まず、マスクを形成してマスクのないエッチング領域の広さにより化学エッチング速度が異なることを利用し、コア層のエッチング量（深さ）を変化してコア層厚さがテ−パ状になるように加工する。
【００１２】
次に、同じマスクを利用してコア層より屈折率の小さい層の再成長を行う。この時、マスク幅の狭い領域ほど成長速度が大きくなり厚い再成長層が形成される。最後に光導波路形状に加工する。これらの工程は選択成長としての再成長を含む複雑な工程で、マスク形状に依存するエッチング速度・エッチング表面の粗さ、このエッチング表面に再成長する場合のマスク形状に依存する成長速度・組成を再現性よく制御しなければならないという問題があった。
【００１３】
従って本発明が解決しようとする課題は、光ファイバ−、ガラス光導波路デバイス、レンズ集光系などと半導体光導波路との光結合において、光結合損失を低減するため考えられていた種々の従来方法の基となる原理（光導波路の光の入出力端のモ−ドフィ−ルドを実装する光ファイバ−やレンズ集光系などの光の入出力端のモ−ドフィ−ルドに近づけるため、また、光導波路から放射角を小さくするためのモ−ド変換部を形成する方法）とは異なる原理を用いて、複雑な構造、製作工程をなくした光結合損失を低減する方法を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１，２記載の発明は、
基板上に形成された光導波路デバイスにおいて、光が入射する側の光導波路をリッジ型に形成し、入射した光が導波する光導波路をスラブ型に形成すると共にリッジからスラブ型に移行する途中の光導波路のメサ段差を２段以上として段階的に薄くなるように形成し、
請求項３記載の発明は、前記光導波路デバイスのコア層をInGaAsPクラッド層をInPとした。
【発明の効果】
【００１５】
以上説明したことから明らかなように、本発明によれば次のような効果がある。
請求項１及び２記載の発明によれば、光が入射する側をリッジ型に形成し、光が出射する側をスラブ型に形成すると共にリッジからスラブ型に移行する途中の光導波路のメサ段差を２段以上として段階的に薄くなるようにし、光導波路デバイスのコア層をInGaAsPクラッド層をInPとしたので、光の入射側では横方向の光閉じ込めが強く光導波路から横方向に放射される光強度が小さい。そのため、スラブ型光導波路を伝搬する光強度が増えることとなり、光結合での結合損失を小さくすることができ、伝搬する光のモ−ドを単一モ−ドにすることができる。
また、複雑な構造、製作工程をなくした光結合損失を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下本発明を図面を用いて詳細に説明する。
はじめに本発明の前提となる基板上に形成されたスラブ型とリッジ型の光導波路の構成と光の強度分布について説明する。
【００１７】
図５（ａ〜ｅ）は光導波路層としてInGaAsP層をコア層にもつスラブ型光導波路の構成と特性を示す図である。これらの図において、図５（ａ）はスラブ型光導波路の斜視図であり、InP基板１上にコア層としてのInGaAsP層２を挟んでクラッド層としてのInP層３、及びInPからなる光案内部４が形成されている。
【００１８】
図５（ｂ）は図５（ａ）のａ−ａ断面図、図５（ｃ）は光導波路を伝搬する光の強度分布計算結果を示す図である。
図５（ｄ，ｅ）は光導波路のシミュレ−ション計算結果を示すもので、光ファイバ−から出射された光を集光して、このスラブ型光導波路端面に入射する場合、光導波路入射直後に光導波路に閉じ込められない放射光の存在により、一点差線で囲ったＭ，Ｎ部分に見られるように光導波路を伝搬する光強度が大きく低下することが分かる。図５（ｄ，ｅ）においてコア層内の光強度は1.0から0.5程度まで低下し、導波路光の光強度は1.0から0.4程度まで低下している。
【００１９】
ここで、図５（ｄ）はスラブ型光導波路のファイバ出射光の光入射（Z=0）と伝搬（Z軸方向）する導波路光の光強度分布と変化：Top  view（XZ平面）を示し、図５（ｅ）は導波路断面（YZ：図５ｂの（ｂ−ｂ’）断面）を示している。
【００２０】
図６（ａ〜ｅ）は同じ材料系で構成したリッジ型光導波路である。これらの図において、図（ａ）はリッジ型光導波路の斜視図であり、InP基板１上にコア層としてInGaAsP層２を挟んでクラッド層としてのInP層３、及びInPからなる光案内部４が形成されている。
この例では、InGaAsP層のコア層２まで光導波路がエッチングされ、光導波路部とそれ以外の横方向（X軸方向）の屈折率差がスラブ型光導波路より大きくなるため、横方向の光閉じ込めが強くなる。
【００２１】
図６（ｂ）は図６（ａ）のａ−ａ’断面図、図６（ｃ）は光導波路を伝搬する光の強度分布計算結果を示す図である。
図５（ｃ）と図６（ｃ）の比較から横方向光閉じ込めがリッジ型光導波路で強くなっていることが分かる。
図６（ｄ，ｅ）は光導波路シミュレ−ション計算結果を示す図である。これらの図で示されるように、光ファイバ−から出射された光を集光して、このリッジ型光導波路端面に入射する場合、スラブ型光導波路より横方向の光閉じ込めが強くなっているため一点差線で囲ったＭ，Ｎ部分に見られるように、光導波路から横方向に放射される光強度が小さくなって、光導波路を伝搬する光強度が増えていることが分かる。図６（ｄ，ｅ）においてコア層内の光強度は1.0から0.3程度、導波路光の光強度は1.0から0.2程度の低下にとどまっている。
【００２２】
図１は本発明の実施形態の一例を示すもので、光が入射する半導体光導波路付近の領域を光閉じ込めが強いリッジ型光導波路構造（一点差線Ｇで囲った部分）として、その後光が伝搬する光導波路をスラブ型光導波路構造（一点差線Ｈで囲った部分）とする。そのつなぎ部分は、この例ではコア層としてのInGaAsP層２ａを多段階（図１（ａ）の斜視構造図では６階、図１（ｂ）の計算に用いた構造では８階）にエッチングして形成した構造としている。
【００２３】
図１（ｂ）は多段階にエッチングしたInGaAsP層の部分であり、図１（ａ）のａ−ａ’断面構造を示している。図１（ｃ）は光導波路シミュレ−ション計算結果である。図１（ｃ）に示すように光はリッジ型に形成された光導波路端面に入射するので一点差線で囲ったＮ部分に見られるように横方向の光閉じ込めが強く光導波路から横方向に放射される光強度が小さい。このため、スラブ型光導波路を伝搬する光強度が増えることとなる。言い換えれば、光結合での結合損失を小さくすることができる。
【００２４】
図２（ａ〜ｃ）は他の実施例を示すもので、InGaAsP層の多段階エッチング（図１ａ）の段数を２段とした状態を示している。図２ｂは図２（ａ）のａ−ａ’断面図、図２（ｃ）は光導波路シミュレ−ション計算結果である。
図２（ｃ）に示すように光はリッジ型に形成された光導波路端面に入射するので一点差線で囲ったＮ部分に見られるように横方向の光閉じ込めが強く光導波路から横方向に放射される光強度が小さくなる。従って、スラブ型光導波路を伝搬する光強度が増えることとなる。言い換えれば、光結合での結合損失を小さくすることができる。
【００２５】
本発明の光導波路デバイスによれば構造を簡略化して製作プロセスを更に容易にする場合でも結合損失の低減に対し大きな改善効果が得られる（２段でも効果が得られる）。即ち、スラブ型光導波路部では光閉じ込めが弱いため、光導波路を伝搬する光のモ−ドを0次（単一モ−ド）にすることが比較的容易である。
【００２６】
また、スラブ型光導波路のエッチングは上部InP層のみであり、エッチング深さは〜0.5μ程度と浅く形成することが出来る。一方、リッジ型光導波路部はInGaAsP層までエッチングする必要があり、エッチング深さは通常＞1μｍと深くなるが、光結合部であるため、他の機能を持たせるような構造はこの部分に形成されない（リッジ型の部分は光結合部としての機能を持たせる以外には使用しない）。スラブ型光導波路部分はエッチング段差が小さいため、段差の平坦化等が容易である（スラブ型光導波路部は平坦化がやさしいので他の機能を持った構成が容易に形成できる）。
【００２７】
また、本発明の光導波路デバイスによれば、光ファイバ−、ガラス光導波路デバイス、レンズ集光系などと光導波路を有する素子との光結合に際し、光が入射する光導波路領域の光閉じ込めが強くなる構造としたので、光入射後直ぐに放射される光の強度を低減して光結合損失を低減できる。また、光閉じ込めの強い光導波路に続く光導波路構造を光閉じ込めを弱くした光導波路とすることにより、伝搬する光のモ−ドを単一モ−ドにすることができる。
【００２８】
なお、本発明の光導波路デバイスの適用例として、光ファイバ−、ガラス光導波路デバイス、レンズ集光系など結合するデバイスを半導体光導波路をもつデバイスとしたが、半導体以外の材料で作られる光導波路を有するデバイスでも同様に本発明を適用して、光結合損失の低減が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明に係る光導波路デバイスの一実施例を示す断面図である。
【図２】本発明に係る光光導波路デバイスの他の実施例を示す断面図である。
【図３】従来例を示す説明図である。
【図４】従来例を示す説明図である。
【図５】従来例を示す説明図である。
【図６】従来例を示す説明図である。
【符号の説明】
【００３０】
１  基板
２  ２ａ  コア層（ＩｎＧａＡｓＰ層）
３  クラッド層（ＩｎＰ層）
４  光案内部
【図３】
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【図４】
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【図１】
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【図２】
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【図５】
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【図６】
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