(57)【要約】【課題】導波路の斜め端面による端面反射率の低減効果を得ながらも、半導体光素子の導波路に入射するビームの方向或いは導波路から出射するビームの方向を、劈開端面とは独立に設計可能にした半導体光素子および光モジュールを提供する。【解決手段】半導体レーザ１０はハイメサ型の導波路１２を有する。導波路１２は、劈開端面１６とは異なる斜め端面１７を出射端面として有する。斜め端面１７による端面反射率を低減できると共に、斜め端面１７から出射する出射ビーム２１の方向を、劈開端面１６とは独立に設計できる。出射ビーム２１が劈開端面１６に対して垂直に出射されるようにしている。このため、半導体光素子の出射ビームを光ファイバや他の導波路などに結合しようとする場合、半導体レーザ１０を斜めに傾けてサブマウントに配置するなどの工夫をする必要が無い。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に形成された導波路を有する半導体光素子において、
前記導波路が劈開端面以外の端面を入射端面あるいは出射端面として有し、前記端面が劈開端面とは異なる方向を向いている斜め端面であることを特徴とする半導体光素子。
【請求項２】
前記導波路が半導体レーザの導波路であり、
前記導波路の出射端面が前記劈開端面とは異なる端面で、かつ前記劈開端面とは異なる方向を向いている斜め端面であり、
前記斜め端面から出射するビームの方向が前記劈開端面に対して垂直となっていることを特徴とする請求項１に記載の半導体光素子。
【請求項３】
前記半導体基板上に前記導波路が複数個アレイ状に設けられ、半導体レーザアレイとして構成されたことを特徴とする請求項２に記載の半導体光素子。
【請求項４】
前記導波路の出射部分にスポットサイズ変換器が集積され、該スポットサイズ変換器の出射端面が前記斜め端面となっていることを特徴とする請求項２又は３に記載の半導体光素子。
【請求項５】
前記導波路が導波路型の半導体受光素子の導波路であり、
前記導波路の入射端面が前記劈開端面とは異なる端面で、かつ前記劈開端面とは異なる方向を向いている斜め端面であり、
前記斜め端面に入射するビームの方向が前記劈開端面に対して垂直となっていることを特徴とする請求項１に記載の半導体光素子。
【請求項６】
前記半導体基板上に前記導波路が複数個アレイ状に設けられ、半導体受光素子アレイとして構成されたことを特徴とする請求項５に記載の半導体光素子。
【請求項７】
前記導波路の入射部分にスポットサイズ変換器が集積され、該スポットサイズ変換器の入射端面が前記斜め端面となっていることを特徴とする請求項５又は６に記載の半導体光素子。
【請求項８】
前記導波路が、入射光に所望の光学的或いは電気光学的作用を与える半導体導波路素子の導波路であり、
前記導波路の入射端面および出射端面がそれぞれ、前記劈開端面とは異なる端面で、かつ前記劈開端面とは異なる方向を向いている斜め端面であり、
前記入射端面である前記斜め端面に入射するビームの方向が前記劈開端面に対して垂直となっており、かつ前記出射端面である前記斜め端面から出射するビームの方向が前記劈開端面に対して垂直となっていることを特徴とする請求項１に記載の半導体光素子。
【請求項９】
前記半導体基板上に複数本の前記導波路がアレイ状に設けられ、半導体導波路素子アレイとして構成されたことを特徴とする請求項８に記載の半導体光素子。
【請求項１０】
前記導波路の入射部分および出射部分のそれぞれにスポットサイズ変換器が集積され、前記入射部分に集積された前記スポットサイズ変換器の入射端面が前記斜め端面となっており、かつ前記出射部分に集積された前記スポットサイズ変換器の出射端面が前記斜め端面となっていることを特徴とする請求項８又は９に記載の半導体光素子。
【請求項１１】
請求項１乃至１０のいずれか一つに記載の半導体光素子を備え、
前記導波路に入射するビームあるいは前記導波路から出射するビームを、光学部品を介して光ファイバまたは光ファイバアレイに結合させたことを特徴とする光モジュール。
【請求項１２】
請求項１乃至１０のいずれか一つに記載の半導体光素子を備え、
前記半導体基板の端面と、光導波路を含む平面光波回路が形成された平面光波回路チップの端面とを突合せて、前記導波路に入射するビームあるいは前記導波路から出射するビームを、前記平面光波回路チップの光導波路に光結合させたことを特徴とする光モジュール。
【請求項１３】
請求項１乃至１０のいずれか一つに記載の半導体光素子を備え、
前記半導体基板の端面と、光ファイバまたは光ファイバアレイとを突合せて、前記導波路に入射するビームあるいは前記導波路から出射するビームを、光ファイバまたは光ファイバアレイに光結合させたことを特徴とする光モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体光素子および光モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
インジウム燐(InP)、ガリウム砒素（GaAs）などの半導体基板上に作製された半導体光素子、特に、端面発光型の半導体レーザ、導波路型の半導体光増幅器、導波路型の半導体受光素子といった端面受発光半導体光素子では、半導体基板の劈開性を利用して、デバイスの入出射端面として劈開端面を使用することが多い。典型的には、劈開面に垂直な方向に導波路を形成するため、このような導波路端面での反射率は半導体と外部雰囲気の屈折率で決定される。半導体の屈折率が典型的には３程度であるので、外部雰囲気が空気の場合（屈折率〜１）の劈開端面反射率はおおよそ３０％程度であり、劈開端面自体をそのまま反射鏡として使用することもある。また、端面にコーティング膜を形成して低反射端面や高反射端面として使用することもある。端面反射率を低減するコーティング膜以外の方法として、非特許文献１にあるように、半導体光素子の導波路方向を劈開端面と垂直な方向から意図的にずらす方法がある。こうすることにより、図９（Ａ）に示すように、半導体光素子１００の導波路１０１に対して劈開端面１０２が斜めになり、この劈開端面（斜め劈開端面）１０２での反射光が再び導波路１０１に結合しにくくなるために等価的な反射率を低減することが可能である。半導体光素子の用途によっては、端面反射率を極力抑えたい場合があり、無反射コーティング膜と斜め劈開端面を併用することも多い。斜め劈開端面１０２を使用した場合、図９（Ａ）に示すように、導波路１０１から出射するビーム１０３は、劈開端面１０２に対して垂直に出射せず、斜めに傾いた方向に出射する。外部雰囲気が空気の場合、半導体と空気の屈折率の違いに起因する屈折現象により、ビーム１０３の出射角度は、劈開端面１０２に対する導波路１０１の角度の約３倍程度傾いて出射されることになる。
【非特許文献１】A. J. Collar他 “Low residual reflectivity of angled-facet semiconductor laser amplifiers,” IEEE Photonics Technology Letters, Volume 2, Issue 8, pp. 553 - 555, 1990.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記非特許文献１に開示されているような半導体光素子１００の出射ビーム１０３を、図９（Ｂ）に示すように、光ファイバ１０４や他の導波路などに結合しようとする場合、半導体と空気の間での屈折角を考慮に入れてあらかじめ半導体光素子１００を斜めに傾けてサブマウント１０５に配置するなどの工夫が必要であった。しかし、設計通りの角度になるように精度良く斜めに傾けて半導体光素子１００をサブマウント１０５に配置するためには特殊なボンディング装置が必要であったり、サブマウント１０５に角度マーカーを入れるなどの加工上の工夫が必要であったりした。また、導波路１０１の出射端面１０１ａとサブマウント１０５端面の相対位置の精度を出すのが困難であるなどの問題があった。
【０００４】
また、図９（Ｃ）に示すように、半導体光素子がアレイ状に並んだ光半導体アレイ素子１１０では、サブマウント１０５端面の線上に対して、光半導体アレイ素子１１０の各出射端面１１０ａの位置が各半導体光素子ごとで徐々にずれていくため、光ファイバや導波路、レンズといった光学部品（図９（Ｃ）では光ファイバアレイ１２０の先端）とサブマウント１０５が干渉してしまって、光半導体アレイ素子１１０の各半導体光素子と光学部品とのギャップを一定に保てないという問題があった。あるいは、ギャップを一定に保つためには、先端位置が徐々にずれた光ファイバアレイといった特殊な光学部品が必要であるなど、光モジュールを作製することが極めて困難であった。
【０００５】
本発明は、このような従来の問題点に鑑みて為されたもので、その目的は、導波路の斜め端面による端面反射率の低減効果を得ながらも、半導体光素子の導波路に入射するビームの方向或いは導波路から出射するビームの方向を、劈開端面とは独立に設計可能にした半導体光素子および光モジュールを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明に係る半導体光素子は、半導体基板上に形成された導波路を有する半導体光素子において、前記導波路が劈開端面以外の端面を入射端面あるいは出射端面として有し、前記端面が劈開端面とは異なる方向を向いている斜め端面であることを特徴とする。
【０００７】
この構成によれば、斜め端面による端面反射率を低減できると共に、斜め端面に入射するビームの方向或いは斜め端面から出射するビームの方向を、劈開端面とは独立に設計できる。従って、導波路の斜め端面による端面反射率の低減効果を得ながらも、半導体光素子の導波路に入射するビームの方向或いは導波路から出射するビームの方向を、劈開端面とは独立に設計可能な半導体光素子が得られる。
【０００８】
ここで、「半導体光素子」は、端面発光型の半導体レーザおよび導波路型の半導体受光素子を含む他、半導体光増幅器（Semiconductor Optical Amplifier, SOA）、電界吸収（Electro-Absorption, EA）型変調器、マッハ・ツェンダ(Mach-Zehnder, MZ)型変調器などの半導体導波路素子を含む意味で用いる。
【０００９】
請求項２に記載の発明に係る半導体光素子は、前記導波路が半導体レーザの導波路であり、前記導波路の出射端面が前記劈開端面とは異なる端面で、かつ前記劈開端面とは異なる方向を向いている斜め端面であり、前記斜め端面から出射するビームの方向が前記劈開端面に対して垂直となっていることを特徴とする。
【００１０】
この構成によれば、斜め端面から出射するビームが劈開端面に対して垂直となっているので、半導体光素子の出射ビームを光ファイバや他の導波路などに光結合する場合、上記従来技術のようにあらかじめ半導体光素子を斜めに傾けてサブマウントに配置するなどの工夫をする必要が無い。また、上記従来技術では、設計通りの角度になるように精度良く斜めに傾けて光素子をサブマウントに配置するためには特殊なボンディング装置が必要であったが、サブマウントに角度マーカーを入れるなどの加工上の工夫もする必要が無い。従って、半導体光素子の導波路の出射端面である斜め端面とサブマウント端面の相対位置の精度を出すのが容易になる。
【００１１】
請求項３に記載の発明に係る半導体光素子は、前記半導体基板上に前記導波路が複数個アレイ状に設けられ、半導体レーザアレイとして構成されたことを特徴とする。
【００１２】
この構成によれば、アレイ状に設けられた複数個の導波路の各斜め端面（各出射端面）と劈開端面との距離（ギャップ）が一定になる。このため、半導体レーザアレイの各導波路の出射端面を、光ファイバアレイや平面光波回路の複数の光導波路に光結合させる際に、上記従来技術のように上記ギャップを一定にするための特殊な光学部品や作業が不要になる。
【００１３】
請求項４に記載の発明に係る半導体光素子は、前記導波路の出射部分にスポットサイズ変換器が集積され、該スポットサイズ変換器の出射端面が前記斜め端面となっている特徴とする。
【００１４】
この構成によれば、導波路の出射部分にスポットサイズ変換器が集積され、このスポットサイズ変換器の出射端面が斜め端面となっている。このため、半導体レーザ或いは半導体レーザアレイにおいて、導波路の斜め端面から出射される出射ビームと、平面光波回路の光導波路や光ファイバなどの光学部品との結合効率を向上させることができる。
【００１５】
請求項５に記載の発明に係る半導体光素子は、前記導波路が導波路型の半導体受光素子の導波路であり、前記導波路の入射端面が前記劈開端面とは異なる端面で、かつ前記劈開端面とは異なる方向を向いている斜め端面であり、前記斜め端面に入射するビームの方向が前記劈開端面に対して垂直となっていることを特徴とする。
【００１６】
この構成によれば、斜め端面に入射するビームが劈開端面に対して垂直となっているので、半導体受光素子の入射ビームを光ファイバや他の導波路などに光結合する場合、上記従来技術のようにあらかじめ半導体光素子を斜めに傾けてサブマウントに配置するなどの工夫をする必要が無い。また、上記従来技術では、設計通りの角度になるように精度良く斜めに傾けて光素子をサブマウントに配置するためには特殊なボンディング装置が必要であったが、サブマウントに角度マーカーを入れるなどの加工上の工夫もする必要が無い。従って、半導体受光素子の導波路の入射端面である斜め端面とサブマウント端面の相対位置の精度を出すのが容易になる。
【００１７】
請求項６に記載の発明に係る半導体光素子は、前記半導体基板上に前記導波路が複数個アレイ状に設けられ、半導体受光素子アレイとして構成されたことを特徴とする。
【００１８】
この構成によれば、アレイ状に設けられた複数個の導波路の各斜め端面（各入射端面）と劈開端面との距離（ギャップ）が一定になる。このため、半導体受光素子アレイの各導波路の入射端面を、光ファイバアレイや平面光波回路の複数の光導波路に光結合させる際に、上記従来技術のように上記ギャップを一定にするための特殊な光学部品や作業が不要になる。
【００１９】
請求項７に記載の発明に係る半導体光素子は、前記導波路の入射部分にスポットサイズ変換器が集積され、該スポットサイズ変換器の入射端面が前記斜め端面となっていることを特徴とする。
【００２０】
この構成によれば、導波路の入射部分にスポットサイズ変換器が集積され、このスポットサイズ変換器の入射端面が斜め端面となっている。このため、半導体受光素子或いは半導体受光素子アレイにおいて、導波路の斜め端面から入射される入射ビームと、平面光波回路の光導波路や光ファイバなどの光学部品との結合効率を向上させることができる。
【００２１】
請求項８に記載の発明に係る半導体光素子は、前記導波路が、入射光に所望の光学的或いは電気光学的作用を与える半導体導波路素子の導波路であり、前記導波路の入射端面および出射端面がそれぞれ、前記劈開端面とは異なる端面で、かつ前記劈開端面とは異なる方向を向いている斜め端面であり、前記入射端面である前記斜め端面に入射するビームの方向が前記劈開端面に対して垂直となっており、かつ前記出射端面である前記斜め端面から出射するビームの方向が前記劈開端面に対して垂直となっていることを特徴とする。
【００２２】
この構成によれば、半導体導波路素子の導波路の入射端面および出射端面とサブマウント端面の相対位置の精度を出すのが容易になる。ここで、「半導体導波路素子」は、半導体光増幅器（SOA）、電界吸収（EA）型やマッハ・ツェンダ(MZ)型変調器などを含む意味で用いる。
【００２３】
請求項９に記載の発明に係る半導体光素子は、前記半導体基板上に複数本の前記導波路がアレイ状に設けられ、半導体導波路素子アレイとして構成されたことを特徴とする。
【００２４】
この構成によれば、アレイ状に設けられた複数個の導波路の各斜め端面（各出射端面）と劈開端面との距離（ギャップ）が一定になる。このため、半導体光増幅器アレイ或いは電界吸収型変調器アレイ或いはマッハ・ツェンダ型変調器アレイの各導波路の入射端面および出射端面を、光ファイバアレイや平面光波回路の複数の光導波路に光結合させる際に、上記従来技術のように上記ギャップを一定にするための特殊な光学部品や作業が不要になる。
【００２５】
請求項１０に記載の発明に係る半導体光素子は、前記導波路の入射部分および出射部分のそれぞれにスポットサイズ変換器が集積され、前記入射部分に集積された前記スポットサイズ変換器の入射端面が前記斜め端面となっており、かつ前記出射部分に集積された前記スポットサイズ変換器の出射端面が前記斜め端面となっていることを特徴とする。
【００２６】
この構成によれば、半導体光増幅器、電界吸収型変調器、マッハ・ツェンダ型変調器などの半導体導波路素子或いは半導体導波路素子アレイにおいて、導波路の入射端面である斜め端面から入射される入射ビームと、平面光波回路の光導波路や光ファイバなどの光学部品との結合効率、および導波路の出射端面である斜め端面から出射される出射ビームと、前記光学部品との結合効率を向上させることができる。
【００２７】
請求項１１に記載の発明に係る半導体光素子は、請求項１乃至１０のいずれか一つに記載の半導体光素子を備え、前記導波路に入射するビームあるいは前記導波路から出射するビームを、光学部品を介して光ファイバまたは光ファイバアレイに結合させたことを特徴とする。
【００２８】
この構成によれば、導波路の斜め端面による端面反射率の低減効果を得ながらも、半導体光素子の導波路に入射するビームの方向或いは導波路から出射するビームの方向を、劈開端面とは独立に設計可能な光モジュール得られる。
【００２９】
請求項１２に記載の発明に係る半導体光素子は、  請求項１乃至１０のいずれか一つに記載の半導体光素子を備え、前記半導体基板の端面と、光導波路を含む平面光波回路が形成された平面光波回路（PLC）チップの端面とを突合せて、前記導波路に入射するビームあるいは前記導波路から出射するビームを、前記平面光波回路チップの光導波路に光結合させたことを特徴とする。
【００３０】
この構成によれば、導波路の斜め端面による端面反射率の低減効果を得ながらも、半導体光素子の導波路に入射するビームの方向或いは導波路から出射するビームの方向を、劈開端面とは独立に設計可能な光モジュール得られる。
【００３１】
請求項１３に記載の発明に係る半導体光素子は、請求項１乃至１０のいずれか一つに記載の半導体光素子を備え、前記半導体基板の端面と、光ファイバまたは光ファイバアレイとを突合せて、前記導波路に入射するビームあるいは前記導波路から出射するビームを、光ファイバまたは光ファイバアレイに光結合させたことを特徴とする。
【００３２】
この構成によれば、導波路の斜め端面による端面反射率の低減効果を得ながらも、半導体光素子の導波路に入射するビームの方向或いは導波路から出射するビームの方向を、劈開端面とは独立に設計可能な光モジュール得られる。
【発明の効果】
【００３３】
本発明によれば、導波路の斜め端面による端面反射率の低減効果を得ながらも、半導体光素子の導波路に入射するビームの方向或いは導波路から出射するビームの方向を、劈開端面とは独立に設計可能にした半導体光素子を実現できる。
【００３４】
また、本発明によれば、導波路の斜め端面による端面反射率の低減効果を得ながらも、半導体光素子の導波路に入射するビームの方向或いは導波路から出射するビームの方向を、劈開端面とは独立に設計可能にした光モジュールを実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
本発明を具体化した各実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各実施形態の説明において同様の部位には同一の符号を付して重複した説明を省略する。
【００３６】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態に係る半導体光素子としての端面発光型の半導体レーザ（Laser Diode, LD）１０を図１、図２（Ａ）および図２（Ｂ）に基づいて説明する。図１は半導体レーザ１０の平面図、図２（Ａ）は半導体レーザ１０の概略構成を示す断面図、図２（Ｂ）は図１に示す半導体レーザ１０の斜め端面付近のＡ−Ａ´線に沿った断面図である。
【００３７】
この半導体レーザ１０は、図２（Ａ）に示すように、ＩｎＰ基板１１と、ＩｎＰ基板１１上に形成されたハイメサ型の導波路１２とを備える。ＩｎＰ基板１１に代えてＧａＡｓなどの基板を用いてもよい。
【００３８】
導波路１２は、ＩｎＰ基板１１上に形成されたＩｎＰからなるｎ型の下部クラッド層１３と、この下部クラッド層１３上に形成されたＩｎＧａＡｓＰからなる活性層１４と、活性層１４上に形成されたＩｎＰからなるｐ型の上部クラッド層１５とを備えている。活性層１４は、ＩｎＧａＡｓＰからなる多重量子井戸構造（ＭＱＷ）でかつ分離閉じ込めヘテロ構造（ＳＣＨ）のＭＱＷ−ＳＣＨ活性層である。
【００３９】
また、この半導体レーザ１０は、それぞれ図示を省略してあるが、上部クラッド層１５上に形成されたＩｎＧａＡｓからなるｐ型のコンタクト層と、このコンタクト層の表面に形成されたｐ側電極と、ＩｎＰ基板１１の裏面側に形成されたｎ側電極とを備えている。
【００４０】
この半導体レーザ１０の特徴は、次の構成にある。
・図１に示すように、ハイメサ型の導波路１２が、劈開端面１６以外の端面、つまり、劈開端面１６とは異なる端面１７を出射端面として有している。
【００４１】
・この端面１７が劈開端面１６とは異なる方向を向いている。つまり、端面１７は劈開端面１６に対して斜めに傾斜している。以下の説明で、出射端面としての端面１７を斜め端面１７と呼ぶ。
【００４２】
導波路１２は、図１に示すように、直線導波路１８と、曲げ導波路１９と、出射導波路２０とを有し、出射導波路２０の端面が斜め端面１７になっている。
【００４３】
このような構成を有する半導体光素子としての半導体レーザ１０の作製方法を以下に簡単に説明する。
【００４４】
まず、ＭＯＣＶＤ結晶成長装置を用い、ＩｎＰ基板１１上に成長温度６００℃において以下のような結晶成長を行なった。
【００４５】
図２（Ａ）に示すように、ｎ型のＩｎＰ基板（ｎ−ＩｎＰ基板）１１上に、ｎ型のＩｎＰ下部クラッド層（ｎ−ＩｎＰ下部クラッド層）１３、ＩｎＧａＡｓＰからなるＭＱＷ−ＳＣＨ活性層１４、ｐ型のＩｎＰ上部クラッド層（ｐ−ＩｎＰ上部クラッド層）１５、およびｐ型のＩｎＧａＡｓコンタクト層（図示省略）を順に結晶成長した。
【００４６】
次にＰＣＶＤでSiNx膜を成膜し、図１に示したような直線導波路１８、曲げ導波路１９、斜め端面１７付きの出射導波路２０からなるストライプ状の導波路パターンを形成した。導波路幅は2μｍとした。
【００４７】
SiNx膜による導波路パターンをマスクとして、ドライエッチングによりハイメサ型の導波路１２を形成した。このドライエッチングでは、ハイメサ型の導波路１２を形成するのと同時に、導波路１２の出射端面である斜め端面１７を形成する。この斜め端面１７を形成するために、そのドライエッチングでは、図２（Ｂ）に示すように、ｐ−ＩｎＰ上部クラッド層１５、活性層１４を貫通し、ｎ−ＩｎＰ下部クラッド層１３の上側一部に至る深さまでエッチングを行った。
【００４８】
このエッチングにより、図１、図２（Ａ）および図２（Ｂ）に示すようなハイメサ型の導波路１２が形成される。この導波路１２は、劈開端面１６とは異なる端面で、劈開端面１６に対して斜めに傾斜した斜め端面１７を有している。
【００４９】
このようにドライエッチングを用いることにより、図２（Ａ）および図２（Ｂ）の断面図に示したような垂直性の高いハイメサ型の導波路１２を形成することが可能である。また、このドライエッチング工程により、導波路１２の導波路形状だけでなく、導波路１２の出射端である斜め端面１７（図１参照）も同時に形成される。
【００５０】
このドライエッチングの後、SiNxマスクを除去した後、ＩｎＰ基板１１前面にSiNxのパッシベーション膜（図示省略）をＰＣＶＤで成膜した。その後、導波路１２上部のSiNx膜のみを除去してｐ側電極（図示省略）を蒸着した。ＩｎＰ基板１１の裏面を研磨した後に、このＩｎＰ基板１１裏面にｎ側電極（図示省略）を形成した。
【００５１】
次に導波路１２のパターン設計に関して説明する。本実施例における導波路１２は斜め端面１７付きの出射導波路２０と、曲げ導波路１９および直線導波路１８から構成されている。出射導波路２０の出射端面である斜め端面１７は、出射導波路２０に垂直な方向に対してθaの角度だけ斜めに傾いた端面となっている。この斜め端面１７により、出射導波路２０の端面を垂直端面にした場合と比較して導波路端面での反射率は減少する。斜め端面１７の角度θaは、端面反射率の低減効果が最大となるように選ぶと良い。本実施例では、θa=7°とした。このような斜め端面１７を持つ出射導波路２０から出射される出射ビーム２１（図１参照）は、出射導波路２０の延長方向とはある角度を持って出射されるようになる。斜め端面１７の法線と出射ビーム２１の出射方向とがなす角度をθcとすると、斜め端面１７への入射角θaとの間には、以下の式が成り立つ。
【００５２】
nssinθa ＝ na sinθc     ----------------(1)
ここで、nsは半導体導波路である導波路１２の実効屈折率、naは外部雰囲気の屈折率である。本実施形態では、ns＝3.2、na ＝1であるので、
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となる。
【００５３】
出射導波路２０の斜め端面１７と劈開端面１６が同一面である通常の場合は、上記の計算にあるように出射ビーム２１の出射方向は斜め端面１７の法線方向に対して角度θcだけ傾いて出射されることになる。本発明では、導波路１２の出射端面である斜め端面１７は劈開端面１６とは異なり、ドライエッチングにより形成しているため、斜め端面１７の向きは劈開端面１６とは独立に決めることができる。本実施例では曲げ導波路１９を用いて斜め端面１７の向きを調整した。曲げ導波路１９の中心角はθbであり、直線導波路１８の方向を角度θbだけ変えている。曲げ導波路１９の曲率半径は、曲げによる損失が急激に増加しないような値を選んだ。本実施形態のハイメサ型の導波路１２の損失の曲率半径依存性を別の実験で調べた結果から、曲げ導波路１９の曲率半径は300μｍとした。
【００５４】
出射ビーム２１が劈開端面１６に対して垂直に出射されるようにするためには、曲げ導波路１９の曲げ角度θbは、
θa+θb＝θc
となるようにすればよいので、本実施形態の場合は、θb=θc−θa＝23−7＝16°とした。
【００５５】
以上の構成を有する第１実施形態によれば、以下のような作用効果を奏する。
・斜め端面１７による端面反射率を低減できると共に、斜め端面１７から出射するビーム（出射ビーム２１）の方向を、劈開端面１６とは独立に設計できる。
【００５６】
・出射ビーム２１が劈開端面１６に対して垂直に出射されるようにしている。このため、半導体光素子の出射ビームを光ファイバや他の導波路などに結合しようとする場合、上記従来技術のようにあらかじめ半導体レーザ１０を斜めに傾けてサブマウントに配置するなどの工夫をする必要が無い。また、上記従来技術では、設計通りの角度になるように精度良く斜めに傾けて光素子をサブマウントに配置するためには特殊なボンディング装置が必要であったが、サブマウントに角度マーカーを入れるなどの加工上の工夫もする必要が無い。従って、半導体レーザ１０の導波路１２の出射端面である斜め端面１７とサブマウント端面の相対位置の精度を出すのが容易になる。
【００５７】
・半導体レーザ１０では、導波路１２の片側端面（図１の左側端面）は劈開端面であり、端面反射率は約27%である。導波路１２の反対側端面（図１の右側端面）は斜め端面１７を用いている。導波路１２の両端面とも劈開端面とした半導体レーザのしきい値や前後の光出力比から見積もった結果、コーティング膜を施さない状態であっても斜め端面１７の反射率は約3%であり、劈開端面反射率のほぼ1/10程度に低減できていることが確認できた。また、出射ビーム２１について、ウエハ面に平行な方向での遠視野像（Far Field Pattern）を測定した結果、出射ビーム２１の出射方向は設計通りに劈開端面１６に垂直な方向に出射されていることが確認でき、斜め端面１７による反射低減とビーム出射方向の制御の両立ができていることが確認できた。
【００５８】
（第２実施形態）
次に、第２実施形態に係る半導体光素子としての端面発光型の半導体レーザ１０Ａを図３、図４（Ａ）および図４（Ｂ）に基づいて説明する。図３は半導体レーザ１０Ａの平面図、図４（Ａ）は半導体レーザ１０Ａの概略構成を示す断面図、図４（Ｂ）は図３に示す半導体レーザ１０Ａの斜め端面付近のＢ−Ｂ´線に沿った断面図である。
【００５９】
この半導体レーザ１０Ａは、図３および図４（Ａ）に示すように、ＩｎＰ基板１１と、ＩｎＰ基板１１上に形成されたメサ構造を有する埋込型の導波路（埋込メサ型の導波路）１２Ａとを備える。ＩｎＰ基板１１に代えてＧａＡｓなどの基板を用いてもよい。導波路１２Ａは、図１に示す導波路１２と同様に、直線導波路１８と、曲げ導波路１９と、出射導波路２０とを有し、出射導波路２０の端面が斜め端面１７Ａになっている。
【００６０】
この半導体レーザ１０Ａを作製する際には、まず、ｎ型のＩｎＰ基板１１Ａ上に、ｎ型の光ガイド層２２、ＭＱＷ−ＳＣＨ活性層２３およびｐ型の光ガイド層２４を順に成長して形成する。
【００６１】
次に、ウエットエッチングによりメサ形状の導波路１２Ａを形成する。このメサ形状の導波路１２Ａは、ｎ型の光ガイド層２２、ＭＱＷ−ＳＣＨ活性層２３およびｐ型の光ガイド層２４により構成されている。
【００６２】
次に、ＩｎＰ基板１１Ａ上に、ｐ型電流狭窄層２５およびｎ型電流狭窄層２６を成長して形成し、さらに、光ガイド層２４およびｎ型電流狭窄層２６上にＩｎＰからなるｐ型の上部クラッド層２７およびｐ型のＩｎＧａＡｓコンタクト層（図示省略）を形成する。
【００６３】
次に、導波路１２Ａの出射端面である斜め端面１７Ａをドライエッチングにより形成する。このドライエッチングでは、図４（Ｂ）に示すように、ｐ−ＩｎＰ上部クラッド層２７、光ガイド層２４、活性層２３、光ガイド層２２を貫通し、ＩｎＰ基板１１Ａの上側一部に至る深さまでエッチングを行った。このように斜め端面１７Ａを形成するためのエッチング（端面エッチング）時はより深くエッチングすることにより、導波路１２Ａの斜め端面１７Ａから出射される出射ビーム２１がエッチングされたＩｎＰ基板１１Ａの上面で蹴られるのを防止している。なお、端面エッチングする領域（端面エッチング領域）を図３および図４（Ｂ）の符号「２８」で示している。
【００６４】
以上のような工程により、図３、図４（Ａ）および図４（Ｂ）に示すような埋込メサ型の導波路１２Ａが形成される。この導波路１２Ａは、劈開端面１６とは異なる端面で、劈開端面１６に対して斜めに傾斜した斜め端面１７Ａを有している。
【００６５】
この後、表面側及び裏面側にｐ側電極及びｎ側電極を形成し、基板１１Ａを劈開して、半導体レーザ１０Ａが完成する。
以上の構成を有する第２実施形態によれば、上記第１実施形態と同様の作用効果を奏する。
【００６６】
（第３実施形態）
図５は、第３実施形態に係る半導体光素子としての半導体レーザアレイ１０Ｂを示している。
【００６７】
この半導体レーザアレイ１０Ｂは、図１に示す上記第１実施形態に係る端面発光型の半導体レーザ１０の導波路１２と同様の導波路１２１〜１２ｎが、ＩｎＰ基板１１上に複数（ｎ個）アレイ状に並んだ構成を有する。
【００６８】
半導体レーザアレイ１０Ｂは、ｎ個の導波路１２１〜１２ｎの各出射導波路２０の斜め端面１７から出射される出射ビーム２１が劈開端面１６に対して垂直に出射されるようになっている。
【００６９】
以上の構成を有する第３実施形態によれば、上記第１実施形態の奏する作用効果に加えて以下の作用効果を奏する。
【００７０】
・アレイ状に設けられたｎ個の導波路１２１〜１２ｎの各斜め端面（各出射端面）１７と劈開端面１６との距離（ギャップ）が一定になる。このため、半導体レーザアレイ１０Ｂの各導波路１２１〜１２ｎの斜め端面１７を、光ファイバアレイや平面光波回路の複数の光導波路に光結合させる際に、上記従来技術のように上記ギャップを一定にするための特殊な光学部品や作業が不要になる。
【００７１】
（第４実施形態）
次に、第４実施形態に係る半導体光素子としての半導体レーザ１０Ｃを図６に基づいて説明する。
【００７２】
この半導体レーザ１０Ｃでは、図１に示す上記第１実施形態に係る端面発光型の半導体レーザ１０の出射部分に、スポットサイズ変換器３０が集積されている。その他の構成は、第１実施形態に係る端面発光型の半導体レーザ１０と同様である。
【００７３】
この半導体レーザ１０Ｃは、図６に示すように、導波路１２Ｃの出射端面である斜め端面１７Ｃから出射される出射ビーム２１を、光導波路３２を含む平面光波回路（PLC）が形成された石英系のPLCチップ３１の光導波路３２に結合させることを考えて作られている。半導体レーザ１０ＣとPLCチップ３１の光導波路３２の間のギャップには、光導波路３２に対するインデックスマッチングオイルを充填することを想定している。
【００７４】
この半導体レーザ１０Ｃの特徴は、光導波路３２との結合効率を向上させる目的で、半導体レーザ１０の出射部分に水平方向のスポットサイズ変換器３０が集積され、このスポットサイズ変換器３０の出射端面が斜め端面１７Ｃとなっている構成にある。斜め端面１７Ｃの角度θaは、上記第１実施形態に係る端面発光型の半導体レーザ１０と同じく7°であるが、外部雰囲気の屈折率naがインデックスマッチングオイルの屈折率1.4であるため、(1)式より
2009246241.tif 000004
となるため、θb＝θc−θa＝16−7＝9°としている。
【００７５】
スポットサイズの変換方法にもいくつかの種類があるが、本実施形態では、逆テーパー形状により、導波路１２Ｃのメサ幅を徐々に広げるタイプのスポットサイズ変換器３０を用いている。このスポットサイズ変換器３０により、水平方向のスポットサイズを拡大している。PLCチップ３１は、コア−クラッド間の屈折率差Δが1.5%、コアの幅と厚さがともに5μmであり、逆テーパー形状の幅に関しては、拡大後のスポットサイズが斜め端面で屈折した後に光導波路３２のスポットサイズに整合するように設計した。逆テーパーの部分では、メサ幅を2μmから7μmまで広げており、逆テーパーの部分の長さは、高次モードが励起されずに基本モードが緩やかに広がるように200μmとした。
【００７６】
半導体レーザ１０Ｃの作製方法は、第１実施形態とほぼ同様であるが、曲がり導波路１９とスポットサイズ変換器３０では、図２（Ａ）に示す活性層１４に代わって透明なＩｎＧａＡｓＰ層を、バットジョイント成長技術を用いて形成し、この層が透明な導波路コアとして機能するようにした。
【００７７】
作製した半導体レーザ１０Ｃの水平方向のスポットサイズは、PLCチップ３１の光導波路３２のスポットサイズとほぼ同じであり、しかも出射ビーム２１は劈開端面１６に垂直に出射されていることが確認できた。半導体レーザ１０ＣとPLCチップ３１の光導波路３２との間の結合損失は3.5dBであった。
【００７８】
半導体レーザ１０ＣとPLCチップ３１との間にはインデックスマッチングオイルを使用し、ギャップ制御に接触感知方法を用い、半導体レーザ１０ＣとPLCチップ３１とのギャップを5μmに制御した。このギャップ制御時において、導波路１２Ｃの斜め端面１７Ｃはダメージを受けることはなかった。計算上の結合損失は3.2dBであるので、実験値は計算とも非常によく一致している。この結合損失のほとんどが垂直方向のスポットサイズの不一致によるものであることがわかっており、垂直方向のスポットサイズ変換も行うことにより、更なる結合損失の低減が可能である。例えば、選択成長技術などを用いて、逆テーパー部分のコア層の膜厚を出射端面である斜め端面１７Ｃに近づくにつれて薄くしていくことにより、垂直方向のスポットサイズを拡大することが可能である。
【００７９】
以上の構成を有する第４実施形態によれば、上記第１実施形態の奏する作用効果に加えて以下の作用効果を奏する。
【００８０】
・半導体レーザ１０の出射部分に水平方向のスポットサイズ変換器３０が集積され、このスポットサイズ変換器３０の出射端面が斜め端面１７Ｃとなっている。このため、半導体レーザ１０Ｃの斜め端面から出射される出射ビーム２１と光導波路３２との結合効率を向上させることができる。
【００８１】
・スポットサイズ変換器３０は、この変換器による拡大後の出射ビーム２１のスポットサイズが斜め端面１７Ｃで屈折した後に光導波路３２のスポットサイズに整合するようにしているので、半導体レーザ１０Ｃの斜め端面１７Ｃから出射される出射ビーム２１と光導波路３２との結合効率を向上させることができる。
【００８２】
・導波路１２Ｃのメサ幅を広げた後に、スポットサイズ変換器３０の出射端面に斜め端面１７Ｃを形成しているために、パターニングやドライエッチング時の微細加工に対する要求精度は大幅に緩和されている。
【００８３】
・ギャップ制御に関して、光ファイバや石英系PLC導波路間のギャップ制御では、一旦導波路同士を突き合わせて接触させた後、所望のギャップ量だけ引き離した状態で結合する接触感知という方法が一般的に使用されている。しかし、半導体は光ファイバやPLC導波路に比べて材料強度が脆いため、劈開端面を入出射端面として使用する従来の半導体光素子では、接触感知により入出射端面がダメージを受けてしまうために、接触感知方法が使えないという問題があった。
【００８４】
しかし、半導体レーザ１０Ｃの斜め端面１７Ｃは、劈開端面１６とは異なる面であり、この劈開端面１６から若干離れているので、斜め端面１７Ｃから出射される出射ビーム２１をPLCチップ３１の光導波路３２などに結合させる際に、上記接触感知法を使用できる。
【００８５】
（第５実施形態）
次に、第５実施形態に係る半導体光素子としての半導体光増幅器アレイ１０Ｄを図７に基づいて説明する。
【００８６】
この半導体光増幅器アレイ１０Ｄは、半導体基板上に形成された複数個（ｎ個）の半導体光増幅器（Semiconductor Optical Amplifier, SOA）４０１〜４０ｎがアレイ状に並んだ構成を有する。半導体光増幅器４０１〜４０ｎの各導波路１２Ｄの入射部分にスポットサイズ変換器４１が集積され、各スポットサイズ変換器４１の入射端面が斜め端面４１ａとなっている。また、各導波路１２Ｄの出射部分にスポットサイズ変換器４２が集積され、各スポットサイズ変換器４２の出射端面が、図６に示すスポットサイズ変換器３０の斜め端面１７Ｃと同様の斜め端面４２ａとなっている。
【００８７】
この半導体光増幅器アレイ１０Ｄは、図７に示すように、複数個（ｎ個）の光導波路５１１〜５１ｎを含む平面光波回路が形成された石英系のＰＬＣチップ５０の各光導波路５１１〜５１ｎから出射される入射ビーム５２１〜５２ｎを各導波路１２Ｄの入射端面である斜め端面４１ａにそれぞれ結合させることを考えて作られている。また、半導体光増幅器アレイ１０Ｄは、各導波路１２Ｄの出射端面である斜め端面４２ａから出射される出射ビーム６２１〜６２ｎを、光導波路６１１〜６１ｎを含む平面光波回路（PLC）が形成された石英系のPLCチップ６０の各光導波路６１１〜６１ｎに結合させることを考えて作られている。
【００８８】
ＰＬＣチップ５０と半導体光増幅器アレイ１０Ｄとの間、および半導体光増幅器アレイ１０ＤとPLCチップ６０との間のギャップには、光導波路５１１〜５１ｎ，６１１〜６１ｎに対するインデックスマッチングオイルを充填することを想定している。
【００８９】
以上の構成を有する第５実施形態によれば、上記第１実施形態の奏する作用効果に加えて以下の作用効果を奏する。
【００９０】
・半導体光増幅器アレイ１０Ｄにおいて、各導波路１２Ｄの斜め端面４１ａから入射される入射ビーム５２１〜５２ｎと、ＰＬＣチップ５０の光導波路５１１〜５１ｎとの結合効率を向上させることができる。また、各導波路１２Ｄの斜め端面４２ａから出射される出射ビーム６２１〜６２ｎと、PLCチップ６０の光導波路６１１〜６１ｎとの結合効率を向上させることができる。
【００９１】
・半導体光増幅器アレイ１０Ｄの各導波路１２Ｄの斜め端面４１ａ，４２ａは、劈開端面１６とは異なる面であり、この劈開端面１６から若干離れているので、斜め端面４１ａに入射する入射ビームおよび斜め端面４２ａから出射される出射ビーム２１をＰＬＣチップ５０、６０にそれぞれ結合させる際に、上記接触感知法を使用できる。
【００９２】
（無反射コーティング膜を形成）
上述したように、図５を用いて説明した半導体レーザアレイ１０Ｂは、図１、図２（Ａ），（Ｂ）に示す半導体レーザ１０の導波路１２と同様のハイメサ型の導波路１２１〜１２ｎが、ＩｎＰ基板１１上に複数（ｎ個）アレイ状に並んだ構成を有する。
【００９３】
また、この半導体レーザアレイ１０Ｂの各導波路１２１〜１２ｎを、図３，図４（Ａ），（Ｂ）に示す半導体レーザ１０Ａの導波路１２Ａと同様の埋込メサ型の導波路としても良い。
【００９４】
図５に示すような半導体レーザアレイ１０Ｂでは、各導波路１２１〜１２ｎをハイメサ型の導波路或いは埋込型の導波路のいずれの導波路にした場合でも、各導波路の斜め端面は、劈開端面１６から若干離れた位置で外部に露出している。つまり、図２（Ａ），（Ｂ）に示すようなハイメサ型の導波路が複数個アレイ状に設けられた半導体レーザアレイ１０Ｂのウエハプロセス終了後には、各導波路の斜め端面は劈開端面１６から若干離れた位置で外部に露出している。同様に、図４（Ａ），（Ｂ）に示すような埋込型の導波路が複数個アレイ状に設けられた半導体レーザアレイ１０Ｂのウエハプロセス終了後にも、各導波路の斜め端面は劈開端面１６から若干離れた位置で外部に露出している。
【００９５】
このような特徴を利用して、各導波路の端面、例えば斜め端面に、無反射コーティング膜を形成するのに、以下のような方法が可能になる。
【００９６】
無反射コーティング膜の形成方法を、図８に基づいて説明する。
図８は、図３、図４（Ａ）、（Ｂ）を用いて説明した半導体レーザ１０Ａと同様に埋込型の導波路（埋込メサ型の導波路）を有する半導体レーザの端面部分を示した図である。
【００９７】
メサエッチング、端面エッチング後のSiNxパッシベーション膜の形成において、以下のような工夫を施した。
【００９８】
図８は、ドライエッチングで形成した斜め端面付近の断面図（図４（Ｂ）と同じ断面図）である。このような形状を持つメサにPCVDで成膜した場合、メサの上部だけでなく、メサの側壁部にも膜が形成される。一般的に、メサ上部に形成される膜８０と側壁部に形成される膜８１との成膜レートはある一定の比率を持って成膜されるので、この比率をあらかじめ知っておけば、メサ側壁部の膜８１膜厚dsideを狙った値に制御することが可能である。また、SiNx膜のように、原料ガス（例えばシランとアンモニア）の流量比を変えることによって膜の屈折率をある程度調節可能な場合がある。このような性質を利用して、斜め端面１７Ａの側壁部に成膜されるパッシベーション膜（膜８１）の膜厚と屈折率を制御することにより、斜め端面１７Ａに無反射コーティング膜を形成することができる。半導体光素子とPLC導波路の結合時に、インデックスマッチングオイル（屈折率1.4）を使用することを考慮し、SiNx膜の屈折率が2.11となるようにし、側壁部の膜厚が184nmとなるように成膜条件を調整した。ちなみに、空気（屈折率1）に対する無反射コーティング膜を形成するには、膜の屈折率を1.78、膜厚を217nmとすればよい。
【００９９】
劈開端面を入出射端面とするような通常の素子における端面コーティングでは、ウエハプロセス終了後に、ウエハをバー状に劈開し、そこで露出した劈開端面にコーティング膜を成膜することが一般的である。この場合、ウエハから分割された多数のバーのそれぞれに対して端面コーティングを行う必要があるため、非常に工数がかかる工程である。本実施例では、入出射端面の形成はドライエッチングによりウエハプロセスで行われ、かつ、端面コーティングもウエハのまま形成できるため、コーティングにかかる工数を大幅に減らすことが可能であり、素子の製造コストを下げることが可能である。
【０１００】
なお、この発明は以下のように変更して具体化することもできる。
・図１に示す第１実施形態に係る端面発光型の半導体レーザ１０では、導波路１２を直線導波路１８、曲げ導波路１９および出射導波路２０を有する構成としたが、本発明の適用範囲はこの構成に限定されるものではない。例えば、出射導波路２０を設けずに、曲げ導波路１９の先端を斜め端面としても良いし、直線導波路１８が劈開端面１６に垂直でなくてもよい。
【０１０１】
・また、第１実施形態では、出射ビーム２１を劈開端面１６に垂直な方向に向けるように曲げ導波路１９の角度を設計・作製したが、用途によっては意図的に、劈開端面１６に垂直な方向からある角度で出射ビーム２１が出射するように設計することも可能である。
【０１０２】
・また、第１実施形態では、導波路１２の導波路構造をハイメサ型の導波路としているが、ハイメサ型の導波路１２に変えて、ローメサ型の導波路であっても良い。一般に、導波路１２の端面を斜め端面１７にした場合の端面反射率の低減効果は、導波路の横方向のコア−クラッド間屈折率差が小さいほど大きいため、ローメサ型の導波路や埋込メサ型の導波路では斜め端面１７により端面反射率を大幅に低減することが可能である。
【０１０３】
・本発明を導波路型の半導体受光素子に適用する場合、その導波路の入射端面に、図１に示す第１実施形態に係る半導体レーザ１０の斜め端面１７と同様の斜め端面を形成する。
【０１０４】
・また、第５実施形態では、半導体導波路素子アレイの一例として、半導体増幅器アレイについて説明したが、本発明は半導体増幅器アレイ以外の半導体導波路素子アレイにも適用可能である。例えば、半導体基板上に導波路が複数個アレイ状に設けられた半導体光増幅器アレイ或いは電界吸収型変調器アレイ或いはマッハ・ツェンダ型変調器アレイなどにも本発明は適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１０５】
【図１】第１実施形態に係る半導体レーザの概略構成を示す平面図。
【図２】（Ａ）は図１に示す半導体レーザの概略構成を示す断面図、（Ｂ）は図１に示す半導体レーザの斜め端面付近のＡ−Ａ´線に沿った断面図。
【図３】第２実施形態に係る半導体レーザの概略構成を示す平面図。
【図４】（Ａ）は図３に示す半導体レーザの概略構成を示す断面図、（Ｂ）は図３に示す半導体レーザの斜め端面付近のＢ−Ｂ´線に沿った断面図。
【図５】第３実施形態に係る半導体レーザアレイの概略構成を示す平面図。
【図６】第４実施形態に係る半導体レーザと平面光波回路（PLC）の配置を示す平面図。
【図７】第５実施形態に係る半導体光増幅器アレイと２つのＰＬＣチップの配置を示す平面図。
【図８】導波路の端面にウエハプロセスで無反射コーティング膜を形成する方法を説明するのに用いた半導体レーザの端面付近の断面図。
【図９】（Ａ）乃至（Ｃ）は従来技術を説明するための説明図。
【符号の説明】
【０１０６】
１０，１０Ａ，１０Ｃ：半導体レーザ
１０Ｂ：半導体レーザアレイ
１１，１１Ａ：ＩｎＰ基板
１２，１２１〜１２ｎ：ハイメサ型の導波路
１２Ａ：埋込型の導波路
１２Ｃ：導波路
１３：下部クラッド層
１４：活性層
１５：上部クラッド層
１６：劈開端面
１７，１７Ａ，１７Ｃ：斜め端面
１８：直線導波路
１９：曲げ導波路
２０：出射導波路
２１：出射ビーム
３１，５０，６０：ＰＬＣチップ
３２，５１１〜５１ｎ，６１１〜６１ｎ：光導波路
５２１〜５２ｎ：入射ビーム
６２１〜６２ｎ：出射ビーム
【図１】
2009246241.tif 000005
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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