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JP2016024438A - 半導体光素子 - Google Patents

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JP2016024438A JP2014151099A JP2014151099A JP2016024438A JP 2016024438 A JP2016024438 A JP 2016024438A JP 2014151099 A JP2014151099 A JP 2014151099A JP 2014151099 A JP2014151099 A JP 2014151099A JP 2016024438 A JP2016024438 A JP 2016024438A
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直哉 河野
和彦 堀野
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Abstract

【課題】スポットサイズ変換器と集積される光導波路素子のクラッド層と整合性の良いクラッド層をスポットサイズ変換器に含む半導体光素子を提供する。
【解決手段】半導体光素子1は、外部光導波路と光学的に結合されるべき端面10Aから第1軸Ax1の方向に順に配列された第1領域2A及び第2領域2Bを含む基板2と、基板2の主面上に設けられスポットサイズ変換器のための第1半導体光導波路10と、基板2の主面上に設けられスポットサイズ変換器に光学的に結合された第2半導体光導波路20とを備える。第1半導体光導波路10は第1領域2A上に設けられ、第2半導体光導波路20は第2領域2B上に設けられ、第1半導体光導波路10は、第1軸Ax1の方向に延在するコア層12及びクラッド層13を備える。クラッド層13は、第1クラッド領域14と、クラッド層13内において単一の補助半導体層15とを備える。
【選択図】図1

Description

本発明は、スポットサイズ変換器を含む半導体光素子に関する。
特許文献1は、スポットサイズ変換のための導波路形ビーム変換素子を開示する。特許文献2は、スポットサイズ変換のための光結合デバイスを開示する。
特開平5−142435号公報 特開平9−15435号公報
特許文献1のビーム変換素子は、主コアを挟む上クラッド及び下クラッドを備え、これらのクラッドの各々は、交互に配置される複数の副コア及び複数のクラッドを含む。上クラッド及び下クラッドでは、副コアが光の電界振幅を高めるように働いて、光導波路の電界プロファイルの形状は、複数の峰を有する。複数の峰の電界プロファイルにより、ビーム変換素子は、その端面におけるスポットサイズを外部光導波路におけるスポットサイズに近づけて、ビーム変換素子と外部光導波路との結合損失を低減している。
特許文献2の光結合デバイスは、コア層の直上に突起部を有するクラッド領域を備える。この突起部は、コア層の直上におけるクラッドの厚みを増大させるように働く。この増大により、光結合デバイスにおけるスポットサイズを外部光導波路におけるスポットサイズに近づけることが可能になって、ビーム変換素子と外部光導波路との結合損失を低減している。
特許文献1及び特許文献2におけるスポットサイズ変換器は、物理的なクラッド層の厚みを大きくして、導波光のスポットサイズを変更している。これ故に、これらのクラッド層は、スポットサイズ変換器のために厚みの点で専用に作り込まれたものである。一方で、スポットサイズ変換器は、その機能から理解されるように、該スポットサイズ変換器とモノリシックに集積される光導波路素子に光を提供し、或いはこの光導波路素子から光を受ける。光導波路素子は、スポットサイズ変換器のために専用に作り込まれたクラッド層に馴染まないことがある。
本発明は、スポットサイズ変換器と集積される光導波路素子のクラッド層に整合性の良いクラッド層をスポットサイズ変換器に含む半導体光素子を提供することを目的とする。
本発明に係る半導体光素子は、外部光導波路と光学的に結合されるべき端面から第1軸の方向に順に配列された第1領域及び第2領域を含む基板と、前記基板の主面上に設けられスポットサイズ変換器のための第1半導体光導波路と、前記基板の前記主面上に設けられ前記スポットサイズ変換器に光学的に結合された第2半導体光導波路と、を備え、前記第1半導体光導波路は前記基板の前記第1領域上に設けられ、前記第2半導体光導波路は前記基板の前記第2領域上に設けられ、前記第1半導体光導波路は、前記第1軸の方向に延在するコア層及びクラッド層を備え、前記コア層及び前記クラッド層は、前記基板の前記主面の法線方向を示す第2軸の方向に順に配列されており、前記クラッド層は、前記コア層に接触を成す第1クラッド領域と、該クラッド層内における単一の補助半導体層とを備え、前記クラッド層は、前記第1クラッド領域の屈折率より小さい屈折率の領域に接触を成し、前記単一の補助半導体層の厚みは、前記第1クラッド領域の厚みより小さく、前記第1クラッド領域の屈折率は、前記コア層の屈折率及び前記補助半導体層の屈折率より低く、前記補助半導体層は、第1面及び第2面を有し、前記第1面は前記第2面の反対側に位置し、前記補助半導体層の第1面は、前記第1クラッド領域に接触を成し、前記第1クラッド領域及び前記補助半導体層は前記第1軸の方向に延在し、前記第1半導体光導波路の前記コア層は、前記端面の位置において第1幅を有すると共に、前記第1領域と前記第2領域との境界の位置において第2幅を有しており、前記第1幅は前記第2幅より大きく、前記コア層の幅は前記第1軸の方向に関して、前記第1幅から前記第2幅に単調に変化し、前記コア層は、前記端面の位置において第1厚を有すると共に、前記境界の位置において第2厚を有しており、前記第2厚は前記第1厚より大きく、前記コア層の厚みは前記第1軸の方向に関して、前記第1厚から前記第2厚に単調に変化する。
本発明によれば、スポットサイズ変換器と集積される光導波路素子のクラッド層に整合性の良いクラッド層をスポットサイズ変換器に含む半導体光素子を提供することができる。
第1実施形態に係る半導体光素子の構造を示す図である。 第1半導体光導波路の一実施例における光の電界プロファイルを示す図である。 第1モデルにおける光の電界プロファイルと第2モデルにおける光の電界プロファイルとを示す図である。 外部光導波路と第1モデルの第1半導体光導波路との結合損失と、補助半導体層の厚みとの関係を示す図である。 第1実施形態に係る半導体光素子の作製方法の一工程を示す図である。 第2実施形態に係る半導体光素子の構造を示す図である。
本発明の実施形態の内容を説明する。本発明の一形態に係る半導体光素子は、(a)外部光導波路と光学的に結合されるべき端面から第1軸の方向に順に配列された第1領域及び第2領域を含む基板と、(b)前記基板の主面上に設けられスポットサイズ変換器のための第1半導体光導波路と、(c)前記基板の前記主面上に設けられ前記スポットサイズ変換器に光学的に結合された第2半導体光導波路と、を備え、前記第1半導体光導波路は前記基板の前記第1領域上に設けられ、前記第2半導体光導波路は前記基板の前記第2領域上に設けられ、前記第1半導体光導波路は、前記第1軸の方向に延在するコア層及びクラッド層を備え、前記コア層及び前記クラッド層は、前記基板の前記主面の法線方向を示す第2軸の方向に順に配列されており、前記クラッド層は、前記コア層に接触を成す第1クラッド領域と、該クラッド層内において単一の補助半導体層とを備え、前記クラッド層は、前記第1クラッド領域の屈折率より小さい屈折率の領域に接触を成し、前記単一の補助半導体層の厚みは、前記第1クラッド領域の厚みより小さく、前記第1クラッド領域の屈折率は、前記コア層の屈折率及び前記補助半導体層の屈折率より低く、前記補助半導体層は、第1面及び第2面を有し、前記第1面は前記第2面の反対側に位置し、前記補助半導体層の第1面は、前記第1クラッド領域に接触を成し、前記第1クラッド領域及び前記補助半導体層は前記第1軸の方向に延在し、前記第1半導体光導波路の前記コア層は、前記端面の位置において第1幅を有すると共に、前記第1領域と前記第2領域との境界の位置において第2幅を有しており、前記第1幅は前記第2幅より大きく、前記コア層の幅は前記第1軸の方向に関して、前記第1幅から前記第2幅に単調に変化し、前記コア層は、前記端面の位置において第1厚を有すると共に、前記境界の位置において第2厚を有しており、前記第2厚は前記第1厚より大きく、前記コア層の厚みは前記第1軸の方向に関して、前記第1厚から前記第2厚に単調に変化する。
この半導体光素子によれば、第1半導体光導波路のコア層は、上記半導体素子の端面の位置において第1幅を有すると共に第1領域と第2領域との境界の位置において第1幅より小さい第2幅を有しており、また、コア層の幅は第1軸の方向に関して、第1幅から第2幅に単調に変化する。このコア層は、端面の位置において第1厚を有すると共に上記境界の位置において第1厚より大きい第2厚を有しており、また、コア層の厚みは第1軸の方向に関して第1厚から第2厚に単調に変化する。この第1半導体光導波路では、光の電界プロファイルに関して、端面に近づくにつれて光がコア層の外に広がって、光の電界振幅がクラッド層において大きくなる。このクラッド層は、コア層に接触を成す第1クラッド領域と、該第1クラッド領域内に設けられた単一の補助半導体層とを備え、この第1クラッド領域の屈折率がコア層の屈折率及び補助半導体層の屈折率より低い。第1クラッド領域より高い屈折率の補助半導体層と、第1クラッド領域との組み合わせの作用により、コア層の外に浸み出した光の電界振幅が第1クラッド領域において比較的緩やかに小さくなる。第1クラッド領域に接触を成す補助半導体層がクラッド層の内側部分に設けられることに加えて、クラッド層の外には、第1クラッド領域の屈折率より小さい屈折率の領域が設けられる。これ故に、外側の低い屈折率の領域と補助半導体層との組み合わせの作用により、クラッド層の外側の低い屈折率の領域において光の電界振幅は速やかに低くできて、補助半導体層における光の電界振幅の大きさを調整できる。第1クラッド領域及び単一の補助半導体層を含むクラッド層は、スポットサイズ変換器に光学的に結合される第2半導体光導波路におけるクラッド層への制約を緩和できる。
一形態に係る半導体光素子は、前記領域内に位置し前記クラッド層に接する絶縁体層を更に備え、前記クラッド層は、前記コア層と前記絶縁体層との間に設けられ、前記絶縁体層の屈折率は前記第1クラッド領域の屈折率よりも低い。この半導体光素子は、クラッド層外に位置しクラッド層に接する絶縁体層を更に備える。このため、絶縁体層は、上記の小さい屈折率の領域として作用できる。この作用により、補助半導体層の外側では、屈折率の低い絶縁体層によって光の電界振幅が速やかに減少し、これによって、高い屈折率の補助半導体層における光の電界振幅の大きさを抑制できると共に絶縁体層の屈折率に応じて補助半導体層における光の電界振幅を調整できる。
一形態に係る半導体光素子では、前記絶縁体層が酸化ケイ素又はベンゾシクロブテンを備える。この半導体光素子では、これらの材料が絶縁体層に適用できる。
一形態に係る半導体光素子では、前記クラッド層は、第2クラッド領域を更に備え、前記第2クラッド領域の厚みは、前記第1クラッド領域の厚みより小さく、前記第2クラッド領域の屈折率は、前記補助半導体層の屈折率より小さく、前記第2クラッド領域は、前記補助半導体層の前記第2面に接触を成す。この半導体光素子によれば、第1クラッド領域より小さい厚み及び補助半導体層より低い屈折率の第2クラッド領域の作用により、第1クラッド領域及び補助半導体層における光の電界振幅の減少の程度が調整される。また、第2クラッド領域及び絶縁体層を構成する材料の屈折率に応じて、補助半導体層における光の電界振幅が調整される。
一形態に係る半導体光素子では、前記第2クラッド領域がInPからなる。また、一形態に係る半導体光素子では、前記第1クラッド領域がInPからなり、前記コア層がAlGaInAsからなり、前記補助半導体層がAlGaInAsからなる。この半導体光素子では、これらの材料が適用可能である。
いくつかの実施形態に係る半導体光素子を、以下に図面を参照しつつ説明する。以下の説明では、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付する。
(第1の実施の形態)
図1は、第1実施形態に係る半導体光素子の構造を示す図である。図1の(a)部は、半導体光素子を概略的に示す平面図である。図1の(b)部は、図1の(a)部におけるIb−Ib線に沿ってとられた断面を示す図である。図1の(c)部から(f)部は、図1の(b)部の典型的な構造例を示す図である。
図1を参照すると、第1実施形態に係る半導体光素子1は、第1半導体光導波路10と第2半導体光導波路20とを備える。半導体光素子1の端面10Aは、外部光導波路と光学的に結合される。第1半導体光導波路10は、スポットサイズ変換器のために設けられている。第1半導体光導波路10は第2半導体光導波路20に光学的に結合されている。スポットサイズ変換器は、外部光導波路からの光を第2半導体光導波路20に提供でき、第2半導体光導波路20からの光を外部光導波路に提供できる。図1の(b)部を参照すると、第1半導体光導波路10及び第2半導体光導波路20は、基板2の主面2C上に設けられ、基板2は、第1領域2A及び第2領域2Bを含む。第1半導体光導波路10は第1領域2A上に設けられ、第2半導体光導波路20は第2領域2B上に設けられる。第1領域2A及び第2領域2Bは、第1軸Ax1の方向に順に配列されている。第2半導体光導波路20はコア層22を備え、コア層22を挟む下部クラッド層11とクラッド層23とを備えることができる。第2半導体光導波路20のコア層22は、第1領域2Aと第2領域2Bとの境界10Bにおいて、第1半導体光導波路10のコア層12に光学的に結合される。第2半導体光導波路20は、例えば半導体変調器、半導体レーザ、及び半導体導波路型フォトダイオード等の光導波路素子に光学的に結合され、あるいは、これらの光導波路素子に含まれることができる。本実施例では、第1半導体光導波路10は、境界10Bにおいて第2半導体光導波路20に物理的に接続されている。
第1半導体光導波路10は、下部クラッド層11、コア層12及びクラッド層13を備える。下部クラッド層11、コア層12及びクラッド層13は、第2軸Ax2に沿って順に配列されている。クラッド層13は、第1クラッド領域14、及びクラッド層13において単一の補助半導体層15を備え、また、クラッド層13は、第1面13A及び第2面13Bを備え、第1面13Aは第2面13Bの反対側に位置する。クラッド層13は、第1クラッド領域14の屈折率よりも小さい屈折率の領域17と、コア層12との間に位置し、クラッド層13の第1面13Aはコア層12に接しており、また、クラッド層13の第2面13Bは、領域17に接している。第1クラッド領域14は、コア層12の上面に接触を成している。補助半導体層15は、第1半導体光導波路10及び第2半導体光導波路20の接続に起因して厚みに制限を受ける層間クラッド(例えばコア層12と補助半導体層15との間の第1クラッド領域14)を補助して、層間クラッドおける光の電界振幅の減少の程度を小さくする。補助半導体層15は、第1面15A及び第2面15Bを備え、第1面15Aは第2面15Bの反対側に位置する。補助半導体層15の第1面15Aは、第1クラッド領域14に接触を成している。補助半導体層15の厚みは、第1クラッド領域14の厚みより小さく、第1クラッド領域14の屈折率は、コア層12の屈折率及び補助半導体層15の屈折率より低くなっている。コア層12及びクラッド層13は、第1軸Ax1方向に延在している。クラッド層13内において、第1クラッド領域14及び補助半導体層15は第1軸Ax1方向に延在しており、第1クラッド領域14及び補助半導体層15は、第1軸Ax1の方向に交差する第2軸Ax2の方向に配列される。好適な実施例では、第1軸Ax1は、第2軸Ax2と直交している。
図1の(a)部に示されるように、第1半導体光導波路10のコア層12は、端面10Aの位置において第1幅W1と、境界10Bの位置において第2幅W2とを有している。第1幅W1は第2幅W2より大きく、コア層12の幅は、第1軸Ax1方向に関して、第1幅W1から第2幅W2に単調な変化をする。この単調な変化は、好ましくは単調な減少であることができる。導波路幅が「単調な減少」を為すとき、導波路軸に沿って常に導波路幅が減少することを示し、導波路幅が「単調な変化」を為すとき、光導波路は、「単調な減少」の導波路幅の部分に加えて、導波路幅の変化のない一定幅の導波路幅の部分を含むことができる。
図1の(b)部に示されるように、コア層12は、端面10Aの位置において第1厚T1を有する。また、コア層12は、境界10Bの位置において第2厚D1を有しており、厚みD1は厚みT1より大きく、コア層12の厚みは第1軸Ax1方向に関して、厚みT1から厚みD1に単調な変化を為す。このため、第1半導体光導波路10では、光の電界プロファイルに関して、境界10Bから端面10Aに近づくにつれて、光がコア層12の外に広がってクラッド層13における光の電界振幅が大きくなる。「単調な変化」は、好ましくは単調な増大であることができる。
この半導体光素子1によれば、第1半導体光導波路10のコア層12は、半導体光素子1の端面10Aの位置において第1幅W1を有すると共に第1領域2Aと第2領域2Bとの境界10Bの位置において第1幅W1より小さい第2幅W2を有しており、また、コア層12の幅は第1軸Ax1の方向に関して、第1幅W1から第2幅W2に単調に変化する。このコア層12は、端面10Aの位置において第1厚T1を有すると共に上記境界10Bの位置において第1厚T1より大きい第2厚D1を有しており、また、コア層12の厚みは第1軸Ax1の方向に関して第1厚T1から第2厚D1に単調に変化する。この第1半導体光導波路10では、光の電界プロファイルに関して、端面10Aに近づくにつれて光がコア層12の外に広がって、光の電界振幅がクラッド層13において大きくなる。このクラッド層13は、コア層12に接触を成す第1クラッド領域14と、該第1クラッド領域内に設けられた単一の補助半導体層15とを備え、この第1クラッド領域14の屈折率がコア層12の屈折率及び補助半導体層15の屈折率より低い。第1クラッド領域14より高い屈折率の補助半導体層15と、第1クラッド領域14との組み合わせの作用により、コア層12の外に浸み出した光の電界振幅が第1クラッド領域14において比較的緩やかに小さくなる。クラッド層13の内側には、第1クラッド領域14に接触を成す補助半導体層15が設けられることに加えて、クラッド層13の外側には、第1クラッド領域14の屈折率より小さい屈折率の領域17が設けられている。これ故に、外側の低い屈折率の領域17と補助半導体層15との組み合わせの作用により、クラッド層13の外側の低い屈折率の領域17において光の電界振幅は速やかに低くできて、補助半導体層15における光の電界振幅の大きさを調整できる。第1クラッド領域14及び単一の補助半導体層15を含むクラッド層13は、スポットサイズ変換器に光学的に結合される第2半導体光導波路20におけるクラッド層23への制約を緩和できる。
引き続き、いくつかのクラッド層13の構造例を説明する。
(構成例1)
図1の(c)部を参照すると、第1半導体光導波路10では、クラッド層13は第1クラッド領域14及び補助半導体層15を備え、第1クラッド領域14及び補助半導体層15は第2軸Ax2方向に沿って順に配置される。本実施例では、補助半導体層15の第2面15Bは、大気(第1クラッド領域14の屈折率よりも小さい屈折率の領域17)に接触を成しており、補助半導体層15の表面は外界に露出される。このため、第1クラッド領域14より高い屈折率の補助半導体層15と、第1クラッド領域14との組み合わせの作用により、コア層12の外に浸み出した光の電界振幅が第1クラッド領域14において比較的緩やかに小さくなる。また、クラッド層13内の補助半導体層15が領域17に接するので、クラッド層13の外側において光の電界プロファイルが速やかに減少して、これによって、クラッド層13内の電界振幅に望まれない増大が、高い屈折率の補助半導体層15に働きにより生じることを回避できる。
第1半導体光導波路10では、第1クラッド領域14及び単一の補助半導体層15を含むクラッド層13は、非常に厚いクラッドを設けることなく、スポットサイズ変換を可能にする。クラッド層13の構造は、スポットサイズ変換器に光学的に結合される第2半導体光導波路20のクラッド層23への制約を緩和できる。このため、スポットサイズ変換器と集積される光導波路素子のクラッド層と整合性の良いクラッド層をスポットサイズ変換器に含む半導体光素子1が提供される。
(構成例2)
図1の(d)部を参照すると、第1半導体光導波路10では、クラッド層13が第1クラッド領域14及び補助半導体層15を備え、第1クラッド領域14及び補助半導体層15は、第2軸Ax2方向に沿って順に配置される。第1半導体光導波路10は、領域17として絶縁体層18を含み、絶縁体層18は、シリコン系無機絶縁膜(例えばシリコン酸化物、シリコン窒化物)又はベンゾシクロブテン(BCB)樹脂であることができる。絶縁体層18はクラッド層13に接すると共に、絶縁体層18の表面は外界に露出されている。本実施例では、補助半導体層15の第2面15Bは、絶縁体層18に接している。補助半導体層15の外側では、クラッド層13の外側に位置する屈折率の低い絶縁体層18によって、光の電界振幅は速やかに、かつ、単調に減少する。この作用により、補助半導体層15における光の電界振幅の大きさが抑制される。第1半導体光導波路10では、絶縁体層18は、その屈折率に応じて、補助半導体層15における光の電界振幅の大きさに対する抑制量を調整でき、また絶縁体層18における光の電界振幅の減少量を調整できる。
(構成例3)
図1の(e)部を参照すると、第1半導体光導波路10では、クラッド層13が、第1クラッド領域14、補助半導体層15及び第2クラッド領域16を備え、第1クラッド領域14、補助半導体層15及び第2クラッド領域16は第2軸Ax2方向に沿って順に配置される。第2クラッド領域16の屈折率は、第1クラッド領域14の屈折率以下であり、領域17の屈折率は、第2クラッド領域16の屈折率より低い。第2クラッド領域16は、第3面16A及び第4面16Bを備え、第3面16Aは第4面16Bの反対側に位置する。本実施例では、補助半導体層15の第2面15Bは、第2クラッド領域16の第3面16Aに接触を成している。第2クラッド領域16の第4面16Bは、大気(領域17)に接触を成している。第2クラッド領域16の表面は外界に露出されている。補助半導体層15の外側では第2クラッド領域16及び領域17の順に屈折率が低くなるので、光の電界振幅は速やかに、かつ、単調に減少する。また、第2クラッド領域16及び領域17の作用により、補助半導体層15における光の電界振幅の大きさが抑制される。第1半導体光導波路10では、第2クラッド領域16は、その屈折率に応じて、補助半導体層15における光の電界振幅の大きさに対する抑制量を調整でき、また、第2クラッド領域16における光の電界振幅の減少量を調整できる。
(構成例4)
図1の(f)部を参照すると、第1半導体光導波路10では、クラッド層13が、第1クラッド領域14、補助半導体層15及び第2クラッド領域16を備え、第1クラッド領域14、補助半導体層15及び第2クラッド領域16が、第2軸Ax2方向に沿って順に配置される。第1半導体光導波路10は、領域17として絶縁体層18を含み、クラッド層13は、コア層12と絶縁体層18との間に設けられる。絶縁体層18はクラッド層13に接すると共に、絶縁体層18の表面は外界に露出されている。第2クラッド領域16の第3面16Aは、補助半導体層15の第2面15Bに接し、第4面16Bは、絶縁体層18に接する。第2クラッド領域16の屈折率は、第1クラッド領域14の屈折率以下であり、絶縁体層18の屈折率は第2クラッド領域16の屈折率よりも低く、領域17の屈折率は第2クラッド領域16の屈折率よりも低い。
(実施例1)
図2は、第1半導体光導波路の一実施例における光の電界プロファイルを示す図である。図2では、光の電界プロファイルとともに、第1半導体光導波路10の各層における屈折率が示される。図2においては、計算用モデルの構造の理解を容易にするために、図1に示された符号が付されている。光の電界プロファイルのための計算用第1モデルは、以下の構造を有する。
各層の名称、 各層の材料、端面10Aでの厚み、屈折率。
絶縁体層: SiO、 3μm、 1.44。
第2クラッド領域: InP、 0.5μm以下、 3.17。
補助半導体層:AlGaInAsバルク、 0.23μm、 3.35。
第1クラッド領域: InP、 0.87μm、 3.17。
コア層:AlGaInAs多重量子井戸、 0.12μm、 3.4。
下部クラッド層: InP、 2μm、 3.17。
基板: InP、 200μm、 3.17。
実施例に係る半導体光素子1は、例えば1.55μm帯の波長(1.53μm〜1.57μm)の光を適用することができる。半導体光素子1は、1.55μmよりも長い波長域、例えば1.6μm帯(1.565μm〜1.625μm)の光を適用することができる。更に、半導体光素子1は、1.55μmよりも短い波長域、例えば1.5μm帯(1.46μm〜1.53μm)の光を適用することができる。
図2に示された電界プロファイルを参照しながら、第1半導体光導波路10における電界分布を説明する。この説明において、理解を容易にするために、図1で用いられた符合が参照される。第1半導体光導波路10では、光の電界振幅は、コア層12及びその付近で最も大きく、また、コア層12からクラッド層13に向かって単調に減少する。単一の補助半導体層15の屈折率が第1クラッド領域14の屈折率より高いので、第1クラッド領域14及び補助半導体層15の屈折率プロファイルは、コア層12と補助半導体層15との間に位置する第1クラッド領域14において光の電界振幅が比較的緩やかに減少することを可能にする。
また、補助半導体層15は、補助半導体層15より低い屈折率の第2クラッド領域16に接触を成すと共に、第2クラッド領域16は絶縁体層18に接触を成す。このため、第2クラッド領域16と、絶縁体層18(第2クラッド領域16より小さい屈折率の領域17)との屈折率プロファイルは、高い屈折率の補助半導体層15における光の電界振幅が大きな第2の峰を形成することを防止する。
また、補助半導体層15の外側においては、第2クラッド領域16、絶縁体層18の順に屈折率プロファイルが低くなるので、光の電界振幅はクラッド層13の外側で速やかに、かつ、単調に減少する。半導体光素子1では、第2クラッド領域16と絶縁体層18との屈折率プロファイルは、第2クラッド領域16に接する補助半導体層15における光の電界振幅の大きさを抑制できる。補助半導体層15の外側に共に位置する第2クラッド領域16及び絶縁体層18は、その屈折率に応じて、第2クラッド領域16及び絶縁体層18における光の電界プロファイルの減少量を調整できる。
図3は、第1モデルにおける光の電界プロファイルと第2モデルにおける光の電界プロファイルとを示す図である。第2モデルは、第1モデルとクラッド層の構造の点で異なる。第2モデルの半導体光導波路では、クラッド層は十分に厚い単一の材料からなる。第2モデルの半導体光導波路のクラッド層は、外部光導波路に結合される端面において広い電界プロファイルが端面から離れるにつれてクラッド層内で十分に減衰できるように厚い。第2モデルの半導体光導波路は、外部光導波路との結合のために良好な電界プロファイルを提供できる。半導体光導波路内のコア層及びその付近に限って第1モデルの半導体光導波路を第2モデルの半導体光導波路と比較すると、図3に示されるように、第1モデルの半導体光導波路の光の電界プロファイルが、第2モデルとほぼ一致している。電界プロファイルにおけるこの傾向は、第1モデルの半導体光導波路と外部光導波路との結合損失が、第2モデルの半導体光導波路と外部光導波路との結合損失に近づくことを意味している。
第1モデルの第1半導体光導波路10と第2モデルの半導体光導波路とにおける外部光導波路との結合損失の見積もりのためにシミュレーションを行った。このシミュレーションにおいて、第1モデルの半導体光導波路におけるクラッド層(例えばクラッド層13に対応する)の厚み、及び第2モデルの半導体光導波路におけるクラッド層の厚みとして、以下に示されるものを用いた。
半導体光導波路のタイプ、クラッド層の厚み。
第1モデルの半導体光導波路:1.20μm。
第2モデルの半導体光導波路:1.94μm。
これらのクラッド構造に用いて、第1モデルの第1半導体光導波路10と第2モデルの半導体光導波路とにおける外部光導波路との結合損失(計算値)を以下に示す。
半導体光導波路のモデル、 結合損失。
第1モデルの半導体光導波路:0.206dB。
第2モデルの半導体光導波路:0.213dB。
第2モデルの半導体光導波路のクラッド層の厚みが第1モデルの半導体光導波路と同じ1.20μmを有するとき、第2モデルの半導体光導波路の結合損失は0.291dBに増加する。
図3における電界プロファイルに示されるように、第1モデルの半導体光導波路は、第1半導体光導波路10のクラッド層13(第1クラッド領域14、補助半導体層15及び第2クラッド領域16を含む積層)の一例となる構造を備え、また、第2モデルの半導体光導波路のような十分に厚いクラッド層の損失に近い損失特性を示すスポットサイズ変換を可能にする。第1モデルの半導体光導波路(例えば第1半導体光導波路10)のクラッド層の厚みが小さいので、スポットサイズ変換器とモノリシックに集積される半導体処理素子のための半導体光導波路(例えば第2半導体光導波路20)のクラッド層23の作製プロセスなどにおける制約が緩和される。
第1モデルを用いた検討に加えて、構成例に示されるモデルついても同様な検討を行った結果、第1実施形態に示される構成例において第1モデルと同様な特性が得られる。
第1モデルの導波路では、補助半導体層15の屈折率と絶縁体層18の屈折率との差分を示す第1屈折率差Δ1、及び補助半導体層15の屈折率と第2クラッド領域16の屈折率との差分を示す第2屈折率差Δ2を、上述の各値を用いて具体的に見積もる。
第1屈折率差Δ1=3.35−1.5=1.85である。
第2屈折率差Δ2=3.35−3.17=0.18である。
第1屈折率差Δ1は、第2屈折率差Δ2のおよそ10倍の値を有している。このため、第2クラッド領域16の屈折率は、絶縁体層18の屈折率よりも、補助半導体層15の屈折率に近い値を有する。一方、第2クラッド領域16の厚みが0.5μm以下に抑えられるので、補助半導体層15における光の電界振幅の大きさに対する抑制量を調整できる。このような調整ができる理由は、第2クラッド領域16の厚みが媒質内の光の波長(真空中の光の波長を媒質の屈折率で割った値のこと。ここでは1.55÷3.17≒0.5μm)より薄いために第2クラッド領域16中での電界振幅の変化が小さいことに加え、第2クラッド領域16の上下の層(絶縁体層18と補助半導体層15)の屈折率差Δ1が大きいため絶縁体層18が第2クラッド領域16および補助半導体層15の電界分布に与える影響が大きいためである。
引き続き、光導波路に係る具体的な検討結果を説明する。図4は、外部光導波路と第1モデルの第1半導体光導波路10との結合損失と、補助半導体層15の厚みT3との関係を示す。第1半導体光導波路10では、補助半導体層15の厚みT3が0.23μmであるときに、結合損失が0.206dBの最小値を示す。第2クラッド領域16の厚みT4も、外部光導波路と第1半導体光導波路10との結合損失に関連する。例えば約2μmのモードフィールド径のレンズを含む外部光導波路に光結合においては、第2クラッド領域16の0.1μmの厚みT4で、結合損失が最小値を示す。
第1半導体光導波路10はスポットサイズ変換のために設けられる。このため、スポットサイズ変換を行うために光の電界プロファイルを端面10Aの近傍において広げる。補助半導体層15及び端面10A近傍におけるコア層12の厚みT1は、縦方向にこの広がりを形成するために役立つ。具体的には、端面10A近傍におけるコア層12の厚みT1が小さいことが好ましく、厚みT1は、例えば0.05μm〜0.2μmでの範囲にあることができる。縦方向に光の電界プロファイルを広げるためには、補助半導体層15の屈折率n3と厚みT3との積が、コア層12の屈折率n1と厚みT1との積よりも大きいことが好ましい。この値が小さいと、屈折率の低い絶縁体層18の影響で補助半導体層15中の光の電界振幅が小さくなり過ぎてしまい、結合損失が増加するためである。
第2半導体光導波路20は、スポットサイズ変換器に光学的に結合される、例えば半導体変調器の構成物であることができる。第2半導体光導波路20のクラッド層23も第1半導体光導波路10のクラッド層13と同様の層構造(第1クラッド領域14、補助半導体層15、第2クラッド領域16)を備える。半導体変調器の形態では、補助半導体層15における光の電界振幅よりも第2半導体光導波路20のコア層22における光の電界振幅が大きい方が、半導体変調器の変調効率の向上の点で好ましい。変調効率の向上のためには、補助半導体層15がコア層22から第2軸Ax2方向にある程度離れていることが良く、第2半導体光導波路20においては第1クラッド領域14の厚みT2は、例えば0.4μmよりも大きいことが好ましい。
第2半導体光導波路20及び境界10B近傍においては、コア層22の厚みD1はシングルモード条件を満たすような大きさであることが良く、コア層22の厚みD1は例えば0.2μm〜0.6μmの範囲にあることができる。このコア層22の厚み範囲は、第2半導体光導波路20が例えばマッハツェンダー変調器のために設けられるとき、マッハツェンダー変調器のコア層の値として好適である。
また、第2半導体光導波路20での変調効率が向上するためには、補助半導体層15の屈折率n3と厚みT3との積が、コア層22の屈折率n1と厚みD1との積よりも小さくして、コア層22の光の電界振幅を補助半導体層15より大きくすることが良い。さらに、クラッド層23における電圧降下(抵抗)を小さくしてマッハツェンダー変調器の変調速度の向上を得るためには、通常p型またはn型にドーピングされているクラッド層23の厚みは、厚みに比例する電気抵抗削減の点に基づき、例えば1.8μmより小さいことが良い。
第2半導体光導波路20が例えばマッハツェンダー変調器であるとき、コア層22のドーピング濃度は、p型及びn型クラッド層のドーピング濃度よりも低いことが良い。第1半導体光導波路10の補助半導体層15のキャリア濃度は、ドーピングに起因するフリーキャリア吸収による光損失を低減する点で、低いことが好ましい。
また、第2半導体光導波路20が例えばマッハツェンダー変調器であるとき、クラッド層23の上面に接してコンタクト層が設けられる。ドーピングに起因するフリーキャリア吸収による光損失を第2半導体光導波路20において低減する点で、例えば、コンタクト層のキャリア濃度は、1019cm−3程度よりも低いことが好ましい。第1半導体光導波路10のコア層12及び第2半導体光導波路20のコア層22でのドーピング濃度は、例えば5×1017cm−3以下であり、補助半導体層15でのキャリア濃度は、例えば2×1018cm−3以下である。
第2半導体光導波路20が例えば半導体変調器であるときには、その変調効率の観点から、第2幅W2は、例えば1.5μmであることができる。また、外部光導波路の横方向の光の電界プロファイルの広がりの大きさが例えば2μmであるときには、端面10Aの位置において第1幅W1は、例えば4μmであることができる。
(実施例2)
本実施形態に係る例示的な構造を以下に示す。
名称、 材質、 端面10Aでの厚み。
第2クラッド領域: InP、 0μm〜0.5μm。
補助半導体層:AlGaInAsバルク、0.05μm~0.4μm。
第1クラッド領域: InP、 0.4μm〜1.5μm。
コア層:AlGaInAs多重量子井戸、0.05μm〜0.2μm。
下部クラッド層: InP、 2μm。
基板: InP、 200μm。
絶縁体層:シリコン酸化物、 3μm。
絶縁体層としてベンゾシクロブテン樹脂を用いることもできる。
名称、 材質、 境界10Bでの厚み。
コア層12:AlGaInAs多重量子井戸、0.2μm〜0.6μm。
コア層12はAlGaInAs多重量子井戸を備え、多重量子井戸のバンドギャップ波長は1.35μmである。補助半導体層15のAlGaInAsのバンドギャップ波長は、1.2μmである。
第1クラッド領域14が上記の厚み(0.4μm〜1.5μm)を有するとき、第2半導体光導波路20においては、コア層22及びその付近での光の電界分布が、十分に厚い単一材料のクラッド層を有する半導体光導波路と比較して大きく変化しない。
次いで、半導体光素子1を作製する方法を説明する。図5(a)〜(d)は、第1実施形態に係る半導体光素子の作製方法の一工程を示す図である。図5(a)〜(d)では、半導体光素子1の一素子分の領域が示されている。半導体光素子1の作製においては、例えばInPからなる基板2が用意される。次に、例えばMOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法によって、基板2上に下部クラッド層11のための半導体膜がエピタキシャル成長される。下部クラッド層11のための半導体膜は、例えばInPを含む。下部クラッド層11のための半導体膜の上には、スペーサ層31のための半導体膜がエピタキシャル成長される。スペーサ層31のための半導体膜は、例えばAlGaInAsを含む。この半導体膜の上には、シャドーマスク層32のための半導体膜が形成される。シャドーマスク層32のための半導体膜は、例えばInPからなり、また、例えばエピタキシャル成長によって形成される。シャドーマスク層32のための半導体膜が形成された後は、シャドーマスク層32をパターニングするための絶縁膜が、例えばCVD(Chemical Vapor Deposition)法によって形成される。絶縁膜は、例えばSiからなる。絶縁膜上にレジストパターンが設けられ、このレジストパターンをマスクとしたウェットエッチングによって、レジストパターンと同一パターンを有する絶縁膜マスクが形成される。ウェットエッチングには、例えばバッファードフッ酸(BHF)が用いられる。次に、絶縁膜マスクを用いるエッチングによって、シャドーマスク層32に開口部33を形成する。開口部33は、図5(a)に示されるような長半円に類似する形状の縁33aを有する。このエッチングは、例えばハロゲン系ガス反応性イオンエッチング法によるドライエッチングを適用できる。
シャドーマスク層32へのパターン形成の後には、例えばBHFを用いるウェットエッチングによって、絶縁性マスクが除去される。次に、例えば硫酸、過酸化水素水及び水からなる混合液を用いたウェットエッチングによって、スペーサ層31のための半導体膜がエッチングされる。このエッチングの結果、スペーサ層31は、間隙34を形成する。
シャドーマスク層32の開口部33及びスペーサ層31の間隙34は、第1半導体光導波路10のコア層12の作製を可能にする。第1半導体光導波路10では、図1に示されるように、端面10Aでのコア層12の第1幅W1は、境界10Bでのコア層12の第2幅W2と異なる。また、端面10Aでのコア層12の厚みT1も、境界10Bでのコア層12の厚みD1と異なる。一方、間隙34に接する下部クラッド層11上でのエピタキシャル成長速度は、スペーサ層31の高さH10と、開口部33の幅W10との割合R10によって異なる。このため、割合R10を連続的に変化させることによって、間隙34に接する下部クラッド層11上でエピタキシャル成長されるコア層12のための半導体膜は、その断面が端面10Aで図5(a)のような長半円に類似する形状を有するように制御される。コア層12のための半導体膜は、例えばAlGaInAsからなる。コア層12のための半導体膜を覆うように、例えばクラッド領域14と同じ材料のInPからなるキャップ層24を形成する。コア層12のための半導体膜およびキャップ層24は、例えばMOCVD法によって形成される。
コア層12のための半導体膜の形成後は、例えば硫酸、過酸化水素水及び水からなる混合液を用いたウェットエッチングにより、スペーサ層31がエッチングされシャドーマスク層32がリフトオフされる。コア層12はキャップ層24により保護され、図5(b)のようにキャップ層24とともに下部クラッド層11上に残る。このリフトオフの後に、基板2の第1領域2Aにおいては、例えば第1クラッド領域14、補助半導体層15、及び第2クラッド領域16のための半導体積層が順に成長される。この半導体積層の成長は、例えばMOCVD法による。
基板2の第2領域2Bにおいては、第2半導体光導波路20のコア層22の幅及び高さが、第2領域2Bの全域に亘ってほぼ一様であるので、コア層22のための半導体膜は、シャドーマスク層32及びスペーサ層31が設けられない領域で形成される。コア層22のための半導体膜は、例えばAlGaInAsからなり、また、例えばMOCVD法によって形成される。コア層22のための半導体膜の上には、例えばクラッド層23が形成される。クラッド層23では、例えば第1クラッド領域、補助半導体層、及び第2クラッド領域のための半導体積層が順にエピタキシャル成長される。
これらの半導体積層の形成の後には、第1領域2Aの第1半導体光導波路10及び第2領域2Bの第2半導体光導波路20の形状を規定するマスクが形成される。このマスクを用いて半導体層がエッチングされて、半導体光導波路が形成される。エッチングの後にはマスクが除去されて、この後に、必要に応じて、パッシベーションのための絶縁膜が成長される。さらに、必要に応じて、例えばBCB樹脂によって半導体光導波路が埋め込まれ、更に図5(d)に示されるように、電極29が形成される。
第2半導体光導波路20として、例えば半導体レーザ20aが作製されるときには、半導体レーザ20aでは、例えば、基板2の第2領域2Bの上に、クラッド層23及び活性層が形成され、更に、電極29が形成される。半導体光素子1では、第2半導体光導波路20からのレーザ光が、第1半導体光導波路10によってスポットサイズ変換された後に、外部光導波路に低損失で光結合される。
半導体光素子1においては、例えば、第2半導体光導波路20が半導体変調器であるときには、外部光導波路からのレーザ光が、低損失で第1半導体光導波路10と光結合される。次いで、第1半導体光導波路10によってスポットサイズ変換されたレーザ光が、第2半導体光導波路20の半導体変調器によって変調を受ける。
(第2の実施の形態)
図6は、第2実施形態に係る半導体光素子の構造を示す図である。図6の(a)部を参照すると、半導体光素子1Yでは、第1半導体光導波路10の第1クラッド領域14の厚みを境界10Bから端面10Aに向けて徐々に大きくして、境界10Bから端面10Aに向けてコア層12の厚みの減少を補っている。このため、第1半導体光導波路10の上面が、第1軸Ax1方向に関して、第2半導体光導波路20の上面を規定する基準面に沿って延在する。第1半導体光導波路10及び第2半導体光導波路20によって構成される半導体光素子1の上面が、例えば、ほぼ直線あるいは緩やかな曲線とみなせる形状を有することになるので、他の光学素子との実装が容易になる。コア層12上に形成されるクラッド層13及び絶縁体層18が、第2軸Ax2方向に沿って配列される。この形成は、以下のように行われる。コア層12及びコア層22上に開口を有する第1絶縁膜マスクを形成する。第1絶縁膜マスクの開口の幅は、コア層12上において、境界10Bから端面10Aに向かって徐々に狭くなるようにする。第1絶縁膜マスクを用いて第1クラッド領域14を選択成長すると、第1半導体光導波路10上の境界10Bから端面10Aにかけて厚みが増加する第1クラッド領域14が得られる。この選択成長にはMOVPE法を用いる。第1絶縁マスクを除去した後に、第1クラッド領域14上に補助半導体層15をエピタキシャル成長する。第1領域2Aの補助半導体層15上に第2絶縁膜マスクを形成し、第2領域2B上の補助半導体層15を例えば硫酸、過酸化水素水及び水からなる混合液により選択的にエッチングする。第2絶縁膜マスクを除去した後に、第2クラッド領域16をエピタキシャル成長し、第2クラッド領域16の上に絶縁体層18をCVD法で堆積する。
図6の(b)部を参照すると、第1半導体光導波路10の補助半導体層15の厚みを境界10Bから端面10Aに向けて徐々に大きくして、端面10A及び端面10A近傍における補助半導体層15の作用を強めている。また、補助半導体層15の厚みが端面から境界に向けて減少して、最終的には消失して終端している。この構成によれば、境界10B近傍及び第2半導体光導波路20において、補助半導体層15が設けられていないので、光の電界振幅がコア層22に集中する。コア層22に光学的に結合される第2半導体光導波路20が例えば半導体変調器のために設けられるとき、この半導体変調器の変調効率を向上できる。半導体光素子1Zでは、コア層12上に形成されるクラッド層13の補助半導体層15が、境界10Bの近傍において終端している。この形成は、以下のように行われる。コア層12及びコア層22上に第1クラッド領域14を選択成長した後、パターニングされた第3絶縁膜マスクを用いて第1半導体光導波路10上の境界10Bから端面10Aにかけて厚みが増加するように補助半導体層15を選択成長する。例えば硫酸、過酸化水素水及び水からなる低濃度の混合液により第2領域2B上では補助半導体層15が消失し、かつ、第1領域2Aでは補助半導体層15が残存するような厚さだけ、エッチングを行う。第2クラッド領域16を成長し、絶縁体層18を堆積する。
以上、好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置及び詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲及びその精神の範囲から来る全ての修正及び変更に権利を請求する。
本実施の形態によれば、スポットサイズ変換器と集積される光導波路素子のクラッド層と整合性の良いクラッド層をスポットサイズ変換器に含む半導体光素子が提供される。
1…半導体光素子、2…基板、2A…第1領域、2B…第2領域、10…第1半導体光導波路、10A…端面、10B…境界、12…コア層、13…クラッド層、14…第1クラッド領域、15…補助半導体層、16…第2クラッド領域、17…領域、18…絶縁体層、20…第2半導体光導波路。

Claims (6)

  1. 半導体光素子であって、
    外部光導波路と光学的に結合されるべき端面から第1軸の方向に順に配列された第1領域及び第2領域を含む基板と、
    前記基板の主面上に設けられスポットサイズ変換器のための第1半導体光導波路と、
    前記基板の前記主面上に設けられ前記スポットサイズ変換器に光学的に結合された第2半導体光導波路と、
    を備え、
    前記第1半導体光導波路は前記基板の前記第1領域上に設けられ、前記第2半導体光導波路は前記基板の前記第2領域上に設けられ、
    前記第1半導体光導波路は、前記第1軸の方向に延在するコア層及びクラッド層を備え、
    前記コア層及び前記クラッド層は、前記基板の前記主面の法線方向を示す第2軸の方向に順に配列されており、
    前記クラッド層は、前記コア層に接触を成す第1クラッド領域と、該クラッド層内において単一の補助半導体層とを備え、
    前記クラッド層は、前記第1クラッド領域の屈折率より小さい屈折率の領域に接触を成し、
    前記単一の補助半導体層の厚みは、前記第1クラッド領域の厚みより小さく、
    前記第1クラッド領域の屈折率は、前記コア層の屈折率及び前記補助半導体層の屈折率より低く、
    前記補助半導体層は、第1面及び第2面を有し、前記第1面は前記第2面の反対側に位置し、前記補助半導体層の第1面は、前記第1クラッド領域に接触を成し、
    前記第1クラッド領域及び前記補助半導体層は前記第1軸の方向に延在し、
    前記第1半導体光導波路の前記コア層は、前記端面の位置において第1幅を有すると共に、前記第1領域と前記第2領域との境界の位置において第2幅を有しており、前記第1幅は前記第2幅より大きく、前記コア層の幅は前記第1軸の方向に関して、前記第1幅から前記第2幅に単調に変化し、
    前記コア層は、前記端面の位置において第1厚を有すると共に、前記境界の位置において第2厚を有しており、前記第2厚は前記第1厚より大きく、前記コア層の厚みは前記第1軸の方向に関して、前記第1厚から前記第2厚に単調に変化する、半導体光素子。
  2. 前記領域内に位置し前記クラッド層に接する絶縁体層を更に備え、
    前記クラッド層は、前記コア層と前記絶縁体層との間に設けられ、
    前記絶縁体層の屈折率は前記第1クラッド領域の屈折率よりも低い、請求項1に記載の半導体光素子。
  3. 前記絶縁体層が酸化ケイ素又はベンゾシクロブテンからなる、請求項2に記載の半導体光素子。
  4. 前記クラッド層は、第2クラッド領域を更に備え、
    前記第2クラッド領域の厚みは、前記第1クラッド領域の厚みより小さく、
    前記第2クラッド領域の屈折率は、前記補助半導体層の屈折率より小さく、
    前記第2クラッド領域は、前記補助半導体層の前記第2面に接触を成す、請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載の半導体光素子。
  5. 前記第2クラッド領域がInPからなる、請求項4に記載の半導体光素子。
  6. 前記第1クラッド領域がInPからなり、
    前記コア層がAlGaInAsからなり、
    前記補助半導体層がAlGaInAsからなる、請求項1〜請求項5のいずれか一項に記載の半導体光素子。
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