光半導体素子及びその製造方法
【課題】特性の低下を回避しながら高次横モードの励振を抑制することができる光半導体素子及びその製造方法を提供する。
【解決手段】第１の領域１１内のコア層１７及び第２の領域１２内のコア層１７は、光の伝搬方向に連続して延びている。第１の領域１１には、コア層１７の側面を露出する第１の突起部が形成され、第２の領域１２には、コア層１７の側面の少なくとも一部を露出する第２の突起部が形成されている。第１の突起部の底部は、コア層１７の下面よりも下方に位置し、第２の突起部の底部は、第１の突起部の底部よりも上方に位置する。
【解決手段】第１の領域１１内のコア層１７及び第２の領域１２内のコア層１７は、光の伝搬方向に連続して延びている。第１の領域１１には、コア層１７の側面を露出する第１の突起部が形成され、第２の領域１２には、コア層１７の側面の少なくとも一部を露出する第２の突起部が形成されている。第１の突起部の底部は、コア層１７の下面よりも下方に位置し、第２の突起部の底部は、第１の突起部の底部よりも上方に位置する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光半導体素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
単一モード導波路を含むパッシブ光半導体素子は、光通信システム内で、光信号の伝送だけでなく、合分岐及び合分波等の光信号処理も行う。
【０００３】
その一方で、近年、光通信システムにおける伝送容量の増大のために、光信号の伝送方法及び光変調方法に関する研究開発が活発に行われている。光信号の伝送方法としては、波長多重分割を採用したものが挙げられる。また、光変調方法としては、四位相偏移変調（ＱＰＳＫ：quadrature phase shift keying）又は差分四位相偏移変調（ＤＱＰＳＫ：differential quadrature phase shift keying）を採用したものが挙げられる。このような状況下において、パッシブ光半導体素子には、小型化及び高密度化が要請されている。
【０００４】
パッシブ光半導体素子に含まれる導波路の構造としてハイメサ構造が挙げられる。しかし、ハイメサ構造の導波路では、高さ方向に比べて幅方向の屈折率の差が大きい。このため、高次横モードが励振されやすい。更に、小型化及び高密度化に伴って曲げ導波路の曲率半径が小さくなっているため、モードシフトによる高次横モードが励振しやすくなっている。パッシブ光半導体素子の導波路で高次横モードが励振すると、光機能素子、特に、光分岐・結合素子、及び干渉計を用いた素子の特性が大幅に低下するおそれがある。また、パッシブ光半導体素子が小さくなるほど、励振した高次横モードが漏洩モードとして伝搬しても、特性が低下しやすくなる。
【０００５】
このため、ハイメサ構造の導波路を含むパッシブ光半導体素子では、高次横モードの影響を排除することが重要である。そこで、ハイメサ構造の導波路における高次横モードの影響を排除するための種々の検討がなされている。
【０００６】
しかしながら、これまでのところ、有効な技術が確立されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平６−６７０４７号公報
【特許文献２】特開平２−１９８４０１号公報
【特許文献３】特開２００３−２５８３６８号公報
【特許文献４】特開２００３−２０７６６５号公報
【特許文献５】特開２０００−２２１３４５号公報
【特許文献６】特表平８−５０８３５１号公報
【特許文献７】特開平４−２１３４０７号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】IEEE Journal of Lightwave Technology, Vol(22) No(2) pp499-508 2004
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、特性の低下を回避しながら高次横モードの励振を抑制することができる光半導体素子及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
光半導体素子の一態様には、光の伝搬方向の第１の領域に位置する第１の下部クラッド層と、前記光の伝搬方向の第２の領域に位置する第２の下部クラッド層と、前記第１の下部クラッド層上方に形成された第１のコア層と、前記第２の下部クラッド層上方に形成された第２のコア層と、前記第１のコア層及び前記第２のコア層上方に形成された上部クラッド層と、が設けられている。前記第１のコア層及び前記第２のコア層は、前記光の伝搬方向に連続して延びている。前記第１の領域には、前記第１のコア層の側面を露出する第１の突起部が形成され、前記第２の領域には、前記第２のコア層の側面の少なくとも一部を露出する第２の突起部が形成されている。前記第１の突起部の底部は、前記第１及び第２のコア層の下面よりも下方に位置し、前記第２の突起部の底部は、前記第１の突起部の底部よりも上方に位置する。
【発明の効果】
【００１１】
上記の光半導体素子等によれば、第１の領域及び第２の領域の相互作用により、素子の特性の低下を回避しながら高次横モードの励振を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】調査対象である光半導体導波路の構造を示す図である。
【図２】シミュレーションの結果を示す図である。
【図３】第１の実施形態に係る光半導体素子の構造を示す図である。
【図４】第１の実施形態に係る光半導体素子を製造する方法を工程順に示す断面図である。
【図５】図３（ｄ）に示す平面形状の光半導体素子を製造する方法を工程順に示す断面図である。
【図６】マスクパターン１９の平面形状を示す図である。
【図７】シミュレーションの結果を示す図である。
【図８】第２の実施形態に係る光半導体素子の構造を示す図である。
【図９】種々の４：４ＭＭＩカプラを含む光分岐・結合素子における伝搬特性を示す図である。
【図１０】種々の４：４ＭＭＩカプラを含む光分岐・結合素子における波長とトランスミッタンスとの関係のシミュレーションの結果を示す図である。
【図１１】第３の実施形態に係る光半導体素子の構造を示す図である。
【図１２】第４の実施形態に係る光半導体装置の構造を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、実施形態について、添付の図面を参照して具体的に説明する。
【００１４】
（メサ高と伝搬特性との関係）
本願発明者は、メサ構造の光半導体導波路のメサ高（メサ部の高さ）と伝搬特性との関係を調査した。この調査について説明する。この調査では、図１に示すように、入力導波路部１、直線導波路部２及び出力導波路部３がこの順で接続された光半導体導波路の伝搬特性をシミュレーションにより求めた。図１（ａ）は、調査対象である光半導体導波路の構造を示す平面図であり、図１（ｂ）は、調査対象である光半導体導波路の構造を示す断面図である。
【００１５】
平面形状に関し、図１（ａ）に示すように、入力導波路部１の光信号の入力部の幅は４．０μｍであり、入力導波路部１の直線導波路部２との連結部の幅は１．６μｍであり、入力導波路部１の長さは１００μｍである。入力導波路部１の幅は、直線導波路部２との連結部に向かって直線的に狭くなっている。直線導波路部２の幅は１．６μｍであり、直線導波路部２の長さは１００μｍである。出力導波路部３の幅は１．６μｍであり、出力導波路部３の長さは３００μｍである。
【００１６】
一方、入力導波路部１、直線導波路部２及び出力導波路部３の断面形状は共通している。いずれにおいても、図１（ｂ）に示すように、下部クラッド層６上にコア層７が形成され、コア層７上に上部クラッド層８が形成されている。コア層７は、発光波長λgが１．３μｍ、厚さが０．３μｍのＧａＩｎＡｓＰ層である。また、上部クラッド層８の厚さは２．０μｍである。また、メサ高Ｔmesaは、３．１μｍ、２．６μｍ又は２．３μｍである。つまり、下部クラッド層６の突出部の高さＴlcを０．８μｍ、０．３μｍ又は０μｍとした。このような構造の光半導体導波路は単一モード条件を満たす。
【００１７】
一方、光半導体導波路に複数のモードが励振した場合、光半導体導波路の形状及び入力光のフィールド分布に応じて、励振モードの分布が異なり、モード振幅係数Ｃν（νはモード番号）は数１で表わされる。
【００１８】
【数１】
【００１９】
ここで、Ψ（ｙ）は入力フィールド分布を示し、φν（ｙ）は光半導体導波路におけるそれぞれの励振モード分布を示す。
【００２０】
そして、このシミュレーションでは、入力モード及び光半導体導波路の励振モードが、それぞれＧａｕｓｓｉａｎ分布及び正弦波分布を有すると仮定し、典型的なモード振幅係数Ｃνを算出した（Ｃ0＝０．６、Ｃ1＝０．３、Ｃ2＝０．１）。また、このような３つの入力モードを励振させ、３次元ビーム伝搬法（ＢＰＭ：beam propagation method）により伝搬特性を計算した。
【００２１】
このシミュレーションの結果を図２に示す。図２（ａ）は、高さＴlcが０．８μｍの場合の伝搬特性を示し、図２（ｂ）は、高さＴlcが０．３μｍの場合の伝搬特性を示し、図２（ｃ）は、高さＴlcが０μｍの場合の伝搬特性を示す。
【００２２】
高さＴlcが０．８μｍである場合、図２（ａ）に示すように、数百μｍにわたり、光波が蛇行しながら伝搬する。つまり、高次横モードが漏洩モードとして伝搬する。
【００２３】
一方、高さＴlcが０．３μｍである場合、図２（ｂ）に示すように、光の蛇行が緩和され、光が４００μｍ程度伝搬すれば、分布は０次モードになる。これは、高さＴlcが低いため、高次横モードの減衰率が増大したためである。
【００２４】
さらに、高さＴlcが０μｍである場合、図２（ｃ）に示すように、高次漏洩モードの減衰が更に顕著になり、光が１００μｍ程度伝搬すれば、高次横モードはほぼ放射する。
【００２５】
このようなシミュレーションの結果から、メサ構造の光半導体導波路における下部クラッド層６の突出部の高さＴlcが低いほど、漏洩モードとして伝搬する高次横モードの影響を抑制することができるといえる。
【００２６】
なお、メサ構造には、ハイメサ構造、リッジ構造及びリブ構造が含まれる。図１（ｂ）に示す例では、メサ高さＴmesaが２．３μｍより大きい場合にハイメサ構造となり、メサ高さＴmesaが２．０μｍより大きく２．３μｍ以下の場合にリッジ構造となり、メサ高さＴmesaが２．０μｍ以下の場合にリブ構造となる。つまり、コア層７の全体がメサ部に含まれているか、コア層７の一部がメサ部に含まれているか、コア層７がメサ部に含まれていないかに応じてメサ構造を分別することができる。上記のシミュレーションは、ハイメサ構造を対象したものであるが、ハイメサ構造における傾向を考慮すると、リッジ構造では漏洩モードとして伝搬する高次横モードの減衰がより一層顕著になり、このような高次横モードの抑制に極めて有効であるといえる。
【００２７】
（第１の実施形態）
次に、第１の実施形態について説明する。図３は、第１の実施形態に係る光半導体素子の構造を示す図である。
【００２８】
第１の実施形態に係る光半導体素子には、図３（ａ）に示すように、平面視で、メサ部の幅が例えば１．６μｍの第１のメサ領域１１及び第２のメサ領域１２が設けられており、これらが互いに接続されている。図３（ｂ）は、図３（ａ）中のＩ−Ｉ線に沿った断面図であり、図３（ｃ）は、図３（ａ）中のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。第１のメサ領域１１及び第２のメサ領域１２のいずれにおいても、図３（ｂ）及び図３（ｃ）に示すように、下部クラッド層１６上にコア層１７が形成され、コア層１７上に上部クラッド層１８が形成されている。第１のメサ領域１１及び第２のメサ領域１２の間で、下部クラッド層１６、コア層１７及び上部クラッド層１８の組成及び厚さは共通しており、コア層１７の下面及び上面の位置も第１のメサ領域１１及び第２のメサ領域１２の間で共通している。
【００２９】
第１のメサ領域１１の構造はハイメサ構造であり、第２のメサ領域１２の構造はリッジ構造である。つまり、第１のメサ領域１１では、メサ部に、上部クラッド層１８、コア層１７、及び下部クラッド層１６の一部が含まれているのに対し、第２のメサ領域１２では、メサ部に、上部クラッド層１８、及びコア層１７の一部が含まれているが、下部クラッド層１６は含まれていない。
【００３０】
下部クラッド層１６は、例えば、ｎ型のＩｎＰ基板又はアンドープのＩｎＰ基板である。コア層１７は、例えば、アンドープのＧａＩｎＡｓＰコア層であり、その発光波長は１．３μｍ、その厚さは０．３μｍである。上部クラッド層１８は、例えばｐ型のＩｎＰ層又はアンドープのＩｎＰ層であり、その厚さは２．０μｍである。そして、第１のメサ領域１１内のメサ部の高さは、例えば２．７μｍ〜３．２μｍであり、第２のメサ領域１２内のメサ部の高さは、例えば２．０μｍ〜２．５μｍである。
【００３１】
なお、これらの厚さ、幅及び発光波長は特に限定されないが、単一モード条件が満たされていることが好ましい。
【００３２】
このように構成された光半導体素子では、第１のメサ領域１１から第２のメサ領域１２に向かって光信号が伝搬する場合には、第１のメサ領域１１又はその前段で高次横モードが発生したとしても、第２のメサ領域１２において高次横モードが減衰する。逆に、第２のメサ領域１２から第１のメサ領域１１に光信号が向かって伝搬する場合には、第２のメサ領域１２に高次横モードが励振した光信号が入力されても、第１のメサ領域１１に伝搬する光信号は高次横モードが減衰したものとなる。このように、第１の実施形態によれば、高次横モードの光信号を減衰することができる。
【００３３】
更に、このような第１の実施形態を応用すれば、曲率半径の制限及び光分岐・結合素子の特性劣化を回避することができる。
【００３４】
なお、図３（ｄ）に示すように、２個の第１のメサ領域１１の間に第２のメサ領域１２が接続されていてもよい。第２のメサ領域１２の長さは、例えば１００μｍである。この場合、一方の第１のメサ領域１１で高次横モードが生じたとしても、他方の第１のメサ領域１１に伝搬するまでの間に、第２のメサ領域１２により当該高次横モードを減衰させることができる。
【００３５】
次に、図３（ｄ）に示す平面形状の光半導体素子を製造する方法について説明する。図４及び図５は、図３（ｄ）に示す平面形状の光半導体素子を製造する方法を工程順に示す断面図である。なお、図４は、第１のメサ領域１１を形成する部分を示し、図５は、第２のメサ領域１２を形成する部分を示す。
【００３６】
先ず、図４（ａ）及び図５（ａ）に示すように、基板を兼ねる下部クラッド層１６上に、例えば有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ：metal organic vapor phase epitaxy）法によってコア層１７及び上部クラッド層１８をこの順で形成する。つまり、コア層１７及び上部クラッド層１８をエピタキシャル成長させる。
【００３７】
次いで、図４（ｂ）及び図５（ｂ）に示すように、上部クラッド層１８上に、ハードマスクのマスクパターン１９を形成する。図６（ａ）に、マスクパターン１９の平面形状を示す。マスクパターン１９には、メサ部を形成する部分に相当するメサ形成部１９ａ、及びメサ高の調整のためにメサ形成部１９ａから離間して位置するメサ高調整部１９ｂが設けられている。メサ形成部１９ａの幅は、例えば１．６μｍであり、第１のメサ領域１１及び第２のメサ領域１２の間で共通している。一方、メサ高調整部１９ｂとメサ形成部１９ａとの間隔は、第２のメサ領域１２を形成する部分において、第１のメサ領域１１を形成する部分よりも狭くなっている。例えば、第２のメサ領域１２を形成する部分での間隔は、０．５μｍ〜１．５μｍ（例えば１．０μｍ）であり、第１のメサ領域１１を形成する部分での間隔は、５．０μｍ〜１５．０μｍ（例えば９．０μｍ）である。このようなマスクパターン１９は、次のようにして形成することができる。即ち、上部クラッド層１８上に、例えばシリコン酸化膜等の無機膜を蒸着法等により形成し、その上にフォトレジストを形成し、このフォトレジストを、光露光プロセスによってパターニングする。次いで、パターニング後のフォトレジスト、即ちレジストパターンをマスクとして用いて無機膜を加工する。このようにして、ハードマスクのマスクパターン１９を形成することができる。
【００３８】
マスクパターン１９の形成後には、図４（ｃ）及び図５（ｃ）に示すように、マスクパターン１９をマスクとして用いて上部クラッド層１８、コア層１７及び下部クラッド層１６の加工を行う。この加工では、例えば、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ：inductively coupled plasma）反応性イオンエッチング等のドライエッチングを行う。
【００３９】
このとき、第２のメサ領域１２を形成する部分では、メサ高調整部１９ｂとメサ形成部１９ａとの間隔が狭いため、マイクロローディング効果によって、第１のメサ領域１１を形成する部分と比較してエッチング速度が低い。従って、第２のメサ領域１２を形成する部分の溝がコア層１７に達したころには、第１のメサ領域１１を形成する部分の溝は下部クラッド層１６まで達している。実際に、本願発明者が、第２のメサ領域１２を形成する部分での間隔を１．０μｍ、第１のメサ領域１１を形成する部分での間隔を９．０μｍとして、上記と同様の積層体のＩＣＰ反応性ドライエッチングを行ったところ、第２のメサ領域１２を形成する部分の溝の深さ（メサ高）が２．５μｍのとき、第１のメサ領域１１を形成する部分の溝の深さ（メサ高）は３．２μｍとなっていた。つまり、マイクロローディング効果によって約０．７μｍの差が生じていた。
【００４０】
上部クラッド層１８、コア層１７及び下部クラッド層１６の加工後には、マスクパターン１９を除去する。このようにして光半導体素子を製造することができる。
【００４１】
なお、マイクロローディング効果を利用したドライエッチングでは、エッチング量を厳密に制御することは困難である。つまり、第２のメサ領域１２内のメサ部の高さを厳密に制御することは困難である。しかし、本実施形態では、第２のメサ領域１２内のメサ部の高さを厳密に制御する必要はないため、このことは問題につながらない。つまり、特性に影響を及ぼしやすい実効屈折率は第１のメサ領域１１でほぼ決定されるため、第２のメサ領域１２は高次横モードの励振を減衰させることできればよく、実効屈折率が第２のメサ領域１２で多少変動しても特性の低下は極めて小さい。
【００４２】
ここで、第１の実施形態に関して本願発明者が行ったシミュレーションについて説明する。このシミュレーションでは、第１のメサ領域１１のメサ高を３．２μｍに固定した場合の、第２のメサ領域１２のメサ高Ｔmesaと光半導体素子全体の実効屈折率との関係を調査した。また、第２のメサ領域１２のメサ高Ｔmesaと、第１のメサ領域１１と第２のメサ領域１２との界面における反射率との関係も調査した。これらの結果を図７（ａ）及び（ｂ）に示す。
【００４３】
図７（ａ）に示すように、第２のメサ領域１２のメサ部がリブ構造（０＜Ｔmesa≦２．０）又はリッジ構造（２．０＜Ｔmesa≦２．３）の場合、メサ高Ｔmesaが高くなるほど、実効屈折率が低くなるが、光半導体素子全体の実効屈折率の変化は大きくても０．０３である。
【００４４】
また、図７（ｂ）に示すように、メサ高Ｔmesaが低くなるほど、第１のメサ領域と第２のメサ領域との界面における反射率が大きくなるが、第２のメサ領域１２のメサ部がリッジ構造（２．０＜Ｔmesa≦２．３）の場合には、１０-5未満である。
【００４５】
これらの結果からも、第２のメサ領域１２におけるメサ高Ｔmesaが多少変動したとしても実効屈折率及び反射率への影響は小さいといえる。そして、更に図１及び図２に示すシミュレーションの結果を考慮すると、第２のメサ領域１２におけるメサ高Ｔmesaの許容範囲の大きさは０．８μｍ以上であるといえる。このため、既存のドライエッチング技術の精度からすれば、高い歩留まりを得ることができるといえる。
【００４６】
なお、図４及び図５に示す製造方法では、第１のメサ領域１１を形成する部分にもメサ高調整部１９ｂを設けているが、この部分にはメサ高調整部１９ｂを設けなくてもよい。マイクロローディング効果によってドライエッチングの速度を低下させる必要はないからである。
【００４７】
また、図６（ｂ）に示すように、マスクパターン１９のメサ高調整部１９ｂに、第２のメサ領域１２を形成する部分の端部から徐々に離間していく部分が設けられていてもよい。このような部分の長さは、第２のメサ領域１２の長さが１００μｍ程度であれば、例えば５０μｍ〜１００μｍとすればよい。この場合でも、マイクロローディング効果によって、第２のメサ領域１２のメサ高を低くすることができる。また、図６（ａ）に示すマスクパターン１９を用いた場合と比較して、メサ高の変化が緩やかになるため、第１のメサ領域１１と第２のメサ領域１２との界面の反射率を低減することができる。
【００４８】
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について説明する。図８は、第２の実施形態に係る光半導体素子の構造を示す図である。なお、図８（ｂ）は、図８（ａ）中のＩ−Ｉ線に沿った断面図であり、図８（ｃ）は、図８（ａ）中のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図であり、図８（ｄ）は、図８（ａ）中のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。
【００４９】
第２の実施形態は、４：４多モード干渉型（ＭＭＩ：multimode interference）のカプラ２３を備えた光分岐・結合素子である。このカプラ２３入力側には４本の入力導波路２１が接続され、出力側には４本の出力導波路２２が接続されている。各入力導波路２１には、第１のメサ領域３１、第２のメサ領域３２及び第１のメサ領域３３が含まれている。第２のメサ領域３２は、第１のメサ領域３１及び第１のメサ領域３３の間に位置している。カプラ２３には、第１のメサ領域３４が含まれている。各出力導波路２２には、第１のメサ領域３５、第２のメサ領域３６及び第１のメサ領域３７が含まれている。
【００５０】
図８（ｂ）、（ｃ）及び（ｄ）に示すように、第１のメサ領域３１、第２のメサ領域３２及び第１のメサ領域３４のいずれにおいても、基板を兼ねる下部クラッド層４１上にコア層４２及び上部クラッド層４３が形成されている。これらの領域間で、下部クラッド層４１、コア層４２及び上部クラッド層４３の組成及び厚さは共通しており、コア層４２の下面及び上面の位置もこれらの領域間で共通している。また、第１のメサ領域３１のメサ高及び第１のメサ領域３４のメサ高は互いに一致しているが、第２のメサ領域３２のメサ高は、これらよりも低い。
【００５１】
第１のメサ領域３１では、図８（ｂ）に示すように、入力導波路２１の間にメサ部が存在しないが、第２のメサ領域３２では、図８（ｃ）に示すように、入力導波路２１の間に、エッチング残部２４が存在する。このエッチング残部２４は、上記のマイクロローディング効果を利用したドライエッチングの制御のために残存したものであるが、ここに光信号が入出力されることはない。また、カプラ２３には、図８（ｄ）に示すように、入力導波路２１よりも広い分岐結合部２５が設けられている。
【００５２】
なお、第１のメサ領域３３、３５及び３７のメサ部の断面構造は、第１のメサ領域３１のメサ部の断面構造と同様である。また、第２のメサ領域３６のメサ部の断面構造は、第２のメサ領域３２のメサ部の断面構造と同様である。また、第１のメサ領域３１及び３７に、曲げ導波路が含まれている。
【００５３】
このように構成された第２の実施形態では、入力導波路２１を伝搬する光信号に高次横モードが含まれていたとしても、第２のメサ領域３２において高次横モードが減衰する。従って、カプラ２３では適切な光結合及び光分岐が行われる。また、カプラ２３等において高次横モードが発生したとしても、第２のメサ領域３６において高次横モードが減衰する。
【００５４】
更に、本実施形態では、カプラ２３の分岐結合部２５が第１のメサ領域３４に相当し、このメサ高が第１のメサ領域３１、３３、３５及び３７のメサ高と同等であり、第２のメサ領域３２及び３６のメサ高よりも高い。このため、光結合及び光分岐の特性が良好に維持される。
【００５５】
また、分岐・結合特性の波長依存性及び偏光依存性を低減するために、分岐結合部２５に接続される入力導波路２１（アクセス導波路）に幅テーパが設けられていてもよい。つまり、図１（ａ）に示すように、入力導波路２１に、入力側から出力側にかけて幅が徐々に狭まる部分が含まれていてもよい。更に、入力導波路２１に、入力側から出力側にかけて幅が徐々に広がる部分が含まれていてもよい。従来の構造では、幅テーパが設けられていると、導波路の幅が広くなるにつれて、高次横モードが励振する可能性が高くなり、素子特性が著しく劣化しやすくなるが、本実施形態では、このような高次横モードが励振しても、第２のメサ領域３２において減衰する。
【００５６】
図９は、種々の４：４ＭＭＩカプラを含む光分岐・結合素子における伝搬特性のシミュレーションの結果を示す図である。図９（ａ）は、従来の光分岐・結合素子に０次モード（Ｃ0＝０．３３３）の光信号を入力した場合の伝搬特性を示す。図９（ｂ）は、従来の光分岐・結合素子にマルチモード（０次モード（Ｃ0＝０．３３３）、１次モード（Ｃ1＝０．３３３）及び２次モード（Ｃ2＝０．３３３））の光信号を入力した場合の伝搬特性を示す。図９（ｃ）は、第２の実施形態に係る光分岐・結合素子にマルチモード（０次モード（Ｃ0＝０．３３３）、１次モード（Ｃ1＝０．３３３）及び２次モード（Ｃ2＝０．３３３））の光信号を入力した場合の伝搬特性を示す。なお、これらの光分岐・結合素子では、４：４ＭＭＩカプラに接続される入力導波路には、２個の幅テーパ部が設けられており、これらの間に幅が一定の直線部が設けられている。入力側の幅テーパ部の長さは１００μｍであり、幅が４．０μｍから１．６μｍに直線的に狭くなっている。直線部の長さは１００μｍであり、幅は１．６μｍである。出力側（４：４ＭＭＩカプラ側）の幅テーパ部の長さは１００μｍであり、幅が１．６μｍから４．０μｍに直線的に広くなっている。そして、出力側の幅テーパ部が４：４ＭＭＩカプラの入力ポートに接続されている。また、各４：４ＭＭＩカプラの４か所の入力ポート同士の間隔は２．０μｍ程度、４：４ＭＭＩカプラの導波路の長さは１．２ｍｍ程度である。
【００５７】
図９（ａ）に示すように、０次モードの光信号のみが入力された場合には、従来の光分岐・結合素子でも、高次横モードの励振が生じることはなく、４等分岐されている。しかしながら、従来の光分岐・結合素子では、マルチモードの光信号が入力されると、入力導波路において高次横モードが漏洩モードとして伝搬するため（図２（ａ）参照）、図９（ｂ）に示すように、光信号が４等分岐されない。つまり、４：４ＭＭＩカプラ内でのモード干渉作用が相違し、高次横モードが励振し続けてしまう。従って、分岐・結合特性が低下している。これに対し、第２の実施形態に係る光分岐・結合素子では、マルチモードの光信号が入力されても、入力導波路において高次横モードが減衰し（図２（ｂ）及び（ｃ）参照）、４：４ＭＭＩカプラに入力される光信号は、ほぼ０次モードの光信号のみとなる。このため、図９（ｃ）に示すように、光信号が４等分岐される。このように、第２の実施形態によれば、漏洩モードとして伝搬する高次横モードを減衰させて、適切に光信号の分岐を行うことができる。
【００５８】
図１０は、種々の４：４ＭＭＩカプラを含む光分岐・結合素子における波長とトランスミッタンスとの関係のシミュレーションの結果を示す図である。図１０は、分岐特性における波長依存性を示している。図１０（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）に示すシミュレーションに用いた４：４ＭＭＩカプラの構造及び入力光信号は、夫々、図９（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）のものと同一である。
【００５９】
図１０（ａ）に示すように、０次モードの光信号のみが入力された場合には、高次横モードの影響がないため、従来の光分岐・結合素子でも、Ｃバンド帯域内での波長依存性は０．９ｄＢ程度である。なお、入力導波路に幅テーパ部が設けられていない場合には、Ｃバンド帯域内での波長依存性は２．３ｄＢ程度となる。しかしながら、従来の光分岐・結合素子では、マルチモードの光信号が入力されると、Ｃバンド帯域内での波長依存性が２．０ｄＢ程度と大きくなる。また、波長スペクトルもいびつな形状になる。更に、チャネル（Ｃｈ−１、Ｃｈ−２、Ｃｈ−３、Ｃｈ−４）間の偏差も顕著になる。高次横モードによる分岐特性の低下の程度はモード振幅係数Ｃνに依存し、高次横モードのモード振幅係数Ｃνが更に大きくなれば、波長依存性及びチャネル間の偏差が更に大きくなる。これに対し、第２の実施形態に係る光分岐・結合素子では、マルチモードの光信号が入力されても、波長スペクトル特性は、図１０（ａ）と同等になる。
【００６０】
このように、第２の実施形態によれば、高次横モードのモード振幅係数Ｃνに拘わらず、光分岐・結合素子の波長依存性及びチャネル間の偏差を一定に保つことができる。また、第１の実施形態と同様に製造することができるため、第２のメサ領域３２及び３６のメサ高の許容範囲を広く確保することができる。従って、高い歩留まりで製造することができる。なお、第２の実施形態において、第２のメサ領域３２及び３６の断面構造がリッジ構造となっていてもよい。また、第１の実施形態において、第２のメサ領域１２のメサ高が第１のメサ領域１１のメサ高よりも低ければ、第２のメサ領域１２がハイメサ構造となっていてもよい。
【００６１】
（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態について説明する。図１１は、第３の実施形態に係る光半導体素子の構造を示す図である。なお、図１１（ｂ）は、図１１（ａ）中のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図であり、図１１（ｃ）は、図１１（ａ）中のＶ−Ｖ線に沿った断面図である。
【００６２】
第３の実施形態は、入力導波路２１が２本であり、これらがカプラ２３の入力ポートに非対称に接続されている点で、第２の実施形態と相違している。他の構成は第２の実施形態と同様である。つまり、２本の入力導波路２１が、カプラ２３の幅方向の中心位置を基準にして非対称に位置する入力ポートに接続されている。入力ポートの数は特に限定されないが、例えば４個であり、そのうちの２個のみに入力導波路２１が接続されている。
【００６３】
このように構成された第３の実施形態は、９０度ハイブリッド光回路として機能し得る。つまり、一方の入力導波路２１に四位相偏移変調（ＱＰＳＫ）信号光を入力し、他方の入力導波路２１に局発（ＬＯ：local oscillator）光を入力し、かつ、これらの入力を時間的に同期させることにより、ＱＰＳＫ信号光とＬＯ光との相対位相差Δφに応じて異なる信号を出力させることができる。なお、チャネルｃｈ−１の信号（Ｓ＋Ｌ）の位相を０とすると、チャネルｃｈ−２の信号（Ｓ＋ｊＬ）の位相は−π／２であり、チャネルｃｈ−３の信号（Ｓ−ｊＬ）の位相は＋π／２であり、チャネルｃｈ−４の信号（Ｓ−Ｌ）の位相はπである。
【００６４】
第３の実施形態でも、第２の実施形態と同様に、漏洩モードとして伝搬する高次横モードの影響を排除することができる。従って、９０度ハイブリッド動作における動作帯域幅（波長依存性）及び位相ずれ特性を向上することができる。また、メサ高の制御も容易であるため、高い歩留まりで製造することができる。
【００６５】
なお、ＱＰＳＫ信号光に代えて、差分四位相偏移変調信号（ＤＱＰＳＫ）光を用いてもよい。
【００６６】
（第４の実施形態）
次に、第４の実施形態について説明する。図１２は、第４の実施形態に係る光半導体装置の構造を示す図である。
【００６７】
第４の実施形態には、第３の実施形態の光半導体素子（９０度ハイブリッド光回路）、ＬＯ光源、差動型フォトダイオード（ＢＰＤ：balanced photodiode)、ＡＤ（アナログ−デジタル）変換部及びデジタル信号処理回路が含まれている。つまり、第３の実施形態の９０度ハイブリッド光回路の入力側に、入力導波路２１の一方にＬＯ光を入射するＬＯ光源５０が設けられている。また、第３の実施形態の９０度ハイブリッド光回路の入力側に、同相（In-phase）の位相関係を有するチャネルの信号が入力されるＢＰＤ１、及び直交（Quadrature）の位相関係を有するチャネルの信号が入力されるＢＰＤ２が設けられている。ＢＰＤ１には、チャネルｃｈ−１の信号が入力されるＰＤ１、及びチャネルｃｈ−４の信号が入力されるＰＤ２が含まれ、ＢＰＤ２には、チャネルｃｈ−２の信号が入力されるＰＤ３及びチャネルｃｈ−４の信号が入力されるＰＤ４が含まれている。ＰＤ１及びＰＤ２は互いに直列接続されており、ＰＤ１のカソード及びＰＤ２のアノードの電位が入力されるＡＤ変換部５１が設けられている。また、ＰＤ３及びＰＤ４は互いに直列接続されており、ＰＤ３のカソード及びＰＤ４のアノードの電位が入力されるＡＤ変換部５２が設けられている。更に、ＡＤ変換部５１及び５２が出力したデジタル信号を処理するデジタル演算回路５３が設けられている。
【００６８】
このように構成された第４の実施形態は、コヒーレント光受信機（光半導体装置）として機能し得る。つまり、一方の入力導波路２１に入力されるＱＰＳＫ信号光に時間的に同期したＬＯ信号を他方の入力導波路２１に入力すると、ＱＰＳＫ信号光とＬＯ光との相対位相差Δφに応じて異なる信号が出力導波路２２に出力される。そして、本実施形態では、同相及び直交の位相関係を有するチャネルの信号が、夫々、直列接続されたＢＰＤ１及びＢＰＤ２に入力される。相対位相差Δφが、（ａ）０、（ｂ）π、（ｃ）−π／２及び（ｄ）＋π／２の場合、９０度ハイブリッドの出力強度比は、夫々、（ａ）０：２：１：１、（ｂ）２：０：１：１、（ｃ）１：１：２：０及び（ｄ）１：１：０：２となる。従って、ＢＰＤ１及びＢＰＤ２への入力状態も相違する。ＢＰＤ１では、ＰＤ１又はＰＤ２のみへ光信号が入力されると、１又は−１に相当する電流が流れ、ＰＤ１及びＰＤ２の両方に光信号が入力されると、電流が流れない。ＢＰＤ２では、ＰＤ３又はＰＤ４のみへ光信号が入力されると、１又は−１に相当する電流が流れ、ＰＤ３及びＰＤ４の両方に光信号が入力されると、電流が流れない。従って、第４の実施形態では、ＱＰＳＫ信号光における位相情報が識別でき、電気信号へ変換することができる。そして、光電変換されたアナログ信号はＡＤ変換部５１及び５２によりデジタル信号に変換され、デジタル演算回路５３がこのデジタル信号の処理を行う。このようにして、第４の実施形態は、コヒーレント光受信機として機能する。
【００６９】
コヒーレント光受信機では、光導波路を漏洩モードとして伝搬する高次横モードの影響が大きい場合、９０度ハイブリッドの出力強度比が乱れ、クロストークが発生し、受信感度及び動作帯域幅が大幅に低下する。本実施形態では、このような高次横モードを減衰することができるため、相対位相差Δφに応じた出力強度比を一定に保つことができ、良好な受信感度及び動作帯域幅を得ることができる。
【００７０】
なお、これらの実施形態に含まれるカプラ２３に代えて、Ｎ：Ｎ ＭＭＩカプラ（Ｎは自然数）が用いられてもよい。例えば、１：Ｎ ＭＭＩカプラ、又は２：Ｎ ＭＭＩカプラ等が用いられてもよい。また、カプラとして、方向性結合器、Ｙ分岐カプラ又はモード変換型カプラ等が用いられてもよい。これらによっても、カプラ２３を用いた場合と同様の効果を得ることができる。
【００７１】
以下、本発明の諸態様を付記としてまとめて記載する。
【００７２】
（付記１）
光の伝搬方向の第１の領域に位置する第１の下部クラッド層と、
前記光の伝搬方向の第２の領域に位置する第２の下部クラッド層と、
前記第１の下部クラッド層上方に形成された第１のコア層と、
前記第２の下部クラッド層上方に形成された第２のコア層と、
前記第１のコア層及び前記第２のコア層上方に形成された上部クラッド層と、
を有し、
前記第１のコア層及び前記第２のコア層は、前記光の伝搬方向に連続して延びており、
前記第１の領域には、前記第１のコア層の側面を露出する第１の突起部が形成され、
前記第２の領域には、前記第２のコア層の側面の少なくとも一部を露出する第２の突起部が形成され、
前記第１の突起部の底部は、前記第１及び第２のコア層の下面よりも下方に位置し、
前記第２の突起部の底部は、前記第１の突起部の底部よりも上方に位置することを特徴とする光半導体素子。
【００７３】
（付記２）
前記第２の突起部の底部は、前記第１及び第２のコア層の下面よりも上方に位置していることを特徴とする付記１に記載の光半導体素子。
【００７４】
（付記３）
前記光の伝搬方向の前記第１の領域との間で前記第２の領域を挟む第３の領域に位置する第３の下部クラッド層と、
前記第３の下部クラッド層上方に形成された第３のコア層と、
を有し、
前記上部クラッド層は、前記第３のコア層上方にも形成されており、
前記第３のコア層は、前記第２のコア層と前記光の伝搬方向に連続して延びており、
前記第３の領域には、前記第３のコア層の側面を露出する第３の突起部が形成され、
前記第３の突起部の底部は、前記第２の突起部の底部よりも下方に位置することを特徴とする付記１又は２に記載の光半導体素子。
【００７５】
（付記４）
前記第１及び第２の領域を備えた１以上の入力導波路と、
前記１以上の入力導波路が接続された多モード干渉導波路と、
を有し、
前記多モード干渉導波路は、
前記光の伝搬方向の前記第１の領域との間で前記第２の領域を挟む第３の領域に位置する第３の下部クラッド層と、
前記第３の下部クラッド層上方に形成された第３のコア層と、
を有し、
前記上部クラッド層は、前記第３のコア層上方にも形成されており、
前記第３のコア層は、前記１以上の入力導波路に含まれる全ての第２のコア層を結合し、
前記多モード干渉導波路には、前記第３のコア層の側面を露出する第３の突起部が形成され、
前記第３の突起部の底部は、前記第２の突起部の底部よりも下方に位置することを特徴とする付記１又は２に記載の光半導体素子。
【００７６】
（付記５）
前記１以上の入力導波路は、前記多モード干渉導波路に近づくほど幅が広くなる部分を有することを特徴とする付記４に記載の光半導体素子。
【００７７】
（付記６）
光分岐・結合素子として機能することを特徴とする付記４又は５に記載の光半導体素子。
【００７８】
（付記７）
前記第１及び第２の領域を備えた２個の入力導波路と、
前記２個の入力導波路が接続された多モード干渉導波路と、
前記多モード干渉導波路に接続された４個の出力導波路と、
を有し、
前記多モード干渉導波路は、
前記光の伝搬方向の前記第１の領域との間で前記第２の領域を挟む第３の領域に位置する第３の下部クラッド層と、
前記第３の下部クラッド層上方に形成された第３のコア層と、
を有し、
前記上部クラッド層は、前記第３のコア層上方にも形成されており、
前記第３のコア層は、前記２個の入力導波路に含まれる全ての第２のコア層を結合し、
前記多モード干渉導波路には、前記第３のコア層の側面を露出する第３の突起部が形成され、
前記第３の突起部の底部は、前記第２の突起部の底部よりも下方に位置し、
前記２個の入力導波路は、前記多モード干渉導波路の幅方向の中心位置を基準にして非対称に位置していることを特徴とする付記１又は２に記載の光半導体素子。
【００７９】
（付記８）
前記２個の入力導波路の一方に、四位相偏移変調信号光又は差分四位相偏移変調信号光が入力され、
前記多モード干渉導波路は、前記四位相偏移変調信号光又は差分四位相偏移変調信号光を同相関係及び直交関係にある一対の光信号に変換することを特徴とする付記７に記載の光半導体素子。
【００８０】
（付記９）
付記７又は８に記載の光半導体素子と、
前記光半導体素子から出力される光信号をアナログ電気信号に変換するフォトダイオードと、
前記フォトダイオードから出力されたアナログ電気信号をデジタル電気信号に変換するアナログ−デジタル変換部と、
前記アナログ−デジタル変換部から出力されたデジタル電気信号の演算を行う演算部と、
を有することを特徴とする光受信機。
【００８１】
（付記１０）
第１の化合物半導体層上に第２の化合物半導体層を形成する工程と、
前記第２の化合物半導体層上に第３の化合物半導体層を形成する工程と、
前記第３の化合物半導体層上にハードマスクを形成する工程と、
前記ハードマスクを用いて前記第３の化合物半導体層、前記第２の化合物半導体層及び前記第１の化合物半導体層のドライエッチングを行う工程と、
を有し、
前記ハードマスクは、
平面形状が線状の第１の被覆部と、
前記第１の被覆部の両側に、前記第１の被覆部から離間して位置する第２の被覆部と、
を有し、
前記第２の被覆部は、前記第１の被覆部からの距離が相違する少なくとも２個の領域を有することを特徴とする光半導体素子の製造方法。
【００８２】
（付記１１）
前記第１の被覆部を、光導波路を形成する予定の領域に位置させることを特徴とする付記１０に記載の光半導体素子の製造方法。
【００８３】
（付記１２）
前記第１の被覆部と前記第２の被覆部との距離が最も短い領域では、前記ドライエッチングの速度はそれ以外の領域よりも遅いことを特徴とする付記１０又は１１に記載の光半導体素子の製造方法。
【００８４】
（付記１３）
前記第２の被覆部は、前記第１の被覆部からの距離が変化する領域を有することを特徴とする付記１０乃至１２のいずれか１項に記載の光半導体素子の製造方法。
【００８５】
（付記１４）
前記第１の化合物半導体層として下部クラッド層を形成し、
前記第２の化合物半導体層としてコア層を形成し、
前記第３の化合物半導体層として上部クラッド層を形成することを特徴とする付記１０乃至１３のいずれか１項に記載の光半導体素子の製造方法。
【符号の説明】
【００８６】
１：入力導波路部
２：直線導波路部
３：出力導波路部
６、１６、４１：下部クラッド層
７、１７、４２：コア層
８、１８、４３：上部クラッド層
１１、３１、３３、３４、３５、３７：第１のメサ領域
１２、３２、３６：第２のメサ領域
１９：マスクパターン
１９ａ：メサ形成部
１９ｂ：メサ高調整部
２１：入力導波路
２２：出力導波路
２３：カプラ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光半導体素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
単一モード導波路を含むパッシブ光半導体素子は、光通信システム内で、光信号の伝送だけでなく、合分岐及び合分波等の光信号処理も行う。
【０００３】
その一方で、近年、光通信システムにおける伝送容量の増大のために、光信号の伝送方法及び光変調方法に関する研究開発が活発に行われている。光信号の伝送方法としては、波長多重分割を採用したものが挙げられる。また、光変調方法としては、四位相偏移変調（ＱＰＳＫ：quadrature phase shift keying）又は差分四位相偏移変調（ＤＱＰＳＫ：differential quadrature phase shift keying）を採用したものが挙げられる。このような状況下において、パッシブ光半導体素子には、小型化及び高密度化が要請されている。
【０００４】
パッシブ光半導体素子に含まれる導波路の構造としてハイメサ構造が挙げられる。しかし、ハイメサ構造の導波路では、高さ方向に比べて幅方向の屈折率の差が大きい。このため、高次横モードが励振されやすい。更に、小型化及び高密度化に伴って曲げ導波路の曲率半径が小さくなっているため、モードシフトによる高次横モードが励振しやすくなっている。パッシブ光半導体素子の導波路で高次横モードが励振すると、光機能素子、特に、光分岐・結合素子、及び干渉計を用いた素子の特性が大幅に低下するおそれがある。また、パッシブ光半導体素子が小さくなるほど、励振した高次横モードが漏洩モードとして伝搬しても、特性が低下しやすくなる。
【０００５】
このため、ハイメサ構造の導波路を含むパッシブ光半導体素子では、高次横モードの影響を排除することが重要である。そこで、ハイメサ構造の導波路における高次横モードの影響を排除するための種々の検討がなされている。
【０００６】
しかしながら、これまでのところ、有効な技術が確立されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平６−６７０４７号公報
【特許文献２】特開平２−１９８４０１号公報
【特許文献３】特開２００３−２５８３６８号公報
【特許文献４】特開２００３−２０７６６５号公報
【特許文献５】特開２０００−２２１３４５号公報
【特許文献６】特表平８−５０８３５１号公報
【特許文献７】特開平４−２１３４０７号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】IEEE Journal of Lightwave Technology, Vol(22) No(2) pp499-508 2004
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、特性の低下を回避しながら高次横モードの励振を抑制することができる光半導体素子及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
光半導体素子の一態様には、光の伝搬方向の第１の領域に位置する第１の下部クラッド層と、前記光の伝搬方向の第２の領域に位置する第２の下部クラッド層と、前記第１の下部クラッド層上方に形成された第１のコア層と、前記第２の下部クラッド層上方に形成された第２のコア層と、前記第１のコア層及び前記第２のコア層上方に形成された上部クラッド層と、が設けられている。前記第１のコア層及び前記第２のコア層は、前記光の伝搬方向に連続して延びている。前記第１の領域には、前記第１のコア層の側面を露出する第１の突起部が形成され、前記第２の領域には、前記第２のコア層の側面の少なくとも一部を露出する第２の突起部が形成されている。前記第１の突起部の底部は、前記第１及び第２のコア層の下面よりも下方に位置し、前記第２の突起部の底部は、前記第１の突起部の底部よりも上方に位置する。
【発明の効果】
【００１１】
上記の光半導体素子等によれば、第１の領域及び第２の領域の相互作用により、素子の特性の低下を回避しながら高次横モードの励振を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】調査対象である光半導体導波路の構造を示す図である。
【図２】シミュレーションの結果を示す図である。
【図３】第１の実施形態に係る光半導体素子の構造を示す図である。
【図４】第１の実施形態に係る光半導体素子を製造する方法を工程順に示す断面図である。
【図５】図３（ｄ）に示す平面形状の光半導体素子を製造する方法を工程順に示す断面図である。
【図６】マスクパターン１９の平面形状を示す図である。
【図７】シミュレーションの結果を示す図である。
【図８】第２の実施形態に係る光半導体素子の構造を示す図である。
【図９】種々の４：４ＭＭＩカプラを含む光分岐・結合素子における伝搬特性を示す図である。
【図１０】種々の４：４ＭＭＩカプラを含む光分岐・結合素子における波長とトランスミッタンスとの関係のシミュレーションの結果を示す図である。
【図１１】第３の実施形態に係る光半導体素子の構造を示す図である。
【図１２】第４の実施形態に係る光半導体装置の構造を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、実施形態について、添付の図面を参照して具体的に説明する。
【００１４】
（メサ高と伝搬特性との関係）
本願発明者は、メサ構造の光半導体導波路のメサ高（メサ部の高さ）と伝搬特性との関係を調査した。この調査について説明する。この調査では、図１に示すように、入力導波路部１、直線導波路部２及び出力導波路部３がこの順で接続された光半導体導波路の伝搬特性をシミュレーションにより求めた。図１（ａ）は、調査対象である光半導体導波路の構造を示す平面図であり、図１（ｂ）は、調査対象である光半導体導波路の構造を示す断面図である。
【００１５】
平面形状に関し、図１（ａ）に示すように、入力導波路部１の光信号の入力部の幅は４．０μｍであり、入力導波路部１の直線導波路部２との連結部の幅は１．６μｍであり、入力導波路部１の長さは１００μｍである。入力導波路部１の幅は、直線導波路部２との連結部に向かって直線的に狭くなっている。直線導波路部２の幅は１．６μｍであり、直線導波路部２の長さは１００μｍである。出力導波路部３の幅は１．６μｍであり、出力導波路部３の長さは３００μｍである。
【００１６】
一方、入力導波路部１、直線導波路部２及び出力導波路部３の断面形状は共通している。いずれにおいても、図１（ｂ）に示すように、下部クラッド層６上にコア層７が形成され、コア層７上に上部クラッド層８が形成されている。コア層７は、発光波長λgが１．３μｍ、厚さが０．３μｍのＧａＩｎＡｓＰ層である。また、上部クラッド層８の厚さは２．０μｍである。また、メサ高Ｔmesaは、３．１μｍ、２．６μｍ又は２．３μｍである。つまり、下部クラッド層６の突出部の高さＴlcを０．８μｍ、０．３μｍ又は０μｍとした。このような構造の光半導体導波路は単一モード条件を満たす。
【００１７】
一方、光半導体導波路に複数のモードが励振した場合、光半導体導波路の形状及び入力光のフィールド分布に応じて、励振モードの分布が異なり、モード振幅係数Ｃν（νはモード番号）は数１で表わされる。
【００１８】
【数１】
【００１９】
ここで、Ψ（ｙ）は入力フィールド分布を示し、φν（ｙ）は光半導体導波路におけるそれぞれの励振モード分布を示す。
【００２０】
そして、このシミュレーションでは、入力モード及び光半導体導波路の励振モードが、それぞれＧａｕｓｓｉａｎ分布及び正弦波分布を有すると仮定し、典型的なモード振幅係数Ｃνを算出した（Ｃ0＝０．６、Ｃ1＝０．３、Ｃ2＝０．１）。また、このような３つの入力モードを励振させ、３次元ビーム伝搬法（ＢＰＭ：beam propagation method）により伝搬特性を計算した。
【００２１】
このシミュレーションの結果を図２に示す。図２（ａ）は、高さＴlcが０．８μｍの場合の伝搬特性を示し、図２（ｂ）は、高さＴlcが０．３μｍの場合の伝搬特性を示し、図２（ｃ）は、高さＴlcが０μｍの場合の伝搬特性を示す。
【００２２】
高さＴlcが０．８μｍである場合、図２（ａ）に示すように、数百μｍにわたり、光波が蛇行しながら伝搬する。つまり、高次横モードが漏洩モードとして伝搬する。
【００２３】
一方、高さＴlcが０．３μｍである場合、図２（ｂ）に示すように、光の蛇行が緩和され、光が４００μｍ程度伝搬すれば、分布は０次モードになる。これは、高さＴlcが低いため、高次横モードの減衰率が増大したためである。
【００２４】
さらに、高さＴlcが０μｍである場合、図２（ｃ）に示すように、高次漏洩モードの減衰が更に顕著になり、光が１００μｍ程度伝搬すれば、高次横モードはほぼ放射する。
【００２５】
このようなシミュレーションの結果から、メサ構造の光半導体導波路における下部クラッド層６の突出部の高さＴlcが低いほど、漏洩モードとして伝搬する高次横モードの影響を抑制することができるといえる。
【００２６】
なお、メサ構造には、ハイメサ構造、リッジ構造及びリブ構造が含まれる。図１（ｂ）に示す例では、メサ高さＴmesaが２．３μｍより大きい場合にハイメサ構造となり、メサ高さＴmesaが２．０μｍより大きく２．３μｍ以下の場合にリッジ構造となり、メサ高さＴmesaが２．０μｍ以下の場合にリブ構造となる。つまり、コア層７の全体がメサ部に含まれているか、コア層７の一部がメサ部に含まれているか、コア層７がメサ部に含まれていないかに応じてメサ構造を分別することができる。上記のシミュレーションは、ハイメサ構造を対象したものであるが、ハイメサ構造における傾向を考慮すると、リッジ構造では漏洩モードとして伝搬する高次横モードの減衰がより一層顕著になり、このような高次横モードの抑制に極めて有効であるといえる。
【００２７】
（第１の実施形態）
次に、第１の実施形態について説明する。図３は、第１の実施形態に係る光半導体素子の構造を示す図である。
【００２８】
第１の実施形態に係る光半導体素子には、図３（ａ）に示すように、平面視で、メサ部の幅が例えば１．６μｍの第１のメサ領域１１及び第２のメサ領域１２が設けられており、これらが互いに接続されている。図３（ｂ）は、図３（ａ）中のＩ−Ｉ線に沿った断面図であり、図３（ｃ）は、図３（ａ）中のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。第１のメサ領域１１及び第２のメサ領域１２のいずれにおいても、図３（ｂ）及び図３（ｃ）に示すように、下部クラッド層１６上にコア層１７が形成され、コア層１７上に上部クラッド層１８が形成されている。第１のメサ領域１１及び第２のメサ領域１２の間で、下部クラッド層１６、コア層１７及び上部クラッド層１８の組成及び厚さは共通しており、コア層１７の下面及び上面の位置も第１のメサ領域１１及び第２のメサ領域１２の間で共通している。
【００２９】
第１のメサ領域１１の構造はハイメサ構造であり、第２のメサ領域１２の構造はリッジ構造である。つまり、第１のメサ領域１１では、メサ部に、上部クラッド層１８、コア層１７、及び下部クラッド層１６の一部が含まれているのに対し、第２のメサ領域１２では、メサ部に、上部クラッド層１８、及びコア層１７の一部が含まれているが、下部クラッド層１６は含まれていない。
【００３０】
下部クラッド層１６は、例えば、ｎ型のＩｎＰ基板又はアンドープのＩｎＰ基板である。コア層１７は、例えば、アンドープのＧａＩｎＡｓＰコア層であり、その発光波長は１．３μｍ、その厚さは０．３μｍである。上部クラッド層１８は、例えばｐ型のＩｎＰ層又はアンドープのＩｎＰ層であり、その厚さは２．０μｍである。そして、第１のメサ領域１１内のメサ部の高さは、例えば２．７μｍ〜３．２μｍであり、第２のメサ領域１２内のメサ部の高さは、例えば２．０μｍ〜２．５μｍである。
【００３１】
なお、これらの厚さ、幅及び発光波長は特に限定されないが、単一モード条件が満たされていることが好ましい。
【００３２】
このように構成された光半導体素子では、第１のメサ領域１１から第２のメサ領域１２に向かって光信号が伝搬する場合には、第１のメサ領域１１又はその前段で高次横モードが発生したとしても、第２のメサ領域１２において高次横モードが減衰する。逆に、第２のメサ領域１２から第１のメサ領域１１に光信号が向かって伝搬する場合には、第２のメサ領域１２に高次横モードが励振した光信号が入力されても、第１のメサ領域１１に伝搬する光信号は高次横モードが減衰したものとなる。このように、第１の実施形態によれば、高次横モードの光信号を減衰することができる。
【００３３】
更に、このような第１の実施形態を応用すれば、曲率半径の制限及び光分岐・結合素子の特性劣化を回避することができる。
【００３４】
なお、図３（ｄ）に示すように、２個の第１のメサ領域１１の間に第２のメサ領域１２が接続されていてもよい。第２のメサ領域１２の長さは、例えば１００μｍである。この場合、一方の第１のメサ領域１１で高次横モードが生じたとしても、他方の第１のメサ領域１１に伝搬するまでの間に、第２のメサ領域１２により当該高次横モードを減衰させることができる。
【００３５】
次に、図３（ｄ）に示す平面形状の光半導体素子を製造する方法について説明する。図４及び図５は、図３（ｄ）に示す平面形状の光半導体素子を製造する方法を工程順に示す断面図である。なお、図４は、第１のメサ領域１１を形成する部分を示し、図５は、第２のメサ領域１２を形成する部分を示す。
【００３６】
先ず、図４（ａ）及び図５（ａ）に示すように、基板を兼ねる下部クラッド層１６上に、例えば有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ：metal organic vapor phase epitaxy）法によってコア層１７及び上部クラッド層１８をこの順で形成する。つまり、コア層１７及び上部クラッド層１８をエピタキシャル成長させる。
【００３７】
次いで、図４（ｂ）及び図５（ｂ）に示すように、上部クラッド層１８上に、ハードマスクのマスクパターン１９を形成する。図６（ａ）に、マスクパターン１９の平面形状を示す。マスクパターン１９には、メサ部を形成する部分に相当するメサ形成部１９ａ、及びメサ高の調整のためにメサ形成部１９ａから離間して位置するメサ高調整部１９ｂが設けられている。メサ形成部１９ａの幅は、例えば１．６μｍであり、第１のメサ領域１１及び第２のメサ領域１２の間で共通している。一方、メサ高調整部１９ｂとメサ形成部１９ａとの間隔は、第２のメサ領域１２を形成する部分において、第１のメサ領域１１を形成する部分よりも狭くなっている。例えば、第２のメサ領域１２を形成する部分での間隔は、０．５μｍ〜１．５μｍ（例えば１．０μｍ）であり、第１のメサ領域１１を形成する部分での間隔は、５．０μｍ〜１５．０μｍ（例えば９．０μｍ）である。このようなマスクパターン１９は、次のようにして形成することができる。即ち、上部クラッド層１８上に、例えばシリコン酸化膜等の無機膜を蒸着法等により形成し、その上にフォトレジストを形成し、このフォトレジストを、光露光プロセスによってパターニングする。次いで、パターニング後のフォトレジスト、即ちレジストパターンをマスクとして用いて無機膜を加工する。このようにして、ハードマスクのマスクパターン１９を形成することができる。
【００３８】
マスクパターン１９の形成後には、図４（ｃ）及び図５（ｃ）に示すように、マスクパターン１９をマスクとして用いて上部クラッド層１８、コア層１７及び下部クラッド層１６の加工を行う。この加工では、例えば、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ：inductively coupled plasma）反応性イオンエッチング等のドライエッチングを行う。
【００３９】
このとき、第２のメサ領域１２を形成する部分では、メサ高調整部１９ｂとメサ形成部１９ａとの間隔が狭いため、マイクロローディング効果によって、第１のメサ領域１１を形成する部分と比較してエッチング速度が低い。従って、第２のメサ領域１２を形成する部分の溝がコア層１７に達したころには、第１のメサ領域１１を形成する部分の溝は下部クラッド層１６まで達している。実際に、本願発明者が、第２のメサ領域１２を形成する部分での間隔を１．０μｍ、第１のメサ領域１１を形成する部分での間隔を９．０μｍとして、上記と同様の積層体のＩＣＰ反応性ドライエッチングを行ったところ、第２のメサ領域１２を形成する部分の溝の深さ（メサ高）が２．５μｍのとき、第１のメサ領域１１を形成する部分の溝の深さ（メサ高）は３．２μｍとなっていた。つまり、マイクロローディング効果によって約０．７μｍの差が生じていた。
【００４０】
上部クラッド層１８、コア層１７及び下部クラッド層１６の加工後には、マスクパターン１９を除去する。このようにして光半導体素子を製造することができる。
【００４１】
なお、マイクロローディング効果を利用したドライエッチングでは、エッチング量を厳密に制御することは困難である。つまり、第２のメサ領域１２内のメサ部の高さを厳密に制御することは困難である。しかし、本実施形態では、第２のメサ領域１２内のメサ部の高さを厳密に制御する必要はないため、このことは問題につながらない。つまり、特性に影響を及ぼしやすい実効屈折率は第１のメサ領域１１でほぼ決定されるため、第２のメサ領域１２は高次横モードの励振を減衰させることできればよく、実効屈折率が第２のメサ領域１２で多少変動しても特性の低下は極めて小さい。
【００４２】
ここで、第１の実施形態に関して本願発明者が行ったシミュレーションについて説明する。このシミュレーションでは、第１のメサ領域１１のメサ高を３．２μｍに固定した場合の、第２のメサ領域１２のメサ高Ｔmesaと光半導体素子全体の実効屈折率との関係を調査した。また、第２のメサ領域１２のメサ高Ｔmesaと、第１のメサ領域１１と第２のメサ領域１２との界面における反射率との関係も調査した。これらの結果を図７（ａ）及び（ｂ）に示す。
【００４３】
図７（ａ）に示すように、第２のメサ領域１２のメサ部がリブ構造（０＜Ｔmesa≦２．０）又はリッジ構造（２．０＜Ｔmesa≦２．３）の場合、メサ高Ｔmesaが高くなるほど、実効屈折率が低くなるが、光半導体素子全体の実効屈折率の変化は大きくても０．０３である。
【００４４】
また、図７（ｂ）に示すように、メサ高Ｔmesaが低くなるほど、第１のメサ領域と第２のメサ領域との界面における反射率が大きくなるが、第２のメサ領域１２のメサ部がリッジ構造（２．０＜Ｔmesa≦２．３）の場合には、１０-5未満である。
【００４５】
これらの結果からも、第２のメサ領域１２におけるメサ高Ｔmesaが多少変動したとしても実効屈折率及び反射率への影響は小さいといえる。そして、更に図１及び図２に示すシミュレーションの結果を考慮すると、第２のメサ領域１２におけるメサ高Ｔmesaの許容範囲の大きさは０．８μｍ以上であるといえる。このため、既存のドライエッチング技術の精度からすれば、高い歩留まりを得ることができるといえる。
【００４６】
なお、図４及び図５に示す製造方法では、第１のメサ領域１１を形成する部分にもメサ高調整部１９ｂを設けているが、この部分にはメサ高調整部１９ｂを設けなくてもよい。マイクロローディング効果によってドライエッチングの速度を低下させる必要はないからである。
【００４７】
また、図６（ｂ）に示すように、マスクパターン１９のメサ高調整部１９ｂに、第２のメサ領域１２を形成する部分の端部から徐々に離間していく部分が設けられていてもよい。このような部分の長さは、第２のメサ領域１２の長さが１００μｍ程度であれば、例えば５０μｍ〜１００μｍとすればよい。この場合でも、マイクロローディング効果によって、第２のメサ領域１２のメサ高を低くすることができる。また、図６（ａ）に示すマスクパターン１９を用いた場合と比較して、メサ高の変化が緩やかになるため、第１のメサ領域１１と第２のメサ領域１２との界面の反射率を低減することができる。
【００４８】
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について説明する。図８は、第２の実施形態に係る光半導体素子の構造を示す図である。なお、図８（ｂ）は、図８（ａ）中のＩ−Ｉ線に沿った断面図であり、図８（ｃ）は、図８（ａ）中のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図であり、図８（ｄ）は、図８（ａ）中のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。
【００４９】
第２の実施形態は、４：４多モード干渉型（ＭＭＩ：multimode interference）のカプラ２３を備えた光分岐・結合素子である。このカプラ２３入力側には４本の入力導波路２１が接続され、出力側には４本の出力導波路２２が接続されている。各入力導波路２１には、第１のメサ領域３１、第２のメサ領域３２及び第１のメサ領域３３が含まれている。第２のメサ領域３２は、第１のメサ領域３１及び第１のメサ領域３３の間に位置している。カプラ２３には、第１のメサ領域３４が含まれている。各出力導波路２２には、第１のメサ領域３５、第２のメサ領域３６及び第１のメサ領域３７が含まれている。
【００５０】
図８（ｂ）、（ｃ）及び（ｄ）に示すように、第１のメサ領域３１、第２のメサ領域３２及び第１のメサ領域３４のいずれにおいても、基板を兼ねる下部クラッド層４１上にコア層４２及び上部クラッド層４３が形成されている。これらの領域間で、下部クラッド層４１、コア層４２及び上部クラッド層４３の組成及び厚さは共通しており、コア層４２の下面及び上面の位置もこれらの領域間で共通している。また、第１のメサ領域３１のメサ高及び第１のメサ領域３４のメサ高は互いに一致しているが、第２のメサ領域３２のメサ高は、これらよりも低い。
【００５１】
第１のメサ領域３１では、図８（ｂ）に示すように、入力導波路２１の間にメサ部が存在しないが、第２のメサ領域３２では、図８（ｃ）に示すように、入力導波路２１の間に、エッチング残部２４が存在する。このエッチング残部２４は、上記のマイクロローディング効果を利用したドライエッチングの制御のために残存したものであるが、ここに光信号が入出力されることはない。また、カプラ２３には、図８（ｄ）に示すように、入力導波路２１よりも広い分岐結合部２５が設けられている。
【００５２】
なお、第１のメサ領域３３、３５及び３７のメサ部の断面構造は、第１のメサ領域３１のメサ部の断面構造と同様である。また、第２のメサ領域３６のメサ部の断面構造は、第２のメサ領域３２のメサ部の断面構造と同様である。また、第１のメサ領域３１及び３７に、曲げ導波路が含まれている。
【００５３】
このように構成された第２の実施形態では、入力導波路２１を伝搬する光信号に高次横モードが含まれていたとしても、第２のメサ領域３２において高次横モードが減衰する。従って、カプラ２３では適切な光結合及び光分岐が行われる。また、カプラ２３等において高次横モードが発生したとしても、第２のメサ領域３６において高次横モードが減衰する。
【００５４】
更に、本実施形態では、カプラ２３の分岐結合部２５が第１のメサ領域３４に相当し、このメサ高が第１のメサ領域３１、３３、３５及び３７のメサ高と同等であり、第２のメサ領域３２及び３６のメサ高よりも高い。このため、光結合及び光分岐の特性が良好に維持される。
【００５５】
また、分岐・結合特性の波長依存性及び偏光依存性を低減するために、分岐結合部２５に接続される入力導波路２１（アクセス導波路）に幅テーパが設けられていてもよい。つまり、図１（ａ）に示すように、入力導波路２１に、入力側から出力側にかけて幅が徐々に狭まる部分が含まれていてもよい。更に、入力導波路２１に、入力側から出力側にかけて幅が徐々に広がる部分が含まれていてもよい。従来の構造では、幅テーパが設けられていると、導波路の幅が広くなるにつれて、高次横モードが励振する可能性が高くなり、素子特性が著しく劣化しやすくなるが、本実施形態では、このような高次横モードが励振しても、第２のメサ領域３２において減衰する。
【００５６】
図９は、種々の４：４ＭＭＩカプラを含む光分岐・結合素子における伝搬特性のシミュレーションの結果を示す図である。図９（ａ）は、従来の光分岐・結合素子に０次モード（Ｃ0＝０．３３３）の光信号を入力した場合の伝搬特性を示す。図９（ｂ）は、従来の光分岐・結合素子にマルチモード（０次モード（Ｃ0＝０．３３３）、１次モード（Ｃ1＝０．３３３）及び２次モード（Ｃ2＝０．３３３））の光信号を入力した場合の伝搬特性を示す。図９（ｃ）は、第２の実施形態に係る光分岐・結合素子にマルチモード（０次モード（Ｃ0＝０．３３３）、１次モード（Ｃ1＝０．３３３）及び２次モード（Ｃ2＝０．３３３））の光信号を入力した場合の伝搬特性を示す。なお、これらの光分岐・結合素子では、４：４ＭＭＩカプラに接続される入力導波路には、２個の幅テーパ部が設けられており、これらの間に幅が一定の直線部が設けられている。入力側の幅テーパ部の長さは１００μｍであり、幅が４．０μｍから１．６μｍに直線的に狭くなっている。直線部の長さは１００μｍであり、幅は１．６μｍである。出力側（４：４ＭＭＩカプラ側）の幅テーパ部の長さは１００μｍであり、幅が１．６μｍから４．０μｍに直線的に広くなっている。そして、出力側の幅テーパ部が４：４ＭＭＩカプラの入力ポートに接続されている。また、各４：４ＭＭＩカプラの４か所の入力ポート同士の間隔は２．０μｍ程度、４：４ＭＭＩカプラの導波路の長さは１．２ｍｍ程度である。
【００５７】
図９（ａ）に示すように、０次モードの光信号のみが入力された場合には、従来の光分岐・結合素子でも、高次横モードの励振が生じることはなく、４等分岐されている。しかしながら、従来の光分岐・結合素子では、マルチモードの光信号が入力されると、入力導波路において高次横モードが漏洩モードとして伝搬するため（図２（ａ）参照）、図９（ｂ）に示すように、光信号が４等分岐されない。つまり、４：４ＭＭＩカプラ内でのモード干渉作用が相違し、高次横モードが励振し続けてしまう。従って、分岐・結合特性が低下している。これに対し、第２の実施形態に係る光分岐・結合素子では、マルチモードの光信号が入力されても、入力導波路において高次横モードが減衰し（図２（ｂ）及び（ｃ）参照）、４：４ＭＭＩカプラに入力される光信号は、ほぼ０次モードの光信号のみとなる。このため、図９（ｃ）に示すように、光信号が４等分岐される。このように、第２の実施形態によれば、漏洩モードとして伝搬する高次横モードを減衰させて、適切に光信号の分岐を行うことができる。
【００５８】
図１０は、種々の４：４ＭＭＩカプラを含む光分岐・結合素子における波長とトランスミッタンスとの関係のシミュレーションの結果を示す図である。図１０は、分岐特性における波長依存性を示している。図１０（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）に示すシミュレーションに用いた４：４ＭＭＩカプラの構造及び入力光信号は、夫々、図９（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）のものと同一である。
【００５９】
図１０（ａ）に示すように、０次モードの光信号のみが入力された場合には、高次横モードの影響がないため、従来の光分岐・結合素子でも、Ｃバンド帯域内での波長依存性は０．９ｄＢ程度である。なお、入力導波路に幅テーパ部が設けられていない場合には、Ｃバンド帯域内での波長依存性は２．３ｄＢ程度となる。しかしながら、従来の光分岐・結合素子では、マルチモードの光信号が入力されると、Ｃバンド帯域内での波長依存性が２．０ｄＢ程度と大きくなる。また、波長スペクトルもいびつな形状になる。更に、チャネル（Ｃｈ−１、Ｃｈ−２、Ｃｈ−３、Ｃｈ−４）間の偏差も顕著になる。高次横モードによる分岐特性の低下の程度はモード振幅係数Ｃνに依存し、高次横モードのモード振幅係数Ｃνが更に大きくなれば、波長依存性及びチャネル間の偏差が更に大きくなる。これに対し、第２の実施形態に係る光分岐・結合素子では、マルチモードの光信号が入力されても、波長スペクトル特性は、図１０（ａ）と同等になる。
【００６０】
このように、第２の実施形態によれば、高次横モードのモード振幅係数Ｃνに拘わらず、光分岐・結合素子の波長依存性及びチャネル間の偏差を一定に保つことができる。また、第１の実施形態と同様に製造することができるため、第２のメサ領域３２及び３６のメサ高の許容範囲を広く確保することができる。従って、高い歩留まりで製造することができる。なお、第２の実施形態において、第２のメサ領域３２及び３６の断面構造がリッジ構造となっていてもよい。また、第１の実施形態において、第２のメサ領域１２のメサ高が第１のメサ領域１１のメサ高よりも低ければ、第２のメサ領域１２がハイメサ構造となっていてもよい。
【００６１】
（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態について説明する。図１１は、第３の実施形態に係る光半導体素子の構造を示す図である。なお、図１１（ｂ）は、図１１（ａ）中のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図であり、図１１（ｃ）は、図１１（ａ）中のＶ−Ｖ線に沿った断面図である。
【００６２】
第３の実施形態は、入力導波路２１が２本であり、これらがカプラ２３の入力ポートに非対称に接続されている点で、第２の実施形態と相違している。他の構成は第２の実施形態と同様である。つまり、２本の入力導波路２１が、カプラ２３の幅方向の中心位置を基準にして非対称に位置する入力ポートに接続されている。入力ポートの数は特に限定されないが、例えば４個であり、そのうちの２個のみに入力導波路２１が接続されている。
【００６３】
このように構成された第３の実施形態は、９０度ハイブリッド光回路として機能し得る。つまり、一方の入力導波路２１に四位相偏移変調（ＱＰＳＫ）信号光を入力し、他方の入力導波路２１に局発（ＬＯ：local oscillator）光を入力し、かつ、これらの入力を時間的に同期させることにより、ＱＰＳＫ信号光とＬＯ光との相対位相差Δφに応じて異なる信号を出力させることができる。なお、チャネルｃｈ−１の信号（Ｓ＋Ｌ）の位相を０とすると、チャネルｃｈ−２の信号（Ｓ＋ｊＬ）の位相は−π／２であり、チャネルｃｈ−３の信号（Ｓ−ｊＬ）の位相は＋π／２であり、チャネルｃｈ−４の信号（Ｓ−Ｌ）の位相はπである。
【００６４】
第３の実施形態でも、第２の実施形態と同様に、漏洩モードとして伝搬する高次横モードの影響を排除することができる。従って、９０度ハイブリッド動作における動作帯域幅（波長依存性）及び位相ずれ特性を向上することができる。また、メサ高の制御も容易であるため、高い歩留まりで製造することができる。
【００６５】
なお、ＱＰＳＫ信号光に代えて、差分四位相偏移変調信号（ＤＱＰＳＫ）光を用いてもよい。
【００６６】
（第４の実施形態）
次に、第４の実施形態について説明する。図１２は、第４の実施形態に係る光半導体装置の構造を示す図である。
【００６７】
第４の実施形態には、第３の実施形態の光半導体素子（９０度ハイブリッド光回路）、ＬＯ光源、差動型フォトダイオード（ＢＰＤ：balanced photodiode)、ＡＤ（アナログ−デジタル）変換部及びデジタル信号処理回路が含まれている。つまり、第３の実施形態の９０度ハイブリッド光回路の入力側に、入力導波路２１の一方にＬＯ光を入射するＬＯ光源５０が設けられている。また、第３の実施形態の９０度ハイブリッド光回路の入力側に、同相（In-phase）の位相関係を有するチャネルの信号が入力されるＢＰＤ１、及び直交（Quadrature）の位相関係を有するチャネルの信号が入力されるＢＰＤ２が設けられている。ＢＰＤ１には、チャネルｃｈ−１の信号が入力されるＰＤ１、及びチャネルｃｈ−４の信号が入力されるＰＤ２が含まれ、ＢＰＤ２には、チャネルｃｈ−２の信号が入力されるＰＤ３及びチャネルｃｈ−４の信号が入力されるＰＤ４が含まれている。ＰＤ１及びＰＤ２は互いに直列接続されており、ＰＤ１のカソード及びＰＤ２のアノードの電位が入力されるＡＤ変換部５１が設けられている。また、ＰＤ３及びＰＤ４は互いに直列接続されており、ＰＤ３のカソード及びＰＤ４のアノードの電位が入力されるＡＤ変換部５２が設けられている。更に、ＡＤ変換部５１及び５２が出力したデジタル信号を処理するデジタル演算回路５３が設けられている。
【００６８】
このように構成された第４の実施形態は、コヒーレント光受信機（光半導体装置）として機能し得る。つまり、一方の入力導波路２１に入力されるＱＰＳＫ信号光に時間的に同期したＬＯ信号を他方の入力導波路２１に入力すると、ＱＰＳＫ信号光とＬＯ光との相対位相差Δφに応じて異なる信号が出力導波路２２に出力される。そして、本実施形態では、同相及び直交の位相関係を有するチャネルの信号が、夫々、直列接続されたＢＰＤ１及びＢＰＤ２に入力される。相対位相差Δφが、（ａ）０、（ｂ）π、（ｃ）−π／２及び（ｄ）＋π／２の場合、９０度ハイブリッドの出力強度比は、夫々、（ａ）０：２：１：１、（ｂ）２：０：１：１、（ｃ）１：１：２：０及び（ｄ）１：１：０：２となる。従って、ＢＰＤ１及びＢＰＤ２への入力状態も相違する。ＢＰＤ１では、ＰＤ１又はＰＤ２のみへ光信号が入力されると、１又は−１に相当する電流が流れ、ＰＤ１及びＰＤ２の両方に光信号が入力されると、電流が流れない。ＢＰＤ２では、ＰＤ３又はＰＤ４のみへ光信号が入力されると、１又は−１に相当する電流が流れ、ＰＤ３及びＰＤ４の両方に光信号が入力されると、電流が流れない。従って、第４の実施形態では、ＱＰＳＫ信号光における位相情報が識別でき、電気信号へ変換することができる。そして、光電変換されたアナログ信号はＡＤ変換部５１及び５２によりデジタル信号に変換され、デジタル演算回路５３がこのデジタル信号の処理を行う。このようにして、第４の実施形態は、コヒーレント光受信機として機能する。
【００６９】
コヒーレント光受信機では、光導波路を漏洩モードとして伝搬する高次横モードの影響が大きい場合、９０度ハイブリッドの出力強度比が乱れ、クロストークが発生し、受信感度及び動作帯域幅が大幅に低下する。本実施形態では、このような高次横モードを減衰することができるため、相対位相差Δφに応じた出力強度比を一定に保つことができ、良好な受信感度及び動作帯域幅を得ることができる。
【００７０】
なお、これらの実施形態に含まれるカプラ２３に代えて、Ｎ：Ｎ ＭＭＩカプラ（Ｎは自然数）が用いられてもよい。例えば、１：Ｎ ＭＭＩカプラ、又は２：Ｎ ＭＭＩカプラ等が用いられてもよい。また、カプラとして、方向性結合器、Ｙ分岐カプラ又はモード変換型カプラ等が用いられてもよい。これらによっても、カプラ２３を用いた場合と同様の効果を得ることができる。
【００７１】
以下、本発明の諸態様を付記としてまとめて記載する。
【００７２】
（付記１）
光の伝搬方向の第１の領域に位置する第１の下部クラッド層と、
前記光の伝搬方向の第２の領域に位置する第２の下部クラッド層と、
前記第１の下部クラッド層上方に形成された第１のコア層と、
前記第２の下部クラッド層上方に形成された第２のコア層と、
前記第１のコア層及び前記第２のコア層上方に形成された上部クラッド層と、
を有し、
前記第１のコア層及び前記第２のコア層は、前記光の伝搬方向に連続して延びており、
前記第１の領域には、前記第１のコア層の側面を露出する第１の突起部が形成され、
前記第２の領域には、前記第２のコア層の側面の少なくとも一部を露出する第２の突起部が形成され、
前記第１の突起部の底部は、前記第１及び第２のコア層の下面よりも下方に位置し、
前記第２の突起部の底部は、前記第１の突起部の底部よりも上方に位置することを特徴とする光半導体素子。
【００７３】
（付記２）
前記第２の突起部の底部は、前記第１及び第２のコア層の下面よりも上方に位置していることを特徴とする付記１に記載の光半導体素子。
【００７４】
（付記３）
前記光の伝搬方向の前記第１の領域との間で前記第２の領域を挟む第３の領域に位置する第３の下部クラッド層と、
前記第３の下部クラッド層上方に形成された第３のコア層と、
を有し、
前記上部クラッド層は、前記第３のコア層上方にも形成されており、
前記第３のコア層は、前記第２のコア層と前記光の伝搬方向に連続して延びており、
前記第３の領域には、前記第３のコア層の側面を露出する第３の突起部が形成され、
前記第３の突起部の底部は、前記第２の突起部の底部よりも下方に位置することを特徴とする付記１又は２に記載の光半導体素子。
【００７５】
（付記４）
前記第１及び第２の領域を備えた１以上の入力導波路と、
前記１以上の入力導波路が接続された多モード干渉導波路と、
を有し、
前記多モード干渉導波路は、
前記光の伝搬方向の前記第１の領域との間で前記第２の領域を挟む第３の領域に位置する第３の下部クラッド層と、
前記第３の下部クラッド層上方に形成された第３のコア層と、
を有し、
前記上部クラッド層は、前記第３のコア層上方にも形成されており、
前記第３のコア層は、前記１以上の入力導波路に含まれる全ての第２のコア層を結合し、
前記多モード干渉導波路には、前記第３のコア層の側面を露出する第３の突起部が形成され、
前記第３の突起部の底部は、前記第２の突起部の底部よりも下方に位置することを特徴とする付記１又は２に記載の光半導体素子。
【００７６】
（付記５）
前記１以上の入力導波路は、前記多モード干渉導波路に近づくほど幅が広くなる部分を有することを特徴とする付記４に記載の光半導体素子。
【００７７】
（付記６）
光分岐・結合素子として機能することを特徴とする付記４又は５に記載の光半導体素子。
【００７８】
（付記７）
前記第１及び第２の領域を備えた２個の入力導波路と、
前記２個の入力導波路が接続された多モード干渉導波路と、
前記多モード干渉導波路に接続された４個の出力導波路と、
を有し、
前記多モード干渉導波路は、
前記光の伝搬方向の前記第１の領域との間で前記第２の領域を挟む第３の領域に位置する第３の下部クラッド層と、
前記第３の下部クラッド層上方に形成された第３のコア層と、
を有し、
前記上部クラッド層は、前記第３のコア層上方にも形成されており、
前記第３のコア層は、前記２個の入力導波路に含まれる全ての第２のコア層を結合し、
前記多モード干渉導波路には、前記第３のコア層の側面を露出する第３の突起部が形成され、
前記第３の突起部の底部は、前記第２の突起部の底部よりも下方に位置し、
前記２個の入力導波路は、前記多モード干渉導波路の幅方向の中心位置を基準にして非対称に位置していることを特徴とする付記１又は２に記載の光半導体素子。
【００７９】
（付記８）
前記２個の入力導波路の一方に、四位相偏移変調信号光又は差分四位相偏移変調信号光が入力され、
前記多モード干渉導波路は、前記四位相偏移変調信号光又は差分四位相偏移変調信号光を同相関係及び直交関係にある一対の光信号に変換することを特徴とする付記７に記載の光半導体素子。
【００８０】
（付記９）
付記７又は８に記載の光半導体素子と、
前記光半導体素子から出力される光信号をアナログ電気信号に変換するフォトダイオードと、
前記フォトダイオードから出力されたアナログ電気信号をデジタル電気信号に変換するアナログ−デジタル変換部と、
前記アナログ−デジタル変換部から出力されたデジタル電気信号の演算を行う演算部と、
を有することを特徴とする光受信機。
【００８１】
（付記１０）
第１の化合物半導体層上に第２の化合物半導体層を形成する工程と、
前記第２の化合物半導体層上に第３の化合物半導体層を形成する工程と、
前記第３の化合物半導体層上にハードマスクを形成する工程と、
前記ハードマスクを用いて前記第３の化合物半導体層、前記第２の化合物半導体層及び前記第１の化合物半導体層のドライエッチングを行う工程と、
を有し、
前記ハードマスクは、
平面形状が線状の第１の被覆部と、
前記第１の被覆部の両側に、前記第１の被覆部から離間して位置する第２の被覆部と、
を有し、
前記第２の被覆部は、前記第１の被覆部からの距離が相違する少なくとも２個の領域を有することを特徴とする光半導体素子の製造方法。
【００８２】
（付記１１）
前記第１の被覆部を、光導波路を形成する予定の領域に位置させることを特徴とする付記１０に記載の光半導体素子の製造方法。
【００８３】
（付記１２）
前記第１の被覆部と前記第２の被覆部との距離が最も短い領域では、前記ドライエッチングの速度はそれ以外の領域よりも遅いことを特徴とする付記１０又は１１に記載の光半導体素子の製造方法。
【００８４】
（付記１３）
前記第２の被覆部は、前記第１の被覆部からの距離が変化する領域を有することを特徴とする付記１０乃至１２のいずれか１項に記載の光半導体素子の製造方法。
【００８５】
（付記１４）
前記第１の化合物半導体層として下部クラッド層を形成し、
前記第２の化合物半導体層としてコア層を形成し、
前記第３の化合物半導体層として上部クラッド層を形成することを特徴とする付記１０乃至１３のいずれか１項に記載の光半導体素子の製造方法。
【符号の説明】
【００８６】
１：入力導波路部
２：直線導波路部
３：出力導波路部
６、１６、４１：下部クラッド層
７、１７、４２：コア層
８、１８、４３：上部クラッド層
１１、３１、３３、３４、３５、３７：第１のメサ領域
１２、３２、３６：第２のメサ領域
１９：マスクパターン
１９ａ：メサ形成部
１９ｂ：メサ高調整部
２１：入力導波路
２２：出力導波路
２３：カプラ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光の伝搬方向の第１の領域に位置する第１の下部クラッド層と、
前記光の伝搬方向の第２の領域に位置する第２の下部クラッド層と、
前記第１の下部クラッド層上方に形成された第１のコア層と、
前記第２の下部クラッド層上方に形成された第２のコア層と、
前記第１のコア層及び前記第２のコア層上方に形成された上部クラッド層と、
を有し、
前記第１のコア層及び前記第２のコア層は、前記光の伝搬方向に連続して延びており、
前記第１の領域には、前記第１のコア層の側面を露出する第１の突起部が形成され、
前記第２の領域には、前記第２のコア層の側面の少なくとも一部を露出する第２の突起部が形成され、
前記第１の突起部の底部は、前記第１及び第２のコア層の下面よりも下方に位置し、
前記第２の突起部の底部は、前記第１の突起部の底部よりも上方に位置することを特徴とする光半導体素子。
【請求項２】
前記第２の突起部の底部は、前記第１及び第２のコア層の下面よりも上方に位置していることを特徴とする請求項１に記載の光半導体素子。
【請求項３】
前記光の伝搬方向の前記第１の領域との間で前記第２の領域を挟む第３の領域に位置する第３の下部クラッド層と、
前記第３の下部クラッド層上方に形成された第３のコア層と、
を有し、
前記上部クラッド層は、前記第３のコア層上方にも形成されており、
前記第３のコア層は、前記第２のコア層と前記光の伝搬方向に連続して延びており、
前記第３の領域には、前記第３のコア層の側面を露出する第３の突起部が形成され、
前記第３の突起部の底部は、前記第２の突起部の底部よりも下方に位置することを特徴とする請求項１又は２に記載の光半導体素子。
【請求項４】
前記第１及び第２の領域を備えた１以上の入力導波路と、
前記１以上の入力導波路が接続された多モード干渉導波路と、
を有し、
前記多モード干渉導波路は、
前記光の伝搬方向の前記第１の領域との間で前記第２の領域を挟む第３の領域に位置する第３の下部クラッド層と、
前記第３の下部クラッド層上方に形成された第３のコア層と、
を有し、
前記上部クラッド層は、前記第３のコア層上方にも形成されており、
前記第３のコア層は、前記１以上の入力導波路に含まれる全ての第２のコア層を結合し、
前記多モード干渉導波路には、前記第３のコア層の側面を露出する第３の突起部が形成され、
前記第３の突起部の底部は、前記第２の突起部の底部よりも下方に位置することを特徴とする請求項１又は２に記載の光半導体素子。
【請求項５】
前記１以上の入力導波路は、前記多モード干渉導波路に近づくほど幅が広くなる部分を有することを特徴とする請求項４に記載の光半導体素子。
【請求項６】
前記第１及び第２の領域を備えた２個の入力導波路と、
前記２個の入力導波路が接続された多モード干渉導波路と、
前記多モード干渉導波路に接続された４個の出力導波路と、
を有し、
前記多モード干渉導波路は、
前記光の伝搬方向の前記第１の領域との間で前記第２の領域を挟む第３の領域に位置する第３の下部クラッド層と、
前記第３の下部クラッド層上方に形成された第３のコア層と、
を有し、
前記上部クラッド層は、前記第３のコア層上方にも形成されており、
前記第３のコア層は、前記２個の入力導波路に含まれる全ての第２のコア層を結合し、
前記多モード干渉導波路には、前記第３のコア層の側面を露出する第３の突起部が形成され、
前記第３の突起部の底部は、前記第２の突起部の底部よりも下方に位置し、
前記２個の入力導波路は、前記多モード干渉導波路の幅方向の中心位置を基準にして非対称に位置していることを特徴とする請求項１又は２に記載の光半導体素子。
【請求項７】
前記２個の入力導波路の一方に、四位相偏移変調信号光又は差分四位相偏移変調信号光が入力され、
前記多モード干渉導波路は、前記四位相偏移変調信号光又は差分四位相偏移変調信号光を同相関係及び直交関係にある一対の光信号に変換することを特徴とする請求項６に記載の光半導体素子。
【請求項８】
第１の化合物半導体層上に第２の化合物半導体層を形成する工程と、
前記第２の化合物半導体層上に第３の化合物半導体層を形成する工程と、
前記第３の化合物半導体層上にハードマスクを形成する工程と、
前記ハードマスクを用いて前記第３の化合物半導体層、前記第２の化合物半導体層及び前記第１の化合物半導体層のドライエッチングを行う工程と、
を有し、
前記ハードマスクは、
平面形状が線状の第１の被覆部と、
前記第１の被覆部の両側に、前記第１の被覆部から離間して位置する第２の被覆部と、
を有し、
前記第２の被覆部は、前記第１の被覆部からの距離が相違する少なくとも２個の領域を有することを特徴とする光半導体素子の製造方法。
【請求項９】
前記第１の被覆部を、光導波路を形成する予定の領域に位置させることを特徴とする請求項８に記載の光半導体素子の製造方法。
【請求項１】
光の伝搬方向の第１の領域に位置する第１の下部クラッド層と、
前記光の伝搬方向の第２の領域に位置する第２の下部クラッド層と、
前記第１の下部クラッド層上方に形成された第１のコア層と、
前記第２の下部クラッド層上方に形成された第２のコア層と、
前記第１のコア層及び前記第２のコア層上方に形成された上部クラッド層と、
を有し、
前記第１のコア層及び前記第２のコア層は、前記光の伝搬方向に連続して延びており、
前記第１の領域には、前記第１のコア層の側面を露出する第１の突起部が形成され、
前記第２の領域には、前記第２のコア層の側面の少なくとも一部を露出する第２の突起部が形成され、
前記第１の突起部の底部は、前記第１及び第２のコア層の下面よりも下方に位置し、
前記第２の突起部の底部は、前記第１の突起部の底部よりも上方に位置することを特徴とする光半導体素子。
【請求項２】
前記第２の突起部の底部は、前記第１及び第２のコア層の下面よりも上方に位置していることを特徴とする請求項１に記載の光半導体素子。
【請求項３】
前記光の伝搬方向の前記第１の領域との間で前記第２の領域を挟む第３の領域に位置する第３の下部クラッド層と、
前記第３の下部クラッド層上方に形成された第３のコア層と、
を有し、
前記上部クラッド層は、前記第３のコア層上方にも形成されており、
前記第３のコア層は、前記第２のコア層と前記光の伝搬方向に連続して延びており、
前記第３の領域には、前記第３のコア層の側面を露出する第３の突起部が形成され、
前記第３の突起部の底部は、前記第２の突起部の底部よりも下方に位置することを特徴とする請求項１又は２に記載の光半導体素子。
【請求項４】
前記第１及び第２の領域を備えた１以上の入力導波路と、
前記１以上の入力導波路が接続された多モード干渉導波路と、
を有し、
前記多モード干渉導波路は、
前記光の伝搬方向の前記第１の領域との間で前記第２の領域を挟む第３の領域に位置する第３の下部クラッド層と、
前記第３の下部クラッド層上方に形成された第３のコア層と、
を有し、
前記上部クラッド層は、前記第３のコア層上方にも形成されており、
前記第３のコア層は、前記１以上の入力導波路に含まれる全ての第２のコア層を結合し、
前記多モード干渉導波路には、前記第３のコア層の側面を露出する第３の突起部が形成され、
前記第３の突起部の底部は、前記第２の突起部の底部よりも下方に位置することを特徴とする請求項１又は２に記載の光半導体素子。
【請求項５】
前記１以上の入力導波路は、前記多モード干渉導波路に近づくほど幅が広くなる部分を有することを特徴とする請求項４に記載の光半導体素子。
【請求項６】
前記第１及び第２の領域を備えた２個の入力導波路と、
前記２個の入力導波路が接続された多モード干渉導波路と、
前記多モード干渉導波路に接続された４個の出力導波路と、
を有し、
前記多モード干渉導波路は、
前記光の伝搬方向の前記第１の領域との間で前記第２の領域を挟む第３の領域に位置する第３の下部クラッド層と、
前記第３の下部クラッド層上方に形成された第３のコア層と、
を有し、
前記上部クラッド層は、前記第３のコア層上方にも形成されており、
前記第３のコア層は、前記２個の入力導波路に含まれる全ての第２のコア層を結合し、
前記多モード干渉導波路には、前記第３のコア層の側面を露出する第３の突起部が形成され、
前記第３の突起部の底部は、前記第２の突起部の底部よりも下方に位置し、
前記２個の入力導波路は、前記多モード干渉導波路の幅方向の中心位置を基準にして非対称に位置していることを特徴とする請求項１又は２に記載の光半導体素子。
【請求項７】
前記２個の入力導波路の一方に、四位相偏移変調信号光又は差分四位相偏移変調信号光が入力され、
前記多モード干渉導波路は、前記四位相偏移変調信号光又は差分四位相偏移変調信号光を同相関係及び直交関係にある一対の光信号に変換することを特徴とする請求項６に記載の光半導体素子。
【請求項８】
第１の化合物半導体層上に第２の化合物半導体層を形成する工程と、
前記第２の化合物半導体層上に第３の化合物半導体層を形成する工程と、
前記第３の化合物半導体層上にハードマスクを形成する工程と、
前記ハードマスクを用いて前記第３の化合物半導体層、前記第２の化合物半導体層及び前記第１の化合物半導体層のドライエッチングを行う工程と、
を有し、
前記ハードマスクは、
平面形状が線状の第１の被覆部と、
前記第１の被覆部の両側に、前記第１の被覆部から離間して位置する第２の被覆部と、
を有し、
前記第２の被覆部は、前記第１の被覆部からの距離が相違する少なくとも２個の領域を有することを特徴とする光半導体素子の製造方法。
【請求項９】
前記第１の被覆部を、光導波路を形成する予定の領域に位置させることを特徴とする請求項８に記載の光半導体素子の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１１−６４７９３（Ｐ２０１１−６４７９３Ａ）
【公開日】平成２３年３月３１日（２０１１．３．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２１３３８８（Ｐ２００９−２１３３８８）
【出願日】平成２１年９月１５日（２００９．９．１５）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年３月３１日（２０１１．３．３１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年９月１５日（２００９．９．１５）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]