JP7145765B2 - 光導波路構造 - Google Patents

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Description

本発明は、光導波路構造に関するものである。
光導波路構造を備える半導体レーザ素子において、光導波路構造を構成する光導波層や回折格子層の屈折率を、ヒータによって加熱することで変化させて、レーザ発振波長を変化させる技術が知られている（たとえば、特許文献１）。ヒータによる加熱の効率を高めるために、光導波層と基板との間に熱伝導率が低い層や領域を設ける技術が特許文献２～４に開示されている。
国際公開第２０１６／１５２２７４号 特開２０１５－１２１７６号公報 特許第５３０３５８０号公報 米国特許第８２３６５８９号明細書
上記特許文献２～４にも開示されているように、ヒータによる加熱の効率を高めることが要求されている。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ヒータによる加熱効率を高めた光導波路構造を提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の一態様に係る光導波路構造は、基板上に位置する下部クラッド層と、前記下部クラッド層上に位置する光導波層と、前記光導波層上に位置する上部クラッド層と、前記上部クラッド層上に位置するヒータと、を備え、前記下部クラッド層、前記光導波層、および前記上部クラッド層はメサ構造を構成しており、前記メサ構造のメサ幅をＷｍｅｓａ、前記光導波層の幅をＷｗｇとすると、下記式
Ｗｗｇ≦Ｗｍｅｓａ≦３×Ｗｗｇ
が成り立つことを特徴とする。
本発明の一態様に係る光導波路構造は、Ｗｗｇ≦Ｗｍｅｓａ≦２×Ｗｗｇが成り立つことを特徴とする。
本発明の一態様に係る光導波路構造は、Ｗｍｅｓａ≦４μｍが成り立つことを特徴とする。
本発明の一態様に係る光導波路構造は、１μｍ≦Ｗｗｇ≦３μｍ、かつ、２μｍ≦Ｗｍｅｓａ≦４μｍが成り立つことを特徴とする。
本発明の一態様に係る光導波路構造は、前記光導波層は、前記上部クラッド層よりも熱伝導率が低い材料で構成されていることを特徴とする。
本発明の一態様に係る光導波路構造は、前記光導波層はＧａＩｎＡｓＰで構成され、前記下部クラッド層および前記上部クラッド層はＩｎＰで構成されていることを特徴とする。
本発明の一態様に係る光導波路構造は、前記光導波層に対して前記上部クラッド層側または前記下部クラッド層側に位置する回折格子層をさらに備えることを特徴とする。
本発明の一態様に係る光導波路構造は、前記光導波層に対して前記基板側に位置する低熱伝導率領域をさらに備えることを特徴とする。
本発明の一態様に係る光導波路構造は、前記光導波層と接続する活性コア層をさらに備えることを特徴とする。
本発明の一態様に係る光導波路構造は、前記活性コア層を伝搬する所定の波長の光のモードフィールド径または伝搬定数と、前記光導波層を伝搬する前記所定の波長の光のモードフィールド径または伝搬定数とが、互いに異なることを特徴とする。
本発明の一態様に係る光導波路構造は、前記活性コア層と前記光導波層とがモードフィールド変換構造を介して接続していることを特徴とする。
本発明によれば、ヒータによる加熱効率を高めた光導波路構造を実現できるという効果を奏する。
図１は、実施形態に係る光導波路構造を含む波長可変レーザ素子の構成を示す模式図である。 図２は、図１に示す第１光導波路部の上面図である。 図３Ａは、図２のＡ－Ａ線断面を示す図である。 図３Ｂは、図２のＢ－Ｂ線断面を示す図である。 図３Ｃは、図２のＣ－Ｃ線断面を示す図である。 図４は、計算例１、計算例２における規格化熱抵抗および計算例１における実効屈折率を示す図である。 図５は、計算例１、計算例２における規格化熱抵抗および実施例１～３における規格化熱抵抗を示す図である。 図６Ａは、計算例１～６における規格化熱抵抗を示す図ある。 図６Ｂは、計算例１、３～６における実効屈折率を示す図である。 図７は、光導波路構造の変形例１を示す図である。 図８は、光導波路構造の変形例２を示す図である。 図９は、光導波路構造の変形例３を示す図である。 図１０は、光導波路構造の変形例４を示す図である。
以下に、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、図面の記載において、同一または対応する要素には適宜同一の符号を付している。また、図面は模式的なものであり、各要素の寸法の関係、各要素の比率などは、現実と異なる場合があることに留意する必要がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。また、図中で適宜ｘｙｚ座標軸を示し、これにより方向を説明する。
（実施形態）
図１は、実施形態に係る光導波路構造を含む波長可変レーザ素子の構成を示す模式図である。波長可変レーザ素子１００は、共通の基部Ｓ上に形成された、第１光導波路部１０と第２光導波路部２０とを備えている。基部Ｓはたとえばｎ型ＩｎＰからなる。なお、基部Ｓの裏面にはｎ側電極３０が形成されている。ｎ側電極３０は、たとえばＡｕＧｅＮｉを含んで構成され、基部Ｓとオーミック接触する。
第１光導波路部１０は、光導波路１１も含んでいる半導体メサ部１２と、ｐ側電極１３と、Ｔｉからなるマイクロヒータ１４と、２つの電極パッド１５とを備えている。第１光導波路部１０は、埋め込み構造を有しており、光導波路１１は、半導体メサ部１２内にｚ方向に延伸するように形成されている。半導体メサ部１２は、ＩｎＰ系半導体層が積層して構成されており、光導波路１１に対するクラッド部の機能等を備える。
図２は、第１光導波路部１０の上面図である。なお、図２では、ｐ側電極１３、マイクロヒータ１４、および電極パッド１５は図示を省略している。第１光導波路部１０は、第１光導波路構造部１０Ａと、第２光導波路構造部１０Ｂと、第３光導波路構造部１０Ｃと、２つのサポートメサ部１０Ｄと、を有している。第１光導波路構造部１０Ａと、第２光導波路構造部１０Ｂと、第３光導波路構造部１０Ｃとは、この順番で接続している。また、第２光導波路構造部１０Ｂおよび第３光導波路構造部１０Ｃとサポートメサ部１０Ｄとの間には絶縁部材１７が設けられている。絶縁部材１７はたとえばポリイミドからなる。
ｐ側電極１３は、第１光導波路構造部１０Ａにおける半導体メサ部１２上において、光導波路１１に沿うように配置されている。なお、半導体メサ部１２には後述するＳｉＮ保護膜が形成されており、ｐ側電極１３はＳｉＮ保護膜に形成された開口部を介して半導体メサ部１２に接触している。マイクロヒータ１４は、第３光導波路構造部１０Ｃにおける半導体メサ部１２のＳｉＮ保護膜上において、光導波路１１に沿うように配置されている。各電極パッド１５は、各サポートメサ部１０Ｄにおける半導体メサ部１２のＳｉＮ保護膜上に配置されている。各電極パッド１５は、マイクロヒータ１４と、絶縁部材１７上に設けられた不図示の配線パターンを介して電気的に接続している。マイクロヒータ１４は、各電極パッド１５を介して電流を供給されることによって発熱する。
図３Ａ、３Ｂ、３Ｃは、それぞれ、図２のＡ－Ａ線断面、Ｂ－Ｂ線断面、Ｃ－Ｃ線断面を示す図である。図３Ａ、３Ｂ、３Ｃは、それぞれ、第１光導波路構造部１０Ａ、第２光導波路構造部１０Ｂ、第３光導波路構造部１０Ｃの断面を含んでいる。
まず、第１光導波路構造部１０Ａについて説明する。図３Ａに示すように、第１光導波路構造部１０Ａの半導体メサ部１２は、基部Ｓを構成するｎ型ＩｎＰ基板上に、ｎ型ＩｎＰからなる下部クラッド層１２ａを有している。下部クラッド層１２ａ上には、第１光導波路構造部１０Ａにおける光導波路１１である活性コア層１１ａが積層している。さらに活性コア層１１ａ上には、ｐ型ＩｎＰからなる第１の上部クラッド層１２ｂが積層している。下部クラッド層１２ａの上部、活性コア層１１ａおよび第１の上部クラッド層１２ｂは、エッチング等により、１．５５μｍ帯の光をシングルモードで光導波するのに適した幅（たとえば２μｍ）にされたストライプメサ構造になっている。ストライプメサ構造の両脇（紙面左右方向）は、ｐ型ＩｎＰ埋め込み層１２ｃおよびｎ型ＩｎＰ電流ブロッキング層１２ｄからなる電流ブロッキング構造を有した埋め込み構造となっている。さらに、第１の上部クラッド層１２ｂおよび埋め込み構造の上には、ｐ型半導体層１２ｅが積層している。ｐ型半導体層１２ｅは、ｐ型ＩｎＰからなる第２の上部クラッド層１２ｅａと、第２の上部クラッド層１２ｅａ上に積層したｐ型ＩｎＧａＡｓからなり半導体メサ部１２の最上層を形成するコンタクト層１２ｅｂとで構成されている。ｐ型半導体層１２ｅは、少なくとも第１の上部クラッド層１２ｂの直上からその両脇の埋め込み構造にわたって設けられている。第１の上部クラッド層１２ｂと第２の上部クラッド層１２ｅａとは、一体となって光導波路１１に対して上部クラッド層として機能する。半導体メサ部１２には半導体メサ部１２を覆うようにＳｉＮ保護膜１６が形成されている。ｐ側電極１３はＡｕＺｎを含んで構成されており、コンタクト層１２ｅｂ上に形成されて、ＳｉＮ保護膜１６の開口部１６ａを介してコンタクト層１２ｅｂとオーミック接触している。以上の構成により、ｎ側電極３０およびｐ側電極１３から活性コア層１１ａへの電流注入が可能になっている。また、第１光導波路構造部１０Ａは、埋め込み構造自体がメサ構造となっている。
活性コア層１１ａは、交互に積層された複数の井戸層と複数のバリア層を含んで構成された多重量子井戸構造と、多重量子井戸構造を上下から挟む下部および上部光閉じ込め層とを有しており、電流注入により発光する。この活性コア層１１ａの多重量子井戸構造を構成する井戸層およびバリア層は、各々組成が異なるＧａＩｎＡｓＰからなり、活性コア層１１ａからの発光波長帯は、本実施形態では１．５５μｍ帯である。下部光閉じ込め層はｎ型ＧａＩｎＡｓＰからなる。上部光閉じ込め層はｐ型ＧａＩｎＡｓＰからなる。下部および上部光閉じ込め層のバンドギャップ波長は、活性コア層１１ａのバンドギャップ波長より短い波長に設定されている。
つぎに、第２光導波路構造部１０Ｂについて説明する。図３Ｂに示すように、第２光導波路構造部１０Ｂの半導体メサ部１２は、図３Ａに示す構造において、活性コア層１１ａを、ＧａＩｎＡｓＰからなる光導波層１１ｂに置き換え、コンタクト層１２ｅｂを削除した構造を有している。光導波層１１ｂは、第２光導波路構造部１０Ｂにおける光導波路１１である。光導波層１１ｂのバンドギャップ波長は、活性コア層１１ａのバンドギャップ波長より短いことが好ましく、たとえば１．２μｍである。
また、第２光導波路構造部１０Ｂは、図２に示すように、埋め込み構造自体がメサ構造となっており、そのメサ幅が、第１光導波路構造部１０Ａ側から第３光導波路構造部１０Ｃ側に向かって連続的に狭くなっており、テーパ形状となっている。第１光導波路構造部１０Ａとの接続部における第２光導波路構造部１０Ｂのメサ幅Ｗｍは、たとえば１０μｍである。第２光導波路構造部１０Ｂの長さＬは、たとえば１００μｍ、１２０μｍ、または１５０μｍである。
つぎに、実施形態に係る光導波路構造である第３光導波路構造部１０Ｃについて説明する。図３Ｃに示すように、第３光導波路構造部１０Ｃの半導体メサ部１２は、図３Ｂに示す構造において、光導波層１１ｂおよび第１の上部クラッド層１２ｂを、光導波層１１ｃａ、スペーサ層１２ｆ、および回折格子層１１ｃｂに置き換えた構造を有している。また、マイクロヒータ１４が、ＳｉＮ保護膜１６上に設けられている。光導波層１１ｃａ、スペーサ層１２ｆ、および回折格子層１１ｃｂが、第３光導波路構造部１０Ｃにおける光導波路１１である。
光導波層１１ｃａは、ＧａＩｎＡｓＰからなる。光導波層１１ｃａのバンドギャップ波長は、活性コア層１１ａのバンドギャップ波長より短いことが好ましく、たとえば１．２μｍである。
回折格子層１１ｃｂは、ｐ型ＩｎＰからなるスペーサ層１２ｆを挟んで光導波層１１ｃａの近傍かつ直上に光導波層１１ｃａに沿って設けられた標本化回折格子（Sampled Grating）を含む層であり、ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）型の回折格子層として形成されている。すなわち、回折格子層１１ｃｂは、光導波層１１ｃａに対して第２の上部クラッド層１２ｅａ側に位置する。回折格子層１１ｃｂは、ｐ型ＧａＩｎＡｓＰ層にｚ方向に沿って標本化回折格子が形成され、回折格子の溝はＩｎＰで埋め込まれた構成を有する。回折格子層１１ｃｂにおいて回折格子の格子間隔は一定であるが標本化されており、これにより波長に対し略周期的な反射応答を示す。回折格子層１１ｃｂのｐ型ＧａＩｎＡｓＰ層のバンドギャップ波長は活性コア層１１ａのバンドギャップ波長より短いことが好ましく、たとえば１．２μｍである。
また、第３光導波路構造部１０Ｃは、埋め込み構造自体がメサ構造となっている。このメサ構造は、下部クラッド層１２ａ、光導波層１１ｃａ、および第２の上部クラッド層１２ｅａを少なくとも含むものである。さらに、上述したように、マイクロヒータ１４は、各電極パッド１５を介して電流を供給されることによって発熱し、回折格子層１１ｃｂを加熱する。供給される電流量を変化させることによって回折格子層１１ｃｂの温度が変化し、その屈折率が変化する。
図１に戻って、第２光導波路部２０について説明する。第２光導波路部２０は、２分岐部２１と、２つのアーム部２２、２３と、リング状導波路２４と、Ｔｉからなるマイクロヒータ２５とを備えている。
２分岐部２１は、１×２型の多モード干渉型（ＭＭＩ）導波路２１ａを含む１×２型の分岐型導波路で構成され、２ポート側が２つのアーム部２２、２３のそれぞれに接続されるとともに１ポート側が第１光導波路部１０側に接続されている。２分岐部２１により、２つのアーム部２２、２３は、その一端が統合され、回折格子層１１ｃｂと光学的に結合される。
アーム部２２、２３は、いずれもｚ方向に延伸し、リング状導波路２４を挟むように配置されている。アーム部２２、２３はリング状導波路２４と近接し、いずれも同一の結合係数κでリング状導波路２４と光学的に結合している。κの値はたとえば０．２である。アーム部２２、２３とリング状導波路２４とは、リング共振器フィルタＲＦ１を構成している。また、リング共振器フィルタＲＦ１と２分岐部２１、及び、以下で説明する位相調整部２７とは、反射ミラーＭ１を構成している。マイクロヒータ２５はリング状であり、リング状導波路２４を覆うように形成されたＳｉＮ保護膜上に配置されている。マイクロヒータ２５は、電流を供給されることによって発熱し、リング状導波路２４を加熱する。供給される電流量を変化させることによってリング状導波路２４の温度が変化し、その屈折率が変化する。
２分岐部２１、アーム部２２、２３、およびリング状導波路２４は、いずれも、ＧａＩｎＡｓＰからなる光導波層２０ａがｎ型ＩｎＰからなる下部クラッド層およびｐ型ＩｎＰからなる上部クラッド層によって挟まれたハイメサ導波路構造を有している。
また、アーム部２３の一部のＳｉＮ保護膜上には、マイクロヒータ２６が配置されている。アーム部２３のうちマイクロヒータ２６の下方の領域は、光の位相を変化させる位相調整部２７として機能する。マイクロヒータ２６は、電流を供給されることによって発熱し、位相調整部２７を加熱する。供給される電流量を変化させることによって位相調整部２７の温度が変化し、その屈折率が変化する。
第１光導波路部１０と第２光導波路部２０は、互いに光学的に接続された一組の波長選択要素である回折格子層１１ｃｂと反射ミラーＭ１とにより構成される、光共振器Ｃ１を構成している。反射ミラーＭ１は、２分岐部２１、アーム部２２、アーム部２３（位相調整部２７を含む）、およびリング状導波路２４以外に、位相調整部２７も含んでいる。位相調整部２７は反射ミラーＭ１内に配置される。
波長可変レーザ素子１００において、回折格子層１１ｃｂは、略所定の波長間隔で略周期的な反射特性を有する第一の櫛状反射スペクトルを生成する。一方、リング共振器フィルタＲＦ１は、略所定の波長間隔で略周期的な反射特性を有する第二の櫛状反射スペクトルを生成する。第二の櫛状反射スペクトルは、第一の櫛状反射スペクトルのピークの半値全幅よりも狭い半値全幅のピークを有し、第一の櫛状反射スペクトルの波長間隔とは異なる波長間隔で略周期的な反射特性を有する。但し、屈折率の波長分散を考慮すると、スペクトル成分は厳密には等波長間隔になっていないことに注意が必要である。
各櫛状反射スペクトルの特性について例示すると、第一の櫛状反射スペクトルのピーク間の波長間隔（自由スペクトル領域：ＦＳＲ）は光の周波数で表すと３７３ＧＨｚである。また、第二の櫛状反射スペクトルのピーク間の波長間隔（ＦＳＲ）は光の周波数で表すと４００ＧＨｚである。
波長可変レーザ素子１００において、レーザ発振を実現するために、第一の櫛状反射スペクトルのピークの一つと第二の櫛状反射スペクトルのピークの一つとを波長軸上で重ね合わせ可能に構成されている。このような重ね合わせは、マイクロヒータ１４およびマイクロヒータ２５の少なくともいずれか一つを用いて、マイクロヒータ１４により回折格子層１１ｃｂを加熱して熱光学効果によりその屈折率を変化させて第一の櫛状反射スペクトルを波長軸上で全体的に移動させて変化させる、および、マイクロヒータ２５によりリング状導波路２４を加熱してその屈折率を変化させて第二の櫛状反射スペクトルを波長軸上で全体的に移動させて変化させる、の少なくともいずれか一つを行うことにより、実現することができる。
一方、波長可変レーザ素子１００において、光共振器Ｃ１による共振器モードが存在する。波長可変レーザ素子１００においては、共振器モードの間隔（縦モード間隔）は２５ＧＨｚ以下となるように光共振器Ｃ１の共振器長が設定されている。なお、光共振器Ｃ１の共振器モードの波長は、マイクロヒータ２６を用いて位相調整部２７を加熱してその屈折率を変化させて共振器モードの波長を波長軸上で全体的に移動させることにより微調整することができる。すなわち、位相調整部２７は、光共振器Ｃ１の光路長を能動的に制御するための部分である。
波長可変レーザ素子１００は、ｎ側電極３０およびｐ側電極１３から活性コア層１１ａへ電流を注入し、活性コア層１１ａを発光させると、第一の櫛状反射スペクトルのスペクトル成分のピーク、第二の櫛状反射スペクトルのスペクトル成分のピーク、および光共振器Ｃ１の共振器モードの一つが一致した波長、たとえば１５５０ｎｍでレーザ発振し、レーザ光Ｌ１を出力するように構成されている。
また、波長可変レーザ素子１００では、バーニア効果を利用してレーザ発振波長を変化させることができる。たとえば、回折格子層１１ｃｂをマイクロヒータ１４で加熱すると、熱光学効果により回折格子層１１ｃｂの屈折率が上昇し、回折格子層１１ｃｂの反射スペクトル（第一の櫛状反射スペクトル）は全体的に長波側にシフトする。その結果、１５５０ｎｍ付近における、第一の櫛状反射スペクトルのピークは、リング共振器フィルタＲＦ１の反射スペクトル（第二の櫛状反射スペクトル）のピークとの重なりが解かれ、長波側に存在する、第二の櫛状反射スペクトルの別のピーク（たとえば１５５６ｎｍ付近）に重なる。さらに、位相調整部２７をチューニングして共振器モードを微調し、共振器モードの１つを、２つの櫛状反射スペクトルに重ねることで、１５５６ｎｍ付近でのレーザ発振を実現できる。
ここで、上述したように、波長可変レーザ素子１００では、レーザ発振の実現およびレーザ発振波長の変化のために、回折格子層１１ｃｂをマイクロヒータ１４で加熱する。マイクロヒータ１４による加熱効率を高めるために、回折格子層１１ｃｂを含む第３光導波路構造部１０Ｃの構造を、以下の条件式が成り立つようにしている。
すなわち、図３Ｃに示すように、第３光導波路構造部１０Ｃにおけるメサ構造のメサ幅をＷｍｅｓａ、光導波層１１ｃａの幅をＷｗｇとすると、下記式
Ｗｗｇ≦Ｗｍｅｓａ≦３×Ｗｗｇ
が成り立つ。これにより、メサ構造の幅方向において、第２の上部クラッド層１２ｅａを構成する材料（ＩｎＰ）よりも熱伝導率が低い材料（ＧａＩｎＡｓＰ）で構成される光導波層１１ｃａが占める割合が大きいので、マイクロヒータ１４による回折格子層１１ｃｂの加熱効率を高くすることができる。
以下、シミュレーションによる計算例を用いて具体的に説明する。以下では、計算例１として、ＩｎＰで構成された基板上に、ＩｎＰで構成された上部クラッド層と下部クラッド層との間にＧａＩｎＡｓＰで構成された光導波層を配置したメサ構造の光導波路構造を計算モデルとした。そして、この計算モデルに対して、光導波層の実効屈折率、および、クラッド層上面から熱を加えた際の熱抵抗を計算した。なお、各計算モデルにおいて、光導波層の幅は一定とし、メサ構造のメサ幅は各計算モデルごとに異なる値とした。また、計算モデルにおいて、メサ幅が光導波層の幅と等しいものは、ハイメサ構造の光導波路構造であり、メサ幅が光導波層の幅よりも大きいものは、埋め込み構造の光導波路構造である。埋め込み構造において光導波層の両側面に配置されている層を埋め込み層と呼ぶ。
計算に使用した具体的な計算パラメータは以下の通りである。まず、光導波層は、厚さ０．３μｍ、幅（Ｗｗｇ）２μｍである。また、光導波層は、バンドギャップ波長が１．２μｍとなる組成を有し、波長１．５５μｍにおける屈折率が３．３５４２であり、熱伝導率が５Ｗ／ＫｍであるＧａＩｎＡｓＰである。また、上部クラッド層、下部クラッド層、埋め込み層は、いずれも、波長１．５５μｍにおける屈折率が３．１６５であり、熱伝導率が６８Ｗ／ＫｍであるＩｎＰである。上部クラッド層の厚さは１．５μｍであり、下部クラッド層の厚さは１．０μｍである。
さらに、計算例２として、計算例１の計算モデルの光導波路構造において光導波層をクラッド層と同じＩｎＰからなる層に置き換えたものを計算モデルとして、クラッド層上面から熱を加えた際の熱抵抗を計算した。
図４は、計算例１、計算例２における規格化熱抵抗および計算例１における実効屈折率を示す図である。規格化熱抵抗は、上部クラッド層の上面から１Ｗの熱量を加えた際に、上部クラッド層の上面の温度が何ケルビン上昇するかを示した量である。実効屈折率は、波長１．５５μｍにおける値である。
図４に示すように、計算例１では、メサ幅を約１０μｍから小さくしていくと、規格化熱抵抗は緩やかに上昇するが、メサ幅が６μｍ以下になると急激に上昇する。すなわち、Ｗｗｇ≦Ｗｍｅｓａ≦３×Ｗｗｇが成り立つ範囲では、熱抵抗が顕著に高くなるので、ヒータによる加熱効率を高めることができる。また、Ｗｗｇ≦Ｗｍｅｓａ≦２×Ｗｗｇが成り立つ範囲では、熱抵抗がさらに顕著に高くなるので、ヒータによる加熱効率をより一層高めることができるのでより好ましい。なお、計算例２でも、規格化熱抵抗はメサ幅が６μｍ以下で急激に上昇するが、熱伝導率が低い光導波層が存在する計算例１の場合の方が、上昇がより顕著である。
計算例２の場合の熱抵抗の上昇は、与えた熱が流れていく流路の幅（メサ幅）が狭くなっていくことで、熱勾配が大きくなることによる効果であり、メサ幅と熱抵抗とが反比例の関係にあるものと考えられる。これに対して、計算例１の場合は、計算例２の結果から予測されるよりも熱抵抗が大幅に上昇するということが確認された。
なお、上記計算例１では、光導波層は、バンドギャップ波長が１．２μｍとなる組成を有し、熱伝導率が５Ｗ／ＫｍであるＧａＩｎＡｓＰである。したがって、熱伝導率が６８Ｗ／ＫｍであるＩｎＰよりも熱伝導率が大幅に小さい。ただし、ＧａＩｎＡｓＰについては、波長１．３μｍ～１．６μｍの光に対して透明であるような組成であれば、その熱伝導率はＩｎＰよりも大幅に小さい。したがって、波長１．３μｍ～１．６μｍの光に対して透明であり、かつＩｎＰよりも屈折率が高い組成のＧａＩｎＡｓＰに対しても、メサ幅と規格化熱抵抗との関係は図４に示す結果と同様のものになると考えられる。
また、図４に示すように、メサ幅が６μｍ、すなわちＷｍｅｓａ＝３×Ｗｗｇの場合は光導波層の実効屈折率は３．２０８であるが、メサ幅が４μｍより小さくなると急激に減少する。このことは、Ｗｍｅｓａ≦２×Ｗｗｇの場合はメサ幅がＷｍｅｓａ＝３×ＷｗｇのようにＷｍｅｓａよりも十分に大きい場合と比較して、メサ幅が狭いことによって光導波層における光の伝搬状態が影響を受けることを意味している。
つぎに、実施例１、２、３として、計算例１の計算モデルに従う光導波路構造を作製し、その熱抵抗を実測した。なお、実施例１、２、３のメサ幅は、それぞれ２μｍ、３μｍ、８μｍとした。図５は、計算例１、計算例２における規格化熱抵抗および実施例１～３における規格化熱抵抗を示す図である。図５に示す実施例１～３の規格化熱抵抗（右縦軸）は、実施例３、つまりメサ幅が８μｍの場合の規格化熱抵抗［Ｋ／Ｗ］で規格化した値であり、無次元である。図５に示すように、実施例１～３における規格化熱抵抗のメサ幅依存性は、計算例１における規格化熱抵抗のメサ幅依存性と同じような傾向を示し、計算モデルの妥当性が確認された。
図６Ａは、計算例１、２における規格化熱抵抗と、計算例１の計算モデルにおいて光導波層の幅（Ｗｗｇ）を変更して１μｍ（計算例３）、１．５μｍ（計算例４）、２．５μｍ（計算例５）、３μｍ（計算例６）とした場合の規格化熱抵抗とを示す図である。図６Ｂは、計算例１、３～６における実効屈折率を示す図である。計算例１、３～６は、少なくとも１μｍ≦Ｗｗｇ≦３μｍ、かつ、２μｍ≦Ｗｍｅｓａ≦４μｍが成り立つ範囲において計算を行ったものである。また、表１は、計算例１、４、５から、１μｍ≦Ｗｗｇ≦３μｍ、かつ、２μｍ≦Ｗｍｅｓａ≦４μｍが成り立つ範囲のＷｗｇ、Ｗｍｅｓａの値における実効屈折率と規格化熱抵抗とを抜粋して示す。
Figure 0007145765000001
図６Ａに示すように、Ｗｗｇの値に関わらず、Ｗｍｅｓａ≦４μｍが成り立てば、熱抵抗が高くなり、ヒータによる加熱効率を高めるという効果を享受できる。また、図６Ｂに示すように、実効屈折率については、Ｗｍｅｓａが４μｍより大きい場合はＷｍｅｓａの値に依らずに略一定であり、Ｗｍｅｓａ≦４μｍの場合はＷｍｅｓａが小さくなるにつれて小さくなる。このことは、上述したように、メサ幅が狭くなると光導波層における光の伝搬状態が影響を受けることを意味している。
ここで、第３光導波路構造部１０Ｃにおいて、Ｗｗｇ≦Ｗｍｅｓａ≦２×Ｗｗｇが成り立つとする。このとき、第３光導波路構造部１０Ｃは、メサ幅が狭いことによって光導波層における光の伝搬状態が影響を受けている状態である。一方、第１光導波路構造部１０Ａでは、光導波層である活性コア層１１ａの幅に対してメサ幅が十分に広く、たとえば２５０μｍ以上となっている。したがって、第１光導波路構造部１０Ａは、図６Ｂにおける、メサ幅に依らず実効屈折率が略一定の状態である。したがって、第１光導波路構造部１０Ａにおいて活性コア層１１ａを伝搬する所定の波長（たとえば１．５５μｍ）の光のモードフィールド径または伝搬定数と、第３光導波路構造部１０Ｃにおいて光導波層１１ｃａを伝搬する同じ波長の光のモードフィールド径または伝搬定数とは、互いに異なる。このような光のモードフィールド径または伝搬定数が異なる導波路同士を直接的に接続すると、接続箇所においてモードフィールド径または伝搬定数が不連続に変化することとなるので、大きな光損失や光反射が発生する。
そこで、波長可変レーザ素子１００においては、活性コア層１１ａと光導波層１１ｃａとが、モードフィールド変換構造としての第２光導波路構造部１０Ｂを介して接続している。上述したように、第２光導波路構造部１０Ｂは、埋め込み構造のメサ幅が第１光導波路構造部１０Ａ側から第３光導波路構造部１０Ｃ側に向かって連続的に狭くなるテーパ形状を有している（図２参照）。その結果、第２光導波路構造部１０Ｂにおける光導波層１１ｂを伝搬する光のモードフィールド径または伝搬定数も、活性コア層１１ａにおける値から光導波層１１ｃａにおける値まで連続的に変化することとなるので、光損失や光反射が抑制される。好ましくは、第２光導波路構造部１０Ｂの埋め込み構造のメサ幅は、第１光導波路構造部１０Ａ側では光導波層１１ｂにおけるモードフィールド径または伝搬定数が活性コア層１１ａにおけるモードフィールド径または伝搬定数と略等しくなるようなメサ幅となっており、第３光導波路構造部１０Ｃ側では第３光導波路構造部１０Ｃと同じメサ幅となっていれば、光損失や光反射を一層効果的に抑制することができる。
以上説明したように、波長可変レーザ素子１００の第３光導波路構造部１０Ｃにおいては、マイクロヒータ１４による回折格子層１１ｃｂの加熱効率を高くすることができる。
なお、波長可変レーザ素子１００は、以下のような工程で製造することができる。まず基部Ｓを構成するｎ型ＩｎＰ基板上に、有機金属気相成長（Metal Organic Chemical Vapor Deposition:ＭＯＣＶＤ）法を用いて、下部クラッド層１２ａおよび第２光導波路部２０における下部クラッド層、活性コア層１１ａ、第１の上部クラッド層１２ｂを順次堆積する。
つづいて、全面にＳｉＮ膜を堆積した後、ＳｉＮ膜にパターニングを施す。その後、ＳｉＮ膜をマスクとしてエッチングし、第１光導波路構造部１０Ａを形成する領域以外の領域の活性コア層１１ａおよび第１の上部クラッド層１２ｂを全て除去する。さらに、ＳｉＮ膜のマスクをそのまま選択成長マスクとして、ＭＯＣＶＤ法により、光導波層１１ｂ、１１ｃａおよび第２光導波路部２０における光導波層２０ａ、スペーサ層１２ｆ、回折格子層１１ｃｂとなるｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層、第２の上部クラッド層１２ｅａの一部を順次堆積する。
つづいて、ＳｉＮ膜のマスクを除去した後に、全面にＳｉＮ膜を堆積した後、回折格子層１１ｃｂを形成する領域のＳｉＮ膜に、回折格子のパターニングを施す。そして、ＳｉＮ膜をマスクとしてエッチングし、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層に回折格子となる格子溝を形成するとともに、回折格子層１１ｃｂを形成する位置以外の位置のｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層を全て取り除く。
つづいて、ＳｉＮ膜のマスクを除去した後に、全面にｐ型ＩｎＰ層を再成長する。その後、新たにＳｉＮ膜を堆積し、第１光導波路部１０における光導波路１１および第２光導波路部２０における光導波層に対応するパターンになるようにパターニングを施す。そして、このＳｉＮ膜をマスクとしてエッチングして、第１光導波路部１０および第２光導波路部２０にストライプメサ構造を形成するとともに、下部クラッド層１２ａを露出させる。この時、２分岐部２１、アーム部２２、２３、リング状導波路２４に相当する領域は、それらを含む広い領域の形状でエッチングを行う。
つづいて、直前の工程で用いたＳｉＮ膜マスクを選択成長マスクとして、ＭＯＣＶＤ法を用いて、露出した下部クラッド層１２ａ上に、ｐ型ＩｎＰ埋め込み層１２ｃ、ｎ型ＩｎＰ電流ブロッキング層１２ｄを順次堆積して埋め込み構造を形成する。つづいて、ＳｉＮ膜のマスクを除去した後、ＭＯＣＶＤ法を用いて、全面に、第２の上部クラッド層１２ｅａおよび第２光導波路部２０における上部クラッド層の残りの部分となるｐ型ＩｎＰ層、コンタクト層１２ｅｂを順次堆積する。つづいて、第１光導波路構造部１０Ａを形成する領域以外のコンタクト層１２ｅｂを除去する工程を行う。つづいて、全面にＳｉＮ膜を堆積した後、第１光導波路構造部１０Ａ、第２光導波路構造部１０Ｂ、第３光導波路構造部１０Ｃの形状のパターニングおよび２分岐部２１、アーム部２２、２３、リング状導波路２４に相当する導波路のパターニングを施す。そして、このＳｉＮ膜をマスクとしてエッチングを行い、第１光導波路構造部１０Ａ、第２光導波路構造部１０Ｂ、第３光導波路構造部１０Ｃのメサ構造、サポートメサ部１０Ｄ、および第２光導波路部２０におけるハイメサ導波路構造を形成する。このエッチングは、たとえば基部Ｓに到る深さまで行う。その後、ＳｉＮ保護膜１６、絶縁部材１７、ｎ側電極３０、マイクロヒータ１４、２６および電極パッド１５および配線パターンを形成する。最後に、基板を波長可変レーザ素子１００が複数並んだバー状に劈開し、第３光導波路構造部１０Ｃ側端面、アーム部２２、２３の端面に反射防止膜をコートしたのち、各波長可変レーザ素子１００ごとに素子分離することにより、波長可変レーザ素子１００が完成する。
（変形例）
本発明に係る光導波路構造は、上記実施形態の態様に限られず、様々な態様に変形することができる。図７は、光導波路構造の変形例１を示す図である。実施形態に係る光導波路構造の変形例１である光導波路構造１１０Ｃは、第３光導波路構造部１０Ｃの半導体メサ部１２における回折格子層１１ｃｂの位置と光導波層１１ｃａの位置とを入れ換えた構造の半導体メサ部１１２を有する。すなわち、光導波路構造１１０Ｃでは、回折格子層１１ｃｂは、光導波層１１ｃａに対して下部クラッド層１２ａ側に位置する。光導波路構造１１０Ｃにおいても、メサ構造のメサ幅Ｗｍｅｓａ、光導波層１１ｃａの幅Ｗｗｇについて、Ｗｗｇ≦Ｗｍｅｓａ≦３×Ｗｗｇが成り立つ。また、Ｗｍｅｓａが４μｍ以下となっている。これにより、回折格子層１１ｃｂが光導波層１１ｃａに対してマイクロヒータ１４とは反対側に位置する構造であっても、マイクロヒータ１４による回折格子層１１ｃｂの加熱効率を高くすることができる。
図８は、光導波路構造の変形例２を示す図である。変形例２である光導波路構造２１０Ｃは、第３光導波路構造部１０Ｃの半導体メサ部１２を、半導体メサ部２１２に置き換えた構造を有する。半導体メサ部２１２は、半導体メサ部１２から回折格子層１１ｃｂおよびスペーサ層１２ｆを削除した構成を有している。そのため半導体メサ部２１２において第２の上部クラッド層２１２ｅａは光導波層１１ｃａの直上の領域まで形成されている。このような光導波路構造２１０Ｃは、マイクロヒータ１４によって光導波層１１ｃａを加熱し、その屈折率を変化させ、位相調整などの所定の機能を発揮するものである。光導波路構造２１０Ｃにおいても、メサ構造のメサ幅Ｗｍｅｓａ、光導波層１１ｃａの幅Ｗｗｇについて、Ｗｗｇ≦Ｗｍｅｓａ≦３×Ｗｗｇが成り立つ。これにより、マイクロヒータ１４による光導波層１１ｃａの加熱効率を高くすることができる。なお、光導波層１１ｃａが回折格子の機能を備える場合には加熱により反射波長を変化させることができる。また、光導波路構造２１０Ｃがファブリーペロー型の半導体レーザ素子の光共振器内の光導波路に適用され、光導波層１１ｃａが活性コア層の機能を備える場合には、加熱によりレーザ発振波長を変化させることができる。いずれの場合も、マイクロヒータ１４による光導波層１１ｃａの加熱効率を高くすることができる。
図９は、光導波路構造の変形例３を示す図である。変形例３である光導波路構造３１０Ｃは、第３光導波路構造部１０Ｃの半導体メサ部１２を、半導体メサ部３１２に置き換えた構造を有する。半導体メサ部３１２は、半導体メサ部１２の下部クラッド層１２ａを、下部クラッド層３１２ａおよび低熱伝導率層３１２ｇに置き換えた構造を有する。下部クラッド層３１２ａは、下部クラッド層３１２ａａと下部クラッド層３１２ａｂとからなる。低熱伝導率層３１２ｇは、下部クラッド層３１２ａａと下部クラッド層３１２ａｂとに挟まれており、光導波層１１ｃａに対して基部Ｓ側に位置する。低熱伝導率層３１２ｇは、下部クラッド層３１２ａを構成するＩｎＰよりも低熱伝導率であるｎ型の材料（たとえばＡｌＩｎＡｓＰや、酸化されたＧａＡｌＩｎＡｓＰ）からなり、低熱伝導率領域を構成する。
光導波路構造３１０Ｃは、このような低熱伝導率層３１２ｇを備えることにより、マイクロヒータ１４から与えられた熱が基部Ｓ側に拡散されることが抑制されるので、Ｗｗｇ≦Ｗｍｅｓａ≦３×Ｗｗｇが成り立つことによる効果と合わせて、マイクロヒータ１４による光導波層１１ｃａの加熱効率を、より一層高くすることができる。
なお、酸化されたＧａＡｌＩｎＡｓＰで低熱伝導率層３１２ｇを構成する場合は、以下のように行う。まず、半導体メサ部３１２を形成する工程において低熱伝導率層３１２ｇを形成すべき位置にＧａＡｌＩｎＡｓＰ層を堆積する。その後、メサ構造を形成した後に、側面が露出したＧａＡｌＩｎＡｓＰ層に対して、水蒸気雰囲気下でアニールを行い、露出した側面からＧａＡｌＩｎＡｓＰ層を熱酸化する。
図１０は、光導波路構造の変形例４を示す図である。変形例４である光導波路構造４１０Ｃは、第３光導波路構造部１０Ｃの半導体メサ部１２を、半導体メサ部４１２に置き換えた構造を有する。半導体メサ部４１２は、半導体メサ部１２の下部クラッド層１２ａを、メサ構造に対して一方の側方に延在した支持領域４１２ａａを備えた下部クラッド層４１２ａに置き換え、下部クラッド層４１２ａの支持領域４１２ａａと基部Ｓとの間に支持層４１２ｈを設けた構成を有する。支持層４１２ｈはたとえばｎ型のＡｌＩｎＡｓからなる。上記構成により、下部クラッド層４１２ａのメサ構造の部分と基部との間に、低熱伝導率領域としての空洞領域４１２ｉが形成される。空洞領域４１２ｉは空気などの気体で満たされた領域である。
光導波路構造４１０Ｃは、このような空洞領域４１２ｉを備えることにより、マイクロヒータ１４から与えられた熱が基部Ｓ側に拡散されることが抑制されるので、Ｗｗｇ≦Ｗｍｅｓａ≦３×Ｗｗｇが成り立つことによる効果と合わせて、マイクロヒータ１４による光導波層１１ｃａの加熱効率を、より一層高くすることができる。
光導波路構造４１０Ｃの製造方法を以下に例示する。まず、ｎ型ＩｎＰ基板上に、支持層４１２ｈとなるＡｌＩｎＡｓ層を堆積した後、下部クラッド層４１２ａより上の層を堆積する。その後、メサ構造を形成する際に、まず下部クラッド層４１２ａに支持領域４１２ａａが残るようにエッチングを行い、その後、支持領域４１２ａａとは反対側の側面でＡｌＩｎＡｓ層の一部が露出するようにエッチングを行う。その後、たとえばフッ酸系のエッチング液を用いて、メサ構造におけるＡｌＩｎＡｓ層を選択的にエッチング除去し、支持層４１２ｈと空洞領域４１２ｉとを形成する。
なお、上記実施形態および変形例では、回折格子は標本化回折格子であるが、回折格子の種類はこれに限られず、超構造回折格子（Superstructure Grating）や重畳回折格子（Superimposed Grating）でもよい。
また、上記実施形態により本発明が限定されるものではない。上述した各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。
本発明に係る光導波路構造は、たとえば半導体レーザ素子に適用して好適なものである。
１０ 第１光導波路部
１０Ａ 第１光導波路構造部
１０Ｂ 第２光導波路構造部
１０Ｃ 第３光導波路構造部
１０Ｄ サポートメサ部
１１ 光導波路
１１ａ 活性コア層
１１ｂ、１１ｃａ 光導波層
１１ｃｂ 回折格子層
１２、２１２、３１２、４１２ 半導体メサ部
１２ａ、３１２ａ３１２ａａ、３１２ａｂ、４１２ａ 下部クラッド層
１２ｂ 第１の上部クラッド層
１２ｃ ｐ型ＩｎＰ埋め込み層
１２ｃｂ 回折格子層
１２ｄ ｎ型ＩｎＰ電流ブロッキング層
１２ｅ ｐ型半導体層
１２ｅａ、２１２ｅａ 第２の上部クラッド層
１２ｅｂ コンタクト層
１２ｆ スペーサ層
１３ ｐ側電極
１４、２５、２６ マイクロヒータ
１５ 電極パッド
１６ ＳｉＮ保護膜
１６ａ 開口部
１７ 絶縁部材
２０ 第２光導波路部
２１ａ ＭＭＩ導波路
２２、２３ アーム部
２４ リング状導波路
２７ 位相調整部
３０ ｎ側電極
１００ 波長可変レーザ素子
１１０Ｃ、２１０Ｃ、３１０Ｃ、４１０Ｃ 光導波路構造
３１２ｇ 低熱伝導率層
４１２ａａ 支持領域
４１２ｈ 支持層
４１２ｉ 空洞領域
Ｃ１ 光共振器
Ｌ１ レーザ光
Ｍ１ 反射ミラー
ＲＦ１ リング共振器フィルタ
Ｓ 基部

Claims (9)

  1. 基板上に直接形成された下部クラッド層と、
    前記下部クラッド層上に位置する光導波層と、
    前記光導波層上に位置する上部クラッド層と、
    前記上部クラッド層上に位置するヒータと、
    を備え、前記上部クラッド層と前記下部クラッド層との間に前記光導波層が配置されており、前記下部クラッド層、前記光導波層、および前記上部クラッド層はメサ構造を構成しており、前記光導波層は前記上部クラッド層よりも熱伝導率が低い材料で構成されており、前記光導波層はＧａＩｎＡｓＰで構成され、前記下部クラッド層および前記上部クラッド層はＩｎＰで構成されており、前記メサ構造のメサ幅をＷｍｅｓａ、前記光導波層の幅をＷｗｇとすると、下記式が成り立ち、前記メサ構造の幅方向において、前記光導波層が占める割合が１／３以上であり、さらに、前記上部クラッド層の上面から熱量を加えた際に、前記上部クラッド層の上面の温度がどの程度上昇するかを示す熱抵抗が、下記式が成り立つ範囲で前記メサ幅が小さくなると上昇し、実効屈折率については、Ｗｍｅｓａが大きくなるとＷｍｅｓａの値に依らずに略一定であるものがあり、
    前記メサ構造を覆うように、前記メサ構造の半導体とは異なる材料からなる保護膜が設けられ、かつ前記保護膜が形成された前記メサ構造の側部は絶縁部材で埋められており、
    さらに、前記光導波層は、両脇が電流ブロッキング構造によって埋め込まれることを特徴とする光導波路構造。
    Ｗ ｗｇ ＜Ｗ ｍｅｓａ ≦３×Ｗｗｇ
  2. Ｗｍｅｓａ≦４μｍ
    が成り立つことを特徴とする請求項１に記載の光導波路構造。
  3. １μｍ≦Ｗｗｇ≦３μｍ、かつ、２μｍ≦Ｗｍｅｓａ≦４μｍ
    が成り立つことを特徴とする請求項１または２に記載の光導波路構造。
  4. 前記光導波層に対して前記上部クラッド層側または前記下部クラッド層側に位置する回折格子層をさらに備えることを特徴とする請求項１～３のいずれか一つに記載の光導波路構造。
  5. 前記光導波層に対して前記基板側に位置する低熱伝導率領域をさらに備えることを特徴とする請求項１～４のいずれか一つに記載の光導波路構造。
  6. 前記光導波層と接続する活性コア層をさらに備えることを特徴とする請求項１～５のいずれか一つに記載の光導波路構造。
  7. 前記活性コア層を伝搬する所定の波長の光のモードフィールド径または伝搬定数と、前記光導波層を伝搬する前記所定の波長の光のモードフィールド径または伝搬定数とが、互いに異なることを特徴とする請求項６に記載の光導波路構造。
  8. 前記活性コア層と前記光導波層とがモードフィールド変換構造を介して接続していることを特徴とする請求項７に記載の光導波路構造。
  9. 前記上部クラッド層の幅は、前記光導波層および前記両脇の前記電流ブロッキング構造で規定される幅と等しいことを特徴とする請求項１～８のいずれか一つに記載の光導波路構造。
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