CN102694055B - 光接收器件以及光接收模块 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光接收元件、光接收器件以及光接收模块，该光接收元件包括：波导，包括波导核心；多模干涉波导，其具有的宽度大于波导的宽度，多模干涉波导被配置为在第一端处从波导核心接收第一光；以及光电探测部，包括第一半导体层以及置于第一半导体层上的吸收层，第一半导体层至少包括一层且在第二端处从多模干涉波导接收第二光，所述吸收层被置于所述第一半导体层的上方且吸收第二光。从多模干涉波导的第一端到光电探测部的第二端的距离比第一长度的70％长且比第一长度的100％短，第一长度是自成像在多模干涉波导发生之处的长度。

Description

光接收器件以及光接收模块

技术领域

在本文讨论的实施例中公开的技术涉及一种光接收元件、光接收器件以及光接收模块。

背景技术

图1为示出光接收元件100(其为光接收元件的一个实例)的主要部分的透视图。图2为沿图1的线II-II的光接收元件100的剖视图。

图1和图2所示的光接收元件100包括置于衬底114上的光电探测部101以及置于同一衬底114上的波导部111。

波导部111具有这一结构：其中波导核心层112和上包覆层113从衬底114侧堆叠。波导部111具有包括上包覆层113和波导核心层112的台面结构。信号光在波导核心层112中传播并进入光电探测部101。

光电探测部101具有这一结构：其中波导核心层112、n型半导体层102、i型吸收层103、p型上包覆层104以及p型接触层105从衬底114侧堆叠。光电探测部101具有包括p型接触层105、上包覆层104、i型吸收层103以及部分n型半导体层102的台面结构。光电探测部101中的台面结构的宽度大于波导部111中的台面结构的宽度。在本说明书中，所述宽度是沿正交于相应的波导核心层延伸方向的方向(即，正交于信号光行进方向的方向)的长度，并且是沿与衬底平行的方向的长度。光电探测部101在台面结构外侧具有包括波导核心层112以及n型半导体层102的堆叠结构。波导核心层112被光电探测部101和波导部111共享。

如图2所示，在光接收元件100中，信号光在波导部111中的波导核心层112中传播，并且进入光电探测部101中的波导核心层112。然后，信号光经由n型半导体层102(所谓的间隔层)扩散到i型吸收层103中，并且被i型吸收层103吸收。

n型半导体层102、i型吸收层103以及上包覆层104形成PIN型光电二极管(PD)。p侧电极和n侧电极(未示出)分别连接至p型接触层105和n型半导体层102。在p侧电极和n侧电极之间施加用于使p侧电极处于负电位而使n侧电极处于正电位的一定电压。因此，经由上包覆层104和n型半导体层102来探测通过i型吸收层103中的光吸收所产生的光生载流子(空穴和电子)。因此，光电探测部101对作为电信号(光生载流子电流)的信号光进行探测，并且将对应于信号光的强度的探测信号(光生载流子电流)输出。

图3为示出光接收元件300(其为光接收元件的另一个实例)的主要部分的透视图。图4为沿图3的线VI-VI的光接收元件300的剖视图。图3和图4所示的光接收元件300与图1和图2所示的光接收元件100的不同在于：在前者的波导部和光电探测部之间存在板状区域(slab region)。除了这点之外，光接收元件300与光接收元件100相似。

光接收元件300包括置于衬底314上的光电探测部301以及置于同一衬底314上的波导部311。此外，光接收元件300还包括位于波导部311与光电探测部301之间的衬底314上的板状区域321。

波导部311具有这一结构：其中波导核心层312和上包覆层313从衬底314侧堆叠。波导部311具有包括上包覆层313和波导核心层312的台面结构。信号光在波导核心层312中传播并进入板状区域321。

光电探测部301具有这一结构：其中波导核心层312、n型半导体层302、i型吸收层303、p型上包覆层304以及p型接触层305从衬底314侧堆叠。光电探测部301具有包括p型接触层305、上包覆层304、i型吸收层303以及部分n型半导体层302的台面结构。光电探测部301中的台面结构的宽度大于波导部311中的台面结构的宽度。光电探测部301在台面结构外侧具有包括波导核心层312以及的n型半导体层302的堆叠结构。

板状区域321包括波导核心层312和上包覆层313。板状区域321中的部分上包覆层313形成形状与光电探测部301中的台面结构的形状相似的台面结构。板状区域321中的台面结构的宽度与光电探测部301中的台面结构的宽度大体相同。已进入板状区域321的信号光在波导核心层312中传播并进入光电探测部301。在光电探测部301的制造工艺中的光致抗蚀剂曝光期间，为了解决掩模的定位误差问题而采取的措施是产生板状区域321。

如图4所示，在光接收元件300中，信号光在波导部311和板状区域321中的波导核心层312中传播，并且进入光电探测部301中的波导核心层321。然后，信号光经由n型半导体层302扩散到i型吸收层303中，并且被i型吸收层303吸收。

n型半导体层302、i型吸收层303以及上包覆层304形成PIN型PD。p侧电极和n侧电极(未示出)分别连接至p型接触层305和n型半导体层302。在p侧电极和n侧电极之间施加用于使p侧电极处于负电位而使n侧电极处于正电位的一定电压。因此，经由上包覆层304和n型半导体层302来探测通过i型吸收层303中的光吸收所产生的光生载流子(空穴和电子)。因此，光电探测部301对作为电信号(光生载流子电流)的信号光进行探测，并且将对应于信号光的强度的探测信号(光生载流子电流)输出。

图1至图4所示的两个光接收元件的实例公开在日本专利特许公开第07-183484号中。

图5示出图1和图2所示的光接收元件100中的信号光的光强分布。参照图5，实线代表从衬底114的上侧看时波导核心层112的形状。点划线代表从衬底114的上侧看时i型吸收层103的形状。虚线代表信号光的光强分布的实例。箭头表示信号光的辐射方向。

如上所述，在光接收元件100中，n侧电极(未示出)连接至n型半导体层102。这样，n型半导体层102的宽度比i型吸收层103的宽度大了至少用于n侧电极的连接区域。因此，波导核心层112的宽度大于i型吸收层103的宽度。相反，波导部111中的波导核心层112的宽度小于i型吸收层103的宽度。结果是，信号光从宽度小的波导部111进入到宽度足够大的光电探测部101中。

波导部111具有宽度小的台面结构，因此，沿正交于信号光行进方向的方向限制信号光的光限制效应强。相反，在光电探测部101中，仅通过i型吸收层103(其为台面结构的一部分)以及包括位于i型吸收层103下方的n型半导体层102的小凸起部分来获得沿正交于信号光行进方向的方向的限制入射信号光效应。因此，光限制效应弱。

在上述结构中，信号光从宽度小且光限制效应强的波导部111进入到宽度大且光限制效应弱的光电探测部101中。这种情况下，在信号光进入光电探测部101之后，信号光的光强分布沿正交于信号光行进方向的方向扩张。然而，光电探测部101具有的抑制扩张的能力较低。

因此，如图5所示，在光接收元件100中，当信号光在光电探测部101中传播时，信号光的光强分布沿正交于信号光行进方向的方向扩张。如图5中的箭头所表示，信号光的辐射方向是信号光沿正交于信号光行进方向的方向扩散的方向。即，信号光沿扩散方向传播。

结果是，波导核心层112中的部分入射的信号光辐射到i型吸收层103外部的区域，而未辐射到i型吸收层103下方的区域。辐射到i型吸收层103外部的区域的信号光未被i型吸收层103吸收。这样，在光接收元件100中，入射的信号光的光吸收效率未被充分提高。

图6示出图3和图4所示的光接收元件300中的信号光的光强分布。参照图6，实线代表从衬底314的上侧看时波导核心层312的形状。点划线代表从衬底314的上侧看时i型吸收层303的形状。虚线代表信号光的光强分布的实例。箭头表示信号光的辐射方向。

如上所述，除了具有光接收元件100的结构之外，光接收元件300还包括位于波导部311与光电探测部301之间的板状区域321。和光电探测部301中的波导核心层312的宽度一样，板状区域321中的波导核心层312的宽度较大。这样，如同在光接收元件100中，信号光从宽度小的波导部311进入到宽度足够大的板状区域321中。

和波导部111一样，波导部311沿正交于信号光行进方向的方向限制信号光的光限制效应强。相反，和光电探测部101一样，光电探测部301具有的光限制效应弱。

此外，在板状区域321中，在波导核心层312上只存在上包覆层313。这样，在板状区域321中几乎不存在限制沿正交于信号光行进方向的方向已从波导部311进入的信号光的成分。因此，板状区域321的光限制效应弱于光电探测部301的光限制效应。

在光接收元件300中，信号光从宽度小且光限制效应强的波导部311进入到宽度足够大且光限制效应比光电探测部301弱的板状区域321中。这种情况下，在信号光进入板状区域321之后，信号光的光强分布沿正交于信号光行进方向的方向扩张。然而，板状区域321具有的抑制扩张的能力比光电探测部301低。

因此，如图6所示，在光接收元件300中，当信号光在板状区域321和光电探测部301中传播时，信号光的光强分布沿正交于信号光行进方向的方向扩张。信号光的辐射方向是信号光沿正交于信号光行进方向的方向比在光接收元件100(图5中的光强分布)中扩散得更为明显的方向。即，信号光沿扩散方向传播得更为显著。当传播距离相同时，信号光的光强分布的范围更广泛。

结果是，与光接收元件100相比，在光接收元件300中，在波导核心层312中的更大部分的入射信号光辐射到i型吸收层303外部的区域，而未辐射到i型吸收层303下方的区域。辐射到i型吸收层303外部的区域的信号光未被i型吸收层303吸收。这样，在光接收元件300中比在光接收元件100中更加难以提高入射的信号光的光吸收效率。

发明内容

因此，实施例的一个方案中的目的是提供一种在于提高光吸收效率的光接收元件，尤其提供一种即使光限制效应弱的板状区域被置于波导部和光电探测部之间，仍可以提高光吸收效率的光接收元件。

根据实施例的一个方案，一种光接收元件包括：波导，其包括波导核心；多模干涉波导，其具有的宽度大于波导的宽度，所述多模干涉波导被配置为在第一端处从波导核心接收第一光；以及光电探测部，其包括第一半导体层以及置于第一半导体层上的吸收层，所述第一半导体层包括至少一层且被配置为在第二端处从多模干涉波导接收第二光，所述吸收层被置于第一半导体层的上方且被配置为吸收第二光。另外，从多模干涉波导的第一端到光电探测部的第二端的距离比第一长度的(N-0.3)×100％长且比第一长度的N×100％短，所述第一长度是自成像在多模干涉波导中发生之处的最短长度，N为自然数。

根据实施例的一个方案，一种光接收元件，包括：波导，包括波导核心；

多模干涉波导，具有的宽度大于所述波导的宽度，所述多模干涉波导被配置为从所述波导核心接收第一光；以及光电探测部，包括第一半导体层以及置于所述第一半导体层上的吸收层，所述第一半导体层包括至少一个层且被配置为从所述多模干涉波导接收第二光，所述吸收层被置于所述第一半导体层的上方且被配置为吸收所述第二光，其中设定所述多模干涉波导的长度，使得所述多模干涉波导的自成像发生之处的点被定位在所述第一半导体层的第一区域，所述第一区域位于所述光电探测部的所述吸收层的下方。

根据实施例的一个方案，一种光接收器件，包括：第一波导部，被置于衬底的第一区域，多个入射的光束被配置为在所述第一波导部中传播；第二波导部，被置于所述衬底的第二区域，所述第二波导部被配置为接收所述多个入射的光束，并且基于所述多个入射的光束产生多个出射光束；第三波导部，被置于所述衬底的第三区域且包括多个波导，所述多个出射光束被配置为分别沿所述多个波导传播；以及光电探测部，被置于所述衬底的第四区域且包括多个光电探测元件，所述多个光电探测元件被配置为分别从所述多个波导接收所述多个出射光束，其中所述多个波导中的每一个均包括：波导，包括波导核心，所述波导核心被配置为接收所述多个出射光束的相应一个，以及多模干涉波导，具有的宽度大于所述波导的宽度，所述多模干涉波导被配置为在第一端处从所述波导核心接收相应的出射光束；其中所述多个光电探测元件中的每一个均包括：第一半导体层，包括至少一个层，所述第一半导体层被配置为在第二端处从所述多模干涉波导的相应一个接收所述多个出射光束的相应一个，以及吸收层，被置于所述第一半导体层上，所述吸收层被配置为吸收相应的出射光束，其中，从所述多模干涉波导的所述第一端到所述光电探测部的所述第二端的距离比第一长度的(N-0.3)×100％长且比所述第一长度的N×100％短，所述第一长度是自成像在所述多模干涉波导中发生之处的最短长度，N为自然数。

根据实施例的一个方案，一种光接收模块，包括：多个光接收器件，配置为接收多个入射的光束，所述多个光接收器件被配置为探测所述多个入射的光束，并且将对应于所述多个入射的光束的多个电信号输出；以及多个放大器，配置为接收所述多个电信号且放大所述多个电信号，其中所述多个光接收器件中的每一个均包括：第一波导部，被置于衬底的第一区域，所述多个入射的光束被配置为在所述第一波导部中传播，第二波导部，被置于所述衬底的第二区域，所述第二波导部被配置为接收所述多个入射的光束，并且基于所述多个入射的光束产生多个出射光束，第三波导部，被置于所述衬底的第三区域且包括多个波导，所述多个出射光束被配置为分别沿所述多个波导传播；以及光电探测部，被置于所述衬底的第四区域且包括多个光电探测元件，所述多个光电探测元件被配置为分别从所述多个波导接收所述多个出射光束，其中所述多个波导中的每一个均包括：波导，包括波导核心，所述波导核心被配置为接收所述多个出射光束的相应一个，以及多模干涉波导，具有的宽度大于所述波导的宽度，所述多模干涉波导被配置为在第一端处从所述波导接收相应的出射光束，其中所述多个光电探测元件的每一个包括：第一半导体层，包括至少一个层，所述第一半导体层被配置为在第二端处从所述多模干涉波导的相应一个接收所述多个所述出射光束的相应一个，以及吸收层，置于所述第一半导体层上，所述吸收层被配置为吸收所述相应的出射光束，其中，从所述多模干涉波导的所述第一端到所述光电探测部的所述第二端的距离比第一长度的(N-0.3)×100％长且比所述第一长度的N×100％短，所述第一长度是自成像在所述多模干涉波导中发生之处的最短长度，N为自然数。

附图说明

图1为示出光接收元件(其为根据相关技术的光接收元件的一个实例)的主要部分的透视图。

图2为沿图1的线II-II的光接收元件的剖视图；

图3为示出光接收元件(其为根据相关技术的光接收元件的另一个实例)的主要部分的透视图。

图4为沿图3的线IV-IV的光接收元件的剖视图；

图5示出图1和图2所示的光接收元件中的信号光的光强分布；

图6示出图3和图4所示的光接收元件中的信号光的光强分布；

图7为示出根据第一实施例的光接收元件的结构的实例的透视图，并且只示出光接收元件的主要部分；

图8为沿图7的线VIII-VIII的光接收元件的剖视图；

图9A为沿图7的线IXA-IXA的光接收元件的剖视图；

图9B为沿图7的线IXB-IXB的光接收元件的剖视图；

图10A为沿图7的线XA-XA的光接收元件的剖视图；

图10B为沿图7的线XB-XB的光接收元件的剖视图；

图11示出自成像在MMI波导中发生的情况下的光强分布的实例；

图12示出图7和图8所示的光接收元件中的信号光的光强分布；

图13示出在仿真中计算MMI波导的长度与光电探测部中的光吸收效率之间的关系的结果；

图14示出在仿真中计算板状区域的长度与光电探测部中的光吸收效率之间的关系的结果；

图15为示出光接收元件的结构的实例的透视图，并且只示出光接收元件的主要部分；

图16为沿图15的线XVI-XVI的光接收元件的剖视图；

图17A为沿图15的线XVIIA-XVIIA的光接收元件的剖视图；

图17B为沿图15的线XVIIB-XVIIB的光接收元件的剖视图；

图18A为沿图15的线XVIIIA-XVIIIA的光接收元件的剖视图；

图18B为沿图15的线XVIIIB-XVIIIB的光接收元件的剖视图；

图19A为示出图15至图18B所示的光接收元件的制造工艺的实例的俯视图；

图19B为沿图19A的线XIXB-XIXB的剖视图；

图20A为示出图15至图18B所示的光接收元件的制造工艺的实例的俯视图；

图20B为沿图20A的线XXB-XXB的剖视图；

图21A为示出图15至图18B所示的光接收元件的制造工艺的实例的俯视图；

图21B为沿图21A的线XXIB-XXIB的剖视图；

图22A为示出图15至图18B所示的光接收元件的制造工艺的实例的俯视图；

图22B为沿图22A的线XXIIB-XXIIB的剖视图；

图23A为示出图15至图18B所示的光接收元件的制造工艺的实例的俯视图；

图23B为沿图23A的线XXIIIB-XXIIIB的剖视图；

图24A为示出图15至图18B所示的光接收元件的制造工艺的实例的俯视图；

图24B为沿图24A的线XXIVB-XXIVB的剖视图；

图25为示出根据第二实施例的光接收元件的结构的实例的透视图，并且只示出光接收元件的主要部分；

图26为沿图25的线XXVI-XXVI的光接收元件的剖视图；

图27A为沿图25的线XXVIIA-XXVIIA的光接收元件的剖视图；

图27B为沿图25的线XXVIIB-XXVIIB的光接收元件的剖视图；

图28为沿图25的线XXVIII-XXVIII的光接收元件的剖视图；

图29示出图25和图26所示的光接收元件中的信号光的光强分布；

图30为示出根据第三实施例的光接收元件的结构的实例的透视图，并且只示出光接收元件的主要部分；

图31为沿图30的线XXXI-XXXI的光接收元件的剖视图；

图32A为沿图30的线XXXIIA-XXXIIA的光接收元件的剖视图；

图32B为沿图30的线XXXIIB-XXXIIB的光接收元件的剖视图；

图33A为沿图30的线XXXIIIA-XXXIIIA的光接收元件的剖视图；

图33B为沿图30的线XXXIIIB-XXXIIIB的光接收元件的剖视图；

图34为示出根据第四实施例的光接收元件的结构的实例的透视图，并且只示出光接收元件的主要部分；

图35为沿图34的线XXXV-XXXV的光接收元件的剖视图；

图36A为沿图34的线XXXVIA-XXXVIA的光接收元件的剖视图；

图36B为沿图34的线XXXVIB-XXXVIB的光接收元件的剖视图；

图37A为沿图34的线XXXVIIA-XXXVIIA的光接收元件的剖视图；

图37B为沿图34的线XXXVIIB-XXXVIIB的光接收元件的剖视图；

图38A为示出图34至图37B所示的光接收元件的制造工艺的实例的平面图；

图38B为沿图38A的线XXXVIIIB-XXXVIIIB的剖视图；

图39A为示出图34至图37B所示的光接收元件的制造工艺的实例的平面图；

图39B为沿图39A的线XXXIXB-XXXIXB的剖视图；

图40A为示出图34至图37B所示的光接收元件的制造工艺的实例的平面图；

图40B为沿图40A的线XLB-XLB的剖视图；

图41A为示出图34至图37B所示的光接收元件的制造工艺的实例的平面图；

图41B为沿图41A的线XLIB-XLIB的剖视图；

图42A为示出图34至图37B所示的光接收元件的制造工艺的实例的平面图；

图42B为沿图42A的线XLIIB-XLIIB的剖视图；

图43示出根据第五实施例的光接收器件的配置的实例；以及

图44示出根据第六实施例的光接收模块的配置的实例。

具体实施方式

以下，将描述实施例。

1、第一实施例

1-1、光接收元件700的结构

图7为示出根据第一实施例的光接收元件700的结构的实例的透视图，并且只示出光接收元件700的主要部分。图8为沿图7的线VIII-VIII的光接收元件700的剖视图。图9A为沿图7的线IXA-IXA的光接收元件700的剖视图。图9B为沿图7的线IXB-IXB的光接收元件700的剖视图。图10A为沿图7的线XA-XA的光接收元件700的剖视图。图10B为沿图7的线XB-XB的光接收元件700的剖视图。

在本说明书中，关于在其上置有光接收元件的结构的衬底的表面，远离衬底的表面的方向称为“上面”或“上方”，越接近衬底的表面的方向称为“下面”或“下方”。

如图7和图8所示，光接收元件700包括置于衬底714上的光电探测部701、置于同一衬底714上的波导部711、置于同一衬底714上的板状区域721以及置于同一衬底714上的多模干涉(MMI)部731。

如图9A所示，波导部711具有这一结构：其中波导核心层712和上包覆层713从衬底714侧堆叠。例如，堆叠结构中的各层的材料是半导体材料。波导部711具有包括上包覆层713和波导核心层712的台面结构。信号光在波导核心层712中传播并进入MMI部731。

如图10B所示，光电探测部701具有这一结构：其中波导核心层712、n型半导体层702、i型吸收层703、p型上包覆层704以及p型接触层705从衬底714侧堆叠。例如，堆叠结构中的各层的材料是半导体材料。光电探测部701具有包括p型接触层705、上包覆层704、i型吸收层703以及部分n型半导体层702的台面结构。光电探测部701中的台面结构的宽度大于波导部711中的台面结构的宽度。光电探测部701在台面结构外侧具有包括波导核心层712以及n型半导体层702的堆叠结构。n型半导体层702、i型吸收层703以及上包覆层704形成PIN型光电二极管(PD)。

n型半导体层702具有的折射率高于波导核心层712的折射率且低于i型吸收层703的折射率。即，n型半导体层702具有的带隙波长比波导核心层712的带隙波长长且比i型吸收层703的带隙波长短。n型半导体层702具有这一构成：其中信号光的吸收比很低。

如图10A所示，板状区域721包括波导核心层712和上包覆层713。在板状区域721中，部分上包覆层713形成形状与光电探测部701中的台面结构的形状相似的台面结构。与光电探测部701不同，板状区域721包括板形的(平的)波导核心层712，但其不具有包括i型吸收层和n型半导体层的台面结构。板状区域721中的台面结构的宽度与光电探测部701中的台面结构的宽度大体相同。已进入板状区域721的信号光在波导核心层712中传播并进入光电探测部701。

例如，由于在形成硬掩模(其用于在光电探测部701中形成台面结构)的时候提供边缘区域(margin region)，因而产生了板状区域721，以在光电探测部701的制造工艺中的光致抗蚀剂曝光期间解决掩模的定位误差问题。下面将会给出细节。

如图9B所示，MMI部731具有这一结构：其中波导核心层712和上包覆层713从衬底714侧堆叠。例如，堆叠结构中的各层的材料是半导体材料。MMI部731具有包括上包覆层713和波导核心层712的台面结构。已进入MMI部731的信号光在波导核心层712中传播并进入板状区域721。波导核心层712被光电探测部701、波导部711、板状区域721以及MMI部731共享。

MMI部731包括1×1 MMI波导732，其中1×1 MMI波导732包括一个输入端和一个输出端。MMI部731中的至少部分波导核心层712具有的宽度大于波导部711中的波导核心层712的宽度。波导核心层712的大宽度部(large-width portion)用作MMI波导732。MMI波导732的宽度大于波导部711与光电探测部701中每一个的台面结构的宽度。

已知的是，在MMI波导中，通过适当设定MMI波导的诸如宽度、长度以及折射率等参数，能够产生被称为自成像的现象。在自成像方面，MMI波导的输入部的光强分布在其输出部再现。设定MMI波导732的长度Lmmi，使得自成像在MMI波导732中发生之处的点(自成像点)被定位在光电探测部701中，尤其被定位在i型吸收层703下方的波导核心层712中的区域。更具体地，设定MMI波导732的长度Lmmi，使得从MMI波导732的信号光进入侧的一端(输入部)到光电探测部701的信号光进入侧的一端(入射端)的距离比自成像在MMI波导732中发生之处的长度Lsi的70％长且比长度Lsi的100％短。同样地，设定MMI波导的长度Lmmi，使得从MMI波导的信号光进入侧的一端(输入部)到光电探测部的信号光进入侧的一端(入射端)的距离比自成像在MMI波导中发生之处的长度Lsi_min的(N-0.3)×100％长且比长度Lsi_min的N×100％短。长度Lsi_min是自成像在MMI波导中发生之处的最短长度，N为自然数。下面将描述MMI波导732中的自成像以及MMI波导732的长度Lmmi的设定。

如图8所示，在光接收元件700中，信号光在波导部711中的波导核心层712中传播，并进入MMI部731中的MMI波导732。如下所述，MMI波导732沿正交于信号光行进方向的方向在其输出部会聚信号光。因此，会聚的信号光经由板状区域721中的波导核心层712进入光电探测部701中的波导核心层712。然后，信号光从波导核心层712经由n型半导体层702扩散到i型吸收层703中，并被i型吸收层703吸收。

p侧电极和n侧电极(未示出)分别连接至p型接触层705和n型半导体层702。在p侧电极和n侧电极之间施加用于使p侧电极处于负电位而使n侧电极处于正电位的一定电压。因此，经由上包覆层704和n型半导体层702来探测通过i型吸收层703中的光吸收所产生的光生载流子(空穴和电子)。因此，光电探测部701对作为电信号(光生载流子电流)的信号光进行探测，并且将对应于信号光的强度的探测信号(光生载流子电流)输出到后级电路。

1-2、MMI波导732的长度Lmmi的设定

1-2-1、MMI波导中的自成像

图11示出自成像在MMI波导1100中发生的情况下的光强分布的实例。虚线代表信号光的光强分布。箭头表示信号光的辐射方向。

图11所示的MMI波导1100具有诸如宽度、长度以及折射率等被设定以发生自成像的参数。基于MMI波导的宽度以及波导核心层与波导核心层附近的那些层的折射率来唯一确定自成像发生之处的长度Lsi。已知的是，通过如下等式1来表示自成像发生之处的长度Lsi。

Lsi＝N·nr·Weff²/λ

在等式1中，nr代表波导核心层的有效折射率，Weff代表基于MMI波导的宽度以及波导核心层与波导核心层附近的那些层的折射率分布所确定的有效波导宽度，以及λ代表信号光的波长。

此处，N为自然数(例如，参见Lucas B.Soldano等J.光波技术，VOL.13，No.4，1995年4月，615-617页)。

从降低MMI波导的尺寸和损耗的角度，N典型地为1，这样，表示自成像发生之处的长度Lsi的等式1为如下所示(等式2)。

Lsi＝nr·Weff²/λ

如图11所示，在信号光刚从输入部1101进入MMI波导1100之后，信号光的光强分布随着信号光沿着MMI波导1100传播而逐渐变宽。在信号光沿MMI波导1100的整个长度(沿着信号光行进方向或波导延伸方向的长度)到达一半(50％)位置时的这一点处，光强分布最宽。

在信号光沿MMI波导1100的整个长度经过该一半(50％)位置之后，光强分布随着信号光沿着MMI波导1100传播而逐渐变窄。当信号光到达MMI波导1100的输出部1102时，光强分布与输入部1101中的光强分布相同。换句话说，输入部1101中的光强分布在输出部1102中再现。即，在MMI波导1100中，自成像点被定位在输出部1102中。

从图11可以理解，在MMI波导1100的整个区域中，前半个区域(输入部1101侧的区域)中的信号光的传播状态与后半个区域(输出部1102侧的区域)中的信号光的传播状态彼此不同。

如图11中的箭头所表示，在MMI波导1100的前半个区域中，信号光的辐射方向是信号光沿正交于信号光行进方向的方向扩散的方向。即，信号光沿扩散方向传播。

相反，如图11中的箭头所表示，在MMI波导1100的后半个区域中，信号光的辐射方向是信号光沿正交于信号光行进方向的方向会聚的方向。即，信号光沿会聚方向传播。尤其，在输出部1102附近，沿正交于信号光行进方向的方向会聚信号光的效应强，并且会聚信号光的特性显著。

在根据第一实施例的光接收元件700中，利用MMI波导1100的输出部1102附近，沿正交于信号光行进方向的方向会聚信号光的特性显著的这一点。在光接收元件700中，利用此显著特性将较大部分入射的信号光会聚到光电探测部701中的i型吸收层703下方的波导核心层712中的区域。下面将会给出细节。

1-2-2、光接收元件700中的信号光的光强分布

图12示出图7和图8所示的光接收元件700中的信号光的光强分布。实线代表从衬底714的上侧看时波导核心层712的形状。点划线代表从衬底714的上侧看时i型吸收层703的形状。虚线代表信号光的光强分布的实例。箭头表示信号光的辐射方向。

参照图12，在MMI部731中的MMI波导732中，自成像点被定位在光电探测部701中的i型吸收层703下方的波导核心层712中的区域。设定MMI部731中的MMI波导732的长度Lmmi，使得例如从MMI波导732的信号光进入侧的一端(输入部)到光电探测部701的信号光进入侧的一端(入射端)的距离是自成像在MMI波导732中发生之处的长度Lsi的85％。

如图12所示，信号光在波导核心层712中传播，并且从波导部711进入到MMI部731中。然后，如上参照图11所述，信号光沿正交于信号光行进方向的方向在MMI波导732的输出部会聚。如箭头所表示，在MMI波导732的输出部，信号光沿正交于信号光行进方向的方向会聚。因此，信号光进入板状区域721，同时保持沿会聚方向的传播状态。

如上所述，在光接收元件700中，n侧电极(未示出)连接至n型半导体层702。这样，n型半导体层702在光电探测部701的台面结构的外侧区域中刻意具有连接至n侧电极的区域。因此，与i型吸收层703不同，n型半导体层702不具有完整的台面结构，并且n型半导体层702的宽度比i型吸收层703的宽度大了至少连接至n侧电极的区域的宽度。在光电探测部701中，波导核心层712位于n型半导体层702的下方，这样，波导核心层712的宽度比i型吸收层703的宽度大了至少连接至n侧电极的区域的宽度。另外，和光电探测部701中的波导核心层712的宽度一样，板状区域721中的波导核心层712的宽度较大。

相反，波导部711中的波导核心层712的宽度小于i型吸收层703的宽度。而且，MMI部731中的波导核心层712的宽度大于波导部711中的波导核心层712的宽度且充分小于板状区域721和光电探测部701中的波导核心层712的宽度。结果是，信号光从宽度小的波导部711和MMI部731进入到宽度足够大的板状区域721和光电探测部701中。

波导部711具有宽度小的台面结构，因此，沿正交于信号光行进方向的方向限制信号光的光限制效应强。而且，在MMI部731中，MMI波导732具有台面结构，因此，光限制效应强。

相反，在光电探测部701中，通过i型吸收层703(其为台面结构的一部分)以及包括位于i型吸收层703下方的n型半导体层702的小凸起部分来获得沿正交于信号光行进方向的方向限制入射的信号光的效应。因此，光限制效应弱。

此外，在板状区域721中，只有上包覆层713存在于波导核心层712上。这样，在板状区域721中，几乎不存在限制沿正交于信号光行进方向的方向已从MMI部731进入的信号光的因素。因此，板状区域721的光限制效应弱于光电探测部701的光限制效应。

因此，如同在图3和图4所示的光接收元件300中那样，在光接收元件700中，信号光从宽度小且光限制效应强的波导部711和MMI部731进入到宽度足够大且光限制效应弱的板状区域721和光电探测部701中。这种情况下，如同在光接收元件300中那样，板状区域721和光电探测部701具有的沿正交于信号光行进方向的方向抑制信号光的光强分布扩张的能力较低。

然而，如上所述，在光接收元件700中，信号光进入板状区域721，同时保持沿会聚方向的传播状态。由于MMI波导732的自成像点被定位在光电探测部701中的i型吸收层703下方的波导核心层712中的区域，因而，在板状区域721中，信号光也可以保持沿会聚方向的传播状态，这样，信号光不扩散。因此，信号光进入光电探测部701，同时保持沿会聚方向的传播状态。

已进入光电探测部701的信号光被i型吸收层703吸收。此时，MMI波导732的自成像点被定位在光电探测部701中的i型吸收层703下方的波导核心层712中的区域，这样，信号光沿会聚方向传播。因此，与光接收元件100和300相比，较大部分入射的信号光可以会聚到i型吸收层703下方的波导核心层712中的区域。因此，可以减少未被吸收并被辐射到i型吸收层703外部的部分信号光。

因此，与光接收元件100和300相比，在光接收元件700中，可以提高光吸收效率。尤其，即使如在光接收元件300中那样，光限制效应比光电探测部的光限制效应弱的板状区域被置于波导部与光电探测部之间，在光接收元件700中，相比于光接收元件100，仍可以提高光吸收效率。

由于上述原因，当MMI波导732的自成像点被定位在光电探测部701中，尤其被定位在i型吸收层703下方的波导核心层712中的区域时，在光接收元件700中，相比于光接收元件300，可以提高光吸收效率。这是因为，当MMI波导732的自成像点被定位在光电探测部701中时，在i型吸收层703下方的波导核心层712中的区域可以利用这一特性：其中信号光沿正交于信号光行进方向的方向在MMI波导732的输出部附近会聚。

这样，设定MMI部731中的MMI波导732的长度Lmmi，使得自成像点被定位在光电探测部701中，尤其被定位在i型吸收层703下方的波导核心层712中的区域。

1-2-3、增强光电探测部701中的光吸收效率

接下来，将描述仿真结果，以进一步讨论MMI部731中的MMI波导732的长度Lmmi的设定。

图13示出在仿真中通过计算MMI波导732的长度Lmmi与光电探测部701中的光吸收效率之间的关系所获得的结果。横轴表示MMI波导732的长度Lmmi，纵轴表示i型吸收层703中的量子效率。

在图13所示的仿真中，假设MMI波导732的宽度是5μm，信号光的波长是1.55μm，以及波导核心层712由i型InGaAsP形成。光电探测部701中的i型吸收层703的宽度是3μm。在图13所示的仿真中，为了容易理解，假设板状区域721的长度是0μm(即，板状区域721不存在)。

在上述仿真条件下，可以通过使用上述等式2来计算自成像在MMI波导732中发生之处的长度Lsi的值，大约为59μm(Lsi≈59μm)。在图13中，MMI波导732的长度Lmmi为0μm的情况相当于MMI波导732不存在的情况(即，图1所示的光接收元件100的结构)。

从图13可以理解，当MMI波导732的长度Lmmi是自成像发生之处的长度Lsi(≈59μm)的100％时(即，当长度Lmmi大约为59μm时)，量子效率的值与MMI波导732不存在(Lmmi＝0μm)时所获得的值(即，当使用图1所示的光接收元件100的结构时所获得的值)大体相等。这是因为，自成像使MMI波导732的输入部的光强分布在MMI波导732的输出部再现，这样，MMI波导732不存在的情况下的光强分布在光电探测部701的信号光进入侧的一端(入射端)再现。

当MMI波导732的长度Lmmi比自成像发生之处的长度Lsi(≈59μm)短时，量子效率的值大于MMI波导732不存在(Lmmi＝0μm)时所获得的值(即，当使用图1所示的光接收元件100的结构时所获得的值)。这种情况下，MMI波导732的自成像点被定位在光电探测部701中，尤其被定位在i型吸收层703下方的波导核心层712中的区域。这样，已进入光电探测部701的较大部分的信号光可以会聚到i型吸收层703下方的波导核心层712中的区域。这里，如图11所示，利用这一特性：其中沿正交于信号光行进方向的方向会聚信号光的效应强，并且在具有自成像发生之处的长度Lsi的MMI波导1100的输出部1102附近会聚信号光的特性显著。

当MMI波导732的长度Lmmi是自成像发生之处的长度Lsi(≈59μm)的大约70％时(即，当长度Lmmi大约为41μm时)，量子效率的值与MMI波导732不存在(Lmmi＝0μm)时所获得的值(即，当使用图1所示的光接收元件100的结构时所获得的值)大体相等。同样，这种情况下，MMI波导732的自成像点被定位在光电探测部701中的i型吸收层703下方的区域，但是，随着到MMI波导部1100的输出部1102(该输出部1102处于在横向上不存在光限制结构的状态)的距离，沿正交于信号光行进方向的方向会聚信号光的效果变得越来越弱。这样，入射的信号光未被充分会聚到光电探测部701中的i型吸收层703下方的波导核心层712中的区域。

当MMI波导732的长度Lmmi小于自成像发生之处的长度Lsi(≈59μm)的70％时(即，当长度Lmmi比大约41μm短时)，量子效率的值小于MMI波导732不存在(Lmmi＝0μm)时所获得的值(即，当使用图1所示的光接收元件100的结构时所获得的值)。这是因为，随着到MMI波导1100的输出部1102的距离，沿正交于信号光行进方向的方向会聚信号光的效果变得越来越弱。而且，这是因为，当MMI波导732的长度Lmmi比自成像发生之处的长度Lsi的50％短时，信号光沿扩散方向传播。

当MMI波导732的长度Lmmi大于自成像发生之处的长度Lsi(≈59μm)时，量子效率的值小于MMI波导732不存在(Lmmi＝0μm)时所获得的值(即，当使用图1所示的光接收元件100的结构时所获得的值)。这是因为，当MMI波导732的长度Lmmi大于自成像发生之处的长度Lsi(≈59μm)时，如同在MMI波导1100的前半个区域中那样，信号光沿扩散方向传播。

从上述结果考虑，MMI波导732的长度Lmmi与量子效率(光吸收效率)之间的关系如下。即，当MMI波导732的长度Lmmi是自成像发生之处的长度Lsi的100％时，量子效率的值与MMI波导732不存在时所获得的值大体相等。随着MMI波导732的长度Lmmi降低为小于自成像发生之处的长度Lsi的100％的值时，量子效率的值提高为大于MMI波导732不存在时所获得的值。然而，当MMI波导732的长度Lmmi降低到一定程度时，量子效率的值变得与MMI波导732不存在时所获得的值大体相等。然后，当MMI波导732的长度Lmmi进一步降低时，量子效率的值变得小于MMI波导732不存在时所获得的值。

因此，可以理解，当MMI波导732的长度Lmmi小于自成像发生之处的长度Lsi的100％且大于可以获得与MMI波导732不存在时的光吸收效率相同的光吸收效率所处的长度时，在光接收元件700中，相比于光接收元件100，可以提高光吸收效率。

根据上述仿真结果，在光接收元件700中，获得与MMI波导732不存在时获得的光吸收效率大体相同的光吸收效率时所对应的长度是自成像发生之处的长度Lsi(≈59μm)的70％(即，大约41μm)。这样，当MMI波导732的长度Lmmi大于自成像发生之处的长度Lsi的70％且小于长度Lsi的100％时，与光接收元件100相比，可以提高光吸收效率。

在上述仿真中，假设板状区域721的长度是0μm，即，假设板状区域721不存在。如果以从MMI波导732的信号光进入侧的一端(输入部)到光电探测部701的信号光进入侧的一端(入射端)的距离来代替MMI波导732的长度Lmmi，也可将上述仿真结果应用于存在有限长度的板状区域721的情况。这是因为，当板状区域721具有有限长度时，如果从MMI波导732的输入部到光电探测部701的入射端的距离匹配自成像在MMI波导732中发生之处的长度Lsi，则当MMI波导732不存在时所获得的光强分布(光接收元件100中的光强分布)在光电探测部701的入射端再现。

因此，可以理解，当从MMI波导732的输入部到光电探测部701的入射端的距离比自成像在MMI波导732中发生之处的长度Lsi的70％长且比长度Lsi的100％短时，与光接收元件100相比，在光接收元件700中，可以提高光吸收效率。同样地，可以理解，当从MMI波导的输入部到光电探测部的入射端的距离比自成像在MMI波导中发生之处的长度Lsi_min的(N-0.3)×100％长且比长度Lsi_min的N×100％短时，与光接收元件100相比，在光接收元件中，可以提高光吸收效率。长度Lsi_min是自成像在MMI波导中发生之处的最短长度，N为自然数。

此外，可以理解，因为光接收元件300中的光吸收效率由于板状区域321的影响而小于光接收元件100中的光吸收效率，所以在光接收元件700中，相比于光接收元件300，可以提高光吸收效率。

即使MMI波导的尺寸发生改变，仍可获得图11所示的MMI波导中的光强分布。这样，通过将MMI波导732的长度Lmmi设定为小于自成像发生之处的长度Lsi的100％且大于长度Lsi的70％可提高光吸收效率的特性并不局限于上述仿真中的MMI波导732的具体结构。

1-2-4、光吸收效率与板状区域的长度之间的关系

图14示出通过在仿真中计算板状区域的长度与光电探测部中的光吸收效率之间的关系所获得的结果。纵轴表示i型吸收层中的量子效率，横轴表示板状区域的长度。在本说明书中，所述长度是沿相应的波导延伸方向的长度(即，沿信号光行进方向的长度)。

参照图14，曲线(a)表示在图7至图10B所示的光接收元件700中获得的结果(即，当使用MMI波导732时获得的结果)。曲线(b)表示在图1至图4所示的光接收元件100和300中获得的结果(即，当MMI波导不存在时获得的结果)。

除了板状区域721的长度的值有限之外，在图14所示的仿真中使用的条件与在图13所示的仿真中使用的条件相同。在曲线(a)中，MMI波导732的长度是自成像发生之处的长度Lsi(≈59μm)的93％(即，大约55μm)。

如图14中的曲线(a)所示，在光接收元件700中，无论板状区域721的长度如何，量子效率的值几乎一致。更具体地，当板状区域721的长度为0μm至大约18μm时，量子效率的值等于或大于板状区域721不存在时(当板状区域721的长度为0μm时)获得的量子效率的值。这样，可以理解，在光接收元件700中，即使板状区域721的长度增大，也可以通过设置MMI波导732来将量子效率的值保持为等于或大于板状区域721不存在(板状区域721的长度为0μm)时获得的值。

相反，如图14中的曲线(b)所示，当MMI波导不存在时，量子效率的值在板状区域不存在时(当板状区域的长度是0μm时)最大(即，在光接收元件100中)。另一方面，当存在有限长度的板状区域321时(即，在光接收元件300中)，量子效率的值随着板状区域321的长度增大而单调减小。

当板状区域不存在时(当板状区域的长度是0μm时)，光接收元件700(曲线(a))中的量子效率的值大于光接收元件100(b))中的量子效率的值。另外，光接收元件700(曲线(a))与光接收元件300(曲线(b))之间的量子效率的差值随着板状区域的长度增大而变得越来越大。

从上述结果可以理解，在光接收元件700中，即使在波导部711和光电探测部701之间形成光限制效应比光电探测部701的光限制效应弱的板状区域721，也可以通过形成MMI波导732来提高光吸收效率，就像不存在板状区域那样。此外，可以理解，即使在光接收元件700中增大板状区域721的长度，也可以减少板状区域721带来的影响，并且可以获得与板状区域不存在时的量子效率大体相同的量子效率。

1-3、光接收元件700的结构的具体实例

图15为示出光接收元件1500的结构的实例的透视图，并且只示出光接收元件1500的主要部分。图15所示的光接收元件1500的结构是图7所示的光接收元件700的结构的具体实例。图15具体示出光接收元件700中的各层的示例性结构。图16为沿图15的线XVI-XVI的光接收元件1500的剖视图。图17A为沿图15的线XVIIA-XVIIA的光接收元件1500的剖视图，并且示出台面结构及其周围区域(vicinity)。图17B为沿图15的线XVIIB-XVIIB的光接收元件1500的剖视图，并且示出台面结构及其周围区域。图18A为沿图15的线XVIIIA-XVIIIA的光接收元件1500的剖视图，并且示出台面结构及其周围区域。图18B为沿图15的线XVIIIB-XVIIIB的光接收元件1500的剖视图，并且示出台面结构及其周围区域。

如图15至图18B所示，光接收元件1500例如包括置于由InP构成的半绝缘(SI)衬底1514上的光电探测部1501、置于同一衬底1514上的波导部1511、置于同一衬底1514上的板状区域1521以及置于同一衬底1514上的MMI部1531。SI-InP衬底1514是掺杂有诸如Fe等形成深杂质能级(deepimpurity level)的元素的衬底。

波导部1511具有这一结构：其中波导核心层1512和上包覆层1513从SI-InP衬底1514侧堆叠。波导核心层1512由具有1.05μm的带隙波长的i型InGaAsP构成。上包覆层1513由i型InP构成。波导部1511具有包括i-InP上包覆层1513、i-InGaAsP波导核心层1512以及部分SI-InP衬底1514的台面结构，并且具有高台面波导结构(其侧表面未嵌入半导体材料)。对于1.55μm的信号光，i-InGaAsP波导核心层1512具有1.05μm的带隙波长，因此，具有的信号光的吸收比较低。

MMI部1531具有这一结构：其中i-InGaAsP波导核心层1512和i-InP上包覆层1513从SI-InP衬底1514侧堆叠。MMI部1531具有包括i-InP上包覆层1513、i-InGaAsP波导核心层1512以及部分SI-InP衬底1514的台面结构。MMI部1531具有与波导部1511相同的堆叠结构。然而，MMI部1531中的i-InGaAsP波导核心层1512的宽度大于波导部1511中的i-InGaAsP波导核心层1512的宽度。因此，MMI部1531中的i-InGaAsP波导核心层1512形成包括一个输入端和一个输出端的1×1 MMI波导1532。

光电探测部1501具有这一结构：其中被波导部1511和MMI部1531共享的i-InGaAsP波导核心层1512、半导体层1502、吸收层1503、上包覆层1504以及p型接触层1505从SI-InP衬底1514侧堆叠。半导体层1502由具有1.3μm的带隙波长的n型InGaAsP构成。吸收层1503由与InP点阵匹配的i型InGaAs构成。上包覆层1504由p型InP构成。p型接触层1505具有由p型InGaAs和InGaAsP构成的两层结构。对于1.55μm的信号光，n-InGaAsP半导体层1502具有1.3μm的带隙波长，因此，具有的信号光的吸收比较低。

光电探测部1501具有包括p型接触层1505、p-InP上包覆层1504、i-InGaAs吸收层1503以及部分n-InGaAsP半导体层1502的台面结构，并且具有高台面波导结构(其侧表面未嵌入半导体材料)。n-InGaAsP半导体层1502、i-InGaAs吸收层1503以及p-InP上包覆层1504形成PIN型光电二极管。

p侧金属电极1515被置于p型接触层1505上。n侧金属电极1516被置于n-InGaAsP半导体层1502上。在光接收元件1500中，未设置有p侧金属电极1515和n侧金属电极1516的部分被由诸如氮化硅膜等介电材料构成的钝化膜1517覆盖。为了容易理解所述结构，在图15中未示出钝化膜1517。

在p侧金属电极1515和n侧金属电极1516之间施加用于使p侧金属电极1515处于负电位而使n侧金属电极1516处于正电位的一定电压。因此，经由p-InP上包覆层1504和n-InGaAsP半导体层1502来探测通过i-InGaAs吸收层1503中的光吸收所产生的光生载流子(空穴和电子)。

板状区域1521具有这一结构：其中i-InGaAsP波导核心层1512和i-InP上包覆层1513从SI-InP衬底1514侧堆叠。在板状区域1521中，部分i-InP上包覆层1513形成形状与光电探测部1501中的台面结构的形状相似的台面结构。

在波导部1511中，例如，i-InGaAsP波导核心层1512具有0.5μm的厚度，i-InP上包覆层1513具有1.0μm的厚度。在MMI部1531中，如同在波导部1511中那样，例如，i-InGaAsP波导核心层1512具有0.5μm的厚度，i-InP上包覆层1513具有1.0μm的厚度。

在光电探测部1501中，例如，i-InGaAsP波导核心层1512具有0.5μm的厚度，n-InGaAsP半导体层1502具有0.5μm的厚度，i-InGaAs吸收层1503具有0.5μm的厚度，p-InP上包覆层1504和p型接触层1505具有1.0μm的总厚度。在板状区域1521中，如同在光电探测部1501中那样，例如，i-InGaAsP波导核心层1512具有0.5μm的厚度。i-InP上包覆层1513在对应于光电探测部1501中台面结构的部分的厚度是2.0μm，而另一部分与光电探测部1501中的n-InGaAsP半导体层1502的厚度大体相同。

在波导部1511中，例如，包括i-InGaAsP波导核心层1512和i-InP上包覆层1513的台面结构的宽度是2.5μm。在MMI部1531中，例如，包括i-InGaAsP波导核心层1512和i-InP上包覆层1513的台面结构的宽度是5μm，并且该台面结构的长度是50μm。

在光电探测部1501中，包括i-InGaAs吸收层1503、p-InP上包覆层1504以及p型接触层1505的台面结构的宽度是3μm，并且该台面结构的长度是10μm。在板状区域1521中，包括i-InP上包覆层1513的台面结构的宽度是3μm。例如，板状区域1521的长度是5μm。

在光接收元件1500中，当MMI部1531具有上述结构时，自成像在MMI波导1532中发生之处的长度大约为59μm(Lsi≈59μm)。从MMI波导732的输入部到光电探测部731的入射端的距离(即，MMI波导732与板状区域721的总长度(55μm))大约是自成像发生之处的长度(Lsi≈59μm)的93％。这种情况下，如从图13所示的仿真结果中所理解的那样，与不存在MMI波导的情况相比，在光电探测部1501中的i-InGaAs吸收层1503中，光吸收效率(量子效率)得到提高。

在具有上述结构的光接收元件1500中，与图1至图4所示的光接收元件100和300相比，可以提高光吸收效率。尤其，在光接收元件1500中，即使光限制效应弱的板状区域被置于波导部和光电探测部之间，也可以提高光吸收效率。

在上述实施例中，对光电二极管的实例(该光电二极管包括由InGaAs构成的吸收层以及由InGaAsP构成的波导核心层等)进行了描述，用作接收波长为1.55μm的信号光的光接收元件的实例。可选地，在根据上述实施例的光接收元件中，吸收层可以由吸收入射信号光波段内的光的另一种材料构成，而其它层可以由不吸收所述光的另一种材料构成。

在上述实施例中，诸如吸收层等层由i型半导体构成。可选地，部分吸收层或整个吸收层可以由p型半导体或n型半导体构成。

在上述实施例的光电探测部中，被波导部和MMI部共享的波导核心层存在于吸收层的下方，但结构不限于此。只要来自MMI部中波导核心层的信号光进入光电探测部中吸收层下方的层，而不直接进入所述吸收层，则可以使用任何的层状结构(layered structure)。例如，可以使用这一结构：其中信号光从MMI部1531中的i-InGaAsP波导核心层1512经由板状区域1521进入到光电探测部1501中的n-InGaAsP半导体层1502。

1-4、光接收元件1500的制造方法

图19A至图24B示出图15至图18B所示的光接收元件1500的制造工艺的实例。图19A、图20A、图21A、图22A、图23A以及图24A为示出光接收元件1500的主要部分的俯视图。图19B、图20B、图21B、图22B、图23B以及图24B为分别沿图19A、图20A、图21A、图22A、图23A以及图24A的线XIXB-XIXB、线XXB-XXB、线XXIB-XXIB、线XXIIB-XXIIB、线XXIIIB-XXIIIB以及线XXIVB-XXIVB的剖视图。以下，将参照图19A至图24B来描述光接收元件1500的制造方法的实例。

如图19A和图19B所示，通过使用例如金属有机化合物化学气相沉积(MOCVD)方法，在SI-InP衬底1901上沉积i-InGaAsP膜1902、n-InGaAsP膜1903、i-InGaAs膜1904、p-InP膜1905以及包括p-InGaAs和p-InGaAsP两层的堆叠膜1906。这里，进行沉积以使i-InGaAsP膜1902具有0.5μm的厚度，n-InGaAsP膜1903具有0.5μm的厚度，以及i-InGaAs膜1904具有0.5μm的厚度。而且，进行沉积以使p-InP膜1905和p-InGaAs/InGaAsP堆叠膜1906的总厚度为1.0μm。

随后，在p-InGaAs/InGaAsP堆叠膜1906上形成用于覆盖将要变为图15至图18B所示的光电探测部1501的区域的掩模2001，并且选择性暴露将要变为波导部1511和MMI部1531的区域。例如，氧化硅膜用作掩模2001。如图20A和图20B所示，利用使用掩模2001的已知蚀刻，将n-InGaAsP膜1903、i-InGaAs膜1904、p-InP膜1905以及p-InGaAs/InGaAsP堆叠膜1906从波导部1511和MMI部1531移除，而在光电探测部1501中保留。此工艺的结果是，在波导部1511和MMI部1531中暴露i-InGaAsP膜1902。

随后，如图21A和图21B所示，通过使用MOCVD方法，在波导部1511和MMI部1531中的暴露的i-InGaAsP膜1902上沉积i-InP膜2101。这里，进行沉积以使i-InP膜2101具有1.0μm的厚度。光电探测部1501被用于上述蚀刻的掩模2001所覆盖，这样，可以抑制i-InP膜2101在光电探测部1501中的生长。此时，i-InP膜2101上升，并沿着n-InGaAsP膜1903、i-InGaAs膜1904、p-InP膜1905以及p-InGaAs/InGaAsP堆叠膜1906的侧表面将其沉积，从而形成图21B所示的形状。在沉积i-InP膜2101之后，移除掩模2001。

随后，如图22A和图22B所示，在光电探测部1501中的p-InGaAs/InGaAsP堆叠膜1906与波导部1511和MMI部1531中的i-InP膜2101上形成用于覆盖将要变为光电探测部1501中的台面结构的区域的掩模2201。形成掩模2201，以覆盖大部分的波导部1511和MMI部1531，包括除了将要变为台面结构的区域之外的区域。例如，氧化硅膜用作掩模2201。

此时，如图22A和图22B所示，鉴于光致抗蚀剂曝光期间的掩模的定位误差，形成掩模2201以使未覆盖区域不仅包括p-InGaAs/InGaAsP堆叠膜1906，而且还包括部分i-InP膜2101。即，在掩模2201中，将要被蚀刻的区域大于将要被移除的区域，以在光电探测部1501中形成台面结构，从而设置用于消除掩模定位误差的边缘区域。设置边缘区域，以抑制这一现象的发生：其中由于掩模2201的形成位置因光致抗蚀剂曝光期间掩模的定位误差而移位，因而包括p-InGaAs/InGaAsP堆叠膜1906、p-InP膜1905、i-InGaAs膜1904以及n-InGaAsP膜1903的堆叠膜还留在光电探测部1501的一端，而InGaAs吸收层保留了较大的宽度。

如图22A和图22B所示，利用使用掩模2201的已知蚀刻，在光电探测部1501中形成台面结构。在光电探测部1501中，使用掩模2201移除p-InGaAs/InGaAsP堆叠膜1906、p-InP膜1905以及i-InGaAs膜1904。而且，将部分n-InGaAsP膜1903移除一定宽度，使其它部分保留。利用此工艺，暴露部分n-InGaAsP膜1903。因此，形成图15至图18B所示的n-InGaAsP半导体层1502、i-InGaAs吸收层1503、p-InP上包覆层1504以及p型接触层1505。结果是，形成图18B所示的台面结构。

如图22A和图22B所示，同时在i-InP膜2101中移除由掩模2201暴露的部分。利用此工艺，同时形成包括i-InP膜2101的台面结构，其中所述i-InP膜2101与光电探测部1501中的台面结构相邻。结果是，形成图18A所示的台面结构。在蚀刻之后，移除掩模2201。

随后，如图23A和图23B所示，在保留的部分i-InP膜2101、通过蚀刻形成的台面结构以及通过蚀刻暴露的n-InGaAsP半导体层1502上形成用于覆盖将要变为波导部1511和MMI部1531中的台面结构的区域的掩模2301。形成掩模2301，以覆盖大部分的通过蚀刻形成的台面结构与通过蚀刻暴露的n-InGaAsP半导体层1502。例如，氧化硅膜用作掩模2301。

如图23A和图23B所示，利用使用掩模2301的已知蚀刻，在波导部1511和MMI部1531中形成台面结构。在波导部1511和MMI部1531中，使用掩模2301移除i-InP膜2101和i-InGaAsP膜1902，并且也将i-InGaAsP膜1902下方的部分SI-InP衬底1901移除。利用此工艺，暴露部分SI-InP衬底1901。因此，形成图15至图18B所示的i-InGaAsP波导核心层1512和i-InP上包覆层1513。结果是，形成图17A和图17B所示的台面结构。在蚀刻之后，移除掩模2301。

此时，如图23A和图23B所示，在包括i-InP膜2101的台面结构中的被掩模2301覆盖的部分未被蚀刻且保留。对应于包括i-InP膜2101的台面结构的保留区域用作板状区域1521。

随后，在光电探测部1501、板状区域1521、MMI部1531以及波导部1511中，在除了将要形成金属电极的区域之外的区域形成由诸如氮化硅膜等介电材料构成的钝化膜1517。在那之后，如图24A和图24B所示，通过使用诸如金属沉积或金属电镀等已知的形成方法，在p型接触层1505的暴露区域中形成p侧金属电极1515，其中所述p型接触层1505处于光电探测部1501中的台面结构的顶部。而且，使用诸如金属沉积或金属电镀等已知的形成方法，在n-InGaAsP半导体层1502的暴露区域中形成n侧金属电极1516。为了容易理解所述结构，在图24A所示的俯视图中，未示出钝化膜1517。

参照图24A和图24B，具有空气桥结构的金属电极用作p侧金属电极1515。从图24B中的剖视图可以清楚地看出，这种结构使p侧金属电极1515通过空气与连接至n侧金属电极1516的n-InGaAsP半导体层1502电气绝缘。

因此，可以减小在p侧金属电极1515和n侧金属电极1516之间产生的寄生电容。这样，可以减小在光电探测部1501中产生的电容，并且基于CR时间常数获得的截止频率在光接收元件1500与后级电路之间的传输路径中得到提高。因此，即使处于高频带，光接收元件1500也可以将具有足够信号电平的探测信号供应到后级电路，并且即使处于高频带，后级电路也可以处理在此输入的信号。

值得注意的是，p侧金属电极1515的结构不局限于空气桥结构。例如，可以在p侧金属电极1515将要形成的位置处先形成绝缘体，并且可以在所述绝缘体上形成p侧金属电极1515。在图24A和图24B中，在关于PD的波导部1511和MMI部1531对面的部分中保留部分n-InGaAsP半导体层1502，并且经由钝化膜1517在部分n-InGaAsP半导体层1502上形成p侧金属电极1515。可选地，可以移除部分n-InGaAsP半导体层1502。因此，可以减小p侧金属电极1515的电容，并且可以进一步增强高频带的特性。

2、第二实施例

2-1、光接收元件2500的结构

图25为示出根据第二实施例的光接收元件2500的结构的实例的透视图，并且只示出光接收元件2500的主要部分。图26为沿图25的线XXVI-XXVI的光接收元件2500的剖视图。图27A为沿图25的线XXVIIA-XXVIIA的光接收元件2500的剖视图。图27B为沿图25的线XXVIIB-XXVIIB的光接收元件2500的剖视图。图28为沿图25的线XXVIII-XXVIII的光接收元件2500的剖视图。

图25所示的光接收元件2500与图7所示的光接收元件700的不同在于：在前者的光电探测部与MMI部之间不存在板状区域。除此之外，光接收元件2500与光接收元件700相似。

如上所述，例如，由于在形成硬掩模(其用于在光电探测部701中形成台面结构)时设置边缘区域，因而在光接收元件700中产生了板状区域721，以在光电探测部701的制造工艺中的光致抗蚀剂曝光期间解决掩模的定位误差问题。然而，在光接收元件2500的制造工艺中，如果光致抗蚀剂曝光期间确保掩模有足够的定位精度，则没有必要为上述硬掩模设置边缘区域。因此，这种情况下，未形成板状区域。图25所示的光接收元件2500具有无板状区域的结构。

如图25和图26所示，光接收元件2500包括置于衬底2514上的光电探测部2501、置于同一衬底2514上的波导部2511以及置于同一衬底2514上的MMI部2531。

如图27A所示，波导部2511具有这一结构：其中波导核心层2512和上包覆层2513从衬底2514侧堆叠。例如，此堆叠结构中的各层的材料是半导体材料。波导部2511具有包括上包覆层2513和波导核心层2512的台面结构。信号光在波导核心层2512中传播并进入MMI部2531。

如图28所示，光电探测部2501具有这一结构：其中波导核心层2512、n型半导体层2502、i型吸收层2503、p型上包覆层2504以及p型接触层2505从衬底2514侧堆叠。例如，此堆叠结构中的各层的材料是半导体材料。光电探测部2501具有包括p型接触层2505、上包覆层2504、i型吸收层2503以及部分n型半导体层2502的台面结构。光电探测部2501中的台面结构的宽度大于波导部2511中的台面结构的宽度。在光电探测部2501中，包括波导核心层2512和n型半导体层2502的堆叠结构存在于台面结构的外侧。n型半导体层2502、i型吸收层2503以及上包覆层2504形成PIN型光电二极管。

n型半导体层2502具有的折射率高于波导核心层2512的折射率且低于i型吸收层2503的折射率。即，n型半导体层2502具有的带隙波长比波导核心层2512的带隙波长长且比i型吸收层2503的带隙波长短。n型半导体层2502具有这一构成：其中信号光的吸收比很低。

如图27B所示，MMI部2531具有这一结构：其中波导核心层2512和上包覆层2513从衬底2514侧堆叠。例如，此堆叠结构中的各层的材料是半导体材料。MMI部2531具有包括上包覆层2513和波导核心层2512的台面结构。已进入MMI部2531的信号光在波导核心层2512中传播并直接进入光电探测部2501而不经由板状区域。波导核心层2512被光电探测部2501、波导部2511以及MMI部2531共享。

MMI部2531包括1×1 MMI波导2532，其中1×1 MMI波导2532包括一个输入端和一个输出端。MMI部2531中的至少部分波导核心层2512具有的宽度大于波导部2511中的波导核心层2512的宽度。波导核心层2512的大宽度部用作MMI波导2532。MMI波导2532的宽度大于波导部2511和光电探测部2501中每一个的台面结构的宽度。

设定MMI波导2532的长度Lmmi，使得自成像发生之处的点(自成像点)被定位在光电探测部2501中，尤其被定位在i型吸收层2503下方的波导核心层2512中的区域。更具体地，设定MMI波导2532的长度Lmmi，以使其小于自成像发生之处的长度Lsi的100％且大于长度Lsi的70％。同样地，设定MMI波导的长度Lmmi，以使其比自成像在MMI波导中发生之处的长度Lsi_mins的(N-0.3)×100％长且比长度Lsi_min的N×100％短。长度Lsi_min是自成像在MMI波导中发生之处的最短长度，N为自然数。设定MMI波导2532的长度Lmmi的方式与根据上述第一实施例的光接收元件700中的相同。

如图26所示，在光接收元件2500中，信号光在波导部2511中的波导核心层2512中传播，并进入MMI部2531中的MMI波导2532。在MMI波导2532中，如同在MMI波导732中那样，信号光沿正交于信号光行进方向的方向在输出部会聚。因此，会聚的信号光进入光电探测部2501中的波导核心层2512。然后，信号光从波导核心层2512经由n型半导体层2502扩散到i型吸收层2503中，并且被i型吸收层2503吸收。

p侧电极和n侧电极(未示出)分别连接至p型接触层2505和n型半导体层2502。在p侧电极和n侧电极之间施加用于使p侧电极处于负电位而使n侧电极处于正电位的一定电压。因此，经由上包覆层2504和n型半导体层2502来探测通过i型吸收层2503中的光吸收所产生的光生载流子(空穴和电子)。因此，光电探测部2501对作为电信号(光生载流子电流)的信号光进行探测，并且将对应于信号光的强度的探测信号(光生载流子电流)输出到后级电路。

以上所描述的结构作为根据第一实施例的光接收元件700的结构的具体实例，该结构也可以用作根据第二实施例的光接收元件2500的结构的具体实例。如上所述，值得注意的是，未形成板状区域。

而且，以上被描述为光接收元件700的制造方法的方法可以用作光接收元件2500的制造方法。值得注意的是，在硬掩模(用于在光电探测部2501中形成台面结构)中未设置边缘区域。

2-2、光接收元件2500中的信号光的光强分布

图29示出图25和图26所示的光接收元件2500中的信号光的光强分布。实线代表从衬底2514的上侧看时波导核心层2512的形状。点划线代表从衬底2514的上侧看时i型吸收层2503的形状。虚线代表信号光的光强分布的实例。箭头表示信号光的辐射方向。

参照图29，在MMI部2531中的MMI波导2532中，自成像点被定位在光电探测部2501中的i型吸收层2503下方的波导核心层2512中的区域。例如，MMI波导2532的长度Lmmi是自成像发生之处的长度Lsi的85％。

如图29所示，信号光在波导核心层2512中传播，并且从波导部2511进入到MMI部2531中。在那之后，如上参照图11所述，信号光沿正交于信号光行进方向的方向在MMI波导2532的输出部会聚。如箭头所表示，在MMI波导2532的输出部，信号光沿正交于信号光行进方向的方向会聚。因此，信号光进入光电探测部2501，同时保持沿会聚方向的传播状态。

在光电探测部2501中，如同光接收元件700中的光电探测部701那样，波导核心层2512的宽度比i型吸收层2503的宽度大了至少连接至n侧电极的区域的宽度。

相反，在波导部2511中，波导核心层2512的宽度小于i型吸收层2503的宽度。在MMI部2531中，波导核心层2512的宽度大于波导部2511中的波导核心层2512的宽度，并且充分小于光电探测部2501中的波导核心层2512的宽度。结果是，信号光从宽度小的波导部2511和MMI部2531进入到宽度足够大的光电探测部2501中。

波导部2511具有宽度小的台面结构，因此，具有的沿正交于信号光行进方向的方向限制信号光的光限制效应强。而且，因为MMI波导2532具有台面结构，所以，MMI部2531具有的光限制效应强。相反，和光电探测部701一样，光电探测部2501沿正交于信号光行进方向的方向限制入射的信号光的效应弱。

因此，如同图1和图2所示的光接收元件100(未设置板状区域的情况)，在光接收元件2500中，信号光从宽度小且光限制效应强的波导部2511和MMI部2531进入到宽度足够大且光限制效应弱的光电探测部2501中。这种情况下，如同在光接收元件100中的情况，光电探测部2501具有的沿正交于信号光行进方向的方向抑制信号光的光强分布扩张的能力较低。

然而，如上所述，在光接收元件2500中，信号光进入光电探测部2501，同时保持沿会聚方向的传播状态。已进入光电探测部2501的信号光被i型吸收层2503吸收。此时，MMI波导2532的自成像点被定位在光电探测部2501中的i型吸收层2503下方的波导核心层2512中的区域，并且信号光沿会聚方向传播。因此，与光接收元件100相比，较大部分入射的信号光可以会聚到i型吸收层2503下方的波导核心层2512中的区域。因此，可以减少未被吸收并被辐射到i型吸收层2503外部的部分信号光。

因此，在光接收元件2500中，与光接收元件100(无MMI波导)相比，可以提高光吸收效率。

更具体地，在光接收元件2500中，从图13所示的仿真结果可以清楚地看出，MMI波导2532的长度Lmmi被设定为大于自成像发生之处的长度Lsi的70％且小于长度Lsi的100％，使得与光接收元件100(无MMI波导)相比，可以提高光吸收效率。

3、第三实施例

图30为示出根据第三实施例的光接收元件3000的结构的实例的透视图，并且只示出光接收元件3000的主要部分。图31为沿图30的线XXXI-XXXI的光接收元件3000的剖视图。图32A为沿图30的线XXXIIA-XXXIIA的光接收元件3000的剖视图。图32B为沿图30的线XXXIIB-XXXIIB的光接收元件3000的剖视图。图33A为沿图30的线XXXIIIA-XXXIIIA的光接收元件3000的剖视图。图33B为沿图30的线XXXIIIB-XXXIIIB的光接收元件3000的剖视图。

图30和图31所示的光接收元件3000称为嵌入式光接收元件。光接收元件3000与图7所示的光接收元件700的不同在于：在前者的波导部、MMI部、板状区域以及光电探测部中的每一个的台面结构的侧表面部分均形成嵌入层。除此之外，光接收元件3000与光接收元件700相似。

如图32A和图32B所示，在波导部3011与MMI部3031中的每一个的台面结构的侧表面部分均形成嵌入层3041。如图33A和图33B所示，除了n型半导体层3002上设置有n侧电极的区域之外，在板状区域3021和光电探测部3001中的每一个的台面结构的侧表面部分均形成嵌入层3042。优选地，嵌入层3041和3042的材料是与上包覆层3004和3013中至少一个的半导体材料相同或相似的半导体材料。

除了上述点之外，光接收元件3000的结构与图7至图10B所示的光接收元件700的结构相同，因此，省略相应的说明。在光接收元件3000和700中，这两个元件由后两位数相同的的附图标记指代来彼此对应。

如同光接收元件700，在光接收元件3000中，设置了MMI波导3032。这样，信号光进入板状区域3021和光电探测部3001，同时保持沿会聚方向的传播状态。因此，在光接收元件3000中，与图1至图4所示的光接收元件100和300相比，可以提高光吸收效率。尤其，在光接收元件3000中，即使光限制效应弱的板状区域3021被置于波导部3011和光电探测部3001之间，也可以提高光吸收效率。

而且，当从MMI波导3032的信号光进入侧的一端(输入部)到光电探测部3001的信号光进入侧的一端(入射端)的距离比自成像在MMI波导3032中发生之处的长度Lsi的70％长且比长度Lsi的100％短时，与光接收元件100和300相比，可以提高光吸收效率。同样地，当从MMI波导的信号光进入侧的一端(输入部)到光电探测部的信号光进入侧的一端(入射端)的距离比自成像在MMI波导中发生之处的长度Lsi_min的(N-0.3)×100％长且比长度Lsi_min的N×100％短时，与光接收元件100相比，可以提高光吸收效率。长度Lsi_min是自成像在MMI波导中发生之处的最短长度，N为自然数。

另外，如图33A所示，在光接收元件3000中，当嵌入层3042的材料是与板状区域3021中的上包覆层3013的材料相同或相似的半导体材料时，从光学角度来看，板状区域3021的结构是更为完整的板状结构。

即，在图10A所示的板状区域721中，台面结构的侧表面部分充满空气，因此，在台面结构的侧表面部分的空气的折射率与形成台面结构的上包覆层713的半导体材料的折射率之间出现不同。在板状区域721中，由于折射率不同，尽管轻微，还是会产生一定的光限制效应。

相反，在板状区域3021中，当形成台面结构的上包覆层3013的半导体材料与嵌入层3042的半导体材料彼此相同或相似时，在两种半导体材料之间不会出现折射率的不同。由于此原因，板状区域3021几乎不具有光限制效应。这样，板状区域3021中的光限制效应弱于光接收元件700中的板状区域721中的光限制效应。

因此，在光接收元件3000中，板状区域3021沿正交于信号光行进方向的方向抑制信号光的光强分布扩张的能力比板状区域721的小。因此，在光接收元件3000中比在光接收元件700中更可能出现因板状区域引起的光吸收效率的降低。

然而，如同在光接收元件700中那样，在光接收元件3000中，由于MMI波导3032的效应，信号光进入板状区域3021，同时保持沿会聚方向的传播状态。因此，信号光也可以在板状区域3021中保持沿会聚方向的传播状态，并且信号光从板状区域3021进入到光电探测部3001中，同时保持沿会聚方向的传播状态。因此，大部分入射的信号光可以会聚到i型吸收层3003下方的波导核心层3012中的区域。

因此，在光接收元件3000(其为嵌入式光接收元件，其中更可能出现光吸收效率降低)中，可以抑制因板状区域引起的光吸收效率的降低，并且可以提高光吸收效率。

以上所描述的结构作为根据第一实施例的光接收元件700的结构的具体实例，该结构也可以用作根据第三实施例的光接收元件3000的结构的具体实例。值得注意的是，在波导部3011、MMI部3031、板状区域3021以及光电探测部3001中每一个的台面结构的侧表面部分均形成SI-InP嵌入层。

而且，以上被描述为光接收元件700的制造方法的方法可以用作光接收元件3000的制造方法。值得注意的是，在光电探测部3001、板状区域3021、MMI部3031以及波导部3011中形成钝化膜之前，进行形成SI-InP嵌入层的步骤。

4、第四实施例

4-1、光接收元件3400的结构

图34为示出根据第四实施例的光接收元件3400的结构的实例的透视图，并且只示出光接收元件3400的主要部分。图35为沿图34的线XXXV-XXXV的光接收元件3400的剖视图。图36A为沿图34的线XXXVIA-XXXVIA的光接收元件3400的剖视图。图36B为沿图34的线XXXVIB-XXXVIB的光接收元件3400的剖视图。图37A为沿图34的线XXXVIIA-XXXVIIA的光接收元件3400的剖视图。图37B为沿图34的线XXXVIIB-XXXVIIB的光接收元件3400的剖视图。

在图34所示的光接收元件3400中，波导部、MMI部以及板状区域的结构与图7所示的光接收元件700中的不同。除此之外，光接收元件3400与光接收元件700相似。

如图34和图35所示，光接收元件3400包括置于衬底3414上的光电探测部3401、置于同一衬底3414上的波导部3411、置于同一衬底3414上的板状区域3421以及置于同一衬底3414上的MMI部3431。

如图36A所示，波导部3411包括置于衬底3414上的肋型(rib-type)波导层3412。例如，波导层3412的材料是半导体材料。在波导部3411中，波导层3412上未置有上包覆层。信号光在波导层3412的凸起(核心层)3413中传播并进入MMI部3431。

如图37B所示，光电探测部3401具有这一结构：其中波导层(核心层)3412、n型半导体层3402、i型吸收层3403、p型上包覆层3404以及p型接触层3405从衬底3414侧堆叠。例如，此堆叠结构中的各层的材料是半导体材料。光电探测部3401具有包括p型接触层3405、p型上包覆层3404、i型吸收层3403以及部分n型半导体层3402的台面结构。光电探测部3401中的台面结构的宽度大于波导部3411中的台面结构的宽度。在光电探测部3401中，包括波导层(核心层)3412和n型半导体层3402的堆叠结构存在于台面结构的外侧。n型半导体层3402、i型吸收层3403以及p型上包覆层3404形成PIN型光电二极管。

n型半导体层3402具有的折射率高于波导层3412的折射率且低于i型吸收层3403的折射率。即，n型半导体层3402具有的带隙波长比波导层3412的带隙波长长且比i型吸收层3403的带隙波长短。n型半导体层3402具有这构成：其中信号光的吸收比很低。

如图37A所示，板状区域3421包括位于衬底3414上的板形的(平的)波导层(核心层)3412。在板状区域3421中，波导层(核心层)3412上未置有上包覆层。与光电探测部3401不同，板状区域3421包括板形的(平的)波导层(核心层)3412，但其不具有包括i型吸收层和n型半导体层的台面结构。已进入板状区域3421的信号光在波导层3412中传播并进入光电探测部3401。

例如，由于在形成硬掩模(用于在光电探测部3401中形成台面结构)的时候提供边缘区域，因而产生了板状区域3421，以在光电探测部3401的制造工艺中的光致抗蚀剂曝光期间解决掩模的定位误差问题。下面将会给出细节。

如图36B所示，MMI部3431包括位于衬底3414上的肋型波导层3412。例如，波导层3412的材料是半导体材料。在MMI部3431中，波导层3412上未置有包覆层。已进入MMI部3431的信号光在波导层3412的凸起(核心层)3413中传播并进入光电探测部3401。波导层3412被光电探测部3401、波导部3411、板状区域3421以及MMI部3431共享。

MMI部3431包括1×1 MMI波导3432，该1×1 MMI波导3432包括一个输入端和一个输出端。MMI部3431中的波导层3412的至少部分凸起(核心层)3413具有的宽度大于波导部3411中的波导层3412的凸起(核心层)3413的宽度。波导层3412的凸起(核心层)3413的大宽度部分用作MMI波导3432。MMI波导3432的宽度大于波导部3411中的波导层3412的凸起(核心层)3413的宽度以及光电探测部3401中的台面结构的宽度。

设定MMI波导3432的长度Lmmi，使得自成像在MMI波导3432中发生之处的点(自成像点)被定位在光电探测部3401中，尤其被定位在在光电探测部3401中的i型吸收层3403下方的波导层3412中的区域。更具体地，设定MMI波导3432的长度Lmmi，使得从MMI波导3432的信号光进入侧的一端(输入部)到光电探测部3401的信号光进入侧的一端(入射端)的距离比自成像在MMI波导3432中发生之处的长度Lsi的70％长且比长度Lsi的100％短。同样地，设定MMI波导的长度Lmmi，使得从MMI波导的信号光进入侧的一端(输入部)到光电探测部的信号光进入侧的一端(入射端)的距离比自成像在MMI波导中发生之处的长度Lsi_min的(N-0.3)×100％长且比长度Lsi_min的N×100％短。长度Lsi_min是自成像在MMI波导中发生之处的最短长度，N为自然数。

设定MMI波导3432的长度Lmmi的方式与上述根据第一实施例的光接收元件700中的相同。

如图35所示，在光接收元件3400中，信号光在波导部3411中的波导层3412的凸起(核心层)3413中传播，并进入MMI部3431中的MMI波导3432。和MMI波导732一样，MMI波导3432在其输出部沿正交于信号光行进方向的方向会聚信号光。因此，会聚的信号光进入光电探测部3401中的波导层(核心层)3412。然后，信号光从波导层3412经由n型半导体层3402扩散到i型吸收层3403中，并且被i型吸收层3403吸收。

p侧电极和n侧电极(未示出)分别连接至p型接触层3405和n型半导体层3402。在p侧电极和n侧电极之间施加用于使p侧电极处于负电位而使n侧电极处于正电位的一定电压。因此，经由p型上包覆层3404和n型半导体层3402来探测通过i型吸收层3403中的光吸收所产生的光生载流子(空穴和电子)。因此，光电探测部3401对作为电信号(光生载流子电流)的信号光进行探测，并且将对应于信号光的强度的探测信号(光生载流子电流)输出到后级电路。

如同在光接收元件700中那样，在上述光接收元件3400中，设置了MMI波导3432，从而信号光进入板状区域3421和光电探测部3401，同时保持沿会聚方向的传播状态。因此，在光接收元件3400中，可以提高光吸收效率。尤其，在光接收元件3400中，即使光限制效应弱的板状区域3421被置于波导部3411和光电探测部3401之间，仍可以提高光吸收效率。

当从MMI波导3432的信号光进入侧的一端(输入部)到光电探测部3401的信号光进入侧的一端(入射端)的距离比自成像在MMI波导3432中发生之处的长度Lsi的70％长且比长度Lsi的100％短时，与光接收元件100和300相比，可以提高光吸收效率。同样地，当从MMI波导的信号光进入侧的一端(输入部)到光电探测部的信号光进入侧的一端(入射端)的距离比自成像在MMI波导中发生之处的长度Lsi_min的(N-0.3)×100％长且比长度Lsi_min的N×100％短时，与光接收元件100和300相比，可以提高光吸收效率。长度Lsi_min是自成像在MMI波导中发生之处的最短长度，N为自然数。

另外，如图37A所示，在光接收元件3400中，在板状区域3421中的波导层3412上什么都没有配置，波导层3412的上表面充满空气。这样，板状区域3421具有光学完整的板状结构。

即，板状区域3421不具有光限制效应。这样，板状区域3421中的光限制效应弱于光接收元件700的板状区域721中的光限制效应。因此，在光接收元件3400中，板状区域3421沿正交于信号光行进方向的方向抑制信号光的光强分布扩张的能力比板状区域721的低。结果是，在光接收元件3400中比在光接收元件700中更可能出现因板状区域引起的光吸收效率的降低。

然而，如同在光接收元件700中那样，在光接收元件3400中，由于MMI波导3432的效应，信号光进入板状区域3421，同时保持沿会聚方向的传播状态。因此，在板状区域3421中，信号光可以保持沿会聚方向的传播状态，并且信号光从板状区域3421进入光电探测部3401，同时保持沿会聚方向的传播状态。因此，大部分入射的信号光可以会聚到i型吸收层3403下方的波导层3412中的区域。

因此，在包括肋型波导(其可能引起光吸收效率的降低)的光接收元件3400中，可以抑制因板状区域引起的光吸收效率的降低，并且可以提高光吸收效率。

与以上被描述为根据第一实施例的光接收元件700的结构的具体实例的结构相似的结构可以用作根据第四实施例的光接收元件3400的结构的具体实例。如上所述，值得注意的是，上包覆层未被置于波导部3411中的波导层3412上。例如，在波导部3411中，波导层3412的凸起(核心层)3413的宽度是2.5μm。例如，在MMI部3431中，波导层3412的凸起(核心层)3413的宽度是5μm，并且其长度是50μm。

4-2、光接收元件3400的制造方法

图38A至图42B示出图34至图37B所示的光接收元件3400的制造工艺的实例。图38A、图39A、图40A、图41A以及图42A为示出光接收元件3400的主要部分的俯视图。图38B、图39B、图40B、图41B以及图42B为分别沿图38A、图39A、图40A、图41A以及图42A的线XXXVIIIB-XXXVIIIB、线XXXIXB-XXXIXB、线XLB-XLB、线XLIB-XLIB以及线XLIIB-XLIIB的剖视图。以下，将参照图38A至图42B来描述光接收元件3400的制造方法的实例。

如图38A和图38B所示，通过使用例如MOCVD方法，在SI-InP衬底3801上沉积i-InGaAsP膜3802、n-InGaAsP膜3803、i-InGaAs膜3804、p-InP膜3805以及包括p-InGaAs和p-InGaAsP两层的堆叠膜3806。这里，进行沉积以使i-InGaAsP膜3802具有0.5μm的厚度，n-InGaAsP膜3803具有0.5μm的厚度，以及i-InGaAs膜3804具有0.5μm的厚度。而且，进行沉积以使p-InP膜3805和p-InGaAs/InGaAsP堆叠膜3806的总厚度为1.0μm。

随后，在p-InGaAs/InGaAsP堆叠膜3806上形成用于覆盖将要变为图34至图37B所示的光电探测部3401的区域的掩模3901，并且选择性暴露将要变为波导部3411和MMI部3431的区域。例如，氧化硅膜用作掩模3901。如图39A和图39B所示，利用使用掩模3901的已知蚀刻，将n-InGaAsP膜3803、i-InGaAs膜3804、p-InP膜3805以及p-InGaAs/InGaAsP堆叠膜3806从波导部3411和MMI部3431移除，而在光电探测部3401中保留。此工艺的结果是，在波导部3411和MMI部3431中暴露i-InGaAsP膜3802。在蚀刻之后，移除掩模3901。

随后，如图40A和图40B所示，在p-InGaAs/InGaAsP堆叠膜3806和暴露的n-InGaAsP膜3402上形成用于覆盖将要变为光电探测部3401中的台面结构的区域的掩模4001。形成掩模4001，以覆盖大部分的波导部3411和MMI部3431，包括除了将要变为凸起的区域之外的区域。例如，氧化硅膜用作掩模4001。

此时，如图40A和图40B所示，鉴于光致抗蚀剂曝光期间的掩模的定位误差，形成掩模4001以使未覆盖区域不仅包括p-InGaAs/InGaAsP堆叠膜3806，而且还包括部分暴露的i-InGaAsP膜3802。即，在掩模4001中，将要被蚀刻的区域大于将要被移除的区域，以在光电探测部3401中形成台面结构，从而设置用于消除掩模定位误差的边缘区域。设置边缘区域，以抑制这一现象的发生：其中由于掩模4001的形成位置因光致抗蚀剂曝光期间的掩模的定位误差而移位，因而包括p-InGaAs/InGaAsP堆叠膜3806、p-InP膜3805、i-InGaAs膜3804以及n-InGaAsP膜3803的堆叠膜还留在光电探测部3401的一端，并且吸收层保留较大的宽度。

如图40A和图40B所示，利用使用掩模4001的已知蚀刻，在光电探测部3401中形成台面结构。在光电探测部3401中，使用掩模4001移除p-InGaAs/InGaAsP堆叠膜3806、p-InP膜3805以及i-InGaAs膜3804。而且，将部分n-InGaAsP膜3803移除一定宽度，使其它部分保留。利用此工艺，暴露部分n-InGaAsP膜3803。因此，形成图34至图37B所示的n-InGaAsP半导体层3402、i-InGaAs吸收层3403、p-InP上包覆层3404以及p型接触层3405。结果是，形成图37B所示的台面结构。在蚀刻之后，移除掩模4001。

随后，如图41A和图41B所示，在暴露的i-InGaAsP膜3802、通过蚀刻形成的台面结构以及通过蚀刻暴露的n-InGaAsP半导体层3402上形成用于覆盖将要变为波导部3411和MMI部3431中的台面结构的区域的掩模4101。形成掩模4101，以便覆盖通过蚀刻形成的整个台面结构以及通过蚀刻暴露的整个n-InGaAsP半导体层3402。例如，氧化硅膜用作掩模4101。

如图41A和图41B所示，利用使用掩模4101的已知蚀刻，在波导部3411和MMI部3431中形成波导层的凸起(核心层)。在波导部3411和MMI部3431中，使用掩模4101移除部分i-InGaAsP膜3802。因此，形成图34至图37B所示的i-InGaAsP波导层3412及其凸起(核心层)3413。结果是，形成图36A和图36B所示的凸形结构。在蚀刻之后，移除掩模4101。

此时，如图41A和图41B所示，在暴露的i-InGaAsP膜3802中的被掩模4101覆盖的部分未被蚀刻且保留。对应于由i-InGaAsP膜3802构成的i-InGaAsP波导层3412的剩余区域用作板状区域3421。

随后，在光电探测部3401、板状区域3421、MMI部3431以及波导部3411中，在除了将要形成金属电极的区域之外的区域形成由诸如氮化硅膜等介电材料构成的钝化膜4201。在那之后，如图42A和图42B所示，通过使用诸如金属沉积或金属电镀等已知的形成方法，在p型接触层3405的暴露区域形成p侧金属电极4202，其中p型接触层3405位于光电探测部3401中的台面结构的顶部。而且，使用诸如金属沉积或金属电镀等已知的形成方法，在n-InGaAsP半导体层3402的暴露区域形成n侧金属电极4203。为了容易理解所述结构，在图42A所示的俯视图中，未示出钝化膜4201。

参照图42A和图42B，具有空气桥结构的金属电极用作p侧金属电极4202。从图42B中的剖视图可以清楚地看出，这种结构使p侧金属电极4202通过空气与连接至n侧金属电极4203的n-InGaAsP半导体层3402电气绝缘。

因此，可以减小在p侧金属电极4202和n侧金属电极4203之间产生的寄生电容。这样，可以减少在光电探测部3401中产生的电容，并且基于CR时间常数获得的截止频率在光接收元件3400与后级电路之间的传输路径中得到提高。因此，即使处于高频带，光接收元件3400也可以将具有足够的信号电平的探测信号供应到后级电路，并且即使处于高频带，后级电路也可以处理在此输入的信号。

值得注意的是，p侧金属电极4202的结构不限于空气桥结构。例如，可以在p侧金属电极4202将要形成的位置处先形成绝缘体，并且可以在所述绝缘体上形成p侧金属电极4202。在图42A和图42B中，在关于PD的波导部3411和MMI部3431对面的部分中保留部分n-InGaAsP半导体层3402，并且经由钝化膜4201在部分n-InGaAsP半导体层3402上形成p侧金属电极4202。可选地，可以移除部分n-InGaAsP半导体层3402。因此，可以降低p侧金属电极4202的电容，并且可以进一步增强高频带的特性。

在上述光接收元件3400的制造方法中，没有必要在波导部3411和MMI部3431中的波导层3412上沉积上包覆层。因此，可以减少工艺步骤的数量，并且易于制造光接收元件3400。

5、第五实施例

图43示出根据第五实施例的光接收器件4300的配置的实例。

图43所示的光接收器件4300是用于解调信号(该信号已进行了正交相移键控(QPSK)调制)的光相干接收机的实例。从减小尺寸和降低组装成本的角度来看，光接收器件4300是前景广阔的包括光混合波导和光电二极管(PD)的波导集成光接收器件，其中所述光混合波导将相位调制信号光转换为强度调制信号光，所述光混合波导与所述光电二极管(PD)集成在同一衬底上。

如图43所示，光接收器件4300包括光电探测部4301、连接波导部4302、光混合波导部4303以及输入波导部4304。光电探测部4301包括四个光电二极管(PD)元件4305至4308。连接波导部4305包括四个连接波导4309至4312。光混合波导部4303包括90度光混合波导4313，该90度光混合波导4313包括两个输入端和四个输出端。输入波导部4303包括两个输入波导4314和4315。

输入波导部4304中的两个输入波导4314和4315分别连接至90度光混合波导4313的两个输入端。连接波导部4305中的四个连接波导4309至4312分别连接至90度光混合波导4313的四个输出端。四个连接波导4309至4312分别连接至光电探测部4301中的PD元件4305至4308。

在光接收器件4300中，根据图7、图25、图30以及图34所示的第一实施例至第四实施例的光接收元件700、2500、3000以及3400中任何一个的光电探测部、MMI部、板状区域以及波导部均可以用于PD元件4305和连接波导4309。在其它PD元件4306至4308以及连接波导4310至4312中也相同。光混合波导部4303和输入波导部4304具有与连接波导部4302相同的层状结构，并且被置于同一衬底(光电探测部4301和连接波导部4302被置于该衬底上)上。

现在，将描述光接收器件4300的运行。QPSK调制的信号光进入输入波导4314，并且本机振荡(LO)光作为参考光进入输入波导4315。90度光混合波导4313经由输入波导4314和4315接收信号光和LO光。90度光混合波导4313使LO光和信号光相互干涉，从而对QPSK调制的信号光进行解调，以产生具有180度相位差的互补I通道信号光束以及产生具有180度相位差的互补Q通道信号光束。90度光混合波导4313将互补I通道信号光束输出到连接波导4309和4310，并且将互补Q通道信号光束输出到连接波导4311和4312。

PD元件4305和4306分别经由连接波导4309和4310从90度光混合波导4313接收互补I通道信号光束。PD元件4305和4306中的每一个探测所接收的作为电信号的I通道信号光束，并产生I通道信号(电信号)。PD元件4307和4308分别经由连接波导4311和4312从90度光混合波导4313接收互补Q通道信号光束。PD元件4307和4308中的每一个探测所接收的作为电信号的Q通道信号光束，并产生Q通道信号(电信号)。

例如，包括四个输入端和四个输出端的4×4 MMI波导可以用作90度光混合波导4313。这种情况下，输入波导4314和4315连接至4×4 MMI波导的两个输入端。连接波导4309至4312连接至4×4 MMI波导的四个输出端。

如同在根据第一实施例至第四实施例的光接收元件700、2500、3000以及3400中那样，在根据第五实施例的光接收器件4300中，可以提高光吸收效率。尤其，在光接收器件4300中，即使光限制效应弱的板状区域被置于波导部与光电探测部之间，也可以提高光吸收效率。

在光电探测部4301所包括的四个PD元件4305至4308中，相应的间隔层被独立布置。因此，在PD元件4305至4308中，不仅p侧电极，而且n侧电极也可以以电气隔离方式(electrically separated manner)进行布置，并且可以在PD元件4305至4308中实现充分的电气隔离。这样，可以在PD元件4305至4308中抑制不良串扰的出现，从而光接收器件4300可以接收具有减小的误差的信号光。

在第五实施例中，光相干接收机的实例被描述为波导集成光接收器件。可选地，只要PD和波导集成整体，则可以使用任何类型的元件。根据第一实施例至第四实施例的光接收元件可以用作这种元件。

6、第六实施例

图44示出根据第六实施例的光接收模块4400的配置的实例。

图44所示的光接收模块4400是用于解调信号(该信号已进行了双极化正交相移键控(DP-QPSK)调制)的光相干接收机模块的实例。

如图44所示，光接收模块4400包括光相干接收机4401和4402、跨阻放大器(TIAs)4403至4406、偏振光束分光器(PBSs)4407和4408、透镜4409至4414以及反射镜4415和4416。光纤电缆4417和4418连接至光接收模块4400。

光接收模块4400经由光纤电缆4417接收DP-QPSK调制的信号光，并且经由光纤电缆4418接收LO光(其为参考光)。DP-QPSK调制的信号光包括以不同方向偏振彼此正交的两个信号光束。所述两个信号光束传输彼此不同的信号。

DP-QPSK调制的信号光经由透镜4409进入PBS 4407，并且被PBS 4407分成沿不同方向偏振的两个信号光束。两个信号光束的一个经由透镜4411进入光相干接收机4401，另一个经由反射镜4415和透镜4413进入光相干接收机4402。同样地，LO光束被提供至光相干接收机4401和4402。

根据图43所示的第五实施例的光接收器件4300可以用作光相干接收机4401和4402的每一个。光相干接收机4401和4402的每一个接收QPSK调制的信号光和LO光，并且使信号光和LO光相互干涉，从而对QPSK调制的信号光进行解调。

光相干接收机4401探测通过解调获得的作为互补电信号(I通道信号)的互补I通道信号光。光相干接收机4401探测通过解调获得的作为互补电信号(Q通道信号)的互补Q通道信号光。光相干接收机4401将通过探测获得的互补I通道信号(电信号)供应到TIA 4403，并且将通过探测获得的互补Q通道信号(电信号)供应到TIA 4404。同样地，光相干接收机4402将互补I通道信号供应到TIA 4405，并且将互补Q通道信号供应到TIA 4406。

TIAs 4403至4406中的每一个接收互补I通道信号或互补Q通道信号，并且在信号的信号电平上进行差分放大(differential amplification)。

如同在根据第五实施例的光接收器件4300中那样，在根据第六实施例的光接收模块4400中，可以在光相干接收机中提高光吸收效率。尤其，在光接收模块4400中，即使光限制效应弱的板状区域被置于波导部与光电探测部之间，也可以提高光吸收效率。

在每一个光相干接收机所包括的多个PD元件中，相应的间隔层被独立布置。因此，在PD元件中，不仅p侧电极，而且n侧电极也可以以电气隔离方式进行布置，并且可以在PD元件中实现充分的电气隔离。这样，可以在PD元件中抑制不良串扰的出现，从而光接收模块4400可以接收具有减小的误差的信号光。

在实施例中公开的光接收元件中，可以提高光吸收效率。尤其，在光接收元件中，即使光限制效应弱的板状区域被置于波导部与光电探测部之间，也可以提高光吸收效率。

本文列举的全部实例和条件性语言是为了教示性的目的，以帮助读者理解本发明以及发明人为了促进技术而贡献的概念，并应解释为不限制于这些具体列举的实例和条件，说明书中这些实例的组织也不是为了显示本发明的优劣。尽管已经详细描述了本发明的实施例，但应理解在不背离本发明的精神和范围的情况下可作出各种变化、替换以及更改。

Claims (4)

1.一种光接收器件，包括：

第一波导部，被置于衬底的第一区域，多个入射的光束被配置为在所述第一波导部中传播；

第二波导部，被置于所述衬底的第二区域，所述第二波导部被配置为接收所述多个入射的光束，并且基于所述多个入射的光束产生多个出射光束；

第三波导部，被置于所述衬底的第三区域且包括多个波导，所述多个出射光束被配置为分别沿所述多个波导传播；以及

光电探测部，被置于所述衬底的第四区域且包括多个光电探测元件，所述多个光电探测元件被配置为分别从所述多个波导接收所述多个出射光束，

其中所述多个波导中的每一个均包括：

波导，包括波导核心，所述波导核心被配置为接收所述多个出射光束的相应一个，以及

多模干涉波导，具有的宽度大于所述波导的宽度，所述多模干涉波导被配置为在第一端处从所述波导核心接收相应的出射光束；

其中所述多个光电探测元件中的每一个均包括：

第一半导体层，包括至少一个层，所述第一半导体层被配置为在第二端处从所述多模干涉波导的相应一个接收所述多个出射光束的相应一个，以及

吸收层，被置于所述第一半导体层上，所述吸收层被配置为吸收相应的出射光束，

其中，从所述多模干涉波导的所述第一端到所述光电探测部的所述第二端的距离比第一长度的(N-0.3)×100％长且比所述第一长度的N×100％短，所述第一长度是自成像在所述多模干涉波导中发生之处的最短长度，N为自然数。

2.根据权利要求1所述的光接收器件，

其中所述多个入射的光束包括信号光和参考光，以及

其中所述第二波导部包括多模干涉波导，所述多模干涉波导通过使所述信号光和所述参考光互相干涉产生所述多个出射光束。

3.一种光接收模块，包括：

多个光接收器件，配置为接收多个入射的光束，所述多个光接收器件被配置为探测所述多个入射的光束，并且将对应于所述多个入射的光束的多个电信号输出；以及

多个放大器，配置为接收所述多个电信号且放大所述多个电信号，

其中所述多个光接收器件中的每一个均包括：

第一波导部，被置于衬底的第一区域，所述多个入射的光束被配置为在所述第一波导部中传播，

第二波导部，被置于所述衬底的第二区域，所述第二波导部被配置为接收所述多个入射的光束，并且基于所述多个入射的光束产生多个出射光束，

第三波导部，被置于所述衬底的第三区域且包括多个波导，所述多个出射光束被配置为分别沿所述多个波导传播；以及

光电探测部，被置于所述衬底的第四区域且包括多个光电探测元件，所述多个光电探测元件被配置为分别从所述多个波导接收所述多个出射光束，

其中所述多个波导中的每一个均包括：

波导，包括波导核心，所述波导核心被配置为接收所述多个出射光束的相应一个，以及

多模干涉波导，具有的宽度大于所述波导的宽度，所述多模干涉波导被配置为在第一端处从所述波导接收相应的出射光束，

其中所述多个光电探测元件的每一个包括：

第一半导体层，包括至少一个层，所述第一半导体层被配置为在第二端处从所述多模干涉波导的相应一个接收所述多个所述出射光束的相应一个，以及

吸收层，置于所述第一半导体层上，所述吸收层被配置为吸收所述相应的出射光束，

其中，从所述多模干涉波导的所述第一端到所述光电探测部的所述第二端的距离比第一长度的(N-0.3)×100％长且比所述第一长度的N×100％短，所述第一长度是自成像在所述多模干涉波导中发生之处的最短长度，N为自然数。

4.根据权利要求3所述的光接收模块，

其中所述多个入射光束包括信号光和参考光，以及

其中所述第二波导部中的每一个均包括多模干涉波导，所述多模干涉波导通过使所述信号光和所述参考光相互干涉产生所述多个出射光束。