JP2001141924A - 分波素子及び分波受光素子 - Google Patents

分波素子及び分波受光素子

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wavelength
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Kenichi Matsuda
賢一 松田
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 分波素子又は分波受光素子の共振器フィルタ
に対して入射光の入射角の精度を向上させることができ
るようにする。また、共振器フィルタの面内方向におけ
る多重波長の選択性を製造プロセスとして容易に実現で
きるようにする。 【解決手段】 GaAsからなる半導体基板11の第1
主面11a上にフォトニック結晶層21が形成されてい
る。フォトニック結晶層21は、SiO2 等の誘電体又
はGaAs等の半導体からなる細線を格子状に形成し、
さらに複数の格子状層を積層して構成されている。細線
の幅と間隔とが半導体基板11の面内方向で変化してお
り、フォトニック結晶層21のフォトニックバンド端波
長が半導体基板11の面内方向で変化している。半導体
基板11の第2主面11bには、入射光60を反射する
傾斜面11cが形成されており、該傾斜面11c上を含
む第2主面11b上には金属反射膜16が蒸着されてい
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、比較的狭い波長範
囲に高密度に波長多重された信号光における波長を波長
ごとに分波して出力する分波素子、及び波長多重された
信号光を分波した後に受光して電気信号に変換する分波
受光素子に関する。
【0002】
【従来の技術】光ファイバ通信においては、互いに異な
る波長を有する複数の光信号を1つの信号に多重する波
長多重技術を用いることにより伝送容量の増大を図る手
法が広く知られている。特に、近年では波長が1.55
μmの近傍であって、波長の間隔が3.2nmの4波又
は波長の間隔が1.6nmの8波の信号光を多重化する
システムが実用化されつつある。将来的には波長の間隔
が0.8nmの高密度波長多重伝送も検討されている。
波長多重伝送においては、多重化された信号光を受信側
で分波して受光するが、このような高密度波長多重シス
テムでは高分解能の分波処理が要求される。回折格子を
用いた分光器を用いれば高分解能の分波処理が可能とな
るが、システムの経済性を考えると小型の分波素子又は
分波素子を集積化した受光素子が必要となる。
【0003】このような分波素子を集積化した受光素子
は、例えば、特開平第8−46593号公報に記載され
ている。以下、従来の受光素子について図面を参照しな
がら説明する。
【0004】図7は特開平第8−46593号公報に記
載されている受光素子のうちの分波及び受光処理部の断
面構成を示している。図7に示すように、半導体基板1
01の主面上には、それぞれが半導体層からなる下部反
射器102、スペーサ層103及び上部反射器104が
順次積層されてなる垂直共振器フィルタ105が形成さ
れ、該垂直共振器フィルタ105上には島状の複数の受
光素子106が形成されている。半導体基板101の主
面と反対側の面には反射膜107が設けられている。
【0005】垂直共振器フィルタ105は、スペーサ層
103の層厚で決まる共振波長に対しては光の透過率が
100%であり、その両側にはストップバンドと呼ばれ
る高反射率の波長帯域が存在する。光ファイバ108か
ら入力される波長多重された入射光109は半導体基板
101の主面と反対側の面に入射され、垂直共振器フィ
ルタ105を透過できる共振波長を有する信号光のみが
受光素子106に入射する。さらに、垂直共振器フィル
タ105により反射された信号光は反射膜107により
反射されて、再度垂直共振器フィルタ105に入射す
る。スペーサ層103の層厚は半導体基板101の面内
方向で変化しているため、受光素子106ごとに対応す
る垂直共振器フィルタ105の共振波長がそれぞれ異な
り、その結果、波長が異なる信号光が順次受光される。
【0006】垂直共振器フィルタ105の共振波長は、
スペーサ層103の層厚をL、屈折率をn、入射光の入
射角(基板主面と法線方向とがなす角)をθとして、2
nL・cosθ/m(但し、mは自然数とする。)で与
えられる。従って、入射角θが20°付近で1°変化す
ると共振波長は0.63%程度変化する。従って、共振
波長が1.55μm付近にある場合の波長変化は約10
nmとなる。逆に、共振波長の絶対値を1nm以下の精
度で合わせるためには、入射角θのずれを0.1°以下
とする必要がある。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記従
来の受光素子は、光ファイバ108を半導体基板101
に対して所定の角度で固定する方法が明示されておら
ず、入射光109の入射角θを精度良く決定することが
困難であるという第1の問題がある。
【0008】また、図7に示すように、従来の受光素子
は、スペーサ層103の層厚を半導体基板101の面内
方向で変化させている。層厚を面内方向で変化させる結
晶成長方法は公知であり、例えば米国特許第50291
76号に開示されているものの、共振波長の絶対値を制
御できる程度に層厚の制御性があるとは言い難い。ま
た、一の半導体ウエハ上に多数の素子を一括して作製
し、ウエハプロセス終了後に各素子に分割するという半
導体素子で通常用いられる製造方法を採用しようとする
と、ウエハ上で周期的に層厚が変化する結晶成長が必要
となる。これは米国特許第5029176号に開示され
ている複数の方法のうちの一部の方法を除いて不可能で
あるという問題をも有している。
【0009】本発明は、前記従来の問題を解決し、分波
素子又は分波受光素子の共振器フィルタに対して入射光
の入射角の精度を向上させることができるようにするこ
とを第1の目的とし、共振器フィルタの面内方向におけ
る多重波長の選択性を製造プロセスとして容易に実現で
きるようにすることを第2の目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明に係る第1の分波
素子は、前記第1の目的を達成し、半導体基板と、半導
体基板の第1主面上に形成され、第1主面と反対側の面
である第2主面側から入射される入射光のうちの所定の
波長の入射光を透過する垂直共振器フィルタとを備え、
垂直共振器フィルタは、その共振波長が第1主面上の位
置に応じて変化しており、半導体基板は、第2主面に形
成され、入射光を反射又は屈折させることにより共振器
フィルタに入射する傾斜面を有している。
【0011】第1の分波素子によると、入射光を反射又
は屈折させることによって該入射光を共振器フィルタに
入射させる傾斜面が半導体基板の第2主面に形成されて
いるため、例えばウエットエッチング等によって第2主
面に対して正確に所定の角度を持たせることができる。
従って、信号光を半導体基板の傾斜面に入射すると、入
射光は半導体基板の第2主面及び第1主面に対して所定
の角度を再現性良く保ちながら垂直共振器フィルタに入
力されるため、所望の共振波長を選択できるようにな
る。ここで、外部からの入射光が、例えば光ファイバか
ら入射される場合は、光ファイバと半導体基板の第2主
面とを同一平面上で保持することは容易である。
【0012】第1の分波素子において、垂直共振器フィ
ルタは、第1主面上に形成され第1の半導体層からなる
第1の分布ブラッグ反射器と、該第1の分布ブラッグ反
射器上に形成され第2の半導体層からなるスペーサ層
と、該スペーサ層上に形成され第3の半導体層からなる
第2の分布ブラッグ反射器とから構成され、第1の半導
体層、第2の半導体層及び第3の半導体層のうちの少な
くとも1つは、その膜厚が第1主面の面内方向で変化し
ていることが好ましい。このようにすると、多重化され
た入射光から複数の光信号を確実に抽出できる。
【0013】第1の分波素子において、傾斜面がウエッ
トエッチングにより露出した所定の面方位を有する結晶
面であることが好ましい。すなわち、半導体基板の傾斜
面は、半導体の結晶構造からウエットエッチングによっ
て所定の面方位を持つ結晶面を露出させることが容易で
あるため、第2主面と所望の角度を持つ傾斜面を確実に
形成できる。
【0014】本発明に係る第2の分波素子は、前記第2
の目的を達成し、半導体基板と、半導体基板の第1主面
上に形成され、第1主面と反対側の面である第2主面側
から入射される入射光のうちの所定の波長の入射光を透
過するフォトニック結晶層とを備え、半導体基板は第2
主面に形成され入射光を反射又は屈折させることにより
フォトニック結晶層に入射する傾斜面を有している。
【0015】第2の分波素子は、第1の分波素子の垂直
共振器フィルタの代わりにフォトニック結晶層を設けた
構成を有している。フォトニック結晶は、光子エネルギ
ーに対するバンド構造を有しており、フォトニックバン
ドギャップと呼ばれる特定の禁制帯エネルギー(波長)
に相当する光子は結晶中に存在できない。すなわち、フ
ォトニックバンドギャップに相当する波長を持つ光はフ
ォトニック結晶によって完全に反射され、フォトニック
バンドギャップに相当しない波長の光はフォトニック結
晶を透過する。垂直共振器フィルタの場合は共振波長を
変化させて、共振波長と対応する信号光を順次抽出する
が、フォトニック結晶の場合はフォトニックバンドキャ
ップのバンド端を半導体基板の面内方向で変化させて、
信号光の透過範囲を広げていくことにより所望の信号光
を順次抽出することができる。
【0016】第2の分波素子において、フォトニック結
晶層は、該フォトニック結晶層が有しているフォトニッ
クバンド端の波長が第1主面の面内方向で変化している
ことが好ましい。このようにすると、比較的高密度に波
長多重された入射光であっても複数の光信号を確実に抽
出できる。
【0017】この場合に、フォトニック結晶層が、それ
ぞれが誘電体又は半導体からなる複数の細線が格子状に
形成されてなり、細線の幅又は細線同士の間隔が前記第
1の主面の面内方向で変化していることが好ましい。こ
のようにすると、フォトニック結晶層におけるフォトニ
ックバンドキャップのバンド端を第1主面上の位置に応
じて変化させることができる。垂直共振器フィルタを用
いた場合には、その共振波長を面内方向で変化させる構
成を採る際にフィルタの層厚を増減させる必要がある
が、フォトニック結晶層を用いた場合には第1主面と平
行な面内でパターニングを行なうことによりバンド端を
変化させることができる。このため、垂直共振器フィル
タと異なり、該垂直共振器フィルタのようにその部位に
より層厚が変化しないので、半導体装置の製造プロセス
になじみやすい。
【0018】第2の分波素子において、傾斜面がウェッ
トエッチングにより露出した所定の面方位を有する結晶
面であることが好ましい。このようにすると、半導体基
板の傾斜面は、半導体の結晶構造からウエットエッチン
グによって所定の面方位を持つ結晶面を露出させること
が容易であるため、第2主面と所望の角度を持つ傾斜面
を確実に形成できる。
【0019】本発明に係る第3の分波素子は、第1又は
第2の目的を達成し、基板上に形成され、基板面に対し
てほぼ平行に入射される入射光のうちの所定の波長の入
射光を透過する水平共振器フィルタを備え、水平共振器
フィルタは、光路が基板面と平行となるように形成され
た第1の分布ブラッグ反射器と、該第1のブラッグ反射
器と間隔をおいて形成された第2の分布ブラッグ反射器
とから構成されている。
【0020】第3の分波素子によると、基板面に対して
ほぼ平行に入射される入射光のうちの所定の波長の入射
光を透過する水平共振器フィルタが基板上に形成されて
いるため、外部からの入射光が光ファイバから入射され
る場合は入射角度を所望の角度に容易に且つ確実に設定
できる。例えば、半導体基板の上部に光ファイバのガイ
ド用のV字溝を設け、該V字溝に光ファイバを保持する
だけでよい。
【0021】第3の分波素子において、第1の分布ブラ
ッグ反射器及び第2の分布ブラッグ反射器は、それぞれ
が誘電体又は半導体からなる複数の薄壁部材が基板上に
所定の間隔をおき且つ光路方向に並ぶように形成されて
いることが好ましい。このようにすると、水平共振器フ
ィルタを確実に実現できる。
【0022】第3の分波素子において、水平共振器フィ
ルタが、その共振波長が基板上の位置に応じて変化して
いることが好ましい。このようにすると、多重化された
入射光から複数の光信号を確実に抽出できる。
【0023】この場合に、第1の分布ブラッグ反射器及
び第2の分布ブラッグ反射器が、互いの間隔がテーパ状
又はステップ状に変化していることが好ましい。このよ
うにすると、基板面と平行な面内でパターニングを行な
うことにより共振波長を変化させることができるため、
フィルタの部位により層厚が変化しないので、半導体装
置の製造プロセスになじみやすい。
【0024】第3の分波素子は、基板と水平共振器との
間に形成された第1のフォトニック結晶層と、水平共振
器上に形成された第2のフォトニック結晶層とをさらに
備えていることが好ましい。このようにすると、水平共
振器を上下方向から挟む第1のフォトニック結晶層及び
第2のフォトニック結晶層に対して、入射光の全波長領
域を含むフォトニックバンドギャップを持たせれば、水
平共振器フィルタに入射された入射光を水平共振器フィ
ルタ内に閉じ込めることができるため、入射光の損失を
低減できる。
【0025】本発明に係る第1の分波受光素子は、前記
第1の目的を達成し、半導体基板と、半導体基板の第1
主面上に形成され、第1主面と反対側の面である第2主
面側から入射される入射光のうちの所定の波長の入射光
を透過する垂直共振器フィルタと、垂直共振器フィルタ
上に形成された複数の受光領域とを備え、垂直共振器フ
ィルタは、その共振波長が第1主面上の位置に応じて変
化しており、半導体基板は、第2主面に形成され、入射
光を反射又は屈折させることにより垂直共振器フィルタ
に入射する傾斜面を有している。
【0026】第1の分波受光素子によると、第1の分波
素子と同様に、半導体基板の第2主面に傾斜面が形成さ
れているため、信号光をこの傾斜面に入射すると、入射
された入射光は半導体基板の第2主面及び第1主面に対
して所定の角度を再現性良く保ちながら垂直共振器フィ
ルタに入力されるので、所望の共振波長を選択できるよ
うになる。分波された信号光を受光する受光領域は分波
素子とモノリシックに集積化されており、分波された各
信号光は第2主面側から受光領域に入射されるため、窓
層には信号光を透過する窓として機能はしないが、代わ
りにリーク電流を低減するパッシベーション膜として機
能する。
【0027】第1の分波受光素子は、垂直共振器フィル
タ上に順次形成された光吸収層及び窓層をさらに備え、
窓層はそれぞれが島状に形成された複数の不純物拡散領
域を有し、各受光領域は、光吸収層における不純物拡散
領域の下側に位置する領域であることが好ましい。この
ようにすると、垂直共振器フィルタにより分波された各
信号光を確実に受光できる。
【0028】本発明に係る第2の分波受光素子は、前記
第2の目的を達成し、半導体基板と、半導体基板の第1
主面上に形成され、第1主面と反対側の面である第2主
面側から入射される入射光のうちの所定の波長の入射光
を透過するフォトニック結晶層と、フォトニック結晶層
上に形成された複数の受光領域とを備え、半導体基板
は、第2主面に形成され、入射光を反射又は屈折させる
ことによりフォトニック結晶層に入射する傾斜面を有し
ている。
【0029】第2の分波受光素子によると、第2の分波
素子と該第2の分波素子により分波された信号光を受光
する各受光領域とはモノリシックに集積化されているた
め、第2の分波素子と同様の効果を奏する。
【0030】第2の分波受光素子は、フォトニック結晶
層上に順次形成された光吸収層及び窓層をさらに備え、
窓層が、それぞれが島状に形成された複数の不純物拡散
領域を有し、各受光領域が光吸収層における不純物拡散
領域の下側に位置する領域であることが好ましい。
【0031】
【発明の実施の形態】(第1の実施形態)本発明の第1
の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【0032】図1は本発明の第1の実施形態に係る分波
素子の断面構成を示している。図1に示すように、例え
ば、GaAsからなる半導体基板11の第1主面11a
上には、GaAsからなる半導体層及びAlAsからな
る半導体層が交互に30〜40層程度積層され、合計の
層厚が3.8〜5.1μm程度の第1の分布ブラッグ反
射器12と、GaAsからなり層厚が約467nmの半
導体層により形成されたスペーサ層13と、第1の分布
ブラッグ反射器12と同等の構造を持つ第2の分布ブラ
ッグ反射器14とが順次積層されて構成された垂直共振
器フィルタ15が設けられている。
【0033】半導体基板11における第1主面11aと
反対側の面である第2主面11b上には、入射光60を
反射させる傾斜面11cを有する凹部が形成されてお
り、第2主面11b上に該凹部を含む全面にわたって蒸
着されてなる金属反射膜16が設けられている。
【0034】光ファイバ(図示せず)等から入力される
入射光60は、半導体基板11の第2主面11bに対し
て平行に入射され、金属反射膜16における傾斜面11
c上の領域により反射されて、入射光60の一部が垂直
共振器フィルタ15に入射する。垂直共振器フィルタ1
5に入射されなかった入射光60の残部は金属反射膜1
6により反射されて再び垂直共振器フィルタ15に入射
する。
【0035】本実施形態に係る入射光60は、互いに異
なる波長を有する複数の信号光が多重化されている。こ
こでは、説明を簡単にするために、入射光60は、それ
ぞれ第1の波長λ1 、第2の波長λ2 及び第3の波長λ
3 (但し、λ1 >λ2 >λ3とする。)の3波長の信号
光が多重化されているとする。第1の分布ブラッグ反射
器12及び第2の分布ブラッグ反射器14を構成するG
aAs及びAlAsからなる各半導体層の層厚は、入射
光60の光路の傾きを考慮した光学長、すなわち層厚と
屈折率との積が、信号光の中心波長である第2の波長λ
2 の4分の1の波長となるようにする。
【0036】本実施形態においては、第1の波長λ1 、
第2の波長λ2 及び第3の波長λ3のうちの互いに隣接
する波長間隔は、例えば1nmと小さいため、第1の分
布ブラッグ反射器12及び第2の分布ブラッグ反射器1
4のストップバンド(=高反射率の波長領域)は、第1
の波長〜第3の波長λ1 〜λ3 を十分にカバーできる。
【0037】図1に示すように、スペーサ層13の層厚
は第1主面11aの面内方向で変化しており、垂直共振
器フィルタ15における入射光60の第1の入射位置7
1においては光学長がλ1 となり、第2の入射位置72
においては光学長がλ2 となり、第3の入射位置73に
おいては光学長がλ3 となっている。これにより、垂直
共振器フィルタ15における第1の入射位置71におい
ては共振波長がλ1 となるため、第1の波長λ1 の信号
光のみが垂直共振器フィルタ15を透過し、第2の波長
λ2 及び第3の波長λ3 の信号光は垂直共振器フィルタ
15に入力されずに反射される。同様に、第2の入射位
置72においては、第2の波長λ2 の信号光のみが透過
し、第3の入射位置73においては第3の波長λ3 の信
号光が透過する。
【0038】本実施形態の特徴である、半導体基板11
の第2主面に形成された傾斜面11cは、入射光60の
垂直共振器フィルタ15への入射角を決定する役割を果
たしている。例えば、第2主面の面方位が(001)面
の半導体基板11を用い、第2主面11bの傾斜面11
cが、例えば塩化水素(HCl)と硝酸(HNO3 )と
を含みその体積比が4対1のエッチャントを用いたウェ
ットエッチングによって露出した面方位の(112)面
であるとすれば、傾斜面11cは第2主面と厳密に3
5.3°の角度をなす。従って、第2主面11bと平行
に入射される入射光60が金属反射膜16における傾斜
面11c上で反射されると、反射された入射光60は、
第2主面11b及び第1主面11aの法線方向に対して
19.4°の角度で垂直共振器フィルタ15に入射す
る。
【0039】ここで、外部からの入射光60が、例えば
光ファイバにより入射される場合には、光ファイバと半
導体基板11とを平行な平面上に保持することは容易で
ある。これにより、垂直共振器フィルタ15に対する入
射光60の入射角度の保持精度を容易に且つ格段に高め
ることができるため、垂直共振器フィルタ15の共振波
長の精度が向上する。その結果、多重化される波長の間
隔が0.8nm程度の高密度波長多重伝送にも対応でき
るようになる。
【0040】(第2の実施形態)以下、本発明の第2の
実施形態について図面を参照しながら説明する。
【0041】図2は本発明の第2の実施形態に係る分波
受光素子の断面構成を示している。図2において、図1
に示す構成部材と同一の構成部材には同一の符号を付す
ことにより説明を省略する。図2に示すように、本実施
形態に係る分波受光素子は、第1の実施形態に係る分波
素子における垂直共振器フィルタ15上に受光領域を含
む半導体層が設けられることによりモノリシック化され
て構成されている。具体的には、垂直共振器フィルタ1
5の第2の分布ブラッグ反射器14上には、例えば、層
厚が約2.5μmで低不純物濃度のn型InGaAsか
らなる光吸収層17及び層厚が約1.5μmで低不純物
濃度のn型InPからなる窓層18が順次積層されてい
る。窓層18には、それぞれZn等のp不型純物が拡散
されてなり直径が80μm程度で島状の3つのp型拡散
領域18aが形成されており、光吸収層17における各
p型拡散領域18aの下側の領域が受光領域17aとし
て機能する。各p型拡散領域18a上には金属蒸着膜か
らなる負電極19がそれぞれ形成されている。
【0042】半導体基板11における第1主面11aと
反対側の面である第2主面11bの側部には、入射光6
0を屈折させる傾斜面11cを含む切欠部が形成されて
いる。また、第2主面11b上における切欠部と反対側
の側部には金属蒸着膜からなる正電極20が形成されて
いる。
【0043】光ファイバ(図示せず)等から入力される
入射光60は、半導体基板11の第2主面11bに対し
て平行に入射され、傾斜面11cで屈折して垂直共振器
フィルタ15に入射光60の一部が入射する。垂直共振
器フィルタ15に入射されなかった入射光60の残部は
再び垂直共振器フィルタ15に入射する。このように、
全反射条件を満たせば、第2主面11bに反射膜を設け
なくても100%の反射率を得られる。
【0044】第1の実施形態と同様に、入射光60は、
互いに異なる波長λ1 、λ2 及びλ3 を有する3波長の
信号光が多重化されているとする。前述したように、垂
直共振器フィルタ15に対する第1の入射位置71にお
いては第1の波長λ1 の信号光のみが垂直共振器フィル
タ15を透過し、第2の入射位置72においては第2の
波長λ2 の信号光のみが垂直共振器フィルタ15を透過
し、第3の入射位置73においては第3の波長λ3 の信
号光が垂直共振器フィルタ15を透過する。
【0045】垂直共振器フィルタ15を透過し、それぞ
れ所望の波長を持つ信号光は受光領域17aに入射し、
負電極19と正電極20との間の光電流として検出され
る。
【0046】本実施形態の特徴である、半導体基板11
の第2主面に形成された傾斜面11cは、入射光60の
垂直共振器フィルタ15への入射角を決定する役割を持
つ。例えば、傾斜面11cの面方位が、ウェットエッチ
ングによって露出した結晶面である(112)面である
とすれば、傾斜面11cは第2主面と厳密に35.3°
の角度をなす。従って、第2主面11bと平行に入射さ
れる入射光60が傾斜面11cで屈折すると、屈折した
入射光60は、第2主面11b及び第1主面11aの法
線方向に対して49.0°の角度で垂直共振器フィルタ
15に入射する。
【0047】以上説明したように、外部からの入射光6
0が、例えば光ファイバにより入射される場合には、光
ファイバと半導体基板11とを平行な平面上に保持する
ことは容易である。このため、垂直共振器フィルタ15
に対する入射光60の入射角度の保持精度を容易に且つ
格段に高めることができるので、垂直共振器フィルタ1
5の共振波長の精度が向上する。その結果、波長の間隔
が0.8nm程度の高密度波長多重伝送にも対応できる
ようになる。
【0048】なお、本実施形態に係る傾斜面11cを切
欠部に設ける代わりに、第1の実施形態のように、凹部
の傾斜面11cとしてもよい。この場合には、傾斜面1
1cに金属反射膜16を設けてもよい。
【0049】(第3の実施形態)以下、本発明の第3の
実施形態について図面を参照しながら説明する。
【0050】図3は本発明の第3の実施形態に係る分波
素子の断面構成を示している。図3において、図1に示
す構成部材と同一の構成部材には同一の符号を付すこと
により説明を省略する。図3に示すように、本実施形態
に係る分波素子は、半導体基板11の第1主面11a上
に、多重化信号を選択的に抽出する垂直共振器フィルタ
の代わりにフォトニック結晶層21が設けられた構成を
持つ。
【0051】フォトニック結晶層21は、幅が約360
nmの二酸化シリコン(SiO2 )等の誘電体又は幅が
約170nmのGaAs等の半導体からなる細線を格子
状に形成し、さらに8層程度の複数の格子状層を積層す
ることにより形成されている。ここで、フォトニック結
晶層21は、n層目と(n+2)層目又は(n+1)層
目と(n+3)層目(但し、nは1以上の整数とす
る。)との互いの細線の位置が半周期ずれて形成されて
いる。また、細線の幅と間隔とが第1の主面11aの面
内方向で変化しており、これにより、フォトニック結晶
層21のフォトニックバンド端の波長は、第1主面11
aの面内方向で、すなわち面内の位置に応じて変化して
いる。
【0052】光ファイバ(図示せず)等から入力される
入射光60は、半導体基板11の第2主面11bに対し
て平行に入射され、金属反射膜16における傾斜面11
c上の領域により反射されて、入射光60の一部がフォ
トニック結晶層21に入射する。フォトニック結晶層2
1に入射されなかった入射光60の残部は金属反射膜1
6により反射されて再びフォトニック結晶層21に入射
する。
【0053】ここでも、第1の実施形態と同様に、入射
光60は、互いに異なる波長λ1 、λ2 及びλ3 を有す
る3波長の信号光が多重化されているとする。フォトニ
ック結晶層21に対する第1の入射位置71において
は、第2及び第3の波長λ2 、λ3 がフォトニックバン
ドギャップ内にあり且つ第1の波長λ1 のみがフォトニ
ックバンド内にあるため、第1の波長λ1 の信号光のみ
がフォトニック結晶層21直共振器フィルタ15を透過
できる。
【0054】第2の入射位置72においては、第3の波
長λ3 がフォトニックバンドギャップ内にあり且つ第2
の波長λ2 がフォトニックバンド内にあるため、第2の
波長λ2 の信号光のみがフォトニック結晶層21を透過
できる。
【0055】第3の入射位置73においては、第1の波
長〜第3の波長λ1 〜λ3 がフォトニックバンド内とな
っており、第3の波長λ3 の信号光がフォトニック結晶
層21を透過できる。
【0056】このように、フォトニック結晶層21を設
ける場合には、半導体基板11の第1主面11aの面内
でパターニングを行なうことにより、フォトニックバン
ド端を変化させることができる。従って、第1の実施形
態のように垂直共振器フィルタ15を用いた場合には、
その共振波長を面内方向で変化させる構成を採る際にフ
ィルタの層厚を増加又は低減させる必要があるが、フォ
トニック結晶層21を用いると、第1主面と平行な面内
でパターニングを行なうことにより、共振波長を選択す
るフォトニックバンド端を変更できる。このため、本実
施形態に係る分波素子は、垂直共振器フィルタ15と異
なり、垂直共振器フィルタ15のように層厚が変化しな
いので、製造時には、一枚の半導体ウエハから多数の素
子を一括して形成するという半導体装置の製造プロセス
と極めてなじみやすくなる。
【0057】なお、フォトニック結晶層21の構成を、
フォトニックバンド端の波長が第1主面11aの面内方
向で変化させる代わりに、高密度の波長間隔で多重され
た信号光の出射角度を異常分散効果により変化させても
よい。
【0058】(第4の実施形態)以下、本発明の第4の
実施形態について図面を参照しながら説明する。
【0059】図4は本発明の第4の実施形態に係る分波
受光素子の断面構成を示している。図4において、図3
に示す構成部材と同一の構成部材には同一の符号を付し
ている。図4に示すように、本実施形態に係る分波受光
素子は、フォトニック結晶層22上に受光領域を含む半
導体層が設けられることによりモノリシック化されて構
成されている。
【0060】フォトニック結晶層22は、幅が約360
nmの二酸化シリコン(SiO2 )等の誘電体又は幅が
約170nmのGaAs等の半導体からなる細線が格子
状に積層されて形成されている。ここで、フォトニック
結晶層22は、n層目と(n+2)層目又は(n+1)
層目と(n+3)層目(但し、nは1以上の整数とす
る。)との互いの細線の位置が半周期ずれて形成されて
いる。
【0061】フォトニック結晶層22上には、例えば、
層厚が約2.5μmで低不純物濃度のn型InGaAs
からなる光吸収層17及び層厚が約1.5μmで低不純
物濃度のn型InPからなる窓層18が順次形成されて
いる。窓層18には、それぞれZn等のp型不純物が拡
散されてなり径が30μm程度で島状の3つのp型拡散
領域18aが形成されており、光吸収層17における各
p型拡散領域18aの下側の領域が受光領域17aとし
て機能する。各p型拡散領域18a上には金属蒸着膜か
らなる負電極19がそれぞれ形成されている。
【0062】半導体基板11における第2主面11bの
側部には、入射光60を屈折させる傾斜面11cを含む
切欠部が形成されている。また、第2主面11b上には
金属蒸着膜からなる正電極20が形成されている。
【0063】光ファイバ(図示せず)等から入力される
入射光60は、半導体基板11の第2主面11bに対し
て平行に入射され、傾斜面11cで屈折してフォトニッ
ク結晶層22に入射する。
【0064】本実施形態に係るフォトニック結晶層22
は異常分散効果によって分波を行なっている。フォトニ
ック結晶は極めて狭い波長範囲で大きく屈折率が変化す
る異常分散効果を有しており、この異常分散効果によっ
て高密度な波長間隔で多重化された信号光の出射角度を
大きく変化させることができる。ここで、入射光60の
フォトニック結晶層22からの出射光60aが各受光領
域17aに入射するように形成すれば、異なる波長の信
号光を負電極19と正電極20との間の光電流として検
出できる。
【0065】なお、本実施形態のように、フォトニック
結晶層22が誘電体又は半導体からなる細線を格子状に
積み重ねた構成を採る場合には、該フォトニック結晶層
22上に光吸収層17及び窓層18を結晶成長法により
形成することは困難であるが、ウエハの貼合せ技術を用
いれば、このような構造を形成できる。
【0066】(第5の実施形態)以下、本発明の第5の
実施形態について図面を参照しながら説明する。
【0067】図5(a)及び図5(b)は本発明の第5
の実施形態に係る分波素子であって、図5(a)は平面
構成を示し、図5(b)は図5(a)のVb−Vb線に
おける断面構成を示している。図5(a)及び(b)に
示すように、例えば、Si又はGaAsからなる基板3
0の上縁部には、入射光60を基板面に対して平行に導
入する光ファイバ40が保持されており、基板30上に
は水平共振器フィルタ31が光ファイバ40からの入射
光60をその端部に所定の角度で受けるように形成され
ている。
【0068】水平共振器フィルタ31は、厚さが約30
7nmでSiO2 等の誘電体又は厚さが約127nmで
GaAs等の半導体からなる複数の薄壁部材32aが約
447nmの間隔をおき且つ光路方向に並ぶように形成
された第1の分布ブラッグ反射器32と、該第1の分布
ブラッグ反射器32との間隔が一定でないスペース34
をおき且つ第1の分布ブラッグ反射器32と同一構成の
第2の分布ブラッグ反射器33とから構成されている。
【0069】基板30上には、第1の分布ブラッグ反射
器32からの反射光が第1の分布ブラッグ反射器32に
再入射されるように形成された反射ブロック材35が設
けられ、該反射ブロック材35における水平共振器フィ
ルタ31との対向面には金属反射膜36が蒸着されて形
成されている。ここで、反射ブロック材35は薄壁部材
32aと同一の材料で形成してもよい。
【0070】光ファイバ40から入力され、異なる波長
を有する複数の信号光が多重化された入射光60は、そ
の一部が水平共振器フィルタ31に入射し、その残部は
反射ブロック材35の金属反射膜36により反射され
て、再び水平共振器フィルタ31に入射する。
【0071】ここで入射光60は、第1の実施形態と同
様に、それぞれ波長が第1の波長λ1 、第2の波長λ2
及び第3の波長λ3 (但し、λ1 >λ2 >λ3 とす
る。)の3波長の信号光が多重化されているとする。第
1の分布ブラッグ反射器32及び第2の分布ブラッグ反
射器33を構成する薄壁部材32aの厚さ及び該薄壁部
材32a同士の間隔は、共に光学長が波長の4分の1と
なるようにする。具体的には、入射光60の光路の傾き
を考慮した光学長、すなわち薄壁部材32aの部材厚と
屈折率との積又は薄壁部材32aの間隔自体が信号光の
中心波長である第2の波長λ2 の4分の1の波長となる
ようにする。ここで、薄壁部材32a同士の間に空気が
充填されているとすると、光学長と実際の間隔とは等し
くなる。
【0072】本実施形態においては、第1の波長λ1 、
第2の波長λ2 及び第3の波長λ3のうちの互いに隣接
する波長間隔は、例えば1nmと小さいため、第1の分
布ブラッグ反射器32及び第2の分布ブラッグ反射器3
3のストップバンド(=高反射率の波長領域)は、第1
の波長〜第3の波長λ1 〜λ3 を十分にカバーできる。
【0073】また、図5(a)に示すように、スペース
34の幅は基板面の面内方向で変化しており、入射光6
0の第1の入射位置71においては光学長がλ1 とな
り、第2の入射位置72においては光学長がλ2 とな
り、第3の入射位置73においては光学長がλ3 となっ
ている。これにより、水平共振器フィルタ31における
第1の入射位置71においては共振波長がλ1 となるた
め、第1の波長λ1 の信号光のみが水平共振器フィルタ
31を透過し、第2の波長λ2 及び第3の波長λ3の信
号光は水平共振器フィルタ31に入力されずに反射され
る。同様に、第2の入射位置72においては、第2の波
長λ2 の信号光のみが透過し、第3の入射位置73にお
いては第3の波長λ3 の信号光が透過する。
【0074】第1の実施形態に係る分波素子は、基板面
に対して垂直な方向に分布ブラッグ反射器を積み重ねた
垂直共振器フィルタ15を設けたのに対し、本実施形態
に係る分波素子は基板面に対して平行な方向に分布ブラ
ッグ反射器を並べた水平共振器フィルタ31を設けてい
る。
【0075】水平共振器フィルタ31を用いる場合に
は、入射光60の入射角度は基板面内で定めればよく、
光ファイバ40の位置決めを行なうガイド用のV字溝を
基板30の上部に形成しておけば、入射角を高精度に決
定できる。
【0076】その上、共振波長を面内方向で変化させる
ために必要な、第1の分布ブラッグ反射器32と第2の
分布ブラッグ反射器33のスペース34を変化させるの
も、マスクパターンの設計だけで実現できる。従って、
垂直共振器フィルタ15と異なり、基板面に垂直な方向
に層厚が変化しないので、一枚の半導体ウエハから多数
の素子を一括して形成するという半導体装置の製造プロ
セスに極めてなじみやすくなる。
【0077】(第6の実施形態)以下、本発明の第6の
実施形態について図面を参照しながら説明する。
【0078】図6(a)及び図6(b)は本発明の第6
の実施形態に係る分波素子であって、図6(a)は図6
(b)のVIa−VIa線における平面構成を示し、図6
(b)は図6(a)のVIb−VIb線における断面構成を
示している。図6(a)及び(b)において、図5
(a)及び(b)に示す構成部材と同一の構成部材には
同一の符号を付すことにより説明を省略する。
【0079】図6(a)及び(b)に示すように、本実
施形態に係る分波素子は、水平共振器フィルタ31が、
基板30との間に設けられた第1のフォトニック結晶層
23と該フィルタ31の上側に設けられた第2のフォト
ニック結晶層24とに挟まれた構成を有している。ま
た、第5の実施形態における反射ブロック材35と同等
の機能を有する第3のフォトニック結晶層25が第1の
フォトニック結晶層23と第2のフォトニック結晶層2
4との間に設けられている。
【0080】第1のフォトニック結晶層23、第2のフ
ォトニック結晶層24及び第3のフォトニック結晶層2
5は、幅が約360nmの二酸化シリコン(SiO2
等の誘電体又は幅が約170nmのGaAs等の半導体
からなる細線が格子状に積層されて形成されている。こ
こで、これらフォトニック結晶層23〜25は、n層目
と(n+2)層目又は(n+1)層目と(n+3)層目
(但し、nは1以上の整数とする。)との互いの細線の
位置が半周期ずれて形成されている。
【0081】第1のフォトニック結晶層23及び第2の
フォトニック結晶層24は、入射光60及びその反射光
が、基板30の上下方向に拡散しないように水平共振器
フィルタ31内に閉じ込める機能を有している。
【0082】すなわち、第1のフォトニック結晶層23
及び第2のフォトニック結晶層24を、入射光60の全
波長領域を含むようなフォトニックバンドギャップを有
する構成とすることにより、入射光60は、第1及び第
2のフォトニック結晶層24、25中に侵入できないた
め、基板面に対して平行に伝播するようになるので、水
平共振器フィルタ31内における透過損失を低減でき
る。また、第3のフォトニック結晶25に対しても同様
に、入射光60の全波長領域を含むようなフォトニック
バンドギャップを持たせることにより、第3のフォトニ
ック結晶層25における水平共振器フィルタ31との対
向面で入射光60をほぼ100%反射させることができ
る。
【0083】
【発明の効果】本発明に係る第1の分波素子又は第1の
分波受光素子によると、入射光を反射又は屈折させるこ
とにより共振器フィルタに入射する傾斜面が半導体基板
における垂直共振器形成面と反対側の面である第2主面
に形成されているため、信号光を半導体基板の傾斜面に
入射された入射光は半導体基板の第2主面及び第1主面
に対して所定の角度を再現性良く持ちながら垂直共振器
フィルタに入力できる。このため、波長が高密度に多重
化された入射光から所望の波長を確実に選択できる。
【0084】本発明に係る第2の分波素子又は第2の分
波受光素子によると、第1の分波素子の垂直共振器フィ
ルタの代わりにフォトニック結晶層を設けた構成を有し
ている。このフォトニック結晶層におけるフォトニック
バンドキャップのバンド端を半導体基板の面内方向で変
化させて、信号光の透過範囲を広げていくことにより信
号光を順次抽出することができるため、垂直共振器フィ
ルタのようにその部位により層厚が変化しない。従っ
て、面内方向のパターニングを行なえるので、一のウエ
ハ上に同一構成の多数の素子を形成する半導体装置の製
造プロセスになじみやすい。
【0085】本発明に係る第3の分波素子によると、基
板上に基板面に対してほぼ平行に入射される入射光を選
択的に透過する水平共振器フィルタが形成されているた
め、外部からの入射光が光ファイバから入射される場合
は入射角度を所望の角度に容易に且つ確実に設定でき
る。その結果、波長が高密度に多重化された入射光から
所望の波長を確実に選択できる。さらに、水平共振器フ
ィルタは基板面の面内方向でパターニングを行なえるの
で、一のウエハ上に同一構成の多数の素子を形成する半
導体装置の製造プロセスになじみやすい。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態に係る分波素子を示す
構成断面図である。
【図2】本発明の第2の実施形態に係る分波受光素子を
示す構成断面図である。
【図3】本発明の第3の実施形態に係る分波素子を示す
構成断面図である。
【図4】本発明の第4の実施形態に係る分波受光素子を
示す構成断面図である。
【図5】(a)及び(b)は本発明の第5の実施形態に
係る分波素子を示し、(a)は平面図であり、(b)は
(a)のVb−Vb線における構成断面図である。
【図6】(a)及び(b)は本発明の第6の実施形態に
係る分波素子を示し、(a)は(b)のVIa−VIa線に
おける平面図であり、(b)は(a)のVb−Vb線に
おける構成断面図である。
【図7】従来の分波受光素子を示す構成断面図である。
【符号の説明】
11 半導体基板 11a 第1主面 11b 第2主面 11c 傾斜面 12 第1の分布ブラッグ反射器 13 スペーサ層 14 第2の分布ブラッグ反射器 15 垂直共振器フィルタ 16 金属反射膜 17 光吸収層 17a 受光領域 18 窓層 18a p型拡散領域 19 負電極 20 正電極 21 フォトニック結晶層 22 フォトニック結晶層 23 第1のフォトニック結晶層 24 第2のフォトニック結晶層 25 第3のフォトニック結晶層 30 基板 31 水平共振器フィルタ 32 第1の分布ブラッグ反射器 32a 薄壁部材 33 第2の分布ブラッグ反射器 34 スペース 35 反射ブロック材 36 金属反射膜 40 光ファイバ 60 入射光 60a 出射光 71 第1の入射位置 72 第2の入位置 73 第3の入射位置

Claims (17)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体基板と、 前記半導体基板の第1主面上に形成され、前記第1主面
    と反対側の面である第2主面側から入射される入射光の
    うちの所定の波長の入射光を透過する垂直共振器フィル
    タとを備え、 前記垂直共振器フィルタは、その共振波長が前記第1主
    面上の位置に応じて変化しており、 前記半導体基板は、前記第2主面に形成され、前記入射
    光を反射又は屈折させることにより前記垂直共振器フィ
    ルタに入射する傾斜面を有していることを特徴とする分
    波素子。
  2. 【請求項2】 前記垂直共振器フィルタは、 前記第1主面上に形成され第1の半導体層からなる第1
    の分布ブラッグ反射器と、該第1の分布ブラッグ反射器
    上に形成され第2の半導体層からなるスペーサ層と、該
    スペーサ層上に形成され第3の半導体層からなる第2の
    分布ブラッグ反射器とから構成され、 前記第1の半導体層、第2の半導体層及び第3の半導体
    層のうちの少なくとも1つは、その膜厚が前記第1主面
    の面内方向で変化していることを特徴とする請求項1に
    記載の分波素子。
  3. 【請求項3】 前記傾斜面は、ウエットエッチングによ
    り露出した所定の面方位を有する結晶面であることを特
    徴とする請求項1に記載の分波素子。
  4. 【請求項4】 半導体基板と、 前記半導体基板の第1主面上に形成され、前記第1主面
    と反対側の面である第2主面側から入射される入射光の
    うちの所定の波長の入射光を透過するフォトニック結晶
    層とを備え、 前記半導体基板は、前記第2主面に形成され、前記入射
    光を反射又は屈折させることにより前記フォトニック結
    晶層に入射する傾斜面を有していることを特徴とする分
    波素子。
  5. 【請求項5】 前記フォトニック結晶層は、該フォトニ
    ック結晶層が有しているフォトニックバンド端の波長が
    前記第1主面の面内方向で変化していることを特徴とす
    る請求項4に記載の分波素子。
  6. 【請求項6】 前記フォトニック結晶層は、それぞれが
    誘電体又は半導体からなる複数の細線が格子状に形成さ
    れてなり、前記細線の幅又は前記細線同士の間隔が前記
    第1の主面の面内方向で変化していることを特徴とする
    請求項5に記載の分波素子。
  7. 【請求項7】 前記傾斜面は、ウェットエッチングによ
    り露出した所定の面方位を有する結晶面であることを特
    徴とする請求項4に記載の分波素子。
  8. 【請求項8】 基板上に形成され、基板面に対してほぼ
    平行に入射される入射光のうちの所定の波長の入射光を
    透過する水平共振器フィルタを備え、 前記水平共振器フィルタは、光路が基板面と平行となる
    ように形成された第1の分布ブラッグ反射器と、該第1
    のブラッグ反射器と間隔をおいて形成された第2の分布
    ブラッグ反射器とから構成されていることを特徴とする
    分波素子。
  9. 【請求項9】 前記第1の分布ブラッグ反射器及び第2
    の分布ブラッグ反射器は、それぞれが誘電体又は半導体
    からなる複数の薄壁部材が前記基板上に所定の間隔をお
    き且つ光路方向に並ぶように形成されていることを特徴
    とする請求項8に記載の分波素子。
  10. 【請求項10】 前記水平共振器フィルタは、その共振
    波長が前記基板上の位置に応じて変化していることを特
    徴とする請求項8に記載の分波素子。
  11. 【請求項11】 前記第1の分布ブラッグ反射器及び第
    2の分布ブラッグ反射器は、互いの間隔がテーパ状又は
    ステップ状に変化していることを特徴とする請求項10
    に記載の分波素子。
  12. 【請求項12】 前記基板と前記水平共振器との間に形
    成された第1のフォトニック結晶層と、 前記水平共振器上に形成された第2のフォトニック結晶
    層とをさらに備えていることを特徴とする請求項8に記
    載の分波素子。
  13. 【請求項13】 前記第1のフォトニック結晶層及び第
    2のフォトニック結晶層は、それぞれが誘電体又は半導
    体からなる複数の細線が格子状に形成されてなることを
    特徴とする請求項12に記載の分波素子。
  14. 【請求項14】 半導体基板と、 前記半導体基板の第1主面上に形成され、前記第1主面
    と反対側の面である第2主面側から入射される入射光の
    うちの所定の波長の入射光を透過する垂直共振器フィル
    タと、 前記垂直共振器フィルタ上に形成された複数の受光領域
    とを備え、 前記垂直共振器フィルタは、その共振波長が前記第1主
    面上の位置に応じて変化しており、 前記半導体基板は、前記第2主面に形成され、前記入射
    光を反射又は屈折させることにより前記垂直共振器フィ
    ルタに入射する傾斜面を有していることを特徴とする分
    波受光素子。
  15. 【請求項15】 前記垂直共振器フィルタ上に順次形成
    された光吸収層及び窓層をさらに備え、 前記窓層はそれぞれが島状に形成された複数の不純物拡
    散領域を有し、 前記各受光領域は、前記光吸収層における前記不純物拡
    散領域の下側に位置する領域であることを特徴とする請
    求項14に記載の分波受光素子。
  16. 【請求項16】 半導体基板と、 前記半導体基板の第1主面上に形成され、前記第1主面
    と反対側の面である第2主面側から入射される入射光の
    うちの所定の波長の入射光を透過するフォトニック結晶
    層と、 前記フォトニック結晶層上に形成された複数の受光領域
    とを備え、 前記半導体基板は、前記第2主面に形成され、前記入射
    光を反射又は屈折させることにより前記フォトニック結
    晶層に入射する傾斜面を有していることを特徴とする分
    波受光素子。
  17. 【請求項17】 前記フォトニック結晶層上に順次形成
    された光吸収層及び窓層をさらに備え、 前記窓層はそれぞれが島状に形成された複数の不純物拡
    散領域を有し、 前記各受光領域は、前記光吸収層における前記不純物拡
    散領域の下側に位置する領域であることを特徴とする請
    求項16に記載の分波受光素子。
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