JP2012199343A - 受光素子、光受信器及び光受信モジュール - Google Patents

受光素子、光受信器及び光受信モジュール Download PDF

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Abstract

【課題】本実施例における受光素子は、光吸収効率を向上させつつ、高周波数帯域においても十分な信号レベルを有する検出信号を供給すること、及び入力信号光の強度が高い高強度光入力に対応した出力動作を行うことを目的とする。
【解決手段】本実施例における受光素子は、信号光を伝播させるコアと、前記コアから、前記コアの延在方向より前記信号光を受光する第１導電型の第１半導体層と、前記第１半導体層が受光した前記信号光を吸収する吸収層と、前記第１導電型と反対の第２導電型を有する第２半導体層とを有する。
【選択図】図６

Description

本発明の実施例の一側面において開示する技術は、受光素子、光受信器及び光受信モジュールに関する。
図１は受光素子の一例である受光素子１００の要部を示す斜視図である。図２は、図１のＡ１−Ａ２の破線で示した断面における受光素子１００の断面図である。
図１及び図２に示した受光素子１００は、基板１１４の上に設けられた光検出部１０１と、同一の基板１１４の上に設けられた導波路部１１１を含む。導波路部１１１は、リブ形状を有するコア１１２を含む。信号光はコア１２の凸部１１３内を伝播し、光検出部１０１に入射される。
光検出部１０１は、コア１２、ｎ型半導体層１０２、ｉ型吸収層１０３、ｐ型上部クラッド層１０４及びｐ型コンタクト層１０５が基板１１４側から積層された構造を有する。光検出部１０１は、ｐ型コンタクト層１０５、上部クラッド層１０４及び吸収層１０３を含むメサ構造を有する。コア１１２は光検出部１０１と導波路部１１１により共有されている。
図２に示したように、受光素子１００では、信号光は導波路部１１１においてコア１１２の凸部１１３を伝播し、光検出部１０１においてコア１１２に入射する。入射した信号光の一部は半導体層１０２に染み出しており、さらに光検出部１０１を伝播するにつれて吸収層１０３まで広がることによって、吸収層１０３において吸収される。
半導体層１０２、吸収層１０３及び上部クラッド層１０４はＰＩＮ型のフォトダイオード（Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ、以下ＰＤと称する。）を構成する。ｐ型コンタクト層１０５及び半導体層１０２には、不図示のｐ側電極及びｎ側電極がそれぞれ接続されている。ｐ側電極とｎ側電極の間に、ｐ側電極を負電位、ｎ側電極を正電位とする一定の電圧を印加することにより、吸収層１０３における光吸収により発生したフォトキャリア（正孔及び電子）が上部クラッド層１０４及び半導体層１０２を介して検出される。それによって、光検出部１０１は信号光を電気信号（フォトキャリア電流）として検出し、信号光の強度に対応する検出信号（フォトキャリア電流）を出力する。
図３は受光素子の他の例である受光素子３００の要部を示す図である。図４は、図３のＡ３−Ａ４の破線で示した断面における受光素子３００の断面図である。
図３及び図４に示した受光素子３００は、図１及び図２に示した受光素子１００とは異なる構造を有する。受光素子３００は、基板３１４の上に設けられた光検出部３０１と、同一の基板３１４の上に設けられた導波路部３１１を含む。
導波路部３１１は、ｎ型下部クラッド層３０２、コア３１２及び上部クラッド層３１３が基板３１４側から積層された構造を有する。導波路部３１１は、上部クラッド層３１３及びコア３１２を含むメサ構造を有する。信号光はコア３１３を伝播し、光検出部３０１に入射される。
光検出部３０１は、ｎ型下部クラッド層３０２、ｉ型吸収層３０３、ｐ型上部クラッド層３０４及びｐ型コンタクト層３０５が基板３１４側から積層された構造を有する。光検出部３０１は、ｐ型コンタクト層３０５、上部クラッド層３０４及び吸収層３０３を含むメサ構造を有する。
コア３１２と吸収層３０３はともに、光検出部３０１と導波路部３１１により共有されたｎ型の下部クラッド層３０２の上に形成されている。コア３１２は吸収層３０３の側面に接続されている
図４に示したように、受光素子３００では、信号光は導波路部３１１においてコア３１２を伝播し、光検出部３０１において吸収層３０３に直接入射する。入射した信号光はそのまま、吸収層３０３の、信号光が入射する端部の近傍の領域において吸収される。
下部クラッド層３０２、吸収層３０３及び上部クラッド層３０４はＰＩＮ型のフォトダイオードを構成する。ｐ型コンタクト層３０５及びｎ型の下部クラッド層３０２には、不図示のｐ側電極及びｎ側電極がそれぞれ接続されている。ｐ側電極とｎ側電極の間に、ｐ側電極を負電位、ｎ側電極を正電位とする一定の電圧を印加することにより、吸収層３０３における光吸収により発生したフォトキャリア（正孔及び電子）が上部クラッド層３０４及び下部クラッド層３０２を介して検出される。それによって、光検出部１０１は信号光を電気信号（フォトキャリア電流）にとして検出し、信号光の強度に対応する検出信号（フォトキャリア電流）を出力する
尚、図１ないし図４に示した２つの受光素子の一例が、以下の特許文献及び非特許文献に開示されている。
特開２００３−１６３３６３号公報
Ａｎｄｒｅａｓ Ｂｅｌｉｎｇ ｅｔ ａｌ． Ｊ．Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈ．，ＶＯＬ．２７，ＮＯ．３，Ｆｅｂ．１，２００９ ｐｐ３４３−３５５
図５は、光検出部１０１及び３０１において発生するフォトキャリア密度分布のシミュレーション結果の一例を示す図である。縦軸はフォトキャリアの密度を示し、一定の値に基づいて規格化された密度を示す。横軸は光検出部１０１及び３０１のＰＤ内部位置を示す。ここで、本明細書において、ＰＤ内部位置とは、対応するコアの延在方向、すなわち、信号光の進行方向に沿ったＰＤ内部の位置のことであり、信号光が入射する側の端部を基準にした、光検出部に含まれるＰＤ内部の位置のことである。また、ＰＤ長とは、対応するコアの延在方向、すなわち、信号光の進行方向に沿った、光検出部のＰＤの長さのことであり、信号光が入射する側の端部を基準にした、光検出部のＰＤの長さのことである。
図５において、（ａ）で示した曲線は、図１及び図２に示した光検出部１０１におけるフォトキャリア密度分布を示すものであり、（ｂ）で示した曲線は、図３及び図４に示した光検出部３０１におけるフォトキャリア密度分布を示すものである。
受光素子１００の光検出部１０１では、信号光が一定の距離だけ光検出部１０１のコア１１２及び半導体層１０２を伝播した後で、信号光の吸収層１０３への染み出しが起こり、それによって吸収が発生する。そのため、図５の分布曲線（ａ）から分かるように、フォトキャリア密度分布のピークは、光検出部１０１の中で、信号光が入射する光検出部の端部から一定の距離だけ離れた位置で生じる。また、全体の密度分布も光検出部の端部から更に離れた位置まで広がり、分布は全体として大きな広がりを持つ。
よって、光検出部１０１では、十分な吸収効率を得るためには、光検出部１０１のＰＤ長を十分に長くする必要がある。しかしながら、光検出部１０１のＰＤ長を長くすると、半導体層１０２、吸収層１０３及び上部クラッド層１０４を含むキャパシタのサイズが大きくなるため、光検出部１０１に生じる静電容量が増加する。それにより、受光素子１００と後段の電気回路の間の伝送路において、ＣＲ時定数から求められる遮断周波数が低くなる。そのため、受光素子１００から出力される電気信号を受けとる後段の電気回路においては、高周波数帯域において入力信号のレベルが減衰してしまい、高周波数帯域において入力信号を適切に処理するのが困難になるという問題が生じる。
その結果、図１及び図２に示した受光素子１００の構造では、高い光吸収効率を確保しながら、後段の電気回路に十分な信号レベルを有する検出信号を供給することが困難であった。
一方、受光素子３００の光検出部３０１では、コア３１２を伝播してきた信号光が直接吸収層３０３に入射する。このため、光検出部３０１の端部付近において大きな吸収が発生し、図５の分布曲線（ｂ）から分かるように、信号光が入射する光検出部３０１の端部の近傍の狭い範囲においてフォトキャリアが発生し、その密度は高くなる。
よって、光検出部３０１では、高い光吸収効率を確保しながら、ＰＤ長を短くすることができる。しかしながら、光検出部３０１では、端部近傍において、フォトキャリア密度分布の立ち上がりが大きすぎるため、入力される信号光の強度が高い高強度光入力の場合、光検出部の端部近傍において局所的に発生するフォトキャリアの密度が過剰に高くなる。その結果、光検出部３０１では、ｐ側電極とｎ側電極の間に印加された上述の電圧によってつくられる電界とは逆向きに、局所的に過剰に生じたフォトキャリアによって、上部クラッド層３０４と下部クラッド層３０２の間に大きな電界がつくられる。局所的に過剰に生じたフォトキャリアによってつくられる電界は、ｐ側電極とｎ側電極の間に印加された上述の電圧によってつくられる電界を打ち消すように作用する。これにより、光検出部３０１は、吸収層３０３における光吸収により発生したフォトキャリア（正孔及び電子）を上部クラッド層３０４及び下部クラッド層３０２を介して適切に検出することができなくなる。そのため、高強度信号光に対する検出応答特性が劣化するという問題が生じる。
その結果、図３及び図４に示した受光素子３００の構造では、高強度の光入力に対応した出力動作を行うことが困難であった。
従って、本実施例の一側面における受光素子は、光検出部における光吸収効率を向上させつつ、高周波数帯域においても後段の電気回路に十分な信号レベルを有する検出信号を供給することを目的とする。本実施例の一側面における受光素子はさらに、入力信号光の強度が高い高強度光入力に対応した出力動作を行うことを目的とする。
本実施例における受光素子は、信号光を伝播させるコアと、前記コアから、前記コアの延在方向より前記信号光を受光する第１導電型の第１半導体層と、前記第１半導体層が受光した前記信号光を吸収する吸収層と、前記第１導電型と反対の第２導電型を有する第２半導体層とを有する。
本実施例における受光素子は、光検出部における光吸収効率を向上させつつ、高周波数帯域においても後段の電気回路に十分な信号レベルを有する検出信号を供給することができる。本実施例における受光素子はさらに、入力信号光の強度が高い高強度光入力に対応した出力動作を行うことができる。
受光素子の一例である受光素子１００を示す斜視図である。 図１のＡ１−Ａ２の破線で示した断面における受光素子１００の断面図である。 受光素子の他の例である受光素子３００を示す斜視図である。 図３のＡ３−Ａ４の破線で示した断面における受光素子３００の断面図である。 光検出部１０１及び３０１における光吸収分布のシミュレーション結果の一例を示す図である。 本発明の第１実施例に係る受光素子６００の構造の一例を示す斜視図である。 図６のＢ１−Ｂ２の破線で示した断面における受光素子６００の断面図である。 受光素子６００の光検出部６０１において発生するフォトキャリア密度分布のシミュレーション結果の一例を示す図である。 受光素子６００の光検出部６０１における量子効率のシミュレーション結果の一例を示す図である。 受光素子１０００の構造の一例を示す斜視図である。 図１０のＢ３−Ｂ４の破線で示した断面における受光素子１０００の断面図である。 図１０のＢ５−Ｂ６及びＢ７−Ｂ８の破線で示した断面における受光素子６００の断面図である。 図１０ないし図１２に示した受光素子１０００の製造工程の一例を示す図（その１）である。 図１０ないし図１２に示した受光素子１０００の製造工程の一例を示す図（その２）である。 図１０ないし図１２に示した受光素子１０００の製造工程の一例を示す図（その３）である。 図１０ないし図１２に示した受光素子１０００の製造工程の一例を示す図（その４）である。 図１０ないし図１２に示した受光素子１０００の製造工程の一例を示す図（その５）である。 本発明の第２実施例に係る受光素子１８００の構造の一例を示す断面図である。 本発明の第３実施例に係る受光素子１９００の構造の一例を示す断面図である。 受光素子１９００の光検出部１９０１において発生するフォトキャリア密度分布のシミュレーション結果の一例を示す図である。 本発明の第４実施例に係る受光素子２１００の構造の一例を示す断面図である 本発明の第５実施例に係る光受信器２２００の構成の一例を示す図である。 本発明の第６実施例に係る光受信モジュール２３００の構成の一例を示す図である。
以下、本発明の実施例について説明する。
［１．第１実施例］
［１−１．受光素子６００の構造］
図６は、本発明の第１実施例に係る受光素子６００の構造の一例を示す斜視図であり、受光素子６００の要部のみを示した図である。図７は、図６のＢ１−Ｂ２の破線で示した断面における受光素子６００の断面図であり、光検出部６０１と導波路部６１１の境界領域の近傍を示した図である。
尚、本明細書においては、受光素子の構造が形成される側の基板表面に関して、基板表面から離れる方向を「上」と称し、基板の表面に近づく方向を「下」と称するものとする。
図６及び図７に示したように、受光素子６００は、基板６１４の上に設けられた光検出部６０１と、同一の基板６１４の上に設けられた導波路部６１１を含む。
導波路部６１１は、コア６１２及び上部クラッド層６１３が基板６１４側から積層された構造を有する。この積層構造の各々の層の材料は、例えば半導体である。導波路部６１１は、上部クラッド層６１３及びコア６１２を含むメサ構造を有する。信号光はコア６１２を伝播し、光検出部６０１に入射される。
光検出部６０１は、ｎ型半導体層６０２、ｉ型吸収層６０３、ｐ型上部クラッド層６０４及びｐ型コンタクト層６０５が基板６１４側から積層された構造を有する。この積層構造の各々の層の材料は、例えば半導体である。光検出部６０１は、ｐ型コンタクト層６０５、上部クラッド層６０４、吸収層６０３及びｎ型半導体層６０２の一部を含むメサ構造を有する。ｎ型半導体層６０２、吸収層６０３、及び上部クラッド層６０４はＰＩＮ型のフォトダイオードを構成する。
図７に示したように、受光素子６００では、コア６１２はｎ型半導体層６０２の側面に接続されており、コア６１２とｎ型半導体層６０２は、コア６１２の延在方向に沿って隣接するように接続されている。コア６１２は、その上面がｎ型半導体層６０２の底面よりも高くなり（基板６１４から離れた位置にあり）、その底面がｎ型半導体層６０２の上面よりも低くなる（基板６１４に近い位置にある）ように形成される。
また、ｎ型半導体層６０２は、その屈折率がコア６１２の屈折率よりも高く、吸収層６０３の屈折率よりも低くなるように形成される。すなわち、ｎ型半導体層６０２は、そのバンドギャップ波長がコア６１２のバンドギャップ波長より長く、吸収層６０３のバンドギャップ波長より短くなるように形成される。ｎ型半導体層６０２は信号光に対する吸収率が十分小さくなるような組成を有するように形成される。
図７に示したように、受光素子６００では、信号光は導波路部６１１においてコア６１２を伝播し、光検出部６０１においてｎ型半導体層６０２に入射する。ｎ型半導体層６０２は、コア６１２から、コア６１２の延在方向より信号光を受光する。ｎ型半導体層６０２の屈折率をコア６１２の屈折率よりも高くしているので、信号光がコア６１２からｎ型半導体層６０２へ入射する際の損失を低減することができる。入射した信号光の一部は、ｎ型半導体層６０２から吸収層６０３に染み出しており、吸収層６０３において吸収される。
ｐ型コンタクト層６０５及びｎ型半導体層６０２には、不図示のｐ側電極及びｎ側電極がそれぞれ接続されている。ｐ側電極とｎ側電極の間に、ｐ側電極を負電位、ｎ側電極を正電位とする一定の電圧を印加することにより、吸収層６０３における光吸収により発生したフォトキャリア（正孔及び電子）が上部クラッド層６０４及びｎ型半導体層６０２を介して検出される。それによって、光検出部６０１は信号光を電気信号として検出し、検出信号を電気信号（フォトキャリア電流）として生成する。光検出部６０１は後段の電気回路に信号光の強度に対応する検出信号（フォトキャリア電流）を出力する。
光検出部６０１では、図１及び図２に示した受光素子１００の光検出部１０１とは異なり、信号光が入射するｎ型半導体層６０２と信号光の吸収が起こる吸収層６０３の間に、半導体層１０２が形成されていない。そのため、光検出部６０１では、信号光がｎ型半導体層６０２に入射するとすぐに、吸収層６０３まで信号光が染み出すようになり、入射後すぐに信号光の吸収が始まる。このため、光検出部６０１では、十分な光吸収効率を確保しながら、ＰＤ長を光検出部１０１のＰＤ長よりも短くすることができる。
また、光検出部６０１では、ＰＤ長を短くできることから、ｎ型半導体層６０２、吸収層６０３及び上部クラッド層６０４を含むキャパシタのサイズを小さくすることができる。そのため、光検出部６０１に生じる静電容量を低減することができるので、受光素子６００と後段の電気回路の間の伝送路において、ＣＲ時定数から求められる遮断周波数が高くなる。これにより、受光素子６００は、高周波数帯域においても後段の電気回路に十分な信号レベルを有する検出信号を供給することができ、後段の電気回路は高周波数帯域においても入力信号の処理をすることができる。
加えて、受光素子６００では、図３及び図４に示した受光素子３００の光検出部３０１とは異なり、信号光は吸収層６０３に直接入射せず、ｎ型半導体層６０２に入射した後で吸収層６０３に染み出している成分が吸収されていく。これにより、光検出部６０１では、光検出部３０１と比べて、全体の発生フォトキャリア密度分布が平坦で緩やかな分布となる。
このため、光検出部６０１では、入力される信号光の強度が高い高強度光入力の場合であっても、フォトキャリアの密度が局所的に過剰に高くなるのを防止することができる。それによって、光検出部６０１では、フォトキャリア（正孔及び電子）によってつくられる電界の影響により、高強度信号光に対する検出応答特性が劣化するのを抑えることができる。従って、受光素子６００においては、高強度光入力に対応した出力動作が可能となる。
以上説明したように、受光素子６００では、光検出部６０１における光吸収効率を向上させつつ、高周波数帯域においても後段の電気回路に十分な信号レベルを有する検出信号を供給することができる。受光素子６００はさらに、入力信号光の強度が高い高強度光入力に対応した出力動作を行うことができる。
［１−２．光検出部６０１におけるフォトキャリア密度分布］
図８は、受光素子６００の光検出部６０１において発生するフォトキャリア密度分布のシミュレーション結果の一例を示す図である。縦軸はフォトキャリアの密度を示し、一定の値に基づいて規格化された密度を示す。横軸は光検出部６０１のＰＤ内部位置を示す。
図８において、（ｃ）で示した曲線は、図６及び図７に示した受光素子６００の光検出部６０１におけるフォトキャリア密度分布を示すものである。図８においては、比較のために、図１及び図２に示した受光素子１００の光検出部１０１におけるフォトキャリア密度分布を曲線（ａ）により示し、図３及び図４に示した受光素子３００の光検出部３０１におけるフォトキャリア密度分布を曲線（ｂ）により示してある。図８における分布曲線（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ、図５における分布曲線（ａ）及び（ｂ）と同一である。
分布曲線（ｃ）に示したように、受光素子６００では、受光素子１００の場合（分布曲線（ａ））と比べて、フォトキャリア密度分布のピーク位置は、より光検出部の端部の近くに存在する。それに伴い、全体のフォトキャリア密度分布も光検出部の端部により近い側にシフトされており、分布の広がりも全体として小さく抑えられている。
従って、受光素子６００においては、十分な光吸収効率を確保しながら、光検出部６０１のＰＤ長を、受光素子１００の光検出部１０１のＰＤ長よりも短くすることができる。例えば、ピーク位置のシフト量から見積もって、同一の光吸収率を得るのであれば、光検出部６０１のＰＤ長は、光検出部１０１のＰＤ長の２／３程度の長さにすれば十分である。
また、ＰＤ長を短くできることから、光検出部６０１に生じる静電容量も光検出部１０１における静電容量より小さくなる。それにより、受光素子６００は、高周波数帯域においても後段の電気回路に十分な信号レベルを有する検出信号を供給することができ、後段の電気回路は高周波数帯域においても入力信号の処理をすることができる。
加えて、分布曲線（ｃ）に示したように、受光素子６００では、受光素子３００（分布曲線（ｂ））の場合と比べて、フォトキャリア密度分布のピークは十分に低いものとなっている。受光素子６００では、フォトキャリア密度分布のピーク位置における密度の値は、受光素子３００（分布曲線（ｂ））の場合の密度の最大値（光検出部の端部近傍における密度）よりも、十分に小さくなっている。また、密度分布も、受光素子３００（分布曲線（ｂ））の場合と比べて、全体として平坦で緩やかなものとなっている。
従って、入力される信号光の強度が高い高強度光入力の場合であっても、フォトキャリアの密度が局所的に過剰に高くなるのを防止することができる。これにより、受光素子６００では、高強度信号光に対する検出応答特性が劣化するのを抑えることができる。
以上説明したように、受光素子６００では、光検出部６０１における光吸収効率を向上させつつ、高周波数帯域においても後段の電気回路に十分な信号レベルを有する検出信号を供給することができる。受光素子６００はさらに、入力信号光の強度が高い高強度光入力に対応した出力動作を行うことができる。
［１−３．光検出部６０１における量子効率］
図９は、受光素子６００の光検出部６０１における量子効率のシミュレーション結果の一例を示す図である。縦軸は量子効率を示す。横軸は光検出部６０１のＰＤ内部位置を示す。
図９において、（ａ）で示した曲線は、図６及び図７に示した受光素子６００の光検出部６０１における量子効率を示すものである。図９においては、比較のために、図１及び図２に示した受光素子１００の光検出部１０１における量子効率を曲線（ｂ）により示してある。
図９から分かるように、受光素子６００の量子効率は全体的に受光素子１０１の量子効率よりも高くなっている。すなわち、受光素子６００では、図６及び図７に示した構造を採用することによって、受光素子１００と比べて、量子効率を向上させることができる。例えば、８０％の量子効率を得るのであれば、受光素子６００のＰＤ長は、受光素子１００のＰＤ長の約６０％の長さにすれば十分である。また、例えば、同じ１０μｍのＰＤ長とした場合、受光素子６００は受光素子１００の約１．５倍の量子効率を得ることができる。
従って、受光素子６００では、光検出部６０１における光吸収効率を向上させることができる。
［１−４．受光素子６００の構造の具体例］
図１０は、受光素子１０００の構造の一例を示す斜視図であり、受光素子１０００の要部のみを示した図である。図１０に示した受光素子１０００の構造は、図６に示した受光素子６００の構造の１つの具体例であり、受光素子６００の各層の構成例を具体的に示したものである。図１１は、図１０のＢ３−Ｂ４の破線で示した断面における受光素子１０００の断面図であり、光検出部１００１と導波路部１０１１の境界領域の近傍を示したものである。図１２（Ａ）は、図１０のＢ５−Ｂ６の破線で示した断面における受光素子１０００の断面図であり、メサ構造の近傍を示したものである。図１２（Ｂ）は、図１０のＢ７−Ｂ８の破線で示した断面における受光素子１０００の断面図であり、メサ構造の近傍を示したものである。
図１０ないし図１２に示したように、受光素子１０００は、例えば、半絶縁性（Ｓｅｍｉ−ｉｎｓｕｌａｔｉｎｇ、以下ＳＩと称する。）のＩｎＰからなる基板１０１４の上に設けられた光検出部１００１と、同一の基板１０１４の上に設けられた導波路部１０１１を含む。ＳＩ−ＩｎＰ基板１０１４には、Ｆｅ等の深い不純物準位を形成する元素がドープされている。
導波路部１０１１は、１．０５μｍのバンドギャップ波長を有するｉ型のＩｎＧａＡｓＰからなるコア１０１２、ｉ型のＩｎＰからなる上部クラッド層１０１３がＳＩ−ＩｎＰ基板１０１４側から積層された構造を有する。導波路部１０１１は、ｉ−ＩｎＰクラッド層１０１３及びｉ−ＩｎＧａＡｓＰコア層１０１２を含むメサ構造を有し、その側面が半導体材料で埋め込まれていないハイメサ導波路構造を有する。
光検出部１００１は、１．３μｍのハンドギャップ波長を有するｎ型のＩｎＧａＡｓＰからなる半導体層１００２、ＩｎＰと格子整合したｉ型のＩｎＧａＡｓからなる吸収層１００３、ｐ型のＩｎＰからなる上部クラッド層１００４、及びｐ型のＩｎＧａＡｓとＩｎＧａＡｓＰの２層構造からなるｐ型コンタクト層１００５がＳＩ−ＩｎＰ基板１０１４側から積層された構造を有する。
光検出部１００１は、ｐ型コンタクト層１００５、ｐ−ＩｎＰクラッド層１００４及びｉ−ＩｎＧａＡｓ吸収層１００３及びｎ型半導体層１００２の一部を含むメサ構造を有し、その側面が半導体材料で埋め込まれていないハイメサ導波路構造を有する。ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ半導体層１００２、ｉ−ＩｎＧａＡｓ吸収層１００３及びｐ−ＩｎＰクラッド層１００４は、ＰＩＮ型のフォトダイオードを構成する。
ｐ型コンタクト層１００５の上にはｐ側電極１０１５が形成され、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ半導体層１００２の上にはｎ側電極１０１６が形成されている。受光素子１０００のｐ側電極１０１５及びｎ側電極１０１６が形成されていない部分は、シリコン窒化膜等の誘電体からなるパッシベーション膜１０１７によって覆われている。尚、図１０では、構造の理解を容易にするために、パッシベーション膜１０１７の図示は省略されている。
ｐ側電極１０１５とｎ側電極１０１６の間には、ｐ側電極１０１５を負電位、ｎ側電極１０１６を正電位とする一定の電圧が印加されている。それによって、ｐ−ＩｎＰクラッド層１００４及びｎ−ＩｎＧａＡｓＰ半導体層１００２を介して、ｉ−ＩｎＧａＡｓ吸収層１００３における光吸収により発生したフォトキャリア（正孔及び電子）が検出される。
導波路部１０１１では、例えば、ｉ−ＩｎＧａＡｓＰコア層１０１２の厚さを０．５μｍ、ｉ−ＩｎＰクラッド層１０１３の厚さを１．５μｍとする。光検出部１００１では、例えば、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ半導体層１００２の厚さを０．５μｍ、ｉ−ＩｎＧａＡｓ吸収層１００３の厚さを０．５μｍ、ｐ−ＩｎＰクラッド層１００４及びｐ型コンタクト層１００５の厚さの合計を１．０μｍとする。
各層の厚さを上述のようにすることにより、導波路部１０１１のｉ−ＩｎＧａＡｓＰコア層１０１２を光検出部１００１のｎ−ＩｎＧａＡｓＰ半導体層１００２の側面に接続させることができる。導波路部１０１１のｉ−ＩｎＧａＡｓＰコア層１０１２と光検出部１００１のｎ−ＩｎＧａＡｓＰ半導体層１００２は、ｉ−ＩｎＧａＡｓＰコア層１０１２の延在方向に沿って隣接するように接続されている。
導波路部１０１１において、例えば、ｉ−ＩｎＧａＡｓＰコア層１０１２及びｉ−ＩｎＰクラッド層１０１３を含むメサ構造の幅（ｉ−ＩｎＧａＡｓＰコア層１０１２の延在方向に直交する方向の幅）は、２．５μｍである。光検出部１００１において、ｉ−ＩｎＧａＡｓ吸収層１００３、ｐ−ＩｎＰクラッド層１００４及びコンタクト層１００５を含むメサ構造の幅（ｉ−ＩｎＧａＡｓＰコア層１０１２の延在方向に直交する方向の幅）は、５μｍであり、光検出部の長さ（ＰＤ長）は１０μｍである。
以上説明した構造を有する受光素子１０００では、光検出部１００１における光吸収効率を向上させつつ、高周波数帯域においても後段の電気回路に十分な信号レベルを有する検出信号を供給することができる。受光素子１０００はさらに、入力信号光の強度が高い高強度光入力に対応した出力動作を行うことができる。
尚、上述の実施例では、波長が約１．５μmの信号光に対する受光素子の例として吸収層をＩｎＧａＡｓで構成し、導波路層などの層をＩｎＧａＡｓＰ系の材料で構成したフォトダイオードの例を述べたが、これには限定されない。上述の実施例の受光素子において、吸収層の材料を、入射される信号光の波長帯域の光を吸収する他の材料とし、その他の層の材料をその光を吸収しないような他の材料としてもよい。
また、吸収層などの層の材料をｉ型の半導体とした例を示したが、例えば吸収層の一部又は全ての材料をｐ型又はｎ型の半導体としてもよい。
また、上述の実施例では、導波路部および光検出部の導波路構造としてハイメサ構造を示したが、それらの一部又は全てが埋め込み型導波路になっているような構造であってもよい。
［１−５．受光素子１０００の製造方法］
図１３ないし図１７は、図１０ないし図１２に示した受光素子１０００の製造工程の一例を示す図である。各図において、上側の図は、基板の上方から見たときの平面図であり、受光素子１０００の要部を示した図である。下側の図は、各平面図の破線で示した断面で見たときの断面図であり、光検出部１００１と導波路部１０１１の境界領域の近傍を示したものである。以下、図１３ないし図１７を用いて受光素子１０００の製造方法の一例を説明する。
図１３に示したように、ＳＩ−ＩｎＰ基板１３０１の上に、例えば有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ膜１３０２、ｉ−ＩｎＧａＡｓ膜１３０３、ｐ−ＩｎＰ膜１３０４、及びｐ−ＩｎＧａＡｓとＩｎＧａＡｓＰの２層からなる積層膜１３０５を堆積させる。ここで、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ膜１３０２の厚さが０．５μｍ、ｉ−ＩｎＧａＡｓ膜１３０３の厚さが０．５μｍとなるように堆積を行う。また。ｐ−ＩｎＰ膜１３０４とｐ−ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ積層膜１３０５の厚さの合計が１．０μｍとなるように堆積を行う。
次に、ｐ−ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ積層膜１３０５の上に、図１０ないし図１２に示した光検出部１００１となる領域を覆うマスク１４０１を形成し、導波路部１０１１となる領域を選択的に露出させる。マスク１４０１としては、例えばシリコン酸化膜が用いられる。マスク１４０１を用いた周知のエッチングにより、図１４に示したように、光検出部１００１にのみｎ−ＩｎＧａＡｓＰ膜１３０２、ｉ−ＩｎＧａＡｓ膜１３０３、ｐ−ＩｎＰ膜１３０４、及びｐ−ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ積層膜１３０５を残し、導波路部１０１１からはこれらの膜を除去する。この処理により、導波路部１０１１では、ＳＩ−ＩｎＰ基板１３０１が露出する。
次に、図１５に示したように、導波路部１０１１の露出したＳＩ−ＩｎＰ基板１３０１の上に、ＭＯＣＶＤ法を用いた周知の選択成長により、ｉ−ＩｎＧａＡｓＰ膜１５０１及びｉ−ＩｎＰ膜１５０２を堆積させる。ここで、ｉ−ＩｎＧａＡｓＰ膜１５０１の厚さが０．５μｍ、ｉ−ＩｎＰ膜１５０２の厚さが１．５μｍとなるように堆積を行う。上述のエッチングに用いたマスク１４０１により光検出部１００１が覆われているので、光検出部１００１にｉ−ＩｎＧａＡｓＰ膜１５０１及びｉ−ＩｎＰ膜１５０２が成長するのを防止することができる。ｉ−ＩｎＰ膜１５０２の堆積後、マスク１４０１を除去する。
次に、ｐ−ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ積層膜１３０５及びｉ−ＩｎＰ膜１５０２の上に、光検出部１００１及び導波路部１０１１においてメサ構造となる領域を覆うマスクを形成する。マスクとしては、例えばシリコン酸化膜が用いられる。このマスクを用いた周知のエッチングにより、光検出部１００１及び導波路部１０１１において、それぞれメサ構造を形成する。エッチング後、マスクを除去する。
このとき、図１６に示したように、光検出部１００１では、上述のマスクを用いて、ｐ−ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ積層膜１３０５、ｐ−ＩｎＰ膜１３０４及びｉ−ＩｎＧａＡｓ膜１３０３を除去するとともに、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ膜１３０２については途中の深さまで除去し、一部を残すようにする。この処理により、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ膜１３０２の一部が露出する。これにより、図１０ないし図１２に示した、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ半導体層１００２の一部、ｉ−ＩｎＧａＡｓ吸収層１００３、ｐ−ＩｎＰクラッド層１００４及びコンタクト層１００５を含むメサ構造が形成される。
また、図１６に示したように、導波路部１０１１では、上述のマスクを用いて、ｉ−ＩｎＰ膜１５０２及びｉ−ＩｎＧａＡｓＰ膜１５０１を除去するとともに、ｉ−ＩｎＧａＡｓＰ膜１５０１の下に位置するＳＩ−ＩｎＰ基板１３０１の一部も除去する。この処理により、ＳＩ−ＩｎＰ基板１３０１の一部が露出する。これにより、図１０ないし図１２に示した、ｉ−ＩｎＧａＡｓＰコア層１０１２及びｉ−ＩｎＰクラッド層１０１３を含むメサ構造が形成される。
次に、光検出部１００１及び導波路部１０１１において、電極が形成される領域を除いて、シリコン窒化膜等の誘電体からなるパッシベーション膜１０１７を形成する。その後、図１７に示したように、光検出部１００１において、メサ構造上部のｐ型コンタクト層１００５の露出した領域に、金属蒸着、メッキなどの周知の形成方法によって、ｐ側電極１０１５を形成する。また、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ半導体層１００２の露出した領域に、金属蒸着、メッキなどの周知の形成方法によって、ｎ側電極１０１６を形成する。尚、図１７（Ａ）の平面図では、構造の理解を容易にするために、パッシベーション膜１０１７の図示は省略している。
ここで、図１７では、ｐ側電極１０１５としてエアブリッジ構造の電極が用いられている。図１７（Ｂ）の断面図から明らかように、この構造により、ｐ側電極１０１５と、ｎ側電極１０１６が接続されるｎ−ＩｎＧａＡｓＰ半導体層１００２とが空気によって電気的に絶縁される。
これにより、ｐ側電極１０１５とｎ側電極１０１６の間に生じる寄生容量を低減することができる。よって、光検出部１００１に生じる静電容量をさらに小さくすることができるので、受光素子１０００は、更なる高周波数帯域においても後段の電気回路に十分な信号レベルを有する検出信号を供給することができる。
但し、ｐ側電極については、エアブリッジ構造に限定されない。ｐ側電極の形成位置に予め絶縁体を形成しておき、その上にｐ側電極を形成するようにしてもよい。また、図１７では、ＰＤについて導波路部１０１１と反対側の部分にｎ−ＩｎＧａＡｓＰ半導体層１００２が一部残っており、その上にパシベーション膜１０１７を介してｐ側電極１０１５を形成しているが、ＰＤについて導波路部１０１１と反対側の部分のｎ−ＩｎＧａＡｓＰ半導体層を除去することも可能である。これによって、ｐ側電極の容量を低減し、高周波帯域の特性をより高めることも可能である。
また、図１５では図示は省略したが、実際には、図１４に示したエッチングにより露出した光検出部１００１の側壁部にも、ｉ−ＩｎＧａＡｓＰ膜１５０１が薄く堆積する場合がある。しかしながら、光検出部１００１の側壁部に堆積する膜はｉ−ＩｎＧａＡｓＰコア層１０１２に比べて十分に薄く、かつ、側壁部に堆積される膜の屈折率はｉ−ＩｎＧａＡｓＰコア層１０１２の屈折率と同じであるため、信号光の伝播に影響を与えることはない。
［２．第２実施例］
図１８は、本発明の第２実施例に係る受光素子１８００の構造の一例を示す図であり、第１実施例に係る受光素子６００の図７に示した断面に対応する断面を示す図である。図１８に示した受光素子１８００は、図６に示した受光素子６００と、コアの厚さが異なっているが、その他の部分については同様である。尚、受光素子１８００の斜視図については、図６に示した受光素子６００の斜視図と、コアの厚さが異なっている点を除いて同様であるので、図示を省略している。
図１８に示したように、受光素子１８００は、基板１８１４の上に設けられた光検出部１８０１と、同一の基板１８１４の上に設けられた導波路部１８１１を含む。
導波路部１８１１は、コア１８１２及び上部クラッド層１８１３が基板１８１４側から積層された構造を有する。この積層構造の各々の層の材料は、例えば半導体である。導波路部１８１１は、上部クラッド層１８１３及びコア１８１２を含むメサ構造を有する。信号光はコア１８１２を伝播し、光検出部１８０１に入射される。
光検出部１８０１は、ｎ型半導体層１８０２、ｉ型吸収層１８０３、ｐ型上部クラッド層１８０４及びｐ型コンタクト層１８０５が基板１８１４側から積層された構造を有する。この積層構造の各々の層の材料は、例えば半導体である。光検出部１８０１は、ｐ型コンタクト層１８０５、上部クラッド層１８０４、吸収層１８０３及びｎ型半導体層１８０２の一部を含むメサ構造を有する。ｎ型半導体層１８０２、吸収層１８０３、及び上部クラッド層１８０４はＰＩＮ型のフォトダイオードを構成する。
図１８に示したように、受光素子１８００では、コア１８１２はｎ型半導体層１８０２の側面に接続されており、コア１８１２とｎ型半導体層１８０２は、コア１８１２の延在方向に沿って隣接するように接続されている。コア１８１２は、その上面がｎ型半導体層１８０２の底面よりも高くなり（基板１８１４から離れた位置にあり）、その底面がｎ型半導体層１８０２の上面よりも低くなる（基板１８１４に近い位置にある）ように形成される。
また、ｎ型半導体層１８０２は、その屈折率がコア１８１２の屈折率よりも高く、吸収層１８０３の屈折率よりも低くなるように形成される。すなわち、ｎ型半導体層１８０２は、そのバンドギャップ波長がコア１８１２のバンドギャップ波長より長く、吸収層１８０３よりのバンドギャップ波長より短くなるように形成される。ｎ型半導体層１８０２は信号光に対する吸収率が十分小さくなるような組成を有するように形成される。
さらに、図１８に示したように、受光素子１８００においては、コア１８１２は、その上面がｎ型半導体層１８０２の上面よりも低くなる（基板１８１４に近い位置にある）ように形成されている。コア１８１２の底面はｎ型半導体層１８１２の底面と一致している。図１８に示した構造は、例えば、コア１８１２の厚さをｎ型半導体層１８０２の厚さよりも小さくすることにより、形成することができる。
図１８に示したように、受光素子１８００では、信号光は導波路部１８１１においてコア１８１２を伝播し、光検出部１８０１においてｎ型半導体層１８０２に入射する。ｎ型半導体層１８０２は、コア１８１２から、コア１８１２の延在方向より信号光を受光する。ｎ型半導体層１８０２の屈折率をコア１８１２の屈折率よりも高くしているので、信号光がコア１８１２からｎ型半導体層１８０２へ入射する際の損失を低減することができる。入射した信号光は、ｎ型半導体層１８０２から吸収層１８０３に染み出し、吸収層１８０３において吸収される。
光検出部１８０１では、図１及び図２に示した受光素子１００の光検出部１０１とは異なり、信号光が入射するｎ型半導体層１８０２と信号光の吸収が起こる吸収層１８０３の間に、半導体層１０２が形成されていない。そのため、信号光がｎ型半導体層１８０２に入射すると速やかに、吸収層１８０３に信号光が染み出し、吸収が始まる。このため、光検出部１８０１では、十分な光吸収効率を確保しながら、ＰＤ長を、受光素子１００の光検出部１０１のＰＤ長よりも短くすることができる。
また、光検出部１８０１のＰＤ長を短くできることから、光検出部１８０１に生じる静電容量を低減することができる。それによって、受光素子１８００は、高周波数帯域においても後段の電気回路に十分な信号レベルを有する検出信号を供給することができる。これにより、後段の電気回路は高周波数帯域においても入力信号の処理をすることができる。
加えて、受光素子１８００では、図３及び図４に示した受光素子３００の光検出部３０１とは異なり、信号光は吸収層１８０３に直接入射せず、ｎ型半導体層１８０２に入射した後で吸収層１８０３に染み出している成分が吸収されていく。これにより、光検出部１８０１では、光検出部３０１と比べて、全体の発生フォトキャリア密度分布が平坦で緩やかな分布となる。
このため、光検出部１８０１では、入力される信号光の強度が高い高強度光入力の場合であっても、フォトキャリアの密度が局所的に過剰に高くなるのを防止することができ、高強度信号光に対する検出応答特性の劣化を抑えることができる。
さらに、受光素子１８００では、図７に示した受光素子６００とは異なり、コア１８１２の上面がｎ型半導体層１８０２の上面よりも低くなっている。そのため、受光素子１８００では、受光素子６００の場合と比べて、コア１８１２の上面とｎ型半導体層１８０２の上面の差分に相当する、ｎ型半導体層１８０２の領域の分だけ、信号光の吸収層への染み出しが小さくなる。すなわち、吸収層１８０３における単位長さ当たりの吸収が受光素子６００の場合よりも小さくなり、十分な吸収が発生する信号光の伝播距離が、受光素子６００の場合と比べて長くなる。
そのため、受光素子１８００の光検出部１８０１におけるフォトキャリア密度分布のピークは、光検出部６０１の場合のピークと比べて、信号光が入射する光検出部の端部から、より離れた位置で生じる。これに伴い、受光素子１８００では、全体の発生フォトキャリア密度分布は光検出部の端部から、より離れた位置まで広がり、受光素子６００の場合の分布と比べて、より平坦で緩やかな分布となる。フォトキャリア密度分布のピーク位置における密度の値は、受光素子６００の場合のピーク位置の密度の値と比べて、小さくなる。
従って、受光素子１８００の光検出部１８０１では、光検出部６０１と比べて、より高い強度を有する信号光が入力された場合であっても、フォトキャリアの密度が局所的に過剰に高くなるのを防止することができる。それによって、光検出部１８０１では、高強度信号光に対する検出応答特性が劣化するのを抑えることができる。これにより、受光素子１８００においては、受光素子６００と比べて、さらに高い強度を有する信号光の入力に対応した出力動作が可能となる。
以上説明したように、第２実施例に係る受光素子１８００は、光検出部１８０１における光吸収効率を向上させつつ、高周波数帯域においても後段の電気回路に十分な信号レベルを有する検出信号を供給することができる。受光素子１８００はさらに、入力信号光の強度が高い高強度光入力に対応した出力動作を行うことができる。
さらに、第２実施例に係る受光素子１８００は、第１実施例に係る受光素子６００と比べて、より高い強度を有する信号光が入力される場合にも対応することができる。例えば、第２実施例に係る受光素子１８００は、より高い強度を有する信号光を処理する受光素子、光受信器、光受信モジュール及びこれらを用いたシステムにおいて有効である。
尚、第２実施例に係る受光素子１８００の構造の具体例としては、第１実施例に係る受光素子６００の構造の具体例として説明した構成を用いることができる。但し、コア１８１２は、上述のように、その厚さがｎ型半導体層１８０２の厚さよりも小さくなるように形成される。
また、受光素子１８００の製造方法についても、受光素子６００の製造方法として説明した方法を用いることができる。
［３．第３実施例］
［３−１．受光素子１９００の構造］
図１９は、本発明の第３実施例に係る受光素子１９００の構造の一例を示す図であり、第１実施例に係る受光素子６００の図７に示した断面に対応する断面を示す図である。図１９に示した受光素子１９００は、図６に示した受光素子６００と、コアの厚さが異なっているが、その他の部分については同様である。尚、受光素子１９００の斜視図については、図６に示した受光素子６００の斜視図と、コアの厚さが異なっている点を除いて同様であるので、図示を省略している。
図１９に示したように、受光素子１９００は、基板１９１４の上に設けられた光検出部１９０１と、同一の基板１９１４の上に設けられた導波路部１９１１を含む。
導波路部１９１１は、コア１９１２及び上部クラッド層１９１３が基板１９１４側から積層された構造を有する。この積層構造の各々の層の材料は、例えば半導体である。導波路部１９１１は、上部クラッド層１９１３及びコア１９１２を含むメサ構造を有する。信号光はコア１９１２を伝播し、光検出部１９０１に入射される。
光検出部１９０１は、ｎ型半導体層１９０２、ｉ型吸収層１９０３、ｐ型上部クラッド層１９０４及びｐ型コンタクト層１９０５が基板１９１４側から積層された構造を有する。この積層構造の各々の層の材料は、例えば半導体である。光検出部１９０１は、ｐ型コンタクト層１９０５、上部クラッド層１９０４、吸収層１９０３及びｎ型半導体層１９０２の一部を含むメサ構造を有する。ｎ型半導体層１９０２、吸収層１９０３、及び上部クラッド層１９０４はＰＩＮ型のフォトダイオードを構成する。
図１９に示した受光素子１９００では、コア１９１２はｎ型半導体層１９０２の側面と吸収層１９０３の側面に接続されており、コア１９１２と、ｎ型半導体層１９０２及び吸収層１９０３は、コア１９１２の延在方向に沿って隣接するように接続されている。コア１９１２は、その上面がｎ型半導体層１９０２の底面よりも高くなり（基板１９１４から離れた位置にあり）、その底面がｎ型半導体層１９０２の上面よりも低くなる（基板１９１４に近い位置にある）ように形成される。
また、ｎ型半導体層１９０２は、その屈折率がコア１９１２の屈折率よりも高く、吸収層１９０３の屈折率よりも低くなるように形成される。すなわち、ｎ型半導体層１９０２は、そのバンドギャップ波長がコア１９１２のバンドギャップ波長より長く、吸収層１９０３よりのバンドギャップ波長より短くなるように形成される。ｎ型半導体層１９０２は信号光に対する吸収率が十分小さくなるような組成を有するように形成される。
さらに、図１９に示したように、受光素子１９００では、コア１９１２は、その上面がｎ型半導体層１９０２の上面よりも高くなり（基板１９１４から離れた位置にあり）、吸収層１９０３の上面よりも低くなる（基板１９１４に近い位置にある）ように形成されている。コア１９１２の底面はｎ型半導体層１９１２の底面と一致している。図１９に示した構造は、例えば、コア１９１２の厚さをｎ型半導体層１９０２の厚さよりも大きくすることにより、形成することができる。
但し、ｎ型半導体層１９０２の厚さがコア１９１２の厚さの半分以上となるようにするのが好ましい。すなわち、コア１９１２のうち、吸収層１９０３と接続する部分の厚さが、コア１９１２全体の厚さの半分以下となるようにするのが好ましい。また、コア１９１２のうち、厚さ方向に対して半分以上の部分が、ｎ型半導体層１９０２の上面よりも低い位置にある（基板１９１４に近い位置にある）ようにするのが好ましい。また、コア１９１２の厚さが、吸収層１９０３の厚さとｎ型半導体層１９０２の厚さの和より小さいことが好ましい。光検出部１９０１における光吸収が、信号光の吸収層１９０３への直接入射と比べて、ｎ型半導体層１９０２から吸収層１９０３への染み出しによって同程度若しくは支配的に行われるようにし、光検出部１９０１の端部近傍におけるフォトキャリア密度の値が過度に大きくならないようにするためである。詳細については後述する。
図１９に示したように、受光素子１９００では、信号光は導波路部１９１１においてコア１９１２を伝播し、光検出部１９０１において、その大部分がｎ型半導体層１９０２に入射し、残りの部分が吸収層１９０３に直接入射する。ｎ型半導体層１９０２及び吸収層１９０３は、コア１９１２から、コア１９１２の延在方向より信号光を受光する。ｎ型半導体層１９０２及び吸収層１９０３の屈折率をコア１９１２の屈折率よりも高くしているので、信号光がコア１９１２からｎ型半導体層１９０２及び吸収層１９０３へ入射する際の損失を低減することができる。ｎ型半導体層１９０２に入射した信号光の一部は、ｎ型半導体層１９０２から吸収層１９０３に染み出しており、吸収層１９０３において吸収される。吸収層１９０３に入射した信号光はそのまま、吸収層１９０３の、信号光が入射する端部の近傍の領域において吸収される。
光検出部１９０１では、図１及び図２に示した受光素子１００の光検出部１０１とは異なり、信号光が入射するｎ型半導体層１９０２と信号光の吸収が起こる吸収層１９０３の間に、半導体層１０２が形成されていない。そのため、信号光の大部分がｎ型半導体層１９０２に入射するとすぐに、吸収層１９０３まで信号光が染み出し、入射後すぐに信号光の吸収が始まる。このため、光検出部１９０１では、十分な光吸収効率を確保しながら、ＰＤ長を、受光素子１００の光検出部１０１のＰＤ長よりも短くすることができる。
また、光検出部１９０１のＰＤ長を短くできることから、光検出部１９０１に生じる静電容量を低減することができる。それによって、受光素子１９００は、高周波数帯域においても後段の電気回路に十分な信号レベルを有する検出信号を供給することができる。これにより、後段の電気回路は高周波数帯域においても入力信号の処理をすることができる。
加えて、受光素子１９００では、図７に示した受光素子６００とは異なり、信号光の一部が吸収層１９０３に直接入射する。入射した信号光の吸収は吸収層１９０３の、信号光が入射する端部の近傍の領域において生じるので、光検出部１９０１の端部近傍において、フォトキャリア密度の値を増加させることができる。これにより、受光素子１９００では、光検出部６０１と比べて、光検出部１９０１における光吸収効率をさらに向上させることができる。従って、受光素子１９００では、受光素子６００と比べて、ＰＤ長を長くすることなく、より低い強度を有する信号光の入力にも対応することができる。
あるいは、受光素子１９００では、光吸収効率がさらに向上することから、光検出部１９０１のＰＤ長を、受光素子６００よりもさらに短くすることも可能である。ＰＤ長をさらに短くした場合は、光検出部１９０１に生じる静電容量をさらに低減することができる。それによって、受光素子１９００は、更なる高周波数帯域においても後段の電気回路に十分な信号レベルを有する検出信号を供給することができる。これにより、後段の電気回路は更なる高周波数帯域においても入力信号の処理をすることができる。
一方、受光素子１９００においては、図４に示した受光素子３００の光検出部３０１とは異なり、吸収層１９０３に直接入射するのは信号光の一部のみである。このため、信号光が入射する光検出部１９０１の端部近傍においても、フォトキャリア密度の値が過度に大きくなることはない。このため、光検出部１９０１では、入力される信号光の強度が高い高強度光入力の場合であっても、フォトキャリアの密度が局所的に過剰に高くなるのを防止することができる。これにより、受光素子１９００では、高強度信号光に対する検出応答特性の劣化を抑えることができる。
以上説明したように、第３実施例に係る受光素子１９００は、光検出部１９０１における光吸収効率を向上させつつ、高周波数帯域においても後段の電気回路に十分な信号レベルを有する検出信号を供給することができる。受光素子１９００はさらに、入力信号光の強度が高い高強度光入力に対応した出力動作を行うことができる。
さらに、第３実施例に係る受光素子１９００は、第１実施例に係る受光素子６００と比べて、光吸収効率をさらに向上させることができる。これにより、受光素子１９００は、ＰＤ長を長くすることなく、より低い強度を有する信号光の検出にも対応することができる。あるいは、受光素子１９００は、更なる高周波数帯域においても後段の電気回路に十分な信号レベルを有する検出信号を供給することができる。
例えば、第３実施例に係る受光素子１９００は、より低い強度を有する信号光を処理する受光素子、光受信器、光受信モジュール及びこれらを用いたシステムにおいて有効である。あるいは、第３実施例に係る受光素子１９００は、より高い動作周波数において動作する電気回路が後段に配置される受光素子、光受信器、光受信モジュール及びこれらを用いたシステムにおいて有効である。
尚、第３実施例に係る受光素子１９００の構造の具体例としては、第１実施例に係る受光素子６００の構造の具体例として説明した構成を用いることができる。但し、コア１９１２は、上述のように、その厚さがｎ型半導体層１９０２の厚さよりも大きくなるように形成される。
また、受光素子１９００の製造方法についても、受光素子６００の製造方法として説明した方法を用いることができる。
［３−２．光検出部１９０１におけるフォトキャリア密度分布］
図２０は、受光素子１９００の光検出部１９０１において発生するフォトキャリア密度分布のシミュレーション結果の一例を示す図である。縦軸はフォトキャリアの密度を示し、一定の値に基づいて規格化された強度を示す。横軸は光検出部１９０１のＰＤ内部位置を示す。
図２０において、（ｄ）〜（ｆ）で示した曲線は、図１９に示した受光素子１９００の光検出部１９０１におけるフォトキャリア密度分布を示すものである。（ｄ）で示した分布曲線は、コア１９１２のうち、吸収層１９０３と接続する部分の厚さを、コア１９１２全体の厚さの２５％とした場合の分布を示すものである。（ｅ）で示した分布曲線は、コア１９１２のうち、吸収層１９０３と接続する部分の厚さを、コア１９１２全体の厚さの５０％とした場合の分布を示すものである。（ｆ）で示した分布曲線は、コア１９１２のうち、吸収層１９０３と接続する部分の厚さを、コア１９１２全体の厚さの７５％とした場合の分布を示すものである。
尚、図２０においては、比較のために、コア１９１２のうち、吸収層１９０３と接続する部分の厚さが、コア１９１２全体の厚さの１００％である場合に相当する、図３に示した受光素子３００の光検出部３０１におけるフォトキャリア密度分布曲線（ｂ）を破線で示し、コア１９１２のうち、吸収層１９０３と接続する部分の厚さが、コア１９１２全体の厚さの０％である場合に相当する、図６に示した受光素子６００の光検出部６０１におけるフォトキャリア密度分布曲線（ｃ）を一点鎖線で示してある。
［３−２−１．コア１９１２のうちの吸収層１９０３と接続する部分の厚さが異なる場合の比較］
コア１９１２のうち、吸収層１９０３と接続する部分の厚さが異なる場合において、光検出部におけるフォトキャリア密度分布の比較を行う。
図２０の分布曲線（ｄ）に示したように、コア１９１２のうち、吸収層１９０３と接続する部分の厚さをコア１９１２全体の厚さの２５％とした場合には、信号光が入射する光検出部１９０１の端部から一定の距離だけ離れた位置において、フォトキャリア密度分布のピークが生じる。
分布曲線（ｄ）において、フォトキャリア密度分布のピーク位置における密度の値は、分布曲線（ｂ）（受光素子３００）の場合の最大値（光検出部の端部近傍における密度）と比べて、十分に小さいものとなっている。密度分布も、分布曲線（ｂ）（受光素子３００）と比べて、全体として平坦で緩やかな分布となっている。
すなわち、分布曲線（ｄ）は、分布曲線（ｂ）（受光素子３００）よりも、分布曲線（ｃ）（受光素子６００）に近似した特性を有するものとなっている。このため、この場合には、分布曲線（ｃ）（受光素子６００）と同様に、光検出部１９０１における光吸収が、信号光の吸収層１９０３への直接入射よりも、ｎ型半導体層１９０２から吸収層１９０３への染み出しによって支配的に行われていると考えられる。
一方、図２０の分布曲線（ｆ）に示したように、吸収層１９０３と接続する部分の厚さをコア１９１２全体の厚さの７５％とした場合には、フォトキャリア密度分布の最大値は、信号光が入射する光検出部１９０１の端部に存在し、その近傍にフォトキャリア密度分布が集中している。このため、分布曲線（ｂ）（受光素子３００）の場合に比べて低くはなっているものの、フォトキャリア密度は依然として高くなっている。
すなわち、分布曲線（ｆ）は、分布曲線（ｃ）（受光素子６００）よりも、分布曲線（ｂ）（受光素子３００）に近似した特性を有するものとなっている。このため、この場合には、分布曲線（ｂ）（受光素子３００）と同様に、光検出部１９０１における光吸収が、ｎ型半導体層１９０２から吸収層１９０３への染み出しよりも、信号光の吸収層１９０３への直接入射によって支配的に行われていると考えられる。
これらに対して、図２０の分布曲線（ｅ）に示したように、コア１９１２のうち、吸収層１９０３と接続する部分の厚さをコア１９１２全体の厚さの５０％とした場合には、光検出部１９０１の端部から一定の距離だけ離れた位置において、フォトキャリア密度分布に小さなピークが見られるとともに、光検出部１９０１の端部近傍の領域において、ある程度の高さのフォトキャリア密度が見られる。
分布曲線（ｅ）において、フォトキャリア密度分布は、分布曲線（ｂ）（受光素子３００）や上述の分布曲線（ｆ）の場合と異なり、光検出部の端部から比較的平坦な分布を有している。その結果、分布曲線（ｅ）において、フォトキャリア密度の最大値は、分布曲線（ｂ）（受光素子３００）の場合の最大値（光検出部の端部近傍における密度）と比べて、おおよそ半分程度まで小さく抑えられている。
すなわち、分布曲線（ｅ）は、分布曲線（ｃ）（受光素子６００）と分布曲線（ｂ）（受光素子３００）のおおよそ中間的な特性を有するものとなっている。このため、この場合には、光検出部１９０１における光吸収に対する寄与の割合が、ｎ型半導体層１９０２から吸収層１９０３への染み出しと、信号光の吸収層１９０３への直接入射とで同程度となっていると考えられる。
以上のことから、コア１９１２のうち、吸収層１９０３と接続する部分の厚さは、コア１９１２全体の厚さの半分以下とするのが好ましいことが分かる。これにより、光検出部１９０１における光吸収が、信号光の吸収層１９０３への直接入射と比べて、ｎ型半導体層１９０２から吸収層１９０３への染み出しによって同程度若しくは支配的に行われるようにすることができる。それによって、入力される信号光の強度が高い高強度光入力の場合であっても、フォトキャリアの密度が局所的に過剰に高くなるのを防止することができる。
［３−２−２．受光素子６００（分布曲線（ｃ））との比較］
次に、コア１９１２のうち、吸収層１９０３と接続する部分の厚さをコア１９１２全体の厚さの２５％とした場合（図２０の分布曲線（ｄ））を例にとって、受光素子１９００と受光素子６００について、光検出部におけるフォトキャリア密度分布の比較を行う。
図２０の分布曲線（ｄ）においては、分布曲線（ｃ）（受光素子６００）の場合と比べて、フォトキャリア密度分布のピーク位置が、信号光が入射する光検出部の端部により近い位置に存在する。それに伴い、全体のフォトキャリア密度分布も光検出部の端部により近い側にシフトされており、密度分布の広がりも全体として小さく抑えられている。
これにより、受光素子１９００では、受光素子６００よりも、さらに光吸収効率を向上させることができる。従って、受光素子１９００では、受光素子６００と比べて、ＰＤ長を長くすることなく、より低い強度を有する信号光の検出にも対応することができる。
あるいは、受光素子１９００では、光吸収効率がさらに向上することから、光検出部１９０１のＰＤ長を、受光素子６００よりもさらに短くすることも可能である。ＰＤ長をさらに短くした場合は、光検出部１９０１に生じる静電容量をさらに低減することができる。それによって、受光素子１９００は、受光素子６００に比べて、更なる高周波数帯域においても後段の電気回路に十分な信号レベルを有する検出信号を供給することができる。
以上説明したように、第３実施例に係る受光素子１９００は、第１実施例に係る受光素子６００と比べて、光吸収効率をさらに向上させることができる。これにより、受光素子１９００は、ＰＤ長を長くすることなく、より低い強度を有する信号光の検出にも対応することができる。あるいは、受光素子１９００は、更なる高周波数帯域においても後段の電気回路に十分な信号レベルを有する検出信号を供給することができる。
［４．第４実施例］
図２１は、本発明の第４実施例に係る受光素子２１００の構造の一例を示す図であり、第１実施例に係る受光素子６００の図７に示した断面に対応する断面を示す図である。図２１に示した受光素子２１００は、図１９に示した受光素子１９００と、基板とコアの間にバッファ層が形成されている点で異なっているが、その他の部分については同様である。尚、受光素子２１００の斜視図については、図１９に示した受光素子１９００の場合と同様に、図示を省略している。
図２１に示したように、受光素子２１００は、基板２１１４の上に設けられた光検出部２１０１と、同一の基板２１１４の上に設けられた導波路部２１１１を含む。
導波路部２１１１は、バッファ層２１１５、コア２１１２及び上部クラッド層２１１３が基板２１１４側から積層された構造を有する。この積層構造の各々の層の材料は、例えば半導体である。導波路部２１１１は、バッファ層２１１５、上部クラッド層２１１３及びコア２１１２を含むメサ構造を有する。信号光はコア２１１２を伝播し、光検出部２１０１に入射される。
ここで、基板２１１４とコア２１１２の間にバッファ層２１１５が設けられているのは、基板２１１４の表面にコア２１１２を直接形成した場合、コアとなる膜を基板２１１４の表面に堆積させる際に、膜中に欠陥が発生し、コアとして必要とされる膜質が得られないという不具合を防止するためである。
また、図２１に示したように、バッファ層２１１５は、製造工程の都合上、光検出部２１０１の側壁部にも残ってしまう。すなわち、バッファ層２１１５は、コア２１１２と、ｎ型半導体層２１０２及び吸収層２１０３の間にも挿入されることとなる。バッファ層２１１５は基板２１１４と格子整合がとれる材料で形成されるため、コア２１１２に比べて屈折率が低く、信号光を閉じ込める作用が弱い。このため、コア２１１２を伝播してきた信号光がｎ型半導体層２１０２及び吸収層２１０３に入射する際に、バッファ層２１１５において信号光の損失が発生してしまう。この損失を低減するために、バッファ層２１１５は可能な限り薄く形成するのが好ましい。
光検出部２１０１は、ｎ型半導体層２１０２、ｉ型吸収層２１０３、ｐ型上部クラッド層２１０４及びｐ型コンタクト層２１０５が基板１９１４側から積層された構造を有する。この積層構造の各々の層の材料は、例えば半導体である。光検出部２１０１は、ｐ型コンタクト層２１０５、上部クラッド層２１０４、吸収層２１０３及びｎ型半導体層２１０２の一部を含むメサ構造を有する。ｎ型半導体層２１０２、吸収層２１０３、及び上部クラッド層２１０４はＰＩＮ型のフォトダイオードを構成する。
コア２１１２はｎ型半導体層２１０２の側面と吸収層２１０３の側面にバッファ層２１１５を介して接続されており、コア２１１２と、ｎ型半導体層２１０２及び吸収層２１０３は、コア２１１２の延在方向に沿って、バッファ層２１１５を介して隣接するように接続されている。コア２１１２は、その上面がｎ型半導体層２１０２の底面よりも高くなり（基板２１１４から離れた位置にあり）、その底面がｎ型半導体層２１０２の上面よりも低くなる（基板２１１４に近い位置にある）ように形成される。
尚、本明細書においては、コアがｎ型半導体層の側面又は吸収層の側面に接続するとは、コアがバッファ層を介してｎ型半導体層の側面又は吸収層の側面に接続する場合も含むものとする。
また、ｎ型半導体層２１０２は、その屈折率がコア２１１２の屈折率よりも高く、吸収層２１０３の屈折率よりも低くなるように形成される。すなわち、ｎ型半導体層２１０２は、そのバンドギャップ波長がコア２１１２のバンドギャップ波長より長く、吸収層２１０３よりのバンドギャップ波長より短くなるように形成される。ｎ型半導体層２１０２は信号光に対する吸収率が十分小さくなるような組成を有するように形成される。
さらに、図２１に示したように、コア２１１２は、その上面がｎ型半導体層２１０２の上面よりも高くなり（基板２１１４から離れた位置にあり）、吸収層２１０３の上面よりも低くなる（基板２１１４に近い位置にある）ように形成されている。コア２１１２の底面は、ｎ型半導体層２１０２の底面よりも高く（基板２１１４から離れた位置にあり）、かつ、ｎ型半導体層２１０２の上面よりも低くなる（基板２１１２に近い位置にある）。バッファ層２１１５の底面はｎ型半導体層２１１２の底面と一致している。図２１に示した構造は、例えば、コア２１１２とバッファ層２１１５からなる積層体の厚さをｎ型半導体層２１０２の厚さよりも大きくすることにより、形成することができる。
但し、ｎ型半導体層２１０２の厚さがコア２１１２の厚さの半分以上となるようにするのが好ましい。すなわち、コア２１１２のうち、吸収層２１０３と接続する部分の厚さが、コア２１１２全体の厚さの半分以下となるようにするのが好ましい。光検出部２１０１における光吸収が、信号光の吸収層２１０３への直接入射よりも、ｎ型半導体層２１０２からの吸収層２１０３の染み出しによって支配的に行われるようにし、光検出部２１０１の端部近傍におけるフォトキャリア密度の値が過度に大きくならないようにするためである。詳細については、第３実施例において述べたとおりである。
図２１に示したように、受光素子２１００では、信号光は導波路部２１１１においてコア２１１２を伝播し、光検出部２１０１において、その大部分がｎ型半導体層２１０２に入射し、残りの部分が吸収層２１０３に直接入射する。ｎ型半導体層２１０２及び吸収層２１０３は、コア２１１２から、コア２１１２の延在方向より信号光を受光する。ｎ型半導体層２１０２に入射した信号光の一部は、ｎ型半導体層２１０２から吸収層２１０３に染み出しており、吸収層２１０３において吸収される。吸収層２１０３に入射した信号光はそのまま吸収層２１０３の、信号光が入射する端部の近傍の領域において吸収される。
光検出部２１０１では、図１９に示した受光素子１９００の光検出部１９０１と同様に、信号光が入射するｎ型半導体層２１０２と信号光の吸収が起こる吸収層２１０３の間に、半導体層１０２が形成されていない。このため、信号光の大部分がｎ型半導体層２１０２に入射するとすぐに、吸収層２１０３まで信号光が染み出し、入射後すぐに信号光の吸収が始まる。このため、光検出部２１０１では、十分な光吸収効率を確保しながら、ＰＤ長を、受光素子１００の光検出部１０１のＰＤ長よりも短くすることができる。
また、光検出部２１０１のＰＤ長を短くできることから、光検出部２１０１に生じる静電容量を低減することができる。それによって、受光素子２１００は、高周波数帯域においても後段の電気回路に十分な信号レベルを有する検出信号を供給することができる。これにより、後段の電気回路は高周波数帯域においても入力信号の処理をすることができる。
加えて、受光素子２１００では、受光素子１９００の光検出部１９０１と同様に、信号光の一部が吸収層２１０３に直接入射する。入射した信号光の吸収は吸収層２１０３の、信号光が入射する端部の近傍の領域において生じるので、光検出部２１０１の端部近傍において、フォトキャリア密度の値を増加させることができる。これにより、受光素子２１００では、図７に示した受光素子６００の光検出部６０１と比べて、光検出部２１０１における光吸収効率をさらに向上させることができる。従って、受光素子２１００では、受光素子６００と比べて、ＰＤ長を長くすることなく、より低い強度を有する信号光の検出にも対応することができる。
また、受光素子２１００では、光吸収効率がさらに向上することから、光検出部２１０１のＰＤ長を、受光素子６００よりもさらに短くすることも可能である。ＰＤ長をさらに短くした場合は、光検出部２１０１に生じる静電容量をさらに低減することができる。それによって、受光素子２１００は、更なる高周波数帯域においても後段の電気回路に十分な信号レベルを有する検出信号を供給することができる。これにより、後段の電気回路は高周波数帯域においても入力信号の処理をすることができる。
一方、受光素子２１００においては、図４に示した受光素子３００の光検出部３０１とは異なり、吸収層２１０３に直接入射するのは信号光の一部のみである。このため、信号光が入射する光検出部２１０１の端部近傍においても、フォトキャリア密度の値が過度に大きくなることはない。このため、光検出部２１０１では、入力される信号光の強度が高い高強度光入力の場合であっても、フォトキャリアの密度が局所的に過剰に高くなるのを防止することができる。これにより、受光素子２１００では、高強度信号光に対する検出応答特性の劣化を抑えることができる。
以上説明したように、第４実施例に係る受光素子２１００においても、第３実施例に係る受光素子１９００の場合と同様に、光検出部２１０１における光吸収効率を向上させつつ、高周波数帯域においても後段の電気回路に十分な信号レベルを有する検出信号を供給することができる。受光素子２１００はさらに、入力信号光の強度が高い高強度光入力に対応した出力動作を行うことができる。
さらに、第４実施例に係る受光素子２１００は、第１実施例に係る受光素子６００と比べて、光吸収効率をさらに向上させることができる。これにより、受光素子２１００は、ＰＤ長を長くすることなく、より低い強度を有する信号光の検出にも対応することができる。あるいは、受光素子２１００は、更なる高周波数帯域においても後段の電気回路に十分な信号レベルを有する検出信号を供給することができる。
尚、第４実施例に係る受光素子２１００の構造の具体例としては、第３実施例に係る受光素子１９００の場合と同様に、第１実施例に係る受光素子６００の構造の具体例として説明した構成を用いることができる。但し、バッファ層としては、例えば厚さ０．１μｍのＩｎＰ層を形成する。また、コア２１１２とバッファ層２１１５からなる積層体は、その厚さがｎ型半導体層２１０２の厚さよりも大きくなるように形成される。
また、受光素子２１００の製造方法についても、第３実施例に係る受光素子１９００の場合と同様に、受光素子６００の製造方法として説明した方法を用いることができる。但し、図１４に示した除去工程の後、かつ、図１５に示した堆積工程の前に、ＩｎＰ膜を０．１μｍ堆積させる工程が追加される。
［５．第５実施例］
図２２は、本発明の第５実施例に係る光受信器２２００の構成の一例を示す図である。
図２２に示した光受信器２２００は、ＱＰＳＫ（Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ Ｐｈａｓｅ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ）変調の信号を復調するための光コヒーレントレシーバの一例を示すものである。光受信器２２００は位相変調の信号光を強度変調の信号光に変換する光ハイブリッド導波路と、フォトダイオード（ＰＤ）を同一の基板上に集積した導波路集積型の光受信器として、小型化や組立コストの削減の観点から有望である。
図２２に示したように、光受信器２２００は、光検出部２２０１、接続導波路部２２０２、光ハイブリッド導波路部２２０３及び入力導波路部２２０４を含む。光検出部２２０１は、４つのフォトダイオード（ＰＤ）素子２２０５〜２２０８を含む。接続導波路部２２０５は４つの接続導波路２２０９〜２２１２を含む。光ハイブリッド導波路部２２０３は、２つの入力と４つの出力を有する９０度光ハイブリッド導波路２２１３を含む。入力導波路部２２０３は２つの入力導波路２２１４、２２１５を含む。
入力導波路部２２０３の２つの入力導波路２２１４、２２１５は、９０度光ハイブリッド導波路２２１３の２つの入力に接続される。接続導波路部２２０５の４つの接続導波路２２０９〜２２１２は、９０度光ハイブリッド導波路２２１３の４つの出力に接続される。また、４つの接続導波路２２０９〜２２１２は、光検出部２２０１の対応するＰＤ素子２２０５〜２２０８にそれぞれ接続される。
光受信器２２００において、ＰＤ素子２２０５及び接続導波路２２０９の部分には、図７、図１８、図１９及び図２１に示した第１から第４実施例の受光素子６００、１８００、１９００及び２１００のいずれかの光検出部及び導波路部を用いることができる。残りのＰＤ素子２２０６及び接続導波路２２１２、ＰＤ素子２２０７及び接続導波路２２１０、及びＰＤ素子２２０８及び接続導波路２２１１の部分についても同様である。また、光ハイブリッド導波路部２２０３及び入力導波路部２２０４は、接続導波路部２２０２と同様の層構造を有するものとして、光検出部２２０１及び接続導波路部２２０２と同一の基板上に形成される。
ここで、光受信器２２００の動作について説明する。入力導波路２２１４にはＱＰＳＫ変調の信号光が入射され、入力導波路２２１５には参照光として、ローカルオシレータ（Ｌｏｃａｌ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ、以下ＬＯと称する。）光が入射される。９０度光ハイブリッド導波路２２１３は、入力導波路２２１４及び２２１５を介して信号光及びＬＯ光を受けとる。９０度光ハイブリッド導波路２２１３は、ＬＯ光と信号光とを干渉させることによりＱＰＳＫ変調の信号光を復調し、互いに位相が１８０°ずれたＩチャネル信号光を生成するとともに、互いに位相が１８０°ずれたＱチャネル信号光を生成する。９０度光ハイブリッド導波路２２１３は、接続導波路２２０９及び２２１０に相補のＩチャネル信号光を出力するとともに、接続導波路２２１１及び２２１２に相補のＱチャネル信号光を出力する。
ＰＤ素子２２０５及び２２０６はそれぞれ、接続導波路２２０９及び２２１０を介して９０度光ハイブリッド導波路２２１３から相補のＩチャネル信号光を受けとる。ＰＤ素子２２０５及び２２０６はそれぞれ、受けとったＩチャネル信号光を電気信号として検出して、Ｉチャネル信号（電気信号）を生成する。ＰＤ素子２２０７及び２２０８はそれぞれ、接続導波路２２１０及び２２１１を介して９０度光ハイブリッド導波路２２１３から相補のＱチャネル信号光を受けとる。ＰＤ素子２２０７及び２２０８はそれぞれ、受けとったＱチャネル信号光を電気信号として検出して、Ｑチャネル信号（電気信号）を生成する。
尚、上述の光ハイブリッド導波路２２１３には、一例として、４つの入力と４つの出力を有する４×４多モード干渉（Ｍｕｌｔｉ Ｍｏｄｅ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ、以下ＭＭＩと称する。）導波路を用いることができる。この場合、入力導波路２２３１４、２２１５が４×４ＭＭＩ導波路の２つの入力に接続される。接続導波路２２０９〜２２１２は４×４ＭＭＩ導波路の４つの出力に接続される。
第５実施例に係る光受信器２２００においては、第１〜第４実施例に係る受光素子６００、１８００、１９００及び２１００の場合と同様に、光検出部において光吸収効率を向上させつつ、高周波数帯域においても後段の電気回路に、光検出部において生成されたＩチャネル信号及びＱチャネル信号を十分な信号レベルを有する状態で供給することができる。
光受信器２２００ではさらに、入力信号光の強度が高い高強度光入力に対応した出力動作を行うことができる。そのため、例えば、９０度光ハイブリッド導波路２２１３において、位相変調の信号光を強度変調の信号光（相補Ｉチャネル信号光、相補Ｑチャネル信号光）に変換して復調を行うときに、ＬＯ光の強度を上げて変換後の信号光の強度を増加させた場合であっても、ＰＤ素子２２０５〜２２０８において、入力される高強度信号光に対する検出応答特性の劣化を抑えることができる。
また、光検出部２２０１に含まれる４つのＰＤ素子２２０５〜２２０８においては、それぞれ対応するｎ型半導体層が独立して形成される。これにより、各ＰＤ素子間において、ｐ側電極だけでなくｎ側電極も電気的に分離させて形成することができ、各ＰＤ間の電気的な分離を十分にとることができる。従って、各ＰＤ素子間において不要なクロストークが発生するのを防止することができるので、光受信器２２００では、エラーの少ない信号光の受信が可能となる。
尚、上記の第５実施例では、導波路集積型の光受信器として光コヒーレントレシーバの例を示したが、これには限定されない。ＰＤと導波路が集積されている素子であればよく、そのような素子には第１〜第４実施例の受光素子を適用することができる。
［６．第６実施例］
図２３は、本発明の第６実施例に係る光受信モジュール２３００の構成の一例を示す図である。
図２３に示した光受信モジュール２３００は、ＤＰ−ＱＰＳＫ（Ｄｕａｌ Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ−Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ Ｐｈａｓｅ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ）変調の信号を復調するための光コヒーレントレシーバモジュールの一例を示すものである。
図２３に示したように、光受信モジュール２３００は、光コヒーレントレシーバ２３０１、２３０２、トランスインピーダンス増幅器（Ｔｒａｎｓｉｍｐｅｄａｎｃｅ ａｍｐｌｉｆｉｅ、以下ＴＩＡと称する。）２３０３〜２３０６、偏光分離素子（Ｐｏｌａｒｉｚｉｎｇ Ｂｅａｍ Ｓｐｌｉｔｔｅｒ、以下ＰＢＳを称する。）２３０７、２３０８、レンズ２３０９〜２３１４、及びミラー２３１５、２３１６を含む。また、光受信モジュール２３００には、光ファイバケーブル２３１７、２３１８が接続される。
光受信モジュール２３００は、光ファイバケーブル２３１７を介してＤＰ−ＱＰＳＫ変調の信号光を受けとるとともに、光ファイバケーブル２３１８を介してＬＯ光を参照光として受けとる。ＤＰ−ＱＰＳＫ変調の信号光は互いに直交した異なる偏光方向を有する２つの信号光を含み、２つの信号光はそれぞれ異なる信号を伝送している。
ＤＰ−ＱＰＳＫ変調の信号光はレンズ２２０９を介してＰＢＳ２３０７に入射し、ＰＢＳ２３０７によって異なる偏光方向を有する２つの信号光に分離される。分離された２つの信号光の一方はレンズ２３１１を介して光コヒーレントレシーバ２３０１に入射し、他方はミラー２３１５及びレンズ２３１３を介して光コヒーレントレシーバ２３０２に入射する。ＬＯ光も同様にして、光コヒーレントレシーバ２３０１及び２３０２の各々に供給される。
光コヒーレントレシーバ２３０１及び２３０２にはそれぞれ、図２２に示した第５実施例の光受信器２２００を用いることができる。光コヒーレントレシーバ２３０１及び２３０２はそれぞれ、ＱＰＳＫ変調の信号光とＬＯ光を受けとり、ＬＯ光と信号光とを干渉させることにより、ＱＰＳＫ変調の信号光を復調する。
光コヒーレントレシーバ２３０１は復調によって得られた相補のＩチャネル信号光を相補の電気信号（Ｉチャネル信号）として検出する。光コヒーレントレシーバ２３０１は復調によって得られた相補のＱチャネル信号光を相補の電気信号（Ｑチャネル信号）として検出する。光コヒーレントレシーバ２３０１は、検出によって得られた相補のＩチャネル信号（電気信号）をＴＩＡ２３０３に供給するとともに、検出によって得られた相補のＱチャネル信号（電気信号）をＴＩＡ２３０４に供給する。同様に、光コヒーレントレシーバ２３０２は相補のＩチャネル信号をＴＩＡ２３０５に供給し、相補のＱチャネル信号をＴＩＡ２３０６に供給する。
ＴＩＡ２３０３〜２３０６はそれぞれ、相補のＩチャネル信号又は相補のＱチャネル信号を受けとり、その信号レベルを差動増幅する。
第６実施例に係る光受信モジュール２３００においては、第５実施例に係る光受信器２２００の場合と同様に、光コヒーレントレシーバにおいて光吸収効率を向上させつつ、高周波数帯域においてもＴＩＡ２３０３〜０６の各々に、Ｉチャネル信号及びＱチャネル信号を十分な信号レベルを有する状態で供給することができる。
さらに、光受信モジュール２３００では、入力信号光の強度が高い高強度光入力に対応した出力動作を行うことができる。そのため、例えば、各光コヒーレントレシーバにおいて、位相変調の信号光を強度変調の信号光に変換して復調を行うときに、ＬＯ光の強度を上げて変換後の信号光の強度を増加させた場合であっても、入力される高強度信号光に対する検出応答特性の劣化を抑えることができる。
また、光コヒーレントレシーバに含まれる複数のＰＤ素子においては、それぞれ対応するｎ型半導体層が独立して形成される。これにより、各ＰＤ素子間において、ｐ側電極だけでなくｎ側電極を電気的に分離させて形成することができ、各ＰＤ素子間の電気的な分離を十分にとることができる。従って、各ＰＤ素子間において不要なクロストークが発生するのを防止することができるので、光受信モジュール２３００では、エラーの少ない信号光の受信が可能となる。
以上、本発明の例示的な実施形態の受光素子、光受信器及び光受信モジュールについて説明したが、本発明は、具体的に開示された実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。
以上の第１ないし第６実施例を含む実施形態に関し、さらに以下の付記を開示する。
（付記１）
信号光を伝播させるコアと、
前記コアから、前記コアの延在方向より前記信号光を受光する第１導電型の第１半導体層と、
前記第１半導体層が受光した前記信号光を吸収する吸収層と、
前記第１導電型と反対の第２導電型を有する第２半導体層と、
を有することを特徴とする受光素子。
（付記２）
前記コアと前記第１半導体層は前記コアの延在方向に沿って隣接するように接続されていることを特徴とする付記１記載の受光素子。
（付記３）
前記コアの上面は、前記第１半導体層の底面よりも、前記基板から離れた位置にあり、前記コアの底面は、前記第１半導体層の上面よりも、前記基板に近い位置にあることを特徴とする付記１又は２記載の受光素子。
（付記４）
前記吸収層の屈折率は、前記第１半導体層の屈折率よりも高いことを特徴とする付記１ないし３のいずれか一つ記載の受光素子。
（付記５）
前記第１半導体層の屈折率は、前記コアの屈折率よりも高いことを特徴とする付記１ないし４のいずれか一つに記載の受光素子。
（付記６）
前記コアの上面は、前記第１半導体層の上面よりも、前記基板に近い位置にあることを特徴とする付記１ないし５のいずれか一つ記載の受光素子。
（付記７）
前記コアの厚さは、前記第１半導体層の厚さより小さいことを特徴とする付記６記載の受光素子。
（付記８）
前記コアの上面は、前記第１半導体層の上面よりも、前記基板から離れた位置にあり、かつ、前記吸収層の上面よりも前記基板に近い位置にあることを特徴とする付記１ないし５のいずれか一つ記載の受光素子。
（付記９）
前記第１半導体層の厚さは、前記コアの厚さの半分以上であることを特徴とする付記８記載の受光素子。
（付記１０）
前記コアの底面は、前記第１半導体層の底面よりも、前記基板から離れた位置にあり、かつ、前記第１の半導体層の上面よりも、前記基板に近い位置にあることを特徴とする付記１ないし５のいずれか一つに記載の受光素子。
（付記１１）
前記コアと前記基板の間にバッファ層をさらに有することを特徴とする付記１０記載の受光素子。
（付記１２）
前記第１半導体層の厚さは、前記コアの厚さの半分以上であることを特徴とする付記１０記載の受光素子。
（付記１３）
前記第１半導体層、前記吸収層及び前記第２半導体層はＰＩＮ型のフォトダイオードを構成することを特徴とする付記１ないし１３のいずれか一つ記載の受光素子。
（付記１４）
前記コアと前記第１半導体層は、同一基板上に設けられていることを特徴とする付記１ないし１３のいずれか一つ記載の受光素子。
（付記１５）
前記コアの上に形成された第３半導体層をさらに含むことを特徴とする付記１ないし１４のいずれか一つ記載の受光素子。
（付記１６）
基板の第１領域に設けられ、複数の入射光を伝播させる第１導波路部と、
前記基板の第２領域に設けられ、前記複数の入射光が入射され、前記複数の入射光に基づいて複数の出射光を生成する第２導波路部と、
前記基板の第３領域に設けられ、前記複数の出射光を伝搬させる複数の導波路を含む第３導波路部と、
前記基板の第４領域に設けられ、前記複数の導波路より前記複数の出射光が入射される複数の光検出素子を含む光検出部と
を有する光受信器であって、
前記複数の導波路の各々は、
対応する前記出射光を伝播させるコアを含み、
前記複数の光検出素子の各々は、
対応する前記コアから、対応する前記コアの延在方向より前記信号光を受光する第１導電型の第１半導体層と、
前記第１半導体層が受光した前記信号光を吸収する吸収層と、
前記第１導電型と反対の第２導電型を有する第２半導体層と、
を含むことを特徴とする光受信器。
（付記１７）
前記複数の入射光は信号光と参照光を含み、
前記第２導波路部は、前記信号光と前記参照光を干渉させることにより、前記複数の出射光を生成する多モード干渉導波路を含むことを特徴とする付記１６記載の光受信器。
（付記１８）
複数の入射光が入射され、前記複数の入射光を検出して前記複数の入射光に応じた複数の電気信号を出力する複数の光受信器と、
前記複数の電気信号が入力され、前記複数の電気信号を増幅する複数の増幅器と
を有する光受信モジュールであって、
前記複数の光受信器の各々は、
基板の第１領域に形成され、前記複数の入射光を伝播させる第１導波路部と、
前記基板の第２領域に形成され、前記複数の入射光が入射され、前記複数の入射光に基づいて複数の出射光を生成する第２導波路部と、
前記基板の第３領域に形成され、前記複数の出射光を伝搬させる複数の導波路を含む第３導波路部と、
前記基板の第４領域に形成され、前記複数の導波路より前記複数の出射光が入射される複数の光検出素子を含む光検出部と
を有し、
前記複数の導波路の各々は、
対応する前記出射光を伝播させるコアを含み、
前記複数の光検出素子の各々は、
対応する前記コアから、対応する前記コアの延在方向より前記出射光を受光する第１導電型の第１半導体層と、
前記第１半導体層が受光した前記出射光を吸収する吸収層と、
前記第１導電型と反対の第２導電型を有する第２半導体層と
を含むことを特徴とする光受信モジュール。
１００ 受光素子
１０１ 光検出部
１０２ 半導体層
１０３ 吸収層
１０４ 上部クラッド層
１０５ ｐ型コンタクト層
１１１ 導波路部
１１２ コア
１１３ 凸部
１１４ 基板
３００ 受光素子
３０１ 光検出部
３０２ ｎ型半導体層
３０３ 吸収層
３０４ 上部クラッド層
３０５ ｐ型コンタクト層
３１１ 導波路部
３１２ コア
３１３ 上部クラッド層
３１４ 基板
６００ 受光素子
６０１ 光検出部
６０２ ｎ型半導体層
６０３ ｉ型吸収層
６０４ ｐ型上部クラッド層
６０５ ｐ型コンタクト層
６１１ 導波路部
６１２ コア
６１３ 上部クラッド層
６１４ 基板
１０００ 受光素子
１００１ 光検出部
１００２ ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ半導体層
１００３ ｉ−ＩｎＧａＡｓ吸収層
１００４ ｐ−ＩｎＰクラッド層
１００５ ｐ型コンタクト層
１０１１ 導波路部
１０１２ ｉ−ＩｎＧａＡｓＰコア層
１０１３ ｉ−ＩｎＰクラッド層
１０１４ ＳＩ−ＩｎＰ基板
１０１５ ｐ側電極
１０１６ ｎ側電極
１０１７ パッシベーション膜
１３０１ ＳＩ−ＩｎＰ基板
１３０２ ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ膜
１３０３ ｉ−ＩｎＧａＡｓ膜
１３０４ ｐ−ＩｎＰ膜
１３０５ ｐ−ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ積層膜
１４０１ マスク
１５０１ ｉ−ＩｎＧａＡｓＰ膜
１５０２ ｉ−ＩｎＰ膜１５０２
１８００ 受光素子
１８０１ 光検出部
１８０２ ｎ型半導体層
１８０３ ｉ型吸収層
１８０４ ｐ型上部クラッド層
１８０５ ｐ型コンタクト層
１８１１ 導波路部
１８１２ コア
１８１３ 上部クラッド層
１８１４ 基板
１９００ 受光素子
１９０１ 光検出部
１９０２ ｎ型半導体層
１９０３ ｉ型吸収層
１９０４ ｐ型上部クラッド層
１９０５ ｐ型コンタクト層
１９１１ 導波路部
１９１２ コア
１９１３ 上部クラッド層
１９１４ 基板
２１００ 受光素子
２１０１ 光検出部
２１０２ ｎ型半導体層
２１０３ ｉ型吸収層
２１０４ ｐ型上部クラッド層
２１０５ ｐ型コンタクト層
２１１１ 導波路部
２１１２ コア
２１１３ 上部クラッド層
２１１４ 基板
２２００ 光受信器
２２０１ 光検出部
２２０２ ＰＤ接続導波路部
２２０３ ＭＭＩ導波路部
２２０４ 入力導波路部
２２０５〜２２０８ フォトダイオード（ＰＤ）素子
２２０９〜２２１２ 接続導波路
２２１３ ４×４ＭＭＩ導波路
２２１４、２２１５ 入力導波路
２３００ 光受信モジュール
２３０１、２３０２ 光コヒーレントレシーバ
２３０３〜２３０６ トランスインピーダンス増幅器（ＴＩＡ）
２３０７、２３０８ 偏光分離素子（ＰＢＳ）、
２３０９〜２３１４ レンズ
２３１５、２３１６ ミラー
２３１７、２３１８ 光ファイバケーブル

Claims (10)

  1. 信号光を伝播させるコアと、
    前記コアから、前記コアの延在方向より前記信号光を受光する第１導電型の第１半導体層と、
    前記第１半導体層が受光した前記信号光を吸収する吸収層と、
    前記第１導電型と反対の第２導電型を有する第２半導体層と、
    を有することを特徴とする受光素子。
  2. 前記コアと前記第１半導体層は前記コアの延在方向に沿って隣接するように接続されていることを特徴とする請求項１記載の受光素子。
  3. 前記吸収層の屈折率は、前記第１半導体層の屈折率よりも高いことを特徴とする請求項１又は２記載の受光素子。
  4. 前記コアの上面は、前記第１半導体層の上面よりも、前記基板に近い位置にあることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項記載の受光素子。
  5. 前記コアの上面は、前記第１半導体層の上面よりも、前記基板から離れた位置にあり、かつ、前記吸収層の上面よりも前記基板に近い位置にあることを特徴とすることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項記載の受光素子。
  6. 前記第１半導体層の厚さは、前記コアの厚さの半分以上であることを特徴とする請求項５記載の受光素子。
  7. 前記コアの底面は、前記第１半導体層の底面よりも、前記基板から離れた位置にあり、かつ、前記第１の半導体層の上面よりも、前記基板に近い位置にあることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項記載の受光素子。
  8. 前記コアと前記基板の間にバッファ層をさらに有することを特徴とする請求項７記載の受光素子。
  9. 基板の第１領域に設けられ、複数の入射光を伝播させる第１導波路部と、
    前記基板の第２領域に設けられ、前記複数の入射光が入射され、前記複数の入射光に基づいて複数の出射光を生成する第２導波路部と、
    前記基板の第３領域に設けられ、前記複数の出射光を伝搬させる複数の導波路を含む第３導波路部と、
    前記基板の第４領域に設けられ、それぞれ、前記複数の導波路より前記複数の出射光が入射される複数の光検出素子を含む光検出部と
    を有する光受信器であって、
    前記複数の導波路の各々は、
    対応する前記出射光を伝播させるコアを含み、
    前記複数の光検出素子の各々は、
    対応する前記コアから、前記コアの延在方向より前記信号光を受光する第１導電型の第１半導体層と、
    前記第１半導体層が受光した前記出射光を吸収する吸収層と、
    前記第１導電型と反対の第２導電型を有する第２半導体層と
    を含むことを特徴とする光受信器。
  10. 複数の入射光が入射され、前記複数の入射光を検出して前記複数の入射光に応じた複数の電気信号を出力する複数の光受信器と、
    前記複数の電気信号が入力され、前記複数の電気信号を増幅する複数の増幅器と
    を有する光受信モジュールであって、
    前記複数の光受信器の各々は、
    基板の第１領域に形成され、前記複数の入射光を伝播させる第１導波路部と、
    前記基板の第２領域に形成され、前記複数の入射光が入射され、前記複数の入射光に基づいて複数の出射光を生成する第２導波路部と、
    前記基板の第３領域に形成され、前記複数の出射光を伝搬させる複数の導波路を含む第３導波路部と、
    前記基板の第４領域に形成され、前記複数の導波路より前記複数の出射光が入射される複数の光検出素子を含む光検出部と
    を有し、
    前記複数の導波路の各々は、
    対応する前記出射光を伝播させるコアを含み、
    前記複数の光検出素子の各々は、
    対応する前記コアから、前記コアの延在方向より前記出射光を受光する第１導電型の第１半導体層と、
    前記第１半導体層が受光した前記出射光を吸収する吸収層と、
    前記第１導電型と反対の第２導電型を有する第２半導体層と
    を含むことを特徴とする光受信モジュール。
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