JP2013161950A - フォトダイオード、波長センサ、波長測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、フォトダイオードへの入射光の光密度を低減しつつ、感度を高めることができるフォトダイオード、波長センサ、波長測定装置を提供することを目的とする。
【解決手段】本願の発明に係るフォトダイオード１０は、基板３０と、該基板３０の上に形成された受光層３６と、該受光層３６の上に形成された半導体層３８と、該半導体層３８に形成された、該半導体層３８に垂直に入射した入射光を回折して該受光層３６を導波する光とする２次の回折格子３８ａと、該受光層３６の端部に形成された、該受光層３６を導波する光を反射する反射膜１６，１８と、を備えたことを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、例えば通信システムなどに用いられるフォトダイオード、波長センサ、及び波長測定装置に関する。

特許文献１には、回折格子を有するフォトダイオードが開示されている。このフォトダイオードは、回折格子を用いてフォトダイオードへの入射光の光密度を低減させる。そして、光密度の低下した入射光が光吸収層に吸収される。

特開平４−２６１０７２号公報

フォトダイオードへの入射光の光密度を低減させることは、フォトダイオードの結晶の劣化防止に有効である。また、フォトダイオードの感度を高めることも重要である。そのため、フォトダイオードへの入射光の光密度を低減しつつ、感度を高めることが要求される。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、入射光の光密度を低減しつつ、感度を高めることができるフォトダイオード、波長センサ、波長測定装置を提供することを目的とする。

本願の発明に係るフォトダイオードは、基板と、該基板の上に形成された受光層と、該受光層の上に形成された半導体層と、該半導体層に形成された、該半導体層に垂直に入射した入射光を回折して該受光層を導波する光とする２次の回折格子と、該受光層の端部に形成された、該受光層を導波する光を反射する反射膜と、を備えたことを特徴とする。

本願の発明に係る波長センサは、上述のフォトダイオードを備える。

本願の発明に係る波長測定装置は、上述のフォトダイオードを備える。

本発明によれば、フォトダイオードへの入射光の光密度を低減しつつ、感度を高めることができる。

本発明の実施の形態１に係るフォトダイオードの平面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ破線における断面図である。 本発明の実施の形態１に係るフォトダイオード１０の動作を示す断面図である。 本発明の実施の形態２に係るフォトダイオードの平面図である。 本発明の実施の形態３に係るフォトダイオードの断面図である。 図５のフォトダイオードの平面図である。 本発明の実施の形態４に係るフォトダイオードの断面図である。 本発明の実施の形態５に係る波長センサのブロック図である。 比較例の波長センサを示すブロック図である。 本発明の実施の形態６に係る波長測定装置のブロック図である。 本発明の実施の形態７に係るフォトダイオードの断面図である。 図１１のフォトダイオードの平面図である。 本発明の実施の形態８に係るフォトダイオードを示す断面図である。 図１３のフォトダイオードの平面図である。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係るフォトダイオードの平面図である。フォトダイオード１０は、電極層１２を備えている。電極層１２は中央に開口１２ａを有している。開口１２ａには上クラッド層１４が露出している。フォトダイオード１０の一端には反射膜１６が形成され、他端には反射膜１８が形成されている。

図２は、図１のＩＩ−ＩＩ破線における断面図である。フォトダイオード１０は、ＩｎＰで形成された基板３０を備えている。基板の裏面には電極層３１が形成されている。基板３０の上には、多重反射層３２が形成されている。多重反射層３２の上には下クラッド層３４が形成されている。下クラッド層３４の上には受光層３６が形成されている。受光層３６の上にはガイド層３８が形成されている。ガイド層３８には２次の回折格子３８ａが形成されている。２次の回折格子３８ａはガイド層３８に垂直に入射した入射光を回折して受光層３６を導波する光とするものである。

ガイド層３８の上には上クラッド層１４が形成されている。上クラッド層１４の上には開口１２ａを有する電極層１２が形成されている。前述の２次の回折格子３８ａは開口１２ａの直下に形成されている。受光層３６の端部に、反射膜１６、１８が形成されている。反射膜１６、１８は受光層３６を導波する光を全反射するものである。

次いで、フォトダイオード１０の製造方法を説明する。基板３０の上に多重反射層３２、下クラッド層３４、受光層３６、及びガイド層３８を成長する。次いでガイド層３８に２次の回折格子３８ａを形成する。その後、ＩｎＰを材料とする上クラッド層１４で２次の回折格子３８ａを埋め込む。上クラッド層１４をＩｎＰで形成しない場合は、上クラッド層の上にコンタクト層を形成する。その後、電極層１２、３１及び反射膜１６、１８を形成する。

図３は、本発明の実施の形態１に係るフォトダイオード１０の動作を示す断面図である。図３における矢印は光の進む方向を示す。開口１２ａから上クラッド層１４を経由し、ガイド層３８に垂直に入射した入射光は、２次の回折格子３８ａにより回折される。回折された光は受光層３６を導波する光となる。受光層３６を導波する光は受光層３６で吸収され電子とホールをつくる。電極層１２、３１に逆バイアスをかけることで、電流を取り出す。受光層３６の端面に至った光は、反射膜１６、１８によって反射されて受光層３６に吸収される。

ところで、高い光密度の入射光が結晶（ガイド層３８、受光層３６、下クラッド層３４）へ入射すると、入射光及び電流の集中により結晶の一部が高温になり欠陥を生じる場合がある。しかしながら、本発明の実施の形態１に係るフォトダイオード１０によれば、ガイド層３８に垂直に入射した入射光が２次の回折格子３８ａによって回折される。そのため、入射光の光密度を低減し結晶に欠陥が生じることを回避できる。この効果は特に入射光が過入力の場合に有効である。

さらに、入射光は２次の回折格子３８ａにより回折されて受光層３６を導波する光となるので、フォトダイオード１０の感度を高めることができる。また、反射膜１６、１８により受光層３６を導波する光を受光層３６に閉じ込めることは、感度向上に貢献する。このように、本発明の実施の形態１に係るフォトダイオード１０によれば、フォトダイオードへの入射光の光密度を低減しつつ、感度を高めることができる。

２次の回折格子３８ａはガイド層３８以外の層に形成してもよい。すなわち、受光層３６の上に半導体層を形成し、当該半導体層に２次の回折格子を形成すれば上述の効果を得ることができる。また、反射膜１６、１８は光を全反射するものでなくてもよい。反射膜１６、１８の反射率は、フォトダイオード１０に求められる特性を考慮して決めればよい。

必要に応じて、開口１２ａに露出した上クラッド層１４に対しＡＲコート(入射光は透過するが、フォトダイオードの外に向かう出射光は反射するコート膜)を形成してもよい。また、格子整合のために適宜バッファ層を形成してもよい。

実施の形態２．
図４は、本発明の実施の形態２に係るフォトダイオードの平面図である。フォトダイオード５０の特徴は回折格子にあるので、図４では上クラッド層を透明にして回折格子が見えるようにした（以降の平面図も同様である）。以後、実施の形態１に係るフォトダイオードとの相違点を中心に説明する。フォトダイオード５０は２次の回折格子３８ａと２次の回折格子３８ａとは異なる周期で形成された追加回折格子５２を備えている。追加回折格子５２は、２次の回折格子３８ａと同様にガイド層３８に形成されている。追加回折格子５２は、特定の波長に対して２次の回折格子となるように形成されている。

本発明の実施の形態２に係るフォトダイオード５０によれば、周期の異なる２つの回折格子を形成したので、２波長の入射光に対して光密度を低減しつつ感度を高めることができる。ここでは、周期の異なる２つの回折格子を示したが、３以上の回折格子を形成してもよい。なお、本発明の実施の形態２に係るフォトダイオードは少なくとも実施の形態１と同程度の変形は可能である。

実施の形態３．
本発明の実施の形態１、２では、矩形の領域に回折格子を形成したが、回折格子は同心円状に形成してもよい。図５は、本発明の実施の形態３に係るフォトダイオードの断面図である。フォトダイオード７０のガイド層７２には２次の回折格子７２ａが形成されている。２次の回折格子７２ａは同心円状に形成されている。図６は、図５のフォトダイオードの平面図である。反射膜７４は、円形に形成されたガイド層７２などを取り巻くように円形に形成されている。

実施の形態４．
図７は、本発明の実施の形態４に係るフォトダイオードの断面図である。実施の形態１に係るフォトダイオードとの相違点を中心に説明する。フォトダイオード１５０は、受光層３６の下層に回折格子を備えたことを特徴とする。多重反射層３２と受光層３６の間には回折格子１５２ａを有する層１５２が形成されている。回折格子１５２ａの周期は２次の回折格子３８ａの周期と同じである。

このように受光層３６の下に回折格子を形成すると、多重反射層３２で反射した光が受光層３６を導波する光となるように回折することができる。よって、本発明の効果を高めることができる。

回折格子１５２ａの周期は２次の回折格子３８ａの周期と一致させなくてもよい。回折格子１５２ａの周期が２次の回折格子３８ａの周期と異なっていても、入射光を分散させる効果を得ることができる。なお、本発明の実施の形態４に係るフォトダイオードは少なくとも実施の形態１と同程度の変形は可能である。

実施の形態５．
図８は、本発明の実施の形態５に係る波長センサのブロック図である。まず、波長センサ２００の入射光学系２０２に光が入射する。入射した光は、光ファイバー２０４、及びスリット２０６を経由してフォトダイオード１０に入射する。フォトダイオード１０は、実施の形態１で説明したフォトダイオード１０である。スリット２０６とフォトダイオード１０で分光器２０８を構成している。

ここで、波長センサ２００の理解を容易にするために比較例について説明する。図９は、比較例の波長センサを示すブロック図である。比較例の波長センサ２５０は、分光器２５２を有している。分光器２５２は、折返し平面鏡２５４、グレーティング２５６、及びラインセンサ２５８を有している。比較例の場合は、グレーティング２５６を用いて分光するので分光器２５２が大型になる。

ところが、波長センサ２００にフォトダイオード１０を組み込むことで、構成を簡素にしつつ、感度を高めた波長センサを製造できる。分光器２０８で用いるフォトダイオードとしては、実施の形態１に係るフォトダイオード１０のみならず実施の形態２−４に係るフォトダイオード、又は実施の形態１−４に係るフォトダイオードの特徴を組み合わせたフォトダイオードを用いてもよい。例えば、周期の異なる回折格子を有するフォトダイオードを波長センサに採用することができる。

実施の形態６．
図１０は、本発明の実施の形態６に係る波長測定装置のブロック図である。波長測定装置３００は、レーザダイオード３０２を有している。レーザダイオード３０２から出射した光は、入射光学系２０２、光ファイバー２０４、スリット２０６を経由して実施の形態１に係るフォトダイオード１０に入射する。スリット２０６とフォトダイオード１０で分光器３０４を構成している。

分光器３０４にフォトダイオード１０を用いたため、前述の比較例の分光器２５２よりも構成を簡素にしつつ感度を高めた波長測定装置３００を製造できる。また、特定の波長の光のみ素早く測定できる。なお、実施の形態５と同様に、フォトダイオードとしては、実施の形態１に係るフォトダイオード１０のみならず実施の形態２−４に係るフォトダイオード、又は実施の形態１−４に係るフォトダイオードの特徴を組み合わせたフォトダイオードを用いてもよい。

実施の形態７．
図１１は、本発明の実施の形態７に係るフォトダイオードの断面図である。以後、実施の形態１に係るフォトダイオードとの相違点を中心に説明する。フォトダイオード３５０のガイド層３５２には単一モードで発振させるために、λ／４位相シフト回折格子３５２ａが形成されている。回折格子３５２ａは２次の回折格子となる周期で形成されている。図１２は、図１１のフォトダイオードの平面図である。回折格子３５２ａは平面視で円形に形成されている。回折格子３５２ａは直径が１００μｍ程度である。

このようにλ／４位相シフト回折格子３５２ａを形成すると、波長単一性を高めつつ、本発明の効果を得ることができる。また、このλ／４位相シフト回折格子３５２ａを本発明の実施の形態１の構成に適用して波長単一性を高めてもよい。なお、本発明の実施の形態７に係るフォトダイオードは少なくとも実施の形態１と同程度の変形は可能である。

実施の形態８．
図１３は、本発明の実施の形態８に係るフォトダイオードを示す断面図である。フォトダイオード４００は、ガイド層４０２に形成された回折格子４０２ａの周期を途中（中央部）で変更したことを特徴とする。図１４は、図１３のフォトダイオードの平面図である。このように、回折格子を同心円状よりずらして形成してもよい。これにより、異なる周期の回折格子を形成できるので多数の波長を検出できる。

ここまでの全ての実施の形態に係る構成は、適宜組み合わせてもよい。なお、本発明の実施の形態７に係るフォトダイオードは少なくとも実施の形態１と同程度の変形は可能である。

１０ フォトダイオード、 １２ 電極層、 １２ａ 開口、 １４ 上クラッド層、 １６ 反射膜、 １８ 反射膜、 ３０ 基板、 ３１ 電極層、 ３２ 多重反射層、 ３４ 下クラッド層、 ３６ 受光層、 ３８ ガイド層、 ３８ａ 回折格子、 ５０ フォトダイオード、 ５２ 追加回折格子、 ７０ フォトダイオード、 ７２ ガイド層、 ７２ａ 回折格子、 ７４ 反射膜、 １５０ フォトダイオード、 １５２ 回折格子を有する層、 ２００ 波長センサ、 ２０２ 入射光学系、 ２０４ 光ファイバー、 ２０６ スリット、 ２０８ 分光器、 ２５０ 波長センサ、 ２５２ 分光器、 ２５４ 平面鏡、 ２５６ グレーティング、 ２５８ ラインセンサ、 ３００ 波長測定装置、 ３０２ レーザダイオード、 ３０４ 分光器、 ３５０ フォトダイオード、 ３５２ ガイド層、 ３５２ａ 位相シフト回折格子、 ４００ フォトダイオード、 ４０２ ガイド層、 ４０２ａ 回折格子

Claims (8)

1. 基板と、
   前記基板の上に形成された受光層と、
   前記受光層の上に形成された半導体層と、
   前記半導体層に形成された、前記半導体層に垂直に入射した入射光を回折して前記受光層を導波する光とする２次の回折格子と、
   前記受光層の端部に形成された、前記受光層を導波する光を反射する反射膜と、を備えたことを特徴とするフォトダイオード。
2. 前記半導体層の上に形成された、開口を有する電極層を備え、
   前記２次の回折格子は前記開口の直下に形成されたことを特徴とする請求項１に記載のフォトダイオード。
3. 前記反射膜は、前記受光層を導波する光を全反射するように形成されたことを特徴とする請求項１又は２に記載のフォトダイオード。
4. 前記半導体層に形成された、前記２次の回折格子とは異なる周期の追加回折格子を備えたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のフォトダイオード。
5. 前記２次の回折格子は平面視で円形に形成されたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のフォトダイオード。
6. 前記基板と前記受光層の間に形成された多重反射層と、
   前記多重反射層と前記受光層の間に形成された、回折格子を有する層と、を備えたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のフォトダイオード。
7. 請求項１に記載のフォトダイオードを備えた波長センサ。
8. 請求項１に記載のフォトダイオードを備えた波長測定装置。

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