JP2014035486A - 受光デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】フォトダイオードの表面実装において、光路変換による光導波路素子との間で発生する反射戻り光および光結合の偏波依存性を、結合損失を増加させることなく低減させる受光デバイスを提供する。
【解決手段】基板３０３と、基板上に設けられ、コア３０１およびクラッド３０２からなる光導波路と、コアの出射方向と交わり、基板の垂直方向に対してコアよりも深く形成された傾斜面３０４と、傾斜面に被着され、コアからの出射光の少なくとも一部がクラッドの上方に反射されたビームの方向３０９が、基板の垂直方向から傾くように形成された反射膜とを備えた光導波路部品と、クラッドの上面に設けられ、クラッドの上方に反射されたビームを受光する受光素子３０７とを備えた受光デバイス。基板の垂直方向から見て、傾斜面への光導波路の出力方向と傾斜面の法線からなる角度が０度よりも大きい。
【選択図】図３

Description

本発明は、受光デバイスに関し、より詳細には、光導波路部品から出力された光を受光する受光素子を、光導波路部品上に集積した受光デバイスに関する。

近年、光ファイバ伝送の普及に伴い、多数の光機能素子を高密度に集積する技術が求められており、その一つとして、石英系平面光波回路（以下、ＰＬＣ）が知られている。ＰＬＣは低損失、高信頼性、高い設計自由度といった優れた特徴を有する導波路型光デバイスであり、実際に光通信伝送端における伝送装置には合分波器、分岐・結合器等の機能を集積したＰＬＣが搭載されている。また、伝送装置内にはＰＬＣ以外の光デバイスとして、光と電気の信号を変換するフォトダイオード（以下、ＰＤ）や、レーザーダイオードなどの光デバイスも搭載されている。さらなる通信容量の拡大に向けて、光信号処理を行うＰＬＣ等の導波路型光デバイスと光電変換を行うＰＤ等の光デバイスを集積した高機能な光電子集積型デバイスが求められている。このような集積型光デバイスのプラットフォームとしてＰＬＣは有望であり、個別に作製したＰＤチップとＰＬＣチップをハイブリッドに集積した光電子集積型デバイスが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この例では、導波路の一部の領域に４５度ミラーを設け、その導波路上にＰＤを実装することで、光導波路を伝搬する光をミラーで垂直に光路変換し、ＰＤとの光結合を行う方法が採用されている。このようなＰＬＣ上に光結合用ミラーとＰＤを実装する集積型の受光デバイス構造は、デバイスの小型化、および光波回路設計自由度の面で利点がある。このとき、実際にＰＤを実装するためにはＰＬＣ上にＰＤを何らかの方法で接合すると同時に電気的に接続する必要がある。一般的に、裏面入射型の面ＰＤの場合は通信波長の透過性が高い接着剤でＰＤの基板側を接合、ワイヤボンディング等で表面のＰＤ電極と接続し、表面入射型の面ＰＤの場合はＰＬＣ側に設けた電極に対してバンプ接続することで接合を同時に行う。その結果、導波路から出射されたビームはミラーで光路変換された後、クラッドを透過して、ＰＤ基板またはバンプの距離を経た後、ＰＤと光結合する。ビームは導波路からの出射時に回折され、光結合距離が長くなるほどビームが拡がるため、効率的に光結合可能な大口径の低速ＰＤ（〜数ＧＨｚ）をハイブリッド集積した受光デバイスは光強度モニタ用途に限られていた。一方で、高速なＰＤ（〜数十ＧＨｚ）を集積するには小口径（例えば２０μｍ以下）のＰＤ受光部に対し、レンズ等の光学素子で集光する必要がある。その結果、導波路・ＰＤ間の光結合距離が長くなるため、高速な受光デバイスでは小型化が困難になる。このように受光デバイスのハイブリッド集積において小型化と高速化は相反する事項であり、これらを両立することでより高機能化が可能な受光デバイスの実現が課題であった。

この課題に対し、光結合距離を究極まで縮めることで、高速ＰＤへの高効率光結合を可能にする集積技術としてヘテロジニアス集積がある（例えば、非特許文献１、非特許文献２参照）。上記の受光デバイスでは、ＰＬＣ表面上へのＰＤ実装構造として、ＰＤ基板、バンプ等のＰＤ本来の機能以外の部分が含まれており、光結合距離が数百μｍオーダーと、長くなる原因となっていた。レンズ等を用いずに高速ＰＤを集積し、光結合距離を短くするには、ＰＤの機能部分、つまり光半導体のエピタキシャル層からなるＰＤ構造のみがＰＬＣ表面に接合された構造が望ましい。ヘテロジニアス集積技術は異なる材料同士を接合した後、プラットフォーム基板上でデバイスを作製するプロセスから成る異種材料融合集積技術であり、この技術を用いることで上記の構造を実現可能である。具体的には、光半導体エピタキシャル層を形成した基板をフェイスダウンでＰＬＣのオーバークラッド表面に接合し、基板を研磨やエッチング等で除去することで、エピタキシャル層のみがＰＬＣ表面上に接合された状態とする。この状態でフォトリソグラフィーおよびエッチングのような一般的な光半導体加工プロセスでＰＤ構造を形成する工程を経て、基板やバンプを除いた必要な部分のみでＰＤ構造１０６が集積される（図１）。高効率な光結合には、ＰＬＣとエピタキシャル層を薄い層（〜１μｍ）で接合する必要があるため、ダイレクトボンディングや樹脂による接着が用いられる。こうすることで、３０μｍ以下の光結合距離で低損失な光結合を実現できると共に、レンズ等が不要であるため小型化が可能である。また、異種材料を接合し、プラットフォーム基板上で光デバイスを作製するプロセスは、材料的にＰＬＣ自体が本来持たない光半導体の機能を高密度に集積できる。さらに、ハイブリッド集積では集積するそれぞれの光デバイス間で精密な光学実装が必要なのに対し、ヘテロジニアス集積ではフォトリソグラフィプロセスを適用することで、一括で高精度にアライメントでき、高スループットな光デバイスを作製できる。

特開２００５−７０３６５号公報 特開２０１２−４２５１５号公報

Ｋｕｒａｔａ， Ｙｕ； Ｎａｓｕ， Ｙｕｓｕｋｅ； Ｔａｍｕｒａ， Ｍｕｎｅｈｉｓａ； Ｙｏｋｏｙａｍａ， Ｈａｒｕｋｉ； Ｍｕｒａｍｏｔｏ， Ｙｏｓｈｉｆｕｍｉ，" Ｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｏｕｓ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ｈｉｇｈ−Ｓｐｅｅｄ ＩｎＰ ＰＤｓ ｏｎ Ｓｉｌｉｃａ−Ｂａｓｅｄ Ｐｌａｎａｒ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｐｌａｔｆｏｒｍ"， Ｐｒｏｃ． ＥＣＯＣ２０１１， Ｔｈ．１２， ＬＥＳＡＬＥＶＥ．５， （２０１１年） 倉田優生、那須悠介、田村宗久、村本好史、横山春喜"ヘテロジニアス技術による高速ＩｎＰ−ＰＤ集積型石英系ＰＬＣデバイス"， 信ソ会，２０１１， Ｃ−３−３３ （２０１１年）

しかしながら、光結合距離を短くすることで、従来のハイブリッド集積よりも通信用受光デバイスとして好ましくない反射戻り光が発生し易い。これは、導波路から出射されたビームの一部がＰＤ表面等の屈折率界面で反射され、ミラーを介して逆方向にＰＬＣ内へ戻ってくるとき、ビームの一部が導波路に結合することで発生する。上記のヘテロジニアス集積型受光デバイス構造は光結合距離が短く、戻ってくるビーム径が小さいため、その結果、導波路への反射戻り光の結合が増加する。反射戻り光は光信号の伝送品質に大きく影響することから、特に光通信システムに適用する場合、３０ｄＢ以上損失させることが求められる。この反射戻り光を低減する手法として、屈折率界面に対するビームの入射角を８度以上にすることで、戻り光損失を増加させる方法が一般的である。

図２に、基板２０３とミラー面のなす角（ミラー傾斜角θ₂₀₅）が、４５度±８度以上となる受光デバイスの一例を示す。受光デバイスでも、ミラー傾斜角θ₂₀₅を４５度から±８度以上傾けることで同様の効果が得られる。しかし、入射角を大きくするにつれて透過率の偏波依存性が大きくなり、その結果、偏波依存性損失（以下、ＰＤＬ）が増加し、受光特性が損なわれる。このように、ヘテロジニアス集積型受光デバイスでは、高速ＰＤを小型かつ低損失に集積し、高機能な受光デバイスを実現できる一方で、相反する問題である反射戻り光の低減とＰＤＬの低減の両立が課題となっている。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、フォトダイオードの表面実装において、光路変換による光導波路素子と光素子間の光信号入出力に伴い発生する反射戻り光および光結合の偏波依存性を、結合損失を増加させることなく低減させる受光デバイスを提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、基板と、前記基板上に設けられ、コアおよびクラッドからなる光導波路と、前記コアの出射方向と交わり、前記基板の垂直方向に対して前記コアよりも深く形成された傾斜面と、前記傾斜面の少なくとも前記コアの前記出射方向と交わる領域に被着され、前記コアからの出射光の少なくとも一部が前記クラッドの上方に反射されたビームの軸方向が、前記基板の垂直方向から傾くように形成された反射膜とを備えた光導波路部品と、前記クラッドの上面に設けられ、前記クラッドの上方に反射された前記ビームを受光する受光素子とを備えた受光デバイスであって、前記基板の垂直方向から見て、前記傾斜面への前記光導波路の出力方向と前記傾斜面の法線からなる角度が０度よりも大きいことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の受光デバイスであって、前記受光素子は、基板材料が取り除かれた状態で前記クラッドの上面へ接合された光半導体エピタキシャル層により形成され、接着層によって前記クラッド上に接着され、並びに受光径２０μｍ以下の受光部を有し、前記受光素子の受光面が前記反射膜を備えた前記傾斜面を介して、前記光導波路の前記コアと光学的に結合されたときの光強度分布の標準偏差の４倍が前記受光素子の前記受光径以下であることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の受光デバイスであって、前記光導波路部品は、入力された光信号の偏波分離を行う偏波分離回路を含み、前記受光素子は、偏波分離された光信号のＴＥ偏光を受光する第１の受光素子と、偏波分離された光信号のＴＭ偏光を受光する第２の受光素子とを含むことを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の受光デバイスであって、前記基板の水平方向に対する前記傾斜面の角度が４３．５度から４６．５度であり、かつ前記基板の垂直方向から見て、前記傾斜面への前記光導波路の出力方向と前記傾斜面の法線からなる角度が６度から１０度であることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の受光デバイスであって、前記基板の水平方向に対する前記傾斜面の角度が４６．５度から６０度であり、かつ前記基板の垂直方向から見て、前記傾斜面への前記光導波路の出力方向と前記傾斜面の法線からなる角度が６度から１０度であることを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の受光デバイスであって、前記基板の水平方向に対する前記傾斜面の角度が６０度から７８度であり、かつ前記基板の垂直方向から見て、前記傾斜面への前記光導波路の出力方向と前記傾斜面の法線からなる角度が７度から１７度であることを特徴とする。

請求項７に記載の発明は、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の受光デバイスであって、前記基板の水平方向に対する前記傾斜面の角度が６０度から７８度であり、かつ前記基板の垂直方向から見て、前記傾斜面への前記光導波路の出力方向と前記傾斜面の法線からなる角度が０度から４度であることを特徴とする。

請求項８に記載の発明は、請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の受光デバイスであって、前記光導波路がシリコン、あるいは石英系ガラスで形成されていることを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、出力導波路の端部に備えられたミラーを含む光導波路部品上に、出力された光信号の受信用光素子が集積された光デバイスにおいて、光結合効率を保持しながら、ＰＤＬと反射戻り光を簡便に抑制した光デバイスを提供することが可能となる。

従来技術における、光半導体のエピタキシャル層からなるＰＤ構造のみがＰＬＣ表面に接合された構造を示す平面図であり、（ａ）は側面図であり、（ｂ）はコアの出射方向の逆方向から見た正面図である。 従来技術における、ミラー傾斜角を４５度から±８度以上傾けることで反射戻り光損失を増加させる効果が得られることを示す平面図であり、（ａ）は側面図であり、（ｂ）はコアの出射方向の逆方向から見た正面図である。 本発明の基本構成を示す平面図であり、（ａ）は側面図であり、（ｂ）はコアの出射方向の逆方向から見た正面図である。 本発明における、第１の実施形態を示す平面図である。 図５（ａ）は、本発明の第１の実施形態における、受光部の構造を示す平面図であり、図５（ｂ）は側面図である。 本発明の第１の実施形態における、受光デバイスに波長１．５５μｍの光を入力したときのミラー傾斜角に対する戻り光損失を示す図である。 本発明の第１の実施形態における、受光デバイスに波長１．５５μｍの光を入力したときのミラー傾斜角に対する結合損失を示す図である。 本発明の第１の実施形態における、受光デバイスに波長１．５５μｍの光を入力したときのミラー傾斜角に対するＰＤＬを示す図である。 本発明における、第２の実施形態を示す平面図である。 本発明の第２の実施形態における、出力用光導波路に光学的に結合された受光部の構造を示す平面図である。 図１１（ａ）は、本発明の第２の実施形態における、受光部の構造を示す平面図であり、図１１（ｂ）は側面図である。 本発明の第２の実施形態における、受光デバイスに波長１．５５μｍの光を入力したときのミラー傾斜角に対する戻り光損失を示す図である。 本発明の第２の実施形態における、受光デバイスに波長１．５５μｍの光を入力したときのミラー傾斜角に対するＴＥモード受光部での光結合損失を示す図である。 本発明の第２の実施形態における、受光デバイスに波長１．５５μｍの光を入力したときのミラー傾斜角に対するＴＭモード受光部の光結合損失とＰＤＬの計算値を示す図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。

（発明の基本構成）
図３に、本発明の基本構成を示す。本発明の基本構成は、Ｓｉ基板３０３と、光導波路部品であるＰＬＣと、ＰＤとを備える。

ＰＬＣの光導波路は、コア３０１を包含したクラッド３０２とで構成されている。ＰＬＣはＳｉ基板３０３上に形成され、ＰＬＣのコア３０１の出射端部を含むクラッド３０２には傾斜面３０４が形成されている。コア３０１の出射端部にかかる傾斜面３０４には、反射膜が被着されたミラーが形成されている。クラッド３０２の上面には、ＰＤ構造３０６が形成されており、ＰＤ構造３０６は、クラッド３０２とＰＤが接着するための接着面３１０と、２つのＰＤ電極３０８にはさまれたＰＤ受光部３０７とで構成されている。

図３に示される具体的な方法として、Ｓｉ基板３０３の面を基準として、ＰＬＣ面内に作製するミラー傾斜角θ₃₀₅を従来の４５度から０〜２０度程度（実施例における角度の詳細は後述する）傾け、かつ、基板垂直方向から見て、ミラーへの出力導波路とミラー傾斜面３０４の法線からなるミラー入射角φ₃₁₁を従来の０度より大きい角度から４５度程度（実施例における角度の詳細は後述する）まで適切に傾けることで、結合効率を低減させることなく、反射戻り光とＰＤＬの低減を行う。ミラーとなる傾斜面３０４は、基板面３０３に対して導波路のコア３０１よりも深く形成され、導波路の出射方向と交わる領域に反射膜が被着される。これによりクラッド３０２の上方に反射された出射光の方向軸は基板垂直方向から傾き、クラッド表面に形成されたＰＤの受光部３０７に対して斜めに入射する。

以上説明したように、本発明は、光導波路部品中にミラーとなる反射膜が被着された傾斜面を有し、そのミラー傾斜角θ₃₀₅が基板面を基準として４５度程度（実施例における角度の詳細は後述する）から傾いた角度で形成され、かつ、基板垂直方向から見て、ミラーへの出力導波路とミラー面の法線からなる角度をミラー入射角φ₃₁₁とすると、ミラー入射角φ₃₁₁が垂直（０度）から傾いた構造を特徴としている。ミラー入射角φ₃₁₁が０度の場合、ミラー傾斜角θ₃₀₅を４５度程度から傾けていくと、上記の説明のように光結合の偏波依存性により、ＰＤＬが生じる。このとき、導波路を伝搬するＴＭモードとＴＥモードは、それぞれミラー反射面においてｐ波とｓ波に対応し、ＰＤの受光面に対しても、ｐ波とｓ波として入射する。それに対し、ミラー入射角φ₃₁₁を０度から傾けることで、例えばＴＭモードはｓ波とｐ波の両方の成分としてミラー反射面に入射することになり、その結果、ＰＤ受光面に対してもｐ波とｓ波の両方の成分として入射する。ミラー入射角φ₃₁₁を０度から傾けていくと、ｐ波のＴＭモード成分が、はじめは減少してゆき、ある角度で半分となり、さらに減少してゼロになったところで再び増加に転じても元に戻ってゆく。一方、ｐ波のＴＥモード成分においては逆の増減を示し、ＴＭモードが減少するに応じてゼロから増加してゆくため、ｐ波のＴＭモードとＴＥモード成分の和は一定となる。ｓ波では上記のＴＭとＴＥが逆になった挙動を示し、ある角度でｐ波と同じようにＴＭモードとＴＥモード成分の比が１対１になる。ある角度のとき、p波はＴＭモード成分とＴＥモード成分の割合が1対1となり、s波もＴＭモード成分とＴＥモード成分の比率が1対1となる。逆にＴＭモード成分、ＴＥモード成分を構成するp波とs波の割合を考えると、ＴＭモード成分、ＴＥモード成分ともs波とp波の割合は1対1となる。従って、s波とp波の偏波依存性があるが、ＴＭモード成分、ＴＥモード成分はそれぞれを同じだけ含んでいるのでＴＭモード成分、ＴＥモード成分に対する偏波依存性(ＰＤＬ)は生じないことになる。また、含まれるＴＭ／ＴＥモードの比を変えることができるため、ＴＭモードをｓ波、ＴＥモードをｐ波としてＰＤに入射することが可能である。さらにＰＤへの入射時に生じた反射光が再び導波路に結合することで戻り光が発生するが、本発明のようにＰＤへの入射角φ₃₁₁を傾けることで、戻り光と導波路の結合軸と結合角をずらし、戻り光も同時に減少させることができる。

このようにミラー傾斜角およびミラー入射角を適切な角度に設定することで、ＰＤＬと反射戻り光を両方低減することが可能である。一方で、ミラー傾斜角や入射角を従来の値から傾けていくことで光結合距離が長くなり、結合損失が増加する恐れがあるため、従来の値から大きく外れることは望ましくない。したがって、特定のミラー傾斜角および入射角の範囲において、従来構造と同等の結合損失のまま、発明の効果を得ることが可能となる。このようなミラー構造の工夫により、従来の作製工程に制限を加えることなく、簡便に実施可能で、ＰＤＬと反射戻り光を同時に低減した、良好な特性の受光デバイスを提供することが可能となる。

（第１の実施形態）
図４に、本発明における、第１の実施形態を表す平面図を示す。本発明の第１の実施形態にかかる受光デバイスは、入力用光導波路４０１、光回路４０２、および複数の受光部４０４で構成される。

光デバイスにおいて、入力用光導波路４０１に光回路４０２が接続され、複数の受光部４０４と光回路４０２が、複数の出力用光導波路４０３で接続されている。

光回路で光信号処理された光信号は、それぞれ出力用光導波路４０３を介して受光部４０４へ導波され、電気信号へ変換される。受光部の構造は、上記で説明したように、ヘテロジニアス集積により作製されたＰＤと導波路・ＰＤ間光結合のためのミラーで構成される。全体のチップサイズは縦１５ｍｍ、横２０ｍｍ（図４の平面図では、長方形型）である。本発明の効果を検証するため、上記の受光デバイス構成で、結合損失と反射戻り光を抑えつつ、本発明の構造を用いることにより、ＰＤＬを低減する検討を行った。具体的には、ミラー入射角度φを従来の０度から傾けた構造の受光部を設計し、ミラー傾斜角度θ依存性を光結合損失や反射戻り光損失およびＰＤＬの評価を求めた。

はじめに受光デバイスの構造を示す。光導波路部品として、サイズが縦１５ｍｍ、横２０ｍｍで、コア径４．５μｍ、オーバークラッド膜厚１５．５μｍ、コアとクラッドの屈折率差１．５ %の直線導波路（４０１，４０３）がシリコン基板上に形成された石英系ＰＬＣを用いた。光入力はＰＬＣの短辺（１５ｍｍ）側に設けられた導波路から行い、ミラーとなる傾斜面は入力側導波路の反対側に形成する。光回路４０２としてスプリッタが設けられ、光信号はスプリッタで受光部４０４へと４分岐される。

図５に受光部４０４の構造を示す。受光部４０４の構造は、図３の構成と同様、Ｓｉ基板５０３と、光導波路部品であるＰＬＣと、ＰＤとを備える。

石英系ＰＬＣはシリコン基板５０３上に形成され、その光導波路のコア５０１端部には傾斜面５０４が形成されている。傾斜面５０４は、反射膜としてアルミが蒸着されており、コア５０１の傾斜面側から出射されたビームとＰＤ受光部５０７を光結合するための光路変換ミラーとして機能する。形成される傾斜面５０４の角度（ミラー傾斜角θ₅₀₅）は、基板面を基準として５５度に設定した。このとき、基板垂直方向から見て、ミラーへの出力導波路とミラー面の法線からなるミラー入射角φ₅₁₁を４つの受光部でそれぞれ異なった角度で設定し、６度、８度、１０度、１２度とした。コア５０１傾斜面端部の上方にはＰＤ受光部５０７が（受光径１９μｍ）、クラッド５０２上の膜厚０．８μｍ、屈折率１．５５の樹脂からなる接着層５１０を介して接合されている。この石英系ＰＬＣ上のもう一方の短辺（１５ｍｍ）側に形成したＰＤ構造５０６の位置は、上記のミラー角度に対して、最も結合効率の高くなるようにそれぞれ設計した。このとき、ビーム径を光強度分布の標準偏差の４倍とすると、反射されたビーム径はＰＤ受光部において、１０μｍ程度に拡大するが受光径に対して十分小さいため損失は発生しない。しかしながら、光結合距離が３８μｍより長くなるとビーム径が受光径より大きくなるため原理的に損失が発生するため、３８μｍ以下であることが望ましい。このような構成により、コア５０１から出射されたビームは光路変換ミラーにより上方に、基板垂直軸から傾いた角度で反射される。反射されたビームはＰＤ受光部５０７で受光される。

次に上記の構造を作製するプロセスを示す。まず適切な工程により作製した石英系ＰＬＣを用意し、クラッド５０２上にエピタキシャル層５０８付きＩｎＰ基板５１０の表面側を接合する。接合された後、基板５１０を研磨、ウェットエッチングにより除去することでエピタキシャル層５０８のみがＰＬＣ基板上に残る。この状態でエピタキシャル層を、フォトリソグラフィーおよび、エッチングにより加工することでＰＤを作製する。続いてドライエッチングにより深さが導波路より深くなるように傾斜面５０４を形成する（例えば、特許文献２参照）。なお、傾斜面の作製方法が、発明の効果を限定するものではないが、ドライエッチングにより作製することで高精度かつ自由度の高いミラーレイアウトが可能となる。続いて傾斜面に対し、蒸着またはスパッタなどにより金やアルミ等の金属を被着させ反射膜とし、ミラーを形成する。このとき、蒸着源、またはスパッタリングターゲットに対して基板表面を傾斜させることで、傾斜面に反射膜が成膜される。ＰＤおよびミラーの位置は、設定したミラー角度に対して、最も結合効率が高くなるように、エッチングシフト等を考慮して設定する。こうすることでフォトマスクによってＰＤとミラー位置が一意に決まり、ハイブリッド集積のような高精度な位置合わせによる光学実装等が不要となる。

このような受光デバイスに波長１．５５μｍの光を入力したときのミラー傾斜角θ₅₀₅に対する戻り光損失、結合損失、ＰＤＬの関係をそれぞれ図６、図７、図８に示す。図６、図７、図８には、従来のミラー入射角φ₅₁₁＝０度の場合も併せて示す。各材料界面での反射率、透過率、反射角、屈折角を計算し、導波路端から出射されて拡がったビームとＰＤ受光面との結合、および戻り光と導波路との結合を求めた。

図７に示すように、ミラー入射角φ₅₁₁＝１２度を除くと、今回のミラー傾斜角θ₅₀₅が、５５度を含む４５度から６０度の範囲で、各ミラー入射角φ₅₁₁間で結合損失は０．５ｄＢ以下でほぼ一定であることがわかる。

また、図６より、ミラー傾斜角θ₅₀₅を従来の４５度から傾け、４６．５度以上に設定することで反射戻り光損失が増加し、５０ｄＢ以上の十分な損失が取れていることがわかる。

一方、図８より従来のミラー入射角φ₅₁₁＝０度でミラー傾斜角θ₅₀₅を４５度から傾けていくと、ＰＤＬが増加する傾向が見られる。しかし今回の発明のように、ミラー入射角φ₅₁₁を６度から１０度の範囲で適切に設定することで、ミラー傾斜角θ₅₀₅が４６．５度から６０度の範囲でもＰＤＬを０．１ｄＢ以下に低減することが可能となる場合があることがわかる。例えば、今回のミラー傾斜角θ₅₀₅＝５５度では、ミラー入射角φ₅₁₁を傾けていくことでＰＤＬが徐々に低減され、特にミラー入射角φ₅₁₁＝８度に設定することでＰＤＬがほぼゼロになることがわかる。さらに、従来のミラー傾斜角θ₅₀₅＝４５度の場合でも、ミラー入射角φ₅₁₁を傾けることで反射戻り光損失を５０ｄＢ以上に増加することができ、ミラー傾斜角θ₅₀₅が４３．５度から４６．５度の範囲で、ミラー入射角φ₅₁₁を６度から１０度に設定することで、反射戻り光とＰＤＬを低減する本発明の効果が得られる。

このように、ミラー傾斜角θ₅₀₅とミラー入射角φ₅₁₁を適切に設定する今回の発明を用いることで反射戻り光と同時に、ＰＤＬも低減することが可能となり、低損失で良好な特性を持つ高機能な受光デバイスを提供できる。

（第２の実施形態）
図９に、本発明における、第２の実施形態を示し、本発明の第２の実施形態にかかる受光デバイスは入力用光導波路９０１、光回路９０２、出力用光導波路９０３および９０５、受光部９０４および９０６で構成される。

光デバイスにおいて、入力用光導波路９０１に光回路９０２が接続され、第１の受光部９０４と光回路９０２とが、第１の出力用光導波路９０３で接続され、第２の受光部９０６と光回路９０２とが、第２の出力用光導波路９０５で接続されている。

光回路９０２として偏波分離回路が形成され、ＴＥおよびＴＭモードへと偏波分離される。ＴＥモードは第１の出力用光導波路９０３を介して第１の受光部９０４へと導波され、一方、ＴＭモードは第２の出力用光導波路９０５を介して第２の受光部９０６へと導波され、それぞれ電気信号へと変換される。受光部の構造は、上記で説明したヘテロジニアス集積により作製されるＰＤと導波路・ＰＤ間光結合のためのミラーで構成され、全体のチップサイズは縦１９ｍｍ、横１２ｍｍ（図９の平面図では、長方形型）である。本発明の効果を検証するため、上記の受光デバイス構成で、２つの受光部にそれぞれ別のミラー入射角を設定し、反射戻り光を抑えつつ、ＴＥモードおよびＴＭモードの光結合損失を低減させる検討を行った。具体的にはいくつかのミラー傾斜角を設定したそれぞれの受光デバイスにおいてミラー入射角度を０度から傾けた構造の受光部を設計し、反射戻り光損失と、第１の受光部９０４におけるＴＥモードの光結合損失、および第２の受光部９０６におけるＴＭモードの光結合損失を求めた。

はじめに受光デバイスの構造を示す。光導波路部品として、サイズが縦１９ｍｍ、横１２ｍｍで、コア径４．２μｍ、オーバークラッド膜厚１５．５μｍ、コアとクラッドの屈折率差２．５ %の直線導波路（９０１，９０３，９０５）がシリコン基板上に形成された石英系ＰＬＣを用いた。光入力はＰＬＣの長辺（１９ｍｍ）側に設けられた導波路から行い、ミラーとなる傾斜面は入力側導波路の反対側に形成する。光回路として、マッハツェンダー干渉計による偏波分離回路を設けた。マッハツェンダー干渉計の導波路アームにはλ／４波長板が挿入され、偏波間に位相差を設けることで、光信号をＴＥモードとＴＭモードに２５ｄＢ以上の偏波消光比で分離する。その後、ＴＥモードとＴＭモードはそれぞれ図１０で示される構造の受光部へとそれぞれ導波される。

図１０は、第１の受光部９０４、第２の受光部９０６の詳細図である。図１０で示される構造では、４つのコア（１００１、１００２、１００３、１００４）を有するＰＬＣ上に４つのＰＤが集積されている。４つのＰＤは、それぞれＰＤ構造（１００５、１００６、１００７、１００８）を有している。

図１１に第１の受光部９０４、第２の受光部９０６の構造を示す。第１の受光部９０４、第２の受光部９０６は、図３の構成と同様、Ｓｉ基板１１０３と、光導波路部品であるＰＬＣと、ＰＤとを備える。

石英系ＰＬＣはＳｉ基板１１０３上に形成され、その光導波路のコア１１０１端部には傾斜面１１０４が形成されている。傾斜面１１０４は、反射膜としてアルミが蒸着されており、コア１１０１の傾斜面側から出射されたビームとＰＤ受光部１１０７を光結合するための光路変換ミラーとして機能する。形成される傾斜面１１０４の角度（ミラー傾斜角θ₁₁₀₅）を、基板面を基準として４５度、６６度、７２度、７８度の４水準に設定した。ミラー傾斜角はＴＥモード受光部、ＴＭモード受光部で同じ角度である。また、基板垂直方向から見て、ミラーへの出力導波路とミラー面の法線からなる角をミラー入射角φ₁₁₁₁とした。コア１１０１傾斜面端部の上方にはＰＤ受光部１１０７が（受光径２０μｍ）、クラッド１１０２上の膜厚０．７μｍ、屈折率１．５５の樹脂からなる接着層１１１０を介して接合されている。この石英系ＰＬＣ上の短辺側に形成したＰＤ構造１１０６の位置は、上記のミラー角度に対して、最も結合効率の高くなるようにそれぞれ設計した。このとき、ビーム径を光強度分布の標準偏差の４倍とすると、反射されたビーム径はＰＤ受光部において、１４μｍ程度に拡大するが受光径に対して十分小さいため損失は発生しない。しかしながら、光結合距離が３０μｍより長くなるとビーム径が受光径より大きくなるため原理的に損失が発生するため、３０μｍ以下であることが望ましい。このような構成により、コア１１０１から出射されたビームは光路変換ミラーにより上方に、基板垂直軸から傾いた角度で反射される。反射されたビームはＰＤ受光部１１０７で受光される。

次に上記の構造を作製するプロセスを示す。まず適切な工程により作製した石英系ＰＬＣを用意し、クラッド上にエピタキシャル層付きＩｎＰ基板の表面側を接合する。接合された後、基板を研磨、ウェットエッチングにより除去することでエピタキシャル層のみがＰＬＣ基板上に残る。この状態でエピタキシャル層を、フォトリソグラフィーおよび、エッチングにより加工することでＰＤを作製する。続いてドライエッチングにより深さが導波路より深くなるように傾斜面を形成する（例えば、特許文献２参照）。このとき、ＴＥ・ＴＭモード受光部のミラーが一度に作製されるため、どちらも同じミラー傾斜角θ₁₁₀₅となる。なお、傾斜面の作製方法が、発明の効果を限定するものではないが、ドライエッチングにより作製することで、偏波ごとに異なるミラー入射角でのミラー作製が容易に実現できる。続いて傾斜面に対し、蒸着またはスパッタなどにより金やアルミ等の金属を被着させ反射膜とし、ミラーを形成する。このとき、蒸着源、またはスパッタリングターゲットに対して基板表面を傾斜させることで、傾斜面に反射膜が成膜される。ＰＤおよびミラーの位置は、設定したミラー角度に対して、最も結合効率が高くなるように、エッチングシフト等を考慮して設定する。こうすることでフォトマスクによってＰＤとミラー位置が一意に決まり、ハイブリッド集積のような高精度な位置合わせによる光学実装等が不要となる。

このような受光デバイスに波長１．５５μｍの光を入力したときのミラー入射角φ₁₁₁₁に対する戻り光損失、ＴＥモード受光部での光結合損失、ＴＭモード受光部の光結合損失とＰＤＬの計算値をそれぞれ図１２、図１３、図１４に示す。各材料界面での反射率、透過率、反射角、屈折角を計算し、導波路端から出射されて拡がったビームとＰＤ受光面との結合、および戻り光と導波路との結合を求めた。ここで、ミラー入射角φ₁₁₁₁は、ＴＥモードに係るミラー入射角度の場合、φ_TEとし、ＴＭモードに係るミラー入射角度の場合、φ_TMとする。

図１２に示すように、ミラー傾斜角θ₁₁₀₅＝４５度の場合を除き、０度から２５度のミラー入射角度φ₁₁₁₁で５０ｄＢ以上の十分な反射戻り光損失が得られている。また、ミラー傾斜角θ₁₁₀₅＝４５度の場合でもミラー入射角度φ₁₁₁₁を６度以上傾けることで十分な反射戻り光損失が得られることが分かる。

図１３では、ＴＥモード光結合損失のミラー入射角度φ_TE依存性が示されるが、どの入射角度においてもミラー入射角度φ_TEを傾けていく（大きくする）ことで結合損失が低減され、あるミラー傾斜角θ₁₁₀₅で最小値となり、再び増加する傾向が示される。ミラー傾斜角θ₁₁₀₅により、最小の結合損失の値と、そのときのミラー入射角φ_TEは異なるが、ミラー傾斜角θ₁₁₀₅が６０度から７８度の場合、ミラー入射角φ_TEが７度から１７度の範囲で、０．４ｄＢ以下の低損失を達成できる場合があることがわかる。例えば、ミラー傾斜角θ₁₁₀₅が６０度でミラー入射角φ_TEが１０度から１７度、ミラー傾斜角θ₁₁₀₅が６６度でミラー入射角φ_TEが８度から１６度、ミラー傾斜角θ₁₁₀₅が７２度でミラー入射角φ_TEが７度から１４度、ミラー傾斜角θ₁₁₀₅が７８度でミラー入射角φ_TEが７度から９度である。特にミラー傾斜角θ₁₁₀₅が７２度ではミラー入射角φ_TEが１０度で、結合損失が０．１５ｄＢ以下となる。これはＴＥモードがミラーで光路変換され、ＰＤに入射されるときに、はじめはｓ波の成分のみであったのが、ミラー入射角φ_TEを変化させていくことでｐ波の成分が増加し、同時にＰＤへの入射角がブリュースター角に近づき、透過率が増加するためである。

一方、ＴＭモード光結合損失のミラー入射角度φ_TM依存性は図１４に示される。ミラー傾斜角θ₁₁₀₅が４５度の場合、ミラー入射角φ_TMを２５度から２９度の範囲に設定することで０．２ｄＢ近くまで低損失化可能だが、図１３より、ＴＥモード側を同程度に低損失化するのは困難であり、損失ばらつきが大きくなるという問題がある。一方でミラー傾斜角θ₁₁₀₅を大きくし、例えばミラー傾斜角θ₁₁₀₅を６０度から７８度に設定すると、ミラー入射角φ_TM＝０度で損失が最小値となり、ミラー入射角φ_TMが０度から４度の間で０．４ｄＢ以下の低損失化が可能となる。特にミラー傾斜角θ₁₁₀₅が７２度のとき、損失０．１７ｄＢ以下となる。これらのミラー傾斜角度θ₁₁₀₅の場合は、同時にＴＥモード受光部側を同程度の損失になるようミラー入射角φ_TMを設定することで、ばらつきを発生させること無く低損失化ができる。このように、ミラー傾斜角θ₁₁₀₅とミラー入射角φ_TE、φ_TMを適切に設定することでＴＥ・ＴＭモードのどちらの偏波状態でも、反射戻り光損失を十分に取りつつ、結合損失を低減することが可能となる。特にミラー傾斜角θ₁₁₀₅を６０度から７８度の範囲に設定することで、どちらの偏波状態に対しても、従来より低損失な０．４ｄＢ以下の結合が可能となるＴＥモードのミラー入射角φ_TE（７度から１４度（上記に挙げた条件を満たす角度））、およびＴＭモードのミラー入射角φ_TM（０度から４度）を設定することができる。今回の場合、ミラー傾斜角θ₁₁₀₅を７２度に設定し、ＴＥモード受光部およびＴＭモード受光部のミラー入射角度φ_TE、φ_TMをそれぞれ個別に設定することで、どちらの偏波でも最小の結合損失が得られる。

偏波分離素子や、偏波回転素子を光回路に含む受光デバイスにおいて、今回の発明を用いることで、反射戻り光と同時に、結合損失を低減することが可能となり、低損失で良好な特性を持つ高機能な受光デバイスを提供できる。

１０１，２０１，３０１，５０１，１００１，１００２，１００３，１００４，１１０１ コア
１０２，２０２，３０２，５０２，１１０２ クラッド
１０３，２０３，３０３，５０３，１１０３ Ｓｉ基板
１０４，２０４，３０４，５０４，１１０４ 傾斜面
１０６，２０６，３０６，５０６，１００５，１００６，１００７，１００８，１１０６ ＰＤ構造
１０７，２０７，３０７，５０７，１１０７ ＰＤ受光部
１０８，２０８，３０８，５０８，１１０８ ＰＤ電極
１０９，２０９，３０９，５０９ ビーム反射方向
２１０，３１０，５１０，１１１０ 接着層
４０１，９０１ 入力用光導波路
４０２，９０２ 光回路
４０３ 出力用光導波路
４０４ 受光部
９０３ 第１の出力用光導波路
９０４ 第１の受光部
９０５ 第２の出力用光導波路
９０６ 第２の受光部

Claims (8)

1. 基板と、
   前記基板上に設けられ、コアおよびクラッドからなる光導波路と、前記コアの出射方向と交わり、前記基板の垂直方向に対して前記コアよりも深く形成された傾斜面と、前記傾斜面の少なくとも前記コアの前記出射方向と交わる領域に被着され、前記コアからの出射光の少なくとも一部が前記クラッドの上方に反射されたビームの軸方向が、前記基板の垂直方向から傾くように形成された反射膜とを備えた光導波路部品と、
   前記クラッドの上面に設けられ、前記クラッドの上方に反射された前記ビームを受光する受光素子とを備えた受光デバイスであって、
   前記基板の垂直方向から見て、前記傾斜面への前記光導波路の出力方向と前記傾斜面の法線からなる角度が０度よりも大きいことを特徴とする受光デバイス。
2. 前記受光素子は、基板材料が取り除かれた状態で前記クラッドの上面へ接合された光半導体エピタキシャル層により形成され、接着層によって前記クラッド上に接着され、並びに受光径２０μｍ以下の受光部を有し、
   前記受光素子の受光面が前記反射膜を備えた前記傾斜面を介して、前記光導波路の前記コアと光学的に結合されたときの光強度分布の標準偏差の４倍が前記受光素子の前記受光径以下であることを特徴とする請求項１に記載の受光デバイス。
3. 前記光導波路部品は、入力された光信号の偏波分離を行う偏波分離回路を含み、
   前記受光素子は、偏波分離された光信号のＴＥ偏光を受光する第１の受光素子と、
   偏波分離された光信号のＴＭ偏光を受光する第２の受光素子と
   を含むことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の受光デバイス。
4. 前記基板の水平方向に対する前記傾斜面の角度が４３．５度から４６．５度であり、かつ前記基板の垂直方向から見て、前記傾斜面への前記光導波路の出力方向と前記傾斜面の法線からなる角度が６度から１０度であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の受光デバイス。
5. 前記基板の水平方向に対する前記傾斜面の角度が４６．５度から６０度であり、かつ前記基板の垂直方向から見て、前記傾斜面への前記光導波路の出力方向と前記傾斜面の法線からなる角度が６度から１０度であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の受光デバイス。
6. 前記基板の水平方向に対する前記傾斜面の角度が６０度から７８度であり、かつ前記基板の垂直方向から見て、前記傾斜面への前記光導波路の出力方向と前記傾斜面の法線からなる角度が７度から１７度であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の受光デバイス。
7. 前記基板の水平方向に対する前記傾斜面の角度が６０度から７８度であり、かつ前記基板の垂直方向から見て、前記傾斜面への前記光導波路の出力方向と前記傾斜面の法線からなる角度が０度から４度であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の受光デバイス。
8. 前記光導波路がシリコン、あるいは石英系ガラスで形成されていることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の受光デバイス。

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