JP2017191836A - 受光装置、受光装置の製造方法、および受光モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】装荷型の受光装置であって、入射した信号光のうち、光吸収層で吸収しきれなかった光の外部への流出を抑えるとともに、バイパスコンデンサを集積した受光装置を提供する。
【解決手段】光導波路１０１と、光導波路１０１上に配され、光導波路の長手方向Ｄに沿って並ぶ複数の積層体１０７と、光導波路１０１上に配された電極層１０８と、を備え、少なくとも１つの積層体が、光導波路１０１側から順に、光吸収層１０２Ａ、クラッド層１０３Ａ、電極層１０６Ａを積層してなる第一積層体１０７Ａであり、他の積層体が、光導波路１０１側から順に、光吸収層１０２Ｂ、クラッド層１０３Ｂ、絶縁体層１０５Ｂ、電極層１０６Ｂを積層してなる第二積層体１０７Ｂである。
【選択図】図２

Description

本発明は、光通信用の受光素子を備えた受光装置、受光装置の製造方法、および受光装置を搭載した受光モジュールに関する。

近年の光通信用モジュールにおいて、２０Ｇｂｐｓ以上の高速性能を必要とする場合には、送信用光束が受光面に平行に入射する導波路型の受光素子が採用される傾向にある。例えば、特許文献１には、光導入部と、光導入部の導波路上に装荷された装荷部と、導波路の後端面に突合せ接合された突合せ接合部からなる光吸収部と、を有する導波路型の半導体受光装置が開示されている。また、特許文献２には、光導波路と、光導波路上に配され、光導波路を介して光学的に結合された複数のフォトダイオードと、を有する導波路型の半導体受光装置が開示されている。

図５は、典型的な導波路型受光素子の一例である、装荷型受光素子２００の斜視図である。装荷型受光素子２００は、光導波路２０１上に信号光吸収層２０２を積層した構造を有しているため、製造が容易であり、高集積化に適している。装荷型受光素子２００において、入射端面２０１ａから入射した光は、光導波路２０１を伝搬しながら、屈折率の高い信号光吸収層２０２に結合して吸収されることになる。このため、信号光吸収層２０２の厚さｄを減らすことが可能であり、キャリア走行時間を短縮することができる。同時に、導波路構造の特徴として吸収層領域を小さくすることができるため、低容量を実現でき、その結果として高速化することができる。

ところが、図５に示すような装荷型の受光素子２００は、受光モジュールに組み込んで動作させた際に課題が存在することが知られている。図６は、受光素子２００を基材２０５に搭載してなる、受光モジュール２１０の平面図である。受光素子２００を用いた場合の課題は、入射端面２０１ａから入射した信号光Ｓのうち、信号光吸収層２０２で吸収しきれなかった分の光が迷光Ｎとなり、後端面２０１ｂからモジュール内に放射され、迷光成分となることである。迷光成分を抑制するためには、信号光吸収層２０２を光導波路２０１の長手方向Ｄに長くすればよいが、この場合、受光素子２００の容量が増加するため、高速応答性が損なわれることになる。したがって、受光素子２００の構造は、高速通信が必要な光通信モジュールには適していない。

また、この高速通信用の受光素子をモジュール実装する場合、電気ノイズ低減の観点から、バイパスコンデンサを搭載することが必要となる。図７は、ＰＤ電源１１ラインにバイパスコンデンサ１２を入れた場合の構成を模式的に示す図である。実際の受光モジュール１０では、図７に示すように、電気信号を増大する電気アンプ１４が受光素子１３近傍に配置されるため、バイパスコンデンサ１２を受光素子１３近傍に配置し難いことが問題となっている。

特開２０１４−２２０２６７号公報 特開２００３−１６３３６３号公報

本発明は上記事情を鑑みてなされたものであり、装荷型の受光装置であって、入射した信号光のうち、光吸収層で吸収しきれなかった光の外部への流出を抑えるとともに、バイパスコンデンサを集積することを可能とした受光装置、受光装置を搭載した受光モジュール、および受光装置の製造方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明の一態様に係る受光装置は、光導波路と、前記光導波路上に配され、前記光導波路の長手方向に沿って並ぶ複数の積層体と、前記光導波路上に配された電極層αと、を備え、少なくとも１つの前記積層体が、前記光導波路側から順に、光吸収層、クラッド層、電極層βを積層してなる第一積層体であり、他の前記積層体が、前記光導波路側から順に、光吸収層、クラッド層、絶縁体層、電極層γを積層してなる第二積層体である。

また、上記の目的を達成するため、本発明の一態様に係る受光装置の製造方法は、本発明の上記態様に係る受光装置の製造方法であって、光導波路の一面に、光吸収層、クラッド層を順に形成する工程と、前記クラッド層のうち、前記第一積層体を構成する部分に電極層βを形成する工程と、前記クラッド層のうち、前記第二積層体を構成する部分に絶縁体層、電極層γを順に形成する工程と、前記光吸収層、前記クラッド層のうち、前記第一積層体、前記第二積層体のいずれも構成しない部分を除去する工程と、前記光導波路の一面に凹部を形成し、その凹部の底面に電極層αを形成する工程と、を有する。

また、上記の目的を達成するため、本発明の一態様に係る受光モジュールは、本発明の上記態様に係る受光装置を備えている。

本発明によれば、装荷型の受光素子であって、入射した信号光のうち、光吸収層で吸収しきれなかった光の外部への流出を抑えるとともに、バイパスコンデンサを集積することを可能とした受光装置、受光装置を搭載した受光モジュール、および受光装置の製造方法を提供することができる。

本発明の第一実施形態に係る受光素子の断面図である。 本発明の第一実施形態に係る受光装置の斜視図である。 本発明の第一実施形態に係る受光モジュールの断面図である。 本発明の第二実施形態に係る受光モジュールの平面図である。 関連技術による受光素子の斜視図である。 関連技術による受光モジュールの断面図である。 関連技術による受光素子の回路構成の模式図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の説明では、同じ機能を有する構成には同じ符号を付け、その説明を省略する場合がある。また、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。

＜第一実施形態＞
（受光素子の構成）
本発明の第一実施形態に係る受光装置のうち、受光素子の部分の構成について説明する。図１は、本実施形態に係る導波路型の受光素子１００の長手方向に平行な断面図である。受光素子１００は、光導波路（母材）１０１と、光導波路１０１上において、光導波路１０１の長手方向Ｄに沿って並ぶ複数の積層体１０４と、を備えている。

積層体１０４は、光導波路１０１側から順に、光吸収層（信号光吸収層）１０２、クラッド層（半導体クラッド層）１０３を積層してなる。積層体１０４の数は２つ以上であればよいが、図１では、一例として２つである場合を示している。

光導波路１０１は、ＩｎＰ、Ｓｉ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＳｉＧｅ等のｎ型半導体からなる基材を、光の伝搬経路に応じた所定の形状に加工したものである。

光吸収層１０２は、ｉ型（Ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ）半導体層であり、その材料としては、光導波路１０１がＩｎＰからなる場合には、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ等が用いられ、光導波路１０１がＳｉからなる場合には、Ｇｅ、ＳｉＧｅ等が用いられる。光吸収層１０２の厚さは、０．１μｍ以上１μｍ以下であることが好ましい。

クラッド層１０３は、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓＰ等のｐ型半導体からなる層である。クラッド層１０３の厚さは、０．２μｍ以上１μｍ以下であることが好ましい。

（受光装置の構成）
図１の受光素子１００を備えた受光装置の構成について説明する。図２は、受光装置１１０の斜視図である。受光装置１１０は、光導波路１０１と、光導波路１０１上に配され、光導波路１０１の長手方向Ｄに沿って並ぶ複数の積層体１０７と、光導波路の脇に配された電極層１０８（電極層α）と、を備えている。

複数の積層体１０７のうち少なくとも一つの積層体１０７Ａは、光導波路１０１側から順に、光吸収層１０２Ａ、クラッド層１０３Ａ、電極層１０６Ａ（電極層β）を積層してなり、以下これを第一積層体１０７Ａと呼ぶ。なお、第一積層体１０７Ａは、受光素子１００を構成するクラッド層１０３Ａに、さらに電極層１０６Ａを積層したものである。

複数の積層体１０７のうち他の（残りの）積層体１０７Ｂは、光導波路１０１側から順に、光吸収層１０２Ｂ、クラッド層１０３Ｂ、絶縁体層１０５Ｂ、電極層１０６Ｂ（電極層γ）を積層してなり、以下これを第二積層体１０７Ｂと呼ぶ。なお、第二積層体１０７Ｂは、受光素子１００を構成するクラッド層１０３Ｂに、さらに絶縁体層１０５Ｂ、電極層１０６Ｂを順に積層したものである。

電極層１０６Ａは、受光装置１１０を動作させた際に、信号光取出し用電極として機能するものであり、短いワイヤボンディングで電気アンプ（不図示）に接続されている。電極層１０６Ｂ、１０８は、受光装置１１０を動作させた際に、それぞれ、バイパスコンデンサを構成する容量グランド電極、ＰＤ（フォトダイオード）電源用電極として機能するものである。電極層１０６Ｂはグランドに接続され、電極層１０８は定電圧源に接続されている。電極層１０８は、図２に示すように、光導波路１０１を構成する母材の一部において、エッチング加工等によって設けられた凹部１０１ｃに配されていることが好ましい。電極層１０６Ａ、１０６Ｂ、１０８の材料としては、チタン、白金、金等の通常の電極材料が用いられる。

（受光装置の製造方法）
本実施形態に係る受光装置１１０の製造方法の一例について、説明する。
まず、光導波路１０１として機能する、ｎ型半導体からなる基材の一面（側壁面）１０１ｄに対して、ｉ型半導体からなる光吸収層１０２を形成し、続いて、その光吸収層１０２の上にｐ型半導体層からなるクラッド層１０３を形成する。ｉ型半導体層、ｐ型半導体ともに、ＣＶＤ法等を用いて形成する。

光吸収層１０２の材料としては、光導波路１０１がＩｎＰからなる場合には、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ等を用い、光導波路１０１がＳｉからなる場合には、Ｇｅ、ＳｉＧｅ等を用いる。クラッド層１０３の材料としては、光導波路１０１がＩｎＰの場合にはＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓＰを用い、光導波路１０１がＳｉの場合にはＳｉ、ＳｉＧｅ等を用いる。

次に、フォトリソグラフィ法を用いて、クラッド層１０３の表面のうち、信号光吸収領域に属さない部分をマスクした状態で、信号光吸収領域に属する部分に対して、スパッタリング法、またはウェットエッチング法等を用いて電極層１０６Ａを形成する。

同様に、フォトリソグラフィ法を用いて、クラッド層１０３の表面のうち、迷光吸収領域に属さない部分、および電極層１０６Ａの表面をマスクした状態で、迷光吸収領域に属する部分に対して、スパッタリング、またはウェットエッチング法等を用いて絶縁体層１０５Ｂ、電極層１０６Ｂを順に形成する。

次に、フォトリソグラフィ法により、信号光吸収領域に属する部分および迷光吸収領域に属する部分をマスクした状態で、いずれにも属さない部分において、光吸収層１０２およびクラッド層１０３をエッチング除去する。すなわち、光吸収層１０２、クラッド層１０３のうち、第一積層体１０７Ａ、第二積層体１０７Ｂのいずれも構成しない不要な部分を、エッチング除去する。これにより、光導波路１０１上に、互いに分割された第一積層体１０７Ａと第二積層体１０７Ｂとが残った状態となる。

次に、電極層１０８用の領域を形成することを想定し、その領域を除いた部分をマスクした状態で、マスクされていない部分においてエッチングを行い、光導波路の一面１０１ｄに凹部（一面１０１ｄより深い部分）１０１ｃを形成する。続いて、スパッタリング法等を用いて、凹部１０１ｃの底面に、スパッタリング法等を用いて電極層１０８を形成する。
以上の工程を経ることによって、本実施形態に係る受光装置１１０を得ることができる。

上述した構成を有する受光装置１１０は、光ファイバ（光源）１１１等とともに所定の基材１１２に組み込み、受光モジュールを構成した状態で動作させることができる。図３は、受光モジュール１２０の構成を模式的に示した図である。受光装置１１０の動作について、図１〜３を用いて説明する。

まず、導波路の入射端面１０１ａから信号光を入射させる。入射した信号光は、導波路１０１内を後端面に向かって伝搬しようとするが、初段（入射端面に最も近い位置）Ａに設置された第一積層体１０７Ａ近傍を通過する際に、大部分の信号光が第一積層体の光吸収層１０２Ａに吸収され、その分だけ電気信号に変換される。この電気信号は、第一積層体の電極層（信号取出し用電極）１０６Ａから取り出される。

そして、第一積層体１０７Ａで吸収しきれない分の信号光（迷光）は、さらに導波路１０１内を進み続けるが、後段（入射端面から二番目に近い位置）Ｂに設置された第二積層体１０７Ｂ近傍を通過する際に、第二積層体の光吸収層（迷光吸収層）１０２Ｂに吸収される。この際に生成された電子−正孔対は、その場で再結合される。導波路１０１内の信号光および迷光の伝搬の様子を、図１に矢印で示している。

このように、本実施形態に係る受光装置１１０は、第一積層体１０７Ａが設けられた信号光吸収領域と、第二積層体１０７Ｂが設けられた迷光吸収領域と、を有することを特徴としている。したがって、本実施形態に係る受光装置１１０によれば、信号光吸収領域における光吸収層１０２Ａで吸収されずに伝搬する迷光が、導波路１０１外、ひいては受光装置１１０外に流出する量を低減させることができる。

信号光吸収領域における信号光の所定の吸収量を確保するため、信号光は、その一部をロスしてしまう迷光吸収領域を経由しないで、直接、信号光吸収領域に到達することが好ましい。したがって、第一積層体１０７Ａは、光導波路の入射端面１０１ａから最も近い位置にあることが好ましい。

光導波路の長手方向Ｄにおける信号光吸収領域の長さ、迷光吸収領域の長さ、すなわち、第一積層体１０７Ａの長さＬＡ、第二積層体１０７Ｂの長さＬＢは、それぞれ独立に設計することができる。したがって、次に説明する理由により、光導波路の長手方向Ｄと平行な方向において、第一積層体１０７Ａは短く、第二積層体１０７Ｂは長いことが好ましく、第二積層体１０７Ｂが、第一積層体１０７Ａより長くなるように設計されることが好ましい。

第一積層体１０７Ａを短くした場合、吸収できる信号光の量が減少し、その分迷光の量が増加してしまう問題が生じるが、本実施形態の受光装置１１０によれば、迷光の吸収を第二積層体１０７Ｂの迷光吸収層１０２Ｂが担うため、この問題を回避することができる。つまり、本実施形態の受光装置１１０は、迷光の外部への流出量を増加させることなく第一積層体１０７Ａを短縮化することが可能であり、短縮化によって高速応答性を向上させ、高速通信が必要な光通信モジュールに適した構造とすることができる。

第二積層体１０７Ｂが長いほど迷光吸収層１０２Ｂが広くなるため、より多くの迷光を吸収することができ、迷光の流出量の低減効果を高めることができる。したがって、迷光の量に応じて第二積層体の長さを設計することにより、迷光吸収層１０２Ｂに迷光の大部分を吸収させることができ、その結果として、迷光の外部への流出を防ぐことができる。

なお、第二積層体１０７Ｂの数を増加させた場合にも、受光装置１１０全体として迷光吸収層１０２Ｂが広がることになるため、第二積層体１０７Ｂを長くした場合と同様の効果が得られる。

ただし、第二積層体１０７Ｂが２つ以上ある場合には、第二積層体１０７Ｂ同士の間のスペースの分だけ広がった構造となる。また、第一積層体１０７Ａの数についても特に制限はないが、２つ以上ある場合には、同様に広がった構造となる。したがって、受光装置１１０を小型化する観点からは、第一積層体１０７Ａ、第二積層体１０７Ｂの数は、ともに一つであることが好ましい。

本実施形態に係る受光装置１１０では、電極層（容量グランド電極）１０６Ｂと電極層（ＰＤ電源用電極）１０８とで、平行板コンデンサが形成されている。つまり、本実施形態に係る受光装置１１０は、ＰＤ電圧印加ラインにバイパスコンデンサを付加した構造を有している。

したがって、本実施形態に係る受光装置１１０を組み込んだ受光モジュール１２０では、電気アンプの配置に伴って、受光装置の近傍にバイパスコンデンサを配置し難くなる問題を回避することができる。この受光モジュール１２０は、電気アンプによる電気信号の増大と、バイパスコンデンサによる電気ノイズの低減とを両立したものとなる。

＜第二実施形態＞
（受光モジュールの構成）
本発明の第二実施形態に係る、デジタルコヒーレント用受光モジュール（以下、受光モジュール１３０と呼ぶ）の構成について説明する。

図４は、光集積回路チップ１３１に、第一実施形態の受光装置１１０を組み込んでなる受光モジュール１３０の構成を、模式的に示した図である。受光モジュール１３０は、偏波スプリッタ（ＰＢＳ）１３５、モニタ用受光素子１３４、９０°ハイブリッドミキサ１３６、８個のシグナル光用受光素子１１０を備えている。これらの部品は、半導体光導波路を介して、光集積回路チップ１３１、受光装置１１０に接続されている。受光モジュール１３０のシグナルポート１３３Ａ、ローカルポート１３３Ｂには、それぞれ、光ファイバ１３２Ａ、１３２Ｂが接続されている。

受光モジュール１３０は、光ファイバ１３２Ａから伝搬するシグナル光を、偏波スプリッタ１３５で縦偏波（ＴＥ）と横偏波（ＴＭ）に分離し、それらを光ファイバ１３２Ｂから伝搬するローカル光と干渉させ、その干渉光を８個のシグナル用受光素子１１０で受光する機能を有している。

このような構成により、光集積回路チップ１３１からの迷光低減を実現することができる。また、同構成により、受光装置１１０の電源ラインのバイパスコンデンサ機能も同時に実現することができ、その結果として、受光モジュール１３０の組立容易性が向上する。なお、上記説明では、光集積回路に、偏波スプリッタ、モニタ用受光素子、９０°ハイブリッドミキサを集積したが、その一部が個別部品として実装される場合にも同等の効果が得られる。

１００、２００、１３・・・受光素子
１０１、２０１・・・光導波路
１０１ａ、２０１ａ・・・光導波路の入射端面
１０１ｂ、２０１ｂ・・・光導波路の後端面
１０１ｃ、２０１ｃ・・・凹部
１０１ｄ・・・光導波路の側壁面
１０２、１０２Ａ、１０２Ｂ、２０２・・・光吸収層
１０３、１０３Ａ、１０３Ｂ、２０３・・・クラッド層
１０４、１０７・・・積層体
１０５Ｂ・・・絶縁体層、
１０６Ａ、１０６Ｂ、１０８・・・電極層
１０７Ａ・・・第一積層体
１０７Ｂ・・・第二積層体
１１０・・・受光装置
１１１、１３２Ａ、１３２Ｂ・・・光ファイバ
１１２・・・基材
１２０、１３０、１０・・・受光モジュール
１３１・・・光集積回路チップ
１３３Ａ・・・シグナルポート
１３３Ｂ・・・ローカルポート
１３４・・・モニタ用受光素子
１３５・・・偏波スプリッタ
１３６・・・９０°ハイブリッドミキサ
１１・・・ＰＤ電源
１２・・・バイパスコンデンサ
１４・・・電気アンプ
Ａ・・・初段
Ｂ・・・後段
Ｄ・・・光導波路の長手方向
ＬＡ・・・第一積層体の長さ
ＬＢ・・・第二積層体の長さ
Ｎ・・・迷光
Ｓ、Ｓ１・・・信号光
Ｓ２・・・電気信号

Claims (9)

1. 光導波路と、
   前記光導波路上に配され、前記光導波路の長手方向に沿って並ぶ複数の積層体と、
   前記光導波路上に配された電極層αと、を備え、
   少なくとも１つの前記積層体が、前記光導波路側から順に、光吸収層、クラッド層、電極層βを積層してなる第一積層体であり、
   他の前記積層体が、前記光導波路側から順に、光吸収層、クラッド層、絶縁体層、電極層γを積層してなる第二積層体であることを特徴とする受光装置。
2. 前記第一積層体が、前記光導波路の入射端面から最も近い位置にあることを特徴とする請求項１に記載の受光装置。
3. 前記光導波路の長手方向と平行な方向において、前記第二積層体が、前記第一積層体より長いことを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の受光装置。
4. 前記第一積層体、前記第二積層体の数が、ともに１つであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の受光装置。
5. 前記光導波路がＩｎＰからなり、前記光吸収層がＩｎＧａＡｓからなることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の受光装置。
6. 前記光導波路がＳｉからなり、前記光吸収層がＧｅまたはＳｉＧｅからなることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の受光装置。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の受光装置の製造方法であって、
   光導波路の一面に、光吸収層、クラッド層を順に形成する工程と、
   前記クラッド層のうち、前記第一積層体を構成する部分に電極層βを形成する工程と、
   前記クラッド層のうち、前記第二積層体を構成する部分に絶縁体層、電極層γを順に形成する工程と、
   前記光吸収層、前記クラッド層のうち、前記第一積層体、前記第二積層体のいずれも構成しない部分を除去する工程と、
   前記光導波路の一面に凹部を形成し、その凹部の底面に電極層αを形成する工程と、を有することを特徴とする受光装置の製造方法。
8. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の受光装置を備えていることを特徴とする受光モジュール。
9. 前記受光装置が、光導波路を介して９０°ハイブリッドミキサに接続されていることを特徴とする請求項８に記載の受光モジュール。

Images