JP4281743B2 - 受光素子およびそれを用いた光受信機 - Google Patents
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Description
本発明は、受光素子およびそれを用いた光受信機に関する。
アバランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ）は、信号増幅機能を有する受光素子である。ＡＰＤとしては、増倍と光吸収の機能が一体化されている一体型構造のタイプのものと、光吸収とキャリア増倍の役割を分離した構造とするＳＡＭ (separated absorption and multiplication) 型構造のものとがある。化合物半導体を用いてＡＰＤを作製する場合、ＳＡＭ型構造を用いることが有効であることが知られている。ＳＡＭ型構造においては、光吸収層と増倍層とでそれぞれ最適の材料を選ぶことができ、一体型構造と比較して、より受光能力及び増倍能力の高いＡＰＤを設計することができるためである。
ＳＡＭ型構造のＡＰＤは、光吸収層および増倍層を含む層構造を備える。ＳＡＭ型ＡＰＤへ、積層方向に対して水平な方向から光を照射すると、光吸収層においてキャリアが発生する。発生したキャリアは、印加した電圧に依存して内部に与えられる電界に応じて走行し、その一部が増倍層に導入される。増倍層に導入されたキャリアは増倍層内部で衝突イオン化し、発生したキャリアがまた衝突イオン化する連鎖反応を起こす。これにより信号キャリアは雪崩増倍（アバランシェ増倍）されて外部の電極（あるいは電線）に送り出される。
以下、ＳＡＭ型ＡＰＤの従来例について説明する。
特許文献１には、アバランシェ増倍層を備えるＳＡＭ 型構造のＡＰＤが記載されている。同文献の段落００２４には、光吸収層の下側に電界緩和層およびアバランシェ増倍層を設け、光吸収層の上下に等しい層厚の光ガイド層を設けた層構造が示されている。また段落００３５にも同様の層構造を有する受光素子が記載されている。図１４は、同文献記載の半導体受光素子の層構造を示す図である。基板１１０上にｎ型光ガイド層１１１、増倍層１１２、電界緩和層１１３、吸収層１１４、ｐ型光ガイド層１１５およびクラッド層１１６がこの順で積層されている。入射光は吸収層１１４の端面から導入され、層中を導波していく。ｎ型光ガイド層１１１およびｐ型光ガイド層１１５は等しい厚みに設定される。
特許文献１には、アバランシェ増倍層を備えるＳＡＭ 型構造のＡＰＤが記載されている。同文献の段落００２４には、光吸収層の下側に電界緩和層およびアバランシェ増倍層を設け、光吸収層の上下に等しい層厚の光ガイド層を設けた層構造が示されている。また段落００３５にも同様の層構造を有する受光素子が記載されている。図１４は、同文献記載の半導体受光素子の層構造を示す図である。基板１１０上にｎ型光ガイド層１１１、増倍層１１２、電界緩和層１１３、吸収層１１４、ｐ型光ガイド層１１５およびクラッド層１１６がこの順で積層されている。入射光は吸収層１１４の端面から導入され、層中を導波していく。ｎ型光ガイド層１１１およびｐ型光ガイド層１１５は等しい厚みに設定される。
特許文献２には、ＳＡＭ 型ＡＰＤの他の例が記載されている。同文献に記載されている受光素子は、超格子構造のアバランシェ増倍層を備えている。同文献の図２および段落００１８に記載されたＡＰＤを図１５に示す。図示したＡＰＤは、光吸収層２６と、その上下に設けられた低屈折率層からなる層構造の受光素子が記載されている。光吸収層の下部に位置する低屈折率層は、下部クラッド層２２、第２コア層２３および超格子アバランシェ増倍層２４、電界緩和層２５からなっている。一方、光吸収層２６の上部に位置する低屈折率層は、上部第２コア層２７および上部クラッド層２８により構成されている。これにより、特許文献２の段落００１２、００１４および図２に記載されているように、屈折率は光吸収層２６を中心に対称な階段状に分布し、導波光の多モード化によりスポットサイズの拡大が図られる（図２）。これにより、出射スポットサイズの大きい光ファイバーとの光結合が向上し、トレランスも向上するとされている。なお、同文献記載のＡＰＤでは、下部クラッド層２２、第２コア層２３および超格子アバランシェ増倍層２４、電界緩和層２５が同じ屈折率を有している。
特開２００１−２３７４５４号公報
特開平９−１８１３５１号公報
しかしながら、上記従来のＡＰＤは以下のような改善点を有していた。たとえば特許文献１記載の図１４に示す層構造の素子において、増倍層１１２は、アバランシェ降伏を発生させる必要があるため、隣接する光吸収層よりワイドバンドギャップを有する半導体材料で構成する必要がある。このため、増倍層１１２は、吸収層より屈折率の低い材料により構成される。
ところが、このように光吸収層に隣接して低屈折率な層を配置すると、吸収層１１４を導波する光が増倍層１１２を超えて基板側に漏れてしまうことがあった。増倍層１１２の屈折率を高く設計すれば、このような光の漏れは改善されるが、このためにはナローバンドギャップ層の半導体を用いることになり、増倍層１１２での高電界時の暗電流の増加に繋がり、充分な増倍効果を得ることが困難となる。
ところが、このように光吸収層に隣接して低屈折率な層を配置すると、吸収層１１４を導波する光が増倍層１１２を超えて基板側に漏れてしまうことがあった。増倍層１１２の屈折率を高く設計すれば、このような光の漏れは改善されるが、このためにはナローバンドギャップ層の半導体を用いることになり、増倍層１１２での高電界時の暗電流の増加に繋がり、充分な増倍効果を得ることが困難となる。
本発明は、こうした光増倍層を備える受光素子特有の課題を解決するものであり、その目的とするところは、高い量子効率を安定的に実現する受光素子を提供することにある。
本発明によれば、第一光ガイド層と、前記第一光ガイド層よりも屈折率の小さい増倍層と、前記第一光ガイド層と前記増倍層との間に挟まれた光吸収層と、前記増倍層に対して前記第一光ガイド層と反対側に形成された第二光ガイド層と、を含む積層端面を有し、前記第一光ガイド層の層厚が前記第二光ガイド層の層厚よりも厚く、前記積層端面に入射する光が、前記積層端面のうち、前記第一の光ガイド層の端面に光軸を有する受光素子が提供される。
本発明に係る受光素子によれば、増倍層を備える受光素子に特有の課題、すなわち、低屈折増倍層を経由する光の漏れ、および、入射端面における局所的な高電流密度領域の発生を抑制することができる。
本発明の受光素子によれば、第一ガイド層に光を好適に入射させるとともに、入射光を、第一ガイド層に導波させつつ光吸収層に装架的に結合される。このため、増倍層への光の漏れを効果的に抑制できる。また、通常のように光吸収層の端面から光を入射したときに起こる入射端面における電流集中を緩和し、素子の耐久性を向上させることができる。この結果、高い量子効率を有し信頼性の高い素子構造を実現することができる。
なお、本発明における「ガイド層」とは、吸収層から漏れ出た光が導波する層であって吸収層に光を閉じ込める効果を一定程度有する層である。クラッド層や基板を備える構成とする場合は、これらは吸収層からみて「ガイド層」の外側に配置される。
また本発明によれば、上記受光素子において、当該受光素子の出力が最大となる光入射位置が、前記第一光ガイド層の端面に位置することを特徴とする受光素子が提供される。この受光素子は、出力が最大となる光入射位置が、第一光ガイド層の端面に位置するので、入射光を第一ガイド層に導波させつつ光吸収層に装架的に結合させる方式を好適に採用することができる。
本発明の受光素子によれば、第一ガイド層に光を好適に入射させるとともに、入射光を、第一ガイド層に導波させつつ光吸収層に装架的に結合される。このため、増倍層への光の漏れを効果的に抑制できる。また、通常のように光吸収層の端面から光を入射したときに起こる入射端面における電流集中を緩和し、素子の耐久性を向上させることができる。この結果、高い量子効率を有し信頼性の高い素子構造を実現することができる。
なお、本発明における「ガイド層」とは、吸収層から漏れ出た光が導波する層であって吸収層に光を閉じ込める効果を一定程度有する層である。クラッド層や基板を備える構成とする場合は、これらは吸収層からみて「ガイド層」の外側に配置される。
また本発明によれば、上記受光素子において、当該受光素子の出力が最大となる光入射位置が、前記第一光ガイド層の端面に位置することを特徴とする受光素子が提供される。この受光素子は、出力が最大となる光入射位置が、第一光ガイド層の端面に位置するので、入射光を第一ガイド層に導波させつつ光吸収層に装架的に結合させる方式を好適に採用することができる。
本発明の受光素子は、第一光ガイド層の厚みが第二光ガイド層よりも厚く形成されているので、第一ガイド層に光を好適に入射させるとともに、入射光を、第一ガイド層に導波させつつ光吸収層に装架的に結合させる方式を好適に採用することができる。これにより、増倍層への光の漏れを効果的に抑制するとともに、入射端面における電流集中を緩和し素子の耐久性を向上させることができる。この結果、高い量子効率を有し信頼性の高い素子構造を実現することができる。
本発明において、第一光ガイド層の厚みは、好ましくは０．６μｍ以上、より好ましくは１μｍ以上とする。こうすることにより、増倍層を経由する光の漏れを抑制するとともに入射端面の電流密度を緩和する効果が充分顕著に得られる。厚みの上限については、受光素子の導波長や入射光の波長等に応じて適宜設定されるが、第一光ガイド層と吸収層との光結合の効率を向上させる観点から、たとえば５μｍ以下とする。
また、第一光ガイド層の厚みは、当該受光素子中を導波する光の波長の１．２倍以上とすることが好ましく、２倍以上とすることがより好ましい。こうすることにより、増倍層を経由する光の漏れを抑制するとともに入射端面の電流密度を緩和する効果が充分顕著に得られる。厚みの上限については、受光素子の導波長や入射光の波長等に応じて適宜設定されるが、第一光ガイド層と吸収層との光結合の効率を向上させる観点から、たとえば、受光素子中を導波する光の波長の１０倍以下とする。
また、吸収層の厚みは、好ましくは０．６μｍ以下、より好ましくは０．３μｍ以下とするのがよい。こうすることにより、高速かつ高感度な受光素子を得ることができる。
また、第一光ガイド層の厚みは、当該受光素子中を導波する光の波長の１．２倍以上とすることが好ましく、２倍以上とすることがより好ましい。こうすることにより、増倍層を経由する光の漏れを抑制するとともに入射端面の電流密度を緩和する効果が充分顕著に得られる。厚みの上限については、受光素子の導波長や入射光の波長等に応じて適宜設定されるが、第一光ガイド層と吸収層との光結合の効率を向上させる観点から、たとえば、受光素子中を導波する光の波長の１０倍以下とする。
また、吸収層の厚みは、好ましくは０．６μｍ以下、より好ましくは０．３μｍ以下とするのがよい。こうすることにより、高速かつ高感度な受光素子を得ることができる。
さらに本発明によれば、前記受光素子に光を入射させる光導波路と、を備え、前記光導波路からの出射光が、前記第一光ガイド層の端面に集光され前記第一光ガイド層内に入射するように構成されたことを特徴とする光受信機が提供される。
この光受信機は、上記構造の受光素子を備えているため、良好な量子効率と高い信頼性を兼ね備える。
本発明によれば、受光素子の出力が最大となる光入射位置が上記第一光ガイド層の端面に位置する構成としているため、優れた量子効率を安定的に実現することができる。
上述した目的、およびその他の目的、特徴および利点は、以下に述べる好適な実施の形態、およびそれに付随する以下の図面によってさらに明らかになる。
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
第一の実施の形態
本実施形態に係る半導体ＡＰＤは、ＳＡＭ型ＡＰＤに関するものである。薄い光吸収層で充分な量子効率を得る為、接合面に対して光を水平方向に入射する横型入射構造になっている。以下、図面を参照して説明する。
本実施形態に係る半導体ＡＰＤは、ＳＡＭ型ＡＰＤに関するものである。薄い光吸収層で充分な量子効率を得る為、接合面に対して光を水平方向に入射する横型入射構造になっている。以下、図面を参照して説明する。
図１は、本実施形態に係る半導体ＡＰＤの層構造を示す図である。基板１１０上にｎ側光ガイド層１１１、増倍層１１２、電界緩和層１１３、吸収層１１４、ｐ側光ガイド層１１５およびｐ側クラッド層１１６がこの順で積層されている。各層の構成材料および厚みは図１６に示すとおりである。図示した半導体層の波長組成は１．２μｍである。なお、厚みは一つの例を示したものであり、適宜設計変更可能である。構成材料についても同様である。ｐ側光ガイド層１１５が本発明における第一光ガイド層に該当し、ｎ側光ガイド層１１１が本発明における第二光ガイド層に該当する。すなわち、本実施形態に係る受光素子は、第一光ガイド層（ｐ側光ガイド層１１５）と、該第一光ガイド層よりもバンドギャップの大きい増倍層１１２と、これらの層の間に挟まれた光吸収層（吸収層１１４）とを含む積層膜を備え、この積層膜の積層方向に対して水平な方向（基板に対して水平な方向）から光が入射されるように構成されている。入射光の光軸は、第一光ガイド層（ｐ側光ガイド層１１５）の端面に位置するように構成されており、この受光素子の出力が最大となる光入射位置は、上記第一光ガイド層（ｐ側光ガイド層１１５）の端面に位置する。
図２は、図１の層構造を有するＡＰＤへ光を入射したときの光の導波の様子を示した図である。図中左は、各層の屈折率を示したものである。高屈折率の吸収層１１４の上下に、ｎ側光ガイド層１１１およびｐ側光ガイド層１１５が配されている。ｎ側光ガイド層１１１と吸収層１１４との間には低屈折率の増倍層１１２が設けられている。図中左側のｐ型光ガイド層１１５の端面に入射光の光軸が位置するよう光が入射される。入射した光はｐ側光ガイド層１１５中を導波しながら吸収層と結合する。吸収層１１４に導入された光は、層中で光電変換される電子、ホールとなり、電子は電界緩和層１１３を経て増倍層１１２へ導入される。これにより、増倍層１１２内部ではキャリアが衝突イオン化し、発生したキャリアがまた衝突イオン化する連鎖反応を起こす。これにより信号キャリアは雪崩増倍（アバランシェ増倍）されて外部の電極あるいは電線に送り出される。
以下、素子を構成する各層について説明する。
ｐ側光ガイド層１１５およびｎ側光ガイド層１１１は、導波光が放射モード（吸収層と結合せず、基板側または素子上部に放射するモード）になるのを、抑制する層である。
ｐ側光ガイド層１１５およびｎ側光ガイド層１１１は、導波光が放射モード（吸収層と結合せず、基板側または素子上部に放射するモード）になるのを、抑制する層である。
増倍層１１２は、高電界の印加によりアバランシェ増倍を引き起こし、多量のキャリアを発生させる層である。増倍層１１２は、後述する吸収層１１４と比較してワイドギャップであり、高電界印可時においても暗電流を低く抑えることができ、これによりアバランシェ増倍が生じる。ただし、屈折率は低屈折率となるため光閉じ込めを考慮した場合、導波構造の中心に本層が存在するのは不利となる。増倍層１１２には電界が均一に印加されることが好ましく、このため、不純物濃度は極力低く設定するのがよい。増倍層１１２の不純物濃度は、たとえば１×１０１７〜１×１０１８ｃｍ−３とするとよい。また、増倍層１１２の厚みは、ＧＢ積向上の点から１μｍ以下とすることが好ましい。また、増倍暗電流抑制の観点からは、好ましくは０．０２μｍ以上、より好ましくは０．１μｍ以上とする。
電界緩和層１１３は、増倍層１１２に印加される高電界と、吸収層１１４に印加される比較的低い電界との差異を緩和させるために設けられ層である。この層を設けることにより、増倍層１１２へ高い電界を安定的に印加することが可能となる。電界緩和層１１３は、ｐ型不純物を含有しており、吸収層１１４および増倍層１１２と同一の構成材料を用いることができる。電界緩和層１１３の厚みは、例えば０．０２〜０．４μｍとすることができ、ｐ型不純物濃度としては、０．５×１０１８〜２×１０１８ｃｍ−３とすることができる。
吸収層１１４は、入射光を電気に変換する役割を果たす層であり、受光すべき光を吸収可能なバンドギャップを有する。吸収層１１４の構成材料は、入射光の波長に応じて適宜選択される。吸収層１１４の厚みは、好ましくは１μｍ以下、より好ましくは０．５μｍ以下とする。下限については特に制限がないが、たとえば０．０１μｍ以上とすることが好ましい。吸収層１１４の厚みを厚くしすぎると、キャリアの走行時間が長くなり、高速・高感度特性を得ることが困難となる。したがって、吸収層１１４の厚みは極力薄くすることが好ましいが、この場合キャリア発生量を充分に確保できなくなるという課題が生じる。本実施形態では、入射光をｐ型光ガイド層１１５から導き、装架的に光を吸収層１１４へ結合させる方式を採用するため、吸収層１１４中のキャリア発生領域を広範囲にすることができ、層厚が薄くとも充分高いキャリア発生量を得ることが可能となる。この結果、本実施形態によれば、吸収層１１４の層厚を薄くして、高速・高感度特性を向上させつつ高い量子効率をあわせて実現することが可能となる。
ｐ側光ガイド層１１５は、吸収層１１４を導波する光をｐ型半導体側に漏れることを抑制する役割を果たす層である。本実施形態では、この層は、さらに入射光の導波する層として機能する。ｐ側光ガイド層１１５は、ｐ型のＩｎＡｌＧａＡｓにより構成され、厚みは、ｎ型光ガイド層１１１の約５倍となっている。本実施形態では、１．５μｍと設定されている。
クラッド層１１６は、ｐ側光ガイド層１１５より低い屈折率の層で構成されており、光を閉じこめるための機能をする。クラッド層１１６の上には、不図示の電極が形成される。
本実施形態によれば、吸収層１１４ではなくｐ側光ガイド層１１５に光軸中心が位置する入射光が入射される。またｐ側光ガイド層１１５がｎ型光ガイド層１１１よりも厚く形成されている。このため、本実施形態に係るＡＰＤは以下の効果を奏する。
第一に、入射光の漏れを低減することができる。従来技術においては、入射光が吸収層１１４へ導入されていたため、入射端面近傍において光が基板１１０側へ放射し、効率の低下を招いていた。これは、増倍層１１２が他の層に比べて顕著に低い屈折率を有するため、素子端面の光入射位置から基板１１０側へ光が漏れやすかったことによる。これに対し、本実施形態では入射光は一旦ｐ型光ガイド層１１５を導波し吸収層１１４へ進入するため、吸収層１１４と増倍層１１２との間で、光の反射効果が得られ、増倍層１１２を経由して基板１１０側へ光が漏れることを抑制される。
第二に、素子端面における電流集中が緩和され、素子の耐久性が向上する。また、吸収層１１４に対して装架的に入射光が結合するため、吸収層１１４中の比較的広い領域にわたってキャリアを有効に発生させることができ、高い量子効率が得られる。
第二に、素子端面における電流集中が緩和され、素子の耐久性が向上する。また、吸収層１１４に対して装架的に入射光が結合するため、吸収層１１４中の比較的広い領域にわたってキャリアを有効に発生させることができ、高い量子効率が得られる。
以上により、本実施形態では、吸収層をたとえば０．２μｍ以下に薄膜化した場合においても充分な量子効率を実現できる。また、増倍層が０．５μｍと比較的厚い場合においても充分な受光感度を得ることが可能となる。
以上、本実施形態に係るＡＰＤでは、ｐ型光ガイド層１１５の厚みを厚くするとともに、光の入射位置をｐ型光ガイド層１１５端面としているため、高い量子効率を有し、信頼性の高い素子構造が得られる。
第二の実施の形態
本実施形態は、ｐ型ガイド層の構造を傾斜組成にしたものである。概略構造は第一の実施の形態と同様であるが、ｐ型ガイド層の組成が積層方向に漸次的に変化する傾斜構造となっている点が異なっている。
図３は本実施形態にかかるＡＰＤの層構造を示す図である。ｐ型光ガイド層１１５に代え、傾斜構造のｐ型ガイド層 １１８が設けられている。ｐ型ガイド層 １１８の組成は、図１７に示すとおりＩｎＡｌＧａＡｓまたはＩｎＧａＡｓＰからなり、組成比がグレーティッドに変化しており、これにより、図３左側に示す屈折率変調がなされている。波長組成は１．０μｍから１．２μｍに変化している。ｐ型ガイド層 １１８は、吸収層方向に屈折率が高くなる傾斜型構造を有する。
すなわち、本実施形態に係る受光素子は、第一光ガイド層（ｐ側光ガイド層１１８）と、該第一光ガイド層よりもバンドギャップ（平均値）の大きい増倍層１１２と、これらの層の間に挟まれた光吸収層（吸収層１１４）とを含む積層膜を備え、この積層膜の積層方向に対して水平な方向（基板１１０に対して水平な公報）から光が入射されるように構成されている。この受光素子の出力が最大となる光入射位置は、上記第一光ガイド層（ｐ側光ガイド層１１８）の端面に位置する。そして、第一光ガイド層（ｐ側光ガイド層１１８）は、吸収層から遠ざかるにつれて屈折率が低くなる構成となっている。
本実施形態は、ｐ型ガイド層の構造を傾斜組成にしたものである。概略構造は第一の実施の形態と同様であるが、ｐ型ガイド層の組成が積層方向に漸次的に変化する傾斜構造となっている点が異なっている。
図３は本実施形態にかかるＡＰＤの層構造を示す図である。ｐ型光ガイド層１１５に代え、傾斜構造のｐ型ガイド層 １１８が設けられている。ｐ型ガイド層 １１８の組成は、図１７に示すとおりＩｎＡｌＧａＡｓまたはＩｎＧａＡｓＰからなり、組成比がグレーティッドに変化しており、これにより、図３左側に示す屈折率変調がなされている。波長組成は１．０μｍから１．２μｍに変化している。ｐ型ガイド層 １１８は、吸収層方向に屈折率が高くなる傾斜型構造を有する。
すなわち、本実施形態に係る受光素子は、第一光ガイド層（ｐ側光ガイド層１１８）と、該第一光ガイド層よりもバンドギャップ（平均値）の大きい増倍層１１２と、これらの層の間に挟まれた光吸収層（吸収層１１４）とを含む積層膜を備え、この積層膜の積層方向に対して水平な方向（基板１１０に対して水平な公報）から光が入射されるように構成されている。この受光素子の出力が最大となる光入射位置は、上記第一光ガイド層（ｐ側光ガイド層１１８）の端面に位置する。そして、第一光ガイド層（ｐ側光ガイド層１１８）は、吸収層から遠ざかるにつれて屈折率が低くなる構成となっている。
本実施形態では、ｐ型ガイド層 １１８を傾斜構造（グレーテッド構造）としているため、吸収層１１４へ効率的に光を導入することができ、量子効率をさらに向上させることが可能となる。
第三の実施の形態
本実施形態に係る受動素子は、第二光ガイド層、増倍層、光吸収層および第一光ガイド層がこの順で積層しており、光吸収層より上部がメサ形状に加工されたリッジ構造を有する。図４ は本実施形態に係る受動素子の断面構造を示す図である。基板１１０上にｎ側光ガイド層１１１、増倍層１１２、電界緩和層１１３、吸収層１１４、ｐ側光ガイド層１１５およびｐ側クラッド層１１７がこの順で積層されており、ｐ側クラッド層１１７の上部に電極１２０が設けられている。吸収層１１４から上はメサ形状に加工されている。メサの側面は、ＳｉＮからなる保護膜２２により覆われている。
本実施形態に係る受光素子は、第一光ガイド層（ｐ側光ガイド層１１５）と、該第一光ガイド層よりもバンドギャップの大きい増倍層１１２と、これらの層の間に挟まれた光吸収層（吸収層１１４）とを含む積層膜を備え、この積層膜の積層方向に対して水平な方向（基板１１０に対して水平な方向）から光が入射されるように構成されている。この受光素子の出力が最大となる光入射位置は、上記第一光ガイド層（ｐ側光ガイド層１１５）の端面に位置する。
本実施形態に係る受動素子は、第二光ガイド層、増倍層、光吸収層および第一光ガイド層がこの順で積層しており、光吸収層より上部がメサ形状に加工されたリッジ構造を有する。図４ は本実施形態に係る受動素子の断面構造を示す図である。基板１１０上にｎ側光ガイド層１１１、増倍層１１２、電界緩和層１１３、吸収層１１４、ｐ側光ガイド層１１５およびｐ側クラッド層１１７がこの順で積層されており、ｐ側クラッド層１１７の上部に電極１２０が設けられている。吸収層１１４から上はメサ形状に加工されている。メサの側面は、ＳｉＮからなる保護膜２２により覆われている。
本実施形態に係る受光素子は、第一光ガイド層（ｐ側光ガイド層１１５）と、該第一光ガイド層よりもバンドギャップの大きい増倍層１１２と、これらの層の間に挟まれた光吸収層（吸収層１１４）とを含む積層膜を備え、この積層膜の積層方向に対して水平な方向（基板１１０に対して水平な方向）から光が入射されるように構成されている。この受光素子の出力が最大となる光入射位置は、上記第一光ガイド層（ｐ側光ガイド層１１５）の端面に位置する。
図示した構造は、上記半導体層を積層した後、ｐ型クラッド層 １１７上にマスクを設け、エッチングを行うことにより形成することができる。エッチングは、ウエットエッチングとすることが好ましい。
本実施形態によれば、リッジ構造の採用により電流の広がりを防ぐことができ、素子の高速化を図ることができる。その一方、高い電界が印加される増倍層１１２および電界緩和層１１３の側面が露出しないため、素子の信頼性および耐久性が良好となる。
図５は、図４の素子構造の変形例である。図５の素子は、図４と同様、吸収層１１４から上がメサ形状に加工され、メサ側面がＳｉＮからなる保護膜２２により覆われている。増倍層１１２および電界緩和層１１３の側面に、変質部１２４が形成されている。変質部１２４は、酸化またはイオン注入により高抵抗化された領域である。特に増倍層および電界緩和層がＡｌを含む半導体で構成されている場合、酸化させることが可能である。酸化させる場合、たとえば水蒸気に接触させる等の方法を採用することができる。図５の構造によれば、増倍層１１２および電界緩和層１１３の側面の信頼性がさらに向上し、素子の信頼性および耐久性を安定的に改善することができる。
第四の実施の形態
次に、上記構成の受動素子を用いた光受信機の構成例について説明する。図６は、本実施形態に係る光受信機の構造である。光ファイバ２１１から導入された信号はレンズ２１４を通ってＡＰＤ２２０に入力される。ＡＰＤ２２０は、たとえば既述の実施形態の構成のものを用いることができる。ＡＰＤ２２０はプリアンプ２３０に接続されており、ＡＰＤ２２０に入力された信号はマイクロストリップライン（ＭＳＬ）２３２を通って高周波コネクタ２３４へ出力される。
次に、上記構成の受動素子を用いた光受信機の構成例について説明する。図６は、本実施形態に係る光受信機の構造である。光ファイバ２１１から導入された信号はレンズ２１４を通ってＡＰＤ２２０に入力される。ＡＰＤ２２０は、たとえば既述の実施形態の構成のものを用いることができる。ＡＰＤ２２０はプリアンプ２３０に接続されており、ＡＰＤ２２０に入力された信号はマイクロストリップライン（ＭＳＬ）２３２を通って高周波コネクタ２３４へ出力される。
図７は、この光受信機を側面からみた図である。基板２０２上に光ファイバ２１１およびセラミックキャリア２０４が設けられている。セラミックキャリア２０４上には、光ファイバ２１１先端部、レンズ２１４、プリアンプ２３０およびマイクロストリップライン（ＭＳＬ）２３２が搭載されている。光ファイバ２１１から出射した光は、ＡＰＤ２２０のｐ型光ガイド層２２２に入射されるように各部が配置され固定されている。ｐ型光ガイド層２２２の端面における入射光の光閉じこめ係数が６０％以上となるようにｐ型光ガイド層２２２の厚みが調整されている。光閉じこめ係数とは、全入射光量に対するｐ型光ガイド層２２２に導光された光量の比率をいう。図２０は光閉じこめ係数の意味を説明するための図である。ｐ型光ガイド層２２２の端面において、入射光は、層厚方向にガウシアン分布に近い強度分布を持つ。この分布関数の全積分値に対する、ｐ型光ガイド層２２２部分での分布関数の積分値（図中、斜線部の面積に該当する）を光閉じこめ係数と定義する。光閉じこめ係数は、光吸収層に入射光の光軸を合わせる従来の受光素子においては、通常、４０％以下の値となる。本実施形態では、ｐ型光ガイド層２２２の厚みは１．０μｍ以上であり、光ファイバの先端近傍における出射光の光モード径は、３．０μｍとし、光閉じこめ係数を６０％以上としている。
光ファイバ２１１とＡＰＤ２２０との位置合わせは、ＡＰＤの出力をモニターしながら位置調整する常法にしたがって行う。本実施形態では、ＡＰＤ２２０の出力が最大となる光入射位置はｐ型光ガイド層２２２の端面に位置しており、図示したように、光ファイバ２１１の光軸の延長線がｐ型光ガイド層２２２中を貫くように位置合わせされている。
ここで、ｐ型光ガイド層２２２の層厚は、たとえば１μｍ以上と厚くすることが可能であるため、位置合わせが容易であり、トレランスが向上する。また、ＡＰＤ２２０に含まれる増倍層を介しての光の漏れを効果的に抑制できる。
ここで、ｐ型光ガイド層２２２の層厚は、たとえば１μｍ以上と厚くすることが可能であるため、位置合わせが容易であり、トレランスが向上する。また、ＡＰＤ２２０に含まれる増倍層を介しての光の漏れを効果的に抑制できる。
本実施形態にかかる光受信機は、ｐ型光ガイド層２２２の厚みを厚くするとともに、光の入射位置をｐ型光ガイド層２２２端面としているため、高い量子効率を有し、信頼性の高い素子構造が得られる。
なお、本実施形態ではレンズを用いて集光する方式を採用したが、図８のように、光ファイバ２１１の先端から直接、ＡＰＤ１５０のｐ型光ガイド層１１５に入光する方式とすることもできる。
第五の実施の形態
次に、上記構成の受動素子を用いた光受信機の他の例について説明する。本実施形態の光受信機は、受動素子を含む光集積素子からなっている。図９に示すように、本実施形態に係る光集積素子は、基板１１０上に形成された導波路部と受像素子部とを備え、これらがバットジョイント接合された構造を有する。
次に、上記構成の受動素子を用いた光受信機の他の例について説明する。本実施形態の光受信機は、受動素子を含む光集積素子からなっている。図９に示すように、本実施形態に係る光集積素子は、基板１１０上に形成された導波路部と受像素子部とを備え、これらがバットジョイント接合された構造を有する。
導波路部は、下部ガイド層１２０、導波路層１２２および上部ガイド層１２４がこの順で積層した構造を有する。下部ガイド層１２０および上部ガイド層１２４はＩｎＧａＡｓＰまたはＩｎＡｌＧａＡｓまたはＩｎＰから構成され導波路層１２２は、上記ガイド層より高い屈折率を有するＩｎＧａＡｓＰまたはＩｎＡｌＧａＡｓから構成されている。
受動素子部は、増倍層１１２、電界緩和層１１３、吸収層１１４、ｐ型光ガイド層１１５およびクラッド層１１６がこの順で積層した構造を有する。これらの層を構成する材料および厚みは、第一の実施形態で述べたのと同様である。すなわち、本実施形態に係る受光素子は、第一光ガイド層（ｐ側光ガイド層１１５）と、該第一光ガイド層よりもバンドギャップの大きい増倍層１１２と、これらの層の間に挟まれた光吸収層（吸収層１１４）とを含む積層膜を備え、この積層膜の積層方向に対して水平な方向（基板に対して水平な方向）から光が入射されるように構成されている。この受光素子の出力が最大となる光入射位置は、上記第一光ガイド層（ｐ側光ガイド層１１５）の端面に位置する。
導波路層１２２はｐ側光ガイド層１１５に接しており、バットジョイント接合されている。導波路層１２２を導波してきた光はｐ側光ガイド層の端面に入射するように配置されている。
本実施形態にかかる光受信機はｐ型光ガイド層１１５の厚みを厚くするとともに、光の入射位置をｐ型光ガイド層１１５端面としているため、高い量子効率を有し、信頼性の高い素子構造が得られる。またプロセストレランスも高く、実用性に優れた構造である。
第六の実施の形態
本実施形態では、上述のＡＰＤを用いたＷＤＭシステムの例について説明する。
図１０（ａ）は、このＷＤＭシステムの基本構成の一例を表す概略図である。送信側には、一定の波長間隔を有するλ１ 〜λＮ の波長でそれぞれ発振する複数のＤＦＢＬＤ（レーザ）１０が配置されている。これらのＤＦＢ１０は、直接変調され、その光出力は合波器１００で合波されて１本の光ファイバ２００、光アンプ３００を経由して伝送される。受信側においては、伝送された光信号が、分波器４００によってそれぞれ元の波長に分離される。分離された光は、ＡＰＤ２０によって電気信号に変換される。
本実施形態では、上述のＡＰＤを用いたＷＤＭシステムの例について説明する。
図１０（ａ）は、このＷＤＭシステムの基本構成の一例を表す概略図である。送信側には、一定の波長間隔を有するλ１ 〜λＮ の波長でそれぞれ発振する複数のＤＦＢＬＤ（レーザ）１０が配置されている。これらのＤＦＢ１０は、直接変調され、その光出力は合波器１００で合波されて１本の光ファイバ２００、光アンプ３００を経由して伝送される。受信側においては、伝送された光信号が、分波器４００によってそれぞれ元の波長に分離される。分離された光は、ＡＰＤ２０によって電気信号に変換される。
図１０（ｂ）は、ＷＤＭシステムの他の例を表す概略図である。同図に示した例では、各ＤＦＢレーザ１０は直接変調されずに、直流信号で駆動され、その光出力が外部変調器３０によって変調される。このために、図１０（ａ）に示したシステムよりも、より高速で変調できるという利点を有する。
なお、図１０の構成では光アンプ３００を設けたが、これを省略してもよい。
上記例では、送信側から受信側へ一方向に信号が送信されるが、素子側・受信側の各々に受光素子および発光素子を備えることにより、双方向通信が可能となる。
こうした送受信モジュールとしては、図１１に示すものがある。図１１において、光送受信モジュール４は、光送信モジュールと光受信モジュールを併せ備えた機能を有する。光送信部は、光ファイバ５、光導波路９、ＬＤ６、送信回路、回路基板８等から構成される。送信回路は、レーザを駆動するＬＤドライバ、レーザ出力制御部、フリップフロップ回路等から構成される。光受信部は、光ファイバ５、光導波路９、ＰＤ１５、受信回路、回路基板８等から構成される。もちろん、ＰＤ１５は本発明のＡＰＤ受光デバイスであっても良く、本発明のデバイスを適用することにより、より高い受光感度を得ることが可能となる。受信回路は、前置増幅機能を有するＰＲＥ ＩＣ、クロック抽出部および等価増幅部からなるＣＤＲ ＬＳＩ、ＡＰＤバイアス制御回路等から構成される。また、ＷＤＭフィルタ（波長分波器）は、光導波路の分岐点付近に配置され、送信光はそのまま透過し、受信光は反射する作用がある。実際には、リードフレームやワイヤがついているが、これらの図示を略している。このような送受信モジュールを用いることで双方向通信が可能となる。
こうした送受信モジュールとしては、図１１に示すものがある。図１１において、光送受信モジュール４は、光送信モジュールと光受信モジュールを併せ備えた機能を有する。光送信部は、光ファイバ５、光導波路９、ＬＤ６、送信回路、回路基板８等から構成される。送信回路は、レーザを駆動するＬＤドライバ、レーザ出力制御部、フリップフロップ回路等から構成される。光受信部は、光ファイバ５、光導波路９、ＰＤ１５、受信回路、回路基板８等から構成される。もちろん、ＰＤ１５は本発明のＡＰＤ受光デバイスであっても良く、本発明のデバイスを適用することにより、より高い受光感度を得ることが可能となる。受信回路は、前置増幅機能を有するＰＲＥ ＩＣ、クロック抽出部および等価増幅部からなるＣＤＲ ＬＳＩ、ＡＰＤバイアス制御回路等から構成される。また、ＷＤＭフィルタ（波長分波器）は、光導波路の分岐点付近に配置され、送信光はそのまま透過し、受信光は反射する作用がある。実際には、リードフレームやワイヤがついているが、これらの図示を略している。このような送受信モジュールを用いることで双方向通信が可能となる。
以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。
上記したＡＰＤは、電子増倍型（すなわちＩｎＡｌＡｓ増倍層を用いたもの）であるが、ＩｎＰを増倍層にしたホール増倍型のＡＰＤも考えられる。こうしたＡＰＤの構成としては、基板側からｎ−ＩｎＰクラッド層、波長組成１．２μｍからなる４元のｎ側光ガイド層（ＩｎＧａＡｓＰまたはＩｎＡｌＧａＡｓＰ）、ＩｎＧａＡｓ吸収層、電界緩和層（ｎ−ＩｎＰ）、ＩｎＰからなる増倍層、波長組成１．２μｍからなる４元のｐ側光ガイド層（ＩｎＧａＡｓＰまたはＩｎＡｌＧａＡｓＰ）、ｐ−ＩｎＰクラッド層からなるものが例示される。この場合はｎ側光ガイド層を厚くすれば良い。
上記したＡＰＤは、電子増倍型（すなわちＩｎＡｌＡｓ増倍層を用いたもの）であるが、ＩｎＰを増倍層にしたホール増倍型のＡＰＤも考えられる。こうしたＡＰＤの構成としては、基板側からｎ−ＩｎＰクラッド層、波長組成１．２μｍからなる４元のｎ側光ガイド層（ＩｎＧａＡｓＰまたはＩｎＡｌＧａＡｓＰ）、ＩｎＧａＡｓ吸収層、電界緩和層（ｎ−ＩｎＰ）、ＩｎＰからなる増倍層、波長組成１．２μｍからなる４元のｐ側光ガイド層（ＩｎＧａＡｓＰまたはＩｎＡｌＧａＡｓＰ）、ｐ−ＩｎＰクラッド層からなるものが例示される。この場合はｎ側光ガイド層を厚くすれば良い。
また、上記実施形態では、ＩｎＧａＡｓＰ系半導体層を用いて素子を構成したが、他のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いてもよい。たとえば、ＩＩＩ族原子がＢ，Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ，Ｔｌのいずれかを含み、Ｖ族がＮ，Ｐ，Ａｓ，Ｓｂ，Ｂｉのいずれかを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いることもできる。具体的には、ＩｎＧａＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＡｌＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓＳｂ、ＩｎＧａＰＳｂ、ＩｎＧａＡｓＮ、ＡｌＧａＩｎＮ、ＴｌＧａＩｎＡｓ、ＴｌＧａＩｎＡｓＮ、ＴｌＧａＩｎＰＮ等を例示することができる。
（実施例）
（実施例）
実施例１
図１２は本実施例に係るＡＰＤの構造を示す図である。図に示すようにＳ．Ｉ．−ＩｎＰ基板上に、ＳＡＭ構造を形成した。導波路形状にはファイバーとの結合効率およびトレランスを高めるため、入射端での導波路幅を広幅化したテーパ構造を適用した。また、ｎ電極コンタクト部以外の領域はＳ．Ｉ．−ＩｎＰ基板までエッチングを行いＰ側パッド寄生容量の低減を行った。デバイス各部の寸法については、入射面での導波路幅７μｍ、導波路終端で幅５μｍ、導波路長は５０μｍである。層構造は、ＩｎＰ基板上に信号光波長より波長の短い組成からなるｎ−ＩｎＧａＡｓＰガイド層を０．２μｍ、ＩｎＡｌＡｓ増倍層を０．２μｍ、ｐ−ＩｎＡｌＡｓ電界緩和層を０．２μｍ、ＩｎＧａＡｓ吸収層を０．４μｍ、信号光波長より波長の短い組成からねるｐ−ＩｎＧａＡｓＰガイド層を１．０μｍ積層した構造である。ｐ−ＩｎＧａＡｓＰガイド層に光を入射したときに最大出力が得られる構造となっている。入射光は図２に示したように導波し、吸収層に結合する。すなわち、端面においてｐ側光ガイド層に入射し、導波しながら吸収層と結合するため、端面での光電流の集中が低減される。
図１２は本実施例に係るＡＰＤの構造を示す図である。図に示すようにＳ．Ｉ．−ＩｎＰ基板上に、ＳＡＭ構造を形成した。導波路形状にはファイバーとの結合効率およびトレランスを高めるため、入射端での導波路幅を広幅化したテーパ構造を適用した。また、ｎ電極コンタクト部以外の領域はＳ．Ｉ．−ＩｎＰ基板までエッチングを行いＰ側パッド寄生容量の低減を行った。デバイス各部の寸法については、入射面での導波路幅７μｍ、導波路終端で幅５μｍ、導波路長は５０μｍである。層構造は、ＩｎＰ基板上に信号光波長より波長の短い組成からなるｎ−ＩｎＧａＡｓＰガイド層を０．２μｍ、ＩｎＡｌＡｓ増倍層を０．２μｍ、ｐ−ＩｎＡｌＡｓ電界緩和層を０．２μｍ、ＩｎＧａＡｓ吸収層を０．４μｍ、信号光波長より波長の短い組成からねるｐ−ＩｎＧａＡｓＰガイド層を１．０μｍ積層した構造である。ｐ−ＩｎＧａＡｓＰガイド層に光を入射したときに最大出力が得られる構造となっている。入射光は図２に示したように導波し、吸収層に結合する。すなわち、端面においてｐ側光ガイド層に入射し、導波しながら吸収層と結合するため、端面での光電流の集中が低減される。
実施例２
第一の実施形態で述べたＡＰＤについて導波方向の光強度分布をＢＰＭ法で計算した。計算に用いた層構造は第一の実施形態で示したもの（図１６）と同様である。吸収層の厚みは０．２μｍとした。比較のためにｐ側光ガイド層とｎ側光ガイド層が同じである対称ガイド構造（ｎ型光ガイド層およびｐ型光ガイド層の厚みをともに０．５μｍとした）についても評価した。
第一の実施形態で述べたＡＰＤについて導波方向の光強度分布をＢＰＭ法で計算した。計算に用いた層構造は第一の実施形態で示したもの（図１６）と同様である。吸収層の厚みは０．２μｍとした。比較のためにｐ側光ガイド層とｎ側光ガイド層が同じである対称ガイド構造（ｎ型光ガイド層およびｐ型光ガイド層の厚みをともに０．５μｍとした）についても評価した。
非対称構造ガイド層を備える素子は、ｐ型光ガイド層に光を入射したときに最大出力が得られる構造となっている。
計算結果を図１３に示す。対称構造ガイド層の計算例を図１３（ａ）、非対称構造ガイド層の計算例を図１３（ｂ）に示す。図１３（ｂ）では、図１３（ａ）の構造よりもｐ側ガイド層を厚膜化した。対称構造ガイド層では光入射位置を光吸収層の中心とした。非対称構造ガイド層ではｐ型光ガイド層の中心に光入射位置を位置合わせした。
図１３（ａ）の対称構造ガイド層では、入力光が吸収層を中心に結合するため、端面付近の光吸収層に光電流密度が集中する。また、導波するにつれ、基板側への放射モードが支配的になり、導波長を長くした場合でも外部量子効率を高くすることは困難である。すなわち、放射モードが存在し量子効率が低下する。
一方、非対称ガイド構造では、ｐ側光ガイド層に入射した光が導波しながら吸収層に結合するため光電流を分散することができ、また基板側への放射モードも抑制され、外部量子効率の向上が実現できる。
特に、上記のｐ−ＩｎＧａＡｓＰガイド層厚を２．０μｍ以上にし、吸収層方向に屈折率が高くなる傾斜型構造を採用することにより、より光電流密度の分散が可能になり、高感度な導波型構造でありながら、端面電流を減らして耐光入力特性が２〜４倍程度向上させることができた。従って、ダイナミックレンジが３〜６ｄＢ向上した受信機を構成可能である。
実施例２
第一の実施形態で述べたＡＰＤを作製し、デバイスの特性を評価した。層構造は図１８に示すとおりである。図示した半導体層の波長組成は１．２μｍである。
光入射位置は、ｐ型光ガイド層の中心に位置合わせした。非対称構造ガイド層を備える素子は、ｐ型光ガイド層に光を入射したときに最大出力が得られる構造となっている。
第一の実施形態で述べたＡＰＤを作製し、デバイスの特性を評価した。層構造は図１８に示すとおりである。図示した半導体層の波長組成は１．２μｍである。
光入射位置は、ｐ型光ガイド層の中心に位置合わせした。非対称構造ガイド層を備える素子は、ｐ型光ガイド層に光を入射したときに最大出力が得られる構造となっている。
得られたＡＰＤのブレークダウン電圧は２０Ｖであり、増倍暗電流は０．０６μＡであった。量子効率は８０％を得た。最大応答周波数は５０Ω負荷のときに１０ＧＨｚであり、ＧＢ積は１５０ＧＨｚを得た。特に、増倍率Ｍ＝２乃至１５での周波数応答は１０ＧＨｚを維持していた。また、本実施例に係るＡＰＤと１ＫΩ以上のトランスインピーダンスを持つプリアンプとを接続して周波数特性を評価したところ、帯域１５ＧＨｚを得た。
本実施例に係るＡＰＤ及びプリアンプを用いて光受信機を構成し、１０Ｇｂ／ｓのビットレートにおいて受信感度を評価したところ、２３段の疑似ランダム信号を使った場合にビットエラーレート（ＢＥＲ）１×１０−９を与える光強度は−３０ｄＢｍであった。
また、本実施例に係るＡＰＤ及びプリアンプからなる光受信機を連続して数多く作製したところ、結合効率の差や実装条件の僅かな違いなどに起因する受信感度のばらつきが見られた。
このときの統計を取ると、受信機の平均的な受信感度は、−２９ｄＢｍであり、最も低いものでも−２６ｄＢｍを確保することができた。これは、１０Ｇｂ／ｓ用としては、非常に高感度なＡＰＤ光受信機である。
実施例３
実施例２の図１８の層構造に代えて、図１９に示す層構造を採用することもできる。この構造では、ｐガイド層１１５の実効的な屈折率は、クラッド層側から吸収層に向けて高くなっている。このため、上記実施例２と同様、優れたデバイス特性が得られる。本実施例の層構造は、グレーティッド成長が不要であり、簡便なプロセスで製造することができる。
実施例３
実施例２の図１８の層構造に代えて、図１９に示す層構造を採用することもできる。この構造では、ｐガイド層１１５の実効的な屈折率は、クラッド層側から吸収層に向けて高くなっている。このため、上記実施例２と同様、優れたデバイス特性が得られる。本実施例の層構造は、グレーティッド成長が不要であり、簡便なプロセスで製造することができる。
Claims (10)
- 第一光ガイド層と、
前記第一光ガイド層よりも屈折率の小さい増倍層と、
前記第一光ガイド層と前記増倍層との間に挟まれた光吸収層と、
前記増倍層に対して前記第一光ガイド層と反対側に形成された第二光ガイド層と、
を含む積層端面を有し、
前記第一光ガイド層の層厚が前記第二光ガイド層の層厚よりも厚く、
前記積層端面に入射する光が、前記積層端面のうち、前記第一の光ガイド層の端面に光軸を有する受光素子。 - 前記受光素子の出力が最大となる光入射位置が、前記第一光ガイド層の端面に位置する請求項１に記載の受光素子。
- 前記第一光ガイド層の層厚が０．６μｍ以上５μｍ以下である請求項１に記載の受光素子。
- 前記第一光ガイド層の層厚は、前記受光素子中を導波する光の波長の１．２倍以上１０倍以下である請求項１に記載の受光素子。
- 前記光吸収層の層厚が０．６μｍ以下である請求項１に記載の受光素子。
- 前記第一光ガイド層は、前記光吸収層から遠ざかるにつれて屈折率が低くなるように構成された請求項１に記載の受光素子。
- 基板上に、前記増倍層、前記光吸収層および前記第一光ガイド層がこの順で積層しており、前記光吸収層および前記第一光ガイド層がメサ形状に加工された請求項１に記載の受光素子。
- 請求項１に記載の受光素子と、
前記受光素子に光を入射させる光導波路と、
を備え、
前記光導波路からの出射光が、前記第一光ガイド層の端面に集光され前記第一光ガイド層内に入射するように構成された光受信機。 - 前記光導波路が光ファイバであって、
前記第一光ガイド層の前記端面における入射光の光閉じこめ係数が６０％以上となるように前記第一光ガイド層の層厚が調整された請求項９に記載の光受信機。 - 前記光導波路と前記第一光ガイド層がバットジョイント接合された請求項９に記載の光受信機。
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