JP5653270B2 - Light receiving element, manufacturing method thereof, and optical transmission / reception unit - Google Patents

Light receiving element, manufacturing method thereof, and optical transmission / reception unit Download PDF

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Description

本発明の実施形態は、受光素子、その製造方法、および光送受信ユニットに関するものである。   Embodiments described herein relate generally to a light receiving element, a manufacturing method thereof, and an optical transmission / reception unit.

近年、LSI(Large Scale Integration)の集積密度が高くなることに伴い、内部回路パターンの微細化が進んでおり、微細化のために電気信号を光信号に置き換える光配線技術が注目されている。光配線技術は、金属配線のかわりに光導波路を用いて信号伝送する方式であり、上記のような微細化に伴う配線抵抗や配線間容量の増大が発生せず、更なる動作速度の高速化が期待できる。光源として使用する半導体レーザ(LD)に関しては、マイクロリング共振器を用いた小型のマイクロリングLDが注目され始めており、研究開発が活発化してきている。   In recent years, with the increase in integration density of LSI (Large Scale Integration), miniaturization of internal circuit patterns has progressed, and an optical wiring technique that replaces an electrical signal with an optical signal for miniaturization has attracted attention. Optical wiring technology is a method of transmitting signals using an optical waveguide instead of metal wiring, and does not increase the wiring resistance and inter-wiring capacitance due to the above-mentioned miniaturization, further increasing the operation speed Can be expected. As for a semiconductor laser (LD) used as a light source, a small microring LD using a microring resonator has begun to attract attention, and research and development has been activated.

また、LSIチップ上の光配線を実現するには、光源素子(送信部)と光導波路(伝送部)とともに受光素子(PD、受信部)も同じ半導体基板のチップ上にコンパクトに集積化して光送受信ユニットを形成する必要がある。特にマイクロリングLDとの集積化する場合には、低コスト化の観点から同一の積層構造を有するウエハにより作製可能なPDであることが強く望まれる。   In order to realize optical wiring on an LSI chip, a light source element (transmission unit) and an optical waveguide (transmission unit) as well as a light receiving element (PD, reception unit) are compactly integrated on a chip on the same semiconductor substrate. It is necessary to form a transmission / reception unit. In particular, in the case of integration with a microring LD, it is strongly desired that the PD can be manufactured from a wafer having the same laminated structure from the viewpoint of cost reduction.

ところが、LDと同一構造のウエハでは吸収層は数層の半導体量子井戸からなり、その厚さは高々、数十nmと薄く、十分な光吸収効率とこれに伴う十分な光−電気変換効率(あるいは光電流)を得ることは非常に困難である。   However, in the wafer having the same structure as the LD, the absorption layer is composed of several layers of semiconductor quantum wells, the thickness of which is as thin as several tens of nanometers, and sufficient light absorption efficiency and sufficient light-electric conversion efficiency (according to this) Alternatively, it is very difficult to obtain a photocurrent.

そこで、リング状の受光部に導波路を接続して、入力した光をリングの内部を周回させて実効的な吸収長を長くすることにより、素子サイズの小型化・高効率化が期待される。実際、こうした原理に基づくリング状の受光素子を提案している例もある。但し、光をリング内部で低損失に周回させて活性媒質に効率良く吸収させて光をキャリア(電子−正孔対)に変換し、電流を得ることは容易ではない。特に、直径10ミクロン程度の微小なリング構造ではリング側壁の加工損傷などにより、散乱による光損失や表面再結合によるキャリア損失が発生するため、光−電気変換効率の顕著な低下を引き起こしてしまう。また、リングあるいはディスク状の受光部においては、光の放射や散乱による損失が生じやすく、サイズが小さくなるほどこれらの損失の増大が顕著となるため、高効率化が困難になる。   Therefore, it is expected to reduce the element size and increase the efficiency by connecting a waveguide to the ring-shaped light receiving part and circulating the input light inside the ring to increase the effective absorption length. . In fact, there is an example in which a ring-shaped light receiving element based on such a principle is proposed. However, it is not easy to obtain light by circulating light with low loss inside the ring and efficiently absorbing the light into the active medium to convert the light into carriers (electron-hole pairs). In particular, in a minute ring structure having a diameter of about 10 microns, light loss due to scattering and carrier loss due to surface recombination occur due to processing damage on the ring side wall, which causes a significant reduction in light-electric conversion efficiency. Further, in a ring or disk-shaped light receiving part, loss due to light emission or scattering is likely to occur, and as the size is reduced, the increase in these losses becomes more significant, making it difficult to increase efficiency.

米国特許6978067号US Pat. No. 6,978,067

発明が解決しようとする課題は、高効率で受光する小型の受光素子および光送受信ユニットを得ることにある。   The problem to be solved by the invention is to obtain a small light receiving element and an optical transmission / reception unit that receive light with high efficiency.

一実施形態による受光素子は、一端が半導体光源に接続され、他端が少なくとも一周以上の渦巻き状に形成された細線光導波路と、前記細線光導波路の前記他端上に設けられた半導体材料からなる下部クラッド層と、前記下部クラッド層上に設けられ、ディスク状あるいはリング状であり、半導体材料からなる光吸収層と、光吸収層上に設けられ半導体材料からなる上部クラッド層と、前記上部クラッド層と第1のコンタクト層を介して対向する第1の電極と、前記下部クラッド層と第2のコンタクト層を介して対向する第2の電極と、を備え、前記細線光導波路の前記他端は、前記一端よりも曲率半径が小さく、かつ、前記一端よりも幅が細くなるテーパ形状であり、前記上部クラッド層は前記第1のコンタクト層および前記光吸収層と接する部分以外の側面の少なくとも一部に前記上部クラッド層の他の部分よりも屈折率が低い低屈折率部分を有するか、前記下部クラッド層は前記第2のコンタクト層および前記光吸収層と接する部分以外の側面の少なくとも一部分に前記下部クラッド層の他の部分よりも屈折率が低い低屈折率部分を有するか、その両方である。A light receiving element according to an embodiment includes a thin wire optical waveguide having one end connected to a semiconductor light source and the other end formed in a spiral shape having at least one turn, and a semiconductor material provided on the other end of the thin wire optical waveguide. A lower clad layer formed on the lower clad layer and having a disk-like or ring-like shape, a light absorbing layer made of a semiconductor material, an upper clad layer made of a semiconductor material provided on the light absorbing layer, and the upper portion A first electrode opposed to the cladding layer via the first contact layer; and a second electrode opposed to the lower cladding layer via the second contact layer; The end has a tapered shape with a radius of curvature smaller than that of the one end and a width narrower than that of the one end, and the upper cladding layer is in contact with the first contact layer and the light absorption layer. A lower refractive index part having a lower refractive index than the other part of the upper cladding layer, or the lower cladding layer is in contact with the second contact layer and the light absorption layer. At least a portion of the side surface other than the portion has a low refractive index portion having a lower refractive index than other portions of the lower cladding layer, or both.

一実施形態による上記受光素子の製造方法は、細線光導波路、第2のコンタクト層、下部クラッド層、光吸収層、上部クラッド層、及び第1のコンタクト層を積層する工程と、前記下部クラッド層及び前記上部クラッド層の少なくとも一方の外周に沿った側面の一部を酸化する工程と、前記第2のコンタクト層に接する下部電極を形成する工程と、前記第1のコンタクト層に接する上部電極を形成する工程と、を備える。According to an embodiment of the present invention, there is provided a method of manufacturing the light receiving element, comprising: laminating a thin optical waveguide, a second contact layer, a lower cladding layer, a light absorbing layer, an upper cladding layer, and a first contact layer; And a step of oxidizing a part of a side surface of at least one of the upper cladding layers along an outer periphery, a step of forming a lower electrode in contact with the second contact layer, and an upper electrode in contact with the first contact layer. Forming.

一実施形態による光送受信ユニットは、半導体光源と、一端が前記半導体光源に接続され、他端が渦巻き状に形成された細線光導波路と、前記細線光導波路の前記他端上に設けられた半導体材料からなる下部クラッド層と、前記下部クラッド層上に設けられ、ディスク状あるいはリング状であり、半導体材料からなる光吸収層と、光吸収層上に設けられ半導体材料からなる上部クラッド層、前記上部クラッド層と第1のコンタクト層を介して対向する第1の電極と、前記下部クラッド層と第2のコンタクト層を介して対向する第2の電極と、を備え、前記細線光導波路の前記他端は、前記一端よりも曲率半径が小さく、かつ、終端部に近づくほど幅が細くなるテーパ形状を有し、前記上部クラッド層は前記第1のコンタクト層および前記光吸収層と接する部分以外の側面の少なくとも一部に前記上部クラッド層の他の部分よりも屈折率が低い低屈折率部分を有するか、前記下部クラッド層は前記第2のコンタクト層および前記光吸収層と接する部分以外の側面の少なくとも一部分に前記下部クラッド層の他の部分よりも屈折率が低い低屈折率部分を有するか、その両方である受光素子と、を備える。An optical transceiver unit according to an embodiment includes a semiconductor light source, a thin optical waveguide having one end connected to the semiconductor light source and the other end formed in a spiral shape, and a semiconductor provided on the other end of the thin optical waveguide A lower clad layer made of a material, provided on the lower clad layer, in a disk shape or a ring shape, a light absorbing layer made of a semiconductor material, and an upper clad layer made of a semiconductor material provided on the light absorbing layer, A first electrode opposed to the upper cladding layer via a first contact layer; and a second electrode opposed to the lower cladding layer via a second contact layer; and The other end has a taper shape with a radius of curvature smaller than that of the one end and becomes narrower as it approaches the terminal end, and the upper cladding layer includes the first contact layer and the light absorption layer. A lower refractive index portion having a lower refractive index than other portions of the upper cladding layer is provided on at least a part of a side surface other than a portion in contact with the layer, or the lower cladding layer includes the second contact layer and the light absorption layer A light receiving element having at least a low refractive index portion having a lower refractive index than other portions of the lower clad layer, or both of them, on at least a part of a side surface other than a portion in contact with the lower cladding layer.

第1の実施形態に係る受光素子の上部電極および下部電極形成前の状態を示す上面図および下面図である。FIG. 3 is a top view and a bottom view showing a state before formation of an upper electrode and a lower electrode of a light receiving element according to a first embodiment. 図1に示す受光素子の破線II−IIに沿った断面図である。It is sectional drawing along the broken line II-II of the light receiving element shown in FIG. 受光素子の吸収効率のシミュレーション結果を示す図である。It is a figure which shows the simulation result of the absorption efficiency of a light receiving element. 第1の実施形態に係る受光素子の製造工程を示す断面図である。6 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of the light receiving element according to the first embodiment. FIG. 第2の実施形態に係る受光素子の上部電極および下部電極形成前の状態を示す上面図である。It is a top view which shows the state before upper electrode and lower electrode formation of the light receiving element which concerns on 2nd Embodiment. 図5に示す受光素子の破線VI−VIに沿った断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view taken along broken line VI-VI of the light receiving element shown in FIG. 5. 第3の実施形態に係る受光素子の上部クラッド層およびその下に設けられた細線光導波路を示す平面図である。It is a top view which shows the upper clad layer of the light receiving element which concerns on 3rd Embodiment, and the thin wire | line optical waveguide provided under it. 第4の実施形態に係る光送受信ユニットを示す斜視図である。It is a perspective view which shows the optical transmission / reception unit which concerns on 4th Embodiment.

以下に、実施形態について図面を参照しつつ説明する。   Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings.

なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。   The drawings are schematic or conceptual, and the relationship between the thickness and width of each part, the size ratio between the parts, and the like are not necessarily the same as actual ones. Further, even when the same part is represented, the dimensions and ratios may be represented differently depending on the drawings.

なお、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。   It should be noted that the same elements as those described above with reference to the previous drawings are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted as appropriate.

(第1の実施形態)
図1は、第1の実施形態の受光素子100の上部電極および下部電極形成前の状態を示す上面図(A)および下面図(B)であり、図2は図1に示す破線II−IIに沿った断面図である。図1では、受光素子100は電極形成前の状態を示している。図1(A)、(B)では左側を細線光導波路20の上流とする
受光素子100は、基板10上に設けられた誘電体層11の上の一部に細線光導波路20が形成されている。細線光導波路20の下流部は少なくとも一周以上の渦巻き状に加工されており、渦巻き内部において細線光導波路20の終端部がその外周と合流している。図1(B)は、基板10および誘電体層11上にある細線光導波路20の位置を破線で示している。細線光導波路20上には、接合層35を介して下部クラッド層30が設けられている。下部クラッド層30上にコンタクト層80が設けられている。コンタクト層80の上には細線光導波路20の範囲を覆うように光吸収層40が設けられている。光吸収層40上には上部クラッド層50が設けられている。上部クラッド層50上には、第1のコンタクト層60および上部電極70がこの順に積層されている。また、下部クラッド層30上の光吸収層40で囲まれた内側には、下部電極90が設けられている。
(First embodiment)
FIG. 1 is a top view (A) and a bottom view (B) showing a state before formation of the upper electrode and the lower electrode of the light receiving element 100 of the first embodiment, and FIG. 2 is a broken line II-II shown in FIG. FIG. In FIG. 1, the light receiving element 100 shows a state before electrode formation. In FIGS. 1A and 1B, the left side is the upstream of the thin optical waveguide 20. In the light receiving element 100, the thin optical waveguide 20 is formed on a part of the dielectric layer 11 provided on the substrate 10. Yes. The downstream portion of the thin optical waveguide 20 is processed into a spiral shape of at least one round, and the terminal portion of the thin optical waveguide 20 merges with the outer periphery inside the spiral. FIG. 1B shows the position of the thin optical waveguide 20 on the substrate 10 and the dielectric layer 11 by a broken line. A lower cladding layer 30 is provided on the thin optical waveguide 20 via a bonding layer 35. A contact layer 80 is provided on the lower cladding layer 30. A light absorption layer 40 is provided on the contact layer 80 so as to cover the range of the thin optical waveguide 20. An upper cladding layer 50 is provided on the light absorption layer 40. On the upper cladding layer 50, a first contact layer 60 and an upper electrode 70 are laminated in this order. A lower electrode 90 is provided on the inner side surrounded by the light absorption layer 40 on the lower cladding layer 30.

接合層35、下部クラッド層30、第2のコンタクト層80、光吸収層40、上部クラッド層50、および第1のコンタクト層60は、それぞれ半導体層からなる。上部クラッド層50のうち、第1のコンタクト層60と光吸収層40の間にある外周に沿った側面部分51および間隙を囲む内周に沿った側面部分52は、上部クラッド層50の他の部分53を構成する材料の酸化物である。上部クラッド層50の側面部分51、52は、上部クラッド層50の他の部分53よりも屈折率が低い。下部クラッド層30のうち、細線光導波路20と光吸収層40の間にある外周に沿った側面部分31は、下部クラッド層30の他の部分を構成する材料の酸化物である。下部クラッド層30の側面部分31は、下部クラッド層30の他の部分32よりも屈折率が低い。   The bonding layer 35, the lower cladding layer 30, the second contact layer 80, the light absorption layer 40, the upper cladding layer 50, and the first contact layer 60 are each made of a semiconductor layer. Of the upper clad layer 50, the side surface portion 51 along the outer periphery between the first contact layer 60 and the light absorption layer 40 and the side surface portion 52 along the inner periphery surrounding the gap are the other parts of the upper clad layer 50. This is an oxide of the material constituting the portion 53. The side portions 51 and 52 of the upper cladding layer 50 have a lower refractive index than the other portions 53 of the upper cladding layer 50. In the lower clad layer 30, the side surface portion 31 along the outer periphery between the thin-line optical waveguide 20 and the light absorption layer 40 is an oxide of a material constituting the other portion of the lower clad layer 30. The side surface portion 31 of the lower cladding layer 30 has a lower refractive index than the other portion 32 of the lower cladding layer 30.

基板10は、例えばSiからなる。誘電体層11は、例えばSiOからなり、その厚さは3μmである。細線光導波路20は、例えばSiからなり、その厚さは250nm、受光部の外側の部分の幅は450nmであり、受光部に接して渦巻き状になって終端に近づくにつれて徐々に幅が細くなり、最も細い終端部では幅200nmである。 The substrate 10 is made of Si, for example. The dielectric layer 11 is made of, for example, SiO 2 and has a thickness of 3 μm. The thin-line optical waveguide 20 is made of, for example, Si, has a thickness of 250 nm, and a width of the outer portion of the light receiving unit is 450 nm. The narrowest end has a width of 200 nm.

接合層35は、例えばGaAsからなり、その厚さは50nmである。下部クラッド層30は側面部分31を除いて例えばAlGaAsからなり、その側面部分31はAlからなる。第2のコンタクト層80は、例えばp型AlGaAsからなる。光吸収層40は、例えば2層のノンドープInGaAs光閉じ込め層と、その間に設けられた井戸層と障壁層が交互に積層されてなるInGaAs/GaAs多重量子井戸層とからなる。上部クラッド層50は、側面部分51、52を除いて例えばAlGaAsからなり、その側面部分51、52はAlからなる。第1のコンタクト層60は、例えばn型AlGaAsからなる。第1の電極70および第2の電極90は、例えばAuGe合金からなり、その厚さは20nmである。 The bonding layer 35 is made of, for example, GaAs and has a thickness of 50 nm. The lower cladding layer 30 is made of, for example, AlGaAs except for the side surface portion 31, and the side surface portion 31 is made of Al 2 O 3 . The second contact layer 80 is made of, for example, p-type AlGaAs. The light absorption layer 40 includes, for example, two non-doped InGaAs optical confinement layers, and an InGaAs / GaAs multiple quantum well layer in which well layers and barrier layers provided therebetween are alternately stacked. The upper cladding layer 50 is made of, for example, AlGaAs except for the side portions 51 and 52, and the side portions 51 and 52 are made of Al 2 O 3 . The first contact layer 60 is made of, for example, n-type AlGaAs. The first electrode 70 and the second electrode 90 are made of, for example, an AuGe alloy and have a thickness of 20 nm.

細線光導波路20に入射され伝播した光は、渦巻き状の終端部に到達すると、その上面に接合されたリング状の光吸収層40に染み出して結合し吸収される。細線光導波路20が曲線を有する場合には、直線状の場合に比べて光は導波路の外に大きく染み出す。その結果として、光吸収層40への光結合および吸収が増強されることになる。   When the light that has entered and propagated into the thin-line optical waveguide 20 reaches the spiral end portion, the light penetrates into the ring-shaped light absorption layer 40 bonded to the upper surface thereof, and is combined and absorbed. When the thin-line optical waveguide 20 has a curved line, light oozes out of the waveguide more than in the case of a straight line. As a result, optical coupling and absorption to the light absorption layer 40 are enhanced.

図3は受光素子100(直径10μm)の吸収効率のシミュレーション結果であり、細線光導波路20に入力した光の95%以上が入射してから2ピコ秒以内に吸収されている。   FIG. 3 is a simulation result of the absorption efficiency of the light receiving element 100 (diameter 10 μm). 95% or more of the light input to the thin optical waveguide 20 is absorbed within 2 picoseconds after entering.

この光結合および吸収の増強効果は、細線光導波路の曲率半径が小さいほど、また細線光導波路20の断面サイズが小さいほど大きくなる。例えば、曲率半径10μmで断面サイズ450nm×250nmの細線光導波路が、前記InGaAs/GaAs多重量子井戸層を含む半導体多層構造の下面に接している場合、吸収効率は直線状の細線光導波路の場合の約1.5倍に増大する。渦巻き状の細線光導波路では、終端に近づくとさらに曲率半径が小さくなり、さらなる結合・吸収の増強が期待できる。また、渦巻きの終端に近づくほど細線光導波路の幅が細くなるようにテーパ状の加工を加えることにより、細線光導波路を伝播する光が半導体多層構造の側へより速やかに移行し、さらに結合・吸収を増強することができる。   This enhancement effect of optical coupling and absorption increases as the radius of curvature of the thin-line optical waveguide decreases and as the cross-sectional size of the thin-line optical waveguide 20 decreases. For example, when a thin optical waveguide having a radius of curvature of 10 μm and a cross-sectional size of 450 nm × 250 nm is in contact with the lower surface of the semiconductor multilayer structure including the InGaAs / GaAs multiple quantum well layer, the absorption efficiency is the same as that of a linear thin optical waveguide. It increases about 1.5 times. In the spiral thin optical waveguide, the radius of curvature is further reduced toward the end, and further enhancement of coupling and absorption can be expected. Also, by adding a taper process so that the width of the thin optical waveguide becomes narrower as it approaches the end of the spiral, the light propagating through the thin optical waveguide shifts more quickly to the semiconductor multilayer structure side, and further coupled / Absorption can be enhanced.

さらに、上部クラッド層50および下部クラッド層30の側面部分51、52、31が酸化狭窄されていることにより、光吸収層40に結合した光が上部電極70側に漏出して吸収されて光電流に寄与しない損失成分が増大することを抑制できる。さらには、光がリング状の光吸収層40の内側に光閉じ込められるため、側壁による光散乱損失や、吸収されて生成したキャリアが側壁における表面再結合により消失するキャリア損失を抑制できる。以上のことにより超小型かつ高効率な受光素子の実現が可能となる。   Furthermore, the side portions 51, 52, 31 of the upper cladding layer 50 and the lower cladding layer 30 are oxidized and constricted, so that the light coupled to the light absorption layer 40 leaks to the upper electrode 70 side and is absorbed and photocurrent. It is possible to suppress an increase in loss components that do not contribute to. Furthermore, since the light is confined inside the ring-shaped light absorption layer 40, it is possible to suppress light scattering loss due to the side wall and carrier loss in which carriers generated by absorption are lost due to surface recombination on the side wall. As described above, it is possible to realize an ultra-small and highly efficient light receiving element.

なお細線光導波路20の形状は、上記のようなものに加え、空洞がないディスク状のものや渦巻き状で終端部が外周と合流せずに終端しているものであってもよいことは言うまでもない。   In addition to the above, the shape of the thin-line optical waveguide 20 may be a disk-like shape without a cavity or a spiral shape, and the end portion may be terminated without joining the outer periphery. Yes.

このような形状の細線光導波路20を用いる場合にも、光吸収層40よりも上側の半導体層はリング状に形成することができる。   Even when the thin optical waveguide 20 having such a shape is used, the semiconductor layer above the light absorption layer 40 can be formed in a ring shape.

また、本実施例ではGaAs基板上のInGaAs/GaAs多重量子井戸を活性層とする場合について述べたが、これを、例えばInP基板上のInGaAsP/InAlAs多重量子井戸で置き換えても良い。その場合は、上からp型InGaAsコンタクト層、p型InAlAsクラッド層、ノンドープInGaAsP光閉じ込め層、InGaAsP多重量子井戸活性層、ノンドープInGaAs光閉じ込め層、n型InAlAsクラッド層、n型InPコンタクト層とすれば良い。または、これらを他の材料からなる半導体多層構造とすることも可能である。   In this embodiment, the case where the InGaAs / GaAs multiple quantum well on the GaAs substrate is used as the active layer has been described, but this may be replaced with, for example, an InGaAsP / InAlAs multiple quantum well on the InP substrate. In that case, the p-type InGaAs contact layer, the p-type InAlAs cladding layer, the non-doped InGaAsP optical confinement layer, the InGaAsP multiple quantum well active layer, the non-doped InGaAs optical confinement layer, the n-type InAlAs clad layer, and the n-type InP contact layer are arranged from the top. It ’s fine. Alternatively, these can be a semiconductor multilayer structure made of other materials.

図1、図2に示す受光素子100の製造方法について以下に説明する。図4は受光素子100の製造方法を示す断面図である。   A method for manufacturing the light receiving element 100 shown in FIGS. 1 and 2 will be described below. FIG. 4 is a cross-sectional view showing a method for manufacturing the light receiving element 100.

まず、SOI基板である誘電体層11を有する基板10の上にSi細線光導波路20を形成し、その終端部を渦巻き状に加工する(図4(A))。この螺旋状のSi細線光導波路20の上に、光吸収層40を含む半導体多層構造を接合する(図4(B))。半導体多層構造としては、たとえばGaAs基板1上に形成されたn型AlGaAsからなる第1のコンタクト層60、AlGaAsからなる上部クラッド層50、GaAs光閉じ込め層とInGaAs/GaAs多重量子井戸層とGaAs光閉じ込め層とからなる光吸収層40、p型AlGaAsからなる第2のコンタクト層80、AlGaAsの下部クラッド層30、およびGaAsからなる接合層35を有する多層構造である。また、接合方法としてはウエハ直接接合法や接着層を介した接合方法などを用いることが出来る。その後、基板1を剥離し、半導体多層構造に対して、リング形状のパターニングを行う(図4(C))。ここで半導体多層構造の上部クラッド層50及び下部クラッド層30は、酸化処理により側面部分51、52、31を絶縁性のある低屈折率の酸化物とする(図4(D))。この酸化処理において、Al組成の少ない光閉じ込め層、多重量子井戸層は酸化がほとんど進まないため、半導体層のまま残っている構造となる。   First, the Si thin-line optical waveguide 20 is formed on the substrate 10 having the dielectric layer 11 which is an SOI substrate, and the terminal portion thereof is processed into a spiral shape (FIG. 4A). A semiconductor multilayer structure including the light absorption layer 40 is bonded onto the spiral Si fine wire optical waveguide 20 (FIG. 4B). As the semiconductor multilayer structure, for example, a first contact layer 60 made of n-type AlGaAs formed on the GaAs substrate 1, an upper cladding layer 50 made of AlGaAs, a GaAs light confinement layer, an InGaAs / GaAs multiple quantum well layer, and GaAs light. The multilayer structure includes a light absorption layer 40 made of a confinement layer, a second contact layer 80 made of p-type AlGaAs, a lower cladding layer 30 made of AlGaAs, and a bonding layer 35 made of GaAs. As a bonding method, a direct wafer bonding method, a bonding method via an adhesive layer, or the like can be used. Thereafter, the substrate 1 is peeled off, and ring-shaped patterning is performed on the semiconductor multilayer structure (FIG. 4C). Here, the upper clad layer 50 and the lower clad layer 30 of the semiconductor multi-layer structure are formed by oxidizing the side portions 51, 52, and 31 into an insulating low refractive index oxide (FIG. 4D). In this oxidation treatment, the optical confinement layer and the multiple quantum well layer with a small Al composition hardly undergo oxidation, so that the semiconductor layer remains as it is.

その後、上部電極70および下部電極90を形成し、受光素子100を完成させる(図4(E))。   Thereafter, the upper electrode 70 and the lower electrode 90 are formed, and the light receiving element 100 is completed (FIG. 4E).

なお、上部クラッド層50の側面部分51、52および下部クラッド層30の側面部分31は、上部クラッド層50および下部クラッド層31の他の部分53、32を形成するAlGaAsよりも格子定数が小さく、光吸収層40のInGaAs/GaAs多重量子井戸層に引っ張り歪みが印加されている。   The side surface portions 51 and 52 of the upper cladding layer 50 and the side surface portion 31 of the lower cladding layer 30 have a smaller lattice constant than AlGaAs forming the other portions 53 and 32 of the upper cladding layer 50 and the lower cladding layer 31, A tensile strain is applied to the InGaAs / GaAs multiple quantum well layer of the light absorption layer 40.

選択酸化の量を適切に選ぶことで、InGaAs/GaAs多重量子井戸層に印加される引っ張り歪みの大きさを制御することができ、InGaAs/GaAs多重量子井戸層における光吸収端のシフト量を制御することが可能である。半導体レーザは、周囲環境の温度上昇や半導体レーザ自身の発熱により発振波長が長波長化する。そのため、半導体レーザと共通の層構造よりなる受光素子においては、光吸収端の裾野のさらに透明領域側の光を受光することになり、受光感度が大幅に低下してしまう場合がある。しかしながら、選択酸化の量によって光吸収端のシフト量を調節することができる。   By appropriately selecting the amount of selective oxidation, the amount of tensile strain applied to the InGaAs / GaAs multiple quantum well layer can be controlled, and the shift amount of the light absorption edge in the InGaAs / GaAs multiple quantum well layer can be controlled. Is possible. The oscillation wavelength of the semiconductor laser becomes longer due to the temperature rise in the surrounding environment and the heat generated by the semiconductor laser itself. For this reason, in a light receiving element having a layer structure common to the semiconductor laser, light on the further transparent region side of the base of the light absorption end is received, and the light receiving sensitivity may be greatly reduced. However, the shift amount of the light absorption edge can be adjusted by the amount of selective oxidation.

本実施形態によれば、細線光導波路からの受光が高効率で小型な受光素子を形成することができる。   According to the present embodiment, it is possible to form a light receiving element that is highly efficient in receiving light from a thin optical waveguide.

(第2の実施形態)
図5は第2の実施形態の受光素子101の上部電極70および下部電極90の形成前の状態を示す上面図であり、図6は図5に示す破線VI−VIに沿った断面図である。本実施形態においては、半導体多層構造のうち、外周に近い上部クラッド層50の一部が除去されて溝が形成されている。図5に示すように、上部電極70および下部電極90の形成前の状態で、半導体多層構造を上面から見ると,、中心部から順に、nAlGaAs下部コンタクト層80、AlGaAs上部クラッド層50、光吸収層40、AlGaAs上部クラッド層50が見られる。
(Second Embodiment)
FIG. 5 is a top view showing a state before formation of the upper electrode 70 and the lower electrode 90 of the light receiving element 101 of the second embodiment, and FIG. 6 is a cross-sectional view taken along the broken line VI-VI shown in FIG. . In the present embodiment, in the semiconductor multilayer structure, a part of the upper cladding layer 50 close to the outer periphery is removed to form a groove. As shown in FIG. 5, when the semiconductor multilayer structure is viewed from the upper surface before the upper electrode 70 and the lower electrode 90 are formed, the nAlGaAs lower contact layer 80, the AlGaAs upper cladding layer 50, the light absorption are sequentially arranged from the center. Layer 40, AlGaAs upper cladding layer 50 can be seen.

上部クラッド層50と下部クラッド層30の側面部分は選択酸化されている。上部クラッド層50は、溝の外側にある外周に沿った側面部分51、間隙を囲む内周に沿った側面部分52、および溝の内側の表面部分54が低屈折率部分である。下部クラッド層30は、第1の実施形態と同様に、外周に沿った側面部分31が低屈折率部分である。   The side portions of the upper cladding layer 50 and the lower cladding layer 30 are selectively oxidized. In the upper clad layer 50, the side surface portion 51 along the outer periphery outside the groove, the side surface portion 52 along the inner periphery surrounding the gap, and the surface portion 54 inside the groove are low refractive index portions. In the lower cladding layer 30, the side surface portion 31 along the outer periphery is a low refractive index portion, as in the first embodiment.

光吸収層40には中心に向かう方向と外周に向かう方向に応力がかかるため、より効率的に引っ張り歪みを印加することができる。本実施例においては上部クラッド層の最外周がリング形状をしているが、他の形状であってよいことは言うまでもない。   Since stress is applied to the light absorption layer 40 in the direction toward the center and in the direction toward the outer periphery, tensile strain can be applied more efficiently. In the present embodiment, the outermost periphery of the upper clad layer has a ring shape, but it goes without saying that it may have other shapes.

本実施形態によれば、細線光導波路からの受光が高効率で小型な受光素子を形成することができる。   According to the present embodiment, it is possible to form a light receiving element that is highly efficient in receiving light from a thin optical waveguide.

(第3の実施形態)
図7は第3の実施形態に係る受光素子102の上部クラッド層50およびその下に設けられた細線光導波路20を示す平面図である。本実施形態においては、上部クラッド層50の外周に突起状の部分(歪み付加部分)55が付加されていることを特徴とする。突起状の構造55は、上部クラッド層50の外周に沿った側面とともに選択酸化されている。本構成において上部クラッド層50と下部クラッド層30を選択酸化すると、突起状の部分55がない場合に比べて酸化される体積が多くなるため、酸化による堆積収縮による応力が効果的に光吸収領域に印加される。ここでの突起状の部分55の形状はどんな形状であってよい。図7に示すように、上面から見てT字型の突起状の構造は、酸化が均一に進み、光吸収層40への応力が均一にかかるので望ましい。
(Third embodiment)
FIG. 7 is a plan view showing the upper cladding layer 50 of the light receiving element 102 according to the third embodiment and the thin-line optical waveguide 20 provided therebelow. The present embodiment is characterized in that a protruding portion (strain-added portion) 55 is added to the outer periphery of the upper cladding layer 50. The protruding structure 55 is selectively oxidized along with the side surfaces along the outer periphery of the upper cladding layer 50. In this configuration, when the upper clad layer 50 and the lower clad layer 30 are selectively oxidized, the volume that is oxidized is increased as compared with the case where there is no projecting portion 55, so that stress due to deposition shrinkage due to oxidation is effectively absorbed by the light absorption region. To be applied. The shape of the protruding portion 55 here may be any shape. As shown in FIG. 7, a T-shaped projecting structure as viewed from above is desirable because oxidation proceeds uniformly and stress is applied to the light absorption layer 40 uniformly.

なお、本実施形態のリング形状の上部クラッド層にT字型の突起状の付加された構造は、第2の実施形態における溝の外側にある外周に沿った側面部分51を形成する場合と同様のプロセスで、例えば光リソグラフィとドライエッチングを用いて、容易に形成することが出来る。   In addition, the structure in which the T-shaped protrusion is added to the ring-shaped upper cladding layer of the present embodiment is the same as the case of forming the side surface portion 51 along the outer periphery outside the groove in the second embodiment. In this process, it can be easily formed using, for example, photolithography and dry etching.

本実施形態によれば、細線光導波路からの受光が高効率で小型な受光素子を形成することができる。   According to the present embodiment, it is possible to form a light receiving element that is highly efficient in receiving light from a thin optical waveguide.

(第4の実施形態)
上述の受光素子は、半導体レーザと共通の層構造とすることが可能である。図8は、光送受信ユニットを示す斜視図である。光送受信用ユニットは、誘電体層10上に形成された半導体レーザ110と受光素子100とこれらをつなぐ細線光導波路20を有する。受光素子は、第1の実施形態の受光素子100に限らない。細線光導波路20と半導体レーザ110と受光素子100とを共通の工程で形成することができるので、光送受信ユニットを低コストで製造することが可能である。このとき、半導体レーザ110は出来るだけ小型であるもの、すなわちマイクロリング(またはマイクロディスク)レーザが望ましい。
(Fourth embodiment)
The light receiving element described above can have a common layer structure with the semiconductor laser. FIG. 8 is a perspective view showing the optical transceiver unit. The optical transmission / reception unit includes a semiconductor laser 110 formed on the dielectric layer 10, a light receiving element 100, and a thin-line optical waveguide 20 that connects them. The light receiving element is not limited to the light receiving element 100 of the first embodiment. Since the thin-line optical waveguide 20, the semiconductor laser 110, and the light receiving element 100 can be formed in a common process, it is possible to manufacture an optical transmission / reception unit at a low cost. At this time, the semiconductor laser 110 is preferably as small as possible, that is, a micro ring (or micro disk) laser.

本実施形態によれば、細線光導波路からの受光が高効率で小型な受光素子を有する光送受信ユニットを形成することができる。   According to the present embodiment, it is possible to form an optical transmission / reception unit having a small light receiving element that is highly efficient in receiving light from a thin optical waveguide.

以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明の実施形態は、これらの具体例に限定されるものではない。各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。
また、各具体例のいずれか2つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
The embodiments of the present invention have been described above with reference to specific examples. However, embodiments of the present invention are not limited to these specific examples. The specific configuration of each element is included in the scope of the present invention as long as a person skilled in the art can appropriately perform the present invention by appropriately selecting from a known range and obtain the same effect.
Moreover, what combined any two or more elements of each specific example in the technically possible range is also included in the scope of the present invention as long as the gist of the present invention is included.

その他、本発明の実施の形態として上述した表示装置を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての表示装置も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。   In addition, all display devices that can be implemented by a person skilled in the art based on the above-described display device as an embodiment of the present invention are included in the scope of the present invention as long as they include the gist of the present invention. .

その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。   In addition, in the category of the idea of the present invention, those skilled in the art can conceive of various changes and modifications, and it is understood that these changes and modifications also belong to the scope of the present invention. .

1 基板、10 基板、11 誘電体層、20 細線光導波路、30 下部クラッド層、31 下部クラッド層の側面部分、32 下部クラッド層側面部分以外の部分、35 接合層、40 光吸収層、50 上部クラッド層、51 上部クラッド層の側面部分、52 上部クラッド層の側面部分、53 上部クラッド層の側面部分以外の部分、54 上部クラッド層の一部分、55 突起状の部分、60 第1のコンタクト層、70 上部電極、80 クラッド層、90 下部電極、100 受光素子、 101 受光素子、 102 受光素子、110 半導体レーザ DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Substrate, 10 Substrate, 11 Dielectric layer, 20 Thin-line optical waveguide, 30 Lower clad layer, 31 Side part of lower clad layer, 32 Part other than lower clad layer side part, 35 Bonding layer, 40 Light absorption layer, 50 Upper part Cladding layer, 51 side surface portion of upper cladding layer, 52 side surface portion of upper cladding layer, 53 portion other than side surface portion of upper cladding layer, 54 part of upper cladding layer, 55 projecting portion, 60 first contact layer, 70 upper electrode, 80 cladding layer, 90 lower electrode, 100 light receiving element, 101 light receiving element, 102 light receiving element, 110 semiconductor laser

Claims (8)

一端が半導体光源に接続され、他端が少なくとも一周以上の渦巻き状に形成された細線光導波路と、
前記細線光導波路の前記他端上に設けられた半導体材料からなる下部クラッド層と、
前記下部クラッド層上に設けられ、ディスク状あるいはリング状であり、半導体材料からなる光吸収層と、
光吸収層上に設けられ半導体材料からなる上部クラッド層
前記上部クラッド層と第1のコンタクト層を介して対向する第1の電極と、
前記下部クラッド層と第2のコンタクト層を介して対向する第2の電極と、
を備え、
前記細線光導波路の前記他端は、前記一端よりも曲率半径が小さく、かつ、前記一端よりも幅が細くなるテーパ形状であり、
前記上部クラッド層は前記第1のコンタクト層および前記光吸収層と接する部分以外の側面の少なくとも一部に前記上部クラッド層の他の部分よりも屈折率が低い低屈折率部分を有するか、前記下部クラッド層は前記第2のコンタクト層および前記光吸収層と接する部分以外の側面の少なくとも一部分に前記下部クラッド層の他の部分よりも屈折率が低い低屈折率部分を有するか、その両方である受光素子。
One end is connected to a semiconductor light source and the other end is formed into a spiral shape having at least one turn,
A lower clad layer made of a semiconductor material provided on the other end of the thin-line optical waveguide;
A light absorption layer provided on the lower clad layer, in a disk shape or a ring shape, made of a semiconductor material;
An upper clad layer made of a semiconductor material provided on the light absorption layer;
A first electrode opposed to the upper cladding layer via a first contact layer;
A second electrode facing the lower cladding layer via a second contact layer;
With
The other end of the thin-line optical waveguide has a taper shape having a smaller radius of curvature than the one end and a width narrower than the one end,
The upper cladding layer has a low refractive index portion having a refractive index lower than that of other portions of the upper cladding layer on at least a part of the side surface other than the portion in contact with the first contact layer and the light absorption layer, or The lower clad layer has a low refractive index portion having a refractive index lower than that of other portions of the lower clad layer on at least a part of the side surface other than the portion in contact with the second contact layer and the light absorption layer, or both. A light receiving element.
前記上部クラッド層のうち低屈折率部分は他の部分よりも格子定数が小さいか、下部クラッド層のうち低屈折率部分は他の部分よりも格子定数が小さいか、その両方である請求項に記載の受光素子。 Wherein either the upper low refractive index portion of the cladding layer is smaller lattice constant than the other portions, or a low refractive index portion of the lower cladding layer lattice constant is smaller than other portions, according to claim 1 which is both The light receiving element described in 1. 前記光吸収層は、井戸層と障壁層が交互に積層された多重量子井戸層であることを特徴とする請求項1又は2に記載の受光素子。 Light-receiving element according to claim 1 or 2, wherein the light-absorbing layer is characterized by the well layers and barrier layers are multiple quantum well layers are alternately laminated. 前記上部クラッド層は外縁に沿った溝を有し、前記上部クラッド層の前記溝よりも内側にある表面および外周に沿った側面が他の部分よりも屈折率が低い低屈折率部分である請求項1乃至3のいずれか1項に記載の受光素子。 The upper clad layer has a groove along an outer edge, and a surface on the inner side of the groove of the upper clad layer and a side surface along the outer periphery are low refractive index portions having a lower refractive index than other portions. Item 4. The light receiving element according to any one of Items 1 to 3 . 前記上部クラッド層は、歪み付加部分を有する、請求項1乃至4のいずれか1項に記載の受光素子。 The upper clad layer has a distortion adding portion, a light receiving device according to any one of claims 1 to 4. 前記上部クラッド層および下部クラッド層の低屈折率部分は、前記上部クラッド層または下部クラッド層を酸化処理することにより形成された、請求項1乃至5のいずれか1項に記載の受光素子。 Low refractive index portion of the upper cladding layer and lower cladding layer, the upper clad layer or the lower clad layer is formed by oxidizing treatment, the light-receiving element according to any one of claims 1 to 5. 細線光導波路、第2のコンタクト層、下部クラッド層、光吸収層、上部クラッド層、及び第1のコンタクト層を積層する工程と、
前記下部クラッド層及び前記上部クラッド層の少なくとも一方の外周に沿った側面の一部を酸化する工程と、
前記第2のコンタクト層に接する下部電極を形成する工程と、
前記第1のコンタクト層に接する上部電極を形成する工程と、
を備える請求項1に記載の受光素子の製造方法。
Laminating a thin-line optical waveguide, a second contact layer, a lower cladding layer, a light absorbing layer, an upper cladding layer, and a first contact layer;
Oxidizing a part of a side surface along an outer periphery of at least one of the lower cladding layer and the upper cladding layer;
Forming a lower electrode in contact with the second contact layer;
Forming an upper electrode in contact with the first contact layer;
A method for manufacturing a light receiving element according to claim 1.
半導体光源と、
一端が前記半導体光源に接続され、他端が渦巻き状に形成され細線光導波路と、
前記細線光導波路の前記他端上に設けられた半導体材料からなる下部クラッド層と、前記下部クラッド層上に設けられ、ディスク状あるいはリング状であり、半導体材料からなる光吸収層と、光吸収層上に設けられ半導体材料からなる上部クラッド層、前記上部クラッド層と第1のコンタクト層を介して対向する第1の電極と、前記下部クラッド層と第2のコンタクト層を介して対向する第2の電極と、を備え、前記細線光導波路の前記他端は、前記一端よりも曲率半径が小さく、かつ、終端部に近づくほど幅が細くなるテーパ形状を有し、前記上部クラッド層は前記第1のコンタクト層および前記光吸収層と接する部分以外の側面の少なくとも一部に前記上部クラッド層の他の部分よりも屈折率が低い低屈折率部分を有するか、前記下部クラッド層は前記第2のコンタクト層および前記光吸収層と接する部分以外の側面の少なくとも一部分に前記下部クラッド層の他の部分よりも屈折率が低い低屈折率部分を有するか、その両方である受光素子と、
を備える光送受信ユニット。
A semiconductor light source;
One end is connected to the semiconductor light source, and the other end is formed in a spiral shape, a thin wire optical waveguide,
A lower cladding layer of semiconductor material provided on the other end of the wire waveguides, provided on the lower cladding layer, a disc-shaped or ring-shaped, a light absorbing layer of a semiconductor material, the light-absorbing An upper clad layer made of a semiconductor material provided on the layer; a first electrode opposed to the upper clad layer via the first contact layer; and a first electrode opposed to the lower clad layer via the second contact layer. The other end of the thin-line optical waveguide has a taper shape in which the radius of curvature is smaller than that of the one end and the width becomes narrower toward the end portion, and the upper clad layer At least a part of the side surface other than the portion in contact with the first contact layer and the light absorption layer has a low refractive index portion having a lower refractive index than other portions of the upper cladding layer, The pad layer has a low refractive index portion having a lower refractive index than other portions of the lower cladding layer at least in part of the side surface other than the portion in contact with the second contact layer and the light absorption layer, or both. A light receiving element,
An optical transceiver unit comprising:
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