JP6552523B2 - 受光素子 - Google Patents

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Description

本発明は、受光素子に関する。
近年Ｓｉ（シリコン）フォトニクスの分野において、ＳＭＦ（シングルモードファイバ）からの光をグレーティングカプラで結合してＳｉ導波路に導き、導波路型のＰＤ（フォトディテクタ）で受光することが報告されている。グレーティングカプラを採用することで光路変換と導波路への結合を実現しているが、シングルモード導波路と結合するために入力はＳＭＦが必要とされる。また、このタイプの受光器の例として、非特許文献２では、ＴＥモードとＴＭモードを２次元のグレーティングで分離することで、２つのモードをＰＤに結合している。
一方、Ｓｉフォトニクスの分野でも、Ｇｅ（ゲルマニウム）で構成された面型のディテクタが報告されている。
光インターコネクションでは、低コストな光伝送を実現するためにコア径の大きいＭＭＦ（マルチモードファイバ）が用いられている。ＭＭＦは、ＳＭＦに比べて光源に対する実装トレランスが大きく、低コスト化が実現できる。一方、低コストでＭＭＦからの光をＰＤで受光するには、受光面積が広い面型のディテクタが用いられる。
Dirk Taillaert、"2D grating fibre coupler used as polarization splitter"、［online］、［平成２６年１１月７日検索］、インターネット<URL:http://www.photonics.intec.ugent.be/research/topics.asp?ID=85> Peter De Dobbelaere、"Hybrid Silicon Photonics for High-Speed Optical Interconnect"、［online］、［平成２６年１２月１１日検索］、インターネット<URL:http://www.semiconwest.org/sites/semiconwest.org/files/data14/docs/SW2014_Peter%20De%20Dobbelaere%20_Luxtera_For%20posting.pdf> 野口将高 他、第６１回応用物理学会春季学術講演会、講演予稿集１９ｐ−Ｆ８−６
上記のように、ＳＭＦからグレーティングカプラを介して導波路型のＰＤで受光するタイプの受光器は、ＳＭＦを用いている点で実装トレランスが小さいため、低コスト化に問題がある。また、非特許文献１のような２次元のグレーティングの場合、２種類の偏波に対応して２つのグレーティングが交差する形で形成されているが、２つのグレーティングが交差することで、それぞれの偏波に対する回折効率が低下する問題もある。一方、面型のＧｅディテクタはＭＭＦを利用できるため低コスト化には有効であるが、面型のＰＤは光が吸収層を通過する距離が導波路型に比べて短いため、感度が低いという問題がある。更に、非特許文献３に示されているように吸収層であるＧｅを厚くするとキャリアドリフト帯域が劣化し、フォトディテクタの帯域が劣化する問題がある。即ち、フォトディテクタを高速動作させるにはＧｅ層を薄く形成する必要がある。
受光器の感度が低いことは光電気変換効率が小さいことを意味し、光インターコネクションにおけるリンクロスバジェットが十分に確保できないという問題を生む。特にＳｉフォトニクスでは光源の光を分岐してパラレル伝送することが低消費電力化に有効であるが、その際、受光器の最小受信パワーが小さいほど望ましい。
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的の１つは、受光感度の高い受光素子を提供することにある。
上述した課題を解決するために、本発明の一態様に係る受光素子は、光を吸収してキャリアを発生させる光吸収層と、前記光吸収層が成す面に対して斜めに入射した第１偏波の光を前記光吸収層に沿って第１方向に伝搬するように光路変換し、前記第１偏波と同一方向から入射した前記第１偏波と直交する第２偏波の光を前記光吸収層に沿って前記第１方向と反対の第２方向に伝搬するように光路変換する回折素子と、を備える。
また、本発明の他の一態様は、上記一態様において、前記回折素子の逆格子ベクトルの大きさをＫ、前記光吸収層における前記第１偏波の伝搬定数をβ１、前記光吸収層における前記第２偏波の伝搬定数をβ２、前記回折素子による前記第１偏波の回折次数をｍ（正の整数）、前記回折素子による前記第２偏波の回折次数をｎ（正の整数）としたとき、次式Ｋ＝（β１＋β２）／（ｍ＋ｎ）を満足する。
また、本発明の他の一態様は、上記一態様において、前記回折素子の逆格子ベクトルの大きさが、前記光吸収層における前記第１偏波の伝搬定数と前記光吸収層における前記第２偏波の伝搬定数との平均値に等しい。
また、本発明の他の一態様は、上記一態様において、前記回折素子は前記光吸収層に形成されている。
また、本発明の他の一態様は、上記一態様において、前記回折素子は前記光吸収層と同一面上であって前記光吸収層と異なる領域に形成されている。
また、本発明の他の一態様は、上記一態様において、前記光吸収層は、前記第１方向に伝搬した前記第１偏波の光を吸収する第１光吸収層と、前記第２方向に伝搬した前記第２偏波の光を吸収する第２光吸収層とを備える。
また、本発明の他の一態様は、上記一態様において、前記第１偏波の光と前記第２偏波の光を前記回折素子に導入するための、前記光吸収層が成す面に対して斜めに立設した光導波路を更に備える。
また、本発明の他の一態様は、上記一態様において、前記光導波路は、前記第１偏波及び第２偏波の光の前記回折素子への入射角θが次式θ＝ｓｉｎ−１［（ｍ・ｎｅｆｆ２−ｎ・ｎｅｆｆ１）／（（ｍ＋ｎ）・ｎｗ）］但し、ｎｅｆｆ１は前記第１偏波に対する前記光吸収層の等価屈折率、ｎｅｆｆ２は前記第２偏波に対する前記光吸収層の等価屈折率、ｎｗは前記光導波路の等価屈折率、を満たすように、前記光吸収層が成す前記面に対して傾けられている。
本発明によれば、受光素子の受光感度を向上させることができる。
本発明の第１実施形態に係る受光素子の構成を示す断面図である。 グレーティングの回折における波数保存則を示した図である。 光吸収層の厚さＨ（横軸）と、式（２ａ）及び（２ｂ）をそれぞれ満たすＴＥ偏波及びＴＭ偏波の入射光の入射角（縦軸）との関係を示すグラフである。 光吸収層の実効的な厚さＨｅｆｆに対する光吸収層の等価屈折率ｎｅｆｆの関係を、各モード次数のＴＥ偏波とＴＭ偏波について示したグラフである。 第１実施形態に係る受光素子の上面図である。 本発明の第２実施形態に係る受光素子の構成を示す断面図である。 第２実施形態に係る受光素子の上面図である。 グレーティングの実効的な厚さＨｅｆｆに対する等価屈折率ｎｅｆｆの関係を、各モード次数のＴＥ偏波とＴＭ偏波について示したグラフである。 本発明の第３実施形態に係る受光素子の構成を示す断面図である。
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳しく説明する。
＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る受光素子１００の構成を示す断面図である。受光素子１００は、基板１０１と、下部ＳｉＯ２層１０２と、Ｐ型半導体層１０３と、光吸収層１０４と、Ｎ型半導体層１０５と、上部ＳｉＯ２層１０６とを備える。各層は、基板１０１側から、下部ＳｉＯ２層１０２、Ｐ型半導体層１０３、光吸収層１０４、Ｎ型半導体層１０５、上部ＳｉＯ２層１０６の順に積層されている。図１において、基板１０１の表面に垂直な方向にＸ軸、基板１０１の表面に平行な方向（図の横方向）にＺ軸をとる。
基板１０１は、一例として、シリコン（Ｓｉ）基板である。Ｐ型半導体層１０３は、Ｐ型の不純物がドープされた半導体層である。例えば、Ｐ型半導体層１０３は、Ｐ型の不純物としてホウ素（Ｂ）がドープされた薄膜シリコン層によって構成される。光吸収層１０４は、不純物がドープされていないＩ型（真性）の半導体層である。例えば、光吸収層１０４は、ゲルマニウム（Ｇｅ）層によって構成される。Ｎ型半導体層１０５は、Ｎ型の不純物がドープされた半導体層である。例えば、Ｎ型半導体層１０５は、Ｎ型の不純物としてリン（Ｐ）又はヒ素（Ａｓ）がドープされた薄膜シリコン層によって構成される。このように、受光素子１００は、Ｐ型半導体層１０３、光吸収層１０４、及びＮ型半導体層１０５によるＰＩＮ構造１０７を有する。なお、Ｐ型半導体層１０３とＮ型半導体層１０５は、光吸収層１０４と同じ半導体（例えばゲルマニウム）にそれぞれＰ型とＮ型の不純物がドープされた層であってもよい。図１ではＰ型半導体層１０３が基板１０１側に、Ｎ型半導体層１０５が基板１０１と反対側に形成されているが、その逆であってもよい。即ち、Ｎ型半導体層１０５が基板１０１側に、Ｐ型半導体層１０３が基板１０１と反対側に形成されてもよい。
下部ＳｉＯ２層１０２は、ＰＩＮ構造１０７の下部、即ち基板１０１側に隣接して形成された二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）からなる層である。上部ＳｉＯ２層１０６は、ＰＩＮ構造１０７の上部、即ち基板１０１と反対側に隣接して形成された二酸化ケイ素からなる層である。下部ＳｉＯ２層１０２及び上部ＳｉＯ２層１０６は、受光素子１００の感度波長において光吸収層１０４よりも低い屈折率を有する。これにより、高屈折率の光吸収層１０４（あるいは、Ｐ型半導体層１０３、光吸収層１０４、及びＮ型半導体層１０５からなるＰＩＮ構造１０７）をコア層、低屈折率の下部ＳｉＯ２層１０２及び上部ＳｉＯ２層１０６をそれぞれ下部クラッド層、上部クラッド層とするスラブ導波路が形作られる。
受光素子１００の基板１０１、下部ＳｉＯ２層１０２、及びＰ型半導体層１０３の部分は、ＢＯＸ層（埋め込み酸化膜層）とＢＯＸ層上のＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）層とを有するＳＯＩ基板を利用して構成することもできる。即ち、ＳＯＩ基板のＢＯＸ層を下部ＳｉＯ２層１０２に適用すると共に、ＳＯＩ基板のＳＯＩ層からＰ型半導体層１０３を形成するようにしてもよい。
光吸収層１０４は、グレーティング（回折素子）１０８を備える。グレーティング１０８は、光吸収層１０４の厚さがＺ軸方向に沿って周期的に変化している凹凸構造である。より具体的には、光吸収層１０４の上部ＳｉＯ２層１０６側の表面に、それぞれが深さｄ、幅ｗを持つ複数の溝１０８ａが、ピッチ（周期）ΛでＺ軸方向に沿って並んで形成されている。換言すれば、光吸収層１０４は、厚さＨの部分と各溝１０８ａに対応する厚さＨ−ｄの部分とが、Ｚ軸方向に沿って交互に配置した凹凸構造を有する。厚さＨの部分のＺ軸方向の幅はΛ−ｗ、厚さＨ−ｄの部分のＺ軸方向の幅はｗである。この凹凸構造が、グレーティング１０８を構成する。図１では、Ｎ型半導体層１０５はグレーティング１０８の凹部の底面と凸部の上面だけでなく、凹凸の側面にも形成されている。このような構成は、凹凸を跨いで光電流が流れる場合に有効である。凹凸を跨いで光電流が流れる必要がない場合は、後述する図９の構成のように、Ｎ型半導体層１０５は凹部の底面と凸部の上面だけに形成されてもよい。更に、図示しないが、凹部の底面のみ、又は凸部の上面のみにＮ型半導体層１０５が形成されてもよい。
次に、受光素子１００の動作を説明する。上部ＳｉＯ２層１０６の上方の空気層１０９から、入射光ＩＬが入射角θ２で上部ＳｉＯ２層１０６へ入射される。入射光ＩＬは、ＴＥ偏波の入射光ＩＬＴＥとＴＭ偏波の入射光ＩＬＴＭを含む。上部ＳｉＯ２層１０６への入射光ＩＬは、空気層１０９と上部ＳｉＯ２層１０６との境界面で屈折して上部ＳｉＯ２層１０６の中を進み、入射角θ１でグレーティング１０８へ入射される。なお、図１では入射光ＩＬは１本の線で描かれているが、入射光ＩＬの入射位置は、グレーティング１０８への入射が可能となるような位置であればよく、したがって、入射光ＩＬは、グレーティング１０８の大きさに応じた幅を有することができる。
グレーティング１０８へ入射したＴＥ偏波の入射光ＩＬＴＥは、グレーティング１０８によって−Ｚ方向へと回折される。即ち、ＴＥ偏波の入射光ＩＬＴＥの回折後の伝搬方向は、−Ｚ方向である。グレーティング１０８によって回折されたＴＥ偏波の入射光ＩＬＴＥは、光吸収層１０４（をコア層とするスラブ導波路）のＴＥ偏波伝搬モード光に結合して、光吸収層１０４内を−Ｚ方向に伝搬していく。一方、グレーティング１０８へ入射したＴＭ偏波の入射光ＩＬＴＭは、グレーティング１０８によって＋Ｚ方向へと回折される。即ち、ＴＭ偏波の入射光ＩＬＴＭの回折後の伝搬方向は、＋Ｚ方向である。グレーティング１０８によって回折されたＴＭ偏波の入射光ＩＬＴＭは、光吸収層１０４（をコア層とするスラブ導波路）のＴＭ偏波伝搬モード光に結合して、光吸収層１０４内を＋Ｚ方向に伝搬していく。
こうして、ＴＥ偏波の入射光ＩＬＴＥからの回折光とＴＭ偏波の入射光ＩＬＴＭからの回折光は、光吸収層１０４の面内をそれぞれ−Ｚ方向、＋Ｚ方向に伝搬していきながら、光吸収層１０４によって吸収される。吸収された光に応じて、光吸収層１０４内にキャリア（電子及びホール）が発生する。ＰＩＮ構造１０７に対して逆バイアス電圧を印加することによって、発生したキャリアに応じた電流が、Ｐ電極１１０及びＮ電極１１１を介して受光素子１００から取り出される。
このように、受光素子１００は光吸収層１０４に対して光が上方から面的に入射する構成の面型受光素子であるが、光吸収層１０４に入射された光は光吸収層１０４をその厚さ方向に通過するのではなく、グレーティング１０８による回折を受けて、ＴＥ偏波とＴＭ偏波の両方の光が、光吸収層１０４と平行で互いに反対の方向へと光吸収層１０４の面内を伝搬する。したがって、光と光吸収層１０４との相互作用長が長くなることにより、ＴＥ偏波とＴＭ偏波の両方の光からキャリアを高効率で発生させることができ、その結果、受光素子１００の受光感度、即ち光電気変換効率を向上させることができる。グレーティング１０８は、非特許文献１に開示されたような２次元の構造ではなく、１次元で（即ちＺ軸方向に沿って）形成されているので、ＴＥ及びＴＭの２種類の偏波の両方に対して効率良く回折を生じさせることが可能であり、受光素子１００の光電気変換効率を向上させることができる。
次に、ＴＥ偏波の入射光とＴＭ偏波の入射光がグレーティング１０８によって光吸収層１０４と平行で互いに反対の方向へと回折される条件を説明する。なお、以下の説明では、便宜上、任意のベクトルＡについてその大きさ｜Ａ｜を単にＡと表記することがある。
図２は、グレーティング１０８の回折における波数保存則を示した図である。図２において、ベクトルＫは、グレーティング１０８の逆格子ベクトルを表す。逆格子ベクトルＫの大きさは、｜Ｋ｜＝２π／Λである。ＴＥ偏波の入射光に作用する逆格子ベクトルＫの向きは、−Ｚ方向である。ＴＭ偏波の入射光に作用する逆格子ベクトルＫの向きは、＋Ｚ方向である。ベクトルｋＴＥ、ｋＴＭは、それぞれ上部ＳｉＯ２層１０６内におけるＴＥ偏波又はＴＭ偏波の入射光の波数ベクトルを表す。波数ベクトルｋＴＥ、ｋＴＭの大きさは、入射光の波長をλ、上部ＳｉＯ２層１０６の屈折率をｎＳｉＯ２とすると、ｋ≡｜ｋＴＥ｜＝｜ｋＴＭ｜＝（２π／λ）・ｎＳｉＯ２である。波数ベクトルｋＴＥ、ｋＴＭの向きは、それぞれの偏波の入射光のグレーティング１０８に対する入射角によって規定される。ＴＥ偏波の入射光の入射角をθ１ ＴＥ、ＴＭ偏波の入射光の入射角をθ１ ＴＭとすると、波数ベクトルｋＴＥのＺ成分ｋＴＥ，Ｚと波数ベクトルｋＴＭのＺ成分ｋＴＭ，Ｚは、それぞれｋＴＥ，Ｚ＝ｋ・ｓｉｎθ１ ＴＥ、ｋＴＭ，Ｚ＝ｋ・ｓｉｎθ１ ＴＭで与えられる。
また、図２において、ベクトルβＴＥは、光吸収層１０４を伝搬するＴＥ偏波伝搬モード光の伝搬方向（即ち−Ｚ方向）を向き、ＴＥ偏波伝搬モード光の伝搬定数と同じ大きさを持つベクトルである。ＴＥ偏波伝搬モード光の伝搬定数は、ＴＥ偏波伝搬モード光に対する光吸収層１０４の等価屈折率をｎｅｆｆ ＴＥとすると、｜βＴＥ｜＝（２π／λ）・ｎｅｆｆ ＴＥと表される。ベクトルβＴＭは、光吸収層１０４を伝搬するＴＭ偏波伝搬モード光の伝搬方向（即ち＋Ｚ方向）を向き、ＴＭ偏波伝搬モード光の伝搬定数と同じ大きさを持つベクトルである。ＴＭ偏波伝搬モード光の伝搬定数は、ＴＭ偏波伝搬モード光に対する光吸収層１０４の等価屈折率をｎｅｆｆ ＴＭとすると、｜βＴＭ｜＝（２π／λ）・ｎｅｆｆ ＴＭと表される。光吸収層１０４を構成する半導体（例えばゲルマニウム）の屈折率は上部ＳｉＯ２層１０６の屈折率ｎＳｉＯ２よりも大きく、ｎｅｆｆ ＴＥ＞ｎＳｉＯ２、ｎｅｆｆ ＴＭ＞ｎＳｉＯ２であるので、ベクトルβＴＥとβＴＭの大きさは、入射光の波数ベクトルの大きさｋよりも大きい。
図２に示されるように、一般にグレーティングによる回折では、グレーティングの逆格子ベクトルに対応する波数空間のｋＺ方向において、次の波数保存則が成立する。
ｋＺ＝−｜β−Ｎ・Ｋ｜ ………（１）
但し、ｋＺは入射光の波数ベクトルのＺ成分、βはグレーティングによる回折光の伝搬定数、Ｋはグレーティングの逆格子ベクトルの大きさ、Ｎは正の整数である。図２はグレーティング１０８による１次回折（即ちＮ＝１）を示しているが、この場合は、式（１）から、ＴＥ偏波とＴＭ偏波についてそれぞれ次式（２ａ）及び（２ｂ）が満たされることが、１次回折が生じる条件となる。
ｋＴＥ，Ｚ＝−βＴＥ＋Ｋ （＜０） ………（２ａ）
ｋＴＭ，Ｚ＝−Ｋ＋βＴＭ （＜０） ………（２ｂ）
但し、上式においてβＴＥ及びβＴＭは、それぞれ光吸収層１０４におけるＴＥ偏波伝搬モード光及びＴＭ偏波伝搬モード光の伝搬定数を表す。
式（２ａ）は、波数ベクトルのＺ成分がｋＴＥ，Ｚ＝−βＴＥ＋Ｋを満足するような入射角θ１ ＴＥで入射されたＴＥ偏波の入射光が、グレーティング１０８によって−Ｚ方向に回折されることを示す。同様に、式（２ｂ）は、波数ベクトルのＺ成分がｋＴＭ，Ｚ＝−Ｋ＋βＴＭを満足するような入射角θ１ ＴＭで入射されたＴＭ偏波の入射光が、グレーティング１０８によって＋Ｚ方向に回折されることを示す。したがって、ｋＴＥ，Ｚ＝ｋＴＭ，Ｚ即ち次式（３）が成り立つ場合に、同一方向からのＴＥ偏波及びＴＭ偏波の入射光がそれぞれ−Ｚ方向と＋Ｚ方向に回折されることになる。
Ｋ＝（βＴＥ＋βＴＭ）／２ ………（３）
また、このとき入射光ＩＬの入射角θ１ ＴＥ（＝θ１ ＴＭ）は、
θ１ ＴＥ＝ｓｉｎ−１（ｋＴＥ，Ｚ／ｋ）
＝ｓｉｎ−１［（βＴＭ−βＴＥ）／（２・ｋ）］
＝ｓｉｎ−１［（ｎｅｆｆ ＴＭ−ｎｅｆｆ ＴＥ）／（２・ｎＳｉＯ２）］ …（３）’
となる。
実際のＭＭＦ（マルチモードファイバ）から受光素子１００へ入射される入射光ＩＬの入射角は角度のばらつきや広がりを有し、グレーティング１０８によってスラブ導波路（光吸収層１０４）に完全には結合できない角度成分も存在するが、これらの角度成分も、グレーティング１０８によってスラブ導波路にほぼ平行な角度に回折される。したがって、受光素子１００の入力にＭＭＦを用いた場合であっても、上記角度成分の入射光は光吸収層１０４とほぼ平行な方向に伝搬するので、グレーティングを有しない従来の受光素子と比べて光吸収層を通過する距離が長くなり、光吸収層１０４での光の吸収量の増加、即ち受光素子１００の感度向上に寄与する。
次に、回折条件の式（３）を成り立たせるための具体的な受光素子１００の構造を説明する。図３は、光吸収層１０４の厚さＨ（横軸）と、前述の式（２ａ）及び（２ｂ）をそれぞれ満たすＴＥ偏波及びＴＭ偏波の入射光の入射角（縦軸）との関係を示すグラフである。但し、グレーティング１０８の構造パラメータであるピッチΛ（＝２π／Ｋ）、深さｄ、及び充填率ｗ／Λは固定されているものとする。このとき、高屈折率材料である光吸収層１０４の厚さＨが厚くなると、ＴＥ偏波伝搬モード光及びＴＭ偏波伝搬モード光に対する光吸収層１０４の等価屈折率ｎｅｆｆ ＴＥ、ｎｅｆｆ ＴＭが増加し、それに伴いＴＥ偏波伝搬モード光の伝搬定数βＴＥとＴＭ偏波伝搬モード光の伝搬定数βＴＭも増加する。
すると、ＴＥ偏波については、負の値である式（２ａ）の右辺はその絶対値が増加し、入射光の波数ベクトルのＺ成分ｋＴＥ，Ｚもその絶対値が増加する。図２を参照すると、伝搬定数の増加によりベクトルβＴＥが長くなり、逆格子ベクトルの大きさＫは固定されているので、θ１ ＴＥは大きくなる。このように、光吸収層１０４の厚さＨの増加と共に、グレーティング１０８によって−Ｚ方向に回折されるようなＴＥ偏波の入射光の入射角θ１ ＴＥは大きくなっていく。一方、ＴＭ偏波については、負の値である式（２ｂ）の右辺はその絶対値が減少し、入射光の波数ベクトルのＺ成分ｋＴＭ，Ｚもその絶対値が減少する。図２を参照すると、伝搬定数の増加によりベクトルβＴＭが長くなり、逆格子ベクトルの大きさＫは固定されているので、θ１ ＴＭは小さくなる。このように、光吸収層１０４の厚さＨの増加と共に、グレーティング１０８によって＋Ｚ方向に回折されるようなＴＭ偏波の入射光の入射角θ１ ＴＭは小さくなっていく。
したがって、図３に示されるように、ある光吸収層１０４の厚さ（図３の例では０．３５μｍ）において、それぞれの偏波の回折条件を満たす入射角θ１ ＴＥ、θ１ ＴＭが一致することになる。即ち、光吸収層１０４の厚さＨをそのような特定の厚さに設定することによって、同一方向から入射されたＴＥ偏波及びＴＭ偏波の入射光を、それぞれ−Ｚ方向と＋Ｚ方向に回折することができる。これは、光吸収層１０４の厚さＨを調整して式（３）の右辺が固定値の左辺に一致するようにすることに相当する。なお、図３の例では、Λ＝０．５６８μｍ、ｄ＝０．１μｍ、ｗ＝０．２８４μｍ、ｎＳｉＯ２＝１．４５、光吸収層１０４を含むＰＩＮ構造１０７全体の屈折率を４．２とした。
このように、Λ、ｄ、及びｗ／Λを固定して光吸収層１０４の厚さＨを調整することにより、回折条件の式（３）を満足する受光素子１００を得ることができる。
また、別の方法として、Λ、ｄ、及びＨを固定してｗ／Λを調整してもよい。即ち、Λ、ｄ、及びＨを固定してｗ／Λを変化させることは、グレーティング１０８の部分における光吸収層１０４の実効的な厚さＨｅｆｆを変化させることと等価であり、この実効的な厚さＨｅｆｆの変化によってグレーティング１０８の部分における光吸収層１０４の等価屈折率が変化し、それに伴い伝搬定数も変化する。したがって、上記の場合と同様の理由から、ある充填率ｗ／Λの値に対して入射角θ１ ＴＥ、θ１ ＴＭが一致し、回折条件の式（３）が成立することになる。
更に別の方法として、グレーティング１０８のピッチΛを調整することによって、回折条件の式（３）が満たされるようにすることもできる。具体的には、グレーティング１０８の充填率ｗ／Λが固定されていれば、光吸収層１０４の平均的な屈折率は一定であるので、光吸収層１０４の伝搬定数βＴＥ及びβＴＭはグレーティング１０８のピッチΛによらずほぼ一定となり、式（３）の右辺も一定値となる。よって、充填率ｗ／Λが固定された条件でグレーティング１０８のピッチΛ（＝２π／Ｋ）を調整することで、式（３）の左辺（即ちＫ）を固定値の右辺に一致させ、式（３）を成立させることができる。
上述したように図２ではグレーティング１０８による１次回折（Ｎ＝１）を考えたが、次に、グレーティング１０８による高次回折を考える。ＴＥ偏波とＴＭ偏波についてそれぞれｍ次、ｎ次の回折が生じる条件は、式（１）から、
ｋＴＥ，Ｚ＝−βＴＥ＋ｍ・Ｋ （＜０） ………（４ａ）
ｋＴＭ，Ｚ＝−ｎ・Ｋ＋βＴＭ （＜０） ………（４ｂ）
である。よって、同一方向からのＴＥ偏波及びＴＭ偏波の入射光が、それぞれｍ次回折、ｎ次回折を受けて−Ｚ方向と＋Ｚ方向に回折される条件は、ｋＴＥ，Ｚ＝ｋＴＭ，Ｚとして、
Ｋ＝（βＴＥ＋βＴＭ）／（ｍ＋ｎ） ………（５）
となる。このとき入射光ＩＬの入射角θ１ ＴＥ（＝θ１ ＴＭ）は次式で与えられる。
θ１ ＴＥ＝ｓｉｎ−１［（ｍ・ｎｅｆｆ ＴＭ−ｎ・ｎｅｆｆ ＴＥ）／（（ｍ＋ｎ）・ｎＳｉＯ２）］ …（５）’
また、式（５）は、等価屈折率を用いて次のように表すこともできる。
（λ／２π）・Ｋ＝（ｎｅｆｆ ＴＥ＋ｎｅｆｆ ＴＭ）／（ｍ＋ｎ） ………（６）
このように、受光素子１００は、回折条件の式（５）、（６）を満足するような構造に形成されてもよい。なお、回折次数が小さいほど回折効率は高いので、ｍ＝ｎ＝１の場合、即ち上記の式（３）が成り立つ場合に、受光素子１００の受光感度を最大にすることができる。
実際のＭＭＦ（マルチモードファイバ）から受光素子２００へ入射される入射光ＩＬの入射角は角度のばらつきや広がりを有し、グレーティング２０８によってスラブ導波路（光吸収層２０４）に完全には結合できない角度成分も存在するが、これらの角度成分も、グレーティング２０８によってスラブ導波路にほぼ平行な角度に回折される。したがって、受光素子２００の入力にＭＭＦを用いた場合であっても、上記角度成分の入射光は光吸収層２０４とほぼ平行な方向に伝搬するので、グレーティングを有しない従来の受光素子と比べて光吸収層を通過する距離が長くなり、光吸収層２０４での光の吸収量の増加、即ち受光素子２００の感度向上に寄与する。
また、上記の説明では光吸収層１０４のＴＥ偏波伝搬モード光及びＴＭ偏波伝搬モード光のモード次数を区別しなかったが、光吸収層１０４のＴＥ偏波伝搬モード光及びＴＭ偏波伝搬モード光は、基本モードと高次モードのいずれであってもよい。また、ＴＥ偏波伝搬モード光のモード次数とＴＭ偏波伝搬モード光のモード次数は、同じであっても異なっていてもよい。図４は、光吸収層１０４の実効的な厚さＨｅｆｆに対する光吸収層１０４の等価屈折率ｎｅｆｆの関係を、各モード次数のＴＥ偏波とＴＭ偏波について示したグラフである。ＴＥ偏波は実線、ＴＭ偏波は破線で示されている。例えば、ＴＥ偏波の基本モード光に対する符号Ａで示される等価屈折率と、ＴＭ偏波の基本モード光に対する符号Ｂで示される等価屈折率（但し、符号Ｂは符号Ａと同一のＨｅｆｆに対応する）が、回折条件の式（６）を満たすように受光素子１００を構成することができ、この場合、受光素子１００への入射光は、光吸収層１０４を−Ｚ方向へ伝搬するＴＥ偏波の基本モード光と＋Ｚ方向へ伝搬するＴＭ偏波の基本モード光に結合されることになる。
同様に、例えば、ＴＭ偏波の１次モード光に対する符号Ｃで示される等価屈折率と、ＴＥ偏波の２次モード光に対する符号Ｄで示される等価屈折率（但し、符号Ｄは符号Ｃと同一のＨｅｆｆに対応する）が、回折条件の式（６）を満たすように受光素子１００を構成することができ、この場合、受光素子１００への入射光は、光吸収層１０４を−Ｚ方向へ伝搬するＴＥ偏波の２次モード光と＋Ｚ方向へ伝搬するＴＭ偏波の１次モード光に結合されることになる。また、例えば、ＴＥ偏波の基本モード光に対する符号Ｅで示される等価屈折率と、ＴＭ偏波の３次モード光に対する符号Ｆで示される等価屈折率（但し、符号Ｆは符号Ｅと同一のＨｅｆｆに対応する）が、回折条件の式（６）を満たすように受光素子１００を構成することができ、この場合、受光素子１００への入射光は、光吸収層１０４を−Ｚ方向へ伝搬するＴＥ偏波の基本モード光と＋Ｚ方向へ伝搬するＴＭ偏波の３次モード光に結合されることになる。
図５は、受光素子１００の上面図である。Ｐ型半導体層のコンタクト領域１０３ａは、図１に示されたＰ型半導体層１０３に接続されている。Ｐ電極１１０は、コンタクト領域１０３ａに接続されている。Ｎ電極１１１は、図１に示されたＮ型半導体層１０５に接続されている。図５（Ａ）に示されるように、グレーティング１０８は、受光素子１００の受光面の全体にわたって形成されてもよい。図５（Ｂ）に示されるように、グレーティング１０８は、受光素子１００の受光面の一部にのみ形成されてもよい。入射光の入射角が受光面の場所により異なる場合は、グレーティング１０８のピッチΛを受光面の場所に応じて変化させてもよい。
図１において、下部ＳｉＯ２層１０２及び上部ＳｉＯ２層１０６の一方又は両方に代えて、他の低屈折率材料を用いてもよい。例えば、上部ＳｉＯ２層１０６を空気層としてもよい。下部ＳｉＯ２層１０２及び上部ＳｉＯ２層１０６（又は他の低屈折率材料）と光吸収層１０４との屈折率差は、大きい方が好ましい。屈折率差が大きいと、スラブ導波路において光吸収層１０４への光の閉じ込めが強くなり、グレーティング１０８（光吸収層１０４）を伝搬する光とグレーティング１０８との相互作用が大きくなって、グレーティング１０８の回折効率が増大する。これにより、光吸収層１０４へ回折される入射光の割合を大きくすることができ、受光素子１００の感度をより一層向上させることができる。
また、図１において、光吸収層１０４への入射光の反射を抑えるため、上部ＳｉＯ２層１０６とＮ型半導体層１０５との間に、上部ＳｉＯ２層１０６とＮ型半導体層１０５の中間の屈折率を有する単層又は多層の誘電体層が設けられてもよい。
＜第２実施形態＞
図６は、本発明の第２実施形態に係る受光素子２００の構成を示す断面図である。受光素子２００は、基板２０１と、下部ＳｉＯ２層２０２と、Ｐ型半導体層２０３と、光吸収層２０４と、Ｎ型半導体層２０５と、上部ＳｉＯ２層２０６とを備える。各層は、基板２０１側から、下部ＳｉＯ２層２０２、Ｐ型半導体層２０３、光吸収層２０４、Ｎ型半導体層２０５、上部ＳｉＯ２層２０６の順に積層されている。基板２０１、下部ＳｉＯ２層２０２、及び上部ＳｉＯ２層２０６は、それぞれ、第１実施形態の受光素子１００の対応する構成要素と同じものである。図６において、図１と同様に、基板２０１の表面に垂直な方向にＸ軸、基板２０１の表面に平行な方向（図の横方向）にＺ軸をとる。
受光素子２００は、Ｐ型半導体層２０３、光吸収層２０４、及びＮ型半導体層２０５によるＰＩＮ構造２０７を有する。ＰＩＮ構造２０７は、−Ｚ方向側の第１ＰＩＮ構造２０７ａと＋Ｚ方向側の第２ＰＩＮ構造２０７ｂを含む。第１ＰＩＮ構造２０７ａは、第１Ｐ型半導体層２０３ａ、第１光吸収層２０４ａ、及び第１Ｎ型半導体層２０５ａからなり、第２ＰＩＮ構造２０７ｂは、第２Ｐ型半導体層２０３ｂ、第２光吸収層２０４ｂ、及び第２Ｎ型半導体層２０５ｂからなる。
受光素子２００は、下部ＳｉＯ２層２０２、上部ＳｉＯ２層２０６、第１ＰＩＮ構造２０７ａ、及び第２ＰＩＮ構造２０７ｂによって囲まれた領域に、グレーティング２０８を備える。グレーティング２０８は、その上部ＳｉＯ２層２０６側の表面に、それぞれが深さｄ、幅ｗを持つ複数の溝２０８ａがピッチ（周期）ΛでＺ軸方向に沿って並んで形成された凹凸構造である。グレーティング２０８は、光吸収層２０４とは異なる材料によって構成される。例えば、グレーティング２０８は、シリコン（Ｓｉ）や二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）によって構成することができる。
受光素子２００の動作は、第１実施形態に係る受光素子１００の動作と基本的に同じである。即ち、入射角θ１でグレーティング２０８へ入射したＴＥ偏波の入射光ＩＬＴＥは、グレーティング２０８によって−Ｚ方向へと回折される。即ち、ＴＥ偏波の入射光ＩＬＴＥの回折後の伝搬方向は、−Ｚ方向である。グレーティング２０８によって回折されたＴＥ偏波の入射光ＩＬＴＥは、グレーティング２０８中を−Ｚ方向へ進んで第１光吸収層２０４ａ（をコア層とするスラブ導波路）のＴＥ偏波伝搬モード光に結合して、第１光吸収層２０４ａ内を−Ｚ方向に伝搬していく。一方、入射角θ１でグレーティング２０８へ入射したＴＭ偏波の入射光ＩＬＴＭは、グレーティング２０８によって＋Ｚ方向へと回折される。即ち、ＴＭ偏波の入射光ＩＬＴＭの回折後の伝搬方向は、＋Ｚ方向である。グレーティング２０８によって回折されたＴＭ偏波の入射光ＩＬＴＭは、グレーティング２０８中を＋Ｚ方向へ進んで第２光吸収層２０４ｂ（をコア層とするスラブ導波路）のＴＭ偏波伝搬モード光に結合して、第２光吸収層２０４ｂ内を＋Ｚ方向に伝搬していく。
このように、第２実施形態においても、受光素子２００は受光面に対して光が上方から面的に入射する構成の面型受光素子であるが、入射光はグレーティング２０８による回折を受けて、ＴＥ偏波とＴＭ偏波の両方の光が、光吸収層２０４と平行で互いに反対の方向へと光吸収層２０４（第１光吸収層２０４ａ及び第２光吸収層２０４ｂ）の面内を伝搬する。したがって、光と光吸収層２０４との相互作用長を長くとることができ、ＴＥ偏波とＴＭ偏波の両方の光からキャリアを高効率で発生させることができ、その結果、受光素子２００の受光感度、即ち光電気変換効率を向上させることができる。また、光吸収層２０４（第１光吸収層２０４ａ及び第２光吸収層２０４ｂ）のＺ軸方向の長さが、第１実施形態の場合よりも短いため、ＰＩＮ構造２０７により形成されるキャパシタンスが低減する。したがって、受光素子２００の高感度化のみならず、ＣＲ時定数の低減による高速動作を実現することも可能である。
図７は、受光素子２００の上面図である。Ｐ型半導体層のコンタクト領域２０３ａは、図６に示されたＰ型半導体層２０３に接続されている。Ｐ電極２１０は、コンタクト領域２０３ａに接続されている。Ｎ電極２１１は、図６に示されたＮ型半導体層２０５に接続されている。図７（Ａ）に示されるように、グレーティング２０８は、受光素子２００の受光面にわたって１次元的に形成されてもよい。図７（Ｂ）に示されるように、グレーティング２０８は、受光素子２００の受光面に円形に形成されてもよい。図７（Ｂ）の構成において、グレーティング２０８は全体としては円形であるが、局所的には、即ち微小角度範囲について見れば、１次元グレーティングとして構成されている。
図８は、グレーティング２０８の実効的な厚さＨｅｆｆに対する等価屈折率ｎｅｆｆの関係を、各モード次数のＴＥ偏波とＴＭ偏波について示したグラフである。ＴＥ偏波は実線、ＴＭ偏波は破線で示されている。第１実施形態における図４と同様に、符号Ａ及びＢは、受光素子２００への入射光が、第１光吸収層２０４ａを−Ｚ方向へ伝搬するＴＥ偏波の１次モード光と第２光吸収層２０４ｂを＋Ｚ方向へ伝搬するＴＭ偏波の１次モード光に結合されることを示す。また同様に、符号Ｃ及びＤは、受光素子２００への入射光が、第２光吸収層２０４ｂを＋Ｚ方向へ伝搬するＴＭ偏波の１次モード光と第１光吸収層２０４ａを−Ｚ方向へ伝搬するＴＥ偏波の２次モード光に結合されることを示し、符号Ｅ及びＦは、受光素子２００への入射光が、第１光吸収層２０４ａを−Ｚ方向へ伝搬するＴＥ偏波の基本モード光と第２光吸収層２０４ｂを＋Ｚ方向へ伝搬するＴＭ偏波の２次モード光に結合されることを示す。
＜第３実施形態＞
図９は、本発明の第３実施形態に係る受光素子３００の構成を示す断面図である。受光素子３００は、第１実施形態に係る受光素子１００の各構成要素に加えて、更に光導波路１１２を備える。光導波路１１２は、上部ＳｉＯ２層１０６の上に、その光軸が光吸収層１０４の成す面に対して傾いた状態に形成される。例えば、光導波路１１２は、高屈折率の樹脂からなるコア（１１２）と、その周囲に充填された低屈折率の樹脂１１３からなるクラッドとを含む導波路構造とすることができる。グレーティング１０８への入射角θ１ ＴＥ（＝θ１ ＴＭ）が前述の式（３）’又は（５）’で与えられる角度であるとき、光導波路１１２の等価屈折率をｎｗとすると、光導波路１１２の傾き角θｗは、スネルの法則ｎｗ・ｓｉｎ（θｗ）＝ｎＳｉＯ２・ｓｉｎ（θ１ ＴＥ）を満足する角度に設定される。このような構成によれば、入射光ＩＬの入射角を、グレーティング１０８の回折条件を満たす角度に固定することができる。
光導波路１１２がマルチモード導波路である場合には、モード毎に光導波路１１２の等価屈折率は異なる。この場合、モードｉに対する光導波路１１２の等価屈折率をｎｗｉ、光導波路１１２におけるモードｉの光強度をＰｉとして、光導波路１１２の等価屈折率ｎｗを、例えば、
ｎｗ＝Σ（Ｐｉ・ｎｗｉ）／ΣＰｉ
と定義してもよい。但し、Σは全てのモードｉに関する和を表す。光導波路１１２がマルチモード導波路である場合の等価屈折率ｎｗの定義は、上記式に限定されない。例えば、光強度Ｐｉが最大となるｎｗｉを光導波路１１２の等価屈折率ｎｗとしてもよい。
なお、第２実施形態に係る受光素子２００の各構成要素に同様の光導波路１１２を付加してもよい。
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明はこれに限定されず、その要旨を逸脱しない範囲内において様々な変更が可能である。
１００ 受光素子
１０１ 基板
１０２ 下部ＳｉＯ２層
１０３ Ｐ型半導体層
１０４ 光吸収層
１０５ Ｎ型半導体層
１０６ 上部ＳｉＯ２層
１０７ ＰＩＮ構造
１０８ グレーティング
１０９ 空気層
１１０ Ｐ電極
１１１ Ｎ電極
１１２ 光導波路

Claims (7)

  1. 光を吸収してキャリアを発生させる光吸収層と、
    前記光吸収層へ前記光を導入するための光導入層と、
    前記光導入層から前記光吸収層が成す面に対して入射角θで斜めに入射した第１偏波の光を前記光吸収層に沿って第１方向に伝搬するように光路変換し、前記光導入層から前記入射角θで入射した前記第１偏波と直交する第２偏波の光を前記光吸収層に沿って前記第１方向と反対の第２方向に伝搬するように光路変換する回折素子と、
    を備え、前記入射角θは、次式
    θ＝ｓｉｎ −１ ［（ｍ・ｎ ｅｆｆ２ −ｎ・ｎ ｅｆｆ１ ）／（（ｍ＋ｎ）・ｎ Ａ ）］
    但し、ｎ ｅｆｆ１ は前記第１偏波に対する前記光吸収層の等価屈折率、ｎ ｅｆｆ２ は前記第２偏波に対する前記光吸収層の等価屈折率、ｎ Ａ は前記光導入層の等価屈折率、ｍは前記回折素子による前記第１偏波の回折次数（正の整数）、ｎは前記回折素子による前記第２偏波の回折次数（正の整数）、
    を満たす角度である、受光素子。
  2. 前記回折素子の逆格子ベクトルの大きさをＫ、前記光吸収層における前記第１偏波の伝搬定数をβ１、前記光吸収層における前記第２偏波の伝搬定数をβ ２ としたとき、次式
    Ｋ＝（β１＋β２）／（ｍ＋ｎ）
    を満足する、請求項１に記載の受光素子。
  3. 前記回折素子の逆格子ベクトルの大きさが、前記光吸収層における前記第１偏波の伝搬定数と前記光吸収層における前記第２偏波の伝搬定数との平均値に等しい、請求項１に記載の受光素子。
  4. 前記回折素子は前記光吸収層に形成されている、請求項１から３のいずれか１項に記載の受光素子。
  5. 前記回折素子は前記光吸収層と同一面上であって前記光吸収層と異なる領域に形成されている、請求項１から３のいずれか１項に記載の受光素子。
  6. 前記光吸収層は、前記第１方向に伝搬した前記第１偏波の光を吸収する第１光吸収層と、前記第２方向に伝搬した前記第２偏波の光を吸収する第２光吸収層とを備える、請求項５に記載の受光素子。
  7. 前記第１偏波の光と前記第２偏波の光を前記回折素子に導入するための、前記光吸収層が成す面に対して斜めに立設した光導波路を更に備える、請求項１から６のいずれか１項に記載の受光素子。
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