WO2014041782A1

WO2014041782A1 - 受光素子、光通信器および光通信方法

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Publication number: WO2014041782A1
Application number: PCT/JP2013/005318
Authority: WO
Inventors: 和宏芝
Original assignee: 日本電気株式会社
Priority date: 2012-09-11
Filing date: 2013-09-09
Publication date: 2014-03-20

Abstract

　本発明の受光素子は、下面に形成された入射領域から入射された光を透過させる基板層、基板層の上面に配置され、周囲が空気層と接するメサ型の受光層、および、基板層の下面の入射領域以外の領域を覆う遮光層を備える。本発明の受光素子において、受光層と入射領域とは、所定の角度で前記入射領域に入射された光の光路上に配置される。

Description

受光素子、光通信器および光通信方法

　本発明は、光を検出する受光素子および該受光素子を備えた光通信器、光通信方法に関し、特に、半導体によって形成され、光通信用の信号光を検出する受光素子および該受光素子を備えた光通信器、光通信方法に関する。

　光を検出する受光素子の一つに、ＰＩＮ－ＰＤ（P-Intrinsic-N Photodiode）やＡＰＤ（Avalanche Photodiode）などの半導体受光素子がある。半導体受光素子は、素子構造が簡易で量産性・信頼性に優れ、かつ、低コストであることから、様々な光通信器に用いられている。これらの半導体受光素子は、例えば、特許文献１－５に開示されている。また、半導体受光素子を備えた光通信器は、例えば、特許文献６、７に開示されている。

　特許文献６の光送受信回路の概略構成図を図１０に示す。図１０に示された光送受信回路９００において、半導体レーザ９２０から出力された波長λ１の光信号は、Ｓｉ基板９１０のＬＤポート９１２およびコモンポート９１１を介して、図示されない光ファイバ等へ出力される。一方、図示されない光ファイバ等から入力された波長λ１の光信号は、Ｓｉ基板９１０の波長変換素子９１４において波長λ２に変換され、ＰＤポート９１３から出力される。ＰＤポート９１３の出力端には波長λ２の光信号のみを通過させる波長選択透過性のフィルタ９３１を備えた半導体受光素子９３０が配置され、該半導体受光素子９３０によって波長λ２の光信号を検出する。

　半導体受光素子９３０が波長変換素子９１４で波長変換された波長λ２の光信号のみを検出することから、半導体レーザ９２０から出射されて反射された波長λ１の迷光（矢印ａ）や、光送受信回路９００内を往来している波長λ１の迷光（矢印ｂ）は半導体受光素子９３０により検出されない。従って、特許文献６の半導体受光素子９３０は、光ファイバから出力されて波長変換素子９１４において波長変換された光信号のみを検出する。

　一方、特許文献７には、半導体受光素子を用いて入力光と局所発振光とが混合されて、同相信号光と直交位相信号光とに分離されたコヒーレント光の強度レベルを計測する、光受信機が開示されている。特許文献７の光受信機は、半導体受光素子を用いて計測したコヒーレント光の強度レベルに基づいて、信号光と局所発振光との強度レベル比を制御する。

ＷＯ２００６／１２３４１０特開２００５－２６０１１８号公報特開２００４－３０３９４３号公報特開平１１－３３０５３１号公報特開２０１１－１２４４５０号公報特開２００１－２１５３５０号公報特開２０１０－２４５７７２号公報

　特許文献６の光送受信回路９００において、迷光による影響を低減するために波長変換素子９１４およびフィルタ９３１を配置する場合、光送受信回路９００のコストが高くなると共に光送受信回路９００の小型化の妨げとなる。

　一方、特許文献７の光受信機はコヒーレント光の強度レベルに基づいて信号光と局所発振光との強度レベル比を制御する。しかし、信号光の強度レベルが変動する場合、信号光の強度レベルと比較して局部発振光の強度レベルが格段に高いことから、信号光の強度レベルの変動を強度レベル比の制御に反映することは困難である。なお、信号光の強度レベルを計測する場合、強度レベルが大きい局部発振光が半導体受光素子によって計測されることを抑制する必要がある。

　本発明の目的は、上記の課題に鑑みなされたものであり、光通信器において、検出対象の信号光のみを高精度に検出できる、ＳＮ比（信号対雑音比）が高い受光素子、光通信器および光通信方法を提供することにある。

　上記目的を達成するために本発明に係る受光素子は、下面に形成された入射領域から入射された光を透過させる基板層と、基板層の上面に配置され、周囲が空気層と接するメサ型の受光層と、基板層の下面の入射領域以外の領域を覆う遮光層と、を備え、備える。ここで、受光層と入射領域とは、所定の角度で入射領域に入射された光の光路上に配置される。

　上記目的を達成するために本発明に係る第１の光通信器は、送信光を出射する出射部と、受信光を検出する上記の受光素子と、出射された送信光を導光して入出力ポートから出射すると共に、該入出力ポートから入射した受信光を導光して受光素子へ所定の角度で出射する光導波路と、を備える。ここで、受光素子の入射領域および受光層は、光導波路から出射された受信光の出射光路上に配置される。

　上記目的を達成するために本発明に係る第１の光通信方法は、上記の受光素子の入射領域および受光層を光導波路から出射した受信光の出射光路上に位置するように前記受光素子を配置し、送信光を出射し、前記出射された送信光を導光して入出力ポートから出射し、前記入出力ポートから入射した受信光を導光して所定の角度で出射し、前記受光素子を用いて、前記出射された受信光を検出する。

　上記目的を達成するために本発明に係る第２の光通信器は、信号光を出射する信号光出射手段と、局部発振光を出射する局部発振光出射手段と、出射された信号光を２分割して出射する分岐手段と、２分割された一方の信号光と出射された局部発振光とを合波し、該合波光信号に所定の処理を施す信号処理手段と、２分割された他方の信号光の強度レベルを計測して出力する上記の受光素子と、出力された計測結果に基づいて局部発振光の強度レベルを制御する制御手段と、を備える。

　上記目的を達成するために本発明に係る第２の光通信方法は、信号光を出射し、出射された信号光を２分割して出射し、局部発振光を出射し、２分割された一方の信号光と出射された局部発振光とを合成し、合成波に所定の処理を施し、上記の受光素子を用いて、２分割された他方の信号光の強度レベルを計測して出力し、出力された計測結果に基づいて局部発振光の強度レベルを制御する。

　本発明に係る受光素子、光通信器および光通信方法は、検出対象の信号光のみを高精度に検出でき、高いＳＮ比を有する。

本発明の第１の実施形態に係る受光素子１の断面図である。本発明の第１の実施形態に係る受光素子１の基板層の厚さと光の入射角度との関係を示す断面図。本発明の第１の実施形態に係る受光素子１の受光層の幅と光の入射角度との関係を示す断面図。本発明の第１の実施形態の変形例に係る受光素子１Ｂの断面図である。本発明の第１の実施形態の変形例に係る受光素子１Ｃの断面図である。本発明の第１の実施形態の変形例に係る受光素子１Ｄの断面図である。本発明の第２の実施形態に係る光受信器１０の上面図である。本発明の第２の実施形態に係る受光素子４０の断面図である。本発明の第３の実施形態に係るデジタルコヒーレント受信モジュール１００の概略構成図である。本発明の第３の実施形態に係るモニタ用受光素子８００の断面図である。特許文献６の光送受信回路９００の概略構成図である。

（第１の実施形態）
　第１の実施形態に係る受光素子について説明する。本実施形態に係る受光素子の断面図を図１に示す。図１において、本実施形態に係る受光素子１は、基板層２、受光層３および遮光層４を備える。

　受光素子１は、所定の角度で出射される検出対象の信号光の出射光路上に、受光層３および入射領域５が位置するように配置される。本実施形態において、検出対象の信号光は入射領域５に対して垂直に入射し、その直上に受光層３が配置されている。受光素子１としては、例えば、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ系の化合物半導体よりなるｐｉｎフォトダイオードを適用することができる。

　基板層２は、例えば、ＩｎＰ基板にｎ型（またはＰ型）のクラッド層を積層することにより形成される。基板層２の下面には入射領域５が形成され、基板層２は入射領域５から入射した光をそのまま透過させる。基板層２の厚さｄは、検出対象の信号光の入射角度範囲に応じて設計される。基板層２の厚さｄを大きくすることによって、受光層で検出される信号光の入射角度範囲が小さくなる。基板層２の厚さｄと入射角度との関係については後述する。

　受光層３は、入射された光を吸収して電気に変換して出力する。受光層３は、基板層２上面の、受光素子１に所定の角度で入射された光の光路上に配置され、空気層と接するメサ型に形成される。

　受光層３を受光素子１に所定の角度で入射された光の光路上に配置する場合、出射方向以外の方向から入射領域５に入射した光は受光層３まで達せず、受光素子１によって検出されない。例えば、メサ型の受光層３が入射領域５の直上に配置されている場合、図１に示すように、入射領域５に垂直に入射した光信号（実線矢印）は受光層３に達して光電変換され、受光素子１で検出される。一方、入射領域５に斜めに入射した光信号（点線矢印）は受光層３に達せず受光素子１によって検出されない。

　また、受光層３の周囲を空気層とする場合、受光層３の周囲で吸収された光が受光層３において光電変換されることがない。例えば、メサ型の受光層３の周囲に半導体材料がある場合、受光層３の周囲の半導体材料において不要な光が吸収され、受光層３によって光電変換される可能性が生じる。

　本実施形態に係る受光層３は、基板層２の上方に、ｎ－型ＩｎＧａＡｓ等の低キャリア濃度の光吸収層、Ｐ型（またはｎ型）のクラッド層およびコンタクト層をこの順に積層し、周囲をエッチングすることにより、周囲が空気層と接するメサ型に形成される。ここで、受光層３の断面積は、所定の角度よりも大きな角度で入射された光が受光層３に到達しないように、必要最低限の信号光を受光できる範囲でなるべく小さい断面積に設計されることが望ましい。本実施形態に係る受光層３は、周囲を同心円状にエッチングすることによって断面の大きさＷが直径約５０μｍの円柱状に形成した。

　遮光層４は、基板層２下面の入射領域５以外の領域に配置され、入射される光を全反射する。遮光層４として、電極遮蔽マスクを適用することができる。

　入射領域５は、入射される光を基板層２の内部へと導く。入射領域５は、基板層２下面の、検出対象の信号光の出射光路上に配置される。ここで、入射領域５の形状を受光層３の入射領域５側の断面形状と対応させることが望ましい。この場合、入射領域５に所定の角度で入射される検出対象の信号光は効率良く受光層３へ導かれる。本実施形態では、入射領域５を直径約５０μｍの円形に形成した。

　以上のように、本実施形態に係る受光素子１は、受光層３を周囲が空気層と接するメサ型に形成し、受光素子１を所定の角度で出射される検出対象の信号光の出射光路上に、受光層３および入射領域５が位置するように配置することにより、検出対象の光信号のみを高精度に検出することができる。

　また、本実施形態に係る受光素子１において、受光層３の断面積を必要最低限の信号光を受光できる範囲でなるべく小さい断面積に設計すると共に入射領域５の形状を受光層３の入射領域５側の断面形状と対応させることにより、検出対象の信号光のみを効率良く受光層３で検出することができる。

　なお、本実施形態では受光層３を円柱状に形成したが、これに限定されない。例えば、迷光が所定の方向から入射する場合に、受光層３を迷光が到達する方向の軸が短い楕円状等に形成することもできる。

　また、入射領域５の形状を受光層３の入射領域５側の断面形状と対応させる代わりに、入射領域５の大きさを受光層３の大きさより小さくすることもできる。この場合、迷光の影響をさらに抑制することができる。なお、入射領域５の大きさを小さくする場合、検出対象の信号光の強度レベルが低くなることから、受光素子として、受光層に増倍層を配置したアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ：avalanche photodiode）を適用することが望ましい。ＡＰＤは微弱な光を増幅した光電流として取り出すことができるため、高いＳＮ比を実現できる。なお、ＡＰＤを適用する場合、暗電流を十分に抑制するために、増倍層の厚さを０．５μｍ以上にすることが望ましい。

　次に、基板層２の厚さｄおよび受光層３の大きさＷと、信号光の入射角度との関係について説明する。基板層２の厚さｄと受光層３に到達する光の入射角度との関係を図２Ａに、受光層３の大きさＷと受光層３に到達する光の入射角度との関係を図２Ｂに示す。

　図２Ａ、図２Ｂに示すように、基板層２の厚さｄを大きくする、または、受光層３の大きさＷを小さくすることによって、受光層３まで達する光の入射方向の選択性を向上させることができる。すなわち、図２Ａに示すように、基板層２の厚さｄが大きくなるに従い、入射領域５により垂直方向に入射した光しか受光層３に達しなくなる（一点鎖線→点線→実線）。本実施形態において、受光層３の断面が直径約５０μｍの円形に形成されている場合、例えば、基板層２の厚さｄを１００μｍ以上に設計する。一方、図２Ｂに示すように、受光層３の大きさＷが小さくなるに従い、入射領域５により垂直方向に入射した光しか受光層３に達しなくなる（一点鎖線→点線→実線）。

　（第１の実施形態の変形例）
　第１の実施形態では、基板層２の上面を同心円状にエッチングすることによって、周囲が空気層と接する円柱状の受光層３を形成した。これに対して、周囲を同心円状にエッチングする代わりに、受光層３以外の光吸収層、クラッド層およびコンタクト層を全て基板層２の上面から除去することにより、基板層２の上面に受光層３のみを突出させることもできる。この場合の受光素子１Ｂの断面図を図３に示す。

　図３の受光素子１Ｂも、第１の実施形態で説明した図１の受光素子１と同様に、受光層３Ｂを周囲が空気層と接するメサ型に形成され、検出対象の信号光の出射光路上に受光層３Ｂおよび入射領域５Ｂが位置するように配置される。従って、図３の受光素子１Ｂも検出対象の光信号のみを高精度に検出することができる。

　また、第１の実施形態では、入射領域５と受光層３とを対向配置し、受光素子１は主に入射領域５に垂直方向に入射した光を検出した。これに対して、入射領域５と受光層３とを基板層２を介して面方向にずらして配置することもできる。この場合の受光素子１Ｃの断面図を図４に示す。

　図４に示した受光素子１Ｃは、検出対象の信号光の出射光路上に受光層３Ｃおよび入射領域５Ｃが位置するように、受光層３Ｃと入射領域５Ｃとが角度θ分だけ水平方向にずれて配置されている。この場合、入射領域５Ｃに垂直方向に入射した光は受光層３Ｃまで到達せずに受光素子１Ｃによって検出されない一方、入射領域５Ｃに角度θで入射した光は受光層３Ｃにおいて吸収され、受光素子１Ｃによって検出される。

　図４に示した受光素子１Ｃは、迷光が所定方向から入射する場合に有効である。すなわち、迷光が所定方向から入射する場合、この方向と異なる方向（角度θ）から検出対象の信号光を入射させ、該検出対象の信号光のみを受光素子１Ｃによって検出する。

　さらに、基板層２の上面の受光層３以外の領域を遮光部材で覆うことも出来る。この場合の受光素子の断面図を図５に示す。図５に示した受光素子１Ｄにおいて、基板層２Ｄ上面の受光層３Ｄ以外の領域に第２の遮光層６Ｄが配置されている。第２の遮光層６Ｄを配置することにより、基板層２Ｄの上面から迷光が入射することを避けることができる。なお、入射領域５Ｄに斜めから入射した光は、基板層２Ｄ上面に配置された第２の遮光層６Ｄおよび基板層２Ｄ下面に配置された遮光層４Ｄ間を反射し、基板層２Ｄの側面から外部空間に放出される。

　（第２の実施形態）
　第２の実施形態について説明する。本実施形態では、受光素子を備える光通信器として、信号光を送受信する光送受信器を適用する。本実施形態に係る光送受信器の上面図を図６に示す。図６において、本実施形態に係る光送受信器１０は、光導波路２０、半導体レーザ３０および受光素子４０を備える。

　光導波路２０は、Ｙ分岐を有する光路２４が形成された基板等であり、入力ポート２２を介して半導体レーザ３０から入射された送信信号を、入出力ポート２１を介して図示しない光ファイバへ出射する。また、入出力ポート２１を介して図示しない光ファイバから入射された受信信号を、Ｙ分岐および出力ポート２３を介して受光素子４０へ出射する。本実施形態において、光導波路２０は、光ファイバから入射された受信信号を、光導波路２０の側面と直交する方向に真っ直ぐに出射する。

　半導体レーザ３０は、送信信号を生成して光導波路２０の入力ポート２２へ出射する。ここで、半導体レーザ３０が、請求項の出射部に相当する。

　受光素子４０は、入射された光を電圧信号に変換して出力する。本実施形態に係る受光素子４０の断面図を図７に示す。図７に示すように、本実施形態に係る受光素子４０は、第１の実施形態の変形例で説明した図３の受光素子１Ｂと同様に形成され、基板層４１、受光層４２および遮光層４３を備える。そして、受光素子４０は光送受信器１０内において、光導波路２０の出力ポート２３から出射された受信信号の出射光路上に受光層４２および入射領域４４が位置するように、配置される。

　基板層４１は、例えば、ＩｎＰ基板にｎ型のクラッド層を積層する等によって形成される。受光層４２は、例えば、基板層４１の上方に光吸収層およびＰ型のクラッド層をこの順で積層し、さらに、中心領域以外の光吸収層およびＰ型のクラッド層をエッチングすることにより、周囲が空気層と接する円柱状に形成される。本実施形態において、光導波路２０の出力ポート２３から真っ直ぐに出射された光が受光層４２に到達し、受光層４２において吸収される。

　ここで、基板層４１の厚さｄおよび受光層４２の断面形状は、光導波路２０の出力ポート２３から出射された受信信号の角度と異なる角度で入射した光が受光層４２に達しない大きな厚さおよび小さな形状に形成される。例えば、光導波路２０の出力ポート２３から出射される受信信号の光ビーム径が５０～１５０μｍの場合、受光層４２を直径約５０μｍの円形に形成することが望ましい。また、基板層２の厚さｄを大きくすることにより不要な光が受光素子４０によって検出されることを低減できる一方、基板層２の厚さｄを大きくすると、製造に時間がかかると共に所定の入射角度で入射された信号光を検出するために受光素子４０が大きくなる。従って、本実施形態では基板層２の厚さｄを約１００μｍに設計した。

　遮光層４３は、基板層４１下面の一部領域に配置され、入射する光を全反射する。遮光層４３として、電極遮蔽マスクを適用することができる。そして、基板層４１下面の遮光層４３が配置されていない領域が入射領域４４となる。

　入射領域４４は、入射した信号光を受光素子４０の内部へ導く。入射領域４４は、基板層４１下面の、出力ポート２３から真っ直ぐに出射された光の出射光路上に配置され、受光層４２の形状と対応する形状に形成されている。本実施形態では、入射領域４４を基板層４１を挟んで受光層４２と対向する位置に配置し、入射領域４４を直径約５０μｍの円形に形成した。

　上記のように構成された光送受信器１０は次のように動作する。すなわち、半導体レーザ３０から出射された送信信号は、光導波路２０を介して図示しない光ファイバへ出射される。一方、図示しない光ファイバから入射された受信信号は、光導波路２０を介して出力ポート２３から受光素子４０へ出射される。

　受光層４２を周囲が空気層と接する円柱型に形成し、出力ポート２３から真っ直ぐ出射された光の出射光路上に受光層４２および入射領域４４が位置するように受光素子４０を配置することにより、図７に示すように、受信信号の出射方向と異なる方向から入射された光は受光層４２まで達せず、受光素子４０によって検出されない。すなわち、図６に示すように、入射領域４４に斜め方向から入射された、半導体レーザ３０からの反射光（矢印ａ）や光送受信器１０内部を往来している迷光（矢印ｂ）は、受光素子４０によって検出されない。

　本実施形態に係る受光素子４０は、出力ポート２３から真っ直ぐに出射された光ファイバから入射された受信信号のみを検出することから、ＳＮ比が低下することなく、光ファイバから入射された受信信号のみを高精度に検出することができる。

　ここで、入射領域４４の形状と受光層４２の形状とを対応させることにより、出力ポート２３から出射された受信信号を効率良く受光層４２まで導くことができると共に、受光層４２に達しない不要な反射光ａや迷光ｂ等が基板層４１内に入射されることを低減できる。また、基板層４１の厚さｄを十分大きく、受光層４２の直径を十分小さくすることにより、受光層４２まで達する光の入射方向の選択性を向上させることができる。

　本実施形態に係る光送受信器１０は、反射光ａや迷光ｂが受光層４２まで達することを幾何学的に低減することから、信号光の波長に寄らずに出力ポート２３から出射された受信信号のみを受光することができる。従って、光導波路２０の光路上に波長変換素子を配置したり、光送受信器１０に波長に応じたフィルタを配置したりする必要がなく、低コストで小型な光送受信器１０を提供することができる。

　なお、上述の実施形態では、光ファイバから入射された検出対象の受信信号を出力ポート２３から真っ直ぐに出射して入射領域４４に垂直に入射させたが、これに限定されない。検出対象の受信信号を出力ポート２３から斜め前方に出射させた場合の概略構成図を図６に点線で示す。図６に点線で示すように、受信信号を出力ポート２３Ｂから斜め前方に出射する場合、受光素子４０Ｂは、出力ポート２３Ｂから出射された受信信号が入射領域４４Ｂに垂直に入射されるように、傾けて配置される。この場合も、受光素子４０Ｂは、受信信号と異なる角度で入射された反射光ａや迷光ｂ等を検出することなく、出力ポート２３Ｂから出射された受信信号のみを検出することができる。

　さらに、上記の実施形態では、入射領域４４を受光層４２の形状と対応する形状に形成したが、これに限定されない。例えば、入射領域４４を受光層４２より小さく形成することにより、迷光の影響をさらに抑制することができる。なお、入射領域４４を小さく形成する場合、検出対象の受信信号の強度レベルが低くなることから、受光素子としてＡＰＤを適用することが望ましい。なお、ＡＰＤを適用する場合、暗電流を十分に抑制するために、増倍層の厚さを０．５μｍ以上にすることが望ましい。

　（第３の実施形態）
　第３の実施形態について説明する。本実施形態では、受光素子を備える光通信器として、デジタルコヒーレント受信モジュールを適用する。本実施形態に係るデジタルコヒーレント受信モジュールの概略構成図を図８に示す。

　図８において、デジタルコヒーレント受信モジュール１００は、信号光入射ポート２００、局所光入射ポート３００、レンズ４１０－４４０、ＰＬＣ（Planer Lightwave Circuit：平面光波回路）５００、検波用受光素子６１０、６２０、光分岐器７００、モニタ用受光素子８００および図示しない制御回路を備える。

　信号光入射ポート２００は、入射した信号光をＰＬＣ５００側へ出射する。また、局所光入射ポート３００は、入射した局所発振光（以下、局所光と記載する。）をＰＬＣ５００側へ出射する。ここで、信号光入射ポート２００からは０．０１～１ｍＷ程度の信号光が出射されるのに対し、局所光入射ポート３００からは１０ｍＷ程度の局所光が出射される。

　レンズ４１０－４４０は、信号光入射ポート２００または局所光入射ポート３００から出射された信号光または局所光を平行光に屈折させた後、ＰＬＣ５００の入力端へ集光させる。

　ＰＬＣ５００は、内部に図示しないハイブリッドを備え、レンズ４１０、４２０を介して信号光入射ポート２００から入射された信号光をＸ偏波信号光とＹ偏波信号光とに分離する。さらに、ＰＬＣ５００は、分離したＸ偏波信号光およびＹ偏波信号光にそれぞれ、レンズ４３０、４４０を介して局所光入射ポート３００から入射した局所光を合波し、合波したコヒーレント光信号を検波用受光素子６１０、６２０へ出射する。

　検波用受光素子６１０、６２０は、ＰＬＣ５００から入射されたコヒーレント光信号を電気信号に変換して出力する。検波用受光素子６１０、６２０として、ＰＬＣ５００から出射された合波光信号をそれぞれアナログの電気信号に変換して出力するＰＤ（Photodiode：フォトダイオード）を適用することができる。電気信号に変換された信号は、図示しないトランスインピーダンスアンプ（ＴＩＡ：Transimpedance Amplifier）において電圧信号に変換され、さらに、ＡＤＣ（Analog Digital Converter）回路およびＤＳＰ（Digital Signal Processor）回路等において、復調および所定の信号処理が施される。

　光分岐器７００は、レンズ４１０－レンズ４２０間に配置され、レンズ４１０において平行光に変換された信号光入射ポート２００からの信号光をレンズ４２０側へ出射すると共に、信号光の一部（以下、計測用信号光と記載する。）をモニタ用受光素子８００側へ出射する。本実施形態において、光分岐器７００は、信号光入射ポート２００から出射された信号光の１／１０程度を計測用信号光としてモニタ用受光素子８００側へ分岐する。

　モニタ用受光素子８００は、光分岐器７００から出射された計測用信号光の強度レベルを検出する。モニタ用受光素子８００の断面図を図９に示す。図９に示すように、本実施形態に係るモニタ用受光素子８００は、第１の実施形態で説明した図１の受光素子１とほぼ同様に構成されている。すなわち、図９において、モニタ用受光素子８００は、素子部８１０、受光部８２０および遮光部材８３０を備え、モニタ用受光素子８００の素子部８１０が受光素子１の基板層２に、受光部８２０が受光層３に、遮光部材８３０が遮光層４に相当する。

　素子部８１０は、例えば、ＩｎＰ基板にｎ型（またはＰ型）のクラッド層を積層することにより形成される。本実施形態において、素子部８１０を、厚さ３００μｍ、面積３００μｍ×３００μｍの略立方体に形成する。

　受光部８２０は、素子部８１０のクラッド層の上方に低キャリア濃度の光吸収層、Ｐ型（またはｎ型）のクラッド層およびコンタクト層をこの順で積層した後、素子部８１０上面の中心領域の周囲を同心円状にエッチングすることにより形成される。図９に示すように、本実施形態に係る受光部８２０は、周囲が同心円状にエッチングされることにより、直径約５０μｍ、高さ約５μｍのメサ型に形成される。

　遮光部材８３０は、素子部８１０下面の中心領域以外に配置される。そして、素子部８１０下面の遮光部材８３０が配置されていない中心領域が入射領域８４０となる。本実施形態において、入射領域８４０を受光部８２０の断面形状と同様の断面形状に形成する。すなわち、本実施形態では、入射領域８４０は直径５０μｍ程度の円形に形成される。

　ここで、受光部８２０および入射領域８４０は、光分岐器７００から出射された計測用信号光の出射光路上に配置される。本実施形態では、計測用信号光は入射領域８４０に対して垂直に入射し、その直上に受光部８２０が配置されている。受光部８２０にレンズ４１０および光分岐器７００を介して信号光入射ポート２００から出射された計測用信号光が入射されると、受光部８２０は、入射された計測用信号光を吸収して電圧信号に変換することによって入射された計測用信号光の強度レベルを出力する。

　図示しない制御回路は、モニタ用受光素子８００が検出した計測用信号光の強度レベルに基づいて、合波に用いる局所光の強度レベルを調整する。

　ここで、光分岐器７００から出射された計測用信号光の強度レベルがあまり大きくないことから、本実施形態では、受光部８２０に増倍層８２１を配置し、モニタ用受光素子８００としてＡＰＤを適用する。ＡＰＤは微弱な光を増幅した光電流として取り出すことができるため高いＳＮ比を実現できる。なお、受光部８２０を直径約５０μｍ、高さ約５μｍのメサ型に形成する場合、増倍層８２１の厚さは０．５μｍ以上に形成することが望ましい。増倍層８２１を厚膜に形成することにより、増倍層８２１でのトンネル電流を抑制して光入力がゼロの時の暗電流を抑制することができる。

　一方、モニタ用受光素子８００としてＡＰＤを適用する場合、局所光の強度レベルが信号光の強度レベルと比較して十分に高いことから、局所光入射ポート３００から出射され、ＰＬＣ５００に入射されなかった局所光がモニタ用受光素子８００において検出されてしまうことが考えられる。しかし、本実施形態において、受光部８２０をメサ型に形成し、受光部８２０および入射領域８４０を計測用信号光の出射光路上に配置したことから、素子部８１０下面に斜めから入射する局所光の迷光は、図９に示すように受光部８２０まで達せず、モニタ用受光素子８００において検出されない。

　従って、本実施形態に係るデジタルコヒーレント受信モジュール１００は、モニタ用受光素子８００を用いて光分岐器７００から分岐された計測用信号光の強度レベルを正確に検出することができ、合波に用いる局所光の強度レベルを高精度に調整することができる。

　次に、本実施形態に係るデジタルコヒーレント受信モジュール１００の動作について説明する。信号光入射ポート２００は、デジタルコヒーレント受信モジュール１００に入射した信号光をレンズ４１０へ出射する。信号光はレンズ４１０を透過することにより平行光に回折され、光分岐器７００を介してレンズ４２０へ出射される。ここで、信号光の一部は光分岐器７００により、モニタ用受光素子８００側へ計測用信号光として出射される。レンズ４２０へ出射された信号光は、レンズ４２０によってＰＬＣ５００の入力端に集光され、ＰＬＣ５００に入射する。

　一方、局所光入射ポート３００は、図示しない制御回路において強度レベルが調整された局所光が入射する。局所光入射ポート３００は、入射した局所光をレンズ４３０へ出射する。局所光はレンズ４３０を透過することにより平行光に回折され、レンズ４４０へ出射される。レンズ４４０へ出射された局所光は、レンズ４４０によってＰＬＣ５００の別の入力端に集光され、ＰＬＣ５００に入射する。

　そして、ＰＬＣ５００に入射した信号光は、互いに直行するＸ方向の偏波とＹ方向の偏波とに分光され、それぞれＰＬＣ５００に入射した局所光と合成されてコヒーレント光信号として検波用受光素子６１０、６２０へ出射される。検波用受光素子６１０、６２０は、ＰＬＣ５００から入射されたコヒーレント光信号をそれぞれ電気信号に変換する。電気信号に変換された信号は、ＴＩＡ、ＡＤＣ回路およびＤＳＰ回路等において所定の信号処理が施される。

　一方、光分岐器７００においてモニタ用受光素子８００側へ出射された計測用信号光は、モニタ用受光素子８００の入射領域８４０に垂直に入射されて受光部８２０まで達し、受光部８２０において光電変換される。本実施形態において、モニタ用受光素子８００は、受光部８２０がメサ型に形成されていると共に受光部８２０および入射領域８４０が計測用信号光の出射光路上に配置されていることから、回折等によって入射領域８４０に斜めに入射された信号光や局所光が検出されることが抑制され、光分岐器７００から分岐された計測用信号光の強度レベルを高いＳＮ比でモニタする。

　以上のように、本実施形態に係るデジタルコヒーレント受信モジュール１００は、信号光入射ポート２００とＰＬＣ５００との間に光分岐器７００を配置し、信号光入射ポート２００から出射された信号光の一部をモニタ用受光素子８００へ所定の角度で入射させる。モニタ用受光素子８００が迷光の影響を受けずに光分岐器７００から分岐された計測用信号光のみの強度レベルを高精度に計測することから、本実施形態に係るデジタルコヒーレント受信モジュール１００は、信号光の強度レベルの変化を高精度に計測して、局所光の強度レベルを適切に制御することができる。

　ここで、上述の実施形態では、入射領域８４０を受光部８２０の断面形状と同様の形状に形成した。この場合、モニタ用受光素子８００に入射された計測用信号光を効率よく受光部８２０へ導くことができると共に、受光部８２０へ達しない不要な迷光がモニタ用受光素子８００に入射されることを抑制することができ、モニタ用受光素子８００のＳＮ比をさらに向上させることができる。

　なお、受光部８２０まで達する光の入射方向の選択性をさらに向上させるために、チップの薄型化等の妨げにならない範囲で素子部８１０の厚さｄを大きくし、受光部８２０のメサ高さｈ（エッチング深さ）を大きくすることが望ましい。さらに、光の入射方向の選択性をさらに向上させるために、計測用信号光の受光効率が低下しない範囲で受光部８２０の断面積を小さくすることが望ましい。

　ここで、図３に示した受光素子１Ｂを、モニタ用受光素子８００Ｂとして適用することもできる。素子部８１０Ｂ上面に受光部８２０Ｂのみを突出させた場合も、入射領域８４０Ｂへ斜めに入射された信号光および局所光等の迷光の影響を抑制して光分岐器７００Ｂから分岐された計測用信号光の強度レベルを高精度に検出することができる。

　さらに、図４に示した受光素子１Ｃを、モニタ用受光素子８００Ｃとして適用することもできる。この場合、光分岐器７００Ｃは、信号光入射ポート２００Ｃから出射された信号光の一部をややＰＬＣ５００Ｃ寄りに斜めに出射し、ＰＬＣ５００Ｃ寄りに斜めに出射された計測用信号光をモニタ用受光素子８００Ｃで計測する。例えば、レンズ４３０Ｃから出射され、レンズ４４０Ｃで集光されずにＰＬＣ５００Ｃで反射された局所光はモニタ用受光素子８００Ｃへ計測用信号光とは異なる角度で入射されることから、受光部８２０Ｃまで達することができない。

　なお、光分岐器７００Ｃが計測用信号光をＰＬＣ５００Ｃ寄りに斜めに出射する場合、モニタ用受光素子８００Ｃを適用する代わりに、出射された計測用信号光と入射領域８４０とが垂直に交差するように、図９に示したモニタ用受光素子８００を傾けて配置することもできる。この場合もモニタ用受光素子８００Ｃを適用する場合と同様の効果を奏する。

　さらに、図５に示した受光素子１Ｄを、モニタ用受光素子８００Ｄとして適用することもできる。素子部８１０Ｄ上面の受光部８２０Ｄ以外の領域に第２の遮光部材を配置することにより、素子部８１０Ｄ上面から迷光が入射することを避けることができる。なお、素子部８１０Ｄ下面の入射領域８４０Ｄに斜めから入射された光は、素子部８１０Ｄの上面に配置された第２の遮光部材および下面に配置された遮光部材８３０Ｄ間を反射し、素子部８１０Ｄの側面から外部空間に放出される。

　本願発明は上記実施形態に限定されるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があってもこの発明に含まれる。

　本願発明は上記実施形態に限定されるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があってもこの発明に含まれる。また、本願発明は、２０１２年９月１１日に出願された日本出願特願２０１２－１９９７１５を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

　半導体受光素子によって検出した信号光を利用する光通信器に広く適用することができる。

　１、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ　　受光素子
　２、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄ　　基板層
　３、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ　　受光層
　４、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄ　　遮光層
　５、５Ｂ、５Ｃ、５Ｄ　　入射領域
　６Ｄ　　第２の遮光層
　１０　　光送受信器
　２０　　光導波路
　３０　　半導体レーザ
　４０　　受光素子
　４１　　基板層
　４２　　受光層
　４３　　遮光層
　４４　　入射領域
　１００　　デジタルコヒーレント受信モジュール
　２００　　信号光入射ポート
　３００　　局所光入射ポート
　４１０－４４０　　レンズ
　５００、ＰＬＣ
　６１０、６２０　　検波用受光素子
　７００　　光分岐器
　８００　　モニタ用受光素子
　８１０　　素子部
　８２０　　受光部
　８３０　　遮光部材
　８４０　　入射領域
　９００　　光送受信回路
　９１０　　Ｓｉ基板
　９１１　　コモンポート
　９１２　　ＬＤポート
　９１３　　ＰＤポート
　９１４　　波長変換素子
　９２０　　半導体レーザ
　９３０　　受光素子
　９３１　　フィルタ

Claims

下面に形成された入射領域から入射された光を透過させる基板層と、
前記基板層の上面に配置され、周囲が空気層と接するメサ型の受光層と、
前記基板層の下面の前記入射領域以外の領域を覆う遮光層と、
を備え、
前記受光層と前記入射領域とは、所定の角度で前記入射領域に入射された光の光路上に配置されることを特徴とする受光素子。
前記基板層の厚さは、前記所定の角度よりも大きな角度で入射された光が前記受光層に到達しない厚さに形成される、請求項１記載の受光素子。
前記受光層の断面形状は、前記所定の角度よりも大きな角度で入射された光が前記受光層に到達しない形状に形成される、請求項１または２記載の受光素子。
前記入射領域は、前記受光層の断面形状と対応する形状に形成される、請求項３記載の受光素子。
前記受光層と前記入射領域とは、前記基板層を介して対向配置される、請求項１乃至４のいずれか１項記載の受光素子。
前記受光層と前記入射領域とは、前記基板層を介して面方向にずらして配置される、請求項１乃至４のいずれか１項記載の受光素子。
前記受光層は増倍層を備える、請求項１乃至６のいずれか１項記載の受光素子。
前記受光層は、前記基板層の上面の前記受光層が配置される領域の周囲を凹状に除去することにより、周囲が空気層と接するメサ型に形成される、請求項１乃至７のいずれか１項記載の受光素子。
前記受光層は、前記基板層の上面の前記受光層が配置される領域以外の領域を除去することにより、周囲が空気層と接するメサ型に形成される、請求項１乃至７のいずれか１項記載の受光素子。
前記遮光層は電極遮蔽マスクである、請求項１乃至９のいずれか１項記載の受光素子。
前記基板層の上面の前記受光層が配置された領域以外の領域を覆う第２の遮光層をさらに備える、請求項１乃至１０のいずれか１項記載の受光素子。
送信光を出射する出射部と、
受信光を検出する請求項１乃至１１のいずれか１項記載の受光素子と、
前記出射された送信光を導光して入出力ポートから出射すると共に、該入出力ポートから入射した受信光を導光して前記受光素子へ所定の角度で出射する光導波路と、
を備え、
前記受光素子の入射領域および受光層は、前記光導波路から出射された受信光の出射光路上に配置されることを特徴とする光通信器。
前記出射された受信光の出射光路と前記受光素子の基板層の下面とは直交する、請求項１２記載の光通信器。
請求項１乃至１１のいずれか１項記載の受光素子の入射領域および受光層を光導波路から出射した受信光の出射光路上に位置するように前記受光素子を配置し、
送信光を出射し、
前記出射された送信光を導光して入出力ポートから出射し、
前記入出力ポートから入射した受信光を導光して所定の角度で出射し、
前記受光素子を用いて、前記出射された受信光を検出する、
光通信方法。
信号光を出射する信号光出射手段と、
局部発振光を出射する局部発振光出射手段と、
前記出射された信号光を２分割して出射する分岐手段と、
前記２分割された一方の信号光と前記出射された局部発振光とを合波し、該合波光信号に所定の処理を施す信号処理手段と、
前記２分割された他方の信号光の強度レベルを計測して出力する請求項１乃至１１のいずれか１項記載の受光素子と、
前記出力された計測結果に基づいて前記局部発振光の強度レベルを制御する制御手段と、
を備える光通信器。
前記受光素子の入射領域および受光層は、前記２分割された他方の信号光の出射光路上に配置される、請求項１５記載の光通信器。
前記２分割された他方の信号光の出射光路と前記基板層の下面とは直交する、請求項１５または１６記載の光通信器。
前記分岐手段は、前記局部発振光の出射光路から遠ざかる方向に前記他方の信号光を出射する、請求項１５乃至１７のいずれか１項記載の光通信器。
前記信号光出射手段から出射された信号光を平行光に屈折させる屈折手段および前記平行光を前記混合手段の入射端に集光させる集光手段をさらに備え、
前記分岐手段は、前記屈折手段と前記集光手段との間に配置される、
請求項１５乃至１８のいずれか１項記載の光通信器。
前記信号処理手段は、
　前記信号光を偏波状態に応じて分離し、それぞれに前記局部発振光を合波して合波光信号として出射するＰＬＣと、
　前記偏波状態に応じて出射された合波光信号をそれぞれアナログの電気信号に変換して出力するＰＤと、
　前記出力されたアナログの電気信号をデジタル信号に変換して処理するＬＳＩと、
を備える請求項１５乃至１９のいずれか１項記載の光通信器。
信号光を出射し、
前記出射された信号光を２分割して出射し、
局部発振光を出射し、
前記２分割された一方の信号光と前記出射された局部発振光とを合成し、合成波に所定の処理を施し、
請求項１乃至１１のいずれか１項記載の受光素子を用いて、前記２分割された他方の信号光の強度レベルを計測して出力し、
前記出力された計測結果に基づいて前記局部発振光の強度レベルを制御する、
光通信方法。