WO2015097764A1 - 受光装置及びそれを用いた光送受信システム - Google Patents

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WO2015097764A1
WO2015097764A1 PCT/JP2013/084550 JP2013084550W WO2015097764A1 WO 2015097764 A1 WO2015097764 A1 WO 2015097764A1 JP 2013084550 W JP2013084550 W JP 2013084550W WO 2015097764 A1 WO2015097764 A1 WO 2015097764A1
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忠嗣 奥村
康信 松岡
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株式会社日立製作所
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Definitions

  • the present invention relates to a light receiving device and an optical transmission / reception system for transmitting a high-speed optical signal transmitted / received between chips or boards between devices in a data processing device such as a server or an information communication device.
  • ICT Information Technology
  • electrical interconnects conventionally used between and within ICT devices are also required to transmit at 10-25 Gbps or more per channel.
  • problems such as transmission loss of high-frequency signals and crosstalk caused by high-frequency noise due to higher speed.
  • optical wiring is expected to be promising for high-speed, high-capacity interconnects between and within equipment because of the small crosstalk between lines and the degradation of signal quality due to transmission distance.
  • the basic components of an optical communication system are a light emitting element, a light receiving element and a transmission path.
  • a semiconductor photodiode is mainly used.
  • a semiconductor photodiode is an element that converts an optical signal into an electric signal by taking out a carrier generated by absorbing light.
  • the material of the light absorption layer is selected according to the wavelength, but GaAs (gallium arsenide) or Si (silicon) is used for 1 ⁇ m or less, and InGaAs is used for the communication wavelength band of 1.3 to 1.55 ⁇ m.
  • the basic components of an optical communication system, and optical fibers used for signal transmission are classified into single mode fibers and multimode fibers.
  • the core diameter of a single mode fiber is as small as 10 ⁇ m or less, and since only one mode is transmitted, it is suitable for use in transmitting optical pulses at high speed without causing mode dispersion, and is used in a long-distance transmission system.
  • the multimode fiber is as thick as 50 ⁇ m in diameter and different modes are mixed, mode dispersion occurs and the transmission distance is limited to be short.
  • it is easy to connect an optical fiber and it is advantageous in reducing the cost of the network device it has many advantages for use on the premises.
  • One issue with this multimode fiber optical connection is the coupling from the optical fiber to the light receiving element.
  • the structure of the light receiving element is divided into a waveguide type and a plane incident type from the light receiving form.
  • the waveguide type is advantageous.
  • the waveguide type generally has a structure in which it is coupled to the fiber at the end face of the light receiving element chip, and since the light receiving spot size is as small as 10 ⁇ m or less, highly efficient optical coupling with the optical fiber is difficult.
  • the surface incidence type is a structure in which light is incident from the front surface or the back surface of the light receiving element.
  • the advantages of the surface incident type are that the optical axis alignment with the optical fiber is easy, the mounting is easy, and the optical fiber and the surface incident type light receiving element can be easily attached and detached via a connector.
  • the disadvantage is that, as shown in Patent Document 1, the light receiving sensitivity and the element band are in a trade-off relationship because of the structural feature that the traveling direction of light coincides with the traveling direction of the generated carrier.
  • a VCSEL using a GaAs-based material and a surface incidence type photodiode are employed in the conventional optical interconnect module.
  • Patent Document 2 discloses a conventional technique for improving the sensitivity of a light receiving element by making light incident obliquely.
  • the present invention solves a new problem when silicon photonics technology is used, and the structure shown in Patent Document 2, an appropriate incident angle, and the principle of improving sensitivity are fundamentally different.
  • the optical signal is reflected by a reflection structure (slope reflection portion) provided in the vicinity of the absorption layer, and the absorption layer is inclined at an angle oblique to the substrate surface. Is incident on.
  • the length of propagation of light through the absorption layer is longer than that when the light is incident vertically, and as a result, there is a principle that the light receiving sensitivity is increased.
  • the optical path length in the absorption layer is 1 / cos ⁇ times.
  • the optical functional circuit using silicon photonics technology while solving the above-mentioned problem regarding the light receiving sensitivity.
  • the area occupied by the light receiving elements in the optical element region is compressed by reducing the light receiving element array pitch compared to the pitch of the optical fiber.
  • the entire chip can be multi-functionalized, and a transmission device that integrates transmission circuits and uses advanced signal processing can be realized.
  • JP 2001-053328 A Japanese Patent No. 3589878
  • the current signal photoelectrically converted by the light receiving element is subjected to impedance conversion and amplification by an IC (Integrated Circuit) called TIA (Transmitted Amplifier), and is output as a voltage signal.
  • TIA Transmitted Amplifier
  • the light receiving element and the TIA are manufactured separately, formed into chips, and then electrically connected and mounted by wire bonding or the like.
  • the pad area required for this mounting was one of the factors limiting the miniaturization and high density of the optical receiver module.
  • approaches to solve this problem by mixing electric and optical elements have been advanced. In order to mix electricity and light, a technique called silicon photonics, which realizes an optical element that has conventionally been composed of a compound semiconductor with the same silicon as an electronic circuit, is used.
  • Silicon photonics technology uses a wavelength of 1.1 ⁇ m or more, which is transparent to silicon, has good process consistency with Si as a light-absorbing material for light receiving elements, and has an energy gap greater than that of Si, which is a substrate and waveguide material.
  • a small Ge (germanium) is promising.
  • an SOI (Silicon on Insulator) substrate is generally used to form an optical waveguide structure.
  • the insulating layer thickness of an SOI substrate used in silicon photonics is generally 1 ⁇ m to 3 ⁇ m because it functions as a cladding layer of an optical waveguide, and is different from an insulating layer of 1 ⁇ m or less used in an electronic device.
  • FIG. 8A shows a conventional surface incident type light receiving element.
  • a non-reflective coating 508 is provided on a surface where light enters the semiconductor layer 501 from the external space.
  • a structure is adopted in which light is incident from the substrate side on the back side of the element, and signal light transmitted through the light absorption layer 504 is returned to the light absorption layer again by the high reflection mirror 506 formed on the element surface.
  • there is a problem in terms of light receiving sensitivity to add the above-described devices to a light receiving element on an SOI substrate that employs silicon photonics technology.
  • the light absorption layer 104 is formed on the surface of the SOI layer 103 on the surface side of the SOI substrate, and an insulating layer (buried oxide layer: referred to as a BOX layer in the following description) 102 exists between the substrate 101 and the SOI layer 103.
  • a BOX layer buried oxide layer
  • Si is a constituent material of the substrate 101 and SOI layer 103, but Ge is a light-absorbing layer 104 is a semiconductor and has a refractive index of 3.5 or more, SiO 2 has a refractive index of about 1.5 is an insulating layer material Light reflection 114 occurs at this interface.
  • the intensity of light incident on the light absorption layer is not SiO 2. Compared to the case, it decreases to 70% or less. Since this Si and SiO 2 interface has already been made at the wafer manufacturing stage, it is difficult to apply the non-reflective processing 108 like the light incident surface.
  • a structure in which the BOX layer 102 where the light receiving element is to be formed is removed and the Ge absorption layer 104 is formed in the Si layer 101 below the BOX layer can be considered. It becomes complicated. Although it is possible to form electrodes on the substrate 101, difficulties arise due to the low resistance of the Si layer 101 for high-speed operation and the electrical isolation structure from other elements.
  • a highly reflective mirror can be formed on the back surface of the substrate with a metal film or the like, since the distance from the light absorption layer is increased by the thickness of the substrate 101, the signal light that is reflected and absorbed the second time is the first time. A delay occurs with respect to the signal light passing through the light absorption layer. If the signal transmission speed is a low speed of 1 GHz or less, the influence is small, but this delay is not allowed in the high-speed transmission required between and within the ICT equipment. Therefore, a reflective film cannot be formed on the back surface of the substrate. Although a method of partially removing the substrate 101 and forming a highly reflective metal film under the BOX layer 102 is conceivable, the mechanical strength is insufficient and the yield is lowered. For the above reasons, there is a problem that a highly sensitive light receiving element cannot be realized by a combination of a conventional surface incident type light receiving element and silicon photonics technology.
  • optical modules have issues for higher density.
  • the arrangement of the conventional light receiving elements has been designed according to the optical fiber.
  • the optical fiber array has a 250 ⁇ m pitch
  • the light receiving elements are also arranged at the same pitch. That is, the factor limiting the size of the optical receiving module is either the mounting area, that is, the receiving chip size or the optical fiber size.
  • the size of the connection part between the electronic circuit and the optical element is reduced, and the bottleneck of the receiving chip size is eliminated.
  • the size of the optical fiber becomes a limiting factor, the area occupied by the optical element in the receiving chip cannot be reduced to match the fiber channel interval. Unless the size of the optical fiber array is changed, there is a problem that it is difficult to improve the transmission density by downsizing the optical element portion.
  • the thickness of the dielectric film can be designed to be an odd multiple of 1/4 wavelength within the dielectric film medium in order to reverse the phase.
  • the refractive index and thickness of the SiO 2 layer cannot be arbitrarily selected.
  • a method for reducing the reflectance is to change the optical path length by adjusting the incident angle to the Si / SiO 2 / Si interface.
  • 9 and 10 show the wavelength and incident angle dependence of the reflectance at the Si / SiO 2 / Si interface when the BOX layer thickness is 2 ⁇ m.
  • the incident angle must be less than or equal to this critical angle.
  • the critical angle at the Si layer / BOX interface is around 25 degrees, total reflection occurs at an incident angle of 26 degrees or more.
  • the reflectance is 45% or less by tilting the incident angle to 8 ° or more with respect to the wavelength of 1300 nm, and the reflectance at 0 ° vertical incidence is 45%. Decrease compared to%.
  • main components of the light receiving element and the optical module of the present invention are as follows.
  • Signal light from the optical transmitter is incident from the back surface of the optical receiver substrate via the multimode fiber, and the signal light is In order to reduce reflection at the insulating film on the semiconductor substrate, the incident light is inclined with respect to the axis formed by the substrate surface. Furthermore, it is possible to adopt a structure in which the signal light transmitted through the light absorption layer is returned to the light absorption layer again by the high reflection mirror formed on the element surface, and the sensitivity can be further improved without degrading the band.
  • the reflectivity of a three-layer structure such as Si / SiO 2 / Si can be expressed by the following equation using the reflectivity r and the transmittance t at each interface, with layer numbers 1, 2, and 3 from the incident side.
  • the reflectance is controlled by the optical axis incident on the layers 1 and 2 and the tilt angle ⁇ 1 from the axis perpendicular to the substrate surface.
  • Reflectance and transmittance are determined by the refractive index of each layer.
  • ⁇ 2 in the equation is determined by the refractive index of each layer and the incident angle ⁇ 1 according to Snell's law.
  • d 2 is the thickness of layer 2.
  • the optical functional circuit using silicon photonics technology while solving the above-mentioned problem regarding the light receiving sensitivity.
  • the area occupied by the light receiving elements in the optical element region is compressed by reducing the light receiving element array pitch compared to the pitch of the optical fiber.
  • the entire chip can be made multifunctional, and transmission density utilizing transmission signal integration and advanced signal processing can be realized.
  • a feature of the first invention is (1) comprising an insulating film layer and a light receiving layer made of a material having an energy gap smaller than that of the semiconductor substrate layer on the semiconductor substrate, wherein the semiconductor substrate and the insulating film layer are refracted.
  • the rates are n 1 and n 2
  • the angle is inclined in a range of 0 ° ⁇ 1 ⁇ arcsin (n 2 / n 1 ) ° with respect to the normal line of the insulating film layer.
  • the incident angle must be less than or equal to this critical angle.
  • the present invention can be realized by a method other than a silicon process in which, for example, a compound semiconductor (light receiving layer) is attached to a silicon substrate with a resin adhesive (insulating film layer). Further, as the semiconductor substrate, an SOI (Silicon on Insulator) substrate is generally used.
  • SOI Silicon on Insulator
  • FIG. 10 shows a range in which the reflectance indicated by the solid line (wavelength 1300 nm) is lower than the reflectance of 0 degrees. By tilting the incident angle to 8 ° or more, the reflectivity becomes 45% or less, and the reflectivity at 0 ° vertical incidence is lower than 45%.
  • the reflectance is reduced as compared with vertical 0 ° incidence under the condition of 8 ° ⁇ 1 ⁇ 26 °. Since the critical angle is 26 ° or more, the reflectance is 100%.
  • a device in which a groove is formed on the back surface of the semiconductor substrate, the incident light is refracted on the side of the groove, and the path of the incident light is converted is preferable.
  • an apparatus in which a plurality of the grooves and a light receiving layer are provided, and a distance between the grooves and a distance between the light receiving layers are different from each other is preferable.
  • the area occupied by the light receiving elements in the optical element region can be compressed.
  • Combining the conventional fiber mounting method with the inclination of the fiber causes a problem that the mounting process becomes complicated.
  • a structure in which the fiber and the substrate surface are perpendicular or parallel is simple and easy to mount.
  • an apparatus in which the semiconductor substrate is a silicon substrate and the insulating film layer is a buried thermal oxide film layer is preferable.
  • materials other than the thermal oxide film are also envisaged and can be applied to all materials having a refractive index different from that of Si.
  • the buried thermal oxide film layer has a thickness of 1 ⁇ m to 3 ⁇ m.
  • the insulating layer thickness is generally indicated by d 2 in Equation 1.
  • 1 ⁇ m to 3 ⁇ m is a standard thickness in silicon photonics acting as a cladding layer of an optical waveguide.
  • the light-receiving layer contains germanium as a constituent element. Assuming a silicon process, the light absorbing material is Ge (germanium). As a light-absorbing material for the light-receiving element, Ge (germanium), which has good process consistency with Si and has a smaller energy gap than Si as a substrate and waveguide material, is promising.
  • a light reflecting portion is provided on the upper surface of the light receiving layer on the surface side of the semiconductor substrate to reflect light incident from the rear surface side of the semiconductor substrate and transmitted through the light receiving layer. It is possible to adopt a structure in which the signal light transmitted through the light absorption layer is returned to the light absorption layer again by the high reflection mirror formed on the element surface, and the sensitivity can be further improved without degrading the band.
  • a feature of the second invention is that (9) an optical transmission module in which at least one waveguide type optical modulator and a fiber coupler are formed on a semiconductor substrate, and at least one surface incident type optical receiver are formed. And an optical gap between the fiber coupler and the surface incident type light receiving element by a multimode fiber, and an insulating film layer on the semiconductor substrate and an energy gap larger than that of the semiconductor substrate layer.
  • a light-receiving layer made of a small material, the refractive indexes of the semiconductor substrate and the insulating film layer are n 1 and n 2 , respectively, and the angle between the optical axis of incident light and the normal line of the insulating film layer is ⁇ 1 and ⁇ 2, and ⁇ 2 90 °, the angle was inclined in the range of 0 ° ⁇ 1 ⁇ arcsin (n 2 / n 1 ) ° with respect to the normal of the insulating film layer
  • Optical transmission / reception system characterized by In the system.
  • Ge germanium
  • the light output from the fiber coupler is guided to the multimode fiber without using an isolator.
  • the present invention can improve the sensitivity of the light receiving device and realize an optical transmission / reception system to which a conventional optical fiber mounting technology can be applied.
  • FIG. 1 The figure which showed the cross-section of the light receiving element which is the 1st Example of this invention, and an incident light path.
  • FIG. 6 is a structural diagram of a light receiving module of an optical transmission apparatus according to a fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a structural diagram of a light receiving module of an optical transmission apparatus according to a fourth embodiment of the present invention.
  • the block diagram of the optical transmission / reception system of the optical transmission apparatus which is the 4th Example of this invention.
  • Wavelength dependence of incident light reflectivity for back-illuminated light receiving elements on a substrate to which silicon photonics technology can be applied Wavelength dependence of incident light reflectivity for back-illuminated light receiving elements on a substrate to which silicon photonics technology can be applied.
  • Incident angle dependence of incident light reflectivity for back-illuminated light receiving elements on a substrate to which silicon photonics technology can be applied Ray tracing simulation in a structure in which a lens and an optical path changing groove are added to a back-illuminated light receiving element.
  • FIG. 1 shows an example of an embodiment of the present invention.
  • the light absorption layer is formed on the SOI layer 103 of the SOI substrate.
  • the thickness of the BOX layer 102 is 2 ⁇ m, which is common for silicon photonics optical elements.
  • the light absorption layer 104 is Ge with a low impurity concentration, and the Si layers 103 and 105 above and below the Ge layer are doped with p-type and n-type impurities, respectively, to form a diode structure.
  • the photocarrier generated in the Ge layer 104 is extracted by the upper and lower electrodes 106 by applying a reverse voltage to the PIN diode, and becomes an electric signal.
  • the thickness and diameter of the Ge layer 104 are design parameters.
  • the lower Si layer 103 needs to be doped at a high concentration of, for example, about 1 ⁇ 10 20 / cm 3 in order to reduce the element resistance for high-speed operation, but does not impair the crystallinity when forming the Ge layer 104 Thus, it should be avoided to increase excessively.
  • the upper Si layer 105 is also doped at a high concentration to reduce resistance. In the present invention, a structure in which the Ge layer 104 and the metal 106 are in direct contact may be used as long as the element resistance is small.
  • the light receiving element of this embodiment is a description of the PIN diode structure
  • the present invention is applicable regardless of the operation principle of the light receiving element.
  • a surface incident type APD Alignment photodiode
  • MSM Metal-Semiconductor-Metal
  • the signal light 109 output from the fiber enters the element from the back surface of the substrate 101.
  • the incident portion on the back surface of the substrate is coated with a dielectric film layer 108 which is in a non-reflective condition with respect to the signal light wavelength.
  • the signal light is refracted at an angle satisfying the following relationship indicated by Snell's law.
  • n 0 and n 1 are the refractive indexes of the medium before and after the signal light 109 is incident, and here are air and Si, respectively.
  • ⁇ 0 and ⁇ 1 are angles formed by the light traveling direction and the substrate normal in the angular medium.
  • the signal light incident on the substrate 101 reaches the BOX layer 102, and boundary transmission and reflection above and below the BOX layer occur.
  • the BOX layer 102 has a Si / SiO 2 / Si structure with a thickness of 2 ⁇ m.
  • the reflectance is reduced at a wavelength of 1300 nm compared to normal 0 degree incidence under the condition of 8 ° ⁇ 1 ⁇ 26 ° as shown in FIG. Is done. Since the critical angle is 26 degrees or more, the reflectance is 100%. In particular, when the incident angle ⁇ 1 from the Si substrate layer 101 to the BOX layer 102 is around 12 degrees, a low reflection condition with a reflectance of 5% or less with respect to a wavelength of 1.3 ⁇ m is obtained.
  • the signal light can be guided to the Ge light absorption layer 104 with low loss by mounting the incident angle ⁇ 0 at about 47 degrees so as to satisfy the above-described Expression 2 by tilting the optical fiber.
  • the output light from the optical fiber 210 mounted in parallel with the substrate surface may be route-converted by a prism, a mirror 211 or the like.
  • the signal light spreads while propagating through the Si substrate 201 having a thickness of 760 ⁇ m, it is effective to provide a lens structure in the middle in order to couple the Ge light absorbing layer having a diameter of 20 ⁇ m with high efficiency.
  • a plastic lens 212 having a curvature of about 0.015 / ⁇ m may be attached to the output end of the fiber connector 213, or a lens structure may be formed on the light incident surface on the back side of the semiconductor substrate.
  • the light absorption layer and the diode structure of the light receiving element shown in the second embodiment of the present invention are basically the same as the structure of the light receiving element 1 shown in the first embodiment.
  • the different part is the light incident structure on the back surface of the substrate.
  • the structure in which the optical fiber is mounted inclined at 47 degrees is disclosed.
  • the incident light 109 shown in FIG. 3 is incident perpendicularly to the Si substrate back surface 101, but by forming a groove 113 in the light incident spot on the Si substrate back surface, the light can be refracted before and after the incident.
  • the incident angle 111 from the Si substrate layer 101 to the BOX layer 102 may be matched with the inclination angle 112 of the light incident spot surface on the back side of the substrate with respect to the substrate surface.
  • the groove on the back side of the substrate can be formed using, for example, laser processing or an exposure technique using a gray scale mask.
  • FIG. 10 shows a state in which light perpendicular to the substrate surface is incident through the lens and the groove slope and is collected on the light receiving portion on the substrate surface by the ray tracing simulation.
  • the configuration of a pair of optical fibers and light receiving elements has been disclosed.
  • This structure is of course applicable to a plurality of sets of optical fibers and light receiving elements.
  • it is possible to increase the density of the light receiving elements on the substrate, and it is possible to integrate devices having other functions on the same substrate.
  • FIG. 4 simply arranges the structures shown in the second embodiment.
  • Incident light 309 has the same pitch as that of the optical fiber and is generally 250 ⁇ m, and absorption layers 304 constituting the light receiving elements are also arranged at a pitch of 250 ⁇ m.
  • the light receiving element for high-speed data transmission has a light receiving diameter of about 20 ⁇ m for 25 Gbps in order to reduce element capacity, which is smaller than the optical fiber pitch.
  • the element size is about 50 ⁇ m even if the electrical connection part other than the light receiving diameter is included.
  • channels 1, 2, 3, and 4 are sequentially set from the left optical fiber.
  • Channels 1 and 2 are refracted to the right with respect to the incident optical axis by refraction.
  • the refraction angle is adjusted by making a difference between the inclination angles of the substrate back surface grooves 313 of the channels 1 and 2.
  • the optical fiber pitch is 250 ⁇ m
  • the substrate thickness is 750 ⁇ m
  • the groove inclination angles of the channels 1 and 2 are 23 degrees and 20 degrees
  • the channel spacing in the light receiving layer 304 portion on the substrate surface side is 200 ⁇ m.
  • the channels 3 and 4 are refracted to the left with respect to the incident optical axis by changing the inclination direction of the groove.
  • the channel interval becomes 200 ⁇ m and the light of the channel 3 reaches the intermediate point between the channels 1 and 2.
  • the channels of the light receiving element are in the order of 3, 1, 4, 2 from the left side, and the channel spacing which was 250 ⁇ m pitch is reduced to 100 ⁇ m pitch.
  • FIGS. 6A, 6B and FIG. 6A and 6B show examples of structures in which the mounting angles of the fibers are parallel and perpendicular to the substrate surface, respectively.
  • the upper side is the back surface of the semiconductor substrate 401.
  • the receiver substrate 401 including the back-illuminated light receiving element array and the TIA 416 is flip-chip mounted on the package substrate 414 with solder bumps 415, and is electrically connected to the receiver electronic circuit 417 by the wiring 418 on the package substrate. .
  • a microlens array 412 is attached to the tip of the fiber connector 413, and the emitted light is focused on the light receiving layer, and the lens 412 and the fiber connector 413 are aligned with guide pins and holes.
  • the connector of the optical fiber array is fixed to the package 414 by an adhesive or welding.
  • the alignment between the optical fiber and the light receiving element can be adjusted while monitoring the light intensity, but the alignment tolerance of the light focused by the lens with respect to the light receiving element with a surface incident type and a large light receiving diameter is large. Passive alignment is also possible with image recognition.
  • the optical fiber 7 is preferably a multimode fiber having a large mounting tolerance with the transmitter-side optical coupler 421, but the effect of the present invention can be obtained even if it is a single mode fiber.
  • the optical fiber transmits the optical signal from the transmitter-side optical coupler 421 to the receiver-side light incident end.
  • the optical transmitter is formed on the SOI substrate 422 by silicon photonics technology, and is mounted on the package substrate 423 together with an electronic circuit.
  • the light source is mounted on the transmitter chip or input to the Si waveguide 424 of the SOI layer through the fiber from the outside.
  • a laser drive power source 427 causes the laser array 420 on the chip to emit CW laser light and the output light is coupled to the Si waveguide.
  • the Si modulator 425 is modulated into signal light by an electric signal from the modulator driver 426.
  • the signal light is coupled to the optical fiber 410 via the optical coupler 421.
  • the optical coupler uses a grating coupler to output to the surface side of the substrate.
  • the optical transmitter chip 422 of the SOI substrate is mounted on the package substrate 423 as described above, and then the fiber connector 428 is attached.
  • an optical fiber connector with a glass block is used and bonded to the substrate surface with an adhesive. The glass block and the end face of the fiber are polished at 8 degrees to reduce reflection.
  • the return light from the fiber to the Si waveguide or laser on the transmission side is smaller than when using a single mode fiber, so there is no need to attach an optical isolator to the transmitter module, and the cost of the module is reduced. Contribute to.

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Abstract

　半導体基板上に、絶縁膜層と、該半導体基板層よりもエネルギーギャップが小さい材料から成る受光層とを具え、前記半導体基板、前記絶縁膜層の屈折率をそれぞれｎ１、ｎ２とし、前記絶縁膜層への入射光の光軸が前記絶縁膜層の法線となす角度をそれぞれθ１、θ２とし、θ２＝９０°としたとき、該角度を前記絶縁膜層の法線に対して０°＜θ１＜ａｒｃｓｉｎ（ｎ２／ｎ１）°の範囲で傾斜させた受光装置。

Description

受光装置及びそれを用いた光送受信システム
　サーバなどデータ処理装置や情報通信装置の機器間又は機器内において、チップ間やボード間で送受信される高速光信号を伝送する際の受光装置及び光送受信システムに関する。
　クラウドサービスの進展や、ビッグデータビジネスの拡大とともに、サーバの仮想化や高性能化が要求されている。特にサーバ間でのトラフィックが増大し、ネットワーク性能がボトルネックになりつつあり、サーバや通信装置などＩＣＴ（Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）機器の高速・大容量化が必須である。このような状況の中で、ＩＣＴ機器間・内で従来用いられてきた電気によるインターコネクトもチャンネル当り１０～２５Ｇｂｐｓ以上の伝送が要求されている。しかし高周波信号の伝送損失発生や、高速化による高周波ノイズの発生に起因したクロストークなどが課題となっている。これに対し光配線は線路間のクロストークや、伝送距離による信号品質の劣化が小さいため、機器間・内の高速・大容量インターコネクトに有望であると期待されている。
　このような高速光インターコネクトシステムの長所を生かし、ＩＣＴ機器に適用するためには、チャンネル当りの伝送性能だけでなく、小型・集積化や低コスト化が重要なファクターである。そこで長距離通信で用いられるシングルモードファイバに代わり、実装性に優れるマルチモードファイバとＶＣＳＥＬ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ　Ｃａｖｉｔｙ　Ｓｕｒｆａｃｅ　Ｅｍｉｔｔｉｎｇ　Ｌａｓｅｒ）による光モジュールが実用化されている。また他の集積・低コスト化に向けたアプローチとして、ＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ　Ｍｅｔａｌ－Ｏｘｉｄｅ－Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）プロセス技術を用いて電子回路と光素子を混載することにより、安価な光デバイスの量産を目指す、シリコンフォトニクス技術が提案・開発されている。
　光通信システムの基本構成要素は発光素子、受光素子と伝送路である。この受光素子は主に半導体フォトダイオードが用いられている。半導体フォトダイオードは光を吸収することで生成したキャリヤを取り出すことにより、光信号を電気信号に変換する素子である。光吸収層の材料は波長に合わせて選択されるが、１μｍ以下ではＧａＡｓ（ヒ化ガリウム）やＳｉ（シリコン）、１．３～１．５５μｍの通信用波長帯ではＩｎＧａＡｓが用いられている。
　同じく光通信システムの基本構成要素であり、信号伝送に用いられる光ファイバはシングルモードファイバとマルチモードファイバに分類される。シングルモードファイバのコア径は直径１０μｍ以下と小さく、１つのモードのみを伝送するため、モード分散を起こすことなく光パルスを高速に送る用途に適しており長距離伝送システムに用いられる。これに対してマルチモードファイバは直径５０μｍと太く、異なるモードが混在するため、モード分散が生じ伝送距離は短く制限される。いっぽうで光ファイバの接続が容易で、ネットワーク装置の低コスト化に有利であるため、構内用としての利点を数多く備えている。　このマルチモードファイバの光接続で１点課題となるのは、光ファイバから受光素子への結合である。
　受光素子の構造は、その受光形態から導波路型と面入射型に分けられる。受光感度や高速性の観点からは導波路型が有利である。しかし導波路型は受光素子チップの端面でファイバと結合する構造が一般的であり、受光スポットサイズが１０μｍ以下と小さいために光ファイバとの高効率な光結合は難しい。特にファイバチャネル数が多数ある場合には、実装工程に係るコストや所要時間の点が課題となる。いっぽうで面入射型は、受光素子の表面あるいは裏面から光が入射される構造である。面入射型の利点は光ファイバとの光軸調芯が容易である点や、実装が容易である点、光ファイバと面入射型受光素子とがコネクタを介して簡単に脱着できる点である。短所は、特許文献１に示されるように、光の進行方向と生成されたキャリヤの走行方向が一致するという構造的特徴から、受光感度と素子帯域がトレードオフの関係にあることである。
　以上のようにそれぞれ２タイプの受光素子と光ファイバの特徴より、マルチモードファイバの使用を念頭に置くと、導波路型受光素子との高効率な光結合は困難であるため面入射型が好適である。そのため従来の光インターコネクトモジュールはＧａＡｓ系材料を用いたＶＣＳＥＬと面入射型フォトダイオードが採用されている。
　また、既に光を斜めに入射することにより、受光素子の感度を向上させる従来技術が特許文献２に開示されている。しかし本発明はシリコンフォトニクス技術を用いた場合の新たな課題を解決するものであり、特許文献２に示されている構造や適切な入射角度や、感度向上の原理が根本的に異なる。
　特許文献２の面型フォトダイオードにおける従来技術では、光信号は吸収層付近に設けられた反射構造（斜面反射部分）で反射され、基板面に対して垂直方向から斜めに傾いた角度で吸収層に入射する。このように斜めに入射した場合、光が吸収層を伝播する長さは、垂直に入射した場合と比べて長く、その結果、受光感度が高くなるという原理がある。基板面に垂直な軸から角度θで吸収層に入射した場合、吸収層内の光路長は１／ｃｏｓθ倍になる。例えば角度θが６０度の場合、実効的な吸収層の厚さは２倍となる。いっぽうで斜めに伝播する光を吸収するため、受光層の面積は（１＋ｔａｎθ）倍に広がるため、θを大きく設定することで受光素子の容量が増大し帯域劣化につながる。そのため特許文献２では斜め入射の好適な構造の一例として５０°＜θ＜６７°としている。
　しかしシリコンフォトニクス用のＳＯＩ基板上面入射型受光素子と特許文献２の発明を組み合わせるだけでは根本的な課題が生じる。シリコン基板と絶縁膜は屈折率差が大きいため、受光層への入射時に全反射が生じやすい。全反射の生じる臨界角は約２５度であり、特許文献２の発明の効果を享受できる入射角θ（５０°＜θ＜６７°）となる構造では、そもそも信号光が受光層に到達しないために受光感度はゼロとなり、受光素子として機能しない。
　光モジュールの高密度化の課題に対しては、上記の受光感度に関する課題を解決しつつ、シリコンフォトニクス技術を用いて光機能回路を集積するという手段が可能である。上記の斜め入射構造を用い、受光素子配列ピッチを光ファイバのピッチに比べて縮小することによって、光素子領域内で受光素子の占める面積を圧縮する。そしてそのスペースに別の素子を作りこむことでチップ全体を多機能化し、送信回路の集積や、高度な信号処理を利用した伝送装置が実現できる。
特開２００１－０５３３２８号公報 特許第３５８９８７８号公報
　これまでにもマルチモードファイバを用いた光伝送システムは実現されてきたが、今後さらに大容量伝送が要求されると、光受信モジュールの高密度化に関する課題が生じる。以下では高密度化の課題克服に向けたアプローチとしてのシリコンフォトニクス技術と、シリコンフォトニクス技術を用いた受光素子における新たな課題について詳細を説明する。
　光受信装置内では、受光素子で光－電気変換された電流信号が、ＴＩＡ（Ｔｒａｎｓｉｍｐｅｄａｎｃｅ　Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）と呼ばれるＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　Ｃｉｒｃｕｉｔ）によってインピーダンス変換及び増幅が行われ、電圧信号となって出力される。従来は受光素子とＴＩＡを構成する材料系や製造プロセスの相違から、それぞれ別体で作製され、チップ化された後にワイヤボンドなどで電気的に接続・実装されている。この実装に必要なパッドの面積が光受信モジュールの小型化・高密度化を制限する要因のひとつとなっていた。近年ではこの課題を、電気・光素子を混載することで解決するアプローチが進められている。電気と光を混載するため、従来は化合物半導体で構成されていた光素子を、電子回路と同じシリコンで実現するシリコンフォトニクスと呼ばれる技術が用いられる。
　シリコンフォトニクス技術にはシリコンに対して透明な１．１μｍ以上の波長が用いられ、受光素子の光吸収材料としてＳｉとのプロセス整合性が良好で、基板及び導波路材料であるＳｉよりもエネルギーギャップの小さいＧｅ（ゲルマニウム）が有望である。またシリコンフォトニクス技術では光導波路構造を形成するため、一般にＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ　ｏｎ　Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板が用いられる。シリコンフォトニクスで用いられるＳＯＩ基板の絶縁層厚さは、光導波路のクラッド層として作用するため１μｍ～３μｍが一般的であり、電子デバイスで用いられる１μｍ以下である絶縁層とは異なる。このＳＯＩ基板とＧｅ光吸収層からなる面入射型受光素子において、従来の化合物半導体からなる面入射型受光素子に比べて受光感度低下という新たな課題が生じる。従来の面入射型受光素子を図８Ａに示す。受光感度と帯域を両立し向上させるために様々な工夫がされている。受光感度を高めるため、外部空間から半導体層５０１へ光が入射する面に無反射コーティング５０８が施されている。また光を素子裏面の基板側から入射させ、光吸収層５０４を透過した信号光を素子表面に形成した高反射ミラー５０６によって再度光吸収層に戻す構造を採用し、帯域を劣化させることなく感度を向上している。しかしシリコンフォトニクス技術を採用するＳＯＩ基板上の受光素子で、上記のような工夫を加えることには、受光感度の点で課題がある。
　まず化合物半導体の面入射型受光素子と同様に、裏面から光を入射する構造について図８Ｂを用いて説明する。基板裏面の半導体入射面に対しては従来どおり無反射構造を形成することは可能である。しかし光吸収層１０４はＳＯＩ基板の表面側のＳＯＩ層１０３表面に形成され、基板１０１とＳＯＩ層１０３の間には絶縁層（埋め込み酸化層：以下の説明ではＢＯＸ層という）１０２が存在する。基板１０１やＳＯＩ層１０３の構成材料であるＳｉ、光吸収層１０４であるＧｅは半導体であり屈折率が３．５以上であるが、絶縁層材料であるＳｉＯ２は屈折率が１．５程度と小さく、この界面で光の反射１１４が生じる。裏面から光を入射する構造では、光が光吸収層１０４に到達する前に、このＳｉとＳｉＯ２界面が少なくとも２箇所存在するために、光吸収層に入射する光の強度はＳｉＯ２が無い場合に比べて７０％以下に低下する。このＳｉとＳｉＯ２界面はウエハ製造段階で既に作られているため、光入射面のような無反射加工１０８を施すことが困難である。反射を避ける他の方法として、受光素子を形成する箇所のＢＯＸ層１０２を除去し、ＢＯＸ層下部のＳｉ層１０１にＧｅ吸収層１０４を形成する構造も考えられるが、電極構造及びその製造プロセスが複雑となる。基板１０１に電極を形成することは可能であるが、高速動作のためのＳｉ層１０１の低抵抗化、他素子との電気的分離構造で困難が生じる。
　次にＢＯＸ層での光反射１１４を避けるため、表面側から光を入射する構造の課題について述べる。表面入射構造において光吸収層を透過した信号光を再度光吸収層に戻すためには、図８ＢにおけるＧｅ吸収層１０４よりも下層に高反射ミラーを形成する必要がある。ＳＯＩ層１０３とＢＯＸ層１０２との界面で光反射は生じるが、反射率は１５％程度で十分ではない。高反射ミラー構造としてＧｅ層１０４の下部にＳｉとＳｉＧｅ混晶の周期構造による反射鏡の形成が考えられるが、厚膜の結晶成長が必要となり受光素子以外との製造プロセス整合性に問題がある。基板裏面に金属膜などで高反射ミラーは形成可能であるが、基板１０１の厚さ分だけ光吸収層からの距離が離れるため、反射されて２度目に吸収される信号光は、１度目に光吸収層を通る信号光に対して遅延が生じる。信号伝送速度が１ＧＨｚ以下の低速ならば影響は少ないが、ＩＣＴ機器間・内で要求される高速伝送ではこの遅延が許容されない。そのため基板裏面への反射膜形成はできない。部分的に基板１０１を除去し、ＢＯＸ層１０２下部に高反射金属膜を作製する方法も考えられるが、機械強度が不足し歩留まりが低下する。以上の理由から、従来の面入射型受光素子とシリコンフォトニクス技術の組み合わせでは、高感度な受光素子を実現することができないという課題がある。
　また光モジュールには上記の実装面積以外にも高密度化に向けた課題がある。従来の受光素子の配置は、光ファイバに合わせて設計されていた。例えば光ファイバアレイが２５０μｍピッチのときは、受光素子も同一ピッチに配置される。つまり光受信モジュールのサイズを制限する要因は、実装面積すなわち受信チップサイズ、あるいは光ファイバサイズのいずれかであった。シリコンフォトニクス技術を採用することにより電子回路と光素子間接続部分のサイズが縮小され受信チップサイズのボトルネックは解消される。いっぽう光ファイバサイズが制限要因となる場合は、ファイバチャネル間隔に合わせるため受信チップの中で光素子が占める領域を縮小することができない。光ファイバアレイのサイズを変更しない限り光素子部分の小型化による伝送密度の向上は困難という課題がある。
　上記の受光感度に関する課題を解決するためには、光入射面であるＳｉ／ＳｉＯ２／Ｓｉ構造における信号光の反射を低減することが必要である。半導体層表面の低反射加工は、従来技術である誘電体膜の屈折率と厚さの組み合わせによって実現される。低反射条件とするためには、２つの反射波面の位相が１８０度ずれていることと、強度が同じであることが必要である。通常は誘電体膜の厚さは、位相を逆転するために誘電体膜の媒質内で１／４波長の奇数倍となるように設計することができる。しかし本構造ではＳｉＯ２層の屈折率及び厚さを任意に選択することができない。また波長もＳｉの吸収損失が小さい範囲で通信用レーザに合わせることが必要である。反射率を低減させる方法はＳｉ／ＳｉＯ２／Ｓｉ界面への入射角を調整し光路長を変更することである。図９、図１０はＢＯＸ層厚２μｍのとき、Ｓｉ／ＳｉＯ２／Ｓｉ界面での反射率の波長及び入射角度依存性を示す。スネルの法則より屈折率ｎ１の媒質から屈折率ｎ２の媒質に光が入射したときに全反射となる臨界角θ１は、θ２＝９０°としてａｒｃｓｉｎ（ｎ２／ｎ１）°、で表され、入射角はこの臨界角以下であることが必要である。Ｓｉ層／ＢＯＸ界面での臨界角は２５度付近であるため、２６度以上の入射角では全反射が生じる。またシリコンフォトニクスで利用されるＳＯＩ基板への裏面入射構造では、波長１３００ｎｍに対しては、入射角を８°以上に傾けることで反射率は４５％以下となり、垂直０度入射の反射率が４５％に比べて低下する。
　上記目的を達するために、本願発明の受光素子及び光モジュールの主なものは、以下の通りである。
　半導体基板上に形成された絶縁膜と光吸収層からなる面入射型受光素子であり、光送信機からの信号光はマルチモードファイバを介して光受信機の基板裏面から入射し、信号光は半導体基板上の絶縁膜での反射を低減するために、基板面の成す軸に対して傾斜して入射することを特徴とする。さらに、光吸収層を透過した信号光を素子表面に形成した高反射ミラーによって再度光吸収層に戻す構造の採用が可能となり、帯域を劣化させることなくさらに感度を向上できる。
　Ｓｉ／ＳｉＯ２／Ｓｉなどの３層構造の反射率は入射側から層番号を１，２，３として、各界面における反射率ｒと透過率ｔを用い以下の式で表すことができる。この層１から２に入射する光軸と、基板面に垂直な軸からの傾斜角θ１によって反射率を制御する。反射率と透過率は各層の屈折率により決まる。また式内のθ２はスネルの法則より各層の屈折率と入射角θ１によって決まる。ｄ２は層２の厚さである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　光モジュールの高密度化の課題に対しては、上記の受光感度に関する課題を解決しつつ、シリコンフォトニクス技術を用いて光機能回路を集積するという手段が可能である。上記の斜め入射構造を用い、受光素子配列ピッチを光ファイバのピッチに比べて縮小することによって、光素子領域内で受光素子の占める面積を圧縮する。そしてそのスペースに別の素子を作りこむことでチップ全体を多機能化し、送信回路の集積や、高度な信号処理を利用した伝送密度が実現できる。
　第１の発明の特徴は、（１）半導体基板上に、絶縁膜層と、該半導体基板層よりもエネルギーギャップが小さい材料から成る受光層とを具え、前記半導体基板、前記絶縁膜層の屈折率をそれぞれｎ１、ｎ２とし、前記絶縁膜層への入射光の光軸が前記絶縁膜層の法線となす角度をそれぞれθ１、θ２とし、θ２＝９０°としたとき、該角度を前記絶縁膜層の法線に対して０°＜θ１＜ａｒｃｓｉｎ（ｎ２／ｎ１）°の範囲で傾斜させた受光装置にある。スネルの法則より屈折率ｎ１の媒質から屈折率ｎ２の媒質に光が入射したときに全反射となる臨界角θ１は、θ２＝９０°として、ａｒｃｓｉｎ（ｎ２／ｎ１）°で表され、入射角はこの臨界角以下であることが必要である。
　本発明は、例えば化合物半導体（受光層）を樹脂接着剤（絶縁膜層）でシリコン基板に貼り付けて作製する様なシリコンプロセス以外で実現することも可能である。
また、前記半導体基板としては、一般にＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ　ｏｎ　Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板が用いられる。
（１）において、（２）前記θ１を、８°＜θ１＜２６°傾斜させた装置が好ましい。図１０を見ると、実線（波長１３００ｎｍ）で示す反射率が、０度の反射率よりも低い範囲が示されている。入射角を８°以上に傾けることで反射率は４５％以下となり、垂直０度入射の反射率が４５％に比べて低下する。波長１３００ｎｍでは８°＜θ１＜２６°の条件で垂直０°入射に比べて反射率が低減される。２６°以上は臨界角であるため、反射率は１００％となる。
（１）において、（３）前記半導体基板の裏面に溝が形成され、該溝の側部において前記入射光を屈折させ、前記入射光の経路を変換させた装置が好ましい。
（３）において、（４）前記溝と、受光層とをそれぞれ複数具え、前記溝間の距離と、前記受光層間の距離とを異ならせた装置が好ましい。受光素子配列ピッチを光ファイバのピッチに比べて縮小することによって、光素子領域内で受光素子の占める面積を圧縮することができる。従来のファイバ実装法とファイバの傾きを組み合わせることは、実装工程が複雑化するという課題が生じる。光ファイバあるいはコネクタを光素子に取り付ける際は、ファイバと基板面が垂直あるいは平行となる構造が実装上簡便で一般的である。
（１）において、（５）前記半導体基板をシリコン基板とし、前記絶縁膜層を埋め込み熱酸化膜層とした装置が好ましい。但し、熱酸化膜以外の材料も想定しており、Ｓｉと屈折率の異なるすべての材料にも適用することが可能である。
（５）において、（６）前記埋め込み熱酸化膜層の厚さを１μｍ～３μｍとした装置が好ましい。絶縁層厚さについては、式１中のｄ２で一般的に示される。１μｍ～３μｍは光導波路のクラッド層として作用するシリコンフォトニクスでの標準的な厚さである。
（１）において、（７）前記受光層がゲルマニウムを構成元素として含んでいることが好ましい。シリコンプロセスを想定すると、光吸収材料はＧｅ（ゲルマニウム）になる。受光素子の光吸収材料としては、Ｓｉとのプロセス整合性が良好で、基板及び導波路材料であるＳｉよりもエネルギーギャップの小さいＧｅ（ゲルマニウム）が有望である。
（１）において、（８）前記半導体基板表面側の前記受光層上面に光反射部を具え、前記半導体基板の裏面側から入射し前記受光層を透過した光を反射させることが好ましい。光吸収層を透過した信号光を素子表面に形成した高反射ミラーによって再度光吸収層に戻す構造の採用が可能となり、帯域を劣化させることなくさらに感度を向上できる。
　第２の発明の特徴は、（９）少なくとも１つの導波路型光変調器及びファイバ結合器とが半導体基板上に形成された光送信モジュールと、少なくとも１つの面入射型光受光素子が形成された光受信モジュールとからなり、前記ファイバ結合器と前記面入射型光受光素子間とがマルチモードファイバで光学的に接続され、前記半導体基板上に絶縁膜層と該半導体基板層よりもエネルギーギャップが小さい材料から成る受光層とを具え、前記半導体基板、前記絶縁膜層の屈折率をそれぞれｎ１、ｎ２とし、入射光の光軸が前記絶縁膜層の法線となす角度をそれぞれθ１、θ２とし、θ２＝９０°としたとき、該角度を前記絶縁膜層の法線に対して０°＜θ１＜ａｒｃｓｉｎ（ｎ２／ｎ１）°の範囲で傾斜させたことを特徴とする光送受信システムにある。
　受光素子の光吸収材料としてＳｉとのプロセス整合性が良好で、基板及び導波路材料であるＳｉよりもエネルギーギャップの小さいＧｅ（ゲルマニウム）が有望である。
（９）において、（１０）前記θ１を、８°＜θ１＜２６°傾斜させた装置が好ましい。
（９）において、（１１）前記ファイバ結合器からの光出力を、アイソレータを介さずに前記マルチモードファイバに導くのが好ましい。
　本発明は上記の新たな課題も鑑みて、受光装置の感度を向上するとともに、従来の光ファイバ実装技術が適用可能な光送受信システムを実現できる。
本発明の第一の実施例である受光素子の断面構造、及び入射光経路を示した図。 本発明の第一の実施例である受光素子の断面構造、及び光ファイバとコネクタを含めた入射光経路を示した図。 本発明の第二の実施例である受光素子の断面構造、及び入射光経路を示した図。 本発明の第三の実施例である受光素子の断面構造、及び入射光経路を示した図。 本発明の第三の実施例である受光素子の断面構造、及び入射光経路を示した図。 本発明の第四の実施例である光伝送装置の受光モジュール構造図。 本発明の第四の実施例である光伝送装置の受光モジュール構造図。 本発明の第四の実施例である光伝送装置の光送受信システムの構成図。 従来技術の裏面入射型受光素子の断面構造、及び入射光経路を示した図。 シリコンフォトニクス技術が適用可能な基板における、従来技術の裏面入射型受光素子の断面構造、及び入射光経路を示した図。 シリコンフォトニクス技術が適用可能な基板における、裏面入射型受光素子に対する入射光反射率の波長依存性。 シリコンフォトニクス技術が適用可能な基板における、裏面入射型受光素子に対する入射光反射率の入射角依存性。 裏面入射型受光素子にレンズと光路変換用溝を付加した構造における光線追跡シミュレーション。
　図１に本発明の実施形態の一例を示す。光吸収層はＳＯＩ基板のＳＯＩ層１０３に形成されている。ＢＯＸ層１０２の厚さはシリコンフォトニクス光素子で一般的な２μｍである。光吸収層１０４が不純物濃度の低いＧｅであり、Ｇｅ層上下のＳｉ層１０３、１０５はそれぞれｐ型、ｎ型に不純物ドーピングされており、ダイオード構造となっている。Ｇｅ層１０４内で生成されたフォトキャリヤはＰＩＮダイオードに逆方向電圧を印加することで上下の電極１０６に引き抜かれ電気信号となる。Ｇｅ層１０４の厚さや直径は設計パラメータであるが、例えば２０ＧＨｚの帯域を確保するためには厚さ約１μｍ、直径２０μｍ程度が望ましい。下層のＳｉ層１０３は高速動作に向け素子抵抗を下げるため、例えば１×１０２０／ｃｍ３程度の高濃度にドーピングが必要であるが、Ｇｅ層１０４を成膜する際の結晶性を損なわないように過剰に高めることも避けるべきである。上部のＳｉ層１０５も低抵抗化のため高濃度にドーピングされている。本発明に関しては、素子抵抗が小さければＧｅ層１０４と金属１０６が直接接触した構造でもよい。本実施例の受光素子はＰＩＮダイオード構造についての説明であるが、本発明は受光素子の動作原理に関わらず適用可能である。例えば面入射型のＡＰＤ（Ａｖａｌａｎｃｈｅ　ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ）やＭＳＭ（Ｍｅｔａｌ－Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ－Ｍｅｔａｌ）構造でも構わない。
　ファイバから出力された信号光１０９は基板１０１裏面から素子に入射する。基板裏面の入射部は信号光波長に対して無反射条件となる誘電体膜層１０８でコーティングされている。信号光はスネルの法則により示される、以下の関係を満たす角度で屈折する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　ｎ０とｎ１は信号光１０９が入射する前後の媒質の屈折率であり、ここではそれぞれ空気とＳｉである。またθ０とθ１は角媒質内で、光の進行方向と基板法線とがなす角度である。基板１０１内に入射した信号光はＢＯＸ層１０２に達し、ＢＯＸ層上下の境界透過及び反射が生じる。本実施例の受光素子ではＢＯＸ層１０２の厚さ２μｍのＳｉ／ＳｉＯ２／Ｓｉ構造である。ＳｉとＳｉＯ２の屈折率をそれぞれ３．５と１．４５とすると、図１０に示すように波長１３００ｎｍでは８°＜θ１＜２６°の条件で垂直０度入射に比べて反射率が低減される。２６度以上は臨界角であるため、反射率は１００％となる。特にＳｉ基板層１０１からＢＯＸ層１０２への入射角θ１が１２度付近では１．３μｍ波長に対して反射率が５％以下の低反射条件となる。例えば光ファイバを傾斜させるなどして上記の式２を満たすように入射角θ０を約４７度で実装することにより、信号光を低損失にＧｅ光吸収層１０４に導くことができる。図２に示すように基板面と平行に実装された光ファイバ２１０からの出力光を、プリズムやミラー２１１などで経路変換させてもよい。また信号光は厚さ７６０μｍのＳｉ基板２０１内を伝播する間に広がるため、直径２０μｍのＧｅ吸収層へ高効率に結合するためには、途中にレンズ構造を設けると有効である。例えばファイバコネクタ２１３出射端に曲率０．０１５／μｍ程度のプラスチックレンズ２１２を取り付ける、あるいは半導体基板裏側の光入射面にレンズ構造を形成してもよい。
本発明の第２の実施例に示す受光素子の光吸収層及びダイオード構造は、第１の実施例に示す受光素子１の構造と基本的に同じである。異なる部分は基板裏面への光入射構造である。第１の実施例では光ファイバを４７度に傾斜させて実装する構造について開示した。
　光ファイバの傾斜角度は約８度傾ける構造は広く用いられるが、本発明の効果を得るためには、広い角度範囲で入射角の調整が必要である。従来のファイバ実装法とファイバの傾きを組み合わせることは、実装工程が複雑化という課題が生じる。光ファイバあるいはコネクタを光素子に取り付ける際は、ファイバと基板面が垂直あるいは平行となる構造が実装上簡便で一般的である。例えばＳｉの表面または裏面にウェットエッチングの異方性を利用してＶ溝を形成する方法がある。他には光ファイバをガラスブロックやＭＴ（Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｌｙ　Ｔｒａｎｓｆｅｒａｂｌｅ）コネクタなどに固定し、基板面に対して垂直に取り付ける方法がある。そこで本実施例では、ファイバは従来の実装方法と同様に基板面に対して垂直に光を入射できる構造について開示する。
　図３に示す入射光１０９はＳｉ基板裏面１０１に対して垂直に入射するが、光の入射スポットにＳｉ基板裏面に溝１１３を形成することにより入射前後で光が屈折させることができる。Ｓｉ基板層１０１からＢＯＸ層１０２への入射角１１１と、基板面に対する基板裏側の光入射スポット面の傾斜角１１２を合わせればよい。基板裏側の溝は、例えばレーザ加工やグレースケールマスクを用いた露光技術を用いて形成することができる。図１０に示すように基板面に対して２２度傾斜した面に光を入射することで、ＢＯＸ層面１０２での反射を低減することができる。図１１は光線追跡シミュレーションによって、基板面に対して垂直であった光がレンズと溝斜面を通して入射され、基板表面の受光部に集光される様子を示している。
本発明の第１、２の実施例では１組の光ファイバと受光素子の構成について開示した。本構造はもちろん複数組の光ファイバと受光素子にも適用可能である。さらに第２の実施例を応用することで、基板上での受光素子の高密度化が可能となり、同一基板上に他の機能を有するデバイスを集積することもできる。
　光ファイバが４チャネル配列された構造について説明する。図４は単純に第２の実施例で示した構造を並べたものである。入射光３０９は光ファイバのピッチと同一で一般的な２５０μｍであり、受光素子を構成する吸収層３０４も２５０μｍピッチで配置される。高速データ伝送用の受光素子は、素子容量を低減するために受光径は２５Ｇｂｐｓ用で約２０μｍと光ファイバピッチに比べて小さい。受光径以外の電気的接続部分を含めても素子サイズは５０μｍ程度である。このように２５０μｍピッチの受光素子間に約２００μｍのスペースが存在しても素子動作に悪影響は無いが、基板上の無駄な領域となる。ここで実施例２に示した屈折を応用することにより、受光素子間のピッチを縮小する方法について述べる。
　図５に示すように、左側の光ファイバから順にチャネル１、２、３、４とする。チャネル１と２は屈折によって入射光軸に対して右側に屈折させる。このときチャネル１と２の基板裏面溝３１３の傾斜角に差をつけることにより、屈折角を調整する。波長１．３μｍではＢＯＸ層３０２への入射角が１８度から２３度の間は反射率を低減する効果がある。例えば光ファイバピッチが２５０μｍ、基板の厚さが７５０μｍ、チャネル１と２の溝傾斜角が２３度と２０度の場合、基板表面側の受光層３０４部分でのチャネル間隔は２００μｍとなる。さらにチャネル３と４は溝の傾斜方向を変えることで、入射光軸に対して左側に屈折させる。このとき溝の傾斜角を２０度と２３度にすると、チャネル間隔が２００μｍになると同時に、チャネル３の光はチャネル１と２の中間地点に達する。このように受光素子のチャネルは左側から３、１、４、２の順となり、２５０μｍピッチであったチャネル間隔は１００μｍピッチに縮小される。本構造によりファイバ密度はそのままであるが、受光素子領域を６０％縮小し高密度化することにより、光素子部分の多機能化が可能となる。
　光ファイバ付き光伝送装置の構造について図６Ａ、６Ｂ及び図７を用いて説明する。図６Ａ及び図６Ｂは基板面に対してファイバの実装角度がそれぞれ平行と垂直な構造の例を示している。上側が半導体基板４０１裏面となる。裏面入射型受光素子アレイとＴＩＡ４１６を含む受信機基板４０１はパッケージ基板４１４上にハンダバンプ４１５でフリップチップ実装されており、パッケージ基板上の配線４１８により受信機電子回路４１７と電気的に接続されている。いっぽうファイバコネクタ４１３の先端にはマイクロレンズアレイ４１２が装着されており出射光は受光層部分に焦点を合わせており、レンズ４１２とファイバコネクタ４１３とはガイドピンとホールで位置のアライメントが確保されている。光ファイバアレイのコネクタはパッケージ４１４に接着剤あるいは溶接によって固定される。光ファイバと受光素子とのアライメントは光強度をモニターしながら合わせることもできるが、面入射型で受光径の大きい受光素子に対するレンズで絞った光の合わせは、アライメントトレランスが大きいため、ガイドピンや画像認識でパッシブアライメントも可能である。
　図７に示す本光送受信システムの光ファイバ４１０は、送信機側光結合器４２１との実装トレランスの大きいマルチモードファイバが望ましいがシングルモードファイバであっても本発明の効果は得られる。光ファイバは、送信機側光結合器４２１からの光信号を受信機側光入射端まで伝送する。光送信機はシリコンフォトニクス技術によりＳＯＩ基板４２２上に形成され、パッケージ基板４２３上に電子回路とともに実装されている。光源は送信機チップ上に実装、または外部からファイバを通してＳＯＩ層のＳｉ導波路４２４に入力される。送信機チップ上に実装される場合、レーザ駆動電源４２７によってチップ上のレーザアレイ４２０はＣＷレーザ光を発し、出力光はＳｉ導波路に結合される。Ｓｉ変調器４２５部分で変調器ドライバ４２６からの電気信号によって信号光に変調される。信号光は光結合器４２１を介して光ファイバ４１０に結合する。光結合器は例えばグレーティングカプラを使用して、基板の表面側に出力する方法がある。この場合まず上記のとおりＳＯＩ基板の光送信機チップ４２２をパッケージ基板４２３に実装し、続けてファイバコネクタ４２８を取り付ける。表面に出射された光と結合するため、ガラスブロック付き光ファイバコネクタを用い、基板表面に接着剤で接合する。ガラスブロック及びファイバの端面は８度に研磨されており、反射低減を図っている。マルチモードファイバを用いるとファイバから送信側のＳｉ導波路やレーザへの戻り光がシングルモードファイバを使った場合に比べて小さいため、送信モジュールに光アイソレータを取り付ける必要が無く、モジュールの低コスト化に寄与する。
１０１、２０１、３０１、４０１…シリコン基板、１０２、２０２、３０２、４０２…二酸化シリコン絶縁膜（ＳｉＯ２）、１０３、２０３、２０３、４０３…シリコン層（ＳＯＩ層）、１０４、２０４、３０４、４０４、５０４…吸収層、１０５…シリコン層、１０６、２０６、３０６、４０６、５０６…金属電極、１０７、２０７、３０７、４０７、５０７…絶縁層、１０８、２０８、４０８、５０８…無反射コーティング層、１０９、２０９、３０９、４０９、５０９…入射光、１１０…入射角（外部から基板層への入射角）、１１１…入射角（基板層から絶縁膜層への入射角）、１１２…溝の傾斜角、１１３、３１３…基板裏面溝、１１４…反射光（Ｓｉ／ＳｉＯ２界面での反射）、２１０、４１０…光ファイバ、２１１、４１１…ミラー、２１２、４１２…レンズ、２１３、４１３…光コネクタ、４１４…パッケージ基板、４１５…ＴＩＡ、４１６…ミラー、４１７…受信機電子回路、４１８…配線、４１９…基板裏面溝、４２０…レーザアレイ、４２１…光結合器、４２２…光送信機ＳＯＩ基板、４２３…パッケージ基板、４２４…Ｓｉ導波路、４２５…Ｓｉ変調器、４２６…変調器ドライバ、４２７…レーザ駆動電源、４２８…ファイバコネクタ、５０１…半導体基板、５０３…半導体導電層、５０５…半導体導電層。

Claims (11)

  1. 　半導体基板上に、絶縁膜層と、該半導体基板層よりもエネルギーギャップが小さい材料から成る受光層とを具え、前記半導体基板、前記絶縁膜層の屈折率をそれぞれｎ１、ｎ２とし、前記絶縁膜層への入射光の光軸が前記絶縁膜層の法線となす角度をそれぞれθ１、θ２とし、θ２＝９０°としたとき、該角度を前記絶縁膜層の法線に対して０°＜θ１＜ａｒｃｓｉｎ（ｎ２／ｎ１）°の範囲で傾斜させたことを特徴とする受光装置。
  2. 　前記θ１を、８°＜θ１＜２６°傾斜させたことを特徴とする請求項１記載の受光装置。
  3. 　前記半導体基板の裏面に溝が形成され、該溝の側部において前記入射光を屈折させ、前記入射光の経路を変換させたことを特徴とする請求項１記載の受光装置。
  4. 　前記溝と、受光層とをそれぞれ複数具え、前記溝間の距離と、前記受光層間の距離とを異ならせたことを特徴とする請求項３記載の受光装置。
  5. 　前記半導体基板がシリコン基板であり、前記絶縁膜層が埋め込み熱酸化膜層であることを特徴とする請求項１記載の受光装置。
  6. 　前記熱酸化膜層の厚さが１μｍ～３μｍであることを特徴とする請求項５記載の受光装置。
  7. 　前記受光層はゲルマニウムを構成元素として含んでいることを特徴とする請求項１記載の受光装置。
  8. 　前記半導体基板表面側の前記受光層上面に光反射部を具え、前記半導体基板の裏面側から入射し前記受光層を透過した光を反射させることを特徴とする請求項１記載の受光装置。
  9. 　少なくとも１つの導波路型光変調器及びファイバ結合器とが半導体基板上に形成された光送信モジュールと、少なくとも１つの面入射型光受光素子が形成された光受信モジュールとからなり、前記ファイバ結合器と前記面入射型光受光素子間とがマルチモードファイバで光学的に接続され、前記半導体基板上に、絶縁膜層と、該半導体基板層よりもエネルギーギャップが小さい材料から成る受光層とを具え、前記半導体基板、前記絶縁膜層の屈折率をそれぞれｎ１、ｎ２とし、入射光の光軸が前記絶縁膜層の法線となす角度をそれぞれθ１、θ２とし、θ２＝９０°としたとき、該角度を前記絶縁膜層の法線に対して０°＜θ１＜ａｒｃｓｉｎ（ｎ２／ｎ１）°の範囲で傾斜させたことを特徴とする光送受信システム。
  10. 　前記θ１を、８°＜θ１＜２６°傾斜させたことを特徴とする請求項９記載の光送受信システム
  11. 　前記ファイバ結合器からの光出力を、アイソレータを介さずに前記マルチモードファイバに導くことを特徴とする請求項９記載の光送受信システム。
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