受光装置
【課題】 入射光の強度が大きくなっても、光強度のピーク値の上昇を抑制する技術が望まれている。
【解決手段】 テーパ導波路が、入力導波路とフォトダイオードとを接続する。入力導波路に接続された入力端から、フォトダイオードに接続された出力端に向かって、テーパ導波路の幅が広がる。テーパ導波路の広がり半角は、入力導波路から信号光が入力されると、高次モードを励振する大きさである。フォトダイオードの幅は一定であるか、またはテーパ導波路の出力端から遠ざかる向きに広がっており、その広がり半角は、テーパ導波路の広がり半角以下である。
【解決手段】 テーパ導波路が、入力導波路とフォトダイオードとを接続する。入力導波路に接続された入力端から、フォトダイオードに接続された出力端に向かって、テーパ導波路の幅が広がる。テーパ導波路の広がり半角は、入力導波路から信号光が入力されると、高次モードを励振する大きさである。フォトダイオードの幅は一定であるか、またはテーパ導波路の出力端から遠ざかる向きに広がっており、その広がり半角は、テーパ導波路の広がり半角以下である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、導波路とフォトダイオードとを同一の基板上に配置し、導波路を伝播した信号光をフォトダイオードで受信する受光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
四位相偏移変調（ＱＰＳＫ）等の光コヒーレント通信用の受光装置として、光ハイブリッド導波路とフォトダイオードとを集積した導波路集積型受光装置が、小型化や組立コストの低減の観点から有望である。光ハイブリッド導波路は、位相変調光を強度変調光に変換する。光ハイブリッド型導波路には、多モード干渉（ＭＭＩ）導波路等が用いられる。
【０００３】
１枚の基板上に形成された導波路とフォトダイオードとは、例えばバットジョイント構造により結合される。バットジョイント構造では、導波路を伝播した信号光がフォトダイオードの吸収層に直接入射する。このため、光の伝播方向に関してフォトダイオードの寸法を小さくしても、高い光吸収効率を確保することができる。
【０００４】
一方、バットジョイント構造では、フォトダイオードの入射端から数μｍ程度の狭い領域で、入射光の大部分が吸収される。このため、入射端の近傍でフォトキャリアの密度が高くなりやすい。入射光の強度が高い場合には、フォトダイオードの吸収層内にフォトキャリの蓄積が生じやすくなる。蓄積されたフォトキャリアによる電界が印加電界を弱める方向に作用するため、フォトダイオードの動作帯域が狭くなる。
【０００５】
入力導波路とフォトダイオードとの間に、ＭＭＩ導波路を配置して、幅方向に関する光強度分布のピークを低減する技術が提案されている。シングルモードの信号光がＭＭＩ導波路に入射すると、ＭＭＩ導波路の出射端において、光強度分布に複数のピークが表れる。このため、ピーク１つ当りの光強度が弱くなる。これにより、入射光によって発生するフォトキャリアの密度の局所的な上昇を抑制することができる。
【０００６】
また、ＭＭＩ導波路と同様の機能を持つ光導波装置として、シングルモード光導波路を伝播する信号光を、テーパ状の導波路を用いて、複数の出力ポートに均等に分割して出力する光導波装置が公知である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００１−１２７３３３号公報
【特許文献２】特開２００２−２４３９６１号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】K. Hyun et al., “Multimode Interferometer-Fed InGaAs Waveguide Photodiode for High Power Detection”, Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 47, No. 11, (2008) pp. 8426-8429
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
入力導波路とフォトダイオードとの間にＭＭＩ導波路を配置すると、出射端において複数のピークが現れる。ピークとピークとの間においては、ピーク強度に比べて光強度が著しく低くなる。このため、フォトダイオードの吸収層内において、フォトキャリアの幅方向の密度分布にばらつきが生じる。また、入射光がフォトダイオード内を伝播すると、幅方向に関する光強度分布が変化し、光強度のばらつきが大きくなる場合がある。このため、入射光の強度が大きくなると、フォトキャリアの密度が局所的に高くなってしまう。
【００１０】
入射光の強度が大きくなっても、光強度のピーク値の上昇を抑制する技術が望まれている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の一観点によると、
基板上に形成された入力導波路と、
前記基板の上に形成されたフォトダイオードと、
前記基板の上に形成され、前記入力導波路と前記フォトダイオードとを接続し、前記入力導波路に接続された入力端から、前記フォトダイオードに接続された出力端に向かって、幅が広がるテーパ導波路と
を有し、
前記テーパ導波路の広がり半角は、前記入力導波路から信号光が入力されると、高次モードを励振する大きさであり、
前記フォトダイオードの幅は一定であるか、または前記テーパ導波路の出力端から遠ざかる向きに広がっており、その広がり半角は、前記テーパ導波路の広がり半角以下である受光装置が提供される。
【００１２】
本発明の他の観点によると、
基板上に形成された入力導波路と、
前記基板の上に形成されたフォトダイオードと、
前記基板の上に形成され、前記入力導波路と前記フォトダイオードとを接続し、前記入力導波路に接続された入力端から、前記フォトダイオードに接続された出力端に向かって、幅が広がるテーパ導波路と
を有し、
前記テーパ導波路と前記フォトダイオードとの接続箇所における前記テーパ導波路の幅を、Ｗｏ［μｍ］とし、前記テーパ導波路の広がり半角をθ［°］としたとき、広がり半角θは、
θ≧−０．０８Ｗｏ２＋２．３７Ｗｏ−１１．５、かつ
θ≦−０．０４Ｗｏ２＋１．１６Ｗｏ＋０．０１４５
の範囲内であり、
前記フォトダイオードの幅は、前記テーパ導波路との接続箇所において、前記テーパ導波路の出射端の幅以上であり、前記テーパ導波路の出力端から遠ざかる向きに広がっており、その広がり半角θｐｄは、
０≦θｐｄ≦−０．０４Ｗｏ２＋１．１６Ｗｏ＋０．０１４５
の範囲内である受光装置が提供される。
【００１３】
本発明のさらに他の観点によると、
基板の上に形成され、２つの入力ポートに、それぞれ位相偏移変調された信号光及びローカルオシレータ光が入力され、複数の出力ポートに、それぞれ位相偏移変調された信号光が強度変調信号光に変換されて出力されるハイブリッド導波路と、
前記基板の上に形成され、前記ハイブリッド導波路の前記出力ポートにそれぞれ接続された複数の入力導波路と、
前記基板の上に形成され、前記入力導波路に対応して配置されたフォトダイオードと、
前記基板の上に形成され、前記入力導波路と、対応する前記フォトダイオードとを接続するテーパ導波路と
を有し、
前記テーパ導波路の各々の広がり半角は、前記入力導波路から信号光が入力されると、高次モードを励振する大きさであり、
前記フォトダイオードの各々の幅は一定であるか、または前記テーパ導波路の出力端から遠ざかる向きに広がっており、その広がり半角は、前記テーパ導波路の広がり半角以下である受光装置が提供される。
【発明の効果】
【００１４】
入力導波路とフォトダイオードとの間にテーパ導波路を介することにより、フォトダイオード内における光強度分布の最大ピーク強度を低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１Ａは、実施例１による受光装置の平面図であり、図１Ｂは、図１Ａの一点鎖線１Ｂ−１Ｂにおける断面図である。
【図２】図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃは、それぞれ図１Ａの一点鎖線２Ａ−２Ａ、一点鎖線２Ｂ−２Ｂ、一点鎖線２Ｃ−２Ｃにおける断面図である。
【図３】図３Ａは比較例による受光装置の部分平面図であり、図３Ｂは実施例１による受光装置の部分平面図であり、図３Ｃ及び図３Ｄは、それぞれ実施例１の変形例１及び変形例２による受光装置の部分平面図である。
【図４】図４は、図３Ａ及び図３Ｂに示した受光装置のＭＭＩ導波路及びテーパ導波路の出射端における幅方向の光強度分布のシミュレーション結果を示すグラフである。
【図５】図５Ａは、図３Ａ及び図３Ｂに示した受光装置のフォトダイオード内の伝播方向に関する最大ピーク強度の分布のシミュレーション結果を示すグラフであり、図５Ｂは、図３Ｂ、図３Ｃ、及び図３Ｄに示した受光装置のフォトダイオード内の伝播方向に関する最大ピーク強度の分布のシミュレーション結果を示すグラフである。
【図６】図６は、テーパ導波路の出射端の幅と、広がり半角との好ましい関係を示すグラフである。
【図７】図７は、テーパ導波路の出射端の幅と、入射端の片側の拡幅量との好ましい関係を示すグラフである。
【図８】図８は、実施例２による受光装置の部分平面図である。
【図９】図９は、実施例３による光コヒーレントレシーバの平面図である。
【図１０】図１０は、実施例４による光コヒーレントレシーバモジュールの平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
［実施例１］
図１Ａに、実施例１による受光装置の平面図を示す。半絶縁性の基板３０の上に、入力導波路２０、テーパ導波路２１、及びフォトダイオード２２が形成されている。基板３０として半絶縁性のものを用いるのは、寄生容量低減のためである。入力導波路２０は、例えば波長１．５５μｍの光を伝播させるシングルモード光導波路である。
【００１７】
テーパ導波路２１は、入力導波路２０とフォトダイオード２２とを接続する。テーパ導波路２１の幅は、入力導波路２０に接続された入力端から、フォトダイオード２２に接続された出力端に向かって広がっている。テーパ導波路２１の入力端の幅は、入力導波路２０の幅よりも広い。テーパ導波路２１の出力端の幅は、フォトダイオード２２の入力端の幅と等しい。
【００１８】
フォトダイオード２２の幅は、テーパ導波路２１の出射端から遠ざかる向きに広がっている。フォトダイオード２２の幅の広がり角は、テーパ導波路２１の広がり角と同一である。
【００１９】
入力導波路２０、テーパ導波路２１、及びフォトダイオード２２の両側に、半絶縁性の埋込半導体層３５が形成されている。フォトダイオード２２の側方に、フォトダイオード２２から離れて、埋込半導体層３５が除去されてｎ型クラッド層３１が現れた領域が画定されている。フォトダイオード２２の後方（図１Ａにおいて右方）に、ｎ型クラッド層３１が除去されて基板３０が現れた領域が画定されている。
【００２０】
ｎ型クラッド層３１が除去され、基板３０が現れた領域に、ｐ側電極パッド２５及びｎ側電極パッド２６が配置されている。ｐ側引出電極２７が、フォトダイオード２２をｐ側電極パッド２５に接続する。ｎ側引出電極２８が、ｎ型クラッド層３１を、ｎ側電極パッド２６に接続する。
【００２１】
図１Ｂに、図１Ａの一点鎖線１Ｂ−１Ｂにおける断面図を示す。基板３０の上に、ｎ型クラッド層３１が形成されている。基板３０の右端近傍においては、ｎ型クラッド層３１が除去され、基板３０が現れている。基板３０として、例えば半絶縁性のＩｎＰ基板が用いられる。ｎ型クラッド層３１は、例えばｎ型ＩｎＰで形成され、その厚さは２μｍである。
【００２２】
入力導波路２０及びテーパ導波路２１が配置される領域のｎ型クラッド層３１の上に、コア層３２及び上部クラッド層３３がこの順番に積層されている。コア層３２は、例えばノンドープのＩｎＧａＡｓＰで形成され、その厚さは０．５μｍである。上部クラッド層３３は、例えばノンドープのＩｎＰで形成され、その厚さは１．５μｍである。
【００２３】
フォトダイオード２２が配置される領域のｎ型クラッド層３１の上に、光吸収層３７、ｐ型クラッド層３８、及びコンタクト層３９がこの順番に積層されている。ｎ型クラッド層３１、光吸収層３７、及びｐ型クラッド層３８が、ｐｉｎ型フォトダイオード２２を構成する。光吸収層３７は、例えばノンドープのＩｎＧａＡｓで形成され、その厚さは０．５μｍである。ｐ型クラッド層３８は、例えばｐ型ＩｎＰで形成される。コンタクト層３９は、例えばｐ型ＩｎＧａＡｓ層とｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層との２層を含む。ｐ型クラッド層３８とコンタクト層３９との合計の厚さは１．５μｍである。
【００２４】
テーパ導波路２１のコア層３２とフォトダイオード２２の光吸収層３７とは、バットジョイント構造により結合している。入力導波路２０及びテーパ導波路２１のコア層３２内を伝播した光が、フォトダイオード２２の光吸収層３７に入射する。フォトダイオード２２の後方（図１Ｂにおいて右方）にも、コア層３２及び上部クラッド層３３の一部が配置されている。
【００２５】
ｎ型クラッド層３１は、フォトダイオード２２の後方に配置されたコア層３２よりもやや後方まで延びている。上部クラッド層３３、コンタクト層３９、ｎ型クラッド層３１、及び基板３０の表面を、絶縁性の保護膜４０が覆う。ｎ型クラッド層３１が除去された領域の保護膜４０の上に、ｐ側電極パッド２５が形成されている。
【００２６】
保護膜４０に、コンタクト層３９の一部を露出させる開口が形成されている。この開口内に露出したコンタクト層３９に、ｐ側引出電極２７の一端が接続されている。ｐ側引出電極２７の他端は、ｐ側電極パッド２５に連続している。ｐ側引出電極２７は、エアブリッジ構造を有する。
【００２７】
図２Ａに、図１Ａの一点鎖線２Ａ−２Ａにおける断面図を示す。基板３０の上に、ｎ型クラッド層３１が形成されている。ｎ型クラッド層３１の表面のうち、一方向（図２Ａの紙面に垂直な方向）に延在する領域の上に、コア層３２及び上部クラッド層３３が形成されている。コア層３２の両側のｎ型クラッド層３１の上面が、コア層３２の直下のｎ型クラッド層３１の上面よりもやや低くなっている。
【００２８】
コア層３２及び上部クラッド層３３からなるメサ構造の両側が、埋込半導体層３５で埋め込まれている。埋込半導体層３５は、例えば半絶縁性のＩｎＰで形成され、その上面は、上部クラッド層３３の上面と同じ高さである。埋込半導体層３５及び上部クラッド層３３の上に、保護膜４０が形成されている。コア層３２、及びそれを取り囲むｎ型クラッド層３１、上部クラッド層３３、及び埋込半導体層３５が、埋込型の入力導波路２０を構成する。
【００２９】
図２Ｂに、図１Ａの一点鎖線２Ｂ−２Ｂにおける断面図を示す。図２Ａに示した断面と比較すると、コア層３２及び上部クラッド層３３の幅が、図２Ａに示した断面における幅より広い。その他の構造は、図２Ａに示した断面の構造と同一である。コア層３２、及びそれを取り囲むｎ型クラッド層３１、上部クラッド層３３、及び埋込半導体層３５が、埋込型のテーパ導波路２１を構成する。
【００３０】
図２Ｃに、図１Ａの一点鎖線２Ｃ−２Ｃにおける断面図を示す。基板３０の上に、ｎ型クラッド層３１が形成されている。ｎ型クラッド層３１の一部の領域に、光吸収層３７、ｐ型クラッド層３８、及びコンタクト層３９がこの順番に積層されている。光吸収層３７の両側のｎ型クラッド層３１の上面は、光吸収層３７の直下のｎ型クラッド層３１の上面よりやや低くなっている。光吸収層３７、ｐ型クラッド層３８、及びコンタクト層３９を含むメサの両側が、埋込半導体層３５で埋め込まれている。埋込半導体層３５の上面は、コンタクト層３９の上面とほぼ同じ高さである。ｎ型クラッド層３１、光吸収層３７、及びｐ型クラッド層３９が、フォトダイオード２２を構成する。
【００３１】
フォトダイオード２２の側方に、フォトダイオード２２から離れて、埋込半導体層３５が除去された領域が画定されている。埋込半導体層３５、コンタクト層３９、及びｎ型クラッド層３１の上面が、保護膜４０で覆われている。保護膜４０に、コンタクト層３９の一部、及びｎ型クラッド層３１の一部を露出させる開口が形成されている。露出したコンタクト層３９の上に、ｐ側引出電極２７が形成されている。露出したｎ型クラッド層３１の上に、ｎ側引出電極２８が形成されている。
【００３２】
次に、図１Ａ、図１Ｂ、及び図２Ａ〜図２Ｃを参照して、実施例１による受光装置の製造方法について説明する。
【００３３】
図１Ｂに示すように、半絶縁性のＩｎＰからなる基板３０の上に、ｎ型クラッド層３１、光吸収層３７、ｐ型クラッド層３８、及びコンタクト層３９を堆積させる。これらの層の堆積には、例えば有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）が用いられる。
【００３４】
コンタクト層３９の上に、例えば低圧化学気相成長（ＬＰＣＶＤ）により酸化シリコン膜を形成する。バッファードフッ酸を用いて、この酸化シリコン膜をパターニングすることにより、マスクパターンを形成する。このマスクパターンは、図１Ａに示したフォトダイオード２２、及びフォトダイオード２２を幅方向（図１Ａにおいて上下方向）に引き伸ばした領域を覆う。このマスクパターンをエッチングマスクとして用い、コンタクト層３９から、ｎ型クラッド層３１の上面までエッチングする。
【００３５】
ｎ型クラッド層３１が露出した領域に、コア層３２及び上部クラッド層３３を選択成長させる。選択成長後、マスクパターンを除去する。この段階で、上部クラッド層３３とコンタクト層３９とが露出している。
【００３６】
上部クラッド層３３及びコンタクト層３９の上に、入力導波路２０、テーパ導波路２１、及びフォトダイオード２２（図１Ａ）に整合するマスクパターンを形成する。
【００３７】
図２Ａ〜図２Ｃに示すように、このマスクパターンをエッチングマスクとして用いて、ｎ型クラッド層３１の表層部までエッチングする。このエッチングには、ドライエッチングが適用される。これにより、入力導波路２０、テーパ導波路２１、及びフォトダイオード２２を構成するメサ構造が形成される。メサ構造の両側に露出したｎ型クラッド層３１の上に、埋込半導体層３５を選択成長させる。その後、マスクパターンを除去する。
【００３８】
図１Ａ及び図１Ｂに示したフォトダイオード２２の後方の領域、図１Ａ及び図２Ｃに示したフォトダイオード２２の側方の領域において、埋込半導体層３５、上部クラッド層３３、及びコア層３２をドライエッチングにより除去する。これにより、ｎ型クラッド層３１が露出する。さらに、図１Ａ及び図１Ｂに示したフォトダイオード２２の後方の領域において、ｎ型クラッド層３１をドライエッチングにより除去する。これにより、基板３０が露出する。
【００３９】
全面に保護膜４０を形成する。ｐ側引出電極２７及びｎ側引出電極２８のコンタクトのための開口を、保護膜４０に形成する。その後、ｐ側電極パッド２５、ｐ側引出電極２７、ｎ側電極パッド２６、及びｎ側引出電極２８を形成する。
【００４０】
図３Ａ〜図３Ｄ、図４、及び図５Ａ〜図５Ｂを参照して、実施例１及び比較例による受光装置内の光強度分布のシミュレーション結果について説明する。
【００４１】
図３Ａに、比較例による受光装置の一部の平面図を示す。比較例による受光装置においては、入力導波路２０とフォトダイオード２２との間にＭＭＩ導波路２４が配置されている。ＭＭＩ導波路２４の幅、及びフォトダイオード２２の幅は、光の伝播方向に関して一定であり、両者は等しい。
【００４２】
図３Ｂに、実施例１による受光装置の一部の平面図を示す。入力導波路２０とフォトダイオード２２との間に、テーパ導波路２１が配置されている。入力導波路２０の幅Ｗｓは、例えば２．５μｍである。テーパ導波路２１の入射端における幅Ｗｉは４．５μｍ、出射端における幅Ｗｏは１２μｍである。テーパ導波路２１の長さＬｔは６５μｍである。このとき、テーパ導波路２１の拡がり半角θは約３．３°になる。ここで、「広がり半角」は、テーパ導波路２１の中心線と、一方の縁とのなす角度を指す。
【００４３】
テーパ導波路２１とフォトダイオード２２との接続箇所におけるフォトダイオード２２の幅（フォトダイオード２２の入射端の幅）Ｗｐｉは、テーパ導波路２１の出射端の幅Ｗｏと等しい。フォトダイオード２２の幅は、テーパ導波路２１の出射端から遠ざかる向きに向かって広くなっている。フォトダイオード２２の拡がり半角は、テーパ導波路２１の拡がり半角θと等しい。このため、フォトダイオード２２の両側の縁は、テーパ導波路２１の両側の縁を延長した直線と一致する。
【００４４】
コア層３２（図２Ａ、図２Ｂ）は組成波長１．０５μｍのＩｎＧａＡｓＰとした。コア層の屈折率は３．２５である。コア層３２を取り囲むＩｎＰからなるクラッド層３１、３３、３５の屈折率は、３．１７である。
【００４５】
図４は、図３ＡのＭＭＩ導波路２４、及び図３Ｂのテーパ導波路２１に、波長１．５５μｍのシングルモードの光が入射したしたときの出射端における光強度分布のシミュレーション結果を示す。光の伝播方向をｘ軸の正の方向とするｘｙ直交座標系を定義する。幅方向の中心のｙ座標を０とし、テーパ導波路２１の出射端、及びＭＭＩ導波路２４の出射端のｘ座標を０とする。図４の横軸は、幅方向の位置（ｙ座標）を、単位「μｍ」で表し、縦軸は光強度を、任意単位で表す。破線３Ａ及び実線３Ｂは、それぞれ図３Ａ及び図３Ｂに示した比較例及び実施例１による受光装置の、ｘ座標が０の位置における光強度分布を示している。
【００４６】
実施例１によるテーパ導波路２１の出射端の光強度分布は、比較例によるＭＭＩ導波路２４の出射端の光強度分布よりも平準化されていることがわかる。すなわち、実施例１の構造とすることにより、フォトダイオード２３の入射端における光強度分布の最大ピーク強度を低減させることができる。
【００４７】
光強度分布が平準化されるのは、信号光がテーパ導波路２１を伝播するに従って、高次モードが励振されるためである。従って、テーパ導波路２１の広がり半角θは、高次モードが励振されるような範囲に設定することが好ましい。
【００４８】
図５Ａは、図３ＡのＭＭＩ導波路２４、及び図３Ｂのテーパ導波路２１に、波長１．５５μｍのシングルモードの光が入射したしたときのフォトダイオード２３内の伝播方向（ｘ方向）に関する光強度分布の最大ピーク強度のシミュレーション結果を示す。横軸は、光の伝播方向の位置（ｘ座標）を単位「μｍ」で表し、縦軸は、最大ピーク強度を任意単位で表す。図５Ａのクロス記号及び中実菱形記号は、それぞれ図３Ａ及び図３Ｂに示した比較例及び実施例１のフォトダイオード２３内の最大ピーク強度を示す。なお、フォトダイオード２３の内部における光の吸収による減衰は考慮されていない。
【００４９】
実施例１の構造を採用することにより、フォトダイオード２３の伝播方向に関しても、最大ピーク強度が平準化されている。これは、フォトダイオード２２の入射側の縁（ｘ座標が０の位置）のみならず、入射側の縁から伝播方向に進行した位置においても、幅方向に関して平準化された光強度分布が維持されていることを意味する。
【００５０】
図４及び図５Ａのシミュレーション結果から、実施例１による受光装置においては、最大ピーク強度を低減させ、局所的なフォトキャリア密度の過度の上昇を抑制できることがわかる。これにより、入力光の光強度が高くなっても、フォトキャリアの蓄積に起因する動作帯域幅の劣化を抑制することができる。
【００５１】
図３Ｃ及び図３Ｄに、実施例１の変形例１及び変形例２による受光装置の一部の平面図を示す。図３Ｃに示した変形例１においては、フォトダイオード２２の広がり半角が、テーパ導波路２１の広がり半角θより小さい。図３Ｄに示した変形例２においては、フォトダイオード２２の幅が、伝播方向に関して一定である。
【００５２】
図５Ｂに、図３Ｂに示した実施例１、図３Ｃ及び図３Ｄに示した変形例１及び変形例２による受光装置のフォトダイオード２２内における最大ピーク強度の分布を示す。横軸は、光の伝播方向の位置（ｘ座標）を単位「μｍ」で表し、縦軸は、最大ピーク強度を任意単位で表す。図５Ｂの中実菱形記号、中空三角記号、及び中空四角記号は、それぞれ図３Ｂ、図３Ｃ、及び図３Ｄに示した受光装置における最大ピーク強度を示す。
【００５３】
図３Ｃ及び図３Ｄに示した変形例１及び変形例２における最大ピーク強度は、図３Ａに示した実施例１における最大ピーク強度より小さいことがわかる。最大ピーク強度を小さくするためには、フォトダイオード２２の広がり半角を、テーパ導波路２１の広がり半角より小さくするか、またはフォトダイオード２２を等幅にすること（広がり半角を０°にすること）が好ましい。
【００５４】
フォトダイオード２２の広がり半角を、テーパ導波路２１の広がり半角より小さくするか、またはフォトダイオード２２を等幅にすると、フォトダイオード２２の面積も小さくなる。このため、寄生容量を低減させることができる。
【００５５】
フォトダイオード２２の幅を、テーパ導波路２１から遠ざかる向きに向かって徐々に狭くすると、フォトダイオード２２の内部において、最大ピーク強度の増大が助長されてしまう。このため、フォトダイオード２２の幅を一定にするか、またはテーパ導波路２１の出射端から遠ざかる向きに徐々に広げることが好ましい。
【００５６】
図６を参照して、テーパ導波路２１の広がり半角θの好適値について説明する。テーパ導波路２１の出射端の幅Ｗｏが７μｍから１２μｍの範囲内で異なり、広がり半角θも異なる複数の評価対象について、出射端における光強度分布の最大ピーク強度を求めた。テーパ導波路２１の入射端の幅Ｗｉは４．５μｍとした。図６に、テーパ導波路２１の出射端の幅と、広がり半角θとの好適な範囲を示す。横軸は、テーパ導波路２１の出射端の幅Ｗｏを単位「μｍ」で表し、縦軸は、テーパ導波路２１の広がり半角を単位「°」で表す。
【００５７】
中実四角記号は、テーパ導波路２１の出射端における光強度分布の最大ピーク強度が最も低くなる広がり半角を示す。このときのピーク値を「参照ピーク強度」といい、広がり半角を「最適広がり半角」ということとする。広がり半角θを最適広がり半角から小さくしても、または大きくしても、最大ピーク強度は参照ピーク強度より高くなる。最大ピーク強度が参照ピーク強度の１．１倍になる広がり半角のうち、最適広がり半角より大きい方の角度を「広がり半角上限値」といい、最適広がり半角より小さい方の角度を「広がり半角下限値」ということとする。図６の中空菱形記号、及び中空三角記号は、それぞれ広がり半角上限値、及び広がり半角下限値を示す。
【００５８】
出射端の幅をＷｏ［μｍ］とし、広がり半角をθ［°］とすると、出射端の幅Ｗｏごとに算出された広がり半角下限値を連ねる曲線を近似する２次曲線は、
θ＝−０．０８３２Ｗｏ２＋２．３６６７Ｗｏ−１１．４５３
と表される。出射端の幅Ｗｏごとに算出された広がり半角上限値を連ねる曲線を近似する２次曲線は、
θ＝−０．０３９２Ｗｏ２＋１．１６１１Ｗｏ＋０．０１４５
と表される。広がり半角θを、
θ≧−０．０８Ｗｏ２＋２．３７Ｗｏ−１１．５、かつ
θ≦−０．０４Ｗｏ２＋１．１６Ｗｏ＋０．０１４５
の範囲内とすることにより、最大ピーク強度を、参照ピーク強度の１．１倍以下とすることができる。
【００５９】
なお、最適広がり半角を連ねる近似曲線は、
θ＝−０．０２５Ｗｏ２＋１．１５７３ｏ−３．６９９４
と表される。
【００６０】
なお、フォトダイオード２２の広がり半角θｐｄ［°］は、
０≦θｐｄ≦−０．０４Ｗｏ２＋１．１６Ｗｏ＋０．０１４５
の範囲内とすることが好ましい。
【００６１】
導波路を伝播する光の波長が変わると、入射導波路２０、テーパ導波路２１、及びフォトダイオード２２の平面形状を、縦横比の比率を維持したまま拡大または縮小すればよい。このため、伝播する光の波長が変わっても、広がり半角θの好適な範囲は、ほぼ上述の範囲に保たれる。
【００６２】
図７を参照して、入射導波路２０に対するテーパ導波路２１の入射端の拡幅量の好適値について説明する。入力導波路２０の出射端の幅Ｗｏが７μｍから１２μｍの範囲内で異なり、テーパ導波路２１の入射端の幅Ｗｉも異なる複数の評価対象について、出射端における最大ピーク強度を求めた。入射導波路２０の幅Ｗｓは２．５μｍとし、テーパ導波路２１の広がり半角θは、幅Ｗｉの各々において最大ピーク強度が最も低くなる値とした。
【００６３】
図７の横軸は、テーパ導波路２１の出射端の幅Ｗｏを単位「μｍ」で表し、縦軸は、テーパ導波路２１の入射端の片側の拡幅量を、単位「μｍ」で表す。片側の拡幅量は、（Ｗｉ−Ｗｓ）／２に等しい。
【００６４】
中実四角記号は、最大ピーク強度が最も低くなる片側の拡幅量を示す。このときの最大ピーク強度を「参照ピーク強度」といい、片側の拡幅量を「最適拡幅量」ということとする。拡幅量を最適拡幅量から小さくしても、または大きくしても、最大ピーク強度は参照ピーク強度より高くなる。最大ピーク強度が参照ピーク強度の１．１倍になる拡幅量のうち、最適拡幅量より大きい方の拡幅量を「拡幅量上限値」といい、最適拡幅量より小さい方の拡幅量を「拡幅量下限値」ということとする。図７の中空三角記号、及び中空菱形記号は、それぞれ拡幅量上限値、及び拡幅量下限値を示す。
【００６５】
テーパ導波路２１の出射端の幅が、少なくとも７μｍ〜１２μｍの範囲内という条件で、片側の拡幅量を０．５μｍ〜１．５μｍの範囲内にすると、最大ピーク強度が参照ピーク強度の１．１倍以下に収まることがわかる。片側の拡幅量が０．５μｍ及び１．５μｍのとき、テーパ導波路２１の入射端の幅Ｗｉは、入力導波路２０の幅Ｗｓの１．４倍及び２．２倍になる。
【００６６】
伝播する光の波長が変わると、導波路の平面形状を、縦横比を保った状態で拡大または縮小すればよい。従って、一般的には、テーパ導波路２１の入射端の幅を、入力導波路２０の幅の１．４倍〜２．２倍の範囲内にすることが好ましい。
【００６７】
フォトダイオード２２の光吸収効率を高めるためには、その面積を広くすることが好ましい。ただし、面積を広くすると寄生容量が大きくなるため、フォトダイオード２２の大面積化は、動作帯域を広帯域にするという観点では好ましくない。フォトダイオード２２の面積は、所望の帯域幅、及び光吸収効率に基づいて決定される。フォトダイオード２２に入射した光の大部分は、入射側の縁から１２μｍ程度伝播する間に吸収される。従って、フォトダイオード２２の伝播方向の長さを、１２μｍ程度より長くしても、光吸収効率を高める点では大きな効果は期待できない。
【００６８】
フォトダイオード２２の面積及び長さから、その幅が決定される。フォトダイオード２２の幅は、テーパ導波路２１の出射端の幅と等しい。上述の考察を踏まえて、テーパ導波路２１の出射端の幅は、入力導波路２０の幅の２倍〜６倍の範囲内とすることが好ましい。
【００６９】
［実施例２］
図８に、実施例２による受光装置の一部の平面図を示す。以下、図３Ｄに示した実施例１の変形例２と比較し、異なる構成について説明する。図３Ｄに示した変形例２では、フォトダイオード２２の幅が、テーパ導波路２１の出射端の幅Ｗｏと等しい。実施例２においては、フォトダイオード２２の幅Ｗｐが、テーパ導波路２１の出射端の幅Ｗｏよりも広い。幅方向に関して、フォトダイオード２２の中心は、テーパ導波路２１の中心と一致している。テーパ導波路２１の出射端の幅Ｗｏに対するフォトダイオード２２の幅Ｗｐの片側の拡幅量Ｄは、
Ｄ＝（Ｗｐ−Ｗｏ）／２
と表される。
【００７０】
コア層３２（図２Ａ、図２Ｂ）の側方に埋込半導体層３５を配置した埋込型導波路においては、伝播する光がコア層３２から側方に染み出る。波長１．５５μｍの光が伝播する場合、染み出しの長さは０．２μｍ程度である。フォトダイオード２２の幅Ｗｐを、テーパ導波路２１の出射端の幅Ｗｏより広くすることにより、テーパ導波路２１から側方に染み出した光の成分を、フォトダイオード２２に取り込むことができる。
【００７１】
フォトダイオード２２の幅Ｗｐを広くしすぎると、寄生容量が大きくなってしまう。染み出し成分を取り込み、かつ寄生容量の増大を抑制するために、フォトダイオード２２の片側の拡幅量Ｄを、０．３μｍ以下にすることが好ましい。染み出し成分取り込みの十分な効果を得るためには、片側の拡幅量Ｄを、０．１μｍ以上にすることが好ましい。
【００７２】
［実施例３］
図９に、実施例３による光コヒーレントレシーバの平面図を示す。実施例３による光コヒーレントレシーバは、ＱＰＳＫ方式に適用される。
【００７３】
半絶縁性の基板５０の上に、ハイブリッド導波路５１、第１〜第４の受光素子７０Ａ〜７０Ｄが形成されている。ハイブリッド導波路５１は、４入力４出力のＭＭＩ導波路で構成される。ＭＭＩ導波路の入力端に、第１〜第４入力ポートが、図９において上から下に向かって順番に配置され、出路端に、第１〜第４出力ポートが、上から下に向かって順番に配置されている。
【００７４】
ハイブリッド導波路５１の第２入力ポートに変調信号光導波路５２が接続され、第４入力ポートにローカルオシレータ光導波路５３が接続されている。第１入力ポート及び第３入力ポートには、導波路が接続されていない。第１〜第４の受光素子７０Ａ〜７０Ｄは、ハイブリッド導波路５１の第１出力ポートから第４出力ポートに向かう向きと同じ向きに、この順番に配列している。
【００７５】
第１の受光素子７０Ａは、入力導波路６０Ａ、テーパ導波路６１Ａ、フォトダイオード６２Ａ、ｎ型クラッド層６３Ａ、ｐ側電極パッド６５Ａ、及びｎ側電極パッド６６Ａを含む。第２〜第４の受光素子７０Ｂ〜７０Ｄも、第１の受光素子７０Ａと同一の構成を有する。
【００７６】
第１〜第４の受光素子７０Ａ〜７０Ｄの各々は、上記実施例１または実施例２による受光装置と同一の構成を有する。例えば、基板５０が、実施例１の基板３０（図１Ｂ、図２Ａ〜図２Ｃ）に対応する。入力導波路６０Ａ、テーパ導波路６１Ａ、及びフォトダイオード６２Ａが、それぞれ実施例１の入力導波路２０、テーパ導波路２１、及びフォトダイオード２２（図１Ａ、図１Ｂ）に対応する。ｐ側電極パッド６５Ａ及びｎ側電極パッド６６Ａが、それぞれ実施例１のｐ側電極パッド２５及びｎ側電極パッド２６（図１Ａ）に対応する。
【００７７】
第１、第２、第３、第４の受光素子７０Ａ、７０Ｂ、７０Ｃ、７０Ｄの入力導波路６０Ａ、６０Ｂ、６０Ｃ、６０Ｄが、それぞれハイブリッド導波路５１の第１、第４、第２、第３出力ポートに接続されている。第２の受光素子７０Ｂの入力導波路６０Ｂは、第３の受光素子７０Ｃの入力導波路６０Ｃ、及び第４の受光素子７０Ｄの入力導波路６０Ｄと交差している。交差角度を直角に近づけることにより、入力導波路間のクロストークは、無視できる程度まで小さくすることができる。
【００７８】
ＱＰＳＫの変調信号光が、変調信号光導波路５２を伝播して、ハイブリッド導波路５１に入力される。ローカルオシレータ光が、ローカルオシレータ光導波路５３を伝播して、ハイブリッド導波路５１に入力される。ＱＰＳＫの変調信号光が強度変調信号光に変換されて、第１〜第４出力ポートから出力される。ＱＰＳＫ方式のＩチャネル信号が、第１、第２の受光素子７０Ａ、７０Ｂから取り出され、Ｑチャネル信号が、第３、第４の受光素子７０Ｃ、７０Ｄから取り出される。
【００７９】
第１〜第４の受光素子７０Ａ〜７０Ｄのｎ型クラッド層は、隣接する受光素子間で直接導通しないように、受光素子の間に溝等を形成することによって、相互に分離されている。このため、第１〜第４の受光素子７０Ａ〜７０Ｄの間で、十分に電気的な分離を行うことができる。その結果、フォトダイオード間のクロストークを低減させ、エラーの発生を抑制することができる。ｎ型クラッド層を分離する溝の形成方法について、図２Ｃを参照して説明する。
【００８０】
埋込半導体層３５を形成した後、溝を形成すべき領域に開口を持つマスクパターンを形成する。このマスクパターンは、例えば酸化シリコンで形成される。マスクパターンをエッチングマスクとして、ｎ型クラッド層３１の底面まで到達する溝を形成する。その後、マスクパターンを除去する。
【００８１】
実施例３では、第１〜第４の受光素子７０Ａ〜７０Ｄに、実施例１または実施例２による受光装置が用いられている。このため、フォトダイオード内における光強度分布の最大ピーク強度を抑制することができる。これにより、ローカルオシレータ光の強度を増大させた場合の動作帯域幅の劣化を抑制することができる。
【００８２】
［実施例４］
図１０に、実施例４による光コヒーレントレシーバモジュールの平面図を示す。実施例４による光コヒーレントレシーバモジュールは、二偏波四位相偏移変調（ＤＰ−ＱＰＳＫ）方式に適用される。
【００８３】
実装基板８０に、第１、第２の光コヒーレントレシーバ８１、８２、第１、第２のビームスプリッタ８７、８８が実装されている。第１、第２の光コヒーレントレシーバ８１、８２は、図９に示した実施例３による光コヒーレントレシーバと同一の構成を有する。実装基板８０に、信号光用光ファイバ８５及びローカルオシレータ光用光ファイバ８６が取り付けられている。信号光用光ファイバ８５は、ＤＰ−ＱＰＳＫ方式の信号光を伝播させ、ローカルオシレータ光用光ファイバ８６は、ローカルオシレータ光を伝播させる。信号光は、相互に直交する第１及び第２の偏波成分を有する。２つの偏波成分は、異なる信号を伝送している。
【００８４】
信号光用光ファイバ８５を伝播した信号光が、第１のビームスプリッタ８７で、第１の偏波成分と第２の偏波成分とに分岐される。第１の偏波成分は、第１の光コヒーレントレシーバ８１の変調信号光導波路９０に入射し、第２の偏波成分は、第２の光コヒーレントレシーバ８２の変調信号光導波路９２に入射する。ローカルオシレータ光も第１の偏波成分と第２の偏波成分とを含む。ローカルオシレータ光用光ファイバ８６を伝播したローカルオシレータ光が、第２のビームスプリッタ８８で、第１の偏波成分と第２の偏波成分とに分岐される。第１の偏波成分は、第１の光コヒーレントレシーバ８１のローカルオシレータ光導波路９１に入射し、第２の偏波成分は、第２の光コヒーレントレシーバ８２のローカルオシレータ光導波路９３に入射する。なお、必要に応じて、実装基板８０に集光レンズが搭載される。
【００８５】
第１の光コヒーレントレシーバ８１の後段に、第１、第２のトランスインピーダンス増幅器９５、９６が配置され、第２の光コヒーレントレシーバ８２の後段に、第３、第４のトランスインピーダンス増幅器９７、９８が配置されている。
【００８６】
第１の光コヒーレントレシーバ８１のＩチャネル用受光素子１０１の４つの電極パッドが第１のトランスインピーダンス増幅器９５に接続され、Ｑチャネル用受光素子１０２の４つの電極パッドが第２のトランスインピーダンス増幅器９６に接続されている。第２の光コヒーレントレシーバ８２のＩチャネル用受光素子１０３の４つの電極パッドが第３のトランスインピーダンス増幅器９７に接続され、Ｑチャネル用受光素子１０４の４つの電極パッドが第４のトランスインピーダンス増幅器９８に接続されている。
【００８７】
第１、第２の光コヒーレントレシーバ８１、８２が、図９に示した実施例３による光コヒーレントレシーバと同一の構成を有するため、高出力、広帯域動作が可能である。
【００８８】
上記実施例１〜実施例４では、信号光の波長が１．５５μｍ帯である場合について説明した。伝播する信号光の波長が他の波長域の場合には、クラッド層、コア層、光吸収層等の半導体材料を、信号光の波長域に適したものに置き換えればよい。また、フォトダイオード２２の光吸収層３７（図１Ｂ）をノンドープの半導体で形成したが、光吸収層３７の一部分または全域をｐ型またはｎ型の半導体で形成してもよい。
【００８９】
導波路の及びフォトダイオードの側方が、埋込半導体層３５（図２Ａ〜図２Ｃ）で埋め込まれた埋込型導波路を採用したが、他の構造の導波路を採用してもよい。例えば、ハイメサ型導波路、リッジ型導波路等を採用してもよい。また、基板３０として、半絶縁性の半導体に代えて、ｎ型またはｐ型の半導体を用いてもよいし、サファイア等の絶縁材料を用いてもよい。
【００９０】
図１Ｂに示したように、コア層３２の厚さと光吸収層３７の厚さとを同一としたが、目的に応じて両者の厚さを異ならせてもよい。また、ｐ側引出電極２７をエアブリッジ構造にする代わりに、半絶縁性の埋込半導体層３５の上にｐ側電極パッド２５を配置してもよい。
【００９１】
図３Ｃ及び図３Ｄに示した構成例において、広がり半角θが変化する位置（ｘ座標が０の位置）が、図１Ｂに示したコア層３２と光吸収層３７との境界に厳密に一致する必要はない。両者の位置が、光の伝播方向（ｘ方向）に若干ずれても十分な効果が得られる。
【００９２】
実施例３及び実施例４では、実施例１及び実施例２による受光装置を光コヒーレントレシーバに適用した。実施例１及び実施例２による受光装置は、その他の受信装置に適用することも可能である。
【００９３】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【符号の説明】
【００９４】
２０ 入力導波路
２１ テーパ導波路
２２ フォトダイオード
２４ ＭＭＩ導波路
２５ ｐ側電極
２６ ｎ側電極
２７ ｐ側引出電極
２８ ｎ側引出電極
３０ 基板
３１ ｎ型クラッド層
３２ コア層
３３ 上部クラッド層
３５ 埋込半導体層
３７ 光吸収層
３８ ｐ型クラッド層
３９ コンタクト層
４０ 保護膜
５０ 基板
５１ ハイブリッド導波路
５２ 変調信号光導波路
５３ ローカルオシレータ光導波路
６０Ａ 入力導波路
６１Ａ テーパ導波路
６２Ａ フォトダイオード
６３Ａ ｎ型クラッド層
６５Ａ ｐ側電極パッド
６６Ａ ｎ側電極パッド
７０Ａ 第１の受光素子
７０Ｂ 第２の受光素子
７０Ｃ 第３の受光素子
７０Ｄ 第４の受光素子
８０ 実装基板
８１ 第１の光コヒーレントレシーバ
８２ 第２の光コヒーレントレシーバ
８５ 信号光用光ファイバ
８６ ローカルオシレータ光用光ファイバ
８７ 第１のビームスプリッタ
８８ 第２のビームスプリッタ
９１、９３ 変調信号光導波路
９２、９４ ローカルオシレータ光導波路
９５ 第１のトランスインピーダンス増幅器
９６ 第２のトランスインピーダンス増幅器
９７ 第３のトランスインピーダンス増幅器
９８ 第４のトランスインピーダンス増幅器
１０１、１０３ Ｉチャネル用受光素子
１０２、１０４ Ｑチャネル用受光素子
【技術分野】
【０００１】
本発明は、導波路とフォトダイオードとを同一の基板上に配置し、導波路を伝播した信号光をフォトダイオードで受信する受光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
四位相偏移変調（ＱＰＳＫ）等の光コヒーレント通信用の受光装置として、光ハイブリッド導波路とフォトダイオードとを集積した導波路集積型受光装置が、小型化や組立コストの低減の観点から有望である。光ハイブリッド導波路は、位相変調光を強度変調光に変換する。光ハイブリッド型導波路には、多モード干渉（ＭＭＩ）導波路等が用いられる。
【０００３】
１枚の基板上に形成された導波路とフォトダイオードとは、例えばバットジョイント構造により結合される。バットジョイント構造では、導波路を伝播した信号光がフォトダイオードの吸収層に直接入射する。このため、光の伝播方向に関してフォトダイオードの寸法を小さくしても、高い光吸収効率を確保することができる。
【０００４】
一方、バットジョイント構造では、フォトダイオードの入射端から数μｍ程度の狭い領域で、入射光の大部分が吸収される。このため、入射端の近傍でフォトキャリアの密度が高くなりやすい。入射光の強度が高い場合には、フォトダイオードの吸収層内にフォトキャリの蓄積が生じやすくなる。蓄積されたフォトキャリアによる電界が印加電界を弱める方向に作用するため、フォトダイオードの動作帯域が狭くなる。
【０００５】
入力導波路とフォトダイオードとの間に、ＭＭＩ導波路を配置して、幅方向に関する光強度分布のピークを低減する技術が提案されている。シングルモードの信号光がＭＭＩ導波路に入射すると、ＭＭＩ導波路の出射端において、光強度分布に複数のピークが表れる。このため、ピーク１つ当りの光強度が弱くなる。これにより、入射光によって発生するフォトキャリアの密度の局所的な上昇を抑制することができる。
【０００６】
また、ＭＭＩ導波路と同様の機能を持つ光導波装置として、シングルモード光導波路を伝播する信号光を、テーパ状の導波路を用いて、複数の出力ポートに均等に分割して出力する光導波装置が公知である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００１−１２７３３３号公報
【特許文献２】特開２００２−２４３９６１号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】K. Hyun et al., “Multimode Interferometer-Fed InGaAs Waveguide Photodiode for High Power Detection”, Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 47, No. 11, (2008) pp. 8426-8429
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
入力導波路とフォトダイオードとの間にＭＭＩ導波路を配置すると、出射端において複数のピークが現れる。ピークとピークとの間においては、ピーク強度に比べて光強度が著しく低くなる。このため、フォトダイオードの吸収層内において、フォトキャリアの幅方向の密度分布にばらつきが生じる。また、入射光がフォトダイオード内を伝播すると、幅方向に関する光強度分布が変化し、光強度のばらつきが大きくなる場合がある。このため、入射光の強度が大きくなると、フォトキャリアの密度が局所的に高くなってしまう。
【００１０】
入射光の強度が大きくなっても、光強度のピーク値の上昇を抑制する技術が望まれている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の一観点によると、
基板上に形成された入力導波路と、
前記基板の上に形成されたフォトダイオードと、
前記基板の上に形成され、前記入力導波路と前記フォトダイオードとを接続し、前記入力導波路に接続された入力端から、前記フォトダイオードに接続された出力端に向かって、幅が広がるテーパ導波路と
を有し、
前記テーパ導波路の広がり半角は、前記入力導波路から信号光が入力されると、高次モードを励振する大きさであり、
前記フォトダイオードの幅は一定であるか、または前記テーパ導波路の出力端から遠ざかる向きに広がっており、その広がり半角は、前記テーパ導波路の広がり半角以下である受光装置が提供される。
【００１２】
本発明の他の観点によると、
基板上に形成された入力導波路と、
前記基板の上に形成されたフォトダイオードと、
前記基板の上に形成され、前記入力導波路と前記フォトダイオードとを接続し、前記入力導波路に接続された入力端から、前記フォトダイオードに接続された出力端に向かって、幅が広がるテーパ導波路と
を有し、
前記テーパ導波路と前記フォトダイオードとの接続箇所における前記テーパ導波路の幅を、Ｗｏ［μｍ］とし、前記テーパ導波路の広がり半角をθ［°］としたとき、広がり半角θは、
θ≧−０．０８Ｗｏ２＋２．３７Ｗｏ−１１．５、かつ
θ≦−０．０４Ｗｏ２＋１．１６Ｗｏ＋０．０１４５
の範囲内であり、
前記フォトダイオードの幅は、前記テーパ導波路との接続箇所において、前記テーパ導波路の出射端の幅以上であり、前記テーパ導波路の出力端から遠ざかる向きに広がっており、その広がり半角θｐｄは、
０≦θｐｄ≦−０．０４Ｗｏ２＋１．１６Ｗｏ＋０．０１４５
の範囲内である受光装置が提供される。
【００１３】
本発明のさらに他の観点によると、
基板の上に形成され、２つの入力ポートに、それぞれ位相偏移変調された信号光及びローカルオシレータ光が入力され、複数の出力ポートに、それぞれ位相偏移変調された信号光が強度変調信号光に変換されて出力されるハイブリッド導波路と、
前記基板の上に形成され、前記ハイブリッド導波路の前記出力ポートにそれぞれ接続された複数の入力導波路と、
前記基板の上に形成され、前記入力導波路に対応して配置されたフォトダイオードと、
前記基板の上に形成され、前記入力導波路と、対応する前記フォトダイオードとを接続するテーパ導波路と
を有し、
前記テーパ導波路の各々の広がり半角は、前記入力導波路から信号光が入力されると、高次モードを励振する大きさであり、
前記フォトダイオードの各々の幅は一定であるか、または前記テーパ導波路の出力端から遠ざかる向きに広がっており、その広がり半角は、前記テーパ導波路の広がり半角以下である受光装置が提供される。
【発明の効果】
【００１４】
入力導波路とフォトダイオードとの間にテーパ導波路を介することにより、フォトダイオード内における光強度分布の最大ピーク強度を低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１Ａは、実施例１による受光装置の平面図であり、図１Ｂは、図１Ａの一点鎖線１Ｂ−１Ｂにおける断面図である。
【図２】図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃは、それぞれ図１Ａの一点鎖線２Ａ−２Ａ、一点鎖線２Ｂ−２Ｂ、一点鎖線２Ｃ−２Ｃにおける断面図である。
【図３】図３Ａは比較例による受光装置の部分平面図であり、図３Ｂは実施例１による受光装置の部分平面図であり、図３Ｃ及び図３Ｄは、それぞれ実施例１の変形例１及び変形例２による受光装置の部分平面図である。
【図４】図４は、図３Ａ及び図３Ｂに示した受光装置のＭＭＩ導波路及びテーパ導波路の出射端における幅方向の光強度分布のシミュレーション結果を示すグラフである。
【図５】図５Ａは、図３Ａ及び図３Ｂに示した受光装置のフォトダイオード内の伝播方向に関する最大ピーク強度の分布のシミュレーション結果を示すグラフであり、図５Ｂは、図３Ｂ、図３Ｃ、及び図３Ｄに示した受光装置のフォトダイオード内の伝播方向に関する最大ピーク強度の分布のシミュレーション結果を示すグラフである。
【図６】図６は、テーパ導波路の出射端の幅と、広がり半角との好ましい関係を示すグラフである。
【図７】図７は、テーパ導波路の出射端の幅と、入射端の片側の拡幅量との好ましい関係を示すグラフである。
【図８】図８は、実施例２による受光装置の部分平面図である。
【図９】図９は、実施例３による光コヒーレントレシーバの平面図である。
【図１０】図１０は、実施例４による光コヒーレントレシーバモジュールの平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
［実施例１］
図１Ａに、実施例１による受光装置の平面図を示す。半絶縁性の基板３０の上に、入力導波路２０、テーパ導波路２１、及びフォトダイオード２２が形成されている。基板３０として半絶縁性のものを用いるのは、寄生容量低減のためである。入力導波路２０は、例えば波長１．５５μｍの光を伝播させるシングルモード光導波路である。
【００１７】
テーパ導波路２１は、入力導波路２０とフォトダイオード２２とを接続する。テーパ導波路２１の幅は、入力導波路２０に接続された入力端から、フォトダイオード２２に接続された出力端に向かって広がっている。テーパ導波路２１の入力端の幅は、入力導波路２０の幅よりも広い。テーパ導波路２１の出力端の幅は、フォトダイオード２２の入力端の幅と等しい。
【００１８】
フォトダイオード２２の幅は、テーパ導波路２１の出射端から遠ざかる向きに広がっている。フォトダイオード２２の幅の広がり角は、テーパ導波路２１の広がり角と同一である。
【００１９】
入力導波路２０、テーパ導波路２１、及びフォトダイオード２２の両側に、半絶縁性の埋込半導体層３５が形成されている。フォトダイオード２２の側方に、フォトダイオード２２から離れて、埋込半導体層３５が除去されてｎ型クラッド層３１が現れた領域が画定されている。フォトダイオード２２の後方（図１Ａにおいて右方）に、ｎ型クラッド層３１が除去されて基板３０が現れた領域が画定されている。
【００２０】
ｎ型クラッド層３１が除去され、基板３０が現れた領域に、ｐ側電極パッド２５及びｎ側電極パッド２６が配置されている。ｐ側引出電極２７が、フォトダイオード２２をｐ側電極パッド２５に接続する。ｎ側引出電極２８が、ｎ型クラッド層３１を、ｎ側電極パッド２６に接続する。
【００２１】
図１Ｂに、図１Ａの一点鎖線１Ｂ−１Ｂにおける断面図を示す。基板３０の上に、ｎ型クラッド層３１が形成されている。基板３０の右端近傍においては、ｎ型クラッド層３１が除去され、基板３０が現れている。基板３０として、例えば半絶縁性のＩｎＰ基板が用いられる。ｎ型クラッド層３１は、例えばｎ型ＩｎＰで形成され、その厚さは２μｍである。
【００２２】
入力導波路２０及びテーパ導波路２１が配置される領域のｎ型クラッド層３１の上に、コア層３２及び上部クラッド層３３がこの順番に積層されている。コア層３２は、例えばノンドープのＩｎＧａＡｓＰで形成され、その厚さは０．５μｍである。上部クラッド層３３は、例えばノンドープのＩｎＰで形成され、その厚さは１．５μｍである。
【００２３】
フォトダイオード２２が配置される領域のｎ型クラッド層３１の上に、光吸収層３７、ｐ型クラッド層３８、及びコンタクト層３９がこの順番に積層されている。ｎ型クラッド層３１、光吸収層３７、及びｐ型クラッド層３８が、ｐｉｎ型フォトダイオード２２を構成する。光吸収層３７は、例えばノンドープのＩｎＧａＡｓで形成され、その厚さは０．５μｍである。ｐ型クラッド層３８は、例えばｐ型ＩｎＰで形成される。コンタクト層３９は、例えばｐ型ＩｎＧａＡｓ層とｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層との２層を含む。ｐ型クラッド層３８とコンタクト層３９との合計の厚さは１．５μｍである。
【００２４】
テーパ導波路２１のコア層３２とフォトダイオード２２の光吸収層３７とは、バットジョイント構造により結合している。入力導波路２０及びテーパ導波路２１のコア層３２内を伝播した光が、フォトダイオード２２の光吸収層３７に入射する。フォトダイオード２２の後方（図１Ｂにおいて右方）にも、コア層３２及び上部クラッド層３３の一部が配置されている。
【００２５】
ｎ型クラッド層３１は、フォトダイオード２２の後方に配置されたコア層３２よりもやや後方まで延びている。上部クラッド層３３、コンタクト層３９、ｎ型クラッド層３１、及び基板３０の表面を、絶縁性の保護膜４０が覆う。ｎ型クラッド層３１が除去された領域の保護膜４０の上に、ｐ側電極パッド２５が形成されている。
【００２６】
保護膜４０に、コンタクト層３９の一部を露出させる開口が形成されている。この開口内に露出したコンタクト層３９に、ｐ側引出電極２７の一端が接続されている。ｐ側引出電極２７の他端は、ｐ側電極パッド２５に連続している。ｐ側引出電極２７は、エアブリッジ構造を有する。
【００２７】
図２Ａに、図１Ａの一点鎖線２Ａ−２Ａにおける断面図を示す。基板３０の上に、ｎ型クラッド層３１が形成されている。ｎ型クラッド層３１の表面のうち、一方向（図２Ａの紙面に垂直な方向）に延在する領域の上に、コア層３２及び上部クラッド層３３が形成されている。コア層３２の両側のｎ型クラッド層３１の上面が、コア層３２の直下のｎ型クラッド層３１の上面よりもやや低くなっている。
【００２８】
コア層３２及び上部クラッド層３３からなるメサ構造の両側が、埋込半導体層３５で埋め込まれている。埋込半導体層３５は、例えば半絶縁性のＩｎＰで形成され、その上面は、上部クラッド層３３の上面と同じ高さである。埋込半導体層３５及び上部クラッド層３３の上に、保護膜４０が形成されている。コア層３２、及びそれを取り囲むｎ型クラッド層３１、上部クラッド層３３、及び埋込半導体層３５が、埋込型の入力導波路２０を構成する。
【００２９】
図２Ｂに、図１Ａの一点鎖線２Ｂ−２Ｂにおける断面図を示す。図２Ａに示した断面と比較すると、コア層３２及び上部クラッド層３３の幅が、図２Ａに示した断面における幅より広い。その他の構造は、図２Ａに示した断面の構造と同一である。コア層３２、及びそれを取り囲むｎ型クラッド層３１、上部クラッド層３３、及び埋込半導体層３５が、埋込型のテーパ導波路２１を構成する。
【００３０】
図２Ｃに、図１Ａの一点鎖線２Ｃ−２Ｃにおける断面図を示す。基板３０の上に、ｎ型クラッド層３１が形成されている。ｎ型クラッド層３１の一部の領域に、光吸収層３７、ｐ型クラッド層３８、及びコンタクト層３９がこの順番に積層されている。光吸収層３７の両側のｎ型クラッド層３１の上面は、光吸収層３７の直下のｎ型クラッド層３１の上面よりやや低くなっている。光吸収層３７、ｐ型クラッド層３８、及びコンタクト層３９を含むメサの両側が、埋込半導体層３５で埋め込まれている。埋込半導体層３５の上面は、コンタクト層３９の上面とほぼ同じ高さである。ｎ型クラッド層３１、光吸収層３７、及びｐ型クラッド層３９が、フォトダイオード２２を構成する。
【００３１】
フォトダイオード２２の側方に、フォトダイオード２２から離れて、埋込半導体層３５が除去された領域が画定されている。埋込半導体層３５、コンタクト層３９、及びｎ型クラッド層３１の上面が、保護膜４０で覆われている。保護膜４０に、コンタクト層３９の一部、及びｎ型クラッド層３１の一部を露出させる開口が形成されている。露出したコンタクト層３９の上に、ｐ側引出電極２７が形成されている。露出したｎ型クラッド層３１の上に、ｎ側引出電極２８が形成されている。
【００３２】
次に、図１Ａ、図１Ｂ、及び図２Ａ〜図２Ｃを参照して、実施例１による受光装置の製造方法について説明する。
【００３３】
図１Ｂに示すように、半絶縁性のＩｎＰからなる基板３０の上に、ｎ型クラッド層３１、光吸収層３７、ｐ型クラッド層３８、及びコンタクト層３９を堆積させる。これらの層の堆積には、例えば有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）が用いられる。
【００３４】
コンタクト層３９の上に、例えば低圧化学気相成長（ＬＰＣＶＤ）により酸化シリコン膜を形成する。バッファードフッ酸を用いて、この酸化シリコン膜をパターニングすることにより、マスクパターンを形成する。このマスクパターンは、図１Ａに示したフォトダイオード２２、及びフォトダイオード２２を幅方向（図１Ａにおいて上下方向）に引き伸ばした領域を覆う。このマスクパターンをエッチングマスクとして用い、コンタクト層３９から、ｎ型クラッド層３１の上面までエッチングする。
【００３５】
ｎ型クラッド層３１が露出した領域に、コア層３２及び上部クラッド層３３を選択成長させる。選択成長後、マスクパターンを除去する。この段階で、上部クラッド層３３とコンタクト層３９とが露出している。
【００３６】
上部クラッド層３３及びコンタクト層３９の上に、入力導波路２０、テーパ導波路２１、及びフォトダイオード２２（図１Ａ）に整合するマスクパターンを形成する。
【００３７】
図２Ａ〜図２Ｃに示すように、このマスクパターンをエッチングマスクとして用いて、ｎ型クラッド層３１の表層部までエッチングする。このエッチングには、ドライエッチングが適用される。これにより、入力導波路２０、テーパ導波路２１、及びフォトダイオード２２を構成するメサ構造が形成される。メサ構造の両側に露出したｎ型クラッド層３１の上に、埋込半導体層３５を選択成長させる。その後、マスクパターンを除去する。
【００３８】
図１Ａ及び図１Ｂに示したフォトダイオード２２の後方の領域、図１Ａ及び図２Ｃに示したフォトダイオード２２の側方の領域において、埋込半導体層３５、上部クラッド層３３、及びコア層３２をドライエッチングにより除去する。これにより、ｎ型クラッド層３１が露出する。さらに、図１Ａ及び図１Ｂに示したフォトダイオード２２の後方の領域において、ｎ型クラッド層３１をドライエッチングにより除去する。これにより、基板３０が露出する。
【００３９】
全面に保護膜４０を形成する。ｐ側引出電極２７及びｎ側引出電極２８のコンタクトのための開口を、保護膜４０に形成する。その後、ｐ側電極パッド２５、ｐ側引出電極２７、ｎ側電極パッド２６、及びｎ側引出電極２８を形成する。
【００４０】
図３Ａ〜図３Ｄ、図４、及び図５Ａ〜図５Ｂを参照して、実施例１及び比較例による受光装置内の光強度分布のシミュレーション結果について説明する。
【００４１】
図３Ａに、比較例による受光装置の一部の平面図を示す。比較例による受光装置においては、入力導波路２０とフォトダイオード２２との間にＭＭＩ導波路２４が配置されている。ＭＭＩ導波路２４の幅、及びフォトダイオード２２の幅は、光の伝播方向に関して一定であり、両者は等しい。
【００４２】
図３Ｂに、実施例１による受光装置の一部の平面図を示す。入力導波路２０とフォトダイオード２２との間に、テーパ導波路２１が配置されている。入力導波路２０の幅Ｗｓは、例えば２．５μｍである。テーパ導波路２１の入射端における幅Ｗｉは４．５μｍ、出射端における幅Ｗｏは１２μｍである。テーパ導波路２１の長さＬｔは６５μｍである。このとき、テーパ導波路２１の拡がり半角θは約３．３°になる。ここで、「広がり半角」は、テーパ導波路２１の中心線と、一方の縁とのなす角度を指す。
【００４３】
テーパ導波路２１とフォトダイオード２２との接続箇所におけるフォトダイオード２２の幅（フォトダイオード２２の入射端の幅）Ｗｐｉは、テーパ導波路２１の出射端の幅Ｗｏと等しい。フォトダイオード２２の幅は、テーパ導波路２１の出射端から遠ざかる向きに向かって広くなっている。フォトダイオード２２の拡がり半角は、テーパ導波路２１の拡がり半角θと等しい。このため、フォトダイオード２２の両側の縁は、テーパ導波路２１の両側の縁を延長した直線と一致する。
【００４４】
コア層３２（図２Ａ、図２Ｂ）は組成波長１．０５μｍのＩｎＧａＡｓＰとした。コア層の屈折率は３．２５である。コア層３２を取り囲むＩｎＰからなるクラッド層３１、３３、３５の屈折率は、３．１７である。
【００４５】
図４は、図３ＡのＭＭＩ導波路２４、及び図３Ｂのテーパ導波路２１に、波長１．５５μｍのシングルモードの光が入射したしたときの出射端における光強度分布のシミュレーション結果を示す。光の伝播方向をｘ軸の正の方向とするｘｙ直交座標系を定義する。幅方向の中心のｙ座標を０とし、テーパ導波路２１の出射端、及びＭＭＩ導波路２４の出射端のｘ座標を０とする。図４の横軸は、幅方向の位置（ｙ座標）を、単位「μｍ」で表し、縦軸は光強度を、任意単位で表す。破線３Ａ及び実線３Ｂは、それぞれ図３Ａ及び図３Ｂに示した比較例及び実施例１による受光装置の、ｘ座標が０の位置における光強度分布を示している。
【００４６】
実施例１によるテーパ導波路２１の出射端の光強度分布は、比較例によるＭＭＩ導波路２４の出射端の光強度分布よりも平準化されていることがわかる。すなわち、実施例１の構造とすることにより、フォトダイオード２３の入射端における光強度分布の最大ピーク強度を低減させることができる。
【００４７】
光強度分布が平準化されるのは、信号光がテーパ導波路２１を伝播するに従って、高次モードが励振されるためである。従って、テーパ導波路２１の広がり半角θは、高次モードが励振されるような範囲に設定することが好ましい。
【００４８】
図５Ａは、図３ＡのＭＭＩ導波路２４、及び図３Ｂのテーパ導波路２１に、波長１．５５μｍのシングルモードの光が入射したしたときのフォトダイオード２３内の伝播方向（ｘ方向）に関する光強度分布の最大ピーク強度のシミュレーション結果を示す。横軸は、光の伝播方向の位置（ｘ座標）を単位「μｍ」で表し、縦軸は、最大ピーク強度を任意単位で表す。図５Ａのクロス記号及び中実菱形記号は、それぞれ図３Ａ及び図３Ｂに示した比較例及び実施例１のフォトダイオード２３内の最大ピーク強度を示す。なお、フォトダイオード２３の内部における光の吸収による減衰は考慮されていない。
【００４９】
実施例１の構造を採用することにより、フォトダイオード２３の伝播方向に関しても、最大ピーク強度が平準化されている。これは、フォトダイオード２２の入射側の縁（ｘ座標が０の位置）のみならず、入射側の縁から伝播方向に進行した位置においても、幅方向に関して平準化された光強度分布が維持されていることを意味する。
【００５０】
図４及び図５Ａのシミュレーション結果から、実施例１による受光装置においては、最大ピーク強度を低減させ、局所的なフォトキャリア密度の過度の上昇を抑制できることがわかる。これにより、入力光の光強度が高くなっても、フォトキャリアの蓄積に起因する動作帯域幅の劣化を抑制することができる。
【００５１】
図３Ｃ及び図３Ｄに、実施例１の変形例１及び変形例２による受光装置の一部の平面図を示す。図３Ｃに示した変形例１においては、フォトダイオード２２の広がり半角が、テーパ導波路２１の広がり半角θより小さい。図３Ｄに示した変形例２においては、フォトダイオード２２の幅が、伝播方向に関して一定である。
【００５２】
図５Ｂに、図３Ｂに示した実施例１、図３Ｃ及び図３Ｄに示した変形例１及び変形例２による受光装置のフォトダイオード２２内における最大ピーク強度の分布を示す。横軸は、光の伝播方向の位置（ｘ座標）を単位「μｍ」で表し、縦軸は、最大ピーク強度を任意単位で表す。図５Ｂの中実菱形記号、中空三角記号、及び中空四角記号は、それぞれ図３Ｂ、図３Ｃ、及び図３Ｄに示した受光装置における最大ピーク強度を示す。
【００５３】
図３Ｃ及び図３Ｄに示した変形例１及び変形例２における最大ピーク強度は、図３Ａに示した実施例１における最大ピーク強度より小さいことがわかる。最大ピーク強度を小さくするためには、フォトダイオード２２の広がり半角を、テーパ導波路２１の広がり半角より小さくするか、またはフォトダイオード２２を等幅にすること（広がり半角を０°にすること）が好ましい。
【００５４】
フォトダイオード２２の広がり半角を、テーパ導波路２１の広がり半角より小さくするか、またはフォトダイオード２２を等幅にすると、フォトダイオード２２の面積も小さくなる。このため、寄生容量を低減させることができる。
【００５５】
フォトダイオード２２の幅を、テーパ導波路２１から遠ざかる向きに向かって徐々に狭くすると、フォトダイオード２２の内部において、最大ピーク強度の増大が助長されてしまう。このため、フォトダイオード２２の幅を一定にするか、またはテーパ導波路２１の出射端から遠ざかる向きに徐々に広げることが好ましい。
【００５６】
図６を参照して、テーパ導波路２１の広がり半角θの好適値について説明する。テーパ導波路２１の出射端の幅Ｗｏが７μｍから１２μｍの範囲内で異なり、広がり半角θも異なる複数の評価対象について、出射端における光強度分布の最大ピーク強度を求めた。テーパ導波路２１の入射端の幅Ｗｉは４．５μｍとした。図６に、テーパ導波路２１の出射端の幅と、広がり半角θとの好適な範囲を示す。横軸は、テーパ導波路２１の出射端の幅Ｗｏを単位「μｍ」で表し、縦軸は、テーパ導波路２１の広がり半角を単位「°」で表す。
【００５７】
中実四角記号は、テーパ導波路２１の出射端における光強度分布の最大ピーク強度が最も低くなる広がり半角を示す。このときのピーク値を「参照ピーク強度」といい、広がり半角を「最適広がり半角」ということとする。広がり半角θを最適広がり半角から小さくしても、または大きくしても、最大ピーク強度は参照ピーク強度より高くなる。最大ピーク強度が参照ピーク強度の１．１倍になる広がり半角のうち、最適広がり半角より大きい方の角度を「広がり半角上限値」といい、最適広がり半角より小さい方の角度を「広がり半角下限値」ということとする。図６の中空菱形記号、及び中空三角記号は、それぞれ広がり半角上限値、及び広がり半角下限値を示す。
【００５８】
出射端の幅をＷｏ［μｍ］とし、広がり半角をθ［°］とすると、出射端の幅Ｗｏごとに算出された広がり半角下限値を連ねる曲線を近似する２次曲線は、
θ＝−０．０８３２Ｗｏ２＋２．３６６７Ｗｏ−１１．４５３
と表される。出射端の幅Ｗｏごとに算出された広がり半角上限値を連ねる曲線を近似する２次曲線は、
θ＝−０．０３９２Ｗｏ２＋１．１６１１Ｗｏ＋０．０１４５
と表される。広がり半角θを、
θ≧−０．０８Ｗｏ２＋２．３７Ｗｏ−１１．５、かつ
θ≦−０．０４Ｗｏ２＋１．１６Ｗｏ＋０．０１４５
の範囲内とすることにより、最大ピーク強度を、参照ピーク強度の１．１倍以下とすることができる。
【００５９】
なお、最適広がり半角を連ねる近似曲線は、
θ＝−０．０２５Ｗｏ２＋１．１５７３ｏ−３．６９９４
と表される。
【００６０】
なお、フォトダイオード２２の広がり半角θｐｄ［°］は、
０≦θｐｄ≦−０．０４Ｗｏ２＋１．１６Ｗｏ＋０．０１４５
の範囲内とすることが好ましい。
【００６１】
導波路を伝播する光の波長が変わると、入射導波路２０、テーパ導波路２１、及びフォトダイオード２２の平面形状を、縦横比の比率を維持したまま拡大または縮小すればよい。このため、伝播する光の波長が変わっても、広がり半角θの好適な範囲は、ほぼ上述の範囲に保たれる。
【００６２】
図７を参照して、入射導波路２０に対するテーパ導波路２１の入射端の拡幅量の好適値について説明する。入力導波路２０の出射端の幅Ｗｏが７μｍから１２μｍの範囲内で異なり、テーパ導波路２１の入射端の幅Ｗｉも異なる複数の評価対象について、出射端における最大ピーク強度を求めた。入射導波路２０の幅Ｗｓは２．５μｍとし、テーパ導波路２１の広がり半角θは、幅Ｗｉの各々において最大ピーク強度が最も低くなる値とした。
【００６３】
図７の横軸は、テーパ導波路２１の出射端の幅Ｗｏを単位「μｍ」で表し、縦軸は、テーパ導波路２１の入射端の片側の拡幅量を、単位「μｍ」で表す。片側の拡幅量は、（Ｗｉ−Ｗｓ）／２に等しい。
【００６４】
中実四角記号は、最大ピーク強度が最も低くなる片側の拡幅量を示す。このときの最大ピーク強度を「参照ピーク強度」といい、片側の拡幅量を「最適拡幅量」ということとする。拡幅量を最適拡幅量から小さくしても、または大きくしても、最大ピーク強度は参照ピーク強度より高くなる。最大ピーク強度が参照ピーク強度の１．１倍になる拡幅量のうち、最適拡幅量より大きい方の拡幅量を「拡幅量上限値」といい、最適拡幅量より小さい方の拡幅量を「拡幅量下限値」ということとする。図７の中空三角記号、及び中空菱形記号は、それぞれ拡幅量上限値、及び拡幅量下限値を示す。
【００６５】
テーパ導波路２１の出射端の幅が、少なくとも７μｍ〜１２μｍの範囲内という条件で、片側の拡幅量を０．５μｍ〜１．５μｍの範囲内にすると、最大ピーク強度が参照ピーク強度の１．１倍以下に収まることがわかる。片側の拡幅量が０．５μｍ及び１．５μｍのとき、テーパ導波路２１の入射端の幅Ｗｉは、入力導波路２０の幅Ｗｓの１．４倍及び２．２倍になる。
【００６６】
伝播する光の波長が変わると、導波路の平面形状を、縦横比を保った状態で拡大または縮小すればよい。従って、一般的には、テーパ導波路２１の入射端の幅を、入力導波路２０の幅の１．４倍〜２．２倍の範囲内にすることが好ましい。
【００６７】
フォトダイオード２２の光吸収効率を高めるためには、その面積を広くすることが好ましい。ただし、面積を広くすると寄生容量が大きくなるため、フォトダイオード２２の大面積化は、動作帯域を広帯域にするという観点では好ましくない。フォトダイオード２２の面積は、所望の帯域幅、及び光吸収効率に基づいて決定される。フォトダイオード２２に入射した光の大部分は、入射側の縁から１２μｍ程度伝播する間に吸収される。従って、フォトダイオード２２の伝播方向の長さを、１２μｍ程度より長くしても、光吸収効率を高める点では大きな効果は期待できない。
【００６８】
フォトダイオード２２の面積及び長さから、その幅が決定される。フォトダイオード２２の幅は、テーパ導波路２１の出射端の幅と等しい。上述の考察を踏まえて、テーパ導波路２１の出射端の幅は、入力導波路２０の幅の２倍〜６倍の範囲内とすることが好ましい。
【００６９】
［実施例２］
図８に、実施例２による受光装置の一部の平面図を示す。以下、図３Ｄに示した実施例１の変形例２と比較し、異なる構成について説明する。図３Ｄに示した変形例２では、フォトダイオード２２の幅が、テーパ導波路２１の出射端の幅Ｗｏと等しい。実施例２においては、フォトダイオード２２の幅Ｗｐが、テーパ導波路２１の出射端の幅Ｗｏよりも広い。幅方向に関して、フォトダイオード２２の中心は、テーパ導波路２１の中心と一致している。テーパ導波路２１の出射端の幅Ｗｏに対するフォトダイオード２２の幅Ｗｐの片側の拡幅量Ｄは、
Ｄ＝（Ｗｐ−Ｗｏ）／２
と表される。
【００７０】
コア層３２（図２Ａ、図２Ｂ）の側方に埋込半導体層３５を配置した埋込型導波路においては、伝播する光がコア層３２から側方に染み出る。波長１．５５μｍの光が伝播する場合、染み出しの長さは０．２μｍ程度である。フォトダイオード２２の幅Ｗｐを、テーパ導波路２１の出射端の幅Ｗｏより広くすることにより、テーパ導波路２１から側方に染み出した光の成分を、フォトダイオード２２に取り込むことができる。
【００７１】
フォトダイオード２２の幅Ｗｐを広くしすぎると、寄生容量が大きくなってしまう。染み出し成分を取り込み、かつ寄生容量の増大を抑制するために、フォトダイオード２２の片側の拡幅量Ｄを、０．３μｍ以下にすることが好ましい。染み出し成分取り込みの十分な効果を得るためには、片側の拡幅量Ｄを、０．１μｍ以上にすることが好ましい。
【００７２】
［実施例３］
図９に、実施例３による光コヒーレントレシーバの平面図を示す。実施例３による光コヒーレントレシーバは、ＱＰＳＫ方式に適用される。
【００７３】
半絶縁性の基板５０の上に、ハイブリッド導波路５１、第１〜第４の受光素子７０Ａ〜７０Ｄが形成されている。ハイブリッド導波路５１は、４入力４出力のＭＭＩ導波路で構成される。ＭＭＩ導波路の入力端に、第１〜第４入力ポートが、図９において上から下に向かって順番に配置され、出路端に、第１〜第４出力ポートが、上から下に向かって順番に配置されている。
【００７４】
ハイブリッド導波路５１の第２入力ポートに変調信号光導波路５２が接続され、第４入力ポートにローカルオシレータ光導波路５３が接続されている。第１入力ポート及び第３入力ポートには、導波路が接続されていない。第１〜第４の受光素子７０Ａ〜７０Ｄは、ハイブリッド導波路５１の第１出力ポートから第４出力ポートに向かう向きと同じ向きに、この順番に配列している。
【００７５】
第１の受光素子７０Ａは、入力導波路６０Ａ、テーパ導波路６１Ａ、フォトダイオード６２Ａ、ｎ型クラッド層６３Ａ、ｐ側電極パッド６５Ａ、及びｎ側電極パッド６６Ａを含む。第２〜第４の受光素子７０Ｂ〜７０Ｄも、第１の受光素子７０Ａと同一の構成を有する。
【００７６】
第１〜第４の受光素子７０Ａ〜７０Ｄの各々は、上記実施例１または実施例２による受光装置と同一の構成を有する。例えば、基板５０が、実施例１の基板３０（図１Ｂ、図２Ａ〜図２Ｃ）に対応する。入力導波路６０Ａ、テーパ導波路６１Ａ、及びフォトダイオード６２Ａが、それぞれ実施例１の入力導波路２０、テーパ導波路２１、及びフォトダイオード２２（図１Ａ、図１Ｂ）に対応する。ｐ側電極パッド６５Ａ及びｎ側電極パッド６６Ａが、それぞれ実施例１のｐ側電極パッド２５及びｎ側電極パッド２６（図１Ａ）に対応する。
【００７７】
第１、第２、第３、第４の受光素子７０Ａ、７０Ｂ、７０Ｃ、７０Ｄの入力導波路６０Ａ、６０Ｂ、６０Ｃ、６０Ｄが、それぞれハイブリッド導波路５１の第１、第４、第２、第３出力ポートに接続されている。第２の受光素子７０Ｂの入力導波路６０Ｂは、第３の受光素子７０Ｃの入力導波路６０Ｃ、及び第４の受光素子７０Ｄの入力導波路６０Ｄと交差している。交差角度を直角に近づけることにより、入力導波路間のクロストークは、無視できる程度まで小さくすることができる。
【００７８】
ＱＰＳＫの変調信号光が、変調信号光導波路５２を伝播して、ハイブリッド導波路５１に入力される。ローカルオシレータ光が、ローカルオシレータ光導波路５３を伝播して、ハイブリッド導波路５１に入力される。ＱＰＳＫの変調信号光が強度変調信号光に変換されて、第１〜第４出力ポートから出力される。ＱＰＳＫ方式のＩチャネル信号が、第１、第２の受光素子７０Ａ、７０Ｂから取り出され、Ｑチャネル信号が、第３、第４の受光素子７０Ｃ、７０Ｄから取り出される。
【００７９】
第１〜第４の受光素子７０Ａ〜７０Ｄのｎ型クラッド層は、隣接する受光素子間で直接導通しないように、受光素子の間に溝等を形成することによって、相互に分離されている。このため、第１〜第４の受光素子７０Ａ〜７０Ｄの間で、十分に電気的な分離を行うことができる。その結果、フォトダイオード間のクロストークを低減させ、エラーの発生を抑制することができる。ｎ型クラッド層を分離する溝の形成方法について、図２Ｃを参照して説明する。
【００８０】
埋込半導体層３５を形成した後、溝を形成すべき領域に開口を持つマスクパターンを形成する。このマスクパターンは、例えば酸化シリコンで形成される。マスクパターンをエッチングマスクとして、ｎ型クラッド層３１の底面まで到達する溝を形成する。その後、マスクパターンを除去する。
【００８１】
実施例３では、第１〜第４の受光素子７０Ａ〜７０Ｄに、実施例１または実施例２による受光装置が用いられている。このため、フォトダイオード内における光強度分布の最大ピーク強度を抑制することができる。これにより、ローカルオシレータ光の強度を増大させた場合の動作帯域幅の劣化を抑制することができる。
【００８２】
［実施例４］
図１０に、実施例４による光コヒーレントレシーバモジュールの平面図を示す。実施例４による光コヒーレントレシーバモジュールは、二偏波四位相偏移変調（ＤＰ−ＱＰＳＫ）方式に適用される。
【００８３】
実装基板８０に、第１、第２の光コヒーレントレシーバ８１、８２、第１、第２のビームスプリッタ８７、８８が実装されている。第１、第２の光コヒーレントレシーバ８１、８２は、図９に示した実施例３による光コヒーレントレシーバと同一の構成を有する。実装基板８０に、信号光用光ファイバ８５及びローカルオシレータ光用光ファイバ８６が取り付けられている。信号光用光ファイバ８５は、ＤＰ−ＱＰＳＫ方式の信号光を伝播させ、ローカルオシレータ光用光ファイバ８６は、ローカルオシレータ光を伝播させる。信号光は、相互に直交する第１及び第２の偏波成分を有する。２つの偏波成分は、異なる信号を伝送している。
【００８４】
信号光用光ファイバ８５を伝播した信号光が、第１のビームスプリッタ８７で、第１の偏波成分と第２の偏波成分とに分岐される。第１の偏波成分は、第１の光コヒーレントレシーバ８１の変調信号光導波路９０に入射し、第２の偏波成分は、第２の光コヒーレントレシーバ８２の変調信号光導波路９２に入射する。ローカルオシレータ光も第１の偏波成分と第２の偏波成分とを含む。ローカルオシレータ光用光ファイバ８６を伝播したローカルオシレータ光が、第２のビームスプリッタ８８で、第１の偏波成分と第２の偏波成分とに分岐される。第１の偏波成分は、第１の光コヒーレントレシーバ８１のローカルオシレータ光導波路９１に入射し、第２の偏波成分は、第２の光コヒーレントレシーバ８２のローカルオシレータ光導波路９３に入射する。なお、必要に応じて、実装基板８０に集光レンズが搭載される。
【００８５】
第１の光コヒーレントレシーバ８１の後段に、第１、第２のトランスインピーダンス増幅器９５、９６が配置され、第２の光コヒーレントレシーバ８２の後段に、第３、第４のトランスインピーダンス増幅器９７、９８が配置されている。
【００８６】
第１の光コヒーレントレシーバ８１のＩチャネル用受光素子１０１の４つの電極パッドが第１のトランスインピーダンス増幅器９５に接続され、Ｑチャネル用受光素子１０２の４つの電極パッドが第２のトランスインピーダンス増幅器９６に接続されている。第２の光コヒーレントレシーバ８２のＩチャネル用受光素子１０３の４つの電極パッドが第３のトランスインピーダンス増幅器９７に接続され、Ｑチャネル用受光素子１０４の４つの電極パッドが第４のトランスインピーダンス増幅器９８に接続されている。
【００８７】
第１、第２の光コヒーレントレシーバ８１、８２が、図９に示した実施例３による光コヒーレントレシーバと同一の構成を有するため、高出力、広帯域動作が可能である。
【００８８】
上記実施例１〜実施例４では、信号光の波長が１．５５μｍ帯である場合について説明した。伝播する信号光の波長が他の波長域の場合には、クラッド層、コア層、光吸収層等の半導体材料を、信号光の波長域に適したものに置き換えればよい。また、フォトダイオード２２の光吸収層３７（図１Ｂ）をノンドープの半導体で形成したが、光吸収層３７の一部分または全域をｐ型またはｎ型の半導体で形成してもよい。
【００８９】
導波路の及びフォトダイオードの側方が、埋込半導体層３５（図２Ａ〜図２Ｃ）で埋め込まれた埋込型導波路を採用したが、他の構造の導波路を採用してもよい。例えば、ハイメサ型導波路、リッジ型導波路等を採用してもよい。また、基板３０として、半絶縁性の半導体に代えて、ｎ型またはｐ型の半導体を用いてもよいし、サファイア等の絶縁材料を用いてもよい。
【００９０】
図１Ｂに示したように、コア層３２の厚さと光吸収層３７の厚さとを同一としたが、目的に応じて両者の厚さを異ならせてもよい。また、ｐ側引出電極２７をエアブリッジ構造にする代わりに、半絶縁性の埋込半導体層３５の上にｐ側電極パッド２５を配置してもよい。
【００９１】
図３Ｃ及び図３Ｄに示した構成例において、広がり半角θが変化する位置（ｘ座標が０の位置）が、図１Ｂに示したコア層３２と光吸収層３７との境界に厳密に一致する必要はない。両者の位置が、光の伝播方向（ｘ方向）に若干ずれても十分な効果が得られる。
【００９２】
実施例３及び実施例４では、実施例１及び実施例２による受光装置を光コヒーレントレシーバに適用した。実施例１及び実施例２による受光装置は、その他の受信装置に適用することも可能である。
【００９３】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【符号の説明】
【００９４】
２０ 入力導波路
２１ テーパ導波路
２２ フォトダイオード
２４ ＭＭＩ導波路
２５ ｐ側電極
２６ ｎ側電極
２７ ｐ側引出電極
２８ ｎ側引出電極
３０ 基板
３１ ｎ型クラッド層
３２ コア層
３３ 上部クラッド層
３５ 埋込半導体層
３７ 光吸収層
３８ ｐ型クラッド層
３９ コンタクト層
４０ 保護膜
５０ 基板
５１ ハイブリッド導波路
５２ 変調信号光導波路
５３ ローカルオシレータ光導波路
６０Ａ 入力導波路
６１Ａ テーパ導波路
６２Ａ フォトダイオード
６３Ａ ｎ型クラッド層
６５Ａ ｐ側電極パッド
６６Ａ ｎ側電極パッド
７０Ａ 第１の受光素子
７０Ｂ 第２の受光素子
７０Ｃ 第３の受光素子
７０Ｄ 第４の受光素子
８０ 実装基板
８１ 第１の光コヒーレントレシーバ
８２ 第２の光コヒーレントレシーバ
８５ 信号光用光ファイバ
８６ ローカルオシレータ光用光ファイバ
８７ 第１のビームスプリッタ
８８ 第２のビームスプリッタ
９１、９３ 変調信号光導波路
９２、９４ ローカルオシレータ光導波路
９５ 第１のトランスインピーダンス増幅器
９６ 第２のトランスインピーダンス増幅器
９７ 第３のトランスインピーダンス増幅器
９８ 第４のトランスインピーダンス増幅器
１０１、１０３ Ｉチャネル用受光素子
１０２、１０４ Ｑチャネル用受光素子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成された入力導波路と、
前記基板の上に形成されたフォトダイオードと、
前記基板の上に形成され、前記入力導波路と前記フォトダイオードとを接続し、前記入力導波路に接続された入力端から、前記フォトダイオードに接続された出力端に向かって、幅が広がるテーパ導波路と
を有し、
前記テーパ導波路の広がり半角は、前記入力導波路から信号光が入力されると、高次モードを励振する大きさであり、
前記フォトダイオードの幅は一定であるか、または前記テーパ導波路の出力端から遠ざかる向きに広がっており、その広がり半角は、前記テーパ導波路の広がり半角以下である受光装置。
【請求項２】
基板上に形成された入力導波路と、
前記基板の上に形成されたフォトダイオードと、
前記基板の上に形成され、前記入力導波路と前記フォトダイオードとを接続し、前記入力導波路に接続された入力端から、前記フォトダイオードに接続された出力端に向かって、幅が広がるテーパ導波路と
を有し、
前記テーパ導波路と前記フォトダイオードとの接続箇所における前記テーパ導波路の幅を、Ｗｏ［μｍ］とし、前記テーパ導波路の広がり半角をθ［°］としたとき、広がり半角θは、
θ≧−０．０８Ｗｏ２＋２．３７Ｗｏ−１１．５、かつ
θ≦−０．０４Ｗｏ２＋１．１６Ｗｏ＋０．０１４５
の範囲内であり、
前記フォトダイオードの幅は、前記テーパ導波路との接続箇所において、前記テーパ導波路の出射端の幅以上であり、前記テーパ導波路の出力端から遠ざかる向きに広がっており、その広がり半角θｐｄは、
０≦θｐｄ≦−０．０４Ｗｏ２＋１．１６Ｗｏ＋０．０１４５
の範囲内である受光装置。
【請求項３】
前記テーパ導波路と前記フォトダイオードとの接続箇所において、前記フォトダイオードの幅が、前記テーパ導波路の前記出力端の幅よりも両側に広がっており、片側の広がり幅が、０．１μｍ〜０．３μｍの範囲内である請求項１または２に記載の受光装置。
【請求項４】
前記テーパ導波路と前記フォトダイオードとの接続箇所において、前記フォトダイオードの幅が、前記テーパ導波路の前記出力端の幅と同一である請求項１または２に記載の受光装置。
【請求項５】
前記入力導波路と前記テーパ導波路との接続箇所において、前記テーパ導波路の幅が前記入力導波路の幅よりも広い請求項１乃至４のいずれか１項に記載の受光装置。
【請求項６】
前記テーパ導波路の前記入力端において、前記入力導波路の中心と前記テーパ導波路の中心とが一致し、前記テーパ導波路の幅が、前記入力導波路の幅の１．４倍〜２．２倍の範囲内である請求項５に記載の受光装置。
【請求項７】
前記テーパ導波路の前記出力端における幅が、前記入力導波路の幅の２倍〜６倍の範囲内である請求項１乃至６のいずれか１項に記載の受光装置。
【請求項８】
前記テーパ導波路の前記出力端において、前記フォトダイオードの幅が、前記テーパ導波路の幅と等しいか、または前記テーパ導波路の幅よりも広い請求項１乃至７のいずれか１項に記載の受光装置。
【請求項９】
基板の上に形成され、２つの入力ポートに、それぞれ位相偏移変調された信号光及びローカルオシレータ光が入力され、複数の出力ポートに、それぞれ位相偏移変調された信号光が強度変調信号光に変換されて出力されるハイブリッド導波路と、
前記基板の上に形成され、前記ハイブリッド導波路の前記出力ポートにそれぞれ接続された複数の入力導波路と、
前記基板の上に形成され、前記入力導波路に対応して配置されたフォトダイオードと、
前記基板の上に形成され、前記入力導波路と、対応する前記フォトダイオードとを接続するテーパ導波路と
を有し、
前記テーパ導波路の各々の広がり半角は、前記入力導波路から信号光が入力されると、高次モードを励振する大きさであり、
前記フォトダイオードの各々の幅は一定であるか、または前記テーパ導波路の出力端から遠ざかる向きに広がっており、その広がり半角は、前記テーパ導波路の広がり半角以下である受光装置。
【請求項１０】
さらに、前記フォトダイオードから電気信号が入力されるトランスインピーダンス増幅器を有する請求項９に記載の受光装置。
【請求項１】
基板上に形成された入力導波路と、
前記基板の上に形成されたフォトダイオードと、
前記基板の上に形成され、前記入力導波路と前記フォトダイオードとを接続し、前記入力導波路に接続された入力端から、前記フォトダイオードに接続された出力端に向かって、幅が広がるテーパ導波路と
を有し、
前記テーパ導波路の広がり半角は、前記入力導波路から信号光が入力されると、高次モードを励振する大きさであり、
前記フォトダイオードの幅は一定であるか、または前記テーパ導波路の出力端から遠ざかる向きに広がっており、その広がり半角は、前記テーパ導波路の広がり半角以下である受光装置。
【請求項２】
基板上に形成された入力導波路と、
前記基板の上に形成されたフォトダイオードと、
前記基板の上に形成され、前記入力導波路と前記フォトダイオードとを接続し、前記入力導波路に接続された入力端から、前記フォトダイオードに接続された出力端に向かって、幅が広がるテーパ導波路と
を有し、
前記テーパ導波路と前記フォトダイオードとの接続箇所における前記テーパ導波路の幅を、Ｗｏ［μｍ］とし、前記テーパ導波路の広がり半角をθ［°］としたとき、広がり半角θは、
θ≧−０．０８Ｗｏ２＋２．３７Ｗｏ−１１．５、かつ
θ≦−０．０４Ｗｏ２＋１．１６Ｗｏ＋０．０１４５
の範囲内であり、
前記フォトダイオードの幅は、前記テーパ導波路との接続箇所において、前記テーパ導波路の出射端の幅以上であり、前記テーパ導波路の出力端から遠ざかる向きに広がっており、その広がり半角θｐｄは、
０≦θｐｄ≦−０．０４Ｗｏ２＋１．１６Ｗｏ＋０．０１４５
の範囲内である受光装置。
【請求項３】
前記テーパ導波路と前記フォトダイオードとの接続箇所において、前記フォトダイオードの幅が、前記テーパ導波路の前記出力端の幅よりも両側に広がっており、片側の広がり幅が、０．１μｍ〜０．３μｍの範囲内である請求項１または２に記載の受光装置。
【請求項４】
前記テーパ導波路と前記フォトダイオードとの接続箇所において、前記フォトダイオードの幅が、前記テーパ導波路の前記出力端の幅と同一である請求項１または２に記載の受光装置。
【請求項５】
前記入力導波路と前記テーパ導波路との接続箇所において、前記テーパ導波路の幅が前記入力導波路の幅よりも広い請求項１乃至４のいずれか１項に記載の受光装置。
【請求項６】
前記テーパ導波路の前記入力端において、前記入力導波路の中心と前記テーパ導波路の中心とが一致し、前記テーパ導波路の幅が、前記入力導波路の幅の１．４倍〜２．２倍の範囲内である請求項５に記載の受光装置。
【請求項７】
前記テーパ導波路の前記出力端における幅が、前記入力導波路の幅の２倍〜６倍の範囲内である請求項１乃至６のいずれか１項に記載の受光装置。
【請求項８】
前記テーパ導波路の前記出力端において、前記フォトダイオードの幅が、前記テーパ導波路の幅と等しいか、または前記テーパ導波路の幅よりも広い請求項１乃至７のいずれか１項に記載の受光装置。
【請求項９】
基板の上に形成され、２つの入力ポートに、それぞれ位相偏移変調された信号光及びローカルオシレータ光が入力され、複数の出力ポートに、それぞれ位相偏移変調された信号光が強度変調信号光に変換されて出力されるハイブリッド導波路と、
前記基板の上に形成され、前記ハイブリッド導波路の前記出力ポートにそれぞれ接続された複数の入力導波路と、
前記基板の上に形成され、前記入力導波路に対応して配置されたフォトダイオードと、
前記基板の上に形成され、前記入力導波路と、対応する前記フォトダイオードとを接続するテーパ導波路と
を有し、
前記テーパ導波路の各々の広がり半角は、前記入力導波路から信号光が入力されると、高次モードを励振する大きさであり、
前記フォトダイオードの各々の幅は一定であるか、または前記テーパ導波路の出力端から遠ざかる向きに広がっており、その広がり半角は、前記テーパ導波路の広がり半角以下である受光装置。
【請求項１０】
さらに、前記フォトダイオードから電気信号が入力されるトランスインピーダンス増幅器を有する請求項９に記載の受光装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１２−１９９３７３（Ｐ２０１２−１９９３７３Ａ）
【公開日】平成２４年１０月１８日（２０１２．１０．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−６２２９１（Ｐ２０１１−６２２９１）
【出願日】平成２３年３月２２日（２０１１．３．２２）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月１８日（２０１２．１０．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月２２日（２０１１．３．２２）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]