(57)【要約】【課題】高次モード発生による影響を抑制しつつ、光損失を低減し、埋め込み時の異常成長を低減し、設計時間およびレイアウト作成時間の短縮を可能とする光９０°ハイブリッド素子を提供する。【解決手段】光９０°ハイブリッド素子は、基板に設けられた光９０°ハイブリッド回路と、基板に設けられ、光９０°ハイブリッド回路の入力側と光学的に結合されるＭ本（Ｍは２以上の整数）の入力光導波路と、基板に設けられ、光９０°ハイブリッド回路の出力側と光学的に結合されるＮ本（Ｎは２以上の整数）の出力光導波路と、を備える。Ｍ本の入力光導波路並びにＮ本の出力光導波路は湾曲部をそれぞれ含む。各入力光導波路の湾曲部の中心軸線は、隣接する直線部の中心軸線に対して内側にオフセットされている。各出力光導波路の湾曲部の中心軸線はレイズドサインカーブに沿っている。【選択図】図１
2020030333.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板に設けられた光９０°ハイブリッド回路と、
前記基板に設けられ、前記光９０°ハイブリッド回路の入力側と光学的に結合されるＭ本（Ｍは２以上の整数）の入力光導波路と、
前記基板に設けられ、前記光９０°ハイブリッド回路の出力側と光学的に結合されるＮ本（Ｎは２以上の整数）の出力光導波路と、
を備え、
前記Ｍ本の入力光導波路並びに前記Ｎ本の出力光導波路は湾曲部をそれぞれ含み、
各入力光導波路の前記湾曲部の中心軸線は、隣接する直線部の中心軸線に対して内側にオフセットされており、
各出力光導波路の前記湾曲部の中心軸線はレイズドサインカーブに沿っている、光９０°ハイブリッド素子。
【請求項２】
前記Ｍ本の入力光導波路のうち少なくとも１本の前記入力光導波路は、ＱＰＳＫ方式により変調された信号光を前記光９０°ハイブリッド回路に導入し、
前記Ｍ本の入力光導波路のうち他の少なくとも１本の前記入力光導波路は、局部発振光を前記光９０°ハイブリッド回路に導入し、
前記Ｎ本の出力光導波路のうち少なくとも２本の前記出力光導波路は、前記光９０°ハイブリッド回路により抽出された同相成分を差動信号として伝搬し、
前記Ｎ本の出力光導波路のうち他の少なくとも２本の前記出力光導波路は、前記光９０°ハイブリッド回路により抽出された直交成分を差動信号として伝搬する、請求項１に記載の光９０°ハイブリッド素子。
【請求項３】
各出力光導波路の前記湾曲部の外側面に沿って延びるダミー光導波路を更に備える、請求項１または２に記載の光９０°ハイブリッド素子。
【請求項４】
各出力光導波路の前記湾曲部の外側面に沿って延びる第１のダミー光導波路と、
各出力光導波路の前記湾曲部の内側面に沿って延びる第２のダミー光導波路と、
を更に備える、請求項１または２に記載の光９０°ハイブリッド素子。
【請求項５】
前記基板上に設けられ、前記Ｎ本の出力光導波路それぞれの前記光９０°ハイブリッド回路とは反対側の一端と光学的に結合されたＮ個の導波路型フォトダイオード構造を更に備える、請求項１〜４のいずれか１項に記載の光９０°ハイブリッド素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光９０°ハイブリッド素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、光通信のための光学素子及びデバイスに関する技術が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第２０１０／０９５０１８号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載されたデバイスでは、多モード干渉導波路（Multi-ModeInterferometer，ＭＭＩ）により構成された光９０°ハイブリッドと、光９０°ハイブリッドの４つの出力導波路端に結合される導波路型フォトダイオードとが、共通の基板上にモノリシックに集積されている。このデバイスでは、一方の入力光導波路から信号光が、他方の入力光導波路から局部発振光がそれぞれ入力され、光９０°ハイブリッドでの干渉により該信号光が４つの信号成分に変換・分離される。これら４つの信号成分は、それぞれ対応する出力光導波路を経て、導波路型フォトダイオードにおいて電気信号に変換される。
【０００５】
入力光導波路及び出力光導波路の湾曲部では、導波光の損失や高次モードの発生を低減するために、両側に隣接する直線部との間における導波光の強度分布の中心のずれを抑制することが望まれる。湾曲部では、導波光の強度分布の中心が、光導波路の中心軸線に対して外側に偏る。導波光の強度分布の中心を連続させるためには、湾曲部の中心軸線を直線部の中心軸線に対して僅かに内側にずらす（オフセットする）ことが有効である。
【０００６】
しかしながら、湾曲部を直線部に対してオフセットさせると、光導波路の側面に不連続点（段差）が生じる。光導波路が埋め込み型である場合、この不連続点は、光導波路を埋め込む際に異常成長を引き起こす。また、湾曲部の中心軸線と、湾曲部に隣接する直線部の中心軸線とが不連続となるため、設計の際に光導波路を複数の小区間に分割し、数値計算により損失の最適化を行う必要がある。このことは、設計時間およびレイアウト作成時間の短縮を妨げる要因となる。
【０００７】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、高次モード発生による影響を抑制しつつ、光損失を低減し、埋め込み時の異常成長を低減し、設計時間およびレイアウト作成時間の短縮を可能とする光９０°ハイブリッド素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題を解決するために、一実施形態に係る光９０°ハイブリッド素子は、基板に設けられた光９０°ハイブリッド回路と、基板に設けられ、光９０°ハイブリッド回路の入力側と光学的に結合されるＭ本（Ｍは２以上の整数）の入力光導波路と、基板に設けられ、光９０°ハイブリッド回路の出力側と光学的に結合されるＮ本（Ｎは２以上の整数）の出力光導波路と、を備える。Ｍ本の入力光導波路並びにＮ本の出力光導波路は湾曲部をそれぞれ含み、Ｍ本の入力光導波路の湾曲部の中心軸線は、隣接する直線部の中心軸線に対して内側にオフセットされており、Ｎ本の出力光導波路の湾曲部の中心軸線はレイズドサインカーブに沿っている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の光９０°ハイブリッド素子によれば、高次モード発生による影響を抑制しつつ、光損失を低減し、埋め込み時の異常成長を低減し、設計時間およびレイアウト作成時間の短縮を可能とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、一実施形態に係る光９０°ハイブリッド素子を備える受光デバイスの構成を示す平面図である。
【図２】図２は図１に示されたII−II線に沿った断面を示している。
【図３】図３は図２の一部を拡大して示している。
【図４】図４は、図１に示されたIV−IV線に沿った断面を示している。
【図５】図５は、光９０°ハイブリッド素子２Ａを模式的に示す平面図である。
【図６】図６の（ａ）は、入力光導波路８ｂの湾曲部８２付近を拡大して示す平面図である。図６の（ｂ）は、出力光導波路８ｃ，８ｄの湾曲部８５付近を拡大して示す平面図である。
【図７】図７は、Ｓ字型曲線導波路を記述するための座標系（ｚ，ｘ）を示す図である。
【図８】図８は、Ｓ字型曲導波路と受光素子部とを集積した素子の受光感度特性の例を示すグラフである。
【図９】図９の（ａ）は、第１変形例に係る、出力光導波路８ｃ〜８ｆの湾曲部８５付近の構成を示す拡大平面図である。図９の（ｂ）は、第２変形例に係る、出力光導波路８ｃ〜８ｆの湾曲部８５付近の構成を示す拡大平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
［本発明の実施形態の説明］
最初に、本発明の実施形態の内容を列記して説明する。一実施形態に係る光９０°ハイブリッド素子は、基板に設けられた光９０°ハイブリッド回路と、該基板に設けられ、光９０°ハイブリッド回路の入力側と光学的に結合されるＭ本（Ｍは２以上の整数）の入力光導波路と、該基板に設けられ、光９０°ハイブリッド回路の出力側と光学的に結合されるＮ本（Ｎは２以上の整数）の出力光導波路と、を備える。Ｍ本の入力光導波路並びにＮ本の出力光導波路は湾曲部をそれぞれ含み、各入力光導波路の湾曲部の中心軸線は、隣接する直線部の中心軸線に対して内側にオフセットされており、各出力光導波路の湾曲部の中心軸線はレイズドサインカーブに沿っている。
【００１２】
光９０°ハイブリッド素子においては、光９０°ハイブリッド回路側における光導波路同士の間隔は狭く、光９０°ハイブリッド回路から遠ざかるに従って光導波路同士の間隔が広くなる。外部との光学的結合若しくは電気的接続を容易にするためである。故に、各光導波路は湾曲部を含むこととなる。上記の光９０°ハイブリッド素子においては、Ｍ本の入力光導波路とＮ本の出力光導波路とで湾曲部の形状が異なる。すなわち、各入力光導波路の湾曲部の中心軸線は、隣接する直線部の中心軸線に対して内側にオフセットされている。これにより、導波光の強度分布の中心を連続させることができる。故に、入力光導波路の湾曲部とその両側に隣接する直線部との間において、導波光の強度分布の中心のずれを抑制し、光損失及び高次モードの発生を低減できる。
【００１３】
一方、各出力光導波路の湾曲部の中心軸線はレイズドサインカーブに沿っている。レイズドサインカーブには、円弧により構成されたＳ字型曲線導波路のような曲率の不連続点がない。従って、出力光導波路の湾曲部の中心軸線がレイズドサインカーブに沿っていることにより、円弧により構成されたＳ字型曲線導波路と比較して、導波光の損失を低減できる。また、光導波路の中心軸線がレイズドサインカーブに沿う場合、湾曲部を直線部に対してオフセットする場合と異なり、光導波路の側面に不連続点（段差）が生じない。故に、出力光導波路を含む全ての光導波路の湾曲部を直線部に対してオフセットさせる場合と比較して、光導波路を埋め込む際に異常成長が生じる頻度を低減できる。更に、レイズドサインカーブは連続関数であることから、始点及び終点の位置から一義的に決定され、最適化計算は不要である。従って、出力光導波路を含む全ての光導波路の湾曲部を直線部に対してオフセットさせる場合と比較して、設計時間およびレイアウト作成時間を短縮することができる。
【００１４】
なお、湾曲部がレイズドサインカーブに沿う場合には、湾曲部を直線部に対してオフセットする場合と比較して、高次モードが生じ易い。しかしながら、出力光導波路を伝搬する光は光９０°ハイブリッド回路において干渉した後の光なので、仮に高次モードが発生して信号間の光強度に相対的な変化が生じたとしても、その影響は入力信号と比べて極めて小さい。よって、出力光導波路の湾曲部の中心軸線をレイズドサインカーブに沿わせたとしても、高次モード発生による影響は軽微である。
【００１５】
上記の光９０°ハイブリッド素子において、Ｍ本の入力光導波路のうち少なくとも１本の入力光導波路は、ＱＰＳＫ（Quadrature Phase Shift Keying：４位相偏移変調）方式により変調された信号光を光９０°ハイブリッド回路に導入し、Ｍ本の入力光導波路のうち他の少なくとも１本の入力光導波路は、局部発振光を光９０°ハイブリッド回路に導入し、Ｎ本の出力光導波路のうち少なくとも２本の出力光導波路は、光９０°ハイブリッド回路により抽出された同相成分を差動信号として伝搬し、Ｎ本の出力光導波路のうち他の少なくとも２本の出力光導波路は、光９０°ハイブリッド回路により抽出された直交成分を差動信号として伝搬してもよい。
【００１６】
デジタルコヒーレント伝送方式では、光９０°ハイブリッド回路をフォトダイオードの前段に配置する。光９０°ハイブリッド回路は、ＱＰＳＫ方式により変調された信号光と局部発振光とを相互に干渉させることにより、該信号光を直接検波が可能な４つの信号成分（同相成分の正相及び逆相、並びに直交成分の正相及び逆相）に変換・分離する。このような方式において、上記の光９０°ハイブリッド素子を用いることにより、高次モード発生による影響を抑制しつつ、光損失を低減することができる。故に、コヒーレント変調された信号光の受信精度を高める（ビット誤り率を低下させる）ことができる。
【００１７】
上記の光９０°ハイブリッド素子は、各出力光導波路の湾曲部の外側面に沿って延びるダミー光導波路を更に備えてもよい。これにより、ダミー光導波路と出力光導波路とが光方向性結合器を構成し、湾曲部での光損失を更に低減することができる。
【００１８】
上記の光９０°ハイブリッド素子は、各出力光導波路の湾曲部の外側面に沿って延びる第１のダミー光導波路と、各出力光導波路の湾曲部の内側面に沿って延びる第２のダミー光導波路と、を更に備えてもよい。これにより、光導波路を形成する際の光導波路形状の安定化（特に、導波路曲率の安定化）を図ることができる。また、第１のダミー光導波路と出力光導波路とが光方向性結合器を構成し、湾曲部での光損失を更に低減することができる。
【００１９】
上記の光９０°ハイブリッド素子は、基板上に設けられ、Ｎ本の出力光導波路それぞれの光９０°ハイブリッド回路とは反対側の一端と光学的に結合されたＮ個の導波路型フォトダイオード構造を更に備えてもよい。これにより、光電変換機能を有する小型の光９０°ハイブリッド素子を提供することができる。
【００２０】
［本発明の実施形態の詳細］
本発明の実施形態に係る光９０°ハイブリッド素子の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。以下の説明では、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００２１】
本発明の一実施形態は、主にコヒーレント光通信システムに使用される光９０°ハイブリッド回路と導波路型フォトダイオードとがモノリシック集積された光９０°ハイブリッド素子に関する。図１は、一実施形態に係る光９０°ハイブリッド素子を備える受光デバイスの構成を示す平面図である。図２は図１に示されたII−II線に沿った断面を示しており、図３は図２の一部を拡大して示している。図４は、図１に示されたIV−IV線に沿った断面を示している。
【００２２】
図１に示されるように、受光デバイス１Ａは、光９０°ハイブリッド素子２Ａと、信号増幅部３Ａ，３Ｂとを備えている。光９０°ハイブリッド素子２Ａは、略矩形状といった平面形状を有しており、例えばＩｎＰといった化合物半導体から成る基板上に光導波路が形成されて成る。光９０°ハイブリッド素子２Ａは、２つの入力ポート４ａ，４ｂと、基板上に設けられた光９０°ハイブリッド回路５と、該基板上に設けられた２本の入力光導波路８ａ，８ｂと、該基板上に設けられた４本の出力光導波路８ｃ〜８ｆとを有している。また、光９０°ハイブリッド素子２Ａは、該基板上に形成された受光素子部６ａ〜６ｄと、容量素子部７ａ〜７ｄとを更に有している。すなわち、光９０°ハイブリッド素子２Ａは、光９０°ハイブリッド回路５と受光素子部６ａ〜６ｄとが共通基板上にモノリシックに集積された構造を備えている。
【００２３】
光９０°ハイブリッド素子２Ａは、所定の方向Ａに沿って延びる一対の端縁２ａ，２ｂを有している。２つの入力ポート４ａ，４ｂは、光９０°ハイブリッド素子２Ａの端縁２ａ，２ｂのうち、一方の端縁２ａに設けられている。２つの入力ポート４ａ，４ｂのうち一方の入力ポート４ａは外部の光ファイバと光結合されており、ＱＰＳＫ方式によって変調された４つの信号成分を含む信号光Ｌａが該光ファイバを介して受光デバイス１Ａの外部より入力される。信号光Ｌａは、１５６５ｎｍ〜１６１２ｎｍの波長範囲、すなわちＩＴＵ−Ｔ（International Telecommunication Union TelecommunicationStandardization Sector）におけるＬバンド帯において波長多重化されている。また、他方の入力ポート４ｂには、局部発振光Ｌｂが入力される。入力ポート４ａ，４ｂそれぞれは、入力光導波路８ａ，８ｂそれぞれを介して光９０°ハイブリッド回路５と光学的に結合されている。換言すると、入力光導波路８ａの一端は入力ポート４ａと結合されており、入力ポート４ａとは反対側の入力光導波路８ａの他端は、光９０°ハイブリッド回路５の入力側と光学的に結合されている。入力光導波路８ａは、ＱＰＳＫ方式により変調された信号光Ｌａを光９０°ハイブリッド回路５に導入する。入力光導波路８ｂの一端は入力ポート４ｂと結合されており、入力ポート４ｂとは反対側の入力光導波路８ｂの他端は、光９０°ハイブリッド回路５の入力側と光学的に結合されている。入力光導波路８ｂは、局部発振光Ｌｂを光９０°ハイブリッド回路５に導入する。入力光導波路８ａ，８ｂは、屈折率が比較的大きい材料（例えばＩｎＧａＡｓＰ）から成るコア層と、屈折率がコア層よりも小さい材料（例えばＩｎＰ）から成りコア層を覆うクラッド層とによって好適に構成される。
【００２４】
光９０°ハイブリッド回路５は、ＭＭＩ（Multi-Mode Interference：多モード光干渉）カプラによって構成されており、信号光Ｌａと局部発振光Ｌｂとを相互に干渉させることによって、信号光Ｌａを、ＱＰＳＫ方式によって変調された４つの信号成分Ｌｃ１〜Ｌｃ４それぞれに分岐する。なお、これら４つの信号成分Ｌｃ１〜Ｌｃ４のうち、信号成分Ｌｃ１及びＬｃ２は同相（In-phase）成分である。また、信号成分Ｌｃ３及びＬｃ４は直角位相（Quadrature）成分である。
【００２５】
受光素子部６ａ〜６ｄは、ＰＩＮフォトダイオードとしての構成を有しており、光９０°ハイブリッド素子２Ａの端縁２ｂに沿って、この順で並んで配置されている。受光素子部６ａ〜６ｄそれぞれは、出力光導波路８ｃ〜８ｆそれぞれを介して光９０°ハイブリッド回路５の４つの出力端と光学的に結合されている。換言すると、出力光導波路８ｃ，８ｄの一端は光９０°ハイブリッド回路５の出力側と光学的に結合されており、光９０°ハイブリッド回路５とは反対側の出力光導波路８ｃ，８ｄそれぞれの他端は受光素子部６ａ，６ｂそれぞれと光学的に結合されている。出力光導波路８ｃ，８ｄは、光９０°ハイブリッド回路５により抽出された同相成分（信号成分Ｌｃ１及びＬｃ２）を差動信号として伝搬する。出力光導波路８ｅ，８ｆの一端は光９０°ハイブリッド回路５の出力側と光学的に結合されており、光９０°ハイブリッド回路５とは反対側の出力光導波路８ｅ，８ｆそれぞれの他端は受光素子部６ｃ，６ｄそれぞれと光学的に結合されている。出力光導波路８ｅ，８ｆは、光９０°ハイブリッド回路５により抽出された直交成分（信号成分Ｌｃ３及びＬｃ４）を差動信号として伝搬する。
【００２６】
受光素子部６ａ〜６ｄのカソードには、一定のバイアス電圧が供給される。受光素子部６ａ〜６ｄそれぞれは、４つの信号成分Ｌｃ１〜Ｌｃ４それぞれを光９０°ハイブリッド回路５から受け、これら信号成分Ｌｃ１〜Ｌｃ４それぞれの光強度に応じた電気信号（光電流）を生成する。光９０°ハイブリッド素子２Ａ上には、受光素子部６ａ〜６ｄのアノードに電気的に接続された信号出力用電極パッド２１ａ〜２１ｄが設けられている。信号出力用電極パッド２１ａ〜２１ｄは、光９０°ハイブリッド素子２Ａの端縁２ｂに沿って、方向Ａに沿って並んで設けられている。信号出力用電極パッド２１ａ〜２１ｄそれぞれは、ボンディングワイヤ２０ａ〜２０ｄそれぞれを介して、信号増幅部３Ａ，３Ｂの信号入力用電極パッド６１ａ〜６１ｄそれぞれと電気的に接続されている。
【００２７】
容量素子部７ａ〜７ｄは、下部金属層、上部金属層、および下部金属層と上部金属層との間に挟まれた絶縁膜４５によって構成される、いわゆるＭＩＭ（Metal-Insulator-Metal）キャパシタである。下部金属層および上部金属層は、例えばＴｉＷ／Ａｕ若しくはＴｉ／Ｐｔ／Ａｕといった積層構造を有する。容量素子部７ａ〜７ｄそれぞれは、光９０°ハイブリッド素子２Ａ上において受光素子部６ａ〜６ｄそれぞれに対し端縁２ｂに沿って並んで（隣り合って）配置されており、受光素子部６ａ〜６ｄそれぞれのカソードにバイアス電圧を供給するバイアス配線４２と、基準電位配線（ＧＮＤ線）との間に電気的に接続される。バイアス配線４２は、容量素子部７ａ〜７ｄの下部金属層として用いられる。また、容量素子部７ａ〜７ｄの上部金属層４３は、光９０°ハイブリッド素子２Ａの端縁２ｂに沿って配置された基準電位側電極パッド２３ａ〜２３ｄへ引き出されるか、若しくは基準電位側電極パッド２３ａ〜２３ｄになる。基準電位側電極パッド２３ａ〜２３ｄは、基板１０を貫通するビア（不図示）を介して、基板１０の裏面に設けられた裏面金属膜５０と電気的に接続される。容量素子部７ａ〜７ｄの下部金属層４２は、基板１０の内側に向けて延びている。これらの容量素子部７ａ〜７ｄによって、受光素子部６ａ〜６ｄのカソードと、図示しないバイパスコンデンサとの間のインダクタンス成分を設計的に揃えることができる。
【００２８】
容量素子部７ａ〜７ｄそれぞれは、下部金属層４２に接続されたバイアス電圧側電極パッド２２ａ〜２２ｄそれぞれを有している。基準電位側電極パッド２３ａ〜２３ｄは、方向Ａと交差する（例えば直交する）方向Ｂにおいて、バイアス電圧側電極パッド２２ａ〜２２ｄと光９０°ハイブリッド素子２Ａの端縁２ｂとの間に配置されている。バイアス電圧側電極パッド２２ａ〜２２ｄそれぞれには、ボンディングワイヤ２０ｉ〜２０ｍそれぞれの一端が接続されている。ボンディングワイヤ２０ｉ〜２０ｍそれぞれの他端は、図示しないバイアス電圧源と電気的に接続されている。ボンディングワイヤ２０ｉ〜２０ｍは、受光素子部６ａ〜６ｄそれぞれにバイアス電圧を供給する配線の一部を構成する。基準電位側電極パッド２３ａ〜２３ｄそれぞれには、ボンディングワイヤ２０ｅ〜２０ｈそれぞれの一端が接続されている。ボンディングワイヤ２０ｅ〜２０ｈは、ボンディングワイヤ２０ａ〜２０ｄに沿って設けられており、ボンディングワイヤ２０ｅ〜２０ｈそれぞれの他端は、信号増幅部３Ａ，３Ｂの基準電位用電極パッド６２ａ、６２ｃ、６２ｄ及び６２ｆそれぞれに接続されている。
【００２９】
本実施形態では、基板１０上において容量素子部７ａ〜７ｄと受光素子部６ａ〜６ｄとがモノリシックに集積されており、容量素子部７ａ〜７ｄが受光素子部６ａ〜６ｄの近くに配置されている。加えて、容量素子部７ａ〜７ｄの一方の電極（上部金属層４３）は、基板１０を貫通するビアを介して裏面金属膜５０に接地され、この裏面金属膜５０を介して信号増幅部３Ａ及び３Ｂの基準電位に接続される。従って、受光素子部６ａ〜６ｄの基準電位の質を高めることができる。
【００３０】
信号増幅部３Ａ及び３Ｂは、受光素子部６ａ〜６ｄから出力された電気信号（光電流）を増幅する増幅器（ＴＩＡ：Trans Impedance Amplifier）である。信号増幅部３Ａ及び３Ｂは、光９０°ハイブリッド素子２Ａの後方に配置される。信号増幅部３Ａは、２つの信号入力用電極パッド６１ａ及び６１ｂを有しており、信号入力用電極パッド６１ａ及び６１ｂに入力された電気信号の差動増幅を行って一つの電圧信号を生成する。また、信号増幅部３Ｂは、２つの信号入力用電極パッド６１ｃ及び６１ｄを有しており、信号入力用電極パッド６１ｃ及び６１ｄに入力された電気信号の差動増幅を行って一つの電圧信号を生成する。信号入力用電極パッド６１ａ〜６１ｄは、光９０°ハイブリッド素子２Ａの端縁２ｂに沿って、方向Ａにこの順で並んで配置されている。前述したように、信号入力用電極パッド６１ａ〜６１ｄそれぞれは、ボンディングワイヤ２０ａ〜２０ｄそれぞれを介して信号出力用電極パッド２１ａ〜２１ｄそれぞれと電気的に接続されている。
【００３１】
また、信号増幅部３Ａは、３つの基準電位用電極パッド６２ａ，６２ｂ，及び６２ｃを更に有している。基準電位用電極パッド６２ａ〜６２ｃは、光９０°ハイブリッド素子２Ａの端縁２ｂに沿って、方向Ａに沿ってこの順で並んで配置されている。信号入力用電極パッド６１ａは基準電位用電極パッド６２ａ及び６２ｂの間に配置されており、信号入力用電極パッド６１ｂは基準電位用電極パッド６２ｂ及び６２ｃの間に配置されている。同様に、信号増幅部３Ｂは、３つの基準電位用電極パッド６２ｄ，６２ｅ，及び６２ｆを更に有している。基準電位用電極パッド６２ｄ〜６２ｆは、光９０°ハイブリッド素子２Ａの端縁２ｂに沿って、方向Ａに沿ってこの順で並んで配置されている。上述した信号入力用電極パッド６１ｃは基準電位用電極パッド６２ｄ及び６２ｅの間に配置されており、信号入力用電極パッド６１ｄは基準電位用電極パッド６２ｅ及び６２ｆの間に配置されている。前述したように、信号増幅部３Ａ，３Ｂの基準電位用電極パッド６２ａ、６２ｃ、６２ｄ及び６２ｆそれぞれは、ボンディングワイヤ２０ｅ〜２０ｈそれぞれを介して基準電位側電極パッド２３ａ〜２３ｄそれぞれと電気的に接続されている。
【００３２】
図２には４つの受光素子部６ａ〜６ｄのうち２つの受光素子部６ｃ，６ｄの断面構造が示されており、図３には受光素子部６ｄの断面構造が示されているが、他の受光素子部６ａ，６ｂの断面構造もこれらと同様である。また、図４には、受光素子部６ｄと出力光導波路８ｆとの接合部分の断面構造が示されているが、他の接合部分（受光素子部６ａと出力光導波路８ｃとの接合部分、受光素子部６ｂと出力光導波路８ｄとの接合部分、及び受光素子部６ｃと出力光導波路８ｅとの接合部分）の断面構造もこれと同様である。図４に示されるように、受光素子部６ａ〜６ｄ及び出力光導波路８ｃ〜８ｆは、共通の基板１０上に集積されている。基板１０は、例えば半絶縁性のＩｎＰ基板である。
【００３３】
受光素子部６ａ〜６ｄの断面構造について、受光素子部６ｄを例に説明する。図３に示されるように、受光素子部６ｄは、基板１０上に設けられた高濃度のｎ型の導電型を有するバッファ層１１と、ｎ型バッファ層１１の領域Ｄ（図４参照）上に設けられた導波路型フォトダイオード構造１９とを有している。導波路型フォトダイオード構造１９は、ｎ型バッファ層１１上に設けられた光吸収層１３、光吸収層１３上に設けられたｐ型の導電型を有するクラッド層１４、及びｐ型クラッド層１４上に設けられたｐ型コンタクト層１５を有している。更に、受光素子部６ｄは、ｎ型バッファ層１１と光吸収層１３との間に設けられたバッファ層１２を有している。
【００３４】
ｎ型バッファ層１１は、例えばＳｉドープＩｎＰ層である。ｎ型バッファ層１１のＳｉドーピング濃度は、例えば１×１０１７ｃｍ−３以上である。ｎ型バッファ層１１の厚さは、例えば１μｍ〜２μｍである。バッファ層１２は、ｎ型バッファ層１１及びｐ型クラッド層１４のうちｎ型の半導体層（本実施形態ではｎ型バッファ層１１）と光吸収層１３との間に設けられた低濃度のｎ型またはｉ型の半導体層である。バッファ層１２の不純物濃度はｎ型バッファ層１１よりも低いか、或いはアンドープである。一例では、バッファ層１２のＳｉドーピング濃度は１×１０１６ｃｍ−３以下である。また、バッファ層１２のバンドギャップは、光吸収層１３のバンドギャップよりも大きく、ｎ型バッファ層１１のバンドギャップと等しいか若しくは小さい。バッファ層１２は、例えばＳｉドープＩｎＰ層である。バッファ層１２の厚さは、例えば０．１μｍ〜０．３μｍである。
【００３５】
光吸収層１３は、吸収端の波長が１６１２ｎｍ以上（例えば１６５０ｎｍ）であるＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ（０＜ｘ＜１）を主に含む。換言すれば、光吸収層１３はＬバンド帯に感度を有する。光吸収層１３は、例えばアンドープＩｎＧａＡｓ層、若しくはＳｉドーピング濃度が３×１０１６ｃｍ−３以下である低濃度ｎ型ＩｎＧａＡｓ層である。光吸収層１３の厚さは、例えば１００ｎｍ〜４００ｎｍであり、より好適には例えば２００ｎｍ〜３００ｎｍである。ｐ型クラッド層１４は、例えばＺｎドープＩｎＰ層である。ｐ型クラッド層１４のＺｎドーピング濃度は、例えば２×１０１７ｃｍ−３以上である。ｐ型クラッド層１４の厚さは、例えば１μｍ〜２．５μｍである。ｐ型コンタクト層１５は、例えばＺｎドープＩｎＧａＡｓ層である。ｐ型コンタクト層１５のＺｎドーピング濃度は、例えば１×１０１８ｃｍ−３以上である。ｐ型コンタクト層１５の厚さは、例えば１００ｎｍ〜３００ｎｍである。
【００３６】
なお、光吸収層１３とバッファ層１２との間に、光吸収層１３とバッファ層１２との中間のバンドギャップを有するヘテロエネルギー障壁（ΔＥｃ：Conduction band（伝導帯））の緩和層が設けられてもよい。このヘテロエネルギー障壁緩和層は、アンドープか、若しくはＳｉ濃度が１×１０１６ｃｍ−３以下の低濃度ｎ型であり、例えばバンドギャップ波長が１．４μｍのＩｎＧａＡｓＰ層である。或いは、光吸収層１３とバッファ層１２との間に、両層間のヘテロエネルギー障壁（ΔＥｃ：Conduction band（伝導帯））を緩和させる組成グレーデッド（傾斜）層が設けられてもよい。この組成グレーデッド層は、例えば２層のアンドープまたはＳｉドープＩｎＧａＡｓＰからなり、２層それぞれのバンドギャップ波長は例えば１．３μｍ及び１．１μｍである。Ｓｉ濃度は１×１０１６ｃｍ−３以下である。また、光吸収層１３とｐ型クラッド層１４との間には、高速応答を実現するため少数キャリア（ホール）の走行遅延低減を目的としてＩｎＧａＡｓＰ層が設けられてもよい。また、光吸収層１３とｐ型クラッド層１４との間に、両層間のヘテロエネルギー障壁（ΔＥｖ：Valence band（価電子帯））を緩和させる組成グレーデッド（傾斜）層が設けられてもよい。この組成グレーデッド層は、例えば２層のアンドープまたはＺｎドープＩｎＧａＡｓＰからなり、２層それぞれのバンドギャップ波長は例えば１．３μｍ及び１．１μｍである。Ｚｎ濃度は１×１０１７ｃｍ−３以下である。
【００３７】
バッファ層１２、光吸収層１３、ｐ型クラッド層１４、及びｐ型コンタクト層１５は、所定の光導波方向（本実施形態では図１の方向Ｂ）に延びるメサ構造を構成しており、このメサ構造は、一対の側面を有している。このメサ構造の一対の側面は、例えばＦｅドープＩｎＰといった半絶縁性材料からなる埋込領域７１によって埋め込まれている。
【００３８】
受光素子部６ｄは、２層の絶縁膜１６，１７を更に有している。絶縁膜１６，１７は、メサ構造の上面から埋込領域７１上にかけて設けられて、これらを覆って保護している。絶縁膜１６，１７は、例えば絶縁性シリコン化合物（ＳｉＮ、ＳｉＯＮ、またはＳｉＯ２）膜である。また、絶縁膜１６，１７は、メサ構造の上面に開口を有しており、該開口により絶縁膜１６，１７から露出したｐ型コンタクト層１５の上には、ｐ型オーミック電極３１が設けられている。ｐ型オーミック電極３１は、例えばＡｕＺｎ若しくはＰｔとｐ型コンタクト層１５との合金からなる。そして、ｐ型オーミック電極３１上には、配線３２が設けられている。配線３２は、光導波方向（方向Ｂ）に延びており、ｐ型オーミック電極３１と信号出力用電極パッド２１ｄとを電気的に接続する。配線３２は例えばＴｉＷ／Ａｕ若しくはＴｉ／Ｐｔ／Ａｕといった積層構造を有しており、信号出力用電極パッド２１ｄは例えばＡｕメッキによって形成される。
【００３９】
絶縁膜１６，１７は、受光素子部６ｄのメサ構造から離れたｎ型バッファ層１１の上にも、別の開口を有している。該開口により絶縁膜１６，１７から露出したｎ型バッファ層１１の上には、カソードとしてのｎ型オーミック電極４１が設けられている。なお、このｎ型オーミック電極４１は、バッファ層１２にはコンタクトしていない。ｎ型オーミック電極４１は、例えばＡｕＧｅ若しくはＡｕＧｅＮｉとｎ型バッファ層１１との合金からなる。そして、ｎ型オーミック電極４１上にはバイアス配線４２が設けられている。図２に示されるように、バイアス配線４２は、容量素子部７ｄの下部金属層まで延びており、下部金属層とｎ型オーミック電極４１とを電気的に接続している。
【００４０】
続いて、入力光導波路８ａ，８ｂ及び出力光導波路８ｃ〜８ｆの断面構造について説明する。図４には、出力光導波路８ｆの光導波方向に垂直な断面の構造が含まれている。他の出力光導波路８ｃ〜８ｅ及び入力光導波路８ａ，８ｂは、出力光導波路８ｆと同様の断面構造を有している。出力光導波路８ｆは、基板１０上に設けられたｎ型バッファ層１１と、ｎ型バッファ層１１の領域Ｄと隣接する領域Ｅ上に設けられた光導波路構造９０とを含んで構成されている。光導波路構造９０は、ｎ型バッファ層１１上に設けられた光導波コア層９１と、光導波コア層９１上に設けられたクラッド層９２と、ｎ型バッファ層１１と光導波コア層９１との間に設けられたバッファ層１２と、を含んで構成されている。
【００４１】
ｎ型バッファ層１１は、受光素子部６ｄと共通の半導体層であり、出力光導波路８ｆにおいては第１の下部クラッド層として機能する。ｎ型バッファ層１１は、受光素子部６ｄにおける基板１０上から、出力光導波路８ｆにおける基板１０上にわたって設けられている。バッファ層１２もまた、受光素子部６ｄと共通の半導体層であり、出力光導波路８ｆにおいては第２の下部クラッド層として機能する。バッファ層１２は、受光素子部６ｄにおけるｎ型バッファ層１１と光吸収層１３との間から、出力光導波路８ｆにおけるｎ型バッファ層１１と光導波コア層９１との全ての間にまで延びている。
【００４２】
出力光導波路８ｆと受光素子部６ｄとはバットジョイント構造を有しており、光導波コア層９１と光吸収層１３とは互いに接している。これにより、光導波コア層９１と光吸収層１３とは互いに光学的に結合されている。光導波コア層９１は、屈折率がｎ型バッファ層１１及びバッファ層１２よりも大きく且つバッファ層１１と格子整合できる材料（例えばＩｎＧａＡｓＰ）からなる。一例では、光導波コア層９１のＩｎＧａＡｓＰのバンドギャップ波長は１．０５μｍである。光導波コア層９１の厚さは、例えば０．３μｍ〜０．５μｍである。クラッド層９２は、屈折率が光導波コア層９１よりも小さく且つ光導波コア層９１と格子整合できる材料（例えばアンドープＩｎＰ）からなる。クラッド層９２の厚さは例えば１μｍ〜３μｍであり、クラッド層９２の上面の高さとｐ型コンタクト層１５の上面の高さとは互いに揃っている。ｎ型バッファ層１１の一部、バッファ層１２、光導波コア層９１、及びクラッド層９２は、所定の光導波方向に延びるメサ構造を構成している。バッファ層１１、バッファ層１２及びクラッド層９２と光導波コア層９１との屈折率差、並びにこのメサ構造によって、光導波コア層９１内に光が閉じ込められ、光を受光素子部６ｄへ伝搬することができる。なお、このメサ構造の側面及び上面は、２層の絶縁膜１６，１７（図３を参照）に覆われることによって保護されている。
【００４３】
図５は、光９０°ハイブリッド素子２Ａを模式的に示す平面図である。上述したように、光９０°ハイブリッド素子２Ａは、入力ポート４ａ，４ｂと、光９０°ハイブリッド回路５と、入力光導波路８ａ，８ｂと、出力光導波路８ｃ〜８ｆと、受光素子部６ａ〜６ｄとを有している。
【００４４】
光９０°ハイブリッド回路５は、２入力４出力のＭＭＩカプラ５１と、２入力２出力のＭＭＩカプラ５２とを含む。ＭＭＩカプラ５１の一方の入力端には入力光導波路８ａが結合され、他方の入力端には入力光導波路８ｂが結合されている。ＭＭＩカプラ５１の４つの出力端のうち２つは、光導波路８ｇ，８ｈを介して、ＭＭＩカプラ５２の２つの入力端とそれぞれ結合されている。光導波路８ｇ，８ｈの光路長は互いに異なっており、位相シフト部８ｉにおいて、光導波路８ｈが湾曲して光導波路８ｇから離れることにより、光導波路８ｈが光導波路８ｇよりも僅かに長くなっている。これにより、光導波路８ｈを伝搬する信号成分が、光導波路８ｇを伝搬する信号成分に対して４５°の位相に相当する遅延を有することとなる。ＭＭＩカプラ５１の他の２つの出力端は、それぞれ出力光導波路８ｃ，８ｄと結合されている。ＭＭＩカプラ５２の２つの出力端は、それぞれ出力光導波路８ｅ，８ｆと結合されている。
【００４５】
入力光導波路８ａ，８ｂは、方向Ｂに沿った中心軸線に関して互いに線対称な平面形状を有する。入力光導波路８ａ，８ｂは、直線部８１、湾曲部８２（図のハッチング部分）、及び直線部８３を含む。直線部８１，８３は、光導波路の中心軸線（光軸）が直線状である部分であって、方向Ｂに沿って延在している。入力光導波路８ａの直線部８１は入力ポート４ａに繋がっており、入力光導波路８ａの直線部８３はＭＭＩカプラ５１の一方の入力端に繋がっている。入力光導波路８ｂの直線部８１は入力ポート４ｂに繋がっており、入力光導波路８ｂの直線部８３はＭＭＩカプラ５１の他方の入力端に繋がっている。入力光導波路８ａの直線部８１と入力光導波路８ｂの直線部８１との距離は、入力光導波路８ａの直線部８３と入力光導波路８ｂの直線部８３との距離よりも長い。
【００４６】
入力光導波路８ａ，８ｂのそれぞれにおいて、湾曲部８２は、直線部８１と直線部８３との間に設けられ、直線部８１，８３を相互に接続している。図６の（ａ）は、入力光導波路８ｂの湾曲部８２付近を拡大して示す平面図である。なお、入力光導波路８ａの湾曲部８２は、図６の（ａ）を上下反転した形状を有する。湾曲部８２は、Ｓ字型の曲線導波路であって、湾曲部８２の一方の側面側に曲率中心を有する湾曲部８２ａと、湾曲部８２の他方の側面側に曲率中心を有する湾曲部８２ｂとが互いに連結されて成る。なお、湾曲部８２ａと湾曲部８２ｂとの間に直線部８７を設け、直線部８７を介して湾曲部８２ａ，８２ｂを相互に接続してもよい。湾曲部８２ａ，８２ｂの中心軸線Ｃ（光軸）は円弧に沿っており、その曲率半径は例えば３００〜５００μｍの範囲内である。また、湾曲部８２ａ，８２ｂの中心角はそれぞれ例えば４５°である。
【００４７】
湾曲部８２ａの中心軸線Ｃは、隣接する直線部８１，８７の中心軸線Ｃに対して内側（曲率中心側）にオフセットされている。同様に、湾曲部８２ｂの中心軸線Ｃは、隣接する直線部８７，８３の中心軸線Ｃに対して内側（曲率中心側）にオフセットされている。これらのオフセット量δは、例えば０．０４〜０．１μｍの範囲内である。入力光導波路８ａ，８ｂの湾曲部８２をこのような形状とすることにより、曲率半径を小さくして光９０°ハイブリッド素子２Ａの小型化に寄与しつつ、光損失の増大を抑制するとともに、高次モードの発生を抑制することができる。なお、ＭＭＩカプラ５１，５２における光導波路の湾曲部、並びに位相シフト部８ｉにおける光導波路８ｈの湾曲部もまた、図６の（ａ）と同様の平面形状を有する。
【００４８】
出力光導波路８ｃ〜８ｆは、直線部８４、湾曲部８５（図のハッチング部分）、及び直線部８６を含む。直線部８４，８６は、光導波路の中心軸線Ｃ（光軸）が直線状である部分であって、方向Ｂに沿って延在している。出力光導波路８ｃ，８ｄの直線部８４はＭＭＩカプラ５１の２つの出力端にそれぞれ繋がっており、出力光導波路８ｅ，８ｆの直線部８４はＭＭＩカプラ５２の２つの出力端にそれぞれ繋がっている。出力光導波路８ｃ〜８ｆの直線部８６は、受光素子部６ａ〜６ｄにそれぞれ繋がっている。出力光導波路８ｃ，８ｄの直線部８６と出力光導波路８ｅ，８ｆの直線部８６との距離は、出力光導波路８ｃ，８ｄの直線部８４と出力光導波路８ｅ，８ｆの直線部８４との距離よりも長い。
【００４９】
出力光導波路８ｃ〜８ｆのそれぞれにおいて、湾曲部８５は、直線部８４と直線部８６との間に設けられ、直線部８４，８６を相互に接続している。図６の（ｂ）は、出力光導波路８ｃ，８ｄの湾曲部８５付近を拡大して示す平面図である。なお、出力光導波路８ｅ，８ｆの湾曲部８５は、図６の（ｂ）を上下反転した形状を有する。湾曲部８５は、Ｓ字型の曲線導波路であって、その中心軸線Ｃはレイズドサインカーブ（Raised-sine curve）に沿っている。すなわち、出力光導波路８ｃ〜８ｆの湾曲部８５は、入力光導波路８ａ，８ｂの湾曲部８２のようなオフセット形状は有していない。湾曲部８５の平均曲率半径は、入力光導波路８ａ，８ｂの湾曲部８２ａ，８２ｂの曲率半径よりも小さく、例えば１００〜２００μｍの範囲内である。
【００５０】
ここで、レイズドサインカーブについて詳細に説明する。図７は、Ｓ字型曲線導波路を記述するための座標系（ｚ，ｘ）を示す図である。ｚ軸は方向Ｂに沿っており、ｘ軸は方向Ａに沿っている。Ｓ字型曲線導波路の始点座標を（０，０）とし、終点座標を（Ｌ，Ｄ）とする。ＬはＳ字型曲線導波路のｚ方向の大きさであり、ＤはＳ字型曲線導波路のｘ方向の大きさである。
【００５１】
Ｓ字型曲線導波路を２個の円弧によって構成する場合、それらの円弧の曲率半径Ｒは、Ｒ＝（Ｌ＋Ｄ）／４Ｄと表される。Ｒを用いると、この曲線の関数は、次式で表される。
【数１】
2020030333.tif 000003
円弧の場合、ｚ＝０、ｚ＝Ｌ／２、及びｚ＝Ｌにおいて曲率が不連続に変化する。具体的には、ｚ＝０では曲率が０から１／Ｒに変化し、ｚ＝Ｌ／２では曲率が１／Ｒから−１／Ｒに変化し、ｚ＝Ｌでは曲率が−１／Ｒから０に変化する。これに対し、曲率が連続的に変化するレイズドサインカーブは、次式で表される。
【００５２】
【数２】
2020030333.tif 000004
【００５３】
光９０°ハイブリッド素子２Ａの寸法例を示す。入力光導波路８ａ，８ｂ及び出力光導波路８ｃ〜８ｆの基本導波路幅は、例えば２．５μｍである。ＭＭＩカプラ５１の方向Ｂにおける長さは例えば３３５μｍであり、方向Ａにおける幅は例えば２２μｍである。ＭＭＩカプラ５２の方向Ｂにおける長さは例えば１７８μｍであり、方向Ａにおける幅は例えば６．７μｍである。光９０°ハイブリッド素子２Ａの方向Ｂにおける長さは例えば３．３ｍｍであり、方向Ａにおける幅は例えば１．２ｍｍである。
【００５４】
以上に説明した本実施形態による光９０°ハイブリッド素子２Ａによって得られる効果について説明する。光９０°ハイブリッド素子２Ａにおいては、光９０°ハイブリッド回路５側における入力光導波路８ａ，８ｂ同士の間隔、及び出力光導波路８ｃ〜８ｆ同士の間隔が狭く、光９０°ハイブリッド回路５から遠ざかるに従って、入力光導波路８ａ，８ｂ同士の間隔、及び出力光導波路８ｃ〜８ｆ同士の間隔が広くなっている。これは、光９０°ハイブリッド素子２Ａの外部に設けられる信号光Ｌａ及び局部発振光Ｌｂの光学系と入力ポート４ａ，４ｂとの光学的結合、並びに信号増幅部３Ａ，３Ｂと受光素子部６ａ〜６ｄとの電気的接続を容易にするためである。故に、入力光導波路８ａ，８ｂは湾曲部８２を含み、出力光導波路８ｃ〜８ｆは湾曲部８５を含むこととなる。
【００５５】
本実施形態の光９０°ハイブリッド素子２Ａにおいては、入力光導波路８ａ，８ｂと出力光導波路８ｃ〜８ｆとで湾曲部の形状が異なる。すなわち、入力光導波路８ａ，８ｂの湾曲部８２ａの中心軸線Ｃは、隣接する直線部８１，８７の中心軸線Ｃに対して内側にオフセットされている。入力光導波路８ａ，８ｂの湾曲部８２ｂの中心軸線Ｃもまた、隣接する直線部８７，８３の中心軸線Ｃに対して内側にオフセットされている。これにより、導波光の強度分布の中心を連続させることができる。故に、湾曲部８２ａ，８２ｂとその両側に隣接する直線部８１，８７，及び８３との間において、導波光の強度分布の中心のずれを抑制し、光損失及び高次モードの発生を低減できる。
【００５６】
また、前述したように、湾曲部を直線部に対してオフセットさせると、光導波路の側面に不連続点（段差）が生じる。受光素子部６ａ〜６ｄ及びその近傍の出力光導波路８ｃ〜８ｆでは、受光素子部６ａ〜６ｄの暗電流の低減及び信頼性確保の観点から、部分的に埋め込み再成長を行う場合がある（図２及び図３の埋込領域７１）。そのような場合、この不連続点は、光導波路を埋め込む際に異常成長を引き起こす。また、湾曲部の中心軸線と、湾曲部に隣接する直線部の中心軸線とが不連続となるため、設計の際に光導波路を複数の小区間に分割し、数値計算により損失の最適化を行う必要がある。このことは、設計時間およびレイアウト作成時間の短縮を妨げる要因となる。更に、オフセット量δの最適値は、光の波長によって異なる。このため、波長分割多重（Wavelength Division Multiplex；ＷＤＭ）通信システムにおいて波長範囲が広帯域にわたる場合、波長によっては、更に光損失が増大してしまうおそれがある。
【００５７】
そこで、本実施形態では、出力光導波路８ｃ〜８ｆの湾曲部８５の中心軸線Ｃにはオフセットが設けられず、レイズドサインカーブに沿った形となっている。レイズドサインカーブには、円弧により構成されたＳ字型曲線導波路のような曲率の不連続点がない。従って、出力光導波路８ｃ〜８ｆの湾曲部８５の中心軸線Ｃがレイズドサインカーブに沿っていることにより、円弧により構成されたＳ字型曲線導波路と比較して、導波光の損失を低減できる。また、光導波路の中心軸線Ｃがレイズドサインカーブに沿う場合、湾曲部を直線部に対してオフセットする場合と異なり、光導波路の側面に不連続点（段差）が生じない。故に、入力光導波路８ａ，８ｂ及び出力光導波路８ｃ〜８ｆの全てにおいて湾曲部を直線部に対してオフセットさせる場合と比較して、光導波路を埋め込む際に異常成長が生じる頻度を低減できる。更に、レイズドサインカーブは連続関数であることから、始点及び終点の位置から一義的に決定され（図７を参照）、初等関数のみにより簡単に計算でき、最適化計算は不要である。従って、入力光導波路８ａ，８ｂ及び出力光導波路８ｃ〜８ｆの全てにおいて湾曲部を直線部に対してオフセットさせる場合と比較して、設計時間およびレイアウト作成時間を短縮することができる。更に、光損失の波長依存性を少なくすることができ、ＷＤＭの波長範囲が広帯域にわたる場合であっても、波長にかかわらず光損失の増大を抑制して高感度特性を提供することができる。
【００５８】
なお、湾曲部がレイズドサインカーブに沿う場合には、湾曲部を直線部に対してオフセットする場合と比較して、高次モードが生じ易い。しかしながら、出力光導波路８ｃ〜８ｆを伝搬する信号成分Ｌｃ１〜Ｌｃ４は光９０°ハイブリッド回路５において干渉した後の光なので、仮に高次モードが発生して信号成分Ｌｃ１〜Ｌｃ４の光強度に相対的な変化が生じたとしても、その影響（受光素子部６ａ〜６ｄの受光感度やチャネル間の感度偏差特性への影響）は、信号光Ｌａ若しくは局部発振光Ｌｂに高次モードが発生してこれらの光強度に相対的な変化が生じた場合と比較して、極めて小さい。よって、出力光導波路８ｃ〜８ｆの湾曲部８５の中心軸線Ｃをレイズドサインカーブに沿わせたとしても、高次モード発生による影響は軽微である。
【００５９】
図８は、Ｓ字型曲導波路と受光素子部とを集積した素子の受光感度特性の例を示すグラフである。グラフＧ１はオフセットを設けた形態（図６の（ａ）を参照）の受光感度特性を示し、グラフＧ２はレイズドサインカーブに沿った形態（図６の（ｂ）を参照）の受光感度特性を示す。横軸はＳ字型曲導波路のｚ軸方向における長さＬを表し、縦軸は４つの受光素子部の平均受光感度（オフセットを設けた形態において長さＬが１８０μｍの場合を１とする規格化値）を表す。この例では、長さＬがそれぞれ１８０μｍ、２６０μｍ、３００μｍである３種類の素子を作製し、比較を行った。なお、オフセットを設けた形態において、円弧の曲率半径Ｒはそれぞれ１００μｍ、１７０μｍ、及び２２０μｍであった。使用した光の波長は１５５０ｎｍである。
【００６０】
図８から明らかなように、全ての長さＬにおいて、レイズドサインカーブに沿った形態の受光感度特性は、オフセットを設けた形態の受光感度特性よりも高くなった。この傾向は長さＬが短いほど顕著であり、例えば長さＬが１８０μｍである場合、レイズドサインカーブに沿った形態の受光感度は、オフセットを設けた形態の受光感度よりも約１０％高い。このことから、出力光導波路８ｃ〜８ｆの湾曲部８５にレイズドサインカーブを採用した本実施形態では、全ての光導波路の湾曲部にオフセットを設けた場合と比較して、受光感度特性が向上することがわかる。
【００６１】
また、出力光導波路８ｃ〜８ｆの湾曲部８５をレイズドサインカーブに沿った形態とすることにより、湾曲部８５の平均曲率半径を１００〜２００μｍまで縮小した場合であっても、光損失を入力光導波路８ａ，８ｂの湾曲部８２と同等以下とすることができる。従って、光損失の増大を抑制しつつ、光９０°ハイブリッド素子２Ａの小型化（特に、方向Ｂにおける寸法の小型化）を可能にできる。本実施形態では、光９０°ハイブリッド素子２Ａの方向Ｂにおける長さは３．３ｍｍであり、これは従来の光９０°ハイブリッド素子の６０％程度である。よって、本実施形態の光９０°ハイブリッド素子２Ａは、例えば４００Ｇｂ／ｓを超えるような大容量の伝送システムに用いられるコヒーレント受信器の小型・高集積化に寄与することができる。
【００６２】
また、本実施形態のように、入力光導波路８ａはＱＰＳＫ方式により変調された信号光Ｌａを光９０°ハイブリッド回路５に導入し、入力光導波路８ｂは局部発振光Ｌｂを光９０°ハイブリッド回路５に導入し、出力光導波路８ｃ，８ｄは光９０°ハイブリッド回路５により抽出された同相成分を差動信号として伝搬し、出力光導波路８ｅ，８ｆは光９０°ハイブリッド回路５により抽出された直交成分を差動信号として伝搬してもよい。上記の構成を有する光９０°ハイブリッド素子２Ａをこのような方式に用いることにより、高次モード発生による影響を抑制しつつ、光損失を低減することが可能なコヒーレント光受信デバイスを提供できる。故に、コヒーレント変調された信号光Ｌａの受信精度を高める（ビット誤り率を低下させる）ことができる。
【００６３】
また、本実施形態のように、光９０°ハイブリッド素子２Ａは、光９０°ハイブリッド回路５、入力光導波路８ａ，８ｂ、及び出力光導波路８ｃ〜８ｆと共通の基板１０上に設けられた導波路型フォトダイオード構造としての受光素子部６ａ〜６ｄを備えてもよい。これにより、光電変換機能を有する小型の光９０°ハイブリッド素子２Ａを提供することができる。
【００６４】
（第１変形例）
図９の（ａ）は、上記実施形態の第１変形例に係る、出力光導波路８ｃ〜８ｆの湾曲部８５付近の構成を示す拡大平面図である。本変形例では、上記実施形態の構成に加えて、ダミー光導波路８ｊ，８ｋが設けられている。ダミー光導波路８ｊ，８ｋは、湾曲部８５の外側面に沿って延びており、光導波には寄与しない。具体的には、ダミー光導波路８ｊは、湾曲部８５の一方側に曲率中心を有する湾曲部分８５ａの、該曲率中心とは反対側の外側面８５ｃと対向して設けられている。ダミー光導波路８ｊの内側面と湾曲部分８５ａの外側面８５ｃとの間隔は一定（例えば０．５μｍ以下）である。また、ダミー光導波路８ｋは、湾曲部８５の他方側に曲率中心を有する湾曲部分８５ｂの、該曲率中心とは反対側の外側面８５ｄと対向して設けられている。すなわち、ダミー光導波路８ｊ，８ｋは、湾曲部８５に対して互いに反対側に位置する。ダミー光導波路８ｋの内側面と湾曲部分８５ｂの外側面８５ｄとの間隔は一定（例えば０．５μｍ以下）である。なお、ダミー光導波路８ｊ，８ｋの断面構造は出力光導波路８ｃ〜８ｆと同様（図４を参照）である。
【００６５】
本変形例では、ダミー光導波路８ｊ，８ｋそれぞれと湾曲部分８５ａ，８５ｂそれぞれとが互いに近接して配置され、光方向性結合器を構成する。導波光の強度の中心が偏芯する湾曲部分８５ａ，８５ｂに対してこのようなダミー光導波路８ｊ，８ｋを設けることによって、湾曲部分８５ａ，８５ｂでの光損失を更に低減することができる。
【００６６】
（第２変形例）
図９の（ｂ）は、上記実施形態の第２変形例に係る、出力光導波路８ｃ〜８ｆの湾曲部８５付近の構成を示す拡大平面図である。本変形例では、図９の（ａ）に示された構成に加えて、ダミー光導波路８ｍ，８ｎが更に設けられている。本変形例において、ダミー光導波路８ｊ，８ｋは第１のダミー光導波路であり、ダミー光導波路８ｍ，８ｎは第２のダミー光導波路である。ダミー光導波路８ｊ，８ｋの詳細な構成は、第１変形例と同様である。但し、ダミー光導波路８ｊ，８ｋの内側面と湾曲部分８５ａ，８５ｂの外側面８５ｃ，８５ｄとの間隔は、第１変形例より広くてもよい。
【００６７】
ダミー光導波路８ｍ，８ｎは、湾曲部８５の内側面に沿って延びており、光導波には寄与しない。具体的には、ダミー光導波路８ｍは、湾曲部８５の一方側に曲率中心を有する湾曲部分８５ａの、該曲率中心側の内側面８５ｅと対向して設けられている。すなわち、ダミー光導波路８ｍは、湾曲部分８５ａを挟んでダミー光導波路８ｊと対向している。ダミー光導波路８ｍの外側面と湾曲部分８５ａの内側面８５ｅとの間隔は一定である。また、ダミー光導波路８ｎは、湾曲部８５の他方側に曲率中心を有する湾曲部分８５ｂの、該曲率中心側の内側面８５ｆと対向して設けられている。すなわち、ダミー光導波路８ｎは、湾曲部８５に対してダミー光導波路８ｍとは反対側に位置しており、湾曲部分８５ｂを挟んでダミー光導波路８ｋと対向している。ダミー光導波路８ｎの外側面と湾曲部分８５ｂの内側面８５ｆとの間隔は一定（例えば０．５μｍ以下）である。なお、ダミー光導波路８ｍ，８ｎの断面構造は出力光導波路８ｃ〜８ｆと同様（図４を参照）である。
【００６８】
レイズドサインカーブ形状の曲線導波路は、円弧により構成されたＳ字型曲線導波路と比較して、曲率の最大値が大きい。本変形例によれば、湾曲部分８５ａ，８５ｂを形成する際の光導波路形状の安定化（特に、導波路曲率の安定化）を図ることができる。また、ダミー光導波路８ｊ，８ｋと湾曲部分８５ａ，８５ｂとが光方向性結合器を構成する場合には、第１変形例と同様に、湾曲部分８５ａ，８５ｂでの光損失を更に低減することができる。
【００６９】
以上、本発明を実施例に基づいて具体的に説明したが、本発明は、上記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において変更可能である。例えば、上記の実施例では２本の入力光導波路８ａ，８ｂと４本の出力光導波路８ｃ〜８ｆとを備える光９０°ハイブリッド素子２Ａを例示したが、入力光導波路及び出力光導波路の本数はこれに限らない。本発明は、光９０°ハイブリッド回路５の入力側と光学的に結合されるＭ本（Ｍは２以上の整数）の入力光導波路と、光９０°ハイブリッド回路５の出力側と光学的に結合されるＮ本（Ｎは２以上の整数）の出力光導波路とを備える光９０°ハイブリッド素子に適用可能である。その場合、Ｍ本の入力光導波路のうち少なくとも１本の入力光導波路が、ＱＰＳＫ方式により変調された信号光Ｌａを光９０°ハイブリッド回路５に導入し、Ｍ本の入力光導波路のうち他の少なくとも１本の入力光導波路が、局部発振光Ｌｂを光９０°ハイブリッド回路５に導入してもよい。また、Ｎ本の出力光導波路のうち少なくとも２本の出力光導波路が、光９０°ハイブリッド回路により抽出された同相成分を差動信号として伝搬し、Ｎ本の出力光導波路のうち他の少なくとも２本の出力光導波路が、光９０°ハイブリッド回路により抽出された直交成分を差動信号として伝搬してもよい。
【００７０】
また、上記実施形態の光導波コア層９１の組成は、ＩｎＧａＡｓＰ系に限定されるものではなく、例えば、ＡｌＧａＩｎＡｓ系でも良い。また、上記実施形態では、共通の基板１０上に光導波路８ａ〜８ｆ及び受光素子部６ａ〜６ｄが集積された構成を例示したが、光導波路８ａ〜８ｆ及び受光素子部６ａ〜６ｄはそれぞれ別の基板上に設けられてもよく、或いは、基板１０上に、他のＩｎＰ系電子デバイス（例えば、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ）、キャパシタ及び抵抗を含む光電変換回路が更に集積されてもよい。また、上記実施形態では、基板１０上にバッファ層１１が設けられているが、基板がｎ型の半導体基板である場合には、バッファ層１１は省略されてもよい。また、各半導体層の導電型は、上記実施形態と逆であってもよい。
【符号の説明】
【００７１】
１Ａ…受光デバイス、２Ａ…光９０°ハイブリッド素子、２ａ，２ｂ…端縁、３Ａ，３Ｂ…信号増幅部、４ａ，４ｂ…入力ポート、５…光９０°ハイブリッド回路、６ａ〜６ｄ…受光素子部、７ａ〜７ｄ…容量素子部、８ａ，８ｂ…入力光導波路、８ｃ〜８ｆ…出力光導波路、８ｇ，８ｈ…光導波路、８ｉ…位相シフト部、８ｊ，８ｋ，８ｍ，８ｎ…ダミー光導波路、１０…基板、１１…ｎ型バッファ層、１２…バッファ層、１３…光吸収層、１４…ｐ型クラッド層、１５…ｐ型コンタクト層、１６，１７…絶縁膜、１９…導波路型フォトダイオード構造、２０ａ〜２０ｍ…ボンディングワイヤ、２１ａ〜２１ｄ…信号出力用電極パッド、２２ａ〜２２ｄ…バイアス電圧側電極パッド、２３ａ〜２３ｄ…基準電位側電極パッド、３１…ｐ型オーミック電極、３２…配線、４１…ｎ型オーミック電極、４２…バイアス配線（下部金属層）、４３…上部金属層、４５…絶縁膜、５０…裏面金属膜、５１，５２…ＭＭＩカプラ、６１ａ〜６１ｄ…信号入力用電極パッド、６２ａ〜６２ｆ…基準電位用電極パッド、７１…埋込領域、８１，８３，８４，８６，８７…直線部、８２，８２ａ，８２ｂ，８５…湾曲部、８５ａ，８５ｂ…湾曲部分、８５ｃ，８５ｄ…外側面、８５ｅ，８５ｆ…内側面、９０…光導波路構造、９１…光導波コア層、９２…クラッド層、Ｃ…中心軸線、Ｌａ…信号光、Ｌｂ…局部発振光、Ｌｃ１〜Ｌｃ４…信号成分、δ…オフセット量。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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