(57)【要約】【課題】素子サイズを大きくせずに受光感度を良くすることが可能なフォトダイオードを提供すること。【解決手段】フォトダイオード１００は、フォトダイオードに信号光を導くための接続導波路１０１と、接続導波路１０１に接続され、信号光を円周方向に周回させるように形成された円周部を有する光吸収領域部１０２とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
フォトダイオードであって、
前記フォトダイオードに信号光を導くための導波路と、
前記導波路に接続され、前記信号光を円周方向に周回させるように形成された円周部を有する光吸収領域部と
を含むことを特徴とするフォトダイオード。
【請求項２】
前記導波路は、前記円周部の接線方向と一致するように前記光吸収領域部と接続されていることを特徴とする請求項１に記載のフォトダイオード。
【請求項３】
前記円周部は、円状またはドーナツ状であることを特徴とする請求項１または２に記載のフォトダイオード。
【請求項４】
前記フォトダイオードは、導波路型光デバイスに集積されており、前記光信号は、前記導波路型光デバイスの入力光または出力光であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のフォトダイオード。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、信号光の強度をモニタするためのフォトダイオード（ＰＤ）に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＷＤＭ光通信システムの大容量化を実現するには、１波長あたりの伝送レートを上げることが有用である。例えば、変調方式を変えることなく光伝送路に送出するシンボルレートを上げた場合には、許容残留分散量がシンボルレートの２乗に反比例するため、光伝送路の波長分散耐力が低下するという問題があった。また、この場合には、電気信号処理を高速に実行することが必要になるため、アナログ電気部品のコストが増加するという問題もあった。
【０００３】
かかる問題を回避するため、近年では、シンボルレートを上げることなく、１シンボルあたりの信号多重度を上げることで、システムの大容量化を実現するための研究が盛んに行われている。この信号多重度を上げる方式として、例えば、１シンボルに２ビット（多重度２）を割り当てることで伝送容量を２倍にするＱＰＳＫ方式、１シンボルに４ビット（多重度４）を割り当てることで伝送容量を４倍にする１６ＱＡＭ方式、１６ＡＰＳＫ方式等の多値変調方式が知られている。
【０００４】
通常は一般に、このような多値変調方式を採用する場合、光変調器としてＩ／Ｑ変調器が用いられる。Ｉ／Ｑ変調器は、直交変調器とも呼ばれ、直交する光電界成分（Ｉチャンネル、Ｑチャンネル）を独立して生成することができる変調器である。このＩ／Ｑ変調器は、マッハツェンダー（ＭＺ：Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ）変調器を並列接続して形成される特殊な構成となっている。
【０００５】
例えば、ＱＰＳＫ変調を実行する場合には、ＭＺ変調器を２個並列に接続したＤｕａｌ  Ｐａｒａｌｌｅｌ  ＭＺ変調器（ＤＰＭＺＭ：Ｄｕａｌ  Ｐａｒａｌｌｅｌ  Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ  Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）が用いられる。例えば、１６ＱＡＭ変調を実行する場合には、ＤＰＭＺＭを電気多値信号で駆動する方式が用いられる。
【０００６】
図６は、従来のＤＰＭＺＭ６００の構成を示した模式図である。
【０００７】
図６において、ＤＰＭＺＭ６００は、入力導波路６０１と、光分岐回路６０２と、接続導波路６０３ａ，６０３ｂと、マッハツェンダー変調器６１０ａ，６１０ｂと、位相調整領域部６０７ａ，６０７ｂと、光合流回路６０８と、出力導波路６０９とを備える。
【０００８】
マッハツェンダー変調器６１０ａは、光分岐回路６０４ａ、位相変調器６０５ａ，６０５ｂおよび光合流回路６０６ａを有する。マッハツェンダー変調器６１０ｂは、光分岐回路６０４ｂ、位相変調器６０５ｃ，６０５ｄおよび光合流回路６０６ｂを有する。
【０００９】
図６では、２つのマッハツェンダー変調器６１０ａ，６１０ｂは並列に配置されている。そして、マッハツェンダー変調器６１０ａ，６１０ｂは、アームの一部に組み込まれている。つまり、親マッハツェンダー干渉計が形成されている。一般に、このような構成を、Ｄｕａｌ  Ｐａｒａｌｌｅｌ  ＭＺ  Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ（ＤＰＭＺＭ）と呼ぶ。
【００１０】
このＤＰＭＺＭ６００では、信号光は、まず入力導波路６０１から入射し、光分岐回路６０２により２分岐され、接続導波路６０３ａ，６０３ｂを介してマッハツェンダー変調器６１０ａ，６１０ｂに導かれる。マッハツェンダー変調器６１０ａ，６１０ｂはともにプッシュプル駆動で動作する。
【００１１】
マッハツェンダー変調器６１０ａ，６１０ｂで変調された信号光は、各位相調整領域６０７ａ，６０７ｂに入射し、位相関係を調整された後、光合流回路６０８で合流され、出力導波路６０９から出力される。この場合の位相調整領域６０７ａ，６０７ｂでは、光合流回路６０８で合流された際の両信号光の位相差がπ／２となるように位相が相対的に調整される。
【００１２】
次に、光多値変調として、例えば４値のＱＰＳＫ変調を例にとり、コンスタレーション(constellation)について図６および図７を参照して説明する。
【００１３】
図７は、光変調器のコンスタレーションを説明するための図であって、（ａ）はプッシュプル駆動のマッハツェンダー変調器６１０ａにより変調された光電界の軌跡、（ｂ）はＤＰＭＺＭのコンスタレーションを示している。
【００１４】
マッハツェンダー変調器６１０ａでは、位相変調器６０５ａ，６０５ｂは、差動信号により駆動する。位相変調器の場合、信号光は、強度が一定で位相角が印加電圧に応じて変化する。例えば、ＱＰＳＫ信号の場合を考えると、電気信号は、振幅が半波長電圧Ｖπの２値信号となる。そのため、位相変調器６０５ａから出射される信号光の電界は、図７（ａ）に示す半円の上半分をトレースする形で、Ｉ０点とＩ１点との間を電気信号に応じて往復する。
【００１５】
一方、位相変調器６０５ｂについて考えると、マッハツェンダー変調器６１０ａは、プッシュプル駆動するため、位相変調器６０５ｂは、位相変調器６０５ａの差動信号で駆動することになる。したがって、位相変調器６０５ｂから出射される信号光の電界は、図７（ａ）に示した半円の下半分をトレースする形で、Ｉ０点とＩ１点との間を電気信号に応じて往復する。
【００１６】
光合流回路６０６ａから出力される信号光の電界は、位相変調器６０５ａ，６０５ｂからの出力の合成となるため、図７（ａ）において、原点０を通り直線状に、Ｉ０点とＩ１点との間を電気信号に応じて往復する。
【００１７】
マッハツェンダー変調器６１０ｂについても同様に差動信号によりプッシュプル駆動するため、出力信号のトレースは、原点０を通る直線となる。２つのマッハツェンダー変調器６１０ａ，６１０ｂから出力された信号光は、各位相調整領域６０７ａ，６０７ｂにおいて、互いの相対的な位相差がπ／２となるように調整され、光合流回路６０８により足し合わされる。したがって、マッハツェンダー変調器６１０ａから出力された信号光の電界のトレースと、マッハツェンダー変調器６１０ｂから出力された信号光の電界のトレースとは、直交する形で足し合わされることになる。したがって、出力導波路６０９から出力される信号光の最終的なコンスタレーションは、図７（ｂ）に示されるような互いに９０度ずつ角度の異なる４つの点となる。これが４値変調であるＱＰＳＫのコンスタレーションである。なお、互いの相対的な位相差がπ／２となるように調整されて光合流回路６０８により足し合わされる場合には、原理損失は３ｄＢとなる。
【００１８】
上記のような動作を行うためには、マッハツェンダー変調器６１０ａ、６１０ｂの動作点またはバイアス点、さらには、光合流回路６０８により足し合わす際の相対的な位相差が、π／２となるように精密に調整されていなければならず、そのためには光出力の一部を取り出してモニタする必要がある。例えば、半導体材料を用いた変調器の場合、動作状態をモニタするためのモニタフォトダイオード（モニタＰＤ）を変調器と同一基板上にモノリシック集積することが可能である（例えば、非特許文献１）。
【００１９】
図８は非特許文献１におけるパワーモニタＰＤ付きマッハツェンダー変調器８００の構成を模式化した図である。
【００２０】
図８において、マッハツェンダー変調器８００は、入力導波路８０１と、光分岐回路８０２と、接続導波路８０３ａ，８０３ｂと、位相変調器８０４ａ，８０４ｂと、接続導波路８０５ａ，８０５ｂと、光合流回路８０６と、出力導波路８０７と、モニタＰＤ８０８とを備える。
【００２１】
このマッハツェンダー変調器８００は、図６に示したマッハツェンダー変調器６１０ａに、モニタＰＤ８０８を付加したものと考えることができる。一方、図６のものと異なり、マッハツェンダー変調器８００の光合流回路８０６は、２入力２出力の合流回路となっている。
【００２２】
２入力２出力の合流回路を利用したマッハツェンダー変調器の場合、主信号が出力されるポートと、主信号と強度の反転した信号が出力されるポートとを構成することが可能となるため、主信号と、強度の反転した信号とは、モニタＰＤ８０８に接続してモニタすることにより、主信号の状態を推測することが可能となる。
【００２３】
モニタＰＤ８０８は、導波路のコアまたはクラッドの一部に伝搬光を吸収する層を有しており、導波路の形状は直線形状となっている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００２４】
【非特許文献１】M. G. Boudreau、外４名、“An Integrated Waveguide Detector for Power Control in an InP Mach-Zehnder Modulator based 10 Gb/s Transmitter”、IPRM (International Conference on Indium Phosphide and Related Materials) 2006, WP23
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２５】
非特許文献１に記載のマッハツェンダー変調器は、直線状の導波路を備えるため、モニタＰＤの受光感度を上げるには、導波路長を長くする必要があった。そのため、素子サイズが大きくなるという問題があった。
【００２６】
本発明は、このような状況下においてなされたものであり、素子サイズを大きくせずに受光感度を良くすることができるフォトダイオード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】
【００２７】
上記の課題を解決するためのフォトダイオードは、前記フォトダイオードに信号光を導くための導波路と、前記導波路に接続され、前記信号光を円周方向に周回させるように形成された円周部を有する光吸収領域部とを含む。
【００２８】
ここで、前記導波路は、前記円周部の接線方向と一致するように前記光吸収領域部と接続するようにしてもよい。
【００２９】
前記円周部は、円状またはドーナツ状としてもよい。
【００３０】
前記フォトダイオードは、導波路型光デバイスに集積されており、前記光信号は、前記導波路型光デバイスの入力光または出力光としてもよい。
【発明の効果】
【００３１】
本発明のフォトダイオードによれば、素子サイズを大きくせずに受光感度を良くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】第１実施形態に係るフォトダイオードの構成例を示した模式図である。
【図２】図１のフォトダイオードのＡ−Ａ’における断面構造の一例を説明するための図である。
【図３】第２実施形態に係るフォトダイオードの構成例を示した模式図である。
【図４】図３のフォトダイオードのＢ−Ｂ’における断面構造の一例を説明するための図である。
【図５】第２実施形態の変形例において、図３のＢ−Ｂ’における断面構造の一例を説明するための図である。
【図６】従来のＤＰＭＺＭの構成を示した模式図である。
【図７】従来の光変調器のコンスタレーションを説明するための図である。
【図８】非特許文献１のマッハツェンダー変調器の構成を示した模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
＜第１実施形態＞
以下、本発明のフォトダイオードの一実施形態を図面を参照して説明する。この実施形態のフォトダイオードは、例えば集積型モニタフォトダイオードである。
【００３４】
図１は、第１実施形態に係るフォトダイオードの構成例を示した模式図である。
【００３５】
図１に示すフォトダイオード１００は、接続導波路（導波路）１０１と、ＰＤ１０２とを備える。
【００３６】
この実施形態のＰＤ１０２は、接続導波路１０１に接続され、信号光を円周方向に周回させるように形成された例えば円形の円周部を有する光吸収領域部である。ＰＤ１０２は、例えば、入力光または出力光のモニタとして使用することができる。
【００３７】
図１において、接続導波路１０１とＰＤ１０２との接続部１０３では、接続導波路１０１が、ＰＤ１０２の円周部の接線方向と一致するようにＰＤ１０２と接続されている。これにより、信号光は、ＰＤ１０２の円周部の円周方向に伝播することとなり、結果として、フォトダイオード１００の導波路長が長くなる。
【００３８】
図２は図１におけるＡ−Ａ’における断面構造の一例を示した図である。
【００３９】
図２において、フォトダイオード１００は、ｎ−ＩｎＰ基板２０１、光吸収層２０２、上部ｐ−ＩｎＰクラッド２０３、上部電極２０４および下部電極２０５を備える。
【００４０】
ｎ−ＩｎＰ基板２０１は、導波路の下部クラッドを構成するようになっている。光吸収層２０２は、ＩｎＧａＡｓＰ井戸層およびＩｎＰ障壁層を有するノンドープ多重量子井戸構造からなる導波路コア層を兼ね備える。
【００４１】
このフォトダイオード１００では、接続導波路１０１から光吸収領域を有する円形のＰＤ１０２に入射した信号光は、円形の円周部の円周に沿って、ＰＤ１０２の光吸収層２０２を周回することになる。これにより、信号光は、円周部の円周の長さ以上の距離を伝搬することが可能となり、したがって光の吸収効率が高くなる。
【００４２】
また、信号光がＰＤ１０２の素子内部を周回することにより、導波路コア層において、吸収係数が小さくなる材料系を用いた場合でも、非特許文献１の直線導波路構造の場合のように導波路長を長くするためにＰＤ１０２の素子サイズを大きくする必要がない。仮に、非特許文献１の直線導波路構造の場合、導波路長を長くすると、（導波路幅）×（導波路長さ）で定義される導波路の面積が増加してしまう。しかしながら、本実施形態のフォトダイオード１００の場合は、ＰＤ１０２の素子サイズを変更する必要がないので、ＰＤ１０２の円周部の円の面積が増加することがない。そのため、ＰＤ１０２の素子容量の増加が防げ、また吸収効率が向上する。
【００４３】
本実施形態のフォトダイオード１００は、構成が簡単で、低コスト、かつ作製が容易である。さらにフォトダイオード１００は、高感度・低容量で高速動作可能である。
【００４４】
＜第２実施形態＞
第２実施形態に係るフォトダイオード３００は、ＰＤの形状をドーナツ状にした点が第１実施形態のものと異なる。
【００４５】
図３は、本実施形態に係るフォトダイオード３００の構成例を示した模式図である。
【００４６】
図３において、フォトダイオード１００は、接続導波路３０１と、ＰＤ３０２とを備える。
【００４７】
この実施形態のＰＤ３０２は、接続導波路３０１に接続され、信号光を円周方向に周回させるように形成された例えばドーナツ状の円周部を有する光吸収領域部である。ＰＤ３０２は、例えば、入力光または出力光のモニタとして使用することができる。
【００４８】
図３において、接続導波路３０１とＰＤ３０２との接続部３０３では、接続導波路３０１が、ＰＤ３０２のドーナツ状の円周部の接線方向と一致するようにＰＤ３０２と接続されている。これにより、信号光は、ＰＤ３０２のドーナツ状の円周部（リング導波路）の円周方向に伝播することとなり、結果として、フォトダイオード３００の導波路長が長くなる。
【００４９】
図４は図３におけるＢ−Ｂ’における断面構造の一例を示した図である。
【００５０】
図４において、フォトダイオード３００は、ｎ−ＩｎＰ基板４０１、光吸収層４０２、上部ｐ−ＩｎＰクラッド４０３、上部電極４０４および下部電極４０５を備える。
【００５１】
ｎ−ＩｎＰ基板４０１は、導波路の下部クラッドを構成するようになっている。光吸収層４０２は、ＩｎＧａＡｓＰ井戸層およびＩｎＰ障壁層を有するノンドープ多重量子井戸構造からなる導波路コア層を兼ね備える。
【００５２】
図４において、ＰＤ３０２のリング導波路が形成されるドーナツ状の導波路の外周側側壁は、導波路コア層よりも深くエッチングされたいわゆるハイメサ型構造となっている。また、ＰＤ３０２のドーナツ状の導波路内側の側壁は、上部クラッド層４０４の途中までエッチングされ、コア層上に上部クラッド層４０４が一部残ったいわゆるリッジ型構造となっている。
【００５３】
このフォトダイオード３００の動作は、第１実施形態のものとほぼ同様である。すなわち、接続導波路１０１から光吸収領域を有するドーナツ状のＰＤ３０２に入射した信号光は、ドーナツ状の円周部の円周に沿って、ＰＤ３０２の光吸収層３０２を周回することになる。これにより、信号光は、ＰＤ３０２の円周部の円周の長さ以上の距離を伝搬することとなり、光の吸収効率が高くなる。これにより、このフォトダイオード３００についても、第１実施形態のものと同様の作用および効果を得る。
【００５４】
なお、上記各実施形態の変更例について説明する。
【００５５】
（変形例１）
ＰＤ１０２，３０２を構成する導波路構造は、信号光が伝播可能な導波路構造であれば、例えば、埋め込み構造、リッジ構造、ハイメサ構造等としてもよい。このようにしても、上述した実施形態のＰＤ１０２，３０２と同様の効果を得ることができる。
【００５６】
（変形例２）
図４に示したＰＤ３０１は、例えば図５に示すような構成としてもよい。図５は、図３のＢ−Ｂ’における断面構造の一例を説明するための図である。
【００５７】
図５において、変形例２のフォトダイオード３００Ａでは、ｎ−ＩｎＰ基板５０１、光吸収層５０２、上部ｐ−ＩｎＰクラッド５０３、上部電極５０４および下部電極５０５を備える。
【００５８】
ｎ−ＩｎＰ基板５０１は、導波路の下部クラッドを構成するようになっている。光吸収層５０２は、ＩｎＧａＡｓＰ井戸層およびＩｎＰ障壁層を有するノンドープ多重量子井戸構造からなる導波路コア層を兼ね備える。
【００５９】
図５において、導波路の両側側壁は、コア層を超えて下部クラッド５０１までエッチングされている。このようにしても前述した実施形態と同様な効果が期待できる。
【００６０】
なお、導波路の両側側壁は、リッジ型構造としてもよいし、あるいは埋込構造としてもよい。
【００６１】
（変形例３）
前述したフォトダイオード１００，３００，３００Ａの構造および材質に関して、特に制約を設けるものではない。例えば、ＩｎＰ系、ＧａＡｓ系に代表されるような化合物半導体材料、Ｓｉ等の半導体材料、通常フォトダーオードとして使用可能なすべての材料系を適用してもよい。
【００６２】
（変形例４）
前述したフォトダイオード１００，３００，３００Ａは、モニタフォトダイオードを例にとって説明したが、例えば、電気信号を光信号に変換して送信する光変調器、および光変調方法に利用することが可能である。
【００６３】
（変形例５）
前述したフォトダイオード１００，３００，３００Ａは、導波路型光デバイスに集積されており、導波路型光デバイスの入力光または出力光を受光するようにしてもよい。
【符号の説明】
【００６４】
１０１，３０１  接続導波路
１０２，３０２  ＰＤ
１０３，３０３  接続導波路とＰＤの接続部
２０１，４０１，５０１  ｎ−ＩｎＰ基板
２０２，４０２，５０２  光吸収層
２０３，４０３，５０３  ｐ−ＩｎＰクラッド
２０４，４０４，５０４  上部電極
２０５，４０５，５０５  下部電極
６０１  入力導波路
６０２  光分岐回路
６０３ａ，６０３ｂ  接続導波路
６０４ａ，ｂ  光分岐回路
６０５ａ，６０５ｂ，６０５ｃ，６０５ｄ  位相変調器
６０６ａ，６０６ｂ  光合流回路
６０７ａ，６０７ｂ  位相調整領域
６０８  光合流回路
６０９  出力導波路
６１０ａ，６１０ｂ  マッハツェンダー変調器
【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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