(57)【要約】【課題】  過大な光入力による自身の破損を防止するとともに、光損失を抑えることの可能な受光素子を提供する。【解決手段】  受光素子１０は、受光面１５と、受光面１５上に直接設けられ、粒径２０ｎｍ以下のＰｂＳｅナノ粒子を含有する薄膜１８を備えている。薄膜１８は光フューズとしての機能を有するので、受光素子１０は、過大な光入力による自身の破損を防止することができる。また、薄膜１８が受光面１５上に直接設けられているので、薄膜１８と受光面１５との間の光損失を抑えることができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
受光面と、
前記受光面上に直接設けられ、２０ｎｍ以下の粒径を有するＰｂＳｅナノ粒子を含有する薄膜と、
を備える受光素子。
【請求項２】
前記薄膜が第１の値以上のパワーを有する光を受けると、所定の波長を有する光に対する当該薄膜の光透過率が減少する、請求項１に記載の受光素子。
【請求項３】
前記薄膜は、前記第１の値より大きな第２の値以上のパワーを有する光を受けると焼損する、請求項２に記載の受光素子。
【請求項４】
第１の導電型を有する第１半導体層と、
前記第１半導体層上に設けられた増倍層と、
前記増倍層上に設けられ、第２の導電型を有する第２半導体層と、
前記第１半導体層に電気的に接続された第１電極と、
前記第２半導体層に電気的に接続された第２電極と、
を更に備え、
前記受光面は、前記第２半導体層の表面上に設けられており、
アバランシェフォトダイオードとして機能する請求項１〜３のいずれかに記載の受光素子。
【請求項５】
前記第２電極は、前記第２半導体層の表面上に設けられた環状体であり、
前記薄膜は、前記第２電極の内側に配置されている、
請求項４に記載の受光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、フォトダイオードや光導波路などの受光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年では、エルビウム光増幅器を用いることで、容易に高いパワーの光を得る事が可能になっている。しかしながら、光増幅器を高利得に設定した状態で短い光パルスを光増幅器に入射してしまうと、瞬間的に大きな光パワーが発生し、光増幅器の出力側に配置された光部品、特にアバランシェフォトダイオードなど光パワーに対する耐性が弱い受光素子を破損する恐れがある。また、信号光を伝送したまま、あるいは光増幅器から高い平均光パワーを出力したまま受光素子を交換する場合、受光素子を接続し直した直後に瞬間的に高い光パワーが発生し、その光が受光素子に入射することにより受光素子が破損する恐れがある。
【０００３】
そのため、受光素子への過大な光入力を防止する光フューズが研究されている。例えば、下記の特許文献１、２には、光の強度がある一定値を超えた場合に光の透過を抑える光フューズが、光導波路構造を有する半導体素子として開示されている。この光フューズは、導波路の端面損傷を利用して光の透過を抑える。また、特許文献３には、カーボンナノチューブをファイバ化し、光ヒューズとして使用することが開示されている。特許文献４、５には、光発熱領域と、発熱により光透過性が低下する物質または誘電体金属化合物を有する光ヒューズが開示されている。特許文献６には、入力光の強度に応じて光透過率が低下する膜を有する光ヒューズが開示されている。
【特許文献１】特開平９−１４６０５６号公報
【特許文献２】特開平９−２９７２８６号公報
【特許文献３】特開２００４−４６０８４号公報
【特許文献４】特開平１１−２８１８４２号公報
【特許文献５】特開平２００２−２２１７４０号公報
【特許文献６】特開平１１−２７４５４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
受光素子の破損防止の点で上記の光フューズは有用ではあるものの、光フューズを受光素子の受光面側に対向させて配置し、受光素子と光学的に結合させる必要があるので、光損失が増すことになる。例えば、上記の特許文献１、２に開示される光導波路型の光フューズは、光ファイバとの接続が難しく、挿入損失が大きい（通常数ｄＢ）という短所を有する。他の特許文献に記載される光フューズも、保護すべき受光素子との間で挿入損失を生じさせる。
【０００５】
そこで、本発明では、過大な光入力による自身の破損を防止しつつ、光損失を抑えることの可能な受光素子を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る受光素子は、受光面と、その受光面上に直接設けられ、粒径２０ｎｍ以下のＰｂＳｅナノ粒子を含有する薄膜とを備えている。本発明に係る受光素子には、フォトダイオードなどの光検出器のほか、光ファイバや平面光波回路（Planar Lightwave Circuit：ＰＬＣ）などの光導波路も含まれる。
【０００７】
上記の薄膜は光フューズとしての機能を有するので、この受光素子は、過大な光入力による自身の破損を防止することができる。薄膜が受光面上に直接設けられているので、別の光学部品を用いて薄膜と受光面とを光学的に結合する必要がなく、したがって、光損失を抑えることができる。
【０００８】
薄膜が第１の値以上のパワーを有する光を受けると、所定の波長を有する光に対する当該薄膜の光透過率が低減してもよい。薄膜は、第１の値より大きな第２の値以上のパワーを有する光を受けると焼損してもよい。
【０００９】
本発明に係る受光素子は、第１の導電型を有する第１半導体層と、第１半導体層上に設けられた増倍層と、増倍層上に設けられ、第２の導電型を有する第２半導体層と、第１半導体層に電気的に接続された第１電極と、第２半導体層に電気的に接続された第２電極と、を更に備えていてもよい。受光面は、第２半導体層の表面上に設けられていてもよい。この受光素子は、アバランシェフォトダイオードとして機能してもよい。
第２電極は、第２半導体層の表面上に設けられた環状体であってもよい。薄膜は、第２電極の内側に配置されていてもよい。このような配置を採用することで、受光素子を小型化することができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の受光素子は、受光面上に設けられた薄膜が光フューズとして機能するので、過大な光入力による自身の破損を防止するとともに、光損失を抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、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。
【００１２】
第１実施形態
図１は、本実施形態の受光素子を示す概略平面図である。受光素子１０は、コア１２を有する平面光波回路（ＰＬＣ）である。図１には、受光素子１０に光を導入するための光ファイバ２０および集光レンズ２２、ならびに受光素子１０の出力光を導くための光ファイバ３０および集光レンズ３２も描かれている。光ファイバ２０および３０は、所定の同一波長の光を伝送するのに適するように設計されている。本実施形態では、この波長の光を光ファイバ２０から受光素子１０を介して光ファイバ３０に伝送する。
【００１３】
図２は、受光素子１０の一方の端面１５を示す図である。この端面１５は、受光素子１０の受光面として機能する。コア１２は、コア１２よりも低い屈折率を有するクラッド層１４に埋め込まれており、そのクラッド層１４は基板１６上に設けられている。端面１５内で露出するコア１２の端面１２ａは、レンズ２２によって光ファイバ２０に光学的に結合されている。光ファイバ２０から出射した光はレンズ２２によって集光され、十分に高い結合効率でコア１２に結合される。その光は、コア１２内を伝搬し、端面１２ａの反対側の端面から出射する。その後、その光はレンズ３２によって集光され、十分に高い結合効率で光ファイバ３０に結合される。こうして、受光素子１０を介して光ファイバ２０から光ファイバ３０へ光が伝送される。
【００１４】
端面１５は薄膜１８によって被覆されている。薄膜１８は、ＰｂＳｅナノ粒子がドープされたシリカ（ＳｉＯ２）から構成されている。シリカに対するＰｂＳｅのドープ量は２２ｍｇ／ｍｌであり、また、薄膜１８の厚さは５０μｍである。
【００１５】
薄膜１８は、ＰｂＳｅナノ粒子がドープされたシリカのゾルゲル液をスピンコート法などを用いて受光素子１０の端面１５上に塗布し、そのゾルゲル液を加熱して硬化させることにより形成することができる。このほかに、薄膜１８を形成した後、端面１５上に樹脂接着剤などを用いて薄膜１８を貼り付けてもよい。
【００１６】
後述するように、薄膜１８は、ある値以上のパワーを有する光を受けると、上記の所定波長の光に対する透過率が低下する性質を持っている。このため、薄膜１８は、過大なパワーを有する光が受光素子１０に入力されたときに受光素子１０を保護する光フューズとして機能する。薄膜１８のこのような性質は、十分に小さい粒径を有するＰｂＳｅナノ粒子によってもたらされる。光フューズとしての性質を得るためには、ＰｂＳｅナノ粒子の粒径は２０ｎｍ以下であることが好ましい。本実施形態では、ＰｂＳｅナノ粒子は１０ｎｍの粒径を有している。
【００１７】
以下では、図３および図４を参照しながら、薄膜１８の入出力特性を説明する。ここで、図３は、薄膜１８の入出力特性を表すグラフであり、図４は、その入出力特性の測定に使用される光学系を示す概略平面図である。図４に示されるように、薄膜１８の前面には、光ファイバ２０が集光レンズ２２を介して光学的に結合されている。また、薄膜１８の後面には、光ファイバ３０の一方の端部３３が集光レンズ３２を介して光学的に結合されており、光ファイバ３０の他方の端部３４には光検出器３６が光学的に結合されている。図３の縦軸に示される出力光パワーは、この光検出器３６によって測定される。
【００１８】
図３に示されるように、入力光パワーが＋１０ｄＢｍまでは入力光パワーと出力光パワーとの差が一定であり、したがって薄膜１８が一定の光損失を生じさせることが分かる。しかし、入力光パワーが＋１０ｄＢｍ以上になると、入力光パワーと出力光パワーとの差が減少し始める。これは、薄膜１８で生じる光損失が、入力光パワーの上昇に伴って増加することを示している。入力光パワーが＋１６ｄＢｍ以上になると、入力光パワーが増加するにもかかわらず、出力光パワーが低下するようになる。更に、入力光パワーが＋２３ｄＢｍに達すると、出力光パワーがゼロになる。これは、薄膜１８が＋２３ｄＢｍ以上のパワーを有する光を受けると焼損し、光を透過させなくなるからである。薄膜１８は、このような光透過特性を有するので、過大な光入力から受光素子１０を保護することができる。
【００１９】
以下では、図３に示される光学系において光検出器３６の代わりに光部品３８が配置されており、この光部品３８は＋１０ｄＢｍ以上のパワーを有する光を受けると破損するものとする。始めに、薄膜１８との比較のため、入力光パワーに依存することなく一定の光損失（５ｄＢ）を生じさせる薄膜を光部品３８の前に配置した光学系を想定する。この光学系では、＋１５ｄＢｍ以上の光がその薄膜に入射すると、光部品３８へは＋１０ｄＢｍの光が入射するので、光部品３８は破損することになる。
【００２０】
一方、図４に示されるように、本実施形態では、入力光パワーが＋１０ｄＢｍ以上になると薄膜１８の光損失が増すので、入力光パワーが＋１５ｄＢｍ以上でも出力光パワーを＋１０ｄＢｍ未満に抑えることができる。この結果、受光素子１０の出力側に配置された光部品３６には、常に＋１０ｄＢｍ未満の光しか入らない。したがって、光部品３８の破損を確実に防止することができる。但し、薄膜１８は＋２３ｄＢｍで焼損し光を透過させなくなるため、＋１５ｄＢｍとの差である８ｄＢが上記の比較例に対するマージンとなる。
【００２１】
このような薄膜１８が受光素子１０の受光面１５を覆い、光フューズとして機能するので、受光素子１０は、過大な光入力による自身の破損を防止することができる。更に、薄膜１８が受光面１５上に直接設けられているので、薄膜１８と端面１５の間で発生する光損失を抑えることができる。
【００２２】
第２実施形態
図５は、本発明に係る第２の実施形態の受光素子を示す概略図である。この受光素子４０は、アバランシェフォトダイオードである。受光素子４０は、順次に積層されたｐ型半導体層４２、増倍層４４、およびｎ型半導体層４６を有する。ｐ型半導体層４２の下面には第１の電極層４８が設けられており、ｎ型半導体層４６の上面には第２の電極層５０が設けられている。第２の電極層５０は円環状であり、ｎ型半導体層４６の上面の周縁部に配置されている。ｎ型半導体層４６の上面のうち電極層５０の内側から露出する部分が受光素子４０の受光面５２である。図５には、受光面５２へ光を導く光ファイバ２０も描かれている。
【００２３】
第１および第２の電極４８、５０を介してｐ型半導体層４２とｎ型半導体層４６の間に十分な大きさの逆方向電圧を印加すれば、受光素子４０はアバランシェフォトダイオードとして動作する。すなわち、受光素子４０は、光ファイバ２０から受光面５２に入射した光を電流に変換し、その電流を増倍層４４で増倍してから出力する。
【００２４】
受光面５２の中央部には、円形の平面形状を有する薄膜５４が設けられている。薄膜５４は、第１実施形態における薄膜１８と同じ組成および厚さを有しており、したがって光フューズとして機能する。このため、受光素子４０は、過大な光入力による自身の破損を防止することができる。また、第１実施形態と同様に、薄膜５４が受光面５２上に直接設けられているので、光損失を抑えることができる。また、電極５０と薄膜５４を同一面上に設けることで、受光素子４０を小型化することができる。
【００２５】
図５に示されるように、薄膜５４は受光面５２の全体を覆うように設ける必要は必ずしもない。光ファイバ２０から出射する光２４は、図５において番号２５で示されるような光強度分布を有している。受光素子４０の光損傷は、光強度（光パワー／断面積、すなわち単位面積中の光パワー（パワー密度））に依存しており、実際には光強度分布の中心で発生する。したがって、受光面５２の全面に薄膜５４を形成するのではなく、光強度分布の中心付近にのみ薄膜５４を形成することで、光強度のピークを十分に抑えつつトータルの光パワーを高めることが可能となる。この結果、受光素子４０の破損を防ぎつつ光損失をいっそう低減することが可能となる。このような薄膜の配置は、アバランシュフォトダイオードのように、入射する光強度分布に強く依存することなく、受光面へ入射される光パワーに応じて出力が決まる光学素子では、特に有効である。
【００２６】
以上、本発明をその実施形態に基づいて詳細に説明した。しかし、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。
【００２７】
受光素子の受光面に付着させる薄膜の母材はシリカに限られず、他の材料であってもよい。ただし、母材は、ＰｂＳｅナノ粒子のドーピングが可能で、受光素子の受光面に付着させることができ、なおかつドープされるＰｂＳｅのナノ粒子としての性能を損なわない材料であることが好ましい。このような材料の例としては、ＰＭＭＡ（Polymethylmethacrylate）を挙げることができる。
【００２８】
本発明は、上記実施形態における平面光波回路やアバランシェフォトダイオードに限られず、光ファイバなど、他の受光素子に応用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】第１実施形態の受光素子を示す概略平面図である。
【図２】第１実施形態の受光素子の端面図である。
【図３】薄膜の入出力特性を表すグラフである。
【図４】入出力特性の測定に使用される光学系を示す概略平面図である。
【図５】第２実施形態の受光素子を示す概略図である。
【符号の説明】
【００３０】
１０、４０…受光素子、１２…コア、１４…クラッド、１５、５２…受光面、１６…基板、１８、５４…薄膜、２０、３０…光ファイバ、２２、３２…集光レンズ。
【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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