(57)【要約】【課題】  導波路型のフォトダイオードの高周波特性の劣化を抑制することができる半導体光素子および導波路型フォトダイオードの使用方法を提供する。【解決手段】  半導体光素子は、導波路と、前記導波路よりも広い幅を有し、前端面で前記導波路に接続され、光吸収領域を備える導波路型フォトダイオードと、を備え、前記導波路の光伝搬方向の中心軸および前記導波路型フォトダイオードの光伝搬方向の中心軸は、前記光吸収領域を通り、所定距離だけ離間している。【選択図】        図４
2018006689.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導波路と、
前記導波路よりも広い幅を有し、前端面で前記導波路に接続され、光吸収領域を備える導波路型フォトダイオードと、を備え、
前記導波路の光伝搬方向の中心軸および前記導波路型フォトダイオードの光伝搬方向の中心軸は、前記光吸収領域を通り、所定距離だけ離間している、半導体光素子。
【請求項２】
前記導波路型フォトダイオードの後端面は、周囲雰囲気に対して露出している、請求項１記載の半導体光素子。
【請求項３】
前記導波路型フォトダイオードの後端面は、前記導波路の光軸を、前記光吸収領域を通過しかつ前記前端面において前記導波路が接続されていない領域に入射する光軸に反射させる形状を有する、請求項１または２に記載の半導体光素子。
【請求項４】
前記導波路型フォトダイオードの後端面は、前記導波路の中心軸と交差する第１後端面と、前記第１後端面による前記中心軸の反射方向と交差する第２後端面と、を備える、請求項３記載の半導体光素子。
【請求項５】
前記所定距離は、前記導波路型フォトダイオードの幅の１／６倍である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の半導体光素子。
【請求項６】
真空中の波長λ０の単一モード光が伝搬する導波路よりも広い幅を有する前端面で前記導波路に接続され複数の高次モード光が伝搬可能な幅を有する光伝搬領域と、前記光伝搬領域に接続された光吸収領域と、を備え、前記光伝搬領域の光伝搬方向の長さをＬ１とし、前記導波路および前記光伝搬領域の実効屈折率をｎｒとし、前記光吸収領域の光伝搬方向の長さをＬＰＤとし、前記光伝搬領域の幅をＷＰＤとした場合に、Ｌ１＜ＷＰＤ２／３（λ０／ｎｒ）＜Ｌ１＋ＬＰＤを満たし、前記導波路型フォトダイオードの後端面は前記光伝搬領域の端面から距離が（４ＷＰＤ２）／３（λ０／ｎｒ）となる点を含む導波路型フォトダイオードの使用方法であって、
前記光伝搬領域の幅方向の中央から前記光伝搬領域の幅の１／６の距離だけ離れた位置に、前記導波路から前記光伝搬領域に前記単一モード光を入射し、
前記光伝搬領域から前記光吸収領域に、前記単一モード光および前記複数の高次モード光を入射し、
前記光吸収領域から前記導波路型フォトダイオードの後端面に、前記単一モード光および前記複数の高次モード光を導波させ、
前記光吸収領域に電気的に接続された電極から電流を取り出す、導波路型フォトダイオードの使用方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体光素子および導波路型フォトダイオードの使用方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
導波路型のフォトダイオードを有するモノリシック光集積回路が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２０１４−５１４５９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
導波路型のフォトダイオードにおいては、受光感度を向上させるために、光吸収領域を光の導波方向に沿って長くすることが好ましい。しかしながら、光吸収領域を長くすると、フォトダイオードの電気的容量が大きくなる。それに伴い、高速変調された光信号に対する応答（高周波特性）が劣化する。
【０００５】
そこで、導波路型のフォトダイオードの高周波特性の劣化を抑制することができる半導体光素子および導波路型フォトダイオードの使用方法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】
【０００６】
本発明に係る半導体光素子は、導波路と、前記導波路よりも広い幅を有し、前端面で前記導波路に接続され、光吸収領域を備える導波路型フォトダイオードと、を備え、前記導波路の光伝搬方向の中心軸および前記導波路型フォトダイオードの光伝搬方向の中心軸は、前記光吸収領域を通り、所定距離だけ離間しているものである。
【発明の効果】
【０００７】
上記発明によれば、導波路型のフォトダイオードの高周波特性の劣化を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１実施形態に係る受光素子の模式的な上面図である。
【図２】受光素子の断面構造を例示する図である。
【図３】（ａ）〜（ｃ）は受光素子の断面構造を例示する図である。
【図４】導波路型フォトダイオード近傍の半導体メサの形状を模式的に例示する図である。
【図５】第１実施形態に係る半導体光素子を例示する図である。
【図６】半導体光素子を製造する方法を説明する図である。
【図７】（ａ）〜（ｃ）は半導体光素子を製造する方法を説明する図である。
【図８】（ａ）〜（ｃ）は半導体光素子を製造する方法を説明する図である。
【図９】半導体光素子を製造する方法を説明する図である。
【図１０】（ａ）〜（ｃ）は半導体光素子を製造する方法を説明する図である。
【図１１】半導体光素子を製造する方法を説明する図である。
【図１２】（ａ）〜（ｃ）は半導体光素子を製造する方法を説明する図である。
【図１３】（ａ）〜（ｃ）は半導体光素子を製造する方法を説明する図である。
【図１４】第２実施形態に係る導波路型フォトダイオードの半導体からなる部分を上面からみた形状の一例を示す。
【図１５】第３実施形態に係る導波路型フォトダイオードを例示する図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
[本願発明の実施形態の説明]
最初に本願発明の実施形態の内容を列記して説明する。
【００１０】
本願発明は、（１）導波路と、前記導波路よりも広い幅を有し、前端面で前記導波路に接続され、光吸収領域を備える導波路型フォトダイオードと、を備え、前記導波路の光伝搬方向の中心軸および前記導波路型フォトダイオードの光伝搬方向の中心軸は、前記光吸収領域を通り、所定距離だけ離間している、半導体光素子である。この構成によれば、導波路型フォトダイオードの高周波特性の劣化を抑制することができる。
（２）前記導波路型フォトダイオードの後端面は、周囲雰囲気に対して露出していてもよい。この構成によれば、後端面における反射率が向上する。
（３）前記導波路型フォトダイオードの後端面は、前記導波路の光軸を、前記光吸収領域を通過しかつ前記前端面において前記導波路が接続されていない領域に入射する光軸に反射させる形状を有していてもよい。この構成によれば、反射戻り光の影響を抑制することができる。
（４）前記導波路型フォトダイオードの後端面は、前記導波路の中心軸と交差する第１後端面と、前記第１後端面による前記中心軸の反射方向と交差する第２後端面と、を備えていてもよい。この構成によれば、光軸をずらして反射することができる。
（５）前記所定距離は、前記導波路型フォトダイオードの幅の１／６倍としてもよい。この構成によれば、シングルモード光および高次モードの強めあう干渉を、前記前端面に近い位置で起こすことができる。
（６）本願発明は、真空中の波長λ０の単一モード光が伝搬する導波路よりも広い幅を有する前端面で前記導波路に接続され複数の高次モード光が伝搬可能な幅を有する光伝搬領域と、前記光伝搬領域に接続された光吸収領域と、を備え、前記光伝搬領域の光伝搬方向の長さをＬ１とし、前記導波路および前記光伝搬領域の実効屈折率をｎｒとし、前記光吸収領域の光伝搬方向の長さをＬＰＤとし、前記光伝搬領域の幅をＷＰＤとした場合に、Ｌ１＜ＷＰＤ２／３（λ０／ｎｒ）＜Ｌ１＋ＬＰＤを満たし、前記導波路型フォトダイオードの後端面は前記光伝搬領域の端面から距離が（４ＷＰＤ２）／３（λ０／ｎｒ）となる点を含む導波路型フォトダイオードの使用方法であって、前記光伝搬領域の幅方向の中央から前記光伝搬領域の幅の１／６の距離だけ離れた位置に、前記導波路から前記光伝搬領域に前記単一モード光を入射し、前記光伝搬領域から前記光吸収領域に、前記単一モード光および前記複数の高次モード光を入射し、前記光吸収領域から前記導波路型フォトダイオードの後端面に、前記単一モード光および前記複数の高次モード光を導波させ、前記光吸収領域に電気的に接続された電極から電流を取り出す、導波路型フォトダイオードの使用方法である。この構成によれば、高周波特性の劣化を抑制することができる。
【００１１】
［本願発明の実施形態の詳細］
本発明の実施形態に係る半導体光素子および導波路型フォトダイオードの使用方法の具体例を、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およ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。
【００１２】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る受光素子１００の模式的な上面図である。受光素子１００は、導波路型フォトダイオードを備える。図１で例示するように、受光素子１００は、導波路ａに導波路型フォトダイオードｂが接続された構造を有する。導波路型フォトダイオードｂは、導波路ａ側から順に、前部伝搬領域ｃ、光吸収領域ｄ、後部伝搬領域ｅおよび反射領域ｆが接続された構造を有する。導波路ａは、導波路ａよりも広い幅を有する前部伝搬領域ｃの前端面に接続されている。前部伝搬領域ｃ、光吸収領域ｄおよび後部伝搬領域ｅは、同じ幅を有している。
【００１３】
導波路ａは、導波路型フォトダイオードｂに光を入射する。前部伝搬領域ｃは、導波路ａから入射した光を光吸収領域ｄ側に向かって伝搬させながら、光の分布を導波路型フォトダイオードｂの幅方向に広げる。光吸収領域ｄは、光を吸収し光電流を発生させる。光伝搬方向における光吸収領域ｄの長さは、一部の光が吸収されず透過する長さに設定されている。後部伝搬領域ｅは、光吸収領域ｄで吸収されず反射領域ｆに向かって光吸収領域ｄを透過した光、および、反射領域ｆの後端面から反射して戻ってきた光を伝搬させる。反射領域ｆの後端面は、後部伝搬領域ｅを伝搬してきた光を反射させ、光の伝搬方向を変化させる。反射領域ｆで反射した光は、後部伝搬領域ｅを伝搬し、光吸収領域ｄで吸収されて光電流の発生に寄与する。
【００１４】
このように、導波路ａから導波路型フォトダイオードｂに入射した光は、前部伝搬領域ｃから反射領域ｆに向かって伝搬するときと、反射領域ｆで反射した後との２度、光吸収領域ｄを通過して光電流の発生に寄与する。光が２度にわたって光吸収領域ｄを通過するので、光吸収領域ｄを長くすることなく、大きい光電流を得ることができる。すなわち受光感度を高くすることができる。したがって、高周波特性の劣化を伴うことなく、受光感度を高くすることができる。
【００１５】
本実施形態においては、導波路ａの光伝搬方向の中心軸および導波路型フォトダイオードｂの光伝搬方向の中心軸は、光吸収領域ｄを通り、所定距離だけ離間している。それにより、導波路ａに対する戻り光を抑制することができる。
【００１６】
図２および図３（ａ）〜図３（ｃ）は、受光素子１００の断面構造を例示する図である。図２は、Ｘ軸方向（光伝搬方向）に沿った断面図であり、図１のＩ−Ｉ線断面図である。図２で例示するように、導波路ａ、前部伝搬領域ｃ、後部伝搬領域ｅ、および反射領域ｆは、ＩｎＰ基板１上に形成された第１半導体積層を有する。第１半導体積層は、ＩｎＰ基板１から順に、下部クラッド層２、導波路コア層６、および上部クラッド層７が積層された構造を有する。上部クラッド層７の上面に、絶縁膜９が形成されている。反射領域ｆは後端面を有する。反射領域ｆの後端面と、当該後端面に接する物質との屈折率差に起因して、光の反射が起きる。当該後端面において、のうち下部クラッド層２の一部と導波路コア層６と上部クラッド層７とが露出していることが好ましい。この場合、後端面が周囲雰囲気（空気、窒素ガスなど）に対して露出することになる。それにより、屈折率差が大きくなり、反射光の強度が大きくなる。
【００１７】
光吸収領域ｄは、ＩｎＰ基板１上に形成された第２半導体積層を有する。第２半導体積層は、ＩｎＰ基板１から順に、下部クラッド層２、吸収層３、上部クラッド層４、およびコンタクト層５が積層された構造を有する。コンタクト層５の上面には、ｐ電極１０が形成されている。光吸収領域ｄおよび前部伝搬領域ｃ、ならびに光吸収領域ｄおよび後部伝搬領域ｅは、バットジョイント接合されている。接合の界面には、導波路コア層６と同じ材料の膜が存在する。
【００１８】
図３（ａ）は、光吸収領域ｄにおいてＸ軸に直交する断面図であり、図１のＩＩ−ＩＩ線断面図である。図３（ａ）で例示するように、第２半導体積層は、幅４．８μｍのメサ形状を有する。光吸収領域ｄのメサの側面は、選択埋め込み層８に覆われている。選択埋め込み層８の表面は絶縁膜９に覆われている。メサの両脇にあるメサ底面は下部クラッド層２からなる。メサ底面は選択埋め込み層８または絶縁膜９に覆われている。メサ底面の他の一部の表面にはｎ電極１１が形成されている。
【００１９】
図３（ｂ）は、反射領域ｆにおいてＸ軸に直交する断面図であり、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。図３（ｂ）で例示するように、第１半導体積層は、メサ形状を有する。反射領域ｆのメサの側面は、露出しており、各半導体層が周囲雰囲気に接している。
【００２０】
図３（ｃ）は、導波路ａにおいてＸ軸に直交する断面図であり、図１のＩＶ−ＩＶ線断面図である。図３（ｃ）で例示するように、導波路ａにおいて、第１半導体積層は、メサ形状を有する。導波路ａのメサの上面および側面は、絶縁膜９によって覆われている。
【００２１】
ＩｎＰ基板１は、例えば、半絶縁性ＩｎＰ基板であり、１１０μｍの厚さを有する。下部クラッド層２は、例えば、ｎ型にドープされたＩｎＰであり、１．５μｍの厚さを有する。吸収層３は、例えば、ノンドープのＩｎＧａＡｓであり、０．４μｍの厚さを有する。上部クラッド層４は、例えば、ｐ型にドープされたＩｎＰであり、１．０μｍの厚さを有する。コンタクト層５は、例えば、ｐ型にドープされたＩｎＧａＡｓであり、０．３μｍの厚さを有する。導波路コア層６は、例えば、ノンドープのＩｎＧａＡｓＰ（バンドギャップ波長１．０５μｍ）であり、０．５μｍの厚さを有する。上部クラッド層７は、例えば、ノンドープのＩｎＰであり、１．２μｍの厚さを有する。選択埋め込み層８は、例えば、Ｆｅがドープされた半絶縁性のＩｎＰであり、吸収層３の脇においてＹ軸方向０．４μｍの厚さを有する。絶縁膜９は、例えば、ＳｉＮ膜であり、３００ｎｍの厚さを有する。ｐ電極１０は、例えば、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕの積層体である。ｎ電極１１は、例えば、ＡｕＧｅである。本実施形態においては、導波路コア層６の屈折率ｎｃｏｒｅは、波長１．５５μｍの光に対して３．４である。
【００２２】
図４は、導波路型フォトダイオードｂ近傍の半導体メサの形状を模式的に例示する図である。図４で例示するように、導波路型フォトダイオードｂ近傍の半導体メサは、導波路ａ、前部伝搬領域ｃ、光吸収領域ｄ、後部伝搬領域ｅ、および反射領域ｆがＸ軸方向にこの順に配列され、互いに光学的に結合された構造を有する。前部伝搬領域ｃは、前端面ＦＩＮを含み、前端面ＦＩＮにおいて導波路ａと接続する。
【００２３】
導波路ａは、シングルモード光が伝搬可能な幅Ｗｄを有する。前部伝搬領域ｃは、複数の高次モードが伝搬可能な幅ＷＰＤを有する。幅ＷＰＤは、幅Ｗｄよりも大きい。前部伝搬領域ｃ、光吸収領域ｄおよび後部伝搬領域ｅの幅は等しくなっている。幅Ｗｄは、例えば、２．４μｍである。幅Ｗｄは、２．０〜３．０μｍの範囲とすることができる。幅ＷＰＤは、例えば、４．８μｍである。幅ＷＰＤは、３〜１０μｍの範囲とすることができる。この半導体メサによれば、導波路ａは、波長１．５５μｍ（真空中での光波長λ０）のシングルモード光を伝搬する。また、この半導体メサによれば、前部伝搬領域ｃは、導波路ａからシングルモード光を受け取り、導波路ａとの前端面ＦＩＮにおいて複数の高次モード光を発生させることができる。発生した複数の高次モード光および導波路ａから入射したシングルモード光は、前部伝搬領域ｃ、光吸収領域ｄ、後部伝搬領域ｅ、および反射領域ｆにおいて干渉する。これらの高次モード光およびシングルモード光は、前部伝搬領域ｃ、光吸収領域ｄ、後部伝搬領域ｅ、および反射領域ｆのＸ軸方向の特定の位置において互いに光強度を強めあうように干渉する。
【００２４】
導波路ａは、前端面ＦＩＮの近傍においてＸ軸方向に延在する。導波路ａは、その幅の中央を通りＸ軸方向に延在する中心軸Ａを有する。前部伝搬領域ｃは、その幅方向の中央を通りＸ軸方向に延在する中心軸Ｂを有する。中心軸Ａと中心軸Ｂとは、距離Ｗｉｎだけ離れている。本実施形態においては、例えば、距離Ｗｉｎは、幅ＷＰＤの１／６倍である。距離Ｗｉｎは、幅ＷＰＤに対してＷＰＤ／６±０．２μｍとすることができる。この導波路型フォトダイオードｂによれば、前端面ＦＩＮにおいて発生する高次モードのうち、２次モード、５次モード、および８次モードが、前部伝搬領域ｃ、光吸収領域ｄおよび後部伝搬領域ｅの領域内において干渉により消失する。これにより、シングルモード光および高次モードの強めあう干渉を、前端面ＦＩＮに近い位置で起こすことができる。この干渉位置の前端面ＦＩＮからのＸ軸方向の距離は、幅ＷＰＤの２乗に比例する。また、この干渉位置の前端面ＦＩＮからのＸ軸方向の距離は、半導体メサ内での実効光波長λｒ（＝真空中での光波長λ０／屈折率ｎｃｏｒｅ）に逆比例する。
【００２５】
光吸収領域ｄの一端は、前部伝搬領域ｃに接続する。光吸収領域ｄの他端は、後部伝搬領域ｅの一端に接続する。光吸収領域ｄの一端の前端面ＦＩＮからのＸ軸方向の距離Ｌ１は、例えば、１６．９μｍである。距離Ｌ１は、７〜７０μｍの範囲とすることができる。光吸収領域ｄのＸ軸方向の長さＬＰＤは、例えば、７．０μｍである。距離ＬＰＤは５〜１０μｍの範囲とすることができる。距離Ｌ１および長さＬＰＤは、ＷＰＤの２乗を実効光波長λｒで割った値の１／３倍（＝ＷＰＤ２／（３×λｒ））よりも、Ｌ１が小さくなり、かつＬ１とＬＰＤの和が大きくなるように選ばれる。すなわち、Ｌ１＜ＷＰＤ２／（３λｒ）＜Ｌ１＋ＬＰＤの関係が成立する。
【００２６】
これにより、シングルモード光および高次モード光の強め合う干渉が、光吸収領域ｄの内部で起こるようにすることができる。これにより、光吸収領域ｄの高い光吸収効率を得ることができる。
【００２７】
また、長さＬＰＤと幅ＷＰＤとの積ＬＰＤ×ＷＰＤは、１００μｍ２よりも小さくなるように選ばれる。積ＬＰＤ×ＷＰＤは、導波路型フォトダイオードｂの電気的容量に比例する。積ＬＰＤ×ＷＰＤを小さく保つことにより、導波路型フォトダイオードｂの高周波特性が良好に保たれる。
【００２８】
後部伝搬領域ｅの他端は、反射領域ｆの一端に接続する。後部伝搬領域ｅのＸ方向の長さＬ２は、例えば、４３．６μｍである。長さＬ２は、１５〜２００μｍの範囲とすることができる。
【００２９】
反射領域ｆの他端は、低屈折率の媒質（第１実施形態の場合は空気などの周囲雰囲気）に露出する後端面を有する。後端面は、中心軸Ａと角度θ１をなして交差する第１後端面Ｃと、中心軸Ｂと角度θ２をなして交差する第２後端面Ｄと、を有する。第１実施形態では、第１後端面Ｃと第２後端面Ｄとは、中心軸Ｂ上において互いに交差する。導波路型フォトダイオードｂは、反射領域ｆのＹ軸方向のいずれかの位置に第１後端面Ｃと第２後端面Ｄとの交差点を含む。第１後端面Ｃは、前端面ＦＩＮからのＸ方向の距離がＬｒｅｆに等しくなる点Ｐを含む。本実施形態では、距離Ｌｒｅｆは、例えば、６７．５μｍである。距離Ｌｒｅｆは、２５〜３００μｍの範囲とすることができる。距離Ｌｒｅｆは、ＷＰＤの２乗を実効光波長λｒで割った値の４／３倍（＝４×ＷＰＤ２／（３×λｒ））に等しくなることが好ましい。これにより、シングルモード光および高次モード光の強め合う干渉を、第１後端面Ｃの上で起こすことができ、第１後端面Ｃ上における干渉光のモードの広がりを小さく絞ることができる。これにより、第１後端面Ｃでの光の反射の効率を高めることができる。
【００３０】
第２後端面Ｄは、前端面ＦＩＮからのＸ方向の距離がＬｒｅｆに等しくなる点Ｒを含むことが好ましい。これにより、第２後端面Ｄで反射された光を前端面ＦＩＮの方向に向かって伝搬させることができる。
【００３１】
この導波路型フォトダイオードｂによると、反射領域ｆの後端面で反射された光は、前端面ＦＩＮの点Ｑで、強め合うように干渉する。点Ｑは、前端面ＦＩＮにおいて、導波路ａと接続されていない領域の点である。またこの導波路型フォトダイオードｂによると、前端面ＦＩＮ上に干渉光のモードの広がりを小さく絞ることができる。これにより、後端面で反射して前端面ＦＩＮに戻ってきた光が、導波路ａと光学的に結合することを抑制することができる。
【００３２】
導波路コア層６の屈折率ｎｃｏｒｅが波長１．５５μmの光に対して３．４であり、角度θ１が４５度である場合、導波路型フォトダイオードｂを伝搬したＴＥ偏波の波長１．５５μmの光の、第１後端面Ｃにおける反射率は、約４０％である。角度θ２が４５度であるので、第２後端面Ｄにおける光の反射率は約４０％である。２回の反射および、後部伝搬領域ｅを伝搬する間の減衰の結果として、光吸収領域ｄを透過した光のうちの約１５％が、ふたたび光吸収領域ｄに入射し、光電流の発生に寄与する。これにより、短い光吸収領域長を用いて、受光感度を高めることができる。二度の光吸収領域ｄの通過によっても吸収されずにわずかに残った反射戻り光は、点Ｑに結像するので、導波路ａに光結合することが抑制される。
【００３３】
図５は、本実施形態に係る半導体光素子２００を例示する図である。半導体光素子２００は、ＰＤ集積９０度ハイブリッド素子である。図５で例示するように、半導体光素子２００は、略矩形状といった平面形状を有しており、ＩｎＰ基板上に光導波路部１５ａ〜１５ｆが形成されて成る。半導体光素子２００は、２つの入力ポート１２ａ，１２ｂと、光分岐部（光カプラ）１３とを有している。また、半導体光素子２００は、ＩｎＰ基板上に形成された第１〜第４のＰＤ部１４ａ〜１４ｄを有している。ＰＤ部１４ａ〜１４ｄとして、受光素子１００を用いる。
【００３４】
２つの入力ポート１２ａ，１２ｂは、半導体光素子２００の一方の端縁に設けられている。一方の入力ポート１２ａには、ＱＰＳＫ方式によって変調された４つの信号成分を含む光信号Ｌａが外部より入力される。また、他方の入力ポート１２ｂには、局部発振光Ｌｂが入力される。入力ポート１２ａ，１２ｂのそれぞれは、入力導波路領域αの光導波路部１５ａ，１５ｂのそれぞれを介して、９０度ハイブリッド領域βの光分岐部１３と光学的に結合されている。なお、光導波路部１５ａ，１５ｂは、図３（ｃ）の導波路ａのメサ構造と同様の構成を有する。
【００３５】
光分岐部１３は、９０度光ハイブリッドを構成する。すなわち、光分岐部１３は、２×４ＭＭＩカプラと２×２ＭＭＩカプラとによって構成されており、光信号Ｌａと局部発振光Ｌｂとを相互に干渉させることによって、光信号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は偏波状態が互いに等しく、同相（Ｉｎ−ｐｈａｓｅ）関係を有する。また、信号成分Ｌｃ３及びＬｃ４の偏波状態は、互いに等しく且つ信号成分Ｌｃ１及びＬｃ２の偏波状態とは異なっている。信号成分Ｌｃ３及びＬｃ４は、直角位相（Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ）関係を有する。
【００３６】
ＰＤ領域δのＰＤ部１４ａ〜１４ｄそれぞれは、分岐導波路領域γの光導波路部１５ｃ〜１５ｆそれぞれを介して光分岐部１３の４つの出力端と光学的に結合されている。光導波路部１５ｃ〜１５ｆは、図１の導波路ａと同様の構成を有しており、ＰＤ部１４ａ〜１４ｄは、図２〜図３（ｃ）のメサ構造の断面と同様の構成を有している。
【００３７】
ＰＤ部１４ａ〜１４ｄは、半導体光素子２００の他方の端縁に沿って、この順で並んで配置されている。ＰＤ部１４ａ〜１４ｄのｎ電極には、一定のバイアス電圧が供給される。ＰＤ部１４ａ〜１４ｄのそれぞれは、４つの信号成分Ｌｃ１〜Ｌｃ４のそれぞれを光分岐部１３から受け、これら信号成分Ｌｃ１〜Ｌｃ４のそれぞれの光強度に応じた電気信号（光電流）を生成する。半導体光素子２００上には、ＰＤ部１４ａ〜１４ｄのｐ電極に電気的に接続された信号出力用電極パッド１６ａ〜１６ｄが設けられている。信号出力用電極パッド１６ａ〜１６ｄは、図３（ａ）で例示するように、絶縁膜９上を経て配設される金属配線層を介して、ＰＤ部１４ａ〜１４ｄのそれぞれのｐ電極と電気的に接続されている。また、信号出力用電極パッド１６ａ〜１６ｄそれぞれは、ボンディングワイヤを介して、それぞれ外部の信号増幅用素子と電気的に接続されている。
【００３８】
半導体光素子２００は、受光素子１００を用いていることから、良好な高周波特性を有する。
【００３９】
（製造方法）
図６〜図１１は、半導体光素子２００を製造する方法を説明する図である。図６で例示するように、ＩｎＰ基板１（例えば半絶縁性ＩｎＰ基板）を準備する。ＩｎＰ基板１は、導波路ａ、前部伝搬領域ｃ、後部伝搬領域ｅ、および反射領域ｆを形成するための第１領域１ａと、光吸収領域ｄを形成するための第２領域１ｂとを備える。第１領域１ａおよび第２領域１ｂは、後述する図９で例示されている。ＩｎＰ基板１の主面の全体に、光吸収領域ｄのための第２半導体積層を形成する。この第２半導体積層は、下部クラッド層２、吸収層３、上部クラッド層４、およびコンタクト層５を含む。第２半導体積層の形成は、例えば有機金属気相成長法により行われる。
【００４０】
次いで、光吸収領域ｄのＸ軸方向の形状および幅を規定するバットジョイントマスク２１を、コンタクト層５の上に形成する。バッドジョイントマスク２１はシリコン系無機絶縁膜（例えばＳｉＮ膜）である。バットジョイントマスク２１は、ＩｎＰ基板１の第２領域１ｂに形成され、以下のようなストライプ形状を有する。すなわち、Ｘ軸方向には光吸収領域ｄに対応する幅を有し、Ｙ軸方向には配列する複数の導波路型フォトダイオードｂおよびその間にわたって長く延在する。ＩｎＰ基板１の第１領域１ａ上にはバットジョイントマスク２１は形成されていない。
【００４１】
次に、図７（ａ）および図７（ｂ）で例示するように、バットジョイントマスク２１を用いてコンタクト層５、上部クラッド層４、および吸収層３をエッチングすることにより、ＩｎＰ基板１の第２領域１ｂに光吸収領域ｄのためのバットジョイントメサを形成する。下部クラッド層２が露出した時点でエッチングを停止し、下部クラッド層２はエッチングしない。
【００４２】
図７（ａ）は図１のＩ−Ｉ線と同じ線に沿って得られた断面における作製途中の形状を示す。図７（ｂ）は、図1のＩＩ−ＩＩ線と同じ線に沿ってとられた断面における作製途中の形状を示す。図７（ｃ）は、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線と同じ線に沿って得られた断面における作製途中の形状を示す。
【００４３】
次いで、バットジョイントマスク２１を用いたバットジョイント再成長を行う。すなわち、バットジョイントマスク２１を用いて、ＩｎＰ基板１の第１領域１ａの下部クラッド層２上に、導波路コア層６と、導波路上部クラッド層７とを形成することで、第１半導体積層を形成する。これらの層の形成は、例えば有機金属気相成長法により行われる。導波路コア層６のバットジョイント再成長の初期に、導波路コア層６と同じ組成からなる半導体層が、バットジョイントメサの側面にも這い上がって形成される。この再成長により、図８（ａ）、図８（ｂ）および図８（ｃ）で例示する形状が得られる。図８（ａ）〜図８（ｃ）は、それぞれ図７（ａ）〜図７（ｃ）に対応する箇所を例示している。
【００４４】
次いで、メサエッチングのためのメサ形成マスク２２を、第１領域１ａと第２領域１ｂとにまたがって形成する。メサ形成マスク２２の形状を図９で例示する。メサ形成マスク２２は、導波路となる部分、２×４ＭＭＩとなる部分、２×２ＭＭＩとなる部分、および導波路型フォトダイオードｂとなる部分を覆う。メサ形成マスクは、シリコン系無機絶縁膜からなる。
【００４５】
次いで、メサ形成マスク２２を用いて、第１半導体積層および第２半導体積層をドライエッチングし、導波路メサを形成する。ドライエッチングは、図１０（ａ）〜図１０（ｃ）で例示するように、下部クラッド層２の中ほどまで行う。図１０（ａ）〜図１０（ｃ）は、それぞれ図７（ａ）〜図７（ｃ）に対応する箇所を例示している。導波路メサは、第１領域１ａにおいては、下部クラッド層２、吸収層３、上部クラッド層４、およびコンタクト層５を含む。導波路メサは、第２領域１ｂにおいては、下部クラッド層２、導波路コア層６、および上部クラッド層７を含む。
【００４６】
次いで、選択埋め込み成長のための選択埋め込みマスク２３を、第１領域１ａと第２領域１ｂとにまたがって形成する。選択埋め込みマスク２３は、例えば、シリコン系無機絶縁膜である。
【００４７】
図１１は、選択埋め込みマスク２３を例示する図である。図１１で例示するように、選択埋め込みマスク２３は、導波路型フォトダイオードｂとの接続点近傍の導波路ａ、前部伝搬領域ｃ、および後部伝搬領域ｅにおいては、上部クラッド層７の上面を覆い、導波路メサの側面は覆わない。選択埋め込みマスク２３は、光吸収領域ｄにおいては、コンタクト層５の上面および、ｎ電極１１が形成される下部クラッド層２の一部を覆い、導波路メサの側面は覆わない。選択埋め込みマスク２３は、導波路型フォトダイオードｂとの接続点近傍の以外の導波路、および反射領域ｆにおいては、上部クラッド層７の上面、導波路メサの側面および導波路メサの底面である下部クラッド層２の上面を覆う。
【００４８】
選択埋め込みマスク２３を用いて、選択埋め込み成長を行い、導波路型フォトダイオードｂとの接続点近傍の導波路ａ、前部伝搬領域ｃ、および後部伝搬領域ｅのそれぞれの導波路メサの側面および底面に、選択埋め込み層８を形成する。選択埋め込み成長は、例えば有機金属気相成長法によって行われる。この選択埋め込み成長により、図１２（ａ）〜図１２（ｃ）で例示する形状が得られる。次いで、選択埋め込みマスク２３を除去する。図１２（ａ）〜図１２（ｃ）は、それぞれ図７（ａ）〜図７（ｃ）に対応する箇所を例示している。
【００４９】
次いで、ＩｎＰ基板１上にシリコン系無機絶縁膜を堆積し、絶縁膜エッチングおよび金属蒸着を含む電極プロセスによって、所定の形状の絶縁膜９、ｐ電極１０、およびｎ電極１１を形成する。それにより、図１３（ａ）〜図１３（ｃ）で例示する形状が得られる。図１３（ａ）〜図１３（ｃ）は、それぞれ図７（ａ）〜図７（ｃ）に対応する箇所を例示している。
【００５０】
（第２実施形態）
図１４は、第２実施形態に係る導波路型フォトダイオード（導波路型ＰＤ）の半導体からなる部分を上面からみた形状の一例を示す。角度θ１が４５度よりも小さい３０度であり、角度θ２が４５度よりも大きい６０度である点が、第１実施形態とは異なる。そのほかの導波路と導波路型フォトダイオードの各領域の幅と長さ、および、導波路と導波路型フォトダイオードとを構成する半導体の各層の組成と厚さは、第１実施形態と同じである。
【００５１】
導波路型フォトダイオードを伝搬したＴＥ偏波の波長１．５５μmの光の、第１後端面Ｃにおける反射率は、約５０％である。第２後端面Ｄにおける光の反射率は約３５％である。２回の反射および、後部伝搬領域ｅを伝搬する間の減衰の結果として、光吸収領域ｄを透過した光のうちの約１７％が、再度光吸収領域ｄに入射し、光電流の発生に寄与する。これにより、短い光吸収領域長を用いて、受光感度を高めることができる。２度の光吸収領域ｄの通過によっても吸収されずにわずかに残った反射戻り光は、点Ｑに結像し、導波路に光結合することが抑制される。
【００５２】
（第３実施形態）
図１５は、第３実施形態に係る導波路型フォトダイオード（導波路型ＰＤ）を例示する図である。図１５は、半導体からなる部分を上面からみた形状の一例を示す。また、図１５は、図１のＩ−Ｉ線に沿って得られた端面図である。反射領域ｆの第１後端面Ｃおよび第２後端面Ｄの側面にも絶縁膜９を備える点が、第１実施形態とは異なる。そのほかの導波路と導波路型フォトダイオードの各領域の幅と長さ、角度、および、導波路と導波路型フォトダイオードとを構成する半導体の各層の組成と厚さは、第１実施形態と同じである。
【００５３】
第１および第２後部端面に接して設けられた絶縁膜９は、厚さは１００ｎｍである。このとき導波路型フォトダイオードを伝搬したＴＥ偏波の波長１．５５μmの光の、第１後端面Ｃにおける反射率は、約３４％である。第２後端面Ｄにおける光の反射率は約３４％である。後端面での反射率が下がるため導波路型フォトダイオードの受光感度は多少下がるが、後端面を絶縁膜９で覆い半導体層を露出させないので、半導体光素子が使用される環境の雰囲気に多少の水分が混入した場合においても、後端面が水分により劣化するのを防ぐことができる。
【符号の説明】
【００５４】
１  ＩｎＰ基板、１ａ  第１領域、１ｂ  第２領域、２  下部クラッド層、３  吸収層、４  上部クラッド層、５  コンタクト層、６  導波路コア層、７  上部クラッド層、８  選択埋め込み層、９  絶縁膜、１０  ｐ電極、１１  ｎ電極、１２ａ，１２ｂ  入力ポート、１３  光分岐部、１４ａ〜１４ｄ  ＰＤ部、１５ａ，１５ｂ  光導波路部、１６ａ〜１６ｄ  信号出力用電極パッド、２１  バットジョイントマスク、２２  メサ形成マスク、２３  選択埋め込みマスク、１００  受光素子、２００  半導体光素子
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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