(57)【要約】【課題】フォトダイオードと半導体光増幅器とを集積した受光装置の製造コストの上昇を抑制する。【解決手段】第１基板１０１の主表面１０１ａに形成された半導体光増幅器１０２を備える。半導体光増幅器１０２の一端には、第１基板１０１の主表面１０１ａに対して斜めに形成された端面から構成された第１反射部１０３を備える。また、半導体光増幅器１０２の他端には、第１基板１０１の主表面１０１ａに対して斜めに形成された端面から構成された第２反射部１０４を備える。また、この受光装置は、第１基板１０１の裏面１０１ｂに自身の裏面１０５ｂが貼り合わされた第２基板１０５と、第２基板１０５の主表面１０５ａに形成されたフォトダイオード１０６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】
第１基板の主表面に形成され、主表面に平行な方向に導波する導波路型の半導体光増幅器と、
前記半導体光増幅器の一端に前記第１基板の主表面に対して斜めに形成された端面から構成され、前記第１基板の裏面側から入力される入力光を入力するための第１反射部と、
前記半導体光増幅器の他端に前記第１基板の主表面に対して斜めに形成された端面から構成され、出力光を前記第１基板の裏面側に出力するための第２反射部と、
前記第１基板の裏面に自身の裏面が貼り合わされた第２基板と、
前記第２反射部から出力される出力光が受光可能な箇所の前記第２基板の主表面に形成された面型のフォトダイオードと
を備えることを特徴とする受光装置。
【請求項２】
請求項１記載の受光装置において、
前記第１反射部に入力する入力光の光路における前記第１基板または前記第２基板の裏面に形成された第１集光レンズと、
前記第２反射部から出力されて前記フォトダイオードに入力する出力光の光路における前記第１基板または前記第２基板の裏面に形成された第２集光レンズと
を備えることを特徴とする受光装置。
【請求項３】
第１基板の主表面に、主表面に平行な方向に導波する導波路型の半導体光増幅器を形成する第１工程と、
第２基板の主表面に面型のフォトダイオードを形成する第２工程と、
前記第１基板の裏面と前記第２基板の裏面とを貼り合わせる第３工程と
を備え
前記半導体光増幅器の一端には、前記第１基板の主表面に対して斜めに形成した端面より、前記第１基板の裏面側から入力される入力光を入力するための第１反射部が構成され、
前記半導体光増幅器の他端には、前記第１基板の主表面に対して斜めに形成した端面より、出力光を前記第１基板の裏面側に出力するための第２反射部が構成され、
前記フォトダイオードは、前記第２反射部から出力される出力光が受光可能な箇所の前記第２基板の主表面に形成されている
ことを特徴とする受光装置の製造方法。
【請求項４】
請求項３記載の受光装置の製造方法において、
前記第１反射部に入力する入力光の光路における前記第１基板または前記第２基板の裏面に第１集光レンズを形成する第４工程と、
前記第２反射部から出力されて前記フォトダイオードに入力する出力光の光路における前記第１基板または前記第２基板の裏面に第２集光レンズを形成する第５工程と
を備えることを特徴とする受光装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フォトダイオードと半導体光増幅器とを集積した受光装置およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
データセンタなどにおける近年の通信容量の増大に伴い、受信器に内蔵される光電変換素子であるフォトダイオード（ＰＤ）も高速化が要求されている。高速化の１つに、吸収層を薄くして受光で発生したキャリアの走行時間を短縮する技術がある。しかしながら、この技術では、吸収層を薄くするために受光感度の低下を招く。このように、高速性と受光感度はトレードオフの関係にある。
【０００３】
上述したように、フォトダイオード単体では、高速性と高い受光感度とを両立させることは容易ではないが、フォトダイオードと半導体光増幅器とを集積することで、高速性を確保しつつ、受光感度を向上させる技術がある（非特許文献１参照）。
【０００４】
この技術では、ＩｎＰからなる基板の主表面に、半導体光増幅器とフォトダイオードとを形成している。この技術では、まず、ＩｎＰ基板の上に、半導体光増幅器とするための各化合物半導体の層を結晶成長させ、次に、フォトダイオードとするための各化合物半導体の層を結晶成長させる。次に、結晶成長させたこれら化合物半導体の各層を、所定の形状にパターニングすることで、導波路型の半導体光増幅器およびフォトダイオードを集積した受光装置を形成している（非特許文献１，Ｆｉｇ．１参照）。
【０００５】
この受光装置では、図３に示すように、基板２０１の上に形成した半導体光増幅器２０２の入力端２０３より光が入射し、入射した光は、半導体光増幅器２０２で増幅され、出射端２０４より出射する。出射端２０４より出射した増幅光は、光導波路２０５を導波してフォトダイオード２０６に入射する。
【０００６】
上述した受光装置によれば、フォトダイオードのみで光を受光する場合に比較し、半導体光増幅器による増幅効果を利用できるので、高速性のためにフォトダイオードの吸収層厚を薄くしても、受光装置全体としての受光感度は高く設定できる。非特許文献１では、半導体光増幅器において、１７０ｍＡの駆動電流で約８ｄＢの光増幅が得られるものとされている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】F. Xia et al., "Monolithic Integration of a Semiconductor Optical Amplifier and a High Bandwidth p-i-n Photodiode Using Asymmetric Twin-Waveguide Technology", IEEE Photonics Technology Letters, vol. 15, no. 3, pp. 452-454, 2003.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上述した技術では、製造コストが高くなるという問題があった。前述したように、半導体光増幅器とするための各化合物半導体の層を結晶成長し、フォトダイオードとするための各化合物半導体の層を結晶成長している。しかしながら、半導体光増幅器とする各化合物半導体層と、フォトダイオードとする各化合物半導体層とは、結晶成長などの製造条件が大きく異なる。このため、基板面内の均一性など歩留りの観点で、製造コストが高くなる。
【０００９】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、フォトダイオードと半導体光増幅器とを集積した受光装置の製造コストの上昇を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る受光装置は、第１基板の主表面に形成され、主表面に平行な方向に導波する導波路型の半導体光増幅器と、半導体光増幅器の一端に第１基板の主表面に対して斜めに形成された端面から構成され、第１基板の裏面側から入力される入力光を入力するための第１反射部と、半導体光増幅器の他端に第１基板の主表面に対して斜めに形成された端面から構成され、出力光を第１基板の裏面側に出力するための第２反射部と、第１基板の裏面に自身の裏面が貼り合わされた第２基板と、第２反射部から出力される出力光が受光可能な箇所の第２基板の主表面に形成された面型のフォトダイオードとを備える。
【００１１】
上記受光装置において、第１反射部に入力する入力光の光路における第１基板または第２基板の裏面に形成された第１集光レンズと、第２反射部から出力されてフォトダイオードに入力する出力光の光路における第１基板または第２基板の裏面に形成された第２集光レンズとを備えるようにしてもよい。
【００１２】
本発明に係る受光装置の製造方法は、第１基板の主表面に、主表面に平行な方向に導波する導波路型の半導体光増幅器を形成する第１工程と、第２基板の主表面に面型のフォトダイオードを形成する第２工程と、第１基板の裏面と第２基板の裏面とを貼り合わせる第３工程とを備え半導体光増幅器の一端には、第１基板の主表面に対して斜めに形成した端面より、第１基板の裏面側から入力される入力光を入力するための第１反射部が構成され、半導体光増幅器の他端には、第１基板の主表面に対して斜めに形成した端面より、出力光を第１基板の裏面側に出力するための第２反射部が構成され、フォトダイオードは、第２反射部から出力される出力光が受光可能な箇所の第２基板の主表面に形成されている。
【００１３】
上記受光装置の製造方法において、第１反射部に入力する入力光の光路における第１基板または第２基板の裏面に第１集光レンズを形成する第４工程と、第２反射部から出力されてフォトダイオードに入力する出力光の光路における第１基板または第２基板の裏面に第２集光レンズを形成する第５工程とを備えるようにしてもよい。
【発明の効果】
【００１４】
以上説明したことにより、本発明によれば、フォトダイオードと半導体光増幅器とを集積した受光装置の製造コストの上昇が抑制できるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１における受光装置の構成を示す構成図である。
【図２Ａ】図２Ａは、本発明の実施の形態２における受光装置の構成を示す構成図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、本発明の実施の形態２における他の受光装置の構成を示す構成図である。
【図２Ｃ】図２Ｃは、本発明の実施の形態２における他の受光装置の構成を示す構成図である。
【図２Ｄ】図２Ｄは、本発明の実施の形態２における他の受光装置の構成を示す構成図である。
【図３】図３は、従来の受光装置の構成を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態おける受光装置について説明する。
【００１７】
［実施の形態１］
はじめに、本発明の実施の形態１における受光装置について、図１を参照して説明する。図１では、断面を模式的に示している。
【００１８】
この受光装置は、まず、第１基板１０１の主表面１０１ａに形成された半導体光増幅器１０２を備える。半導体光増幅器１０２は、よく知られた導波路型の半導体光増幅器であり、主表面１０１ａに平行な方向に光が導波される。半導体光増幅器１０２は、例えば、半絶縁性のＩｎＰからなる第１基板１０１の上に形成されたｎ型のＩｎＰ層、ＩｎＧａＡｓＰからなる利得媒質としての活性層、活性層の上に形成されたｐ型のＩｎＰ層を備え、第１基板１０１およびｐ型のＩｎＰ層の各々には、電極が接続され、活性層に対して電流が注入可能とされている。
【００１９】
半導体光増幅器１０２の一端には、第１基板１０１の主表面１０１ａに対して斜めに形成された端面から構成された第１反射部１０３を備える。第１反射部１０３は、第１基板１０１の裏面１０１ｂ側から入力される入力光を入力する。
【００２０】
また、半導体光増幅器１０２の他端には、第１基板１０１の主表面１０１ａに対して斜めに形成された端面から構成された第２反射部１０４を備える。半導体光増幅器１０２により増幅された出力光が、第２反射部１０４より第１基板１０１の裏面１０１ｂ側に出力される。
【００２１】
また、この受光装置は、第１基板１０１の裏面１０１ｂに自身の裏面１０５ｂが貼り合わされた第２基板１０５と、第２基板１０５の主表面１０５ａに形成されたフォトダイオード１０６とを備える。フォトダイオード１０６は、よく知られた面型（面入射型）のＰｉｎ型フォトダイオードである。また、フォトダイオード１０６は、アバランシェフォトダイオードであってもよい。フォトダイオード１０６は、第２反射部１０４から出力される出力光が受光可能な箇所に形成されている。
【００２２】
次に、実施の形態１における受光装置の製造方法について説明する。この製造方法で、第１基板１０１の主表面１０１ａに、主表面１０１ａに平行な方向に導波する導波路型の半導体光増幅器１０２を形成する（第１工程）。また、第２基板１０５の主表面１０５ａに面型のフォトダイオード１０６を形成する（第２工程）。また、第１基板１０１の裏面１０１ｂと第２基板１０５の裏面１０５ｂとを貼り合わせる（第３工程）。
【００２３】
ここで、半導体光増幅器１０２とする各半導体層を形成し、フォトダイオード１０６とする各半導体を形成し、この状態で貼り合わせを実施し、この後で、各素子構造を形成してもよく、また、半導体光増幅器１０２の素子構造およびフォトダイオード１０６の素子構造を形成した後で、第１基板１０１と第２基板１０５との貼り合わせを実施してもよい。
【００２４】
例えば、半絶縁性のＩｎＰからなる第１基板１０１を用意し、この主表面１０１ａの上に、ｎ−ＩｎＰ層、ＩｎＧａＡｓＰ層、ｐ−ＩｎＰ層などの半導体光増幅器１０２を構成するための各半導体層を、よく知られた有機金属気相成長法などによりエピタキシャル成長する。
【００２５】
一方、半絶縁性のＩｎＰからなる第２基板１０５を用意し、この主表面１０５ａの上に、ｎ−ＩｎＰ層、ＩｎＧａＡｓ吸収層、ｐ−ＩｎＰ層などのフォトダイオード１０６を構成するための各半導体層を、有機金属気相成長法などによりエピタキシャル成長する。
【００２６】
次に、第１基板１０１および第２基板１０５を、各々所定の厚さにまで研削研磨して薄くした後で、第１基板１０１の裏面１０１ｂと第２基板１０５の裏面１０５ｂとを貼り合わせる。例えば、原子拡散接合（ＡＤＢ）または表面活性化接合（ＳＡＢ）などの貼り合わせ技術により、上述した貼り合わせを実施すればよい。また、接着剤を用いて上述した貼り合わせを実施してもよい。
【００２７】
次に、第１基板１０１の主表面１０１ａの上に形成されている各半導体層を、よく知られたフォトリソグラフィー技術、エッチング技術によりパターニングして導波路構造を形成する（非特許文献１参照）。このパターニングにおいて、第１反射部１０３，第２反射部１０４を形成する。例えば、形成した導波路構造の一端および他端を、第１基板１０１の主表面１０１ａに対して４５°斜めに形成する。なお、フォトダイオード１０６で吸収しきれなかった光が、半導体光増幅器１０２に戻ってこないようにするために、第２反射部１０４の反射面の傾斜角度を４５°より数°ずらしてもよい。
【００２８】
また、上述したように導波路構造を形成した後、よく知られたリフトオフ法などにより各電極を形成し、半導体光増幅器１０２とする。
【００２９】
一方、第２基板１０５の主表面１０５ａの上に形成されている各半導体層を、よく知られたフォトリソグラフィー技術、エッチング技術によりパターニングしてメサ構造を形成する。また、よく知られたリフトオフ法などにより各電極を形成し、フォトダイオード１０６とする。
【００３０】
ここで、フォトダイオード１０６は、第２基板１０５の主表面１０５ａの第２反射部１０４から出力される出力光が受光可能な箇所に形成する。特に、主表面１０５ａの第２反射部１０４から出力される出力光が、フォトダイオード１０６の受光面の中心に入射されるように、フォトダイオード１０６を配置する。フォトダイオード１０６の配置箇所は、第２反射部１０４における反射面の角度と、第１基板１０１および第２基板１０５の厚さに依存して決定される。
【００３１】
実施の形態１における受光装置では、まず、第２基板１０５の主表面１０５ａの側から入射し、第２基板１０５および第１基板１０１を透過して第１反射部１０３に到達した光が、第１反射部１０３で進行方向を変更され、半導体光増幅器１０２の増幅部に入力されて増幅される。半導体光増幅器１０２で増幅された増幅光は、第２反射部１０４で進行方向を変更され、第１基板１０１および第２基板１０５を透過し、フォトダイオード１０６で受光されて光電変換される。
【００３２】
形態の形態１によれば、光は基板面に対してほぼ垂直な方向から入射されるため、面型の光フィルタなどの組み合わせが容易である。面型の光フィルタには、例えば光通信用の波長多重方式（ＷＤＭ）に対応した小型受信器（ＲＯＳＡ）によく用いられる光ＤＥＭＵＸフィルタである薄膜フィルタ（ＴＦＦ）があげられる。
【００３３】
［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２における受光装置について図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃ、図２Ｄを参照して説明する。図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃ、図２Ｄでは、断面を模式的に示している。
【００３４】
この受光装置は、まず、第１基板１０１の主表面１０１ａに形成された半導体光増幅器１０２を備える。また、この受光装置は、第１基板１０１の裏面１０１ｂに自身の裏面１０５ｂが貼り合わされた第２基板１０５と、第２基板１０５の主表面１０５ａに形成されたフォトダイオード１０６とを備える。これらの構成は、前述した実施の形態１と同様である。
【００３５】
実施の形態２における受光装置は、まず、第１基板１０１の裏面１０１ｂまたは第２基板１０５の裏面１０５ｂに形成された第１集光レンズ１０７を備える。第１集光レンズ１０７は、第１反射部１０３に入力する入力光の光路に配置される。また、第１基板１０１の裏面１０１ｂまたは第２基板１０５の裏面１０５ｂに形成された第２集光レンズ１０８を備える。第２集光レンズ１０８は、第２反射部１０４から出力されてフォトダイオード１０６に入力する出力光の光路に配置される。
【００３６】
例えば、図２Ａに示すように、第１基板１０１の裏面１０１ｂに第１集光レンズ１０７を形成し、第２基板１０５の裏面１０５ｂに第２集光レンズ１０８を形成すればよい。また、図２Ｂに示すように、第１基板１０１の裏面１０１ｂに、第１集光レンズ１０７および第２集光レンズ１０８を形成してもよい。また、図２Ｃに示すように、第２基板１０５の裏面１０５ｂに、第１集光レンズ１０７および第２集光レンズ１０８を形成してもよい。いずれか一方の基板に第１集光レンズ１０７および第２集光レンズ１０８を形成することで、複数のレンズ構造を一括で形成することが可能となり、工程の簡略化につながる。
【００３７】
なお、図２Ｄに示すように、第１基板１０１の裏面１０１ｂに第２集光レンズ１０８を形成し、第２基板１０５の裏面１０５ｂに第１集光レンズ１０７を形成してもよい。
【００３８】
次に、実施の形態２における受光装置の製造方法について説明する。実施の形態２では、前述した実施の形態１の製造方法に加え、第１反射部１０３に入力する入力光の光路における第１基板１０１の裏面１０１ｂまたは第２基板１０５の裏面１０５ｂに、第１集光レンズ１０７を形成する（第４工程）。また、第２反射部１０４から出力されてフォトダイオード１０６に入力する出力光の光路における第１基板１０１の裏面１０１ｂまたは第２基板１０５の裏面１０５ｂに、第２集光レンズ１０８を形成する（第５工程）。
【００３９】
例えば、半絶縁性のＩｎＰからなる第１基板１０１を用意し、この主表面１０１ａに、位置合わせ用の第１マークを形成する。例えば、金属から構成された第１マークを、リフトオフ法などにより所定の箇所に形成すればよい。次に、第１基板１０１の主表面１０１ａの上に、ｎ−ＩｎＰ層、ＩｎＧａＡｓＰ層、ｐ−ＩｎＰ層などの半導体光増幅器１０２を構成するための各半導体層を、よく知られた有機金属気相成長法などによりエピタキシャル成長する。
【００４０】
一方、半絶縁性のＩｎＰからなる第２基板１０５を用意し、この主表面１０１ａに、位置合わせ用の第２マークを形成する。次に、第２基板１０５の主表面１０５ａの上に、ｎ−ＩｎＰ層、ＩｎＧａＡｓ吸収層、ｐ−ＩｎＰ層などのフォトダイオード１０６を構成するための各半導体層を、有機金属気相成長法などによりエピタキシャル成長する。
【００４１】
次に、第１基板１０１および第２基板１０５を、各々所定の厚さにまで研削研磨して薄くする。この状態で、第１基板１０１の裏面１０１ｂに第１集光レンズ１０７を形成する。例えば、第１基板１０１の裏面１０１ｂに、底面に凸面を備える凹部を形成することで、第１集光レンズ１０７とする。同様に、第２基板１０５の裏面１０５ｂに第２集光レンズ１０８を形成する。ここで、第１マークを基準として所定の位置に第１集光レンズ１０７を形成し、第２マークを基準として所定の位置に第２集光レンズ１０８を形成する。なお、いずれか一方の基板の裏面に、第１集光レンズ１０７および第２集光レンズ１０８を形成してもよい。
【００４２】
上述したように第１集光レンズ１０７、第２集光レンズ１０８を形成した後で、第１基板１０１の裏面１０１ｂと第２基板１０５の裏面１０５ｂとを貼り合わせる。例えば、原子拡散接合（ＡＤＢ）または表面活性化接合（ＳＡＢ）などの貼り合わせ技術により、上述した貼り合わせを実施すればよい。また、接着剤を用いて上述した貼り合わせを実施してもよい。この貼り合わせにおいては、第１マークと第２マークとが、所定の位置関係となるようにする。
【００４３】
なお、第１集光レンズ１０７の凹部および第２集光レンズ１０８の凹部は、空間（空気層）としてもよく、また、酸化シリコンなどの誘電体を充填しておいてもよい。ＩｎＰから構成した第１基板１０１および第２基板１０５と、上述した凹部の内部の空気層や誘電体層との間には、大きな屈折率差を作り出すことができ、凹部の底部の凸面により、集光レンズを構成することが可能となる。また、入力光および出力光の反射損失を防ぐため、凹部の材質に応じた設計の、反射防止膜を集光レンズ表面および第１基板ないし第２基板の裏面に形成しておいてもよい。また、入力光の反射損失を防ぐため、反射防止膜を第２基板１０５の主表面１０５ａにおける、光が入射される部分に形成しておいてもよい。
【００４４】
次に、前述した実施の形態１と同様に、第１基板１０１の主表面１０１ａの上に形成されている各半導体層をパターニングして導波路構造を形成する。また、このパターニングにおいて、第１反射部１０３，第２反射部１０４を形成する。また、上述したように導波路構造を形成した後、よく知られたリフトオフ法などにより各電極を形成し、半導体光増幅器１０２とする。ここで、実施の形態２では、第１マークに対して所定の位置関係となるように、半導体光増幅器１０２を形成する。
【００４５】
また、前述した実施の形態１と同様に、第２基板１０５の主表面１０５ａの上に形成されている各半導体層をパターニングしてメサ構造を形成する。また、よく知られたリフトオフ法などにより各電極を形成し、フォトダイオード１０６とする。実施の形態２では、第２マークに対して所定の位置関係となるように、フォトダイオード１０６を形成する。
【００４６】
上述したように、第１マークおよび第２マークに対し、各々が所定の位置関係となるように、第１集光レンズ１０７，第２集光レンズ１０８，半導体光増幅器１０２，フォトダイオード１０６を形成することで、まず、第１集光レンズ１０７が、第１反射部１０３に入力する入力光の光路に配置されるようにする。また、フォトダイオード１０６は、第２基板１０５の主表面１０５ａの第２反射部１０４から出力される出力光が受光可能な箇所に形成し、この出力光の光路に第２集光レンズ１０８が配置される状態とする。
【００４７】
実施の形態２によれば、第１集光レンズ１０７，第２集光レンズ１０８を備えるので、これらの効果により、第１基板１０１および第２基板１０５の厚さの自由度が増し、製造マージンが向上して製造コストをより低減する効果が得られるようになる。また、第１集光レンズ１０７を介して光を導入するようにしたので、実施の形態２における受光装置の実装トレランスが向上し、受信モジュールを作製する際の低コスト化に貢献する。
【００４８】
以上に説明したように、互いに貼り合わされている第１基板に半導体光増幅器を形成し、第２基板にフォトダイオードを形成したので、フォトダイオードと半導体光増幅器とを集積した受光装置の製造コストの上昇が抑制できるようになる。本発明によれば、半導体光増幅器を構成するための半導体層と、フォトダイオードを構成するための半導体層とを、個別に形成できるので、各々の最適な形成（結晶成長）条件を用いることができる。また、本発明の受光装置は、垂直光入射が可能な面型にできるので、光結合トレランスが拡大し、実装が容易になる。また、第１集光レンズ，第２集光レンズを設けることで、さらに光結合トレランスが拡大できるようになる。
【００４９】
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。
【符号の説明】
【００５０】
１０１…第１基板、１０１ａ…主表面、１０１ｂ…裏面、１０２…半導体光増幅器、１０３…第１反射部、１０４…第２反射部、１０５…第２基板、１０５ａ…主表面、１０５ｂ…裏面、１０６…フォトダイオード。
【図１】
2019212861.tif 000003
【図２Ａ】
2019212861.tif 000004
【図２Ｂ】
2019212861.tif 000005
【図２Ｃ】
2019212861.tif 000006
【図２Ｄ】
2019212861.tif 000007
【図３】
2019212861.tif 000008