(57)【要約】  埋め込みヘテロ構造半導体光増幅器を備えるモノリシック集積構造と、そのような構造を備える深いリッジの光受信器とが開示される。
2013540351.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
モノリシック集積構造（１）であって、能動導波路を含む埋め込みヘテロ構造半導体光増幅器（２）と、深いリッジの光検出器（３）と、前記構造に入射光を注入するように構成された第１の光受動導波路（５）とを備え、前記構造は、前記第１の光受動導波路（５）と、前記フォトダイオード（３）の活性領域に前記光を一過性に結合するように構成された光受動遷移導波路（８）との間に配置された少なくとも１つのスポット・サイズ変換器（４、６、９）を備える、構造。
【請求項２】
前記第１の光受動導波路（５）と前記半導体光増幅器（２）の前記能動導波路との間の結合を可能にするように構成された第１のスポット・サイズ変換器（４）を備える、請求項１に記載の構造。
【請求項３】
前記光受動遷移導波路（８）はＩｎＧａＡｓＰ層を備える、請求項１または２に記載の構造。
【請求項４】
前記半導体光増幅器（２）の前記能動導波路と前記光受動遷移導波路（８）とが突き合わせ結合される、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の構造。
【請求項５】
前記半導体光増幅器（２）の前記能動導波路は、第２のスポット・サイズ変換器（６）を用いて第２の光受動導波路（７）に結合され、前記第２の光受動導波路（７）は、第３のスポット・サイズ変換器（９）を用いて前記受動遷移導波路（８）に結合され、それによって前記半導体光増幅器に向かう後方反射を防止しまたは実質的に低減させる、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の構造。
【請求項６】
前記受動遷移導波路（８）は、前記光検出器の近くで少なくとも部分的にプレーナ型である、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の構造。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか１項に記載の前記モノリシック集積構造（１）を備える受信器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学部品に関する。
【背景技術】
【０００２】
光学的前置増幅は、例えば、光受信器の感度を向上させてデジタル通信システムにおける光ファイバの上のデータ伝送のための距離を改善するために広く使用される。そのようなシステムにおいては、コストは、一般的に考慮されるべき重要な課題である。これに関しては、１つのＩｎＰの単一チップにおける、半導体光増幅器（ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ｏｐｔｉｃａｌ  ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）（以下では、ＳＯＡとも称される）と、光検出器とのモノリシックな集積化は、それが、受信器端末のコストならびにそのサイズを低減させることに寄与することができるので特に重要になる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明の実施形態を説明する前に、知られている解決法の簡単な紹介が提供される。
【０００４】
ＳＯＡと光検出器とのモノリシック集積のために使用されるべき３つの解決法が知られている。
【０００５】
第１の解決法は、ＳＯＡとフォトダイオード（ＰＤ：ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ）とのそれぞれ垂直エピタキシャル構造についての単一ステップの成長を伴う製造プロセスを可能とする、深いリッジのＰＤが横方向テーパによって垂直に結合されて集積される浅いリッジのＳＯＡを使用している。しかしながら、そのような知られている解決法においては、ＳＯＡとフォトダイオードとの間の結合は、一般的に、増幅利得（一般的に１０ｄＢよりも低い）における制限をもたらす伝搬損失を引き起こす。さらに、低閉じ込めのＳＯＡ活性領域は、一般的に、非常に大きなＴＥ／ＴＭ偏光損失を一般的に引き起こす垂直結合のために必要とされる。
【０００６】
第２の知られている解決法は、ＳＯＡと光検出器との両方についての、類似した活性領域と半絶縁性埋め込みヘテロ構造と（突き合わせ結合（ｂｕｔｔ−ｃｏｕｐｌｉｎｇ）としても知られている）を使用して、２つの光学部品の間の結合効率を増大させることに関連している。この知られている解決法に基づいて、約１４ｄＢのより大きな利得が実証されている。しかしながら、この知られている解決法の、１つの典型的であるが、それにもかかわらず重要な制限が、一般的に約３−ｄＢのフォトダイオードの帯域幅ロール・オフを引き起こす直接の光注入に起因して、フォトダイオードの低減されたパワー飽和に関連づけられる。さらなる欠点は、ＳＯＡとフォトダイオードとの活性領域の厚みを独立に最適化する困難性（または場合によっては不可能性）であり、一般的に、質の悪いＳＯＡ性能、および／またはフォトダイオードの帯域幅制限をもたらしている。
【０００７】
第３の知られている解決法は、一般的に、ＳＯＡ部分および受動部分についての同じ導波路と、受動導波路の上部に一過性に結合されたフォトダイオードとを使用する量子井戸相互混合（Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｗｅｌｌ  Ｉｎｔｅｒｍｉｘｉｎｇ）の使用に関する。そのような解決法においては、ＳＯＡと、受動導波路と、フォトダイオードとは、一般的に、同じ浅いリッジの構造を使用する。この解決法は、一般的に、エバネセント結合（ｅｖａｎｅｓｃｅｎｔ  ｃｏｕｐｌｉｎｇ）が、光検出器のパワー飽和を増大させること、および共通の浅いリッジの構造が、部品のプロセスを簡略化することを可能にするが、それは、一般的に、ＳＯＡ雑音指数を増大させ、またそれゆえに、一般的に、受信器の感度を低減させる、ＳＯＡ入力（ファイバ結合部）における低結合効率を犠牲にしてパワー飽和のそのような増大を提供するという欠点を有する。スポット・サイズ変換器（ＳＳＣ：Ｓｐｏｔ  ｓｉｚｅ  ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ）は、そのような結合問題についての救済策とすることができるが、しかしながら、ＳＳＣは、一般的に、活性領域における高い閉じ込めのために、リッジＳＯＡ構造を用いて達成することが難しい。浅いリッジの構造のさらなる典型的な欠点は、フォトダイオードの容量と抵抗との増大であり、一般的に、小さなサイズ（約９０μｍ２）と２５Ωの実効的負荷とにもかかわらず、３６ＧＨｚよりも低い推定された帯域幅をもたらしている。さらに、本発明者等の知る限りでは、この解決法を用いて、ＴＥモードの動作デバイスだけがこれまで実証されてきている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
したがって、本発明のいくつかの実施形態は、能動導波路と、深いリッジの光検出器とを備える埋め込みヘテロ構造半導体光増幅器を備えるモノリシック集積構造を特徴としている。
【０００９】
いくつかの特定の実施形態によれば、構造は、入射光を構造に注入するように構成された第１の低閉じ込め光受動導波路を備える。
【００１０】
いくつかの特定の実施形態によれば、構造は、半導体光増幅器の第１の光受動導波路と能動導波路との間の結合を可能にするように構成された第１のスポット・サイズ変換器を備える。
【００１１】
いくつかの特定の実施形態によれば、構造は、高い閉じ込めを有しており、またフォトダイオードの活性領域に光を一過性に結合するように構成された光受動遷移導波路を備える。
【００１２】
いくつかの特定の実施形態によれば、高遷移光受動導波路は、ＩｎＧａＡｓＰ層を備える。
【００１３】
いくつかの特定の実施形態によれば、半導体光増幅器の能動導波路と、遷移光受動導波路とは、突き合わせ結合される。
【００１４】
いくつかの特定の実施形態によれば、半導体光増幅器の能動導波路は、第２のスポット・サイズ変換器を用いて、第２の光受動導波路に結合され、また第２の光受動導波路は、第３のスポット・サイズ変換器を用いて受動遷移導波路に結合され、それによって半導体光増幅器に向かう後方への反射を防止し、または実質的に低減させる。
【００１５】
いくつかの特定の実施形態によれば、受動遷移導波路は、光検出器の近くで、少なくとも部分的に、プレーナ型である。
【００１６】
本発明のいくつかの実施形態は、本明細書において提案されるように、モノリシック集積構造を備える受信器を特徴としている。
【００１７】
本発明の、これらおよびさらなる特徴と利点とは、以下の説明において、また同様に特許請求の範囲において、添付図面の助けを用いて、例証の目的のために、また限定する目的のためでなく、より詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】いくつかの実施形態による、モノリシックに集積された埋め込みヘテロ構造ＳＯＡと、深いリッジの光検出器との平面図の例示の概略的表現である。
【図２】図１のモノリシックに集積された埋め込みヘテロ構造ＳＯＡと、光検出器との断面図の例示の概略的表現である。
【図３】フォトダイオードとＳＯＡとの間の結合効率に関連したシミュレーション結果の例示のグラフの図であり、そこではフォトダイオードの量子効率は、特定のダイオード幅について、また特定のＢＨ−ＳＯＡフォトダイオード光遷移導波路長について、ダイオード長に対して示されている。
【図４】いくつかの実施形態による、突き合わせ結合された構成におけるモノリシックに集積されたＢＨ−ＳＯＡと、深いリッジの光検出器との平面図の例示の概略的表現である。
【図５】図４のモノリシックに集積された埋め込みヘテロ構造ＳＯＡと、光検出器との断面図の例示の概略的表現である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明は、フォトダイオードとモノリシックに集積された埋め込みヘテロ構造ＳＯＡの使用に関する。
【００２０】
埋め込みヘテロ構造（ＢＨ：ｂｕｒｉｅｄ  ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）構成は、関連した技術において知られている。簡単に言えば、そのような構成は、順に構造の内部で異なるバンド・ギャップを生じさせる異なる結晶構造を有する半導体材料の様々な層または領域を備える。
【００２１】
埋め込みヘテロ構造は、それが、浅いリッジの構造および深いリッジの構造よりもよい熱散逸と、低い光学的損失とを可能にすることができるので、ＳＯＡの中で使用されることが好ましい。さらに、浅いリッジの構造および深いリッジの構造が使用されるのではなく埋め込みヘテロ構造が使用されるときに、光ファイバとの低い結合損失と一緒に、低い偏光依存性を得ることが比較的簡単になる可能性がある。
【００２２】
ＢＨ−ＳＯＡを作るために使用されるべきいくつかの好ましい材料は、ＩｎＧａＡｓＰおよびＩｎＧａＡｓである。
【００２３】
フォトダイオード構造は、高速動作（低接合静電容量および低抵抗）に適合する深いリッジの構成で提供される。
【００２４】
フォトダイオードを作るために使用されるべきいくつかの好ましい材料は、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＡｓ、およびＩｎＰである。
【００２５】
ＳＯＡと光検出器との間の高い結合効率および電気的分離を保証するために、高い閉じ込めの受動遷移光導波路が、ＳＯＡ出力受動光導波路と光検出器との間に挿入されることもある。
【００２６】
本説明との関連で、「高い」閉じ込めの導波路に対する言及は、一般的に約１．５μｍ以下という１／ｅ２における幅を有するエリアと、導波路層の中の高い光の閉じ込め（例えば、約６０％）とを用いて、光学モードを搬送することができる光導波路に関連するように理解されるべきである。同様に、低い閉じ込めの光導波路は、一般的に約１．５μｍと６μｍとの間の１／ｅ２における幅を有するエリアと、導波路層の中の低い光の閉じ込め（例えば、約１５％）とを用いて、光学モードを搬送することができる導波路である。例示の、また非限定的な例として、低閉じ込め導波路は、約０．１５μｍの厚みと、約３μｍの幅とを有するＩｎＧａＡｓＰ材料（約１．１７μｍのフォトルミネッセンス）の中に作られることもあり、同様に、高い閉じ込め導波路は、約０．５２μｍの厚みと、約０．１３から３μｍの幅と、突き合わせ結合された構成における約１．１μｍとを有するＩｎＧａＡｓＰ材料（約１．３μｍのフォトルミネッセンス）の中に作られることもあることに注意すべきである。
【００２７】
そのような受動導波路は電気的分離を提供することができ、また導波路の高閉じ込め特性は、ＢＨ構造およびプレーナ部分のエリアにおける結合効率を非常に改善し、また反射を低減させることができる。この解決法はまた、光検出器が、以下でさらに詳細に説明されるように提供されるＢＨ構造とプレーナ部分との間の反射を低減させる利点も有する。
【００２８】
受動遷移導波路を作るために使用されるべき好ましい材料は、ＩｎＧａＡｓＰである。
【００２９】
図１は、いくつかの実施形態に従ってモノリシックに集積されるＢＨ−ＳＯＡ２と光検出器３とを備えるデバイス１の平面図の例示の概略的表現である。デバイス１は、第１のスポット・サイズ変換器（ＳＳＣ）４を通して入力光Ｌを受信して、入射する光ファイバ（図には示されず）とＢＨ−ＳＯＡ２との間の光の効率的な、また低損失の結合を可能にするように構成されている。第１の低閉じ込め光受動導波路５を使用して、入射光をＳＳＣ４へと注入することが好ましい。
【００３０】
ＳＳＣを作るために使用されるべきいくつかの好ましい材料は、ＩｎＧａＡｓＰおよびＩｎＧａＡｓである。ＳＳＣ４は、このようにして入射光をＢＨ−ＳＯＡ２へと結合し、ここで、それは、増幅され、またその後にＢＨ−ＳＯＡ２の能動導波路からＢＨ−ＳＯＡの出力へと提供され、ここで、それは、第２のＳＳＣ６に入力される。第２のＳＳＣ６はまた、第２の光受動導波路７とすることができるデバイス１の次のステージに対する光の効率的な、また低損失の結合も可能にする。第２のＳＳＣ６は、同じ構造を有し、また第１のＳＳＣ４と同じ材料から作られることもある。さらに、第１の光受動導波路５と、第２の光受動導波路７とは、図２に示されるようなものの一部分、および図２に示されるものと同じ構造とすることができる。
【００３１】
次いで、光は、光受動ＳＯＡ導波路７から、好ましくはＩｎＧａＡｓＰ層（材料のフォトルミネッセンスＱは、約１．３μｍである）で作られた光受動遷移導波路８へと入力されることもある。光受動遷移導波路８を使用して、フォトダイオード３の活性領域に光を一過性に結合することができる。
【００３２】
本発明との関連におけるエバネセント結合は、吸収層が、入射光の前にはないが、例えば、光を誘導する導波路の上部に移動するときに、生成され得る。結果として、光の吸収は、吸収のより広いエリア全体にわたって分布させられ、このようにして光は、フォトダイオードによって一過性に吸収される。この効果は、光により生成されたキャリアの望ましくない密度を回避させ、または低減させることができる。
【００３３】
図２は、図１のデバイスの断面図の例示の概略的表現である。この図においては、同様な要素は、他に特に定めのない限り、図１の要素と同様な参照番号が与えられている。
【００３４】
図２に示されるように、デバイス１は、いくつかの実施形態に従ってモノリシックに集積されるＢＨ−ＳＯＡ２と、光検出器３とを備える。光検出器は、深いリッジであることが好ましい。
【００３５】
入射する入力光Ｌは、入射光Ｌを第１のＳＳＣ４へと注入するために使用される光受動ＳＯＡ導波路５に入力されることが好ましい。第１のＳＳＣ４は、光をＢＨ−ＳＯＡ２に結合する。
【００３６】
上記で既に述べられているように、ＢＨ−ＳＯＡ２は、受信された光を増幅し、またその後にその光をその出力に提供し、ここで、それは、第２のＳＳＣ６に入力される。ＢＨ−ＳＯＡの中で、ＢＨ−ＳＯＡを通して、またＢＨ−ＳＯＡの外へ伝搬する光は、参照番号Ｌ１によって図２の中に示されている。第２のＳＳＣ６は、第２の光受動ＳＯＡ導波路７に対する、Ｌ２として示される光の効率のよい、また低損失の結合を可能にする。次いで、光は、矢印Ｌ３を用いて示されるように、光受動ＳＯＡ導波路７から光受動遷移導波路８へと入力され得る。光受動遷移導波路８を使用して、Ｌ４として示される光をフォトダイオード３の活性領域に一過性に結合することができる。
【００３７】
図１においてより明確に示されるように、半導体光増幅器２１の能動導波路は、第２のスポット・サイズ変換器６を用いて第２の光受動導波路７に結合され、また第２の光受動導波路は、第３のスポット・サイズ変換器９を用いて受動遷移導波路８に結合される。この構成は、受動遷移導波路８から半導体光増幅器２に向かう後方反射を防止する、または実質的に低減させる利点を有する。
【００３８】
受動遷移導波路８は、光検出器エリアの近くでプレーナ形状を有することが好ましい。このエリアは、図１および２において、参照番号８ａによって概略的に示されている。受動遷移導波路のプレーナ形状は、それが、製造プロセスを簡略化するので有利である。
【００３９】
図３は、特定のダイオード幅について、また特定のＢＨ−ＳＯＡフォトダイオード光遷移導波路長について、ダイオード長に対するフォトダイオードの量子効率を示している、低閉じ込め受動導波路と、光検出器（この場合にはフォトダイオード）との間の結合効率に関連したシミュレーション結果の例示のグラフの図である。このグラフは、単に、ここで説明される実施形態の例証とより良い理解との目的のために提供されるにすぎないことに注意すべきである。したがって、この図は、シミュレーション結果を示しているが、それは、そのような実施形態に対してどのような制限を課すものとも解釈されるべきではない。図３のグラフは、約４μｍのフォトダイオード幅に関連しており、またゼロよりも大きい（＞０）値を有するＢＨ−ＳＯＡのフォトダイオード光遷移導波路８の長さ（すなわち、ＢＨ−ＳＯＡの出力からフォトダイオードの入力までの）に関連している。前記長さは、図２において、参照Ｄによって表されており、それについてのいくつかの好ましい値は、約０．１μｍおよび約１０μｍである。４ｘ１５μｍ２（これは、１００Ｇｂ／ｓの用途のために使用される典型的なダイオード・エリアとすることができる）のフォトダイオードでは、約４２％の量子効率（これは、高いものと考えられる）が、約０．５ｄＢよりも少ないＴＥ／ＴＭ偏光依存損失を有する、約１．５５μｍの波長において、達成される。ＳＯＡ光学的前置増幅を使用するときには、高い感度を可能にする、高い利得（例えば、２０ｄＢよりも大きい）が、期待される。
【００４０】
上記実施形態は、ＢＨ−ＳＯＡと光検出器とが互いの間にある種の分離を提供されるデバイス構造のために提供される。代替的な実施形態によれば、ＢＨ−ＳＯＡと、ＰＤとは、互いに関して近接して、または実質的に次に位置づけられ得る。この構成は、突き合わせ結合された構成と呼ばれることもある。
【００４１】
図４は、いくつかの実施形態による、突き合わせ結合された構成でモノリシックに集積されたそのようなＢＨ−ＳＯＡ２と深いリッジのフォトダイオード３との例示の平面図である。この図において、同様な要素は、図１および２のこれらの要素と同様な参照番号を与えられている。
【００４２】
突き合わせ結合は、いくつかの用途のために、とりわけ、様々な機能を、例えば、光検出に加えて、多重化／逆多重化を集積することができるデバイスを設計することが望ましい場合に、ある種の利点を提示する、知られている技法である。
【００４３】
図４に戻って参照すると、デバイス１は、第１のスポット・サイズ変換器（ＳＳＣ）４を通して入力光Ｌを受信して、入射する光ファイバ（図には示されず）と、ＢＨ−ＳＯＡ２との間の光の効率的な低損失の結合を可能にするように構成されている。光受動導波路５を使用して、スポット・サイズ変換器（ＳＳＣ）４へと光を注入することが好ましい。
【００４４】
ＳＳＣ４は、このようにして入射光をＢＨ−ＳＯＡ２へと結合し、ここでそれは、増幅され、またその後に、ＢＨ−ＳＯＡ２の出力において提供され、ここでそれは、ＩｎＧａＡｓＰから作られることが好ましい受動遷移導波路８に入力される。光受動遷移導波路８を使用して、図１および２に関連して既に説明されるように、フォトダイオードの活性領域に光を一過性に結合することができる。
【００４５】
図５は、図４のデバイスの断面図の例示の概略的表現である。
【００４６】
図５に示されるように、デバイスは、いくつかの実施形態に従ってモノリシックに集積されるＢＨ−ＳＯＡ２と深いリッジのフォトダイオード３とを備える。
【００４７】
入射する入力光Ｌは、矢印Ｌ１によって示されるように入射光Ｌを第１のＳＳＣ４へと注入するために使用される光受動導波路５に入力されることが好ましい。第１のＳＳＣ  ４は、光をＢＨ−ＳＯＡ２へと結合する。
【００４８】
上記で既に述べられているように、ＢＨ−ＳＯＡ２は、受信された光を増幅し、またその後にその出力において光を提供し、ここでそれは、受動遷移導波路８に入力される。ＢＨ−ＳＯＡの中で、またＢＨ−ＳＯＡを通して伝搬する光は、図５において参照番号Ｌ２によって示されており、また受動遷移導波路の中を伝搬する光は、Ｌ３として示されている。光受動遷移導波路８を使用して、Ｌ４として示される光をフォトダイオード３の活性領域に一過性に結合することができる。
【００４９】
図４および５の突き合わせ結合された構成においては、光遷移導波路８の長さＤ（すなわち、ＢＨ−ＳＯＡの出力からフォトダイオードの入力まで）は、ゼロよりも大きい（＞０）任意の値を有することもでき、それからのいくつかの好ましい値は、約１００μｍより短く、または約１０μｍである。
【００５０】
本明細書において提案される解決法は、拡張された伝送到達距離を有する高速用途（１００Ｇｂ／ｓ以上）のために開発される受信器についての重要な特徴である光学的前置増幅を提供することに関連している。ＳＳＣと埋め込み導波路とを経由してエバネセント光結合を利用することが好ましい埋め込みヘテロ構造ＳＯＡ（高い光学利得、低い雑音指数、および低い偏光依存性を提供する）との、光検出器（高速動作のために適合する深いリッジ）の最適化構造の集積は、そのような望ましい機能を提供する。そのような集積化スキームは、知られている解決法と異なり、また前記２つの部品の間の光反射の制限を解決することができ、これにより、２つの導波路が実質的に、または完全にそろえられていない場合に、そうでなければ反射を引き起こす可能性がある、ＳＯＡ能動導波路と、高閉じ込め受動導波路との間の再成長界面をエッチングすることができるようになる。
【００５１】
したがって、本明細書において提案される解決法は、高い光学利得と、低い挿入損失と、低い雑音指数との達成を可能にする利点を提供している。さらに、提案された解決法は、知られている解決法と比べて、低いＴＥ／ＴＭ偏光損失と高速動作とを実現することができる。
【００５２】
さらに、特許請求の範囲の手段に対応する構造のリストは、網羅的ではないこと、および当業者なら、同等な構造が、本発明の範囲を逸脱することなく、列挙された構造と置き換えられ得ることを理解することに注意すべきである。
【００５３】
本明細書における任意のブロック図は、本発明の原理を実施する例示の回路の概念図を表すことが、当業者によって理解されるべきである。
【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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【国際調査報告】
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2013540351.tif 000009
2013540351.tif 000010