(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
導波路コアを含む導波路と、
前記導波路の幅より広い幅を有し、前記導波路からの出射光が入射される多モード干渉導波路と、
少なくとも１つの層からなり、前記多モード干渉導波路からの出射光が入射される第１半導体層と、前記第１半導体層の上に設けられ、前記第１半導体層に入射された光を吸収する吸収層とを含む光検出部と、
を有し、
前記光検出部の第１半導体層の底面の幅は前記多モード干渉導波路の幅よりも広く、かつ、前記光検出部の吸収層の幅は前記多モード干渉導波路の幅よりも狭く、
前記導波路からの出射光が入射される前記多モード干渉導波路の端部から、前記多モード干渉導波路からの出射光が入射される光検出部の端部までの長さが、前記多モード干渉導波路において自己結像が起こる長さの７０％から１００％までの長さであることを特徴とする受光素子。
【請求項２】
前記第１半導体層は、前記導波路および多モード干渉導波路と共通の導波路コア層と前記導波路コア層の上に堆積された、前記導波路コア層よりも屈折率が高い半導体層からなることを特徴とする請求項１記載の受光素子。
【請求項３】
前記第１半導体層は、前記導波路コアより屈折率の高い単一の半導体層であることを特徴とする請求項１記載の受光素子。
【請求項４】
前記多モード干渉導波路と前記光検出部の間に設けられ、前記吸収層に覆われない導波路コアが幅方向に延在しているスラブ領域をさらに有し、
前記多モード干渉導波路からの出射光は前記スラブ領域を介して前記光検出部に入射されることを特徴とする請求項３記載の受光素子。
【請求項５】
前記導波路、前記多モード干渉導波路および前記スラブ領域の導波路コアの上にクラッド層をさらに有することを特徴とする請求項４記載の受光素子。
【請求項６】
前記吸収層の側面を覆い、前記スラブ領域を覆うように形成された半導体埋め込み層とをさらに有し、
前記半導体埋め込み層の屈折率は、前記クラッド層の屈折率と同一であることを特徴とする請求項５記載の受光素子。
【請求項７】
導波路コアを含む導波路と、
前記導波路の幅より広い幅を有し、前記導波路からの出射光が入射される多モード干渉導波路と、
少なくとも１つの層からなり、前記多モード干渉導波路からの出射光が入射される第１半導体層と、前記第１半導体層の上に設けられ、前記第１半導体層に入射された出射光を吸収する吸収層とを含む光検出部と、
を有し、
前記光検出部の第１半導体層の底面の幅は前記多モード干渉導波路の幅よりも広く、かつ、前記光検出部の吸収層の幅は前記多モード干渉導波路の幅よりも狭く、
前記多モード干渉導波路の長さは、前記多モード干渉導波路の自己結像が起こる点が前記光検出部の第１半導体層内の前記吸収層の下側の領域に位置するように設定された長さである
ことを特徴とする受光素子。
【請求項８】
前記第１半導体層のうち、少なくとも一部の層は第１導電型の半導体層であり、
前記吸収層の上に前記第１導電型と反対の第２導電型を有する導電性クラッド層をさらに有することを特徴とする請求項１ないし６のいずれか一つに記載の受光素子。
【請求項９】
複数の入射光が入射され、前記複数の入射光を検出して前記複数の入射光に応じた複数の電気信号を出力する複数の光受信器と、
前記複数の電気信号が入力され、前記複数の電気信号を増幅する複数の増幅器と
を有する光受信モジュールであって、
前記複数の光受信器の各々は、
基板の第１領域に形成され、前記複数の入射光を伝播させる第１導波路部と、
前記基板の第２領域に形成され、前記複数の入射光が入射され、前記複数の入射光に基づいて複数の出射光を生成する第２導波路部と、
前記基板の第３領域に形成され、前記複数の出射光を伝搬させる複数の導波路を含む第３導波路部と、
前記基板の第４領域に形成され、前記複数の導波路より前記複数の出射光が入射される複数の光検出素子を含む光検出部と
を有し、
前記複数の第３導波路の各々は、
対応する前記出射光が入射され、導波路コアを含む導波路と、
前記導波路の幅より広い幅を有し、前記導波路からの出射光が入射される多モード干渉導波路と、
を有し、
前記複数の光検出素子の各々は、
少なくとも１つの層からなり、対応する前記多モード干渉導波路からの出射光が入射される第１半導体層と、
前記第１半導体層の上に設けられ、前記第１半導体層に入射された出射光を吸収する吸収層と、
を有し、
前記第１半導体層の底面の幅は前記多モード干渉導波路の幅よりも広く、かつ、前記
吸収層の幅は前記多モード干渉導波路の幅よりも狭く、
前記導波路コアからの出射光が入射される前記多モード干渉導波路の端部から、前記多モード干渉導波路からの出射光が入射される前記光検出部の端部までの長さが、前記多モード干渉導波路において自己結像が起こる長さの７０％から１００％までの長さであることを特徴とする光受信モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施例の一側面において開示する技術は、受光素子、光受信器及び光受信モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
図１は受光素子の一例である受光素子１００の要部を示す斜視図である。図２は、図１のＡ１−Ａ２の破線で示した断面における受光素子１００の断面図である。
【０００３】
図１及び図２に示した受光素子１００は、基板１１４の上に設けられた光検出部１０１と、同一の基板１１４の上に設けられた導波路部１１１を含む。
【０００４】
導波路部１１１は、導波路コア層１１２及び上部クラッド層１１３が基板１１４側から積層された構造を有する。導波路部１１１は、上部クラッド層１１３及び導波路コア層１１２を含むメサ構造を有する。信号光は導波路コア層１１２を伝播し、光検出部１０１に入射する。
【０００５】
光検出部１０１は、導波路コア層１１２、ｎ型半導体層１０２、ｉ型吸収層１０３、ｐ型上部クラッド層１０４及びｐ型コンタクト層１０５が基板１１４側から積層された構造を有する。光検出部１０１は、ｐ型コンタクト層１０５、上部クラッド層１０４、吸収層１０３及びｎ型半導体層１０２の一部を含むメサ構造を有する。光検出部１０１のメサ構造の幅は、導波路部１１１のメサ構造の幅よりも広い。ここで、本明細書において、幅とは、対応する導波路コア層の延在方向に、すなわち、信号光の進行方向に直交する方向であって、基板に対して平行な方向の長さをいうものとする。光検出部１０１では、メサ構造の外側に、導波路コア層１１２及びｎ型半導体層１０２を含む積層構造が残されている。導波路コア層１１２は光検出部１０１と導波路部１１１により共有されている。
【０００６】
図２に示したように、受光素子１００では、信号光は導波路部１１１において導波路コア層１１２を伝播し、光検出部１０１において、そのまま導波路コア層１１２に入射する。入射した信号光はｎ型半導体層１０２を介して吸収層１０３に染み出していき、吸収層１０３において吸収される。
【０００７】
ｎ型半導体層１０２、吸収層１０３及び上部クラッド層１０４はＰＩＮ型のフォトダイオード（Ｐｈｏｔｏ  Ｄｉｏｄｅ、以下ＰＤと称する。）を構成する。ｐ型コンタクト層１０５及びｎ型半導体層１０２には、不図示のｐ側電極及びｎ側電極がそれぞれ接続されている。ｐ側電極とｎ側電極の間に、ｐ側電極を負電位、ｎ側電極を正電位とする一定の電圧を印加することにより、吸収層１０３における光吸収により発生したフォトキャリア（正孔及び電子）が上部クラッド層１０４及びｎ型半導体層１０２を介して検出される。それによって、光検出部１０１は信号光を電気信号（フォトキャリア電流）として検出し、信号光の強度に対応する検出信号（フォトキャリア電流）を出力する。
【０００８】
図３は受光素子の他の例である受光素子３００の要部を示す斜視図である。図４は、図３のＡ３−Ａ４の破線で示した断面における受光素子３００の断面図である。図３及び図４に示した受光素子３００は、図１及び図２に示した受光素子１００と、導波路部と光検出部の間にスラブ領域が存在する点で異なるが、その他の部分については同様である。
【０００９】
受光素子３００は、基板３１４の上に設けられた光検出部３０１と、同一の基板３１４の上に設けられた導波路部３１１を含む。さらに、受光素子３００は、導波路部３１１と光検出部３０１の間の基板３１４の上にスラブ領域３２１を含む。
【００１０】
導波路部３１１は、導波路コア層３１２及び上部クラッド層３１３が基板３１４側から積層された構造を有する。導波路部３１１は、上部クラッド層３１３及び導波路コア層３１２を含むメサ構造を有する。信号光は導波路コア層３１２を伝播し、スラブ領域３２１に入射する。
【００１１】
光検出部３０１は、導波路コア層３１２、ｎ型半導体層３０２、ｉ型吸収層３０３、ｐ型上部クラッド層３０４及びｐ型コンタクト層３０５が基板３１４側から積層された構造を有する。光検出部３０１は、ｐ型コンタクト層３０５、上部クラッド層３０４、吸収層３０３及びｎ型半導体層３０２の一部を含むメサ構造を有する。光検出部３０１のメサ構造の幅は、導波路部３１１のメサ構造の幅よりも広い。光検出部３０１では、メサ構造の外側に、導波路コア層３１２及びｎ型半導体層３０２を含む積層構造が残されている。
【００１２】
スラブ領域３２１は、導波路コア層３１２及び上部クラッド層３１３を含む。スラブ領域３２１における上部クラッド層３１３の一部は、光検出部３０１のメサ構造と同様の形状を有するメサ構造を構成する。スラブ領域３２１のメサ構造の幅は光検出部３０１のメサ構造の幅と同程度である。スラブ領域３２１に入射した信号光は導波路コア層３１２を伝播し、光検出部３０１に入射する。スラブ領域３２１は、光検出部３０１の製造工程において、フォトレジスト露光時のマスクの位置合わせ誤差の問題を解消するために対策を講じた結果として生じるものである。
【００１３】
図４に示したように、受光素子３００では、信号光は導波路部３１１及びスラブ領域３２１において導波路コア層３１２を伝播し、光検出部３０１において、そのまま導波路コア層３１２に入射する。入射した信号光はｎ型半導体層３０２を介して吸収層３０３に染み出していき、吸収層３０３において吸収される。
【００１４】
ｎ型半導体層３０２、吸収層３０３及び上部クラッド層３０４はＰＩＮ型のフォトダイオード（ＰＤ）を構成する。ｐ型コンタクト層３０５及びｎ型半導体層３０２には、不図示のｐ側電極及びｎ側電極がそれぞれ接続されている。ｐ側電極とｎ側電極の間に、ｐ側電極を負電位、ｎ側電極を正電位とする一定の電圧を印加することにより、吸収層３０３における光吸収により発生したフォトキャリア（正孔及び電子）が上部クラッド層３０４及びｎ型半導体層３０２を介して検出される。それによって、光検出部３０１は信号光を電気信号（フォトキャリア電流）として検出し、信号光の強度に対応する検出信号（フォトキャリア電流）を出力する。
【００１５】
尚、図１ないし図４に示した２つの受光素子の一例が、以下の特許文献及び非特許文献に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】特開平０７−１８３４８４号公報
【非特許文献】
【００１７】
【非特許文献１】Ｌｕｃａｓ  Ｂ．  Ｓｏｌｄａｎｏ  ｅｔ  ａｌ．  Ｊ．Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ  Ｔｅｃｈ．，ＶＯＬ．１３，ＮＯ．４，Ａｐｒｉｌ，１９９５  ｐｐ６１５−６１７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
図５は、図１及び図２に示した受光素子１００における信号光の光強度分布を示す図である。図５において、実線は基板１１４の上方から見たときの導波路コア層１１２の形状を示す。一点鎖線は基板１１４の上方から見たときの吸収層１０３の形状を示す。破線は信号光の光強度分布の一例を示すものである。矢印は信号光の放射方向を示すものである。
【００１９】
上述のように、受光素子１００では、ｎ型半導体層１０２にｎ側電極（不図示）が接続されるため、ｎ型半導体層１０２の幅は吸収層１０３の幅よりも、少なくともｎ側電極との接続領域の分だけ広くなる。これに伴い、導波路コア層１１２の幅も吸収層１０３の幅よりも広くなる。これに対し、導波路部１１１の導波路コア層１１２の幅は吸収層１０３の幅よりも狭い。その結果、信号光は、幅が狭い導波路部１１１から、突然、幅が十分に広い光検出部１０１に入射することになる。
【００２０】
一方、導波路部１１１は幅が狭いメサ構造を有するため、信号光をその進行方向に直交する方向に閉じ込める、光閉じ込め作用は強い。これに対し、光検出部１０１では、入射した信号光をその進行方向に直交する方向に閉じ込める作用は、メサ構造の一部である吸収層１０３と、吸収層１０３の下側にあるｎ型半導体層１０２の小さな凸部を含む部分によって奏されるものだけである。よって、その光閉じ込め作用は弱いものとなる。
【００２１】
従って、信号光は、幅が狭く光閉じ込め作用の強い導波路部１１１から、幅が広く光閉じ込め作用の弱い光検出部１０１に入射することになる。この場合、信号光が光検出部１０１に入射した後、その光強度分布はその進行方向に直交する方向に広がっていくが、光検出部１０１がその広がりを抑制する能力は小さい。
【００２２】
このため、図５に示したように、受光素子１００においては、光検出部１０１に入射した信号光が光検出部１０１の内部を伝播するにつれて、その光強度分布がその進行方向に直交する方向に広がってしまう。図５の矢印で示したように、信号光の放射方向は、信号光をその進行方向に直交する方向に拡散させるような方向となる。すなわち、信号光は拡散方向の伝播状態を有する。
【００２３】
その結果、入射した信号光の一部が導波路コア層１１２において、吸収層１０３の下側の領域ではなく、その外側の領域に放射してしまう。吸収層１０３の外側の領域に放射した信号光は吸収層１０３において吸収されない。このため、受光素子１００においては、入射した信号光に対する光吸収効率を十分に高くすることができないという問題があった。
【００２４】
図６は、図３及び図４に示した受光素子３００における信号光の光強度分布を示す図である。図６において、実線は基板３１４の上方から見たときの導波路コア層３１２の形状を示す。一点鎖線は基板３１４の上方から見たときの吸収層３０３の形状を示す。破線は信号光の光強度分布の一例を示すものである。矢印は信号光の放射方向を示すものである。
【００２５】
上述のように、受光素子３００においては、受光素子１００の構造に加えて、導波路部３１１と光検出部３０１の間にスラブ領域３２１が存在する。スラブ領域３２１の導波路コア層３１２の幅は、光検出部３０１の導波路コア層３１２の幅と同様に広いので、受光素子１００の場合と同様に、信号光は、幅が狭い導波路部３１１から、突然、幅が十分に広いスラブ領域３２１に入射することになる。
【００２６】
一方、導波路部３１１は、導波路部１１１の場合と同様に、信号光をその進行方向に直交する方向に閉じ込める、光閉じ込め作用は強い。これに対し、光検出部３０１では、光検出部１０１の場合と同様に、その光閉じ込め作用は弱い。
【００２７】
さらに、スラブ領域３２１では、導波路コア層３１２の上には上部クラッド層３１３が存在するのみである。このため、スラブ領域３２１には、導波路部３１１から入射した信号光をその進行方向に直交する方向に閉じ込める作用を奏するものはほとんどない。よって、スラブ領域３２１における光閉じ込め作用は、光検出部３０１よりもさらに弱いものとなる。
【００２８】
従って、受光素子３００においては、信号光は、幅が狭く光閉じ込め作用の強い導波路部３１１から、突然、幅が十分に広く、光閉じ込め作用が光検出部３０１よりもさらに弱いスラブ領域３２１に入射することになる。この場合も、信号光がスラブ領域３２１に入射した後、その光強度分布はその進行方向に直交する方向に広がっていくが、スラブ領域３２１がその広がりを抑制する能力は光検出部３０１よりも、さらに小さい。
【００２９】
このため、図６に示したように、受光素子３００においては、スラブ領域３２１に入射した信号光がスラブ領域３２１及び光検出部３０１の内部を伝播するにつれて、その光強度分布がその進行方向に直交する方向に広がってしまう。信号光の放射方向は、受光素子１００の場合（図５の光強度分布）と比べて、信号光をその進行方向に直交する方向にさらに強く拡散させるような方向となる。すなわち、信号光はさらに強い拡散方向の伝播状態を有し、伝播した距離が同じ場合、信号光の光強度分布は、さらに大きな広がりを持つようになる。
【００３０】
その結果、受光素子３００では、受光素子１００と比べて、入射した信号光のより多くの部分が導波路コア層３１２において、吸収層３０３の下側の領域ではなく、その外側の領域に放射してしまう。吸収層３０３の外側の領域に放射した信号光は吸収層３０３において吸収されない。このため、受光素子３００においては、受光素子１００よりもさらに、入射した信号光に対する光吸収効率を高くすることが困難であるという問題があった。
【００３１】
従って、本実施例の一側面における受光素子は、光吸収効率を向上させることを目的とし、特に導波路部と光検出部の間に光閉じ込め作用の弱いスラブ領域が形成された場合であっても、光吸収効率を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００３２】
本実施例の一側面において開示する受光素子は、導波路コア層を含む導波路と、前記導波路の幅より広い幅を有し、前記導波路コアからの出射光が入射される多モード干渉導波路と、少なくとも１つの層からなり、前記多モード干渉導波路からの出射光が入射される第１半導体層と、前記第１半導体層の上に設けられ、前記第１半導体層に入射された出射光を吸収する吸収層を含む光検出部とを有し、前記導波路からの出射光が入射される前記多モード干渉導波路の端部から、前記多モード干渉導波路からの出射光が入射される前記光検出部の端部までの長さが、前記多モード導波路において自己結像が起こる長さの７０％から１００％までの長さである。
【発明の効果】
【００３３】
本実施例の一側面において開示する受光素子においては、光吸収効率を向上させることができ、特に導波路部と光検出部の間に光閉じ込め作用の弱いスラブ領域が形成された場合であっても、光吸収効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】受光素子の一例である受光素子１００の要部を示す斜視図である。
【図２】図１のＡ１−Ａ２の破線で示した断面における受光素子１００の断面図である。
【図３】受光素子の他の例である受光素子３００の要部を示す斜視図である。
【図４】図３のＡ３−Ａ４の破線で示した断面における受光素子３００の断面図である。
【図５】図１及び図２に示した受光素子１００における信号光の光強度分布を示す図である。
【図６】図３及び図４に示した受光素子３００における信号光の光強度分布を示す図である。
【図７】本発明の第１実施例に係る受光素子７００の構造の一例を示す斜視図であり、受光素子７００の要部のみを示した図である。
【図８】図７のＢ１−Ｂ２の破線で示した断面における受光素子７００の断面図である。
【図９】（Ａ）は、図７のＢ３−Ｂ４の破線で示した断面における受光素子７００の断面図であり、（Ｂ）は、図７のＢ５−Ｂ６の破線で示した断面における受光素子７００の断面図である。
【図１０】（Ａ）は、図７のＢ７−Ｂ８の破線で示した断面における受光素子７００の断面図であり、（Ｂ）は、図７のＢ９−Ｂ１０の破線で示した断面における受光素子７００の断面図である。
【図１１】ＭＭＩ導波路１１００において自己結像が起こった場合の光強度分布を例示的に示した図である。
【図１２】図７及び図８に示した受光素子７００における信号光の光強度分布を示す図である。
【図１３】ＭＭＩ導波路７３２の長さＬｍｍｉと光検出部７０１における光吸収効率の関係をシミュレーションにより計算した結果を示す図である。
【図１４】スラブ領域の長さと、光検出部における光吸収効率の関係をシミュレーションにより計算した結果を示す図である。
【図１５】受光素子１５００の構造の一例を示す斜視図であり、受光素子１５００の要部のみを示した図である。
【図１６】図１５のＣ１−Ｃ２の破線で示した断面における受光素子１５００の断面図である。
【図１７】（Ａ）は、図１５のＣ３−Ｃ４の破線で示した断面における受光素子１５００の断面図であり、（Ｂ）は、図１５のＣ５−Ｃ６の破線で示した断面における受光素子１５００の断面図である。
【図１８】（Ａ）は、図１５のＣ７−Ｃ８の破線で示した断面における受光素子１５００の断面図であり、（Ｂ）は、図１５のＣ９−Ｃ１０の破線で示した断面における受光素子１５００の断面図である。
【図１９】図１５から図１８に示した受光素子１５００の製造工程の一例を示す図（その１）である。
【図２０】図１５から図１８に示した受光素子１５００の製造工程の一例を示す図（その２）である。
【図２１】図１５から図１８に示した受光素子１５００の製造工程の一例を示す図（その３）である。
【図２２】図１５から図１８に示した受光素子１５００の製造工程の一例を示す図（その４）である。
【図２３】図１５から図１８に示した受光素子１５００の製造工程の一例を示す図（その５）である。
【図２４】図１５から図１８に示した受光素子１５００の製造工程の一例を示す図（その６）である。
【図２５】本発明の第２実施例に係る受光素子２５００の構造の一例を示す斜視図であり、受光素子２５００の要部のみを示した図である。
【図２６】図２５のＤ１−Ｄ２の破線で示した断面における受光素子２５００の断面図である。
【図２７】（Ａ）は、図２５のＤ３−Ｄ４の破線で示した断面における受光素子２５００の断面図であり、（Ｂ）は、図２５のＤ５−Ｄ６の破線で示した断面における受光素子２５００の断面図である。
【図２８】図２５のＤ７−Ｄ８の破線で示した断面における受光素子２５００の断面図である。
【図２９】図２５及び図２６に示した受光素子２５００における信号光の光強度分布を示す図である。
【図３０】本発明の第３実施例に係る受光素子３０００の構造の一例を示す斜視図であり、受光素子３０００の要部のみを示した図である。
【図３１】図３０のＥ１−Ｅ２の破線で示した断面における受光素子３０００の断面図である。
【図３２】（Ａ）は、図３０のＥ３−Ｅ４の破線で示した断面における受光素子３０００の断面図であり、（Ｂ）は、図３０のＥ５−Ｅ６の破線で示した断面における受光素子３０００の断面図である。
【図３３】（Ａ）は、図３０のＥ７−Ｅ８の破線で示した断面における受光素子３０００の断面図であり、（Ｂ）は、図３０のＥ９−Ｅ１０の破線で示した断面における受光素子３０００の断面図である。
【図３４】本発明の第４実施例に係る受光素子３４００の構造の一例を示す斜視図であり、受光素子３４００の要部のみを示した図である。
【図３５】図３５は、図３４のＦ１−Ｆ２の破線で示した断面における受光素子３４００の断面図である。
【図３６】（Ａ）は、図３４のＦ３−Ｆ４の破線で示した断面における受光素子３４００の断面図であり、（Ｂ）は、図３４のＦ５−Ｆ６の破線で示した断面における受光素子３４００の断面図である。
【図３７】（Ａ）は、図３４のＦ７−Ｆ８の破線で示した断面における受光素子３４００の断面図であり、（Ｂ）は、図３４のＦ９−Ｆ１０の破線で示した断面における受光素子３４００の断面図である。
【図３８】図３４から図３７に示した受光素子３４００の製造工程の一例を示す図（その１）である。
【図３９】図３４から図３７に示した受光素子３４００の製造工程の一例を示す図（その２）である。
【図４０】図３４から図３７に示した受光素子３４００の製造工程の一例を示す図（その３）である。
【図４１】図３４から図３７に示した受光素子３４００の製造工程の一例を示す図（その４）である。
【図４２】図３４から図３７に示した受光素子３４００の製造工程の一例を示す図（その５）である。
【図４３】本発明の第５実施例に係る光受信器４３００の構成の一例を示す図である。
【図４４】本発明の第６実施例に係る光受信モジュール４４００の構成の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
以下、本発明の実施例について説明する。
【実施例】
【００３６】
［１．第１実施例］
［１−１．受光素子７００の構造］
図７は、本発明の第１実施例に係る受光素子７００の構造の一例を示す斜視図であり、受光素子７００の要部のみを示した図である。図８は、図７のＢ１−Ｂ２の破線で示した断面における受光素子７００の断面図である。図９（Ａ）は、図７のＢ３−Ｂ４の破線で示した断面における受光素子７００の断面図である。図９（Ｂ）は、図７のＢ５−Ｂ６の破線で示した断面における受光素子７００の断面図である。図１０（Ａ）は、図７のＢ７−Ｂ８の破線で示した断面における受光素子７００の断面図である。図１０（Ｂ）は、図７のＢ９−Ｂ１０の破線で示した断面における受光素子７００の断面図である。
【００３７】
尚、本明細書においては、受光素子の構造が形成される側の基板表面に関して、基板表面から離れる方向を「上」と称し、基板の表面に近づく方向を「下」と称するものとする。
【００３８】
図７及び図８に示したように、受光素子７００は、基板７１４の上に設けられた光検出部７０１と、同一の基板７１４の上に設けられた導波路部７１１と、同一の基板７１４の上に設けられたスラブ領域７２１と、同一の基板７１４の上に設けられた多モード干渉（Ｍｕｌｔｉ  Ｍｏｄｅ  Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ、以下ＭＭＩと称する。）部７３１を含む。
【００３９】
図９（Ａ）に示したように、導波路部７１１は、導波路コア層７１２及び上部クラッド層７１３が基板７１４側から積層された構造を有する。この積層構造の各々の層の材料は、例えば半導体である。導波路部７１１は、上部クラッド層７１３及び導波路コア層７１２を含むメサ構造を有する。信号光は導波路コア層７１２を伝播し、ＭＭＩ部７３１に入射する。
【００４０】
図１０（Ｂ）に示したように、光検出部７０１は、導波路コア層７１２、ｎ型半導体層７０２、ｉ型吸収層７０３、ｐ型上部クラッド層７０４及びｐ型コンタクト層７０５が基板７１４側から積層された構造を有する。この積層構造の各々の層の材料は、例えば半導体である。光検出部７０１は、ｐ型コンタクト層７０５、上部クラッド層７０４、吸収層７０３及びｎ型半導体層７０２の一部を含むメサ構造を有する。光検出部７０１のメサ構造の幅は、導波路部７１１のメサ構造の幅よりも広い。光検出部７０１では、メサ構造の外側に、導波路コア層７１２及びｎ型半導体層７０２を含む積層構造が残されている。ｎ型半導体層７０２、吸収層７０３、及び上部クラッド層７０４はＰＩＮ型のフォトダイオードを構成する。
【００４１】
ここで、ｎ型半導体層７０２は、その屈折率が導波路コア層７１２の屈折率よりも高く、吸収層７０３の屈折率よりも低くなるように形成される。すなわち、ｎ型半導体層７０２は、そのバンドギャップ波長が導波路コア層７１２のバンドギャップ波長より長く、吸収層７０３よりのバンドギャップ波長より短くなるように形成される。ｎ型半導体層７０２は信号光に対する吸収率が十分小さくなるような組成を有するように形成される。
【００４２】
図１０（Ａ）に示したように、スラブ領域７２１は、導波路コア層７１２及び上部クラッド層７１３を含む。スラブ領域７２１における上部クラッド層７１３の一部は、光検出部７０１のメサ構造と同様の形状を有するメサ構造を構成する。スラブ領域７２１は、光検出部７０１とは異なり、導波路コア層７１２がスラブ状（平板状）に存在するが、吸収層及びｎ型半導体層を含むメサ構造が存在しない領域である。スラブ領域７２１のメサ構造の幅は、光検出部７０１のメサ構造の幅と同程度である。スラブ領域７２１に入射した信号光は導波路コア層７１２を伝播し、光検出部７０１に入射する。
【００４３】
スラブ領域７２１は、例えば、光検出部７０１の製造工程において、フォトレジスト露光時のマスクの位置合わせ誤差の問題を解消するために、光検出部７０１のメサ構造を形成するためのハードマスクを形成する際に、マージン領域を設けたことに起因して生じるものである。詳細については後述する。
【００４４】
図９（Ｂ）に示したように、ＭＭＩ部７３１は、導波路コア層７１２及び上部クラッド層７１３が基板７１４側から積層された構造を有する。この積層構造の各々の層の材料は、例えば半導体である。ＭＭＩ部７３１は、上部クラッド層７１３及び導波路コア層７１２を含むメサ構造を有する。ＭＭＩ部７３１に入射した信号光は導波路コア層７１２を伝播し、スラブ領域７２１に入射する。導波路コア層７１２は光検出部７０１、導波路部７１１、スラブ領域７２１及びＭＭＩ部７３１により共有されている。
【００４５】
ＭＭＩ部７３１は、１つの入力と１つの出力を有する１×１多モード干渉導波路（ＭＭＩ導波路）７３２を含む。ＭＭＩ部７３１の導波路コア層７１２の少なくとも一部は、その幅が導波路部７１１の導波路コア層７１２の幅よりも広くなっている。幅が広くなっている部分の導波路コア層７１２が、ＭＭＩ導波路７３２として機能する。ＭＭＩ導波路７３２の幅は、導波路部７１１及び光検出部７０１の双方のメサ構造の幅よりも広くなっている。
【００４６】
ＭＭＩ導波路では、その幅や長さ、屈折率等のパラメータを適切に設定することによって、入力部における光強度分布が出力部において再現される自己結像という現象が起こることが知られている。ＭＭＩ導波路７３２の長さＬｍｍｉは、ＭＭＩ導波路７３２の自己結像が起こる点（自己結像点）が、光検出部７０１内に、とりわけ導波路コア層７１２内の、吸収層７０３の下側の領域に位置するような長さに設定される。さらに詳細には、ＭＭＩ導波路７３２の長さＬｍｍｉは、信号光が入射される側のＭＭＩ導波路７３２の端部（入力部）から、信号光が入射される側の光検出部７０１の端部（入射端部）までの長さが、ＭＭＩ導波路７３２において自己結像が起こる長さＬｓｉの７０％から１００％となるように設定される。尚、上述のＭＭＩ導波路の自己結像、及びＭＭＩ導波路７３２の長さＬｍｍｉの設定については、後で説明する。
【００４７】
図８に示したように、受光素子７００では、信号光は導波路部７１１において導波路コア層７１２を伝播し、ＭＭＩ部７３１においてＭＭＩ導波路７３２に入射する。後述するように、ＭＭＩ導波路７３２は、その出力部において、信号光をその進行方向に直交する方向に集光する。これにより、集光された信号光が、スラブ領域７２１の導波路コア層７１２を介して、光検出部７０１の導波路コア層７１２に入射する。入射した信号光は、導波路コア層７１２からｎ型半導体層７０２を介して吸収層７０３に染み出し、吸収層７０３において吸収される。
【００４８】
ｐ型コンタクト層７０５及びｎ型半導体層７０２には、不図示のｐ側電極及びｎ側電極がそれぞれ接続されている。ｐ側電極とｎ側電極の間に、ｐ側電極を負電位、ｎ側電極を正電位とする一定の電圧を印加することにより、吸収層７０３における光吸収により発生したフォトキャリア（正孔及び電子）が上部クラッド層７０４及びｎ型半導体層７０２を介して検出される。それによって、光検出部７０１は信号光を電気信号（フォトキャリア電流）として検出し、後段の電気回路に信号光の強度に対応する検出信号（フォトキャリア電流）を出力する。
【００４９】
［１−２．ＭＭＩ導波路７３２の長さＬｍｍｉの設定］
［１−２−１．ＭＭＩ導波路の自己結像］
図１１は、ＭＭＩ導波路１１００において自己結像が起こった場合の光強度分布を例示的に示した図である。破線は信号光の光強度分布を表す。矢印は信号光の放射方向を示すものである。
【００５０】
図１１に示したＭＭＩ導波路１１００は、その幅や長さ、屈折率等のパラメータを自己結像が起こる値に設定したものである。自己結像が起こる長さＬｓｉは、ＭＭＩ導波路の幅と、導波路コア層及びその周辺の層の屈折率により一意に決定される。自己結像が起こる長さＬｓｉは、導波路コア層の有効屈折率をｎｒ、ＭＭＩ導波路の幅と導波路コア層及び周辺の層の屈折率分布などから決定される有効導波路幅をＷｅｆｆ、信号光の波長をλとすると、以下のような式で表されることが知られている（以下、式１と称する。）。
Ｌｍｍｉ＝Ｎ・ｎｒ・Ｗｅｆｆ２／λ
ここで、Ｎは自然数である。（例えば、上記非特許文献参照。）
また、ＭＭＩ導波路の小型化や低損失化の観点から、一般的にはＮ＝１の長さが用いられるので、自己結像が起こる長さＬｓｉを表す式１は、以下のようになる（以下、式２を称する。）。
Ｌｍｍｉ＝ｎｒ・Ｗｅｆｆ２／λ
図１１に示したように、信号光がＭＭＩ導波路１１００の入力部１１０１から内部に入射した直後から、信号光がＭＭＩ導波路１１００内を伝播するにつれて、その光強度分布は徐々に広がっていく。そして、信号光がＭＭＩ導波路１１００の全体の長さ（信号光の進行方向若しくは導波路の延在方向に沿った長さ）の半分（５０％）の位置まで伝播したとき、その光強度分布の広がりが最も大きくなる。
【００５１】
信号光がＭＭＩ導波路１１００の全体の長さの半分（５０％）の位置を過ぎると、逆に、信号光がＭＭＩ導波路１１００内を伝播するにつれて、その光強度分布は徐々に狭くなっていく。そして、信号光がＭＭＩ導波路１１００の出力部１１０２に到達したときには、その光強度分布は入力部１１０１における光強度分布と同一のものとなる。出力部１１０２における光強度分布は入力部１１０１における光強度分布を再現したものになる。すなわち、ＭＭＩ導波路１１００では、自己結像が起こる点（自己結像点）は出力部１１０２に位置している。
【００５２】
ここで、図１１から分かるように、ＭＭＩ導波路１１００の全体の領域のうち、前半の領域（入力部１１０１に近い側の領域）と後半の領域（出力部１１０２に近い側の領域）とで、信号光の伝播状態が異なっている。
【００５３】
ＭＭＩ導波路１１００の前半領域においては、図１１の矢印で示したように、信号光の放射方向は、信号光をその進行方向に直交する方向に拡散させるような方向となる。すなわち、信号光は拡散方向の伝播状態を有している。
【００５４】
これに対し、ＭＭＩ導波路１１００の後半領域においては、図１１の矢印で示したように、信号光の放射方向は、信号光をその進行方向に直交する方向に集光するような方向となる。すなわち、信号光は集光方向の伝播状態を有している。特に、出力部１１０２の近傍においては、信号光をその進行方向に直交する方向に集光する作用が強く働き、信号光が集光される特性が顕著となる。
【００５５】
第１実施例に係る受光素子７００では、ＭＭＩ導波路１１００の出力部１１０２の近傍において、信号光がその進行方向に直交する方向に集光されるという特性が顕著となる点を利用する。受光素子７００では、光検出部７０１において、入射した信号光のより多くの部分を、導波路コア層７１２内の吸収層７０３の下側の領域に集めるために、この顕著な特性を利用している。詳細については後述する。
【００５６】
［１−２−２．受光素子７００における信号光の光強度分布］
図１２は、図７及び図８に示した受光素子７００における信号光の光強度分布を示す図である。実線は基板７１４の上方から見たときの導波路コア層７１２の形状を示す。一点鎖線は基板７１４の上方から見たときの吸収層７０３の形状を示す。破線は信号光の光強度分布の一例を示すものである。矢印は信号光の放射方向を示すものである。
【００５７】
図１２において、ＭＭＩ部７３１のＭＭＩ導波路７３２においては、自己結像が起こる点（自己結像点）が、光検出部７０１の導波路コア層７１２内の、吸収層７０３の下側の領域に位置している。ＭＭＩ部７３１のＭＭＩ導波路７３２の長さＬｍｍｉは、例えば、信号光が入射される側のＭＭＩ導波路７３２の端部（入力部）から、信号光が入射される側の光検出部７０１の端部（入射端部）までの長さが、ＭＭＩ導波路７３２において自己結像が起こる長さＬｓｉの８５％の長さとなるように設定される。
【００５８】
図１２に示したように、信号光は導波路コア層７１２を伝播し、導波路部７１１からＭＭＩ部７３１に入射する。その後、図１１で説明したように、信号光はＭＭＩ導波路７３２の出力部において、その進行方向に直交する方向に集光される。矢印で示したように、ＭＭＩ導波路７３２の出力部においては、信号光の放射方向は、信号光をその進行方向に直交する方向に集光するような方向となる。これにより、信号光は集光方向の伝播状態を維持したまま、スラブ領域７２１に入射する。
【００５９】
ここで、上述のように、受光素子７００では、ｎ型半導体層７０２にｎ側電極（不図示）が接続される。このため、ｎ型半導体層７０２では、光検出部７０１のメサ構造の外側の領域においても、ｎ側電極との接続領域を残しておく必要がある。そのため、ｎ型半導体層７０２は吸収層７０３のように完全なメサ構造をとることができず、ｎ型半導体層７０２の幅は吸収層７０３の幅よりも、少なくともｎ側電極との接続領域の分だけ広くなる。光検出部７０１では、導波路コア層７１２はｎ型半導体層７０２の下地層となっていることから、導波路コア層７１２の幅も、吸収層７０３の幅よりも、少なくともｎ側電極との接続領域の分だけ広くなってしまう。また、スラブ領域７２１の導波路コア層７１２の幅も、光検出部７０１の導波路コア層７１２の幅と同様に広い。
【００６０】
これに対し、導波路部７１１の導波路コア層７１２の幅は吸収層７０３の幅よりも狭い。また、ＭＭＩ部７３１の導波路コア層７１２の幅は、導波路部７１１の導波路コア層７１２の幅よりは広いものの、スラブ領域７２１及び光検出部７０１の導波路コア層７１２の幅に比べて十分に狭い。その結果、信号光は、幅が狭い導波路部７１１及びＭＭＩ部７３１から、突然、幅が十分に広いスラブ領域７２１及び光検出部７０１に入射することになる。
【００６１】
一方、導波路部７１１は幅が狭いメサ構造を有するため、信号光をその進行方向に直交する方向に閉じ込める、光閉じ込め作用は強い。また、ＭＭＩ部７３１においても、ＭＭＩ導波路７３２が同様にメサ構造を有することから、光閉じ込め作用は強い。
【００６２】
これに対し、光検出部７０１では、入射した信号光をその進行方向に直交する方向に閉じ込める作用は、メサ構造の一部である吸収層７０３と、吸収層７０３の下側にあるｎ型半導体層７０２の小さな凸部を含む部分によって奏されるものだけである。よって、その光閉じ込め作用は弱い。
【００６３】
さらに、スラブ領域７２１では、導波路コア層７１２の上には上部クラッド層７１３が存在するのみである。このため、スラブ領域７２１には、ＭＭＩ部７３１から入射した信号光をその進行方向に直交する方向に閉じ込める作用を奏するものはほとんどない。よって、スラブ領域７２１における光閉じ込め作用は、光検出部７０１よりもさらに弱いものとなる。
【００６４】
従って、受光素子７００においては、図３及び図４に示した受光素子３００と同様に、信号光は、幅が狭く光閉じ込め作用の強い導波路部７１１及びＭＭＩ部７３１から、突然、幅が十分に広く光閉じ込め作用がスラブ領域７２１及び光検出部７０１に入射することになる。この場合、受光素子３００の場合と同様に、スラブ領域７２１及び光検出部７０１が、信号光の光強度分布がその進行方向に直交する方向に広がるのを抑制する能力は小さい。
【００６５】
しかしながら、受光素子７００では、上述のように、信号光が集光方向の伝播状態を有した状態で、スラブ領域７２１に入射する。そして、ＭＭＩ導波路７３２の自己結像点が、光検出部７０１の導波路コア層７１２内、吸収層７０３の下側の領域に位置することから、スラブ領域７２１においても、信号光を集光方向の伝播状態に維持することができ、信号光は拡散方向の伝播状態に転じることはない。これにより、信号光は集光方向の伝播状態を維持したまま、光検出部７０１に入射する。
【００６６】
光検出部７０１に入射した信号光は吸収層７０３において吸収される。このとき、ＭＭＩ導波路７３２の自己結像点が、光検出部７０１の導波路コア層７１２内の、吸収層７０３の下側の領域に位置しており、信号光は集光方向の伝播状態を有する。これにより、受光素子１００及び３００の場合と比べて、入射した信号光のより多くの部分を、導波路コア層７１２の吸収層７０３の下側の領域に集めることができる。それによって、信号光のうち、光吸収に寄与しない、吸収層７０３の外側の領域に放射する部分を減らすことができる。
【００６７】
これにより、受光素子７００においては、受光素子１００及び３００と比べて光吸収効率を向上させることができる。特に、受光素子７００においては、受光素子３００のように、光閉じ込め作用が光検出部よりもさらに弱いスラブ領域が、導波路部と光検出部の間に形成された場合であっても、受光素子１００と比べて光吸収効率を向上させることが可能となる。
【００６８】
以上のことから、ＭＭＩ導波路７３２の自己結像が起こる点（自己結像点）が光検出部７０１内、とりわけ導波路コア層７１２内の、吸収層７０３の下側の領域に位置している場合には、受光素子７００において、受光素子３００を比べて光吸収効率を向上させることができることが分かる。ＭＭＩ導波路７３２の自己結像点が光検出部７０１内に位置する場合には、ＭＭＩ導波路７３２の出力部の近傍において信号光がその進行方向に直交する方向に集光されるという特性を、導波路コア層７１２内の吸収層７０３の下側の領域において利用することができるからである。
【００６９】
従って、ＭＭＩ部７３１のＭＭＩ導波路７３２の長さＬｍｍｉは、自己結像が起こる点（自己結像点）が、光検出部７０１内に、とりわけ導波路コア層７１２内の吸収層７０３の下側の領域に位置するような長さに設定される。
【００７０】
［１−２−３．光検出部７０１における光吸収効率の向上］
次に、ＭＭＩ部７３１のＭＭＩ導波路７３２の長さＬｍｍｉの設定について、さらに考察するために、シミュレーションの結果を示す。
【００７１】
図１３は、ＭＭＩ導波路７３２の長さＬｍｍｉと光検出部７０１における光吸収効率の関係をシミュレーションにより計算した結果を示す図である。横軸はＭＭＩ導波路の長さＬｍｍｉを表し、縦軸は吸収層７０３における量子効率を表す。
【００７２】
図１３のシミュレーションにおいては、ＭＭＩ導波路の幅を５μｍ、信号光の波長を１．５５μｍとし、導波路コア層をｉ型のＩｎＧａＡｓＰによって形成したものを仮定している。光検出部７０１の吸収層７０３の幅は３μｍとしている。また、図１３のシミュレーションでは、理解を容易にするために、スラブ領域７２１の長さは０μｍとし、スラブ領域７２１は存在しないものとしている。
【００７３】
上述のシミュレーション条件の場合、ＭＭＩ導波路７３２において自己結像が起こる長さＬｓｉの値は、上述の式２によって求められ、約５９μｍである（Ｌｓｉ≒５９μｍ）。また、図１３において、ＭＭＩ導波路７３２の長さＬｍｍｉが０μｍの場合は、ＭＭＩ導波路が形成されていない場合に対応するので、図１に示した受光素子１００の構造に対応する。
【００７４】
図１３から分かるように、ＭＭＩ導波路７３２の長さＬｍｍｉが、自己結像が起こる長さＬｓｉ（≒５９μｍ）の１００％（約５９μｍ）である場合には、量子効率の値は、ＭＭＩ導波路７３２がないとき（Ｌｍｍｉ＝０μｍ）、すなわち、図１に示した受光素子１００の構造のときの値と同程度の値となる。自己結像により、ＭＭＩ導波路７３２の出力部において、その入力部における光強度分布が再現されることから、信号光が入射される側の光検出部７０１の端部（入射端部）において、ＭＭＩ導波路７３２がないときの光強度分布が再現されるためである。
【００７５】
次に、ＭＭＩ導波路７３２の長さＬｍｍｉを自己結像が起こる長さＬｓｉ（≒５９μｍ）よりも小さくすると、量子効率の値は、ＭＭＩ導波路７３２がないとき（Ｌｍｍｉ＝０μｍ）、すなわち、図１に示した受光素子１００の構造のときの値よりも大きくなる。この場合、ＭＭＩ導波路７３２の自己結像が起こる点（自己結像点）が光検出部７０１内、とりわけ導波路コア層７１２内の吸収層７０３の下側の領域に位置するようになる。このため、光検出部７０１において入射した信号光のより多くの部分を、導波路コア層７１２の吸収層７０３の下側の領域に集めることができるためである。尚、ここでは、図１１に示したように、自己結像が起こる長さＬｓｉを有するＭＭＩ導波路１１００の出力部１１０２の近傍においては、信号光をその進行方向に直交する方向に集光する作用が強く、信号光が集光されるという特性が顕著となる点が利用されている。
【００７６】
次に、ＭＭＩ導波路７３２の長さＬｍｍｉを自己結像が起こる長さＬｓｉ（≒５９μｍ）の７０％（約４１μｍ）程度にすると、量子効率の値は再び、ＭＭＩ導波路７３２がないとき（Ｌｍｍｉ＝０μｍ）、すなわち、図１に示した受光素子１００の構造のときの値と同程度の値となる。この場合も、ＭＭＩ導波路７３２の自己結像点は光検出部７０１の吸収層７０３の下側の領域に位置するが、ＭＭＩ導波路１１００の出力部１１０２から離れるにつれて、横方向の光閉じ込め構造がない状態で信号光をその進行方向に直交する方向に集光する作用が弱くなる、このため、光検出部７０１において入射した信号光を十分に導波路コア層７１２内の吸収層７０３の下側の領域に集めることができなくなるためである。
【００７７】
次に、ＭＭＩ導波路７３２の長さＬｍｍｉを自己結像が起こる長さＬｓｉ（≒５９μｍ）の７０％（約４１μｍ）よりも小さくすると、量子効率の値は、ＭＭＩ導波路７３２がないとき（Ｌｍｍｉ＝０μｍ）、すなわち、図１に示した受光素子１００の構造のときの値よりも小さくなる。ＭＭＩ導波路１１００の出力部１１０２から離れるにつれて、信号光をその進行方向に直交する方向に集光する作用がさらに弱くなるためである。また、ＭＭＩ導波路７３２の長さＬｍｍｉが自己結像が起こる長さＬｓｉの５０％より小さい場合には、信号光は拡散方向の伝播状態を有するようになるためである。
【００７８】
尚、ＭＭＩ導波路の長さを自己結像が起こる長さＬｓｉ（≒５９μｍ）よりも長くした場合には、量子効率の値は、ＭＭＩ導波路７３２がないとき（Ｌｍｍｉ＝０μｍ）、すなわち、図１に示した受光素子１００の構造のときの値よりも小さくなる。ＭＭＩ導波路の長さを自己結像が起こる長さＬｓｉ（≒５９μｍ）よりも長くすると、ＭＭＩ導波路１１００の前半領域の場合と同様に、信号光は再度、拡散方向の伝播状態を有するようになるためである。
【００７９】
以上の結果から、ＭＭＩ導波路７３２の長さＬｍｍｉと量子効率（光吸収効率）との相関関係は以下のとおりであると考えられる。すなわち、ＭＭＩ導波路７３２の長さＬｍｍｉを自己結像が起こる長さＬｓｉの１００％とした場合には、量子効率は、ＭＭＩ導波路７３２がない場合と同程度である。そして、ＭＭＩ導波路７３２の長さＬｍｍｉを、自己結像が起こる長さＬｓｉの１００％よりも小さくしていくと、量子効率の値はＭＭＩ導波路７３２がない場合の値と比べて大きくなる。しかしながら、ＭＭＩ導波路７３２の長さＬｍｍｉをある程度小さくしていった段階で、量子効率の値は再びＭＭＩ導波路７３２がない場合の値と同程度となる。そして、ＭＭＩ導波路７３２の長さＬｍｍｉをさらに小さくしていくと、量子効率はＭＭＩ導波路７３２がない場合の値より小さくなる。
【００８０】
従って、ＭＭＩ導波路７３２の長さＬｍｍｉが、自己結像が起こる長さＬｓｉの１００％よりも小さく、かつＭＭＩ導波路７３２がない場合の光吸収効率と同じ光吸収効率が得られる長さよりも大きい場合に、受光素子７００において、受光素子１００と比べて、光吸収効率を向上させることができることが分かる。
【００８１】
そして、上述のシミュレーション結果によれば、受光素子７００では、ＭＭＩ導波路７３２がない場合の光吸収効率と同程度の光吸収効率が得られる長さは、自己結像が起こる長さＬｓｉ（≒５９μｍ）の７０％（約４１μｍ）である。従って、ＭＭＩ導波路７３２の長さＬｍｍｉを、自己結像が起こる長さＬｓｉの７０％より大きく、かつ１００％よりも小さくした場合に、受光素子１００と比べて、光吸収効率を向上させることができるが分かる。
【００８２】
ここで、上述のシミュレーションでは、スラブ領域７２１の長さを０μｍとし、スラブ領域７２１が存在しないものと仮定していたが、上述のシミュレーション結果は、ＭＭＩ導波路の長さを、信号光が入射される側のＭＭＩ導波路７３２の端部（入力部）から、信号光が入射される側の光検出部７３１の端部（入射端部）までの長さと読み替えることで、有限の長さのスラブ領域７２１が存在する場合にも適用することができる。スラブ領域７２１が有限の長さを有する場合には、ＭＭＩ導波路７３２の入力部から光検出部７３１の入射端部までの長さが、ＭＭＩ導波路７３２において自己結像が起こる長さＬｓｉと一致するときに、光検出部７０１の入射端部において、ＭＭＩ導波路７３２がないときの光強度分布（受光素子１００における光強度分布）が再現されるためである。
【００８３】
従って、受光素子７００においては、信号光が入射される側のＭＭＩ導波路７３２の端部（入力部）から、信号光が入射される側の光検出部７３１の端部（入射端部）までの長さを、ＭＭＩ導波路７３２において自己結像が起こる長さＬｓｉの７０％より大きく、かつ１００％よりも小さくした場合には、受光素子１００と比べて、光吸収効率を向上させることができることが分かる。さらに、受光素子３００における光吸収効率は、スラブ領域３２１の影響により、受光素子１００における光吸収効率よりもさらに低いので、受光素子３００と比べても、光吸収効率を向上させることができることが分かる。
【００８４】
尚、図１１に示したＭＭＩ導波路内部の光強度分布は、ＭＭＩ導波路のサイズを変更したとしても同様の分布が得られるものである。よって、ＭＭＩ導波路７３２の長さＬｍｍｉを、自己結像が起こる長さＬｓｉの１００%よりも小さく、７０％よりも大きくすることにより、光吸収効率を向上させることができるのは、上述のシミュレーションにおけるＭＭＩ導波路７３２の特定の構造の場合に限定されるものではない。
【００８５】
［１−２−４．光吸収効率とスラブ領域の長さの相関関係］
図１４は、スラブ領域の長さと、光検出部における光吸収効率の関係をシミュレーションにより計算した結果を示す図である。縦軸は吸収層における量子効率、横軸はスラブ領域の長さを表す。ここで、本明細書において、長さとは、対応する導波路の延在方向、すなわち、信号光の進行方向に沿った長さのことである。
【００８６】
図１４において、曲線（ａ）は図７から図１０に示した受光素子７００の場合、すなわち、ＭＭＩ導波路７３２を用いた場合の結果を示す。曲線（ｂ）は図１から図４に示した受光素子１００及び３００の場合、すなわちＭＭＩ導波路がない場合の結果を示す。
【００８７】
図１４のシミュレーションにおいて用いた条件は、スラブ領域７２１の長さを有限の値とした点を除いては、図１３のシミュレーションにおいて用いた条件と同一である。また、曲線（ａ）において、ＭＭＩ導波路７３２の長さは、自己結像が起こる長さＬｓｉ（≒５９μｍ）の９３％（約５５μｍ）としている。
【００８８】
図１４の曲線（ａ）で示したように、受光素子７００においては、スラブ領域７２１の長さによらず、量子効率の値はおおよそ一定の値となっている。より詳細には、スラブ領域の長さが１８μｍ程度までは、量子効率の値は、おおよそ、スラブ領域がない場合（スラブ領域の長さが０μｍである場合）の量子効率の値以上の値を維持している。従って、受光素子７００では、ＭＭＩ導波路７３２を形成したことによって、スラブ領域７２１の長さが大きくなっても、スラブ領域がない場合（スラブ領域の長さが０μｍである場合）と、同程度もしくはそれ以上の量子効率の値を維持することができることが分かる。
【００８９】
これに対し、図１４の曲線（ｂ）で示したように、ＭＭＩ導波路がない場合には、スラブ領域がない場合（スラブ領域の長さが０μｍである場合）、すなわち、受光素子１００において、量子効率の値が最大となる。一方、有限の長さのスラブ領域３２１が存在する場合、すなわち、受光素子３００においては、スラブ領域３２１の長さが大きくなるにつれて、量子効率の値は単調に減少していく。
【００９０】
また、スラブ領域がない場合（スラブ領域の長さが０μｍである場合）において、受光素子７００（曲線（ａ））の量子効率の値は受光素子１００（曲線（ｂ））の量子効率の値よりも大きくなっている。その上、スラブ領域の長さが大きくなるにつれて、受光素子７００（曲線（ａ））と受光素子３００（曲線（ｂ））の間の量子効率の値の開きは、大きくなっていく。
【００９１】
以上の結果から、受光素子７００においては、導波路部７１１と光検出部７０１の間に光検出部７０１よりもさらに光閉じ込め作用の弱いスラブ領域７２１が形成された場合であっても、ＭＭＩ導波路７３２を形成したことによって、スラブ領域がない場合と同様に、光吸収効率を向上させることができることが分かる。さらに、受光素子７００においては、スラブ領域７２１の長さが大きくなった場合でも、スラブ領域７２１による影響を低減することができ、スラブ領域がない場合と同程度の量子効率を得ることができることが分かる。
【００９２】
［１−３．受光素子７００の構造の具体例］
図１５は、受光素子１５００の構造の一例を示す斜視図であり、受光素子１５００の要部のみを示した図である。図１５に示した受光素子１５００の構造は、図７に示した受光素子７００の構造の１つの具体例として、受光素子７００において各層の構成例を具体的に示したものである。図１６は、図１５のＣ１−Ｃ２の破線で示した断面における受光素子１５００の断面図である。図１７（Ａ）は、図１０のＣ３−Ｃ４の破線で示した断面における受光素子１５００の断面図であり、メサ構造の近傍を示したものである。図１７（Ｂ）は、図１５のＣ５−Ｃ６の破線で示した断面における受光素子１５００の断面図であり、メサ構造の近傍を示したものである。図１８（Ａ）は、図１５のＣ７−Ｃ８の破線で示した断面における受光素子１５００の断面図であり、メサ構造の近傍を示したものである。図１８（Ｂ）は、図１５のＣ９−Ｃ１０の破線で示した断面における受光素子１５００の断面図であり、メサ構造の近傍を示したものである。
【００９３】
図１５から図１８に示したように、受光素子１５００は、例えば、半絶縁性（Ｓｅｍｉ−ｉｎｓｕｌａｔｉｎｇ、以下ＳＩと称する。）のＩｎＰからなる基板１５１４の上に設けられた光検出部１５０１と、同一の基板１５１４の上に設けられた導波路部１５１１と、同一の基板１５１４の上に設けられたスラブ領域１５２１と、同一の基板１５１４の上に設けられＭＭＩ部１５３１を含む。ＳＩ−ＩｎＰ基板１５１４は、Ｆｅ等の深い不純物準位を形成する元素がドープされた基板である。
【００９４】
導波路部１５１１は、１．０５μｍのバンドギャップ波長を有するｉ型のＩｎＧａＡｓＰからなる導波路コア層１５１２、及びｉ型のＩｎＰからなる上部クラッド層１５１３がＳＩ−ＩｎＰ基板１５１４側から積層された構造を有する。導波路部１５１１は、ｉ−ＩｎＰクラッド層１５１３、ｉ−ＩｎＧａＡｓＰコア層１５１２及びＳＩ−ＩｎＰ基板１５１４の一部を含むメサ構造を有し、その側面が半導体材料によって埋め込まれていないハイメサ導波路構造を有する。導波路コア層１５１２は１．５５μｍの信号光に対してバンドギャップ波長が１．０５μｍであるため、信号光に対する吸収は少ない。
【００９５】
ＭＭＩ部１５３１は、１．０５μｍのバンドギャップ波長を有するｉ型のＩｎＧａＡｓＰからなる導波路コア層１５１２、及びｉ型のＩｎＰからなる上部クラッド層１５１３がＳＩ−ＩｎＰ基板１５１４側から積層された構造を有する。ＭＭＩ部１５３１は、ｉ−ＩｎＰクラッド層１５１３、ｉ−ＩｎＧａＡｓＰコア層１５１２及びＳＩ−ＩｎＰ基板１５１４の一部を含むメサ構造を有する。ＭＭＩ部１５３１は、導波路部１５１１と同一の積層構造を有するものであるが、ＭＭＩ部１５３１の導波路コア層１５１２の幅は、導波路部１５１１の導波路コア層１５１２の幅よりも広くなっている。それによって、ＭＭＩ部１５３１の導波路コア層１５１２は、１つの入力と１つの出力を有する１×１ＭＭＩ導波路１５３２を構成している。
【００９６】
光検出部１５０１は、導波路部およびＭＭＩ部と共通の導波路コア層１５１２、１．３μｍのハンドギャップ波長を有するｎ型のＩｎＧａＡｓＰからなる半導体層１５０２、ＩｎＰと格子整合したｉ型のＩｎＧａＡｓからなる吸収層１５０３、ｐ型のＩｎＰからなる上部クラッド層１５０４、及びｐ型のＩｎＧａＡｓとＩｎＧａＡｓＰの２層構造からなるｐ型コンタクト層１５０５がＳＩ−ＩｎＰ基板１５１４側から積層された構造を有する。ｎ型のＩｎＧａＡｓＰからなる半導体層１５０２は１．５５μｍの信号光に対してバンドギャップ波長が１．３μｍであるため、信号光に対する吸収は少ない。
【００９７】
光検出部１５０１は、ｐ型コンタクト層１５０５、ｐ−ＩｎＰクラッド層１５０４及びｉ−ＩｎＧａＡｓ吸収層１５０３及びｎ−ＩｎＧａＡｓＰ半導体層１５０２の一部を含むメサ構造を有し、その側面が半導体材料によって埋め込まれていないハイメサ導波路構造を有する。ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ半導体層１５０２、ｉ−ＩｎＧａＡｓ吸収層１５０３及びｐ−ＩｎＰクラッド層１５０４は、ＰＩＮ型のフォトダイオードを構成する。
【００９８】
ｐ型コンタクト層１５０５の上にはｐ側金属電極１５１５が形成され、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ半導体層１５０２の上にはｎ側金属電極１５１６が形成されている。受光素子１５００のｐ側金属電極１５１５及びｎ側金属電極１５１６が形成されていない部分は、シリコン窒化膜等の誘電体からなるパッシベーション膜１５１７によって覆われている。尚、図１５では、構造の理解を容易にするために、パッシベーション膜１５１７の図示は省略されている。
【００９９】
ｐ側金属電極１５１５とｎ側金属電極１５１６の間には、ｐ側電極を負電位、ｎ側電極を正電位とする一定の電圧が印加されている。それによって、ｐ−ＩｎＰクラッド層１５０４及びｎ−ＩｎＧａＡｓＰ半導体層１５０２を介して、ｉ−ＩｎＧａＡｓ吸収層１５０３における光吸収により発生したフォトキャリア（正孔及び電子）が検出される。
【０１００】
スラブ領域１５２１は、１．０５μｍのバンドギャップ波長を有するｉ型のＩｎＧａＡｓＰからなる導波路コア層１５１２、及びｉ型のＩｎＰからなる上部クラッド層１５１３がＳＩ−ＩｎＰ基板１５１４側から積層された構造を有する。スラブ領域１５２１におけるｉ−ＩｎＰクラッド層１５１３の一部は、光検出部１５０１のメサ構造と同様の形状を有するメサ構造を構成する。
【０１０１】
導波路部１５１１では、例えば、ｉ−ＩｎＧａＡｓＰコア層１５１２の厚さを０．５μｍ、ｉ−ＩｎＰクラッド層１５１３の厚さを１．０μｍとする。ＭＭＩ部１５３１では、導波路部１５１１と同様に、例えば、ｉ−ＩｎＧａＡｓＰコア層１５１２の厚さを０．５μｍ、ｉ−ＩｎＰクラッド層１５１３の厚さを１．０μｍとする。
【０１０２】
光検出部１５０１では、例えば、ｉ−ＩｎＧａＡｓＰコア層１５１２の厚さを０．５μｍ、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ半導体層１５０２の厚さを０．５μｍ、ｉ−ＩｎＧａＡｓ吸収層１５０３の厚さを０．５μｍ、ｐ−ＩｎＰクラッド層１５０４及びｐ型コンタクト層１５０５の厚さの合計を１．０μｍとする。スラブ領域１５２１では、光検出部１５０１と同様に、例えば、ｉ−ＩｎＧａＡｓＰコア層１５１２の厚さは０．５μｍである。ｉ−ＩｎＰクラッド層１５１３の厚さは光検出部１５０１のメサ構造に対応する部分において２．０μｍであり、それ以外の部分では光検出部１５０１のｎ−ＩｎＧａＡｓＰ半導体層１５０２の厚さと同程度である。
【０１０３】
導波路部１５１１において、例えば、ｉ−ＩｎＧａＡｓＰコア層１５１２及びｉ−ＩｎＰクラッド層１５１３を含むメサ構造の幅は２．５μｍである。ＭＭＩ部１５３１において、例えば、ｉ−ＩｎＧａＡｓＰコア層１５１２及びｉ−ＩｎＰクラッド層１５１３を含むメサ構造の幅は５μｍであり、その長さは５０μｍである。
【０１０４】
光検出部１５０１において、ｉ−ＩｎＧａＡｓ吸収層１５０３、ｐ−ＩｎＰクラッド層１５０４及びコンタクト層１５０５を含むメサ構造の幅は、３μｍであり、その長さは１０μｍである。スラブ領域１５２１において、ｉ−ＩｎＰクラッド層１５１３を含むメサ構造の幅は３μｍである。スラブ領域１５２１の長さは、例えば、５μｍである。
【０１０５】
受光素子１５００では、ＭＭＩ部１５３１を上述のような構造とした場合、ＭＭＩ導波路１５３２において自己結像が生じる長さは約５９μｍとなる（Ｌｓｉ≒５９μｍ）。ＭＭＩ導波路７３２の入力部から光検出部７３１の入射端部までの長さ、すなわちＭＭＩ導波路７３２とスラブ領域７２１の合計の長さ（５５μｍ）は、自己結像が生じる長さ（Ｌｓｉ≒５９μｍ）の約９３％の長さになる。図１３に示したシミュレーション結果から分かるように、この場合には、光検出部１５０１のｉ−ＩｎＧａＡｓ吸収層１５０３において光吸収効率（量子効率）は、ＭＭＩ導波路がない場合に比べて向上する。
【０１０６】
以上説明した構造を有する受光素子１５００では、図１から図４に示した受光素子１００及び３００と比べて、光吸収効率を向上させることができる。特に、受光素子１５００においては、光閉じ込め作用が弱いスラブ領域が導波路部と光検出部の間に形成された場合であっても、光吸収効率を向上させることが可能となる。
【０１０７】
尚、上述の実施例では、波長が１．５５μmの信号光に対する受光素子の例として吸収層をＩｎＧａＡｓで構成し、導波路コア層などの層をＩｎＧａＡｓＰ系の材料で構成したフォトダイオードの例を述べたが、これには限定されない。上述の実施例の受光素子において、吸収層を入射される信号光の波長帯域の光を吸収する他の材料によって構成し、その他の層をその光を吸収しないような他の材料によって構成してもよい。
【０１０８】
また、吸収層などの層をｉ型の半導体によって構成した例を示したが、例えば吸収層の一部又は全てをｐ型又はｎ型の半導体で構成してもよい。
【０１０９】
また、本実施例では、光検出部の吸収層の下に、導波路部および多モード干渉導波路と共通の導波路コア層が存在する構造について記載をしているが、これに限定されず、多モード干渉導波路の導波路コア層からの信号光が光検出部の吸収層の下に位置する層に入射され、吸収層には直接入射されない構造であれば、どのような層構造であってもよい。例えば、信号光がＭＭＩ部１５３１のｉ−ＩｎＧａＡｓＰコア層１５１２から、スラブ領域１５２１を介して、光検出部１５０１のｎ−ＩｎＧａＡｓＰ半導体層１５０２に入射されるような構造にしてもよい。
【０１１０】
［１−４．受光素子１５００の製造方法］
図１９ないし図２４は、図１５から図１８に示した受光素子１５００の製造工程の一例を示す図である。各図において、上側の図は、基板の上方から見たときの平面図であり、受光素子１５００の要部を示した図である。下側の図は、各平面図の破線で示した断面で見たときの断面図である。以下、図１９から図２４を用いて受光素子１５００の製造方法の一例を説明する。
【０１１１】
図１９に示したように、ＳＩ−ＩｎＰ基板１９０１の上に、例えば有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により、ｉ−ＩｎＧａＡｓＰ膜１９０２、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ膜１９０３、ｉ−ＩｎＧａＡｓ膜１９０４、ｐ−ＩｎＰ膜１９０５、及びｐ−ＩｎＧａＡｓとｐ−ＩｎＧａＡｓＰの２層からなる積層膜１９０６を、堆積させる。ここで、ｉ−ＩｎＧａＡｓＰ膜１９０２の厚さが０．５μｍ、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ膜１９０３の厚さが０．５μｍ、ｉ−ＩｎＧａＡｓ膜１９０４の厚さが０．５μｍとなるように堆積を行う。また。ｐ−ＩｎＰ膜１９０５とｐ−ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ積層膜１９０６の厚さの合計が１．０μｍとなるように堆積を行う。
【０１１２】
次に、ｐ−ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ積層膜１９０６の上に、図１５から図１８に示した光検出部１５０１となる領域を覆うマスク２００１を形成し、導波路部１５１１及びＭＭＩ部１５３１となる領域を選択的に露出させる。マスク２００１としては、例えばシリコン酸化膜が用いられる。マスク２００１を用いた周知のエッチングにより、図２０に示したように、光検出部１５０１にのみｎ−ＩｎＧａＡｓＰ膜１９０３、ｉ−ＩｎＧａＡｓ膜１９０４、ｐ−ＩｎＰ膜１９０５、及びｐ−ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ積層膜１９０６を残し、導波路部１５０１及びＭＭＩ部１５３１からはこれらの膜を除去する。この処理により、導波路部１５１１及びＭＭＩ部１５３１では、ｉ−ＩｎＧａＡｓＰ膜１９０２が露出する。
【０１１３】
次に、図２１に示したように、導波路部１５１１及びＭＭＩ部１５３１の露出したｉ−ＩｎＧａＡｓＰ膜１９０２の上に、ＭＯＣＶＤ法により、ｉ−ＩｎＰ膜２１０１を堆積させる。ここで、ｉ−ＩｎＰ膜２１０１の厚さが１．０μｍとなるように堆積を行う。上述のエッチングに用いたマスク２００１により光検出部１５０１が覆われているので、光検出部１５０１にｉ−ＩｎＰ膜２１０１が成長するのを防止することができる。なお、この際、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ膜１９０３、ｉ−ＩｎＧａＡｓ膜１９０４、ｐ−ＩｎＰ膜１９０５、及びｐ−ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ積層膜１９０６の側面部分には、ｉ−ＩｎＰ膜が這い上がって堆積し、ｉ−ＩｎＰ膜２１０１は図２１に示したような形状になる。ｉ−ＩｎＰ膜２１０１の堆積後、マスク２００１を除去する。
【０１１４】
次に、光検出部のｐ−ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ積層膜１９０６及び導波路部、ＭＭＩ導波路部のｉ−ＩｎＰ膜２１０１の上に、図２２に示したような、光検出部１５０１においてメサ構造となる領域を覆うマスク２２０１を形成する。マスク２２０１は、導波路部１５１１及びＭＭＩ部１５３１については、メサ構造となる領域以外の領域も含めて、その大部分を覆うように形成される。マスク２２０１としては、例えばシリコン酸化膜が用いられる。
【０１１５】
このとき、図２２に示したように、マスク２２０１は、フォトレジスト露光時のマスクの位置合わせ誤差の問題を考慮して、マスクによって覆われない領域が、ｐ−ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ積層膜１９０６だけでなく、ｉ−ＩｎＰ膜２１０１の一部にまで及ぶように形成される。すなわち、マスク２２０１では、エッチングの対象となる領域を、光検出部１５０１においてメサ構造を形成するために除去される領域よりも広くとることにより、マスク位置合わせ誤差を吸収するためのマージン領域を設けている。フォトレジスト露光時のマスクの位置合わせ誤差の影響により、マスク２２０１の形成位置がずれた結果、光検出部１５０１の端部において、ｐ−ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ積層膜１９０６、ｐ−ＩｎＰ膜１９０５、ｉ−ＩｎＧａＡｓ膜１９０４及びｎ−ＩｎＧａＡｓＰ膜１９０３を含む積層膜が除去されないまま残存し、その結果として幅方向にＩｎＧａＡｓ吸収層が広く残ってしまうことを防止するためである。
【０１１６】
マスク２２０１を用いた周知のエッチングにより、図２２に示したように、光検出部１５０１においてメサ構造を形成する。光検出部１５０１では、マスク２２０１を用いて、ｐ−ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ積層膜１９０６、ｐ−ＩｎＰ膜１９０５及びｉ−ＩｎＧａＡｓ膜１９０４を除去するとともに、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ膜１９０３については途中の深さまで除去し、一部を残すようにする。この処理により、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ膜１９０３の一部が露出する。これにより、図１５から図１８に示した、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ半導体層１５０２、ｉ−ＩｎＧａＡｓ吸収層１５０３、ｐ−ＩｎＰクラッド層１５０４及びコンタクト層１５０５が形成される。その結果、図１８（Ｂ）に示したようなメサ構造が形成される。
【０１１７】
また、図２２に示したように、ｉ−ＩｎＰ膜２１０１のうち、マスク２２０１によって露出された部分も同時に除去される。この処理により、光検出部１５０１のメサ構造に隣接して、ｉ−ＩｎＰ膜２１０１によるメサ構造も同時に形成される。その結果、図１８（Ａ）に示したようなメサ構造が形成される。エッチングの後、マスク２２０１を除去する。
【０１１８】
次に、ｉ−ＩｎＰ膜２１０１の残りの部分、エッチングにより形成されたメサ構造、及びエッチングにより露出したｎ−ＩｎＧａＡｓＰ半導体層１５０２の上に、図２３に示したような、導波路部１５１１及びＭＭＩ部１５３１においてメサ構造となる領域を覆うマスク２３０１を形成する。マスク２３０１は、エッチングにより形成されたメサ構造及びエッチングにより露出したｎ−ＩｎＧａＡｓＰ半導体層１５０２については、その大部分を覆うように形成される。マスク２３０１としては、例えばシリコン酸化膜が用いられる。
【０１１９】
マスク２３０１を用いた周知のエッチングにより、図２３に示したように、導波路部１５１１及びＭＭＩ部１５３１においてメサ構造を形成する。導波路部１５１１及びＭＭＩ部１５３１では、マスク２３０１を用いて、ｉ−ＩｎＰ膜２１０１及びｉ−ＩｎＧａＡｓＰ膜１９０２を除去するとともに、ｉ−ＩｎＧａＡｓＰ膜１９０２の下に位置するＳＩ−ＩｎＰ基板１９０１の一部も除去する。この処理により、ＳＩ−ＩｎＰ基板１９０１の一部が露出する。これにより、図１５から図１８に示した、ｉ−ＩｎＧａＡｓＰコア層１５１２及びｉ−ＩｎＰクラッド層１５１３が形成される。その結果、図１７（Ａ）、（Ｂ）に示したようなメサ構造が形成される。エッチングの後、マスク２３０１を除去する。
【０１２０】
このとき、図２３に示したように、ｉ−ＩｎＰ膜２１０１を含むメサ構造のうち、マスク２３０１によって覆われた部分は、エッチングされずに残存する。この残存したｉ−ＩｎＰ膜２１０１を含むメサ構造に対応する領域が、スラブ領域１５２１となる。
【０１２１】
次に、光検出部１５０１、スラブ領域１５２１、ＭＭＩ部１５３１及び導波路１５１１において、金属電極が形成される領域を除いて、シリコン窒化膜等の誘電体からなるパッシベーション膜１５１７を形成する。その後、図２４に示したように、光検出部１５０１において、メサ構造上部のｐ型コンタクト層１５０５の露出した領域に、金属蒸着、メッキなどの周知の形成方法によって、ｐ側金属電極１５１５を形成する。また、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ半導体層１５０２の露出した領域に、金属蒸着、メッキなどの周知の形成方法によって、ｎ側金属電極１５１６を形成する。尚、図２４（Ａ）の平面図では、構造の理解を容易にするために、パッシベーション膜１５１７の図示は省略している。
【０１２２】
ここで、図２４では、ｐ側金属電極１５１５としてエアブリッジ構造の金属電極が用いられている。図２４（Ｂ）の断面図から明らかなように、この構造により、ｐ側金属電極１５１５と、ｎ側金属電極１５１６が接続されるｎ−ＩｎＧａＡｓＰ半導体層１５０２とが空気によって電気的に絶縁される。
【０１２３】
これにより、ｐ側金属電極１５１５とｎ側金属電極１５１６の間に生じる寄生容量を低減することができる。よって、光検出部１５０１に生じる静電容量を小さくすることができるので、受光素子１５００と後段の電気回路の間の伝送路において、ＣＲ時定数から求められる遮断周波数が高くなる。これにより、受光素子１５００は、高周波数帯域においても後段の電気回路に十分な信号レベルを有する検出信号を供給することができ、後段の電気回路は高周波数帯域においても入力信号の処理をすることができる。
【０１２４】
但し、ｐ側金属電極については、エアブリッジ構造に限定されない。ｐ側金属電極の形成位置に予め絶縁体を形成しておき、その上にｐ側金属電極を形成するようにしてもよい。また、図２４では、ＰＤについて導波路部１５１１及びＭＭＩ部１５３１と反対側の部分にｎ−ＩｎＧａＡｓＰ半導体層１５０２が一部残っており、その上にパシベーション膜１５１７を介してｐ側電極１５１５を形成しているが、この反対側の部分のｎ−ＩｎＧａＡｓＰ半導体層１５０２を除去することも可能である。これによって、ｐ側電極の容量を低減し、高周波帯域の特性をより高めることも可能である。
【０１２５】
［２．第２実施例］
［２−１．受光素子２５００の構造］
図２５は、本発明の第２実施例に係る受光素子２５００の構造の一例を示す斜視図であり、受光素子２５００の要部のみを示した図である。図２６は、図２５のＤ１−Ｄ２の破線で示した断面における受光素子２５００の断面図である。図２７（Ａ）は、図２５のＤ３−Ｄ４の破線で示した断面における受光素子２５００の断面図である。図２７（Ｂ）は、図２５のＤ５−Ｄ６の破線で示した断面における受光素子２５００の断面図である。図２８は、図２５のＤ７−Ｄ８の破線で示した断面における受光素子２５００の断面図である。
【０１２６】
図２５に示した受光素子２５００は、図７に示した受光素子７００と、光検出部とＭＭＩ部の間にスラブ領域が存在しない点で異なっているが、その他の部分については同様である。
【０１２７】
上述のように、受光素子７００のスラブ領域７２１は、例えば、光検出部７０１の製造工程において、フォトレジスト露光時のマスクの位置合わせ誤差の問題を解消するために、光検出部７０１のメサ構造を形成するためのハードマスクを形成する際に、マージン領域を設けたことに起因して生じるものである。しかしながら、受光素子２５００の製造工程において、フォトレジスト露光時のマスク位置合わせ精度が十分に確保されている場合には、上述のハードマスクに対してマージン領域を設ける必要がない。よって、この場合には、スラブ領域は形成されなくなる。図２５に示した受光素子２５００は、スラブ領域が形成されない場合の構造を示すものである。
【０１２８】
図２５及び図２６に示したように、受光素子２５００は、基板２５１４の上に設けられた光検出部２５０１と、同一の基板２５１４の上に設けられた導波路部２５１１と、同一の基板２５１４の上に設けられたＭＭＩ部２５３１を含む。
【０１２９】
図２７（Ａ）に示したように、導波路部２５１１は、導波路コア層２５１２及び上部クラッド層２５１３が基板２５１４側から積層された構造を有する。この積層構造の各々の層の材料は、例えば半導体である。導波路部２５１１は、上部クラッド層２５１３及び導波路コア層２５１２を含むメサ構造を有する。信号光は導波路コア層２５１２を伝播し、ＭＭＩ部２５３１に入射する。
【０１３０】
図２８に示したように、光検出部２５０１は、導波路コア層２５１２、ｎ型半導体層２５０２、ｉ型吸収層２５０３、ｐ型上部クラッド層２５０４及びｐ型コンタクト層２５０５が基板２５１４側から積層された構造を有する。この積層構造の各々の層の材料は、例えば半導体である。光検出部２５０１は、ｐ型コンタクト層２５０５、上部クラッド層２５０４、吸収層２５０３及びｎ型半導体層２５０２の一部を含むメサ構造を有する。光検出部２５０１のメサ構造の幅は、導波路部２５１１のメサ構造の幅よりも広い。光検出部２５０１では、メサ構造の外側に、導波路コア層２５１２及びｎ型半導体層２５０２を含む積層構造が残されている。ｎ型半導体層２５０２、吸収層２５０３、及び上部クラッド層２５０４はＰＩＮ型のフォトダイオードを構成する。
【０１３１】
ここで、ｎ型半導体層２５０２は、その屈折率が導波路コア層２５１２の屈折率よりも高く、吸収層２５０３の屈折率よりも低くなるように形成される。すなわち、ｎ型半導体層２５０２は、そのバンドギャップ波長が導波路コア層２５１２のバンドギャップ波長より長く、吸収層２５０３よりのバンドギャップ波長より短くなるように形成される。ｎ型半導体層２５０２は信号光に対する吸収率が十分小さくなるような組成を有するように形成される。
【０１３２】
図２７（Ｂ）に示したように、ＭＭＩ部２５３１は、導波路コア層２５１２及び上部クラッド層２５１３が基板２５１４側から積層された構造を有する。この積層構造の各々の層の材料は、例えば半導体である。ＭＭＩ部２５３１は、上部クラッド層２５１３及び導波路コア層２５１２を含むメサ構造を有する。ＭＭＩ部２５３１に入射した信号光は導波路コア層２５１２を伝播し、光検出部２５０１にスラブ領域を介することなく直接入射する。導波路コア層２５１２は光検出部２５０１、導波路部２５１１、及びＭＭＩ部２５３１により共有されている。
【０１３３】
ＭＭＩ部２５３１は、１つの入力と１つの出力を有する１×１ＭＭＩ導波路２５３２を含む。ＭＭＩ部２５３１の導波路コア層２５１２の少なくとも一部は、その幅が導波路部２５１１の導波路コア層２５１２の幅よりも広くなっている。幅が広くなっている部分の導波路コア層２５１２が、ＭＭＩ導波路２５３２として機能する。ＭＭＩ導波路２５３２の幅は、導波路部２５１１及び光検出部２５０１の双方のメサ構造の幅よりも広くなっている。
【０１３４】
ＭＭＩ導波路２５３２の長さＬｍｍｉは、自己結像が起こる点（自己結像点）が、光検出部２５０１内、とりわけ導波路コア層２５１２内の吸収層２５０３の下側の領域に位置するような長さに設定される。さらに詳しくは、ＭＭＩ導波路２５３２の長さＬｍｍｉは、自己結像が起こる長さＬｓｉの１００％よりも小さく、かつ７０％よりも大きくなるように設定される。尚、ＭＭＩ導波路２５３２の長さＬｍｍｉの設定については、第１実施例に係る受光素子７００について説明したとおりである。
【０１３５】
図２６に示したように、受光素子２５００では、信号光は導波路部２５１１において導波路コア層２５１２を伝播し、ＭＭＩ部２５３１においてＭＭＩ導波路２５３２に入射する。ＭＭＩ導波路７３２と同様に、ＭＭＩ導波路２５３２は、その出力部において、信号光をその進行方向に直交する方向に集光する。これにより、集光された信号光が、光検出部２５０１の導波路コア層２５１２に入射する。入射した信号光は、導波路コア層２５１２からｎ型半導体層２５０２を介して吸収層２５０３に染み出し、吸収層２５０３において吸収される。
【０１３６】
ｐ型コンタクト層２５０５及びｎ型半導体層２５０２には、不図示のｐ側電極及びｎ側電極がそれぞれ接続されている。ｐ側電極とｎ側電極の間に、ｐ側電極を負電位、ｎ側電極を正電位とする一定の電圧を印加することにより、吸収層２５０３における光吸収により発生したフォトキャリア（正孔及び電子）が上部クラッド層２５０４及びｎ型半導体層２５０２を介して検出される。それによって、光検出部２５０１は信号光を電気信号（フォトキャリア電流）として検出し、後段の電気回路に信号光の強度に対応する検出信号（フォトキャリア電流）を出力する。
【０１３７】
尚、第２実施例に係る受光素子２５００の構造の具体例としては、第１実施例に係る受光素子７００の構造の具体例として説明した構成を用いることができる。但し、上述のように、スラブ領域は形成されない。
【０１３８】
また、受光素子２５００の製造方法についても、受光素子７００の製造方法として説明した方法を用いることができる。但し、光検出部２５０１のメサ構造を形成するためのハードマスクにおいては、マージン領域は設けないものとする。
【０１３９】
［２−２．受光素子２５００における信号光の光強度分布］
図２９は、図２５及び図２６に示した受光素子２５００における信号光の光強度分布を示す図である。実線は基板２５１４の上方から見たときの導波路コア層２５１２の形状を示す。一点鎖線は基板２５１４の上方から見たときの吸収層２５０３の形状を示す。破線は信号光の光強度分布の一例を示すものである。矢印は信号光の放射方向を示すものである。
【０１４０】
図２９において、ＭＭＩ部２５３１のＭＭＩ導波路２５３２においては、自己結像が起こる点（自己結像点）が、光検出部２５０１の導波路コア層２５１２内の、吸収層２５０３の下側の領域に位置している。ＭＭＩ導波路２５３２の長さＬｍｍｉは、例えば、自己結像が起こる長さＬｓｉの８５％の長さとされる。
【０１４１】
図２９に示したように、信号光は導波路コア層２５１２を伝播し、導波路部２５１１からＭＭＩ部２５３１に入射する。その後、図１１で説明したように、信号光はＭＭＩ導波路２５３２の出力部において、その進行方向に直交する方向に集光される。矢印で示したように、ＭＭＩ導波路２５３２の出力部においては、信号光の放射方向は、信号光をその進行方向に直交する方向に集光するような方向となる。これにより、信号光は集光方向の伝播状態を維持したまま、光検出部２５０１に入射する。
【０１４２】
ここで、受光素子７００の光検出部７０１の場合と同様に、光検出部２５０１では、導波路コア層２５１２の幅が吸収層２５０３の幅よりも、少なくともｎ側電極との接続領域の分だけ広くなってしまう。
【０１４３】
これに対し、導波路部２５１１の導波路コア層２５１２の幅は吸収層２５０３の幅よりも狭い。また、ＭＭＩ部２５３１の導波路コア層２５１２の幅は、導波路部２５１１の導波路コア層２５１２の幅よりは広いものの、光検出部２５０１の導波路コア層２５１２の幅に比べて十分に狭い。その結果、信号光は、幅が狭い導波路部２５１１及びＭＭＩ部２５３１から、突然、幅が十分に広い光検出部２５０１に入射することになる。
【０１４４】
一方、導波路部２５１１は幅が狭いメサ構造を有するため、信号光をその進行方向に直交する方向に閉じ込める、光閉じ込め作用は強い。また、ＭＭＩ部２５３１においても、ＭＭＩ導波路２５３２が同様にメサ構造を有することから、光閉じ込め作用は強い。これに対し、光検出部２５０１では、光検出部７０１と同様に、入射した信号光をその進行方向に直交する方向に閉じ込める作用は弱い。
【０１４５】
従って、受光素子２５００においては、図１及び図２に示した受光素子１００（スラブ領域が形成されない場合）と同様に、信号光は、幅が狭く光閉じ込め作用の強い導波路部２５１１及びＭＭＩ部２５３１から、突然、幅が十分に広く光閉じ込め作用が光検出部２５０１に入射することになる。この場合も、受光素子１００の場合と同様に、光検出部２５０１が、信号光の光強度分布がその進行方向に直交する方向に広がるのを抑制する能力は小さい。
【０１４６】
しかしながら、受光素子２５００では、上述のように、信号光が集光方向の伝播状態を有した状態で、光検出部２５０１に入射する。光検出部２５０１に入射した信号光は吸収層２５０３において吸収される。このとき、ＭＭＩ導波路２５３２の自己結像点が光検出部２５０１の導波路コア層２５１２内の、吸収層２５０３の下側の領域に位置しており、信号光は集光方向の伝播状態を有する。これにより、受光素子１００の場合と比べて、入射した信号光のより多くの部分を、導波路コア層２５１２の吸収層２５０３の下側の領域に集めることができる。それによって、信号光のうち、光吸収に寄与しない、吸収層２５０３の外側の領域に放射する部分を減らすことができる。
【０１４７】
これにより、受光素子２５００においては、受光素子１００（ＭＭＩ導波路がない場合）と比べて、光吸収効率を向上させることができる。
【０１４８】
さらに詳細には、図１３に示したシミュレーション結果から明らかなように、受光素子２５００においては、ＭＭＩ導波路２５３２の長さＬｍｍｉを、自己結像が起こる長さの７０％から１００％の長さに設定することにより、受光素子１００（ＭＭＩ導波路がない場合）と比べて、光吸収効率を向上させることができる。
【０１４９】
［３．第３実施例］
図３０は、本発明の第３実施例に係る受光素子３０００の構造の一例を示す斜視図であり、受光素子３０００の要部のみを示した図である。図３１は、図３０のＥ１−Ｅ２の破線で示した断面における受光素子３０００の断面図である。図３２（Ａ）は、図３０のＥ３−Ｅ４の破線で示した断面における受光素子３０００の断面図である。図３２（Ｂ）は、図３０のＥ５−Ｅ６の破線で示した断面における受光素子３０００の断面図である。図３３（Ａ）は、図３０のＥ７−Ｅ８の破線で示した断面における受光素子３０００の断面図である。図３３（Ｂ）は、図３０のＥ９−Ｅ１０の破線で示した断面における受光素子３０００の断面図である。
【０１５０】
図３０及び図３１に示した受光素子３０００は、埋め込み型受光素子と呼ばれるものである。受光素子３０００は、図７に示した受光素子７００と、導波路部、ＭＭＩ部、スラブ領域及び光検出部の各々のメサ構造の側面部に埋め込み層が形成されている点で異なっているが、その他の部分については同様である。
【０１５１】
図３２に示したように、導波路部３０１１及びＭＭＩ部３０３１のメサ構造の側面部には、埋め込み層３０４１が形成されている。また、図３３に示したように、スラブ領域３０２１及び光検出部３００１のメサ構造の側面部には、ｎ型半導体層３００２上のｎ側電極が形成される領域を除いて、埋め込み層３０４２が形成されている。埋め込み層３０４１、３０４２の材料は、上部クラッド層３００４及び３０１３の少なくとも一方と同一又は近似する半導体材料であるのが好ましい。埋め込み層３０４１、３０４２は、例えばＳＩ−ＩｎＰ層である。
【０１５２】
受光素子３０００において、その他の構造は、図７から図１０に示した受光素子７００の構造と同一であるので、説明は省略する。受光素子３００と受光素子７００の間において、付された参照番号の下二桁が同じのものは、同一のものであることを示している。
【０１５３】
従って、受光素子３０００では、受光素子７００と同様に、ＭＭＩ導波路３０３２を設けたことによって、信号光が集光方向の伝播状態を有した状態で、スラブ領域３０２１及び光検出部３００１に入射する。これにより、受光素子３０００では、図１から図４に示した受光素子１００及び３００と比べて、光吸収効率を向上させることができる。特に、受光素子３０００においては、光閉じ込め作用が弱いスラブ領域が導波路部と光検出部の間に形成された場合であっても、光吸収効率を向上させることが可能となる。
【０１５４】
また、信号光が入射される側のＭＭＩ導波路３０３２の端部（入力部）から、信号光が入射される側の光検出部３０３１の端部（入射端部）までの長さを、ＭＭＩ導波路７３２において自己結像が起こる長さＬｓｉの７０％より大きく、かつ１００％よりも小さくした場合に、受光素子１００及び３００と比べて、光吸収効率を向上させることができる。
【０１５５】
加えて、受光素子３０００では、図３３（Ａ）に示したように、埋め込み層３０４２の材料がスラブ領域３０２１の上部クラッド層３０１３と同一又は近似する半導体材料である場合は、スラブ領域３０２１の構造は光学的に、より完全なスラブ構造となる。
【０１５６】
すなわち、図１０（Ａ）に示したスラブ領域７２１では、メサ構造の側面部は空気で満たされているので、メサ構造の側面部の空気とメサ構造を構成する上部クラッド層７１３を構成する半導体材料との間の屈折率の差が生じる。スラブ領域７２１では、この屈折率の差に起因して、微弱ではあるが、一定の光閉じ込め作用が生じる。
【０１５７】
これに対し、スラブ領域３０２１では、メサ構造を構成する上部クラッド層３０１３を構成する半導体材料と埋め込み層３０４２を構成する半導体材料が同一又は近似する場合、両者の間に屈折率の差が生じない。このことから、スラブ領域３０２１では、光閉じ込め作用がほとんど生じない。このため、スラブ領域３０２１における光閉じ込め作用は、受光素子７００のスラブ領域７２１における光閉じ込め作用よりも、さらに弱くなる。
【０１５８】
よって、受光素子３０００では、上述の場合、スラブ領域３０２１が、信号光の光強度分布がその進行方向に直交する方向に広がるのを抑制する能力は、スラブ領域７２１よりもさらに小さいものとなる。このことから、受光素子３０００では、受光素子７００よりも、スラブ領域に起因する光吸収効率の劣化が起こりやすい。
【０１５９】
しかしながら、受光素子３０００では、受光素子７００と同様に、ＭＭＩ導波路部３０２１の作用により、信号光が集光方向の伝播状態を有した状態で、スラブ領域３０２１に入射する。これにより、スラブ領域３０２１においても、信号光を集光方向の伝播状態に維持することができ、信号光は集光方向の伝播状態を維持したまま、スラブ領域３０２１から光検出部３００１に入射する。これにより、入射した信号光の多くの部分を、導波路コア層３０１２の吸収層３００３の下側の領域に集めることができる。
【０１６０】
従って、受光素子３０００においては、光吸収効率の劣化がより起こりやすい埋め込み型受光素子の場合であっても、スラブ領域に起因する光吸収効率の劣化を抑制することができ、光吸収効率を向上させることができる。
【０１６１】
尚、第２実施例に係る受光素子３０００の構造の具体例としては、第１実施例に係る受光素子７００の構造の具体例として説明した構成を用いることができる。但し、導波路部３０１１、ＭＭＩ部３０３１、スラブ領域３０２１及び光検出部３００１のメサ構造の側面部にはそれぞれ、ＳＩ−ＩｎＰ埋め込み層が形成される。
【０１６２】
また、受光素子２５００の製造方法についても、受光素子７００の製造方法として説明した方法を用いることができる。但し、光検出部２５０１、スラブ領域２５２１、ＭＭＩ部２５３１及び導波路２５１１にパッシベーション膜を形成する前に、ＳＩ−ＩｎＰ埋め込み層をする工程が追加される。
【０１６３】
［４．第４実施例］
［４−１．受光素子３４００の構造］
図３４は、本発明の第４実施例に係る受光素子３４００の構造の一例を示す斜視図であり、受光素子３４００の要部のみを示した図である。図３５は、図３４のＦ１−Ｆ２の破線で示した断面における受光素子３４００の断面図である。図３６（Ａ）は、図３４のＦ３−Ｆ４の破線で示した断面における受光素子３４００の断面図である。図３６（Ｂ）は、図３４のＦ５−Ｆ６の破線で示した断面における受光素子３４００の断面図である。図３７（Ａ）は、図３４のＦ７−Ｆ８の破線で示した断面における受光素子３４００の断面図であり、図３７（Ｂ）は、図３４のＦ９−Ｆ１０の破線で示した断面における受光素子３４００の断面図である。
【０１６４】
図３４に示した受光素子３４００は、図７に示した受光素子７００と、導波路部、ＭＭＩ部及びスラブ領域の構造が異なっているが、その他の部分については同様である。
【０１６５】
図３４及び図３５に示したように、受光素子３４００は、基板３４１４の上に設けられた光検出部３４０１と、同一の基板３４１４の上に設けられた導波路部３４１１と、同一の基板３４１４の上に設けられたスラブ領域３４２１と、同一の基板３４１４の上に設けられたＭＭＩ部３４３１を含む。
【０１６６】
図３６（Ａ）に示したように、導波路部３４１１は、基板３４１４の上に形成された、リブ型の導波路層３４１２を含む。導波路層３４１２の材料は、例えば半導体である。導波路部３４１１では、導波路層の上に上部クラッド層が形成されない。信号光は導波路層３４１２の凸部（コア層）３４１３を伝播し、ＭＭＩ部３４３１に入射する。
【０１６７】
図３７（Ｂ）に示したように、光検出部３４０１は、導波路層（コア層）３４１２、ｎ型半導体層３４０２、ｉ型吸収層３４０３、ｐ型上部クラッド層３４０４及びｐ型コンタクト層３４０５が基板３４１４側から積層された構造を有する。この積層構造の各々の層の材料は、例えば半導体である。光検出部３４０１は、ｐ型コンタクト層３４０５、上部クラッド層３４０４、吸収層３４０３及びｎ型半導体層３４０２の一部を含むメサ構造を有する。光検出部３４０１のメサ構造の幅は、導波路部３４１１のメサ構造の幅よりも広い。光検出部３４０１では、メサ構造の外側に、導波路層（コア層）３４１２及びｎ型半導体層３４０２を含む積層構造が残されている。ｎ型半導体層３４０２、吸収層３４０３、及び上部クラッド層３４０４はＰＩＮ型のフォトダイオードを構成する。
【０１６８】
ここで、ｎ型半導体層３４０２は、その屈折率が導波路層３４１２の屈折率よりも高く、吸収層３４０３の屈折率よりも低くなるように形成される。すなわち、ｎ型半導体層３４０２は、そのバンドギャップ波長が導波路層３４１２のバンドギャップ波長より長く、吸収層３４０３よりのバンドギャップ波長より短くなるように形成される。ｎ型半導体層３４０２は信号光に対する吸収率が十分小さくなるような組成を有するように形成される。
【０１６９】
図３７（Ａ）に示したように、スラブ領域３４２１は、基板３４１４の上に形成された、スラブ状（平板状）の導波路層（コア層）３４１２を含む。スラブ領域３４２１では、導波路層（コア層）３４１２の上に上部クラッド層は形成されない。スラブ領域３４２１は、光検出部３４０１とは異なり、導波路層（コア層）３４１２がスラブ状（平板状）に存在するが、吸収層及びｎ型半導体層を含むメサ構造が存在しない領域である。スラブ領域３４２１に入射した信号光は導波路層３４１２を伝播し、光検出部３４０１に入射する。
【０１７０】
スラブ領域３４２１は、例えば、光検出部３４０１の製造工程において、フォトレジスト露光時のマスクの位置合わせ誤差の問題を解消するために、光検出部３４０１のメサ構造を形成するためのハードマスクを形成する際に、マージン領域を設けたことに起因して生じるものである。詳細については、後述する。
【０１７１】
図３６（Ｂ）に示したように、ＭＭＩ部３４３１は、基板３４１４の上に形成された、リブ型の導波路層３４１２を含む。導波路層３４１２の材料は、例えば半導体である。ＭＭＩ部３４３１では、導波路コア層３４１２の上に上部クラッド層が形成されない。ＭＭＩ部３４３１に入射した信号光は導波路層３４１２の凸部（コア層）３４１３を伝播し、光検出部３４０１に入射する。導波路層３４１２は光検出部３４０１、導波路部３４１１、スラブ領域３４２１及びＭＭＩ部３４３１により共有されている。
【０１７２】
ＭＭＩ部３４３１は、１つの入力と１つの出力を有する１×１ＭＭＩ導波路３４３２を含む。ＭＭＩ部３４３１の導波路層３４１２の凸部（コア層）３４１３の少なくとも一部は、その幅が導波路部３４１１の導波路層３４１２の凸部（コア層）３４１３の幅よりも広くなっている。幅が広くなっている部分の導波路層３４１２の凸部（コア層）３４１３が、ＭＭＩ導波路３４３２として機能する。ＭＭＩ導波路３４３２の幅は、導波路部３４１１の導波路層３４１２の凸部（コア層）３４１３及び光検出部３４０１のメサ構造の双方の幅よりも広くなっている。
【０１７３】
ＭＭＩ導波路３４３２の長さＬｍｍｉは、ＭＭＩ導波路３４３２の自己結像が起こる点（自己結像点）が、光検出部３４０１内、とりわけ光検出部３４０１の導波路層３４１２内の、吸収層３４０３の下側の領域に位置するような長さに設定される。さらに詳細には、ＭＭＩ導波路３４３２の長さＬｍｍｉは、信号光が入射される側のＭＭＩ導波路３４３２の端部（入力部）から、信号光が入射される側の光検出部３４３１の端部（入射端部）までの長さが、ＭＭＩ導波路３４３２において自己結像が起こる長さＬｓｉの７０％から１００％となるように設定される。尚、ＭＭＩ導波路３４３２の長さＬｍｍｉの設定については、第１実施例に係る受光素子７００について説明したとおりである。
【０１７４】
図３５に示したように、受光素子３４００では、信号光は導波路部３４１１において導波路層３４１２の凸部（コア層）３４１３を伝播し、ＭＭＩ部３４３１においてＭＭＩ導波路３４３２に入射する。ＭＭＩ導波路７３２と同様に、ＭＭＩ導波路３４３２は、その出力部において、信号光をその進行方向に直交する方向に集光する。これにより、集光された信号光が、光検出部３４０１の導波路層（コア層）３４１２に入射する。入射した信号光は、導波路層３４１２からｎ型半導体層３４０２を介して吸収層３４０３に染み出し、吸収層３４０３において吸収される。
【０１７５】
ｐ型コンタクト層３４０５及びｎ型半導体層３４０２には、不図示のｐ側電極及びｎ側電極がそれぞれ接続されている。ｐ側電極とｎ側電極の間に、ｐ側電極を負電位、ｎ側電極を正電位とする一定の電圧を印加することにより、吸収層３４０３における光吸収により発生したフォトキャリア（正孔及び電子）が上部クラッド層３４０４及びｎ型半導体層３４０２を介して検出される。それによって、光検出部３４０１は信号光を電気信号（フォトキャリア電流）として検出し、後段の電気回路に信号光の強度に対応する検出信号（フォトキャリア電流）を出力する。
【０１７６】
以上説明した受光素子３４００では、受光素子７００と同様に、ＭＭＩ導波路３４３２を設けたことによって、信号光が集光方向の伝播状態を有した状態で、スラブ領域３４２１及び光検出部３４０１に入射する。これにより、受光素子３０００では、光吸収効率を向上させることができる。特に、受光素子３４００においては、光閉じ込め作用が弱いスラブ領域が導波路部と光検出部の間に形成された場合であっても、光吸収効率を向上させることが可能となる。
【０１７７】
また、信号光が入射される側のＭＭＩ導波路３４３２の端部（入力部）から、信号光が入射される側の光検出部３４３１の端部（入射端部）までの長さを、ＭＭＩ導波路３４３２において自己結像が起こる長さＬｓｉの７０％より大きく、かつ１００％よりも小さくした場合に、受光素子１００及び３００と比べて、光吸収効率を向上させることができる。
【０１７８】
加えて、受光素子３４００では、図３７（Ａ）に示したように、スラブ領域３４２１において導波路層３４１２の上部は何も形成されておらず、空気で満たされている。このため、スラブ領域３４２１の構造は光学的に完全なスラブ構造となる。
【０１７９】
すなわち、スラブ領域３４２１では、光閉じ込め作用は全く生じない。このため、スラブ領域３４２１における光閉じ込め作用は、受光素子７００のスラブ領域７２１における光閉じ込め作用よりも、さらに弱くなる。よって、受光素子３４００では、スラブ領域３４２１が、信号光の光強度分布がその進行方向に直交する方向に広がるのを抑制する能力は、スラブ領域７２１よりもさらに小さいものとなる。このことから、受光素子３４００では、受光素子７００よりも、スラブ領域に起因する光吸収効率の劣化が起こりやすい。
【０１８０】
しかしながら、受光素子３４００では、受光素子７００と同様に、ＭＭＩ導波路部３４２１の作用により、信号光が集光方向の伝播状態を有した状態で、スラブ領域３４２１に入射する。これにより、スラブ領域３４２１においても、信号光を集光方向の伝播状態に維持することができ、信号光は集光方向の伝播状態を維持したまま、スラブ領域３４２１から光検出部３４０１に入射する。これにより、入射した信号光の多くの部分を、導波路層３４１２の吸収層３４０３の下側の領域に集めることができる。
【０１８１】
従って、受光素子３４００においては、光吸収効率の劣化が起こりやすい、リブ型導波路を有する受光素子の場合であっても、スラブ領域に起因する光吸収効率の劣化を抑制することができ、光吸収効率を向上させることができる。
【０１８２】
尚、第４実施例に係る受光素子３４００の構造の具体例としては、第１実施例に係る受光素子７００の構造の具体例として説明した構成と同様の構成を用いることができる。但し、上述のように、導波路部３４１１の導波路層３４１２の上には、上部クラッド層は形成されない。また、導波路部３４１１において、例えば、導波路層３４１２の凸部（コア層）３４１３の幅は２．５μｍとする。ＭＭＩ部１５３１において、例えば、導波路層の凸部（コア層）３４１３の幅は５μｍとし、その長さは５０μｍとする。
【０１８３】
［４−２．受光素子３４００の製造方法］
図３８ないし図４２は、図３４から図３７に示した受光素子３４００の製造工程の一例を示す図である。各図において、上側の図は、基板の上方から見たときの平面図であり、受光素子３４００の要部を示した図である。下側の図は、各平面図の破線で示した断面で見たときの断面図である。以下、図３８から図４２を用いて受光素子３４００の製造方法の一例を説明する。
【０１８４】
図３８に示したように、ＳＩ−ＩｎＰ基板３８０１の上に、例えば有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により、ｉ−ＩｎＧａＡｓＰ膜３８０２、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ膜３８０３、ｉ−ＩｎＧａＡｓ膜３８０４、ｐ−ＩｎＰ膜３８０５、及びｐ−ＩｎＧａＡｓとｐ−ＩｎＧａＡｓＰの２層からなる積層膜３８０６を、堆積させる。ここで、ｉ−ＩｎＧａＡｓＰ膜３８０２の厚さが０．５μｍ、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ膜３８０３の厚さが０．５μｍ、ｉ−ＩｎＧａＡｓ膜３８０４の厚さが０．５μｍとなるように堆積を行う。また。ｐ−ＩｎＰ膜３８０５とｐ−ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ積層膜３８０６の厚さの合計が１．０μｍとなるように堆積を行う。
【０１８５】
次に、ｐ−ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ積層膜３８０６の上に、図３４から図３７に示した光検出部３４０１となる領域を覆うマスク３９０１を形成し、導波路部３４１１及びＭＭＩ部３４３１となる領域を選択的に露出させる。マスク３９０１としては、例えばシリコン酸化膜が用いられる。マスク３９０１を用いた周知のエッチングにより、図３９に示したように、光検出部３４０１にのみｎ−ＩｎＧａＡｓＰ膜３８０３、ｉ−ＩｎＧａＡｓ膜３８０４、ｐ−ＩｎＰ膜３８０５、及びｐ−ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ積層膜３８０６を残し、導波路部３４０１及びＭＭＩ部３４３１からはこれらの膜を除去する。この処理により、導波路部３４１１及びＭＭＩ部３４３１では、ｉ−ＩｎＧａＡｓＰ膜３８０２が露出する。エッチングの後、マスク３９０１を除去する。
【０１８６】
次に、ｐ−ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ積層膜３８０６及び露出したｉ−ＩｎＧａＡｓＰ膜３８０２の上に、図４０に示したような、光検出部３４０１においてメサ構造となる領域を覆うマスク４００１を形成する。マスク４００１は、導波路部３４１１及びＭＭＩ部３４３１については、凸部となる領域以外の領域も含めて、その大部分を覆うように形成される。マスク４００１としては、例えばシリコン酸化膜が用いられる。
【０１８７】
このとき、図４０に示したように、マスク４００１は、フォトレジスト露光時のマスクの位置合わせ誤差の問題を考慮して、マスクによって覆われない領域が、ｐ−ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ積層膜３８０６だけでなく、露出したｉ−ＩｎＧａＡｓＰ膜３８０２の一部にまで及ぶように形成される。すなわち、マスク４００１では、エッチングの対象となる領域を、光検出部３４０１においてメサ構造を形成するために除去される領域よりも広くとることにより、マスク位置合わせ誤差を吸収するためのマージン領域を設けている。フォトレジスト露光時のマスクの位置合わせ誤差の影響によりマスク４００１の形成位置がずれた結果、光検出部３４０１の端部において、ｐ−ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ積層膜３８０６、ｐ−ＩｎＰ膜３８０５、ｉ−ＩｎＧａＡｓ膜３８０４及びｎ−ＩｎＧａＡｓＰ膜３８０３を含む積層膜が除去されないまま残存し、その結果として吸収層が幅方向に広く残るのを防止するためである。
【０１８８】
マスク４００１を用いた周知のエッチングにより、図４０に示したように、光検出部３４０１においてメサ構造を形成する。光検出部３４０１では、マスク４００１を用いて、ｐ−ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ積層膜３８０６、ｐ−ＩｎＰ膜３８０５及びｉ−ＩｎＧａＡｓ膜３８０４を除去するとともに、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ膜３８０３については途中の深さまで除去し、一部を残すようにする。この処理により、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ膜３８０３の一部が露出する。これにより、図３４から図３７に示した、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ半導体層３４０２、ｉ−ＩｎＧａＡｓ吸収層３４０３、ｐ−ＩｎＰクラッド層３４０４及びコンタクト層３４０５が形成される。その結果、図３７（Ｂ）に示したようなメサ構造が形成される。エッチングの後、マスク４００１を除去する。
【０１８９】
次に、露出したｉ−ＩｎＧａＡｓＰ膜３８０２、エッチングにより形成されたメサ構造、及びエッチングにより露出したｎ−ＩｎＧａＡｓＰ半導体層３４０２の上に、図４１に示したような、導波路部３４１１及びＭＭＩ部３４３１においてメサ構造となる領域を覆うマスク４１０１を形成する。マスク４１０１は、エッチングにより形成されたメサ構造及びエッチングにより露出したｎ−ＩｎＧａＡｓＰ半導体層３４０２については、その全体を覆うように形成される。マスク４１０１としては、例えばシリコン酸化膜が用いられる。
【０１９０】
マスク４１０１を用いた周知のエッチングにより、図４１に示したように、導波路部３４１１及びＭＭＩ部３４３１において導波路層の凸部（コア層）を形成する。導波路部３４１１及びＭＭＩ部３４３１では、マスク４１０１を用いて、ｉ−ＩｎＧａＡｓＰ膜３８０２の一部を除去する。これにより、図３４から図３７に示した、ｉ−ＩｎＧａＡｓＰ層３４１２及びその凸部（コア層）３４１３が形成される。その結果、図３６（Ａ）、（Ｂ）に示したような凸型の構造が形成される。エッチングの後、マスク４１０１を除去する。
【０１９１】
このとき、図４１に示したように、露出したｉ−ＩｎＧａＡｓＰ膜３８０２のうち、マスク４１０１によって覆われた部分は、エッチングされずに残存する。この残存したｉ−ＩｎＧａＡｓＰ膜３８０２からなるｉ−ＩｎＧａＡｓＰコア層３４１２に対応する領域が、スラブ領域３４２１となる。
【０１９２】
次に、光検出部３４０１、スラブ領域３４２１、ＭＭＩ部３４３１及び導波路３４１１において、金属電極が形成される領域を除いて、シリコン窒化膜等の誘電体からなるパッシベーション膜４２０１を形成する。その後、図４２に示したように、光検出部３４０１において、メサ構造上部のｐ型コンタクト層３４０５の露出した領域に、金属蒸着、メッキなどの周知の形成方法によって、ｐ側金属電極４２０２を形成する。また、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ半導体層３４０２の露出した領域に、金属蒸着、メッキなどの周知の形成方法によって、ｎ側金属電極４２０３を形成する。尚、図４２（Ａ）の平面図では、構造の理解を容易にするために、パッシベーション膜１５１７の図示は省略している。
【０１９３】
ここで、図４２では、ｐ側金属電極４２０２としてエアブリッジ構造の金属電極が用いられている。図４２（Ｂ）の断面図から明らかように、この構造により、ｐ側金属電極４２０２と、ｎ側金属電極４２０３６が接続されるｎ−ＩｎＧａＡｓＰ半導体層３４０２とが空気によって電気的に絶縁される。
【０１９４】
これにより、ｐ側金属電極４２０２とｎ側金属電極４２０３の間に生じる寄生容量を低減することができる。よって、光検出部３４０１に生じる静電容量を小さくすることができるので、受光素子３４００と後段の電気回路の間の伝送路において、ＣＲ時定数から求められる遮断周波数が高くなる。これにより、受光素子３４００は、高周波数帯域においても後段の電気回路に十分な信号レベルを有する検出信号を供給することができ、後段の電気回路は高周波数帯域においても入力信号の処理をすることができる。
【０１９５】
但し、ｐ側金属電極については、エアブリッジ構造に限定されない。ｐ側金属電極の形成位置に予め絶縁体を形成しておき、その上にｐ側金属電極を形成するようにしてもよい。また、図４２では、ＰＤについて導波路部３４１１及びＭＭＩ部３４３１と反対側の部分にｎ−ＩｎＧａＡｓＰ半導体層３４０２が一部残っており、その上にパシベーション膜３４１７を介してｐ側電極４２０２を形成しているが、この反対側の部分のｎ−ＩｎＧａＡｓＰ半導体層３４０２を除去することも可能である。これによって、ｐ側電極の容量を低減し、高周波帯域の特性をより高めることも可能である。
【０１９６】
上述の受光素子３４００の製造方法では、導波路部３４１１及びＭＭＩ部３４３１において導波路層３４１２の上に上部クラッド層を堆積させる必要がない。そのため、製造工程を少なくすることができるとともに、受光素子の製造が容易になるという効果を奏する。
【０１９７】
［５．第５実施例］
図４３は、本発明の第５実施例に係る光受信器４３００の構成の一例を示す図である。
【０１９８】
図４３に示した光受信器４３００は、ＱＰＳＫ（Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ  Ｐｈａｓｅ  Ｓｈｉｆｔ  Ｋｅｙｉｎｇ）変調の信号を復調するための光コヒーレントレシーバの一例を示すものである。光受信器４３００は、位相変調の信号光を強度変調の信号光に変換する光ハイブリッド導波路と、フォトダイオード（ＰＤ）を同一の基板上に集積した導波路集積型の光受信器として、小型化や組立コストの削減の観点から有望である。
【０１９９】
図４３に示したように、光受信器４３００は、光検出部４３０１、接続導波路部４３０２、光ハイブリッド導波路部４３０３及び入力導波路部４３０４を含む。光検出部４３０１は、４つのフォトダイオード（ＰＤ）素子４３０５〜４３０８を含む。接続導波路部４３０５は４つの接続導波路４３０９〜４３１２を含む。光ハイブリッド導波路部４３０３は、２つの入力と４つの出力を有する９０度光ハイブリッドＭＭＩ導波路４３１３を含む。入力導波路部４３０３は２つの入力導波路４３１４、４３１５を含む。
【０２００】
入力導波路部４３０３の２つの入力導波路４３１４、４３１５は、９０度光ハイブリッド導波路４３１３の２つの入力に接続される。接続導波路部４３０５の４つの接続導波路４３０９〜４３１２は、９０度光ハイブリッド導波路４３１３の４つの出力に接続される。また、４つの接続導波路４３０９〜４３１２は、光検出部４３０１の対応するＰＤ素子４３０５〜４３０８にそれぞれ接続される。
【０２０１】
光受信器４３００において、ＰＤ素子４３０５及び接続導波路４３０９の部分には、図７、図２５、図３０及び図３４に示した第１ないし第４実施例の受光素子７００、２５００、３０００及び３４００のいずれかの光検出部、ＭＭＩ部、スラブ領域及び導波路部を用いることができる。残りのＰＤ素子４３０６及び接続導波路４３１２、ＰＤ素子４３０７及び接続導波路４３１０、及びＰＤ素子４３０８及び接続導波路４３１１の部分についても同様である。また、光ハイブリッド導波路部４３０３及び入力導波路部４３０４は、接続導波路部４３０２と同様の層構造を有するものとして、光検出部４３０１及び接続導波路部４３０２と同一の基板上に形成される。
【０２０２】
ここで、光受信器４３００の動作について説明する。入力導波路４３１４にはＱＰＳＫ変調の信号光が入射され、入力導波路４３１５には参照光として、ローカルオシレータ（Ｌｏｃａｌ  Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ、以下ＬＯと称する。）光が入射される。９０度光ハイブリッド導波路４３１３は、入力導波路４３１４及び４３１５を介して信号光及びＬＯ光を受けとる。９０度光ハイブリッド導波路４３１３は、ＬＯ光と信号光とを干渉させることによりＱＰＳＫ変調の信号光を復調し、互いに位相が１８０°ずれた相補のＩチャネル信号光を生成するとともに、互いに位相が１８０°ずれた相補のＱチャネル信号光を生成する。９０度光ハイブリッド導波路４３１３は、接続導波路４３０９及び４３１０に相補のＩチャネル信号光を出力するとともに、接続導波路４３１１及び４３１２に相補のＱチャネル信号光を出力する。
【０２０３】
ＰＤ素子４３０５及び４３０６はそれぞれ、接続導波路４３０９及び４３１０を介して９０度光ハイブリッド導波路４３１３から相補のＩチャネル信号光を受けとる。ＰＤ素子４３０５及び４３０６はそれぞれ、受けとったＩチャネル信号光を電気信号として検出して、Ｉチャネル信号（電気信号）を生成する。ＰＤ素子４３０７及び４３０８はそれぞれ、接続導波路４３１１及び４３１２を介して９０度光ハイブリッド導波路４３１３から相補のＱチャネル信号光を受けとる。ＰＤ素子４３０７及び４３０８はそれぞれ、受けとったＱチャネル信号光を電気信号として検出して、Ｑチャネル信号（電気信号）を生成する。
【０２０４】
尚、上述の光ハイブリッド導波路４３１３には、一例として、４つの入力と４つの出力を有する４×４ＭＭＩ導波路を用いることができる。この場合、入力導波路４３１４、４３１５が４×４ＭＭＩ導波路の２つの入力に接続される。接続導波路４３０９〜４３１２は４×４ＭＭＩ導波路の４つの出力に接続される。
【０２０５】
第５実施例に係る光受信器４３００においては、第１から第４実施例に係る受光素子７００、２５００、３０００及び３４００の場合と同様に、光吸収効率を向上させることができる。特に、光受信器４３００においては、光閉じ込め作用が弱いスラブ領域が導波路部と光検出部の間に形成された場合であっても、光吸収効率を向上させることが可能となる。
【０２０６】
また、光検出部４３０１に含まれる４つのＰＤ素子４３０５〜４３０８においては、それぞれ対応するスペーサ層が独立して形成される。これにより、各ＰＤ素子間において、ｐ側電極だけでなくｎ側電極も電気的に分離させて形成することができ、各ＰＤ間の電気的な分離を十分にとることができる。従って、各ＰＤ素子間において不要なクロストークが発生するのを防止することができるので、光受信器４３００では、エラーの少ない信号光の受信が可能となる。
【０２０７】
尚、上記の第５実施例では、導波路集積型の光受信器として光コヒーレントレシーバの例を示したが、これには限定されない。ＰＤと導波路が集積されている素子であればよく、そのような素子には第１〜第４実施例の受光素子を適用することができる。
【０２０８】
［６．第６実施例］
図４４は、本発明の第６実施例に係る光受信モジュール４４００の構成の一例を示す図である。
【０２０９】
図４４に示した光受信モジュール４４００は、ＤＰ−ＱＰＳＫ（Ｄｕａｌ  Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ−Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ  Ｐｈａｓｅ  Ｓｈｉｆｔ  Ｋｅｙｉｎｇ）変調の信号を復調するための光コヒーレントレシーバモジュールの一例を示すものである。
【０２１０】
図４４に示したように、光受信モジュール４４００は、光コヒーレントレシーバ４４０１、４４０２、トランスインピーダンス増幅器（Ｔｒａｎｓｉｍｐｅｄａｎｃｅ  ａｍｐｌｉｆｉｅ、以下ＴＩＡと称する。）４４０３〜４４０６、偏光分離素子（Ｐｏｌａｒｉｚｉｎｇ  Ｂｅａｍ  Ｓｐｌｉｔｔｅｒ、以下ＰＢＳを称する。）４４０７、４４０８、レンズ４４０９〜４４１４、及びミラー４４１５、４４１６を含む。また、光受信モジュール４４００には、光ファイバケーブル４４１７、４４１８が接続される。
【０２１１】
光受信モジュール４４００は、光ファイバケーブル４４１７を介してＤＰ−ＱＰＳＫ変調の信号光を受けとるとともに、光ファイバケーブル４４１８を介してＬＯ光を参照光として受けとる。ＤＰ−ＱＰＳＫ変調の信号光は互いに直交した異なる偏光方向を有する２つの信号光を含み、２つの信号光はそれぞれ異なる信号を伝送している。
【０２１２】
ＤＰ−ＱＰＳＫ変調の信号光はレンズ４４０９を介してＰＢＳ４４０７に入射し、ＰＢＳ４４０７によって異なる偏光方向を有する２つの信号光に分離される。分離された２つの信号光の一方はレンズ４４１１を介して光コヒーレントレシーバ４４０１に入射し、他方はミラー４４１５及びレンズ４４１３を介して光コヒーレントレシーバ４４０２に入射する。ＬＯ光も同様にして、光コヒーレントレシーバ４４０１及び４４０２の各々に供給される。
【０２１３】
光コヒーレントレシーバ４４０１及び４４０２にはそれぞれ、図４３に示した第５実施例の光受信器４３００を用いることができる。光コヒーレントレシーバ４４０１及び４４０２はそれぞれ、ＱＰＳＫ変調の信号光とＬＯ光を受けとり、ＬＯ光と信号光とを干渉させることにより、ＱＰＳＫ変調の信号光を復調する。
【０２１４】
光コヒーレントレシーバ４４０１は復調によって得られた相補のＩチャネル信号光を相補の電気信号（Ｉチャネル信号）として検出する。光コヒーレントレシーバ４４０１は復調によって得られた相補のＱチャネル信号光を相補の電気信号（Ｑチャネル信号）として検出する。光コヒーレントレシーバ４４０１は、検出によって得られた相補のＩチャネル信号（電気信号）をＴＩＡ４４０３に供給するとともに、検出によって得られた相補のＱチャネル信号（電気信号）をＴＩＡ４４０４に供給する。同様に、光コヒーントレシーバ４４０２は相補のＩチャネル信号をＴＩＡ４４０５に供給し、相補のＱチャネル信号をＴＩＡ４４０６に供給する。
【０２１５】
ＴＩＡ４４０３〜４４０６はそれぞれ、相補のＩチャネル信号又は相補のＱチャネル信号を受けとり、その信号レベルを差動増幅する。
【０２１６】
第６実施例に係る光受信モジュール４４００においては、第５実施例に係る光受信器４３００の場合と同様に、光コヒーレントレシーバにおいて、光吸収効率を向上させることができる。特に、光受信器４３００においては、光閉じ込め作用が弱いスラブ領域が導波路部と光検出部の間に形成された場合であっても、光吸収効率を向上させることが可能となる。
【０２１７】
また、光コヒーレントレシーバに含まれる複数のＰＤ素子においては、それぞれ対応するスペーサ層が独立して形成される。これにより、各ＰＤ素子間において、ｐ側電極だけでなくｎ側電極を電気的に分離させて形成することができ、各ＰＤ素子間の電気的な分離を十分にとることができる。従って、各ＰＤ素子間において不要なクロストークが発生するのを防止することができるので、光受信モジュール４４００では、エラーの少ない信号光の受信が可能となる。
【０２１８】
以上、本発明の例示的な実施形態の受光素子、光受信器及び光受信モジュールについて説明したが、本発明は、具体的に開示された実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。
【０２１９】
以上の第１ないし第６実施例を含む実施形態に関し、さらに以下の付記を開示する。
（付記１）
導波路コアを含む導波路と、
前記導波路の幅より広い幅を有し、前記導波路コアからの出射光が入射される多モード干渉導波路と、
少なくとも１つの層からなり、前記多モード干渉導波路からの出射光が入射される第１半導体層と、
前記第１半導体層の上に設けられ、前記第１半導体層に入射された出射光を吸収する吸収層を含む光検出部と、
を有し、
前記導波路からの出射光が入射される前記多モード干渉導波路の端部から、前記多モード干渉導波路からの出射光が入射される前記光検出部の端部までの長さが、前記多モード導波路において自己結像が起こる長さの７０％から１００％までの長さであることを特徴とする受光素子。
（付記２）
前記導波路からの前記出射光が入射される前記多モード干渉導波路の端部から、前記多モード干渉導波路から出射光が入射される前記光検出部の端部までの長さをL、前記導波路コアからの出射光の波長をλ、前記多モード干渉導波路の有効導波路幅をWeff、前記多モード干渉導波路の有効屈折率をnr、Ｎを自然数とすると、
（N−0.3）・nr・Weff２／λ ≦ L ≦ N・nr・Weff２／λ
の関係を満たすことを特徴とする付記２記載の受光素子。
（付記３）
前記光検出部の第１半導体層の底面の幅は前記多モード導波路の幅及び前記吸収層の幅よりも広いことを特徴とする付記１又は２記載の受光素子。
（付記４）
前記光検出部の吸収層の幅は、前記多モード干渉導波路の幅よりも狭いことを特徴とする付記１〜３のいずれか一つに記載の受光素子。
（付記５）
前記第１半導体層は、前記導波路および多モード干渉導波路と共通の導波路コア層と前記導波路コア層の上に堆積された、前記導波路コア層よりも屈折率が高い半導体層を含むことを特徴とする付記１ないし４のいずれか一つ記載の受光素子。
（付記６）
前記第１半導体層は、前記導波路コアより屈折率の高い単一の半導体層であることを特徴とする付記１ないし５のいずれか一つ記載の受光素子。
（付記７）
前記多モード干渉導波路と前記光検出部の間に設けられ、前記吸収層に覆われない導波路コアが幅方向に延在しているスラブ領域をさらに有し、
前記多モード干渉導波路からの出射光は前記スラブ領域を介して前記光検出部に入射されることを特徴とする付記１ないし６のいずれか一つ記載の受光素子。
（付記８）
前記導波路、前記多モード干渉導波路および前記スラブ領域の導波路コアの上にクラッド層をさらに有することを特徴とする付記７記載の受光素子。
（付記９）
前記多モード干渉導波路は、前記光検出部に隣接して配置されており、
前記多モード干渉導波路からの出射光は前記光検出部の第１半導体層に直接入射されることを特徴とする付記１ないし６のいずれか一つ記載の受光素子。
（付記１０）
前記多モード干渉導波路の長さが、前記多モード干渉導波路において自己結像が起こる長さの７０％から１００％までの長さであることを特徴とする付記９記載の受光素子。
（付記１１）
前記導波路及び前記多モード干渉導波路の側面を覆うように形成された第１半導体埋め込み層と、
前記吸収層の側面を覆うように形成された第２半導体埋め込み層と
をさらに有することを特徴とする付記１ないし１０のいずれか一つ記載の受光素子。
（付記１２）
前記吸収層の側面を覆い、前記スラブ領域を覆うように形成された半導体埋め込み層と
をさらに有し、
前記半導体埋め込み層の屈折率は、前記クラッド層の屈折率と同一であることを特徴とする付記８記載の受光素子。
（付記１３）
前記第１半導体層のうち、少なくとも一部の層は第１導電型の半導体層であり、
前記吸収層の上に前記第１導電型と反対の第２導電型を有する導電性クラッド層をさらに有することを特徴とする付記１ないし１２のいずれか一つ記載の受光素子。
（付記１４）
前記導波路及び前記多モード干渉導波路はそれぞれ、その側面が半導体によって覆われていないハイメサ構造を有することを特徴とする付記１ないし１０のいずれか一つ記載の受光素子。
（付記１５）
前記第１導電型の半導体層、前記吸収層及び前記導電性クラッド層はＰＩＮ型のフォトダイオードを構成することを特徴とする付記１ないし１４のいずれか一つ記載の受光素子。
（付記１６）
前記導波路、前記多モード干渉導波路及び前記光検出部は、同一基板上に設けられていることを特徴とする付記１ないし１５のいずれか一つ記載の受光素子。
（付記１７）
導波路コアを含む導波路と、
前記導波路の幅より広い幅を有し、前記導波路からの出射光が入射される多モード干渉導波路と、
少なくとも１つの層からなり、前記多モード干渉導波路からの出射光が入射される第１半導体層と、前記第１半導体層の上に設けられ、前記第１半導体層に入射された出射光を吸収する吸収層とを含む光検出部と
を有し、
前記多モード干渉導波路の長さは、前記多モード干渉導波路の自己結像が起こる点が前記光検出部の第１半導体層内の前記吸収層の下側の領域に位置するように設定された長さであることを特徴とする受光素子。
（付記１８）
導波路コアを含む導波路と、
前記導波路の幅より広い幅を有し、前記導波路コアからの出射光が入射される多モード干渉導波路と、
少なくとも１つの層からなり、前記多モード干渉導波路からの出射光が入射される第１半導体層と、前記第１半導体層の上に設けられ、前記第１半導体層に入射された出射光を吸収する吸収層とを含む光検出部と
を有し、
前記導波路からの出射光が入射される前記多モード干渉導波路の端部から、前記多モード干渉導波路からの出射光が入射される前記光検出部の端部までの長さが、前記多モード干渉導波路において自己結像が起こる長さよりも小さく、かつ、前記多モード干渉導波路がない場合の光吸収効率と同じ光吸収効率が得られる長さよりも大きいことを特徴とする受光素子。
（付記１９）
前記第１半導体層のうち、少なくとも一部の層は第１導電型の半導体層であり、
前記吸収層の上に前記第１導電型と反対の第２導電型を有する導電性クラッド層
をさらに有することを特徴とする付記１７又は１８記載の受光素子。
（付記２０）
基板の第１領域に設けられ、複数の入射光を伝播させる第１導波路部と、
前記基板の第２領域に設けられ、前記複数の入射光が入射され、前記複数の入射光に基づいて複数の出射光を生成する第２導波路部と、
前記基板の第３領域に設けられ、前記複数の出射光を伝搬させる複数の導波路を含む第３導波路部と、
前記基板の第４領域に設けられ、それぞれ、前記複数の導波路より前記複数の出射光が入射される複数の光検出素子を含む光検出部と
を有する光受信器であって、
前記複数の導波路の各々は、
対応する前記出射光が入射され、導波路コアを含む導波路と、
前記導波路の幅より広い幅を有し、前記導波路コアからの出射光が入射される多モード干渉導波路と、
を有し、
前記複数の光検出素子の各々は、
少なくとも１つの層からなり、対応する前記多モード干渉導波路からの出射光が入射される第１半導体層と、
前記第１半導体層の上に設けられ、前記第１半導体層に入射された出射光を吸収する吸収層と、
を有し、
前記導波路コアからの出射光が入射される前記多モード干渉導波路の端部から、前記多モード干渉導波路からの出射光が入射される前記光検出部の端部までの長さが、前記多モード干渉導波路において自己結像が起こる長さの７０％から１００％までの長さであることを特徴とする光受信器。
（付記２１）
前記複数の入射光は信号光と参照光を含み、
前記第２導波路部は、前記信号光と前記参照光を干渉させることにより、前記複数の出射光を生成する多モード干渉導波路を含むことを特徴とする付記２０記載の光受信器。
（付記２２）
前記第１半導体層のうち、少なくとも一部の層は第１導電型の半導体層であり、
前記吸収層の上に前記第１導電型と反対の第２導電型を有する導電性クラッド層をさらに有することを特徴とする付記２０又は２１記載の光受信器。
（付記２３）
複数の入射光が入射され、前記複数の入射光を検出して前記複数の入射光に応じた複数の電気信号を出力する複数の光受信器と、
前記複数の電気信号が入力され、前記複数の電気信号を増幅する複数の増幅器と
を有する光受信モジュールであって、
前記複数の光受信器の各々は、
基板の第１領域に形成され、前記複数の入射光を伝播させる第１導波路部と、
前記基板の第２領域に形成され、前記複数の入射光が入射され、前記複数の入射光に基づいて複数の出射光を生成する第２導波路部と、
前記基板の第３領域に形成され、前記複数の出射光を伝搬させる複数の導波路を含む第３導波路部と、
前記基板の第４領域に形成され、前記複数の導波路より前記複数の出射光が入射される複数の光検出素子を含む光検出部と
を有し、
前記複数の導波路の各々は、
対応する前記出射光が入射され、導波路コアを含む導波路と、
前記導波路の幅より広い幅を有し、前記導波路からの出射光が入射される多モード干渉導波路と、
を有し、
前記複数の光検出素子の各々は、
少なくとも１つの層からなり、対応する前記多モード干渉導波路からの出射光が入射される第１半導体層と、
前記第１半導体層の上に設けられ、前記第１半導体層に入射された出射光を吸収する吸収層と、
を有し、
前記導波路コアからの出射光が入射される前記多モード干渉導波路の端部から、前記多モード干渉導波路からの出射光が入射される前記光検出部の端部までの長さが、前記多モード干渉導波路において自己結像が起こる長さの７０％から１００％までの長さであることを特徴とする光受信モジュール。
（付記２４）
前記第１半導体層のうち、少なくとも一部の層は第１導電型の半導体層であり、
前記吸収層の上に前記第１導電型と反対の第２導電型を有する導電性クラッド層をさらに有することを特徴とする付記２３記載の光受信モジュール。
【符号の説明】
【０２２０】
１００  光受信器、
１０１  光検出部、
１０２  ｎ型半導体層、
１０３  ｉ型吸収層、
１０４  ｐ型上部クラッド層
１０５  ｐ型コンタクト層、
１１１  導波路部１１１
１１２  導波路コア層
１１３  上部クラッド層、
１１４  基板１１４、
３００  光受信器、
３０１  光検出部、
３０２  ｎ型半導体層、
３０３  ｉ型吸収層、
３０４  ｐ型上部クラッド層、
３０５  ｐ型コンタクト層
３１１  導波路部、
３１２  導波路コア層、
３１３  上部クラッド層、
３１４  基板、
３２１  スラブ領域、
７００  光受信器、
７１４  基板、
７０１  光検出部、
７０２  ｎ型半導体層、
７０３  ｉ型吸収層、
７０４  ｐ型上部クラッド層、
７０５  ｐ型コンタクト層、
７１１  導波路部、
７１２  導波路コア層
７１３  上部クラッド層
７１４  基板、
７２１  スラブ領域、
７３１  ＭＭＩ部、
７３２  ＭＭＩ導波路、
１１００  ＭＭＩ導波路、
１１０１  入力部
１１０２  出力部
１５００  光受信器、
１５１４  ＳＩ−ＩｎＰ基板、
１５０１  光検出部、
１５０２  ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ半導体層、
１５０３  ｉ−ＩｎＧａＡｓ吸収層、
１５０４  ｐ−ＩｎＰクラッド層、
１５０５  ｐ型コンタクト層、
１５１１  導波路部、
１５１２  ｉ−ＩｎＧａＡｓＰコア層、
１５１３  ｉ−ＩｎＰクラッド層、
１５１５  ｐ側金属電極、
１５１６  ｎ側金属電極、
１５１７  パッシベーション膜、
１５２１  スラブ領域、
１５３１  ＭＭＩ部、
１５３２  ＭＭＩ導波路、
１９０１  ＳＩ−ＩｎＰ基板、
１９０２  ｉ−ＩｎＧａＡｓＰ膜、
１９０３  ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ膜、
１９０４  ｉ−ＩｎＧａＡｓ膜、
１９０５  ｐ−ＩｎＰ膜、
１９０６  ｐ−ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ積層膜、
２００１  マスク、
２１０１  ｉ−ＩｎＰ膜、
２２０１  マスク、
２３０１  マスク、
２５００  光受信器、
２５１４  基板、
２５０１  光検出部、
２５０２  ｎ型半導体層、
２５０３  ｉ型吸収層、
２５０４  ｐ型上部クラッド層、
２５０５  ｐ型コンタクト層、
２５１１  導波路部、
２５１２  導波路コア層
２５１３  上部クラッド層
２５１４  基板、
２５３１  ＭＭＩ部、
２５３２  ＭＭＩ導波路、
３０００  光受信器、
３０１４  基板、
３００１  光検出部、
３００２  ｎ型半導体層、
３００３  ｉ型吸収層、
３００４  ｐ型上部クラッド層、
３００５  ｐ型コンタクト層、
３０１１  導波路部、
３０１２  導波路コア層
３０１３  上部クラッド層
３０１４  基板、
３０２１  スラブ領域、
３０３１  ＭＭＩ部、
３０３２  ＭＭＩ導波路、
３０４１  埋め込み層、
３０４２  埋め込み層、
３４００  光受信器、
３４１４  基板、
３４０１  光検出部、
３４０２  ｎ型半導体層、
３４０３  ｉ型吸収層、
３４０４  ｐ型上部クラッド層、
３４０５  ｐ型コンタクト層、
３４１１  導波路部、
３４１２  導波路層
３４１３  凸部
３４１４  基板、
３４２１  スラブ領域、
３４３１  ＭＭＩ部、
３４３２  ＭＭＩ導波路、
３８０１  ＳＩ−ＩｎＰ基板、
３８０２  ｉ−ＩｎＧａＡｓＰ膜、
３８０３  ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ膜、
３８０４  ｉ−ＩｎＧａＡｓ膜、
３８０５  ｐ−ＩｎＰ膜、
３８０６  ｐ−ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ積層膜、
３９０１  マスク、
４００１  マスク、
４１０１  マスク、
４２０１  パッシベーション膜、
４２０２  ｐ側金属電極、
４２０３  ｎ側金属電極、
４３００  光受信器、
４３０１  光検出部、
４３０２  接続導波路部、
４３０３  ＭＭＩ導波路部、
４３０４  入力導波路部、
４３０５〜４５０８  フォトダイオード（ＰＤ）素子、
４３０９〜４３１２  接続導波路、
４３１３  ＭＭＩ導波路、
４３１４、４３１５  入力導波路、
４４００  光受信モジュール、
４４０１、４４０２  光コヒーレントレシーバ、
４４０３〜４４０６  トランスインピーダンス増幅器（ＴＩＡ）、
４４０７、４４０８  偏光分離素子（ＰＢＳ）、
４４０９〜４４１４  レンズ、
４４１５、４４１６  ミラー、
４４１７、４４１８  光ファイバケーブル
【図３３】
0005742345.tif 000002
【図１】
0005742345.tif 000003
【図２】
0005742345.tif 000004
【図３】
0005742345.tif 000005
【図４】
0005742345.tif 000006
【図５】
0005742345.tif 000007
【図６】
0005742345.tif 000008
【図７】
0005742345.tif 000009
【図８】
0005742345.tif 000010
【図９】
0005742345.tif 000011
【図１０】
0005742345.tif 000012
【図１１】
0005742345.tif 000013
【図１２】
0005742345.tif 000014
【図１３】
0005742345.tif 000015
【図１４】
0005742345.tif 000016
【図１５】
0005742345.tif 000017
【図１６】
0005742345.tif 000018
【図１７】
0005742345.tif 000019
【図１８】
0005742345.tif 000020
【図１９】
0005742345.tif 000021
【図２０】
0005742345.tif 000022
【図２１】
0005742345.tif 000023
【図２２】
0005742345.tif 000024
【図２３】
0005742345.tif 000025
【図２４】
0005742345.tif 000026
【図２５】
0005742345.tif 000027
【図２６】
0005742345.tif 000028
【図２７】
0005742345.tif 000029
【図２８】
0005742345.tif 000030
【図２９】
0005742345.tif 000031
【図３０】
0005742345.tif 000032
【図３１】
0005742345.tif 000033
【図３２】
0005742345.tif 000034
【図３４】
0005742345.tif 000035
【図３５】
0005742345.tif 000036
【図３６】
0005742345.tif 000037
【図３７】
0005742345.tif 000038
【図３８】
0005742345.tif 000039
【図３９】
0005742345.tif 000040
【図４０】
0005742345.tif 000041
【図４１】
0005742345.tif 000042
【図４２】
0005742345.tif 000043
【図４３】
0005742345.tif 000044
【図４４】
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