(57)【要約】【課題】ゲーティングと光／電気変換を行う第一及び第二光吸収領域に分割することにより、電気的に隔離すると共に両者の寸法設計、製作を容易とした光信号検出器素子を提供する。【解決手段】ｎ−ＩｎＰ基板上のＩｎＧａＡｓＰ層からなる光導波路は、光進行方向に沿って順に第一の光吸収領域、非光吸収領域、第二の光吸収領域を構成し、第一、第二の光吸収領域の光導波路上にＩｎＰ層、ｐ−ＩｎＰ層、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ層が積層され、非吸収領域の光導波路上及び両側の領域は半絶縁性ＩｎＰ層により一体に埋め込まれる。第一、第二の光吸収領域にはそれぞれ電極からゲート信号、逆バイアスの直流電圧が印加され、印加されたゲート信号及び直流電圧による電界に応じた光吸収係数の変化により第一の光吸収領域によってゲーティングされた光信号を第二の光吸収領域によって光信号の強度に対応した電気信号として検出する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ−ＩｎＰ基板上にＩｎＧａＡｓＰ層から構成される光導波路が設けられ、その光導波路は光進行方向に沿って順に第一の光吸収領域、非光吸収領域、及び第二の光吸収領域の３つの領域を構成し、
第一及び第二の光吸収領域の光導波路上にはＩｎＰ層、ｐ−ＩｎＰ層、及びｐ−ＩｎＧａＡｓＰ層を少なくとも含む多層構造がそれぞれ積層され、その上部にそれぞれ電極が具備され、非吸収領域の光導波路上及び両側部の領域には半絶縁性ＩｎＰ層が一体に埋め込まれて成長されてなり、
第一の光吸収領域には入射した時分割多重光信号を分離化するゲート信号がその上部の電極から印加され、第二の光吸収領域には逆バイアスの直流電圧がその上部の電極から印加され、印加されたゲート信号及び直流電圧による電界に応じた光吸収係数の変化により第一の光吸収領域によってゲーティングされた光信号を第二の光吸収領域によって光信号の強度に対応した電気信号として検出する手段を備えたことを特徴とする光信号検出器素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数系列の基本光信号列を時間軸上で多重化した時分割多重化光信号から任意の基本光信号列を分離し、分離した基本光信号列を電気信号に変換する光信号検出器素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の４チャネル（Ｎ＝４）多重された光信号を各チャネル毎に分離する光分離装置（特許文献１　参照）の構成及び動作を図６を参照して説明する。
入力される多重化光信号１は、時分割多重されたビットレートＢ（ｂ／ｓ）の光信号であり、多重化光信号１の上に書かれているＡからＤの文字は、各タイムスロットを表している。多重化光信号１は、光分割器２により４分割された光信号３Ａ〜３Ｄとされ、光分離装置に入力される。
光分離装置は、１つの半導体光導波路の電極を２分割し、入力側の半導体光導波路は印加電界に応じて透過率が変化する光ゲート４Ａ〜４Ｄとして機能させ、残りの半導体光導波路は一定の電圧を印加して受光素子９Ａ〜９Ｄとして機能させる。半導体光導波路を介して出力される信号は、ビットレートＢ／４（ｂ／ｓ）の電気信号５Ａ〜５Ｄである。
【０００３】
入力側の半導体光導波路の光ゲート４Ａ〜４Ｄは、周期的に変化する電気信号を電極に入力して、半導体光導波路に周期的な電界を印加することにより半導体光導波路の透過率を周期的に変化させて、時分割多重化された入力光信号列３Ａ〜３ＤのうちからＮ（＝４）タイムスロット毎に光信号を通過させる。このとき、それぞれの印加電圧の位相は、各光ゲート間で３６０／Ｎ度（９０度）ずつずらし、各光ゲートが開いている時間を入力多重化光信号１のタイムスロットＡからＤに対応させる。このように、各光ゲート４Ａ〜４Ｄからは、ＡからＤのタイムスロットの光信号だけが出力されることになる。
次に、分離された各々の光信号は、電気的には独立し光学的には結合された受光素子５Ａ〜５Ｄに入力され、電気信号６Ａ〜６Ｄに変換されて出力される。受光素子には、電極に一定の電圧（直流電圧）を印加しておけば、入力された光は半導体光導波路内で全て吸収され光電流として外部に取り出すことができる。
このようなＮ個の半導体光導波路は一つのウエハ上のアレイ上に作製することができ、一つの半導体導波路の電極を２つに分割して電気的に独立させることにより光ゲートと受光素子を縦列に接続し、時分割多重化光信号を入力して複数の低ビットレートの電気信号として出力する。
光ゲートとして働く入力側の半導体光導波路は、周期的に変化する電気信号を電極に入力して半導体に電界を印加したとき、吸収端が長波長側にシフトする効果を利用する。この効果はバルク材料においても、多重量子井戸構造材料においても観測され、多重量子井戸構造材料では室温における急峻な励起子吸収を反映してわずかな電界の変化により急激な吸収変化が得られる。また、受光素子として働く出力側の半導体光導波路は、電極に直流電圧を印加して入射された光信号を吸収し、光強度に応じた電流信号に変換する。
【０００４】
図７を参照して光ゲートを説明する。
（ａ）は、印加電界と透過率の関係を示し、縦軸、横軸ともに任意の目盛である。（ｂ）は、時間に対する印加電圧を示し、通過させたいタイムスロットの間だけ（同図ではタイムスロットＡ）印加電圧がオフとなるような信号電圧を入力側半導体光導波路、すなわち光ゲートに印加すれば、（ｃ）に示すような透過波形が得られ、タイムスロットＡの信号だけが受光素子に到達する。
このように従来の光分離装置は、一つの半導体光導波路を用いて電極を分割し、周期的に変化する電気信号と直流電圧を印加することにより、光ゲートと受光素子という２つの機能を実現でき、集積化が容易となり、多重化光信号の各タイムスロットの光信号だけを抽出して電気信号に変換することができる。
【０００５】
【特許文献１】
特開平６−６１９７５号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来例の光分離装置は、一つのバルク材料、多重量子井戸構造材料から形成される半導体光導波路の電極を２個に分割して独立させることにより、光ゲートと受光素子を形成するものであり、（１）最表面の金属電極のみで分割する構成では電界は垂直方向のみならず、多重量子井戸構造材料のｐドープされた半導体層を伝わって第一及び第二の光吸収領域（光ゲートと受光素子）間で互いに相手方の領域にも侵入して作用する問題がある、（２）一般に電気吸収型光変調器において、光吸収領域の領域長は、これが長い程光学的な高消光比が得られるが、一方電気的に静電容量が増大して高周波特性が劣化するため、目的に応じて両者を斟酌して最適の寸法が設計されるが、従来例においては目的に応じた光吸収領域の寸法設計が困難である、（３）光吸収領域の領域長が（２）のように消光比及び静電容量（高周波特性）の要請に応じて設計されるのに対し、素子全体の長さは組み込み先の要請に応じ、特にレンズ配置を含む光学結合の条件に応じて設計される必要があるが、従来例においては柔軟な寸法設計は困難である、（４）光吸収領域の領域長を変化させる場合、１次エピタキシャル成長後の工程でその調整を行うことが可能ではあるが、従来例においてはこのような調整を行うことができない。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、ｎ−ＩｎＰ基板上にＩｎＧａＡｓＰ層から構成される光導波路が設けられ、その光導波路は光進行方向に沿って順に第一の光吸収領域、非光吸収領域、及び第二の光吸収領域の３つの領域を構成し、
第一及び第二の光吸収領域の光導波路上にはＩｎＰ層、ｐ−ＩｎＰ層、及びｐ−ＩｎＧａＡｓＰ層を少なくとも含む多層構造がそれぞれ積層され、その上部にそれぞれ電極が具備され、非光吸収領域の光導波路上及び両側部の領域には半絶縁性ＩｎＰ層が一体に埋め込まれて成長されてなり、
第一の光吸収領域には入射した時分割多重光信号を分離化するゲート信号がその上部の電極から印加され、第二の光吸収領域には逆バイアスの直流電圧がその上部の電極から印加され、印加されたゲート信号及び直流電圧のそれぞれ電界に応じた光吸収係数の変化により第一の光吸収領域によってゲーティングされた光信号を第二の光吸収領域によって光信号に対応した電気信号として検出する検出手段を備える。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１、図５（ｈ）に、本発明の時分割光信号多重方式の光通信システムに用いられる光信号検出器素子の構成例を示す。
光信号検出器素子は、図５（ｈ）に示すように、ｎ−ＩｎＰ基板２上にＩｎＧａＡｓＰ層３から構成される光導波路が設けられ、その光導波路は光進行方向に沿って順に第一の光吸収領域、非光吸収領域、及び第二の光吸収領域を構成し、第一及び第二の光吸収領域の上にはＩｎＧａＡｓＰ層４を介して、ＩｎＰ層５、ｐ−ＩｎＰ層６、及びｐ−ＩｎＧａＡｓＰ層７を含む多層構造がそれぞれ積層され、その上部にそれぞれｐ−ｓｉｄｅ電極１１が具備され、非光吸収領域の上側及び光導波路の両側部の領域にはＳＩ−ＩｎＰ（半絶縁性（Ｓｅｍｉ　Ｉｎｓｕｌａｔｉｖｅ−）ＩｎＰ）層８が一体に埋め込まれる。また、ｎ−ＩｎＰ基板２の下側表面には、ｎ−ｓｉｄｅ電極１が設けられる。
光吸収領域の上部に積層される、ＩｎＧａＡｓＰ層４は、必要に応じて設けられる正孔のパイルアップ防止層であり、ＩｎＰ層５は、光導波路に光を閉じ込める光学的なオーバークラッド層である。また、ｐ−ＩｎＰ層６とｐ−ＩｎＧａＡｓＰ層７は下のｎ−ＩｎＰ基板２と対応して電界印加の機能を果たすが、特にｐ−ＩｎＧａＡｓＰ層７はエネルギーバンドを調整してｐ−ｓｉｄｅ電極１１とのオーミックコンタクトを容易にするためである。
第一の光吸収領域は、その上部の電極にゲーティングを行うゲート信号（１０Ｇｂｐｓ程度の電圧信号）を入力し、交流電界を印加することにより入射した時分割多重化光信号を分離する（切り出す）。第二の光吸収領域には逆バイアスの直流電界（直流電圧）がその上部の電極から印加され、電界に応じた光吸収係数の変化により第一の光吸収領域によってゲーティングされた光信号の強度に対応した電流信号（電気信号）の変化として検出器により検出する。
【０００９】
図２〜図５を参照して光信号検出器素子の製造工程を説明する。
（ａ）基板
ｎ−ＩｎＰ基板２を示す。
（ｂ）一次エピタキシャル成長
ｎ−ＩｎＰ基板２の上に光導波路を構成するＩｎＧａＡｓＰ層３、ＩｎＧａＡｓＰ層４、ＩｎＰ層５、ｐ−ＩｎＰ層６、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ層７より成る薄膜多層構造をエピタキシャル成長により成膜形成（ウエハ形成）する。
ＩｎＧａＡｓＰ層４は正孔のパイルアップを防止するパイルアップ防止層であり、ＩｎＰ層５はドーピングされていないＩｎＰよりなりクラッド層を構成する。ＩｎＧａＡｓＰ層３のバンドギャップエネルギーＥｇ３、ＩｎＧａＡｓＰ層４のバンドギャップエネルギーＥｇ４、ＩｎＰ層５のバンドギャップエネルギーＥｇ５の大きさはＥｇ３＜Ｅｇ４＜Ｅｇ５の関係に各層の材料を調整する。ｐ−ＩｎＰ層６はバンドギャップエネルギーの大なる層であり、ＩｎＧａＡｓＰ層３とＩｎＧａＡｓＰ層４を包み込んでクラッド層として機能すると共にＩｎＧａＡｓＰ層３とＩｎＧａＡｓＰ層４に対する電圧印加の用をなすｐ−ＩｎＰクラッド層である。ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ層７はｐ−ＩｎＰ層６に電極をオームコンタクトするために介在される電極形成用層である。
（ｃ）エッチング
積層体の長さ方向両側のＩｎＧａＡｓＰ層３、ＩｎＧａＡｓＰ層４、ＩｎＰ層５、ｐ−ＩｎＰ層６、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ層７と、長さ方向の中央部のＩｎＰ層５、ｐ−ＩｎＰ層６、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ層７をエッチングして第一の光吸収領域と第二の光吸収領域を形成する。
（ｄ）二次エピタキシャル成長
（ｃ）でエッチングした部分にｐ−ＩｎＧａＡｓＰ層７を露出させてＳＩ−ＩｎＰ層８を埋め込みエピタキシャル成長させる。半導体光導波路の両側部及び非光吸収領域の上部を埋めるにはＦｅをドーピングしたＩｎＰを代表的な材料とするＳＩＩｎＰを用い、光学的なクラッド（光閉じ込め）としての機能の他、非ドープＩｎＰと異なる高抵抗値により、印加電流を光吸収領域にのみ注入通過させる電気的機能を有する。
（ｅ）窒化膜の成膜
上側表面にｐ−ＩｎＧａＡｓＰ層７を露出させてＳｉＮｘ膜９を設ける。
（ｆ）酸化膜の成膜
露出させたｐ−ＩｎＧａＡｓＰ層７の近傍のＳｉＮｘ膜９上にＳｉＯ２膜１０を成膜する。
（ｇ）電極付け
ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ層７の上側表面のｐ−ｓｉｄｅ電極１１を設けると共にＳｉＯ２膜１０上にｐ−ｓｉｄｅ電極１１と接続されたボンディングパッド１３を設ける。またｎ−ＩｎＰ基板２の下側表面にはｎ−ｓｉｄｅ電極１を設ける。電極の代表的な材料はＡｕ合金である。
完成した光検出器素子を（ｅ）に示す。
【００１０】
【発明の効果】
本発明は、半導体多層膜構造を分割して第一の光吸収領域と第二の光吸収領域とすることで、（１）両領域の電気的隔離が確実に担保され、（２）領域長が実効的かつ確実に設計・製作でき、（３）例えば、素子の全体長を一定に保ち、組み込み先の装置を変えないまま、仕様に応じて光吸収領域長を変化させた素子を複数通り作製することが可能となり、（４）光吸収領域の領域長を変化させる場合、一次エピタキシャル成長後の工程でその調整を行えばよいので、一次エピタキシャル成長が終了したウエハの段階で共通の仕上がり在庫を保有しておくことができ、仕様変更への容易な対応と工程節約を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光信号検出器素子の構成例を示す図。
【図２】本発明の光信号検出器素子の製造工程（（ａ）基板、（ｂ）一次エピタキシャル成長）の説明図。
【図３】本発明の光信号検出器素子の製造工程（（ｃ）エッチング、（ｂ）二次エピタキシャル成長）の説明図。
【図４】本発明の光信号検出器素子の製造工程（（ｅ）窒化膜の成膜、（ｆ）酸化膜の成膜）の説明図。
【図５】本発明の光信号検出器素子の製造工程（（ｇ）電極付け、（ｈ）完成）の説明図。
【図６】従来の光分離装置の説明図。
【図７】従来の光分離装置における光ゲートの説明図。
【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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