(57)【要約】【課題】平面アンテナをモノリシックに集積化した受光素子を超半球レンズ上に設けた場合においても、平面アンテナ形状の制限を受けずに素子の受光効率を向上させることができるようにした受光装置を提供することである。【解決手段】信号光及びミリ波・サブミリ波にとって透明な絶縁性材料からなる超半球レンズ１、及び半導体基板１１と該半導体基板１１の表面に設けられた吸収層１４を有する受光素子１０とを具備する受光装置において、前記超半球レンズ１の平坦面の端に、前記超半球レンズ１の平坦面から離れるに従い内側に傾斜した反射面２を設け、前記超半球レンズ１の平坦面の上方から前記反射面２に入射した信号光が、前記反射面２で反射し、前記受光素子１０の前記吸収層１４に対し斜め下面から入射するようにしたことを特徴とする。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
信号光及びミリ波・サブミリ波にとって透明な絶縁性材料からなる超半球レンズ、及び半導体基板と該半導体基板の表面に設けられた吸収層を有する受光素子とを具備する受光装置において、前記超半球レンズの平坦面の端に、前記超半球レンズの平坦面から離れるに従い内側に傾斜した反射面を設け、前記超半球レンズの平坦面の上方から前記反射面に入射した信号光が、前記反射面で反射し、前記受光素子の前記吸収層に対し斜め下面から入射するようにしたことを特徴とする受光装置。
【請求項２】
請求項１に記載の受光装置において、前記超半球レンズの平坦面の端に、前記反射面に代えて、前記超半球レンズの平坦面から離れるに従い内側に傾斜した屈折面を設け、側面から前記屈折面に入射した信号光が、屈折面で屈折し、前記受光素子の前記吸収層に対し斜め下面から入射するようにしたことを特徴とする受光装置。
【請求項３】
信号光及びミリ波・サブミリ波にとって透明な絶縁性材料からなる超半球レンズと絶縁性基板、及び半導体基板と該半導体基板の表面に設けられた吸収層を有する受光素子とを具備する受光装置において、前記絶縁性基板の側面に、前記絶縁性基板の表面から離れるに従い内側に傾斜した反射面を設け、前記絶縁性基板上面から入射した信号光が、前記反射面で反射し、前記受光素子の前記吸収層に対し斜め下面から入射するようにしたことを特徴とする受光装置。
【請求項４】
請求項３に記載の受光装置において、前記絶縁性基板の側面に、前記反射面に代えて、前記絶縁性基板の表面から離れるに従い内側に傾斜した屈折面を設け、前記絶縁性基板上面から入射した信号光が、前記屈折面で屈折し、前記受光素子の前記吸収層に対し斜め下面から入射するようにしたことを特徴とする受光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、平面アンテナを集積化した受光素子に対して、効率良く光を入射できる受光装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
フォトダイオードに代表される受光素子は信号光を電気信号に変換する機能を有し、光通信や光測定等の分野で幅広く使われている。
近年、高周波信号で変調された信号光をフォトダイオードで直接光電変換し、ミリ波・サブミリ波の領域までおよぶ高周波電気信号を発生させる技術が注目されている。
【０００３】
この技術によれば、従来の電気部品のみで構成したものに比べ極めて高周波の信号を発生させることが可能となるばかりでなく装置構成を簡易・軽量化できる。
また、高周波信号を光信号とすることで低損失な光ファイバによって長距離伝送し、伝送先において高周波電気信号に変換することも行われている。
このような構成において、フォトダイオードから効率的にミリ波・サブミリ波を放射させるために受光素子とアンテナとをモノリシック集積化した素子が実現されている。
【０００４】
特に、高周波特性を生かす上では、いわゆる準光学結合型の平面アンテナを用いるのが好適である。平面アンテナとしては様々なものが報告されている。
このような準光学結合型の装置では、受光素子を形成した半導体基板を超半球レンズ上に接続することでアンテナ利得や、ミリ波・サブミリ波放射の指向性を向上させることが良く行われる。
【特許文献１】特開平１０−１９００４２号
【非特許文献１】「photonic Millimeter‐Wave Emission at 300Ghz using an Antenna‐Integrated Uni‐Traveling‐Carrier Photodiode」， H. Ito他8名著 Electronics Letters, 2002年8月発行， p.989‐900
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
図８にその一例として、受光素子とログペリオディックアンテナを集積化した構成を示す（非特許文献１参照）。
図８において、３は信号光、４は入射光、１０は受光素子、１１は半導体基板、１６は配線、１８はアンテナ電極、２０は高反射率膜、２１は絶縁膜である。
【０００６】
この素子では半導体基板１１上面からの信号光３を一旦半導体基板１１の裏面の高反射率膜２０で反射し、半導体基板１１の裏面方向から受光素子１０に入射させている。
この構成では、上面のアンテナ電極１８が信号光３の一部を遮るため、受光効率が悪いという問題があった。
特に基板が露出した部分よりも金属で覆われた部分の方が大きい構成（例えばスロットアンテナ）では、受光効率は極めて小さい。
【０００７】
これらに対し、素子の端面から信号光を入射する受光素子の構成も提案されている（特許文献１参照）。
このような端面入射型の受光装置では、帯域を高く保ったまま受光効率を増大できることが報告されているが、受光素子近傍（数十μｍ程度）に信号光が入射する基板端面を配置する必要があり、比較的寸法の大きい平面アンテナを受光素子とモノリシック集積化することが困難であった。
【０００８】
また、このような端面入射型受光素子を超半球レンズ上に設けると、光入射端面がレンズ中心近傍となり、超半球レンズで信号光の一部が反射されるため、受光効率が減少する問題もある。
このように超半球レンズ上に設けられた受光素子の受光効率を高めるためにはモノリシック集積化できる平面アンテナが限られる。
【０００９】
従って、アンテナ形状／寸法依存のない簡便で効率の良い受光装置の構成が必要とされていた。
本発明の目的は、平面アンテナをモノリシックに集積化した受光素子を超半球レンズ上に設けた場合においても、平面アンテナ形状の制限を受けずに素子の受光効率を向上させることができるようにした受光装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決する本発明の請求項１に係る受光装置は、信号光及びミリ波・サブミリ波にとって透明な絶縁性材料からなる超半球レンズ、及び半導体基板と該半導体基板の表面に設けられた吸収層を有する受光素子とを具備する受光装置において、前記超半球レンズの平坦面の端に、前記超半球レンズの平坦面から離れるに従い内側に傾斜した反射面を設け、前記超半球レンズの平坦面の上方から前記反射面に入射した信号光が、前記反射面で反射し、前記受光素子の前記吸収層に対し斜め下面から入射するようにしたことを特徴とする。
【００１１】
上記課題を解決する本発明の請求項２に係る受光装置は、請求項１に記載の受光装置において、前記超半球レンズの平坦面の端に、前記反射面に代えて、前記超半球レンズの平坦面から離れるに従い内側に傾斜した屈折面を設け、側面から前記屈折面に入射した信号光が、屈折面で屈折し、前記受光素子の前記吸収層に対し斜め下面から入射するようにしたことを特徴とする。
【００１２】
上記課題を解決する本発明の請求項３に係る受光装置は、信号光及びミリ波・サブミリ波にとって透明な絶縁性材料からなる超半球レンズと絶縁性基板、及び半導体基板と該半導体基板の表面に設けられた吸収層を有する受光素子とを具備する受光装置において、前記絶縁性基板の側面に、前記絶縁性基板の表面から離れるに従い内側に傾斜した反射面を設け、前記絶縁性基板上面から入射した信号光が、前記反射面で反射し、前記受光素子の前記吸収層に対し斜め下面から入射するようにしたことを特徴とする。
【００１３】
上記課題を解決する本発明の請求項４に係る受光装置は、請求項３に記載の受光装置において、前記絶縁性基板の側面に、前記反射面に代えて、前記絶縁性基板の表面から離れるに従い内側に傾斜した屈折面を設け、前記絶縁性基板上面から入射した信号光が、前記屈折面で屈折し、前記受光素子の前記吸収層に対し斜め下面から入射するようにしたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の請求項１に係る受光装置によれば、半導体表面の被覆面積の大きい平面アンテナと集積化した受光素子を超半球レンズ上に設けた場合でも、高い受光効率を維持しつつ、基板と垂直の上面方向から信号光を受光素子に入射させることが可能となる。
また、前記吸収層に斜め下面から信号光が入射するため、前記吸収層を通過する光路長が増大する。
【００１５】
従って、半導体基板の面に垂直に信号光を入射させた場合に比べ、例えば、受光効率を２倍以上に増大させることができる。
更に、半導体表面の半分がアンテナ金属で覆われている図８の従来例に比較し、金属で信号光が遮られることがなくなるため、例えば、４倍以上の受光感度を期待できる。
【００１６】
また、本発明の請求項２に係る受光装置によれば請求項１の利点を有しつつ、基板と平行の横方向から信号光を受光素子に入射させることが可能となる。
また、本発明の請求項３に係る受光装置によれば、絶縁性基板を利用することで超半球レンズの加工を不要とし、より低コストを実現している。
また、本発明の請求項４に係る受光装置によれば、絶縁性基板を利用することで超半球レンズの加工を不要とし、より低コストを実現している。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明では、超半球レンズ上面の端に、表面から離れるに従い内側に傾斜した反射面を設け、基板上面方向から入射した信号光が反射面で反射した後に受光素子の吸収層に対し斜め下面から入射するようにする。
また、反射面に代えて、表面から離れるに従い内側に傾斜した屈折面を設け、基板に対し横方向から入射した信号光が屈折面で屈折した後に受光素子の吸収層に対し斜め下面から入射するようにすることもできる。
【００１８】
更に、超半球レンズ上に絶縁性基板を設け、絶縁性基板の端面を反射面若しくは屈折面に加工することで、上述の構成を実現することもできる。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
なお、以下で説明する図面で同一機能を有するものは同一記号を付け、重複する説明を省略する。
【実施例１】
【００１９】
本発明の第１の実施例に係る受光装置を図１〜図３に示す。
図１は受光装置の断面図であり、図２はその鳥瞰図である。図３は半導体基板の拡大図である。
図１〜３において、１は超半球レンズ、２は反射面、３は信号光、１０は受光素子、１１は半導体基板である。
図１に示すように、超半球レンズ１の平坦面上には、受光素子１０が形成された半絶縁性のＩｎＰからなる半導体基板１１が配置され、超半球レンズ１の平坦面の端には、超半球レンズ１の凸面方向を向いて、超半球レンズ１の平坦面から離れるに従い内側に傾斜した反射面２が形成されている。
【００２０】
超半球レンズ１は、本実施例ではシリコンからなるが、例えば、ＭｇＯ等のような信号光及びミリ波・サブミリ波（３０ＧＨｚ〜３ＴＨｚの周波数帯の電磁波）にとって透明な絶縁性材料であるならば、他の材料であっても良い。
例えば、Ｓｉでは、２４５ＧＨｚのミリ波に対して、比抵抗１ｋΩ以上で、吸収係数が０．１３ｃｍ-1以下となる。
【００２１】
受光素子１０は、その詳細を図３に示すように、半導体基板１１上に、ｎ型ＩｎＰからなる電極層１２、アンドープＩｎＰから成るキャリア走行層１３、信号光を吸収するｐ型ＩｎＧａＡｓから成るｐ型吸収層１４、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰから成るｐ型電極層１５を順に積層して構成され、半導体基板１１上に形成されたアンテナ電極１８，１９に対して配線電極１６，１７を介して接続されている。
本実施例の受光素子１０は単一走行キャリア・フォトダイオードであるが、高周波化、高出力化の観点からこの用途に好適である。
【００２２】
上記構成を有する本実施例の受光装置において、図１に矢印で示すように、反射面２の上方から超半球レンズ１に垂直に入射した信号光３は、反射面２で反射し、斜め上向きに向かい半導体基板１１の方向に曲げられる。
そして、信号光３は、図３に矢印で示すように、超半球レンズ１と半導体基板１１の境界で屈折して受光素子１０のｐ型吸収層１４に斜め下面から入射する。
【００２３】
従って、信号光３は、垂直に入射する場合に比較して、吸収層１４を通過する光路長が増大する。
例えば、半導体基板１１と反射面２とのなす角度（以下、反射面２の角度と言う）を４０°とすると、受光効率は、５４.７°の端面角度をもつ端面入射型フォトダイオードに比べて、受光効率は１．２倍程度になる。
このとき、受光素子１０と反射面２との距離を３ｍｍとすると反射面２は約６００μｍの深さの位置に設置すればよい。
【００２４】
信号光３が反射面２で反射し、半導体基板１１方向に曲げられるためには、少なくとも反射面２の角度は、０°以上４５°未満でなくてはならないが、２２．５〜４０°が好適である。
その理由を以下に述べる。
まず反射面２の角度が２２．５°以下の場合、超半球レンズ１から半導体基板１１への入射角度が４５°以上になる。
反射面２を受光素子１０から十分離したい場合に、水平距離より垂直距離が大きくなり、加工が難しくなる。
また、受光感度も垂直入射に比べて１．３倍以下になり、受光感度を高める利点が小さい。
以上の点から２２．５°以上が好ましい。
【００２５】
一方、反射面２の角度を大きくする場合には、半導体基板１１の厚さと幅によって制限される。
つまり、図１及び３に示すように、信号光３が受光素子１０に入射するためには、信号光３の経路と、超半球レンズ１と半導体基板１１の境界の交わる点を、受光素子１０から離さなくてはならないが、この距離が反射面２の角度、半導体基板１１の厚さ及び幅に依存する。
【００２６】
反射面２の角度を４０°以上とする場合、半導体基板１１の幅が７００μｍであると、厚さは１００μｍ以下である必要がある。
素子プロセス上、機械的強度を十分に保ち歩留まりを向上させるために、厚さは１００μｍ以上である方が好ましい。
また、半導体基板１１の幅を大きくして対応する方法もあるが、製造コストが高くなる問題がある。
以上の点から、４０°以下が好ましい。
【００２７】
さらに、反射面２の角度は、３６〜４０°が最適である。
これは、受光感度が垂直入射型の受光素子に対して２倍以上になるためである。
一方、受光素子１０に入射される光信号によってアンテナ電極１８，１９から発生するミリ波・サブミリ波は、アンテナ電極１８，１９から基板裏面へ放射される。
このため、レンズやファイバなど光入射のための部品や、超半球レンズ端面に設けられた反射面２がミリ波・サブミリ波の放射を遮ることがない。
【００２８】
このように本実施例によれば、受光効率の向上だけではなく、ミリ波・サブミリ波の放射効率を損なうことがない。
更に、本実施例では、超半球レンズ１に反射面２を直接加工するため、超半球レンズ上に絶縁性基板４を接着する下記の実施例３、４に比べて、超半球レンズ１と絶縁性基板４の間で起りうるミリ波・サブミリ波の不要な反射がないこと、超半球レンズ１と絶縁性基板４の位置あわせを行う必要がないこと、を利点としてあげられる。
【実施例２】
【００２９】
本発明の第２の実施例に係る受光装置を図４及び図５に示す。
図４は受光装置の断面図であり、図５はその鳥瞰図である。
本実施例は、超半球レンズ１に反射面２ではなく、屈折面５が設けられている点で第１の実施例と異なる。
即ち、超半球レンズ１の平坦面の端には、超半球レンズ１の凸面方向を向いて、超半球レンズ１の平坦面から離れるに従い内側に傾斜した屈折面５が形成されている。それ以外の構造については前述した実施例１と同様な構造であり、同様な作用・効果を奏する。
【００３０】
従って、図４に矢印で示すように信号光３を屈折面５に向けて、基板面に対し平行に入射させると、その信号光３は、屈折面５で屈折して斜め上向きに曲げられ、実施例１と同様に受光素子１０のｐ型吸収層１４に斜め下面から入射する。
例えば、半導体基板１１と屈折面５とのなす角度（以下、屈折面５の角度と言う）を約７６°とすると、実施例１で述べたものと同様の光軸を通り、半導体基板１１に信号光３が入射する。
信号光３が屈折面５で屈折し、半導体基板１１方向に曲げられるためには、屈折面５の角度が少なくとも０°より大きく９０°未満でなくてはならないが、３０．５〜７６°が好適であり、６５〜７６°が最適である。
【００３１】
これは、実施例１における反射面２の角度のそれぞれ２２．５〜４０°、３６〜４０°に対応しており、半導体基板１１中で同じ光軸を通る。
従って、各利点は実施例１で述べたものと同様である。
このような構成とすることで、本実施例は、実施例１の利点を奏する他に、光ファイバ等の光部品と横方向から結合を行うことができるため、モジュール形態の自由度が増す利点がある。
【実施例３】
【００３２】
本発明の第３の実施例に係る受光装置を図６に示す。
図６は、受光装置の断面図である。
本実施例は、超半球レンズ１の平坦面の端に反射面２を設けるのではなく、絶縁性基板４を使用し、その側面に反射面２を設けた点で実施例１と異なる。
【００３３】
即ち、超半球レンズ１の平坦面上には、シリコンからなる絶縁性基板４が配置され、その絶縁性基板４の上に受光素子１０が形成された半絶縁性のＩｎＰからなる半導体基板１１が配置され、更に、絶縁性基板４の側面には、基板裏面方向を向いて、基板表面から離れるに従い、内側に傾斜した反射面２が形成されている。
【００３４】
絶縁性基板４は、信号光及びミリ波・サブミリ波にとって透明な絶縁性材料であるならば、シリコン以外の他の材料であっても良いのは、実施例１における超半球レンズ１と同様である。
但し、入射信号光及び放射されるミリ波・サブミリ波の不要な反射を抑制する観点から、超半球レンズ１と同一の材料であることが好ましい。
本実施例では、絶縁性基板４を加工して、超半球レンズ１に接着するだけの、より簡易なプロセスで同様の構成が実現でき、超半球レンズ１を直接加工しないことから、低コスト化が期待できる。
【実施例４】
【００３５】
本発明の第４の実施例に係る受光装置を図７に示す。
図７は受光装置の断面図である。
本実施例は、実施例３と同様に絶縁性基板４を使用するが、その側面に反射面２ではなく、屈折面５を設けた点に特徴がある。
このような構成にすると、実施例１に対する実施例３の利点と同様な効果を奏する。
【００３６】
上述の各実施例では、受光素子は単一走行キャリア・フォトダイオードの例をあげて記述したが、また、ｐｉｎフォトダイオードやアバランシェフォトダイオードなど他のフォトダイオードを用いることもできる。
実施例３，４における超半球レンズ１と絶縁性基板４は、絶縁性接着剤によって密着させるのが、発生したミリ波・サブミリ波の反射を抑制し、効率良く放射させるために好適である。
【００３７】
また、上述した実施例１，３では、反射面２は超半球レンズ１若しくは絶縁性基板４の端面を鏡面加工することが、簡便であることから好適だが、高反射膜或いは金属膜を形成しても良い。
高反射膜の材料としては、誘電体多層膜など公知の様々な材料を用いることができる。
金属膜の材料としては、金や白金など、公知の様々な材料を用いることができる。
【００３８】
また、実施例１の超半球レンズ１若しくは実施例３の絶縁性基板４の表面の信号光が入射する部位に、反射防止膜を形成することで、信号光の入射効率を高めることができるのはいうまでもない。
実施例２、４において、屈折面５に反射防止膜を形成することで、信号光の入射効率を高めることができるのはいうまでもない。
アンテナ電極１８，１９としては、ログペリオディックアンテナの例を示したが、ログスパイラルアンテナやボウタイアンテナ、スロットアンテナなど、他の形状のアンテナを用いることもできる。
【００３９】
受光素子を構成する材料としては、上記実施例ではＩｎＰから成る半導体基板１１に格子整合するＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ（Ｐ）系を用いたが、ＩｎＡｌ（Ａｓ）Ａｓ／ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｌＡｓ／ＧａＡｓＳｂなどのＩｎＰに格子整合する他の材料系、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ、ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓなどのＧａＡｓに格子整合する半導体材料の組合せなどや、格子不整合系材料など、通常の半導体材料の組合せを用いることもできる。
但し、受光素子の材料を変えた場合、信号光の波長は変わる可能性がある。
このとき、超半球レンズ１及び絶縁性基板４の材料は、信号光に透明であるように選ぶ必要がある。
【００４０】
このように説明したように、本発明は電気通信産業やエレクトロニクス産業で利用されるミリ波変換型の受光装置に関するものであり、超半球レンズ上に受光素子と平面アンテナを搭載し、かつ、レンズ面に反射面若しくは屈折面を有する溝が形成される点に特徴があり、受光効率の高い受光素子が実現できる。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明は、平面アンテナを集積化した受光素子に対して、効率良く光を入射できる受光装置として広く利用可能なものである。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の実施例１に係る受光装置を示す断面図である。
【図２】本発明の実施例１に係る受光装置を示す鳥瞰図である。
【図３】本発明の実施例１に係る受光装置の受光素子部分を拡大した断面図である。
【図４】本発明の実施例２に係る受光装置を示す断面図である。
【図５】本発明の実施例２に係る受光装置を示す鳥瞰図である。
【図６】本発明の実施例３に係る受光装置を示す断面図である。
【図７】本発明の実施例４に係る受光装置を示す断面図である。
【図８】図８（ａ）は従来の受光装置の上面図、図８（ｂ）は同図（ａ）中のＡ‐Ａ′線断面図、同図（ａ）中のＢ‐Ｂ′線断面図である。  及び断面図である。
【符号の説明】
【００４３】
１  超半球レンズ
２  反射面
３  信号光
４  絶縁性基板
５  屈折面
１０  受光素子
１１  半導体基板
１２  ｎ型電極層
１３  ｉ型走行層
１４  ｐ型吸収層
１５  ｐ型電極層
１６，１７  配線電極
１８，１９  アンテナ電極
２０  高反射率膜
２１  絶縁膜
【図１】
2005347663.tif 000003
【図２】
2005347663.tif 000004
【図３】
2005347663.tif 000005
【図４】
2005347663.tif 000006
【図５】
2005347663.tif 000007
【図６】
2005347663.tif 000008
【図７】
2005347663.tif 000009
【図８】
2005347663.tif 000010