(57)【要約】【課題】  デマルチプレクサを用いる必要がなく、高速なシリアル信号光を受信可能な光受信デバイス及び光受信装置を提供する。【解決手段】  光受信デバイス１において、導波路２４は、半導体基板３上に設けられており、信号光Ｂ２を伝搬する光ファイバ５３と一端において光学的に結合されている。また、光結合部２６ａ〜２６ｈは、導波路２４に一定のピッチΔＬをあけて設けられており、信号光Ｂ２をフォトダイオード１７ａ〜１７ｈへ分岐する。光受信デバイス１は、信号光Ｂ２の１フレーム２９に含まれるビット２７ａ〜２７ｈを、対応するフォトダイオード１７ａ〜１７ｈにおいてほぼ同時に検出する。【選択図】  図４
2005109217.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリアル信号を含む信号光が一端から入射される第１の導波路と、
前記信号光を電気的なパラレル信号に変換する複数の受光部と、
前記第１の導波路と前記複数の受光部とを互いに光学的に結合する複数の光結合部と
を備え、
前記光結合部が、前記第１の導波路において光導波方向に所定の間隔で配置されていることを特徴とする光受信デバイス。
【請求項２】
第１導電型の半導体基板と、
前記半導体基板の裏面上に形成された第１の電極と
をさらに備え、
前記第１の導波路が、前記半導体基板の主面上に設けられた光導波路層と、前記光導波路層上に設けられた第１導電型のバリア層とを有しており、
前記複数の受光部のそれぞれが、前記バリア層上に設けられた受光層と、前記受光層上に設けられた第２導電型のクラッド層と、前記クラッド層上に設けられた第２の電極とを有しており、
前記複数の光結合部のそれぞれが、前記受光部の前記受光層と前記第１の導波路の前記光導波路層とが前記バリア層を介して互いに対向することにより構成されていることを特徴とする請求項１に記載の光受信デバイス。
【請求項３】
前記第１の導波路が主面上に設けられており、前記第１の導波路に沿って設けられた複数の方向性結合領域、及び前記複数の方向性結合領域に対応して設けられた複数の受光領域を前記主面上に有する第１導電型の半導体基板と、
前記半導体基板の裏面上に設けられた電極と、
前記半導体基板の前記主面上に設けられ、前記複数の方向性結合領域から前記複数の受光領域へそれぞれ延びる複数の第２の導波路と
をさらに備え、
前記複数の光結合部のそれぞれが、前記半導体基板の前記方向性結合領域において前記第１の導波路及び前記第２の導波路によって構成された方向性結合器であり、
前記複数の受光部が、前記受光領域において前記第２の導波路上に設けられた第２導電型の受光用クラッド層と、前記受光用クラッド層上に設けられた受光用電極とをそれぞれ有することを特徴とする請求項１に記載の光受信デバイス。
【請求項４】
前記複数の光結合部が、
前記複数の方向性結合領域において前記第１の導波路上及び前記第２の導波路上にそれぞれ設けられた第２導電型の結合器用クラッド層と、
前記結合器用クラッド層上に設けられた結合器用電極と
をそれぞれ有することを特徴とする請求項３に記載の光受信デバイス。
【請求項５】
前記第１の導波路の他端に光学的に結合された光増幅部をさらに備えることを特徴とする請求項２〜４のいずれか一項に記載の光受信デバイス。
【請求項６】
前記信号光が、ＮＲＺ符号により所定の伝送レートで変調されており、
前記所定の間隔が、前記信号光の前記伝送レートに基づいていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の光受信デバイス。
【請求項７】
請求項１〜５のいずれか一項に記載の光受信デバイスと、
前記光受信デバイスの前記第１の導波路の他端に光学的に結合された光増幅器と
を備えることを特徴とする光受信装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、信号光を受信する光受信デバイス及び光受信装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、大容量光通信システムは、ＷＤＭ（Wavelength Division Multip-lex）方式に代表されるパラレル方式と、例えば４０Ｇｂｐｓといった伝送レートで信号をシリアル伝送するシリアル方式との２種類に大別される。このうち、シリアル方式においては、送信時に複数のデータを時間分割し、該複数のデータを１つの波長成分からなる信号光に乗せて伝搬させ、受信時に該複数のデータの時間分割状態を元に戻すことによって、大容量の光通信を実現する。
【０００３】
図９は、シリアル方式の光通信システムにおいて信号光を受信する、従来の光受信装置の構成を示すブロック図である。この従来の光受信装置１００では、光ファイバ１０６からの信号光Ｌ１をフォトダイオード１０１において電気信号Ｓに変換した後、電気信号Ｓをプリアンプ１０２及びメインアンプ１０３により増幅する。そして、増幅された電気信号ＳをＣＤＲ（Clock and Data Recovery）モジュール１０４が取り込む。ＣＤＲモジュール１０４は電気信号Ｓに基づいて伝送レートに応じたクロックＣＬを生成し、クロックＣＬをデマルチプレクサ１０５へ提供する。デマルチプレクサ１０５は、電気信号Ｓを取り込み、クロックＣＬに基づいて電気信号Ｓからパラレル信号Ｄを生成する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
図９に示したような従来の光受信装置では、電気信号のシリアル−パラレル変換のためにデマルチプレクサが一般的に用いられている。しかしながら、デマルチプレクサのように回路規模が比較的大きなロジックＩＣの高速化は、困難を伴うことが多い。近年の伝送レートの高速化に伴い、光受信装置においても高速なシリアル信号光を受信できるものが求められているが、デマルチプレクサのように高速化が困難なロジックＩＣを光受信装置が搭載していると、光受信装置の高速化が制限されることとなる。
【０００５】
本発明は、上記の問題点を鑑みてなされたものであり、デマルチプレクサを用いる必要がなく、高速なシリアル信号光を受信可能な光受信デバイス及び光受信装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記した課題を解決するために、本発明による光受信デバイスは、シリアル信号を含む信号光が一端から入射される第１の導波路と、信号光を電気的なパラレル信号に変換する複数の受光部と、第１の導波路と複数の受光部とを互いに光学的に結合する複数の光結合部とを備え、光結合部が、第１の導波路において光導波方向に所定の間隔で配置されていることを特徴とする。
【０００７】
上記した光受信デバイスに入射した信号光は、第１の導波路内部を伝搬する。このとき、例えば信号光の伝送レートをｘ（ｂｐｓ）とすると、信号光に含まれるシリアル信号の各ビットの中心同士の間隔は一定値ｃ／ｎｘ（ｍ）となる（ｃ：真空中の光速（ｍ／ｓ）、ｎ：媒質の屈折率）。従って、シリアル信号の各ビットが、所定の間隔で配置された複数の光結合部においてそれぞれ分岐され、複数の受光部へそれぞれほぼ同時に入射することとなる。そして、複数の受光部のそれぞれにおいてシリアル信号の各ビットが電気的なパラレル信号として取り出される。従って、上記した光受信デバイスによれば、デマルチプレクサを備えずに済むので高速なシリアル信号光を受信することが可能となる。
【０００８】
また、光受信デバイスは、第１導電型の半導体基板と、半導体基板の裏面上に形成された第１の電極とをさらに備え、第１の導波路が、半導体基板の主面上に設けられた光導波路層と、光導波路層上に設けられた第１導電型のバリア層とを有しており、複数の受光部のそれぞれが、バリア層上に設けられた受光層と、受光層上に設けられた第２導電型のクラッド層と、クラッド層上に設けられた第２の電極とを有しており、複数の光結合部のそれぞれが、受光部の受光層と第１の導波路の光導波路層とがバリア層を介して互いに対向することにより構成されていることを特徴としてもよい。
【０００９】
或いは、光受信デバイスは、第１の導波路が主面上に設けられており、第１の導波路に沿って設けられた複数の方向性結合領域、及び複数の方向性結合領域に対応して設けられた複数の受光領域を主面上に有する第１導電型の半導体基板と、半導体基板の裏面上に設けられた電極と、半導体基板の主面上に設けられ、複数の方向性結合領域から複数の受光領域へそれぞれ延びる複数の第２の導波路とをさらに備え、複数の光結合部のそれぞれが、半導体基板の方向性結合領域において第１の導波路及び第２の導波路によって構成された方向性結合器であり、複数の受光部が、受光領域において第２の導波路上に設けられた第２導電型の受光用クラッド層と、受光用クラッド層上に設けられた受光用電極とをそれぞれ有することを特徴としてもよい。
【００１０】
上記したいずれかの光受信デバイスによれば、第１の導波路、受光部、及び光結合部を好適に構成することができる。
【００１１】
また、光受信デバイスは、複数の光結合部が、複数の方向性結合領域において第１の導波路上及び第２の導波路上にそれぞれ設けられた第２導電型の結合器用クラッド層と、結合器用クラッド層上に設けられた結合器用電極とをそれぞれ有することを特徴としてもよい。半導体基板の裏面に設けられた電極と結合器用電極との間に電圧を印加すると、電気光学効果によって第１の導波路及び第２の導波路の屈折率がそれぞれ変化するので、第１の導波路と第２の導波路との光結合状態が変化する。従って、この光受信デバイスによれば、第１の導波路から第２の導波路への信号光の分岐比を制御することが可能となる。
【００１２】
また、光受信デバイスは、第１の導波路の他端に光学的に結合された光増幅部をさらに備えることを特徴としてもよい。この光受信デバイスによれば、複数の光結合部を通過した信号光を光増幅部によって増幅することにより、光受信デバイスの後段で該信号光を好適に利用することができる。さらに、光増幅部をＯＮ／ＯＦＦ制御することにより、光受信デバイスの後段への信号光をスイッチングすることができる。従って、例えば受光部における検出結果に基づいて光増幅部をＯＮ／ＯＦＦ制御することにより、ストリーミングデータから特定のパケットを選別すること等が可能となる。
【００１３】
また、光受信デバイスは、信号光が、ＮＲＺ符号により所定の伝送レートで変調されており、前記所定の間隔が、信号光の伝送レートに基づいていることを特徴としてもよい。前述したように、シリアル信号の各ビットの中心同士の間隔はｃ／ｎｘ（ｍ）となり、伝送レートｘに依存する。従って、光結合部の間隔が信号光の伝送レートｘに基づくことによって、シリアル信号の各ビットの位置と複数の光結合部それぞれの位置とを良好に合致させることができる。また、信号光がＮＲＺ符号により符号化されていることによって、シリアル信号の各ビットの状態を受光部においてより正確に検出することができる。よって、この光受信デバイスによれば、高速なシリアル信号光をより正確に受信することが可能となる。
【００１４】
また、本発明による光受信装置は、上記した光受信デバイスと、光受信デバイスの第１の導波路の他端に光学的に結合された光増幅器とを備えることを特徴とする。この光受信装置によれば、複数の光結合部を通過した信号光を光増幅器によって増幅することにより、光受信デバイスの後段で該信号光を好適に利用することができる。さらに、光増幅器をＯＮ／ＯＦＦ制御することにより、光受信デバイスの後段への信号光をスイッチングすることができる。従って、例えば光受信デバイスにおける検出結果に基づいて光増幅器をＯＮ／ＯＦＦ制御することにより、ストリーミングデータから特定のパケットを選別すること等が可能となる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明による光受信デバイス及び光受信装置によれば、シリアル−パラレル変換のためにデマルチプレクサを用いる必要がなく、高速なシリアル信号光を受信することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、添付図面を参照しながら本発明による光受信デバイス及び光受信装置の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１７】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明による光受信デバイスを備える光受信装置の第１実施形態を示すブロック図である。図１を参照すると、この光受信装置６は、光受信デバイス１と、複数（本実施形態では８個）のＤ型フリップフロップ（以下、ＤＦＦという）５１ａ〜５１ｈと、光ファイバ５３及び５９と、光カプラ５７と、フォトダイオード６１といった受光素子と、プリアンプ６３と、メインアンプ６５と、ＣＤＲモジュール６７と、分周器６９とを備えている。
【００１８】
光受信デバイス１は、シリアル信号を含んで光ファイバ５５を伝搬した信号光Ｂ（Ｂ２）を電気的なパラレル信号に変換するための手段である。光受信デバイス１は複数（本実施形態では８個）のフォトダイオード１７ａ〜１７ｈといった受光部を備えている。光受信デバイス１内のフォトダイオードの個数は、信号光Ｂ（Ｂ２）に含まれるシリアル信号の１フレームに含まれるビット数に応じて定められている。また、光受信デバイス１に入射する信号光Ｂ（Ｂ２）は、ＮＲＺ符号により符号化されていることが好ましい。
【００１９】
図２は、本実施形態による光受信デバイス１が備える、半導体基板３を示す斜視図である。図３は、本実施形態による光受信デバイス１の平面図である。図４（ａ）は、図３に示した光受信デバイス１のＩ−Ｉ断面を示す断面図である。図５は、図３に示した光受信デバイス１のII−II断面を示す断面図である。半導体基板３は、例えばｎ型ＩｎＰといったｎ型半導体からなる。図２を参照すると、半導体基板３は主面３０を有する。主面３０は、第１の領域３０ａ、第２の領域３０ｂ、及び第３の領域３０ｃを有する。第１の領域３０ａ、第２の領域３０ｂ、及び第３の領域３０ｃは、それぞれ信号光Ｂ２の光軸方向に延びており、該光軸方向と交差する方向に順に配列されている。
【００２０】
また、図３〜図５を参照すると、光受信デバイス１は、バッファ層１２と、導波路２４とを備えている。バッファ層１２は、例えばｎ型ＩｎＰといったｎ型半導体からなる。バッファ層１２は、半導体基板３の主面３０上の全面に設けられる。導波路２４は、本実施形態における第１の導波路である。導波路２４の一端は光ファイバ５３に光学的に結合されており、導波路２４は、光ファイバ５３を伝搬した信号光Ｂ２を受ける構成となっている。導波路２４は、光導波路層５及びバリア層７を有している。光導波路層５は、例えば１．３μｍ帯〜１．５５μｍ帯の波長の光を導波できるｎ型半導体からなる。また、光導波路層５の材料としては、その屈折率がバッファ層１２及びバリア層７の屈折率よりも大きい材料が用いられる。光導波路層５の材料としては、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰが例示される。光導波路層５は、バッファ層１２上であり且つ半導体基板３の主面３０における第２の領域３０ｂ上に設けられている。光導波路層５においては、主面３０の第２の領域３０ｂが延びる方向が光導波方向となる。バリア層７は、例えばｎ型ＩｎＰといったｎ型半導体からなる。バリア層７は、光導波路層５上に設けられる。
【００２１】
また、光受信デバイス１が備えるフォトダイオード１７ａ〜１７ｈは、導波路２４のバリア層７上に設けられる。フォトダイオード１７ａ〜１７ｈは、導波路２４上において、光導波方向に所定の間隔（本実施形態では、一定のピッチΔＬ）をおいて配置されている。フォトダイオード１７ａ〜１７ｈのそれぞれは、受光層８ａ〜８ｈ、クラッド層１０ａ〜１０ｈ、コンタクト層１９ａ〜１９ｈ、及びアノード電極１４ａ〜１４ｈを備えている。受光層８ａ〜８ｈは、例えばＩｎＧａＡｓといった半導体からなり、バリア層７上に設けられている。クラッド層１０ａ〜１０ｈは、例えばｐ型ＩｎＰといったｐ型半導体からなり、受光層８ａ〜８ｈ上に設けられている。コンタクト層１９ａ〜１９ｈは、例えばｐ型ＩｎＰといったｐ型半導体に亜鉛が拡散された半導体材料からなり、クラッド層１０ａ〜１０ｈ上に設けられている。アノード電極１４ａ〜１４ｈは、本実施形態における第２の電極であり、コンタクト層１９ａ〜１９ｈ上に形成されている。また、フォトダイオード１７ａ〜１７ｈのカソード電極２０は、半導体基板３の裏面上に形成されている。
【００２２】
ここで、フォトダイオード１７ａ〜１７ｈの受光層８ａ〜８ｈにおけるバリア層７との接触面と、導波路２４の光導波路層５におけるバリア層７との接触面とは、バリア層７を介して互いに対向している。本実施形態では、受光層８ａ〜８ｈと光導波路層５とが互いに対向することによって、光導波路層５と受光層８ａ〜８ｈとを光学的に結合する光結合部２６ａ〜２６ｈが構成されている。この光結合部２６ａ〜２６ｈは、導波路２４において光導波方向に所定の間隔（本実施形態では、一定のピッチΔＬ）をおいて配置される。
【００２３】
本実施形態において、ピッチΔＬは、信号光Ｂ（Ｂ２）の伝送レートｘ（ｂｐｓ）、真空中の光速ｃ（ｍ／ｓ）、及び光導波路層５の屈折率ｎを用いて、ΔＬ＝ｃ／ｎｘ（ｍ）となるように設定されている。具体的な数値を例示すると、伝送レートｘ＝４０（Ｇｂｐｓ）、真空中の光速ｃ＝２．９９８×１０８（ｍ／ｓ）、屈折率ｎ＝３．２とした場合、ΔＬ＝２．３４（ｍｍ）となる。また、フォトダイオード１７ａ〜１７ｈの個数は、信号光Ｂ（Ｂ２）に含まれるシリアル信号の１フレームに含まれるビット数に応じて定められている。光受信デバイス１ではフォトダイオード１７ａ〜１７ｈが８個並んで設けられているので、ΔＬ＝２．３４（ｍｍ）の場合、光受信デバイス１の長手方向の全長Ｌは２．３４×８＝１８．７２（ｍｍ）程度となり、Ｌ≦２０（ｍｍ）の範囲で実現される。
【００２４】
また、光受信デバイス１は、絶縁層２８及び絶縁膜２２をさらに備えている。絶縁層２８の材料としては、例えばＦｅがドープされたＩｎＰや樹脂など、絶縁性を有する様々な材料を用いることができる。絶縁層２８の一部は、導波路２４上（すなわちバリア層７上）において、複数のフォトダイオード１７ａ〜１７ｈの隙間を埋めるように設けられている。また、絶縁層２８の他の部分は、バッファ層１２上であり且つ半導体基板３の主面３０の第１の領域３０ａ上及び第３の領域３０ｃ上に設けられている。絶縁層２８の主面３０からの高さは、フォトダイオード１７ａ〜１７ｈのコンタクト層１９ａ〜１９ｈの主面３０からの高さとほぼ同じである。また、絶縁膜２２は、絶縁層２８上に設けられている。
【００２５】
図３を参照すると、光受信デバイス１は、電極パッド１５ａ〜１５ｈ及び配線１６ａ〜１６ｈをさらに備えている。電極パッド１５ａ〜１５ｈは、アノード電極１４ａ〜１４ｈに対応して絶縁膜２２上に並んで設けられている。アノード電極１４ａ〜１４ｈと電極パッド１５ａ〜１５ｈとは、絶縁膜２２上に形成された配線１６ａ〜１６ｈによってそれぞれ互いに電気的に接続されている。また、電極パッド１５ａ〜１５ｈは、それぞれ図１に示したＤＦＦ５１ａ〜５１ｈにボンディングワイヤ等を用いて電気的に接続されており、フォトダイオード１７ａ〜１７ｈによって生成された受信信号Ｓ１がそれぞれ電極パッド１５ａ〜１５ｈを介してＤＦＦ５１ａ〜５１ｈへ送られる。なお、カソード電極２０についても、図示しない電気的接続手段が設けられている。
【００２６】
再び図１を参照すると、光カプラ５７は、光受信装置６の外部から信号光Ｂを伝搬する光ファイバ５５、光受信装置６内部の光ファイバ５３及び５９と光学的に結合されている。光カプラ５７は、光ファイバ５５から受けた信号光Ｂを信号光Ｂ１と信号光Ｂ２とに分波し、信号光Ｂ１を光ファイバ５９へ、信号光Ｂ２を光ファイバ５３へ、それぞれ提供する機能を備えている。
【００２７】
フォトダイオード６１は、光ファイバ５９と光学的に結合されており、光ファイバ５９からの信号光Ｂ１を電気的な受信信号Ｓ３に変換する機能を備えている。フォトダイオード６１の一方の電極はＧＮＤ端子といった基準電位線に電気的に接続されており、他方の電極はプリアンプ６３に電気的に接続されている。
【００２８】
プリアンプ６３及びメインアンプ６５は、フォトダイオード６１により生成された受信信号Ｓ３を増幅するための増幅器である。プリアンプ６３及びメインアンプ６５は、その出力がＣＤＲモジュール６７に電気的に接続されており、増幅された受信信号Ｓ３をＣＤＲモジュール６７へ提供する。
【００２９】
ＣＤＲモジュール６７は、受信信号Ｓ３に基づいて伝送レートに応じたクロック信号を生成するための手段である。ＣＤＲモジュール６７は、受信信号Ｓ３に基づいて伝送レートに応じたクロックＣＬ１を生成する。ＣＤＲモジュール６７は、その出力が分周器６９に電気的に接続されており、クロックＣＬ１を分周器６９へ提供する。
【００３０】
分周器６９は、ＣＤＲモジュール６７からのクロックＣＬ１を１フレームあたりのビット数に基づいて分周し、クロックＣＬ２を生成するための手段である。例えば、本実施形態では信号光Ｂの１フレームあたりのビット数は８なので、分周器６９は、クロックＣＬ１を１／８に分周する。分周器６９は、生成したクロックＣＬ２を複数のＤＦＦ５１ａ〜５１ｈへ提供する。
【００３１】
ＤＦＦ５１ａ〜５１ｈは、光受信デバイス１の各フォトダイオード１７ａ〜１７ｈにおいて生成された受信信号Ｓ１を、分周器６９からのクロックＣＬ２のタイミングでラッチするための手段である。ＤＦＦ５１ａ〜５１ｈにおいて、クロックＣＬ２のタイミングで受信信号Ｓ１がラッチされることによって、パラレル信号である受信信号Ｓ２が生成される。ＤＦＦ５１ａ〜５１ｈは、光受信装置６外部に設けられる図示しない信号処理装置に電気的に接続されており、生成した受信信号Ｓ２を該信号処理装置へ提供する。
【００３２】
なお、光ファイバ５３は、上記したフォトダイオード６１、プリアンプ６３、メインアンプ６５、ＣＤＲモジュール６７、及び分周器６９の動作に要する時間だけ光受信デバイス１への信号光Ｂ２の入射を遅らせるために、所定長さの遅延部分５３ａを備えている。
【００３３】
以上の構成を有する本実施形態の光受信装置６について、その動作を以下に説明する。まず、光受信装置６の外部から光ファイバ５５を介して信号光Ｂが送られる。このとき、信号光Ｂには８ビット／フレームのデータがシリアル信号として含まれている。信号光Ｂは、光カプラ５７によって信号光Ｂ１と信号光Ｂ２とに分波され、信号光Ｂ１は光ファイバ５９を介してフォトダイオード６１へ、信号光Ｂ２は光ファイバ５３を介して光受信デバイス１へ、それぞれ送られる。
【００３４】
信号光Ｂ１は、フォトダイオード６１によって受信信号Ｓ３に変換され、受信信号Ｓ３がプリアンプ６３及びメインアンプ６５を介してＣＤＲモジュール６７へ送られる。ＣＤＲモジュール６７では、受信信号Ｓ３に基づいてクロックＣＬ１が生成され、クロックＣＬ１が分周器６９へ送られる。分周器６９では、クロックＣＬ１を例えば１／８に分周したクロックＣＬ２が生成され、クロックＣＬ２がＤＦＦ５１ａ〜５１ｈへ送られる。
【００３５】
一方、信号光Ｂ２は、光受信デバイス１の導波路２４の一端へ入射する。そして、信号光Ｂ２は、光結合部２６ａ〜２６ｈのそれぞれによって分岐され、分岐された信号光Ｂ２がそれぞれフォトダイオード１７ａ〜１７ｈの受光層８ａ〜８ｈに入射する。
【００３６】
ここで、図４（ｂ）は、或る瞬間における信号光Ｂ２の状態を示す図である。信号光Ｂ２には、前述したように、１つのフレーム２９につき、８つのビット２７ａ〜２７ｈが含まれており、信号光Ｂ２の光強度はそのビット内容に応じて変調されている。なお、図４（ｂ）では、説明のためすべてのビットが１となる状態を示している。このとき、信号光Ｂ２が伝送レートｘ（ｂｐｓ）で変調されていると、各ビットの時間的な間隔ΔｔはΔｔ＝１／ｘ（ｓ）となる。一方、光導波路層５を進行中の信号光Ｂ２の光速ｃ’は、ｃ’＝ｃ／ｎ（ｍ／ｓ）となる（ｃ：真空中の光速、ｎ：光導波路層５の屈折率）。従って、光導波路層５を進行中の信号光Ｂ２に含まれる各ビット２７ａ〜２７ｈ間の距離は、ｃ’・Δｔ＝ｃ／ｎｘ（ｍ）となる。本実施形態の光受信デバイス１では、光結合部２６ａ〜２６ｈのピッチ（すなわち、フォトダイオード１７ａ〜１７ｈのピッチ）ΔＬをΔＬ＝ｃ／ｎｘとしているので、各ビット２７ａ〜２７ｈとフォトダイオード１７ａ〜１７ｈとの相対位置が、それぞれ或る瞬間において互いにほぼ一致することとなる。従って、適切なタイミングで分周器６９からクロックＣＬ２がＤＦＦ５１ａ〜５１ｈへ提供されることにより、フォトダイオード１７ａ〜１７ｈが各ビット２７ａ〜２７ｈを受信することにより生成された受信信号Ｓ１が、ＤＦＦ５１ａ〜５１ｈを介して、１フレーム分のパラレル信号である受信信号Ｓ２として取り出される。
【００３７】
こうして生成された受信信号Ｓ２は、光受信装置６の外部に設けられた信号処理装置へ送られる。
【００３８】
本実施形態の光受信デバイス１は、以下の効果を有する。すなわち、光受信デバイス１によれば、一定のピッチΔＬをおいて設けられた複数の光結合部２６ａ〜２６ｈを介してフォトダイオード１７ａ〜１７ｈが信号光Ｂ２を受光し、シリアル信号の各ビット２７ａ〜２７ｈがそれぞれほぼ同時に取り出されるので、パラレル信号である受信信号Ｓ２をデマルチプレクサを介さずに生成することができる。従って、本実施形態による光受信デバイス１によれば、デマルチプレクサを備えずに済むので高速なシリアル信号光を受信することが可能となる。
【００３９】
また、本実施形態の光受信デバイス１では、信号光Ｂが所定の伝送レートｘで伝搬されており、一定のピッチΔＬが信号光Ｂの伝送レートｘに基づいて設けられている。これによって、シリアル信号の各ビット２７ａ〜２７ｈの位置と複数の光結合部２６ａ〜２６ｈの位置とをそれぞれ良好に合致させることができる。また、本実施形態の光受信デバイス１では、信号光ＢがＮＲＺ符号により符号化されている。これによって、シリアル信号の各ビット２７ａ〜２７ｈの状態をフォトダイオード１７ａ〜１７ｈにおいてより正確に検出することができる。以上より、本実施形態の光受信デバイス１によれば、高速なシリアル信号光をより正確に受信することが可能となる。
【００４０】
（第２の実施の形態）
次に、本発明による光受信デバイスの第２実施形態について説明する。図６は、本実施形態による光受信デバイスの一部を示す平面図である。また、図７は、図６に示した光受信デバイス２のII−II断面を示す断面図である。また、図８は、図６に示した光受信デバイス２のIII−III断面を示す断面図である。なお、本実施形態による光受信デバイス２は、上記した第１実施形態の光受信デバイス１に代えて用いられるものである。
【００４１】
図６〜図８を参照すると、光受信デバイス２は、基板３１、カソード電極４１、導波路層１１、導波路層１３、方向性結合器１８、及びフォトダイオード２３を備えている。基板３１は、例えばｎ型ＩｎＰ半導体からなり、主面３１ｃを有している。基板３１の材料としては、半導体のほかにも、例えばガラス基板や石英系プレーナ光波回路（ＰＬＣ、Planar Lightwave Circuit）用の基板を用いることもできる。また、基板３１は、主面３１ｃ上に複数の方向性結合領域３１ａ及び複数の受光領域３１ｂを有している。複数の方向性結合領域３１ａは、導波路層１１に沿って設けられている。また、複数の受光領域３１ｂは、複数の方向性結合領域３１ａに対応して設けられている。方向性結合領域３１ａ及び受光領域３１ｂの個数は、第１実施形態の光結合部２６ａ〜２６ｈ及びフォトダイオード１７ａ〜１７ｈと同様に、信号光Ｂ２に含まれるシリアル信号の１フレームに含まれるビット数に応じて決定される。本実施形態では、方向性結合領域３１ａ、受光領域３１ｂともに８つずつ設けられている（このうち、図８では一部を拡大して図示している）。また、カソード電極４１は、基板３１の裏面３１ｄ上に設けられている。
【００４２】
導波路層１１は、本実施形態における第１の導波路である。導波路層１１は、信号光Ｂ２の波長に対して透明な材料、例えばＩｎＧａＡｓとＩｎＧａＡｓＰとからなる多重量子井戸構造を有しており、基板３１の主面３１ｃ上に帯状に設けられている。また、導波路層１１は、複数の方向性結合領域３１ａのそれぞれに亘って設けられている。すなわち、導波路層１１は、基板３１の主面３１ｃ上において複数の方向性結合領域３１ａそれぞれの上を通るように設けられている。このとき、各方向性結合領域３１ａ間における導波路層１１の長さは、互いに略等しいことが好ましい。導波路層１１の一端は、例えば第１実施形態の光ファイバ５３に光学的に結合される。
【００４３】
導波路層１３は、本実施形態における第２の導波路である。導波路層１３は、導波路層１１と同様に、信号光Ｂ３の波長に対して透明な材料、例えばＩｎＧａＡｓとＩｎＧａＡｓＰとからなる多重量子井戸構造を有している。導波路層１３は、基板３１の主面３１ｃ上に、複数の方向性結合領域３１ａに対応して複数形成されている。複数の方向性結合領域３１ａのそれぞれにおいて、導波路層１３が導波路層１１に沿って設けられることにより、複数の方向性結合器１８を構成している。方向性結合器１８は、本実施形態における光結合部である。複数の方向性結合器１８同士の間隔は、ピッチΔＬ（＝ｃ／ｎｘ）で一定となっている（ｃ：真空中の光速（ｍ／ｓ）、ｎ：導波路層１１の屈折率、ｘ：伝送レート（ｂｐｓ））。また、複数の導波路層１３は、対応する複数の受光領域３１ｂそれぞれへ延びるように帯状に形成されている。複数の導波路層１３の長さは、互いに略等しいことが好ましい。
【００４４】
方向性結合器１８は、さらに次の構成を有することが好ましい。図７は、本実施形態の方向性結合器１８の断面を示す断面図である。図７を参照すると、方向性結合器１８は、中間層３３、クラッド層４３ａ及び４３ｂ、コンタクト層４５ａ及び４５ｂ、並びにアノード電極４７ａ及び４７ｂを備えている。中間層３３は、例えばＩｎＰ半導体からなり、方向性結合領域３１ａにおいて導波路層１１及び導波路層１３を覆うように基板３１の主面３１ｃ上に形成されている。また、クラッド層４３ａ及び４３ｂは、本実施形態における結合器用クラッド層であり、例えばｐ型ＩｎＰ半導体からなる。クラッド層４３ａは、方向性結合領域３１ａにおいて中間層３３上且つ導波路層１１上に形成されている。また、クラッド層４３ｂは、方向性結合領域３１ａにおいて中間層３３上且つ導波路層１３上に形成されている。
【００４５】
コンタクト層４５ａ及び４５ｂは、例えば高濃度のｐ型ＩｎＧａＡｓ半導体からなる。コンタクト層４５ａ及び４５ｂは、それぞれクラッド層４３ａ上及び４３ｂ上に形成されている。アノード電極４７ａ及び４７ｂは、本実施形態における結合器用電極であり、それぞれコンタクト層４５ａ上及び４５ｂ上（すなわちクラッド層４３ａ上及び４３ｂ上）に形成されている。
【００４６】
再び図６を参照すると、光受信デバイス２は、電極パッド２１ａ及び２１ｂをそれぞれ複数備えている。電極パッド２１ａ及び２１ｂは、方向性結合器１８に所定電圧を印加するための電極である。電極パッド２１ａ及び２１ｂは、複数の方向性結合領域３１ａに対応して基板３１の主面３１ｃ上に設けられている。電極パッド２１ａ及び２１ｂは、それぞれボンディングワイヤ２５ａ及び２５ｂ等を介して方向性結合器１８のアノード電極４７ａ及び４７ｂに電気的に接続されている。また、電極パッド２１ａ及び２１ｂは、光受信デバイス２の外部に設けられる図示しない結合制御回路に電気的に接続される。
【００４７】
フォトダイオード２３は、本実施形態における受光部である。フォトダイオード２３は、基板３１の主面３１ｃにおける受光領域３１ｂに形成されている。図８は、フォトダイオード２３の断面を示す断面図である。図８を参照すると、フォトダイオード２３は、中間層３４、クラッド層３５、コンタクト層３７、及びアノード電極３９を備えている。中間層３４は、例えばＩｎＰ半導体からなり、受光領域３１ｂにおいて導波路層１３上に形成されている。なお、フォトダイオード２３においては中間層３４が設けられることが好ましいが、中間層３４を省略することもできる。クラッド層３５は、本実施形態における受光用クラッド層であり、例えばｐ型ＩｎＰ半導体からなり、受光領域３１ｂにおいて中間層３４上（すなわち導波路層１３上）に形成されている。コンタクト層３７は、例えば高濃度のｐ型ＩｎＧａＡｓ半導体からなり、クラッド層３５上に形成されている。アノード電極３９は、本実施形態における受光用電極であり、コンタクト層３７上（すなわちクラッド層３５上）に形成されている。アノード電極３９は、例えば第１実施形態のＤＦＦ５１ａ〜５１ｈ（図１参照）といった回路に電気的に接続される。フォトダイオード２３においては、上記した構成によって、導波路層１３内の信号光Ｂ３を検出するＰＩＮフォトダイオードが構成される。
【００４８】
ここで、導波路層１３のうち受光領域３１ｂ上に相当する部分は、他の部分よりもバンドギャップが小さくなるように形成されていることが好ましい。導波路層１３のこのような構成は、例えば導波路層１３に含まれる井戸層と障壁層とにおける厚み及び組成のうち少なくとも一方を、受光領域３１ｂ上に相当する部分において他の部分とは異なるように形成することによって実現される。すなわち、導波路層１３の受光領域３１ｂ上に相当する部分において選択的に井戸層及び障壁層を成長させることにより、多重量子井戸構造における井戸層及び障壁層の厚み及び組成を、導波路層１３の他の部分よりもバンドギャップが小さくなるように形成するとよい。これによって、フォトダイオード２３において信号光Ｂ３を好適に検出することができる。また、複数の導波路層１３の長さは、互いに略等しいことが好ましい。
【００４９】
続いて、本実施形態による光受信デバイス２の動作について説明する。ただし、光受信デバイス２の周辺回路及び受信する信号光はそれぞれ第１実施形態の光受信装置６及び信号光Ｂ２と同様なので、該周辺回路の動作及び信号光に関する説明を省略する。
【００５０】
まず、光受信デバイス２に信号光Ｂ２が入射されると、信号光Ｂ２は導波路層１１を伝搬する。続いて、電極パッド２１ａ及び２１ｂ（すなわちアノード電極４７ａ及び４７ｂ）とカソード電極４１との間に所定電圧が印加され、方向性結合領域３１ａにおける導波路層１１及び導波路層１３に電界が形成される。方向性結合領域３１ａにおける導波路層１１及び導波路層１３は前述したように多重量子井戸構造を有しているので、導波路層１１に電界が形成されると、多重量子井戸構造に起因する電気光学効果によって導波路層１１の屈折率が変化する。これにより、導波路層１１と導波路層１３との光結合状態が変化し、方向性結合器１８において信号光Ｂ２が分岐される。なお、このとき、電極パッド２１ａ及び２１ｂに印加する所定電圧は、導波路層１１の一端から遠い方向性結合器１８ほど結合効率が増加するように印加することが好ましい。これにより、信号光Ｂ２が複数の方向性結合器１８によって分岐されることにより信号光Ｂ２の強度が次第に弱まるのを補正し、複数のフォトダイオード２３のそれぞれにおける受光強度を略等しくすることができる。
【００５１】
導波路層１１を伝搬した信号光Ｂ２は、上記したように複数の方向性結合器１８において分岐される。信号光Ｂ２から分岐された信号光Ｂ３は、それぞれ導波路層１３を伝搬して複数のフォトダイオード２３に入射する。ここで、フォトダイオード２３のアノード電極３９とカソード電極４１との間には所定のバイアス電圧が印加されており、導波路層１３内の信号光Ｂ３はフォトダイオード２３において電気的な受信信号Ｓ１（図１参照）に変換される。
【００５２】
複数のフォトダイオード２３において生成された受信信号Ｓ１は、ＤＦＦ５１ａ〜５１ｈによって、クロックＣＬ２に示されるタイミングで同時にラッチされる。本実施形態では、方向性結合領域３１ａ同士のピッチを第１実施形態と同様にΔＬとしているので、信号光Ｂ３（Ｂ２）に含まれるシリアル信号の１フレームに含まれる各ビットが各方向性結合領域３１ａにおいてほぼ同時に分岐してフォトダイオード２３において検出され、ＤＦＦ５１ａ〜５１ｈにおいてラッチされる。こうして、１フレーム分のパラレル信号である受信信号Ｓ２が取り出される。
【００５３】
本実施形態による光受信デバイス２は、次の効果を有する。すなわち、本実施形態の光受信デバイス２では、方向性結合器１８が一定のピッチで設けられているので、シリアル信号の各ビットを示す光が複数のフォトダイオード２３においてそれぞれほぼ同時に受信信号Ｓ１に変換されてパラレルに取り出される。従って、本実施形態による光受信デバイス２によれば、デマルチプレクサを備えずに済むので高速なシリアル信号光を受信することが可能となる。
【００５４】
（第３の実施の形態）
続いて、本発明による光受信デバイスの第３実施形態を説明する。図９は、本実施形態の光受信デバイス４を備える光受信装置６ａを示すブロック図である。本実施形態による光受信装置６ａは、例えば信号光に含まれるストリーミングデータのなかから特定のパケットを選別するためのパケット選別器として用いられることができる。なお、図９においては、図１に示された光カプラ５７、光ファイバ５９、フォトダイオード６１、アンプ６３及び６５、ＣＤＲモジュール６７、並びに分周器６９の図示を省略している。
【００５５】
図９を参照すると、本実施形態の光受信デバイス４は、上記した第１実施形態の光受信デバイス１と比較して、半導体光増幅部７１といった光増幅部をさらに備えている。この半導体光増幅部７１は、光受信デバイス４の半導体基板の主面上に形成されており、導波路２４の他端、すなわち光ファイバ５３と結合される端とは反対側の端に光学的に結合されている。半導体光増幅部７１は、複数の光結合部２６ａ〜２６ｈ（図４参照）を通過した信号光Ｂ２を光増幅して信号光Ｂ４を生成し、光受信デバイス４の後段に設けられる図示しない他の光受信装置へ信号光Ｂ４を提供する。
【００５６】
また、本実施形態の光受信装置６ａは、第１実施形態の光受信装置６と比較して、スイッチ７３、電源端７５、及び演算回路７７をさらに備えている。スイッチ７３は、その一端が電源端７５に、他端が半導体光増幅部７１に、それぞれ電気的に接続されている。そして、スイッチ７３が接続状態になると、電源端７５から半導体光増幅部７１へ所定の電源電圧が供給される。また、スイッチ７３が非接続状態のときには、半導体光増幅部７１へは電源電圧が供給されない。このように、スイッチ７３によって半導体光増幅部７１がＯＮ／ＯＦＦ制御される。また、スイッチ７３は、演算回路７７と電気的に接続されており、スイッチ７３の接続状態／非接続状態の切替を演算回路７７からのスイッチ信号ＳＷに基づいて行う。
【００５７】
演算回路７７は、ＤＦＦ５１ａ〜５１ｈの出力と電気的に接続されており、ＤＦＦ５１ａ〜５１ｈから受信信号Ｓ２を受ける。そして、演算回路７７は、受信信号Ｓ２に基づいてスイッチ信号ＳＷを生成し、該スイッチ信号ＳＷをスイッチ７３へ送る。このとき、演算回路７７は、例えば受信信号Ｓ２が特定のパケットの開始を示すコードである場合に、スイッチ７３が接続状態となるようにスイッチ信号ＳＷを生成する。これにより、半導体光増幅部７１に電源電圧が供給され、信号光Ｂ２に含まれるストリーミングデータのうち特定パケットのデータのみを含む信号光が光増幅されて、光受信デバイス４の後段に設けられる光受信装置に該信号光が提供されることとなる。
【００５８】
本実施形態による光受信デバイス４によれば、光結合部２６ａ〜２６ｈを通過した信号光Ｂ２を半導体光増幅部７１によって光増幅することにより、光受信デバイス４の後段で信号光Ｂ２（Ｂ４）を好適に利用することができる。さらに、半導体光増幅部７１をＯＮ／ＯＦＦ制御することにより、光受信デバイス４の後段への信号光をスイッチングすることができる。従って、前述したようにフォトダイオード１７ａ〜１７ｈにおける検出結果に基づいて半導体光増幅部７１をＯＮ／ＯＦＦ制御することにより、信号光Ｂ２に含まれるストリーミングデータから特定のパケットを選別すること等が可能となる。また、この場合、本実施形態の光受信デバイス４はシリアル／パラレル変換にかかる時間を必要としないため、従来のパケット選別器と比較してより高速にパケットの選別が可能となる。
【００５９】
なお、本実施形態では光受信デバイス４として第１実施形態の光受信デバイス１に半導体光増幅部７１をさらに備える構成を説明したが、第２実施形態の光受信デバイス２に光増幅部をさらに備える構成としてもよい。この場合、光増幅部は導波路層１１（図６参照）の他端に光学的に結合される。
【００６０】
（第４の実施の形態）
続いて、本発明による光受信装置の第４実施形態を説明する。図１０は、本実施形態の光受信装置６ｂを示すブロック図である。本実施形態による光受信装置６ｂは、前述した第３実施形態による光受信装置６ａと同様の機能を備える。すなわち、本実施形態による光受信装置６ｂも、パケット選別器として用いられることができる。
【００６１】
光受信装置６ｂは、第１実施形態の光受信装置６と比較して、さらにスイッチ７３、電源端７５、演算回路７７、光ファイバ７９、及び光増幅器８１をさらに備えている。これらのうち、スイッチ７３、電源端７５、及び演算回路７７は、前述した第３実施形態と同様の構成を有している。
【００６２】
光ファイバ７９は、一端が光受信デバイス１の導波路２４の他端と光学的に結合されている。また、光ファイバ７９は、他端が光増幅器８１の入力と光学的に結合されている。光ファイバ７９は、導波路２４からの信号光Ｂ２が光ファイバ７９を通って光増幅器８１へ伝搬する際に所定時間の遅れを伴うように、所定の長さを有している。光増幅器８１は、スイッチ７３を介して電源端７５から所定の電源電圧を受けて、光ファイバ７９からの信号光Ｂ２を増幅して信号光Ｂ５を生成し、該信号光Ｂ５を光受信装置６ｂの後段に設けられる図示しない他の光受信装置へ提供する。このとき、演算回路７７がスイッチ７３の接続状態／非接続状態を制御することにより、光増幅器８１がＯＮ／ＯＦＦ制御される。
【００６３】
本実施形態による光受信装置６ｂによれば、前述した第３実施形態による光受信装置６ａと同様の効果が得られる。すなわち、信号光Ｂ２を光増幅器８１によって増幅することにより、光受信装置６ｂの後段で信号光を好適に利用することができる。さらに、光増幅器８１をＯＮ／ＯＦＦ制御することにより、光受信装置６ｂの後段への信号光Ｂ５をスイッチングすることができる。これにより、ストリーミングデータから特定のパケットを選別すること等が可能となる。
【００６４】
また、本実施形態による光受信装置６ｂは光ファイバ７９を備えているので、信号光Ｂ２が光増幅器８１に到達するのを遅らせることができる。従って、演算回路７７における演算時間が比較的長い場合に、信号光Ｂ２に含まれる特定のパケットに対して適切なタイミングで光増幅器８１を制御することができる。
【００６５】
なお、本実施形態の光受信装置６ｂは第１実施形態の光受信デバイス１を備えているが、光受信デバイス１に代えて第２実施形態の光受信デバイス２を備える構成としてもよい。この場合、光ファイバ７９は導波路層１１（図６参照）の他端に光学的に結合される。
【００６６】
本発明による光受信デバイス及び光受信装置は、上記した各実施形態に限られるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、上記した各実施形態では、信号光の１フレームに含まれるビット数を８ビットとし、光結合部及び受光部をビット数にあわせてそれぞれ８つ備えている。信号光の１フレームに含まれるビット数、光結合部及び受光部の数はこれに限られない。例えば、信号光の伝送レートを１６０Ｇｂｐｓとし、１フレームに含まれるビット数を３２ビットとすることも可能である。この場合、光結合部のピッチは０．５８５（ｍｍ）となり、光受信デバイスの全長は上記した各実施形態と同じ（１８．７２（ｍｍ））となるので、実用的なサイズでより高速な信号光を受信可能な光受信デバイスを提供できる。
【００６７】
また、上記した各実施形態では、光結合部同士のピッチΔＬを一定としているが、光結合部間の光学的距離に基づいて光結合部同士のピッチを設定してもよい。すなわち、第１の導波路の屈折率が光導波方向に変化しているような場合、各光結合部間の信号光伝搬時間が一定となるように、各光結合部同士のピッチを設定するとよい。これによって、受光部においてシリアル信号の各ビットをより精度良く検出することができる。
【００６８】
また、光受信装置におけるＣＤＲモジュール及び分周器を、電気的な信号を扱うのではなくモードロックレーザー等を利用して信号光を直接扱える構成にすれば、信号光の伝送レートがさらに高い場合においてもＤＦＦに提供するクロックを好適に生成することができる。
【００６９】
また、上記した各実施形態では、光結合部同士の間隔を一定のピッチΔＬとしているが、光結合部同士の間隔はこれに限られるものではない。例えば、１つのフレームに含まれる複数のビットのうち、特定のビットのみを取得するために該特定のビットに対応する光結合部のみを配置してもよい。この場合、特定のビット同士のピッチは一定とは限らないので、光結合部同士の間隔も一定とは限らない。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】図１は、本発明による光受信デバイスを備える光受信装置の第１実施形態を示す平面図である。
【図２】図２は、本実施形態による光受信デバイスが備える、半導体基板を示す斜視図である。
【図３】図３は、本実施形態による光受信デバイスの平面図である。
【図４】図４（ａ）は、図３に示した光受信デバイスのＩ−Ｉ断面を示す断面図である。図４（ｂ）は、或る瞬間における信号光の状態を示す図である。
【図５】図５は、図３に示した光受信デバイスのII−II断面を示す断面図である。
【図６】図６は、第２実施形態による光受信デバイスの一部を示す平面図である。
【図７】図７は、図６に示した光受信デバイスのII−II断面を示す断面図である。
【図８】図８は、図６に示した光受信デバイスのIII−III断面を示す断面図である。
【図９】図９は、第３実施形態の光受信デバイスを備える光受信装置を示すブロック図である。
【図１０】図１０は、第４実施形態の光受信装置を示すブロック図である。
【図１１】図１１は、従来の光受信装置の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００７１】
１、２、４…光受信デバイス、３、３１…半導体基板、５…光導波路層、６、６ａ、６ｂ…光受信装置、７…バリア層、８ａ〜８ｈ…受光層、１１、１３…導波路層、１２…バッファ層、１７ａ〜１７ｈ、２３、６１…フォトダイオード、１８…方向性結合器、２４…導波路、２６ａ〜２６ｈ…光結合部、３０…主面、３０ａ…第１の領域、３０ｂ…第２の領域、３０ｃ…第３の領域、３１ａ…方向性結合領域、３１ｂ…受光領域、３３、３４…中間層、３５、４３ａ、４３ｂ…クラッド層、３７、４５ａ、４５ｂ…コンタクト層、５１ａ〜５１ｈ…ＤＦＦ、５３、５５、５９、７９…光ファイバ、５７…光カプラ、６３…プリアンプ、６５…メインアンプ、６７…ＣＤＲモジュール、６９…分周器、７１…半導体光増幅部、７３…スイッチ、７５…電源端、７７…演算回路、８１…光増幅器。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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