(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
バンドギャップ・エネルギーがＥ１の光導波路層とバンドギャップ・エネルギーがＥ２の光閉じ込め層とを有して入力光信号の信号強度を減衰させる光減衰素子領域と、光減衰素子領域の後段に配置された導波路型受光素子領域とを備える感度可変導波路型の半導体受光素子であって、
前記光減衰素子領域に逆バイアス電圧を印加した状態で前記入力光信号と前記受光素子領域の出力電流との関係が線形性を保持するように、光減衰素子領域では、光導波路層と光閉じ込め層間に、光導波路層と同じ元素で構成され、Ｅ１＜Ｅ３＜Ｅ２で規定されるＥ３のバンドギャップ・エネルギーを有する半導体中間層が形成されていることを特徴とする感度可変導波路型の半導体受光素子。
【請求項２】
前記半導体中間層のバンドギャップ・エネルギーＥ３が、前記光導波路層側から前記光閉じ込め層側に向かってＥ３ａ（Ｅ３ａ＞Ｅ１）からＥ３ｂ（Ｅ３ｂ＜Ｅ２）まで連続的に増大するように、前記半導体中間層が構成されていることを特徴とする請求項１に記載の感度可変導波路型の半導体受光素子。
【請求項３】
前記半導体中間層の層厚ｔが２ｎｍ≦ｔ＜５ｎｍの範囲にあることを特徴とする請求項１又は２に記載の感度可変導波路型の半導体受光素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、感度可変導波路型の半導体受光素子に関し、更に詳細には、大きな入力の光信号に対しても線形性の良好な出力信号を出力する、ダイナミックレンジの広い、光通信システムでの使用に最適な、感度可変導波路型の半導体受光素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光通信システムの光加入系モジュールの低価格化には、入射光強度に依存することなく一定の吸収光電流を得る、即ち大きな入力の光信号に対しても線形性の良好な出力信号を出力する受光素子を提供することが重要であって、その実現を目指して研究が進んでいる。そして、それを原理的に可能にする導波路型受光素子として、感度可変導波路型の半導体受光素子が提案されている。
感度可変導波路型の半導体受光素子は、導波路型受光素子領域と、その前段に配置された感度可変素子領域とから構成され、入力光信号の信号強度を減衰させる光減衰器を感度可変素子として採用した光減衰器集積導波路受光素子が提案されている。光減衰器領域は、電圧を印加することにより、光導波路層の光吸収を増大させ、受光素子領域で受光される光量を減衰させる機能を有する。
【０００３】
ここで、図６を参照して、従来の光減衰器集積導波路受光素子の基本的構成を説明する。従来の光減衰器集積導波路受光素子４０は、導波路型受光素子領域１２と、その前段に配置され、受光素子領域で受光される光量を減衰させる機能を有する光減衰器として形成された光減衰素子領域１４とから構成されている。
ｎ−ＩｎＰ基板１６上に順次に形成された、ＩｎＰ下部クラッド層１８、光導波路層２０、ＩｎＰ上部クラッド層２２、及びＧａＩｎＡｓコンタクト層２４から構成されている。
受光素子領域１２及び光減衰素子領域１４は、コンタクト層２４を分離し、上部クラッド層２２を段違いに形成して成るスリット状の切り欠き分離溝２６によりｐ電極側で電気的に分離され、それぞれの領域１２、１４のコンタクト層２４上にｐ電極２８ａ、２８ｂが形成されている。また、基板１６の裏面にはｎ電極３０が形成され、接地されている。
光減衰素子領域１４の光導波路層２０ｂは、受光素子領域１２の光導波路層２０ａよりも禁制帯幅が大きな半導体層により形成され、受光素子領域の動作波長に対する光吸収が無視できるほど小さい透明導波路として構成されている。
【０００４】
ところで、二種類の異種材料の半導体層を積層したヘテロ接合構造では、エネルギー的にはフェルミ準位が一致するように伝導帯及び価電子帯が曲がり、ヘテロ接合界面でバンド不連続が生じる。特に、ｐ型の価電子帯のバンド不連続は、スパイク形状になり、受光素子や光変調器では、光吸収により励起されたホールが、ヘテロ界面に蓄積されるようになる。この現象は、ホールのパイルアップとして、例えばD.Meglio, et.,al.,ＩＥＥＥＪ，Quantum-Electron, 31, pp．261-268 ，1995に報告されている。
これにより、感度可変領域の光導波路層に印加される電界が低下し、入力光信号に対する出力光信号には、非線形性が現れる。つまり、入射光強度が大きい場合、吸収係数が低下する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の感度可変導波路型の半導体受光素子、例えば光減衰器集積導波路受光素子では、感度可変領域として備えられた光減衰器は、光導波路層とクラッド層との間にヘテロ接合構造を有する。このために、ホールのパイルアップの影響が感度可変領域に現れることになり、入射光強度に対する出力光強度の線形性を維持することが困難になる。
そして、その結果、受光素子の歪み特性が劣化し、光加入系モジュールの低価格化に必要な感度可変導波路型の半導体受光素子を実現することが難しくなっている。
【０００６】
そこで、本発明は、ホールのパイルアップの影響を抑制して、入射光強度の線形性が良好で、広いダイナミックレンジを有し、低歪特性かつ低価格の光加入者系モジュール用受光素子の提供を行うことを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る感度可変導波路型の半導体受光素子は、バンドギャップ・エネルギーがＥ１の光導波路層とバンドギャップ・エネルギーがＥ２の光閉じ込め層とを有して入力光信号の信号強度を減衰させる光減衰素子領域と、光減衰素子領域の後段に配置された導波路型受光素子領域とを備える感度可変導波路型の半導体受光素子であって、
光減衰素子領域では、光導波路層と光閉じ込め層間に、光導波路層と同じ元素で構成され、Ｅ１＜Ｅ３＜Ｅ２で規定されるＥ３のバンドギャップ・エネルギーを有する少なくとも一層の半導体中間層が形成されていることを特徴としている。
【０００８】
本発明では、バンドギャップ・エネルギーが光導波路層と光閉じ込め層のそれぞれのバンドギャップ・エネルギーの大きさの中間にある半導体中間層を双方の間に介在させることにより、光導波路層と光閉じ込め層との間のバンド不連続を緩和して、ホールのパイルアップの影響を防ぎ、電圧印加時の非線形応答を抑制することにより、入射光強度に対す出力線形性が良好な広いダイナミックレンジと低歪特性を達成している。
本発明は、光導波路層の構成元素を問わず適用でき、例えばＧａＩｎＡｓＰ系、ＡｌＧａＡｓ系、ＡｌＧａＩｎＰ系、ＡｌＧａＩｎＮ系、ＡｌＧａＩｎＡｓＰＮ系などの元素系で構成した感度可変導波路受光素子に好適である。
また、半導体中間層によるバンド不連続の緩和作用をより効果的にするためには、半導体中間層のバンドギャップ・エネルギーＥ３が、Ｅ３ａ（Ｅ３ａ＞Ｅ１）からＥ３ｂ（Ｅ３ｂ＜Ｅ２）まで連続的に増大するように、半導体中間層が構成されているようにする。
半導体中間層の成膜は、既知の有機金属気層成長法、分子線エピタキシャル法、化学線エピタキシャル法等により行う。また、好適には、半導体中間層の層厚ｔはｔ≧２ｎｍである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下に、実施例を挙げ、添付図面を参照して、本発明の実施の形態を具体的かつ詳細に説明する。
実施例
本実施例は、本発明に係る感度可変導波路型の半導体受光素子の実施例の一つであって、図１は感度可変導波路型の半導体受光素子の本実施例の構成を示す模式的な断面図である。
本実施例の感度可変導波路型の半導体受光素子１０は、感度可変導波路型の半導体受光素子として構成された光減衰器集積導波路型受光素子であって、導波路型受光素子領域１２と、入力光信号の信号強度を減衰させるために、導波路型受光素子領域１２の前段に設けられた光減衰素子領域１４とをモノリシック集積した受光素子である。
感度可変導波路型受光素子１０は、光減衰素子領域１４において、逆バイアス電圧（Ｖatt ）を印加するとフランツ・ケルディッシュ効果により吸収係数が増大し、後段の受光素子領域１２に到達する光信号光強度を減衰することが出来る。
【００１０】
本実施例の素子構造は、ｎ−ＩｎＰ基板１６上に順次に形成された、層厚２μｍのＩｎＰ下部クラッド層１８、光導波路層２０、層厚２μｍでバンドギャップ・エネルギーが１．３５ｅＶのＩｎＰ上部クラッド層２２、及び層厚０．３μm のＧａＩｎＡｓコンタクト層２４から構成されている。
受光素子領域１２及び光減衰素子領域１４は、コンタクト層２４を分離し、上部クラッド層２２を段違いに形成して成るスリット状の切り欠き分離溝２６によりｐ電極側で電気的に分離され、それぞれの領域１２、１４のコンタクト層２４上にｐ電極２８ａ、２８ｂが形成されている。また、基板１６の裏面にはｎ電極３０が形成され、接地されている。
【００１１】
光導波路層２０は、光減衰素子領域１４では、層厚（ｄatt ）が０．８μｍでバンドギャップ・エネルギーが０．８５ｅＶのＧａＩｎＡｓＰ光導波路層２０ｂとして構成され、受光素子領域１２では、層厚（ｄpd）が１．５μｍのＧａＩｎＡｓ光導波路層２０ａとして構成されている。。光減衰素子領域１４のＧａＩｎＡｓＰ光導波路層２０ｂは、その禁制帯幅（バンドギャップ・エネルギー）が受光素子領域１２のＧａＩｎＡｓ光導波路層２０ａよりも大きく、受光素子の動作波長に対して光吸収が無視できるほど小さい透明導波路である。
【００１２】
光導波路層２０ａ、２０ｂと上部クラッド層２２とは、異種半導体接合となるために、その接合界面においてエネルギーバンドの不連続が生じる。特に、価電子帯においては、バンド不連続はスパイク形状となり、光励起されたホールが蓄積される。
その結果、ＧａＩｎＡｓＰ光導波路層２０ｂ及びＧａＩｎＡｓ光導波路層２０ａに印加される電界強度が低下し、入力光信号に対する出力光信号には、非線形性が現れる。このため、入射光強度に対する出力光強度の線形性が良好な、広いダイナミックレンジで、低歪特性の受光素子の実現が困難となる。
【００１３】
そこで、本実施例の感度可変導波路型受光素子１０の光減衰素子領域１４では、ヘテロ接合界面でのエネルギーバンドの不連続を緩和するために、図１に示すように、バンドギャップ・エネルギーが１．３５ｅＶの上部ＩｎＰクラッド層２２とバンドギャップ・エネルギーが０．８５ｅＶのＧａＩｎＡｓＰ光導波路層２０ｂとの間にバンドギャップ・エネルギーが１．０ｅＶで厚さ５ｎｍのＧａＩｎＡｓＰ半導体中間層３２を介在させている。
図２（ａ）は、ＧａＩｎＡｓＰ半導体中間層３２を介在させた光減衰素子領域１４のエネルギーバンド図である。
【００１４】
本実施例の感度可変導波路型受光素子１０は、有機金属気層成長装置、分子線エピタキシャル装置、化学線エピタキシャル装置などを使って形成できる。
尚、ｐ−ＩｎＰ基板上に光減衰器集積導波路受光素子を作成した場合、下部ＩｎＰクラッド層１８と光導波層２０ａ、２０ｂとの異種接合界面で上述のホールの蓄積に起因する入力光信号に対する出力光信号の非線形応答が問題となる。本発明によれば、ｐ−ＩｎＰ基板上に、入射光強度の線形性が良好な広いダイナミックレンジと低歪特性の感度可変導波路型の半導体受光素子を実現できる。
【００１５】
改変例
本改変例は、ヘテロ接合界面でのエネルギーバンドの不連続を緩和する別の例であって、感度可変導波路型受光素子１０に設ける厚さ５ｎｍのＧａＩｎＡｓＰ半導体中間層として、バンドギャップ・エネルギーが不連続に変化する実施例１の半導体中間層３２に代えて、バンドギャップ・エネルギーが０．８５ｅＶから１．３５ｅＶまで連続的に増大するグレーデッド層３４を介在させている。
図２（ｂ）は、グレーデッド層３４を介在させた光減衰素子領域のエネルギーバンド図である。
【００１６】
従来例
光減衰素子領域１４の光導波層２０ｂに半導体中間層を備えていない、図１に示す層構造を有する受光素子は、従来例であって、図２（ｃ）は、その光導波層近傍のエネルギーバンド図を示している。
【００１７】
本発明を評価するために、実施例１の感度可変導波路型受光素子１０と受光素子１０の改変例及び従来例について、波長１．５５μｍの入力信号を受光した際の受光電流（Ｉｐｄ）と光入力（Ｐin）との関係、即ち受光電流（Ipd ）の光入力（Ｐin）依存性を光減衰素子領域１４の印加電圧Ｖatt をＶatt ＝０Ｖ、８Ｖにした時についてそれぞれ試験した。
【００１８】
図３は、光減衰素子領域１４の印加電圧Ｖatt ＝０Ｖとした時の受光電流（Ipd ）と光入力（Ｐin）との関係を示すグラフである。
図３から判る通り、実施例１の感度可変導波路型受光素子１０と受光素子１０の改変例及び従来例の全てについて、電圧が印加されていない限り、Ｐin＜１０ｍＷでは、Ｉ pd の線形性が確認されている。
これは、波長１．５５μｍに対し透明な導波路である光減衰素子領域に電界が印加されていないために光が減衰せず、入力光信号をそのまま受光素子領域１２で受光電流として検出しているためと考えられる。
【００１９】
図４は、光減衰素子領域１４の印加電圧Ｖatt をＶatt ＝８Ｖとした時の受光電流（Ｉpd）と光入力（Ｐin）との関係を示すグラフである。
図４から判る通り、光減衰素子領域の印加電圧Ｖatt ＝８Ｖの時、従来例は、Ｐin＜１ｍＷの時で既にＩ pd の線形性が維持できていない。実施例は、Ｐin＝６ｍＷまで線形性が確認された。グレーデッド半導体中間層を有する改変例は、、Ｐin＝１０ｍＷまで線形性が確認された。
図４は、半導体中間層３２、又は３４を挿入することにより、光減衰素子領域１２の上部ＩｎＰクラッド層２２とＧａＩｎＡｓＰ光導波路層２０ｂ間のヘテロ界面でのホールのパイルアップが抑制されることを示し、またその抑制効果はグレーデッド半導体中間層３４の方が大きいことを示している。
【００２０】
次いで、感度可変導波路型受光素子１０のＩpd−Ｐin特性の半導体中間層３２の層厚依存性を調べた。試験では、図５に示すように、半導体中間層３２の厚さｔをそれぞれ１ｎｍ、２ｎｍ、５ｎｍ、１０ｎｍ及び１００ｎｍにして、Ｖatt ＝８Ｖとして受光電流Ｉpd−光入力Ｐinとの関係を測定し、図５に示した。本試験では、半導体中間層３２として実施例と同様に一層で構成されるバンドギャップ１ｅＶのＧａＩｎＡｓＰ層を一例として採用した。
図５から判る通り、半導体中間層の層厚ｔが、ｔ＜５ｎｍでは、Ｐin＝１０（ｍＷ）までＩpdの線形応答が得られたが、ｔ＜２ｎｍのときは、Ｐin＞５ｍＷでは線形性を維持することが難しかった。これは、半導体中間層の層厚が薄く、半導体中間層のホールのパイルアップ抑制効果が小さかったためと考えられる。なお、実験では、半導体中間層の層厚が１００ｎｍまで、Ｉpdの線形性が得られた。従って、ホールのパイルアップを抑制する半導体中間層の厚さは、２ｎｍ＜ｔとする必要がある。
なお、同様の傾向が、グレーデッド半導体中間層において成立することは、言うまでもない。
【００２１】
本実施例で示したＧａＩｎＡｓＰ系を材料とする感度可変導波路受光素子１０は、本発明を説明するための一例であって、ＡｌＧａＡｓ系、ＡｌＧａＩｎＰ系、ＡｌＧａＩｎＮ系、ＡｌＧａＩｎＡｓＰＮ系など他の材料系で構成した感度可変導波路受光素子においても本発明は効果的である。
【００２２】
【発明の効果】
本発明の構成によれば、光導波路層と光閉じ込め層との間にそれらのバンドギャップ・エネルギーの中間のバンドギャップ・エネルギーを有する半導体中間層を設けることにより、バンド不連続を緩和して、ホールのパイルアップの影響を防ぎ、電圧印加時の非線形応答を抑制することができる。
これにより、本発明は大入力の光信号に対して線形性の良好な出力信号を出力し、広いダイナミックレンジと低歪特性の感度可変導波路型の半導体受光素子を実現している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る感度可変導波路受光素子の実施例の層構造を示す模式的基板断面図である。
【図２】図２（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、それぞれ、実施例の受光素子、改変例の受光素子及び従来例の受光素子の光減衰素子領域のエネルギーバンド図である。
【図３】光減衰素子領域の印加電圧Ｖatt がＶatt ＝０Ｖで、波長１．５５μｍの入力信号を入れた際の受光電流（Ｉin）の光入力（Ｐin）依存性を示すグラフである。
【図４】光減衰素子領域の印加電圧Ｖatt が  Ｖatt ＝８Ｖで、波長１．５５μｍの入力信号を入れた際の受光電流（Ｉin）の光入力（Ｐin）依存性を示すグラフである。
【図５】Ｉpd−Ｐin特性の半導体中間層の層厚依存性を示すグラフである。
【図６】従来の光減衰器集積導波路受光素子の層構造を示す模式的基板断面図である。
【符号の説明】
１０  本発明に係る感度可変導波路型の半導体受光素子の実施例
１２  導波路型受光素子領域
１４  光減衰素子領域
１６  ｎ−ＩｎＰ基板
１８  ＩｎＰ下部クラッド層
２０ａ、ｂ  光導波路層
２２  ＩｎＰ上部クラッド層
２４  ＧａＩｎＡｓコンタクト層
２６  分離溝
２８ａ、ｂ  ｐ電極
３０  ｎ電極
３２  半導体中間層
３４  グレーデッド層
４０  従来の感度可変導波路型の半導体受光素子
【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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