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JP2018148210A - コヒーレント光通信用受光デバイス - Google Patents

コヒーレント光通信用受光デバイス Download PDF

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Abstract

【課題】周波数応答特性をより高めることができるコヒーレント光通信用受光デバイスを提供する。【解決手段】コヒーレント光通信用受光デバイス１Ａは、光カプラ５と第１及び第２の受光素子６ａ〜６ｄとが共通の基板上にモノリシックに集積された導波路型光素子２と、信号増幅部３Ａ，３Ｂと、第１及び第２の受光素子それぞれの一方の電極と信号増幅部の第１及び第２の信号入力用電極それぞれとを電気的に接続する第１及び第２の信号伝送用ボンディングワイヤ２０ａ〜２０ｊと、を備える。第１及び第２の受光素子の他方の電極は、第１の配線７ａを介して互いに電気的に接続されている。第１の配線は、信号増幅部の第１のバイアス電圧供給用電極と電気的に接続されている。【選択図】図１

Description

本発明は、コヒーレント光通信用受光デバイスに関するものである。
特許文献１には、光導波路構造と導波路型フォトダイオード構造とが共通の基板上に集積された導波路型光素子に関する技術が記載されている。
特開２０１３−１１０２０７号公報
ネットワークトラフィックの急増に対応する為には、更なるビットレートの増大が必要である。このため、大容量化を実現可能な通信方式として、周波数利用効率が高く伝送時の分散耐性が高い、多値変調方式とデジタルコヒーレント受信方式とを組み合わせた伝送方式が展開されている。このような伝送方式では、光遅延、分岐、及び移相処理等を行う光復調回路と、多チャンネルのバランス受信用高速ＯＥ（Optical/Electrical）変換部とを含んで構成される高機能・高性能な受信フロントエンドとしてのコヒーレント光通信用受光デバイスが望まれる。
また、将来の光通信システムには、例えば４００Ｇｂ／ｓといった更に高速な光通信技術が求められ、変調速度の更なる高速化（例えば６４ＧＢａｕｄ）や変調フォーマットの多値化（例えば６４ＱＡＭ）が必要とされている。従って、コヒーレント光通信用受光デバイスには、より高い周波数応答特性が求められる。
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、周波数応答特性をより高めることができるコヒーレント光通信用受光デバイスを提供することを目的とする。
上述した課題を解決するために、一実施形態に係るコヒーレント光通信用受光デバイスは、多モード干渉導波路型の光カプラと、光カプラと光学的に結合された第１及び第２の受光素子とが共通の基板上にモノリシックに集積された導波路型光素子と、導波路型光素子と並んで配置された信号増幅部と、第１及び第２の受光素子それぞれの一方の電極と信号増幅部の第１及び第２の信号入力用電極それぞれとを電気的に接続する第１及び第２の信号伝送用ボンディングワイヤと、を備え、第１及び第２の受光素子は、導波路型光素子の第１及び第２の光導波路と並んで設けられ、信号増幅部側の第１及び第２の光導波路の端部に並んで配置されており、第１及び第２の受光素子の他方の電極は、第１及び第２の受光素子の間に設けられた第１の配線を介して電気的に共通に接続されており、第１の配線は、第１の電圧供給用ボンディングワイヤを介して信号増幅部の第１のバイアス電圧供給用電極と電気的に接続されている。
本発明によれば、周波数応答特性をより高めることができるコヒーレント光通信用受光デバイスを提供できる。
図１は、本発明の一実施形態に係るコヒーレント光通信用受光デバイスの構成を示す平面図である。 図２は、図１に示されたII−II線に沿った断面を示している。 図３は、図１に示されたIII−III線に沿った断面を示している。 図４は、図３に示されたIV−IV線に沿った断面を部分的に示している。 図５は、第１変形例に係る導波路型光素子の構成を示す平面図である。 図６は、図５に示された導波路型光素子のVI−VI線に沿った断面図である。 図７は、第２変形例に係る導波路型光素子の構成を示す平面図である。 図８は、第３変形例に係る導波路型光素子の構成を示す平面図である。 図９は、図８に示された導波路型光素子のIX−IX線に沿った断面図である。 図１０は、図８に示された導波路型光素子のＸ−Ｘ線に沿った断面図である。 図１１は、比較例に係る受光デバイスの構成を示す平面図である。 図１２は、図１１に示すXII−XII線に沿った断面図である。
［本発明の実施形態の説明］
最初に、本発明の実施形態の内容を列記して説明する。一実施形態に係るコヒーレント光通信用受光デバイスは、多モード干渉導波路型の光カプラと、光カプラと光学的に結合された第１及び第２の受光素子とが共通の基板上にモノリシックに集積された導波路型光素子と、導波路型光素子と並んで配置された信号増幅部と、第１及び第２の受光素子それぞれの一方の電極と信号増幅部の第１及び第２の信号入力用電極それぞれとを電気的に接続する第１及び第２の信号伝送用ボンディングワイヤと、を備え、第１及び第２の受光素子は、導波路型光素子の第１及び第２の光導波路と並んで設けられ、信号増幅部側の第１及び第２の光導波路の端部に並んで配置されており、第１及び第２の受光素子の他方の電極は、第１及び第２の受光素子の間に設けられた第１の配線を介して電気的に共通に接続されており、第１の配線は、第１の電圧供給用ボンディングワイヤを介して信号増幅部の第１のバイアス電圧供給用電極と電気的に接続されている。
上記のコヒーレント光通信用受光デバイスにおいて、導波路型光素子は、第１及び第２の受光素子と電気的に接続されていない基準電位用電極パッドを更に有し、基準電位用電極パッドは、導波路型光素子の裏面側に設けられた基準電位配線とビアを介して電気的に接続されており、基準電位用ボンディングワイヤを介して信号増幅部の基準電位用電極パッドと電気的に接続されてもよい。
上記のコヒーレント光通信用受光デバイスにおいて、第１の受光素子の他方の電極と第２の受光素子の他方の電極とが第１の共通電極によって構成され、第１の共通電極とコンタクトを成す半導体層が、第１の受光素子と第２の受光素子とにわたって延在してもよい。
［本発明の実施形態の詳細］
本発明の実施形態に係るコヒーレント光通信用受光デバイスの具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。以下の説明では、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。また、以下の説明においてアンドープとは、例えば不純物濃度が１×１０１５ｃｍ−３以下といった極めて低い濃度であることをいう。
本発明の一実施形態は、主にコヒーレント光通信システムに使用される９０°ハイブリッドとして機能する多モード干渉導波路（Multi-Mode-Interferometer：ＭＭＩ）がモノリシック集積された導波路型光素子を備えるコヒーレント光通信用受光デバイスに関するものであり、特に導波路型光素子と後段の信号増幅部による受信フロントエンドの高周波応答特性の高速化及び広帯域化に関するものである。
図１は、本発明の一実施形態に係るコヒーレント光通信用受光デバイス（以下、単に受光デバイスという）の構成を示す平面図である。図２は、図１に示されたII−II線に沿った断面を示している。図３は、図１に示されたIII−III線に沿った断面を示している。図４は、図３に示されたIV−IV線に沿った断面を部分的に示している。
図１に示されるように、本実施形態の受光デバイス１Ａは、導波路型光素子２と、信号増幅部３Ａ，３Ｂとを備えている。導波路型光素子２は、略矩形状といった平面形状を有しており、例えばＩｎＰといった化合物半導体から成る基板上に光導波路が形成されて成る。導波路型光素子２は、２つの入力ポート４ａ，４ｂと、光カプラ５とを有している。また、導波路型光素子２は、該基板上に形成された受光素子６ａ〜６ｄを更に有している。すなわち、導波路型光素子２は、光カプラ５と受光素子６ａ〜６ｄとが共通基板上にモノリシックに集積された構造を備えている。
導波路型光素子２は、所定の方向Ａに沿って延びる一対の端縁２ａ，２ｂを有している。２つの入力ポート４ａ，４ｂは、導波路型光素子２の端縁２ａ，２ｂのうち、一方の端縁２ａに設けられている。２つの入力ポート４ａ，４ｂのうち一方の入力ポート４ａには、ＱＰＳＫ（Quadrature Phase Shift Keying：４位相偏移変調）方式によって変調された４つの信号成分を含む光信号Ｌａが受光デバイス１Ａの外部より入力される。また、他方の入力ポート４ｂには、局部発振光Ｌｂが入力される。入力ポート４ａ，４ｂそれぞれは、光導波路８ａ，８ｂそれぞれを介して光カプラ５と光学的に結合されている。なお、光導波路８ａ，８ｂは、屈折率が比較的大きい材料（例えばＩｎＧａＡｓＰ）から成るコア層と、屈折率が該コア層よりも小さい材料（例えばＩｎＰ）から成り該コア層を覆うクラッド層とによって好適に構成される。
光カプラ５は、９０°光ハイブリッドを構成する。すなわち、光カプラ５は、ＭＭＩカプラによって構成されており、光信号Ｌａと局部発振光Ｌｂとを相互に干渉させることによって、光信号Ｌａを、ＱＰＳＫ方式によって変調された４つの信号成分Ｌｃ１〜Ｌｃ４それぞれに分岐する。
受光素子６ａ及び６ｃは、それぞれ本実施形態における第１の受光素子である。また、受光素子６ｂ及び６ｄは、それぞれ本実施形態における第２の受光素子である。受光素子６ａ〜６ｄは、ＰＩＮフォトダイオードとしての構成を有しており、導波路型光素子２の信号増幅部３Ａ，３Ｂ側の端縁２ｂに沿って、この順で並んで配置されている。導波路型光素子２上には、受光素子６ａ〜６ｄのアノード（一方の電極）に電気的に接続された信号出力用電極パッド２１ａ〜２１ｄが設けられている。信号出力用電極パッド２１ａ〜２１ｄは、導波路型光素子２の端縁２ｂに沿って、方向Ａに沿って並んで設けられている。
導波路型光素子２は、信号伝送用ボンディングワイヤ２０ａ〜２０ｄを更に有する。信号伝送用ボンディングワイヤ２０ａ，２０ｃは本実施形態における第１の信号伝送用ボンディングワイヤであり、信号伝送用ボンディングワイヤ２０ｂ，２０ｄは本実施形態における第２の信号伝送用ボンディングワイヤである。信号伝送用ボンディングワイヤ２０ａ〜２０ｄの各一端は、信号出力用電極パッド２１ａ〜２１ｄそれぞれに接合されている。信号伝送用ボンディングワイヤ２０ａ〜２０ｄの各他端は、信号増幅部３Ａ，３Ｂの信号入力用電極パッド６１ａ〜６１ｄそれぞれに接合されている。すなわち、信号伝送用ボンディングワイヤ２０ａ〜２０ｄそれぞれは、受光素子６ａ〜６ｄそれぞれのアノードと、信号増幅部３Ａ，３Ｂの信号入力用電極パッド６１ａ〜６１ｄそれぞれとを電気的に接続する。
受光素子６ａ〜６ｄのカソード（他方の電極）には、一定のバイアス電圧が供給される。受光素子６ａ〜６ｄそれぞれは、光導波路８ｃ〜８ｆそれぞれを介して光カプラ５の４つの出力端と光学的に結合されている。具体的には、受光素子６ａ〜６ｄは、導波路型光素子２の光導波路８ｃ〜８ｆと並んで設けられ、信号増幅部３Ａ，３Ｂ側の光導波路８ｃ〜８ｆの端部に並んで配置されている。受光素子６ａ〜６ｄそれぞれは、４つの信号成分Ｌｃ１〜Ｌｃ４それぞれを光カプラ５から受け、これら信号成分Ｌｃ１〜Ｌｃ４それぞれの光強度に応じた電気信号（光電流）を生成する。
受光素子６ａ，６ｂのカソードは、受光素子６ａ，６ｂの間に設けられたバイアス配線７ａ（第１の配線）を介して電気的に共通に接続されている。バイアス配線７ａは、導波路型光素子２の端縁２ｂに沿って、方向Ａに延びている。方向Ａにおけるバイアス配線７ａの中央部は、バイアス電圧入力用電極パッド２３ｂと電気的に接続されている。バイアス電圧入力用電極パッド２３ｂには、第１の電圧供給用ボンディングワイヤ２０ｉの一端が接合されており、電圧供給用ボンディングワイヤ２０ｉの他端は、信号増幅部３Ａの第１のバイアス電圧供給用電極パッド６２ｂに接合されている。すなわち、バイアス配線７ａは、電圧供給用ボンディングワイヤ２０ｉを介してバイアス電圧供給用電極パッド６２ｂと電気的に接続されている。
受光素子６ｃ，６ｄのカソードは、受光素子６ｃ，６ｄの間に設けられたバイアス配線７ｂ（第２の配線）を介して電気的に共通に接続されている。バイアス配線７ｂは、導波路型光素子２の端縁２ｂに沿って、方向Ａに延びている。方向Ａにおけるバイアス配線７ｂの中央部は、バイアス電圧入力用電極パッド２３ｅと電気的に接続されている。バイアス電圧入力用電極パッド２３ｅには、第２の電圧供給用ボンディングワイヤ２０ｊの一端が接合されており、電圧供給用ボンディングワイヤ２０ｊの他端は、信号増幅部３Ｂの第２のバイアス電圧供給用電極パッド６２ｅに接合されている。すなわち、バイアス配線７ｂは、電圧供給用ボンディングワイヤ２０ｊを介してバイアス電圧供給用電極パッド６２ｅと電気的に接続されている。
導波路型光素子２は、基準電位（ＧＮＤ）用電極パッド２３ａ，２３ｃ，２３ｄ，及び２３ｆを更に有する。基準電位用電極パッド２３ａ，２３ｃそれぞれは、受光素子６ａ〜６ｄとは電気的に接続されておらず、ボンディングワイヤ２０ｅ，２０ｆそれぞれを介して、信号増幅部３Ａの基準電位用電極パッド６２ａ，６２ｃそれぞれと電気的に接続されている。基準電位用電極パッド２３ｄ，２３ｆそれぞれは、受光素子６ａ〜６ｄとは電気的に接続されておらず、ボンディングワイヤ２０ｇ，２０ｈそれぞれを介して、信号増幅部３Ｂの基準電位用電極パッド６２ｄ，６２ｆそれぞれと電気的に接続されている。
導波路型光素子２において、電極パッド２３ａ〜２３ｆは、端縁２ｂに沿ってこの順に並んで配置されている。また、信号増幅部３Ａ及び３Ｂにおいて、電極パッド６２ａ〜６２ｆは、端縁２ｂに沿ってこの順に並んで配置されている。更に、導波路型光素子２において、電極パッド２１ａは電極パッド２３ａと電極パッド２３ｂとの間に配置されており、電極パッド２１ｂは電極パッド２３ｂと電極パッド２３ｃとの間に配置されている。電極パッド２１ｃは電極パッド２３ｄと電極パッド２３ｅとの間に配置されており、電極パッド２１ｄは電極パッド２３ｅと電極パッド２３ｆとの間に配置されている。また、信号増幅部３Ａ及び３Ｂにおいて、電極パッド６１ａは電極パッド６２ａと電極パッド６２ｂとの間に配置されており、電極パッド６１ｂは電極パッド６２ｂと電極パッド６２ｃとの間に配置されている。電極パッド６１ｃは電極パッド６２ｄと電極パッド６２ｅとの間に配置されており、電極パッド６１ｄは電極パッド６２ｅと電極パッド６２ｆとの間に配置されている。このような電極パッドの配置は、２つの基準電位線の間に信号線が配置されるコプレーナ伝送線路を模倣している。これにより、特に高周波成分の信号品質の劣化を抑制することができる。
また、図２及び図３に示されるように、基準電位用電極パッド２３ａ，２３ｃ，２３ｄ，及び２３ｆは、基板１０を貫通するビア５１に接続されている。更に、ビア５１は、基板１０の裏面と共に、裏面金属膜５０によって覆われている。ビア５１は、金属製の導電材であり、例えばＡｕメッキである。導波路型光素子２と信号増幅部３Ａ，３Ｂとは、基準電位に直接接続された基板の上に実装されるので、基準電位用電極パッド２３ａ，２３ｃ，２３ｄ，及び２３ｆは、短いパスを経由して基準電位に接続される。
信号増幅部３Ａ及び３Ｂは、受光素子６ａ〜６ｄから出力された電気信号（光電流）を増幅する増幅器（ＴＩＡ：Trans Impedance Amplifier）である。信号増幅部３Ａ及び３Ｂは、導波路型光素子２に対して端縁２ｂ側に並んで配置されている。信号増幅部３Ａは、前述したように２つの信号入力用電極パッド６１ａ及び６１ｂを有しており、信号入力用電極パッド６１ａ及び６１ｂに入力された電気信号の差動増幅を行って一つの電圧信号を生成する。また、信号増幅部３Ｂは、前述したように２つの信号入力用電極パッド６１ｃ及び６１ｄを有しており、信号入力用電極パッド６１ｃ及び６１ｄに入力された電気信号の差動増幅を行って一つの電圧信号を生成する。なお、信号入力用電極パッド６１ａ，６１ｃは本実施形態における第１の信号入力用電極であり、信号入力用電極パッド６１ｂ，６１ｄは本実施形態における第２の信号入力用電極である。
図２には受光素子６ａ，６ｂの断面構造が示されており、図３には受光素子６ｃ，６ｄの断面構造が示されている。また、図４には、受光素子６ｄと光導波路８ｆとの接合部分の断面構造が示されているが、他の接合部分（受光素子６ａと光導波路８ｃとの接合部分、受光素子６ｂと光導波路８ｄとの接合部分、及び受光素子６ｃと光導波路８ｅとの接合部分）の断面構造もこれと同様である。図４に示されるように、受光素子６ａ〜６ｄ及び光導波路８ｃ〜８ｆは、共通の基板１０上に集積されている。基板１０は、例えば半絶縁性のＩｎＰ基板である。
受光素子６ａ〜６ｄの断面構造について説明する。図２及び図３に示されるように、受光素子６ａ〜６ｄは、基板１０上に設けられたｎ型（第１導電型）バッファ層１１と、ｎ型バッファ層１１の領域Ｄ（図４参照）上に設けられた導波路型フォトダイオード構造１９とを有している。導波路型フォトダイオード構造１９は、ｎ型バッファ層１１上に設けられた光吸収層１３、光吸収層１３上に設けられたｐ型（第２導電型）クラッド層１４、及びｐ型クラッド層１４上に設けられたｐ型コンタクト層１５を有している。
ｎ型バッファ層１１は、例えばＳｉドープＩｎＰ層である。ｎ型バッファ層１１のＳｉドーピング濃度は、例えば１×１０１７ｃｍ−３以上である。ｎ型バッファ層１１の厚さは、例えば１μｍ〜２μｍである。図２に示すように、受光素子６ａ及び受光素子６ｂのｎ型バッファ層１１は、受光素子６ａと受光素子６ｂとにわたって延在している。言い換えれば、受光素子６ａと受光素子６ｂとの間のｎ型バッファ層１１は、エッチングにより除去されることなく残存している。これと同様に、図３に示すように、受光素子６ｃ及び受光素子６ｄのｎ型バッファ層１１は、受光素子６ｃと受光素子６ｄとにわたって延在している。言い換えれば、受光素子６ｃと受光素子６ｄとの間のｎ型バッファ層１１は、エッチングにより除去されることなく残存している。
光吸収層１３は、例えばアンドープＩｎＧａＡｓ層、若しくはＳｉドーピング濃度が３×１０１６ｃｍ−３以下である低濃度ｎ型ＩｎＧａＡｓ層である。光吸収層１３の厚さは、例えば０．１μｍ〜０．４μｍである。ｐ型クラッド層１４は、例えばＺｎドープＩｎＰ層である。ｐ型クラッド層１４のＺｎドーピング濃度は、例えば２×１０１７ｃｍ−３以上である。ｐ型クラッド層１４の厚さは、例えば１μｍ〜２．５μｍである。ｐ型コンタクト層１５は、例えばＺｎドープＩｎＧａＡｓ層である。ｐ型コンタクト層１５のＺｎドーピング濃度は、例えば１×１０１８ｃｍ−３以上である。ｐ型コンタクト層１５の厚さは、例えば０．１μｍ〜０．３μｍである。
なお、光吸収層１３とｎ型バッファ層１１との間に、光吸収層１３とｎ型バッファ層１１との中間のバンドギャップを有するヘテロエネルギー障壁（ΔＥｃ: Conduction band（伝導帯））緩和層が設けられてもよい。このヘテロエネルギー障壁緩和層は、アンドープか、若しくはＳｉ濃度が１×１０１６ｃｍ−３以下の低濃度ｎ型であり、例えばバンドギャップ波長が１．４μｍのＩｎＧａＡｓＰ層である。或いは、光吸収層１３とｎ型バッファ層１１との間に、両層間のヘテロエネルギー障壁（ΔＥｃ: Conduction band（伝導帯））を緩和させる組成グレーデッド（傾斜）層が設けられてもよい。この組成グレーデッド層は、例えば２層のアンドープまたはＳｉドープＩｎＧａＡｓＰからなり、２層それぞれのバンドギャップ波長は例えば１．３μｍ及び１．１μｍである。Ｓｉ濃度は１×１０１６ｃｍ−３以下である。また、光吸収層１３とｐ型クラッド層１４との間には、高速応答を実現するため少数キャリア（ホール）の走行遅延低減を目的としてＩｎＧａＡｓＰ層が設けられてもよい。また、光吸収層１３とｐ型クラッド層１４との間に、両層間のヘテロエネルギー障壁（ΔＥｖ：Valence band（価電子帯））を緩和させる組成グレーデッド（傾斜）層が設けられてもよい。この組成グレーデッド層は、例えば２層のアンドープまたはＺｎドープＩｎＧａＡｓＰからなり、２層それぞれのバンドギャップ波長は例えば１．３μｍ及び１．１μｍである。Ｚｎ濃度は１×１０１７ｃｍ−３以下である。
ｎ型バッファ層１１の一部、光吸収層１３、ｐ型クラッド層１４、及びｐ型コンタクト層１５は、所定の光導波方向（本実施形態では図１の方向Ｂ）に延びるメサ構造を構成しており、このメサ構造は、一対の側面を有している。このメサ構造の一対の側面は、例えばＦｅドープＩｎＰといった半絶縁性材料からなる埋込領域１８によって埋め込まれている。光導波方向と直交する方向におけるメサ構造の幅は、例えば１．５〜３μｍである。メサ構造の高さは、例えば２〜３．５μｍである。
受光素子６ａ〜６ｄは、２層の絶縁膜１６，１７を更に有している。絶縁膜１６，１７は、メサ構造の上面から埋込領域１８上にかけて設けられて、これらを覆って保護している。絶縁膜１６，１７は、例えば絶縁性シリコン化合物（ＳｉＮ、ＳｉＯＮ、またはＳｉＯ２）膜である。
また、絶縁膜１６，１７は、メサ構造の上面に開口を有しており、該開口により絶縁膜１６，１７から露出したｐ型コンタクト層１５の上には、ｐ型オーミック電極３１が設けられている。ｐ型オーミック電極３１は、例えばＡｕＺｎ若しくはＰｔとｐ型コンタクト層１５との合金からなる。そして、ｐ型オーミック電極３１上には、配線３２が設けられている。配線３２は、光導波方向（第２の方向Ｂ）に延びており、ｐ型オーミック電極３１と信号出力用電極パッド２１ｃ，２１ｄとを電気的に接続する。配線３２は例えばＴｉＷ／Ａｕ若しくはＴｉ／Ｐｔ／Ａｕといった積層構造を有しており、信号出力用電極パッド２１ｃ，２１ｄは例えばＡｕメッキによって形成される。
図２に示すように、絶縁膜１６，１７は、受光素子６ａ，６ｂのメサ構造の間に位置するｎ型バッファ層１１の上にも、別の開口を有している。該開口により絶縁膜１６，１７から露出したｎ型バッファ層１１の上には、カソードとしてのｎ型オーミック電極４１が設けられており、ｎ型バッファ層１１とコンタクトを成している。このｎ型オーミック電極４１は、本実施形態における第１の共通電極であって、受光素子６ａ，６ｂに共通のカソードである。ｎ型オーミック電極４１は、受光素子６ａ，６ｂのメサ構造間の中央部を跨いで、方向Ａに沿って延びている。
図３に示すように、絶縁膜１６，１７は、受光素子６ｃ，６ｄのメサ構造の間に位置するｎ型バッファ層１１の上にも、別の開口を有している。該開口により絶縁膜１６，１７から露出したｎ型バッファ層１１の上には、カソードとしてのｎ型オーミック電極４２が設けられており、ｎ型バッファ層１１とコンタクトを成している。このｎ型オーミック電極４２は、本実施形態における第２の共通電極であって、受光素子６ｃ，６ｄに共通のカソードである。ｎ型オーミック電極４２は、受光素子６ｃ，６ｄのメサ構造間の中央部を跨いで、方向Ａに沿って延びている。
ｎ型オーミック電極４１，４２は、例えばＡｕＧｅ若しくはＡｕＧｅＮｉとｎ型バッファ層１１との合金からなる。そして、ｎ型オーミック電極４１上にはバイアス配線７ａが設けられており、ｎ型オーミック電極４２上にはバイアス配線７ｂが設けられている。前述したように、バイアス配線７ａは、受光素子６ａ，６ｂのカソードを互いに電気的に接続する配線である。バイアス配線７ｂは、受光素子６ｃ，６ｄのカソードを互いに電気的に接続する配線である。バイアス配線７ａ，７ｂは、導波路型光素子２の端縁２ｂに沿って、方向Ａに延びている。バイアス配線７ａ，７ｂは例えばＴｉＷ／Ａｕ若しくはＴｉ／Ｐｔ／Ａｕといった積層構造を有する。
続いて、光導波路８ｃ〜８ｆの断面構造について説明する。なお、光導波路８ｃ及び８ｅは第１の光導波路の一例であり、光導波路８ｄ及び８ｆは第２の光導波路の一例である。図４には、光導波路８ｆの光導波方向に垂直な断面の構造が含まれている。他の光導波路８ｃ〜８ｅは、光導波路８ｆと同様の断面構造を有している。光導波路８ｆは、基板１０上に設けられたｎ型バッファ層１１と、ｎ型バッファ層１１の領域Ｄと隣接する領域Ｅ上に設けられた光導波路構造８０とを含んで構成されている。光導波路構造８０は、ｎ型バッファ層１１上に設けられた光導波コア層８１と、光導波コア層８１上に設けられたクラッド層８２とを含んで構成されている。
ｎ型バッファ層１１は、受光素子６ｄと共通の半導体層であり、光導波路８ｆにおいては下部クラッド層として機能する。ｎ型バッファ層１１は、受光素子６ｄにおける基板１０上から、光導波路８ｆにおける基板１０上にわたって延在している。
光導波路８ｆと受光素子６ｄとはバットジョイント構造を有しており、光導波コア層８１と光吸収層１３とは互いに接している。これにより、光導波コア層８１と光吸収層１３とは互いに光学的に結合されている。光導波コア層８１は、屈折率がｎ型バッファ層１１よりも大きく且つバッファ層１１と格子整合できる材料（例えばＩｎＧａＡｓＰ）からなる。一例では、光導波コア層８１のＩｎＧａＡｓＰのバンドギャップ波長は１．０５μｍである。光導波コア層８１の厚さは、例えば０．３μｍ〜０．５μｍである。クラッド層８２は、屈折率が光導波コア層８１よりも小さく且つ光導波コア層８１と格子整合できる材料（例えばアンドープＩｎＰ）からなる。クラッド層８２の厚さは例えば１μｍ〜３μｍであり、クラッド層８２の上面の高さとｐ型コンタクト層１５の上面の高さとは互いに揃っている。ｎ型バッファ層１１の一部、光導波コア層８１、及びクラッド層８２は、所定の光導波方向に延びるメサ構造を構成している。バッファ層１１及びクラッド層８２と光導波コア層８１との屈折率差、並びにこのメサ構造によって、光導波コア層８１内に光信号が閉じ込められ、光信号を受光素子６ｄへ伝搬することができる。なお、このメサ構造の側面及び上面は、２層の絶縁膜１６，１７（図２、図３を参照）に覆われることによって保護されている。
以上の構成を備える本実施形態の受光デバイス１Ａによって得られる効果について説明する。図１１は、比較例に係る受光デバイス１００の構成を示す平面図である。また、図１２は、図１１に示すXII−XII線に沿った断面図である。なお、図１２には受光素子６ｃ，６ｄのみ示されているが、受光素子６ａ，６ｂの構成もこれらと同様である。以下、受光デバイス１００の構成について、受光デバイス１Ａと異なる点のみ説明する。
図１２に示すように、受光デバイス１００の導波路型光素子１０２では、受光素子６ａ〜６ｄのカソードがそれぞれ電気的に分離している。すなわち、受光素子６ａ〜６ｄのｎ型バッファ層１１はそれぞれの間に形成された溝によって互いに分割されており、それぞれの上には、絶縁膜１６，１７の開口を介してｎ型オーミック電極４３が設けられている。更に、ｎ型オーミック電極４３の上にはバイアス配線４４が設けられている。
また、図１１に示すように、導波路型光素子１０２は、容量素子部９ａ〜９ｄを有している。容量素子部９ａ〜９ｄは、下部金属層、上部金属層、および下部金属層と上部金属層との間に挟まれた絶縁膜４５によって構成される、いわゆるＭＩＭ（Metal-Insulator-Metal）キャパシタである。容量素子部９ａ〜９ｄそれぞれは、受光素子６ａ〜６ｄそれぞれのカソードにバイアス電圧を供給するバイアス配線４４（図１２参照）と、基準電位配線との間に電気的に接続される。バイアス配線４４は、容量素子部９ａ〜９ｄの下部金属層として用いられる。また、容量素子部９ａ〜９ｄの上部金属層４６は、光導波路型受光素子２の端縁２ｂに沿って配置された基準電位側電極パッド２３ａ，２３ｃ，２３ｄ，２３ｆへ引き出されるか、若しくは基準電位側電極パッド２３ａ，２３ｃ，２３ｄ，２３ｆになる。基準電位側電極パッド２３ａ，２３ｃ，２３ｄ，２３ｆは、基板１０を貫通するビア（不図示）を介して、基板１０の裏面に設けられた裏面金属膜５０（基準電位配線）と電気的に接続される。容量素子部９ａ〜９ｄの下部金属層４４は、基板１０の内側に向けて延びている。これらの容量素子部９ａ〜９ｄによって、受光素子６ａ〜６ｄのカソードと、図示しないバイパスコンデンサとの間のインダクタンス成分を設計的に揃えることができる。
容量素子部９ａ〜９ｄそれぞれは、下部金属層４４に接続されたバイアス電圧側電極パッド２２ａ〜２２ｄそれぞれを有している。基準電位側電極パッド２３ａ〜２３ｄは、方向Ａと交差する（例えば直交する）方向Ｂにおいて、バイアス電圧側電極パッド２２ａ〜２２ｄと導波路型光素子２の端縁２ｂとの間に配置されている。
バイアス電圧側電極パッド２２ａ〜２２ｄそれぞれには、ボンディングワイヤ２０ｐ〜２０ｓそれぞれの一端が接続されている。ボンディングワイヤ２０ｐ〜２０ｓそれぞれの他端は、図示しないバイアス電圧源と電気的に接続されている。ボンディングワイヤ２０ｐ〜２０ｓは、受光素子６ａ〜６ｄそれぞれにバイアス電圧を供給する配線の一部を構成する。
以上の構成を備える受光デバイス１００は、以下のような課題を有する。前述したように、例えば４００Ｇｂ／ｓを超えるコヒーレント光通信システムに向けては、さらなる変調速度の高速化が求められており、コヒーレント光通信用の受光デバイスには、より高い周波数応答性能が望まれる。しかしながら、図１１に示された信号伝送用ボンディングワイヤ２０ａ〜２０ｄや基準電位用ボンディングワイヤ２０ｅ〜２０ｈには高周波電気信号が通る為、ワイヤインダクタンス成分による周波数応答特性の劣化が生じてしまう。
そこで、本実施形態では、図１に示すように、差動出力を構成する受光素子６ａ，６ｂのカソードを、バイアス配線７ａを介して互いに電気的に接続する。同様に、差動出力を構成する受光素子６ｃ，６ｄのカソードを、バイアス配線７ｂを介して互いに電気的に接続する。そして、バイアス配線７ａを、電圧供給用ボンディングワイヤ２０ｉを介して信号増幅部３Ａのバイアス電圧供給用電極パッド６２ｂと電気的に接続し、バイアス配線７ｂを、電圧供給用ボンディングワイヤ２０ｊを介して信号増幅部３Ｂのバイアス電圧供給用電極パッド６２ｅと電気的に接続する。このような構成によれば、受光素子６ａ〜６ｄと信号増幅部３Ａ，３Ｂとを接続するボンディングワイヤの本数を減らすことができ、インダクタンス成分の低減による周波数応答特性の広帯域化に寄与できる。
また、導波路型光素子２に、受光素子６ａ〜６ｄと接続していない高周波ＧＮＤ用の電極パッド２３ａ，２３ｃ，２３ｄ，及び２３ｆを設ける。そして、電極パッド２３ａ，２３ｃ，２３ｄ，及び２３ｆを、導波路型光素子２に設けられた裏面金属膜５０とビア５１を介して電気的に接続し、且つ、基準電位用ボンディングワイヤ２０ｅ〜２０ｈを介して信号増幅部３Ａ，３Ｂの基準電位用電極パッド６２ａ，６２ｃ，６２ｄ，６２ｆと電気的に接続する。これにより、受光素子６ａ〜６ｄの高周波特性への影響を抑えつつ、受光素子６ａ〜６ｄ及び信号増幅部３Ａ，３Ｂを含む受光デバイス全体の高周波ＧＮＤを補強することができる。
（第１変形例）
図５は、上記実施形態の第１変形例に係る導波路型光素子２Ａの構成を示す平面図である。また、図６は、図５に示された導波路型光素子２ＡのVI−VI線に沿った断面図である。図５及び図６に示されるように、本変形例の導波路型光素子２Ａは、上記実施形態の導波路型光素子２の構成に加えて、溝２４を更に有する。溝２４は、ｎ型バッファ層１１を分割するための溝である。本変形例の溝２４は、光導波路８ｄと光導波路８ｅとの間に設けられている。
より詳細には、溝２４の一部（第１部分２４ａ）は、受光素子６ｂにおける受光素子６ｃ側の側面近傍から、光導波路８ｄにおける光導波路８ｅ側の側面に沿って、直線状に延びている。また、溝２４の別の一部（第２部分２４ｂ）は、受光素子６ｃにおける受光素子６ｂ側の側面近傍から、光導波路８ｅにおける光導波路８ｄ側の側面に沿って、直線状に延びている。そして、第１部分２４ａ及び第２部分２４ｂの各一端は、光導波路８ｄ，８ｅの途中（例えば光導波路８ｄ，８ｅの長手方向の中心付近）まで延びており、溝２４の更に別の部分２４ｃ（光導波路８ｄの近傍から光導波路８ｅの近傍まで直線状に延びる部分）によって互いに連結されている。なお、第１部分２４ａ及び第２部分２４ｂの各他端は、導波路型光素子２Ａの側縁まで延びている。溝２４は、例えばｎ型バッファ層１１をエッチングにより部分的に除去することによって形成される。
上記実施形態の構成では、受光素子６ａ及び６ｂと、受光素子６ｃ及び６ｄとの間のｎ型バッファ層１１がエッチングにより除去されており（図２及び図３を参照）、受光素子６ａ及び６ｂと、受光素子６ｃ及び６ｄとの電気的な分離が図られている。しかし、受光素子６ａ及び６ｂの間、並びに受光素子６ｃ及び６ｄの間に共通のバイアス配線７ａ，７ｂが設けられているので、受光素子６ａ及び６ｂと、受光素子６ｃ及び６ｄとの間の電気抵抗が低下し、高周波クロストークが生じる虞がある。そこで本変形例では、光導波路８ｄと光導波路８ｅとの間のｎ型バッファ層１１を溝２４によって分割することにより、受光素子６ｂと受光素子６ｃとの間の電気抵抗をより増大させている。これにより、受光素子６ａ及び６ｂと、受光素子６ｃ及び６ｄとの間の電気抵抗の低下を抑え、高周波クロストークを抑制できる。
（第２変形例）
図７は、上記実施形態の第２変形例に係る導波路型光素子２Ｂの構成を示す平面図である。本変形例の導波路型光素子２Ｂは、上記第１変形例の溝２４に代えて、溝２５を有する。溝２５は、ｎ型バッファ層１１を分割するための溝である。本変形例の溝２５は、光導波路８ｄと光導波路８ｅとの間に設けられている。
溝２５の形状は、次の点を除いて第１変形例の溝２４と同様である。本変形例の溝２５は、第１変形例の溝２４と同様に、受光素子６ｂにおける受光素子６ｃ側の側面近傍から、光導波路８ｄにおける光導波路８ｅ側の側面に沿って延びる第１部分２５ａを有するが、この第１部分２５ａは、第１変形例の第１部分２４ａと比較してより光カプラ５に近い位置まで延びている。同様に、本変形例の溝２５は、第１変形例の溝２４と同様に、受光素子６ｃにおける受光素子６ｂ側の側面近傍から、光導波路８ｅにおける光導波路８ｄ側の側面に沿って延びる第２部分２５ｂを有するが、この第２部分２５ｂは、第１変形例の第２部分２４ｂと比較してより光カプラ５に近い位置まで延びている。そして、第１部分２５ａと第２部分２５ｂとが、光カプラ５の近傍において互いに連結している。このように、溝２５が光カプラ５に近い位置まで延びることにより、電流の流れる経路を狭めて制限し、受光素子６ａ及び６ｂと、受光素子６ｃ及び６ｄとの間の電気抵抗の低下をより効果的に抑え、高周波クロストークを抑制できる。
（第３変形例）
図８は、上記実施形態の第３変形例に係る導波路型光素子２Ｃの構成を示す平面図である。図９は、図８に示された導波路型光素子２ＣのIX−IX線に沿った断面図である。図１０は、図８に示された導波路型光素子２ＣのＸ−Ｘ線に沿った断面図である。本変形例の導波路型光素子２Ｃは、上記第２変形例の溝２５に加えて、更に溝２６，２７を有する。溝２６，２７は、ｎ型バッファ層１１を分割するための溝である。溝２６は、光導波路８ｃと光導波路８ｄとの間に設けられている。溝２７は、光導波路８ｅと光導波路８ｆとの間に設けられている。なお、本変形例の導波路型光素子２Ｃは、溝２６，２７のいずれか一方のみを有していても良い。
溝２６の一部（第１部分２６ａ）は、受光素子６ａにおける受光素子６ｂ側の側面近傍から、光導波路８ｃにおける光導波路８ｄ側の側面に沿って延びている。また、溝２６の別の一部（第２部分２６ｂ）は、受光素子６ｂにおける受光素子６ａ側の側面近傍から、光導波路８ｄにおける光導波路８ｃ側の側面に沿って延びている。そして、第１部分２６ａ及び第２部分２６ｂの各一端は、光カプラ５に近い位置まで延びており、光カプラ５の近傍において互いに連結している。なお、第１部分２６ａの他端は導波路型光素子２Ｃの側縁まで延びており、第２部分２６ｂの他端は溝２５の第１部分２５ａの他端と連結している。溝２６は、例えばｎ型バッファ層１１をエッチングにより部分的に除去することによって形成される。
溝２７の一部（第１部分２７ａ）は、受光素子６ｃにおける受光素子６ｄ側の側面近傍から、光導波路８ｅにおける光導波路８ｆ側の側面に沿って延びている。また、溝２７の別の一部（第２部分２７ｂ）は、受光素子６ｄにおける受光素子６ｃ側の側面近傍から、光導波路８ｆにおける光導波路８ｅ側の側面に沿って延びている。そして、第１部分２７ａ及び第２部分２７ｂの各一端は、光カプラ５に近い位置まで延びており、光カプラ５の近傍において互いに連結している。なお、第２部分２７ｂの他端は導波路型光素子２Ｃの側縁まで延びており、第１部分２７ａの他端は溝２５の第２部分２５ｂの他端と連結している。溝２７は、例えばｎ型バッファ層１１をエッチングにより部分的に除去することによって形成される。
本変形例のように、光導波路８ｃと光導波路８ｄとの間、及び光導波路８ｅと光導波路８ｆとの間のうち少なくとも一方に、ｎ型バッファ層１１を分割するための溝２６（２７）が更に設けられてもよい。これにより、電流の流れる経路をより狭めて制限し、受光素子６ａ及び６ｂと、受光素子６ｃ及び６ｄとの間の電気抵抗の低下を更に効果的に抑え、高周波クロストークを格段に抑制できる。
以上、本発明を実施例に基づいて具体的に説明したが、本発明は、上記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において変更可能である。例えば、上述した実施形態及び各変形例を、必要な目的及び効果に応じて互いに組み合わせてもよい。また、上記実施形態の光導波コア層８１の組成は、ＩｎＧａＡｓＰ系に限定されるものではなく、例えば、ＡｌＧａＩｎＡｓ系でも良い。また、上記実施形態及び各変形例においては、第１導電型をｎ型とし、第２導電型をｐ型としたが、第１導電型をｐ型とし、第２導電型をｎ型としてもよい。すなわち、バッファ層１１がｐ型であり、クラッド層１４及びコンタクト層１５がｎ型であってもよい。また、上記実施形態では、共通の基板１０上に光導波路８ａ〜８ｆ及び受光素子６ａ〜６ｄが集積された構成を例示したが、基板１０上に、他のＩｎＰ系電子デバイス（例えば、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ）、キャパシタ及び抵抗を含む光電変換回路が更に集積されてもよい。
１Ａ…受光デバイス、２，２Ａ，２Ｂ，２Ｃ…導波路型光素子、２ａ，２ｂ…端縁、３Ａ，３Ｂ…信号増幅部、４ａ，４ｂ…入力ポート、５…光カプラ、６ａ〜６ｄ…受光素子、７ａ，７ｂ…バイアス配線、８ａ〜８ｆ…光導波路、９ａ〜９ｄ…容量素子部、１０…基板、１１…ｎ型バッファ層、１３…光吸収層、１４…ｐ型クラッド層、１５…ｐ型コンタクト層、１６，１７…絶縁膜、１８…埋込領域、１９…導波路型フォトダイオード構造、２０ａ〜２０ｄ…信号伝送用ボンディングワイヤ、２０ｅ〜２０ｈ…基準電位用ボンディングワイヤ、２０ｉ，２０ｊ…電圧供給用ボンディングワイヤ、２０ｐ〜２０ｓ…ボンディングワイヤ、２１ａ〜２１ｄ…信号出力用電極パッド、２２ａ〜２２ｄ…バイアス電圧側電極パッド、２３ａ，２３ｃ，２３ｄ，２３ｆ…基準電位用電極パッド、２３ｂ，２３ｅ…バイアス電圧入力用電極パッド、２４〜２７…溝、２４ａ，２５ａ，２６ａ，２７ａ…第１部分、２４ｂ，２５ｂ，２６ｂ，２７ｂ…第２部分、２４ｃ…部分、３１…ｐ型オーミック電極、３２…配線、４１〜４３…ｎ型オーミック電極、４４…バイアス配線、４５…絶縁膜、４６…上部金属層、５１…ビア、６１ａ〜６１ｄ…信号入力用電極パッド、６２ａ，６２ｃ，６２ｄ，６２ｆ…基準電位用電極パッド、６２ｂ，６２ｅ…バイアス電圧供給用電極パッド、８０…光導波路構造、８１…光導波コア層、８２…クラッド層、Ｌａ…光信号、Ｌｂ…局部発振光、Ｌｃ１〜Ｌｃ４…信号成分。

Claims (3)

  1. 多モード干渉導波路型の光カプラと、前記光カプラと光学的に結合された第１及び第２の受光素子とが共通の基板上にモノリシックに集積された導波路型光素子と、
    前記導波路型光素子と並んで配置された信号増幅部と、
    前記第１及び第２の受光素子それぞれの一方の電極と前記信号増幅部の第１及び第２の信号入力用電極それぞれとを電気的に接続する第１及び第２の信号伝送用ボンディングワイヤと、
    を備え、
    前記第１及び第２の受光素子は、前記導波路型光素子の第１及び第２の光導波路と並んで設けられ、前記信号増幅部側の前記第１及び第２の光導波路の端部に並んで配置されており、
    前記第１及び第２の受光素子の他方の電極は、前記第１及び第２の受光素子の間に設けられた第１の配線を介して電気的に共通に接続されており、前記第１の配線は、第１の電圧供給用ボンディングワイヤを介して前記信号増幅部の第１のバイアス電圧供給用電極と電気的に接続されている、コヒーレント光通信用受光デバイス。
  2. 前記導波路型光素子は、前記第１及び第２の受光素子と電気的に接続されていない基準電位用電極パッドを更に有し、
    前記基準電位用電極パッドは、前記導波路型光素子の裏面側に設けられた基準電位配線とビアを介して電気的に接続されており、基準電位用ボンディングワイヤを介して前記信号増幅部の基準電位用電極パッドと電気的に接続されている、請求項１に記載のコヒーレント光通信用受光デバイス。
  3. 前記第１の受光素子の前記他方の電極と前記第２の受光素子の前記他方の電極とが第１の共通電極によって構成され、前記第１の共通電極とコンタクトを成す半導体層が、前記第１の受光素子と前記第２の受光素子とにわたって延在している、請求項１または２に記載のコヒーレント光通信用受光デバイス。
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