特許 6118834 モード変換素子及び光機能素子

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6118834

(24)【登録日】2017年3月31日

(45)【発行日】2017年4月19日

(54)【発明の名称】モード変換素子及び光機能素子

(51)【国際特許分類】

   G02B 6/126 20060101AFI20170410BHJP

   G02B 6/14 20060101ALI20170410BHJP

   G02B 6/12 20060101ALI20170410BHJP

   G02B 6/122 20060101ALI20170410BHJP

   H01L 31/10 20060101ALI20170410BHJP

   G02F 1/015 20060101ALI20170410BHJP

【ＦＩ】

   G02B6/126

   G02B6/14

   G02B6/12 301

   G02B6/12 361

   G02B6/122 311

   H01L31/10 A

   G02F1/015 505

【請求項の数】10

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2015-69078(P2015-69078)

(22)【出願日】2015年3月30日

(65)【公開番号】特開2016-188956(P2016-188956A)

(43)【公開日】2016年11月4日

【審査請求日】2015年3月30日

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）国等の委託研究の成果に係る特許出願（平成２５年度独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「超低消費電力型光エレクトロニクス実装システム技術開発」委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願）

(73)【特許権者】

【識別番号】000000295

【氏名又は名称】沖電気工業株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】513065077

【氏名又は名称】技術研究組合光電子融合基盤技術研究所

(74)【代理人】

【識別番号】100141955

【弁理士】

【氏名又は名称】岡田 宏之

(74)【代理人】

【識別番号】100085419

【弁理士】

【氏名又は名称】大垣 孝

(72)【発明者】

【氏名】小野 英輝

(72)【発明者】

【氏名】岡山 秀彰

【審査官】 廣崎 拓登

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１３−１２５２７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−１８２２１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１６−０４０５７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 Daoxin Dai, et al.，"SILICON MULTIMODE PHOTONIC INTEGRATED DEVICES FOR ON-CHIP MODE-DIVISION-MULTIPLEXED OPTICAL INTERCONNECTS"，Progress In Electromagnetics Research，２０１４年 １月，Vol.143，pp.773-819

【文献】 Wesley D. Sacher, et al.，"Polarization rotator-splitters and controllers in a Si3N4-on-SOI integrated photonics platform"，Optics Express，２０１４年 ５月 ５日，Vol.22, No.9，pp.11167-11174

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０２Ｂ ６／１２− ６／１４

Ｇｏｏｇｌｅ Ｓｃｈｏｌａｒ

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

細線導波路部と、
段差スラブ部と、
スラブ部と
が、一体的なチャネル導波路として順次接続されており、
前記段差スラブ部は、
下部スラブ部と、
前記下部スラブ部上に、前記細線導波路部側から、前記スラブ部側に向けて、幅が増大する上部テーパ部と
を備え、
前記細線導波路部から前記段差スラブ部に入力された、基本モードのＴＥ偏波は、偏波及びモードが変換されずに前記スラブ部に出力され、
前記細線導波路部から前記段差スラブ部に入力された、基本モードのＴＭ偏波は、１次モードのＴＥ偏波に変換されて前記スラブ部に出力される
ことを特徴とするモード変換素子。

【請求項2】

前記下部スラブ部の幅が、前記上部テーパ部の最大幅以上である
ことを特徴とする請求項１に記載のモード変換素子。

【請求項3】

前記下部スラブ部と前記上部テーパ部の厚さが等しい
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のモード変換素子。

【請求項4】

材質がシリコンである
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のモード変換素子。

【請求項5】

当該モード変換素子は、シリコン基板上に、酸化シリコン層及びシリコン層が積層されたＳＯＩ基板を用いて形成されており、
前記シリコン基板が支持基板として用いられ、
前記酸化シリコン層が下部クラッド層として用いられ、
前記シリコン層が光導波路層として用いられる
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のモード変換素子。

【請求項6】

請求項１〜５のいずれか一項に記載のモード変換素子と、
前記上部テーパ部の幅が広い側から出力される光が入力される、光電子デバイスと
を備えることを特徴とする光機能素子。

【請求項7】

光電子デバイスの入力側と出力側に、それぞれ請求項１〜５のいずれか一項に記載のモード変換素子を備え、
入力側のモード変換素子の上部テーパ部の幅の広い側から出力される光が前記光電子デバイスに入力され、
前記光電子デバイスから出力される光が、出力側のモード変換素子の上部テーパ部の幅が広い側に入力される
ことを特徴とする光機能素子。

【請求項8】

前記光電子デバイスがフォトダイオードである
ことを特徴とする請求項６に記載の光機能素子。

【請求項9】

前記フォトダイオードの光吸収層の材質がゲルマニウムである
ことを特徴とする請求項８に記載の光機能素子。

【請求項10】

前記光電子デバイスがＥＡ変調器である
ことを特徴とする請求項６又は７に記載の光機能素子。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、例えば、基本モードのＴＭ（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｍａｇｎｅｔｉｃ）偏波を、１次モードのＴＥ（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ）偏波に変換するモード変換素子、及び、このモード変換素子と光電子デバイスを備える光機能素子に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、小型化や量産性に有利な光機能素子の開発に当たり、Ｓｉ（シリコン）を細線導波路の材料として用いるＳｉ細線導波路が注目を集めている。

【0003】

Ｓｉ細線導波路では、実質的に光の伝送路となる光導波路コアを、Ｓｉを材料として形成する。そして、Ｓｉよりも屈折率の低い例えばシリカ等を材料としたクラッドで、光導波路コアの周囲を覆う。このような構成により、光導波路コアとクラッドとの屈折率差が極めて大きくなるため、光導波路コア内に光を強く閉じ込めることができる。その結果、曲げ半径を例えば１μｍ程度まで小さくした、小型の曲線導波路を実現することができる。そのため、電子回路と同程度の大きさの光回路を作成することが可能であり、光機能素子全体の小型化に有利である。

【0004】

また、Ｓｉ細線導波路では、ＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）等の半導体装置の製造過程を流用することが可能である。そのため、チップ上に電子機能回路と光機能回路とを一括形成する光電融合（シリコンフォトニクス）の実現が期待されている。

【0005】

ところで、Ｓｉ細線導波路に集積される光電子デバイスとして、ＰＩＮ構造のフォトダイオード（以下、ＰＩＮ−ＰＤとも称する。）が知られている（例えば、非特許文献１参照）。ＰＩＮ−ＰＤは、例えば以下のようにＳｉ細線導波路に集積される。先ず、Ｓｉのコアに対して、不純物添加することにより、Ｐ型又はＮ型の導電性を付与する。次に、Ｓｉのコア上に例えば、Ｇｅ（ゲルマニウム）を積層する。その後、Ｇｅの表面に不純物添加することにより、Ｓｉのコアと逆の導電性を付与する。すなわち、ＳｉがＰ型の場合は、ＧｅをＮ型とし、ＳｉがＮ型の場合は、ＧｅをＰ型とする。この結果、Ｐ型の領域とＮ型の領域の間にＩ型領域と呼ばれる真性半導体領域が存在するＰＩＮ−ＰＤが得られる。

【0006】

一般にＰ型領域、Ｉ型領域及びＮ型領域が積層された構造の縦型のＰＩＮ−ＰＤは、基板上に光吸収層をエピタキシャル成長させて形成される。このとき、光吸収層に残留する歪によってＰＤの受光効率に偏波依存性が生じることが知られている。無歪又は圧縮歪を持つ光吸収層は、ＴＥモードの受光効率が高く、引っ張り歪みを持つ光吸収層はＴＭモードの受光効率が高い（例えば、特許文献１参照）。

【0007】

このため、特許文献１に開示されている受光器では、ＩｎＰ基板上に光吸収層としてＩｎＧａＡｓをエピタキシャル成長させたＰＤに対して、無歪又は圧縮歪光吸収層を前段に配置し、引っ張り歪光吸収層を後段に配置している。無歪又は圧縮歪光吸収層では、ＴＥモード光が吸収され、ＴＭモード光は透過し、引っ張り歪光吸収層では、ＴＭモード光が吸収されるので、受信感度が偏波無依存化される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【特許文献1】特開平５−２６７７０９号公報

【非特許文献】

【0009】

【非特許文献1】ＯＰＴＩＣＳ ＥＸＰＲＥＳＳ， Ｖｏｌ．１５， Ｎｏ．２１，２００７、ｐｐ．１３９６５〜１３９７１

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

しかしながら、この特許文献１に開示されている技術は、３元又は４元の化合物半導体を用いたＰＤには適用可能であるが、Ｓｉ基板上にＧｅをエピタキシャル成長させた光吸収層を有するＰＤには適用できない。この理由は以下の通りである。

【0011】

ＩｎＰ基板上にエピタキシャル成長させるＩｎＧａＡｓ光吸収層のＩｎとＧａの組成（Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ）を制御することにより、格子定数をＧａＡｓ（ｘ＝０）の５．６５３ÅからＩｎＡｓ（ｘ＝１）の６．０６Åまで変えることができる。ｘ＝０．５３のＩｎ_０．５３Ｇａ_０．４７Ａｓのとき、格子定数が５．８６８７ÅのＩｎＰと位相整合する。従って、ｘを０．５３よりも小さくするとＩｎＰよりも格子定数が小さくなり、ＩｎＧａＡｓに引っ張り歪を入れることができる。また、ｘを０．５３よりも大きくするとＩｎＰよりも格子定数が大きくなり、ＩｎＧａＡｓに圧縮歪を入れることができる。

【0012】

これに対し、Ｓｉ基板上にＧｅをエピタキシャル成長させる場合は、Ｓｉ基板の格子定数が５．４４Åであるのに対し、Ｇｅの格子定数が５．６５Åであるため、Ｇｅには圧縮歪しか入れることができない。

【0013】

このように、特許文献１に開示されている、無歪又は圧縮歪光吸収層を前段に配置し、引っ張り歪光吸収層を後段に配置することにより、受信感度を偏波無依存化する技術は、Ｓｉ基板上にＧｅをエピタキシャル成長させるＰＤには適用できない。発明者らが行った受信感度の測定結果によれば、ＴＥモード光では、受信感度が０．７４Ａ／Ｗであり、ＴＭモード光では、受信感度が０．５６Ａ／Ｗであり、約１．２ｄＢの偏波依存性が存在する。

【0014】

この出願に係る発明者は、鋭意検討の結果、ＰＤの入力側に下部スラブ部と、下部スラブ部上に形成された、上部テーパ部とを備えて構成されるモード変換素子を配置して、入力される基本モードのＴＥ偏波を、変換せず出力し、入力される基本モードのＴＭ偏波を、１次モードのＴＥ偏波に変換して出力することで、受信感度に偏波依存性が有る場合であっても、受光効率の偏波依存性を小さくできることに想到した。

【0015】

この発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものであり、この発明の目的は、受信感度に偏波依存性がある光電子デバイスに対して好適なモード変換素子を提供すること、及び、このモード変換素子と光電子デバイスを備える光機能素子を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0017】

上述した目的を達成するために、この発明のモード変換素子は、細線導波路部と、段差スラブ部と、スラブ部とが、一体的なチャネル導波路として順次接続されて構成される光導波路を備える。段差スラブ部は、下部スラブと、下部スラブ上に、細線導波路部側から、スラブ部側に向けて、幅が増大する上部テーパ部とを備える。細線導波路部から段差スラブ部に入力された、基本モードのＴＥ偏波は、偏波及びモードが変換されずにスラブ部に出力される。また、細線導波路部から段差スラブ部に入力された、基本モードのＴＭ偏波は、１次モードのＴＥ偏波に変換されてスラブ部に出力される。

【0018】

また、この発明の光機能素子は、上述のモード変換素子と、モード変換素子の上部テーパ部の幅が広い側から出力される光が入力される、光電子デバイスとを備えて構成される。この光電子デバイスとして、例えば、フォトダイオードやＥＡ変調器が用いられる。

【発明の効果】

【0019】

この発明のモード変換素子によれば、入力される基本モードのＴＥ偏波を変換せずにそのまま出力し、基本モードのＴＭ偏波を１次モードのＴＥ偏波に変換して出力する。このため、後段に偏波依存性の大きな光電子デバイスを用いる場合であっても、その偏波依存性の影響を小さくすることができる。

【0020】

また、このモード変換素子と光電子デバイスとして、受信感度に偏波依存性のあるフォトダイオードを用いた場合に、受光効率の偏波依存性を小さくすることができる。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】第１光機能素子の模式図である。（Ａ）は、第１光機能素子の模式的な斜視図である。また、（Ｂ）は、第１光機能素子を上面から見た、模式的な平面図である。

【図2】第１光機能素子の切断端面を示す図である。

【図3】第１光機能素子の動作を説明するための模式図である。

【図4】第１光機能素子の製造方法を説明するための工程図（１）である。

【図5】第１光機能素子の製造方法を説明するための工程図（２）である。

【図6】第１光機能素子の製造方法を説明するための工程図（３）である。

【図7】第２光機能素子の構造及び動作を説明するための模式図である。

【図8】第２光機能素子の製造方法を説明するための工程図である。

【図9】第３光機能素子の構造及び動作を説明するための模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0022】

以下、図を参照して、この発明の実施の形態について説明するが、各構成要素の形状、大きさ及び配置関係については、この発明が理解できる程度に概略的に示したものに過ぎない。また、以下、この発明の好適な構成例につき説明するが、各構成要素の材質及び数値的条件などは、単なる好適例にすぎない。従って、この発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、この発明の構成の範囲を逸脱せずにこの発明の効果を達成できる多くの変更又は変形を行うことができる。

【0023】

（第１実施形態）
図１及び図２を参照して、第１実施形態の光機能素子（以下、第１光機能素子とも称する。）について説明する。第１光機能素子は、モード変換素子と、光電子デバイスとしてフォトダイオードを備えて構成される。

【0024】

図１（Ａ）は、第１光機能素子の模式的な斜視図である。また、図１（Ｂ）は、第１光機能素子を上面から見た、模式的な平面図である。第１光機能素子は、導波路コアと、導波路コアの周囲のクラッド等を備えて構成されるが、図１（Ａ）及び（Ｂ）では、クラッドなど他の構成要素の図示を一部省略している。

【0025】

図２（Ａ）及び（Ｂ）は、第１光機能素子の切断端面を示す図である。図２（Ａ）は、図１（Ｂ）のＩ−Ｉ線に沿って取った切断端面を示し、図２（Ｂ）は、図１（Ｂ）のＩＩ−ＩＩ線に沿って取った切断端面を示している。

【0026】

第１光機能素子１０は、支持基板１２と、支持基板１２上に形成された下部クラッド１４と、下部クラッド１４上に形成された光導波路１６と、下部クラッド１４及び光導波路１６上に形成された上部クラッド１８とを備えて構成される。支持基板１２及び光導波路１６は、は、シリコン（Ｓｉ）で形成され、下部クラッド１４及び上部クラッド１８は、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）で形成されている。

【0027】

先ず、モード変換素子２０の構造について説明する。モード変換素子２０の光導波路１６は、細線導波路部２２と、段差スラブ部２４と、スラブ部２８とが順次接続されて構成されている。

【0028】

モード変換素子２０の光導波路１６の厚さは、例えば３００ｎｍである。細線導波路部２２の幅は、波長１４６０ｎｍ〜１５３０ｎｍのＳバンドの信号光に対して、シングルモード導波路となるように３００ｎｍとしている。スラブ部２８は、フォトダイオードと接続される部分であり、スラブ部２８の幅を約２μｍとしている。なお、ここでは支持基板の上面に直交する方向を厚さ方向とし、光の伝搬方向と厚さ方向の両方に直交する方向を幅方向とする。

【0029】

段差スラブ部２４は、下部スラブ部２５と、下部スラブ部２５上に形成された、上部テーパ部２７とを備えて構成される。下部スラブ部２５は、平面形状が矩形の平板状に形成されていて、下部スラブ部２５の厚さは、細線導波路部２２の半分の１５０ｎｍである。

【0030】

上部テーパ部２７は、下部スラブ部２５の１つの辺から対向する辺に向けて幅が広がるテーパ状に形成されている。ここでは、上部テーパ部２７は、細線導波路部２２側から、スラブ部２８側に向けて、幅が増大する。すなわち、上部テーパ部２７は、細線導波路部２２側からスラブ部２８側に向けた導波方向に沿って幅が増大する逆テーパ状に形成されている。上部テーパ部２７の厚さは、下部スラブ部２５と同じく、細線導波路部２２の半分の１５０ｎｍである。上部テーパ部２７と下部スラブ部２５の厚さは、必ずしも等しくなっている必要はないが、等しくするとモード変換効率が高まるので有利である。

【0031】

図１に示す構成例では、上部テーパ部２７の細線導波路部２２側の端部の幅が、細線導波路部２２の幅と等しく最小である。また、上部テーパ部２７のスラブ部２８側の端部の幅が、スラブ部２８の幅と等しく最大である。

【0032】

なお、モード変換効率の低下や、光信号の損失を考慮すると、段差スラブ部２４の上部テーパ部２７が等幅の領域を備えず、かつ、細線導波路部２２及びスラブ部２８がテーパ状の領域を備えない構成にするのが良い。しかし、多少の性能の低下はありうるが、上部テーパ部２７の幅が変化する部分に対応する領域よりも、下部スラブ部２５が設けられる領域を大きくしたり、小さくしたりしてもよい。

【0033】

また、下部スラブ部２５の幅は、少なくとも上部テーパ部２７の最大幅と等しい大きさであれば良い。しかし、製造誤差を考慮すると、下部スラブ部２５の幅は、上部テーパ部２７の最大幅以上にするのが良い。なお、幅に対して長さの方が大きいため、長さ方向については製造誤差を無視することができる。

【0034】

また、モード変換素子として主に機能するのは、段差スラブ部２４である。従って、上部テーパ部２７の幅の狭い側に接続される他の素子や、上部テーパ部２７の幅の広い側に接続される光電子デバイスの構造等によっては、細線導波路部２２やスラブ部２８を備えない構成にしても良い。

【0035】

次に、フォトダイオード３０について説明する。フォトダイオード３０は、モード変換素子２０のスラブ部２８（上部テーパ部２７の幅が大きい）側に配置される。モード変換素子２０の、上部テーパ部２７の幅が広い側から出力される光が、フォトダイオード３０に入力される。

【0036】

フォトダイオード３０の光導波路１６には、低濃度の不純物が添加された低濃度ｐ−Ｓｉ領域３２が形成されている。低濃度ｐ−Ｓｉ領域３２上にＧｅ層４２が形成されている。低濃度ｐ−Ｓｉ領域３２のＧｅ層４２が形成されていない領域の一部には、高濃度の不純物が添加された高濃度ｐ−Ｓｉコンタクト領域３４が形成されている。また、Ｇｅ層４２の上側の領域に、高濃度ｎ−Ｇｅコンタクト領域４４が形成されている。高濃度ｐ−Ｓｉコンタクト領域３４及び高濃度ｎーＧｅコンタクト領域４４上には、それぞれコンタクト電極５０が形成され、コンタクト電極５０上にはパット電極５２が形成されている。光導波路１６及びＧｅ層４２は、上部クラッド１８で覆われているが、コンタクト電極５０上のパット電極５２は露出している。

【0037】

図３を参照して、第１光機能素子の動作について説明する。図３は、第１光機能素子の動作を説明するための模式図である。図３（Ａ）は、基本モードのＴＥ偏波（以下、ＴＥ０と称することもある。）が入力される場合を示し、図３（Ｂ）は、基本モードのＴＭ偏波（以下、ＴＭ０と称することもある。）が入力される場合を示している。図３（Ａ）及び（Ｂ）では、図１（Ｂ）と同様に、光導波路のみを示し、クラッドなど他の構成要素の図示を省略している。

【0038】

光機能素子１０のモード変換素子２０に入力された、信号光のＴＥ０成分及びＴＭ０成分は、細線導波路２２、段差スラブ部２４及びスラブ部２８を伝播し、モード変換素子２０から出力される。

【0039】

このとき、導波方向に入力される光のＴＥ０成分は、段差スラブ部２４において、偏波及びモードが変換されず、ＴＥ０成分のまま、モード変換素子２０から出力される。このモード変換素子２０から出力されたＴＥ０成分はフォトダイオード３０に入力される。

【0040】

一方、導波方向に入力される光のＴＭ０成分は、段差スラブ部２４において、１次モードのＴＥ偏波（以下、ＴＥ１と称することもある。）に変換され、ＴＥ１成分として、モード変換素子２０から出力される。このモード変換素子２０から出力されたＴＥ１成分はフォトダイオード３０に入力される。

【0041】

このように第１光機能素子１０では、モード変換素子２０において、信号光の基本モードのＴＭ偏波が１次モードのＴＥ偏波に変換される。このため、フォトダイオード３０の受信感度に大幅な偏波依存性が存在しても、光機能素子全体として、受光効率の偏波依存性を低減することができる。

【0042】

発明者らによる検討によれば、段差スラブ部２４及びスラブ部２８の形状を適切に設計することで、Ｓバンド、特に波長１５２０ｎｍの信号光に対して、ＴＭ０成分からＴＥ１成分への変換損失が約０．２ｄＢとなることを見出している。この結果、光機能素子としての受信感度の偏波依存性を約１．２ｄＢから約０．２ｄＢへ減少させることができる。

【0043】

このように、このモード変換素子２０を用いると、光電子デバイスとして受信感度に偏波依存性のあるフォトダイオードを用いた場合であっても、光機能素子全体として受光効率の偏波依存性を小さくすることができる。

【0044】

図４〜６を参照して、第１光機能素子の製造方法について説明する。図４〜６は、第１光機能素子の製造方法を説明するための工程図である。

【0045】

先ず、Ｓｉ基板上にＳｉＯ_２層及びＳｉ層が積層されたＳＯＩ基板を用意する。Ｓｉ基板、ＳｉＯ_２層及びＳｉ層がそれぞれ支持基板、下部クラッド層及び光導波路層として用いられる。

【0046】

次に、フォトリソグラフィ及びドライエッチングにより、Ｓｉ層をパターニングして、ハーフエッチパターン６０を形成する（図４（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）参照）。図４（Ａ）は、ハーフエッチパターン６０の斜視図である。図４（Ｂ）は、図４（Ａ）のＩ−Ｉ線に沿って取った、ハーフエッチパターン６０が形成されたＳＯＩ基板の切断端面を示している。また、図４（Ｃ）は、図４（Ａ）のＩＩ−ＩＩ線に沿って取った、ハーフエッチパターン６０が形成されたＳＯＩ基板の切断端面を示している。

【0047】

次に、フォトリソグラフィ及びドライエッチングにより、ハーフエッチパターン６０をパターニングして、光導波路１６を形成する（図５（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）参照）。図５（Ａ）は、光導波路１６の斜視図である。図５（Ｂ）は、図５（Ａ）のＩ−Ｉ線に沿って取った、光導波路１６が形成されたＳＯＩ基板の切断端面を示している。また、図５（Ｃ）は、図５（Ａ）のＩＩ−ＩＩ線に沿って取った、光導波路１６が形成されたＳＯＩ基板の切断端面を示している。

【0048】

次に、フォトダイオードを形成する工程について、図６（Ａ）〜（Ｄ）を参照して説明する。図６（Ａ）〜（Ｄ）は、図４（Ａ）及び図５（Ａ）のＩＩ−ＩＩ線に沿って取った、切断端面に対応する端面を示している。

【0049】

先ず、下部クラッド１４及び光導波路１６上に、フォトリソグラフィによりレジストパターン８０を形成する。このレジストパターン８０には、フォトダイオード形成領域の光導波路１６をほぼ露出する開口８１が形成されている。この開口８１の面積は、数μｍ×数十μｍ程度である。その後、この開口８１から光導波路１６に、ｐ型の不純物として例えばホウ素（Ｂ）を不純物添加して、低濃度ｐ−Ｓｉ領域３２を形成する。この低濃度ｐ−Ｓｉ領域の不純物濃度は、例えば１×１０^１９ｃｍ^−３程度である（図６（Ａ））。

【0050】

次に、レジストパターン８０を除去した後、下部クラッド１４及び光導波路１６上に、フォトリソグラフィによりレジストパターン８２を形成する。このレジストパターン８２には、光導波路１６の低濃度ｐ−Ｓｉ領域３２の一部を露出する矩形状の開口８３が、光の伝播方向に平行に２箇所設けられている。その後、この開口８３から光導波路の低濃度ｐ−Ｓｉ領域３２に、ｐ型の不純物として例えばホウ素（Ｂ）を不純物添加して、高濃度ｐ−Ｓｉコンタクト領域３４を形成する。この高濃度ｐ−Ｓｉコンタクト領域３４の不純物濃度は、例えば１×１０^２０ｃｍ^−３程度である（図６（Ｂ））。

【0051】

次に、レジストパターン８２を除去した後、低濃度ｐ−Ｓｉ領域３２上に、厚さ１μｍ程度のＧｅ層４２を選択成長させる（図６（Ｃ））。

【0052】

次に、下部クラッド１４、光導波路１６及びＧｅ層４２上に、フォトリソグラフィによりレジストパターン８４を形成する。このレジストパターン８４には、Ｇｅ層４２の一部領域を露出する開口８５が形成されている。その後、この開口８５からＧｅ層４２に、ｎ型の不純物として例えばリン（Ｐ）を不純物添加して、高濃度ｎ−Ｇｅコンタクト領域４４を形成する。この高濃度ｎ−Ｇｅコンタクト領域４４の不純物濃度は、例えば１×１０^２０ｃｍ^−３程度である（図６（Ｄ））。

【0053】

次に、レジストパターン８４を除去した後、下部クラッド１４上に、光導波路１６及びＧｅ層１８を覆うＳｉＯ_２膜を形成する。このＳｉＯ_２膜が上部クラッド１８となる。その後、フォトリソグラフィ及びドライエッチングにより、上部クラッド１８にコンタクトホールを形成する。次に、電極材料として例えばアルミニウム（Ａｌ）を真空蒸着してコンタクトホールを埋め込むことにより、コンタクト電極５０を形成する。最後に、上部クラッド１８上に、電極材料として例えばアルミニウム（Ａｌ）を真空蒸着した後、フォトリソグラフィ及びドライエッチングによりＡｌ膜をパターニングして、コンタクト電極５０上にパッド電極５２を形成し、図１及び図２を参照して説明した第１光機能素子を得る。

【0054】

（第２実施形態）
図７（Ａ）及び（Ｂ）を参照して、第２実施形態の光機能素子（以下、第２光機能素子とも称する。）について説明する。なお、第１光機能素子と重複する説明を省略する場合がある。

【0055】

第２光機能素子７０は、順次に接続されたモード変換素子２０と、光電子デバイスとして電界吸収型（ＥＡ：Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ）変調器７２と、出力側導波路７４を備えて構成される。

【0056】

図７（Ａ）及び（Ｂ）は、第２光機能素子の構成及び動作を説明するための模式図である。図７（Ａ）は、ＴＥ０成分が入力される場合を示し、図７（Ｂ）は、ＴＭ０成分が入力される場合を示している。図７（Ａ）及び（Ｂ）では、図１、図３（Ａ）及び（Ｂ）と同様に、光導波路のみを示し、クラッドなど他の構成要素の図示を省略している。

【0057】

第２光機能素子のモード変換素子は、第１光機能素子のモード変換素子と同様に構成されるので重複する説明を省略する。

【0058】

ＥＡ変調器７２は、モード変換素子２０のスラブ部２８側に配置される。モード変換素子２０の、上部テーパ部２７の幅が広い側から出力される光が、ＥＡ変調器７２に入力される。ＥＡ変調器７２としては、任意好適な従来公知のものを用いることができる。

【0059】

出力側導波路７４は、ＥＡ変調器７２の出力側に設けられる。出力側導波路７４は、テーパ部７５と等幅導波路７７とを備えて構成される。テーパ部７５がＥＡ変調器７２側に配置される。

【0060】

テーパ部７５は、ＥＡ変調器７２側から、等幅導波路７７側に向けて、幅が縮小する。等幅導波路７７はＴＥ１成分が伝搬するように構成される。

【0061】

光機能素子７０のモード変換素子２０に入力された、信号光のＴＥ０成分及びＴＭ０成分は、細線導波路部２２、段差スラブ部２４及びスラブ部２８を伝播し、モード変換素子２０から出力される。

【0062】

このとき、ＴＥ０成分は、段差スラブ部２４において、偏波及びモードが変換されず、ＴＥ０成分のまま、モード変換素子２０から出力される。このモード変換素子２０から出力されたＴＥ０成分はＥＡ変調器７２に入力される。ＥＡ変調器７２で所定の変調を受けたＴＥ０成分は、テーパ部７５及び等幅導波路７６を経て第２光機能素子７０から出力される。

【0063】

一方、ＴＭ０成分は、段差スラブ部２４において、ＴＥ１成分に変換され、ＴＥ１成分として、モード変換素子２０から出力される。このモード変換素子２０から出力されたＴＥ１成分はＥＡ変調器７２に入力される。ＥＡ変調器７２で所定の変調を受けたＴＥ１成分は、テーパ部７５及び等幅導波路７７を経て第２光機能素子７０から出力される。

【0064】

このように第２光機能素子７０では、モード変換素子２０において、信号光の基本モードのＴＭ偏波が１次モードのＴＥ偏波に変換された後、ＥＡ変調器７２に入力される。このため、ＥＡ変調器７２の受信感度に大幅な偏波依存性が存在しても、光機能素子全体として、受光効率の偏波依存性を低減することができる。

【0065】

図８を参照して、第２光機能素子の製造方法について説明する。図８は、第２光機能素子の製造方法を説明するための工程図である。

【0066】

先ず、Ｓｉ基板上にＳｉＯ_２層及びＳｉ層が積層されたＳＯＩ基板を用意する。

【0067】

次に、フォトリソグラフィ及びドライエッチングにより、Ｓｉ層をパターニングして、ハーフエッチパターン６２を形成する（図８（Ａ）参照）。図８（Ａ）は、ハーフエッチパターン６２の斜視図である。

【0068】

次に、フォトリソグラフィ及びドライエッチングにより、ハーフエッチパターン６２をパターニングして、光導波路１７を形成する（図８（Ｂ）及び（Ｃ）参照）。図８（Ｂ）は、光導波路の斜視図である。図８（Ｃ）は、図８（Ｂ）のＩ−Ｉ線に沿って取った、光導波路が形成されたＳＯＩ基板の切断端面を示している。この工程で、モード変換素子２０及び出力側導波路７４を含む光導波路１７が形成される。その後、必要に応じてモード変換素子２０と出力側導波路７４の間のテラス領域７８に、ＥＡ変調器７２に電流を供給するための電極を形成する。

【0069】

次に、テラス領域７８に予め用意しておいたＥＡ変調器７２を実装、ダイボンディングして、図７を参照して説明した第２光機能素子７０を得る。

【0070】

（第３実施形態）
図９（Ａ）及び（Ｂ）を参照して、第３実施形態の光機能素子（以下、第３光機能素子とも称する。）について説明する。なお、第２光機能素子と重複する説明を省略する場合がある。

【0071】

第３光機能素子９０は、出力側導波路に換えてモード変換素子２１を備える点が第２光機能素子と異なっており、その他の構成は第２光機能素子と同様に構成される。

【0072】

ＥＡ変調器７２の出力側に設けられるモード変換素子２１は、ＥＡ変調器７２の入力側に設けられるモード変換素子２０と同様の構造であり、ＥＡ変調器７２に対して対称となるように配置されている。すなわち、出力側のモード変換素子２１は、ＥＡ変調器７２の出力側に、スラブ部９８が設けられ、第３光機能素子９０の出力側に細線導波路部９２が設けられ、スラブ部９８と細線導波路部９２の間に段差スラブ部９４が設けられている。

【0073】

第３光機能素子９０の入力側のモード変換素子２０に入力された、信号光のＴＥ０成分及びＴＭ０成分は、細線導波路２２、段差スラブ部２４及びスラブ部２８を伝播し、入力側のモード変換素子２０から出力される。

【0074】

このとき、ＴＥ０成分は、入力側のモード変換素子２０の段差スラブ部２４において、偏波及びモードが変換されず、ＴＥ０成分のまま、入力側のモード変換素子２０から出力される。入力側のモード変換素子２０から出力されたＴＥ０成分はＥＡ変調器７２に入力される。ＥＡ変調器７２で所定の変調を受けたＴＥ０成分は、出力側のモード変換素子２１を経て第３光機能素子９０から出力される。

【0075】

一方、ＴＭ０成分は、入力側のモード変換素子２０の段差スラブ部２４において、ＴＥ１成分に変換され、ＴＥ１成分として、入力側のモード変換素子２０から出力される。この入力側のモード変換素子２０から出力されたＴＥ１成分はＥＡ変調器７２に入力される。ＥＡ変調器７２で所定の変調を受けたＴＥ１成分は、出力側のモード変換素子２１の段差スラブ部９４において、ＴＭ０成分に変換され、ＴＭ０成分として、第３光機能素子９０から出力される。

【0076】

このように第３光機能素子９０では、入力側のモード変換素子２０において、信号光のＴＭ０成分がＴＥ１成分に変換される。このため、ＥＡ変調器７２の受信感度に大幅な偏波依存性が存在しても、光機能素子全体として、受光効率の偏波依存性を低減することができる。また、出力側のモード変換素子２１において、信号光のＴＥ１成分がＴＭ０成分に変換される。このため、第３光機能素子９０に入力される信号光の偏波状態を保ったまま、ＥＡ変調器７２で変調された信号光を出力することができる。

【0077】

第３光機能素子９０の製造方法については、出力側のモード変換素子２１を形成するための、ハーフエッチパターンの形状を除いては、第２光機能素子と同様であるので、説明を省略する。

【0078】

（他の構成例）
上述した第１光機能素子では、光電子デバイスとしてＰＩＮ構造が縦型のＰＤを用いる例について説明したが、これに限定されない。ＰＩＮ構造が横型のＰＤを用いても良い。また、第１光機能素子では、Ｓｉ導波路からＧｅ層への光の結合はエバネッセント結合であるが、バットカップリング結合でもよい。また、ＰＩＮ−ＰＤではなくアバランシェフォトダイオードを光電子デバイスとして用いても良い。

【0079】

また、第２光機能素子及び第３光機能素子では、予め用意したＥＡ変調器をテラスに実装する構成であるが、第１光機能素子と同様に光導波路とＥＡ変調器を作り込む構成にしても良い。また、実装する光電子デバイスは、ＥＡ変調器に限定されない。半導体光増幅器などを実装して、利得の偏波依存性を低減することもできる。また、ＰＤをテラスに実装しても良い。

【0080】

また、ここでは、光導波路をＳｉで構成する例を説明したが、光導波路は、クラッドを形成する材料よりも高い屈折率を持つ材料で構成しても良い。例えば、クラッドにＳｉＯ_２を用いた場合、モード変換素子を形成する材料として、ＳｉＯ_ｘ（０＜ｘ＜２）や、ＳｉＯＮ、ＳｉＮを用いても良い。また、光導波路をＳｉで構成した場合は、クラッドを形成する材料として、ＳｉＯ_ｘ（０＜ｘ＜２）や、ＳｉＯＮ、ＳｉＮを用いても良い。

【符号の説明】

【0081】

１０ 第１光機能素子
１２ 支持基板
１４ 下部クラッド
１６、１７ 光導波路
１８ 上部クラッド
２０、２１ モード変換素子
２２、９２ 細線導波路部
２４、９４ 段差スラブ部
２５ 下部スラブ部
２７ 上部テーパ部
２８、９８ スラブ部
３０ フォトダイオード
３２ 低濃度ｐ−Ｓｉ領域
３４ 高濃度ｐ−Ｓｉコンタクト領域
４２ Ｇｅ層
４４ 高濃度ｎ−Ｇｅコンタクト領域
５０ コンタクト電極
５２ パット電極
６０、６２ ハーフエッチパターン
７０ 第２光機能素子
７２ ＥＡ変調器
７４ 出力側導波路
７５ テーパ部
７７ 等幅導波路
８０、８２、８４ レジストパターン
９０ 第３光機能素子

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】