JP2005534178A - テーパ導波管式の光検出器装置および方法 - Google Patents

テーパ導波管式の光検出器装置および方法 Download PDF

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Abstract

水平テーパ、鉛直テーパ、または両方であり得る1つのテーパ区域を有する1つの光導波管を使用する導波管式光検出器装置および方法。本装置は1つの真性領域を有する1つの光検出器も含み、その領域は、1つの実施形態では、テーパ区域の1つの水平テーパに対応する1つの様態でテーパを有し得る。光検出器は、真性領域が1つの導波された光波の1つのエバネッセント波によって光導波管に結合されるように、テーパ区域に隣接して配置されている。テーパ区域は、エバネッセント波によって、導波された光波中に保持されているエネルギーを光導波管から光検出器の真性領域の中に強制的に送出する役割を果たし、それによって光検出器の長さを短縮する。

Description

本発明の技術分野は、光検出器に関し、特に、導波管式の高速光検出器に関する。
光電気通信およびチップ相互接続のような、複数の光信号を伝送し、かつそれらを高い複数のデータ電送率の複数の電気信号に変換することを伴う数多くの光波応用例が存在する。このような伝送および変換を実行するためのシステムは、光信号の速度および帯域幅に適合した1つの光検出器を必要とするのが通常である。好ましい複数の光検出器は、複数のPIN(p型/真性/n型)半導体(例えば、SiまたはGe)検出器であるが、このような複数の検出器は1つの高速の(すなわち、GHz)の周波数応答を有し得るからである。
幾つかの高速光検出器は、光を1つのPIN光検出器の真性領域に供給するための1つの導管として光導波管を利用する。1つの光導波管は、低屈折率の1つのクラッドによって包囲された高屈折率の1つのコアを有する1つの平面的構造、長方形構造、または円筒形構造である。光は、ほとんどが導波管の高屈折率コアの内部に捕獲されるが、この光のわずかな一部は1つのエバネッセント波としてクラッド中を伝搬する。1つのPIN光検出器の真性領域が光導波管に十分近接して位置決めされるとき、光は、エバネッセント波によって真性領域に結合され得る。このような現象は「エバネッセント結合」と呼ばれる。
1つの高速の導波管式の光検出器を形成するためには、光導波管中を伝搬する光は、光検出器の真性領域に効率的に結合されねばならない。次いで、この光は複数の発生光子キャリヤに変換され、それは次に複数の電極(すなわち、PIN検出器の1つのp+領域および1つのn+領域)に拡散する。その結果は、検出された光に対応する1つの電気信号(例えば、1つの光電流)である。
検出器の速度は、発生光子キャリヤが電極に到達するのに要する時間に関連する。この時間は「移行時間」と呼ばれる。真性領域が狭ければ狭いほど、それだけ移行時間が短くなり、したがってそれだけ検出器は速くなる。1つの速い光検出器は、複数の高速光信号の検出および処理を可能にする。
1つの光検出器の真性領域の幅および長さは、しばしは導波管の幅および長さによって決定される。しかし、導波管は、検出器の速度を最適化するためにではなく、光の1つの特定の波長を最適に伝送するように設計されているのが典型である。低屈折率の複数の導波管では、真性領域の幅は、非常に広く(例えば、1ミクロンよりも大きい)しかも非常に長い(例えば、50ミクロンよりも大きい)。
1つのPIN検出器の真性領域はシリコン(Si)またはゲルマニウム(Ge)であるのが典型であり、これらは両方とも、典型的な光導波管の屈折率(例えば、SiOxNyでは約1.5)に較べるとき、1つの大きな屈折率(例えば、約3.5)を有する。これは、導波される光波の伝搬定数および導波モードに関して、光導波管とPIN検出器との間に1つの不一致をもたらす。この不一致は、非効率的な光結合につながる。幾つかの場合では、相対的に長い導波管/検出器の1つの境界面を使用して、この結合非効率を補償し、かつ確実に十分な光を検出器に結合することが可能である。しかし、1つの長い境界面は、それによって1つの大きな検出器をもたらすので望ましくない。更には、数多くの場合では、結合非効率を補償するのに必要な境界面の長さは、実用目的には長過ぎる。
本発明の複数の実施形態の以下の詳細な説明では、その一部を構成する添付の複数の図面を参照するが、そこでは、本発明を実施できる特定の複数の実施形態が例示として示されている。これらの実施形態は、当業者がそれらを実施できるように十分詳細に説明されているが、他の複数の実施形態も利用可能であり、かつそれらの範囲から逸脱することなく複数の変更がなされ得ることを理解されたい。したがって、以下の詳細な説明は1つの限定的な意味で取られるべきではなく、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲のみによって画定される。
図1は、本発明の1つの光検出器装置10の一実施形態を示す1つの平面図である。図示された光導波管14は、1つの水平テーパを含む1つのテーパ区域70を有する。
図2は、図1の光検出器装置を示す1つの断面図である。図2では、断面図は図1のY−Z平面内で軸A1に沿って取られている。
ここで図1と2の両方を参照すると、装置10は、1つの入力端16、1つの上部表面18、および1つの下部表面20を有する光導波管14を具備する。1つ実施例としての実施形態では、光導波管は、図示されているように、1つの長方形の導波管である。光導波管14はまた、1つのクラッド24によって包囲された1つのコア22を含む。コア22は、X方向にWXの1つのコア幅(図1)およびY方向にWYの1つのコア幅(図2)を有する。コア22の屈折率は、クラッド24の屈折率よりも大きい。
実施例としての複数の実施形態では、コア22は、850ナノメートルの1つの波長を有する光を伝送するためにSiから作製されるか、またはそれは1ミクロン以上の複数の波長では真性シリコンから作製される。更には、これらの実施例としての実施形態では、クラッド24はSiOから作製され、それは、複数の近赤外および赤外波長では、Siの屈折率(約3.5)に較べて、相対的に低い1つの屈折率(約1.5)を有する。コアとクラッド(例えば、それぞれSiとSiO)との間に1つの大きな屈折率差を与える複数の材料を使用することによって、コア寸法WおよびWを小さくすることが可能である(例えば、W、W<1ミクロン)。
高屈折率コア/低屈折率クラッドの配置は、光導波管14が1つの光波50を導波するのに必要である。光波50は、コア22の中を伝搬する1つの中心部分56およびクラッド24の中を伝搬する1つのエバネッセント波58を含む。一実施形態において、光波50は1つの光信号を表すかまたはそれを搬送する。
光導波管14は1つのテーパ区域70を更に含む。テーパ区域70は、導波管に沿って1つの点76から出発して1つの狭い端部82で終了する、Z方向に沿って測定した1つの長さL1を有する。図1に例示した装置10の実施例としての実施形態では、テーパ区域70は、水平(X−Z)平面内でテーパが付けられており、したがってそれは本明細書では1つの「水平テーパ」と呼ばれる。
図3は、光導波管のテーパ区域70が1つの鉛直テーパを有する点を除いて、図1のそれと同様の1つの光検出器装置10を示す1つの断面図である。この実施形態は、本明細書では1つの「鉛直テーパ」と呼ばれる。
図4は、光導波管のテーパ区域が1つの鉛直および水平(すなわち、「2重」)テーパを有する点を除いて、図1に示す実施形態のそれと同様の1つの光検出器110を示す1つの斜視端面図である。この実施形態は、本明細書では1つの「2重テーパ」と呼ばれる。
様々な形態にあるテーパ区域70の役割は、以下で更に詳細に説明される。例示のために、以下の説明は、図1に示した装置10の水平テーパの実施例としての実施形態に関して続行する。
図5は、図1の光検出器装置10を示す1つの端面図である。装置10は、1つの真性領域126によって分離された、対向する1つのp型電極および1つのn型電極116および120を有する1つのPIN光検出器110を更に含む。真性領域126は1つの半導体材料から作製され、複数の実施例としての実施形態では、それはシリコンまたはゲルマニウムを含む。真性領域126は、1つの幅Wばかりでなく、1つの前端134と1つの終端140との間で測定した1つの長さL2(図2)も有する。一実施形態において、幅Wは可変である。
PIN光検出器110は、導波管14および真性領域126がエバネッセント波58によって光学的に連通するように、コア22に隣接して配置されている。換言すれば、PIN検出器の導波管および真性領域はエバネッセント結合されている。一実施形態において、真性領域126の幅WIは、導波管110のコア幅WXに対応し、そのコア幅は、一定(例えば、1つの鉛直テーパに関して)または可変(例えば、1つの水平テーパに関して)であり得る。更には、一実施形態において、真性領域の幅WIは、コア幅WXに等しいか、またはそれに実質的に等しい。更に別の一実施形態において、真性領域の長さL2は、テーパ区域の長さL1に等しいか、またはそれに実質的に等しい。
一実施形態において、真性領域126は、導波管コア22に対して形成されたp型電極およびn型電極116および120の自己整合構成と組み合わせて、導波管14の真下に形成されている。
図6は、1つのテーパ真性領域126を有する1つのPIN光検出器の一実施形態を示す1つの近接平面図である。1つのテーパ真性領域は、テーパ区域70(図1〜4)が1つの水平テーパを含むとき、最も適切である。一実施形態において、テーパ真性領域126は、導波管14のテーパ区域70のテーパに一致する(図1〜4)。一実施形態において、p型電極およびn型電極116および120は、1つのテーパ真性領域126を受け入れるように形作られている。
動作に際して、図1〜3を参照すると、光波50は、光導波管14の入力端16の中に入力され、導波管に沿って伝搬する。最終的に、光波50はテーパ区域70の始点76に達するが、それは、一実施形態において、光検出器110の前端134の箇所でもある。この点では、光波50のエバネッセント波58が、真性領域126(図2〜6)にエバネッセント結合し、光(エネルギー)が真性領域126に伝達される。この結合を促進するために、一実施形態において、真性領域126がテーパ区域70の中のコア22に直接的に密接に接触している(図2〜6)。
更に図1〜3を参照すると、光波50は、出力が真性領域に結合されるとき、テーパ区域70の狭い端部82に向かって伝搬し続ける。1つの純粋に水平のテーパ(例えば、図1〜2)では、コアは、点76から狭い端部82まで、X方向のみに寸法が減少する(すなわち、コア幅WはZ方向に変化するが、他方で幅Wは一定のままである。)。1つの純粋に鉛直のテーパ(例えば、図3)では、コアは、Y方向のみに寸法が減少するが、他方でコア幅Wは一定のままである。
図4を参照すると、1つの組合せ鉛直および水平(すなわち、1つの2重)テーパでは、コアは、コア幅WおよびW(図4に図示せず)が両方ともZ方向に変化するように、水平方向と鉛直方向の両方で寸法が減少する。
再び図1〜3を参照すると、テーパ区域70内でコア22の寸法が減少することによって、光波50の中に保持されたエネルギーを中心部分56からエバネッセント波58の中に拡散させる。エバネッセント波の中のエネルギーが増大すると、益々多くのエネルギーが、光波50から真性領域126の中に結合されていくことになる。したがって、光波50はテーパ区域70を通って狭い端部82に向かって伝搬し続けるとき、光波からの益々多くのエネルギーが真性領域126の中にエバネッセント結合される。結合された光エネルギーは真性領域126の中に複数の発生光子キャリヤを生み出し、それらは電極116および120(図4および5)に拡散して、1つの光電流のような1つの電気信号168を生み出す。
更に図1〜3を参照すると、テーパ区域70は、光波50が狭い端部82に達するとき、光波の中に残存するエネルギー量が無視可能であるように設計されている。これは、エネルギーが後方に反射されて光導波管14まで逆進するのを防止するためである。また、一実施形態において、テーパ区域70のテーパの度合いは、導波管14から真性領域126までのエネルギー伝達が断熱的であるように、すなわち、真性領域とのエバネッセント結合以外には、エネルギーの反射または損失の発生が最小限であるように選択される。複数のパラメータの所与の1つの組(例えば、光の波長、真性領域の望ましい長さ、コア、クラッド、および真性領域の相対的な屈折率など)に関して、テーパ区域70を最適に設計することは、市販のシミュレーション・ソフトウェアを使用するコンピュータ・モデリングによって実現可能である。このようなシミュレーション・ソフトウェアの1つの例は、現在、アールソフト・インコーポレイテッド社(rsoft,Inc.)からwww−rsoft−comで市販されているrSoftBPMシミュレータである(偶発的なハイパーリンクを回避するために、上記URL中のドットはダッシュによって置き換えられている。)。
したがって、テーパ区域70は、光波50中のエネルギーを強制的に真性領域126の中に送出することによって効率的な光結合を助長する。これによって、テーパ区域70が存在しない場合よりも真性領域126の長さL2(図2〜3)を短くすることができる。
次に、それは1つのより小型でかつ効率的な光検出器装置に寄与する。
図7Aは、図1の光検出器装置と同様であるが、1つのテーパ導波管区域を含まない1つの光検出器装置に関する、1つのPIN検出器の真性領域の中に結合された光の時間平均強度I(任意の単位)対真性領域に沿った距離D(ミクロン)の1つのシミュレーションに基づく1つのグラフである。
図7Bは、光検出器装置が1つの水平テーパ区域を含む点を除いて、図7Aと同様の1つのグラフである。
図7Aおよび7Bにおいて、導波された光波50(例えば、図2における)から真性領域126(例えば、図2における)にエネルギーの実質的にすべてを伝達するのに必要な距離は、本明細書では「エネルギー伝達距離」と呼ばれ、Dで表される。グラフのデータを得るために、上で言及したrsoftBPMシミュレータを使用してシミュレーションを行った。
図7Aから、「無テーパ」の場合では、エネルギー伝達距離Dは約25ミクロンであることが分かる。他方で、図7Bから、水平テーパの場合では、エネルギー伝達距離Dは約2.5ミクロンであることが分かる。したがって、装置10の1つの水平テーパ区域70を使用すると、エネルギー伝達距離DTの非常に大幅な(すなわち、約1桁の)短縮をもたらし得る。同様の結果は、鉛直および2重テーパの実施形態に関しても得られる。1つの結果として、装置10のPIN検出器区域は、従来技術の装置よりもほとんど2桁小さく作製することが可能である。
結合効率の向上およびエネルギー伝達距離Dの短縮の他に、検出速度の一定の増加が、装置10の複数の実施形態、特に、テーパ区域70の中に1つの水平テーパ構成要素を有するこれらの実施形態によって実現可能である。図6に関連して上で論じたように、テーパ区域70に対する1つの水平構成要素は、真性領域が平均して1つの従来の真性領域よりも狭くなるように、対応して真性領域126にテーパを付けることを可能にする。これは、1つの従来のPINに較べるとき、p型電極116とn型電極120との間の1つのより短い距離をもたらす。次には、これが複数の発生光子キャリヤに関する1つのより短い移行時間、したがって1つのより速い検出器速度につながる。
電気光学システム
図8は、本発明の光検出器装置10の複数の実施形態のいずれか1つを使用する1つの電気工学システム200の一実施形態を示す1つの模式図である。システム200は、入力端16で光導波管14に光学的に結合された1つの光または光電子デバイス210を含む。デバイス210は、光波50によって搬送されるかまたはそれによって別様に表される1つの光信号を発生させることができる。一実施形態において、デバイス210は、1つのマイクロプロセッサ(図示せず)および、1つのダイオード・レーザまたは1つの発光ダイオードのような、1つの発光デバイス(図示せず)を含む。
システム200は、1本のワイヤ236によって光検出器110に電気的に結合された1つの電子的または光電子的デバイス230を更に含む。デバイス230は、限定するものではないが、例えば、1つのマイクロプロセッサ、1つのフィルタ、1つの増幅器、またはそれらの任意の組合せのような、電気信号168を受信しかつ処理できる任意のデバイスである。デバイス230は、他の任意の種類の信号処理素子または回路を含み得る。
動作に際して、デバイス210は、光導波管14の中に結合される光波50によって表されるかまたはそれによって搬送される1つの光信号を発する。光波50は、光導波管14中をテーパ区域70に伝搬する。テーパ区域70では、光波50中のエネルギーは、光波が狭い端部82に向かって伝搬し続けるとき、光検出器110の真性領域126(図2、3、5、および6を参照)の中にテーパによって強制的に送出される。真性領域126中の光は、電極116および120(図4〜6参照)に拡散する複数の発生光子キャリヤに変換されて、電子信号168を生じる。次いで、電気信号168はワイヤ236によってデバイス230に搬送され、次にそれはこの電気信号を処理する。
図面に示した様々な要素は、単なる図示に過ぎず、尺度に合わせて描かれたものではない。それらの幾つかの比率が誇張される場合もあれば、他方では他の比率が最小化される場合がある。これらの図面は、本発明の様々な実施を例示しようとするものであり、それらは当業者によって理解されかつ適切に実施可能である。
本明細書では、幾つかの要素が「上部」および「下部」ならびに「水平」および「鉛直」を基準として説明されているが、これらの説明は相対的なものであり、かつそれらは、その複数の要素が反転、回転、または左右反対にされれば、逆転し得ることが理解されよう。したがって、これらの用語は限定を意図するものではない。
本要約書は、読者が本技術的開示の性質および趣旨を素早く把握できる1つの要約書を要件とする、連邦行政命令集第37編第1.72条第(b)項に適合するように提供されていることを強調するものである。それは特許請求の範囲または意味の解釈または限定に利用されるものではないという理解の下に提出されている。
以上の詳細な説明では、本開示を簡素化する目的のために、様々な特徴が単一の実施形態の中にまとめられている。このような開示方法は、本発明の特許請求の範囲にかかる複数の実施形態が、それぞれの請求項における明示的な記載よりも多くの特徴を要するという1つの意図の反映と解釈されるべきではない。むしろ、添付の特許請求の範囲が反映するように、本発明の主題は、単一の開示された実施形態のすべてとは言えない特徴に存するものである。したがって、添付の特許請求の範囲は、ここに「詳細な説明」に組み込まれており、それぞれの請求項は、それ自体で1つの別個の好ましい実施形態として自立するものである。
本発明を複数の好ましい複数の実施形態に関連して説明してきたが、他方では、その説明はそのように限定されるものではないことが理解されよう。反対に、添付の特許請求の範囲で画定される本発明の趣旨および範囲の中に包含され得るすべての代替物、変形、および均等物を網羅するものである。
本発明の光検出器装置の一実施形態を示す1つの平面図であり、光導波管は1つの水平テーパを含む1つのテーパ区域を有する。 図1の光検出器装置を示す1つの断面図である。 図1のそれと同様の1つの光検出器装置を示す1つの断面図であるが、但し、光導波管のテーパ区域が1つの鉛直テーパを有する点を除く。 図1に示した実施形態のそれと同様の1つの光検出器を示す1つの斜視図であるが、但し、光導波管のテーパ区域が1つの鉛直および水平(すなわち、「2重」)テーパを有する点を除く。 図1の光検出器装置を示す1つの端面図である。 は、1つのテーパ真性領域を有する1つのPIN光検出器の一実施形態を示す1つの近接平面図である。 図1のそれと同様であるが、1つのテーパ導波管区域を含まない1つの光検出器装置に関する、1つのPIN検出器の真性領域の中に結合された光の時間平均強度I(任意の単位)対真性領域に沿った距離D(ミクロン)の1つのシミュレーションに基づく1つのグラフである。 光検出器装置が1つの水平テーパ区域を含む点を除いて、図7Aと同様の1つのグラフである。 本発明の光検出器装置の複数の実施形態のいずれか1つを使用する1つの電気光学的システムの一実施形態を示す1つの模式図である。

Claims (25)

  1. 1つの装置であって、
    1つのテーパ区域を有する1つの光導波管と、
    1つの真性領域を有する1つの光検出器と、
    を備え、
    前記光検出器が、前記真性領域がエバネッセント結合によって前記光導波管に光学的に結合されるように、前記テーパ区域に隣接して配置されている、
    装置。
  2. 前記テーパ区域が1つの水平テーパを備える、請求項1に記載の装置。
  3. 前記真性領域に、前記テーパ区域の前記水平テーパに対応してテーパが付けられている、請求項2に記載の装置。
  4. 前記テーパ区域が1つの鉛直テーパを備える、請求項2に記載の装置。
  5. 前記テーパ区域が1つの鉛直テーパを備える、請求項1に記載の装置。
  6. 前記テーパ区域が1つの第1の長さを有し、かつ前記真性領域が前記第1の長さに実質的に等しい1つの第2の長さを有する、請求項1に記載の装置。
  7. 1つの装置であって、
    1つの真性領域によって分離された対向する1つのp型電極および1つのn型電極を有する1つの光検出器と、
    1つのコアおよび1つのテーパ区域を有する1つの光導波管と、
    を備え、
    前記テーパ区域が、前記コアおよび真性領域がエバネッセント結合されるように前記真性領域に隣接して配置されている、
    装置。
  8. 前記テーパ区域が、1つの水平テーパと1つの鉛直テーパのうちの少なくとも1つを備える、請求項7に記載の装置。
  9. 前記テーパ区域が1つの水平テーパを備え、かつ前記真性領域にテーパが付けられている、請求項8に記載の装置。
  10. 前記n型電極およびp型電極に、前記テーパ付きの真性領域を受け入れるようにテーパが付けられている、請求項9に記載の装置。
  11. 1つのシステムであって、
    1つのテーパ区域を備え、1つの光波を支持する1つの光導波管と、1つの真性領域を備える1つの光検出器とを有する1つの光検出器装置であって、前記真性領域は、前記テーパ区域に隣接して配置され、かつそれにエバネッセント結合され、前記光検出器は、前記真性領域にエバネッセント結合された光に応答して、前記光波から1つの電気信号を発生させることができる、光検出器装置と、
    前記光波を発生させることが可能であり、かつ前記光導波管の1つの入力端に結合されている1つの第1のデバイスと、
    前記光検出器に電気的に結合され、更に前記電気信号を受信しかつ処理できる1つの第2のデバイスと、
    を備えるシステム。
  12. 前記テーパ区域が、1つの水平テーパと1つの鉛直テーパのうちの少なくとも1つを備える、請求項11に記載のシステム。
  13. 前記テーパ区域が1つの水平テーパを備え、かつ前記真性領域にテーパが付けられている、請求項12に記載のシステム。
  14. 前記真性領域がシリコンを備える、請求項12に記載のシステム。
  15. 前記真性領域はゲルマニウムを備える、請求項12に記載のシステム。
  16. 1つの方法であって、
    1つのテーパ区域を有する1つの光導波管の中で1つの光波を導波する段階と、
    前記テーパ区域に隣接する1つの光検出器の1つの真性領域に前記光波をエバネッセント結合する段階と、
    を備える方法。
  17. 前記導波管の1つの入力端に光学的に結合された1つの第1のデバイスによって、前記光波を発生させる段階を更に備える、請求項16に記載の方法。
  18. 前記光検出器によって1つの電気信号を発生させる段階を更に備える、請求項17に記載の方法。
  19. 前記光検出器に電気的に結合された1つの第2のデバイスによって、前記電気信号を受信しかつ処理する段階を更に備える、請求項18に記載の方法。
  20. 前記テーパ区域に、1つの水平テーパと1つの鉛直テーパのうちの少なくとも1つを設ける段階を更に備える、請求項16に記載の方法。
  21. 1つの方法であって、
    1つのテーパ区域を有する1つの光導波管の中で1つの光波を伝搬する段階と、
    前記テーパ区域からの光を前記光検出器の1つの真性領域にエバネッセント結合することによって、前記テーパ区域に隣接する1つの光検出器の中で前記光波を検出する段階と、
    を備える方法。
  22. 1つの水平テーパを有するように前記テーパ区域を形成する段階を更に備える、請求項21に記載の方法。
  23. 1つの鉛直テーパを有するように前記テーパ区域を形成する段階を更に備える、請求項21に記載の方法。
  24. 1つの鉛直テーパと1つの水平テーパの両方を有するように前記テーパ区域を形成する段階を更に備える、請求項21に記載の方法。
  25. 前記光波を検出する段階に応答して1つの電気信号を発生させる段階と、
    前記光検出器に電気的に結合された1つのデバイスによって前記電気信号を処理する段階とを更に備える、請求項21に記載の方法。
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