JP2014203895A - Photodiode - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、信号光の強度をモニタするためのフォトダイオード(PD)に関する。 The present invention relates to a photodiode (PD) for monitoring the intensity of signal light.
WDM光通信システムの大容量化を実現するには、1波長あたりの伝送レートを上げることが有用である。例えば、変調方式を変えることなく光伝送路に送出するシンボルレートを上げた場合には、許容残留分散量がシンボルレートの2乗に反比例するため、光伝送路の波長分散耐力が低下するという問題があった。また、この場合には、電気信号処理を高速に実行することが必要になるため、アナログ電気部品のコストが増加するという問題もあった。 In order to increase the capacity of a WDM optical communication system, it is useful to increase the transmission rate per wavelength. For example, when the symbol rate transmitted to the optical transmission line is increased without changing the modulation method, the allowable residual dispersion amount is inversely proportional to the square of the symbol rate, so that the chromatic dispersion tolerance of the optical transmission line decreases. was there. Further, in this case, since it is necessary to execute electric signal processing at a high speed, there is a problem that the cost of the analog electric component increases.
かかる問題を回避するため、近年では、シンボルレートを上げることなく、1シンボルあたりの信号多重度を上げることで、システムの大容量化を実現するための研究が盛んに行われている。この信号多重度を上げる方式として、例えば、1シンボルに2ビット(多重度2)を割り当てることで伝送容量を2倍にするQPSK方式、1シンボルに4ビット(多重度4)を割り当てることで伝送容量を4倍にする16QAM方式、16APSK方式等の多値変調方式が知られている。 In order to avoid such a problem, in recent years, research has been actively conducted to increase the capacity of a system by increasing the signal multiplicity per symbol without increasing the symbol rate. As a method for increasing the signal multiplicity, for example, a QPSK method that doubles the transmission capacity by allocating 2 bits (multiplicity 2) to one symbol, and transmission by allocating 4 bits (multiplicity 4) to 1 symbol. Multi-level modulation schemes such as 16QAM scheme and 16APSK scheme for quadrupling the capacity are known.
通常は一般に、このような多値変調方式を採用する場合、光変調器としてI/Q変調器が用いられる。I/Q変調器は、直交変調器とも呼ばれ、直交する光電界成分(Iチャンネル、Qチャンネル)を独立して生成することができる変調器である。このI/Q変調器は、マッハツェンダー(MZ:Mach−Zehnder)変調器を並列接続して形成される特殊な構成となっている。 In general, when such a multilevel modulation method is adopted, an I / Q modulator is used as an optical modulator. The I / Q modulator is also called a quadrature modulator, and is a modulator that can independently generate orthogonal optical electric field components (I channel and Q channel). This I / Q modulator has a special configuration formed by connecting Mach-Zehnder (MZ) modulators in parallel.
例えば、QPSK変調を実行する場合には、MZ変調器を2個並列に接続したDual Parallel MZ変調器(DPMZM:Dual Parallel Mach−Zehnder Modulator)が用いられる。例えば、16QAM変調を実行する場合には、DPMZMを電気多値信号で駆動する方式が用いられる。 For example, when executing QPSK modulation, a dual parallel MZ modulator (DPMZM: Dual Parallel Mach-Zehnder Modulator) in which two MZ modulators are connected in parallel is used. For example, when performing 16QAM modulation, a method of driving DPMZM with an electrical multilevel signal is used.
図6は、従来のDPMZM600の構成を示した模式図である。 FIG. 6 is a schematic diagram showing the configuration of a conventional DPMZM600.
図6において、DPMZM600は、入力導波路601と、光分岐回路602と、接続導波路603a,603bと、マッハツェンダー変調器610a,610bと、位相調整領域部607a,607bと、光合流回路608と、出力導波路609とを備える。
In FIG. 6, a DPMZM 600 includes an
マッハツェンダー変調器610aは、光分岐回路604a、位相変調器605a,605bおよび光合流回路606aを有する。マッハツェンダー変調器610bは、光分岐回路604b、位相変調器605c,605dおよび光合流回路606bを有する。
The Mach-Zehnder
図6では、2つのマッハツェンダー変調器610a,610bは並列に配置されている。そして、マッハツェンダー変調器610a,610bは、アームの一部に組み込まれている。つまり、親マッハツェンダー干渉計が形成されている。一般に、このような構成を、Dual Parallel MZ Modulator(DPMZM)と呼ぶ。
In FIG. 6, two Mach-Zehnder
このDPMZM600では、信号光は、まず入力導波路601から入射し、光分岐回路602により2分岐され、接続導波路603a,603bを介してマッハツェンダー変調器610a,610bに導かれる。マッハツェンダー変調器610a,610bはともにプッシュプル駆動で動作する。
In the DPMZM 600, the signal light first enters from the
マッハツェンダー変調器610a,610bで変調された信号光は、各位相調整領域607a,607bに入射し、位相関係を調整された後、光合流回路608で合流され、出力導波路609から出力される。この場合の位相調整領域607a,607bでは、光合流回路608で合流された際の両信号光の位相差がπ/2となるように位相が相対的に調整される。
The signal light modulated by the Mach-Zehnder
次に、光多値変調として、例えば4値のQPSK変調を例にとり、コンスタレーション(constellation)について図6および図7を参照して説明する。 Next, constellation will be described with reference to FIGS. 6 and 7 by taking, for example, quaternary QPSK modulation as an example of optical multilevel modulation.
図7は、光変調器のコンスタレーションを説明するための図であって、(a)はプッシュプル駆動のマッハツェンダー変調器610aにより変調された光電界の軌跡、(b)はDPMZMのコンスタレーションを示している。
7A and 7B are diagrams for explaining the constellation of the optical modulator, in which FIG. 7A is a locus of an optical electric field modulated by the push-pull drive Mach-Zehnder
マッハツェンダー変調器610aでは、位相変調器605a,605bは、差動信号により駆動する。位相変調器の場合、信号光は、強度が一定で位相角が印加電圧に応じて変化する。例えば、QPSK信号の場合を考えると、電気信号は、振幅が半波長電圧Vπの2値信号となる。そのため、位相変調器605aから出射される信号光の電界は、図7(a)に示す半円の上半分をトレースする形で、I0点とI1点との間を電気信号に応じて往復する。
In the Mach-Zehnder
一方、位相変調器605bについて考えると、マッハツェンダー変調器610aは、プッシュプル駆動するため、位相変調器605bは、位相変調器605aの差動信号で駆動することになる。したがって、位相変調器605bから出射される信号光の電界は、図7(a)に示した半円の下半分をトレースする形で、I0点とI1点との間を電気信号に応じて往復する。
On the other hand, considering the
光合流回路606aから出力される信号光の電界は、位相変調器605a,605bからの出力の合成となるため、図7(a)において、原点0を通り直線状に、I0点とI1点との間を電気信号に応じて往復する。
Since the electric field of the signal light output from the
マッハツェンダー変調器610bについても同様に差動信号によりプッシュプル駆動するため、出力信号のトレースは、原点0を通る直線となる。2つのマッハツェンダー変調器610a,610bから出力された信号光は、各位相調整領域607a,607bにおいて、互いの相対的な位相差がπ/2となるように調整され、光合流回路608により足し合わされる。したがって、マッハツェンダー変調器610aから出力された信号光の電界のトレースと、マッハツェンダー変調器610bから出力された信号光の電界のトレースとは、直交する形で足し合わされることになる。したがって、出力導波路609から出力される信号光の最終的なコンスタレーションは、図7(b)に示されるような互いに90度ずつ角度の異なる4つの点となる。これが4値変調であるQPSKのコンスタレーションである。なお、互いの相対的な位相差がπ/2となるように調整されて光合流回路608により足し合わされる場合には、原理損失は3dBとなる。
Similarly, since the Mach-Zehnder
上記のような動作を行うためには、マッハツェンダー変調器610a、610bの動作点またはバイアス点、さらには、光合流回路608により足し合わす際の相対的な位相差が、π/2となるように精密に調整されていなければならず、そのためには光出力の一部を取り出してモニタする必要がある。例えば、半導体材料を用いた変調器の場合、動作状態をモニタするためのモニタフォトダイオード(モニタPD)を変調器と同一基板上にモノリシック集積することが可能である(例えば、非特許文献1)。
In order to perform the operation as described above, the operation point or bias point of the Mach-Zehnder
図8は非特許文献1におけるパワーモニタPD付きマッハツェンダー変調器800の構成を模式化した図である。
FIG. 8 is a diagram schematically showing the configuration of a Mach-Zehnder
図8において、マッハツェンダー変調器800は、入力導波路801と、光分岐回路802と、接続導波路803a,803bと、位相変調器804a,804bと、接続導波路805a,805bと、光合流回路806と、出力導波路807と、モニタPD808とを備える。
In FIG. 8, a Mach-Zehnder
このマッハツェンダー変調器800は、図6に示したマッハツェンダー変調器610aに、モニタPD808を付加したものと考えることができる。一方、図6のものと異なり、マッハツェンダー変調器800の光合流回路806は、2入力2出力の合流回路となっている。
The Mach-Zehnder
2入力2出力の合流回路を利用したマッハツェンダー変調器の場合、主信号が出力されるポートと、主信号と強度の反転した信号が出力されるポートとを構成することが可能となるため、主信号と、強度の反転した信号とは、モニタPD808に接続してモニタすることにより、主信号の状態を推測することが可能となる。
In the case of a Mach-Zehnder modulator using a 2-input 2-output junction circuit, it is possible to configure a port from which a main signal is output and a port from which a signal having an intensity inverted from that of the main signal is output. The main signal and the inverted signal are connected to the
モニタPD808は、導波路のコアまたはクラッドの一部に伝搬光を吸収する層を有しており、導波路の形状は直線形状となっている。
The
非特許文献1に記載のマッハツェンダー変調器は、直線状の導波路を備えるため、モニタPDの受光感度を上げるには、導波路長を長くする必要があった。そのため、素子サイズが大きくなるという問題があった。 Since the Mach-Zehnder modulator described in Non-Patent Document 1 includes a linear waveguide, it is necessary to increase the waveguide length in order to increase the light receiving sensitivity of the monitor PD. Therefore, there has been a problem that the element size becomes large.
本発明は、このような状況下においてなされたものであり、素子サイズを大きくせずに受光感度を良くすることができるフォトダイオードを提供することを目的とする。 The present invention has been made under such circumstances, and an object thereof is to provide a photodiode capable of improving the light receiving sensitivity without increasing the element size.
上記の課題を解決するためのフォトダイオードは、前記フォトダイオードに信号光を導くための導波路と、前記導波路に接続され、前記信号光を円周方向に周回させるように形成された円周部を有する光吸収領域部とを含む。 A photodiode for solving the above-described problems includes a waveguide for guiding signal light to the photodiode, and a circumference connected to the waveguide and configured to circulate the signal light in a circumferential direction. A light absorption region portion having a portion.
ここで、前記導波路は、前記円周部の接線方向と一致するように前記光吸収領域部と接続するようにしてもよい。 Here, the waveguide may be connected to the light absorption region portion so as to coincide with a tangential direction of the circumferential portion.
前記円周部は、円状またはドーナツ状としてもよい。 The circumferential portion may be circular or donut shaped.
前記フォトダイオードは、導波路型光デバイスに集積されており、前記光信号は、前記導波路型光デバイスの入力光または出力光としてもよい。 The photodiode may be integrated in a waveguide type optical device, and the optical signal may be input light or output light of the waveguide type optical device.
本発明のフォトダイオードによれば、素子サイズを大きくせずに受光感度を良くすることができる。 According to the photodiode of the present invention, the light receiving sensitivity can be improved without increasing the element size.
<第1実施形態>
以下、本発明のフォトダイオードの一実施形態を図面を参照して説明する。この実施形態のフォトダイオードは、例えば集積型モニタフォトダイオードである。
<First Embodiment>
Hereinafter, an embodiment of a photodiode of the present invention will be described with reference to the drawings. The photodiode of this embodiment is, for example, an integrated monitor photodiode.
図1は、第1実施形態に係るフォトダイオードの構成例を示した模式図である。 FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a configuration example of a photodiode according to the first embodiment.
図1に示すフォトダイオード100は、接続導波路(導波路)101と、PD102とを備える。
A
この実施形態のPD102は、接続導波路101に接続され、信号光を円周方向に周回させるように形成された例えば円形の円周部を有する光吸収領域部である。PD102は、例えば、入力光または出力光のモニタとして使用することができる。
The
図1において、接続導波路101とPD102との接続部103では、接続導波路101が、PD102の円周部の接線方向と一致するようにPD102と接続されている。これにより、信号光は、PD102の円周部の円周方向に伝播することとなり、結果として、フォトダイオード100の導波路長が長くなる。
In FIG. 1, in the
図2は図1におけるA−A’における断面構造の一例を示した図である。 FIG. 2 is a diagram showing an example of a cross-sectional structure taken along line A-A ′ in FIG. 1.
図2において、フォトダイオード100は、n−InP基板201、光吸収層202、上部p−InPクラッド203、上部電極204および下部電極205を備える。
2, the
n−InP基板201は、導波路の下部クラッドを構成するようになっている。光吸収層202は、InGaAsP井戸層およびInP障壁層を有するノンドープ多重量子井戸構造からなる導波路コア層を兼ね備える。
The n-
このフォトダイオード100では、接続導波路101から光吸収領域を有する円形のPD102に入射した信号光は、円形の円周部の円周に沿って、PD102の光吸収層202を周回することになる。これにより、信号光は、円周部の円周の長さ以上の距離を伝搬することが可能となり、したがって光の吸収効率が高くなる。
In this
また、信号光がPD102の素子内部を周回することにより、導波路コア層において、吸収係数が小さくなる材料系を用いた場合でも、非特許文献1の直線導波路構造の場合のように導波路長を長くするためにPD102の素子サイズを大きくする必要がない。仮に、非特許文献1の直線導波路構造の場合、導波路長を長くすると、(導波路幅)×(導波路長さ)で定義される導波路の面積が増加してしまう。しかしながら、本実施形態のフォトダイオード100の場合は、PD102の素子サイズを変更する必要がないので、PD102の円周部の円の面積が増加することがない。そのため、PD102の素子容量の増加が防げ、また吸収効率が向上する。
Further, even when a material system in which the absorption coefficient is reduced in the waveguide core layer by circulating the signal light inside the element of the
本実施形態のフォトダイオード100は、構成が簡単で、低コスト、かつ作製が容易である。さらにフォトダイオード100は、高感度・低容量で高速動作可能である。
The
<第2実施形態>
第2実施形態に係るフォトダイオード300は、PDの形状をドーナツ状にした点が第1実施形態のものと異なる。
Second Embodiment
The
図3は、本実施形態に係るフォトダイオード300の構成例を示した模式図である。
FIG. 3 is a schematic diagram illustrating a configuration example of the
図3において、フォトダイオード100は、接続導波路301と、PD302とを備える。
In FIG. 3, the
この実施形態のPD302は、接続導波路301に接続され、信号光を円周方向に周回させるように形成された例えばドーナツ状の円周部を有する光吸収領域部である。PD302は、例えば、入力光または出力光のモニタとして使用することができる。
The
図3において、接続導波路301とPD302との接続部303では、接続導波路301が、PD302のドーナツ状の円周部の接線方向と一致するようにPD302と接続されている。これにより、信号光は、PD302のドーナツ状の円周部(リング導波路)の円周方向に伝播することとなり、結果として、フォトダイオード300の導波路長が長くなる。
In FIG. 3, in the
図4は図3におけるB−B’における断面構造の一例を示した図である。 FIG. 4 is a diagram showing an example of a cross-sectional structure taken along B-B ′ in FIG. 3.
図4において、フォトダイオード300は、n−InP基板401、光吸収層402、上部p−InPクラッド403、上部電極404および下部電極405を備える。
4, the
n−InP基板401は、導波路の下部クラッドを構成するようになっている。光吸収層402は、InGaAsP井戸層およびInP障壁層を有するノンドープ多重量子井戸構造からなる導波路コア層を兼ね備える。
The n-
図4において、PD302のリング導波路が形成されるドーナツ状の導波路の外周側側壁は、導波路コア層よりも深くエッチングされたいわゆるハイメサ型構造となっている。また、PD302のドーナツ状の導波路内側の側壁は、上部クラッド層404の途中までエッチングされ、コア層上に上部クラッド層404が一部残ったいわゆるリッジ型構造となっている。
In FIG. 4, the outer peripheral side wall of the donut-shaped waveguide in which the ring waveguide of the
このフォトダイオード300の動作は、第1実施形態のものとほぼ同様である。すなわち、接続導波路101から光吸収領域を有するドーナツ状のPD302に入射した信号光は、ドーナツ状の円周部の円周に沿って、PD302の光吸収層302を周回することになる。これにより、信号光は、PD302の円周部の円周の長さ以上の距離を伝搬することとなり、光の吸収効率が高くなる。これにより、このフォトダイオード300についても、第1実施形態のものと同様の作用および効果を得る。
The operation of the
なお、上記各実施形態の変更例について説明する。 In addition, the example of a change of each said embodiment is demonstrated.
(変形例1)
PD102,302を構成する導波路構造は、信号光が伝播可能な導波路構造であれば、例えば、埋め込み構造、リッジ構造、ハイメサ構造等としてもよい。このようにしても、上述した実施形態のPD102,302と同様の効果を得ることができる。
(Modification 1)
The waveguide structure constituting the
(変形例2)
図4に示したPD301は、例えば図5に示すような構成としてもよい。図5は、図3のB−B’における断面構造の一例を説明するための図である。
(Modification 2)
The
図5において、変形例2のフォトダイオード300Aでは、n−InP基板501、光吸収層502、上部p−InPクラッド503、上部電極504および下部電極505を備える。
5, the
n−InP基板501は、導波路の下部クラッドを構成するようになっている。光吸収層502は、InGaAsP井戸層およびInP障壁層を有するノンドープ多重量子井戸構造からなる導波路コア層を兼ね備える。
The n-
図5において、導波路の両側側壁は、コア層を超えて下部クラッド501までエッチングされている。このようにしても前述した実施形態と同様な効果が期待できる。
In FIG. 5, both side walls of the waveguide are etched to the
なお、導波路の両側側壁は、リッジ型構造としてもよいし、あるいは埋込構造としてもよい。 The side walls on both sides of the waveguide may have a ridge structure or a buried structure.
(変形例3)
前述したフォトダイオード100,300,300Aの構造および材質に関して、特に制約を設けるものではない。例えば、InP系、GaAs系に代表されるような化合物半導体材料、Si等の半導体材料、通常フォトダーオードとして使用可能なすべての材料系を適用してもよい。
(Modification 3)
There are no particular restrictions on the structure and material of the
(変形例4)
前述したフォトダイオード100,300,300Aは、モニタフォトダイオードを例にとって説明したが、例えば、電気信号を光信号に変換して送信する光変調器、および光変調方法に利用することが可能である。
(Modification 4)
The above-described
(変形例5)
前述したフォトダイオード100,300,300Aは、導波路型光デバイスに集積されており、導波路型光デバイスの入力光または出力光を受光するようにしてもよい。
(Modification 5)
The
101,301 接続導波路
102,302 PD
103,303 接続導波路とPDの接続部
201,401,501 n−InP基板
202,402,502 光吸収層
203,403,503 p−InPクラッド
204,404,504 上部電極
205,405,505 下部電極
601 入力導波路
602 光分岐回路
603a,603b 接続導波路
604a,b 光分岐回路
605a,605b,605c,605d 位相変調器
606a,606b 光合流回路
607a,607b 位相調整領域
608 光合流回路
609 出力導波路
610a,610b マッハツェンダー変調器
101,301 Connecting waveguide 102,302 PD
103, 303 Connection waveguide and
Claims (4)
前記フォトダイオードに信号光を導くための導波路と、
前記導波路に接続され、前記信号光を円周方向に周回させるように形成された円周部を有する光吸収領域部と
を含むことを特徴とするフォトダイオード。 A photodiode,
A waveguide for guiding signal light to the photodiode;
And a light absorption region portion having a circumferential portion connected to the waveguide and formed to circulate the signal light in a circumferential direction.
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