JP5513659B1 - Photonic crystal photodetector - Google Patents

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Abstract

【課題】、微小サイズ、高い応答速度、高い検出効率を有する光検出器を提供する。
【解決手段】屈折率の異なる第1の媒質と第2の媒質とが規則的に配列されたフォトニック結晶に、光吸収領域が埋め込まれたフォトニック結晶光検出器において、前記光吸収領域の光軸上における前記第2の媒質を、前記第1の媒質に置換した入力導波路を備え、該入力導波路の幅は、前記光吸収領域の幅よりも広い。
【選択図】図2
An optical detector having a small size, a high response speed, and a high detection efficiency is provided.
In a photonic crystal photodetector in which a light absorption region is embedded in a photonic crystal in which a first medium and a second medium having different refractive indexes are regularly arranged, the light absorption region An input waveguide is provided in which the second medium on the optical axis is replaced with the first medium, and the width of the input waveguide is wider than the width of the light absorption region.
[Selection] Figure 2

Description

本発明は、フォトニック結晶光検出器に関し、より詳細には、屈折率の異なる第1の媒質と第2の媒質とが規則的に配列されたフォトニック結晶に、光吸収領域が埋め込まれたフォトニック結晶光検出器に関する。   The present invention relates to a photonic crystal photodetector, and more specifically, a light absorption region is embedded in a photonic crystal in which a first medium and a second medium having different refractive indexes are regularly arranged. The present invention relates to a photonic crystal photodetector.

光通信システムにおいて、光信号を電気信号に変換するための素子として光検出器がある。シリコンチップ(電気集積回路)の間を光導波路で接続する技術である光インターコネクションを適用する光検出器においては、微小サイズ、かつ応答速度の向上、高い検出効率等が望まれている。光検出器の一般的な構造として、p−i−n構造を有する光導波路型構造がある。この構造は、光導波路中に光吸収層を形成することにより入射した光を吸収し、光導波路の両側に形成したp−i−n接合に逆バイアス電圧を印可することにより、光吸収により生成されたキャリアを引き抜いて電流に変換する。近年、光素子の作製技術の向上により、サブマイクロメートルのサイズに加工された様々な光素子を実現することができるようになり、ナノフォトニクス技術と呼ばれている。光検出器においても、ナノフォトニクス技術を用いることにより、微小かつ高い性能を実現することが期待されている。   In an optical communication system, there is a photodetector as an element for converting an optical signal into an electric signal. In a photodetector to which optical interconnection, which is a technology for connecting silicon chips (electrical integrated circuits) with an optical waveguide, is applied, a small size, improved response speed, high detection efficiency, and the like are desired. As a general structure of the photodetector, there is an optical waveguide type structure having a pin structure. This structure absorbs incident light by forming a light absorption layer in the optical waveguide, and is generated by light absorption by applying a reverse bias voltage to pin junctions formed on both sides of the optical waveguide. The extracted carrier is extracted and converted into an electric current. In recent years, various optical elements processed into sub-micrometer sizes can be realized by improving the manufacturing technique of optical elements, and this is called nanophotonics technology. Even in the photodetector, it is expected to realize minute and high performance by using nanophotonics technology.

ナノフォトニクス技術の一つとして、フォトニック結晶と呼ばれる微細構造がある。特に、数百nm厚の半導体薄膜(スラブ)に、周期的に円孔を形成した構造は、フォトニック結晶スラブ構造と呼ばれている。この構造を利用した光導波路、光共振器を基盤として、様々な光素子が非常に微小なサイズで実現されている。フォトニック結晶スラブ構造を利用した光検出器としては、シリコンを材料としたフォトニック結晶光共振器を用いた報告例がある(例えば、非特許文献1参照)。この光検出器は、フォトニック結晶導波路の円孔位置を局所的にわずかに移動することにより光共振器を形成し、光共振器中の非線形光吸収効果を利用している。   One of the nanophotonic technologies is a fine structure called a photonic crystal. In particular, a structure in which circular holes are periodically formed in a semiconductor thin film (slab) having a thickness of several hundred nm is called a photonic crystal slab structure. Various optical elements are realized in very small sizes on the basis of optical waveguides and optical resonators using this structure. As a photodetector using a photonic crystal slab structure, there is a report example using a photonic crystal optical resonator made of silicon (see, for example, Non-Patent Document 1). This photodetector forms an optical resonator by slightly moving the position of the circular hole of the photonic crystal waveguide locally, and utilizes the nonlinear optical absorption effect in the optical resonator.

しかしながら、光通信によく使用される波長1.55μmの光に対して吸収効率が小さいため、最大でも10%程度の検出効率である。また、共振器構造を用いているため、光検出器のQ値(光の漏れの少なさを表す指標であり、共振器中への光の捕獲時間に比例し、共振器が許容する光の波長幅に逆比例する。)が非常に高いことにより、検出可能な波長範囲が10pm以下と非常に狭いという問題があった。   However, since the absorption efficiency is small for light having a wavelength of 1.55 μm, which is often used for optical communication, the detection efficiency is about 10% at the maximum. In addition, since the resonator structure is used, the Q value of the photodetector (an index indicating a small amount of light leakage, which is proportional to the light capture time in the resonator and the light allowed by the resonator) (It is inversely proportional to the wavelength width.) Has a problem that the detectable wavelength range is as narrow as 10 pm or less.

波長1.55μmの光に対しては、吸収係数が高いInGaAsを吸収層に用いることが一つの解決方法であり、一般的な1.55μm帯の光検出器においては、実際によく使用されている。ただし、フォトニック結晶スラブ構造を利用する場合は、光を入射するために吸収がない導波路領域と、InGaAsからなる光吸収領域とを分離・接合させる必要がある。近年、InPを材料としたフォトニック結晶導波路の中に微小なInGaAsPを埋め込む技術が開発されている(例えば、特許文献1、非特許文献2参照)。このような埋め込み型構造では、InPとInGaAsPとの屈折率差により、InGaAsPが埋め込まれた部分に光を閉じ込める作用と、バンドギャップ差により生成キャリアを閉じ込める作用とが両立する。そのため、InGaAsPが埋め込まれた部分を動作領域、それに接続されたInP部分を光導波領域とすることにより、フォトニック結晶導波路を基盤とした様々な光素子を作製するのに有効である。そして、このような構造は微小な光検出器の作製にも有効と考えられる。   For light with a wavelength of 1.55 μm, one solution is to use InGaAs with a high absorption coefficient in the absorption layer. In general, a photodetector of the 1.55 μm band is often used. Yes. However, when a photonic crystal slab structure is used, it is necessary to separate and join a waveguide region that does not absorb light to enter and a light absorption region made of InGaAs. In recent years, a technique for embedding a minute InGaAsP in a photonic crystal waveguide using InP as a material has been developed (see, for example, Patent Document 1 and Non-Patent Document 2). In such a buried structure, the effect of confining light in the portion where InGaAsP is buried is compatible with the effect of confining the generated carriers due to the band gap difference due to the difference in refractive index between InP and InGaAsP. Therefore, it is effective to manufacture various optical elements based on the photonic crystal waveguide by using the portion where InGaAsP is embedded as the operation region and the InP portion connected thereto as the optical waveguide region. Such a structure is considered to be effective for manufacturing a minute photodetector.

国際公開第2011/027555号International Publication No. 2011/027555

T. Tanabe, H. Sumikura, H. Taniyama, A. Shinya, and M. Notomi, "All-silicon sub-Gb/s telecom detector with low dark current and high quantum efficiency on chip," Applied Physics Letters, vol. 96, p. 101103, 2010T. Tanabe, H. Sumikura, H. Taniyama, A. Shinya, and M. Notomi, "All-silicon sub-Gb / s telecom detector with low dark current and high quantum efficiency on chip," Applied Physics Letters, vol. 96, p. 101103, 2010 S. Matsuo, A. Shinya, T. Kakitsuka, K. Nozaki, T. Segawa, T. Sato, Y. Kawaguchi, and M. Notomi, "High-speed ultracompact buried heterostructure photonic-crystal laser with 13 fJ of energy consumed per bit transmitted," Nature Photonics, vol. 4, pp. 648-654, 2010S. Matsuo, A. Shinya, T. Kakitsuka, K. Nozaki, T. Segawa, T. Sato, Y. Kawaguchi, and M. Notomi, "High-speed ultracompact buried heterostructure photonic-crystal laser with 13 fJ of energy consumed per bit transmitted, "Nature Photonics, vol. 4, pp. 648-654, 2010

p−i−n構造を有する光導波路型の検出器は、一般的に、応答速度がCR時定数とキャリアドリフト時間とにより制限されることが多い。前者の要因は、光検出器全体の容量Cと抵抗Rによって応答速度が制限され、CとRの一方もしくは両方が低い方がよい。この構造では、光検出器中に形成される空乏層が容量成分となるため、光検出器の全長を短くするか、またはi領域を広げることにより、容量Cを小さくすることが望ましい。その結果、CR時定数を低減させ、応答速度を向上することができる。後者の要因は、生成されたキャリアが引き抜かれる際、キャリアドリフト時間によって応答速度が制限される。CR時定数の場合とは逆に、i領域を狭めることにより、キャリアドリフト時間を減少させ、応答速度を向上することができる。特許文献1に記載された埋め込み型のフォトニック結晶導波路を利用すると、光とキャリアの閉じ込め効果によって、i領域の幅を狭くすることができるため、キャリアドリフト時間を減少させ応答速度を向上することができる。   In general, the response speed of an optical waveguide detector having a pin structure is often limited by a CR time constant and a carrier drift time. As for the former factor, the response speed is limited by the capacitance C and resistance R of the entire photodetector, and it is preferable that one or both of C and R is low. In this structure, since the depletion layer formed in the photodetector serves as a capacitive component, it is desirable to reduce the capacitance C by shortening the total length of the photodetector or expanding the i region. As a result, the CR time constant can be reduced and the response speed can be improved. The latter factor is that the response speed is limited by the carrier drift time when the generated carriers are extracted. In contrast to the CR time constant, by narrowing the i region, the carrier drift time can be reduced and the response speed can be improved. When the buried photonic crystal waveguide described in Patent Document 1 is used, the width of the i region can be reduced due to the confinement effect of light and carriers, so that the carrier drift time is reduced and the response speed is improved. be able to.

上述した埋め込み型構造を光検出器に適用する場合、InP導波路領域よりもInGaAs埋め込み領域の方が高い屈折率を有する。両者の導波波長帯域が異なるため、単純に導波路同士を接続しただけでは使用できない帯域が発生する。   When the buried structure described above is applied to a photodetector, the InGaAs buried region has a higher refractive index than the InP waveguide region. Since the two waveguide wavelength bands are different, a band that cannot be used simply by connecting the waveguides is generated.

このことから、解決すべき課題の第1は、導波帯域を整合させ、高効率に光を吸収させるための方法を見出すことである。また、i領域の幅を狭くする場合、上述したように、CR時定数の増加による応答速度の低下が懸念される。これを防ぐための方法として、検出器の全長を短くすることにより、容量Cを低下させる方法が考えられる。   From this, the first problem to be solved is to find a method for matching the waveguide band and absorbing light with high efficiency. Further, when the width of the i region is narrowed, as described above, there is a concern that the response speed may decrease due to an increase in the CR time constant. As a method for preventing this, a method of reducing the capacitance C by shortening the total length of the detector can be considered.

一方、全長を短くしすぎると、光が一往復する間に十分に吸収されないため、光の検出効率が低下するというトレードオフが生ずる。従って、解決すべき課題の第2は、全長を短くした場合に、高い吸収効率を維持するための方法を見出すことである。   On the other hand, if the total length is too short, light is not sufficiently absorbed during one round trip, resulting in a trade-off that the light detection efficiency is reduced. Therefore, the second problem to be solved is to find a method for maintaining high absorption efficiency when the total length is shortened.

本発明の目的は、微小サイズ、高い応答速度、高い検出効率を有する光検出器を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a photodetector having a small size, a high response speed, and a high detection efficiency.

本発明は、このような目的を達成するために、第1の実施態様は、屈折率の異なる第1の媒質と第2の媒質とが規則的に配列されたフォトニック結晶に、光吸収領域が埋め込まれたフォトニック結晶光検出器において、前記光吸収領域の光軸上における前記第2の媒質を、前記第1の媒質に置換した入力導波路を備え、該入力導波路の幅は、前記光吸収領域の幅よりも広いことを特徴とする。   In order to achieve such an object, the first embodiment provides a light absorption region in a photonic crystal in which a first medium and a second medium having different refractive indexes are regularly arranged. Embedded in the photonic crystal photodetector, comprising an input waveguide in which the second medium on the optical axis of the light absorption region is replaced with the first medium, and the width of the input waveguide is: It is characterized by being wider than the width of the light absorption region.

第2の実施態様は、第1の実施態様において、前記入力導波路の前記光吸収領域の入射端において、前記入力導波路を挟んだ2つの第2の媒質の大きさは、周囲の第2の媒質の大きさよりも拡大されていることを特徴とする。   According to a second embodiment, in the first embodiment, at the incident end of the light absorption region of the input waveguide, the sizes of the two second media sandwiching the input waveguide are the second surroundings. It is characterized by being larger than the size of the medium.

第3の実施態様は、第1または第2の実施態様において、前記光吸収領域に対して、前記入力導波路とは反対側の光軸における前記第2の媒質を、前記第1の媒質に置換した出力導波路をさらに備えたことを特徴とする。   According to a third embodiment, in the first or second embodiment, the second medium on the optical axis opposite to the input waveguide with respect to the light absorption region is used as the first medium. It is further characterized by further comprising a substituted output waveguide.

以上説明したように、第1の実施態様によれば、入力導波路の幅を光吸収領域の幅よりも広くすることにより、入力導波路における導波バンドと光吸収領域における導波バンドとが重なり、低群速度帯を利用することができるので、実効的に光路長が延伸され、吸収効率を増加させることができる。   As described above, according to the first embodiment, by making the width of the input waveguide wider than the width of the light absorption region, the waveguide band in the input waveguide and the waveguide band in the light absorption region can be reduced. Since the overlapping and the low group velocity band can be used, the optical path length is effectively extended and the absorption efficiency can be increased.

第2の実施態様によれば、入力導波路を挟んだ2つの第2の媒質の大きさを、周囲の第2の媒質の大きさよりも拡大して、共振器を構成することにより、光検出器の全長を短くした場合であっても、高検出効率かつ高速応答が可能となる。   According to the second embodiment, the size of the two second mediums sandwiching the input waveguide is made larger than the size of the surrounding second medium to constitute a resonator, thereby detecting light. Even when the total length of the vessel is shortened, high detection efficiency and high-speed response are possible.

第3の実施態様によれば、入力導波路への戻り光の発生を防ぐことができるので、検出効率を上げることができる。   According to the third embodiment, generation of return light to the input waveguide can be prevented, so that detection efficiency can be increased.

光吸収領域の群屈折率およびミラーの反射率に対する吸収効率を示す図である。It is a figure which shows the absorption efficiency with respect to the group refractive index of a light absorption area | region, and the reflectance of a mirror. 本発明の第1の実施形態にかかるフォトニック結晶光導波路を用いた光検出器を示す図である。It is a figure which shows the photodetector using the photonic crystal optical waveguide concerning the 1st Embodiment of this invention. フォトニック結晶光導波路の導波バンド構造のシミュレーション結果を示す図である。It is a figure which shows the simulation result of the waveguide band structure of a photonic crystal optical waveguide. 電気的接合部の第1の実施例を示す図である。It is a figure which shows the 1st Example of an electrical junction part. 電気的接合部の第2の実施例を示す図である。It is a figure which shows the 2nd Example of an electrical junction part. 電気的接合部の第3の実施例を示す図である。It is a figure which shows the 3rd Example of an electrical junction part. 電気的接合部の第4の実施例を示す図である。It is a figure which shows the 4th Example of an electrical junction part. 第1の実施形態の2次元モデルによる評価結果を示す図である。It is a figure which shows the evaluation result by the two-dimensional model of 1st Embodiment. 第1の実施形態の光検出器の作製方法を示す図である。It is a figure which shows the manufacturing method of the photodetector of 1st Embodiment. 本発明の第2の実施形態にかかるフォトニック結晶光導波路を用いた光検出器を示す図である。It is a figure which shows the photodetector using the photonic crystal optical waveguide concerning the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施形態にかかるフォトニック結晶光導波路を用いた光検出器を示す図である。It is a figure which shows the photodetector using the photonic crystal optical waveguide concerning the 3rd Embodiment of this invention. 第3の実施形態の2次元モデルによる評価結果を示す図である。It is a figure which shows the evaluation result by the two-dimensional model of 3rd Embodiment.

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。上述した課題を解決するために、第1の手段として、InGaAs埋め込み領域の低群速度帯を利用する。フォトニック結晶導波路中で光の群速度が低下する効果を利用することにより、実効的に光路長が延伸され、吸収効率を増加させることができる。第2の手段として、共振器構造を利用する。InGaAsからなる光吸収領域の入射端において反射ミラーを形成することにより、光吸収領域を光共振器とし、共鳴条件に合う波長の光を循環させることで吸収効率を増加させる。これらの手段によって、光検出器の全長を短くした場合であっても、高検出効率かつ高速応答が可能となる。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In order to solve the above-described problem, a low group velocity band in the InGaAs buried region is used as a first means. By utilizing the effect of reducing the group velocity of light in the photonic crystal waveguide, the optical path length can be effectively extended and the absorption efficiency can be increased. As a second means, a resonator structure is used. By forming a reflection mirror at the incident end of the light absorption region made of InGaAs, the light absorption region is used as an optical resonator, and light having a wavelength matching the resonance condition is circulated to increase absorption efficiency. By these means, even when the total length of the photodetector is shortened, high detection efficiency and high-speed response are possible.

図1を参照して、光吸収領域の単純なモデルを用いて吸収効率を計算する。図1(a)は、光吸収領域の単純なモデルであり、全長Lの光吸収領域の両端に、振幅反射率rおよびrのミラーが取り付けられている。振幅反射率rのミラーから入射した光に対する吸収効率Aは下記の式で表される。 Referring to FIG. 1, the absorption efficiency is calculated using a simple model of the light absorption region. FIG. 1A is a simple model of a light absorption region, and mirrors with amplitude reflectances r 1 and r 2 are attached to both ends of the light absorption region of the full length L. The absorption efficiency A for light incident from a mirror with an amplitude reflectance r 2 is expressed by the following equation.

Figure 0005513659
Figure 0005513659

ここで、Rは光パワー反射率、Γ(=0.5)はInGaAs埋め込み領域への光閉じ込め係数、α(=10000cm−1)はInGaAsの光パワー吸収係数、nは導波路の群屈折率、n(=3.5)は材料屈折率である。r=1と仮定した。また、φは、長さLを光が伝搬するときの位相変化であり、共振条件ではπの整数倍である。 Here, R is the optical power reflectivity, Γ (= 0.5) is the optical confinement coefficient in the InGaAs buried region, α (= 10000 cm −1 ) is the optical power absorption coefficient of InGaAs, and ng is the group refraction of the waveguide. The rate, n (= 3.5) is the material refractive index. It was assumed that r 2 = 1. Φ is a phase change when light propagates through the length L, and is an integral multiple of π under resonance conditions.

図1(b)に、群屈折率nに対する吸収効率を示す。r=1と仮定し、全長Lを1、3、10μmと変化させた場合を示している。L=10μmと十分に長い場合は、群屈折率nに依らず吸収効率は100%である。全長Lが短くなると、群屈折率nが小さい場合には吸収効率が低下する。一方、群屈折率nを増加させることにより吸収効率は増加し、例えばL=1μmではn=20のときに100%に近づく。以上は、光の群屈折率を増加させる(群速度を減少させる)ことにより、短い検出器でも吸収効率を増加させる効果を示している。 FIG. 1B shows the absorption efficiency with respect to the group refractive index ng . It is assumed that r 1 = 1 and the total length L is changed to 1, 3, 10 μm. When L = 10 μm is sufficiently long, the absorption efficiency is 100% regardless of the group refractive index ng . When the total length L becomes shorter, the absorption efficiency decreases when the group refractive index ng is small. On the other hand, by increasing the group refractive index ng , the absorption efficiency increases. For example, at L = 1 μm, it approaches 100% when ng = 20. The above shows the effect of increasing the absorption efficiency even with a short detector by increasing the group refractive index of light (decreasing the group velocity).

図1(c)は、反射率rに対する吸収効率を示す。n=n=3.5と仮定し、全長Lを0.4、1、3、10μmと変化させた場合を示している。これより、L=10μmと十分に長い場合は、反射率rが0のときに吸収効率が最大となる。一方、全長Lが短くなると、有限の反射率rを与えて共振器とすることにより、吸収効率が最大となる。例えば、L=0.4μmの場合にr=約67%、L=1μmの場合にr=約39%とすればよい。実際には、Γ、α、n、nの値によってrの値は変化し、式(1)において、与えられた各々の値に対して左辺の吸収効率が1となるようなrを設定する必要がある。以上は、光共振器を形成することにより、短い検出器でも吸収効率を増加させる効果を示している。 FIG. 1C shows the absorption efficiency with respect to the reflectance r 1 . It is assumed that n g = n = 3.5 and the total length L is changed to 0.4, 1, 3, 10 μm. From this, when L = 10 μm is sufficiently long, the absorption efficiency is maximized when the reflectance r 1 is zero. On the other hand, when the total length L is shortened, the absorption efficiency is maximized by providing the resonator with a finite reflectance r 1 . For example, r 1 = about 67% when L = 0.4 μm, and r 1 = about 39% when L = 1 μm. In fact, gamma, alpha, n g, the value of r 1 varies depending on the value of n, in the formula (1), the absorption efficiency of the left side with respect to a given value of each such that 1 r 1 Need to be set. The above shows the effect of increasing the absorption efficiency even with a short detector by forming an optical resonator.

(第1の実施形態)
(光検出器の構造)
図2に、本発明の第1の実施形態にかかるフォトニック結晶光導波路を用いた光検出器を示す。図2(a)は上面図、図2(b)は光導波路の光軸方向の断面図、図2(c)は光軸に垂直な光吸収領域を含む断面図である。フォトニック結晶光検出器10は、フォトニック結晶11に、光吸収領域(埋め込み領域)12が埋め込まれている。フォトニック結晶11は、屈折率の異なる第1の媒質(InP)と第2の媒質(空気)とが規則的に配列されている。具体的には、InPからなる媒質に、円孔15が三角格子状に配列されている。InGaAsからなる埋め込み領域12での光吸収によって生成されたキャリアを引き抜くために、埋め込み領域12に近接してドーピングを施した領域が形成されている。具体的には、埋め込み領域12の光軸に平行した一方の辺に近接してnドープ領域13が形成され、対向する他方の辺に近接してpドープ領域14が形成されている。フォトニック結晶11の上下は空気層である。また、埋め込み領域12の光軸上において、第2の媒質を第1の媒質に置換して、埋め込み領域12に接続されるフォトニック結晶光導波路(入力導波路)を形成している。
(First embodiment)
(Photodetector structure)
FIG. 2 shows a photodetector using the photonic crystal optical waveguide according to the first embodiment of the present invention. 2A is a top view, FIG. 2B is a cross-sectional view of the optical waveguide in the optical axis direction, and FIG. 2C is a cross-sectional view including a light absorption region perpendicular to the optical axis. In the photonic crystal photodetector 10, a light absorption region (embedded region) 12 is embedded in a photonic crystal 11. In the photonic crystal 11, a first medium (InP) and a second medium (air) having different refractive indexes are regularly arranged. Specifically, the circular holes 15 are arranged in a triangular lattice pattern in a medium made of InP. In order to extract carriers generated by light absorption in the buried region 12 made of InGaAs, a doped region is formed in the vicinity of the buried region 12. Specifically, an n-doped region 13 is formed in the vicinity of one side parallel to the optical axis of the buried region 12, and a p-doped region 14 is formed in the vicinity of the other opposite side. The upper and lower sides of the photonic crystal 11 are air layers. In addition, on the optical axis of the buried region 12, the second medium is replaced with the first medium to form a photonic crystal optical waveguide (input waveguide) connected to the buried region 12.

円孔の周期をa[nm]としたとき、円孔の直径を0.48a、InPフォトニック結晶11の厚さを0.6a、InGaAs埋め込み領域12の高さ0.36a、幅0.71aとする。InGaAs埋め込み領域12の長さは、1aから20aとする。   When the period of the circular hole is a [nm], the diameter of the circular hole is 0.48a, the thickness of the InP photonic crystal 11 is 0.6a, the height of the InGaAs buried region 12 is 0.36a, and the width is 0.71a. And The length of the InGaAs buried region 12 is 1a to 20a.

ここで、設計上の重要なポイントとなる光導波路の幅について説明する。図3に、フォトニック結晶導波路の導波バンド構造のシミュレーション結果を示す。図3(a)は、均一に円孔が配列されたフォトニック結晶に対して、埋め込み領域12の光軸上の円孔を1列だけ形成せずに、光導波路とした場合の導波バンド構造を示している。このときの光導波路の幅をWと定義する。B1で示した周波数領域は、入力導波路における偶モード導波バンドであり、B2で示した周波数領域は、埋め込み領域における偶モード導波バンドである。 Here, the width of the optical waveguide, which is an important design point, will be described. FIG. 3 shows a simulation result of the waveguide band structure of the photonic crystal waveguide. FIG. 3A shows a waveguide band when a photonic crystal in which circular holes are uniformly arranged is used as an optical waveguide without forming only one row of circular holes on the optical axis of the buried region 12. The structure is shown. The width of the optical waveguide at this time is defined as W 0. The frequency region indicated by B1 is an even mode waveguide band in the input waveguide, and the frequency region indicated by B2 is an even mode waveguide band in the buried region.

入力導波路と埋め込み領域の幅が等しい(W)とき、両者の導波バンド位置がずれている。すなわち、B1とB2が重なる部分が少ないため、埋め込み領域へ光を入射できない周波数帯域が広いという問題が生じる。埋め込み領域の導波バンドの低周波数側は、光の群速度が低い周波数帯域であるが、この構造では、低周波数側を利用することができない。 When the input waveguide and the buried region have the same width (W 0 ), the waveguide band positions of both are shifted. That is, since there are few portions where B1 and B2 overlap, there is a problem that the frequency band in which light cannot enter the embedded region is wide. The low frequency side of the waveguide band in the buried region is a frequency band where the group velocity of light is low, but in this structure, the low frequency side cannot be used.

上記の問題を解決するため、InPフォトニック結晶11中の入力導波路の幅を拡大し、逆にInGaAs埋め込み領域12の幅を縮小する。本実施形態では、入力導波路の幅を1.0Wから1.2Wの間で変化させ、埋め込み領域の幅を0.8Wから1.0Wの間で変化させる。図3(b)は、一例として、入力導波路の幅を1.1Wに拡大し、埋め込み領域の幅を0.95Wに縮小した場合の導波バンド構造を示している。入力導波路の導波バンドB3と埋め込み領域の導波バンドB4とが重なる部分が広くなり、埋め込み領域の低周波数側を利用することができる。これにより光の群速度が低い周波数帯域活用することができる。 In order to solve the above problem, the width of the input waveguide in the InP photonic crystal 11 is increased, and conversely, the width of the InGaAs buried region 12 is reduced. In this embodiment, the input width of the waveguide is varied between 1.0 W 0 of 1.2 W 0 and varied between the width of the buried region from 0.8 W 0 of 1.0 W 0. FIG. 3 (b), as an example, the waveguide band structure when expanding the width of the input waveguide 1.1 W 0, by reducing the width of the buried region to 0.95 W 0. The portion where the waveguide band B3 of the input waveguide overlaps with the waveguide band B4 of the buried region becomes wider, and the low frequency side of the buried region can be used. As a result, it is possible to utilize a frequency band in which the group velocity of light is low.

図4に、電気的接合部の第1の実施例を示す。図2に示した光検出器では、埋め込み領域12からキャリアを引き抜くための電気的接合部は、p−i−n構造であった。第1の実施例では、nドープ領域13a,13bのみで電気的接合部を構成し、n−i−n構造とする。このような電気的接合部は、フォトコンダクタと呼ばれ、光の入射によって接合部のコンダクタンスを変化させることにより、光検出を行う。なお、pドープ領域素子のみで電気的接合部を構成(p−i−p構造)してもよく、2のドープ領域に、同じ不純物をドーピングする。   FIG. 4 shows a first embodiment of the electrical junction. In the photodetector shown in FIG. 2, the electrical junction for extracting carriers from the buried region 12 has a pin structure. In the first embodiment, an electrical junction is formed only by the n-doped regions 13a and 13b, and an n-i-n structure is obtained. Such an electrical junction is called a photoconductor, and performs light detection by changing the conductance of the junction by the incidence of light. Note that the electrical junction may be configured only by the p-doped region element (pip structure), and the same impurity is doped in the two doped regions.

図5に、電気的接合部の第2の実施例を示す。nドープ領域13と埋め込み領域12との間、埋め込み領域12とpドープ領域14との間の円孔の列数を、1−3列程度とした構造である。すなわち、それぞれのドープ領域に形成される金属電極16a,16b(典型的にはTi/Au)が、埋め込み領域12の近くに形成できるように、金属電極16と埋め込み領域12との間の円孔の列数を、入力導波路の両側の円孔の列数よりも少なくした構造である。このため、接合抵抗Rを低減させることができ、CR時定数の低減、すなわち高速化を図ることができる。   FIG. 5 shows a second embodiment of the electrical junction. In this structure, the number of circular holes between the n-doped region 13 and the buried region 12 and between the buried region 12 and the p-doped region 14 is about 1-3. That is, a circular hole between the metal electrode 16 and the buried region 12 so that the metal electrodes 16a and 16b (typically Ti / Au) formed in the respective doped regions can be formed near the buried region 12. The number of rows is less than the number of rows of circular holes on both sides of the input waveguide. For this reason, the junction resistance R can be reduced, and the CR time constant can be reduced, that is, the speed can be increased.

図6に、電気的接合部の第3の実施例を示す。p−i−n構造の代替として、すなわちnドープ領域と埋め込み領域を形成する代わりに、金属電極17a,17bを埋め込み領域12に近接して設ける。金属電極17a,17bは、InPに対してショットキー接触となる材料を用いる。このようなショットキー電極型構造では、p−i−n構造に比べると、暗電流が高くなり易いという問題点があるが、接合抵抗Rを低くすることができ、高速化することができる。   FIG. 6 shows a third embodiment of the electrical junction. As an alternative to the p-i-n structure, that is, instead of forming the n-doped region and the buried region, the metal electrodes 17a and 17b are provided close to the buried region 12. The metal electrodes 17a and 17b are made of a material that is in Schottky contact with InP. Such a Schottky electrode type structure has a problem that the dark current tends to be higher than that of the pin structure, but the junction resistance R can be lowered and the speed can be increased.

図7に、電気的接合部の第4の実施例を示す。第3の実施例と同じくショットキー電極型構造であり、埋め込み領域12の直上に櫛形の金属電極18a,18bを配置した構造である。このような櫛形の電極構造では、櫛の周期、幅を調整することにより、入射光に対して分布帰還反射を引き起こすことができ、吸収効率の向上を図ることができる。また、図6に示した横方向の電極配置に比べると、電極間距離を狭めることができるため、キャリア移動時間の低減、すなわち高速化することができる。   FIG. 7 shows a fourth embodiment of the electrical junction. Similar to the third embodiment, the structure is a Schottky electrode type structure in which comb-shaped metal electrodes 18 a and 18 b are arranged immediately above the buried region 12. In such a comb-shaped electrode structure, by adjusting the period and width of the comb, distributed feedback reflection can be caused with respect to incident light, and the absorption efficiency can be improved. Further, compared to the horizontal electrode arrangement shown in FIG. 6, the distance between the electrodes can be reduced, so that the carrier movement time can be reduced, that is, the speed can be increased.

一般的な分布帰還条件として、入射光の波長λ、等価屈折率neff、櫛の周期Λ、整数mとすると、
mλ/neff=2Λ
の関係式からΛを決めればよい。例えば、入射光の波長λを1550nm、InGaAs埋め込み領域12の等価屈折率neff=2.78、整数mを1とすると、Λは約279nmとなる。ただし、分布帰還条件は、有限の帯域幅をもつため、厳密にこの周期に設定する必要性はなく、ここではΛ=0〜2μmの間の値とし、このとき金属電極18a,18bの櫛の幅は、0−Λの間の値とする。
As general distributed feedback conditions, assuming that the wavelength λ of the incident light, the equivalent refractive index n eff , the period Λ of the comb, and the integer m,
mλ / n eff = 2Λ
Λ can be determined from the relational expression. For example, assuming that the wavelength λ of incident light is 1550 nm, the equivalent refractive index n eff = 2.78 of the InGaAs buried region 12, and the integer m is 1, Λ is about 279 nm. However, since the distributed feedback condition has a finite bandwidth, it is not necessary to set this period strictly. Here, the value is set to Λ = 0 to 2 μm, and at this time, the comb of the metal electrodes 18a and 18b is used. The width is a value between 0 and Λ.

(光検出器の特性)
図8に、第1の実施形態の2次元モデルによる評価結果を示す。2次元モデルによる有限要素法を用いて、光吸収特性を計算結果した結果である。InGaAs埋め込み領域12の長さLを1a、2a、3a、6aとした。埋め込み領域12の幅は300nm、屈折率の虚部(すなわち光消失係数)k=0.123とした。InPフォトニック結晶11の等価屈折率を2.57、埋め込み領域12の等価屈折率を2.78とした。フォトニック結晶11中の入力導波路の幅を1.1Wに拡大し、埋め込み領域12の幅を0.95Wに縮小している。
(Photodetector characteristics)
FIG. 8 shows an evaluation result based on the two-dimensional model of the first embodiment. It is the result of having calculated a light absorption characteristic using the finite element method by a two-dimensional model. The length L of the InGaAs buried region 12 was 1a, 2a, 3a, 6a. The width of the buried region 12 was 300 nm, and the imaginary part of the refractive index (that is, the light extinction coefficient) k = 0.123. The equivalent refractive index of the InP photonic crystal 11 was 2.57, and the equivalent refractive index of the buried region 12 was 2.78. Expanding the width of the input waveguide in the photonic crystal 11 to 1.1 W 0, which reduces the width of the buried region 12 to 0.95 W 0.

図8は、入射波長に対する光吸収パワーを計算した結果である。波長1.62μmより短波長側がフォトニック結晶導波路の導波可能帯域である。まず、L=6aのとき、波長1.5μm付近で100%に近い吸収効率が得られることがわかる。すなわち、第1の実施形態によれば、埋め込み領域12の入射端での反射を抑制し、良好な光結合が得られていることと、埋め込み領域12で十分な光吸収が得られていることを示している。   FIG. 8 shows the result of calculating the light absorption power with respect to the incident wavelength. The shorter wavelength side than the wavelength of 1.62 μm is the wavegutable band of the photonic crystal waveguide. First, it can be seen that when L = 6a, an absorption efficiency close to 100% is obtained near a wavelength of 1.5 μm. In other words, according to the first embodiment, reflection at the incident end of the buried region 12 is suppressed, good optical coupling is obtained, and sufficient light absorption is obtained in the buried region 12. Is shown.

一方、埋め込み領域12の全長Lが3a以下と短くなると、1往復の光の伝搬では十分に吸収しきれないため、吸収効率が低下する。ただし、導波帯域の上限である1.62μmに近づくほど、吸収効率が維持されていることがわかる。これは、1.62μmに近づくほど、光の群速度は低くなり(高い群屈折率nを有する)、全長Lが短くなったとしても、高い群屈折率nによって、高い吸収効率が得られるからである。 On the other hand, if the total length L of the buried region 12 is as short as 3a or less, the absorption efficiency is lowered because the light cannot be sufficiently absorbed by one round of light propagation. However, it can be seen that the absorption efficiency is maintained closer to 1.62 μm which is the upper limit of the waveguide band. This means that the closer to 1.62 μm, the lower the group velocity of light (having a high group refractive index ng ), and even if the total length L is shortened, high absorption efficiency is obtained by the high group refractive index ng . Because it is.

(作製方法)
図9に、第1の実施形態の光検出器の作製方法を示す。InP基板21上にInGaAs犠牲層22(1μm)、InP層23(50nm)、InGaAs活性層24(150nm)、InP層25(50nm)をエピタキシャル成長した基板を用意する(図9(a))。SiO層26(300nm)をエッチングマスクとして堆積させ、電子ビーム描画とドライエッチング、ウェットエッチングによりInGaAs埋め込み領域24aを形成する(図9(b))。InGaAs埋め込み領域24aの周囲をInP層27を再成長させる(図9(c))。
(Production method)
FIG. 9 shows a method for manufacturing the photodetector of the first embodiment. A substrate is prepared by epitaxially growing an InGaAs sacrificial layer 22 (1 μm), an InP layer 23 (50 nm), an InGaAs active layer 24 (150 nm), and an InP layer 25 (50 nm) on the InP substrate 21 (FIG. 9A). An SiO 2 layer 26 (300 nm) is deposited as an etching mask, and an InGaAs buried region 24a is formed by electron beam drawing, dry etching, and wet etching (FIG. 9B). The InP layer 27 is regrown around the InGaAs buried region 24a (FIG. 9C).

Zn拡散法によりnドープ領域27aと、Siイオン注入法によりpドープ領域27bを形成する(図9(d))。電子ビーム描画とドライエッチングにより、フォトニック結晶の円孔28の配列を形成する(図9(e))。金属電極29a,29bを形成した後、ウェットエッチングによりフォトニック結晶下部のInGaAs犠牲層24を除去する(図9f))。最後にInP基板21から切り離すことにより、上下が空気層となるフォトニック結晶からなる光検出器を得ることができる。   An n-doped region 27a is formed by Zn diffusion and a p-doped region 27b is formed by Si ion implantation (FIG. 9D). An array of photonic crystal circular holes 28 is formed by electron beam drawing and dry etching (FIG. 9E). After the metal electrodes 29a and 29b are formed, the InGaAs sacrificial layer 24 under the photonic crystal is removed by wet etching (FIG. 9f). Finally, by separating from the InP substrate 21, it is possible to obtain a photodetector made of a photonic crystal whose upper and lower sides are air layers.

(第2の実施形態)
図10に、本発明の第2の実施形態にかかるフォトニック結晶光導波路を用いた光検出器を示す。図2に示した第1の実施形態において、InPフォトニック結晶11中に出力導波路を設けた構造である。InGaAs埋め込み領域12に対して、入力導波路とは反対側の光軸上において、円孔を1列だけ形成せずに(第2の媒質を第1の媒質に置換)出力導波路を形成している。第1の実施形態では、埋め込み領域12において吸収しきれなかった光は、入射導波路へ戻ることになる。このような戻り光が、入射導波路に接続されたレーザ光源などへ帰還した場合、レーザ光源の発振動作を不安定化させる原因になる。そこで、出力導波路を設けて、戻り光の発生を防ぐことができる。このような構造は、図4〜7に示したいずれの電気的接合部にも適用することができる。
(Second Embodiment)
FIG. 10 shows a photodetector using a photonic crystal optical waveguide according to the second embodiment of the present invention. In the first embodiment shown in FIG. 2, an output waveguide is provided in the InP photonic crystal 11. An output waveguide is formed on the optical axis opposite to the input waveguide with respect to the InGaAs buried region 12 without forming only one row of circular holes (substituting the second medium with the first medium). ing. In the first embodiment, light that cannot be absorbed in the buried region 12 returns to the incident waveguide. When such return light returns to a laser light source or the like connected to the incident waveguide, the oscillation operation of the laser light source becomes unstable. Therefore, an output waveguide can be provided to prevent the generation of return light. Such a structure can be applied to any of the electrical junctions shown in FIGS.

(第3の実施形態)
(光検出器の構造)
図11に、本発明の第3の実施形態にかかるフォトニック結晶光導波路を用いた光検出器を示す。図2に示した第1の実施形態において、InGaAs埋め込み領域12の長さを3a以下と、短くした構造である。InPフォトニック結晶11中の入力導波路および埋め込み領域12の幅は、第1の実施形態と同じである。ここで、共振器を形成するために、反射ミラーを形成する必要である。ここでは、入力導波路の埋め込み領域12の入射端において、入力導波路挟んだ2つの円孔15a,15bの径を、周囲の円孔の径の1〜2倍の範囲で拡大する。円孔15a,15bの大きさを調整することにより、反射率rを調整する。
(Third embodiment)
(Photodetector structure)
FIG. 11 shows a photodetector using a photonic crystal optical waveguide according to the third embodiment of the present invention. In the first embodiment shown in FIG. 2, the length of the InGaAs buried region 12 is shortened to 3a or less. The width of the input waveguide and the buried region 12 in the InP photonic crystal 11 is the same as that in the first embodiment. Here, in order to form a resonator, it is necessary to form a reflection mirror. Here, at the incident end of the buried region 12 of the input waveguide, the diameters of the two circular holes 15a and 15b sandwiched between the input waveguides are expanded within a range of 1 to 2 times the diameter of the surrounding circular holes. Circular hole 15a, by adjusting the size of the 15b, to adjust the reflectance r 1.

なお、第3の実施形態においても、第2の実施形態のように出力導波路を設けることができる。   In the third embodiment, an output waveguide can be provided as in the second embodiment.

(光検出器の特性)
図12に、第3の実施形態の2次元モデルによる評価結果を示す。第1の実施形態と同様に、2次元モデルによる有限要素法を用いて、光吸収特性を計算結果した結果である。InGaAs埋め込み領域12の長さLを1aに固定し、その他のパラメータは、第1の実施形態に同じである。埋め込み領域12の幅は300nm、屈折率の虚部(すなわち光消失係数)k=0.123とし、InPフォトニック結晶11の等価屈折率を2.57、埋め込み領域12の等価屈折率を2.78とした。入力導波路の幅を1.1Wに拡大し、埋め込み領域12の幅を0.95Wに縮小している。
(Photodetector characteristics)
In FIG. 12, the evaluation result by the two-dimensional model of 3rd Embodiment is shown. As in the first embodiment, the light absorption characteristics are calculated using a finite element method based on a two-dimensional model. The length L of the InGaAs buried region 12 is fixed to 1a, and other parameters are the same as those in the first embodiment. The width of the buried region 12 is 300 nm, the imaginary part of the refractive index (ie, the light extinction coefficient) k = 0.123, the equivalent refractive index of the InP photonic crystal 11 is 2.57, and the equivalent refractive index of the buried region 12 is 2. 78. Expanding the width of the input waveguide 1.1 W 0, which reduces the width of the buried region 12 to 0.95 W 0.

共振器の構造を比較するため、埋め込み領域12の入射端における入力導波路の両側の円孔15a,15bを、周囲の円孔の1倍、1.4倍、1.7倍、2倍とした。
拡大率1.7倍とした場合に、1.5μm付近での吸収効率が高くなっていることがわかる。これは、光の共振によって吸収率が増加する効果を反映している。吸収スペクトルの帯域幅は、40nm以上であり、従来のフォトニック結晶光共振器を用いた光検出器に比べて、非常に広い波長領域での光検出を行うことができる。
In order to compare the structures of the resonators, the circular holes 15a and 15b on both sides of the input waveguide at the incident end of the buried region 12 are 1 time, 1.4 times, 1.7 times and 2 times as large as the surrounding circular holes. did.
It can be seen that the absorption efficiency near 1.5 μm is high when the enlargement ratio is 1.7 times. This reflects the effect of increasing the absorption rate due to the resonance of light. The bandwidth of the absorption spectrum is 40 nm or more, and light detection in a very wide wavelength region can be performed as compared with a photodetector using a conventional photonic crystal optical resonator.

10 フォトニック結晶光検出器
11 フォトニック結晶
12 光吸収領域(埋め込み領域)
13,27a nドープ領域
14,27b pドープ領域
15 円孔
16,17,18,29 金属電極
21 InP基板
22 InGaAs犠牲層
23,25,27 InP層
24 InGaAs活性層
26 SiO
10 Photonic crystal photodetector 11 Photonic crystal 12 Light absorption region (embedded region)
13, 27a n doped region 14, 27b p doped region 15 circular hole 16, 17, 18, 29 metal electrode 21 InP substrate 22 InGaAs sacrificial layer 23, 25, 27 InP layer 24 InGaAs active layer 26 SiO 2 layer

Claims (8)

屈折率の異なる第1の媒質と第2の媒質とが規則的に配列されたフォトニック結晶に、光吸収領域が埋め込まれたフォトニック結晶光検出器において、
前記光吸収領域の光軸上における前記第2の媒質を、前記第1の媒質に置換した入力導波路を備え、
該入力導波路の幅は、前記光吸収領域の幅よりも広いことを特徴とするフォトニック結晶光検出器。
In a photonic crystal photodetector in which a light absorption region is embedded in a photonic crystal in which a first medium and a second medium having different refractive indexes are regularly arranged,
An input waveguide obtained by replacing the second medium on the optical axis of the light absorption region with the first medium;
The photonic crystal photodetector, wherein the width of the input waveguide is wider than the width of the light absorption region.
前記入力導波路の前記光吸収領域の入射端において、前記入力導波路を挟んだ2つの第2の媒質の大きさは、周囲の第2の媒質の大きさよりも拡大されていることを特徴とする請求項1に記載のフォトニック結晶光検出器。   In the incident end of the light absorption region of the input waveguide, the size of the two second media sandwiching the input waveguide is larger than the size of the surrounding second medium. The photonic crystal photodetector according to claim 1. 前記光吸収領域に対して、前記入力導波路とは反対側の光軸における前記第2の媒質を、前記第1の媒質に置換した出力導波路をさらに備えたことを特徴とする請求項1または2に記載のフォトニック結晶光検出器。   2. The optical waveguide according to claim 1, further comprising an output waveguide obtained by replacing the second medium on the optical axis opposite to the input waveguide with respect to the light absorption region by the first medium. Or the photonic crystal photodetector of 2. 前記第1の媒質はInPからなり、前記光吸収領域はInGaAsからなることを特徴とする請求項1、2または3に記載のフォトニック結晶光検出器。   4. The photonic crystal photodetector according to claim 1, wherein the first medium is made of InP, and the light absorption region is made of InGaAs. 前記光吸収領域からキャリアを引き抜くために、前記光吸収領域の光軸に平行した一方の辺に近接した第1のドープ領域と、対向する他方の辺に近接して第2のドープ領域とが形成され、前記第1及び第2のドープ領域には、同じ不純物がドーピングされていることを特徴とする請求項1ないし4のいずれかに記載のフォトニック結晶光検出器。   In order to extract carriers from the light absorption region, a first doped region adjacent to one side parallel to the optical axis of the light absorption region and a second doped region adjacent to the opposite side are provided. 5. The photonic crystal photodetector according to claim 1, wherein the first and second doped regions are doped with the same impurity. 6. 前記光吸収領域からキャリアを引き抜くために、前記光吸収領域の光軸に平行した一方の辺に近接した第1のドープ領域と、対向する他方の辺に近接して第2のドープ領域とが形成され、
前記第1及び第2のドープ領域の各々に金属電極が形成されており、
前記金属電極と前記光吸収領域との間の前記第2の媒質が形成された領域を、前記入力導波路の両側の前記第2の媒質が形成された領域よりも狭くしたことを特徴とする請求項1ないし4のいずれかに記載のフォトニック結晶光検出器。
In order to extract carriers from the light absorption region, a first doped region adjacent to one side parallel to the optical axis of the light absorption region and a second doped region adjacent to the opposite side are provided. Formed,
A metal electrode is formed on each of the first and second doped regions;
A region where the second medium is formed between the metal electrode and the light absorption region is narrower than a region where the second medium is formed on both sides of the input waveguide. The photonic crystal photodetector according to any one of claims 1 to 4.
前記光吸収領域からキャリアを引き抜くために、前記光吸収領域の光軸に平行した一方の辺に近接した第1のショットキー電極と、対向する他方の辺に近接して第2のショットキー電極とが形成されていることを特徴とする請求項1ないし4のいずれかに記載のフォトニック結晶光検出器。   A first Schottky electrode adjacent to one side parallel to the optical axis of the light absorption region and a second Schottky electrode adjacent to the opposite side for extracting carriers from the light absorption region The photonic crystal photodetector according to claim 1, wherein the photonic crystal photodetector is formed. 前記第1および前記のショットキー電極は、前記光吸収領域において櫛型の構造を有することを特徴とする請求項7に記載のフォトニック結晶光検出器。   The photonic crystal photodetector according to claim 7, wherein the first and the Schottky electrodes have a comb-shaped structure in the light absorption region.
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