JP7088037B2 - 光検出器 - Google Patents

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Description

本発明は、光通信システムや光情報処理システムにおいて用いられる光検出器に関し、特に差動信号を受け取る時において、同相信号除去比が小さい、光検出器を提供するための構造に関するものである。
近年の光通信の普及に伴い、光通信装置の低コスト化が求められている。その解決策の１つとして、光通信装置を構成する光回路を、シリコンウエハのような大口径ウエハ上に、シリコンフォトニクスのような微小光回路技術を用いて形成する方法がある。これにより、１チップあたりの材料費を劇的に下げ、光通信装置の低コスト化を図ることが出来る。
このような技術を用いたシリコン（Ｓｉ）基板上に形成する代表的な光検出器としては、モノリシック集積が可能なゲルマニウム光検出器（Ｇｅｒｍａｎｉｕｍ ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒ：ＧｅＰＤ）がある。図１は、従来の導波路結合型の縦型ＧｅＰＤの構造を模式的に示す図である。図２は、図１のＩＩ－ＩＩの断面図である。尚、構造を分かり易くするために、図１では、図２に示す上部クラッド層１０３、電極１１６～１１８を省き、電極１１６～１１８が第一の不純物をインプラしたシリコン電極部１１２、１１３および第二の不純物をインプラしたＧｅ領域１１５に接する位置のみ四角形で電極１１６～１１８を示している。
ＧｅＰＤは、Ｓｉ基板、Ｓｉ酸化膜、及び表面Ｓｉ層を備えたＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板にリソグラフィ技術等を用いて形成される。図２に示すＧｅＰＤ１００は、Ｓｉ基板１０１と、Ｓｉ基板上のＳｉ酸化膜とを含む下部クラッド層１０２と、信号光を導くコア層１１０と、コア層１１０上に形成された光を吸収するＧｅ層１１４と、コア層１１０およびＧｅ層１１４上に形成された上部クラッド層１０３とを備える。図１を見るとわかるようにコア層１１０は導波路層１１０１とシリコンスラブ１１０２に分けられる。
シリコンスラブ１１０２は、第一の不純物をインプラしたＳｉスラブ１１１、および第一の不純物が高濃度にドーピングされ、電極として作用するシリコン電極部１１２、１１３が形成されている。Ｇｅ層１１４は、エピタキシャル成長によって積層され、その上部に第二の不純物がドーピングされたＧｅ領域１１５が形成されている。符号１１４はゲルマニウム化合物を含んでいることもある。そして、シリコン電極部１１２、１１３およびＧｅ領域１１５上には、それらに接するように電極１１６～１１８を備える。
ＧｅＰＤは、導波路層１１０１からシリコンスラブ１１０２に光が入射されてＧｅ層１１４で光が吸収されると、電極１１７と電極１１６、１１８との間に光電流が流れるので、その電流を検出することで光を検出する。
図１、２に示すＧｅＰＤの他にも図３、４に示すような横型のＧｅＰＤも存在する。図３の横型のＧｅＰＤは第一の不純物をインプラしたｐ型Ｓｉスラブ１１１、第二の不純物がドーピングされたＧｅ領域１１５の代わりに第一の不純物をインプラしたゲルマニウム領域１２１と第二の不純物をインプラしたゲルマニウム領域１２２がある。図４の横型のＧｅＰＤは第一の不純物をインプラしたｐ型Ｓｉスラブ１１１、第二の不純物がドーピングされたＧｅ領域１１５の代わりに第一の不純物をインプラしたシリコン領域１３１と第二の不純物をインプラしたシリコン領域１３２、第二の不純物が高濃度にドーピングされ、電極として作用するシリコン電極部１１３がある。符号１１４は、Ｇｅの代わりにゲルマニウム化合物を含んでいることもある。領域１２３は、第一の不純物及び第二の不純物が導入されていない領域である。
図２，３， 及び４に示すＧｅＰＤ１００は感度（光入力パワーに対する電流出力の特性、単位Ａ/Ｗ）の温度特性が一定ではないという特性がある。図５はＧｅＰＤの通信波長帯域Ｃ、Ｌ帯（波長１５３０~１５６５ｎｍ、１５６５~１６２５ｎｍ）における温度に対する逆バイアス１．６Ｖ時における感度をプロットした図である。例えば３１℃ではＣ帯付近まではほぼ一定の感度を示すが、Ｌ帯になると感度を落とす。この感度変化はゲルマニウムの光吸収スペクトルの変化によってもたらされている。－５℃になるとＣ帯においても感度を落とす傾向を示す。図６はゲルマニウムの光吸収スペクトルの温度依存性である（非特許文献１）。横軸、縦軸は、それぞれ、光子エネルギー、吸収係数ｋの平方根を示す。温度が低温になるとゲルマニウムのバンドギャップは高エネルギー側にシフトする。すなわち光吸収スペクトル端は短波長側にシフトする。ＧｅＰＤに用いているゲルマニウムの光吸収スペクトル端は３１℃でちょうどＣ帯の長波長側の１５６５ｎｍ付近にある。従って３１℃ではＣ帯全域に一定の感度を示すＧｅＰＤであっても、温度が低くなるにつれ、長波長側から徐々に感度が落ちてゆく。この傾向を示したのが図５であり、長波長ほど低温である－５℃において感度を落とす傾向がある。
温度、波長によって感度が変化するＧｅＰＤを光通信システムに組込もうとすると、感度変化を補償する回路が必要となるため製造コストが上がる。そのため温度依存性を解決する手段として、ヒータを設置しデバイス周りの温度を安定させる手段がある。（特許文献１，２、及び３）
一方で、ＧｅＰＤを用いた光通信システムや光情報処理システムでは、単独のＧｅＰＤを使うことは少なく、一般に２～８個程度のＧｅＰＤを並べて使う。これは多波長を使う波長分割多重方式（ＷＤＭ）を採用するシステムにおいて波長の数だけＧｅＰＤを必要とする場合や、光デジタルコヒーレント通信技術を採用するシステムにおいてバランスＰＤとして使う場合に複数のＰＤを必要とする。図７は光デジタルコヒーレント通信技術において用いる受信機の構成の一例である。この構成では８個のＧｅＰＤ７０４が用いられる。この時、ヒータを備えるＧｅＰＤ７０４を使った場合は８個のヒータが必要となる。特に同一の光ハイブリッド７０３に繋がるＧｅＰＤ７０４群は二つ一組で差動信号を受信し、このペアは均一の感度が求められる。局発光源７０１及び偏波分離器７０２は、それぞれ、二つの光ハイブリッド７０３に接続している。
特開２０００―２２１４５５号公報 特開２００６―２４５３４４号公報 特開２０１８―７４１０４号公報
Macfarlane G. G.， T. P. McLean， J. E. Quarrington and V. Roberts， Phys. Rev. 108， 6 (1957) 1377-1383.
本発明が解決する課題
差動信号を受け取るＧｅＰＤ群は感度が均一でない場合は同相信号除去比が劣化し、受信機の性能を落とすこととなる。しかしながら、ＧｅＰＤやヒータは製造バラつきを持つため、各ＧｅＰＤの感度がバラついてしまい、このバラつきが同相信号除去比にペナルティを出すという問題が有る。
本発明はこのような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、ヒータを用いる事でＣ、Ｌ帯において感度の揃ったＧｅＰＤを提供し、同相信号除去比の劣化がＧｅＰＤの感度起因で起きない受信機を作ることにある。
本発明は、このような目的を達成するために、以下のような構成を備えることを特徴とする。図８のように、入力される差動信号を受けるため２つ以上配置されたフォトダイオード（ＧｅＰＤ）１００１，１００２と、２つ以上配置されたフォトダイオードの光電流を測定する電流モニタの電流計２０４、フォトダイオード１００１，１００２を加熱するための抵抗体であるヒータ２００， ２０１と、抵抗体を制御するため各抵抗体に接続された各々独立で電圧値を制御できる電圧源２０２，２０３とを備え、電圧源２０２，２０３と電流モニタの電流計２０４とは、接続され、電圧源２０２，２０３は電流モニタからの２つ以上配置されたフォトダイオード１００１，１００２が出す電流の値が合致するようにヒータへの印加電圧を操作する電圧源であることを特徴とする。ＧｅＰＤ１００１とＧｅＰＤ１００２にはヒータ２００とヒータ２０１がそれぞれ備えられる。ヒータ２００とヒータ２０１は電源（電圧源）２０２と電源（電圧源）２０３によって制御され、この電源（電圧源）２０２，２０３は電流計２０４の値を検出し、ヒータに印加する電圧を決定する。ＧｅＰＤ１００１，１００２のカソード側にはバイアス電源が、アノード側には信号出力用の端子（出力ポート）２１２が今回の例では書かれているが、カソード側とアノード側は逆転しても良い。
本発明は、電流モニタでの光電流の計測値に基づくヒータの加熱によって複数のＧｅＰＤの感度を揃えることができ、同相信号除去比の劣化を抑えることができる。
一般的な縦型ＧｅＰＤを示す図である。 図１のＧｅＰＤの断面構造を示す図である。 一般的な横型ＧｅＰＤを示す図である。 一般的な横型ＧｅＰＤを示す図である。 ＧｅＰＤの感度の温度および波長依存特性を示す図である。 Ｇｅの光吸収スペクトルの温度依存特性を示す図である。 光デジタルコヒーレント通信技術において用いる受信機の構成の一例を示す図である。 本発明の光受光器の構成を示す図である。 実施例１の光検出器の構成を示す図である。 実施例１の光検出器の構成を示す図である。 実施例２の光検出器の構成を示す図である。 実施例３の光検出器の構成を示す図である。 実施例４の光検出器の構成を示す図である。
以下、本発明の光検出器の形態について、好適な形態及び例を用いて詳細に説明する。なお、図面においては同一の機能を有する部分は同一の番号を付することで、説明の明瞭化を図っている。但し、本発明は以下に示す実施形態の記載内容に限定されず、本明細書等において開示する発明の趣旨から逸脱することなく形態および詳細を様々に変更し得ることは当業者にとって自明である。
本発明に係る光検出器は、図８に示す通り、入力される差動信号を受けるため２つ以上配置されたフォトダイオード（ＧｅＰＤ）１００１，１００２と、２つ以上配置されたフォトダイオードの光電流を測定する電流モニタの電流計２０４、フォトダイオード１００１，１００２を加熱するための抵抗体であるヒータ２００， ２０１と、抵抗体を制御するため各抵抗体に接続された各々独立で電圧値を制御できる電圧源２０２，２０３とを備え、電圧源２０２，２０３と電流モニタの電流計２０４とは接続され、電圧源２０２，２０３は電流モニタからの２つ以上配置されたフォトダイオード１００１，１００２が出す電流の値が合致するようにヒータへの印加電圧を操作する電圧源であることを特徴とする。具体的な駆動方法を以下に示す。モニタの電流計２０４がＧｅＰＤ１００１と１００２からの電流を測定する。モニタは各ＧｅＰＤから測定した電流がお互い等しくなるようにヒータ２００とヒータ２０１への印加電圧を調整する。ヒータによってＧｅＰＤ１００１とＧｅＰＤ１００２は加熱され、感度を変化させる。図５からわかるように、ＧｅＰＤの感度は温度に依存するため、ヒータの加熱によって複数のＧｅＰＤの感度を揃える事が出来る。モニタの電流計２０４が測定する電流は光電流であり、これらの値が一致するとき、ＧｅＰＤ１００１，１００２の感度は完全に合致していると言える。翻って、本発明の光検出器においては同相信号除去比の劣化が起きえない。ＧｅＰＤ１００１，１００２と接続する符号２１２は信号出力用の端子である。図８ではＧｅＰＤのカソードにモニタの電流計２０４を繋いだが、これはアノードに繋がれても良い。また、信号出力用の端子２１２とモニタの電流計２０４はそれぞれアノードとカソードに繋いだが、アノードにモニタの電流計２０４と信号出力用の端子２１２が有っても良いし、カソードに両者が有っても良い。
（実施例１）
図９、１０は、それぞれ、本発明の光検出器の本実施例の構成を示す上面図、断面図である。モニタをＧｅＰＤ１００１と１００２のカソードに接続された電流計が果たし、抵抗体として金属または金属化合物を含むヒータ２００、２０１を配置した例である。本発明に係る光検出器は、図９に示す通り、入力される差動信号を受けるため２つ以上配置されたフォトダイオード（ＧｅＰＤ）１００１，１００２と、２つ以上配置されたフォトダイオードの光電流を測定する電流モニタの電流計２０４， ２０５、フォトダイオードを加熱するための抵抗体であるヒータ２００， ２０１と、抵抗体を制御するため各抵抗体に接続された各々独立で電圧値を制御できる電圧源２０２，２０３とを備え、電圧源２０２，２０３と電流モニタの電流計２０４， ２０５とは、それぞれ、接続され、電圧源２０２，２０３は電流モニタからの２つ以上配置されたフォトダイオード１００１，１００２が出す電流の値が合致するようにヒータ２００， ２０１への印加電圧を操作する電圧源であることを特徴とする。具体的な駆動方法を以下に示す。ヒータ２００， ２０１は図１０の様に上部（オーバー）クラッド層１０３の中に埋め込まれる。ＧｅＰＤ１００１，１００２は差動信号を受けるＰＤペアとして配置してある。ヒータ２００，２０１は各ＧｅＰＤのゲルマニウム層１１４を覆うように配置される。各ＧｅＰＤのカソードには電流計２０４，２０５が有り、さらにその先に電圧源２０６，２０７が接続されている。電流計２０４，２０５には各々ヒータ２００，２０１への電圧源２０２、２０３が接続されている。電圧源２０２，２０３は電流計２０４，２０５の示す電流が等しくなるようにヒータに掛ける電圧を調整する。フォトダイオード（ＧｅＰＤ）１００１，１００２は、信号出力用の端子２１２と接続する。
（実施例２）
図１１は本発明の光検出器の本実施例の構成を示す図である。モニタをＧｅＰＤ１００１と１００２のカソードに接続された電流計が果たし、抵抗体としてＧｅＰＤ１００１と１００２のコア層１１０にインプラ（イオン注入）で作製したヒータ２１０、２１１を配置した例である。ＧｅＰＤ１００１，１００２は差動信号を受けるＰＤペアとして配置してある。各ＧｅＰＤのカソードには電流計２０４，２０５が有り、さらにその先に電圧源２０６，２０７が接続されている。電流計２０４，２０５には各々ヒータ２００，２０１への電圧源２０２、２０３が接続されている。電圧源２０２，２０３は電流計２０４，２０５の示す電流が等しくなるようにヒータに掛ける電圧を調整する。
（実施例３）
図１２は本発明の光検出器の本実施例の構成を示す図である。モニタをＧｅＰＤ１００１と１００２のアノードに接続したトランスインピーダンスアンプ２２０が果たし、抵抗体として金属または金属化合物を含むヒータ２００、２０１を配置した例である。ＧｅＰＤ１００１，１００２は差動信号を受けるＰＤペアとして配置してある。トランスインピーダンスアンプ２２０はＧｅＰＤの信号を増幅して電圧出力するアンプであり、その際にＧｅＰＤからの電流をモニタする。この値を電圧源２０２，２０３にフィードバックし、電圧源は各ＧｅＰＤからトランスインピーダンスアンプ２２０に入る電流が等しくなるようにヒータを制御する。図１２では抵抗体として金属または金属化合物によるヒータを用いたが、実施例２に示すようにＧｅＰＤ１００１と１００２のコア層１１０にインプラ（イオン注入）をして作ったヒータを用いても良い。また図１２ではＧｅＰＤ１００１，１００２のアノードからトランスインピーダンスアンプ２２０に接続しているが、カソードからトランスインピーダンスアンプ２２０に接続しても良い。
（実施例４）
図１３は本発明の光検出器の本実施例の構成を示す図である。モニタをＧｅＰＤ１００１と１００２のアノードに接続したトランスインピーダンスアンプ２２０の後段に接続するデジタルシグナルプロセッサ２３０が果たし、抵抗体として金属または金属化合物によるヒータ２００、２０１を配置した例である。ＧｅＰＤ１００１，１００２は差動信号を受けるＰＤペアとして配置してある。デジタルシグナルプロセッサ２３０はトランスインピーダンスアンプ２２０を通してＧｅＰＤから入力される信号をモニタしており、この値を電圧源２０２，２０３にフィードバックし、電圧源は各ＧｅＰＤからトランスインピーダンスアンプ２２０に入る電流が等しくなるようにヒータを制御する。図１３では抵抗体として金属または金属化合物によるヒータを用いたが、実施例２で示したＧｅＰＤ１００１と１００２のコア層１１０にインプラをして作ったヒータを用いても良い。また図１２ではＧｅＰＤ１００１，１００２のアノードからトランスインピーダンスアンプ２２０に接続しているが、カソードから接続しても良い。
本発明は、光通信システムや光情報処理システムにおいて用いられる光検出器に適用することができる。
２００，２０１ ヒータ
２０２，２０３ 電源（電圧源）
２０４ 電流計
２１２ 出力ポート
１００１，１００２ ＧｅＰＤ

Claims (8)

  1. 入力される差動信号を受けるため２つ以上配置されたフォトダイオードと、
    前記２つ以上配置されたフォトダイオードの光電流を測定する電流モニタと、
    前記フォトダイオードを加熱するための抵抗体と、
    前記抵抗体を制御するため各抵抗体に接続された各々独立で電圧値を制御できる電圧源とを備え、
    前記電圧源と前記電流モニタは接続され、前記電圧源は前記電流モニタからの前記２つ以上配置されたフォトダイオードが出す電流の値が合致するように前記抵抗体への印加電圧を操作する電圧源である、
    ことを特徴とする光検出器。
  2. 前記フォトダイオードは
    シリコン基板と、
    前記シリコン基板上の下部クラッド層と、
    前記下部クラッド層上にあり、第一の導電型不純物イオンがドーピングされたシリコン領域を含むシリコンコア層と、
    前記シリコンコア層上にあり、第二の導電型不純物がドーピングされたゲルマニウム領域を含むゲルマニウム層と、
    前記シリコンコア層および前記ゲルマニウム層上にある上部クラッド層と、
    前記シリコン領域および前記ゲルマニウム領域にそれぞれ接続された電極とを備える、
    ことを特徴とする請求項１に記載の光検出器。
  3. 前記フォトダイオードは
    シリコン基板と、
    前記シリコン基板上の下部クラッド層と、
    前記下部クラッド層上のシリコンコア層と、
    前記シリコンコア層上にあり、第一の導電型不純物及び第二の導電型不純物がドーピングされたゲルマニウム領域を含むゲルマニウム層と、
    前記シリコンコア層および前記ゲルマニウム層上の上部クラッド層と、
    前記第一の導電型不純物及び第二の導電型不純物がドーピングされたゲルマニウム領域にそれぞれ接続された電極とを備える、
    ことを特徴とする請求項１に記載の光検出器。
  4. 前記フォトダイオードは
    シリコン基板と、
    前記シリコン基板上に形成された下部クラッド層と、
    前記下部クラッド層上に形成され、第一と第二の導電型不純物イオンがドーピングされたシリコン領域を含むシリコンコア層と、
    前記シリコンコア層上に形成されたゲルマニウム層と、
    前記シリコンコア層および前記ゲルマニウム層上に形成された上部クラッド層と、
    前記シリコン領域に接続された電極を備える、
    ことを特徴とする請求項１に記載の光検出器。
  5. 前記抵抗体は前記ゲルマニウム層を覆うように、前記上部クラッド層に埋め込まれた、金属または金属化合物を含む抵抗体である
    ことを特徴とする請求項２乃至４いずれか一項に記載の光検出器。
  6. 前記抵抗体は前記ゲルマニウム層を囲うように、前記シリコンコア層に不純物イオンを含む抵抗体である
    ことを特徴とする請求項２乃至４いずれか一項に記載の光検出器。
  7. 前記電流モニタは、前記フォトダイオードのアノードまたはカソードに接続された電流計である、
    ことを特徴とする請求項１に記載の光検出器。
  8. 前記電流モニタは、前記フォトダイオードのアノードまたはカソードに接続されたトランスインピーダンスアンプまたはデジタルシグナルプロセッサである、
    ことを特徴とする請求項１に記載の光検出器。
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