JP7212254B2 - 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、特に光感度の温度依存性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一度に多数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（ＧｅＰＤ）がある。
図１は、従来の導波路結合型の縦型ＧｅＰＤ１００の構造を模式的に示す図である。図２は、図１のＩＩ－ＩＩの基板断面図である。図１のＧｅＰＤ１００は概略、左端の導波路層１１０１から入力された光が、シリコンスラブ１１０２上の光吸収層であるＧｅ層１１４に達し、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、光を検出する。
尚、構造を分かり易くするために、図１では、図２の断面図に示すクラッド層１０３、コア層１１０を省いており、電極１１６～１１８が、第一の不純物（例えばｐ型）をインプラしたシリコン電極部１１２、１１３および第一の不純物と反対の導電型の第二の不純物（例えばｎ型）をインプラしたＧｅ領域１１５に接する位置のみを、表示している。ＧｅＰＤ１００は、Ｓｉ基板、Ｓｉ酸化膜、表面Ｓｉ層からなる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の基板断面図においてＧｅＰＤ１００は、Ｓｉ基板１０１と、Ｓｉ基板上のＳｉ酸化膜からなる下部クラッド層１０２と、信号光を導くコア層１１０と、コア層１１０の上に形成され光を吸収する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を備える。図２のコア層１１０は、図１の導波路層１１０１とシリコンスラブ１１０２に対応する。
図２のコア層１１０の上には、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。両電極部１１２，１１３の間のＳｉスラブ１１１の上には、Ｇｅ層１１４が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。Ｇｅ層１１４は、ゲルマニウム化合物の光吸収層であることも可能であり、ゲルマニウム層と総称する。そして、シリコン電極部１１２、１１３およびＧｅ領域１１５の上には、それらに接するように電極１１６～１１８を備え、光電流が検出される。
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３、４に示すような、横型のＧｅＰＤも従来より存在する。図３の横型のＧｅＰＤ１００は、図２の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を備える。ゲルマニウム領域１２１と１２２の間は、Ｇｅ層１１４で分離されており、光電流は電極１１６、１１８から検出される。
図４の別の横型のＧｅＰＤ１００は、図２の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１２４ｐと第二の不純物をインプラしたシリコン領域１２４ｎ、および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１２５を備える。シリコン領域１２４ｐとシリコン領域１２４ｎの間の領域１２３では、Ｇｅ層１１４が２つのシリコン領域に跨ってコア層１１０と接しており、光電流は電極１１６、１１８から検出される。いずれの横型のＧｅＰＤにおいても、Ｇｅ層１１４はゲルマニウム化合物の層で形成された光吸収層であることも可能であり、ゲルマニウム層と総称する。
G.G.Macfarlane, T.P. McLean, J.E. Quarrington and V. Roberts, "Fine Structure in the Absorption-Edge Spectrum of Ge",Phys. Rev. 108, 6 (1957) 1377-1383.
しかしながら、図１～４に示す従来のＧｅＰＤ１００は、光感度（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課題がある。
図５は、ＧｅＰＤの通信波長帯域Ｃ帯、Ｌ帯（波長１５３０～１５６５ｎｍ、１５６５～１６２５ｎｍ）で、逆バイアス１．６Ｖを印加した時の、３通りの温度に対する光電気変換の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。この感度の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、ゲルマニウム自身の光吸収スペクトルの温度依存性である（非特許文献１参照）。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。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、２参照）
しかしながらこの手法ではヒータ自体も大きさを持つため、デバイスそのものが面積増加する。この問題を解決するために、図７のように、ＧｅＰＤの直上のオーバークラッド中に、金属または金属化合物で作製され、ヒータとして機能する抵抗体１３０を入れる、または図８のようにＧｅＰＤのコア層１１０にインプラをし、線状の導電性領域として形成された抵抗体１３１とすることでヒータとして用いる手法が有る（特許文献３参照）。この手法を用いれば、ＧｅＰＤの面積を増大させることは無い。
しかしながらこの手法ではヒータ自体も大きさを持つため、デバイスそのものが面積増加する。この問題を解決するために、図７のように、ＧｅＰＤの直上のオーバークラッド中に、金属または金属化合物で作製され、ヒータとして機能する抵抗体１３０を入れる、または図８のようにＧｅＰＤのコア層１１０にインプラをし、線状の導電性領域として形成された抵抗体１３１とすることでヒータとして用いる手法が有る（特許文献３参照）。この手法を用いれば、ＧｅＰＤの面積を増大させることは無い。
しかし、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。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は波長の数だけＧｅＰＤを必要とする場合があり、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はバランスＰＤとして複数のＰＤを必要とする。
図９は、光デジタルコヒーレント通信技術において用いる従来の光受信機の構成の一例である。この構成では、偏波分離器９０１に入力された受信偏波多重光が偏波分離され、２つの光ハイブリッド９４０，９４１において、局発光源９００からの２つの異なる偏波の局発光と組み合わされる。２つの光ハイブリッド９４０，９４１からの、各４つ、計８つの出力光の光電変換のために、８個のＧｅＰＤ９５０Ａ～９５０Ｈが用いられる。
この従来構成では、個別にヒータを備えるＧｅＰＤ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に繋がるＧｅＰＤ群９５０Ａ～９５０Ｄ、９５０Ｅ～９５０Ｈの中では均一の光感度が求められ、これ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。そのためＧｅＰＤは感度を揃える必要があり、各ＧｅＰＤを一定の温度に保つ必要がある。しかしながら、８個のヒータは製造バラつきを持つため、図１０の従来の光検出器の要部回路構成のように二つ以上のＧｅＰＤ１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ…に対し、個別のヒータ１３０Ａ，１３０Ｂ，１３０Ｃ…によって駆動すると、各ＧｅＰＤに与える熱量が一定とならず、各ＧｅＰＤの温度がバラつき、結果として光感度がバラついてしまうという問題が有る。
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、各ＧｅＰＤに一体ないし一群の共通のヒータを用いる事で、Ｃ帯、Ｌ帯において光感度の温度に対する依存性のないＧｅＰＤを提供し、さらにそのＧｅＰＤは複数個設置したとしてもヒータから与えられる熱は一定であり、各ＧｅＰＤの温度と光感度は同一である光検出器を実現することにある。
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。
（構成１）
シリコン基板と、
前記シリコン基板の上に形成された下部クラッド層と、
前記下部クラッド層の上に形成されたシリコンコア層と、
上部クラッド層と、
を備え、複数のゲルマニウム受光器を有する光検出器であって、
前記複数のゲルマニウム受光器は、それぞれ、前記シリコンコア層に形成された第一の導電型不純物がドーピングされたシリコン領域と、前記シリコン領域上に形成され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、前記シリコン領域に対して入力光を伝達するために、前記シリコンコア層の前記シリコン領域に対応する位置に接続されたシリコン導波路層と、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により構成され、かつ、２つ以上が隣接して前記シリコン基板の上に配置されており、
前記複数のゲルマニウム受光器を構成する前記シリコン領域、前記ゲルマニウム層、前記シリコン導波路層、および前記電極は、前記複数のゲルマニウム受光器間で互いに独立して設けられており、
前記上部クラッド層は、前記シリコンコア層および２つ以上が隣接して配置された前記ゲルマニウム受光器の各ゲルマニウム層の上に形成されているものであり、
２つ以上が隣接して配置された前記ゲルマニウム受光器の各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で形成された抵抗体を備え、
前記抵抗体は、一体の抵抗体で形成されていて、全てのゲルマニウム受光器のゲルマニウム層を覆うように配置されている
ことを特徴とする光検出器。
シリコン基板と、
前記シリコン基板の上に形成された下部クラッド層と、
前記下部クラッド層の上に形成されたシリコンコア層と、
上部クラッド層と、
を備え、複数のゲルマニウム受光器を有する光検出器であって、
前記複数のゲルマニウム受光器は、それぞれ、前記シリコンコア層に形成された第一の導電型不純物がドーピングされたシリコン領域と、前記シリコン領域上に形成され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、前記シリコン領域に対して入力光を伝達するために、前記シリコンコア層の前記シリコン領域に対応する位置に接続されたシリコン導波路層と、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により構成され、かつ、２つ以上が隣接して前記シリコン基板の上に配置されており、
前記複数のゲルマニウム受光器を構成する前記シリコン領域、前記ゲルマニウム層、前記シリコン導波路層、および前記電極は、前記複数のゲルマニウム受光器間で互いに独立して設けられており、
前記上部クラッド層は、前記シリコンコア層および２つ以上が隣接して配置された前記ゲルマニウム受光器の各ゲルマニウム層の上に形成されているものであり、
２つ以上が隣接して配置された前記ゲルマニウム受光器の各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で形成された抵抗体を備え、
前記抵抗体は、一体の抵抗体で形成されていて、全てのゲルマニウム受光器のゲルマニウム層を覆うように配置されている
ことを特徴とする光検出器。
（構成２）
シリコン基板と、
前記シリコン基板の上に形成された下部クラッド層と、
前記下部クラッド層の上に形成されたシリコンコア層と、
上部クラッド層と、
を備え、複数のゲルマニウム受光器を有する光検出器であって、
前記複数のゲルマニウム受光器は、それぞれ、前記シリコンコア層に形成された第一の導電型不純物がドーピングされたシリコン領域と、前記シリコン領域上に形成され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、前記シリコン領域に対して入力光を伝達するために、前記シリコンコア層の前記シリコン領域に対応する位置に接続されたシリコン導波路層と、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により構成され、かつ、２つ以上が隣接して前記シリコン基板の上に配置されており、
前記複数のゲルマニウム受光器を構成する前記シリコン領域、前記ゲルマニウム層、前記シリコン導波路層、および前記電極は、前記複数のゲルマニウム受光器間で互いに独立して設けられており、
前記上部クラッド層は、前記シリコンコア層および２つ以上が隣接して配置された前記ゲルマニウム受光器の各ゲルマニウム層の上に形成されているものであり、
２つ以上が隣接して配置された前記ゲルマニウム受光器の各ゲルマニウム層のそれぞれを囲うように、前記シリコンコア層に不純物イオンをドーピングする事で形成された抵抗体を備え、
前記抵抗体は、一体の抵抗体で形成されていて、全てのゲルマニウム受光器のゲルマニウム層を囲うように配置されている
ことを特徴とする光検出器。
シリコン基板と、
前記シリコン基板の上に形成された下部クラッド層と、
前記下部クラッド層の上に形成されたシリコンコア層と、
上部クラッド層と、
を備え、複数のゲルマニウム受光器を有する光検出器であって、
前記複数のゲルマニウム受光器は、それぞれ、前記シリコンコア層に形成された第一の導電型不純物がドーピングされたシリコン領域と、前記シリコン領域上に形成され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、前記シリコン領域に対して入力光を伝達するために、前記シリコンコア層の前記シリコン領域に対応する位置に接続されたシリコン導波路層と、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により構成され、かつ、２つ以上が隣接して前記シリコン基板の上に配置されており、
前記複数のゲルマニウム受光器を構成する前記シリコン領域、前記ゲルマニウム層、前記シリコン導波路層、および前記電極は、前記複数のゲルマニウム受光器間で互いに独立して設けられており、
前記上部クラッド層は、前記シリコンコア層および２つ以上が隣接して配置された前記ゲルマニウム受光器の各ゲルマニウム層の上に形成されているものであり、
２つ以上が隣接して配置された前記ゲルマニウム受光器の各ゲルマニウム層のそれぞれを囲うように、前記シリコンコア層に不純物イオンをドーピングする事で形成された抵抗体を備え、
前記抵抗体は、一体の抵抗体で形成されていて、全てのゲルマニウム受光器のゲルマニウム層を囲うように配置されている
ことを特徴とする光検出器。
（構成３）
構成１または２に記載の光検出器であって、
前記ゲルマニウム受光器の入力光導波路は折り曲げ部を有し、２つ以上が隣接して配置された前記ゲルマニウム受光器のそれぞれの光軸が、同一の直線上を通るように配置される、
ことを特徴とする光検出器。
構成１または２に記載の光検出器であって、
前記ゲルマニウム受光器の入力光導波路は折り曲げ部を有し、２つ以上が隣接して配置された前記ゲルマニウム受光器のそれぞれの光軸が、同一の直線上を通るように配置される、
ことを特徴とする光検出器。
（構成４）
構成３に記載の光検出器であって、
対となる光出力を検出する２つの前記ゲルマニウム受光器を背中合わせに配置し、前記入力光導波路の前記折り曲げ部を互いに反対側に設けて隣接させる、
ことを特徴とする光検出器。
構成３に記載の光検出器であって、
対となる光出力を検出する２つの前記ゲルマニウム受光器を背中合わせに配置し、前記入力光導波路の前記折り曲げ部を互いに反対側に設けて隣接させる、
ことを特徴とする光検出器。
以上記載したように、本発明に係る光検出器においては、ＧｅＰＤがヒータとして機能する一体ないし一群の抵抗体から熱を与えられるため、低温になることは無い。図５からわかるようにＧｅＰＤは、８５℃を切ることが無ければＬ帯の波長全域に対して、また、３１℃を切ることがなければＣ帯の波長全域に対して、光感度をほぼ一定にすることができる。
また、各抵抗体は電源を共有しており、また同一プロセスで作製され、一体として構成され、ないし一群として近接して並ぶため、抵抗のバラつきが抑えられ、ＧｅＰＤに与える熱が不均一となることが無い。すなわち従来の個別のヒータを備えたＧｅＰＤを複数配置した時に比較した場合、抵抗体ごとに与える熱量のバラつきを抑える事が出来るため、全てのＧｅＰＤに均一に熱を与える事ができる。各ＧｅＰＤに与える熱量が均一な抵抗体を提供することによって、ＧｅＰＤごとに光感度がバラつかず、同相信号除去比が劣化しない光通信システムを提供する事ができる。
以下、本発明の光検出器の形態について、好適例を用いて詳細に説明する。
（実施例１）
図１１は、本発明の実施例１の光検出器の構成を示す基板平面図である。３つのＧｅＰＤ１００Ａ～１００Ｃに、共通の長方形の金属または金属化合物で形成された一体のヒータ（抵抗体）１１３０を一つ配置した例である。ＧｅＰＤは３つに限らず、いくつ並んでいても良い。図１１では、ＧｅＰＤの光入力軸方向（図の上下方向）に対して、一体の長方形のヒータ１１３０の長手方向は左右となるように配置されて、すべてのＧｅＰＤ１００Ａ～１００Ｃのゲルマニウム層を覆っている。ヒータの給電部は図示していないが、例えば長方形の抵抗体のいずれかの対向する２辺に、電気抵抗の少ない金属電極などを設置して給電し、抵抗体内部の電流密度に偏りがでないようにすればよい。
図１１は、本発明の実施例１の光検出器の構成を示す基板平面図である。３つのＧｅＰＤ１００Ａ～１００Ｃに、共通の長方形の金属または金属化合物で形成された一体のヒータ（抵抗体）１１３０を一つ配置した例である。ＧｅＰＤは３つに限らず、いくつ並んでいても良い。図１１では、ＧｅＰＤの光入力軸方向（図の上下方向）に対して、一体の長方形のヒータ１１３０の長手方向は左右となるように配置されて、すべてのＧｅＰＤ１００Ａ～１００Ｃのゲルマニウム層を覆っている。ヒータの給電部は図示していないが、例えば長方形の抵抗体のいずれかの対向する２辺に、電気抵抗の少ない金属電極などを設置して給電し、抵抗体内部の電流密度に偏りがでないようにすればよい。
図１２は、本実施例１の図１１のXII-XIIにおける光軸に垂直な基板断面図になる。ヒータ１１３０は、３つのＧｅＰＤ１００Ａ～１００Ｃの各ゲルマニウム層１１４Ａ～１１４Ｃをすべて覆うように、共通のクラッド層１０３の上層に配置される。ヒータ１１３０の熱が効率的にゲルマニウム層１１４Ａ～１１４Ｃに与えられるように、各ＧｅＰＤ１００Ａ～１００Ｃは、シリコン基板１０１上で隣接して配置されている。本実施例１では複数のＧｅＰＤに対してヒータ１１３０は一つであり、本質的に抵抗値のバラつきは起きえない。最もバラつきを抑えられる構成となる。
（実施例２）
図１３は、本発明の実施例２の光検出器の構成を示す基板平面図である。３つのＧｅＰＤ１００Ａ～１００Ｃに、ＧｅＰＤの共通のコア層１１０にインプラをして作った線状のヒータ１１３１を、各ＧｅＰＤのゲルマニウム層を囲うように配置した例である。ヒータ１１３１は１本の線状の抵抗体として作られており、一端（例えば左上端）と他端（例えば右上端）の間において給電される。ＧｅＰＤは３つに限らず、いくつ並んでも良い。図１３に示すように、ヒータ１１３１は、３つのゲルマニウム層１１４Ａ～１１４Ｃを囲うように、櫛歯状に折り曲げて配置されている。ヒータ１１３１を蛇行形状にして、例えばＧｅＰＤ１００Ｂの入力導波路側を横断する形状としてもよいが、ＧｅＰＤ１００Ｂの入力信号光に影響が出ないように配慮する必要がある。
図１３は、本発明の実施例２の光検出器の構成を示す基板平面図である。３つのＧｅＰＤ１００Ａ～１００Ｃに、ＧｅＰＤの共通のコア層１１０にインプラをして作った線状のヒータ１１３１を、各ＧｅＰＤのゲルマニウム層を囲うように配置した例である。ヒータ１１３１は１本の線状の抵抗体として作られており、一端（例えば左上端）と他端（例えば右上端）の間において給電される。ＧｅＰＤは３つに限らず、いくつ並んでも良い。図１３に示すように、ヒータ１１３１は、３つのゲルマニウム層１１４Ａ～１１４Ｃを囲うように、櫛歯状に折り曲げて配置されている。ヒータ１１３１を蛇行形状にして、例えばＧｅＰＤ１００Ｂの入力導波路側を横断する形状としてもよいが、ＧｅＰＤ１００Ｂの入力信号光に影響が出ないように配慮する必要がある。
図１４は、本実施例２の図１３のXIV-XIVにおける光軸に垂直な基板断面図になる。ヒータの１１３１の熱が効率的にゲルマニウム層１１４に与えられるように、各ＧｅＰＤ１００Ａ～１００Ｃは、シリコン基板１０１上で隣接して配置されている。
（実施例３）
図１５は、本発明の実施例３の光検出器の構成を示す基板平面図である。本実施例３は、実施例１（図１１）の長方形の１つのヒータ１１３０を、ＧｅＰＤの数に応じてヒータ１１３０Ａ，１１３０Ｂ、１１３０Ｃの３つに分割した例である。３つのヒータは同サイズで、同一プロセスで作られ、近傍に配置され一直線上に並び、なおかつ電源を共有するため、抵抗値のバラつきが起きにくい。ヒータ間は低抵抗の金属電極１６０で結び給電するため、実施例１より効率的に各ＧｅＰＤのゲルマニウム層に熱を与える事が可能となる。
図１５は、本発明の実施例３の光検出器の構成を示す基板平面図である。本実施例３は、実施例１（図１１）の長方形の１つのヒータ１１３０を、ＧｅＰＤの数に応じてヒータ１１３０Ａ，１１３０Ｂ、１１３０Ｃの３つに分割した例である。３つのヒータは同サイズで、同一プロセスで作られ、近傍に配置され一直線上に並び、なおかつ電源を共有するため、抵抗値のバラつきが起きにくい。ヒータ間は低抵抗の金属電極１６０で結び給電するため、実施例１より効率的に各ＧｅＰＤのゲルマニウム層に熱を与える事が可能となる。
接地側の金属電極は図示していないが、金属電極がヒータ１１３０Ａ，１１３０Ｂ、１１３０Ｃに接する部分は、ヒータ内部での電流密度の集中ないしムラを抑制するため、長方形の各ヒータのいずれかの対向する２辺に、給電側と接地側の金属電極を対にして、辺の全長に渡って設けるのが望ましい。
（実施例４）
図１６は、本発明の実施例４の光検出器の構成を示す基板平面図である。本実施例４は、実施例２（図１３）の一本の線状のヒータ１１３１を、ＧｅＰＤの数だけの本数の線状のヒータ１１３１Ａ，１１３１Ｂ、１１３１Ｃに分割した例である。分割された各ヒータは同サイズ同形状で、同一プロセスで作られ、近傍に隣接配置され一直線上に並び、なおかつ電源を共有するため、実施例２と同じく、抵抗値のバラつきが起きにくい。分割された線状の各ヒータの一端には、低抵抗の金属電極１６０を接続して給電し、他端を接地するため、実施例２より効率的に各ＧｅＰＤのゲルマニウム層に熱を与える事が可能となる。
図１６は、本発明の実施例４の光検出器の構成を示す基板平面図である。本実施例４は、実施例２（図１３）の一本の線状のヒータ１１３１を、ＧｅＰＤの数だけの本数の線状のヒータ１１３１Ａ，１１３１Ｂ、１１３１Ｃに分割した例である。分割された各ヒータは同サイズ同形状で、同一プロセスで作られ、近傍に隣接配置され一直線上に並び、なおかつ電源を共有するため、実施例２と同じく、抵抗値のバラつきが起きにくい。分割された線状の各ヒータの一端には、低抵抗の金属電極１６０を接続して給電し、他端を接地するため、実施例２より効率的に各ＧｅＰＤのゲルマニウム層に熱を与える事が可能となる。
（実施例５）
図１７は、本発明の実施例５の光検出器の基板平面図である。実施例１～４では、各ＧｅＰＤの光軸は、各入力光導波路の延長上に互いに平行となるように配置されていたが、実施例５では、３つのＧｅＰＤ１００Ａ～１００Ｃの光軸は、同一の直線上を通るように配置されており、直線状の１本のヒータ１１３０が、光軸の上に配置されている。この配置とするため、各ＧｅＰＤ１００Ａ～１００Ｃの入力光導波路は、折り曲げ部を有しており、各ＧｅＰＤは光検出器全体としての光入力方向に対して垂直な一直線上に配置されている。
図１７は、本発明の実施例５の光検出器の基板平面図である。実施例１～４では、各ＧｅＰＤの光軸は、各入力光導波路の延長上に互いに平行となるように配置されていたが、実施例５では、３つのＧｅＰＤ１００Ａ～１００Ｃの光軸は、同一の直線上を通るように配置されており、直線状の１本のヒータ１１３０が、光軸の上に配置されている。この配置とするため、各ＧｅＰＤ１００Ａ～１００Ｃの入力光導波路は、折り曲げ部を有しており、各ＧｅＰＤは光検出器全体としての光入力方向に対して垂直な一直線上に配置されている。
一般的にＧｅＰＤのゲルマニウム層は、光入力軸に対して平行に長辺を持つ長方形の底面を持つ。従って本実施例５の配置では、実施例１（図１１）と比べて、ゲルマニウム層を覆うようにヒータを配置した場合に、ヒータの幅を細くできる。ヒータが細くなると、単位長あたりの抵抗値が上昇するため、実施例１より低電流でヒータを駆動することが可能となる。本実施例５の配置では、実施例２のようにＧｅＰＤ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し、実施例３や４の様に各ＧｅＰＤ毎にヒータを分割しても良い。
（実施例６）
図１８は、本発明の実施例６の光受信機の構成を示す図である。実施例６の光受信機は、実施例１（図１１）の光検出器のＧｅＰＤ群１００Ａ～１００Ｃを、光デジタルコヒーレント通信技術の受信機に適用し、光検出器のＧｅＰＤ群１００Ａ～１００Ｈとした例である。共通の一体のヒータ１１３０からの熱量を効率的に各ＧｅＰＤのゲルマニウム層１１４Ａ～１１４Ｈに与えるため、各ＧｅＰＤは隣接して配置されている。光ハイブリッド９４０，９４１から各ＧｅＰＤ１００Ａ～１００Ｈに繋がる光経路は、光学的に同位相距離でなければならない。本実施例６の配置においても、実施例３（図１５）の様に各ヒータを分割しても良い。
図１８は、本発明の実施例６の光受信機の構成を示す図である。実施例６の光受信機は、実施例１（図１１）の光検出器のＧｅＰＤ群１００Ａ～１００Ｃを、光デジタルコヒーレント通信技術の受信機に適用し、光検出器のＧｅＰＤ群１００Ａ～１００Ｈとした例である。共通の一体のヒータ１１３０からの熱量を効率的に各ＧｅＰＤのゲルマニウム層１１４Ａ～１１４Ｈに与えるため、各ＧｅＰＤは隣接して配置されている。光ハイブリッド９４０，９４１から各ＧｅＰＤ１００Ａ～１００Ｈに繋がる光経路は、光学的に同位相距離でなければならない。本実施例６の配置においても、実施例３（図１５）の様に各ヒータを分割しても良い。
（実施例７）
図１９は、本発明の実施例７の光受信機の構成を示す図である。実施例７の光受信機は、実施例２（図１３）の光検出器のＧｅＰＤ群１００Ａ～１００Ｃを、光デジタルコヒーレント通信技術の受信機に適用し、光検出器のＧｅＰＤ群１００Ａ～１００Ｈとした例である。１本のヒータ１１３１からの熱量を効率的に各ＧｅＰＤのゲルマニウム層１１４Ａ～１１４Ｈに与えるため、各ＧｅＰＤは隣接して配置されている。光ハイブリッド９４０，９４１からＧｅＰＤ１００Ａ～１００Ｈに繋がる光経路は、光学的に同位相距離でなければならない。本実施例７の配置においても、実施例４（図１６）の様に各ヒータを分割しても良い。
図１９は、本発明の実施例７の光受信機の構成を示す図である。実施例７の光受信機は、実施例２（図１３）の光検出器のＧｅＰＤ群１００Ａ～１００Ｃを、光デジタルコヒーレント通信技術の受信機に適用し、光検出器のＧｅＰＤ群１００Ａ～１００Ｈとした例である。１本のヒータ１１３１からの熱量を効率的に各ＧｅＰＤのゲルマニウム層１１４Ａ～１１４Ｈに与えるため、各ＧｅＰＤは隣接して配置されている。光ハイブリッド９４０，９４１からＧｅＰＤ１００Ａ～１００Ｈに繋がる光経路は、光学的に同位相距離でなければならない。本実施例７の配置においても、実施例４（図１６）の様に各ヒータを分割しても良い。
（実施例８）
図２０は、本発明の実施例８の光受信機の構成を示す図である。実施例８の光受信機は、実施例５（図１７）のＧｅＰＤ群１００Ａ～１００Ｃの配置を、光デジタルコヒーレント通信技術の受信機に適用し、光検出器のＧｅＰＤ群１００Ａ～１００Ｈとした例である。ヒータ１１３０からの熱量を効率的に各ＧｅＰＤ１００のゲルマニウム層１１４に与えるため、各ＧｅＰＤの光軸は一直線上に配置されているが、光入力の導波路が有るため、完全に隣接させることはできない。
図２０は、本発明の実施例８の光受信機の構成を示す図である。実施例８の光受信機は、実施例５（図１７）のＧｅＰＤ群１００Ａ～１００Ｃの配置を、光デジタルコヒーレント通信技術の受信機に適用し、光検出器のＧｅＰＤ群１００Ａ～１００Ｈとした例である。ヒータ１１３０からの熱量を効率的に各ＧｅＰＤ１００のゲルマニウム層１１４に与えるため、各ＧｅＰＤの光軸は一直線上に配置されているが、光入力の導波路が有るため、完全に隣接させることはできない。
但し、光ハイブリッド９４０，９４１からの各４本の光出力のうち、対となる２本の光出力を検出する２つのＧｅＰＤ（例えば、１００Ａと１００Ｂ、１００Ｃと１００Ｄ、１００Ｅと１００Ｆ、または１００Ｇと１００Ｈ）は、互いに背中合わせに配置し、入力導波路の折り曲げ部を互いに反対側に設けることによって、より近くに隣接させることができ、より温度を揃え光感度特性を一致させることができる。
光ハイブリッド９４０，９４１からＧｅＰＤ１００Ａ～１００Ｈに繋がる光経路は、光学的に同位相距離でなければならない。本実施例の配置は、実施例２のようにＧｅＰＤのコア層１１０にインプラをして作ったヒータで用いても良いし、実施例３や４の様に各ヒータを分割しても良い。
（実施例９）
図２１は、本発明の実施例９の光受信機の構成を示す図である。実施例９の光受信機は、実施例１（図１１）のＧｅＰＤ群１００Ａ～１００Ｃを、光デジタルコヒーレント通信技術の受信機の光検出器の２つのＧｅＰＤ群１００１、１００２に適用した例である。２つのＧｅＰＤ群１００１（ＧｅＰＤ１００Ａ～１００Ｄ）、１００２（ＧｅＰＤ１００Ｅ～１００Ｈ）のヒータ１３０１，１３０２からの熱量を、効率的に各ＧｅＰＤのゲルマニウム層に与えるため、各ＧｅＰＤは隣接して配置されている。
図２１は、本発明の実施例９の光受信機の構成を示す図である。実施例９の光受信機は、実施例１（図１１）のＧｅＰＤ群１００Ａ～１００Ｃを、光デジタルコヒーレント通信技術の受信機の光検出器の２つのＧｅＰＤ群１００１、１００２に適用した例である。２つのＧｅＰＤ群１００１（ＧｅＰＤ１００Ａ～１００Ｄ）、１００２（ＧｅＰＤ１００Ｅ～１００Ｈ）のヒータ１３０１，１３０２からの熱量を、効率的に各ＧｅＰＤのゲルマニウム層に与えるため、各ＧｅＰＤは隣接して配置されている。
図２１の実施例９では、光ハイブリッド９４０、９４１は各々Ｘ偏波、Ｙ偏波の光経路に相当する。Ｘ，Ｙ偏波の光経路は、各々独立した光信号が受信される光経路のため、これらの光経路にそれぞれ接続する２つのＧｅＰＤ群の間では、光感度は一致する必要がない。これに伴いハイブリッド９４０に対応するＧｅＰＤ群１００１にはヒータ１３０１、ハイブリッド９４１に対応するＧｅＰＤ群１００２にはヒータ１３０２というように独立したヒータを配置し、電源も電源３００，３０１というように別系統にしてある。
ハイブリッド９４０に接続するＧｅＰＤ群１００１では、ヒータ１３０１によって全て同じ温度になるが、この温度はハイブリッド９４１に接続するＧｅＰＤ群１００２の温度と同じとは限らない。ヒータを二つに分割したため、ヒータ一つあたりの抵抗値は実施例６に比べ半分となる。例えばヒータ１３０１と１３０２を並列で駆動させれば、実施例６より低い電圧で駆動が可能となる。実施例２，３，４のＧｅＰＤ群の構成でも、同様にハイブリッド毎にヒータを分ける事で適用が可能となる。
（実施例１０）
図２２は、本発明の実施例１０の光受信機の構成を示す図である。実施例１０の光受信機は、実施例１（図１１）のＧｅＰＤ群１００Ａ～１００Ｃを、光波長多重通信技術の受信機の光検出器のＧｅＰＤ群１００Ａ～１００Ｈに適用した例である。波長分波器１５０に入力された波長多重光は、波長毎に分波されて各ＧｅＰＤ１００Ａ～１００Ｈにおいて光電気変換される。ヒータ１１３０からの熱量を効率的に各ＧｅＰＤのゲルマニウム層に与えるため、各ＧｅＰＤは隣接して配置されている。本実施例１０では、波長分波器１５０の出力に８ｃｈの光検出器が接続されているが、この数は２つ以上であればいくつであっても良い。実施例２，３，４のＧｅＰＤ群の構成でも、同様に適用が可能となる。
図２２は、本発明の実施例１０の光受信機の構成を示す図である。実施例１０の光受信機は、実施例１（図１１）のＧｅＰＤ群１００Ａ～１００Ｃを、光波長多重通信技術の受信機の光検出器のＧｅＰＤ群１００Ａ～１００Ｈに適用した例である。波長分波器１５０に入力された波長多重光は、波長毎に分波されて各ＧｅＰＤ１００Ａ～１００Ｈにおいて光電気変換される。ヒータ１１３０からの熱量を効率的に各ＧｅＰＤのゲルマニウム層に与えるため、各ＧｅＰＤは隣接して配置されている。本実施例１０では、波長分波器１５０の出力に８ｃｈの光検出器が接続されているが、この数は２つ以上であればいくつであっても良い。実施例２，３，４のＧｅＰＤ群の構成でも、同様に適用が可能となる。
本発明では、様々な形状の抵抗体で構成されたヒータを用いる事で、光波長のＣ帯、Ｌ帯において、光感度の温度に対する依存性のないＧｅＰＤを提供することができる。
さらにそのＧｅＰＤを複数個設置した光検出器としても、ヒータから与えられる熱を一定にして各ＧｅＰＤの温度は同一にでき、光感度の揃った光検出器を実現することが可能である。
１００、１００Ａ～１００Ｈ，９５０Ａ～９５０Ｈ ゲルマニウム光検出器（ＧｅＰＤ）
１００１、１００２ ＧｅＰＤ群
１０１ シリコン（Ｓｉ）基板
１０２ 下部クラッド層
１０３ 上部クラッド層
１１０ （シリコン）コア層
１１１、１１１Ａ～１１１Ｃ ｐ型Ｓｉスラブ
１１２、１１２Ａ～１１２Ｃ、１１３、１１３Ａ～１１３Ｃ ｐ＋＋Ｓｉ電極部
１１４、１１４Ａ～１１４Ｃ ゲルマニウム（Ｇｅ）層
１１５、１１５Ａ～１１５Ｃ ｎ型ゲルマニウム（Ｇｅ）領域
１１６、１１６～１１６Ｃ、１１７、１１７Ａ～１１７Ｃ、１１８、１１８Ａ～１１８Ｃ 電極
１２１ ｐ型ゲルマニウム領域
１２２ ｎ型ゲルマニウム領域
１２４ｐ ｐ型シリコン領域
１２４ｎ ｎ型シリコン領域
１２５ シリコン電極部
１１０１ 導波路層
１１０２ シリコンスラブ
１３０、１３０Ａ～１３０Ｃ、１３１、１１３０、１１３０Ａ～１１３０Ｃ、１１３１、１１３１Ａ～１１３１Ｃ、１３０１、１３０２ 抵抗体（ヒータ）
１６０ 金属電極
３００，３０１ 電源電圧
９００ 局発光源
９０１ 偏波分離器
９４０，９４１ 光ハイブリッド
１００１、１００２ ＧｅＰＤ群
１０１ シリコン（Ｓｉ）基板
１０２ 下部クラッド層
１０３ 上部クラッド層
１１０ （シリコン）コア層
１１１、１１１Ａ～１１１Ｃ ｐ型Ｓｉスラブ
１１２、１１２Ａ～１１２Ｃ、１１３、１１３Ａ～１１３Ｃ ｐ＋＋Ｓｉ電極部
１１４、１１４Ａ～１１４Ｃ ゲルマニウム（Ｇｅ）層
１１５、１１５Ａ～１１５Ｃ ｎ型ゲルマニウム（Ｇｅ）領域
１１６、１１６～１１６Ｃ、１１７、１１７Ａ～１１７Ｃ、１１８、１１８Ａ～１１８Ｃ 電極
１２１ ｐ型ゲルマニウム領域
１２２ ｎ型ゲルマニウム領域
１２４ｐ ｐ型シリコン領域
１２４ｎ ｎ型シリコン領域
１２５ シリコン電極部
１１０１ 導波路層
１１０２ シリコンスラブ
１３０、１３０Ａ～１３０Ｃ、１３１、１１３０、１１３０Ａ～１１３０Ｃ、１１３１、１１３１Ａ～１１３１Ｃ、１３０１、１３０２ 抵抗体（ヒータ）
１６０ 金属電極
３００，３０１ 電源電圧
９００ 局発光源
９０１ 偏波分離器
９４０，９４１ 光ハイブリッド
Claims (4)
- シリコン基板と、
前記シリコン基板の上に形成された下部クラッド層と、
前記下部クラッド層の上に形成されたシリコンコア層と、
上部クラッド層と、
を備え、複数のゲルマニウム受光器を有する光検出器であって、
前記複数のゲルマニウム受光器は、それぞれ、前記シリコンコア層に形成された第一の導電型不純物がドーピングされたシリコン領域と、前記シリコン領域上に形成され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、前記シリコン領域に対して入力光を伝達するために、前記シリコンコア層の前記シリコン領域に対応する位置に接続されたシリコン導波路層と、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により構成され、かつ、２つ以上が隣接して前記シリコン基板の上に配置されており、
前記複数のゲルマニウム受光器を構成する前記シリコン領域、前記ゲルマニウム層、前記シリコン導波路層、および前記電極は、前記複数のゲルマニウム受光器間で互いに独立して設けられており、
前記上部クラッド層は、前記シリコンコア層および２つ以上が隣接して配置された前記ゲルマニウム受光器の各ゲルマニウム層の上に形成されているものであり、
２つ以上が隣接して配置された前記ゲルマニウム受光器の各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で形成された抵抗体を備え、
前記抵抗体は、一体の抵抗体で形成されていて、全てのゲルマニウム受光器のゲルマニウム層を覆うように配置されている
ことを特徴とする光検出器。 - シリコン基板と、
前記シリコン基板の上に形成された下部クラッド層と、
前記下部クラッド層の上に形成されたシリコンコア層と、
上部クラッド層と、
を備え、複数のゲルマニウム受光器を有する光検出器であって、
前記複数のゲルマニウム受光器は、それぞれ、前記シリコンコア層に形成された第一の導電型不純物がドーピングされたシリコン領域と、前記シリコン領域上に形成され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、前記シリコン領域に対して入力光を伝達するために、前記シリコンコア層の前記シリコン領域に対応する位置に接続されたシリコン導波路層と、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により構成され、かつ、２つ以上が隣接して前記シリコン基板の上に配置されており、
前記複数のゲルマニウム受光器を構成する前記シリコン領域、前記ゲルマニウム層、前記シリコン導波路層、および前記電極は、前記複数のゲルマニウム受光器間で互いに独立して設けられており、
前記上部クラッド層は、前記シリコンコア層および２つ以上が隣接して配置された前記ゲルマニウム受光器の各ゲルマニウム層の上に形成されているものであり、
２つ以上が隣接して配置された前記ゲルマニウム受光器の各ゲルマニウム層のそれぞれを囲うように、前記シリコンコア層に不純物イオンをドーピングする事で形成された抵抗体を備え、
前記抵抗体は、一体の抵抗体で形成されていて、全てのゲルマニウム受光器のゲルマニウム層を囲うように配置されている
ことを特徴とする光検出器。 - 請求項１または２に記載の光検出器であって、
前記ゲルマニウム受光器の入力光導波路は折り曲げ部を有し、２つ以上が隣接して配置された前記ゲルマニウム受光器のそれぞれの光軸が、同一の直線上を通るように配置される、
ことを特徴とする光検出器。 - 請求項３に記載の光検出器であって、
対となる光出力を検出する２つの前記ゲルマニウム受光器を背中合わせに配置し、前記入力光導波路の前記折り曲げ部を互いに反対側に設けて隣接させる、
ことを特徴とする光検出器。
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