WO2019225439A1 - 光検出器 - Google Patents

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浩太郎 武田
那須　悠介
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日本電信電話株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a photodetector used in an optical communication system and an optical information processing system, and more particularly to a structure for providing a photodetector that facilitates initial inspection during manufacturing.
  • FIG. 1 is a plan view schematically showing a chip structure of a waveguide coupled vertical GePD 100 which is an example of a conventional semiconductor type photodetector.
  • 2 is a cross-sectional view taken along the II-II plane (plane perpendicular to the light traveling direction) in FIG.
  • the display of the cladding layers 101 to 103 shown in the cross-sectional view of FIG. 2 is omitted, and the electrodes 116 to 118 have semiconductor regions 112, 113, 115 inside the chip. Only the planar area of the part in contact with the is shown.
  • the GePD 100 is formed on a SOI (Silicon On Insulator) substrate composed of a Si substrate, a Si oxide film, and a surface Si layer using a lithography technique or the like. As shown in the cross-sectional view of FIG. 2, the GePD 100 includes a semiconductor substrate including a Si substrate 101 from the bottom, a lower clad layer 102 made of a Si oxide film on the Si substrate 101, and a core layer 110 that guides signal light. Formed.
  • SOI Silicon On Insulator
  • a Ge layer 114 that absorbs light is provided on the silicon slab 1102 region of the silicon core layer 110 of the semiconductor substrate, and an n-type Ge region 115 is provided thereon, and an upper cladding layer 103 made of a Si oxide film. Embedded in.
  • the core layer 110 of FIG. 2 includes an input waveguide 1101 in which signal light to be detected is incident from a direction in the substrate surface, a Ge layer 114 that absorbs light in the center, and the like. It is divided into two parts of the mounted silicon slab 1102.
  • the silicon slab 1102 is formed with a p-type Si region 111 doped with p-type impurity ions, and p ++ silicon electrode portions 112 and 113 which are doped with a higher concentration of p-type impurities and function as electrodes.
  • the electrodes 116 and 118 for photocurrent detection are connected to the respective electrode portions.
  • a Ge layer 114 is stacked as a light absorption layer by epitaxial growth, and an n-type Ge region 115 doped with an n-type impurity is formed on the Ge layer 114. Is connected to an electrode 117 for photocurrent detection.
  • the Ge layer 114 and the n-type Ge region 115 can be collectively referred to as a light absorption layer.
  • the GePD 100 constitutes a photodiode as a whole by a light absorption layer formed on a semiconductor substrate.
  • Signal light to be detected enters from the input waveguide 1101 toward the silicon slab 1102 in a direction in the substrate plane.
  • the signal light to be detected is mainly absorbed by the Ge layer 114 and carriers are generated.
  • a photocurrent flows between the photocurrent detection electrode 117 and the electrodes 116 and 118 due to the generated carriers, and light is detected by detecting this.
  • semiconductor materials such as silicon and germanium include p-type and n-type semiconductor carriers different depending on the doping material to be added, and one type of semiconductor region is designated as the first semiconductor region, When the other type of semiconductor region is the second semiconductor region, if the direction of the current and the polarity of the voltage are reversed, the two regions can be interchanged.
  • the conventional GePD 100 shown in FIG. 1 and FIG. 2 has a problem that a light receiving performance varies due to an error or contamination during manufacturing as usual in a semiconductor element, and a so-called defective product is generated depending on the case.
  • a large amount of GePD is integrated in an optical integrated circuit in silicon photonics, and if a faulty product having poor performance at the time of manufacture is mixed in a large amount of GePD, the optical integrated circuit does not operate normally. For this reason, generally, the performance of all GePDs is evaluated at the time of manufacture, and it is determined whether the product is a normal product or a faulty product.
  • the performance of GePD evaluated at the time of manufacture includes dark current, photosensitivity, and optoelectric frequency response (OE) characteristics.
  • the dark current is an electrical characteristic when there is no light input. Therefore, the performance test can be performed relatively easily by applying an electrical probe to the electrodes 116, 117, and 118 in FIG.
  • GePD 300 is the same GePD as in FIGS. 1 and 2, and a directional coupler 301 and a grating coupler 302 are added to the input waveguide 303 side of GePD 300 as optical circuits for inspection.
  • inspection light inspection light
  • the GePD 300 is inspected. be able to.
  • optical circuits for inspection such as the grating coupler 302 and the directional coupler 301 have their own wavelength characteristics and temperature dependency. Therefore, when the wavelength characteristics and temperature dependence of GePD300 are measured with light that has passed through the inspection optical circuit in the configuration of FIG. 3, it is not the performance of GePD300 alone, but is affected by the inspection optical circuit. There is a problem of measuring the performance.
  • the present invention has been made in view of such a problem, and the object thereof is not to require an additional circuit for inspection, and the characteristics of light input such as GePD alone, light input such as OE characteristic, and electric output.
  • the object is to realize a photodetector in which evaluation inspection can be performed in terms of wavelength characteristics and temperature dependence.
  • the present invention is characterized by having the following configuration.
  • (Structure 1 of the invention) In a photodetector in which a light absorption layer is formed on a semiconductor substrate and detects signal light incident on the light absorption layer from a direction within a substrate surface of the semiconductor substrate, The light absorption layer has a region not covered with a photocurrent detection electrode connected to the light absorption layer when the substrate surface of the semiconductor substrate is viewed from a direction outside the substrate surface. Photo detector.
  • the semiconductor substrate is A silicon substrate; A lower cladding layer formed on the silicon substrate; A silicon core layer formed on the lower cladding layer and including a first semiconductor region; An input waveguide connected to the silicon core layer and guiding the signal light to be detected from the direction in the substrate plane to the silicon core layer;
  • the light absorbing layer includes a germanium layer formed on the silicon core layer and including a second semiconductor region, The photodetector according to Configuration 1, wherein the photocurrent detection electrode is connected to a part of the second semiconductor region.
  • the invention is characterized in that the photocurrent detection electrodes are arranged in a planar shape that covers all or a part of the side of the upper surface of the second semiconductor region and does not cover the surface around the central portion of the upper surface.
  • the photodetector according to the second configuration.
  • the photocurrent detection electrode is provided at a position where no reflection occurs near the photocurrent detection electrode when light incident on the germanium layer propagates through the germanium layer. 5.
  • the photodetector according to any one of configurations 2 to 4 of the invention.
  • a polarization diversity configuration optical circuit having a polarization separation / merging circuit and a polarization rotation circuit that rotates polarization between TM polarization and TE polarization, It is equipped with an optical monitor circuit that branches and receives a part of the optical power from the main signal path and monitors the power of signal light,
  • the optical monitor circuit includes: A first monitor optical branch circuit provided on a path through which a signal of the TE polarization component passes; A second monitor optical branch circuit provided on a path through which a signal of the TM polarization component passes, An optical circuit comprising the photodetector according to any one of the first to fifth aspects of the invention connected to the respective monitor light outputs of the first and second monitor light branching circuits.
  • the optical circuit of the polarization diversity configuration is An optical power splitter for branching transmission carrier light from the light source; An optical modulation circuit for a TE polarization component and a TM polarization component for optically modulating the branched transmission carrier light with an electric signal for each polarization; The polarization rotation circuit for rotating the polarization of the output of the optical modulation circuit for the TM polarization component; An optical transmission circuit comprising: an output of the optical modulation circuit for the TE polarization component; and the polarization separation / merging circuit that polarizes and merges the output of the polarization rotation circuit. 7. The optical circuit according to 6.
  • the optical circuit of the polarization diversity configuration is The polarization separation / merging circuit connected to an input port of the reception signal light, and polarization-separating the reception signal light;
  • the polarization rotation circuit connected to one output of the polarization separation / merging circuit;
  • An optical power splitter for branching the reference light from the local light source;
  • An optical coherent mixer connected to one output of the optical power splitter and performing optical demodulation for the TE polarization component;
  • An optical coherent mixer connected to the output of the polarization rotation circuit and the other output of the optical power splitter and performing optical demodulation for the TM polarization component;
  • An optical receiver circuit comprising a photodetector connected to the demodulated light output of each of the optical polarization coherent mixers for the TE polarization component and the TM polarization component,
  • the optical circuit according to Configuration 6 of the invention wherein the photodetector connected to the demodulated light output is the photodetector according to any one of Configurations 1
  • an additional optical circuit for inspection is not required, and GePD single photosensitivity, optical input such as OE characteristics, and electrical output characteristics evaluation and inspection are performed using wavelength characteristics and It is possible to realize a photodetector that can be implemented in terms of temperature dependence.
  • FIG. 4 is a plan view schematically showing a chip structure of GePD 400 as Structural Example 1 of the first embodiment of the photodetector of the present invention.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of the VV plane (plane perpendicular to the light traveling direction) in FIG.
  • the GePD 400 of Structural Example 1 shown in FIGS. 4 and 5 has, for example, the same SOI structure as that of the prior art, a Si substrate 401, a lower cladding layer 402 made of a Si oxide film, and a silicon core layer 410 that guides signal light to be detected. And an input waveguide 4101 that guides the signal light to the silicon core layer from the direction in the substrate surface, and is formed on the semiconductor substrate.
  • a Ge layer 414 constituting a light absorption layer is provided on a region of the silicon slab 4102 of the silicon core layer 410 of the semiconductor substrate, and an n-type Ge region 415 is provided thereon, and an upper clad made of a Si oxide film. Embedded with layer 403.
  • the silicon slab 4102 of the silicon core layer 410 has a p-type Si region 411 (first semiconductor region) doped with p-type impurity ions and a higher concentration of p-type impurity doped as an electrode.
  • Working p ++ silicon electrode portions 412 and 413 are formed, and photocurrent detection electrodes 416 and 418 are connected to the respective electrode portions.
  • a Ge layer 414 is laminated by epitaxial growth on the p-type Si region 411, and an n-type Ge region 415 (second semiconductor region) doped with an n-type impurity is formed on the upper surface thereof to constitute a light absorption layer. doing.
  • the n-type Ge region 415 of the light absorption layer has a horizontally long mouth shape (when viewed from above).
  • a rectangular photo-current detection electrode 417 having an opening at the center is connected.
  • the light absorption layer It is characterized by having a region not covered by the photocurrent detection electrode 417 connected to the.
  • the GePD 400 of the present invention also detects a photocurrent flowing between the electrode 417 and the electrodes 416 and 418 when signal light enters the silicon slab 4102 from the input waveguide 4101 and is absorbed by the Ge layer 414.
  • the operation of detecting signal light is the same as that of conventional GePD.
  • the n-type Ge region 415 that is a light absorption layer has an opening region that is not covered by the photocurrent detection electrode 417 when the substrate surface is viewed from above the substrate surface. Inspection light can be detected by entering inspection light from a direction outside the substrate surface. For example, in FIG. 5, when inspection light 440 enters the n-type Ge region 415 obliquely from above the substrate surface and is absorbed by the Ge layer 414, a photocurrent flows between the electrodes 417, 416, and 148.
  • the photodetector structure of the present invention allows light to enter the Ge layer 414 without passing through the input waveguide 4101. Therefore, the directional coupler 301 and the grating coupler 302 in FIG. It is a great advantage of the present invention that it is possible to evaluate and inspect the characteristics of optical input and electrical output of GePD alone as a photodetector without requiring an additional optical circuit.
  • the inspection light can be directly introduced into the germanium layer 414, it becomes possible to measure the single wavelength characteristic and temperature dependency of the GePD 400.
  • the inspection light can be transmitted from the direction outside the substrate surface.
  • the planar shape of the photocurrent detection electrode is not limited to the square planar shape of the electrode 417 in Structural Example 1 in FIG.
  • the planar electrode 617 may be provided and may be in contact with a part of the n-type Ge region 615.
  • the photocurrent detection electrodes are all on the upper surface of the second semiconductor region (415, 515, 615). Or it arrange
  • the photocurrent detection electrode may be connected to a part of the germanium layer other than the second semiconductor region.
  • the generated carriers travel through the n-type Ge region over a long distance and then reach the electrodes 417, 517, and 617. This is a countermeasure against a decrease in frequency characteristics at high frequencies, which may increase the time for the carrier to travel.
  • Structural Example 4 in FIG. 8 by forming a plurality of openings (holes) in the electrode 717 and forming a ladder-shaped electrode 717 with a bridge, the maximum traveling time of the carrier is reduced, and high frequency characteristics are obtained. Can be improved.
  • the exposed area of the n-type Ge region 715 is reduced as compared with the structure examples 1 to 3, so that the light incident power at the time of inspection is reduced, but the n-type Ge region 715 is reduced. Since the time for the carrier to run is shorter than the other structural examples 1 to 3 of the first embodiment, the frequency characteristic is difficult to drop.
  • FIG. 9 is a diagram showing the results of measuring the wavelength characteristics of the photosensitivity of GePD of Structural Example 1 of Inventive Example 1 of FIG. This represents a shape in which the sensitivity decreases as the wavelength becomes longer, and characteristics having almost the same tendency when compared with the wavelength characteristics of the light absorption coefficient of the germanium crystal alone shown in FIG. 10 (cited from Non-Patent Document 1 ). It can be seen that is realized.
  • the sensitivity does not drop significantly in the C band of the optical communication wave band of 1530 to 1565 nm (it remains only about a 10% drop).
  • the GePD of the present invention has a wavelength characteristic of a relatively flat photosensitivity in the C band. It can be said that it has. This is an effect due to the fact that the electrode 417 does not cover the n-type Ge region 415.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view of the GePD 400 of Structural Example 1 of FIG. 4 taken along a cross section of the XI-XI substrate in the light traveling direction (the longitudinal direction of the element).
  • the inspection light 450 incident on the n-type Ge region 415 from obliquely above the substrate passes through the Ge layer 414, is reflected at the interface between the Ge layer 414 and the p-type Si region 411, and is again n-type Ge.
  • the light returns to the region 415 as light 451.
  • the electrode 417 that is usually made of metal and also acts as an absorber at the wavelength of optical communication is not in contact with the reflection point on the upper surface of the n-type Ge region 415, so that the light 451 is not absorbed by the electrode 417.
  • the light 452 is reflected back to the Ge layer 414 and returned.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view of the GePD 400 of FIG. 4 taken along a cross section of the XI-XI substrate in the light traveling direction (longitudinal direction of the element), similarly to FIG.
  • the signal light 460 incident from the input waveguide 4101 in the in-plane direction of the substrate propagates to the germanium layer 414 and is reflected on the upper surface of the n-type Ge region 415 like the light 461.
  • the electrode 417 which is usually made of metal and acts as an absorber at the wavelength of optical communication is not in contact with the reflection point, light absorption by the electrode 417 does not occur during reflection. Accordingly, loss of the signal light when reflected by the n-type Ge region 415 is suppressed, and the signal light propagates in the light absorption layer over a sufficient distance to generate carriers. Therefore, the GePD of the present invention has a long wavelength. The sensitivity on the side does not decrease, and a relatively flat sensitivity spectrum is shown.
  • FIG. 13 is a diagram showing the results of measuring the temperature dependence of the wavelength characteristics of the photosensitivity of the GePD 400 of the present invention of FIG.
  • Wavelength characteristics of light sensitivity of GePD of the present invention vary depending on the temperature shows a tendency to shift to the long wavelength side, which is also non-patent document 2 germanium crystal alone as shown in FIG. 14 taken from It can be seen that the same tendency as the temperature dependence of the wavelength characteristic of the light absorption coefficient is realized.
  • the photocurrent detection electrode is provided at a position where no reflection occurs in the vicinity of the photocurrent detection electrode when light incident on the light absorption layer (germanium layer) propagates. Therefore, the C band has an excellent advantage of having a relatively flat sensitivity spectrum.
  • FIG. 15 is a diagram illustrating a configuration of an optical circuit according to a second embodiment in which the photodetector in the first embodiment is mounted on a coherent optical transmitter having a polarization diversity configuration.
  • FIG. 15 shows an optical power splitter 801 for branching transmission carrier light from a light source, a Y-polarization light modulation circuit 802 and an X-polarization light modulation circuit for optically modulating the branched transmission carrier light with respective polarization electric signals.
  • polarization rotator 808 that rotates one polarization light to the other polarization
  • polarization beam combiner 809 that is a polarization separation / merging circuit that combines and combines the modulated light of each polarization Is shown.
  • a part of the optical output of each modulated optical signal of XY polarization is branched from the monitor optical branch circuits 806 and 807 as the monitor optical output, and the first embodiment of the present invention.
  • PD light detectors
  • Outputs of the respective photodetectors are added as optical power monitor outputs to optical variable attenuators (VOA) 804 and 805 to control the transmission optical power.
  • VOA optical variable attenuators
  • FIG. 16 is a diagram illustrating a configuration of an optical circuit according to a third embodiment in which the photodetector in the first embodiment is mounted on a coherent optical receiver having a polarization diversity configuration.
  • FIG. 16 shows an optical input path 901 for reference light from a local light source, an input path 902 from an input port for received signal light, and a polarization beam splitter that is a polarization separation / merging circuit that separates polarization of received signal light. 903, a polarization rotator 904 is shown. Further, FIG. 16 shows an optical power splitter 909 for branching reference light, an optical coherent mixer 910 for Y-polarization demodulation, an optical coherent mixer 911 for X-polarization demodulation, and a PD 912 that converts the demodulated optical signal into an electrical signal. 913 is shown.
  • FIG. 16 also shows monitor light branching circuits 905 and 906, power monitor photodetectors (PD) 914 and 915, and optical variable attenuators (VOA) 907 and 908 as configurations for monitoring the received light power.
  • the light detection output of the PDs 914 and 915 is added to the VOAs 907 and 908 to control the reception level.
  • the PDs 912, 913 and 914, 915 use the photodetector of the first embodiment.
  • the photosensitivity of the photodetector alone, the optical input and electrical output characteristics such as the OE characteristics, and the wavelength and temperature dependent characteristics can be evaluated. It is possible to realize a photodetector that can be measured.

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Abstract

検査用の追加回路を必要とせず、光検出器単独の光感度、ＯＥ特性のよう な光入力、電気出力の特性評価検査が波長および温度依存特性においても出 来るような光検出器を実現する。半導体基板の上に光吸収層（４１４及び４ １５）が形成され、半導体基板の基板面内の方向から前記光吸収層（４１４ 及び４１５）に入射する信号光を検出する光検出器（４００）において、光 吸収層（４１４及び４１５）は、半導体基板の基板面を基板面外の方向から 見たときに光吸収層（４１４及び４１５）に接続された光電流検出用の電極 （４１７）によって覆われていない部分を有することを特徴とする光検出器 （４００）とした。

Description

光検出器
　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、特に製造時の初期検査を容易にする、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、シリコンウエハなどの大口径ウエハ上に、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、多数の光回路のチップを一括で形成でき、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、例えばモノリシック集積が可能な半導体型のゲルマニウム光検出器（ＧｅＰＤ）がある。
　図１は、従来の半導体型の光検出器の一例である導波路結合型の縦型ＧｅＰＤ１００のチップ構造を模式的に示す平面図である。図２は、図１のＩＩ－ＩＩ面（光進行方向に垂直な面）の断面図である。構造を分かり易くするために、図１の平面図では、図２の断面図に示すクラッド層１０１～１０３などの表示を省き、電極１１６～１１８については、チップ内部の半導体領域１１２、１１３、１１５に接する部分の平面領域のみを示している。
　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の断面図に示すように、ＧｅＰＤ１００は、下からＳｉ基板１０１と、Ｓｉ基板１０１の上の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とを備えた半導体基板に形成される。
　半導体基板のシリコンコア層１１０のシリコンスラブ１１０２の領域の上には、光を吸収するＧｅ層１１４が設けられ、その上部にｎ型Ｇｅ領域１１５が設けられ、Ｓｉ酸化膜からなる上部クラッド層１０３で埋め込まれている。
　図１の平面図を見るとわかるように図２のコア層１１０は、検出される信号光が基板面内の方向から入射する入力導波路１１０１と、中央に光を吸収するＧｅ層１１４などが載置されたシリコンスラブ１１０２の２つの部分に分けられる。
　図１で、シリコンスラブ１１０２には、ｐ型不純物イオンがドーピングされたｐ型Ｓｉ領域１１１、ｐ型不純物がより高濃度にドーピングされ電極として作用するｐ＋＋シリコン電極部１１２、１１３が形成されており、電極部それぞれに光電流検出用の電極１１６、１１８が接続されている。
　ｐ型Ｓｉ領域１１１上には、光吸収層としてエピタキシャル成長によってＧｅ層１１４が積層され、その上部にはｎ型不純物がドーピングされたｎ型Ｇｅ領域１１５が形成されており、ｎ型Ｇｅ領域１１５には、光電流検出用の電極１１７が接続されている。Ｇｅ層１１４とｎ型Ｇｅ領域１１５を併せて、全体として光吸収層ということができる。
　ＧｅＰＤ１００は半導体基板上に形成された光吸収層により、全体としてフォトダイオードを構成している。入力導波路１１０１からシリコンスラブ１１０２に向かって、基板面内の方向より検出対象の信号光が入射する。検出対象の信号光は、主にＧｅ層１１４で吸収されてキャリアが発生する。発生したキャリアによって、光電流検出用の電極１１７と電極１１６、１１８との間に光電流が流れ、これを検出することで光を検出する。
　なお、以下同様であるが一般にシリコンやゲルマニウムなどの半導体材料は、添加されるドーピング材料に応じて半導体キャリアが異なるｐ型とｎ型があり、一方の型の半導体領域を第１の半導体領域、他方の型の半導体領域を第２の半導体領域としたとき、電流の方向、電圧の極性を逆とすれば、両者を入れ替えて構成することが可能である。
特許５３７０８５７号公報
C. T. DeRose, D. C. Trotter, W. A. Zortman, A. L. Starbuck, M. Fisher, M. R. Watts, and P. S. Davids1, "Ultra compact 45 GHz CMOS compatible Germanium waveguide photodiode with low dark current", OPTICS EXPRESS, Vol. 19, No. 25, pp. 24897-24904, 5 December 2011. D. P. Mathur, R. J. McIntyre, and P. P. Webb, "A New Germanium Photodiode with Extended Long-Wavelength Response", APPLIED OPTICS, Vol. 9, No. 8, pp. 1842-1847, August 1970.
　図１、図２に示す従来のＧｅＰＤ１００は、半導体素子の常として製造時の誤差や汚染などにより受光性能がばらつき、場合によっては性能が著しく落ちる、いわゆる故障品が発生するという課題がある。シリコンフォトニクスにおける光集積回路には大量のＧｅＰＤが集積されており、大量のＧｅＰＤの中に一つでも製造時点で性能が悪い故障品が紛れてしまうと光集積回路が正常動作しなくなる。このため、一般的に全てのＧｅＰＤは製造時に性能を評価され、正常品か故障品かを判別される。
　一般的に製造時に評価されるＧｅＰＤの性能は、暗電流、光感度、光電気周波数応答（ＯＥ）特性などが有る。この内、暗電流は光入力が無いときの電気特性であるため、図１の電極１１６，１１７，１１８に電気プローブを当てる事で比較的容易に性能検査が出来る。
　一方で光感度やＯＥ特性は光入力に対する電気応答であるため、図１の入力導波路１１０１から光を入れて、電極１１６，１１７，１１８から信号を取り出す必要がある。しかしながら、ＧｅＰＤの入力導波路１１０１は製造時点で光集積回路として他の光回路と接続されてしまっているため、ＧｅＰＤ単独での性能の検査はできず、他の集積された光回路と合算した性能しか測定することができない。
　ＧｅＰＤ単独での性能を検査しようとした場合には、従来では図３に示すように検査用の光回路を新たに個別のＧｅＰＤに接続する必要がある。図３において、ＧｅＰＤ３００は図１、図２と同様なＧｅＰＤであり、検査用の光回路として方向性結合器３０１、グレーティングカプラ３０２が、ＧｅＰＤ３００の入力導波路３０３側に追加されている。基板面上方から検査用の光（検査光）をグレーティングカプラ３０２に照射して、方向性結合器３０１を経由して、ＧｅＰＤ３００の入力導波路３０３に検査光を供給することで、ＧｅＰＤ３００を検査することができる。
　このような検査用の光回路を追加すると、光集積回路全体の回路規模が増大する、検査時以外の実動作時でもカプラによる光損失が発生する、などの影響が出てしまう。これらの影響はＧｅＰＤ一つあたりでは微々たるものであるが、光集積回路全体では大量のＧｅＰＤを配置するため、全てのＧｅＰＤに検査用カプラなどを追加してゆくと、影響が積み重なり無視できなくなる。
　また、上記グレーティングカプラ３０２や方向性結合器３０１などの検査用の光回路は、それら自身の波長特性や温度依存性を持つ。従って図３の構成で検査用の光回路を通した光でＧｅＰＤ３００の光感度またはＯＥ特性の波長特性や温度依存性を測定すると、ＧｅＰＤ３００単独の性能では無く、検査用の光回路の影響を受けた性能を測定してしまうという問題がある。
　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、検査用の追加回路を必要とせず、ＧｅＰＤ単独の光感度、ＯＥ特性のような光入力、電気出力の特性評価検査が波長特性および温度依存性においても出来るような光検出器を実現する事にある。
　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。
（発明の構成１）
　半導体基板の上に光吸収層が形成され、前記半導体基板の基板面内の方向から前記光吸収層に入射する信号光を検出する光検出器において、
　前記光吸収層は、前記半導体基板の基板面を基板面外の方向から見たときに前記光吸収層に接続された光電流検出用の電極によって覆われていない領域を有する
ことを特徴とする光検出器。
（発明の構成２）
　前記半導体基板は、
　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、第１の半導体領域を含むシリコンコア層と、
　前記シリコンコア層に接続され、検出対象の前記信号光を前記シリコンコア層へ基板面内の方向より導波する入力導波路とを備え、
　前記光吸収層は、前記シリコンコア層の上に形成され、第２の半導体領域を含むゲルマニウム層を備え、
　前記光電流検出用の電極は、前記第２の半導体領域の一部に接続される
ことを特徴とする発明の構成１に記載の光検出器。
（発明の構成３）
　前記光電流検出用の電極が、前記第２の半導体領域の上面における全てまたは１部の辺を覆い、上面における中心部周辺の面を覆わない平面形状で配置されている
ことを特徴とする発明の構成２に記載の光検出器。
（発明の構成４）
　前記光電流検出用の電極が、梯子型または複数の開口を有する平面形状をしている
ことを特徴とする発明の構成２に記載の光検出器。
（発明の構成５）
　前記光電流検出用の電極は、前記ゲルマニウム層に入射した光が前記ゲルマニウム層を伝搬するときに、前記光電流検出用の電極の近傍で反射が生じない位置に設けられている、ことを特徴とする発明の構成２から４のいずれか１項に記載の光検出器。
（発明の構成６）
　偏波分離／合流回路と、ＴＭ偏光とＴＥ偏光の間で偏波回転する偏波回転回路を有する偏波ダイバーシティ構成の光回路であって、
　主信号経路から一部の光パワーを分岐して受光し、信号光のパワーを監視する光モニタ回路を備え、
　前記光モニタ回路は、
　ＴＥ偏波成分の信号が通過する経路上に設けられた第１のモニタ光分岐回路と、
　ＴＭ偏波成分の信号が通過する経路上に設けられた第２のモニタ光分岐回路とを有し、
　前記第１および第２のモニタ光分岐回路のそれぞれのモニタ光出力に接続された前記発明の構成１から５のいずれか１項に記載の光検出器を有する
ことを特徴とする光回路。
（発明の構成７）
　前記偏波ダイバーシティ構成の光回路は、
　光源からの送信キャリア光を分岐する光パワースプリッタと、
　前記分岐された送信キャリア光をそれぞれの偏波用の電気信号で光変調するＴＥ偏波成分用とＴＭ偏波成分用の光変調回路と、
　前記ＴＭ偏波成分用の光変調回路の出力を偏波回転する前記偏波回転回路と、
　前記ＴＥ偏波成分用の光変調回路の出力と前記偏波回転回路の出力を偏波合流する前記偏波分離／合流回路と
　から構成される光送信回路である
ことを特徴とする発明の構成６に記載の光回路。
（発明の構成８）
　前記偏波ダイバーシティ構成の光回路は、
　受信信号光の入力ポートに接続され、前記受信信号光を偏波分離する前記偏波分離／合流回路と、
　前記偏波分離／合流回路の一方の出力に接続する前記偏波回転回路と、
　局発光源からの参照光を分岐する光パワースプリッタと、
　前記偏波／合流分離回路の他方の出力と、前記光パワースプリッタの一方の出力に接続されてＴＥ偏波成分用の光復調を行う光コヒーレントミキサと、
　前記偏波回転回路の出力と、前記光パワースプリッタの他方の出力に接続されてＴＭ偏波成分用の光復調を行う光コヒーレントミキサと、
　前記ＴＥ偏波成分用およびＴＭ偏波成分用の光コヒーレントミキサそれぞれの復調光出力に接続された光検出器と
から構成される光受信回路であって、
　前記復調光出力に接続された光検出器は前記発明の構成１から５のいずれか１項に記載の光検出器である
ことを特徴とする発明の構成６に記載の光回路。
　以上記載したように、本発明によれば、検査用の追加の光回路を必要とせず、ＧｅＰＤ単独の光感度、ＯＥ特性のような光入力、電気出力の特性評価や検査を、波長特性および温度依存性においても実施出来るような光検出器を実現する事が可能となる。
従来の導波路結合型の縦型ＧｅＰＤの構造を示す平面図である。 従来の導波路結合型の縦型のＧｅＰＤの光進行方向に垂直な断面図である。 検査用の光回路を接続した従来のＧｅＰＤの回路構成を示す平面図である。 本発明の光検出器の実施例１の構造例１の平面図である。 本発明の光検出器の実施例１の構造例１の、光進行方向に垂直な断面図である。 本発明の光検出器の実施例１の構造例２の平面図である。 本発明の光検出器の実施例１の構造例３の平面図である。 本発明の光検出器の実施例１の構造例４の平面図である。 本発明の光検出器の実施例１の構造例１の、光感度の波長特性を示す図である。 ゲルマニウム結晶単独の光吸収係数の波長特性を示す図である。 本発明の光検出器の実施例１の構造例１の、光進行方向の断面図である。 本発明の光検出器の実施例１の構造例１の、光進行方向の断面図である。 本発明の光検出器の実施例１の構造例１の、光感度の波長特性の温度依存性を示す図である。 ゲルマニウム結晶単独の光吸収係数の波長特性の温度依存性を示す図である。 本発明の光検出器を用いた実施例２の回路構成を示す平面図である。 本発明の光検出器を用いた実施例３の回路構成を示す平面図である。
　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。
（実施例１）
　図4は、本発明の光検出器の実施例１の構造例１であるＧｅＰＤ４００のチップ構造を模式的に示す平面図である。図５は、図４のＶ－Ｖ面（光進行方向に垂直な面）の断面図である。
　図４および図５に示す構造例１のＧｅＰＤ４００は、例えば従来と同様なＳＯＩ構造で、Ｓｉ基板４０１と、Ｓｉ酸化膜からなる下部クラッド層４０２と、検出対象の信号光を導くシリコンコア層４１０と、信号光をシリコンコア層へ基板面内の方向より導波する入力導波路４１０１とを備えて半導体基板に形成されている。
　半導体基板のシリコンコア層４１０のシリコンスラブ４１０２の領域の上には、光吸収層を構成するＧｅ層４１４が設けられ、その上部にｎ型Ｇｅ領域４１５が設けられ、Ｓｉ酸化膜からなる上部クラッド層４０３で埋め込まれている。
　シリコンコア層４１０のシリコンスラブ４１０２には、図５に示すようにｐ型不純物イオンがドーピングされたｐ型Ｓｉ領域４１１（第１の半導体領域）、ｐ型不純物がより高濃度にドーピングされ電極として作用するｐ＋＋シリコン電極部４１２、４１３が形成されており、電極部それぞれに光電流検出用の電極４１６、４１８が接続されている。ｐ型Ｓｉ領域４１１上には、エピタキシャル成長によってＧｅ層４１４が積層され、その上面にはｎ型不純物がドーピングされたｎ型Ｇｅ領域４１５（第２の半導体領域）が形成されて光吸収層を構成している。
　図４に示すように、本発明の光検出器実施例１の構造例１では、光吸収層のｎ型Ｇｅ領域４１５には、基板面を上から見た場合に横長の口の字型（長方形の枠型）で中央に開口を持つ平面形状の光電流検出用の電極４１７が接続されている。図１、図２の従来のＧｅＰＤ１００とは異なり、本発明の光検出器では、光吸収層であるn型Ｇｅ領域４１５が、基板面を基板面外の方向から見たときに、光吸収層に接続された光電流検出用の電極４１７によって覆われていない領域を有するのが特徴である。
　本発明のＧｅＰＤ４００も、入力導波路４１０１からシリコンスラブ４１０２に信号光が入射してＧｅ層４１４で吸収されたときに、電極４１７と電極４１６、４１８との間に流れる光電流を検出することで信号光を検出する動作は従来のＧｅＰＤと変わらない。
　本発明のＧｅＰＤの構造では、光吸収層であるｎ型Ｇｅ領域４１５が、基板面の上方から基板面を見たときに光電流検出用の電極４１７によって覆われていない開口領域を有するので、基板面外の方向から検査光を入射して検査光を検出することが可能となる。例えば図５において、ｎ型Ｇｅ領域４１５に、基板面の斜め上方から検査光４４０が入射してＧｅ層４１４で吸収されると、電極４１７と４１６，１４８の間で光電流が流れる。
　本発明の光検出器の構造では従来と異なり、入力導波路４１０１を通らなくてもＧｅ層４１４への光入射が可能となるため、図３の方向性結合器３０１やグレーティングカプラ３０２のような追加の光回路を必要とせずに、光検出器としてのＧｅＰＤ単独の光入力、電気出力の特性評価や検査が出来るのが本願発明の大きな利点である。
　また、ゲルマニウム層４１４に直接検査光を導入することができるため、ＧｅＰＤ４００の単独の波長特性および温度依存性を測定することも可能となる。
（実施例１の構造例２、３）
　以上のように本発明のＧｅＰＤでは、光吸収層であるn型Ｇｅ領域４１５が基板上で全面的に光電流検出用の電極４１７に覆われていなければ、基板面外の方向から検査光の入射が可能である。光電流検出用の電極の平面形状は、図４構造例１の電極４１７の様な口の字型の平面形状に限定されることは無い。例えば、図６の構造例２のような光入射側に開口したコの字型の平面形状の電極５１７、または図７の構造例３のような光終端側の短辺のみにIの字型の平面形状の電極６１７が設けられ、n型Ｇｅ領域６１５の一部と接している形であっても良い。
　図４、６、７のどの構造例においても、n型Ｇｅ領域４１５,５１５,６１５の上面から入射された検査光により発生したキャリアは、n型Ｇｅ領域４１５,５１５,６１５を通って電極４１７,５１７,６１７に流れるため、フォトダイオードとして機能する。
　以上のように実施例１の構造例１～３の光検出器では、光電流検出用の電極（４１７,５１７,６１７）が、第２の半導体領域（４１５,５１５,６１５）の上面における全てまたは１部の辺を覆い、上面における中心部周辺の面を覆わない形で配置されている。光電流検出用の電極は、第２の半導体領域以外の前記ゲルマニウム層の一部とも接続していてもよい。
（実施例１の構造例４）
　更には図８の構造例４のように、図４（構造例１）の口型（長方形の枠型）の電極４１７に対向する長辺を結ぶブリッジを付けて、梯子状または複数の開口（穴）を有する平面形状の電極７１７としてもよい。
　この電極形状は、図４、６、７の構造例１～３のような電極形状では、発生したキャリアがn型Ｇｅ領域を長距離にわたり走行してから電極４１７、５１７、６１７に到達してキャリアが走行する時間が増える場合があり、高域での周波数特性が落ちることに対する対策である。図８の構造例４のようにして、複数の開口（穴）を電極７１７に設けてブリッジを付けた梯子型の形状の電極７１７とすることによって、キャリアの最大走行時間を減らし、高周波数特性を改善することができる。
　図８の梯子型の電極構造例４では、n型Ｇｅ領域７１５の露出面積が構造例１～３に比べて減ってしまうため、検査時の光入射パワーが小さくなるが、n型Ｇｅ領域７１５をキャリアが走る時間が実施例１の他の構造例１～３よりも短くなるため、周波数特性を落としにくいという特徴を持つ。
（実施例１の特性）
　図９は、図４の本発明実施例１の構造例１のＧｅＰＤの、光感度の波長特性を測定した結果を示す図である。波長が長くなるにつれて感度が減少してゆく形を表しており、図１０（非特許文献１から引用）に示すゲルマニウム結晶単独の光吸収係数の波長特性と比較した場合に、ほぼ同じ傾向の特性が実現できていることがわかる。
　図９からは、本発明の別の効果として、本発明では1530～1565nmの光通信波帯のC帯で感度が大きく落ちない（1割程度の下落にとどまる）という効果も見える。図１０のゲルマニウム結晶単独の光感度の波長特性がC帯で3～5割程度の下落を示しているのに対比すれば、本発明のＧｅＰＤはC帯で比較的フラットな光感度の波長特性を持つと言える。これはn型Ｇｅ領域４１５の上を電極４１７が覆っていない事による効果である。
　以下に、図１１、１２を参照して、この効果の理由について検査光と信号光の場合に分けて説明する。図１１は、図４の実施例１構造例１のＧｅＰＤ４００を、光進行方向（素子の長手手方向）のＸＩ－ＸＩ基板断面で切った断面図である。
（検査光の場合）
　図１１に示すように、n型Ｇｅ領域４１５に基板斜め上方より入射した検査光４５０は、Ｇｅ層４１４を通過してＧｅ層４１４とｐ型Ｓｉ領域４１１の界面で反射し、再びn型Ｇｅ領域４１５に光４５１として戻ってくる。この時n型Ｇｅ領域４１５の上面の反射点の近傍には、通常金属で構成され光通信の波長では吸収体としても作用する電極４１７が接していないため、光４５１は電極４１７に吸収されず、光４５２として再びＧｅ層４１４へ反射し戻ってくる。
　ゲルマニウムの光吸収係数が落ちる長波長側である程、このn型Ｇｅ領域４１５での反射回数が多くなるため充分にキャリアを生成でき、電極４１７で光が吸収されない本発明のＧｅＰＤでは長波長側での感度が落ちず、比較的フラットな感度スペクトルを示すのである。
（信号光の場合）
　この効果は、光検出器で検出される信号光についても同様に働く。図１２は図１１と同様に、図４のＧｅＰＤ４００を光進行方向（素子の長手手方向）のＸＩ－ＸＩ基板断面で切った断面図である。
　図１２で、入力導波路４１０１から基板面内方向に入射した信号光４６０は、ゲルマニウム層４１４に伝搬し、光４６１のようにn型Ｇｅ領域４１５の上面で反射する。この時、反射点の近傍には通常金属で構成され光通信の波長では吸収体としても作用する電極４１７は接していないため、反射時に電極４１７による光吸収が起きない。従って信号光のn型Ｇｅ領域４１５での反射の際の損失が抑えられ、信号光は光吸収層内を十分な距離に渡って伝搬してキャリアを生成するので、本発明のＧｅＰＤでは長波長側での感度が落ちず、比較的フラットな感度スペクトルを示すのである。
　図１３は、図４の本発明のＧｅＰＤ４００の光感度の波長特性の温度依存性を測定した結果を示す図である。本発明のＧｅＰＤの光感度の波長特性が、温度に依存して変化して長波長側にシフトする傾向を示しており、これも非特許文献２から引用した図１４に示すようなゲルマニウム結晶単独の光吸収係数の波長特性の温度依存性と同じ傾向が実現できていることがわかる。
　以上のように本発明の実施例１の光検出器では、光検出器の波長特性や温度異存性に関して、検査光を光吸収層に直接入射してＧｅＰＤ単独の性能を測定することが可能である。また本発明の光検出器では、光電流検出用の電極は、光吸収層（ゲルマニウム層）に入射した光が伝搬するときに、光電流検出用の電極の近傍で反射が生じない位置に設けられているので、C帯においては比較的フラットな感度スペクトルを持つという優れた利点も有する。
（実施例２）
　図１５は、実施例１にある光検出器を偏波ダイバーシティ構成のコヒーレント光送信機に搭載した実施例２の光回路の構成を示す図である。図１５には、光源からの送信キャリア光を分岐する光パワースプリッタ８０１、分岐された送信キャリア光をそれぞれの偏波用の電気信号で光変調するＹ偏波光変調回路８０２とＸ偏波光変調回路８０３、一方の偏波光を他方の偏波に偏波回転する偏波回転器８０８、それぞれの偏波の変調光を結合して偏波合流する偏波分離／合流回路である偏波ビームコンバイナ８０９が示される。
　図１５のコヒーレント送信機のパワーモニタ用の構成として、モニタ光分岐回路８０６、８０７からはXY偏波それぞれの変調光信号の光出力の一部がモニタ光出力として分岐され、本発明実施例１の光検出器（ＰＤ）８１０と８１１で受光される。それぞれの光検出器の出力が、光パワーモニタ出力として光可変アッテネータ（ＶＯＡ）８０４、８０５に加えられて、送信光パワーを制御している。
（実施例３）
　図１６は、実施例１にある光検出器を偏波ダイバーシティ構成のコヒーレント光受信機に搭載した実施例３の光回路の構成を示す図である。
　図１６には、局発光源からの参照光の光入力経路９０１、受信信号光の入力ポートからの入力経路９０２、受信信号光を偏波分離する偏波分離／合流回路である偏波ビームスプリッタ９０３、偏波回転器９０４が示される。さらに図１６には、参照光分岐用の光パワースプリッタ９０９、Y偏波復調用の光コヒーレントミキサ９１０、X偏波復調用の光コヒーレントミキサ９１１、復調された光信号を電気信号に変換するPD９１２、９１３が示されている。
　また図１６には受信光のパワーモニタ用の構成として、モニタ光分岐回路９０５，９０６、パワーモニタ用の光検出器（ＰＤ）９１４，９１５、光可変アッテネータ（ＶＯＡ）９０７，９０８が示される。ＰＤ９１４，９１５の光検出出力を、ＶＯＡ９０７，９０８に加えて、受信レベルを制御している。ＰＤ９１２，９１３および９１４，９１５には、本実施例１の光検出器を用いている。
　以上のように、本発明により、検査用の追加回路を必要とせず、光検出器単独の光感度、ＯＥ特性のような光入力、電気出力の特性評価検査を、波長および温度依存特性においても測定出来るような光検出器を実現する事ができる。
１００、３００、４００　ＧｅＰＤ
１０１　Ｓｉ基板
１０２　下部クラッド層
１０３　上部クラッド層
１１０　コア層
１１１、４１１　ｐ型Ｓｉ領域
１１４、４１４　Ｇｅ層
１１５、４１５、５１５、６１５、７１５　ｎ型Ｇｅ領域
１１０１、３０３、４１０１　入力導波路
１１０２、４１０２　シリコンスラブ
１１２、１１３、４１２、４１３　ｐ＋＋シリコン電極部
１１６、１１７、１１８、４１６、４１７、４１８、５１７、６１７、７１７　電極
３０１　方向性結合器
３０２　グレーティングカプラ
４４０、４５０、４５１、４５２、４６０、４６１　光（検査光、信号光、反射光）
８０１、９０９　光パワースプリッタ
８０２、８０３　Ｙ（Ｘ）偏波光変調回路
８０８、９０４　偏波回転器
８０９　偏波ビームコンバイナ
８０６、８０７、９０５，９０６　光分岐回路
８１０、８１１、９１２、９１３、９１４，９１５　PD（光検出器）
８０４、８０５、９０７，９０８　光可変アッテネータ（VOA）
９０１、９０２　光入力経路
９０３　偏波ビームスプリッタ
９１０，９１１　Y（Ｘ）光コヒーレントミキサ

Claims (8)

  1. 　半導体基板の上に光吸収層が形成され、前記半導体基板の基板面内の方向から前記光吸収層に入射する信号光を検出する光検出器において、
    　前記光吸収層は、前記半導体基板の基板面を基板面外の方向から見たときに前記光吸収層に接続された光電流検出用の電極によって覆われていない領域を有する
    ことを特徴とする光検出器。
  2. 　前記半導体基板は、
    　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、第１の半導体領域を含むシリコンコア層と、
    　前記シリコンコア層に接続され、検出対象の前記信号光を前記シリコンコア層へ基板面内の方向より導波する入力導波路とを備え、
    　前記光吸収層は、前記シリコンコア層の上に形成され、第２の半導体領域を含むゲルマニウム層を備え、
    　前記光電流検出用の電極は、前記第２の半導体領域の一部に接続される
    ことを特徴とする請求項１に記載の光検出器。
  3. 　前記光電流検出用の電極が、前記第２の半導体領域の上面における全てまたは１部の辺を覆い、上面における中心部周辺の面を覆わない平面形状で配置されている
    ことを特徴とする請求項２に記載の光検出器。
  4. 　前記光電流検出用の電極が、梯子型または複数の開口を有する平面形状をしている
    ことを特徴とする請求項２に記載の光検出器。
  5. 　前記光電流検出用の電極は、前記ゲルマニウム層に入射した光が前記ゲルマニウム層を伝搬するときに、前記光電流検出用の電極の近傍で反射が生じない位置に設けられている、ことを特徴とする請求項２から４のいずれか１項に記載の光検出器。
  6. 　偏波分離／合流回路と、ＴＭ偏光とＴＥ偏光の間で偏波回転する偏波回転回路を有する偏波ダイバーシティ構成の光回路であって、
    　主信号経路から一部の光パワーを分岐して受光し、信号光のパワーを監視する光モニタ回路を備え、
    　前記光モニタ回路は、
    　ＴＥ偏波成分の信号が通過する経路上に設けられた第１のモニタ光分岐回路と、
    　ＴＭ偏波成分の信号が通過する経路上に設けられた第２のモニタ光分岐回路とを有し、
    　前記第１および第２のモニタ光分岐回路のそれぞれのモニタ光出力に接続された前記請求項１から５のいずれか１項に記載の光検出器を有する
    ことを特徴とする光回路。
  7. 　前記偏波ダイバーシティ構成の光回路は、
    　光源からの送信キャリア光を分岐する光パワースプリッタと、
    　前記分岐された送信キャリア光をそれぞれの偏波用の電気信号で光変調するＴＥ偏波成分用とＴＭ偏波成分用の光変調回路と、
    　前記ＴＭ偏波成分用の光変調回路の出力を偏波回転する前記偏波回転回路と、
    　前記ＴＥ偏波成分用の光変調回路の出力と前記偏波回転回路の出力を偏波合流する前記偏波分離／合流回路と
    　から構成される光送信回路である
    ことを特徴とする請求項６に記載の光回路。
  8. 　前記偏波ダイバーシティ構成の光回路は、
    　受信信号光の入力ポートに接続され、前記受信信号光を偏波分離する前記偏波分離／合流回路と、
    　前記偏波分離／合流回路の一方の出力に接続する前記偏波回転回路と、
    　局発光源からの参照光を分岐する光パワースプリッタと、
    　前記偏波／合流分離回路の他方の出力と、前記光パワースプリッタの一方の出力に接続されてＴＥ偏波成分用の光復調を行う光コヒーレントミキサと、
    　前記偏波回転回路の出力と、前記光パワースプリッタの他方の出力に接続されてＴＭ偏波成分用の光復調を行う光コヒーレントミキサと、
    　前記ＴＥ偏波成分用およびＴＭ偏波成分用の光コヒーレントミキサそれぞれの復調光出力に接続された光検出器と
    から構成される光受信回路であって、
    　前記復調光出力に接続された光検出器は前記請求項１から５のいずれか１項に記載の光検出器である
    ことを特徴とする請求項６に記載の光回路。
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