WO2020149267A1 - 光検出器 - Google Patents

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浩太郎 武田
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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 or an optical information processing system, and particularly to a structure for providing a photodetector whose photosensitivity has little temperature dependence.
  • a typical photodetector formed on a silicon (Si) substrate using such a technology is a germanium photodetector (GePD) capable of monolithic integration.
  • Si silicon
  • GePD germanium photodetector
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing the structure of a conventional waveguide coupled vertical GePD 100.
  • FIG. 2 is a sectional view of the substrate taken along the line II-II in FIG.
  • the GePD 100 of FIG. 1 light input from the waveguide layer 1101 at the left end reaches the Ge layer 114, which is a light absorption layer on the silicon slab 1102, and when the light is absorbed, the electrodes 117 and the electrodes 116 and 118 are formed.
  • a photocurrent flows between and detects light.
  • the cladding layer 103 and the core layer 110 shown in the cross-sectional view of FIG. 2 are omitted, and the electrodes 116 to 118 are implanted with the first impurity (for example, p-type). Only the positions in contact with the Ge electrode 115 into which the silicon electrodes 112 and 113 and the second impurity (for example, n-type) of the conductivity type opposite to the first impurity are implanted are shown.
  • the GePD 100 is formed on a SOI (Silicon On Insulator) substrate including a Si substrate, a Si oxide film, and a surface Si layer by using a lithography technique or the like.
  • SOI Silicon On Insulator
  • the GePD 100 includes a Si substrate 101, a lower clad layer 102 made of a Si oxide film on the Si substrate, a core layer 110 for guiding signal light, and a light absorption layer formed on the core layer 110. And a core layer 110 and an upper clad layer 103 formed on the Ge layer 114.
  • the core layer 110 of FIG. 2 corresponds to the waveguide layer 1101 and the silicon slab 1102 of FIG.
  • a Si slab 111 into which a first impurity is implanted, and silicon electrode portions 112 and 113 which are doped with a high concentration of the first impurity and act as electrodes are formed.
  • a Ge layer 114 is laminated on the Si slab 111 between the electrode portions 112 and 113 by epitaxial growth, and a Ge region 115 doped with a second impurity is formed on the Ge layer 114.
  • the Ge layer 114 may be a light absorption layer of a germanium compound, and is collectively referred to as a germanium layer.
  • electrodes 116 to 118 are provided on the silicon electrode portions 112 and 113 and the Ge region 115 so as to be in contact with them, and a photocurrent is detected.
  • the lateral Ge PD 100 of FIG. 3 includes a p-type Si slab 111 doped with the first impurity of FIG. 2 and a germanium region 121 doped with the first impurity instead of the Ge region 115 doped with the second impurity.
  • a germanium region 122 having a second impurity implanted therein is provided.
  • the Ge layer 114 separates the germanium regions 121 and 122, and photocurrent is detected from the electrodes 116 and 118.
  • Another lateral GePD 100 of FIG. 4 is a p-type Si slab 111 doped with the first impurity and a Ge region 115 doped with the second impurity of FIG. 2, instead of the silicon region doped with the first impurity.
  • the Ge layer 114 is in contact with the core layer 110 across the two silicon regions, and photocurrent is detected from the electrodes 116 and 118.
  • the Ge layer 114 can be a light absorption layer formed of a germanium compound layer, and is collectively referred to as a germanium layer.
  • the conventional GePD 100 shown in FIGS. 1 to 4 has a problem that the temperature characteristics of optical sensitivity (characteristic of current output with respect to optical input power, unit A/W) are not constant.
  • FIG. 5 plots the photoelectric conversion sensitivities to three different temperatures when a reverse bias of 1.6 V is applied in the communication wavelength band C band and L band (wavelength 1530 to 1565 nm, 1565 to 1625 nm) of GePD. It is a figure. For example, at 31° C., the sensitivity is almost constant up to the C band, but the sensitivity decreases at the L band. This change in sensitivity is caused by a change in the optical absorption spectrum of germanium. At ⁇ 5° C., sensitivity tends to decrease even in the C band.
  • FIG. 6 shows the temperature dependence of the optical absorption spectrum of germanium itself (see Non-Patent Document 1).
  • the band gap of germanium shifts to the high energy side. That is, the light absorption spectrum edge shifts to the short wavelength side.
  • the edge of the optical absorption spectrum of germanium used for GePD is 31° C., which is just around 1565 nm on the long wavelength side of the C band. Therefore, even at a temperature of 31° C., even a GePD showing a constant sensitivity in the entire C band, the sensitivity gradually decreases from the long wavelength side as the temperature decreases. This tendency is shown in FIG. 5, and the longer the wavelength, the lower the sensitivity tends to be at ⁇ 5° C., which is the lower temperature.
  • FIG. 9 shows an example of the configuration of a conventional optical receiver used in the optical digital coherent communication technology.
  • the reception polarization multiplexed light input to the polarization splitter 901 is polarization-separated, and combined in the two optical hybrids 940 and 941 with local oscillation light of two different polarizations from the local oscillation light source 900.
  • Eight GePDs 950A to 950H are used for photoelectric conversion of a total of eight output lights from the two optical hybrids 940 and 941, four each.
  • the present invention has been made in view of such a problem, and an object thereof is to use an integrated heater or a group of common heaters for each GePD to thereby determine the dependence of the photosensitivity on the temperature in the C band and the L band.
  • an integrated heater or a group of common heaters for each GePD to thereby determine the dependence of the photosensitivity on the temperature in the C band and the L band.
  • the present invention is characterized by having the following configuration in order to achieve such an object.
  • Two or more of the germanium light receivers are arranged adjacent to each other on the silicon substrate, A resistor formed of a metal or a metal compound, which is embedded in the upper clad layer so as to cover each germanium layer of two or more adjacent germanium photodetectors, A photodetector characterized in that
  • (Configuration 2) A silicon substrate, A lower clad layer formed on the silicon substrate, A silicon core layer formed on the lower clad layer and including a silicon region doped with a first conductivity type impurity; A silicon waveguide layer connected to the silicon core layer, A germanium layer formed on the silicon core layer and including a germanium region doped with a second conductivity type impurity; An upper clad layer formed on the silicon core layer and the germanium layer, A photodetector having a germanium photodetector comprising electrodes connected to the silicon region and the germanium region, respectively.
  • the GePD receives heat from the integrated body or a group of resistors functioning as a heater, so that the temperature does not become low.
  • GePD has a substantially constant photosensitivity with respect to the entire wavelength range of the L band unless it is lower than 85° C.
  • the resistors share the power source, are manufactured in the same process, are integrally configured, or are arranged close to each other as a group, variations in resistance are suppressed and heat given to the GePD becomes non-uniform. There is nothing. That is, when compared with the case of arranging a plurality of conventional GePDs each having an individual heater, it is possible to suppress variations in the amount of heat given to each resistor, so that it is possible to uniformly give heat to all GePDs. By providing a resistor having a uniform amount of heat applied to each GePD, it is possible to provide an optical communication system in which the photosensitivity does not vary from GeGe to PD and the common-mode rejection ratio does not deteriorate.
  • FIG. 11 is a substrate plan view showing the configuration of the photodetector according to the first embodiment of the present invention.
  • This is an example in which one integrated heater (resistor) 1130 formed of a common rectangular metal or metal compound is arranged in three GePDs 100A to 100C.
  • the GePDs are not limited to three, and any number may be arranged.
  • the longitudinal direction of the integral rectangular heater 1130 is arranged left and right with respect to the optical input axis direction of GePD (vertical direction in the figure), and covers the germanium layers of all GePDs 100A to 100C.
  • the power supply portion of the heater is not shown, for example, a metal electrode having a low electric resistance is installed on two opposing sides of a rectangular resistor to supply power, and the current density inside the resistor is not biased. You can do it like this.
  • FIG. 12 is a sectional view of a substrate perpendicular to the optical axis in XII-XII of FIG. 11 of the first embodiment.
  • the heater 1130 is arranged on the common cladding layer 103 so as to cover all the germanium layers 114A to 114C of the three GePDs 100A to 100C.
  • the GePDs 100A to 100C are arranged adjacent to each other on the silicon substrate 101 so that the heat of the heater 1130 can be efficiently applied to the germanium layers 114A to 114C.
  • the number of heaters 1130 is one for a plurality of GePDs, and essentially no variation in resistance value can occur. It is the structure that can suppress the most variation.
  • FIG. 13 is a substrate plan view showing the configuration of the photodetector of the second embodiment of the present invention.
  • three GePDs 100A to 100C are provided with linear heaters 1131 formed by implanting a common core layer 110 of GePDs so as to surround the germanium layer of each GePD.
  • the heater 1131 is made as a single linear resistor, and is supplied with power between one end (for example, upper left end) and the other end (for example, upper right end).
  • the GePD is not limited to three, and any number may be arranged.
  • the heater 1131 is bent and arranged in a comb shape so as to surround the three germanium layers 114A to 114C.
  • the heater 1131 may have a meandering shape, for example, a shape that traverses the input waveguide side of the GePD 100B, but it is necessary to consider so as not to affect the input signal light of the GePD 100B.
  • FIG. 14 is a sectional view of a substrate perpendicular to the optical axis in XIV-XIV of FIG. 13 of the second embodiment.
  • the GePDs 100A to 100C are arranged adjacent to each other on the silicon substrate 101 so that the heat of the heater 1131 can be efficiently applied to the germanium layer 114.
  • FIG. 15 is a substrate plan view showing the configuration of the photodetector of Example 3 of the present invention.
  • the third embodiment is an example in which one rectangular heater 1130 of the first embodiment (FIG. 11) is divided into three heaters 1130A, 1130B, and 1130C according to the number of GePDs. Since the three heaters have the same size and are manufactured by the same process, are arranged in the vicinity, are aligned on a straight line, and share the power supply, the resistance values are unlikely to vary. Since the metal electrodes 160 having a low resistance are connected between the heaters to supply electric power, it is possible to efficiently apply heat to the germanium layer of each GePD as compared with the first embodiment.
  • the metal electrode on the ground side is not shown, the portion where the metal electrode is in contact with the heaters 1130A, 1130B, and 1130C faces either of the rectangular heaters in order to suppress concentration or unevenness of current density inside the heaters. It is desirable that the metal electrodes on the power feeding side and the grounding side be paired on the two sides to be provided over the entire length of the sides.
  • FIG. 16 is a substrate plan view showing the configuration of the photodetector of the fourth embodiment of the present invention.
  • the fourth embodiment is an example in which one linear heater 1131 of the second embodiment (FIG. 13) is divided into linear heaters 1131A, 1131B, and 1131C as many as the GePDs.
  • the divided heaters have the same size and the same shape, are formed in the same process, are arranged adjacent to each other in a straight line, and are aligned in a straight line, and share a power source. Therefore, as in the second embodiment, variation in resistance value is unlikely to occur.
  • a low resistance metal electrode 160 is connected to one end of each of the divided linear heaters to feed power, and the other end is grounded. Therefore, heat is efficiently applied to the germanium layer of each GePD as compared with the second embodiment. Is possible.
  • FIG. 17 is a plan view of the substrate of the photodetector according to the fifth embodiment of the present invention.
  • the optical axis of each GePD is arranged so as to be parallel to each other on the extension of each input optical waveguide.
  • the optical axes of the three GePDs 100A to 100C are arranged so as to be on a straight line, and one linear heater 1130 is arranged on the optical axis.
  • the input optical waveguide of each GePD 100A to 100C has a bent portion, and each GePD is arranged on a straight line perpendicular to the light input direction of the photodetector as a whole.
  • the germanium layer of GePD has a rectangular bottom surface having long sides parallel to the optical input axis. Therefore, in the arrangement of the fifth embodiment, the width of the heater can be reduced when the heater is arranged so as to cover the germanium layer, as compared with the first embodiment (FIG. 11). As the heater becomes thinner, the resistance value per unit length increases, so that the heater can be driven with a lower current than in the first embodiment.
  • a heater made by implanting the core layer 110 of the GePD as in the second embodiment may be used, or the heater may be divided for each GePD as in the third and fourth embodiments. May be.
  • FIG. 18 is a diagram showing the configuration of the optical receiver according to the sixth embodiment of the present invention.
  • the GePD groups 100A to 100C of the photodetectors of the first embodiment are applied to the receivers of the optical digital coherent communication technology to obtain the GePD groups 100A to 100H of the photodetectors. It is an example.
  • the GePDs are arranged adjacent to each other so that the amount of heat from the common integrated heater 1130 is efficiently applied to the germanium layers 114A to 114H of the GePDs.
  • the optical paths connecting the optical hybrids 940 and 941 to the GePDs 100A to 100H must be optically in-phase.
  • each heater may be divided as in the third embodiment (FIG. 15).
  • FIG. 19 is a diagram showing the configuration of the optical receiver according to the seventh embodiment of the present invention.
  • the GePD groups 100A to 100C of the photodetectors of the second embodiment are applied to the receiver of the optical digital coherent communication technology to obtain the GePD groups 100A to 100H of the photodetectors. It is an example.
  • the GePDs are arranged adjacent to each other.
  • the optical paths connecting the optical hybrids 940 and 941 to the GePDs 100A to 100H must be optically in-phase.
  • each heater may be divided as in the fourth embodiment (FIG. 16).
  • FIG. 20 is a diagram showing the configuration of the optical receiver according to the eighth embodiment of the present invention.
  • the optical receiver of the eighth embodiment is an example in which the arrangement of the GePD groups 100A to 100C of the fifth embodiment (FIG. 17) is applied to the receiver of the optical digital coherent communication technology to form the GePD groups 100A to 100H of the photodetector.
  • the optical axis of each GePD is arranged in a straight line in order to efficiently give the amount of heat from the heater 1130 to the germanium layer 114 of each GePD 100, but they cannot be completely adjacent to each other because of the optical input waveguide. ..
  • two GePDs for example, 100A and 100B, 100C and 100D, 100E and 100F, or 100G
  • 100H are arranged back to back, and the bent portions of the input waveguides are provided on opposite sides, so that they can be made closer to each other and the temperature can be further aligned and the photosensitivity characteristics can be matched.
  • optical paths connecting the optical hybrids 940 and 941 to the GePDs 100A to 100H must be optically in-phase.
  • the arrangement of this embodiment may be used with a heater made by implanting the core layer 110 of GePD as in the second embodiment, or each heater may be divided as in the third and fourth embodiments.
  • Example 9 21 is a figure which shows the structure of the optical receiver of Example 9 of this invention.
  • the optical receiver of the ninth embodiment is an example in which the GePD groups 100A to 100C of the first embodiment (FIG. 11) are applied to two GePD groups 1001 and 1002 of the photodetector of the receiver of the optical digital coherent communication technology. ..
  • the GePDs are arranged adjacent to each other.
  • the optical hybrids 940 and 941 correspond to optical paths of X polarization and Y polarization, respectively. Since the X and Y polarized optical paths are optical paths through which independent optical signals are received, it is not necessary for the two GePD groups connected to these optical paths to have the same optical sensitivity. Accordingly, an independent heater such as a heater 1301 is arranged in the GePD group 1001 corresponding to the hybrid 940, a heater 1302 is arranged in the GePD group 1002 corresponding to the hybrid 941, and the power sources are set to separate systems such as the power sources 300 and 301. There is.
  • an independent heater such as a heater 1301 is arranged in the GePD group 1001 corresponding to the hybrid 940
  • a heater 1302 is arranged in the GePD group 1002 corresponding to the hybrid 941
  • the power sources are set to separate systems such as the power sources 300 and 301.
  • the heaters 1301 all have the same temperature, but this temperature is not necessarily the same as the temperature of the GePD group 1002 connected to the hybrid 941. Since the heater is divided into two, the resistance value per heater is half that of the sixth embodiment. For example, if the heaters 1301 and 1302 are driven in parallel, it is possible to drive at a lower voltage than in the sixth embodiment.
  • the configuration of the GePD group of the second, third, and fourth embodiments can be applied by similarly dividing the heater for each hybrid.
  • Example 10 is a figure which shows the structure of the optical receiver of Example 10 of this invention.
  • the optical receiver of the tenth embodiment is an example in which the GePD groups 100A to 100C of the first embodiment (FIG. 11) are applied to the GePD groups 100A to 100H of the photodetectors of the receiver of the optical wavelength multiplex communication technology.
  • the wavelength-multiplexed light input to the wavelength demultiplexer 150 is demultiplexed for each wavelength and photoelectrically converted in each GePD 100A to 100H.
  • the GePDs are arranged adjacent to each other.
  • the 8ch photodetector is connected to the output of the wavelength demultiplexer 150, but the number may be any number as long as it is two or more. The same applies to the configurations of the GePD groups of the second, third, and fourth embodiments.
  • the present invention by using a heater composed of resistors of various shapes, it is possible to provide a GePD in which the light sensitivity does not depend on the temperature in the C band and the L band of the light wavelength.
  • the heat given by the heater can be kept constant and the temperature of each GePD can be the same, and a photodetector with uniform photosensitivity can be realized.

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Abstract

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の温度と感度は同一である光検出器を実現する。シリコン基板と、下部クラッド層と、シリコンコア層と、シリコン導波路層と、ゲルマニウム層と、上部クラッド層と、電極とを備えるゲルマニウム受光器を有する光検出器であって、２つ以上が隣接して前記シリコン基板上に配置され、前記２つ以上隣接されて配置されたゲルマニウム受光器の各ゲルマニウム層を覆うまたは囲うように、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る光検出器とした。

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。
特開２０００－２２１４５５号公報 特開２００６－２４５３４４号公報 特開２０１８－７４１０４号公報
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、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、第一の導電型不純物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に接続されたシリコン導波路層と、
　前記シリコンコア層の上に形成され、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、
　前記シリコンコア層および前記ゲルマニウム層の上に形成された上部クラッド層と、
　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ゲルマニウム受光器を有する光検出器であって、
　前記ゲルマニウム受光器は、２つ以上が隣接して前記シリコン基板の上に配置され、
　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、第一の導電型不純物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に接続されたシリコン導波路層と、
　前記シリコンコア層の上に形成され、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、
　前記シリコンコア層および前記ゲルマニウム層の上に形成された上部クラッド層と、
　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ゲルマニウム受光器を有する光検出器であって、
　前記ゲルマニウム受光器は、２つ以上が隣接して前記シリコン基板の上に配置され、
　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囲うように、前記シリコンコア層に不純物をドーピングする事で形成された抵抗体を備える、
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、または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４）
　構成１または２に記載の光検出器であって、
　前記抵抗体は、ゲルマニウム受光器の数だけそれぞれ備えられ、
　前記抵抗体は、一直線上に並び、
　前記抵抗体の間は金属電極で接続され、
　前記各抵抗体は電源を共有する、
ことを特徴とする光検出器。
（構成５）
　構成３または４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、前記ゲルマニウム受光器の光軸は、一直線上に載るように配置される、
ことを特徴とする光検出器。
（構成６）
　構成５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。
従来の一般的な縦型ＧｅＰＤの基板平面図である。 図１のＧｅＰＤの基板断面図である。 従来の一般的な横型ＧｅＰＤの基板断面図である。 従来の一般的な横型ＧｅＰＤの別例の基板断面図である。 従来のＧｅＰＤの３つの温度における光電気感度の波長特性の図である。 Ｇｅの光吸収スペクトルの温度依存性を説明する図である。 従来の光受光器の基板断面図である。 従来の光受光器の別例の基板断面図である。 光デジタルコヒーレント通信技術において用いる従来の光受信機の構成の一例を示す図である。 従来の光検出器の要部回路構成である。 本発明の実施例１の光検出器の基板平面図である。 本発明の実施例１の光検出器の基板断面図である。 本発明の実施例２の光検出器の基板平面図である。 本発明の実施例２の光検出器の基板断面図である。 本発明の実施例３の光検出器の基板平面図である。 本発明の実施例４の光検出器の基板平面図である。 本発明の実施例５の光検出器の基板平面図である。 本発明の実施例６の光受信機の構成を示す図である。 本発明の実施例７の光受信機の構成を示す図である。 本発明の実施例８の光受信機の構成を示す図である。 本発明の実施例９の光受信機の構成を示す図である。 本発明の実施例１０の光受信機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。
　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。
（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、一直線上に載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。
（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。
（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。
　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。
　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

Claims (6)

  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、第一の導電型不純物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に接続されたシリコン導波路層と、
    　前記シリコンコア層の上に形成され、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、
    　前記シリコンコア層および前記ゲルマニウム層の上に形成された上部クラッド層と、
    　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ゲルマニウム受光器を有する光検出器であって、
    　前記ゲルマニウム受光器は、２つ以上が隣接して前記シリコン基板の上に配置され、
    　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る、
    ことを特徴とする光検出器。
  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、第一の導電型不純物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に接続されたシリコン導波路層と、
    　前記シリコンコア層の上に形成され、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、
    　前記シリコンコア層および前記ゲルマニウム層の上に形成された上部クラッド層と、
    　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ゲルマニウム受光器を有する光検出器であって、
    　前記ゲルマニウム受光器は、２つ以上が隣接して前記シリコン基板の上に配置され、
    　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囲うように、前記シリコンコア層に不純物をドーピングする事で形成された抵抗体を備える、
    ことを特徴とする光検出器。
  3. 　請求項１または２に記載の光検出器であって、
    　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、または囲うように配置されている、
    ことを特徴とする光検出器。
  4. 　請求項１または２に記載の光検出器であって、
    　前記抵抗体は、ゲルマニウム受光器の数だけそれぞれ備えられ、
    　前記抵抗体は、一直線上に並び、
    　前記抵抗体の間は金属電極で接続され、
    　前記各抵抗体は電源を共有する、
    ことを特徴とする光検出器。
  5. 　請求項３または４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、前記ゲルマニウム受光器の光軸は、一直線上に載るように配置される、
    ことを特徴とする光検出器。
  6. 　請求項５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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