(57)【要約】【課題】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抑制された光検出器を提供する。【解決手段】光検出器の一実施態様は、差動信号が入力される２つのフォトダイオードを、１または複数組備え、前記２つのフォトダイオードの各々に接続され、光電流を測定するモニタ、および前記２つのフォトダイオードの各々に印加する電圧を制御する電圧源をさらに備え、前記電圧源は、前記モニタが測定した光電流が等しくなるように、前記フォトダイオードへの印加電圧を制御する。【選択図】図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
差動信号が入力される２つのフォトダイオードを、１または複数組備え、
前記２つのフォトダイオードの各々に接続され、光電流を測定するモニタ、および
前記２つのフォトダイオードの各々に印加する電圧を制御する電圧源をさらに備え、
前記電圧源は、前記モニタが測定した光電流が等しくなるように、前記フォトダイオードへの印加電圧を制御することを特徴とする光検出器。
【請求項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、第一の導電型不純物イオンがドーピングされたシリコンスラブ、前記第一の導電型不純物イオンが高濃度にドーピングされた電極部、および前記シリコンスラブに接続された導波路層を含むコア層と、
前記コア層上に形成され、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、
前記電極部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
を含むことを特徴とする請求項１に記載の光検出器。
【請求項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、第一の導電型不純物イオンがドーピングされたシリコンスラブ、および前記シリコンスラブに接続された導波路層を含むコア層と、
前記コア層上に形成され、第一の導電型不純物イオンがドーピングされた第一のゲルマニウム領域、および第二の導電型不純物イオンがドーピングされた第二のゲルマニウム領域を含むゲルマニウム層と、
前記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、
前記第一および前記第二のゲルマニウム領域にそれぞれ接続された電極と
を含むことを特徴とする請求項１に記載の光検出器。
【請求項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、第一の導電型不純物イオンがドーピングされた第一のシリコン領域および前記第一の導電型不純物イオンがドーピングされた第一の電極部、並びに、第二の導電型不純物イオンがドーピングされた第二のシリコン領域、および前記第二の導電型不純物イオンがドーピングされた第二の電極部を含むシリコンスラブと、前記シリコンスラブに接続された導波路層とを含むコア層と、
前記コア層上に形成されたゲルマニウム層と、
前記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、
前記第一および前記第二の電極部に接続された電極と
を含むことを特徴とする請求項１に記載の光検出器。
【請求項５】
前記モニタは、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。
【請求項６】
前記モニタは、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であることを特徴とする請求項１に記載の光検出器。
【請求項７】
前記モニタとは、前記トランスインピーダンスアンプに接続された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６に記載の光検出器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光検出器に関し、より詳細には、光通信システム、光情報処理システム等において用いられ、差動信号を受信するときの同相信号除去比が小さい光検出器に関する。
【背景技術】
【０００２】
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、大口径のシリコンウエハ上に、シリコンフォトニクスによる微小光回路技術を用いて形成する方法が知られている。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できる。このような技術を用いて、シリコン（Ｓｉ）基板上に形成された光検出器として、モノリシック集積が可能なゲルマニウムフォトダイオード（ＧｅＰＤ）がある。
【０００３】
図１に、従来の導波路結合型の縦型ＧｅＰＤの構造を示す。図２は、図１の符号ＩＩ−ＩＩにおける断面図である。縦型の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。縦型の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を備えている。コア層１１０は、導波路層１４１とシリコンスラブ１４２に分けられる。
【０００４】
シリコンスラブ１４２は、第一の導電型不純物イオンがドーピングされたｐ型Ｓｉスラブ１１１、および第一の導電型不純物イオン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、その上部に第二の導電型不純物イオン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であることもある。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を備えている。
【０００５】
なお、構造を分かり易くするために、図１では、クラッド層１０３を省き、電極１１６〜１１８は、シリコン電極部１１２、１１３およびＧｅ領域１１５に接する位置のみを示している。
【０００６】
縦型のＧｅＰＤ１００は、導波路層１４１からシリコンスラブ１４２に光が入射され、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。この光電流を検出することにより光を検出する。
【０００７】
図３に、従来の導波路結合型の横型ＧｅＰＤの第１例を示す。横型のＧｅＰＤ１００は、図２に示したｐ型Ｓｉスラブ１１１とＧｅ領域１１５の代わりに、第一の導電型不純物イオンがドーピングされたゲルマニウム領域１２１と第二の導電型不純物イオンがドーピングされたゲルマニウム領域１２２とを備えている。
【０００８】
図４に、従来の導波路結合型の横型ＧｅＰＤの第２例を示す。横型のＧｅＰＤ１００は、図２に示したｐ型Ｓｉスラブ１１１とＧｅ領域１１５の代わりに、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１３１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１３２と、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１３３とを備えている。
【０００９】
図５に、従来のＧｅＰＤの感度の温度および波長依存特性を示す。従来のＧｅＰＤは、感度の温度特性が一定ではないという特性がある。ここで、感度とは、光入力パワーに対する電流出力の特性であり、単位Ａ／Ｗである。図５は、ＧｅＰＤに逆バイアス１．６Ｖを与えたとき、通信波長帯域のＣ、Ｌ帯（波長１５３０〜１５６５ｎｍ、１５６５〜１６２５ｎｍ）における温度に対す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帯になると感度が落ちてしまう。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。
【００１０】
図６に、Ｇｅの光吸収スペクトルの温度依存特性を示す。横軸はフォトンエネルギー、縦軸は吸収係数の平方根である（例えば、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。
【００１１】
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み込むためには、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。これを解決する手段として、ＧｅＰＤに印加する電圧を、温度、波長に応じて制御する手段がある（例えば、特許文献１参照）。
【００１２】
一方、ＧｅＰＤを用いた光通信システム、光情報処理システム等の光検出器では、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（ＷＤＭ）方式を採用するシステムにおいて波長の数だけＧｅＰＤを必要としたり、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バランス型ＰＤとして使うからである。
【００１３】
図７に、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。偏波多重４値位相変調（ＤＰ−ＱＰＳＫ）方式の受信機であり、受信光は偏波分離器１１により直交する２つの偏波に分離される。２つの偏波のそれぞれを、光ハイブリッド１３ａ，１３ｂにおいて、局発光源１２からの局発光と干渉させ、強度と位相の情報が検出され、それぞれ２組の差動信号が４つのＧｅＰＤ１４，１５により電気信号に変換される。このような受信機において、温度制御を行う場合には、ＧｅＰＤ１４，１５のそれぞれにヒータを備える必要がある。特に、同一の光ハイブリッドに接続されるＧｅＰＤは、２つ一組で差動信号を受信することから、ペアとなるＧｅＰＤは、均一の感度が求められる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開２０１５−１５３８９９号公報
【非特許文献】
【００１５】
【非特許文献１】Macfarlane G. G.， T. P. McLean， J. E. Quarrington and V. Roberts， “fine Structure in the Absorption-Edge Spectrum of Ge，” Physical Review vol.108， No.6 (1957) p.1377-1383.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
光検出器において、差動信号を受信する一組のＧｅＰＤ群の感度が均一でない場合、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は、製造バラツキを有し、このバラツキが、受信機の同相信号除去比の仕様を満たさない原因となる場合があった。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明の目的は、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抑制された光検出器を提供することにある。
【００１８】
本発明は、このような目的を達成するために、光検出器の一実施態様は、差動信号が入力される２つのフォトダイオードを、１または複数組備え、前記２つのフォトダイオードの各々に接続され、光電流を測定するモニタ、および前記２つのフォトダイオードの各々に印加する電圧を制御する電圧源をさらに備え、前記電圧源は、前記モニタが測定した光電流が等しくなるように、前記フォトダイオードへの印加電圧を制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、モニタの電流値が互いに等しくなるように、フォトダイオードへの印加電圧を調整して、２つのフォトダイオードの感度を揃えることができるので、同相信号除去比の劣化を抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】従来の導波路結合型の縦型ＧｅＰＤの構造を示す図である。
【図２】図１に示した縦型ＧｅＰＤの断面図である。
【図３】従来の導波路結合型の横型ＧｅＰＤの第１例を示す図である。
【図４】従来の導波路結合型の横型ＧｅＰＤの第２例を示す図である。
【図５】従来のＧｅＰＤの感度の温度および波長依存特性を示す図である。
【図６】Ｇｅの光吸収スペクトルの温度依存特性を示す図である。
【図７】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。
【図８】本発明の一実施形態にかかる光検出器を示す図である。
【図９】ＧｅＰＤの感度の印加電圧依存性を示す図である。
【図１０】本発明の実施例１にかかる光検出器を示す図である。
【図１１】本発明の実施例２にかかる光検出器を示す図である。
【図１２】本発明の実施例３にかかる光検出器を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
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。
【００２２】
図８に、本発明の一実施形態にかかる光検出器を示す。光検出器は、差動信号を受光する一組２つのＧｅＰＤ２００，２０１と、ＧｅＰＤを流れる光電流をそれぞれ検出するモニタ２０２，２０３と、ＧｅＰＤに電圧を印加する電源２０４，２０５とを備える。モニタ２０２，２０３は、検出した電流値を互いに交換している。モニタ２０２，２０３が、ＧｅＰＤ２００，２０１を流れる光電流を検出すると、電源２０４，２０５は、モニタ２０２，２０３の電流値が互いに等しくなるように、ＧｅＰＤ２００，２０１に印加する電圧を調整する。
【００２３】
図９に、ＧｅＰＤの感度の印加電圧依存性を示す。Ｃ、Ｌ帯において使用する波長に対して、ＧｅＰＤに印加する電圧を変化させると、図９に示したように感度が変化する。従って、モニタ２０２，２０３の電流値が互いに等しくなるように、印加電圧を調整すれば、２つのＧｅＰＤ２００，２０１の感度を揃えることができる。モニタ２０２，２０３が測定する電流は光電流であり、電流値が一致するとき、ＧｅＰＤ２００，２０１の感度は完全に合致していると言える。従って、本実施形態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。
【００２４】
ここでは、ＧｅＰＤのカソード側にモニタを接続したが、モニタを信号出力用の端子２１０に接続されるアノード側に接続しても良い。
【実施例１】
【００２５】
図１０に、本発明の実施例１にかかる光検出器を示す。ＧｅＰＤ２００，２０１のカソード、すなわち図１に示したＧｅＰＤ１００の電極１１７に相当するカソードに、それぞれモニタ２０２，２０３として電流計が接続されている。ＧｅＰＤ２００，２０１は差動信号を受光する一組のＧｅＰＤペアとして配置してある。モニタ２０２，２０３には電圧源２０４，２０５が接続されている。
【００２６】
電圧源２０４，２０５は、モニタ（電流計）２０２，２０３が測定した光電流の電流値が等しくなるように、ＧｅＰＤのカソードに印加する電圧を調整する。なお、モニタ２０２，２０３を接続するのは、ＧｅＰＤ２００，２０１のアノード、すなわち図１に示したＧｅＰＤ１００の電極１１６，１１８に相当するアノードであっても良い。
【実施例２】
【００２７】
図１１に、本発明の実施例２にかかる光検出器を示す。ＧｅＰＤ２００，２０１のアノード、すなわち図１に示したＧｅＰＤ１００の電極１１６，１１８に相当するアノードには、トランスインピーダンスアンプ２２０が接続されている。ＧｅＰＤ２００，２０１は差動信号を受光する一組のＧｅＰＤペアとして配置してある。
【００２８】
トランスインピーダンスアンプ２２０は、ＧｅＰＤの電流信号を電圧信号に変換し、増幅して出力するアンプであり、ＧｅＰＤからの光電流をモニタすることができる。この電流値を、電圧源２０４，２０５にフィードバックする。電圧源２０４，２０５は、ＧｅＰＤ２００，２０１からトランスインピーダンスアンプ２２０に入力される電流が等しくなるように、ＧｅＰＤ２００，２０１のカソードに印加する電圧を調整する。なお、トランスインピーダンスアンプ２２０は、ＧｅＰＤ２００，２０１のカソードに接続することもできる。
【実施例３】
【００２９】
図１２に、本発明の実施例３にかかる光検出器を示す。ＧｅＰＤ２００，２０１のアノード、すなわち図１に示したＧｅＰＤ１００の電極１１６，１１８に相当するアノードには、トランスインピーダンスアンプ２２０が接続されている。トランスインピーダンスアンプ２２０の後段には、さらにデジタルシグナルプロセッサ２３０が接続されている。ＧｅＰＤ２００，２０１は差動信号を受光する一組のＧｅＰＤペアとして配置してある。
【００３０】
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ＧｅＰＤ２００，２０１から入力される信号をモニタしており、このモニタ値から電圧源２０４，２０５にフィードバックを行う。電圧源２０４，２０５は、ＧｅＰＤ２００，２０１からトランスインピーダンスアンプ２２０に入力される電流が等しくなるように、ＧｅＰＤ２００，２０１のカソードに印加する電圧を調整する。なお、トランスインピーダンスアンプ２２０は、ＧｅＰＤ２００，２０１のカソードに接続することもできる。
【符号の説明】
【００３１】
１００，２００，２０１  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  ｐ型Ｓｉスラブ
１１２、１１３，１３３  シリコン電極部
１１４  Ｇｅ層
１１５  Ｇｅ領域
１１６〜１１８  電極
１２１，１２２  ゲルマニウム領域
１３１，１３２  シリコン領域
１４１  導波路層
１４２  シリコンスラブ
２０２，２０３  モニタ
２０４，２０５  電源
２２０  トランスインピーダンスアンプ
２３０  デジタルシグナルプロセッサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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