(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
屈折率の異なる第１の媒質と第２の媒質とが規則的に配列されたフォトニック結晶に、光吸収領域が埋め込まれたフォトニック結晶光検出器において、
前記光吸収領域の光軸上における前記第２の媒質を、前記第１の媒質に置換した入力導波路を備え、
該入力導波路の幅は、前記光吸収領域の幅よりも広いことを特徴とするフォトニック結晶光検出器。
【請求項２】
前記入力導波路の前記光吸収領域の入射端において、前記入力導波路を挟んだ２つの第２の媒質の大きさは、周囲の第２の媒質の大きさよりも拡大されていることを特徴とする請求項１に記載のフォトニック結晶光検出器。
【請求項３】
前記光吸収領域に対して、前記入力導波路とは反対側の光軸における前記第２の媒質を、前記第１の媒質に置換した出力導波路をさらに備えたことを特徴とする請求項１または２に記載のフォトニック結晶光検出器。
【請求項４】
前記第１の媒質はＩｎＰからなり、前記光吸収領域はＩｎＧａＡｓからなることを特徴とする請求項１、２または３に記載のフォトニック結晶光検出器。
【請求項５】
前記光吸収領域からキャリアを引き抜くために、前記光吸収領域の光軸に平行した一方の辺に近接した第１のドープ領域と、対向する他方の辺に近接して第２のドープ領域とが形成され、前記第１及び第２のドープ領域には、同じ不純物がドーピングされていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のフォトニック結晶光検出器。
【請求項６】
前記光吸収領域からキャリアを引き抜くために、前記光吸収領域の光軸に平行した一方の辺に近接した第１のドープ領域と、対向する他方の辺に近接して第２のドープ領域とが形成され、
前記第１及び第２のドープ領域の各々に金属電極が形成されており、
前記金属電極と前記光吸収領域との間の前記第２の媒質が形成された領域を、前記入力導波路の両側の前記第２の媒質が形成された領域よりも狭くしたことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のフォトニック結晶光検出器。
【請求項７】
前記光吸収領域からキャリアを引き抜くために、前記光吸収領域の光軸に平行した一方の辺に近接した第１のショットキー電極と、対向する他方の辺に近接して第２のショットキー電極とが形成されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のフォトニック結晶光検出器。
【請求項８】
前記第１および前記のショットキー電極は、前記光吸収領域において櫛型の構造を有することを特徴とする請求項７に記載のフォトニック結晶光検出器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フォトニック結晶光検出器に関し、より詳細には、屈折率の異なる第１の媒質と第２の媒質とが規則的に配列されたフォトニック結晶に、光吸収領域が埋め込まれたフォトニック結晶光検出器に関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信システムにおいて、光信号を電気信号に変換するための素子として光検出器がある。シリコンチップ（電気集積回路）の間を光導波路で接続する技術である光インターコネクションを適用する光検出器においては、微小サイズ、かつ応答速度の向上、高い検出効率等が望まれている。光検出器の一般的な構造として、ｐ−ｉ−ｎ構造を有する光導波路型構造がある。この構造は、光導波路中に光吸収層を形成することにより入射した光を吸収し、光導波路の両側に形成したｐ−ｉ−ｎ接合に逆バイアス電圧を印可することにより、光吸収により生成されたキャリアを引き抜いて電流に変換する。近年、光素子の作製技術の向上により、サブマイクロメートルのサイズに加工された様々な光素子を実現することができるようになり、ナノフォトニクス技術と呼ばれている。光検出器においても、ナノフォトニクス技術を用いることにより、微小かつ高い性能を実現することが期待されている。
【０００３】
ナノフォトニクス技術の一つとして、フォトニック結晶と呼ばれる微細構造がある。特に、数百ｎｍ厚の半導体薄膜（スラブ）に、周期的に円孔を形成した構造は、フォトニック結晶スラブ構造と呼ばれている。この構造を利用した光導波路、光共振器を基盤として、様々な光素子が非常に微小なサイズで実現されている。フォトニック結晶スラブ構造を利用した光検出器としては、シリコンを材料としたフォトニック結晶光共振器を用いた報告例がある（例えば、非特許文献１参照）。この光検出器は、フォトニック結晶導波路の円孔位置を局所的にわずかに移動することにより光共振器を形成し、光共振器中の非線形光吸収効果を利用している。
【０００４】
しかしながら、光通信によく使用される波長１．５５μｍの光に対して吸収効率が小さいため、最大でも１０％程度の検出効率である。また、共振器構造を用いているため、光検出器のＱ値（光の漏れの少なさを表す指標であり、共振器中への光の捕獲時間に比例し、共振器が許容する光の波長幅に逆比例する。）が非常に高いことにより、検出可能な波長範囲が１０ｐｍ以下と非常に狭いという問題があった。
【０００５】
波長１．５５μｍの光に対しては、吸収係数が高いＩｎＧａＡｓを吸収層に用いることが一つの解決方法であり、一般的な１．５５μｍ帯の光検出器においては、実際によく使用されている。ただし、フォトニック結晶スラブ構造を利用する場合は、光を入射するために吸収がない導波路領域と、ＩｎＧａＡｓからなる光吸収領域とを分離・接合させる必要がある。近年、ＩｎＰを材料としたフォトニック結晶導波路の中に微小なＩｎＧａＡｓＰを埋め込む技術が開発されている（例えば、特許文献１、非特許文献２参照）。このような埋め込み型構造では、ＩｎＰとＩｎＧａＡｓＰとの屈折率差により、ＩｎＧａＡｓＰが埋め込まれた部分に光を閉じ込める作用と、バンドギャップ差により生成キャリアを閉じ込める作用とが両立する。そのため、ＩｎＧａＡｓＰが埋め込まれた部分を動作領域、それに接続されたＩｎＰ部分を光導波領域とすることにより、フォトニック結晶導波路を基盤とした様々な光素子を作製するのに有効である。そして、このような構造は微小な光検出器の作製にも有効と考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】国際公開第２０１１／０２７５５５号
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】T. Tanabe, H. Sumikura, H. Taniyama, A. Shinya, and M. Notomi, "All-silicon sub-Gb/s telecom detector with low dark current and high quantum efficiency on chip," Applied Physics Letters, vol. 96, p. 101103, 2010
【非特許文献２】S. Matsuo, A. Shinya, T. Kakitsuka, K. Nozaki, T. Segawa, T. Sato, Y. Kawaguchi, and M. Notomi, "High-speed ultracompact buried heterostructure photonic-crystal laser with 13 fJ of energy consumed per bit transmitted," Nature Photonics, vol. 4, pp. 648-654, 2010
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ｐ−ｉ−ｎ構造を有する光導波路型の検出器は、一般的に、応答速度がＣＲ時定数とキャリアドリフト時間とにより制限されることが多い。前者の要因は、光検出器全体の容量Ｃと抵抗Ｒによって応答速度が制限され、ＣとＲの一方もしくは両方が低い方がよい。この構造では、光検出器中に形成される空乏層が容量成分となるため、光検出器の全長を短くするか、またはｉ領域を広げることにより、容量Ｃを小さくすることが望ましい。その結果、ＣＲ時定数を低減させ、応答速度を向上することができる。後者の要因は、生成されたキャリアが引き抜かれる際、キャリアドリフト時間によって応答速度が制限される。ＣＲ時定数の場合とは逆に、ｉ領域を狭めることにより、キャリアドリフト時間を減少させ、応答速度を向上することができる。特許文献１に記載された埋め込み型のフォトニック結晶導波路を利用すると、光とキャリアの閉じ込め効果によって、ｉ領域の幅を狭くすることができるため、キャリアドリフト時間を減少させ応答速度を向上することができる。
【０００９】
上述した埋め込み型構造を光検出器に適用する場合、ＩｎＰ導波路領域よりもＩｎＧａＡｓ埋め込み領域の方が高い屈折率を有する。両者の導波波長帯域が異なるため、単純に導波路同士を接続しただけでは使用できない帯域が発生する。
【００１０】
このことから、解決すべき課題の第１は、導波帯域を整合させ、高効率に光を吸収させるための方法を見出すことである。また、ｉ領域の幅を狭くする場合、上述したように、ＣＲ時定数の増加による応答速度の低下が懸念される。これを防ぐための方法として、検出器の全長を短くすることにより、容量Ｃを低下させる方法が考えられる。
【００１１】
一方、全長を短くしすぎると、光が一往復する間に十分に吸収されないため、光の検出効率が低下するというトレードオフが生ずる。従って、解決すべき課題の第２は、全長を短くした場合に、高い吸収効率を維持するための方法を見出すことである。
【００１２】
本発明の目的は、微小サイズ、高い応答速度、高い検出効率を有する光検出器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、このような目的を達成するために、第１の実施態様は、屈折率の異なる第１の媒質と第２の媒質とが規則的に配列されたフォトニック結晶に、光吸収領域が埋め込まれたフォトニック結晶光検出器において、前記光吸収領域の光軸上における前記第２の媒質を、前記第１の媒質に置換した入力導波路を備え、該入力導波路の幅は、前記光吸収領域の幅よりも広いことを特徴とする。
【００１４】
第２の実施態様は、第１の実施態様において、前記入力導波路の前記光吸収領域の入射端において、前記入力導波路を挟んだ２つの第２の媒質の大きさは、周囲の第２の媒質の大きさよりも拡大されていることを特徴とする。
【００１５】
第３の実施態様は、第１または第２の実施態様において、前記光吸収領域に対して、前記入力導波路とは反対側の光軸における前記第２の媒質を、前記第１の媒質に置換した出力導波路をさらに備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
以上説明したように、第１の実施態様によれば、入力導波路の幅を光吸収領域の幅よりも広くすることにより、入力導波路における導波バンドと光吸収領域における導波バンドとが重なり、低群速度帯を利用することができるので、実効的に光路長が延伸され、吸収効率を増加させることができる。
【００１７】
第２の実施態様によれば、入力導波路を挟んだ２つの第２の媒質の大きさを、周囲の第２の媒質の大きさよりも拡大して、共振器を構成することにより、光検出器の全長を短くした場合であっても、高検出効率かつ高速応答が可能となる。
【００１８】
第３の実施態様によれば、入力導波路への戻り光の発生を防ぐことができるので、検出効率を上げることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】光吸収領域の群屈折率およびミラーの反射率に対する吸収効率を示す図である。
【図２】本発明の第１の実施形態にかかるフォトニック結晶光導波路を用いた光検出器を示す図である。
【図３】フォトニック結晶光導波路の導波バンド構造のシミュレーション結果を示す図である。
【図４】電気的接合部の第１の実施例を示す図である。
【図５】電気的接合部の第２の実施例を示す図である。
【図６】電気的接合部の第３の実施例を示す図である。
【図７】電気的接合部の第４の実施例を示す図である。
【図８】第１の実施形態の２次元モデルによる評価結果を示す図である。
【図９】第１の実施形態の光検出器の作製方法を示す図である。
【図１０】本発明の第２の実施形態にかかるフォトニック結晶光導波路を用いた光検出器を示す図である。
【図１１】本発明の第３の実施形態にかかるフォトニック結晶光導波路を用いた光検出器を示す図である。
【図１２】第３の実施形態の２次元モデルによる評価結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
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。上述した課題を解決するために、第１の手段として、ＩｎＧａＡｓ埋め込み領域の低群速度帯を利用する。フォトニック結晶導波路中で光の群速度が低下する効果を利用することにより、実効的に光路長が延伸され、吸収効率を増加させることができる。第２の手段として、共振器構造を利用する。ＩｎＧａＡｓからなる光吸収領域の入射端において反射ミラーを形成することにより、光吸収領域を光共振器とし、共鳴条件に合う波長の光を循環させることで吸収効率を増加させる。これらの手段によって、光検出器の全長を短くした場合であっても、高検出効率かつ高速応答が可能となる。
【００２１】
図１を参照して、光吸収領域の単純なモデルを用いて吸収効率を計算する。図１（ａ）は、光吸収領域の単純なモデルであり、全長Ｌの光吸収領域の両端に、振幅反射率ｒ１およびｒ２のミラーが取り付けられている。振幅反射率ｒ２のミラーから入射した光に対する吸収効率Ａは下記の式で表される。
【００２２】
【数１】
0005513659.tif 000002
【００２３】
ここで、Ｒは光パワー反射率、Γ（＝０．５）はＩｎＧａＡｓ埋め込み領域への光閉じ込め係数、α（＝１００００ｃｍ−１）はＩｎＧａＡｓの光パワー吸収係数、ｎｇは導波路の群屈折率、ｎ（＝３．５）は材料屈折率である。ｒ２＝１と仮定した。また、φは、長さＬを光が伝搬するときの位相変化であり、共振条件ではπの整数倍である。
【００２４】
図１（ｂ）に、群屈折率ｎｇに対する吸収効率を示す。ｒ１＝１と仮定し、全長Ｌを１、３、１０μｍと変化させた場合を示している。Ｌ＝１０μｍと十分に長い場合は、群屈折率ｎｇに依らず吸収効率は１００％である。全長Ｌが短くなると、群屈折率ｎｇが小さい場合には吸収効率が低下する。一方、群屈折率ｎｇを増加させることにより吸収効率は増加し、例えばＬ＝１μｍではｎｇ＝２０のときに１００％に近づく。以上は、光の群屈折率を増加させる（群速度を減少させる）ことにより、短い検出器でも吸収効率を増加させる効果を示している。
【００２５】
図１（ｃ）は、反射率ｒ１に対する吸収効率を示す。ｎｇ＝ｎ＝３．５と仮定し、全長Ｌを０．４、１、３、１０μｍと変化させた場合を示している。これより、Ｌ＝１０μｍと十分に長い場合は、反射率ｒ１が０のときに吸収効率が最大となる。一方、全長Ｌが短くなると、有限の反射率ｒ１を与えて共振器とすることにより、吸収効率が最大となる。例えば、Ｌ＝０．４μｍの場合にｒ１＝約６７％、Ｌ＝１μｍの場合にｒ１＝約３９％とすればよい。実際には、Γ、α、ｎｇ、ｎの値によってｒ１の値は変化し、式（１）において、与えられた各々の値に対して左辺の吸収効率が１となるようなｒ１を設定する必要がある。以上は、光共振器を形成することにより、短い検出器でも吸収効率を増加させる効果を示している。
【００２６】
（第１の実施形態）
（光検出器の構造）
図２に、本発明の第１の実施形態にかかるフォトニック結晶光導波路を用いた光検出器を示す。図２（ａ）は上面図、図２（ｂ）は光導波路の光軸方向の断面図、図２（ｃ）は光軸に垂直な光吸収領域を含む断面図である。フォトニック結晶光検出器１０は、フォトニック結晶１１に、光吸収領域（埋め込み領域）１２が埋め込まれている。フォトニック結晶１１は、屈折率の異なる第１の媒質（ＩｎＰ）と第２の媒質（空気）とが規則的に配列されている。具体的には、ＩｎＰからなる媒質に、円孔１５が三角格子状に配列されている。ＩｎＧａＡｓからなる埋め込み領域１２での光吸収によって生成されたキャリアを引き抜くために、埋め込み領域１２に近接してドーピングを施した領域が形成されている。具体的には、埋め込み領域１２の光軸に平行した一方の辺に近接してｎドープ領域１３が形成され、対向する他方の辺に近接してｐドープ領域１４が形成されている。フォトニック結晶１１の上下は空気層である。また、埋め込み領域１２の光軸上において、第２の媒質を第１の媒質に置換して、埋め込み領域１２に接続されるフォトニック結晶光導波路（入力導波路）を形成している。
【００２７】
円孔の周期をａ［ｎｍ］としたとき、円孔の直径を０．４８ａ、ＩｎＰフォトニック結晶１１の厚さを０．６ａ、ＩｎＧａＡｓ埋め込み領域１２の高さ０．３６ａ、幅０．７１ａとする。ＩｎＧａＡｓ埋め込み領域１２の長さは、１ａから２０ａとする。
【００２８】
ここで、設計上の重要なポイントとなる光導波路の幅について説明する。図３に、フォトニック結晶導波路の導波バンド構造のシミュレーション結果を示す。図３（ａ）は、均一に円孔が配列されたフォトニック結晶に対して、埋め込み領域１２の光軸上の円孔を１列だけ形成せずに、光導波路とした場合の導波バンド構造を示している。このときの光導波路の幅をＷ０と定義する。Ｂ１で示した周波数領域は、入力導波路における偶モード導波バンドであり、Ｂ２で示した周波数領域は、埋め込み領域における偶モード導波バンドである。
【００２９】
入力導波路と埋め込み領域の幅が等しい（Ｗ０）とき、両者の導波バンド位置がずれている。すなわち、Ｂ１とＢ２が重なる部分が少ないため、埋め込み領域へ光を入射できない周波数帯域が広いという問題が生じる。埋め込み領域の導波バンドの低周波数側は、光の群速度が低い周波数帯域であるが、この構造では、低周波数側を利用することができない。
【００３０】
上記の問題を解決するため、ＩｎＰフォトニック結晶１１中の入力導波路の幅を拡大し、逆にＩｎＧａＡｓ埋め込み領域１２の幅を縮小する。本実施形態では、入力導波路の幅を１．０Ｗ０から１．２Ｗ０の間で変化させ、埋め込み領域の幅を０．８Ｗ０から１．０Ｗ０の間で変化させる。図３（ｂ）は、一例として、入力導波路の幅を１．１Ｗ０に拡大し、埋め込み領域の幅を０．９５Ｗ０に縮小した場合の導波バンド構造を示している。入力導波路の導波バンドＢ３と埋め込み領域の導波バンドＢ４とが重なる部分が広くなり、埋め込み領域の低周波数側を利用することができる。これにより光の群速度が低い周波数帯域活用することができる。
【００３１】
図４に、電気的接合部の第１の実施例を示す。図２に示した光検出器では、埋め込み領域１２からキャリアを引き抜くための電気的接合部は、ｐ−ｉ−ｎ構造であった。第１の実施例では、ｎドープ領域１３ａ，１３ｂのみで電気的接合部を構成し、ｎ−ｉ−ｎ構造とする。このような電気的接合部は、フォトコンダクタと呼ばれ、光の入射によって接合部のコンダクタンスを変化させることにより、光検出を行う。なお、ｐドープ領域素子のみで電気的接合部を構成（ｐ−ｉ−ｐ構造）してもよく、２のドープ領域に、同じ不純物をドーピングする。
【００３２】
図５に、電気的接合部の第２の実施例を示す。ｎドープ領域１３と埋め込み領域１２との間、埋め込み領域１２とｐドープ領域１４との間の円孔の列数を、１−３列程度とした構造である。すなわち、それぞれのドープ領域に形成される金属電極１６ａ，１６ｂ（典型的にはＴｉ／Ａｕ）が、埋め込み領域１２の近くに形成できるように、金属電極１６と埋め込み領域１２との間の円孔の列数を、入力導波路の両側の円孔の列数よりも少なくした構造である。このため、接合抵抗Ｒを低減させることができ、ＣＲ時定数の低減、すなわち高速化を図ることができる。
【００３３】
図６に、電気的接合部の第３の実施例を示す。ｐ−ｉ−ｎ構造の代替として、すなわちｎドープ領域と埋め込み領域を形成する代わりに、金属電極１７ａ，１７ｂを埋め込み領域１２に近接して設ける。金属電極１７ａ，１７ｂは、ＩｎＰに対してショットキー接触となる材料を用いる。このようなショットキー電極型構造では、ｐ−ｉ−ｎ構造に比べると、暗電流が高くなり易いという問題点があるが、接合抵抗Ｒを低くすることができ、高速化することができる。
【００３４】
図７に、電気的接合部の第４の実施例を示す。第３の実施例と同じくショットキー電極型構造であり、埋め込み領域１２の直上に櫛形の金属電極１８ａ，１８ｂを配置した構造である。このような櫛形の電極構造では、櫛の周期、幅を調整することにより、入射光に対して分布帰還反射を引き起こすことができ、吸収効率の向上を図ることができる。また、図６に示した横方向の電極配置に比べると、電極間距離を狭めることができるため、キャリア移動時間の低減、すなわち高速化することができる。
【００３５】
一般的な分布帰還条件として、入射光の波長λ、等価屈折率ｎｅｆｆ、櫛の周期Λ、整数ｍとすると、
ｍλ／ｎｅｆｆ＝２Λ  
の関係式からΛを決めればよい。例えば、入射光の波長λを１５５０ｎｍ、ＩｎＧａＡｓ埋め込み領域１２の等価屈折率ｎｅｆｆ＝２．７８、整数ｍを１とすると、Λは約２７９ｎｍとなる。ただし、分布帰還条件は、有限の帯域幅をもつため、厳密にこの周期に設定する必要性はなく、ここではΛ＝０〜２μｍの間の値とし、このとき金属電極１８ａ，１８ｂの櫛の幅は、０−Λの間の値とする。
【００３６】
（光検出器の特性）
図８に、第１の実施形態の２次元モデルによる評価結果を示す。２次元モデルによる有限要素法を用いて、光吸収特性を計算結果した結果である。ＩｎＧａＡｓ埋め込み領域１２の長さＬを１ａ、２ａ、３ａ、６ａとした。埋め込み領域１２の幅は３００ｎｍ、屈折率の虚部（すなわち光消失係数）ｋ＝０．１２３とした。ＩｎＰフォトニック結晶１１の等価屈折率を２．５７、埋め込み領域１２の等価屈折率を２．７８とした。フォトニック結晶１１中の入力導波路の幅を１．１Ｗ０に拡大し、埋め込み領域１２の幅を０．９５Ｗ０に縮小している。
【００３７】
図８は、入射波長に対する光吸収パワーを計算した結果である。波長１．６２μｍより短波長側がフォトニック結晶導波路の導波可能帯域である。まず、Ｌ＝６ａのとき、波長１．５μｍ付近で１００％に近い吸収効率が得られることがわかる。すなわち、第１の実施形態によれば、埋め込み領域１２の入射端での反射を抑制し、良好な光結合が得られていることと、埋め込み領域１２で十分な光吸収が得られていることを示している。
【００３８】
一方、埋め込み領域１２の全長Ｌが３ａ以下と短くなると、１往復の光の伝搬では十分に吸収しきれないため、吸収効率が低下する。ただし、導波帯域の上限である１．６２μｍに近づくほど、吸収効率が維持されていることがわかる。これは、１．６２μｍに近づくほど、光の群速度は低くなり（高い群屈折率ｎｇを有する）、全長Ｌが短くなったとしても、高い群屈折率ｎｇによって、高い吸収効率が得られるからである。
【００３９】
（作製方法）
図９に、第１の実施形態の光検出器の作製方法を示す。ＩｎＰ基板２１上にＩｎＧａＡｓ犠牲層２２（１μｍ）、ＩｎＰ層２３（５０ｎｍ）、ＩｎＧａＡｓ活性層２４（１５０ｎｍ）、ＩｎＰ層２５（５０ｎｍ）をエピタキシャル成長した基板を用意する（図９（ａ））。ＳｉＯ２層２６（３００ｎｍ）をエッチングマスクとして堆積させ、電子ビーム描画とドライエッチング、ウェットエッチングによりＩｎＧａＡｓ埋め込み領域２４ａを形成する（図９（ｂ））。ＩｎＧａＡｓ埋め込み領域２４ａの周囲をＩｎＰ層２７を再成長させる（図９（ｃ））。
【００４０】
Ｚｎ拡散法によりｎドープ領域２７ａと、Ｓｉイオン注入法によりｐドープ領域２７ｂを形成する（図９（ｄ））。電子ビーム描画とドライエッチングにより、フォトニック結晶の円孔２８の配列を形成する（図９（ｅ））。金属電極２９ａ，２９ｂを形成した後、ウェットエッチングによりフォトニック結晶下部のＩｎＧａＡｓ犠牲層２４を除去する（図９ｆ））。最後にＩｎＰ基板２１から切り離すことにより、上下が空気層となるフォトニック結晶からなる光検出器を得ることができる。
【００４１】
（第２の実施形態）
図１０に、本発明の第２の実施形態にかかるフォトニック結晶光導波路を用いた光検出器を示す。図２に示した第１の実施形態において、ＩｎＰフォトニック結晶１１中に出力導波路を設けた構造である。ＩｎＧａＡｓ埋め込み領域１２に対して、入力導波路とは反対側の光軸上において、円孔を１列だけ形成せずに（第２の媒質を第１の媒質に置換）出力導波路を形成している。第１の実施形態では、埋め込み領域１２において吸収しきれなかった光は、入射導波路へ戻ることになる。このような戻り光が、入射導波路に接続されたレーザ光源などへ帰還した場合、レーザ光源の発振動作を不安定化させる原因になる。そこで、出力導波路を設けて、戻り光の発生を防ぐことができる。このような構造は、図４〜７に示したいずれの電気的接合部にも適用することができる。
【００４２】
（第３の実施形態）
（光検出器の構造）
図１１に、本発明の第３の実施形態にかかるフォトニック結晶光導波路を用いた光検出器を示す。図２に示した第１の実施形態において、ＩｎＧａＡｓ埋め込み領域１２の長さを３ａ以下と、短くした構造である。ＩｎＰフォトニック結晶１１中の入力導波路および埋め込み領域１２の幅は、第１の実施形態と同じである。ここで、共振器を形成するために、反射ミラーを形成する必要である。ここでは、入力導波路の埋め込み領域１２の入射端において、入力導波路挟んだ２つの円孔１５ａ，１５ｂの径を、周囲の円孔の径の１〜２倍の範囲で拡大する。円孔１５ａ，１５ｂの大きさを調整することにより、反射率ｒ１を調整する。
【００４３】
なお、第３の実施形態においても、第２の実施形態のように出力導波路を設けることができる。
【００４４】
（光検出器の特性）
図１２に、第３の実施形態の２次元モデルによる評価結果を示す。第１の実施形態と同様に、２次元モデルによる有限要素法を用いて、光吸収特性を計算結果した結果である。ＩｎＧａＡｓ埋め込み領域１２の長さＬを１ａに固定し、その他のパラメータは、第１の実施形態に同じである。埋め込み領域１２の幅は３００ｎｍ、屈折率の虚部（すなわち光消失係数）ｋ＝０．１２３とし、ＩｎＰフォトニック結晶１１の等価屈折率を２．５７、埋め込み領域１２の等価屈折率を２．７８とした。入力導波路の幅を１．１Ｗ０に拡大し、埋め込み領域１２の幅を０．９５Ｗ０に縮小している。
【００４５】
共振器の構造を比較するため、埋め込み領域１２の入射端における入力導波路の両側の円孔１５ａ，１５ｂを、周囲の円孔の１倍、１．４倍、１．７倍、２倍とした。
拡大率１．７倍とした場合に、１．５μｍ付近での吸収効率が高くなっていることがわかる。これは、光の共振によって吸収率が増加する効果を反映している。吸収スペクトルの帯域幅は、４０ｎｍ以上であり、従来のフォトニック結晶光共振器を用いた光検出器に比べて、非常に広い波長領域での光検出を行うことができる。
【符号の説明】
【００４６】
１０  フォトニック結晶光検出器
１１  フォトニック結晶
１２  光吸収領域（埋め込み領域）
１３，２７ａ  ｎドープ領域
１４，２７ｂ  ｐドープ領域
１５  円孔
１６，１７，１８，２９  金属電極
２１  ＩｎＰ基板
２２  ＩｎＧａＡｓ犠牲層
２３，２５，２７  ＩｎＰ層
２４  ＩｎＧａＡｓ活性層
２６  ＳｉＯ２層
【要約】
【課題】、微小サイズ、高い応答速度、高い検出効率を有する光検出器を提供する。
【解決手段】屈折率の異なる第１の媒質と第２の媒質とが規則的に配列されたフォトニック結晶に、光吸収領域が埋め込まれたフォトニック結晶光検出器において、前記光吸収領域の光軸上における前記第２の媒質を、前記第１の媒質に置換した入力導波路を備え、該入力導波路の幅は、前記光吸収領域の幅よりも広い。
【選択図】図２【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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