JP2005123513A - Photodetector - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光通信,光情報処理,光センシングなどの光処理に必要とされる光導波路型の光検出器に関する。 The present invention relates to an optical waveguide type photodetector required for optical processing such as optical communication, optical information processing, and optical sensing.
近年の光エレクトロニクス技術の進歩はめざましいものがあり、この分野は、光通信を中心にセンシングやコンピューティングにまでおよんでいる。このような光エレクトロニクスの分野で用いられる光部品は、電気部品に比較して大きいという欠点があった。一般的な半導体レーザ光源は、数100μmの大きさがあり、酸化シリコン系化合物あるいは窒化シリコン系化合物による光回路に至っては、数10mmの大きさとなっている。従って、光部品を高密度に集積可能とする寸法に微細化する検討がなされている。 Recent advances in optoelectronic technology are remarkable, and this field extends to sensing and computing, centering on optical communications. Such optical parts used in the field of optoelectronics have a drawback that they are larger than electric parts. A general semiconductor laser light source has a size of several hundreds of micrometers, and has a size of several tens of millimeters for an optical circuit made of a silicon oxide compound or a silicon nitride compound. Therefore, studies have been made to reduce the size of optical components to a size that enables high-density integration.
このような検討の中で、光源やスイッチ、増幅器、変調器、受光器といった能動素子に関しては、フォトニック結晶を用いた微細化の基礎的な検討がなされている程度の状態である。これに対し、光導波路では、シリコンを用いたコアによりこの断面の寸法を500nm以下とし、曲げ半径も数μmを可能としている。シリコンを用いた電子デバイスでは、微細化にあたって多くの検討がなされており、ナノメータサイズの素子が実現されている。 In such studies, the active elements such as light sources, switches, amplifiers, modulators, and light receivers are in a state where basic studies on miniaturization using photonic crystals have been made. On the other hand, in the optical waveguide, the dimension of the cross section is made 500 nm or less and the bending radius can be several μm by the core using silicon. In electronic devices using silicon, many studies have been made for miniaturization, and nanometer-sized elements have been realized.
しかしながら、シリコンを用いた光部品は、前述した微小な導波路や、MEMSによる光スイッチなどの限られている。シリコンは、間接遷移型半導体であるとともに、また、光通信や光情報処理で用いられる波長1.2〜1.5μmの光に対して透明であり、光と相互作用を持たない。このため、上述したように、シリコンを用いた微細な能動素子が実現されていない。 However, optical parts using silicon are limited to the above-described minute waveguides, MEMS optical switches, and the like. Silicon is an indirect transition semiconductor, and is transparent to light having a wavelength of 1.2 to 1.5 μm used in optical communication and optical information processing, and has no interaction with light. For this reason, as described above, a fine active element using silicon has not been realized.
一方、従来よりシリコンフォトダイオードの二光子吸収を利用したオートコリレータ(非特許文献1参照)、シリコンCCDカメラを用いたオートコリレータ(非特許文献2参照)、シリコンフォトダイオードの二光子吸収を利用したリフレクトメータ(非特許文献3参照)などの実用的なデバイスや装置の報告もある。これらは、可視領域で光デバイスとして利用されてきたシリコンデバイスを、波長1.3〜1.5μmの光で利用しようとした技術である。 On the other hand, conventionally, an autocorrelator using two-photon absorption of a silicon photodiode (see Non-Patent Document 1), an autocorrelator using a silicon CCD camera (see Non-Patent Document 2), and two-photon absorption of a silicon photodiode are used. There are also reports of practical devices and apparatuses such as a reflectometer (see Non-Patent Document 3). These are technologies that attempt to use silicon devices that have been used as optical devices in the visible region with light having a wavelength of 1.3 to 1.5 μm.
なお、出願人は、本明細書に記載した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を出願時までに発見するには至らなかった。
しかしながら、上述した二光子吸収を利用したシリコンによる光デバイスは、素子サイズが大きく、大がかりな装置群が必要であり、これらのデバイスの微細化は検討されていない。 However, the above-described optical device using silicon utilizing two-photon absorption has a large element size and requires a large device group, and miniaturization of these devices has not been studied.
従って、従来では、波長が1.1〜2.2μmの範囲の光を検出する微細な能動素子を得ようとすると、ガリウムヒ素系化合物やインジウム燐系化合物などの化合物半導体よりなる素子を利用することとなっていた。このため、シリコンコアによる微細な導波路と、上記能動素子とをモノリシックに集積化した集積デバイスが、容易に得られないという問題があった。 Therefore, conventionally, in order to obtain a fine active element that detects light having a wavelength in the range of 1.1 to 2.2 μm, an element made of a compound semiconductor such as a gallium arsenide compound or an indium phosphorus compound is used. It was supposed to be. For this reason, there is a problem that an integrated device in which a fine waveguide using a silicon core and the active element are integrated monolithically cannot be easily obtained.
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、素子サイズが小さくシリコンからなる導波路とモノリシックに集積が可能な光検出器を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a photodetector that can be monolithically integrated with a waveguide made of silicon with a small element size.
本発明に係る光検出器は、導波方向にpn接合面が延在するようにp形の領域とn形の領域とが形成されて断面の少なくとも1つの方向の寸法が500nm以下のシリコンからなるコアと、このコアのp形領域とn形領域との間に例えば逆バイアス電圧を印加する電源と、コアのp形領域とn形領域との間に流れる電流を測定する電流計と、コアの周囲に配置されてシリコンより屈折率の低いクラッドとを少なくとも備えたものである。
この光検出器では、コアを伝播する光の強度が所定値以上となると、コアにおいて二光子吸収(多光子吸収)によりキャリアが発生し、この結果発生する電流が電流計に計測される。
In the photodetector according to the present invention, a p-type region and an n-type region are formed so that a pn junction surface extends in the waveguide direction, and a dimension in at least one direction of a cross section is 500 nm or less. A power source that applies, for example, a reverse bias voltage between the p-type region and the n-type region of the core, an ammeter that measures a current flowing between the p-type region and the n-type region of the core, At least a cladding disposed around the core and having a refractive index lower than that of silicon is provided.
In this photodetector, when the intensity of light propagating through the core exceeds a predetermined value, carriers are generated by two-photon absorption (multiphoton absorption) in the core, and the resulting current is measured by an ammeter.
上記光検出器において、クラッドは、コアのp形領域に接触する導電性材料からなる第1クラッド層と、コアのn形領域に接触する導電性材料からなる第2クラッド層と,第1クラッド層と第2クラッド層とを絶縁分離するように、コアを挟むように配置された絶縁性材料からなる第3クラッド層,第4クラッド層とから構成されていればよい。この構成とすることで、コアにおける導体損失を抑制した状態で、p形領域とn形領域とにバイアス電圧を印加し、また、二光子吸収により発生したキャリアによる電流を計測できるようになる。 In the photodetector, the cladding includes a first cladding layer made of a conductive material in contact with the p-type region of the core, a second cladding layer made of a conductive material in contact with the n-type region of the core, and the first cladding. What is necessary is just to be comprised from the 3rd cladding layer and the 4th cladding layer which consist of an insulating material arrange | positioned so that a core may be pinched | interposed so that a layer and a 2nd cladding layer may be insulated-separated. With this configuration, it is possible to apply a bias voltage to the p-type region and the n-type region while suppressing conductor loss in the core, and to measure a current due to carriers generated by two-photon absorption.
上記光検出器において、第1クラッド層及び第2クラッド層が、第3クラッド層と第4クラッド層とに挟まれてコアを挟んで対向配置されていれもよく、第3クラッド層及び第4クラッド層が、第1クラッド層と第2クラッド層とに挟まれてコアを挟んで対向配置されていてもよい。また、第1クラッド層及び第2クラッド層は、酸化亜鉛系化合物もしくは酸化インジウム系化合物の中から選択されたいずれかの材料から構成することが可能である。 In the photodetector, the first clad layer and the second clad layer may be disposed between the third clad layer and the fourth clad layer so as to face each other with the core interposed therebetween. The clad layer may be sandwiched between the first clad layer and the second clad layer and disposed opposite to each other with the core therebetween. The first cladding layer and the second cladding layer can be made of any material selected from a zinc oxide-based compound or an indium oxide-based compound.
以上説明したように、本発明によれば、シリコンコアによる導波路により光検出器を構成したので、構成が単純で容易に微細化が可能であり、また、シリコンコアよりなる他の光回路との接続が非常に容易である。この結果、本発明によれば、素子サイズが小さくシリコンからなる導波路とモノリシックに集積が可能な光検出器が提供できるという優れた効果が得られる。 As described above, according to the present invention, since the photodetector is constituted by the waveguide formed by the silicon core, the structure is simple and can be easily miniaturized, and other optical circuits made of the silicon core can be used. Is very easy to connect. As a result, according to the present invention, it is possible to provide an excellent effect that a photodetector that can be monolithically integrated with a waveguide made of silicon with a small element size can be provided.
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
[実施の形態1]
図1は、本発明の実施の形態における光検出器の構成例を模式的に示す斜視図である。
この光検出器は、下部クラッド層101の上に隣接して配置されたp形シリコンコア(p形の領域)102及びn形シリコンコア(n形の領域)103を備える。p形シリコンコア102及びn形シリコンコア103により、下部クラッド層101の主表面に対して垂直な方向に、pn接合の面が形成された状態となる。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[Embodiment 1]
FIG. 1 is a perspective view schematically showing a configuration example of a photodetector in the embodiment of the present invention.
The photodetector includes a p-type silicon core (p-type region) 102 and an n-type silicon core (n-type region) 103 disposed adjacent to each other on the
また、p形シリコンコア102とn形シリコンコア103とよりなるシリコンコアの断面は、少なくとも1つの方向の寸法が500nm以下である。例えば、シリコンコアの断面は、図1の紙面の横方向に幅1μmであり、紙面縦方向に高さ500nmであればよい。この場合、p形シリコンコア102とn形シリコンコア103の各々断面は、一辺500nmの正方形である。また、シリコンコアは、幅500μm,高さ500μmであってもよい。この場合、p形シリコンコア102とn形シリコンコア103の各々断面は、幅250nm,高さ500nmの長方形である。
The cross section of the silicon core composed of the p-
下部クラッド層101とこの上に形成された各シリコンコアは、例えば、公知のSOI(Silicon on Insulator)基板を加工することで形成できる。SOI基板の埋め込み絶縁層を下部クラッド層101とし、この上の単結晶シリコン層を、公知のフォトリソグラフィ技術及びエッチング技術により加工し、選択的にイオン注入することで、p形シリコンコア102及びn形シリコンコア103を形成することができる。また、選択的にイオン注入をしてp形の領域とn形の領域とを形成した後、これらによるpn接合面を中心にしてストライプ状のパターンを形成することでも、p形シリコンコア102及びn形シリコンコア103が形成できる。
The
また、p形シリコンコア102,n形シリコンコア103の両脇には、酸化亜鉛系化合物や酸化インジウム系化合物など、シリコンコアより低屈折率な導電性材料から構成された側部クラッド層(第1クラッド層)104a,側部クラッド層(第2クラッド層)104bを備え、また、これらを覆う上部クラッド層105を備えている。従って、側部クラッド層104a及び側部クラッド層104bは、下部クラッド層101と上部クラッド層105とに挟まれ、p形シリコンコア102,n形シリコンコア103よりなるシリコンコアを挟んで対向配置されている。
Further, on both sides of the p-
なお、下部クラッド層101及び上部クラッド層105は、酸化シリコン系化合物,窒化シリコン系化合物,エポキシ系高分子材料,及びポリイミド系高分子材料など、シリコンコアより低屈折率な誘電体材料を用いればよい。p形シリコンコア102,n形シリコンコア103及びこれらの下部,側部,上部を覆う各クラッドにより、光導波路が構成されている。
The
また、側部クラッド層104a,104bには、上部クラッド層105を貫通するコンタクトプラグ106,107が接続している。加えて、側部クラッド層104a,104bは、コンタクトプラグ106,107を介し、上部クラッド層105の上に形成された電極108,電極109に接続している。電極108,電極109には、電源110が接続され、これらの間にバイアス電圧を印加可能としている。なお、電源110には、電流計111が直列に接続されている。
In addition,
上述した構成とした図1の光検出器によれば、p形シリコンコア102及びn形シリコンコア103の内部で二光子吸収(多光子吸収)により発生したキャリア(電子正孔対)が、電流計111により電流として検出されるようになる。従って、図1の光検出器によれば、p形シリコンコア102及びn形シリコンコア103よりなる導波路を導波する光を検出することが可能となる。
According to the photodetector of FIG. 1 configured as described above, carriers (electron-hole pairs) generated by two-photon absorption (multiphoton absorption) inside the p-
図2は、図1に示した光検出器を用いた光検出器アレイの構成例を模式的に示す断面図である。複数の光検出器200が、共通の下部クラッド層201の上に配列され、各光検出器200は、絶縁層220によって各々絶縁分離されている。絶縁層220は、酸化シリコン系の化合物,窒化シリコン系の化合物,エポキシ系高分子化合物,及びポリイミド系高分子化合物などの絶縁材料から構成すればよい。また、絶縁層220は、空気の層から構成してもよい。言い換えると、各光検出器200が、下部クラッド層201の上で、各々所定の間隔で離間して配列していてもよい。波長1.1〜2.2μmの光を対象とする場合、各光検出器200の隙間、すなわち絶縁層220の厚さは、2μm程度であればよい。
FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing a configuration example of a photodetector array using the photodetector shown in FIG. A plurality of
ここで、上述した2光子吸収について説明する
図3は、二光子吸収(多光子吸収)を検討するための測定系300であり、シリコンのコアとこれより低屈折率のクラッドとから構成された光導波路301に、パタンジェネレータ302及び光変調器303によってビットパターンに変調した波長1.1μm<λ1<2.2μmの光を入力させ、O/Eサンプリングオシロスコープ304で測定するものである。
Here, the above-described two-photon absorption will be described. FIG. 3 shows a
光導波路301に入射した上記光は、波長がシリコンのバンドギャップより長いため、光の強度が低い場合は、光導波路301を透過(導波)して出力(出射)される。シリコンコアの光導波路301は、波長1.1〜2.2μmの光であれば、コアの径を500nm以下としても導波させることが可能であり、この構成の光導波路301を導波する波長1.1〜2.2の光は、コア内で光強度が著しく大きくなる。この構造において、光導波路301を導波する光の強度を大きくし、この強度が所定値を超えると二光子吸収が起こり、キャリア(電子正孔対)が生成されて光吸収が起きる。なお、より強い光強度の光により、光導波路301においては、三光子吸収,四光子吸収・・と多光子吸収が起こる。
Since the light incident on the
また、二光子吸収により生成された電子正孔対が再結合する場合、制御光の2倍のエネルギーの光を放出するが、光導波路301のコアを構成しているシリコンのバンドギャップよりエネルギーが大きいため、再結合により放出された光は、光導波路301を伝播することができない。従って、光導波路305を導波して取り出された光の状態を測定することで、光導波路301における二光子吸収の状態を確認することができる。
In addition, when electron-hole pairs generated by two-photon absorption recombine, light having twice the energy of the control light is emitted, but the energy is larger than the band gap of silicon forming the core of the
図4は、光導波路301に入射させる光の波形を示した特性図である。図4に示すように、光導波路301には、ビットパターンに変調した光を入射させる。図5は、光導波路301より出射された光をO/Eサンプリングオシロスコープ304で測定した結果得られた光の波形を示した特性図である。また、図6は、光導波路301に入射させるビットパターンの光のピーク強度を変化させた場合の、図5のB/Aの値をプロットした特性図である。
FIG. 4 is a characteristic diagram showing a waveform of light incident on the
図6より判るように、光導波路301に入射させる光のピーク強度と、入力させたビットパターンの光の光導波路301における透過率の逆数が比例関係にあり、図5に示す光の減衰が、光導波路301における二光子吸収であることを示している(文献:J.H.Bechtel and W.L.Smith,"Two-photon absorption in semiconductors with picosecond laser pulses", PHYSICAL REVIEW B, Vo.13, No.8, pp3515-3522, 15th APRIL 1976.)。
As can be seen from FIG. 6, the peak intensity of light incident on the
ここで、光導波路301のシリコンからなるコアにpn接合を設け、このpn接合に逆バイアスを印加し、コアのp形領域とn形領域とに各々電極を接続すれば、pn接合を備えたコアに発生した電子正孔対(キャリア)を、上記電極より電気信号として取り出すことができる。すなわち、シリコンからなるコアにpn接合を設けた図1に示す光検出器によれば、コアに発生した二光子吸収を、電気信号として取り出すことができる。このように、図1に示す光検出器によれば、所定値以上の光強度の光を検出することができる。
Here, a pn junction is provided by providing a pn junction in the silicon core of the
ところで、図1に示す光検出器は導波路型であるため、コアに設けたpn接合よりキャリアを取り出す電極を金属から構成すると、光が伝播するコアの近傍に金属が存在することになり、導体損失が大きく効率的ではない。このため、前述したように、p形シリコンコア102及びn形シリコンコア103の両側部の側部クラッド層104a,104bは、酸化亜鉛系化合物や酸化インジウム系化合物などのシリコンコアより低屈折率な導電性材料から構成し、これらを電極108,電極109に接続するための引き出し電極(配線)として用いる。これらの材料は、シリコンに比較して屈折率が小さいので、配線として機能するとともにクラッドとしても機能する。
By the way, since the photodetector shown in FIG. 1 is a waveguide type, when an electrode for extracting carriers from a pn junction provided in the core is made of metal, the metal exists in the vicinity of the core through which light propagates. Conductor loss is large and not efficient. For this reason, as described above, the
以上に説明した図1の光検出器は、微細化が容易であり、また光導波路型であるため、シリコンナノ光導波路などと容易に接続することが可能である。従って、図1に示す光検出器を用いることで、これらによる光集積回路の微細化が容易となる。また、図1の光検出器であれば、これを複数配列させて図2に示すようなアレイ接続の構成としても、素子全体の増大を招くことがなく、微細化が容易である。 The photodetector shown in FIG. 1 described above can be easily miniaturized and is of an optical waveguide type, so that it can be easily connected to a silicon nano-optical waveguide or the like. Therefore, the use of the photodetector shown in FIG. 1 facilitates miniaturization of the optical integrated circuit. Further, in the case of the photodetector shown in FIG. 1, even if a plurality of the photodetectors are arranged to form an array connection configuration as shown in FIG. 2, the entire device is not increased and miniaturization is easy.
[実施の形態2]
次に、本発明の実施の形態における他の光検出器について説明する。図7は、本発明における他の光検出器の構成例を模式的に示す斜視図である。
この光検出器は、図1に示した光検出器と同様に、下部クラッド層101の上に隣接して配置されたp形シリコンコア102及びn形シリコンコア103を備える。また、p形シリコンコア102,n形シリコンコア103の両脇には、側部クラッド層104a,104bを備えている。
[Embodiment 2]
Next, another photodetector in the embodiment of the present invention will be described. FIG. 7 is a perspective view schematically showing a configuration example of another photodetector in the present invention.
This photodetector includes a p-
図7に示す光検出器では、p形シリコンコア102及びn形シリコンコア103を覆い、側部クラッド層104a,104bの一部にまで延在する上部クラッド層705を備え、側部クラッド層104a,104bの上面が露出する構成となっている。上部クラッド層705は、p形シリコンコア102及びn形シリコンコア103により導波路が構成される程度に、少なくともp形シリコンコア102及びn形シリコンコア103を覆うものとなっていればよい。また、上部クラッド層705は、導波路の導波方向の中心が、p形シリコンコア102及びn形シリコンコア103よりなるコアの中心と同じ位置となるように配置する。
The photodetector shown in FIG. 7 includes an upper
上部クラッド層705の導波方向に垂直な方向の幅は、コアを導波する光の波長及びクラッド層を構成する材料の組み合わせにより、適宜設定すればよい。例えば、コアを導波する光の波長が1.1〜2.2μmであり、上部クラッド層705を構成する材料が、前述した酸化シリコン系化合物,窒化シリコン系化合物,エポキシ系高分子材料,及びポリイミド系高分子材料などの場合、上部クラッド層705の幅は、2μm以上あればよい。
The width of the
これらの構成とした図7の光検出器では、側部クラッド層104a,側部クラッド層104bに電源110が接続され、これらの間にバイアス電圧を印加可能としている。なお、電源110には、電流計111が直列に接続されている。図7の光検出器においても、p形シリコンコア102p形シリコンコア102及びn形シリコンコア103よりなる導波路を導波する光を検出することが可能となる。なお、側部クラッド層104a,側部クラッド層104bの各々に、金属からなる電極パッドを設け、これに電源110を接続するようにしてもよい。
In the photodetector of FIG. 7 configured as described above, a
ところで、図7に示す光検出器であっても、図8に示すように、光検出器アレイの構成とすることができる。この場合、複数の光検出器800が、共通の下部クラッド層801の上に配列され、各光検出器800は、絶縁層820によって各々絶縁分離されている。絶縁層820は、酸化シリコン系の化合物,窒化シリコン系の化合物,エポキシ系高分子化合物,及びポリイミド系高分子化合物などの絶縁材料から構成すればよい。また、絶縁層820は、空気の層から構成してもよい。言い換えると、各光検出器800が、下部クラッド層801の上で、各々所定の間隔で離間して配列していてもよい。波長1.1〜2.2μmの光を対象とする場合、各光検出器800の隙間、すなわち絶縁層820の厚さは、2μm程度であればよい。
By the way, even the photodetector shown in FIG. 7 can be configured as a photodetector array as shown in FIG. In this case, a plurality of
[実施の形態3]
次に、本発明の実施の形態における他の光検出器について説明する。図9は、本発明における他の光検出器の構成例を模式的に示す斜視図である。
この光検出器は、酸化亜鉛系化合物や酸化インジウム系化合物などのシリコンコアより低屈折率な導電性材料から構成された下部クラッド層(第1クラッド層)901の上に、p形シリコンコア902及びこの上に積層されたn形シリコンコア903を備える。p形シリコンコア902及びn形シリコンコア903により、下部クラッド層901の主表面に対して平行なpn接合の面が形成された状態となる。
[Embodiment 3]
Next, another photodetector in the embodiment of the present invention will be described. FIG. 9 is a perspective view schematically showing a configuration example of another photodetector in the present invention.
This photodetector includes a p-
また、積層されたp形シリコンコア902,n形シリコンコア903の両脇には、側部クラッド層904を備える。側部クラッド層904は、酸化シリコン系化合物,窒化シリコン系化合物,エポキシ系高分子材料,及びポリイミド系高分子材料など、シリコンコアより低屈折率な誘電体材料を用いればよい。加えて、n形シリコンコア903の上面及び側部クラッド層904の上面を覆う上部クラッド層(第2クラッド層)905を備える。従って、側部クラッド層904は、p形シリコンコア902,n形シリコンコア903よりなるシリコンコアを挟んで対向配置し、かつ、下部クラッド層901と上部クラッド層905とに挟まれている。
Further, side clad
また、上部クラッド層905は、下部クラッド層901と同様に、酸化亜鉛系化合物や酸化インジウム系化合物などのシリコンコアより低屈折率な導電性材料から構成されていればよい。p形シリコンコア902,n形シリコンコア903及びこれらの下部,側部,上部を覆う各クラッドにより、光導波路が構成されている。
Similarly to the lower
図9に示す光検出器においては、下部クラッド層901,上部クラッド層905に電源を接続してこれらの間に逆バイアス電圧を印加し、電源に直列に接続された電流計を設けることで、p形シリコンコア902及びn形シリコンコア903の内部で二光子吸収(多光子吸収)により発生したキャリアが、電流計により電流として検出されるようになる。従って、図9の光検出器によっても、p形シリコンコア902及びn形シリコンコア903よりなる導波路を導波する光を検出することが可能となる。
In the photodetector shown in FIG. 9, a power source is connected to the
図1,図7に示した光検出器の構成、及び図9に示した光検出器の構成から明らかなように、導波方向にpn接合面が延在するようにp形のコアとn形のコアとを配置し、これらよりなるシリコンコアの断面は、少なくとも1つの方向の寸法が500nm以下であり、これらにバイアス電圧が印加され、また、流れる電流が計測可能であることが重要である。電圧の印加や電流の測定は、p形のコアに接触して導電性を有するp形用のクラッドを設け、n形のコアに接触して導電性を有するn形用のクラッドを設け、p形用のクラッドとn形用のクラッドとは絶縁分離した状態とし、各クラッドを配線(引き出し電極)として用いることで可能となる。また、この構成とすることで、コアよりなる導波路の導体損失が防げて効率的となる。 As is clear from the configuration of the photodetector shown in FIGS. 1 and 7 and the configuration of the photodetector shown in FIG. 9, a p-type core and n are formed so that a pn junction surface extends in the waveguide direction. It is important that the cross section of the silicon core made of these has a dimension in at least one direction of 500 nm or less, a bias voltage is applied to them, and the flowing current can be measured. is there. For applying voltage and measuring current, a p-type clad having conductivity is provided in contact with the p-type core, and an n-type clad having conductivity is provided in contact with the n-type core. The clad for the shape and the clad for the n-type are insulatively separated, and each clad can be used as a wiring (extraction electrode). Further, by adopting this configuration, the conductor loss of the waveguide made of the core can be prevented and the efficiency is improved.
なお、図9に示す光検出器において、上部クラッド層905により、側部クラッド層904の全域が覆われている必要はない。導波する光の波長により適宜設定された所定の幅の上部クラッド層905が、n形シリコンコア903を中心に設けられていればよい。また、図9に示す光検出器において、p形シリコンコアの上にn形シリコンコアが配置されている構成に限るものではなく、逆の構成としても良いことは言うまでもない。
また、図9に示す光検出器において、下部クラッド層901,上部クラッド層905において、金属からなる電極パッドを設け、これに電源を接続するようにしてもよい。
In the photodetector shown in FIG. 9, it is not necessary to cover the entire
In the photodetector shown in FIG. 9, electrode pads made of metal may be provided in the lower
ところで、図9に示す光検出器であっても、図10に示すように、光検出器アレイの構成とすることができる。この場合、複数の光検出器1000が、共通の下部クラッド層1001の上に配列され、各光検出器1000は、絶縁層1020によって各々絶縁分離されている。また、この場合、隣り合う光検出器1000において、各々のコアの間に配置される側部クラッド層904は、共通に用いることができる。
By the way, even the photodetector shown in FIG. 9 can have a configuration of a photodetector array as shown in FIG. In this case, a plurality of
なお、絶縁層1020は、酸化シリコン系の化合物,窒化シリコン系の化合物,エポキシ系高分子化合物,及びポリイミド系高分子化合物などの絶縁材料から構成すればよい。また、絶縁層820は、空気の層から構成してもよい。言い換えると、各光検出器800が、下部クラッド層801の上で、各々所定の間隔で離間して配列していてもよい。波長1.1〜2.2μmの光を対象とする場合、各光検出器1000の隙間、すなわち絶縁層1020の厚さは、2μm程度であればよい。
Note that the insulating
次に、上述した光検出器と光導波路とを集積化した構成について説明する。
図11は、図1に示した光検出器に光導波路が直列に接続された状態を模式的に示す斜視図である。光検出器100は、下部クラッド層101の上に隣接して配置されたp形シリコンコア102及びn形シリコンコア103を備える。また、p形シリコンコア102,n形シリコンコア103の両脇には、側部クラッド層104a,104bを備え、また、これらを覆う上部クラッド層105を備えている。
Next, a configuration in which the above-described photodetector and optical waveguide are integrated will be described.
FIG. 11 is a perspective view schematically showing a state in which an optical waveguide is connected in series to the photodetector shown in FIG. The
また、側部クラッド層104a,104bには、上部クラッド層105を貫通するコンタクトプラグ106,107が接続している。加えて、側部クラッド層104a,104bは、コンタクトプラグ106,107を介し、上部クラッド層105の上に形成された電極108,電極109に接続している。電極108,電極109には、電源110が接続され、これらの間にバイアス電圧を印加可能としている。なお、電源110には、電流計111が直列に接続されている。これらは、図1に示した構成と同様である。
In addition, contact plugs 106 and 107 penetrating the
図11に示した光集積回路では、上述した光検出器100に、導波路150が接続している。導波路150は、p形シリコンコア102及びn形シリコンコア103に接続するシリコンコア151より構成されている。また、シリコンコア151の下部,上部,側部のクラッドは、下部クラッド層101,側部クラッド層104a,104b,上部クラッド層105が共通している。なお、導波路150の領域においては、側部クラッド層に、上部クラッド層105と同様に、酸化シリコン系化合物,窒化シリコン系化合物,エポキシ系高分子材料,及びポリイミド系高分子材料など、シリコンコアより低屈折率な誘電体材料を用いるようにしてもよい。
In the optical integrated circuit shown in FIG. 11, a
図11は、光検出器100に導波路150が接続した集積回路の一例を示したが、これに限るものではなく、図12の平面図に示すように、複数の光検出器100が、導波路150によって直列に接続された構成であってもよい。なお、図11では、図1に示した光検出器を集積した例を示したが、これに限るものではなく、図7,9に示した光検出器を集積するようにしてもよい。
FIG. 11 shows an example of an integrated circuit in which the
また、図13,14に示すように、光検出器100と光導波路150との直列な光回路を、並列するようにしてもよい。この場合、隣り合う光回路の間には、絶縁層230を設ける。絶縁層230は、光回路の延在方向に垂直な方向に隣り合う光検出器100の間を絶縁分離するように設けられている。なお、図14の平面図では、絶縁層230を省略して示している。
Moreover, as shown in FIGS. 13 and 14, a serial optical circuit of the
101…下部クラッド層、102…p形シリコンコア、103…n形シリコンコア、104a,104b…側部クラッド層、105…上部クラッド層、106,107…コンタクトプラグ、108,109…電極、110…電源、111…電流計。
DESCRIPTION OF
Claims (5)
このコアのp形領域とn形領域との間に所定のバイアス電圧を印加する電源と、
前記コアのp形領域とn形領域との間に流れる電流を測定する電流計と、
前記コアの周囲に配置されてシリコンより屈折率の低いクラッドと
を少なくとも備えたことを特徴とする光検出器。 A core made of silicon having a p-type region and an n-type region formed so that a pn junction surface extends in the waveguide direction and having a dimension in at least one direction of a cross section of 500 nm or less;
A power supply for applying a predetermined bias voltage between the p-type region and the n-type region of the core;
An ammeter for measuring a current flowing between the p-type region and the n-type region of the core;
A photodetector having at least a cladding disposed around the core and having a refractive index lower than that of silicon.
前記クラッドは、
前記コアのp形領域に接触する導電性材料からなる第1クラッド層と、
前記コアのn形領域に接触する導電性材料からなる第2クラッド層と、
前記第1クラッド層と第2クラッド層とを絶縁分離するように、前記コアを挟むように配置された絶縁性材料からなる第3クラッド層,第4クラッド層と
から構成されたことを特徴とする光検出器。 The photodetector of claim 1.
The cladding is
A first cladding layer made of a conductive material in contact with the p-type region of the core;
A second cladding layer made of a conductive material in contact with the n-type region of the core;
The third clad layer and the fourth clad layer are made of an insulating material disposed so as to sandwich the core so as to insulate and separate the first clad layer and the second clad layer. To light detector.
前記第1クラッド層及び第2クラッド層は、前記第3クラッド層と前記第4クラッド層とに挟まれて前記コアを挟んで対向配置され
たことを特徴とする光検出器。 The photodetector according to claim 2.
The first clad layer and the second clad layer are sandwiched between the third clad layer and the fourth clad layer, and are arranged to face each other with the core therebetween.
前記第3クラッド層及び第4クラッド層は、前記第1クラッド層と前記第2クラッド層とに挟まれて前記コアを挟んで対向配置され
たことを特徴とする光検出器。 The photodetector according to claim 2.
The photodetector is characterized in that the third clad layer and the fourth clad layer are sandwiched between the first clad layer and the second clad layer and are opposed to each other across the core.
前記第1クラッド層及び第2クラッド層は、酸化亜鉛系化合物もしくは酸化インジウム系化合物の中から選択されたいずれかの材料から構成されたものである
ことを特徴とする光検出器。
In the photodetector of any one of Claims 2-4,
The first clad layer and the second clad layer are made of any material selected from a zinc oxide compound or an indium oxide compound. The photodetector.
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