JP2015153899A

JP2015153899A - 受光素子の制御方法

Info

Publication number: JP2015153899A
Application number: JP2014026314A
Authority: JP
Inventors: 浩太郎武田; Kotaro Takeda; 山田　浩治; Koji Yamada; 浩治山田; 福田　浩; Hiroshi Fukuda; 浩福田; 一実和田; Kazumi Wada; 靖彦石川; Yasuhiko Ishikawa
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp; University of Tokyo NUC
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp; University of Tokyo NUC
Priority date: 2014-02-14
Filing date: 2014-02-14
Publication date: 2015-08-24

Abstract

【課題】ゲルマニウムからなる光吸収層を備えた受光素子で、Ｌ帯の光を実用的な光電変換効率で光電変換できるようにする。【解決手段】まず、ステップＳ１０１で、ゲルマニウムからなる光吸収層を備えた受光素子に、所定のバイアス電圧を印加する（第１ステップ）。次に、ステップＳ１０２で、バイアス電圧を印加している状態で、受光素子で光を受光して光電変換する（第２ステップ）。ステップＳ１０１では、光電変換効率が、所望の値となるように、波長が１５６５ｎｍより長い受光光の周波数に対応させて受光素子に印加するバイアス電圧を決定する。【選択図】図１

Description

本発明は、ゲルマニウムからなる光吸収層を備える受光素子の制御方法に関する。

ゲルマニウムは、シリコンウェハ上にエピタキシャル成長できる材料であり、この特徴から、シリコンフォトニクス技術における受光素子（光吸収層）の材料として広く応用されている。一般に、ゲルマニウムを用いたフォトダイオード（Ｇｅ−ＰＤ）は、ゲルマニウム光吸収層に、厚さ０．５−１μｍあたりで０−２ＶのＤＣバイアス電圧を印加して駆動される。これは、バイアス電圧を印加することにより、高速信号に対する応答性が向上するためである。

また、光を照射しない状態でＧｅ−ＰＤ中を流れる電流は、暗電流と呼ばれているが、この暗電流が大きくなると、Ｇｅ−ＰＤの光検出下限界が制限され，結果としてＧｅ−ＰＤの動作範囲を制限する。従って、暗電流は小さいことが好ましい。暗電流を抑えながら、高速応答性を高めるために，従来のＧｅ−ＰＤは、バイアス電圧を０−２Ｖの範囲として駆動されている。

C.T. DeRose et al. ,"Ultra compact 45 GHz CMOS compatible Germanium waveguide photodiode with low dark current", OPTICS EXPRESS, vol.19, no.25, pp.24897-24904, 2011. Y.Kuwamura and M.Yamada, "Analysis of Modified Franz-Keldysh Effect under Influence of Electronic Intraband Relaxation Phenomena", Jpn. J. Appl. Phys. , vol.35, pp.6117-6125, 1996.

ところで、Ｇｅ−ＰＤは、光通信波長帯Ｌ帯（１５６５ｎｍ−１６２５ｎｍ）における光電変換効率が低い。例えば、図７に示すように、バイアス電圧を１Ｖとした場合、Ｇｅ−ＰＤの光電変換効率は、入射光波長に対して変化する。図７から分かるように、波長１５６５ｎｍ−１６２５ｎｍにおいて、光電変換効率が低下している。これは、ゲルマニウムの光吸収係数が、長波長になるに従い徐々に減少するためである。このため、Ｇｅ−ＰＤは、Ｌ帯における受光素子として用いることが困難であった。

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、ゲルマニウムからなる光吸収層を備えた受光素子で、Ｌ帯の光を実用的な光電変換効率で光電変換できるようにすることを目的とする。

本発明に係る受光素子の制御方法は、ゲルマニウムからなる光吸収層を備えた受光素子にバイアス電圧を印加する第１ステップと、バイアス電圧を印加している状態で、受光素子で光を受光して光電変換する第２ステップとを備え、第１ステップでは、光電変換効率が所望の値となるように、波長が１５６５ｎｍより長い受光光の周波数に対応させて受光素子に印加するバイアス電圧を決定する。

上記受光素子の制御方法において、第１ステップでは、以下の式により求められる光電変換効率Ｒが所望の値となるように、受光光の周波数に対応させて受光素子に印加するバイアス電圧を決定すればよい。

以上説明したことにより、本発明によれば、ゲルマニウムからなる光吸収層を備えた受光素子で、Ｌ帯の光を実用的な光電変換効率で光電変換できるようになるという優れた効果が得られる。

図１は、本発明の実施の形態における受光素子の制御方法を説明するフローチャートである。図２は、ゲルマニウムを用いた受光素子の構成を示す断面図である。図３は、Ｇｅ−ＰＤにおける入射する受光光の波長に対する光電変換効率の変化を示す特性図である。図４は、Ｇｅ−ＰＤにおける小信号３ｄＢ帯域と印加電圧の関係を示した特性図である。図５は、バイアス電圧を制御して所望とする光電変換効率とするシステムの構成例を示す構成図である。図６は、式（１）によりゲルマニウム光吸収層の厚さが１μｍとしたＧｅ−ＰＤの光電変換効率を算出した結果を示す特性図である。図７は、バイアス電圧を１ＶとしたＧｅ−ＰＤの光通信波長帯Ｌ帯（１５６５ｎｍ−１６２５ｎｍ）における光電変換効率を示す特性図である。

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。図１は、本発明の実施の形態における受光素子の制御方法を説明するフローチャートである。まず、ステップＳ１０１で、ゲルマニウムからなる光吸収層を備えた受光素子に、所定のバイアス電圧を印加する（第１ステップ）。次に、ステップＳ１０２で、バイアス電圧を印加している状態で、受光素子で光を受光して光電変換する（第２ステップ）。

ここで、ステップＳ１０１では、光電変換効率が、所望の値となるように、波長が１５６５ｎｍより長い受光光の周波数に対応させて受光素子に印加するバイアス電圧を決定する。

ゲルマニウムを用いたフォトダイオード（Ｇｅ−ＰＤ）は、波長が１５６５ｎｍより長い領域のＬ帯においては、光電変換効率が低下する。光電変換効率は、バイアス電圧を高くすることで向上させることができるが、従来では、暗電流が増加するため、高いバイアス電圧を用いないようにしていた。このため、従来では、Ｌ帯を対象とした場合、Ｇｅ−ＰＤを用いることができない状態であった。

これに対し、本発明では、Ｌ帯で高い光電変換効率が得られる高いバイアス電圧を用いるようにしたところに大きな特徴がある。本発明では、上述したことにより、暗電流が増加しても、この損失を超えて所望とする光電変換効率が得られるという新たな知見を得たことにより、成し得たものである。

ＤＣバイアス電圧の印加により電界光吸収効果（Ｆｒａｎｚ−Ｋｅｌｄｙｓｈ効果）を起こし、この結果、光電変換効率が上昇する。波長が１５６５ｎｍより長い長波帯で低下する光電変換効率を、より高いバイアス電圧の印加によって上昇させ、光電変換効率の波長依存性をなくした点が、本発明の特徴である。

ここで、受光素子について図２を用いて説明する。この受光素子は、基部２０１の上に形成された下部クラッド層２０２と、下部クラッド層２０２の上に形成されたシリコンコア２０３とを備える。例えば、よく知られたＳＯＩ（Silicon-on-Insulator）基板を用い、埋め込み絶縁層を下部クラッド層２０２とし、表面シリコン層をパターニングすることでシリコンコア２０３を形成すればよい。

また、この受光素子は、受光領域とするシリコンコア２０３の上に形成されたゲルマニウム光吸収層２０４と、ゲルマニウム光吸収層２０４の上に形成されたシリコン層２０５とを備える。ゲルマニウム光吸収層２０４は、例えば、層厚１μｍ程度である。ここで、受光素子を構成している領域（受光領域）において、シリコンコア２０３は、ｐ型とされている。また、シリコン層２０５は、ｎ形とされている。

また、この受光素子は、シリコンコア２０３の上に形成された上部クラッド層２０６を備える。上部クラッド層２０６は、例えば、酸化シリコンから構成すればよい。また、上部クラッド層２０６を貫通してシリコンコア２０３に接続する電極２０７，およびシリコン層２０５に接続する電極２０８を備える。各電極は、アルミニウムから構成すればよい。この受光素子は、導波路型である。

バイアス電圧が印加されている状態で、シリコンコア２０３による光導波路を導波してきた光は、ゲルマニウム光吸収層２０４に吸収され、キャリアを生成する。生成したキャリアは、シリコンコア２０３，シリコン層２０５を経由し、電極２０７，電極２０８から電気信号として取り出される。バイアス電圧は、電極２０７と電極２０８との間に印加される。

上述した構成の受光素子（Ｇｅ−ＰＤ）に対し、４Ｖおよび１２Ｖのバイアス電圧を印加した際の光電変換効率を、図３に示す。図３は、入射する受光光の波長に対する光電変換効率の変化を示す特性図である。光変換効率（Ａ／Ｗ）は、光が導入されていない状態の電流（暗電流）と光が導入されている状態の電流（光電流）との差を、入力光の電力で割って算出する。各電圧を印可した時の電流値を電流計で測定し、光の電力はパワーメータで測定する。図３に示すように、１２Ｖの電圧を印加することで、Ｌ帯でも高い光電変換効率を保つことができることが分かる。

また、印加するバイアス電圧を、４Ｖから１２Ｖに高くすることで、光電変換効率が０．４Ａ／Ｗから１．３Ａ／Ｗまで変化することが分かる。図７に示す結果と比較により明らかなように、従来の技術に比べＬ帯における光電変換効率が高くなる。特に、バイアス電圧を１２Ｖとした条件では、Ｌ帯全域において光電変換効率が０．７５Ａ／Ｗを超える。これは、Ｇｅ−ＰＤを用いた従来の、Ｌ帯における光電変換効率の２−２００倍に相当する。光変換効率が上昇すると、受信機の最小受光強度を下げることができ、系の増幅器やエラー訂正の負担を軽減できるため消費電力を下げることができる。

ところで、バイアス電圧を４Ｖ〜１２Ｖの範囲とすれば、実用的な光電変換効率でＬ帯の光をＧｅ−ＰＤで受光できるようになる。この点について、図４を用いて説明する。図４は、Ｇｅ−ＰＤにおける小信号３ｄＢ帯域と印加電圧の関係を示した特性図である。図４に示すように、４Ｖ〜１２Ｖの範囲の範囲において、Ｌ帯全域での小信号３ｄＢ帯域が、１３ＧＨｚ以上となっていることが分かる。このように、バイアス電圧を４−１２Ｖの範囲とすれば、高速駆動特性を維持したまま、Ｇｅ−ＰＤのＬ帯における光電変換効率を操作できる。

また、上述したようなバイアス電圧による制御は、図５に示すシステムを用いることで実現できる。このシステムは、ゲルマニウムからなる光吸収層を備えた受光素子５０１と、受光素子５０１より出力される光電変換信号の電流を監視する電流監視部５０２とを備える。受光素子５０１は、波長１５２０〜１６２５ｎｍの光を受光し、電流を生成する。また、電流監視部５０２で監視している電流値をもとに、設定されている光電変換効率が得られるバイアス電圧を決定するバイアス電圧制御部５０３と、バイアス電圧制御部５０３で決定されたバイアス電圧を受光素子５０１に印加するバイアス電圧印加部５０４とを備える。

このシステムでは、受光している光がＬ帯であり、受光素子５０１から出力される電流値が小さいときは、バイアス電圧制御部５０３が、より大きなバイアス電圧を決定する。この制御により、バイアス電圧印加部５０４から出力されるバイアス電圧が大きくなる。このようにより大きなバイアス電圧が印加された受光素子５０１では、光電変換効率が上昇する。

一方、受光している光がＬ帯より短波長の光であり、受光素子５０１から出力される電流値が大きいときは、バイアス電圧制御部５０３が、より小さなバイアス電圧を決定する。この制御により、バイアス電圧印加部５０４から出力されるバイアス電圧が小さくなる。Ｌ帯より短波長の光を受光した場合、バイアス電圧を小さくしても、光電変換効率が大きく落ちることはなく、バイアス電圧を小さくすることで消費電力を抑えることができる。このように入力された波長に従ってバイアス電圧の値を変化させることで、常に高い光電変換効率を維持することができると同時に、高電圧をかけ続ける状態に比較して消費電力を抑えることができる。

次に、ゲルマニウムからなる光吸収層を備えた受光素子に印加するバイアス電圧の決定について、より詳細に説明する。受光光の周波数に対応させたバイアス電圧は、以下の式（１）により求められる光電変換効率Ｒが所望の値となるように、決定すればよい。

式（１）の印加する電圧と光電変換効率と波長の関係は、以下の式（２），式（３）から導き出す。

式（２）は、一般にフランツケルディッシュ効果の式として知られている。式（２）は公知の式であり、詳細は非特許文献２に詳しい。式（２）は、電界Ｆ（電圧／光吸収層厚）と角周波数ω（２π×光速／波長）と、光吸収係数α_VCとの関係を示した式であり、電界は電圧に影響し、角周波数は波長に影響する。なお、受光領域の長さＬは、面受光の受光素子では、光吸収層の層厚であり、導波路型の受光素子では、光吸収層の光導波方向の長さとなる。

次に、式（３）について説明する。光吸収係数は光電変換効率と関係があり、この関係が式（３）により示されている。式（３）は、光吸収係数が変化すれば、光電変換効率が変化することを示している。式（３）では、単位時間あたりにゲルマニウム光吸収層によって吸収された光より生成される光子の数を、この光子が電子に変換される効率をηとすることで単位時間あたりの電子生成数を決定している。式（３）は、決定した電子生成数に、電気素量ｅを乗じることによって、単位時間あたりに吸収された光が生成する電流値、すなわち光電変換効率を算出する。

式（２）と式（３）を組み合わせれば、光変換効率と波長と電圧の関係を示す式（１）を導き出すことができる。

式（１）は、波長（角周波数）と印可電圧（電界）が右辺にあり、光電変換効率Ｒが左辺にあるため、波長が長くなったときに光電変換効率を一定に保つためには、どの程度の電圧を印可すればいいかを計算することができる。

式（１）を用い、ゲルマニウム光吸収層の厚さを１μｍとしたＧｅ−ＰＤの光電変換効率を算出した結果を図６に示す。なお、正確には、式（２）と式（３）の計算結果は、雪崩増幅による光変換効率の上昇を含んでいないため、実際の測定結果とはオフセットレベルが異なる。図６では、光電変換効率のオフセットを合わせた上での計算結果を示している。各電圧におけるオフセットレベルは予め測定しておけばよい。

図６に示す計算による光電変換効率の挙動は、オフセットを合わせた上で、測定結果とよく一致している。このように、式（１）を用いれば、所望の波長における光電変換効率を電圧によって制御することが可能となる。例えば、波長１６００ｎｍに対して光電変換効率０．９Ａ／Ｗとしたい場合、バイアス電圧を１２Ｖとすればよいことが、式（１）より算出できる。また、バイアス電圧制御部５０３が、式（１）をもとに制御を行うようにすれば、ゲルマニウム光吸収層の厚さが変わっても、印可すべきバイアス電圧を正確に決定することができる。

以上に説明したように、本発明によれば、光電変換効率が所望の値となるように、波長が１５６５ｎｍより長い受光光の周波数に対応させて受光素子に印加するバイアス電圧を決定するようにしたので、ゲルマニウムからなる光吸収層を備えた受光素子（Ｇｅ−ＰＤ）で、Ｌ帯の光を実用的な光電変換効率で光電変換できるようになる。例えば、Ｌ帯における光電変換効率を、２−２００倍向上させることができる。このため、従来困難であったＬ帯での受光器として、Ｇｅ−ＰＤを機能させることが可能となる。

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。例えば、上述では、主に導波路型の受光素子を例に説明したが、本発明は、面受光型の受光素子にも適用できることは言うまでもない。

２０１…基部、２０２…下部クラッド層、２０３…シリコンコア、２０４…ゲルマニウム光吸収層、２０５…シリコン層、２０６…上部クラッド層、２０７，２０８…電極。

Claims

ゲルマニウムからなる光吸収層を備えた受光素子にバイアス電圧を印加する第１ステップと、
バイアス電圧を印加している状態で前記受光素子で光を受光して光電変換する第２ステップと
を備え、
前記第１ステップでは、光電変換効率が所望の値となるように、波長が１５６５ｎｍより長い受光光の周波数に対応させて前記受光素子に印加するバイアス電圧を決定する
ことを特徴とする受光素子の制御方法。
請求項１記載の受光素子の制御方法において、
前記第１ステップでは、以下の式により求められる光電変換効率Ｒが所望の値となるように、前記受光光の周波数に対応させて前記受光素子に印加するバイアス電圧を決定する
ことを特徴とする受光素子の制御方法。