偏光感知検出器
入射光の偏光状態を検出する為の装置であって、前記入射光の一部が第１の検出器を通過して第２の検出器に進む、少なくとも第１の直線偏光を持つ光を検出する第１の検出器と、少なくとも検出される光の一部が前記第１の偏光と直交する第２の偏光方向を有する、前記第１の検出器の下にあり前記第１の検出器を透過した光を検出する第２の検出器と、を備え、前記第１と第２の検出器で検出される前記第１と第２の偏光を持つ光の比率は、前記入射光が前記第１の検出器に垂直に入射するとき、第１と第２の検出器で異なる。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
［発明の技術分野］
本発明は、光及びその光の、偏光状態の固体または半導体検出器による検出の分野に関する。
【０００２】
［発明の背景］
光データ記録及び読出し、又は光学的な遠隔探査のような多くの応用分野において、光の強度だけでなく偏光状態も検出する必要が生じる。一般的な手法は、２つの直交する偏光成分を分離する為に偏光ビームスプリッタを用いること及びそれぞれの偏光を分かれた検出器で検出することを含む。この手法は、高価であり且つスペースを取り、電子回路と容易に一体化することのできる平面的なシステムに向かう趨勢に合致しない。
【０００３】
Unluらの米国特許5,767,507には、共鳴キャビティ形強調（ＲＣＥ）光検出器を利用する偏光感知光検出器について記載されている。異なる偏光状態に対するＲＣＥ効率は、入射光の入射角度に依存し、検出器の設計を、ある傾斜した入射角度のもとで１つの偏光状態のみに感度を持たせることを可能にする。直交する感度で２つの検出器を積み重ねることは、入射光の強度及び偏光の両方を測定する偏光光検出器の構築を可能にする。
【０００４】
sub-wavelength構造（ＳＷＳ）は、それらに入射する光の波長よりも小さな周期を持つ格子である。例えば、このような構造は、半導体の表面にエッチングされた線状のバイナリー構造である。このような構造は、格子に平行（Transverse ElectricまたはＴＥ）及び格子に垂直（Transverse MagneticまたはＴＭ）の電界の偏光を有する光に対して、異なる反射および透過特性を持つ。ＳＷＳは、ＴＥ偏光の光を、その中を伝搬する消失性の（evanescent）回折次数成分に結合する。一例として、S.Y. Chou, S. Schablitsky およびL. Zhuangによる論文“Subwavelength Transmision Gratings and Their Applicatins in VCSELs”, SPIE proceedings 3290, p.73 ff., 1998は、アモルファスシリコンに０．７波長に等しい周期でエッチングされたＳＷＳが、ＴＥ偏光に対してゼロ透過及び４０％反射を与え、また、ＴＭ偏光に対して３０％透過及び１０％反射を与えることを示す。両方共に垂直の光の入射に対してである。ＳＷＳが、入射する放射を吸収する物質（例えば、可視及び赤外光用のシリコン）からできている場合には、ＳＷＳは偏光感知吸収材または偏光子として動作するであろう。このＳＷＳの特性は、垂直の入射近辺の比較的広い受光角で維持され、（例えば、ブリュースター角に近い）より傾斜した入射角度に対しては変更される。
【０００５】
Bora M.Onatらによる“Compact polarization sensors with vertically integrated photodetectors”,SPIE proceedings 3290, p. 52 ff., 1998は、相対的に偏光に感度のない第２センサの上部に、１つの偏光を有する光を優先的に検出および吸収する偏光感知検出器を積み重ねることによる、偏光を決定する為のシステムを記述する。検出器は、入射波の偏光が２つの検出器によって検出された光の比率から決定できるように較正することができる。
【０００６】
記述されたデバイスは、外側の検出器に対して入射角度及び周波数依存が強い共鳴キャビティ形検出器を、内側の検出器に対して通常の検出器を利用する。外側の検出器はそれが依存する偏光を持つ光を優先的に吸収するので、内側の検出器は、入射角度および波長に依存して優先的に他の偏光を検出する。
【０００７】
［発明の概要］
最も広い形態での本発明のいくつかの好ましい実施形態の１つの側面は、コンパクトで、且つ、平面的な半導体製造技術に相応しい偏光検出器を提供する。
【０００８】
本発明の好ましい実施形態において、偏光検出は、好ましくは半導体で、好ましくはモノリシックの、上部の素子が少なくとも１つの偏光方向にある成分を有する光を検出し、底部の素子が上部の検出器を通過した光を検出する構造から成る。好ましくは、上部および底部の素子は、検出装置へ入射する、第１の偏光及び第１の偏光に垂直な第２の偏光を有する光に対し、異なる感度の比率を持つ。
【０００９】
本発明の１つの好ましい実施形態において、上部の検出器は、本質的に１つの偏光に対してよりいっそう強い感度を持つ。本発明の他の好ましい実施形態において、上部の素子は実質的に偏光に対して感度がない。偏光子が２つの検出器の間に提供されるのが好ましい。
【００１０】
本発明の側面は、広い受光角で、また特に垂直照明光について、入射光の両方の偏光状態のパワーを測定する為の方法および装置に関連する。
【００１１】
したがって、本発明の好ましい実施形態によって提供されるのは、入射光の偏光状態を検出する為の装置であって、 前記入射光の一部が第１の検出器を通過して第２の検出器に進む、少なくとも第１の直線偏光を持つ光を検出する第１の検出器と、 少なくとも検出される光の一部が前記第１の偏光と直交する第２の偏光方向を有する、前記第１の検出器の下にあり前記第１の検出器を透過した光を検出する第２の検出器と、を備え、 前記第１と第２の検出器で検出される前記第１と第２の偏光を持つ光の比率は、前記入射光が前記第１の検出器に垂直に入射するとき、第１と第２の検出器で異なる。
【００１２】
好ましくは、前記第１の偏光を有する光は、前記第２の偏光を有する光と比較して前記第１の検出器によって優先的に吸収される。
前記第１の検出器はsub-wavelength格子構造ＳＷＳの形態をとるのが好ましい。
【００１３】
さらに、本発明の好ましい実施形態によって提供されるのは、入射光の偏光状態を検出する為の装置であって、 前記入射光の一部が第１の検出器を通過して第２の検出器に進む、前記入射光の偏光の関数でない感度で入射光を検出する第１の検出器と、 前記第１の検出器の下にあり前記第１の検出器を透過した光を検出する第２の検出器と、を備え、前記第２の検出器は、前記装置に第２の偏光で入射する光を、前記第２の偏光と直交する第１の偏光でそれに入射する光を検出する場合よりも大きな感度で検出する。
【００１４】
好ましくは、前記第１の検出器は実質的に非共鳴型の検出器である。
好ましくは、前記第１の偏光を有する光は、前記第２の偏光を有する光と実質的に同じ割合で前記第１の検出器によって吸収される。
本発明の好ましい実施形態において、前記装置は、前記第１と第２の検出器の間に偏光子を含む。好ましくは、前記偏光子はsub-wavelength格子構造ＳＷＳである。
本発明の好ましい実施形態において、前記装置はモノリシックデバイス中に構成される。
好ましくは、前記検出器は半導体検出器である。
【００１５】
［好ましい実施形態の詳細］
図１（ａ）及び図１（ｂ）は、本発明の好ましい実施形態による、入射する放射１１の検出の為の偏光検出器構造１０を模式的に表している。構造１０は、上部の検出器１８から、好ましくは絶縁性で、好ましくは光透過性の誘電体層１６で分離された底部検出器１４を備える。図１（ａ）は、偏光検出器の断面図を示し、一方、図１（ｂ）は、同構造の上面図を示す。
【００１６】
検出器１４の背面側は、第１の電気的端子２０に電気的に接続されている。検出器の前面側は、第２の電気的端子２４に電気的に接続されている。電気的端子２２と２６は、検出器１８の前面と背面をそれぞれ接続するために用いられる。好ましくは酸化インジウムのような光透過性の導体、又は不純物注入された半導体である層１７により、端子２６と検出器１８の背面部の間が接続される。誘電体層１６が、好ましくは２つの検出器を電気的に分離する絶縁体として用いられる。第２の導電透過層１５が検出器１４と誘電体層１６間に備えられるのが好ましい。このことは、端子２４と検出器１４の前面との間の良好な、低いインピーダンス接続を提供する。
【００１７】
別の選択肢として、導体２４及び２６の電圧は同一であり、誘電体層１６は省かれ、単一の、導電性で少なくとも部分的に光透過性の層のみが利用される。この場合、検出器間の導電層は、検出器１４および１８に用いられるのと同じ材料の高濃度不純物注入層で都合よく形成される。
【００１８】
図１（ａ）及び１（ｂ）には明確には示していないが、金属層のような光遮断層を設けて、下方の検出器のＳＷＳデバイスで覆われていない領域を覆うのが好ましい。このことは、下方の検出器で検出される光の全ては、上方の検出器を通過してきて、上方の検出器によって変更されている、ということを保証する。さらにこのことは、２つの検出器に等しい検出の領域を提供する。下方の検出器のこのようなマスキングは、本発明の他の実施形態においても好ましい。別の選択肢として、以下で示されるように、マスキングは、上部の検出器への入射光の範囲を制限する為に提供される。
【００１９】
本発明の好ましい実施形態によれば、検出器１４及び１８は、不純物注入されたシリコンＰ型−真性−Ｎ型（ＰＩＮ）光検出器である。或いは、検出器１４及び１８は、Ｐ型−Ｎ型（ＰＮ）シリコン光検出器または他の不純物注入された半導体検出器構造（例えば、GaAs, GaInAs, GaInAsP）でも良い。検出器１４および１８はまた、２つの検出器出力を増幅し及び処理する為の電子デバイスと一体化されても良い。検出器は、イオン打ち込み、エピタキシャル成長、拡散、酸化、スパッタリング、プランティング（planting）または当技術分野で知られた他の方法のコンビネーションを含む、既知の好適なあらゆる半導体生産の方法を利用して構成することができる。
【００２０】
光ビームの直交する偏光状態を検出することのできる２つの検出器の為の好ましい実施形態は、検出器の１つを他の上部に積み重ね、上部の検出器１８を１つの偏光方向について感度および吸収性を持たせると共に他方の偏光を透過させ、またそれとは異なって底部の検出器１４には直交の偏光を持つ光１０に感度を持たせることによって構成される。底部検出器１４はまた、検出器１８が実質的に１つの偏光のみを透過させ、直交の偏光を吸収又は反射するならば、両方の偏光状態に感度を持っても良い。また、底部検出器は、上部の検出器を通過した光のみがそれによって検出される様にマスクされる。
【００２１】
シリコンのような物質を１種類の偏光のみを吸収するようにする為の、本発明の好ましい実施形態による方法は、素子１９で形成されたsub-wavelength構造（ＳＷＳ）として検出器１８を形成することによる。示されているように、素子１９の上面は、光透過性の導体２３で覆われている。この導体は、金属導体であっても良く、又はより好ましくは、構造２５および１９の高濃度不純物注入層である。素子１９上の個々の導体は、素子１９と同じ方法で作られた素子２５上の導体２３によって導通パッド２２に接続される。素子１９で覆われた領域のみ（例えば、図１（ｂ）の参照符号２７で示された破線の領域）入射光を受けるのが好ましい。領域２７の外側の領域は、それを入射光から保護するようにマスク（不図示）で覆われるのが好ましい。なお、検出器に当たる光が合焦されるならば、マスキングは不要であろう。
【００２２】
したがって、検出器１８は、好ましくは光の波長よりも短い周期で、好ましくは直線（１次元）の、都合の良いようなバイナリーデザイン（素子１９）ＳＷＳによってパターン形成され、理想的には１つの偏光方向のみを吸収し、他の偏光状態のみを底部検出器１４に透過させるように設計される。上部の層のパターンの光学的な深さは、この構造からの反射を最小とする為に、好ましくは計画の波長の４分の１（または、半波長の全倍数に４分の１波長を加えたもの）である。格子周期が波長よりも僅かに小さいとき（好ましくは０．６−１．０波長）、パターンは、１つの偏光を吸収し他方を透過させて、偏光子として動作する（図１におけるＳＷＳ１９内のパターン線の間の距離は明確化のために誇張されている）。ＳＷＳの偏光特性は、垂直の光の入射に対して決定され、比較的広い受光角に亘って維持される。大きな傾斜の入射角は（例えば、ブリュースター角）、偏光特性を変更させるであろう。
【００２３】
適正な物質の不純物注入を行うことによってＳＷＳをＰＮまたはＰＩＮ接合にすること及びそれに接続する為に電極２２及び２６を用いることは、１つの偏光にのみ感度があり他の偏光を透過させる検出器である、偏光検出器１８を構成する。本発明の好ましい実施形態は、追加の、好ましくは通常のフォトダイオード１４の上に、または、（例えば第１の偏光子の除去比率が小さすぎる場合には）別の、好ましくは直交の偏光検出器１４の上に、このような偏光感知検出器１８を積み重ねることによって偏光検出器ペア１０をつくることを含んでいる。理想的には、上部の検出器１８は、ＴＥ偏光のみを吸収し、少なくともＴＭ偏光の大部分を（また、理想的にはＴＥ光については透過させること無く）、この場合ＴＭ偏光のみを検出する底部検出器１４に向けて透過させる。
【００２４】
ＳＷＳ上部検出器１８の深さは、（物質の吸収係数とインタフェース部分での入射光の内部反射に基づいて）構造からの両方の偏光状態の反射率を最小にすると共に、ＴＥ偏光の十分な吸収を可能にすることによって決定される。
【００２５】
図２は、本発明の好ましい実施形態による、別のタイプの偏光検出器構造３０の側面図を示す。図１の部分と同一または類似の図の部分は、明確化のために同一の参照符号を与えられている。
【００２６】
偏光検出器３０は、底面検出器１４、絶縁性で好ましくは光透過性の偏光層３１、及び上部検出器３２を備える。図１は、上部の偏光検出器１８を示すけれども、図２の構成における上部検出器３２は偏光の極性を与えられず、好ましくは約５０％の小さな光吸収に調整された標準のフォトダイオード検出器である。検出器３２によって測定された信号は、入射光の両方の偏光の寄与の和に相当する。検出器３２を透過する光の一部分は、偏光層３１で偏光される。この偏光層３１は、異なる屈折係数を持つ２つの物質（例えばシリコン及びシリコン酸化物）、又は、いくつかの他の偏光物質（例えばポリマー偏光シート）のどちらかのＳＷＳから構成される。この構造から、これは半導体ポリマー生産技術を用いて生産することになる。検出器１４に透過された光は、偏光層３１と同じ方向に偏光される。検出器１４は、図１と同様に、都合のよいことにフォトダイオードである。
【００２７】
図１と同様に、電極２４及び２６が同じ電圧であるならば、誘電体層は必要でない（また、図２にはそれが示されていない）。しかしながら、構造３１は、その全領域で伝導せず、１つの横断の方向でのみで伝導するので、都合良く２つの導体が提供される。
【００２８】
偏光検出器１４が入射光の１つの偏光成分を測定する間、直交成分パワーは、検出器の異なる感度についてのスケーリングファクタと光路での減衰を考慮に入れて、検出器３２の出力から検出器１４の出力を減じることによって取得される。したがって、例えば、検出器３２による５０％吸収と５０％透過に関して、検出器３２の測定値と検出器１４の測定値は、偏光層３１方向に直交する偏光の測定値を提供する。５０％からの偏差は、直交偏光の正確な測定の為に２つの測定値を倍率変更することを要求する。
【００２９】
第１の検出器３２は、（通常の非共鳴型の検出器のような）偏光依存でない検出器であっても良く、又は、それは偏光依存の感度を持っていても良い。
【００３０】
なお、記述された本発明は、複合の半導体及び非半導体のシステムだけでなく、ほとんどの半導体物質に応用できる。さらに、様々な検出器構造を用いても良く、この構造は、様々な波長領域で動作するように設計することができる。
【００３１】
本発明は、本発明の様々な特徴と様々な側面を組み合わせる多くのその好ましい実施形態と共に記述されてきた。なお、これらの特徴および側面は様々なやり方で組み合わせることができ、本発明の様々な実施形態は本発明の１以上の側面を含むことができる。例えば、検出器間の２つの偏光の方向の分離を改善する為に、第１の検出器は図１のように偏光していて、図２の第１の検出器と第２の検出器の間に偏光子が提供されても良い。本発明の範囲は、特許請求の範囲によって定義され、上述の詳細な好ましい実施形態によっては定義されない。本出願で用いられるとき、“備える”、“有する”、“含む”、及びそれらの同根語は“非限定的に含んでいる”ということを意味している。
【図面の簡単な説明】
【図１】
図１（ａ）および１（ｂ）は、本発明の好ましい実施形態による、偏光検出器を模式的に表している。
【図２】
本発明の好ましい実施形態による、第２の偏光検出器の模式的表現である。
【符号の説明】
１０ 偏光検出器構造１４ 検出器１８ 検出器２４ 導体２６ 導体
【０００１】
［発明の技術分野］
本発明は、光及びその光の、偏光状態の固体または半導体検出器による検出の分野に関する。
【０００２】
［発明の背景］
光データ記録及び読出し、又は光学的な遠隔探査のような多くの応用分野において、光の強度だけでなく偏光状態も検出する必要が生じる。一般的な手法は、２つの直交する偏光成分を分離する為に偏光ビームスプリッタを用いること及びそれぞれの偏光を分かれた検出器で検出することを含む。この手法は、高価であり且つスペースを取り、電子回路と容易に一体化することのできる平面的なシステムに向かう趨勢に合致しない。
【０００３】
Unluらの米国特許5,767,507には、共鳴キャビティ形強調（ＲＣＥ）光検出器を利用する偏光感知光検出器について記載されている。異なる偏光状態に対するＲＣＥ効率は、入射光の入射角度に依存し、検出器の設計を、ある傾斜した入射角度のもとで１つの偏光状態のみに感度を持たせることを可能にする。直交する感度で２つの検出器を積み重ねることは、入射光の強度及び偏光の両方を測定する偏光光検出器の構築を可能にする。
【０００４】
sub-wavelength構造（ＳＷＳ）は、それらに入射する光の波長よりも小さな周期を持つ格子である。例えば、このような構造は、半導体の表面にエッチングされた線状のバイナリー構造である。このような構造は、格子に平行（Transverse ElectricまたはＴＥ）及び格子に垂直（Transverse MagneticまたはＴＭ）の電界の偏光を有する光に対して、異なる反射および透過特性を持つ。ＳＷＳは、ＴＥ偏光の光を、その中を伝搬する消失性の（evanescent）回折次数成分に結合する。一例として、S.Y. Chou, S. Schablitsky およびL. Zhuangによる論文“Subwavelength Transmision Gratings and Their Applicatins in VCSELs”, SPIE proceedings 3290, p.73 ff., 1998は、アモルファスシリコンに０．７波長に等しい周期でエッチングされたＳＷＳが、ＴＥ偏光に対してゼロ透過及び４０％反射を与え、また、ＴＭ偏光に対して３０％透過及び１０％反射を与えることを示す。両方共に垂直の光の入射に対してである。ＳＷＳが、入射する放射を吸収する物質（例えば、可視及び赤外光用のシリコン）からできている場合には、ＳＷＳは偏光感知吸収材または偏光子として動作するであろう。このＳＷＳの特性は、垂直の入射近辺の比較的広い受光角で維持され、（例えば、ブリュースター角に近い）より傾斜した入射角度に対しては変更される。
【０００５】
Bora M.Onatらによる“Compact polarization sensors with vertically integrated photodetectors”,SPIE proceedings 3290, p. 52 ff., 1998は、相対的に偏光に感度のない第２センサの上部に、１つの偏光を有する光を優先的に検出および吸収する偏光感知検出器を積み重ねることによる、偏光を決定する為のシステムを記述する。検出器は、入射波の偏光が２つの検出器によって検出された光の比率から決定できるように較正することができる。
【０００６】
記述されたデバイスは、外側の検出器に対して入射角度及び周波数依存が強い共鳴キャビティ形検出器を、内側の検出器に対して通常の検出器を利用する。外側の検出器はそれが依存する偏光を持つ光を優先的に吸収するので、内側の検出器は、入射角度および波長に依存して優先的に他の偏光を検出する。
【０００７】
［発明の概要］
最も広い形態での本発明のいくつかの好ましい実施形態の１つの側面は、コンパクトで、且つ、平面的な半導体製造技術に相応しい偏光検出器を提供する。
【０００８】
本発明の好ましい実施形態において、偏光検出は、好ましくは半導体で、好ましくはモノリシックの、上部の素子が少なくとも１つの偏光方向にある成分を有する光を検出し、底部の素子が上部の検出器を通過した光を検出する構造から成る。好ましくは、上部および底部の素子は、検出装置へ入射する、第１の偏光及び第１の偏光に垂直な第２の偏光を有する光に対し、異なる感度の比率を持つ。
【０００９】
本発明の１つの好ましい実施形態において、上部の検出器は、本質的に１つの偏光に対してよりいっそう強い感度を持つ。本発明の他の好ましい実施形態において、上部の素子は実質的に偏光に対して感度がない。偏光子が２つの検出器の間に提供されるのが好ましい。
【００１０】
本発明の側面は、広い受光角で、また特に垂直照明光について、入射光の両方の偏光状態のパワーを測定する為の方法および装置に関連する。
【００１１】
したがって、本発明の好ましい実施形態によって提供されるのは、入射光の偏光状態を検出する為の装置であって、 前記入射光の一部が第１の検出器を通過して第２の検出器に進む、少なくとも第１の直線偏光を持つ光を検出する第１の検出器と、 少なくとも検出される光の一部が前記第１の偏光と直交する第２の偏光方向を有する、前記第１の検出器の下にあり前記第１の検出器を透過した光を検出する第２の検出器と、を備え、 前記第１と第２の検出器で検出される前記第１と第２の偏光を持つ光の比率は、前記入射光が前記第１の検出器に垂直に入射するとき、第１と第２の検出器で異なる。
【００１２】
好ましくは、前記第１の偏光を有する光は、前記第２の偏光を有する光と比較して前記第１の検出器によって優先的に吸収される。
前記第１の検出器はsub-wavelength格子構造ＳＷＳの形態をとるのが好ましい。
【００１３】
さらに、本発明の好ましい実施形態によって提供されるのは、入射光の偏光状態を検出する為の装置であって、 前記入射光の一部が第１の検出器を通過して第２の検出器に進む、前記入射光の偏光の関数でない感度で入射光を検出する第１の検出器と、 前記第１の検出器の下にあり前記第１の検出器を透過した光を検出する第２の検出器と、を備え、前記第２の検出器は、前記装置に第２の偏光で入射する光を、前記第２の偏光と直交する第１の偏光でそれに入射する光を検出する場合よりも大きな感度で検出する。
【００１４】
好ましくは、前記第１の検出器は実質的に非共鳴型の検出器である。
好ましくは、前記第１の偏光を有する光は、前記第２の偏光を有する光と実質的に同じ割合で前記第１の検出器によって吸収される。
本発明の好ましい実施形態において、前記装置は、前記第１と第２の検出器の間に偏光子を含む。好ましくは、前記偏光子はsub-wavelength格子構造ＳＷＳである。
本発明の好ましい実施形態において、前記装置はモノリシックデバイス中に構成される。
好ましくは、前記検出器は半導体検出器である。
【００１５】
［好ましい実施形態の詳細］
図１（ａ）及び図１（ｂ）は、本発明の好ましい実施形態による、入射する放射１１の検出の為の偏光検出器構造１０を模式的に表している。構造１０は、上部の検出器１８から、好ましくは絶縁性で、好ましくは光透過性の誘電体層１６で分離された底部検出器１４を備える。図１（ａ）は、偏光検出器の断面図を示し、一方、図１（ｂ）は、同構造の上面図を示す。
【００１６】
検出器１４の背面側は、第１の電気的端子２０に電気的に接続されている。検出器の前面側は、第２の電気的端子２４に電気的に接続されている。電気的端子２２と２６は、検出器１８の前面と背面をそれぞれ接続するために用いられる。好ましくは酸化インジウムのような光透過性の導体、又は不純物注入された半導体である層１７により、端子２６と検出器１８の背面部の間が接続される。誘電体層１６が、好ましくは２つの検出器を電気的に分離する絶縁体として用いられる。第２の導電透過層１５が検出器１４と誘電体層１６間に備えられるのが好ましい。このことは、端子２４と検出器１４の前面との間の良好な、低いインピーダンス接続を提供する。
【００１７】
別の選択肢として、導体２４及び２６の電圧は同一であり、誘電体層１６は省かれ、単一の、導電性で少なくとも部分的に光透過性の層のみが利用される。この場合、検出器間の導電層は、検出器１４および１８に用いられるのと同じ材料の高濃度不純物注入層で都合よく形成される。
【００１８】
図１（ａ）及び１（ｂ）には明確には示していないが、金属層のような光遮断層を設けて、下方の検出器のＳＷＳデバイスで覆われていない領域を覆うのが好ましい。このことは、下方の検出器で検出される光の全ては、上方の検出器を通過してきて、上方の検出器によって変更されている、ということを保証する。さらにこのことは、２つの検出器に等しい検出の領域を提供する。下方の検出器のこのようなマスキングは、本発明の他の実施形態においても好ましい。別の選択肢として、以下で示されるように、マスキングは、上部の検出器への入射光の範囲を制限する為に提供される。
【００１９】
本発明の好ましい実施形態によれば、検出器１４及び１８は、不純物注入されたシリコンＰ型−真性−Ｎ型（ＰＩＮ）光検出器である。或いは、検出器１４及び１８は、Ｐ型−Ｎ型（ＰＮ）シリコン光検出器または他の不純物注入された半導体検出器構造（例えば、GaAs, GaInAs, GaInAsP）でも良い。検出器１４および１８はまた、２つの検出器出力を増幅し及び処理する為の電子デバイスと一体化されても良い。検出器は、イオン打ち込み、エピタキシャル成長、拡散、酸化、スパッタリング、プランティング（planting）または当技術分野で知られた他の方法のコンビネーションを含む、既知の好適なあらゆる半導体生産の方法を利用して構成することができる。
【００２０】
光ビームの直交する偏光状態を検出することのできる２つの検出器の為の好ましい実施形態は、検出器の１つを他の上部に積み重ね、上部の検出器１８を１つの偏光方向について感度および吸収性を持たせると共に他方の偏光を透過させ、またそれとは異なって底部の検出器１４には直交の偏光を持つ光１０に感度を持たせることによって構成される。底部検出器１４はまた、検出器１８が実質的に１つの偏光のみを透過させ、直交の偏光を吸収又は反射するならば、両方の偏光状態に感度を持っても良い。また、底部検出器は、上部の検出器を通過した光のみがそれによって検出される様にマスクされる。
【００２１】
シリコンのような物質を１種類の偏光のみを吸収するようにする為の、本発明の好ましい実施形態による方法は、素子１９で形成されたsub-wavelength構造（ＳＷＳ）として検出器１８を形成することによる。示されているように、素子１９の上面は、光透過性の導体２３で覆われている。この導体は、金属導体であっても良く、又はより好ましくは、構造２５および１９の高濃度不純物注入層である。素子１９上の個々の導体は、素子１９と同じ方法で作られた素子２５上の導体２３によって導通パッド２２に接続される。素子１９で覆われた領域のみ（例えば、図１（ｂ）の参照符号２７で示された破線の領域）入射光を受けるのが好ましい。領域２７の外側の領域は、それを入射光から保護するようにマスク（不図示）で覆われるのが好ましい。なお、検出器に当たる光が合焦されるならば、マスキングは不要であろう。
【００２２】
したがって、検出器１８は、好ましくは光の波長よりも短い周期で、好ましくは直線（１次元）の、都合の良いようなバイナリーデザイン（素子１９）ＳＷＳによってパターン形成され、理想的には１つの偏光方向のみを吸収し、他の偏光状態のみを底部検出器１４に透過させるように設計される。上部の層のパターンの光学的な深さは、この構造からの反射を最小とする為に、好ましくは計画の波長の４分の１（または、半波長の全倍数に４分の１波長を加えたもの）である。格子周期が波長よりも僅かに小さいとき（好ましくは０．６−１．０波長）、パターンは、１つの偏光を吸収し他方を透過させて、偏光子として動作する（図１におけるＳＷＳ１９内のパターン線の間の距離は明確化のために誇張されている）。ＳＷＳの偏光特性は、垂直の光の入射に対して決定され、比較的広い受光角に亘って維持される。大きな傾斜の入射角は（例えば、ブリュースター角）、偏光特性を変更させるであろう。
【００２３】
適正な物質の不純物注入を行うことによってＳＷＳをＰＮまたはＰＩＮ接合にすること及びそれに接続する為に電極２２及び２６を用いることは、１つの偏光にのみ感度があり他の偏光を透過させる検出器である、偏光検出器１８を構成する。本発明の好ましい実施形態は、追加の、好ましくは通常のフォトダイオード１４の上に、または、（例えば第１の偏光子の除去比率が小さすぎる場合には）別の、好ましくは直交の偏光検出器１４の上に、このような偏光感知検出器１８を積み重ねることによって偏光検出器ペア１０をつくることを含んでいる。理想的には、上部の検出器１８は、ＴＥ偏光のみを吸収し、少なくともＴＭ偏光の大部分を（また、理想的にはＴＥ光については透過させること無く）、この場合ＴＭ偏光のみを検出する底部検出器１４に向けて透過させる。
【００２４】
ＳＷＳ上部検出器１８の深さは、（物質の吸収係数とインタフェース部分での入射光の内部反射に基づいて）構造からの両方の偏光状態の反射率を最小にすると共に、ＴＥ偏光の十分な吸収を可能にすることによって決定される。
【００２５】
図２は、本発明の好ましい実施形態による、別のタイプの偏光検出器構造３０の側面図を示す。図１の部分と同一または類似の図の部分は、明確化のために同一の参照符号を与えられている。
【００２６】
偏光検出器３０は、底面検出器１４、絶縁性で好ましくは光透過性の偏光層３１、及び上部検出器３２を備える。図１は、上部の偏光検出器１８を示すけれども、図２の構成における上部検出器３２は偏光の極性を与えられず、好ましくは約５０％の小さな光吸収に調整された標準のフォトダイオード検出器である。検出器３２によって測定された信号は、入射光の両方の偏光の寄与の和に相当する。検出器３２を透過する光の一部分は、偏光層３１で偏光される。この偏光層３１は、異なる屈折係数を持つ２つの物質（例えばシリコン及びシリコン酸化物）、又は、いくつかの他の偏光物質（例えばポリマー偏光シート）のどちらかのＳＷＳから構成される。この構造から、これは半導体ポリマー生産技術を用いて生産することになる。検出器１４に透過された光は、偏光層３１と同じ方向に偏光される。検出器１４は、図１と同様に、都合のよいことにフォトダイオードである。
【００２７】
図１と同様に、電極２４及び２６が同じ電圧であるならば、誘電体層は必要でない（また、図２にはそれが示されていない）。しかしながら、構造３１は、その全領域で伝導せず、１つの横断の方向でのみで伝導するので、都合良く２つの導体が提供される。
【００２８】
偏光検出器１４が入射光の１つの偏光成分を測定する間、直交成分パワーは、検出器の異なる感度についてのスケーリングファクタと光路での減衰を考慮に入れて、検出器３２の出力から検出器１４の出力を減じることによって取得される。したがって、例えば、検出器３２による５０％吸収と５０％透過に関して、検出器３２の測定値と検出器１４の測定値は、偏光層３１方向に直交する偏光の測定値を提供する。５０％からの偏差は、直交偏光の正確な測定の為に２つの測定値を倍率変更することを要求する。
【００２９】
第１の検出器３２は、（通常の非共鳴型の検出器のような）偏光依存でない検出器であっても良く、又は、それは偏光依存の感度を持っていても良い。
【００３０】
なお、記述された本発明は、複合の半導体及び非半導体のシステムだけでなく、ほとんどの半導体物質に応用できる。さらに、様々な検出器構造を用いても良く、この構造は、様々な波長領域で動作するように設計することができる。
【００３１】
本発明は、本発明の様々な特徴と様々な側面を組み合わせる多くのその好ましい実施形態と共に記述されてきた。なお、これらの特徴および側面は様々なやり方で組み合わせることができ、本発明の様々な実施形態は本発明の１以上の側面を含むことができる。例えば、検出器間の２つの偏光の方向の分離を改善する為に、第１の検出器は図１のように偏光していて、図２の第１の検出器と第２の検出器の間に偏光子が提供されても良い。本発明の範囲は、特許請求の範囲によって定義され、上述の詳細な好ましい実施形態によっては定義されない。本出願で用いられるとき、“備える”、“有する”、“含む”、及びそれらの同根語は“非限定的に含んでいる”ということを意味している。
【図面の簡単な説明】
【図１】
図１（ａ）および１（ｂ）は、本発明の好ましい実施形態による、偏光検出器を模式的に表している。
【図２】
本発明の好ましい実施形態による、第２の偏光検出器の模式的表現である。
【符号の説明】
１０ 偏光検出器構造１４ 検出器１８ 検出器２４ 導体２６ 導体
【特許請求の範囲】
【請求項１】 入射光の偏光状態を検出する為の装置であって、 前記入射光の一部が第１の検出器を通過して第２の検出器に進む、少なくとも第１の直線偏光を持つ光を検出する第１の検出器と、 少なくとも検出される光の一部が前記第１の偏光と直交する第２の偏光方向を有する、前記第１の検出器の下にあり前記第１の検出器を透過した光を検出する第２の検出器と、を備え、 前記第１と第２の検出器で検出される前記第１と第２の偏光を持つ光の比率は、前記入射光が前記第１の検出器に垂直に入射するとき、第１と第２の検出器で異なる。
【請求項２】 前記第１の偏光を有する光は、前記第２の偏光を有する光と比較して前記第１の検出器によって優先的に吸収される、請求項１に記載の装置。
【請求項３】 前記第１の検出器はsub-wavelength格子構造ＳＷＳの形態をとる、請求項１または請求項２に記載の装置。
【請求項４】 入射光の偏光状態を検出する為の装置であって、 前記入射光の一部が第１の検出器を通過して第２の検出器に進む、前記入射光の偏光の関数でない感度で入射光を検出する第１の検出器と、 前記第１の検出器の下にあり前記第１の検出器を透過した光を検出する第２の検出器と、を備え、前記第２の検出器は、前記装置に第２の偏光で入射する光を、前記第２の偏光と直交する第１の偏光でそれに入射する光を検出する場合よりも大きな感度で検出する。
【請求項５】 前記第１の検出器は実質的に非共鳴型の検出器である、請求項１から請求項４のいずれかに記載の装置。
【請求項６】 前記第１の偏光を有する光は、前記第２の偏光を有する光と実質的に同じ割合で前記第１の検出器によって吸収される、請求項１、請求項４、または請求項５に記載の装置。
【請求項７】 前記第１と第２の検出器の間に偏光子を含む、請求項１から請求項６のいずれかに記載の装置。
【請求項８】 前記偏光子はsub-wavelength格子構造ＳＷＳである、請求項７に記載の装置。
【請求項９】 前記装置はモノリシックデバイス中に構成される、請求項１から請求項８のいずれかに記載の装置。
【請求項１０】 前記検出器は半導体検出器である、請求項１から請求項９のいずれかに記載の装置。
【請求項１】 入射光の偏光状態を検出する為の装置であって、 前記入射光の一部が第１の検出器を通過して第２の検出器に進む、少なくとも第１の直線偏光を持つ光を検出する第１の検出器と、 少なくとも検出される光の一部が前記第１の偏光と直交する第２の偏光方向を有する、前記第１の検出器の下にあり前記第１の検出器を透過した光を検出する第２の検出器と、を備え、 前記第１と第２の検出器で検出される前記第１と第２の偏光を持つ光の比率は、前記入射光が前記第１の検出器に垂直に入射するとき、第１と第２の検出器で異なる。
【請求項２】 前記第１の偏光を有する光は、前記第２の偏光を有する光と比較して前記第１の検出器によって優先的に吸収される、請求項１に記載の装置。
【請求項３】 前記第１の検出器はsub-wavelength格子構造ＳＷＳの形態をとる、請求項１または請求項２に記載の装置。
【請求項４】 入射光の偏光状態を検出する為の装置であって、 前記入射光の一部が第１の検出器を通過して第２の検出器に進む、前記入射光の偏光の関数でない感度で入射光を検出する第１の検出器と、 前記第１の検出器の下にあり前記第１の検出器を透過した光を検出する第２の検出器と、を備え、前記第２の検出器は、前記装置に第２の偏光で入射する光を、前記第２の偏光と直交する第１の偏光でそれに入射する光を検出する場合よりも大きな感度で検出する。
【請求項５】 前記第１の検出器は実質的に非共鳴型の検出器である、請求項１から請求項４のいずれかに記載の装置。
【請求項６】 前記第１の偏光を有する光は、前記第２の偏光を有する光と実質的に同じ割合で前記第１の検出器によって吸収される、請求項１、請求項４、または請求項５に記載の装置。
【請求項７】 前記第１と第２の検出器の間に偏光子を含む、請求項１から請求項６のいずれかに記載の装置。
【請求項８】 前記偏光子はsub-wavelength格子構造ＳＷＳである、請求項７に記載の装置。
【請求項９】 前記装置はモノリシックデバイス中に構成される、請求項１から請求項８のいずれかに記載の装置。
【請求項１０】 前記検出器は半導体検出器である、請求項１から請求項９のいずれかに記載の装置。
【図１】
【図２】
【図２】
【公表番号】特表２００２−５３８４７５（Ｐ２００２−５３８４７５Ａ）
【公表日】平成１４年１１月１２日（２００２．１１．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０００−６０３０９８（Ｐ２０００−６０３０９８）
【出願日】平成１１年１２月２９日（１９９９．１２．２９）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＩＬ９９／００７０５
【国際公開番号】ＷＯ００／５２７６３
【国際公開日】平成１２年９月８日（２０００．９．８）
【出願人】
【氏名又は名称】オーティーエム テクノロジーズ リミテッド
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成１４年１１月１２日（２００２．１１．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１１年１２月２９日（１９９９．１２．２９）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＩＬ９９／００７０５
【国際公開番号】ＷＯ００／５２７６３
【国際公開日】平成１２年９月８日（２０００．９．８）
【出願人】
【氏名又は名称】オーティーエム テクノロジーズ リミテッド
【Ｆターム（参考）】
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