CN1383581A - 受光元件和使用受光元件的光检测器 - Google Patents
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Abstract
提供一种能够容易地检测光通信用的长波段的光强度的重心位置的受光元件。在n型InP基板上形成InGaAs层(i层),p型InP层,在n型基板的背面上形成电极,在p型层的表面的两端形成电极。入射到表面的点光被光电变换,作为光电流在p型层的表面上左右流动,所以从两端的电极输出与其距离相对应的电流。根据从两端的电极所输出的电流的值可以求出光强度的重心位置,根据从两端的电极所输出的电流之和可以求出光强度。
Description
技术领域
本发明涉及用于光通信领域的对长波段(例如1.3～1.55μm)的光谱，能够连续地检测光强度及其重心位置的受光元件，和使用这种受光元件的光检测器，以用使用该光检测器的光分波器。
背景技术
作为光分波器，靠反射镜反射靠聚光透镜所聚光的光，靠衍射格栅把所反射的光分波，靠光检测器检测分波的分波光的光分波器是公知的(例如，岛津制作所销售的多色仪测光系统，型号PSS-100)。用于该光分波器的光检测器是受光元件阵列，作为波长的频谱监测器使用。
在这种光检测器中，由于靠多个(例如5个)受光元件来分割一个波长的频谱，监测其光强度的重心位置，所以分辨率取决于受光元件的排列间距。这样一来，因为仅能得到与受光元件的排列间距相对应的分辨率，故在现有技术的光检测器中进一步提高分辨率是困难的。再者，由于在各波长的信号光中存在着频谱分布，所以所谓光强度的重心位置是指成为该频谱分布的重心的位置。
本申请的发明人为了对付这种问题，考虑了用能够检测光点的位置的半导体位置检测器作为光分波器的检测器的受光元件。半导体位置检测器与上述受光元件阵列不同，这是因为它是非分割型元件，故能够在空间上连续地检测光强度的重心位置的缘故。
作为现有技术的半导体位置检测器，在高电阻Si基板(i层)的表面上设置p型电阻层，在背面上设置n型层，在p型电阻层上设置对置的电极是公知的。
在这种半导体位置检测器中，由于表面层形成pn结，所以如果光入射于p型电阻层，则通过光电效应而生成光电流。由于在光的入射位置处发生的光电流被分割成与到各个电极的电阻值成反比，所以可以根据从各电极取出的电流来检测光的入射位置。
现有技术的半导体位置检测器如前所述用Si基板。但是，用Si基板的半导体位置检测器在光通信用的长波段中的灵敏度不良。因而，在把现有技术的半导体位置检测器用于光分波器的受光元件的场合，对长波段的光检测光强度的重心位置是困难的。
发明概述
本发明的目的在于作为用于光分波器的光检测器的受光元件，提供一种能够容易地检测光通信用的长波段的光强度的重心位置的受光元件。
本发明的另一个目的在于提供一种用这种受光元件的光分波器的光检测器。
本发明的又一个目的在于作为用这种光检测器的光分波器，提供一种使分辨率提高的光分波器。
如果用本发明，则为了监测光通信用的长波段(例如1.55μm段)的频谱，作为受光元件，用在长波段中敏感度良好的III-V族半导体化合物材料制成的半导体位置检测器。
本发明的第1形态是受光元件，备有：由III-V族化合物半导体制成的层，设在上述层的表面上的第1导电型电阻层，设在上述层的背面上的其导电型与上述第1导电型相反的第2导电型基板，以及设在上述电阻层上的对置的至少一对电极。
本发明的第2形态是检测从多个波长多路复用的信号光所分波的各分波光的强度及其重心位置的光检测器。在这种光检测器中，可以排列有一个以上上述受光元件。
本发明的第3形态是把波长多路复用传送来的信号光分波的光分波器，备有：把信号光分波的光学机构，和接受靠光学机构所分波的分波光的光检测器。在该光检测器中，采用把上述受光元件排列而构成的光检测器。
附图的简要说明
图1A是表示监测一个波长的本发明的受光元件的一个实施例的俯视图。
图1B是图1A的X-Y线剖视图。
图2是表示用来自受光元件的输出电流来进行位置测量的电路的构成的图。
图3是表示分时驱动型光检测器的图。
图4是表示检测分波光的强度及其重心位置的光检测器的图。
图5是图4中所示的光检测器的俯视图。
图6是表示检测分波光的强度和重心位置的光检测器的另一例的图。
图7是表示本发明的光分波器的一个实施例的图。
图8是用来说明检测C波段的k1个波长与L波段的k2个波长各自的光强度的重心位置的构成的图。
图9是表示在一个半导体芯片上集成两列同样数量的受光元件的例子的图。
实施发明的最佳形态
(第1实施例)
图1A、图1B中示出作为本发明的受光元件的一个实施例的，监测一个波长的受光元件8。图1A是俯视图，图1B是图1A的X-Y线剖视图。如果用该受光元件8，则在n型InP基板10上叠层InGaAs层(i层)12，p型InP层14。在p型层14表面的两端上形成电极16a、16b，在n型基板10的背面上形成电极(未画出)。
说明该受光元件8的基本动作。由于入射于受光元件表面的点光被光电变换，作为光电流沿p型层14表面向电极16a、16b流动，所以从电极16a、16b输出与其距离相对应的电流。在光的入射位置处发生的光电流I被分割成与到各自的电极16a、16b的电阻值成反比。令电极16a、16b间的距离为Lab，从电极16a到光的入射位置的距离为La。
如果p型层14的电阻是均一的，则来自电极16a、16b的电流Ia、Ib可由下式表达。
Ia＝I×(Lab-La)/Lab (1)
Ib＝I×La/Lab (2)
这里，如果求出电流Ia、Ib之比，或者和与差之比，则可以得到
Ia/Ib＝Lab/La-1 (3)
(Ia-Ib)/(Ia+Ib)
＝1-(2 La/Lab) (4)
这样一来，电流Ia、Ib之比，或者和与差之比成为与光强度及其变动无关的值。
因而，如果能实测式(3)和(4)左边的比，则可以求出距离La。因而，可以与光强度的变化无关地进行入射光的正确的位置检测。
在本实施例的受光元件中，由于用在光通信用的长波段中敏感度高的InGaAs系材料，所以即使在现有技术的Si系中灵敏度不足的长波段中高灵敏度位置检测也成为可能。再者，作为InGaAs系材料，也可以用III-V族的化合物半导体，例如GaAs、AlGaAs、InAs、InGaAsP等。此外，在红外区中，也可以用Ga。此外，由于电流Ia和Ib之和为光电流I，所以也可以根据光电流I来监测入射光的强度。
图2示出用来自受光元件8的电极16a、16b的输出电流Ia和Ib来进行位置测量的电路的构成图。如果靠前置放大器1、2放大输出电流Ia和Ib后，靠加法器3、减法器4来进行加法和减法运算，靠除法器进行除法运算求出(Ia-Ib)/(Ia+Ib)，则可以根据式(4)来测量光入射位置。
再者，虽然图2示出用式(4)的检测方法，但是通过式(3)的除法运算求出Ia/Ib，也可以测量光入射位置。
(第2实施例)
对靠衍射格栅等把分时成N个的波长多路复用的信号光分波成N个，检测各自的重心位置和强度的分时驱动型光检测器之一例进行说明。
图3示出监测这种分波了的N个波长λ1、λ2、…、λN的场合的光检测器20。虽然该光检测器20的结构基本上与图1中所示的受光元件8的结构相同，但是因为接受所有的分波光，故受光部加大地构成。在图3中，靠衍射格栅22把分时成N个的波长所包含的信号光分波成N个。波长分别为λ1、λ2、…、λN的分波光入射到光检测器20。
由于分波光分时入射到光检测器20，所以光检测器对照分波光的入射时刻，把时间分割成N个而驱动。这样一来，可以检测N个分波光各自的光强度重心点。此外，N个分波光的强度像图1中说明的那样可以根据各个光电流来检测。
(第3实施例)
对靠衍射格栅等把N个波长多路复用的信号光分波成N个，检测各个分波光的强度及其重心位置的光检测器之一例进行说明。
图4示出监测分波了的N个波长λ1、λ2、…、λN的场合的光检测器30。该光检测器30由一维排列的N个受光元件D1、D2、…、DN来构成。各受光元件是图1中说明的受光元件。图5中示出光检测器30的俯视图。各受光元件沿排列方向并列地配置着电极16a、16b。
如果用本实施例，则由于靠衍射格栅22把N个波长所包含的信号光分波成N个，分别入射到N个受光元件，所以可以检测N个各分波光的光强度重心位置。此外，N个各分波光的强度可以像图1中说明的那样根据各受光元件的光电流来检测。
(第4实施例)
对靠衍射格栅等把N个波长多路复用的信号光分波成N个，检测各个分波光的强度及其重心位置的光检测器的另一个例子进行说明。
图6是用来说明该光检测器的图。在该光检测器中，靠半反射镜40把信号光分离成两路，一路的信号光靠衍射格栅42分波成N个，靠图5中所述的第1光检测器30检测各自的光强度重心位置。分离的另一路信号光靠衍射格栅44分波成N个，靠配由置在各个焦点位置的N个光电二极管PD1、PD2、…、PDN组成的第2光检测器46检测N个分波光的强度。
在本实施例中，由于第2光检测器46可以比第1光检测器30更小型地制作受光部，所以可以降低噪声，适于检测微弱的入射光的强度。
(第5实施例)
对用第2实施例或第3实施例的光检测器的本发明的光分波器的一个实施例进行说明。图7示出在波长多路复用传送方式的光通信系统中，在波长多路复用传送的光的接收侧按每个波长分波，检测各分波光的光强度及其重心位置之际可以利用的光分波器。该光分波器以一根输入光纤50、准直透镜52、衍射格栅54、以及光检测器56为构成要素，用相互配合的三个管状构件组装起来。输入光纤50靠光纤连接部62固定于透明的光纤安装用管58端面的光纤固定用窗60。准直透镜52固定于中间管64的端部。进而衍射格栅54固定于衍射格栅安装用管66端面的衍射格栅固定用窗68。在本例子中，在中间管64的两端部套装着光纤安装用管58和衍射格栅安装用管66，能够沿光轴方向移动且能够绕光轴旋转，可以主动对准。
在这种构成的光分波器中，经由准直透镜52靠衍射格栅54把来自输入光纤50的光分波，然后靠光检测器56再次经由准直透镜52来检测聚光的光。
像第2和第3实施例中说明的那样，靠光检测器56可以检测各个分波光的光强度重心位置和分波光的入射强度。
此外，也可以像第4实施例中所示的图6的光检测器那样，用靠半反射镜2把波长多路复用传送的光分离成两路，靠第1光检测器30来检测光强度重心位置，靠第2光检测器46来检测光强度的构成。
(第6实施例)
图8，在光通信系统中，靠衍射格栅70把C波段的k1个(k1是大于1的整数)波长，和L波段的k2个(k2是大于1的整数)波长多路复用的光分别分波成C波段的k1个和L波段的k2个，靠C波段用的k1个受光元件组成的第1光检测器(未画出)和L波段用的k2个受光元件组成的第2光检测器(未画出)，来检测(k1+k2)个分波光各自的光强度重心位置。
由于如果在各自的半导体芯片上设置C波段用的第1光检测器和L波段用的第2光检测器，则高精度地使半导体芯片彼此的相对位置或平行度吻合是困难的，所以最好是集成在一个半导体芯片上。如果分别适当选择C波段的光和L波段的光向衍射格栅70的入射角，则可以把C波段和L波段的分波光邻接地聚光成两列。在其聚光位置上设置排成两列的第1和第2光检测器。借此，就成为C波段的光以比L波段的光更接近于衍射格栅的法线方向的角度入射到衍射格栅。
设在一个半导体芯片上的受光元件的个数，不限于C波段用的k1个和L波段用的k2个，也可以在两列中设置同样个数。例如在k1≥k2之际，在两列中配置k1个受光元件，在k1≤k2之际，在两列中配置k2个受光元件，在一个半导体芯片上形成k1×2列受光元件或k2×2列受光元件。图9示出在一个半导体芯片72上在两列中集成相同数的受光元件8的例子。
虽然在本实施例中就C波段和L波段两个波段进行说明，但是一般来说对于由k个波段组成的光，二维地排列k列受光元件来进行分波光的检测。
这种构成的光检测器可以用于图7中所述的光分波器。
工业实用性
如果用本发明，则由于用在长波段中灵敏度高的III-V族化合物半导体材料来制作受光元件，所以对光通信领域中所用的长波段的频谱也能连续地检测强度及其重心位置。因而，与现有技术的受光元件相比可以提高分辨率。此外，如果用本发明，则可以实现使用这种受光元件的光检测器，以及使用这种光检测器可以实现具有优良的分辨率的光分波器。
Claims (14)
1.一种受光元件，是检测长波段的光的光强度及其重心位置的受光元件，其特征在于，备有：
由III-V族化合物半导体构成的层，
设在上述层的表面上的第1导电型电阻层，
设在上述层的背面上的其导电型与上述第1导电型的第2导电型基板，以及
设在上述电阻层上的对置的至少一对电极。
2.根据权利要求1所述的受光元件，其特征在于，上述III-V族化合物半导体从由InGaAs、GaAs、AlGaAs、InAs、InGaAsP组成的组中选择。
3.根据权利要求2所述的受光元件，其特征在于，上述III-V族化合物半导体是InGaAs。
4.根据权利要求3所述的受光元件，其特征在于，在上述第1导电型是p型，上述第2导电型是n型时，上述第1导电型的电阻层是p型InP层，上述第2导电型的基板是n型InP基板。
5.一种光检测器，是检测从分时成N个(N是大于2的整数)的波长多路复用的信号光所分波的各分波光的强度及其重心位置的光检测器，其特征在于，
备有权利要求1～4中的任何一项中所述的一个受光元件，对照各分波光的入射的时刻，把时间分割成N个而驱动该受光元件。
6.一种光检测器，是检测从分时成N个(N是大于2的整数)的波长多路复用的信号光所分波的各分波光的强度及其重心位置的光检测器，其特征在于，
一维地排列N个权利要求1～4中的任何一项中所述的受光元件。
7.一种光检测器，是检测从分时成N个(N是大于2的整数)的波长多路复用的信号光所分波的各分波光的强度及其重心位置的光检测器，其特征在于，
备有一维地排列有权利要求1～4中的任何一项中所述的N个受光元件的第1光检测部，该第1光检测部检测各分波光的光强度的重心位置，
备有一维地排列有N个受光元件的第2光检测部，该第2光检测部检测各分波光的光强度。
8.根据权利要求7中所述的光检测器，其特征在于，上述第2光检测部的受光元件是光电二极管。
9.一种光检测器，是检测从包括多个波长的波段多路复用的信号光所分波的各分波光的强度及其重心位置的光检测器，其特征在于，
与各波段对应地一维地排列有权利要求1～4中的任何一项中所述的多个受光元件。
10.一种光分波器，是把波长多路复用传送来的信号光分波的光分波器，其特征在于，备有：
把上述入射光分波的光学机构，和
接受靠上述光学机构所分波的分波光的权利要求5中所述的光检测器。
11.一种光分波器，是把波长多路复用传送来的信号光分波的光分波器，其特征在于，备有：
把上述入射光分波的光学机构，和
接受靠上述光学机构所分波的分波光的权利要求6中所述的光检测器。
12.一种光分波器，是把波长多路复用传送来的信号光分波的光分波器，其特征在于，备有：
把上述入射光分离成两路的光学机构，
把上述被分离的一路入射光分波的第1光学机构，
把上述被分离的另一路入射光分波的第2光学机构，
接受在上述第1光学机构中所分波的分波光，检测各分波光的光强度重心位置的权利要求6中所述的光检测器，以及
接受在上述第2光学机构中所分波的分波光，检测各分波光的光强度的受光元件阵列。
13.根据权利要求12中所述的光分波器，其特征在于，上述受光元件阵列是光电二极管阵列。
14.一种光分波器，是把包含多个波长的波段多个多路复用的信号光分波的光分波器，其特征在于，备有：
把上述入射光分波成按各波段的分波光的光学机构，和
排列有多个接受各波段的分波光的权利要求6中所述的光检测器的受光机构。
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