JP3135524B2 - 光励起電界放射型光−電流変換器 - Google Patents
光励起電界放射型光−電流変換器Info
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- H01J1/02—Main electrodes
- H01J1/34—Photo-emissive cathodes
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- H01J2201/30—Cold cathodes
- H01J2201/317—Cold cathodes combined with other synergetic effects, e.g. secondary, photo- or thermal emission
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- Light Receiving Elements (AREA)
- Optical Couplings Of Light Guides (AREA)
- Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
- Photo Coupler, Interrupter, Optical-To-Optical Conversion Devices (AREA)
- Optical Integrated Circuits (AREA)
Description
や光計測、分析装置等に広く用いられる光検出器に関す
る。
られるのはフォトマルチプライアー、Charge Coupling
Device(CCD)と呼ばれる電荷結合素子、更にはフォトダ
イオードである。フォトマルチプライアーはきわめて微
弱な光にも応答し、増幅率が大きいことが利点として挙
げられるが、応答速度がマイクロセカンド程度と遅く、
変換電流がマイクロアンペアと小さく、しかも光強度と
電流量との相関関係にばらつきの幅をもち、暗電流とノ
イズが大きいことが欠点として挙げられる。
のではなく、光を一旦電荷に変換し、その後、読み取り
段階で電流量に変換する。このため、光強度と電流量の
相関が極めて高い利点を有するが、応答速度は変換過程
を2段階もつため遅く、その機構も複雑という欠点を有
している。さらに、フォトダイオードは、バンド幅が20
GHzと広いが、作動温度が10-40℃と狭いことが欠点とし
てあげられる。
界放射を利用して、電界放射電流量を大きくし、ピコ秒
(10 -12 second)オーダーの応答速度を実現す
るとともに、構造を簡単化した光励起電界放射型光−電
流変換器の提供を目的としている。
放射型光−電流変換器は上記課題を解決するために、電
界放射を利用するものである。以下、基本原理を説明す
る。電導材料の鋭い針先に負のバイアス電圧を印加する
と、針先には高電界が発生し、針先の表面内に閉じ込め
られている電子に対するポテンシャル障壁を縮小させ
る。その結果、表面上の電子がハイゼンベルグの不確定
性原理により外部に放出される確立が増大する。この現
象は電界放射と呼ばれているものである。金属等の導体
の針状体では放射電流量は針先の電界強度により大きく
増減し、針先に照射する光には応答しない。しかし、半
導体、特に絶縁体に近い半導体材料や絶縁材料では、針
先に光を照射すると、光電導率が瞬間的に増大し、電界
放射電流量がきわめて大きくなる。この原理を応用した
ものが光励起電界放射型光−電流変換器である。
は光が伝播するための光導波材料と導電性透明膜と半導
体材料あるいは絶縁材料と導体材料が接合した構成から
成り、上記光導波材料の光が出射する側を先鋭化した形
状をもたせることによって、光導波材料に入射した光の
強度を高感度に、さらに高速の応答で検出するものであ
る。
変換器の例について図面を参照しながら説明する。これ
は、電界放射を利用して、電界放射電流量を大きくし、
ピコ秒オーダーの応答速度を実現するとともに、構造を
簡単化した光励起電界放射型光−電流変換器を提供する
ものである。
例を示す構成図である。図1において、1は光導波材料と
しての、ガラス系ファイバーである。光の出射側の先端
には、透明導電膜2をコーティングするが、ここでは、
電子ビーム蒸着装置(EB蒸着装置)でITO膜(In2O
3:Sn)を約0.1μmの膜厚で製膜した。ITO膜はE
B蒸着装置で作製したが、スパッタ法、パイロゾル法、
スプレー法などの手法によっても、製膜可能である。
材料を、さらにコーティングする。ここでは絶縁膜3と
して、SiO2膜を用い、その形成方法としては、TE
OS(Tetra Ethylortho Silicate)−CVD法で行っ
た。SiO2膜はガラスファイバー先端の針状構造の高
さ、10μm程度をすべて埋め尽くす程度の厚さが必要
であり、約20μmの膜厚で堆積した。この後、膜作製
したSiO2の表面から研磨し、SiO2膜表面を透明導
電膜をもつ針状構造の先端までの距離を0.1μm以下
とした。
ガラスファイバー1の一端は透明導電膜2として、In
2O3:Sb膜0.1μm、絶縁膜3として、SiO2膜
をコーティングし、さらにSiO2表面は研磨によって
平面化してある。SiO2表面と導体材料4を接合し、
ガラスファイバー上の導電性透明膜2と導体材料4間
に、導電性透明膜が負電位となるようなバイアス電圧6
を印加することによって、光回路組込み式光励起電界放
射型光−電流変換器として動作させることができる。
を参照しながら説明する。本発明の目的は、上記と同様
に、光励起電界放射型であるが、導電材料の先端を針状
構造にし、その表面上の電子がより高い確率で放出する
ようにしたものである。図2は本発明の第1の実施例に
おける光励起電界放射型光−電流変換器の構成図であ
る。図2において、1は光導波材料としてのガラス系フ
ァイバーで、その一端に複数個の先鋭化した針状構造5
を有している。針状構造5は表面を荒らすための砥粒を
吹き付けるブラスト法や研磨法により表面に不規則に凹
凸をつけ、針状構造を機械的方法で形成する。この時、
針状構造の高さは10μm程度以下である。また、機械
的加工の外に、RIE(Reactive Ion Etching)装置を
用いた方法や湿式エッチング法により、高さ、数100
μm程度の針状構造を造ることができる。
む一端には、透明導電膜2をコーティングするが、ここ
では、電子ビーム蒸着装置(EB蒸着装置)でITO膜
(In 2O3:Sn)を約0.1μmの膜厚で製膜した。ITO
膜はEB蒸着装置で作製したが、スパッタ法、パイロゾ
ル法、スプレー法などの手法によっても、製膜可能であ
る。
材料を、さらにコーティングする。ここでは絶縁膜3と
して、SiO2膜を用い、その形成方法としては、TE
OS(Tetra Ethylortho Silicate)−CVD法で行っ
た。SiO2膜はガラスファイバー先端の針状構造の高
さ、10μm程度をすべて埋め尽くす程度の厚さが必要
であり、約20μmの膜厚で堆積した。この後、膜作製
したSiO2の表面から研磨し、SiO2膜表面を透明導
電膜をもつ針状構造の先端までの距離を0.1μm以下
とした。
ガラスファイバー1の一端は透明導電膜2として、In
2O3:Sb膜0.1μm、絶縁膜3として、SiO2膜
をコーティングし、さらにSiO2表面は研磨によって
平面化してある。SiO2表面と導体材料4を接合し、
ガラスファイバー上の導電性透明膜2と導体材料4間に
対して、導電性透明膜2が負電位となるようなバイアス
電圧6を印加することによって、光回路組込み式光励起
電界放射型光−電流変換器として動作させることができ
る。
ファイバーの一端から入射され、光が針状構造の先端に
照射されるとき、図2の構造下では光伝導率が瞬間的に
増大し、電界放射電流が極めて大きくなる。
光―電流変換器は、先鋭化した光導波材料と透明導電性
膜と半導体材料あるいは絶縁性材料と電導体材料が接合
した構成からなることによって、電界放射電流が極めて
大きくなる。このため、ピコ秒(10 -12 secon
d)以上の応答速度が可能になり、変換電流量は電界放
射する針状構造の形状と針状の数およびバイアス電圧で
決まるが、10ミリアンペア以上が期待できる。また、
構造が極めて簡単であり、微細化ができ、この微細化の
ために、機械的強度に優れている。さらに、動作温度は
極低温から400℃程度まで広げられ、低ノイズ化を実
現できる。
成図である。
型光-電流変換器の構成図である。
Claims (12)
- 【請求項1】 光が伝播するための先鋭化した光導波材
料、導電性透明膜、半導体材料あるいは絶縁材料、導体
材料がその順序にて順次接合した構成からなり、導電性
透明膜と導体間に電圧を印加することによって、電界放
射電流を得ることを特徴とする光励起電界放射型光−電
流変換器。 - 【請求項2】 光が伝播するための光導波材料で、光が
出射する側に先鋭化した形状をもち、光導波材料、導電
性透明膜、半導体材料あるいは絶縁材料、導体材料がそ
の順序にて順次接合した構成からなり、導電性透明膜と
導体間に電圧を印加することによって、電界放射電流を
得ることを特徴とする光励起電界放射型光−電流変換
器。 - 【請求項3】 光導波材料がガラス等のファイバー形状
からなり、導電性透明膜と接するファイバー形状の一端
が、単数個もしくは複数個の先鋭化した針状構造を有す
ることを特徴とする請求項1または請求項2記載の光励
起電界放射型光−電流変換器。 - 【請求項4】 光導波材料の一端に形成する先鋭化した
針状構造の高さが1〜500μmで、ファイバー形状の一端
に先鋭化した針状構造を複数個形成する際の針状構造の
間隔が0.1〜500μmであることを特徴とする請求項1ま
たは請求項2記載の光励起電界放射型光−電流変換器。 - 【請求項5】 光導波材料の一端に形成する先鋭化した
針状構造の先端の曲率半径が1μm以下であることを特徴
とする請求項1または請求項2記載の光励起電界放射型
光−電流変換器。 - 【請求項6】 光導波材料の一端に形成する先鋭化した
針状構造と接する導電性透明膜がSn2O3、もしくはIn2O3
もしくはZnOを含む透明物質、もしくは特定波長の光を
透過する物質であることを特徴とする請求項1または請
求項2記載の光励起電界放射型光−電流変換器。 - 【請求項7】 光導波材料の一端に形成する先鋭化した
針状構造と接する導電性透明膜が0.001〜1μmであるこ
とを特徴とする請求項6記載の光励起電界放射型光−電
流変換器。 - 【請求項8】 光導波材料の一端に形成する先鋭化した
針状構造とそれに接する導電性透明膜が半導体材料もし
くは絶縁材料で覆われることを特徴とする請求項6記載
の光励起電界放射型光−電流変換器。 - 【請求項9】 光導波材料の一端に形成する先鋭化した
針状構造とそれに接する導電性透明膜とそれに接する半
導体材料もしくは絶縁材料がダイヤモンドもしくはSiO2
もしくはGaAsであることを特徴とする請求項1または請
求項2記載の光励起電界放射型光−電流変換器。 - 【請求項10】 光導波材料の一端に形成する先鋭化し
た針状構造とそれに接する導電性透明膜とそれに接する
半導体材料もしくは絶縁材料の先端と導体材料との間隔
が0.001〜0.1μmであることを特徴とする請求項9記載
の光励起電界放射型光−電流変換器。 - 【請求項11】 光導波材料の一端に形成する先鋭化し
た針状構造とそれに接する導電性透明膜とそれに接する
半導体材料もしくは絶縁材料とそれに接する導体材料の
光軸が一致することを特徴とする請求項1または請求項
2記載の光励起電界放射型光−電流変換器。 - 【請求項12】 光導波材料の一端に形成する先鋭化し
た針状構造とそれに接する導電性透明膜とそれに接する
半導体材料もしくは絶縁材料の構成の中で、光導波材料
の一端に形成する先鋭化した針状構造とそれに接する導
電性透明膜の間に光学フィルターとしての薄膜を挿入す
ることを特徴とする請求項1または請求項2記載の光励
起電界放射型光−電流変換器。
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JP09336131A JP3135524B2 (ja) | 1997-12-05 | 1997-12-05 | 光励起電界放射型光−電流変換器 |
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US5504323A (en) * | 1993-12-07 | 1996-04-02 | The Regents Of The University Of California | Dual function conducting polymer diodes |
US5546413A (en) * | 1994-09-01 | 1996-08-13 | Motorola | Integrated light emitting device |
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1997
- 1997-12-05 JP JP09336131A patent/JP3135524B2/ja not_active Expired - Fee Related
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- 1998-12-04 US US09/205,857 patent/US6298179B1/en not_active Expired - Lifetime
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EP0921552A2 (en) | 1999-06-09 |
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