JP3477147B2 - 高パワーで大きいバンド幅の進行波光検出噐 - Google Patents

高パワーで大きいバンド幅の進行波光検出噐

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、進行波光検出噐に
関するものであり、特に高パワーで動作し、大きいバン
ド幅を有する進行波光検出噐に関する。
【０００２】
【従来の技術】光検出噐は変調された光を電気信号に変
換する。光検出噐は，アンテナの遠隔制御、宇宙船ＲＦ
相互接続、アナログおよびデジタリンク、および、その
他の高いダイナミック範囲を有する光ファイバリンクを
使用その他の応用を含む多くの分野で広く使用されてい
るが、前記の分野に限定されるものではない。
【０００３】固体光検出噐は典型的に吸収されてキャリ
アと呼ばれる電子およびホールを生成する入射光または
光子により動作する。ｐｉｎ（ＰＩＮ）ダイオードのよ
うな装置は電気コンタクトへキャリアを駆動して光電流
を生成する。ＰＩＮダイオードはｐ型とｎ型の半導体領
域が真性半導体材料の層によって分離されることにより
形成される。
【０００４】従来技術の表面結合ＰＩＮ光検出噐100 は
図１に示されている。表面結合ＰＩＮの目的はできるか
ぎり短い距離で多量の光を吸収することである。吸収領
域全体は狭いバンドギャップの材料で作られ、その領域
は電子およびホールの両者に透明なオーム接続を形成す
るように高ドープされた材料で被覆されている。
【０００５】通常の表面結合ＰＩＮ光検出噐は小さい表
面面積と大きいバンド幅を有しているが、吸収すること
のできる光パワーの量に制限がある。過剰のパワーは光
検出噐を損傷させ、また飽和効果を生じて性能を低下さ
せる虞がある。装置の表面面積を大きくして光パワーを
大きい表面全体に広げて損傷を減少させ、飽和しきい値
を増加させることが可能である。しかしながら、これは
それに対応してキャパシタンスの増加を生じさせ、装置
のＲＦバンド幅を減少させる欠点がある。簡単なＰＩＮ
光検出噐は制限を受けない高いパワーで動作することが
できず、また大きい帯域幅は可能ではない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】この問題を解決するた
めに、高いパワーで動作することができるような大きい
表面面積を有する進行波光検出噐200 が開発されてお
り、その１例が図２に示されている。進行波光検出噐20
0 は単位長当りの吸収が低くなるように薄い吸収層204
を使用している。この吸収層204 は２つの非吸収層202
の間に挟まれて配置されている。しかしながら、薄い吸
収層204 を使用する装置は大きい欠点を有する。この薄
い吸収層内で生成された電子・ホール対はその両側の非
吸収層により生成される電位の井戸によってトラップさ
れ、熱プロセスでしか吸収層から電極へ移動することが
できない。熱プロセスは動作が本質的に遅いため、薄い
吸収層を使用して形成された光検出噐は数ギガヘルツを
越える上限周波数を得ることはできない。複合階層を使
用することが提案されており、この方法はトラップの問
題を多少緩和することはできるが、それを完全に除去す
ることはできない。
【０００７】本発明の目的は、薄い層を有する光検出噐
に関連する上記のような電気キャリアのトラップの問題
を生じない進行波光検出噐を提供することである。
【０００８】本発明の別の目的は、高いパワーで大きい
バンド幅で動作のできる進行波光検出噐を提供すること
である。本発明のさらに別の目的は、吸収されたパワー
が分散され、加熱が最小にされたエピタキシャル層構造
を有する進行波光検出噐を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明の進行波光検出噐は、基体と、この基体上
に位置する光伝送媒体と、この光伝送媒体から中間層に
よって分離されて基体上に位置し光伝送媒体を伝送され
る光が漏洩されて結合される光を受取ってその光によっ
て電気キャリアを発生する光吸収媒体層と、この光吸収
媒体層に設けられて電気キャリアによって生成された電
気信号を取出す１以上の電極とを備えており、光吸収媒
体層は予め定められた長さ、幅、および厚さを有してお
り、伝送される光によって発生された電気信号を吸収す
るように構成され、光吸収媒体層がその両側に配置され
た層によって電位の井戸が形成されて発生された電気キ
ャリアがトラップされることを防止するために光吸収媒
体層と中間層の積層体はその両側に配置された電位の井
戸を形成しない高濃度不純物ドープ層によって挟まれて
おり、中間層もまた高濃度に不純物でドープされている
とを特徴とする。
【００１０】本発明の進行波光検出噐は、高いパワーの
動作が可能であり、大きい帯域幅を有している。１実施
形態では進行波光検出噐は、吸収されたパワーが分散さ
れるエピタキシャル層構造を有しており、装置の加熱は
最小にされる。光吸収媒体層は中間層を介して光伝送媒
体に結合されているために、この中間層によって光伝送
媒体から光吸収媒体層への光の結合を増加または減少さ
せるように調整することができる。また、中間層を高濃
度に不純物でドープすることによって底部電極として機
能させることができる。
【００１１】本発明は、弱い吸収の光導波体を通って光
が伝送されるように動作し、吸収された光により発生さ
れた電流は光導波体に取付けられた電極により収集され
る。パワー吸収は大きい面積に分散され、一方では吸収
構造のイントリンシックなバンド幅は維持される。電気
キャリアがトラップされる原因である電位の井戸が形成
されないように光吸収媒体層がその両側に配置された高
濃度不純物ドープ層によって挟まれているために熱プロ
セスが遅くなる問題は解決され、周波数応答特性は光検
出噐の過渡時間によってのみ制限される。１００ＧＨｚ
以上の良好な応答特性を有する装置を得ることが可能で
ある。
【００１２】本発明は、有効であることが証明されてい
る技術によって製造されることができ、光が光導波体に
沿って伝播するとき、光が光導波体から吸収ＰＩＮ構造
中にゆっくりと漏洩することができるように分離した非
吸収光導波体構造をＰＩＮ構造と組合わされている。こ
れは光検出噐の性能を犠牲にすることなく、光検出噐の
単位長当りの実効吸収を著しく減少させる。吸収された
光を広げることにより加熱と飽和の影響は減少する。Ｐ
ＩＮフォトダイオードの進行波電極構造は検出噐のキャ
パシタンスによる周波数特性の劣化を除去する。
【００１３】本発明のその他の目的および特徴は、添付
図面を参照にした好ましい実施形態の詳細な説明から明
白になるであろう。
【００１４】
【発明の実施の形態】本発明の高パワー進行波光検出噐
を図３乃至５によって説明する。本発明の光検出噐は、
分離した光伝送領域、すなわち光導波体領域12と、光吸
収領域14とを備え、それらは共同して高パワーの動作と
大きいバンド幅の動作を可能にする単位長当りの低い吸
収を得ることを可能にしている。
【００１５】図３を参照すると、本発明の基礎となる原
理を使用する光検出噐10の断面図が示されている。光導
波体領域12は水平方向で光吸収領域14から分離されてい
る。図３に示されている光検出噐10では、両方の領域12
および14は高濃度でドープされた導電性の層15上に配置
され、この導電性の層15は底部電極として機能する。反
対極性の電圧が頂部電極および底部電極に供給される。
これによって電界が設定され、光により発生されたキャ
リアを駆動して電極によって収集する。層12,14, 15の
全ては基体16上に配置され、この基体16は典型的に半導
体材料から形成されている。吸収領域14は高濃度でドー
プされた導電性の層15、18で挟まれているため従来の非
吸収層202 （図２）のような電位の井戸が形成されてキ
ャリアをトラップすることはなく、とたがって高速の動
作が可能になる。
【００１６】光電気フィールドＥ（Ｘ）が進行波光検出
噐10に関連して示されている。光フィールドＥ（Ｘ）の
小部分20だけが実際に吸収領域14に位置している。それ
故、材料の実効吸収係数は約10,000cm-1であるが、実効
吸収定数ははるかに少なく、10〜100 cm-1程度である。
図で楕円で示されたような光波が進行波光検出噐10に沿
って伝播するとき光エネルギはゆっくりと光導波体領域
12から引出される。楕円は光ビームの近似的な大きさお
よび形状を示している。
【００１７】図３に示された光検出噐10の構造は、光吸
収領域12の光吸収材料と非吸収材料とが隣接して並置さ
れるような成長および再成長プロセスが要求される。
【００１８】図４は、、本発明の基礎となる原理を使用
する別の形態の進行波光検出噐22の断面図であり、領域
12および14は基体16上で垂直方向で互いに分離して重ね
て配置されている。この実施形態では、材料は一方が他
方の上に成長され、金属有機化学気相付着（ＭＯＣＶ
Ｄ），金属有機気相エピタキシ（ＭＯＶＰＥ），および
分子ビームエピタキシ（ＭＢＥ）成長プロセスの標準的
な手順である。非吸収光導波体領域12が最初に成長さ
れ、次に吸収領域14が光導波体領域12の上部に形成され
る。
【００１９】図４にはさらに薄い中間層24が示されてい
る。この中間層24は２つの機能を有している。まず、そ
れは導電性であるように多量にドープされ、底部電極と
して機能する。さらに、中間層24は吸収領域への単位長
当りの結合を増加或いは減少するように調整されること
ができるような屈折率を有している。短い光検出噐に対
して中間整合層を挿入する概念は、Ｒ．Ｊ．Ｄeri およ
びＯ．ワダによる文献（ａpp. ｐhys.Ｌett.55巻、2712
〜2714頁）に記載されている。
【００２０】図５は、本発明の１実施形態の光検出噐30
の断面図を示している。この装置は図４に示された装置
の吸収領域14と中間層24との積層構造が高濃度の不純物
でドープされた層34, 35で挟まれている点で図４の装置
とは異なっている。光検出噐30は大きい光導波体領域12
を有している。層および領域の材料および寸法は、電極
18および36上のマイクロ波電界の順方向伝播速度を光導
波体領域12における光波の速度に一致させるように選択
される。光検出噐30のリブ構造32は進行波構造に対する
５０Ωのインピーダンスを得て速度整合を容易にするた
めに小さく形成される。
【００２１】ｐ+ 層35は電極18の下に位置される。多量
にドープされたｎ+ 層34は電界Ｅ（Ｘ）に対する接地平
面として作用し、しかも、中央電極18の周囲を囲む磁界
を許容する。中央電極18と２個の隣接する接地平面電極
36はマイクロ波共平面導波体（ＣＰＷ）構造を形成し、
それはマイクロ波電界を進行波構造32に沿って誘導す
る。
【００２２】光モードの幅はｎ+ 層34中のリッジ38によ
り決定される。中間層24は吸収領域への結合を増加また
は減少させるために使用される材料の薄い層であり、こ
れもまたｎ+ にドープされる。層24および34と共に層35
は頂部電極および底部電極を構成し、真性吸収領域14の
境界を定めている。
【００２３】本発明の進行波光検出噐の特別の利点は、
従来技術に関連したトラップ効果が除去されることであ
る。図２に示されるような従来技術の光検出噐は２つの
非吸収層202 の間に挟まれた狭いバンドギャップの吸収
層204 を有している。大きいバンドギャップを有する２
つの層の間に挟まれるこのサンドイッチ構造はキャリア
をトラップする吸収材料中の電位の井戸を形成する。
【００２４】本発明では、狭いバンドギャップの吸収領
域は電流の流れに対して全体的に透明である高濃度にド
ープされた層の間に挟まれており、したがってトラップ
効果が完全に除去される。本発明の進行波光検出噐の別
の利点は、光検出噐の単位長当りの吸収が適切な設計お
よび材料の選択によって調整されることができることで
ある。従来技術の薄い吸収層204 （１００オングストロ
ーム程度）はその製造中に使用された成長プロセスに悪
影響を与えないように修正することは容易ではない。本
発明ではより厚い層が使用されるために、従来技術の装
置では達成することが困難であった寸法の調整を容易に
行うことができる。
【００２５】動作において、光検出噐は光ファイバリン
クと関連して使用される。本発明の光検出噐の光導波体
領域12のサイズおよびディメンションは容易に調整され
て、光検出噐が最終的に取付けられる光ファイバのモー
ドプロフィールに最適に整合させることができる。結果
的に光ファイバから検出噐へのエネルギの転送は最大に
される。さらに別の利点は、吸収領域14の幅および厚さ
が、光導波体の特性に関係なく光検出噐の進行波電極18
のＲＦ伝播特性を最適にするように容易に調整できるこ
とである。
【００２６】本発明の進行波光検出噐は、すでによく知
られている技術を使用して製造することができる。ＰＩ
Ｎ光検出噐構造およびそれと分離された非吸収光導波体
構造が組合わされて光波が光導波体構造に沿って伝播す
るとき光導波体から吸収領域のＰＩＮ構造へゆっくりと
漏洩する。単位長当りの実効吸収は減少され、それによ
りＰＩＮ光検出噐の性能を犠牲にすることなくＰＩＮ光
検出噐の長さに沿って光の吸収が広げられる。
【００２７】以上、本発明を特定の実施形態について図
示し、説明したが、種々の変更および変形された実施形
態が当業者によって行われることができる。したがっ
て、本発明の技術的範囲は特許請求の範囲の記載によっ
てのみ制限される。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の技術による表面結合されたＰＩＮ光検出
噐の斜視図。
【図２】従来の技術によるエッジ結合された進行波光検
出噐の斜視図。
【図３】本発明の基礎となる原理を使用する進行波光検
出噐の１形態の断面図。
【図４】本発明の基礎となる原理を使用する進行波光検
出噐の別の形態の断面図。
【図５】本発明による進行波光検出噐の１実施形態の断
面図。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平４−286168（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−237176（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−138508（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 31/10 - 31/119

Claims (9)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 基体と、 前記基体上に位置する光伝送媒体と、 前記光伝送媒体から中間層によって分離されて前記基体
    上に位置し、前記光伝送媒体を伝送される光が漏洩され
    て結合される光を受取ってその光によって電気キャリア
    を発生する光吸収媒体層と、 前記光吸収媒体層に設けられて前記電気キャリアによっ
    て生成された電気信号を取出す１以上の電極とを具備し
    ており、 前記光吸収媒体層は予め定められた長さ、幅、および厚
    さを有しており、伝送される光によって発生された電気
    信号を吸収するように構成され、 前記光吸収媒体層がその両側に配置された層によって電
    位の井戸が形成されて発生された電気キャリアがトラッ
    プされることを防止するために、前記光吸収媒体層と前
    記中間層の積層体はその両側に配置された電位の井戸を
    形成しない高濃度不純物ドープ層によって挟まれてお
    り、 前記中間層もまた高濃度に不純物でドープされている進
    行波光検出噐。
  2. 【請求項２】 前記光伝送媒体と前記光吸収媒体層とは
    垂直方向で分離されている請求項１記載の進行波光検出
    噐。
  3. 【請求項３】 前記中間層はさらに、光伝送媒体の屈折
    率と光吸収媒体の屈折率との中間の値の屈折率を有する
    材料の層で構成されている請求項１記載の進行波光検出
    噐。
  4. 【請求項４】 前記中間層はさらに、前記光吸収媒体層
    との結合を変化させるために調節される厚さを有してい
    る請求項３記載の進行波光検出噐。
  5. 【請求項５】 前記光吸収媒体層は前記少なくとも１つ
    の電極のＲＦ伝送特性を最適にするために予め定められ
    た厚さおよび幅を有している請求項１記載の進行波光検
    出噐。
  6. 【請求項６】 前記光伝送媒体および前記光吸収媒体層
    の材料は単位長当りの光の吸収量が予め定められた値を
    有するように選択されている請求項１記載の進行波光検
    出噐。
  7. 【請求項７】 前記光導波体層の上に位置する高濃度で
    ドープされたｎ+ 層と、前記光吸収層の上に位置する高
    濃度でドープされたｐ+ 層とを有している請求項１記載
    の進行波光検出噐。
  8. 【請求項８】 前記ｎ+ 層はリッジを有し、このリッジ
    は光モードの幅を決定するために予め定められた幅を有
    している請求項７記載の進行波光検出噐。
  9. 【請求項９】 前記少なくとも１つの電極に隣接して設
    けられた２個の電極を備え、それらの電極は進行波光検
    出噐の進行波構造に沿ってマイクロ波電界を誘導するた
    めのマイクロ波共通平面光導波体構造を規定している請
    求項１記載の進行波光検出噐。
JP2000130520A 1999-04-28 2000-04-28 高パワーで大きいバンド幅の進行波光検出噐 Expired - Lifetime JP3477147B2 (ja)

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