JP3597531B2 - 光電気トランスデューサ - Google Patents

Description

発明の背景
本発明は、トランスデューサに関し、特に、ハイブリッドの光学および無線通信システムにおいて使用されるのに適したトランスデューサに関する。
ハイブリッドの光学および無線通信システム、特に、無線ファイバシステムは、個人の移動またはアンテナによる遠隔操作等の分野において、光学的伝送によってもたらされるフレキシブルで低コストの分配と“ワイヤレス”無線送信とを組合わせる能力のために、次の10年間を通じて通信ネットワークにおいて役割を増加させることが期待されている。
家庭および小企業等への広帯域のサービスに対する要求は、次の10年間にわたって劇的に増加することが予想されている。光ファイバおよびミリメートル波無線は、両方ともこれらのサービスに関連した大きい帯域の要求を支持することが可能である。ファイバを家庭または企業に直接に導くことは高レベルの容量を提供する１つの方法であるが、動作上の理由により、これは常に適切な解決策という訳ではない。RACEモービル帯域システムまたは無線LAN等の、別のミリメートル波無線システムはフレキシブルであり、好都合に提供できるという利点を与える。それ故、無線とファイバの両方を具備しているハイブリッドネットワークが初期の帯域ローカルアクセスシステムにおいて重要な役割を果たすと思われる。
そのようなハイブリッドの光学および無線システムは、Wake,D.,Smith,I.C.,Walker,N.G.,Henning,I.D.,Carver,R.D.等による文献“Video transmission over a 40GHz radio−fibre link"（Electron.Lett.,28,1992,pp.2024−2025参照）およびSmith,I.C.,Ellis,B.J.等による文献“A wideband mm−wave fibre−fed radio distribution point demonstrator"（ICC′92 Conference Record,1992,pp.100−104参照）に記載されている。
これらのシステムにおいて、幾つかの装置、特に、大きく、高価な装置は、中央の好都合な環境に位置されるが、その他の装置、特に、光学−無線トランスデューサは、遠隔地に位置されなければならない。遠隔地に位置された任意の装置のための要求は、例えば、コスト、寸法、重量、周波数の安定性、および電力の消費等に関して厳しく、また、任意の実際的なシステムにおいて、中央位置よりも遠隔位置が多く存在するので、遠隔地に位置された装置の要求を満たすための改良は、これらのシステムの配置を制限する。
本発明の目的は、ハイブリッドの光学および無線通信システムにおいて使用される改良されたトランスデューサを提供することである。
本発明によれば、ハイブリッドの光学および無線通信システムにおいて使用されるトランスデューサが提供され、そのトランスデューサは、
光電検出器と無線アンテナとを具備し、その光電検出器は電源電力がゼロで動作する光電検出器であり、無線アンテナに直接電気的に接続され、光信号が光電検出器によって受信されてトランスデューサが電源電力を使用せずに光信号を受信し、この電源電力がゼロで動作する光電検出器はセルフバイアス光電検出器を備え、このセルフバイアス光電検出器は入力光パワーの一部を使用してその電気的バイアスを生成するするように構成されていることを特徴とする。
本発明は、電力がゼロの光電検出器が、驚くべきことに直接電気的に無線アンテナに接続されて、電源電力がゼロで動作するトランスデューサを与えることができるという出願人の認識に基づいている。従って、本発明によるトランスデューサは、例えば電源電力の供給がない場所におけるローカルアクセスネットワーク、または、特定の道路における多数の契約者にサービスする電信用の電柱の頂部等、遠隔に配置されることができる。例えば、光ファイバを介して中央位置からトランスデューサに到達する光信号は、外部から供給された電力を使用せずに、電気信号に変換され、その後、無線アンテナを介して無線信号として再び送信される。その後に、無線信号は、例えば契約者の敷地等の第３の位置において受信され、そこにおいて復調される。
本発明によるトランスデューサは、電源電力供給のない場所において遠隔地に位置されることができる。さらに、トランスデューサの設計は、例えば、ファイバから入り、アンテナから出るという簡単な配置にすることができるように著しく簡素化される。
Wake等によって上述の参考文献に説明されているように、モノリシックに集積された光学前置増幅器およびフォトダイオードから形成された、電力供給された光電検出器を具備している先行技術によるトランスデューサは、よりフレキシブルに遠隔地に位置させることができるように、本発明のトランスデューサによって置換される。
電源電力がゼロで動作する光電検出器は、バイアスがゼロのフォトダイオードによって構成することができる。このフォトダイオードは、飽和速度を有するコンタクトに光電発生されたキャリアをドリフトするように十分な電界をそれらのコンタクトの間に必要とする。ゼロバイアスのフォトダイオードは、適切な内部電界が組込まれた接合電位のみを使用して発生されるように設計され、それによって外部バイアス電圧は必要とされず、従って、電力を供給せずにそれらを動作することができる。そのようなゼロバイアスのフォトダイオードは、例えば、Wake,D.,Spooner,T.P.,Perrin,S.D.,Henning,I.D.等による文献“50GHz InGaAs edge−coupled pin photodetector"（Electron,Lett.,27,1991,pp.1073−1074参照）および、J.E.Bowers,C.A.Burrus等による文献“High−speed zero−bias waveguide photodetectors"（Electron.Lett.,vol.22,No.17,14.8.86.参照）から知られている。
ゼロバイアスのフォトダイオードは、エッジ結合されたPINフォトダイオードであることが好ましい。フォトダイオードへの光学的な入力が吸収層を横切っている電界と実質的に垂直である幾何学的配置を使用することによって、フォトダイオードは、低静電容量を必要とする高速動作および適度に高い量子効率の両方を達成することができる。これらの２つの矛盾した目的は、エッジ結合されたフォトダイオードにおける吸収層が、短いキャリアが移動する距離を与えるのに十分な程度に薄くすることができ、一方、内部の量子効率にほとんど影響を与えないように長くすることができるために達成されることができる。
トランスデューサは、フォトダイオードにオーム接続することを容易にするために設けられたコンタクト層を具備していることが好ましい。フォトダイオードに設けられた電気接続が抵抗性でない場合、すなわち、それらが接触電位を生成する場合、そのような電位は内部接合電位の効果と反対であり、ゼロバイアスのフォトダイオードを動作不能にするので、コンタクト層の構成は、ゼロバイアスのフォトダイオードには重要である。
エッジ結合されたPINフォトダイオードにおいて、吸収層の厚さは0.5μｍ以下であることが好ましく、0.2μｍ以下であることがより好ましく、さらに、0.15μｍ以下であることがより好ましく、実質的に0.13μｍ以下であることが最も好ましい。特に薄い吸収層によって、適切な内部電界が接合電位だけから発生され、それによって、フォトダイオードの外部バイアスの必要をなくす。
しかしながら、ゼロバイアスのフォトダイオードは後述するように最適のバイアスでフォトダイオードを動作させることができない欠点がある。この問題を解決するために本発明のトランスデューサはセルフバイアス光電検出器を使用して、しかも電源電力がゼロで動作することのできる光電検出器を提供する。そのようなセルフバイアス光電検出器は、入力光パワーの一部分をトランスデューサに供給し、電気的なバイアスを光電検出器に供給する。従って、トランスデューサは、光学入力と無線入力のみを有して提供され、電力は供給されない。
セルフバイアス光電検出器は、第１のバイアスされたフォトダイオードと、
第１のフォトダイオードと電気的に接触している第２のバイアスフォトダイオードと、
光学分配手段とを具備し、
使用において、光学分配手段が光信号を分配し、トランスデューサに入力して両方のフォトダイオードを照明し、また、第２のバイアスフォトダイオードの光電発生された電流が第１のバイアスされたフォトダイオードをバイアスするために導かれるように構成されている。
セルフバイアス光電検出器は、第１のフォトダイオードをバイアスするために入射する光パワーの一部を使用し、従って、ゼロバイアスの配置よりも高い出力電力飽和点を有し、その理由は、第１のフォトダイオードは最適にバイアスされるからである。第１および第２のフォトダイオードのそれぞれにおいて発生された光電流は、セルフバイアスする光電検出器の動作を最適にするために実質的に同じであることが好ましい。
セルフバイアス光電検出器の第１のバイアスされたフォトダイオードは、低静電容量で高速のフォトダイオードで構成され、第２のバイアスするフォトダイオードは、高静電容量で低速のフォトダイオードで構成されているのが好ましく、それによって、第２のバイアスフォトダイオードの電気出力は、実質的に入力光信号の変調の影響を受けず、第１のバイアスされたフォトダイオードの電気出力は、入力光信号の変調に緊密に追従する。
この配置によって、第２のフォトダイオードは、高速で応答度の高い動作を行うように特別に設計された第１のフォトダイオードに実質的にDCの、すなわち最適にされたバイアス電流を供給することができる。
セルフバイアス光電検出器の光学分配手段は波長選択性であり、例えば、融着されたテーパー波長選択性カプラを具備していることが好ましい。そのようなトランスデューサは、光信号が２つの異なる波長でトランスデューサに供給される通信システムにおいて使用されることができ、そこにおいて、第１の波長の信号は、情報を搬送するように変調され、波長選択性光学分配手段によって第１のフォトダイオードに導かれ、第２の波長の信号は、変調されずに第２のフォトダイオードに導かれる。この配置は、ゼロバイアスの配置に関して、情報搬送入力光パワーに関するセルフバイアス光電検出器の応答度が減少されないという利点を有しており、その理由は、いずれの情報搬送入力光パワーも第１のフォトダイオードをバイアスするために使用されることはないからである。
セルフバイアス光電検出器の第１および第２のフォトダイオードは、コンパクトな設計を与えるためにモノリシックに集積されていることが好ましい。本発明の実施例は、添付された図面に関連して説明され、そこにおいて、
図１は、ハイブリッド通信システムに使用されるトランスデューサの概略図である。
図２は、図１のトランスデューサのバイアスがゼロのフォトダイオードを示している。
図３は、バイアスレベルが0Vおよび−2Vで0.1mAの光電流における図２のフォトダイオードの周波数応答特性のグラフである。
図４は、図２のフォトダイオードのバイアスがゼロの出力電力を周波数が0.1GHzおよび40GHzにおいて光電流の関数として表したグラフである。
図５は、図１のトランスデューサを使用する29GHzの無線−ファイバシステムの概略図である。
図６は、本発明の１実施例によるトランスデューサの概略図である。図７は、図６の実施例によるモノリシックに集積されたセルフバイアス光電検出器の概略図であり、図７（ａ）において縦方向の断面図が示されており、図７（ｂ）において横方向の断面図が示されている。
図１は、エッジ結合されたバイアスがゼロの高速フォトダイオード２を具備しているトランスデューサを示しており、フォトダイオード２は、標準利得ホーンアンテナ３に直接に電気的に接続されている。光信号は、12μｍの標準半径のレンズ５を有している単一モードの光ファイバ４を介してトランスデューサに入力される。
フォトダイオード２は、Wake,D.,Spooner,T.P.,Perrin,S.D.,Henning,I.D.,等による文献“50GHz InGaAs edge−coupled pin photodetector,"（Electron,Lett.,27,1991,pp1073−1074参照）に記載されている形式のものであり、この文献は、本明細書において参照文献とされる。
図２において、フォトダイオード２は、長さ10μｍ、幅５μｍ、厚さ0.13μｍのInGaAs吸収層６を具備している。構造は、硫黄でドープ処理されたInP基体７上でMOVPEによって成長され、成長したｐ−ｎ接合を定めるためにメサエッチングが使用される。４μｍの厚さの誘電体８（ポリイミド）が、接続パッドの静電容量を減少するために使用される。バイアスがゼロの状態で動作するために、フォトダイオードのコンタクトができる限りオーム作用に近くなることを確実にするために特別な配慮が行われなければならず、その理由は、接触電位が電流を妨害するからである。従って、コンタクト層23は、ｐ側のコンタクト24における電位障壁を減少させるために含まれている。このコンタクト層23は、多量にｐドープ処理されたInGaAs（N_a＞1E19cm³）で構成されており、0.1μｍの厚さを有している。その後、フォトダイオード２は、ウィルトンＫコネクタを備えているパッケージ上に取り付けられ、それによって、周波数特性は40GHzまで可能である。漏洩電流は、バイアスがゼロの動作には重要なパラメータではないが、値は、典型的に−2Vで1nA以下である。フォトダイオード２に対して1556nmの波長で46％の外部量子効率が測定された。周波数応答特性の測定は、光学ヘテロダイン技術を使用して実行され、そこにおいてビート周波数は、約1556nmの波長で１対のDFBレーザの１つを電流同調することによって掃引され、フォトダイオードからの電気的出力電力は、広帯域の電力センサを使用して測定された。図３において、バイアス電圧が0Vおよび−2Vに対して、0.1mAの光電流を与えるように光パワーが設定された周波数応答特性が示されている。フォトダイオード２は、−2Vのバイアスで37GHzの3dB帯域幅を有し、バイアスがゼロの動作のために受けるペナルティは、0.1GHzの0.5dB足らずから40GHzの4dBまで及ぶ。
高レベルの入力光パワーレベルを使用したときに、それらは高速フォトダイオードの応答度を減少できるということが注目される。この可能性を評価するために、1.5mAまでの光電流を発生するのに十分な範囲の光パワーにわたって測定が実行される。フォトダイオードが0.1乃至40GHzの範囲を通じて−2Vでバイアスされたときに光電流が最大になるまでは、量子効率における低下がないことが観察される。周波数が0.1GHzおよび40GHzの場合の出力電力がバイアスゼロの動作の光電流の関数として図４に示されている。実線は、20dB/デケードのスロープを示しており、低い光電流データ点と一致するように位置されている。２つの周波数における（低い光電流の場合の）出力電力における差は、図３から予想されたように8dBである。0.1GHzであるときに、光電流が最大になるまでは量子効率における低下は観察されない。40GHzであるときに、1mA以上の光電流には出力電力の飽和が認められる。1.5mAの最大の光電流において、高レベルの入力パワーのために受ける余分なペナルティは2dBであり、低周波数および低パワーに関して10dBの全ペナルティを与える。
トランスデューサ１は、図５に示されている無線−ファイバ通信システムにおいて使用される。高レベルのFM応答のために最適にされた３個のコンタクトのDFBレーザ９は、4.1GHzのマイクロ波発振器10によって駆動される。結果的な光学FMは、12.5kmのステップインデックスファイバ11によって生じる分散による光学FM側波帯の位相の摂動によって駆動周波数の高調波においてIMに変換される。この技術によって、マイクロ波発振器10のスペクトル純度によって決定されたスペクトル純度のmm波キャリア信号が生じ、この場合、それはサブHzの線幅を有している。変調は、ビデオパターン発生器12からのビデオ信号をマイクロ波発振器10のFM入力に接続することによって行われる。結果的な光信号はトランスデューサ１のエッジ結合されたバイアスがゼロのフォトダイオード２によって検出され、その後、標準利得ホーンアンテナ３を介して無線信号として再び送信される。電力は、トランスデューサ１には与えられない。1mの通路長の通過後、駆動信号（28.7GHzの）の第７高調波が、27.61GHzの周波数で動作している局所発振器14を有している無線受信機13を使用して選択される。（1090MHzの）結果的なIFは、衛星TV受信機15を使用して復調され、モニタ16上に表示される。高品質の表示された像は、電力がゼロのトランスデューサの送信が成功したことを適切に証明する。
このシステムにおける短い無線通路は、トランスデューサから放射された低レベルの電力（−50dBm）の結果として必要である。低レベルの電力の主な理由として、光学mm波発生プロセスの相対的な低効率があげられる。レーザ９の出力における重要な輝度変調のために（理論的に予想された70％ではなく）−20％のみの光学変調の深さが観察される。光学mm波を発生するより効率的な手段を使用して電力がゼロのトランスデューサで達成可能な潜在的な電力レベルの良好な表示は図４から得られ、それは、40GHzで少なくとも−25dBmの無線電力の送信が可能であることを示している。この電力レベルで、数百メーターの無線通路が達成可能であり、それは多数の潜在的な応用に適している。
図６において、標準利得ホーンアンテナ３に直接に電気的に接続され、低静電容量で高速のフォトダイオード18と、高静電容量で低速のフォトダイオード19とから形成されたセルフバイアス光電検出器17と、3dBの融着したテーパーカプラ20を具備している光学分配手段とを具備しているトランスデューサ１の１実施例が示されている。
動作において、光ファイバ４を介してトランスデューサ１に入力された光信号は、カプラ20によって高速のフォトダイオード18と低速のフォトダイオード19の両方に分配される。低速のフォトダイオード19上に入射する光信号は、電気接続22によって高速のフォトダイオード18へ導かれる光電流を発生する。電気接続22は、フォトダイオード18と19とを並列に接続するのに役立ち、それによって、一方の陽極は他方の陰極に接続され、または、その逆に接続される。フォトダイオード19の静電容量が高いために、そこにおいて発生された光電流は実質的にDC電流である。
光学分配手段20によってフォトダイオード18および19の間で入力光パワーが等しく分配されるように、フォトダイオード18および19の量子効率が実質的に等しくなるように配置され、それによって、フォトダイオード18および19において実質的に等しい光電流が発生される。
従って、フォトダイオード18は、フォトダイオード19からの光学的に発生された電流によって最適にバイアスされるので、本発明の実施例による電源電力がゼロで動作するトランスデューサの出力の飽和点は、ゼロバイアスのフォトダイオードを使用するトランスデューサの出力の飽和点に関して改良される。
図７において、エッジ結合された２つのPINフォトダイオードをその一方が他方の上部に成長された状態で具備しているモノリシックに集積されたセルフバイアス光電検出器が示されている。図面から分かるように、下部のフォトダイオードは、面積が大きい吸収層６を有しており、従って高静電容量で低速のバイアスするフォトダイオード19を形成し、一方、上部のフォトダイオードは、面積が小さい吸収層６を有しており、従って低静電容量で高速のフォトダイオード18を形成する。
本発明はエッジ結合されたPINフォトダイオードに関連して説明されてきたが、本発明によるバイアスがゼロのフォトダイオードは、例えば、ショットキー・フォトダイオードまたは金属−半導体−金属フォトダイオード等の電界において構成される任意のフォトダイオードをも含むことは当業者によって理解されるであろう。同様に、本発明によるセルフバイアス光電検出器は、バイアスされたフォトダイオードの代りに光導電体またはフォトトランジスタから構成することができる。

Claims (4)

1. 光電検出器と無線アンテナとを具備し、
   前記光電検出器は電源電力がゼロで動作する光電検出器 であり、無線アンテナに直接電気的に接続されて光信号 が光電検出器によって受信されてトランスデューサが電 源電力を使用せずに光信号を受信して無線信号を送信するトランスデューサにおいて、
   前記電源電力がゼロで動作する光電検出器はセルフバイ アス光電検出器（17）を具備し、このセルフバイアス光 電検出器（17）は入力光パワーの一部を使用してその電 気的バイアスを生成するするように構成されていることを特徴とするトランスデューサ。
2. セルフバイアス光電検出器は、
   バイアスされた第１のフォトダイオード（18）と、
   第１のフォトダイオードと電気的に接続されて第１のフ ォトダイオードにバイアス電圧を与える第２のフォトダイオード（19）と、
   光学分配手段（20）とを具備しており、
   使用されるとき、前記光学分配手段（20）が光信号を分配してトランスデューサの両方のフォトダイオード（18,19）に入射させ、第２のフォトダイオード（19）の発生した光電流が、第１のフォトダイオード（18）をバイアスするために導かれるように構成されている請求項１記載のトランスデューサ。
3. 第１および第２のフォトダイオード（18,19）においてそれぞれ発生された光電流は実質的に同一である請求項２記載のトランスデューサ。
4. バイアスされた第１のフォトダイオード（18）は、低い静電容量で高速のフォトダイオードから構成されており、バイアスするための第２のフォトダイオード（19）は、高い静電容量で低速のフォトダイオードから構成されており、それによって、バイアスするための第２のフォトダイオード（19）の電気出力は実質的に入力光信号の変調の影響を受けず、バイアスされた第１のフォトダイオード（18）の電気出力は入力光信号の変調に緊密に追従する請求項２または３記載のトランスデューサ。

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