JPH04504028A - 光フアイバー伝送線のための二重モード発光ダイオード／検出ダイオード - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 光フアイバー伝送線のための二重モード発光ダイオード／検出ダイオード 発明の分野 本発明は、光信号伝送における光ファイバー又は他の導波管へノ直接光結合のた めの半導体ダイオード素子に関する。特に、発明は、発光のための二重へテロ構 造発光ダイオード（ＤＨ−ＬＥＤ）と、検出器としてのホトダイオードの単体組 み合わせを含み、組み合わせは、ダイオードの重くドープされた活性層と半導体 閉じ込め要素との間に介在された軽くドープされた導波管要素を特徴とする。ダ イオードは、発光のために使用された順方向バイアス電界の代わりに、逆方向バ イアス電界の印加により発光体モードから検出器モードに切り換えられる。

背景 導電線又は無線電波による電流ではなく、薄い透過繊維を通った光ビームによる 信号の実際の伝送は、半導体レーザーと半導体発光ダイオードの１９６０年代初 期における開発の後に現実になったが、これら両者は、単色光の安定源を設ける 。電線と無線リンクが空中光路ではなく光ファイバーと導波管によって置き換え られた「集積オプティックス」の概念の出現は、従来の回路に置き換わる小型光 集積回路の開発によってさらに進行した。この主な進歩は、ミクロン以下の線幅 の超微細素子を生産することができるガリウム・アルミニウムひ素（ＧａＡＩＡ ｓ）ダイオードとホトリトグラフィ微細製造技術の創設により高められた。

電気相対物に対する光フアイバー伝送線の現状の利点は、安定性、広帯域幅、雑 音と外部干渉の不在、及び小形の実装置によって与えられた大きな有用性を含む 。最後の利点は、光信号を光ファイバーに導入してホトダイオードを検出のため のファイバーに結合するために、小形の半導体レーザー又は発光ダイオードを使 用することにより獲得される。Ｉノかし、初期システムは、発光体からの信号を 保持する光ビームを適切なホトダイオード検出器に指向させるために、鏡、プリ ズムと格子の振動に感応する大形の組み合わせを必要とした。そのような装置は 、信号伝送の現電気的手段に少なくとも匹敵し、あるいはそれよりも信頼性に優 れたが、これと他の困難が、ファイバー光信号伝送の受容を遅らせた。

初期システムの困難の一つは、信号をファイバーの一端に導入し、ファイバーの 他端において信号を検出するための別個の発光体と検出ダイオードの必要性であ った。この困難は、発光体又は検出器として機能する単体二重モード・ダイオー ドを設けるシステム（Ｒ，Ｇ、Ｈｕｎｓｐｅｒ、ｇｅｔへの１９７６年４月２０ 日に付与された米国特許第３．９５２．２６５号）においてＨｕｎｓｐｅｒｇｅ ｒによってかなり緩和された。

′　基本的に、この二重モード・ダイオードは、順方向バイアスされた時レーザ ーとして機能し、そして逆方向バイアスされた時ホトダイオードとして機能する ｐ−ｎ接合ダイオードであり、あるいは電圧の印加がないならば、ダイオードは 、伝送線における他の素子の機能性に干渉しない比較的低い挿入損失を有する中 立状態にある。

高効率な発光／検出構造を有する改良されたレーザー／検出ダイオードが、Ｈｕ ｎｓｐｅｒｇｅｒ＆Ｐａｒｋ　（米国出願第９．８６３号）によって開発された 。その素子は、長距離通信において使用されたものの如く小直径（２１０μｍ） の単一モード・ファイバーでの使用のために理想的に適するが、多くのローカル エリア網において使用されたものの如く大直径（２１００μｍ）多重モード・フ ァイバーに効率的に結合することは困難である。

本素子は、光ブアイバー伝送線又は他の導波管への直接結合のための単体ｐ−ｎ 接合ダイオードであり、この場合ダイオードは、発光体と受信器として選択的に 機能するように適合される。それは、大直径多重モード・ファイバーでの使用の ために特に適する。この実施態様において、ダイオードの活性（発光）ｐ形半導 体層は、発光効率を増大させるために高度にドープされるが、受信器としての感 度は、フランツ・ケルディツシュ効果を活動化するために十分大きな逆方向バイ アスの印加により増大され、一方、効率結合は、入射光の有効受信領域を増大さ せるために、活性層と閉じ込め層の間に介在した低損失の軽くドープされた導波 層を用いて設けられる。

ダイオードは、活性層と閉じ込め層の間に介在した低損失導波要素を有する二重 へテロ構造（ＤＨ）発光ダイオード（ＬＥＤ）及びホトダイオード幾何構造の単 体組み合わせである。

光信号をファイバー光路に導入するためのダイオード素子を設けることが、発明 の目的であり、この場合光パワーが、ダイオードの側面からダイオード基板にお ける開口を通してダイオードに結合された光ファイバーに放射される。

そのようなダイオードが、逆方向バイアスされた時光検出器として効率的に動作 することがまた、目的である。

発明のさらに他の目的は、特に大直径の多重モード光ファイバーの使用を容易に するために、ダイオード・チップの端面による側部発光又は検出ではなく、ダイ オードの側面からの実質的に大きな発光及び検出効率である。

発明の要約 本発明の実施態様において、ｐ−ｎ接合ダイオードは、ダイオードの側面におい て光ファイバーに直接結合される。ＬＥＤ検出器構造は、４液層のエピタキシャ ル成長層を有する。発光活性領域は、小領域ｐ形接触により局所化される。導波 層は、軽くドープされる。ダイオードが逆方向バイアスされた時、軽くドープさ れた層は、実質的にキャリヤを空乏し、そして素子は、ｐ−ｎ接合ホトダイオー ドとして作用し、フランツ・ケルディツシュ効果を示す。ダイオードが順方向バ イアスされた時、非コヒーレント光が、頂面と側面から発光されるが、頂面から の光パワーは、側面発光の約３０倍である。

分子線エピタキシー（ＭＢＥ）又は金属有機化学蒸着法（ＭＯＣＶＤ）を使用し て製造される。

図面の簡単な説明 第１図は、１９８７年２月２日に提出された米国出願第９．８６３号の二重モー ドＬＥＤ／検出ダイオードの層状構造の実施態様の略図。

第２図は、光集積回路の光導波管へ直接に結合されたダイオードの図。

第３図は、ファイバー光回路におけるダイオードの図。

第４図は、ダイオードの活性領域への光ファイバーの結合を改良するためのマイ クロレンズの使用の図。

第５図は、本発明のダイオードの幾何構成を示す図。

説明 Ｒｏｂｅｒｔ　Ｈｕｎｓｐｅｒｇｅｒに１９７６年４月２０日に付与された米国 特許第３．９５２．２６５号は、背景の説明として、また本発明に適用可能な方 法のために、参照により組み込まれている。

米国出願第９．８６３号において述べられた如く、導波管ホトダイオードと二重 へテロ構造（ＤＨ）レーザー・ダイオードの幾何構造を利用することにより、導 波管とファイバーへのレーザーとホトレセプタ・ダイオードの直接結合に関する 問題の解決に注意が向けられる。導波管ホトダイオードにおいて、すべての入射 光信号は空乏層の平面に直接に吸収されるために、量子効率は高いだけでなく、 キャリヤの拡散時間遅延は除去される。参照された発明の導波管検出器は、従来 のｐ−ｎダイオードの接合空乏厚に比較して、比較的厚い軽くドープされた導波 層を有するために、それは接合容量を縮小させ、良好な高周波数応答を生む。

キャリヤと光子閉じ込めから生ずる低しきい値電流密度と高効率を有する半導体 レーザーのために最も広範に使用された構造である二重へテロ構造は、単体組み 合わせに優れた放射特性を設ける。

導波管光検出器としてのＤＨレーザー・ダイオードの使用に影響を与える内部競 合作用を有する３つの因子が識別され解消された。

まず、ＤＨレーザーにおいて、吸収損失係数は、しきい値電流密度を低下させ、 かつ効率を増大させるために小さくなければならないが、導波管ホトダイオード において、大吸収係数δは、高量子効率と感度のために本質的である。

第２因子は、空乏層の寸法に関して、レーザーのための最適構造とホトダイオー ドのための最適構造の間の競合に関する。低い直列抵抗を有する活性領域におけ る反転分布を得るために、ＤＨレーザーの層が、典型的に約ＩＱ”ｃｍ−”の濃 度において、重くドープされる。このドーピング濃度に対する最大空乏層厚は、 わずかに０．０８マイクロメートル（μｍ）である。この空乏層厚は、従来のホ トダイオードのそれの約１５分の１である。しかし、そのような極めて薄い層は 、接合容量を従来のホトダイオードの５０倍に増大させ、その結果高周波数応答 が、高Ｒ−Ｃ時定数によって厳しく制限される。さらに、極めて薄い空乏層への 入射光のすべてを結合することは、非常に困難である。入射光が空乏領域におい て閉じ込められないならば、量子効率は縮小されるだけでなく、キャリヤ拡散に 関連した時間遅延はさらに応答速度を縮小させる。

内部競合効果における第３因子は、素子長から発生する。高効率のために、ＤＨ レーザーは、あまり長くてはいけない。他方、導波管ホトダイオードは、高量子 効率のために吸収係数と素子長の大きな積を必要とする。吸収係数を劇的に増大 させる手段があるならば、素子長は、もはや問題ではない。

米国特許第３．９５２．２６５号と米国出願第９．８６３号のレーザー−／検出 素子において重要なこれらの３つの因子はまた、単体組み合わせにおける発光ダ イオードとホトダイオードの本発明において重要である。

本発明は、前述の因子においてトレードオフを設け、そしてこのため、高光出力 の直接結合二重モード・ダイオードの構造と、高効率で発光及び検出する能力を 可能にする。

トレードオフと前述の因子の第１及び第３への解決策として、フランツ・ケルデ ィツシュ効果が、上記のＨｕｎｓｐｅｒｇｅｒ特許において記載された如く、吸 収係数を電気的に変化させるために使用される。（詳細な背景に対しては、「集 積光回路：理論と技術Ｊ、ＨｕｎｓｐｅｒｇｅｒｌＲ，Ｇ、　、Ｓｐｒ　ｉｎｇ ｅｒ−Ｖｅｒｌａｇ、Ｂｅｒｌ　ｉｎ、Ｈｅｉｄｅｌｂｅｒｇ、Ｎｅｗ　Ｙｏｒ ｋ、１９８２年、特に２６０ページ以降を参照せよ。）ｎ形ＧａＡｓに対して、 δ＝１０．ＯＯＯｃｍ−’（すなわち、はぼ全吸収）の実験値が、１．０μｍの 空乏幅での１３Ｖ逆方向バイアスに対応する１、３Ｘ１０Ｐ′Ｖ／ｃｍの印加電 界から生ずる。こうして、ダイオードは、合理的な小バイアス電圧により、ＬＥ Ｄ動作に対する低吸収状態から検出のための高吸収状態に電気的に切り換えられ ることが見られる。

前述の第２因子は、ＬＥＤ効率を減少させることなく、十分に厚い空乏層を得る 問題である。この問題は、本発明により、軽くドープされた低損失導波層を含む ホトダイオードとＤＨＬＥＤ幾何構造により解決され、この場合入射光は、活性 層と一つの閉じ込め層の間に侵入する。

第１図を参照すると、米国出願第９．８６３号において開示された如く、二重モ ード・レーザー／検出器の基本構造の理解を容易にする。図面において、等尺で はないが、ｐ形ガリウムひ素（Ｇ’ａＡｓ）の重くドープされた活性層１１を有 するダイオード１０の断面図が示される。導波層１２は、軽（ドープされたｎ形 ＧａＡｓであり、５×１０１８〜３×１０１６ｃｍ−３のドーピング濃度を有す る。導波層厚は、降服における最大空乏層幅よりもわずかに小さく、すなわち、 １．０〜５．０μｍよりも小さい。活性層のドーピング濃度は、約ＩＱ”ｃｍ− ”以上であり、０゜５μｍ以下の厚さである。

さらに第１図を参照すると、ガリウム・アルミニウムひ素（ＧａＡｌＡｓ）の閉 じ込め（ｃｏｎｆｉｎｉｎｇ）層１３は、ｎ形溝電率に対してドープされ、同様 にＧａＡｌＡｓの閉じ込め層１４は、ｐ形としてドープされ、一方、基板１５は 、ｎ形ＧａＡｓであり、そしてキャップ１６は、ｐ形ＧａＡｓである。電極１７ と接地接点１８は、検出器としてのダイオードの動作モードの選択においてフラ ンツ・ケルディツシュ逆方向バイアス電圧の印加又は発光体としての動作のため に順方向バイアス電圧の印加のための手段を設ける。ダイオードが検出動作モー ドのために逆方向バイアスされた時、軽くドープされた導波層は大部分空乏され 、そしてｐ′″−〇−導波管ホトダイオードとして作用し、フランツ・ケルディ ツシュ効果を示す。

ｎ＝２ｘ１０”ｃｍ−’のドーピング濃度と１．５μｍの厚さを有する導波層に 対して、最大空乏層幅は、ｐ−ｎ接合での約８６．４ボルト・バイアスに対応す る４、８Ｘ１０’Ｖ／ｃｍの降服逆方向バイアス電界に対して１．８μｍである 。フランツ・ケルディツシュ効果のなめに、吸収係数δは、１．５μｍの発生空 乏幅での２０．２ボルト逆方向バイアスに対応する１、３５Ｘ１０５Ｖ／Ｃｍの 逆方向バイアス電界を印加することにより、２５〜１０’ｃｍ”に増大される。

このため、入射光子の９９％が、９μｍ内に吸収される。高量子効率のほかに、 検出器の高速応答が期待されるが、キャリヤの拡散に関連した時間遅延の除去と 小領域細片幾何構造を使用する可能性とともに、軽くドープされたＧａＡｓの容 量縮小と高電子移動度による。

ダイオードがレーザー動作モードのために順方向バイアスされた時、注入電子と ホールは、活性層において閉じ込められ、そして生成された光子は、導波層と活 性層において閉じ込められる。放射が両層に一様に分散されるならば、有効吸収 係数αは、ｄ、　ｄ。

によって与えられ、 この場合ｄ１とｄ２は、それぞれ、活性層と導波層の厚さであり、そしてα！と α２は、それぞれ、活性層と導波層の吸収係数である。係数α１は、ホール濃度 と注入電子密度により、そして散乱損失が無視できるならば、文献により約３０ 　ｃｍ−’である。係数α２は、高度にドープされたｐ形活性層のレーザー光子 エネルギーが軽（ドープされたｎ形層の吸収端よりも実質的に小さい（３０−５ ０ｍｅＶ）ために、導波層における自由電子濃度に依存する。このため、α２の 合理的な推定値は６ｃｍ”である。計算有効吸収係数は、ｄ２；５μｍに対する ８ｃｍ”ないしｄ２＝１μｍに対する１４ｃｍ”である。

ダイオードが中立状態である時、導波層において注入キャリヤはな（、モしてα ２は、６ｃｍ−１よりも小さくなる。これは、導波層が、動作波長をほとんど透 過することを意味する。二重モードダイオードは低吸収係数を有するために、素 子がファイバー光通信システムにおいて直列に非常に有効に連結された時、低挿 入損失が期待される。

しきい値電流密度Ｊ０と全体パワー効率η、。、は、光子とキャリヤの分離した 閉じ込めを有する大光共振器（ＬＯＧ）に類似する。しきい値電流密度（ハｈ） は、それぞれ、１．０〜５．０μｍの活性層厚（ｄ２）に対して２０００〜８０ ００Ａ／ｃｍ２の範囲である。それらの値は、付加された導波層の結果として、 ＤＨレーザーの代表値Ｊ　ｌｋよりもわずかに高い。導波層は、５．０μｍより も厚く、ドーピング濃度は、相当に高いしきい値電流密度（Ｊ、、）のために５ 　Ｘ　１０”ｃｍ−”よりも小さい。また、過度に大きな活性層厚は、キャリヤ ・ドリフト時間の増大と、レーザーの高周波数応答の制限につながる。米国特許 出願第９．８６３号のダイオードの効率は、ＤＨレーザーに典型的に、η１゜さ ４０％である。このため、付加された導波層は、Ｊ　＋ｂをわずかに増大させる が、レーザー効率にあまり影響を与えない。

従来のＤＨレーザーと比較した上記のダイオードの利点は、付加された導波層に よるダイオードの高光出力パワー能カである。非常に薄い活性層を有するＤＨレ ーザーにおける高光束密度は、光出方パワーを制限する比較的低いピーク・パワ ーにおける機械的な鏡損傷による破局的な障害につながる。この制限は、光場を 大導波層上に分布させた新ダイオードにおいて回避され、この原因からの障害な しに高光パワー動作を許容する。

前述において見られた如く、軽くドープされた導波層を有するＤＨレーザーは、 順方向バイアスされた時、合理的なＪｏと効率を有する高パワー光源として使用 される。このダイオードが適切な電界により逆方向−バイアスされた時、検出器 の高量子効率と高応答速度は、部分的に、狭チャネル導波管幾何構造から生ずる 。導波が、導波層と隣接層の間と、活性層と閉じ込め層の間の屈折率の差による ことを観察することは重要である。二重モード／レーザー検出ダイオードは、従 来のダイオードの製作と同様に、液層エビタキ−（Ｌ　Ｐ　Ｅ）、分子線エビタ キー（ＭＢＥ）、又は金属有機化学蒸着法（ＭＯＣＶＤ）によって有効に製作さ れる。米国特許出願第９．８６３号の二重モード・ダイオードは、低しきい値電 流（Ｊ、ｈ）と小接合容量に対して５〜２５μｍ幅の狭細片を有する。素子は、 連続波（ＣＷ）動作のために金めつき銅ヒートシンクにおいて取り付けられる。

前述の如（、二重モード・ダイオードは、個別要素又はモノリシック光集積回路 要素として使用される。後者の使用は、第２図に概略的に示され、この場合数字 は、第１図の対応する部分を指定する。第２図を参照すると、ダイオード１０、 それぞれの層１１〜１６、及び接点１７と１８は、第１図に示されたと同様であ るが、さらに集積光回路の直接結合光導波管要素１９が示され、その類似の光導 波管２０は、連続する部分を形成する。また、それぞれ、発光体又は受信器とし てのダイオードの意図した使用により、極２２による順方向バイアス又は極２３ による逆方向バイアスを設けるためのスイッチ２１が示される。前述の極２４に よって設けられる如く、バイアスがないと、ダイオードは中立であり、その結果 光信号は、光導波管要素１９から光集積回路の対応する要素２０に通過する。

動作において、第２図を参照すると、適切な順方向バイアス電圧が位置２２にお けるスイッチ２１により印加されると、ダイオード１０は、発光体（レーザー） として作用し、その結果光が出現し、そして二重端矢印ηＶによって示された如 （直接に導波管に侵入する。逆方向バイアス・スイッチ２１が位置２３にあると 、ダイオード１０は、受信器又は検出器として作用し、その結果二重端矢印ηＶ のいずれかによって指示された如く、回路の他の要素からの光が、侵入して検出 され、電気利用要素に送られる電気信号に変換される。スイッチが位置２４（接 地）にあると、ダイオードは中立であり、その結果信号は、要素１９から２０あ るいはその逆に実質的に変更されずに通過する。

第３図は、導波管１９と２０に類似する作用を有する光ファイバー２５と２６に 直接結合されたダイオード１０を示す。

記載された如く、二重モード素子は、個別要素又はモノリシック光集積回路要素 として使用される。モノリシック形式において、それは、同一チップにおいて他 の素子と組み合わされてその機能をさらに有効に果す。例えば、金属半導体電界 効果トランジスタ（ＭＥＳＦＥＴ）と二重モード・ダイオードが、同−ｎ−Ｇａ Ａｓ層において形成される。こうして、ＭＥＳＦＥＴは、信号をゲート電極に印 加することにより順方向バイアスされた時、レーザーを変調するために使用され 、そして素子が逆方向バイアスされた時、信号はＭＥＳＦＥＴによって増幅され る。このレーザー駆動／増幅器ＦＥＴとレーザー／検出ダイオードのこの組み合 わせは、高周波数において使用可能である。米国特許第３．９５２．２６５号に おいてＨｕｎｓｐｅｒｇｅｒによって記載された如く、個別に連結されるか、あ るいは星形カプラーを通して互いに連結される。

前述の如く素子の結合は、直接突き合わせ接続結合か、あるいは中間光回路の使 用による。単純な結合機構の一つは、導波管又はファイバーの端部をダイオード の活性領域に接近させて配置することである。３０％近くのダイオード対ファイ バー結合効率が、典型的に直接突き合わせ結合によって獲得される。しかし、フ ァイバ一対ダイオード結合効率は、多重モード・ファイバーが使用されるならば 、ダイオードの活性領域とファイバーのコア領域の間の大きな領域不一致のため に、通常困難である。ファイバーの端部とダイオードの間に固定された球形又は 円筒形マイクロレンズは、第４（ａ）図と第４（ｂ）図に示された如く、ファイ バーから二重モード・ダイオードの活性領域へ光を集束させることによリ、ファ イバ一対ダイオード結合効率を改良する。第４（ａ）図において、球形レンズ２ ７は、ファイバー２５からダイオード１０の活性領域に光を集束させるが、第４ （ｂ）図において、ダイオードが受信器として機能する時、光は円筒形レンズ２ ８によって集束される。同様に、ダイオードが発光体モードにある時、レーザー の出力角度はファイバー収容角度よりも大きいために、マイクロレンズの使用は また、ダイオード対ファイバー効率を改良する。

第１〜４図において、発光体／検出器（機能モードを制御するためにフランツ・ ケルディツシュ・バイアスの印加で使用される）は、垂直方向においてのみ（す なわち、電流の方向に平行な）光閉じ込めを有する素子として示される。

第５図は、本発明の実施態様を示し、上記のレーザー／検出ダイオードの高効率 多重層キャリヤと光閉じ込め構造を組み込むが、端面によるよりも、素子の表面 による光ファイバーの結合を設ける。本発明のこの特徴は、大直径のためにレー ザー／検出ダイオードの端面に効率的に結合されない多重モード光ファイバーで の使用にも適切にする。第５図に示された実施態様のＬＥＤ／検出器構造は、従 来の源種スライドバー成長技術により形成された４液相工ピタキシヤル成長層を 有する修正されたバラス（１３ｕｒｒｕｓ）ダイオード構造である。

第５図は、導波管への結合を有する発明の二重ＬＥＤ／検出ダイオードの層状構 造の実施態様を断面図で概略的に示す。

第５図は、約ＩＱ”ｃｍ−３のドーピング濃度を有するｎ形ガリウムひ素（Ｇａ Ａｓ）の軽くドープされた層３１と、導波層３１上にｎ形ガリウム・アルミニウ ムひ素（ＧａＡＩＡｓ）の閉じ込め層３２を有するダイオード１の断面図である 。接合部４０は、導波層３１とｐ形ガリウムひ素（ＧａＡｓ）である層３３の間 に設けられる。層３３は、発光のための活性領域３４を有する。活性領域３４は 、層３３の下側にあるｐ形ガリウム・アルミニウムひ素（ＧａＡＩＡｓ）の閉じ 込め層３６に対してｐ形接点３５によって設けられる。二酸化シリコン絶縁層３ ７は、閉じ込め層３６と金属基板３８の間にある。

開口３９は、金属基板の円形金属接点４１に層３６を設けるために、二酸化シリ コン層３７にエツチングされる。

光回路の多重モード・ファイバー４２から成る光ファイバーは、基板９における 窓４４を通して層４２の表面４３においてダイオードに結合される。第５図に示 された如く、光ファイバー４２の回りの窓４４は、屈折率整合エポキシ樹脂の如 く絶縁材４５で埋められる。光ファイバー４２は、導波管と類似の挙動で作用す る。

このダイオード１は、組み合わせＬＥＤ／検出ダイオードである。伝送のために 、接合部は、順方向バイアスされ、そして発光ダイオードと゛　して作用する。

受信のために、ダイオードは、逆方向バイアスされ、そして接合ホトダイオード 又は検出器として作用する。

第５図の素子の特定実施態様において、接合部のｐ形側面のドーピング濃度は、 Ｎ＾＝ＩＸ’ＩＯ”／ｃｍ”であり、そしてｎ形側面では、ＮＤ＝ＩＸ１０′６ ／ａｍ３である。このドーピングのために、最大予測放射効率は、ｎ＝１３．５ ％であり、そして最大変調周波数は、５０ＭＨｚであり、この場合周波数応答は 、ＲＣ時定数によって制限される。

検出器として動作した時、光は、ファイバー４２を通して素子１に伝達される。

５０Ｖの逆方向バイアスの下で検出器として動作すると、素子は、０．４２５Ｘ １０’ｐＦ／ｃｍ２の接合容量、５００　μｍｘ　５００μｍの面積、及び０． ７０９Ａ／ｗの最大応答性に基づいて、３００ＭＨｚの最大ＲＣ制限周波数応答 を有する。所与の回路において獲得された実周波数応答は、接合容量と必要負荷 抵抗の積によって決定され、そして３ＱＱＭＨｚよりも小さい。５０Ｖの逆方向 バイアスで動作されると、内部量子効率（生成されたキャリヤ数／活性領域に侵 入する光子数）は、フランツ・ケルディツシュ効果によって生成された大吸収係 数のために、９７．６％であると計算される。ダイオードの計算逆方向バイアス 降服電圧は、５７．９Ｖである。

このダイオードにおいて、４つの層３１．３２．３３と３６は、エピタキシャル 成長層である。開口１９は、ファイバー４２のすぐ下の領域へのキャリヤの再結 合を制限する。これはまた、ファイバーに結合された光量の増大を許容する。

ｐ形ＧａＡｓ層３３は、高度にドープされ、例えば、ｌＸｌ０”／ｃｍ””であ るが、ｎ形ＧａＡｓ層３１は、軽くドープされ、例えば、ＩＸ　１０　”／　ｃ 　ｍ−”である。層３２と３６は、好ましくは薄く、０．５−１μｍの次元であ る。層３３はまた薄い。層３１の厚さは、逆方向バイアスに基づいた計算によっ て決定される。

領域３４は、素子が順方向バイアス下で動作している時、光が生成される領域で あることが理解される。素子が逆方向バイアス下で動作している時、検出モード のための活性要素は、全層３３と全層３１である。

本発明の実施態様において、層濃度は、キャリヤ寿命とダイオード容量の関数と して決定される。高ｐ濃度は、非常に短い放射寿命と関連する。しかし、ｎも増 大されるならば、ダイオードの全容量も増大する。

第２に、素子が逆方向バイアスである時、ｎの大きな値は、ｖｂ・　α　１／Ｎ 。

により小降服電圧を生成する。この場合Ｎ、＝背景濃度である。

このため、ｐ形ＧａＡｓ領域は、高度にドープされなければならず、そして逆に 、ｎ形ＧａＡｓ層３１は、軽くドープされなければならない、特に、 ｐ≧１×１０′９／Ｃｍ３　かつ　ｎ＝ｌＸ１０”／Ｃｍ”ＧａＡｌＡｓ層３２ と３６は、光損失を減少させ、かつキャリヤ収集（０，５−１μｍ）を増大させ るために、できる限り薄く保持される。

ＧａＡｓ層は、非常に薄（され、キャリヤを非常に小さな容積に圧縮させ、かつ 短い寿命と共に高注入効率から利益を得る。ｎ−ＧａＡｓ層３１の厚さは、逆方 向バイアス計算から決定される。降服においてＧａＡｌＡｓ層に延びるＧａＡｓ 層の空乏は回避され、空乏幅は、０層３１の厚さｄ２よりも小さくなければなら ない。こうして、そしてｐ　＞　ｎであるために、 ここでｎ＝Ｉｎ＝ｌＸ１０ｌ６”かつ であり、Ｅ、＝降服電界＃４Ｘ１０’Ｖ／ｃｍであり、■。＝拡散電圧であり、 ｑ＝電子電荷である。

２つのＧａＡｌＡｓ閉じ込め層３２と３６におけるキャリヤ濃度は、直列抵抗を 最小にするために、１０”／Ｃｍ’以上であり、そしてｎ形ＧａＡｓ基板は、同 じ理由で重くドープされる（η≧１０　”／　ｃ　ｍ３）。

適正な光閉じ込めに対して、Ｇ　ａ　ｘＡ　ｌ　ｘＡ　ｓ層のアルミニウム含有 量は、０．２４≦Ｘ≦、４であり、公称値は０，３である。

チップサイズは、第１図に示された如く、２０Ｘ２０ミルの範囲にあり、ヘッダ ーへの信頼性のある結合のために所望ならば３０Ｘ３０ミルである。

電気制御回路の設計において主要な考慮は、発光モードから検出モードへ、及び 検出モードから発光モードへのダイオードの切り換えである。

発光体から検出器遅延時間は、順方向バイアス下でダイオードの接合部にある蓄 積電荷が逆方向バイアス下で空乏されなければならないために長い。設計の提案 は、発光体／検出ダイオードにおけるバイアスを切り換えるために、幾つかのパ ワーＦＥＴをオン／オフにするための制御回路に関する。制御信号は、データリ ンク・プロトコルが使用するＥＯＴ（伝送終了）シーケンスを監視することによ り生成される。応用によって、ダイオードのアイドル状態は、逆方向バイアス検 出モード又はゼロ・バイアス受動モードである。順方向バイアスの後の逆方向バ イアスへのダイオードの切り換えは、ＲＣ時定数遅延により減衰する活性領域に おける蓄積電荷による電圧スパイクを生成する。電流を接地に分路するために低 オン抵抗を有するＦＥＴの使用は、この遅延を縮小する。

この発明のダイオードの多重層構造はＧａＡｓとＧａＡｓＡｌに制限されないこ とが注目される。適切な第３及び第４半導体の他の組み合わせがまた使用される 。例えば、ＩｎＰ基板におけるＧａＩｎＡｓＰの多重層構造は、１．２〜１．７ μｍの範囲における動作波長が、第５図のＧａＡｓ／ＧａＡｓＡｌによって放射 された０、９μｍ波長よりも望ましいならば使用される。

また、レンズが、ＬＥＤ／検出器で使用される。

国際調査報告 ｌＡｌｍＭＩＡＤｅｌｇａｍｅｌｌｅ、　、、、、、ｑ、ｑ、、、。、。

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. １．光伝送線への直接光結合の能力を有する単体発光体一検出器半導体ダイオー ド素子であって、光発光体モードと光検出器モードの間の選択のために、電気的 順方向バイアスと電気的逆方向バイアスヘの結合のための手段と、外部電気回路 への結合のための接点手段とを備えている素子において、 −光及びキャイヤ閉じ込めを有する二重ヘテロ構造ダイオードとホトダイオード の単体組み合わせであって、−構成の一導電形の重くドープされた半導体活性層 が、対向表面と、横端と縦端とを有し、該活性層の一方の表面が、活性層とは反 対の導電形の同延の軽くドープされた半導体導波層の一方の表面とｐ−ｎ接合を 形成する単体組み合わせと、 −導波層の別の表面と接触した表面を有する第１閉じ込め層と、−該重くドープ された活性層の対向表面の他方と接触した表面を有する第２閉じ込め層と、 −活性層接触表面と反対の第２閉じ込め層の表面への制限された電気接点と、 −導波層接触表面と反対の第１閉じ込め層の表面に結合された光ファイバーとを 具備し、 その結果キャイヤの再結合が、光ファイバーの領域内に直接ある領域に分離され ることを特徴とする単体発光体−検出器半導体ダイオード素子。
2. ２．該光ファイバーが、多重モード光ファイバーである請求の範囲１に記載の多 重発光体−検出器半導体素子。
3. ３．素子が、導波層接触表面と反対の第１閉じ込め層の表面において基板層と、 第１閉じ込め端の該表面に延びている該基板を通った窓とを有する請求の範囲２ に記載の単体発光体−検出器半導体素子。
4. ４．光ファイバーが窓において固定されている請求の範囲３に記載の単体発光体 −検出器半導体素子。
5. ５．エポキシ樹脂が、窓においてファイバーを素子に付着させる請求の範囲４に 記載の単体発光体−検出器半導体素子。
6. ６．該ダイオードが順又は逆方向のいずれかにバイアスされる如く、該素子への 電気連結を確立するための電気接点手段を具備し、この場合該活性層が、制限電 気接点によって規定した領域を有し、素子が順方向バイアスで動作している時、 その領域が光生成部位である請求の範囲１に記載の素子。
7. ７．活性層が、０．５μｍの次元の厚さを有し、導波層が、３μｍの次元の厚さ を有し、そして閉じ込め層が、各々、０．５−１μｍの範囲において厚さを有す る請求の範囲１に記載の素子。
8. ８．ｐ形活性層が１０１９ｃｍ３よりも大きな不純物濃度を有し、そしてｎ形導 波層が、１０１６ｃｍ３よりも小さな不純物濃度を有する請求の範囲１に記載の 素子。