JPS59117262A - 発光受光装置 - 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】 （技術分野） この発明は、発光受光トランジスタを３個以上用いて導
光路と一体化して光学的論理集積化回路装置を構成する
発光受光装置に関する。

（従来技術） 従来、半導体装置を用いた光学的論理回路は半導体レー
ザを用いた高度な技術を用いたものが考えられていた。

それらの装置においては、半導体レーザ特有の制御の困
難性があり、また製作法の困難性、使用法の困難性、集
積化の困難性など種々の難点があった。

また、他の方法でｐｎｐｎ型負性抵抗受光発光装置を用
いたものが考えられたが、その特性の制御、使用法の困
難性などの欠点があった。

（発明の目的） この発明は、上記従来の欠点を除去するためになされた
もので、簡易に構成でき、制御性に勝れ、使用条件範囲
が広く、安定な動作を有する入出力光分離可能な発光受
光装置を提供することを目的とする。

（発明の構成） この発明の発光受光装置は、少なくとも第１ないし第４
の発光受光トランジスタを遮蔽部により光学的に絶縁分
離するとともに、第１の発光受光トランジスタに導光路
を通して入力信号光を入射させ、第２の発光受光トラン
ジスタに比較用参照基準信号光を導光路を通して入射さ
せて両者を比較し、その大小に応じて第１または第２の
発光受光トランジスタをオン、またはオフさせて第３ま
たは第４の発光受光トランジスタから出力信号光を出射
させて導光路を通して取シ出すようにしたものである。

（実施例） 以下、この発明の発光受光装置の実施例について図面に
基づき説明する。第１図（ａ）はその第１の実施例の模
式図である。その構成は電気的要素と光学的要素をとも
に含んでいる。この第１図（ａ）のＱｌ、Ｇ２．Ｇ３．
Ｇ４は発光受光トランジスタであシ、化合物半導体たと
えばＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓＰ
など■−ｖ族化合物半導体で作られており、電気的には
通常のバイポーラトランジスタと同様な電流増巾作用を
有しておシ、光学的には広い波長範囲に亘る受光感度を
もつ光電変換機能を有し、かつ比較的狭い波長範囲の発
光をする電流−光変換機能を有するトランジスタである
。また大電流を通電するとベース領域付近でレーザ発光
をする場合もある。

この第１図（ａ）中の電気回路はエミッタ結合型論理回
路を構成しである。（７たがって、ての回路は電気的に
は通常行われているような変形もある。

Ａ１はコレクタ側バイアス端子、Ａ２はエミッタ側グラ
ンド端子である。

Ｂ、　、　Ｂ２はベース側バイアス端子、Ｂｓ　、　Ｂ
４はエミッタフォロワ出力端子であシ、これらの端子は
不可欠の端子ではないが、あった方が制御性と安定性を
考えて付加的電気的素子を接続する便宜を有する。

Ｒ＋　、Ｒ２、Ｒｓ　、Ｒ４、Ｒ５、Ｒｅ　、　Ｒ？は
電気抵抗（以下、抵抗と言う）であり、抵抗Ｒ，，，Ｒ
？は不可欠なものでなく、ある場合の変形例を示すもの
であって、これらの抵抗はそれぞれ発光受光トランジス
タＱ１〜ｑの電気的動作条件を決定するためのものであ
る。

さらに、他の抵抗やダイオードやトランジスタを付加し
た回路変形は簡単化のため省略する。

発光受光トランジスタＱ、　、　Ｇ２の両エミッタは抵
抗Ｒ１を介してエミッタ側グランド端子Ａ２に接続され
、発光受光トランジスタＱ、　、　Ｇ２のベースはそれ
ぞれ抵抗Ｒａ　、Ｒ？を介してこのエミッタ側グランド
端子Ａ２に接続されるようになっている。

発光受光トランジスタＱ、のコレクタは抵抗Ｒ２を介し
てコレクタ側バイアス端子Ａ、に接続されているととも
に、発光受光トランジスタＱ３のベースに接続されてい
る。

同様にして、発光受光トランジスタＱ２のコレクタは抵
抗Ｒ８を介してコレクタ側バイアス端子ＡＩに接続され
て、いるとともに、発光受光トランジスタＱ４のベース
に接続されている。

発光受光トランジスタＱ３．　Ｑ、のエミッタはそれぞ
れ抵抗Ｒ４、Ｒ５を介してエミッタ側グランド端子Ａ２
に接続されているとともに、エミッタフォロワ出力端子
Ｂ３　、Ｂ４に接続されている。

一方、ＦＩＴ　Ｆ２．Ｆ３．Ｆ４．　ＰＩ、　Ｆａは導
光路で、たとえば、光学ガラスや透明樹脂などで構成さ
れる・また、Ｇ１．Ｇ２．Ｇ３．Ｇ４．Ｇ６．Ｇ６はあ
る波長領域のみ低減衰量で通過させ、他の波長領域では
高減衰量で通過を阻止する光学フィルタで、干渉フィル
タや回折格子や光学ガラスフィルタなどで実現可能のも
のである。

導光路Ｆ、〜Ｆ６には、それぞれ光学フィルタＧ、〜Ｇ
６が設けられておシ、また、導光路Ｆ、〜Ｆ、の各一端
は入射光ロ■、〜工。に対向している。

導光路Ｆ１〜Ｆ、の各他端は導光路部３２（第１図（ｂ
）参照）に対向しておシ、導光路Ｆ４の他端は導光路部
３３（第１図（ｂ））に対向している。

捷た、導光路Ｆ、の一端は導光路部３５に対向し、導光
路Ｆ６の一端は導光路部３４に対向している。

この導光路Ｆｅ　、　Ｆａの他端は出力出射口Ｉｓ、Ｉ
ａに対向している。

さらに、Ｃは発光受光トランジスタＱ＋　＋　Ｑｔ　＋
　Ｑｓ　＋ｑ間を互いに光学的に絶縁分離させるための
遮光部で、たとえば光学的吸収材、たとえば黒色樹脂や
液体、粉末、黒色固体などの絶縁体で構成し得るもので
ある。なお、光学フィルタ０１〜Ｇ６は不可欠なもので
はない。

また、■、〜Ｉ３は入射光口、Ｉ４は参照光口、Ｉ５＋
Ｉ、は出力出射口である。

次に、以上のように構成されたこの発明の発光受光装置
の動作について説明する。いま、波長λ。

〜λ、の信号光が入射光口１１〜Ｉ３に入射し、参照光
口■４から波長λ４の比較用参照基準光として入射する
。これらの信号光および比較用参照基準光は光学フィル
タＧ、、　Ｇ、、　Ｇ、、　Ｇ、と導光路Ｆｌ　＋　Ｆ
２　＋　Ｆ、１Ｆ４を通過し、波長λ１．λ２．λ３の
信号光は論理信号光として発光受光トランジスタＱ、に
入り、波長λ４の光は比較用参照基準光として発光受光
トランジスタＱ、に入射する。

発光受光トランジスタＱ、およびｑから発光した光はそ
れぞれ導光路Ｆ、　、　Ｆ６および光学フィルタＧ５１
０６を通り出力出射口Ｉ６．Ｉ、より出方光として出射
する。波長ハ〜λ、はほぼ同一の波長の場合もある。

また、出力光は１個たとえば、出力出射口Ｉ５＋または
工、のみの場合もあるし、また同時に複数個の導光路を
発光受光トランジスタＱ３．Ｑ４に接続して同時に複数
個の出力光を得ることもできるが、簡単化のため省略し
ておく。

発光受光トランジスタＱ、とＱ２は電気的スイッチ回路
を構成している。したがって、入射光口Ｉｌ。

Ｉ、、１．より入射する入射信号光の光量の和が、発光
受光トランジスタＱ、に入射される入射光口■４がらの
比較用参照基準光の光量より小さい場合には、発光受光
トランジスタＱ、がオフ状態となり、発光受光トランジ
スタＱ２がオン状態となる。

これにより、発光受光トランジスタＱ、のコレクタ電位
が低下し、発光受光トランジスタｑがオフとなり、この
発光受光トランジスタｑがら出力光が出射されなくなる
。

また、発光受光トランジスタＱ、がオフとなることによ
り、そのコレクタ電位が上昇して、発光トランジスタＱ
、がオンとなる。この発光受光トランジスタＱ、がオン
となることによシ、出力出射口Ｉ。

より出力光が射出される。

次に、入射光口１．．Ｉ２．１．よシの入射信号光の何
れかまたはそれらの和が参照光口■４よシの比較用参照
基準光より大きくなる場合には発光受光トランジスタＱ
１がオン、発光受光トランジスタＱｔがオフとなり、し
たがって、上記とは逆に発光受光トランジスタＱ３がオ
フとなシ、発光せず、発光受光トランジスタｑがオンと
なり、発光出力を出す。

以上のことから、入射光口１１．　Ｉ、、　Ｉ３よシの
入射信号光と出力出射ロエ、よυの出力信号光とは光量
の大小によ、？　ｒＨＪおよびｒＬＪレベルとすると、
Ｌ−ＮＡＮＤ　、Ｈ−ＮＯＲの論理機能を有し、出力出
射光口■６よりの出力信号光とはＬ−ＡＮＤ　。

Ｈ−ＯＲの論理機能を有していることになる。

したがって、Ｌ−ＮＡＮＤ　、Ｈ−ＮＯＲ論理のみ必要
なときは発光受光トランジスタｑの回路部分は不要であ
り、Ｌ−ＡＮＤ　、Ｈ−ＯＲ論理のみ必要なときは発光
受光トランジスタＱ３の回路部分は不要となる。

また、比較用参照基準光を用いる代シにベース側バイア
ス端子Ｂ２から電気的バイアス信号を用いても上記機能
は実現可能である。第１図（ｂ）は第１図（ａ）の模式
図に対応する具体的構成の一実施例の横断面図である。

この構成例では抵抗Ｒ１〜Ｒ７は外部接続として示され
ていないが、この第１図（ｂ）の図中に示されている絶
縁性化合物半導体基板１９の内部または上部層１１〜２
７中に不純物拡散やイオン注入法などを用いて、単一基
板内に構成し得る。

また、純抵抗以外に等測的に抵抗であればよいので、ト
ランジスタやダイオードなどを用いて代用することも可
能であるが、本質的要件ではないので、その具体例は簡
略化のため詳述を省いた。

この第１図（ｂ）の図中１１〜３１は化合物半導体層で
発光受光トランジスタＱ、〜Ｑ４を構成している。

上記絶縁性化合物半導体基板１９（以下、半導体基板と
言う）はたとえばＧａＡｓやＩｎＰ　で作成されて、そ
の上に発光受光トランジスタＱ１〜Ｑ４を同時に単一基
板上に構成している。

この半導体基板１９の上に各発光受光トランジスタＱ、
〜ｑのコレクタ部を構成する化合物半導体層１４，１８
，２３，２７．さらにその上にベース部となる化合物半
導体層１，３，１７，２２，２６゜エミッタ部をなす化
合物半一体層１２，１６，２１゜２５、エミッタ電極を
良好なオーミック接続できるようにするためのコンタク
トとしての化合物半導体層ｌｔ、１ｓ、２ｏ、：ｚをエ
ピタキシャルに成長させる。

次に、ベース電極を上部より取り出すためのベース層と
同じｐまたはｎ形の不純物を拡散法あるいはイオン注入
法などを用いて変質させた化合物半導体層２８，２９，
３０．３１をベース層としての化合物半導体層１３．１
７，２２．２６まで形成させる。

その後、エミッタ部の一部の化学的または物理的メサエ
ッチングにょシ取り除くか、あるいはイオン注入法など
を用いた絶縁化により、エミッタベース間の一部絶縁化
とベース層への光の導入または射出部としての導光路部
３２　、３３　、３４　。

３５を形成する。

したがって、この部分は単に真空や気体であってもよい
が、望ましくは各入出力光の波長において透明であって
、かつでき得る限り半導体や導光路に近い屈折率を有す
る樹脂や液体や固体で構成されることである。

その後、発光受光トランジスタＱＩ”　Ｑ４のコレクタ
電極を設けるためのエツチングおよび発光受光トランジ
スタＱ、〜Ｑ４を互いに電気的絶゛縁を行なうためのエ
ツチングを行なう。

その後、各層のオーミック電極を蒸着法、メッキ法、シ
ンタ法などを用いて付加する。

一般には、エミツタ層としての化合物半導体層１２．１
６，２１．２５はベース層としての化合物半導体層１３
．１７，２２．２６より大きなエネルギギャップを有す
ることが望ましく、これによって、エミッタからの小数
キャリアの注入効率を向上させ得る。

たとえば、ベース層としての化合物半導体層１３゜１７
．２２．２６がＧａＡｓまたはＩｎＰで作られた場合、
エミツタ層１２　、１６　、２．１　、２５にはそれぞ
れＡＡＧａＡｓまたはＩｎＧａＡｓＰなどが用いられる
などである。

また、同時にこのように行なうと、ベース層で吸収され
るべき光の波長に対してエミツタ層は光学的に透明にな
し得て、よυ光電変換効率を高めることが可能となる。

エミッタコンタクト層としての化合物半導体層１１、　
、１．５　、２０　、２４は本質的には不要であるが、
エミツタ層としての化合物半導体層１２，１６゜２１．
２５に直接オーミック電極がとり難い場合の補助的な層
として用いられるものである。

ベース層としての化合物半導体層１３．１７゜２’２　
、２６の組成は一般には同一組成で同時に作成されるの
が通例であるが、入出力光に対する波長特性を種々変更
した場合には、異なるものとするように作成させる。

これは、たとえば、選択エピタキシャル成長法を用いて
母材結晶の組成を変える方法や、同一組成結晶を成長後
、不純物を選択的に拡散あるいはイオン注入法を用いて
変質させることによって達成可能である。

また、このベース層は発光受光トランジスタＱ１〜Ｑ４
の電気的および光学的特性に特に重要な作用を行なう層
であり、■−Ｖ族化合物半導体に対しては特に■族元素
を不純物として用いると、特に望ましい特性が屡々得ら
れる。

すなわち、少数キャリア拡散長が長く、発光あるいは受
光の変換効率が高い特性が得られる。

なお、図中の遮蔽部Ｃの部分は第１図（ａ）でも述べた
ように、発光受光トランジスタＱ１〜Ｑ４および導光路
Ｆ１〜Ｆ６間相互の光学的および電極的絶縁を行なうだ
めの特質で、前述の材料によって構成されるものである
。これによって、入出力間の分離と同時に各発光受光ト
ランジスタの誤動作を避けることが可能となる。

また、第１図（ｂ）の図中には導光路Ｆ１〜Ｆ６はすべ
て上部よシ取り出す構造を示しているが、半導体基板１
９の下方部に取り付けることも可能であること、あるい
は特にレーザ発光させる場合には横方向に出力信号光の
取シ出し用導光路Ｆａ　、　Ｆ６を取り付けることが望
ましい。

さらに、遮蔽部Ｃは半導体部の上部のみ付加しているが
、より完全な光学的遮蔽を行なうために、下方部および
横方向部にも付加する方が望ましい。

なお、光学フィルタ０１〜Ｇ６は簡略化のため外部接続
として省略した。

第２図（ａ）、第２図（ｂ）は第１図（ａ）の構成例に
対する部分的変形実施例の模式図である。

第２図（ａ）は第１図（ａ）における発光受光トランジ
スタＱ１〜Ｑ４の一部または全部を発光受光トランジス
タＱｌ＋　Ｑｔ’によりダーリントン接続させることに
よって、より大なる増巾率と入力インピーダンスを得る
形式に変えた場合の実施例である。

また、第２図（ｂ）は第１図（ａ）における発光受光ト
ランジスタＱｉ（第２図（ｂ）ではＱｉとして示す）の
ペースエミッタ間にダイオードＤｉを付加した場合の他
の実施例である。

このダイオードＤｉはショットキーバリアダイオードあ
るいはトランジスタのペースコレクタ間の順方向立上り
電圧より低い順方向立上り電圧を有する通常のｐｎ接合
ダイオード、たとえば、ペースコレクタの構成材料より
より小さ々エネルギギャップを有する半導体材料を用い
たダイオードで構成される。

これによって、発光受光トランジスタの過大なペース駆
動電流の流入がなくなり、コレクタ中への過大な少数キ
ャリア注入が減少し、蓄積効果によるスウイツチング時
間遅れが著しく短かくなる利点を生ずる。

第２図（ａ）と第２図（ｂ）とは互いに独立の考え方を
有するものであシ、したがって、これらは組み合わせて
用いてもよい。具体的な構成のための構造図は簡易化の
ために省略する。

第３図は第１図（ａ）の実施例を変形した他の実施例の
模式図である。この実施例では、第１図（ａ）における
発光受光トランジスタＱ、をＱｎ　＋　Ｑ＋□、Ｑ１３
なる３個の発光受光トランジスタに置きかえた形式と考
えられる。それに対応して入力信号用導光路Ｆ１゜Ｆ、
　、　Ｆ３がそれぞれに付加されている。他の構成はほ
ぼ第１図と同様である。

この場合の利点は入力信号光の波長が異方る場合、それ
ぞれの波長において最もよい感度を有する発光受光トラ
ンジスタを対応させ得ること、入力信号光回路間の光の
相互作用を減じられること、受光感度を高められること
などの利点を有する。

しかし、発光受光トランジスタなどの素子数の増加を伴
う欠点も有することになる。

なお、第１図（ａ）　卦よび第３図の実施例では、入力
信号部は３個、出力信号部は各１個のみ図示したが、こ
の数はこれに限定されるものではない。

以上説明したように、各実施例においては発光受光トラ
ンジスタの能動素子が電気的光学的に多機能な特性を有
するので、比較的簡単な回路で単純な構成により同一基
板上に多数個構成可能である。

また、電気的制御性も容易に得られる利点をも有すると
ともに光学的な入出力信号光であるため、電気的には他
の回路と全く絶縁した状態で動作可能であり、その独立
性および制御性に大きな利点を有する。

したがって、これらの装置は並列的接続も可能であり、
かつ同一平面上に多数個集積化できる。

また、前記実施例はｎｐｎ形発光発光受光トランジスタ
いた例のみが示されているが、ｐｎｐ形でも同様に構成
実施できることは容易に考えられるので省略した。

さらに、この発明は簡易にして多機能性かつ制御性を有
する光学的光論理回路装置としての機能を呈するもので
あるが、他の光学的比較器や遅延回路、光掃引回路、光
センサ、ディスプレイ回路、混合器、増幅器、発振回路
などの諸装置へ応用可能である。

（発明の効果） 以上のように、この発明の発光受光装置によれば、導光
路を通して第１の発光受光トランジスタに入射された入
力信号光と第２の発光受光トラン。

ジスタに入射される比較用参照基準光とを比較し、この
入力信号光と比較用参照基準信号光との大小関係に対応
して第１、第２の発光受光トランジスタをオンまたはオ
フさせて第３、第４の発光受光トランジスタのいずれか
一方から出力信号光を導光路を通して出射するようにす
るとともに、第１ないし第４の発光受光トランジスタを
互いに遮蔽部により光学的に絶縁分離するようにしたの
で、簡単な構成で多機能性ならびに制御性を有する光学
的光論理回路装置としての機能を得ることができる。

これにともない、比較器や遅延回路、光掃引回路、光セ
ンサ、ディスプレイ回路、混合器、増幅器などの諸装置
へ広範囲に応用することができる利点を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）はこの発明の発光受光装置の一実施例の構
成を示す模式図、第１図（ｂ）は第１図（ａ）の発光受
光装置の構造を示す横断面図、第２図（ａ）はこの発明
の発光受光装置における二つの発光受光トランジスタＱ
ｉ、Ｑｉ’をダーリントン接続した場合の回路図、第２
図（ｂ）はこの発明の発光受光装置における発光受光ト
ランジスタＱｉに順方向立上り電圧の小さいダイオード
Ｄｉをベースコレクタ間にクランプ接続した場合の回路
図、第３図はこの発明の発光受光装置の他の実施例を示
す模式図である。 Ｑ、−Ｑ、　、　Ｑ、、〜Ｑｒｓ　＋　Ｑｌ　＋　Ｑｌ
’・・・発光受光トランジスタ、Ｄｉ・・・ダイオード
、Ｆ、〜Ｆ６・・・導光路、Ｇ１〜Ｇ。 ・・・光学フィルタ、１１〜工、・・・入射光口、工。 ・・・参照光口、Ｉ、、Ｉ、・・・出力出射光口、Ｃ・
・・遮蔽部、１１〜１８．２０〜３１・・・化合物半導
体層、１９・・・半導体基板、３２〜３５；・・導光路
部。 手続補正書 昭和５８年１０月２５日 特許庁長官　若杉和夫殿 １、事件の表示 昭和５７年　特　許願第２２６２１５　　Σ２、発明の
名称 発光受光装置 ３、補正をする者 事件との関係　　　特　　許　出願人 （０２９）沖電気工業株式会社 ４、代理人 ５、補正命令の日付　　昭和　　年　　月　　日（自発
）６、補正の対象 明細書の発明の詳細な説明の欄および図面７、補正の内
容 別紙の通り ７、　補正の内容 １）明細書９頁１３行「とけ光」ｔ「とけ、光」と訂正
する。 ２）同１１頁１８行「一部の」？「一部金」と訂正する
。 ′３）同１３頁１８行「した場合」ケ「したい場合」と
訂正する。 ４）同１４頁１４行「電池的」？［電気的ｊと訂正する
。 ５）同１４頁１５行「特質」會［物質−と訂正する。 ６）同１５頁１９行「エミッタ」？「コレクタ」と訂正
する。 ７）図面第１図（ｂ）中、符号ｒＬＪ（１個所）？別紙
朱書で示す工うに符号「Ｉ６」と訂正する。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 入力信号光を導く第１の導光路と、比較用参照基準信号
   光を導入する第２の導光路と、上記第１の導光路と結合
   され上記入力信号光が入射されかつこの入力信号光の光
   量が上記比較用参照基準信号光の光量より大のときのみ
   オンとなる第１の発光受光トランジスタと、上記第２の
   導光路と結合されて上記比較用参照基準信号が入射され
   この比較用参照基準信号の光量が上記入力信号光の光量
   より大のときのみオンとなる第２の発光受光トランジス
   タと、上記第１および第２の発光受光トランジスタカオ
   ン、オフに対応して出力信号光を出射する第３および第
   ４の発光受光トランジスタと、この第３および第４の発
   光受光トランジスタと結合して上記出力信号光を個別に
   導き出す第３および第４の導光路と、上記第１ないし第
   ４の発光受光トランジスタを個別にそれぞれ光学的に絶
   縁分離する手段とよりなる発光受光装置。