JPS59125677A - 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Ｌ
−ＮＡＮＤ　、Ｈ−ＮＯＲ論理機能を果す光学的論理集
積化回路装置に好適な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、これらの欠点を除去し、簡易に構成出来、
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Ｌ−ＮＡＮＤ。

Ｈ−ＮＯＲの光論理集積化回路装置としての機能を呈す
る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、導光路から入射された入力
信号光の光量に応じて第１の発光受光トランジスタをオ
ン、オフのスイッチング動作を行なわせ、この第１の発
光受光トランジスタのスイッチング動作に応じて鄭２の
発光受光トランジスタをオン、オフさせ、第２の発光受
光トランジスタのオン、オフ動作とは反対に第３の発光
受光トランジスタ全オン、：６′フぜせ、この第３の発
光受光トランジスタのオン時に出方信号光を出射（７て
導光路よシ取り出丁ようにしたものでめる。

（実施例） 以下、この発明の発光受光装置の実施例について開面に
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。図中Ｑ１．Ｑ２．　Ｑ−は発光トラン
ジスタであり、化合物半導体例えばＧａＡｓ　、　Ａｔ
ＧａＡ、ｓ　＋　ＩｎＰ　’、　ＩｎＧａＡｓＰ　　な
どｍ−ｖ族化合物半導体で作られでおり、電気的には通
常のパイポーラトランジスタと同様な電流増巾作用を有
しており、光学的′には広ＩＡ波長範囲に亘る受光感度
をもつ光電変換機能を有し、力・っ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ペース領域は、付近でレ
ーザ発光をする場合もある。

図中、電気回路はＴＴＬ型論理回路を構成しである。し
たがって、こ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。Ｂ１はベース側バイアス端子、Ｂ２は
電気出刃あるいはモニタ端子であＱｌこれらの端子は不
可欠の端子ではないが、ろっ）こ方が制御性や安定性を
考え−〔伺カＤ的電気的素子を接続する便宜金屑）−ゐ
。Ｒ＋　、　＆　、　Ｒｓは電気抵抗てあシ、これらの
抵抗Ｒ８〜Ｒ３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起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。

上記発光受光トランジスタのＱ、のベースはペース側バ
イアス端子Ｂ、に接続されている。この発光受光トラン
ジスタＱ１とＱ、のエミッタはエミッタ側グランド端子
Ａ２に接続されＣいる。

発光受光トランジスタＱ１のコレクタは発光受光トラン
ジスタＱ２のエミッタに接続されでいる。この発光受光
トランジスタＱ２のコレクタは発光受光トランジスタＱ
３のベースに接続されておシ、発光受光トランジスタＱ
３のペースは抵抗Ｒ８を介してエミッタ側グランド端子
Ａ２に接続されている。

発光受光トランジスタＱ２のペースは抵抗Ｒ１を介して
、コレクタ側バイアス端子Ａ１に接続されている。発光
受光トランジスタＱ、のコレクタは抵抗Ｒ２全介し１コ
レクタ側バイアス端子ＡＩに接続妊れでいるとともに、
電気出力あるいはモニタ端子Ｂ２に接続埒れている。

一方、Ｆｌ　＋　Ｆ２　＊　Ｆ３＋　Ｆ４は導光路（フ
ァイ・ぐ）で、たとえば光学ガラスや透明樹脂などで構
成される。

Ｇ＋　、　Ｇ２　、　Ｇｓ　、Ｇ４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１、各
導光路Ｆ、〜Ｆ４にはそれぞれ光学フィルタ０１〜Ｇ４
が配置されている。導光路Ｆ１〜Ｆ８の各一端は入射光
ロエ１〜■３にそれぞれ対向しておシ、導光路Ｆ１〜Ｆ
３の他端は光の導入部２７（第１図（ｂ）参照）に対向
している。

同様にして、導光路Ｆ４の一端は光の射光部２８（第１
図（ｂ）参照）に対向しており、この導光路Ｆ４の他端
は出射光ロエ。に対向している。

また、Ｃは発光受光トランジスタＱ、、Ｑ２．Ｑ３間を
互に光学的に絶縁分離させるだめの遮光部で、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Ｇ１〜Ｇ４は不可欠なものではない。

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、。

λ２．λ３の入力信号がそれぞれ入射光口Ｉ、、　Ｌ、
　Ｉ３より入射するとし、光学フィルタＧ、　、　Ｇ２
．　Ｇ３と導光路Ｆ、　、　Ｆ２．　Ｆ３を通過し、波
長λ３．λ２．λ３の入力信号光は論理信号光として発
光受光トランジスタＱ１に入射する。

一方、発光受光トランジスタＱ３から発光した波長λ４
の光は、ファイバＦ４および光学フィルタＧ４　ｋ通シ
出射ロエ。よ多出力信号光として出射する。

なお、波長λ１〜λ４はほぼ同一の波長の場合もある。

また、出力信号光は１個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Ｑ、に接続し
て同時に複数個の出力信号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とＱ３とは電気的スイ
ッチ回路を構成している。したがって、入射光口Ｉ、　
、　Ｉ２．　Ｉ３よシ入射する入力信号光の光量の和が
小さい場合には、発光受光トランジスタＱ、がオフ状態
となシ、この場合は発光受光トランジスタＱ２のベース
からコレクタを通や、発光受光トランジスタＱ、のペー
ス電流が供給されるので、この発光受光トランジスタＱ
、がオン状態となり、出力出射光口■４より出力信号光
が射出される。

次に、入射光口Ｉ、、Ｉ２，１．よυの入力信号光の何
れかまたはそれらの和が大きくなる場合には、発光受光
トランジスタＱ、がオン状態となシ、発光受光トランジ
スタＱ２のベースからエミッタを通シ、発光受光トラン
ジスタＱ＋にコレクタ電流が供給されるため、この発光
受光トランジスタＱ２にはオン状態となり、発光受光ト
ランジスタＱ、のベース電位が低下する。したがって、
発光受光トランジスタＱ、がオフとなシ発光セす、消光
状態とガる。

以上のことから、入射光口Ｉ、、Ｉ、、、１．よシ入力
信〜号光と出力出射口１４よりの出力信号光とは、光量
の大小によ！Ｊ　ｆ−Ｈ」および「Ｌ」レベル、！：　
−ｆ　；ｂと、Ｌ−ＮＡＮＤ　、　Ｈ−Ｎ’　ＯＲ（ｒ
）論理機能１有していることになる。

なお、ベースバイアス側端子Ｂ１の電気的・ぐ・イアス
信号を開いてもスイッチングレベルの設定１’ｉ、ｆえ
得る。

第１図（１））は、第１図（ａ）の模式図に対応了る具
体的構成を示す横断面図である。この構成列では、抵抗
Ｒ１〜Ｒｓ　ｌ’ｊ：外部接続として示は１％でいない
が、この第１図の）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の化合物半導体層１１〜
２３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。

まだ、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。

化合物半導体層１１〜２６は発光受光トランジスタＱ、
〜Ｑｓｋ構成している。絶縁性化合物半導体基板１９は
たとえばＧａＡｓやＩｎＰで作成されて、その上にＮＰ
Ｎの発光受光トランソスタＱ１〜Ｑ３ヲ同時に単一基板
上に構成している。

この絶縁性化合物半導体基板１９の上に各発光受光トラ
ンジスタＱ＋　＝　Ｑｓのコレクタ部を構成する化合物
半導体層１４．１８，２３、さらにその上にベース部と
なる化合物半導体層１３．１７，２２、エミッタ部をな
す化合物半導体層１２，１６，２１、エミッタ電極を良
好なオーミック接続できるように−ｒるためのコンタク
ト層としての化合物半導体！１１，１５．２０’ｒエピ
タキシャルに成長させる。

次に、ペース電極を上部より取り出すためのベース層と
同じｐ（−１：たけＰＮＰ）ランヅスタの場合は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
質させた層としての化合物半導体層２４，２５．２６’
、ベース層としての化合物半導体層１３，１７．２２迄
達するよう形成する３、その後、エミッタ部の一部を化
学的または物理的メサエッチングによシ取り除くか、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丑たは射
出部２７．２８を形成する。

したがって、この部分は単に其空や気体であってもよい
が、望ましくは各入出力信号光の波長において透明であ
って、かつ出来得る限９半導体や導光路に近い屈折率を
肩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Ｑ１〜Ｑ、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、〜Ｑ、を互に電気的絶縁を行ムうだめのエツチ
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、ミ
ンク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
６．２１Ｕペ一ス層としての化合物半導体層１３．１７
，２２よシ大きなエネル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がＧａＡｓまたはＩｎＰで作られた場合、エミツ
タ層としての化合物半導体層１２．１６．２１にはそれ
ぞれＡｔＧａＡｓ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、よシ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，
１５．２０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に直接オーミック
電極がとシ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゜２２の組
成は一般には同−組成で同時に作成されるのが通例であ
るが、入出力信号光に対する波長特性を種々変更したい
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
化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Ｑ。

〜Ｑ３の電気的および光学的特性に特に重要な作用を行
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。

また、第１図（ｂ）の遮光部Ｃの部分は発光受光トラン
ジスタＱ１〜Ｑ、および導光路Ｆ、〜Ｆ４間相互の光相
互および電気的絶縁を行うだめの物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Ｑ１〜Ｑ３の誤動作を避けることが可能となる
。

さらに、図中には導光路Ｆ１〜Ｆ４はすべて上部よシ取
ｐ出す構造を示しているが、絶縁性化合物半導体基板１
９の下方部にＦ′４として示すように取ｐ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
は横方向に出力取り出し用の導光路Ｆ４を取り付けるこ
とが望ましい。

また、遮光部Ｃは半導体部の上部のみ付カロしでいるが
、よシ完全な光学的遮蔽を行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、光学フィルタ部０１〜Ｇ４は簡略化のため外部接
続として省略した。

第２図（ａ）は第１図（ａ）における発光受光トランジ
スタＱ、〜Ｑ３の一部または全部をダーリントン接続さ
せることによってより犬なる増巾率と入力インビーダン
スを得る形式（Ｑｉ　、Ｑｉ’　）に変えた場合の他の
実施例の主要部を示すものである。

また、第２図缶）は第１図（ａ）における各発光受光ト
ランジスタのペースとコレクタとの間にダイ冴−ドＤｉ
ｆｔ付加した場合の他の実施例である。

このダイオードＤｉはショットキバリアダイ万一トする
いは発光受光トランジスタのペースコレクタ間の順方向
電圧降下より小さいｊ―方同電圧降下を有する通常のｐ
ｎ接合ダイオード、たとえば、ペースコレクタの構成材
料よりより小さな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、過大な少数キャリア注入が減
少し、蓄積効果によるスイッ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）とは互に独立の考え方？・
汀するものであジ、しだがって、これらは組み合せて用
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
発光受光トランゾスタＱ＋をＱ、ｌ＋　Ｑ１０　＋　Ｑ
１０からなる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の導光路
Ｆ、　、　Ｆ２．　Ｆ３がそれぞれ伺加されている。他
の構成はほぼ第１図（ａ）と同様である。

この場合の利点は入力信号光の波長が異なる場合、それ
ぞれの波長において最もよい感度′ｆｃ有する発光受光
トランジスタを対応させ得ること、人力信号先回路間の
光の相互作用を減せらノしること、受光感度を高められ
ることなどの利点をｍする。

なお、第１図（ａ）および第３図の谷実施例では、入力
信号部は３個出力信号部は１個のみ図示したがこの数は
これに限定さｎ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
ランゾ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シ、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および直列的接続も
可能であシ、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発光受光トランソスタを用い
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。

（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
路を通して入射された入力信号光の光量に応じて第１の
発光受光トランジスタをオン、オフのスイッチング動作
を行わせ、この第１の発光受光トランジスタのオン時に
第２の発光受光トランジスタをオンさせて第３の発光受
光トランゾスタをオフと１〜、かつ第２の発光受光トラ
ンジスタのオフ時に第３の発光受光トランゾスタをオン
させて出力信号光を出射させ、この出力信号光を導光路
を通して取り出すようにしたので、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の機能を呈す
ることができる。

これにともない、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増巾、発振回路
などの諸装置へ広範囲に応用可能である。

【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）　ｆ’ｉ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）は同
上発光受光装置における発光受光トランジスタの部分を
二つの発光受光トランジスタでダーリントン接続した場
合の部分的模式図、第２図（ｂ）は同上発光受光装置に
おける発光受光トランジスタの部分を発光受光トランジ
スタのペース−コレクタ間に順方向電圧降下の小さいク
ランプ用のダイオードを接続した場合の部分的模式図、
第３図は同上発光受光装置のさらに異なる実施例の模式
図である。 Ｑ＋　−Ｑｓ　＋　Ｑｏ〜Ｑｈｓ　＋　Ｑｉ＋　Ｑｉ’
・・・発光受光トランジスタ、Ｆ、−Ｆ４・・・導光路
、Ｇ、−Ｇ４・・・光学フィルタ、Ｃ・・・遮光部、１
１〜２６・・・化合物半導体層、２７・光の導入部、２
８・・・光の射出部。 特許出願人　沖電気工業株式会社 手続補正書 昭和５澤「で０月２５目 特許庁長官若杉和夫　殿 １、事件の表示 昭和５８年　特　許　願第　５０２　　　　±２・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、補正命令の日刊−昭和　　年　　月　　日　（自発
）６、補正の対象 明ＷＩ書の特許請求の範囲および発明の詳細な説明細書
の「２、特許請求の範囲」を別紙の通シ訂正する。 ２）明細書３頁７行「第２」を１第１」と訂正する。 ３）同６頁７行「射光部」を１射出部」と削正する。 ４）同８頁５行「には」を「は」と訂正する。 ５）同１１頁３行「ミンク」を「シンク」と言Ｊ正する
。 ６）同１５頁１４行「３個出方信号部」を１３個、出力
信号部」と削正する。 ２、特許請求の範囲 入力信号光を導く第１の導光路と、この第１の導光路を
通して入射された上記入力信号光の光量に応じてオン、
オフのスイッチング動作を行ｉう第１の発光受光トラン
ジスタと、この第１の発光受光トランジスタのスイッチ
ング動作に応動して、オン、オフのスイッチング動作を
行々う第２の発光受光トランジスタと、この第１の発光
受光トランジスタのオン、オフ動作とは反対のオン、オ
フ動作を行ないかつオン時に出力信号光を出射する第３
の発光受光トランジスタと、この第３の発光受光トラン
ジスタの出射した出力信号光を導き出す第２の導光路と
、上記第１ないし第３の発光受光トランジスタを互いに
光学的に絶縁分離する遮光手段とよシなる発光受光装置
。

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、この第１の導光路を
   通して入射された上記入力信号光の光量に応じてオン、
   オフのスイッチング動作を行なう第１の発光受光トラン
   ジスタと、この第１の発光受光トランジスタのスイッチ
   ング動作に応動して、オン、オフのスイッチング動作を
   行なう第２の発光受光トランジスタと、この第２の発光
   受光トランジスタのオン、オフ動作とは反対のオン、オ
   フ動作全行ないかつオン時に出力信号光を出射する第３
   の発光受光トランジスタと、この第３の発光受光トラン
   ジスタの出射した出力信号光を導き出す第２の導光路と
   、上記第１ないし第３の発光受光トランジスタを互いに
   光学的に絶縁分離する遮光手段とよシなる発光受光装置
   。