KR20020037050A - 수광 소자 및 수광 소자를 사용한 광 검출기 - Google Patents

수광 소자 및 수광 소자를 사용한 광 검출기 Download PDF

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KR20020037050A
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나카마케니치
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이즈하라 요우조우
닛폰 이타가라스 가부시키가이샤
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Abstract

광 통신용 장파장대의 광 강도의 중심 위치를 용이하게 검출할 수 있는 수광 소자를 제공한다. n형 InP 기판 상에 InGaAs층(i층), p형 InP층이 형성되고, n형 기판의 이면에 전극이, p형층의 표면 양단에 전극이 형성되어 있다. 표면에 입사한 스폿 광이 광전 변환되어, 광 전류로서 p형층의 표면을 좌우로 흐르기 때문에, 그 거리에 따른 전류를 양단 전극으로부터 출력한다. 양단의 전극으로부터 출력된 전류 값에 근거한 계산으로부터 광 강도의 중심 위치가 구해지며, 양단의 전극으로부터 출력된 전류의 합으로부터 광 강도가 구해진다.

Description

수광 소자 및 수광 소자를 사용한 광 검출기{Light-receiving device and photodetector comprising light-receiving device}
광 분파기로서, 집광 렌즈로 집광된 광을 미러로 반사하여, 반사된 광을 회절 격자로 분파하고, 분파한 분파광을 광 검출기로 검출하는 광 분파기가 알려져 있다(예를 들면, 시마즈 제작소에서 판매되고 있는 폴리크로메이터(polychromator) 측광 시스템, 형태 번호 PSS-100). 이 광 분파기에 사용되는 광 검출기는 수광 소자 어레이로, 파장의 스펙트럼 모니터로서 사용되고 있다.
이러한 광 검출기에서는, 1개 파장의 스펙트럼을 복수 개(예를 들면, 5개)의 수광 소자로 분할하여, 그 광 강도의 중심 위치를 모니터하기 때문에, 분해능이 수광 소자의 배열 피치로 결정된다. 이렇게, 수광 소자의 배열 피치에 대응한 분해능 밖에 얻어지지 않기 때문에, 종래의 광 검출기에서는 더욱 분해능을 향상시키는 것이 곤란하였다. 또한, 광 강도의 중심 위치란, 각 파장의 신호광에는 스펙트럼분포가 있기 때문에, 그 스펙트럼 분포의 중심이 되는 위치를 말하는 것으로 한다.
본 출원의 발명자는, 이러한 문제에 대처하기 위한 광 분파기의 검출기의 수광 소자로서, 광점의 위치를 검출할 수 있는 반도체 위치 검출기를 사용하는 것을 생각하였다. 반도체 위치 검출기는 상술한 수광 소자 어레이와 달리 비분할형 소자이기 때문에, 광 강도의 중심 위치를 공간적으로 연속하여 검출할 수 있기 때문이다.
종래의 반도체 위치 검출기로서, 고저항 Si 기판(i층)의 표면에 p형 저항층을, 이면에 n형층을 설치하고, p형 저항층 상에 대향하는 전극을 설치한 것이 알려져 있다.
이러한 반도체 위치 검출기에서는, 표면층은 pn 접합을 형성하기 때문에, p형 저항층에 광이 입사하면 광전 효과에 의해 광 전류를 생성한다. 광의 입사 위치에서 발생한 광 전류는 각각의 전극까지의 저항치에 역비례하도록 분할되기 때문에, 각 전극으로부터 추출되는 전류에 의해 광의 입사 위치를 검출할 수 있다.
종래의 반도체 위치 검출기는 상술한 바와 같이 Si 기판을 사용하고 있다. 그러나, Si 기판을 사용한 반도체 위치 검출기는 광 통신용 장파장대에서의 감도가 좋지 않다. 따라서, 종래의 반도체 위치 검출기를 광 분파기의 수광 소자에 사용한 경우에는 장파장대의 광에 대하여 광 강도의 중심 위치를 검출하는 것이 곤란하다.
본 발명은 광 통신 분야에서 사용되는 장파장대(예를 들면, 1.3 내지 1.55μm대)의 스펙트럼에 대하여, 광 강도 및 그 중심 위치를 연속하여 검출할 수 있는 수광 소자 및 이러한 수광 소자를 사용한 광 검출기, 나아가서는 이 광 검출기를 사용한 광 분파기에 관한 것이다.
도 1a는 1개의 파장을 모니터하는 본 발명의 수광 소자의 한 실시예를 도시하는 평면도.
도 1b는 도 1a의 X-Y선 단면도.
도 2는 수광 소자로부터의 출력 전류를 사용하여 위치 계측을 행하는 회로 구성을 도시하는 도면.
도 3은 시분할 구동형 광 검출기를 도시하는 도면.
도 4는 분파광의 강도 및 그 중심 위치를 검출하는 광 검출기를 도시하는 도면.
도 5는 도 4에서 도시한 광 검출기의 평면도.
도 6은 분파광의 강도 및 중심 위치를 검출하는 광 검출기의 다른 예를 도시하는 도면.
도 7은 본 발명의 광 분파기의 한 실시예를 도시하는 도면.
도 8는 C밴드의 k1개의 파장과, L밴드의 k2개의 파장 각각의 광 강도의 중심 위치를 검출하는 구성을 설명하기 위한 도면.
도 9는 1개의 반도체 칩에 동일한 수의 수광 소자를 2열로 집적화한 예를 도시하는 도면.
본 발명의 목적은 광 분파기의 광 검출기에 사용되는 수광 소자로서, 광 통신용 장파장대의 광 강도의 중심 위치를 용이하게 검출할 수 있는 수광 소자를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 이러한 수광 소자를 사용한 광 분파기의 광 검출기를 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 이러한 광 검출기를 사용한 광 분파기로서, 분해능을 향상시킨 광 분파기를 제공함에 있다.
본 발명에 의하면, 수광 소자로서, 광 통신용 장파장대(예를 들면, 1.55μm대)의 스펙트럼을 모니터하기 위해, 장파장대에서 감도 좋은 III-V족 반도체 화합물 재료에 의한 반도체 위치 검출기를 사용한다.
본 발명의 제 1 양태는, 수광 소자로서, III-V족 화합물 반도체로 이루어지는 층과, 상기 층의 표면 상에 설치된 제 1 도전형 저항층과, 상기 층의 이면 상에 설치된 상기 제 1 도전형과는 반대인 제 2 도전형 기판과, 상기 저항층 상에 설치된 대향하는 적어도 한 쌍의 전극을 구비하고 있다.
본 발명의 제 2 양태는, 복수의 파장이 다중된 신호광으로부터 분파된 각 분파광의 강도와 그 중심 위치를 검출하는 광 검출기이다. 이러한 광 검출기에 상기 수광 소자를 1개 이상 배열한 것을 사용할 수 있다.
본 발명의 제 3 양태는, 파장 다중 전송되어 온 신호광을 분파하는 광 분파기로, 신호광을 분파하는 광학 수단과, 광학 수단으로 분파된 분파광을 수광하는 광 검출기를 구비하고 있다. 이 광 검출기에는 상술한 수광 소자를 배열하여 구성된 광 검출기가 사용된다.
실시예 1
도 1a, 도 1b에 본 발명의 수광 소자의 한 실시예인 1개의 파장을 모니터하는 수광 소자(8)를 도시한다. 도 1a는 평면도, 도 1b는 도 1a의 X-Y선 단면도이다. 이 수광 소자(8)에 의하면, n형 InP 기판(10) 상에 InGaAs층(i층)(12), p형 InP층(14)을 적층하고 있다. p형층(14)의 표면 양단에 전극(16a, 16b)을, n형 기판(1O)의 이면에 전극(도시하지 않음)을 형성한다.
이 수광 소자(8)의 기본 동작을 설명한다. 수광 소자의 표면에 입사한 스폿 광이 광전 변환되며, 광 전류로서 p형층(14)의 표면을 전극(16a, 16b)을 향해 흐르기 때문에, 그 거리에 따른 전류가 전극(16a, 16b)으로부터 출력된다. 광의 입사 위치에서 발생한 광 전류(I)는 각각의 전극(16a, 16b)까지의 저항치에 역비례하도록 분할된다. 전극(16a, 16b) 사이의 거리를 Lab, 전극(16a)으로부터의 광의 입사 위치까지의 거리를 La로 한다.
p형층(14)의 저항이 균일하면, 전극(16a, 16b)으로부터의 전류(Ia, Ib)는 다음 식으로 나타난다.
Ia=1×(Lab-La)/Lab(1)
Ib=1×La/Lab(2)
여기서, 전류(Ia, Ib)의 비 또는 합과 차의 비를 구하면,
Ia/Ib=Lab/La-1 (3)
(Ia-Ib)/(Ia+Ib)=1-(2La/Lab) (4)
가 얻어진다. 이렇게, 전류(Ia, Ib)의 비, 또는, 합과 차의 비는 광 강도 및 그 변동에 무관계한 값이 된다.
따라서, (3) 또는 (4)식의 좌변의 비를 실측할 수 있으면, 거리(La)를 구할 수 있다. 따라서, 광 강도의 변화와는 무관계하게 입사광의 정확한 위치 검출을 할 수 있다.
본 실시예의 수광 소자에서는 광 통신용 장파장대에서 감도 높은 InGaAs계 재료를 사용하고 있기 때문에, 종래의 Si계에서는 감도가 불충분하던 장파장대에서도 고감도 위치 검출이 가능해진다. 또한, InGaAs계 재료로서는 III-V족의 화합물 반도체, 예를 들면, GaAs, AlGaAs, InAs, InGaAsP 등을 사용할 수 있다. 또한, 적외 영역에서는 Ge를 사용할 수도 있다. 또한, 전류 Ia와 Ib와의 합이 광 전류 I가 되기 때문에, 광 전류 I로부터 입사광의 강도도 모니터할 수 있다.
도 2는 수광 소자(8)의 전극(16a, 16b)으로부터의 출력 전류 Ia와 Ib를 사용하여 위치 계측을 행하는 회로의 구성도를 도시한다. 출력 전류 Ia와 Ib를 프리 앰플리파이어(1, 2)로 증폭한 후, 가산기(3), 감산기(4)로 가산 및 감산을 행하며, 제산기(5)로 제산(Ia-Ib)/(Ia+Ib)을 구하면, (4)식으로부터 광 입사 위치를 계측할 수 있다.
또한, 도 2는 (4)식에서의 검출 방법을 도시했지만, (3)식에 의한 제산(Ia/Ib)을 구함으로써, 광 입사 위치를 계측할 수 있다.
실시예 2
N개로 시분할된 파장이 다중된 신호광을 회절 격자 등으로 N개로 분파하여, 각각의 중심 위치 및 강도를 검출하는 시분할 구동형 광 검출기의 일례에 대해서 설명한다.
도 3은 이러한 분파된 N개의 파장(λ1, λ2, …, λN)을 모니터할 경우의 광 검출기(20)를 도시한다. 이 광 검출기(20)의 구조는 기본적으로는 도 1에 도시한 수광 소자(8)의 구조와 동일하지만, 모든 분파광을 수광하기 위해, 수광부는 커지도록 구성되어 있다. 도 3에 있어서, N개로 시분할된 파장이 포함되는 신호광을 회절 격자(22)로 N개로 분파한다. 파장이 각각 λ1, λ2, …, λN인 분파광이 광 검출기(20)에 입사한다.
광 검출기(20)에는 분파광이 시분할로 입사되기 때문에, 광 검출기는 분파광의 입사 타이밍에 맞추어, 시간을 N개로 분할하여 구동한다. 이렇게 하여, N개의 분파광 각각의 광 강도 중심점을 검출할 수 있다. 또한, N개의 분파광 강도는 도 1에서 설명한 바와 같이 각각의 광 전류로부터 검출할 수 있다.
실시예 3
N개의 파장이 다중된 신호광을 회절 격자 등으로 N개로 분파하여, 각각의 분파광 강도와 그 중심 위치를 검출하는 광 검출기의 일례에 대해서 설명한다.
도 4는 분파된 N개의 파장(λ1, λ2, …, λN)을 모니터할 경우의 광 검출기(3O)를 도시한다. 이 광 검출기(30)는 1차원으로 배열된 N개의 수광소자(D1, D2, …, DN)로 구성된다. 각 수광 소자는 도 1에서 설명한 수광 소자이다. 도 5에 광 검출기(30)의 평면도를 도시한다. 각 수광 소자는 전극(16a, 16b)이 배열 방향으로 나열하도록 배치된다.
본 실시예에 의하면, N개의 파장이 포함되는 신호광을 회절 격자(22)로 N개로 분파하여, N개의 수광 소자에 각각 입사되기 때문에, N개의 각 분파광의 광 강도 중심 위치를 검출할 수 있다. 또한, N개의 각 분파광의 강도는 도 1에서 설명한 바와 같이 각 수광 소자의 광 전류로부터 검출할 수 있다.
실시예 4
N개의 파장이 다중된 신호광을 회절 격자 등으로 N개로 분파하여, 각각의 분파광 강도와 그 중심 위치를 검출하는 광 검출기의 다른 예에 대해서 설명한다.
도 6은 이 광 검출기를 설명하기 위한 도면이다. 이 광 검출기에서는 신호광을 하프 미러(40)로 2개로 분리하여, 한쪽 신호광은 회절 격자(42)로 N개로 분파하여, 각각의 광 강도 중심 위치를 도 5에 기재한 제 1 광 검출기(30)로 검출한다. 분리한 다른 한쪽의 신호광은 회절 격자(44)로 N개로 분파하여, 각각의 초점 위치에 배치한 N개의 포토 다이오드(PD1, PD2, …, PDN)로 이루어지는 제 2 광 검출기(46)로 N개의 분파광 강도를 검지한다.
이 실시예에서는, 제 2 광 검출기(46)는 제 1 광 검출기(30)보다도 수광부를 소형으로 제작할 수 있기 때문에, 노이즈를 저감할 수 있으며, 미약한 입사광의 강도를 검지하는 데 적합하다.
실시예 5
실시예 2 또는 실시예 3의 광 검출기를 사용한 본 발명의 광 분파기의 한 실시예에 대해서 설명한다. 도 7은 파장 다중 전송 방식의 광 통신 시스템에 있어서, 파장 다중 전송되어 온 광을 수신 측에서 각 파장마다 분파하여, 각 분파광의 광 강도 및 그 중심 위치를 검출할 때에 이용할 수 있는 광 분파기를 도시한다. 이 광 분파기는, 1개의 입력 파이버(50), 콜리메이터 렌즈(collimator lens; 52), 회절 격자(54) 및 광 검출기(56)를 구성 요소로 하며, 서로 감합하는 3개의 튜브형 부재를 사용하여 조립되어 있다. 입력 파이버(50)는 투명한 파이버 실장용 튜브(58) 단면의 파이버 고정용 윈도우(60)에 파이버 연결부(62)에 의해 고정되어 있다. 콜리메이터 렌즈(52)는 중간 튜브(64)의 끝 부분에 고정되어 있다. 더욱이 회절 격자(54)는 회절 격자 실장용 튜브(66) 단면의 회절 격자 고정용 윈도우(68)에 고정되어 있다. 이 예에서는, 중간 튜브(64)의 양단부에 파이버 실장용 튜브(58)와 회절 격자 실장용 튜브(66)가 외장되어 있으며, 광 축 방향으로 이동 가능하고 또한 광 축 주위로 회전 가능하게 하여 액티브 얼라인먼트할 수 있도록 되어 있다.
이러한 구성의 광 분파기에서는 입력 파이버(50)로부터의 광을 콜리메이터 렌즈(52)를 통해 회절 격자(54)로 분파하고나서, 다시 콜리메이터 렌즈(52)를 통해 수속된 광을 광 검출기(56)로 검출하고 있다.
실시예 2 및 3에서 설명한 바와 같이, 광 검출기(56)에서는 각각의 분파광의 광 강도 중심 위치 및 분파광의 입사 강도를 검출할 수 있다.
또한, 실시예 4에서 도시한 도 6의 광 검출기와 같이, 파장 다중 전송되어 온 광을 하프 미러로 2개로 분리하여, 제 1 광 검출기(30)로 광 강도 중심 위치를, 제 2 광 검출기(46)로 광 강도를 검출한다는 구성을 사용할 수도 있다.
실시예 6
도 8은, 광 통신 시스템에 있어서, C밴드의 k1개(k1은 1이상의 정수)의 파장과, L밴드의 k2개(k2는 1이상의 정수)의 파장이 다중된 광을 회절 격자(70)로 각각 C밴드의 k1개와, L밴드의 k2개로 분파하여, C밴드용 k1개의 수광 소자로 이루어지는 제 1 광 검출기(도시하지 않음)와 L밴드용 k2개의 수광 소자로 이루어지는 제 2 광 검출기(도시하지 않음)로, (k1+k2)개의 분파광 각각의 광 강도 중심 위치를 검출한다.
C밴드용 제 1 광 검출기와 L밴드용 제 2 광 검출기를 각각의 반도체 칩으로 설치하면, 반도체 칩끼리의 상대 위치나 평행도를 고정밀도로 맞추는 것이 곤란하기 때문에, 1개의 반도체 칩에 집적화하는 것이 바람직하다. C밴드의 광과 L밴드의 광이 회절 격자(70)로 입사하는 각도를 각각 적절하게 선택하면, C밴드와 L밴드의 분파광을 인접하여 2열로 집광할 수 있다. 그 집광 위치에 2열로 배열한 제 1 및 제 2 광 검출기를 설치한다. 여기서, C밴드의 광 쪽이 L밴드의 광보다도 회절 격자의 법선 방향에 의해 가까운 각도로 회절 격자에 입사하게 된다.
1개의 반도체 칩에 설치하는 수광 소자의 개수는 C밴드용 k1개와 L밴드용 k2개에 한하지 않고, 동일 수의 수를 2열로 설치해도 된다. 예를 들면, k1≥k2인 때는 k1개의 수광 소자를 2열로 배치하고, k1≤k2개인 때는 k2개의 수광 소자를 2열로 배치하며, k1×2열의 수광 소자 혹은 k2×2열의 수광 소자를 1개의 반도체 칩에 형성한다. 도 9는 1개의 반도체 칩(72)에 동일한 수의 수광 소자(8)를 2열로 집적화한 예를 도시한다.
본 실시예에서는 C밴드와 L밴드 2개의 밴드에 대해서 설명하였지만, 일반적으로 k개의 밴드로 이루어지는 광에 대해서는 k열의 수광 소자를 2차원적으로 배열하여 분파광 검출을 행하게 된다.
이러한 구성의 광 검출기는 도 7에 도시한 광 분파기에 사용할 수 있다.
본 발명에 의하면, 장파장대에서 감도 높은 III-V족 화합물 반도체 재료로 수광 소자를 제작하고 있기 때문에, 광 통신 분야에서 사용되는 장파장대의 스펙트럼에 대해서도 강도와 그 중심 위치를 연속하여 검출할 수 있다. 따라서, 종래의 수광 소자에 비해 분해능을 향상시킬 수 있다. 또한, 본 발명에 의하면, 이러한 수광 소자를 사용한 광 검출기를 실현할 수 있으며, 나아가서는 이러한 광 검출기를 사용하여 뛰어난 분해능을 갖는 광 분파기를 실현할 수 있다.

Claims (14)

  1. 장파장대 광의 광 강도와 그 중심 위치를 검출하는 수광 소자에 있어서,
    III-V족 화합물 반도체로 이루어지는 층과,
    상기 층의 표면 상에 설치된 제 1 도전형 저항층과,
    상기 층의 이면 상에 설치된, 상기 제 1 도전형과는 반대 도전형인 제 2 도전형의 기판과,
    상기 저항층 상에 설치된, 대향하는 적어도 한 쌍의 전극을 구비하는 것을 특징으로 하는 수광 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 III-V족 화합물 반도체는 InGaAs, GaAs, AlGaAs, InAs, InGaAsP로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 수광 소자.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 III-V족 화합물 반도체는 InGaAs인 것을 특징으로 하는, 수광 소자.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 도전형이 p형이고, 상기 제 2 도전형이 n형일 때, 상기 제 1 도전형의 저항층은 p형 InP층이며, 상기 제 2 도전형의 기판은 n형 InP 기판인 것을 특징으로 하는, 수광 소자.
  5. N개(N은 2이상의 정수)로 시분할된 파장이 다중된 신호광으로부터 분파된 각 분파광의 강도와 그 중심 위치를 검출하는 광 검출기에 있어서,
    제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 기재된 1개의 수광 소자를 구비하며, 이 수광 소자를 각 분파광의 입사 타이밍에 맞추어, 시간을 N개로 분할하여 구동하는 것을 특징으로 하는 광 검출기.
  6. N개(N은 2이상의 정수)의 파장이 다중된 신호광으로부터 분파된 각 분파광의 강도와 그 중심 위치를 검출하는 광 검출기에 있어서,
    제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 기재된 N개의 수광 소자를 1차원으로 배열한 것을 특징으로 하는 광 검출기.
  7. N개(N은 2이상의 정수)의 파장이 다중된 신호광으로부터 분파된 각 분파광의 강도와 그 중심 위치를 검출하는 광 검출기에 있어서,
    제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 기재된 N개의 수광 소자가 1차원으로 배열된 제 1 광 검출부를 구비하며, 이 제 1 광 검출부는 각 분파광의 광 강도의 중심 위치를 검출하며,
    N개의 수광 소자가 1차원으로 배열된 제 2 광 검출부를 구비하며, 이 제 2 광 검출부는 각 분파광의 광 강도를 검출하는 것을 특징으로 하는, 광 검출기.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 2 광 검출부의 수광 소자는 포토 다이오드인 것을 특징으로 하는, 광 검출기.
  9. 복수의 파장을 포함하는 밴드가 복수 개 다중된 신호광으로부터 분파된 각 분파광의 강도와 그 중심 위치를 검출하는 광 검출기에 있어서,
    제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 기재된 복수 개의 수광 소자를 각 밴드 대응으로 복수 개 1차원으로 배열한 것을 특징으로 하는 광 검출기.
  10. 파장 다중 전송되어 온 신호광을 분파하는 광 분파기에 있어서,
    상기 입사광을 분파하는 광학 수단과,
    상기 광학 수단으로 분파된 분파광을 수광하는 제 5 항에 기재된 광 검출기를 구비하는 것을 특징으로 하는 광 분파기.
  11. 파장 다중 전송되어 온 신호광을 분파하는 광 분파기에 있어서,
    상기 입사광을 분파하는 광학 수단과,
    상기 광학 수단으로 분파된 분파광을 수광하는 제 6 항에 기재된 광 검출기를 구비하는 것을 특징으로 하는 광 분파기.
  12. 파장 다중 전송되어 온 신호광을 분파하는 광 분파기에 있어서,
    상기 입사광을 2개로 분리하는 광학 수단과,
    상기 분리된 한쪽의 입사광을 분파하는 제 1 광학 수단과,
    상기 분리된 다른쪽의 입사광을 분파하는 제 2 광학 수단과,
    상기 제 1 광학 수단으로 분파된 분파광을 수광하여, 각 분파광의 광 강도 중심 위치를 검출하는 제 6 항에 기재된 광 검출기와,
    상기 제 2 광학 수단으로 분파된 분파광을 수광하여, 각 분파광의 광 강도를 검출하는 수광 소자 어레이를 구비하는 것을 특징으로 하는 광 분파기.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 수광 소자 어레이는 포토 다이오드·어레이인 것을 특징으로 하는, 광 분파기.
  14. 복수의 파장을 포함하는 밴드가 복수 개 다중된 신호광을 분파하는 광 분파기에 있어서,
    상기 입사광을 각 밴드마다의 분파광으로 분파하는 광학 수단과,
    각 밴드마다의 분파광을 수광하는 제 6 항에 기재된 광 검출기가 복수 배열된 수광 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 광 분파기.
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