TWI400896B - Millimeter wave photoelectric switch launcher - Google Patents

Description

毫米波光電開關發射裝置

本發明係有關於一種毫米波光電開關發射裝置，尤指涉及一種操作於反偏下之待測元件，特別係指藉以根據反偏壓之改變，達成元件速度隨反偏激烈變化，並實現一毫米波光電開關者。

本申請案主張2005年4月8日提出申請的中華民國申請案第094111145號之優先權，其全文在此以參照形式被併入本文。

在毫米波無線電通訊系統中，高頻之切換器係相當重要元件之一。在設計高頻電路時，電路之效能常受限於元件之特性。對於毫米波段之高頻切換器而言，元件之特性則限制切換器在開/關狀態下之隔離度(Isolation)，因為在高頻時，當所用場效電晶體位於關態(Off-State)時，電晶體汲極及源極可視為一個等效電容器而呈現低阻抗，而非高阻抗，因而影響整個電路之效能。此外，在高頻電路中，信號常常在相鄰之傳輸線之間產生耦合效應，因而影響電路之效能。此所以切換器在高頻波段中隔離阻抗之效能不盡理想之原因。

有鑑於此，遂有習知技術提出採用UTC-PD結構，然而，其按後隔速度仍然不夠快，該習知技術在元件切換開關時，當資料信號匯入時，由於要切換開關，因此必需得操作在順偏，並且得在反偏至順偏的反覆操作下，其電流變化才會大，完全是藉由電流之變化作動，如第8圖所示，其光電流變化地很明顯，完全係以光電流變化切換開關所造成，依正常元件操作範圍係操作在反偏下，習知技術以反覆操作產生正向電流對元件性能方面會產生不穩定之不良影響。

除了上述方法外，尚有習知技術提出如第9圖之架構，然而亦如圖中所示，其晶片81與其天線82之間有很長之距離，約有4～5波長(λ)範圍，因此其整體裝置勢必無法有效微型化，進而有增高成本之慮。故，一般習用者係無法符合使用者於實際使用時之所需。

本發明之主要目的係在於，克服習知技藝所遭遇之上述問題並提供一種操作於反偏下之待測元件，藉以根據反偏壓之改變，達成元件速度隨反偏激烈變化，並實現一毫米波光電開關。

為達以上之目的，本發明係一種毫米波光電開關發射裝置，係至少包括一輸入裝置、一脈衝信號產生器(Pulse Pattern Generator,PPG)、一待測元件(Device Under Test,DUT)、一天線信號處理器及一誤碼檢測器(Error Detector,ED)所組成。其中該待測元件係部分設置於一波導(Wave Guide)內，並經由該波導結合一第一號角天線(Horn Antenna)，其包含有一電信號輸入端(IF Input)、一與該電信號輸入端連接之射頻扼流器(RF Choke)、一與該射頻扼流器連接之光檢測開關、一與該光檢測開關連接之扇形寬頻轉換器(Fan-Shaped Broadband Transition)、及一與該光檢測開關連接之發射器，且該光檢測開關之磊晶層結構(From Top to Bottom)係由第一P型摻雜層(P-type)、第一N型摻雜層(N-tyep)、第二P型摻雜層、一未摻雜層(Undoped)、以及第二N型摻雜層所組成，成為p-n-p-i-n磊晶層，並成長於所有參雜或半絕緣之半導體基板上。

請參閱『第1圖～第4圖』所示，係分別為本發明之整體架構示意圖、本發明之待測元件結構示意圖、本發明待測元件之立體組裝示意圖、及本發明之光檢測開關結構示意圖。如圖所示：本發明係一種毫米波光電開關發射裝置，係至少包括一輸入裝置1、一脈衝信號產生器(Pulse Pattern Generator,PPG)2、一待測元件(Device Under Test,DUT)3、一天線信號處理器4及一誤碼檢測器(Error Detector,ED)5所組成，經施加一高功率脈衝源之脈衝至該待測元件3，透過一光源感測從而偵測該待測元件3之光子發射。

上述輸入裝置1係包含一單模光纖(Single Mode Fiber,SMF)11及一設置於該單模光纖11一側，並且連接至該單模光纖11一探針端之透鏡光纖(Lensed Fiber)12，該單模光纖11另一側則光學耦合有一光源(Optical MMW Source)13、一光纖放大器(Erbium-Doped Fiber Amplifier,EDFA)14及一衰減器15。

該脈衝信號產生器2係用以產生一可使用之12.5Gbit/s脈衝信號。

該待測元件3如第2、3圖所示，係部分設置於一波導(Wave Guide)36內，並經由該波導36結合一第一號角天線(Horn Antenna)37，其包含有一電信號輸入端(IF Input)31、一與該電信號輸入端31連接之射頻扼流器(RF Choke)32、一與該射頻扼流器32連接之光檢測開關33、一與該光檢測開關33連接之扇形寬頻轉換器(Fan-Shaped Broadband Transition)34、及一與該光檢測開關33連接之發射器35所組成，且該光檢測開關33與該發射器35之間具有一極小波長(λ)範圍，其中該光檢測開關33如第4圖所示，其磊晶層結構(From Top to Bottom)係由第一P型摻雜層(P-type)331、第一N型摻雜層(N-tyep)332、第二P型摻雜層333、一未摻雜層(Undoped)334、以及第二N型摻雜層335所組成，成為p-n-p-i-n磊晶層，並成長於所有參雜或半絕緣之半導體基板上，於其中，該半導體基板可為砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)、氮化鎵(GaN)、氮化鋁(AlN)、矽(Si)或銻化鎵(GaSb)等基板；該第一P型摻雜層331可選擇吸光材料作為光吸收層，並給予漸變摻雜以加速電子排出；該第一N型摻雜層332可選擇具有彈道傳輸特性之不吸光材料以加速載子傳輸，摻雜部分可使用漸變n-type摻雜以增加崩潰電壓及最大輸出電流；該第二P型摻雜層333及未摻雜層334可使用不吸收光之三元或四元合金，並經由適當之厚度及其摻雜程度，使該第二P型摻雜層333具有彈道傳輸之材料，俾使該第一N型摻雜層332能操作在載子漂移速度之尖峰值；該第二N型摻雜層335為用以形成歐姆接觸(Ohmic contact)之重摻雜半導體；以及該磊晶層結構可由化合物半導體如砷化鎵、磷化銦、氮化鎵及其合金半導體如氮化鋁鎵(AlGaN)、氮化銦鎵(InGaN)、砷化銦鎵(InGaAs)、磷砷化銦鎵(InGaAsP)、砷化銦鋁(InAlAs)、磷化銦、砷化鋁銦鎵(InAlGaAs)、砷化鎵、砷化鋁鎵(AlGaAs)所形成，或可由四族元素半導體如矽及其合金半導體如矽化鍺(SiGe)所形成。

該天線信號處理器4係包含有一W頻帶低雜訊放大器(W-band Low Noise Amplifier,W-band LNA)41、一與該W頻帶低雜訊放大器41電性連接之W頻帶功率檢測器(W-band Power Detector)42、及一與該W頻帶功率檢測器42電性連接之IF放大器(IF Amplifier)43，並於前端電性耦接一第二號角天線40。

該誤碼檢測器5係電性耦接該天線信號處理器4。如是，藉由上述之結構構成一全新之毫米波光電開關發射裝置。

上述待測元件3係操作於反偏下，藉以根據反偏壓之改變，俾使元件速度及其響應變化激烈者，其中該發射器35係為八木天線(Quasi-Yagi Antenna)，且該光檢測開關係為近彈道單載子傳輸光偵測器(NBUTC-PD)，並可運用於側照式之偵測器(如第3圖所示)或運用於垂直照射之偵測器(如第2圖所示)。

於一較佳實施例中，本發明更包含有一微波探針(Microwave Probe)，可用以承載該脈衝信號產生器2。如第1圖所示，圖中虛線路徑為光路徑(Optical Path)，實線路徑為電路徑(Electrical Path)。當運用時，在光路徑中，該輸入裝置1之光源13產生一100GHz左右毫米頻帶之載波光源，經該光纖放大器14與該衰減器15將光信號放大衰減後，由該單模光纖11擴展光束並輸出準直光束至該透鏡光纖12以聚焦光束，俾使光信號有效地由該單模光纖11運行至該透鏡光纖12而將光信號由該光檢測開關33中之光點330注入該待測元件3。在電路徑中，該脈衝信號產生器2產生一可使用之12.5Gbit/s脈衝信號，並以該微波探針將此脈衝信號由該電信號輸入端31匯入該待測元件3。

該待測元件3將來自該輸入裝置1與該脈衝信號產生器2之光信號與脈衝信號於該光檢測開關33中進行整合，經該射頻扼流器32產生之低射頻阻抗，適以減弱此高功率脈衝源與光源之間之一電壓差，並根據該扇形寬頻轉換器34產生之寬頻帶信號，進而使光信號在100GHz左右產生100GHz中頻頻率之毫米波信號輸出，並由該發射器35將其發送至該波導36從而由該第一號角天線37射出。

該天線信號處理器4自該第二號角天線40接收及放大頻帶內該毫米波信號之波長頻帶提供W頻帶放大，並對該W頻帶放大之毫米波信號進行功率檢測處理，根據檢測結果轉換之電壓位準信號對該W頻帶毫米波信號將中頻電壓放大後輸出至該誤碼檢測器5，由該誤碼檢測器5檢測於該W頻帶毫米波信號中之誤碼率。

請參閱『第5圖～第7圖』所示，係分別為本發明之隨反偏壓變化所量得之光電流與功率關係示意圖、本發明之頻率響應示意圖、及本發明之隨光電流變化所量得之輸出功率示意圖。如圖所示：在元件操作於反偏壓下與光電流及功率表現上，檢測頻率在100GHz之功率與光電流在不同之光學激發脈衝能量下，分別以60毫瓦(mW)功率曲線6a及其光電流曲線6b，與100mW功率曲線6c及其光電流曲線6d進行比較，其中尤以100mW功率曲線6c及其光電流曲線6d可清楚顯示增加反偏壓下量測之光電流不變，而功率則有很大變化。由此可知，本發明可完全依照元件在不同反偏時牽動功率變化，當反偏增加其毫米波信號功率亦相對增加，光電流部分則呈現穩定狀態，因此本發明並無操作在順偏反應下之必要。

再對照第6圖所示，以面積約為64μm2及光電流為7.5毫安培(mA)而言，就頻率為100GHz時，以元件分別在-1V、-3V及-5V偏壓下所量得之相對響應曲線7a、7b及7c之結果，及第7圖所示，以同面積而言，該元件在-3V偏壓時施以25歐姆(Ω)負載電阻，就100GHz頻率時，以元件在不同光電流下所量得之輸出功率曲線7d，皆可明顯看出，本發明係利用反偏壓之改變，達成元件速度隨反偏激烈變化，並實現一毫米波光電開關。

基於本發明在NBUTC結構中之第一N型摻雜層後加入第二P型摻雜層及未摻雜層，故具有：可將大部分原本跨在該第一N型摻雜層上之電場，轉移到該未摻雜層之兩端，讓少部分之電場落在該第一N型摻雜層，當電子在其中漂移時大部分之時間該第一N型摻雜層都以彈道速度傳輸，只有極少部分之時間該未摻雜層係以低速度傳輸，採用此種設計可使元件在高偏壓下仍然有彈道傳輸之效果，進而避免上述之負載電阻之效應；以及本發明中只有少部分之電場會落在該第一N型摻雜層上，藉由適當地加重摻雜以提高最大輸出電流，可避免pn接面常會在空乏層中加入重摻雜因而導致崩潰電壓降低之問題，所以藉由結合較重之漸層摻雜及此發明之特色，達到提升輸出電功率，而不需犧牲崩潰電壓之目的。

除上述所列優點之外，本發明更具有可讓大部分之電場落於該未摻雜層，使元件即使操作在高偏壓時在該第一N型摻雜層中仍然擁有較低電場並保持彈道傳輸之效果；可增加在該第一N型摻雜層中摻雜之程度藉以提高輸出功率而不會犧牲崩潰電壓；以及減緩最大輸出功率/效率與頻寬在面積上之取捨(trade-off)。

綜上所述，本發明係一種毫米波光電開關發射裝置，可有效改善習用之種種缺點，藉以根據反偏壓之改變，達成元件速度隨反偏激烈變化，並實現一毫米波光電開關，進而使本發明之產生能更進步、更實用、更符合使用者之所須，確已符合發明專利申請之要件，爰依法提出專利申請。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍；故，凡依本發明申請專利範圍及發明說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

(本發明部分)

1．．．輸入裝置

11．．．單模光纖

12．．．透鏡光纖

13．．．光源

14．．．光纖放大器

15．．．衰減器

2．．．脈衝信號產生器

3．．．待測元件

31．．．電信號輸入端

32．．．射頻扼流器

33．．．光檢測開關

330．．．光點

331．．．第一P型摻雜層

332．．．第一N型摻雜層

333．．．第二P型摻雜層

334．．．未摻雜層(Undoped)

335．．．第二N型摻雜層

34．．．扇形寬頻轉換器

35．．．發射器

36．．．波導

37．．．第一號角天線

4．．．天線信號處理器

40．．．第二號角天線

41．．．W頻帶低雜訊放大器

42．．．W頻帶功率檢測器

43．．．IF放大器

5．．．誤碼檢測器

6a、6c．．．功率曲線

6b、6d．．．光電流曲線

7a、7b、7c．．．相對響應曲線

7d．．．輸出功率曲線

(習用部分)

81．．．晶片

82．．．天線

第1圖，係本發明之整體架構示意圖。

第2圖，係本發明之待測元件結構示意圖。

第3圖，係本發明待測元件之立體組裝示意圖。

第4圖，係本發明之光檢測開關結構示意圖。

第5圖，係本發明之隨反偏壓變化所量得之光電流與功率關係示意圖。

第6圖，係本發明之頻率響應示意圖。

第7圖，係本發明之隨光電流變化所量得之輸出功率示意圖。

第8圖，係習知技術之隨頻率變化所量得之電流變化示意圖。

第9圖，係另一習知技術之架構示意圖。

1．．．輸入裝置

11．．．單模光纖

12．．．透鏡光纖

13．．．光源

14．．．光纖放大器

15．．．衰減器

2．．．脈衝信號產生器

3．．．待測元件

37．．．第一號角天線

4．．．天線信號處理器

40．．．第二號角天線

41．．．W頻帶低雜訊放大器

42．．．W頻帶功率檢測器

43．．．IF放大器

5．．．誤碼檢測器

Claims (20)

1. 一種毫米波光電開關發射裝置，其特徵在於一待測元件(Device Under Test,DUT)，經施加一高功率脈衝源之脈衝至該待測元件，透過一光源感測從而偵測該待測元件之光子發射，其中該待測元件係操作於反偏下，藉以根據反偏壓之改變，俾使元件速度及其響應變化激烈者，該裝置包括：一輸入裝置，係包含一單模光纖(Single Mode Fiber,SMF)及一設置於該單模光纖一側，並且連接至該單模光纖一探針端之透鏡光纖(Lensed Fiber)，用以接收準直光束並聚焦光束，俾使光信號由該單模光纖運行至該透鏡光纖而注入該待測元件，其中該單模光纖另一側係光學耦合有一光源(Optical MMW Source)、一光纖放大器(Erbium-Doped Fiber Amplifier,EDFA)及一衰減器；一脈衝信號產生器(Pulse Pattern Generator,PPG)，係用以產生一可使用之12.5Gbit/s脈衝信號，並將其匯入至該待測元件；該待測元件係部分設置於一波導(Wave Guide)內，並經由該波導結合一第一號角天線(Horn Antenna)，其包含有一電信號輸入端(IF Input)、一與該電信號輸入端連接之射頻扼流器(RF Choke)、一與該射頻扼流器連接之光檢測開關、一與該光檢測開關連接之扇形寬頻轉換器(Fan-Shaped Broadband Transition)、及一與該光檢測開關連接之發射器，用以將該脈衝信號與光信號整合形成一中頻頻率之毫米波信號後，送至該波導再從該第一號角天線射出，其中該光檢測開關之磊晶層結構(From Top to Bottom)係由第一P型摻雜層(P-type)、第一N型摻雜層(N-tyep)、第二P型摻雜層、一未摻雜層(Undoped)、以及第二N型摻雜層所組成，成為p-n-p-i-n磊晶層，並成長於所有參雜或半絕緣之半導體基板上；一天線信號處理器，係包含有一W頻帶低雜訊放大器(W-band Low Noise Amplifier,W-band LNA)、一與該W頻帶低雜訊放大器電性連接之W頻帶功率檢測器(W-band Power Detector)、及一與該W頻帶功率檢測器電性連接之IF放大器(IF Amplifier)，並於前端電性耦接一第二號角天線，用以自該第二號角天線接收及放大頻帶內該毫米波信號之波長頻帶提供W頻帶放大，並對該W頻帶放大之毫米波信號進行功率檢測處理，根據檢測結果轉換之電壓位準信號對該W頻帶毫米波信號將中頻電壓放大後輸出；以及一誤碼檢測器(Error Detector,ED)，係電性耦接該天線信號處理器，用以接收及檢測於該W頻帶毫米波信號中之誤碼率。
2. 依據申請專利範圍第1項所述之毫米波光電開關發射裝置，其中，更包含有一微波探針(Microwave Probe)，用以承載該脈衝信號產生器。
3. 依據申請專利範圍第1項所述之毫米波光電開關發射裝置，其中，該發射器係為八木天線(Quasi-Yagi Antenna)。
4. 依據申請專利範圍第1項所述之毫米波光電開關發射裝置，其中，該脈衝信號產生器係將該脈衝信號由該待測元件之電信號輸入端輸入。
5. 依據申請專利範圍第1項所述之毫米波光電開關發射裝置，其中，該輸入裝置係將光信號由該待測元件之光檢測開關中之光點注入。
6. 依據申請專利範圍第1項所述之毫米波光電開關發射裝置，其中，該光檢測開關係為可運用於側照式或垂直照射之近彈道單載子傳輸光偵測器(NBUTC-PD)。
7. 依據申請專利範圍第1項所述之毫米波光電開關發射裝置，其中，該磊晶層結構係由化合物半導體及其合金半導體、或四族元素半導體及其合金半導體所形成。
8. 依據申請專利範圍第7項所述之毫米波光電開關發射裝置，其中，該化合物半導體係為砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)、氮化鎵(GaN)，其合金半導體係為氮化鋁鎵(AlGaN)、氮化銦鎵(InGaN)、砷化銦鎵(InGaAs)、磷砷化銦鎵(InGaAsP)、砷化銦鋁(InAlAs)、磷化銦、砷化鋁銦鎵(InAlGaAs)、砷化鎵、砷化鋁鎵(AlGaAs)。
9. 依據申請專利範圍第7項所述之毫米波光電開關發射裝置，其中，該四族元素半導體係為矽(Si)，其合金半導體係為矽化鍺(SiGe)。
10. 依據申請專利範圍第1項所述之毫米波光電開關發射裝置，其中，該第一P型摻雜層係可選擇吸光材料作為光吸收層，並給予漸變摻雜以加速電子排出。
11. 依據申請專利範圍第1項所述之毫米波光電開關發射裝置，其中，該第一N型摻雜層係可選擇具有彈道傳輸特性之不吸光材料以加速載子傳輸，摻雜部分可使用漸變n-type摻雜以增加崩潰電壓及最大輸出電流。
12. 依據申請專利範圍第1項所述之毫米波光電開關發射裝置，其中，該第二P型摻雜層及未摻雜層係可使用不吸收光之三元或四元合金，並經由適當之厚度及其摻雜程度，俾使該第一N型摻雜層能操作在載子漂移速度之尖峰值。
13. 依據申請專利範圍第1項所述之毫米波光電開關發射裝置，其中，該第二N型摻雜層係為用以形成歐姆接觸(Ohmic contact)之重摻雜半導體。
14. 依據申請專利範圍第1項所述之毫米波光電開關發射裝置，其中，該半導體基板係為砷化鎵、磷化銦、氮化鎵、氮化鋁(AlN)、矽或銻化鎵(GaSb)之基板。
15. 一種毫米波光電開關發射裝置，其特徵在於一待測元件，經施加一高功率脈衝源之脈衝至該待測元件，透過一光源感測從而偵測該待測元件之光子發射，其中該待測元件係操作於反偏下，藉以根據反偏壓之改變，俾使元件速度及其響應變化激烈者，該待測元件包括：一電信號輸入端，係用以接收及輸出一脈衝信號；一射頻扼流器，係與該電信號輸入端連接，用以產生及輸出一低射頻阻抗，俾適以減弱該高功率脈衝源與該光源之間之一電壓差；一扇形寬頻轉換器，係用以產生及輸出一寬頻帶信號；一光檢測開關，係連接於該射頻扼流器與該扇形寬頻轉換器之間，用以接收一光信號並與該脈衝信號進行整合，俾根據該寬頻帶信號形成一中頻頻率之毫米波信號輸出，其中該光檢測開關之磊晶層結構係由第一P型摻雜層、第一N型摻雜層、第二P型摻雜層、一未摻雜層、以及第二N型摻雜層所組成，成為p-n-p-i-n磊晶層，並成長於所有參雜或半絕緣之半導體基板上；以及一發射器，係與該光檢測開關連接，用以接收並將該毫米波信號發送射出。
16. 依據申請專利範圍第15項所述之毫米波光電開關發射裝置，其中，該光檢測開關係為可運用於側照式或垂直照射之近彈道單載子傳輸光偵測器。
17. 依據申請專利範圍第15項所述之毫米波光電開關發射裝置，其中，該磊晶層結構係由化合物半導體及其合金半導體、或四族元素半導體及其合金半導體所形成。
18. 依據申請專利範圍第15項所述之毫米波光電開關發射裝置，其中，該第一P型摻雜層係可選擇吸光材料作為光吸收層，並給予漸變摻雜以加速電子排出。
19. 依據申請專利範圍第15項所述之毫米波光電開關發射裝置，其中，該第一N型摻雜層係可選擇具有彈道傳輸特性之不吸光材料以加速載子傳輸，摻雜部分可使用漸變n-type摻雜以增加崩潰電壓及最大輸出電流。
20. 依據申請專利範圍第15項所述之毫米波光電開關發射裝置，其中，該第二P型摻雜層及未摻雜層係可使用不吸收光之三元或四元合金，並經由適當之厚度及其摻雜程度，俾使該第一N型摻雜層能操作在載子漂移速度之尖峰值。