JP2002158365A - 光電気変換装置 - Google Patents
光電気変換装置Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】従来の光電気変換装置の受光部には主にフォト
ダイオード等の半導体素子が使われている。この素子は
発生電流が入射光強度に依存するため光デジタル通信応
用のデバイスとして適さない。また製造コストも高い。 【解決手段】受光部に光誘起相転移物質を用いる。該物
質の絶縁状態から導体状態への相転移またはその逆過程
を光で制御する。 【効果】受光部は光応答スイッチと等価となり、出力電
圧を電源電圧で制御できる。出力電圧は入射光強度のば
らつきの影響を受けず一定値を保持できる。製造コスト
も安価である。
ダイオード等の半導体素子が使われている。この素子は
発生電流が入射光強度に依存するため光デジタル通信応
用のデバイスとして適さない。また製造コストも高い。 【解決手段】受光部に光誘起相転移物質を用いる。該物
質の絶縁状態から導体状態への相転移またはその逆過程
を光で制御する。 【効果】受光部は光応答スイッチと等価となり、出力電
圧を電源電圧で制御できる。出力電圧は入射光強度のば
らつきの影響を受けず一定値を保持できる。製造コスト
も安価である。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】光伝送分野で、ファイバー等
を経由して伝送された光信号を簡便かつ高速に電気信号
に変換する技術に関し、特にディジタル信号処理に関す
る。
を経由して伝送された光信号を簡便かつ高速に電気信号
に変換する技術に関し、特にディジタル信号処理に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】従来、光信号を電気信号に変換する代表
的な手法の一つに、フォトダイオード（ＰＤ）による受
光、電気信号への変換方式がある。ＰＤは、Ｐ型半導体
とＮ型半導体の接合、いわゆるＰＮ接合部に光（フォト
ン）が入射すると電荷を発生し、この電荷を電界で引き
出すことで電流を得る。また、発生した電流を増幅する
作用をもったフォトトランジスタも用いられることがあ
る。
的な手法の一つに、フォトダイオード（ＰＤ）による受
光、電気信号への変換方式がある。ＰＤは、Ｐ型半導体
とＮ型半導体の接合、いわゆるＰＮ接合部に光（フォト
ン）が入射すると電荷を発生し、この電荷を電界で引き
出すことで電流を得る。また、発生した電流を増幅する
作用をもったフォトトランジスタも用いられることがあ
る。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】上述のように、従来は
光−電気変換には受光部や変換部にダイオードやトラン
ジスターといった半導体素子が用いられているが、これ
らの素子は電流を発生させるものである。そして得られ
る電流値は光の入射強度（あるいは、フォトンの数）に
依存し、しかも微量である。従ってこれらをディジタル
信号処理に応用しようとした場合、次段のディジタル回
路入力前に微小電流を増幅して電圧に変換する回路や入
射光強度のばらつきによる発生電流の変動を補正する回
路等を挿入する必要があり回路全体が複雑になってしま
う欠点があった。また、フォトダイオードで発生した電
荷を電流として取り出すにはダイオードに対して逆バイ
アスをかける必要があるが、ダイオードの逆方向耐電圧
を越えるとダイオードが破損するため、回路設計上注意
を要する。更に従来のフォトダイオード等の製造に目を
転じると、これらは一般的な半導体製造プロセスを経由
しなければならず、コストが高くつき、納期に時間がか
かるといった問題点を有する。
光−電気変換には受光部や変換部にダイオードやトラン
ジスターといった半導体素子が用いられているが、これ
らの素子は電流を発生させるものである。そして得られ
る電流値は光の入射強度（あるいは、フォトンの数）に
依存し、しかも微量である。従ってこれらをディジタル
信号処理に応用しようとした場合、次段のディジタル回
路入力前に微小電流を増幅して電圧に変換する回路や入
射光強度のばらつきによる発生電流の変動を補正する回
路等を挿入する必要があり回路全体が複雑になってしま
う欠点があった。また、フォトダイオードで発生した電
荷を電流として取り出すにはダイオードに対して逆バイ
アスをかける必要があるが、ダイオードの逆方向耐電圧
を越えるとダイオードが破損するため、回路設計上注意
を要する。更に従来のフォトダイオード等の製造に目を
転じると、これらは一般的な半導体製造プロセスを経由
しなければならず、コストが高くつき、納期に時間がか
かるといった問題点を有する。
【０００４】本発明はこれらの諸課題を解決するもの
で、従来の方式とは全く動作原理を異にする光電気変換
装置を提供するものである。ディジタル回路への応用と
いった観点から、多少の入射光強度の変動を補正する必
要もなく簡便な回路であること、そして回路設計の自由
度を十分に確保すること等をその特徴とすることと併
せ、これまでの製造コスト、納期等の課題をも解決する
ものである。
で、従来の方式とは全く動作原理を異にする光電気変換
装置を提供するものである。ディジタル回路への応用と
いった観点から、多少の入射光強度の変動を補正する必
要もなく簡便な回路であること、そして回路設計の自由
度を十分に確保すること等をその特徴とすることと併
せ、これまでの製造コスト、納期等の課題をも解決する
ものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】このような目的は、下記
に述べる本発明により達成される。すなわち、本発明の
光電気変換装置は、少なくとも、光誘起相転移物質をそ
の構成要素として具備し、該光誘起相転移物質の絶縁状
態と導体状態との間の相転移を利用することを特徴とす
る。また、本発明の光電気変換装置は、前記光誘起相転
移物質の絶縁状態と導体状態はそれぞれ安定状態と準安
定状態またはその逆であり、準安定状態の寿命が、１０
０ナノ秒以下と著しく短いことを特徴とする。
に述べる本発明により達成される。すなわち、本発明の
光電気変換装置は、少なくとも、光誘起相転移物質をそ
の構成要素として具備し、該光誘起相転移物質の絶縁状
態と導体状態との間の相転移を利用することを特徴とす
る。また、本発明の光電気変換装置は、前記光誘起相転
移物質の絶縁状態と導体状態はそれぞれ安定状態と準安
定状態またはその逆であり、準安定状態の寿命が、１０
０ナノ秒以下と著しく短いことを特徴とする。
【０００６】
【作用】ここでは本発明の特徴をなす、光電気変換装置
の受光部に用いる光誘起相転移物質について説明する。
の受光部に用いる光誘起相転移物質について説明する。
【０００７】本発明の光電気変換装置の受光部に用いら
れる主材料は、光を照射することにより相転移が生じ
る、主として遷移金属またはその酸化物で構成されるも
のである。該遷移金属酸化物としては、一般式Ａx Ｂy
Ｏz （式中、ｘ、ｙ、ｚはそれぞれ、１≦ｘ≦１４、１
≦ｙ≦２４、１≦ｚ≦４１であり、Ａ、Ｂは同じ元素で
あっても異なる元素であってもよい）で表されるものが
一般的である。このような遷移金属酸化物は、光を照射
することにより原子系のエネルギー状態が変化し、結晶
格子の変位が起こり、これに基づいて相転移現象が発現
するものと考えられる。
れる主材料は、光を照射することにより相転移が生じ
る、主として遷移金属またはその酸化物で構成されるも
のである。該遷移金属酸化物としては、一般式Ａx Ｂy
Ｏz （式中、ｘ、ｙ、ｚはそれぞれ、１≦ｘ≦１４、１
≦ｙ≦２４、１≦ｚ≦４１であり、Ａ、Ｂは同じ元素で
あっても異なる元素であってもよい）で表されるものが
一般的である。このような遷移金属酸化物は、光を照射
することにより原子系のエネルギー状態が変化し、結晶
格子の変位が起こり、これに基づいて相転移現象が発現
するものと考えられる。
【０００８】このような遷移金属酸化物について、その
結晶構造は特に限定されないが、結晶構造内に＋の電荷
をもつＡイオンから構成される−Ｘ- −Ａ+ −Ｘ- （Ｘ
＝Ｏ，ＢＯx）の直線配位をもち、この一次元（直線）
構造で物性を特徴づけられる低次元酸化物が好ましい。
これは、変位する格子原子が柔らかく格子に結合してい
るもの、すなわち、変位による格子歪のエネルギーが小
さいほうが好ましく、一般に低次元物質は格子が柔らか
いと考えられているからである。
結晶構造は特に限定されないが、結晶構造内に＋の電荷
をもつＡイオンから構成される−Ｘ- −Ａ+ −Ｘ- （Ｘ
＝Ｏ，ＢＯx）の直線配位をもち、この一次元（直線）
構造で物性を特徴づけられる低次元酸化物が好ましい。
これは、変位する格子原子が柔らかく格子に結合してい
るもの、すなわち、変位による格子歪のエネルギーが小
さいほうが好ましく、一般に低次元物質は格子が柔らか
いと考えられているからである。
【０００９】このような低次元物質の一例として、一般
式ＡＢＯ2 で表されるデラフォサイト型酸化物が挙げら
れる。デラフォサイト型酸化物は、上述の低次元構造
が、−（ＢＯ2 ）- −Ａ+ −（ＢＯ2 ）- −で表される
単純な鎖状秩序構造を持つものである。このような単純
構造は、低次元物質の特徴である格子の柔らかさをさら
に強調する作用があると考えられ、光誘起相転移の応答
速度が極めて速いという特徴を有する。さらに、デラフ
ォサイト型酸化物は、その単純な低次元構造により光誘
起相転移に必要なエネルギーを決定するバンドギャップ
を小さく調節できるという利点も有する。バンドギャッ
プとは、光誘起相転移が生じる最低光子エネルギーのこ
とである。バンドギャップが小さければ、より低エネル
ギーの光、例えば可視・紫外領域はもとより赤外領域の
波長を有するレーザ光でも相転移を起こすことが可能に
なり、光源の選択の幅が飛躍的に拡がる。
式ＡＢＯ2 で表されるデラフォサイト型酸化物が挙げら
れる。デラフォサイト型酸化物は、上述の低次元構造
が、−（ＢＯ2 ）- −Ａ+ −（ＢＯ2 ）- −で表される
単純な鎖状秩序構造を持つものである。このような単純
構造は、低次元物質の特徴である格子の柔らかさをさら
に強調する作用があると考えられ、光誘起相転移の応答
速度が極めて速いという特徴を有する。さらに、デラフ
ォサイト型酸化物は、その単純な低次元構造により光誘
起相転移に必要なエネルギーを決定するバンドギャップ
を小さく調節できるという利点も有する。バンドギャッ
プとは、光誘起相転移が生じる最低光子エネルギーのこ
とである。バンドギャップが小さければ、より低エネル
ギーの光、例えば可視・紫外領域はもとより赤外領域の
波長を有するレーザ光でも相転移を起こすことが可能に
なり、光源の選択の幅が飛躍的に拡がる。
【００１０】ここでいう光誘起相転移とは、固体に入射
した光エネルギーにより系を励起して電子状態を変化さ
せ、これにより格子変位を生じることを意味する。この
ような格子変位によってもたらされる物質の物理的特性
の変化のうち、特に電気伝導率が劇的に変化する性質、
すなわち導体状態と絶縁状態を光照射で制御できる性質
に着目し、これを積極的に利用したのが本発明の光電気
変換装置の特徴である。
した光エネルギーにより系を励起して電子状態を変化さ
せ、これにより格子変位を生じることを意味する。この
ような格子変位によってもたらされる物質の物理的特性
の変化のうち、特に電気伝導率が劇的に変化する性質、
すなわち導体状態と絶縁状態を光照射で制御できる性質
に着目し、これを積極的に利用したのが本発明の光電気
変換装置の特徴である。
【００１１】さて、光による電気伝導率の変化を利用す
れば、絶縁体を導体化したり逆に導体を絶縁体に戻すと
いった相互間の可逆的な相転移を制御することが可能に
なる。ここで導体化とは、絶縁体の満ちた価電子帯と伝
導帯の間にあるバンドギャップを光励起により閉じるこ
とを意味する。言い換えれば、絶縁体を導体にするには
（或いは逆に導体を絶縁体にするには）、光によりブリ
ルアン域の大きさを２倍に拡大（または半分に縮小）
し、価電子帯と伝導帯とを結合（または分離）させてし
まうのである。このためには、絶縁体（または導体状
態）の格子の繰返し周期の長さを光により半分（または
２倍）にすることができればよい。
れば、絶縁体を導体化したり逆に導体を絶縁体に戻すと
いった相互間の可逆的な相転移を制御することが可能に
なる。ここで導体化とは、絶縁体の満ちた価電子帯と伝
導帯の間にあるバンドギャップを光励起により閉じるこ
とを意味する。言い換えれば、絶縁体を導体にするには
（或いは逆に導体を絶縁体にするには）、光によりブリ
ルアン域の大きさを２倍に拡大（または半分に縮小）
し、価電子帯と伝導帯とを結合（または分離）させてし
まうのである。このためには、絶縁体（または導体状
態）の格子の繰返し周期の長さを光により半分（または
２倍）にすることができればよい。
【００１２】最後に、状態の安定性について補足する。
本発明でいう準安定状態とは、光の照射等による格子の
変化に基づき準安定状態（例えば導体状態）に移行した
とし、もとの安定状態（例えば絶縁状態）に戻るまでに
要する時間（緩和時間）が室温付近で非常に短い（例え
ば、１００マイクロ秒）ことを意味する。準安定状態を
保っていられる時間、すなわち寿命は材料の設計次第で
自在に制御することが可能である（準安定状態の寿命が
無限に長ければ双安定物質ということになる）。本発明
ではその用途から要請させる性能を発揮させるために、
準安定状態の寿命が短いものを選択することが好まし
い。つまり、その極限においては、光が照射されている
間のみ準安定状態にあり、消光状態では常に安定状態に
あると近似される。
本発明でいう準安定状態とは、光の照射等による格子の
変化に基づき準安定状態（例えば導体状態）に移行した
とし、もとの安定状態（例えば絶縁状態）に戻るまでに
要する時間（緩和時間）が室温付近で非常に短い（例え
ば、１００マイクロ秒）ことを意味する。準安定状態を
保っていられる時間、すなわち寿命は材料の設計次第で
自在に制御することが可能である（準安定状態の寿命が
無限に長ければ双安定物質ということになる）。本発明
ではその用途から要請させる性能を発揮させるために、
準安定状態の寿命が短いものを選択することが好まし
い。つまり、その極限においては、光が照射されている
間のみ準安定状態にあり、消光状態では常に安定状態に
あると近似される。
【００１３】
【発明の実施の形態】以下、本発明の詳細をいくつかの
実施例に基づき説明する。
実施例に基づき説明する。
【００１４】（実施例１）光誘起相転移物質の一つにデ
ラフォサイトに属するＣｕＡｌＯ2がある。該物質への
光照射による抵抗率の変化の様子を図１に示す。ＣｕＡ
ｌＯ2はその安定状態では完全な絶縁体である。これに
波長７５０ｎｍの光を照射すると導体状態、即ち良導体
となる。これは光照射部のみ結晶格子内の原子が瞬時に
移動することでブリルアン域が拡大したことによると考
えられる。次に光の照射を止めると、導体状態であった
ＣｕＡｌＯ2は瞬時にもとの絶縁状態に戻る。これは導
体状態が準安定状態であり寿命が非常に短いことを示唆
している。
ラフォサイトに属するＣｕＡｌＯ2がある。該物質への
光照射による抵抗率の変化の様子を図１に示す。ＣｕＡ
ｌＯ2はその安定状態では完全な絶縁体である。これに
波長７５０ｎｍの光を照射すると導体状態、即ち良導体
となる。これは光照射部のみ結晶格子内の原子が瞬時に
移動することでブリルアン域が拡大したことによると考
えられる。次に光の照射を止めると、導体状態であった
ＣｕＡｌＯ2は瞬時にもとの絶縁状態に戻る。これは導
体状態が準安定状態であり寿命が非常に短いことを示唆
している。
【００１５】本実施例では、ＣｕＡｌＯ2のこのような
性質を利用して、光電気変換装置を作製した。図２は作
製した該光電気変換装置の受光部の断面図である。シリ
コン基板２０１上に熱酸化膜２０２を形成し絶縁層とす
る。その上にスピンコート法でＣｕＡｌＯ2前駆体を塗
布し、パターンを形成後これを焼成してＣｕＡｌＯ2層
２０４を形成し、これを挟持するアルミニウム電極２０
３を施した。このようにして作製された受光部からリー
ド線を引き出し、図３に示した回路を構成した。図３
（ａ）で波線で囲まれた部分３０２が図２に示した受光
部に相当する。受光部３０２は図１に示したような抵抗
率の光応答特性を有するので、実質的には光で開閉でき
るスイッチとみなすことができる。そこで回路をもう一
度描き改めたのが図３（ｂ）である。先ず、光が照射さ
れていない状態では、受光部であるスイッチ３１２は開
いた状態である。この状態では出力Ｖｏｕｔ３０３の電
位は接地３０５と等電位である。次に受光部に光を照射
すると、スイッチ３１２は閉じた状態となる。抵抗Ｒ、
３０４の抵抗値をスイッチ部３１２の抵抗値に比べて充
分大きな値に設定しておけば、出力３０３の電位は電源
電圧Ｖｃｃにほぼ等しくなり、光照射に対応した電気信
号を電圧の形で取り出すことができる。本実施例では、
電源電圧Ｖｃｃ＝５[Ｖ]、抵抗Ｒ＝１００[ｋΩ]で回路
を駆動した。図４に光照射のタイミングとその時発生し
た出力電圧Ｖｏｕｔとの関係を示す。これより明らかな
ように、本発明の受光部では光誘起相転移物質ＣｕＡｌ
Ｏ2の抵抗値が光照射時に瞬時に充分低下し、かつ消光
時には瞬時にもとの絶縁状態、即ち高抵抗値に戻るため
理想的な光電気変換装置が実現された。
性質を利用して、光電気変換装置を作製した。図２は作
製した該光電気変換装置の受光部の断面図である。シリ
コン基板２０１上に熱酸化膜２０２を形成し絶縁層とす
る。その上にスピンコート法でＣｕＡｌＯ2前駆体を塗
布し、パターンを形成後これを焼成してＣｕＡｌＯ2層
２０４を形成し、これを挟持するアルミニウム電極２０
３を施した。このようにして作製された受光部からリー
ド線を引き出し、図３に示した回路を構成した。図３
（ａ）で波線で囲まれた部分３０２が図２に示した受光
部に相当する。受光部３０２は図１に示したような抵抗
率の光応答特性を有するので、実質的には光で開閉でき
るスイッチとみなすことができる。そこで回路をもう一
度描き改めたのが図３（ｂ）である。先ず、光が照射さ
れていない状態では、受光部であるスイッチ３１２は開
いた状態である。この状態では出力Ｖｏｕｔ３０３の電
位は接地３０５と等電位である。次に受光部に光を照射
すると、スイッチ３１２は閉じた状態となる。抵抗Ｒ、
３０４の抵抗値をスイッチ部３１２の抵抗値に比べて充
分大きな値に設定しておけば、出力３０３の電位は電源
電圧Ｖｃｃにほぼ等しくなり、光照射に対応した電気信
号を電圧の形で取り出すことができる。本実施例では、
電源電圧Ｖｃｃ＝５[Ｖ]、抵抗Ｒ＝１００[ｋΩ]で回路
を駆動した。図４に光照射のタイミングとその時発生し
た出力電圧Ｖｏｕｔとの関係を示す。これより明らかな
ように、本発明の受光部では光誘起相転移物質ＣｕＡｌ
Ｏ2の抵抗値が光照射時に瞬時に充分低下し、かつ消光
時には瞬時にもとの絶縁状態、即ち高抵抗値に戻るため
理想的な光電気変換装置が実現された。
【００１６】尚、本実施例では光誘起相転移物質として
ＣｕＡｌＯ2を用いたが、これは本発明の効果を説明す
るための一例であり、該物質に本発明を限定するもので
はない。用途によって同様な性質を有する材料を多数の
候補物質の中から選択することができる。例えば高速デ
ジタル光通信に本発明の光電気変換装置を用いる場合、
当然光ファイバー等で伝送されてきた周波数帯に匹敵す
る高速な相転移が光誘起相転移物質に要求される。その
ような場合は光誘起相転移物質の材料設計により準安定
状態の寿命が１００マイクロ秒以下といった短寿命のも
のを用いれば良い。また、本実施例で示した回路は、光
信号入力を電気信号に変換し電圧として出力を取り出す
簡便な回路の一例である。従って本発明の光電気変換装
置の回路は本実施例の回路に限定されるものではなく、
目的に応じて当該研究者の技術水準で改良、修正できる
ものである。
ＣｕＡｌＯ2を用いたが、これは本発明の効果を説明す
るための一例であり、該物質に本発明を限定するもので
はない。用途によって同様な性質を有する材料を多数の
候補物質の中から選択することができる。例えば高速デ
ジタル光通信に本発明の光電気変換装置を用いる場合、
当然光ファイバー等で伝送されてきた周波数帯に匹敵す
る高速な相転移が光誘起相転移物質に要求される。その
ような場合は光誘起相転移物質の材料設計により準安定
状態の寿命が１００マイクロ秒以下といった短寿命のも
のを用いれば良い。また、本実施例で示した回路は、光
信号入力を電気信号に変換し電圧として出力を取り出す
簡便な回路の一例である。従って本発明の光電気変換装
置の回路は本実施例の回路に限定されるものではなく、
目的に応じて当該研究者の技術水準で改良、修正できる
ものである。
【００１７】（実施例２）実施例１で示した本発明の光
電気変換装置の受光部を従来のフォトダイオードに置き
換えた比較装置を作製した（図５）。本実施例では入力
光強度を変えた時の出力電圧の変化を調べた。図６に結
果を示す。図６（ａ）は本発明の光電気変換装置の出力
電圧特性である。これより出力電圧は入力光強度に依存
せずに一定で、この値はほぼ電源電圧Ｖｃｃに等しい。
一方、比較装置の出力特性は図６（ｂ）の如くであっ
た。出力電圧は入射光強度に依存して変化することがわ
かる。これは、、フォトダイオードを受光部に用いた場
合、ダイオードの接合部の空乏層で発生する電荷量が光
強度に依存するためで、出力電圧は発生した電荷量の流
れ（電流）と抵抗３０４で決まるからである。
電気変換装置の受光部を従来のフォトダイオードに置き
換えた比較装置を作製した（図５）。本実施例では入力
光強度を変えた時の出力電圧の変化を調べた。図６に結
果を示す。図６（ａ）は本発明の光電気変換装置の出力
電圧特性である。これより出力電圧は入力光強度に依存
せずに一定で、この値はほぼ電源電圧Ｖｃｃに等しい。
一方、比較装置の出力特性は図６（ｂ）の如くであっ
た。出力電圧は入射光強度に依存して変化することがわ
かる。これは、、フォトダイオードを受光部に用いた場
合、ダイオードの接合部の空乏層で発生する電荷量が光
強度に依存するためで、出力電圧は発生した電荷量の流
れ（電流）と抵抗３０４で決まるからである。
【００１８】光ファイバー等を経由して長距離伝送され
る光強度は、それ自体に変動があったり、ファイバー中
で減衰したりする。光デジタル通信への応用を考える場
合、光電気変換装置の出力電圧は、入力光強度のばらつ
きの範囲内では一定であることが要求される。従って、
本発明の光電気変換装置は比較装置（従来品）に比べ、
より好ましい特性を有していることが本実施例より明か
となった。
る光強度は、それ自体に変動があったり、ファイバー中
で減衰したりする。光デジタル通信への応用を考える場
合、光電気変換装置の出力電圧は、入力光強度のばらつ
きの範囲内では一定であることが要求される。従って、
本発明の光電気変換装置は比較装置（従来品）に比べ、
より好ましい特性を有していることが本実施例より明か
となった。
【００１９】比較装置の受光部には上述のようにフォト
ダイオードを使用しているがフォトダイオードから電流
を取り出すには、図５の回路にあるようにダイオードに
対して逆バイアス電圧をかけることになる。同回路で出
力電圧を大きくするためには、この逆バイアス、すなわ
ち電源電圧値を大きくする必要があるが、用いるダイオ
ードの逆方向耐電圧には限界がありこれを越えるとフォ
トダイオードを破損してしまう。これに対し、本発明の
受光部は光に応答する開閉スイッチとみなせるので従来
のダイオード式の如く制限はなく、回路設計の自由度が
大きくなったことも優れた特徴として挙げられる。
ダイオードを使用しているがフォトダイオードから電流
を取り出すには、図５の回路にあるようにダイオードに
対して逆バイアス電圧をかけることになる。同回路で出
力電圧を大きくするためには、この逆バイアス、すなわ
ち電源電圧値を大きくする必要があるが、用いるダイオ
ードの逆方向耐電圧には限界がありこれを越えるとフォ
トダイオードを破損してしまう。これに対し、本発明の
受光部は光に応答する開閉スイッチとみなせるので従来
のダイオード式の如く制限はなく、回路設計の自由度が
大きくなったことも優れた特徴として挙げられる。
【００２０】（実施例３）光誘起相転移物質の一つにＣ
ｏＴｉＯ3がある。該物質への光照射による抵抗率の変
化の様子を図７に示す。ＣｏＴｉＯ3はその安定状態で
は導体状態である。これに可視光を照射すると絶縁状態
となった。次に光の照射を止めると、絶縁状態であった
ＣｏＴｉＯ3は瞬時にもとの導体状態に戻った。これは
絶縁状態が準安定状態であり寿命が非常に短いことを示
唆している。
ｏＴｉＯ3がある。該物質への光照射による抵抗率の変
化の様子を図７に示す。ＣｏＴｉＯ3はその安定状態で
は導体状態である。これに可視光を照射すると絶縁状態
となった。次に光の照射を止めると、絶縁状態であった
ＣｏＴｉＯ3は瞬時にもとの導体状態に戻った。これは
絶縁状態が準安定状態であり寿命が非常に短いことを示
唆している。
【００２１】本実施例では、ＣｏＴｉＯ3のこのような
性質を利用して、光電気変換装置を作製した。図８は作
製した該光電気変換装置の受光部の断面図である。シリ
コン基板２０１上に熱酸化膜２０２を形成し絶縁層とす
る。その上にスピンコート法でＣｏＴｉＯ3前駆体を塗
布し、パターンを形成後これを焼成してＣｏＴｉＯ3層
８０４を形成し、これを挟持するアルミニウム電極２０
３を施した。このようにして作製された受光部からリー
ド線を引き出し、図９に示した回路を構成した。図９
（ａ）で波線で囲まれた部分９０２が図８に示した受光
部に相当する。受光部８０２は図７に示したような抵抗
率の光応答特性を有するので、実質的には光で開閉でき
るスイッチとみなすことができる。そこで回路をもう一
度描き改めたのが図９（ｂ）である。先ず、光が照射さ
れていない状態では、受光部であるスイッチ９１２は閉
じた状態である。抵抗Ｒ、９０４の抵抗値をスイッチ部
９１２の抵抗値に比べて充分大きな値に設定しておけ
ば、出力Ｖｏｕｔ９０３の電位は電源電圧Ｖｃｃ９０１
とほぼ等電位である。次に受光部に光を照射すると、ス
イッチ９１２は開いた状態となり出力９０３の電位は接
地電位９０５に等しくなりる。このように光照射に対応
した電気信号を電圧の形で取り出すことができる。本実
施例では、電源電圧Ｖｃｃ＝５[Ｖ]、抵抗Ｒ＝１００
[ｋΩ]で回路を駆動した。図１０に光照射のタイミング
とその時発生した出力電圧Ｖｏｕｔとの関係を示す。こ
れより明らかなように、本発明の受光部では光誘起相転
移物質ＣｏＴｉＯ3の抵抗値が光照射時に急峻に上昇
し、かつ消光時には瞬時にもとの導体状態、即ち低抵抗
値に戻るため理想的な光電気変換装置が実現された。
性質を利用して、光電気変換装置を作製した。図８は作
製した該光電気変換装置の受光部の断面図である。シリ
コン基板２０１上に熱酸化膜２０２を形成し絶縁層とす
る。その上にスピンコート法でＣｏＴｉＯ3前駆体を塗
布し、パターンを形成後これを焼成してＣｏＴｉＯ3層
８０４を形成し、これを挟持するアルミニウム電極２０
３を施した。このようにして作製された受光部からリー
ド線を引き出し、図９に示した回路を構成した。図９
（ａ）で波線で囲まれた部分９０２が図８に示した受光
部に相当する。受光部８０２は図７に示したような抵抗
率の光応答特性を有するので、実質的には光で開閉でき
るスイッチとみなすことができる。そこで回路をもう一
度描き改めたのが図９（ｂ）である。先ず、光が照射さ
れていない状態では、受光部であるスイッチ９１２は閉
じた状態である。抵抗Ｒ、９０４の抵抗値をスイッチ部
９１２の抵抗値に比べて充分大きな値に設定しておけ
ば、出力Ｖｏｕｔ９０３の電位は電源電圧Ｖｃｃ９０１
とほぼ等電位である。次に受光部に光を照射すると、ス
イッチ９１２は開いた状態となり出力９０３の電位は接
地電位９０５に等しくなりる。このように光照射に対応
した電気信号を電圧の形で取り出すことができる。本実
施例では、電源電圧Ｖｃｃ＝５[Ｖ]、抵抗Ｒ＝１００
[ｋΩ]で回路を駆動した。図１０に光照射のタイミング
とその時発生した出力電圧Ｖｏｕｔとの関係を示す。こ
れより明らかなように、本発明の受光部では光誘起相転
移物質ＣｏＴｉＯ3の抵抗値が光照射時に急峻に上昇
し、かつ消光時には瞬時にもとの導体状態、即ち低抵抗
値に戻るため理想的な光電気変換装置が実現された。
【００２２】尚、本実施例では光誘起相転移物質として
ＣｏＴｉＯ3を用いたが、これは本発明の効果を説明す
るための一例であり、該物質に本発明を限定するもので
はない。用途によって同様な性質を有する材料を多数の
候補物質の中から選択することができる。例えば高速デ
ジタル光通信に本発明の光電気変換装置を用いる場合、
当然光ファイバー等で伝送されてきた周波数帯に匹敵す
る高速な相転移が光誘起相転移物質に要求される。その
ような場合は光誘起相転移物質の材料設計により準安定
状態の寿命が１００マイクロ秒以下といった短寿命のも
のを用いれば良い。また、本実施例で示した回路は、光
信号入力を電気信号に変換し電圧として出力を取り出す
簡便な回路の一例である。従って本発明の光電気変換装
置の回路は本実施例の回路に限定されるものではなく、
目的に応じて当該研究者の技術水準で改良、修正できる
ものである。
ＣｏＴｉＯ3を用いたが、これは本発明の効果を説明す
るための一例であり、該物質に本発明を限定するもので
はない。用途によって同様な性質を有する材料を多数の
候補物質の中から選択することができる。例えば高速デ
ジタル光通信に本発明の光電気変換装置を用いる場合、
当然光ファイバー等で伝送されてきた周波数帯に匹敵す
る高速な相転移が光誘起相転移物質に要求される。その
ような場合は光誘起相転移物質の材料設計により準安定
状態の寿命が１００マイクロ秒以下といった短寿命のも
のを用いれば良い。また、本実施例で示した回路は、光
信号入力を電気信号に変換し電圧として出力を取り出す
簡便な回路の一例である。従って本発明の光電気変換装
置の回路は本実施例の回路に限定されるものではなく、
目的に応じて当該研究者の技術水準で改良、修正できる
ものである。
【００２３】
【発明の効果】従来、光−電気変換には受光部や変換部
にフォトダイオード等の半導体素子が用いられている
が、これらの素子で得られる電流値は光の入射強度（あ
るいは、フォトンの数）に依存し、しかも微量である。
従ってこれらをディジタル信号処理に応用しようとした
場合、次段のディジタル回路入力前に微小電流を増幅し
て電圧に変換する回路や入射光強度のばらつきによる発
生電流の変動を補正する回路等を挿入する必要があり回
路全体が複雑になってしまう欠点があった。一方、本発
明では受光部に光誘起相転移物質を用いた。これにより
該部は実質的に光で開閉できるスイッチとみなせる。よ
って取り出せる電圧は電源電圧で決まり、入射光強度の
ばらつきの影響を受けずに定電圧出力を確保できること
が可能となり、上述の欠点を解消することができた。ま
た本発明の光電気変換装置はダイオードを使用しないた
め、印加する逆方向電圧の上限等、回路設計上の制限も
緩和され設計自由度度が大幅に増大した。更に本発明の
光電気変換装置の製造方法、構造は従来品に比べて極め
て簡単なため、製造コストや時間を大幅に節約すること
が可能となった。
にフォトダイオード等の半導体素子が用いられている
が、これらの素子で得られる電流値は光の入射強度（あ
るいは、フォトンの数）に依存し、しかも微量である。
従ってこれらをディジタル信号処理に応用しようとした
場合、次段のディジタル回路入力前に微小電流を増幅し
て電圧に変換する回路や入射光強度のばらつきによる発
生電流の変動を補正する回路等を挿入する必要があり回
路全体が複雑になってしまう欠点があった。一方、本発
明では受光部に光誘起相転移物質を用いた。これにより
該部は実質的に光で開閉できるスイッチとみなせる。よ
って取り出せる電圧は電源電圧で決まり、入射光強度の
ばらつきの影響を受けずに定電圧出力を確保できること
が可能となり、上述の欠点を解消することができた。ま
た本発明の光電気変換装置はダイオードを使用しないた
め、印加する逆方向電圧の上限等、回路設計上の制限も
緩和され設計自由度度が大幅に増大した。更に本発明の
光電気変換装置の製造方法、構造は従来品に比べて極め
て簡単なため、製造コストや時間を大幅に節約すること
が可能となった。
【００２４】本発明が高速光デジタル通信分野に応用さ
れた場合、そのもたらされる効果は極めて大きい。
れた場合、そのもたらされる効果は極めて大きい。
【図１】本発明の光電気変換装置に用いた光誘起相転移
物質の抵抗率変化を示した図。
物質の抵抗率変化を示した図。
【図２】本発明の光電気変換装置の受光部の断面構造を
示した図。
示した図。
【図３】本発明の光電気変換装置の回路の一例を示した
図。
図。
【図４】本発明の光電気変換装置に光を入射した時の出
力電気特性を示した図。
力電気特性を示した図。
【図５】従来のフォトダイオードを受光部に使用した光
電気変換装置の回路の一例を示した図。
電気変換装置の回路の一例を示した図。
【図６】（ａ）本発明と（ｂ）従来品に対する出力電圧
の入射光強度依存性を示した図。
の入射光強度依存性を示した図。
【図７】本発明の光電気変換装置に用いた光誘起相転移
物質の抵抗率変化を示した図。
物質の抵抗率変化を示した図。
【図８】本発明の光電気変換装置の受光部の断面構造を
示した図。
示した図。
【図９】本発明の光電気変換装置の回路の一例を示した
図。
図。
【図１０】本発明の光電気変換装置に光を入射した時の
出力電気特性を示した図。
出力電気特性を示した図。
２０１．シリコン基板 ２０２．シリコン酸化膜絶縁層 ２０３．アルミニウム電極 ２０４．ＣｕＡｌＯ2光誘起相転移物質 ３０１．電源電圧Ｖｃｃ ３０２．受光部 ３０３．出力電圧Ｖｏｕｔ ３０４．抵抗Ｒ ３０５．接地電位 ３１２．光応答スイッチ ５０２．フォトダイオード ８０４．ＣｏＴｉＯ3光誘起相転移物質 ９０１．電源電圧Ｖｃｃ ９０２．受光部 ９０３．出力電圧Ｖｏｕｔ ９０４．抵抗Ｒ ９０５．接地電位 ９１２．光応答スイッチ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 垣花 眞人 神奈川県横浜市青葉区榎が丘６−１エスポ ワール青葉台Ｃ−603 Ｆターム(参考） 5F088 AA20 AB01 BA02
Claims (5)
- 【請求項１】 少なくとも、光により絶縁状態相と導体
状態相間を可逆的に相転移可能な光誘起相転移物質をそ
の構成要素として具備し、該光誘起相転移物質の絶縁状
態と導体状態との間の相転移を利用することを特徴とす
る光電気変換装置。 - 【請求項２】 前記光誘起相転移物質の絶縁状態と導体
状態はそれぞれ安定状態と準安定状態であり、導体状態
の寿命は絶縁状態に比べて著しく短いことを特徴とする
請求項１記載の光電気変換装置。 - 【請求項３】 前記記載の導体状態の寿命が、１００ナ
ノ秒以下であることを特徴とする請求項１又は２記載の
光電気変換装置。 - 【請求項４】 前記光誘起相転移物質の絶縁状態と導体
状態はそれぞれ準安定状態と安定状態であり、絶縁状態
の寿命は導体状態に比べて著しく短いことを特徴とする
請求項１記載の光電気変換装置。 - 【請求項５】 前記記載の絶縁状態の寿命が、１００ナ
ノ秒以下であることを特徴とする請求項１乃至４のいず
れかに記載の光電気変換装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000356003A JP2002158365A (ja) | 2000-11-22 | 2000-11-22 | 光電気変換装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000356003A JP2002158365A (ja) | 2000-11-22 | 2000-11-22 | 光電気変換装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002158365A true JP2002158365A (ja) | 2002-05-31 |
Family
ID=18828324
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000356003A Withdrawn JP2002158365A (ja) | 2000-11-22 | 2000-11-22 | 光電気変換装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2002158365A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100937871B1 (ko) * | 2007-08-09 | 2010-01-21 | 한국전자통신연구원 | Ｍｉｔ 소자를 포함한 광 유도 스위칭 장치 |
| JP2016522315A (ja) * | 2013-04-26 | 2016-07-28 | エルジー・ケム・リミテッド | 導電性パターン形成用組成物、これを用いた導電性パターンの形成方法と、導電性パターンを有する樹脂構造体 |
-
2000
- 2000-11-22 JP JP2000356003A patent/JP2002158365A/ja not_active Withdrawn
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100937871B1 (ko) * | 2007-08-09 | 2010-01-21 | 한국전자통신연구원 | Ｍｉｔ 소자를 포함한 광 유도 스위칭 장치 |
| JP2016522315A (ja) * | 2013-04-26 | 2016-07-28 | エルジー・ケム・リミテッド | 導電性パターン形成用組成物、これを用いた導電性パターンの形成方法と、導電性パターンを有する樹脂構造体 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A300 | Application deemed to be withdrawn because no request for examination was validly filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20080205 |