JPH0337572A - 超短波電気信号測定用電気光学装置 - Google Patents

超短波電気信号測定用電気光学装置

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JPH0337572A
JPH0337572A JP2151802A JP15180290A JPH0337572A JP H0337572 A JPH0337572 A JP H0337572A JP 2151802 A JP2151802 A JP 2151802A JP 15180290 A JP15180290 A JP 15180290A JP H0337572 A JPH0337572 A JP H0337572A
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JP2151802A
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Wayne H Knox
ウェイン　エイチ．ノックス
David A B Miller
デビッド　エイ．ビィ．ミラー
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American Telephone and Telegraph Co Inc
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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】 （産業上の利用分野） 本発明は電気信号のａＩｌｊ定の技術分野に関する。
特に、電気光学サンプリングによる超短波電気信号の測
定に関する。
（従来技術） 最先端技術の電気器械（例えばサンプリングオシロスコ
ープ）でも電気信号をサブピコ秒の分角ｌｌ能で測定す
ることは不可能である。そうした測定は、同程度の時間
領域で動作する最先端技術の電子デバイスの特性を得る
のに要求されている。しかし、電気光学サンプリング技
術に越づく電気光学係数を用いることでその測定は可能
となる。
一般的に、電気光学サンプリング技術は、光伝導効果あ
るいは光電効果といった電気光学現象と結び付けて超短
波光パルスを利用し、電子デバイスの内部の如に存了Ｊ
：する電気信号をジソタなしで測定する。今までに開発
された二つの主要な電気光学サンプリング技術はポッケ
ルス効果または光伝導効果を払礎としている。
ポッケルス効果を基礎としている電気光学サンプリング
では、対をなす伝導性の線路を伝搬している電気信号は
、線路対の近傍に置かれた電気光学結晶（大きな電気光
学係数を持った結晶）に光線を通すことにより測定され
る。電気信号により生じる、場に誘起された結晶中の複
屈折により、光線が結晶中を伝搬する際に光線の偏光は
変化する。光検出器と結び（＝１いたクロス偏光板でこ
の偏光の変化を検出し、伝導線路対上の電気信号の活動
を１１す定する。以上の事は、例えば、Ｊ、　Ａ、ハル
ドマニスらのｒＩ　ＥＥＥジャーナル　オブ　ファンタ
ム　エレクトロニクスＪ、ＱＥ２２．第１号、６９〜７
８頁（１９８６年）、米国特許第４４４６４２５号明細
書、及び米国特許第４６１８８１９号明細書に開示され
ている。
対照的に、光伝導効果を基礎としている電気光学サンプ
リングは、電気信号を発生させるポンプ光線及び電気信
号を検出するプローブ光線の二つの光線を利用する。ポ
ンプ光線はバイアスされた伝送線路と主要な伝送線路と
の間にある光伝導性材料よりなる第一の間隙を照射する
。第一の間隙の照射で生じた目出電荷により光伝導刊料
の抵抗は低下し、その結果電荷はバイアスされた伝送線
路から主要な伝送線路に移動する。この電荷移動の結果
として、主要な伝送線路上に注入される電気信号か生じ
る。プローブ光線は主要な伝送線路とサンプリング電極
との間の光伝導性材料よりなる第二の間隙を時間遅延を
十τで照射する。これにより、今度は、主要な伝送線路
上の電荷の一部かサンプリング電極に移動する。τの関
数としてサンプリング電極線上の移動した電荷を積算及
び平均することにより、注入電気・信号を伝送線路に物
理的に接触せずに測定することかできる。さらに、注入
電気信号を電子デバイスに入れると、上述したのと同様
な方法によりプローブ光線によってその電気応答を測定
できる。これれらのことは、例えば、Ｄ、　Ｈ，オース
トン、　「アプライド　フィジクス　レターズ」、第３
７巻第４号、３７１〜３７３頁（１９８０年）及び米国
特許第４４８２８６３号明細書に開示されている。
上述した電気光学サンプリング方法は両方とも、超短波
電気信号測定の発展力のある手段となってきた。ポッケ
ルス効果による電気光学サンプリングは光伝導効果によ
るサンプリングに比べて高い時間分解能を持つ（前者３
００ｆｓｅｃ、後者２ｐｓｅｃ）が、前者は後者に比べ
電圧感度か低いので、実際は、許容できる信号雑音比を
得るには測定を多くの回数行って平均する必要がある。
（発明の概要） 電圧感度の高い、フェムト秒の時間分解能を持つ電気光
学測定装置は、半絶縁性の多重量子井戸構造上に製作さ
れたコプレーナ伝送線路からなる。
例えば高速電子デバイスから、伝送線路に注入さ・れた
電気信号は多重量子井戸構造の層の面に対し平行に電場
を形成する。多重量子井戸構造中の励起子の電気吸収は
、平行電場に応じて、多重量子井戸構造の透過率を変化
させる。多重量子井戸構造を通る外部の光線は透過率の
変化の結果変則される。この変調を検出することにより
電気信号のザンプリングか達成される。本電気光学装置
は他の電気光学サンプリング技術に県づく装置と同程度
の時間分解能を示すことがｍｌｌ定により示される。
（実施例の説明） 電気信号のフェムト秒時間分解能及び高電圧感度はとも
に、第１図で示される典型的な電気光学装置によりもた
らされた。この電気光学装置は半絶縁性多重量子井戸構
造１２の上に製作されたほぼ平行なコプレーナストリッ
プ線路１３．１４（コプレーナ伝送線路の一種）からな
る。半絶縁性多重量子井戸構造に関しては抵抗率が１０
６Ω・ｃｍ以上の半導体利料からなる多重量子井戸構造
と解釈される。電気伝導性の、コプレナストリップ線路
１３．１４は他方に対し電圧源により高電圧■バイアス
だけ電気的にバイアスされている。ストリップ線路１３
、］４は十分長いので、ストリップ線路の終端からの電
気的な反則は電気信号の最初の立ち上がりのかなり後で
生しる。
電気光学装置の動作は第１図及び第２図を参照すること
で最も良く理解される。バイアス電場Ｅ７．イア７．７
．イア７Ｓ／ｄは、ストリップ線路＝Ｖ １３と１４の間に加えられたバイアス電圧によって多重
量子井戸構造１２の層の面に平行に生じる。
このバイアス電場のもとて多重量子井戸構造１２は励起
子」（鳴ピークに対応する光子エネルギー２０１におい
て透過率Ｔ□をもつ。透過率Ｔは吸収係数αと、Ｌを量
子井戸構造の厚さとすると、Ｔ＝ｅ−ａＬの関係がある
。よって、透過率については上述の関係により吸収係数
αの別の型のものを含むと解釈される。
例えば電子デバイスの出力端からストリップ線路１３．
１４に注入された電気信号はバイアス電場にＥ信号の揺
動を引き起こす。その結果、揺動された電場Ｅ、イアＸ
　＋　Ｅ　（Ｈｑが生じ、それは励起子の電気吸収効果
を通して励起子共鳴ピークの広がりを引き起こす。励起
子の電気吸収は場のイオン化による励起子の寿命の減少
によって引き起こされる。励起子の電気吸収については
、Ｗ、Ｈノックスらの「アプライド　フィジクス　レタ
ス」、第４８巻第１３号、８４６〜８６６頁（１９８６
年）及びり、Ａ、Ｂ、　　ミラーらの「フィジカル　レ
ビュー　ＢＪ、第３２巻第２号、１０４３〜］０６０頁
（１９８５年）で完全に述べられている。揺動された電
場Ｅ　、＜　イア７＋Ｅ（３号による励起子の共鳴ピー
クの広がりは光子エネルギ２０１においてＴ　からＴ２
に多重量子井戸構造］２の透過率を変化させる。それ故
に、光子エネルギー２０１をもって多重量子井戸構造１
２を通過する光線は、注入電気信号の振幅に合わせて変
化する光変調を受ける。例えば、第１図において光線１
６はＴニー下２／Ｔ工の光変調を受ける。
光線１７に観１ｔｌ１１される光変調は多重量子井戸構
造１２の透過率の変化によるものである。さらに、光線
１７の光変調はサンプリングゲートと結び付いた光検出
器のような外部電気回路により処理されて、ストリップ
線路１３．１４上の電気信号の活動が測定される。
金属のような伝導性材料はコプレーナストリップ線路１
３．１４として使用される。材料の選択は他の要素とと
もに抵抗率及び製作の容易さといった要素に基づいてな
される。ストリップ線路の厚さはストリップ線路を伝搬
する電気信号に対する直列抵抗を十分に低くするように
選択される。
また、ストリップ線路の厚さはストリップ線路の幅及び
線路間の間隔を考慮して決定される。なぜなら幅及び間
隔は線路のインピーダンスのみならずストリップ線路の
分散特性をも決めるからである。線路間の間隔を考慮す
ることは本装置の感度がバイアス電場に比例するという
事実からも適切なことである。それ故に、間隔が狭い場
合、あるバイアス電圧に対してより高い電場が生じ、そ
の結果、より大きな電圧感度を得る。
０ 第１図の電気光学装置は例えば一般的なストリップ線路
の微細製作技術とともに分子線エピタキシー成長技術を
用いて製作される。第３図の電気光学装置は第１図の電
気光学装置の代わりをする。
第３図の電気光学装置の製作手順は以下のようである。
エツチング阻止層３１は厚さ１．９７μｍのＧａＡｌｏ
、３Ａｓ０．７層であり、半絶縁性クロムドープＧａＡ
ｓ基板（図には示されていない）上に成長される。多重
量子井戸＋＋Ｘｆｆ　ａ　３２はエツチング阻止層３１
の上に成長され、はじめ３００Ｋｅ＋ ＶのＨイオンで、その後］、　００　Ｋ　ｅ　ＶのＨ＋
イオンで陽子打込みをされる。打込みのエネルギー及び
分量は多重量子井戸構造３２の中に半艶縁性多重量子井
戸を生成するように慎重に選択される。
高電場のもとでオーム熱が多重量子井戸を破壊すること
を防くために、多重量子井戸が低電力消散を実現するほ
どに十分に半絶縁性であることは非常に重要である。多
重量子井戸構造３２への陽子打込みは、そこでの電荷再
結合時間を約５０ｐｓに減少させるが、励起子共鳴ピー
クを過度に広げ１ ・ることはない。続いて、幅１０μｍ、厚さ２００ＯＡ
（オングストローム）で線路間間隔］、　Ｏｌｔ　ｍの
金のストリップ線路３３及び３４を多重量子井戸構造３
２の上に蒸着する。
多重量子井戸構造３２は６９．３Ａ　（オンゲストロム
　以下同じ）のＡ　Ｉ　Ｏ，３２Ｇ　ａ　ｏ、ｅｇＡ　
Ｓ障壁層及び７２．２５　Ａの量子井戸層の５０回繰返
しよりなる。量子井戸構造自体は１１．５ＡのＧａＡｓ
及び２．９５ＡのＡ　Ｉ　ｏ　、　３２　Ｇ　ａ　ｏ　
、　ｅｇ　Ａ　Ｓの５回繰返しの超格子よりなる。Ｇａ
Ａｓ基板は関心のある波長では不透明であり、従って除
去される。一般的な化学エツチング技術を用いて半絶縁
性ＧａＡｓ基板はエツチング阻止層３１から除去される
。ストリップ線路３３．３４はエツチング阻止層３１及
び多重量子井戸構造３２よりなる薄膜構造の上に自立的
に乗って残される。この薄膜構造の有効誘電率は小さい
、すなわち消散及び輻射損失が小さいので、ストリップ
線路３３．３４による高周波信号の伝搬は容易になる。
例えばＧ、／＼スナインらの「ＩＥＥＥ　　トランザク
ション　マイクロウニ２ ブ　セオリー　テクノロジーＪ、ＭＴＴ３４７３８頁（
１９８６年）に開示されている。全体の構造は石英裁板
３０に据付けられる。ワイヤ接点（図示せず）は多重量
子井戸４Ｍ造造雪２層の面に平行にバイアス電圧をかけ
るのを容易にするためにストリップ線路３３．３４上に
設置される。
第４図は、光伝導性のスイッチにより作られた電気信号
の７１１す定のための第３図の電気光学装置を利用した
実験的実施例を描いている。０ボルト及び４０ボルトの
バイアス電圧のもとで得られる多重量子井戸構造３２の
透過率変化のスペクトルを観測し、多重量子井戸構造３
２の励起子共鳴ピクの波長が光線４５の波長と一致する
ように熱電装置で温度を調節して、電圧感度を最大にす
る。
この場合、多重量子井戸構造３２の温度は周囲の温度に
対し５℃高く設定され、ストリップ線路３３．３４は他
方に対し４０ボルトでバイアスされ４　Ｘ　］、　０４
Ｖｃｎ＋−’のバイアス電場が生じた。
波長８０５ｎｍ　（光子エネルギーｈν＝１．　５１、
ｅＶ）かつ繰返し周波数８２ＭＨｚの赤外線色３ 素し−サがフェムト秒パルスの光源として使用された。
さらに、これらのフェムト秒パルスは１ＫＨｚの割合で
チョップされ、多重量子井戸構造３２の層の面に平行な
バイアス電場の急激な変化を起こすためのスイッチング
光線４５（〜２ｍＷ）として使用された。すなわち、ス
イッチング光線４５はストリップ線路３３．３４間の直
径１５μｍの面を照射し、−時的にバイアス電場を短絡
する高濃度の電子・ホールプラズマ（〜１０１８ｃｍ−
”）の生成を引き起こした。ストリップ線路３３．３４
間の短絡の結果、ピーク信号が約２００ｍＶに相当する
瞬間的な電気信号が生じた。この瞬間的な信号は０．３
ｍｍ伝搬した後、スイッチング光線より派生し多重量子
井戸構造３２を突き抜はストリップ線路３３．３４間を
通る弱いプローブ光線４６（〜、０２ｍｗ）により検出
された。透過したプローブ光線４７はロックイン増幅器
と結び付いた光検出器４８により検出された。透過した
プローブ光線４７の相対的な強度信号はスイッチ光線４
５の照射からの時間遅延を変えて測定され４ た。第５図に示されるように、１０％から９０％への立
」こり時間か５００ｆｓであることが１０回の連続的測
定の平均により観ｆｌｌｌｌされた。
場の回復すなわち立下り時間はこの特定の実験では電子
ホール再結合に支配され、より長い時間領域で起こると
予想されるので、この場合、その時間は１（ＩＩＩ定さ
れなかった。また、より短いレーザパルスを用いると１
．００　ｆ　ｓの時間分解能も可能になる。応答時間を
制限する励起子電気吸収の飽和は、プローブ光線４６か
弱いことを考慮すると起こっていなかった。
第６図は、ＧａＡｓ基板６］］上に製作されたデバイス
６０６の電気的応答のｆｆ１１１定のための、本発明の
典型的な具体例を示す。第３図で示された多重量子井戸
構造３２と同一の構造をしている半絶縁性多重量子井戸
構造（図示せず）はストリップ線路６０２．６０３の下
に、支持層３０．３１なしで製作される。ストリップ線
路６０２．６０３は各々バイアス電圧Ｖバイアス及びデ
バイス６０６の出力端に接続されている。ストリップ線
路５ ６０４は、ストリップ線路６０５から光伝導性材料から
なる間隙でもって分離されている。ストリップ線路６０
４と６０５との間隙が適切な波長の光パルス６０９によ
り照射されると、光伝導効果により、ストリップ線路６
０５に注入される電気信号が生じ、その電気信号はデバ
イス６０６を伝搬する。デバイス６０６からの出力パル
スは出力端において、半絶縁性多重量子井戸構造の領域
を含むストリップ線路６０２．６０３間の領域を照射す
る遅延光パルス６１０により検出される。遅延光パルス
の変調を光パルス６０９と６１０との間の遅延時間τの
関数として；１１す定することにより、デバイス６０６
の電気的応答かｆｌｌ１１定される。
ストリップ線路６０５を通してデバイス６０６に注入さ
れる電気信号は、直接に他のデバイス、例えばデバイス
６０７からも細長い線６０８を通って注入される。さら
に、ストリップ線路６０５に注入される５は完信号は反
復電気信号でもよい。
この場合、デバイス６０６の出力端における反復電気信
号か測定される。デバイス６０６．６０７６ は個別電子素子に限らず、集積回路、光電子装置等でも
よい。
上述したように、バイアス電圧はコプレーナストリップ
線路間にかけられ半絶縁性多重量子井戸構造の動作点を
設定する。
ΔＴをＴ１　　　バイアス−Ｔ１　　　と定義すｖ＝ｖ
　　　　　　　　ｖ＝。
ると、感度を示す透過率の相対変化ΔＴ／−Ｔは、第７
図に示されているように非常にバイアス電圧に依存して
いる。さらに、相対透過率変化は印加バイアス電場に応
じて増加する。コプレーナストリップ線路のバイアス電
圧を高くすることで高感度は達成されるが、低バイアス
電圧でも電気信号の７１１１１定は可能である。しかし
、そのような動作方式では装置の電圧感度は低下する。
上述の記述は透過方式で動作する装置のための透明ある
いは部分的に透明な半導体層を址にしているが、多重量
子井戸構造の底面に反射面あるいはコーティングを付加
することで、同一の装置は反射方式で動作する。この場
合、光検出器はプロブ光４７と同し側に設置される。
７ また、上述の具体例で利用したＧ　ａ　Ａ　ｓ　／　Ｇ
　ａＡＩＡｓ以外の半導体量子井戸の系、例えばＩｎＧ
ａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ及びＧａ
Ｓｂ／ＡｌＧａＳｂ、も選択される。
この中で述べた具体例は本発明の原理の単なる例に過ぎ
ない。本発明の原理は、この中で述べたコプレーナスト
リップ線路を利用した典型的な装置のみならす、コプレ
ーナ導波路のような他の型のコプレーナ伝送線路を用い
た装置にも適用される。コプレーナ導波路については、
グプタらの「マイクロストリップライン　アンド　スロ
ットラインズ」、第７章（１９７９年）で述べられてい
る。
また、本発明の原理を具体化しかつ本発明の精神及び範
囲内にある他の様々な変更は、当業者によりなされる。
例えば、別の波長で発振するフェムト秒レーザは、励起
子共鳴ピークをレーザの特定の波長に合わせるために、
層の厚さおよび／または多重量子井戸構造内の材料が対
応して調整されるならば、プローブ光線として使用され
る。
８
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明の原理に従った電気光学装置の典型的
な具体例の断面を示す図、 第２図は、二つの異なる印加電場強度における光子エネ
ルギーと透過率との関係を示す図、第３図は、電気光学
装置の第二の典型的な具体例の断面を示す図、 第４図は、光伝導スイッチにより生じる電気信号を測定
するための電気光学装置の具体例の透視図を示す図、 第５図は、相対信号強度と時間遅延との関係を示す図、 第６図は、半導体基板上にデバイス及び電気光学装置を
集積化したものを示す図、 第７図は、特定の光子エネルギーにおける印加バイアス
電圧と透過率との関係を示す図である。 出　願　人：アメリカン　テレフォン　アンド区 ＝ｒ

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）半絶縁性の半導体材料からなる多重量子井戸構造
    ； 該多重量子井戸構造の上に配置される第一及び第二のコ
    プレーナ伝送線路； 該第一及び第二のコプレーナ伝送線路間の固定電位と接
    触する電極手段； 光線により、該多重量子井戸構造をほぼ含む該第一及び
    第二のコプレーナ伝送線路間の領域を照射する手段；及
    び、 該多重量子井戸構造が、該コプレーナ伝送線路間に注入
    した電気信号の振幅の変化に応答し、該光線の特性を変
    調するための、該コプレーナ伝送線路間に該電気信号を
    注入する手段； からなることを特徴とする超短波電気信号測定用電気光
    学装置。
  2. （２）該コプレーナ伝送線路は、コプレーナストリップ
    線路を含むことを特徴とする請求項１に記載の電気光学
    装置。
  3. （３）該コプレーナ伝送線路は、コプレーナ導波路を含
    むことを特徴とする請求項１に記載の電気光学装置。
  4. （４）該変調された光線に応答するための検出手段を更
    に備えることを特徴とする請求項１に記載の電気光学装
    置。
  5. （５）該注入手段は、光伝導スイッチを含むことを特徴
    とする請求項４に記載の電気光学装置。
  6. （６）該電気信号は、電子デバイスにより発生されるこ
    とを特徴とする請求項４に記載の電気光学装置。
  7. （７）該電子デバイス及び該多重量子井戸構造は、単一
    の共通の半導体基板上に製作されることを特徴とする請
    求項６に記載の電気光学装置。
  8. （８）該多重量子井戸構造は、１０＾６Ω・ｃｍ以上の
    抵抗率をもつ半導体材料を含むことを特徴とする請求項
    １に記載の電気光学装置。
  9. （９）該照射手段は、該光線を発生するためのレーザを
    含むことを特徴とする請求項１に記載の電気光学装置。
  10. （１０）該多重量子井戸構造は、ＧａＡｓ／ＧａＡｌＡ
    ｓ、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡ
    ｓ及びＧａＳｂ／ＡｌＧａＳｂより選択されるIII−Ｖ
    族化合物より構成される半導体材料を含むことを特徴と
    する請求項１に記載の電気光学装置。
JP2151802A 1989-06-26 1990-06-12 超短波電気信号測定用電気光学装置 Pending JPH0337572A (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US371475 1989-06-26
US07/371,475 US4978910A (en) 1989-06-26 1989-06-26 Electrooptic apparatus for the measurement of ultrashort electrical signals

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JPH0337572A true JPH0337572A (ja) 1991-02-18

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ID=23464138

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JP2151802A Pending JPH0337572A (ja) 1989-06-26 1990-06-12 超短波電気信号測定用電気光学装置

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Country Link
US (1) US4978910A (ja)
EP (1) EP0405802B1 (ja)
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