JPH0667244A - 半導体光微分器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 従来例に比較し構成が簡単であってかつ消費
電力が小さく、しかも時間応答が速い光微分器を提供す
る。 【構成】 それぞれ多重量子井戸構造又は超格子構造の
真性半導体ｉ層を有し逆バイアス電圧を変化することに
よって光吸収端付近の波長領域で光吸収率が変化する２
個のヘテロ接合ｐｉｎ型ダイオードが直列に接続され、
その直列接続された両端に逆バイアス電圧印加用の可変
電圧源が接続され、一方のｐｉｎ型ダイオードに所定の
光量のバイアス光が印加される一方、他方のｐｉｎ型ダ
イオードに光微分すべき信号光を入射することによっ
て、当該信号光を入射したｐｉｎ型ダイオードから信号
光を光微分した微分光を得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体光双安定素子を
利用した半導体光微分器に関する。

【０００２】

【従来の技術】図３に従来例の電気光微分器の構成を示
す。図３に示すように、従来、入射した光パルスを一旦
ホトダイオード等の光電変換素子３０により電気信号に
変換した後、それを電気微分器３１によって電気的に微
分する。次いで、電気微分器３１から出力される電気信
号を増幅器３２を介して別のレーザーダイオード等の発
光素子３３（又は光変調器）を駆動することにより、光
微分出力を得ることができる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上述の従来例では、次
のような欠点があり、問題点があった。 （ａ）電気回路の部品点数が増え、装置規模が比較的大
きい。 （ｂ）消費電力が比較的大きい。 （ｃ）電気回路３１，３２で処理した後、発光素子３３
又は光変調器を駆動するため、光微分出力を得るまでの
遅延時間が大きく、また時間応答が遅い。

【０００４】本発明の目的は以上の問題点を解決し、従
来例に比較し構成が簡単であってかつ消費電力が小さ
く、しかも時間応答が速い光微分器を提供することにあ
る。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明に係る請求項１記
載の半導体光微分器は、それぞれ多重量子井戸構造又は
超格子構造の真性半導体ｉ層を有し逆バイアス電圧を変
化することによって光吸収端付近の波長領域で光吸収率
が変化する２個のヘテロ接合ｐｉｎ型ダイオードが直列
に接続され、その直列接続された両端に逆バイアス電圧
印加用の可変電圧源が接続され、一方のｐｉｎ型ダイオ
ードに所定の光量のバイアス光が印加される一方、他方
のｐｉｎ型ダイオードに光微分すべき信号光を入射する
ことによって、当該信号光を入射したｐｉｎ型ダイオー
ドから信号光を光微分した微分光を得ることを特徴とす
る。

【０００６】また、本発明に係る請求項２記載の半導体
光微分器は、多重量子井戸構造又は超格子構造の真性半
導体ｉ層を有し逆バイアス電圧を変化することによって
光吸収端付近の波長領域で光吸収率が変化するヘテロ接
合ｐｉｎ型ダイオードに定電流源により所定の定電流を
供給し、上記ｐｉｎ型ダイオードに光微分すべき信号光
を入射することによって、当該信号光を入射したｐｉｎ
型ダイオードから信号光を光微分した微分光を得ること
を特徴とする。

【０００７】

【作用】請求項１記載の半導体光微分器においては、そ
れぞれ多重量子井戸構造又は超格子構造の真性半導体ｉ
層を有し逆バイアス電圧を変化することによって光吸収
端付近の波長領域で光吸収率が変化する各ダイオードに
おいて、交互に入れ替わりが可能な比較的高い透過状態
と比較的低い透過状態との２つの静的な光双安定動作が
得られる。本発明においては、まず、比較的高い光透過
状態にあった他方のダイオードがそのダイオード自身に
入射される光パルスによって動的に自己の内部に発生す
る光キャリアーによってセルフスイッチし、比較的高い
光透過状態からより低い光透過状態に遷移する時間の間
だけ光パルスが他方のダイオードを通過する新しい動的
過程を利用して光微分動作を行なうものである。

【０００８】すなわち、バイアス光を一方のダイオード
に常に入射することにより、上記可変電圧源と一方のダ
イオードとが疑似的に定電流源として動作して、一定の
電流を他方のダイオードに流すことになる。他方のダイ
オードはその光入力である信号光が無いときには（Ｐｉ
ｎ２＝０）、常に図２のＤ点付近の比較的高い透過状態
である印加電圧に保持される。この比較的高い透過状態
を初期状態として、信号光を光入射パルスの形式で入射
するとその光入射パルスの光強度の立ち上がりによって
図２の負荷曲線は特性１０２，１０３，１０４と順次遷
移し、特性１０４を越えた所で他方のダイオードの印加
電圧はＢ点に遷移する。これにより、他方のダイオード
は比較的低い透過状態へスイッチングし、以後信号光の
光パルスが立ち下がるまでこの状態を保持する。従っ
て、信号光の光入射パルスが立ち上がっている間に比較
的高い透過状態の他方のダイオードを、光入射パルスの
立ち上がり部分が抜けて出射してくるため、その他方の
ダイオードの出力光として微分光が得られることにな
る。

【０００９】さらに、請求項２記載の半導体光微分器の
ように、請求項１記載の１個のｐｉｎ型ダイオードと上
記可変電圧源とに代えて、定電流源を接続することによ
り、同様の作用を得る。

【００１０】

【実施例】以下、図面を参照して本発明による実施例に
ついて説明する。

【００１１】図１は本発明の一実施例である、それぞれ
多重量子井戸構造の真性半導体ｉ層を有する２個のｐｉ
ｎ型ダイオードＤ１，Ｄ２を用いた半導体光微分器の構
成を示す断面図及び回路図である。

【００１２】本実施例の光微分器は、図１に示すよう
に、それぞれ多重量子井戸構造の真性半導体ｉ層を有し
逆バイアス電圧を変化することによって光吸収端付近の
波長領域で光吸収率が変化しこれによって光電流が変化
する２個のヘテロ接合ｐｉｎ型ダイオードＤ１，Ｄ２が
直列に接続され、その直列接続された両端に逆バイアス
電圧印加用の可変電圧源１０が接続され、一方のｐｉｎ
型ダイオードＤ１に所定の光量のバイアス光が印加され
る一方、他方のｐｉｎ型ダイオードＤ２に光微分すべき
信号光を入射することによって、当該ｐｉｎ型ダイオー
ドＤ２から信号光を光微分した微分光を得ることを特徴
としている。

【００１３】本実施例において用いるｐｉｎ型ダイオー
ドＤ１は、図１に示すように、電極１１，１５間に、ｐ
型半導体クラッド層１２と、多重量子井戸層構造を有す
る真性半導体ｉ層１３と、ｎ型半導体基板１４とを挟設
することにより形成され、逆バイアス電圧を変化するこ
とによって光吸収率が変化しこれによって光電流が変化
する特性を有する。また、他方のｐｉｎ型ダイオードＤ
２もダイオードＤ１と同様に、電極２１，２５間にｐ型
半導体クラッド層２２と、多重量子井戸層構造を有する
真性半導体ｉ層２３と、ｎ型半導体基板２４とを挟設す
ることにより形成されダイオードＤ１と同様の逆バイア
ス電圧に対する光吸収率及び光電流特性を有する。

【００１４】電極１５と電極２１が接続されるととも
に、電極１１は可変電圧源１０の負極に接続され、電極
２５が可変電圧源１０の正極に接続される。

【００１５】各ダイオードＤ１，Ｄ２はそれぞれ真性半
導体ｉ層１３，２３内の電界による吸収率変調効果によ
って図２のような光吸収特性を有する。ここで、図２
は、図１の半導体光微分器の動作を説明するための、逆
バイアス電圧に対する光電流Ｉｐ（又は光吸収率）の特
性を示すグラフである。なお、各ダイオードＤ１，Ｄ２
の光吸収率は光透過率に概ね反比例している。

【００１６】図２から明らかなように、各ダイオードＤ
１，Ｄ２に印加される逆バイアス電圧を高くすることに
よって、光吸収端付近の波長領域で、光電流Ｉｐ又は光
吸収率は一旦大きくなった後、低下する特性を示す。こ
こで、光電流Ｉｐ又は光吸収率の極大値は信号光の光電
力Ｐｉｎ２を、例えばＰ１乃至Ｐ５の順序で大きくする
ことによって増大する特性を示す。

【００１７】このような構成のダイオードＤ１，Ｄ２は
図１に示したような、ダイオードＤ１のｐ型半導体クラ
ッド層１２に入射するバイアス光の光電力Ｐｉｎ１と、
ダイオードＤ２のｐ型半導体クラッド層２２に入射する
信号光の光電力Ｐｉｎ２との間のパワーの差により、以
下に示す光双安定動作を行う。

【００１８】逆バイアス電圧の増加により光吸収が減少
する波長領域において、一定波長、一定強度のバイアス
光がダイオードＤ１に入射すると、ダイオードＤ１は光
吸収により生成された電荷キャリアーが存在するために
低インピーダンス状態になり、逆バイアス電圧はほぼそ
のままダイオードＤ２に印加されることになる一方、ダ
イオードＤ２は高インピーダンス状態となる。このと
き、いわゆる公知の量子シュタルク効果により、ダイオ
ードＤ１はダイオードＤ２に比較して光吸収が比較的大
きい状態になり、ダイオードＤ２はダイオードＤ１に比
較して光吸収が比較的小さい状態となる。

【００１９】次いで、ダイオードＤ２に信号光を入射
し、その強度を増加させると、ダイオードＤ２に流れる
光電流は図２の実線に示すように増加し、当該回路を流
れる電流はダイオードＤ１の負荷曲線（図２の点線）と
の交点によって決まる電流値となる。ダイオードＤ２に
照射される信号光の光電力Ｐｉｎ２がダイオードＤ１に
照射されるバイアス光の光電力Ｐｉｎ１よりも小さい時
は、ダイオードＤ１とダイオードＤ２における逆バイア
ス電圧の印加状態は上述と同様の状態となる。すなわ
ち、ダイオードＤ１は低インピーダンス状態となる一
方、ダイオードＤ２は高インピーダンス状態となる。

【００２０】さらに、Ｐｉｎ２＞Ｐｉｎ１のときであっ
て、信号光の光電力Ｐｉｎ２が所定のしきい値Ｐｔｈを
超えるとダイオードＤ２が高インピーダンス状態で存在
することができる負荷曲線の交点Ａが存在しなくなるの
で、ダイオードＤ２は低インピーダンス状態となり、印
加バイアス電圧値のスイッチングの結果として、ダイオ
ードＤ１は低インピーダンス状態から高インピーダンス
状態Ｂへスイッチングする。このとき、ダイオードＤ１
の光吸収は小さく、従って、光透過は大きい状態、すな
わち光吸収率が大きい状態となる。従って、信号光の光
電力Ｐｉｎ２の増加により、ダイオードＤ１から出射す
るバイアス光の透過光（その光電力Ｐｏｕｔ１）のオン
からオフへの光スイッチング動作が得られる。

【００２１】一方、信号光の光電力Ｐｉｎ２を所定のし
きい値Ｐｔｈよりも減少させるとき、負荷曲線との交点
ＣまではダイオードＤ２の低インピーダンス状態は保持
されるので、ダイオードＤ１のオン状態、すなわち高イ
ンピーダンス状態は保持される。しかしながら、信号光
の光電力Ｐｉｎ２が減少し、負荷曲線との交点Ｃを越え
ると、Ｃより下には、図２において点線で示す負荷曲線
との交点は無いので初期状態への光スイッチング動作、
すなわちＣからＤへの遷移動作が起こる。

【００２２】以上説明したように、当該回路装置におい
ては光双安定動作が得られる。以上の双安定動作は静的
な動作であり、しかも光電力Ｐｉｎ１の大きさと光電力
Ｐｉｎ２の大きさを交互に入れて二つの状態間を遷移さ
せ、光のスイッチングを行なうものである。

【００２３】本発明に係る本実施例においては、まず、
比較的高い光透過状態にあったダイオードＤ２がダイオ
ードＤ２自身に入射される光パルスによって動的に自己
の内部に発生する光キャリアーによってセルフスイッチ
し、比較的高い光透過状態からより低い光透過状態に遷
移する時間の間だけ光パルスがダイオードＤ２を通過す
る新しい動的過程を利用して光微分動作を行なうもので
ある。

【００２４】すなわち、バイアス光をダイオードＤ１に
常に入射することにより、可変電圧源１０とダイオード
Ｄ１とが疑似的に定電流源として動作して、一定の電流
をダイオードＤ２に流すことになる。ダイオードＤ２は
その光入力である信号光が無いときには（Ｐｉｎ２＝
０）、常に図２のＤ点付近の比較的高い透過状態である
印加電圧に保持される。この比較的高い透過状態を初期
状態として、信号光を光入射パルスの形式で入射すると
その光入射パルスの光強度の立ち上がりによって図２の
負荷曲線は特性１０２，１０３，１０４と順次遷移し、
特性１０４を越えた所でダイオードＤ２の印加電圧はＢ
点に遷移する。これにより、ダイオードＤ２は比較的低
い透過状態へスイッチングし、以後信号光の光パルスが
立ち下がるまでこの状態を保持する。従って、信号光の
光入射パルスが立ち上がっている間に比較的高い透過状
態のダイオードＤ２を、光入射パルスの立ち上がり部分
が抜けて出射してくるため、そのダイオードＤ２の出力
光として光電力Ｐｏｕｔ２の微分光が得られることにな
る。

【００２５】以上説明したように、本実施例の半導体光
微分器によれば、簡単な構成で光微分が可能であるとと
もに、バイアス光の光電力Ｐｉｎ１を可変することによ
り、負荷曲線を容易に調整できるため、広い強度範囲の
光入射に対してその微分動作を可能にすることができる
という特有の利点を有する。また、従来例に比較して以
下の利点を有する。 （ａ）従来例に比較し構成が簡単である。 （ｂ）一方のｐｉｎ型ダイオードＤ１に印加する逆バイ
アス電圧を印加するのみであるので、従来例に比較して
消費電力が小さい。 （ｃ）信号光は１個のｐｉｎ型ダイオードＤ２を通過す
るだけであり、従来例のように複数の回路を通過しない
ので、従来例に比較して時間応答が速い。

【００２６】以上の実施例において、各ダイオードＤ
１，Ｄ２における真性半導体ｉ層１３，２３は多重量子
井戸構造を有しているが、本発明はこれに限らず、超格
子構造を有しても同様の作用を得ることができる。

【００２７】以上の実施例において、可変電圧源１０と
ダイオードＤ１とを用いているが、これらに代えて、ダ
イオードＤ２に常に所定の電流を供給する定電流源を用
いてもよい。

【００２８】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、そ
れぞれ多重量子井戸構造又は超格子構造の真性半導体ｉ
層を有し逆バイアス電圧を変化することによって光吸収
端付近の波長領域で光吸収率が変化する２個のヘテロ接
合ｐｉｎ型ダイオードが直列に接続され、その直列接続
された両端に逆バイアス電圧印加用の可変電圧源が接続
され、一方のｐｉｎ型ダイオードに所定の光量のバイア
ス光が印加される一方、他方のｐｉｎ型ダイオードに光
微分すべき信号光を入射することによって、当該信号光
を入射したｐｉｎ型ダイオードから信号光を光微分した
微分光を得るようにし、もしくは多重量子井戸構造又は
超格子構造の真性半導体ｉ層を有し逆バイアス電圧を変
化することによって光吸収端付近の波長領域で光吸収率
が変化するヘテロ接合ｐｉｎ型ダイオードに定電流源に
より所定の定電流を供給し、上記ｐｉｎ型ダイオードに
光微分すべき信号光を入射することによって、当該信号
光を入射したｐｉｎ型ダイオードから信号光を光微分し
た微分光を得る。

【００２９】従って、本発明に係る半導体光微分器は、
以下の特有の利点を有する。 （ａ）従来例に比較し構成が簡単である。 （ｂ）一方のｐｉｎ型ダイオードに印加する逆バイアス
電圧又は定電流の供給のみであるので、従来例に比較し
て消費電力が小さい。 （ｃ）信号光は１個のｐｉｎ型ダイオードを通過するだ
けであり、従来例のように複数の回路を通過しないの
で、従来例に比較して時間応答が速い。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施例である、それぞれ多重量子
井戸構造の真性半導体ｉ層を有する２個のｐｉｎ型ダイ
オードＤ１，Ｄ２を用いた半導体光微分器の構成を示す
断面図及び回路図である。

【図２】 図１の半導体光微分器の動作を説明するため
の、逆バイアス電圧に対する光電流Ｉｐを示すグラフで
ある。

【図３】 従来例の電気微分器の構成を示すブロック図
である。

【符号の説明】

Ｄ１，Ｄ２…ｐｉｎ型ダイオード、 １０…可変電圧源、 １１，１５，２１，２５…電極、 １２，２２…ｐ型半導体クラッド層、 １３，２３…多重量子井戸構造の真性半導体ｉ層、 １４，２４…ｎ型半導体基板。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 川島 健児 京都府相楽郡精華町大字乾谷小字三平谷５ 番地 株式会社エイ・ティ・アール光電波 通信研究所内 (72)発明者 藤原 賢三 福岡県北九州市戸畑区仙水町１番１号 九 州工業大学工学部電気工学科内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 それぞれ多重量子井戸構造又は超格子構
   造の真性半導体ｉ層を有し逆バイアス電圧を変化するこ
   とによって光吸収端付近の波長領域で光吸収率が変化す
   る２個のヘテロ接合ｐｉｎ型ダイオードが直列に接続さ
   れ、その直列接続された両端に逆バイアス電圧印加用の
   可変電圧源が接続され、一方のｐｉｎ型ダイオードに所
   定の光量のバイアス光が印加される一方、他方のｐｉｎ
   型ダイオードに光微分すべき信号光を入射することによ
   って、当該信号光を入射したｐｉｎ型ダイオードから信
   号光を光微分した微分光を得ることを特徴とする半導体
   光微分器。
2. 【請求項２】 多重量子井戸構造又は超格子構造の真性
   半導体ｉ層を有し逆バイアス電圧を変化することによっ
   て光吸収端付近の波長領域で光吸収率が変化するヘテロ
   接合ｐｉｎ型ダイオードに定電流源により所定の定電流
   を供給し、上記ｐｉｎ型ダイオードに光微分すべき信号
   光を入射することによって、当該信号光を入射したｐｉ
   ｎ型ダイオードから信号光を光微分した微分光を得るこ
   とを特徴とする半導体光微分器。