JPH01502472A - 狭帯域マイクロ波信号受信用の電子的に同調可能な光ファイバ受信器 - Google Patents

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】 狭帯域マイクロ波信号受信用の電子的に同調可能な光ファイバ受信器 発明の概要 本発明は狭帯域ラジオ周波（ＲＦ）、マイクロ波またはミリメータ波ＭＭＷ信号 受信用の同調可能な光フアイバ受信器を提供する。本発明は、最も良く得られる 広帯域光ファイバ受信器の実施と比較すると、Ｘ帯域マイクロ波周波数で狭帯域 幅にわたる光フアイバリンクの損失における９ｄＢの減少を伴って少なくとも２ ５パーセントの電子的に同調可能な帯は一方の周波数から１０ｎＳであるもう一 方へと迅速に同調されることができる。

光フアイバ受信器は逆バイアス電圧を変えることによって電子的に同調できるフ ォトダイオードを用いる。フォトダイオードインピーダンスは整合回路を用いて 狭帯域において受信器入力回路インピーダンス（通常５０オーム）へ整合される 。フォトダイオードに対するバイアス電圧における変化はフォトダイオードのデ プレション変化は動作の中心周波数をシフトさせる。その迅速な同調によって、 受信器は、たとえ回路の実際の帯域幅が本質的に狭くても、大きな有効帯域幅を 示す。

本発明およびその目的並びに効果の更に完全な理解のため、以下の詳述および添 付図面を参照する必要がある。

第１図は本発明の光フアイバ受信器の概略図である。

第２図は本発明のフォトダイオードの概略的なＲＦ等価回路モデルである。

第３図は本発明のインピーダンス整合回路の概略図である。

第４図および第４Ａ図は本発明のインピーダンス整合回路のマイクロストリップ の実施例を示す。

第５図はフォトダイオードバイアス電圧の関数として同調周波数を示すグラフで あり、本発明の動作の理解において有効である。

第６図は周波数の関数として不整合フォトダイオードのリンク損失とマイクロ波 インピーダンス整合のためのリンク損失とを比較するグラフである。

第７図は周波数の関数として２つの異なるフォトダイオードバイアス電圧につい てのリンク損失のグラフであり、本発明の同調特性を示す。

第８図は本発明の実施において使用可能なフォトダイオードの斜視図である。

第９図は第８図のフォトダイオードの断面図であり、また線形同調を与える縦軸 Ｘに関してドーピング不純物プロファイルを示す。

Ｍ２Ｏ図は第８図および第９図のフォトダイオードのための結果として生じる線 形同調周波数対バイアス電圧を示すグラ本発明の光ファイバ（ＦＯ）受信器は第 １図において示されるようにフォトダイオード１０を有し、これはインピーダン ス整合回路１２へ接続されている。電力供給源１４はバイアスを反転しフォトダ イオードを電子的に同調するため用いられる。

電力供給源１４からの出力電圧は周波数制御ユニット１６によって制御され、所 望される周波数へ受信器を同調するため必要なバイアス電圧を設定する。フォト ダイオード１０がバイアス電圧の適当な範囲にわたる大きなキャパシタンス変化 を示すことが望ましい。このため、ショッツキバリアフォトダイオードが用いら れる。ショッツキバリアフォトダイオードは０乃至１２ボルトの範囲の電圧で変 化可能なキャパシタンスを有する。ショッツキバリアフォトダイオードは現在好 ましいとされているけれども、小さいバイアス電圧に対して完全にはデプレショ ンされないその他のフォトダイオードが用いられても良い。

電力供給源１４および周波数制御ユニット１６を含むＤＣバイアス回路は大きな インダクタ１８によってマイクロ波回路から絶縁される。同様に、ＤＣバイアス 電圧は大きなキャパシタ２０によって負荷２２から絶縁される。整合回路１２は フォトダイオードのインピーダンスを負荷のインピーダンス（通常５０オーム） へ整合する。

測定されたＳパラメータから得られた典型的なフォトダイオードのＲＦ等価回路 モデルが第２図に示されている。直列抵抗器ＲＰＤはフォトダイオードの接触抵 抗を表わす。ＬＢはフォトダイオードを回路へ接続するボンドワイヤのインダク タンスである。キャパシタンスＣＰＤは逆バイアスされたフォトダイオードのデ プレションの結果であり、逆電圧の関数である。電圧によるキャパシタンスＣＰ Ｄにおける変化は同調効果を上昇させる。

フォトダイオードインピーダンスは狭い周波数帯域について第３図に示されるよ うに直列インダクタおよび四分の一波長変圧器Ｚｏを接続することによって整合 される。整合インダクタしＭの値は特定の周波数ω０でフォトダイオードの並列 キャパシタンスを共振するため選択される。

Ｌ、−１／（ωｏ２ｃｐｏ）　ＬＢ　（１）整合インダクタはフォトダイオード のりアクタンスを消去する。四分の一波長変圧器はそれからフォトダイオオード 抵抗ＲＰＤを負荷インピーダンスＲＬ　（５０オーム）へ変換スるため用いられ る。四分の一波長変圧器のインピーダンスは、この簡単な２素子インピ一ダンス 整合回路は狭帯域幅において負荷へフォトダイオードを整合する。等しく動作す るその他の整合回路が多数存在する。より広い帯域幅整合は整合回路において更 に素子を用いることによって得られる。

第３図の２素子インピ一ダンス整合回路を用いるフォトダイオード受信器は以下 のように構成される。整合回路は１２オームの四分の一波変圧器と直列な０．２ ４ｎＨのインダクタであって良い。この回路は第４図に説明されるようなマイク ロストリップ素子を用いて実現される。変圧器の非常に低いインピーダンスを作 るため、１０ミルの厚さのアルミナ基板３０、あるいは同様のものが用いられて も良い。マイクロストリップ整合回路１２は四分の一波長変圧器３２およびフォ トダイオード１０と直列の分布整合インダクタ３４を含む。インピーダンス整合 回路１２は図示されるようにＤＣ絶縁キャパシタ２０と５０オーム伝送線３６へ 接続される。

マイクロストリップ整合回路は金属キャリア３８上に取付けられ、このキャリア ３８は縁部に沿ってリブ４０を有する。フォトダイオード１０はフォトダイオー ド装置の後部への接地を行なうためリブへ取付けられる。フォトタイオードは次 にボンドワイヤ３５を用いて整合回路へ接続されるが、その長さは寄生インダク タンスを減少するため最少にされる。

このフォトダイオードはＤＣ電圧供給源を用いて逆バイアスされ、長いボンドワ イヤ４２を経て装置へ接続される。この長いボンドワイヤはＤＣ供給回路をマイ クロ波整合回路から絶縁するのに十分なインダクタンスを有する。キャパシタ２ ０は大きなキャパシタ（低いリアクタンス）であるが、ＤＣバイアスを伝送線３ ６へ接続された負荷から分離するため用いられる。分離インダクタは長いボンド ワイヤ４２を有し、キャパシタ２０と共に共通“バイアスＴ°を形成する。

金属キャリア３８は光フアイバ受信器回路を含み、金属ブロック４４へ取付けら れる。マイクロストリップ伝導体４６への同軸（ｃｏａｘ）は光フアイバ受信器 への便利な接続を与えるためブロック４４へ取付けられても良い。説明された実 施例において、受信器はマイクロストリップ変化に対する金属ブロックおよび同 軸を含み、１／４″ＸＩ／４’　ＸＩ／８’以下の大きさを占める。この理由お よびその他の理由のため、本発明は大きさおよび重さが重要な航空機の適用に対 して特に有効である。

フォトダイオードがインピーダンス整合される中心周波数ω０は逆バイアス電圧 Ｖを変えることによってシフトされる。

一定のドーピングＮＤによる急峻なＰ＋Ｎ接合または金属半導体ダイオードの周 波数同調を示す等式は以下である。

ωｏ　＝１／　（（ＬＭ　ＬＢ）ＣＰＤ）””　（３）ＮＤ−ドナー不純物密度 Ｔ一温度 Ｖｂｉ−ビルトイン電位 に−ボルツマン定数 ｑ−電子の電荷 εＳ−誘電率 である。

フォトダイオードのデプレションキャパシタンスは、この装置がバンチスルーあ るいはアバランシェ破壊を生じるまで逆バイアス電圧によって減少する。この点 において、好ましい実施例のフォトダイオードは従来の光フアイバ受信器におい て用いられているＰＩＮダイオードとは異なる。ＰＩＮダイオードによれば、■ 型の半導体材料は非常に小さい電圧でＮ＋コンタクトへパンチスルーまたはデプ レションする。本発明は従ってショッツキフォトダイオードによって実施される ことが望ましく、それは逆バイアス電圧（この場合０乃至１２ボルト）に対して 大きなキャパシタンス変化を示すものである。１２ボルト以上でフォトダイオー ドはバンチスルーし、キャパシタンス変化をしない。

ＦＯ受信器の負荷ポートから測定されたリターン損失またはＶＳＷＲ（電圧定在 波比）はフォトダイオードがどれだけうまく負荷インピーダンス（５０オーム） へ整合されるかを示す。リターン損失は、デプレションキャパシタンスＣＰＤが 整合インダクタンスとボンドワイヤインダクタンスの合計しＭ＋ＬＢと共振する 周波数でピークに達する。ピークリターン損失の周波数ω０対フォトダイオード への逆バイアス電圧のプロットが第５図に示されている。周波数が上記等式（３ ）および（４）に従って逆バイアス電圧と共に増加することは注目されるべきで ある。この曲線はフォトダイアートがパンチスルーするような大きな電圧で限界 に達する。本発明は１０ｎＳのオーダーで一方の周波数からもう一方へと電子的 に同調されることが可能である。

第５図の同調周波数対バイアス電圧特性は一定のドーピングの例示的フォトダイ オードについて非線形である。以下に説明されるように、フォトダイオードは線 形の同調周波数対ドーピング電圧の曲線を形成するため、特に調整されたバイア スブ′凸ファイルによって構成される。このことは以下に第本発明の実施例をよ り良く理解するため、本発明は、高速ＧａＡｌＡｓレーザおよび単一モードファ イバをａＢ、Ｆｏリンクにおいて受信器として作動される。整合による受信器特 性の改良を正確に評価するため、本発明（整合フォトダイオード）の全体のリン ク損失を不整合フォトダイオード（本発明で用いられた全く同じフォトダイオー ド）のそれと比較できる。この比較が第６図に示されている。整合フォトダイオ ードを用いる本発明は８ＧＨｚの中心周波数について２２パーセントの帯域幅に わたって低いリンク損失を与える。８ＧＨｚで、不整合受信器におけるリンク損 失の減少は９ｄＢである。

本発明の１つの十分な利点はその電子的同調可能性である。

第７図は、リンク損失特性が整合フォトダイオードに対する逆バイアスを変える ことによって異なる周波数でピークに達することを示している。同調可能性の範 囲は０ボルトと１０ボルトの間のバイアス電圧について２５パーセントである。

逆電圧が減少されるときフォトダイオードの量子効率におけるわずかな減少が存 在し、第７図における５ボルトの曲線について高いリンク損失の原因である。

本発明のもう１つの重要な利点は同調可能性のため製造費用において可能な節約 である。もしＰＩＮダイオードが負荷へ整合されたマイクロ波インピーダンスで あるなら、上述の方法で、その固定されたデプレション幅のため電子的に同調特 表千１−５０２４７２　（４） 波数でフォトダイオードのデプレションキャパシタンスを共振するように正確に 構成されることは不可能である。この場合、恐らく特定の値へ中心周波数を同調 するための唯一の方法は整合回路への機械的接着同調チップによるものである。

この技術は面倒なものであり、時間の浪費であり、回路にダメージを与える恐れ がある。

他方で、本発明は機械的よりむしろ電子的にＦＯ受信器を同調する手段を提供す る。この技術はかなり時間を節約しデリケートな回路にダメージを与えることは ない。

前述の説明は本発明の基本的理解を与えるけれども、いくつかの変化も可能であ る。説明された本発明はまた並列および直列インダクタ、キャパシタおよび伝送 線を含む多数の異なるｔ個の整合回路を用いて実現される。より多くの整合素子 によって大きな帯域幅において整合することが一般に可能である。しかしながら 、受信器の帯域幅整合が広いほど、電子同調範囲は少なくなる。

上述のように、本発明はまた特に調整されたドーピングプロファイルを有するフ ォトダイオードを用いることによって改良された有効な結果を得ることができる 。このようなダイオードは第８図、第９図、および第１Ｏ図において説明される 。

第８図、第９図、および第１Ｏ図のダイオードはショッツキコンタクトまたはＰ ”Ｎ接合から構成される。線形中心周波数対電圧特性を成すためのドーピングプ ロファイルはバラクタダイオード設計理論を用いた以下の形式である。

Ｎ−Ｎｏ　Ｘ−””、（Ｘ＞Ｏに対して）（５）この問題の更なる説明のため、 文献（“半導体装置の物理学”　、Ｓ、　Ｍ、Ｓｚｅ、　Ｊｏｈｎ　Ｗｉｌｅｙ 及びＳ　ｏｎｓ社発行、ニューヨーク、１９６９年、１３３−１３６頁）が参照 されなければならない。このプロファイルは接合部（ｘ−０）でＮ。

のピークドーピング濃度を有し、第９図に示されるようにＸに伴って減少するド ーピング濃度を有する。

式（５）の形式のドーピングプロファイルは接合部付近で非常に高いドーピング 濃度を有し、低い逆バイアス電圧に対してデプレション層の幅を小さくする。こ のプロファイルは、デプレション領域の外側で原子をイオン化する入力光子が光 流へ貢献しないので効率的なフォトダイオード動作について問題を生じ、この装 置の転換能率を低くする。この問題を避けるため、本発明は接合部の次に真性（ または軽くドープされた）領域を有し、その幅は用いられた光の波長について平 均光子浸透の深さより大きい。真性領域の後方で、式（５）のドーピングプロフ ァイルは線形同調を達成するため用いられる。第９図のフォトダイオード構造は フォトダイオード転換能率を犠牲にすることなく線形同調を与える。小さい逆バ イアス電圧が第９図のフォトダイオードへ供給されるとき、真性領域の瞬間的デ プレションが存在する。入力光子はそれから小さい逆バイアス電圧に対してさえ デプレションされた領域内でイオン化される。バイアス電圧が増加するとき、フ ォトダイオードは線形同調の存在する式（５）によって記述されるプロファイル 領域内ヘデプレションされ始める。

別の製作処理が可能であるけれども、第９図のフォトダイオードは気相エピタキ シ、液相エピタキシまたは分子ビームエピタキシ（ＭＢＥ）を用いて構成される ことができる。

本発明において用いられたショッツキ装置のような、Ｎ領域中に一定のレベルの ドーピング不純物を有するフォトダイオードは小さいバイアス電圧のため大きな キャパシタンス変化を示す。このことは最大量の同調を低いバイアス電圧で発生 させる。

前述の説明から、本発明が狭帯域幅ＲＦまたはマイクロ波動作のため能率的に利 用される光フアイバ受信器を提供することが理解される。この受信器はフォトダ イオードへの逆バイアス電圧を変えることによって広い帯域幅において電子的に 同調可能である。インピーダンス整合光ファイバ受信器が提供され、狭いＲＦま たはマイクロ波帯域幅において低損失動作のため有効に利用される。更に、特に 調整されたドーピングプロファイルを有するフォトダイオードは線形の同調周波 数対逆バイアス電圧特性を与える。

本発明はその現行の好ましい実施例と関連して説明されたけれども、本発明が添 付された請求の範囲内に述べられた本発明の技術的範囲から離れることなく修正 および変化が可能であることが理解されるであろう。

国際調査報告 −一ゆ―・−＾−−−−軸・　ＰＣＴ／ＵＳ　８７１０３２８１

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. （１）フォトダイオードと、 前記フォトダイオードに逆バイアス電圧を供給するためのバイアス手段と、 前記フォトダイオードの逆バイアス電圧を変え、それによって前記フォトダイオ ードのデプレションキャパシタンスを変えるために前記バイアス手段を変化させ ることによって前記フォトダイオードを電子的に同調するための手段と、負荷へ のカップリングのための出入り口を与えるため前記フォトダイオードへ結合され た電子インピーダンス整合手段とを具備し、前記インピーダンス整合手段は同調 周波数で前記フォトダイオードのデプレションキャパシタンスと共振されている 電子的に同調可能な光受信器。
2. （２）前記受信器が更にＰ＋Ｎ、Ｎ＋Ｐまたはショッツキバリア半導体フォトダ イオードを含む請求項１記載の受信器。
3. （３）前記同調周波数が５０ＭＨｚより高い請求項１記載の受信器。
4. （４）前記フォトダイオードを前記バイアス手段からＲＦ絶縁するためのローパ スフィルタまたはインダクタ手段を含む請求項１記載の受信器。
5. （５）前記バイアス手段を前記負荷からＤＣ絶縁するためハイパスフィルタまた はキャパシタ手段を含む請求項１記載の受信器。
6. （６）前記フォトダイオードへ結合された光ファイバを含む請求項１記載の受信 器。
7. （７）前記インピーダンス整合手段が、前記フォトダイオードのリアクタンスを 実質上消去するための整合インダクタと、フォトダイオード抵抗を前記負荷へ整 合するための四分の一波変圧器とを含む請求項１記載の受信器。
8. （８）接合部および接合部に隣接する第１の領域を有するフォトダイオードであ って、前記第１の領域の幅が平均光子貫通深より大きいようなフォトダイオード と、前記フォトダイオードの逆バイアス電圧を変え、それによって前記フォトダ イオードのデプレションキャパシタンスを変えるため前記バイアス手段を変化さ せることによって前記フォトダイオードを電子的に同調するための手段と、負荷 へのカップリングのための出入り口を供給するために前記フォトダイオードへ結 合されるインピーダンス整合手段とを具備し、前記インピーダンス整合手段は同 調周波数で前記フォトダイオードのデプレションキャパシタンスと共振する電子 的に同調可能な受信器。
9. （９）前記第１の領域が真性半導体材料から成る請求項８記載の受信器。
10. （１０）前記第１の領域が軽くドープされた半導体材料から成る請求項８記載の 受信器。
11. （１１）前記フォトダイオードが線形同調を生じるためのドーピングプロファイ ルを有する請求項８記載の受信器。
12. （１２）前記フォトダイオードが真性領域を有し、以下の式に従ったドーピング ファイル（Ｎ）を有し、Ｎ＝ＮｏＸ−３／２、（Ｘ＞Ｏに対して）式中、Ｘは真 性領域の端部からの距離である請求項８記載の受信器。
13. （１３）装置が光電子回路において同調素子として使用される、電圧変化可能な キャパシタンス手段を含む光電子装置。
14. （１４）光学エネルギを光電子装置へ供給し、前記光電子装置のデプレションキ ャパシタンスを変えるため前記光電子装置へ電気的バイアス信号を供給し、イン ピーダンス整合回路を経て負荷へ前記光電子装置を結合することを含むＲＦ変調 された光エネルギーを受信する方法において、 インピーダンス整合回路および前記デプレションキャパシタンスが前記ＲＦ周波 数に等しい同調された周波数を決定するため共振する光電子装置。
15. （１５）前記光エネルギが、接合部および接合部に隣接する第１の領域を有する フォトダイオードへ供給され、前記第１の領域の幅が平均光子貫通深度より大き く、前記電気バイアスが前記フォトダイオードに供給された逆バイアス電圧であ る請求項１４記載の方法。