JPH0637350A - Light signal receiver - Google Patents
Light signal receiverInfo
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- JPH0637350A JPH0637350A JP4210760A JP21076092A JPH0637350A JP H0637350 A JPH0637350 A JP H0637350A JP 4210760 A JP4210760 A JP 4210760A JP 21076092 A JP21076092 A JP 21076092A JP H0637350 A JPH0637350 A JP H0637350A
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、アバランシェフォトダ
イオ―ドを用いた光信号受信器に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical signal receiver using an avalanche photo diode.
【0002】[0002]
【従来の技術】従来、InPでなる半導体基板上にキャ
リア増倍層と光吸収層とが積層されている構成を有し、
且つアナログ変調された光信号の入射を受け、その強度
に応じた光電流を出力するように構成されたアバランシ
ェフォトダイオ―ドを用い、そのキャリア増倍層がIn
Pでなる半導体層の単層でなる、という光信号受信器が
種々提案されている。2. Description of the Related Art Conventionally, a carrier multiplication layer and a light absorption layer are laminated on a semiconductor substrate made of InP,
In addition, an avalanche photodiode configured to receive an analog-modulated optical signal and output a photocurrent corresponding to the intensity of the signal is used, and the carrier multiplication layer has an In
Various optical signal receivers have been proposed, which are composed of a single semiconductor layer of P.
【0003】このようなアバランシェフォトダイオ―ド
を用いた光信号受信器によれば、それに用いているアバ
ランシェフォトダイオ―ドがキャリア増倍層を有するこ
とから、アバランシェフォトダイオ―ドから、それに入
射する光信号の強度に応じた光電流が、増倍して出力さ
れ、このため、光信号を、キャリア増倍層を有しない単
なるフォトダイオ―ドを用いた光信号受信器の場合に比
し、高感度に、受信することができる。According to the optical signal receiver using such an avalanche photodiode, since the avalanche photodiode used therein has a carrier multiplication layer, it is incident from the avalanche photodiode. The photocurrent corresponding to the intensity of the optical signal that is output is multiplied and output.Therefore, the optical signal is compared with the case of an optical signal receiver that uses a simple photodiode without a carrier multiplication layer. , With high sensitivity, can be received.
【0004】[0004]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来の光信号受信器の場合、それに用いているアバラ
ンシェフォトダイオ―ドのキャリア増倍層がInPでな
る半導体層の単層でなることのため、アバランシェフォ
トダイオ―ドの電子のイオン化率αと正孔のイオン化率
との比α/βが1に近く、このため、アバランシェフォ
トダイオ―ドの電流増倍率が入射する光信号の強度の変
化によって大きく変化し、よって、アバランシェフォト
ダイオ―ドから出力する光電流に、入射する光信号に対
して大きな非線形歪を伴い、従って、光信号の受信に、
アバランシェフォトダイオ―ドから出力される光電流の
非線形歪に起因する大きな非線形歪を伴う、という欠点
を有していた。However, in the case of the above-mentioned conventional optical signal receiver, the carrier multiplication layer of the avalanche photo diode used therein is composed of a single semiconductor layer of InP. , The ratio α / β of the electron ionization rate α of the avalanche photodiode to the ionization rate of the hole is close to 1, and therefore the current multiplication factor of the avalanche photodiode changes the intensity of the incident optical signal. Therefore, the photocurrent output from the avalanche photo diode is accompanied by a large non-linear distortion with respect to the incident optical signal.
It has the drawback of being accompanied by a large non-linear distortion due to the non-linear distortion of the photocurrent output from the avalanche photo diode.
【0005】よって、本発明は、上述した欠点のない新
規な光信号受信器を提案せんとするものである。The present invention therefore proposes a new optical signal receiver without the above-mentioned drawbacks.
【0006】[0006]
【課題を解決するための手段】本発明による光信号受信
器は、従来提案されている光信号受信器の場合と同様
に、InPでなる半導体基板上にキャリア増倍層として
の半導体層と光吸収層としての半導体層とがそれらの順
に積層されている構成を有し、且つアナログ変調された
光信号の入射を受け、その強度に応じた光電流を出力す
るように構成されたアバランシェフォトダイオ―ドを用
いているが、上記アバランシェフォトダイオ―ドのキャ
リア増倍層としての半導体層が、In1-(x+y) Alx G
ay As1- z Pz (ただし、0≦x<1、0<y≦1、
0≦z<1)でなる井戸層としての半導体層と、In
1-u Alu As(ただし、0<u<1)でなるバリア層
としての半導体層とが順次交互に積層されている構成を
有する超格子半導体層でなる。この場合、上記アバラン
シェフォトダイオ―ドの光吸収層としての半導体層が、
InGaAs系でなり且つ1μm以下の厚さを有してい
るのを可とする。The optical signal receiver according to the present invention, as in the case of the conventionally proposed optical signal receiver, has a semiconductor layer as a carrier multiplication layer and an optical layer on a semiconductor substrate made of InP. An avalanche photodiode having a structure in which a semiconductor layer as an absorption layer is laminated in that order, and configured to receive an analog-modulated optical signal and output a photocurrent corresponding to its intensity. However, the semiconductor layer as the carrier multiplication layer of the avalanche photo diode is In 1- (x + y) Al x G
a y As 1- z P z (where 0 ≦ x <1, 0 <y ≦ 1,
0 ≦ z <1), a semiconductor layer as a well layer, and In
It is a superlattice semiconductor layer having a structure in which 1-u Al u As (however, 0 <u <1) semiconductor layers as barrier layers are alternately laminated. In this case, the semiconductor layer as the light absorption layer of the avalanche photo diode,
It is acceptable that it is made of InGaAs and has a thickness of 1 μm or less.
【0007】また、上記アバランシェフォトダイオ―ド
が、上記半導体基板の上記光吸収層としての半導体層側
とは反対側における、上記光信号を入射させる手段と、
上記光吸収層としての半導体層からみて、上記半導体基
板側とは反対側上における上記入射された光信号の光を
反射させる手段とを有するのを可とする。Further, the avalanche photodiode is provided with a means for making the optical signal incident on the side of the semiconductor substrate opposite to the semiconductor layer side as the light absorption layer,
It is possible to have means for reflecting the light of the incident optical signal on the side opposite to the semiconductor substrate side as viewed from the semiconductor layer as the light absorption layer.
【0008】さらに、上記アバランシェフォトダイオ―
ドの上記キャリア増倍層としての半導体層が、上記キャ
リア増倍層としての半導体層における電子及び正孔のイ
オン化率をそれぞれα及びβ、それら電子及び正孔のイ
オン化率α及びβによって決まる上記アバランシェフォ
トダイオ―ドの電流増倍率をM、自然対数をIn とする
とき、W=(1/α)In (M/(1+M(β/
α)))で与えられる厚さWを有するのを可とする。を
可とする。Further, the avalanche photodio
In the semiconductor layer as the carrier multiplying layer, the ionization rates of electrons and holes in the semiconductor layer as the carrier multiplying layer are determined by α and β, respectively, and the ionization rates of the electrons and holes are determined by α and β. When the current multiplication factor of the avalanche photo diode is M and the natural logarithm is In, W = (1 / α) In (M / (1 + M (β /
It is acceptable to have a thickness W given in α))). Is acceptable.
【0009】[0009]
【作用・効果】本発明による光信号受信器によれば、ア
バランシェフォトダイオ―ドから出力される光電流の非
線形歪が、従来の光信号受信器の場合に比し、格段的に
小さいので、光信号の受信に、従来の光信号受信器の場
合に比し小さな、アバランシェフォトダイオ―ドから出
力される光電流の非線形歪に起因する非線形歪しか伴わ
ない。According to the optical signal receiver of the present invention, the nonlinear distortion of the photocurrent output from the avalanche photo diode is significantly smaller than that of the conventional optical signal receiver. Non-linear distortion due to non-linear distortion of the photocurrent output from the avalanche photodiode is smaller than that in the case of the conventional optical signal receiver in receiving the optical signal.
【0010】[0010]
【実施例】次に、図1及び図2を伴って本発明による光
信号受信器の実施例を述べよう。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Next, an embodiment of an optical signal receiver according to the present invention will be described with reference to FIGS.
【0011】図1及び図2に示す本発明による光信号受
信器は、図1に示すように、出力側にそれ自体は公知の
復調器4を接続している、それ自体は公知の増幅器3
に、接続され、アナログ変調された光信号LSの入射
を、それ自体は公知の光ファイバ2を介して受け、その
光信号LSの強度に応じた光電流LIを、増幅器3に出
力するアバランシェフォトダイオ―ド1を用いている構
成を有する。The optical signal receiver according to the invention shown in FIGS. 1 and 2 has, as shown in FIG. 1, a demodulator 4 known per se on the output side, an amplifier 3 known per se.
Is connected to the avalanche photocoupler for receiving the incident analog-modulated optical signal LS via the known optical fiber 2 and outputting the photocurrent LI corresponding to the intensity of the optical signal LS to the amplifier 3. It has a configuration using a diode 1.
【0012】この場合、アバランシェフォトダイオ―ド
1は、図2に示すように、InPでなり且つn+ 型を有
する半導体基板5上に、InPでなり且つn+ 型を有す
るバッファ層としての半導体層6と、後述するキャリア
増倍層としての半導体層7と、例えばInPでなり且つ
8×1017cm-3というような比較的高いp型不純物濃
度を有することによってp+ 型を有するとともに160
Aというような比較的薄い厚さを有する半導体層8と、
後述する光吸収層としての半導体層9と、例えばGaA
sでなり且つ例えば2×1017cm-3というような比較
的高いp型不純物濃度を有することによってp+ 型を有
するとともに例えば500Aの厚さを有する半導体層1
0と、例えばInPでなり且つ例えば1×1018cm-3
というような比較的高いp型不純物濃度を有することに
よってp+ 型を有するとともに例えば1000Aの厚さ
を有する半導体層11と、例えばInGaAs系の例え
ばIn 0.53 Ga 0.47 Asでなり且つ例えば1×10
18cm-3というような比較的高いp型不純物濃度を有す
ることによってp+ 型を有するとともに例えば1000
Aの厚さを有する半導体層12とが、それらの順に積層
して形成されている。[0012] In this case, avalanche photodiode - de 1, as shown in FIG. 2, on the semiconductor substrate 5 and having a n + -type becomes in InP, semiconductor as a buffer layer and having a n + -type becomes in InP The layer 6, the semiconductor layer 7 as a carrier multiplication layer described later, and the p + type by being made of InP and having a relatively high p type impurity concentration of 8 × 10 17 cm −3 and having a p + type conductivity
A semiconductor layer 8 having a relatively thin thickness, such as A,
A semiconductor layer 9 as a light absorption layer described later, and GaA
s and having a relatively high p-type impurity concentration of, for example, 2 × 10 17 cm −3 , thereby having p + type and having a thickness of, for example, 500 A.
0, for example InP and for example 1 × 10 18 cm −3
The semiconductor layer 11 has ap + type by having such a relatively high p-type impurity concentration and has a thickness of, for example, 1000 A, and is made of, for example, InGaAs-based, for example, In 0.53 Ga 0.47 As and is, for example, 1 × 10.
By having a relatively high p-type impurity concentration such as 18 cm −3 , it has p + -type and has, for example, 1000
The semiconductor layer 12 having a thickness of A is formed by laminating in that order.
【0013】また、アバランシェフォトダイオ―ド1
は、半導体基板5に光吸収層としての半導体層9側とは
反対側において付され且つ光信号LSを入射させる光入
射窓14を有する電極層15を有するとともに、光吸収
層としての半導体層9からみて、半導体基板5側とは反
対側上である半導体層12上に光入射窓14と対向して
付されている、入射された光信号LSの光を反射する光
反射層を兼ねた電極層13とを有する。The avalanche photo diode 1
Has an electrode layer 15 provided on the semiconductor substrate 5 on the side opposite to the side of the semiconductor layer 9 as a light absorbing layer and having a light incident window 14 through which the optical signal LS is incident, and the semiconductor layer 9 as a light absorbing layer. From the viewpoint, an electrode also serving as a light reflection layer that is provided on the semiconductor layer 12 on the side opposite to the semiconductor substrate 5 side so as to face the light incident window 14 and that reflects the light of the incident optical signal LS. And layer 13.
【0014】さらに、上述したアバランシェフォトダイ
オ―ド1において、その上述したキャリア増倍層として
の半導体層7が、In1-(x+y) Alx Gay As1-z P
z (ただし、0≦x<1、0<y≦1、0≦z<1)で
なるが、例えばIn1-(x+y)Alx Gay As1-z Pz
のxを例えば0、yを例えば0.47、zを例えば0と
するIn 0.53 Ga 0.47 Asでなり、且つ例えば10
0Aというような薄い厚さを有する井戸層としての半導
体層7aと、In1-u Alu As(ただし、0<u<
1)でなるが、In1-u Alu Asのuを例えば0.4
8とするIn 0.5 2 Al 0.48 Asでなり、且つ例えば
100Aというような薄い厚さを有するバリア層として
の半導体層7bとが順次交互に例えば22回積層され、
且つn型不純物またはp型不純物のいずれも意図的に導
入させていない構成を有する超格子半導体層でなる。Further, in the avalanche photo diode 1 described above, the semiconductor layer 7 as the carrier multiplication layer described above is In 1- (x + y) Al x Ga y As 1-z P
z (where 0 ≦ x <1, 0 <y ≦ 1, 0 ≦ z <1), for example, In 1- (x + y) Al x Gay y As 1-z P z
Of In 0.53 Ga 0.47 As in which x is 0, y is 0.47, and z is 0, and is 10
The semiconductor layer 7a as a well layer having a thin thickness such as 0A and In 1-u Al u As (where 0 <u <
1), but u of In 1-u Al u As is 0.4, for example.
Becomes 8 to In 0.5 2 Al 0.48 As, a semiconductor layer 7b as a barrier layer are laminated sequentially and alternately, for example, 22 times and having a thin thickness such as for example 100A,
In addition, the superlattice semiconductor layer has a structure in which neither n-type impurities nor p-type impurities are intentionally introduced.
【0015】また、上述したアバランシェフォトダイオ
―ド1において、その上述した超格子半導体層でなるキ
ャリア増倍層としての半導体層7が、キャリア増倍層と
しての半導体層7における電子及び正孔のイオン化率を
それぞれα及びβ、それら電子及び正孔のイオン化率α
及びβによって決まるアバランシェフォトダイオ―ド1
の電流増倍率をM、自然対数をIn とするとき、 W=(1/α)In (M/(1+M(β/α))) …………………(1) で与えられる厚さを有する。この場合、厚さWは、具体
的には、キャリア増倍層としての半導体層7が、上述し
た構成を有する超格子半導体層でなる場合、電子及び正
孔のイオン化率α及びβの比α/βを、キャリア増倍層
としての半導体層7がInPでなる半導体層の単層でな
る場合の「1」に比し格段的に大きな例えば「10」に
することができ、従って、電子及び正孔のイオン化率α
及びβの比α/βの逆数でなる(2)式におけるβ/α
を、例えば「0.1」にすることができ、またx及び
x′をキャリア増倍層としての半導体層7の厚さ方向の
距離とするとき、電流増倍率Mが、電子及び正孔のイオ
ン化率α及びβによって、In the avalanche photo diode 1 described above, the semiconductor layer 7 as the carrier multiplication layer made of the superlattice semiconductor layer described above is used as a carrier multiplication layer for the electrons and holes in the semiconductor layer 7. The ionization rates are α and β, respectively, and those of electrons and holes are α
And avalanche photodiode 1 determined by β
Where M is the current multiplication factor and In is the natural logarithm, W = (1 / α) In (M / (1 + M (β / α))) ………………………… (1) Have. In this case, specifically, the thickness W is the ratio α of the ionization rates α and β of electrons and holes when the semiconductor layer 7 as the carrier multiplication layer is the superlattice semiconductor layer having the above-described configuration. / Β can be set to, for example, “10”, which is significantly larger than “1” when the semiconductor layer 7 as the carrier multiplication layer is a single semiconductor layer made of InP. Ionization rate of holes α
And β in the equation (2), which is the reciprocal of the ratio α / β
Can be set to, for example, “0.1”, and when x and x ′ are distances in the thickness direction of the semiconductor layer 7 as a carrier multiplication layer, the current multiplication factor M is Depending on the ionization rates α and β,
【数1】 …………………(2) で与えられるので、その電流増倍率Mを、β/αを例え
ば「0.1」にすることができるのに応じて、例えば
「10」にすることができるので、それらβ/α及びM
を用いた(1)式から求められる、例えば0.44μm
の値を有する。[Equation 1] Since it is given by (2), the current multiplication factor M can be set to, for example, “10” in accordance with β / α that can be set to “0.1”, for example. So that β / α and M
Is calculated from the equation (1) using, for example, 0.44 μm
Has a value of.
【0016】さらに、光吸収層としての半導体層9が、
InGaAs系の例えばIn 0.53Ga 0.47 Asでな
り、且つ2×1015cm-3というような比較的低いp型
不純物濃度を有することによってp- 型を有するととも
に、1μm以下の例えば0.8μmの厚さDを有する。Further, the semiconductor layer 9 as the light absorption layer is
It is made of InGaAs-based In 0.53 Ga 0.47 As and has a relatively low p-type impurity concentration of 2 × 10 15 cm −3 , thereby having p − type and having a thickness of 1 μm or less, for example, 0.8 μm. Having a D.
【0017】以上が、本発明による光信号受信器の実施
例の構成である。The above is the configuration of the embodiment of the optical signal receiver according to the present invention.
【0018】このような構成を有する本発明による光信
号受信器は、用いるアバランシェフォトダイオ―ド1に
おいて、(i)そのキャリア増倍層としての半導体層7
が、InPでなり且つ(2)式によって特定されている
厚さWを有していない半導体層の単層でなるとし、且つ
(ii)光吸収層としての半導体層9が、1μm以下の
厚さに特定されていないとともに、(iii)半導体基
板5に付された電極層15の光入射窓14に代え、半導
体層12上に付された電極層13に光入射窓が設けら
れ、その光入射窓を通じて光信号LSが入射されるよう
になされているとすれば、従来提案されている光信号受
信器と同様の構成を有している。The optical signal receiver according to the present invention having the above-mentioned structure is used in the avalanche photo diode 1 which uses (i) the semiconductor layer 7 as a carrier multiplication layer thereof.
Is a single layer of a semiconductor layer which is InP and does not have the thickness W specified by the formula (2), and (ii) the semiconductor layer 9 as the light absorption layer has a thickness of 1 μm or less. (Iii) a light incident window is provided in the electrode layer 13 provided on the semiconductor layer 12 instead of the light incident window 14 provided in the electrode layer 15 provided on the semiconductor substrate 5. If the optical signal LS is made to enter through the entrance window, it has the same configuration as the conventionally proposed optical signal receiver.
【0019】このため、図1及び図2に示す本発明によ
る光信号受信器によれば、詳細説明は省略するが、従来
提案されている光信号受信器の場合と同様に、電極層1
3及び15間に、増幅器3側から、その増幅器3内に設
けたアバランシェフォトダイオ―ド1の負荷を通じてバ
イアス電源を与えた状態で、アバランシェフォトダイオ
―ド1に、光信号LSを、InGaAs系でなる光吸収
層としての半導体層9では効果的に吸収されるが、それ
以外の半導体基板5、バッファ層としての半導体層6、
キャリア増倍層としての半導体層7、半導体層8、半導
体層10、半導体層11及び半導体層12ではほとんど
吸収されない、例えば1.55μmの波長を有する光と
して、光ファイバ2及び電極層15に設けた光入射窓1
4を介して、半導体基板5側から入射させれば、その光
信号LSの光が、光吸収層としての半導体層9で吸収さ
れ、これに応じて、光吸収層としての半導体層9に電子
・正孔対が生じ、その電子・正孔中の電子が、キャリア
増倍層としての半導体層7に注入することによってアバ
ランシェ増幅される、という機構で、アバランシェフォ
トダイオ―ド1から、光信号LSの強度に応じた光電流
LIが増幅器3に出力され、それが、増幅器3において
増幅されて復調器4に供給され、よって、その復調器4
から、光信号LSのアナログ復調された信号を得ること
ができ、従って、従来提案されている光信号受信器の場
合と同様に、アナログ変調された光信号LSを受信する
機能を有する。Therefore, according to the optical signal receiver according to the present invention shown in FIGS. 1 and 2, although detailed description is omitted, as in the case of the conventionally proposed optical signal receiver, the electrode layer 1 is formed.
The optical signal LS is supplied to the avalanche photodiode 1 from the side of the amplifier 3 through the load of the avalanche photodiode 1 provided in the amplifier 3 between the amplifier 3 and the InGaAs system. Is effectively absorbed by the semiconductor layer 9 as the light absorption layer, but the other semiconductor substrate 5, the semiconductor layer 6 as the buffer layer,
Provided in the optical fiber 2 and the electrode layer 15 as light having a wavelength of, for example, 1.55 μm, which is hardly absorbed by the semiconductor layer 7, the semiconductor layer 8, the semiconductor layer 10, the semiconductor layer 11 and the semiconductor layer 12 as the carrier multiplication layer. Light incident window 1
When the light is input from the semiconductor substrate 5 side via 4, the light of the optical signal LS is absorbed by the semiconductor layer 9 as the light absorption layer, and accordingly, the light is emitted to the semiconductor layer 9 as the light absorption layer. A mechanism in which a hole pair is generated and the electron / electron in the hole is avalanche amplified by injecting into the semiconductor layer 7 as a carrier multiplication layer, and an optical signal is output from the avalanche photo diode 1. The photocurrent LI corresponding to the intensity of LS is output to the amplifier 3, which is amplified in the amplifier 3 and supplied to the demodulator 4, and thus the demodulator 4
Can obtain an analog demodulated signal of the optical signal LS, and therefore has a function of receiving the analog-modulated optical signal LS as in the case of the conventionally proposed optical signal receiver.
【0020】しかしながら、図1及び図2に示す本発明
による光信号受信器の場合、アバランシェフォトダイオ
―ド1のキャリア増倍層としての半導体層7が、In
1-x-yAlx Gay As1-z Pz (ただし、0≦x<
1、0<y≦1、0≦z<1)でなる井戸層としての半
導体層7aと、In1-u Alu As(ただし、0<u<
1)でなるバリア層としての半導体層7bとが順次交互
に積層されている構成を有する超格子半導体層でなる。However, in the case of the optical signal receiver according to the present invention shown in FIGS. 1 and 2, the semiconductor layer 7 as the carrier multiplication layer of the avalanche photodiode 1 is In
1-xy Al x Ga y As 1-z P z ( however, 0 ≦ x <
1, 0 <y ≦ 1, 0 ≦ z <1, a semiconductor layer 7a as a well layer, and In 1-u Al u As (where 0 <u <
It is a superlattice semiconductor layer having a structure in which the semiconductor layer 7b serving as the barrier layer formed in 1) is sequentially and alternately laminated.
【0021】このため、キャリア増倍層としての半導体
層7における電子及び正孔のイオン化率α及びβの比α
/βを、前述したように、キャリア増倍層としての半導
体層7が前述した従来の光信号受信器におけるようにI
nPでなり且つ(1)式によって特定されている厚さW
を有していない半導体層の単層でなる場合に比し、格段
的に大きな例えば「10」にすることができる。Therefore, the ratio α of the ionization rates α and β of electrons and holes in the semiconductor layer 7 as the carrier multiplication layer is α.
/ Β is equal to I as in the conventional optical signal receiver described above when the semiconductor layer 7 as the carrier multiplication layer is described above.
thickness W which is nP and is specified by the equation (1)
Compared with the case where the semiconductor layer is a single layer that does not have, it can be made significantly larger, for example, “10”.
【0022】ところで、キャリア増倍層としての半導体
層7における電子及び正孔のイオン化率α及びβの比α
/βが大きくなれば、それに応じて、(2)式で与えら
れる電流増倍率Mの、電子のイオン化率αが変化したと
きのdM/dαで与えられる変化が小さくなる。By the way, the ratio α of the ionization rates α and β of electrons and holes in the semiconductor layer 7 as the carrier multiplication layer is α.
As / β increases, the change in the current multiplication factor M given by equation (2) given by dM / dα when the ionization rate α of electrons changes accordingly decreases.
【0023】その理由は、アバランシェフォトダイオ―
ド1内の電界強度、とくに、キャリア増倍層しての半導
体層7及び光吸収層としての半導体層9における電界強
度が、それら半導体層7及び9における電子及び正孔の
分布、すなわち、空間電荷によって、変化するが、その
変化が、上述したように、アバランシェフォトダイオ―
ド1への光信号LSの入射によって光吸収層としての半
導体層9に生ずる電子・正孔対中の電子が、キャリア増
倍層としての半導体層7に注入することによって、アバ
ランシェ増倍されるとき、正孔が、キャリア増倍層とし
ての半導体層7から、光吸収層としての半導体層9に注
入し、その半導体層9での電荷が過剰になることから、
半導体層9において大きくなる方向に変化しても、半導
体層7において小さくなる方向に変化するため、これに
応じて、電子及び正孔のイオン化率α及びβが小さくな
り、これによって、電流増倍率Mが小さくなるからであ
る。The reason is that the avalanche photodio
The electric field intensity in the semiconductor layer 1, particularly the electric field intensity in the semiconductor layer 7 as the carrier multiplication layer and the semiconductor layer 9 as the light absorption layer is the distribution of electrons and holes in the semiconductor layers 7 and 9, that is, the space. It changes depending on the electric charge, but as described above, the change is caused by the avalanche photodiode.
The electrons in the electron-hole pairs generated in the semiconductor layer 9 as the light absorption layer due to the incidence of the optical signal LS on the gate 1 are injected into the semiconductor layer 7 as the carrier multiplication layer to be avalanche multiplied. At this time, holes are injected from the semiconductor layer 7 as the carrier multiplication layer into the semiconductor layer 9 as the light absorption layer, and the charge in the semiconductor layer 9 becomes excessive,
Even if the semiconductor layer 9 changes in the increasing direction, the semiconductor layer 7 changes in the decreasing direction. Therefore, the ionization rates α and β of the electrons and holes are correspondingly decreased, whereby the current multiplication factor is increased. This is because M becomes small.
【0024】以上のことから、図1及び図2に示す本発
明による光信号受信器の場合、アバランシェフォトダイ
オ―ド1から出力される光電流LIの光信号LSに対す
る非線形歪が、キャリア増倍層としての半導体層7が、
InPでなり且つ(1)式によって特定されている厚さ
Wを有していない半導体層の単層でなる場合に比し、格
段的に小である。From the above, in the case of the optical signal receiver according to the present invention shown in FIGS. 1 and 2, the nonlinear distortion of the photocurrent LI output from the avalanche photodiode 1 with respect to the optical signal LS is caused by the carrier multiplication. The semiconductor layer 7 as a layer,
It is remarkably small as compared with the case of a single semiconductor layer which is made of InP and does not have the thickness W specified by the formula (1).
【0025】また、図1及び図2に示す本発明による光
信号受信器の場合、アバランシェフォトダイオ―ド1の
光吸収層としての半導体層9が、InGaAs系でなる
が、そのInGaAs系でなる半導体が効果的に吸収す
る光(光信号LSの)の波長(例えば1.55μm)よ
りも薄い1μm以下の薄い厚さDしか有しない。Further, in the case of the optical signal receiver according to the present invention shown in FIGS. 1 and 2, the semiconductor layer 9 as the light absorption layer of the avalanche photodiode 1 is made of InGaAs but is made of InGaAs. The semiconductor has only a thin thickness D of 1 μm or less, which is thinner than the wavelength (for example, 1.55 μm) of light (of the optical signal LS) that is effectively absorbed by the semiconductor.
【0026】ところで、上述したように、アバランシェ
フォトダイオ―ド1への光信号LSの入射によって光吸
収層としての半導体層9に生ずる電子・正孔対中の電子
が、キャリア増倍層としての半導体層7に注入すること
によって、アバランシェ増倍されるとき、正孔が、キャ
リア増倍層としての半導体層7から、光吸収層としての
半導体層9に注入するが、この場合、光吸収層としての
半導体層9が薄ければ、それに応じて、キャリア増倍層
としての半導体層7から光吸収層としての半導体層9に
注入する正孔の量が少なく、また、これに応じて、光吸
収層としての半導体層9の電界強度が大きくならず、こ
の分、キャリア増倍層としての半導体層7のの電界強度
が小にならないので、そのような、空間電荷効果による
電界強度の変化が、小さい。By the way, as described above, the electrons in the electron-hole pairs generated in the semiconductor layer 9 as the light absorption layer by the incidence of the optical signal LS to the avalanche photodiode 1 serve as the carrier multiplication layer. When avalanche multiplication is performed by injecting into the semiconductor layer 7, holes are injected from the semiconductor layer 7 as a carrier multiplication layer into the semiconductor layer 9 as a light absorption layer. If the semiconductor layer 9 as a thin layer is thin, the amount of holes injected from the semiconductor layer 7 as a carrier multiplication layer into the semiconductor layer 9 as a light absorption layer is accordingly small. Since the electric field strength of the semiconductor layer 9 as the absorption layer does not become large and the electric field strength of the semiconductor layer 7 as the carrier multiplication layer does not become small by this amount, such a change in the electric field strength due to the space charge effect may occur. Small.
【0027】このため、図1及び図2に示す本発明によ
る光信号受信器の場合、アバランシェフォトダイオ―ド
1から出力される光電流LIの光信号LSに対する非線
形歪が、光吸収層としての半導体層9が1μm以下の薄
い厚さDよりも厚い厚さを有している場合に比し、小さ
い。Therefore, in the case of the optical signal receiver according to the present invention shown in FIGS. 1 and 2, the non-linear distortion of the photocurrent LI output from the avalanche photodiode 1 with respect to the optical signal LS is caused by the light absorption layer. It is smaller than when the semiconductor layer 9 has a thickness greater than a thin thickness D of 1 μm or less.
【0028】また、図1及び図2に示す本発明による光
信号受信器の場合、アバランシェフォトダイオ―ド1の
光入射窓14が、半導体基板5の光吸収層としての半導
体層9側とは反対側に、光信号LSを入射させる手段と
して設けられ、且つアバランシェフォトダイオ―ド1の
光吸収層としての半導体層9からみて、半導体基板5側
とは反対側に、電極層13が、入射された光信号LSの
光を反射させる反射層を兼ねるものとして設けられてい
るので、光入射窓14を通じて光吸収層としての半導体
層9に入射した光信号LSの光の、その光吸収層として
の半導体層9で吸収されずに、その光吸収層としての半
導体層9を通過した一部が、電極層13で反射し、光吸
収層としての半導体層9に再入射する。In the case of the optical signal receiver according to the present invention shown in FIGS. 1 and 2, the light incident window 14 of the avalanche photodiode 1 is different from the side of the semiconductor layer 9 serving as the light absorption layer of the semiconductor substrate 5. An electrode layer 13 is provided on the side opposite to the semiconductor substrate 5 side as viewed from the semiconductor layer 9 which is provided on the opposite side as a means for making the optical signal LS incident and which is the light absorption layer of the avalanche photodiode 1. Since it is provided also as a reflection layer for reflecting the light of the received optical signal LS, the light of the optical signal LS incident on the semiconductor layer 9 as the light absorbing layer through the light incident window 14 is used as the light absorbing layer. Part of the light that has not passed through the semiconductor layer 9 and has passed through the semiconductor layer 9 serving as the light absorbing layer is reflected by the electrode layer 13 and re-enters the semiconductor layer 9 serving as the light absorbing layer.
【0029】このため、図1及び図2に示す本発明によ
る光信号受信器の場合、光吸収層としての半導体層9
が、上述したように1μm以下の薄い厚さDを有してい
ても、その厚さDよりも薄い厚さを有する場合に相当す
る量子効率が得られる。Therefore, in the case of the optical signal receiver according to the present invention shown in FIGS. 1 and 2, the semiconductor layer 9 as the light absorption layer is used.
However, even if the thickness D is as thin as 1 μm or less as described above, the quantum efficiency corresponding to the case where the thickness D is smaller than the thickness D can be obtained.
【0030】さらに、図1及び図2に示す本発明による
光信号受信器の場合、アバランシェフォトダイオ―ド1
のキャリア増倍層としての半導体層7が、上述した
(1)式で与えられる厚さWを有する。Further, in the case of the optical signal receiver according to the present invention shown in FIGS. 1 and 2, the avalanche photo diode 1 is used.
The semiconductor layer 7 as the carrier multiplication layer has the thickness W given by the above-mentioned formula (1).
【0031】ところで、上述した空間電荷の効果によ
る、キャリア増倍層としての半導体層7に印加される電
圧Vの変化dVに対する、アバランシェフォトダイオ―
ド1の電流増倍率Mの変化dMで与えられる、(dM/
dV)/Mは、キャリア増倍層としての半導体層7が、
上述した(1)式で与えられる厚さWを有する場合、最
小になる。By the way, the avalanche photodiode with respect to the change dV of the voltage V applied to the semiconductor layer 7 as the carrier multiplication layer due to the effect of the space charge described above.
Given by the change dM of the current multiplication factor M of the channel 1, (dM /
dV) / M is the semiconductor layer 7 as the carrier multiplication layer,
It has a minimum when it has the thickness W given by the above equation (1).
【0032】このため、図1及び図2に示す本発明によ
る光信号受信器の場合、アバランシェフォトダイオ―ド
1から出力される光電流LIの光信号LSに対する非線
形歪が、キャリア増倍層としての半導体層7が上述した
(1)式で与えられる厚さWを有していない場合に比
し、小さい。Therefore, in the case of the optical signal receiver according to the present invention shown in FIGS. 1 and 2, the non-linear distortion of the photocurrent LI output from the avalanche photodiode 1 with respect to the optical signal LS is caused by the carrier multiplication layer. The semiconductor layer 7 is smaller than the case where the semiconductor layer 7 does not have the thickness W given by the equation (1).
【0033】以上のことから、図1及び図2に示す本発
明による光信号受信器によれば、アバランシェフォトダ
イオ―ドから出力される光電流LIの、アバランシェフ
ォトダイオ―ド1に入射する光信号LSに対する非線形
歪が、図3の16で示す光信号LSの強度に対する光電
流LIの関係のように、17で示す、前述した構成を有
する従来の光信号受信器に用いているアバランシェフォ
トダイオ―ドの同じ関係の場合、及び18で示す、光吸
収層としての半導体層9が2μmの厚さを有することを
除いて図1及び図2に示す本発明による光信号受信器と
同様の構成を有する、本発明による光信号受信器でない
光信号受信器のアバランシェフォトダイオ―ドの同じ関
係の場合に比し、小さい。From the above, according to the optical signal receiver of the present invention shown in FIGS. 1 and 2, the light incident on the avalanche photo diode 1 of the photocurrent LI output from the avalanche photo diode. The nonlinear distortion with respect to the signal LS is represented by 17 in the relation between the intensity of the optical signal LS and the photocurrent LI shown in FIG. The same structure as the optical signal receiver according to the present invention shown in FIGS. 1 and 2 except that the semiconductor layer 9 as a light absorbing layer has a thickness of 2 μm in the case of the same relationship between the two. Is smaller than the case of the same relation of the avalanche photodiode of the optical signal receiver which is not the optical signal receiver according to the present invention.
【0034】従って、図1及び図2に示す本発明による
光信号受信器によれば、上述したアナログ変調された光
信号LSを受信する機能を、前述した従来の構成を有す
る従来の光信号受信器の場合に比し小さなアバランシェ
フォトダイオ―ド1から出力される光電流LIの光信号
LSに対する非線形歪に起因する非線形歪しか伴わない
で、且つ高い量子効率で、得ることができる。Therefore, according to the optical signal receiver according to the present invention shown in FIGS. 1 and 2, the conventional optical signal reception having the above-mentioned conventional configuration has the function of receiving the above-mentioned analog-modulated optical signal LS. It is possible to obtain the photocurrent LI output from the avalanche photo diode 1 which is smaller than that in the case of the device with a non-linear distortion caused by the non-linear distortion with respect to the optical signal LS and with high quantum efficiency.
【0035】なお、上述においては、本発明による光信
号受信器の一例を示したに留まり、要は、InPでなる
半導体基板上に、キャリア増倍層としての半導体層と光
吸収層としての半導体層とがそれらの順に積層されてい
る構成を有し、且つアナログ変調された光信号の入射を
受け、その強度に応じた光電流を出力するように構成さ
れたアバランシェフォトダイオ―ドを用いた、種々の光
信号受信器に、本発明を適用して、上述した本発明の作
用効果を得ることができることは明らかであろう。In the above description, only one example of the optical signal receiver according to the present invention is shown, and the point is that a semiconductor layer as a carrier multiplication layer and a semiconductor as a light absorption layer are formed on a semiconductor substrate made of InP. An avalanche photo diode having a structure in which layers are laminated in that order and receiving an analog-modulated optical signal and outputting a photocurrent corresponding to the intensity thereof is used. It will be apparent that the present invention can be applied to various optical signal receivers to obtain the above-described effects of the present invention.
【図1】本発明による光信号受信器の実施例を示す系統
的接続図である。FIG. 1 is a systematic connection diagram showing an embodiment of an optical signal receiver according to the present invention.
【図2】図1に示す本発明による光信号受信器に用いる
アバランシェフォトダイオ―ドの実施例を、内部の電界
強度分布図を添えて示す、略線的断面図である。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing an embodiment of an avalanche photodiode used in the optical signal receiver according to the present invention shown in FIG. 1 with an electric field intensity distribution diagram inside.
【図3】図2に示す本発明による光信号受信器に用いる
アバランシェフォトダイオ―ドの、入射される光信号の
強度(ワット)に対する出力される光電流(アンペア)
の関係を、従来の光信号受信器に用いているアバランシ
ェフォトダイオ―ドの、同様の関係とともに示す図であ
る。3 is an output photocurrent (ampere) with respect to the intensity (watt) of an incident optical signal of an avalanche photodiode used in the optical signal receiver according to the present invention shown in FIG. 2;
FIG. 6 is a diagram showing the above relationship with the same relationship of the avalanche photodiode used in the conventional optical signal receiver.
1 アバランシェフォトダイオ―ド 2 光ファイバ 3 増幅器 4 復調器 5 半導体基板 6 バッファ層としての半導体層 7 キャリア増倍層としての半導体層 8 半導体層 9 光吸収層としての半導体層 10、11、12 半導体層 13 電極層 14 光入射窓 15 電極層 1 avalanche photodiode 2 optical fiber 3 amplifier 4 demodulator 5 semiconductor substrate 6 semiconductor layer as a buffer layer 7 semiconductor layer as a carrier multiplication layer 8 semiconductor layer 9 semiconductor layer as a light absorption layer 10, 11, 12 semiconductor Layer 13 Electrode Layer 14 Light Incident Window 15 Electrode Layer
Claims (3)
倍層としての半導体層と光吸収層としての半導体層とが
それらの順に積層されている構成を有し、且つアナログ
変調された光信号の入射を受け、その強度に応じた光電
流を出力するように構成されたアバランシェフォトダイ
オ―ドを用いた光信号受信器において、 上記アバランシェフォトダイオ―ドのキャリア増倍層と
しての半導体層が、In1-(x+y) Alx Gay As1-z
Pz (ただし、0≦x<1、0<y≦1、0≦z<1)
でなる井戸層としての半導体層と、In1-u Alu As
(ただし、0<u<1)でなるバリア層としての半導体
層とが順次交互に積層されている構成を有する超格子半
導体層でなることを特徴とする光信号受信器。1. A structure in which a semiconductor layer as a carrier multiplication layer and a semiconductor layer as a light absorption layer are laminated in this order on a semiconductor substrate made of InP, and an analog modulated optical signal In an optical signal receiver using an avalanche photo diode configured to receive incident light and output a photocurrent according to its intensity, a semiconductor layer as a carrier multiplication layer of the avalanche photo diode, In 1- (x + y) Al x Gay y As 1-z
P z (where 0 ≦ x <1, 0 <y ≦ 1, 0 ≦ z <1)
Layer as a well layer composed of In 1-u Al u As
An optical signal receiver comprising a superlattice semiconductor layer having a structure in which semiconductor layers as barrier layers of 0 <u <1 are alternately laminated.
半導体層が、InGaAs系でなり且つ1μm以下の厚
さを有し、 上記アバランシェフォトダイオ―ドが、上記半導体基板
の上記光吸収層としての半導体層側とは反対側におけ
る、上記光信号を入射させる手段と、上記光吸収層とし
ての半導体層からみて、上記半導体基板側とは反対側上
における上記入射された光信号の光を反射させる手段と
を有することを特徴とする光信号受信器。2. The optical signal receiver according to claim 1, wherein the semiconductor layer as the light absorption layer of the avalanche photo diode is made of InGaAs and has a thickness of 1 μm or less. -Seeing the means for injecting the optical signal on the side opposite to the semiconductor layer side as the light absorption layer of the semiconductor substrate and the semiconductor layer side as the light absorption layer, the side opposite to the semiconductor substrate side. Means for reflecting the light of the incident optical signal on the side, and an optical signal receiver.
層としての半導体層の厚さWが、上記キャリア増倍層と
しての半導体層における電子及び正孔のイオン化率をそ
れぞれα及びβ、それら電子及び正孔のイオン化率α及
びβによって決まる上記アバランシェフォトダイオ―ド
の電流増倍率をM、自然対数をIn とするとき、 W=(1/α)In (M/(1+M(β/α))) で与えられる厚さWを有することを特徴とする光信号受
信器。3. The optical signal receiver according to claim 1, wherein the thickness W of the semiconductor layer as the carrier multiplication layer of the avalanche photodiode is such that electrons in the semiconductor layer as the carrier multiplication layer are When the ionization rates of holes are α and β, respectively, and the current multiplication factor of the avalanche photodiode determined by the ionization rates α and β of the electrons and holes is M and the natural logarithm is In, W = (1 / An optical signal receiver having a thickness W given by α) In (M / (1 + M (β / α))).
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP4210760A JPH0637350A (en) | 1992-07-15 | 1992-07-15 | Light signal receiver |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP4210760A JPH0637350A (en) | 1992-07-15 | 1992-07-15 | Light signal receiver |
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---|---|
JPH0637350A true JPH0637350A (en) | 1994-02-10 |
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Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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CN100351436C (en) * | 2003-10-16 | 2007-11-28 | 住友金属矿山株式会社 | Lithium tantalate substrate and method for producing same |
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-
1992
- 1992-07-15 JP JP4210760A patent/JPH0637350A/en active Pending
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