JPS5821241B2 - 光検出等化器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はオプティカル・ファイバーの一端から放射され
る光波エネルギーを検出してから第１伝導型の光応答性
半導体の小板と小板とｐ−ｎ結合を形成する伝導型の逆
な半導体材料からなる第１円形領域とそして上述の半導
体材料とオーム接触をなす装置とからなるファイバーに
よって生ずる遅延歪を等化する検出等化器に関するもの
である。

最近の超透過性材料の製造技術の進歩により、ファイバ
ーは光通信システムに対する有力な伝送媒体であると考
えられるに到っている。

コヒーレントな光源と単一モード・ファイバーを用いる
ことにより、このようなシステムは理論的には数１０ギ
ガ・ヘルツのオーダーのパルス・レートで動作し得る。

しかし、速度よりもむしろコストと簡単化の観点から最
適化する方が好ましい多くの応用面があルコとも事実で
ある。

後者のシステムは非コヒーレント光と多重モード・ファ
イバーを用いる。

非コヒーレントな信号源を多重モード・ファイバーに結
合する装置において、多くのモードが異なる群速度で伝
播する事実に起因する遅延歪が一つの問題となる。

この問題は、本発明により、第１オーム接触が第１円形
領域の中心に上述の小板領域上に作られ、第２オーム接
触が第１円形領域より犬なる半径をもつ小板の第２円形
領域に沿って作られ、そして第１円形領域と第１オーム
接触の間の小板表面が光波エネルギーに露光されること
を特徴とする検出等化器によって最小化される。

本発明の実施例において、多重モード・オプテイカル・
ファイバーに各種モードの群速度の差異に起因して発生
する分散は光検出器において異なる伝播モードにより発
生するキャリアーのドリフト時間を制御することにより
補償される。

周知のように、多重モード・ファイバーの一端から放射
されるエネルギーは複数個の円錐内に集中し、各モード
はそれぞれ特性放射円錐角をもつ。

したがって、本発明の実施例の検出等止器においては、
光応答性半導体はファイバー軸に直交する面内でファイ
バーの一端に接して配置される。

異なるモード群に相当する各放射円錐は半導体を円環状
に照射し、電子正孔対を発生させる。

中心と検出器の周縁の出力端子との間に印加される電圧
により正孔は出力端子に対して半径方向にドリフトする
。

出力端子に達する時間は検出器の内側領域を照射する伝
播速度のより速い低次のモードにより発生する正孔に対
して最大であり、検出器の外側領域を照射する伝播速度
のより遅い高次のモードに対して最も短かい。

検出器の電界強度を制御することにより、ドリフト時間
をファイバー内で発生する分散が丁度補償されるように
することができる６上述の構造はファイバーの出力端で
の放射パターンに適合するため都合がよいのであるが、
他の構造および異なる程度の補償を行なうこともできる
。

一般に、より速いモードにより発生するキャリアをより
遅いモードにより発生するキャリアよりも長い距離だけ
移動させるような構造であれば、遅延歪は低減される。

キャリアのドリフト方向における電界変化を制御するこ
とにより特定の等化器を作り得る。

上述の実施例においては、電界は距離に反比例して変化
し、モード速度を正確に補償している。

図面において、第１図は非コヒーレント信号源１０、信
号受信器１１、および光源と受信器を結合する多重モー
ド・ファイバー伝送線路１２かもなる光通信システムを
ブロック・ダイアグラムで示すものである。

本発明は特にシステムの出力部と受信器内の検出器に関
するものである。

この観点から、被覆オプティカル・ファイバーとファイ
バーにより放出される光波エネルギーの放射パターンと
からなる線路１２の出力端を示す第２図を参照すること
にする。

周知のように、多重モード・オプティカル・ファイバー
内の各伝播モードは第２図に示したようにファイバー軸
に対して特性角度をなしてファイバーに沿って進行する
光線により表わすことができる。

図示の目的から、２本の光線１，２が示されており、低
次モード光線１はファイバー軸ｚ−２に対して角度ゲを
なして伝播し、高次モード光線２は軸に対してより犬な
る角度ｒをなす。

各光線は芯と被覆の境界面により反射され、導波される
。

境界面への入射角が臨界角より小さいより高次のモード
はファイバーの外に放射され、その結果線路の出力端に
は到達しない。

ファイバーの端部の放射電磁界は最高次の伝播モードに
より作られる円錐内に集中する。

この最大円錐角θ は次のように与えられる。

ａＸ ここに、旦はファイバー芯の屈折率であり、△ｎは芯と
被覆の屈折率の差である。

通常は、△ｎは０．１以下である。

芯の半径は数１０ミクロンのオーダーであるため、ファ
イバ一端から約１ミＩＪメートルの点で遠隔電磁界の条
件が満される。

最も速いモード（すなわち最低次のモード）はファイバ
ー軸ｚ−２に沿う非常に細い円錐２０内に入る。

より伝播速度の遅いモード（すなわちより高次のモード
）はそれぞれ軸に沿う放射をほとんど示さず、軸に対し
て異なる角度θで最大の放射を示す。

高次モードと最高速モードとの間の相対遅延τは次のよ
うに与えられる。

ここに、Ｌは線路長、ぐは真空中の光速、θは特定のモ
ードに対する放射角度である。

したがって、遅延τのモードは半径が次式で与えられる
リングを照射する。

ここに、Ａはファイバ一端とファイバー軸に直交する面
３との距離である。

本発明による検出等化器において、上述の放射パターン
により光応答材料内に発生するキャリア−のドリフト時
間はモード遅延を等化するよう利用される。

第３図を考察すると、ｎ型の小板３０と中心にｎ＋領域
３１をもつ光応答性半導体材料とそしてその外周の２個
の円環状同心円領域３２゜３３とからなる検出等止器が
示されている。

それぞれ３領域３１．３２，３３に結合された適当な金
属接触体３４，３５，３６は検出器を出力負荷３７に接
続している。

さらに詳しく述べると、領域３１は直列に接続された直
流電源３８，３９を通して出力負荷３１の一端に接続さ
れる。

出力負荷３７の他端はｐ型領域３２に接続される。

領域３３は電源３８，３９の接合部に接続される。

円、環３２は円環３３より幾分小さいのであるが、以下
の計算の都合上両者とも等しい大きさで、次の半径を持
つものと仮定する。

入射光がない場合には、ｎ＋領域３Ｌ３３の間に印加さ
れる電圧Ｖにより小板３０の抵抗性インピーダンスの関
数としてその間に電流が流れる。

一方、ｐ型領域３２と小板３０とにより作られるｐ−ｎ
結合は逆バイアスされるため、負荷３７を流れる電流は
存在しない。

光を照射すると、電子正孔対が検出器内に発生する。

印加電界の影響により、正孔は半径方向に外側に向かっ
てドリフトし、ｐ型領域に集まり、出力負荷内に電流を
発生させる。

電子は検出器の中心に集まり２つの旦１領域を循環する
電流を増加させる。

電子電流は出力負荷を通して流れることはない。

したがって、領域３１．３０，３２は有効な光電流を発
生する逆バイアスのｎ十−ｎ−ｐ接合と考えられる。

上述の円形配置により半径ｒの関数として減少する半径
方向を向く電界Ｅ （ｒ）が発生する。

詳しく言えば、 ここに、ＥＲはＰ型領域の電界である。

正孔の速度は（５）式のＥ（ｒ）と正孔移動度μｐの積
となる。

したがってｒで発生する正孔は速度μｐＥ（ｒ）で外側
にドリフトし、Ｒにおける電極に達する時間は次式で与
えられる。

（５）式をＥ（ｒ）に代入した後積分を実行すれば、次
式を得る。

第（２）式および第（３）式から半径ｒの位置に入射す
るモードに対するモード遅延は次式となる。

完全に等化するためには、キャリアのドリフト時間７と
モード遅延８の和はすべてのモードに対して同じ値でな
ければならず、この時半径ｒに無関係になる。

和τ、十τの半径に依存する頂は以下の如くにＥＲを選
ぶと消滅する。

中心領域の正孔に対して適当な速度を与えるためには、
非常に大きな電界とポテンシャルが必要である。

バイアス電圧が余りに大きくなることを避けるため、領
域３１０半径すは中心電界およびポテンシャルが適当な
範囲に入るとともに同時にｂ内の盲点領域の正孔の損失
が許容範囲内に入るようにする。

（この観点から、再結合によって中心において発生する
正孔のほとんどが拡散により外周に到達することが防止
されることに注目される。

）Ｅ（ｒ）を積分することにより其とＲの間に印加すべ
き必要な電圧が与えられる。

ドリフト検出器によりモード遅延が修正されても、遅延
歪を発生させる３つの要因がまだ残されている。

これは、（１）発光ダイオードが搬送波源である場合に
２，５キロメートルのファイバーにおいて１０ナノ秒に
達する遅延を発生せしめる周波数の関数としてのファイ
バー芯の材料の分散、（２）あるモードの遠隔電磁界の
正確な角度θまわりの角度の拡がり、を含む。

これにより検出器内のこのモードにより発生するキャリ
アの一時的波がりが生ずる。

そして、第３にｐ型領域方向にドリフトするにつれて生
ずるキャリアの拡散である。

これら３原因の結合された効果による全遅延歪は導波モ
ードの群遅延速度の差により発生する遅延歪よりもほぼ
１オーダー小さい。

したがって、本発明により有意な改善を行なうことがで
きる。

以下の数値例は発光ダイオードを送信器として用いる多
重モード・システムに使用される検出等化器の１つの特
定の設計例を示すものである。

以下の数値を仮定する： ファイバー長Ｌ ＝ ２．５キロメートル芯半径ａ−２
５ミクロン 最大角度０ｍａｘ−”４ラジアン 芯層折率ｎ＝１．５ 検出器半径Ｒ＝２ミリメートル 正孔移動度μｐ−４４０平方センチメートル毎ボルト秒 盲点半径ｂ ＝ ０．４ミリメートル ｏｍａＸを第（２）式に代入すると、全モード遅延（無
補償）は、次式で与えられる。

τ−５１５ナノ秒 策４）式からファイバ一端と検出器との距離は次のよう
になる。

Ａ＝５ミリメートル 第（９）式は周辺での電界強度を決定する。

ＥＲ＝５１０ボルト毎センナメートル ｂ ＝ ０．４ミリメートルより、 η−０，９６ そして、第（１０）式から印加電界は次のようになる。

Ｖ＝１６５ボルト 特定の材料を指定するならば、適当な量の燐をドープし
たシリコンをｎおよびｎ十領域を作るために使用できる
。

Ｐ型領域はアルミニウム合金で作り得る。

ｎ−領域に２００オ一ム毎センチメートルの抵抗を与え
るのに充分なドナー密度を与えると、約１５ミリアンペ
アの電流が２領域の間を流れる。

ドリフト電圧Ｖに加えて、領域３２と３３の間にもバイ
アスが必要である。

」型領域がなだれ増倍を起すよう設計されていると、こ
のバイアス電圧はＶと同じオーダーとなる。

上述の光検出等化器の効率は、ファイバー軸に沿って中
心に設置され、ファイバー軸と直交する面内にあり、さ
らに第（４）式で与えられる距離Ａだけファイバーと離
れて配置される時最大となる。

適当な位置と方向は非コヒーレント・パルス源によ′リ
ファイバーを照射し、最も幅の狭い出力パルスが得られ
るまでファイバーに対する検出器の位置を変化させるこ
とにより通常は実現される。

次に検出器とファイバーは永久的に接続されるよう結合
される。

この工程は検出器が直接使用ファイバーの一端に接続さ
れる場合に行なわれる。

あるいは、検出器がファイバーの小部分に結合される場
合には、配置および結合工程はＴ場において行なわれる
。

後者の配置例は第４図に示されており、検出器４０とフ
ァイバーの短小部分４１はポツティング材４２により結
合される。

導線４３により適当なバイアス電源と出力負荷が検出器
に接続される。

ファイバーの一部４１は次に使用ファイバーの端子に結
合される。

周囲の光から保護するため、検出器は動作時には不透過
性の被覆内に置かれる。

このような装置が使用される場合にはその大きさは小さ
くまた非常に多数であるので、光ファイバー・ケーブル
の終端を収容する共通の被覆は各検出器の各々に対して
独立した光保護被覆を使用することが好ましい。

この発明は多重モード・オプティカル・ファイバー内の
遅延歪を等化する内部に遅延をもつ新たな光検出器を明
らかにするものである。

この装置は既知の光ダイオードと半導体遅延線路の利点
を１個の半導体小板において結合したものである。

以下要約すれば本発明は以下の１つ又はそれ以上の特徴
を持つものである。

（１）第１の伝導型の光応答性半導体材料の小板３０、
小板とｐ−ｎ接合を作る逆の伝導型をもつ半導体材料か
らなる第１円形領域３２、および上述の半導体材料とオ
ーム接触を形成する装置３５からなるオプティカル・フ
ァイバーの一端から放射される光波を検出しかつファイ
バーにより発生する遅延歪を補償する検出等止器におい
て、第１オーム接触３１．３４は第１円形領域の中心に
小板の一領域上に作られ、第２のオーム接触３３，３６
は第１円形領域より犬なる半径の小板上の第２円形領域
に沿って作られ、そして第１円形領域と第１オーム接触
の間の小板面は光波エネルギーに露光されることを特徴
とする検出等化器。

（２）第（１）項による検出等化器において、第１およ
び第２オーム接触はそれぞれ第１の伝導型の半導体材料
の円形領域３Ｌ３３からなり、小板３０および各円形領
域上の円形オーム接触３４゜３６よりも伝導度の高いこ
とを特徴とする検出等化器。

（３）第（１）項による検出等化器において、第１伝導
型の半導体材料はｎ型材料であることを特徴とする検出
等化器。

（４）第（１）項による検出等化器において、電源３８
゜３９は第１オーム接触３１．３４に対して第１円形領
域３２を逆バイアスするよう結合され、出力負荷３７は
第１円形領域３２に結合されることを特徴とする検出等
化器。

（５）第（１）項による検出等化器において、第１およ
び第２オーム接触間に電流を流すよう電圧が印加され、
電圧は以下の如くに与えられることを特徴とする検出等
化器。

また、ＥＲは第１円形領域３２における電界であり、Ｒ
は第１円形領域３２０半径、そしてｂは第１オーム接触
３１，３４０半径である。

（６）第（１）項による検出等化器において、オプティ
カル・ファイバーの一部が結合されることをさらに特徴
とする検出等化器。

【図面の簡単な説明】

第１図は多重モード光通信システムのブロック・ダイア
グラムを示す図、第２図は多重モード・オプティカル・
ファイバーの出力端とファイバーにより放出される光波
エネルギーの放射パターンを示す図、第３図は本発明に
よる検出等化器を示す図、そして第４図はオプティカル
・ファイバーの一部に結合される検出等化器を示す図で
ある。 〔主要部分の符号の説明〕、３０・・・・・・小板、３
２・・・・・・第１円形領域、３５・・・・・・第１円
形領域とオーム接触を形成する手段、３１ 、３４・・
・・・・第１のオーム接触、３３，３６・・・・・・第
２０オーム接触。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 第１の導電形の光応答性半導体材料の小板、該小板
   とｐ−ｎ接合を形成する該第１の導電形とは逆の導電形
   の半導体材料からなる第１円形領域、及び 前記第１円形領域を形成する半導体材料とオーム接触を
   形成する手段を備え、 オプティカル・ファイバーの一端から放射される光波エ
   ネルギを検出しかつ該ファイバーにより発生する遅延歪
   を等化する検出等止器において、第１円形領域の中心の
   小板の一領域上に形成された第１のオーム接触、及び 第１円形領域より半径が大きい該小板の第２円形領域に
   沿って形成された第２のオーム接触を備え、 そして第１円形領域と第１オーム接触との間の小板の表
   面は光波エネルギーで露光されることを特徴とする検出
   等化器。 ２、特許請求の範囲第１項記載の検出等化器において、 オプティカル・ファイバーのセグメントが該検出等化器
   に結合されることを特徴とする検出等化器。