(57)【要約】      （修正有）【課題】飛行時間測定を通じて対象物の距離を決定するために、光パルスが対象物から反射され、検出されるＬＩＤＡＲにおいて、ノイズが信号と比べて同じ大きさまたはより大きい状況において、信号（複数のパルス）を抽出する方法を提供する。【解決手段】エミッタであって、エミッタは複数のパルスを出力するように適合され、複数のパルスは第１の時間パターンに構成される、エミッタと、複数のパルスを受信するように適合された受信器と、第１のパターンと、受信された複数のパルスとの間の相関をとって、相関があるパターンを出力するように適合された相関器と、を備える。【選択図】図１
2020076773.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エミッタであって、前記エミッタは複数のパルスを出力するように適合され、前記複数のパルスは第１の時間パターンに構成される、エミッタと、
前記複数のパルスを受信するように適合された受信器と、
前記第１のパターンと前記受信された複数のパルスとの間の相関をとって、相関があるパターンを出力するように適合された相関器と
を備える調査システム。
【請求項２】
前記受信器は、単一光子アバランシェフォトダイオードである、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記第１の時間パターンは、前記第１の時間パターン内の反復したサイクルを避けるパターンである、請求項１または２に記載のシステム。
【請求項４】
前記エミッタおよび受信器は、前記受信器が対象物から反射されたパルスを検出するように構成され、前記相関器は、前記相関があるパターンから前記複数のパルスの飛行時間を抽出するように適合される、請求項１乃至３のいずれかに記載のシステム。
【請求項５】
前記システムは、前記対象物の位置を決定するために前記飛行時間を用いることによってＬＩＤＡＲシステムとして構成される、請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
前記システムは、対象物が空間的に走査されることを可能にするように、前記複数のパルスを誘導するための機構をさらに備える、請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前記システムは、異なる時間パターンを有する複数のパルスを射出するようにそれぞれが構成されたエミッタのアレイをさらに備え、前記相関器は、前記異なるパターンのそれぞれと、前記受信された複数のパルスとの間の相関をとるように適合される、請求項４または５に記載のシステム。
【請求項８】
前記複数のパルスの各パルスの幅は、１０〜１０００ｐｓの間である、請求項１乃至７のいずれかに記載のシステム。
【請求項９】
パルス間の最小間隔は、１０〜１０００ｐｓである、請求項１乃至８のいずれかに記載のシステム。
【請求項１０】
前記相関器は、デジタル位相相関を用いて、前記第１のパターンと、前記受信された複数のパルスとの間の相関をとるように適合される、請求項１乃至９のいずれかに記載のシステム。
【請求項１１】
前記第１の時間パターンは時間とともに変化される、請求項１乃至１０のいずれかに記載のシステム。
【請求項１２】
複数の調査を行うように適合され、前記エミッタは各調査のために複数のパルスを射出し、前記第１の時間パターンは各調査ごとに変化する、請求項１乃至１１のいずれかに記載のシステム。
【請求項１３】
前記エミッタおよび前記受信器は、機械的可動プラットフォーム上に取り付けられる、請求項１乃至１２のいずれかに記載のシステム。
【請求項１４】
可動反射器をさらに備え、ここにおいて、前記反射器は前記複数のパルスを対象物に方向付け、前記対象物から反射されたパルスを前記受信器に方向付けるように位置決めされ、前記反射器は前記対象物が走査されることを可能にするように可動である、請求項１乃至１２のいずれかに記載のシステム。
【請求項１５】
前記エミッタはワイドビームを射出するように適合され、前記受信器は受信器のアレイを備える、請求項１乃至１２のいずれかに記載のシステム。
【請求項１６】
前記エミッタは方向付け可能なエミッタであり、前記受信器は広いエリアからの信号を受信するように適合される、請求項１乃至１２のいずれかに記載のシステム。
【請求項１７】
エンコーダをさらに備え、前記エンコーダは、量子情報を用いて前記複数のパルスを符号化するように適合され、前記システムは、前記量子情報を復号するように適合されたデコーダをさらに備える、請求項１乃至１６のいずれかに記載のシステム。
【請求項１８】
前記相関器は、前記相関測定から前記パルスの前記飛行時間を決定するように適合され、前記システムは、前記飛行時間を用いて復号するための前記パルスを識別するようにさらに適合される、請求項１７に記載のシステム。
【請求項１９】
前記エンコーダは、偏光または位相を用いて前記パルスを符号化することによって、前記パルスに対して量子情報を符号化するように適合される、請求項１７に記載のシステム。
【請求項２０】
複数のパルスを射出することであって、前記複数のパルスは第１の時間パターンに構成される、射出することと、
前記複数のパルスを受信することと、
前記第１のパターンと、前記受信された複数のパルスとの間の相関をとって、相関があるパターンを出力することと
を備える、シーンを調査する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に記載の実施形態は、調査システムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
飛行時間測距（time of flight ranging）および３Ｄ走査を行うことができるものなどの調査システムは、需要が高い。ＬＩＤＡＲは、パルスが目標に到達するのにかかる時間を測定するための測量に用いられるシステムの一例である。
【０００３】
それは多くの異なるタスクに適用され、３Ｄ走査を行うために用いられ得る。かかる技術は、静的および非静的問題の両方に適用され得る。例えば、ＬＩＤＡＲは自動運転車（autonomous vehicles）の制御に用いられ得る。
【図面の簡単な説明】
【０００４】
【図１】図１は、一実施形態によるシステムの概略図である。
【図２（ａ）】図２（ａ）は、図１の実施形態の原理を示すシステムの動作における段階を示す図である。
【図２（ｂ）】図２（ｂ）は、図１の実施形態の原理を示すシステムの動作における段階を示す図である。
【図２（ｃ）】図２（ｃ）は、図１の実施形態の原理を示すシステムの動作における段階を示す図である。
【図３】図３（ａ）は、強い信号パルスを有する合成信号に関する時間に対する光強度のプロットであり、図３（ｂ）は、線形モードで処理された図３（ａ）の合成信号を示す図であり、図３（ｃ）は、ガイガーモードで処理された図３（ａ）の合成信号を示す図であり、図３（ｄ）は、図３（ｂ）の処理の出力を示す図であり、図３（ｅ）は、図３（ｃ）の処理の出力を示す図であり、図３（ｆ）は、弱い信号パルスを有する合成信号に関する時間に対する光強度のプロットであり、図３（ｇ）は、線形モードで処理された図３（ｆ）の合成信号を示す図であり、図３（ｈ）は、図３（ｇ）の処理の出力を示す図であり、図３（ｉ）は、ガイガーモードで処理された図３（ｆ）の合成信号を示す図であり、図３（ｊ）は、図３（ｉ）の処理の出力を示す図である。
【図４】図４は、複数の変化する時間パターンのプロットである。
【図５（ａ）】図５（ａ）は、どのようにエミッタおよび受信器がシーンの異なる部分に向かって方向付けられ得るかの変形形態を示す図である。
【図５（ｂ）】図５（ｂ）は、どのようにエミッタおよび受信器がシーンの異なる部分に向かって方向付けられ得るかの変形形態を示す図である。
【図５（ｃ）】図５（ｃ）は、どのようにエミッタおよび受信器がシーンの異なる部分に向かって方向付けられ得るかの変形形態を示す図である。
【図５（ｄ）】図５（ｄ）は、どのようにエミッタおよび受信器がシーンの異なる部分に向かって方向付けられ得るかの変形形態を示す図である。
【図６】図６は、量子セキュリティを用いた一実施形態によるシステムを示す図である。
【図７】図７は、本明細書に記載の実施形態のシステムとともに用いられ得る受信器の概略図である。
【図８】図８は、本明細書に記載の実施形態のシステムとともに用いられ得るエミッタの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【０００５】
一実施形態では、
エミッタであって、前記エミッタは複数のパルスを出力するように適合され、複数のパルスは第１の時間パターンに構成される、エミッタと、
複数のパルスを受信するように適合された受信器と、
第１のパターンと受信された複数のパルスとの間の相関をとって、相関があるパターンを出力するように適合された相関器と
を備える、調査システムが提供される。
【０００６】
上記の実施形態は、ＬＩＤＡＲのために用いられ得る。知られているＬＩＤＡＲにおいては、飛行時間測定を通じて対象物の距離を決定するために、光パルスが対象物から反射され、検出される。
【０００７】
上記の実施形態では、ＬＩＤＡＲパルスは複数のパルスに分割される。これらの複数のパルスはあるパターンを有する。該パターンは、第１のパターンと、受信された複数のパルスとの相関が、飛行時間が抽出されることを可能にするように設計される。
【０００８】
後に説明されるように、上記の方法を用いることによって、ノイズが信号と比べて同じ大きさまたはより大きい状況において、信号（複数のパルス）を抽出することが可能である。
【０００９】
一実施形態において、受信器は、例えば入力光子がアバランシェを引き起こすトリガー型受信器である。例えば受信器は、ガイガーモードで動作する能力を有することができる。受信器は、単一光子アバランシェ検出器（single photon avalanche detector）であり得る。
【００１０】
一実施形態において、第１の時間パターンは、第１のパターン内の反復したサイクルを避けるように選択される。他の実施形態において、候補の第１の時間パターンが生み出され、このパターンは次いで自己相関がとられ、自己相関がとられたパターンが単一のピークが支配的である場合、候補パターンは第１の時間パターンとして選択される。
【００１１】
一実施形態において、エミッタおよび受信器は、受信器が対象物から反射されたパルスを検出するように配置され、相関器は、相関があるパターンから複数のパルスの飛行時間を抽出するように適合される。
【００１２】
上記で述べられたように、システムは、対象物の位置を決定するために飛行時間を用いることによってＬＩＤＡＲシステムとして構成される。
【００１３】
システムは、対象物が空間的に走査されることを可能にするように、複数のパルスを誘導するための機構をさらに備え得る。システムは、異なる時間パターンを有する複数のパルスをそれぞれが射出するように構成されたエミッタのアレイをさらに備えることができ、相関器は、異なるパターンのそれぞれと、受信された複数のパルスとの間の相関をとるように適合される。異なる時間パターンは、互いの相関を避けるように選択されるべきである。
【００１４】
上記の実施形態のすべてにおいて、複数のパルスの各パルスの幅は、１０〜１０００ｐｓの間でよい。パルス間の最小間隔（minimum separation）も、１０〜１０００ｐｓの間とすることができる。
【００１５】
相関器は、デジタル位相相関を用いて、第１のパターンと、受信された複数のパルスとの間の相関をとるように適合され得る。例えば、以下のタイプの相関である。  
【数１】
2020076773.tif 000003
ここで、Ｃは出力相関、ｓおよびｒはそれぞれ第１のパターンおよび受信されたパルスパターンのフーリエ変換、Ｆ-1は逆フーリエ変換関数、および［・］はアダマール積演算子である。
【００１６】
一実施形態において、第１の時間パターンは時間とともに変化される。他の実施形態において、システムは複数の調査を行うように適合され、エミッタは各調査のために複数のパルスを射出し、第１の時間パターンは各調査ごとに変化する。
【００１７】
エミッタおよび受信器は、機械的可動プラットフォーム上に取り付けられる。他の実施形態において、システムは可動反射器を備え、該反射器は複数のパルスを対象物に方向付け、対象物から反射されたパルスを受信器に方向付けるように位置決めされ、反射器は対象物が走査されることを可能にするように可動である。
【００１８】
他の実施形態において、エミッタはワイドビームを射出するように適合され、受信器は受信器のアレイを備える。例えば、点ビームは、点ではなくシーンのエリアを照射するように、レンズなどを通じてビーム拡大を受ける。
【００１９】
他の実施形態において、エミッタは方向付け可能なエミッタであり、受信器は広いエリアからの信号を受信するように適合される。
【００２０】
システムはまた、量子セキュリティの層とともに用いられ得る。ここでは、システムはエンコーダをさらに備え、該エンコーダは、量子情報を用いて複数のパルスを符号化するように適合され、該システムは、量子情報を復号するように適合されたデコーダをさらに備える。
【００２１】
上記において、相関器は、相関測定からパルスの飛行時間を決定するように適合され得、システムは、飛行時間を用いて復号するためのパルスを識別するようにさらに適合される。エンコーダは、偏光または位相を用いてパルスを符号化することによって、パルスに対して量子情報を符号化するように適合され得る。
【００２２】
上記の量子構成は、ＬＩＤＡＲシステムの動作に関わらず、例えばＢＢ８４、Ｂ９２などを用いて、量子セキュア通信を実施するために用いられ得る。一実施形態において、復号されるべきパルスを識別するために、飛行時間測定が用いられる。従って、他の実施形態では、量子通信システムが提供される。このようなシステムは、送信および反射構成の両方において動作することができる。
【００２３】
他の実施形態では、
複数のパルスを射出することであって、複数のパルスは第１の時間パターンに構成される、射出することと、
複数のパルスを受信することと、
第１のパターンと、受信された複数のパルスとの間の相関をとって、相関があるパターンを出力することと
を備える、シーンを調査する方法が提供される。
【００２４】
システムの概観は図１に示される。システムは、対象物７の光を受信器１５内に反射するように位置決めされた光送信器１を備える。
【００２５】
このシステムは、反射測定のために構成されるが、後に述べられるようにシステムはまた送信測定のために用いられ得る。
【００２６】
図１に示されるようなシステムにおいて、時間の関数としてのデジタル入力パターン３が生成される。一実施形態においてパターンは、周期的な信号がないように設計され、この点に関してランダムであると見なされ得る。一実施形態において、生成されたパターンは、パターンの自己相関がテストされるように選択され、自己相関がとられた出力がゼロにおけるピークが支配的ではない場合は、パターンは拒絶される。自己相関がとられた信号内の他の強いピークの存在は、パターン内の周期的特徴の存在を示唆する。また、一実施形態において、パターンはパルスのパターンを射出するようになる他のシステムとの相関を避けるように選択される。
【００２７】
パルスのパターン３は、光送信器１の出力を切り換えるように光送信器１への入力として用いられる。光送信器１は例えば、目に安全な限界内の時間平均されたパワーで、１５５０ｎｍにおいて射出するレーザである。
【００２８】
光送信器からの出力５は、光パルスの時系列からなる信号パターンである。各光パルスの幅は、１０〜１０００ｐｓの領域内で、精度を改善するために小さくするべきである。一実施形態において、パルス間の最小間隔に対応する期間は、１ＧＨｚの反復周波数と等価な、１ｎｓ程度である。
【００２９】
この実施形態において、出力パターンは対象物７またはシーンに向かって方向付けられ、反射された信号９は受信器１５に向かって戻る。反射された出力信号の信号パワーは、空気および散乱されたビームの発散によって減衰される。また、例えば他の送信器１１、および太陽光などの周辺光１３からの他の光も受信器１５に到達し得、合成受信された信号１９を形成する。
【００３０】
一実施形態において、受信器１５はガイガーモードで動作する。一実施形態において受信器は、降伏電圧より高くバイアスされたＩｎＧａＡｓアバランシェフォトダイオードである。受信器は、光子が検出されたとき、「クリック」または正の出力を発生する。デジタル出力パターン１７は、これらの「クリック」の時系列であり、および反射された信号９、他の信号１１、および周辺光１３からの寄与を含む。この段階ではノイズはフィルタ除去されない。破線のパルスによって示されるように、いくつかの光子は、装置の不完全な検出効率、または減衰により失われる。いくつかの余分なパルスが、周辺光および／または、例えばＡＰＤ内の望ましくない自発的アバランシェからのダークカウントにより追加される。
【００３１】
デジタル相関装置２１は、次いで時間遅延２３の関数として相関振幅を生成するように、デジタル入力パターン３と、デジタル出力パターン１７とに信号処理を行う。相関データの最大値の識別は信号パターンの飛行時間を識別し、それから対象物７までの距離が計算され得る。
【００３２】
上記のシステムは、デジタルＬＩＤＡＲシステムとして動作され得る。
【００３３】
図２（ａ）から２（ｃ）は、図１の実施形態の原理を示すシステムの動作における段階を示す。
【００３４】
図２（ａ）は、２００期間時間ウィンドウにわたって２０個のパルスを含んだ、ランダムに生み出されたデジタル入力パターンを示す。時間基準はパルス当たり１ｎｓに設定される。
【００３５】
図２（ｂ）は、ガイガーモード受信器によって検出された、出力パターンのシミュレーションを示す。信号パターンの時間遅延は、９３０ｐｓに設定され、検出器が作動する確率が０．５となるように損失（loss）が追加される。この値は、１個の光子のみの入力光束を有する最新技術のＡＰＤに対して現実的であり、２０個の信号パルスのうちの約１０個だけが検出されることを意味する。次に、他のエミッタ、周辺光、またはダークカウントからのものであり得る、ランダムノイズが追加される。ノイズカウント確率は、０．０１／ｎｓに設定される。これは通常の検出器ダークカウントレートよりずっと高く、２０００ｎｓの計算にわたって平均で２０個のノイズカウントが検出されることを意味し、信号からのものより２倍だけ超える。
【００３６】
図２（ｃ）は、シミュレートされた信号（図２（ａ））の相関を示し、およびデジタル出力（図２（ｂ））パターンは相関がとられた。多くの技法が用いられ得る。この例において位相相関手順は、以下のように用いられる。  
【数２】
2020076773.tif 000004
ここで、Ｃは出力相関、ｓおよびｒはそれぞれソースおよび受信されたパターンのフーリエ変換、Ｆ-1は逆フーリエ変換関数、および［・］はアダマール積演算子である。
【００３７】
図２（ｃ）に示される相関において、９３０ｎｓの正しい遅延において明瞭なピークが見られ、これは対象物までの飛行時間は、弱い受信された信号に対しても、および強いノイズの存在においても識別され得ることを示す。
【００３８】
図３（ａ）は、合成信号に対する時間に対する光強度のプロットである。ここで、強いＬＩＤＡＲパルス５１の形での強いエミッタ信号が存在する。図１の実施形態での受信器は、線形モードではなくガイガーモードで動作される。
【００３９】
線形モードで動作するのではなくガイガーモードで動作する受信器の利点が、図３（ａ）から３（ｊ）を参照して説明される。例えば近くの対象物からの、強い受信されたＬＩＤＡＲパルス５１に対しては、図３（ｂ）に示されるような線形モード検出は、実質的にノイズのない出力を作り出すために、弁別器レベル（破線）を適切に設定することによって、信号とノイズとを区別することができる。同様な光学的条件のもとで図３（ｃ）に示されるようなガイガーモードでは、より弱い周辺光またはダークカウントによる検出器作動の有限の確率により、追加のノイズが出力に持ち込まれる。図３（ｂ）の線形モード測定からの出力は図３（ｄ）に示され、閾値を超える信号は出力パルスとして示される。図３（ｅ）は、図３（ｃ）のガイガーモード測定からの出力を示す。図３（ｄ）の場合と異なるが、受信器からの出力信号上にノイズ（ラベル付けされているように）が存在することが留意されるべきである。しかし、この方式においてノイズは、システムの後の時点で、デジタル相関の間に除去される。
【００４０】
弱い受信されたＬＩＤＡＲパルス、例えば、図３（ｆ）に示される信号に対しては、ＬＩＤＡＲ信号強度は周囲レベルと同様である。従来の、例えば図３（ｇ）に示される閾値で動作する線形モード検出器は、もはや信号とノイズレベルとを見分けることができず、図３（ｈ）に示されるように出力が存在しない。図３（ｉ）に示されるガイガーモードに関しては、単一の光子が受信されたときに検出器が作動することになる有限の確率が依然としてあり、感度はガイガーモードで動作するときのアバランシェからの大きな利得により、ずっと大きい。従って信号パルスのいくつかは、相関および分析のために適した出力を作り出すように、図３（ｊ）に示されるようにある程度のノイズを有して検出される。
【００４１】
図４は、どのようにランダム信号パターンが各サイクルごとにリフレッシュされ得るかを示す。これは、反射されたＬＩＤＡＲ信号を偽装することを望むハッカーには、予めパターンが分からないようになるので、セキュリティを改善する。それはまたサイクルの間の干渉を低減することができ、例えばシステムは、後続のパルスを射出するために、最大範囲に対応する時間に達するまで待つ必要がない。
【００４２】
図４は、複数の相異なるパルスパターンがある場合の出力を示す。しかし、また連続して変化するパターンが存在することも可能である。パターンが連続的である場合、相関段階は最適な性能のために調整されなければならない。例えば、信号パターンのサブセットは、反射された信号が受信器によって記録される範囲内となるように、デジタル相関器に入力され得る。
【００４３】
図５（ａ）から５（ｄ）は、どのようにエミッタおよび受信器がシーンの異なる部分に向かって方向付けられ得るかの変形形態を示す。
【００４４】
図５（ａ）において、図１に関連して述べられたタイプの全体のシステム１０１は、機械的可動プラットフォーム１０３上に取り付けられる。取り付けられた機械的可動プラットフォーム１０３は、送信器および受信器を方向付けるためにシステム１０１を傾けることができる。
【００４５】
図５（ｂ）は固定された送信器および受信器１１１を示し、射出されたおよび受信された信号の進路を変えるように、ＭＥＭＳミラーなどの機械的に可動の反射器１１３を用いる。
【００４６】
図５（ｃ）は、大きなエリアを照らす能力を有する送信器１２１と、受信された光の起点を解像することができる複数の受信器を備えた受信器アレイ１２３とを示す。例えばＡＰＤの２Ｄアレイおよびレンズである。
【００４７】
図５（ｄ）は、広いシーンを観測するように適合された受信器１３１と、所望の位置に方向付けられて射出することができる送信器１３３とを示す。このような送信器の例は、フェーズドレーザアレイである。
【００４８】
図６は、量子セキュリティが追加されたデジタルＬＩＤＡＲシステムを示す。原理は、パルス当たりの射出された光子が約１個未満であるように送信器パワーが用いられる場合、パルスシーケンス上に符号化された鍵をコピーしようとする試みは、量子複製不可能定理により失敗することになり、攻撃に対してシステムを保護する。
【００４９】
図６（ａ）においてランダム入力パターン２０３は、図１で述べられたのと同じやり方で作り出され、適切な強度の光パターン２０５を作り出すように光送信器２０１に送られる。光パターン２０５は、次いで光エンコーダ２０７を用いて量子情報によって符号化される。この例において光エンコーダ２０７は、偏光符号化を用いる。ランダムデジタル入力鍵２０９および基底シーケンス２１１は、示されるように偏光に変換され、ここでＤ、Ａ、ＬおよびＲは、対角、反対角、左、および右円偏光状態を表す。この手順はＱＫＤの分野において知られている。符号化されたパターン２１３は、次いで対象物／シーン２１５に向かって送信される。
【００５０】
減衰された反射されたパターン２１７は、光デコーダ２１９によって受信される。これは、ランダムに選ばれた基底ＤＡまたはＲＬにおいて各入力パルスを復号し、０および１の光パルスをそれぞれ２つの検出器２２１および２２３に出力する。両方の検出器からの出力は次いで、図１に関連して説明されたように、受信された信号内の入力パターンの時間遅延を識別するために、デジタルパターン相関器２２５に送られる。これはＴＯＦ測定を可能にする。
【００５１】
ＴＯＦ測定を認定するために、時間的にふるい分けされた出力鍵を作り出すために、期待される信号光子に対応する時点での検出器出力のみが保持される。この例において、下線付きの鍵値は、それの測定値がそれの符号化のものと一致しないので、基底選択として正しくないことが分かり得る。このような鍵値は、基底整合化フェーズの間の鍵処理の間に取り除かれる。
【００５２】
最終的な出力鍵を作り出すために、誤り訂正およびプライバシー増幅が、パターンまたはパターンのシーケンスに適用され得る。手順が成功した場合、ＬＩＤＡＲ反射は本物であると認定され、システムは安全である。
【００５３】
この実施形態の変形形態において、対象物２１５は取り除かれ、受信器システムは別の場所に配置される。例は航空機に対する地上の送信器、または衛星自由空間量子通信システムを含む。システムは、従って送信モードで動作する。この変形形態において、場所の間で転送されるデータを暗号化するために共有鍵が用いられ得る。デジタル相関構成要素の利点は、それが受信されたパターンのタイミングを同期するやり方をもたらすことであり、これはそれらの間の距離が急速に変化する場所に対して特に重要である。
【００５４】
図７は、受信器として用いられ得るデバイスのための製作順序の例を示す。この例において、受信器は、例えば英国特許出願公開第２５５１４８３号明細書で述べられているデバイスのタイプである。完全性のために、このデバイスの説明は以下に含まれる。
【００５５】
この例において、デバイスは、光子検出デバイスの一部であるアバランシェフォトダイオードである。デバイスは、半導体基板上に集積化されたアバランシェ増倍領域を有する検出領域を備える。
【００５６】
デバイスは、検出するように設計される光の波長に応じて、１つまたは複数の半導体材料から製作され得る。
【００５７】
各検出領域は、アバランシェ増倍領域を備える。各検出領域に対して、対応するコンタクトがある。この場合コンタクトはアノードコンタクトであるが、代替としてこれはカソードコンタクトであり得ることが理解されるであろう。各アノードコンタクトは、金属コンタクト領域３０８に接続される。
【００５８】
ヘテロ構造の基礎は基板３０１であり、その上に後続の層構造が製作される。基板は、例えばＩｎＰ基板でよい。
【００５９】
一様なヘテロ層、第２の層３０２は、基板３０１上に堆積される。第２の層３０２は、例えばドープされないまたは低濃度にドープされたｎ型ＩｎＧａＡｓ層でよい。
【００６０】
一様なｎ＋型ヘテロ層、高度にドープされた層３０４は、第２の層３０２上に堆積される。この層は、例えば高度にドープされたｎ型ＩｎＰ層でよい。
【００６１】
一様な層、第１の層３０３は、高度にドープされた層３０４上に堆積される。第１の層３０３は、例えばドープされないまたは低濃度にドープされたｎ型ＩｎＰでよい。
【００６２】
製作のこの段階でのデバイスの断面図は、ｉに示される。
【００６３】
高度にドープされたｐ型材料３０５のエリアは、第１の層３０３に組み込まれる。エリアは、Ｚｎ拡散によって、または代替として例えばガスイマージョンレーザドーピングもしくはイオン注入によって組み込まれ得る。
【００６４】
一実施形態において、ガードリング領域３０６を形成する、高度にドープされた材料の他のエリアも、第１の層３０３に組み込まれる。ガードリング領域は、高度にドープされた領域３０５と同じステップで、または別のステップで、および同じ方法によってまたは異なる方法によって形成され得る。
【００６５】
製作のこの段階でのデバイスの断面図は、ｉｉに示される。
【００６６】
代替的実施形態において、第１の層３０３および第２の層３０２はシリコンでよく、そこではｐ型およびｎ型ドーピングが、それぞれホウ素またはリン不純物を用いて達成され得る。デバイスは代替として、シリコン−ゲルマニウムヘテロ構造に基づく、または半導体のＩＩＩ−Ｖ族のいずれかに基づくものでよい。
【００６７】
代替的実施形態において、デバイスは、例えばガスイマージョンレーザドーピング、注入、または拡散によって中程度にドープされたｎ型ヘテロ層３０３に組み込まれた、高度にｎドープされた領域３０５を備える。
【００６８】
パッシベーション層３０７は、それぞれの高度にドープされた領域３０５の上の表面の部分を除く、デバイスの表面上に堆積される。パッシベーション層３０７は誘電体、例えば窒化シリコンまたは酸化シリコンでよい。
【００６９】
製作のこの段階でのデバイスの断面図は、ｉｉｉに示される。
【００７０】
各検出領域に対応する金属コンタクト領域３０８は、次いで、パッシベーション層の端部部分および高度にドープされた領域３０５の内側部分の外側部分上に堆積される。例えば、金属コンタクト領域３０８は、クロム／金二重層でよく、そこでは高度にドープされたｐ型領域はＩｎＰである。製作された層に対して、基板の反対面上の金属コンタクト領域は、異なる金属または半導体でよい。
【００７１】
製作のこの段階でのデバイスの断面図は、ｉｖに示される。
【００７２】
反射防止コーティング３０９は、高度にドープされた領域３０５の残りの部分上に堆積され得る。反射防止コーティング３０９の材料は、検出器に対して意図される光の波長に依存し得る。例えば、ＩｎＰをベースとする検出器に対しては、表面での反射が最小となるように、選択された厚さを有する窒化シリコンが用いられ得る。
【００７３】
製作のこの段階でのデバイスの断面図は、ｖに示される。
【００７４】
上記の例において、高度にドープされた領域３０５の２つの露出した部分があるので、２つの検出器が製作される。しかし、製作は１つの検出器だけのためにも用いられ得る。
【００７５】
一実施形態において、エミッタは分散型フィードバック（ＤＦＢ）レーザ、分散型ブラッグ反射器（ＤＢＲ）レーザ、またはリッジレーザでよい。
【００７６】
レーザは、格子領域を備え得る。格子領域は活性領域から分離されてよく、または活性領域は格子を備え得る。活性領域と格子とが分離したレーザは、ＤＢＲ（分散型ブラッグ反射器）レーザと呼ばれる。ＤＢＲは図８に示される。活性領域が格子を備えるレーザは、ＤＦＢレーザである。
【００７７】
ＤＢＲは図７（ａ）に示される。活性エリアは、マルチ量子井戸領域（ＭＱＷ）を備える。ＭＱＷ領域は、複数の量子井戸層を備える。レーザが１．５５μｍ動作のために構成される場合、ＭＱＷ領域は、例えばＡｌＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ、ＡｌＩｎＧａＡｓ／ＡｌＩｎＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓＰ／ＡｌＩｎＡｓ、またはＩｎＧａＡｓ／ＡｌＩｎＧａＡｓなどの材料の交互の層を備える。これらの層は、ＩｎＰ基板に対して格子整合される。
【００７８】
デバイスは基板４００を備える。基板の一方の表面上に、ｎコンタクト４２６がある。基板４００の反対面上を覆い、それと接触するのは、バッファ層４０６である。基板４００およびバッファ層４０６は、ともにｎ型層である。代替として、構造は、基板４００がｐ型層となるように反転され得る。これらの層は、ｎドープされたＩｎＰでよい。バッファ層４０６の上を覆い、それと接触するのは、ｎ型層４０８である。ｎ型層４０８は、ｎドープされたＩｎＰでよい。ｎ型層４０８のストリップの上を覆い、それと接触するのは、第１の導波路材料４１０ａである。第１の導波路材料４１０ａの上を覆い、それと接触するのは、ＭＱＷ層４１２である。ＭＱＷ層４１０の上を覆い、それと接触するのは、第２の導波路材料４１０ｂである。ストリップの両側で、およびｎ型材料４０８の上を覆い、それと接触するのはｐ型材料４１６であり、これはｐドープされたＩｎＰでよい。ｎ型層４１８は、ｐ型層４１６の上を覆い、それと接触し、およびｎドープされたＩｎＰでよい。ｐ型層４２０は、第２の導波路層４１０ｂおよびｎ型層４１８の上を覆い、それと接触し、およびｐドープされたＩｎＰでよい。ｐ型コンタクト層４２２は、ｐ型層４２０の上を覆い、それと接触する。一実施形態において、ｐ型コンタクト層４２２は高濃度にドープされたＩｎＰであり、すなわち層４２０より高いドーパント濃度を有する。ｐコンタクト金属４２４は、ｐコンタクト層４２２の一部の上を覆い、それと接触する。
【００７９】
図８の側面図に示されるように、ＭＱＷストリップはデバイスの長さに沿って延びる。ＭＱＷストリップの一部の上に、第１のｐ型コンタクト層４２４がある。光が射出される方向に沿って、第１のｐコンタクト４２４の下のストリップの一部の両側に、第２の導波路材料内に回折格子がある。
【００８０】
コヒーレント光源２０のＭＱＷストリップ内に光を発生させるように、第１のｐコンタクト４２４とｎコンタクト４２６の間に電流が印加される。レーザのＭＱＷストリップ内に生み出された光は、ＭＱＷ層に沿って射出される。光は、ｐ型層４１６によって横方向に閉じ込められ、導波路層４１０ａおよびｂによって縦方向に閉じ込められる。光はレーザの開口を通ってＭＱＷ層から出射し、開口は以下に述べられる。
【００８１】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【図１】
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【図２（ａ）】
2020076773.tif 000006
【図２（ｂ）】
2020076773.tif 000007
【図２（ｃ）】
2020076773.tif 000008
【図３】
2020076773.tif 000009
【図４】
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【図５（ａ）】
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【図５（ｂ）】
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【図５（ｃ）】
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【図５（ｄ）】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【外国語明細書】
2020076773000001.pdf