(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベース端子、コレクター端子及びエミッター端子を有するヘテロ接合バイポーラートランジスタを含む発振器と、前記ヘテロ接合バイポーラートランジスタに電気的に結合された能動誘導子と、を含む光学制御式発振器であって、
前記能動誘導子は、高電子移動度トランジスタ装置と、光電検出器と、前記能動誘導子を励起し且つ前記光電検出器の抵抗を光学的に変化させるための光学ポートと、前記光電検出器の抵抗を電子的に変化させるための第１のＤＣポートと、前記能動誘導子のバイアス電流を変化させるための第２のＤＣポートと、を含み、
前記光学ポート、前記第１のＤＣポート及び前記第２のＤＣポートにより、前記能動誘導子のインダクタンスを変化させることが可能であり、その結果、前記光学制御式発振器の周波数を変化させることを特徴とする光学制御式発振器。
【請求項２】
前記光電検出器は高電子移動度トランジスタで形成される、請求項１に記載の光学制御式発振器。
【請求項３】
前記光電検出器はピンダイオードで形成される、請求項１に記載の光学制御式発振器。
【請求項４】
前記ヘテロ接合バイポーラートランジスタはコレクターを接地して動作させる、請求項１に記載の光学制御式発振器。
【請求項５】
前記第２のＤＣポートは、バイアス電流源で形成される、請求項１に記載の光学制御式発振器。
【請求項６】
前記バイアス電流源は電流ミラーとして形成される、請求項５に記載の光学制御式発振器。
【請求項７】
前記高電子移動度トランジスタ装置は、カスケードに接続された２つの高電子移動度トランジスタで形成される、請求項１に記載の光学制御式発振器。
【請求項８】
前記光学制御式発振器はモノリシック集積装置として形成される、請求項１に記載の光学制御式発振器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する分野】
本発明は光学制御式発振器および光学受信器に関し、特に、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）、ヘテロ接合バイポーラートランジスタ（ＨＢＴ）、又はそのハイブリッド組合せで光学−電子集積回路（ＯＥＩＣ）として形成されるようになっており、或る実施形態では、集積ピンダイオードを有する同調可能な光学制御式発振器及び同調可能な光学受信器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光学−電子集積回路（ＯＥＩＣ）は、それらの比較的小さい寸法、重量及び周知のモノリシックマイクロ波集積回路（ＭＭＩＣ）に対して電磁干渉からの免疫性により、益々普及するようになっている。光学機能とＭＭＩＣ機能をモノリシック的に集積するいくつかの対策が知られている。このような例の１つは、１９９２年１月のマイクロ波ジャーナル３５巻６４〜７８頁、ピー．アール．ハーグズフェルドによる「モノリシックマイクロ波−光子集積回路；モノリシックマイクロ波集積回路への可能な追い掛け」に開示されている。多くの周知の対策はピンダイオード又はＭＥＳＦＥＴ、高電子移動度トランジスタ装置光電検出器を比較的低ノイズ、相互インピーダンス増巾器と集積することにもとづかれる。かかる装置は、通常ディジタル振幅変調データが検出されているので（即ちオン／オフ）、振幅変調検出に制限される。他の周知の光子検出／受容装置は２つの光学混合信号のうなり周波数でＭＥＳＦＥＴ／ＨＥＭＴ又はヘテロ接合パイポーラートランジスター能動装置を変調することにもとづかれる。このような装置の例は、１９９１年６月の「ＩＥＥＥマイクロ波及び誘導波レター」１巻第６、１３２−１３４頁、ディ．ブイ．プラント、デイ．シー．スコット、ディ．シー．ニイ、及びエッチ．アール．フェターマンによる「ＦＥＴの集積及びプリント回路アンテナにおける光学混合によるミリメーター波放射線の発生」に、１９９３年１２月の「核科学についてのＩＥＥＥ会報」４０巻、第６、１８５８−１８６６頁、ディ．マクモロウ、テイ．ウィーザーフォード、エー．アール．クヌドソン、エル．エッチ．トラン、シエイ．エス．メリンガー、及びエー．ビイ．カムプベエルによる高性能ヘテロ接合パイポーラートランジスター及びＧａＡｓＭＥＳＦＥＴの単一事象運動」に、１９９２年１月ＩＥＥＥ光電工学技術レター」４巻、第１、１０２−１０５頁、デイ．ブイ．プラント、ディ．シー．スコット、エッチ．アール．フェターマン、エル．ケイ．シャウ、ダブル．ジョーンズ、及びケー．エル．タンによる「単一光学アンテナ回路及びＭＭＩＣの両方と集積されたＡｌＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ高電子移動度トランジスタを使用する光学発生６０ＧＨｚミリメータ波」に開示されている。
【０００３】
他の周知の装置及びシステムは、ＧａＡｓｉＣｒ光電導性スイッチ、高電子移動度トランジスタ又はＩＭＰＡＴＴタクオードのような集積検出装置の光学照明による電子発振器の光学制御にもとづかれる。このようなシステムの例は、１９９２年１月「ＩＥＥＥマイクロ波及び誘導波レター」２巻第１、１１−１３頁、エッチ．エッチ．ウー、シー．エス．チャング、シー．エル．パンによる「レーザダイオードにもとづくＧａＡｓｉＣｒ光電導性ハーモニックミキサーによる１８ＧＨｚまでのマイクロ波信号のオプトー電子位相ロッキング」に、１９９２年５月、「ＩＥＥＥマイクロ波及び誘導波レター」２巻、第５、１７７−１７９頁、ダブル．デイ．シエミソン及びピー．アール．ハークズフェルドによる「光学制御式能動フィードバックを使用するパルスマイクロ波発振器」に、そして、１９９０年９月、「ＩＥＥＥ選択エリア及び通信」８巻、第７、１３８７−１３９６頁、ビー．エヌ．ビスワズ、エー．ケイ．ビハタチヤルヤ、ディ．シー．マクホパドハイアイ、及びエス．チャウドハーリィによる「ＩＭＰＡＴＴ発振器による検出光波信号の新しい可能性」に開示されている。
【０００４】
このようなシステムは、受けた信号の高い信号対ノイズ比に備えるとともに、光学制御式周波数変調計画のためのフォーマットを提供する。１９９０年９月、「ＩＥＥＥ選択エリア及び通信」８巻、第７、１２５７−１２６７頁、エム、マエダ、及びエム、ヤマモトによる「ＭＵＳＥ  ＨＤＴＶ信号のためのＦＭ−ＦＤＭ光学ＣＡＴＶ伝送実験及びシステム設計」と称する文献は、ＨＤＴＶ信号の衛星伝送用ＦＭ−ＤＦＭ  ＣＡＴＶのようなＦＭにもとづくシステムに使用するための光学／ディジタルＦＭ変調をもたらすシステムを開示する。
例えば、１９９２年、５月、「ＩＥＥＥマイクロ波及び誘導波レター」２巻第５、１７７−１７９頁、ダブル．デイ．シエミソン及びピー．アール．ハークズフェルドによる「光学制御式能動フィードバックを使用するパルスマイクロ波発振器」に開示されているように、光学制御式ＭＥＳＦＥＴ能動誘導子を使用するパルスマイクロ波発振器も知られている。ここに開示されているように、光学パルス信号は、能動ＦＥＴ装置を照明し、ＦＥＴ発振器のゲートに連結されるＦＥＴ能動誘導子の有効なインダクタンスを変える。光学パルスを加えることによって、安定状能の振動起動条件が誘導され或いは制御され、その結果、発振器を中断させたり中断させなかったりする。発振器のデジタルインチ及びアンインチは発振器起動条件のいき値で能動誘導子をＤＣバイアスし、振動を誘導するように能動誘導子を光学照明することによって達成される。このようなシステムは相当に良好な信号対ノイズ比と比較的急速な高低時間をもたらすけれども、このシステムはアナログ振幅変調（光の強さ）に順応せず、かつ、種々の程度の光の強さの光学アナログ検出手段又は光学周波数変調手段を提供しない。
【０００５】
本発明の目的は従来技術における種々の課題を解決する光学発振器及び光学受信器を提供することにある。
本発明の更に他の目的は、同調できる光学発振器及び光学受信器を提供することにある。
本発明の更に他の目的は、種々の程度の光の強さの光学アナログ検出用の光学発振器及び光学受信器を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
簡単に言えば、本発明は光電検出器として高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）又はピンダイオード及び能動誘導子として高電子移動度トランジスタ又はヘテロ接合バイポーラートランジスタ（ＨＢＴ）を利用する光学制御式発振器に関する。光学制御式能動誘導子は発振器の周波数を同調させるための装置を提供する。光学受信器は光電検出器を使用する光学同調可能な能動誘導子を有し、光電検出器は、光学光強さの検出により振動周波数を同調／シフトすることによって、発振器の光学デジタル又は改善された信号対ノイズ比をもつデジタル振幅変調検出又は光学周波数変調とアナログ振幅変調検出の両方を許す電子発振器の共振タンク回路に含められる。
【０００７】
本発明のこれらの目的及び他の目的は次の説明及び添付図面を参照して容易にに理解されよう。
【０００８】
【発明の実施形態】
図１−４は光学制御式発信器に関し、図６−８は図１−４に示す光学制御式発振器を有する光学受信器に関する。光学制御式発振器並びに光学受信器は両方とも例えば、ここに援用される、１９９４年１１月２日に出願された米国出願第０８／３３３，５３８号及び１９９６年７月３日に出願された米国特許出願第０８／６７５，２４８号に記載されているように、高電子移動度トランジスタ、ヘテロ接合バイポーラートランジスタ及びピンダイオードのモノリシック集積によって形成されるようになっている。本発明の重要な観点は、高電子移動度トランジスタ、ヘテロ接合バイポーラートランジスタ及びピンダイオードのモノリシック集積が比較的高いＱーファクター能動誘導子、低位相ノイズ発振器及び効率的な光検出器の準備をする。光制御式発振器並びに光受信器はまた、周知の光発振器よりも優れた性能のために、ヘテロ接合バイポーラートランジスタか高電子移動度トランジスタか２つの技術のハイブリッドの組み合わせのいずれかで形成することもできる。
【０００９】
図１を参照すると、全体的に参照番号２０で識別する光制御式発振器が簡略した略図で示されている。光制御式発振器２０は、比較的高いＱファクターの高電子移動度トランジスタ誘導子２２と、比較的低い位相ノイズのヘテロ接合バイポーラートランジスタ発振器２４とを有する。ヘテロ接合バイポーラートランジスタ発振器２４は、普通のコレクターヘテロ接合バイポーラートランジスタＱ1と、トランジスタＱ1をバイアスするための、抵抗器又は簡単な電流ミラーのいずれかで形成されたバイアス電流源ＩQ1と、ヘテロ接合バイポーラートランジスタＱ1のエミッタと出力端子Ｏｕｔとの間に接続された出力接続用コンデンサーＣoutとで形成することができる。ヘテロ接合バイポーラートランジスタＱ1のコレクター端子はアースに接続される。ヘテロ接合バイポーラートランジスタＱ1のエミッタとコレクターとの間に接続されたエミッタ分流コンデンサーＣeeは、ヘテロ接合バイポーラートランジスタＱ1のベースに負の抵抗を誘導するのに使用される。コンデンサーＣbeが、ＶEEＤＣ源からのＡＭ−ＰＭノイズ注入を阻止するために、ヘテロ接合バイポーラートランジスタＱ1のベースエミッター接合の前後に接続される。ヘテロ接合バイポーラートランジスタＱ1のベースには、好ましくは高電子移動度トランジスタ又は電界効果トランジスタの３端子装置として形成された能動誘導子が負荷される。高電子移動度トランジスタは、より高いＱファクタ能動誘導子特性を提供し、ヘテロ接合バイポーラートランジスタは、比較的低い発振器位相ノイズにする低１／ｆ装置位相ノイズ特性を提供する。
【００１０】
能動誘導子２２は、２つのＤＣ同調ポートＶtune1、Ｖtune2を備え、そのうちの一方は、能動誘導子のバイアス電流を変えるのに使用することができ、他方は、光検出器、例えば高電子移動度トランジスタ（ＦＥＴ）又はピンダイオード光検出器のバイアスを調整する事と関連して使用される。発信周波数を変えるために、ＤＣ同調ポートＶtune1及びＶtune2の両方を電気的に調整又は変調して、能動誘導子のインダクタンスの値を変える。能動誘導子２２はまた、光学周波数変調用の第３のポートを備え、このポートは、能動誘導子のインダクタンスの値、及び、光制御式発振器即ち能動誘導子共振回路２０によって定まる振動周波数を変調する光検出器装置の照明又は光学励起をシンボル化した非物理的ポートである。共振回路２０の振動周波数は、外部同調コンデンサーＣee及びＣbe、固有の装置ベースエミッター同調コンデンサーＣπ、及びＬactiveとして以下で識別される能動誘導子２２のインダクタンスによって設定される。共振回路２０の振動周波数は次の式によって与えられる。
【００１１】
【数１】
0003636418.tif 000002
【００１２】
ここに、ＣTEはヘテロ接合バイポーラートランジスタＱ1のベースエミッター遷移又は空乏キヤパシタンスであり、Ｇm1はヘテロ接合バイポーラートランジスタＱ1のｄｃ相互コンダクタンスあり、τF1はヘテロ接合バイポーラートランジスタＱ1を通る前方輸送時間である。図２は、光学制御式発振器の比較的もっと詳細な図である。この実施形態では、能動誘導子は、カスコード接続された高電子移動度トランジスタＭ２及びＭ３、フィードバックコンデンサーＣfe、及びコンデンサーＣ1及び可変抵抗器Ｒで形成された分路ＲＣネットワークで形成される。図１に示すブロックダイヤグラムに指示されていたＤＣバイアス電圧端子ポート及び非物理的光学入力ポートは、可変抵抗器Ｒ内に設けられている。
【００１３】
検出器エレメントは、全体の発振器回路に対する実際の機能を表す可変抵抗器によって表されている。可変抵抗器Ｒは、ピンダイオード又は高電子移動度トランジスタと、ＤＣバイアス電圧端子ポートと、非物理的光学入力ポートとで形成された光電検出器のインピーダンスを表す。光学照明又は光電検出器のｄｃバイアス変調により、光電検出器の有効抵抗を変え、その結果、能動誘導子の有効インダクタンスを変化させ、それに対応して、振動周波数を変化させる。Ｉinductorによって表された電流源バイアスにも、能動誘導子のバイアス電流を設定するための制御調整部が形成される。抵抗器Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3及びＲ4は、カスコード接続された高電子移動度トランジスタＭ２及びＭ３のゲートをバイアスするための電圧分割器をなす。ここに援用する、１９８９年、ＩＥＥＥ ＭＴＴ−Ｓ ダイジェスト、９５５−９５８頁、エス．ハラ、ティ．トクミツ、及びエム．アイカワによる「損失のない広帯域モノリシックマイクロ波能動誘導子」に開示されているように、能動誘導子の複雑なインピーダンスは次の式によって与えられる。
【００１４】
【数２】
0003636418.tif 000003
【００１５】
ここに、ＧｍHEMTは高電子移動度トランジスタ装置Ｍ２及びＭ３のコンダクタンスであり、Ｃgsは高電子移動度トランジスタ装置のゲート乃至電流源キャパシタンスである。式４から分かるように、光電検出器の有効インピーダンスの実数部Ｒの値を変えると、能動誘導子の有効インダクタンスを比例的に変化させる。ＤＣバイアスを調整することによって、或いは、検出装置を光学的に照明することによって、ピンダイオード又は高電子移動度トランジスタ装置のいずれかである光電検出器の有効インピーダンスの実数部を電子的に変えることができる。追加の電子同調は、電圧制御電流源の電圧調整を使用して、能動誘導子バイアス電流ＩINDUCTORを変えることによって達成され、かくして、ヘテロ接合バイポーラートランジスタ発振器の光学制御と電子制御の両方を行う。
【００１６】
図３は光電検出器／可変抵抗器として高電子移動度トランジスタを利用する光学制御式発振器の変形実施態様である。図３に示す実施形態は、可変抵抗器Ｒが高電子移動度トランジスタＭ4 、バイアス抵抗器Ｒ5 及びＲ6 、バイパスコンデンサーＣBYP1及び高電子移動度トランジスタチャンネル抵抗のＤＣ又はＲＦ変調のためのＤＣ同調電圧ポートＶtuneで置き替えられている以外図２と同様である。図２における電圧制御電流源ＩINDUCTORは、トランジスタＱ２及びＱ３、抵抗器ＲTUNE2 、及び同調電圧ポートＶTUNE2 を含む電流ミラーで形成される。一定電流源ＩQ1は、トランジスタＱ４、Ｑ７及び抵抗器Ｒ7 を含む電流ミラーで置き替えられる。この場合には、能動高電子移動度トランジスタ誘導子装置の複雑なインピーダンスは以下の式５で与えられる。
【００１７】
ここに、ＧｍHEMTは高電子移動度トランジスタＭ2 及びＭ3 であり、ＣGSは高電子移動度トランジスタＭ2 及びＭ3 のゲートから電流源のキャパシタンスであり、Ｇｍｄ（Ｉ）は、高電子移動度トランジスタ光電検出器Ｍ4 の光強さ（Ｉ）に依存する相互コンダクタンスである。
【００１８】
【数３】
0003636418.tif 000004
【００１９】
式５から分かるように、インピーダンスは光の強さ（Ｉ）の関数である。
光学制御式発振器の変形実施形態を図４に示す。この実施形態では、図２に示す光電検出器／可変抵抗器はピンダイオード光電検出器として実現される。特に、光電検出器はピンダイオードＤ1 、バイアス抵抗器Ｒ5 、バイパスコンデンサーＣBYP1、及びＤＣ同調電圧ポートＶTUNE1 で形成される。図４に示す回路の誘導子の複雑なインピーダンスは以下の式６で与えられる。
【００２０】
【数４】
0003636418.tif 000005
【００２１】
ここにＩは光の強さを表す。
図５は光電検出器として砒化ガリウム（ＧａＡｓ）高電子移動度トランジスタ装置を利用する砒化ガリウム高電子移動度トランジスタ／ヘテロ接合バイポーラートランジスタモノリシック光学発振器の光学応答を表す。図５に示すように、例えば、５ミリワットより小さい出力電力の６３０ー６７０ｎｍレーザープリンターでは、高電子移動度トランジスタの照明により、３６５ＧＨｚ乃至６．６３８ＧＨｚの振動周波数でほぼ１０％が減少する。この周波数変化は、高電子移動度トランジスタ検出器装置のＤＣゲート電圧が光学照明なしに一方の極値から他方の極値まで掃引されるときの最大周波数変化に相当する。
図６−８はモノリシック的に集積された光学受信器を示す。特に、図６−８に示す受信器は図１及び４に示す光学制御式発振器から発生されたＦＭ信号を処理するのに利用することができる。光学集積発振器の簡略な図式を図６に示す。全体的に参照番号４０で特定した受信器はヘテロ接合バイポーラートランジスタ発振器トランジスタＱ1 を含み、該トランジスタは出力連結用コンデンサーＣOUT 及び同調コンデンサーＣBE1 及びＣEEを有する。ブロック２２で表された能動高電子移動度トランジスタ誘導子は図１と関連して、上記のように３つの入力ポートを備える。入力ポートＶTUNE1 は光電検出器エレメント、例えば、ピンダイオード又は高電子移動度トランジスタ装置のＤＣバイアス調整に備える。第２入力ポートＶTUNE2 は能動誘導子ＩINDUCTORの空乏バイアス電流のＤＣバイアス調整に備える。非物理的光学周波数変調ポートは検出器エレメントへの光学信号の入力を表す。ヘテロ接合バイポーラートランジスタ発振器トランジスタを有する共通源高電子移動度トランジスタＭ1 は光学変調振動信号を周波数変換するための比較的低ノイズ、高線形装置をもたらすカスコード装置を形成する。抵抗器ＲSSは高電子移動度トランジスタ装置の自己バイアスに備え、コンデンサーＣS は高電子移動度トランジスタＭ1 の源かから接地するＡＣ経路をもたらす。伝送ラインＴＬin及び分路コンデンサーＣinｈ受信機のＲＦ入力ポートを同調させるための低パスネットワークを形成する。光学変調発振器信号が発生されると、ＲＦ入力信号は、更なる濾波及び信号処理のために光学変調信号を周波数変換するのに使用することができる。
【００２２】
図７及び８はまた上記のように、図３及び４にそれぞれ図示した発振器に基づかれた光学受信器を表す。例えば、図７は高電子移動度トランジスタ光電検出器を有する高電子移動度トランジスタ／ヘテロ接合バイポーラートランジスタ光学制御式発振器を備える。図８はピンダイオード光電検出器を有する高電子移動度トランジスタ／ヘテロ接合バイポーラートランジスタ光学制御式発振器を示す。
光学制御式発振器及び受信器について開示したトポロジーはヘテロ接合バイポーラートランジスタ発振器の低位相ノイズ特性の利点及びピンダイオードの効率的な光学電子転出及び変換の或る実施形態では、能動高電子移動度トランジスタ誘導子の高Ｑーファクターの利点をも取る。本発明は比較的低位相ノイズヘテロ接合バイポーラートランジスタ発振器のタンク共振器回路を形成する高Ｑーファクター高電子移動度トランジスタ能動誘導子と集積した高電子移動度トランジスタ又はピンダイオードを照明することによって光学制御マイクロ波振動周波数の装置を提供することを含む、数々の利点をもたらす。加えて、図５及び６に示すように、図３及び４に示す実施形態は、光学／デジタル  アナログ周波数変調に備え、特に、かかる回路では、種々の程度の光学光強さは例えば、１０％程の最大デジタル周波数変調帯幅を有する光学周波数のシフトを誘導する。光強さによる光学周波数のシフトは性質がアナログであるが、デジタル／光学励起を使用して作動することができる。その上、デジタル／光学振幅変調及び又は検出は、振動が中断され或るいは中断されず、光学信号の有無によって誘導されるように、能動高電子移動度トランジスタ誘導子をバイアスすることによって達成しうる。
【００２３】
明らかに、本発明の多くの修正及び変更が上記の教示に照らして可能である。かくして、添付の請求の範囲内で、本発明を上で特に説明した以外の仕方で実施することができることを理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  高電子移動度トランジスタとヘテロ接合バイポーラートランジスタ発振器とを集積した、本発明による光学制御式発振器の簡略図である。
【図２】図１に示すヘテロ接合バイポーラートランジスタ発振器と集積した高電子移動度トランジスタの詳細図式ダイヤグラムである。
【図３】光電検出器／可変抵抗器として高電子移動度トランジスタ装置を有する高電子移動度トランジスタ／ヘテロ接合バイポーラートランジスタの図式ダイヤグラムである。
【図４】光電検出器／可変抵抗器としてピンダイオードを有する高電子移動度トランジスタ／ヘテロ接合バイポーラートランジスタ発振器の変形実施形態の図式ダイヤグラムである。
【図５】光電検出器として高電子移動度トランジスタ装置を利用するＧａＡｓ高電子移動度トランジスタ／ヘテロ接合バイポーラートランジスタモノリシック発振器の光学応答のグラフである。
【図６】本発明によるモノリシック高電子移動度トランジスタ／ヘテロ接合バイポーラートランジスタ受信器の簡略図式ダイヤグラムである。
【図７】本発明による高電子移動度トランジスタ光電検出器を有する高電子移動度トランジスタ／ヘテロ接合バイポーラートランジスタ光学制御式発振器を利用したモノリシック集積高電子移動度トランジスタ／ヘテロ接合２極トランジスタの図式ダイヤグラムである。
【図８】光電検出器としてピンダイオードを使用した高電子移動度トランジスタ／ヘテロ接合バイポーラートランジスタ光学制御式発振器と高電子移動度トランジスタ／ヘテロ接合バイポーラートランジスタ受信器とを集積した、本発明による高電子移動度トランジスタ／ヘテロ接合バイポーラートランジスタの変形実施形態の図式ダイヤグラムである。
【符号の説明】
２０  光学制御式発振器
２２  能動誘導子
４０  光学受信器
Ｍ2 高電子移動度トランジスタ
Ｍ3 電子移動度トランジスタ
Ｍ4 電子移動度トランジスタ
Ｄ1 ピンダイオード
Ｒ  等価抵抗
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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