(57)【要約】 【目的】  より少ない光子数の微弱光を高速で検出することのできる光検出方法およびその装置を提供する。【構成】  pn接合またはp-i-n接合を有する半導体光素子に直流バイアス電圧を印加した状態でさらに周期的なパルス電圧を印加して、そのパルス電圧を印加した時間枠に入射した光を検出するために、パルス電圧が消えた直後の信号波形を観測する。【選択図】 図１
2006066910.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
pn接合 またはp-i-n接合を有する半導体光素子に直流バイアス電圧を印加した状態でさらに周期的なパルス電圧を印加して、そのパルス電圧を印加した時間枠に入射した光を検出するために、パルス電圧が消えた直後の信号波形を観測することを特徴とする光検出方法。
【請求項２】
前記半導体光素子がアバランシェフォトダイオードで構成されており、前記直流バイアス電圧がブレイクダウン電圧よりも小さく且つ前記直流バイアス電圧と前記パルス電圧との和の大きさもブレイクダウン電圧よりも小さい動作条件で、前記信号波形を観測することを特徴とする請求項１記載の光検出方法。
【請求項３】
前記入射した光が微弱光であることを特徴とする請求項１または２記載の光検出方法。
【請求項４】
pn接合 またはp-i-n接合を有する半導体光素子に直流バイアス電圧を印加する手段、
前記半導体光素子に直流バイアス電圧を印加した状態でさらに周期的なパルス電圧を印加する手段、
前記半導体光素子にパルス電圧を印加した時間枠で光を入射させる手段、および
パルス電圧が消えた直後の信号波形を計測する手段を備えていることを特徴とする光検出装置。
【請求項５】
前記半導体光素子がアバランシェフォトダイオードで構成されており、前記直流バイアス電圧がブレイクダウン電圧よりも小さく且つ前記直流バイアス電圧と前記パルス電圧との和の大きさもブレイクダウン電圧よりも小さく設定されていることを特徴とする請求項４記載の光検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、赤外域の微弱光の検出に特に有用な、光検出方法および光検出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、近赤外域の微弱光を検出する方法として、たとえば、アバランシェフォトダイオードの電子増倍作用を利用した方法や、フォトダイオードとErbium Doped Fiber Amplifier（EDFA）を用いた方法が知られている（たとえば非特許文献１，２参照）。
【０００３】
これらの光検出方法は、長距離伝播信号光の検出や、大気・環境計測、微量物質分析などの多種多様な分野で利用されている。
【０００４】
ここで、前者の検出方法についてより具体的に説明すると、まず、アバランシェフォトダイオードに対し、ゲートオン時には降伏電圧(例えば51V)より大きな逆バイアス電圧を、ゲートオフ時には降伏電圧より小さな逆バイアス電圧を印加する。これにおいて、ゲートオン時に光子がAPDの光電変換領域（活性領域）に入射すると、入射光により発生した電子と正孔とが初期キャリアとなり、逆バイアスでそれぞれ反対方向に加速されアバランシェ効果により増倍し、増倍した電流（光電流）が外部回路に流れる。逆バイアス電圧が大きいほど信号電流の増倍率が増大し，少ない光子数の入射でも大きな電流が流れるため，理想的には単一光子の入射も検知は可能である．ただし，受光素子では，熱雑音などの要因により入射光が皆無でも一定の確率でキャリア（電子と正孔）が活性領域で発生するため，この発生したキャリアによる電流の増倍に伴う電流（暗電流）が雑音として検知される．入射光を検出するには，光電流が暗電流に比較して十分大きい必要があるので，一般には一定の数量以上の光子の入射が必要とされていた．通常、アバランシェフォトダイオードには抵抗が直列に接続されており、その両端の電圧をオシロスコープやコンパレータやディスクリミネータなどにより観測し、雪崩電流が発生しているか否かを判断する。もしキャリアの雪崩増倍がゲートオン時間内に発生していなければ、アバランシェフォトダイオードはキャパシタンスとみなされ、そのアバランシェフォトダイオードを具備した検出装置全体はクエンチング回路となる。キャリアの雪崩増倍がゲートオン時間内において発生していれば、アバランシェフォトダイオードはゲートオン時間内においてキャパシタンスと抵抗と電流源と見なされる。ゲートオフ時間内では、アバランシェフォトダイオードは常にキャパシタンスとみなされる。
【非特許文献１】S. Cova, M. Ghioni, A. Lacaita, S. Samori, and F. Zappa, “Avalanchephotodiodes and quenching circuits for single-photon detection,”APPLIED OPTICS,vol.35, No.12, pp.1956-1976, April 1996.
【非特許文献２】羽鳥光俊、青山友紀、小林郁太郎、“光通信工学（１）,” コロナ社，1998.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記前者の光検出方法は、アバランシェフォトダイオードにおいて雪崩増倍された光電流を検出する方法であり、一般に１０3個/パルス程度の光子数の検知は可能であるものの、雪崩増倍が終息するまで次の検出を行えず、光子入射の時間分解能が回路のCR時定数よりもかなり長いといった問題点があった。また、上記後者の光検出方法では、EDFAによる入射光の前置増幅が必要で、１０６個／パルス程度の光子数でなければ検出できないといった問題点があった。
【０００６】
そこで、以上のとおりの事情に鑑み、本願発明は、高効率つまりより少ない光子数で微弱光を高速に検出することのできる光検出方法およびその装置を提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本願発明は、上記の課題を解決するものとして、第１には、pn接合 またはp-i-n接合を有する半導体光素子に直流バイアス電圧を印加した状態でさらに周期的なパルス電圧を印加して、そのパルス電圧を印加した時間枠に入射した光を検出するために、パルス電圧が消えた直後の信号波形を観測することを特徴とする光検出方法を提供する。
【０００８】
第２には、前記半導体光素子がアバランシェフォトダイオードで構成されており、前記直流バイアス電圧がブレイクダウン電圧よりも小さく且つ前記直流バイアス電圧と前記パルス電圧との和の大きさもブレイクダウン電圧よりも小さい動作条件で、前記信号波形を観測することを特徴とする前記光検出方法を提供する。
【０００９】
第３には、前記入射した光が微弱光であることを特徴とする前記光検出方法を提供する。
【００１０】
また、本願発明は、第４には、pn接合 またはp-i-n接合を有する半導体光素子に直流バイアス電圧を印加する手段、前記半導体光素子に直流バイアス電圧を印加した状態でさらに周期的なパルス電圧を印加する手段、前記半導体光素子にパルス電圧を印加した時間枠で光を入射させる手段、およびパルス電圧が消えた直後の信号波形を計測する手段を備えていることを特徴とする光検出装置を提供する。
【００１１】
第５には、前記半導体光素子がアバランシェフォトダイオードで構成されており、前記直流バイアス電圧がブレイクダウン電圧よりも小さく且つ前記直流バイアス電圧と前記パルス電圧との和の大きさもブレイクダウン電圧よりも小さく設定されていることを特徴とする前記光検出装置を提供する。
【発明の効果】
【００１２】
上記第１の光検出方法によれば、フォトダイオードをはじめとして、レーザダイオードや発光ダイオードなどのpn接合またはp-i-n接合を有する、受光、発光、または受発光機能を持つ半導体光素子に直流バイアス電圧と周期的パルス電圧を重畳して印加し、そのパルス電圧が消えた直後つまり除去した直後の信号波形を観測するだけで、従来よりも少ない光子数の微弱光、特に近赤外域（波長０．９〜１．５μ）の微弱光の高効率且つ高速検出を実現することができる。
【００１３】
上記第２の光検出方法によれば、上記第１の光検出方法と同様な効果が得られ、またさらに、半導体光素子としてアバランシェフォトダイオードを用いるとともに、印加すべき直流バイアス電圧のピーク値ならびにそれと周期的パルス電圧との和の大きさのピーク値をブレイクダウン電圧よりも低い動作条件とすることで、雑音発生が極めて小さいように設計された素子の性能を極限まで引き出すことができ、ブレイクダウン電圧以下のいわゆる雪崩増倍率が有限な値を持つ電圧範囲にて雪崩雑音を最小限に留めつつ、究極的には光子数レベルに至る微弱光をこれまでになく高効率に検出できるようになる。
【００１４】
上記第３の光検出方法によれば、上記第１または第２の光検出方法と同様な効果が得られ、従来不可能であった上述したとおりの微弱光の検出、つまり光子数の常温での高速カウントが可能となる。
【００１５】
そして、上記第４及び第５の光検出装置によれば、上記光検出方法と同様な効果を奏す
る装置が実現される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図１は、上記のとおりの特徴を有する本願発明の一実施形態を示したものであり、その光検出方法に用いられる光検出装置の概略回路構成図である。ここに、nはn型半導体、pはp型半導体、i(t)は外部に流れる電流、V(t)は直流バイアスにパルスを重畳した電圧源、Rは外部抵抗、v０(t)はpn接合素子にかかる電圧、v(t)は外部抵抗にかかる電圧であり、通常v(t)を計測器等によって観測する。
【００１７】
この図１において、検出対象となる光をフォトダイオードに入射させ、そのpn接合に直流バイアス電圧を印加して入射光を検出することは従来と同じだが、本願発明では、直流バイアス電圧に加えてパルス電圧を周期的に印加することを大きな特徴としている。
【００１８】
すなわち、本願発明の発明者は、信号電流は大きくないと検出不可能であるという既存概念を打破し、印加電圧がオンからオフに切り替わるタイムフレームに着目することでpn接合の空乏層に存在するトラップ準位の占有率の変化を外部電圧の変化として捉え、信号電流が小さな場合の微弱な入射光の検出が可能であり、かつ直流バイアス電圧にパルス電圧を重畳し、そのパルスを高速に周期的印加することにより入射光の高速な繰り返し検出が可能であるという全く新たな技術思想を見出し、本願発明を成したのである。
【００１９】
そして、これによれば、従来用いられている図１のような検出回路には何ら変更を加えることなく、印加電圧がオンからオフに切り替わるタイムフレームに着目するだけで、外部回路に過剰な電流が流れるようなブレイクダウン電圧より大きなバイアス電圧を印加せずに、むしろそれよりも小さな印加電圧で、光子数数百〜数千個／パルス、さらには光子数数個〜数十個／パルス程度という従来よりも極めて微弱な光を検出でき、つまり微弱光の光子数を常温でカウントできる。また、直流バイアス電圧が小さくても検出可能であることから、pn接合の空乏層のトラップ準位を制御することによって、暗電流の制御も可能になり、原理的に受光素子と負荷抵抗で構成されるCR時定数までの高速化が可能となる。もちろん、p-i-n接合を持つ半導体光素子にあっても同じことが言える。
【００２０】
これを長距離伝播信号光の検出に用いた場合では、EDFAによる前置光増幅が不要となり、長距離伝送の低コスト化を図ることもできる。無中継長距離伝播微弱光の高速検出が実現されるのである。
【００２１】
またもちろん、より高精度な大気・環境計測や蛍光分析や光吸収測定による微量物質の検出も実現される。
【００２２】
他の応用としては、光通信における微弱信号再生技術におけるタイミング信号作成への応用や、検出時の暗電流を抑圧できるとも考えられるので、高効率な光・電子エネルギー変換技術としての応用などを考慮できる。
【００２３】
ここで、本願発明の光検出方法についてより具体的に説明すると、本願発明の光検出方法を用いた場合の図１におけるフォトダイオードの電流電圧特性は、図２に示したようになる。図２において、横軸Vはフォトダイオードにかかる電圧、縦軸Iはフォトダイオードに流れる電流、VBはフォトダイオードの降伏電圧、図中実線はフォトダイオードに光が照射された場合の特性曲線、破線は光が照射されていない場合の特性曲線である。図中下部の３つに分けられた電圧範囲は左から順にアバランシェフォトダイオードモード、フォトダイオードモード、太陽電池モードと呼ばれ、アバランシェフォトダイオードモードでは電子増倍率が１以上である。
【００２４】
図1のpn接合近傍に光が入ると、光が吸収されたn形およびp形領域では電子・正孔対が発生する。空乏層から電子の拡散長以内の領域で発生した電子のうちいくつかは空乏層端にたどりつき、薄い空乏層内を電界の力をかりて走行し、n形領域にたどりつく。一方、n形領域においても空乏層端から正孔の拡散長以内の領域で発生した正孔のうちいくつかは、空乏層端にたどりつき空乏層内をドリフトしてp形領域にたどりつく。
【００２５】
太陽電池モードでは、空乏層内で発生した電子・正孔対は分離されてドリフトし、電子はn形領域に、正孔はp形領域にそれぞれたどりつく。このように、電子と正孔が逆向きに空乏層を通過するということは、図1においてn形領域からp形領域へ向かう逆方向電流が流れることを意味する。したがって、入射光量に比例する光電流idが発生することになる。
【００２６】
フォトダイオードモードでは、逆方向電圧をかけるため空乏層幅がひろがり、その中でほとんどの光が吸収されるようになり、発生した電子と正孔は空乏層内の電界で分離ドリフトされて光電流に寄与する。すなわち、極めて高い光-電気エネルギー変換効率が実現される。したがって、入射光量に比例する光電流idが発生することになる。
【００２７】
なお、空乏層が容易に広がるためには、キャリア濃度の低い層を用いることが必要である。この層はi層といわれ、したがってp-i-n構造とすることがより一層有用である。
【００２８】
アバランシェフォトダイオードモードでは、光子の入射により生成された電子正孔対は雪崩増倍を起こす。したがって、信号の増幅が行われ、極めて大きな光電流が得られる。
【００２９】
従来、微弱光を検出するにはアバランシェフォトダイオードモードで行うか、前置増幅の後でフォトダイオードモードにするしかないと考えられてきた。
【００３０】
これに対し、本願発明では、図1のようにpn接合に直流バイアスに加えて周期的なゲートパルスを印加し、検出時間枠をゲートパルスの立ち下がり後にすることで、前置増幅が不要な微弱光の検出がアバランシェフォトダイオードモードよりも小さな電圧範囲においても可能であることを利用しており、これにより微弱光の高効率、高速検出を実現している。
【００３１】
以上の動作原理を示す等価回路は、光の入射がない場合は信号電流idは流れないので、pn接合の空乏層をキャパシタンスと考えることができるため、図３に示すようになる。図３において、Cdはpn接合の接合容量、Q(t)はpn接合に蓄積される電荷、i(t)は外部に流れる電流、V(t)は直流バイアスに周期パルスを重畳した電圧源、Rは外部抵抗、v０(t)はpn接合素子にかかる電圧、v(t)は外部抵抗にかかる電圧であり、通常v(t)を計測器等によって観測する。
【００３２】
一方、光の入射がある場合には信号電流が発生するので、図４に示すように定電流源idと抵抗が加わることになる。図４において、pn接合はキャパシタンスと見なされると同時に光電流源、抵抗と見なされる。Cdは光が照射されたpn接合の接合容量であり光が照射されていない場合の値とは異なる。Q(t)はpn接合に蓄積される電荷、R0は光が照射された状態のpn接合の内部抵抗、i(t)は外部に流れる電流、V(t)は直流バイアスに周期パルスを重畳した電圧源、Rは外部抵抗、v０(t)はpn接合素子にかかる電圧、v(t)は外部抵抗にかかる電圧であり、通常v(t)を計測器等によって観測する。
【００３３】
より具体的には、光入射がない場合、半導体光素子に直流バイアスに重畳したパルス電圧を印加するとpn接合中の電子はプラス電極側へ、正孔はマイナス電極側へ引き寄せられ、pn接合部には電流に関与するキャリアがない空乏層が生じる。これは、受光素子の直流電気抵抗が非常に高く、ある間隔で導電物質が対向している、コンデンサと同様な状態になっているとみなすことができる。したがって、図３に示したように、等価回路はコンデンサと負荷抵抗が直列に接続され、それに直流バイアスに重畳したパルス電圧源から周期的に電圧が印加されている状態となる。電気的な特性はこの等価回路をもとに計算すればよい。
【００３４】
一方、光入射がある場合には、光入射による光電子正孔対が発生し、光入射量が一定ならば定電流源とみなすことができる。このとき注意すべきことは、光入射量が小さく電流値がわずかな場合でも、pn接合内のトラップ準位がこれらのキャリアにより充填され、接合容量にも変化が生じることである。逆バイアス電圧の印加に対応したコンデンサとしての働きと、光電流が流れるという抵抗素子としての働きを考える必要があるため、受光素子の等価回路は図４のようになる。接合容量の時間的な変化が光の入射がない場合と異なることに注意されたい。
【００３５】
ここで、図３において標準的な回路のパラメータ（R=50Ω, Cd=5pF）を用い、図５のような矩形パルス逆バイアス電圧（Von=10V, Voff=5V）をフォトダイオードに印加した場合について回路の方程式を理論的に解く。図５において、直流逆バイアス電圧は5V、重畳する矩形周期パルス電圧は振幅5V、幅0.5ns、周期2nsである。微弱光の入射は逆バイアス電圧が高くなっている3番目のピークであるものとする。
【００３６】
その結果、図６のような応答電圧が算出される。ただし、三番目のパルス電圧印加時間枠（t=4.0〜4.5ns）にのみ微弱光が入射し、その時間枠内でのみ光電流が流れることにより、pn接合中のトラップ準位が充填され、接合容量(Cd)が変化したとしている。図５の矩形パルスのオンからオフへの立下り（t=0.5, 2.5, 4.5, 6.5, 8.5ns）での応答電圧に着目すると、三番目のパルス電圧に対応するところだけ下へのピークが鈍っていることが図６からわかる。すなわち、光子の入射によりpn接合中の空乏層のトラップ準位が充填されてキャリアが再びリリースされるまでの接合容量の時間変化が変調され、光子の入射がない場合に比べて矩形パルスの立下り直後の応答電圧波形が変化している。そこで、ここを観測基点とする。
【００３７】
図５の電圧が大きな時間枠に微弱光が入射すると、フォトダイオードのpn接合の空乏層に電子・正孔対が発生し、電子はp領域へ、正孔はn領域へ直流逆バイアス電圧によって加速される。正孔の有効質量が電子の有効質量に比べて重い材料の場合は、電子が空乏層の外側に出た後も正孔が空乏層内に残り、電荷の中性条件を満たすために外部から電子が流れ込み、正孔が空乏層外部に出て行くまで電子が流れ続ける。こうして光電流が流れ続けるとフォトダイオードは抵抗と見なすことができ、流れる電流によりpn接合の空乏層中に存在するトラップ準位が占有され、キャパシタンスも変調を受けることになる（図４参照）。
【００３８】
このように、観測時点を周期パルス電圧の立ち下がり（つまり除去）直後にすることで、電圧オンのパルスを細くしたり、直流バイアス電圧ならびにそれと周期パルス電圧との和をブレイクダウン電圧よりも低く設定したりすることによって、主要な雑音の原因となる過剰な電流を発生させることなく微弱光の検出が可能となる。過剰な電流を発生させないことは、pn接合のトラップ準位に捕獲されるキャリアの量を減らすということでもあり、極めて高速に次の検出が可能な状態にすることができる。
【００３９】
なお、本願発明において、受光器、発光器、または受発光器として機能するpn接合またはp-i-n接合を有する半導体光素子（受光素子、発光素子、または受発光素子）としては、pn/p-i-nフォトダイオードやアバランシェフォトダイオードはもちろんのこと、レーザダイオードや発光ダイオードなどをも考慮でき、これらに対しても直流バイアスに重畳した周期的パルス電圧印加することによるpn接合中のトラップ準位の制御を応用できることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本願発明の一実施形態である光検出方法に用いられる光検出装置の概略回路構成図である。
【図２】フォトダイオードの電流電圧特性図である。
【図３】光子の入射がないときの等価回路図である。
【図４】光子の入射があるときの等価回路図である。
【図５】逆バイアス電圧として印加する矩形パルスの一例を示した図である。
【図６】図５の逆バイアスパルスが印加されているときに３番目のタイムスロットに光子が入射した場合の応答波形の計算機シミュレーション結果の一例を示した図である。
【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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