(57)【要約】【課題】高速動作が可能な光信号処理装置を実現することを目的にする。【解決手段】本発明は、光信号を電気信号に変換する少なくとも１つのフォトダイオードと、このフォトダイオードの電気信号を入力し、スイッチ動作を行う共鳴トンネルダイオードとを設け、共鳴トンネルダイオードのスイッチ動作により、デジタル信号を得るものである。【選択図】        図１
2004328304.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光信号を電気信号に変換する少なくとも１つのフォトダイオードと、
このフォトダイオードの電気信号を入力し、スイッチ動作を行う共鳴トンネルダイオードとを設け、前記共鳴トンネルダイオードのスイッチ動作により、デジタル信号を得る光信号処理装置。
【請求項２】
共鳴トンネルダイオードのスイッチ動作により、透過率を変化させ、光を変調して出力する光変調器を有することを特徴とする請求項１記載の光信号処理装置。
【請求項３】
共鳴トンネルダイオードのスイッチ動作により、電気信号を得ることを特徴とする請求項１または２記載の光信号処理装置。
【請求項４】
光信号を電気信号に変換する少なくとも１つのフォトダイオードと、
このフォトダイオードのアノードに一端を接続する抵抗と、
この抵抗の一端に一端を接続する共鳴トンネルダイオードとを設け、前記共鳴トンネルダイオードのスイッチ動作により、デジタル信号を得る光信号処理装置。
【請求項５】
共鳴トンネルダイオードの一端に接続し、透過率が変化し、光を変調して出力する光変調器を有することを特徴とする請求項４記載の光信号処理装置。
【請求項６】
共鳴トンネルダイオードの一端から電気信号を得ることを特徴とする請求項４または５記載の光信号処理装置。
【請求項７】
光信号を電気信号に変換する少なくとも１つのフォトダイオードと、
このフォトダイオードのアノードに一端を接続する第１の抵抗と、
この抵抗の一端に一端を接続する共鳴トンネルダイオードと、
この共鳴トンネルダイオードの他端に一端を接続する第２の抵抗と
を設け、前記共鳴トンネルダイオードのスイッチ動作により、デジタル信号を得る光信号処理装置。
【請求項８】
共鳴トンネルダイオードの他端に接続し、透過率が変化し、光を変調して出力する光変調器を有することを特徴とする請求項７記載の光信号処理装置。
【請求項９】
共鳴トンネルダイオードの他端から電気信号を得ることを特徴とする請求項７または８記載の光信号処理装置。
【請求項１０】
フォトダイオードを少なくとも並列に設けたことを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の光信号処理装置。
【請求項１１】
フォトダイオードを少なくとも直列に設けたことを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の光信号処理装置。
【請求項１２】
少なくともフォトダイオード、共鳴トンネルダイオードを同じ半導体基板上に形成したことを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の光信号処理装置。
【請求項１３】
少なくともフォトダイオード、共鳴トンネルダイオード、光変調器を同じ半導体基板上に形成したことを特徴とする請求項２，５，８のいずれかに記載の光信号処理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高速動作が可能な光信号処理装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、光中継器は、等化増幅（Ｒｅｓｈａｐｉｎｇ）、クロック再生（Ｒｅｔｉｍｉｎｇ）、識別再生（Ｒｅｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）の３つの機能を有している。例えば、特許文献１の図６に示されている。このような光中継器は、伝送により光データ信号に波形の歪みや雑音が生じても、これらを一旦電気のデジタル信号に再生し、再び光信号に変換して送信するため、中継器前段で生じた信号品質劣化が解消される。
【０００３】
このような光中継器は規模が大きいため、特許文献１の図１に示されるような装置が考えられた。このような装置を図１３に示し説明する。
【０００４】
図１３において、フォトダイオード１は入力光を入力し、電気信号に変換する。アンプ２は電気信号を入力し、増幅を行う。ＥＡ変調器（電界吸収型光変調器）３は、アンプ２からの電気信号により透過率が変化し、光を変調して出力を行う。
【０００５】
このような装置の動作を以下に説明する。フォトダイオード１は、光信号を入力し、電気信号に変換して、アンプ２に出力する。アンプ２は増幅して、ＥＡ変調器３に出力する。ＥＡ変調器３は、アンプ２からの信号により光を変調し、光信号を出力する。
【０００６】
【特許文献１】
特開２０００−５９３１３号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
このような装置は、光信号が鈍っていた場合、波形整形を行うことができない。そこで、波形整形を行う場合、アンプ２に波形整形機能を設けることが考えられる。
【０００８】
しかし、近年、光信号の高速化に伴い、１００ＧＨｚ以上の動作が要求されるようになってきたが、アンプ２では高速に動作することができないという問題点があった。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、高速動作が可能な光信号処理装置を実現することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、
光信号を電気信号に変換する少なくとも１つのフォトダイオードと、
このフォトダイオードの電気信号を入力し、スイッチ動作を行う共鳴トンネルダイオードと
を設け、前記共鳴トンネルダイオードのスイッチ動作により、デジタル信号を得るものである。
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、
共鳴トンネルダイオードのスイッチ動作により、透過率を変化させ、光を変調して出力する光変調器を有することを特徴とするものである。
請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の発明において、
共鳴トンネルダイオードのスイッチ動作により、電気信号を得ることを特徴とするものである。
請求項４記載の発明は、
光信号を電気信号に変換する少なくとも１つのフォトダイオードと、
このフォトダイオードのアノードに一端を接続する抵抗と、
この抵抗の一端に一端を接続する共鳴トンネルダイオードと
を設け、前記共鳴トンネルダイオードのスイッチ動作により、デジタル信号を得るものである。
請求項５記載の発明は、請求項４記載の発明において、
共鳴トンネルダイオードの一端に接続し、透過率が変化し、光を変調して出力する光変調器を有することを特徴とするものである。
請求項６記載の発明は、請求項４または５記載の発明において、
共鳴トンネルダイオードの一端から電気信号を得ることを特徴とするものである。
請求項７記載の発明は、
光信号を電気信号に変換する少なくとも１つのフォトダイオードと、
このフォトダイオードのアノードに一端を接続する第１の抵抗と、
この抵抗の一端に一端を接続する共鳴トンネルダイオードと、
この共鳴トンネルダイオードの他端に一端を接続する第２の抵抗と
を設け、前記共鳴トンネルダイオードのスイッチ動作により、デジタル信号を得るものである。
請求項８記載の発明は、請求項７記載の発明において、
共鳴トンネルダイオードの他端に接続し、透過率が変化し、光を変調して出力する光変調器を有することを特徴とするものである。
請求項９記載の発明は、請求項７または８記載の発明において、
共鳴トンネルダイオードの他端から電気信号を得ることを特徴とするものである。
請求項１０記載の発明は、請求項１〜９のいずれかに記載の発明において、
フォトダイオードを少なくとも並列に設けたことを特徴とするものである。
請求項１１記載の発明は、請求項１〜１０のいずれかに記載の発明において、
フォトダイオードを少なくとも直列に設けたことを特徴とするものである。
請求項１２記載の発明は、請求項１〜１１のいずれかに記載の発明において、少なくともフォトダイオード、共鳴トンネルダイオードを同じ半導体基板上に形成したことを特徴とするものである。
請求項１３記載の発明は、請求項２，５，８のいずれかに記載の発明において、
少なくともフォトダイオード、共鳴トンネルダイオード、光変調器を同じ半導体基板上に形成したことを特徴とするものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。
【００１２】
（第１の実施例）
図１は本発明の第１の実施例を示した構成図である。図１において、フォトダイオード４は、光信号（デジタル信号）を電気信号に変換する。共鳴トンネルダイオード５は、量子井戸構造を形成し、その量子井戸を使って電子の共鳴トンネリング現象を起こさせた負性抵抗スイッチ素子である。そして、共鳴トンネルダイオード５は、量子力学的共鳴効果をもつことから、１００Ｇｂ以上での高速電気信号に対して、スイッチ動作が行える。共鳴トンネルダイオード５は、フォトダイオード４の電気信号を入力し、スイッチ動作を行う。ＥＡ変調器（電界吸収型光変調器）６は、共鳴トンネルダイオード５のスイッチ動作により、透過率を変化させ、光を変調して出力する。
【００１３】
次に、具体的構成を図２に示し説明する。フォトダイオード４１は、光信号を入力し、カソードを電圧Ｖ１に接続する。抵抗Ｒは一端を電圧Ｖ２に接続し、他端をフォトダイオード４１のアノードに接続する。共鳴トンネルダイオード５１は、一端を抵抗Ｒの他端に接続し、他端を接地する。ここで、抵抗Ｒの他端と共鳴トンネルダイオード５１との接続点を”Ｘ”とする。ＥＡ変調器６１は、カソードを共鳴トンネルダイオード５１の一端に接続し、アノードを接地すると共に、透過率が変化し、例えば光ファイバからの一定光を変調して出力する。なお、共鳴トンネルダイオード５１とＥＡ変調器６１とは、同電位に接地したが、異なる電位に接続する構成でもよい。
【００１４】
このような装置の動作を以下で説明する。図３は図１，２に示す装置の動作を説明する図で、横軸は電圧、縦軸は電流を示す。負荷特性曲線ａは共鳴トンネルダイオード５１の負荷特性曲線で、負荷特性直線ｂ１〜ｂ３は抵抗Ｒの負荷特性直線を示す。
【００１５】
フォトダイオード４１に光が入力されていない場合、フォトダイオード４１は電流を流さない。従って、接続点Ｘの電圧は、共鳴トンネルダイオード５１の負荷特性曲線ａと抵抗Ｒの負荷特性直線ｂ１との交点Ａで決まり、”ｖ１”となる。この電圧”ｖ１”により、ＥＡ変調器６は透過率は高いので、光が出力される。
【００１６】
フォトダイオード４１に光が入力されると、フォトダイオード４１は電流を流し、抵抗Ｒの負荷特性直線が”ｂ２”となる。この結果、接続点Ｘの電圧は、共鳴トンネルダイオード５１の負荷特性曲線ａと抵抗Ｒの負荷特性直線ｂ２との交点Ｂで決まり、”ｖ２（＞ｖ１）”となる。この電圧”ｖ２”により、ＥＡ変調器６１は透過率が低くなり、光が出力されなくなる。
【００１７】
そして、入力光として、図４（ａ）に示されるような鈍ったデジタル波形光がフォトダイオード４１に入力され、入力光が強くなると、フォトダイオード４１からの電流が増加し、接続点Ｘの電圧が”ｖ３”になり、急激に電圧”ｖ２”になる。そして、フォトダイオード４１からの電流増加に伴い、電圧も”ｖ２”から微小増加する。
【００１８】
図４（ａ）の入力光がピークをすぎ、弱くなりだし、フォトダイオード４１からの電流が減少し、接続点Ｘの電圧が”ｖ４”になり、急激に電圧”ｖ５”となる。そして、フォトダイオード４１からの電流減少に伴い、電圧も”ｖ５”から微小減少する。
【００１９】
この結果、図４（ｂ）に示されるように、接続点Ｘの電圧はデジタル波形になる。そして、この電圧により、ＥＡ変調器６１は制御され、図４（ｃ）に示される出力光が出力され、鈍った入力光を急峻なデジタル波形光に再生することができる。なお、図２に示す装置では、入力される光信号に対して反転した光信号が出力される。
【００２０】
このように、フォトダイオード４１で光信号を電気信号に変換し、この電気信号により共鳴トンネルダイオード４１がスイッチ動作を行い、このスイッチ動作に伴って、ＥＡ変調器６１が、透過率を変化させ、光を変調するので、回路規模が小さく、高速に動作することができる。
【００２１】
次に、図２に示す装置の製造方法を図５，６を用いて説明する。図５は化合物半導体の積層構造を示した図、図６は図２に示す装置の化合物半導体の構成を示した図である。
【００２２】
図５において、ＩｎＰ基板１００に、Ｐ＋−ＩｎＰ層１０１、（ｕ）−ＩｎＧａＰ層１０２、ｎ＋−ＩｎＰ層１０３、ｎ＋−ＩｎＧａＡｓ層１０４、ｎ−−ＩｎＧａＡｓ層１０５、ＡｌＡｓ（ＩｎＡｌＡｓ）層１０６、（ｉ）−ＩｎＧａＡｓ層１０７、ＡｌＡｓ（ＩｎＡｌＡｓ）層１０８、ｎ−−ＩｎＧａＡｓ層１０９、ｎ＋−ＩｎＧａＡｓ層１１０、ｎ−−ＩｎＧａＡｓ層１１１、（ｎ−）−ＩｎＰ層１１２が順に積層して形成されている。そして、Ｚｎ拡散領域１１３が、ｎ−−ＩｎＧａＡｓ層１１１、（ｎ−）−ＩｎＰ層１１２の一部に形成されている。
【００２３】
そして、エッチングを行い、電極１１４、絶縁膜１１５、配線１１６を形成し、図６に示されるように形成する。この結果、ｎ＋−ＩｎＧａＡｓ層１１０からＺｎ拡散領域１１３でフォトダイオード４１を形成し、ｎ＋−ＩｎＧａＡｓ層１０４からｎ＋−ＩｎＧａＡｓ層１１０で共鳴トンネルダイオード５１を形成し、Ｐ＋−ＩｎＰ層１０１からｎ＋−ＩｎＧａＡｓ層１０４でＥＡ変調器６１を形成する。
【００２４】
このように、同一半導体基板上に形成できるので、１チップ内にフォトダイオード４１、共鳴トンネルダイオード５１、ＥＡ変調器６１を構成することができる。
【００２５】
（第２の実施例）
次に第２の実施例を図７に示し説明する。図７において、フォトダイオード４２は、光信号を入力し、カソードを電圧Ｖ３に接続する。抵抗Ｒ１は一端を電圧Ｖ４に接続し、他端をフォトダイオード４２のアノードに接続する。共鳴トンネルダイオード５２は、一端を抵抗Ｒ１の他端に接続する。抵抗Ｒ２は一端を共鳴トンネルダイオード５２の他端に接続し、他端を電圧Ｖ５に接続する。ＥＡ変調器６２は、カソードをフォトダイオード４２のアノードに接続し、アノードを電圧Ｖ６に接続すると共に、透過率が変化し、一定光を変調して出力する。ここで、Ｖ３，Ｖ４＞Ｖ５，Ｖ６の関係で、抵抗Ｒ２の一端とＥＡ変調器６２のカソードとの接続点を”Ｙ”とする。
【００２６】
このような装置の動作は図２に示す装置とほぼ同様であるが、接続点Ｙの電圧変化は、接続点Ｘと逆の動きになる。従って、ＥＡ変調器６２は、入力される光信号に対して、反転しない光信号が出力できる。
【００２７】
（第３の実施例）
次に、応用として、光信号処理装置を光論理回路に用いた例を説明する。図８は本発明の第３の実施例を示した構成図で、反転論理積回路を示す。ここで、図２と同一のものは同一符号を付し説明を省略する。
【００２８】
図８において、フォトダイオード４１１，４１２は、フォトダイオード４１の代わりに設けられ、直列に接続され、それぞれ異なる光信号を入力する。つまり、フォトダイオード４１１は、カソードを電圧Ｖ１に接続する。フォトダイオード４１２は、カソードをフォトダイオード４１１のアノードに接続し、アノードを抵抗Ｒの他端に接続する。
【００２９】
このような装置の動作を説明する。フォトダイオード４１１，４１２が共に、光が入力されていない場合は、フォトダイドード４１１，４１２は電流を流さない。そして、フォトダイオード４１１，４１２のどちらか一方に光が入力された場合、光が入力されていないフォトダイオード４１１，４１２が電流を流さないので、フォトダイドード４１１，４１２は電流を流さない。フォトダイオード４１１，４１２の両方に光が入力された場合、フォトダイドード４１１，４１２は電流を流す。その他の動作は図２に示す装置と同様なので説明を省略する。
【００３０】
つまり、フォトダイオード４１１，４１２に入力される光信号の論理積がとられ、ＥＡ変調器６１から反転した光信号が出力される。
【００３１】
（第４の実施例）
次に、反転論理和回路の第４の実施例を図９に示し説明する。ここで、図２と同一のものは同一符号を付し説明する。
【００３２】
図９において、フォトダイオード４１３，４１４は、フォトダイオード４１の代わりに設けられ、並列に接続され、それぞれ異なる光信号を入力する。つまり、フォトダイオード４１３は、カソードを電圧Ｖ１に接続し、アノードを抵抗Ｒの他端に接続する。フォトダイオード４１４は、カソードを電圧Ｖ１に接続し、カソードを抵抗Ｒの他端に接続する。
【００３３】
このような装置の動作を説明する。フォトダイオード４１３，４１４が共に、光が入力されていない場合は、フォトダイドード４１３，４１４は電流を流さない。そして、フォトダイオード４１３，４１４の少なくともどちらかに光が入力された場合、フォトダイオード４１３，４１４のどちらかが電流を流す。その他の動作は図２に示す装置と同様なので説明を省略する。
【００３４】
つまり、フォトダイオード４１３，４１４に入力される光信号の論理和がとられ、ＥＡ変調器６１から反転した光信号が出力される。
【００３５】
（第５の実施例）
次に第３，４の実施例の組み合わせた光論理回路を図１０に示し説明する。ここで、図２と同一のものは同一符号を付し説明を省略する。
【００３６】
図１０において、フォトダイオード４１５〜４１７は、フォトダイオード４１の代わりに設けられ、それぞれ異なる光信号を入力する。フォトダイオード４１５は、カソードを電圧Ｖ１に接続し、アノードを抵抗Ｒの他端に接続する。そして、フォトダイオード４１５とフォトダイオード４１６，４１７とは並列に接続され、フォトダイオード４１６，４１７は直列に接続される。そして、フォトダイオード４１６は、カソードを電圧Ｖ１に接続する。フォトダイオード４１７は、カソードをフォトダイオード４１６のアノードに接続し、カソードを抵抗Ｒの他端に接続する。
【００３７】
このような装置の動作は、図８，９に示す装置の動作とほぼ同様で、フォトダイオード４１６，４１７に入力される光信号の論理積がとられ、この論理積とフォトダイオード４１５に入力される光信号との論理和がとられる。そして、ＥＡ変調器６１から反転した光信号が出力される。
【００３８】
（第６の実施例）
次に、論理積回路の他の実施例を図１１に示し説明する。ここで、図７と同一のものは同一符号を付し説明を省略する。
【００３９】
図１１において、フォトダイオード４２１，４２２は、フォトダイオード４２の代わりに設けられ、直列に接続され、それぞれ異なる光信号を入力する。つまり、フォトダイオード４２１は、カソードを電圧Ｖ３に接続する。フォトダイオード４２２は、カソードをフォトダイオード４２１のアノードに接続し、カソードを抵抗Ｒ１の他端に接続する。
【００４０】
このような装置の動作を説明する。フォトダイオード４２１，４２２が共に、光が入力されていない場合は、フォトダイドード４２１，４２２は電流を流さない。そして、フォトダイオード４２１，４２２のどちらか一方に光が入力された場合、光が入力されていないフォトダイオード４２１，４２２が電流を流さないので、フォトダイドード４２１，４２２は電流を流さない。フォトダイオード４２１，４２２の両方に光が入力された場合、フォトダイドード４２１，４２２は電流を流す。その他の動作は図７に示す装置と同様なので説明を省略する。
【００４１】
つまり、フォトダイオード４２１，４２２に入力される光信号の論理積がとられ、ＥＡ変調器６２から光信号が出力される。
【００４２】
（第７の実施例）
また、論理和回路の他の実施例を図１２に示し説明する。ここで、図７と同一のものは同一符号を付し説明を省略する。
【００４３】
図１２において、フォトダイオード４２３，４２４は、フォトダイオード４２の代わりに設けられ、並列に接続され、それぞれ異なる光信号を入力する。つまり、フォトダイオード４２３は、カソードを電圧Ｖ３に接続し、アノードを抵抗Ｒ１の他端に接続する。フォトダイオード４２４は、カソードを電圧Ｖ３に接続し、アノードを抵抗Ｒ１の他端に接続する。
【００４４】
このような装置の動作を説明する。フォトダイオード４２３，４２４が共に、光が入力されていない場合は、フォトダイドード４２３，４２４は電流を流さない。そして、フォトダイオード４２３，４２４の少なくともどちらかに光が入力された場合、フォトダイオード４２３，４２４の光が入力された方が電流を流す。その他の動作は図２に示す装置と同様なので説明を省略する。
【００４５】
つまり、フォトダイオード４２３，４２４に入力される光信号の論理和がとられ、ＥＡ変調器６２から光信号が出力される。
【００４６】
このように、フォトダイオード４１１〜４１７、４２１〜４２４により、論理をとることができるので、簡単な構成で、高速に、論理演算を行うことができる。
【００４７】
なお、本発明はこれに限定されるものではなく、共鳴トンネルダイオード５のスイッチ動作をＥＡ変調器６で光で出力する構成を示したが、共鳴トンネルダイオード５のスイッチ動作を、電気信号で取り出す構成でもよい。例えば、図２に示す接続点Ｘや図７に示す接続点Ｙから信号を取り出す。
【００４８】
また、電圧Ｖ１，Ｖ２を異なる電圧で示したが同じ電圧値でもよい。同様に、電圧Ｖ３，Ｖ４も同じ電圧値でもよい。そして、電圧Ｖ５，Ｖ６も同じ電圧値でもよい。
【００４９】
また、論理回路を図８〜１２に示したが、この論理回路に限定されるものではなく、フォトダイオードの各種組み合わせて論理回路を構成することができる。
【００５０】
【発明の効果】
本発明によれば、フォトダイオードで光信号を電気信号に変換し、この電気信号により共鳴トンネルダイオードがスイッチ動作を行い、このスイッチ動作に伴って、デジタル信号を得ることができるので、回路規模が小さく、高速に動作することができるという効果がある。
【００５１】
また、請求項２，５，８によれば、共鳴トンネルダイオードのスイッチ動作に伴って、光変調器が、透過率を変化させ、光を変調するので、回路規模が小さく、高速に動作する光中継器を構成することができる。
【００５２】
また、請求項１０，１１によれば、フォトダイオードにより、論理をとることができるので、簡単な構成で、高速に、論理演算を行うことができる。
【００５３】
そして、請求項１２，１３によれば、同一半導体基板上に形成できるので、１チップ内に形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例を示した構成図である。
【図２】図１に示す装置の具体的構成を示した図である。
【図３】図１，２に示す装置の動作を説明する図である。
【図４】図１，２に示す装置の動作を説明する図である。
【図５】半導体積層構造を示した図である。
【図６】図２に示す装置の半導体の構成を示した図である。
【図７】本発明の第２の実施例を示した構成図である。
【図８】本発明の第３の実施例を示した構成図である。
【図９】本発明の第４の実施例を示した構成図である。
【図１０】本発明の第５の実施例を示した構成図である。
【図１１】本発明の第６の実施例を示した構成図である。
【図１２】本発明の第７の実施例を示した構成図である。
【図１３】従来の光中継器の構成を示した図である。
【符号の説明】
４，４１，４２，４１１〜４１７，４２１〜４２４  フォトダイオード
５，５１，５２  共鳴トンネルダイオード
６，６１，６２  ＥＡ変調器
Ｒ，Ｒ１，Ｒ２  抵抗
１００  ＩｎＰ基板
【図１】
2004328304.tif 000003
【図２】
2004328304.tif 000004
【図３】
2004328304.tif 000005
【図４】
2004328304.tif 000006
【図５】
2004328304.tif 000007
【図６】
2004328304.tif 000008
【図７】
2004328304.tif 000009
【図８】
2004328304.tif 000010
【図９】
2004328304.tif 000011
【図１０】
2004328304.tif 000012
【図１１】
2004328304.tif 000013
【図１２】
2004328304.tif 000014
【図１３】
2004328304.tif 000015