JP4441014B2 - 無線通信用光電変換素子 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は無線通信用光電変換素子に関し、詳しくは、マイクロ波フォトニクスを利用した無線通信の分野において、光ファイバから伝送されてきた光信号をマイクロ波信号に変換する、あるいはその逆に端末から伝送されてきたマイクロ波信号を受信して光ファイバへ送信するための光信号に変換する無線通信用光電変換素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
マイクロ波やサブミリ波を光ファイバで伝送するという発想は古くからケーブルテレビ（ＣＡＴＶ）によるリモートアンテナが広く知られ、現在実用化されている。実際数Km離れた山の上に取り付けられた (無電源)アンテナで受信した放送信号を麓の集落迄光ファイバで送り、そこで視聴するというシステムができており、例えば、生岩等は、「導波路型光変調器を用いたテレビ電波受信システム」、電子情報通信学会論文誌C-Ｉ、J79-C-Ｉ、7、p249−255,1996)において、図８に示すようなテレビ電波受信システムを提案している。
【０００３】
一方、最近、これまでに比して大容量のワイヤレス通信(例えば約155Mbps程度)に対する要求が高く、特に、携帯電話などで問題となっている周波数の枯渇問題に対してまだ余裕のある10数GHzから数10GHzのいわゆるマイクロ波、ミリ波といった高周波帯をベースバンドとし、これらのマイクロ波、ミリ波を光ファイバを通して送信し、例えば構内ＬＡＮへの適用を考えるといった応用も期待されている。しかしながら、マイクロ波、ミリ波のように高周波数の電気信号は空気中を伝送する際の減衰が大きい。従って、構内ＬＡＮへの適用を考える場合、ビル内の各部屋に基地局を設け、ピコセル通信を行う必要がある。
【０００４】
このようなワイヤレス通信には、中央局から光信号を重畳した光波を基地局に送信し、この光波を基地局で電気信号に変換し、変換した電気信号を基地局アンテナから端末局へ送信するダウンリンクと、端末局から送信された電気信号(電波)を、基地局で光信号に変換して中央局に送信するアップリンクの双方向通信がある。
【０００５】
今後の高周波化に向かったピコセル通信のためには、基地局の数が膨大になるため、できるだけ簡素な基地局が求められている。
【０００６】
簡素な基地局としては、西川らが、「非線形受光方式を用いた無給電光ミリ波基地局の検討」、信学技報、第２回マイクロ波フォトニクス研究会(MPW97)、p52−58に、フォトダイオードの非線形受光方式を用いた基地局構成を報告しているが、現在はまだダウンリンクだけであり、今後これをアップリンクにまで適用することができれば実用化の方向への展開が開けるものと期待されている。また、M.Izutsu et.al., "Tuning properties of microwave-lightwave mixing by MESFETs", Tech.Digest of URSI96, Lille, Sept. 1996に記載されているように、ダウンリンクに対してはフォトダイオード（ＰＤ）や３端子素子（ＭＥＳＦＥＴやＨＥＭＴなど）を用いて光信号を電波に変換することがある程度可能となっている。問題はアップリンクをどれぐらい簡単な系で構成できるかであった。
【０００７】
また、D.Wake et.al.,"Passive picocell: a new concept in wireless network infrastructure",Electronics Letters, Vol.33, No.5, p404-406, 1997には、一部のマイクロ波帯の領域で実用化が可能なものとして、図９に示す電子吸収型変調器(EAM)を用いた双方向通信システムが提案されている。しかしながら、まだ信号強度も弱く完全なパッシブ型では3Mbpsで6m程度のピコセルにしか適用は難しい。実用化のためには、感度向上や高速化のための高周波化に対する技術的ブレークスルーが必要となる。また、電子吸収型変調器の例では、光源を中央局側に設置しており、中央局から送信されてきた光を用いる構成になっているが、この場合には複数の基地局を有するビル内のＬＡＮへの適用に対しては、光の複雑な制御等が要求され実用上の問題となる。加えて、EAM が大変高価であるという問題もある。
【０００８】
さらに、G.H.Smith et.al.,"Full-duplex fiber-wireless system using electrical and optical SSB modulation for efficient broadband millimeter-wave transport", Proc.MWP'97, Duisburg,p223-226, 1997には、
現在まだ試験段階であるが、38GHzのミリ波帯を用いて155Mbpsのダウンストリームと約50Mbpsのアップストリームとが可能であるとの報告がある。しかしながら、ここで提案されたシステムは大変大掛かりなシステムであり、とてもビル内の各部屋に基地局を設置し、ピコセルによる運用を実用化できるものではない。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
以上の通り、従来、双方向通信を1素子で実現した例は、先に述べたように図９に示す電子吸収型の変調器を基地局として用いたものしかなかった。一方、ダウンリンクに対しては簡素な基地局を構成できる素子が種々報告されているが、アップリンクを行うための簡素な基地局構成は殆ど無いのが現状である。このため、いわゆる（準）ミリ波帯である数10GHz帯の領域まで適用することができ、できるだけ簡単な素子を用いた基地局の開発が求められていた。
【００１０】
従って、本発明の目的は、低コスト・簡素で、且つ高周波帯域に渡って充分な性能を満足する基地局を提供するための、中心となる無線通信用光電変換素子を提供するものである。また、本発明の他の目的は、アップダウンの双方向通信に対する基地局を一つの素子で構成することができる無線通信用光電変換素子を提供するものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題は以下の手段により解決される。
請求項１の発明は、アップリンク時にはアンテナを介して受信された情報信号が重畳された光信号を生成すると共に、ダウンリンク時には情報信号が重畳された電気信号を生成しアンテナを介して送信する、無線通信用光電変換素子であって、互いに対向するように配置された第１のミラー及び第２のミラーで構成された第１のミラー共振器、前記第１のミラー共振器の内側に配置された活性層、及び前記第１のミラー共振器の外側に配置され且つ前記活性層に電流を印加する一対の電極を備え、前記一対の電極から電流を印加することにより前記活性層で生成された光を前記第１のミラー共振器により共振して前記第２のミラー側からレーザ光を発振するレーザ光源と、前記レーザ光源の前記第２のミラー側に積層され且つ前記レーザ光源から発振されたレーザ光が透過可能な半導体層からなるチャネル領域、前記チャネル領域の表面に設けられた制御電極、及び前記チャネル領域の表面に設けられた２個の電極を備え、前記制御電極から前記チャネル領域に電圧が印加されて形成される空乏層により前記２個の電極間に流れる電流量を制御する３端子素子と、前記３端子素子の前記チャネル領域の表面側に、前記レーザ光源の前記第１のミラーと対向するように配置されて、前記第１のミラーと共に第２のミラー共振器を構成する第３のミラーと、を備え、アップリンク時に、前記レーザ光源から発振され且つ前記チャネル領域に入射されたレーザ光を、前記第２のミラー共振器により共振すると共に、前記３端子素子の制御電極から入力された電気信号で変調して出力する、無線通信用光電変換素子である。
また、請求項２の発明は、前記第３のミラーを、ミラー電極とされた前記制御電極で兼用した請求項１に記載の無線通信用光電変換素子である。
また、請求項３の発明は、前記３端子素子は、前記制御電極から前記チャネル領域に印加される電圧に応じて空乏層が変化して入射されたレーザ光を変調する請求項１又は２に記載の無線通信用光電変換素子である。
また、請求項４の発明は、ダウンリンク時に、前記３端子素子の前記２個の電極間に流れる電流を、前記チャネル領域に照射された光信号で変調して出力する、請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の無線通信用光電変換素子である。
また、請求項５の発明は、ダウンリンク時に、前記３端子素子は、前記チャネル領域に入射された光信号に応じてフォトキャリアを発生して前記２個の電極間に流れる電流を変調することを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の無線通信用光電変換素子である。
また、請求項６の発明は、前記レーザ光源が、前記第１のミラー共振器として垂直共振器を備えた垂直共振器型面発光レーザである請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の無線通信用光電変換素子である。
【００１２】
即ち、本発明の無線通信用光電変換素子は、第１のミラー及び第２のミラーを備えたレーザ共振器よりレーザ光を発振する光源と、該レーザ共振器と共に共振器を構成する第３のミラーと、該第３のミラーにより構成される共振器内に設けられ、前記光源から発振されたレーザ光が透過可能なチャネル（領域）と、該チャネルに電気エネルギーを付与する複数の電極と、を備えている。
【００１３】
また、本発明の無線通信用光電変換素子は、第１のミラー及び第２のミラーを備えたレーザ共振器よりレーザ光を発振する光源と、該レーザ共振器と共に共振器を構成すると共に、該共振器内に設けられ、前記光源から発振されたレーザ光が透過可能なチャネルに電気エネルギーを付与するミラー電極を含む複数の電極と、を備えている。
【００１４】
アップリンク用素子として用いる場合は、前記チャネルは、前記複数の電極の少なくとも１つの電極に付与された電気エネルギーに応じて空乏層が変化して入射されたレーザ光を変調する。第３のミラーをミラー電極により構成した場合は、前記チャネルは、前記ミラー電極に付与された電気エネルギーに応じて空乏層が変化して入射されたレーザ光を変調する。
【００１５】
一方、ダウンリンク用素子として用いる場合は、前記チャネルは、入射された光信号に応じてフォトキャリアを発生して電極に付与された電気エネルギーを変調する。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、具体的な実施の形態に基づいて、本発明を詳細に説明する。
【００１８】
まず、本発明の無線通信用光電変換素子を適用した通信システムについて説明する。
【００１９】
この通信システムは、図２に示すように、ビル１２に設けられ外部の光ＬＡＮ１４に接続された中央局ＣＳと、ビル１２内の各部屋１６の天井に設けられ中央局ＣＳと光ファイバ１８で接続された基地局ＢＳと、各部屋１６内に設置された端末局ＵＴとから構成されている。分波器を用いることにより、中央局ＣＳと複数の基地局ＢＳとを接続することもできる。ここでは簡略化のため、通常用いられる光ＬＡＮ用ルーター等は図示していない。なお、このような通信システムにおいて、基地局ＢＳを天井に設ける場合は、電源は天井に配線されている電源ラインから供給することが可能であり、電力供給が困難となることも無い。
【００２０】
中央局ＣＳは、光ローカルオシレータＬＯとカプラ２０とから構成されている。基地局ＢＳは、アップリンク用の回路とダウンリンク用の回路とから構成され、各回路には同一構成の光電変換素子が設けられている。また、基地局ＢＳと、端末局ＵＴには、送受信用のアンテナ２２、２４がそれぞれ設けられている。
【００２１】
本発明の光電変換素子は、上記の通信システムにおける基地局ＢＳを構成することができる素子であり、光源(レーザー等)を素子内に設け、素子内で光と電波の相互作用を起こさせる素子構成とした点に特徴がある。
【００２２】
この光電変換素子３０は、図１に示す通り、３端子素子であるメタルセミコンダクター電界効果トランジスタ（ＭＥＳＦＥＴ）に加えて、レーザ光源である垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）を集積したものであり、ＭＥＳＦＥＴ部３２とＶＣＳＥＬ部３４とからなる。
【００２３】
ＶＣＳＥＬ部３４のｎ型基板３６上には、第１のミラーとしてのｎ型ＤＢＲミラー層３８、多重量子井戸活性層（ＭＱＷ）を含む活性層領域４０、及び第２のミラーとしてのｐ型ＤＢＲミラー層４２がエピタキシャル成長により順次積層され、ｎ型ＤＢＲミラー層３８の途中までエッチングされて、直径４０μｍ程度の円柱もしくは角柱の半導体柱（ポスト）が形成されている。このポスト上部には、中央の出射領域４４を除いてｐ側電極４６が設けられ、基板３６の裏面には、ｎ側電極４８が設けられている。このｎ型ＤＢＲミラー層３８とｐ型ＤＢＲミラー層４２とによってレーザ共振器が構成される。
【００２４】
ｐ側電極４６が設けられたポスト上部には、約数μｍ厚程度のＭＥＳＦＥＴ部３２のチャネル５０がエピタキシャル成長により積層されポスト４３を形成している。該チャネル５０上には、ソース電極Ｓ、ドレイン電極Ｄ、及びチャネル５０側に反射面が形成された光透過性のミラー電極としてのゲート電極Ｇの３種の電極が櫛形に形成され、３つの電極のうちゲート電極Ｇが第３のミラーとしてＶＣＳＥＬ部３４のｎ型ＤＢＲミラー層３８と共に共振器を構成している。
【００２５】
ＶＣＳＥＬ部３４には、活性層にＡｌＧａＡｓ、ＧａＡｓもしくはＩｎＧａＡｓを用いた近赤外用のＶＣＳＥＬの他、ＩｎＧａＰもしくはＡｌＧａＩｎＰを用いた赤色用のＶＣＳＥＬも用いることができる。また、ＧａＮ系やＺｎＳｅ系等の青色もしくは紫外線用のＶＣＳＥＬ、ＩｎＧａＡｓＰ系等の１．３〜１．５μｍ帯用のＶＣＳＥＬも用いることができる。
【００２６】
しかしながら、いずれの場合であっても、ＭＥＳＦＥＴ部３２のチャネル５０は、ＶＣＳＥＬ部３４から発振されたレーザ光を透過する材料から構成されていなければならない。例えば、活性層にＡｌＧａＡｓを用いた近赤外用のＶＣＳＥＬを使用する場合、ＭＥＳＦＥＴ部３２のチャネル５０には、ＩｎＰ系の材料を用いる。
【００２７】
図３に、本発明の光電変換素子をアップリンク用の光電変換素子として使用する場合の等価回路を示す。光電変換素子３０のゲート電極Ｇは直接あるいは間接にアンテナ２２に接続されており、ＭＥＳＦＥＴ部３２のドレイン電極Ｄは電源ＶＤに接続され、ＶＣＳＥＬ部３４のｐ側電極４６は電源ＶＬＤに接続されており、ＭＥＳＦＥＴ部３２のソース電極Ｓ及びＶＣＳＥＬ部３２のｎ側電極４８は接地されている。
【００２８】
アップリンクを行う場合には、図２、図３に示すように、端末局ＵＴに設けられたアンテナ２４から送信された電気信号が重畳されたミリ波を、基地局ＢＳに設けられたアンテナ２２で受信し、基地局ＢＳに設けられた光電変換素子３０において、受信した電気信号と光電変換素子３０内の光源から発振されたレーザ光との間で相互作用を起こさせて、電気信号を光信号に変換し、基地局ＢＳと中央局ＣＳとを接続する光ファイバ１８を介して、この光信号を中央局ＣＳ側に送信する。
【００２９】
このとき光電変換素子３０内では、図４に示すように、電気信号が重畳されたミリ波がアンテナ２２を介してＭＥＳＦＥＴ部３２のゲート電極Ｇに入力される。ゲート電極ＧにＶＣＳＥＬ部３４から例えば１．５μｍ帯のレーザ光を照射すると、レーザ光はＶＣＳＥＬ部３４のｎ型ＤＢＲミラー３８とゲート電極Ｇ間で多重反射を繰り返し、所定強度以上になったときにゲート電極Ｇを透過して外部に出力されるが、その間にゲート電極Ｇに入力された電気信号の強弱に応じてゲート電極Ｇ直下にある空乏層領域５２が伸び縮みし、ＭＥＳＦＥＴ部３２のチャネル領域５０の半導体の吸収係数が変化し、その変化がチャネル領域５０に入射された光の強度を変化させ、結果として出力光の強度変化を生むことになる。この原理は、ゲートに変調がかけられたＰＤに光が入射した際に変調される現象と類似している。このようにアンテナ２２で受信したミリ波に重畳された電気信号で強度変調されたレーザ光が、共振器を構成するミラー電極であるゲート電極Ｇを透過して射出されて光ファイバ１８に入力され、光ファイバ１８を介して中央局ＣＳの方に送信される。
【００３０】
図５に、本発明の光電変換素子を直接変調してダウンリンク用の光電変換素子として使用する場合の等価回路を示す。光電変換素子３０のドレイン電極Ｄは直接あるいは抵抗及びコンデンサを介して間接的にアンテナ２２に接続されるとともに電源ＶＤに接続されており、ＭＥＳＦＥＴ部３２のゲート電極Ｇは電源ＶＧに接続されている。なお、ＶＣＳＥＬ部３４を直接変調する場合は、ＶＣＳＥＬ部３４のｐ側電極４６には中央局ＣＳからの電気信号（情報信号）が入力される。また、ＭＥＳＦＥＴ部３２のソース電極Ｓ及びＶＣＳＥＬ部３４のｎ側電極４８は接地されている。
【００３１】
図２においてダウンリンクを行う場合には、図２に示すように、中央局ＣＳに接続された外部の光ＬＡＮ１４から光信号（ＩＦ信号）が中央局ＣＳに入力されると、中央局ＣＳに設けられたカプラ２０により、この光信号と光ローカルオシレータＬＯから入力されたミリ波とが混合され、基地局ＢＳと中央局ＣＳとを接続する光ファイバ１８を介して、光信号の重畳された光（変調光）を中央局ＣＳから基地局ＢＳに送信する。基地局ＢＳでは、光ファイバから送信された光を、ＭＥＳＦＥＴのチャネルに照射することによりフォトキャリヤを発生させ、このフォトキャリヤによりＭＥＳＦＥＴのソース・ドレイン電流に変調を生じさせ、信号が光から電気に変換される。なお、図５に示すように、ＶＣＳＥＬを使用して電気信号をＶＣＳＥＬ部３４のｐ側電極４６に入力して直接変調するようにしてもよい。
【００３２】
すなわち、変調光が、ＭＥＳＦＥＴ部３２のゲート電極Ｇに入射されると、ＶＣＳＥＬ部３４のｎ型ＤＢＲミラー３８とゲート電極Ｇ間で共振される。ＭＥＳＦＥＴ部３２のゲート電極Ｇ及びソース電極Ｓにはそれぞれ一定の電圧が印加されており、チャネル内に生じ、かつ変調光の照射により変化したフォトキャリヤでＭＥＳＦＥＴ部のゲート下のリアクタンスによる変調が生じ、光信号が電気信号に変換されて、基地局ＢＳのアンテナ２２から端末局ＵＴに送信される。端末局ＵＴは、送信された電気信号を端末局ＵＴに設けられたアンテナ２４により受信する。
【００３３】
なお、３端子素子を使用したダウンリンクのシステムについては、塩見ほか、「光照射MESFETを用いたHMIC発振器の光パルス変調」、電子情報通信学会エレクトロニクスソサイエティ大会、SC-3-3、p367,1996等にも記載されている。
【００３４】
上述した実施形態では、３端子素子としてＭＥＳＦＥＴを用いたが、ＭＥＳＦＥＴの代わりに、高電子移動トランジスタ（ＨＥＭＴ）やヘテロバイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）を用いてもよい。この場合においても、アップリンクの場合は、ゲート部（ベース部）に電気信号を印加すればよい。
【００３５】
また、レーザ光源としてＶＣＳＥＬを用いたが、第１のミラー及び第２のミラーを備えたレーザ共振器よりレーザ光を発振する光源であれば特に制限は無く、端面発光型のレーザを用いることもできる。
【００３６】
本実施形態では、エピタキシャル成長によりＭＥＳＦＥＴをＶＣＳＥＬ上に集積したが、ＭＥＳＦＥＴとＶＣＳＥＬとを別々に作製した後に両者を貼り合わせることにより集積されていてもよい。
【００３７】
本実施形態では、ＭＥＳＦＥＴのゲート電極を第３のミラーとして用いたが、電極と第３のミラーとを別々に設けてもよい。
【００３８】
本実施形態では、図６（Ｂ）に示すように、第３のミラー６０をレーザーの共振器６２の外側に配置する構成としたが、図６（Ａ）に示すように、レーザー共振器６２の内側に第３のミラー６０を配置することもできる。内側に配置する場合はレーザーの共振器長が短いので、そこに第３のミラーを設けることは容易ではなく、光路の変更など種々の工夫が必要となり、実デバイスを作る上では制限が多いと思われるが、理論上は可能である。
【００３９】
また、光電変換素子の駆動方法についても、上述した実施形態により何ら制限されるわけではない。例えば、上述した実施形態では、アップリンクを行う場合、ゲート電極に電気信号を入力し、ソース・ドレイン電流については特に言及していないが、ソース・ドレイン電流も当然変調される。また、アンテナからの電気信号をゲートのみに入力した場合を示したが、ドレイン電圧によっても空乏層の厚さに変化を生じる為、ドレイン側あるいはドレインとゲートの両側にアンテナからの電気信号を入力することで、より大きな変調効果を得ることができる。さらにまた、V-GrooveＦＥＴやMultichannelＦＥＴのように、ＦＥＴのチャンネル下部の形状を種々制御することにより、空乏層の変化を大きくし、光の変調をより大きく行うようにしてもよい。
【００４０】
本実施形態では、光の変調を起こしやすいようにするために基板に直交して光を導入したが、上記原理に従えば直交に拘る事も無く、基板に平行にしたり、ある角度を持たせて光を入射させることが出来る事は容易に想像される。また、本実施形態では、強度変調された光をゲート電極Ｇを透過させて外部に出力したが、ミアンダ型のゲート電極エッジからの光の漏れを利用して変調光を出力してもよく、図７に示すように、ＦＥＴ基板の略中央部にゲート電極Ｇに対して４５°傾斜したハーフミラーを設けると共に、ハーフミラーから光電変換素子の一方の端面に光を導く光導波路を形成し、ハーフミラー及び光導波路を利用して変調光を一方の端面から射出するか、または両方の端面から射出するようにしてもよい。なお、この場合には、ゲート電極Ｇは必ずしも光透過性である必要はない。
【００４１】
本実施形態では、アップダウンの双方向で本発明の光電変換素子を用いたが、アップリンクとダウンリンクのいずれか一方に本発明の光電変換素子を用い、他方は本発明の光電変換素子とは異なる素子を用いて行ってもよい。 例えば、アップリンクは本実施形態の素子を用いて行い、ダウンリンクについては、既存の例えばＦＥＴ等の３端子素子のみからなる素子を用い、ＦＥＴのチャネルに直接光ファイバで送信された光信号の重畳された光を注入することもできる。
【００４２】
なお、本実施形態では、ゲート電極にのみ信号を入力する場合を示したが、ＶＣＳＥＬ部に変調信号を入力してレーザ光を直接変調するなどして、ゲート電極側だけでなくレーザ光側に変調信号を乗せてもよい。このとき、ゲート電極側の信号周波数とレーザ光側の信号周波数とを異ならせるようにすると、検出側ではこれらの差分となる低い周波数を検出することとなるので、素子側での実効的な信号周波数を下げることができる。
【００４３】
【発明の効果】
本発明の無線通信用光電変換素子は、簡素で、且つ高周波帯域に渡って充分な性能を満足する基地局として用いることができ、これを用いることで、より簡易な通信システムを低コストで構成することができる。
【００４４】
また、本発明の無線通信用光電変換素子は、アップリンク及びダウンリンクのいずれにも使用することが可能であり、アップダウンの双方向に対する基地局を一つの素子で構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の無線通信用光電変換素子を適用した通信システムの概略図である。
【図２】本発明の実施形態に係る無線通信用光電変換素子の概略断面図である。
【図３】本発明の光電変換素子をアップリンク用の光電変換素子として使用する場合の等価回路図である。
【図４】本発明の光電変換素子にアップリンク信号を導入した場合の空乏層の変化を示す概略断面図である。
【図５】本発明の光電変換素子をダウンリンク用の光電変換素子として使用する場合の等価回路図である。
【図６】（Ａ）は、レーザー共振器の内側に第３のミラーを配置する構成を示す図であり、（Ｂ）は、第３のミラーをレーザーの共振器の外側に配置する構成を示す図である。
【図７】本発明の光電変換素子において強度変調された光を端面から出力する場合の光の経路を示す概略断面図である。
【図８】従来のＣＡＴＶにおけるテレビ電波受信システムを示す概略図である。
【図９】従来のＥＡＭを用いた双方向通信システムを示す概略図である。
【符号の説明】
ＣＳ 中央局
ＢＳ 基地局
ＵＴ 端末局
１２ ビル
１４ 光ＬＡＮ
１６ 部屋
１８ 光ファイバ
ＬＯ 光ローカルオシレータ
２０ カプラ
２２、２４ アンテナ
３０ 光電変換素子
３２ ＭＥＳＦＥＴ部
３４ ＶＣＳＥＬ部
３６ ｎ型基板
３８ ｎ型ＤＢＲミラー層
４０ 活性層領域
４２ ｐ型ＤＢＲミラー層
４４ 出射領域
４６ ｐ側電極
４８ ｎ側電極
５０ チャネル
４３ ポスト
５２ 空乏層
Ｓ ソース電極
Ｄ ドレイン電極
Ｇ ゲート電極
６０ 第３のミラー
６２ レーザ共振器
【発明の属する技術分野】
本発明は無線通信用光電変換素子に関し、詳しくは、マイクロ波フォトニクスを利用した無線通信の分野において、光ファイバから伝送されてきた光信号をマイクロ波信号に変換する、あるいはその逆に端末から伝送されてきたマイクロ波信号を受信して光ファイバへ送信するための光信号に変換する無線通信用光電変換素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
マイクロ波やサブミリ波を光ファイバで伝送するという発想は古くからケーブルテレビ（ＣＡＴＶ）によるリモートアンテナが広く知られ、現在実用化されている。実際数Km離れた山の上に取り付けられた (無電源)アンテナで受信した放送信号を麓の集落迄光ファイバで送り、そこで視聴するというシステムができており、例えば、生岩等は、「導波路型光変調器を用いたテレビ電波受信システム」、電子情報通信学会論文誌C-Ｉ、J79-C-Ｉ、7、p249−255,1996)において、図８に示すようなテレビ電波受信システムを提案している。
【０００３】
一方、最近、これまでに比して大容量のワイヤレス通信(例えば約155Mbps程度)に対する要求が高く、特に、携帯電話などで問題となっている周波数の枯渇問題に対してまだ余裕のある10数GHzから数10GHzのいわゆるマイクロ波、ミリ波といった高周波帯をベースバンドとし、これらのマイクロ波、ミリ波を光ファイバを通して送信し、例えば構内ＬＡＮへの適用を考えるといった応用も期待されている。しかしながら、マイクロ波、ミリ波のように高周波数の電気信号は空気中を伝送する際の減衰が大きい。従って、構内ＬＡＮへの適用を考える場合、ビル内の各部屋に基地局を設け、ピコセル通信を行う必要がある。
【０００４】
このようなワイヤレス通信には、中央局から光信号を重畳した光波を基地局に送信し、この光波を基地局で電気信号に変換し、変換した電気信号を基地局アンテナから端末局へ送信するダウンリンクと、端末局から送信された電気信号(電波)を、基地局で光信号に変換して中央局に送信するアップリンクの双方向通信がある。
【０００５】
今後の高周波化に向かったピコセル通信のためには、基地局の数が膨大になるため、できるだけ簡素な基地局が求められている。
【０００６】
簡素な基地局としては、西川らが、「非線形受光方式を用いた無給電光ミリ波基地局の検討」、信学技報、第２回マイクロ波フォトニクス研究会(MPW97)、p52−58に、フォトダイオードの非線形受光方式を用いた基地局構成を報告しているが、現在はまだダウンリンクだけであり、今後これをアップリンクにまで適用することができれば実用化の方向への展開が開けるものと期待されている。また、M.Izutsu et.al., "Tuning properties of microwave-lightwave mixing by MESFETs", Tech.Digest of URSI96, Lille, Sept. 1996に記載されているように、ダウンリンクに対してはフォトダイオード（ＰＤ）や３端子素子（ＭＥＳＦＥＴやＨＥＭＴなど）を用いて光信号を電波に変換することがある程度可能となっている。問題はアップリンクをどれぐらい簡単な系で構成できるかであった。
【０００７】
また、D.Wake et.al.,"Passive picocell: a new concept in wireless network infrastructure",Electronics Letters, Vol.33, No.5, p404-406, 1997には、一部のマイクロ波帯の領域で実用化が可能なものとして、図９に示す電子吸収型変調器(EAM)を用いた双方向通信システムが提案されている。しかしながら、まだ信号強度も弱く完全なパッシブ型では3Mbpsで6m程度のピコセルにしか適用は難しい。実用化のためには、感度向上や高速化のための高周波化に対する技術的ブレークスルーが必要となる。また、電子吸収型変調器の例では、光源を中央局側に設置しており、中央局から送信されてきた光を用いる構成になっているが、この場合には複数の基地局を有するビル内のＬＡＮへの適用に対しては、光の複雑な制御等が要求され実用上の問題となる。加えて、EAM が大変高価であるという問題もある。
【０００８】
さらに、G.H.Smith et.al.,"Full-duplex fiber-wireless system using electrical and optical SSB modulation for efficient broadband millimeter-wave transport", Proc.MWP'97, Duisburg,p223-226, 1997には、
現在まだ試験段階であるが、38GHzのミリ波帯を用いて155Mbpsのダウンストリームと約50Mbpsのアップストリームとが可能であるとの報告がある。しかしながら、ここで提案されたシステムは大変大掛かりなシステムであり、とてもビル内の各部屋に基地局を設置し、ピコセルによる運用を実用化できるものではない。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
以上の通り、従来、双方向通信を1素子で実現した例は、先に述べたように図９に示す電子吸収型の変調器を基地局として用いたものしかなかった。一方、ダウンリンクに対しては簡素な基地局を構成できる素子が種々報告されているが、アップリンクを行うための簡素な基地局構成は殆ど無いのが現状である。このため、いわゆる（準）ミリ波帯である数10GHz帯の領域まで適用することができ、できるだけ簡単な素子を用いた基地局の開発が求められていた。
【００１０】
従って、本発明の目的は、低コスト・簡素で、且つ高周波帯域に渡って充分な性能を満足する基地局を提供するための、中心となる無線通信用光電変換素子を提供するものである。また、本発明の他の目的は、アップダウンの双方向通信に対する基地局を一つの素子で構成することができる無線通信用光電変換素子を提供するものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題は以下の手段により解決される。
請求項１の発明は、アップリンク時にはアンテナを介して受信された情報信号が重畳された光信号を生成すると共に、ダウンリンク時には情報信号が重畳された電気信号を生成しアンテナを介して送信する、無線通信用光電変換素子であって、互いに対向するように配置された第１のミラー及び第２のミラーで構成された第１のミラー共振器、前記第１のミラー共振器の内側に配置された活性層、及び前記第１のミラー共振器の外側に配置され且つ前記活性層に電流を印加する一対の電極を備え、前記一対の電極から電流を印加することにより前記活性層で生成された光を前記第１のミラー共振器により共振して前記第２のミラー側からレーザ光を発振するレーザ光源と、前記レーザ光源の前記第２のミラー側に積層され且つ前記レーザ光源から発振されたレーザ光が透過可能な半導体層からなるチャネル領域、前記チャネル領域の表面に設けられた制御電極、及び前記チャネル領域の表面に設けられた２個の電極を備え、前記制御電極から前記チャネル領域に電圧が印加されて形成される空乏層により前記２個の電極間に流れる電流量を制御する３端子素子と、前記３端子素子の前記チャネル領域の表面側に、前記レーザ光源の前記第１のミラーと対向するように配置されて、前記第１のミラーと共に第２のミラー共振器を構成する第３のミラーと、を備え、アップリンク時に、前記レーザ光源から発振され且つ前記チャネル領域に入射されたレーザ光を、前記第２のミラー共振器により共振すると共に、前記３端子素子の制御電極から入力された電気信号で変調して出力する、無線通信用光電変換素子である。
また、請求項２の発明は、前記第３のミラーを、ミラー電極とされた前記制御電極で兼用した請求項１に記載の無線通信用光電変換素子である。
また、請求項３の発明は、前記３端子素子は、前記制御電極から前記チャネル領域に印加される電圧に応じて空乏層が変化して入射されたレーザ光を変調する請求項１又は２に記載の無線通信用光電変換素子である。
また、請求項４の発明は、ダウンリンク時に、前記３端子素子の前記２個の電極間に流れる電流を、前記チャネル領域に照射された光信号で変調して出力する、請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の無線通信用光電変換素子である。
また、請求項５の発明は、ダウンリンク時に、前記３端子素子は、前記チャネル領域に入射された光信号に応じてフォトキャリアを発生して前記２個の電極間に流れる電流を変調することを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の無線通信用光電変換素子である。
また、請求項６の発明は、前記レーザ光源が、前記第１のミラー共振器として垂直共振器を備えた垂直共振器型面発光レーザである請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の無線通信用光電変換素子である。
【００１２】
即ち、本発明の無線通信用光電変換素子は、第１のミラー及び第２のミラーを備えたレーザ共振器よりレーザ光を発振する光源と、該レーザ共振器と共に共振器を構成する第３のミラーと、該第３のミラーにより構成される共振器内に設けられ、前記光源から発振されたレーザ光が透過可能なチャネル（領域）と、該チャネルに電気エネルギーを付与する複数の電極と、を備えている。
【００１３】
また、本発明の無線通信用光電変換素子は、第１のミラー及び第２のミラーを備えたレーザ共振器よりレーザ光を発振する光源と、該レーザ共振器と共に共振器を構成すると共に、該共振器内に設けられ、前記光源から発振されたレーザ光が透過可能なチャネルに電気エネルギーを付与するミラー電極を含む複数の電極と、を備えている。
【００１４】
アップリンク用素子として用いる場合は、前記チャネルは、前記複数の電極の少なくとも１つの電極に付与された電気エネルギーに応じて空乏層が変化して入射されたレーザ光を変調する。第３のミラーをミラー電極により構成した場合は、前記チャネルは、前記ミラー電極に付与された電気エネルギーに応じて空乏層が変化して入射されたレーザ光を変調する。
【００１５】
一方、ダウンリンク用素子として用いる場合は、前記チャネルは、入射された光信号に応じてフォトキャリアを発生して電極に付与された電気エネルギーを変調する。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、具体的な実施の形態に基づいて、本発明を詳細に説明する。
【００１８】
まず、本発明の無線通信用光電変換素子を適用した通信システムについて説明する。
【００１９】
この通信システムは、図２に示すように、ビル１２に設けられ外部の光ＬＡＮ１４に接続された中央局ＣＳと、ビル１２内の各部屋１６の天井に設けられ中央局ＣＳと光ファイバ１８で接続された基地局ＢＳと、各部屋１６内に設置された端末局ＵＴとから構成されている。分波器を用いることにより、中央局ＣＳと複数の基地局ＢＳとを接続することもできる。ここでは簡略化のため、通常用いられる光ＬＡＮ用ルーター等は図示していない。なお、このような通信システムにおいて、基地局ＢＳを天井に設ける場合は、電源は天井に配線されている電源ラインから供給することが可能であり、電力供給が困難となることも無い。
【００２０】
中央局ＣＳは、光ローカルオシレータＬＯとカプラ２０とから構成されている。基地局ＢＳは、アップリンク用の回路とダウンリンク用の回路とから構成され、各回路には同一構成の光電変換素子が設けられている。また、基地局ＢＳと、端末局ＵＴには、送受信用のアンテナ２２、２４がそれぞれ設けられている。
【００２１】
本発明の光電変換素子は、上記の通信システムにおける基地局ＢＳを構成することができる素子であり、光源(レーザー等)を素子内に設け、素子内で光と電波の相互作用を起こさせる素子構成とした点に特徴がある。
【００２２】
この光電変換素子３０は、図１に示す通り、３端子素子であるメタルセミコンダクター電界効果トランジスタ（ＭＥＳＦＥＴ）に加えて、レーザ光源である垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）を集積したものであり、ＭＥＳＦＥＴ部３２とＶＣＳＥＬ部３４とからなる。
【００２３】
ＶＣＳＥＬ部３４のｎ型基板３６上には、第１のミラーとしてのｎ型ＤＢＲミラー層３８、多重量子井戸活性層（ＭＱＷ）を含む活性層領域４０、及び第２のミラーとしてのｐ型ＤＢＲミラー層４２がエピタキシャル成長により順次積層され、ｎ型ＤＢＲミラー層３８の途中までエッチングされて、直径４０μｍ程度の円柱もしくは角柱の半導体柱（ポスト）が形成されている。このポスト上部には、中央の出射領域４４を除いてｐ側電極４６が設けられ、基板３６の裏面には、ｎ側電極４８が設けられている。このｎ型ＤＢＲミラー層３８とｐ型ＤＢＲミラー層４２とによってレーザ共振器が構成される。
【００２４】
ｐ側電極４６が設けられたポスト上部には、約数μｍ厚程度のＭＥＳＦＥＴ部３２のチャネル５０がエピタキシャル成長により積層されポスト４３を形成している。該チャネル５０上には、ソース電極Ｓ、ドレイン電極Ｄ、及びチャネル５０側に反射面が形成された光透過性のミラー電極としてのゲート電極Ｇの３種の電極が櫛形に形成され、３つの電極のうちゲート電極Ｇが第３のミラーとしてＶＣＳＥＬ部３４のｎ型ＤＢＲミラー層３８と共に共振器を構成している。
【００２５】
ＶＣＳＥＬ部３４には、活性層にＡｌＧａＡｓ、ＧａＡｓもしくはＩｎＧａＡｓを用いた近赤外用のＶＣＳＥＬの他、ＩｎＧａＰもしくはＡｌＧａＩｎＰを用いた赤色用のＶＣＳＥＬも用いることができる。また、ＧａＮ系やＺｎＳｅ系等の青色もしくは紫外線用のＶＣＳＥＬ、ＩｎＧａＡｓＰ系等の１．３〜１．５μｍ帯用のＶＣＳＥＬも用いることができる。
【００２６】
しかしながら、いずれの場合であっても、ＭＥＳＦＥＴ部３２のチャネル５０は、ＶＣＳＥＬ部３４から発振されたレーザ光を透過する材料から構成されていなければならない。例えば、活性層にＡｌＧａＡｓを用いた近赤外用のＶＣＳＥＬを使用する場合、ＭＥＳＦＥＴ部３２のチャネル５０には、ＩｎＰ系の材料を用いる。
【００２７】
図３に、本発明の光電変換素子をアップリンク用の光電変換素子として使用する場合の等価回路を示す。光電変換素子３０のゲート電極Ｇは直接あるいは間接にアンテナ２２に接続されており、ＭＥＳＦＥＴ部３２のドレイン電極Ｄは電源ＶＤに接続され、ＶＣＳＥＬ部３４のｐ側電極４６は電源ＶＬＤに接続されており、ＭＥＳＦＥＴ部３２のソース電極Ｓ及びＶＣＳＥＬ部３２のｎ側電極４８は接地されている。
【００２８】
アップリンクを行う場合には、図２、図３に示すように、端末局ＵＴに設けられたアンテナ２４から送信された電気信号が重畳されたミリ波を、基地局ＢＳに設けられたアンテナ２２で受信し、基地局ＢＳに設けられた光電変換素子３０において、受信した電気信号と光電変換素子３０内の光源から発振されたレーザ光との間で相互作用を起こさせて、電気信号を光信号に変換し、基地局ＢＳと中央局ＣＳとを接続する光ファイバ１８を介して、この光信号を中央局ＣＳ側に送信する。
【００２９】
このとき光電変換素子３０内では、図４に示すように、電気信号が重畳されたミリ波がアンテナ２２を介してＭＥＳＦＥＴ部３２のゲート電極Ｇに入力される。ゲート電極ＧにＶＣＳＥＬ部３４から例えば１．５μｍ帯のレーザ光を照射すると、レーザ光はＶＣＳＥＬ部３４のｎ型ＤＢＲミラー３８とゲート電極Ｇ間で多重反射を繰り返し、所定強度以上になったときにゲート電極Ｇを透過して外部に出力されるが、その間にゲート電極Ｇに入力された電気信号の強弱に応じてゲート電極Ｇ直下にある空乏層領域５２が伸び縮みし、ＭＥＳＦＥＴ部３２のチャネル領域５０の半導体の吸収係数が変化し、その変化がチャネル領域５０に入射された光の強度を変化させ、結果として出力光の強度変化を生むことになる。この原理は、ゲートに変調がかけられたＰＤに光が入射した際に変調される現象と類似している。このようにアンテナ２２で受信したミリ波に重畳された電気信号で強度変調されたレーザ光が、共振器を構成するミラー電極であるゲート電極Ｇを透過して射出されて光ファイバ１８に入力され、光ファイバ１８を介して中央局ＣＳの方に送信される。
【００３０】
図５に、本発明の光電変換素子を直接変調してダウンリンク用の光電変換素子として使用する場合の等価回路を示す。光電変換素子３０のドレイン電極Ｄは直接あるいは抵抗及びコンデンサを介して間接的にアンテナ２２に接続されるとともに電源ＶＤに接続されており、ＭＥＳＦＥＴ部３２のゲート電極Ｇは電源ＶＧに接続されている。なお、ＶＣＳＥＬ部３４を直接変調する場合は、ＶＣＳＥＬ部３４のｐ側電極４６には中央局ＣＳからの電気信号（情報信号）が入力される。また、ＭＥＳＦＥＴ部３２のソース電極Ｓ及びＶＣＳＥＬ部３４のｎ側電極４８は接地されている。
【００３１】
図２においてダウンリンクを行う場合には、図２に示すように、中央局ＣＳに接続された外部の光ＬＡＮ１４から光信号（ＩＦ信号）が中央局ＣＳに入力されると、中央局ＣＳに設けられたカプラ２０により、この光信号と光ローカルオシレータＬＯから入力されたミリ波とが混合され、基地局ＢＳと中央局ＣＳとを接続する光ファイバ１８を介して、光信号の重畳された光（変調光）を中央局ＣＳから基地局ＢＳに送信する。基地局ＢＳでは、光ファイバから送信された光を、ＭＥＳＦＥＴのチャネルに照射することによりフォトキャリヤを発生させ、このフォトキャリヤによりＭＥＳＦＥＴのソース・ドレイン電流に変調を生じさせ、信号が光から電気に変換される。なお、図５に示すように、ＶＣＳＥＬを使用して電気信号をＶＣＳＥＬ部３４のｐ側電極４６に入力して直接変調するようにしてもよい。
【００３２】
すなわち、変調光が、ＭＥＳＦＥＴ部３２のゲート電極Ｇに入射されると、ＶＣＳＥＬ部３４のｎ型ＤＢＲミラー３８とゲート電極Ｇ間で共振される。ＭＥＳＦＥＴ部３２のゲート電極Ｇ及びソース電極Ｓにはそれぞれ一定の電圧が印加されており、チャネル内に生じ、かつ変調光の照射により変化したフォトキャリヤでＭＥＳＦＥＴ部のゲート下のリアクタンスによる変調が生じ、光信号が電気信号に変換されて、基地局ＢＳのアンテナ２２から端末局ＵＴに送信される。端末局ＵＴは、送信された電気信号を端末局ＵＴに設けられたアンテナ２４により受信する。
【００３３】
なお、３端子素子を使用したダウンリンクのシステムについては、塩見ほか、「光照射MESFETを用いたHMIC発振器の光パルス変調」、電子情報通信学会エレクトロニクスソサイエティ大会、SC-3-3、p367,1996等にも記載されている。
【００３４】
上述した実施形態では、３端子素子としてＭＥＳＦＥＴを用いたが、ＭＥＳＦＥＴの代わりに、高電子移動トランジスタ（ＨＥＭＴ）やヘテロバイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）を用いてもよい。この場合においても、アップリンクの場合は、ゲート部（ベース部）に電気信号を印加すればよい。
【００３５】
また、レーザ光源としてＶＣＳＥＬを用いたが、第１のミラー及び第２のミラーを備えたレーザ共振器よりレーザ光を発振する光源であれば特に制限は無く、端面発光型のレーザを用いることもできる。
【００３６】
本実施形態では、エピタキシャル成長によりＭＥＳＦＥＴをＶＣＳＥＬ上に集積したが、ＭＥＳＦＥＴとＶＣＳＥＬとを別々に作製した後に両者を貼り合わせることにより集積されていてもよい。
【００３７】
本実施形態では、ＭＥＳＦＥＴのゲート電極を第３のミラーとして用いたが、電極と第３のミラーとを別々に設けてもよい。
【００３８】
本実施形態では、図６（Ｂ）に示すように、第３のミラー６０をレーザーの共振器６２の外側に配置する構成としたが、図６（Ａ）に示すように、レーザー共振器６２の内側に第３のミラー６０を配置することもできる。内側に配置する場合はレーザーの共振器長が短いので、そこに第３のミラーを設けることは容易ではなく、光路の変更など種々の工夫が必要となり、実デバイスを作る上では制限が多いと思われるが、理論上は可能である。
【００３９】
また、光電変換素子の駆動方法についても、上述した実施形態により何ら制限されるわけではない。例えば、上述した実施形態では、アップリンクを行う場合、ゲート電極に電気信号を入力し、ソース・ドレイン電流については特に言及していないが、ソース・ドレイン電流も当然変調される。また、アンテナからの電気信号をゲートのみに入力した場合を示したが、ドレイン電圧によっても空乏層の厚さに変化を生じる為、ドレイン側あるいはドレインとゲートの両側にアンテナからの電気信号を入力することで、より大きな変調効果を得ることができる。さらにまた、V-GrooveＦＥＴやMultichannelＦＥＴのように、ＦＥＴのチャンネル下部の形状を種々制御することにより、空乏層の変化を大きくし、光の変調をより大きく行うようにしてもよい。
【００４０】
本実施形態では、光の変調を起こしやすいようにするために基板に直交して光を導入したが、上記原理に従えば直交に拘る事も無く、基板に平行にしたり、ある角度を持たせて光を入射させることが出来る事は容易に想像される。また、本実施形態では、強度変調された光をゲート電極Ｇを透過させて外部に出力したが、ミアンダ型のゲート電極エッジからの光の漏れを利用して変調光を出力してもよく、図７に示すように、ＦＥＴ基板の略中央部にゲート電極Ｇに対して４５°傾斜したハーフミラーを設けると共に、ハーフミラーから光電変換素子の一方の端面に光を導く光導波路を形成し、ハーフミラー及び光導波路を利用して変調光を一方の端面から射出するか、または両方の端面から射出するようにしてもよい。なお、この場合には、ゲート電極Ｇは必ずしも光透過性である必要はない。
【００４１】
本実施形態では、アップダウンの双方向で本発明の光電変換素子を用いたが、アップリンクとダウンリンクのいずれか一方に本発明の光電変換素子を用い、他方は本発明の光電変換素子とは異なる素子を用いて行ってもよい。 例えば、アップリンクは本実施形態の素子を用いて行い、ダウンリンクについては、既存の例えばＦＥＴ等の３端子素子のみからなる素子を用い、ＦＥＴのチャネルに直接光ファイバで送信された光信号の重畳された光を注入することもできる。
【００４２】
なお、本実施形態では、ゲート電極にのみ信号を入力する場合を示したが、ＶＣＳＥＬ部に変調信号を入力してレーザ光を直接変調するなどして、ゲート電極側だけでなくレーザ光側に変調信号を乗せてもよい。このとき、ゲート電極側の信号周波数とレーザ光側の信号周波数とを異ならせるようにすると、検出側ではこれらの差分となる低い周波数を検出することとなるので、素子側での実効的な信号周波数を下げることができる。
【００４３】
【発明の効果】
本発明の無線通信用光電変換素子は、簡素で、且つ高周波帯域に渡って充分な性能を満足する基地局として用いることができ、これを用いることで、より簡易な通信システムを低コストで構成することができる。
【００４４】
また、本発明の無線通信用光電変換素子は、アップリンク及びダウンリンクのいずれにも使用することが可能であり、アップダウンの双方向に対する基地局を一つの素子で構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の無線通信用光電変換素子を適用した通信システムの概略図である。
【図２】本発明の実施形態に係る無線通信用光電変換素子の概略断面図である。
【図３】本発明の光電変換素子をアップリンク用の光電変換素子として使用する場合の等価回路図である。
【図４】本発明の光電変換素子にアップリンク信号を導入した場合の空乏層の変化を示す概略断面図である。
【図５】本発明の光電変換素子をダウンリンク用の光電変換素子として使用する場合の等価回路図である。
【図６】（Ａ）は、レーザー共振器の内側に第３のミラーを配置する構成を示す図であり、（Ｂ）は、第３のミラーをレーザーの共振器の外側に配置する構成を示す図である。
【図７】本発明の光電変換素子において強度変調された光を端面から出力する場合の光の経路を示す概略断面図である。
【図８】従来のＣＡＴＶにおけるテレビ電波受信システムを示す概略図である。
【図９】従来のＥＡＭを用いた双方向通信システムを示す概略図である。
【符号の説明】
ＣＳ 中央局
ＢＳ 基地局
ＵＴ 端末局
１２ ビル
１４ 光ＬＡＮ
１６ 部屋
１８ 光ファイバ
ＬＯ 光ローカルオシレータ
２０ カプラ
２２、２４ アンテナ
３０ 光電変換素子
３２ ＭＥＳＦＥＴ部
３４ ＶＣＳＥＬ部
３６ ｎ型基板
３８ ｎ型ＤＢＲミラー層
４０ 活性層領域
４２ ｐ型ＤＢＲミラー層
４４ 出射領域
４６ ｐ側電極
４８ ｎ側電極
５０ チャネル
４３ ポスト
５２ 空乏層
Ｓ ソース電極
Ｄ ドレイン電極
Ｇ ゲート電極
６０ 第３のミラー
６２ レーザ共振器
Claims (6)
- アップリンク時にはアンテナを介して受信された情報信号が重畳された光信号を生成すると共に、ダウンリンク時には情報信号が重畳された電気信号を生成しアンテナを介して送信する、無線通信用光電変換素子であって、
互いに対向するように配置された第１のミラー及び第２のミラーで構成された第１のミラー共振器、前記第１のミラー共振器の内側に配置された活性層、及び前記第１のミラー共振器の外側に配置され且つ前記活性層に電流を印加する一対の電極を備え、前記一対の電極から電流を印加することにより前記活性層で生成された光を前記第１のミラー共振器により共振して前記第２のミラー側からレーザ光を発振するレーザ光源と、
前記レーザ光源の前記第２のミラー側に積層され且つ前記レーザ光源から発振されたレーザ光が透過可能な半導体層からなるチャネル領域、前記チャネル領域の表面に設けられた制御電極、及び前記チャネル領域の表面に設けられた２個の電極を備え、前記制御電極から前記チャネル領域に電圧が印加されて形成される空乏層により前記２個の電極間に流れる電流量を制御する３端子素子と、
前記３端子素子の前記チャネル領域の表面側に、前記レーザ光源の前記第１のミラーと対向するように配置されて、前記第１のミラーと共に第２のミラー共振器を構成する第３のミラーと、
を備え、
アップリンク時に、前記レーザ光源から発振され且つ前記チャネル領域に入射されたレーザ光を、前記第２のミラー共振器により共振すると共に、前記３端子素子の制御電極から入力された電気信号で変調して出力する、
無線通信用光電変換素子。 - 前記第３のミラーを、ミラー電極とされた前記制御電極で兼用した請求項１に記載の無線通信用光電変換素子。
- 前記３端子素子は、前記制御電極から前記チャネル領域に印加される電圧に応じて空乏層が変化して入射されたレーザ光を変調する請求項１又は２に記載の無線通信用光電変換素子。
- ダウンリンク時に、前記３端子素子の前記２個の電極間に流れる電流を、前記チャネル領域に照射された光信号で変調して出力する、請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の無線通信用光電変換素子。
- ダウンリンク時に、前記３端子素子は、前記チャネル領域に入射された光信号に応じてフォトキャリアを発生して前記２個の電極間に流れる電流を変調することを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の無線通信用光電変換素子。
- 前記レーザ光源が、前記第１のミラー共振器として垂直共振器を備えた垂直共振器型面発光レーザである請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の無線通信用光電変換素子。
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