JP2001507168A

JP2001507168A - アバランシフォトダイオード装置

Info

Publication number: JP2001507168A
Application number: JP50024498A
Authority: JP
Inventors: プライス，アリステアー・ジヨン
Original assignee: アルカテル
Priority date: 1997-06-06
Filing date: 1997-06-06
Publication date: 2001-05-29

Abstract

(57)【要約】電気信号に変換すべき入力光信号を受信する信号入力を有するアバランシフォトダイオードを備える光検出回路。光検出回路はさらに、アパランシダイオードにバイアス電圧を印加する、アバランシフォトダイオードに結合されたバイアス回路を含む。バイアス回路は、（１）入力光信号を受信したときにアバランシダイオードを安定なアバランシゲイン状態に維持するためにバイアス電圧に直流成分を与える直流バイアス回路、および（２）アバランシフォトダイオードの動作特性を高める形でバイアス電圧を変調するためにバイアス電圧に高周波変調成分を与える変調回路を含む。特に、バイアス電圧への変調成分は、所与の平均ゲインに対するアバランシフォトダイオードの信号出力のノイズを低減し、また所与の平均ゲインに対するアバランシフォトダイオードの信号出力の帯域幅を増大させる。

Description

【発明の詳細な説明】アバランシフォトダイオード装置本発明はアバランシフォトダイオードに関し、より詳細には変調パワー信号によりバイアスされるアバランシフォトダイオードに向けられる。発明の背景光信号は、一般的に、オプティカルファイバといった何らかの伝送媒体を介して伝達された後に、光検出器を用いて電気信号に変換される。光検出器の一つのタイプはアバランシフォトダイオードである。一般的には、光信号は、電子回路のアバランシフォトダイオードに与えられ、アバランシフォトダイオードの端子にはＤＣバイアス電圧が印加されている。アバランシフォトダイオードによって発生された、入射光信号に従う信号電流は増幅器に渡される。電気フィルタが、増幅器に先だって、および／または増幅器に引き続いて、ノイズを低減するために使用される場合もある。そのようなアバランシフォトダイオードの使用は、結局は、感度性能を、アバランシフォトダイオードおよびアバランシフォトダイオードとともに使用される信号増幅器の特性に依存して制限することにつながる。アバランシフォトダイオードに加えられるＤＣバイアス電圧は、動作の種々の様相に影響する。例えば、ＤＣバイアス電圧が上がれば、一般的にはゲインとノイズの両方が増加する。加えて、ＤＣバイアス電圧が上がれば、帯域幅は一般に減少し、これはハイビットレート光伝送システムといった、広い帯域幅が必要な応用において、装置の有用性を制限する。光信号の検出に先だって、光ゲインを与えるために、光前置増幅器が使用されている。これは、ノイズレシオよりも優れた電気信号とより良い感度性能につながる。しかしながら、そのような光前置増幅器は、効果で電力を消費し、場合によっては、信頼性に欠けるものである。更には、光前置増幅器を用いるときには、しばしば光帯域通過フィルタが必要となる。この光帯域通過フィルタは、光信号に対して高い感度を達成するために、入力信号を追跡しなければならないかもしれない。上記したような、光帯域通過フィルタは受信光信号中に光増幅器によって発生されたノイズを除去し、または少なくとも低減する装置である。そのような光帯域通過フィルタは、必要な信号に伴う望ましくない外来周波数を最小にするのに望ましいものである。しかしながら、光帯域通過フィルタそれ自体が高価でかさばるものである。従って、本発明の目的は、先行技術の制限および欠点を克服するアバランシフォトダイオードを提供することである。本発明の他の目的は、装置のゲイン、ノイズ、帯域幅および感度の特性を高めるためのバイアス技術に関係するそのようなアバランシフォトダイオードを提供することである。本発明の他の目的は、すばやい変調信号によって、バイアスされたそのようなアバランシフォトダイオードを提供することである。本発明の他の目的は、上述した先行技術の妨げには向けられているが、その他の従来のアバランシフォトダイオード増幅回路においては、使用可能なそのようなアバランシフォトダイオードを提供することである。本発明の他の目的および効果は、図面と共に以下の記載を参照することにより、当業者に明らかになるだろう。発明の概要本発明の好適な実施の態様は、電気信号に変換される入力光信号を受ける信号入力を有するアバランシフォトダイオードから成る光検出器回路を含む。光検出器回路は、更にアバランシフォトダイオードにバイアス電圧を加えるための、アバランシファトダイオードに結合されたバイアス回路を含んでおり、バイアス電圧は、前記入力光信号を受信しているときに前記アバランシフォトダイオードを安定なアバランシゲイン状態に維持するための直流成分と、アバランシフォトダイオードの出力特性を高めるための高周波変調成分とからなる。本発明の好適な実施態様においては、高周波は少なくとも１ＧＨｚであるが、好ましくはおよそ、１０ＧＨｚまたはそれ以上の超高周波である。光信号が検出されたときに生じる電流ゲインの原因となるアバランシ増倍プロセスはバイアス電圧に高周波変調成分を加えることによって影響を受ける。特に、バイアス電圧に対する変調成分は、所与のＤＣバイアス電圧で、アバランシフォトダイオードにおけるアバランシゲインをすばやく増加、減少させる。このことは、所与の平均ゲインにとっのアバランシフォトダイオードの信号出力のノイズを減少させ、所与の平均ゲインにとってのアバランシフォトダイオードの信号出力の全体の帯域幅を増加させる。同様に、所与の帯域幅または所与のノイズについて、回路の平均ゲインが増加し得る。図面の簡単な説明本発明およびその効果のより完全な理解のために、添付の図面と関連させて以下のの記載に言及する。図１は光信号を電気信号に変換するためのアバランシフォトダイオード回路の先行技術の実施態様のブロック図である。図２は本発明の好適な実施形態のブロック図である。図３は変調された光信号とＤＣバイアスの変調信号との間に同期を用いた本発明の代替実施形態のブロック図である。図４は図１、２および３の動作を説明するのに用いる一組の波形である。図５は適用可能なアバランシフォトダイオードに対する変調バイアス信号のタイプを変えた、本発明の実施形態の相対ノイズ改善を示すグラフからなる。図６は適用可能なアバランシフォトダイオードに対する変調バイアス信号の振幅を変えた、本発明の実施形態の相対ノイズ改善を示すグラフからなる。図７は適用可能なアバランシフォトダイオードに対する変調バイアス信号の周波数を変えた、本発明の実施形態の相対ノイズ改善を示すグラフからなる。図８は種々の変調振幅での相対帯域幅変化を図示するグラフである。好適な実施形態の詳細な説明本発明の好適な実施形態およびその効果は図面の図１乃至図８を参照することによって最も理解される。図１は光信号を電気信号に変換するためのアバランシフォトダイオード回路の先行技術の実施態様のブロック図を示す。図１において、ブロック１０は、アバランシフォトダイオード１２と、光信号入力１４と、ＤＣバイアスリード１６を含んでいる。ブロック１０はリード１７上の出力信号をフィルタブロック１８に与える。ろ波された信号は信号増幅器２０に出力される。増幅器２０は増幅された信号を更なるフィルタ２２に出力し、該フィルタは電気信号出力をリード２４上に出力する。２っのフィルタ１８および２２は慎重な設計プラクティスが規定するように、低域通過、高域通過、帯域通過フィルタまたは整合回路であってよい。フィルタ１８および２２が図１には示されているが、それらは全ての応用には必要とされず、従って任意であることに注意すべきである。例えば、フィルタ１８は場合によっては、図１の回路から省略される。この点をよりよく示すため、フィルタ１８および２２は点線によって記載されている。図１の動作は次の通りである。アバランシフォトダイオード１２を含むブロック１０に供給される光信号は、所与の電気出力信号をフィルタ１８に与える。フィルタ１８に与えられた信号の振幅は、リード１８からアバランシフォトダイオード１２に加えられるＤＣバイアスに依存する。このＤＣバイアスは出力信号のレベルに影響し、従ってゲイン変更デバイスとみなすことができる。図５から図８を用いて後述するように、ＤＣバイアス電圧がゲインを増加させるために増大するにつれ帯域幅が減少しノイズが増加する。帯域幅の減少及びノイズの増加は、ほとんどの場合において望ましくない副次的作用である。もしフィルタ１８及び２２があれば、ノイズはある程度除去される。より利得を大きくするために、増幅器２０内、あるいは後続の回路で更に信号を増幅するようにしてもよい。光信号入力に対する感度を増大させるために、アルカテルネットワークシステム社の１６１００Ａ光増幅器のような光前置増幅器を、アバランシフォトダイオード１２に入力される光信号を増幅するために使用することができる。換言すれば、光信号の前置増幅器を使用することが可能である。図２は、本発明の好ましい実施形態のブロック図である。好ましい実施形態の記載においては、用語フィルタは、望まれない周波数成分の伝達を可能な限り防止あるいは妨げつつ回路素子間の所望の信号周波数成分の伝達を最適化するように設計された一つまたはそれ以上の周波数依存素子からなる整合回路を含む。図２のブロック２６は、図１のブロック１０と同様のものであってよく、アバランシフォトダイオード２８、光信号入力３０、及びＤＣバイアスリード３１を含む。更に、変調信号フィルタ３４を介してリード３６によりブロック３６に信号を供給する、変調ジェネレータ３３からの信号が示されている。ブロック２６に示す典型的アバランシフォトダイオードは２つの電気リードを有する。ＤＣバイアスリード３１及び変調信号リード３６は、回路に適切なものであれば、同じアバランシフォトダイオード電気リードであってもよく、あるいは別々のアバランシフォトダイオード電気リードであってもよい。この融通性を表すために図２では、ＤＣバイアスリード３１及び変調信号リード３６は、アバランシフォトダイオードの特定の電気リードでなく、ブロック２６への入力として示されている。変調信号フィルタ３４は、変調信号をブロック２６に伝達するのに適切なものであれば高域通過フィルタであっても帯域通過フィルタであってもよい。更に、変調信号フィルタ３４は、リード３８に出力されるべきフォトダイオード信号を阻止しながら、アバランシフォトダイオードへの信号の伝達を最適化するように設計された整合回路であってもよい。アバランシフォトダイオード２８により検出された光信号は電気信号に変換され、リード３８によりブロック２６から出力される。ここでも、出力リード３８は、特定の回路に適切なものであれば、アバランシフォトダイオードのいずれかの電気リードであってもよい。リード３８からの出力はフィルタ４０に渡され、ろ波された信号は信号増幅器４３に供給される。増幅器４３の出力は、光信号入力の３０でのパワーを表す電気信号出力としてリード４６により出力される前に、フィルタ４４により再度ろ波される。もしフィルタ４０及び４４が設けられる場合には、それらは、光信号から高周波成分を除去するのに適切であれば、低域通過フィルタであってもよく、また、帯域通過あるいは帯域阻止フィルタであってもよい。更に、フィルタ４０及び４４は信号の出力パワーを最適化する整合回路であってもよい。図２においては、図１と同様フィルタは光学素子であり点線で表されていることに留意されたい。図２のものは図１のものと同様に使用することができるが、その進歩性のため、改善された特性を有する。リード３１によるＤＣバイアスは、アバランシフォトダイオード２８を安定したアバランシゲイン状態に保つ。しかし、図１とは異なり、図２では変調ジェネレータ３２から得られる変調信号はリード３１からのＤＣバイアスに重畳される。変調信号は、ＤＣ信号に重畳された交流信号に相当するような加算を生成する。図２の増幅回路が、光パルス信号を電気信号に変換するために使用される場合には、変調信号周波数は、好ましくは変換される光信号のパルス繰り返し周波数よりもかなり高い。変調信号は、パルス繰り返し周波数に依存する、少なくとも１ＧＨｚの高周波である。光信号のパルス繰り返し周波数が２．５ＧＢＳである場合には、変調周波数は、好ましくは約１０ＧＨｚの超高周波である。図２に関し、バイアス変調信号を増大させながら同時にバイアス電圧を減少させて得られる、所与の平均ゲインについて、ノイズが減少し帯域幅が増大することが研究所において立証された。同様に、所与のノイズまたは所与の帯域幅について平均ゲインは増加する。オプションのフィルタ４０及び４４で変調バイアス信号を除去するためには、フィルタ４０及び４４の回路は、図１の従来技術のフィルタ１８及び２２に要求されるものと比較し、多少複雑になることは当業者には自明であろう。しかし、ゲイン、帯域幅、光信号感度が増大し、且つ／又はノイズが減少するので、フィルタ４０及び４４の追加回路構成、ならびに変調ジェネレータ３２及びオプションの変調信号フィルタ３４の回路構成は、経済的に見て十分に引き合うものである。試験用に組み立てられた構成したものでは、ゲインの増加は５から２０ｄＢであった。以下に説明するように、図４の波形９２及び１００は、図２の２つの異なる変調バイアスレベルと、図１と図２の間の出力の変化とを表している。出力８６でのノイズと比較すると、図４の波形９２及び１００では、ノイズの減少は明瞭ではないが、研究所での測定及び理論的解析では、従来技術と比較し、ノイズの減少及び帯域幅の増加が示されている。これは、図５、６、７、及び８に表されている。図２の動作でのノイズの減少は、ゲインが小さい値から大きい値に急速に増加すると、アバランシプロセスの不規則性に起因するノイズが、このゲインの増加から遅れるという現象に基づくものである。従って、短時間の間、通常の安定状態のものに比べ大きなゲインと低いノイズとを得ることができる。この効果を利用するためには、ゲインの上昇及び下降を繰り返す必要がある。ある範囲内では、ノイズ指数は変調バイアスの増加周波数の関数として低下する。更に、ゲインが低下すると、アバランシプロセスは早期に消滅する。入射光インパルスから生じる電流パルスの継続期間はゲイン変調期間により大幅に制限されるので帯域幅が大幅に増大する。図３は変調光信号とアバランシフォトダイオード用の変調バイアス信号との間の同期を用いる本発明の他の実施形態を示している。図３には、様々のタイプの光信号を用いることができるが、図３は好ましくは、光信号が、光パルスストリームと呼ばれる一定間隔の複数のパルスの形態でデジタルデータを送る場合に用いられる。光パルスストリームは、ゼロ復帰（ＲＺ）データ、非ゼロ復帰（ＮＲＺ）データ、あるいはソリトンデータの形態でデータを送ることができる。ＲＺデータでは、論理「１」データパルスは一つのクロック期間の終わりの前、典型的にはクロック期間の中間でゼロに戻る。論理「０」データは光パルスの不存在により表される。第２のデータ形態では、論理「１」は、その期間の間ゼロに戻らない。第３のデータ形態のソリトンデータは、特別に整形された狭いパルスからなり、該パルスの形状は、光伝送ファイバ内の色分散及び自己位相変調の効果を釣り合わせることにより、歪みを防いでいる。図３を参照すると、図２と同様の方法で、５２で光信号入力を、リード５４上でＤＣバイアスを伴う、ブロック５０が示されている。ブロック５０は、アバランシフォトダイオード５６を含み、リード５８で、変調入力を受信する。リード５８の信号は、図２と同様別の変調信号フィルタ６２を介してその出力信号を通す信号ジェネレータ６０内で発生される。変調信号フィルタ３４と同様、変調信号をブロック５０に通すならば、変調信号フィルタ６２は高域通過フィルタ、帯域通過フィルタ、または、整合回路でもよい。アバランシフォトダイオードで検出された電気信号は、変調ジェネレータ６０によって導入された成分をとり除くフィルタ６４を通る。さらに、フィルタ６４は、出力を別のフィルタ６８に通す信号増幅器６６に、信号を送る。また、フィルタ６４とフィルタ６８は、変調器６０によって導入された変調成分をろ波して、信号を伝達できるのであれば、低域通過または帯域通過または帯域消去フィルタ、または整合回路であってもよい。フィルタ６８の出力は、リード７０を介してクロックおよびデータ再生回路７２に送られる。また、場合によっては、同期をとるため変調ジェネレータ６０に戻される。ブロック７２の出力は２個のリードに与えられる。一つは、リード７４上のデータ信号であり、他の一つは、リード７６上のクロック信号である。任意の同期信号が、リード７０と７６から変調発生器６０に取られるように示されており、適当な信号は、いずれかの点から得れれるであろうことを示している。しかし、リード７０と７６からの両信号が必要というわけではない。変調器６０に戻った信号によって、当業者に知られている方法で、信号発生器６０とリード５２の光パルス信号との同期がはかられ、アバランシフォトダイオード５６で高検出器ゲインの周期と光データパルスの発生回数を整合させる。動作において、図３では、光パルストリームの反復レートが、フィルタ６８か、または、クロック再生回路７２のどちらかから得られ、変調発生器６０にフィードバックされ、光パルスストリームのパワーが上昇するのに先立って、バイアスレベルがわずかに上昇する。図３に示す回路では、アバランシフォトダイオード５６で検出された信号から発生するフィードバック信号を使用して同期がはかられているが、他の方法も可能である。本発明のひとつの例として、図３は、変調信号が光パルスデータレートと同期していることを示している。同期は本発明の好ましい実施形態で示すいかなる方法でも達成される。図４は、図１、２および３の動作をさらに説明するための一組の波形を示している。図４には、縦軸が「ゲイン」、横軸が「バイアス電圧」であるグラフが示されている。一つのカーブは、バイアス電圧を変化させたときの代表的なアバランシフォトダイオードの光−電気変換ゲインを示している。ダッシュ線８２は、アバランシフォトダイオードの逆バイアス降伏電圧と呼ばれる不安定なバイアス電圧状態を示している。前記逆バイアス降伏電圧８２では、アバランシフォトダイオードを流れる電流は急激に増加する。そして電圧がさらに少し増加すると、比較的大きな電流が流れる。さらに、光入力に反応して流れる内部電流は、たとえ光入力がとり除かれても、続けて流れる。図１の従来技術およびその図４に対する関係を参照すると、従来技術のアバランシフォトダイオード１２のバイアス電圧と対応する出力信号とを図４に示している。特に、最初の縦線８４は従来技術のアバランシフォトダイオード１２の与えられたＤＣバイアスを示し、幅広の水平線８６は、リード１４の与えられたパワー入力に対するリード１７の電気出力信号の振幅を示している。線８６は、ブロック１０の出力に固有のノイズのために広く描かれている。図２の本発明およびその図４に対する関係を参照すると、図４は、さらに、アバランシフォトダイオード２８を含む本発明の構成によるバイアス電圧と対応する出力信号を示している。特に、アバランシフォトダイオード２８のバイアスは、線８７のバイアスで示され、線８７には、変調信号８８が重畳されている。さらに、信号９２が重畳された水平線９０はリード３０で与えられた入力光信号に対するフォトダイオード２８内の電気信号を示す。注目すべきことは、バイアス８７は従来技術のバイアス８４よりも低いDC値ではあるが、バイアス８７は、出力信号と同じ出力有効ゲインを有していることである。ここで、有効出力電気信号は、DCのみの条件下での従来技術のバイアス８４の光入力と同じ方法で計測される。さらに注目すべきは、信号９２が重畳された出力線９０はノイズを多少含んでいるが、テストでは、出力信号９２のノイズ量は従来技術の出力８６で示される出力のノイズ量よりも少ないことである。変調信号８８が重畳されたバイアス８７では、アバランシフォトダイオードが特徴であるアバランシ域で作動している。しかし、アバランシフォトダイオードは、まだ逆バイアス降伏点には達していない。図２に示された発明およびその図４に対する関係を参照すると、別の実施の形態が、ダツシュ線９４および重畳されたダッシュ線の変調信号９６に示されるように、アバランシフォトダイオード２８をバイアスすることにより構成され得る。注目すべきは、変調信号９６のピークは、各サイクルにおいて短い時間ではあるが逆バイアス降伏電圧８２を超えている。この低いバイアス９４と９６に起因するフォトダイオードの電気出力は、ダッシュ線９８およびダッシュ線の変調出力１００によって示される。変調出力１００は波形８６または９２のいずれよりもノイズ出力が少ない。さらに、入力光信号の振幅が時間の変数として変化し、９２および１００において、小さな光信号に対する感度が８６で得られた感度よりも増加する状況では、変調出力１００はより広いバンド幅を有している。重畳された変調信号８８または９６がバイアス８４に関連して使用されるとすれば、有効ゲインは８６のそれよりも高いであろう。９６のような変調によってバイアスを逆バイアス降伏電圧８２になるまで増加させると、無限のゲインが得られると考える人がいるかもしれないが、こようなことは起こらない。何故ならば、変調信号の正の半サイクルの間では、ゲインがあるレベルに達する時間は十分にあるが、負の半サイクルでは再びレベルが下がるからである。さらに、高周波域（２ＧＨｚより高い）ではノイズが発生するのにラグがある。電流が増加した後一定時問ノイズが発生する。さらに、変調信号の負の半サイクルでは、周期的にゲインが低くなる。上記から明らかなように、ノイズはバイアスが増加して得られる有効ゲインの場合よりも低くなる。さらに、バンド幅は、バイアスが増加して得られるゲインレベルよりも幅広くなる。図５乃至７は、本発明の各種実施形態についての相対ノイズ改善を示す一組の波形からなる。ここでは、アバランシフォトダイオードに対する変調バイアス信号の形式、振幅、または周波数が変化している。図５ないし７では、ある特定のアバランシフォトダイオードのシミュレーションモデルが使われているので、他の特定のアバランシフォトダイオードでは少し結果が変わるかもしれない。しかし、本発明の利点は、いかなるフォトダイオードにも適用できる。個々の図面および対応する変更については以下で別に論じる。第５図に、垂直軸がノイズの増大するレベルを対数スケールで表しているグラフを示す。ノイズ軸には「過剰ノイズ指数」（Ｆ）という業界用語が使用されている。水平軸も対数スケールであり、アバランシフォトダイオードのゲインを示すが、明確に「アバランシ増倍率」（Ｍ）と書かれている。太線１１０は、直流バイアスのみを使用した（すなわち変調なしの）場合の様々なゲイン率に対するノイズを示す。この曲線は当業界で知られている。一般に、フォトダイオードはゲイン３とゲイン約２０の間で使用できるようにバイアスされる。ゲイン２０を超えると、ノイズは非常に大きく、帯域幅は非常に狭くなり、したがってほとんどの回路は満足に動作できず、一般に光信号または電気信号を増幅する他の手段が使用される。第５図の他の二つの曲線を参照すると、変調バイアスが箱形データポイント曲線１１２で示されており、さらに入力光パルスストリームの変調と同期した変調バイアス（すなわち第３図の場合と同様）が円形データポイント曲線１１４で表されている。箱形データポイント線１１２は、ノイズは変調を使用した場合の所与の低いゲインに対して直流（すなわち変調されない）バイアス曲線１１０の場合よりもわずかに高いところから始まるが、ノイズレベルは変調された回路に対してスケール上の約６のゲインで初めて直流バイアスよりも低くなることを示す。ノイズレベルは、そこから約３６の図示のゲインまでほとんど平坦なままである。円形データポイント線１１４は、２以下のゲインから、５０以上のゲインを示すその最大データポイントまで直流バイアス線１１０よりも小さいノイズを有する。実際、約５５の図示のゲインでは、ノイズは、直流バイアスを使用し、変調を行わない従来技術の線１１０で生じうるノイズの１/１０以下である。結果は、特定のアバランシフォトダイオードに対して若干異なることがある。第６図に、垂直軸および水平軸について第５図と同じグラフを示し、再び標準の直流バイアス曲線１１０か示されている。図示のように、全変調または１００％変調は箱形データポイント曲線１１８で示されており、５０％変調はＸデータポイント曲線１１６で示されている。第６図は、ゲインがより高くなると、ノイズはより小さい変調値に対してよりも最大変調に対して小さくなることを示す。しかし、ゲインが９以下になると、この特定のアバランシフォトダイオードでは、最大変調の場合よりも低い変調状況でノイズの量がわずかに少なくなる。第７図も第５図と同じスケールを使用し、変調周波数の見地から変化するノイズレベルを示す。変調信号は光信号に同期していないが、光信号の変調よりも周波数がかなり高い。Ｘデータポイント曲線１２０は５ＧＨｚなど高い周波数変調のノイズを示す。箱形データポイント曲線１２２は１０ＧＨｚ変調信号など非常に高い周波数変調のノイズ状態を示す。より高い周波数変調のほうがより低い変調周波数よりもアバランシフォトダイオードノイズは小さくなることに留意されたい。第８図に、水平軸は前の第５図から第７図と同様にアバランシ増倍率またはゲインであるが、垂直軸は相対帯域幅を示す対数曲線を示す。箱線曲線１２５は、変調を行わない（言い換えれば、直流バイアス信号のみ）の従来技術の状況を示し、帯域幅がゲインの増大に対して減少するのが示されている。Ｘデータポイント曲線１２７は何らかの変調を行った状況を示し、三角形データポイント曲線１２９は変調が１２７のそれよりも大きい状況を示す。お気づきのように、代表的な従来技術のゲイン２０では、曲線１２９の変調の相対帯域幅は帯域幅が２よりも大きいことを示し、曲線１２５の直流バイアス状態では、相対帯域幅は０.０５である。言い換えれば、帯域幅は、曲線１２９で示される変調を使用した場合、従来技術の直流バイアス１２５を使用した場合にそのゲインに対して得られる帯域幅のほぼ四倍広くなる。本発明の実施形態は、回路全体から高い特性を生じることによって従来技術を改善する。反復変調電圧波形を（光信号が加えられる）アバランシフォトダイオード回路の直流バイアス電圧に加えたとき、回路の光電気特性に変化が生じる。特に、変調周波数が少なくとも１ＧＨｚなど高い周波数か、または１０ＧＨｚまたはそれ以上の非常に高い周波数である実施形態では有益な効果が生じる。変化量は変調波形の振幅および周波数に依存する。変調振幅が大きくなると、平均ゲインは通常増大するが、変調波形の周波数が非常に大きいと、ゲインの増大は減少し、平均ゲインが低下することもある。アバランシフォトダイオードのバイアス信号の変調はアバランシフォトダイオードの特性、したがってアバランシフォトダイオード回路によって出力される信号の特性を高める。言い換えれば、従来技術の変調されないアバランシフォトダイオード回路と比較して、所与の入力信号に対する出力信号は少なくともノイズが少なく、振幅が大きく、帯域幅が広くなる。従来技術の回路構成を同じ平均変換ゲインで本発明の回路構成と比較した場合、本発明の構成は従来技術の構成よりも帯域幅が広く、かつノイズが小さいことが分かっている。また、アバランシフォトダイオードへの直流バイアスの変調は定常状態または変化する光信号でその特性を改善するが、ゲインの増大およびノイズの低下は、リターンツーゼロ（ＲＺ）変調光信号やバイアス信号の同期変調とともに使用されるソリトン信号など狭いパルス光信号の状況（すなわち第３図の実施形態）で一層大きくなることに留意されたい。狭いパルス光信号の場合、変調信号と狭いパルス光信号の同期により所与の期間中の信号パルスと変調信号のピークの重ね合わせが得られる。重ね合わせを得るためには変調信号の位相を調整する必要がある。変調信号の位相は、狭い光パルスが変調信号のピークと同時に、またはほぼまたはほとんど同時にアバランシフォトダイオードに到達するように調整される。ゲインは変調信号のピークの近くで最も大きくなるので、狭い信号パルスは最適なゲインを有することになる。本発明の一実施形態では、ゲインの改善は、直流バイアスの変調信号が光信号の変調と同期する２０ｄＢの近傍であった。上記のことから、本発明の実施形態は従来技術の様々な欠点を改善することが理解できよう。さらに、上記のことは、諸概念がどのように適用されるかという具体的な例を含めて、本発明の範囲を示す様々な代替実施形態を証明している。他の例として、好ましい実施形態での変調信号波形は正弦波として記述されているが、いくつかの用途では方形波や三角波など、他のどんな形の反復波形でもよい。したがって、本発明について詳細に説明したが、首記の請求の範囲によって定義された本発明から逸脱することなく上記の説明で様々な代用、修正または変更を行うことができる。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項【提出日】平成１０年７月９日（１９９８．７．９）【補正内容】請求の範囲１．光信号を検出する方法であって、アバランシフォトダイオード回路（２８，５０）によって入力光信号を受信するステップと、アバランシフォトダイオード回路にバイアス電圧をかけるステップと、出力電気信号を発生させるステップとを含み、前記光信号は、第１のパルス反復周期で機能する光パルスストリームを含み、前記出力電気信号は、光パルスストリームと同じ反復周期で機能する電気パルスストリームを含み、バイアス電圧信号は、前記光信号を受信する際に、前記アバランシフォトダイオード回路を安定したアバランシゲイン状態に維持するための直流成分（３１，５４）を含み、バイアス電圧は、出力特性を高め、アバランシフォトダイオードの信号出力のゲイン帯域幅積を増加させるために、少なくとも１０ＧＨｚの高周波変調成分（３６，５８）をさらに含む方法。２．光検出器回路であって、出力電気信号に変換される入力光信号を受信するための、信号入力（３０，５２）を有するアバランシフォトダイオード（２８，５０）と、前記アバランシフォトダイオードにバイアス電圧をかけるために、前記アバランシフォトダイオードに結合されたバイアス回路とを含み、前記入力光信号は、第１のパルス反復周期で機能する光パルスストリームを含み、前記出力電気信号は、光パルスストリームと同じ反復周期で機能する電気パルスストリームを含み、バイアス電圧は、前記光信号を受信する際に、前記アバランシフォトダイオード回路を安定したアバランシゲイン状態に維持するための直流成分（３１，５４）と、出力特性を高め、アバランシフォトダイオードのゲイン帯域幅積を増加させるための、少なくとも１０ＧＨｚの高周波変調成分（３６，５８）とを含む光検出回路。３．前記高周波変調成分を前記電気信号と同期させるための手段（７２）をさらに含む請求の範囲第２項の光検出器回路。４．前記アバランシフォトダイオードが、逆バイアス降伏電圧を有し、前記バイアス電圧が、周期的に前記逆バイアス降伏電圧を超える高周波変調成分と前記直流成分とを含む請求の範囲第２項の光検出器回路。５．前記高周波変調成分（５８）が、前記第１のパルス反復周期に等しい第２の周波数で機能する請求の範囲第２項の光検出器回路。６．前記高周波成分（３６）が、前記第１の周波数よりも実質的に大きな第２の周波数で機能する請求の範囲第２項の光検出器回路。７．前記入力光信号が狭いパルスを備えた光パルスストリームを含み、前記高周波変調成分（５８）が、狭いパルスが高周波変調成分のピークに重なるような位相を有する請求の範囲第５項の光検出器回路。８．前記入力光信号の強度変調の周波数成分が、周波数の第１の範囲で機能し、前記高周波変調成分（３６）が、周波数の前記第１の範囲よりも実質的に大きな第２の周波数で機能する請求の範囲第２項の光検出器回路。９．前記アバランシフォトダイオードの信号出力における変調周波数成分を移動するために、前記アバランシフォトダイオードの出力に接続されたフィルタ回路（４０または６４）をさらに含む請求の範囲第２項の光検出器回路。１０．フィルタ回路（４０または６４）がマッチング回路を含む請求の範囲第９項の光検出器回路。１１．前記入力信号が第１のパルス幅を備え、前記高周波変調成分（５８）が前記第１のパルス幅に実質的に等しい第２のパルス幅を有する請求の範囲第２項の光検出器回路。１２．前記高周波変調成分（５８）が、前記入力信号の第１のパルス幅が前記高周波変調成分の第２のパルス幅に重なるような位相を有する有する請求の範囲第１１項の光検出器回路。１３．前記バイアス回路が、前記バイアス電圧に直流成分を供給するための直流バイアス回路（３１または５４）と、前記バイアス電圧に高周波変調成分を供給するための変調回路（３２または６４）とを含む請求の範囲第２項の光検出器回路。１４．前記バイアス電圧への前記高周波変調成分（３６または５８）が、アバランシフォトダイオードの出力信号のゲインを少なくとも５デシベル増加させる請求の範囲第２項の光検出器回路。１５．前記バイアス電圧への前記高周波変調成分（３６または５８）が、アバランシフォトダイオードの出力信号の所定の平均ゲインに対するノイズを減少させる請求の範囲第２項の光検出器回路。１６．前記変調回路が、変調信号を出力するための出力を有する変調源（３２または６０）と、前記変調源とアバランシダイオードとに接続されたフィルタ（３４または６２）とを含む請求の範囲第１３項の光検出器回路。１７．前記アバランシダイオードからの信号出力を受信するために結合された信号増幅器（４２または６６）と、前記信号増幅器からの信号出力を受信するために結合されたフィルタ（４４または６８）とをさらに含む請求の範囲第１３項の光検出器回路。１８．アバランシフォトダイオードへの出力信号の所定のゲインに対するノイズが、一定の機能範囲において、前記バイアス電圧への前記変調成分（３６）の周波数の増加にしたがって減少する請求の範囲第２項の光検出器回路。

Claims

【特許請求の範囲】１．電気信号に変換すべき入力光信号を受信するための信号入力（３０、５２）を有するアバランシフォトダイオード（２８、５６）と、前記アバランシフォトダイオードに結合され、前記アバランシフォトダイオードにバイアス電圧をかけるためのバイアス回路とを備えた光検出器回路であって、前記バイアス電圧が、前記入力光信号を受信したときに、前記アバランシフォトダイオードを安定なアバランシゲイン状態に維持するための直流成分（３１、５４）と、アバランシフォトダイオードの出力特性を高めるための高周波変調成分（３６、５８）とを備える光検出器回路。２．前記入力光学信号が、第１のパルス反復周期で機能する光パルスストリームを含み、前記高周波変調成分（５８）が、前記第１のパルス反復周期に等しい第２の周波数で機能する請求の範囲第１項の光検出器回路。３．前記入力光学信号が、第１のパルス反復周期で機能する光パルスストリームを含み、前記高周波変調成分（３６）が、前記第１のパルス反復周期より実質的に大きい第２の周波数で動作する請求の範囲第１項の光検出器回路。４．前記入力光学信号が、狭いパルスを有する光パルスストリームを含み、狭いパルスが高周波変調成分のピークと重なるような位相を、前記高周波変調成分（５８）が有する請求の範囲第２項の光検出器回路。５．前記入力光学信号の強度変調の周波数成分が、周波数の第１の範囲で機能し、前記高周波変調成分（３６）が、前記周波数の第１の範囲より実質的に大きい第２の周波数で機能する請求の範囲第１項の光検出器回路。６．前記アバランシフォトダイオードが、逆バイアス降伏電圧を有し、前記バイアス電圧が、前記逆バイアス降伏電圧を周期的に超える前記高周波変調成分と前記直流成分とを備える請求の範囲第１項の光検出器回路。７．前記アバランシフォトダイオードの出力に接続され、前記アバランシフォトダイオード信号出力の変調周波数成分を取り除くためのフィルタ回路（４０、６４）を更に備える請求の範囲第１項の光検出器回路。８．フィルタ回路（４０、６４）が、マッチング回路を備える請求の範囲第７項の光検出器回路。９．前記入力光信号が、第１のパルス幅を有し、前記高周波変調成分（５８）が、前記第１のパルス幅と実質的に等しい第２のパルス幅を有する請求の範囲第１項の光検出器回路。１０．前記入力光信号の第１のパルス幅が前記高周波変調成分の第２のパルス幅と重なるような位相を、前記高周波変調成分（５８）が有する請求の範囲第９項の光検出器回路。１１．前記バイアス回路が、前記バイアス電圧に直流成分を供給するための直流バイアス回路（３１、５４）と、前記バイアス電圧に高周波変調成分を供給するための変調回路（３２、６０）とを備える請求の範囲第１項の光検出器回路。１２．前記バイアス電圧への前記高周波変調成分（３６、５８）が、アバランシフォトダイオードの信号出力のゲインを増加する請求の範囲第１項の光検出器回路。１３．前記バイアス電圧への前記高周波変調成分（３６、５８）が、アバランシフォトダイオードの出力信号のゲインを少なくとも５デシベル増加する請求の範囲第１２項の光検出器回路。１４．前記バイアス電圧への前記高周波変調成分（３６、５８）が、アバランシフォトダイオードの出力信号の所定の平均ゲインに対するノイズを減少する請求の範囲第１項の光検出器回路。１５．前記バイアス電圧への前記高周波変調成分（３６、５８）が、アバランシフォトダイオードの出力信号の所定のゲインに対する帯域幅を増加する請求の範囲第１項の光検出器回路。１６．前記変調回路が、変調信号を出力するための出力部を有する変調源（３２、６０）と、前記変調源の前記出力部と前記アバランシフォトダイオードとに接続されたフィルタ（３４、６２）とを備える請求の範囲第１１項の光検出器回路。１７．前記高周波変調成分を前記電気信号に同期させるための手段（７２）を更に備える請求の範囲第１１項の光検出器回路。１８．前記アバランシフォトダイオードからの信号出力を受信するために結合された信号増幅器（４２、６６）と、前記信号増幅器からの信号出力を受信するために結合されたフィルタ（４４、６８）とを更に備える請求の範囲第１項の光検出器回路。１９．入力光信号を出力電気信号の変換するための光検出器回路であって、出力電気信号に変換されるべき入力光信号を受信するための信号入力を有するアバランシフォトダイオード（２８、５６）と、前記アバランシフォトダイオードに結合され、前記アバランシフォトダイオードにバイアス電圧をかけるためのバイアス回路とを備え、該バイアス回路は、前記入力光信号を受信したときに、前記アバランシフォトダイオードを安定なアバランシゲイン状態に維持するための直流成分を前記バイアス電圧に供給するための直流バイアス回路（３１、５４）と、アバランシフォトダイオードの出力電気信号の出力特性を高めるようにバイアス電圧を変調するために、前記バイアス電圧に変調成分を供給するための変調回路（３２、６０）とを備える光検出器回路。２０．前記入力光信号は、第１のパルス反復周期で機能する光パルスストリームを含み、前記高周波変調成分（５８）が、前記第１のパルス反復周期に等しい第２の周波数で機能する請求の範囲第１９項の光検出器回路。２１．前記入力光学信号が、狭いパルスを含む光パルスストリームを備え、狭いパルスが前記高周波変調成分のピークと重なるような位相を、前記高周波変調成分（５８）が有する請求の範囲第２０項の光検出器回路。２２．前記入力光学信号が、第１のパルス反復周期で機能する光パルスストリームを備え、前記高周波変調成分（３６）が、前記第１のパルス反復周期より実質的に大きい第２の周波数で機能する請求の範囲第１９項の光検出器回路。２３．前記入力光学信号の強度変調の周波数成分が、周波数の第１の範囲で機能し、前記高周波変調成分（３６）が、前記周波数の第１の範囲より実質的に大きい第２の周波数で機能する請求の範囲第１９項の光検出器回路。２４．前記アバランシフォトダイオードが、逆バイアス降伏電圧を有し、前記直流成分が、前記逆バイアス降伏電圧以下であり、前記高周変調成分が、前記逆バイアス降伏電圧を周期的に超える請求の範囲第１９項の光検出器回路。２５．前記アバランシダイオードの出力に接続され、前記アバランシダイオードの信号出力の変調周波数成分を取り除くためのフィルタ手段（４０、６４）を更に備える請求の範囲第１９項の光検出器回路。２６．前記バイアス電圧の前記高周変調成分（３６、５８）が、所定の直流バイアス電圧に対するアバランシフォトダイオードへの出力信号の平均ゲインを増加し、アバランシフォトダイオードへの出力信号の所定の平均ゲインに対するノイズを減少し、アバランシフォトダイオードの出力信号の所定の平均ゲインに対する帯域幅を増加する請求の範囲第１９項の光検出器回路。２７．アバランシフォトダイオードへの出力信号の所定のゲインに対するノイズが、一定の動作範囲内の前記バイアス電圧への前記高周変調成分（３６）の周波数の増加に応じて減少する請求の範囲第１９項の光検出器回路。２８．光信号を検出する方法であって、アバランシフォトダイオード回路（２６、５０）によって光信号を受信するステップと、アバランシフォトダイオード回路にバイアス電圧をかけるステップと、信号出力を発生させるステップとを含み、バイアス電圧が、前記光信号を受信したとき前記アバランシフォトダイオード回路を安定なアバランシゲイン状態に維持するための直流成分（３１、５４）を含み、前記バイアス電圧がアバランシフォトダイオードの信号出力の出力特性を高めるための高周変調成分（３６、５８）を更に含む方法。２９．前記入力光学信号の強度変調の周波数成分が、周波数の第１の範囲で機能し、前記高周波変調成分（３６）が、前記周波数の第１の範囲より実質的に大きい第２の周波数で機能する請求の範囲第２８項の光検出器回路。３０．バイアス電圧の前記高周波変調成分（３６、５８）が、所定の平均ゲインに対する出力信号のノイズを減少し、帯域幅を増加する請求の範囲第２９項の方法。