JP2003179442A - 受光装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 受光素子としてフォトダイオードを使用した
受光装置において、応答速度を低下させることなく、受
光面積を大きくして受光感度を向上すること。 【解決手段】 複数の小面積のフォトダイオードで同一
方向からの光を受光し、受光した光に応じたフォトダイ
オードの光電流を変換・緩衝増幅などの光電流検出手段
によりそれぞれ別々に検出する。そして検出した値を加
算手段により加算して出力する。これにより、フォトダ
イオードを用いて、高感度で高速応答が可能な受光装置
を得る。

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】本発明は、受光素子としてフ
ォトダイオードを使用した受光装置に関する。 【０００２】 【従来の技術】受光装置の受光素子として、フォトダイ
オードを使用したものが広く使用されている。この受光
装置の受光感度を上げるために、受光面積の広いフォト
ダイオードを用いたり、或いは複数のフォトダイオード
を使用することが行われている。 【０００３】図５は、複数のフォトダイオードを使用し
た従来の受光装置の回路構成を示す図である。この図５
では、複数のフォトダイオードＰＤ６１〜ＰＤ６ｎが並
列に接続され、その並列接続点がオペアンプＯＰ６１の
反転入力端子−に接続されている。このオペアンプＯＰ
６１の反転入力端子−と出力端子間に抵抗Ｒ６１が接続
され、オペアンプＯＰ６１の非反転入力端子＋は基準電
圧Ｖｒｅｆに接続されて、反転増幅回路が構成されてい
る。なお、Ｖｄｄは正の電源電圧であり、フォトダイオ
ードＰＤ６１〜ＰＤ６ｎは逆バイアスされている。ま
た、基準電圧Ｖｒｅｆは、グランド電圧でもよく、また
一定のバイアス電圧でもよい。 【０００４】この図５においては、複数のフォトダイオ
ードＰＤ６１〜ＰＤ６ｎを用いて並列に接続しているか
ら、全体としての受光面積が大きくなり、フォトダイオ
ードからの光電流が大きくなる。この結果、オペアンプ
ＯＰ６１及び抵抗Ｒ６１で構成される反転増幅回路の出
力電圧は大きくなり、受光装置としての受光感度が向上
される。 【０００５】図６は、他の従来の受光装置の回路構成を
示す図であり、複数のフォトダイオードＰＤ７１〜ＰＤ
７ｎが並列に接続され、その並列接続点が抵抗Ｒ７１を
介して基準電圧Ｖｒｅｆに接続されるとともにオペアン
プＯＰ７１の非反転入力端子＋に接続されている。この
オペアンプＯＰ７１の反転入力端子−と出力端子間に抵
抗Ｒ７３が接続され、オペアンプＯＰ７１の反転入力端
子−は抵抗Ｒ７２を介して基準電圧Ｖｒｅｆに接続され
て、非反転増幅回路が構成されている。この図６でも複
数のフォトダイオードＰＤ７１〜ＰＤ７ｎを用いて並列
に接続しているから、同様に、オペアンプＯＰ７１及び
抵抗Ｒ７２，Ｒ７３で構成される非反転増幅回路の出力
電圧は大きくなり、受光装置としての受光感度が向上さ
れる。 【０００６】なお、図５、図６におけるように、各フォ
トダイオードＰＤ６１〜ＰＤ６ｎ、ＰＤ７１〜ＰＤ７ｎ
は逆バイアスにするが、それらフォトダイオードを、電
源電圧Ｖｄｄに接続するのでなく、例えばグランド電圧
などに接続する構成が取られる場合もある。この場合に
は、図５，図６の基準電圧Ｖｒｅｆは、電源電圧Ｖｄｄ
とグランド電圧の中間の適当な電圧とされることにな
る。 【０００７】 【発明が解決しようとする課題】しかし、フォトダイオ
ードの接合容量（空乏層容量）はその面積の増加ととも
に大きくなる。このことにより、複数のフォトダイオー
ドを用いることによってその受光面積を増加させ受光感
度を向上することはできるものの、複数のフォトダイオ
ードを並列に接続することによりそれらの接合容量も並
列接続され、全体としての接合容量が大きくなる。 【０００８】従って、外部から光が入射されたときの受
光装置の出力電圧は、受光面積の増加によって大きくな
るが、フォトダイオード全体としての接合容量がその面
積に応じて増大する。この増大された接合容量と、その
内部抵抗や負荷抵抗により応答速度が低下してしまうこ
とになる。このため高速度のパルス状の光信号などを正
確に受信することが難しくなる。 【０００９】この点は、仮に、フォトダイオードの光電
流を電圧に変換する抵抗の値を増大して受光感度を上げ
たとしても、やはり抵抗値の増加により応答速度が低下
してしまうから、解決手段とはならない。 【００１０】そこで、本発明は、受光素子としてフォト
ダイオードを使用した受光装置において、応答速度を低
下させることなく、受光面積を大きくして受光感度を向
上することを目的とする。 【００１１】 【課題を解決するための手段】請求項１記載の受光装置
は、同一方向からの光が入射可能に同一箇所に集合され
た複数のフォトダイオードと、前記複数のフォトダイオ
ードの出力電流をそれぞれ検出する複数の光電流検出手
段と、前記複数の光電流検出手段のそれぞれの出力を加
算して出力する加算手段とを有することを特徴とする。 【００１２】この請求項１記載の受光装置によれば、複
数の小面積のフォトダイオードで同一方向からの光を受
光し、受光した光に応じたフォトダイオードの光電流を
変換・緩衝増幅などの光電流検出手段によりそれぞれ別
々に検出した後に、加算手段により加算して出力する。
これにより、フォトダイオードを用いて、高感度で高速
応答が可能な受光装置を得ることができる。 【００１３】また、高い逆バイアスによるアバランシェ
増倍作用を利用するアバランシェフォトダイオード等の
特殊な素子を用いることなく、高速・高感度の受光装置
を構成することができるから、フォトダイオードを電流
検出手段や加算手段とともに容易にＩＣ化することが可
能になる。 【００１４】 【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の受
光装置の実施の形態について説明する。 【００１５】図１は本発明による受光装置の第１の実施
の形態に係る回路構成を示す図であり、図２は受光装置
に用いるフォトダイオードの配置構成の例を示す図であ
る。なお、図２などのフォトダイオードの配置構成は、
他の実施形態にも同様に適用できる。 【００１６】図１において、複数の受光ユニット１１〜
１ｎが設けられ、それらの各出力が加算手段（加算器；
加算回路）２０で加算されて、受光装置としての出力が
得られる。それぞれの受光ユニット１１〜１ｎの内部構
成は同一である。 【００１７】受光ユニット１１についてみると、受光素
子であるフォトダイオードＰＤ１１のカソードが正の電
源電圧Ｖｄｄに接続され、そのアノードがオペアンプＯ
Ｐ１１の反転入力端子−に接続される。このオペアンプ
ＯＰ１１の反転入力端子−と出力端子間に抵抗Ｒ１１が
接続され、オペアンプＯＰ１１の非反転入力端子＋は基
準電圧Ｖｒｅｆに接続される。これにより反転増幅回路
が構成されている。なお、基準電圧Ｖｒｅｆは、グラン
ド電圧でもよく、また一定のバイアス電圧でもよい。 【００１８】フォトダイオードＰＤ１１は、外部から光
が照射されることにより、そのＰＮ接合部の空乏層の中
またはその近傍に電気伝導に寄与する電子と正孔対が形
成されることにより逆方向電流が増加するから、その電
流は照射光の強さ及び照射される面積に応じて増加す
る。一方、フォトダイオードＰＤ１１の接合容量（空乏
層容量）はその接合面積により決まるから、フォトダイ
オードＰＤ１１のパルス応答速度はその接合面積の増加
とともに低下する。 【００１９】その逆方向電流は、オペアンプＯＰ１１と
抵抗Ｒ１１とで構成されている光電流検出手段に供給さ
れる。なお、フォトダイオードＰＤ１１の内部抵抗もそ
の電流検出手段の動作に関与する。光電流検出手段か
ら、その逆方向電流の大きさに見合った電圧が出力され
る。この光電流検出手段はしたがって、電圧変換回路と
バッファ回路としての機能を持つことになる。 【００２０】加算手段２０は、オペアンプＯＰ２０と、
受光ユニット１１〜１ｎからの出力電圧が一端に印加さ
れ他端が共通に接続されてオペアンプＯＰ２０の反転入
力端子−に接続される抵抗Ｒ２１〜Ｒ２ｎと、オペアン
プＯＰ２０の出力端子と反転入力端子−との間に接続さ
れる抵抗Ｒ２０とを有し、オペアンプＯＰ２０の非反転
入力端子＋は基準電圧Ｖｒｅｆに接続されている。な
お、基準電圧Ｖｒｅｆは、グランド電圧でもよく、また
一定のバイアス電圧でもよい。また、加算手段２０にお
ける基準電圧Ｖｒｅｆとしては、受光ユニット１１等の
基準電圧Ｖｒｅｆと同じ値でもよく、或いは、異なる値
としてもよい。 【００２１】これら各受光ユニット１１〜１ｎのフォト
ダイオードＰＤ１１〜ＰＤ１ｎは、同一方向からの光が
入射可能に小面積のフォトダイオードが同一箇所に集合
されている。具体的には、小面積の複数のフォトダイオ
ードを集めて使用することもできる。また、図２に示さ
れるように、大面積のフォトダイオードを複数の小面積
のフォトダイオードに分割して使用することもできる。
なお、図２では例えば４ｍｍ角×４とした４分割（ＰＤ
１１〜ＰＤ１４）の例を示している。 【００２２】さて、図１の受光装置において、外部から
光が照射されると、各受光ユニット１１〜１ｎのフォト
ダイオードＰＤ１１〜ＰＤ１ｎからの逆方向電流が同時
に増加する。各フォトダイオードＰＤ１１〜ＰＤ１ｎは
それぞれ小面積であり、その接合容量は小さくされてい
るから、その内部抵抗や所定の抵抗Ｒ１１〜Ｒ１ｎとで
定まる時定数は小さい。従って、照射された光に対する
各受光ユニット１１〜１ｎの出力電圧の変化、即ち応答
速度は高速度となる。 【００２３】そして、光照射に高速応答して同時に出力
された各受光ユニット１１〜１ｎの出力電圧は、それぞ
れ加算手段２０に入力される。加算手段２０からは、各
受光ユニット１１〜１ｎから入力された、光照射に同時
に高速応答した電圧が、入力抵抗Ｒ２１〜Ｒ２ｎ、オペ
アンプＯＰ２０、帰還抵抗Ｒ２０により加算される。 【００２４】したがって、加算手段２０からは、各フォ
トダイオードＰＤ１１〜ＰＤ１ｎで同時に発生された光
電流の合成値に応じた大きさの出力電圧が、小面積のフ
ォトダイオードの接合容量に応じた高速の応答速度で出
力される。 【００２５】このように、複数の小面積のフォトダイオ
ードＰＤ１１〜ＰＤ１ｎで同一方向からの光を受光し、
受光した光に応じたフォトダイオードの光電流を変換・
緩衝増幅などの光電流検出手段ＯＰ１１、Ｒ１１などに
よりそれぞれ別々に構成された受光ユニット１１〜１ｎ
で検出する。この検出した後に、加算手段２０により加
算して出力する。このように受光装置を構成することに
より、フォトダイオードを用いて、入射光に対して、高
感度で高速応答が可能になる。 【００２６】また、高い逆バイアスによるアバランシェ
増倍作用を利用するアバランシェフォトダイオード等の
特殊な素子を用いることなく、高速・高感度の受光装置
を構成することができるから、フォトダイオードＰＤ１
１〜ＰＤ１ｎを電流検出手段ＯＰ１１〜ＯＰ１ｎ、Ｒ１
１〜Ｒ１ｎや加算手段２０とともに容易にＩＣ化するこ
とが可能になる。 【００２７】図３は、本発明に係る第２の実施の形態に
係る回路構成を示す図である。この図３で加算手段２０
は図１におけると同様であり、またフォトダイオードＰ
Ｄ３１〜ＰＤ３ｎについてはその構造や動作、配置構成
についても図１に示されたものと同様である。 【００２８】図３において、受光ユニット３１〜３ｎの
内部構成は同一であり、受光ユニット３１についてみる
と、受光素子であるフォトダイオードＰＤ１１のカソー
ドが正の電源電圧Ｖｄｄに接続され、そのアノードが抵
抗３１を介して基準電圧Ｖｒｅｆに接続される。これに
よりフォトダイオードＰＤ３１の照射光による逆方向電
流が抵抗Ｒ３１に流れ、電圧に変換される。この逆方向
電流が変換された電圧がオペアンプＯＰ３１の非反転入
力端子＋に接続される。また、このオペアンプＯＰ３１
の反転入力端子−と出力端子間に抵抗Ｒ３３が接続さ
れ、その反転入力端子−は抵抗Ｒ３２を介して基準電圧
Ｖｒｅｆに接続される。なお、基準電圧Ｖｒｅｆは、グ
ランド電圧でもよく、また一定のバイアス電圧でもよ
い。また、抵抗Ｒ３１への基準電圧Ｖｒｅｆと、抵抗Ｒ
３２への基準電圧Ｖｒｅｆは、同じ値でもよく、或い
は、異なる値としてもよい。 【００２９】これにより非反転増幅回路が構成されてい
る。このように図３では、図１のものと比較して、増幅
回路の構成が一部相違するだけで、基本的な動作は同様
である。即ち、この図３の第２の実施の形態において
も、光照射に高速応答して同時に出力された各受光ユニ
ット３１〜３ｎの出力電圧は、それぞれ加算手段２０に
入力され、各受光ユニット１１〜１ｎから入力された、
光照射に同時に高速応答した電圧が加算される。 【００３０】したがって、この第２の実施の形態におい
ても、第１の実施の形態におけると同様の作用及び効果
を得ることができる。 【００３１】図４は、本発明に係る第３の実施の形態に
係る回路構成を示す図である。この図４でフォトダイオ
ードＰＤ４１〜ＰＤ４ｎについてはその構造や動作、配
置構成についても図１に示されたものと同様である。 【００３２】図４において、複数の受光ユニット４１〜
４ｎが設けられ、それらの各出力が加算手段（加算回
路）５０で加算されて、受光装置としての出力が得られ
る。それぞれの受光ユニット４１〜４ｎの内部構成は同
一である。 【００３３】受光ユニット４１についてみると、受光素
子であるフォトダイオードＰＤ４１のカソードが正の電
源電圧Ｖｄｄに接続され、そのアノードがＮＰＮ型トラ
ンジスタＱ４１を介して基準電圧Ｖｒｅｆに接続され
る。また、このトランジスタＱ４１のコレクタがベース
に接続されている。そして、この受光ユニット４１の出
力端と基準電圧Ｖｒｅｆ間にＮＰＮ型トランジスタＱ４
２が接続され、そのベースがトランジスタＱ４１のベー
スと接続されている。 【００３４】このトランジスタＱ４１とトランジスタＱ
４２とでカレントミラー回路が形成されているから、フ
ォトダイオードＰＤ１１に光が照射され、逆方向電流が
流れると、まずこの逆方向電流がトランジスタＱ４１に
流れ、この電流に比例した電流がトランジスタＱ４２に
流れるように動作する。したがって、トランジスタＱ４
１，Ｑ４２は光電流検出手段として動作し、その逆方向
電流の大きさに見合った電流が出力される。この光電流
検出手段はしたがって、電流変換回路としての機能を持
つことになる。 【００３５】加算手段５０では、電源電圧Ｖｄｄにエミ
ッタが接続されたＰＮＰ型トランジスタＱ５２と、コレ
クタが基準電圧Ｖｒｅｆに接続されたＰＮＰ型トランジ
スタＱ５１とが、トランジスタＱ５２のベースとコレク
タがトランジスタＱ５１のエミッタとベースにそれぞれ
接続されている。また、電源電圧Ｖｄｄにエミッタが接
続され、加算手段５０の出力端にコレクタが接続された
ＰＮＰ型トランジスタＱ５３を有し、このトランジスタ
Ｑ５３のベースとトランジスタＱ５２のベースとが接続
されている。そして、トランジスタＱ５１のベースに各
受光ユニット４１〜４ｎの出力端が共通に接続されてい
る。なお、基準電圧Ｖｒｅｆは、グランド電圧でもよ
く、また一定のバイアス電圧でもよい。また、受光ユニ
ット４１〜４ｎの基準電圧Ｖｒｅｆと、加算手段の基準
電圧Ｖｒｅｆは、同じ値でもよく、或いは、異なる値と
してもよい。 【００３６】この構成により、加算手段５０では、各受
光ユニット４１〜４ｎの出力電流が加算され、加算され
た電流が出力されることになる。 【００３７】さて、図４の受光装置において、外部から
光が照射されると、各受光ユニット４１〜４ｎのフォト
ダイオードＰＤ４１〜ＰＤ４ｎからの逆方向電流が同時
に増加する。各フォトダイオードＰＤ４１〜ＰＤ４ｎは
それぞれ小面積であり、その接合容量は小さくされてい
るから、その内部抵抗などとで定まる時定数は小さい。
従って、照射された光に対する各受光ユニット４１〜４
ｎの出力電流の変化、即ち応答速度は高速度となる。 【００３８】そして、光照射に高速応答して同時に出力
された各受光ユニット４１〜４ｎの出力電流は、それぞ
れ加算手段５０に入力される。加算手段５０からは、各
受光ユニット４１〜４ｎから入力された、光照射に同時
に高速応答した電流が、加算手段を構成するトランジス
タＱ５１，Ｑ５２，Ｑ５３により加算される。 【００３９】したがって、加算手段５０からは、各フォ
トダイオードＰＤ４１〜ＰＤ４ｎで同時に発生された光
電流の合成値に応じた大きさの出力電流が、小面積のフ
ォトダイオードの接合容量に応じた高速の応答速度で出
力される。 【００４０】このように、この第３の実施の形態では、
第１，第２の実施の形態とは具体的な変換手法は異なっ
ているが、やはり、複数の小面積のフォトダイオードＰ
Ｄ４１〜ＰＤ４ｎで同一方向からの光を受光し、受光し
た光に応じたフォトダイオードの光電流を変換・増幅な
どの光電流検出手段Ｑ４１，Ｑ４２によりそれぞれ別々
に構成された受光ユニット４１〜４ｎで検出する。この
検出した後に、加算手段５０により加算して出力する。
このように受光装置を構成することにより、フォトダイ
オードを用いて、入射光に対して、高感度で高速応答が
可能になる。 【００４１】なお、これらの実施の形態において、各フ
ォトダイオードＰＤ１１，ＰＤ１２，ＰＤ３１，ＰＤ４
１は逆バイアスにするが、それらフォトダイオードを、
電源電圧Ｖｄｄに接続するのでなく、例えばグランド電
圧などに接続する構成を採ることも可能である。この場
合には、各々の基準電圧Ｖｒｅｆは、電源電圧Ｖｄｄと
グランド電圧の中間の適当な電圧とされることになる。 【００４２】 【発明の効果】本発明によれば、複数の小面積のフォト
ダイオードで同一方向からの光を受光し、受光した光に
応じたフォトダイオードの光電流を変換・緩衝増幅など
の光電流検出手段によりそれぞれ別々に検出した後に、
加算手段により加算して出力する。これにより、フォト
ダイオードを用いて、高感度で高速応答が可能な受光装
置を得ることができる。 【００４３】また、高い逆バイアスによるアバランシェ
増倍作用を利用するアバランシェフォトダイオード等の
特殊な素子を用いることなく、高速・高感度の受光装置
を構成することができるから、フォトダイオードを電流
検出手段や加算手段とともに容易にＩＣ化することが可
能になる。

【図面の簡単な説明】 【図１】本発明による受光装置の第１の実施の形態に係
る回路構成を示す図。 【図２】受光装置に用いるフォトダイオードの配置構成
の例を示す図。 【図３】本発明による受光装置の第２の実施の形態に係
る回路構成を示す図。 【図４】本発明による受光装置の第３の実施の形態に係
る回路構成を示す図。 【図５】従来の受光装置の回路構成を示す図。 【図６】他の従来の受光装置の回路構成を示す図。 【符号の説明】 １１〜１ｎ、３１〜３ｎ、４１〜４ｎ 受光ユニット ２０、５０ 加算手段 ＯＰ１１、ＯＰ１２、ＯＰ２０、ＯＰ３１ オペアンプ ＰＤ１１〜ＰＤ１４、ＰＤ３１、ＰＤ４１ フォトダイ
オード Ｒ１１、Ｒ１２、Ｒ２０、Ｒ２１〜Ｒ２ｎ、Ｒ３１〜Ｒ
３３ 抵抗 Ｑ４１、Ｑ４２、Ｑ５１〜Ｑ５３ トランジスタ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5F049 MA02 NA01 NA03 RA02 RA06 UA01 UA13 UA20 5J069 AA01 AA47 AA56 CA00 CA65 CA91 FA15 HA08 HA19 HA25 HA44 KA01 KA04 KA09 KA26 KA28 MA10 QA04 TA01 5J092 AA01 AA47 AA56 CA00 CA65 CA91 FA15 HA08 HA19 HA25 HA44 KA01 KA04 KA09 KA26 KA28 MA10 QA04 TA01 UL03 5J500 AA01 AA47 AA56 AC00 AC65 AC91 AF15 AH08 AH19 AH25 AH44 AK01 AK04 AK09 AK26 AK28 AM10 AQ04 AT01 LU03

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】 同一方向からの光が入射可能に同一箇所
   に集合された複数のフォトダイオードと、 前記複数のフォトダイオードの出力電流をそれぞれ検出
   する複数の光電流検出手段と、 前記複数の光電流検出手段のそれぞれの出力を加算して
   出力する加算手段とを有することを特徴とする受光装
   置。