JP2005093834A - アバランシェフォトダイオードのバイアス電圧制御回路及び受光方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＡＰＤの他に別個に受光素子を用いることなく温度依存性の少ない信号光のモニタ光を取得し、このモニタ光を基準として、ＡＰＤの増倍係数を一定に保持することができるＡＰＤのバイアス電圧制御回路及び受光方法を提供する。
【解決手段】自己増倍作用を有する第１の受光領域と、自己増倍作用を有しない第２の受光領域をもつＡＰＤ１０で信号光を受光する。第１の受光領域で受光した第１の信号（Ｉｓ＋Ｉｎｏ）と第２の受光領域で受光したモニタ信号Ｉｍを分離する回路１２，１３と、第２の受光領域で受光したモニタ信号Ｉｍに所定の利得Ｇを与え、第１の受光領域で受光した第１の信号（Ｉｓ＋Ｉｎｏ）と所定の利得が与えられた第２の信号（Ｇ×Ｉｍ）の差を取出し、その差がゼロになるようにＡＰＤ１０に印加されるバイアス電圧を制御する。
【選択図】図４

Description

本発明は、光受信装置の受光素子にとして用いられるアバランシェフォトダイオードのバイアス電圧制御回路と、そのための受光方法に関する。

アバランシェフォトダイオード（Avalanche Photo Diode：以下、ＡＰＤという）は、高いバイアス電圧下におけるキャリアの雪崩降伏を利用した光ダイオードであって、自己増倍作用を有している。微弱信号光から比較的大きな光電流を取出すことができるＡＰＤの増倍係数をどの程度にするかによって、ＡＰＤの後段に接続される前置増幅器及び受光システムの設計が左右される。なお、増倍係数とは、１個の光子が入射して何個のキャリアを生成するかを表す係数で、自己増倍作用を有しないＰＩＮフォトダイオードのような場合は、通常、１以下である。

信号光に対して高い増倍係数を設定（バイアス電圧を大きくする）すると、それにつれて雑音信号も増大し雑音特性が劣化する。反対に増倍係数を小さくすると、所定の受光感度を得ることができなくなる。対雑音特性については、例えば、特許文献１に、信号対雑音比（ＳＮＲ）が最大となるように、バイアス電圧を制御することが開示されている。この開示技術は、ＡＰＤの出力信号を増幅した後、第１のフィルタで信号成分を抽出し、第２のフィルタで雑音成分を抽出する。抽出された信号成分と雑音成分からＳＮＲを演算し、演算されたＳＮＲが最大となるようなバイアス電圧を、ＡＰＤに印加するというものである。

また、ＡＰＤの受光強度及び環境温度を基準として、ＡＰＤのバイアス電圧を制御する方法が、例えば、特許文献２に開示されている。この開示技術は、ＡＰＤとは別個にＰＩＮフォトダイオードを用意しておき、このＰＩＮフォトダイオードにより受光された光の強度を基準として、ＡＰＤのバイアス電圧を制御する方法である。なお、同文献２には、環境温度を検出する手段を設け、検出した温度を基準としてＡＰＤのバイアス電圧を制御することも開示している。

特開平９−３２１７１０号公報 特開２０００−２４４４１８号公報

上述した特許文献１、２には、受光信号状態や環境温度の変化に応じてバイアス電圧を調整制御すること、すなわち、光電流の増倍係数を制御することが開示されている。他方、受光パワーが変化した場合や環境温度が変化した場合でも、増倍係数を一定に保持したい要求も常にある。しかし、図７の「光電流対逆電圧」に示されるように、バイアス電圧一定の条件下においては、得られる光電流、すなわち増倍係数は一定とはならない。特に、増倍係数が有意な値をもつバイアス電圧３０Ｖ〜６０Ｖでは、光電流値（微弱電流×増倍係数）は温度変化（光電流値は対数表示）に対して大きく変化する。

上述の特許文献２において、ＡＰＤと同じ受光信号を受光するＰＩＮフォトダイオードは、ＡＰＤと比べて温度依存性が小さく増倍係数もほぼ１に近い。したがって、このＰＩＮフォトダイオードの受光強度をモニタ光として、ＡＰＤに印加するバイアス電圧を制御することにより、環境温度の影響による増倍係数の変動を小さくすることが可能と考えられる。しかし、ＰＩＮフォトダイオードは、ＡＰＤとは別に用意しなければならず、また、受光条件が同一になるとは限らない。このため、ＰＩＮフォトダイオードが受光するモニタ光の光強度とＡＰＤが受光する光強度は、必ずしも対応関係にあるとは言えず、バイアス電圧の制御が適正に行なわれないことがある。

本発明は、上述した実情に鑑みてなされたもので、ＡＰＤの他に別個に受光素子を用いることなく温度依存性の少ない信号光のモニタ光を取得し、このモニタ光を基準として、ＡＰＤの増倍係数を一定に保持することができるＡＰＤのバイアス電圧制御回路及び受光方法の提供を課題とする。

本発明によるＡＰＤのバイアス電圧制御回路は、バイアス電圧の印加により自己増倍作用を有する第１の受光領域と、バイアス電圧が印加されず自己増倍作用を有しない第２の受光領域をもつＡＰＤで信号光を受光する回路を備える。そして、第１の受光領域で受光した第１の信号と第２の受光領域で受光したモニタ信号とを分離する回路と、第２の受光領域で受光したモニタ信号に所定の利得を与え第２の信号を出力する回路により、第１の受光領域で受光した第１の信号と所定の利得が与えられた第２の信号との差を取出し、この差をバイアス電圧回路にフィードバックさせる。バイアス電圧回路では、第１の信号と所定の利得が与えられた第２の信号とが等しくなるようにＡＰＤに印加するバイアス電圧を制御する。
また、第２の受光領域で受光したモニタ信号のみを取出す回路を別に設け、モニタ信号の強度に応じて、このモニタ信号に与える所定の利得を変える。

本発明によるＡＰＤの受光方法は、前記のＡＰＤのバイアス電圧制御回路における信号光の受光方法であって、第１の受光領域に照射される信号光の集光径を拡大するか、或いは信号光をミラーにより光分岐して、第２の受光領域で信号光の一部を受光させるようにする。

本発明によるＡＰＤのバイアス電圧制御回路によれば、温度依存性の小さいモニタ信号を基準にＡＰＤの増倍係数を設定することができ、温度変化によらずに増倍係数を一定保持することが可能となる。この結果、ＡＰＤの温度特性と比較して、温度変化による影響がはるかに小さいＡＰＤの後段に接続される主増幅器、或いはシステム全体に対しても温度補償されたこととなり、安定した性能の光受信装置を得ることができる。
また、温度依存性の小さいモニタ信号を、他に光学素子を用いることなく、かつ、ＡＰＤの信号光の一部から得ることができるので、構成が簡単で均一な性能の光受信装置を得ることができる。

図により本発明の実施の形態を説明する。図１（Ａ）及び図１（Ｂ）は本発明で用いるＡＰＤの概略を説明する平面図と断面図、図２はＡＰＤの受光領域と光感度特性を示す図、図３はＡＰＤの受光領域における受光性能と周波数特性を示す図である。図中、１はＡＰＤチップ、２はｎ^＋基板、３はｎ層、４はｐ^＋拡散領域、５、６は絶縁膜、７はｐ側電極、７ａは電極パッド、８はｎ側電極、Ｐｓは第１の受光領域、Ｐｍは第２の受光領域を示す。

図１（Ａ）に示すように、ＡＰＤチップ１の自己増倍作用を有する第１の受光領域Ｐｓは、例えば、中央部のごく限られた領域のみに設けられる。この中央部の第１の受光領域Ｐｓを囲むようにして形成されたリング状のｐ側電極７から引出された電極パッド７ａと、裏面側のチップ全面に形成されたｎ側電極８との間にバイアス電圧が印加される。このＡＰＤチップ１は、図１（Ｂ）に断面図で示すように、ｎ^＋の基板２上にｎ層３を成長させ、ＳｉＯ_２等の第１の絶縁膜５による拡散窓を設けた後、この拡散窓を通してｎ層３中にアクセプター原子を拡散させて、拡散させた領域のみにｐ^＋拡散領域４を形成する。

ｐ^＋拡散領域４の周辺部に上述したリング状のｐ側電極７を設け、この電極の引出しを第１の絶縁膜５上で行なう。リング状のｐ側電極７で囲まれた領域は、受光する信号光の波長λｓに対して非反射膜となるようにＳｉ_３Ｎ_４等の第２の絶縁膜６を所定の厚さで形成する。図１（Ｂ）のＡＰＤチップ１の断面構造から明らかなように、ｐ側電極７とｎ側電極８との間にバイアス電圧を印加した場合に、このバイアス電圧が作用するのは受光領域直下のみとなり、受光領域からはずれた部分には電圧が印加されない。

裏面側に形成されるｎ側電極８は、ほぼＡＰＤチップ１の全面に形成されるので、ｐ側電極７の外側の領域においても、その表面の絶縁膜６を、受光する信号光の波長λｍに対して透明となるように形成する。この結果、ｐ側電極７の外側の領域に入射した光も当然に光電子を生成することとなるが、この領域にはバイアス電圧が印加されず電界が作用していないので、増倍係数は１以下となる。本発明では、バイアス電圧による電界の作用で自己増倍作用を奏するｐ側電極７内の領域を第１の受光領域Ｐｓとし、バイアス電圧による電界が作用せず自己増倍作用を奏しないｐ側電極７の外側で光が入射される領域を第２の受光領域Ｐｍとする。

図２は、ＡＰＤの感度特性を示す図で、図１（Ａ）に示した４５°の軸線ｂ−ｂを横軸で表し、縦軸に得られる出力光電流値をプロットする。横軸の第１の受光領域の範囲が、図１のｐ側電極７内の領域Ｐｓに対応し、この領域に光が主に入射した場合には大きな光電流値が得られる。この受光領域を外した両側の範囲はｐ側電極７ａの外側である第２の受光領域に対応し、この領域に光が入射した場合は、その光電流値は１／３以下の値にしかならない。また、この第２の領域には電界が作用していないので、その増倍係数の温度依存性も小さい。

図３は、第１の受光領域と第２の受光領域における受光性能の周波数特性を示す図である。この図から第１の受光領域の周波数特性は、高域（１ＧＨｚ以上の帯域）においても高周波信号に応答可能である。しかし、第２の受光領域の周波数特性は、その光電流の増倍係数が最大でも１であるのに加え、高域での劣化が著しく低域信号（０.５ＧＨｚ以下の帯域）での応答となる。

したがって、第１及び第２の受光領域で受光した信号光の成分を、例えば、５００ＭＨｚ程度に遮断周波数を設定した高域通過フィルタを介することにより、第１の受光領域で受光した高域分を含む信号成分と、第２の受光領域で受光した低域分のモニタ成分とを分離して検出できることとなる。これら分離された２つの信号光の成分を適宜処理することで、ＡＰＤの増倍係数を一定にするようにバイアス電圧を設定する構成、入力レベルに応じてバイアス電圧を制御する構成が可能となる。

図４及び図５は、本発明によるＡＰＤの増倍係数を一定に制御する例を説明する図である。図中、１０はＡＰＤ、１１は前置増幅器（ＴＩＡ）、１２はハイパスフィルタ（ＨＰＦ）、１３はロウパスフィルタ（ＬＰＦ）、１４はリミティング増幅器、１５はピークホールド検波器、１６，１７、１８は差動増幅器（Ｕ１，Ｕ２，Ｕ０）、１９はＤＣ／ＤＣコンバータを示す。

ＡＰＤ１０は、図１に示したような、バイアス電圧の印加により自己増倍作用を有する第１の受光領域と、バイアス電圧が印加されず自己増倍作用を有しない第２の受光領域をもつ構成のＡＰＤである。このＡＰＤ１０で受光された信号光には、第１の受光領域で受光した信号光による信号成分Ｉｓと、第２の受光領域で受光した信号光（モニタ光となる）によるモニタ成分Ｉｍと、これに両成分に共通する雑音成分Ｉｎｏが加わって、（Ｉｓ＋Ｉｍ＋Ｉｎｏ）の成分が電気信号に変換されて前置増幅器１１（Trans-Impedance Amplifier：ＴＩＡ）に入力される。なお、雑音成分Ｉｎｏには、信号光そのものに含まれているもの、ＡＰＤで電流信号に変換される際に生じるもの、バイアス電圧に依存して増減するもの等、種々の要因による全ての成分を含んでいるものとする。

前置増幅器１１において、これらの成分（Ｉｓ＋Ｉｍ＋Ｉｎｏ）と対応する電流成分は、電流／電圧変換して電圧信号とされる。この後、ＨＰＦ１２とＬＰＦ１３を通され、ＨＰＦ１２を通過する信号は、低域のモニタ信号Ｉｍがカットされた信号Ｉｓと雑音信号Ｉｎｏからなる第１の信号（Ｉｓ＋Ｉｎｏ）となる。他方、ＬＰＦ１３を通過する信号は、信号Ｉｓ及び雑音信号Ｉｎｏに加えて低域のモニタ信号Ｉｍを含む信号（Ｉｍ＋Ｉｓ＋Ｉｎｏ）となる。

ＨＰＦ１２を通過した第１の信号（Ｉｓ＋Ｉｎｏ）は、リミティング増幅器１４等の出力回路を経て伝送信号とされる。また、このＨＰＦ１２を通過した第１の信号は、整流回路からなるピークホールド検波器１５を介することにより、（Ｉｓ＋Ｉｎｏ）の強度を取出すことができる。他方、ＬＰＦ１３を通過した信号（Ｉｍ＋Ｉｓ＋Ｉｎｏ）は、その遮断周波数（低域遮断周波数）を小さい値に設定することで整流回路を兼ねることになり、ＬＰＦ１３から出力される信号は、（Ｉｍ＋Ｉｓ＋Ｉｎｏ）の強度成分のみとすることができる。この２つの信号は、利得Ｇを可変とする差動増幅器１６（Ｕ１増幅器）に入力される。

ＨＰＦ１２を通過した信号は、（Ｉｓ＋Ｉｎｏ）のみであり、ＬＰＦ１３を通過した信号は（Ｉｍ＋Ｉｓ＋Ｉｎｏ）であるので、この差をＵ１増幅器１６で検出することでモニタ信号Ｉｍのみを抽出し、所定の利得Ｇを与えた第２の信号（Ｇ×Ｉｍ）を出力することができる。この利得倍された第２の信号（Ｇ×Ｉｍ）と、ＨＰＦ１２を通過した第１の信号（Ｉｓ＋Ｉｎｏ）との差を、Ｕ２増幅器１７で検出する。そして、利得倍された第２の信号（Ｇ×Ｉｍ）とＨＰＦ１２を通過した第１の信号（Ｉｓ＋Ｉｎｏ）とが等しくなるように、ＡＰＤに加わるバイアス電圧をＤＣ／ＤＣコンバータ１９により制御する。

すなわち、バイアス電圧の印加により自己増倍作用を有する第１の受光領域で受光した光による第１の信号（雑音分を含む）の強度が、バイアス電圧が印加されず自己増倍作用を有しない第２の受光領域で受光した光によるモニタ信号の強度のＧ倍となるよう制御系を実現することができる。そして、モニタ信号には、温度依存性の成分は極めて少ない割合でしか含まれていないため、ＡＰＤの周囲温度が変化したとしても、ＡＰＤの増倍係数は一定に保持することができる。

一方、通常のＡＰＤ制御においては、入力レベルが大きくなった場合は、増倍係数を低減して、ＡＰＤから取出される出力電流を抑える制御が行なわれる。しかし、上述した図４の例では、第１の信号（Ｉｓ＋Ｉｎｏ）の強度がモニタ信号ＩｍのＧ倍となるように制御系を設定している。したがって、常に増倍係数が一定となるように設定した場合、入力レベルが大きくなって取出される電流値が増加し、この増加電流によりＡＰＤ自身を破壊するということもある。また、ＡＰＤの電流値が増加した場合、後段に接続される電気回路を飽和状態で動作させることにもなり、正常動作が期待できなくなるという事態が生じる恐れもある。

図５の例は、ＡＰＤに入力される信号光の強度が増加した場合には、それに応じてバイアス電圧を低下させ、上述のような事態が生じるのを回避させることを可能とするものである。ＡＰＤ１０は、図４の場合と同様のものが用いられ、第１の受光領域で受光した信号光による信号成分Ｉｓと第２の受光領域で受光した信号光の一部（モニタ光）によるモニタ成分Ｉｍと、これに両成分に共通する雑音成分Ｉｎｏが加わって、（Ｉｓ＋Ｉｍ＋Ｉｎｏ）の成分が電気信号に変換されてＴＩＡ１１に入力される。

ＨＰＦ１２を通され、整流回路からなるピークホールド検波器１５を経て抽出された第１の信号（Ｉｓ＋Ｉｎｏ）と、ＬＰＦ１３を通された信号（Ｉｍ＋Ｉｓ＋Ｉｎｏ）の強度は、Ｕ０増幅器１８とＵ１増幅器１６の両方に入力される。Ｕ０増幅器１８では、第１の信号（Ｉｓ＋Ｉｎｏ）と信号（Ｉｍ＋Ｉｓ＋Ｉｎｏ）の強度差が検出され、モニタ信号Ｉｍの強度のみを取出す。このモニタ信号Ｉｍは、Ｕ１増幅器１６に制御信号として入力される。

Ｕ１増幅器１６からは、図４の場合と同様に、モニタ信号Ｉｍに所定の利得Ｇを与えた第２の信号（Ｇ×Ｉｍ）を出力させることができる。この利得倍された第２の信号（Ｇ×Ｉｍ）と、ＨＰＦ１２を通過した第１の信号（Ｉｓ＋Ｉｎｏ）との差を、Ｕ２増幅器１７で検出する。そして、利得倍された第２の信号（Ｇ×Ｉｍ）と、ＨＰＦ１２を通過した第１の信号（Ｉｓ＋Ｉｎｏ）とが等しくなるように、ＡＰＤ１０に加わるバイアス電圧をＤＣ／ＤＣコンバータ１９により制御する。

ＡＰＤ１０の第１の受光領域で受光される信号光の強度と、第２の受光領域で受光されるモニタ光の強度は、同じ光ビームから得られるとすれば、ビームスポットが移動しない限り、比例関係にある。したがって、信号光の強度が大となればモニタ光の強度も大となる。すなわち、信号Ｉｓの強度が大となればモニタ信号Ｉｍの強度も大となるので、Ｕ０増幅器１８からのモニタ信号Ｉｍの強度が増加したときは、Ｕ１増幅器１６の利得Ｇを低下させ、モニタ信号Ｉｍの強度が低下したときは、Ｕ１増幅器１６の利得Ｇを増加させ、利得倍された第２の信号（Ｇ×Ｉｍ）が一定になるようにする。全体としての閉ループでは、（Ｇ×Ｉｍ）＝（Ｉｓ＋Ｉｎｏ）になるように制御されるので、ＡＰＤの周囲温度が変化しても、ＡＰＤに加わる入力信号強度が変化しても、ＡＰＤの電流を所定値に保持することができる。

図６は、ＡＰＤの受光方法を説明する図で、図６（Ａ）は通常の受光形態を示す図、図６（Ｂ）は本発明の受光方法の一例を説明する図、図６（Ｃ）は本発明の受光方法の他の例を説明する図である。図中、２０はＡＰＤの受光面、２１は集光レンズ、２２はハーフミラー、２３はミラー、Ｐｓは第１の受光領域、Ｐｍは第２の受光領域、Ｓは信号光を示す。

ＡＰＤの受光面２０は、図１で説明したように、バイアス電圧の印加により自己増倍作用を有する第１の受光領域Ｐｓと、バイアス電圧が印加されず自己増倍作用を有しない第２の受光領域Ｐｍをもつ。信号光に対するＡＰＤの受光は、通常、図６（Ａ）に示すように第１の受光領域Ｐｓのみに信号光Ｓが入射されるように、集光レンズ２１等によりその集光径が絞られている。

本発明では、図６（Ｂ）に示すように、集光レンズ２１等により照射される信号光Ｓが、第１の受光領域Ｐｓ以外に第２の受光領域Ｐｍにも一部が入射されるように、その集光径を拡大する。信号光Ｓは主として第１の受光領域Ｐｓで受光され、制御系の信号成分Ｉｓとされるが、拡大された集光径を有する信号光Ｓの一部が第２の受光領域Ｐｍでも受光される。第２の受光領域Ｐｍで受光された信号光Ｓの一部は、図４、５で説明したモニタ光とされ、制御系のモニタ成分Ｉｍとされる。

図６（Ｃ）は、集光レンズ２１等により照射される第１の受光領域Ｐｓへの信号光Ｓをハーフミラー２２により、その一部を光分岐する。ハーフミラー２２を透過した信号光Ｓは、第１の受光領域Ｐｓで受光され、制御系の信号成分Ｉｓとされる。光分岐された信号光Ｓの一部は、ミラー２３により第２の受光領域Ｐｍで受光してモニタ光とされ、制御系のモニタ成分Ｉｍとされる。

上述したように、同一のＡＰＤのバイアス電圧による電界が作用せず自己増倍作用を奏しない領域を第２の受光領域とし、この領域で受光した信号光をモニタ光とすることにより、ＰＩＮダイオードを別に用意することなく、温度変化に関係なくＡＰＤの増倍係数を一定とする制御を行なうことができる。また、ＡＰＤの信号光と同一条件にある信号光の一部をモニタ光とすることができるので、均一の性能で高性能の制御を行なうことが可能となる。

本発明に用いるＡＰＤの一例を説明する図である。 本発明で用いるＡＰＤの受光領域と感度特性を示す図である。 本発明で用いるＡＰＤの受光領域における受光性能と周波数特性を示す図である。 本発明の実施形態の一例を説明する図である。 本発明の実施形態の他の例を説明する図である。 本発明のＡＰＤの受光方法の実施形態を説明する図である。 本発明の解決しようとする課題を説明するための、ＡＰＤの光電流と逆電圧の関係を示す図である。

符号の説明

１…ＡＰＤチップ、２…ｎ^＋基板、３…ｎ層、４…ｐ^＋拡散領域、５，６…絶縁膜、７…ｐ側電極、７ａ…電極パッド、８…ｎ側電極、１０…ＡＰＤ、１１…前置増幅器（ＴＩＡ）、１２…ハイパスフィルタ（ＨＰＦ）、１３…ロウパスフィルタ（ＬＰＦ）、１４…リミティング増幅器、１５…ピークホールド検波器、１６，１７，１８…差動増幅器（Ｕ１，Ｕ２，Ｕ０）、１９…ＤＣ／ＤＣコンバータ、２０…ＡＰＤの受光面、２１…集光レンズ、２２…ハーフミラー、２３…ミラー、Ｐｓ…第１の受光領域、Ｐｍ…第２の受光領域。

Claims (4)

1. バイアス電圧の印加により自己増倍作用を有する第１の受光領域と、バイアス電圧が印加されず自己増倍作用を有しない第２の受光領域をもつアバランシェフォトダイオードで信号光を受光する回路と、
   前記第１の受光領域で受光した第１の信号と前記第２の受光領域で受光したモニタ信号とを分離する回路と、
   前記第２の受光領域で受光したモニタ信号に所定の利得を与え第２の信号を出力する回路と、
   前記第１の信号と前記第２の信号の差をバイアス電圧回路にフィードバックする回路を備え、
   前記第１の信号と前記第２の信号とが等しくなるように制御されることを特徴とするアバランシェフォトダイオードのバイアス電圧制御回路。
2. 前記第２の受光領域で受光したモニタ信号のみを取出す回路を備え、前記モニタ信号の強度に応じて、前記所定の利得を変えることを特徴とする請求項１に記載のアバランシェフォトダイオードのバイアス電圧制御回路。
3. 請求項１又は２に記載のアバランシェフォトダイオードのバイアス電圧制御回路における信号光の受光方法であって、
   前記第１の受光領域に照射される信号光の集光径を拡大し、前記第２の受光領域は、集光径が拡大された前記信号光の一部を受光することを特徴とするアバランシェフォトダイオードの受光方法。
4. 請求項１又は２に記載のアバランシェフォトダイオードのバイアス電圧制御回路における光信号の受光方法であって、
   前記第１の受光領域に照射される信号光をミラーにより光分岐し、前記第２の受光領域は、光分岐された前記信号光の一部を受光することを特徴とするアバランシェフォトダイオードの受光方法。

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