JP2005531129A - 増大する帯域幅を備えた光ファイバー受信器 - Google Patents

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Abstract

改良された感度と改良された帯域幅とを持つ光導体集積回路（ＯＥＩＣｓ）のための光ファイバー受信器（１１）が記載される。この改良は、ホトダイオードを部分ダイオード（Ｄ１、Ｄ２）に分割することにより達成され、各部分ダイオードは固有の伝達特性増幅器（２０、２１）に接続され、個々の固有の伝達特性増幅器の出力信号は主増幅器（３０）内で加算される。この光ファイバー受信は異なる技術、ＣＭＯＳ、ＢＩＣＭＯＳ、ＢＩＰＯＬＡＲで製造できる。

Description

本発明は、増大された感度と拡大された帯域幅を備えた一体構造型集積光ファイバー受信器に関する。
周知な光ファイバー受信器は、本質的にホトダイオードと、ホトダイオード電流を比例電圧に変換する伝達特性増幅器とから成る。例えば、ＤＥ３２３３１４６（ＡＴ&Ｔテクノロジーズ）またはＤＥ３３３８０２４（ＳＥＬ ＡＧ）を参照。さらに、受信する光レベルが論理的に０か１に一致するかどうかを決定しなければならない決定回路が続いて存在する。大きい直径を持つ光導電ファイバーでは、受信すべき光点は、それに応じて大きくなる。例えば、プラスチックファイバーの使用では、受信すべき光点は比較的に非常に大きくなる（１ｍｍ直径まで）。入ってくる光電流を完全に利用できるために、受信するホトダイオードは、その感光面で対応して適合する。しかしながら、大きくなる受信面により、ホトダイオードの障壁容量が増え、このことは、後続する伝達特性増幅器の速度の低下もノイズ特性の低下ももたらす。
ドイツ国特許第３２３３１４６号 ドイツ国特許第３３３８０２４号
本発明の技術課題は、迅速な光信号のための比較的に大きい感光受信面を自由に利用し、それにもかかわらず、光受信器の帯域幅と感度を増大することである。
この課題は、本発明によると、光点のサイズに適合する光受信ダイオードが分割されることにより解決され、その際、各個々の部分ホトダイオードは固有の伝達特性増幅器に続く。個々の（別々の）伝達特性増幅器の出力信号は主増幅器に加えられる。
部分ホトダイオードは、それらの主面に対応する大きい統合ダイオードより少ない障壁容量を持つので、個々の伝達特性増幅器は大きい帯域幅と良好なノイズ特性とを有する。これらの特性は主増幅器から本質的に影響を受けない。
高増幅度に基づき、ホトダイオードで１ｍｍまでの有効直径で６２２Ｍビット／秒以上の一層高いデータ速度を達成できるこの光受信器の分割原理は、バイポーラ−およびＢＩＣＭＯＳ−ＯＥＩＣｓでも実施できる。
これらの高いデータ速度は、１ｍｍまでの有効なホトダイオード直径と共にホトダイオード分割原理により初めて達成できる。それで、本質的に１ｍｍ直径のプラスチックファイバーのための光伝導集積回路（ＯＥＩＣ）は、５００Ｍビット／秒以上のデータ速度を達成できる。
光プラグコネクタの高い調整許容差を許容し、または調整が必要でないガラスファイバーまたはプラスチックファイバーでの光受信器において別の使用可能性がある。
本発明を実施例に基づいて詳細に説明する。図示の全ての素子は他の方法で説明しない限り、ＣＭＯＳ技術で集積されるチップ上に製造されるものとして理解しなければならない。
０．６μｍ−ＣＭＯＳ技術で製造される図１の全面ホトダイオードＤは、４００μｍの直径「ｄ１」と、約１．６ｐＦの障壁容量を有する。図３の４個の部分ダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４は、それぞれ、４００ｆＦの障壁容量を有する。基板裏側でのホトダイオードの電気接点１０（図３の断線Ａ−Ｂによる図５を参照）は、ＰＩＮダイオードの直列抵抗を著しく減少する。
図４による伝達特性増幅器２０から２３は、７０ｋΩの伝達特性を有し、主増幅器３０は２．５の増幅度を有する。全面ホトダイオードＤを持つ伝達特性増幅器２９の帯域幅は、図１、図２によると１５１ＭＨｚであり、図３、図４での４分割ホトダイオード１１を持つ全システムは同じ受信面で４０２ＭＨｚとなる。
図４による４分割ホトダイオードを持つ全システムの伝達特性は１６４ｋΩとなる。
電気的関係での個々のホトダイオードＤ１からＤ４の接続は、図４から明白である。それぞれの固有の増幅器２０から２３は、それぞれ、部分ダイオードに付設され、それらの電気出力信号を受ける。電流電圧変換器としてフィードバック抵抗Ｒｆの装着により、個々の伝達性増幅器の各は、それぞれの部分ダイオードに属する。出力信号は分離して特徴付けられないが、主回路３０の入力抵抗Ｒ１に入り、主回路は、そのフィードバック抵抗Ｒ２を介して主回路の増幅度を決める。増幅度は上記のように２．５に選択される。
図３によるダイオードの個々の構成は図５の断面図から明白である。断線Ａ−Ｂにより明白な両方の切断されるホトダイオード１、２としてのホトダイオードＤ１、Ｄ２は、細長ストリップ１２によりＮ＋領域に関して内で分離される。このカソード領域は、それぞれのホトダイオードのために独立し、図４によるそれぞれの増幅器に接続される。エピタキシャル層内でＰトラフおよび埋込層Ｐ＋上のＰ領域および各ホトダイオードＤ１、Ｄ２のＮ＋層の両側には、部分ダイオードのそれぞれの端子がある。アノードは接地できる。
基板裏側上の別のアノード１０はダイオードの直列抵抗を著しく減少できる。
図５は、特に、図４の略図で描かれるような集積回路増幅器を備えた左右に進んで展開できる集積回路から成る断面図だけであるが、他の光ファイバー受信器でもある。その際、各光ファイバー受信器は、図３の光ファイバー受信器上に光ファイバーからの光点を形成するため、電気プラグ端子を介して図示しない光ファイバーと接続される。その際、光点は、２個の部分ダイオードＤ１、Ｄ２の断面で、そのサイズは明らかである。
直径として示される値は、名称を示唆する円形状で敢えて引用しないおおよその値であることが分かる。図１、図２において、対応する図面は、さらに円形状に近い多角形形状を示すが、集積形状の最適な製造ための製造技術的な観点が考慮される。
それぞれの伝達特性増幅器２０から２３での個々のダイオードＤ１からＤ４の接続後、ダイオードのアノード側は共通電位に接続される。ダイオードのカソード側は、それぞれ独立して、主回路３０内で関連する電気的集合のため、信号を電気的に変換するか増幅する伝達特性増幅器の入力に接続する。図５によると、２個のホトダイオードＤ１、Ｄ２のアノードとカソード１またはアノードとカソード２との間で良好な導電性結合が行なわれないと、両方の接続部は導電性結合により相互に接続されず、このことは、図４による配列の接続後に、ダイオードのそれぞれ一方の接続部だけのために変化することになる。
図６は、均等な入力ノイズ電流密度に従うシステムを比較して示す。
（ａ）伝達特性増幅器を備えた全面ホトダイオードＤ
（ｂ）伝達特性増幅器を備えた部分ホトダイオードＤ１
（ｃ）それぞれ、固有の伝達特性増幅器を備え、主回路３０に接続する追加部分を備えた４個のホトダイオード
入力ノイズ電流密度を１ＭＨｚから１５０ＭＨｚの範囲で集積すると、均等な入力ノイズ電流のために次の値を得る。すなわち、伝達特性増幅器を備えた全面ホトダイオードでは５９．３ｎＡ、４個の伝達特性増幅器と主回路を備えた４分割ホトダイオード１１では３３．５ｎＡである。
ホトダイオードの４分割により、帯域幅は倍以上にでき、一定の帯域幅での均等の入力ノイズ電流は、ほぼ半分となるであろう。
４０２ＭＨｚの全システムの帯域幅は５００Ｍビット／秒または６２２Ｍビット／秒のノン−リターン−ツーゼロ（ＮＲＺ）データ速度の処理にとって十分である。
１ｍｍの直径「ｄ２」を備えたホトダイオードでは、８．８ｐＦの障壁容量が生じる。それで、４個の部分ホトダイオードの内の１個のホトダイオードは、２．２ｐＦの障壁容量を有する。同一サイズの４分割ホトダイオードでは、１６４ｋΩの伝達特性での全システムでは１１６ＭＨｚの帯域幅を達成し、この帯域幅は１５５Ｍビット／秒のデータ速度にとって十分である。増幅器２０から２３内でのフィードバック抵抗Ｒｆの減少の場合、３２．６ｋΩの伝達特性で４１３ＭＨｚの帯域幅が生じる（６２２Ｍビット／秒のデータ速度に対応する）。
これらのデータ速度は、１ｍｍの有効なホトダイオード直径と共にホトダイオード原理により初めて達成できる。それで、１ｍｍの直径のプラスチックファイバーのためのオプトエレクロニクス集積回路（ＯＥＩＣ）は、５００Ｍビット／秒以上のデータ速度を達成できる。
光プラグコネクタの高度な調整許容差を許容し、または調整を必要としないガラスファイバーまたはプラスチックファイバーの光受信器で別の使用可能性がある。
図１は、周知な種類の技術の光ファイバー受信器のホトダイオードの平面図である（概要）。 図２は、伝達特性増幅器２９を備えたホトダイオードの回路である。 図３は、本発明による光ファイバー受信器の実施例のホトダイオードの平面図である（概要）。 図４は、部分ホトダイオード、多数の伝達特性増幅器および主幅器を備えた本発明の回路である。 図５は、図３によるＰＩＮホトダイオードの垂直断面である（概要）。 図６は、周波数に関して描かれる入力ノイズ電流密度の線図である。
符号の説明
１ カソード
２ ホトダイオード
３ Ｐ−エピタキシャル層
４ Ｐトラフ
５ Ｐ＋埋込層
６ 断面
７ Ｐ＋基板
１０ 電気接点
１１ ４分割ホトダイオード
１２ 細長ストリップ
２０ 固有増幅器
２１ 固有増幅器
２２ 固有増幅器
２３ 固有増幅器
２９ 伝達特性増幅器
３０ 主増幅器
Ｄ ダイオード
Ｄ１ 部分ダイオード
Ｄ２ 部分ダイオード
Ｄ３ 部分ダイオード
Ｄ４ 部分ダイオード
ｄ１ 受信器面の直径
ｄ２ 全ダイオードの直径
Ｒｆ フィードバック抵抗
Ｒ１ 抵抗
Ｒ２ 抵抗
Ａ−Ｂ 図５における断線

Claims (15)

  1. 本質的に少なくとも１つの光受信器（１１）と少なくとも１つの伝達特性増幅器とから成るホトエレクトロニクス集積回路（ＯＥＩＣ）のための光ファイバー受信器において、
    （i）光受信器は多数の部分ホトダイオード（Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４）に分割されるか、多数の個々のホトダイオードからなり、
    （ii）各部分ホトダイオードは、固有の伝達特性増幅器（２０、２１、２２、２３）に接続され、伝達特性増幅器の電気出力信号は主増幅器（３０）に電気的に統合される前記光ファイバー受信器。
  2. ホトダイオード、伝達特性増幅器および他の回路部分を備えた主増幅器は、チップに集積されることを特徴とする請求項１に記載のファイバー受信器。
  3. ＣＭＯＳ技術で製造されることを特徴とする請求項１および請求項２に記載のファイバー受信器。
  4. バイポーラ技術で製造されることを特徴とする請求項１および請求項２に記載のファイバー受信器。
  5. ＢＩＣＭＯＳ技術で製造されることを特徴とする請求項１および請求項２に記載のファイバー受信器。
  6. 特に、本質的に１ｍｍ直径（ｄ２）までの光受信器（１１）のサイズを備えた一体構造型回路内の集積部品としての請求項１または請求項２に記載のファイバー受信器。
  7. 伝達特性増幅器はオペレーション増幅器回路として構成される請求項１に記載のファイバー受信器。
  8. 伝達特性増幅器（２１、２２、２３、２０）は電流電圧変換器として接続される請求項１または請求項７に記載のファイバー受信器。
  9. 光受信器（１１）の４つの部分範囲（Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４）は、特に、それぞれ、中間にあり、光または電気の不感中間域（１２）により別々のホトダイオードとして構成される請求項１に記載のファイバー受信器。
  10. 特に、比較的に厚いプラスチックファイバーとしての光導電ファイバーの端部での光受信器（１１）内に高周波数光信号を受ける方法において、ファイバーにより光受信器（１１）に撮像される光点は光受信器（１１）の多数の個々の範囲（Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４）に当たり、光受信器は電気的に相互に分離されるか、片側では本質的に電気的な導電性を相互に持たない前記方法。
  11. 光点は、本質的に１ｍｍ、または、それ以下の直径の寸法であり、比較的に大きい面である請求項１０に記載の方法。
  12. 撮像される光点は、本質的に光受信器（１１）のサイズに適合するか、光受信器のサイズに適合する請求項１０に記載の方法。
  13. 光受信器（１１）の各個々の範囲（Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３）は光点よりも小さく構成されるか、光導電ファイバーの端部の光受信器の主面よりも小さく構成される請求項１０に記載の方法。
  14. 個々の範囲から出る電気信号は、それぞれ独立した増幅器（２１、２２、２３、２０）を介して高帯域幅に導かれ、その後、電気的に集合される（３０）請求項１０に記載の方法。
  15. 光受信器（１１）は、光信号を同じファイバーから本質的に同時に多数の対応する電気信号へ変換し、特に、個々の範囲としての多数の独立したホトダイオードを介して変換する請求項１０に記載の方法。
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