JP2009027215A

JP2009027215A - 光受信装置

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Publication number: JP2009027215A
Application number: JP2007185202A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Maruyama; 和宏丸山; Tadao Ishibashi; 忠夫石橋; Tomoshi Furuta; 知史古田; Yoshifumi Muramoto; 好史村本
Original assignee: NTT Electronics Corp; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: NTT Electronics Corp; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2007-07-17
Filing date: 2007-07-17
Publication date: 2009-02-05

Abstract

【課題】本発明は、装置構成を簡略化でき、小型の光受信装置を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明に係る光受信装置は、信号光を受信するフォトダイオードと、給電光を受光するフォトセルと、キャパシタと、を備える光受信装置であって、前記フォトダイオード及び前記フォトセルは、いずれか一方のアノードと他方のカソードとを接続することで直列に接続されて同一の半導体チップに形成されており、前記キャパシタは、一端が前記フォトダイオードと前記フォトセルとの接続点に接続され、前記フォトダイオードからの電気信号をグランドに結合することを特徴とする。
【選択図】図５

Description

本発明は、信号光を受信するフォトダイオードと、給電光を受光するフォトセルと、を備える光受信装置に関するものである。

２つの局間で光通信を行う場合に、例えば一方の局が特殊環境にあり、通常のラインによる電源を供給できない場合、他方から光による電力を伝送し、これを光電変換することで所望の局側の電源を不要とする技術が知られている（例えば、特許文献１を参照。）。このような光通信装置は、光源よりＤＣ電圧を得るための専用モジュールを備えている。図１及び図２に従来の光受信装置の構成要素の概略図を示す。ここでは、簡略化のため光通信装置の光受信部を示している。図１及び図２の光受信装置は、フォトダイオード１１のモジュール２１とフォトセル１３のモジュール２３を備えている。
特開平０８−１０７３８６号公報

しかし、図１や図２の光受信装置は、モジュール間に電力供給用の接続基板又は配線が必要であり、２本の光ファイバを実装しなければならず装置構成の簡略化及び小型化に課題があった。また、そこで、本発明は、装置構成を簡略化でき、小型の光受信装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る光受信装置は、フォトダイオードとフォトセルを同一の半導体チップ内に集積化したモジュールで構成することとした。

具体的には、本発明に係る光受信装置は、信号光を受信するフォトダイオードと、給電光を受光するフォトセルと、キャパシタと、を備える光受信装置であって、前記フォトダイオード及び前記フォトセルは、いずれか一方のアノードと他方のカソードとを接続することで直列に接続され、同一の半導体チップに形成されており、前記キャパシタは、一端が前記フォトダイオードと前記フォトセルとの接続点に接続され、前記フォトダイオードからの電気信号をグランドに結合することを特徴とする。

この様な構成とすることにより、フォトダイオードとフォトセルとの接続配線を同一の半導体チップ内にて行うことができ外部配線が不要な簡略な構成となる。さらに、半導体チップを使用することで、１本のファイバによる１系統の光学系を使えるので、モジュールを小型化でき、光受信装置の小型化が可能となる。

本発明に係る光受信装置は、信号光及び給電光をそれぞれ伝搬させる２芯光ファイバと、前記２芯光ファイバからの信号光及び給電光を集光する集光レンズと、をさらに備え、前記フォトダイオード及び前記フォトセルは、前記集光レンズにより信号光及び給電光が集光される前記半導体チップ表面のそれぞれの位置に並置されていることを特徴とする。２芯ファイバをコネクタのフェルールに収容させることで、１本のフェルールでフォトダイオード及びフォトセルへの光結合が可能となり実装コストの削減のみならず、大幅に小形化が可能となる。

本発明に係る光受信装置の前記フォトダイオード及び前記フォトセルは、同一の方向から入射する信号光及び給電光の入射方向から順に前記フォトセル、前記フォトダイオードが配置されていることが好ましい。基板上へのフォトセル及びフォトダイオードの積層は、通常の半導体プロセスで連続して製造できるため、製造コストを低減できる。

本発明に係る光受信装置の前記フォトダイオードの吸収端波長は前記フォトセルの吸収端波長より長いことが好ましい。また、本発明に係る光受信装置は、前記フォトダイオードの吸収端波長より短く、前記フォトセルの吸収端波長より長い波長の信号光を出力する信号光源と、前記フォトセルの吸収端波長より短い波長であり、前記フォトセルの飽和電流が前記フォトダイオードの飽和電流より大きくなる光電力の給電光を供給する給電光源と、をさらに備える。給電光の波長をフォトダイオードの吸収端の波長より長くすることで、フォトダイオードは給電光の光電変換を行わない。従って、信号光と給電光とを識別することができ、給電光がフォトダイオードに照射したことによるノイズを低減できる。

本発明によれば、装置構成を簡略化でき、小型の光受信装置を提供することができる。

添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施例であり、本発明は、以下の実施形態に制限されるものではない。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。

（実施の形態１）
本実施形態の光受信装置は、信号光を受信するフォトダイオードと、給電光を受光するフォトセルと、キャパシタと、を備える光受信装置であって、前記フォトダイオード及び前記フォトセルは、いずれか一方のアノードと他方のカソードとを接続することで直列に接続され、同一の半導体チップに形成されており、前記キャパシタは、一端が前記フォトダイオードと前記フォトセルとの接続点に接続され、前記フォトダイオードからの電気信号をグランドに結合することを特徴とする。

本実施形態の光受信装置に用いられる半導体チップ２５の電気回路図を図３に、素子構成を図４に示す。図３及び図４の半導体チップ２５はフォトセル１３、フォトダイオード１１及びキャパシタ１５を搭載する。フォトセル１３のカソードにフォトダイオード１１のアノードを接続し、その接続点とグランドとをキャパシタ１５で接続する。また、フォトセル１３のアノードを接地端子４７に接続し、フォトダイオード１１のカソードを出力端４５としている。フォトダイオード１１は信号光Ｌ２を受信して電気信号を出力する。フォトセル１３は給電光Ｌ１を受光し、フォトダイオード１１に電力を供給する。キャパシタ１５はフォトダイオード１１からの電気信号をグランドにバイパスするコンデンサである。

半導体チップ２５は、フォトセル１３とフォトダイオード１１とを短距離で直列に集積化しており、外部配線が不要である。よって、フォトセル１３及びフォトダイオード１１を搭載する半導体チップ２５を小型化できる。半導体チップ２５を利用すれば、装置構成を簡略化した、小型の光受信装置とすることができる。なお、フォトダイオード１１のカソードにフォトセル１３のアノードを接続し、フォトセル１３のアノードをグランドに接続し、フォトセル１３のカソードを出力端子としても同様の効果が得られる。

本実施形態の光受信装置８０１の概略図を図５に示す。図５には、２芯光ファイバ１７、レセプタクル４１及び集光レンズ１９も含めて記載する。２芯光ファイバ１７は、信号光Ｌ２及び給電光Ｌ１をそれぞれ伝搬させる。集光レンズ１９は、２芯光ファイバ１７からの信号光Ｌ２及び給電光Ｌ１を集光し、それぞれをフォトダイオード１１及びフォトセル１３に光結合する。モジュール４３は、集光レンズ１９、半導体チップ２５及び出力端４５を含む。２芯光ファイバ１７は、図示しないコネクタのフェルールに収容され、レセプタクル４１でモジュール４３と接続される。

図示しない光源は２芯光ファイバ１７を介して給電光Ｌ１及び信号光Ｌ２を供給する。２芯光ファイバ１７からの給電光Ｌ１及び信号光Ｌ２は集光レンズ１９でそれぞれフォトセル１３の受光面及びフォトダイオード１１の受光面に集光される。図３及び図４で説明したようにフォトセル１３は電力をフォトダイオード１１に供給し、フォトダイオード１１は信号光Ｌ２を電気信号に変換して出力端４５から出力する。

光受信装置８０１は、半導体チップ２５を利用するため、装置構成の簡略化及び小型化が可能となる。また、２芯光ファイバ１７を収容したコネクタのフェルールをモジュール４３に取り付けられたレセプタクル４１に接続したという簡単な光学系で給電光Ｌ１及び信号光Ｌ２をフォトセル１３及びフォトダイオード１１に光結合でき実装コストを削減することができる。

フォトダイオード１１の吸収端波長はフォトセル１３の吸収端波長より長くてもよい。信号光Ｌ２の波長λ２をフォトダイオード１１の吸収端波長より短く、フォトセル１３の吸収端波長より長くし、給電光Ｌ１の波長λ１をフォトセル１３の吸収端波長より短くすることで、フォトダイオード１１は給電光Ｌ１の光電変換を行わない。従って、光受信装置８０１は、給電光Ｌ１と信号光Ｌ２とを識別することができ、出力する電気信号から給電光Ｌ１がフォトダイオード１１に照射したことによるノイズを低減できる。

一方、フォトダイオード１１に信号光Ｌ２のみを透過させるフィルタを使用すれば、逆でも良い。すなわち、フォトセル１３の吸収端波長はフォトダイオード１１の吸収端波長より長くてもよい。給電光Ｌ１の波長λ１をフォトセル１３の吸収端波長より短く、フォトダイオード１１の吸収端波長より長くし、信号光Ｌ２の波長λ２をフォトダイオード１１の吸収端波長より短くしてもよい。給電光Ｌ１はフィルタで除去されるため、フォトダイオード１１は給電光Ｌ１の光電変換を行わない。従って、光受信装置８０１は、給電光Ｌ１と信号光Ｌ２とを識別することができ、出力する電気信号から給電光Ｌ１がフォトダイオード１１に照射したことによるノイズを低減できる。

（実施の形態２）
本実施形態の光受信装置の前記フォトダイオード及び前記フォトセルは、同一の方向から入射する信号光及び給電光の入射方向から順に前記フォトセル、前記フォトダイオードが配置されている。

本実施形態の光受信装置８０２が有する半導体チップ５５の断面を図６に示す。半導体チップ５５は基板５００上にフォトセル１３、フォトダイオード１１を順に積層する。基板５００は、例えば、半絶縁性基板であり、ガリウムヒ素やインジウムリン等の化合物半導体で形成されている。

フォトセル１３は、ｐｉｎ接合構造のフォトダイオードであり、基板５００上に公知の半導体製造プロセスを用いてｎ型半導体５２１、真性半導体５２２及びｐ型半導体５２３を順に積層して形成される。ｎ型半導体５２１、真性半導体５２２及びｐ型半導体５２３は給電光Ｌ１の波長λ１を吸収できる半導体で形成される。

フォトダイオード１１は、ｐｉｎ接合構造のフォトダイオードであり、フォトセル１３のｐ型半導体５２３上に公知の半導体製造プロセスを用いてｎ型半導体５１１、真性半導体５１２及びｐ型半導体５１３を順に積層して形成される。ｎ型半導体５１１、真性半導体５１２及びｐ型半導体５１３は信号光Ｌ２の波長λ２を吸収できる半導体で形成される。

配線５３０は、フォトセル１３のｐ型半導体５２３とフォトダイオード１１のｎ型半導体５１１とを接続し、フォトセル１３とフォトダイオード１１とを電気的に直列に接続する。図６に図示していないが、配線５３０とグランドとの間にキャパシタ１５が接続される。キャパシタ１５は半導体チップ５５の外部に接続してもよいし、半導体チップ５５の基板５００上に形成してもよい。

このような構造の半導体チップ５５を使用し、以下に説明するように給電光Ｌ１と信号光Ｌ２との波長を相違させることで、給電光Ｌ１と信号光Ｌ２とが混合していてもフォトセル１３及びフォトダイオード１１はそれぞれ給電光Ｌ１及び信号光Ｌ２を受光することができる。

［給電光Ｌ１と信号光Ｌ２との波長が相違する場合１］
具体的には、フォトダイオード１１の吸収端波長をフォトセル１３の吸収端波長より長くする。

基板５００側に短波長側に吸収端があるフォトセル１３、その上に長波長側に吸収端を持つフォトダイオード１１を配置し、基板５００側から光を入射する。なお、この場合、基板５００には給電光Ｌ１及び信号光Ｌ２を透過させる素材を使用する。例えば、基板５００は透明電極を表面にもつガラス板である。フォトセル１３の吸収端波長をλｐｃ、フォトダイオード１１の吸収端波長をλｐｄとした時にλｐｄ＞λ２＞λｐｃ＞λ１となるように給電光Ｌ１及び信号光Ｌ２の波長λ１及びλ２を設定する。このようにすると給電光Ｌ１はフォトセル１３の吸収層となる真性半導体５２２で吸収され光起電力を発生する。信号光Ｌ２はフォトセル１３の吸収層となる真性半導体５２２を通過しフォトダイオード１１の吸収層となる真性半導体５１２で吸収される。

また、この場合、光受信装置８０２は、フォトダイオード１１の吸収端波長より短く、フォトセル１３の吸収端波長より長い波長の信号光Ｌ２を出力する信号光源と、フォトセル１３の吸収端波長より短い波長であり、フォトセル１３の飽和電流がフォトダイオード１１の飽和電流より大きくなる光電力の給電光Ｌ１を供給する給電光源と、をさらに備えておくとよい。

［給電光Ｌ１と信号光Ｌ２との波長が相違する場合２］
具体的には、フォトセル１３の吸収端波長をフォトダイオード１１の吸収端波長より長くする。

基板５００側に長波長側に吸収端があるフォトセル１３、その上に短波長側に吸収端を持つフォトダイオード１１を配置し、フォトダイオード１１側から光を入射する。λｐｃ＞λ１＞λｐｄ＞λ２となるように給電光Ｌ１及び信号光Ｌ２の波長λ１及びλ２を設定する。このようにすると信号光Ｌ２はフォトダイオード１１の吸収層となる真性半導体５１２で吸収され光起電力を発生する。給電光Ｌ１はフォトダイオード１１の吸収層となる真性半導体５１２を通過しフォトセル１３の吸収層となる真性半導体５２２で吸収される。

また、この場合、光受信装置８０２は、フォトセル１３の吸収端波長より短く、フォトダイオード１１の吸収端波長より長い波長であり、フォトセル１３の飽和電流がフォトダイオード１１の飽和電流より大きくなる光電力の給電光Ｌ１を出力する給電光源と、フォトダイオード１１の吸収端波長より短い波長の信号光Ｌ２を供給する信号光源と、をさらに備えておくとよい。

次に、本実施形態の光受信装置８０２の概略図を図７に示す。図７には、光源６１も含めて記載する。また、図７は、前述の給電光Ｌ１と信号光Ｌ２との波長が相違する場合１における光受信装置８０２を示している。

光源６１は、フォトダイオード１１の吸収端波長λｐｄより短く、フォトセル１３の吸収端波長λｐｃより長い波長λ２の信号光Ｌ２を出力する信号光源６０２と、フォトセル１３の吸収端波長λｐｃより短い波長λ１であり、フォトセル１３の飽和電流がフォトダイオード１１の飽和電流より大きくなる光電力の給電光Ｌ１を供給する給電光源６０１と、を有する。モジュール６３は、集光レンズ１９、半導体チップ５５、キャパシタ１５及び出力端４５を含む。

光受信装置８０２は図６で説明した半導体チップ５５を有するので２芯光ファイバが不要である。光受信装置８０２は、単芯光ファイバ６７を備える。光源６１で混合された給電光Ｌ１及び信号光Ｌ２は、単芯光ファイバ６７を伝搬する。給電光Ｌ１及び信号光Ｌ２はレセプタクル４１を通り、集光レンズ１９で半導体チップ５５に集光される。給電光Ｌ１は、基板５００を透過してフォトセル１３で吸収される。信号光Ｌ２は、基板５００及びフォトセル１３を透過してフォトダイオード１１で吸収される。フォトセル１３は電力をフォトダイオードに１１に供給し、フォトダイオード１１は信号光Ｌ２を電気信号に変換して出力端４５から出力する。

また、光源６１がフォトセル１３の飽和電流がフォトダイオード１１の飽和電流よりも高くなるように給電光Ｌ１及び信号光Ｌ２の光強度を給電光源６０１及び信号光源６０２に設定することで、光受信装置８０２は信号光Ｌ２を電気信号に変換して出力できる。

光受信装置８０２は、フォトセル１３及びフォトダイオード１１を同一の半導体チップ５５内に集積化することにより外部接続配線が不要となり、装置の小型化が実現できる。また、単芯光ファイバ６７で給電光Ｌ１と信号光Ｌ２を伝搬させることができるため、集光レンズ１９及び半導体チップ５５との位置合わせが容易になる。

以上、図７において、前述の給電光Ｌ１と信号光Ｌ２との波長が相違する場合１についての光受信装置８０２を説明したが、給電光Ｌ１と信号光Ｌ２との波長が相違する場合２についての光受信装置８０２も同様の効果を得ることができる。

本発明は、通常のラインによる電源を供給できない場合の小型で安価な光受信装置として、また、光計測装置に接続される無給電動作の受光センサとしても使用できる。

従来の光受信装置の構成要素の概略図である。従来の光受信装置の構成要素の概略図である。本発明に係る光受信装置に用いられる半導体チップの電気回路を示した図である。本発明に係る光受信装置に用いられる半導体チップの素子構成を示した図である。本発明に係る光受信装置を示した概略図である。本発明に係る光受信装置に用いられる半導体チップの断面図である。本発明に係る光受信装置を示した概略図である。

符号の説明

８０１、８０２：光受信装置
１１：フォトダイオード
１３：フォトセル
１５：キャパシタ
１７：２芯光ファイバ
１９：集光レンズ
２１、２３：モジュール
２４：光ファイバ
２５、５５：半導体チップ
４１：レセプタクル
４３、６３：モジュール
４５：出力端
４７：接地端子
６１：光源
６７：単芯光ファイバ
５００：基板
５１１、５２１：ｎ型半導体
５１２、５２２：真性半導体
５１３、５２３：ｐ型半導体
５３０：配線
６０１：給電光源
６０２：信号光源
Ｌ１：給電光
Ｌ２：信号光

Claims

信号光を受信するフォトダイオードと、給電光を受光するフォトセルと、キャパシタと、を備える光受信装置であって、
前記フォトダイオード及び前記フォトセルは、いずれか一方のアノードと他方のカソードとを接続することで直列に接続され、同一の半導体チップに形成されており、
前記キャパシタは、一端が前記フォトダイオードと前記フォトセルとの接続点に接続され、前記フォトダイオードからの電気信号をグランドに結合することを特徴とする光受信装置。
信号光及び給電光をそれぞれ伝搬させる２芯光ファイバと、
前記２芯光ファイバからの信号光及び給電光を集光する集光レンズと、
をさらに備え、
前記フォトダイオード及び前記フォトセルは、前記集光レンズにより信号光及び給電光が集光される前記半導体チップ表面のそれぞれの位置に並置されていることを特徴とする請求項１に記載の光受信装置。
前記フォトダイオード及び前記フォトセルは、同一の方向から入射する信号光及び給電光の入射方向から順に前記フォトセル、前記フォトダイオードが配置されていることを特徴とする請求項１に記載の光受信装置。
前記フォトダイオードの吸収端波長は前記フォトセルの吸収端波長より長いことを特徴とする請求項１から３に記載のいずれかの光受信装置。
前記フォトダイオードの吸収端波長より短く、前記フォトセルの吸収端波長より長い波長の信号光を出力する信号光源と、
前記フォトセルの吸収端波長より短い波長であり、前記フォトセルの飽和電流が前記フォトダイオードの飽和電流より大きくなる光電力の給電光を供給する給電光源と、
をさらに備えることを特徴とする請求項４に記載の光受信装置。