JP2011252716A - 光強度測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＡＰＤを用いる光強度測定方法において、ＡＰＤの暗電流の影響が大きい極めて小さな入力光強度を精度よく測定する。
【解決手段】この光強度測定方法は、ＡＰＤ１１が受けた入力光の強度を測定する方法であって、複数の周囲温度下でのＡＰＤ１１の暗電流量を測定する第１ステップと、入力光をＡＰＤ１１に入射させ、ＡＰＤ１１の出力電流量を測定する第２ステップと、第２ステップのときの周囲温度に対応する暗電流量を出力電流量から減算した値を求めることにより、入力光の強度を得る第３ステップとを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、光強度測定方法に関する。

特許文献１には、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）の光電流をモニタするための回路として２段の電流ミラー回路を用いたものが記載されている。この回路は、２段の電流ミラー回路を用いることにより、ＡＰＤの光電流に影響を与えることなく、ＡＰＤの光電流の大きさを検出する。

特許文献２には、ＡＰＤを備える光強度モニタ回路が開示されている。この回路では、入力光強度に依存して増倍率が変動するＡＰＤの増倍率特性を予め測定しておくことにより、入力光強度とモニタ値との関係が線形となる。

特許文献３に記載された回路は、ＡＰＤの光電流の大きさに応じて、モニタ値を生成するための回路を適切に選択することにより、入力光強度のモニタ範囲（ダイナミックレンジ）を広げる。

特開平１１−２８４４４５号公報 特開２００４−２８９２０６号公報 特開２００６−３５２３６０号公報

光通信ネットワークにおけるＡＰＤを用いた光受信装置には、規格で決められている最低の光入力強度付近の極めて小さな入力光強度を精度良く検出することが望まれる。しかし、入力光強度が極めて小さい場合、ＡＰＤの出力電流に占める暗電流の割合が大きくなる。ＡＰＤの暗電流の大きさはＡＰＤの温度に依存するので、ＡＰＤの温度が変化すると入力光強度に対するモニタ値が変動し、モニタ誤差に繋がる。

特許文献１〜３に記載された方式により高精度のモニタ結果を得るためには、ＡＰＤから出力される電流と、入力光により生じる光電流とが常に比例していることが前提となる。しかし、上述したように、入力光強度が極めて小さい場合にはＡＰＤからの出力電流に含まれる暗電流の割合が比較的大きく、暗電流は温度によって変動する。したがって、特許文献１〜３に記載された方式では光電流を精度良く検出することが困難である。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、ＡＰＤを用いる光強度測定において、ＡＰＤの暗電流の影響が大きい極めて小さな入力光強度を精度よく測定することができる光強度測定方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために、本発明による光強度測定方法は、ＡＰＤが受けた入力光の強度を測定する方法であって、複数の周囲温度下でのＡＰＤの暗電流量を測定する第１ステップと、入力光をＡＰＤに入射させ、ＡＰＤの出力電流量を測定する第２ステップと、第２ステップのときの周囲温度に対応する暗電流量を出力電流量から減算した値を求めることにより、入力光の強度を得る第３ステップとを含むことを特徴とする。

この光強度測定方法では、まず第１ステップにおいて、複数の周囲温度下でのＡＰＤの暗電流を測定することにより、温度によって変動する暗電流の大きさを各温度毎に特定する。そして、第２ステップにおいてこのＡＰＤを用いて入力光強度を測定したのち、第３ステップにおいて測定時の温度に対応する暗電流量をＡＰＤの出力電流量から減算する。この方法により、極めて小さな入力光強度を精度よく測定することができる。

また、光強度測定方法は、第１ステップにおいて、２点の周囲温度下での暗電流量を測定し、第３ステップにおいて、暗電流量の自然対数と周囲温度との比例関数であって２点の周囲温度下での暗電流量から求められる比例関数に基づいて算出された第２ステップのときの周囲温度に対応する暗電流量を出力電流量から減算した値を求めることを特徴としてもよい。ＡＰＤの暗電流量の自然対数とＡＰＤの温度とは互いに比例する。したがって、第１ステップにおいて２点の周囲温度下での暗電流量を測定することによって比例定数等が好適に得られるので、該２点以外の他の温度における暗電流量を比例関数に基づいて精度良く推定することができる。すなわち、この光強度測定方法によれば、僅かに２点の周囲温度における暗電流量を測定するだけで、温度により変動する暗電流量を好適に推定し、極めて小さな入力光強度を精度良く測定することが可能となる。

また、光強度測定方法は、第１ステップにおいて、暗電流量を測定したのち該暗電流量を記憶手段に保持し、第３ステップにおいて、記憶手段に保持された暗電流量に基づいて比例関数を求めることを特徴としてもよい。これにより、以降の測定では第１ステップを省略できるので、入力光強度を効率良く測定することができる。

また、光強度測定方法は、第１ステップにおいて、暗電流量を測定したのち該暗電流量に基づいて比例関数を求め、複数の周囲温度に対応する暗電流量を該比例関数により算出するとともに算出した暗電流量を記憶手段に保持し、第３ステップにおいて、記憶手段に保持された暗電流量のうち、第２ステップのときの周囲温度に最も近い周囲温度に対応する暗電流量を出力電流量から減算することを特徴としてもよい。これにより、測定毎に比例関数を算出する必要がなくなるので、演算量を低減できる。

本発明の光強度測定方法によれば、ＡＰＤを用いる光強度測定において、ＡＰＤの暗電流の影響が大きい極めて小さな入力光強度を精度よく測定することができる。

本発明の一実施形態に係る光強度測定方法を好適に実施できる光測定回路の一例を示す図である。 ＡＰＤの温度特性の一例を説明するためのグラフであり、縦軸はキャリア増倍係数を示し、横軸はバイアス電圧を示している。 入力光強度とモニタ値との関係を示すグラフである。 ゲルマニウム系のＡＰＤの暗電流特性を示すグラフである。 モニタ値から暗電流に相当する値を差し引いて得られる補正モニタ値と、入力光強度との関係を表すグラフである。 入力光強度と補正モニタ値との差（検出誤差）と、入力光強度との関係を示すグラフである。 光強度測定方法の第１の方法を示すフローチャートである。 一実施例としての周囲温度とモニタ値の値（実測値）との関係をプロットしたグラフである。 近似式によって各温度における暗電流を推定し、その推定された暗電流に相当する値をモニタ値から減算補正して得られる二次補正モニタ値と、入力光強度との関係を示すグラフである。 入力光強度と二次補正モニタ値との差（検出誤差）と、入力光強度との関係を示すグラフである。 光強度測定方法の第２の方法を示すフローチャートである。

以下、添付図面を参照しながら本発明による光強度測定方法の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本発明の一実施形態に係る光強度測定方法を好適に実施できる光測定回路の一例を示す図である。図１に示される光測定回路１０は、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）１１と、電流ミラー回路１２と、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３と、マイクロプロセッシングユニット（ＭＰＵ）１４とを備える。

ＡＰＤ１１は、入力光を受けて、その強度に応じた光電流を生成する。ＡＰＤ１１は、光電流を含む電流Ｉ_APDを出力する。ＡＰＤ１１のアノードは接地されており、カソードには正のバイアス電圧Ｖ_APDが印加される。ＡＰＤ１１は、例えばゲルマニウム系のＡＰＤである。

電流ミラー回路１２は、ＡＰＤ１１に接続され、ＡＰＤ１１に流れる電流Ｉ_APDに比例する大きさのモニタ電流Ｉ_Mを生成する。一実施例では、電流ミラー回路１２は、ベース同士が短絡された一対のｐｎｐトランジスタ１２１及び１２２、トランジスタ１２１と直列に接続された抵抗１２３、並びにトランジスタ１２２と直列に接続された抵抗１２４を含む。トランジスタ１２１及び１２２の一方の電流端子（例えばエミッタ）は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３の出力端子に接続される。トランジスタ１２１の他方の電流端子（例えばコレクタ）は、抵抗１５ａを介してＡＰＤ１１のカソードに接続される。トランジスタ１２２の他方の電流端子（例えばコレクタ）は、抵抗１５ｂを介して電流検出用抵抗１７の一端に接続される。電流検出用抵抗１７の他端は接地される。

ＭＰＵ１４は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３の出力電圧を制御するとともに、モニタ電流Ｉ_Mの大きさを測定する。ＭＰＵ１４は、温度モニタ部１４ａ、Ｄ／Ａコンバータ１４ｂ、及びＡ／Ｄコンバータ１４ｃを有する。

温度モニタ部１４ａは、ＭＰＵ１４及びその周囲の温度を示す電気信号を生成する。なお、本実施形態ではＭＰＵ１４に内蔵されている温度モニタ部１４ａを使用するが、ＭＰＵ１４とは別に設けられた温度検出素子によって周囲温度をモニタしてもよい。

Ｄ／Ａコンバータ１４ｂは、ＭＰＵ１４が生成したディジタルのバイアス電圧指令値を、アナログの電圧Ｖ_A1に変換する。Ｄ／Ａコンバータ１４ｂから出力された電圧Ｖ_A1は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３の制御端子へ送られる。ＤＣ−ＤＣコンバータ１３は、Ｄ／Ａコンバータ１４ｂからの出力電圧Ｖ_A1に応じた電圧Ｖ_A2を生成し、電流ミラー回路１２へ出力する。なお、ＭＰＵ１４は、温度モニタ部１４ａによって検出される周囲温度が高いほど電圧Ｖ_A1が大きくなるように、バイアス電圧指令値を生成する。

Ａ／Ｄコンバータ１４ｃは、ローパスフィルタ回路１８を介して電流検出用抵抗１７の一端に接続されている。ローパスフィルタ回路１８は、Ａ／Ｄコンバータ１４ｃの入力端子と電流検出用抵抗１７との間に接続された抵抗１８ａ、及びＡ／Ｄコンバータ１４ｃの入力端子と接地配線との間に接続されたコンデンサ１８ｂとを含む。このローパスフィルタ回路１８は、電流検出用抵抗１７の一端に生じる電位を平滑化する。Ａ／Ｄコンバータ１４ｃは、電流検出用抵抗１７にモニタ電流Ｉ_Mが流れることにより発生する電圧降下に相当する電圧を平滑化後に入力し、この電圧をディジタル値（モニタ値Ｄ_M）に変換する。

ＭＰＵ１４は、ＡＰＤ１１の暗電流量と温度との関係を示すデータテーブルまたは数式をメモリ等の記憶手段に予め記憶する。このデータテーブルまたは数式は、例えば、ＡＰＤ１１の出力電流Ｉ_APDから暗電流の影響を除去して得られる光電流の大きさと、モニタ値Ｄ_M及び温度との関係を示すものであってもよい。ＭＰＵ１４は、Ａ／Ｄコンバータ１４ｃにより得られたモニタ値Ｄ_Mと、温度モニタ部１４ａにより検出された温度とに基づき、光電流の大きさを算出する。

ここで、光測定回路１０の動作について更に詳しく説明する。ＡＰＤ１１による出力電流Ｉ_APDの増幅率は、アノード−カソード間に印加される電圧（バイアス電圧）Ｖ_APDが高くなるほど大きくなる。ＡＰＤ１１の出力電流Ｉ_APDは、ＡＰＤ１１のキャリア増倍係数Ｍを含む次の数式（１）によって表される。
Ｉ_APD＝０．８０５×η×λ×Ｐ_IN×Ｍ ・・・（１）
但し、
Ｉ_APD：ＡＰＤ１１の出力電流の大きさ
η：ＡＰＤ１１の量子効率（フォトン１個から何個のキャリアが生成されるかを示す）
λ：入力光の波長（μｍ）
Ｐ_IN：入力光強度
Ｍ：ＡＰＤのキャリア増倍係数（１個のキャリアから何個のキャリアが生成されるかを示す）

数式（１）において、ＡＰＤ１１の量子効率η及び入力光の波長λは、ＡＰＤ１１の受光層を構成する半導体材料及び光通信ネットワークの構成から一義的に定まる。従って、ＡＰＤ１１の出力電流Ｉ_APDは、入力光強度Ｐ_IN及びキャリア増倍係数Ｍに比例することになる。ここで、ＡＰＤ１１のバイアス電圧Ｖ_APDとキャリア増倍係数Ｍとの関係は、次の数式（２）によって表される。
Ｍ＝１／｛１−（Ｖ_APD／Ｖ_B）^ｎ｝，Ｖ_B＝Ｖ_BO×（１＋β×ΔＴ） ・・・（２）
但し、
Ｖ_APD：ＡＰＤ１１のバイアス電圧
Ｖ_B：ＡＰＤ１１の降伏電圧
ｎ：ＡＰＤ１１によって定まる物理量
β：降伏電圧の温度係数（０．１〜０．３％／℃）
Ｖ_BO：降伏電圧の基準値
ΔＴ：温度変化
この数式（２）より、キャリア増倍係数Ｍは降伏電圧Ｖ_Bの関数であり、降伏電圧Ｖ_Bは温度の関数であることがわかる。

図２は、ＡＰＤ１１の温度特性の一例を説明するためのグラフであり、縦軸はキャリア増倍係数Ｍを示し、横軸はバイアス電圧Ｖ_APDを示している。また、グラフＧ１１はＡＰＤ１１の温度がＴ_１の場合、グラフＧ１２はＡＰＤ１１の温度がＴ_２（Ｔ_２＜Ｔ_１）の場合、グラフＧ１３はＡＰＤ１１の温度がＴ_３（Ｔ_３＜Ｔ_２）の場合、グラフＧ１４はＡＰＤ１１の温度がＴ_４（Ｔ_４＜Ｔ_３）の場合をそれぞれ示している。図２に示されるように、バイアス電圧Ｖ_APDが降伏電圧Ｖ_Bを超える領域では、ＡＰＤ１１のキャリア増倍係数Ｍはバイアス電圧Ｖ_APDにほぼ比例するが、その傾きは温度が高くなるほど大きくなる。

この図２に示すＡＰＤ１１の増幅特性において、キャリア増倍係数Ｍを温度によらず一定の値とすることができれば、ＡＰＤ１１の出力電流Ｉ_APDに対する温度変化の影響を抑えることができる（図中の直線Ｌ１）。すなわち、数式（２）より、キャリア増倍係数Ｍを一定にするためには、ＡＰＤ１１のバイアス電圧Ｖ_APDと降伏電圧Ｖ_Bとの比（Ｖ_APD／Ｖ_B）を温度によらず一定とすればよく、そのためには、バイアス電圧Ｖ_APDを降伏電圧Ｖ_Bの温度変化に従って変化させるとよい。図１に示した光測定回路１０では、ＡＰＤ１１に印加される電圧Ｖ_A2は、ＭＰＵ１４が有するＤ／Ａコンバータ１４ｂから出力される任意の電圧Ｖ_A1からＤＣ−ＤＣコンバータ１３を経由して生成される。ＭＰＵ１４は、温度モニタ部１４ａの検出結果に基づいて設定した電圧Ｖ_A1をＤ／Ａコンバータ１４ｂから出力することにより、温度変化にかかわらずキャリア増倍係数Ｍを一定にするようなバイアス電圧Ｖ_APDをＡＰＤ１１に印加する。

この状態でＡＰＤ１１に入力光が入射すると、ＡＰＤ１１から電流Ｉ_APDが出力される。そして、電流ミラー回路１２の作用によって、電流Ｉ_APDに比例する大きさのモニタ電流Ｉ_Mが生成される。このモニタ電流Ｉ_Mが電流検出用抵抗１７を通過する際の降下電圧がＭＰＵ１４のＡ／Ｄコンバータ１４ｃによってディジタル信号（モニタ値Ｄ_M）に変換され、ＭＰＵ１４に読み取られる。以上の動作によって、入力光強度に応じたモニタ値Ｄ_Mが得られる。

図３は、入力光強度Ｐ_INとモニタ値Ｄ_Mとの関係を示すグラフである。図３において、横軸は入力光強度Ｐ_INを示し、縦軸はモニタ値Ｄ_Mのディジタル値（Ｄｉｇｉｔ）を示している。図３には、ＡＰＤ１１の温度が−４０℃、−１５℃、５℃、２５℃、５０℃、６０℃、７０℃、及び８０℃である場合の関係が示されている。なお、このグラフを作成するために使用したＡ／Ｄコンバータ１４ｃの分解能は、１６ビット（６５５３６フルビット）である。また、入力光強度Ｐ_INが強い領域（＞−２０ｄＢｍ）においてモニタ値Ｄ_Mが飽和するのは、ＡＰＤ１１以外の回路（電流ミラー回路１２等）が飽和動作領域に入っているからである。

図３において、入力光強度Ｐ_INが−３６ｄＢｍより大きい領域では、入力光強度Ｐ_INに比例した本来のモニタ信号と実際のモニタ値Ｄ_Mとの差、すなわち検出誤差が２ｄＢ以内に収まっている。しかし、入力光強度Ｐ_INが−４０ｄＢｍ以下の領域では、検出誤差が２ｄＢ以上となり、更に入力光強度Ｐ_INが小さくなるほど検出誤差が大きくなっている。このように、入力光強度Ｐ_INが小さい場合に検出誤差が大きくなる原因は、ＡＰＤ１１の暗電流にある。すなわち、入力光強度Ｐ_INが小さくなると、入力光により発生する光電流の大きさに対して、入力光とは関係なく発生する暗電流の大きさが無視できない程度に増大する。従って、入力光強度Ｐ_INが小さいにもかかわらず、モニタ値Ｄ_Mに有意な値が残ってしまう。そして、ＡＰＤ１１の暗電流がＡＰＤ１１の温度変化に応じて変動することから、この暗電流に相当する値はＡＰＤ１１の温度に大きく依存する。例えば、ＡＰＤ１１の温度が高くなると、暗電流に相当する値がモニタ値Ｄ_Mに占める割合は大きくなる。

このように、ＡＰＤ１１の温度が高くなると暗電流が増大し、モニタ値Ｄ_Mの真値からのずれは温度が高くなるほど大きくなる。なお、ここでいうモニタ値Ｄ_Mの真値とは、中程度（〜−３０ｄＢｍ程度）の光入力強度領域における、入力光強度Ｐ_INとモニタ値Ｄ_Mとの比例関係を示す直線の延長線上の値をいう。

図４は、ゲルマニウム系のＡＰＤの暗電流特性を示すグラフである。図４において、縦軸は暗電流の大きさを示し、横軸はバイアス電圧を示している。また、グラフＧ３１〜Ｇ３４は、それぞれＡＰＤの温度が０℃、２５℃、５０℃、及び７５℃であるときの特性を示している。このグラフより、例えばゲルマニウム系のＡＰＤでは温度が２５℃上昇する毎に暗電流の値は一桁大きくなる。ＡＰＤ１１の暗電流Ｉ_Dは一般に次の数式（３）によって表すことができる。
Ｉ_D＝Ａ×ｅｘｐ（Ｂ×Ｔ）＋Ｃ ・・・（３）
但し、
Ａ，Ｂ，Ｃ：定数
Ｔ：ＡＰＤの温度

ＡＰＤ１１の出力電流Ｉ_APDは、光電流Ｉ_OPと暗電流Ｉ_Dとの和として与えられるので、次の数式（４）によって表すことができる。
Ｉ_APD＝Ｉ_OP＋Ｉ_D＝Ｉ_OP＋Ａ×ｅｘｐ（Ｂ×Ｔ）＋Ｃ ・・・（４）
この数式（４）の定数Ａ、Ｂ、及びＣを知ることができれば、出力電流Ｉ_APDを取得した時点における温度を測定して出力電流Ｉ_APDから暗電流Ｉ_Dを差し引くことによって、暗電流Ｉ_Dによる電流ノイズを除去し、正確な光電流Ｉ_OPの大きさを検出することが可能になる。

図５は、モニタ値Ｄ_Mから暗電流Ｉ_Dに相当する値を差し引いて得られる補正モニタ値と、入力光強度との関係を表すグラフである。また、図６は、入力光強度と補正モニタ値との差（検出誤差）と、入力光強度との関係を示すグラフである。図５及び６には、ＡＰＤの温度が−４０℃、−１５℃、５℃、２５℃、５０℃、６０℃、７０℃、及び８０℃である場合の関係が示されている。

図５に示されるように、モニタ値Ｄ_Mの値から暗電流Ｉ_Dに相当する値を差し引くことによって、図３と比較してモニタ値をより真値に近づけることができる。また、図６に示されるように、２ｄＢ以内の検出誤差でモニタ可能な入力光強度の範囲を、−４６ｄＢｍといった極めて小さな強度まで小さくできる。なお、入力光強度が−４６ｄＢｍ以下の領域では、Ａ／Ｄコンバータ１４ｃによる量子化誤差の影響によって検出誤差が増加しているが、これは、図５に示されるようにこの領域でのモニタ値Ｄ_Mが１０Ｄｉｇｉｔ以下であり、量子化誤差±１ビットの影響が顕著となるからである。量子化誤差の少ないモニタ方式（例えばレンジ切替を行うことでＡ／Ｄコンバータ１４ｃの分解能を増加させる等）を使用することで、入力光強度が極めて小さい領域でも精度良くモニタすることが可能となる。

例えば、光測定回路１０において入力光強度Ｐ_INを−４６ｄＢｍとしてＡＰＤのキャリア増倍係数Ｍが７となるようにバイアス電圧Ｖ_APDを調整すると、１７６ｎＡの電流Ｉ_APD（光電流と暗電流の和）が生成される。そして、電流ミラー回路１２における電流Ｉ_APDとモニタ電流Ｉ_Mとの比をＩ_APD：Ｉ_M＝３：１とすると、モニタ電流Ｉ_Mは５８．６ｎＡとなる。電流検出用抵抗１７が５６ｋΩである場合、モニタ電圧Ｖ_Mは３．２８ｍＶ（５８．６ｎＡ×５６ｋΩ＝３．２８ｍＶ）と計算される。

ここで、入力電圧範囲０Ｖ〜２．５Ｖを１４ビットの分解能で線形に変換するＡ／Ｄコンバータを使用してアナログ／デジタル変換を行うと、１ビット当たりの電圧は２．５／２¹⁴＝０．１５ｍＶとなる。従って、入力光強度が−４６ｄＢｍである場合のモニタ電圧Ｖ_Mの値３．２８ｍＶは、３．２８／０．１５＝２１．８Ｄｉｇｉｔとなり、量子化誤差は２０×ｌｏｇ₁₀（２１．８）＝２６．７ｄＢとなる。このように、入力電圧範囲０Ｖ〜２．５Ｖを十分な精度で検出することが可能である。

一方、ＡＰＤ１１として一般的なＩｎＧａＡｓ系のＡＰＤを使用する場合、ＡＰＤ１１の温度が９０℃、キャリア増倍係数Ｍが７であるときの暗電流は約１００ｎＡである。従って、入力光強度が−４６ｄＢｍである場合の出力電流Ｉ_APD＝１７６ｎＡに対し、この暗電流は大きな割合を占める。本実施形態の光測定回路１０では、ＭＰＵ１４といった演算手段が、モニタ電流Ｉ_Mに応じたモニタ値Ｄ_Mに対して暗電流に相当する値を減算することにより、暗電流の影響を除去した光電流の大きさを算出する。

なお、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３は、ＡＰＤ１１のキャリア増倍係数Ｍが温度によらず一定となるように、温度特性があらかじめ補償されていることが好ましい。

以上の光測定回路１０を用いた本実施形態の光強度測定方法は、次のとおりである。

（第１の方法）
図７は、本実施形態に係る光強度測定方法の第１の方法を示すフローチャートである。図７に示されるように、第１の方法は、第１ステップＳ１１、第２ステップＳ１２、及び第３ステップＳ１３を含む。第１ステップＳ１１では、複数の周囲温度下でのＡＰＤ１１の暗電流の大きさを測定する。このとき、ＡＰＤ１１には全く光を入射させない状態でバイアス電圧を印加して暗電流のみを発生させ、この暗電流の大きさに比例するモニタ電流Ｉ_Mの大きさを、電流検出用抵抗１７及びＡＤＣ１４ｃを介して取得するとよい。また、測定した暗電流の大きさに関するデータを、例えばＭＰＵ１４が有するメモリ等の記憶手段に記憶する。

第２ステップＳ１２では、被測定光である入力光をＡＰＤ１１に入射させ、ＡＰＤ１１の出力電流Ｉ_APDの大きさを測定する。具体的には、まず、入力光をＡＰＤ１１に入射させることにより、ＡＰＤ１１から電流Ｉ_APDを出力させる。そして、電流ミラー回路１２によってこの電流Ｉ_APDに比例した大きさのモニタ電流Ｉ_Mを生成させる。このモニタ電流Ｉ_Mの大きさを示す電圧を電流検出用抵抗１７によって生じさせ、この電圧をＡ／Ｄコンバータ１４ｃを介してＭＰＵ１４に入力することにより、モニタ値Ｄ_Mを得る。また、このとき、温度モニタ部１４ａによって周囲温度を測定し、測定した周囲温度に関するデータを記憶手段に記憶する。

第３ステップＳ１３では、第２ステップＳ１２のときの周囲温度に対応する暗電流の大きさを出力電流Ｉ_APDの大きさから減算した値を求めることにより、入力光の強度を得る。具体的には、記憶手段に記憶された周囲温度に対応する暗電流量を記憶手段から読み出す。そして、第２ステップＳ１２により得られた出力電流Ｉ_APDの大きさに関するモニタ値Ｄ_Mから暗電流相当値を減算することにより、入力光強度に相当する光電流の大きさを算出する。

（第２の方法）
ＡＰＤ１１の暗電流Ｉ_Dは、前述した数式（３）によって表される。ＡＰＤ１１のキャリア増倍係数Ｍを７とした場合、温度に依存しないショット雑音に係る定数Ｃを無視できる。その場合、暗電流Ｉ_Dは次の数式（５）によって表される。
Ｉ_D＝Ａ×ｅｘｐ（Ｂ×Ｔ） ・・・（５）
（Ａ、Ｂ：定数、Ｔ：温度）
さらに、この数式（５）の両辺を自然対数に変換すると、次の数式（６）となる。
ｌｏｇ_e（Ｉ_D）＝Ｂ×Ｔ＋ｌｏｇ_e（Ａ） ・・・（６）

数式（６）において定数はＡ及びＢのみであることから、数式（６）は温度Ｔについての一次式である。従って、例えば或る温度Ｔ１及びＴ２（Ｔ１≠Ｔ２）のそれぞれにおいて、暗電流Ｉ_D及び測定時の温度を取得することにより、定数Ａ及びＢを算出することができるので、温度Ｔから暗電流Ｉ_Dを算出できる。図８は、一実施例としての周囲温度Ｔとモニタ値Ｄ_Mの値（実測値）との関係をプロットしたグラフである。図８において縦軸は対数軸となっている。また、図中の直線Ｌ２は、上の数式（６）において、Ｔ１＝３０°Ｃ、Ｔ２＝８０°Ｃとして定数Ａ，Ｂを求めたときの暗電流Ｉ_Dの理論値を示す。図８に示されるように、周囲温度Ｔとモニタ値Ｄ_Mとの関係（すなわち周囲温度Ｔと暗電流Ｉ_Dとの関係）は、温度Ｔ１及びＴ２といった２つの温度に基づく定数Ａ，Ｂによって十分に近似できていることがわかる。

図９は、上述した近似式によって各温度における暗電流Ｉ_Dを推定し、その推定された暗電流Ｉ_Dに相当する値をモニタ値Ｄ_Mから減算補正して得られる二次補正モニタ値と、入力光強度Ｐ_INとの関係を示すグラフである。また、図１０は、入力光強度と二次補正モニタ値との差（検出誤差）と、入力光強度との関係を示すグラフである。図９及び図１０には、ＡＰＤ１１の温度が−４０℃、−１５℃、５℃、２５℃、５０℃、６０℃、及び７０℃である場合の関係が示されている。

図９及び図１０に示されるように、二次補正モニタ値と入力光強度Ｐ_INとの相関は、入力光強度Ｐ_INが−４６ｄＢｍといった極めて小さい値である場合であっても、周囲温度Ｔによらず一定の曲線となる。なお、図９及び図１０において、入力光強度Ｐ_INが−４６ｄＢｍ以下である領域で補正後のモニタ値Ｄ_Mのバラツキが僅かに生じているのは、Ａ／Ｄコンバータ１４ｃから出力される数値が１０を下回り、量子化誤差の影響が現れるからである。

以上に述べたように、図９は、予め２点の温度Ｔ１，Ｔ２において暗電流Ｉ_Dを測定し、その結果に基づいて数式（６）から他の温度における暗電流Ｉ_Dを推定し、各温度での実際のモニタ値Ｄ_Mから暗電流Ｉ_D相当分を減算して得られた結果である。一方、図５は、各温度における暗電流Ｉ_Dをそれぞれ測定し、各温度における暗電流Ｉ_D相当分をモニタ値Ｄ_Mから減算して得られた結果である。図５と図８とは、互いに良い一致を示す。このことから、２点の温度Ｔ１，Ｔ２から算出した数式（６）による暗電流Ｉ_Dの推定は、極めて有効である。

以上の理論を踏まえ、本実施形態に係る光強度測定方法の第２の方法について説明する。図１１は、第２の方法を示すフローチャートである。図１１に示されるように、第２の方法は、第１ステップＳ２１、第２ステップＳ２２、及び第３ステップＳ２３を含む。第１ステップＳ２１では、２点の周囲温度下でのＡＰＤ１１の暗電流の大きさを測定する。なお、具体的な測定方法は前述した第１の方法と同様である。

第２ステップＳ２２では、被測定光である入力光をＡＰＤ１１に入射させ、ＡＰＤ１１の出力電流Ｉ_APDの大きさを測定する。具体的な方法は、前述した第１の方法と同様である。

第３ステップＳ２３では、第２ステップＳ２２のときの周囲温度に対応する暗電流の大きさを出力電流Ｉ_APDの大きさから減算した値を求めることにより、入力光の強度を得る。具体的には、記憶手段に記憶された周囲温度に対応する暗電流量を記憶手段から読み出す。そして、暗電流量の自然対数ｌｏｇ_e（Ｉ_D）と周囲温度Ｔとの比例関数（上述した数式（６））の定数ｌｏｇ_e（Ａ）及びＢを、２点の周囲温度下での暗電流量から算出する（図１１のステップＳ２３ａ）。こうして得られた比例関数に第２ステップＳ２２のときの周囲温度を入力することによって、ＡＰＤ１１の暗電流の大きさを求める（ステップＳ２３ｂ）。そして、第２ステップＳ２２により得られた出力電流Ｉ_APDの大きさに関するモニタ値Ｄ_Mから暗電流相当値を減算することにより、入力光強度Ｐ_INに相当する光電流の大きさを算出する（ステップＳ２３ｃ）。

以上に説明した本実施形態による光強度測定方法では、まず第１ステップＳ１１又はＳ２１において、複数の周囲温度下でのＡＰＤ１１の暗電流を測定することにより、温度によって変動する暗電流の大きさを各温度毎に特定している。そして、第２ステップＳ１２又はＳ２２においてこのＡＰＤ１１を用いて入力光強度Ｐ_INを測定したのち、第３ステップＳ１３又はＳ２３において測定時の温度に対応する暗電流量をＡＰＤ１１の出力電流量（すなわちモニタ値Ｄ_M）から減算している。この方法により、ＡＰＤ１１の暗電流による影響を排除し、極めて小さな入力光強度Ｐ_INを精度よく測定することができる。

また、上述した第２の方法のように、第１ステップＳ２１において、２点の周囲温度下での暗電流量を測定し、第３ステップＳ２３において、暗電流量の自然対数と周囲温度との比例関数であって２点の周囲温度下での暗電流量から求められる比例関数に基づいて算出された、第２ステップＳ２２のときの周囲温度に対応する暗電流量を、出力電流量（モニタ値Ｄ_M）から減算してもよい。ＡＰＤ１１の暗電流量の自然対数とＡＰＤの温度とは互いに比例する（数式（６））。したがって、第１ステップＳ２１において２点の周囲温度下での暗電流量を測定することによって比例定数等が好適に得られるので、該２点以外の他の温度における暗電流量を比例関数に基づいて精度良く推定することができる。すなわち、第２の方法によれば、僅かに２点の周囲温度における暗電流量を測定するだけで、温度により変動する暗電流量を好適に推定し、極めて小さな入力光強度Ｐ_INを精度良く測定することが可能となる。

また、第２の方法のように、第１ステップＳ２１において暗電流量を測定したのち該暗電流量を記憶手段に保持し、第３ステップＳ２３において、記憶手段に保持された暗電流量に基づいて比例関数を求めてもよい。これにより、以降の測定では第１ステップＳ２１を省略できるので、入力光強度Ｐ_INを効率良く測定することができる。

なお、上述した第２の方法では第３ステップＳ２３において比例関数の定数ｌｏｇ_e（Ａ）及びＢを求めているが、第１ステップＳ２１すなわち被測定光の光強度を測定する前に比例関数の定数ｌｏｇ_e（Ａ）及びＢを求めてもよい。この場合、定数ｌｏｇ_e（Ａ）及びＢを記憶手段に記憶させ、第３ステップＳ２３においてこれらの定数を使用してもよい。或いは、第１ステップＳ２１において比例関数に基づいて複数の周囲温度に対応する暗電流量を算出し、これらの暗電流量を記憶手段に保持し、第３ステップＳ２３では、記憶手段に保持された暗電流量のうち第２ステップＳ２２のときの周囲温度に最も近い周囲温度に対応する暗電流相当値をモニタ値Ｄ_Mから減算してもよい。測定毎に比例関数を算出する必要がなくなるので、演算量を低減できる。

１０…光測定回路、１１…アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）、１２…電流ミラー回路、１３…コンバータ、１４…マイクロプロセッシングユニット（ＭＰＵ）、１４ａ…温度モニタ部、１４ｂ…Ｄ／Ａコンバータ、１４ｃ…Ａ／Ｄコンバータ、１７…電流検出用抵抗、１８…ローパスフィルタ回路、１２１，１２２…トランジスタ。

Claims (4)

1. アバランシェフォトダイオードが受けた入力光の強度を測定する方法であって、
   複数の周囲温度下での前記アバランシェフォトダイオードの暗電流量を測定する第１ステップと、
   前記入力光を前記アバランシェフォトダイオードに入射させ、前記アバランシェフォトダイオードの出力電流量を測定する第２ステップと、
   前記第２ステップのときの周囲温度に対応する前記暗電流量を前記出力電流量から減算した値を求めることにより、前記入力光の強度を得る第３ステップと
   を含むことを特徴とする、光強度測定方法。
2. 前記第１ステップにおいて、２点の周囲温度下での前記暗電流量を測定し、
   前記第３ステップにおいて、前記暗電流量の自然対数と周囲温度との比例関数であって前記２点の周囲温度下での前記暗電流量から求められる前記比例関数に基づいて算出された前記第２ステップのときの周囲温度に対応する前記暗電流量を前記出力電流量から減算した値を求めることを特徴とする、請求項１に記載の光強度測定方法。
3. 前記第１ステップにおいて、前記暗電流量を測定したのち該暗電流量を記憶手段に保持し、
   前記第３ステップにおいて、前記記憶手段に保持された前記暗電流量に基づいて前記比例関数を求めることを特徴とする、請求項２に記載の光強度測定方法。
4. 前記第１ステップにおいて、前記暗電流量を測定したのち該暗電流量に基づいて前記比例関数を求め、複数の周囲温度に対応する前記暗電流量を該比例関数により算出するとともに算出した前記暗電流量を記憶手段に保持し、
   前記第３ステップにおいて、前記記憶手段に保持された前記暗電流量のうち、前記第２ステップのときの周囲温度に最も近い周囲温度に対応する前記暗電流量を前記出力電流量から減算することを特徴とする、請求項２に記載の光強度測定方法。

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