JP2019212684A - 可視光無線通信用の受光装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 検出信号の立ち上がり及び立ち下がり時間を短くして、数百ＭＨｚ以上の大容量通信を可能にした受光装置を提供することである。【解決手段】 ＰＤ（フォトダイオード）２と、ＰＤ２に対して電流ｉの流れ方向下流側に並列に接続した抵抗Ｒ及びキャパシタＣとで受光素子ｅ１を構成し、ＰＤ２は、受光波長のピークが環境光の短い波長に設定され、入射する光子単位のエネルギーに反応して増倍機能を発揮し、１つの光子が入射してその増倍機能が回復するまでの間は次の光子を受け付けない特性を備える一方、上記受光素子ｅ１には、上記ＰＤに動作電圧を印加する一対の端子３，４が備えられ、これら端子３，４間に、上記ＰＤ２を、入射光子のエネルギーに対して電子の増倍率が一定となるリニアモードで動作させる電圧が印加され、上記キャパシタＣを通過した電流を信号出力端子５から信号として出力する。【選択図】 図２

Description

この発明は、可視光による無線通信用の受光装置に関する。
可視光無線通信は、電磁放射ノイズによる影響を受けず、しかも、傍受されたときには信号光が遮断されるので、傍受の事実を把握しやすいということで、近年、特に注目されている。
このような可視光無線通信の特徴に着目し、光源からの光束の強度変化等を利用して光電変換をするものが従来から知られている。しかし、光源からの光束は距離の２乗に反比例して減衰するので、その通信距離を延ばせないだけでなく、環境光などのノイズと信号光との区別もできないという問題があった。
そこで、距離に関係なくエネルギーが一定な光子に着目した受光装置が特許文献１で提案されている。
この特許文献１に開示された従来の受光装置は、その受光面に複数の受光素子を配列している。
上記の受光素子は、アバランシェフォトダイオード(以下「ＡＰＤ」という)を主要素にするとともに、ＡＰＤの電流の流れ方向下流側にクエンチング抵抗を接続している。また、この受光素子には一対の端子を設け、この端子間にＡＰＤの降伏電圧以上の逆バイアス電圧を印加するようにしている。
上記受光素子を構成するＡＰＤは、複数の光子が入射した場合でも、１つの光子だけ受けつけアバランシェ降伏を起こして電流を出力するとともに、その電流がゼロになって増倍機能が１００％回復するまで次の光子を受け付けない特性を持っている。しかも、その受光波長のピークが３５０〜４７０ｎｍに設定されている。
上記のようにした受光装置は、上記端子間にＡＰＤの降伏電圧以上の逆バイアス電圧を印加したガイガーモードで、波長が３５０〜４７０ｎｍの光子がＡＰＤに入射すると、ＡＰＤ固有の飽和出力である大きな電流が出力される。
上記ガイガーモードでは、光子が入射したとき、ガイガー放電により大きな電流が出力されるが、ひとたびガイガー放電が始まると、ＡＰＤ内部の電界がなくなるまで電流が出力され続ける。このように電流が出力されてそれがゼロになるまでの間、ＡＰＤは次の光子を受け付けない。
上記ガイガー放電により電流がクエンチング抵抗を流れる際に電圧降下を起こし、ＡＰＤから出力される大きな電流を消費するようにしている。もし、大きな電流を放置しておけば、ＡＰＤを損傷する恐れがあるが、クエンチング抵抗はそれを防止する機能を果たす。ガイガー放電による出力電流は鋭い立ち上がりのパルス形状で、ガイガー放電停止時の出力電流の立ち下がりは、クエンチング抵抗により、なだらかなパルス形状となる。
特開２０１７−４１７８２号公報
上記のようにした従来の可視光無線通信用の受光装置では、ＡＰＤは１つの光子が入射したとき電流を出力するとともに、その電流がゼロになって増倍機能が１００％回復するまで次の光子を受け付けない特性を持っている。このような特性を持つＡＰＤをガイガーモードで使用すれば、大きな電流が出力される。
しかし、この大きな電流がゼロになるまで増倍機能が回復しないので、増倍機能が１００％回復するまで時間がかかってしまうことから、数百ＭＨｚ以上の高速通信ができないことが問題であった。
しかも、ＡＰＤの下流にはＡＰＤ防護用の大電流対策としてクエンチング抵抗を設けているので、図６に示したように、その抵抗の分だけパルス形状の電流波形の立ち下がり時間が長くなる。パルス形状の電流波形の立ち下がり時間が長くなれば、ＡＰＤの増倍機能が１００％回復するまでの時間がさらに長くなる。この時間が長くなれば、数百ＭＨｚの応答性を必要とする大容量通信ができなくなる。
なお、上記ＡＰＤは、通常は、光子の数をカウントするために用いられる。そのために光子が入射したときに大きな電流信号を出力させ、そのカウンティング精度を上げるようにしている。
しかし、ＡＰＤは、上記したように１個の光子が入射すると、増倍機能が１００％回復するまで次の光子を受け付けないので、次の光子の受付け間隔が長くなる。
ところが周波数が２００〜５００ＭＨｚの大容量通信では、光子数を数える場合に比べて、光子の入射速度が比較にならないほど速くなければならない。したがって、ＡＰＤをガイガーモードで動作させていては、数百ＭＨｚ以上の大容量通信などできなくなるという問題が発生する。
いずれにしても、ＡＰＤをガイガーモードで動作させる従来の受光装置では、数百ＭＨｚ以上の応答性を必要とする大容量通信ができないという問題があった。
この発明の目的は、検出信号の立ち上がり及び立ち下がり時間を短くして、数百ＭＨｚ以上の大容量通信を可能にした受光装置を提供することである。
第１の発明は、その受光素子が、フォトダイオード(以下「ＰＤ」という)と、このＰＤに対して電流の流れ方向下流側に並列に接続した抵抗及びキャパシタとを備えている。
上記ＰＤは、受光波長のピークが環境光の波長よりも短い波長に設定されるとともに、入射する光子単位のエネルギーに反応して増倍機能を発揮する。しかも、１つの光子が入射してその増倍機能が回復するまでの間は次の光子を受け付けない特性を備えている。
上記のようにした受光素子には、ＰＤに電圧を印加する一対の端子が備えられ、これら端子間に電圧が印加されると、ＰＤ内の自由キャリアが活性化される。このような状態で、ＰＤに光子が入射すると、ＰＤ内で電子が増倍され、その増倍された電子による電流が出力される。この電流のうち、上記キャパシタを通過した光子の加速度的なゆらぎに対応した交流成分の電流を信号として取り出すことができる。
なお、受光素子は、受光波長のピークが環境光の波長よりも短い波長に設定され、入射する光子単位のエネルギーに反応するとともに、１つの光子が入射してその増倍機能が回復するまで次の光子を受け付けない機能を備えているが、このような機能を備えていればＰＤの種類は限定されない。
そして、この発明の特徴は、ＰＤから出力される電流が直流であっても、キャパシタから電気信号を取り出せることを発見した点にある。それは、本発明者が、従来の受信装置を基にいろいろ試行錯誤をくり返す過程で、キャパシタを抵抗と並列に接続したところ、このキャパシタから電気信号を取り出せた事実に基づくものである。
このような実験結果を考察した結果、本発明者は、ＰＤから出力される電流は原則直流であるが、その電流には光子の加速度的なゆらぎに対応した交流成分があるものと推察した。
したがって、上記ＰＤから出力された電流の直流成分は抵抗で消費され、光子の加速度的なゆらぎに対応した交流成分がキャパシタに流れ、このキャパシタを流れる電流を電気信号として取り出したものである。
そして、キャパシタの容量を小さくすればするほど、時定数を小さくできるので、信号の立ち上がり立ち下がり時間を短くできる。
さらに、一対の端子間には、ガイガーモードの逆バイアス電圧よりも小さい範囲のリニアモードの逆バイアス電圧が印加され、ＰＤが、入射光子１個の入力エネルギーに対して電子の増倍率が一定となるリニアモードで動作するものである。
例えば、ＰＤとしてＡＰＤ（アバランシェフォトダイオード)を用いたとしても、ガイガーモードではなく、リニアモードで動作させて、大容量通信に対応できるようにしている。
信号波形の立ち上がり立ち下がり時間を短くできるので、キャパシタから取り出される信号のパルス形状の波形が急峻になり、応答速度が速くなるため数百ＭＨｚ以上の大容量通信が可能になる。
第２の発明の上記ＰＤは、受光波長のピークが３５０〜４７０ｎｍに設定されている。
波長が３５０〜４７０ｎｍの光は、近紫外光から青の光が含まれる。このような青色系の光は、光子１個のエネルギーが大きいので、環境光から区別しやすい。
第３の発明は、上記受光素子を複数備え、これら受光素子を並列に接続するとともに各受光素子の上記ＰＤをアレイ状に配列したものを受光面にしている。そして、この受光面に到達した光子に反応した上記ＰＤの出力電流の合計を、受光素子の出力電流としている。
したがって、受光面における受光素子を多くすれば、大きな出力信号を得ることができる。
第４の発明は、上記抵抗及びキャパシタを受光面の裏側に設けて受光面の開口率を大きくしている。
受光面の開口率を大きくできるので、その分、受光効率を向上させることがきる。
第５の発明は、上記ＰＤがＡＰＤ(アバランシェフォトダイオード)であって、このＡＰＤに印加する逆バイアス電圧をガイガーモードよりも小さい範囲のリニアモードの逆バイアス電圧にしている。このようにＡＰＤに逆バイアス電圧を印加するのは、その電圧でＡＰＤの自由キャリアを活性化するためである。
ただし、上記逆バイアス電圧の範囲は、電子を活性化させる電圧以上で、ガイガーモードよりも小さい範囲のリニアモードということで、それはＡＰＤの特性に応じて異なる。いずれにしても、リニアモードの逆バイアス電圧はガイガーモードよりも小さくしているので、光子が入射してもＡＰＤ固有の飽和出力である大きな電流が出力されることはない。
そして、逆バイアス電圧が印加されて自由キャリアが活性化している状態で光子が入射すると、ＡＰＤの特性である優れた増倍機能が確実に発揮される。
第１の発明の受光装置によれば、ＰＤから出力される直流成分の電流を抵抗に流し、光子の加速度的なゆらぎに対応した交流成分の電流をキャパシタに流すことができる。このときにキャパシタの容量を小さくすればするほど時定数が小さくなり、その分、信号の立ち上がり立ち下がり時間を短くでき、信号パルス波形を急峻にできる。信号パルス波形を急峻にできれば、応答速度が速くなるため数百ＭＨｚ以上の大容量通信が可能になる。
また、受光波長のピークが環境光の波長よりも短い波長に設定されているので、光子１個のエネルギーが環境光よりも大きい信号光を取り込むことができる。
したがって、キャパシタに流れる電流が微弱であっても、光子１個のエネルギーが大きな電気信号と、光子１個のエネルギーが小さい環境光に基づくノイズとを区別できる。必要な電気信号と不要なノイズとを区別できるので、信号解析の際にノイズの影響を受け難くなる。
しかも、この発明では、ＰＤをリニアモードで動作させるので、入射光子１個のエネルギーに対して電子の増倍率を一定に保つことができる。ＰＤの増倍率を一定に保てるので、１個の光子のエネルギーの大きさに比例した出力電流を得ることができる。そのため、入射光子のエネルギーが異なる、信号とノイズとをさらに正確に区別することができる。
第２の発明の受光装置によれば、上記ＰＤが受光波長のピークが３５０〜４７０ｎｍに設定されているので、信号光のエネルギーが大きくなり、環境光との区別がさらにしやすくなる。
第３の発明の受光装置によれば、受光素子の数が多いので、大きな出力信号を得ることができる。また、受光素子の数を多くすれば、受光感度を上げることもできる。
第４の発明の受光装置によれば、受光面の開口率を大きくできるので、受光感度をより向上させることができる。
第５の発明の受光装置によれば、上記ＡＰＤに印加する逆バイアス電圧をガイガーモードよりも小さいリニアモードの範囲内の逆バイアス電圧にしているので、光子が入射してもＡＰＤ固有の飽和出力である大きな電流が出力されない。大きな電流が出力されないので、ＡＰＤの増倍機能の回復時間を短くでき、その分、数百ＭＨｚ以上の大容量通信が可能になる。
第１実施形態の受光素子をアレイ状にした受光面を示す説明図である。 第１実施形態の１単位の受光素子の電気記号を示した拡大図である。 第１実施形態の複数の受光素子を並列に接続した回路図である。 キャパシタを流れた電流に基づく電圧信号のパルス形状波形の立ち上がり立ち下がり時間を示したグラフである。 第２実施形態の１単位の受光素子の電気記号を示した図である。 従来の電圧信号のパルス形状波形の立ち上がり立ち下がり時間を示したグラフである。
図１に示した第１実施形態は、基板１上に設けた複数の受光素子ｅ１のアレイで受光面ｐを構成している。この受光面ｐに設けた各受光素子ｅ１は、図２に示すＡＰＤ２（バランシェフォトダイオード）を主要素にしている。
そして、ＡＰＤ２に対して電流ｉの流れ方向下流側には、大電流が流れるのを防止する抵抗Ｒと、１ｐＦ前後に設定したキャパシタＣとを並列に接続している。
ＡＰＤ２、抵抗Ｒ及びキャパシタＣを備えた複数の受光素子ｅ１は、図３に示すように、端子３，４との間に並列に接続されている。さらに、上記キャパシタＣであって電流の流れ方向下流側に信号出力端子５を設けている。なお、図３では省略しているが、この第１実施形態では３６００個の受光素子ｅ１を配列させている。
また、上記抵抗Ｒ及びキャパシタＣは、基板１とＡＰＤ２の間に設け、抵抗Ｒ及びキャパシタＣが受光面ｐの表面に現れないようにしている。
このように抵抗Ｒ及びキャパシタＣをＡＰＤ２の裏側に設けて、それらが受光面ｐの表面に露出しないようにしたので、受光面ｐの開口率が大きくなり、受光感度が良くなる。
そして、上記ＡＰＤ２にはガイガー放電する前の低い逆バイアス電圧を印加し、ＡＰＤ２の自由キャリアを活性化して、リニアモードの逆バイアス電圧の範囲内でも確実に増倍機能が発揮されるようにしている。
なお、上記リニアモードとは、ＡＰＤ２が一定の増倍率で動作し、入射光子のエネルギーに比例した電流を出力する動作モードのことである。そして、ＡＰＤ２をリニアモードで動作させるための印加電圧をリニアモードの動作電圧という。
特に、リニアモードの逆バイアス電圧とは、上記ＡＰＤ２をガイガーモードで動作させる降伏電圧よりも低い電圧であって、ＡＰＤ２から入射光子のエネルギーに比例した電流が出力される電圧のことである。
上記のようにＡＰＤ２をリニアモードで動作させるので、入射光子１個のエネルギーに対して電子の増倍率を一定に保つことができる。ＡＰＤ２の増倍率を一定に保てるので、１個の光子のエネルギーの大きさに比例した出力電流を得ることができる。そのため、入射光子のエネルギーが異なる、信号とノイズとを正確に区別することができる。
しかも、リニアモードの逆バイアス電圧の範囲内では、光子が入射してもＡＰＤ２のガイガーモードの飽和出力である大きな電流が出力されることはない。
また、このＡＰＤ２は、それに１つの光子が入射してその増倍機能が回復するまでの間は次の光子を受け付けない機能を備えている。
さらに、この受光装置では、ＡＰＤ２の電流の流れ方向下流側に抵抗ＲとキャパシタＣを設けて電流の出力信号波形の立ち上がり立下り時間を急峻にし、応答速度が速い信号を取り出すことができる。
上記のようにしたＡＰＤ２は、受光波長のピークが３５０〜４７０ｎｍに設定され、このＡＰＤ２に逆バイアス電圧を印加した状態で波長が３５０〜４７０ｎｍの光子が入射すると、最大増倍特性を示す。
しかも、受光面ｐを構成するＡＰＤ２に光子が入射すると、その光子が入射した各ＡＰＤ２は、電子を増倍する増倍機能を発揮するとともに、その増倍機能が完全に復帰するまで次の光子を受け付けない。したがって、光子を受け付けたＡＰＤ２のアレイから出力される電流の合計が、特定時刻の電流信号となる。
次に、この受光装置の作用について説明する。
まず、図３に示した端子３，４間にガイガーモードに達する前の低い逆バイアス電圧を印加する。この逆バイアス電圧を印加された各ＡＰＤ２は自由キャリアが活性化された状態に保たれる。
自由キャリアが活性化された状態で、ＡＰＤ２に光子が入射すると、そのＡＰＤ２内で電子が増倍され、増倍された電子による電流が出力される。ただし、上記基板１の受光面ｐに設けた受光素子ｅ１は、実際には３６００個のＡＰＤ２と、これらＡＰＤ２に接続された抵抗Ｒ及びキャパシタＣとからなるので、上記出力電流は、３６００個の受光素子ｅ１のうちの光子が入射した受光素子ｅ１の数の合計電流ということになる。
上記のようにして受光素子ｅ１の合計電流として出力された電流ｉ（図２参照）には、直流成分と交流成分とが含まれるが、この直流成分は抵抗Ｒで消費され、光子の加速度的なゆらぎに対応した交流成分はキャパシタＣを流れる。
なお、上記キャパシタＣは、その容量が１ｐＦ前後と極めて小さいので、その時定数も小さくなる。
時定数が小さくなれば、その分、キャパシタＣを流れる出力電流波形の立ち上がり立下り時間が急峻になる。
上記キャパシタＣを流れた電流を基にして、電圧計で電圧を測定したところ、図４に示すように、１．３ｎｓの時間幅で約０．１７Ｖの電圧を検出できた。
この電圧測定は、次のように実施した。
量子効率が約７０％のＡＰＤ２を主要素にした受光素子ｅ１を使用し、抵抗Ｒは大電流が流れるのを防止できる程度の大きさにし、キャパシタＣの容量は１ｐＦ前後に設定し、ＡＰＤの両端子に約１５Ｖの逆バイアス電圧を印加した。なお、上記受光面には３６００個のＡＰＤ２をアレイ状に配列したものを用いた。なお、上記ＡＰＤ２の受光波長のピークは、３５０〜４７０ｎｍである。
上記の状態で全受光素子ｅ１の８０％に波長が４７０ｎｍの光子が入射したとき、キャパシタＣの下流側に設けた信号出力端子５から出力された電流を基にして電圧を計測したところ０．１７Ｖの電圧を検出することができた。この電流を基にして電圧計で電圧を計測したところ、図４に示す信号波形が認められた。この信号波形のピーク電圧は、約０．１７Ｖで、立ち上がり立ち下がり時間の幅は１．３ｎｓであった。
なお、上記のようにした受光素子の主要素は必ずしもＡＰＤに限定されるものではない。受光素子としては、受光波長のピークが環境光の波長よりも短い波長に設定でき、入射する光子単位のエネルギーに反応して増倍機能を発揮するともに、１つの光子が入射してその増倍機能が回復するまでの間は次の光子を受け付けない機能を備えるかぎり、どのようなＰＤを用いてもよい。
また、受光素子を構成するＰＤに印加する電圧は、逆バイアス電圧に限らない。
電圧をＰＤに印加した状態で光子が入射したとき、その入射光子のエネルギーに比例した電流が出力される範囲の電圧であれば、順バイアス電圧であっても、リニアモードの動作電圧として用いることができる。このようなリニアモードの動作電圧の範囲は、ＰＤの種類によって異なる。
上記ＰＤに順バイアス電圧を印加する第２実施形態は、図５に示す受光素子ｅ２を、上記第１実施形態の受光素子ｅ１に替えて配置したものである。この受光素子ｅ２は、ＰＤ６を主要素としている。そして、ＰＤ６に対して電流ｉの流れ方向下流側には、大電流が流れるのを防止する抵抗Ｒと、容量１ｐＦ前後のキャパシタＣとが接続され、端子３，４間には上記したリニアモードの順バイアス電圧を印加する。
この第２実施形態の受光装置でも、上記第１実施形態と同様に、キャパシタＣを通過した急峻なパルス形状の出力信号波形を得ることができる。
可視光による無線通信に最適である。
１…基板，ｅ１，ｅ２…受光素子、ｐ…受光面、２…ＡＰＤ（アバランシェフォトダイオード）、３，４…端子、５…信号出力端子、６…ＰＤ（フォトダイオード）

Claims (5)

  1. 受光素子は、
    ＰＤ（フォトダイオード）と、
    このＰＤに対して電流の流れ方向下流側に並列に接続した抵抗及びキャパシタとを備え、
    上記ＰＤは、
    受光波長のピークが環境光の波長よりも短い波長に設定され、
    入射する光子単位のエネルギーに反応して増倍機能を発揮し、
    １つの光子が入射してその増倍機能が回復するまでの間は次の光子を受け付けない特性を備える一方、
    上記受光素子には、上記ＰＤに電圧を印加する一対の端子が備えられ、
    上記ＰＤに光子が入射したとき電子が増倍され、その増倍された電子による電流が上記ＰＤから出力されるとともに、
    上記一対の端子間には、上記ＰＤを、入射光子のエネルギーに対して電子の増倍率が一定となるリニアモードで動作させる電圧が印加され、
    上記ＰＤから出力される電流のうち、上記キャパシタを通過した電流を信号として出力する可視光無線通信用の受光装置。
  2. 上記ＰＤは、受光波長のピークが３５０〜４７０ｎｍに設定された請求項１に記載の可視光無線通信用の受光装置。
  3. 上記受光素子を複数備え、これら受光素子を並列に接続するとともに各受光素子の上記ＰＤのアレイを受光面とし、この受光面に到達した光子に反応した上記ＰＤの出力電流の合計を、上記受光素子の出力電流とする請求項１または２に記載の可視光無線通信用の受光装置。
  4. 上記抵抗及びキャパシタを上記受光面の裏側に設けて上記受光面の開口率を大きくした請求項１〜３のいずれか１に記載の可視光無線通信用の受光装置。
  5. 上記ＰＤがＡＰＤ(アバランシェフォトダイオード)であって、このＡＰＤに印加する逆バイアス電圧を、ガイガーモードよりも小さいリニアモードの動作電圧にした請求項１〜４のいずれか１に記載の可視光無線通信用の受光装置。
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