JP2652628B2

JP2652628B2 - 光受信ｉｃ

Info

Publication number: JP2652628B2
Application number: JP59105389A
Authority: JP
Inventors: 孝典沢井
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1984-05-23
Filing date: 1984-05-23
Publication date: 1997-09-10
Anticipated expiration: 2012-09-10
Also published as: JPS60247967A

Description

【発明の詳細な説明】（ア）技術分野この発明は、光通信システムに用いることのできる光
受信ICに関する。

光通信は、電気信号を光信号に変換し、光フアイバの
中を伝送して、受信側では、光信号を逆に電気信号に変
換することによつてなされる。

送受信される信号は、デジタル信号、アナログ信号の
いずれでもよい。

受信回路は、受光素子と、受光素子電流を増幅し、こ
れを整形する回路を含む。デジタル信号の場合は、一定
の閾値と信号とを比較し、ＨレベルとＬレベルに二値化
する。

（イ）従来技術とその問題点従来の光受信回路の一例を第４図に示す。

プリント基板20の上に、受光素子21と、IC22、抵抗2
3、コンデンサ24等の周辺回路がハンダ付実装されてい
る。

あるいは、周辺回路がひとつのハイブリツドICとなつ
ている場合もある。このハイブリツドIC自体は、いくつ
かのモノリシツクICや抵抗、コンデンサチツプ等の電子
部品で構成されている。

これらプリント基板に、ICやハイブリツドIC、その他
のデイスクリートな電子部品を取付けたものは、形状が
大きくなり、コスト高である、という欠点がある。

個々の電子部品を用いているから、部品点数が多くな
り、形状が大きくなるのである。

また、チツプ部品を多数取付けてハイブリツドICを完
成させるのであるから、コスト高になる。

従来、受光素子として、例えばホトダイオードを用い
るが、この光電流を増幅するため、演算増幅回路が使用
される。高い増幅率を得るためには高抵抗が必要であ
る。ところが、このような高抵抗は、モノリシツクには
製作できないので、この帰還抵抗は外付け抵抗になつて
しまう。

また、ホトダイオードと、帰還抵抗とを直列に逆バイ
アスになるよう接続するから、カソードが電源につなが
り、アノードが帰還抵抗とつながることになる。ホトダ
イオードのいずれの極も接地されない事が多い。このた
め、単体のホトダイオードの方が使い易いという事があ
る。

さらに、光フアイバと、送受信器とは、光コネクタに
よつて連結されるが、送受信器側の光コネクタには、ホ
トダイオードと発光ダイオードが対にして設ける事が多
い。このため、単体のパツケージに入れられたホトダイ
オードが光コネクタ内へ装入されることになる。

こういう理由で、従来、光受信回路に於て、必ず受光
素子は単体で用いられ、これがプリント基板に取付けら
れて、他の周辺回路とプリントパターンを通じて接続さ
れていた。

しかし、光受信回路をよりコンパクトにし、しかも低
コスト化するには、全体をモノリシツクICにすることが
最も望ましいのである。

モノリシツクICにするには、高抵抗を必要としない回
路であり、ホトダイオードのいずれか極が接地されてお
り、また、暗電流の影響を受けない、というような事が
要求される。

ホトダイオードはシリコン半導体であつて、ICの基板
と同じであるから、ホトダイオードも含んで、モノリシ
ツクICにすることができるはずであるが、これまで、モ
ノリシツクIC化された例はない。

（ウ）目的受光素子とその周辺回路を１体化した光受信ICを与え
ることが本発明の目的である。

（エ）構成第１図に本発明の光受信ICの概略の平面図を示す。

ICチップＡの上には、中央に受光素子Ｂが、その周囲
には周辺回路Ｄが配置されている。受光素子Ｂは、ICチ
ツプＡの中心に、円形又は正多角形をなすように製作す
る。

正多角形というのは、正方形、正五角形、正六角形、
正八角形、などである。

対称性を高くするのは、受光素子Ｂと光フアイバとの
軸合わせが容易に行えるようにするためである。

受光素子Ｂと、周辺回路Ｄの間に、受光素子Ｂを囲む
ようにグランドラインＥを形成し、これをGND極Ｆに接
続しておく。

グランドラインＥによつて、受光素子Ｂと周辺回路Ｄ
とが絶縁される。これにより、クロストークを完全に防
ぐことができる。

ICチツプＡは、適当なパツケージに収容されるが、パ
ツケージには窓があつて、この窓から、光フアイバを伝
搬した光が受光素子Ｂへ入射するようになつている。

パツケージとしては、樹脂モールドタイプのものが可
能であるが、この場合は、光フアイバ先端のプラグを差
込んで固定する差込筒部も、一体的に、パツケージに形
成しておくと便利である。

もちろん、通常のデユアルインラインパツケージにし
て、中央に、受光素子Ｂに至る窓を作つておくようにし
てもよい。

受光素子Ｂの機能は、入射した光強度に比例した光電
流を生じることである。しかし、実際には、光が存在し
ない時でも、暗電流が流れ、しかも、温度によつて暗電
流が変化する。

そこで、光信号を直流増幅し、これを二値化するので
は、暗電流変化による信号レベルへの影響を免れること
ができないので、まず信号を微分して、直流分をカツト
することにする。

微分信号を、適当なヒステリシスを与えた比較回路へ
導き、微分信号とヒステリシス付の基準電圧とを比較
し、これを二値化する。

次に、このような光受信回路の一例の全体を説明す
る。第２図は回路の全体図であつて、第３図は全体の回
路を機能別にブロツク化して示すものである。

第３図に於て、ICチツプＡの中心に受光素子１（第１
図ではＢ）があり、電流電圧変換部２、部分回路３、平
滑化回路４、二値化回路５、ヒステリシス付与回路６、
出力段８などの周辺回路Ｄが、ICチツプＡの周縁に、受
光素子ＢとグランドラインＥを隔てて設けられるわけで
ある。

第２図に示すように、外部の電気回路と接続するため
の端子は、アースGNDと、電源Vcc、出力端子Voutと、外
付けコンデンサCextの接続端子ｇ、ｈだけでよい。つま
り、５つのリードピンがあれば足るのである。

第２図に示す光受信回路に於て、受光素子１（PDと記
している）は、アノードが接地してあるから、グランド
ラインＥで、これを囲むことによつて、受光素子１と周
辺回路Ｄとを遮断することができる。

（オ）光受信回路本発明の回路を一部に含む光受信回路の構成例を第２
図と第３図によつて簡単に説明する。

この回路は１チツプICとして作られる。受光素子１の
光電流を電圧Ｖに変換する電流・電圧変換部（本発明は
この部分に関する）２と、これを時間微分dV/dtする微
分回路３と、基準電圧Vcを求めるための平滑化回路４
と、信号をＨとＬに二値化するための二値化回路５と、
ヒステリシスを基準電圧に与えるためのヒステリシス付
与回路６と出力段８とよりなつている。

この回路は、光強度に比例する電圧信号を、一定の閾
値と比較して、Ｈレベル、Ｌレベルに二値化するもので
はない。このようにすると、信号光の強さによつて、Ｈ
レベル、Ｌレベルの時間の比が変動し、デジタル信号が
正確に伝わらないからである。

第５図によつて、予めこの回路の動作を説明する。
（ａ）が電流・電圧変換部の信号である。（ｂ）はこれ
の微分信号である。いつたん微分するのがこの回路の大
きな特徴である。次に微分信号の平均値を求める。これ
が（ｃ）である。微分信号と基準電圧Vcとを比較する
が、微分信号は早やかに平均値に収束するので、基準電
圧Vcを平均値にとると、コンパレータの２つの入力が同
電圧になり、誤動作する。そこで、基準電圧Vcの方に正
負のヒステリシスを与える。ヒステリシスは、微分信号
がＨパルスからＬパルスの間は負になり、微分信号がＬ
パルスからＨパルスの間は正になるようにする。第５図
（ｄ）はヒステリシスを与える。基準電圧Vcは、平均値
にヒステリシスを加えたものとする。

つまり、第５図の（ｃ）、（ｄ）を加えたものが基準
電圧となり、これと（ｂ）の微分信号とを比較する。

第５図（ｅ）が比較回路の出力である。これは、原信
号（ａ）と同じ波形を復元していることが分る。

第２図に従つて各素子の動作を説明する。

受光素子１はホトダイオードで、受光量に応じた光電
流を生じる。トランジスタQ1は、ベースにPDを接続して
おり、エミツタにはコレクタ・ベースの接続された２つ
のトランジスタQ2、Q3がつながれている。Q2、Q3はダイ
オードとして機能する。

pn接合の電圧降下分が３つあるので、Q1のベースは、
約1.8Vになる。これがPDの逆バイアスである。

第５図（ａ）において、ａ、ｂ、ｃ、ｄ点の電圧波形
を定数部を除いて示している。ｄは遅延信号で破線で示
す。

差動増幅回路10（Q5〜Q8）の出力ｅは、第５図（ｂ）
に示すようになり、信号ａ、ｂ、ｃの立上りで正パルス
を、信号ａ、ｂ、ｃの立下りで負パルスを生ずる。Q4
2、Q43、Q36は定電流回路である。

微分信号ｅは、Q9で電流増幅されｆとなる。Q41、R28
はQ9のエミツタにつながれた定電流回路である。

Q10のエミツタｇは、定電圧点である。ここに外付け
コンデンサCextの一端をつなぐ。

Q47、Q48、R35、R36、R37は定電流回路で、Q1に定電
流を流す。

Q32、Q33、R16、R17、R18は定電流回路で、Q4に定電
流を流す。

光電流Ipが流れると、ｂ点の電圧はｂ＝R1Ip＋（定数）（４）となる。ａ点はこれより、pn接合降下分だけ高い。

信号ｂは、R3、C2よりなる遅延回路９に入り、信号ｄ
となる。

Q5、Q6、Q7、Q8は、差動増幅回路である。一方の入力
ｃは、ｂと同じ信号が入り、他方の入力ｄはｂの遅延信
号である。

Cext、R6は平滑化回路４を構成し、ｆの平均値ｈを求
める。R6は例えば10kΩ〜50kΩ、Cextは0.1μＦ〜１μ
Ｆ程度で、十分長い時間にわたつて、ｆを平均化でき
る。Q11は平均値ｈを電流増幅する。これがｘである。

Q12は微分信号ｉを電流増幅する。これがｙである。
これを二値化回路５の入力ｊに入れる。

第５図（ｂ）に直流分を無視してｅ、ｆ、ｙ、ｊの波
形を示した。（ｃ）に平均値ｈ、ｘを示した。

Q13、Q14は差動増幅器を構成し、これが二値化回路５
である。Q45は、エミツタに接続した定電流回路であ
る。Q13、Q14のコレクタには、Q53、R43、Q52、R42など
よりなる定電流回路が接続してある。

Q13のベースｊが微分信号の入力、Q14のベースｋが基
準電圧Vcの入力である。

ｋ点は平均値ｘに抵抗R8を介してつながつているか
ら、平均値を表現するがそれだけではない。R8を流れる
電流Ihがヒステリシスを与える。これが正負に変化する
ことにより、ｋ点はｎ点より電圧がヒステリシスΔだけ
上下する。

ｘ、ｙは同一直流レベル、ｋ、ｊは同一直流レベルに
あるよう、トランジスタ、抵抗の値を同一にしているか
ら、結局、微分信号をｊ、この平均を＜ｊ＞とすると、
電圧ｋは（基準電圧Vc）ｋ＝＜ｊ＞−R8Ih （５）となる。Ihはｘからｋに向う方向を正にとつた。

結局、二値化回路Q13、Q14は、微分ｊと、この平均か
らR8Ihを差引いたものとを比較するものである。

微分ｊが正パルスを発した時、ｊはｋより大きい。微
分ｊが負パルスを発した時、ｊはｋより小さい。微分ｊ
が＜ｊ＞に房つても、ヒステリシスがあるので、出力
ｌ、ｍはそのままである。

Q13、Q14のコレクタｌ、ｍが二値化回路の出力であ
る。これらは、R39、R38、Q49で決まる電圧V1が上限と
なる。またR31、Q44、R32で決まる電圧V2が下限とな
る。

それぞれの出力ｌ、ｍは、４段のトランジスタQ17〜Q
20、Q22〜Q25を経て、差動増幅回路７を構成するQ15、Q
16のベースｎ、ｏに入力される。トランジスタQ17〜Q2
0、Q22〜Q25はコレクタ・ベースが共通で、直流レベル
を落すためのダイオード列として働いている。

Q15、Q16よりなる差動増幅回路７と、定電流回路Q4
6、Q51とがヒステリシス付与回路６を構成する。

Q46のベース電圧は、R31、R32、Q44によつて与えら
れ、これがエミツタ抵抗R34に加わるから、定電流Ikが
流れる。

Q51も定電流回路を構成し、この電流をI0とする。

Q16のコレクタ、Q14のベース、R8、Q51のエミツタは
一点ｋで合体している。

ｋ点でI0の電流は、Q16のコレクタへ流れるか又は、
抵抗R8へ流れるかである。Q14のベース電流は小さいの
で無視する。

Q16がオンであれば、Q51を通るI0と、R8を通るヒステ
リシス電流IhがQ16を通る。これはIkである。つまり、Q
16がオンの時、 Ik＝Ih＋I0 （６）となる。ｋ点はｘ点より低電位になる。

Q16がオフであれば、Q15を通じてIkが流れる。定電流
I0はｋ点からR8を通りｘ点を流れる。ｋ点はｘ点より持
ち上げられる。つまり、Q16がオフの時、 I0＋Ih＝０（７）である。

ｋ＞ｊであれば、ｌ＞ｍであるから、ｎ＞ｏである。
このときQ16はオフである。

ｋ＜ｊであれば、ｌ＜ｍであるから、ｎ＜ｏである。
Q16はオンである。

そこで、 2I0＝Ik （８）となるように、定電流回路の定数を決めると、ヒステリ
シス電流Ihは絶対値の等しい正負の対称的な値±I0とな
る。

ｋ＞ｊであれば、 Ih＝−I0 （９）ｋ＜ｊであれば Ih＝＋I0 （10）すると（５）式から、（ｉ）ｋ＞ｊであればｋ＝＜ｊ＞＋R8I0 （11）となる。つまり微分信号ｊがその平均値より小さい時、
基準電圧ｋ（Vc）は平均値に正のヒステリシス＋Δを加
えたものとなる。

微分ｊが０に収束し（平均値になる）ても、基準電圧
ｋの方が大きくなつているから、ｋ＞ｊという状態が維
持され、出力ｏはＬレベルでありつづける。

（ii）ｋ＜ｊであればｋ＝＜ｊ＞−R8I0 （12）となる。微分信号ｊがその平均値＜ｊ＞より小さい時、
基準電圧ｋ（Vc）は平均値に負のヒステリシス−Δを加
えたものとなる。

微分ｊが０に収束し（平均値になる）ても、基準電圧
ｋの方が下つているので、ｋ＜ｊは維持される。出力ｏ
はＨレベルであり続ける。

第５図（ｅ）は、ｍ、ｏ、ｓ、ｖの波形を、直流分、
振幅の相異を無視して示す。

（ｂ）と（ｅ）とを対称すると、微分信号ｊの正パル
スから負パルスまでの期間、出力ｍ、ｏ、ｓ、ｖはＨレ
ベルとなる。ｊの負パルスから正パルスまでの期間、出
力ｍ、ｏ、ｓ、ｖはＬレベルとなる。

さらに、（ａ）と（ｅ）とを対称すると、（ｅ）は、
光信号入力のパルス波形に対応していることが分る。

ｏ点より後段は出力段８である。

ｏ点の電圧が上ると、Q27のコレクタｑが下る。Q28の
コレクタｓは引上げられ、エミツタｒは下がる。最終段
は、R15、トランジスタQ29、Q30、Q31の直列接続となつ
ている。Q29はオン、Q31はオフになるから、Q29のエミ
ツタ、Q31のコレクタは持ち上げられる。出力ｖ（Vou
t）は、Vccに近い値になる。

ｏ点の電圧が下ると、逆に、ｑ点が上り、ｓ点の電圧
が低下し、ｒ点の電圧が上る。Q29がオフ、Q31はオンと
なる出力ｖ（Vout）はほぼ0Vになる。

Q30はコレクタ、ベースが接続され、ダイオードとし
て機能している。これは、ｓ、ｒの電位が接近している
時、Q29、Q31の両方ともがオンになるのを防いでいる。
出力Voutが誤つて、他の電源に接触したりしても、Q29
などが損傷を受けないようにする、という効果もある。

（カ）効果（１）受光素子と、その周辺回路が、一体化されてい
るから、小型化、低コスト化することができる。デイス
クリートな電子部品やチツプ部品をプリント基板の上へ
組付ける必要がないからである。受光素子と、増幅回
路、コンパレータなどを一体化（MIC化）したので信頼
性も向上する。

（２）光フアイバとの位置合わせが容易である。受光
素子をICの中心に配置しているためである。また、受光
素子を円、正多角形のように対称性の高い形状とし、異
方性を持たないようにしているからである。

（３）受光素子への電気信号のまわりこみ（クロスト
ーク）やノイズが受光素子信号の上にのる、というよう
な心配がない。このため、微小高信号を正確に受信する
ことができる。

受光素子の周囲をグランドラインで囲み、周辺回路と
絶縁しているためである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の光受信ICの概略を示す平面図。第２図はこの光受信ICの回路例図。第３図は第２図の回路を機能ごとに分けたブロツク図。第４図は従来の光受信回路の斜視図。第５図は光受信回路の各回路部分の直流分や振幅の違い
を無視して示す電圧波形図。Ａ……ICチツプＢ……受光素子Ｄ……周辺回路Ｅ……グランドラインＦ……GND極１……受光素子２……電流電圧変換部３……微分回路４……平滑化回路５……二値化回路６……ヒステリシス付与回路７……差動増幅回路８……出力段

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】光ファイバに結合される受信回路に用いら
れる素子であって、円又は正多角形状の受光素子Ｂを光
ファイバから出た光を受光するように素子の中心に配置
し、受光素子Ｂの電流信号を増幅し二値化する周辺回路
Ｄを受光素子Ｂの周囲に配置し、受光素子Ｂと周辺回路
Ｄの間にグランドラインＥを有し、受光素子Ｂと周辺回
路ＤがひとつのICチップＡの上に一体に形成されている
ことを特徴とする光受信IC。