JP2957100B2 - 光受信器装置 - Google Patents

光受信器装置

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JP2957100B2
JP2957100B2 JP6308465A JP30846594A JP2957100B2 JP 2957100 B2 JP2957100 B2 JP 2957100B2 JP 6308465 A JP6308465 A JP 6308465A JP 30846594 A JP30846594 A JP 30846594A JP 2957100 B2 JP2957100 B2 JP 2957100B2
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    • H03K2217/0036Means reducing energy consumption

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、光信号を受信する光電
子装置に関し、特に、プッシュプル(push-pull)で動
作する電界効果型トランジスタを用いた光受信器に関す
る。
【0002】
【従来技術の説明】光技術が通信装置に広く用いられる
ようになるにつれて、光電子回路の素子の性能が改善さ
れている。従来、いくつかの光受信器回路が存在する。
このような光受信器回路は、光入力ビームを受信し、出
力信号を生成する。そして、この出力信号は、電気信
号、あるいは、再生された光信号の何れかの形態であ
る。
【0003】従来の光電子受信器回路は、高インピーダ
ンスの受信器を構成する電界効果型トランジスタ(FE
T)を用いている。他の光電子受信器回路は、トランス
インピーダンス受信器を構成するFETを用いている。
この従来の高入力インピーダンスの受信器とトランスイ
ンピーダンスの受信器の双方共に、ある種の欠点があ
る。例えば、単一の光ビームが用いられるときには、抵
抗が、この従来の受信器内に用いられ、この抵抗が受信
器のバンド幅を固定してしまう。さらに、また、この従
来の受信器内のFETを介して、常にある程度の静電流
が流れるために、電気エネルギーが消費されてしまう。
さらに、一本の入力ビームのみが用いられているので、
そのビームのパワーレベルは、受信器が二つの論理状態
の間を区別できる程度充分高くなければならない。さら
に、受動型のプルアップ負荷が、出力スイッチングを遅
延させてしまう。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の目的
は、複数の光ビームを用いて、電力パワーの消費を減少
させ、入力ビームで用いられる絶対パワーに対し感受性
を有さない新たな光受信器を提供することである。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明の第1の実施例に
よれば、相補型のFET(CFET)からなる光受信器
は、ループ内で直列に接続された第1と第2の光ダイオ
ードを有し、それらの間に第1ノードを有し、さらに、
それらの間に第2ノードを有する直列接続された第3と
第4の光ダイオードからなる。第1と第2のFETは、
互いに直列に接続されており、第1のFETのゲート
は、第1ノードに接続され、第2のFETのゲートは、
第2ノードに接続されている。CFET光受信器のこの
出力は、第1と第2のFETの間の第3ノードから取り
出される。
【0006】上記のように構成した本発明の光受信器の
動作について述べる。本発明のCFET光受信器は、4
本の入力光ビームを用いているが、そのうち2つが独自
のものである。第1の入力光ビームは、2本の光ビーム
に複製され、これらの光ビームは、第1と第4の光ダイ
オードに同時に入力される。相補的な他の入力ビーム
は、2本の光ビームに複製されて、第2と第3の光ダイ
オードに入力される。この第1の入力光ビームと相補的
な入力光ビームとは、何れかが光ダイオードに入力され
て、あるトランジスタがターンオフしているときには、
他のトランジスタはターンオンしている。このプッシュ
プル動作は、従来の光受信器に比較して、CFETの受
信器内の静電流の流れを大きく減少させる。かくして、
本発明のCFET受信器は、電力パワーの消費を減ら
す。
【0007】さらに、本発明のCFET受信器は、出力
データを生成するのに比較して、入力ビームで用いられ
る絶対パワーに対し、感受性を有さないという利点があ
る。出力は、光学検波器の上に入射する2本の光入力ビ
ームの間のパワーの差に基づいて生成されており、その
結果、受信器回路の速度は、2本の光入力ビームの間の
パワーの差に比例する。
【0008】本発明の他の実施例のCFET受信器は、
増幅器段を有する。この増幅器段は、直列に接続された
2個のFETを有し、入力信号にゲインを追加して、よ
り低いエネルギーの光学入力信号が利用できるようにし
ている。さらに、クランプ部分がこのCFET受信器に
接続されて、光検波器をバイアスしている。このクラン
プ部分は、光検波器の電圧スイングを所定の範囲内に入
るように制限し、光学検波器が任意の逆バイアスされる
ようにしている。これは、ある種の応用にとっては好ま
しいことである。
【0009】さらに、本発明の光受信器は、モノリシッ
クに集積された素子として実現できる。このCFET光
受信器の利点は、2個のFETの電気特性を全く同一に
できる点である。その結果、例えば、CFET受信器
は、モノリシックに集積されたディプレーションモード
のGaAsFETとGaAsの多重量子井戸(multiple
quantum well:MQW)とを用いて、光検知器として形
成できる。
【0010】
【実施例】図1において、本発明の光学受信器10は、
光ダイオード1、2、3、4からなる検波部12と、電
界効果型トランジスタ(FET)5、7からなる入力部
20とを有する。この光ダイオード1,2は、ループ内
に直列に接続され、それらの間にノードXを有し、光ダ
イオード3,4は、ループ内に直列に接続されて、それ
らの間にノードYを有する。このノードXは、電界効果
型トランジスタ(FET)5のゲート入力接続され、ノ
ードYは、電界効果型トランジスタ(FET)7のゲー
ト入力に接続される。これらの電界効果型トランジスタ
(FET)5と7は、直列に接続されて、ドレイン電圧
ddとソース電圧Vssの間でバイアスされて、それらの
間にノードZを有する。本発明の光学受信器10の出力
は、このノードZから取り出される。この実施例におい
ては、本発明の光学受信器10の電圧ソースは、次のと
おりである。 Vdd=2.0ボルト Vss=−1.0〜−1.5ボルト
【0011】これらの光ダイオード1、2、3、4は、
光を電流に換える働きをする。一般的に、光ダイオード
は、そこに入力される光ビームのパワーに比例した電流
を生成し、そして、その極性は、このダイオードに順バ
イアスをかける。それゆえに、各ダイオードには、電位
差が生成されて、順方向にバイアスされたダイオード電
流は、光電流で正確にバランスするようになっている。
この電位は、光ダイオードのビルトイン電圧(Vbi)に
ほぼ匹敵する。かくして、例えば、光ビームA1が本発
明の光学受信器10の光ダイオード1に入射すると、ノ
ードXでの電位はノードZに対し正となり、これにより
電界効果型トランジスタ(FET)5がターンオンす
る。逆に、光ビームA1がオフで光ビームB1が光ダイオ
ード2に入射すると、ノードXでの電位はノードZに対
し負となり、電界効果型トランジスタ(FET)5をタ
ーンオフさせる。
【0012】本発明の光学受信器10の動作のあるモー
ドにおいては、2個の差分光データストリームが、4個
の光ダイオード1、2、3、4に入力される。この差分
光データの使用は、非唯一性に対しシステムの許容度を
与えることになる。例えば、受信器列にかかるパワーレ
ベルの変動に対しシステムとしての許容差を与えること
になる。この例においては、2本のビームは、検知しよ
うとしている信号に応じて、時間変動する強度を有す
る。かくして、デジタル“1”は、第1入力ビームが明
で、第2入力ビームが暗によって伝送され、デジタル
“0”は、第2入力ビームが明で、第1入力ビームが暗
によって伝送される。このデータは、本発明の光学受信
器10の4個の検知器に第1と第2の入力ビームを2個
の組(図1のA1、A2とB1、B2に示されるように)に
複製することにより供給される。ビームスプリッタ、複
屈折グレーティング、あるいは、他の手段を用いて、こ
の第1と第2の入力ビームを複製することができる。こ
のようなビーム分割装置は公知である。ここでは、デジ
タル動作について記載したが、本発明によるCFET受
信器は、アナログ回路の一部としても動作することがで
きる。
【0013】デジタル“1”が伝送されると、その後、
入力ビームA1、A2は明となり、光ダイオード1と4に
入力され、その結果、電界効果型トランジスタ(FE
T)5に正のゲートソース電圧を与え、電界効果型トラ
ンジスタ(FET)7に負のゲートソース電圧を与える
ことになる。入力ビームB1、B2が暗となる。これらの
入力ビームは、電界効果型トランジスタ(FET)5を
ターンオンさせるが、電界効果型トランジスタ(FE
T)7をターンオフさせる。この切り替えフェーズの
間、VddからVssへの電流は、電界効果型トランジスタ
(FET)7がオフになるまで流れる。ノードZにおけ
るデジタル“1”の出力信号が安定すると、この回路に
は、静電流は流れない。デジタル“0”が次に伝送され
ると、入力ビームA1、A2は暗になり、入力ビーム
1、B2が明となり、これらは同時に光ダイオード2と
3に入力され、電界効果型トランジスタ(FET)5を
ターンオフさせて、電界効果型トランジスタ(FET)
7をターンオンさせる。そして、再びノードZにおける
出力信号が安定すると、静電流は流れない。この種の切
り替え動作は、本発明の光学受信器10のプッシュプル
動作を構成する。この切り替えフェーズにおける時間が
短いと、CFET受信器の電力消費は低い。かくして、
CMOS型の回路に比較して、低電力消費の光学受信器
回路が実現できる。
【0014】別の動作モードにおいては、デジタルデー
タ信号は、第1入力ビームのみで規定できる。この場
合、第2入力ビームは、外部入力されたリセットビーム
の機能を実行し、本発明の光学受信器10をプリセット
された固定状態に戻す。例えば、論理“1”が伝送され
ると、入力ビームA1、A2は、光ダイオード1、4に入
力されて、ノードZにおける出力信号を論理レベル
“1”をあらわすまで上昇させる。その後、ノードZに
おける出力がサンプルされると、その後、入力ビームB
1、B2は、光ダイオード2、3に入力されて、ノードZ
における信号を、そのプリセットレベルに戻す。その
後、論理レベル“0”が伝送されても、入力ビーム
1、A2は、ノードZの出力には何等影響を及ぼさず、
その後、このノードZがサンプルされると、プリセット
電圧レベルは論理“0”となる。その後、再び入力ビー
ムB1、B2が光ダイオード2、3に入力されると、電圧
レベルは既に、それらが影響しないプリセットレベルに
あるので、実際には、入力ビームB1、B2は、論理レベ
ル“1”がサンプルされた後、本発明の光学受信器10
をリセットするだけである。しかし、正確な動作を確保
するために、光ダイオードに入力ビームA1、A2が、各
時間毎に入力される必要はある。
【0015】デジタル的な動作をするときには、この本
発明の光学受信器10は、ノードZの電圧であらわされ
る2個の論理出力状態を有する。これらの論理値が電界
効果型トランジスタ(FET)5、7を構成するのに用
いられる論理族を近似すると、その後、ノードZの出力
は、追加の回路を必要とすることなく、論理ゲートに直
接接続できる。この回路は、出力を正確なレベルに変換
するために必要なものである。本発明の光学受信器10
の他の利点は、出力データを生成することに関し、第1
と第2の入力ビームで用いられるパワーの絶対値には、
左右されないことである。従来の光受信器は、1本の入
力ビームのみを用いており、そのビームのパワーレベル
が低すぎる場合には、不正確な出力信号が生成された。
これに対して、本発明の光学受信器10は、第1入力ビ
ームと第2入力信号ビームとの間の差に基づいて、出力
信号を決定する。すなわち、入力ビームA1、A2の信号
が入力ビームB1、B2より大きい場合には、この回路の
スピードは、これら2本のビームの間のパワー差に正比
例する。
【0016】さらに、本発明の光学受信器10のFET
の特定の値電圧は、受信器動作に対し、絶対的なもので
はない。すなわち、本発明の光学受信器10は、電界効
果型トランジスタ(FET)5と7の間の電流差に基づ
いて、出力信号を生成する。それゆえに、この2つのF
ETが同一の場合には、その特定のしきい値電圧は、光
ダイオードがFETをターンオンしたり、ターンオフで
きる限り、絶対的なものではない。
【0017】図1の本発明の光学受信器10は、モノリ
シックに集積された光回路として形成することができ
る。電気処理要素の間を大規模に光学的に相互接続する
ためには、制御可能な光学要素と半導体マイクロエレク
トロニクスとをモノリシックに集積することである。こ
のような光学要素の例は、p−i−n多重量子井戸(M
QW)素子で、この素子は、検波器、および、光変調器
の両方として用いることができる。GaAs電界効果型
トランジスタ(FET)は、GaAs多重量子井戸光変
調器と共に集積化して、これらを組み合わせたものは、
FET−SEEDと称する。ドープしたチャネルヘテロ
接合FET(HFET)は、ドープしたチャネルMIS
状FET(DMT)として公知であり、これらは、Ga
As電子素子として用いられる。
【0018】このFETとMQW変調器を一体形成する
ことにより、コンパクトな増幅器回路列が生成でき、さ
らに、高歩留まりが実現でき、光入力と光出力との間を
デジタルで電気的に処理することによって、その機能を
さらに増強できる。このような集積電子回路は、スマー
トピクセル(smart pixel)とも称し、これは、次の論
文に開示されている。“IEEE Photonics Technology Le
tters,”vol.4, No.6(1992年6月)の614〜6
17ページの“Operation of a Fully Integrated GaAs
AlxGa1-xAs FET-SEED: A Basic Optically Addressed I
ntegrated Circuit”(T. K. Woodward他著)。さら
に、高歩留まりのFET自己電子格子効果(field-effe
ct transistor self-electro-optic-effect:FET−
SEED)のフレキシブルな設計、および、製造に最適
なプロセス技術は、次の論文に開示されている。“IEEE
Electron Device Letters”vol. 13, No. 10(199
2年10月)の528〜531ページの“Batch Fabric
ation and Structure of Intergrated GaAs-AlxGa1-xAs
Field-Effect Transistor-Self-Electro-optic Effect
Devices (FET-SEED's)”(L. A. D'Asaro他著)。
【0019】図2は、本発明の光学受信器10を製造す
るための本発明のFET−SEED装置21のウェハ構
造の断面を表す。多重量子井戸(MQW)変調器22と
ディプレーションモードの電界効果型トランジスタ(D
MT)24が、半絶縁性GaAs基板25の上に形成さ
れている。この多重量子井戸(MQW)変調器22は、
光学変調器、あるいは、光ダイオードの何れとしても用
いることができ、そして、ディプレーションモードの電
界効果型トランジスタ(DMT)24は、増幅器回路の
一部として用い、MQW変調器からの信号を処理する。
多重量子井戸部分26は、FETの層の下に配置され
て、入力点での検知、および、出力点での信号変調を実
行する。p層28が、ディプレーションモードの電界効
果型トランジスタ(DMT)24と多重量子井戸(MQ
W)変調器22の両方の下に形成され、多重量子井戸
(MQW)変調器22の一端末として、および、制御電
極、あるいは、ディプレーションモードの電界効果型ト
ランジスタ(DMT)24の下の接地面として機能し、
ゲート領域を浮遊電界の影響から保護している。
【0020】図3において、単一段CFET受信器回路
30は、検波部12と入力部20と光学出力部32とを
有する。この光学出力部32は、直列に接続された変調
器ダイオード33と34とを有し、ノードWは、ノード
Zに接続されている。変調器ダイオード33と34は、
電圧V1と接地との間でバイアスされている。単一段C
FET受信器回路30は、前掲の論文に記載されたFE
T−SEEDプロセスにより形成される。このようなモ
ノリシックに集積した素子は、シングルタイプのFE
T、すなわち、2個のディプレーションモード、あるい
は、2個のエンハンストモードのトランジスタの何れか
であり、エンハンストモードとディプレーションモード
の両方は必要としない。このことは、半導体ウェハ上に
同一のタイプを形成するために、そのプロセスが単純と
なるため、利点がある。
【0021】図4は、図3の変調器ダイオード33から
得られた出力信号41のグラフ40を表し、これは、単
一段CFET受信器回路30の挙動を表す。図4の出力
信号41を生成するために、100MHzのデジタル光
入力データストリームは、パターン“10101010
1”を有し、これが単一段CFET受信器回路30の光
ダイオード1、2、3、4に入力される。出力データを
得るために、光ビームは、変調器ダイオード33から反
射される。この変調器ダイオード33、34は、それら
から反射された光ビームに対を変調する。この変調は、
その後、外部の、例えば、光ダイオードで、その出力
は、オシロスコープに接続されているものを用いて検知
される。図4において、時間0−1n(ナノ)秒におい
ては、デジタル“1”が出力され、時間3−6n(ナ
ノ)秒では、デジタル“0”が出力される、等である。
一対の光ビームの間の光パワーの差は、ある論理信号に
対しては500フェムトジュール(femtojoule:fj)
であり、他の論理信号に対しては600fjである。例
えば、論理レベル“0”に対しては、500fjのエネ
ルギー差が光信号A1、B1の間に存在し、さらに、光信
号A2、B2の間に存在する。
【0022】図5において、本発明の二段構成CFET
受信器回路50は、検波部12と入力部20と増幅器部
分52と光学出力部32とを有する。この増幅器部分5
2は、直列に接続されたFET53、54を有し、それ
らは、所定の基準電圧V1と接地との間に接続されてい
る。二段構成CFET受信器回路50がモノリシックに
集積された場合には、図3の単一段CFET受信器回路
30とほぼ同様に動作する。ただし、増幅器部分52
は、ノードZで生成された入力信号にゲインを追加す
る。かくして、単一段CFET受信器回路30を動作さ
せるのに必要な光学エネルギーよりも少ないエネルギー
でもって二段構成CFET受信器回路50を動作させる
ことができる。
【0023】図6は、図5の二段構成CFET受信器回
路50の動作を表すグラフ60を示している。図4に関
連して説明した同一の入力データが用いられて、出力波
形61が生成される。そして、この出力は、上記の方法
と同様に、変調器ダイオード33から得られる。二段構
成CFET受信器回路50の2個の検波ダイオードにか
かるエネルギー差は、ある論理信号に対しては25fj
で、他の論理信号に対しては22fjである。
【0024】図7において、本発明のCFET受信器回
路70は、光ダイオード73、74、75、76からな
る検波部部分72と、光ダイオード1、2、3、4から
なるクランプ部分78と、入力部20と光学出力部32
とを有する。このクランプダイオード対1、2と光ダイ
オード3、4は、自己バイアスされて、電圧Vbiが組み
込まれて、その関連トランジスタのソースに基準電圧を
与えている。かくして、クランプ部分78は、光ダイオ
ード73、74、75、76へのバイアスが可能とな
り、電界効果型トランジスタ(FET)5、7の入力ノ
ードX、Yにおける電圧の触れをほぼ±Vbiに制限して
いる。このCFET受信器回路70は、単一段CFET
受信器回路30と二段構成CFET受信器回路50とほ
ぼ同様に動作し、そして、検波部部分72は、二段構成
CFET受信器回路50に追加されている。
【0025】図1、図3、図5、図7のCFET受信器
は、FET−SEED集積技術を用いて形成できる。そ
して、その動作は、そのような回路で用いられる光エネ
ルギーと電圧について説明したが、本発明はこれに限定
されるものではなく、他のFETベースの受信器にも応
用できるものである。
【0026】
【発明の効果】以上述べたように、本発明は、FETで
もって光受信器を形成するために、光P学的に安定した
性能を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による相補型の電界効果型トランジスタ
(complementary-mode field-effect transistor:CF
ET)装置からなる回路図。
【図2】FET−SEED構成を表す断面図。
【図3】出力段に接続された本発明のCFET装置から
なる他の回路図。
【図4】図3の回路により生成された出力信号の時間と
の関係を表すグラフ。
【図5】本発明による二段構成のCFET装置からなる
回路図。
【図6】図5の回路により生成された出力信号を表すグ
ラフ。
【図7】本発明によるダイオードクランプされたCFE
Tを表す回路図。
【符号の説明】
1、2、3、4 光ダイオード 5、7 電界効果型トランジスタ(FET) 10 本発明の光学受信器 12 検波部 20 入力部 21 本発明のFET−SEED装置 22 多重量子井戸(MQW)変調器 24 ディプレーションモードの電界効果型トランジス
タ(DMT) 25 半絶縁性GaAs基板 26 多重量子井戸部分 28 p層 30 単一段CFET受信器回路 32 光学出力部 33、34 変調器ダイオード 40 グラフ 41 出力信号 50 二段構成CFET受信器回路 52 増幅器部分 53、54 FET 60 グラフ 61 出力波形 70 CFET受信器回路 72 検波部部分 73、74、75、76 光ダイオード 78 クランプ部分
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H03K 17/78

Claims (9)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 その間に第1ノード(X)を有するルー
    プ状に直列に接続された第1と第2の検知器(1,2)
    と、 その間に第2ノード(Y)を有するループ状に直列に接
    続された第3と第4の検知器(3,4)と、 ゲート入力が第1ノード(X)に接続され、ドレイン入
    力がプリセットドレイン電圧(Vdd)に接続され、ソー
    ス入力が第3ノード(Z)に接続される第1の電界効果
    型トランジスタ(5)と、 ゲート入力が第2ノード(Y)に接続され、ドレイン入
    力が第3ノード(Z)に接続され、ソース入力がプリセ
    ットソース電圧(VSS)に接続される第2の電界効果型
    トランジスタ(7)と、 からなり、第1入力信号ビーム(A1,A2)が、第1と
    第4の検知器(1,4)により同時に検知され、第2入
    力信号ビーム(B1,B2)が、第2と第3の検知器
    (2,3)により同時に検知されて、第3ノード(Z)
    に出力信号(OUT)を生成することを特徴とする光受
    信器装置。
  2. 【請求項2】 直列に接続された第1と第2の光変調器
    (33,34)を有し、 前記光変調器の間に第3ノード(Z)に接続された出力
    ノード(W)を有することを特徴とする請求項1の装
    置。
  3. 【請求項3】 前記第3ノード(Z)に接続された増幅
    器(52)をさらに有することを特徴とする請求項1の
    装置。
  4. 【請求項4】 前記増幅器(52)は、直列に接続され
    た2個の電界効果型トランジスタ(53,54)からな
    ることを特徴とする請求項3の装置。
  5. 【請求項5】 前記第1ノードに接続され、前記第1ノ
    ードで電圧を制限するクランプ手段(78)をさらに有
    することを特徴とする請求項1の装置。
  6. 【請求項6】 前記第2ノードに接続され、前記第2ノ
    ードで電圧を制限するクランプ手段(78)を有するこ
    とを特徴とする請求項1の装置。
  7. 【請求項7】 前記クランプ手段(78)は、直列に接
    続された2個のクランプダイオード(1,2または3,
    4)からなることを特徴とする請求項5の装置。
  8. 【請求項8】 前記クランプ手段(78)は、直列に接
    続され、所定の電圧範囲内にバイアスされた2個のクラ
    ンプダイオード(1,2または3,4)からなることを
    特徴とする請求項6の装置。
  9. 【請求項9】 前記検知器(1,2,3,4)は、多重
    量子井戸pinダイオードであることを特徴とする請求
    項1の装置。
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