JP3172020B2 - 光半導体装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、たとえば光信号を電
気信号に変換する光半導体装置に関するもので、特に光
ファイバからの光信号を高速再生する光受信器に用いら
れるものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、光ファイバからの光信号を再生す
る光受信器としては、たとえば図４に示すように、半導
体基板１上に設けられた受光素子２の受光エリア３に対
し、光ファイバ（図示していない）から出射された光信
号が照射パターン４の形で入射するようになっている。

【０００３】この場合、光ファイバからの光信号の照射
パターン４の中心と、受光素子２の受光エリア３の中心
とを略一致させ、より多くの光信号が受光エリア３で受
光されるようにすることが重要となっている。

【０００４】しかしながら、光信号の速度が速くなる
と、これを再生するためには受光素子２の接合容量を小
さくしなければならず、この受光素子２の接合容量を小
さくするには受光素子２の受光エリア３を小さくしなけ
ればならない。

【０００５】すると、光ファイバからの光信号の照射パ
ターン４の中心と、受光素子２の受光エリア３の中心と
を一致させるのが難しくなり、軸ズレΔをおこしやすく
なる。

【０００６】この軸ズレは、受光素子２を基準光コネク
タ付き光ファイバなどを用いて調芯することで解決でき
るが、調芯のための余分なコストがかかるとともに、別
の光コネクタ付き光ファイバをもってきた際には、当
然、新たな軸ズレを生じることになる、つまり基準光コ
ネクタ付き光ファイバなどを用いて調芯してなる受光素
子２では別の光コネクタ付き光ファイバは使用できな
い。

【０００７】一方、多少の軸ズレがあっても、すべての
光信号を受光できるように受光素子２の受光エリア３を
大きくした場合には、受光素子２の接合容量が大きくな
って、高速性の実現が困難となる。

【０００８】このように、従来の光受信器においては、
光信号の照射パターン４と受光素子２の受光エリア３と
の軸ズレによる受光ロスの低減と、受光素子２の受光エ
リア３の縮小による高速化とを両立することができない
という問題があった。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上記したように、従来
においては、受光ロスの低減と高速化とを両立すること
ができないという問題があった。そこで、この発明は、
光信号と受光エリアとの軸ズレによる受光ロスを低減で
き、しかも高速化，高感度化を図ることが可能な光半導
体装置を提供することを目的としている。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、この発明の光半導体装置にあっては、半導体基板
上に互いに近接して設けられた複数の受光素子と、各受
光素子にそれぞれ直列に接続されて前記半導体基板上に
設けられ、前記受光素子に光が入射しないときには高イ
ンピーダンス状態となり、光が入射したときには低イン
ピーダンス状態となるインピーダンス可変手段とからな
る複数の受光回路が並列に接続された構成とされてい
る。

【００１１】

【作用】この発明は、上記した手段により、接合容量の
増加を招くことなく、光信号の照射パターンよりも大き
な受光エリアを形成できるようになるため、無調芯で、
なおかつ高速性をもたせることが可能となるものであ
る。

【００１２】

【実施例】以下、この発明の一実施例について図面を参
照して説明する。図１は、本発明にかかる光受信器の構
成を概略的に示すものである。この光受信器は、たとえ
ば受光素子（ここでは、フォトダイオード）１１1 〜１
１19と、受光素子１１1 〜１１19のそれぞれに直列に接
続されたインピーダンス可変回路１２1 〜１２19とから
なる複数の受光回路１３1 〜１３19が並列に接続された
構成とされている。

【００１３】また、上記受光回路１３1 〜１３19の各受
光素子１１1 〜１１19のアノード側は後述する検出器に
接続されて、光の照射により能動状態となった上記受光
素子１１1 〜１１19からの出力が検出されるようになっ
ている。

【００１４】上記受光素子１１1 〜１１19は、たとえば
図２に示すように、その受光エリア１４1 〜１４19がそ
れぞれに近接して半導体基板（図示していない）上に配
置され、１つの受光面を形成するようになっている。

【００１５】この受光面に対しては、図示していない光
ファイバからの光信号が照射パターン１５の形で入射さ
れるようになっている。この場合、上記照射パターン１
５は、たとえば受光面上の７つの受光エリアとほぼ同じ
大きさとされている。

【００１６】上記インピーダンス可変回路１２1 〜１２
19は、たとえば上記受光エリア１４1 〜１４19が配置さ
れた上記半導体基板上に集積化されるようになってい
る。このインピーダンス可変回路１２1 〜１２19は、上
記受光素子１１1 〜１１19の受光エリア１４1 〜１４19
に光が入射されないときに高インピーダンス状態とな
り、光が入射されたときに低インピーダンス状態となる
もので、図３に１つの回路（１２19）で例示すように、
ダイオード２１と、このダイオード２１に流れる電流を
検出するＰＮＰトランジスタ２２と、このトランジスタ
２２により駆動される差動回路２３などからなってい
る。

【００１７】すなわち、インピーダンス可変回路１２1
〜１２19のそれぞれは、各受光素子１１1 〜１１19のカ
ソードにカソードが接続され、アノードが電源電圧Ｖｃ
ｃに接続された上記ダイオード２１、このダイオード２
１のカソードと上記受光素子１１1 〜１１19の各カソー
ドとの接続点にベースが接続され、エミッタが上記電源
電圧Ｖｃｃに接続され、コレクタがしきい値設定用の抵
抗Ｒａを介して接地された上記ＰＮＰトランジスタ２
２、上記差動回路２３を構成してなり、上記ＰＮＰトラ
ンジスタ２２のコレクタと抵抗Ｒａとの接続点にベース
が接続され、コレクタが上記ＰＮＰトランジスタ２２の
ベースに接続され、エミッタが電流源２４を介して接地
されたＮＰＮトランジスタ２３ａ、および基準電圧Ｖre
f にベースが接続され、コレクタが上記ＰＮＰトランジ
スタ２２のエミッタに接続され、エミッタが上記電流源
２４を介して接地されたＮＰＮトランジスタ２３ｂによ
って構成されている。

【００１８】この場合、受光素子１１1 〜１１19に光が
入射しないとき、または光が入射したとしても受光素子
１１1 〜１１19に十分な量の電流が流れないときには、
それに直列接続されたインピーダンス可変回路１２1 〜
１２19内のＰＮＰトランジスタ２２がオン状態にはなら
ず（つまり、ＰＮＰトランジスタ２２のコレクタ電流も
流れないか、または十分な電流が流れず）、しきい値設
定用抵抗Ｒａにおける降下電圧は基準電圧Ｖref よりも
小さくなる。

【００１９】したがって、差動回路２３ではＮＰＮトラ
ンジスタ２３ａがオフ、ＮＰＮトランジスタ２３ｂがオ
ンとなり、ダイオード２１にはバイアス電流が流れず、
当該インピーダンス可変回路１２1 〜１２19は高インピ
ーダンス状態となる。

【００２０】また、受光素子１１1 〜１１19に光が入射
し、十分な量の電流が流れるときには、ＰＮＰトランジ
スタ２２がオン状態となり（つまり、ＰＮＰトランジス
タ２２のコレクタ電流も十分な量の電流が流れ）、しき
い値設定用抵抗Ｒａにおける降下電圧が基準電圧Ｖref
よりも大きくなり、差動回路２３ではＮＰＮトランジス
タ２３ａがオン、ＮＰＮトランジスタ２３ｂがオフとな
る。

【００２１】このとき、上記ダイオード２１にはＮＰＮ
トランジスタ２３ａを介してバイアス電流が流れ、当該
インピーダンス可変回路１２1 〜１２19は低インピーダ
ンス状態になる。

【００２２】このように、受光素子１１1 〜１１19のう
ち、光の入射している受光素子については、それに接続
されているインピーダンス可変回路が低インピーダンス
状態となることにより、通常の受光素子と同様に機能す
る。

【００２３】しかし、光の入射していない受光素子につ
いては、それに接続されているインピーダンス可変回路
が高インピーダンス状態となることにより、当該受光素
子は接続されていないことと等価となり、その接合容量
の影響を無視することができる。

【００２４】なお、上記受光素子１１1 〜１１19の各ア
ノードは、出力を抵抗ｒａを介してフィードバックして
なる検出器１６の入力側に共通接続されており、この検
出器１６によってそれぞれの受光素子１１1 〜１１19を
流れる電流ｉが検出されるようになっている。

【００２５】ここで、各インピーダンス可変回路１２1
〜１２19のインピーダンス（抵抗）をＲ、各受光素子１
１1 〜１１19の接合容量をＣとし、本光受信器における
アドミッタンスＹを計算すると、アドミッタンスＹは下
記の数１により表される。

【００２６】

【数１】

【００２７】このとき、受光素子１１1 にのみ光が入射
され、他の受光素子１１2 〜１１19に光が入射されない
とすると、インピーダンス可変回路１２1 の抵抗Ｒ1 は
「０」、他のインピーダンス可変回路１２2 〜１２19の
抵抗Ｒ2 〜Ｒ19は「∞」となり、アドミッタンスＹは下
記の数２となる。

【００２８】

【数２】

【００２９】この結果より、あたかも光が入射されてい
る１つの受光素子１１1 しか存在しないかのように動作
することが分かる。同様に、図２に示した、７つの受光
素子１１10，１１11，１１14，１１15，１１16，１１1
8，１１19に光が入射されている場合のアドミッタンス
Ｙを計算すると、アドミッタンスＹは下記の数３とな
る。

【００３０】

【数３】

【００３１】この場合には、受光素子１１1 〜１１19の
うち、あたかも７つの受光素子１１10，１１11，１１1
4，１１15，１１16，１１18，１１19しか存在しないか
のように動作することになる。

【００３２】このようように、本構成によれば、光信号
の照射パターン１５と受光素子の受光エリアとの調芯を
行うことなく、光ファイバからの光信号を確実に受光で
きるようになるため、軸ズレによる受光ロスがない。

【００３３】しかも、光が入射されている受光素子のみ
が能動状態となるため、光信号の照射パターン１５より
も大きい受光面を形成した場合においても、接合容量の
増加を招くことなく、高速再生が可能な高感度の光受信
器を実現できる。

【００３４】上記したように、接合容量の増加を招くこ
となく、光信号の照射パターンよりも大きな受光エリア
を形成できるようにしている。すなわち、複数の受光素
子の受光エリアを互いに近接して配置するとともに、各
受光素子に対して、当該受光素子に光が入射しないとき
には高インピーダンス状態となり、光が入射したときに
は低インピーダンス状態となるインピーダンス可変回路
を直列に接続してなる複数の受光回路を並列に接続する
ようにしている。これにより、光ファイバからの光信号
の照射パターンよりも大きな受光面を形成した場合にお
いても、光が入射されている受光素子のみを能動状態に
できるようになるため、無調芯で、なおかつ高速性をも
たせることが可能となる。したがって、多少の軸ズレを
生じた場合にも確実に受光できるようになり、軸ズレに
よる受光ロスがなく、高速再生が可能な光受信器を容易
に実現できるものである。

【００３５】なお、上記実施例においては、１つの受光
面を１９個の受光素子により形成した場合について説明
したが、これに限らず、たとえば光受信器の目的にあっ
た大きさに応じて任意の数により構成することが可能で
ある。

【００３６】また、六角形からなる受光エリアを亀甲形
に配置した場合に限らず、たとえば円形や四角形の受光
エリアにより形成するようにしても良い。その他、この
発明の要旨を変えない範囲において、種々変形実施可能
なことは勿論である。

【００３７】

【発明の効果】以上、詳述したようにこの発明によれ
ば、光信号と受光エリアとの軸ズレによる受光ロスを低
減でき、しかも高速化，高感度化を図ることが可能な光
半導体装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例にかかる光受信器の概略を
示す構成図。

【図２】同じく、光受信器における受光面の構成例を示
す平面図。

【図３】同じく、光受信器におけるインピーダンス可変
回路の構成例を示す回路図。

【図４】従来技術とその問題点を説明するために示す光
受信器の受光面の平面図。

【符号の説明】

１１1 〜１１19…受光素子、１２1 〜１２19…インピー
ダンス可変回路、１３1 〜１３19…受光回路、１４1 〜
１４19…受光エリア、１５…照射パターン、１６…検出
器、２１…ダイオード、２２…ＰＮＰトランジスタ、２
３…差動回路。

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体基板上に互いに近接して設けられ
   た複数の受光素子と、各受光素子にそれぞれ直列に接続
   されて前記半導体基板上に設けられ、前記受光素子に光
   が入射しないときには高インピーダンス状態となり、光
   が入射したときには低インピーダンス状態となるインピ
   ーダンス可変手段とからなる複数の受光回路が並列に接
   続されてなることを特徴とする光半導体装置。
2. 【請求項２】 前記受光回路のそれぞれが、各受光素子
   からの出力を検出する検出回路に接続されていることを
   特徴とする請求項１に記載の光半導体装置。