JP3200320B2

JP3200320B2 - 受光回路

Info

Publication number: JP3200320B2
Application number: JP02894495A
Authority: JP
Inventors: 秀樹上綱
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1994-09-27
Filing date: 1995-02-17
Publication date: 2001-08-20
Anticipated expiration: 2016-08-20
Also published as: JPH08154079A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、マイクロ波／ミリ波サ
ブキャリア多重光伝送システムやコヒーレントヘテロダ
イン光通信方式の光受信装置に係り、特に該装置に用い
られる受光回路に関する。

【０００２】

【従来の技術】受光素子を増幅器等のトランジスタ回路
と同一半導体基板上にモノリシック集積化することは、
光受信装置の小型化、低コスト化、無調整化、高性能化
に有効である。しかしながら、受光素子とトランジスタ
を高性能化するためには、それぞれに異なる最適な素子
構造があり、高性能な特性を同一半導体基板上に集積化
した形態で両立させようとすると、非常に高度で複雑な
プロセス技術が要求されるうえに、それぞれの素子を別
のプロセスで製作したものと比較して必然的に性能およ
び歩留りの劣化を招き、その動作周波数も１０ＧＨz程
度に留まっており、結果として集積化のメリットを生じ
にくい問題点がある。一方、高性能なトランジスタ製作
プロセスを一切変更することなく、受光素子を同一半導
体基板上に集積化する手法として、トランジスタ自身を
受光素子として利用する方法もある。このトランジスタ
受光素子を利用すると、最高性能のトランジスタを同一
半導体基板上に何ら問題なく集積化できる利点がある。
一方、アイ・イー・イー・イーマイクロウェーブアン
ドガイデッドウェーブレターズ、第３巻、第７号、
２１７〜２１８頁、１９９３年７月（ＩＥＥＥＭicrow
ave and Ｇuided Ｗave Ｌetters，ｖol．３，no．７，
pp．２１７〜２１８，Ｊuly １９９３）に記載されてい
る図１２に示す従来例では、バイポーラ型のトランジス
タ受光素子のベース端子は、抵抗値５０Ωの抵抗６aで
終端されている。ここで、該トランジスタ受光素子は、
ベース／コレクタ接合フォトダイオードとトランジスタ
増幅器が一体化された構成と考えられるため、該ベース
端子の負荷は、ベース／コレクタ接合フォトダイオード
の負荷にもなっている。従って、当該負荷を抵抗値５０
Ωの抵抗６aにより形成した場合、光応答特性は、トラ
ンジスタのトランスインピーダンス利得特性を強く反映
するため、図１３に示すように周波数の増加とともに６
dＢ／octaveで検出効率が落ちていく。このため、後段
に高性能な等化器なしに、これらのトランジスタ受光素
子をそのまま適用して、広帯域なマイクロ波／ミリ波サ
ブキャリア多重光伝送システムやコヒーレントヘテロダ
イン光通信方式用の数ＧＨz以上の超高周波帯で動作す
る広帯域光受信回路を形成することは困難であり、さら
に後段の増幅器などと同一半導体基板上にモノリシック
集積化した光受信回路を実現することは困難であった。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、上記
の異種デバイスを集積化する形態で１０ＧＨz以上の超
高周波帯で動作する受光回路を形成することが困難な問
題点や、また、トランジスタ受光素子の周波数が高くな
るにつれ顕著に信号検出レベルが低下するという問題点
を解決し、マイクロ波／ミリ波サブキャリア多重光伝送
システムやコヒーレントヘテロダイン光通信方式用の数
ＧＨz以上の超高周波帯で動作する小型・低コストな広
帯域の受光回路を提供することにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明は、フォトトランジスタを備えた受光回路に
おいて、前記フォトトランジスタのベースまたはゲート
端子を、誘導性の素子および抵抗を介して高周波接地
し、前記誘導性の素子は、前記フォトトランジスタのベ
ース（またはゲート）／コレクタ接合容量および寄生容
量との間でピーキング効果を生じるインダクタンス値を
有し、前記抵抗は、前記フォトトランジスタのピーキン
グ周波数近傍での光検出レベルをＰ _ｐａａｋ、前記フォ
トトランジスタの利得をＡとする時、Ａ×Ｒ＝Ｐ
_ｐａａｋを満たす抵抗値Ｒを有することを特徴とする。

【０００５】また、本発明は、上記の受光回路におい
て、上記誘導性の素子のインダクタンス値と、前記抵抗
の抵抗値の少なくとも一方は可変にできることを特徴と
する。

【０００６】

【作用】上記の構成により、受光回路の受光素子である
フォトトランジスタのベースまたはゲート端子を、所定
のインダクタンス値を有する誘導性の素子および所定の
抵抗値を有する抵抗を介して高周波接地した場合は、該
受光素子のベース端子およびベース／コレクタ接合フォ
トダイードの負荷インピーダンスとしては、比較的周波
数が低い領域では上記抵抗成分が、また比較的周波数の
高い領域では上記インダクタンス成分が見え、さらに該
インダクタンスと該トランジスタの容量成分による共振
周波数近傍では、非常に高インピーダンスとなっている
ため、従来例であるベース端子を５０Ω終端したトラン
ジスタ受光素子と比較して、低周波領域での検出レベル
は減少するものの、高周波領域での検出レベルを増大さ
せることにより、従来例と比較して大幅に受光帯域を拡
大できる。

【０００７】従って、後段に特別な等化機能等を必要と
せず、通常の広帯域トランジスタ増幅器を接続しても広
帯域な受光回路を実現できるため、光受信装置を簡易に
構成できる。

【０００８】また、本発明による受光回路は、上述の受
光回路における、上記所定のインダクタンス値を有する
誘導性の素子の等価インダクタンス値と、上記所定の抵
抗値を有する抵抗の抵抗値の少なくとも一方を可変にで
きるため、該受光回路の利得および帯域を制御でき、汎
用的な超高速・広帯域光通信用モノリシック光受信回路
の実現に寄与できる。

【０００９】

【実施例】以下、図面を参照して本発明に係る実施例に
ついて説明する。

【００１０】図１、図２は本発明の第１の実施例に係る
受光回路の高周波等価回路図である。図１では所定のイ
ンダクタンスを有する誘導性の素子がインダクタ５であ
るのに対し、図２では伝送線路１０であり、その他の構
成は同じである。図３は本実施例による周波数と検出レ
ベルの関係を示す特性図である。なお、図１、図２に示
した本実施例は、その動作原理はほぼ同様であるので、
代表して図１に示した実施例で説明を行う。

【００１１】本実施例の受光回路は、バイポーラトラン
ジスタ１において、エミッタ端子４は直接アース７に接
地され、ベース端子２はインダクタ５および所定の抵抗
値を有する抵抗６aを介してアース７に接地されてい
る。また、コレクタ端子３には、所定のインピーダンス
の負荷６bが接続されている。従って、本受光回路は、
比較的周波数の低い領域では抵抗６aの抵抗値が、周波
数が高くなるにつれインダクタ５のインダクタンス値
が、ベース端子およびベース／コレクタ接合フォトダイ
オードの負荷インピーダンスを主に決定する。ここで、
インダクタ５のインダクタンス値とベース／コレクタ接
合フォトダイオードの接合容量、寄生容量等の間でピー
キング効果が生じ、該ピーキング周波数近傍で光検出レ
ベルがＰからＰ_ｐａａｋへと増大する。ここで、ＤＣ近
傍の光検出レベルは、抵抗６aの抵抗値Ｒとトランジス
タの利得Ａの積、Ａ×Ｒでほぼ与えられるため、Ａ×Ｒ
＝Ｐ_ｐａａｋとなるように、抵抗値Ｒを設定することに
より、図３に示したように受光帯域を大幅に拡大でき
る。インダクタ５のインダクタンス値を大きくすれば、
Ｐ_ｐａａｋの値も大きくできる一方、ピーキング周波数
は小さくなるため、利得と帯域の積はほぼ一定となる。
従って、従来例と比較して、超高周波帯で動作するトラ
ンジスタをなんら特別なプロセスを必要とすることなし
に受光素子をモノリシック集積化できるという利点を保
ったまま、後段に高性能な等化器がなくても広帯域な特
性が実現できるため、１０Ｇb／ｓ程度以上の超高速・
広帯域光通信用モノリシック光受信回路の実現に寄与で
きる。また、本実施例に示した回路要素は、モノリシッ
クマイクロ波集積回路（ＭＭＩＣ）技術により、なんら
特殊なプロセス技術を必要とすることなく半導体基板上
に集積できるため、超小型広帯域光検出器を実現できる
のみならず、後段に接続される増幅器なども一体的に集
積化した超小型・低コストな広帯域モノリシック光受信
回路の実現に寄与できる。なお、図２に示した実施例に
おいては、図１の実施例中のインダクタ５に代わり等価
インダクタンスＬを有する伝送線路１０を使用してお
り、全く同様な機能が実現される。

【００１２】図４は本発明の第２の実施例に係る受光回
路の高周波等価回路図である。図５は本実施例による周
波数と検出レベルの関係を示す特性図である。

【００１３】本実施例の受光回路は、バイポーラ型トラ
ンジスタ１において、エミッタ端子４は直接アース７に
接地され、ベース端子２は可変インダクタ１１および可
変抵抗１２を介してアース７に接地されている。また、
コレクタ端子３には、所定のインピーダンスの負荷６が
接続されている。従って、本受光回路においては、可変
インダクタ１１のインダクタンス値および可変抵抗１２
の抵抗値を制御することにより、図５に示すように検出
特性の利得および帯域を制御できる。従って、従来例と
比較して、超高周波帯で動作するトランジスタをなんら
特別なプロセスを必要とすることなしに受光素子をモノ
リシック集積化できるという利点は保ったまま、後段に
高性能な等化器がなくても広帯域な特性が実現できるう
え、伝送速度や伝送方式に適応した利得、受光帯域を設
定できるので汎用的な光受信装置の実現に寄与できる。
本実施例に示した回路要素も、可変抵抗素子として、例
えばベース接地型バイポーラトランジスタやゲート接地
型電界効果トランジスタなどを使用することなどによ
り、モノリシックマイクロ波集積回路（ＭＭＩＣ）技術
により、なんら特殊なプロセス技術を必要とすることな
く半導体基板上に集積できるため、超小型広帯域光検出
器を実現できるのみならず、後段に接続される増幅器な
ども一体的に集積化した超小型・低コストな広帯域モノ
リシック光受信回路の実現に寄与できる。

【００１４】さらに、図６に示すように、第１の実施例
として示した図１の受光回路のコレクタ端子３と負荷６
の間に整合回路１３を加えることにより、後段の回路と
の整合を容易に図ることができる。なお、本手法は図
２，４に示した他の全ての実施例においても、当然なが
ら適用できる。なお、この整合回路は、周知のように伝
送線路などの分布定数素子やキャパシタ、インダクタな
どの集中定数素子を組み合わせることにより実現でき、
これらの素子もなんら問題なくモノリシックマイクロ波
集積回路（ＭＭＩＣ）技術により半導体基板上に集積で
きる。

【００１５】図７、図８は本発明に関連する第１の参考
例に係る受光回路の等価回路図である。なお、図７、図
８に示した本参考例は、その動作原理はほぼ同様である
ので、代表して図７に示した参考例で説明を行う。

【００１６】本参考例の受光回路は、バイポーラトラン
ジスタ型受光素子であるフォトトランジスタ２１におい
て、エミッタ端子は直接接地され、ベース端子は、キャ
パシタ２３が受光回路の動作周波数ではショートになる
よう十分大きな値の容量値であるため、高周波的には所
定のインダクタンス値Ｌを有するインダクタ２２を介し
て接地されている。また、コレクタ端子は、トランジス
タ増幅回路２７の入力端子に接続されている。ここで、
フォトトランジスタ２１の入力容量をＣとすると、イン
ダクタ２２のインダクタンス値Ｌにより、トランジスタ
増幅回路２７を除く本受光回路の受光周波数特性は、図
９に示すように、

【００１７】

【数１】を満たす周波数ｆpeak近傍で、従来例である図１２に示
したベース端子を５０Ω終端したフォトトランジスタと
比較して、受光利得を増大できるうえ、ｆpeak近傍の受
光周波数特性の平坦化も図ることができる。従って、後
段に接続されるトランジスタ増幅回路２７に特別な等化
機能を必要とせず、広帯域設計された通常のトランジス
タ増幅回路を接続しても広帯域な受光回路を実現でき
る。従って、光受信装置の簡易化、広帯域化を容易に図
ることができる。また、図８に示した参考例において
は、インダクタ２２に代わり、等価インダクタンスＬを
有する伝送線路２９を使用しており、図７に示した参考
例と同様な機能が実現できる。なお、ここで示したトラ
ンジスタ増幅回路２７は、一つの例に過ぎず、多段その
他の回路構成を採ることができる。

【００１８】また、本参考例においては、受光素子およ
び増幅用トランジスタとしてバイポーラトランジスタを
使用しているが、増幅用トランジスタとして電界効果ト
ランジスタを用いても構わない。

【００１９】図１０は本発明に関連する第２の参考例に
係る受光回路に使用されるフォトトランジスタとトラン
ジスタ増幅回路のトランジスタの構造断面図であり、フ
ォトトランジスタとしてヘテロ接合バイポーラトランジ
スタ３１と全く同一の半導体層構成で、エミッタ電極導
体３１に受光用の窓を設けたヘテロ接合フォトトランジ
スタ３０を使用する参考例を示している。ヘテロ接合バ
イポーラトランジスタは、ベース層３５やコレクタ層３
４よりバンドギャップの広いエミッタ層３６で構成する
ことを特長とし、超高周波帯まで利得がある高性能なト
ランジスタであり、またそのベース層３５およびコレク
タ層３４は光吸収層としても利用できる素子である。例
えば半絶縁性基板３２にＧaＡsを使用し、エミッタ層３
６／ベース層３５をＡlＧaＡs／ＧaＡsで構成する素子
においては、光信号９として０．８μｍ帯などの短波長
を使用した場合、エミッタ層３６を透過させることがで
き、また、半絶縁性基板３２にＩnＰを使用し、エミッ
タ層３６／ベース層３５をＩnＰ／ＩnＧaＡsで構成する
素子においては、光信号９として１．３μｍや１．５５
μｍ帯などの長波長を使用した場合、同様にエミッタ層
３６を透過させることができるため、エミッタ電極導体
３７に受光用の窓を設けるだけで、光吸収層である、ベ
ース層３５／コレクタ層３４に光を導くことができる。
従って、トランジスタ製作プロセスのみを用いて受光素
子、能動素子を製作できることから、高性能なトランジ
スタをそのまま使用できるのみならず、受光回路の高歩
留り化も達成できる。また、キャパシタ、インダクタ、
伝送線路などの受動素子も含めた受光回路全体をモノリ
シックマイクロ波集積回路（ＭＭＩＣ）技術などにより
半導体基板上に一体集積できるため、第１の参考例の図
７に示した受光回路を半導体基板上に集積化できるた
め、個別素子をワイヤボンディングするハイブリッド構
成と比較して、高周波化、広帯域化を容易に図ることが
できるとともに、受光回路の超小型・無調整化・低コス
ト化も実現できる。

【００２０】図１１は実際に図７に示した回路をモノリ
シック集積回路の形態で実現した受光回路の周波数特性
の測定値である。比較のために図７に示したインダクタ
２２を除去し、フォトトランジスタ２１のベース端子を
５０Ω終端した受光回路および、従来例であるベース端
子を５０Ω終端した単体のフォトトランジスタの周波数
特性の測定値を示す。ベース回路にインダクタ２２を適
用した回路の優位性は明らかであり、３dＢ帯域とし
て、８.５〜２０.５ＧＨzの超広帯域・超高周波動作が
実現できていることがわかる。

【００２１】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明に係る受光
回路によれば、フォトトランジスタにおいて、ベースま
たはゲート端子は、誘導性の素子および抵抗を介して高
周波接地され、前記誘導性の素子は、前記フォトトラン
ジスタのベース（またはゲート）／コレクタ接合容量お
よび寄生容量との間でピーキング効果を生じるインダク
タンス値を有し、前記抵抗は、前記フォトトランジスタ
のピーキング周波数近傍での光検出レベルを
Ｐ _ｐａａｋ、前記フォトトランジスタの利得をＡとする
時、Ａ×Ｒ＝Ｐ _ｐａａｋを満たす抵抗値Ｒを有している
ため、比較的周波数の低い領域では前記抵抗の抵抗値
が、周波数が高くなるにつれ前記インダクタのインダク
タンス値が、ベース端子またはゲート端子の負荷インピ
ーダンスを決定し、周波数が高くなるにつれ前記インダ
クタによるインピーダンスが増加し、前記インダクタと
該トランジスタの容量成分との間の共振周波数程度まで
検出信号レベルを増大でき、さらに該インダクタンス値
と抵抗値を所定の値に設定することにより、前記トラン
ジスタに照射される光信号により生じ、コレクタ端子よ
り出力される電気信号の帯域を大幅に拡大できる。

【００２２】さらに、該誘導性の素子および抵抗として
可変特性を有するものを使用し、インダクタンス値およ
び抵抗値を制御することにより、検出特性の利得および
帯域を制御できるため、伝送速度や伝送方式に適応した
汎用的な光受信装置の実現に寄与できる。

【００２３】従って、従来例であるベース端子を５０Ω
終端したトランジスタ受光素子と比較して、超高周波帯
で動作するトランジスタをなんら特別なプロセスを必要
とすることなしに受光素子をモノリシック集積化できる
利点は保ったまま、受光帯域を大幅に拡大でき、さらに
利得および帯域を可変にできるため、後段に接続される
増幅器など他のコンポーネントへの要求条件を大幅に緩
和でき、これらの機能をも含んだ超小型・低コストな広
帯域モノリシック光受信回路が容易に実現できる。従っ
て、当該トランジスタ受光回路は、１０Ｇb／ｓ程度以
上の超高速・広帯域光通信システムの小型化・低コスト
化に寄与することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例に係る受光回路の一つの
高周波等価回路図である。

【図２】本発明の第１の実施例に係る受光回路の他の高
周波等価回路図である。

【図３】第１の実施例による周波数と検出レベルの関係
を示す特性図である。

【図４】本発明の第２の実施例に係る受光回路の高周波
等価回路図である。

【図５】本発明の第２の実施例による周波数と検出レベ
ルの関係を示す特性図である。

【図６】コレクタ端子と負荷の間に整合回路を加えた受
光回路の高周波等価回路図である。

【図７】本発明に関連する第１の参考例に係る受光回路
の一つの高周波等価回路図である。

【図８】本発明に関連する第１の参考例に係る受光回路
の他の高周波等価回路図である。

【図９】本発明に関連する第１の参考例による周波数と
検出レベルの関係を示す特性図である。

【図１０】本発明に関連する第２の参考例に係る受光回
路に使用されるフォトトランジスタとトランジスタ増幅
回路のトランジスタの構造断面図である。

【図１１】本発明に関連する第１の参考例に係る図７に
示した回路をモノシリック集積回路で実現した受光回路
の周波数特性図である。

【図１２】従来例に係るトランジスタ受光回路の高周波
等価回路図である。

【図１３】従来例による周波数と検出レベルの関係を示
す特性図である。

【符号の説明】１…トランジスタ２…ベース端子３…コレクタ端子４…エミッタ端子５…インダクタ６，６a，６b…抵抗７…アース８…出力端子９…光信号１０…伝送線路１１…可変インダクタ１２…可変抵抗１３…整合抵抗２１…フォトトランジスタ２２…インダクタ２３…キャパシタ２５…トランジスタ２７…トランジスタ増幅回路２９…伝送線路３０…ヘテロ接合フォトトランジスタ３１…ヘテロ接合バイポーラトランジスタ３２…半絶縁性基板３３…サブコレクタ層３４…コレクタ層３５…ベース層３６…エミッタ層３７…エミッタ電極導体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩＨ０４Ｂ 10/14 10/26

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】フォトトランジスタを備えた受光回路にお
いて、前記フォトトランジスタのベースまたはゲート端
子を、誘導性の素子および抵抗を介して高周波接地し、前記誘導性の素子は、前記フォトトランジスタのベース
（またはゲート）／コレクタ接合容量および寄生容量と
の間でピーキング効果を生じるインダクタンス値を有
し、前記抵抗は、前記フォトトランジスタのピーキング周波
数近傍での光検出レベルをＰ _ｐａａｋ、前記フォトトラ
ンジスタの利得をＡとする時、Ａ×Ｒ＝Ｐ _ｐａａｋを満
たす抵抗値Ｒを有することを特徴とする受光回路。
【請求項２】請求項１に記載の受光回路において、前記
誘導性の素子のインダクタンス値と、前記抵抗の抵抗値
の少なくとも一方は可変にできることを特徴とする受光
回路。