JP3226621B2

JP3226621B2 - 光受信装置

Info

Publication number: JP3226621B2
Application number: JP24239192A
Authority: JP
Inventors: 英人古山
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1992-09-10
Filing date: 1992-09-10
Publication date: 2001-11-05
Anticipated expiration: 2016-11-05
Also published as: JPH0697404A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光受信装置に係り、特
に短距離伝送を目的としたディジタル光伝送用の光受信
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】光ファイバによる長距離・大容量光伝送
は、電気通信で実現困難な距離帯域積特性が得られるこ
とから、幹線系通信の重要技術として位置付けられてい
る。このような光伝送技術では、各装置，部品の性能，
長期信頼性が重視されるため、あらゆる技術を駆使して
性能の確保を行なっている。このため、その装置及び部
品は、一般的な電子部品やモジュールに比べて遥かに高
価であり、その技術応用は、非常に大規模なシステムの
極一部に限られている。

【０００３】また、光伝送は、電気伝送に比べ、耐電磁
障害性や広帯域性等に優れており、長距離・大容量の伝
送の他に、比較的低速（低容量）で短距離の応用にも用
いられている。例えば、工作機械の制御用配線やオーデ
ィオ機器のディジタル配線等がある。この場合、伝送速
度が比較的遅いことを考慮して送信、受信の装置構成を
単純化すると共に、材料、部品等の徹底した低価格化を
行なうことにより、一般的な電子部品と同等な価格帯を
実現しており、比較的広い技術応用が可能である。

【０００４】上述した長距離・大容量及び短距離・低容
量の光伝送性能の代表例としては、前者が１０Ｇｂｐｓ
・１００ｋｍ、後者が２０Ｍｂｐｓ・４ｋｍであり、価
格的には１００００倍以上の開きがある。このように、
現状の光伝送技術は、高性能或いは低価格の両極的な領
域が発達しており、性能で前者、価格で後者にそれぞれ
準じる領域があまり発達していない。

【０００５】この中間領域ともいえる領域は、情報処理
や画像処理、交換の分野等で重要であり、特に超高速コ
ンピュータや非同期信号転送方式の交換機等、高速情報
装置のボード間結線に要望が高まっている。このような
分野では、１Ｇｂｐｓ程度の伝送速度で比較的短距離の
性能で良いが、結線数が非常に多くなるため、価格の大
幅な低減が必要である。現状技術では、性能を満たす場
合には価格が、価格を満たす場合には性能が追従でき
ず、例えば、幹線系光伝送装置は、その装置構成の複雑
さから単なる量産効果では大幅な価格低減が期待できな
い。

【０００６】また、中間領域の情報装置では、上述した
ように、多数の結線が必要になるため、信号結線装置に
要する実装面積が極小化されている必要がある。即ち、
この種の情報装置では、装置内の高速信号結線が数百〜
数千本必要であり、場合に因り更にその数十倍の結線本
数が必要になる。このため、これらの光伝送技術では、
価格の低減だけでなく、装置構成の簡素化、つまり、使
用部品点数の低減を行なって装置の小型化を図る必要が
あり、その上で伝送の高速動作を確保していかなければ
ならない。勿論、使用部品の集積化、例えば、ＯＥＩＣ
（Opto-Electoronic IC ）等は、その目的に対する効果
が期待できるが、本質的に基本となる送信、受信セルが
簡素化されていることが望ましい。

【０００７】このような要望に対して有効な技術は、例
えば、特願昭６２−１６６９０７に開示されている。こ
れには、送信側で用いる高速発光源としての半導体レー
ザの駆動回路を根本的に簡略化する方法が記述されてお
り、半導体レーザの種類及び特性を考慮し、適切な動作
条件を設定することにより、光出力モニタ及びそれを用
いた出力安定化回路、所謂ＡＰＣ（ Automatic Power C
ontrol）回路を完全に省略できる技術が開示されてい
る。

【０００８】この技術によれば、高速発光源である半導
体レーザが、基本的に外部制御回路と独立に安定化さ
れ、単に信号／電流交換器をバッファーとして設けるこ
とで動作安定が確保される。この信号／電流交換器は、
簡単なトランジスタ回路で構成でき、電流レベルによっ
ては、１つの抵抗素子だけでも構成できる。

【０００９】光送信装置での発光動作は、高速発光源が
半導体レーザであるため、発光ダイオードのようにキャ
リア寿命時間で限定されることが無く、１Ｇｂｐｓ程度
の動作は、比較的容易に行なえる。

【００１０】しかしながら、光受信装置に関しては、こ
のような有力な技術が見当たらず、複雑な構成で高速動
作或いは比較的低速動作で簡略構成されるかのいずれか
が採用されている。１Ｇｂｐｓ程度で動作させるために
は、利得帯域積の大きな増幅器を用いる必要があり、比
較的複雑な構成の光受信装置が必要になる。以下、図面
を用いてこの具体的内容を説明する。

【００１１】図１５は、従来の光受信装置の回路構成を
示す図であり、図中、９１は受光素子としてのフォトダ
イオードであり、その出力側には負荷抵抗９２が接続さ
れている。フォトダイオード９１と負荷抵抗９２との間
には、プリアンプ（フロントエンドアンプ）９３，ポス
トアンプ９４，識別器９７が直列接続されている。ポス
トアンプ９４の出力側には、レベルディテクタ９５が接
続され、その出力はポストアンプ９４に入力されるよう
になっている。更に、ポストアンプ９４の出力側には、
クロック抽出回路９６が接続され、その出力は識別器９
７に入力されるようになっている。なお、フォトダイオ
ード１の出力は、送信側の電気／光変換効率と伝送路へ
の光結合効率、伝送路の伝達効率、受信側での光結合効
率と光／電気変換効率を含んでいる。

【００１２】光信号９０によるフォトダイオード９１の
出力電流は、負荷抵抗９２に流れて電圧信号に変換され
る。このとき、負荷抵抗９２の抵抗値が大きすぎると、
フォトダイオード９１の寄生容量により、高速応答が制
限されるため、抵抗値は比較的小さく設定される。この
ため、変換された電圧信号の振幅は、微小な場合が多
い。この微小振幅の電圧信号は、プリアンプ９３，ポス
トアンプ９４でアナログ状態で段階的に増幅され、場合
によっては、適性信号波形に漸近されるようにポストア
ンプ９４に波形等価増幅器（イコライザアンプ）を用い
て増幅される。そして、次段への入力信号が適性レベル
を保つように、増幅後の信号をレベルディテクタ９５で
モニタすると共に、ポストアンプ９４の増幅率を自動調
整（Automatic Gain Control）する。この後、識別器９
７によりポストアンプ９４の出力信号を“１”、“０”
のディジタル判定にかけ、ディジタル信号再生を行なう
が、この際、信号判定するタイミングを決めるためのク
ロック信号をクロック抽出回路９６により行なう。

【００１３】このような一連動作により、伝送路の切り
替えや温度変動による伝送レベルの変動を吸収すること
により、負荷抵抗９２により変換された電圧信号が微弱
な場合及び比較的大きな場合にも、安定してディジタル
信号再生を行なわせることができる。このような回路に
よれば、入力ダイナミックレンジとして、２０〜３０ｄ
Ｂが確保される。

【００１４】図１６は、従来の他の光受装置の回路構成
を示す図である。

【００１５】この光受装置では、図示の如く、負荷抵抗
９２ａとプリアンプ９３ａとを並列接続することによ
り、能動的な電流／電圧変換を行なう。所謂トランスイ
ンピーダンス型の受光回路を用いた例である。この光受
装置は、負荷抵抗９２ａによる電位変化がフォトダイオ
ード９１に帰還されないという特徴を有し、フォトダイ
オード９１にとって理想的な負荷特性、つまり、入力イ
ンピーダンスが非常に小さくなる。このため、入力信号
が比較的大きい場合にも、フォトダイオード９１の出力
の線形性が良くなる。

【００１６】図１５，図１６のように構成された従来の
光受信装置は、高速動作においても良好な受信特性を実
現できる。

【００１７】しかしながら、プリアンプ９３，ポストア
ンプ９４，レベルディテクタ９５，クロック抽出回路９
６，識別器９７は、複雑な回路で構成されるため、装置
全体としては複雑な構成になる。また、アナログ動作す
る部分の比率が高いため、受信特性は、利得調整，Ｓ／
Ｎ比によって大きく左右される。このため、高速動作を
維持しながら構成を単純化することが難しく、低価格化
や、小型化が困難であり、したがって、並列光伝送のよ
うな装置のアレイ化が難しかった。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】上述の如く、従来の光
受信装置は、構成が複雑で、アナログ動作する部分の比
率が高かった。このため、光受信装置の高速動作を維持
しながら構成を単純化するのが困難であるという問題が
あった。

【００１９】本発明は、上記事情を考慮してなされたも
ので、その目的とするところは、高速動作と装置の簡素
化とを両立した光受信装置を提供することにある。

【００２０】

【課題を解決するための手段】本発明の骨子は、光信号
を電気信号に変換する受光素子の負荷素子として順極性
のダイオードを用いることにある。

【００２１】即ち、上記の目的を達成するために、本発
明の光受信装置（請求項１）は、光信号を電気信号に変
換する受光素子と、この受光素子から出力される電気信
号に対して順方向となるように、前記受光素子の出力側
に接続されたダイオードと、このダイオードと前記受光
素子と間に設けられた出力端子とを備えたことを特徴と
する。

【００２２】また、本発明の他の光受信装置（請求項
２）は、光信号を電気信号に変換する受光素子と、抵抗
素子に並列に接続されると共に、前記受光素子から出力
される電気信号に対して順方向となるように、前記受光
素子の出力側に接続されたダイオードと、このダイオー
ドと前記受光素子との間に設けられた出力端子とを備え
たことを特徴とする。

【００２３】また、本発明の他の光受信装置（請求項
３）は、光信号を電気信号に変換する受光素子と、この
受光素子から出力される電気信号に対して順方向となる
ように、前記受光素子の出力側に接続されたダイオード
と、このダイオードと前記受光素子との間に設けられた
出力端子と、この出力端子の電圧と参照電圧とが印加さ
れ、これら電圧の差に応じて高電圧又は低電圧の電気信
号を出力する比較器とを備えたことを特徴とする。

【００２４】なお、前記ダイオードとして、ショットキ
ーバリア型ダイオードを用いることが望ましい。

【００２５】

【作用】本発明の光受信装置（請求項１）では、受光素
子の負荷素子として順極性のダイオードを用いている。
このため、受光素子の出力電流が大きく変化してもダイ
オードによる電圧降下の変化、つまり、出力端子の出力
信号の振幅の変化は小さく、それに加えて出力信号の振
幅も大きくなる。

【００２６】出力信号の振幅の変化が小さければ、次段
の回路は、狭い範囲の振幅に対応できれば良いので、次
段の回路の構成を簡素化できる。また、出力信号の振幅
が大きければ、増幅回路が不要になる。このため、従来
に比べて構成が簡単になり、アナログ動作する部分の比
率を小さくできるので、高速動作を維持しながらな光受
信装置の構成を簡略化できる。

【００２７】また、本発明の他の光受信装置（請求項
２）では、負荷素子として並列接続された順極性のダイ
オードと抵抗素子を用いている。このため、高速動作で
構成が簡単な光受信装置が得られ、それに加えて自己バ
イアス効果を抑制できるので、雑音に対するレベル余裕
を格段に向上することができる。

【００２８】また、本発明の他の光受信装置（請求項
３）では、出力端子の電圧と参照電圧とが印加され、こ
れら電圧の差に応じて高電圧又は低電圧の電気信号を出
力する比較器が設けられている。このため、高速動作で
構成が簡単な光受信装置が得られ、それに加えて初めか
らディジタル受信動作を行なわせることができる。

【００２９】また、前記ダイオードとして、ショットキ
ーバリア型ダイオードを用いれば、ダイオード内部の少
数キャリア蓄積効果による高速動作の低下を防止でき
る。

【００３０】

【実施例】以下、図面を参照しながら実施例を説明す
る。

【００３１】図１は、本発明の一実施例に係る光受信装
置の光入力部の回路構成を示している。

【００３２】図中、１は光信号３を電気信号に変換する
受光素子であるフォトダイオードである。このフォトダ
イオード１のカソードは、電源電位Ｖ_Bに繋がってい
る。また、フォトダイオード１のアノードとアースとの
間には、フォトダイオード１の出力電流Ｉ_Pを電圧に変
換するための順極性のダイオード２が設けられている。
このダイオード２は、ｐｎ接合型のダイオードでも良い
が、立上がり電圧の設定自由度が高く、時間的な応答特
性の優れた（ダイオード内部の少数キャリア蓄積効果に
よる高速動作の低下を排除できるため）ショットキーバ
リア型ダイオード（以下、ＳＢＤともいう）を用いるほ
うが望ましい。フォトダイオード１とダイオード２との
間の接続ノードには、出力端子４が設けられている。

【００３３】次に上記の如く構成された光入力部の静的
特性について、ダイオード２としてＳＢＤを用いた場合
について説明する。

【００３４】フォワードバイアスされたダイオード２の
素子電流Ｉ_Fは、次式のように表すことができる。

【００３５】Ｉ_F＝ＳＡ^*Ｔ²ＥＸＰ（−ｅφ_B／ｋＴ){ＥＸＰ（ｅＶ_F／ｎｋＴ）−１｝ …（１）ここで、Ｓは接合面積、Ａ^*はリチャードソン定数、Ｔ
は温度、ｅは電子の電荷、φ_Bは接合バリアの高さ、ｋ
はボルツマン定数、Ｖ_Fは接合電位差、ｎはダイオード
定数である。

【００３６】この式（１）を変形してＶ_Fの逆関数を求
めると次のようになる。

【００３７】Ｖ_F＝（ｎｋＴ／ｅ）・ｌｎ{(Ｉ_F／ＳＡ^*Ｔ²）ＥＸＰ（ｅφ_B／ｋＴ）＋１｝…（２）この（２）式は、素子電流Ｉ_Fに対して接合電位差Ｖ_F
が対数的に変化することを意味している。即ち、出力端
子４の出力電圧Ｖ_oは、フォトダイオード１の出力電流
Ｉ_Pに対して対数的に変化することになる。

【００３８】ここで、フォトダイオード１が十分にバイ
アスされていると仮定すると、光信号３のパワー（以
下、光入力パワーともいう）をＰ_IN、光信号３のフォト
ンエネルギーをｈν，フォトダイオード１の内部の吸収
係数をα、吸収層厚をＷとした場合の出力電流Ｉ_Pは、Ｉ_P＝（ｅ／ｈν）｛１−ＥＸＰ（−αＷ）｝Ｐ_IN …（３）と表せる。

【００３９】ここで、例として、ＩｎＰに格子整合する
ＧａＩｎＡｓを吸収層とすると、波長１．３μｍのとき
のαは約１００００ｃｍ^-2となり、Ｗを３μｍとすると
次のような近似的な関係式が得られる。

【００４０】Ｉ_P〜０．９９６Ｐ_IN …（４）したがって、このときの出力電圧Ｖ_oは次のようにな
る。

【００４１】Ｖ_o＝（ｎｋＴ／ｅ）・ｌｎ{(０．９９６Ｐ_IN／ＳＡ^*Ｔ²）ＥＸＰ（ｅφ_B／ｋＴ）＋１｝ …（５）図２に、ＳＢＤとして、ｎ型ＩｎＰ上のＡｕによる素子
を用いた場合の光入力パワーＰ_INと出力電圧Ｖ_oとの関
係を示す。なお、ＳＢＤの接合径は１０μｍφである。
また、負荷抵抗として２３．５ｋΩの抵抗体を用いた従
来の光入力部の光入力パワーと出力電圧との関係も２点
鎖線で示してある。

【００４２】この図から、本実施例の場合、光入力パワ
ーＰ_INが０μＷ、２μＷ、２０μＷと変化すると、出力
電圧Ｖ_oが０Ｖ、０．４７Ｖ、０．５６Ｖと変化し、光
入力パワーＰ_INが１０倍変化しても、出力電圧Ｖ_oの変
化は２０％以下であることが分かる。

【００４３】一方、従来の光入力部の場合、光入力パワ
ーが０μＷ、２μＷ、２０μＷと変化すると、出力電圧
が０Ｖ、０．０５６Ｖ、０．５６Ｖと変化し、光入力パ
ワーが１０倍変化すると、出力電圧が約１０倍も変化す
る。

【００４４】このため、従来の光入力部を用いた場合に
は、次段の増幅器として、広い範囲の入力電圧にわたっ
て所定レベルまで増幅できるアナログ的な増幅回路を用
いる必要があるので、増幅回路の複雑化や動作速度の遅
延化が免れない。

【００４５】一方、本実施例の光入力部を用いた場合に
は、増幅する入力電圧の範囲が狭くて済み、しかも、入
力電圧が大きいので、簡単な構成の増幅回路を用いるこ
とができ、高速動作を維持しつつ、装置の簡略化が図れ
る。例えば、次段の増幅回路の適性入力電圧範囲が０．
５^±0.1Ｖであると仮定すると、少なくとも光入力パワ
ーが１〜１００μＷの範囲で固定利得の増幅回路が使用
できる。この値は、図１５の従来の光受信装置のＡＧＣ
のダイナミックレンジ２０ｄＢに相当する。

【００４６】このように、本実施例によれば、非常に単
純な構成でありながら、高速動作を維持しつつ、複雑な
構成のＡＧＣ回路と同等の機能を実現することができ
る。

【００４７】また、基本構成の簡略化により、装置のア
レイ化や、装置の生産コストの低減や、装置のサイズの
小型化を実現できる。しかも、アナログ的な増幅器が省
略されるため、消費電力が格段に低下し、回路の設計が
容易で装置毎の調整が殆ど不要になる。このような特徴
があるため、本実施例の光受信装置は、伝送距離が比較
的短い、高速情報装置用の光伝送装置として用いること
ができる。

【００４８】なお、実際の回路接続においては、例え
ば、ＦＥＴ等の素子をバッファー素子に用い、適度な直
流バイアスシフトを与えて各種論理回路レベルに適合さ
せれば良い。

【００４９】以上の説明では、理想的なフォトダイオー
ド１を仮定して説明してきたが、実際には無入力状態で
の出力電流（暗電流Ｉ_D）があるため、この影響を考慮
する必要がある。この暗電流の値としては、前述したＧ
ａＩｎＡｓ／ＩｎＰ系の接合径５０μｍφのもので約１
ｎＡ程度の値であるが、この値は温度変動で大きく変化
する。暗電流Ｉ_Dと温度Ｔとの関係を式で表すと、Ｉ_D＝Ｉ_DOＥＸＰ（−ｅＥ_G／ｋＴ） …（６）となる。なお、Ｅ_Gはフォトダイオードのエネルギーギ
ャップである。

【００５０】この式（６）から暗電流Ｉ_Dは、温度に対
して指数関数的に変化することが分かる。

【００５１】本発明はダイオードの非線形特性を利用し
ているため、わずかな暗電流Ｉ_Dも出力電圧Ｖ₀に寄与
しやすい特性がある。このため、“０”レベルの出力電
圧変化（暗電流ドリフト）が指数関数的に起こることが
憶測される。しかしながら、実際には、特別に設計上の
考慮を行なわずとも、暗電流ドリフトが自動的に抑制さ
れる。これは次のように説明される。

【００５２】“０”レベルの出力電圧Ｖ_Dは、（２）式
の出力電流Ｉ_Pに、（６）の暗電流Ｉ_Dを代入し、接合
電位差Ｖ_Fを出力電圧Ｖ_Dとかきかえることで、Ｖ_D〜（ｎｋＴ／ｅ）ｌｎ［（Ｉ_DO／ＳＡ^*Ｔ²）・ＥＸＰ｛ｅ（φ_B−Ｅ_G）／ｋＴ｝＋１］ …（７）と近似的に表される。

【００５３】この（７）式は、“０”レベルの出力電圧
Ｖ_Dが、温度変化に対して、ほぼ比例して変化すること
を表しており、また、近似的に展開してみると、ｎ（φ
_B−Ｅ_G）に相当するオフセット電圧があることが分か
る。

【００５４】この様子を図３に示す。上述したフォトダ
イオード１の場合、暗電流Ｉ_Dは、−２０℃で４ｐＡ、
８０℃で７０ｎＡとなり、約２００００倍の変化をする
が、この図から分かるように、零入力電圧Ｖ_Dが０．２
Ｖから０．３Ｖ程度と１．５倍程度変化するにすぎな
い。

【００５５】したがって、零入力電圧は温度変化に対し
て比較的安定であるので、フォトダイオード１の暗電流
Ｉ_Dや、素子パラメータ（φ_B，Ｅ_G）に応じた零レベ
ルシフトバイアス又はディジタルしきい値を設定してお
けば実用上の問題はない。

【００５６】図４に、図１に示した光入力部の具体的な
素子構造の一例を示す。

【００５７】図中、１１はｎ型ＩｎＰ半導体基板であ
り、この表面上にｎ型ＩｎＰバッファー層１２，ＧａＩ
ｎＡｓ光吸収層１３，ｎ型ＩｎＰウィンドウ層１４が順
次設けられている。ｎ型ＩｎＰウィンドウ層１４からＧ
ａＩｎＡｓ光吸収層１３の表面にかけてはＺｎ拡散領域
（ｐ形化されたＩｎＰウィンドウ層１４）１６が形成さ
れている。

【００５８】このＺｎ拡散領域１６の表面には、ショッ
トキー電極１７，信号を取り出すためのオーミック接触
する出力電極１８が設けられている。ショットキー電極
１７としては、例えば、ＴｉがＺｎ拡散領域１６に接触
するＡｕ／Ｐｔ／Ｔｉ積層電極を用い、出力電極１８と
しては、例えば、ＺｎがＺｎ拡散領域１６に接触するＡ
ｕ／Ｐｔ／Ｔｉ／Ｚｎ積層電極を用いれば良い。

【００５９】ショットキー電極１７，出力電極１８が設
けられていないｎ型ＩｎＰウィンドウ層１４，Ｚｎ拡散
領域１６の表面は、窒化シリコン膜等からなるパッシベ
ーション誘電膜１５で被覆されている。

【００６０】一方、ｎ型ＩｎＰ半導体基板１１の裏面に
は、光信号３を導入するための低反射コート膜１９，ｎ
型オーミック電極２０が設けられている。低反射コート
膜１９としては、例えば、窒化シリコン膜を用い、ｎ型
オーミック電極２０としては、例えば、ＡｕＧｅ電極を
用いれば良い。

【００６１】このように構成された素子において、ショ
ットキー電極１７をアース電位、ｎ型オーミック電極２
０を電源電位Ｖ_B（正極バイアス）に接続すると、出力
電極１８とｎ型オーミック電極２０との間でフォトダイ
オードが形成され、ショットキー電極１７と出力電極１
８との間でＳＢＤが形成され、出力端子４としての出力
電極１８から出力電圧Ｖ₀を取り出せる。

【００６２】本実施例の光入力部は、単純な構成である
ため、通常のフォトダイオード内にＳＢＤを作り付ける
ことにより、容易に集積化することができる。

【００６３】なお、図１の光入力部では、ＳＢＤの半導
体としてｎ型ＩｎＰを用いているが、ここでは、ＳＢＤ
の半導体としてｐ型ＩｎＰを用いた例を示した。これは
構成の簡便さを考慮したものであって、ＳＢＤの半導体
としてｎ型ＩｎＰを用いても良い。ｎ型，ｐ型の半導体
の違いは、金属側の極性と、（１）式のφ_Bに現れ、φ
_BによりＳＢＤの出力電圧のレベルが変化する。逆に、
これを利用して出力極性や，ｐ型，ｎ型の半導体の不純
物濃度や，金属の種類を変えることにより、出力電圧レ
ベルを論理回路に合わせることが可能である。

【００６４】このような素子を用い、直接デジタル光受
信を行なう光入力部の回路構成を図５に示す。図中、鎖
線内のフォトダイオード１，負荷抵抗用のダイオード２
は、図４で示したような素子集積化が行なわれているこ
とを表している。また、６は比較器であり、この比較器
６は、参照電圧源４からの参照電圧と出力端子４の出力
電圧とを比較し、“０”，“１”のいずれかのディジタ
ル信号を出力する。

【００６５】このとき、出力端子４の出力電圧が、例え
ば、図３のような特性を持つとすれば、参照電圧源５の
参照電圧を０．３５Ｖに設定しておけば、零入力の影響
を除去でき、−２０℃から８０℃までの範囲で１〜１０
０μＷの信号を受信することができる。しかも、このと
きのしきい不確定幅は最小で５０ｍＶ以上確保でき、耐
雑音性も比較的問題ない。

【００６６】このように、テジタル光受信装置内のアナ
ログ回路部分を極力省略し、光信号３が微弱な信号であ
っても、基本的に光信号３はディジタル信号であるの
で、光信号３を電気信号に変換するフォトダイオード１
の負荷素子として順極性のダイオード２を用い、ダイオ
ード２の電流−電圧特性の非線形特性を利用することに
より、初めからディジタル受信動作を行なわせることが
できる。

【００６７】次に図１の光入力部の動的特性について説
明する。光入力部の動的特性は、負荷抵抗としてのダイ
オード２（ここでは、ＳＢＤ）の電流／電圧特性だけで
なく、ＳＢＤの接合容量と微分抵抗、フォトダイオード
１の寄生容量を加味した周波数軸応答又は時間軸応答を
考慮する必要がある。

【００６８】比較的信号振幅が小さい場合は、直流電流
レベルを固定して各パラメータを等価線形素子近似する
ことができ、周波数軸上で応答限界を考えることができ
る。ここで、信号電流の直流成分をＩ_PO、そのときの出
力電圧をＶ_oとすると、接合容量Ｃ_S、微分抵抗Ｒ_Sは
次のようになる。

【００６９】Ｃ_S（Ｖ_o）＝Ｓ｛Ｃ_S（０）^-1/2−ａＶ_o｝^-1/2 …（８）Ｒ_S（Ｉ_PO）＝ｎｋＴ／ｅ［Ｉ_P＋ＳＡ^*Ｔ²ＥＸＰ（−ｅφ_B／ｋＴ）］ …（９）なお、（８）式中、ａは接合容量の電圧依存を表す係数
である。

【００７０】フォトダイオード寄生容量をＣ_Pとする
と、信号振幅の小さい場合の応答限界周波数ｆ_Cは、接
合容量Ｃ_S、微分抵抗Ｒ_Sを用いて次のように表され
る。

【００７１】ｆ_C＝１／［２π｛Ｃ_P＋Ｃ_S（Ｖ_o）｝Ｒ_S（Ｉ_PO）］ …（10）ここで、Ｖ_oがＩ_POにより決まることを考えると、ｆ_C
はＩ_POで決定されることが分かる。

【００７２】（８）〜（10）式によれば、信号が大きい
ほど高速応答が可能であり、逆に小さいと応答限界が低
下する。このことは比較的大きなパルス信号応答を考え
た場合に、信号の立上がり（電流大）は急峻であるが、
立下がり部分（電流小）でパルスの裾をひきやすいこと
を意味している。

【００７３】図６に、前述したフォトダイオード及びＳ
ＢＤを用いた場合の時間応答特性を示す。ここでは，１
０Ｍｂｐｓの光クロックパルスを入力した場合の特性を
示している。

【００７４】図６から分かるように，パルスの立上がり
はかなり速いが、立下がり部分が出力が低下するほど裾
を引くようになる。また，これにより前のパルスの裾が
次のパルスに届くようになり、連続動作中に零入力レベ
ルの自己バイアス効果が生じるようになる。

【００７５】しかしながら，図１の光入力部の代わり
に、図５の光入力部を用いることで、このような自己バ
イアス効果の影響を除去できる。

【００７６】即ち、図５の光入力部の参照電圧源５の参
照電圧を、自己バイアス以上に設定すれば、自己バイア
ス効果の影響を除去でき、例えば、参照電圧を０．４Ｖ
に設定しておくことで、１００Ｍｂｐｓ以上のディジタ
ル受信が可能である。また、光入力パワーの最小値を１
０μＷ以上とした場合、参照電圧を０．４５Ｖに設定し
ておくことで、５００Ｍｂｐｓ以上のディジタル受信が
可能である。

【００７７】このように、図５の光入力部によれば、そ
の構成が非常に簡略化されたにも係わらず、アナログ増
幅器や、ＡＧＣ回路や、クロック抽出回路等を用いず
に、図１５の従来のハイインピーダンス型の光入力部と
同様に、ディジタル光信号の受信が可能である。このよ
うな光入力部は、装置部品の集積化による小形化や低価
格化が容易である等、アレイ化光伝送装置の構築に有効
であり、これにより、光伝送の２次元アレイ化等も可能
になり、電気的接続では難しい装置内の大容量高速信号
バス等の実現が可能になる。

【００７８】図７は、本発明の他の実施例に係る光受信
装置の光入力部の回路構成を示している。なお、図５の
光入力部と対応する部分には図５と同一符号を付してあ
り、詳細な説明は省略する。

【００７９】この光入力部は、図１６の従来のトランス
インピーダンス型の光入力部に対応し、図５のそれと異
なる点は、フォトダイオード１の負荷として、並列接続
されたダイオード２とオペアンプ７とを用いたことにあ
る。なお、図中、８はオペアンプ７の出力抵抗である。

【００８０】ここで、オペアンプ７の電圧増幅率を−Ａ
_v（反転出力）とすると、出力抵抗７に印加される電圧
Ｖ_OPは次のようになる。

【００８１】Ｖ_OP＝Ｖ_o／（１＋１／Ａ_v）＝（ｎｋＴ／ｅ）ｌｎ{(Ｉ_F／ＳＡ^*Ｔ²）ＥＸＰ（ｅφ_B／ｋＴ）＋１｝／（１＋１／Ａ_v） …（11）（11）式からＡ_vが十分大きい場合、電圧Ｖ_OPは、
（２）式の接合電位差Ｖ_Fと同じになり、本実施例の光
入力部の出力特性は、図１の光入力部のそれとほぼ等し
くなる。このことは、トランスインピーダンス特性が自
動可変利得となることを意味している。

【００８２】即ち、本実施例のオペアンプ７は、自動可
変利得トランスインピーダンスアンプとして機能し、更
に、回路的に入力インピーダンスが非常に低くなるた
め、フォトダイオード１にとって理想的な負荷特性を持
つ。

【００８３】したがって、本実施例の光入力部は、図１
６の従来例のトランスインピーダンス型の光入力部と同
様な利点を持つ他、ＡＧＣ回路なしで受信ダイナミック
レンジを大きくできる特徴がある。

【００８４】図８は、本発明の他の実施例に係る光受信
装置の光入力部の回路構成を示している。なお、図１の
光入力部と対応する部分には図１と同一符号を付してあ
り、詳細な説明は省略する。

【００８５】図中、９はダイオード２（ＳＢＤ）と並列
接続されたパス抵抗であり、零入力状態や迷光入力状態
での出力をなくし、パルス立ち下がりでの自己バイアス
効果を抑制するための抵抗である。

【００８６】このように構成された光入力部の負荷に流
れる出力電流Ｉ_Pは、パス抵抗９の抵抗値をＲ_Pとして
次式のように表される。

【００８７】Ｉ_P＝ＳＡ^*Ｔ²ＥＸＰ（−ｅφ_B／ｋＴ）・｛ＥＸＰ（ｅＶ_o／ｎｋＴ）−１｝＋Ｖ_o／Ｒ_P …（12）（12）式は超越方程式であるため解析的表現ができない
が、図１の光入力部で説明したＳＢＤを用いた結果（光
入力パワー−出力電圧特性）を図９に示す。この図か
ら、低光入力パワー側では、パス抵抗７によって光入力
パワー・出力電圧特性が支配され、一方、高光入力パワ
ー側は、ＳＢＤにより光入力パワー・出力電圧特性が支
配されることが分かる。

【００８８】また、パス抵抗９の抵抗値Ｒ_Pにより、出
力電圧と光入力パワーとの関係が線形から非線形に変わ
る光入力パワー（非線形しきい値）が異なることが分か
り、使用される光信号の入力レベルによってこの値を調
整できる。

【００８９】例として、Ｒ_P＝１００ｋΩの場合の時間
応答特性を図１０に示す。この場合の非線形しきい値
は、図９より１０μＷ付近であることが分かるが、図１
０より光入力パワーが１０μＷの上下で明らかに出力電
圧の変わることが分かる。

【００９０】即ち、光入力パワーが１０μＷまでは入出
力特性が線形的であり、光入力パワーに比例した出力電
圧が得られるが、それ以上の光入力パワーでは図１の場
合と同様な出力電圧となる。

【００９１】このとき、光入力パワーが１μＷから１０
μＷの範囲に入ると“１”，“０”を判定するための信
号が不確定値をとり易いが、送信側の出力がディジタル
出力であること、光伝送距離が比較的短いため送信レベ
ル，受信レベルの設定が行ない易いこと等を考慮する
と、送信側で不確定値とならないレベルの信号を送信し
て、最小入力レベルの規定を確実に行なえば何等問題の
生じるものではない。

【００９２】また、本実施例によれば、参照電圧を０．
４Ｖ、光入力パワーを１０μＷ以上に設定することで、
５００Ｍｂｐｓ以上の動作が可能となり、しかも、この
設定では、図６に見られるような零入力出力や、自己バ
イアス効果がないので、耐雑音、即ち、雑音に対するレ
ベル余裕を格段に向上することができる。

【００９３】更に、光入力パワーが５０μＷ以上でパス
抵抗９の抵抗値Ｒ_Pを２０ｋΩとするか、或いはＳＢＤ
の接合面積を５μｍφ以下とすることで１Ｇｂｐｓより
かなり高速の領域まで動作させることができる。

【００９４】かくして本実施例によれば、光信号３電気
信号に変換する受光素子の負荷として、順極性のダイオ
ード２とパス抵抗７とを並列接続したものを用いること
により、雑音増加や動作点の自己バイアスを抑制できる
光入力部が得られる。

【００９５】図１１は、本発明の他の実施例に係る光受
信装置の光入力部の回路構成を示す図である。

【００９６】図中、３２は光入力パワーによる出力電流
Ｉ_Pと同程度の出力電流Ｉ_Cを出力する定電流源、３１
はフォトダイオード１をバイアスするためのレベルシフ
トダイオードアレイであり、このレベルシフトダイオー
ドアレイ３１はＳＢＤで構成しても構わない。また、３
４はＦＥＴ能動層，３５はＦＥＴバッファ層を示してい
る。

【００９７】この光入力部では、光信号３の入力がない
ときには、（２）式のＩ_Fの代わりにＩ_Cを代入しただ
けの出力電圧が現れ、光信号１の入力があるときには、
（２）式のＩ_Fの代わりにＩ_C−Ｉ_Pを代入しただけの
出力電圧が現れる。

【００９８】即ち、光信号３の入力に対して逆の論理で
出力が得られ、次のような特徴がある。第１の特徴は、
フォトダイオードの暗電流成分は、定電流源３２の出力
電流Ｉ_Cより遥かに小さいため、出力電圧には殆ど影響
せず、温度変動による零入力ドリフトがないこと、第２
の特徴は、出力レベルが電圧で“Ｈ”側にクランプされ
ており、雑音電流等が零入力時の値に現れ難いため、し
きい電圧を“Ｈ”（電流大）側に設定でき、耐雑音性と
高速動作性とが高められること等である。

【００９９】図１２に、図１１の光入力部の定電流源３
２を具体化した回路構成を示す。

【０１００】定電流源３２は、ドレインとゲートが短絡
され、ドレインが電源電位Ｖ_Bに繋がった定バイアスの
ＦＥＴ３３で構成され、ＦＥＴ３３として、ノーマリオ
フ型でチャネル幅を狭くして飽和電流のレベルを出力電
流Ｉ_P程度に小さくしたものを用いる。

【０１０１】図１３に、光入力パワーＰ_INが１μＷ，出
力電流Ｉ_Cが１μＡの場合の図１２の光入力部の動作特
性（時間−出力電圧）を示す。出力電圧のレベルは、Ｓ
ＢＤを多段化することで大きくでき、また、上述した他
の光入力部を組み合わせることも可能である。

【０１０２】なお、本実施例でも、先の実施例と同様に
集積化が可能である。例えば、図１４（ａ）に示すよう
に、まず、高抵抗性又は反導電性の半導体基板１１ａ
に、ｎ型ＩｎＰバッファー層１２，ＧａＩｎＡｓ光吸収
層１３，ｎ型ＩｎＰウィンドウ層１４を形成し、全面を
エッチングして半導体基板１１ａ中にフォトダイオード
を埋込み形成した後、図４（ｂ）に示すように、露出し
た基板表面にＦＥＴ（定電流源）３２、ＳＢＤ（ダイオ
ード）２，ＳＢＤ（レベルシフトダイオード）３１を形
成すれば良い。このときのＦＥＴ３２をＭＥＳ（ Metal
Semiconductor）型にすると，ショットキー電極１７と
ゲート電極とを同時に形成できる。

【０１０３】なお、本発明は上述した実施例に限定され
るものではない。例えば、上記実施例の素子の材料系や
構造を変えても同様な効果が得られる。その他、本発明
の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施できる。

【０１０４】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、光
信号を電気信号に変換する受光素子の負荷素子として順
極性のダイオードを用いることにより、アナログ動作す
る部分の比率を小さくでき、高速動作で構成が簡単な光
受信装置が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る光受信装置の光入力部
の回路構成を示す図。

【図２】光入力パワーと出力電圧との関係を示す特性
図。

【図３】温度と出力電圧との関係を示す特性図。

【図４】図１の光入力部の具体的な素子構造を示す図。

【図５】直接ディジタル光受信を行なえる光入力部の回
路構成を示す図。

【図６】時間と出力電圧との関係を示す特性図。

【図７】本発明の他の実施例に係る光受信装置の光入力
部の回路構成を示す図。

【図８】本発明の他の実施例に係る光受信装置の光入力
部の回路構成を示す図。

【図９】光入力パワーと出力電圧との関係を示す特性
図。

【図１０】時間と出力電圧との関係を示す特性図。

【図１１】本発明の他の実施例に係る光受信装置の光入
力部の回路構成を示す図。

【図１２】図１１の光入力部の定電流源を具体化した回
路構成を示す図。

【図１３】時間と出力電圧との関係を示す特性図。

【図１４】光入力部の集積化を説明するための図。

【図１５】従来の光受信装置の回路構成を示す図。

【図１６】従来の光受信装置の回路構成を示す図。

【符号の説明】

１…フォトダイオード、２…ダイオード、３…光信号、
４…出力端子、５…参照電圧源、６…比較器、７…オペ
アンプ、８…出力抵抗、９…パス抵抗、１１…ｎ型Ｉｎ
Ｐ半導体基板、１２…ｎ型ＩｎＰバッファー層、１３…
ＧａＩｎＡｓ光吸収層、１４…ｎ型ＩｎＰウィンドウ
層、１５…パッシベーション誘電膜、１６…Ｚｎ拡散領
域、１７…ショットキー電極、１８…出力電極、１９…
低反射コート膜、２０…ｎ型オーミック電極、３１…レ
ベルシフトダイオードアレイ、３２…定電流源、３３…
ＦＥＴ、３４…ＦＥＴ能動層、３５…ＦＥＴバッファ
層。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩＨ０４Ｂ 10/26 10/28 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 27/14 H01L 31/10 H04B 10/04 H04B 10/06 H04B 10/14 H04B 10/26 H04B 10/28

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】光信号を電気信号に変換する受光素子と、抵抗素子に並列に接続されると共に、前記受光素子から
出力される電気信号に対して順方向となるように、前記
受光素子の出力側に接続されたダイオードと、このダイオードと前記受光素子との間に設けられた出力
端子とを具備してなることを特徴とする光受信装置。
【請求項２】光信号を電気信号に変換する受光素子と、この受光素子から出力される電気信号に対して順方向と
なるように、前記受光素子の出力側に接続されたダイオ
ードと、このダイオードと前記受光素子との間に設けられた出力
端子と、この出力端子の電圧と参照電圧とが印加され、これら電
圧の差に応じて高電圧又は低電圧の電気信号を出力する
比較器とを具備してなることを特徴とする光受信装置。
【請求項３】前記ダイオードは、ショットキーバリア型
ダイオードであることを特徴とする請求項１または請求
項２に記載の光受信装置。