JP3668926B2 - 光インタコネクション受信モジュール - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信システムに用いられ光信号を電気信号に変換、増幅し識別する光インタコネクション受信モジュールに関し、特に複数のチャネル信号を扱う光電変換回路およびそれを含む光インタコネクション受信モジュールにおける他チャネルのアンプからのクロストークノイズの影響を防止する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、光通信システムにおいては、図１に示すように、送信側装置ではレーザダイオードアレイ１２０等を有する送信モジュール１００によって送信したい情報を電気信号から光信号に変換して光ファイバーアレイ２００を介して受信側装置へ送信し、受信側装置ではフォトダイオードアレイ３２０等を有するインタコネクション受信モジュール３００で受信した光信号を電気信号に変換してマイクロコンピュータシステムのインタフェース回路等へ渡すようにしている。
【０００３】
図９には、受信モジュール３００の受信用ＩＣ（半導体集積回路）の入力端子側に設けられる入力識別回路ＩＤＣの基本的な構成例が示されている。同図に示されている入力識別回路では、フォトダイオード３２１で光信号から変換された電気信号がプリアンプ３３１において増幅されてコンパレータ３３２へ供給され、参照電圧Ｖｒｅｆと比較されて“０”，“１”が識別される。そして、上記参照電圧Ｖｒｅｆを生成する回路としてプリアンプ３３１と同一回路形式のアンプ３３３が用いられており、これによって電源雑音に対する耐性が高くなるようにされる。
【０００４】
これは、参照電圧Ｖｒｅｆを生成する参照用アンプ３３３がプリアンプ３３１と同一回路形式であると、電源電圧Ｖｃｃに雑音がのってその影響でプリアンプ３３１の出力にノイズが現れたとしても電源電圧Ｖｃｃを共通にする参照用アンプ３３３の出力にも同様なノイズが現れるため、コンパレータ３３２の２つの入力の相対的な関係は変わらないつまり同相のノイズとなるのでコンパレータ３３２の出力には電源電圧の雑音による影響が現れないようになるからである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図９の回路においては、プリアンプ３３１の入力端子にはフォトダイオード３２１が接続されているのに対し、参照用アンプ３３３の入力端子にはフォトダイオード３２１が接続されていないので、完全に対象な回路になっておらず、プリアンプ３３１の入力端子と電源電圧端子Ｖｃｃとの間には容量が接続され、参照用プリアンプ３３３の入力端子には容量が接続されていないのと等価である。そのため、プリアンプ３３１の入力端子にはフォトダイオード３２１を通して電源雑音が入って来るのに対し、参照用プリアンプ３３３の入力端子にはそのような電源雑音が入って来ない。つまり、交流的には、電源雑音に対するプリアンプ３３１と参照用アンプ３３３の入力周波数応答特性が、図１０（Ａ）のように異なることとなり、他チャネルの入力識別回路からのクロストークノイズに対する応答がプリアンプ３３１と参照用アンプ３３３とで異なってしまう。その結果、クロストークノイズが大きくなると、プリアンプ３３１に入ったノイズでプリアンプの出力が参照用アンプ３３３からの参照電圧Ｖｒｅｆを超えてしまい、コンパレータ３３２が誤って識別を行なうおそれがある。
【０００６】
特に、複数チャネルの信号を受信するモジュールにおいては、フォトダイオードに数μＡの電流を流す小さな入力信号から数ｍＡの電流を流す大きな入力信号まで広い範囲に対応できるような受信用半導体集積回路が望まれるが、大きな信号が入ってくるチャネルでは、電源端子とフォトダイオードとを接続するボンディングワイヤに数ｍＡの電流が流れるため、ワイヤのインダクタンス成分により電源電圧に比較的大きなノイズが発生する。そして、このノイズが電源ラインを通して、数μＡの電流しか流れないチャネルのプリアンプと参照用アンプに入ってくるような場合にも正確な識別が行なえるように回路を設計してやる必要がある。
【０００７】
なお、光電変換用モジュールにおいて、ダミーアンプ（参照用アンプ）の入力端子と電源電圧端子との間にフォトダイオードと等価な容量を接続して、温度や電源変動に基づくノイズによる影響をプリアンプ側とダミーアンプ側とで相殺させるようにした発明が提案されている（特開平８‐１３９３４２号公報）。しかし、この先願発明は、ノイズの相殺という点では本発明に類似するものの、多チャネルの信号を受信するモジュールを考慮したものでなく、数ｍＡという大きな電流が流れるチャネルから数μＡという小さな電流しか流れないチャネルへのクロストークノイズによる影響の防止という点では充分なものでなかった。また、上記先願発明においては、ダミーアンプの入力端子に接続する等価容量としてディスクリートのコンデンサを用いているため、モジュールが大型化してしまうという欠点がある。特に、多チャネル化されたモジュールでは製品として致命的な大きさになってしまうおそれがある。
【０００８】
この発明の目的は、他チャネルの入力信号により発生するクロストークノイズによる影響をプリアンプ側と参照用アンプ側とで相殺させて、入力信号の正確な識別を行なうことができる光インタコネクション受信モジュールを提供することにある。
【０００９】
この発明の他の目的は、他チャネルの入力信号により発生するクロストークノイズによる影響をプリアンプ側と参照用アンプ側とで相殺させるために用いる容量素子や電源電圧安定化のためのバイパスコンデンサの好適なデバイス構造を提供し、光インタコネクション受信モジュールの小型化を図ることにある。
【００１０】
この発明の前記ならびにそのほかの目的と新規な特徴については、本明細書の記述および添附図面から明らかになるであろう。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本願において開示される発明のうち代表的なものの概要を説明すれば、下記のとおりである。
【００１２】
すなわち、複数チャネルの光信号をそれぞれ受信して電気信号に変換する複数のフォトダイオードからなるフォトダイオードアレイと、フォトダイオードアレイで光信号から変換された電気信号を各チャネルごとに増幅するプリアンプと、増幅された受信信号を識別するコンパレータと、上記プリアンプと同一形式の回路からなり上記コンパレータに供給される参照電圧を発生する参照用アンプとを備えた光インタコネクション受信モジュールにおいて、少なくとも上記プリアンプとコンパレータと参照用アンプは１つの半導体チップ上に形成し、当該半導体チップ上に上記フォトダイオードと等価な容量素子を複数個形成し該等価容量素子を上記参照用アンプの入力端子と電源電圧端子との間にそれぞれ接続するようにしたものである。
【００１３】
上記した手段によれば、他チャネルの入力信号により発生するクロストークノイズがフォトダイオードを介してプリアンプに入ってきてもそれと同じ大きさのノイズが参照用アンプに入ってくる為コンパレータの入力としては同相のノイズとなり、プリアンプ側と参照用アンプ側とで相殺され、プリアンプで増幅された受信信号の正確な識別が行なうことができる。また、参照用アンプの入力端子に接続される等価容量素子が、プリアンプとコンパレータと参照用アンプが形成された半導体チップ上に形成されているため、モジュールを小型化することができる。
【００１４】
より具体的には、多層配線技術を用いて、プリアンプとコンパレータと参照用アンプを含む受信用回路が形成された半導体チップの信号入力パッドが形成される位置よりも外側のチップ縁部に沿って第１の配線層で電源ラインを形成し、この電源ラインの一部に参照用アンプの入力端子側へ延長された冗長部を設け、参照用アンプの入力端子に接続され上記第１の配線層よりも上層の第２の配線層からなるダミーのパッドを上記冗長部と絶縁膜を介して対向するように形成して、上記等価容量素子を構成するようにしたものである。これによって、参照用アンプの入力端子に接続される等価容量素子として外付けのコンデンサを用いる場合に比べてモジュールをコンパクトに構成することができ、しかも限られたチップのスペースを有効に利用するためチップサイズがあまり増大せず、特に多チャネルの光信号を受信するモジュールに適用した場合にモジュールの小型化を図る上で極めて有効な手段となる。
【００１５】
さらに、この発明においては、プリアンプとコンパレータと参照用アンプを含む受信用回路が形成される半導体チップとして、ベースとなる基板の上に絶縁膜を介して上記受信用回路が形成される半導体層を積層してなるＳＯＩ基板を用い、上記ベースとなる基板には第１電源電圧端子を接続するとともに上記プリアンプや参照用アンプなど受信用回路を構成する素子が形成される半導体領域には第２の電源電圧端子を接続して上記半導体領域とベースとなる基板との間に形成された容量が、電源電圧を安定化するバイパスコンデンサとして働くように構成した。
【００１６】
受信モジュールを構成する受信用回路においては、フォトダイオードアレイの各ダイオードのピッチに合わせてプリアンプおよび参照用アンプを配置しているので、各チャネルのアンプは比較的余裕のある領域に形成されることとなるため、上記ＳＯＩ基板の参照用アンプを構成する素子が形成される半導体領域とベースとなる基板との間に形成される容量は、その容量値がバイパスコンデンサとして機能するのに充分な大きさを持つ比較的大きな値となる。そのため、本来のチップサイズを何ら増大させることなく大きな容量値を有するバイパスコンデンサを実現することができる。
【００１７】
また、望ましくは、上記プリアンプと参照用アンプは、ベース端子が信号入力端子に接続されたエミッタ接地型バイポーラ・トランジスタと、このトランジスタのコレクタ端子と第１の電源電圧端子との間に接続されたコレクタ抵抗と、上記トランジスタのコレクタ端子にベースが接続されたエミッタフォロワ・トランジスタと、該エミッタフォロワ・トランジスタのエミッタ端子と第２の電源電圧端子との間に接続されたエミッタ抵抗と、上記エミッタフォロワ・トランジスタのエミッタ端子と上記信号入力端子との間に接続されたフィードバック抵抗とからなる電流入力電圧出力型の増幅回路により構成する。
【００１８】
これによって、回路の電源電圧が比較的低い場合にもプリアンプが安定に動作するとともに、電流振幅の範囲が広い電流入力に対して増幅動作が可能であるため、フォトダイオードアレイなどの素子にばらつきがあってもコンパレータが正確に動作するとともに、経年変化で入力信号の振幅が落ちたとしても正確な動作が保証され、モジュールの信頼性が向上するようになる。
【００１９】
また、上記フォトダイオードアレイの近傍には、各フォトダイオードに対して受信光信号を集光して照射可能な複数のレンズを有するマイクロレンズアレイを配設するとよい。これによって、受信用回路とフォトダイオードアレイとマイクロレンズアレイとが一体に構成されるため、複数チャネルの光信号を処理する光インタコネクション受信モジュールの一層の小型化が可能になる。
【００２０】
さらに、上記フォトダイオードアレイと受信用回路が搭載されるパッケージの一部には、上記マイクロレンズアレイに対応して光ファイバの一端を固定するためファイバ固定部を設けるようにする。これによって、モジュールへの光ファイバの結合、固定が極めて簡単に行なえるようになる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施例を図面に基づいて説明する。
【００２２】
図１は、本発明に係る光インタコネクション受信モジュールを使用した光通信システムの概略を示すもので、送信側装置ではレーザダイオードアレイ１２０等を有する送信モジュール１００によって送信したい情報を電気信号から光信号に変換して光ファイバーアレイ２００を介して受信側装置へ送信する。受信側装置ではフォトダイオードアレイ３２０等を有する光インタコネクション受信モジュール３００で受信した光信号を電気信号に変換し増幅、識別してマイクロコンピュータシステムのインタフェース回路等へ渡す。
【００２３】
また、図１において、１１０は信号のバッファ回路や信号ラッチ用のフリップフロップなどを備え送信したい情報を載せた電気信号に基づいて各チャネル毎にレーザダイオードアレイ１２０内の対応するダイオードを駆動する信号を形成する送信モジュール用ＩＣ（半導体集積回路）、１３０はレーザダイオードアレイ１２０の各ダイオードで発生された光を集光して光ファイバーアレイ２００内の対応するファイバーに入射するマイクロレンズが並んだマイクロレンズアレイである。
【００２４】
さらに、３１０は光ファイバーアレイ２００より送られてきた光を集光してフォトダイオードアレイ３２０の対応するダイオードに照射する受信側マイクロレンズアレイ、３３０はフォトダイオードアレイ３２０で光信号から変換された電気信号を各チャネルごとに増幅したり識別したりするアンプやラッチ用のフリップフロップなどを備えた受信モジュール用ＩＣである。
【００２５】
図２は本発明が適用される多チャネル用受信モジュールを構成する受信用半導体集積回路を示す回路構成図である。特に制限されないが、図２に示されている各回路を構成するバイポーラ・トランジスタなどの素子は、単結晶シリコンのような共通の半導体チップ上に形成される。
【００２６】
図２に示されているように、この実施例の受信用半導体集積回路は、特に制限されないが、１１個のチャネルの光信号を電気信号に変換するフォトダイオードが接続されその電流が入力される信号入力端子ＩＮ０〜ＩＮ１０および同じく光信号で送られて来てフォトダイオードで変換されたクロック信号の電気信号が入力されるクロック入力端子ＩＮ１１と、上記入力信号を増幅し識別した信号を出力する端子ＯＵＴ０〜ＯＵＴ１１とを備えている。
【００２７】
また、チップ内部には、上記端子ＩＮ０〜ＩＮ１１により入力された各信号を増幅してその“０”，“１”を識別する入力識別回路ＩＤＣ０〜ＩＤＣ１１と、入力識別回路ＩＤＣ１１で再生されたクロック信号に同期して識別された入力信号をラッチするフリップフロップＦＦ０〜ＦＦ１０と、識別された信号を端子ＯＵＴ０〜ＯＵＴ１１よりチップ外部へ出力する出力バッファＯＰＢ０〜ＯＰＢ１１と、上記入力識別回路ＩＤＣ０〜ＩＤＣ１０の出力信号をフリップフロップＦＦ０〜ＦＦ１０へ伝送する前段バッファ回路ＢＦＦ０〜ＢＦＦ１０と、フリップフロップＦＦ０〜ＦＦ１０の出力信号を出力バッファＯＰＢ０〜ＯＰＢ１０へ伝送する後段バッファ回路ＢＦＦ２０〜ＢＦＦ３０と、入力識別回路ＩＤＣ１１の出力信号を出力バッファＯＰＢ１１へ伝送する２段のバッファ回路ＢＦＦ４１，４２とが設けられている。
【００２８】
Ｖ−ＰＡＤ１，Ｖ−ＰＡＤ２はそれぞれ外部より電源電圧Ｖｃｃの給電を受けるための電源パッド、ＶＣＬは電源パッドＶ−ＰＡＤ１，Ｖ−ＰＡＤ２に供給された電源電圧Ｖｃｃを内部回路に分配する電源ラインである。図には電源パッドＶ−ＰＡＤ１，Ｖ−ＰＡＤ２から入力識別回路ＩＤＣ０〜ＩＤＣ１１へ給電する電源ラインＶＣＬのみしか示されていないが、フリップフロップその他の内部回路にも同様に電源ラインを介して電源電圧が供給されることはいうまでもない。また、上記電源パッドＶ−ＰＡＤ１，Ｖ−ＰＡＤ２にはボンディングワイヤを介してパッケージの外部端子より電源電圧が給電されるように構成される。
【００２９】
図３は１つのチャネルに対応された入力識別回路の第１の実施例を示す回路構成図、図４は入力識別回路を構成するプリアンプと参照用アンプの具体的な回路例を示す回路図である。なお、図３は、図２における入力識別回路ＩＤＣ０〜ＩＤＣ１１の１つの具体例を示したものである。
【００３０】
図３に示されているように、この実施例においては、電源電圧端子Ｖｃｃと入力端子との間にフォトダイオード３２１が接続されたプリアンプ３３１と、プリアンプ３３１の出力信号と参照電圧Ｖｒｅｆとを比較する差動増幅回路などからなるコンパレータ３３２と、参照電圧Ｖｒｅｆを発生する参照用アンプ３３３とから構成されているとともに、参照用アンプ３３３の入力端子と電源電圧端子Ｖｃｃとの間にプリアンプ側のフォトダイオード３２１と等価な容量値を有する容量素子３３４が接続されている。
【００３１】
プリアンプ３３１は、電流入力電圧出力型の増幅回路で、図４に示すように、ベース端子が入力端子ＩＮに接続されたエミッタ接地型バイポーラ・トランジスタＱ１と、このトランジスタＱ１のコレクタ端子と電源電圧端子Ｖｃｃとの間に接続されたコレクタ抵抗Ｒ１と、トランジスタＱ１のコレクタ端子にベースが接続されたエミッタフォロワ・トランジスタＱ２と、トランジスタＱ２のエミッタ端子と接地端子ＧＮＤとの間に接続されたエミッタ抵抗Ｒ２と、トランジスタＱ２のエミッタ端子と入力端子ＩＮとの間に接続されたフィードバック抵抗Ｒ３とから構成され、エミッタフォロワ・トランジスタＱ２のエミッタ端子から入力信号を増幅した信号ＯＵＴが出力されるように構成されている。
【００３２】
上記エミッタ接地型バイポーラ・トランジスタＱ１は入力端子ＩＮよりベース端子に入力された電流を増幅し、抵抗Ｒ１がトランジスタＱ１のコレクタ電流を電圧に変換する。トランジスタＱ２と抵抗Ｒ２とからなるエミッタフォロワは、インピーダンス変換回路として機能し、フィードバック抵抗Ｒ３は、トランジスタＱ１のベース・バイアス点を与える、つまりトランジスタＱ１のベース電位が出力電圧ＯＵＴの振幅中心電位となるようにフィードバックを行なう。
【００３３】
図４の実施例のアンプは、電源電圧Ｖｃｃが３．３Ｖのような比較的低いレベルである場合にも安定に動作するとともに、電流振幅が２０μＡ〜１ｍＡのような入力範囲の広い電流入力に対して増幅動作が可能であり、最大で１〜２Ｖの振幅の信号を出力することができる。なお、本実施例において上記のように電流振幅が２０μＡ〜１ｍＡのような入力範囲の広い電流入力に対して増幅動作が可能なアンプを用いているのは、例えばフォトダイオードアレイおよび送信モジュールのレーザーダイオードアレイなどの素子ばらつきに対応できるようにするとともに、経年変化で入力信号の振幅が落ちても対応できるようにするためである。
【００３４】
図３の参照用アンプ３３３も図４の回路と同一形式の回路で構成される。参照用アンプ３３３の出力電圧すなわち後段のコンパレータ３３２の参照電圧Ｖｒｅｆは、図４の回路内のエミッタ抵抗Ｒ２の値をプリアンプ内のエミッタ抵抗Ｒ２と異なる値に設定し、その値を調整することで所望の参照電圧Ｖｒｅｆを得る。具体的には、入力電流の振幅が２０μＡのように小さな場合にもコンパレータ３３２が正確な識別動作を行なえるようにするため、振幅が約２０μＡの電流が入力されているときのプリアンプ３３１の出力信号の中心レベルに参照用アンプ３３３の出力レベルが一致するようにエミッタ抵抗Ｒ２の値が設定される。
【００３５】
なお、上記の説明から、コンパレータ３３２に参照電圧Ｖｒｅｆを与える方法として図３のような回路形式の参照用アンプを設ける代わりにプリアンプ３３１の出力の中心レベルを検出する回路すなわちフィルタ回路のような平均化回路を用いる方法も容易に考えられる。しかしながら、平均化回路を用いた場合には、プリアンプ３３１に直流電流が入力されると平均化回路で生成される参照電圧が不定になってしまうおそれがあるが、上記のようにプリアンプと同一回路形式の参照用アンプを用いるようにすることによって、入力電流が直流もしくはそれに極めて近い場合にも所望の参照電圧Ｖｒｅｆをコンパレータ３３２に与えることができるという利点がある。
【００３６】
図３の実施例回路においては、フォトダイオード３２１で光信号から変換された電気信号はプリアンプ３３１において増幅されてコンパレータ３３２へ入力されて、参照用アンプ３３３から供給される参照電圧Ｖｒｅｆと比較されて“０”，“１”が識別される。つまり、参照電圧Ｖｒｅｆは入力信号のしきい値を与える。この実施例においては、上述したように、参照電圧Ｖｒｅｆを生成する回路としてプリアンプ３３１と同一回路形式のアンプ３３３が用いられているため、電源雑音に対する耐性が高くなる。すなわち、参照電圧Ｖｒｅｆを生成する参照用アンプ３３３がプリアンプ３３１と同一回路形式であると、電源電圧Ｖｃｃに雑音がのってその影響でプリアンプ３３１の出力にノイズが現れたとしても電源電圧を共通にする参照用アンプ３３３の出力にも同様なノイズが現れるため、コンパレータ３３２の入力の相対的な関係は変わらないのでコンパレータ３３２の出力には電源電圧の雑音による影響が現れないようにされる。
【００３７】
しかも、本実施例では、他チャネルの入力信号により電源電圧に発生したノイズが電源電圧端子Ｖｃｃからフォトダイオード３２１を通してプリアンプ３３１に入って来ると、同様の電源ノイズが容量素子３３４を介して参照用アンプ３３３にも入って来るので、コンパレータ３３２の入力端子に対しては同相のノイズとなり互いに相殺しあうため、コンパレータ３３２が誤った入力信号の識別を行なうおそれがない。
【００３８】
図１０（Ｂ）に、本実施例の受信用ＩＣの入力識別回路を構成するプリアンプと参照用アンプの周波数応答特性を示す。参照用アンプの入力端子に等価容量を接続していない図９の従来タイプの入力識別回路におけるプリアンプと参照用アンプの周波数応答特性を示す図１０（Ａ）と比較すると明らかなように、本実施例を適用することにより、参照用アンプの周波数応答特性をプリアンプの周波数応答特性に近づけることができ、それによって入力信号が“０”か“１”かの識別動作がより正確に行なわれるようになる。
【００３９】
次に、図５〜図７を用いて、参照用アンプ３３３の入力端子に接続される上記容量素子３３４の具体的な構造について説明する。
【００４０】
図５は図３に示されている回路を半導体チップ上に形成する場合のレイアウトの一実施例を示すものである。図５において、１０は単結晶シリコン基板などからなる半導体チップ、２１はプリアンプ３３１を構成する素子が形成される領域、２２は参照用アンプ３３３を構成する素子が形成される領域、２３はコンパレータ３３２を構成する素子が形成される領域、２４は上記アンプ３３１，３３３の形成領域２１，２２の外側を囲むように形成されて他の阻止の形成領域からのリーク電流の侵入等を防止するためのガードリング領域である。
【００４１】
同図では、領域２１と２２が互いにオーバーラップして示されているが、これはプリアンプ３３１を構成する素子と参照用プリアンプ３３３を構成する素子とが互いに入り組んで配置されていることを表わしている。このようにすることにより、プリアンプ３３１を構成する素子と参照用アンプ３３３を構成する素子のばらつきを同様にすることができる。
【００４２】
また、３１は上記アンプ３３１，３３３に例えば３．３Ｖのような電源電圧Ｖｃｃを供給するための電源ライン、３２は上記アンプ３３１，３３３に接地電位（０Ｖ）のような電源電圧Ｖｅｅを供給するための電源ライン、３３は参照用アンプ３３３の入力端子に接続される上記容量素子３３４の一方の端子に電源電圧Ｖｃｃを供給するための電源ライン、３４は上記ガードリング領域２４に印加する電源電圧Ｖｃｃを供給するための電源ラインである。さらに、４１は上記プリアンプ３３１の入力端子に接続される信号入力パッド、４２は上記参照用アンプ３３３の入力端子に接続されるダミー入力パッドである。
【００４３】
この実施例においては、多層配線技術を用いて、受信用回路が形成される半導体チップ１０の信号入力パッド４１およびダミーパッド４２が形成される位置よりも外側のチップ縁部に沿って１層目のアルミ配線層で上記電源ライン３３を形成し、この電源ライン３３の一部に参照用アンプ３３３の入力端子側へ延長された冗長部３３Ａを設け、参照用アンプ３３３に接続された上記３層目のアルミ配線層からなるダミー入力パッド４２と上記冗長部３３Ａとを絶縁膜を介して対向させて、参照用アンプ３３３の入力端子に接続される等価容量が構成されている。
【００４４】
これによって、参照用アンプの入力端子に接続される等価容量として外付けのコンデンサを用いる場合に比べて受信モジュールをコンパクトに構成することができ、特に図３の実施例の回路のように多チャネルの光信号を受信するモジュールに適用した場合に有効である。
【００４５】
図６には、図３のＡ−Ａ’線に沿った断面構造が示されている。図６において、図３に示されている符号と同一の符号が付された部分は同一の構成要素である。図６より、電源ライン３３から延長された冗長部３３Ａとダミー入力パッド４２とが絶縁膜を介して対向されることによって参照用アンプ３３３の入力端子に接続される等価容量素子３３４が構成されている様子がよく分かる。
【００４６】
なお、図６に示されているように、この実施例においては、受信用回路が形成される半導体チップ１０として、ベースとなるシリコンなどの支持基板１１の上に絶縁膜１２を介して単結晶シリコン層１３を形成してなるＳＯＩ基板が用いられている。２４１は単結晶シリコン層１３に形成された高濃度の拡散層からなるガードリング領域、２４２は該ガードリング領域２４１に電源電圧Ｖｃｃを印加するための給電層、２４３はこの給電層２４２と上記ガードリング領域２４１とを電気的に接続するためのコンタクトホールである。
【００４７】
上記拡散層からなるガードリング領域２４１の周囲には、単結晶シリコン層１３に溝を掘って絶縁物等を埋めてなるいわゆるＵ溝アイソレーション領域２４４が形成されており、このＵ溝アイソレーション領域２４４によって上記拡散層からなるガードリング領域２４１と素子形成領域２１，２２とが電気的に絶縁される。特に制限されるものでないが、この実施例では、上記給電層２４２は前記等化容量を構成する冗長部３３Ａと同じ１層目のアルミ配線層により構成されている。また、単結晶シリコン層１３と各配線層３３Ａ，２４２および各パッド４１，４２間は、酸化シリコンなどの絶縁膜５０によって絶縁されている。
【００４８】
図７には、図３のＢ−Ｂ’線に沿った断面構造が示されている。図７に示されているように、この実施例においては、ＳＯＩ基板１０の表面の単結晶シリコン層１３のプリアンプ３３１や参照用アンプ３３３を構成する素子が形成される領域２１，２２に、電源ライン３２によって給電される電源電圧Ｖｅｅを印加するためのコンタクトホール６１，６２が絶縁膜５０に形成されている。この実施例では、電源電圧Ｖｅｅを供給する電源ライン３２は２層目のアルミ配線層で形成されている。また、上記単結晶シリコン層１３のプリアンプ３３１や参照用アンプ３３３を構成する素子が形成される領域２１，２２には、上記コンタクトホール６１，６２内の導電体（アルミニウム）と上記素子形成領域２１，２２とのオーミック接触を得るための高濃度拡散領域７１，７２が設けられている。
【００４９】
一方、上記ＳＯＩ基板１０の裏面側のベース基板１１の表面にはアルミニウムなどからなるメタル層８０が形成されており、このメタル層８０には電源電圧Ｖｃｃが印加されている。これによって、ベース基板１１と上記素子形成領域２１，２２との間に形成された容量が電源電圧を安定化するバイパスコンデンサ９０として機能するようにされる。
【００５０】
しかも、本実施例のような多チャネルの受信用回路においては、図８（Ｂ）に示されているように、フォトダイオードアレイ３２０の各ダイオードのピッチに合わせて入力端子としてのパッドＰＡＤ０〜ＰＡＤ１１を設け、さらにこれらのパッドＰＡＤ０〜ＰＡＤ１１に合わせてプリアンプ３３１および参照用アンプ３３３を配置しているので、各チャネルのアンプは比較的余裕のある領域に形成されることとなる。そのため、上記ＳＯＩ基板の参照用アンプを構成する素子形成領域２１，２２とベース基板１１との間に形成される容量は、その容量値がバイパスコンデンサとして機能するのに充分な大きさを持つ比較的大きな値となるので、本来のチップサイズを何ら増大させることなく大きな容量値を有するバイパスコンデンサを実現し、電源電圧の安定化を図ることができる。
【００５１】
なお、上記バイパスコンデンサは、プリアンプ３３１および参照用アンプ３３３の形成領域２１，２２とベース基板１１との間に形成される容量に限定されるものでなく、コンパレータ３３２やバッファ、フリップフロップなどの他の回路を構成する素子が形成される領域とベース基板１１との間に形成される容量であってもよい。
【００５２】
図８に本発明に係る受信用ＩＣを組み込んだ光信号の受信モジュールの構成例を示す。このうち（Ａ）はモジュールの断面図、（Ｂ）は平面図を示す。同図に示されているように、受信用ＩＣ３３０は、接着剤等によりプラスチックやセラミックなどのパッケージ３５０の中央に固定され、その入力端子側にフォトダイオードアレイ３２０が配置され同じく接着剤等によりパッケージ３５０に固定されている。このとき、フォトダイオードアレイ３２０の各ダイオードが受信用ＩＣに設けられている信号入力用のパッドＰＡＤ０〜ＰＡＤ１１と１対１で対向するように位置決めされ、対応するフォトダイオードと入力パッドとがボンディングワイヤ３６０により接続される。
【００５３】
さらに、パッケージ３５０のフォトダイオードアレイ配置側の側壁３５１には光ファイバの径とほぼ同一の径を有する貫通孔３５２が複数個形成されており、この貫通孔３５２に光ファイバ２００の一端が挿入されて固定されている。そして、この光ファイバが固定されたパッケージの側壁３５１と上記フォトダイオードアレイ３２０との間に、光ファイバ２００により送信されてきた光信号を集光して対応するフォトダイオードに入射させるマイクロレンズアレイ３１０が配置され、接着剤等によってパッケージ３５０に固定されている。
【００５４】
以上本発明者によってなされた発明を実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
【００５５】
例えば上記実施例においては、参照用アンプ３３３の入力端子と電源電圧端子との間に等価容量３３４を設けるようにしているが、この等価容量の代わりにフォトダイオードと同じ特性のダミーダイオードを接続するようにしてもよい。このようにした場合においても第１の実施例の回路と同様に、プリアンプ３３１側に入るクロストークノイズと参照用アンプ３３３側に入るクロストークノイズをコンパレータ３３２へ同相で入力させることで相殺してコンパレータ３３２が誤った識別動作をするのを防止することができる。
【００５６】
さらに、ダミーダイオードを設けた場合においても、図７に示されている構造を適用することで、入力識別回路を構成するプリアンプと参照用アンプが形成される活性領域とベース基板との間にバイパスコンデンサを構成して電源電圧の安定化を図ることが可能である。
【００５７】
なお、ダミーダイオードを設けた場合には、ダミーダイオード側に光ファイバーとマイクロレンズを設ける必要がない一方、ダミーダイオードに隣接する本来の光電変換用のフォトダイオードへ入射される光信号が漏れて入射されないように遮光マスクを設けるなどの工夫が必要である。
【００５８】
【発明の効果】
本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば下記のとおりである。
【００５９】
すなわち、本発明に従うと、多チャネルの光信号を受信する光インタコネクション受信モジュールにおいて、他チャネルの入力信号により発生するクロストークノイズによる影響をプリアンプ側と参照用アンプ側とで相殺させて入力信号の正確な識別が行なえるとともに、他チャネルの入力信号により発生するクロストークノイズによる影響をプリアンプ側と参照用アンプ側とで相殺させるために用いる容量素子や電源電圧安定化のためのバイパスコンデンサの好適なデバイス構造が得られ、光インタコネクション受信モジュールの小型化が達成される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る光信号の多チャネル用受信モジュールの構成例を示すブロック図である。
【図２】本発明に係る多チャネル用受信モジュールを構成する受信用回路の実施例を示す回路構成図である。
【図３】１つのチャネルに対応された入力識別回路の実施例を示す回路構成図である。
【図４】プリアンプと参照用アンプの具体例を示す回路図である。
【図５】図３に示されている１つのチャネルに対応された入力識別回路を半導体チップ上に形成する場合のレイアウトの一実施例を示すレイアウト説明図である。
【図６】図５のＡ−Ａ’線に沿った断面構造を示す断面図である。
【図７】図５のＢ−Ｂ’線に沿った断面構造を示す断面図である。
【図８】本発明に係る受信用ＩＣを組み込んだ光信号の受信モジュールの構成例を示すモジュールの断面図および平面図である。
【図９】光インタコネクション受信モジュールにおける一般的な入力識別回路の例を示す回路構成図である。
【図１０】図９の入力識別回路を構成するプリアンプおよび参照用アンプの周波数応答特性と、本発明の実施例の受信用回路における入力識別回路を構成するプリアンプおよび参照用アンプの周波数応答特性を示す特性説明図である。
【符号の説明】
１００ 送信モジュール
１１０ 送信モジュール用半導体集積回路
１２０ レーザダイオードアレイ
１３０ マイクロレンズアレイ
２００ 光ファイバーアレイ
３００ 光インタコネクション受信モジュール
３２０ フォトダイオードアレイ
３３０ 受信モジュール用半導体集積回路
３３１ プリアンプ
３３２ コンパレータ
３３３ 参照用アンプ
３３４ 等価容量素子
３５０ パッケージ
３６０ ボンディングワイヤ
１０ 半導体チップ（ＳＯＩ基板）
２１ プリアンプの素子形成領域
２２ 参照用アンプの素子形成領域
２３ コンパレータの素子形成領域
２４ ガードリング領域
３１，３３，３４ Ｖｃｃ供給用電源ライン
３２ Ｖｅｅ供給用電源ライン
４１ 信号入力パッド
４２ ダミー入力パッド
９０ バイパスコンデンサ
ＩＤＣ 入力識別回路
Ｖ−ＰＡＤ 電源パッド
ＰＡＤ０〜ＰＡＤ１１ 信号入力パッド
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信システムに用いられ光信号を電気信号に変換、増幅し識別する光インタコネクション受信モジュールに関し、特に複数のチャネル信号を扱う光電変換回路およびそれを含む光インタコネクション受信モジュールにおける他チャネルのアンプからのクロストークノイズの影響を防止する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、光通信システムにおいては、図１に示すように、送信側装置ではレーザダイオードアレイ１２０等を有する送信モジュール１００によって送信したい情報を電気信号から光信号に変換して光ファイバーアレイ２００を介して受信側装置へ送信し、受信側装置ではフォトダイオードアレイ３２０等を有するインタコネクション受信モジュール３００で受信した光信号を電気信号に変換してマイクロコンピュータシステムのインタフェース回路等へ渡すようにしている。
【０００３】
図９には、受信モジュール３００の受信用ＩＣ（半導体集積回路）の入力端子側に設けられる入力識別回路ＩＤＣの基本的な構成例が示されている。同図に示されている入力識別回路では、フォトダイオード３２１で光信号から変換された電気信号がプリアンプ３３１において増幅されてコンパレータ３３２へ供給され、参照電圧Ｖｒｅｆと比較されて“０”，“１”が識別される。そして、上記参照電圧Ｖｒｅｆを生成する回路としてプリアンプ３３１と同一回路形式のアンプ３３３が用いられており、これによって電源雑音に対する耐性が高くなるようにされる。
【０００４】
これは、参照電圧Ｖｒｅｆを生成する参照用アンプ３３３がプリアンプ３３１と同一回路形式であると、電源電圧Ｖｃｃに雑音がのってその影響でプリアンプ３３１の出力にノイズが現れたとしても電源電圧Ｖｃｃを共通にする参照用アンプ３３３の出力にも同様なノイズが現れるため、コンパレータ３３２の２つの入力の相対的な関係は変わらないつまり同相のノイズとなるのでコンパレータ３３２の出力には電源電圧の雑音による影響が現れないようになるからである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図９の回路においては、プリアンプ３３１の入力端子にはフォトダイオード３２１が接続されているのに対し、参照用アンプ３３３の入力端子にはフォトダイオード３２１が接続されていないので、完全に対象な回路になっておらず、プリアンプ３３１の入力端子と電源電圧端子Ｖｃｃとの間には容量が接続され、参照用プリアンプ３３３の入力端子には容量が接続されていないのと等価である。そのため、プリアンプ３３１の入力端子にはフォトダイオード３２１を通して電源雑音が入って来るのに対し、参照用プリアンプ３３３の入力端子にはそのような電源雑音が入って来ない。つまり、交流的には、電源雑音に対するプリアンプ３３１と参照用アンプ３３３の入力周波数応答特性が、図１０（Ａ）のように異なることとなり、他チャネルの入力識別回路からのクロストークノイズに対する応答がプリアンプ３３１と参照用アンプ３３３とで異なってしまう。その結果、クロストークノイズが大きくなると、プリアンプ３３１に入ったノイズでプリアンプの出力が参照用アンプ３３３からの参照電圧Ｖｒｅｆを超えてしまい、コンパレータ３３２が誤って識別を行なうおそれがある。
【０００６】
特に、複数チャネルの信号を受信するモジュールにおいては、フォトダイオードに数μＡの電流を流す小さな入力信号から数ｍＡの電流を流す大きな入力信号まで広い範囲に対応できるような受信用半導体集積回路が望まれるが、大きな信号が入ってくるチャネルでは、電源端子とフォトダイオードとを接続するボンディングワイヤに数ｍＡの電流が流れるため、ワイヤのインダクタンス成分により電源電圧に比較的大きなノイズが発生する。そして、このノイズが電源ラインを通して、数μＡの電流しか流れないチャネルのプリアンプと参照用アンプに入ってくるような場合にも正確な識別が行なえるように回路を設計してやる必要がある。
【０００７】
なお、光電変換用モジュールにおいて、ダミーアンプ（参照用アンプ）の入力端子と電源電圧端子との間にフォトダイオードと等価な容量を接続して、温度や電源変動に基づくノイズによる影響をプリアンプ側とダミーアンプ側とで相殺させるようにした発明が提案されている（特開平８‐１３９３４２号公報）。しかし、この先願発明は、ノイズの相殺という点では本発明に類似するものの、多チャネルの信号を受信するモジュールを考慮したものでなく、数ｍＡという大きな電流が流れるチャネルから数μＡという小さな電流しか流れないチャネルへのクロストークノイズによる影響の防止という点では充分なものでなかった。また、上記先願発明においては、ダミーアンプの入力端子に接続する等価容量としてディスクリートのコンデンサを用いているため、モジュールが大型化してしまうという欠点がある。特に、多チャネル化されたモジュールでは製品として致命的な大きさになってしまうおそれがある。
【０００８】
この発明の目的は、他チャネルの入力信号により発生するクロストークノイズによる影響をプリアンプ側と参照用アンプ側とで相殺させて、入力信号の正確な識別を行なうことができる光インタコネクション受信モジュールを提供することにある。
【０００９】
この発明の他の目的は、他チャネルの入力信号により発生するクロストークノイズによる影響をプリアンプ側と参照用アンプ側とで相殺させるために用いる容量素子や電源電圧安定化のためのバイパスコンデンサの好適なデバイス構造を提供し、光インタコネクション受信モジュールの小型化を図ることにある。
【００１０】
この発明の前記ならびにそのほかの目的と新規な特徴については、本明細書の記述および添附図面から明らかになるであろう。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本願において開示される発明のうち代表的なものの概要を説明すれば、下記のとおりである。
【００１２】
すなわち、複数チャネルの光信号をそれぞれ受信して電気信号に変換する複数のフォトダイオードからなるフォトダイオードアレイと、フォトダイオードアレイで光信号から変換された電気信号を各チャネルごとに増幅するプリアンプと、増幅された受信信号を識別するコンパレータと、上記プリアンプと同一形式の回路からなり上記コンパレータに供給される参照電圧を発生する参照用アンプとを備えた光インタコネクション受信モジュールにおいて、少なくとも上記プリアンプとコンパレータと参照用アンプは１つの半導体チップ上に形成し、当該半導体チップ上に上記フォトダイオードと等価な容量素子を複数個形成し該等価容量素子を上記参照用アンプの入力端子と電源電圧端子との間にそれぞれ接続するようにしたものである。
【００１３】
上記した手段によれば、他チャネルの入力信号により発生するクロストークノイズがフォトダイオードを介してプリアンプに入ってきてもそれと同じ大きさのノイズが参照用アンプに入ってくる為コンパレータの入力としては同相のノイズとなり、プリアンプ側と参照用アンプ側とで相殺され、プリアンプで増幅された受信信号の正確な識別が行なうことができる。また、参照用アンプの入力端子に接続される等価容量素子が、プリアンプとコンパレータと参照用アンプが形成された半導体チップ上に形成されているため、モジュールを小型化することができる。
【００１４】
より具体的には、多層配線技術を用いて、プリアンプとコンパレータと参照用アンプを含む受信用回路が形成された半導体チップの信号入力パッドが形成される位置よりも外側のチップ縁部に沿って第１の配線層で電源ラインを形成し、この電源ラインの一部に参照用アンプの入力端子側へ延長された冗長部を設け、参照用アンプの入力端子に接続され上記第１の配線層よりも上層の第２の配線層からなるダミーのパッドを上記冗長部と絶縁膜を介して対向するように形成して、上記等価容量素子を構成するようにしたものである。これによって、参照用アンプの入力端子に接続される等価容量素子として外付けのコンデンサを用いる場合に比べてモジュールをコンパクトに構成することができ、しかも限られたチップのスペースを有効に利用するためチップサイズがあまり増大せず、特に多チャネルの光信号を受信するモジュールに適用した場合にモジュールの小型化を図る上で極めて有効な手段となる。
【００１５】
さらに、この発明においては、プリアンプとコンパレータと参照用アンプを含む受信用回路が形成される半導体チップとして、ベースとなる基板の上に絶縁膜を介して上記受信用回路が形成される半導体層を積層してなるＳＯＩ基板を用い、上記ベースとなる基板には第１電源電圧端子を接続するとともに上記プリアンプや参照用アンプなど受信用回路を構成する素子が形成される半導体領域には第２の電源電圧端子を接続して上記半導体領域とベースとなる基板との間に形成された容量が、電源電圧を安定化するバイパスコンデンサとして働くように構成した。
【００１６】
受信モジュールを構成する受信用回路においては、フォトダイオードアレイの各ダイオードのピッチに合わせてプリアンプおよび参照用アンプを配置しているので、各チャネルのアンプは比較的余裕のある領域に形成されることとなるため、上記ＳＯＩ基板の参照用アンプを構成する素子が形成される半導体領域とベースとなる基板との間に形成される容量は、その容量値がバイパスコンデンサとして機能するのに充分な大きさを持つ比較的大きな値となる。そのため、本来のチップサイズを何ら増大させることなく大きな容量値を有するバイパスコンデンサを実現することができる。
【００１７】
また、望ましくは、上記プリアンプと参照用アンプは、ベース端子が信号入力端子に接続されたエミッタ接地型バイポーラ・トランジスタと、このトランジスタのコレクタ端子と第１の電源電圧端子との間に接続されたコレクタ抵抗と、上記トランジスタのコレクタ端子にベースが接続されたエミッタフォロワ・トランジスタと、該エミッタフォロワ・トランジスタのエミッタ端子と第２の電源電圧端子との間に接続されたエミッタ抵抗と、上記エミッタフォロワ・トランジスタのエミッタ端子と上記信号入力端子との間に接続されたフィードバック抵抗とからなる電流入力電圧出力型の増幅回路により構成する。
【００１８】
これによって、回路の電源電圧が比較的低い場合にもプリアンプが安定に動作するとともに、電流振幅の範囲が広い電流入力に対して増幅動作が可能であるため、フォトダイオードアレイなどの素子にばらつきがあってもコンパレータが正確に動作するとともに、経年変化で入力信号の振幅が落ちたとしても正確な動作が保証され、モジュールの信頼性が向上するようになる。
【００１９】
また、上記フォトダイオードアレイの近傍には、各フォトダイオードに対して受信光信号を集光して照射可能な複数のレンズを有するマイクロレンズアレイを配設するとよい。これによって、受信用回路とフォトダイオードアレイとマイクロレンズアレイとが一体に構成されるため、複数チャネルの光信号を処理する光インタコネクション受信モジュールの一層の小型化が可能になる。
【００２０】
さらに、上記フォトダイオードアレイと受信用回路が搭載されるパッケージの一部には、上記マイクロレンズアレイに対応して光ファイバの一端を固定するためファイバ固定部を設けるようにする。これによって、モジュールへの光ファイバの結合、固定が極めて簡単に行なえるようになる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施例を図面に基づいて説明する。
【００２２】
図１は、本発明に係る光インタコネクション受信モジュールを使用した光通信システムの概略を示すもので、送信側装置ではレーザダイオードアレイ１２０等を有する送信モジュール１００によって送信したい情報を電気信号から光信号に変換して光ファイバーアレイ２００を介して受信側装置へ送信する。受信側装置ではフォトダイオードアレイ３２０等を有する光インタコネクション受信モジュール３００で受信した光信号を電気信号に変換し増幅、識別してマイクロコンピュータシステムのインタフェース回路等へ渡す。
【００２３】
また、図１において、１１０は信号のバッファ回路や信号ラッチ用のフリップフロップなどを備え送信したい情報を載せた電気信号に基づいて各チャネル毎にレーザダイオードアレイ１２０内の対応するダイオードを駆動する信号を形成する送信モジュール用ＩＣ（半導体集積回路）、１３０はレーザダイオードアレイ１２０の各ダイオードで発生された光を集光して光ファイバーアレイ２００内の対応するファイバーに入射するマイクロレンズが並んだマイクロレンズアレイである。
【００２４】
さらに、３１０は光ファイバーアレイ２００より送られてきた光を集光してフォトダイオードアレイ３２０の対応するダイオードに照射する受信側マイクロレンズアレイ、３３０はフォトダイオードアレイ３２０で光信号から変換された電気信号を各チャネルごとに増幅したり識別したりするアンプやラッチ用のフリップフロップなどを備えた受信モジュール用ＩＣである。
【００２５】
図２は本発明が適用される多チャネル用受信モジュールを構成する受信用半導体集積回路を示す回路構成図である。特に制限されないが、図２に示されている各回路を構成するバイポーラ・トランジスタなどの素子は、単結晶シリコンのような共通の半導体チップ上に形成される。
【００２６】
図２に示されているように、この実施例の受信用半導体集積回路は、特に制限されないが、１１個のチャネルの光信号を電気信号に変換するフォトダイオードが接続されその電流が入力される信号入力端子ＩＮ０〜ＩＮ１０および同じく光信号で送られて来てフォトダイオードで変換されたクロック信号の電気信号が入力されるクロック入力端子ＩＮ１１と、上記入力信号を増幅し識別した信号を出力する端子ＯＵＴ０〜ＯＵＴ１１とを備えている。
【００２７】
また、チップ内部には、上記端子ＩＮ０〜ＩＮ１１により入力された各信号を増幅してその“０”，“１”を識別する入力識別回路ＩＤＣ０〜ＩＤＣ１１と、入力識別回路ＩＤＣ１１で再生されたクロック信号に同期して識別された入力信号をラッチするフリップフロップＦＦ０〜ＦＦ１０と、識別された信号を端子ＯＵＴ０〜ＯＵＴ１１よりチップ外部へ出力する出力バッファＯＰＢ０〜ＯＰＢ１１と、上記入力識別回路ＩＤＣ０〜ＩＤＣ１０の出力信号をフリップフロップＦＦ０〜ＦＦ１０へ伝送する前段バッファ回路ＢＦＦ０〜ＢＦＦ１０と、フリップフロップＦＦ０〜ＦＦ１０の出力信号を出力バッファＯＰＢ０〜ＯＰＢ１０へ伝送する後段バッファ回路ＢＦＦ２０〜ＢＦＦ３０と、入力識別回路ＩＤＣ１１の出力信号を出力バッファＯＰＢ１１へ伝送する２段のバッファ回路ＢＦＦ４１，４２とが設けられている。
【００２８】
Ｖ−ＰＡＤ１，Ｖ−ＰＡＤ２はそれぞれ外部より電源電圧Ｖｃｃの給電を受けるための電源パッド、ＶＣＬは電源パッドＶ−ＰＡＤ１，Ｖ−ＰＡＤ２に供給された電源電圧Ｖｃｃを内部回路に分配する電源ラインである。図には電源パッドＶ−ＰＡＤ１，Ｖ−ＰＡＤ２から入力識別回路ＩＤＣ０〜ＩＤＣ１１へ給電する電源ラインＶＣＬのみしか示されていないが、フリップフロップその他の内部回路にも同様に電源ラインを介して電源電圧が供給されることはいうまでもない。また、上記電源パッドＶ−ＰＡＤ１，Ｖ−ＰＡＤ２にはボンディングワイヤを介してパッケージの外部端子より電源電圧が給電されるように構成される。
【００２９】
図３は１つのチャネルに対応された入力識別回路の第１の実施例を示す回路構成図、図４は入力識別回路を構成するプリアンプと参照用アンプの具体的な回路例を示す回路図である。なお、図３は、図２における入力識別回路ＩＤＣ０〜ＩＤＣ１１の１つの具体例を示したものである。
【００３０】
図３に示されているように、この実施例においては、電源電圧端子Ｖｃｃと入力端子との間にフォトダイオード３２１が接続されたプリアンプ３３１と、プリアンプ３３１の出力信号と参照電圧Ｖｒｅｆとを比較する差動増幅回路などからなるコンパレータ３３２と、参照電圧Ｖｒｅｆを発生する参照用アンプ３３３とから構成されているとともに、参照用アンプ３３３の入力端子と電源電圧端子Ｖｃｃとの間にプリアンプ側のフォトダイオード３２１と等価な容量値を有する容量素子３３４が接続されている。
【００３１】
プリアンプ３３１は、電流入力電圧出力型の増幅回路で、図４に示すように、ベース端子が入力端子ＩＮに接続されたエミッタ接地型バイポーラ・トランジスタＱ１と、このトランジスタＱ１のコレクタ端子と電源電圧端子Ｖｃｃとの間に接続されたコレクタ抵抗Ｒ１と、トランジスタＱ１のコレクタ端子にベースが接続されたエミッタフォロワ・トランジスタＱ２と、トランジスタＱ２のエミッタ端子と接地端子ＧＮＤとの間に接続されたエミッタ抵抗Ｒ２と、トランジスタＱ２のエミッタ端子と入力端子ＩＮとの間に接続されたフィードバック抵抗Ｒ３とから構成され、エミッタフォロワ・トランジスタＱ２のエミッタ端子から入力信号を増幅した信号ＯＵＴが出力されるように構成されている。
【００３２】
上記エミッタ接地型バイポーラ・トランジスタＱ１は入力端子ＩＮよりベース端子に入力された電流を増幅し、抵抗Ｒ１がトランジスタＱ１のコレクタ電流を電圧に変換する。トランジスタＱ２と抵抗Ｒ２とからなるエミッタフォロワは、インピーダンス変換回路として機能し、フィードバック抵抗Ｒ３は、トランジスタＱ１のベース・バイアス点を与える、つまりトランジスタＱ１のベース電位が出力電圧ＯＵＴの振幅中心電位となるようにフィードバックを行なう。
【００３３】
図４の実施例のアンプは、電源電圧Ｖｃｃが３．３Ｖのような比較的低いレベルである場合にも安定に動作するとともに、電流振幅が２０μＡ〜１ｍＡのような入力範囲の広い電流入力に対して増幅動作が可能であり、最大で１〜２Ｖの振幅の信号を出力することができる。なお、本実施例において上記のように電流振幅が２０μＡ〜１ｍＡのような入力範囲の広い電流入力に対して増幅動作が可能なアンプを用いているのは、例えばフォトダイオードアレイおよび送信モジュールのレーザーダイオードアレイなどの素子ばらつきに対応できるようにするとともに、経年変化で入力信号の振幅が落ちても対応できるようにするためである。
【００３４】
図３の参照用アンプ３３３も図４の回路と同一形式の回路で構成される。参照用アンプ３３３の出力電圧すなわち後段のコンパレータ３３２の参照電圧Ｖｒｅｆは、図４の回路内のエミッタ抵抗Ｒ２の値をプリアンプ内のエミッタ抵抗Ｒ２と異なる値に設定し、その値を調整することで所望の参照電圧Ｖｒｅｆを得る。具体的には、入力電流の振幅が２０μＡのように小さな場合にもコンパレータ３３２が正確な識別動作を行なえるようにするため、振幅が約２０μＡの電流が入力されているときのプリアンプ３３１の出力信号の中心レベルに参照用アンプ３３３の出力レベルが一致するようにエミッタ抵抗Ｒ２の値が設定される。
【００３５】
なお、上記の説明から、コンパレータ３３２に参照電圧Ｖｒｅｆを与える方法として図３のような回路形式の参照用アンプを設ける代わりにプリアンプ３３１の出力の中心レベルを検出する回路すなわちフィルタ回路のような平均化回路を用いる方法も容易に考えられる。しかしながら、平均化回路を用いた場合には、プリアンプ３３１に直流電流が入力されると平均化回路で生成される参照電圧が不定になってしまうおそれがあるが、上記のようにプリアンプと同一回路形式の参照用アンプを用いるようにすることによって、入力電流が直流もしくはそれに極めて近い場合にも所望の参照電圧Ｖｒｅｆをコンパレータ３３２に与えることができるという利点がある。
【００３６】
図３の実施例回路においては、フォトダイオード３２１で光信号から変換された電気信号はプリアンプ３３１において増幅されてコンパレータ３３２へ入力されて、参照用アンプ３３３から供給される参照電圧Ｖｒｅｆと比較されて“０”，“１”が識別される。つまり、参照電圧Ｖｒｅｆは入力信号のしきい値を与える。この実施例においては、上述したように、参照電圧Ｖｒｅｆを生成する回路としてプリアンプ３３１と同一回路形式のアンプ３３３が用いられているため、電源雑音に対する耐性が高くなる。すなわち、参照電圧Ｖｒｅｆを生成する参照用アンプ３３３がプリアンプ３３１と同一回路形式であると、電源電圧Ｖｃｃに雑音がのってその影響でプリアンプ３３１の出力にノイズが現れたとしても電源電圧を共通にする参照用アンプ３３３の出力にも同様なノイズが現れるため、コンパレータ３３２の入力の相対的な関係は変わらないのでコンパレータ３３２の出力には電源電圧の雑音による影響が現れないようにされる。
【００３７】
しかも、本実施例では、他チャネルの入力信号により電源電圧に発生したノイズが電源電圧端子Ｖｃｃからフォトダイオード３２１を通してプリアンプ３３１に入って来ると、同様の電源ノイズが容量素子３３４を介して参照用アンプ３３３にも入って来るので、コンパレータ３３２の入力端子に対しては同相のノイズとなり互いに相殺しあうため、コンパレータ３３２が誤った入力信号の識別を行なうおそれがない。
【００３８】
図１０（Ｂ）に、本実施例の受信用ＩＣの入力識別回路を構成するプリアンプと参照用アンプの周波数応答特性を示す。参照用アンプの入力端子に等価容量を接続していない図９の従来タイプの入力識別回路におけるプリアンプと参照用アンプの周波数応答特性を示す図１０（Ａ）と比較すると明らかなように、本実施例を適用することにより、参照用アンプの周波数応答特性をプリアンプの周波数応答特性に近づけることができ、それによって入力信号が“０”か“１”かの識別動作がより正確に行なわれるようになる。
【００３９】
次に、図５〜図７を用いて、参照用アンプ３３３の入力端子に接続される上記容量素子３３４の具体的な構造について説明する。
【００４０】
図５は図３に示されている回路を半導体チップ上に形成する場合のレイアウトの一実施例を示すものである。図５において、１０は単結晶シリコン基板などからなる半導体チップ、２１はプリアンプ３３１を構成する素子が形成される領域、２２は参照用アンプ３３３を構成する素子が形成される領域、２３はコンパレータ３３２を構成する素子が形成される領域、２４は上記アンプ３３１，３３３の形成領域２１，２２の外側を囲むように形成されて他の阻止の形成領域からのリーク電流の侵入等を防止するためのガードリング領域である。
【００４１】
同図では、領域２１と２２が互いにオーバーラップして示されているが、これはプリアンプ３３１を構成する素子と参照用プリアンプ３３３を構成する素子とが互いに入り組んで配置されていることを表わしている。このようにすることにより、プリアンプ３３１を構成する素子と参照用アンプ３３３を構成する素子のばらつきを同様にすることができる。
【００４２】
また、３１は上記アンプ３３１，３３３に例えば３．３Ｖのような電源電圧Ｖｃｃを供給するための電源ライン、３２は上記アンプ３３１，３３３に接地電位（０Ｖ）のような電源電圧Ｖｅｅを供給するための電源ライン、３３は参照用アンプ３３３の入力端子に接続される上記容量素子３３４の一方の端子に電源電圧Ｖｃｃを供給するための電源ライン、３４は上記ガードリング領域２４に印加する電源電圧Ｖｃｃを供給するための電源ラインである。さらに、４１は上記プリアンプ３３１の入力端子に接続される信号入力パッド、４２は上記参照用アンプ３３３の入力端子に接続されるダミー入力パッドである。
【００４３】
この実施例においては、多層配線技術を用いて、受信用回路が形成される半導体チップ１０の信号入力パッド４１およびダミーパッド４２が形成される位置よりも外側のチップ縁部に沿って１層目のアルミ配線層で上記電源ライン３３を形成し、この電源ライン３３の一部に参照用アンプ３３３の入力端子側へ延長された冗長部３３Ａを設け、参照用アンプ３３３に接続された上記３層目のアルミ配線層からなるダミー入力パッド４２と上記冗長部３３Ａとを絶縁膜を介して対向させて、参照用アンプ３３３の入力端子に接続される等価容量が構成されている。
【００４４】
これによって、参照用アンプの入力端子に接続される等価容量として外付けのコンデンサを用いる場合に比べて受信モジュールをコンパクトに構成することができ、特に図３の実施例の回路のように多チャネルの光信号を受信するモジュールに適用した場合に有効である。
【００４５】
図６には、図３のＡ−Ａ’線に沿った断面構造が示されている。図６において、図３に示されている符号と同一の符号が付された部分は同一の構成要素である。図６より、電源ライン３３から延長された冗長部３３Ａとダミー入力パッド４２とが絶縁膜を介して対向されることによって参照用アンプ３３３の入力端子に接続される等価容量素子３３４が構成されている様子がよく分かる。
【００４６】
なお、図６に示されているように、この実施例においては、受信用回路が形成される半導体チップ１０として、ベースとなるシリコンなどの支持基板１１の上に絶縁膜１２を介して単結晶シリコン層１３を形成してなるＳＯＩ基板が用いられている。２４１は単結晶シリコン層１３に形成された高濃度の拡散層からなるガードリング領域、２４２は該ガードリング領域２４１に電源電圧Ｖｃｃを印加するための給電層、２４３はこの給電層２４２と上記ガードリング領域２４１とを電気的に接続するためのコンタクトホールである。
【００４７】
上記拡散層からなるガードリング領域２４１の周囲には、単結晶シリコン層１３に溝を掘って絶縁物等を埋めてなるいわゆるＵ溝アイソレーション領域２４４が形成されており、このＵ溝アイソレーション領域２４４によって上記拡散層からなるガードリング領域２４１と素子形成領域２１，２２とが電気的に絶縁される。特に制限されるものでないが、この実施例では、上記給電層２４２は前記等化容量を構成する冗長部３３Ａと同じ１層目のアルミ配線層により構成されている。また、単結晶シリコン層１３と各配線層３３Ａ，２４２および各パッド４１，４２間は、酸化シリコンなどの絶縁膜５０によって絶縁されている。
【００４８】
図７には、図３のＢ−Ｂ’線に沿った断面構造が示されている。図７に示されているように、この実施例においては、ＳＯＩ基板１０の表面の単結晶シリコン層１３のプリアンプ３３１や参照用アンプ３３３を構成する素子が形成される領域２１，２２に、電源ライン３２によって給電される電源電圧Ｖｅｅを印加するためのコンタクトホール６１，６２が絶縁膜５０に形成されている。この実施例では、電源電圧Ｖｅｅを供給する電源ライン３２は２層目のアルミ配線層で形成されている。また、上記単結晶シリコン層１３のプリアンプ３３１や参照用アンプ３３３を構成する素子が形成される領域２１，２２には、上記コンタクトホール６１，６２内の導電体（アルミニウム）と上記素子形成領域２１，２２とのオーミック接触を得るための高濃度拡散領域７１，７２が設けられている。
【００４９】
一方、上記ＳＯＩ基板１０の裏面側のベース基板１１の表面にはアルミニウムなどからなるメタル層８０が形成されており、このメタル層８０には電源電圧Ｖｃｃが印加されている。これによって、ベース基板１１と上記素子形成領域２１，２２との間に形成された容量が電源電圧を安定化するバイパスコンデンサ９０として機能するようにされる。
【００５０】
しかも、本実施例のような多チャネルの受信用回路においては、図８（Ｂ）に示されているように、フォトダイオードアレイ３２０の各ダイオードのピッチに合わせて入力端子としてのパッドＰＡＤ０〜ＰＡＤ１１を設け、さらにこれらのパッドＰＡＤ０〜ＰＡＤ１１に合わせてプリアンプ３３１および参照用アンプ３３３を配置しているので、各チャネルのアンプは比較的余裕のある領域に形成されることとなる。そのため、上記ＳＯＩ基板の参照用アンプを構成する素子形成領域２１，２２とベース基板１１との間に形成される容量は、その容量値がバイパスコンデンサとして機能するのに充分な大きさを持つ比較的大きな値となるので、本来のチップサイズを何ら増大させることなく大きな容量値を有するバイパスコンデンサを実現し、電源電圧の安定化を図ることができる。
【００５１】
なお、上記バイパスコンデンサは、プリアンプ３３１および参照用アンプ３３３の形成領域２１，２２とベース基板１１との間に形成される容量に限定されるものでなく、コンパレータ３３２やバッファ、フリップフロップなどの他の回路を構成する素子が形成される領域とベース基板１１との間に形成される容量であってもよい。
【００５２】
図８に本発明に係る受信用ＩＣを組み込んだ光信号の受信モジュールの構成例を示す。このうち（Ａ）はモジュールの断面図、（Ｂ）は平面図を示す。同図に示されているように、受信用ＩＣ３３０は、接着剤等によりプラスチックやセラミックなどのパッケージ３５０の中央に固定され、その入力端子側にフォトダイオードアレイ３２０が配置され同じく接着剤等によりパッケージ３５０に固定されている。このとき、フォトダイオードアレイ３２０の各ダイオードが受信用ＩＣに設けられている信号入力用のパッドＰＡＤ０〜ＰＡＤ１１と１対１で対向するように位置決めされ、対応するフォトダイオードと入力パッドとがボンディングワイヤ３６０により接続される。
【００５３】
さらに、パッケージ３５０のフォトダイオードアレイ配置側の側壁３５１には光ファイバの径とほぼ同一の径を有する貫通孔３５２が複数個形成されており、この貫通孔３５２に光ファイバ２００の一端が挿入されて固定されている。そして、この光ファイバが固定されたパッケージの側壁３５１と上記フォトダイオードアレイ３２０との間に、光ファイバ２００により送信されてきた光信号を集光して対応するフォトダイオードに入射させるマイクロレンズアレイ３１０が配置され、接着剤等によってパッケージ３５０に固定されている。
【００５４】
以上本発明者によってなされた発明を実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
【００５５】
例えば上記実施例においては、参照用アンプ３３３の入力端子と電源電圧端子との間に等価容量３３４を設けるようにしているが、この等価容量の代わりにフォトダイオードと同じ特性のダミーダイオードを接続するようにしてもよい。このようにした場合においても第１の実施例の回路と同様に、プリアンプ３３１側に入るクロストークノイズと参照用アンプ３３３側に入るクロストークノイズをコンパレータ３３２へ同相で入力させることで相殺してコンパレータ３３２が誤った識別動作をするのを防止することができる。
【００５６】
さらに、ダミーダイオードを設けた場合においても、図７に示されている構造を適用することで、入力識別回路を構成するプリアンプと参照用アンプが形成される活性領域とベース基板との間にバイパスコンデンサを構成して電源電圧の安定化を図ることが可能である。
【００５７】
なお、ダミーダイオードを設けた場合には、ダミーダイオード側に光ファイバーとマイクロレンズを設ける必要がない一方、ダミーダイオードに隣接する本来の光電変換用のフォトダイオードへ入射される光信号が漏れて入射されないように遮光マスクを設けるなどの工夫が必要である。
【００５８】
【発明の効果】
本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば下記のとおりである。
【００５９】
すなわち、本発明に従うと、多チャネルの光信号を受信する光インタコネクション受信モジュールにおいて、他チャネルの入力信号により発生するクロストークノイズによる影響をプリアンプ側と参照用アンプ側とで相殺させて入力信号の正確な識別が行なえるとともに、他チャネルの入力信号により発生するクロストークノイズによる影響をプリアンプ側と参照用アンプ側とで相殺させるために用いる容量素子や電源電圧安定化のためのバイパスコンデンサの好適なデバイス構造が得られ、光インタコネクション受信モジュールの小型化が達成される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る光信号の多チャネル用受信モジュールの構成例を示すブロック図である。
【図２】本発明に係る多チャネル用受信モジュールを構成する受信用回路の実施例を示す回路構成図である。
【図３】１つのチャネルに対応された入力識別回路の実施例を示す回路構成図である。
【図４】プリアンプと参照用アンプの具体例を示す回路図である。
【図５】図３に示されている１つのチャネルに対応された入力識別回路を半導体チップ上に形成する場合のレイアウトの一実施例を示すレイアウト説明図である。
【図６】図５のＡ−Ａ’線に沿った断面構造を示す断面図である。
【図７】図５のＢ−Ｂ’線に沿った断面構造を示す断面図である。
【図８】本発明に係る受信用ＩＣを組み込んだ光信号の受信モジュールの構成例を示すモジュールの断面図および平面図である。
【図９】光インタコネクション受信モジュールにおける一般的な入力識別回路の例を示す回路構成図である。
【図１０】図９の入力識別回路を構成するプリアンプおよび参照用アンプの周波数応答特性と、本発明の実施例の受信用回路における入力識別回路を構成するプリアンプおよび参照用アンプの周波数応答特性を示す特性説明図である。
【符号の説明】
１００ 送信モジュール
１１０ 送信モジュール用半導体集積回路
１２０ レーザダイオードアレイ
１３０ マイクロレンズアレイ
２００ 光ファイバーアレイ
３００ 光インタコネクション受信モジュール
３２０ フォトダイオードアレイ
３３０ 受信モジュール用半導体集積回路
３３１ プリアンプ
３３２ コンパレータ
３３３ 参照用アンプ
３３４ 等価容量素子
３５０ パッケージ
３６０ ボンディングワイヤ
１０ 半導体チップ（ＳＯＩ基板）
２１ プリアンプの素子形成領域
２２ 参照用アンプの素子形成領域
２３ コンパレータの素子形成領域
２４ ガードリング領域
３１，３３，３４ Ｖｃｃ供給用電源ライン
３２ Ｖｅｅ供給用電源ライン
４１ 信号入力パッド
４２ ダミー入力パッド
９０ バイパスコンデンサ
ＩＤＣ 入力識別回路
Ｖ−ＰＡＤ 電源パッド
ＰＡＤ０〜ＰＡＤ１１ 信号入力パッド
Claims (6)
- 複数チャネルの光信号をそれぞれ受信して、電気信号へ変換する複数のフォトダイオードと、
少なくとも１つの電源パッドと、
上記少なくとも１つの電源パッドに接続された電源ラインと、
上記複数のフォトダイオードで変換された電気信号を各チャネルごとに増幅する第 1 のアンプと、
上記第１のアンプで増幅された信号を、参照電圧に基づいて識別する識別回路と、
上記参照電圧を生成する参照電圧形成回路と、
上記参照電圧形成回路と上記少なくとも１つの電源パッドとの間に形成された容量素子とを備えた光インタコネクション受信モジュールであって、
上記第１のアンプ、上記識別回路、上記参照電圧形成回路および上記容量素子は、上記電源ラインおよび上記少なくとも１つの電源パッドと共に一つの半導体チップに形成され、
上記第１のアンプおよび上記参照電圧形成回路は、上記電源ラインを介して
上記少なくとも１つの電源パッドに接続され、
上記参照電圧回路は入力端子および出力端子を有する第２のアンプを含み、上記容量素子は上記入力端子に接続され、上記参照電圧は上記出力端子からの出力であり、
上記電源ラインは第１の配線層および該第１の配線層と異なる第２の配線層を備え、上記第１の配線層は上記第１のアンプおよび第２のアンプを含む受信用回路が形成された上記半導体チップの信号入力パッドが形成される位置よりも外側のチップ縁部に沿って設けられ、
上記第２の配線層は、上記第２のアンプの上記入力端子まで延在し、上記第２のアンプに接続され、
上記電源ラインは上記第２のアンプの上記入力端子側へ延長された冗長部を有し、上記容量素子は、上記第２の配線層を含んでなるパッドが該パッドと上記電源ラインの上記冗長部との中間部に位置する絶縁膜を介して上記冗長部と対向するように形成されていることを特徴とする光インタコネクション受信モジュール。 - 複数チャネルの光信号をそれぞれ受信して、電気信号へ変換する複数のフォトダイオードと、
少なくとも１つの電源パッドと、
上記少なくとも１つの電源パッドに接続された電源ラインと、
上記複数のフォトダイオードで変換された電気信号を各チャネルごとに増幅する第 1 のアンプと、
上記第１のアンプで増幅された信号を、参照電圧に基づいて識別する識別回路と、
上記参照電圧を生成する参照電圧形成回路と、
上記参照電圧形成回路と上記少なくとも１つの電源パッドとの間に形成された容量素子とを備えた光インタコネクション受信モジュールであって、
上記第１のアンプ、上記識別回路、上記参照電圧形成回路および上記容量素子は、上記電源ラインおよび上記少なくとも１つの電源パッドと共に一つの半導体チップに形成され、
上記第１のアンプおよび上記参照電圧形成回路は、上記電源ラインを介して
上記少なくとも１つの電源パッドに接続され、
上記参照電圧回路は入力端子および出力端子を有する第２のアンプを含み、上記容量素子は上記入力端子に接続され、上記参照電圧は上記出力端子からの出力であり、
上記第１のアンプと上記第２のアンプを含む受信用回路が形成される半導体チップとして、ベースとなる基板の上に絶縁膜を介して受信用回路が形成される半導体層が積層されてなるＳＯＩ基板が用いられ、
上記ベースとなる基板には第１電源電圧端子が接続されるとともに上記受信用回路を構成する素子が形成される半導体領域には第２の電源電圧端子が接続され、
上記半導体領域とベースとなる基板との間に形成された容量が、バイパスコンデンサとして働くように構成されてなることを特徴とする光インタコネクション受信モジュール。 - 上記第１のアンプと上記第２のアンプを含む受信用回路が形成される半導体チップとして、ベースとなる基板の上に絶縁膜を介して受信用回路が形成される半導体層が積層されてなるＳＯＩ基板が用いられ、
上記ベースとなる基板には第１電源電圧端子が接続されるとともに上記受信用回路を構成する素子が形成される半導体領域には第２の電源電圧端子が接続され、
上記半導体領域とベースとなる基板との間に形成された容量が、バイパスコンデンサとして働くように構成されてなることを特徴とする請求項１に記載の光インタコネクション受信モジュール。 - 上記第１のアンプおよび上記第２のアンプは、
ベース端子が信号入力端子に接続されたエミッタ接地型バイポーラ・トランジスタと、
該トランジスタのコレクタ端子と第１の電源電圧端子との間に接続されたコレクタ抵抗と、
上記トランジスタのコレクタ端子にベースが接続されたエミッタフォロワ・トランジスタと、
該エミッタフォロワ・トランジスタのエミッタ端子と第２の電源電圧端子との間に接続されたエミッタ抵抗と、
上記エミッタフォロワ・トランジスタのエミッタ端子と上記信号入力端子との間に接続されたフィードバック抵抗と
を具備してなる電流入力電圧出力型の増幅回路により構成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の光インタコネクション受信モジュール。 - 上記フォトダイオードアレイの近傍には、各フォトダイオードに対して受信光信号を集光して照射可能な複数のレンズを有するマイクロレンズアレイが配設されていることを特徴とする請求項４に記載の光インタコネクション受信モジュール。
- 上記フォトダイオードアレイと受信用回路が搭載されるパッケージの一部には、上記マイクロレンズアレイに対応して光ファイバの一端を固定するためファイバ固定部が設けられていることを特徴とする請求項５に記載の光インタコネクション受信モジュール。
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