JP3963437B2

JP3963437B2 - 受光方法および受光装置

Info

Publication number: JP3963437B2
Application number: JP2002095600A
Authority: JP
Inventors: 敬太加藤
Original assignee: Anritsu Corp
Current assignee: Anritsu Corp
Priority date: 2002-03-29
Filing date: 2002-03-29
Publication date: 2007-08-22
Anticipated expiration: 2022-03-29
Also published as: JP2003298101A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光を電気信号に変換するフォトダイオードのうち、特に増倍率を有するアバランシェフォトダイオード（以下、ＡＰＤと記す）の増倍率を正確に設定するための技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＡＰＤは、ｐｎ接合型の受光素子のうち、逆バイアスの印加で生じる電子なだれ現象によって光電流を増倍するように構成され、一般的なフォトダイオードやフォトトランジスタ等の他の半導体受光素子に比べて、高速で高感度な受光特性を有し、光通信機器や光測定機器に多用されている。
【０００３】
このＡＰＤの増倍率Ｍは、一般的に逆バイアスを大きくする程増大して出力も大きくなるが、増倍率Ｍの増加に伴ってショット雑音も増大するため、通常はＳ／Ｎ比が最大となるような増倍率（最適増倍率）Ｍｏで使用している。
【０００４】
ところが、ＡＰＤの増倍率Ｍは、逆バイアス電圧が一定であっても温度変化によって変化し、この増倍率Ｍの変動によって、受光感度やＳ／Ｎが変化してしまう。
【０００５】
このため、ＡＰＤの製造元は温度に対する増倍率の変化特性を公開し、そのＡＰＤを利用して機器を製造するメーカでは、ＡＰＤの周囲の温度をセンサで検出し、その検出した温度に応じて逆バイアス電圧を制御して、ＡＰＤの増倍率を安定化していた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、温度変化に対するＡＰＤの増倍率の変化は、素子毎にばらつきがあり一様でないため、上記のように温度制御しても増倍率の変動を防ぎきれないという問題があった。
【０００７】
本発明は、この問題を解決して、ＡＰＤの増倍率を所望値に正しく設定した状態で受光できる受光方法および受光装置を提供することを目的としている。
【０００８】
なお、本発明は、０ボルトの逆バイアス電圧が印加されたＡＰＤには増倍作用がなく（即ち増倍率Ｍが１）、しかも温度依存性がないことに着目して、所望の増倍率を正確に設定できるようにしたものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明の受光方法は、
受光対象光をアバランシェフォトダイオードで受けて該受光対象光に対応する電気信号を出力する受光方法において、
前記受光対象光を入射する前の準備段階として、基準光を前記アバランシェフォトダイオードに入射させる段階（Ｓ２）と、
前記基準光が入射されている状態で前記アバランシェフォトダイオードに０ボルトの逆バイアス電圧を印加して該アバランシェフォトダイオードの出力電流を記憶する段階（Ｓ３、Ｓ４）と、
前記基準光が入射されている状態で前記アバランシェフォトダイオードの出力電流が前記記憶された電流値の所望値倍となるように前記アバランシェフォトダイオードの逆バイアス電圧を設定する段階（Ｓ５、Ｓ６）と、
前記設定された逆バイアス電圧が印加されている状態で、前記基準光に代えて前記受光対象光を前記アバランシェフォトダイオードに入射させる段階（Ｓ７）とを含んでいる。
【００１０】
また、本発明の受光装置は、
アバランシェフォトダイオード（２１）と、該アバランシェフォトダイオードに逆バイアス電圧を印加する電圧可変の電源（２２）とを有し、受光対象光を前記アバランシェフォトダイオードで受け、該受光対象光に対応する電気信号を出力する受光装置において、
基準光を出射する基準光発生器（２５、４１）と、
前記アバランシェフォトダイオードに前記基準光と前記受光対象光のいずれかを選択的に入射させるための切替手段（２６、４５、４６、４７）と、
前記切替手段と前記電源の電圧とを制御する制御手段（３０）とを備え、
前記制御手段は、前記受光対象光を入射させる前の準備段階として、前記基準光を前記アバランシェフォトダイオードに入射させ、前記アバランシェフォトダイオードに０ボルトの逆バイアス電圧を印加させた状態で、前記アバランシェフォトダイオードの出力電流値（Ａ）を記憶し、さらに、前記基準光が入射している状態で前記アバランシェフォトダイオードの出力電流値が前記記憶した出力電流値の所望値倍（Ｍｏ・Ａ）となるように逆バイアス電圧を設定し、該設定した逆バイアス電圧を保持した状態で、前記基準光に代わり前記受光対象光を前記アバランシェフォトダイオードに入射させることを特徴としている。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明を適用した受光装置２０の構成を示している。
【００１２】
この受光装置２０は、例えば、光中継器、光受信機等の各種の光通信機器や、光サンプリング装置、光パルス試験器等の各種の光測定器の受光部あるいはその一部として用いられるものであって、入力端子２０ａから入射される受光対象光Ｘを後述する光スイッチ２６を介してＳｉ（シリコン）型のＡＰＤ２１で受ける。
【００１３】
ＡＰＤ２１は、出力電圧を変化させることができる電源２２と負荷回路２３に接続されている。
【００１４】
電源２２は、可変の直流電源であり、例えばＤ／Ａ変換器で構成され、後述する制御部３０からのデータに対応する逆バイアス電圧ＶｒをＡＰＤ２１に印加する。
【００１５】
負荷回路２３は、光を受けたＡＰＤ２１が出力する電流Ｉを受けて、その電流Ｉに比例した電圧Ｖ（Ｉ）を出力する。なお、この負荷回路２３は、一般には、ＡＰＤ２１に直列接続された負荷抵抗、あるいはこの負荷抵抗と負荷抵抗に流れる電流を電圧に変換する電流電圧変換器とによって構成されている。
【００１６】
この負荷回路２３の出力電圧は、受光装置２０の受光対象光Ｘの強度の変化に対応して電圧が変化する受光信号として図示しない信号処理部へ出力されれて、処理される。
【００１７】
基準光発生器２５は、ＡＰＤ２１の受光範囲内の所定波長の基準光Ｒを出射する。この基準光Ｒは、少なくとも増倍率を設定する間は強度が一定の連続光とする。
【００１８】
光スイッチ２６は、この実施形態の基準光入射手段を構成するものであり、制御部３０の制御を受けて、入力端子２０ａから入射される受光対象光Ｘと基準光Ｒのいずれかを一方を選択的にＡＰＤ２１に入射させる。
【００１９】
Ａ／Ｄ変換器２７は、負荷回路２３の出力電圧Ｖ（Ｉ）をディジタル値に変換して制御部３０に出力する。
【００２０】
制御部３０は、マイクロコンピュータで構成され、例えば他の処理部から通信や測定等を開始を指示する指示信号Ｈを受けると、Ａ／Ｄ変換器２７を介して入力される負荷回路２３の出力電圧Ｖ（Ｉ）を、ＡＰＤ２１の出力電流Ｉに対応する値として受け、電源２２および光スイッチ２６を制御してアバランシェフォトダイオード２１に印加される逆バイアス電圧Ｖｒが、所望増倍率Ｍｏに対応した電圧になるように制御する。
【００２１】
図２は、この制御部３０の処理手順を示すフローチャートである。
以下、このフローチャートに基づいて受光装置２０の動作を説明する。
【００２２】
前記した指示信号Ｈが入力されると、制御部３０は、光スイッチ２６を基準光発生器２５側に接続して、基準光ＲをＡＰＤ２１に入射させるとともに、逆バイアス電圧Ｖｒを０ボルトに設定する（Ｓ１〜Ｓ３）。
【００２３】
そして、このときの負荷回路２３の出力電圧Ｖ（Ｉ）（基準光Ｒが連続光なので直流電圧となる）を基準値Ａとして図示しないメモリに記憶する（Ｓ４）。
【００２４】
なお、前記したように、逆バイアス電圧が０ボルトのとき、Ｓｉ系のＡＰＤ２１は増倍作用がない状態、即ち、入射される光の光子１個が電子１個に変換される増倍率Ｍ＝１の状態であり、しかも、この増倍率は基準光Ｒのパワーが一定であれば、周囲温度の変化による影響を受けない。
【００２５】
次に、逆バイアス電圧Ｖｒを所定ステップΔＶずつ増加させ、そのときに負荷回路２３の出力電圧Ｖ（Ｉ）と、所望の増倍率Ｍｏに基準値Ａを乗じた値Ｍｏ・Ａと比較する（Ｓ５、Ｓ６）。
【００２６】
そして、出力電圧Ｖ（Ｉ）がＭｏ・Ａに等しく（あるいは最も近く）なったときの逆バイアス電圧Ｖｒを、現環境でＡＰＤ２１に所望の増倍率Ｍｏを与える逆バイアス電圧とし、この逆バイアス電圧をＡＰＤ２１に印加した状態で、光スイッチ２６を入力端子２０ａ側に切り換えて、受光対象光ＸをＡＰＤ２１に入射させる（Ｓ７）。
【００２７】
このとき、ＡＰＤ２１の増倍率Ｍは、現環境下で正確に所望値Ｍｏに設定されているので、受光対象光Ｘを高いＳ／Ｎで電気信号に変換することができる。
【００２８】
なお、上記受光装置２０では、受光対象光Ｘの代わりに基準光ＲをＡＰＤ２１に入射させるために光スイッチ２６を用い、この光スイッチ２６を制御部３０によって制御していたが、これは本発明を限定するものでなく、図３のように、手作業等で基準光発生器２５を入力端子２０ａに接続してから、前記した逆バイアス電圧の可変制御によってＡＰＤ２１の増倍率Ｍを所望値Ｍｏに設定してから、基準光発生器２５を入力端子２０ａから外して、受光対象光Ｘを入力端子２０ａに入射させてもよい。
【００２９】
また、前記説明では、強度が一定の基準光Ｒを用いていたが、基準光Ｒは、その強度が変調されていてもよい。この場合には、変調による強度の変化に対応して変化する出力電圧Ｖ（Ｉ）の平均値やピーク値を検出して、逆バイアス電圧を設定する。
【００３０】
例えば、基準光Ｒの強度が正弦波で変調されている場合、出力電圧Ｖ（Ｉ）も正弦波状に変化するが、制御部３０は、逆バイアス電圧０ボルト時の出力電圧Ｖ（Ｉ）の平均値を基準値Ａとして記憶し、出力電圧Ｖ（Ｉ）の平均値が、Ｍｏ・Ａに等しく（あるいは最も近く）なったときの逆バイアス電圧を求める。
【００３１】
また、基準光Ｒの強度がパルス波で変調されている場合、出力電圧Ｖ（Ｉ）もパルス状に変化するが、制御部３０は、逆バイアス電圧０ボルト時の出力電圧Ｖ（Ｉ）のピーク値を基準値Ａとして記憶し、出力電圧Ｖ（Ｉ）のピーク値が、Ｍｏ・Ａに等しく（あるいは最も近く）なったときの逆バイアス電圧を求める。
【００３２】
また、受光装置２０として予め光源を有している場合には、その光源を基準光発生器として兼用することも可能である。
【００３３】
例えば、図４に示すように、入力端子４０ａから入射される被測定光Ｘと、パルス発生器４１から所定周期で出射される光パルスＰとを、偏波合成器４２で互いの偏波方向が直交するように合成して非線形光学結晶４３に入射し、非線形光学結晶４３から出力される光パルスＰｓを受光対象光としてＡＰＤ２１で受光する光サンプリング方式の受光装置４０の場合には、サンプリング用の光パルスＰを基準光として用いることができる。
【００３４】
なお、非線形光学結晶４３は、図５に示すように、互いに偏波方向が直交し、且つその一方の偏波方向が所定方向となる２つの光Ｘ、Ｒを受ける毎に、その２つの光の周波数の和に等しい周波数を有し、２つの光のパワーの積に比例するパワーを有する光パルスＰｓを出射する。
【００３５】
このような光サンプリング方式の受光装置４０の場合、図４に示しているように被測定光Ｘの入射を光スイッチ４５で規制しても、非線形光学結晶４３から光パルスＰは出射されないが、偏波合成器４２と非線形光学結晶４３の間に例えばλ／２板のような偏波回転素子４６を移動装置４７によって挿入して、図６に示すように、偏波合成器４２から出射された光パルスＰの偏波方向を前記所定方向に対して４５°傾けて、互いに偏波方向が直交する２つの光パルス成分Ｐｘ、Ｐｙを生じさせて、非線形光学結晶４３に入射させることで、非線形光学結晶４３から光パルスＰを出射させることができる。
【００３６】
この受光装置４０の制御部３０は、図７に示すように、光スイッチ４５を開いて被測定光Ｘの入射を規制し（Ｓ２ａ）、偏波回転素子４６を偏波合成器４２と非線形光学結晶４３の間に挿入させて（Ｓ２ｂ）、非線形光学結晶４３から光パルスＰを基準光ＲとしてＡＰＤ２１に入射させ、逆バイアス電圧０ボルトのときに得られる出力電圧Ｖ（Ｉ）のピーク値を基準値Ａとして記憶し、出力電圧Ｖ（Ｉ）がＭｏ・Ａに等しく（または最も近く）なったときの逆バイアス電圧を、現環境下でＡＰＤ２１に所望の増倍率Ｍｏを与える逆バイアス電圧とし、偏波回転素子４６を偏波合成器４２と非線形光学結晶４３の間から退出させ（Ｓ７ａ）、光スイッチ４５を閉じて被測定光Ｘの入射の規制を解除して、被測定光Ｘを光パルスＰでサンプリングして得られる光パルスＰｓをＡＰＤ２１に入射させる（Ｓ７ｂ）。
【００３７】
また、前記実施形態では、逆バイアス電圧を０ボルトから所定ステップΔＶずつ増加させていたが、前記したように、ＡＰＤ２１の製造元から温度の変化に対して最適増倍率Ｍｏを与える逆バイアス電圧を示すデータが与えられている場合には、例えば図８に示す受光装置５０のように、制御部３０のメモリ３０ａにそのデータを初期設定しておくとともに、温度センサ５１を用いてＡＰＤ２１周辺の温度を検出できるようにしておく。
【００３８】
そして、図９に示すように、逆バイアス電圧０ボルト時の出力電圧を基準値Ａとして記憶し、温度センサ５１で検出される温度に対応した逆バイアス電圧のデータをメモリ３０ａから読み出してその電圧をＡＰＤ２１に印加し（Ｓ５ａ）、出力電圧Ｖ（Ｉ）とＭｏ・Ａとを比較し（Ｓ５ｂ）、出力電圧Ｖ（Ｉ）がＭｏ・Ａより大きいときには逆バイアス電圧を減少させ（Ｓ５ｃ）、出力電圧Ｖ（Ｉ）がＭｏ・Ａより小さいときには逆バイアス電圧を増加させ（Ｓ５ｄ）て、出力電圧Ｖ（Ｉ）がＭｏ・Ａに等しくなったときに、基準光Ｒに代わって測定光Ｘを入射させるとともに、現在の逆バイアス電圧のデータで、その温度に対応するメモリ３０ａのデータを更新する（Ｓ８）。
【００３９】
このように構成した受光装置５０では、出力電圧Ｖ（Ｉ）がＭｏ・Ａとなるまでの逆バイアス電圧の可変回数が少なくて済み、速やかにＡＰＤ２１の増倍率を所望値Ｍｏに設定することができる。
【００４０】
なお、このように温度に対する逆バイアス電圧のデータをメモリ３０ａに記憶しておき、温度センサ５１で検出される温度に対応する電圧データを読み出してから逆バイアス電圧を調整する方法は、図７の処理Ｓ５、Ｓ６の代わりに、図９の処理Ｓ５ａ〜Ｓ５ｄを行なうことで、光サンプリング方式の受光装置４０にも全く同様に適用できる。
【００４１】
また、前記したように、逆バイアス電圧が０ボルトのときのＡＰＤ２１の増倍率Ｍは１で温度依存性もたないから、基準光Ｒのパワー（光パルスＰの場合ピークパワー）が温度変化によらず一定であれば、逆バイアス電圧が０ボルトのときのＡＰＤ２１の出力電流Ｉも常に一定値となる。したがって、このような安定な基準光Ｒを用いる場合には、逆バイアス電圧が０ボルトのときの出力電流（出力電圧）を最初の１回だけ求めてこれを基準値Ａとして記憶し、以後のバイアス設定時の際にもこの基準値Ａを用いればよい。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の受光方法は、アバランシェフォトダイオードに基準光を入射し、０ボルトの逆バイアス電圧を印加した状態で、アバランシェフォトダイオードの出力電流を測定し、その基準光を入射した状態で、アバランシェフォトダイオードの出力電流が前記測定値の所望値倍になるまで逆バイアス電圧を変化させて、アバランシェフォトダイオードの増倍率を所望値に設定している。
【００４３】
また、本発明の受光装置は、基準光発生器から出射された基準光をアバランシェフォトダイオードに入射させ、このときに、制御手段が、アバランシェフォトダイオードの出力電流を検出しながら電源を制御して逆バイアス電圧を変化させて、逆バイアス電圧が０ボルトのときの出力電流の所望値倍の出力電流が得られる逆バイアス電圧を求め、求めた逆バイアス電圧を基準光に代わって受光対象光が入射されるときにアバランシェフォトダイオードに印加させるようにしている。
【００４４】
このため、温度が変化しても、アバランシェフォトダイオードに対してその温度環境下で常に正確な増倍率を設定することができ、受光対象光を高いＳ／Ｎで電気信号に変換することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の構成を示す図
【図２】実施形態の要部の処理手順を示すフローチャート
【図３】実施形態の変形例を示す図
【図４】光サンプリング型の実施形態の構成を示す図
【図５】図４の要部の動作を説明するための図
【図６】図４の要部の動作を説明するための図
【図７】図４の要部の処理手順を示すフローチャート
【図８】温度センサを用いた実施形態の構成を示す図
【図９】図８の実施形態の要部の処理手順を示すフローチャート
【符号の説明】
２０、４０、５０……受光装置、２１……ＡＰＤ、２２……電源、２３……負荷回路、２５……基準光発生器、２６……光スイッチ、２７……Ａ／Ｄ変換器、３０……制御部、４１……光パルス発生器、４２……偏波合成器、４３……非線形光学結晶、４５……光スイッチ、４６……偏波回転素子、４７……移動装置、５１……温度センサ

Claims

受光対象光をアバランシェフォトダイオードで受けて該受光対象光に対応する電気信号を出力する受光方法において、
前記受光対象光を入射する前の準備段階として、基準光を前記アバランシェフォトダイオードに入射させる段階（Ｓ２）と、
前記基準光が入射されている状態で前記アバランシェフォトダイオードに０ボルトの逆バイアス電圧を印加して該アバランシェフォトダイオードの出力電流を記憶する段階（Ｓ３、Ｓ４）と、
前記基準光が入射されている状態で前記アバランシェフォトダイオードの出力電流が前記記憶された電流値の所望値倍となるように前記アバランシェフォトダイオードの逆バイアス電圧を設定する段階（Ｓ５、Ｓ６）と、
前記設定された逆バイアス電圧が印加されている状態で、前記基準光に代えて前記受光対象光を前記アバランシェフォトダイオードに入射させる段階（Ｓ７）とを含むことを特徴とする受光方法。
前記アバランシェフォトダイオードに最適増倍率（Ｍｏ）を与える周辺温度毎の逆バイアス電圧のデータを予め記憶しておくとともに、
前記逆バイアス電圧を設定する前段階として、前記アバランシェフォトダイオードの周辺温度を検出する段階を含み、
前記逆バイアス電圧を設定する際には、前記検出した周辺温度に対応した逆バイアス電圧を前記アバランシェフォトダイオードに初期値として印加してから、前記アバランシェフォトダイオードの出力電流が前記記憶された電流値の前記最適増倍率となるように可変設定することを特徴とする請求項１記載の受光方法。
アバランシェフォトダイオード（２１）と、該アバランシェフォトダイオードに逆バイアス電圧を印加する電圧可変の電源（２２）とを有し、受光対象光を前記アバランシェフォトダイオードで受け、該受光対象光に対応する電気信号を出力する受光装置において、
基準光を出射する基準光発生器（２５、４１）と、
前記アバランシェフォトダイオードに前記基準光と前記受光対象光のいずれかを選択的に入射させるための切替手段（２６、４５、４６、４７）と、
前記切替手段と前記電源の電圧とを制御する制御手段（３０）とを備え、
前記制御手段は、前記受光対象光を入射させる前の準備段階として、前記基準光を前記アバランシェフォトダイオードに入射させ、前記アバランシェフォトダイオードに０ボルトの逆バイアス電圧を印加させた状態で、前記アバランシェフォトダイオードの出力電流値（Ａ）を記憶し、さらに、前記基準光が入射している状態で前記アバランシェフォトダイオードの出力電流値が前記記憶した出力電流値の所望値倍（Ｍｏ・Ａ）となるように逆バイアス電圧を設定し、該設定した逆バイアス電圧を保持した状態で、前記基準光に代わり前記受光対象光を前記アバランシェフォトダイオードに入射させることを特徴とする受光装置。
前記アバランシェフォトダイオードに最適増倍率（Ｍｏ）を与える周辺温度毎の逆バイアス電圧のデータを予め記憶しているメモリ（３０ａ）と、
前記アバランシェフォトダイオードの周辺温度を検出する温度センサ（５１）とを備え、
前記制御手段は、前記逆バイアス電圧を設定する際に、前記温度センサによって検出した周辺温度に対応した逆バイアス電圧を前記メモリから読み出して前記アバランシェフォトダイオードに初期値として印加してから、前記アバランシェフォトダイオードの出力電流が前記記憶された電流値の前記最適増倍率となるように可変設定することを特徴とする請求項３記載の受光装置。