JP4652279B2

JP4652279B2 - 光電気変換器、光受信回路および光受信モジュール

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Publication number: JP4652279B2
Application number: JP2006142707A
Authority: JP
Inventors: 秀樹上綱; 美和武藤
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2006-05-23
Filing date: 2006-05-23
Publication date: 2011-03-16
Anticipated expiration: 2026-05-23
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Description

本発明は、光電気変換器、光受信回路および光受信モジュールに関し、特に、周波数多重信号を光伝送する光受信装置や異なる変調方式の信号を周波数多重してハイブリッド光伝送する光受信装置に用いる光電気変換器、光受信回路および光受信モジュールに関するものである。

光映像分配システムとして、地上放送に代表されるＡＭ−ＦＤＭ信号と衛星放送に代表されるＦＭ−ＦＤＭ信号とを電気段で周波数多重し、周波数多重した双方の信号を光信号に重畳させて、同時に光ファイバにてユーザ宅まで光伝送するＡＭ／ＦＭ−ＦＤＭハイブリッド光映像分配システムが検討されている（特許文献１参照）。また、ＦＤＭ方式と比較して、ダイナミックレンジの拡大や光コネクタなどでの反射光耐力を向上させることができるＦＭ一括変換方式を採用し、さらに、当該ＦＭ帯域外の未使用周波数領域に他の信号を重畳する方式も検討されている（非特許文献１参照）。

近年、光映像分配システムにおいては、このようなハイブリッド伝送技術を用いて伝送チャネルを増大させることが強く求められている。ここで、重要なポイントは、装置をできるだけ低コストかつ小型に構成することである。この観点からは、例えば、ＷＤＭ技術などを前提としたＡＭ信号受信用やＦＭ信号受信用といった個別の光受信回路を備えた構成ではなく、１つの光受信モジュールとして１つのみのフォトダイオードを備えた光受信回路構成の実現が強く望まれている。

図１３に示す従来の光受信回路の構成は、前記特許文献１に開示されたものである。この構成では、光受信回路に備えられた１つのフォトダイオード１からの電気信号が、それぞれローパスフィルタ２１およびハイパスフィルタ２２により、例えば、ＡＭ信号とＦＭ信号とに分離され、それぞれの信号帯域に最適化されたＡＭ帯アンプ２３、ＦＭ帯アンプ２４により増幅される構成となっている。したがって、ＡＭ帯アンプ２３、ＦＭ帯アンプ２４への入力前に信号を分離していることから、フォトダイオード１とアンプとを直結した構成と比較して、アンプの非線形性によるＡＭ−ＦＭ信号間の相互変調歪みや異なる帯域の信号の高調波歪み等を大幅に低減することができるという利点がある。
特許第３３１７４５０号公報柴田他"ＦＭ一括変換技術を用いたサブキャリア多重伝送とディジタルベースバンド信号の重畳方式"電子情報通信学会論文誌Ｂ vol.Ｊ８５−Ｂ，no.１，ｐｐ．１−８．２００２年１月

しかしながら、図１３に示した光受信回路の構成では、ローパスフィルタ２１、ハイパスフィルタ２２の各フィルタには、図示したように、複数のインダクタやキャパシタが必要であり、小型化および低コスト化に有利なモノリシック集積回路で構成しようとした場合に、これらのフィルタの占有面積が大きくなりチップサイズが増大するという問題点や、信号がフィルタを通過する際に生じる損失により、受信感度が低下するという問題点がある。さらに、これらのチップサイズの増大は、当該光受信回路を用いて構成する光受信モジュールのコスト増を招くという問題点もある。

また、例えば、ＦＭ一括信号やディジタル信号などを受信する場合には、その信号周波数帯域で平坦な群遅延特性が要求されるが、群遅延特性の平坦化には、フィルタの多段構成化が必要となり、益々、回路規模が増大し、コスト増や損失の増大（受信感度の低下）を招いてしまうという問題点があった。

本発明は、かかる問題に鑑みてなされたものであり、光信号に重畳された周波数帯域が異なる電気信号を分離して増幅する動作を、フォトダイオードとアンプとを直結した構成で実現可能とし、フィルタの部品点数を大幅に削減することを通じて、高性能で小型かつ低コストの光電気変換器、光受信回路および光受信モジュールを提供することにその目的がある。

本発明は、前述の課題を解決するために、以下のごとき各技術手段から構成されている。

第１の技術手段は、異なる周波数帯域の電気信号である第１の信号と第２の信号とで変調された光信号が入力されるフォトダイオードと、並列共振回路とを備えた光電気変換器において、前記並列共振回路の共振周波数は、前記第１の信号の周波数帯域近傍の周波数であり、かつ、前記第２の信号の周波数帯域よりも低い周波数か、もしくは、高い周波数であり、前記並列共振回路の一端は交流的に接地され、他端は前記フォトダイオードのアノードまたはカソードに接続され、前記フォトダイオードのアノードとカソードのうち、前記並列共振回路の一端と接続された一方から前記第１の信号を、接続されていない他方から前記第２の信号をそれぞれ電気信号として取出すことを特徴とする。

第２の技術手段は、前記第１の技術手段に記載の光電気変換器において、前記第１の信号は、少なくとも１つ以上のＡＭ信号であり、前記第２の信号は、ＦＭ信号またはディジタル信号であることを特徴とする。

第３の技術手段は、前記第１または第２の技術手段に記載の光電気変換器において、前記並列共振回路は、少なくとも１つ以上のキャパシタと少なくとも１つ以上のインダクタまたは伝送線路とで構成されることを特徴とする。

第４の技術手段は、前記第３の技術手段に記載の光電気変換器において、前記インダクタの一部または全てが、ワイヤにより構成されていることを特徴とする。

第５の技術手段は、前記第１乃至第４の技術手段のいずれかに記載の光電気変換器において、前記フォトダイオードと前記並列共振回路の一部または全てとが、同一の半導体基板に集積されることを特徴とする。

第６の技術手段は、前記第１乃至第４の技術手段のいずれかに記載の光電気変換器において、前記並列共振回路の一部または全てと前記フォトダイオードのバイアス回路の一部または全てとが、同一の基板に集積されることを特徴とする。

第７の技術手段は、前記第１乃至第６の技術手段のいずれかに記載の光電気変換器と、第１の増幅器と第２の増幅器と、を備えた光受信回路において、前記第１の増幅器の入力端子は、前記フォトダイオードのアノードまたはカソードのうち、前記並列共振回路が接続された方に接続され、前記第２の増幅器の入力端子は、前記フォトダイオードのアノードまたはカソードのうち、前記並列共振回路が接続されていない方に接続されたことを特徴とする。

第８の技術手段は、前記第７の技術手段に記載の光受信回路において、前記第１の増幅器は、前記並列共振回路の共振周波数近傍の信号を増幅し、前記第２の増幅器は、前記並列共振回路の共振周波数よりも低いまたは共振周波数よりも高い周波数の信号を増幅することを特徴とする。

第９の技術手段は、前記第７または第８の技術手段に記載の光受信回路において、前記第１の増幅器は、ＡＧＣアンプ、または、第１のプリアンプとＡＧＣアンプとで構成され、前記第２の増幅器は、第２のプリアンプとリミットアンプとで構成されることを特徴とする。

第１０の技術手段は、前記第７または第８の技術手段に記載の光受信回路において、前記第１の増幅器は、第１のＡＧＣアンプ、または、第１のプリアンプと第１のＡＧＣアンプとで構成され、前記第２の増幅器は、第２のプリアンプと第２のＡＧＣアンプとで構成されることを特徴とする。

第１１の技術手段は、前記第１０の技術手段に記載の光受信回路において、前記第１のＡＧＣアンプと前記第２のＡＧＣアンプとの双方において１つのパワー検出回路を共用することを特徴とする。

第１２の技術手段は、前記第７乃至第１１の技術手段のいずれかに記載の光受信回路において、前記第１の増幅器と前記並列共振回路の一部または全てとが、同一の半導体基板に集積されることを特徴とする。

第１３の技術手段は、前記第７乃至第１２の技術手段のいずれかに記載の光受信回路において、前記第１の増幅器と前記第２の増幅器とが同一の半導体基板に集積されることを特徴とする。

第１４の技術手段は、前記第７乃至第１３の技術手段のいずれかに記載の光受信回路において、前記フォトダイオードのアノード端子とカソード端子とが、当該フォトダイオードを形成するフォトダイオードチップの、または、当該フォトダイオードを集積した半導体基板の、互いに対向した辺に配置されていることを特徴とする。

第１５の技術手段は、前記第７乃至第１３の技術手段のいずれかに記載の光受信回路において、前記フォトダイオードのアノード端子とカソード端子とが、当該フォトダイオードを形成するフォトダイオードチップの、または、当該フォトダイオードを集積した半導体基板の、隣接した辺に配置されていることを特徴とする。

第１６の技術手段は、前記第７乃至第１３の技術手段のいずれかに記載の光受信回路において、前記フォトダイオードのアノード端子とカソード端子とが、当該フォトダイオードを形成するフォトダイオードチップの、または、当該フォトダイオードを集積した半導体基板の、同じ辺に配置されていることを特徴とする。

第１７の技術手段は、前記第７乃至第１６の技術手段のいずれかに記載の光受信回路を備えた光受信モジュールにおいて、前記フォトダイオードのアノード端子またはカソード端子のうち前記第１の増幅器の入力端子に接続する端子と当該第１の増幅器の入力端子とが互いに対向して近接した位置に配置され、前記フォトダイオードのアノード端子またはカソード端子うち前記第２の増幅器の入力端子に接続する端子と当該第２の増幅器の入力端子とが互いに対向して近接した位置に配置されることを特徴とする。

本発明に係わる光電気変換器、光受信回路および光受信モジュールでは、一端を交流的に接地した並列共振回路をフォトダイオードのアノード端子またはカソード端子に接続し、アノード端子とカソード端子とからそれぞれ異なる周波数帯域の２つの電気信号を取出す構成とすることにより、異なる周波数帯域の信号に分離するためのフィルタを設ける必要が無く、フォトダイオードと当該フォトダイオードから出力される２つの電気信号を増幅するアンプ（増幅器）とを直結することができる構成を実現し、フィルタの部品点数を大幅に削減することができる。而して、光電気変換器、光受信回路および光受信モジュールの高性能化、小型化および低コスト化を実現することができる。

以下に、本発明に係る光電気変換器、光受信回路および光受信モジュールの最良の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

（第１の実施の形態）
まず、本発明に係わる光電気変換器の構成の一例について、第１の実施の形態として説明する。

図１は、本発明の第１の実施の形態に係わる光電気変換器を示す回路図である。

図１に示す光電気変換器１００は、フォトダイオード１と、バイアス用抵抗３と、並列共振回路２とによって構成される。並列共振回路２は、キャパシタＣとインダクタＬとの並列接続で構成され、その一端が、交流的に接地され、他端が、フォトダイオード１のカソード端子に接続されている。なお、フォトダイオード１には、バイアス用抵抗３を介して、逆バイアス電圧が印加できるようになっている。

ここで、フォトダイオード１のカソード端子に加えて、アノード端子からも電気信号を取出すことにより、フォトダイオード１のカソード端子からは、並列共振回路２の共振周波数近傍の信号（第１の信号）を、また、アノード端子からは、並列共振回路２の共振周波数よりも低いまたは共振周波数よりも高い周波数の信号（第２の信号）を選択的に出力することが可能になっている。すなわち、図１の光電気変換器１００は、フォトダイオード１に入力される光信号に重畳された異なる周波数帯域の電気信号の少なくとも１つ以上の周波数と共振する並列共振回路２を備えた構成となっているので、フォトダイオード１のアノード端子とカソード端子との２つの端子から別個の周波数帯域の電気信号を取出すことが可能となっている。

これは、交流的に一端ショートの並列共振回路２が、他端ではオープンになるため、該他端が接続されるフォトダイオード１の例えばカソード端子においては、選択的に並列共振回路２の共振周波数近傍の信号振幅が大きくなるとともに、このエネルギー分がアノード端子において減少するため、フォトダイオード１のアノード端子からは並列共振回路２の共振周波数よりも低いまたは共振周波数よりも高い周波数の信号を選択的に出力することができるためである。

図３と図４とは、この様子をシミュレーションしたものである。すなわち、図３は、本発明の第１の実施の形態の光電気変換器１００の振幅特性のシミュレーション結果を示すグラフであり、図４は、本発明の第１の実施の形態の光電気変換器１００の群遅延特性のシミュレーション結果を示すグラフである。なお、図３、図４のシミュレーションにおいては、並列共振回路２の共振周波数を２foとしている。図３に示した振幅の周波数特性を見ると、フォトダイオード１のカソード端子からの出力は２fo近傍周波数のみが選択的に大きい振幅となって出力されており、フォトダイオード１のアノード端子からの出力は、ＤＣから（３／２）fo程度までフラットな振幅特性となっていることがわかる。一方、図４の群遅延特性を見ると、フォトダイオード１のカソード端子からの出力は、fo程度までほぼ平坦な特性となっている。

したがって、このような条件においては、２fo帯の狭帯域信号（第１の信号）とＤＣ〜foＧＨｚまたはＤＣ〜foＧｂｉｔ／ｓの広帯域信号（第２の信号）との２種類の周波数帯域の信号が重畳された光信号としてフォトダイオード１に入力された場合、それぞれの周波数帯域の信号を、カソード端子側とアノード端子側とからほぼ独立して出力することが可能になっている。而して、図１のような構成とすることにより、図１３に示した従来例と比較して、所要インダクタ数を４本から１本に、また、所要キャパシタ数も４個から１個に減らすことができる。さらに、ローパスフィルタやハイパスフィルタを介することなく、フォトダイオード１と増幅器とを直結することが可能になるため、例えば、並列共振回路２を接続しているフォトダイオード１のカソード端子側の出力をＡＭ帯（狭帯域）増幅器に直結し、並列共振回路２を接続していないフォトダイオード１のアノード端子側の出力をＦＭ帯（広帯域）増幅器やディジタル信号（広帯域）増幅器に直結する構成を可能とすることにより、並列共振回路２の効果とそれぞれの増幅器の周波数特性の相乗効果とにより第１の信号と第２の信号との分離度をより一層向上することができる。

図２は、本発明の第１の実施の形態の変型例に係わる光電気変換器を示す回路図である。図２の光電気変換器１００Ａは、図１の光電気変換器１００の並列共振回路２の代わりに、キャパシタＣと誘導性の伝送線路Ｌｔとの並列接続で構成された並列共振回路２Ａを用いている。すなわち、並列共振回路２Ａは、図１に例示した並列共振回路２中のインダクタＬの代わりに、誘導性の伝送線路Ｌｔを用いて構成している。また、図２の光電気変換器１００Ａにおいては、並列共振回路２Ａの一端が、交流的に接地され、他端が、フォトダイオード１のアノード端子に接続されており、フォトダイオード１には、バイアス用抵抗３を介して、逆バイアス電圧が印加できるようになっている。

したがって、光電気変換器１００Ａにおいても、並列共振回路２Ａが接続されたフォトダイオード１のアノード端子からは、並列共振回路２Ａの共振周波数近傍の信号が、また、並列共振回路２Ａが接続されていないフォトダイオード１のカソード端子からは、並列共振回路２Ａの共振周波数よりも低いまたは共振周波数よりも高い周波数の信号を選択的に出力することができる構成になっている。すなわち、図２の光電気変換器１００Ａは、図１の光電気変換器１００と同様、フォトダイオード１のアノード端子とカソード端子との２つの端子から別個の周波数帯域の電気信号を取出すことが可能となっている。

なお、図１の光電気変換器１００の構成における並列共振回路２を形成するキャパシタＣとインダクタＬは、１個ずつに限るものではなく、少なくとも１つ以上のキャパシタと少なくとも１つ以上のインダクタとで構成するようにしても良いし、また、図２の光電気変換器１００Ａの構成における並列共振回路２Ａを形成するキャパシタＣと誘導性の伝送線路Ｌｔも、１個ずつに限るものではなく、少なくとも１つ以上のキャパシタと少なくとも１つ以上の伝送線路とで構成するようにしても良い。

また、フォトダイオード１に入力される光信号に重畳された２種類の電気信号のうち、並列共振回路２の共振周波数近傍の周波数を有する第１の信号としては、少なくとも１つ以上のＡＭ信号であっても良いし、一方、並列共振回路２の共振周波数よりも低いまたは共振周波数よりも高い周波数を有する第２の信号としては、ＦＭ信号であっても良いし、ディジタル信号であっても良い。また、フォトダイオード１に逆バイアス電圧を印加するバイアス回路（バイアス用抵抗３、電源接続端子など）を、フォトダイオード１の端子に直接接続する代わりに、並列共振回路２，２Ａを介してフォトダイオード１の端子に接続するようにしても良く、この場合は、バイアス回路を接続している並列共振回路２，２Ａの端子側は、例えば十分に大きな容量値を有するキャパシタによって交流的に接地するように構成される。

さらに、図１の光電気変換器１００の並列共振回路２を図２の並列共振回路２Ａに置き換えて構成しても良いし、逆に、図２の光電気変換器１００Ａの並列共振回路２Ａを図１の並列共振回路２に置き換えて構成しても良い。また、図１、図２の光電気変換器１００，１００Ａにおけるフォトダイオード１と並列共振回路２，２Ａの一部または全てとが、同一半導体基板に集積して構成されるようにしても良い。

（第２の実施の形態）
本実施の形態においては、本発明に係わる光受信回路の構成に関する一例を説明するものである。すなわち、本実施の形態に例示する光受信回路は、第１の実施の形態に説明したような光電気変換器と第１、第２の２つのアンプ（増幅器）とを用いて構成するものであるが、フォトダイオード１に入力される光信号が、並列共振回路２，２Ａの共振周波数近傍の周波数を有する第１の信号（例えば、少なくとも１つ以上のＡＭ信号）と並列共振回路２の共振周波数よりも低いまたは共振周波数よりも高い周波数を有する第２の信号（例えば、ＦＭ信号またはディジタル信号）との２種類の周波数帯域の電気信号が重畳されたものであり、フォトダイオード１のアノード端子またはカソード端子のうち、並列共振回路２，２Ａが接続されている端子に入力端子が接続された第１の増幅器が、前記第１の信号を増幅し、一方、並列共振回路２，２Ａが接続されていないフォトダイオード１の端子に入力端子が接続された第２の増幅器が、前記第２の信号を増幅するように構成する例を示すものである。

ここで、以下の説明においては、第１の実施の形態の図１に説明した光電気変換器１００のように、図１の並列共振回路２または図２の並列共振回路２Ａをフォトダイオード１のカソード端子に接続している場合について説明する。

しかし、第１の実施の形態の図２に説明した光電気変換器１００Ａのように、並列共振回路２，２Ａをフォトダイオード１のアノード端子に接続するようにしても良いし、また、並列共振回路２，２Ａを形成するキャパシタＣとインダクタＬまたは誘導性の伝送線路Ｌｔは、１個ずつに限るものではなく、少なくとも１つ以上のキャパシタと少なくとも１つ以上のインダクタまたは少なくとも１つ以上の伝送線路とで構成するようにしても良い。

図５は、本発明の第２の実施の形態に係わる光受信回路を示す回路図である。

図５に示す光受信回路２００は、図１に例示した第１の実施の形態の光電気変換器１００にアンプ（増幅器）５を接続した形態となっている。ここで、並列共振回路２が接続されているフォトダイオード１のカソード端子は、ＡＭ帯アンプ５_１の入力端子に、一方、並列共振回路２が接続されていないフォトダイオード１のアノード端子は、ＦＭ帯アンプ５_２の入力端子にそれぞれ接続される。また、フォトダイオード１のカソード端子に逆バイアス電圧を印加するバイアス回路（バイアス用抵抗３など）は、図１の場合とは異なり、並列共振回路２を介して接続されている。ここで、好ましくは、キャパシタ６_１の容量値は、フォトダイオード１に入力される光信号に重畳された２種類の信号周波数帯域では交流的にアース電位にショートされるように十分大きな値であり、また、キャパシタ６_２の容量値は、フォトダイオード１に入力される光信号に含まれるＡＭ信号の周波数帯域ではそのインピーダンスが十分小さくなるような値に設定される。

このようなキャパシタ６_１，６_２を適用することにより、フォトダイオード１への逆バイアス電圧の印加が可能になるとともに、ＡＭ帯アンプ５_１の入力インターフェースを容量結合にすることができる。ここで、ＡＭ帯アンプ５_１はＡＭ帯の信号のみを増幅する特性とし、ＦＭ帯アンプ５_２はＦＭ帯の信号のみを増幅する特性とすれば、並列共振回路２の効果と併せて、異なる帯域間の影響を大幅に低減することが可能である。

また、ＡＭ帯アンプ５_１とＦＭ帯アンプ５_２とは、同一の半導体基板に集積されたアンプチップ５として構成することもできる。さらに、フォトダイオード１と並列共振回路２とキャパシタ６_１，６_２とを、同一の半導体基板に集積したフォトダイオードチップ４として構成することもできる。

フォトダイオードチップ４やアンプチップ５のような集積回路とすることにより、部品点数の削減や、実装による寄生成分を除去することが容易になり、特性の向上と小型化および低コスト化を図ることができる。なお、キャパシタ６_２は、フォトダイオードチップ４ではなく、アンプチップ５側に備えた形態であっても構わない。また、キャパシタ６_１は、フォトダイオードチップ４に内蔵せずに、外付けするように構成しても構わない。また、次に例示するように、並列共振回路２の全てではなく、その一部をフォトダイオード１と同一の半導体基板に集積するようにしても良い。

図６は、本発明の第２の実施の形態の第１の変型例に係わる光受信回路を示す回路図である。図６の光受信回路２００Ａは、図５に第２の実施の形態として例示した光受信回路２００の並列共振回路２中のインダクタＬを誘導性の伝送線路Ｌｔに置き換えた並列共振回路２Ａによって構成している点、さらに、その伝送線路Ｌｔとキャパシタ６_１とをフォトダイオードチップ４Ａの外部に備えた点が異なっている。また、キャパシタ６_２も、フォトダイオードチップ４Ａではなく、アンプチップ５Ａ側に備えた形態となっている。

図６の光受信回路２００Ａのような形態とすることにより、フォトダイオードチップ４Ａの歩留り向上と低コスト化を図ることができるとともに、伝送線路Ｌｔをフォトダイオードチップ４Ａ外に備えることにより、フォトダイオードチップ４Ａ中の並列共振回路２Ａ用のキャパシタＣの容量値が製造バラツキなどにより設計値からずれた場合であっても、伝送線路Ｌｔの線路長やインピーダンスを容易に調整することが可能であり、並列共振回路２Ａの共振周波数を設定値通りに設定することが可能になっている。

さらに、図６の光受信回路２００Ａでは、図５の光受信回路２００におけるＡＭ帯アンプ５_１、ＦＭ帯アンプ５_２を、それぞれ、２段接続した２つのアンプによって構成し、ＡＭ帯プリアンプ５_１ＡとＡＭ帯ＡＧＣアンプ５_１Ｂ、ＦＭ帯プリアンプ５_２ＡとＦＭ帯ＡＧＣアンプ５_２Ｂにより構成している。この結果、両者の後段側のＡＧＣアンプ５_１Ｂ，５_２Ｂのために用いられるパワー検出回路５_３を共用することが可能となり、アンプチップ５Ａとして集積回路で構成することが容易になり、特性を向上することができる。なお、ＡＭ帯アンプ５_１を、ＡＭ帯プリアンプ５_１ＡとＡＭ帯ＡＧＣアンプ５_１Ｂ、または、ＡＭ帯ＡＧＣアンプ５_１Ｂのみによって構成しても良いし、ＦＭ帯アンプ５_２を、ＦＭ帯ＡＧＣアンプ５_２Ｂをリミットアンプに置き換えて、ＦＭ帯プリアンプ５_２Ａとリミットアンプとによって構成しても良い。

図７は、本発明の第２の実施の形態の第２の変型例に係わる光受信回路を示す回路図である。図７の光受信回路２００Ｂは、図５に第２の実施の形態として例示した光受信回路２００のフォトダイオードチップ４中の並列共振回路２とキャパシタ６_２とをＡＭ帯アンプ５_１側に移し、フォトダイオード１のみを別個の半導体チップとして集積化したフォトダイオードチップ４Ｂとするとともに、さらに、アンプチップ５のＡＭ帯アンプ５_１とＦＭ帯アンプ５_２とを別個のＩＣチップに分離して、ＡＭ帯アンプ５_１を並列共振回路２とキャパシタ６_２とともに集積したＡＭ帯アンプチップ５Ｂとし、ＦＭ帯アンプ５_２をＦＭ帯アンプチップ５Ｃとして集積化して構成している点が異なっている。

図７の光受信回路２００Ｂのような構成とすることにより、フォトダイオードチップ４Ｂに汎用的な部品を適用することができるので、低コスト化を図ることができるとともに、アンプを別チップ構成とすることにより、ＡＭ帯アンプ５_１とＦＭ帯アンプ５_２との間のクロストークを低減することが容易になる。なお、ＡＭ帯アンプチップ５Ｂ、ＦＭ帯アンプチップ５Ｃにそれぞれ集積化するアンプは、図６に示したような２段構成の２つのアンプ（ＡＭ帯プリアンプ５_１ＡとＡＭ帯ＡＧＣアンプ５_１Ｂ、ＦＭ帯プリアンプ５_２ＡとＦＭ帯ＡＧＣアンプ５_２Ｂまたはリミットアンプ）から構成されていても良いし、また、ＡＭ帯アンプチップ５Ｂのように、ＡＭ帯アンプ５_１と並列共振回路２とを同一の半導体基板に集積化する場合も、アンプと並列共振回路の全てではなく、それぞれの回路部の一部を集積化するようにしても構わない。

図８は、本発明の第２の実施の形態の第３の変型例に係わる光受信回路を示す回路図である。図８の光受信回路２００Ｃは、図６に第２の実施の形態の第１の変型例として例示した光受信回路２００Ａのフォトダイオードチップ４Ａ中の並列共振回路２ＡのキャパシタＣを除去して、フォトダイオード１のみを集積化したフォトダイオードチップ４Ｂとするとともに、キャパシタＣと誘導性の伝送線路Ｌｔとからなる並列共振回路２Ａを、抵抗３とキャパシタ６_１とからなるバイアス回路とともに共振回路チップ７として同一の基板（例えばセラミック基板）に集積して、フォトダイオードチップ４Ｂの外部に構成した点が異なっている。

図８の光受信回路２００Ｃのような構成とすることにより、受動回路のみで構成される共振回路チップ７は、半導体基板よりも安価なセラミック基板によって形成することができるため、汎用的なフォトダイオードチップ４Ｂの適用と併せて、より一層の低コスト化を図ることができる。なお、共振回路チップ７は、図８に示すような並列共振回路２やバイアス回路の全てではなく、例えば、前述したように、並列共振回路２を構成する伝送線路Ｌｔを外付けして、並列共振回路２やバイアス回路の一部を集積化するようにしても良い。

（第３の実施の形態）
本実施の形態においては、本発明に係わる光受信モジュールの構成に関する一例を説明するものであり、光受信モジュールは、第２の実施の形態に説明したような光受信回路と上面が開放状態のＴＯ（Top Open）パッケージとを用いて構成される。ここで、本実施の形態においては、光受信回路内の光電気変換器を形成するフォトダイオード１のアノード端子、カソード端子の２つの端子の配置位置と、それぞれの端子と接続するＡＭ帯アンプまたはＦＭ帯アンプの２つのアンプのうちのいずれかの入力端子の配置位置とを、ＴＯパッケージ上の素子搭載部において、できるだけ近接させて配置するために、アノード端子、カソード端子の２つの端子のうち、一方の端子例えばＡＭ帯アンプの入力端子に接続する端子と該ＡＭ帯アンプの入力端子とが、互いに対向して近接した位置に配置され、また、他方の端子例えばＦＭ帯アンプの入力端子に接続する端子と該ＦＭ帯アンプの入力端子とが、互いに対向して近接した位置に配置されている場合を示している。

図９は、本発明の第３の実施の形態に係わる光受信モジュールの上面を示す上面図である。図９に示す光受信モジュール３００は、ＴＯ（Top Open）パッケージ８上の導電性基板９の台地状に盛り上がった素子搭載部に３つの開口１０_１，１０_２，１０_１０が形成されており、各開口１０_１，１０_２，１０_１０には、それぞれ、リードピン１１_１，１１_２，１１_１０が、導電性基板９とは絶縁されて固定されている。

このＴＯパッケージ８の素子搭載部には、フォトダイオードチップ４、アンプチップ５、チップキャパシタ６_１およびチップ抵抗３が搭載されている。ここで、アンプチップ５には、図５に示したように、ＡＭ帯アンプ５_１とＦＭ帯アンプ５_２とが集積されている。ここで、図９に示すように、ＡＭ帯アンプ５_１の出力端子とＦＭ帯アンプ５_２の出力端子とは、アンプチップ５の対向する辺に分かれて配置され、ＡＭ帯アンプ５_１の出力端子は、近傍に配置された開口１０_１に固定されたリードピン１１_１に、また、ＦＭ帯アンプ５_２の出力端子は、近傍に配置された開口１０_２に固定されたリードピン１１_２に、それぞれ接続されて、外部の回路と接続可能になっている。

また、チップ抵抗３の一端は、近傍に配置されたチップキャパシタ６_１の一端を介してフォトダイオードチップ４のカソード端子（Ｋ）と接続され、他端は、近傍に配置された開口１０_１０に固定されたリードピン１１_１０に接続されてバイアス電源と接続可能になっている。また、チップキャパシタ６_１の一端は、前述のように、チップ抵抗３の一端とともにフォトダイオードチップ４のカソード端子（Ｋ）と接続されているが、他端は、導電性基板９に接続されて接地される。

なお、図９に示すフォトダイオードチップ４は、図５に示した場合とは異なり、並列共振回路２とキャパシタ６_２とが集積されており、キャパシタ６_１は外付けされている場合を示している。また、フォトダイオードチップ４中のフォトダイオード１のアノード端子（Ａ）と、キャパシタ６_２を介したカソード端子（Ｋ）とは、フォトダイオードチップ４の同一の辺に集められ、一方、フォトダイオードチップ４の各出力端子を接続するアンプチップ５の２つの入力端子も同一の辺に集められ、それらを互いに対向して近接した位置にそれぞれ配置して、互いに接続することにより、ワイヤインダクタンスの影響を大幅に低減することが可能になり、広帯域／高周波信号に対しても良好な特性を得ることが可能になっている。

図１０は、本発明の第３の実施の形態の第１の変型例に係わる光受信モジュールの上面を示す上面図である。図１０に示す光受信モジュール３００Ａは、例えば図８に第２の実施の形態の第３の変型例として例示した光受信回路２００Ｃをモジュールに実装した形態を示している。図１０に示す光受信モジュール３００Ａは、ＴＯパッケージ８上の導電性基板９Ａの素子搭載部に実装するチップとして、第２の実施形態において説明したように、半導体基板よりも安価なセラミック基板によって形成することができる受動回路のみで構成される共振回路チップ７を備えた構成となっており、かつ、汎用的な部品を適用することができる汎用的なフォトダイオードチップ４Ｂを用いた構成となっている。

図１１は、本発明の第３の実施の形態の第２の変型例に係わる光受信モジュールの上面を示す上面図である。図１１に示す光受信モジュール３００Ｂは、例えば図７に第２の実施の形態の第２の変型例として例示した光受信回路２００Ｂをモジュールに実装した形態を示している。ここで、ＴＯパッケージ８上の導電性基板９Ｂの素子搭載部に実装するチップとして、フォトダイオードチップ４Ｂのカソード端子（Ｋ）とアノード端子（Ａ）とを当該フォトダイオードチップ４Ｂの対向した辺に分離して配置することにより、互いに離れた位置で、ＡＭ帯アンプチップ５ＢとＦＭ帯アンプチップ５Ｃとのそれぞれの入力端子と、最短距離で接続することが可能になり、ワイヤインダクタンスの影響を大幅に低減することを通じて、広帯域／高周波信号に対しても良好な特性を得ることが可能になっている。

また、図９、図１０に示した光受信モジュール３００，３００Ａと比較して、１つのアンプチップ（すなわち、アンプチップ５，５Ａ）を、ＡＭ帯アンプチップ５ＢとＦＭ帯アンプチップ５Ｃとの２つに分割した効果により、ＴＯパッケージ８のサイズを縮小することが可能であり、パッケージの低コスト化を実現できる構成となっている。

さらに、ＡＭ帯アンプチップ５ＢとＦＭ帯アンプチップ５Ｃとの２つのアンプチップを、フォトダイオードチップ４Ｂを間に挟んで配置することにより、互いのクロストークを大幅に低減することができる。

なお、図１１では、ＦＭ帯アンプチップ５Ｂを、開口１０_２に固定されたリードピン１１_２に接続する出力端子と開口１０_３に固定されたリードピン１１_３に接続する差動出力端子とを備えた差動出力構成としている例を示しているが、シングルエンド出力であっても構わない。また、第２の実施の形態においても説明したように、図１１のＡＭ帯アンプチップ５ＢとＦＭ帯アンプチップ５Ｃとの２つのアンプチップそれぞれが、２段接続の２つのアンプ（ＡＭ帯プリアンプ５_１ＡとＡＭ帯ＡＧＣアンプ５_１Ｂ、ＦＭ帯プリアンプ５_２ＡとＦＭ帯ＡＧＣアンプ５_２Ｂまたはリミットアンプ）から構成されていても良い。

図１２は、本発明の第３の実施の形態の第３の変型例に係わる光受信モジュールの上面を示す上面図である。図１２に示す光受信モジュール３００Ｃは、ＴＯパッケージ８上の導電性基板９Ｃの素子搭載部に実装するチップとして、例えば図８に第２の実施の形態の第３の変型例として例示した光受信回路２００Ｃのように、共振回路チップ７を備えた構成となっており、かつ、汎用的なフォトダイオードチップ４Ｂを適用することができる構成となっている。

また、図１１に示した光受信モジュール３００Ｂの場合と同様に、図９、図１０に示した光受信モジュール３００，３００Ａと比較して、２つのアンプチップに分割した効果により、ＴＯパッケージ８のサイズを縮小することが可能であり、パッケージの低コスト化を実現できる構成となっている。なお、２つに分割したアンプチップのうち、ＦＭ帯アンプ用のチップは、図１１の場合と同様のＦＭ帯アンプチップ５Ｃであるが、ＡＭ帯アンプ用のチップを、図７のＡＭ帯アンプチップ５Ｂから並列共振回路２を除去したＡＭ帯アンプのみからなるＡＭ帯アンプチップ５Ｄとして構成している。また、図１１の場合と同様に、図１２のＡＭ帯アンプチップ５ＤとＦＭ帯アンプチップ５Ｃとの２つのアンプチップそれぞれが、２段接続の２つのアンプ（ＡＭ帯プリアンプ５_１ＡとＡＭ帯ＡＧＣアンプ５_１Ｂ、ＦＭ帯プリアンプ５_２ＡとＦＭ帯ＡＧＣアンプ５_２Ｂまたはリミットアンプ）から構成されていても良い。

さらに、ＡＭ帯アンプチップ５ＤとＦＭ帯アンプチップ５Ｃとの２つのアンプチップを、フォトダイオードチップ４Ｂを間に挟んで配置することにより、互いのクロストークを大幅に低減することができる。

なお、図１２の光受信モジュール３００Ｃでは、図１１の光受信モジュール３００Ｂと同様、ＦＭ帯アンプチップ５Ｃを差動出力構成としている例を示しているが、シングルエンド出力であっても構わない。

さらに、図１１と図１２とに示した光受信モジュール３００Ｂ，３００Ｃにおいては、フォトダイオードチップ４Ｂのアノード端子（Ａ）とカソード端子（Ｋ）とを、隣接した辺（９０度に折れ曲っている辺）に配置し、さらに、ＡＭ帯アンプチップ５Ｂ，５ＤとＦＭ帯アンプチップ５Ｃとのそれぞれの入力端子を、カソード端子（Ｋ）とアノード端子（Ａ）の辺に対向させて近接した位置に配置する構成としても構わない。この場合、それぞれのアンプへのバイアス供給（図示せず）を共通化しやすくなるというメリットが得られる。

（その他の実施の形態〕
本発明で開示した光電気変換器中の並列共振回路は、図１や図２に例示した並列共振回路２，２Ａの形態に限定されるものではなく、複数のキャパシタ／インダクタ／伝送線路の組合せで構成しても良い。また、インダクタの一部または全てを実現する手段としてワイヤを含んでも構わない。

さらに、本発明で開示した光受信回路は、実施の形態に例示した光受信回路２００，２００Ａ，２００Ｂ，２００Ｃのような形態に限定されるものではなく、光受信回路の全ての構成要素を半導体基板に集積したＯＥＩＣ（Opto-Electronic IC）で構成しても構わない。

また、本発明で開示した光受信モジュールは、実施の形態に例示した光受信モジュール３００，３００Ａ，３００Ｂ，３００Ｃのような形態に限定されるものではなく、例えば、光受信モジュールを構成する光電気変換器として、図１や図２に例示したような回路構成のものであっても良いし、図５乃至図８のいずれかに例示したようなチップ構成のものであっても良い。

また、本発明で開示した光受信回路中の２つのアンプについては、フォトダイオード１に入力される光信号に重畳された電気信号に応じて、並列共振回路２，２Ａの共振周波数近傍の信号を増幅するＡＭ帯アンプ５_１が、少なくとも１つ以上のＡＭ信号を増幅するように構成することもできるし、一方、並列共振回路２の共振周波数よりも低いまたは共振周波数よりも高い周波数の信号を増幅するアンプが、ＦＭ信号に限らず、ディジタル信号を増幅するように構成することもできる。

本発明の第１の実施の形態に係わる光電気変換器を示す回路図である。本発明の第１の実施の形態の変型例に係わる光電気変換器を示す回路図である。本発明の第１の実施の形態の光電気変換器の振幅特性のシミュレーション結果を示すグラフである。本発明の第１の実施の形態の光電気変換器の群遅延特性のシミュレーション結果を示すグラフである。本発明の第２の実施の形態に係わる光受信回路を示す回路図である。本発明の第２の実施の形態の第１の変型例に係わる光受信回路を示す回路図である。本発明の第２の実施の形態の第２の変型例に係わる光受信回路を示す回路図である。本発明の第２の実施の形態の第３の変型例に係わる光受信回路を示す回路図である。本発明の第３の実施の形態に係わる光受信モジュールの上面を示す上面図である。本発明の第３の実施の形態の第１の変型例の光受信モジュールを示す図である。本発明の第３の実施の形態の第２の変型例の光受信モジュールを示す図である。本発明の第３の実施の形態の第３の変型例の光受信モジュールを示す図である。従来の光受信器の構成を示す回路図である。

符号の説明

１…フォトダイオード、２，２Ａ…並列共振回路、３…抵抗（チップ抵抗、バイアス用抵抗）、４，４Ａ，４Ｂ…フォトダイオードチップ、５，５Ａ…アンプチップ、５Ｂ…ＡＭ帯アンプチップ、５Ｃ…ＦＭ帯アンプチップ、５Ｄ…ＡＭ帯アンプチップ、５_１…ＡＭ帯アンプ、５_１Ａ…ＡＭ帯プリアンプ、５_１Ｂ…ＡＭ帯ＡＧＣアンプ、５_２…ＦＭ帯アンプ、５_２Ａ…ＦＭ帯プリアンプ、５_２Ｂ…ＦＭ帯ＡＧＣアンプ、５_３…パワー検出回路、６_１，６_２…キャパシタ（チップキャパシタ）、７…共振回路チップ、８…ＴＯパッケージ、９，９Ａ，９Ｂ，９Ｃ…導電性基板、１０_１，１０_２，１０_３，１０_１０…開口、１１_１，１１_２，１１_３，１１_１０…リードピン、２１…ローパスフィルタ、２２…ハイパスフィルタ、２３…ＡＭ帯アンプ、２４…ＦＭ帯アンプ、１００，１００Ａ…光電気変換器、２００，２００Ａ，２００Ｂ，２００Ｃ…光受信回路、３００，３００Ａ，３００Ｂ,３００Ｃ…光受信モジュール。

Claims

異なる周波数帯域の電気信号である第１の信号と第２の信号とで変調された光信号が入力されるフォトダイオードと、並列共振回路とを備えた光電気変換器において、
前記並列共振回路の共振周波数は、前記第１の信号の周波数帯域近傍の周波数であり、
かつ、前記第２の信号の周波数帯域よりも低い周波数か、もしくは、高い周波数であり、
前記並列共振回路の一端は交流的に接地され、他端は前記フォトダイオードのアノードまたはカソードに接続され、
前記フォトダイオードのアノードとカソードのうち、前記並列共振回路の一端と接続された一方から前記第１の信号を、接続されていない他方から前記第２の信号をそれぞれ電気信号として取出すことを特徴とする光電気変換器。
請求項１に記載の光電気変換器において、前記第１の信号は、少なくとも１つ以上のＡＭ信号であり、前記第２の信号は、ＦＭ信号またはディジタル信号であることを特徴とする光電気変換器。
請求項１または２に記載の光電気変換器において、前記並列共振回路は、少なくとも１つ以上のキャパシタと少なくとも１つ以上のインダクタまたは伝送線路とで構成されることを特徴とする光電気変換器。
請求項３に記載の光電気変換器において、前記インダクタの一部または全てが、ワイヤにより構成されていることを特徴とする光電気変換器。
請求項１乃至４のいずれかに記載の光電気変換器において、前記フォトダイオードと前記並列共振回路の一部または全てとが、同一の半導体基板に集積されることを特徴とする光電気変換器。
請求項１乃至４のいずれかに記載の光電気変換器において、前記並列共振回路の一部または全てと前記フォトダイオードのバイアス回路の一部または全てとが、同一の基板に集積されることを特徴とする光電気変換器。
請求項１乃至６のいずれかに記載の光電気変換器と、第１の増幅器と第２の増幅器と、を備えた光受信回路において、前記第１の増幅器の入力端子は、前記フォトダイオードのアノードまたはカソードのうち、前記並列共振回路が接続された方に接続され、前記第２の増幅器の入力端子は、前記フォトダイオードのアノードまたはカソードのうち、前記並列共振回路が接続されていない方に接続されたことを特徴とする光受信回路。
請求項７に記載の光受信回路において、前記第１の増幅器は、前記並列共振回路の共振周波数近傍の信号を増幅し、前記第２の増幅器は、前記並列共振回路の共振周波数よりも低いまたは共振周波数よりも高い周波数の信号を増幅することを特徴とする光受信回路。
請求項７または８に記載の光受信回路において、前記第１の増幅器は、ＡＧＣアンプ、または、第１のプリアンプとＡＧＣアンプとで構成され、前記第２の増幅器は、第２のプリアンプとリミットアンプとで構成されることを特徴とする光受信回路。
請求項７または８に記載の光受信回路において、前記第１の増幅器は、第１のＡＧＣアンプ、または、第１のプリアンプと第１のＡＧＣアンプとで構成され、前記第２の増幅器は、第２のプリアンプと第２のＡＧＣアンプとで構成されることを特徴とする光受信回路。
請求項１０に記載の光受信回路において、前記第１のＡＧＣアンプと前記第２のＡＧＣアンプとの双方において１つのパワー検出回路を共用することを特徴とする光受信回路。
請求項７乃至１１のいずれかに記載の光受信回路において、前記第１の増幅器と前記並列共振回路の一部または全てとが、同一の半導体基板に集積されることを特徴とする光受信回路。
請求項７乃至１２のいずれかに記載の光受信回路において、前記第１の増幅器と前記第２の増幅器とが同一の半導体基板に集積されることを特徴とする光受信回路。
請求項７乃至１３のいずれかに記載の光受信回路において、前記フォトダイオードのアノード端子とカソード端子とが、当該フォトダイオードを形成するフォトダイオードチップの、または、当該フォトダイオードを集積した半導体基板の、互いに対向した辺に配置されていることを特徴とする光受信回路。
請求項７乃至１３のいずれかに記載の光受信回路において、前記フォトダイオードのアノード端子とカソード端子とが、当該フォトダイオードを形成するフォトダイオードチップの、または、当該フォトダイオードを集積した半導体基板の、隣接した辺に配置されていることを特徴とする光受信回路。
請求項７乃至１３のいずれかに記載の光受信回路において、前記フォトダイオードのアノード端子とカソード端子とが、当該フォトダイオードを形成するフォトダイオードチップの、または、当該フォトダイオードを集積した半導体基板の、同じ辺に配置されていることを特徴とする光受信回路。
請求項７乃至１６のいずれかに記載の光受信回路を備えた光受信モジュールにおいて、前記フォトダイオードのアノード端子またはカソード端子のうち前記第１の増幅器の入力端子に接続する端子と当該第１の増幅器の入力端子とが互いに対向して近接した位置に配置され、前記フォトダイオードのアノード端子またはカソード端子うち前記第２の増幅器の入力端子に接続する端子と当該第２の増幅器の入力端子とが互いに対向して近接した位置に配置されることを特徴とする光受信モジュール。