JP6687939B2 - Photoelectric converter - Google Patents
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Description
本発明は、光信号を電気信号に変換して増幅する光電変換器に関し、特に狭帯域型の光電変換器に関する。 The present invention relates to a photoelectric converter that converts an optical signal into an electric signal and amplifies the electric signal, and particularly relates to a narrow-band photoelectric converter.
マイクロ波・ミリ波帯における光無線通信のキーデバイスとして光電変換器がある。この光電変換器は、基地局より光ケーブルを通して送信される光信号を受信し、電気信号へ変換し、アンテナへと出力する。送信される信号の品質はさまざまであることが予想され、狭帯域型の光電変換器に求められる性能として、高光電気変換効率、高ＲＦ出力、高ＲＦ出力リニアリティ（増幅回路の出力信号が入力信号に対して比例していること）など、光から電気への変換性能が重要となる。 A photoelectric converter is a key device for optical wireless communication in the microwave and millimeter wave bands. This photoelectric converter receives an optical signal transmitted from a base station through an optical cable, converts the optical signal into an electric signal, and outputs the electric signal to an antenna. It is expected that the quality of the transmitted signal will vary, and the performance required for a narrow-band photoelectric converter is high photoelectric conversion efficiency, high RF output, high RF output linearity (the output signal of the amplifier circuit is the input signal. Being proportional to, etc.), the conversion performance from light to electricity is important.
一方他の重要なファクターとして、特定のマイクロ波、ミリ波帯における周波数特性がある。周波数帯域幅は、広いほどデータの伝送容量が増えるため、送信側のみならず受信側、すなわち光電変換器としても、特定の周波数で、広い周波数帯域幅かつ平坦な周波数特性が求められる。 On the other hand, another important factor is the frequency characteristics in specific microwave and millimeter wave bands. Since the data transmission capacity increases as the frequency bandwidth becomes wider, not only the transmission side but also the reception side, that is, the photoelectric converter is required to have a wide frequency bandwidth and a flat frequency characteristic at a specific frequency.
一般に、周波数帯域幅を広げるためには、その中心周波数（キャリア周波数）を高めることが有利である。これは、中心周波数に対して約２０％の幅が周波数帯域幅として得られるためである。つまり、中心周波数が１０ＧＨｚの場合、周波数帯域幅は約２ＧＨｚとなるが、中心周波数が１００ＧＨｚの場合、周波数帯域幅は約２０ＧＨｚとなり、周波数帯域幅が広がる。 Generally, in order to widen the frequency bandwidth, it is advantageous to increase the center frequency (carrier frequency). This is because a width of about 20% with respect to the center frequency is obtained as the frequency bandwidth. That is, when the center frequency is 10 GHz, the frequency bandwidth is about 2 GHz, but when the center frequency is 100 GHz, the frequency bandwidth is about 20 GHz and the frequency bandwidth is widened.
なお、光ファイバー無線応用などに使用されるマイクロ波・ミリ波帯における狭帯域型のフォトレシーバの製品や研究報告例は極めて少ないのが現状である。しかし、従来技術として、ＲＦアンプなしで、単体のフォトダイオードのみからなる光電変換器（フォトミキサ）が商品化されている。この光電変換器の中心周波数は１００ＧＨｚ（ギガヘルツ）であり、最大利得からの−３ｄＢ帯域は３５ＧＨｚとなっており、中心周波数に対する帯域幅比は３５％程度が得られている。しかしながら、後段にＲＦ（高周波）アンプが接続されていないため光電変換効率が低いという欠点がある。 At present, there are very few products and research reports of narrow band type photo receivers in the microwave and millimeter wave bands used for optical fiber radio applications. However, as a conventional technique, a photoelectric converter (photomixer) including only a single photodiode without an RF amplifier has been commercialized. The center frequency of this photoelectric converter is 100 GHz (gigahertz), the -3 dB band from the maximum gain is 35 GHz, and the bandwidth ratio to the center frequency is about 35%. However, there is a drawback that the photoelectric conversion efficiency is low because an RF (high frequency) amplifier is not connected in the subsequent stage.
また、非特許文献１には、６０ＧＨｚ帯のＲＦ（高周波）アンプを内蔵した狭帯域型の光電変換器が報告されている。この光電変換器は、６０ＧＨｚ帯における最大利得からの−３ｄＢ帯域は１０ＧＨｚとなっており、その中心周波数５５ＧＨｚに対する帯域幅比は１８％程度が得られており、高い変換効率を有している。これは使用したＲＦアンプ自体の性能の他、フォトダイオードとＲＦアンプ間の特性に起因するところが大きい。 Further, Non-Patent Document 1 reports a narrow band type photoelectric converter having a built-in 60 GHz band RF (high frequency) amplifier. In this photoelectric converter, the -3 dB band from the maximum gain in the 60 GHz band is 10 GHz, the bandwidth ratio to the center frequency 55 GHz is about 18%, and the photoelectric converter has high conversion efficiency. This is largely due to the characteristics of the RF amplifier itself and the characteristics between the photodiode and the RF amplifier.
また、特許文献１には、受光素子としてフォトダイオードを用いた光受信機において、前記フォトダイオードのＲＦ出力信号を入力する周波数同調回路と、前記周波数同調回路の出力端と、後段の増幅器における入力端との間に接続した緩衝抵抗とを具備する光電変換器が提案されている。 Further, in Patent Document 1, in an optical receiver using a photodiode as a light receiving element, a frequency tuning circuit for inputting an RF output signal of the photodiode, an output end of the frequency tuning circuit, and an input in an amplifier at a subsequent stage. A photoelectric converter having a buffer resistor connected between the ends has been proposed.
以上のように、広周波数帯域幅かつ平坦な周波数特性が求められるが、非特許文献１で提案される光電変換器では、中心周波数５５ＧＨｚに対する帯域幅比は１８％程度が得られており、高い変換効率を有しているが、使用したＲＦアンプ自体の性能の他、フォトダイオードとＲＦアンプ間の特性に起因するところが大きく、応用が利かないという問題がある。 As described above, a wide frequency bandwidth and flat frequency characteristics are required, but in the photoelectric converter proposed in Non-Patent Document 1, the bandwidth ratio to the center frequency 55 GHz is about 18%, which is high. Although it has conversion efficiency, there is a problem that it is not suitable for application because it largely depends on the characteristics between the photodiode and the RF amplifier in addition to the performance of the used RF amplifier itself.
また、特許文献１で提案される光電変換器では、フォトダイオードのＲＦ出力信号を入力する周波数同調回路を設けて、光の変調周波数の高周波領域に於けるＲＦ信号出力を増強しているが、Ｑ値が最適化されていない場合、後段のプリアンプとのインピーダンスの不整合が大きく、発振傾向が強まってしまう。 Further, in the photoelectric converter proposed in Patent Document 1, a frequency tuning circuit for inputting the RF output signal of the photodiode is provided to enhance the RF signal output in the high frequency region of the light modulation frequency. If the Q value is not optimized, the impedance mismatch with the preamplifier in the subsequent stage is large, and the oscillation tendency becomes stronger.
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、広い周波数帯域幅かつ平坦な周波数特性を有する光電変換器を提供することにある。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object thereof is to provide a photoelectric converter having a wide frequency bandwidth and a flat frequency characteristic.
本発明に係る光電変換器は、光信号を電気信号に変換して増幅する光電変換器であって、前記光信号を電気信号に変換して出力する光電変換素子と、前記光電変換素子から出力される電気信号を増幅する高周波増幅器と、前記光電変換素子と前記高周波増幅器との間に配置され、前記光電変換素子と前記高周波増幅器とのマッチングを行う調整回路とを備え、前記高周波増幅器は、３０ＧＨｚ（ギガヘルツ）以上の帯域のうち特定の帯域を増幅する狭帯域型の増幅器であり、前記調整回路は、Ｑ値が２〜５の範囲内となるように調整されている。 A photoelectric converter according to the present invention is a photoelectric converter that converts an optical signal into an electric signal and amplifies it, and outputs from the photoelectric conversion element that converts the optical signal into an electric signal and outputs the electric signal. A high-frequency amplifier for amplifying an electric signal to be generated, and an adjustment circuit that is arranged between the photoelectric conversion element and the high-frequency amplifier and performs matching between the photoelectric conversion element and the high-frequency amplifier, and the high-frequency amplifier is It is a narrow band type amplifier that amplifies a specific band in a band of 30 GHz (gigahertz) or more, and the adjustment circuit is adjusted so that the Q value is within a range of 2 to 5.
上記の構成によれば、光信号を電気信号に変換して出力する光電変換素子と、光電変換素子から出力される電気信号を増幅する高周波増幅器と、光電変換素子と高周波増幅器との間に配置され、光電変換素子と前記高周波増幅器とのマッチングを行う調整回路とを備え、調整回路によりＱ値が２〜５の範囲内となるように調整されているので、広い周波数帯域幅かつ平坦な周波数特性を有する光電変換器を提供することができる。 According to the above configuration, the photoelectric conversion element that converts the optical signal into the electric signal and outputs the electric signal, the high-frequency amplifier that amplifies the electric signal output from the photoelectric conversion element, and the photoelectric conversion element and the high-frequency amplifier are arranged between the photoelectric conversion element and the high-frequency amplifier. The photoelectric conversion element and the adjusting circuit for matching the high-frequency amplifier are provided, and the adjusting circuit adjusts the Q value to fall within the range of 2 to 5, so that a wide frequency bandwidth and a flat frequency can be obtained. A photoelectric converter having characteristics can be provided.
また、調整回路を高周波増幅器の後段ではなく、光電変換素子と高周波増幅器との間に配置することで、高周波増幅器による増幅前に電気信号の調整を行うことで、不要な信号の増幅を抑制し、電力損失が低く、高効率な光電変換器とすることができる。さらに、周波数特性が劣化しやすい３０ＧＨｚ（ギガヘルツ）以上の帯域に適用するため、より効果的に周波数特性を改善することができる。 In addition, by arranging the adjustment circuit between the photoelectric conversion element and the high-frequency amplifier, not after the high-frequency amplifier, the electric signal is adjusted before amplification by the high-frequency amplifier, thereby suppressing unnecessary signal amplification. A highly efficient photoelectric converter with low power loss can be provided. Further, since the frequency characteristic is applied to a band of 30 GHz (gigahertz) or more, where the frequency characteristic easily deteriorates, the frequency characteristic can be improved more effectively.
本発明に係る光電変換器の前記調整回路は、ＶＳＷＲ（定在波比）が３以下となるように調整されている。 The adjustment circuit of the photoelectric converter according to the present invention is adjusted so that VSWR (standing wave ratio) is 3 or less.
上記の構成によれば、調整回路は、ＶＳＷＲ（定在波比）が３以下となるように調整されているため、電力損失が低く、高効率な光電変換器を提供することができる。 According to the above configuration, the adjusting circuit is adjusted so that the VSWR (standing wave ratio) is 3 or less, so that it is possible to provide a highly efficient photoelectric converter with low power loss.
本発明に係る光電変換器の前記調整回路は、コイル及びコンデンサを有するＬＣ回路で構成されている。 The adjustment circuit of the photoelectric converter according to the present invention is composed of an LC circuit having a coil and a capacitor.
上記の構成によれば、調整回路を一般的な回路で構成することができるため、製造コストを抑制することができ、製造の安定化に寄与する。 According to the above configuration, the adjusting circuit can be configured by a general circuit, so that the manufacturing cost can be suppressed and the manufacturing can be stabilized.
本発明に係る光電変換器の前記調整回路は、スタブで構成されている。 The adjustment circuit of the photoelectric converter according to the present invention is composed of a stub.
上記の構成によれば、調整回路を一般的な回路で構成することができるため、製造コストを抑制することができ、製造の安定化に寄与する。 According to the above configuration, the adjusting circuit can be configured by a general circuit, so that the manufacturing cost can be suppressed and the manufacturing can be stabilized.
本発明に係る光電変換器は、前記光電変換素子、前記高周波増幅器及び前記調整回路が、フリップチップ実装のバンプ、ボンディングワイヤ又は貫通電極のいずれかにより接続されている。 In the photoelectric converter according to the present invention, the photoelectric conversion element, the high frequency amplifier, and the adjustment circuit are connected by any of flip chip mounted bumps, bonding wires, or through electrodes.
上記の構成によれば、光電変換素子、高周波増幅器及び調整回路が、フリップチップ実装によるバンプ、ボンディングワイヤ又は貫通電極のいずれかにより接続されている。このため、光電変換素子、高周波増幅器及び調整回路間のインダクタンスを小さくすることができ、効果的に電力損失を低くできる。また、周波数特性も良好となる。また、上記構成とすることで、光電変換器の部品点数及び組み立て工数を削減することができ、その結果、光電変換器（フォトレシーバーモジュール）製作の製造コストを削減することができる。 According to the above configuration, the photoelectric conversion element, the high frequency amplifier, and the adjustment circuit are connected to each other by the flip-chip mounted bump, the bonding wire, or the through electrode. Therefore, the inductance between the photoelectric conversion element, the high frequency amplifier and the adjustment circuit can be reduced, and the power loss can be effectively reduced. Moreover, the frequency characteristic is also improved. Further, with the above configuration, it is possible to reduce the number of parts of the photoelectric converter and the number of assembling steps, and as a result, it is possible to reduce the manufacturing cost for manufacturing the photoelectric converter (photo receiver module).
本発明によれば、広い周波数帯域幅かつ平坦な周波数特性を有する光電変換器を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a photoelectric converter having a wide frequency bandwidth and flat frequency characteristics.
（実施形態）
図１は、実施形態に係る光電変換器の回路図である。図２及び図３は、実施形態に係る光電変換器の調整回路の一例を示す図である。以下、図１乃至図３を参照して本実施形態に係る光電変換器の構成について説明する。
(Embodiment)
FIG. 1 is a circuit diagram of a photoelectric converter according to the embodiment. 2 and 3 are diagrams illustrating an example of the adjustment circuit of the photoelectric converter according to the embodiment. The configuration of the photoelectric converter according to this embodiment will be described below with reference to FIGS. 1 to 3.
図１に示すように、本実施形態に係る光電変換器（フォトレシーバ）は、光電変換素子１０と、高周波増幅器２０と、調整回路３０とを備える。光電変換素子１０は、例えば、フォトダイオードであり、光信号を電気信号に変換して出力する。 As shown in FIG. 1, the photoelectric converter (photoreceiver) according to this embodiment includes a photoelectric conversion element 10, a high frequency amplifier 20, and an adjustment circuit 30. The photoelectric conversion element 10 is, for example, a photodiode, which converts an optical signal into an electric signal and outputs the electric signal.
高周波増幅器２０は、例えば、ＲＦ（高周波）アンプであり、光電変換素子１０から出力される電気信号を増幅する増幅器である。ここで、高周波増幅器２０は、３０ＧＨｚ（ギガヘルツ）以上の帯域のうち特定の帯域を増幅する狭帯域型の増幅器である。周波数特性が劣化しやすい３０ＧＨｚ（ギガヘルツ）以上の帯域に適用することで、効果的に周波数特性を改善することができる。 The high frequency amplifier 20 is, for example, an RF (high frequency) amplifier, and is an amplifier that amplifies an electric signal output from the photoelectric conversion element 10. Here, the high frequency amplifier 20 is a narrow band type amplifier that amplifies a specific band in a band of 30 GHz (gigahertz) or more. The frequency characteristic can be effectively improved by applying it to a band of 30 GHz (gigahertz) or more where the frequency characteristic is easily deteriorated.
調整回路３０は、光電変換素子１０と高周波増幅器２０との間に配置され、光電変換素子１０と高周波増幅器２０とのインピーダンスマッチングを行う。ここで、調整回路３０は、Ｑ値が２〜５の範囲内となるように調整されていることが好ましい。調整回路３０によりＱ値が２〜５の範囲内となるように調整することで、広い周波数帯域幅かつ平坦な周波数特性を有する光電変換器を提供することができる。 The adjustment circuit 30 is arranged between the photoelectric conversion element 10 and the high frequency amplifier 20, and performs impedance matching between the photoelectric conversion element 10 and the high frequency amplifier 20. Here, the adjustment circuit 30 is preferably adjusted so that the Q value falls within the range of 2 to 5. By adjusting the Q value within the range of 2 to 5 by the adjusting circuit 30, it is possible to provide a photoelectric converter having a wide frequency bandwidth and flat frequency characteristics.
また、調整回路３０を高周波増幅器２０の後段ではなく、光電変換素子１０と高周波増幅器２０との間に配置することで、高周波増幅器２０による増幅前に電気信号の調整を行うことで、電力損失が低く、高効率な光電変換器とすることができる。 Further, by disposing the adjusting circuit 30 between the photoelectric conversion element 10 and the high frequency amplifier 20 instead of after the high frequency amplifier 20, the electric signal is adjusted before being amplified by the high frequency amplifier 20, so that power loss is reduced. The photoelectric conversion device can be low and highly efficient.
さらに、調整回路３０によりＶＳＷＲ（定在波比）は、３以下となるように調整されていることが好ましい。調整回路３０のＶＳＷＲ（定在波比）を３以下となるように調整することで不要な信号の増幅を抑制し、電力損失が低く、高効率な光電変換器を提供することができる。 Furthermore, it is preferable that the adjusting circuit 30 adjusts the VSWR (standing wave ratio) to 3 or less. By adjusting the VSWR (standing wave ratio) of the adjusting circuit 30 to 3 or less, amplification of an unnecessary signal can be suppressed, a power loss is low, and a highly efficient photoelectric converter can be provided.
電気信号の伝送路においては、送り出し側電圧が一定として、その回路の出力インピーダンスと、受け側回路の入力インピーダンスを等しくすることにより、受け側回路において得られる電力が最大になる性質を持つ。そのため、効率的に伝送を行うためには、それらのインピーダンスを等しく（整合）する必要がある。 In the transmission path of the electric signal, the output side voltage is constant and the output impedance of the circuit is made equal to the input impedance of the receiving side circuit, so that the electric power obtained in the receiving side circuit is maximized. Therefore, in order to perform transmission efficiently, it is necessary to make their impedances equal (match).
インピーダンスが整合されていない場合、希望する最大出力を取り出せないだけでなく、高周波回路では伝送路に反射波を生じ進行波と重畳して定在波となって不都合が生ずることがある。本実施形態では、調整回路３０により光電変換素子１０と高周波増幅器２０とのインピーダンスマッチングを行うことで、上記問題を解決している。 If the impedances are not matched, not only the desired maximum output cannot be taken out, but also in a high frequency circuit, a reflected wave is generated in the transmission line and superposed with a traveling wave to become a standing wave, which may cause inconvenience. In the present embodiment, the adjustment circuit 30 performs impedance matching between the photoelectric conversion element 10 and the high frequency amplifier 20 to solve the above problem.
図２は、調整回路３０をコイル及びコンデンサを有するＬＣ回路で構成した例を示す図である。ＬＣ回路とは、共振回路の一種であり、コイルＬとコンデンサＣで構成される電気回路である。この場合、図２に示すように、調整回路３０は、１以上のコイルＬと、１以上のコンデンサＣとを接続した回路で構成される。なお、図２（ａ）は直列ＬＣ回路、図２（ｂ）は並列ＬＣ回路を示した図である。 FIG. 2 is a diagram showing an example in which the adjusting circuit 30 is configured by an LC circuit having a coil and a capacitor. The LC circuit is a kind of resonance circuit and is an electric circuit including a coil L and a capacitor C. In this case, as shown in FIG. 2, the adjustment circuit 30 is composed of a circuit in which one or more coils L and one or more capacitors C are connected. 2A is a diagram showing a serial LC circuit, and FIG. 2B is a diagram showing a parallel LC circuit.
本実施形態では、狭帯域でのみインピーダンスの整合が取れれば十分であるため、図２に示すようにコイルＬとコンデンサＣの組み合わせによる整合回路を用いることができる。コンデンサＣやコイルＬの比率を調整することで光電変換素子１０と高周波増幅器２０とのマッチングを行うが、高周波回路であるため虚部のインピーダンス（リアクタンス成分）の整合が必要となることに留意が必要である。 In the present embodiment, since it is sufficient to obtain impedance matching only in a narrow band, it is possible to use a matching circuit using a combination of the coil L and the capacitor C as shown in FIG. The photoelectric conversion element 10 and the high frequency amplifier 20 are matched by adjusting the ratio of the capacitor C and the coil L. However, it is necessary to match the impedance (reactance component) of the imaginary part because it is a high frequency circuit. is necessary.
ここで、調整回路３０のＱ値やＶＳＷＲ（定在波比）を調整するためには、ＬＣ回路の設計が必要となるが、設計方法は、机上計算による方法、スミスチャートを使う方法の他、最近では回路シミュレータを使う方法、ネットワーク・アナライザで合わせこむ方法等がある。 Here, in order to adjust the Q value and VSWR (standing wave ratio) of the adjustment circuit 30, it is necessary to design the LC circuit. The design method is other than the method by the desktop calculation, the method using the Smith chart, and the like. Recently, there are methods such as using a circuit simulator and matching with a network analyzer.
なお、ＬＣ回路には、直列ＬＣ回路（図２（ａ）参照）と、並列ＬＣ回路（図２（ｂ）参照）とが存在する。直列ＬＣ回路の場合、そのインピーダンスＺは、以下の式（１）であらわされる。
ω：角速度
Ｌ：インダクタンス
Ｃ：静電容量
ｊ：虚数
The LC circuit includes a serial LC circuit (see FIG. 2A) and a parallel LC circuit (see FIG. 2B). In the case of a serial LC circuit, its impedance Z is expressed by the following equation (1).
ω: angular velocity L: inductance C: capacitance j: imaginary number
また、並列ＬＣ回路の場合、そのインピーダンスＺは、以下の式（２）であらわされる。
ω：角速度
Ｌ：インダクタンス
Ｃ：静電容量
ｊ：虚数
Further, in the case of a parallel LC circuit, its impedance Z is expressed by the following equation (2).
ω: angular velocity L: inductance C: capacitance j: imaginary number
図３は、調整回路３０をスタブ（Stub）回路で構成した例を示す図である。スタブとは高周波回路において伝送線路に並列に接続される分布定数線路のことである。分布定数線路では、終端負荷と、線路長の波長に対する比により、入力端から見てキャパシタになったりインダクタになったりするため、高周波回路でインピーダンスマッチングをおこなうためのコンデンサやコイルの代わりとして用いることができる。 FIG. 3 is a diagram showing an example in which the adjusting circuit 30 is configured by a stub circuit. A stub is a distributed constant line connected in parallel with a transmission line in a high frequency circuit. In a distributed constant line, it may become a capacitor or an inductor when viewed from the input end depending on the termination load and the ratio of line length to wavelength, so it should be used as a substitute for a capacitor or coil for impedance matching in high frequency circuits. You can
終端負荷（抵抗）の種類により、先端が開放しているものはオープンスタブ（Open stub）、先端が短絡しているものはショートスタブ（Short stub）と呼ばれる。図３に示す例では、光電変換素子１０と高周波増幅器２０との間、すなわち電気信号の伝送線路に直列接続された２つのスタブＳ１，Ｓ２と、一端がスタブＳ１，Ｓ２間に接続され、他端が短絡（接地）されたスタブＳ３と、一端がスタブＳ２と高周波増幅器２０との間に接続され、他端が短絡（接地）された抵抗Ｒとで調整回路３０が構成されている。 Depending on the type of terminating load (resistance), the one with an open tip is called an open stub, and the one with a short-circuited tip is called a short stub. In the example shown in FIG. 3, between the photoelectric conversion element 10 and the high frequency amplifier 20, that is, two stubs S1 and S2 connected in series to an electric signal transmission line, and one end is connected between the stubs S1 and S2. The adjusting circuit 30 is composed of a stub S3 whose end is short-circuited (grounded), and a resistor R whose one end is connected between the stub S2 and the high-frequency amplifier 20 and whose other end is short-circuited (grounded).
ここで、図３に示す回路例では、終端負荷（抵抗）の先端が短絡（接地）しているためショートスタブ（Short stub）型の回路である。なお、スタブＳ１〜Ｓ３は、分布定数線路であり、例えば、配線基板上に形成されるマイクロストリップ線路等により実現される。 Here, the circuit example shown in FIG. 3 is a short stub type circuit because the tip of the terminating load (resistance) is short-circuited (grounded). The stubs S1 to S3 are distributed constant lines, and are realized by, for example, microstrip lines formed on a wiring board.
調整回路３０を、コイル及びコンデンサを有するＬＣ回路やスタブのような一般的な回路で構成することで、製造コストを抑制することができ、製造の安定化に寄与する。なお、図２及び図３に示した回路は、調整回路３０の一例であり、図２及び図３に示す例に限られない。調整回路３０は、図２及び図３に示した回路以外の回路によっても実現が可能である。 By configuring the adjustment circuit 30 with a general circuit such as an LC circuit having a coil and a capacitor or a stub, it is possible to suppress the manufacturing cost and contribute to the stabilization of the manufacturing. The circuits shown in FIGS. 2 and 3 are examples of the adjustment circuit 30, and are not limited to the examples shown in FIGS. 2 and 3. The adjustment circuit 30 can be realized by circuits other than the circuits shown in FIGS. 2 and 3.
以上のように、本実施形態に係る光電変換器は、光電変換素子１０と高周波増幅器２０との間に、ＬＣ回路やスタブ回路により構成される調整回路を設けたことを特徴とする。光電変換素子１０と高周波増幅器２０とを直接接続した場合、光電変換素子１０の出力インピーダンスと、高周波増幅器２０の入力インピーダンスのミスマッチが発生しやすく周波数特性を制御することが難しい。 As described above, the photoelectric converter according to the present embodiment is characterized in that the adjustment circuit including the LC circuit and the stub circuit is provided between the photoelectric conversion element 10 and the high frequency amplifier 20. When the photoelectric conversion element 10 and the high frequency amplifier 20 are directly connected, a mismatch between the output impedance of the photoelectric conversion element 10 and the input impedance of the high frequency amplifier 20 easily occurs, and it is difficult to control the frequency characteristic.
特に光電変換素子１０の出力インピーダンスは高く、高周波増幅器２０は、中心周波数のみでインピーダンス整合させている場合が主であり、その他の周波数ではインピーダンスが５０Ω（オーム）に整合されておらず、リターンロス（入力電力に対する反射電力の比）が大きくなる。このような条件で周波数特性を、例えば、できるだけ平坦なものに制御することは難しい。このため、本実施形態に係る光電変換器では、光電変換素子１０と高周波増幅器２０との間に、ＬＣ回路やスタブ回路により構成される調整回路を設けている。 In particular, the output impedance of the photoelectric conversion element 10 is high, and the high-frequency amplifier 20 is mainly impedance-matched only at the center frequency. At other frequencies, the impedance is not matched to 50Ω (ohm), and the return loss is low. (Ratio of reflected power to input power) becomes large. Under such conditions, it is difficult to control the frequency characteristics to be as flat as possible. Therefore, in the photoelectric converter according to the present embodiment, the adjustment circuit configured by the LC circuit or the stub circuit is provided between the photoelectric conversion element 10 and the high frequency amplifier 20.
そして、調整回路３０により、Ｑ値が５程度となるように構成した場合、光電変換素子１０、調整回路３０及び高周波増幅器２０を通して利得が向上する。また、調整回路３０により、Ｑ値が１程度となるように構成した場合Ｑ＝１に近い場合、周波数帯域が広がる。このため、本実施形態に係る光電変換器では、Ｑ値が２〜５程度となるようにして、緩やかに共振させている。Ｑ値が高すぎる場合は、高周波増幅器２０の作用により発振傾向を示し、モジュールとしての機能を失ってしまう。また、ＶＳＷＲ（定在波比）３は、高周波増幅器２０との作用で発振を生じない値を示す。 When the adjusting circuit 30 is configured to have a Q value of about 5, the gain is improved through the photoelectric conversion element 10, the adjusting circuit 30, and the high frequency amplifier 20. Further, when the adjustment circuit 30 is configured so that the Q value is about 1, the frequency band is widened when Q is close to 1. For this reason, in the photoelectric converter according to the present embodiment, the Q value is set to about 2 to 5 and gently resonates. When the Q value is too high, the function of the high frequency amplifier 20 causes an oscillation tendency, and the function as a module is lost. Further, VSWR (standing wave ratio) 3 indicates a value at which oscillation with the high frequency amplifier 20 does not occur.
なお、本実施形態に係る光電変換器は、図４に示すように、光電変換素子１０、高周波増幅器２０及び調整回路３０は、フリップチップ実装、ワイヤボンディング又は貫通電極のいずれかの方法により接続されることが好ましい。図４（ａ）は、光電変換素子１０の回路が形成された半導体チップと、高周波増幅器２０の回路が形成された半導体チップと、調整回路３０が形成された半導体チップとをワイヤボンディングにより接続した例を示す図である。 In the photoelectric converter according to the present embodiment, as shown in FIG. 4, the photoelectric conversion element 10, the high frequency amplifier 20, and the adjustment circuit 30 are connected by any of flip chip mounting, wire bonding, or through electrode method. Preferably. In FIG. 4A, the semiconductor chip in which the circuit of the photoelectric conversion element 10 is formed, the semiconductor chip in which the circuit of the high frequency amplifier 20 is formed, and the semiconductor chip in which the adjustment circuit 30 is formed are connected by wire bonding. It is a figure which shows an example.
図４（ａ）に示す例では、光電変換素子１０、高周波増幅器２０及び調整回路３０が有する入力端、出力端及び接地用端子がボンディングワイヤＷで夫々接続されている。なお、光電変換素子１０の回路が形成された半導体チップと、高周波増幅器２０の回路が形成された半導体チップと、調整回路３０が形成された半導体チップとをスペーサを介して積層したのち、入力端、出力端及び接地用端子をボンディングワイヤＷで夫々接続するようにしてもよい。 In the example shown in FIG. 4A, the photoelectric conversion element 10, the high frequency amplifier 20, and the adjusting circuit 30 have an input end, an output end, and a grounding terminal that are connected by a bonding wire W, respectively. The semiconductor chip on which the circuit of the photoelectric conversion element 10 is formed, the semiconductor chip on which the circuit of the high-frequency amplifier 20 is formed, and the semiconductor chip on which the adjustment circuit 30 is formed are laminated via a spacer, and then the input end is formed. The output terminal and the grounding terminal may be connected to each other by the bonding wire W.
図４（ｂ）は、光電変換素子１０の回路が形成された半導体チップと、高周波増幅器２０の回路が形成された半導体チップと、調整回路３０が形成された半導体チップとをフリップチップ接続により接続した例を示す図である。図４（ｂ）に示す例では、光電変換素子１０、高周波増幅器２０及び調整回路３０が有する入力端、出力端及び接地用端子がバンプＢにより夫々接続されている。 In FIG. 4B, the semiconductor chip in which the circuit of the photoelectric conversion element 10 is formed, the semiconductor chip in which the circuit of the high frequency amplifier 20 is formed, and the semiconductor chip in which the adjustment circuit 30 is formed are connected by flip chip connection. It is a figure which shows the example. In the example shown in FIG. 4B, the bump B connects the input terminal, the output terminal, and the grounding terminal of the photoelectric conversion element 10, the high-frequency amplifier 20, and the adjustment circuit 30, respectively.
図４（ｃ）は、光電変換素子１０の回路が形成された半導体チップと、高周波増幅器２０の回路が形成された半導体チップと、調整回路３０が形成された半導体チップとをＳｉ貫通電極ＴＳＶにより接続した例を示す図である。図４（ｃ）に示す例では、光電変換素子１０、高周波増幅器２０及び調整回路３０が有する入力端、出力端及び接地用端子がＳｉ貫通電極ＴＳＶにより夫々接続されている。 FIG. 4C shows a semiconductor chip on which the circuit of the photoelectric conversion element 10 is formed, a semiconductor chip on which the circuit of the high-frequency amplifier 20 is formed, and a semiconductor chip on which the adjustment circuit 30 is formed by the Si through electrode TSV. It is a figure which shows the example connected. In the example shown in FIG. 4C, the photoelectric conversion element 10, the high-frequency amplifier 20, and the adjustment circuit 30 have an input end, an output end, and a grounding terminal connected to each other by the Si through electrode TSV.
図４を参照して説明したように、光電変換素子１０と、高周波増幅器２０と、調整回路３０とをフリップチップ実装、ワイヤボンディング又は貫通電極のいずれかの方法により接続することで、光電変換素子１０、高周波増幅器２０及び調整回路３０間のインダクタンスを低くすることができ光電変換器の周波数特性が向上する。また、図４に示す構成とすることで、光電変換器の部品点数及び組み立て工数を削減することができ、その結果、光電変換器（フォトレシーバーモジュール）製作の製造コストを削減することができる。 As described with reference to FIG. 4, the photoelectric conversion element 10, the high-frequency amplifier 20, and the adjustment circuit 30 are connected by any one of flip-chip mounting, wire bonding, or through electrode, so that the photoelectric conversion element is connected. 10, the inductance between the high frequency amplifier 20 and the adjustment circuit 30 can be reduced, and the frequency characteristics of the photoelectric converter are improved. Further, with the configuration shown in FIG. 4, the number of parts of the photoelectric converter and the number of assembling steps can be reduced, and as a result, the manufacturing cost for manufacturing the photoelectric converter (photo receiver module) can be reduced.
（周波数特性の比較）
図５は、実施例に係る光電変換器の周波数特性のシミュレーション結果である。図５（ａ）の横軸は、周波数（ＧＨｚ）である。図５（ａ）の縦軸は、光電変換素子１０及び高周波増幅器２０を含む利得（ｄＢ）である。また、図５（ｂ）の横軸は、周波数（ＧＨｚ）である。図５（ｂ）の縦軸は、位相（度）である。なお、図５に示すシミュレーション結果は、中心周波数が３０ＧＨｚとして場合の結果である。
(Comparison of frequency characteristics)
FIG. 5 is a simulation result of frequency characteristics of the photoelectric converter according to the example. The horizontal axis of FIG. 5A is frequency (GHz). The vertical axis of FIG. 5A is the gain (dB) including the photoelectric conversion element 10 and the high frequency amplifier 20. In addition, the horizontal axis of FIG. 5B represents frequency (GHz). The vertical axis of FIG. 5B is the phase (degree). The simulation result shown in FIG. 5 is a result when the center frequency is 30 GHz.
図５のうち破線のグラフが、図１を参照して説明した光電変換器のシミュレーション結果である。すなわち、光電変換素子１０と高周波増幅器２０との間に調整回路３０が配置されており、光電変換素子１０及び高周波増幅器２０間のマッチングが調整されている。なお、調整回路３０は、図３を参照して説明したスタブにより構成されている。なお、調整回路３０（変形スタブ）は、Ｑ値を低くし、ＶＳＷＲ（定在波比）が約３（リターンロスが−６ｄｂ）となるように調整した。 The broken line graph in FIG. 5 is the simulation result of the photoelectric converter described with reference to FIG. That is, the adjustment circuit 30 is arranged between the photoelectric conversion element 10 and the high frequency amplifier 20, and the matching between the photoelectric conversion element 10 and the high frequency amplifier 20 is adjusted. The adjustment circuit 30 is composed of the stub described with reference to FIG. The adjusting circuit 30 (deformed stub) was adjusted so that the Q value was lowered and the VSWR (standing wave ratio) was about 3 (return loss was -6 db).
また、図５のうち実線のグラフが、従来の光電変換器の周波数特性のシミュレーション結果である。すなわち、光電変換素子１０と高周波増幅器２０との間に調整回路３０が配置されておらず、光電変換素子１０及び高周波増幅器２０間のマッチングが調整されていない。なお、実線のグラフは、インダクタンスによりＱ値を比較的大きく調整した例を示しているここで、Ｑ値は、トリミングなし時（調整回路３０無し）で４．４、トリミングあり時（調整回路３０有り）で２．５程度とした。 Further, the solid line graph in FIG. 5 is the simulation result of the frequency characteristics of the conventional photoelectric converter. That is, the adjustment circuit 30 is not arranged between the photoelectric conversion element 10 and the high frequency amplifier 20, and the matching between the photoelectric conversion element 10 and the high frequency amplifier 20 is not adjusted. The solid line graph shows an example in which the Q value is adjusted to a relatively large value by the inductance. Here, the Q value is 4.4 without trimming (without the adjusting circuit 30) and with trimming (adjusting circuit 30). It was set to about 2.5.
図５（ｂ）のシミュレーション結果から、調整回路３０がない場合（実線）は、位相差を５０°内に保てる周波数帯域は７ＧＨｚと狭いが、調整回路３０を配置した場合（破線）は、位相差を５０°内に保てる周波数帯域は１１．８ＧＨｚと広くなっていることがわかる。これは、中心周波数３０ＧＨｚに対する帯域幅比でいうと、調整回路３０がない場合（実線）で２３％、調整回路３０を備える場合（破線）で３９％となり、広帯域化が確認できる。 From the simulation result of FIG. 5B, when the adjustment circuit 30 is not provided (solid line), the frequency band in which the phase difference can be kept within 50 ° is as narrow as 7 GHz, but when the adjustment circuit 30 is arranged (dashed line), It can be seen that the frequency band in which the phase difference can be kept within 50 ° is as wide as 11.8 GHz. In terms of the bandwidth ratio with respect to the center frequency of 30 GHz, this is 23% without the adjusting circuit 30 (solid line) and 39% with the adjusting circuit 30 (broken line).
（光無線伝送の比較）
図６及び図７は、実施例に係る光電変換器の光無線伝送のシミュレーション結果である。図６は、調整回路３０がない場合のシミュレーション結果である。図７は、調整回路３０がある場合のシミュレーション結果である。
(Comparison of optical wireless transmission)
6 and 7 are simulation results of optical wireless transmission of the photoelectric converter according to the example. FIG. 6 shows a simulation result when the adjustment circuit 30 is not provided. FIG. 7 shows a simulation result when the adjustment circuit 30 is provided.
なお、以下のシミュレーションでは、中心周波数を３０ＧＨｚとした。また、調整回路３０は、図３を参照して説明したスタブにより構成されている。さらに、調整回路３０（変形スタブ）は、Ｑ値を低くし、ＶＳＷＲ（定在波比）が約３（リターンロスが−６ｄｂ）となるように調整している。 In the following simulation, the center frequency was set to 30 GHz. Further, the adjustment circuit 30 is composed of the stub described with reference to FIG. Further, the adjustment circuit 30 (deformed stub) adjusts the Q value so that the VSWR (standing wave ratio) is about 3 (return loss is −6 db).
調整回路３０がない場合と、調整回路３０がある場合のシミュレーション結果を以下の表１に示す。
表１に示すように、光電変換素子１０と高周波増幅器２０との間に調整回路３０を備えることで、伝送シンボルレート（Gbaud）が、６から８．４に向上できることがわかった。また、変調方式も16QAMから64QAMまで多値化が可能であることが確認できた。 As shown in Table 1, it was found that the transmission symbol rate (Gbaud) can be increased from 6 to 8.4 by providing the adjustment circuit 30 between the photoelectric conversion element 10 and the high frequency amplifier 20. It was also confirmed that the modulation method can be multi-valued from 16QAM to 64QAM.
以上のように、本実施形態に係る光電変換器は、光信号を電気信号に変換して増幅する光電変換器であって、光信号を電気信号に変換して出力する光電変換素子１０と、光電変換素子から出力される電気信号を増幅する高周波増幅器２０と、光電変換素子１０と高周波増幅器２０との間に配置され、光電変換素子１０と高周波増幅器２０とのマッチングを行う調整回路３０とを備え、調整回路３０は、Ｑ値が２〜５の範囲内となるように調整されている。 As described above, the photoelectric converter according to the present embodiment is a photoelectric converter that converts an optical signal into an electric signal and amplifies it, and a photoelectric conversion element 10 that converts the optical signal into an electric signal and outputs the electric signal. A high frequency amplifier 20 that amplifies an electric signal output from the photoelectric conversion element, and an adjustment circuit 30 that is disposed between the photoelectric conversion element 10 and the high frequency amplifier 20 and performs matching between the photoelectric conversion element 10 and the high frequency amplifier 20. The adjusting circuit 30 is adjusted so that the Q value falls within the range of 2 to 5.
上記の構成によれば、光信号を電気信号に変換して出力する光電変換素子１０と、光電変換素子１０から出力される電気信号を増幅する高周波増幅器２０と、光電変換素子１０と高周波増幅器２０との間に配置され、光電変換素子１０と高周波増幅器２０とのマッチングを行う調整回路３０とを備え、調整回路３０によりＱ値が２〜５の範囲内となるように調整されているので、広い周波数帯域幅かつ平坦な周波数特性を有する光電変換器を提供することができる。 According to the above configuration, the photoelectric conversion element 10 which converts an optical signal into an electric signal and outputs the electric signal, the high frequency amplifier 20 which amplifies the electric signal output from the photoelectric conversion element 10, the photoelectric conversion element 10 and the high frequency amplifier 20. And the adjustment circuit 30 that performs matching between the photoelectric conversion element 10 and the high-frequency amplifier 20 and is adjusted by the adjustment circuit 30 so that the Q value falls within the range of 2 to 5. It is possible to provide a photoelectric converter having a wide frequency bandwidth and flat frequency characteristics.
また、調整回路３０を高周波増幅器２０の後段ではなく、光電変換素子１０と高周波増幅器２０との間に配置することで、高周波増幅器２０による増幅前に電気信号の調整を行うことで不要な信号の増幅を抑制し、電力損失が低く、高効率な光電変換器とすることができる。 Further, by disposing the adjusting circuit 30 between the photoelectric conversion element 10 and the high frequency amplifier 20 instead of the stage after the high frequency amplifier 20, the adjustment of the electric signal before the amplification by the high frequency amplifier 20 causes unnecessary signals to be removed. It is possible to obtain a highly efficient photoelectric converter that suppresses amplification, has low power loss.
本実施形態に係る光電変換器の調整回路３０は、ＶＳＷＲ（定在波比）が３以下となるように調整されている。 The adjustment circuit 30 of the photoelectric converter according to the present embodiment is adjusted so that VSWR (standing wave ratio) is 3 or less.
上記の構成によれば、調整回路３０は、ＶＳＷＲ（定在波比）が３以下となるように調整されているため、電力損失が低く、高効率な光電変換器を提供することができる。 According to the above configuration, since the adjusting circuit 30 is adjusted so that the VSWR (standing wave ratio) is 3 or less, it is possible to provide a highly efficient photoelectric converter with low power loss.
本実施形態に係る光電変換器の調整回路３０は、コイル及びコンデンサを有するＬＣ回路で構成されている。 The adjustment circuit 30 of the photoelectric converter according to the present embodiment is composed of an LC circuit having a coil and a capacitor.
上記の構成によれば、調整回路３０を一般的な回路で構成することができるため、製造コストを抑制することができ、製造の安定化に寄与する。 According to the above configuration, the adjusting circuit 30 can be configured by a general circuit, so that the manufacturing cost can be suppressed and the manufacturing can be stabilized.
本実施形態に係る光電変換器の調整回路３０は、スタブで構成されている。 The adjustment circuit 30 of the photoelectric converter according to the present embodiment is composed of a stub.
上記の構成によれば、調整回路３０を一般的な回路で構成することができるため、製造コストを抑制することができ、製造の安定化に寄与する。 According to the above configuration, the adjusting circuit 30 can be configured by a general circuit, so that the manufacturing cost can be suppressed and the manufacturing can be stabilized.
本実施形態に係る光電変換器の高周波増幅器２０は、３０ＧＨｚ（ギガヘルツ）以上の帯域のうち特定の帯域を増幅する狭帯域型の増幅器である。 The high frequency amplifier 20 of the photoelectric converter according to the present embodiment is a narrow band type amplifier that amplifies a specific band in a band of 30 GHz (gigahertz) or more.
上記の構成によれば、周波数特性が劣化しやすい３０ＧＨｚ（ギガヘルツ）以上の帯域に適用するため、より効果的に周波数特性を改善することができる。 According to the above configuration, since the frequency characteristic is applied to a band of 30 GHz (gigahertz) or more, where the frequency characteristic easily deteriorates, the frequency characteristic can be improved more effectively.
本実施形態に係る光電変換器は、光電変換素子１０、高周波増幅器２０及び調整回路３０が、フリップチップ実装のバンプ、ボンディングワイヤ又は貫通電極のいずれかにより接続されている。 In the photoelectric converter according to the present embodiment, the photoelectric conversion element 10, the high frequency amplifier 20, and the adjustment circuit 30 are connected by any of flip chip mounted bumps, bonding wires, or through electrodes.
上記の構成によれば、光電変換素子１０、高周波増幅器２０及び調整回路３０が、フリップチップ実装によるバンプＢ、ボンディングワイヤＷ又は貫通電極ＴＳＶのいずれかにより接続されている。このため、光電変換素子１０、高周波増幅器２０及び調整回路３０間のインダクタンスを小さくすることができ、効果的に電力損失を低くできる。また、周波数特性も良好となる。また、上記構成とすることで、光電変換器の部品点数及び組み立て工数を削減することができ、その結果、光電変換器（フォトレシーバーモジュール）製作の製造コストを削減することができる。 According to the above configuration, the photoelectric conversion element 10, the high frequency amplifier 20, and the adjustment circuit 30 are connected by any one of the bump B by flip chip mounting, the bonding wire W, or the through electrode TSV. Therefore, the inductance between the photoelectric conversion element 10, the high frequency amplifier 20, and the adjustment circuit 30 can be reduced, and the power loss can be effectively reduced. Moreover, the frequency characteristic is also improved. Further, with the above configuration, the number of parts of the photoelectric converter and the number of assembling steps can be reduced, and as a result, the manufacturing cost for manufacturing the photoelectric converter (photo receiver module) can be reduced.
（その他の実施形態）
なお、本発明は上述した実施形態には限定されない。すなわち、当業者は、本発明の技術的範囲またはその均等の範囲内において、上述した実施形態の構成要素に関し、様々な変更、コンビネーション、サブコンビネーション、並びに代替を行ってもよい。例えば、調整回路３０は、図２及び図３に示した回路例に限られず、図２及び図３に示した回路例以外の回路によっても実現が可能である。
(Other embodiments)
The present invention is not limited to the above embodiment. That is, those skilled in the art may make various changes, combinations, sub-combinations, and substitutions with respect to the constituent elements of the above-described embodiments within the technical scope of the present invention or the equivalent scope thereof. For example, the adjustment circuit 30 is not limited to the circuit examples shown in FIGS. 2 and 3, and can be realized by circuits other than the circuit examples shown in FIGS. 2 and 3.
１０ 光電変換素子
２０ 高周波増幅器
３０ 調整回路
Ｂ バンプ
Ｗ ボンディングワイヤ
ＴＳＶ Ｓｉ貫通電極
10 photoelectric conversion element 20 high frequency amplifier 30 adjustment circuit B bump W bonding wire TSV Si through electrode
Claims (5)
前記光信号を電気信号に変換して出力する光電変換素子と、
前記光電変換素子から出力される電気信号を増幅する高周波増幅器と、
前記光電変換素子と前記高周波増幅器との間に配置され、前記光電変換素子と前記高周波増幅器とのマッチングを行う調整回路と
を備え、
前記高周波増幅器は、３０ＧＨｚ（ギガヘルツ）以上の帯域のうち特定の帯域を増幅する狭帯域型の増幅器であり、
前記調整回路は、Ｑ値が２〜５の範囲内となるように調整されていることを特徴とする光電変換器。 A photoelectric converter that converts an optical signal into an electrical signal and amplifies the signal,
A photoelectric conversion element that converts the optical signal into an electric signal and outputs the electric signal,
A high-frequency amplifier for amplifying an electric signal output from the photoelectric conversion element,
An adjusting circuit arranged between the photoelectric conversion element and the high-frequency amplifier, for performing matching between the photoelectric conversion element and the high-frequency amplifier,
The high frequency amplifier is a narrow band type amplifier that amplifies a specific band in a band of 30 GHz (gigahertz) or more,
The said adjustment circuit is adjusted so that Q value may become in the range of 2-5, The photoelectric converter characterized by the above-mentioned.
フリップチップ実装のバンプ、ボンディングワイヤ又は貫通電極のいずれかにより接続されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の光電変換器。 The photoelectric conversion element, the high frequency amplifier and the adjustment circuit,
The photoelectric converter according to any one of claims 1 to 4 , wherein the photoelectric converter is connected by any one of a flip-chip mounted bump, a bonding wire, and a through electrode.
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