JPH0358532A

JPH0358532A - 光伝送方式

Info

Publication number: JPH0358532A
Application number: JP1192507A
Authority: JP
Inventors: Masaru Nakamura; 優中村; Hideto Furuyama; 英人古山
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1989-07-27
Filing date: 1989-07-27
Publication date: 1991-03-13
Also published as: US5060306A; EP0410757A3; EP0410757A2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［発明の目的］（産業上の利用分野）本発明は、光伝送方式に関する。

（従来の技術）近年、光通信をコンピュータ間やコンピュータ内でのボ
ード間あるいはチップ間などの伝送に用いる、いわゆる
光配線技術が検討され始めている。これは扱う信号の速
度が高くなるにつれて電気での接続における不具合点、
例えば配線容量による速度劣化やクロストークなどが大
きな障害としてクローズアップされ始めたからである。

確かに光配線は高速性に優れ、かつ電磁放射領域も小さ
いためクロストークに強い特徴をもつが、光配線が真に
電気配線にとって代わるためには幾つかの克服すべき問
題点も多い。中でも重要と思われるものは接続に要する
消費電力の軽減化を図る必要がある。

第５図は、従来の光配線技術を示すものである。

第５図（ａ）は、光配線の概略横成を示しており、第５
図（ｂ）はその古部の信号波形を示す図である。

先ず、入力端子（５０）から波形５０の７１１気信号の
パルスを入力して半導体発光素子（５２）を駆動し、波
形５２の先パルスに変換する。次に変換した光パルスを
光ファイバ（５３）に入力してその出力端に設けた半導
体受光素子（５４）で受光し、出力端子（５Ｂ）から波
形５６の電気信号のパルスを得るようにしている。

ｌ７かしながら、従来の光配線技術では、入力電気信号
をそのまま光ｆＩＨ号に変換して送出するため、パルス
のＯＮ状態の問は常に発光を続ける必要があった。

（発明が解決しようとする課題）このように、従来の光伝送方式では入力パルスのＯＮ状
態の間は常に発光を続けて７１ｉ力を消費していたが、
先配線等の光伝送方式においてはさらに消費電力を軽減
ずることが望まれていた。

［発明の構成］（課題を解決するための手段）光のパワーを使用する光伝送においては負のパワーは存
７［シえないため伝送路をはさんで発光素子、受光素子
を２組備えた光伝送系を考慮する。

送信側においては伝送すべき１個のパルスの前縁部と後
縁部に同期してかつそのパルス幅よりも十分小さい２つ
の短パルスを発生させ、受信側ではそれら２つの短パル
スから１個のパルスを複元する手段を有する。

（作用）送信側においては伝送すべき１個のパルスの前緑部と後
緑部に同ＩＱ１シてかつそのパルス’Ｎｌｉよりも十分
小さい２つの短パルスを発坐させることにより伝送に消
費される電力はパルスの立ち上がりと−ＩＺち下がりに
おいてのみ必要となりパルスのＯＮ状態の全肋間消費さ
れる従来の光伝送ノｊ式に比べ格段の電力削減となる。

受信側ではそれら２つの短パルスから１個のパルスを復
元するが前縁部対応パルスと後縁部対応パルスは２組の
光伝送系にそれぞれ別々に伝送されるためパルスの前、
後を誤認識することはない。

ここで、ＣＭＯＳ構成について、第６図を参照して説明
する。（６０）は入力ボート、（６１Ａ）（６１Ｂ）は
Ｃ！ｖｌＯｓ，（６３）は接続部、（６５Ａ）、（６　
５　Ｂ）はＣＭＯＳ，（６　６）は出力ポート、（６７
）はコンデンサである。第６図（ｂ）は、第６図（ａ）
の各部波形を示しており、波ｊＩ二には第６図（ａ）の
波形生戊部と同一の付号を付している。尚、（６３Ｖ）
，　（６３］）は接続部（６３）の電圧、電流の波形で
ある。

光配線では一対の半導体発光、受光素子と光ファイバと
からなる溝成に対し、電気配線では素子をＣＭＯＳ構或
としその間を電気導線で接続する例を考える。ＣＭＯＳ
は低消費電力素子であると言われている。入力パルス（
６０）に対しＮチャンネルＭ　Ｏ　Ｓ　（６１Ａ）はパ
ルスの前縁部、即ち立ち上がり部において動作し、流れ
る電流は配線あるいは次段のＣＭＯＳ回路の入力容量、
あるいはコンデンサ（６７〉を充電する。コンデンサに
電荷がチヤージされるにともない二つのＭＯＳの接続部
ク６３）の電圧は上昇するが、流れる電流は減少しはじ
める。

電源電圧値まで電圧は上昇してそこで一定値を保つと同
時にＮチャンネルＭＯＳは動作を停止する。

ＣＭＯＳの入力インピーダンスはこの容量を除けば非常
に大きいため電流リークは尖質上考慮する必要はない。

次にパルスの後縁部、即ち立ち下がり部においてはＰチ
ャンネルＭ　Ｏ　Ｓ　（ｆ３１Ｂ）がコンデンサを電源
とし動作しはじめる。このときＮチャンネルＮＯＳは動
作をしない。コンデンサの電荷がすべて放電したときに
動作は終了する。このようにＣＭＯＳにおいては二つの
ＭＯＳはパルスの立ち−１二がりか立ち下がりにおいて
のみ動作し、消費する電力はコンデンサを充電するに必
要な電力でのみである。したがって消費電力としては極
めて小さいといえる。

（実施例）以下図面を用いて本発明の実施例を説明する。

第１図は本発明の基本概念を説明する図である。

第１図（ａ）はブロック図、第１図（ｂ）は各部波形の
タイムチャート図を示す。ここで、第１図（ａ）におい
て、（１０〉は入力ボート、（１１）は変換回路Ａ１（
１２Ａ）．（１２Ｂ）は発光素子、（１３Ａ）　，　（
１３Ｂ）は光ファイバ、（１４Ａ）　，　（１４Ｂ）は
受光素子、（１５）は変換回路Ｂ，（１０）は出力ポー
トである。第１図（ｂ）では、各波形に第１図（ａ）に
おける波形生成部の各部の符号と同一の符号を付してい
る。入力ポート（ｌＯ）への入力は矩形パルスを仮定す
る。変換回路Ａ（１１）にてパルスの前縁部と後緑部に
同期して、且つそのパルス幅よりも十分小さい２つの短
パルスを発生させる。次にそれぞれの短パルスを、例え
ば前縁部バルスは発光素子（１２Ａ）に、また後縁部パ
ルスは（１２Ｂ）に割当て短パルス状態のまま発光させ
る。光ファイバ（１３Ａ）．（１３ｒ３）を伝搬した二
つの光パルスは受信側にて個別に受光され変換回路Ｂ　
（＋５）にて再び合成され元の１個のパルスを復元する
。第１図（ｂ）のタイムチャート図において（１　２Ａ
）　．　（１　２Ｉ３）は発光素子に流れる電流あるい
は光出力を示すが常に極性的に正であるところがＣＭＯ
Ｓ電気接続とは異なるところである。

第２図，第３図にて特にその主要部の回路構或を詳細に
説明する。第２図は送信部の回路を示す。

ＣＭＯＳ回路において二つのＭＯＳ（ＮチャネルＣ　Ｍ
　Ｏ　Ｓ　（２＋Ａ），ＰチャネルＣＭＯ　Ｓ　（２１
Ｂ）　）を接続する中間部に図に示すように二つの半導
体発光素子、ここでは発光ダイオード（２２Ａ）　．　
（２２Ｉ３）を直列的に接続する。そして二つの発光ダ
イオード（２２Ａ）、（２２Ｂ）の中点にはコンデンサ
（２１Ｇ）を接続する。入力パルスの前縁部においてＮ
チ今ンネルＣ　Ｍ　Ｏ　Ｓ　（２ＬＡ）が動作し、コン
デンサ（２１Ｇ）を充電する。このとき流れる電流にて
発光ダイオード（２２Ａ）が発光する。この発光強度は
コンデンサへの充ｔｔｖ　ｍに比例するためコンデンサ
の容量と電源電圧値とから定まる初期値から対数的に威
少しコンデンサへの充電が終了すると同時に零となる。

パルスの後縁部においてはＰチャンネルＣ　Ｍ　Ｏ　Ｓ
　（２１Ｂ）がコンデンサの電荷を放電する経路で動作
する。このときも初期値から対数的に減少する光強度と
なる。受信側での動作を第３図を用いて説明する。第３
図（ａ）はＣＭＯＳ回路の入力に二つの半導体受光素子
、ここではＰＩＮ型フォトダイオード（３４Ａ）　，　
（３４Ｂ）を直列に接続した例、また第３図（ｂ）はセ
ットリセット型フリップフロップ（３８）を用いた例で
ある。前者では二つのフォトダイオードの中点にコンデ
ンサ（３７）を接続し、その点をさらにＣ　Ｍ　Ｏ　Ｓ
　（３５Ａ）．（３５Ｂ）への入力としてある。光ファ
イバ（３３Ａ）からの前縁部相当の光短パルスはフォト
ダイオード（３４Ａ）にて電流変換されコンデンサ（３
７）を充電する。次に光ファイバ（３３Ｂ）から後縁部
相当の光短パルスがフォトダイオード（３４Ｂ）に入射
したときにはコンデンサ（３７）を放電するように動作
する。コンデンサの両端での電圧でみるとパルスの前縁
部で上昇し、後縁部で下降する、即ち元のパルスを復元
していることになり、以下次段のＣＭＯＳ回路へと信号
が引き継がれる。尚、コンデンサ（３７）は伝送レート
や回路などのシステム要求により異なるが設計によって
は次段のＣＭＯＳ回路での入力容量で代表させることも
できる。同様に送信回路でも特にコンデンサを設けず発
光ダイオード（２２Ａ），（２２Ｂ）のｉ＄遊容量（容
量機能）などを充てても良い。第３図（ｂ）ではコンデ
ンサと高入力インピーダンスのＣ　Ｍ　Ｏ　Ｓの役割を
セットリセット型フリップフロップ（３８〉を用いて代
表させた例である。前縁部相当の光短パルスはセットの
役割を、また後縁部相当の光短パルスはリセットの役割
を果たす。

上記火施例での光半導体素子は、発光素子が発光ダイオ
ード、受光素子がＰＩＮ型フォトダイオードの場合につ
いて説明したが、半導体レーザその他の発光素子、その
他の受光素子でも良い。チップ間の光配線では消費電力
の節減や素子の制作条件から発光素子の出力は通常の光
通信で得られる数ｍＷを期待することは出来ない。その
ような条件では受光素子の出力をいかに小さな電力で増
幅するかがポイントともなる。第４図は受信側での受光
素子として２端子双安定素子（４４Ａ）　，　（４４Ｂ
）を用いる場合を示している。第４図（ａ）は｛１４造
図、第４図（ｂ）はその電流電圧特性を示す図、第４図
（Ｃ）は受信回路を記したものである。

第４図（ａ）に示すように、ｎ型ＧａＡｓ層７４は允光
肋（第１の半導体層）であり、厚さ１μｍ程度とし、こ
れを挾んでこれより禁制柑幅の太きＬ）ｎ一型Ａ　　Ｇ
ａＡｓＪｆｆｌ（第２の半導体層）７５およびｐ＋型Ａ
　　ＧａＡｓ層（第３の半導体層）７３がある。これら
ｎ一型Ａ　　ＧａＡｓ層７５およびｐ＋型Ａ　　ＧａＡ
ｓ層７３はクラツド層であり、それぞれ＋ソさ４８００
　および３５００　とする。この発光Ｆｉとしてのｎ型
ＧａＡｓ層７４とクラットＩｊうとしてのｎ一型Ａ　　
ＧａＡｓ層７５およびｐ＋型Ａ　　ＧａＡｓ層７３から
なるダブルへテロ接合横這は、ｐ＋型ＧａＡｓ基板７１
」二にｐ＋型ＧａＡｓバッファ層７２を介して積層形戊
されている。ｎ一型Ａ　　ＧａＡｓ層７５上には、高不
純物濃度且つ超薄膜のｐ＋型ＧａＡｓ層（第４の半導体
層）７６を介してｎ型の第５の半導体層が積屑形威され
ている。ｐ＋型ＧａＡｓ層７６は例えば厚さ４０　程度
でキャリアａ度が５×１０１８／　　以Ｊ二とする。第
５の半導体層としては、ｐ＋型ＧａＡｓ層７６に接する
部分にクラツド層となるｎ一型Ａ　　ＧａＡｓ層７７が
形成され、この」二に更にエミツタｈ′−うとなるｎ＋
型Ａ　　ＧａＡｓ層７８およびｎ＋型ＧａＡｓ層７９が
積層形成されテイる。ｎ一型Ａ　　ＧａＡｓ層７７は８
００ｎ＋型Ａ　　ＧａＡｓ層１８は４０００　程度とす
る。超薄膜であるｐ＋型Ｇ　ａ　Ａ　ｓ　Ｊｔう７６を
挟むｎ一型Ａ　　Ｇ　ａ　Ａ　ｓ　Ｒ’ｒ　７　５およ
び７７は、キャリア濃度５Ｘ１０１５／　　ＦＩＮ度の
低濃度層としている。

以！二の谷半導体居はこの実施例では分子線エビタキシ
ーｌ去により形成している。成長温度は約７　０　０　
’Ｃである。基板７１の裏面にはアノード７ａ枠（第１
のーＬ電極）８０が、−１一部ｎ＋型ＧａＡｓｈＶｉ７
　９にはカソード電極（第２の主電極）７１かそれぞれ
形成されている。

尚、素子の構逍とその特性の詳細は文献（（１）Ｒ．Ｓ
．Ｍａｎｄ　ｅｔ　ａｌ：ＥＩｅｃｔｒｏｎ．ｌ，ｅｔ
ｔ．，２２，９５２（１９８Ｇ），（２）Ｒ．Ｓ．Ｍａ
ｎｄ他；信学技報、ＥＤ８６−１１３）　）に記載され
ている。構遣は基本的には基板からｐ　Ｎ　Ｐ　Ｎ　ｔ
Ｍ造状態を保つことからいわゆる光双安定状態を示すこ
とになる。この特性は素子に外部から入力する光パワー
により異なる。本素子例では入力が１２ｕＷのときは素
子のブレークが小さな電圧で生ずる。このことは素子に
例えばＩＯＶ程度の電圧をかけておいたときに外部から
１２ｕＷ程度の入力かあったときに素子はＯＮＬ、数ｍ
Ａ以上の大きな電流が流れることになる。即ち、一つの
素子で先の小信号問題を回避できることになる。但し、
本素子は電圧が印加されていればいつまでもＯＮ状態を
保つために、本発明のパルスの前縁部、後縁部でのみ動
作とするには第４図（Ｃ）のように電流の時間制回路（
４８）を入れる必要がある。なお、第２図、第３図で示
した実施例はコンデンサの後部に発光ダイオードが位置
してもよく、また受光側のコンデンサ３７はフォトダイ
オードの自己容請であってもよい。この例を第５図に示
す。第５図（ａ）では発光ダイオード１０１、１０２が
逆方向にｊｌｆ２列接続され、端子１０６及び１０７の
間に矩形パルス又はＣＭＯＳ出力を入力して第１図（ｂ
）１２Ａ，１２Ｂの出力が得られる。第５図（ｂ）では
第１図（ｂ）１２Ａ，１２Ｂの出力がそれぞれ１０３，
１０４のフォトダイオードに入力され、一方の出力電流
が２つのフォトダイオード自己容量の充電、もう一方の
出力電流が放電をおこない′１０８、１０９間に矩形パ
ルス電圧を出力する。このときの出力電圧はフォトダイ
オードの順方向電流立ち上がり電圧以下に眼られるが、
０．５〜ＩＶ程度の出力は可能である。第５図実施例に
ついて実際の回路接続例を第６図に示す。

図に示す通りこの例では入力及び出力にＣ　Ｍ　Ｏ　Ｓ
同路をほぼそのまま適用できる利点があり、汎用性が高
い。

ここで本発明と従来技術との消費電力比較を示してみる
。まず、第７図（ａ）の場合の／ｒ１′ｉ２電力Ｐ１は
入力電圧Ｖｉ、入力電流Ｉｉ１パルスデューティ比Ｄの
積であり次式のようになる。

Ｐ１＝Ｖｉ　Ｉ　ｉＤ　　　　　　　　　　−（１）ま
た、出力電圧Ｖｏ，電流伝達効率η、出力負ｄ：ｆ抵抗
Ｒｌを用いて次式のようになる。

Ｖｏ−ｒ）　Ｉ　ｉ　Ｒ　ｌ　　　　　　　　　　−（
２）Ｐ１＝　（ＶｉＶｏＤ）／　（７７Ｒ１）　　−　
（３）一方、本発明実施例の場合第５図において周明Ｔ
パルスデューティ比Ｄの矩形パルス（電圧Ｖｉ）、を加
えたとしてその消費電力Ｐ２はＰ２＝　（Ｖｉ／Ｔ）Ｊ’　Ｉ　ｉ　ｄ　ｔ　　　　・
　（４）となる。また受信側蓄積容量をＣｐ，蓄積電荷
をＱｏとすると、Ｑｏ−ＣｐＶｏ一ηＪ’ｌｉｄｔ　　　　　　　　　　・・・（５）と
なる。従ってＰ２は次式で表せる。

Ｐ２＝　（ＶｉＶｏＣｐ）／　（７７Ｔ）　　・＝　（
６）第５図の場合ｃｐは２つのフォトダイオードの自己
容量加算値であり、第３図（ａ）、第６図の場合外部容
量３７、ＣＭＯＳ入力容量等が加えられる。（３）式と
（６）式から消費電力の比は出力電圧Ｖｏ，電流伝達効
率η、入力電圧Ｖｉが同じ場合についてＰ　２／Ｐ　１　＝　（Ｃ　ｐＲ　１）　／　（ＤＴ）
・・・（７）と表せる。Ｒ１の値は第７図においてη、
増幅回路入力インピーダンス等の条件でほぼ決定してお
り、本発明の優位性は小さなＣｐを用いるほど高くなる
ことが分かる。例えば１０Ｍｂ／ｓ　　（Ｔ＝１００ｎ
ｓ）　、ＮＲＺ　（ＮｏｎＲｅｔｕｒｎ−ｔｏ−Ｚｅｒ
ｏ、Ｄ−０．５）信号の場合、Ｃｐ−１ｐＦでＲｌ−１
ｋΩの従来技術に比して２％の電力で動作可能であり、
１００Ｍｂ／ｓ（Ｔ一１０ｎｓ）であっても２０％の電
力で動作できることが示される。

［発明の効果］送信側においては伝送すべき１個のパルスの前縁部と後
縁部に同期してかつそのパルス幅よりも十分小さい２つ
の短パルスを発生させることにより伝送に消費される電
力はパルスの立ち上がりにおいてのみ必要となりパルス
のＯＮ状態の全期間泪費される従来の光伝送方式に比べ
格段の電力削減となる。また受信側にて受光素子として
光双安定素子を使用すれば内部に増幅機構を持つため小
さな光入力のときにはとくに消費電力の節減となる。別
の効果として受信側では２つの短パルスから１個のパル
スを復元するが前縁部対応パルスと後縁部対応パルスは
２組の光伝送系にそれぞれ別々に伝送されるためパルス
の前、後を：５認識することはなく確実な伝送を行うこ
とが出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の払本概念を示す図、第２図は第１図（
ａ）の送信部を示す図、第３図は第１図（ａ）の受信部
を示す図、第４図は第３図の受光素子として用いる二端
子双安定素子を示す図、第５図は従来例を示す図、第６
図は本発明の作用を説明するための図、第７図及び第８
図は本発明の他の実施例を説明するための図である。１０．２０・・・入力ポート、１１．１５・・・変換回
路、１２Ａ，１２Ｂ，２２Ａ・・・発光素子、１３Ａ，
１３Ｂ，２３Ａ，’２３Ｂ，３３Ａ，３３Ｂ，４３Ａ，
４３Ｂ・・・光ファイバ、１４Ａ，１４Ｂ．２２Ｂ．３
４Ａ，３４Ｂ，４４Ａ，４４Ｂ・・・受光素子、１６．
３６，・・・出力ポート、２１Ａ・・・ＮチャネルＭＯ
Ｓ，２１Ｂ・・・ＰチャネルＭＯＳ，２１Ｃ，４７・・
・コンデンサ第１図２１会１第２図第３図Ｏ３６９１２１５・（五（Ｖ）第４図第４図第５図第６図１０５第７図１０２１０４４ｉ１Ｆ８判マ図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）第１の発光素子と、この第１の発光素子からの光
を伝送する第１の光伝送路と、この第１の光伝送路から
の光を受光する第１の受光素子とからなる第１の光伝送
系と、第２の発光素子と、この第２の発光素子からの光
を伝送する第２の光伝送路と、この第２の光伝送路から
の光を受光する第２の受光素子とからなる第２の光伝送
系とを有し、伝送すべきパルスの前縁部に対応した信号
を前記第１の先伝送系で伝送し、前記パルスの後縁部に
対応した信号を前記第２の光伝送系で伝送することを特
徴とする光伝送方式。
（２）送信側において、伝送すべき１個のパルスの前縁
部と後縁部に同期してかつそのパルス幅よりも十分小さ
い２つの短パルスを発生する回路を有し、受信側におい
て、前記２つの短パルスから１個のパルスを復元する回
路とを有することを特徴とする請求項１記載の光伝送方
式。
（３）受信側で用いる受光素子は外部光の入力により状
態を変化させる光双安定素子であることを特徴とする請
求項１記載の光伝送方式。