JPH0537313A - 光検出回路 - Google Patents

光検出回路

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JPH0537313A
JPH0537313A JP3209886A JP20988691A JPH0537313A JP H0537313 A JPH0537313 A JP H0537313A JP 3209886 A JP3209886 A JP 3209886A JP 20988691 A JP20988691 A JP 20988691A JP H0537313 A JPH0537313 A JP H0537313A
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JP
Japan
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circuit
photodetector
response current
pulse
incident light
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Pending
Application number
JP3209886A
Other languages
English (en)
Inventor
Goro Asari
悟郎 浅利
Kazuhisa Taketoshi
和久 竹歳
Fumihiko Ando
文彦 安藤
Masayuki Sugawara
正幸 菅原
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
AGC Inc
Japan Broadcasting Corp
Original Assignee
Asahi Glass Co Ltd
Nippon Hoso Kyokai NHK
Japan Broadcasting Corp
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Publication date
Application filed by Asahi Glass Co Ltd, Nippon Hoso Kyokai NHK, Japan Broadcasting Corp filed Critical Asahi Glass Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】デジタル出力、高速応答で、広いダイナミック
レンジを有する光検出回路が得られる。 【構成】VDD=5V、VSS=-2V、Vr =1V、R1 =108
Ω、Ci =10fF、光入射がない場合のホトダイオードの
リーク電流をid0=10-10 A とすると、a点の電圧は約
10mVで回路の応答周波数は100MHz程度である。ホトダイ
オードの受光面積を4 ×10-6cm2 、受光感度を2500A/W
とすれば光入射エネルギー密度10μW/cm2 に対し光電流
出力は100nA で、出力パルス周波数は約9MHzとなる。こ
のとき、ホトダイオードへの入射光子数は波長680nm で
は1.38×108 個/秒となり回路の応答周波数を越えてい
る。一方、入射エネルギー100nW 以下では参照電圧をV
r1=50mV程度にすることによって、離散的なパルスが得
られる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は主として光信号を電気信
号に変換する回路において、デジタル出力で、高速・広
帯域化された集積化光検出回路に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、例えば図6に示される回路が、A
DP、PIN、MSMや光導電タイプの半導体素子を光
検出素子1として光通信や、OTDR法などを利用した
光計測器の光検出回路として用いられてきた。この回路
は、光信号で光検出素子1に励起された電気信号を後の
信号処理に必要な振幅まで増幅したり、きれいな矩形波
に波形整形する働きがある。
【0003】信号をアナログ量のままで扱う例えば励磁
コイル駆動の電圧計などに接続するだけであればこのま
までよいが、近年は多くの場合電圧計そのものがデジタ
ル化されており、データとして記録媒体に保存したい場
合やいろいろな信号処理、いわゆるシグナルプロセッサ
ーに受け渡す場合には、初めからデジタル信号であれば
アナログ・デジタル変換器(以下ADCとする)などの
回路が省けるので極めて便利である。このように、従来
はデジタル信号処理回路の前にADCを挿入する必要が
あった。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】従来の光検出素子1と
その出力を受ける回路は図6に示されるようなもので、
入力信号をある帯域で比例的に増幅するのみである。こ
の方式では、光検出回路の後にデジタル信号処理するの
であれば、必ずADCを別のシステムとして付加する必
要があった。また従来の光検出回路とADCを単純に集
積化しただけであれば、計測可能な入射光量のダイナミ
ックレンジやアナログ・デジタル変換速度は従来のシス
テム以上のものにはならなかった。このように、従来は
少ない部品で高速且つ広いダイナミックレンジを有する
デジタル出力の光検出回路に対する要求があったもの
の、それを満たすことができなかった。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明は前述の問題点を
解決すべくなされたもので、光検出素子と入力しきい値
電圧を有する波形整形回路とが接続され、波形整形回路
の一つの出力が低レベルから高レベルに変化するとその
信号でスイッチ回路を駆動して波形整形回路と光検出素
子の接続点即ち波形整形回路の入力点にリセット電圧を
与える機能を具備していることを特徴とする光検出回路
を提供するものである。
【0006】光検出素子1からの信号をパルス列に変換
する回路を図1に示す。光検出素子1の等価回路は図2
のように表され、光検出素子1の図1における役割はそ
の内部抵抗Ri が入射光量によって伝導度変調されると
ころにある。それに応じてa点の浮遊容量Ci を充電す
る時定数Ci ×Ri ×R1 /(Ri +R1 )が変化し
て、a点の電圧が参照電圧Vr を越えたとたんにQ1
2 で構成される差動アンプの出力OP1は低レベルか
ら高レベルに変化する。そして、スイッチ回路を構成す
るFETQ5 がon状態になりQ5 を通じてCi が放電
される。
【0007】図中VDD2は正電源、VSS3は負電源で、
FETQ3 、Q4 はFETQ1 、Q2 のソースフォロワ
として機能する。FETQ1 、Q2 で構成される差動ア
ンプの出力を、ハイインピーダンス入力であるFETQ
3、Q4 のゲートで受けて、次段へ低インピーダンスで
伝達する。信号の振幅はほぼ保たれて伝達する。また、
FETQ1 〜Q4 とQ5 以外のFET、ダイオード及び
電流源は波形整形回路を構成している。
【0008】Ci の電位が下がると出力OP1のレベル
は元の低レベルになるので、OP1にはパルスが1個出
力されたことになる。この時の放電時定数はFETQ5
のon抵抗で決定されるが、入射光量で決められる充電
時定数より十分小さくすることが可能である。
【0009】Ri <<R1 、つまりR1 に比べて光応答
電流ip が十分大きければ充電時間Tc は、Tc =Ci
×Vr /ip となる。
【0010】放電時間をTd 、FETQ1 がonになっ
てからFETQ5 がonになるまでの遅れ時間をτ1
FETQ1 がoffになってからFETQ5 がoffに
なるまでの遅れ時間をτ2 として出力パルス周波数fp
は、fp =1/(Tc +τ1+Td +τ2 )となる。
【0011】ip は入射光量に対して必ずしもリニアで
はなく、例えばMSM構造の光検出素子1や光導電素子
の場合は図3に示される特性となっているが、この例に
限らず入射光量に対する応答電流ip 、つまり出力パル
ス周波数の関係が1対1で対応できていれば、出力パル
ス周波数から任意の単位で入射光量が表示されるように
コード変換することは、ROMなどによるデコーダーを
使って極めて容易に実現できる。
【0012】次に入射光量が図3に示される範囲より少
ない場合を考えてみる。光電子増倍管やアバランシュホ
トダイオードなどの光検出素子1に入射する光量を減ら
していくと、その応答はある限界値以下で離散的なパル
ス列になることがよく知られている。この離散的なパル
スが入射ホトン数に対応しており、パルス列を計数して
光量を測定する方法がホトンカウンティング法である。
図3において、横軸及び縦軸の単位は相対的な強度(度
数)を表すものであり、入射光量と光応答電流の相関を
示している。
【0013】ホトンカウンティング法による光検出回路
を一つのチップ上に集積化したものは既に提案されてい
る(特開昭61−152176号の「固体撮像装置」)
が、本発明の回路構成でもホトンカウントができること
を示す。本発明回路構成において、参照電圧Vr が後述
のVp より大きい場合には、パルス状の応答電流に対し
a点の電位は応答電流パルスを積分した電荷量Qp をC
i で除した値(Vp =Qp /Ci )だけ上昇し、その後
1 を通して緩やかに放電するがパルス出力は得られな
い。ここで、参照電圧Vr をVpよりやや小さめの値V
r1に設定すれば応答電流パルスに応じた出力パルスが得
られる。
【0014】一方参照電圧がVr1で入射光量が非常に大
きい場合には、充電時間Tc よりτ1 、τ2 やTd の方
が相対的に大きくなり、もはや入射光量と出力パルス周
波数が対応しなくなる。従って、参照電圧を低光量と高
光量に応じて2種程度の値に設定可能にしておけば、ダ
イナミックレンジの広い光検出回路を構成することがで
きる。
【0015】本発明において光検出素子としては、アバ
ランシュホトダイオード(APD)、PINホトダイオ
ード、ショットキーホトダイオード、光導電素子、MS
Mホトダイオード等の半導体光検出素子が好ましく使用
できる。
【0016】
【作用】本発明の回路構成によれば、入力回路を構成す
るキャパシタを光検出素子1で発生される光応答電流で
充電し、所定の電位に達したら接続されているFETに
よって高速に放電する。出力パルスの繰り返し周波数
は、光検出素子1の応答電流が連続している領域では入
射光の光量に1対1に対応し、応答電流が離散的なパル
ス列になる領域では入射光の光子数に対応した繰り返し
周波数でパルスが出力される。従って、応答電流がパル
ス列となる非常に光量の少ないところから、カウンター
の動作周波数の上限に対応する非常に明るい領域まで、
ダイナミックレンジの広い光検出回路を構成することが
できる。
【0017】
【実施例】図1の実施例について以下に示す。VDD=5
V、VSS=−2V、Vr =1V、R1 =108 Ω、Ci
=10fFとする。Ri は光検出素子1であるホトダイ
オードの等価抵抗で、バイアス電圧と入射光量によって
変化する。ホトダイオードに流れる電流をid とする
と、Ri =Vd/id である。光入射がない場合のホト
ダイオードのリーク電流をid0=10-10 Aとすると、
a点の電圧は約10mVであり、1/(τ1 +Td +τ
2 )が108 程度なので回路の応答周波数は100MH
z程度となる。
【0018】ホトダイオードの受光面積を4×10-6
2 (20μm×20μm)、受光感度を2500A/
Wとすれば光入射エネルギー密度10μW/cm2 に対
し100nAの光電流出力を得る。この電流によるCi
の充電時間は、Vr =1Vに対し0.1μsとなるの
で、出力パルス周波数は回路の応答速度を考慮して約9
MHzとなる。このとき、ホトダイオードへの入射ホト
ン数は波長680nmでは1.38×108 個/秒とな
り回路の応答周波数をはるかに越えている。
【0019】一方、入射エネルギー100nW以下の領
域に対しては、参照電圧Vr =Vr1=50mV程度にす
ることによって離散的なパルスを観測することができ
る。
【0020】次に、単安定マルチバイブレータ(シュミ
ットトリガー)のパルス幅を決める時定数回路に光検出
素子1を使用して本発明が実現できることを示す。図4
は光検出素子1と、入力しきい値を有する波形整形回路
(シュミットトリガー)と、フリップフロップ及びその
出力と波形整形回路の入力とを接続するダイオードとで
構成されるスイッチ回路とからなる。
【0021】光入力がない場合はフリップフロップの出
力OP3は低レベルにあるが、入射光量に応じて光検出
素子1が伝導度変調されb点を充電し始める。b点が波
形整形回路のしきい値を越えた途端にフリップフロップ
の状態が変わり、OP3が高レベルになり、一方c点は
低レベルになるのでb点を放電し低レベルにする。する
とまたフリップフロップの状態が変化し、OP3は低レ
ベルに戻る。OP3にパルスが1個出力されたことにな
る。光入力がある限りこれを繰り返す。
【0022】入射光が非常に弱くなり光検出素子1の応
答電流がパルス列となった場合には、前述の例と同様
に、波形整形回路のしきい値を適当に低くすることによ
ってホトンカウンティングが可能であることは明らかで
ある。
【0023】図5に別の実施例を示す。この回路では帰
還増幅器の帰還抵抗の替わりにダイオードを挿入したも
ので、動作は図1の場合と同様である。但し、出力が低
レベルとなったときにダイオードを通して増幅器入力を
放電させるので、負のパルス出力となる。
【0024】
【発明の効果】本発明の光検出回路は、出力パルスの繰
り返し周波数が、光検出素子の応答電流が連続している
領域では入射光の光量に1対1に対応し、応答電流が離
散的なパルス列になる領域では入射光の光子数に対応し
た繰り返し周波数でパルスが出力される。従って、光応
答電流のパルス列は、パルス数が光子数に対応した非常
に光量の少ないところから、パルスの周波数が入射光量
に1対1に対応し、またカウンターの動作周波数の上限
に至る非常に明るい領域まで、ダイナミックレンジの広
い光検出回路を構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による光検出回路の実施例の回路図
【図2】光検出素子の等価回路の回路図
【図3】光検出素子の入射光量に対する応答電流特性例
のグラフ
【図4】本発明による光検出回路の他の実施例の回路図
【図5】本発明による光検出回路のさらに他の実施例の
回路図
【図6】従来の光検出回路の回路図
【符号の説明】
1 光検出素子 2 VDD 3 VSS
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 安藤 文彦 東京都世田谷区砧一丁目10番11号 日本放 送協会 放送技術研究所内 (72)発明者 菅原 正幸 東京都世田谷区砧一丁目10番11号 日本放 送協会 放送技術研究所内

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】光検出素子と入力しきい値電圧を有する波
    形整形回路とが接続され、該波形整形回路の出力に応じ
    て該光検出素子にリセット電圧を与えるスイッチ回路を
    具備していることを特徴とする光検出回路。
  2. 【請求項2】波形整形回路の入力しきい値電圧の設定を
    入射光の強さに応じて可変とする請求項1の光検出回
    路。
  3. 【請求項3】単安定マルチバイブレータの準安定期間を
    決める時定数回路の一部に光検出素子を含むことを特徴
    とする請求項1の光検出回路。
JP3209886A 1991-07-26 1991-07-26 光検出回路 Pending JPH0537313A (ja)

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JP3209886A JPH0537313A (ja) 1991-07-26 1991-07-26 光検出回路

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JP3209886A JPH0537313A (ja) 1991-07-26 1991-07-26 光検出回路

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8172874B2 (en) 2001-11-13 2012-05-08 Playtex Products, Inc. Nipple
US11135539B2 (en) 2013-10-11 2021-10-05 Samsung Electronics Co., Ltd. Grease filter, manufacturing method thereof and cooking device having the same

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US8172874B2 (en) 2001-11-13 2012-05-08 Playtex Products, Inc. Nipple
US8961562B2 (en) 2001-11-13 2015-02-24 Eveready Battery Company, Inc. Nipple
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