JPH11252019A

JPH11252019A - 光受信回路

Info

Publication number: JPH11252019A
Application number: JP10047289A
Authority: JP
Inventors: Sadao Tanikoshi; 貞夫谷越
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1998-02-27
Filing date: 1998-02-27
Publication date: 1999-09-17

Abstract

(57)【要約】【課題】比較的簡単な構成で、帰還抵抗を小さくするこ
となく広帯域化を図り、低雑音特性と広帯域特性を両立
させ、受信感度を改善した高感度の光受信回路を提供す
る。【解決手段】受光素子から出力される電気信号を増幅す
る電圧帰還型増幅器を構成する第1のトランジスタと、
この第１のトランジスタの出力信号を更に増幅する第2
のトランジスタと、この第１のトランジスタのゲート電
極に直列に接続されたインダクタンスとを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば１０Ｇｂｐ
ｓ以上の符号速度の光通信システムで用いる光受信回路
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図７は、光通信システムで用いられてい
る光受信器の一般的な構成を示す回路図であり、例えば
ＰＩＮフォトダイオードで構成された受光素子１は、光
ファイバ２を通じて入力された光信号を電気信号に変換
して光受信回路３に入力する。この光受信回路３は、受
光素子1から出力された微弱な電気信号を所定の振幅ま
で増幅し、次段の可変利得増幅回路４に入力する。可変
利得増幅回路４は、識別回路５に入力される信号振幅が
一定となるように利得制御回路６によって利得制御され
る。クロック再生回路７は、可変利得増幅回路４の出力
信号から、識別回路５を駆動するのに必要なクロック信
号を抽出し、識別回路５のクロック入力端子（ＣＫ）に
入力する。識別回路５は、クロック信号によって光信号
中のデータ信号を識別し、その出力端子からデータ信号
を出力する。データ信号は、クロック再生回路７が抽出
したクロック信号と共に出力される。

【０００３】図８は、このような構成の光受信器で用い
られている光受信回路３の従来構成を示す回路図であ
り、受光素子１のアノード電極は、第１のトランジスタ
３１のゲート電極に接続されている。この第１のトラン
ジスタ３１のドレイン電極からゲート電極には直流カッ
ト用のコンデンサ３３および帰還抵抗３２（抵抗値＝R
f）を介して帰還が掛けられている。また、第１のトラ
ンジスタ３１のドレイン電極は負荷抵抗３４を介して電
源電圧ＶDDに接続され、さらにコンデンサ３５を介して
第２のトランジスタ３６のゲート電極に接続されてい
る。第２のトランジスタ３６のゲート電極は抵抗３７を
介して電源電圧ＶG2に接続され、またドレイン電極は負
荷抵抗３８を介して電源電圧ＶDDに接続されると共に、
コンデンサ３９を介して出力端子に接続されている。な
お、帰還抵抗３２とコンデンサ３３の接続点は抵抗４０
により電源電圧ＶG1に接続されている。

【０００４】このような構成において、受光素子１のア
ノード電極には光ファイバ２から受信した光信号に対応
する信号電流Ipが流れる。すると、第１のトランジスタ
３１のドレイン電極には、低周波領域ではおよそRｆ?Ip
の振幅の信号電圧が生じる。この信号は、第２のトラン
ジスタ３６で増幅されて出力端子から出力される。しか
し、高周波領域では受光素子１の接合容量Cpdや第１の
トランジスタ３１の入力容量Cgsなどの寄生容量により
利得が低下する。

【０００５】第１のトランジスタ３１のドレイン負荷抵
抗３４の抵抗値をRLl、相互コンダクタンスをgml、ゲー
ト・ドレイン間容量をCgdlとすると、遮断周波数は概
略、ｆ3dB＝（1＋gml・RLl）／（2πRf・（Cgsl＋Cpd＋（1＋gml・RLl）Cgdl）） …‥（１）で与えられる。一例として、gml＝0.1S（ジーメン
ス）、RLl＝50Ω、Rf＝400Ω、Cgsl＝0．3pF、Cpd＝0．
3pF、Cgdl＝0．05pF とすると、遮断周波数は約2．6GH
zとなる。これでは、１０Gbps以上の高速の光信号を受
信するには不十分であり、遮断周波数を2〜3倍に引き上
げる必要がある。

【０００６】前記（１）式によると、遮断周波数ｆ3dB
は帰還抵抗３２の値Rfと反比例の関係にある。そこで、
Rfの値を例えば150Ω程度に小さくすることにより遮断
周波数を引き上げる方法が考えられる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、Rfを小さくす
ると、熱雑音が増大し、受信感度を劣化させることにな
る。また、利得とRfは比例関係があるためRfを小さくす
ると利得が低下し、必要な利得を確保するため本受信回
路の後段に従属接続される増幅段数が増えることにな
り、これらの帯域や雑音の影響により広帯域・低雑音化
がますます困難になるという問題がある。このため、Rf
を小さくすることなく広帯域化を図る必要がある。

【０００８】このように、従来の光受信回路の構成で
は、約10Gbps以上の符号速度で用いる場合、種々の寄生
容量のため、必要な帯域の確保と低雑音化を両立させる
ことは非常に困難であるという問題があった。

【０００９】本発明は、比較的簡単な構成で、帰還抵抗
を小さくすることなく広帯域化を図り、低雑音特性と広
帯域特性を両立させ、さらに周波数特性の平坦化を図る
ことにより受信感度を改善した高感度の光受信回路を提
供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１の発明は、受光素子から出力される電気信
号を増幅する電圧帰還型増幅器を構成する第1のトラン
ジスタと、この第１のトランジスタの出力信号を更に増
幅する第2のトランジスタと、この第１のトランジスタ
のゲート電極に直列に接続されたインダクタンスとを備
えたことを特徴とする。

【００１１】また、請求項２の発明は、請求項１の発明
において、前記第１のトランジスタのドレイン電極に直
列に接続されたインダクタンスを備えたことを特徴とす
る。

【００１２】また、請求項３の発明は、請求項１または
２の発明において、前記受光素子の電気信号出力端に直
列に接続されたインダクタンスを備えたことを特徴とす
る。

【００１３】また、請求項４の発明は、請求項１〜３記
載のいずれかの発明において、前記第２のトランジスタ
のドレイン電極に直列に接続されたインダクタンスを備
えたことを特徴とする。

【００１４】また、請求項５の発明は、請求項１〜４記
載のいずれかの発明において、前記第１のトランジスタ
の出力信号を入力側に帰還する帰還抵抗と直列に接続さ
れたインダクタンスを備えたことを特徴とする。

【００１５】また、請求項６の発明は、請求項1〜５記
載のいずれかの発明において、前記第１および第２のト
ランジスタとして、高電子移動度トランジスタを用いた
ことを特徴とする。

【００１６】また、請求項７の発明は、請求項1〜５記
載のいずれかの発明において、前記第１および第２のト
ランジスタとして、ガリウム・砒素電界効果型トランジ
スタを用いたことを特徴とする。

【００１７】また、請求項８の発明は、請求項1〜５記
載のいずれかの発明において、前記第１および第２のト
ランジスタとして、パイボーラトランジスタを用いたこ
とを特徴とする。

【００１８】また、請求項９の発明は、請求項１〜８記
載のいずれかの発明において、前記インダクタンスはボ
ンディングワイヤにより構成したことを特徴とする。

【００１９】また、請求項１０の発明は、請求項１〜８
記載のいずれかの発明において、前記インダクタンス
を、回路基板上に形成されたマイクロストリップライ
ン、あるいはボンディングワイヤとマイクロストリップ
ラインとの組み合わせにより構成したことを特徴とす
る。

【００２０】また、請求項１１の発明は、請求項９記載
の発明において、前記ボンディングワイヤを、基板上に
予め設けられた複数のボンディングパッドを経由して接
続された構成にしたことを特徴とする。

【００２１】また、請求項１２の発明は、前記第１の
トランジスタのドレイン電極と第２のトランジスタのゲ
ート電極とを直流結合したことを特徴とする。

【００２２】また、請求項１３の発明は、請求項１〜１
２記載のいずれかの発明において、前記第２のトランジ
スタのソース電極の電圧を検出し、設定値からの誤差を
第１のトランジスタのゲート電極に帰還する回路を設け
たことを特徴とする。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、この発明に係わる光受信回
路の一実施の形態を添付図面を参照して詳細に説明す
る。

【００２４】図１は、この発明に係る光受信回路の一実
施の形態を示す回路図であり、図８と同一部分には同一
符号を付し、詳しい説明は省略する。

【００２５】図１において、光フアイバ２を伝搬して入
力される光信号は、受光素子１で光電変換され、光強度
変化が受光素子1を流れる電流の変化に変換されて光受
信回路３に入力される。光受信回路３の第１のトランジ
スタ３１の出力側から入力側に帰還抵抗３２（値＝Rf）
および直流カット用のコンデンサ３３を介して帰還が掛
けられている。第１のトランジスタ３１のゲート電極
(バイポーラトランジスタの場合、ベース電極)には帯域
補償用のインダクタ４１（値＝L2）が挿入されている。
また、第１のトランジスタ３１のドレイン負荷抵抗３４
にもインダクタンス４２(値＝L3)が直列に挿入されてい
る。

【００２６】次段の第２のトランジスタ３６のゲート電
極は、直流カット用のコンデンサを介さずに第１のトラ
ンジスタ３１のドレイン電極と直接接続された直流結合
となっている。

【００２７】第２のトランジスタ３６のソース電極に
は、抵抗４３とコンデンサ４４の並列回路が挿入され、
自己バイアスで動作するようになっている。そして、第
２のトランジスタ３６のソース電極には、動作点安定化
回路４５の第３のトランジスタ４６のエミッタ電極が接
続されている。また、第２のトランジスタ３６のドレイ
ン電極と負荷抵抗３８との間にもインダクタンス５５
(値＝L5)が接続されている。

【００２８】以上の他に、帰還抵抗３２と直列にインダ
クタンス４６(値＝L4)が直列接続されると共に、第１の
トランジスタ２１のゲートバイアス抵抗４８と直列にイ
ンダクタンス４９(値＝L6)が接続され、さらに受光素子
１のアノード電極に直列にインダクタンス４７（値＝L
１)が接続されている。

【００２９】動作点安定化回路４５は、PNP型の第３の
トランジスタ４６と、コレクタ電極と電源電圧ＶSSとの
間に接続された負荷抵抗５３、ベース電極とコレクタ電
極との間に接続されたコンデンサ５４を備え、第３のト
ランジスタ４６のべ一ス電極に電源電圧（VDD）を抵抗
５１と抵抗５２で分割した一定の電圧を印加してある。
そして、第３のトランジスタ４３のエミッタ電極は第２
のトランジスタ３６のソースと接続されている。第３の
トランジスタ４６はトランジスタ３６の動作点の変動に
より生じるソース電圧の変動を検出し、その変化分を増
幅し、抵抗４８や帰還抵抗３２などを通じて第１のトラ
ンジスタ３１のゲート電極に帰還するようになってい
る。

【００３０】このように構成された本実施形態の回路の
動作を図２および図３を参照して説明する。図２は本実
施形態の光受信回路の変換利得の周波数特性を示し、図
３は雑音特性を示す図である。帰還抵抗Rfを大きく取っ
た場合（例えばRf＝400Ω）、変換利得は図２の（a）で
示すように、変換利得の帯域が狭いという特性を示す。
一方、Rfを150Ω程度に小さくすると（b）のように帯域
は拡大されるが、入力換算雑音電流密度が増加し、受信
感度を劣化させる。

【００３１】しかし、第１のトランジスタ３１のゲート
電極にインダクタンス４１を挿入した場合、その変換利
得の周波数特性は図２の（c）に示すようなものに改善
される。これは、インダクタンス４１とトランジスタ３
１の入力容量Cgslとの共振により、高域の変換利得が上
昇し、帯域が拡大されるからである。また、変換利得が
上昇した分、入力換算雑音電流密度が減少する。

【００３２】また、横軸を周波数［Hz］、縦軸を入力換
算雑音電流密度［pA/√Hz］とした図３の雑音特性図に
示すように、本発明の光受信回路の雑音特性は従来の光
受信回路の雑音特性に比って、特に高周波領域での雑音
が縮著に低減される。これは、変換利得が上昇した分、
入力換算雑音電流密度が減少するからである。

【００３３】この場合、受光素子1と直列にインダクタ
ンス４７を挿入しても高域の変換利得が上昇するのであ
るが、この場合はインダクタンス４１を用いた場合より
も狭い帯域幅について利得のピーキングが生じるという
性質がある。

【００３４】本実施形態におけるインダクタンスとして
は、ペアチップ部品の配線に用いられるボンディングワ
イヤで構成することができる。図４（ａ）にボンディン
グパッド５６と５７とを結ぶボンディングワイヤ５８で
インダクタンスを構成した例を示している。また、図４
(ｂ)に、マイクロストリップライン５９とボンディング
ワイヤ６０でインダクタンスを構成し、ボンディングパ
ッド６１に接続した例を示している。

【００３５】図５は、ボンディングワイヤでインダクタ
ンスを構成した場合の図１の回路の部品実装状態の一部
を示す図であり、インダクタンス４７（L2）を構成する
ボンディングワイヤは、基板上に予め設けられた複数の
ボンディングパッド６２〜６４のうちいずれか一つを経
由して配線されており、部品実装終了後に、破線で示す
ように別のパッドにワイヤを掛け直すことにより、ボン
ディングワイヤの全長を変化させ、インダクタンスの値
を調整できるようにしている。これにより、実装終了後
に周波数特性の調整が可能になる。製品毎このインダク
タンス値を調整することにより、全ての製品について周
波数特性を均一にすることができる。

【００３６】さらに、本発明では第１のトランジスタ３
１のドレイン電極と第２のトランジスタ３２のゲート電
極とをコンデンサ（図８の３５）を介さず直結構成とし
たことにより、コンデンサ３５を実装するのに必要な長
さ5mm程度のストリップラインを削除することができ
る。これにより、第２のトランジスタ３６の入力容量に
よる高周波の反射を低減し、変換利得の周波数特性に現
れるリップルを低減することが可能となり、応答波形の
改善および高感度化を図ることが可能になる。図６は横
軸に周波数、縦軸に変換利得（相対値）をとって示した
周波数特性図であり、（ａ）が本発明、（ｂ）が従来構
成における特性である。図から明らかなように、本実施
形態の構成によれば、従来の構成に比べて高周波の反射
に起因するリップルが低減されている。

【００３７】ところで、第１のトランジスタ３１と第２
のトランジスタ３６とを直結構成とした場合、周波数特
性上のリップルは低減されるが、大入力時は受光素子１
を流れる受光電流のため、第１のトランジスタ３１の動
作点（ドレイン電圧）が変動し、これが第２のトランジ
スタ３６にも波及し、出力波形を歪ませるという悪影響
を与える恐れがある。本発明においては、これを防ぐた
めに、第３のトランジスタ４６から構成される動作点安
定化回路４５を設け、大入力時にも波形歪みを生じない
ように第２のトランジスタ３６の動作点の変動を抑圧し
ている。

【００３８】すなわち、PNP型で構成される第３のトラ
ンジスタ４６のべ一ス電極には電源電圧（VDD）を抵抗
５１と抵抗５２で分割した一定の電圧を印加してあり、
またエミッタ電極は第２のトランジスタ３６のソース電
極と接続されている。第３のトランジスタ４６は第２の
トランジスタ３６の動作点の変動により生じるソース電
圧の変動を検出し、その変化分を増幅し、抵抗４８、イ
ンダクタンス４９、４６、帰還抵抗３２、インダクタン
ス４１を通じて第１のトランジスタ３１のゲートに帰還
する。この結果、第２のトランジスタ３６の動作点の変
動が抑圧される。

【００３９】なお、本実施形態において、第１および第
２のトランジスタ３１、３６は高電子移動度トランジス
タ（ＨＥＭＴ）で構成するのが望ましい。また、これに
代えて、ガリウム・砒素電界効果型トランジスタまたは
パイボーラトランジスタを用いて構成するようにしても
よい。

【００４０】さらに、各部分の寄生容量に起因する帯域
特性の劣化を防止するために、インダクタンス４１、４
２，４６，４７，４９，５５を接続しているが、少なく
とも第１のトランジスタ３１のゲート電極に接続された
インダクタンス４１のみを接続することによって周波数
特性の改善が可能である。他のインダクタンスについて
は要求される周波数特性に応じて付加するようにしても
よい。

【００４１】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、光受信回
路の各部分の寄生容量に起因する帯域特性の劣化をイン
ダクタンスとの共振作用によって改善し、広帯域・低雑
音化および周波数特性の平坦化を図るように構成したた
め、約10Gbps以上の超高速光信号を受信する光受信回路
の高感度化が達成される。これにより、無中縦伝送距離
の拡大に貢献することが可能になるなどの効果が得られ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る光受信回路の一実施の形態を示す
回路図。

【図２】図１の光受信回路の変換利得の周波数特性を従
来回路の周波数特性と比較して示した図。

【図３】図１の光受信回路の入力換算雑音電流密度の周
波数特性を従来回路の周波数特性と比較して示した図。

【図４】図１の光受信回路のインダクタンスの構成例を
示す図。

【図５】図１の光受信回路の回路基板上への実装状態の
一部を示す図。

【図６】図１の光受信回路の変換利得に現れるリップル
を示す図。

【図７】一般的な光受信器の構成図。

【図８】従来の光受信回路の構成図。

【符号の説明】

１受光素子２光ファイバ３光受信回路４可変利得増幅器５識別可路６利得制御回路７クロック再生回路３１第１のトランジスタ３２帰還抵抗３６第２のトランジスタ、４１，４２、４６、４７、４９、５５インダクタン
ス４５バイアス安定化回路５８、６０ボンディングワイヤ５９マイクロストリップライン５６、５７、６２〜６４ボンディングパッド

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号ＦＩＨ０３Ｆ 1/34 3/08 Ｈ０３Ｈ 11/02

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光信号を電気信号に変換する受光素子
と、この受光素子から出力される電気信号を増幅する電圧帰
還型増幅器を構成する第1のトランジスタと、この第１のトランジスタの出力信号を更に増幅する第2
のトランジスタと、この第１のトランジスタのゲート電極に直列に接続され
たインダクタンスとを備えたことを特徴とする光受信回
路。
【請求項２】前記第１のトランジスタのドレイン電極
に直列に接続されたインダクタンスを備えたことを特徴
とする請求項１記載の光受信回路。
【請求項３】前記受光素子の電気信号出力端に直列に
接続されたインダクタンスを備えたことを特徴とする請
求項１または２記載の光受信回路。
【請求項４】前記第２のトランジスタのドレイン電極
に直列に接続されたインダクタンスを備えたことを特徴
とする請求項１〜３記載のいずれかの光受信回路。
【請求項５】前記第１のトランジスタの出力信号を入
力側に帰還する帰還抵抗と直列に接続されたインダクタ
ンスを備えたことを特徴とする請求項１〜４記載のいず
れかの光受信回路。
【請求項６】前記第１および第２のトランジスタとし
て、高電子移動度トランジスタを用いたことを特徴とす
る請求項1〜５記載のいずれかの光受信回路。
【請求項７】前記第１および第２のトランジスタとし
て、ガリウム・砒素電界効果型トランジスタを用いたこ
とを特徴とする請求項1〜５記載のいずれかの光受信回
路。
【請求項８】前記第１および第２のトランジスタとし
て、パイボーラトランジスタを用いたことを特徴とする
請求項1〜５記載のいずれかの光受信回路。
【請求項９】前記インダクタンスはボンディングワイ
ヤにより構成されることを特徴とする請求項１〜８記載
のいずれかの光受信回路。
【請求項１０】前記インダクタンスは回路基板上に形
成されたマイクロストリップライン、あるいはボンディ
ングワイヤとマイクロストリップラインとの組み合わせ
により構成されることを特徴とする請求項１〜８記載の
いずれかの光受信回路。
【請求項１１】前記ボンディングワイヤは、基板上に
予め設けられた複数のボンディングパッドを経由して接
続されていることを特徴とする請求項９記載の光受信回
路。
【請求項１２】前記第１のトランジスタのドレイン電
極と第２のトランジスタのゲート電極とを直流結合した
ことを特徴とする請求項１〜１１記載のいずれかの光受
信回路。
【請求項１３】前記第２のトランジスタのソース電極
の電圧を検出し、設定値からの誤差を第１のトランジス
タのゲート電極に帰還する回路を設けたことを特徴とす
る請求項１〜１２記載のいずれかの光受信回路。