JPS61111578A - 光受信ｉｃ - Google Patents

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】 （７）　　技　　術　　分　　野 この発明は、光通信システムに於て使用される光受信Ｉ
Ｃに関する。

光通信は、電気信号を光信号に変換して、光ファイバの
中を伝送し、受信側に於て、光信号を逆に電気信号に戻
す事によって行われる。

受信回路は、充電変換素子、増幅回路、二値化回路を含
まなければならない。

（イ）従来技術とその問題点 従来の光受信回路は、全体がＩＣ化されていなかった。

つまり、光受信ＩＣというものがなかった。

ホトダイオード又はアバランシェホトダイオードを光電
変換素子とするが、これは単体のハーメチックシールし
たキャップ入りの素子、モールドされた素子などを用い
た。

さらに、増幅回路や二値化回路はハイブリッドＩＣにな
っていた。ハイブリッドＩＣにするのは、大容量のコン
デンサを回路中に必要とするからである。二値化するた
めに、閾値が必要である。閾値は固定電圧であるより、
浮動する閾値である事が多い。入力電圧の平均の電圧を
閾値とする。平均値を計算するためには、抵抗とコンデ
ンサよりなる平滑化回路を用いる必要がある。積分回路
といっても良い。

この時定数は、抵抗値とコンデンサの容量の積によって
与えられる。これが平均値を与えるためには、入力信号
のパルスの最大時間幅より、時定数はかなり大きくなく
てはならない。

ハイブリッドＩＣの場合、高抵抗は作りにくいので、数
１０　ｋΩ以下の抵抗とする事が多い。すると、先程の
平滑化回路のコンデンサは、小さくても０．１／ｌＦ以
上なくてはならない。

このように大きいコンデンサはシリコンチップの上に作
る事ができないので、コンデンサチップを用いる必要が
ある。ハイブリッドＩＣの中にコンデンサチップを取付
けて、平滑化回路を構成する。

この為、回路全体をモノリシック１ｃにする事ができな
い。

もうひとつ、モノリシックＩＣ化をはばんでいた要素が
ある。それはダイナミックレンジを広くとりたいという
要求を満たすために生ずる。

光受信回路であるから、光信号はＨとＬの２値しかない
デジタル信号を扱っていたとしても、Ｈレベルの光の強
さは伝送系によって異なる。たとえＬレベルが一定であ
るとしても、Ｈレベルは多様である。どのような伝送系
に対しても共通に使用できる光受信回路を構成しなけれ
ばならない。

このため、Ｈレベルの値がどのようなものであっても、
これをＨと弁別できなければならない。

このためには、ＨレベルとＬレベルとを弁別する閾値を
、極めて低い値にすれば良いように見える。

実際には、光電変換素子の電流を増幅して、適当な電圧
にしてから、コンパレータで、予め定めた閾値と、増幅
した電圧とを比較する。

最小のＨレベルに対しても、弁別が可能なためには、増
幅率を極めて大きくしなければならない。

増幅率を大きくする、という事は、演算増幅回路の帰還
抵抗を大きくする、という事である。すると、大きい値
の抵抗が必要になる。このような抵抗はモノリシックＩ
Ｃでは作りにくいので、別にチップ抵抗を使う事になる
。

このように固定閾値によって二値化していたので、モノ
リシックＩＣ化する事ができず、ハイブリッドＩＣと、
単体の光電変換素子とを使っていた。

これらは、プリント基板の上に取付けるのであるから、
形状が大きいものになってしまう。又、プリント基板の
上に実装するのは人手によるからコスト高である。

そこで、本発明者は、固定閾値でなく、変動閾値によっ
て、受信信号レベルを二値化する回路を発明した（特願
昭５９−９６０８９　、昭和５９年５月１４日出願）。

　　　　□ これは、ホトダイオードもシリコンの同一チップ内に設
けたモノリシックＩＣである。変動閾値にするのは、入
力信号をいったん微分し、微分波形と、その平均レベル
を平滑回路で求めて、ヒステリシス付フンパレータで比
較し、二値化するようにしたからである。

増幅さ゛れた入力信号を工とし、この微分をＤとする。

ヒステリシスをΔとする。

微分信号の平均値を平滑化回路で求める。平均値である
ので、これを＜Ｄ＞と書く事にする。コンパレータは、
平均値と入力信号とを比較し、大小を判定するが、いず
れかに±Δのヒステリシスを与える。どちらにヒステリ
シスを付けても良いが、例えば平均値にヒステリシスを
与えるとする。

ヒステリシスの与え万は、出力がＨであるかしてあるか
による。

（１）　　出力がＨである時は Ｄと（〈Ｄ〉〜Δ） を比較する。

（２）出力がＬである時は Ｄと（〈Ｄ〉＋Δ） を比較する。

そのまま固定閾値と比較するのではなく、いったん微分
して、この平均値にヒステリシスを加減したものと微分
値を比較して二値化すると、次のような利点がある。

（１）　　暗電流の影響を完全に除く事ができる。

（２）　　高抵抗を用いて高い増幅率の増幅回路を構成
する必要がない。

（３）　　ダイナミックレンジを広くする事ができる。

（４）信号の歪みが少なくなる。

このような回路は、シリコン基板にシリコンホトダイオ
ードを形成しているから、寸法的に非常に優れたもので
ある。

ところが、平滑回路に０．１〜１μＦ程度の外付はコン
デンサがどうしても必要だったので、全てをモノリシッ
クにする、という事ができない。

平滑回路は、微分信号の平均をとるものであって、ラン
ダムに変動する入力信号自体の平均を計算するものでは
ない。

従って、入力信号に含まれる直流レベルは、平均値にな
んの影響も及ぼさない。

平滑化回路は、微分信号の直流分を求めるものである、
といって良いが、微分という操作は、原信号から直流分
を除去するものである。従って、平滑化回路が求める直
流レベルは、入力信号とは全く無関係で、光受信回路の
内部の回路構成によって決定されるわけである。

だとすれば、これは予め求める事ができる。もしも入力
信号が入るという事の他は全く同じ回路をもうひとつ作
って、これには入力信号を入れない事とすれば、その回
路の出力は、平滑化回路が求めるであろう平均値に等し
い筈である。

このような事は、微分信号の平均だから言える事であっ
て、極めて特殊な条件が課されている、という事を忘れ
てはならない。

本発明者は、そこで、平滑化回路を持たない、従って、
コンデンサが不要であって、平均値＜］）＞を求める基
準電圧発生回路を含む光受信回路を発明した（特願昭５
９−１７８７８７、昭和５９年８月２７日出願）。

これは、増＠回路と全く同じ回路をもうひとつ設け、こ
れには微分信号を与えないようにしたものである。

さらに、ホトダイオードの部分が、他の回路素子や、外
部の電磁波の影響を受けにくいように、ホトダイオード
をアースラインで囲み、他の回路素子と分離した、１チ
ツプ光受信ＩＣを本発明者が発明した（特願昭５９−１
０５３８９、昭和５９年５月２３日出願）。

本発明者のこの発明によって、ホトダイオードを含む全
ての光受信回路を、完全にモノリシックＩＣにする事が
できた。

ところが、ホトダイオードと、他のトランジスタが同じ
チップ上にあり、入力信号たる光がホトダイオードだけ
に当るのではなく、他のトランジスタにも肖る、という
欠点がある。

これは作ってみないとよく分らない事であったが、ホト
ダイオードはｐｎ接合を逆バイアスしてあり、光によっ
てキャリヤが接合部に生じ、これが逆バイアス電圧によ
ってドリフトするから、電流が発生するわけである。

増幅、二値化回路には、数多くのトランジスタを用いる
。

ｎｐｎ　）ランリスタを例にして説明する。コレクタと
ベースの間には、通常、正方向の電圧がかかつている。

ここはｐｎ接合が逆バイアスされているのであるから、
電流は流れない。ところが、入力信号光が漏れて、この
トランジスタに当ると、コレクタ・ベース間のｐｎ接合
にも光が入る。

もちろん、トランジスタのコレクタ、エミッタ、ベース
は電極で覆われている部分もある。しかし、電極で覆わ
れず、５ｉ０２だけで覆われている部分も広い。ＳｉＯ
２は透明であって、光を通す。

特に、コレクタ、ベースの境界であるｐｎ接合は面積も
広いから、覆いつくされない事が多い。

すると、光がｐｎ接合部に入り、この為キャリヤが励起
される。このキャリヤはコレクタ電流トする。つまり、
オフであるべきトランジスタが、僅かであるにしても導
通してしまうのである。

この電流は微少であるとしても、信号は増幅されてゆく
ので、ついには誤動作してしまう。

こういう欠点がある事に気付いた。

もうひとつの欠点は、ホトダイオードの集光性に関する
ものである。ホトダイオードはチップの中心に配置し、
ノイズを防ぐためその周囲をアースラインで囲み、アー
スラインの外側に、増幅、回路と二値化回路、出力回路
などを配置した。

ところが、ホトダイオードへの集光性が良くなく、有効
受光量が少い。このため、受信可能な最低光レベルが、
なお高すぎる、という欠点があった。

（つ）発明の目的 （１）完全にモノリシック化したＩＣによって、光受信
回路を構成する事、 （２）　　入力光が、ホトダイオード以外の回路素子、
トランジスタ、ダイオードなどに当たらないようにする
事、 （３）受信可能な最低光レベルをより低くし、受信感度
を高くする事、 これが本発明の目的である。

に）発明の構成 第１図は本発明の光受信ＩＣの略平面図である。

これはＩＣチップを拡大して示すものである。

中央にホトダイオードＡがある。これは、円形又は多角
形である。そして、第２図に示すように、ホトダイオー
ドＡの上には生球状の透明体による集光レンズＣが設け
である。集光レンズＣは、ガラス又はプラスチックなど
で作り、これを、ホトダイオードＡのｐｎ接合部に焦点
を結ぶよう接着する。Ｃに当たる光は全て中心に集光さ
れ、ｐｎ接合部に全ての光が入射するように工夫しであ
る。

ホトダイオードＡの周りには、これを囲む、円形又は角
形のアースラインＧを設ける。アースラインＧは素子の
ＧＮＤ端子につながっている。

アースラインＧの外側に、増幅回路、二値化回路などの
回路部分Ｂを設ける。

この中には、ワイヤボンディングするためのパッドｓ１
、ｓ２、・・・・・・ＳＮ　　が設けられている。パッ
ドと他の回路部分をつなぐ電極や他の回路部分の詳細は
ここでは図示しない。

アースラインＧと、他の回路部分の間には、適当な間隔
がある。アースラインＧとホトダイオードＡの間にも適
当な間隔がある。

第２図はホトダイオードＡの集光レンズＣを示すためめ
断面図であるが、シリコンチップの断面の詳細は全て省
略しである。

さらに重要な事は、ホトダイオードＡと、パッドＳ１、
Ｓ２、・・・・・・ＳＮ　　とを除く本体に、絶縁層ｒ
を設け、さらにその上を金属薄膜Ｍで覆っている、とい
う事である。金属薄膜Ｍは、アースラインＧ又はＧＮＤ
のバンドに接続するか、又は電源パッドに接続しである
。これは、シールド作用を担うべきものである。

ここでシールド作用というのは光と電気の両刀について
言っている。特に光を金属薄膜Ｍで遮断する、という事
が重要である。光を遮断するから、入力信号光が、ホト
ダイオードＡ以外の部分に入らない。つまり、増幅回路
、二値化回路部分のトランジスタには光が全く当たらな
い。

金属薄膜Ｍで覆うのであるから、光を遮断するとともに
、電磁ノイズをも遮断する事ができる。

（３）　　効　　　　　果 （１）完全にモノリシックＩＣにしているから、小型で
、低コストの光受信回路となる。

外付はコンデンサがなく、ホトダイオードもＳｉチップ
の真中に、一体に形成されるからである。

（２）侶頼性が高い。

周辺回路のトランジスタに入射光の一部が当らないよう
に、金属薄膜Ｍで覆っているからである。

（３）　　雑音に対して強い。

周辺回路のトランジスタ、抵抗などの回路素子を金属薄
膜で被覆し、これをアース、又は電源に接続しているか
ら電磁ノイズの影響を遮断できる。

高インピーダンスであるホトダイオードの周囲をアース
ラインで囲んでいるから、ホトダイオードの信号に雑音
が入らない。

（４）最低受信感度の点で従前のものより優れている。

ホトダイオードは円形又は正多角形（四角、六角、へ角
、・・・・・・）としている。さらに集光レンズをホト
ダイオードの直上に設けているから、入射光の大部分を
ホトダイオードの中へ当てる事ができる。

（５）光ファイバとの位置合わせが容易である。ホトダ
イオードをＩＣチップの中心に配置しているからである
。又ホトダイオードを、円、正多角形というように、対
称性の高い形状としているから、異方性を持たず、光フ
アイバ先端のねじれなどが入射光量に影響を及ぼさない
。

（力）　　回　　路　　例 この発明は、光受信回路をＩＣ化したところに特徴があ
るのであって、どのような回路にも応用できる。広い汎
用性を持つ。

しかし、自ら最適の回路というものがあるので、ここで
簡単に説明する。

第３図、第４図は光受信ＩＣの全回路図である。

第３図の右端のＸ１ｆが第４図の左端のＸ１ｆに続いて
いる。

ホトダイオード１は、第１図中でＡと記しているもので
ある。

入力信号光がホトダイオード１に入ると、トランジスタ
Ｑ４、抵抗Ｒ１からホトダイオード１に光電流が流れる
。

ホトダイオード１のカソードは、４つのトランジスタＱ
ｌ〜Ｑ４のベース・エミッタ降下分の電圧が常に掛って
いる。定電位点である。

ｂ点は、抵抗Ｒ１のために、光電流工、に比例して、Ｉ
　Ｒ１だけ、カソード電位より高くなる。

Ｃ３２、Ｃ３３及びＲ１７、Ｒ１８はＣ４の定電流回路
になる。

Ｃ４８、Ｃ４７、Ｒ３６、Ｒ３７、Ｒ３５も定電流回路
である。

以上が、光電流を電圧Ｉ　Ｒ１に変換する電流室圧変換
回路２である。

ｂ点から、２つの殆ど同一の２つの回路に分かれる。

下方に書いたものが微分回路８である。上方に書いたも
のが、基準電位発生回路９である。

微分回路ｇから、コンデンサＣ２を除いたものが基準電
位発生回路９である。抵抗の値、トランジスタの特性も
全て等しい。

第５図は、回路素子の波形図を示す。ただし、デジタル
信号を扱うので、振幅の差は無視して書いである。（１
）の実線は、ｃ、ａ、ｂ、ｙ、ｚの波形を示す。

微分回路８はｂ点の信号を微分するものである。

このため、Ｒ３、Ｃ２よりなる遅延回路３を用いる。

ｄ点の波形は第５図（１）の破線のように、パルス立上
り、立下りで、遅延した波形になる。

Ｃ７、Ｃ８、Ｃ５、Ｃ６は差動増幅回路である。入力は
、ｃ、ｄ点である。Ｃは遅延のない波形、ｄは遅延波形
が入るので、差動増幅回路４の出力ｅは、第５図（１）
の実線で示すようになる。これは微分波形である。さら
にエミッタフォロワ（Ｑ９）を経て微分信号ｆとなる。

これは、信号すの微分であって直流分は、回路構成によ
る。

基準電位発生回路９にも差動増幅回路があるが、コンデ
ンサがなく、遅延回路がない。２人力ｙ、２はｂと同じ
ものである。

つまり、差動増幅回路の２人力が等しい。出力はＷ点か
らとり出し、エミッタフォロワ（Ｔ９）を経て基準電位
Ｘを得る。

ｂ点の電位がどのように変化したところで、Ｘの電位は
変らない。差動増幅回路（Ｔ５〜Ｔ８　）は常に平衡し
ているからである。

もし、ｂ点の電位が遅延回路３の時定数より長く一定で
あるとすると、回路８．９の作用は同一であるので、Ｘ
とｆは等しい筈である。

又ｆは直流分を除きｂの微分波形であるから、変動分の
時間平均は０である。

この２つの事から、Ｘはｆの平均値である事が分る。

ｘ　　　　　　＝　　　　　　（ｆ） である。ｗ、ｘの波形は、第５図（２）の破線で表わし
ている。

第４図ｔｄヒステリシス付コンパレークを示している。

ＱｌＢ　、Ｃ１４ハコンパレータである。エミッタは共
通で定電流回路のトランジスタＱ４５につながっている
。Ｃ５２、Ｃｌ５Ｂも定電流回路である。

ヒステリシスを与えるのは、抵抗Ｒ８に流れる電流Ｉｈ
である。

微分信号ｆは、Ｒ９を経てｊ入力に入る。

平均値ＸはＲ８を経て、コンパレータのに入力にる。

Ｑ５１は、Ｑ６０によって定電流回路となっている。

定電流工。は、ｋ点からＱ１６、Ｑ４６へ流れるか、又
はに点からＲ８を通って流れるかである。

Ｑ４６は、Ｑ６１によって定電流回路となっている。

定電流はＩ、である。１１はＩ。０２倍である。

もしも、Ｑ１６がオンであれば、ｑ１５はオフで、Ｑ、
１６には工１だけの電流が流れなければならない。

Ｑ５１は半分の工。だけしか流せないので、残りの半分
は、Ｒ８を通りＸ−＋にの方向へ流れる電流工。によっ
て補われる。つまり、とステリシス電流ｘｈは工ｈ＝＝
　−ＩＯ である。ここでに−＋Ｘへと流れるものを正にとってい
る。

反対に、もしもＱ、１６がオフであれば、Ｑ５１の電流
工。は、ｋ点より１点に向けてＲ８を通って流れる電流
となる。ヒステリシス電流工、は Ｉ、＝＋Ｉ。

である。Δ＝ｒｏＲｇとする。

前者の場合、ｋ点は１点よりΔだけ低く、後者の場合、
ｋ点は１点よりΔだけ高くなる。

コンパレークに於て、 （１）　ｊ＞ｋとすると、 Ｑ１３がオン、Ｑ１４がオフである。定電流回路のＱ５
２から、ｍ点を通って、トランジスタＱ２２〜Ｑ２５へ
電流が流れる。第５図（３）で、実線がｊ１破線がｋで
ある。ｊが正に立上っている部分である。この電流のた
め、Ｒ１１に電流が流れ、０点の電位が高くなる。ｎ点
の電位は、はぼＱＶである。

差動増幅回路Ｑ１５、Ｑ、１６の内、Ｑ１６がオンにな
る。Ｑ１６へ流れる電流は、抵抗Ｒ８を通ってＸ→にへ
と流れてくる。これは負のヒステリシス−Δを与える。

ｋ＝ｘ　　−Δ ｊ＝ｆ である。

０点以降は出力回路である。０点がゞＨ＃であるから、
Ｑ２７はオン、Ｑ２８はオフ、Ｑ２９はオン、Ｑ、３１
はオフであり、出力ｖｏｕｔ　ｃ　ｖ　点）　ハ、′Ｈ
′である。

つまり、振動の差などを無視して、この時ｍ１ｏ、ｓ、
ｖは％　Ｈａになり、４、ｎ１ｑ、ｒ、ｕは′Ｌ′にな
る。ヒステリシスは負である。第５図（４）、（５）、
（６）はこれを示す。

（１１）ｊ＜ｋとすると、 Ｑ、１３はオフ、Ｑ１４はオンである。４点が高く、ｍ
点が低い、０点が低く−ｎ点が高くなる。Ｑ、１６はオ
フになる。第５図（３）で、ｊが下向きパルスになった
部分である。

Ｑ５１から電流工。は、ｋ−＋ｚへとＲ８を流れる。

ヒステリシスは正であって、ｋ点は１点より＋Δだけ高
い ｋ　　　＝　　　ｘ　　　十　　Δ ｊ＝ｆ である。

０点がゝＬ＃であるから、Ｑ２７がオフ、Ｑ２８はオン
、Ｑ２９はオフ、Ｑ、３１はオンである。出力Ｖｏｕｔ
は１Ｌ′になる。

この時、ｍ、ｏ、ｓｌｖは％　Ｌ　ｅで、Ａ’　ｓ　ｎ
　ｓｑ、ｒ、ｕは’Ｈ’−７：ある。

第５図（５）のＶが出力Ｖｏｕｔである。これは、（１
）の入力信号ｂ（ｃ、ａ、ｂ、・・・・・・）と同じパ
ルス信号であり、入力信号すを再現しているのである。

以上述べた回路は、光受信回路の一例である。

第１図に於て、Ｂの部分に、全回路が構成されている。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の光受信ＩＣの略平面図。 第２図は第１図中のｌｌ−１［断面の略図。 第３図は光受信回路の一例を示し、その前半の部分の回
路図。 第４図は光受信回路の後半の部分の回路図。 第５図は第３図、第４図の回路の構成部分の波形側図。 Ａ　・・・・・・・・・　ホトダイオードＢ　　・・・
・・・・・・　ホトダイオード以外の回路部分Ｃ・・・
・・・・・・　集光レンズ Ｇ　・・・・・・・・・　アースラインエ　　・・・・
・・・・・　　絶　　縁　　膜Ｍ　・・・・・・・・・
金属部膜 Ｓｌ、Ｓ２・・・・・・　　バ　　ン　　ド発　　明　
　者　　　　　　沢　　井　　孝　　典特許出願人　　
住友電気工業株式会社 出願代理人　弁理士　　川　瀬　茂　′−樹□第１０　
８ 第２図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　円又は正多角形状のホトダイオードＡを中心にし、ホ
   トダイオードＡの電流信号を増幅し二値化する回路部分
   ＢをホトダイオードＡの周囲に配置し、ホトダイオード
   Ａと他の回路部分Ｂの間にはアースラインＧを有し、パ
   ッドＳ＿１、Ｓ＿２、・・・・・・を除く回路部分Ｂの
   上には絶縁膜Ｉと金属薄膜Ｍを設けてあり、ホトダイオ
   ードＡの上には集光レンズＣがあり、ホトダイオードＡ
   と他の回路部分がひとつのＩＣチップの上に一体に形成
   されている事を特徴とする光受信ＩＣ。