JPS61218180A - 受光デバイス - 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】 １１より五里分！ 本発明は、光通信などにおいて光信号を受けて電気信号
に変換する際に使用される受光デバイスに関するもので
ある。

従来の技術 光通信などでの光受信機には、様々な回路構成が採用さ
れているが、高速、高感度光受信機では、第７図に示す
ような、トランスインピーダンス形光受信回路が代表的
である。

第７図において、レーザ光などの光を受ける受光素子１
が、反転型のヘッドアンプ２の入力に接続され、そのヘ
ッドアンプ２の人力と出力との間には、帰還抵抗３が接
続されている。その受光素子１としては、ホトダイオー
ド、ＰＩＮホトダイオード、アバランシェホトダイオー
ドなどが使用できる。そして、そのヘッドアンプ２０入
力電流を１、とし、帰還抵抗３の抵抗値をＲｒとすると
、出力電圧Ｖｏは次のように表される。

Ｖｏ　＝−ｉｓ　−Ｒｔ　　−−−（１）従って、光受
信回路の感度は、帰還抵抗Ｒ，に比例する。

従って、このような受信回路において高速化を実現する
ためには、受光素子自体がその速度に対応できる高速性
を有しているだけでなく、受信回路の帯域を広くしなけ
ればならない。現在、受光素子は、その高速性に対応で
きる非常に高速な素子が開発されている。また、受信回
路を構成する素子自体もその高速性に十分対応できるも
のが開発されている。従って、素子個々の問題としては
、その高速性に対応可能である。

しかしながら、実際に光受信回路を構成すると、様々な
容量が寄生し、それらのために帯域が制限さてしまう。

その帯域を制限する要因を挙げるとすると、■ホトダイ
オードの接合容量、■ヘッドアンプの人力容量、増幅率
、帯域、■帰還抵抗に並列に入る容量などがある。これ
らを総合的に勘案して等価回路で表わすと、第８図のよ
うになる。

第８図において、ＣＩｎは、受光素子の接合容量とヘッ
ドアンプの入力容量との和であり、Ｃｔ　は帰還抵抗３
と並列に寄生する浮遊容量であり、そして、−八（Ｓ）
は、ヘッドアンプの増幅率の周波数特性である。

また、その周波数特性は、次の（２）式の様になる。

この（２）式より、次のことがわかる。Ｒ２を小さくす
れば、Ｃ１ｎ、Ｃｔとの時定数が小さくなり、帯域が広
がる。換言するならば、ヘッドアンプの帯域が十分ある
なれば、光受信回路の帯域は理論的には帰還抵抗Ｒｒに
反比例する。ところが、Ｒｔを小さくすると、（１）式
かられかるように、出力電圧が小さくなり、受信感度が
落ちる。そのため、Ｒ１を大きく保ったまま、帯域を広
げたい。

次に、ＣＩ、、に関しては、Ａ　（ｓ）の絶対値を大き
くとることにより、Ｃいが大きくなっても、帯域を広げ
ることは可能である。すなわち、ヘッドアンプの増幅率
−Ａ　（ｓ）を大きくすることにより、成る程度対応可
能である。

これに対して、Ｃｒに関しては、ＣｆとＲ１の時定数に
より、帯域が制限を受ける。つまり、Ｒｒを大きく保つ
ためにはＣｒは可能な限り小さくする必要がある。この
ように周波数特性の向上のためには、帰還抵抗Ｒｒに寄
生する容量を小さくすることが必要である。

更に、受光デバイスのヘッドアンプの入力端子ａは一般
にインピーダンスが高いため、ヘッドアンプの出力端子
すやヘッドアンプ内部、または出力端子に接続されるＡ
ＧＣアンプやコンパレークなどの回路中の低インピーダ
ンス端子より雑音や信号の回り込み（これも雑音となる
）を上記した寄生容量ＣＦなどを介して受けると、発振
やダイナミックレンジを狭くする原因となる。

以上の欠点を避けるには、回路中の各素子の距離を長く
して実装するという方法がよくとられるが、光受信機の
小型化ができない。

ところで、通常ＰＩＮＦＥＴまたはＰＩＮ−Ａｍｐとよ
ばれるものがある。これは光受信機の高速化を目指して
、ＰＩＮホトダイオードなどの受光素子とヘッドアンプ
の一部を小さなパッケージ内に入れるものであるが、こ
れの設計上でも上記の寄性容量、回り込みは大きな問題
となっている。

発明が解決しようとする問題点 上述したように、従来の受光デバイスは、受光デバイス
を構成している個々の素子は相応の周波数特性を有して
いるが、受光デバイスとしての周波数特性が十分でなく
、また、雑音特性も良くなかった。

そこで、本発明は、周波数特性及び雑音特性の優れた受
光デバイスを提供せんとするものである。

問題点を解決するための手段 すなわち、本発明によるならば、受光素子と、該受光素
子に人力が接続された増幅器と、該増幅器の入力端子に
接続された抵抗素子とを少なくとも具備している受光デ
バイスにおいて、前記受光素子と、前記抵抗素子の一部
と、前記増幅器の少なくとも最前段部分とを一つのパッ
ケージ内に実装し、かつ前記抵抗素子の両端子を１つは
パフケージ内部に、一つは外部に配置する。

九月 以上のような受光デバイスにおいては、増幅器の入力に
接続された抵抗素子の一部と受光素子と、その増幅器の
少なくとも最前段部分がパッケージ内に実装されている
ので、その抵抗素子に寄生する容量がそのパッケージで
分断され、その寄生容量による周波数特性の劣化が防止
される。また、抵抗素子に寄生する容量を介して、後段
の増幅段などから回り込む雑音も、パッケージで遮蔽さ
れる。従って、雑音特性の劣化も防止される。

１１を 以下、添付図面を参照して本発明による受光デバイスの
実施例を説明する。

第１図は、本発明による受光デバイスの基本構成を示し
回路図である。第１図に示すように、受光素子１は、増
幅段ＡＩ、　Ａ２、・・Ａ、からなるヘッドアンプ２の
最前段Ａ１の人力に接続され、そのヘッドアンプ２の最
終段Ａ。の出力は、帰還抵抗Ｒ０及びＲｔ２を介してヘ
ッドアンプ２の最前段Ａ、の入力に接続されている。そ
して、受光素子１と、ヘッドアンプ２の受光素子１に直
接接続されている部分すなわち最前段Ａ１と、帰還抵抗
のヘッドアンプ２の入力に接続されている部分すなわち
帰還抵抗Ｒｒ＋の一部とを、第１図に点線で囲んで示す
ように１つのパッケージ６内に実装する。

このとき、帰還抵抗Ｒｔ　ｒは、両端の端子の一方をパ
ッケージ内部に置き、他方を外部に出す貫通抵抗の形に
しておく。そのような貫通抵抗は、例えば第２図（ａ）
またはい〕に示す構造により実現することができる。

第２図（ａ）の構造では、パッケージ６に孔を開け、そ
の孔の周囲を絶縁材料７で囲み、その絶縁材料７の中に
抵抗体８を封じた形にする。そして、その抵抗体８には
、内部電極９と外部電極１０が設けられる。そして、第
１図の回路の場合には、その内部電極９は、パッケージ
６内において、ヘッドアンプ２の最前段Ａ１の入力に接
続され、外部電極ｌＯは、もう１つの帰還抵抗Ｒｒｒに
接続される。

第２図（ｂ）の構造は、パッケージ６が２つ以上の部品
６ａ及び６ｂよりなり、貼り合せる形の場合を示してい
る。この場合、パッケージ６ａ及び６ｂは、それぞれ、
絶縁材料１１で被覆されて、その一方に抵抗体１２が印
刷してあり、抵抗体１２には内部電極１３及び外部電極
１４が設けられている。そのようなパッケージ６ａ及び
６ｂを重ね合せることにより、封止を行うと共に、パッ
ケージを貫通する抵抗を形成する。この構造の場合も、
第１図の回路を実現するには、その内部電極１３を、パ
ッケージ６内において、ヘッドアンプ２の最前段Ａ１の
入力に接続し、外部電極１４を、もう１つの帰還抵抗Ｒ
ｒ　ｌに接続する。

以上のように受光デバイスを構成すると、帰還抵抗Ｒｒ
＋及びＲｆ２に並列に寄生する容量は、パッケージ６に
より分断される。従って、その寄生容量が減少し、周波
数特性の劣化が防止できる。

また、一般にヘッドアンプ２の入力は、非常に高インピ
ーダンスにされているが、上記構成により、その非常に
高インピーダンスなヘッドアンプ２の入力端子ａが後方
の低インピーダンス端子から回り込みをうけることを、
パッケージにより阻止してまた減少することができる。

従って、雑音特性の劣化を防止することができる。

更に、以上のような構成では、回路中の素子間の距離を
長くする必要がないので、光受信機を小型化できる。

以上の構成において、回り込みをより抑えるために、パ
ッケージ内部の端子は、すべて高インピーダンスとする
か、または入力端子と同相の端子にすると効果がある。

パッケージ内部の端子をすべて高インピーダンスとする
と、雑音の引き込みがその高インピーダンスで阻止する
ことができる。

また、パッケージ内部の端子を、入力端子と同相の端子
にするように構成すると、パッケージ内部の端子が雑音
を引き込んでも、瞬間瞬間において、パッケージ内部の
端子とヘッドアンプ２の入力との間に電位差が小さいの
で、その雑音がヘッドアンプ２への入力信号とはなり難
い。

更に、回り込みを抑えるだけでなく寄性容量を更に抑え
る方法として、パッケージを金属などの導電性材料で一
部または全部を作ったり、このパッケージの導電性部分
を入力端子ａと同相の低インピーダンス端子やアース端
子に落とす方法がある。

パッケージの一部を導電性材料で構成する場合は、パッ
ケージの入出力部分や帰還抵抗や電源電圧入力部分など
を導電性材料で構成する。このように構成すると、パッ
ケージで分断された寄生容量をそれぞれアースして、実
質的に寄生容量を小さくすることができ、且つ、その寄
生容量を介して回り込む雑音をアースに落とすことがで
きる。

パッケージの導電性部分を入力端子ａと同相の低インピ
ーダンス端子やアース端子に落とす方法の例を示すと、
第３図の如くなる。

第３図（ａ）においては、受光素子１６と帰還抵抗１７
との接続点は、出力が低インピーダンスの非反転増幅器
１８の入力に接続され、受光素子１６の他端１９は、全
体が導電性材料で構成されたパッケージ２０を貫通して
延びてふり、例えば、逆バイアスされる。帰還抵抗１７
は、帰還抵抗自体がパッケージ２０を貫通し、その他端
２１はパッケージ２０の外に位置している。また、入力
端子や出力端子以外の増幅器に必要な端子、例えば、増
幅器１８の電源入力端子２２及びアース端子２３なども
パッケージ２０を貫通している。しかし、増幅器１８の
出力端子２４は、パッケージ２０に点２５で接続されて
いる。かくして、増幅器１８は、非反転増幅器であり且
つ出力が低インピーダンスであるので、その増幅器１８
の出力に接続されている導電性パッケージ２０は、増幅
器１８の入力端子ａと同相との低インピーダンス端子に
落とすことができる。

第３図（ｂ）は、具体的な構成図であり、受光素子とし
てホトダイオード２６と帰還抵抗２７との接続点は、電
界効果トランジスタ２８のゲートに接続され、ホトダイ
オード２６の他端２９は、全体が金属で構成されたパッ
ケージ３０を貫通して延びており、帰還抵抗２７は、帰
還抵抗自体がパッケージ３０を貫通し、その他端３１は
パッケージ２０の外に位置している。

また、電界効果トランジスタ２８のドレイン３２もパッ
ケージ２０を貫通している。しかし、電界効果トランジ
スタ２８のソース３３は、パッケージ３０に接続されて
いる。かかる構成の増幅器においては、電界効果トラン
ジスタ２８のソース３３は、ゲートと同相になり且つ低
インピーダンスであるので、電界効果トランジスタ２８
のソース３３に接続されている金属パッケージ３０は、
増幅器の入力端子と同相との低インピーダンス端子に落
とすことができる。

第４図は、第３図（ハ）の構成を使用した本発明による
受光デバイスの具体的回路の１例を示す回路図である。

従って、第３図（ｂ）の構成と同一部分については、同
一参照番号を付して説明を省略する。

第４図において、電界効果トランジスタ２８のソースは
、パッケージ３０に接続され、且つ抵抗３４を介してア
ースされ、更に、コンデンサ３５を介してトランジスタ
３６のペースに接続されている。そのトランジスタ３６
のベースには、抵抗３７及び３８からなる分圧回路が接
続され、ベースバイアスを与えている。また、トランジ
スタ３６のコレクタは、抵抗３９を介して電源＋■に接
続され、エミッタは抵抗４０を介してアースされている
。

そして、トランジスタ３６のコレクタは、帰還抵抗２７
に接続され、また、出力トランジスタ４１のベースに接
続され、その出力トランジスタ４１のコレクタは電源＋
■に接続され、そのエミッタは、抵抗４２を介してアー
スされている。そして、そのエミッタから出力が取り出
される。

また、ホトダイオード２６の他端は、抵抗４３を介して
電源＋■に接続されている。

かかる受光デバイスのパッケージ３０内の部分は第５図
に示すように例えば構成される。

パッケージ３０は、金属製の円筒状パッケージ部分３０
Ａに、同様に金属製のキャップ状パッケージ３０Ｂが嵌
め込まれてなり、その円筒状パッケージ３０Ａの頂部開
口部に整合してサファイヤのような透明な絶縁性の基板
４４が固定されている。その基板４４には、回路パター
ンが印刷されており、そして、ホトダイオード２６が、
その受光面を基板側にして固定されている。

そのホトダイオード２６に隣接して電界効果トランジス
タ２８が固定されている。その電界効果トランジスタ２
８のソースに接続された金線のようなワイヤは、リード
ワイヤ４５の一端のワイヤリングパッドにワイヤボンデ
ィングされている。

そのリードワイヤ４５は、絶縁材料４６を介してパッケ
ージ３０Ａと固定され、また、パッケージ３０Ｂに対し
ては同様に絶縁材料４６により絶縁され、そのパッケー
ジ３０Ｂに設けられた貫通孔を通って延びている。その
パッケージ３０Ｂに設けられた貫通孔とリードワイヤ４
５との間の隙間には、低融点ガラスのような絶縁性充填
材料４７が充填されて、リードワイヤ４５を固定してい
る。

トランジスタ４４のドレイン及びホトダイオード２６の
一方の電極も、ソースと同様にして、パッケージの外部
へ延びるリードワイヤが接続されている。

ホトダイオード２６の他方の電極は、ワイヤ４８により
、基板４４上の回路パターンに接続され、そのワイヤ４
７に接続された回路パターンは、図示していないが、電
界効果トランジスタ２８のゲートが接続された回路パタ
ーンに延びており、また、基板の縁近くまで延びて、ワ
イヤ４９が接続されている。

一方、パッケージ３０Ａの内側面上には、絶縁材料４６
を介して抵抗体５０が形成されている。その抵抗体５０
は、リードワイヤ４５の場合と同様に、パッケージ３０
Ｂに対しては絶縁材料４６で絶縁され、また、そのパッ
ケージ３０Ｂに設けられた貫通孔を通って延びている。

そのパッケージ３０Ｂに設けられた貫通孔と抵抗体５０
との間の隙間も、絶縁性充填材料４７が充填されて、抵
抗体５０を固定している。そのような抵抗体５０のパッ
ケージ内に位置する端部には、ワイヤリングパッド５１
が設けられ、上記したワイヤ４９が接続されている。抵
抗体５０の他端には、リードワイヤ５２が接続されてい
る。

以上のようにして構成した受光デバイスの周波数特性を
図示すると、第６図の点線すのようであった。第６図に
おいて、実線ａは、同様な回路構成で、ホトダイオード
２６と、電界効果トランジスタ２８と、帰還抵抗２７の
１部をパフケージに収容しなかった場合の周波数特性を
示している。曲線ａ及びｂを比較すれば、本発明による
受光デバイスは、周波数特性が優れていることがわかろ
う。

なお、光受信機を小型化するためにパッケージ内で各部
品をチップでマウンドすることが多いが、このとき例え
ば増幅器が発熱の大きな素子である場合には、パッケー
ジの一部をＣｕＷなど放熱、熱膨張率のよいもので作り
、その上にアンプのチップをマウントするという方法も
有効である。

以上、本発明をトランスインピーダンス型光受信機の受
光デバイスの場合について説明したが、本発明はもちろ
んトランスインピーダンス型光受信機以外の受光デバイ
スにも適用できる。

発明の効果 以上の説明から明らかなように、本発明による受光デバ
イスは、周波数特性及び雑音特性の優れており、光通信
機器に使用することにより、伝送量の多いそして信頼性
の高い光通信が実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明を実施したトランスインピーダンス型
光受信機の受光デバイスの概略構成を示すブロック回路
図、 第２図（ａ）及びら）は、パッケージを貫通して形成さ
れる抵抗の例を図示する概略構成図、第３図（ａ）及び
ら）は、本発明による受光デバイスにおいてパッケージ
内に収容される回路部分の回路図、 第４図は、本発明を実施した受光デバイスの回路図、 第５図は、第４図に示す回路においてパッケージ部分の
概略構成図、 第６図は、本発明による受光デバイスと従来の受光デバ
イスの周波数特性を示すグラフ、第７図は、従来のトラ
ンスインピーダンス型光受信機の受光デバイスの回路構
成の概略図、第８図は、第７図の回路の等価回路図であ
る。 〔主な参照番号〕 １．１６・・受光素子、　２・・ヘッドアンプ、３．１
７．２７・・帰還抵抗、 ６．２０．３０・・パッケージ、 ７．１１．４６・・絶縁材料、 ８．１２．５０・・抵抗体、 ９．１３・・内部電極、　１０．１４・・外部電極、１
８・・増幅器、２６・・ホトダイオード、２８・・電界
効果トランジスタ、 ３６・・トランジスタ、 ３０Ａ・・金属製の円筒状パッケージ部分、３０Ｂ・・
金属製のキャップ状パッケージ、４４・・基板４４． ４５．５２・・リードワイヤ、 ４７・・絶縁性充填材料、 ４８．４９・・ワイヤ、

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）受光素子と、該受光素子に入力が接続された増幅
   器と、該増幅器の入力端子に接続された抵抗素子とを少
   なくとも具備している受光デバイスにおいて、前記受光
   素子と、前記抵抗素子の一部と、前記増幅器の少なくと
   も最前段部分とを一つのパッケージ内に実装し、かつ前
   記抵抗素子の両端子を１つはパッケージ内部に、一つは
   外部に配置したことを特徴とする受光デバイス。
2. （２）前記パッケージ内部の配線につながる端子は、そ
   の電位が前記増幅器の入力端子と同相であることを特徴
   とする特許請求の範囲第（１）項記載の受光デバイス。
3. （３）前記パッケージ内部の配線につながる端子は、高
   インピーダンスであることを特徴とする特許請求の範囲
   第（１）項記載の受光デバイス。
4. （４）前記パッケージは導電性材料で一部または全部が
   構成されている特許請求の範囲第（１）項から第（３）
   項までのいずれかに記載の受光デバイス。
5. （５）前記パッケージの導電性部分が、アースされてい
   ることを特徴とする特許請求の範囲第（４）項記載の受
   光デバイス。
6. （６）前記パッケージの導電性部分が、前記増幅器の入
   力端子と同相の低インピーダンスの端子と同電位である
   ことを特徴とする特許請求の範囲第（４）項記載の受光
   デバイス。