JPH0697404A - Optical receiving device - Google Patents
Optical receiving deviceInfo
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- JPH0697404A JPH0697404A JP4242391A JP24239192A JPH0697404A JP H0697404 A JPH0697404 A JP H0697404A JP 4242391 A JP4242391 A JP 4242391A JP 24239192 A JP24239192 A JP 24239192A JP H0697404 A JPH0697404 A JP H0697404A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】高速動作と装置の簡素化とを両立した光受信装
置を提供すること。
【構成】光信号3を電気信号に変換するフォトダイオー
ド1と、このフォトダイオード1の出力側に接続された
負荷素子としての順極性のダイオード2と、フォトダイ
オード1とダイオード2との間の接続ノードの電圧と参
照電圧源5の電圧を比較してデジタル信号を出力する比
較器6とを備えている。
(57) [Abstract] [Purpose] To provide an optical receiving device that achieves both high-speed operation and simplification of the device. A photodiode 1 for converting an optical signal 3 into an electric signal, a forward-polarity diode 2 as a load element connected to the output side of the photodiode 1, and a connection between the photodiode 1 and the diode 2 A comparator 6 for comparing the voltage of the node and the voltage of the reference voltage source 5 and outputting a digital signal is provided.
Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、光受信装置に係り、特
に短距離伝送を目的としたディジタル光伝送用の光受信
装置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical receiver, and more particularly to an optical receiver for digital optical transmission intended for short distance transmission.
【0002】[0002]
【従来の技術】光ファイバによる長距離・大容量光伝送
は、電気通信で実現困難な距離帯域積特性が得られるこ
とから、幹線系通信の重要技術として位置付けられてい
る。このような光伝送技術では、各装置,部品の性能,
長期信頼性が重視されるため、あらゆる技術を駆使して
性能の確保を行なっている。このため、その装置及び部
品は、一般的な電子部品やモジュールに比べて遥かに高
価であり、その技術応用は、非常に大規模なシステムの
極一部に限られている。2. Description of the Related Art Long-distance, large-capacity optical transmission using an optical fiber is positioned as an important technique for trunk line communication because it can obtain a distance band product characteristic that is difficult to realize in telecommunication. In such optical transmission technology, the performance of each device and parts,
Since long-term reliability is emphasized, we make full use of all technologies to ensure performance. Therefore, the device and parts are much more expensive than general electronic parts and modules, and the technical application thereof is limited to a very small part of a very large scale system.
【0003】また、光伝送は、電気伝送に比べ、耐電磁
障害性や広帯域性等に優れており、長距離・大容量の伝
送の他に、比較的低速(低容量)で短距離の応用にも用
いられている。例えば、工作機械の制御用配線やオーデ
ィオ機器のディジタル配線等がある。この場合、伝送速
度が比較的遅いことを考慮して送信、受信の装置構成を
単純化すると共に、材料、部品等の徹底した低価格化を
行なうことにより、一般的な電子部品と同等な価格帯を
実現しており、比較的広い技術応用が可能である。Optical transmission is superior to electrical transmission in terms of resistance to electromagnetic interference and broadband characteristics. In addition to long-distance, large-capacity transmission, relatively low-speed (low-capacity), short-distance applications are possible. It is also used in. For example, there are control wiring for machine tools and digital wiring for audio equipment. In this case, considering that the transmission speed is relatively slow, the transmission / reception device configuration is simplified, and by thoroughly reducing the price of materials, parts, etc., the price is the same as that of general electronic parts. The band has been realized, and a relatively wide range of technological applications are possible.
【0004】上述した長距離・大容量及び短距離・低容
量の光伝送性能の代表例としては、前者が10Gbps
・100km、後者が20Mbps・4kmであり、価
格的には10000倍以上の開きがある。このように、
現状の光伝送技術は、高性能或いは低価格の両極的な領
域が発達しており、性能で前者、価格で後者にそれぞれ
準じる領域があまり発達していない。As a typical example of the above-mentioned optical transmission performance of long distance / large capacity and short distance / low capacity, the former is 10 Gbps.
・ 100km and the latter is 20Mbps ・ 4km, which is more than 10,000 times the price. in this way,
In the current optical transmission technology, bipolar areas of high performance or low price have been developed, and areas of performance that conform to the former and price of the latter have not been developed so much.
【0005】この中間領域ともいえる領域は、情報処理
や画像処理、交換の分野等で重要であり、特に超高速コ
ンピュータや非同期信号転送方式の交換機等、高速情報
装置のボード間結線に要望が高まっている。このような
分野では、1Gbps程度の伝送速度で比較的短距離の
性能で良いが、結線数が非常に多くなるため、価格の大
幅な低減が必要である。現状技術では、性能を満たす場
合には価格が、価格を満たす場合には性能が追従でき
ず、例えば、幹線系光伝送装置は、その装置構成の複雑
さから単なる量産効果では大幅な価格低減が期待できな
い。This intermediate area can be said to be important in the fields of information processing, image processing, exchange, etc., and in particular, there is a growing demand for wiring between boards of high-speed information equipment such as ultra-high speed computers and exchanges of asynchronous signal transfer system. ing. In such a field, a performance of a relatively short distance at a transmission speed of about 1 Gbps is good, but the number of connections is very large, so that a drastic reduction in price is required. With the current technology, the price cannot be followed when the performance is satisfied, and the performance cannot be followed when the price is satisfied.For example, in the trunk optical transmission device, a simple mass production effect can significantly reduce the price due to the complexity of the device configuration. I can't expect.
【0006】また、中間領域の情報装置では、上述した
ように、多数の結線が必要になるため、信号結線装置に
要する実装面積が極小化されている必要がある。即ち、
この種の情報装置では、装置内の高速信号結線が数百〜
数千本必要であり、場合に因り更にその数十倍の結線本
数が必要になる。このため、これらの光伝送技術では、
価格の低減だけでなく、装置構成の簡素化、つまり、使
用部品点数の低減を行なって装置の小型化を図る必要が
あり、その上で伝送の高速動作を確保していかなければ
ならない。勿論、使用部品の集積化、例えば、OEIC
(Opto-Electoronic IC )等は、その目的に対する効果
が期待できるが、本質的に基本となる送信、受信セルが
簡素化されていることが望ましい。Further, in the information device in the intermediate area, as described above, a large number of wirings are required, so that the mounting area required for the signal wiring device must be minimized. That is,
In this type of information device, high-speed signal connection in the device is several hundreds to
Thousands are required, and in some cases, the number of connections is tens of times more. Therefore, in these optical transmission technologies,
In addition to cost reduction, it is necessary to simplify the structure of the device, that is, to reduce the number of parts used to reduce the size of the device, and on top of that, it is necessary to ensure high-speed transmission operation. Of course, integration of used parts, for example, OEIC
(Opto-Electoronic IC) and the like can be expected to be effective for that purpose, but it is desirable that the basic transmission and reception cells are essentially simplified.
【0007】このような要望に対して有効な技術は、例
えば、特願昭62−166907に開示されている。こ
れには、送信側で用いる高速発光源としての半導体レー
ザの駆動回路を根本的に簡略化する方法が記述されてお
り、半導体レーザの種類及び特性を考慮し、適切な動作
条件を設定することにより、光出力モニタ及びそれを用
いた出力安定化回路、所謂APC( Automatic Power C
ontrol)回路を完全に省略できる技術が開示されてい
る。A technique effective for such a demand is disclosed in, for example, Japanese Patent Application No. 62-166907. This document describes a method for fundamentally simplifying the drive circuit of a semiconductor laser used as a high-speed light emission source used on the transmission side. Considering the type and characteristics of the semiconductor laser, set appropriate operating conditions. The optical output monitor and an output stabilizing circuit using the optical output monitor, so-called APC (Automatic Power C
ontrol) circuit is disclosed.
【0008】この技術によれば、高速発光源である半導
体レーザが、基本的に外部制御回路と独立に安定化さ
れ、単に信号/電流交換器をバッファーとして設けるこ
とで動作安定が確保される。この信号/電流交換器は、
簡単なトランジスタ回路で構成でき、電流レベルによっ
ては、1つの抵抗素子だけでも構成できる。According to this technique, the semiconductor laser, which is a high-speed light emitting source, is basically stabilized independently of the external control circuit, and stable operation is ensured by simply providing the signal / current exchanger as a buffer. This signal / current exchanger
It can be configured with a simple transistor circuit, and depending on the current level, it can be configured with only one resistance element.
【0009】光送信装置での発光動作は、高速発光源が
半導体レーザであるため、発光ダイオードのようにキャ
リア寿命時間で限定されることが無く、1Gbps程度
の動作は、比較的容易に行なえる。Since a high-speed light emitting source is a semiconductor laser, the light emitting operation in the optical transmitter is not limited by the carrier life time unlike a light emitting diode, and an operation of about 1 Gbps can be performed relatively easily. .
【0010】しかしながら、光受信装置に関しては、こ
のような有力な技術が見当たらず、複雑な構成で高速動
作或いは比較的低速動作で簡略構成されるかのいずれか
が採用されている。1Gbps程度で動作させるために
は、利得帯域積の大きな増幅器を用いる必要があり、比
較的複雑な構成の光受信装置が必要になる。以下、図面
を用いてこの具体的内容を説明する。However, with respect to the optical receiving device, such a promising technique has not been found, and either a high speed operation with a complicated structure or a simple structure with a relatively low speed operation is adopted. In order to operate at about 1 Gbps, it is necessary to use an amplifier having a large gain band product, which requires an optical receiving device having a relatively complicated configuration. The specific contents will be described below with reference to the drawings.
【0011】図15は、従来の光受信装置の回路構成を
示す図であり、図中、91は受光素子としてのフォトダ
イオードであり、その出力側には負荷抵抗92が接続さ
れている。フォトダイオード91と負荷抵抗92との間
には、プリアンプ(フロントエンドアンプ)93,ポス
トアンプ94,識別器97が直列接続されている。ポス
トアンプ94の出力側には、レベルディテクタ95が接
続され、その出力はポストアンプ94に入力されるよう
になっている。更に、ポストアンプ94の出力側には、
クロック抽出回路96が接続され、その出力は識別器9
7に入力されるようになっている。なお、フォトダイオ
ード1の出力は、送信側の電気/光変換効率と伝送路へ
の光結合効率、伝送路の伝達効率、受信側での光結合効
率と光/電気変換効率を含んでいる。FIG. 15 is a diagram showing a circuit configuration of a conventional optical receiving device. In the figure, 91 is a photodiode as a light receiving element, and a load resistor 92 is connected to the output side thereof. A preamplifier (front end amplifier) 93, a postamplifier 94, and a discriminator 97 are connected in series between the photodiode 91 and the load resistor 92. A level detector 95 is connected to the output side of the post amplifier 94, and its output is input to the post amplifier 94. Furthermore, on the output side of the post amplifier 94,
The clock extraction circuit 96 is connected, and its output is the discriminator 9
It is designed to be input to 7. The output of the photodiode 1 includes the electrical / optical conversion efficiency on the transmission side and the optical coupling efficiency to the transmission line, the transmission efficiency on the transmission line, the optical coupling efficiency and the optical / electrical conversion efficiency on the reception side.
【0012】光信号90によるフォトダイオード91の
出力電流は、負荷抵抗92に流れて電圧信号に変換され
る。このとき、負荷抵抗92の抵抗値が大きすぎると、
フォトダイオード91の寄生容量により、高速応答が制
限されるため、抵抗値は比較的小さく設定される。この
ため、変換された電圧信号の振幅は、微小な場合が多
い。この微小振幅の電圧信号は、プリアンプ93,ポス
トアンプ94でアナログ状態で段階的に増幅され、場合
によっては、適性信号波形に漸近されるようにポストア
ンプ94に波形等価増幅器(イコライザアンプ)を用い
て増幅される。そして、次段への入力信号が適性レベル
を保つように、増幅後の信号をレベルディテクタ95で
モニタすると共に、ポストアンプ94の増幅率を自動調
整(Automatic Gain Control)する。この後、識別器9
7によりポストアンプ94の出力信号を“1”、“0”
のディジタル判定にかけ、ディジタル信号再生を行なう
が、この際、信号判定するタイミングを決めるためのク
ロック信号をクロック抽出回路96により行なう。The output current of the photodiode 91 due to the optical signal 90 flows through the load resistor 92 and is converted into a voltage signal. At this time, if the resistance value of the load resistor 92 is too large,
Since the high-speed response is limited by the parasitic capacitance of the photodiode 91, the resistance value is set to be relatively small. Therefore, the amplitude of the converted voltage signal is often very small. The voltage signal of this minute amplitude is stepwise amplified in an analog state by the preamplifier 93 and the postamplifier 94, and in some cases, a waveform equivalent amplifier (equalizer amplifier) is used for the postamplifier 94 so as to be asymptotic to the appropriate signal waveform. Is amplified. Then, the amplified signal is monitored by the level detector 95 and the amplification factor of the post amplifier 94 is automatically adjusted (Automatic Gain Control) so that the input signal to the next stage maintains an appropriate level. After this, the discriminator 9
The output signal of the post-amplifier 94 is set to "1" or "0" by 7
The digital signal is reproduced by performing the digital judgment of (1). At this time, the clock signal for determining the signal judgment timing is generated by the clock extraction circuit 96.
【0013】このような一連動作により、伝送路の切り
替えや温度変動による伝送レベルの変動を吸収すること
により、負荷抵抗92により変換された電圧信号が微弱
な場合及び比較的大きな場合にも、安定してディジタル
信号再生を行なわせることができる。このような回路に
よれば、入力ダイナミックレンジとして、20〜30d
Bが確保される。By such a series of operations, the fluctuation of the transmission level due to the switching of the transmission path and the temperature fluctuation is absorbed, so that the voltage signal converted by the load resistor 92 is stable even when it is weak or relatively large. Then, digital signal reproduction can be performed. According to such a circuit, the input dynamic range is 20 to 30d.
B is secured.
【0014】図16は、従来の他の光受装置の回路構成
を示す図である。FIG. 16 is a diagram showing a circuit configuration of another conventional light receiving device.
【0015】この光受装置では、図示の如く、負荷抵抗
92aとプリアンプ93aとを並列接続することによ
り、能動的な電流/電圧変換を行なう。所謂トランスイ
ンピーダンス型の受光回路を用いた例である。この光受
装置は、負荷抵抗92aによる電位変化がフォトダイオ
ード91に帰還されないという特徴を有し、フォトダイ
オード91にとって理想的な負荷特性、つまり、入力イ
ンピーダンスが非常に小さくなる。このため、入力信号
が比較的大きい場合にも、フォトダイオード91の出力
の線形性が良くなる。In this light receiving device, as shown, a load resistor 92a and a preamplifier 93a are connected in parallel to perform active current / voltage conversion. This is an example using a so-called transimpedance type light receiving circuit. This light receiving device is characterized in that the potential change due to the load resistance 92a is not fed back to the photodiode 91, and the load characteristic ideal for the photodiode 91, that is, the input impedance is extremely small. Therefore, the linearity of the output of the photodiode 91 is improved even when the input signal is relatively large.
【0016】図15,図16のように構成された従来の
光受信装置は、高速動作においても良好な受信特性を実
現できる。The conventional optical receiving device configured as shown in FIGS. 15 and 16 can realize good receiving characteristics even at high speed operation.
【0017】しかしながら、プリアンプ93,ポストア
ンプ94,レベルディテクタ95,クロック抽出回路9
6,識別器97は、複雑な回路で構成されるため、装置
全体としては複雑な構成になる。また、アナログ動作す
る部分の比率が高いため、受信特性は、利得調整,S/
N比によって大きく左右される。このため、高速動作を
維持しながら構成を単純化することが難しく、低価格化
や、小型化が困難であり、したがって、並列光伝送のよ
うな装置のアレイ化が難しかった。However, the preamplifier 93, the postamplifier 94, the level detector 95, and the clock extraction circuit 9
6. Since the discriminator 97 is composed of a complicated circuit, the entire device has a complicated structure. Also, since the ratio of the portion that operates in analog is high, the reception characteristics are gain adjustment, S /
It is greatly influenced by the N ratio. For this reason, it is difficult to simplify the configuration while maintaining high-speed operation, and it is difficult to reduce the cost and size, and thus it is difficult to form an array of devices such as parallel optical transmission.
【0018】[0018]
【発明が解決しようとする課題】上述の如く、従来の光
受信装置は、構成が複雑で、アナログ動作する部分の比
率が高かった。このため、光受信装置の高速動作を維持
しながら構成を単純化するのが困難であるという問題が
あった。As described above, the conventional optical receiving device has a complicated structure and a high ratio of analog operating parts. Therefore, there is a problem that it is difficult to simplify the configuration while maintaining the high speed operation of the optical receiving device.
【0019】本発明は、上記事情を考慮してなされたも
ので、その目的とするところは、高速動作と装置の簡素
化とを両立した光受信装置を提供することにある。The present invention has been made in consideration of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide an optical receiving apparatus that achieves both high-speed operation and simplification of the apparatus.
【0020】[0020]
【課題を解決するための手段】本発明の骨子は、光信号
を電気信号に変換する受光素子の負荷素子として順極性
のダイオードを用いることにある。The essence of the present invention is to use a forward polarity diode as a load element of a light receiving element for converting an optical signal into an electric signal.
【0021】即ち、上記の目的を達成するために、本発
明の光受信装置(請求項1)は、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
号に対して順方向となるように、前記受光素子の出力側
に接続されたダイオードと、このダイオードと前記受光
素子と間に設けられた出力端子とを備えたことを特徴と
する。In other words, in order to achieve the above-mentioned object, an optical receiving device (Claim 1) of the present invention includes a light receiving element for converting an optical signal into an electric signal and an electric signal output from the light receiving element. And a diode connected to the output side of the light receiving element and an output terminal provided between the diode and the light receiving element so as to be in the forward direction.
【0022】また、本発明の他の光受信装置(請求項
2)は、光信号を電気信号に変換する受光素子と、抵抗
素子に並列に接続されると共に、前記受光素子から出力
される電気信号に対して順方向となるように、前記受光
素子の出力側に接続されたダイオードと、このダイオー
ドと前記受光素子との間に設けられた出力端子とを備え
たことを特徴とする。Further, another optical receiving apparatus of the present invention (claim 2) is a light receiving element for converting an optical signal into an electric signal, and a resistance element connected in parallel with the electric signal output from the light receiving element. It is characterized by comprising a diode connected to the output side of the light receiving element and an output terminal provided between the diode and the light receiving element so as to be in the forward direction with respect to the signal.
【0023】また、本発明の他の光受信装置(請求項
3)は、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に対して順方向となる
ように、前記受光素子の出力側に接続されたダイオード
と、このダイオードと前記受光素子との間に設けられた
出力端子と、この出力端子の電圧と参照電圧とが印加さ
れ、これら電圧の差に応じて高電圧又は低電圧の電気信
号を出力する比較器とを備えたことを特徴とする。Further, another optical receiving apparatus of the present invention (claim 3) is such that a light receiving element for converting an optical signal into an electric signal and a forward direction with respect to the electric signal outputted from the light receiving element. , A diode connected to the output side of the light receiving element, an output terminal provided between the diode and the light receiving element, a voltage at the output terminal and a reference voltage are applied, And a comparator that outputs a high-voltage or low-voltage electrical signal.
【0024】なお、前記ダイオードとして、ショットキ
ーバリア型ダイオードを用いることが望ましい。It is desirable to use a Schottky barrier type diode as the diode.
【0025】[0025]
【作用】本発明の光受信装置(請求項1)では、受光素
子の負荷素子として順極性のダイオードを用いている。
このため、受光素子の出力電流が大きく変化してもダイ
オードによる電圧降下の変化、つまり、出力端子の出力
信号の振幅の変化は小さく、それに加えて出力信号の振
幅も大きくなる。In the optical receiver of the present invention (claim 1), a forward polarity diode is used as the load element of the light receiving element.
Therefore, even if the output current of the light receiving element largely changes, the change in the voltage drop due to the diode, that is, the change in the amplitude of the output signal at the output terminal is small, and in addition, the amplitude of the output signal is large.
【0026】出力信号の振幅の変化が小さければ、次段
の回路は、狭い範囲の振幅に対応できれば良いので、次
段の回路の構成を簡素化できる。また、出力信号の振幅
が大きければ、増幅回路が不要になる。このため、従来
に比べて構成が簡単になり、アナログ動作する部分の比
率を小さくできるので、高速動作を維持しながらな光受
信装置の構成を簡略化できる。If the change in the amplitude of the output signal is small, the circuit in the next stage only needs to be able to cope with the amplitude in a narrow range, so that the structure of the circuit in the next stage can be simplified. Further, if the amplitude of the output signal is large, the amplifier circuit becomes unnecessary. For this reason, the configuration is simpler than in the conventional case, and the ratio of the portion that performs analog operation can be reduced, so that the configuration of the optical receiving device can be simplified while maintaining high-speed operation.
【0027】また、本発明の他の光受信装置(請求項
2)では、負荷素子として並列接続された順極性のダイ
オードと抵抗素子を用いている。このため、高速動作で
構成が簡単な光受信装置が得られ、それに加えて自己バ
イアス効果を抑制できるので、雑音に対するレベル余裕
を格段に向上することができる。Further, in another optical receiver of the present invention (claim 2), a forward polarity diode and a resistance element connected in parallel are used as a load element. For this reason, an optical receiving device that operates at high speed and has a simple structure can be obtained, and in addition, the self-bias effect can be suppressed, and thus the level margin for noise can be significantly improved.
【0028】また、本発明の他の光受信装置(請求項
3)では、出力端子の電圧と参照電圧とが印加され、こ
れら電圧の差に応じて高電圧又は低電圧の電気信号を出
力する比較器が設けられている。このため、高速動作で
構成が簡単な光受信装置が得られ、それに加えて初めか
らディジタル受信動作を行なわせることができる。Further, in another optical receiving apparatus of the present invention (claim 3), the voltage of the output terminal and the reference voltage are applied, and an electric signal of high voltage or low voltage is output according to the difference between these voltages. A comparator is provided. Therefore, it is possible to obtain the optical receiving device which operates at high speed and has a simple structure, and in addition to that, it is possible to perform the digital receiving operation from the beginning.
【0029】また、前記ダイオードとして、ショットキ
ーバリア型ダイオードを用いれば、ダイオード内部の少
数キャリア蓄積効果による高速動作の低下を防止でき
る。If a Schottky barrier type diode is used as the diode, it is possible to prevent a reduction in high-speed operation due to the effect of accumulating minority carriers inside the diode.
【0030】[0030]
【実施例】以下、図面を参照しながら実施例を説明す
る。Embodiments will be described below with reference to the drawings.
【0031】図1は、本発明の一実施例に係る光受信装
置の光入力部の回路構成を示している。FIG. 1 shows a circuit configuration of an optical input section of an optical receiver according to an embodiment of the present invention.
【0032】図中、1は光信号3を電気信号に変換する
受光素子であるフォトダイオードである。このフォトダ
イオード1のカソードは、電源電位VB に繋がってい
る。また、フォトダイオード1のアノードとアースとの
間には、フォトダイオード1の出力電流IP を電圧に変
換するための順極性のダイオード2が設けられている。
このダイオード2は、pn接合型のダイオードでも良い
が、立上がり電圧の設定自由度が高く、時間的な応答特
性の優れた(ダイオード内部の少数キャリア蓄積効果に
よる高速動作の低下を排除できるため)ショットキーバ
リア型ダイオード(以下、SBDともいう)を用いるほ
うが望ましい。フォトダイオード1とダイオード2との
間の接続ノードには、出力端子4が設けられている。In the figure, 1 is a photodiode which is a light receiving element for converting the optical signal 3 into an electric signal. The cathode of the photodiode 1 is connected to the power supply potential V B. Between the anode and the ground photodiode 1, forward polarity diode 2 for converting the output current I P of the photodiode 1 to the voltage is provided.
The diode 2 may be a pn-junction type diode, but has a high degree of freedom in setting the rising voltage and excellent temporal response characteristics (because the reduction in high-speed operation due to the minority carrier accumulation effect inside the diode can be eliminated). It is preferable to use a key barrier type diode (hereinafter, also referred to as SBD). An output terminal 4 is provided at a connection node between the photodiode 1 and the diode 2.
【0033】次に上記の如く構成された光入力部の静的
特性について、ダイオード2としてSBDを用いた場合
について説明する。Next, the static characteristics of the light input portion configured as described above will be described when the SBD is used as the diode 2.
【0034】フォワードバイアスされたダイオード2の
素子電流IF は、次式のように表すことができる。The device current I F of the diode 2 which is forward biased can be expressed by the following equation.
【0035】 IF =SA* T2 EXP(−eφB /kT){EXP(eVF /nkT)−1} …(1) ここで、Sは接合面積、A* はリチャードソン定数、T
は温度、eは電子の電荷、φB は接合バリアの高さ、k
はボルツマン定数、VF は接合電位差、nはダイオード
定数である。I F = SA * T 2 EXP (−eφ B / kT) {EXP (eV F / nkT) −1} (1) where S is the junction area, A * is the Richardson constant, and T
Is temperature, e is electron charge, φ B is junction barrier height, k
Is the Boltzmann constant, V F is the junction potential difference, and n is the diode constant.
【0036】この式(1)を変形してVF の逆関数を求
めると次のようになる。The formula (1) is modified to obtain the inverse function of V F as follows.
【0037】 VF =(nkT/e) ・ln{(IF /SA* T2 )EXP(eφB /kT)+1}…(2) この(2)式は、素子電流IF に対して接合電位差VF
が対数的に変化することを意味している。即ち、出力端
子4の出力電圧Vo は、フォトダイオード1の出力電流
IP に対して対数的に変化することになる。V F = (nkT / e) · ln {(I F / SA * T 2 ) EXP (eφ B / kT) +1} (2) This equation (2) is for the device current I F. Junction potential difference V F
Means to change logarithmically. That is, the output voltage V o of the output terminal 4 changes logarithmically with respect to the output current I P of the photodiode 1.
【0038】ここで、フォトダイオード1が十分にバイ
アスされていると仮定すると、光信号3のパワー(以
下、光入力パワーともいう)をPIN、光信号3のフォト
ンエネルギーをhν,フォトダイオード1の内部の吸収
係数をα、吸収層厚をWとした場合の出力電流IP は、 IP =(e/hν){1−EXP(−αW)}PIN …(3) と表せる。Assuming that the photodiode 1 is sufficiently biased, the power of the optical signal 3 (hereinafter, also referred to as optical input power) is P IN , the photon energy of the optical signal 3 is hν, and the photodiode 1 is the absorption coefficient of internal α of the output current I P in the case where the absorption layer thickness is W is, I P = (e / hν ) {1-EXP (-αW)} P iN ... (3) and expressed.
【0039】ここで、例として、InPに格子整合する
GaInAsを吸収層とすると、波長1.3μmのとき
のαは約10000cm-2となり、Wを3μmとすると
次のような近似的な関係式が得られる。As an example, when GaInAs lattice-matched to InP is used as an absorption layer, α at a wavelength of 1.3 μm is about 10000 cm −2 , and when W is 3 μm, the following approximate relational expression is obtained. Is obtained.
【0040】 IP 〜0.996PIN …(4) したがって、このときの出力電圧Vo は次のようにな
る。I P ˜0.996 P IN (4) Therefore, the output voltage V o at this time is as follows.
【0041】 Vo =(nkT/e) ・ln{(0.996PIN/SA* T2 )EXP(eφB /kT)+1} …(5) 図2に、SBDとして、n型InP上のAuによる素子
を用いた場合の光入力パワーPINと出力電圧Vo との関
係を示す。なお、SBDの接合径は10μmφである。
また、負荷抵抗として23.5kΩの抵抗体を用いた従
来の光入力部の光入力パワーと出力電圧との関係も2点
鎖線で示してある。V o = (nkT / e) · ln {(0.996P IN / SA * T 2 ) EXP (eφ B / kT) +1} (5) In FIG. 2, as SBD, on n-type InP The relationship between the optical input power P IN and the output voltage V o when an element made of Au is used is shown. The bonding diameter of SBD is 10 μmφ.
Further, the relationship between the optical input power and the output voltage of the conventional optical input section using a resistor of 23.5 kΩ as the load resistance is also shown by a chain double-dashed line.
【0042】この図から、本実施例の場合、光入力パワ
ーPINが0μW、2μW、20μWと変化すると、出力
電圧Vo が0V、0.47V、0.56Vと変化し、光
入力パワーPINが10倍変化しても、出力電圧Vo の変
化は20%以下であることが分かる。From this figure, in the case of this embodiment, when the optical input power P IN changes to 0 μW, 2 μW and 20 μW, the output voltage V o changes to 0 V, 0.47 V and 0.56 V, and the optical input power P IN changes. It can be seen that even if IN changes 10 times, the change in output voltage V o is 20% or less.
【0043】一方、従来の光入力部の場合、光入力パワ
ーが0μW、2μW、20μWと変化すると、出力電圧
が0V、0.056V、0.56Vと変化し、光入力パ
ワーが10倍変化すると、出力電圧が約10倍も変化す
る。On the other hand, in the case of the conventional optical input section, when the optical input power changes to 0 μW, 2 μW and 20 μW, the output voltage changes to 0 V, 0.056 V and 0.56 V, and the optical input power changes 10 times. The output voltage changes about 10 times.
【0044】このため、従来の光入力部を用いた場合に
は、次段の増幅器として、広い範囲の入力電圧にわたっ
て所定レベルまで増幅できるアナログ的な増幅回路を用
いる必要があるので、増幅回路の複雑化や動作速度の遅
延化が免れない。Therefore, when the conventional optical input section is used, it is necessary to use an analog amplifier circuit capable of amplifying to a predetermined level over a wide range of input voltage as an amplifier of the next stage. It is inevitable that it will be complicated and that operation speed will be delayed.
【0045】一方、本実施例の光入力部を用いた場合に
は、増幅する入力電圧の範囲が狭くて済み、しかも、入
力電圧が大きいので、簡単な構成の増幅回路を用いるこ
とができ、高速動作を維持しつつ、装置の簡略化が図れ
る。例えば、次段の増幅回路の適性入力電圧範囲が0.
5±0.1 Vであると仮定すると、少なくとも光入力パワ
ーが1〜100μWの範囲で固定利得の増幅回路が使用
できる。この値は、図15の従来の光受信装置のAGC
のダイナミックレンジ20dBに相当する。On the other hand, when the optical input section of this embodiment is used, the range of the input voltage to be amplified is narrow and the input voltage is large, so that the amplifier circuit having a simple structure can be used. The device can be simplified while maintaining high-speed operation. For example, the appropriate input voltage range of the amplifier circuit of the next stage is 0.
Assuming 5 ± 0.1 V, a fixed gain amplifier circuit can be used at least when the optical input power is in the range of 1 to 100 μW. This value is the AGC of the conventional optical receiver of FIG.
Equivalent to a dynamic range of 20 dB.
【0046】このように、本実施例によれば、非常に単
純な構成でありながら、高速動作を維持しつつ、複雑な
構成のAGC回路と同等の機能を実現することができ
る。As described above, according to the present embodiment, it is possible to realize a function equivalent to that of an AGC circuit having a complicated structure while maintaining a high speed operation while having a very simple structure.
【0047】また、基本構成の簡略化により、装置のア
レイ化や、装置の生産コストの低減や、装置のサイズの
小型化を実現できる。しかも、アナログ的な増幅器が省
略されるため、消費電力が格段に低下し、回路の設計が
容易で装置毎の調整が殆ど不要になる。このような特徴
があるため、本実施例の光受信装置は、伝送距離が比較
的短い、高速情報装置用の光伝送装置として用いること
ができる。Further, by simplifying the basic structure, it is possible to realize an array of devices, reduce the production cost of the devices, and reduce the size of the device. Moreover, since the analog amplifier is omitted, the power consumption is remarkably reduced, the circuit design is easy, and the adjustment for each device is almost unnecessary. Due to such characteristics, the optical receiving device of the present embodiment can be used as an optical transmitting device for a high speed information device having a relatively short transmission distance.
【0048】なお、実際の回路接続においては、例え
ば、FET等の素子をバッファー素子に用い、適度な直
流バイアスシフトを与えて各種論理回路レベルに適合さ
せれば良い。In actual circuit connection, for example, an element such as FET may be used as a buffer element, and an appropriate DC bias shift may be given to adapt it to various logic circuit levels.
【0049】以上の説明では、理想的なフォトダイオー
ド1を仮定して説明してきたが、実際には無入力状態で
の出力電流(暗電流ID )があるため、この影響を考慮
する必要がある。この暗電流の値としては、前述したG
aInAs/InP系の接合径50μmφのもので約1
nA程度の値であるが、この値は温度変動で大きく変化
する。暗電流ID と温度Tとの関係を式で表すと、 ID =IDOEXP(−eEG /kT) …(6) となる。なお、EG はフォトダイオードのエネルギーギ
ャップである。In the above description, the ideal photodiode 1 is assumed to be described, but since there is actually an output current (dark current I D ) in a no-input state, it is necessary to consider this influence. is there. As the value of this dark current, the above-mentioned G
Approximately 1 for aInAs / InP junction diameter of 50 μmφ
Although it is a value of about nA, this value changes greatly due to temperature fluctuations. When the relationship between the dark current I D and the temperature T is expressed by an equation, I D = I DO EXP (−eE G / kT) (6) Note that E G is the energy gap of the photodiode.
【0050】この式(6)から暗電流ID は、温度に対
して指数関数的に変化することが分かる。From this equation (6), it can be seen that the dark current ID changes exponentially with temperature.
【0051】本発明はダイオードの非線形特性を利用し
ているため、わずかな暗電流ID も出力電圧V0 に寄与
しやすい特性がある。このため、“0”レベルの出力電
圧変化(暗電流ドリフト)が指数関数的に起こることが
憶測される。しかしながら、実際には、特別に設計上の
考慮を行なわずとも、暗電流ドリフトが自動的に抑制さ
れる。これは次のように説明される。Since the present invention utilizes the non-linear characteristic of the diode, there is a characteristic that even a slight dark current I D easily contributes to the output voltage V 0 . Therefore, it is assumed that the output voltage change (dark current drift) at the “0” level occurs exponentially. However, in practice, dark current drift is automatically suppressed without special design consideration. This is explained as follows.
【0052】“0”レベルの出力電圧VD は、(2)式
の出力電流IP に、(6)の暗電流ID を代入し、接合
電位差VF を出力電圧VD とかきかえることで、 VD 〜(nkT/e)ln[(IDO/SA* T2 ) ・EXP{e(φB −EG )/kT}+1] …(7) と近似的に表される。The "0" level output voltage V D is obtained by substituting the dark current I D in (6) for the output current I P in the equation (2) and rewriting the junction potential difference V F as the output voltage V D. Then, V D ˜ (nkT / e) ln [(I DO / SA * T 2 ) · EXP {e (φ B −E G ) / kT} +1] (7) is approximately represented.
【0053】この(7)式は、“0”レベルの出力電圧
VD が、温度変化に対して、ほぼ比例して変化すること
を表しており、また、近似的に展開してみると、n(φ
B −EG )に相当するオフセット電圧があることが分か
る。This expression (7) shows that the output voltage V D at the “0” level changes in proportion to the temperature change, and when it is developed approximately, n (φ
It can be seen that there is an offset voltage corresponding to the B -E G).
【0054】この様子を図3に示す。上述したフォトダ
イオード1の場合、暗電流ID は、−20℃で4pA、
80℃で70nAとなり、約20000倍の変化をする
が、この図から分かるように、零入力電圧VD が0.2
Vから0.3V程度と1.5倍程度変化するにすぎな
い。This state is shown in FIG. In the case of the photodiode 1 described above, the dark current ID is 4 pA at -20 ° C,
It becomes 70 nA at 80 ° C. and changes about 20000 times, but as can be seen from this figure, the quiescent voltage V D is 0.2.
It only changes about 1.5 times from V to about 0.3V.
【0055】したがって、零入力電圧は温度変化に対し
て比較的安定であるので、フォトダイオード1の暗電流
ID や、素子パラメータ(φB ,EG )に応じた零レベ
ルシフトバイアス又はディジタルしきい値を設定してお
けば実用上の問題はない。Therefore, since the quiescent voltage is relatively stable with respect to temperature changes, the dark current I D of the photodiode 1 and the zero level shift bias or digital signal corresponding to the device parameters (φ B , E G ) are used. There is no practical problem if the threshold value is set.
【0056】図4に、図1に示した光入力部の具体的な
素子構造の一例を示す。FIG. 4 shows an example of a specific element structure of the light input section shown in FIG.
【0057】図中、11はn型InP半導体基板であ
り、この表面上にn型InPバッファー層12,GaI
nAs光吸収層13,n型InPウィンドウ層14が順
次設けられている。n型InPウィンドウ層14からG
aInAs光吸収層13の表面にかけてはZn拡散領域
(p形化されたInPウィンドウ層14)16が形成さ
れている。In the figure, 11 is an n-type InP semiconductor substrate, on which the n-type InP buffer layer 12 and GaI are formed.
An nAs light absorption layer 13 and an n-type InP window layer 14 are sequentially provided. n-type InP window layer 14 to G
A Zn diffusion region (p-type InP window layer 14) 16 is formed on the surface of the aInAs light absorption layer 13.
【0058】このZn拡散領域16の表面には、ショッ
トキー電極17,信号を取り出すためのオーミック接触
する出力電極18が設けられている。ショットキー電極
17としては、例えば、TiがZn拡散領域16に接触
するAu/Pt/Ti積層電極を用い、出力電極18と
しては、例えば、ZnがZn拡散領域16に接触するA
u/Pt/Ti/Zn積層電極を用いれば良い。On the surface of the Zn diffusion region 16, a Schottky electrode 17 and an output electrode 18 in ohmic contact for extracting a signal are provided. The Schottky electrode 17 is, for example, an Au / Pt / Ti laminated electrode in which Ti contacts the Zn diffusion region 16, and the output electrode 18 is, for example, A in which Zn contacts the Zn diffusion region 16.
A u / Pt / Ti / Zn laminated electrode may be used.
【0059】ショットキー電極17,出力電極18が設
けられていないn型InPウィンドウ層14,Zn拡散
領域16の表面は、窒化シリコン膜等からなるパッシベ
ーション誘電膜15で被覆されている。The surfaces of the n-type InP window layer 14 where the Schottky electrode 17 and the output electrode 18 are not provided and the Zn diffusion region 16 are covered with a passivation dielectric film 15 made of a silicon nitride film or the like.
【0060】一方、n型InP半導体基板11の裏面に
は、光信号3を導入するための低反射コート膜19,n
型オーミック電極20が設けられている。低反射コート
膜19としては、例えば、窒化シリコン膜を用い、n型
オーミック電極20としては、例えば、AuGe電極を
用いれば良い。On the other hand, on the back surface of the n-type InP semiconductor substrate 11, a low reflection coating film 19, n for introducing the optical signal 3 is formed.
A type ohmic electrode 20 is provided. For example, a silicon nitride film may be used as the low-reflection coating film 19, and an AuGe electrode may be used as the n-type ohmic electrode 20, for example.
【0061】このように構成された素子において、ショ
ットキー電極17をアース電位、n型オーミック電極2
0を電源電位VB (正極バイアス)に接続すると、出力
電極18とn型オーミック電極20との間でフォトダイ
オードが形成され、ショットキー電極17と出力電極1
8との間でSBDが形成され、出力端子4としての出力
電極18から出力電圧V0 を取り出せる。In the device thus constructed, the Schottky electrode 17 is connected to the ground potential and the n-type ohmic electrode 2 is used.
When 0 is connected to the power supply potential V B (positive bias), a photodiode is formed between the output electrode 18 and the n-type ohmic electrode 20, and the Schottky electrode 17 and the output electrode 1 are connected.
8 forms an SBD between them and the output voltage V 0 can be taken out from the output electrode 18 serving as the output terminal 4.
【0062】本実施例の光入力部は、単純な構成である
ため、通常のフォトダイオード内にSBDを作り付ける
ことにより、容易に集積化することができる。Since the optical input section of this embodiment has a simple structure, it can be easily integrated by building an SBD in a normal photodiode.
【0063】なお、図1の光入力部では、SBDの半導
体としてn型InPを用いているが、ここでは、SBD
の半導体としてp型InPを用いた例を示した。これは
構成の簡便さを考慮したものであって、SBDの半導体
としてn型InPを用いても良い。n型,p型の半導体
の違いは、金属側の極性と、(1)式のφB に現れ、φ
B によりSBDの出力電圧のレベルが変化する。逆に、
これを利用して出力極性や,p型,n型の半導体の不純
物濃度や,金属の種類を変えることにより、出力電圧レ
ベルを論理回路に合わせることが可能である。In the light input section of FIG. 1, n-type InP is used as the semiconductor of the SBD, but here, the SBD is used.
An example in which p-type InP is used as the semiconductor is shown. This is because of the simplicity of the configuration, and n-type InP may be used as the semiconductor of the SBD. The difference between n-type and p-type semiconductors appears in the polarity on the metal side and in φ B in equation (1).
The level of the output voltage of the SBD changes depending on B. vice versa,
By using this, the output voltage level can be adjusted to the logic circuit by changing the output polarity, the impurity concentration of the p-type or n-type semiconductor, and the type of metal.
【0064】このような素子を用い、直接デジタル光受
信を行なう光入力部の回路構成を図5に示す。図中、鎖
線内のフォトダイオード1,負荷抵抗用のダイオード2
は、図4で示したような素子集積化が行なわれているこ
とを表している。また、6は比較器であり、この比較器
6は、参照電圧源4からの参照電圧と出力端子4の出力
電圧とを比較し、“0”,“1”のいずれかのディジタ
ル信号を出力する。FIG. 5 shows a circuit configuration of an optical input section for directly receiving digital light using such an element. In the figure, the photodiode 1 within the chain line and the diode 2 for load resistance
Indicates that element integration as shown in FIG. 4 is being performed. Further, 6 is a comparator, which compares the reference voltage from the reference voltage source 4 with the output voltage of the output terminal 4 and outputs a digital signal of "0" or "1". To do.
【0065】このとき、出力端子4の出力電圧が、例え
ば、図3のような特性を持つとすれば、参照電圧源5の
参照電圧を0.35Vに設定しておけば、零入力の影響
を除去でき、−20℃から80℃までの範囲で1〜10
0μWの信号を受信することができる。しかも、このと
きのしきい不確定幅は最小で50mV以上確保でき、耐
雑音性も比較的問題ない。At this time, assuming that the output voltage of the output terminal 4 has the characteristic as shown in FIG. 3, for example, if the reference voltage of the reference voltage source 5 is set to 0.35 V, the influence of the zero input will occur. Can be removed, and 1 to 10 in the range of -20 ° C to 80 ° C.
A signal of 0 μW can be received. In addition, the threshold uncertainty width at this time can be secured at a minimum of 50 mV or more, and the noise resistance is relatively problematic.
【0066】このように、テジタル光受信装置内のアナ
ログ回路部分を極力省略し、光信号3が微弱な信号であ
っても、基本的に光信号3はディジタル信号であるの
で、光信号3を電気信号に変換するフォトダイオード1
の負荷素子として順極性のダイオード2を用い、ダイオ
ード2の電流−電圧特性の非線形特性を利用することに
より、初めからディジタル受信動作を行なわせることが
できる。In this way, the analog circuit portion in the digital optical receiver is omitted as much as possible, and even if the optical signal 3 is a weak signal, the optical signal 3 is basically a digital signal. Photodiode 1 to convert to electric signal
By using the forward polarity diode 2 as the load element of and the non-linear characteristic of the current-voltage characteristic of the diode 2 is used, the digital receiving operation can be performed from the beginning.
【0067】次に図1の光入力部の動的特性について説
明する。光入力部の動的特性は、負荷抵抗としてのダイ
オード2(ここでは、SBD)の電流/電圧特性だけで
なく、SBDの接合容量と微分抵抗、フォトダイオード
1の寄生容量を加味した周波数軸応答又は時間軸応答を
考慮する必要がある。Next, the dynamic characteristics of the light input section of FIG. 1 will be described. The dynamic characteristics of the optical input part are not only the current / voltage characteristics of the diode 2 (SBD in this case) as a load resistance, but also the frequency axis response that takes into account the junction capacitance and differential resistance of the SBD and the parasitic capacitance of the photodiode 1. Or it is necessary to consider the time base response.
【0068】比較的信号振幅が小さい場合は、直流電流
レベルを固定して各パラメータを等価線形素子近似する
ことができ、周波数軸上で応答限界を考えることができ
る。ここで、信号電流の直流成分をIPO、そのときの出
力電圧をVo とすると、接合容量CS 、微分抵抗RS は
次のようになる。When the signal amplitude is relatively small, the DC current level can be fixed and each parameter can be approximated by an equivalent linear element, and the response limit can be considered on the frequency axis. Here, assuming that the direct current component of the signal current is I PO and the output voltage at that time is V o , the junction capacitance C S and the differential resistance R S are as follows.
【0069】 CS (Vo )=S{CS (0)-1/2−aVo }-1/2 …(8) RS (IPO)=nkT/e[IP +SA* T2 EXP(−eφB /kT)] …(9) なお、(8)式中、aは接合容量の電圧依存を表す係数
である。C S (V o ) = S {C S (0) −1/2 −aV o } −1/2 (8) R S (I PO ) = nkT / e [I P + SA * T 2 EXP (−eφ B / kT)] (9) In the expression (8), a is a coefficient representing the voltage dependence of the junction capacitance.
【0070】フォトダイオード寄生容量をCP とする
と、信号振幅の小さい場合の応答限界周波数fC は、接
合容量CS 、微分抵抗RS を用いて次のように表され
る。When the photodiode parasitic capacitance is C P , the response limit frequency f C when the signal amplitude is small is expressed as follows using the junction capacitance C S and the differential resistance R S.
【0071】 fC =1/[2π{CP +CS (Vo )}RS (IPO)] …(10) ここで、Vo がIPOにより決まることを考えると、fC
はIPOで決定されることが分かる。F C = 1 / [2π {C P + C S (V o )} R S (I PO )] (10) Here, considering that V o is determined by I PO , f C
It can be seen that is determined by I PO .
【0072】(8)〜(10)式によれば、信号が大きい
ほど高速応答が可能であり、逆に小さいと応答限界が低
下する。このことは比較的大きなパルス信号応答を考え
た場合に、信号の立上がり(電流大)は急峻であるが、
立下がり部分(電流小)でパルスの裾をひきやすいこと
を意味している。According to the equations (8) to (10), the larger the signal, the faster the response can be made, and conversely, the smaller the signal, the lower the response limit. This means that when considering a relatively large pulse signal response, the rise of the signal (large current) is steep,
It means that the trailing edge of the pulse (small current) is easy to pull.
【0073】図6に、前述したフォトダイオード及びS
BDを用いた場合の時間応答特性を示す。ここでは,1
0Mbpsの光クロックパルスを入力した場合の特性を
示している。FIG. 6 shows the photodiode and S described above.
The time response characteristic at the time of using BD is shown. Here, 1
The characteristics are shown when an optical clock pulse of 0 Mbps is input.
【0074】図6から分かるように,パルスの立上がり
はかなり速いが、立下がり部分が出力が低下するほど裾
を引くようになる。また,これにより前のパルスの裾が
次のパルスに届くようになり、連続動作中に零入力レベ
ルの自己バイアス効果が生じるようになる。As can be seen from FIG. 6, the rising edge of the pulse is fairly fast, but the trailing edge is tailed as the output decreases. Also, this allows the tail of the previous pulse to reach the next pulse, and the self-biasing effect of the quiescent level will occur during continuous operation.
【0075】しかしながら,図1の光入力部の代わり
に、図5の光入力部を用いることで、このような自己バ
イアス効果の影響を除去できる。However, by using the optical input section of FIG. 5 instead of the optical input section of FIG. 1, it is possible to eliminate the influence of such self-bias effect.
【0076】即ち、図5の光入力部の参照電圧源5の参
照電圧を、自己バイアス以上に設定すれば、自己バイア
ス効果の影響を除去でき、例えば、参照電圧を0.4V
に設定しておくことで、100Mbps以上のディジタ
ル受信が可能である。また、光入力パワーの最小値を1
0μW以上とした場合、参照電圧を0.45Vに設定し
ておくことで、500Mbps以上のディジタル受信が
可能である。That is, if the reference voltage of the reference voltage source 5 of the optical input section of FIG. 5 is set to be higher than the self-bias, the influence of the self-bias effect can be eliminated.
By setting to 1, digital reception of 100 Mbps or more is possible. Also, set the minimum value of the optical input power to 1
When it is set to 0 μW or more, by setting the reference voltage to 0.45 V, digital reception of 500 Mbps or more is possible.
【0077】このように、図5の光入力部によれば、そ
の構成が非常に簡略化されたにも係わらず、アナログ増
幅器や、AGC回路や、クロック抽出回路等を用いず
に、図15の従来のハイインピーダンス型の光入力部と
同様に、ディジタル光信号の受信が可能である。このよ
うな光入力部は、装置部品の集積化による小形化や低価
格化が容易である等、アレイ化光伝送装置の構築に有効
であり、これにより、光伝送の2次元アレイ化等も可能
になり、電気的接続では難しい装置内の大容量高速信号
バス等の実現が可能になる。As described above, according to the optical input section of FIG. 5, although the configuration is greatly simplified, the optical input section of FIG. 15 is used without using the analog amplifier, the AGC circuit, the clock extraction circuit, and the like. Like the conventional high-impedance type optical input section, it is possible to receive a digital optical signal. Such an optical input unit is effective in constructing an arrayed optical transmission device because it can be easily downsized and reduced in cost by integrating device parts, and thus can also be used in a two-dimensional array of optical transmission. This makes it possible to realize a large-capacity high-speed signal bus in a device that is difficult to make by electrical connection.
【0078】図7は、本発明の他の実施例に係る光受信
装置の光入力部の回路構成を示している。なお、図5の
光入力部と対応する部分には図5と同一符号を付してあ
り、詳細な説明は省略する。FIG. 7 shows a circuit configuration of an optical input section of an optical receiver according to another embodiment of the present invention. Note that the portions corresponding to the light input portion of FIG. 5 are denoted by the same reference numerals as those in FIG. 5, and detailed description thereof will be omitted.
【0079】この光入力部は、図16の従来のトランス
インピーダンス型の光入力部に対応し、図5のそれと異
なる点は、フォトダイオード1の負荷として、並列接続
されたダイオード2とオペアンプ7とを用いたことにあ
る。なお、図中、8はオペアンプ7の出力抵抗である。This optical input section corresponds to the conventional transimpedance type optical input section of FIG. 16 and is different from that of FIG. 5 in that a diode 2 and an operational amplifier 7 connected in parallel are used as a load of the photodiode 1. I used to. In the figure, 8 is an output resistance of the operational amplifier 7.
【0080】ここで、オペアンプ7の電圧増幅率を−A
v (反転出力)とすると、出力抵抗7に印加される電圧
VOPは次のようになる。Here, the voltage amplification factor of the operational amplifier 7 is set to -A
Assuming v (inverted output), the voltage V OP applied to the output resistor 7 is as follows.
【0081】 VOP=Vo /(1+1/Av ) =(nkT/e)ln{(IF /SA* T2 )EXP(eφB /kT)+1} /(1+1/Av ) …(11) (11)式からAv が十分大きい場合、電圧VOPは、
(2)式の接合電位差VFと同じになり、本実施例の光
入力部の出力特性は、図1の光入力部のそれとほぼ等し
くなる。このことは、トランスインピーダンス特性が自
動可変利得となることを意味している。V OP = V o / (1 + 1 / A v ) = (nkT / e) ln {(I F / SA * T 2 ) EXP (eφ B / kT) +1} / (1 + 1 / A v ) ... ( 11) From the equation (11), when A v is sufficiently large, the voltage V OP is
It becomes the same as the junction potential difference V F in the equation (2), and the output characteristic of the optical input section of this embodiment is almost equal to that of the optical input section of FIG. This means that the transimpedance characteristic is automatically variable gain.
【0082】即ち、本実施例のオペアンプ7は、自動可
変利得トランスインピーダンスアンプとして機能し、更
に、回路的に入力インピーダンスが非常に低くなるた
め、フォトダイオード1にとって理想的な負荷特性を持
つ。That is, the operational amplifier 7 of this embodiment functions as an automatic variable gain transimpedance amplifier, and since the input impedance is extremely low in the circuit, it has ideal load characteristics for the photodiode 1.
【0083】したがって、本実施例の光入力部は、図1
6の従来例のトランスインピーダンス型の光入力部と同
様な利点を持つ他、AGC回路なしで受信ダイナミック
レンジを大きくできる特徴がある。Therefore, the optical input section of this embodiment is the same as that shown in FIG.
In addition to having the same advantages as the conventional transimpedance type optical input unit of No. 6, there is a feature that the receiving dynamic range can be increased without using the AGC circuit.
【0084】図8は、本発明の他の実施例に係る光受信
装置の光入力部の回路構成を示している。なお、図1の
光入力部と対応する部分には図1と同一符号を付してあ
り、詳細な説明は省略する。FIG. 8 shows a circuit configuration of an optical input section of an optical receiving apparatus according to another embodiment of the present invention. It should be noted that the same reference numerals as those in FIG. 1 are given to the portions corresponding to the light input portion of FIG. 1, and detailed description thereof will be omitted.
【0085】図中、9はダイオード2(SBD)と並列
接続されたパス抵抗であり、零入力状態や迷光入力状態
での出力をなくし、パルス立ち下がりでの自己バイアス
効果を抑制するための抵抗である。In the figure, 9 is a path resistance connected in parallel with the diode 2 (SBD), which is a resistance for eliminating the output in the zero input state or the stray light input state and suppressing the self-bias effect at the pulse falling edge. Is.
【0086】このように構成された光入力部の負荷に流
れる出力電流IP は、パス抵抗9の抵抗値をRP として
次式のように表される。The output current I P flowing through the load of the optical input section thus constructed is expressed by the following equation, where the resistance value of the path resistor 9 is R P.
【0087】 IP =SA* T2 EXP(−eφB /kT) ・{EXP(eVo /nkT)−1}+Vo /RP …(12) (12)式は超越方程式であるため解析的表現ができない
が、図1の光入力部で説明したSBDを用いた結果(光
入力パワー−出力電圧特性)を図9に示す。この図か
ら、低光入力パワー側では、パス抵抗7によって光入力
パワー・出力電圧特性が支配され、一方、高光入力パワ
ー側は、SBDにより光入力パワー・出力電圧特性が支
配されることが分かる。I P = SA * T 2 EXP (−eφ B / kT) · {EXP (eV o / nkT) −1} + V o / R P (12) The equation (12) is a transcendental equation and is therefore analyzed. FIG. 9 shows a result (optical input power-output voltage characteristic) using the SBD described in the optical input section of FIG. From this figure, it can be seen that on the low optical input power side, the path resistance 7 controls the optical input power / output voltage characteristic, while on the high optical input power side, the SBD controls the optical input power / output voltage characteristic. .
【0088】また、パス抵抗9の抵抗値RP により、出
力電圧と光入力パワーとの関係が線形から非線形に変わ
る光入力パワー(非線形しきい値)が異なることが分か
り、使用される光信号の入力レベルによってこの値を調
整できる。Further, it is found that the optical input power (nonlinear threshold value) in which the relationship between the output voltage and the optical input power changes from linear to non-linear varies depending on the resistance value R P of the path resistor 9, and the optical signal used You can adjust this value according to the input level of.
【0089】例として、RP =100kΩの場合の時間
応答特性を図10に示す。この場合の非線形しきい値
は、図9より10μW付近であることが分かるが、図1
0より光入力パワーが10μWの上下で明らかに出力電
圧の変わることが分かる。As an example, FIG. 10 shows the time response characteristic when R P = 100 kΩ. It can be seen from FIG. 9 that the non-linear threshold value in this case is around 10 μW.
From 0, it can be seen that the output voltage obviously changes when the optical input power is 10 μW above and below.
【0090】即ち、光入力パワーが10μWまでは入出
力特性が線形的であり、光入力パワーに比例した出力電
圧が得られるが、それ以上の光入力パワーでは図1の場
合と同様な出力電圧となる。That is, when the optical input power is up to 10 μW, the input / output characteristic is linear, and an output voltage proportional to the optical input power can be obtained, but at an optical input power higher than that, the same output voltage as in the case of FIG. 1 is obtained. Becomes
【0091】このとき、光入力パワーが1μWから10
μWの範囲に入ると“1”,“0”を判定するための信
号が不確定値をとり易いが、送信側の出力がディジタル
出力であること、光伝送距離が比較的短いため送信レベ
ル,受信レベルの設定が行ない易いこと等を考慮する
と、送信側で不確定値とならないレベルの信号を送信し
て、最小入力レベルの規定を確実に行なえば何等問題の
生じるものではない。At this time, the optical input power is changed from 1 μW to 10
When it is in the range of μW, the signal for determining “1” or “0” tends to take an uncertain value, but since the output of the transmitting side is a digital output and the optical transmission distance is relatively short, the transmission level, Considering that the reception level can be easily set, there will be no problem if the transmission side transmits a signal having a level that does not become an uncertain value and the minimum input level is defined with certainty.
【0092】また、本実施例によれば、参照電圧を0.
4V、光入力パワーを10μW以上に設定することで、
500Mbps以上の動作が可能となり、しかも、この
設定では、図6に見られるような零入力出力や、自己バ
イアス効果がないので、耐雑音、即ち、雑音に対するレ
ベル余裕を格段に向上することができる。Further, according to this embodiment, the reference voltage is 0.
By setting 4V and the optical input power to 10 μW or more,
Operation of 500 Mbps or more is possible, and in this setting, since there is no quiescent output and self-biasing effect as shown in FIG. 6, noise resistance, that is, a level margin against noise can be significantly improved. .
【0093】更に、光入力パワーが50μW以上でパス
抵抗9の抵抗値RP を20kΩとするか、或いはSBD
の接合面積を5μmφ以下とすることで1Gbpsより
かなり高速の領域まで動作させることができる。Further, when the optical input power is 50 μW or more, the resistance value R P of the path resistor 9 is set to 20 kΩ, or SBD is set.
By making the junction area of 5 μmφ or less, it is possible to operate up to a region considerably faster than 1 Gbps.
【0094】かくして本実施例によれば、光信号3電気
信号に変換する受光素子の負荷として、順極性のダイオ
ード2とパス抵抗7とを並列接続したものを用いること
により、雑音増加や動作点の自己バイアスを抑制できる
光入力部が得られる。Thus, according to the present embodiment, the load of the light receiving element for converting the optical signal 3 into the electric signal is obtained by connecting the diode 2 having the forward polarity and the path resistor 7 in parallel, thereby increasing the noise and operating point. An optical input unit capable of suppressing the self-bias of
【0095】図11は、本発明の他の実施例に係る光受
信装置の光入力部の回路構成を示す図である。FIG. 11 is a diagram showing a circuit configuration of an optical input section of an optical receiving apparatus according to another embodiment of the present invention.
【0096】図中、32は光入力パワーによる出力電流
IP と同程度の出力電流IC を出力する定電流源、31
はフォトダイオード1をバイアスするためのレベルシフ
トダイオードアレイであり、このレベルシフトダイオー
ドアレイ31はSBDで構成しても構わない。また、3
4はFET能動層,35はFETバッファ層を示してい
る。In the figure, 32 is a constant current source for outputting an output current I C which is approximately the same as the output current I P due to the optical input power, and 31
Is a level shift diode array for biasing the photodiode 1, and the level shift diode array 31 may be composed of an SBD. Also, 3
Reference numeral 4 represents an FET active layer, and 35 represents an FET buffer layer.
【0097】この光入力部では、光信号3の入力がない
ときには、(2)式のIF の代わりにIC を代入しただ
けの出力電圧が現れ、光信号1の入力があるときには、
(2)式のIF の代わりにIC −IP を代入しただけの
出力電圧が現れる。In this optical input section, when the optical signal 3 is not input, an output voltage which is obtained by substituting I C in place of I F in the equation (2) appears, and when the optical signal 1 is input,
The output voltage appears by substituting I C −I P instead of I F in the equation (2).
【0098】即ち、光信号3の入力に対して逆の論理で
出力が得られ、次のような特徴がある。第1の特徴は、
フォトダイオードの暗電流成分は、定電流源32の出力
電流IC より遥かに小さいため、出力電圧には殆ど影響
せず、温度変動による零入力ドリフトがないこと、第2
の特徴は、出力レベルが電圧で“H”側にクランプされ
ており、雑音電流等が零入力時の値に現れ難いため、し
きい電圧を“H”(電流大)側に設定でき、耐雑音性と
高速動作性とが高められること等である。That is, the output is obtained by the reverse logic with respect to the input of the optical signal 3, and has the following features. The first feature is
Since the dark current component of the photodiode is much smaller than the output current I C of the constant current source 32, it hardly affects the output voltage and there is no quiescent drift due to temperature fluctuation.
The feature is that the output level is clamped to the “H” side by voltage and noise current etc. is hard to appear in the value at the time of zero input, so the threshold voltage can be set to “H” (large current) side, That is, noise and high-speed operability are enhanced.
【0099】図12に、図11の光入力部の定電流源3
2を具体化した回路構成を示す。FIG. 12 shows the constant current source 3 of the optical input section of FIG.
2 shows a circuit configuration that embodies No. 2.
【0100】定電流源32は、ドレインとゲートが短絡
され、ドレインが電源電位VB に繋がった定バイアスの
FET33で構成され、FET33として、ノーマリオ
フ型でチャネル幅を狭くして飽和電流のレベルを出力電
流IP 程度に小さくしたものを用いる。The constant current source 32 is composed of a constant bias FET 33 in which the drain and the gate are short-circuited, and the drain is connected to the power supply potential V B. As the FET 33, the channel width is narrowed by the normally-off type to reduce the saturation current level. An output current I P that is as small as possible is used.
【0101】図13に、光入力パワーPINが1μW,出
力電流IC が1μAの場合の図12の光入力部の動作特
性(時間−出力電圧)を示す。出力電圧のレベルは、S
BDを多段化することで大きくでき、また、上述した他
の光入力部を組み合わせることも可能である。FIG. 13 shows the operating characteristics (time-output voltage) of the optical input section of FIG. 12 when the optical input power P IN is 1 μW and the output current I C is 1 μA. The output voltage level is S
It is possible to increase the size by increasing the number of BDs, and it is also possible to combine the other optical input units described above.
【0102】なお、本実施例でも、先の実施例と同様に
集積化が可能である。例えば、図14(a)に示すよう
に、まず、高抵抗性又は反導電性の半導体基板11a
に、n型InPバッファー層12,GaInAs光吸収
層13,n型InPウィンドウ層14を形成し、全面を
エッチングして半導体基板11a中にフォトダイオード
を埋込み形成した後、図4(b)に示すように、露出し
た基板表面にFET(定電流源)32、SBD(ダイオ
ード)2,SBD(レベルシフトダイオード)31を形
成すれば良い。このときのFET32をMES( Metal
Semiconductor)型にすると,ショットキー電極17と
ゲート電極とを同時に形成できる。Note that this embodiment can be integrated as in the previous embodiments. For example, as shown in FIG. 14A, first, a high-resistance or anti-conductive semiconductor substrate 11a
Then, an n-type InP buffer layer 12, a GaInAs light absorption layer 13, and an n-type InP window layer 14 are formed on the substrate, and the entire surface is etched to form a photodiode in the semiconductor substrate 11a. In this way, the FET (constant current source) 32, the SBD (diode) 2, and the SBD (level shift diode) 31 may be formed on the exposed substrate surface. At this time, the FET 32 is set to MES (Metal
The semiconductor type allows the Schottky electrode 17 and the gate electrode to be formed at the same time.
【0103】なお、本発明は上述した実施例に限定され
るものではない。例えば、上記実施例の素子の材料系や
構造を変えても同様な効果が得られる。その他、本発明
の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施できる。The present invention is not limited to the above embodiment. For example, the same effect can be obtained by changing the material system or structure of the element of the above-mentioned embodiment. In addition, various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
【0104】[0104]
【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、光
信号を電気信号に変換する受光素子の負荷素子として順
極性のダイオードを用いることにより、アナログ動作す
る部分の比率を小さくでき、高速動作で構成が簡単な光
受信装置が得られる。As described above in detail, according to the present invention, by using the diode of the forward polarity as the load element of the light receiving element for converting the optical signal into the electric signal, the ratio of the analog operation portion can be reduced, An optical receiving device that operates at high speed and has a simple structure can be obtained.
【図1】本発明の一実施例に係る光受信装置の光入力部
の回路構成を示す図。FIG. 1 is a diagram showing a circuit configuration of an optical input unit of an optical receiver according to an embodiment of the present invention.
【図2】光入力パワーと出力電圧との関係を示す特性
図。FIG. 2 is a characteristic diagram showing a relationship between optical input power and output voltage.
【図3】温度と出力電圧との関係を示す特性図。FIG. 3 is a characteristic diagram showing a relationship between temperature and output voltage.
【図4】図1の光入力部の具体的な素子構造を示す図。FIG. 4 is a diagram showing a specific element structure of the light input unit of FIG.
【図5】直接ディジタル光受信を行なえる光入力部の回
路構成を示す図。FIG. 5 is a diagram showing a circuit configuration of an optical input unit that can directly perform digital optical reception.
【図6】時間と出力電圧との関係を示す特性図。FIG. 6 is a characteristic diagram showing a relationship between time and output voltage.
【図7】本発明の他の実施例に係る光受信装置の光入力
部の回路構成を示す図。FIG. 7 is a diagram showing a circuit configuration of an optical input unit of an optical receiving device according to another embodiment of the present invention.
【図8】本発明の他の実施例に係る光受信装置の光入力
部の回路構成を示す図。FIG. 8 is a diagram showing a circuit configuration of an optical input unit of an optical receiving device according to another embodiment of the present invention.
【図9】光入力パワーと出力電圧との関係を示す特性
図。FIG. 9 is a characteristic diagram showing a relationship between optical input power and output voltage.
【図10】時間と出力電圧との関係を示す特性図。FIG. 10 is a characteristic diagram showing a relationship between time and output voltage.
【図11】本発明の他の実施例に係る光受信装置の光入
力部の回路構成を示す図。FIG. 11 is a diagram showing a circuit configuration of an optical input unit of an optical receiving device according to another embodiment of the present invention.
【図12】図11の光入力部の定電流源を具体化した回
路構成を示す図。FIG. 12 is a diagram showing a circuit configuration that embodies a constant current source of the light input unit of FIG. 11.
【図13】時間と出力電圧との関係を示す特性図。FIG. 13 is a characteristic diagram showing the relationship between time and output voltage.
【図14】光入力部の集積化を説明するための図。FIG. 14 is a diagram for explaining integration of an optical input unit.
【図15】従来の光受信装置の回路構成を示す図。FIG. 15 is a diagram showing a circuit configuration of a conventional optical receiver.
【図16】従来の光受信装置の回路構成を示す図。FIG. 16 is a diagram showing a circuit configuration of a conventional optical receiver.
1…フォトダイオード、2…ダイオード、3…光信号、
4…出力端子、5…参照電圧源、6…比較器、7…オペ
アンプ、8…出力抵抗、9…パス抵抗、11…n型In
P半導体基板、12…n型InPバッファー層、13…
GaInAs光吸収層、14…n型InPウィンドウ
層、15…パッシベーション誘電膜、16…Zn拡散領
域、17…ショットキー電極、18…出力電極、19…
低反射コート膜、20…n型オーミック電極、31…レ
ベルシフトダイオードアレイ、32…定電流源、33…
FET、34…FET能動層、35…FETバッファ
層。1 ... photodiode, 2 ... diode, 3 ... optical signal,
4 ... Output terminal, 5 ... Reference voltage source, 6 ... Comparator, 7 ... Operational amplifier, 8 ... Output resistance, 9 ... Path resistance, 11 ... N-type In
P semiconductor substrate, 12 ... n-type InP buffer layer, 13 ...
GaInAs light absorption layer, 14 ... N-type InP window layer, 15 ... Passivation dielectric film, 16 ... Zn diffusion region, 17 ... Schottky electrode, 18 ... Output electrode, 19 ...
Low-reflection coating film, 20 ... N-type ohmic electrode, 31 ... Level shift diode array, 32 ... Constant current source, 33 ...
FET, 34 ... FET active layer, 35 ... FET buffer layer.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.5 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H04B 10/04 10/06 8220−5K H04B 9/00 Y ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (51) Int.Cl. 5 Identification code Office reference number FI technical display location H04B 10/04 10/06 8220-5K H04B 9/00 Y
Claims (4)
なるように、前記受光素子の出力側に接続されたダイオ
ードと、 このダイオードと前記受光素子と間に設けられた出力端
子とを具備してなることを特徴とする光受信装置。1. A light receiving element for converting an optical signal into an electric signal, and a diode connected to an output side of the light receiving element so as to be in a forward direction with respect to an electric signal output from the light receiving element, An optical receiver comprising: a diode and an output terminal provided between the light receiving element.
出力される電気信号に対して順方向となるように、前記
受光素子の出力側に接続されたダイオードと、 このダイオードと前記受光素子との間に設けられた出力
端子とを具備してなることを特徴とする光受信装置。2. A light-receiving element for converting an optical signal into an electric signal, and a resistance element, which are connected in parallel with each other and are arranged in a forward direction with respect to an electric signal output from the light-receiving element. An optical receiver comprising a diode connected to an output side and an output terminal provided between the diode and the light receiving element.
なるように、前記受光素子の出力側に接続されたダイオ
ードと、 このダイオードと前記受光素子との間に設けられた出力
端子と、 この出力端子の電圧と参照電圧とが印加され、これら電
圧の差に応じて高電圧又は低電圧の電気信号を出力する
比較器とを具備してなることを特徴とする光受信装置。3. A light receiving element for converting an optical signal into an electric signal, and a diode connected to the output side of the light receiving element so as to be in the forward direction with respect to the electric signal output from the light receiving element, An output terminal provided between the diode and the light receiving element, a comparator to which a voltage at the output terminal and a reference voltage are applied, and which outputs an electric signal of high voltage or low voltage according to the difference between these voltages, An optical receiving device comprising:
ダイオードであることを特徴とする請求項1〜請求項3
のいずれかに記載の光受信装置。4. The diode according to claim 1, wherein the diode is a Schottky barrier type diode.
The optical receiver according to any one of 1.
Priority Applications (2)
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|---|---|---|---|
| JP24239192A JP3226621B2 (en) | 1992-09-10 | 1992-09-10 | Optical receiver |
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Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP24239192A JP3226621B2 (en) | 1992-09-10 | 1992-09-10 | Optical receiver |
Publications (2)
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ID=17088459
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| JP24239192A Expired - Fee Related JP3226621B2 (en) | 1992-09-10 | 1992-09-10 | Optical receiver |
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Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPWO2010100741A1 (en) * | 2009-03-05 | 2012-09-06 | 株式会社日立製作所 | Optical communication device |
| JP2015012540A (en) * | 2013-07-01 | 2015-01-19 | 株式会社東芝 | Light receiving circuit |
| JP2019215316A (en) * | 2018-06-13 | 2019-12-19 | エー・ウント・エー・エレクトロニック・ゲゼルシヤフト・ミト・ベシユレンクテル・ハフツング | Electronic device, optical gas sensor with electronic device, and method for measuring photocurrent and temperature in combination using electronic device |
| CN114784131A (en) * | 2022-04-11 | 2022-07-22 | 西安微电子技术研究所 | Photosensitive diode, photosensitive operational amplifier circuit and photosensitive chip |
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1992
- 1992-09-10 JP JP24239192A patent/JP3226621B2/en not_active Expired - Fee Related
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| CN114784131B (en) * | 2022-04-11 | 2023-05-16 | 西安微电子技术研究所 | Photosensitive diode, photosensitive operational amplifier circuit and photosensitive chip |
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