JPS6020655A - 光検出回路 - 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】 技術分野 本発明は光パワーメータ等に使用される光検出回路に関
し、更に詳細には、ホトダイオードの受光最小測定レベ
ルを改善して広いダイナミックレンジを得ることのでき
る光検出回路に関する。

従来技術 光通信技術を中心とした光応用技術の実用化によって、
光パワー（レベル又は光量）を測定する装置（光パワー
メータ）の重要性が高まってきた。

光通信の分野で使用する光パワーメータの光検出器には
大別して熱変換型光検出器と光電変換型光検出器とがあ
る。前者の熱変換型光検出器としてサーモパイル検出器
があり、標準光パワーメータに使用されている。しかし
光検出感度が低く、広いダイナミックレンジがとれない
という欠点がある。一方、後者の光電変換型光検出器と
してホトダイオードを使用した光検出器がある。このホ
トダイオード光検出器は微弱な光パワーを測定すること
が容易であり且つ比較的広いダイナミックレンジにわた
って直線性の優れた光検出を行うことができる。

第１図は微弱な光パワーを測定することが可能な従来の
光検出回路を示す。この光検出回路では、ホトダイオー
ド（１）の一端がＦＥＴ入力型の高入力インピーダンス
の演算増幅器（２）の一方の入力端子（反転入力端子）
に接続され、ホトダイオード（１）の他端及び演算増幅
器（２）の他方の入力端子（非反転入力端子）がそれぞ
れ接地されている。Ｒｆは帰還抵抗であり、演算増幅器
（２）の一方の入力端子と出力端子との間に接続されて
いる。（３）は零点調整用可変抵抗であり、ホトダイオ
ードｉｌ＋の入射光を零にした時に出力電圧ＶＤを零■
にするように調整する抵抗である。

この回路において、入射光に対応した光検出電流工０が
ホトダイオード（１）から発生すると、演算増幅器（２
）は高入力インピーダンスであるので、ここには光検出
電流工δが流れず、帰還抵抗Ｒｆを通って流れる。一方
、演算増幅器（２）は反転入力端子の電位が非反転入力
端子の゛電位（ＯＶ）と同一になるように動作するので
、反転入力端子と非反転入力端子との間が仮想短絡の状
態となる。従って、出力端子にＶＯ＝　ｌ０Ｒｆの光検
出電圧が得られる。

ところでホトダイオード光検出器の受光最大測定レベル
を決める要素は、ホトダイオードの材質と受光面積によ
って決定される直列抵抗である。

また受光最低測定レベルを決める要素は、ホトダイオー
ドの並列抵抗である。従って直列インピーダンスが小さ
く、並列インピーダンスが大きいホトダイオードを使用
することが広いダイナミックレンジを得るための必要条
件となる。この点を詳細に説明するためにホトダイオー
ドに負荷他を接続したときの等価回路を第２図に示す。

ここでＩｐは入射光による発生電流（光検出電流）、よ
りはダイオード電流、■′は並列抵抗電流、ｃｊは接合
容量、ＲＩＩＲは並列抵抗、Ｒｓは直列抵抗、Ｉｏは出
力電流、ＶＯは出力電圧である。この等価回路から工０
＝００ときの出力電圧即ち開放電圧ｖｏｐをめると次式
になる。

ここで工ｓ：ホトダイオードの飽和電流、ｑ：電子の電
荷、Ｋ：ボルツマン定数、Ｔ：素子の絶対温度である。

またＲＬ＝０．ＶＯ＝０のときの電流即ち短絡電流Ｉａ
ｗをめると次式になる。

・・・・・・・・・・・・・・・・・・（２）開放電圧
ｖｏｐはＩＰが大きいとき工ｐに比例するが、一般的に
は（１）式かられかるようにＶＯＰはＩｐに対して１次
比例でなく温度の影響も受けるので、開放電圧Ｖｏｐに
基づいて入射光のレベルを測定することは適肖でない。

このため、短絡電流工ｇｍを利用して光検出することが
望ましい。短絡電流ＩＩＨの直線性には（２）式の第２
項と第３項が関係する。

一般的にはＲ８は数Ω〜数にΩであり、１（ｓｉは１０
’Ω〜１０１１Ωであり、第２項、第３項はかなり広い
範囲において無視できる。例えば可視光から近赤外光に
感度を有するシ゛リコン（Ｓｉ）のホトダイオードは短
絡電流ＩＩＢと光検出電流Ｉｐとの間には一次比例の関
係が成立する。しかし光通信で使用されるいわゆる長波
長（波長λ＝　１．０μｍ　％−１，７μｍ）の光に感
度を有するゲルマニウム（Ｇｅ）のホトダイオード等に
おいては光検出電流工ｐが大きくなってくると（２）式
の第２項が無視できなくなり、短絡電流工ｓＨは飽和し
てくる。

短絡電流工ｇｇの飽和に基づく非直線性はホトダイオー
ドの直列抵抗Ｒ１の増大に応じて大きくなる。

短絡電流Ｉｓａの直線性を例えば偏差０．３％以下に抑
えるためには、直列抵抗Ｒ８を約５０Ω以下にする必要
がある。しかし、現在市販されている一般的なＧｅ　ホ
トダイオードの直列抵抗Ｒａは１５０Ω〜数蹟の範囲で
あり、入射光パワーの大きな領域で十分な直線性を得る
ことが出来ない。ホトダイオードの基板の抵抗を下げて
直列抵抗Ｒ８を下げれば、短絡電流工ｇｆｔの飽和に基
づく非直線性は改善される。しかし、並列抵抗１（ｓｎ
を大きく保って直列抵抗Ｒ８のみを大幅に低減させるこ
とは困難である。一般のホトダイオードは、むしろ基板
の抵抗を高めたり、ＰＩＮ構造とすることによって接合
容量Ｃｊを減らし、応答速度を高めた設計になっている
。

上述の入射光パワーの大きい領域での短絡電流工ｖｔの
飽和は、逆バイアス電圧をホトダイオードに加えること
によって改善される。第３図は従来の逆バイアス方式の
光検出回路を示す。この回路ではホトダイオード（１）
に直列に負荷抵抗Ｒしを接続し、ホトダイオード（１）
のカソードに■１　の逆バイアスを印加し、負荷抵抗Ｒ
Ｌの両端に得られる電圧ＶＬに対応した光検出電圧■０
を演算増幅器（４）の出力端子に得るように構成されて
いる。しかしこの方式には以下に示すような欠点がある
。まず第１に、ホトダイオード（１１を逆バイアスする
ことによって、ホトダイオード＋１１の暗電流Ｉｄが増
大するため、高感度化が困難である。特に一般のホトダ
イオードでは高温環境で暗電流の増加が著しく測定誤差
が大きくなる。また一般に光波長の長い領域で使用され
るＧｅ　ホトダイオードの暗電流は短光波長領域で使用
されるＳｉホトダイオードの暗電流に比べて約３〜４桁
大きいので被測定光波長が１μｍ以上の領域での実用的
な測定は極めて困難である。

第２に、一定の逆バイアス電圧ψ“を印加した場合に、
光検出電流の増大に対応して負荷抵抗ＲＬの両端の電圧
ＶＬが増大すれば、実際にホトダイオード（１）にかか
る逆バイアス電圧が低下する。従って、入射光パワーの
変化で光検出感度が変動するという欠点がある。この結
果、第３図の回路によって微弱な入力光パワーを正確に
測定することは困難である。

発明の目的 そこで、本発明の目的は、入射光パワーの最小測定レベ
ルを改善して広いダイナミックレンジを得ることが可能
なホトダイオード光検出回路を提供することにある。

発明の構成 上記目的を達成するための本発明は、入射光のパワーに
対応した電流を発生するホトダイオードと、前記ホトダ
イオードの一端と接地レベル又は一定電圧レベルを与え
る共通電位付与手段との間に接続された電流検出用抵抗
と、前記ホトダイオードと前記電流検出用抵抗との間に
接続された増幅器と、前記入射光のパワーの小さい領域
で零又は微小の逆バイアス用出力電圧（実施例に於ける
電圧Ｖｌ　）を発生し前記入射光のパワーの太きい領域
で大きな逆バイアス用出力電圧を発生するように形成さ
れ且つその出力端子が前記ホトダイオードの他端に接続
されている逆バイアス用電圧発生回路とから成る光検出
回路に係わるものである。

発明の作用効果 上記発明によれば、入射光パワーの低い領域で過大な逆
バイアス電圧が印加されることが制限され、暗電流が制
限される。従って、最小測定レベが小さくなり、ダイナ
ミックレンジが拡大される。

第１の実施例 次に第４図を参照して本発明の第１の実施例に係わる光
検出回路について述べる。この光検出回路の基本的部分
は第３図と同一であり、Ｇｅ　ホトダイオード１１１と
、この一端（アノード）と共通電位付与手段としてのグ
ランドとの間に接続された電流検出用負荷抵抗ＲＬと、
抵抗ＲＬとホトダイオードｔｌ＋との間にその非反転入
力端子が接続されたＦＥＴ入力型の演算増幅器（４）と
から成る。なお、演算増幅器（４）の反転入力端子はそ
の出力端子に接続され、またホトダイオードＦｉ＋の入
射光が零の時に出力電圧ＶＯが零になるよ５に零調整す
るための可変抵抗Ｒｚが設けられている。

（５］は逆バイアス用電圧発生回路であり、その非反転
入力端子が前段の演算増幅器（４）の出力端子に接続さ
れた逆バイアス用演算増幅器（６）と、この演算増幅器
（６）の反転入力端子と出力端子との間に接続された帰
還抵抗Ｒｆと、反転入力端子とグランドとの間に接続さ
れた可変抵抗（７）と整流ダイオード（８）との直列回
路とから成り、演算増幅器（６）の出力端子なホトダイ
オード＋１）の他端（カソード）に接続することによっ
て出力電圧■１でホトダイオード（１）を逆バイアスす
るように構成されている。

次に第４図の光検出回路の動作を説明する。

ホトダイオード１１）の入射光パワーが零の場合には、
オフセット零調整された演算増幅器（４）の出力電圧Ｖ
Ｏも零である。即ち、ホトダイオード１１＋の光検出電
流Ｉｏがほぼ零となり、抵抗ＲＬの両端電圧ＶＬもほぼ
零となり、出力電圧Ｖｏが零になる。また逆バイアス用
演算増幅器（６）の出力電圧■１も零となり、ホトダイ
オード１１）には逆バイアス電圧が印加されない。

ホトダイオード（１）に入射光が与えられると光検出電
流Ｉｏが流れ、負荷抵抗ＲＬに電流ＩＯに対応する電圧
ＶＬが発生し、この電圧ＶＬに対応した正の出力電圧Ｖ
ｏが得られる。そして、出力電圧Ｖｏは例工ばアナログ
−デジタル変換器（図示せず）でデジタル信号に変換さ
れる。出力電圧ＶＯは逆バイアス用電圧発生回路（５）
にも入力し、逆バイアス用の逆バイアス用出力電圧が得
られ、これがホトダイオード＋１１のカソードに印加さ
れる。但し、上記式のＲ１は抵抗（力の抵抗値とダイオ
ード（８）の抵抗値との和である。

ところで、ダイオード（８）は光検出出力電圧Ｖｏが一
定の値に上昇するまでオフに保たれ、しかる後オンにな
る。このため、入射光パワーが低い領域ではダイオード
（８）の抵抗値が犬であり、逆バイアス用演算増幅器（
６）の出力電圧■１ははぼ零に保たれる。従って、ホト
ダイオード（１）の逆バイアス電圧もほぼ零に保たれ、
暗電流が流れない。この結果、入射光パワーの最小測定
レベルが小さくなる。また低入射光パワーを正確に測定
することが可能になる。

入射光パワーの増大によってダイオード（８）が導通す
れば、ダイオード（８）の順方向直列抵抗値が小さくな
り、出力電圧■１が高くなり、ホトダイオード（１）の
逆バイアスが深くなる。ホトダイオード（１１の両端に
加わる逆バイアス電圧ＶＤは、逆バイアス電圧発生回路
（５）の出力電圧ｖ１から負荷抵抗ＲＬのとなる。この
実施例では、入射光パワーの増大に応じて逆バイアス用
電圧発生回路（５）の出力電圧Ｖｌが増大するので、ホ
トダイオード（１）が要求する逆バイアス電圧を確実に
得ることが出来る。

ところで、Ｇｅ　−Ｐ　Ｉ　Ｎホトダイオードの暗電流
について調べたところ、ホトダイオードの温度が一定の
とき、逆バイアス電圧が０．５Ｖ以上では暗電流はほぼ
一定であり、逆バイアス電圧が１．０〜１０．０　ｍＶ
の範囲では暗電流は微小であり感度の変化もほぼ無視で
きることがわかった。従って第４図では入射光パワーが
約４００μＷまでは逆バイアス電圧ＶＤを０．０〜３．
０ｍＷとし、ホトダイオード（１）の光検出電流の飽和
にもとすいて直線性が悪化する入射光パワーが６００μ
Ｗを越える前後から逆バイアス電圧ＶＤを例えば５４０
μＷのとき１１ｍＶ、　６３０　μＷのとき２０ｍＶ、
１ｍＷのとき７１　ｍＶ。

２ｍＷのとき１５５ｍＶというように深くかける。

このため逆バイアス電圧に起因する暗電流は可能な限り
軽減されている。

上述から明らかな如く本実施例には次の効果がある。

（ａ）　入射光パワーの低い領域では逆バイアス電圧を
零又は微小に保っているので、暗電流による測定精度の
低下及び直線性の低下が実質的になくなり、最小測定レ
ベルを改善することが出来る。

即ち、微小光パワーの測定が可能になり、ダイナミック
レンジが拡大する。

（ｂ）　入射光パワーの高い領域即ち逆バイアス電圧を
加えない場合に光検出電流が飽和するような領域では入
射光パワーの増大に応じて逆バイアス電圧が高くなるよ
うに、ホトダイオードｆ、１１に逆バイアス電圧が印加
されるので、最大測定レベルを高めること及び入射光パ
ワーと光検出電圧との直線性を改善することが出来る。

従って、極めて微小な光パワーから数ｍＷ以上にわたる
広い範囲の光パワーの測定を行うことが出来る。

（Ｃ）　逆バイアス用演算増幅器（６）の出力電圧Ｖ１
を整流ダイオード（８）の順方向特性を利用して制御す
るように構成されているので、暗電流を可能な限り軽減
するような逆バイアス用電圧を容易に発生させることが
出来る。

変形例 本発明は上述の実施例に限定されるものでなく、例えば
次のような種々の変形例を含むものである。

（４）第５図に示す如く演算増幅器（６）の非反転入力
端子なホトダイオードｉｌ＋のアノードに直結しても、
第４図と同様の効果が得られる。

Φ）第４図、第５図においてホトダイオード（１）のア
ノードとカソードを図と逆に接続してもよい。

但し、この場合には電圧Ｖｏ　、　Ｖｌも逆極性となる
ので、ダイオード（８）も逆に接続する。

（Ｑ　ダイオード（８）の代りに、別の非直線素子を接
続してもよい。またダイオード（８）と抵抗又は別の非
直線素子との組み合せによってホトダイオード（１）の
特性に適合する逆バイアス電圧を発生させるようにして
もよい。また、低光パワー領域から高光パワー領域の全
部で光検出電流の増大に追従して逆バイアス用電圧を増
大させる場合には、ダイオード（８）を省いてもよい。

０　ホトダイオードｉｌｌの光検出電流工０が太き（な
って演算増幅器（６）の飽和が悪影響を及ぼす場合には
第６図のように一対のトランジスタＱｌ、　Ｑ２、一対
のダイオードＤ１、Ｄ２、一対の抵抗Ｒ１１、Ｒ１２か
ら成るコンプリメンクリ−エミッタホロワの出力回路を
付加してもよい。

■　Ｇｅホトダイオード以外のＳｉホトダイオード、Ｉ
ｎＰホトダイオード等を使用する場合にも適用可能であ
る。

（ト）逆バイアス用電圧発生回路（５）を第７図に示す
如く、トランジスタＱ３　と、そのペース駆動回路（９
）とから成る電圧レギュレータで構成し、この入力端子
を正電源Ｖ＋に接続し、この出力端子なホトダイオード
（１）のカソードに接続し、演算増幅器（４）の出力端
子にベース駆動回路を接続してもよい。この場合には、
光検出電圧■０の増大によってトランジスタＱ３の出力
電圧ｖ１が増大するように制御する。ホトダイオード（
１）の両端に加わる逆バイアス電圧ＶＤは、ＶＤ　：　
Ｖｌ　−ＶＲであり２、ＶｌはＶＲに基づいて制御され
るので、逆バイアス電圧ＶＤを一定に保つことが出来る
。即ち、抵抗ＲＬによる電圧降下を逆バイアス用電圧発
生回路（５）で補償するような動作となる。この回路は
抵抗ＲＬに２０〜２００Ωのような比較的小さい抵抗を
用いて比較的大きな光パワー（例えば１ｍＷ〜２００ｍ
Ｗ）を測定する場合に有効な回路である。この第７図で
はホトダイオード（１）に低入射光領域でも暗電流が流
れるが、高入射光領域よりも多く流れることはない。

従って、第３図の固定バイアス方式に比較し、高い精度
、広いダイナミックレンジを得ることが出来る。第７図
と同様な逆バイアス用電圧を得るために、第８図に示す
如く構成してもよい。この逆バイアス用電圧発生回路（
５）はＶ＋電源と■−電源との間に接続したＦ　Ｅ　Ｔ
　ＱＯＩと抵抗（１１）とから成る。ＦＥＴ（ｌαの制
御ゲートは負荷抵抗ＲＬの一端に接続されているので、
負荷両端電圧ＶＬに対応した導通状態になり、ソースに
電圧ＶＬに対応した逆バイアス用電圧Ｖｌを得ることが
出来る。この結果、ホトダイオード（１）の両端にはＶ
ｌ　−ＶＬで決まる略一定の逆バイアス電圧が印加され
る。このように入射光パワーの変動にも拘らず、ホトダ
イオード（１）に一定の逆バイアス電圧を印加する方式
は、第９図に示す回路によっても達成し得る。この回路
では演算増幅器（４）の出力端子とホトダイオードｆｉ
＋のカソードとの間に一定の電圧源Ｅが接続されている
ので、ホトダイオード（１）の両端の電圧ＶＤは、Ｖｏ
　＝　Ｅ　＋Ｖ。

−ＶＬとなり、Ｖｏ　＝　ｖＬ　になるように演算増幅
器（４）の利得Ｇを１に設定すれば、逆バイアス電圧Ｖ
Ｄは常に一定電圧Ｅになる。

■〕　光検出用ホトダイオード（１）と実質的に特性が
同一の制御用ホトダイオードを設け、このホトダイオー
ドに光検出用ホトダイオードｆｉ＋と同一の光を与え、
この制御用ホトダイオードの電流に基づいて逆バイアス
用電圧■１を発生させてもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の光検出回路を示す回路図、第２図はホト
ダイオードに負荷を接続した場合の等価回路図、第３図
は従来の逆バイアス印加方式の光検出回路を示す回路図
、第４図は本発明の実施例に係わる光検出回路を示す回
路図、第５図、第６図、第７図、第８図及び第９図は変
形例の光検出回路を示す回路図である。 ｌｉｔ・・・ホトダイオード、（４）・・・演算増幅器
、（５）・・・逆バイアス用電圧発生回路、（６）・・
・逆バイアス用演算増幅器、（８）・・・ダイオード、
ＲＬ・・・負荷抵抗。 代理人　高野則次 第４図 第５図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １１１　入射光のパワーに対応した電流を発生するホト
   ダイオードと、 前記ホトダイオードの一端と接地レベル又は一定電圧レ
   ベルを与える共通電位付与手段との間に接続された電流
   検出用抵抗と、 前記ホトダイオードと前記電流検出用抵抗との間に接続
   された増幅器と、 前記入射光のパワーの小さい領域で零又は微小の逆バイ
   アス用出力電圧を発生し前記入射光のパワーの大きい領
   域で大きな逆バイアス用出力電圧を発生するように形成
   され且つその出力端子が前記ホトダイオードの他端に接
   続されている逆バイアス用電圧発生回路と から成る光検出回路。 （２）前記逆バイアス用電圧発生回路は前記増幅器の出
   力電圧に対応した逆バイアス用電圧を発生する回路であ
   る特許請求の範囲第１項記載の光検出回路。 １３）前記逆バイアス用電圧発生回路は前記電流検出用
   抵抗の電圧に応答して逆バイアス用電圧を発生する回路
   である特許請求の範囲第１項記載の光検出回路。 （４）前記逆バイアス用電圧発生回路は、逆バイアス電
   圧を印加しない状態で前記ホトダイオードの光検出電流
   が飽和する領域では前記入射光のパワーに対応した逆バ
   イアス用電圧を発生し、前記飽和する領域よりも低い電
   流領域では零又はほぼ一定の微小逆バイアス用電圧を発
   生する回路である特許請求の範囲第１項記載の光検出回
   路。 （５）前記逆バイアス用電圧発生回路は、前記ホトダイ
   オードの両端の逆バイアス電圧が前記入射光のパワーの
   変化に拘らずほぼ一定に保たれるような電圧を発生する
   回路である特許請求の範囲第１項記載の光検出回路。