JP4295075B2 - 光・電気変換回路および電界検出光学装置 - Google Patents

Description

本発明は、電気光学結晶を通過する単一波長の光の偏光状態が結晶に印加された電圧（電界）によって変化することを利用して微小信号電圧を検出する光・電気変換回路および電界検出光学装置に関する。

従来、受光素子であるフォトダイオードに抵抗器（ディスクリート部品）を接続して光を電気信号に変換する回路（光・電気変換回路）を構成し、必要な出力振幅まで次段の差動増幅器で増幅する技術が開示されている（例えば特許文献１を参照）。

図２５は、このような従来の光・電気変換回路の構成を示す回路図である。同図に示す光・電気変換回路５００は、フォトダイオード３１と、このフォトダイオード３１のカソードに直列に接続され、フォトダイオード３１に逆バイアスを印加する電源６１と、フォトダイオード３１のアノードに接続される負荷抵抗４１とから構成される。

光ファイバ等の光伝送路７１を介して伝送されてくる光がコリメートレンズ２１で集光され、光・電気変換回路５００に入射されると、この光をフォトダイオード３１が受光し、その入射した光の強度に応じた光電流を発生する。この光電流は、負荷抵抗４１の電圧降下として出力される。

図２６は、図２５に示す光・電気変換回路５００を含み、電気光学結晶を通過するレーザ光の偏光状態が結晶に印加された電圧（電界）によって変化することを利用して微小信号電圧を検出する従来の電界検出光学装置の構成を示す回路図である。同図に示す電界検出光学装置Ｅ５１は、レーザダイオード１１で発射されたレーザ光が電気光学素子１４に入射される。レーザ光は、この電気光学素子１４への入射に先立ってコリメートレンズ１２で平行光にされ、第１波長板１３でその偏光状態の調整を受ける。電気光学素子１４に入射したレーザ光は、信号源１７からの交流信号電圧によって電極１５〜１６間に生じる電界に起因してその偏光状態が変化する。

このレーザ光の偏光状態の変化は、電気光学素子１４を通過した後、第２波長板１８によって調整され、偏光ビームスプリッタ１９に入射される。偏光ビームスプリッタ１９では、レーザ光を二つの直交する直線偏光成分に分光し、その各々を光の強度変化に変換する。その後、各信号成分は、コリメートレンズ２１および２２でそれぞれ集光された後、光・電気変換回路５００−１および５００−２のフォトダイオード３１および３２にそれぞれ供給される。

光・電気変換回路５００−１および５００−２では、図２５で説明したようにフォトダイオード３１および３２において、受光した光の強度に応じた光電流を発生し、この光電流が流れることによって負荷抵抗４１および４２の電圧降下として出力される信号電圧を差動増幅器５１に入力する。

差動増幅器５１では、光・電気変換回路５００−１および５００−２から入力された両信号電圧の差分が求められ、所定の増幅率により増幅される。
特開２００３−１１０３６８号公報

一般に、フォトダイオードを流れる電流は受光する光量で決まり、その端子電圧には依存しないため、Ｓ／Ｎ比を保つためには、一定の値以下に光の入力量を下げることができない。

従来の光・電気変換回路５００では、光量一定という条件の下で低電力化を図るために電源６１の電圧を下げると、フォトダイオード３１の逆バイアスが浅く（小さく）なるため、フォトダイオードの寄生容量（ｐｎ接合容量）８１は増大する。この結果、フォトダイオードの寄生容量８１と負荷抵抗４１の抵抗値で決まる時定数に依存する光・電気変換回路５００の帯域幅が狭くなり、高速信号を検出できなくなるという問題があった。

また、フォトダイオード３１の逆バイアスが浅くならないように、負荷抵抗４１として抵抗値が小さい部品を使用すると、光・電気変換回路５００の出力信号電圧が小さくなってしまうため、次段で増幅率が高い差動増幅器が必要となり、コストがかかるという問題もあった。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、光信号を電気信号に変換する際に、帯域幅が広く、コストのかからない光・電気変換回路および電界検出光学装置を提供することにある。

本発明に係る電界検出光学装置は、単一波長の光が入射される電気光学結晶に電界が印加されるときに前記単一波長の光の偏光状態が変化する電気光学効果を利用して、前記電気光学結晶に印加される電界を検出する電界検出光学装置であって、前記電気光学結晶を通過した前記単一波長の光を二つの直交する直線偏光成分に分光する分光手段と、この分光手段で分光された直線偏光成分の各々を電気信号に変換するフォトダイオードと当該フォトダイオードの出力電流を電圧に変換する負荷抵抗とが一対のトランジスタを用いて構成されるカレントミラー回路を介して結合されて成る第１および第２の光電気変換手段と、この第１および第２の光電気変換手段からそれぞれ出力される電気信号を用いて差動増幅を行う差動増幅手段と、を備え、前記カレントミラー回路を構成する一対のトランジスタは、ｎチャネルＭＯＳＦＥＴ、ｎｐｎ型バイポーラトランジスタのいずれかであり、前記カレントミラー回路を構成する一対のトランジスタのうち少なくともいずれか一方は、前記差動増幅手段に入力される信号成分にアンバランスが生じたときに、自身のチャネル幅またはエミッタ面積を調整して当該アンバランスを解消する調整手段を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、入射される光信号を電気信号に変換するフォトダイオードとこのフォトダイオードの入力電流を電圧に変換する負荷抵抗とが一対のトランジスタを用いて構成されるカレントミラー回路を介して結合されて成ることにより、光信号を電気信号に変換する際に、帯域幅が広く、コストのかからない光・電気変換回路および電界検出光学装置を提供することができる。

以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る光・電気変換回路の回路図である。同図に示す光・電気変換回路１００は、光ファイバ等の光伝送路７１から伝搬されてくる光を受光するフォトダイオード３１、このフォトダイオード３１のアノードに直列に接続されて接地される電界効果型トランジスタであるｎチャネルＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor、以降ｎＭＯＳと記載）１０１、一定電圧を有しフォトダイオード３１に逆バイアスを印加する電源６１を有している。

光・電気変換回路１００は、さらにｎＭＯＳ１０１とカレントミラーを構成するｎＭＯＳ１０２、このｎＭＯＳ１０２に接続される負荷抵抗４１、および負荷抵抗４１に一定の電圧を印加する電源６２を備えている。

カレントミラー回路のより具体的な構成は、フォトダイオード３１に接続されるｎＭＯＳ１０１のドレインとゲートを直結し、さらにこの接続点に負荷抵抗４１に接続されるｎＭＯＳ１０２のゲートを接続する。この場合、ｎＭＯＳ１０１および１０２の動作点は自動的に定電流領域になる。このようなカレントミラーを構成することにより、フォトダイオード３１を流れる電流をコピーして負荷抵抗４１に供給する。

なお、本実施形態においては、ｎＭＯＳ１０１および１０２のドレイン・ソース間容量、ドレイン・ゲート間容量、ドレイン・基板間容量等の寄生容量は、フォトダイオード３１の寄生容量よりも小さい。

フォトダイオード３１は、偏光ビームスプリッタ１９で光伝送路７１を介して伝送され、コリメートレンズ２１で集光される光を受光すると、その光の強度に応じた光電流を発生する。この光電流は、カレントミラーの働きによりコピーされて負荷抵抗４１に供給される。そして、この負荷抵抗４１に発生する電圧降下として電圧に変換されて差動増幅器５１に出力される。

ｎＭＯＳ１０１と１０２がカレントミラー回路として機能する最低ドレイン・ソース間電圧Ｖ_DSは、ｎＭＯＳのしきい値電圧Ｖ_thであるので、フォトダイオード３１および負荷抵抗４１のバイアス電圧（各々の端子電圧）をＶ_bとするとき、電源６１および６２の出力電圧を（Ｖ_b＋Ｖ_th）まで低下させることが可能である。

この結果、電源電圧が低い場合においても、レーザ光の強度一定の条件のもとで差動増幅を行う差動増幅器５１（差動増幅手段）に出力される出力信号電圧の低下を抑えることができる。

ちなみに、カレントミラー回路の電圧ドロップＶ_DSが、フォトダイオード３１や負荷抵抗４１のバイアス電圧Ｖ_bよりも小さくなるようにカレントミラー回路の回路定数を設計することは勿論可能である。

図５は、以上説明した光・電気変換回路１００を用いて構成される電界検出光学装置の回路構成を示す回路図である。同図に示す電界検出光学装置Ｅ１１は、レーザ光と電気光学素子を用いた電気光学的手法によって電界を検出する。

レーザ光を発生するレーザ光源は、レーザダイオード１１から構成される。

これに対して、電気光学素子１４は、角柱形状をなす電気光学結晶（ＥＯ結晶：Electro Optic結晶）から成る。電気光学素子１４のレーザ光入射方向に平行な二つの側面（図上で上下方向に対向する両側面）には電極１５および１６がそれぞれ設けられている。このうち、電極１５は信号源１７に接続され、この信号源１７からの交流信号を受信する。そして、受信した信号によって生じる電極１６との電位差に応じた電界を電気光学素子１４内部のレーザ光入射方向と直行する方向に誘起する。なお、図１では電極１６が接地されているが、必ずしも電極１６を接地する必要はない。

レーザダイオード１１から出力されるレーザ光は、コリメートレンズ１２を介して平行光にされる。平行光となったレーザ光は、第１波長板１３で偏光状態が調整されて電気光学素子１４に入射する。

電気光学素子１４に入射したレーザ光は、電極１５〜１６間に生じる電界によって偏光状態が変化する。これは、電気光学素子１４を構成する電気光学結晶が、印加される電界によって自身の光学特性である複屈折率が変化し、この複屈折率の変化によって入射したレーザ光の偏光状態を変化させるからである（電気光学効果）。このような電気光学結晶としては、レーザ光の進行方向に対して垂直な方向の電界成分のみに感度を有するものや、印加される電界に応じて結晶自体の歪みを生じる逆圧電効果を有するものを用いることができる。これらのいずれかの性質を備えた電気光学結晶の例として、ＬｉＮｂＯ₃ やＬｉＴａＯ₃ を挙げることができる。

電気光学素子１４を通過して偏光状態が変化したレーザ光は、第２波長板１８で偏光状態が調整されて偏光ビームスプリッタ１９に入射される。

分光手段である偏光ビームスプリッタ１９では、第２波長板１８から入射されたレーザ光を互いに直交する二つの直線偏光成分、すなわちＰ波成分とＳ波成分に分光して光の強度変化に変換する。

偏光ビームスプリッタ１９において分光されたＰ波成分とＳ波成分は、コリメートレンズ２１および２２でそれぞれ集光され、上述した光・電気変換回路１００と同じ構成を有する光・電気変換回路１００−１および１００−２のフォトダイオード３１および３２に供給される。

これ以降の光・電気変換回路１００−１および１００−２内部の作用は、上述した光・電気変換回路１００の作用と同じである。

差動増幅器５１では、光・電気変換回路１００−１および１００−２から出力される信号電圧の差分を取り、その値を所定の増幅率で増幅する。

なお、本実施形態では、レーザダイオード１１から出力されるレーザ光を用いているが、レーザ光以外にも単一波長光を発生するものであれば何でもよく、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）から出力される光でもよい。この点は、本発明の全ての実施形態に共通する事項である。

また、電気光学素子１４の形状は角柱であれば好ましいが、それ以外にも円柱等の形状であっても構わない。この点についても、本発明の全ての実施形態に共通である。

以上説明した電界検出光学装置Ｅ１１は、生体に装着可能なウェアラブルコンピュータを用いたデータ通信時に使用されるトランシーバに適用することも可能である。ウェアラブルコンピュータ間のデータ通信は、コンピュータにトランシーバを接続し、このトランシーバが誘起する電界を、電界伝達媒体である生体の表面もしくは内部を伝達させることにより行われる。

図２３は、このようなウェアラブルコンピュータ間のデータ通信に使用されるトランシーバの構成を示すブロック図である。同図に示すトランシーバ３は、ウェアラブルコンピュータ１に接続され、このトランシーバ３が誘起する電界を、電界伝達媒体である生体５の表面もしくは内部を伝達することによってデータの送受信を行う。

より具体的なトランシーバ３の構成を説明する。トランシーバ３は、ウェアラブルコンピュータ１から送信されるデータ（情報）を出力するとともに受信した信号を受け取ってウェアラブルコンピュータ１へ出力するＩ／Ｏ回路３３１、データを送信する送信回路３３２、電界伝達媒体である生体５に電界を誘起するために導電性部材から成る送受信電極３３３、生体５に電流が流れるのを防止するとともに送受信電極３３３による生体５の金属アレルギの危険性を除去するために送受信電極３３３と生体５の間に配置される絶縁体３３４を有する。

また、トランシーバ３は、生体５に誘起された電界を受信してこの電界を光学的に検出した後、電気信号に変換する電界検出光学部３３５、この電界検出光学部３３５から出力される信号に対して低雑音増幅、雑音除去、および波形整形等の信号処理を施す信号処理回路３３６、受信する信号の波形整形を行ってＩ／Ｏ回路３３１へ出力する波形整形回路３３７を有している。なお、送受信電極３３３の代わりに送信用電極と受信用電極を分割して設けることも可能である。この場合には、絶縁体もそれぞれの電極に対応して二つ設けられる。

トランシーバ３と生体５を介して伝達されてくる電界を別のトランシーバ３が受信する際には、絶縁体３３４を介して送受信電極３３３で受信した電界を電界検出光学部３３５で電気信号に変換し、信号処理回路３３６に供給する。信号処理回路３３６は、電界検出光学部３３５からの電気信号に対してフィルタリングや増幅等の信号処理を施す。信号処理の後、さらにデータの波形整形が波形整形回路３３７で行われ、これら一連の処理が施された信号がウェアラブルコンピュータ１の受信データとしてＩ／Ｏ回路３３１からウェアラブルコンピュータ１に送信される。

このようにウェアラブルコンピュータ１間のデータ通信に使用されるトランシーバ３は、送信すべき情報に基づく電界を電界伝達媒体である生体５に誘起し、この誘起した電界を用いて情報の送信を行う一方で、情報を受信する際には、生体５に誘起された電界を用いてトランシーバ３が信号を受信する。

図２４は、ウェアラブルコンピュータ１を生体５の例である人間に装着して使用する場合の例を示す説明図である。同図に示すウェアラブルコンピュータ１−１、１−２、および１−３は、それぞれ対応して接続されるトランシーバ３−１、３−２、および３−３を介して人間の腕、肩、胴体などに装着されて互いにデータの送受信を行う。さらに、生体５の手足の先端が、外部機器である外部端末７にケーブル９を介して接続されるトランシーバ３'−１や３'−２に接触する場合には、ウェアラブルコンピュータ１−１、１−２、および１−３と外部端末７との間でデータの送受信を行うことができる。

このようなトランシーバ３の電界検出光学部３３５として本実施形態の電界検出光学装置Ｅ１１を適用する場合、信号源１７が送受信電極３３３に対応する（送受信電極を送信電極と受信電極に分ける場合には、受信電極の方に対応）。そして、生体５に誘起された信号電圧は、送受信電極３３３を介して電極１５に伝達される。電極１５〜１６間に印加された電圧は、レーザ光の入射方向と直交する方向に電界を誘起する。

ウェアラブルコンピュータ１間のデータ通信は、生体５を伝達する微小な電界によって生じる微小信号電圧を高精度で検出することが重要であり、この意味で本実施形態の電界検出光学装置Ｅ１１をトランシーバ３の電界検出光学部３３５に適用すれば大きな効果を得ることができる。

以上説明した本発明の第１の実施形態によれば、入射される光信号を電気信号に変換するフォトダイオードとこのフォトダイオードの入力電流を電圧に変換する負荷抵抗とが一対のトランジスタを用いて構成されるカレントミラー回路を介して結合されて成ることにより、光信号を電気信号に変換する際に、フォトダイオードと負荷抵抗のバイアスを浅くすることなく、電源電圧を低下させることが可能となる。

この結果、帯域幅を狭くすることなく、低消費電力化を図ることが可能となる。

また、本実施形態によれば、次段の差動増幅器として、増幅率の低い安価な回路を適用することができ、コストも低く抑えられる。

なお、本実施形態の光・電気変換回路をＬＳＩ（Large Scale Integration）化する場合には、負荷抵抗をトランジスタから構成されるアクティブロードで代用することができる。この点は、本発明の全ての実施形態に共通する事項である。ここで、アクティブロードを構成するトランジスタの寄生容量がフォトダイオードの寄生容量よりも小さくなるように設計することは勿論可能である。

（第１の実施形態の変形例）
ところで、本実施形態に係る光・電気変換回路および電界検出光学装置は、カレントミラーの構成を適宜変更することができる。以下、本実施形態の変形例について説明する。

一般に、電界検出光学装置のレーザダイオード１１で発生されるレーザ光には、レーザダイオード１１自身や電源から発生する雑音が混入している。これらの雑音は、偏光ビームスプリッタ１９で分離された後も同相かつ同レベルであるため、二つの光・電気変換回路から構成されるバランス受光では、差動増幅器５１に入力される前に除去されるので、問題にはならない。

これに対して、偏光ビームスプリッタ１９の分光比が１：１でない場合や、フォトダイオード３１と３２の間で光−電流変換率にアンバランスがある場合などにおいては、入力信号成分に無視できないアンバランスを生じる恐れがある。この結果、差動増幅器５１から出力される信号にはＤＣオフセットが生じてしまう。

図６は、本実施形態の変形例１に係る光・電気変換回路および電界検出光学装置の構成を示す回路図である。同図に示す電界検出光学装置Ｅ１２は、上記の如く差動増幅器５１に入力される信号成分にアンバランスが生じたときに、このアンバランスを解消することのできる機構を光・電気変換回路に追加したものである。

具体的には、図５における光・電気変換回路１００−２の負荷抵抗４２を抵抗値が可変な負荷抵抗４３で置き換えて光・電気変換回路１００−３を構成することにより、二つのフォトダイオード３１および３２から出力される光信号のアンバランスを解消する。

図１７（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）は、それぞれ負荷抵抗４３の構成例を示す回路図である。これらの図において、ＲＲ１、ＲＲ２は、それぞれ端子を表している。これらの図に示すように、負荷抵抗４３は、負荷抵抗４１とスイッチＳＷを直列または並列に接続したものを、更に梯子状に適宜接続して構成することができる。なお、図１７はあくまでも構成例であり、負荷抵抗４１とスイッチＳＷの数は適宜変更することができる。

また、各図において負荷抵抗４３を構成するスイッチＳＷは、例えば図２２（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ），（ｅ）にそれぞれ示すように、（ａ）ｎＭＯＳ、（ｂ）ｐチャネルＭＯＳＦＥＴ（以降、ｐＭＯＳと記載）、（ｃ）、ｎＭＯＳとｐＭＯＳを並列に接続したもの、（ｄ）ｎｐｎ型バイポーラトランジスタ（以降、ｎｐｎトランジスタと記載）、（ｅ）ｐｎｐ型バイポーラトランジスタ（以降、ｐｎｐトランジスタと記載）を用いて構成される。なお、これらの図において、Ｔ１およびＴ２はスイッチの入出力端子を、ＴＧ１およびＴＧ２はスイッチの開閉制御端子をそれぞれ意味している。

このような構成を有するスイッチＳＷでｏｎ／ｏｆｆを切り替え、負荷抵抗４３の抵抗値を変化させることにより、フォトダイオード３１および３２からそれぞれ出力される信号成分のアンバランスを解消することが可能となる。

なお、以上説明した光・電気変換回路１００−３の構成以外は、図１を参照して説明した電界検出光学装置Ｅ１１と同じである。この点は、以下で説明する本実施形態の変形例についても同様である。

ところで、図６では、図５の光・電気変換回路１００−２の負荷抵抗４２を負荷抵抗４３に替えた場合を図示しているが、これとは反対に光・電気変換回路１００−１の負荷抵抗４１を負荷抵抗４３に替えても、二つの負荷抵抗４１および４２の両方を負荷抵抗４３に替えても同様の効果を得ることができる。

図７は、本実施形態の変形例２に係る電界検出光学装置の構成を示す回路図である。同図に示す電界検出光学装置Ｅ１３が電界検出光学装置Ｅ１１と異なる点は、光・電気変換回路１００−２において、ｎＭＯＳ１０４の代わりに、チャネル幅を調整可能な調整手段を備えたｎＭＯＳ１０５を接続した光・電気変換回路１００−４を用いている点である。ちなみに、図７において、Ｄがドレイン、Ｇがゲート、Ｓがソースをそれぞれ意味していることはいうまでもない。この点は他の図面でも共通である。

ｎＭＯＳ１０５は、例えば図１８（ａ）または（ｂ）の回路図に示すように、ｎＭＯＳ１０１のドレインまたはソースとスイッチＳＷの一端子を直列に接続した組を複数用意し、各ｎＭＯＳ１０１のゲート同士およびスイッチＳＷに接続されていないソースまたはドレイン同士、ならびにｎＭＯＳ１０１に接続されていないスイッチＳＷの端子同士をさらに接続することによって構成される。この場合には、各スイッチＳＷの開閉の組み合わせを変えることによって導通抵抗を調整する。

ｎＭＯＳ１０５は、図１８（ｃ）または（ｄ）の回路図に示すように構成することもできる。この場合、ｎＭＯＳ１０１のゲートとスイッチＳＷの一端子を接続した組を複数用意し、各ｎＭＯＳ１０１のドレイン同士およびソース同士、ならびにスイッチＳＷの対応端子同士をさらに接続することによってｎＭＯＳ１０５を構成する。そして、各スイッチＳＷの端子間の接続状態を適宜切り替える（各ｎＭＯＳ１０１のゲートに接続される端子は常に閉成）ことによって導通抵抗を調整する。

なお、並列に接続されるｎＭＯＳ１０１とスイッチＳＷのなす組の数は任意であり、図１８に示す場合が一例に過ぎないのは勿論である。また、ここでもスイッチＳＷは、例えば図２２（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ），（ｅ）のいずれかに示される構成を有する。

以上の構成を有するｎＭＯＳ１０５は、複数のスイッチＳＷの開閉または接続の切り替えによって実質的にｎＭＯＳ１０５のチャネル幅が変更され、結果として導通抵抗を調整することができる。したがって、対をなすｎＭＯＳ１０３とのチャネル幅の比を適宜変更することにより、コピーされる電流の倍率を調整できるので、フォトダイオード３１と３２からそれぞれ出力される信号成分のアンバランスを解消することが可能となる。

この変形例の場合、ｎＭＯＳ１０４をｎＭＯＳ１０５に置き換えているが、他の３つのｎＭＯＳ１０１，１０２、１０３のうちのいずれかをｎＭＯＳ１０５に変えても同じ効果を得ることができる。また、それらのうちの少なくとも一つのｎＭＯＳをｎＭＯＳ１０５に替えても同様の効果を得ることができる。

以上説明した２つの変形例においても、上記第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。特に、二つのフォトダイオードからの出力信号に無視できないアンバランスが生じている場合には、変形例１および２で説明した調整手段を少なくとも一つの負荷抵抗またはｎＭＯＳに具備させておけば、そのアンバランスを解消することができるので更に好ましい。

（第２の実施形態）
図２は、本発明の第２の実施形態に係る光・電気変換回路の構成を示す回路図である。同図に示す光・電気変換回路２００は、第１の実施形態の光・電気変換回路１００においてｎＭＯＳ１０１および１０２を用いる代わりにｎｐｎトランジスタ２０１および２０２を用いている。この点を除く構成は光・電気変換回路１００と同じであり、その作用も同様である。

本実施形態では、フォトダイオード３１に接続されるｎｐｎトランジスタのコレクタとベースを直結し、さらにこの接続点に負荷抵抗４１に接続されるｎｐｎトランジスタ２０２のベースを接続することによってカレントミラー回路を構成する。この場合、ｎｐｎトランジスタ２０１および２０２の動作点は自動的に定電流領域になる。このようなカレントミラーを構成することにより、第１の実施形態と同様に、フォトダイオード３１を流れる電流をコピーして負荷抵抗４１に供給することができる。

なお、本実施形態においては、ｎｐｎトランジスタ２０１および２０２のコレクタ・ベース間容量、コレクタ・基板間容量等の寄生容量は、フォトダイオード３１の寄生容量よりも小さい。

図８は、本実施形態に係る電界検出光学装置の構成を示す回路図である。同図に示す電界検出光学装置Ｅ２１は、光・電気変換回路として上述した光・電気変換回路２００と同様の構成を有する光・電気変換回路２００−１および２００−２を用いている。

なお、電界検出光学装置Ｅ２１においても、レーザ光がレーザダイオード１１から発射され、電気光学素子１４に入射後、偏光ビームスプリッタ１９に到達するまでの構成および作用は、上記第１の実施形態の電界検出光学装置Ｅ１１（図５を参照）と同じなので、ここでは説明を省略する。

偏光ビームスプリッタ１９で二つの直線偏光成分（Ｐ波成分、Ｓ波成分）に分光されたレーザ光は、コリメートレンズ２１および２２でそれぞれ集光された後、フォトダイオード３１および３２に供給される。

以上説明した本発明の第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。

なお、本実施形態の電界検出光学装置がウェアラブルコンピュータ間のデータ通信に使用されるトランシーバ３の電界検出光学部３３５（図２３、２４を参照のこと）に適用可能であることは第１の実施形態と同様である。この点は、後述する実施形態のみならず、本発明の全ての実施形態に共通する事項なので、以下の実施形態においては、重複を避けるためにこの点についての記載を省略する。

ところで、本実施形態においても、フォトダイオード３１および３２からの出力信号にアンバランスが発生したとき、そのアンバランスを解消する機構を光・電気変換回路に追加することができる。

図９は、本実施形態の変形例１として、光・電気変換回路２００−２の負荷抵抗４２を抵抗値が可変な負荷抵抗４３（図１７を参照）に置き換えて光・電気変換回路２００−３を構成した場合の構成を示す回路図である。

このような構成を有する負荷抵抗４３において、スイッチＳＷ（図１７を参照）でｏｎ／ｏｆｆを切り替え、負荷抵抗４３の抵抗値を変化させることにより、フォトダイオード３１および３２からそれぞれ出力される信号成分のアンバランスを解消することが可能となる。

なお、以上説明した光・電気変換回路２００−３の構成以外は、上述した電界検出光学装置Ｅ２１（図８を参照）と同じである。この点は、以下で説明する本実施形態の変形例についても同様である。

ところで、図９では、図８の光・電気変換回路２００−２の負荷抵抗４２を負荷抵抗４３に替えた場合を図示しているが、これとは反対に光・電気変換回路２００−１の負荷抵抗４１を負荷抵抗４３に替えても、二つの負荷抵抗４１および４２の両方を負荷抵抗４３に替えても同様の効果を得ることができる。

図１０は、本実施形態の変形例２に係る電界検出光学装置の構成を示す回路図である。同図に示す電界検出光学装置Ｅ２３が電界検出光学装置Ｅ２１と異なる点は、光・電気変換回路２００−２において、ｎｐｎトランジスタ２０４の代わりに、エミッタ面積を調整可能な調整手段を備えたｎｐｎトランジスタ２０５を接続した光・電気変換回路２００−４を用いている点である。ちなみに、図１０において、Ｃがコレクタ、Ｂがベース、Ｅがエミッタをそれぞれ意味していることはいうまでもない。この点は他の図面でも共通である。

ｎｐｎトランジスタ２０５は、例えば図１９（ａ）または（ｂ）の回路図に示すように、ｎｐｎトランジスタ２０１のコレクタまたはエミッタとスイッチＳＷ（図２２を参照）の一端子を直列に接続した組を複数用意し、各ｎｐｎトランジスタ２０１のベース同士およびスイッチＳＷに接続されていないエミッタまたはコレクタ同士、ならびにｎｐｎトランジスタ２０１に接続されていないスイッチＳＷの端子同士をさらに接続することによって構成される。この場合には、各スイッチＳＷの開閉の組み合わせを変えることによって導通抵抗を調整する。

ｎｐｎトランジスタ２０５は、図１９（ｃ）または（ｄ）の回路図に示すように構成することもできる。この場合、ｎｐｎトランジスタ２０１のベースとスイッチＳＷの一端子を接続した組を複数用意し、各ｎｐｎトランジスタ２０１のコレクタ同士およびエミッタ同士、ならびにスイッチＳＷの対応端子同士をさらに接続することによってｎｐｎトランジスタ２０５を構成する。そして、各スイッチＳＷの端子間の接続状態を適宜切り替える（各ｎｐｎトランジスタ２０１のベースに接続される端子は常に閉成）ことによって導通抵抗を調整する。

なお、図１９において、ｎｐｎトランジスタ２０１とスイッチＳＷのなす組の数は任意であり、図１９に示す場合が一例に過ぎないのは勿論である。

このような構成を有するｎｐｎトランジスタ２０５は、複数のスイッチＳＷの開閉または接続の切り替えによって実質的にｎｐｎトランジスタ２０５のエミッタ面積が変更され、結果として導通抵抗を調整することができる。したがって、対をなすｎｐｎトランジスタ２０３とのエミッタ面積の比を適宜変更することにより、コピーされる電流の倍率を調整できるので、フォトダイオード３１と３２からそれぞれ出力される信号成分のアンバランスを解消することが可能となる。

この変形例２の場合、ｎｐｎトランジスタ２０４をｎｐｎトランジスタ２０５に置き換えているが、他の３つのｎｐｎトランジスタ２０１、２０２、２０３のうちのいずれかをｎｐｎトランジスタ２０５に変えても同じ効果を得ることができる。また、それらのうちの少なくとも一つのｎｐｎトランジスタをｎｐｎトランジスタ２０５に替えても同様の効果を得ることができる。

以上説明した２つの変形例においても、上記第２の実施形態と同様の効果を得ることができる。特に、二つのフォトダイオードからの出力信号にアンバランスが生じている場合には、変形例で説明したように調整手段を負荷抵抗またはｎｐｎトランジスタに具備させておけば、そのアンバランスを解消することができるので更に好ましい。

（第３の実施形態）
図３は、本発明の第３の実施形態に係る光・電気変換回路の構成を示す回路図である。同図に示す光・電気変換回路３００は、光伝送路７１からの光を受光するフォトダイオード３１、このフォトダイオード３１のカソードに直列に接続されるｐＭＯＳ３０１、一定電圧を有しｐＭＯＳ３０１に接続されて逆バイアスを印加する電源６１を有している。フォトダイオード３１のアノードは接地されている。

本実施形態に係る光・電気変換回路３００は、さらにｐＭＯＳ３０１とカレントミラーを構成するｐＭＯＳ３０２、このｐＭＯＳ３０２に接続される負荷抵抗４１、および負荷抵抗４１に一定の電圧を印加する電源６２を備えている。

本実施形態では、フォトダイオード３１に接続されるｐＭＯＳ３０１のドレインとゲートを直結し、さらにこの接続点にｐＭＯＳ３０２のゲートをそれぞれ接続することによってカレントミラー回路を構成する。この場合にも、ｐＭＯＳ３０１および３０２の動作点は自動的に定電流領域になる。このようなカレントミラーを構成することにより、フォトダイオード３１を流れる電流をコピーして負荷抵抗４１に供給することができる。

なお、本実施形態においては、ｐＭＯＳ３０１および３０２のドレイン・ソース間容量、ドレイン・ゲート間容量、ドレイン・基板間容量等の寄生容量は、フォトダイオード３１の寄生容量よりも小さい。

図１１は、本実施形態に係る光・電気変換回路３００を用いて構成される電界検出光学装置の回路構成を示す回路図である。同図に示す電界検出光学装置Ｅ３１は、光・電気変換回路として上述した光・電気変換回路３００と同じ構成を有する光・電気変換回路３００−１および３００−２を適用するが、その他の構成については上記二つの実施形態の電界検出光学装置と同じである。

図１２および図１３は、本実施形態において、二つのフォトダイオード３１および３２の出力信号のアンバランスを解消することのできる機能を追加した電界検出光学装置の構成を示す回路図である。

このうち図１２が、負荷抵抗４２の抵抗値を可変とした場合の構成（変形例１）を示す一方、図１３が、ｐＭＯＳ３０４のチャネル幅を可変とした場合の構成（変形例２）を示している。

変形例１の場合には、負荷抵抗４３（図１７の構成例を参照）を用いて光・電気変換回路３００−３を構成する。この場合にも、負荷抵抗４１および４２のうち少なくとも一方を負荷抵抗４３で置き換えれば同様の効果を得ることができる。

これに対して変形例２の場合、図２０のいずれかの回路図に示すｐＭＯＳ３０５を用いることにより、光・電気変換回路３００−４を構成している（スイッチＳＷの構成例は図２２を参照のこと）。

ここで、ｐＭＯＳ３０５の具体的な構成を説明する。図２０（ａ）または（ｂ）に示す場合、ｐＭＯＳ３０５は、ｐＭＯＳ３０１のソースまたはドレインとスイッチＳＷの一端子を直列に接続した組を複数用意し、各ｐＭＯＳ３０１のゲート同士およびスイッチＳＷに接続されていないドレインまたはソース同士、ならびにｐＭＯＳ３０１に接続されていないスイッチＳＷの端子同士をさらに接続することによって構成される。この場合には、各スイッチＳＷの開閉の組み合わせを変えることによって導通抵抗を調整する。

ｐＭＯＳ３０５は、図２０（ｃ）または（ｄ）の回路図に示すように構成することもできる。この場合、ｐＭＯＳ３０１のゲートとスイッチＳＷの一端子を接続した組を複数用意し、各ｐＭＯＳ３０１のソース同士およびドレイン同士、ならびにスイッチＳＷの対応端子同士をさらに接続することによってｐＭＯＳ３０５を構成する。そして、各スイッチＳＷの端子間の接続状態を適宜切り替える（各ｐＭＯＳ３０１のゲートに接続される端子は常に閉成）ことによって導通抵抗を調整する。

ここでも、図２０において、ｐＭＯＳ３０１とスイッチＳＷのなす組の数は任意であり、図２０に示す場合が一例に過ぎないのは勿論である。

このようなｐＭＯＳ３０５は、複数のスイッチＳＷの開閉または接続の切り替えによって実質的にｐＭＯＳ３０５のチャネル幅が変更され、結果として導通抵抗を調整することができる。したがって、対を成すｐＭＯＳ３０３とのチャネル幅の比を適宜変更することにより、コピーされる電流の倍率を調整できるので、フォトダイオード３１と３２からそれぞれ出力される信号成分のアンバランスを解消することが可能となる。

この変形例２においても、ｐＭＯＳ３０１、３０２、３０３、３０４のうちの少なくともいずれか一つをｐＭＯＳ３０５で置き換えれば同様の効果を得ることができる。

（第４の実施形態）
図４は、本発明の第４の実施形態に係る光・電気変換回路４００の構成を示す回路図である。同図に示す光・電気変換回路４００は、第３の実施形態の光・電気変換回路３００において、ｐＭＯＳ３０１および３０２の代わりに、ｐｎｐトランジスタ４０１および４０２を用いている。この点を除く構成は光・電気変換回路３００と同じであり、その作用も同様である。

本実施形態では、フォトダイオード３１に接続されるｐｎｐトランジスタ４０１のコレクタとベースを直結し、さらにこの接続点に負荷抵抗４１に接続されるｐｎｐトランジスタ４０２のベースを接続することによってカレントミラー回路を構成する。この場合にも、ｐｎｐトランジスタ４０１および４０２の動作点は自動的に定電流領域になる。このようなカレントミラーを構成することにより、フォトダイオード３１を流れる電流をコピーして負荷抵抗４１に供給できるのは、他の実施形態と同様である。

なお、本実施形態においては、ｐｎｐトランジスタ４０１および４０２のコレクタ・ベース間容量、コレクタ・基板間容量等の寄生容量は、フォトダイオード３１の寄生容量よりも小さい。

図１４は、本実施形態に係る電界検出光学装置の構成を示す回路図である。同図に示す電界検出光学装置Ｅ４１は、光・電気変換回路として上述した光・電気変換回路４００と同様の構成を有する光・電気変換回路４００−１および４００−２を用いている。この点を除く電界検出光学装置Ｅ４１の構成は、第３の実施形態の電界検出光学装置Ｅ３１（図１１を参照）と同じである。

本実施形態においても、フォトダイオード３１および３２からの出力信号にアンバランスが発生したとき、そのアンバランスを解消する機構を光・電気変換回路に追加することができる。

図１５に示す電界検出光学装置Ｅ４２が少なくとも一方の負荷抵抗を可変とした場合に対応している（変形例１）。図１５では、負荷抵抗４２を負荷抵抗４３に置き換えているが、上記各実施形態と同様に、負荷抵抗４１および４２の少なくともいずれか一方を負荷抵抗４３に置き換えれば同様の効果を得ることができる。

これに対して、図１６に示す電界検出光学装置Ｅ４３は、ｐｎｐトランジスタ４０４をチャネル幅の調整が可能なｐｎｐトランジスタ４０５に置き換えた場合に対応している（変形例２）。

ｐｎｐトランジスタ４０５は、例えば図２１（ａ）または（ｂ）の回路図に示すように、ｐｎｐトランジスタ４０１のエミッタまたはコレクタとスイッチＳＷ（図２２を参照のこと）の一端子を直列に接続した組を複数用意し、各ｐｎｐトランジスタ４０１のベース同士およびスイッチＳＷに接続されていないコレクタまたはエミッタ同士、ならびにｐｎｐトランジスタ４０１に接続されていないスイッチＳＷの端子同士をさらに接続することによって構成される。この場合には、各スイッチＳＷの開閉の組み合わせを変えることによって導通抵抗を調整する。

ｐｎｐトランジスタ４０５は、図２１（ｃ）または（ｄ）の回路図に示すように構成することもできる。この場合、ｐｎｐトランジスタ４０１のベースとスイッチＳＷの一端子を接続した組を複数用意し、各ｐｎｐトランジスタ４０１のエミッタ同士およびコレクタ同士、ならびにスイッチＳＷの対応端子同士をさらに接続することによってｐｎｐトランジスタ４０５を構成する。そして、各スイッチＳＷの端子間の接続状態を適宜切り替える（各ｐｎｐトランジスタ４０１のベースに接続される端子は常に閉成）ことによって導通抵抗を調整する。

なお、これらがあくまでも一例に過ぎないことはいうまでもなく、例えばｐｎｐトランジスタ４０１とスイッチＳＷのなす組の数は任意である。

このような構成を有するｐｎｐトランジスタ４０５は、複数のスイッチＳＷの開閉または接続の切り替えによって実質的にｐｎｐトランジスタ４０５のエミッタ面積が変更され、結果として導通抵抗を調整することができる。したがって、対をなすｐｎｐトランジスタ４０３とのエミッタ面積の比を適宜変更することにより、コピーされる電流の倍率を調整できるので、フォトダイオード３１と３２からそれぞれ出力される信号成分のアンバランスを解消することが可能となる。

なお、電界検出光学装置を構成するｐｎｐトランジスタ４０１、４０２、４０３、４０４のうち、少なくともいずれか一つをｐｎｐトランジスタ４０５で置き換えても同様の効果を得ることができるのは勿論である。

以上説明した構成を有する電界検出光学装置Ｅ４２およびＥ４３によれば、上記三つの実施形態の変形例と同様に、各光・電気変換回路から出力される信号のアンバランスを解消することが可能となる。

本発明の第１の実施形態に係る光・電気変換回路の構成を示す回路図である。 本発明の第２の実施形態に係る光・電気変換回路の構成を示す回路図である。 本発明の第３の実施形態に係る光・電気変換回路の構成を示す回路図である。 本発明の第４の実施形態に係る光・電気変換回路の構成を示す回路図である。 本発明の第１の実施形態に係る電界検出光学装置の構成を示す回路図である。 本発明の第１の実施形態の変形例１に係る電界検出光学装置の構成を示す回路図である。 本発明の第１の実施形態の変形例２に係る電界検出光学装置の構成を示す回路図である。 本発明の第２の実施形態に係る電界検出光学装置の構成を示す回路図である。 本発明の第２の実施形態の変形例１に係る電界検出光学装置の構成を示す回路図である。 本発明の第２の実施形態の変形例２に係る電界検出光学装置の構成を示す回路図である。 本発明の第３の実施形態に係る電界検出光学装置の構成を示す回路図である。 本発明の第３の実施形態の変形例１に係る電界検出光学装置の構成を示す回路図である。 本発明の第３の実施形態の変形例２に係る電界検出光学装置の構成を示す回路図である。 本発明の第４の実施形態に係る電界検出光学装置の構成を示す回路図である。 本発明の第４の実施形態の変形例１に係る電界検出光学装置の構成を示す回路図である。 本発明の第４の実施形態の変形例２に係る電界検出光学装置の構成を示す回路図である。 可変負荷抵抗の構成例を示す回路図である。 調整手段を備えたｎＭＯＳの構成例を示す回路図である。 調整手段を備えたｎｐｎトランジスタの構成例を示す回路図である。 調整手段を備えたｐＭＯＳの構成例を示す回路図である。 調整手段を備えたｐｎｐトランジスタの構成例を示す回路図である。 スイッチの構成例を示す回路図である。 本発明の適用が想定されるトランシーバの構成を示すブロック図である。 図２３のトランシーバを介してウェアラブルコンピュータを人間に装着して使用するときの例を示す説明図である。 従来の光・電気変換回路の構成を示す回路図である。 従来の電界検出光学装置の構成例を示す回路図である。

符号の説明

１、１−１、１−２、１−３ ウェアラブルコンピュータ
３、３−１、３−２、３−３，３'−１，３'−２，３'−３ トランシーバ
５ 生体
１１ レーザダイオード
１２、２１、２２ コリメートレンズ
１３ 第１波長板
１４ 電気光学素子
１５、１６ 電極
１７ 交流電源
１８ 第２波長板
１９ 偏光ビームスプリッタ
３１、３２ フォトダイオード
４１、４２、４３ 負荷抵抗
５１ 差動増幅器
６１、６２ 電源
７１ 光伝送路（光ファイバ）
１００、２００、３００、４００ 光・電気変換回路
１０１、１０２、１０３、１０４、１０５ ｎＭＯＳ
２０１、２０２、２０３、２０４、２０５ ｎｐｎトランジスタ
３０１、３０２、３０３、３０４、３０５ ｐＭＯＳ
４０１、４０２、４０３、４０４、４０５ ｐｎｐトランジスタ
３３１ Ｉ／Ｏ回路
３３２ 送信回路
３３３ 送受信電極
３３４ 絶縁体
３３５ 電界検出光学部
３３６ 信号処理回路
３３７ 波形整形回路
Ｅｍｎ（ｍ＝１,２,３,４；ｎ＝１,２,３）、Ｅ５１ 電界検出光学装置

Claims (1)

1. 単一波長の光が入射される電気光学結晶に電界が印加されるときに前記単一波長の光の偏光状態が変化する電気光学効果を利用して、前記電気光学結晶に印加される電界を検出する電界検出光学装置であって、
   前記電気光学結晶を通過した前記単一波長の光を二つの直交する直線偏光成分に分光する分光手段と、
   この分光手段で分光された直線偏光成分の各々を電気信号に変換するフォトダイオードと当該フォトダイオードの出力電流を電圧に変換する負荷抵抗とが一対のトランジスタを用いて構成されるカレントミラー回路を介して結合されて成る第１および第２の光電気変換手段と、
   この第１および第２の光電気変換手段からそれぞれ出力される電気信号を用いて差動増幅を行う差動増幅手段と、を備え、
   前記カレントミラー回路を構成する一対のトランジスタは、ｎチャネルＭＯＳＦＥＴ、ｎｐｎ型バイポーラトランジスタのいずれかであり、
   前記カレントミラー回路を構成する一対のトランジスタのうち少なくともいずれか一方は、前記差動増幅手段に入力される信号成分にアンバランスが生じたときに、自身のチャネル幅またはエミッタ面積を調整して当該アンバランスを解消する調整手段
   を備えたことを特徴とする電界検出光学装置。

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