JP5291144B2

JP5291144B2 - 光受信回路

Info

Publication number: JP5291144B2
Application number: JP2011110491A
Authority: JP
Inventors: 俊英吉松; 好史村本; 聡児玉
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2011-05-17
Filing date: 2011-05-17
Publication date: 2013-09-18
Anticipated expiration: 2031-05-17
Also published as: JP2012244293A

Description

本発明は、高速な光信号を電気信号に変換する光受信回路に関するものである。

光伝送システムに求められる伝送速度は年々増加しており、高速な光信号を電気信号に変換する広帯域光受信器の動作帯域向上に対する要求はますます高まっている。
広帯域光受信器は、光入力ポートと電気出力ポートを有している。光入力ポートに入射した光信号は、受光素子で電気信号に変換され、電気配線を通じて電気出力ポートに導かれる。また、受光素子と電気出力ポートとの間には、ＤＣ電流を阻止するためのＤＣブロックコンデンサやＲＦコネクタなどの受動電気部品や、電流信号を電圧信号に変換して増幅するトランスインピーダンスアンプなどの能動電気部品が用いられることもある。

広帯域光受信器の動作帯域は、上記の受動電気部品や能動電気部品の周波数特性にも依存するが、受光素子及びその周辺回路からなる光受信回路の周波数特性に負うところが大きい。光受信回路を広帯域化するためのひとつの手段として、受光素子の直近にインダクタンス素子を配置して、インダクタンス最適化を行う方法が知られている（非特許文献１参照）。

インダクタンス最適化による光受信回路の広帯域化について図５（Ａ）〜図５（Ｄ）と図６を用いて説明する。図５（Ａ）〜図５（Ｄ）は４種類の光受信回路の回路図であり、図６は図５の４種類の光受信回路から得られる周波数特性の計算例を示す図である。図６の横軸は周波数、縦軸は入力光パワーと出力電気パワーとの比であるＯ／Ｅ応答である。図６における６０は図５（Ａ）、図５（Ｂ）に示す回路Ａ，Ｂの周波数特性、６１は図５（Ｃ）に示す回路Ｃの周波数特性、６２は図５（Ｄ）に示す回路Ｄの周波数特性である。

図５（Ａ）に示す回路Ａは、フォトダイオード等の受光素子１００と負荷抵抗１０１とからなる光受信回路である。図５（Ｂ）に示す回路Ｂは、受光素子１００と負荷抵抗１０１との間に、負荷抵抗１０１の抵抗値Ｒ_Lと等しい特性インピーダンスＺ₀をもつ電気線路１０２を挿入した光受信回路である。図５（Ｃ）に示す回路Ｃは、受光素子１００と負荷抵抗１０１との間にインダクタンス素子１０３を挿入した光受信回路である。図５（Ｄ）に示す回路Ｄは、受光素子１００と負荷抵抗１０１との間に、負荷抵抗１０１の抵抗値Ｒ_Lと等しい特性インピーダンスＺ₀をもつ電気線路１０２とインダクタンス素子１０３とを挿入した光受信回路である。ここでは簡単のために、負荷抵抗１０１の抵抗値Ｒ_L＝５０Ωとし、回路Ａ〜Ｄにおける受光素子１００には、Ｒ_L＝５０Ωの時に２５ＧＨｚの３ｄＢ帯域が得られるモデルを用いた。また、回路Ｂ，Ｄにおける電気線路１０２の電気長は１．５ｍｍとした。

回路Ａはもっとも基本的な光受信回路であり、図６から分かるように２５ＧＨｚの３ｄＢ帯域が得られている。また、回路Ｂは、電気線路１０２の特性インピーダンスＺ₀が負荷抵抗１０１と整合しているため、回路Ａと同じ周波数特性が得られている。回路Ｃは、インダクタンス最適化を行った光受信回路であり、図６から明らかなようにインダクタンス最適化による広帯域化の効果が現れている。
インダクタンス素子１０３としては、電気部品間の接続に用いるボンディングワイヤをそのまま用いることができる。この場合、インダクタンス値はワイヤ長に比例するため、所望のインダクタンス値となるようワイヤ長を調整する必要がある。以上のようにして、インダクタンス最適化により光受信回路の広帯域化を図ることができる。

一方、回路Ｄは、回路Ｂの電気線路１０２と負荷抵抗１０１との間にインダクタンス素子１０３を挿入してインダクタンス最適化を行った光受信回路である。回路Ｄの周波数特性の計算結果からは、光受信回路の広帯域化の効果をほとんど見て取ることができない。この結果は、受光素子の十分直近にインダクタンス素子１０３を配置しないと、広帯域化の効果が得られないことを意味している。なお、直近とみなせるおよその目安は、集中定数範囲として考えられるλ／２０程度であり（λは信号の波長）、例えば３０ＧＨｚ級の広帯域受光回路の場合には受光素子から電気長で０．５ｍｍ以内にインダクタンス素子１０３を配置する必要がある。

このように、従来の技術を用いて光受信回路の広帯域化を図る場合、受光素子の直近にインダクタンス素子を配置しなければならない。そのため、光入射位置と電気出力位置とを近接させなければならず、レイアウト上の制約があった。
また、複数の受光素子からなる受光素子アレイのように、複数の受光素子からの電気信号を電気線路で引き出す必要がある場合が存在する（特許文献１参照）。このような場合に、従来の技術を用いて光受信回路の広帯域化を図ることは困難であった。

特開２０１１−６６２６８号公報

加藤和利ほか，「インダクタンス最適化による超広帯域ｐｉｎフォトダイオードの広帯域化」，第４０回応用物理学関係連合講演会予稿３１ｐ−Ａ−６，１９９３

以上のように、従来の技術を用いて光受信回路の広帯域化を図る場合、受光素子の直近にインダクタンス素子を配置しなければならないという問題点があった。そのため、光入射位置と電気出力位置とを近接させなければならず、レイアウト上の制約が生じるという問題点があった。
また、複数の受光素子からの電気信号を電気線路で引き出す必要がある場合、光受信回路の広帯域化を図ることが困難であるという問題点があった。
また、インダクタンス素子としてボンディングワイヤを用いる場合、インダクタンス値がワイヤ長に依存するため、光受信回路の所望の周波数特性を得るために実装時のワイヤ長を正確に制御しなければならないという問題点があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、受光素子の直近にインダクタンス素子を配置することなしに光受信回路を広帯域化することを目的とする。

本発明の光受信回路は、光信号を電気信号に変換する受光素子と、この受光素子の一端と出力端子との間を接続する電気線路とを備え、この電気線路の特性インピーダンスは、前記出力端子に接続される負荷抵抗の抵抗値よりも高いことを特徴とするものである。
また、本発明の光受信回路の１構成例において、前記電気線路は、前記受光素子の一端と出力端子との間に直列に設けられた複数の電気線路からなり、これら複数の電気線路のうち、少なくとも１つの電気線路の特性インピーダンスが前記負荷抵抗の抵抗値よりも高いことを特徴とするものである。

本発明によれば、受光素子の一端と出力端子との間を接続する電気線路の特性インピーダンスを、出力端子に接続される負荷抵抗の抵抗値よりも高くするか、あるいは受光素子の他端と接地との間を接続する第２の電気線路の特性インピーダンスを、負荷抵抗の抵抗値よりも高くすることにより、受光素子の直近にインダクタンス素子を配置することなしに光受信回路を広帯域化することができる。本発明では、光入射位置と出力端子の位置のレイアウトの自由度を向上させることができ、また受光素子からの電気信号を電気線路で引き出す必要がある場合にも広帯域化が可能になる、という効果がある。また、本発明では、ボンディング時のワイヤ長を調整する必要がなくなり、ワイヤ長が最短となるように実装すればよくなるため、実装による周波数特性のばらつきが低減して安定化する、という効果がある。

本発明の実施の形態に係る光受信回路の構成例を示す図である。本発明の実施の形態に係る光受信回路の実装例を示す断面図である。本発明の実施の形態に係る光受信回路の回路図である。本発明の実施の形態に係る光受信回路と従来の光受信回路の周波数特性例を示す図である。従来の光受信回路の回路例を示す図である。従来の光受信回路の周波数特性例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態の詳細を図面を用いて説明する。図１は本発明の実施の形態に係る光受信回路の構成例を示す図、図２は図１の光受信回路の実装例を示す断面図である。光受信回路は、ＰＤチップ１と、サブマウント２とからなる。ＰＤチップ１は、フォトダイオード等の受光素子３と、第１の端子が受光素子３のアノードに接続された電気線路４と、受光素子３のカソードを交流的に接地すると共に、カソードに直流バイアスを印加するバイアス分離回路５とを有する。図２に示すように、ＰＤチップ１は表面を下にしてサブマウント２上にフリップチップ実装されており、ＰＤチップ１の裏面から受光素子３に光が入射するようになっている。ＰＤチップ１の表面には、サブマウント２と電気的に接続するための端子８が形成されている。

サブマウント２は、ＰＤチップ１を搭載するための部材であるが、回路基板としても利用することが可能である。サブマウント２上には、ＰＤチップ１の端子８と接続されるボンディングパッド９が形成されている。さらに、サブマウント２上には、第１の端子がＰＤチップ１の端子８とボンディングパッド９を介して電気線路４の第２の端子に接続され、第２の端子が光受信回路の出力端子１０に接続された電気線路６が形成されている。出力端子１０には、負荷抵抗７が接続される。受光素子３のカソードには、サブマウント２上に形成されたバイアス印加端子１１からボンディングパッド９とＰＤチップ１の端子８とバイアス分離回路５とを介して直流バイアスが印加される。
本実施の形態は、電気線路４，６の特性インピーダンスをＺ₀、負荷抵抗７の値をＲ_Lとしたときに、Ｚ₀＞Ｒ_Lとなる電気線路４，６を用いることを特徴とする。

図３は本実施の形態の光受信回路の回路図であり、図４は本実施の形態の光受信回路と図５（Ａ）、図５（Ｂ）に示した回路Ａ，Ｂから得られる周波数特性の計算例を示す図である。なお、図３では、負荷抵抗７を含めて光受信回路として記載している。また、図３は、交流の等価回路図を示している。図４の横軸は周波数、縦軸はＯ／Ｅ応答である。図４における６０は図５（Ａ）、図５（Ｂ）に示す回路Ａ，Ｂの周波数特性、６３は本実施の形態の光受信回路の周波数特性である。ここでは簡単のために、負荷抵抗７，１０１の抵抗値Ｒ_L＝５０Ωとし、受光素子３，１００には、Ｒ_L＝５０Ωの時に２５ＧＨｚの３ｄＢ帯域が得られるモデルを用いた。また、電気線路４，６，１０２の電気長は全て１．５ｍｍとした。

図４から明らかなように、本実施の形態によれば、受光素子３の直近にインダクタンス素子を配置することなしに光受信回路を広帯域化することが可能であり、λ／２０（λは信号の波長）を超える電気長を持つ電気線路を用いても広帯域受光回路を実現できることが分かる。

なお、本実施の形態では、受光素子３と負荷抵抗７との間に存在する全ての電気線路の特性インピーダンスＺ₀が、Ｚ₀＞Ｒ_Lを満たすものとして説明したが、受光素子３のアノードと負荷抵抗７との間に複数の電気線路が直列に接続されている場合には、少なくとも１つの電気線路の特性インピーダンスＺ₀が、Ｚ₀＞Ｒ_Lを満たすものとしても良い。

また、本実施の形態では、受光素子３の他端にバイアス分離回路５を接続したが、バイアス分離回路５をＰＤチップ１の外部に設置して電気線路で受光素子３と接続してもよく、この受光素子３とバイアス分離回路５との間の電気線路の特性インピーダンスＺ₀が、Ｚ₀＞Ｒ_Lを満たすようにしてもよい。バイアス分離回路５は、受光素子３のカソードと接地との間を交流的に接続するものである。したがって、図３に示す受光素子３のカソードと接地との間に、電気線路を設け、この電気線路の特性インピーダンスＺ₀が、Ｚ₀＞Ｒ_Lを満たすようにすればよい。上記と同様に、受光素子３のカソードと接地との間に複数の電気線路が直列に接続されている場合には、少なくとも１つの電気線路の特性インピーダンスＺ₀が、Ｚ₀＞Ｒ_Lを満たすものとしても良い。

本発明は、光受信回路に適用することができる。

１…ＰＤチップ、２…サブマウント、３…受光素子、４，６…電気線路、５…バイアス分離回路、７…負荷抵抗、８…ＰＤチップの端子、９…ボンディングパッド、１０…出力端子、１１…バイアス印加端子。

Claims

光信号を電気信号に変換する受光素子と、
この受光素子の一端と出力端子との間を接続する電気線路とを備え、
この電気線路の特性インピーダンスは、前記出力端子に接続される負荷抵抗の抵抗値よりも高いことを特徴とする光受信回路。
請求項１記載の光受信回路において、
前記電気線路は、前記受光素子の一端と出力端子との間に直列に設けられた複数の電気線路からなり、
これら複数の電気線路のうち、少なくとも１つの電気線路の特性インピーダンスが前記負荷抵抗の抵抗値よりも高いことを特徴とする光受信回路。