(57)【要約】差動光信号を差動電流信号に変換する機能を有する光受信回路であって、光信号を電流信号に変換する第１及び第２の受光素子を含む受光素子対と、１対の信号線とを有する。第１の受光素子の陽極と前記第２の受光素子の陰極とがそれぞれ交流結合用の第１および第２のキャパシタを介して前記１対の信号線の第１の信号線に接続され、前記第１の受光素子の陰極と前記第２の受光素子の陽極とがそれぞれ交流結合用の第３および第４のキャパシタを介して前記１対の信号線の第２の信号線に接続される。前記第１および第２の受光素子に入力される差動光信号の受信に応答して、前記第１および第２の信号線に差動の信号電流が生成される。
2014156336.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
差動光信号を差動電流信号に変換する機能を有する光受信回路であって、光信号を電流信号に変換する第１及び第２の受光素子を含む受光素子対と、１対の信号線とを有し、前記第１の受光素子の陽極と前記第２の受光素子の陰極とがそれぞれ交流結合用の第１および第２のキャパシタを介して前記１対の信号線の第１の信号線に接続され、前記第１の受光素子の陰極と前記第２の受光素子の陽極とがそれぞれ交流結合用の第３および第４のキャパシタを介して前記１対の信号線の第２の信号線に接続され、前記第１および第２の受光素子に入力される差動光信号の受信に応答して、前記第１および第２の信号線に差動の信号電流が生成されることを特徴とする、光受信回路。
【請求項２】
前記第１のキャパシタ及び前記第２のキャパシタは積層方向に三つの電極を持つ第１の三層キャパシタで構成され、前記第３のキャパシタ及び前記第４のキャパシタは積層方向に三つの電極を持つ第２の三層キャパシタで構成され、前記第１および第２の三層キャパシタの中間電極がそれぞれ前記第１の信号線及び前記第２の信号線に接続されていることを特徴とする、請求項１に記載の光受信回路。
【請求項３】
前記受光素子対と前記第１及び第２の三層キャパシタからなる三層キャパシタ対と前記第１の信号線及び前記第２の信号線からなる信号線対とが、前記信号線対に対称な差動信号電流が得られるように対称的に配置され、前記第１及び第２の三層キャパシタの中間電極層に接続される信号線が、光導波路と直行する方向に引き出されていることを特徴とする、請求項２に記載の光受信回路。
【請求項４】
前記受光素子対を含む複数の受光素子対であって異なる波長帯において感度を持つ前記複数の受光素子対と、入力光の波長に応じて光入力経路を切り替え、差動光信号が入力される前記複数の受光素子対のいずれかを選択する手段を含む請求項１〜３のいずれかに記載の光受信回路。
【請求項５】
前記差動電流信号を増幅する増幅回路を含む請求項１〜４のいずれかに記載の光受信装置。
【請求項６】
前記差動電流信号に応答し電荷を蓄積することにより差動電流を積分し信号の検出を行う増幅回路と、前記増幅回路の出力をフィードバックする制御回路の信号または光クロック信号により前記増幅回路の積算電荷の引き抜きを行いビット判定のリセット動作を行う手段を含むことを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の光受信回路。
【請求項７】
マッハ・ツェンダ干渉計と光遅延回路により差動光信号を生成する手段と、前記差動光信号生成手段から供給される差動光信号を前記受光素子対で受信し生成される光電流の直流バランスをモニタする手段と、前記光遅延回路の遅延時間をフィードバック制御する手段を含み、位相変調された光信号を差動電流信号に変換することを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載の光受信回路。
【請求項８】
同相の光信号を伝送する２本の光伝送路のいずれか一方に光遅延回路が設置され、前記受光素子対の信号電流波形のエンファシス処理を行う機能を有することを特徴とする、請求項１〜７のいずれかに記載の光受信回路。
【請求項９】
制御用受光素子を有し、前記制御用受光素子はそれぞれ交流結合キャパシタを介して前記第１の信号線及び前記第２の信号線に接続され、制御用光信号が前記制御用受光素子に入力されることで、前記受光素子対で受信したデータ信号波形の波形整形及び／又は直流バランス調整を行う機能を有することを特徴とする、請求項１〜８のいずれかに記載の光受信回路。
【請求項１０】
前記第１の受光素子及び前記第２の受光素子は、それぞれの陽極がそれぞれ抵抗素子を介してグランド電位に接続され、それぞれの陰極がそれぞれの抵抗素子を介してバイアス電源に接続されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の光受信回路。
【請求項１１】
前記第１の受光素子及び前記第２の受光素子は、それぞれの陽極がそれぞれ可変抵抗素子を介してグランド電位に接続され、それぞれの陰極がそれぞれの可変抵抗素子を介してバイアス電源に接続されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の光受信回路。
【請求項１２】
前記第１、第２、第３及び第４のキャパシタと前記受光素子対とが同一半導体基板上に形成され、前記第１、第２、第３及び第４のキャパシタは光学的および電気的クロストーク低減の機能を備えていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の光受信回路。
【請求項１３】
差動光信号を差動電流信号に変換する機能を有する光受信回路であって、光信号を電流信号に変換する第１および第２の受光素子を含む受光素子対と、１対の信号線とを含み、前記第１の受光素子の陰極と前記第２の受光素子の陽極とが交流結合用の第１のキャパシタを介して接続され、前記第１の受光素子の前記陰極が前記１対の信号線の第１の信号線に接続され、前記第１の受光素子の陽極と前記第２の受光素子の陰極とが交流結合用の第２のキャパシタを介して接続され、前記第２の受光素子の前記陰極が前記１対の信号線の第２の信号線に接続され、前記第１および第２の受光素子に入力される差動の光信号の受信に応答して、前記第１および第２の信号線に差動の信号電流が生成されることを特徴とする、光受信回路。
【請求項１４】
前記受光素子対を含む複数の受光素子対であって異なる波長帯において感度を持つ前記複数の受光素子対と、入力光の波長に応じて光入力経路を切り替え、差動光信号が入力される前記複数の受光素子対のいずれかを選択する手段を含む請求項１３に記載の光受信回路。
【請求項１５】
前記差動電流信号に応答し電荷を蓄積することにより前記差動信号電流を積分し信号の検出を行う増幅回路と、前記増幅回路の出力をフィードバックする制御回路の信号または光クロック信号により前記増幅回路の積算電荷の引き抜きを行いビット判定のリセット動作を行う手段を含むことを特徴とする、請求項１３又は１４に記載の光受信回路。
【請求項１６】
マッハ・ツェンダ干渉計と光遅延回路により差動光信号を生成する手段と、前記差動光信号生成手段から供給される差動光信号を前記受光素子対で受信し生成される光電流の直流バランスをモニタする手段と、前記光遅延回路の遅延時間をフィードバック制御する手段を含み、位相変調された光信号を差動電流信号に変換することを特徴とする、請求項１３〜１５のいずれかに記載の光受信回路。
【請求項１７】
同相の光信号を伝送する２本の光伝送路のいずれか一方に光遅延回路が設置され、前記受光素子対の信号電流波形のエンファシス処理を行う機能を有することを特徴とする、請求項１３〜１６のいずれかに記載の光受信回路。
【請求項１８】
制御用受光素子を有し、前記制御用受光素子はそれぞれ交流結合キャパシタを介して前記第１の信号線及び前記第２の信号線に接続され、制御用光信号が前記制御用受光素子に入力されることで、前記受光素子対で受信したデータ信号波形の波形整形及び／又は直流バランス調整を行う機能を有することを特徴とする、請求項１３〜１７のいずれかに記載の光受信回路。
【請求項１９】
前記第１の受光素子及び前記第２の受光素子は、それぞれの陽極がそれぞれ抵抗素子を介してグランド電位に接続され、それぞれの陰極がそれぞれの抵抗素子を介してバイアス電源に接続されていることを特徴とする請求項１３〜１８のいずれかに記載の光受信回路。
【請求項２０】
前記第１の受光素子及び前記第２の受光素子は、それぞれの陽極がそれぞれ可変抵抗素子を介してグランド電位に接続され、それぞれの陰極がそれぞれの可変抵抗素子を介してバイアス電源に接続されていることを特徴とする請求項１３〜１８のいずれかに記載の光受信回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光通信システムや光情報処理システムで用いられる高感度な光受信回路に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
インターネットの普及などに伴い、サーバやルータなどの機器が扱う情報量は急激に増大しており、これらの機器を構成するＬＳＩなどの半導体部品の間でやり取りされる信号の伝送容量は、今後も急速な増大を続けることが予測されている。一方で、従来の電気配線技術においては、消費電力増大、信号伝達遅延、信号線信頼性、信号干渉等の問題が顕在化してきている。これらの問題の解決に向けて、長距離伝送からチップ間／内を含めた短距離伝送まで、様々な伝送距離・用途に向けて、光配線適用が検討されている。
光情報伝送においては、高感度・小型・低消費電力の光受信回路が重要である。特許文献１および特許文献２に開示されるように、ある１個の受光素子の陽極および陰極にそれぞれＡＣ（交流）結合用キャパシタを接続して２本の信号線に１組の信号電流を発生させ、後段のＴＩＡ（Ｔｒａｎｓｉｍｐｅｄａｎｃｅ  ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）回路に出力する光受信回路が提案されている。ＡＣ結合を用いることにより、ＴＩＡ回路とは独立に受光素子のバイアス電圧を決定することができる。また、ＤＣ成分を除去し信号成分のみを取り出すことができる。非特許文献１には、２個の受光素子がそれぞれＡＣ結合用キャパシタを介して後段のＴＩＡ回路に接続される光受信回路が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平６−２２４６５２号公報
【特許文献２】特開２０１１−１１９８５５号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Ｆ．Ｔａｖｅｒｎｉｅｒ  ａｎｄ  Ｍ．Ｓｔｅｙａｅｒｔ，Ａ  ５．５  Ｇｂｉｔ／ｓ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｒｅｃｅｉｖｅｒ  ｉｎ  １３０  ｎｍ  ＣＭＯＳ  ｗｉｔｈ  Ｓｐｅｅｄ−Ｅｎｈａｎｃｅｄ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ，２０１０  Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  ＥＳＳＣＩＲＣ，ｐｐ．５４２−５４５（Ｆｉｇ．１）．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１又は特許文献２に開示の構成は、オンオフ変調された信号を１個の受光素子で受信するため差動光信号を受信することができず、光送信部または光伝送部で乗ったノイズの影響をキャンセルできないため、受信感度が劣化するという課題があった。非特許文献１の光受信回路は、２個の受光素子を用いて差動光信号を受信することでノイズをキャンセルすることはできるものの、信号電流の差動振幅は改善されず、高感度化が難しいという課題があった。
特許文献１又は特許文献２の関連技術１である図１に示す光受信回路で説明すると、図１の光受信回路は、オンオフ変調された信号を１個の受光素子で受信するため差動光信号を受信することができず、光送信部または光伝送部で乗ったノイズの影響をキャンセルできないため、受信感度が劣化する。図１において、受光素子１に振幅１００μＡの光電流が生成される場合の信号電流の波形例を図２に示す。第１の信号線に信号電流Ｉ１が流れ、第２の信号線に信号電流Ｉ２が流れ、このとき差動信号（Ｉｄｉｆｆ＝Ｉ１−Ｉ２）の振幅は２００μＡとなる。
非特許文献１の光受信回路を図３に示す光受信回路を用いて説明すると、図３の光受信回路は、２個の受光素子を用いて差動光信号を受信することでノイズをキャンセルすることはできるものの、図４の波形例が示すように、受光素子１に振幅１００μＡの光電流が生成される場合における信号電流の差動振幅は関連技術１と同様に２００μＡとなり、関連技術１と比較して改善されず、高感度化が難しいという課題があった。
この状況を鑑みて本発明の目的は、より大きな信号電流を得て受信感度を向上させることが可能な光受信回路を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の実施形態では、差動光信号を差動電流信号に変換する機能を有する光受信回路であって、光信号を電流信号に変換する第１及び第２の受光素子を含む受光素子対と、１対の信号線とを有し、前記第１の受光素子の陽極と前記第２の受光素子の陰極とがそれぞれ交流結合用の第１および第２のキャパシタを介して前記１対の信号線の第１の信号線に接続され、前記第１の受光素子の陰極と前記第２の受光素子の陽極とがそれぞれ交流結合用の第３および第４のキャパシタを介して前記１対の信号線の第２の信号線に接続され、前記第１および第２の受光素子に入力される差動光信号の受信に応答して、前記第１および第２の信号線に差動の信号電流が生成されることを特徴とする、光受信回路が得られる。
本発明の別の実施形態によれば、差動光信号を差動電流信号に変換する機能を有する光受信回路であって、光信号を電流信号に変換する第１および第２の受光素子を含む受光素子対と、１対の信号線とを含み、前記第１の受光素子の陰極と前記第２の受光素子の陽極とが交流結合用の第１のキャパシタを介して接続され、前記第１の受光素子の前記陰極が前記１対の信号線の第１の信号線に接続され、前記第１の受光素子の陽極と前記第２の受光素子の陰極とが交流結合用の第２のキャパシタを介して接続され、前記第２の受光素子の前記陰極が前記１対の信号線の第２の信号線に接続され、前記第１および第２の受光素子に入力される差動の光信号の受信に応答して、前記第１および第２の信号線に差動の信号電流が生成されることを特徴とする、光受信回路が得られる。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の実施形態によれば、大きな差動振幅が得られ、高感度な光受信装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
図１は、関連技術１の光受信回路である。
図２は、図１の光受信回路における波形例を示す図である。
図３は、非特許文献１の光受信回路である。
図４は、図３の光受信回路における波形例を示す図である。
図５は、本発明の第１の実施形態の光受信回路図である。
図６は、本発明の第１の実施形態の光受信回路図における波形例を示す図である。
図７は、本発明の第２の実施形態の光受信回路図である。
図８は、本発明の第２の実施形態の光受信回路におけるデバイス構造図である。図８において、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）の線ＡＡ’に沿っての断面図、（ｃ）は線ＢＢ’に沿っての断面図、（ｄ）は線ＣＣ’に沿っての断面図である。
図９は、本発明の第３の実施形態の光受信回路図である。
図１０は、本発明の第４の実施形態の光受信回路図である。
図１１は、本発明の第５の実施形態に関し、（ａ）は光受信回路図、（ｂ）は、波形図である。
図１２は、本発明の第６の実施形態の光受信回路図である。
図１３は、本発明の第７の実施形態の光受信回路図である。
図１４は、本発明の第８の実施形態の光受信回路図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
次に本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、実施形態の説明において、同じ機能を有する部分には、同じ参照符合を付し、その説明を省略する場合がある。
（実施形態１）
本発明の第１の実施形態である光集積回路を図５に示す。第１の受光素子８および第２の受光素子９（ＰＩＮダイオード、アバランチェＰＤ、
ＭＳＭ（ｍｅｔａｌ−ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ−ｍｅｔａｌ）ダイオード等のフォトダイオードやフォトコンダクタ、フォトトランジスタ等）の各陽極（アノード）はそれぞれ抵抗素子１０を介してグラウンドに接続され、各陰極（カソード）はそれぞれ抵抗素子１０を介して受光素子バイアス電源２に接続され、第１の受光素子８および第２の受光素子９は逆方向バイアス電圧が印加されている。第１の受光素子８の陽極と第２の受光素子９の陰極とが、第１のＡＣ結合用キャパシタンス３および第２のＡＣ結合用キャパシタンス４を介して結合され、第１の信号線５に接続されている。また、第１の受光素子８の陰極と第２の受光素子９の陽極とが、第３のＡＣ結合用キャパシタンス１１および第４のＡＣ結合用キャパシタンス１２を介して結合され、第２の信号線６に接続されている。第１の受光素子８および第２の受光素子９に差動光信号が入力される。ここで、差動光信号とは、互いに逆相となる第１の光信号と第２の光信号により構成され、第１の光信号がＨｉｇｈレベルのときには第２の光信号はＬｏｗレベルとなり、第１の光信号がＬｏｗレベルのときには第２の光信号はＨｉｇｈレベルとなる信号を指す。差動光信号の生成方法は特に限定されるものではないが、例えば２ポート出力を持つマッハ・ツェンダ干渉計から構成される光変調器を用いて、差動光信号を生成することができる。第１の受光素子には第１の光信号が入力され、第２の受光素子には第２の光信号が入力され、互いに逆相となる差動電流信号がそれぞれの受光素子において生成される。
第１の受光素子８および第２の受光素子９に差動光信号が入力されることによって差動の光電流が生成され、各ＡＣ結合用キャパシタンスを介して、第１の信号線５および第２の信号線６にＤＣ成分が除去された差動信号電流が流れることになる。より具体的には、第１の受光素子８に光電流Ｉが流れたときには第１の信号線５に流れる信号電流Ｉ１＝Ｉ、第２の信号線６に流れる信号電流Ｉ２＝−Ｉとなり、第２の受光素子９に光電流Ｉが流れたときにはＩ１＝−Ｉ，Ｉ２＝Ｉとなり、各受光素子には差動光信号が入力されるため、差動の信号電流Ｉ１，Ｉ２が生成される。差動信号電流は増幅回路７に入力され、信号増幅された後に後段のロジック回路等に出力される。増幅回路７は、例えば電流を電圧へ変換し増幅を行うトランスインピーダンス増幅回路により構成される。増幅回路７の構成は特に限定されるものではなく、トランスインピーダンス増幅回路以外の各種増幅回路を用いることができ、例えばＣＭＯＳインバータを用いてこれを構成することができる。本実施形態において、第１の受光素子８および第２の受光素子９に振幅１００μＡの光電流が生成される場合の波形例を図６に示す。このとき、Ｉ１，Ｉ２の振幅は２００μＡとなり、差動信号（Ｉｄｉｆｆ＝Ｉ１−Ｉ２）の振幅は４００μＡとなる。つまり、関連技術１および非特許文献１の場合と比較して２倍の信号振幅が得られ、高感度の光受信回路が実現される。
差動動作させることにより、光送信器部分で乗ったノイズや２本の光伝送路に同相で乗る光クロストークノイズや迷光成分を除去できるため、受信感度が向上するという利点がある。また、電源や回路構成や配線構造を対称にすることで、２つの信号線に生じる差動信号電流の対称性を保つことができる。特に限定されるものではないが、より具体的には、第１〜４のＡＣ結合用キャパシタンスをほぼ等しい容量とし、第１および第２の受光素子に接続されている抵抗素子１０についてもほぼ等しい抵抗値とすることで、対称性を保つことができる。
図５においては、２個の受光素子を用いた構成の光受信回路を示しているが、必ずしも２個に限定されるものではなく、より多くの受光素子を用いて光受信回路を構成しても良い。例えば、波長感度の異なる受光素子対を複数形成し、入力波長に応じて、差動光信号が入力される受光素子対を切り替えることにより、より幅広い波長帯に対応した光受信回路を実現することができる。
本発明の光受信回路を形成する半導体基板の半導体材料や組成は、使用波長や用途に応じて適宜最適なものを選択することができる。例えばＳｉ基板またはＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板、あるいはＩｎＰ基板またはＧａＡｓ基板等の化合物半導体基板を用いることもできる。Ｓｉ基板またはＳＯＩ基板を用いた場合には、ＳｉをコアとするＳｉ導波路を用いて差動光信号を伝送することで、小型の光回路を形成できる。信号光の波長帯についても特に限定されるものではなく、基板材料や製造プロセス等を勘案して適宜最適なものを用いることができる。受光素子のデバイス構造および組成材料についても、使用波長や用途に応じて設計することができる。例えばＳＯＩ基板上に光受信回路を形成する場合、Ｓｉ上にエピタキシャル成長させたＳｉｘＧｅ１−ｘ（０≦ｘ≦１）を吸収層に用いて受光素子を作製することができる。入力光の結合構造については面入射型と導波路入射型のいずれでも良く、光導波路を用いた導波路入射型の場合には、スキューを調整し易く結合効率のバラツキの影響も少なくなるという利点がある。
ＡＣ結合用キャパシタの電気容量は、差動光電流値や伝送プロトコルを勘案して適宜最適な値に設計することができる。８Ｂ１０Ｂや６４Ｂ６６Ｂ等のマーク率が保証されて低周波成分が比較的小さくなる伝送プロトコルを用いることで、結合用キャパシタンスを小さくすることができ、受信回路を小型化することが可能となる。また、ＡＣ結合用キャパシタンスに光学的および電気的クロストーク低減機能を持たせることもでき、より高感度な光受信回路を実現することができる。
抵抗素子１０の抵抗値は、各信号線に所望の信号電流が流れるように、ＡＣ結合用キャパシタンスのリアクタンスを考慮して設計することができる。また、図５においては第１の受光素子８および第２の受光素子９に等しいバイアス電圧を印加しているが、各素子の特性バラツキに応じて、独立に最適なバイアス電圧を印加しても良い。
また、増幅回路７の構成についても特に限定されるものではなく、適宜最適な回路構成により差動信号増幅を行うことができる。具体的には、トランスインピーダンスアンプ回路と、リミッティングアンプ回路や自動的に利得を調節する機能を有するバッファ回路等により構成することができる。例えば、ＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ  Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）インバータを用いてトランスインピーダンスアンプ回路を構成することができ、本発明の光受信回路においては正負対称な差動電流が得られるので、インバータしきい値を中心とした入力振幅が得られて、良好な線形性と利得を実現できる。また、対称な立上り／立下り波形が得られるために、良好なアイパターン開口形状を得られる。
第１の受光素子８および第２の受光素子９に入力される差動光信号は、例えば２×２マッハ・ツェンダ干渉計を用いた光変調器により生成することができる。対称な動作を行うためには、２つの受光素子に入力される差動光信号の光パワーを等しくするのが望ましい。配線長が異なる光導波路を用いて差動光信号伝送を行う場合、光導波路の材料や寸法を調整して、各受光素子に入力される光パワーが等しくなるようにすることもできる。
各受光素子と増幅回路７の接続方法については特に限定されるものではなく、各受光素子と増幅回路７は同一の半導体基板上にモノリシック集積されていてもよいし、フリップチップ実装等により接続されていてもよい。また、ワイヤボンディング等により接続されていてもよく、チップコンデンサ等を実装することにより各ＡＣ結合用キャパシタンスを形成することもできる。各受光素子と増幅回路７を、それぞれ異なる半導体材料から成る基板上に形成し、それらを接続しても良い。好ましくはモノリシック集積することにより、電気配線部等の寄生キャパシタンスや寄生インダクタンスなどの寄生成分を小さくすることができ、バラツキを小さく対称性を保ちやすいため、特に望ましい。また、複数チャネルの本発明の光受信回路を同一半導体基板上に形成することもできる。
（実施形態２）
本発明の第２の実施形態である光受信回路を図７に示す。第１の受光素子８および第２の受光素子９は第１の三層キャパシタ１３および第２の三層キャパシタ１４を介して結合され、三層キャパシタの中間電極が第１の信号線５および第２の信号線６に接続されている。実施形態１の光受信回路においては４個のＡＣ結合用キャパシタが必要になるのに対し、本実施形態の光受信回路においては三層キャパシタを用いることで平面的なフットプリントを低減できるという利点がある。
本実施形態の光受信回路の一例となるデバイス構造図を図８に示す。埋め込み酸化層１９を有する半導体基板１８上に、Ｐ型半導体２０とｉ型光吸収層２４とＮ型半導体２２から成る２個の受光素子が形成されている。第１の三層キャパシタ１３および第２の三層キャパシタ１４はＰ型電極２１とキャパシタ中間電極層２５とＮ型電極２３から構成されている。第１の受光素子８のＰ型電極と第２の受光素子９のＮ型電極とが第１の三層キャパシタ１３を介して、第１の受光素子８のＮ型電極と第２の受光素子９のＰ型電極とが第２の三層キャパシタ１４を介してＡＣ結合されている。光導波路１５を通じて第１の差動光信号１６が第１の受光素子８に、第２の差動光信号１７が第２の受光素子９に、それぞれ入射されることにより、キャパシタ中間電極層２５に差動の信号電流が生成される。
図８に示すように、本デバイス構造においては２個の受光素子、三層キャパシタ、電極を対称に配置しているために、対称性が保たれた差動信号電流を生成することができるという利点がある。より具体的には、第１および第２の受光素子における層構成、サイズ、形状をそれぞれ同一のものとし、第１および第２の三層キャパシタにおける層構成、サイズ、形状をそれぞれ同一のものとし、第１の受光素子と第１の三層キャパシタ間の配線距離や位置関係を、第２の受光素子と第２の三層キャパシタ間の配線距離や位置関係と等しくすることによって対称性を保つことができる。また、対称性を保ちつつ、一方のＰ型電極ともう一方のＮ型電極を近傍に配置しているため、寄生容量を低減することが可能である。ただし、三層キャパシタや受光素子の構造はこれに限定されるものではなく、集積回路レイアウト上の制約を鑑みながら、対称性を保った範囲で配置することができる。また、キャパシタ中間電極層２５を、光導波路１５と直交する方向に対称的に引き出すことによって、対称性を保ちつつ光配線とレイアウト上の干渉を少なくすることができる。
図８においては、受光素子バイアス電源２や抵抗素子１０については省略されているが、図７に示すように、抵抗素子１０を介してそれぞれのＰ型電極２１がグラウンドに接続され、それぞれのＮ型電極２３が受光素子バイアス電源２に接続されている。
（実施形態３）
本発明の第３の実施形態である光受信回路を図９に示す。この実施形態では、受光素子対の接続に関して、第１の実施形態とその構成が幾分異なる。図９において、受光素子対は第１の受光素子８および第２の受光素子９を含み、複数の交流結合用キャパシタとして第１の交流結合用キャパシタ３および第２の交流結合用キャパシタ４を含む。第１の受光素子の陽極と第２の受光素子の陰極とが第２の交流結合用キャパシタ４で接続され、第２の受光素子の陰極が第２の信号線６に接続されている。また、第１の受光素子の陰極と第２の受光素子の陽極とが第１の交流結合用キャパシタ３で接続され、第１の受光素子の陰極が第１の信号線５に接続されている。第１および第２の受光素子に差動の光信号が入力されることにより、第１および第２の信号線に差動の信号電流が生成される。この実施形態では、受光素子対の接続に関して、第１の実施形態とその構成が幾分異なるが、第１の実施形態と同様に、関連技術１および非特許文献１の受信回路と比較して２倍の入力電流が得られるため、より高感度の検出が可能である。
第１の信号線５および第２の信号線６に生成される差動電流は、電流積分増幅回路２７に供給される。電流積分増幅回路２７は、トランスインピーダンス増幅回路ではない図５の増幅回路７の一例である。電流積分増幅回路２７は、第１の信号線５および第２の信号線６に生成される差動電流の信号増幅を行うことができる。例えばＣＭＯＳインバータのゲートに電荷を蓄積することで、高感度の検出を行うことができる。電流積分増幅回路２７の出力電圧をモニタし、制御回路２８によりフィードバック制御をかけて、電荷引抜き素子２６を用いて入力の積算電荷を引き抜いてリセット動作をさせることで、ビット毎の０／１判定を行うことができる。本発明の光受信回路においては、関連技術１および非特許文献１の受信回路と比較して２倍の入力電流が得られるため、より高感度の検出が可能である。また、８Ｂ１０Ｂ等の比較的短いビット列内で５０％のマーク率が保証されている伝送プロトコルを用いることで、電荷引抜き素子２６を不要とすることも可能である。
本実施形態での受光素子対の接続に代えて、実施形態１に関し図５で用いたのと同じ構成を使用してもよい。
（実施形態４）
本発明の第４の実施形態である光受信回路を図１０に示す。本実施形態での受光素子対の接続は、実施形態３で説明したものと同じである。また、実施形態３と同様に、電流積分増幅回路２７を用いている。本実施形態においては、データ信号と同期した光クロック信号２９を別の光伝送路で送り、クロック抽出回路３０を用いて適切なタイミングで積算電荷のリセット動作を行なっている。複数チャネルの信号伝送を行う際にも、光クロック信号の伝送路は１本で良いため、大幅な面積増加を伴わずに高感度の光受信回路を構成することができる。
本実施形態での受光素子対の接続に代えて、実施形態１に関し図５で用いたのと同じ構成を使用してもよい。
（実施形態５）
本発明の第５の実施形態である光受信回路を図１１に示す。本実施形態においては、可変抵抗素子３１を用いて第１の受光素子８および第２の受光素子９にバイアス電圧を印加している。可変抵抗素子３１としてＭＯＳＦＥＴを用いることができ、ゲート電圧を制御することで抵抗を適切な値に設定することが可能となる。また、データ伝送を行う前に本発明の光受信回路と光送信回路の間でネゴシエーションを行って、受光素子の特性バラツキをキャンセルするように可変抵抗素子３１の抵抗値を設定し、対称な差動動作を得ることが可能である。
（実施形態６）
本発明の第６の実施形態である光受信回路を図１２に示す。本実施形態においては、ＤＰＳＫ（Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ  Ｐｈａｓｅ  Ｓｈｉｆｔ  Ｋｅｙｉｎｇ）方式と同様に位相変調信号を１本の光伝送路で伝送し、受信回路側でマッハ・ツェンダ干渉計３２と遅延回路３３を用いて差動光信号を生成して、２個の受光素子により信号受信を行なっている。このとき、２個の受光素子間のＤＣレベルをモニタ回路３４により検出し、ＤＣレベルの差分が最小になるように遅延時間をフィードバック調整することができる。
（実施形態７）
本発明の第７の実施形態である光受信回路を図１３に示す。本実施形態においては、同相の光信号を伝送する２本の光導波路１５の一方に遅延回路３３を設けている。信号波形の低周波成分を抑制し、高周波成分を強調することになり、例えば０．５ビット分に相当する時間だけ遅延をかけることで、電気的な信号エンファシス処理と同様の効果が得られるという利点がある。
（実施形態８）
本発明の第８の実施形態である光受信回路を図１４に示す。本実施形態においては、ＡＣ結合用キャパシタを介して制御用受光素子３５を付加している。制御用受光素子３５に光信号を入力することで、波形の立上り／立下り部分の強調や、０連／１連の信号に対して動的なＤＣレベル調整を行うことが可能となるという利点がある。
上述のように、本発明の実施形態の光受信回路は、第１の受光素子と第２の受光素子の逆極性の端子同士がＡＣ結合用キャパシタを介して結合されている。第１の受光素子と第２の受光素子に差動光信号を入力することにより第１および第２の信号線に差動の信号電流が生成され、関連技術１および非特許文献１の受信回路と比較して２倍の差動振幅が得られ、高感度の光受信回路が実現されるという利点がある。
以上、本発明についていくつかの実施の形態に即して説明したが、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で当業者であればなしうることが可能な各種変形、修正を含むことはもちろんである。
以上、本発明についていくつかの実施の形態に即して説明したが、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではない。例えば、図３に示す第１の信号線及び第２の信号線を増幅回路７に結合するのに代えて、図９又は図１０に示す電流積分増幅回路２７に結合してもよい。同様に、図９又は図１０に示す第１の信号線及び第２の信号線を図１に示す増幅回路７に結合してもよい。本発明は、本発明の範囲内で当業者であればなしうることが可能な各種変形、修正を含むことはもちろんである。
この出願は、２０１３年３月２７日に出願された日本出願特願第２０１３−０６５９９７号を基礎とする優先権を主張し、その開示のすべてをここに取り込む。
【符号の説明】
【００１０】
１    受光素子
２    受光素子バイアス電源
３    第１のＡＣ結合用キャパシタ
４    第２のＡＣ結合用キャパシタ
５    第１の信号線
６    第２の信号線
７    増幅回路
８    第１の受光素子
９    第２の受光素子
１０  抵抗素子
１１  第３のＡＣ結合用キャパシタ
１２  第４のＡＣ結合用キャパシタ
１３  第１の三層キャパシタ
１４  第２の三層キャパシタ
１５  光導波路
１６  第１の差動光信号
１７  第２の差動光信号
１８  半導体基板
１９  埋め込み酸化層
２０  Ｐ型半導体
２１  Ｐ型電極
２２  Ｎ型半導体
２３  Ｎ型電極
２４  ｉ型光吸収層
２５  キャパシタ中間電極層
２６  電荷引抜き素子
２７  電流積分増幅回路
２８  制御回路
２９  光クロック信号
３０  クロック抽出回路
３１  可変抵抗素子
３２  マッハ・ツェンダ干渉計
３３  遅延回路
３４  モニタ回路
３５  制御用受光素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【国際調査報告】
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