(57)【要約】【課題】小さな光電流も容易に取り出すことができ、かつＩＣ化に適した空間光通信用受光装置を提供する。【解決手段】送光装置からの光を受光し光量を電流に変換するフォトダイオードＤ１と、フォトダイオードＤ１で変換された電流Ｉ１の変化を電圧（端子Ｖｏでの電圧）に変換する電流電圧変換部１０と、フォトダイオードＤ１と電流電圧変換部１０との接続点ａの電圧信号ｖ１を取り込んで増幅するとともに、その増幅した電圧信号ｖ２を接続点ａに帰還する増幅部１１とを備えた空間光通信用受光装置において、フォトダイオードＤ１に流れる電流Ｉ１に応じて増幅部１１の動作電流Ｉ３を制御するＦＥＴ Ｑ５とＦＥＴ Ｑ６を設けた。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
送光装置からの光を受光し光量を電流に変換する受光素子と、
前記受光素子で変換された電流の変化を電圧に変換する電流電圧変換部と、
前記受光素子と前記電流電圧変換部との接続点の電圧信号を取り込んで増幅するとともに、その増幅した電圧信号を前記接続点に帰還する増幅部とを備えた空間光通信用受光装置において、
前記受光素子に流れる電流に応じて前記増幅部の動作電流を制御する制御手段を設けたことを特徴とする空間光通信用受光装置。
【請求項２】
前記受光素子、電流電圧変換部及び増幅部を一組とした受光部が複数設けられ、該受光部をマトリクス状に配置すると共に、同各受光部から出力される前記電圧を加算するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の空間光通信用受光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、送光装置から送られてくる光信号を受光する空間光通信用受光装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
送光装置から送られてくる光信号を受光する空間光通信用受光装置として、１つの受光素子と１つのプリアンプとを一組とした受光部を複数設けるとともに、各受光部の前方にレンズを配置したものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
上記空間光通信用受光装置においては、各受光部に比較回路及び選択回路が接続され、各受光部からの信号が比較回路及び選択回路に入力される。そして、比較回路は、各受光部から入力される信号の信号レベルを比較して、最大の信号レベルを検出する一方、選択回路は、信号レベルが最大の受光部に外部出力端子が接続されるよう回線を切り換えて、最も強い光を受光している受光部からの信号が外部へ出力されるようにしている。
【０００４】
しかし、上記空間光通信用受光装置では、プリアンプを動作させるために受光部の全てに駆動電流を常時流しており、消費電力が非常に大きく、また、選択回路が回線を切り換えたときに、外部へ出力される信号が一瞬途切れるため、信号の伝送エラーが発生しやすいという問題がある。
【０００５】
また、各受光部のプリアンプと比較回路との間、各受光部のプリアンプと選択回路との間、及び比較回路と選択回路との間に各々配線が必要で、配線が非常に複雑化する。
【０００６】
そこで、マトリクス状に配置された複数個の受光部全てを動作状態にするのではなく、各受光部の光電流の直流成分を、電流電圧変換用抵抗と比較器を用いて光量が所定値以上かどうかを判断し、同じ受光部内でフォトダイオードと一対で動作している増幅器の動作をオン／オフ制御することにより、光を受光している受光器のみを動作状態とすることによって、全体の動作電流を抑えるようにした空間光通信用受光装置を同一出願人によって出願した（特願２００５−３０８１０６号）。
【特許文献１】特開平１１−１５０５１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記特願２００５−３０８１０６号に記載した空間光通信用受光装置では、消費電流を減らすために、受光素子に流れる光電流が所定値以上かどうかの判断を比較器によって行い、その判断結果に基づいて、増幅器の動作をオン／オフ制御しているので、該光電流が所定値未満の小さい場合はその光電流を取り出せない。
【０００８】
また、上記空間光通信用受光装置では、光電流の直流成分の検出と所定値以上かどうかの判断のための比較器と、その比較出力がばたつかないように比較的時定数の大きな抵抗とコンデンサを必要とし、ＩＣ化に適さない。
【０００９】
本発明は、これらの点を鑑みてなされたもので、小さな光電流も容易に取り出すことができ、かつＩＣ化に適した空間光通信用受光装置を提供せんとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、送光装置からの光を受光し光量を電流に変換する受光素子と、前記受光素子で変換された電流の変化を電圧に変換する電流電圧変換部と、前記受光素子と前記電流電圧変換部との接続点の電圧信号を取り込んで増幅するとともに、その増幅した電圧信号を前記接続点に帰還する増幅部とを備えた空間光通信用受光装置において、前記受光素子に流れる電流に応じて前記増幅部の動作電流を制御する制御手段を設けたことを特徴としている。
【００１１】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記受光素子、電流電圧変換部及び増幅部を一組とした受光部が複数設けられ、該受光部をマトリクス状に配置すると共に、同各受光部から出力される前記電圧を加算するようにしたことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、比較的小さな光電流も容易に取り出すことができ、さらにはＩＣ化にも適した空間光通信用受光装置を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施例について図面に従って説明する。
【実施例１】
【００１４】
図１は、本発明に係る空間光通信用受光装置の構成図である。この空間光通信用受光装置１には、図に示すように、受光部としての基本セル２がマトリックス状に配列されている。本実施例では、基本セル２は６行６列に合計３６個配列されている。なお、基本セル２の個数は３６個に限らず、複数個設けられていればよい。例えば、５行５列で合計２５個や、７行７列で合計４９個であってもよいし、また５行６列や７行５列等、行方向の個数と列方向の個数とが異なっていてもよい。
【００１５】
各基本セル２は矩形をなしており、その一辺（図１においては上辺）には信号線３が取り付けられている。各基本セル２の信号線３は行方向に配索された信号取出線４に接続されており、本実施例では基本セル２が６行に配列されているので、信号取出線４は６本配索されている。
【００１６】
そして、６本の信号取出線４は、加算器Ｓを介して１本の信号主取出線５に纏められ、この信号主取出線５は出力端子６に接続されている。信号主取出線５の途中には配線７が接続され、この配線７は抵抗Ｒを介して接地されている。
【００１７】
図２は、基本セル２の詳細構成を示している。この基本セル２は受光部と同じものである。基本セル２は、図２に示すように、外形が矩形（本実施例では正方形）をなしており、その矩形の角部にアンプ部８が設けられている。アンプ部８以外の部分には、受光素子９が設けられ、この受光素子９はアンプ部８と電気的に接続されている。なお、基本セル２の形状は正六角形でもよく、この場合は、複数の基本セル２はハニカム構造に配列される。
【００１８】
図３は、アンプ部８の回路構成を示している。図３に示すように、アンプ部８は電流電圧変換部１０と増幅部１１とを備えている。電流電圧変換部１０には、ＭＯＳ ＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor：以下、ＦＥＴという）Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４，Ｑ５が設けられている。そして、受光素子９であるフォトダイオードＤ１のカソード側がＦＥＴ Ｑ１のソースに接続されている。フォトダイオードＤ１のアノード側は接地されている。
【００１９】
ＦＥＴ Ｑ１のドレインはＦＥＴ Ｑ２のドレインに接続され、さらにＦＥＴ Ｑ２のソースは電源Ｖddに接続されている。また、電源ＶddにはＦＥＴ Ｑ３のソースが接続され、このＦＥＴ Ｑ３のドレインは端子Ｖｏに接続されている。またＦＥＴ Ｑ３のドレインは負荷抵抗Ｒ１を介して接地されている。なお、端子Ｖｏは信号線３（図１、図２参照）に繋がっている。
【００２０】
また、電源ＶddにはＦＥＴ Ｑ４のソースが接続され、このＦＥＴ Ｑ４のドレインはＦＥＴ Ｑ５のドレインに接続されている。ＦＥＴ Ｑ５のソースは接地され、また、ＦＥＴ Ｑ５は、そのゲートとドレインとが接続された、いわゆるダイオード接続されている。
【００２１】
ＦＥＴ Ｑ２は、そのゲートとドレインが接続されたダイオード接続を有し、またＦＥＴ Ｑ２のドレインとＦＥＴ Ｑ３のゲートとが接続されている。また、ＦＥＴ Ｑ２のゲートとＦＥＴ Ｑ４のゲートとは抵抗Ｒ２を介して互いに接続されている。この抵抗Ｒ２とＦＥＴ Ｑ４のゲートとの中間点は、コンデンサＣ２を介して電源Ｖddに接続されている。
【００２２】
ここでは、ＦＥＴ Ｑ２とＦＥＴ Ｑ３、及びＦＥＴ Ｑ２とＦＥＴ Ｑ４はそれぞれカレントミラー回路を構成している。
【００２３】
増幅部１１には、ＦＥＴ Ｑ６，Ｑ７，Ｑ８，Ｑ９，Ｑ１０が設けられている。そして、ＦＥＴ Ｑ６のソースは接地され、またＦＥＴ Ｑ６のゲートは前記変換部１０のＦＥＴ Ｑ５のゲートに接続され、ＦＥＴ Ｑ５とＦＥＴ Ｑ６はカレントミラー回路を構成している。
【００２４】
また、ＦＥＴ Ｑ６のドレインはＦＥＴ Ｑ７のソースとＦＥＴ Ｑ８のソースにそれぞれ接続され、ＦＥＴ Ｑ８のゲートには参照電圧Ｖｒが印加されている。また、ＦＥＴ Ｑ７のドレインはＦＥＴ Ｑ９のドレインに、ＦＥＴ Ｑ８のドレインはＦＥＴ Ｑ１０のドレインにそれぞれ接続されている。ここでは、ＦＥＴ Ｑ７とＦＥＴ Ｑ８はカレントミラー回路を構成している。
【００２５】
ＦＥＴ Ｑ９のゲートとＦＥＴ Ｑ１０のゲートとは互いに接続され、またＦＥＴ Ｑ１０は、そのゲートがドレインに接続されたダイオード接続を有している。さらに、ＦＥＴ Ｑ９のソースとＦＥＴ Ｑ１０のソースは電源Ｖddにそれぞれ接続されている。ここでは、ＦＥＴ Ｑ９とＦＥＴ Ｑ１０はカレントミラー回路を構成している。
【００２６】
本実施例では、フォトダイオードＤ１と電流電圧変換部１０との接続点、つまりフォトダイオードＤ１とＦＥＴ Ｑ１のソースとの接続点ａが配線１２を介してＦＥＴ Ｑ７のゲートに接続され、さらに、ＦＥＴ Ｑ７のドレインとＦＥＴ Ｑ９のドレインとの接続点ｂが配線１３を介してＦＥＴ Ｑ１のゲートに接続されている。
【００２７】
次に、本実施例の作用について説明する。
【００２８】
本実施例においては、前記変換部１０のＦＥＴ Ｑ１は、そのソース側に存在する信号電圧を配線１２を介して増幅部１１へ送り、増幅部１１で増幅して、その増幅した信号電圧を配線１３を介して同ＦＥＴ Ｑ１のゲートにフィードバックすることにより、等価的に前記ソースから見た入力インピーダンスを下げることができる。そして、ＦＥＴ Ｑ２、ＦＥＴ Ｑ１及びフォトダイオードＤ１に光電流Ｉ１が流れると、ＦＥＴ Ｑ２とＦＥＴ Ｑ３のカレントミラーにより、ＦＥＴ Ｑ３には光電流Ｉ１と等価な光電流Ｉ４が流れ、この光電流Ｉ４を負荷抵抗Ｒ１により、端子Ｖｏから電圧（Ｉ４＊Ｒ１つまりＩ１＊Ｒ１）として取り出すことができる。
【００２９】
また、ＦＥＴ Ｑ２とＦＥＴ Ｑ４とのカレントミラーにより、ＦＥＴ Ｑ４には光電流Ｉ１と等価な光電流Ｉ２（この光電流Ｉ２は光電流Ｉ４とも等価である）が流れ、その結果、ＦＥＴ Ｑ５には光電流Ｉ２が流れる。なお、抵抗Ｒ２とコンデンサＣ２は、光電流Ｉ１の直流成分を光電流Ｉ２に取り出すためのＬＰＦ（Low Pass Filter）である。
【００３０】
また、光電流Ｉ２が流れると、ＦＥＴ Ｑ５とＦＥＴ Ｑ６とのカレントミラーにより、ＦＥＴ Ｑ６に光電流Ｉ３が流れる。すなわち、ここでは、ＦＥＴ Ｑ５とＦＥＴ Ｑ６は、増幅器１１の動作電流を制御する制御手段を構成している。
【００３１】
ＦＥＴ Ｑ２とＦＥＴ Ｑ３、ＦＥＴ Ｑ２とＦＥＴ Ｑ４における電流比は１であり、ＦＥＴ Ｑ２とＦＥＴ Ｑ４における電流比を２とすると、Ｉ３＝２＊１となり、ＦＥＴ Ｑ１〜ＦＥＴ Ｑ５に流れる電流と、増幅部１１の作動対であるＦＥＴ Ｑ７，ＦＥＴ Ｑ８に流れる電流を同じにすることができる。
【００３２】
フォトダイオードＤ１に当たった光の光量は光電流Ｉ１となって、端子Ｖｏから出力されると同時に、増幅部１１の作動増幅用のＦＥＴ Ｑ７，ＦＥＴ Ｑ８のドレイン電流をも決定する。フォトダイオードＤ１に光が当たらず光量がなければ、光電流Ｉ１〜Ｉ４は流れない。
【００３３】
光電流Ｉ１は発光（送光）側の消光比により、振幅変調の最低値でも一定の光電流を流す。すなわち、光を完全に消すところまで深い変調は行われない。その最低光量と最高光量の調整は発光側で行われるものであるが、本実施例の基本セル（受光部）２においては、これを利用して増幅部１１の動作を小電流時でも良好なものとしている。
【００３４】
図４（ａ）は一定の最低光量がある場合、同図（ｂ）は最低光量が０の場合をそれぞれ示しており、データ通信のＬ側で電流電圧変換部１０、増幅部１１に用いるＭＯＳトランジスタにバイアス電流が与えられず、その動作は非線形になる。
【００３５】
このような基本セル２を図１のようにマトリクス状に縦横方向に配置してなる受光装置では、光の当たっている部分の基本セル２がその光量に応じて電流電圧変換部１０、増幅部１１の電流を流す動作をするので、図１に示す各基本セル２から出力される電流を加算器Ｓで加算した加算電流と抵抗Ｒにより得られた電圧Ｖ（図１の出力端子での電圧）は、それぞれの光電流に応じた加算出力となる。
【００３６】
基本セル２内の増幅部１１は、フォトダイオードＤ１の端子間容量の周波数特性への影響を軽減するためのもので、通常ＦＥＴ Ｑ１のソースから見た入力インピーダンスを数十Ω以下に抑える。
【００３７】
光量の低下による光電流Ｉ３の減少は徐々に高域周波数での入力インピーダンスを上げるが、合算後の出力は、光量の大きな基本セル２から得られる電流が支配的なので、その影響は少ない。
【００３８】
次に、ＦＥＴ Ｑ１のソースから見た入力インピーダンスを下げることができる理由について詳述する。
【００３９】
先ず、図３に示すように、配線１２における電圧をｖ１とし、配線１３における電圧をｖ２とする。そして、フォトダイオードＤ１のカソード側とＦＥＴ Ｑ１のソースとの接続点ａの入力インピーダンスをＺｉとしたとき、ＦＥＴ Ｑ１がゲート接地で用いられる場合は、Ｚｉ≒１／ｇｍ１（ここで、ｇｍ１はＦＥＴ Ｑ１の相互コンダクタンスである）で表されるが、図３では、ＦＥＴ Ｑ７のソースとＦＥＴ Ｑ８のソースが仮想接地となっていることを考慮すると、
ｖ２＝−ｖ１＊ｇｍ２＊Ｒ２        ・・・・・・（１）
ｉ１＝（ｖ２−ｖ１）ｇｍ１        ・・・・・・（２）
である。ここで、ｇｍ２はＦＥＴ Ｑ７の相互コンダクタンスである。また、ｉ１はＩ１と同じである。
【００４０】
上記（１）式及び（２）式より、
Ｚｉ＝−ｖ１／ｉ１＝１／ｇｍ１（１＋Ｒ２＊ｇｍ２）    ・・・・・・（３）
となり、入力インピーダンスＺｉをゲート接地の入力の値より、非常に小さくすることができる。
【００４１】
一方、 ＦＥＴ Ｑ７とＦＥＴ Ｑ８のソースの接続点とＧＮＤ間にｉ２（＝Ｉ３）なる信号電流が流れた場合は、
ｖ２＝−ｋ＊ｉ２＊Ｒ２        ・・・・・・（４）
ｉ１＝（ｖ２−ｖ１）ｇｍ１    ・・・・・・（５）
である。ここで、ｋはｉ２の分流比である。
【００４２】
ｖ１とｖ２が、ＦＥＴ Ｑ１のソースフォロア動作として表されるので、上記（４）式及び（５）式より、
ｖ１／ｖ２＝ｇｍ１＊Ｒｓ／（１＋ｇｍ１＊Ｒｓ）    ・・・・・・（６）
となる。ここで、ＲｓはＦＥＴ Ｑ７とＦＥＴ Ｑ８のソースとＧＮＤ間の抵抗である。
【００４３】
今、ＦＥＴ Ｑ５とＦＥＴ Ｑ６とはカレントミラーを構成しており、ＦＥＴ Ｑ５側に電流が流れたとき、ＦＥＴ Ｑ６側にも電流が流れ、ＦＥＴ Ｑ６を定電流源とみなすことができる。すると、Ｒｓ＝∞となり、ｖ１≒ｖ２となるので、ｉ１≒０である。したがって、ｉ２は出力Ｖｏには現れない。
【００４４】
図３のフォトダイオードＤ１は光を受けると光の強度に応じた電流が流れ、それは直流電流Ｉと交流電流ｉとの和として表現できる。また端子間にその面積に応じた容量を持つ、すなわち、上記式のＲｓは現実には、高い周波数では小さくなりｖ１≒ｖ２が成り立たなくなる。
【００４５】
すると、その容量のインピーダンスの逆数に応じたｉ２による電流が抵抗Ｒ１にも流れる。
【００４６】
図３の構成では、このｉ２の帰還を防止するために抵抗Ｒ２及びコンデンサＣ２からなるＬＰＦが設けられている。このＬＰＦの時定数は、低周波数成分を含むデータ信号そのものを取り除く目的ではなく、その高周波数成分を取り除く目的のものなので、従来例に比べて十分に小さなもので済み、ＩＣ化に適している。
【実施例２】
【００４７】
図５は実施例２を示している。本実施例では、増幅部１１が、ＦＥＴ Ｑ１６、ＦＥＴ Ｑ１７、ＦＥＴ Ｑ１９及びＦＥＴ Ｑ２０を有している。実施例１と比較すると、ＦＥＴ Ｑ１６はＦＥＴ Ｑ６に、ＦＥＴ Ｑ１７はＦＥＴ Ｑ７に、ＦＥＴ Ｑ１９はＦＥＴ Ｑ９に、ＦＥＴ Ｑ２０はＦＥＴ Ｑ１０にそれぞれ相当している。つまり本実施例では、実施例１におけるＦＥＴ Ｑ８に相当するものは設けられていない。
【００４８】
そして、ＦＥＴ Ｑ１６のドレインがＦＥＴ Ｑ２０のドレインに接続され、ＦＥＴ Ｑ１７のソースは接地されている。
【００４９】
本実施例の場合も、フォトダイオードＤ１とＦＥＴ Ｑ１のソースとの接続点ａが配線１２を介してＦＥＴ Ｑ１７のゲートに接続され、さらに、ＦＥＴ Ｑ１７のドレインとＦＥＴ Ｑ１９のドレインとの接続点ｂが配線１３を介してＦＥＴ Ｑ１のゲートに接続されており、実施例１と同様な作用効果を得ることができる。
【実施例３】
【００５０】
図６は実施例３を示している。本実施例では、電流電圧変換部１０には、ＦＥＴ Ｑ１、ＦＥＴ Ｑ２及びＦＥＴ Ｑ３が設けられている。つまり、実施例１において設けられていたＦＥＴ Ｑ４が欠落している。また、増幅部１１にはＦＥＴ Ｑ２６及びＦＥＴ Ｑ２７が設けられている。
【００５１】
そして、ＦＥＴ Ｑ２６のドレインがＦＥＴ Ｑ２７のドレインに接続され、ＦＥＴ Ｑ２７のソースは接地されている。また、ＦＥＴ Ｑ２６のソースは電源Ｖddに接続され、ＦＥＴ Ｑ２６のゲートは抵抗Ｒ２を介してＦＥＴ Ｑ２のゲートに接続されている。さらに、ＦＥＴ Ｑ２６のゲートと抵抗Ｒ２と中間点（電流電圧変換部１０側の中間点）は、コンデンサＣ２を介して電源Ｖddに接続されている。
【００５２】
本実施例の場合も、フォトダイオードＤ１とＦＥＴ Ｑ１のソースとの接続点ａが配線１２を介してＦＥＴ Ｑ２７のゲートに接続され、さらに、ＦＥＴ Ｑ２６のドレインとＦＥＴ Ｑ２７のドレインとの接続点ｂが配線１３を介してＦＥＴ Ｑ１のゲートに接続されており、実施例１と同様な作用効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明に係る空間光通信用受光装置の構成図である。
【図２】基本セルの詳細構成を示す平面図である。
【図３】実施例１による受光素子を含むアンプ部の回路構成図である。
【図４】受光素子が受光する光量の変化を示しており、（ａ）は一定の最低光量がある場合の図、（ｂ）は最低光量がゼロの場合の図である。
【図５】実施例２による受光素子を含むアンプ部の回路構成図である。
【図６】実施例３による受光素子を含むアンプ部の回路構成図である。
【符号の説明】
【００５４】
１  空間光通信用受光装置
２  基本セル
８  アンプ部
９  受光素子
１０  電流電圧変換部
１１  増幅部
ａ，ｂ  接続点
Ｄ１  フォトダイオード
Ｑ１〜Ｑ１０  ＦＥＴ
Ｑ１６，Ｑ１７，Ｑ１９，Ｑ２０  ＦＥＴ
Ｑ２６，Ｑ２７  ＦＥＴ
Ｓ  加算器
【図１】
2008153930.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2008153930.tif 000007
【図６】
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