(57)【要約】【課題】  アバランシェフォトダイオードへの光入力のレベルが急変したときの、過電流によるアバランシェフォトダイオードの破損を防止する。【解決手段】  電流検知回路２によりアバランシェフォトダイオードに流れる電流を検知し、判定回路３によりその電流が所定の閾値を越えたか否かを判定し、電流が閾値を越えた場合に、遮断回路４により、一定時間、強制的にアバランシェフォトダイオードに流れる電流を遮断する。例えば、判定回路３の出力をトリガパルスとして動作するワンショット・マルチバイブレータ回路５により遮断回路４を構成する。ワンショット・マルチバイブレータ回路５は、入力されたトリガパルスの幅に拘わらず固定幅のパルスを出力するので、そのパルスが出力されている間のみ電流バイパス回路６により電流を遮断する。【選択図】      図１
2005072376.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アバランシェフォトダイオードに流れる電流を制御する制御回路であって、
アバランシェフォトダイオードに流れる電流を検知する電流検知回路と、
前記電流検知回路により検知された電流が予め設定された閾値を越えたか否かを判定する判定回路と、
前記判定回路により前記電流が前記閾値を越えたと判定された場合に、一定時間、前記アバランシェフォトダイオードに流れる電流を遮断する遮断回路と
を備えることを特徴とするアバランシェフォトダイオードの制御回路。
【請求項２】
前記遮断回路はワンショット・マルチバイブレータ回路を含み、該ワンショット・マルチバイブレータ回路が出力パルスを出力している間、前記電流を遮断する回路であることを特徴とする請求項１記載のアバランシェフォトダイオードの制御回路。
【請求項３】
前記電流検知回路は、前記アバランシェフォトダイオードに流れる電流を電圧に変換することにより電圧として検知する回路であり、
前記判定回路は、前記電流検知回路により検知された電圧の値が所定の閾値を越えたか否かを判定する回路であることを特徴とする請求項１または２記載のアバランシェフォトダイオードの制御回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光受信機などで受光素子として用いられるアバランシェフォトダイオードの制御回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
アバランシェフォトダイオードは、半導体のＰＮ接合に大きな逆バイアス電圧を印加してキャリアを生成することにより加速度的に電流を増大させるなだれ（アバランシェ）効果を利用して、電流を増幅する受光素子である。微弱光信号でも受信でき、高速に動作するため、高速・長距離通信への利用に適している。安定した光通信を実現するためには、アバランシェフォトダイオードの受光信号のレベルを一定に保つことが重要である。
【０００３】
図６に、アバランシェフォトダイオードの制御回路の一般的な構成を示す。このような回路構成は、例えば特許文献１に示されている。
【０００４】
アバランシェフォトダイオードの制御回路は、図に示すように、アバランシェフォトダイオード１０１に直列に接続された抵抗１０２と、抵抗１０２にさらに直列に接続された抵抗１０３と、アバランシェフォトダイオード１０１と抵抗１０２との間に光入力パワーを安定させるために接続されたコンデンサ１０５と、抵抗１０２と抵抗１０３の間に接続されたバイアス回路１０４を備えている。バイアス回路１０４は、温度制御回路、電圧制御回路などを含む。以下の説明では、電源電圧をＶＤＤ、抵抗１０２の抵抗値をＲ０、抵抗１０３の抵抗値をＲ１、コンデンサ１０５の容量をＣ、抵抗１０３を流れる電流の値をＩ１、抵抗１０２およびアバランシェフォトダイオードを流れる電流の値をＩＡＰＤ、抵抗１０２と抵抗１０３の接続点の電圧（以下、「バイアス設定電圧」と称する。）をＶ０、アバランシェフォトダイオードに入力される光パワーの値をＰＩＮ、アバランシェフォトダイオードにかかる電圧をＶＡＰＤ、アバランシェフォトダイオードの増倍率をＭ、アバランシェフォトダイオードの受光信号のレベルをＶＩＮと表すものとする。
【０００５】
上記回路では、以下の式（１）および（２）の関係が成り立つ。
Ｖ０＝ＶＤＤ−Ｉ１・Ｒ１  …  （１）
Ｉ１＝ＩＢＩ＋ＩＡＰＤ    …  （２）
これらの式は、電流値Ｉ１を一定に保てば、バイアス設定電圧Ｖ０が一定に保たれることを表している。バイアス回路１０４は、アバランシェフォトダイオード１０１への光入力パワーＰＩＮの変化に伴い電流値ＩＡＰＤが変動した場合に、電流値ＩＢＩを調整する。これにより、抵抗Ｒ１に流れる電流の値Ｉ１を一定に保ち、バイアス設定電圧Ｖ０を一定レベルに保つ。
【０００６】
アバランシェフォトダイオード１０１への光入力パワーの値ＰＩＮが増加した場合、電流値ＩＡＰＤは増加し、抵抗１０２による電圧降下が大きくなる。この場合、バイアス設定電圧Ｖ０は一定であるので、アバランシェフォトダイオード１０１にかかる電圧ＶＡＰＤが小さくなり、アバランシェフォトダイオード１０１の増倍率Ｍは小さくなる。反対に、光入力パワーの値ＰＩＮが減少した場合には、電流値ＩＡＰＤは減少し、電圧ＶＡＰＤは上昇するので、アバランシェフォトダイオード１０１の増倍率Ｍは大きくなる。すなわち、アバランシェフォトダイオード１０１への光入力パワーＰＩＮの変動に応じて、アバランシェフォトダイオード１０１の増倍率Ｍが制御される。これにより、光入力パワーＰＩＮが変動した場合でも、アバランシェフォトダイオード１０１により受光した信号のレベルは一定に保たれる。
【０００７】
しかし、上記回路では、アバランシェフォトダイオード１０１への光入力レベルが急変した場合に、アバランシェフォトダイオード１０１の電圧や電流が安定するまでにかかる時間は、コンデンサ１０５の容量Ｃと抵抗１０２の抵抗値Ｒ０の時定数により決まる。このため、時定数が比較的大きい場合には、アバランシェフォトダイオード１０１に、その降伏電圧を超える電圧が長時間印加され、最大定格電流を越える電流が流れ、アバランシェフォトダイオードが破損することがあった。
【０００８】
【特許文献１】特開平１１−２７５７５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、上記問題点に鑑みて、アバランシェフォトダイオードの制御回路であって、アバランシェフォトダイオードへの光入力レベルが急変したときの過電圧、過電流によりアバランシェフォトダイオードが破損することを防止する機能を備えた回路を提供することを目的とする。
【００１０】
上記目的を達成するための手段として、本発明の制御回路は、アバランシェフォトダイオードに流れる電流を検知する電流検知回路と、電流検知回路により検知された電流が予め設定された閾値を越えたか否かを判定する判定回路と、判定回路により前記電流が閾値を越えたと判定された場合に、一定時間、アバランシェフォトダイオードに流れる電流を遮断する遮断回路とを備える。
【００１１】
遮断回路は、例えばワンショット・マルチバイブレータ回路を含む回路とし、ワンショット・マルチバイブレータ回路が出力パルスを出力している間、電流を遮断する回路とするのがよい。
【００１２】
また、電流検知回路は、例えば、アバランシェフォトダイオードに流れる電流を電圧に変換することにより電圧として検知する回路とし、判定回路は、電流検知回路により検知された電圧の値が所定の閾値を越えたか否かを判定する回路とすることができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明のアバランシェフォトダイオードの制御回路は、アバランシェフォトダイオードに流れる電流が予め設定された閾値を越えた場合に、回路を構成する素子の特性（例えば時定数など）と関係なく固定的に定められた一定の時間だけ、強制的に電流を遮断する点が特徴である。これにより、アバランシェフォトダイオードに大きな電流が流れる時間を確実に軽減することができ、アバランシェフォトダイオードの破損を防止することができる。
【００１４】
また、遮断回路をワンショット・マルチバイブレータ回路により構成すれば、ワンショット・マルチバイブレータ回路のパルス幅は供給する電圧などによって任意に設定することができるので、上記一定時間の調整が容易になる。これにより、最適な遮断時間を設定することができ、回路本来の動作を損なうことなくアバランシェフォトダイオードの破損を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１は、本発明の制御回路の一実施の形態を示す図である。図１の回路は、アバランシェフォトダイオード１と、アバランシェフォトダイオード１に直列に接続された抵抗８を含む電流検知回路２と、抵抗８にさらに直列に接続された抵抗１０と、抵抗８、抵抗１０のそれぞれと共に積分回路を構成するコンデンサ７およびコンデンサ９を備える。さらに、この回路は、電流検知回路２の出力と所定の閾値との比較判定を行う判定回路３と、判定回路３が出力した判定結果に応じてアバランシェフォトダイオード１に流れる電流を遮断する遮断回路４を備える。遮断回路４は、判定回路３の出力をトリガとして動作するワンショット・マルチバイブレータ回路５と、抵抗１０と抵抗８の接続点を流れる電流をバイパスする電流バイパス回路６により構成される。
【００１６】
上記回路において、アバランシェフォトダイオード１に光が入射光されると、アバランシェフォトダイオード１が光を電流に変換し、抵抗８に電流が流れる。電流検知回路２は抵抗８を流れる電流の値を検知し、検知した電流値を判定回路３に供給する。判定回路３は供給された電流値を所定の閾値と比較し、閾値を越えていると判定した場合には、ワンショット・マルチバイブレータ回路５に所定のトリガパルスを供給する。ワンショット・マルチバイブレータ回路５は、トリガパルスが入力されると、そのトリガパルスの幅に拘わらず、一定の幅のパルスを出力する。なお、閾値や、ワンショット・マルチバイブレータ回路５が出力するパルスの幅は、個別に設定可能であり、必要に応じて変更することができる。
【００１７】
上記回路の動作を、図２（ａ）、（ｂ）および（ｃ）を参照して説明する。図２（ａ）は、アバランシェフォトダイオード１の電流、すなわち電流検知回路２により検知される電流の時間変化を表す図である。図２（ｂ）は、ワンショット・マルチバイブレータ回路５の出力の時間変化を表す図である。また、図２（ｃ）は、アバランシェフォトダイオード１にかかる電圧の時間変化を表す図である。図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はいずれも同じ時間帯における電流、電圧の変化を表している。
【００１８】
アバランシェフォトダイオード１への光入力レベルが急変し、図２（ａ）に示すようにアバランシェフォトダイオード１の電流が急激に大きくなると、判定回路３から、ワンショット・マルチバイブレータ回路５にトリガパルスが供給され、ワンショット・マルチバイブレータ回路５は図２（ｂ）に示すように所定幅のパルスを出力する。電流バイパス回路６は、図２（ａ）に示すように、ワンショット・マルチバイブレータ回路５が出力するパルスの幅に相当する時間、アバランシェフォトダイオード１に流れる電流を遮断する。このため、パルスの幅に相当する時間、図２（ｃ）に示すようにアバランシェフォトダイオード１の電圧も０Ｖとなる。ワンショット・マルチバイブレータ回路５がパルス出力動作を終え、電流バイパス回路がバイパスとして機能しなくなると、アバランシェフォトダイオード１の電流および電圧は、抵抗１０とコンデンサ９、および抵抗８とコンデンサ７からなる積分回路の機能により徐々に安定時の状態へと戻る。
【００１９】
以下、上記動作を行う電流検知回路２、判定回路３、遮断回路４の具体的な構成について、図３を参照して説明する。図３は、図１に示した回路を詳細に示した図である。
【００２０】
本実施の形態では、図に示すように、電流検知回路２は、電流検出アンプ２２と、抵抗８とにより構成される。抵抗８は、前述のようにアバランシェフォトダイオードと直列に接続されている抵抗であり、電流検出アンプ２２の電源側接続点と負荷側接続点の間に外部検出抵抗として接続されている。抵抗８を流れる電流、すなわちアバランシェフォトダイオード１の電流は電流検出アンプ２２により検出され、電流検出アンプにより増幅され、出力される。なお、電流検出アンプ内部の利得は任意に調整可能であるため、次の判定回路３における判定を行えるように、電流検出アンプの利得を予め調整しておく。
【００２１】
また、判定回路３は、図に示すようにオペアンプ３１により構成されるコンパレータ回路として実現する。オペアンプ３１のプラス側には電流検出アンプ２２の出力を供給し、マイナス側には比較の基準値（閾値）となる電圧ＶＣＯＮを供給する。電圧ＶＣＯＮは任意に設定可能である。電流検出アンプ２２の出力が、電圧ＶＣＯＮよりも小さければコンパレータの出力（判定回路３の出力）は０となる。一方、電流検出アンプ２２の出力が、電圧ＶＣＯＮよりも大きければコンパレータ回路からトリガパルスが出力される。よって、例えばアバランシェフォトダイオード１の最大定格電流に相当する電圧を電圧ＶＣＯＮとして供給すれば、アバランシェフォトダイオード１に最大定格電流を越える電流が流れたか否かを判定することができる。
【００２２】
また、ワンショット・マルチバイブレータ回路５は、図に示すように、３個のオペアンプ５１、５２、５３により、それぞれ構成される３つのコンパレータ回路と、微分回路の組合せにより実現する。
【００２３】
判定回路３の出力は、オペアンプ５１のマイナス側の入力として供給される。オペアンプ５１の出力は、コンデンサ５６と抵抗５７により構成される微分回路を経由して、オペアンプ５２のマイナス側に供給される。オペアンプ５２のプラス側には、固定電圧ＶＯＮＥ１を抵抗５８、５７を経由して供給する。供給された電圧は、オペアンプ５２により構成されるコンパレータ回路の比較の基準値となる。オペアンプ５２の出力は、オペアンプ５３のマイナス側に入力される。オペアンプ５３のプラス側には、比較の基準となる電圧として、固定電圧ＶＯＮＥ２が供給される。オペアンプ５３の出力は、抵抗５４、５５を経由してオペアンプ５１のプラス側に入力される。入力された値は、オペアンプ５１により構成されるコンパレータ回路の比較の基準値となる。固定電圧ＶＯＮＥ１、ＶＯＮＥ２は任意に設定可能である。
【００２４】
オペアンプ５１により構成されるコンパレータ回路は、入力電圧が比較の基準値以下のときは所定の値を出力する。比較の基準値を、判定回路３が出力するトリガパルスの値よりも小さく設定しておけば、判定回路３の出力が０のときにはオペアンプ５１は所定の値を出力し、判定回路３がトリガパルスを出力したときにはオペアンプ５１の出力は０となる。オペアンプ５１の出力はオペアンプ５２に供給されるので、オペアンプ５２により構成されるコンパレータ回路の比較の基準値を、オペアンプ５１が出力する所定の値よりも小さく設定しておけば、オペアンプ５１が所定の値を出力したときにはオペアンプ５２の出力は０となる。一方、オペアンプ５１の出力が０のときには、オペアンプ５２は所定の値を出力する。
【００２５】
上記各コンパレータ回路の動作によれば、判定回路３が所定のトリガパルスを出力した場合には、オペアンプ５１の出力が０となり、オペアンプ５２が所定の値を出力し、電流バイパス回路が動作を開始する。また、判定回路３の出力が０の場合には、オペアンプ５１は所定の値を出力し、オペアンプ５２の出力は０となるので、電流バイパス回路は動作しない。
【００２６】
この際、オペアンプ５２が所定の値を出力している時間は、固定電圧ＶＯＮＥ１と抵抗５７とコンデンサ５６からなる積分回路の設定により決まる。すなわち、これらの値を調整することにより、オペアンプ５２から出力されるパルスのパルス幅を任意に設定することができる。
【００２７】
次に、電流バイパス回路６について説明する。本実施の形態では、図に示すように、トランジスタ６１を用いて電流バイパス回路を実現する。図に示すように、トランジスタ６１のベースには、ワンショット・マルチバイブレータ回路５の出力が供給される。この際、ワンショット・マルチバイブレータ回路５とトランジスタ６１のベースの間には、抵抗６３とコンデンサ６２の並列回路が配置されている。コンデンサ６２は、いわゆるスピードアップ・コンデンサとして機能する。すなわち、電圧が急激に変化した場合に、ベース電流は抵抗６３ではなくコンデンサ６２を通れるようにし、トランジスタ６１が素早く動作できるようにしている。
【００２８】
トランジスタ６１のエミッタはグラウンドに接続されている。また、トランジスタ６１のコレクタは、抵抗１０とコンデンサ９により構成される積分回路の間に接続されている。
【００２９】
ワンショット・マルチバイブレータ回路５が動作を開始する（パルスを出力する）と、抵抗１０に電圧がかかり、電圧降下によりトランジスタ６１に動作電圧に相当する電圧がかかる。これにより、トランジスタ６１が動作を開始すると、コレクターエミッタ間にバイパス電流が流れ、アバランシェフォトダイオード１に流れる電流が遮断される。
【００３０】
なお、上記電流バイパス回路６は、以下に説明するように、３ステートバッファを用いたデジタル回路として実現してもよい。図４（ａ）および（ｂ）は、３ステートバッファの入出力の関係について説明するための図である。３ステートバッファは、図４（ａ）に示すように、２つの入力Ａ、Ｅｂを比較し、その状態によって決定された出力Ｐを出力する論理回路である。出力Ｐは、入力Ａ、Ｅｂの値によって、図４（ｂ）に示す表のように変化する。この論理回路の特徴は、２入力が共に”Ｈ”のときと、入力Ｅｂが”Ｈ”で入力Ａが”Ｌ”のときに、出力Ｐが高インピーダンス状態、すなわちデバイスが接続されていない状態と電気的に等価な状態になるということである。
【００３１】
図５に、３ステートバッファを利用した遮断回路の例を示す。この回路は、図に示すように、ワンショット・マルチバイブレータ回路５の出力を、ＮＯＴ回路１１を介して３ステートバッファ１２の２つの入力Ａ、Ｅｂとして供給するものである。この構成によれば、ワンショット・マルチバイブレータ回路５の出力が０のときには、ＮＯＴ回路１１により３ステートバッファ１２の２つの入力Ａ、Ｅｂは、いずれも”Ｈ”になるので、３ステートバッファ１２の出力側は、デバイスに接続されていない状態と電気的に等価な状態になる。一方、ワンショット・マルチバイブレータ回路５がパルスを出力している間は、ＮＯＴ回路１１により３ステートバッファ１２の２つの入力Ａ、Ｅｂは、いずれも”Ｌ”になるので、出力Ｐは”Ｌ”となる。これにより、アバランシェフォトダイオード１にかかる電圧を０にすることができる。
【００３２】
以上に説明したアバランシェフォトダイオードの制御回路によれば、アバランシェフォトダイオードへの光入力が急変した場合には、一定の時間、アバランシェフォトダイオードの電流が遮断され、あるいはアバランシェフォトダイオードにかかる電圧が０になる。このため、アバランシェフォトダイオードに定格電流を越えた電流が流れる時間を短くすることができる。図７は、図６に示した従来の制御回路により制御されるアバランシェフォトダイオードの電流と電圧の時間変化の例を示す図である。前述のように、従来の制御回路では、光入力レベルが急変すると、比較的長時間、アバランシェフォトダイオードに大電流が流れてしまっていた。この図７と、前述の図２の比較からも明らかであるように、本実施の形態における制御回路では、アバランシェフォトダイオードに大電流が流れる時間を短縮することができるので、過電流によるアバランシェフォトダイオードの破損を防止することができる。
【００３３】
また、本実施の形態における制御回路では、前述のように電流や電圧を遮断する条件は、回路を構成する素子の特性に左右されることなく、供給する電圧などを変更することで、任意に設定できる。さらには、前記一定の時間も、同様にして、任意の時間を設定することができる。このため、設定のしかたによっては、過渡電流が定格電流を越える以前に電流を遮断するなどして、より確実にアバランシェフォトダイオードの破損を防止することができる。
【００３４】
なお、本発明の制御回路における電流検知回路２、判定回路３、遮断回路４の具体的構成は、上記実施の形態に限定されるものではないことは言うまでもない。本発明の制御回路は、一定の時間、強制的にアバランシェフォトダイオードの電流を遮断したり電圧を０にしたりする機能を備えている点が特徴であり、電流検知回路、判定回路、遮断回路によりこの機能を実現するすべての回路は、本発明の技術的範囲に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の制御回路の一実施の形態を示す図である。
【図２】（ａ）は、アバランシェフォトダイオードの電流の時間変化の例を表す図であり、（ｂ）は、ワンショット・マルチバイブレータ回路の出力の時間変化の例を表す図であり、（ｃ）は、アバランシェフォトダイオードにかかる電圧の時間変化の例を表す図である。
【図３】図１の制御回路の詳細を示す図である。
【図４】３ステートバッファの入出力の関係について説明するための図である。
【図５】３ステートバッファを利用した遮断回路の例を示す図である。
【図６】アバランシェフォトダイオードの制御回路の一般的な構成を示す図である。
【図７】（ａ）は図６の制御回路により制御されたアバランシェフォトダイオードの電流の時間変化の例を表す図であり、（ｂ）は図６の制御回路により制御されたアバランシェフォトダイオードの電圧の時間変化の例を表す図である。
【符号の説明】
【００３６】
１  アバランシェフォトダイオード、  ２  電流検知回路、  ３  判定回路、  ４  遮断回路、  ５  ワンショット・マルチバイブレータ回路、  ６  電流バイパス回路、  ７  コンデンサ、  ８  抵抗、  ９  コンデンサ、  １０  抵抗、  １１  ＮＯＴ回路、  １２  ３ステートバッファ、  ２２  電流検出アンプ、  ３１，５１，５２，５３  オペアンプ、  ５４，５５，５７，５８，６３  抵抗、  ５６，６２  コンデンサ、  ６１  トランジスタ、  １０１  アバランシェフォトダイオード、  １０２，１０３  抵抗、  １０４  バイアス回路、  １０５  コンデンサ。  
【図１】
2005072376.tif 000003
【図２】
2005072376.tif 000004
【図３】
2005072376.tif 000005
【図４】
2005072376.tif 000006
【図５】
2005072376.tif 000007
【図６】
2005072376.tif 000008
【図７】
2005072376.tif 000009