(57)【要約】  受光回路（114）に、光伝送路（101）から出力される１系統の光信号を電気信号に変換し且つ該電気信号の電位を光信号の検出ごとに反転させる光入力回路（113）と、光入力回路により変換された電気信号を増幅して出力するバッファ回路（110）とを備える。かかる構成によれば、受光回路に１系統の光信号を入力すればよいことから、システムの回路構成が複雑になることを回避できる。
2007037212.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光伝送路から出力される１系統の光信号を電気信号に変換し且つ該電気信号の電位を光信号の検出ごとに反転させる光入力回路と、
前記光入力回路により変換された電気信号を増幅して出力するバッファ回路とを備えることを特徴とする受光回路。
【請求項２】
前記光入力回路は、
前記光伝送路からの光信号を検出する１つの受光素子と、
前記バッファ回路に電気信号を伝送する第２の信号線、該第２の信号線の電位と同一の電位が与えられる第１の信号線、及び、グランドからの電源線に接続された第１のスイッチ回路と、
前記第２の信号線、前記第１の信号線、及び、動作電源からの電源線に接続された第２のスイッチ回路とを有し、
前記第１のスイッチ回路は、前記受光素子が光信号を検出したときに、前記第１の信号線の電位が動作電源からの前記電源線の電位と等しい場合、前記第２の信号線をグランドからの前記電源線と短絡させ、
前記第２のスイッチ回路は、前記受光素子が光信号を検出したときに、前記第１の信号線の電位がグランドからの前記電源線の電位と等しい場合、前記第２の信号線を動作電源からの前記電源線と短絡させることを特徴とする請求項１記載の受光回路。
【請求項３】
前記第１のスイッチ回路は、前記第１の信号線にゲート電極が接続された２つのnMOSトランジスタを有し、
前記第２のスイッチ回路は、前記第１の信号線にゲート電極が接続された２つのpMOSトランジスタを有し、
前記２つのnMOSトランジスタの一方は、ドレイン電極が前記受光素子のアノードに接続され且つソース電極がグランドからの前記電源線に接続され、他方は、ドレイン電極が前記第２の信号線に接続され且つソース電極が前記受光素子のカソードに接続され、
前記２つのpMOSトランジスタの一方は、ドレイン電極が前記受光素子のアノードに接続され且つソース電極が動作電源からの前記電源線に接続され、他方は、ドレイン電極が前記第２の信号線に接続され且つソース電極が前記受光素子のカソードに接続されていることを特徴とする請求項２記載の受光回路。
【請求項４】
前記光入力回路は、
それぞれが前記光伝送路からの光信号を検出する第１の受光素子および第２の受光素子と、
前記バッファ回路に電気信号を伝送する第２の信号線、該第２の信号線の電位と同一の電位が与えられる第１の信号線、及び、前記第２の受光素子に接続された第１のスイッチ回路と、
前記第２の信号線、前記第１の信号線、及び、前記第１の受光素子に接続された第２のスイッチ回路とを有し、
前記第１のスイッチ回路は、前記第２の受光素子が光信号を検出したときに、前記第１の信号線の電位が動作電源からの前記電源線と等しい場合、前記第２の信号線をグランドからの前記電源線と短絡させ、
前記第２のスイッチ回路は、前記第１の受光素子が光信号を検出したときに、前記第１の信号線の電位がグランドからの前記電源線の電位と等しい場合、前記第２の信号線を動作電源からの前記電源線と短絡させることを特徴とする請求項１記載の受光回路。
【請求項５】
前記第１のスイッチ回路は、ゲート電極が前記第１の信号線に接続され且つドレイン電極が前記第２の信号線に接続されたpMOSトランジスタを有し、
前記第２のスイッチ回路は、ゲート電極が前記第１の信号線に接続され且つドレイン電極が前記第２の信号線に接続されたnMOSトランジスタを有し、
前記第１の受光素子は、アノードが動作電源からの前記電源線に接続され且つカソードが前記pMOSトランジスタのソース電極に接続され、
前記第２の受光素子は、アノードが前記nMOSトランジスタのソース電極に接続され且つカソードがグランドからの前記電源線に接続されていることを特徴とする請求項４記載の受光回路。
【請求項６】
前記光入力回路は、
それぞれが前記光伝送路からの光信号を検出する第１の受光素子および第２の受光素子と、
前記バッファ回路に電気信号を伝送する第２の信号線の電位と同一の電位が与えられる第１の信号線、グランドからの電源線、および、前記第２の受光素子に接続された第１のスイッチ回路と、
前記第１の信号線、動作電源からの電源線、及び、前記第１の受光素子に接続された第２のスイッチ回路とを有し、
前記第１のスイッチ回路は、前記第２の受光素子が光信号を検出したときに、前記第１の信号線の電位が動作電源からの前記電源線と等しい場合、前記第２の信号線をグランドからの前記電源線と短絡させ、
前記第２のスイッチ回路は、前記第１の受光素子が光信号を検出したときに、前記第１の信号線の電位がグランドからの前記電源線の電位と等しい場合、前記第２の信号線を動作電源からの前記電源線と短絡させることを特徴とする請求項１記載の受光回路。
【請求項７】
前記第１のスイッチ回路は、ゲート電極が前記第１の信号線に接続され且つソース電極がグランドからの前記電源線に接続されたnMOSトランジスタを有し、
前記第２のスイッチ回路は、ゲート電極が前記第１の信号線に接続され且つソース電極が動作電源からの前記電源線に接続されたpMOSトランジスタを有し、
前記第１の受光素子は、アノードが前記pMOSトランジスタのドレイン電極に接続され且つカソードが前記第２の信号線に接続され、
前記第２の受光素子は、アノードが前記第２の信号線に接続され且つカソードが前記nMOSトランジスタのドレイン電極に接続されていることを特徴とする請求項６記載の受光回路。
【請求項８】
前記バッファ回路は、前記光入力回路により変換された電気信号が入力される第１のインバータ回路と、該第１のインバータ回路に入力された電気信号に対応する電位を前記光入力回路へ伝える第２のインバータ回路とを有することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の受光回路。
【請求項９】
さらに、前記バッファ回路に対する前記光入力回路の出力端の電位を予め設定した電位に変化させるリセット回路を備えることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の受光回路。
【請求項１０】
前記光入力回路は、前記光伝送路からの光信号を検出する受光素子を含み、
前記受光素子は、
絶縁層上に配された導電体と、前記絶縁層に形成された第１の半導体と、前記第１の半導体部分に形成され且つ該第１の半導体と極性が対となる第２の半導体と、前記絶縁層上に配され且つ相互に極性が対となる第１の電極および第２の電極とを備え、
前記導電体は、光信号の波長より小さい開口幅を有する開口部と、前記開口部を軸として対称に凹凸を成し且つ光信号と該光信号により励起された表面プラズモンとによる共鳴を誘起する周期構造とが形成され、
前記第１の電極は前記導電体に接合され、
前記第２の電極は前記第１の半導体に接合され、
前記第２の半導体は、前記導電体に接合され且つ光信号および表面プラズモンの共鳴により発生した近接場光を前記開口部を経て受光することを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の受光回路。
【請求項１１】
前記第２の電極は、前記絶縁層上において前記導電体を介して前記第１の電極と対向することを特徴とする請求項１０記載の受光回路。
【請求項１２】
前記第２の電極は、前記導電体の周期構造に形成された切り欠き箇所に配されることを特徴とする請求項１１記載の受光回路。
【請求項１３】
前記導電体は、前記開口部を含む帯形状を成し、
前記第２の電極は、帯形状の前記導電体の端部のうち前記第１の電極に接続されない端部を囲む形状を成すことを特徴とする請求項１０記載の受光回路。
【請求項１４】
前記導電体の周期構造は、同心円状の凹凸を成すことを特徴とする請求項１０乃至１３のいずれか１項に記載の受光回路。
【請求項１５】
前記導電体の開口部は帯形状の短手方向を横断するスリット形状を成し、前記周期構造は前記開口部と平行に凹凸を成すことを特徴とする請求項１３記載の受光回路。
【請求項１６】
請求項１乃至１５のいずれか１項に記載の複数の受光回路と、該複数の受光回路のそれぞれに対し１系統の光信号を入力する光伝送路とを備えることを特徴とするディジタルシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光信号を電気信号に変換する受光回路に関し、特に、高速の光通信を実現するためのディジタルシステムに用いる受光回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ディジタルシステムにおいて、信号伝送の高速化あるいは広帯域化は、最も基本的な課題である。信号伝送に電気配線を用いるという従来の技術では、ギガヘルツ台以上の高速動作は実現させ難い。これに対し、光による信号伝送では、光を、その周波数（〜数百テラヘルツ）より大幅に低い周波数で変調して使用することから、高速化に伴う問題が起きにくい。【０００３】
また、電気配線による高速な信号伝送では、配線による電気容量を充電する必要があるのに対し、光配線による信号伝送では、配線の電気容量を考慮する必要はない。よって、受光器の電気容量が十分に小さければ回路全体の消費電力を抑えることができる。【０００４】
昨今では、回路の低電圧化が求められているが、それに対応するためには、電磁ノイズの発生を抑えかつノイズに対する耐性を高める必要がある。よって、光配線をディジタルシステム特に半導体集積回路に導入することが、強く望まれている。半導体集積回路では、特にクロック信号の分配手段、及び、サブシステム間の通信に用いるバスなどにおける大容量のデータ転送手段が必要とされている。【０００５】
クロック信号は、同期型のディジタルシステムにおいて、システム全体のタイミング及びスループットを決める重要な信号である。例えば、ＣＰＵのクロック周波数は、データの処理速度を決定する基本要因である。また、バスのクロック周波数は、データ転送速度を決定する基本要因となっている。【０００６】
高速なデータ転送速度を実現するには、ラッチ、フリップフロップなどの高速な記憶素子を使用することや、１サイクルの間にクロック信号が誤って２個以上の記憶素子を通り抜けてしまうようなレーシング条件を避けることが必要とされる。また、クロック信号の分配にあたっては、サイクルタイムの増大を最小限に抑えるために、マシンサイクルにおける無効時間をできるだけ小さくする必要がある。【０００７】
高速なディジタルシステムの設計においては、場所間の波形に位相差が生じるスキューを抑えるようクロック信号を分配することが重要な課題である。このスキューを低減するために、従来、全ての回路がクロックドライバから等距離となるように電気配線を行うＨトリー方式などが用いられている。配線以外のスキュー要因としては、使用するトランジスタや相互接続のパラメータがプロセスによってばらつくこと、あるいは、負荷容量が均一ではないことによりクロックバッファの遅延がシステム全体を通じて異なることなどが挙げられる。【０００８】
サブシステム間をつなぐバスには、高速性が要求されるプロセッサ−メモリ間バスや、接続される装置が広帯域にわたる入出力バスなどがある。プロセッサ及びメモリーだけでなく、入出力装置の高速化も進んでいることから、バスに対する高速・広帯域化の要求はさらに増しているが、電気配線を用いた高速・広帯域化には限界がある。【０００９】
これに対し、光による信号伝送では、電気配線による信号伝送に比べてより広い帯域幅を使用することができ、さらに電磁ノイズを発生しないという利点も持っている。このことは、光による高速なクロック分配が可能なことを示唆するものである。【００１０】
ところで、レーザーダイオードなど、エレクトロニクスで用いられる通常の出力レベルを持つ光源を用いた場合に受光器から得られる信号電圧は、ＬＳＩ内でディジタル回路を動作させるには低すぎる。したがって、受光器からの電気信号でディジタル回路を動作させるために、通常は、受光器の後段にトランスインピーダンスアンプ（ＴＩＡ）が設けられる。【００１１】
ＴＩＡは、入力インピーダンスが高く、受光器の出力容量が小さいという条件を与えられれば、光によるクロック分配に必要な高い信号電圧を出力することができる。ただし、それを実現するためには、ＴＩＡの設置寸法を、受光器よりも大きな、数10〜100μm程度にする必要がある。そのため、ＴＩＡを備えた受光素子をＬＳＩ上に多数設けることは簡単ではない。【００１２】
また、光による信号伝送を用いたシステムにおいて十分に高いＳＮ比を確保するために、きわめて短いパルス幅の光信号を利用するという手法がある。この手法によれば、少ない消費電力で、受光素子から高い信号電圧を取り出すことができる。一般に、ピーク出力がキロワット台に達するモードロックレーザーなどが、この目的で用いられている。モードロックレーザーは、極めて揺らぎの少ないパルス間隔を持つ光パルス列を発生することができることから、光によるクロック分配に用いられることが、後述の非特許文献１に記載されている。【００１３】
受光素子からのパルス信号は、積分回路あるいはラッチ、フリップフロップなどの高速な記憶素子により、High及びLowの２値の信号系列に変換することができる。後述の特許文献１には、このような光配線回路として、２つの光パルス列の信号を２個のＭＳＭ（金属−半導体−金属）型フォトダイオードに別々に照射する構成について記載されている。【００１４】
また、非特許文献１には、モードロックレーザーを用いてトーテムポール型に接続した２個のフォトダイオードに、位相が半周期ずれた２つの光パルス列を照射することで、設置面積の大きなＴＩＡを用いずに10GHzのクロック信号を作り出せることが示されている。
【特許文献１】特許第２７２１４７５号公報
【非特許文献１】C. Debaes et al.、Receiver-less optical clock injection for clock distribution networks、IEEE J. Selected Topics in Quantum Electronics 、vol. 9、pp. 400-409、2003
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかしながら、特許文献１および非特許文献１に示される従来の光配線回路および光クロック回路は、周波数が同じで位相の異なる２系統の光パルス列を必要とするため、光クロック信号を伝送する回路構成が複雑になる。【００１６】
例えば、特許文献１には、図１０に示すように、２本の光伝送路を用いて位相差のある２系統の光パルス列を伝送し、この光パルスの間隔に相当する電気パルスを生成する相補型光配線回路が提案されている。しかしながら、この手法による光クロック信号の伝送では、光源および光伝送路がすべて２つずつ必要であり、しかもそれらの特性を要素ごとに均一にする必要がある。【００１７】
よって、特許文献１の手法では、光クロック信号の伝送のための構成部品が、クロックを分配する箇所の２倍の数だけ必要になる。特に、光伝送路については、光源からの距離がほぼ等しい伝送路を、２本組で配置する必要がある。【００１８】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、受光回路に対し光信号を入力する回路の構成を簡素化し得る手法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明に係る受光回路は、光伝送路から出力される１系統の光信号を電気信号に変換し且つ該電気信号の電位を光信号の検出ごとに反転させる光入力回路と、前記光入力回路により変換された電気信号を増幅して出力するバッファ回路とを備える。【００２０】
本発明に係るディジタルシステムは、複数の前記受光回路と、該複数の受光回路のそれぞれに対し１系統の光信号を入力する光伝送路とを備える。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、光信号を電気信号に変換する際、光伝送路から１系統の光パルスを受光回路へ入力すればよいことから、従来のように、位相差を持つ２系統の光パルスを受光回路へ入力することは不要となる。よって、受光回路に光信号を入力するための回路構成が複雑になることを回避できる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の第１の実施形態の回路図である。
【図２】第１の実施形態に係る第１の具体例の回路図である。
【図３】第１の具体例における内部信号の波形の説明図である。
【図４】第１の実施形態に係る第２の具体例の回路図である。
【図５】第１の実施形態に係る第３の具体例の回路図である。
【図６】第２及び第３の具体例における内部信号の波形の説明図である。
【図７】本発明の第２の実施形態の回路図である。
【図８】本発明の第３の実施形態の回路図である。
【図９】本発明の第４の実施形態の回路図である。
【図１０】従来の受光回路の回路図である。
【図１１】本発明の第５の実施形態で用いるフォトダイオードの断面構造を示す斜視図である。
【図１２】第５の実施形態で用いるフォトダイオードの断面図である。
【図１３】第５の実施形態で用いるフォトダイオードの電極配置の例を示す平面図である。
【図１４】第５の実施形態で用いるフォトダイオードの電極配置の他の例を示す平面図である。
【図１５】第５の実施形態で用いるフォトダイオードの電極配置の他の例を示す平面図である。
【図１６】第５の実施形態で用いるフォトダイオードの電極配置の他の例を示す平面図である。
【符号の説明】
【００２３】
100  ディジタルシステム
101 光伝送路
102 受光素子
102a  第１の受光素子
102b  第２の受光素子
103 第１の信号線
104 第１の電源線
105 第２の電源線
106 第２の信号線
107  第１のスイッチ回路
108  第２のスイッチ回路
107-1、107-2  nMOSトランジスタ
108-1、108-2  pMOSトランジスタ
109 信号線
110 バッファ回路
113 光入力回路
111  第２のスイッチ回路
112  第１のスイッチ回路
114 受光回路
115 リセット回路
116 リセット信号線
102´  ショットキーフォトダイオード
1：基板、2：ｎ+型半導体層、3：ｎ-型半導体層、4：金属周期構造体、5：第１の電極、6／12：中心凹部、7：絶縁層、8：第２の電極、9：バイアス電源、10：負荷抵抗、11：信号光、12：スリット
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
《第１の実施形態》
図１に、本発明に係る第１の実施形態を示す。図１を参照すると、本実施形態の受光回路114は、光伝送路101からの光信号を検出する受光素子102を含む光入力回路113と、第１の信号線103及び第２の信号線106を介して光入力回路113に接続されたバッファ回路110とを備える。受光回路114が光伝送路101から受信する光信号とは、１系統の光パルス列である。【００２５】
光入力回路113は、光伝送路101からの光信号を電気信号に変換して第２の信号線106により出力し、また、この第２の信号線106の電位を、光信号を検出する毎に反転させる。バッファ回路110は、光入力回路113からの電気信号を増幅して信号線109へ出力すると共に、第２の信号線106の電位を第１の信号線103に伝える。【００２６】
なお、第１の信号線103およびこの信号線103に関連する構成の要否は、光入力回路113側の構成に依存する。すなわち、第２の信号線106の電位を光入力回路113側に伝える手段が光入力回路113内に形成される場合は、本実施形態の第１の信号線103および関連する構成を不要とすることができる。【００２７】
本実施形態によれば、光信号を電気信号に変換する際、光伝送路101から１系統の光パルスを受光回路114へ入力すればよいことから、従来のように、位相差を持つ２系統の光パルスを入力することは不要となる。よって、受光回路114に光信号を入力するための回路構成が複雑になることを回避できる。【００２８】
また、受光回路114は、従来の回路のように、検出した光信号の強弱に出力信号の電位レベルを対応させるのではなく、光信号の検出ごとに出力信号の電位を反転させるよう作用することから、光伝送路101に入力すべき光の発光期間は、従来のシステムと比べて非常に短い時間でよい。すなわち、光伝送路101に入力すべき光の発光期間は、受光素子102が受光してから、第１の電源線103の電位が反転するまでの時間と同じ、もしくは、それよりも短い時間でよい。【００２９】
よって、従来より強い光を光伝送路101に入力することが可能となり、その場合、受光回路114に用いる受光素子102の感度としては、比較的低いものであってもよい。また、発光期間を従来より短縮できるため、光源の消費電力を削減できる。ここで、受光素子102については、特に構造、原理が限定されるものではなく、一般的なショットキー型やPIN型などのフォトダイオードでよい。すなわち、本質的に、光信号を電気信号に変換できるものであれば使用することができる。【００３０】
以下、上述の第１の実施形態について３つの具体例を挙げる。図２に、第１の具体例の構成を示す。図２を参照すると、本具体例の受光回路114における光入力回路113は、１個の受光素子102に、第１及び第２のスイッチ回路107／108を接続した構成である。また、バッファ回路110は、２つのCMOSインバータ回路110-1／110-2を備える。【００３１】
第１のスイッチ回路107は、それぞれのゲート電極が第１の信号線103に接続された２つのnMOSトランジスタ107-1／107-2を備える。nMOSトランジスタ107-1のドレイン電極は、受光素子102のアノード側に接続され、ソース電極は、グランドからの第２の電源線105に接続されている。また、他方のnMOSトランジスタ107-2は、そのドレイン電極が第２の信号線106に接続され、ソース電極が受光素子102のカソード側に接続されている。【００３２】
第２のスイッチ回路108は、それぞれのゲート電極が第１の信号線103に接続された２つのpMOSトランジスタ108-1／108-2を備える。pMOSトランジスタ108-1のドレイン電極は、受光素子102のアノード側に接続され、ソース電極は、動作電源からの第１の電源線104に接続されている。また、他方のpMOSトランジスタ108-2は、そのドレイン電極が第２の信号線106に接続され、ソース電極が受光素子102のカソード側に接続されている。【００３３】
バッファ回路110のCMOSインバータ回路110-1は、それを構成する各MOSトランジスタのゲート電極が信号線109に接続されており、信号線109の電位に対する反転電位を第１の信号線103へ伝える。他方のCMOSインバータ回路110-2は、それを構成する各MOSトランジスタのゲート電極が第２の信号線106に接続されており、第２の信号線106の電位に対する反転電位を信号線109へ伝える。【００３４】
かかる構成の受光回路114において、受光素子102が光信号を検出することによりON状態となったときに、第１の信号線103の電位が第１の電源線104の電位と等しい場合、第２の信号線106が第２の電源線105と短絡する。これにより、第２の信号線106の電位がLowレベルとなり、さらに、CMOSインバータ回路110-2の作用により、信号線109の電位がHighレベルとなる。【００３５】
さらに、受光素子102の次の検出タイミングにおいて、第１の信号線103の電位が第２の電源線105の電位と等しい場合は、第２の信号線106が第１の電源線104と短絡する。これにより、第２の信号線106の電位がHighレベルとなり、さらには、信号線109の電位がLowレベルとなる。このように、受光回路114は、光伝送路101からの光信号を検出するごとに出力信号の電位を反転させる。【００３６】
図３に、本具体例により得られる信号波形を示す。図３に示す３つの波形のうち、最上段の波形は、受光素子102に流れる電流量の推移を表す。この波形において、値が上昇するタイミングは、受光素子102が光信号を検出したタイミングに対応する。また、中段の波形は第２の信号線106の電位の推移を表し、最下段の波形は信号線109の電位の推移を表す。【００３７】
図３を参照すると、受光素子102が光信号を検出するごとに、第２の信号線106の電位が反転し、さらに、これを受けてバッファ回路110が作動することにより、信号線109の電位が反転していることがわかる。【００３８】
本具体例の受光回路114によれば、光信号を導く１本の光伝送路101と、その光信号を受ける１個の受光素子102を用意すればよいことから、システムの回路構成を簡素化することができる。【００３９】
図４に、第２の具体例を示す。本具体例の受光回路114におけるバッファ回路110の内部構成およびその入出力の配線は、前述した第１の具体例のもの（図２）と同様であり、説明を省略する。【００４０】
本具体例の光入力回路113は、図４に示すように、２つの受光素子である第１の受光素子102aおよび第２の受光素子102bと、nMOSトランジスタからなる第１のスイッチ回路112と、pMOSトランジスタからなる第２のスイッチ回路111とを備える。両スイッチ回路111／112のゲート電極は、バッファ回路110からの第１の信号線103に接続されている。なお、２つの受光素子102a／102bにそれぞれ入力される光信号は、光伝送路101からの１系統の光パルス列であり、両信号間に周波数の違い及び位相差は存在しない。【００４１】
第１の受光素子102aは、アノード側が動作電源からの第１の電源線104に接続され、カソード側が第２のスイッチ回路111のソース電極に接続されている。他方の第２の受光素子102bのカソード側は、グランドからの第２の電源線105に接続され、アノード側は第１のスイッチ回路112のソース電極に接続されている。第２のスイッチ回路111のドレイン電極と、第１のスイッチ回路112のドレイン電極との間には、バッファ回路110からの第２の信号線106が接続されている。【００４２】
かかる構成を持つ受光回路114において、第１の受光素子102aおよび第２の受光素子102bに光信号が入力されたときに、第１の信号線103の電位が第１の電源線104の電位と等しい場合は、第１のスイッチ回路112がON状態となり、第２のスイッチ回路111がOFF状態となる。この場合、第１の受光素子102aは、OFF状態、すなわち電流が流れず、第２の受光素子102bは、電流が流れるON状態となる。【００４３】
そうすると、第２の信号線106が、グランドからの第２の電源線105と第２の受光素子102bを介して短絡することにより、第２の信号線106の電位がLowレベルとなり、結果、信号線109の電位がHighレベルとなる。【００４４】
さらに、第１の受光素子102aおよび第２の受光素子102bに対する光信号の次の入力タイミングにおいて、第１の信号線103の電位が、グランドからの第２の電源線105の電位と等しい場合は、第２のスイッチ回路111がON状態となる。そうすると、第２の信号線106が、動作電源からの第１の電源線104と第１の受光素子102aを介して短絡することにより、第２の信号線106の電位がHighレベルとなり、結果、信号線109の電位がLowレベルとなる。【００４５】
このように、受光回路114は、第２の具体例の構成であっても、光伝送路101からの光信号を検出するごとに出力レベルを反転させるものである。【００４６】
なお、光入力回路113の構成は、２つの受光素子（102a／102b）および２つのスイッチ回路（111／112）の配置を入れ替えたものであってもよい。その構成を、第３の具体例として、図５に示す。【００４７】
図５より、第２のスイッチ回路111は、そのソース電極が、動作電源からの第１の電源線104に接続され、ドレイン電極が第１の受光素子102aのアノード側に接続されている。第１の受光素子102aのカソード側は、他方の第２の受光素子102bのアノード側に接続され、両受光素子102a／102b間には、バッファ回路110からの第２の信号線106が接続されている。また、第１のスイッチ回路112は、そのドレイン電極が第２の受光素子102bのカソード側に接続され、ソース電極が、グランドからの第２の電源線105に接続されている。【００４８】
本具体例の回路構成による作用は、第２の具体例（図４）のものと同様であり、説明を省略する。【００４９】
以上説明した第２及び第３の各具体例によれば、光入力回路113の２つのスイッチ回路（111／112）が、それぞれ単一のトランジスタから成るという簡素な回路構成であることから、スイッチ動作を迅速に行うことができる。よって、第２及び第３の各具体例は、光信号から電気信号への変換に高速性が求められる伝送システムに好適である。【００５０】
図６に、第２及び第３の具体例により得られる信号波形を示す。図示の最上段の波形は、光伝送路101が順次出力する光信号の強度を表す。また、同図の上から２段目、５段目及び６段目の波形は、順に、第１の信号線103、第２の信号線106および信号線109の電位の推移を表す。さらにまた、同図の上から３段目および４段目の波形は、２つの受光素子102a／102bのそれぞれに流れる電流量の推移を表す。【００５１】
図６を参照すると、受光回路114は、第１の信号線103の電位レベルに応じて、状態１及び状態２の２つの状態を繰り返す。ここで、状態１とは、第１の信号線103の電位がLowレベルである状態を指し、状態２は、同電位がHighレベルである状態を指す。【００５２】
第１の信号線103がLowレベルである状態１では、前述したように、第２のスイッチ回路111のpMOSトランジスタがON状態となり、また、第１のスイッチ回路112のnMOSトランジスタはOFF状態となる。よって、第２の信号線106は、動作電源からの第１の電源線104と短絡する。このとき、光信号を検出した第１の受光素子102aに電流が流れることにより、第２の信号線106の電位がHighレベルに変化する。【００５３】
続いて、状態１の上記作用により第１の信号線103がHighレベルに変化し、状態２へ移行すると、第２のスイッチ回路111がOFF状態となり、第１のスイッチ回路112がON状態となる。これにより、第２の信号線106は、グランドからの第２の電源線105と短絡する。そして、このとき、光信号を検出した第２の受光素子102bに電流が流れることにより、第２の信号線106の電位がLowレベルに変化する。【００５４】
図６より、受光回路114では、２つの受光素子102a／102bが交互に光信号を検出し、検出ごとに、第２の信号線106の電位を反転させることがわかる。さらに、この作用に応じてバッファ回路110が作動することにより、信号線109の電位が反転する。【００５５】
《第２の実施形態》
図７に、本発明に係る第２の実施形態を示す。本実施形態は、前述の受光回路114を複数用意し、それらを１本の光伝送路101からの光信号を受けるよう配置したディジタルシステム100である。なお、光伝送路101の態様は、図示のように直線である必要はなく、例えば、ツリー状に分岐させてもよい。かかる構成によれば、全ての受光回路114が、光伝送路101からの光信号を検出するごとに、各信号線109の電位レベルを反転させる。【００５６】
本実施形態は、例えば、半導体集積回路におけるクロック信号の分配に好適である。図７の構成を半導体集積回路に適用すれば、位相差を持つ２系統の光信号を入力する回路を設けることなく、光伝送路101からの１系統の光信号により、複数の地点にクロック信号を伝播させることができる。【００５７】
また、光伝送路101に、マルチドロップ型のバス構造の光伝送路を適用することができ、これにより、バス内の信号を光にすることができる。さらには、本実施形態により、長距離配線を光伝送路に置き換えることができる。【００５８】
《第３の実施形態》
図８に、本発明に係る第３の実施形態を示す。本実施形態は、前述の受光回路114に対し、pMOSトランジスタからなるリセット回路115と、このリセット回路115のゲート電極にリセット信号を与えるためのリセット信号線116とを付加したものである。光入力回路113にリセット回路115を付加するにあたっては、pMOSトランジスタのドレイン電極を第２の信号線106に接続する。【００５９】
かかる構成において、リセット信号線116に、グランドレベルのリセット信号が印加されると、リセット回路115のpMOSトランジスタがON状態となる。これにより、第２の信号線106の電位を強制的にグランドレベルにすることができる。なお、このリセット動作は、第２の信号線106の電位を強制的に変化させるものであるから、リセットを行う際は、光伝送路101からの光信号の入力を中断させることが望ましい。【００６０】
《第４の実施形態》
図９に、本発明に係る第４の実施形態を示す。本実施形態は、図８に示す受光回路114を、図７に示すディジタルシステム100に適用したものである。すなわち、光伝送路101に対し、それぞれがリセット回路115を持つ複数の受光回路114を配置した構成である。【００６１】
かかる構成において、全てのリセット信号線116を並列的に接続することにより、全ての受光回路114に対し一括的にリセット処理を施すことができる。本実施形態を、例えば、LSIにおけるクロック信号の分配制御に適用することにより、全ての分配先に対するリセット処理を簡易に行うことができる。【００６２】
以上説明した本発明の各実施形態によれば、受光素子（102）の両端子の電位差は、ほとんど変化しないため、発光素子（102）の両端子の間に寄生容量があっても、受光回路114の動作速度は低減されないという利点がある。また、特に、図４及び図５に示す構成にあっては、各受光素子（102a／102b）の両端子の電位もほとんど変化しないため、各受光素子（102a／102b）の端子と第１又は第２の電源線（104／105）との間に寄生容量があっても、受光回路114の動作速度に影響を与えることはない。【００６３】
《第５の実施形態》
本発明の第５の実施形態は、上記各実施形態における受光素子（102）として、図１１に示すショットキーフォトダイオード102´を用いた形態である。図１１は、このフォトダイオード102´の断面を含む斜視図であり、図１２は、その断面を拡大して示す図である。【００６４】
図示されるショットキーフォトダイオード102´は、ＳＯＩ(Silicon-On-Insulator)など、表面が絶縁性である基板1の一部の上に形成されたｎ+型半導体層2と、ｎ+型半導体層2部分の上部に設けられたｎ-型半導体層3と、ｎ-型半導体層3に接する金属周期構造体4と、金属周期構造体4に接続された第１の電極（アノード電極）5と、第１の電極5に対向しｎ+型半導体層2に接する第２の電極（カソード電極）8と、第１の電極5及び第２の電極8間に逆バイアス電位を印加するバイアス電源9と、バイアス電源9と第１の電極5との間に挿入された負荷抵抗10とを備える。【００６５】
金属周期構造体4には、貫通しない開口部6が設けられている。開口部6の底部は、本実施形態のようにｎ-型半導体層3側へ貫通しないものであることが望ましいが、ピンホールのような微小な穴により貫通していても差し支えない。金属周期構造体4がｎ-型半導体層3に接しているのは開口部6及びその近傍である。ｎ-型半導体層3は、金属周期構造体4の開口部6及びその近傍に接するｎ+型半導体層2の部分に形成されている。また、金属周期構造体4と、ｎ+型半導体層2および基板1との間には、絶縁層7が設けられている。第１の電極5は、絶縁層7上に設けられ金属周期構造体4と接続されている。また、第２の電極8も絶縁層7上に設けられている。ｎ+型半導体層2は、その一部が絶縁層7を貫通して絶縁層7の上面にまで現れており、その位置で、第２の電極8と接合している。【００６６】
ショットキーフォトダイオード102´に対し、信号光11は、ほぼ光を通さない金属膜としての金属周期構造体4に入射する。信号光11が金属周期構造体4における表面プラズモンを励起してこの表面プラズモンと結合すると、金属周期構造体4の凹凸周期構造によって、信号光11と表面プラズモンとの共鳴状態が作られる。この共鳴状態の生成によって、金属周期構造体4の開口部6の光入射面と、反対側のｎ-型半導体層3付近とに強い近接場光が発生する。この近接場光は、ｎ-型半導体層3側の開口部6の付近のショットキー障壁に伴う空乏層において、電子−正孔対を発生させることによって光起電力を生ずる。信号光11の強度は、負荷抵抗10の両端の電位差に変換される。【００６７】
上述したように、金属周期構造体4の下部において、基板1上には、電気伝導度の高いｎ+型半導体層2、および、ｎ+型半導体層2の上の一部に形成されたｎ-型半導体層3が形成されている。ｎ+型半導体層2は、例えば、Ｓｉに対して１×１０２０ｃｍ-３以上の不純物イオンを注入することにより得られる。ｎ-型半導体層3は、不純物イオンを１×１０１７ｃｍ-３程度含む半導体結晶をｎ+型半導体基板2の上にエピタキシャル成長させることにより形成できる。【００６８】
金属周期構造体4は、ＡｇあるいはＡｕなど、プラズモン損失の少ない材料によって形成されている。開口部6は金属周期構造体4の中心部に設けられているが、金属周期構造体4には、この開口部6を中心とした、同心円状の凹凸による周期構造が形成されている。同心円状の凹凸を形成することにより、信号光11の偏光依存性を低減させることができる。金属周期構造体4の凹凸の周期は、表面プラズモンの共鳴波長に合わせて、信号光11の周期より若干短い値に設定する。例えば、信号光11の波長が８００ｎｍの場合、凹凸の周期は６００ｎｍ程度である。また、凹凸の深さを２０ｎｍ〜２００ｎｍ程度とすることで、表面プラズモン共鳴による効果が現れる。金属周期構造体4の膜厚が最も薄くなる開口部6の底部は、光の透過をほぼ阻止し得る１００ｎｍ以上とすることが好ましいが、厚くしすぎると開口部6付近の近接場光が弱くなるため、１０００ｎｍ（１μｍ）以下にする。第１の電極5は、絶縁層7上で金属周期構造体4と接続されることから、金属周期構造体4と同じ材料を用いて金属周期構造体4と同時に形成されるようにすればよい。【００６９】
金属周期構造体4における凹凸の形状は、図１２に示した矩形断面のものに限るものではなく、例えば、凸部が尖形を成し断面が三角形状のもの、あるいは凸部の側面が曲面を持ったもの、さらにはその角が丸いもの（ドーム形状）などであってもよい。そのような矩形断面以外の形状のものであっても、同様に表面プラズモン共鳴による効果が見られる。また、凹部の長さと凸部の長さとの比も任意に設定可能である。この同心円状の凹凸は、１周期だけ設けても、すなわち開口部6を囲む一重の円環構造を形成するだけも、ある程度の効果が見られるが、３周期以上、すなわち三重以上の同心円構造とすることで、より大きな表面プラズモン共鳴の効果を得ることができる。信号光11は、金属周期構造体4の全体あるいは一部に照射される。【００７０】
ｎ-型半導体層3が金属周期構造体4に接する領域は、開口部6の領域とほぼ重なるように設定する。一般に、微小な開口付近に現れる近接場光の発生領域は、その開口の径よりもやや広いことが多い。このため、通常は、金属周期構造体4とｎ-型搬送体層との接合領域は、開口部6の直径よりも、リソグラフィ位置決めの誤差程度、すなわち片側で１０ｎｍ〜５００ｎｍ程度大きく設定される。逆に、開口部6が接合領域からはみ出して形成され近接場光の一部がｎ-型半導体層3の外側に現れても、フォトダイオードとしての動作は可能である。【００７１】
本実施形態の開口部6は、前述したように、金属周期構造体4を貫通させないよう形成されている。より詳細には、開口部6の底には、厚さ約１０ｎｍあるいはそれ以下の厚さの金属層が残されている。この底部の金属層は、金属周期構造体4を形成する材料であるＡｇまたはＡｕなど、表面プラズモンの損失が少ない材料、あるいはＣｒなどの密着層、もしくはこれらの積層構造からなる。金属周期構造体4とｎ-型半導体層3との間には、界面に沿ってショットキー障壁が現れる。近接場光の伝播距離は１００ｎｍ程度以下であり、近接場光の強度が最も強い領域は、ｎ-型半導体層3の深さ１０ｎｍ程度の位置に局在する。ショットキー障壁による計算上の空乏層幅は、ドナー不純物濃度を１×１０１７ｃｍ-３にしたＳｉの場合、１００ｎｍ程度になる。よって、ドナー不純物濃度をさらに上げることにより、ｎ-型半導体層3の厚さを５０ｎｍ以下にすることが可能である。【００７２】
ｎ+型半導体層2は、不純物のドーピング濃度が１×１０２０ｃｍ-３以上と高く、第２の電極8とオーミック接触している。ただし、ｎ+型半導体層2におけるドーピング濃度が１×１０２０ｃｍ-３より若干低い場合であっても、ｎ+型半導体層2と第２の電極8とで形成されるショットキー障壁の高さが金属周期構造体4およびｎ-型半導体層3間のショットキー障壁よりも相対的に低ければ、上述したものと同様なフォトダイオード動作が得られる。【００７３】
第１の電極5および第２の電極8は、バイアス電源9を介して負荷抵抗10に接続されているので、この回路構成では、信号光11の強度は負荷抵抗10の両端の電位差に変換される。【００７４】
図１３に、絶縁層7上での金属周期構造体4、第１の電極5及び第２の電極8の相互の位置関係の一例を示す。図示の例では、第１の電極5及び第２の電極8は同一平面上に存在するが、これらは必ずしも同一平面上に形成される必要はない。第２の電極8は、金属周期構造体4の同心円状の凹凸の一部を切り欠いた箇所に入り込む形で配置されている。また、第２の電極8は、プラズモン増強を起こす必要がないため、ＡｇやＡｕなど第１の電極5と同じ材料を用いる必要はなく、例えば、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｗ、Ａｌなどを使用することができる。図１３に示すように金属周期構造体4の一部に切り欠きを施し、その切り欠き箇所に、第１の電極5と対になる第２の電極8を配置することで、ｎ+型半導体層2の幅、すなわち開口部6と第２の電極8との距離を狭めることができる。これにより、光信号に対するショットキーフォトダイオード102´の応答動作を高速化することができる。【００７５】
表面プラズモン共鳴により近接場光が顕著に増強されるのは、開口部6の形状が図示のように円形であれば、開口部6の直径が信号光の波長の１/２から１/１０程度の場合である。なぜなら、開口部6が波長と同程度あるいはそれより大きい場合には、フォトンエネルギーの大半が伝播光として開口部6を通過するので、近接場光としてエネルギーを閉じ込めることができないからである。また、開口部6の直径が信号光の波長の1/10より小さいと、プラズモン増強を用いても、開口部6を経たｎ-型半導体層3側へのエネルギー伝播が少なく、フォトンエネルギーの大半は開口部6で反射される。したがって、例えば８００ｎｍの波長の信号光を用いる場合、開口部6の直径は、８０ｎｍ〜４００ｎｍ程度であることが好ましい。開口部6の形状としては、円柱形のほかに、例えば、四角柱形、六角柱形、あるいは楕円の円柱形など、他の形状であってもよい。【００７６】
上述したように、金属周期構造体4がｎ-型半導体層3に接しているのは開口部6の近傍のみにおいてであり、その他の箇所では、金属周期構造体4と各半導体層との間に絶縁層7が存在する。この構成は、光が届かない範囲にある空乏層は、光起電力には寄与せずに暗電流のみに寄与することに基づく構成である。絶縁層7としては、ＳｉＯ２など通常の半導体プロセスで使われる材料を用いることができる。また、金属周期構造体4とｎ-型半導体層3とが空乏層の外側で不必要な寄生容量を形成し、これにより全体としての電気容量が増加すると、回路の応答速度が低下する。したがって、暗電流を下げ応答速度を高めるためには、絶縁層7はなるべく厚く設定する必要がある。好ましくは、５００ｎｍ以上の厚さにして寄生容量を１ｆＦ以下の値にすることが望まれる。絶縁層7の材料として、ＳｉＯ２にＦやＣなどをドーピングしたＳｉＯＦやＳｉＯＣなどの低誘電率絶縁膜を用いることも、寄生容量を小さくするためには有効である。【００７７】
また、金属周期構造体4に設けられた開口部6が完全に貫通しており、金属周期構造体4の底がｎ-型半導体層3に接しない構成の場合は、ショットキー接続を形成するためにｎ-型半導体層3を開口部6の直径より大きく設定し、且つ、開口部6の直径を波長の半分以下とすれば、開口部6を透過する光の量は極めて少なくなる。このとき、開口部6を経てｎ-型半導体層3側に現れるフォトンは、ほぼ近接場光の状態である。したがって、金属周期構造体4の開口部6が貫通した構成でも、開口部6の底に金属が存在する場合と同様の動作をするフォトダイオードを得ることができる。【００７８】
本実施形態では、受光素子の受光領域を小さくできることから、素子容量の減少、キャリヤ走行時間の低減が可能となる。これにより、より高速の光パルスに対しても、高速の電気的な応答が可能となる。【００７９】
上記ショットキーフォトダイオード102´を、図２、図４及び図５に示す第１の実施形態の具体例の構成に適用することを以って、本実施形態の具体例とする。この具体例では、受光素子（102）としてのショットキーフォトダイオード102´が光信号を検出することにより、受光回路（114）は、光伝送路（101）からの光信号を検出し、出力信号の電位を反転させる。受光素子（102）としてショットキーフォトダイオード102´を用いることにより、より高速な光信号の検出が可能となる。また、ショットキーフォトダイオード102´を用いることにより、光信号の集光効率が高められることから、光伝送路（101）と受光素子（102）との空間的な整合に関し、その許容範囲を広げることができる。【００８０】
なお、ショットキーフォトダイオード102´における第１の電極5および第２の電極8と、金属周期構造体4との位置関係およびそれらの形状については、図１３に示す態様に限らず、以下に説明する図１４、図１５及び図１６に示すものであってもよい。【００８１】
図１４に示す構成は、同心円状の凹凸を有する金属周期構造体4に切り欠きを施すことなく、その金属周期構造体4の近傍に第２の電極8を配置したものである。図示の構成によれば、金属周期構造体4に形成された凹凸の同心円形状に欠落がないことから、入射光の偏光依存性をより低減させることができる。【００８２】
図１５に示す構成は、図１４に示すような同心円状の凹凸を有する金属周期構造体4を、開口部6を含む帯状に切り取り、それを第１の電極5及び第２の電極8により囲むというものである。第１の電極5が金属周期構造体4の一端に接続される一方で、第２の電極8は、第１の電極5に接続されない金属周期構造体4の端部を囲む態様で金属周期構造体4の近傍に配置される。かかる構成によれば、金属周期構造体4の長手方向の偏光、すなわち図１５における横方向に電界成分がある偏光のように、特定の偏光に対する応答を高速化することができる。【００８３】
図１６に示す構成は、図１５に示す帯状の金属周期構造体4における凹凸を、同心円状に替えて平行に形成したものである。また、金属周期構造体4の中央には、開口部6に替えて、凹凸と平行な矩形のスリット12が形成される。かかる構成によれば、帯状の金属周期構造体4の短手方向を横断するスリット12を形成したことにより、受光効率の上昇が期待できる。【００８４】
以上説明したショットキーフォトダイオード102´を前述の第２の実施形態（図７）に適用すれば、この実施形態に基づく図９に示すディジタルシステム（100）は、より高速のクロック信号に対処することができる。
【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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【図１５】
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【図１６】
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【国際調査報告】
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