(57)【要約】【課題】１００Ｍｂｐｓの転送速度に対応するためには、直流から信号帯域に近い数１０ＭＨｚまでのノイズをカットし、かつ、数１０ＭＨｚ以上の高周波成分を増幅する。【解決手段】光信号を電気信号に変換して増幅する光半導体装置であって、光信号を電流信号に変換するフォトダイオード１０１と光信号を電流信号に変換するフォトダイオード１０２と、前記フォトダイオード１０１の出力電流Ｉ1を増幅するオペアンプ１１１を含む電流増幅回路１１０と、前記フォトダイオード１０２の出力電流を電圧に変換する電流−電圧変換回路１２０とを備え、前記電流増幅回路１１０の出力端子は前記電流−電圧変換回路１２０の入力端子に接続される。【選択図】図１
2009094291.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光信号を電気信号に変換して増幅する光半導体装置であって、
光信号を電流信号に変換する第１光検出器と、
光信号を電流信号に変換する第２光検出器と、
前記第１光検出器の出力電流を増幅する第１オペアンプを含む電流増幅回路と、
前記第２光検出器の出力電流を電圧に変換する電流電圧変換回路とを備え、
前記電流増幅回路の出力端子は前記電流電圧変換回路の入力端子に接続される
ことを特徴とする光半導体装置。
【請求項２】
前記電流増幅回路は、第１周波数をカットオフ周波数とする低域通過特性を有し、
前記電流電圧変換回路は、前記第１周波数より大きい第２周波数をカットオフ周波数とする低域通過特性を有し、
前記電流増幅回路からの出力電流が、前記第２光検出器からの出力電流に含まれる前記第１周波数以下の電流成分を打ち消すように前記第２光検出器に入力されることで、前記第２光検出器からの出力電流に含まれる前記第１周波数以上の電流成分が前記電流電圧変換回路に入力される
ことを特徴とする請求項１記載の光半導体装置。
【請求項３】
前記第１光検出器と前記第２光検出器とは、隣接して配置される
ことを特徴とする請求項１又は２記載の光半導体装置。
【請求項４】
前記第１光検出器は、前記第２光検出器の周囲を囲むように配置される
ことを特徴とする請求項１〜３記載の光半導体装置。
【請求項５】
前記第２光検出器の形状は、多角形又は円形である
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の光半導体装置。
【請求項６】
前記第１光検出器の有効受光面積は、前記第２光検出器の有効受光面積より小さい
ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の光半導体装置。
【請求項７】
前記電流増幅回路は、さらに、第１抵抗と第２抵抗とを含み、
前記第１オペアンプの反転入力端子に前記第１光検出器の出力端子と前記第１抵抗の一端とが接続され、前記第１オペアンプの出力端子に前記第１抵抗の他端と前記第２抵抗の一端とが接続され、前記第１オペアンプの正転入力端子に前記第２抵抗の他端と前記第２光検出器の出力端子とが接続される
ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の光半導体装置。
【請求項８】
前記電流電圧変換回路は、第２オペアンプと第３抵抗とを含み、
前記第２オペアンプの反転入力端子に前記第２光検出器の出力端子と前記電流増幅回路の出力端子と前記第３抵抗の一端が接続され、前記第２オペアンプの出力端子に前記第３抵抗の他端が接続される
ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の光半導体装置。
【請求項９】
前記電流増幅回路は、さらに、前記第１オペアンプの反転入力端子に接続されるキャパシタを含み、
前記キャパシタの容量値は、前記第２光検出器の接合容量値より大きい
ことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の光半導体装置。
【請求項１０】
前記第１抵抗の抵抗値は、前記第２抵抗の抵抗値より大きい
ことを特徴とする請求項７記載の光半導体装置。
【請求項１１】
前記第１光検出器の有効受光面積と前記第２光検出器の有効受光面積との比は、前記第２抵抗の抵抗値と前記第１抵抗の抵抗値との比に等しい
ことを特徴とする請求項７又は１０記載の光半導体装置。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか１項に記載の光半導体装置を備えることを特徴とする赤外線データ通信装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光信号に含まれる直流成分及び低周波成分を除去し、高周波成分のみを増幅する光半導体装置及び赤外線データ通信装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
移動体通信機器の相互間、又はパソコンとその周辺機器との間を赤外線の光信号を用いてデータ通信を行う赤外線データ通信装置は、ＩｒＤＡ（Ｉｎｆｒａｒｅｄ  Ｄａｔａ  Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ）規格に準拠するようになっている。図７は、このような赤外線データ通信装置における光半導体装置の一例を示す図である。
【０００３】
同図の光半導体装置は、例えば、直流成分に交流成分が重畳した光信号をフォトダイオード４０１により受光して光電変換する。この光電変換した電流信号を電流−電圧変換回路４１０に含まれる変換抵抗４０４により電圧に変換した後に、コンデンサ４０７と抵抗４０８とからなる微分回路４０９により直流成分を除去して交流成分のみを抽出し、出力電圧Ｖｏｕｔとして出力する。図７の光信号受信装置は、以上のような構成の交流増幅器である。なお、ＮＰＮトランジスタ４０２及び４０３、並びに抵抗４０５及び４０６は、フォトダイオード４０１にバイアス電圧を与え、かつフォトダイオード４０１から出力される光電流を増幅する機能を有する。
【０００４】
上述の交流増幅器において、感度を上げる場合の手段としては、変換抵抗４０４の抵抗値を大きくすることが一般に行われる。しかしながら、変換抵抗４０４における電圧変動範囲（電圧振幅）は、この増幅器自体の出力電圧Ｖｏｕｔの変動範囲に限られる。このため、変換抵抗４０４の抵抗値を大きくした場合には、フォトダイオード４０１に流れる光電流、すなわち、変換抵抗４０４に流れる光電流のダイナミックレンジが小さくなるという不都合が生じる。
【０００５】
例えば、変換抵抗４０４に流し得る最大の光電流Ｉｍａｘは、変換抵抗４０４の抵抗値を２００ｋΩ、ＮＰＮトランジスタ４０２及び４０３の順方向電圧ＶBEを０．７Ｖ、直流駆動電源Ｖｃｃの直流電圧を５Ｖとすると、
Ｉｍａｘ＝（５−２×０．７）／２００ｋΩ＝１８μＡ
と極めて小さくなる。
【０００６】
また、交流増幅器をモノリシック集積回路化する場合において、微分回路４０９の低域のカットオフ周波数ｆｃを低く設定しようとすると、微分回路４０９のコンデンサ４０７の容量値を大きくしなければならない。したがって、コンデンサ４０７の形状を大きくするしかなく、小型化できない問題がある。
【０００７】
例えば、ＩｒＤＡのＳＩＲ（Ｓｅｒｉａｌ  ＩｒＤＡ）では転送速度が１１５．２ｋｂｐｓであるため、微分回路４０９のカットオフ周波数ｆｃを１００ｋＨｚに設定する場合に必要なコンデンサ４０７の容量値Ｃは、微分回路４０９の抵抗４０８の抵抗値を１０ｋΩとすると、
ｆｃ＝１／（２π×Ｃ×１０ｋΩ）＝１００ｋＨｚ
であるから、Ｃ＝１６０ｐＦと比較的大きくなる。
【０００８】
以上のように、図７に示す交流増幅器では、光電流のダイナミックレンジが小さくなる、及び、交流増幅器をモノリシック集積回路化する場合に小型化できないという問題がある。
【０００９】
そこで、特許文献１のような構成が提案されている。図８は、交流成分と直流成分が混在した光信号を光電変換した後に、得られた電流信号から交流成分のみを抽出して増幅する交流増幅器の回路図である。同図の交流増幅器は、光信号を受光して電流信号に変換する２個のフォトダイオード５０１及び５０２と、カレントミラー回路５１０と、電流−電圧変換回路４１０とを備える。カレントミラー回路５１０は、フォトダイオード５０１及び５０２のそれぞれに接続されたＮＰＮトランジスタ５１１及び５１２と、ＮＰＮトランジスタ５１２のベースとコレクタとの間に接続されたコンデンサ５１５により、上記電流信号から交流成分のみを抽出する。電流−電圧変換回路４１０は、図７の電流−電圧変換回路４１０と同じ構成であり、カレントミラー回路５１０の出力電流Ｉ14を電圧に変換する。
【００１０】
光信号を受けて両フォトダイオード５０１及び５０２のそれぞれに発生する光電流Ｉ11及びＩ12は、これらが共にカレントミラー回路５１０に接続されていることにより等しくなる。この光電流Ｉ11及びＩ12の各々の直流成分をＩDCとし、交流成分をＩACとすると、
Ｉ11＝Ｉ12＝ＩDC＋ＩAC
となる。
【００１１】
光電流Ｉ11は、そのままＮＰＮトランジスタ５１１に流れる。光電流Ｉ12については、ＮＰＮトランジスタ５１２のコレクタとベースとの間に接続されたコンデンサ５１５が積分動作を行うために、ＮＰＮトランジスタ５１２には光電流Ｉ12の直流成分ＩDCのみが流れる。いま、ＮＰＮトランジスタ５１２に流れる電流をＩ13とすると、
Ｉ13＝ＩDC
となり、変換抵抗４０４に流れる電流Ｉ14は、
Ｉ14＝Ｉ12−Ｉ13＝（ＩDC＋ＩAC）−ＩDC＝ＩAC
となる。すなわち、変換抵抗４０４には、光電流Ｉ11と同一の光電流Ｉ12の交流成分ＩACのみが流れ、この変換抵抗４０４の抵抗値をＲとすると、出力電圧Ｖｏｕｔは、
Ｖｏｕｔ＝Ｒ×ＩAC
となり、交流成分のみが抽出される。
【００１２】
ところで、変換抵抗４０４に流し得る最大の光電流Ｉ11及びＩ12は、変換抵抗４０４の抵抗値にかかわらずカレントミラー回路５１０に流し得る最大の電流値によって決定する。原理的にはＮＰＮトランジスタ５１１のベース電流が抵抗５１３に流れることによるＮＰＮトランジスタ５１１のコレクタ電位の上昇が直流駆動電源Ｖｃｃの直流電圧近くに達するまで、このカレントミラー回路５１０は動作可能である。しかしながら、実用レベルから考慮して、抵抗５１３の両端電圧を最大０．１Ｖ程度まで上昇させると仮定した場合、光電流Ｉ11及びＩ12の最大値Ｉｍａｘは、抵抗５１３の抵抗値を１０ｋΩとし、ＮＰＮトランジスタ５１１の電流増幅率を１００とすると、
Ｉｍａｘ＝（０．１Ｖ／１０ｋΩ）×１００＝１ｍＡ
となる。よって、図７で述べた最大の光電流である１８μＡに対し約５０倍となり、高感度とした場合にも入力光電流のダイナミックレンジを格段に大きく保つことができる。
【００１３】
また、前記交流増幅器をモノリシック集積回路化するに際して、カットオフ周波数ｆｃを図７で述べた１００ｋＨｚに設定した時のコンデンサ５１５の容量について説明する。
【００１４】
コンデンサ５１５の容量値Ｃは、ミラー効果によってＮＰＮトランジスタ５１２の電流増幅率を乗じた値となる。このカレントミラー回路５１０のカットオフ周波数ｆｃを前述の通り１００ｋＨｚとし、抵抗５１４の抵抗値を１０ｋΩとし、ＮＰＮトランジスタ５１２の電流増幅率を１００とすると、
ｆｃ＝１／（２π×Ｃ×１００×１０ｋΩ）＝１００ｋＨｚ
の式から、Ｃ＝１．６ｐＦとなり、図７において述べた１６０ｐＦに対し１／１００となり、コンデンサ５１５を大幅に小型化できる。
【特許文献１】特開平４―３２３０７号公報
【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、上記従来技術における光半導体装置では次のような課題がある。
【００１６】
ＩｒＤＡは、転送データ量の増大に伴い、転送速度の高速化が進んでいる。ＦＩＲ（Ｆａｓｔ  Ｉｎｆｒａｒｅｄ）では４Ｍｂｐｓ、より高速なＶＦＩＲ（Ｖｅｒｙ  Ｆａｓｔ  Ｉｎｆｒａｒｅｄ）では１６Ｍｂｐｓの転送速度が必要である。さらに、現在検討されているＵＦＩＲ（Ｕｌｔｒａ  Ｆａｓｔ  Ｉｎｆｒａｒｅｄ）では１００Ｍｂｐｓの転送速度が必要である。このため、光半導体装置自体も高速動作が必要となる。ところが、上記従来技術における光半導体装置では、カレントミラー回路を使用しているため、無信号時から信号が入力されて動作開始するまでのカレントミラー回路の応答速度が遅い。すなわち、従来の光半導体装置は、高周波帯域（例えば、１００ＭＨｚ）で動作しないという課題がある。
【００１７】
さらに、動作の高速化に伴って光半導体装置が発生するノイズが増大する。具体的には、カレントミラー回路を無信号時から高速動作させるためには、カレントミラー回路を構成しているＮＰＮトランジスタに常時、直流電流を流して活性状態にしておかなければならないために、カレントミラー回路自体が発生するノイズが無視できなくなる。このため、Ｓ／Ｎを向上するには、低域外来ノイズを直流から信号帯域に近い数１０ＭＨｚまでカットしなければならないという課題がある。
【００１８】
以上のように、１００Ｍｂｐｓの転送速度に対応するためには、直流から信号帯域に近い数１０ＭＨｚまでのノイズをカットし、かつ、数１０ＭＨｚ以上の高周波成分を増幅しなければならない。
【００１９】
そこで、本発明は、高周波帯域での動作が可能であり、低域外来ノイズを直流から信号帯域に近い数１０ＭＨｚまで除去することのできる光半導体装置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】
【００２０】
上記課題を解決するため、本発明の光半導体装置は、光信号を電気信号に変換して増幅する光半導体装置であって、光信号を電流信号に変換する第１光検出器と、光信号を電流信号に変換する第２光検出器と、前記第１光検出器の出力電流を増幅する第１オペアンプを含む電流増幅回路と、前記第２光検出器の出力電流を電圧に変換する電流電圧変換回路とを備え、前記電流増幅回路の出力端子は前記電流電圧変換回路の入力端子に接続される。
【００２１】
これにより、高周波帯域での動作が可能であり、低域外来ノイズを直流から信号帯域に近い数１０ＭＨｚまで除去することができる。
【００２２】
また、前記電流増幅回路は、第１周波数をカットオフ周波数とする低域通過特性を有し、前記電流電圧変換回路は、前記第１周波数より大きい第２周波数をカットオフ周波数とする低域通過特性を有し、前記電流増幅回路からの出力電流が、前記第２光検出器からの出力電流に含まれる前記第１周波数以下の電流成分を打ち消すように前記第２光検出器に入力されることで、前記第２光検出器からの出力電流に含まれる前記第１周波数以上の電流成分が前記電流電圧変換回路に入力されてもよい。
【００２３】
これにより、電流増幅回路のカットオフ周波数以下の周波数成分をキャンセルすることができ、かつ、電流増幅回路のカットオフ周波数以上の周波数成分を電流電圧変換回路によって増幅することができる。すなわち、前記電流増幅回路のカットオフ周波数及び前記電流電圧変換回路のカットオフ周波数を設定することで、所望の周波数成分を有する電圧を得ることができる。
【００２４】
また、前記第１光検出器と前記第２光検出器とは、互いに隣接して配置されてもよい。さらに、前記第１光検出器は、前記第２光検出器の周囲を囲むように配置されてもよい。
【００２５】
これにより、第１光検出器と第２光検出器とには、ほぼ同量の光信号が入射され、ノイズのキャンセル量も同量となり、容易に低域外来ノイズのキャンセルを行うことができる。
【００２６】
また、前記第２光検出器の形状は、多角形又は円形であってもよい。
【００２７】
これにより、本発明の光半導体装置を赤外線データ通信装置に搭載した場合、赤外線データ通信装置に搭載した光学レンズに対して第２光検出器の有効受光面積を大きく設定できる。特に、第２光検出器の形状を円形とした場合は、第２光検出器の有効受光面積を最大に設定することができる。さらに、第２光検出器の周辺長が最短となるため、第２光検出器の接合容量（寄生容量）が最小となる。つまり、電流電圧変換回路の入力からみた接合容量が小さくなるので、電流電圧変換回路の高速応答への負荷が削減され、光半導体装置の高速応答が可能となる。
【００２８】
また、前記第１光検出器の有効受光面積は、前記第２光検出器の有効受光面積より小さくてもよい。
【００２９】
これにより、第１光検出器と第２光検出器とを合わせた光検出器全体の面積を小さくすることができ、光半導体装置を小型化することができる。
【００３０】
また、前記電流増幅回路は、さらに、第１抵抗と第２抵抗とを含み、前記第１オペアンプの反転入力端子に前記第１光検出器の出力端子と前記第１抵抗の一端とが接続され、前記第１オペアンプの出力端子に前記第１抵抗の他端と前記第２抵抗の一端とが接続され、前記第１オペアンプの正転入力端子に前記第２抵抗の他端と前記第２光検出器の出力端子とが接続されてもよい。
【００３１】
これにより、第１抵抗の抵抗値と第２抵抗の抵抗値とを調整することで、電流増幅率を調整することができる。つまり、第１光検出器と第２光検出器のそれぞれが出力する光電流の値に応じて電流増幅率を調整することで、低域外来ノイズをキャンセルすることができる。
【００３２】
また、前記電流電圧変換回路は、第２オペアンプと第３抵抗とを含み、前記第２オペアンプの反転入力端子に前記第２光検出器の出力端子と前記電流増幅回路の出力端子と前記第３抵抗の一端が接続され、前記第２オペアンプの出力端子に前記第３抵抗の他端が接続されてもよい。
【００３３】
これにより、低域外来ノイズをキャンセルされた信号、すなわち、所望の高周波成分のみの光電流を電圧に変換することができる。
【００３４】
また、前記電流増幅回路は、さらに、前記第１オペアンプの反転入力端子に接続されるキャパシタを含み、前記キャパシタの容量値は、前記第２光検出器の接合容量値より大きくてもよい。
【００３５】
これにより、キャパシタの容量値の大きさを変更することで、キャンセルしたい低域外来ノイズの帯域を容易に制御することができる。
【００３６】
また、前記第１抵抗の抵抗値は、前記第２抵抗の抵抗値より大きくてもよい。
【００３７】
これにより、第１光検出器の有効受光面積が第２光検出器の有効受光面積より小さくても、電流増幅回路の電流増幅率を１以上に設定できるため、第１光検出器の有効受光面積をさらに小さく設定できる。つまり、光検出器全体の面積をさらに小さくすることができる。
【００３８】
また、前記第１光検出器の有効受光面積と前記第２光検出器の有効受光面積との比は、前記第２抵抗の抵抗値と前記第１抵抗の抵抗値との比に等しくてもよい。
【００３９】
これにより、第１光検出器の有効受光面積と第２光検出器の有効受光面積とが異なっている場合でも、電流増幅回路の電流増幅率を調整することで、第１光検出器の有効受光面積と第２光検出器の有効受光面積が同等の場合と同様に低域外来ノイズのキャンセルが行うことができる。
【００４０】
また、本発明は、上述した光半導体装置として実現するだけでなく、本発明の光半導体装置を備える赤外線データ通信装置としても実現することができる。
【発明の効果】
【００４１】
本発明によれば、ＵＦＩＲのように１００Ｍｂｐｓの転送速度が必要な赤外線データ通信装置に備えられる光半導体装置であり、かつ、高速動作が可能であり、低域外来ノイズを直流から信号帯域に近い数１０ＭＨｚまでカットすることのできる光半導体装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４２】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００４３】
（実施の形態１）
本実施の形態の光半導体装置は、オペアンプを含む電流増幅回路を備えることにより、第１フォトダイオードで光信号を受光し光電変換することで得られる電流を増幅する。電流増幅回路のカットオフ周波数は数１０ＭＨｚである場合、増幅された電流が第２フォトダイオードに入力されることで、第２フォトダイオードから出力される光電流の直流から数１０ＭＨｚまでの成分を除去する。そして、該光半導体装置はオペアンプを含む電流−電圧変換回路を備えることにより、直流から数１０ＭＨｚまでの成分を除去された高周波成分を有する電流のみを電圧に変換して出力する。
【００４４】
図１は、本実施の形態の光半導体装置の一例を示す回路図である。
【００４５】
同図の光半導体装置は、フォトダイオード１０１及び１０２と、電流増幅回路１１０と、電流−電圧変換回路１２０とを備える。ここで、電流増幅回路１１０の出力端子と電流−電圧変換回路１２０の入力端子とは接続されており、その接続点をＡ点とする。
【００４６】
フォトダイオード１０１は、光信号を受光し光電変換することで電流Ｉ1を出力する。フォトダイオード１０１のアノードは接地され、カソードは電流増幅回路１１０の入力端子に接続されている。
【００４７】
フォトダイオード１０２は、光信号を受光し光電変換することで電流Ｉ2を出力する。フォトダイオード１０２のアノードは接地され、カソードは電流増幅回路１１０の出力端子及び電流−電圧変換回路１２０の入力端子に接続されている。
【００４８】
電流増幅回路１１０は、フォトダイオード１０１から出力される電流Ｉ1を増幅することで、電流Ｉ3を出力する。電流増幅回路１１０は、オペアンプ１１１、変換抵抗１１２、変換抵抗１１３及びコンデンサ１１４を備える。
【００４９】
オペアンプ１１１の反転入力端子は、フォトダイオード１０１のカソードと、変換抵抗１１２の一端と、コンデンサ１１４の一端が接続されている。オペアンプ１１１の正転入力端子は、変換抵抗１１３の一端と、フォトダイオード１０２のカソードと、オペアンプ１２１の反転入力端子に接続されている。オペアンプ１１１の出力端子は、変換抵抗１１２の他端と、変換抵抗１１３の他端と接続されている。電流増幅回路１１０の入力端子はオペアンプ１１１の反転入力端子に相当し、出力端子はオペアンプ１１１の正転入力端子に相当する。
【００５０】
電流−電圧変換回路１２０は、フォトダイオード１０２から出力される電流Ｉ2を電圧に変換する。電流−電圧変換回路１２０は、オペアンプ１２１及び変換抵抗１２２を備える。
【００５１】
オペアンプ１２１の反転入力端子は、フォトダイオード１０２のカソードと、変換抵抗１２２の一端と、電流増幅回路１１０の出力端子（オペアンプ１１１の正転入力端子）とに接続されている。オペアンプ１２１の正転入力端子は、基準電圧Ｖｒｅｆに接続されている。オペアンプ１２１の出力端子は、変換抵抗１２２の他端に接続されている。電流−電圧変換回路１２０の入力端子はオペアンプ１２１の反転入力端子に相当し、出力端子はオペアンプ１２１の出力端子に相当する。
【００５２】
図２は、電流増幅回路１１０の回路構成を詳細に示す図である。
【００５３】
同図に示すように、電流増幅回路１１０に含まれるオペアンプ１１１は、差動増幅器１３０、ＮＰＮトランジスタ１３５及び定電流源１３７とで構成される。差動増幅器１３０は、ＮＰＮトランジスタ１３１及び１３２と、ＰＮＰトランジスタ１３３及び１３４と、定電流源１３６とで構成される。
【００５４】
ＮＰＮトランジスタ１３１のベースは、オペアンプ１１１の反転入力端子に相当する。ＮＰＮトランジスタ１３２のベースは、オペアンプ１１１の正転入力端子に相当する。ＮＰＮトランジスタ１３１及び１３２のエミッタは、定電流源１３６の一端に接続される。ＮＰＮトランジスタ１３１のコレクタは、ＰＮＰトランジスタ１３３のコレクタとＮＰＮトランジスタ１３５のベースとに接続される。ＮＰＮトランジスタ１３２のコレクタは、ＰＮＰトランジスタ１３４のコレクタと、ＰＮＰトランジスタ１３３及び１３４のベースとに接続される。ＰＮＰトランジスタ１３３及び１３４のエミッタと、ＮＰＮトランジスタ１３５のコレクタとは、電圧Ｖｃｃに接続される。ＮＰＮトランジスタ１３５のエミッタは、定電流源１３７の一端に接続され、オペアンプ１１１の出力端子に相当する。定電流源１３６及び１３７の他端は接地される。
【００５５】
次に、図１及び図２を用いて、光信号を受信した場合における本実施の形態の光半導体装置の動作について説明する。なお、本実施の形態では、フォトダイオード１０１及び１０２の有効受光面積は等しい。この場合、フォトダイオード１０１及び１０２に同量の光信号が照射されると、それぞれのフォトダイオードを流れる電流Ｉ1及びＩ2は等しくなる。
【００５６】
直流成分に交流成分が重畳された光信号がフォトダイオード１０１に照射され、光電変換された光電流Ｉ1が流れる。光電流Ｉ1は、直流成分ＩDCと交流成分ＩACとの和で表され、
Ｉ1＝ＩDC＋ＩAC
となる。
【００５７】
光電流Ｉ1は変換抵抗１１２で電圧に変換され、オペアンプ１１１の出力Ｖ１へ出力される。さらに、変換抵抗１１３で電圧から電流へ変換され、電流増幅回路１１０の出力端子へ出力電流Ｉ3として出力される。変換抵抗１１２の抵抗値をＲ1、変換抵抗１１３の抵抗値をＲ2とすると、出力電流Ｉ3は、
Ｉ3＝Ｒ1／Ｒ2×Ｉ1
となる。すなわち、光電流Ｉ1はＲ1／Ｒ2倍に増幅され、出力電流Ｉ3としてＡ点へ出力されることになる。例えば、Ｒ1＝５ｋΩ、Ｒ2＝５ｋΩとすれば、電流増幅率（Ｒ1／Ｒ2）は１である。したがって、出力電流Ｉ3は、直流成分のみで考えると、
Ｉ3＝ＩDC
となる。すなわち、電流増幅回路１１０の出力電流Ｉ3は、フォトダイオード１０１から出力される光電流Ｉ1の直流成分ＩDC、変換抵抗１１２及び１１３によって定められる電流増幅率に基づいて増幅された電流である。
【００５８】
ここで、直流成分ＩDCとは、以下の説明に従って算出されるカットオフ周波数ｆｃＩ以下の周波数成分の電流のことをいう。
【００５９】
電流増幅回路１１０の応答速度は、オペアンプ１１１の応答速度が充分に速ければ、フォトダイオード１０１の接合容量とコンデンサ１１４の容量との和と、変換抵抗１１２の抵抗値により決定される。例えば、フォトダイオード１０１の接合容量値ＣＰ1を０．１ｐＦ、コンデンサ１１４の容量値Ｃ1を１ｐＦ、変換抵抗１１２の抵抗値Ｒ1を５ｋΩとすると、電流増幅回路１１０のカットオフ周波数ｆｃＩは、
ｆｃＩ＝１／（２π×（ＣＰ1＋Ｃ1）×Ｒ1）
＝１／（２π×（０．１ｐＦ＋１ｐＦ）×５ｋΩ）
＝２９ＭＨｚ
となる。図３は、周波数特性を示す図である。同図の周波数特性曲線２０１は、電流増幅回路１１０の周波数特性を示す曲線である。
【００６０】
また、フォトダイオード１０２にも、フォトダイオード１０１と同量の光信号が照射された場合では、本実施の形態では、フォトダイオード１０１及び１０２の有効受光面積は等しいため、フォトダイオード１０２に流れる光電流Ｉ2は、光電流Ｉ1に等しくなる。すなわち、光電流Ｉ2は、次のように表される。
【００６１】
Ｉ2＝ＩDC＋ＩAC
【００６２】
また、光電流Ｉ2は、電流増幅回路１１０の出力電流Ｉ3と電流−電圧変換回路１２０の入力電流Ｉ4との和である。したがって、電流−電圧変換回路１２０の入力電流Ｉ4は、
Ｉ4＝Ｉ2−Ｉ3
＝（ＩAC＋ＩDC）−ＩDC
＝ＩAC
となる。
【００６３】
すなわち、電流−電圧変換回路１２０には、フォトダイオード１０２から出力される光電流Ｉ2のうち、交流成分のみが入力される。これにより、電流−電圧変換回路１２０は、フォトダイオード１０２から出力される光電流Ｉ2の交流成分のみを増幅することができる。
【００６４】
なお、電流−電圧変換回路１２０のカットオフ周波数ｆｃＶについて説明すると、例えば、フォトダイオード１０２の接合容量値ＣＰ2を０．１ｐＦ、変換抵抗１２２の抵抗値Ｒ3を１０ｋΩとすると、電流−電圧変換回路１２０のカットオフ周波数ｆｃＶは、
ｆｃＶ＝１／（２π×ＣＰ2×Ｒ3）
＝１／（２π×０．１ｐＦ×１０ｋΩ）
＝１５９ＭＨｚ
となる。図３の周波数特性曲線２０２は、電流−電圧変換回路１２０の周波数特性を示す図である。本実施の形態の光半導体装置は、カットオフ周波数ｆｃＩより大きくｆｃＶより小さい周波数成分の光電流を増幅し、電圧に変換することができる。
【００６５】
以上のように、本実施の形態の光半導体装置によれば、直流成分から数１０ＭＨｚまでの低域外来ノイズ成分を除去しつつ、高周波成分を増幅し、電圧に変換することができる。したがって、ＵＦＩＲで使用する１００Ｍｂｐｓの転送速度でも、直流成分から数１０ＭＨｚまでの低域外来ノイズの影響を受けずに精度良く通信できる光半導体装置を実現することができる。
【００６６】
なお、本実施の形態では電流増幅回路１１０の応答速度を調整するため、コンデンサ１１４をオペアンプ１１１の反転入力端子に接続しているが、図４（ａ）に示すように、コンデンサ１１４ａを変換抵抗１１２と並列に接続してもよい。また、図４（ｂ）に示すように、コンデンサ１１４ｂをオペアンプ１１１の出力端子Ｖ１と所定電位（図では接地）との間に接続してもよい。さらに、図４（ｃ）に示すように、コンデンサ１１４ｃを変換抵抗１１３と並列に接続してもよい。さらに、それぞれのコンデンサ１１４、１１４ａ、１１４ｂ及び１１４ｃを組み合わせて接続してもよい。但し、本実施の形態で説明したオペアンプ１１１の反転入力端子へコンデンサ１１４を接続する方が、フォトダイオード１０１の接合容量値ＣＰ1との和で簡単に算出できる。このため、フォトダイオード１０１の接合容量値ＣＰ1が変わっても最も簡単に設計できる。
【００６７】
また、本実施の形態では、電流増幅回路１１０のカットオフ周波数として２９ＭＨｚ、電流−電圧変換回路１２０のカットオフ周波数として１５９ＭＨｚを一例として挙げたが、電流−電圧変換回路１２０のカットオフ周波数が電流増幅回路１１０のカットオフ周波数に比べて大きければ、いかなる値でもよい。例えば、ＵＦＩＲでは１００Ｍｂｐｓの転送速度が求められることから、電流増幅回路１１０のカットオフ周波数を、１０〜８０ＭＨｚとし、電流−電圧変換回路１２０のカットオフ周波数を、１２０ＭＨｚ以上としてもよい。
【００６８】
（実施の形態２）
本実施の形態の光半導体装置は、２つのフォトダイオードの有効受光面積が異なる場合に、受光した光信号を電気信号に変換して増幅する光半導体装置である。
【００６９】
図５は、本実施の形態のフォトダイオード形状の一例を示すパターン図である。
【００７０】
回路構成は実施の形態１と同じだが、光信号を電流信号へ変換するフォトダイオードの形状、及びレイアウトにより回路定数を変更する必要があるので説明する。
【００７１】
図５（ａ）に示すフォトダイオード１０１ａ及び１０２ａはそれぞれ図１のフォトダイオード１０１及び１０２に対応する。フォトダイオード１０２ａを取り囲む位置にフォトダイオード１０１ａを隣接させて配置する。それぞれの有効受光面積をＳ1a及びＳ2aとする。図１における変換抵抗１１２及び１１３を、Ｒ1：Ｒ2＝Ｓ2a：Ｓ1aとなるように値を設定することで、フォトダイオードに照射された光信号を変換した電流信号のうち、交流成分だけを増幅することができる。以下では、簡単のため、Ｓ1a：Ｓ2a＝１：２として説明する。また、フォトダイオード１０１ａ及び１０２ａには、均等に光信号が照射された場合について説明する。
【００７２】
フォトダイオード１０１ａから出力される光電流Ｉ1の直流成分をＩDC、交流成分をＩACとする。すなわち、光電流Ｉ1は、
Ｉ1＝ＩDC＋ＩAC
となる。光電流Ｉ1及びＩ2は、有効受光面積に比例するため、
Ｉ2＝２×Ｉ1
となる。電流増幅回路１１０の出力電流Ｉ3は、
Ｉ3＝Ｒ1／Ｒ2×Ｉ1
である。例えば、Ｒ1＝５ｋΩ、Ｒ2＝２．５ｋΩとすれば、電流増幅率は２であり、直流成分のみで考えると、
Ｉ3＝２×ＩDC
となる。すなわち、電流増幅回路１１０の出力電流Ｉ3は、フォトダイオード１０１ａから出力される光電流Ｉ1の直流成分ＩDCを、変換抵抗１１２及び１１３によって定められる電流増幅率に従って増幅された電流である。
【００７３】
ここで、直流成分ＩDCとは、以下の説明に従って算出されるカットオフ周波数ｆｃＩ以下の周波数成分の電流のことをいう。フォトダイオード１０１ａの有効受光面積はフォトダイオード１０２ａの有効受光面積の１／２であり、フォトダイオード１０１ａの接合容量も有効受光面積にほぼ比例して１／２となる。したがって、フォトダイオード１０１ａの接合容量値ＣＰ1aを０．０５ｐＦ、コンデンサ１１４の容量値Ｃ1を１．０５ｐＦ、変換抵抗１１２の抵抗値Ｒ1を５ｋΩとすると、電流増幅回路１１０のカットオフ周波数ｆｃＩは、
ｆｃＩ＝１／（２π×（ＣＰ1a＋Ｃ1）×Ｒ1）
＝１／（２π×（０．０５ｐＦ＋１．０５ｐＦ）×５ｋΩ）
＝２９ＭＨｚ
となり、コンデンサ１１４の容量値Ｃ1を調整することにより、実施の形態１と同じく、図３の周波数特性曲線２０１で示される周波数特性となる。
【００７４】
次に、電流−電圧変換回路１２０に入力される電流Ｉ４は、
Ｉ4＝Ｉ2−Ｉ3
＝２×Ｉ1−Ｉ3
＝２×（ＩDC＋ＩAC）−２×ＩDC
＝２×ＩAC
となる。
【００７５】
すなわち、電流−電圧変換回路１２０には、フォトダイオード１０２ａから出力される光電流Ｉ2のうち、交流成分のみが入力される。これにより、電流−電圧変換回路１２０は、フォトダイオード１０２ａから出力される光電流Ｉ2の交流成分のみを増幅することができる。
【００７６】
なお、電流−電圧変換回路１２０のカットオフ周波数ｆｃＶについて説明すると、例えば、フォトダイオード１０２ａの接合容量値ＣＰ2aを０．１ｐＦ、変換抵抗１２２の抵抗値Ｒ3を１０ｋΩとすると、電流−電圧変換回路１２０のカットオフ周波数ｆｃＶは、
ｆｃＶ＝１／（２π×ＣＰ2a×Ｒ3）
＝１／（２π×０．１ｐＦ×１０ｋΩ）
＝１５９ＭＨｚ
となり、図３の周波数特性曲線２０２で示される周波数特性となる。すなわち、本実施の形態の光半導体装置は、カットオフ周波数ｆｃＩより大きくｆｃＶより小さい周波数成分の光電流を増幅し、電圧に変換することができる。すなわち、本実施の形態の光半導体装置によれば、直流成分から数１０ＭＨｚまでの低域外来ノイズ成分を除去しつつ、高周波成分を増幅し、電圧に変換することができる。したがって、ＵＦＩＲで使用する１００Ｍｂｐｓの転送速度でも、直流成分から数１０ＭＨｚまでの低域外来ノイズの影響を受けずに精度良く通信できる光半導体装置を実現することができる。
【００７７】
以上のように、２つのフォトダイオード１０１ａ及び１０２ａの有効受光面積が異なる場合でも、電流増幅回路１１０の電流増幅率を調整することにより、精度良く低域外来ノイズをキャンセルすることができる。すなわち、電流増幅回路１１０の変換抵抗１１２の抵抗値Ｒ1及び変換抵抗１１３の抵抗値Ｒ2を、Ｓ1a：Ｓ2a＝Ｒ2：Ｒ1を満たすように設定することで、フォトダイオード１０２ａの光電流Ｉ2と、電流増幅回路１１０の出力電流Ｉ3の直流成分の値はほぼ同等となるからである。
【００７８】
また、本実施の形態では、フォトダイオード１０１ａの有効受光面積は、フォトダイオード１０２ａの有効受光面積の１／２倍であるが、実施の形態１と同様の出力電圧Ｖｏｕｔを得ることができる。すなわち、本実施の形態によれば、フォトダイオード１０１ａとフォトダイオード１０２ａの合計の有効受光面積は、実施の形態１のフォトダイオード１０１及び１０２の合計の有効受光面積に対して３／４に縮小される。このため、光半導体装置の小型化が可能となる。
【００７９】
なお、図５（ｂ）及び図５（ｃ）のようにフォトダイオード１０２ｂ及び１０２ｃの形状を多角形又は円形にすることで、フォトダイオード１０２ｂ及び１０２ｃの接合容量が削減されるため、電流−電圧変換回路の応答特性をさらに向上させることができる。というのも、フォトダイオードの接合容量はフォトダイオードの底面部の面積と側面部の面積とから求められるためである。フォトダイオードの底面部の面積及び側面部の面積が大きいほど、接合容量は大きくなる。側面部の面積は、フォトダイオードの周辺長とフォトダイオードの接合深さとの積で決まるため、底面部の面積が同じ場合、四角形より周辺長が短い多角形の方が側面部の面積が小さくなる。さらに、周辺長が短い円形の方が側面部の面積が小さくなるので、円形にすることで、接合容量を最小にでき、電流−電圧変換回路の応答特性を向上させることができる。
【００８０】
（実施の形態３）
本実施の形態の赤外線データ通信装置は、本発明の光半導体装置、すなわち、ＵＦＩＲで使用する１００Ｍｂｐｓの転送速度でも、直流成分から数１０ＭＨｚまでの低域外来ノイズの影響を受けずに精度良く通信できる光半導体装置を備える。
【００８１】
図６は本実施の形態の赤外線データ通信装置の構成図である。
【００８２】
同図の赤外線データ通信装置３００は、基板３０１、レンズ形成樹脂３０２、金ワイヤー３０３、ＬＥＤチップ３０４及び光半導体装置３１０で構成されている。
【００８３】
金ワイヤー３０３は、ＬＥＤチップ３０４と光半導体装置３１０とを電気的に直接接続する。ＬＥＤチップ３０４は、光半導体装置３１０から金ワイヤー３０３を介して送られてくる電流により発光する。光半導体装置３１０は、実施の形態１及び２で説明した２つのフォトダイオード１０１及び１０２と、電流増幅回路１１０、電流−電圧変換回路１２０及びＬＥＤ駆動回路等を含めた信号処理回路３１１とで構成されている。
【００８４】
次に、赤外線データ通信装置３００の動作を説明する。直流信号に交流信号が重畳された光信号３２０が赤外線データ通信装置３００に照射されると、レンズ形成樹脂３０２により光信号３２０が集光され、２つのフォトダイオード１０１及び１０２に照射される。フォトダイオード１０１及び１０２で光電変換された光電流は信号処理回路３１１で演算され、真の交流信号のみが電圧信号として出力される。また、発光側については、信号処理回路３１１に外部から信号電圧が入力され、信号処理回路３１１に設けられたＬＥＤ駆動回路にて電流信号に変換される。この電流信号は、金ワイヤー３０３を介して、ＬＥＤチップ３０４に送られ、ＬＥＤチップ３０４が発光する。この発光された光信号３２１がレンズ形成樹脂３０２により拡散され、対象となるもう一方の赤外線データ通信装置へ到達し、通信が可能となる。
【００８５】
本実施の形態によれば、ＵＦＩＲで使用する１００Ｍｂｐｓ帯域の赤外線データ通信装置が実現できる。
【００８６】
なお、本実施の形態では光半導体装置３１０はフォトダイオードと信号処理回路を同一半導体基板で形成しているが、フォトダイオードと信号処理回路を別の半導体基板で形成してもよく、また、ＬＥＤ駆動回路も別の半導体基板で形成してもよい。また、更なる高周波発光を実現するため、ＬＥＤチップの代わりに半導体レーザチップを用いてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００８７】
本発明の光半導体装置は、ＵＦＩＲで使用する１００Ｍｂｐｓの転送速度でも、直流成分から数１０ＭＨｚまでの低域外来ノイズの影響を受けずに精度良く通信できる光半導体装置に適応でき、特に、赤外線データ通信装置に適用する上で有用である。
【図面の簡単な説明】
【００８８】
【図１】本発明の光半導体装置の一例を示した回路図である。
【図２】本発明の電流増幅回路の一例を詳細に示した回路図である。
【図３】本発明の光半導体装置の周波数特性を示した図である。
【図４】（ａ）本発明の電流増幅回路の一例を示した回路図である。（ｂ）本発明の電流増幅回路の一例を示した回路図である。（ｃ）本発明の電流増幅回路の一例を示した回路図である。
【図５】（ａ）本発明のフォトダイオードの形状の一例を示した図である。（ｂ）本発明のフォトダイオードの形状の一例を示した図である。（ｃ）本発明のフォトダイオードの形状の一例を示した図である。
【図６】本発明の赤外線データ通信装置の一例を示した断面図である。
【図７】従来の技術における光半導体装置の一例を示した回路図である。
【図８】従来の技術における光半導体装置の一例を示した回路図である。
【符号の説明】
【００８９】
１０１、１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃ、１０２、１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ、４０１、５０１、５０２  フォトダイオード
１１０  電流増幅回路
１１１、１２１  オペアンプ
１１２、１１３、１２２、４０４  変換抵抗
１１４、１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃ、４０７、５１５  コンデンサ
１２０、４１０  電流−電圧変換回路
１３０  差動増幅器
１３１、１３２、１３５、４０２、４０３、５１１、５１２  ＮＰＮトランジスタ
１３３、１３４  ＰＮＰトランジスタ
１３６、１３７  定電流源
２０１、２０２  周波数特性曲線
３００  赤外線データ通信装置
３０１  基板
３０２  レンズ形成樹脂
３０３  金ワイヤー
３０４  ＬＥＤチップ
３１０  光半導体装置
３１１  信号処理回路
３２０、３２１  光信号
４０５、４０６、４０８、５１３、５１４  抵抗
４０９  微分回路
５１０  カレントミラー回路
【図１】
2009094291.tif 000003
【図２】
2009094291.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2009094291.tif 000008
【図７】
2009094291.tif 000009
【図８】
2009094291.tif 000010