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C 5991 : 1997

(1) 

まえがき

この規格は,工業標準化法に基づいて,日本工業標準調査会の審議を経て,通商産業大臣が改正した日

本工業規格である。これによって JIS C 5991-1988 は改正され,この規格に置き換えられる。

今回の改正では,日本工業規格と国際規格との一致に留意したが,これについては解説にその詳細を記

述した。

この規格の一部が,技術的性質をもつ特許権,出願公開後の特許出願,実用新案権又は出願公開後の実

用新案登録出願に抵触する可能性があることに注意を喚起する。

通商産業大臣及び日本工業標準調査会は,

このような技術的性質をもつ特許権,出願公開後の特許出願,実用新案権又は出願公開後の実用新案登録

出願にかかわる確認について,責任はもたない。


日本工業規格

JIS

 C

5991

: 1997

光伝送用フォトダイオード測定方法

Measuring methods of photodiodes for fiber optic transmission

序文  規格を適用するに当たっては,その規格が引用している規格も同時に参照しなければならない。ま

た,同類の規格があれば,これとの比較検討が必要なことも多い。

この規格は,1992 年に発行された IEC 747-5,Semiconductor devices−Discrete devices and integrated circuits

Part 5 : Optoelectronic devices

並びに 1994 年に発行された IEC 747-5 Amendment 1 を元に,技術的内容を変

更することなく作成した日本工業規格である。

1.

適用範囲  この規格は,光伝送用フォトダイオード(電子回路内蔵形を除く。以下,フォトダイオー

ドという。

)の測定方法について規定する。

備考  この規格の対応国際規格を,次に示す。

IEC 747-5 (1992)

  Semiconductor devices − Discrete devices and integrated circuits Part 5 :

Optoelectronic devices (Second edition)

IEC 747-5 (1994)

  Amendment 1

2.

引用規格  次に掲げる規格は,この規格に引用されることによって,この規格の規定の一部を構成す

る。これらの引用規格は,その最新版を適用する。

JIS C 1102

  指示電気計器

JIS C 5001

  電子部品通則

JIS C 5990

  光伝送用フォトダイオード通則

3.

定義  この規格に用いる用語の定義は,JIS C 5990 の規定による。

4.

測定の状態

4.1

標準状態  測定は,特に規定がない限り,JIS C 5001 の 4.1(標準状態)に規定の標準状態(温度 15

∼35℃,相対湿度 25∼85%,気圧 860∼1 060hPa)のもとで行う。ただし,この標準状態での測定値の判

定に疑義が生じた場合,又は特に要求された場合は,4.3 による。

また,基準状態への換算を必要とする場合には,4.2 による。

なお,標準状態で測定することが困難な場合には,判定に疑義が生じない限り,標準状態以外での測定

を行ってもよい。

4.2

基準状態  基準状態は,JIS C 5001 の 4.2(基準状態)に規定の基準状態の中の温度 25℃,相対湿度

45%

,気圧 860∼1 060hPa の状態とする。ただし,温度だけをもって基準状態としてもよい。


2

C 5991 : 1997

4.3

判定状態  判定状態は,JIS C 5001 の 4.3(判定状態)に規定の判定状態,温度 2 級及び相対湿度 2

級(温度 25±2℃,相対湿度 45∼55%,気圧 860∼1 060hPa)とする。

5.

測定機器及び装置

5.1

測定用電源  直流電源はリプル含有率 3%以下,交流電源は高調波含有率 5%以下のものとする。た

だし,商用周波数の場合は,高調波含有率 10%以下とする。

なお,特に交流出力を測定する試験では,直流電源のリプル含有率,交流電源の高調波含有率及び交流

の流れる直流電源回路の交流インピーダンスは,測定に影響を与えないように小さい値とする。

また,サージの侵入に対する十分な防護措置が施されていなければならない。

5.2

計器及び測定器  規定がない限り,計器は JIS C 1102 に規定する 0.5 級のもの,測定器はこれと同

等以上の確度をもつものとし,これらの入力インピーダンスは測定系への影響を無視できる値とする。

備考  標準品として 0.5 級以上の計器又はこれに相当するような確度をもつ測定器がない場合には,

3.2

の規定は適用しない。

6.

測定上の注意事項

6.1

最大定格の遵守  供試フォトダイオードは,過渡状態を含めいかなるときにも,最大定格を超える

ことがあってはならない。

6.2

着脱時の注意  供試フォトダイオードは,電源印加中に着脱してはならない。

6.3

静電気破壊に対する注意  静電気による破壊のおそれのあるフォトダイオードに対しては,次の事

項に注意する。

a)

移送,保存及び放置の際は,静電気導電材料,帯電防止処理材料などを用い,静電気の帯電を防止す

る。

b)

測定は,静電気の発生しない場所で行う。相対湿度は,50%程度が望ましい。

また,静電気の発生を防ぐためには,測定者,工具及び測定機器類の電位と被測定フォトダイオー

ドを取り扱う場所を同電位にすることが望ましい。

6.4

光学部品の汚れに対する注意  フォトダイオードを含め,光学部品は光学部分が汚れないよう注意

する。汚れた場合は,アルコールなどで清掃し,汚れを取り除く。

6.5

温度安定(熱的平衡)条件  供試フォトダイオードの発熱によって,測定値が時間の経過とともに

変化する場合は,温度安定に達してから測定するか,あらかじめ測定時間を決めておく。

参考  測定時間を 2 倍にしても,測定値が予定された誤差以上の変化を生じないならば,温度安定に

達していると考えられる。

6.6

測定回路  この規格で図示した測定回路は,測定に用いる回路の一例を示している。したがって,

同様の結果が得られる限り代替回路が使用できる。

7.

電気的・光学的特性の測定方法

7.1

暗電流測定

7.1.1

目的  規定された状態での,フォトダイオードの暗電流を測定することを目的とする。

7.1.2

測定回路  暗電流の測定は,図 に示すような回路によって,次の方法で行う。


3

C 5991 : 1997

図 1  暗電流測定

7.1.3

測定方法  光の入力がない状態で,供試フォトダイオードの電極端子間に規定の逆電圧を印加し,

そのときの暗電流を測定する。

7.1.4

個別規格に規定すべき項目

a)

動作温度

b)

逆電圧

7.2

受光感度測定

7.2.1

目的  規定された状態での,フォトダイオードの受光感度を測定することを目的とする。

7.2.2

測定回路  受光感度の測定は,図 に示すような回路によって,次の方法で行う。

図 2  受光感度測定

7.2.3

測定方法  供試フォトダイオードに規定の逆電圧を印加し,規定の波長及びスペクトル幅の光源を

用いて入力光パワーの光を照射する。このときの回路に流れる電流を測定し,これから暗電流を差し引

いた光電流 I

P0

を算定し,式(1)によって算出する。

S (A/W)

I

P0

/P  (1)

ここに,

S

:  受光感度 (A/W)

P

:  入力光パワー (W)

I

P0

:  光電流 (A)

図 は,光源に半導体レーザを使用した場合の測定回路の例であるが,光源に白色光源と分光器を組み

合わせて使用してもよい。

7.2.4

測定上の注意  測定する際には,次のことに注意する。

a)

光ファイバピグテイル形及び光コネクタ形以外のフォトダイオードについては,光入力ビーム径は,

供試フォトダイオードの受光径よりも小さいこと。

b)

入力光パワーは,フォトダイオードの光電流が直線性を示す領域にある光パワーを用いること。

7.2.5

個別規格に規定すべき項目

a)

動作温度


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C 5991 : 1997

b)

逆電圧

c)

光源の波長及びスペクトル幅

7.3

上昇時間・下降時間測定

7.3.1

目的  規定された状態での,フォトダイオードの上昇時間及び下降時間を測定することを目的とす

る。

7.3.2

測定回路  上昇時間・下降時間の測定は,図 3(1)に示すような回路によって,次の方法で行う。

図 3(1)  上昇時間・下降時間測定

7.3.3

測定方法  直流電源の電圧を調整し,供試フォトダイオードに規定の逆電圧を印加する。スイッチ

を開き,電圧計を回路から切り離す。

規定のピーク発振波長及びスペクトル幅の半導体レーザに,直流バイアス電流と,く(矩)形パルス信

号を印加する。バイアス電流値とパルス発生器の繰返し周波数,振幅及びパルス幅を調整し,規定の光パ

ルスを得る。

供試フォトダイオードに,この光パルスを入力し,フォトダイオードからの出力信号を負荷抵抗器を介

してオシロスコープなどの測定器で測定する。出力信号が最大値の 10%から 90%まで増加するのに要する

時間を上昇時間  (t

r

)

とする。ターンオン時間  (t

on

)

,ターンオン遅延時間  (t

d(on)

)

,ターンオフ時間  (t

off

)

,タ

ーンオフ遅延時間  (t

d(off)

)

は,

図 3(2)に示す時間とする。

また,出力信号が最大値の 90%から 10%まで減少するのに要する時間を,下降時間  (t

f

)

とする。

なお,フォトダイオードの逆電圧は,PIN 形については規定の電圧を,アバランシェフォトダイオード

(以下,APD という。

)の場合は規定の増倍率を与える電圧とする。


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C 5991 : 1997

図 3(2)  応答時間

7.3.4

測定上の注意  測定する際には,次のことに注意する。

a)

半導体レーザは,供試フォトダイオードの上昇時間及び下降時間よりも十分高速な特性をもち,安定

な光出力であるものを使用すること。

b)

コンデンサ及びインダクタンスは,測定に影響を与えないインピーダンスのものを使用すること。

7.3.5

個別規格に規定すべき項目

a)

動作温度

b)

逆電圧又は APD では増倍率

c)

入力光パルス波形

d)

半導体レーザの発振波長及びスペクトル幅

e)

負荷抵抗

7.4

遮断周波数測定

7.4.1

目的  規定された状態での,フォトダイオードの遮断周波数を測定することを目的とする。

7.4.2

測定回路  遮断周波数の測定は,図 に示すような回路によって,次の方法で行う。

図 4  遮断周波数測定


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C 5991 : 1997

7.4.3

測定方法  直流電源の電圧を調整し,供試フォトダイオードに規定の逆電圧を印加する。スイッチ

を開き,電圧計を回路から切り離す。

規定のピーク発振波長及びスペクトル幅の半導体レーザに,規定の入力光パワーが得られるような直流

バイアス電流と小信号正弦波信号を印加する。小信号正弦波変調(

1

)

された変調光を,供試フォトダイオー

ドに入力して電気信号に変換し,負荷抵抗器を介してその交流成分を取り出して交流電圧計で測定し,高

周波出力を求める。交流電圧計の代わりに,選択レベルメータ,スペクトラムアナライザなどの測定器に

よって高周波出力を測定してもよい。

測定された高周波出力が,任意の十分低い周波数(基準周波数 f

0

f

c

/100

)重畳したときの出力から 3dB

低下する周波数を,式(2)によって算出し,遮断周波数とする。

( )

(

)

0

1

10

/

log

10

3

p

p

i

i

dB

  (2)

ここに,

f

c

遮断周波数

 (Hz)

f

0

基準周波数

  (f

0

f

c

/100) (Hz)

i

p0

i

p1

f

0

f

c

時の交流電流

 (A)

(

1

)

ここで,小信号正弦波変調とは,信号電圧の振幅を

2

倍にして測定したパラメータが初めの信号

電圧振幅で得たパラメータ(この場合,遮断周波数)と比べ,測定器の精度以上の変動が生じ

ないような信号電圧で正弦波変調することをいう。

なお,フォトダイオードの逆電圧は,

PIN

形の場合は規定の電圧を,

APD

の場合は規定の増倍率を与え

る電圧とする。

7.4.4

測定上の注意  測定する際には,次のことに注意する。

a)

半導体レーザは,供試フォトダイオードの遮断周波数よりも十分高い遮断周波数をもつものを使用す

ること。

b)

コンデンサ及びインダクタンスは,測定に影響を与えないインピーダンスのものを使用すること。

7.4.5

個別規格に規定すべき項目

a)

動作温度

b)

逆電圧又は

APD

では増倍率

c)

入力光パワー

d)

半導体レーザの発振波長及びスペクトル幅

e)

負荷抵抗

7.5

端子間容量測定

7.5.1

目的  規定された状態での,フォトダイオードの端子間容量を測定することを目的とする。

7.5.2

測定回路  端子間容量の測定は,図 に示すような回路によって,次の方法で行う。

図 5  端子間容量測定


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C 5991 : 1997

7.5.3

測定方法  光の入力がない状態で,供試フォトダイオードに規定の逆電圧を印加した後,電圧計を

切り離し,

交流ブリッジによって供試フォトダイオード両端の静電容量を測定する。この静電容量値から,

フォトダイオードを取り除いたときの容量値を差し引いた値を,端子間容量とする。

備考1.

交流ブリッジは,測定確度を落とすことなくフォトダイオードに逆電圧を印加することがで

きるものとし,試験信号電圧は,逆電圧に比べ十分小さな信号とする。

2.

測定静電容量値が小さく,配置条件が確度に影響する場合には,その条件を規定しなければ

ならない。

3.

ケース静電容量

  (C

c

)

が別に求まっている場合は,接合容量

  (C

j

)

C

j

C

t

C

c

C

t

は,測定

端子間容量)として求める。

7.5.4

個別規格に規定すべき項目

a)

動作温度

b)

逆電圧

c)

測定周波数

7.6

PIN

形フォトダイオードの雑音電流測定

7.6.1

目的  規定された状態での,供試

PIN

形フォトダイオードの雑音電流を測定することを目的とす

る。

7.6.2

測定回路

PIN

形フォトダイオードの雑音電流の測定は,

図 6(1)及び図 6(2)に示すような回路によ

って,次の方法で行う。

図 6(1)  雑音電流測定


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C 5991 : 1997

図 6(2)  雑音電流測定

7.6.3

測定方法  直流電源の電圧を調整し,供試フォトダイオードに規定の逆電圧を印加する。スイッチ

を開き,電圧計を回路から切り離す。

規定のピーク発振波長及びスペクトル幅の半導体レーザに,規定の入力光パワーが得られるように直流

バイアス電流を調整し印加する。

供試

PIN

形フォトダイオードに,

この光を照射する。

負荷抵抗器の両端に生じる電圧の揺らぎの成分を,

規定の中心周波数及びバンド幅のフィルタを通し,実効値指示計によって求め,電流に換算する[

図 6(1)]。

また,

図 6(2)に示すように,半導体レーザに信号発生器からの信号を重畳し,この信号に同期をかけて

測定してもよい。

7.6.4

測定上の注意  測定する際には,次のことに注意する。

a)

用いる半導体レーザの雑音及び負荷抵抗器の熱雑音は,

PIN

形フォトダイオードから生じる雑音に比

べ十分小さいこと。

b)

コンデンサ及びインダクタンスは,測定に影響を与えないインピーダンスのものを使用すること。

7.6.5

個別規格に規定すべき項目

a)

動作温度

b)

逆電圧

c)

半導体レーザの発振波長及びスペクトル幅

d)

入力光パワー

e)

フィルタの中心周波数及びバンド幅

7.7

APD

の降伏電圧測定

7.7.1

目的  規定された状態での,

APD

の降伏電圧を測定することを目的とする。

7.7.2

測定回路

APD

の降伏電圧の測定は,

図 に示すような回路によって,次の方法で行う。


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C 5991 : 1997

図 7  降伏電圧測定

7.7.3

測定方法  光の入力がない状態で,供試

APD

に規定の逆電流を流し,そのときの逆電圧を測定し,

これを降伏電圧とする。

7.7.4

個別規格に規定すべき項目

a)

動作温度

b)

逆電流

7.8

APD

の増倍率測定

7.8.1

目的  規定された状態での,

APD

の増倍率を測定することを目的とする。

7.8.2

測定回路

APD

の増倍率の測定は,

図 に示すような回路によって,次の方法で行う。

図 8  雑音電流測定

7.8.3

測定方法  規定のピーク発振波長及びスペクトル幅の半導体レーザに,直流バイアス電流と,く

(矩)形パルス信号を印加する。バイアス電流値を調整し,規定の入力光パワーを得る。く(矩)形パル

ス変調された光パルスを,供試

APD

に入力する。

APD

には逆電圧を印加し,光パルスによって生じたピ

ーク出力電流

I

p

を負荷抵抗器(

R

L

:例えば,

50

Ω)を通して,オシロスコープで測定する。

このとき

APD

に加える逆電圧を変え,出力電流

I

P

を測定する。

なお,通常はパルス測定法による。ただし,直流での測定では,測定された光電流値から暗電流成分を

差し引く。

増倍率

M

は,式(3)によって算出する。

M

I

P

 (V

R

) /I

P0

   (3)

ここに,

M

増倍率

I

P

 (V

R

)

規定の逆電圧

V

R

での

APD

の出力電流

 (A)

I

P0

出力特性が平たんとなる

APD

の出力電流

 (A)

図 参照)


10

C 5991 : 1997

図 9  出力電流の逆電圧依存特性

7.8.4

測定上の注意  測定する際には,次のことに注意する。

a)

入力光パルス幅

t

w

は,

APD

の立上がりに比べて十分長く,パルス周期

t

F

は,

APD

のパルス応答時間

に比べ十分に長いように設定すること(

図 10 参照)。

図 10  APD の応答波形

b)

光ファイバピグテイル形及び光コネクタ形以外のフォトダイオードについては,光入力ビーム径は,

供試

APD

の受光径よりも小さいこと。

c)

入力光パワーは,

APD

の光電流が直線性を示す領域にある光パワーを用いること。

7.8.5

個別規格に規定すべき項目

a)

動作温度

b)

逆電圧

c)

半導体レーザの発振波長及びスペクトル幅

d)

入力光パワー

7.9

APD

の過剰雑音係数測定

7.9.1

目的  規定された状態での,

APD

の過剰雑音係数を測定することを目的とする。


11

C 5991 : 1997

7.9.2

測定回路

APD

の過剰雑音係数の測定は,

図 11 に示すような回路によって,次の方法で行う。

図 11  過剰雑音係数測定

7.9.3

測定方法  直流電源の電圧を調整し,供試

APD

に規定の増倍率が得られる逆電圧を印加する。ス

イッチを開き,電圧計を回路から切り離す。

規定のピーク発振波長及びスペクトル幅の半導体レーザに,規定の入力光パワーが得られるように直流

バイアス電流を調整し印加する。パルス発生器(変調周波数:

f

1

)によって半導体レーザを変調し,その

光を供試

APD

に入力する。入力光パワーは,規定のピーク電流(

I

P0

: APD

の増倍率の項

図 10 

I

P

と同じ)

を得られるように調整する。

I

P0

は,

図 11 に示す

R

L

の両端に現れる出力電圧のピーク値をオシロスコープ

などで測定し求める。

また,負荷抵抗器の両端に生じる揺らぎの成分(交流分

i

P0

)を,規定のフィルタ(中心周波数=

f

0

,バ

ンド幅=⊿

B

)を通し,実効値指示計によって求める。その際,増幅器の雑音,熱雑音などの影響を少な

くするために,パルス発生器からの同期パルスによって,実効値指示計に同期をかける方法をとることも

できる。

過剰雑音係数

F

e

は,式

(4)

によって算出する。

F

e

x

i

P0

2

/ (2eI

P0

2

B)  (4)

ここに,

F

e

過剰雑音係数

I

P0

APD

に流れるピーク電流

 (A)

i

P0

APD

に流れる交流分実効値

 (A)

e

電子の電荷

 (C)

B

バンド幅

 (Hz)

M

APD

の増倍率

x

過剰雑音指数

7.9.4

測定上の注意  測定する際には,次のことに注意する。

a)

 APD

の暗電流,リーク電流によるショット雑音及び回路系から発生する熱雑音に比べ,

APD

増倍雑音

が十分大きくなるように,入力光パワーを十分大きくすること。

b)

フィルタの中心周波数

f

0

は,光源の変調周波数

f

1

に比べ十分高いこととし,フィルタは,

f

1

の周波数

を排除できるものを用いること。

c)

光源の雑音は,

APD

から生じる雑音に比べ十分小さいこと。

7.9.5

個別規格に規定すべき項目

a)

動作温度


12

C 5991 : 1997

b)

増倍率

c)

半導体レーザの発振波長及びスペクトル幅

d)

入力光パワー

e)

フィルタの中心周波数及びバンド幅