CN104995835B - 突发光接收器、突发光接收器的雪崩光电二极管的偏置电压控制方法 - Google Patents

突发光接收器、突发光接收器的雪崩光电二极管的偏置电压控制方法 Download PDF

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Abstract

通过被反向连接的雪崩光电二极接收具有不同强度的突发光信号的突发光接收器，其包括：电流检测电路，其将雪崩光电二极产生的从串联连接在电源和雪崩光电二极之间的电流镜电路输出的光电流作为与光电流成比例的电压进行输出；峰值检测电路，其对电流检测电路的输出电压的峰值进行检测和保持；电阻连接切换电路，其被插入在电流镜电路和雪崩光电二极之间，切换串联电阻与雪崩光电二极的串联连接；以及比较器，其在峰值检测电路的检测电压为规定的阈值以上的情况下，输出使电阻连接切换电路进行将串联电阻与雪崩光电二极串联连接的切换的切换信号。

Description

突发光接收器、突发光接收器的雪崩光电二极管的偏置电压 控制方法
技术领域
本发明涉及在作为光通信系统之一的PON(Passive Optical Network：无源光网络)系统的站侧(基站侧)使用的、作为OLT(Optical Line Terminal：光线路终端)用接收器的突发光接收器，尤其涉及突发光接收器的雪崩光电二极管的偏置电压控制。
背景技术
在作为光通信系统之一的无源光网络系统中，首先从站侧OLT(Optical LineTerminal：站侧终端装置)向在各个家庭中配置的用户住宅ONU(Optical Network Unit：用户侧终端装置)发送连续信号，由用户侧终端装置进行接收。从用户侧终端装置向站侧终端装置发送被时分复用的信号(分组)，因而站侧终端装置的接收器需要瞬时电气再现分组信号的突发式接收功能。此时，从站侧终端装置观察，用户侧终端装置被配置在不同的位置，因而站侧终端装置必须接收不同的光功率的分组。
另一方面，作为利用站侧终端装置接收器将光信号(分组)转换为电流的元件，使用雪崩光电二极管。雪崩光电二极管具有将光电流倍增的功能，因而通过较高地设定雪崩光电二极管的倍增率M，在输入了具有较低的光输入功率的信号时，能够实现较高的接收灵敏度。另一方面，在输入了具有较高的光输入功率的信号时，如果较高地设定倍增率，则有可能流过过电流而损坏雪崩光电二极管。
因此，在上述进行了说明的无源光网络系统中，有可能从站侧终端装置接收较近的用户侧终端装置的较强的输入光，因而期望按照输入的每个分组改变倍增率M，但是由于需要突发地进行接收(将强度不同的光信号转换为强度固定的电信号)，因而需要以ns(纳秒)级的较高速度来改变倍增率M。
作为这样高速地变更倍增率M的以往的突发光接收器的示例，有下述专利文献1公开的光接收器。作为雪崩光电二极管的偏置控制电路而示出的该以往的突发光接收器由以下部分构成：将光信号转换为电流的雪崩光电二极管；将所产生的光电流转换为电压并放大的前置放大器部；能够输出与雪崩光电二极管的光电流大致相同电流的电流镜部；高电压产生电路及其控制电路；以及改变控制电路的输出电压的电路。
雪崩光电二极管将输入的光转换为光电流，按照通过电阻器将示出与雪崩光电二极管的光电流大致相同电流的电流镜输出的晶体管的集电极电流转换为电压后的信号，改变从使控制电路的输出电压变化的电路向该控制电路的输入电压，进而也改变高电压产生电路的输出电压，由此使施加给雪崩光电二极管的电压追随流过雪崩光电二极管的光电流(输入光功率)而变化(参照后述的图7)。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2007－166096号公报
发明内容
发明要解决的问题
根据如上所述的以往的突发光接收器的雪崩光电二极管的偏置电压控制方式，每当流过电流镜的电流变化时，雪崩光电二极管电压变化，因而对前置放大器的输入电流变化，前置放大器AGC(自动增益控制)的输出难以固定，在适用于需要发送及接收约数μs的较短的分组的突发光接收器的情况下，存在成为产生故障的原因的问题。
另外，随着输出光电流不稳定，在需要实现10Gb以太网(注册商标)(10GbE)的插拔模块的行业标准规格之一的10Gigabit Small Form Factor Pluggable(万兆以太网接口小型封装可热插拔)(XFP)所要求的光输入功率的监控功能的情况下，存在不能根据变动的光电流在短时间内监控准确的值的问题。
另外，在通过电压控制电路变更高电压产生电路的输出电压的情况下，需要使用响应较快的电路，因而使在通常的电压产生电路中为抑制外部噪声导致的电压变动而使用的容量比较大的电容器放慢响应速度，所以存在不能作为滤波器使用的问题。
本发明正是为了解决如上所述的问题而提出的，其目的在于，提供一种能够利用比较简易的电路结构在雪崩光电二极管被输入了较高的光输出功率时使施加给雪崩光电二极管的电压高速变化并且使雪崩光电二极管的光电流保持稳定的突发光接收器等。
用于解决问题的手段
本发明的通过被反向连接的雪崩光电二极管接收具有不同强度的突发光信号的突发光接收器，其特征在于，该突发光接收器具有：电流检测电路，其将所述雪崩光电二极管产生的从串联连接在电源和所述雪崩光电二极管之间的电流镜电路输出的光电流作为与所述光电流成比例的电压进行输出；峰值检测电路，其对所述电流检测电路的输出电压的峰值进行检测和保持；电阻连接切换电路，其被插入在所述电流镜电路和所述雪崩光电二极管之间，切换串联电阻与所述雪崩光电二极管的串联连接；以及比较器，其在所述峰值检测电路检测出的电压为规定的阈值以上的情况下，输出使所述电阻连接切换电路进行将所述串联电阻与所述雪崩光电二极管串联连接的切换的切换信号。
发明效果
在本发明中能够提供一种能够利用比较简易的电路结构在雪崩光电二极管D被输入了较高的光输出功率时使施加给雪崩光电二极管的电压高速变化并且使雪崩光电二极管的光电流保持稳定的突发光接收器等。
附图说明
图1是本发明的一个实施方式的以突发光接收器的电源控制部为中心示出的结构图。
图2是用于说明在本发明中将串联电阻连接时的雪崩光电二极管的状态的图。
图3是用于说明在本发明中将串联电阻连接时的误码率特性的图。
图4是示出应用图1的电路结构并对雪崩光电二极管的电压变化情况进行仿真的结果的图。
图5是示出在图4的仿真中使用的分组结构的图。
图6是应用本发明的突发光接收器的无源光网络系统的概略图。
图7是示出以往在这种突发光接收器中使用的偏置控制电路的一例的图。
具体实施方式
首先，应用本发明的突发光接收器的无源光网络系统例如按照图6所示，多个用户侧ONU(用户侧终端装置)借助星式耦合器SC等通过光缆与站侧OLT(站侧终端装置)连接。各个用户侧终端装置各自具有光发送器TX和光接收器RX，站侧终端装置也具有光发送器TX和光接收器RX。本发明尤其涉及被称为突发光接收器的站侧终端装置的光接收器RX，其需要瞬时电气再现来自距离不同的多个用户侧终端装置的、光强度不同的分组信号的突发式接收功能。
另外，对图7所示的以往在上述这种突发光接收器中使用的偏置控制电路进行简单说明，偏置控制电路由以下部分构成：将光信号转换为电流的雪崩光电二极管12；将所产生的光电流转换为电压并放大的前置放大器部14；能够输出与雪崩光电二极管的光电流大致相同电流的电流镜部18；高电压产生电路16及其控制电路22；以及改变控制电路的输出电压的电路20。
雪崩光电二极管12将输入的光转换为电流，电流镜部18输出的晶体管33的集电极电流流向电阻Rm(电阻70)。MOS晶体管R3(MOS晶体管72)的阻值根据电阻Rm(电阻70)的输出电压而变化，从连接点26流向电阻R2(电阻52)的电流路径变化。控制电路22的输入根据流向电阻R1(电阻51)的电流而变化，因而通过改变流向MOS晶体管R3(MOS晶体管72)的电流，能够使控制电路22的输入电压变化，而且也使高电压产生电路42的输出电压变化。通过采取这种方法，使施加给雪崩光电二极管12的电压追随流向雪崩光电二极管12的光电流(输入光功率)而变化。
但是，在这种情况下，如上所述，前置放大器AGC(自动增益控制)的输出难以固定，在应用于发送及接收约数μs的较短分组的突发光接收器的情况下，存在成为产生故障的原因的问题。
下面，按照各实施方式并使用附图说明本发明的突发光接收器等。另外，在各个实施方式中对相同或者相当的部分标注相同的标号，并省略重复说明。
实施方式1
图1是本发明的一个实施方式的以突发光接收器的电源控制部为中心示出的结构图。电源控制部具有：电流检测电路CD，其将从电流镜电路CM输出的由雪崩光电二极管产生的光电流作为与光电流成比例的电压进行输出，其中，该电流镜电路CM串联连接在电源Vapd和雪崩光电二极管之间；峰值检测电路PDC，其对电流检测电路CD的输出电压的峰值进行检测并保持；电阻连接切换电路RSC，其被插入在电流镜电路CM和雪崩光电二极管之间，切换串联电阻R14与雪崩光电二极管的串联连接；比较器CO，其在峰值检测电路PDC检测出的电压为规定的阈值Vth以上的情况下，输出使切换电阻连接切换电路RSC进行使串联电阻R14与雪崩光电二极管串联连接的切换的切换信号；以及前置放大器PA，其将雪崩光电二极管产生的光电流转换为电压并放大。
具体而言，电流检测电路CD的电流镜电路CM由PNP型晶体管Tr1、Tr2、和决定电流镜的输出的电阻R11、R12构成，晶体管Tr1、Tr2的基极彼此连接，发射极分别经由电阻R11、R12与电源Vapd连接。晶体管Tr1的集电极与电阻连接切换电路RSC及晶体管Tr1、Tr2的基极连接，晶体管Tr2的集电极经由电阻R13接地，其中，该电阻R13将电流镜电路CM的晶体管Tr2的集电极电流转换为电压。并且，晶体管Tr2的集电极和电阻R13的连接点与峰值检测电路PDC的输入侧连接。
电阻连接切换电路RSC由串联电阻R14和例如由MOSFET构成的路径切换用的开关元件TS的并联电路构成，该串联电阻R14和开关元件TS被串联插入在电流镜电路CM的晶体管Tr1的集电极与被反向连接的雪崩光电二极管的阴极侧之间。雪崩光电二极管的阳极侧与前置放大器PA的输入侧连接。并且，峰值检测电路PDC的输出侧与例如由迟滞比较器等构成的比较器CO的输入侧连接，比较器CO的输出侧与电阻连接切换电路RSC的控制开关元件TS的开闭的端子连接，如果是MOSFET，则是与栅极端子连接。另外，重置信号Reset被输入峰值检测电路PDC。
下面说明动作，来自用户侧终端装置的光信号的光入射到雪崩光电二极管，由此光电流流向前置放大器PA。另一方面，电流检测电路CD的电流镜电路CM根据电阻R11、R12的值，使电流流向电阻R13。根据流过的电流量和电阻的值，在峰值检测电路PDC中对电阻R13的输出电压VR13保持峰值。
比较器CO根据峰值检测电路PDC测定出的保持峰值的电压值，进行是否小于规定的阈值Vth的比较，在流向雪崩光电二极管的光电流较小、对比较器CO的输入电压小于阈值电压Vth的情况下，输出使电阻连接切换电路RSC的开关元件TS为“闭合”状态的电压值A(例如H电平)，在流向雪崩光电二极管的光电流较大、对比较器CO的输入电压为阈值电压Vth以上的情况下，输出使开关元件TS为“断开”状态的电压值B(例如L电平)。
将阈值Vth设为在前置放大器PA的自动增益控制饱和的输入电流流过时、电阻R13输出的电压VR13以上的值。按照该电压值进行开关元件TS的切换，切换通过串联电阻R14的路径或不通过串联电阻R14的路径。即，在比较器CO中，在峰值检测电路PDC的输出电压小于阈值Vth的情况下，比较器CO输出使电阻连接切换电路RSC的开关元件TS为“闭合”状态的切换信号，因而电流流过阻值极小的开关元件TS，所以电流不流过串联电阻R14，成为雪崩光电二极管不与串联电阻R14连接的状态。另一方面，在峰值检测电路PDC的输出电压为阈值Vth以上的情况下，比较器CO输出使开关元件TS为“断开”状态的切换信号，所以电流不流过开关元件TS，而在串联电阻R14中流过电流，成为雪崩光电二极管与串联电阻R14连接的状态。
另外，峰值检测电路PDC根据在输入分组时所输入的重置信号Reset，输出下降为0V(将保持的峰值输出电压值重置为0V)，因而在被输入分组时一定是在不通过串联电阻R14的路径中通过。
图2是用于说明在本发明中连接串联电阻时的雪崩光电二极管的状态的图。图2是示出在雪崩光电二极与4kΩ的串联电阻连接时、针对雪崩光电二极管的偏置电压(Biasvoltage：横轴)的倍增率M(纵轴)的特性的图。根据图2也同样可知，在将串联电阻串联连接的情况下，电流值下降，倍增率M下降。这是因为由雪崩光电二极管产生的光电流由于在串联电阻的压降，有效地施加给雪崩光电二极管的偏置电压降低，从而流过的电流降低。
当在图2的A点示出的动作电压下，在流过例如约2mA电流的情况下，在串联电阻产生8V的压降。由于该在串联电阻的压降，如B点所示，施加给雪崩光电二极管的偏置电压有效降低，由此倍增率下降，光电流减小。
通过将串联电阻与雪崩光电二极管串联连接，RC时间常数增加，雪崩光电二极管的光电流有可能不能突发地响应高速变化的分组。因此，为了在突发光接收器中连接电阻，需要选择不影响响应的阻值。另一方面，在S/N较强的光输入功率时(例如输入功率大于-6dBm时)，如图3所示不易受到RC时间常数变化的影响。
图3是用于说明在本发明中连接串联电阻时的误码率特性的图。图3是示出相对于接收敏感度(Received Optical Power(ROP，接收光功率)(dBm)：横轴)的误码率(BitError Ratio(BER)：纵轴)的特性的图，白圆圈表示有串联电阻，黑圆点表示没有串联电阻。在区域A所示的最小感光灵敏度附近的功率时，由于存在串联电阻的影响，误码率特性劣化。与此相对，由于是S/N比良好的光输入较高的时候，因而在区域B所示的最大感光灵敏度附近的功率时，不存在因有无串联电阻而引起的误码率的差异。
因此，通过仅在被输入了较强的光输入时连接串联电阻，能够在不影响最低接收特性的情况下降低光输入较高时的光电流。并且，串联电阻导致的压降量是根据光电流的值决定的，因而能够实现与电流量对应的固定比率的压降，所以不需要像以往事例那样根据雪崩光电二极管的产品间的偏差变更电压设定值，不需要测定达到某个倍增率M值的电压。并且，由于仅利用串联电阻和简单的开关元件构成电路，因而能够实现比较简易的电路结构。另外，由于通过开关元件进行切换，因而能够实现高速的切换。
图4示出应用图1的电路结构进行的所施加的雪崩光电二极的电压变化的仿真结果，图5示出在仿真中使用的分组结构。图4示出了在横轴为时间、纵轴为电压时，施加给雪崩光电二极管的电压APD、峰值检测电路PDC的输出电压PD、比较器CO的输出CO的随时间的变化。另外，图5的(a)示出在雪崩光电二极管的光电流，(b)示出输入峰值检测电路PDC的重置信号Reset的定时。
在图5的时刻t1(11ns)，当在雪崩光电二极管产生重置信号Reset、和期望通过串联电阻降低雪崩光电二极的电压的具有较大光电流(2mA：光输入较高时)的分组P1时，在图4的时刻t1，电压PD根据重置信号Reset而一度变为0后开始上升，在电压PD于时刻t2达到阈值Vth以上时，输出CO从“H”电平变为“L”电平，同时串联电阻R14被连接，由此电压APD也下降。并且，当在时刻t3(1000ns)如图5所示分组P1结束时，图4的电压APD按照时间常数而缓慢上升。并且，在时刻t4(1512ns)，当在雪崩光电二极产生重置信号Reset、和此次不需要通过串联电阻降低雪崩光电二极的电压的、具有较小光电流(2.5μA：光输入较低时)的分组P2时，电压PD几乎不上升，不会达到阈值Vth以上，由此输出CO维持“H”电平，串联电阻R14不会被连接。
根据图5的结果可知，在输入了需要产生串联电阻导致的压降的第一个分组P1时，产生串联电阻导致的压降，而且能够以数百ns的高速进行响应。另一方面，可知在输入较低时，比较器CO的输出CO成为“H”电平，不会产生串联电阻导致的压降。并且，可知通过在向峰值检测电路PDC输入分组时输入重置信号Reset，开关元件TS一定会在电流镜电路CM输出电流之前成为“闭合”状态。
在本发明中，为了进行基于峰值检测的判定，输出振幅曾一度达到最大值，然后持续输出固定值，因而不易产生因再次判定而引起的雪崩光电二极电流(光电流)的变动等。
另外，将在从外部输入分组之前从主机板侧或者光接收器内部输出的重置信号、或者进行动作速度切换的速率选择信号等与输入分组时同步输入的信号，作为上述的重置信号Reset，进行使来自峰值检测电路的输出值一度恢复为0的动作，因而进行在光刚刚输入后一定在串联电阻未被连接的状态下流过光电流的动作。通过进行这种动作，在光输入功率较低的光输入到光接收器时，通过连接串联电阻，能够防止响应速度变慢。
另外，通过阻值的变更，即，在前置放大器的自动增益控制饱和区域中实施用于切换串联电阻的阈值的切换，还不会产生因电阻切换引起的前置放大器输出变动。
另外，电阻连接切换电路RSC的开关元件TS不限于MOSFET，也可以是双极晶体管等其它半导体开关元件等。
另外，比较器CO也可以由使阈值在输出的“H”和“L”的切换方向上错开的迟滞比较器构成，以便防止开关元件TS的颤振(chattering)。在这种情况下，将在上述的前置放大器PA的自动增益控制饱和的输入电流流过时、电阻R13输出的电压VR13以上的值设为Vth，将从“H”切换为“L”的阈值Vth1、从“L”切换为“H”的阈值Vth2设为在Vth的两侧分别偏离的值，或者将一方设为与Vth相同的值，将另一方设为偏离Vth的值。
标号说明
APD雪崩光电二极管；CD电流检测电路；CM电流镜电路；CO比较器；PA前置放大器；PDC峰值检测电路；R11、R12、R13电阻；R14串联电阻；RSC电阻连接切换电路；Tr1、Tr2晶体管；TS开关元件；Vapd电源。

Claims (10)

1.一种突发光接收器，其通过被反向连接的雪崩光电二极管接收具有不同强度的突发光信号，其特征在于，该突发光接收器具有：
电流检测电路，其将所述雪崩光电二极管产生的从串联连接在电源和所述雪崩光电二极管之间的电流镜电路输出的光电流作为与所述光电流成比例的电压进行输出；
峰值检测电路，其对所述电流检测电路的输出电压的峰值进行检测和保持；
电阻连接切换电路，其被插入在所述电流镜电路和所述雪崩光电二极管之间，切换串联电阻与所述雪崩光电二极管的串联连接；以及
比较器，其在所述峰值检测电路检测出的电压为规定的阈值以上的情况下，输出使所述电阻连接切换电路进行将所述串联电阻与所述雪崩光电二极管串联连接的切换的切换信号。
2.根据权利要求1所述的突发光接收器，其特征在于，
所述峰值检测电路根据在分组输入时被同步输入的重置信号，重置所保持的作为峰值的输出电压值。
3.根据权利要求1所述的突发光接收器，其特征在于，
所述电阻连接切换电路与所述雪崩光电二极管的阴极侧连接，前置放大器与所述雪崩光电二极管的阳极侧连接，所述比较器的所述规定的阈值是在流过使所述前置放大器的自动增益控制饱和的光电流时、所述峰值检测电路所检测到的电压以上的值。
4.根据权利要求2所述的突发光接收器，其特征在于，
所述电阻连接切换电路与所述雪崩光电二极管的阴极侧连接，前置放大器与所述雪崩光电二极管的阳极侧连接，所述比较器的所述规定的阈值是在流过使所述前置放大器的自动增益控制饱和的光电流时、所述峰值检测电路所检测到的电压以上的值。
5.根据权利要求1所述的突发光接收器，其特征在于，
所述电阻连接切换电路由所述串联电阻和开关元件的并联电路构成。
6.根据权利要求2所述的突发光接收器，其特征在于，
所述电阻连接切换电路由所述串联电阻和开关元件的并联电路构成。
7.根据权利要求3所述的突发光接收器，其特征在于，
所述电阻连接切换电路由所述串联电阻和开关元件的并联电路构成。
8.根据权利要求4所述的突发光接收器，其特征在于，
所述电阻连接切换电路由所述串联电阻和开关元件的并联电路构成。
9.根据权利要求1～8中任意一项所述的突发光接收器，其特征在于，
所述比较器由迟滞比较器构成，所述迟滞比较器根据所述切换信号的切换方向的不同而阈值不同。
10.一种突发光接收器的雪崩光电二极管的偏置电压控制方法，该突发光接收器通过被反向连接的雪崩光电二极管接收具有不同强度的突发光信号，其特征在于，该偏置电压控制方法包括：
检测所述雪崩光电二极管产生的从串联连接在电源和所述雪崩光电二极管之间的电流镜电路输出的光电流作为与所述光电流成比例的电压；
电阻连接切换电路被插入在所述电流镜电路和所述雪崩光电二极管之间，在检测出的电压值为规定的阈值以上的情况下，使所述电阻连接切换电路进行将串联电阻与所述雪崩光电二极管串联连接的切换。
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