CN109155675A - 突发光接收器 - Google Patents
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Abstract
突发光遮断器(100)具有：升压电路(1)，其生成施加给雪崩光电二极管(7)的电压；第1路径(11)，在该第1路径(11)中插入有用于对升压电路生成的电压进行降压的电阻(5)；第2路径(12)，其与第1路径并联设置；开关电路(4)，其设置在升压电路与第1路径及第2路径之间，对第1路径或第2路径进行选择；以及电流检测电路(3)，其对开关电路进行控制，使得当从升压电路流向雪崩光电二极管的电流的值成为第1阈值以上时，将升压电路与第1路径连接，当电流小于第2阈值时，将升压电路与第2路径连接。
Description
技术领域
本发明涉及应用于光通信系统的突发光接收器。
背景技术
在应用时分复用方式的一对多的光通信系统中，采用针对一台母站装置连接多个子站装置的结构，以时间分割方式对各子站装置赋予发送机会。在从子站装置朝向母站装置的上行方向上由母站装置接收的光信号由于与各子站装置之间的距离的差异等原因，成为接收功率分别不同的突发信号。因此，对母站装置的接收器要求宽动态范围。在一对多的光通信系统中，为了实现分支数的增加和传送距离的延长，多数情况下，在母站装置的光发送器中实现高输出，在光接收器中实现高灵敏度，采用利用雪崩效应的雪崩光电二极管(APD：Avalanche Photo Diode)作为受光元件。
在APD中，为了实现高灵敏度，通常将与针对APD的施加电压对应的电流倍增率设定为1以上。其结果是，在输入高功率的光的情况下，可能产生波形失真而产生比特错误，根据情况，APD还可能故障。为了避免该问题，以往，进行了在输入高功率的光时降低针对APD的施加电压(专利文献1)、使针对APD的电流通路成为不同路径(专利文献2)这样的对策。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2007-129639号公报
专利文献2：日本特开2008-028537号公报
发明内容
发明要解决的课题
在专利文献1所记载的发明中，构成为利用前置放大器输出进行光输入功率的电平判定。因此，当考虑前置放大器内部的延迟时，在输入过大功率的光的情况下即光过度输入时，存在从检测出光过度输入到APD驱动电路实际进行动作为止的延迟较大这样的问题，即，到降低针对APD的施加电压为止所需要的时间较长，因此，存在比特错误率上升的可能性和APD故障的可能性较高这样的问题。
并且，一般紧挨着APD插入去耦电容器。该情况下，当为了保护APD而增大从恒压源串联施加给APD的电阻的值时，由于去耦电容器而使突发响应延迟，因此，无法安装较大值的电阻。其结果是，存在针对APD的施加电压的电压下降量被限定为几伏这样的问题。即，在无法安装较大值的电阻的情况下，在光过度输入时为了保护APD而要产生几10V的电压下降时，需要在电流通路路径中流过几10mA，但是，通常，生成施加给APD的电压的恒压源的输出电流被限制在几mA。因此，存在在光过度输入时无法保护APD这样的问题。
并且，在专利文献2所记载的发明中，与专利文献1所记载的发明同样，从突发响应速度的观点限制了从恒压源串联施加给APD的电阻的上限值，因此，无法安装较大值的电阻。因此，存在与专利文献1所记载的发明相同的问题、即上述在光过度输入时无法保护APD这样的问题。
本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于，得到提高了雪崩光电二极管的保护性能的突发光接收器。
用于解决课题的手段
为了解决上述课题并实现目的，本发明的突发光接收器具有：升压电路，其生成施加给雪崩光电二极管的电压；第1路径，其设置在升压电路与雪崩光电二极管之间，在该第1路径中插入有用于对升压电路生成的电压进行降压的电阻；第2路径，其与第1路径并联设置；开关电路，其设置在升压电路与第1路径及第2路径之间，将升压电路与第1路径或第2路径连接；以及路径选择部，其对开关电路进行控制，使得当从升压电路流向雪崩光电二极管的电流的值成为第1阈值以上时，将升压电路与第1路径连接，当电流的值小于第2阈值时，将升压电路与第2路径连接。
发明效果
本发明的突发光接收器发挥能够提高雪崩光电二极管的保护性能这样的效果。
附图说明
图1是示出实施方式1的突发光接收器的结构例的图。
图2是示出实施方式1的突发光接收器的电路的详细结构的一例的图。
图3是示出针对APD的光输入电平从正常电平变化成异常电平的情况下的迟滞比较器的动作例的图。
图4是示出针对APD的光输入电平从异常电平变化成正常电平的情况下的迟滞比较器的动作例的图。
图5是示出实施方式2的突发光接收器的结构例的图。
具体实施方式
下面，根据附图对本发明的实施方式的突发光接收器进行详细说明。另外，本发明不由该实施方式进行限定。
实施方式1
图1是示出本发明的实施方式1的突发光接收器的结构例的图。实施方式1的突发光接收器100具有升压电路1、电阻2、电流检测电路3、开关电路4、高电阻5、去耦电容器6、雪崩光电二极管(APD)7和阻抗转换放大器(TIA：Trans Impedance Amplifier)电路8。
升压电路1生成施加给APD7的电压。电阻2是用于检测从升压电路1流向APD7的电流的电流检测用电阻。电流检测电路3检测流向电阻2的电流，根据检测到的电流对开关电路4进行控制。开关电路4是为了切换从升压电路1流向APD7的电流的路径而设置的，选择插入有高电阻5的路径即第1路径11和未插入高电阻5的路径即第2路径12中的任意一方作为从升压电路1流向APD7的电流的路径。在通过开关电路4选择了第1路径11的情况下，高电阻5降低来自升压电路1的电压并将其施加给APD7。即，高电阻5是用于对从升压电路1施加给APD7的电压进行降压的电阻。并且，电流检测电路3是根据流向电阻2的电流的值对开关电路4进行控制并选择从升压电路1流向APD7的电流的路径的路径选择部。去耦电容器6去除针对APD7的噪音。APD7将所入射的光信号转换为与由从升压电路1施加的电压决定的电流倍增率和所入射的光信号的强度对应的电流，将其输出到TIA电路8。TIA电路8将从APD7输出的电流转换为电压信号。
在上述结构的突发光接收器100中，为了实现高灵敏度，升压电路1生成使APD7的电流倍增率成为1以上的电压。
并且，详细情况在后面叙述，但是，在突发光接收器100中，电流检测电路3对开关电路4进行控制，以使得在从升压电路1流向APD7的电流为预定的值以上的情况下，在从升压电路1到APD7的电流路径中包含高电阻5。
另外，设开关电路4进行切换的2个路径中的第2路径12不包含使施加给APD7的电压下降的电路要素，但是，也可以构成为在该第2路径12中插入电阻值比高电阻5低的其他电阻。并且，在图1中，去耦电容器6位于紧挨着APD7的位置，但是，也可以构成为在APD7之前插入电阻、即在去耦电容器6与APD7之间插入电阻。并且，不需要将去耦电容器的数量限定为1个，也可以构成为在多个部位插入去耦电容器。
图2是示出实施方式1的突发光接收器的电路的详细结构的一例的图，示出实现图1所示的电流检测电路3和开关电路4的电路的具体例。
如图2所示，突发光接收器100的电流检测电路3由迟滞比较器电路31、第1开关驱动缓冲电路32和第2开关驱动缓冲电路33构成。
迟滞比较器电路31由电阻311～314和具有迟滞量的迟滞比较器315构成。电阻311～314是决定迟滞比较器315的正侧输入(+)和负侧输入(-)的分压比的电阻组。迟滞比较器315对施加给正侧输入的电压即正侧电压和施加给负侧输入的电压即负侧电压进行比较，根据比较结果对输出信号的电平进行切换。具体而言，当输出信号的电平为低(Low)电平的状态时，迟滞比较器315在检测到正侧电压比负侧电压高第1值后，将输出信号的电平切换为高(High)电平。并且，当输出信号的电平为高电平的状态时，迟滞比较器315在检测到正侧电压比负侧电压低第2值后，将输出信号的电平切换为低电平。第1值和第2值可以是相同的值，也可以是不同的值。
设图2所示的电路中设定电阻311～314的常数，以使得在流向电阻2的电流即从升压电路1流向APD7的电流较小的状态下，针对迟滞比较器315的正侧电压低于负侧电压，当电流增大时，针对迟滞比较器315的正侧电压和负侧电压的大小关系反转。因此，迟滞比较器315在输入到APD7的光信号的电平较低、流向电阻2的电流较小的状态下，使输出信号的电平成为Low。并且，迟滞比较器315在流向电阻2的电流增大时，使输出信号的电平成为High。
第1开关驱动缓冲电路32由缓冲器321、电阻322和324、NPN晶体管323和325构成。缓冲器321接受从迟滞比较器315输出的信号，进行波形整形和电平转换等，将其输出到后级的NPN晶体管323和325。缓冲器321在所接受的信号的电平为High的情况下输出高电平的信号，但是，设该输出信号的电平是能够驱动NPN晶体管323和325的电平、即NPN晶体管323和325导通的电平。并且，缓冲器321在所接受的信号的电平为Low的情况下输出低电平的信号，但是，设该输出信号的电平是无法驱动NPN晶体管323和325的电平、即NPN晶体管323和325截止的电平。电阻322和324使从升压电路1向APD7施加电压的线的电压降低。
第2开关驱动缓冲电路33由缓冲器331、电阻332和334、NPN晶体管333和335构成。缓冲器331接受从迟滞比较器315输出的信号，进行波形整形和电平转换等，将其输出到后级的NPN晶体管333和335。缓冲器331在所接受的信号的电平为High的情况下输出无法驱动NPN晶体管333和335的电平的信号，在所接受的信号的电平为Low的情况下输出能够驱动NPN晶体管323和325的电平的信号。从缓冲器331输出的信号相当于使从第1开关驱动缓冲电路32的缓冲器321输出的信号反转后的信号。电阻332和334使从升压电路1向APD7施加电压的线的电压降低。
开关电路4由并联连接的CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)开关4A和4B构成。第1开关即CMOS开关4A由n沟道金属氧化膜半导体即NMOS(N-Channel MetalOxide Semiconductor)41和p沟道金属氧化膜半导体即PMOS(P-Channel Metal OxideSemiconductor)42构成。在异常时、具体而言在输入到APD7的光信号的电平为规定电平以上时，CMOS开关4A成为接通状态，在正常时、即输入到APD7的光信号的电平小于规定电平时，CMOS开关4A成为截止状态。设规定电平是APD7故障的可能性升高的电平。能够根据受到提高输入到APD7的光信号的电平的情况下产生的波形失真的影响而恶化的比特错误率，决定规定电平。例如，通过模拟等求出比特错误率受到波形失真的影响而出现恶化的电平，将该电平作为规定电平。并且，也可以求出比特错误率勉强收敛在系统要求的范围内的电平，将其作为规定电平。第2开关即CMOS开关4B由NMOS43和PMOS44构成。CMOS开关4B进行与CMOS开关4A相反的动作，在正常时成为接通状态，在异常时成为截止状态。
接着，对突发光接收器100的动作进行说明。首先，对突发光接收器100接收的光信号的电平正常的情况下的动作、即输入到APD7的光信号的电平小于规定电平的情况下的动作进行说明。
在对突发光接收器100输入了进行通常动作的光输入功率范围的信号的情况下，输入到APD7的光信号的电平小于规定电平。此时，流向电阻2的电流不是预定的阈值以上，针对迟滞比较器315的正侧的输入端子的输入信号的电平成为比针对负侧的输入端子的输入信号的电平低的状态。因此，迟滞比较器315输出低电平的信号。与此相伴，第1开关驱动缓冲电路32内的缓冲器321设定为Low输出，第2开关驱动缓冲电路33内的缓冲器331设定为High输出。其结果是，CMOS开关4B的NMOS43和PMOS44成为导通状态，来自升压电路1的电流流过插入有CMOS开关4B的路径，但是，CMOS开关4A的NMOS41和PMOS42成为截止状态，来自升压电路1的电流不流过插入有CMOS开关4A和高电阻5的路径。
突发光接收器100的结构具体而言为如下结构：具有插入有用于使电压下降的高电阻的路径和未插入高电阻的路径以及对这些路径进行切换的开关，在通常时选择未插入高电阻的路径，通过将这种结构应用于突发光接收器，从而如果预先以某种程度减小与图2所示的电阻2相当的电阻的值，则即使插入与图2所示的去耦电容器6相当的电容器，也能够实现高速突发响应。
接着，对突发光接收器100接收的光信号的电平异常的情况下的动作、即输入到APD7的光信号的电平为规定电平以上的情况下的动作进行说明。
在对突发光接收器100输入了进行通常动作的光输入功率范围的上限值以上的光功率的信号的情况下，输入到APD7的光信号的电平为规定电平以上。该情况下，流向电阻2的电流增大，针对迟滞比较器315的正侧和负侧的各输入端子的输入信号的大小关系反转。当针对迟滞比较器315的正侧的输入端子的输入信号的电平成为比在针对负侧的输入端子的输入信号的电平中加上第1迟滞而得到的值高的状态时，迟滞比较器315进行动作，迟滞比较器315输出高电平的信号。与此相伴，第1开关驱动缓冲电路32内的缓冲器321设定为High输出，第2开关驱动缓冲电路33内的缓冲器331设定为Low输出。其结果是，此前流过电流的CMOS开关4B的NMOS43和PMOS44成为截止状态，不流过来自升压电路1的电流。另一方面，CMOS开关4A的NMOS41和PMOS42成为NO状态，来自升压电路1的电流流过插入有CMOS开关4A的路径。但是，在CMOS开关4A与APD7之间连接有高电阻5，因此，流过该路径的电流的增加量较小，电压大幅降低，施加给APD7的电压也降低。与此相伴，电流倍增率M也降低。因此，能够避免由于输入过高电平的光信号而使APD7故障。这里，通过适当设定高电阻5的电阻值，能够使APD7的阴极侧的电压高于阳极侧的电压。因此，能够避免对APD7施加逆偏置电压，能够避免逆偏置电压施加给APD7而使其故障。
另外，当迟滞比较器315进行动作时，从升压电路1流向APD7的电流的路径被切换，其结果是，流向电阻2的电流的量减少，针对迟滞比较器315的正侧和负侧的各输入端子的输入信号的电平也变化。预先设定电阻311～314的值，以使得伴随该电流量的变化，迟滞比较器315的输出信号的电平不会从High切换为Low。因此，迟滞比较器315在流向电阻2的电流从小于第1阈值的状态成为第1阈值以上的状态时，将输出信号的电平从Low切换为High，在流向电阻2的电流从第2阈值以上的状态成为小于第2阈值的状态时，将输出信号的电平从High切换为Low。其中，设第2阈值<第1阈值。
图3和图4是示出图2所示的实施方式1的迟滞比较器315的动作的图。图3示出针对APD7的光输入电平从正常电平变化成异常电平即规定电平以上的情况下的、迟滞比较器315输出的信号的电平和施加给APD7的电压的变化模拟波形。图4示出针对APD7的光输入电平从异常电平变化成正常电平的情况下的、迟滞比较器315输出的信号的电平和施加给APD7的电压的变化模拟波形。在图3和图4中，虚线示出迟滞比较器315输出的信号即控制信号，实线示出施加给APD7的电压即APD施加电压(Vapd)。
在图3中，在针对APD7的光输入电平成为正常电平的通常动作时，APD施加电压为大约40V，迟滞比较器315的输出电压为0V。在迟滞比较器315检测到针对APD7的光输入电平成为异常电平后，迟滞比较器315的输出电压向1.0V转变。其结果是，APD施加电压降低到大约5V。根据模拟的结果可知，该期间内的切换时间为大约10ns。由此，可知在针对APD7的光输入电平成为异常电平的光过度输入时瞬时降低APD施加电压，能够进行APD7的保护。
另一方面，在图4中，在针对APD7的光输入电平成为异常电平的异常动作时，APD施加电压为大约7V，迟滞比较器315的输出电压为1.0V。在迟滞比较器315检测到针对APD7的光输入电平从异常电平成为正常电平后，迟滞比较器315的输出电压向0V转变。其结果是，APD施加电压增加到与通常动作时相同的大约40V。根据模拟的结果可知，该期间内的切换时间为大约20ns。由此，可知在针对APD7的光输入电平成为异常电平的状态结束后瞬时增加APD施加电压，能够接收突发信号。
如上所述，本实施方式的光突发接收器具有流过从生成施加给APD的电压的升压电路朝向APD的电流的第1路径和第2路径、选择第1路径或第2路径的开关电路、以及根据从升压电路流向APD的电流的值对开关电路进行控制的电流检测电路，在第1路径中插入有用于对施加给APD的电压进行降压的高电阻，电流检测电路对开关电路进行控制，使得在从升压电路流向APD的电流成为第1阈值以上时选择第1路径，对开关电路进行控制，以使得在从升压电路流向APD的电流小于第2阈值时选择第2路径。即，电流检测电路对开关电路进行控制，以使得在针对APD的光输入电平为正常电平的情况下，使从升压电路朝向APD的电流经由第2路径，在针对APD的光输入电平为异常电平的情况下，使从升压电路朝向APD的电流经由第1路径。由此，在针对APD的光输入电平为正常电平的情况下，电流经由未插入高电阻的第2路径流向APD，因此，能够实现高灵敏度，并且，在具有去耦电容器的结构的情况下，也能够防止在针对APD的光输入电平变化成异常电平的情况下检测到电平的变化所需要的时间变长。另一方面，在针对APD的光输入电平为异常电平的情况，电流经由插入有高电阻的第1路径流向APD，对APD施加利用高电阻降压后的电压，因此，能够保护APD。这样，根据本实施方式的光突发接收器，能够缩短从对APD输入异常电平的光信号起到使针对APD的施加电压下降而降低电流倍增率为止所需要的时间，并且，能够充分增大用于使针对APD的施加电压下降的电阻的值，因此，能够提高APD的保护性能。
实施方式2
在以上的实施方式1中，对如下的突发光接收器进行了说明，该突发光接收器构成为使用针对预先决定的固定阈值的迟滞比较器电路31。与此相对，在实施方式2中，对能够考虑APD的个体偏差和温度依赖特性等来变更迟滞比较器的动作点的突发光接收器进行说明。
图5是示出实施方式2的突发光接收器的结构例的图。实施方式2的突发光接收器100a将实施方式1的突发光接收器100的迟滞比较器电路31设为迟滞比较器电路31a。迟滞比较器电路31a构成为将实施方式1的迟滞比较器电路31的电阻312设为可变电阻312a。突发光接收器100a的除了可变电阻312a以外的结构要素与突发光接收器100相同。
通过设电阻312为可变电阻312a，能够对具有迟滞量的比较器315的正侧(+侧)的输入电压值进行调整。由此，能够对由于APD7的个体偏差和温度依赖而引起的开关电路4的路径切换阈值的变动量进行补偿，能够针对对于APD7的光输入电平的变动，在适当的定时对电流从升压电路1流向APD7的路径进行切换。
以上实施方式所示的结构示出本发明的内容的一例，能够与其他公知技术进行组合，还能够在不脱离本发明主旨的范围内对结构的一部分进行省略、变更。
标号说明
1：升压电路；2、311、312、313、314、322、324、332、334：电阻；3：电流检测电路；4：开关电路；4A、4B：CMOS开关；5：高电阻；6：去耦电容器；7：雪崩光电二极管(APD)；8：阻抗转换放大器电路；11：第1路径；12：第2路径；31、31a：迟滞比较器电路；32：第1开关驱动缓冲电路；33：第2开关驱动缓冲电路；41、43：NMOS；42、44：PMOS；321、331：缓冲器；323、325、333、335：NPN晶体管。
Claims (7)
1.一种突发光接收器，其特征在于，所述突发光接收器具有：
升压电路，其生成施加给雪崩光电二极管的电压；
第1路径，其设置在所述升压电路与所述雪崩光电二极管之间，在该第1路径中插入有用于对所述升压电路生成的所述电压进行降压的电阻；
第2路径，其与所述第1路径并联设置；
开关电路，其设置在所述升压电路与所述第1路径及所述第2路径之间，将所述升压电路与所述第1路径或所述第2路径连接；以及
路径选择部，其对所述开关电路进行控制，使得当从所述升压电路流向所述雪崩光电二极管的电流的值成为第1阈值以上时，将所述升压电路与所述第1路径连接，当所述电流的值小于第2阈值时，将所述升压电路与所述第2路径连接。
2.根据权利要求1所述的突发光接收器，其特征在于，
在所述第2路径中不包含使所述升压电路生成的所述电压下降的电路要素。
3.根据权利要求1或2所述的突发光接收器，其特征在于，
所述第1阈值大于所述第2阈值。
4.根据权利要求1～3中的任意一项所述的突发光接收器，其特征在于，
在所述第1路径及所述第2路径与所述雪崩光电二极管之间具有去耦电容器。
5.根据权利要求1～4中的任意一项所述的突发光接收器，其特征在于，
所述路径选择部具有迟滞比较器电路，该迟滞比较器电路在所述电流的值从小于所述第1阈值的状态变化成所述第1阈值以上的状态时，开始输出高电平的信号，在所述电流的值从所述第2阈值以上的状态变化成小于所述第2阈值的状态时，开始输出低电平的信号。
6.根据权利要求5所述的突发光接收器，其特征在于，
所述突发光接收器具有电流检测用电阻，该电流检测用电阻用于检测所述电流的值，
所述电流检测用电阻的所述升压电路侧的端子的电压被分压而施加给所述迟滞比较器的正侧的输入端子，所述电流检测用电阻的所述雪崩光电二极管侧的端子的电压被分压而施加给所述迟滞比较器的负侧的输入端子，
设为被施加到所述正侧的输入端子的电压的分压比可变。
7.根据权利要求5或6所述的突发光接收器，其特征在于，
所述开关电路具有并联连接的第1开关和第2开关，所述第1开关和所述第2开关分别由n沟道金属氧化膜半导体和p沟道金属氧化膜半导体构成，
在所述第1开关上连接有所述第1路径，
在所述第2开关上连接有所述第2路径，
所述路径选择部具有：
第1开关缓冲电路，其在所述迟滞比较器输出低电平的信号的情况下使所述第1开关截止，在所述迟滞比较器输出高电平的信号的情况下使所述第1开关导通；以及
第2开关缓冲电路，其在所述迟滞比较器输出低电平的信号的情况下使所述第2开关导通，在所述迟滞比较器输出高电平的信号的情况下使所述第2开关截止。
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