JP2003283261A - 光受信モジュール - Google Patents
光受信モジュールInfo
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Abstract
を改善する。 【解決手段】 第1の増幅部321と第1のトランスイ
ンピーダンス322とを有し、受光デバイス301から
の電流信号を電圧信号に変換して出力する前置増幅器3
02と、第2の増幅部と第2のトランスインピーダンス
とを有するダミー増幅器306と、前置増幅器321の
出力に接続された第1の入力と、ダミー増幅器306の
出力に接続された第2の入力とを有し、第1の入力と第
2の入力との差を増幅して出力する主増幅器304とを
含む光受信モジュールにおいて、第1の増幅部321の
回路構成と第2の増幅部の回路構成とを同一とし、受光
デバイス301と前置増幅器302とダミー増幅器30
6と主増幅器304とを同一の電源に接続し、第2のト
ランスインピーダンスの抵抗値を、第1のトランスイン
ピーダンス322の抵抗値よりも小さくした。
Description
に関し、より詳細には、前置増幅器の電源リップル抑圧
比を改善した光受信モジュールに関する。
射された光信号を電気信号に変換するための回路であ
り、光信号を電流信号に変換する受光デバイスと、電流
信号を電圧信号に変換し、後段に接続される回路に必要
な電圧に増幅する増幅器とから構成されている。
成を示す。光受信モジュール100は、光ファイバから
出射された光信号を電気信号に変換する受光デバイス
(PD)101と、PD101の出力に接続され、増幅
部121と帰還抵抗122とで構成された前置増幅器1
02と、抵抗131とコンデンサ132で構成されたロ
ーパスフィルタ(LPF)103と、主増幅器104と
を有している。
PDに接続され、アノードは前置増幅器102に接続さ
れている。PD101は、光ファイバから出射された光
信号を受光し、光信号に対応する電流信号(Photo Curr
ent)に変換する。増幅部121の入力インピーダンス
は、非常に高く設定されているので、PD101で発生
した電流信号のほとんどは、帰還抵抗122を経由して
増幅部121の出力段に吸い込まれる。帰還抵抗122
の両端には電位差が生じ、これに対応して増幅部121
の出力電位が変化する。このような前置増幅器102の
動作を、電流/電圧変換という。
成している。前置増幅器102の出力は、主増幅器10
4の一方の入力(正相入力)に導かれる。主増幅器10
4の他方の入力(逆相入力)には、前置増幅器102の
出力からLPF103を通した低周波信号が入力され
る。LPF103の時定数は、前置増幅器102から出
力される信号周波数を平滑化して、その中点電位を与え
る。信号周波数(数MHz〜数GHz)に対して十分小
さな時定数であることが必要である。一般的には、カッ
トオフ周波数(fc)は10kHz前後が設定され、L
PF103のfcはおよそ6.7kHzである。主増幅
器104の出力は、差動出力OUTA,OUTBとなっ
て、次段に伝達される。
01と前置増幅器102と主増幅器104の電源は、一
般的に共有化されている。ここで、光受信モジュール1
00の電源電圧変動(以下、リップルという)に対する
安定性について考える。主増幅器104は、差動増幅器
で構成され、その出力も差動出力が前提となっているの
で、電源リップルに対しては非常に強い回路となってい
る。しかしながら、差動増幅器の入力である、前置増幅
器102またはPD101は、単相動作を前提としてい
るため、電源の変動に直接影響される。
は、LPF103のコンデンサ132を介して接地され
ているので、リップルの影響を受けない。しかしなが
ら、差動増幅器の一方の入力は、PD101と前置増幅
器102とにおいて、リップルの影響を受けた信号が入
力される。従って、差動増幅器を採用しても、主増幅器
104の差動出力にリップルが現れることとなる。
来の光受信モジュールの回路構成を示す。図1に示した
光受信モジュール100において、主増幅器104の差
動増幅器の他方の入力に接続されたコンデンサ132
を、ダミー増幅部161の出力に接続した。ダミー増幅
器106の入力には、何も回路素子を接続していない。
このようにして、リップルの影響を受けた前置増幅器1
02の出力は、等価的に接地とみなされていた差動増幅
器の他方の入力にも導入されるので、リップルの影響を
軽減することができる。
pply Reduction Ratio)とは、電源ラインでのリップル
値と、主増幅器の差動出力に現れるリップル値との比を
いう。光伝送システムにおいて、光受信モジュールのP
SRRは、2MHzにおいて−40dB以下とすること
が目標であり、図2に示した光受信モジュール200に
より達成することができる。
Rを改善した従来の光受信モジュールは、電源リップル
に対して強い回路となるが、差動増幅器の他方の入力に
も回路が接続されるので、逆相ノイズに対して弱い回路
になっている。すなわち、前置増幅器102とダミー増
幅器106の両方で発生した雑音が、主増幅器104の
差動増幅器に入力されるため、これら雑音が逆相であっ
た場合には、光受信モジュールの受信感度が、著しく低
下するという問題があった。
回路素子を接続していないので、等価的には開放である
ため、雑音に弱い回路構成となっている。ダミー増幅器
106の入力端子が、雑音を拾う一種のアンテナとして
機能するからである。ダミー増幅器106自体の熱雑音
とともに、ダミー増幅器106で発生した雑音が、差動
増幅器に入力されるため、光受信モジュールの受信感度
が著しく低下するという問題もあった。
たもので、その目的とするところは、ダミー増幅器から
の雑音を低減し、PSRRを改善した光受信モジュール
を提供することにある。
的を達成するために、請求項1に記載の発明は、受信し
た光信号を電流信号に変換して出力する半導体受光デバ
イスと、第1の増幅部と第1のトランスインピーダンス
とを有し、前記電流信号を電圧信号に変換して出力する
第1の前置増幅器と、第2の増幅部と第2のトランスイ
ンピーダンスとを有する第2の前置増幅器と、前記第1
の前置増幅器の出力に接続された第1の入力と、前記第
2の前置増幅器の出力に接続された第2の入力とを有
し、前記第1の入力と前記第2の入力との差を増幅して
出力する主増幅器とを含む光受信モジュールにおいて、
前記第1の増幅部の回路構成と前記第2の増幅部の回路
構成とは同一であり、前記受光デバイスと前記第1の前
置増幅器と前記第2の前置増幅器と前記主増幅器とは同
一の電源に接続され、前記第2のトランスインピーダン
スの抵抗値は、前記第1のトランスインピーダンスの抵
抗値よりも小さいことを特徴とする。
の光受信モジュールにおいて、前記主増幅器の前記第1
の入力と前記第2の入力との間に接続された抵抗と、前
記第2の前置増幅器の出力と前記主増幅器の前記第2の
入力との間に接続されたコンデンサとを備えたことを特
徴とする。
の光受信モジュールにおいて、前記第2の前置増幅器の
出力と前記主増幅器の前記第2の入力との間に接続され
たローパスフィルタを含むことを特徴とする。
の光受信モジュールにおいて、前記主増幅器の前記第1
の入力と前記第2の入力との間に接続された抵抗と、前
記ローパスフィルタと前記主増幅器の前記第2の入力と
の間に接続されたコンデンサとを備えたことを特徴とす
る。
4のいずれかに記載の光受信モジュールにおいて、前記
第2の前置増幅器の入力と前記電源との間に接続され
た、前記半導体受光デバイスの接合容量と等しい静電容
量のコンデンサを含むことを特徴とする。
の実施形態について詳細に説明する。本発明は、ダミー
増幅器のトランスインピーダンスの抵抗値を、前置増幅
器の帰還抵抗の抵抗値より小さくする。また、ダミー増
幅器の入力に、PDの接合容量と等価な容量値を有する
コンデンサを接続する。さらに、ダミー増幅器の出力
と、主増幅器の入力との間に、ハイパスフィルタを挿入
する。
の実施形態にかかる光受信モジュールの回路構成を示
す。光受信モジュール300は、光ファイバから出射さ
れた光信号を電気信号に変換する受光デバイス(PD)
301と、PD301の出力に接続され、増幅部321
とトランスインピーダンス322とで構成された第1の
前置増幅器に相当する前置増幅器302と、抵抗331
とコンデンサ332で構成されたローパスフィルタ(L
PF)303と、主増幅器304とを有している。ま
た、光受信モジュール300は、電源リップルを除去す
るための第2の前置増幅器に相当するダミー増幅器30
6とを有している。
m帯または1.55μm帯のPIN−PDを使用するこ
とができる。PD301の動作周波数は、光通信に関す
る国際規格により、155MHz〜2.5GHzであ
る。PD301のカソードは、PD用電源VPDに接続
され、アノードは前置増幅器302に接続されている。
PD用電源VPDは、前置増幅器302と主増幅器30
4の電源VDDと共通化されている。電源は、+または
−の片電源で動作する一方向電源である。
光受信モジュールの前置増幅器の回路構成を示す。前置
増幅器302の増幅部321のトランジスタTr1〜T
r5は、GaAs−MESFETで構成されている。増
幅段は、順方向バイアスされるダイオードD1,D2が
直列に接続されたソースと、負荷素子が接続されたドレ
インとを有するデプレッション型FET(以下、D−F
ETという)であるトランジスタTr1の1段構成であ
る。ソースに接続されたダイオードD1,D2は、トラ
ンジスタTr1のゲートを、ソースに対してマイナス電
位に自己バイアスするためのもので、ほぼ−1.5Vに
バイアスされる。ダイオードD1,D2と並列にコンデ
ンサC1を接続してもよい。コンデンサC1により、高
周波信号は、ダイオードD1,D2をバイパスすること
から、スピードアップコンデンサとして機能する。
たトランジスタTr2の直列回路と、ゲートソース間を
短絡された、いわゆる電流源FETであるトランジスタ
Tr3とを並列に接続した回路である。増幅段の出力
は、抵抗R1とトランジスタTr2のドレインとの接続
点から取り出される。トランジスタTr2の固定バイア
スは、電源電圧VDDを抵抗R2,R3により分割して
与えられる。
た信号の電圧は、抵抗R1に流れる電流値と抵抗R1の
抵抗値との積で与えられる。従って、増幅度(利得)を
大きくするためには、抵抗R1の抵抗値を大きくすれば
よい。しかしながら、PD301の受光する光信号が大
きくなり、トランジスタTr1が十分にオン状態、すな
わちVDSが十分小さい場合には、増幅された信号の電
圧が大きくなり過ぎ、電源電圧VDDにぼぼ等しい電圧
になる場合がある。このように増幅段の出力振幅が飽和
すると、前置増幅器の高速動作に差し障りが生ずる。そ
こで、トランジスタTr1に流れる大電流をバイアスす
るために、定電流回路であるトランジスタTr3を並列
に接続する。トランジスタTr3に大電流の一部をバイ
アスすることにより、抵抗R1に流れる電流は小さくな
り、増幅段の出力振幅の飽和を抑制することができる。
信号の入力がオフになると、トランジスタTr1がオフ
となり、負荷素子に電流が流れなくなる。トランジスタ
Tr2がない場合には、増幅段の出力電圧は電源電圧ま
で上昇する。このような増幅段の出力振幅の飽和も、前
置増幅器の高速動作に差し障りが生ずる。従って、この
飽和を防ぐために、トランジスタTr2を挿入する。電
源と接地との間に、オフとなるトランジスタが縦続接続
されるので、トランジスタTr1が出力電圧は電源電圧
まで上昇しない。
に導かれる。出力段は、電源とドレインとが接続された
トランジスタTr4と、接地とソースとが接続されたト
ランジスタTr5とが直列に配置され、トランジスタT
r4のソースとトランジスタTr5のドレインとは、ダ
イオードD3,D4を介して接続されている。トランジ
スタTr4はエンハンスメント型FETであり、トラン
ジスタTr5はD−FETである。ダイオードD3,D
4と並列にMIM(Metal-Insulator-Metal)コンデン
サC1が接続されている。
降下のためであり、コンデンサC1は高周波信号のバイ
パスのためである。すなわち、コンデンサC1により、
高周波信号は、ダイオードD1,D2をバイパスするこ
とから、スピードアップコンデンサとして機能する。ト
ランジスタTr5のゲートは、別途生成された基準電位
Vrefが供給される。トランジスタTr5は、バイア
スが固定されているので定電流回路として機能する。
接続点から、増幅部321の出力が引き出される。増幅
部321の出力と、増幅段のトランジスタTr1のゲー
トとの間には、抵抗R4とコンデンサC2の並列回路が
接続される。抵抗R4とコンデンサC2とは、第1のト
ランスインピーダンスとして機能する。トランスインピ
ーダンス322のコンデンサC2は、増幅部321の電
流−電圧変換における変換利得の周波数特性を補償する
ものである。
る。PD301は、光ファイバから出射された光信号を
受光し、光信号に対応する電流信号に変換する。電流信
号は、PD301のアノードから増幅部321のトラン
ジスタTr1のゲートに導かれる。しかしながら、トラ
ンジスタTr1のゲートの入力インピーダンスは非常に
高いので、電流信号のほとんどは、トランスインピーダ
ンス322の抵抗R4を介してトランジスタTr5のド
レインに吸い込まれる。抵抗R4の両端には電位差が生
じ、これに対応して増幅部321の出力電位が変化す
る。
光受信モジュールのダミー増幅器の回路構成を示す。ダ
ミー増幅器306の増幅部の回路構成は、図4に示した
前置増幅器302の増幅部321の回路構成と同じであ
る。第1の実施形態では、ダミー増幅器306は、第2
のトランスインピーダンスに相当するトランスインピー
ダンスを有していない。トランスインピーダンスの抵抗
値が、トランスインピーダンス322の抵抗R4の値よ
りも小さければよい。第1の実施形態では最小の0Ωと
したが、抵抗R4の1kΩより小さければ本願の目的は
達せられる。
ンスを小さくすることで、ダミー増幅器306の電流/
電圧変換効率が低下し、等価入力換算雑音電流が小さく
なる。従って、主増幅器304の入力における雑音強度
が小さくなり、光受信モジュール300全体としての受
信感度が向上する。
ースフォロワにより自己バイアスされている。従って、
他の素子に接続する必要はないが、PD301とのバラ
ンスを保つために、PD301の接合容量と同程度の静
電容量を有するコンデンサC PDを介して、電源に接続
してもよい。ダミー増幅器306の等価入力換算雑音電
流を、前置増幅器302の等価入力換算雑音電流と等し
くすることにより、主増幅器304の差動増幅器におい
て、PD301に関する同相ノイズを除去することがで
きる。
302、主増幅器304の全てが、電源に対して同様に
挿入され、電源電圧変動の抑圧が可能となる。
光受信モジュールの主増幅器の回路構成を示す。主増幅
器304は、2段の差動増幅器により構成されている。
初段の差動増幅器の第1の入力である正相入力は、トラ
ンジスタTr21のゲートであり、前置増幅器302の
出力が導かれる。第2の入力である逆相入力は、トラン
ジスタTr22のゲートであり、LPF303の抵抗3
31を介して、前置増幅器302の出力が導かれる。ま
た、逆相入力は、LPF303のコンデンサ332を介
して、ダミー増幅器306の出力に接続されている。
スした電流源であるトランジスタTr23と、互いのソ
ースを結合したトランジスタTr21,TR22と、ト
ランジスタTr21,TR22の各々のドレインに接続
され、ゲートを固定バイアスしたトランジスタTr2
4,TR25と、トランジスタTr24,TR25とカ
スコード接続された負荷抵抗R21,R22とから構成
されている。初段の差動増幅器の出力は、負荷抵抗R2
1,R22とトランジスタTr24,TR25のドレイ
ンとの接続点から取り出される。
レインを電源に接続されたトランジスタTr26,TR
27と、ソースを接地され、ゲートを固定バイアスした
D−FETであるトランジスタTr28,TR29と、
出力電位を設定するためダイオードD21〜D24とか
ら構成されている。ダイオードD21,D22とダイオ
ードD23,D24とには、並列にコンデンサC21,
C22が接続されており、高周波特性を改善している。
ソースフォロワの出力は、トランジスタTr28,TR
29のドレインとダイオードD22,D24のアノード
との接続点から取り出される。
幅器の構成と同じである。ただし、ソースフォロワに
は、出力電位を設定するためのダイオードと、高周波特
性を改善するためのコンデンサは挿入されていない。こ
れは、主増幅器304の出力が容量結合で取り出される
ため、敢えて電位を設定する必要がないからである。直
流的に出力を取り出す場合には、出力電位を設定するた
めのダイオードを適切な数だけ挿入する必要がある。
8,29,32,37,38のゲートは、別途生成され
た基準電位Vrefが供給される。トランジスタTr2
4,25,33,34の固定バイアスは、電源電圧V
DDを抵抗R23,24,27,28により分割して与
えられる。
差動構成としているため、電源の同相ノイズに対しては
極めて安定に動作することができる。主増幅器304単
体のPSRRは、−40dBより十分小さな値となる。
光受信モジュールのPSRRを示す。図1に示した従来
の光受信モジュール100(図中、従来例1)では、前
置増幅器102とPD101とが単相動作をしているた
め、PSRRは、ほとんどの周波数範囲で−10dBを
越えている。図2に示したPSRRを改善した従来の光
受信モジュール(図中、従来例2)と、図3に示した第
1の実施形態にかかる光受信モジュールでは、1MHz
以下の低周波領域において、PSRRは、およそ−50
dBという低い値になる。
の実施形態にかかる光受信モジュールの回路構成を示
す。図3に示した第1の実施形態にかかる光受信モジュ
ールとの相違は、ダミー増幅器306の出力と、LPF
303のコンデンサ332との間に、ローパスフィルタ
(LPF)307を挿入した点である。LPF307
は、抵抗371とコンデンサ372とにより構成されて
いる。
ンスを小さくすると、ダミー増幅器306の閉ループ利
得が減少し、同時に帯域が増加する。このように帰還量
が増加しダミー増幅器306の帯域幅が増加すると、ダ
ミー増幅器306の高周波領域での動作が不安定にな
る。高周波領域でのダミー増幅器306の利得を低下さ
せるために、LPF307を挿入する。LPF307の
カットオフ周波数(fc)は、信号周波数帯域が155
MHz以上であることから、数十MHz程度に設定する
ことが好ましい。本実施形態では、LPF307のfc
はおよそ20MHzである。
前置増幅器の回路構成とダミー増幅器の回路構成とを同
一とし、受光デバイスと前置増幅器とダミー増幅器と主
増幅器とを同一の電源に接続し、ダミー増幅器のトラン
スインピーダンスの抵抗値を、前置増幅器のトランスイ
ンピーダンスの抵抗値よりも小さくしたので、ダミー増
幅器の電流/電圧変換効率が低下し、等価入力換算雑音
電流が小さくなるので、光受信モジュールの受信感度を
向上することが可能となる。
力と電源との間に、受光デバイスの接合容量と等しい静
電容量のコンデンサを接続し、ダミー増幅器と前置増幅
器との等価入力換算雑音電流と等しくすることにより、
PDに関する同相ノイズを除去することが可能となる。
出力と主増幅器の逆相入力との間にローパスフィルタを
接続したので、高周波領域でのダミー増幅器の利得が低
下し、出力雑音電流が低下して、光受信モジュールの受
信感度の劣化を防ぐことが可能となる。
ロック図である。
ジュールの回路構成を示したブロック図である。
ールの回路構成を示したブロック図である。
ールの前置増幅器の構成を示した回路図である。
ールのダミー増幅器の構成を示した回路図である。
ールの主増幅器の構成を示した回路図である。
ールのPSRRを示した図である。
ールの回路構成を示したブロック図である。
F) 104,304 主増幅器 306 ダミー増幅器 121,321 増幅部 122 帰還抵抗 131,331,371 抵抗 132,332,372 コンデンサ 161 ダミー増幅部 162 ダミー帰還抵抗 322 トランスインピーダンス
Claims (5)
- 【請求項1】 受信した光信号を電流信号に変換して出
力する半導体受光デバイスと、第1の増幅部と第1のト
ランスインピーダンスとを有し、前記電流信号を電圧信
号に変換して出力する第1の前置増幅器と、第2の増幅
部と第2のトランスインピーダンスとを有する第2の前
置増幅器と、前記第1の前置増幅器の出力に接続された
第1の入力と、前記第2の前置増幅器の出力に接続され
た第2の入力とを有し、前記第1の入力と前記第2の入
力との差を増幅して出力する主増幅器とを含む光受信モ
ジュールにおいて、 前記第1の増幅部の回路構成と前記第2の増幅部の回路
構成とは同一であり、前記受光デバイスと前記第1の前
置増幅器と前記第2の前置増幅器と前記主増幅器とは同
一の電源に接続され、 前記第2のトランスインピーダンスの抵抗値は、前記第
1のトランスインピーダンスの抵抗値よりも小さいこと
を特徴とする光受信モジュール。 - 【請求項2】 前記主増幅器の前記第1の入力と前記第
2の入力との間に接続された抵抗と、前記第2の前置増
幅器の出力と前記主増幅器の前記第2の入力との間に接
続されたコンデンサとを備えたことを特徴とする請求項
1に記載の光受信モジュール。 - 【請求項3】 前記第2の前置増幅器の出力と前記主増
幅器の前記第2の入力との間に接続されたローパスフィ
ルタを含むことを特徴とする請求項1に記載の光受信モ
ジュール。 - 【請求項4】 前記主増幅器の前記第1の入力と前記第
2の入力との間に接続された抵抗と、前記ローパスフィ
ルタと前記主増幅器の前記第2の入力との間に接続され
たコンデンサとを備えたことを特徴とする請求項3に記
載の光受信モジュール。 - 【請求項5】 前記第2の前置増幅器の入力と前記電源
との間に接続された、前記半導体受光デバイスの接合容
量と等しい静電容量のコンデンサを含むことを特徴とす
る請求項1ないし4のいずれかに記載の光受信モジュー
ル。
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