JP2005304022A - 光受信回路 - Google Patents

Abstract

【課題】フォトダイオードの出力を所定の値に保持し、過出力による受信回路の飽和、フォトダイオードの自己破壊を防止する。
【解決手段】本発明の光受信回路は、フォトダイオードと高電圧源と電圧制御回路を含みバイアス電源と、帰還制御回路とで構成される。帰還制御回路は、フォトダイオードが生成する信号電流を検出し電圧信号に変換した上で、この電圧信号を所定値と比較する。比較結果に応じて電圧制御回路を調整し、信号電流が所定値に維持される様に、フォトダイオードに印加されるバイアス電源の値を調整する。この結果、フォトダイオードからの信号電流の平均値が所定値に維持されることになり、フォトダイオードに接続される増幅器が飽和することがなくなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、光通信に用いられる光受信回路に関し、なかんずくアバランシェフォトダイオードを受光素子として用いる光受信機に関する。

アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）は、受光した光子に対して生成されるキャリアの数を増倍させることができるので、微弱光に対する受光素子として広く採用されている。Ｍ値と呼ばれる指標、一個の光子から何個のキャリア（電子）が生成されるかを示す、がＡＰＤの性能、動作を表すものとして知られている。このＭ値はＡＰＤに印加されるバイアス電圧に依存して変化する。

図５はＭ値のバイアス電圧に対する典型的な特性を示している。バイアス電圧Ｖ_ＡＰＤが１１Ｖよりも小さい場合には、ＡＰＤはほとんどキャリアを生成しない。すなわち、光信号がＡＰＤに入力したとしても、ＡＰＤは電気的な信号（電流信号）を生成しない。バイアスＶ_ＡＰＤが１１Ｖを超えると、ＡＰＤは一個の光子に対し一個のキャリアを生成する、すなわちＭ値が１となる、いわゆるフォトダイオード領域と呼ばれる動作特性を示す。

バイアス電圧Ｖ_ＡＰＤをさらに２７Ｖを超えるまで増加させると、Ｍ値は１よりも大きくなる。この場合、ＡＰＤは一個の光子に対し複数個のキャリアを生成する、いわゆるＡＰＤ領域で動作する。このＡＰＤ領域では、Ｍ値はバイアス電圧に大きく依存して変化する。

ＡＰＤが固定バイアス条件で動作する場合、例えば図５においてバイアス電圧Ｖ_ＡＰＤを４０Ｖに固定した場合、ＡＰＤから得られる信号は十分に大きくなる。すなわちＭ値は約２．５を示し、このためＡＰＤの出力が大きくなり、ＡＰＤの後段に接続される電子回路の設計を容易にする。しかしながら、入力光強度が大きい場合には、ＡＰＤ後段の電子回路が飽和状態に至る場合もある。

従来のＡＰＤを用いた光受信回路では、ダンピング抵抗をＡＰＤに直列に接続してそのダイナミックレンジを拡大していた。ダンピング抵抗の電流帰還作用により、ＡＰＤに印加されるバイアス電圧を制御することができる。入力光強度が大きくなってＡＰＤが大きな信号電流を生成した場合には、この大きな信号電流によってダンピング抵抗に電位降下が発生し、その結果ＡＰＤのバイアス電圧は、この発生した電位降下分だけ小さくなる。

しかし、この種のダンピング抵抗の電流帰還作用は、ＡＰＤが大きな信号電流を発生している場合、すなわち、有意なバイアスが印加されかつ大きな光信号が入力された場合、にのみ有効な手段であり。入力光信号が微弱な場合には、この種のダンピング抵抗では、ＡＰＤの動作を制御することはできない。

そこで、本発明の一目的は、ダイナミックレンジを大きくしたＡＰＤのための新たな光受信回路を提供することにある。

本発明に係る光受信回路は光信号を受けて信号電流を生成する受光素子と、この受光素子にバイアス電圧を提供するバイアス電圧源と、帰還制御回路であって、この信号電流の値が所定の値に維持される様にバイアス電圧を調整する帰還制御回路、とで構成されている。さらに、バイアス電圧源が、高電圧電源とこの高電圧源に接続された電圧制御回路とを含んでいてもよい。この電圧制御回路出力がバイアス電圧として受光素子に提供され、帰還制御回路がこの電圧制御回路を帰還制御することにより、高電圧電源の出力電圧を一定に維持したまま、受光素子からの信号電流が所定値に維持される様に構成することができる。

受光素子が生成する信号電流が所定値に維持されるので、入力光強度が弱い場合には高バイアス状態が、入力光強度が強い場合には受光素子へのバイアス電圧が低く設定されるので、受光素子のダイナミックレンジを拡大することができる。なお、帰還制御回路の帰還時定数を調整することにより、光信号そのものには応答せず、光信号の平均の出力のみに応答する受信回路を構成することができる。

さらに、高電圧電源に一端が、電圧制御回路に他端が接続されたダンピング抵抗素子をバイアス電圧源に含むこともできる。このダンピング抵抗素子により、帰還制御が働かない様な光信号強度の状態から、帰還制御が働く通常強度の光信号の状態に渡って、安定なバイアス電圧を受光素子に提供することができる。

また、本発明に係る光受信回路ではカレントミラー回路をバイアス電圧源と受光素子との間に設けることができる。このカレントミラー回路に一の入力端子はバイアス電圧源に接続され、出力端子の一つが受光素子に、出力端子の他の一つが基準抵抗に接続されている。受光素子で生成された信号電流は、この基準抵抗を流れる電流に反映され、帰還制御回路がこの基準抵抗の両端に発生する電圧を入力信号として帰還制御することができる。

かかるカレントミラー回路を挿入することにより、信号電流を検知するための手段をバイアス電圧源と受光素子とを結ぶ経路に挿入する必要がなくなり、安定したバイアス電圧を受光素子に供給することが可能となる。

本発明の光受信回路は、受光素子としてアバランシェフォトダイオードを採用した場合に最もその効果を発揮するが、他の形態の受光素子に対しても同様に適用可能である。

本発明の光受信回路によれば、微弱光入力下においても、ＡＰＤのダイナミックレンジを拡大した光受信回路を提供できる。

次に、本発明に係る好適な実施の形態につき添付図面を参照しつつ説明する。

（第１の実施の形態）
図１は本発明の第1の実施の形態に係る光受信器の回路図である。

光受信回路１は、アバランシェフォトダイオード（以下ＡＰＤとする）１１、高電圧源１２、プリアンプ１３、カレントミラー回路１４、電圧制御回路１５、帰還制御回路１６および基準抵抗Ｒ_ＲＥＦを含む。高電圧源１２、電圧制御回路１５、カレントミラー回路１４、ＡＰＤ１１およびプリアンプ１３はこの順に直列に接続されている。すなわち、ＡＰＤ１１のカソードがカレントミラー回路１４の一方の電流経路に接続され、ＡＰＤ１１のアノードはプリアンプ１３に接続されている。プリアンプ１３は反転アンプ１３ａとこの反転アンプ１３ａの入出力間に接続された帰還インピーダンス素子１３ｂとを有する。

カレントミラー回路１４は一つの入力端子１４ａと二つの出力端子１４ｂ、１４ｃを有する。入力端子１４ａと出力端子１４ｂとの間にｐｎｐトランジスタＱ２１、このトランジスタのコレクタとベース間は短絡されている、が接続され、他方、入力端子１４ａと出力端子１４ｃとの間に他のｐｎｐトランジスタＱ２２が接続されている。抵抗Ｒ２１とＲ２２とがそれぞれ、入力端子１４ａとトランジスタＱ２１のエミッタ、及びトランジスタＱ２２のエミッタに接続されている。このカレントミラー回路においては、二つのトランジスタＱ２１、Ｑ２２の仕様が同じ場合、出力端子１４ｂ、１４ｃから出力される電流値が二つの抵抗Ｒ２１とＲ２２の比で決定される。そして、抵抗Ｒ２１とＲ２２が同一の値の有する時は、端子１４ｂから出力される電流値は、端子１４ｃから電流値と等しくなる。それ故、ＡＰＤで検知された光信号に対応する電流信号Ｉ_ＡＰＤは端子１４ｂから出力される電流と等しく、また同時に他方の端子から出力される電流Ｉ_ＲＥＦとも等しくなり、ＡＰＤを流れる電流Ｉ_ＡＰＤと関連付けることが可能となる。

電圧制御回路１５はｎｐｎトランジスタＱ１を含み、このトランジスタＱ１のコレクタ−エミッタ間電圧がベースに提供される信号により制御される。そのため、ＡＰＤに印加する高電圧Ｖ_ＨがトランジスタＱ１のコレクタに提供された場合、そのエミッタから出力される電圧を、この電圧が実際にＡＰＤに印加されることとなるが、ベースに提供される制御信号によって調整することが可能となる。

帰還制御回路１６はコンパレータ１６ａ、参照信号Ｖ_ＲＥＦ、三つの抵抗Ｒ１〜Ｒ３、コンデンサＣ１及びトランジスタＱ３を含む。コンパレータ１６ａは基準抵抗Ｒ_ＲＥＦに電流カレントミラー回路からの電流Ｉ_ＲＥＦが流れることにより生ずる電圧と参照信号Ｖ_ＲＥＦとを比較し、その比較結果をトランジスタＱ３に伝える。抵抗Ｒ１とコンデンサＣ１は、コンパレータ１６ａとトランジスタＱ３との間に接続され、低域通過フィルタ（高域遮断フィルタ）として機能している。このフィルタに大きな時定数を設定することにより、電圧制御回路１５、カレントミラー回路１４および帰還制御回路１６で構成される閉ループ回路の動作を安定化し、この閉ループ回路がＡＰＤ１１に入力する信号光の周波数で応答するのを規制することができる。フィルタの時定数を小さくした場合、すなわち、遮断周波数を高域側に設定した場合、閉ループ回路が光信号の周波数にも応答し、ＡＰＤ１１のバイアス電圧がこの光信号を相殺する様に応答してしまい、ＡＰＤ１１で生成される電流信号が小さくなってしまう。

次に、本発明に係る光受信回路の動作について説明する。

ＡＰＤ１１が光信号を受信すると、ＡＰＤ１１はこの光信号に対応する電流信号Ｉ_ＡＰＤを生成する。既に説明したカレントミラー回路１４の動作により、このＡＰＤ電流Ｉ_ＡＰＤはカレントミラー回路の他方の出力端子から出力される電流Ｉ_ＲＥＦに反映される。帰還制御回路内のコンパレータ１６ｂでは、この参照電流Ｉ_ＲＥＦが基準抵抗Ｒ_ＲＥＦを流れることにより生ずる観測電圧、すなわちＩ_ＲＥＦ×Ｒ_ＲＥＦと参照電圧Ｖ_ＲＥＦとを比較する。

観測電圧、Ｉ_ＲＥＦ×Ｖ_ＲＥＦ、が参照電圧Ｖ_ＲＥＦよりも小さい場合、すなわち、ＡＰＤ１１で生成される電流が所定値よりも小さい場合には、コンパレータ１６ｂの出力は低レベルに維持される。従い、トランジスタＱ３はオフのままでありそのコレクタ電位はほぼ電源電圧Ｖ_ＣＣに等しく、この電源の値Ｖ_ＣＣがそのまま帰還制御回路１６の出力電圧となる。一方、トランジスタＱ１はこの帰還制御回路１６の出力をそのベースに受けており、トランジスタＱ１はオンされ、高電圧Ｖ_Ｈが直接カレントミラー回路１４にほぼそのままの値で伝達され、結果ＡＰＤ１１はこの高電圧Ｖ_Ｈでバイアスされる。

ＡＰＤ１１のバイアス電圧が高い場合に、その増倍係数Ｍも高い値に維持され、同じ入力光強度であっても、出力電流が増大する。その結果、参照電流Ｉ_ＲＥＦ、これはＡＰＤ１１を流れる電流Ｉ_ＡＰＤと等価である、が大きくなり、コンパレータ１６ｂの入力電圧、すなわち基準抵抗Ｒ_ＲＥＦの両端に発生する電圧が基準電圧Ｖ_ＲＥＦを超えるため、コンパレータ１６ｂの出力が反転する、すなわちハイレベルとなる。そうすると、このコンパレータ１６ｂの出力を受けるトランジスタＱ３が導通し、そのコレクタ電位、すなわち帰還制御回路の出力電位が低下する。その結果、この出力をベースに受けるトランジスタＱ１は次第に遮断される様になり、そのコレクタ−エミッタ間電圧が増加、すなわちＡＰＤ１１へのバイアス電圧が低下する。

この様に帰還制御により電流Ｉ_ＲＥＦを制御することで、ＡＰＤ１１の出力電流を制御することができる。電流Ｉ_ＲＥＦは基準電圧Ｖ_ＲＥＦと基準抵抗Ｒ_ＲＥＦとで、Ｖ_ＲＥＦ／Ｒ_ＲＥＦの関係で一義的に決めることができる。帰還制御回路の一例として、図１に示す基準抵抗、基準電圧、二つの抵抗Ｒ１、Ｒ２としてそれぞれ、１．５ｋΩ、１．５Ｖ、１０ｋΩ、１０ｋΩを採用することができる。またトランジスタＱ２１とＱ２２は同仕様である。基準抵抗、基準電圧としてこれらの値を設定することにより、帰還制御回路は信号電流１ｍＡで帰還制御を開始する、すなわち、ＡＰＤ１１の出力電流Ｉ_ＡＰＤは１ｍＡを超えることはない。

図２は一般的なＡＰＤの入力光強度に対する出力電流特性を示したものであり、図３はＡＰＤの出力電流を１ｍＡと設定した場合に、入力光強度に対するＡＰＤ１１のバイアス電圧の変化を示すものである。光信号が無い状態でバイアス電圧Ｖ_Ｈとして５５Ｖが印加されると、ＡＰＤは電流を生成しないので、帰還制御回路１６が動作せず、図１のトランジスタＱ１が完全に導通する。その結果、ＡＰＤ１１はほぼ５４Ｖの電圧で、すなわち、５５Ｖの高電圧源からのバイアス電圧が、カレントミラー回路１４のトランジスタＱ２１で０．８〜１．０Ｖ消費される結果、でバイアスされる。

この状態から光信号強度を−７ｄＢｍまで大きくすると、ＡＰＤは信号電流Ｉ_ＡＰＤとして約１ｍＡをバイアス電圧５４Ｖの条件下で生成し、帰還制御回路１６がその動作を開始する。このバイアスではＡＰＤの増倍係数はほぼ５と想定される。さらに入力光強度を高めてゆくと、帰還制御回路１６がＡＰＤ１１に印加されるバイアス電圧が小さくなる様に働き、入力光強度−３ｄＢｍにおいてはバイアス電圧が約３０Ｖに設定される。バイアス電圧が小さくなるということは、ＡＰＤ１１の増倍係数が小さくなることと等価である。高電圧源は５５Ｖを出力しているので、その差の２５Ｖが電圧制御回路１５のトランジスタＱ１のコレクタ−エミッタ間電圧で消費されている。

さらに入力光強度を大きくし０ｄＢｍとすると、帰還制御回路１６は、ＡＰＤ１１へのバイアス電圧を１５Ｖにし、また＋３ｄＢｍではこれを１１Ｖにまで低下させる。この様な強い光信号に対しても、ＡＰＤ１１の信号電流Ｉ_ＡＰＤを維持することができる。

（第２の実施の形態）
上で説明した第１の例では、帰還制御回路が平均の信号光電流を１ｍＡに維持する様に動作した。図２に示す様に信号光電流１ｍＡは、バイアス電圧の変化に対しては非常に敏感な条件である。すなわち、図２において、ＡＰＤへのバイアス電圧の変化に対し、信号光電流Ｉ_ＡＰＤの変化の割合、ΔＩ_ＡＰＤ／ΔＶ_ＡＰＤは、信号光電流１ｍＡの条件では大きな値を示している。これは、受信回路がバイアス電圧Ｖ_ＡＰＤに重畳されている雑音等に対して敏感であることを物語っている。

図４は、この雑音に対して対策を施した回路の例を示している。図４の回路においては高電圧源１２と電圧制御回路１５との間に抵抗Ｒ_４が挿入されていることに特徴を有する。この抵抗Ｒ_４を挿入することで、高電圧に重畳する変動、雑音を言い換えることも可能である、ΔＶ_Ｈは、等価的にＡＰＤ１１の内部抵抗とこの抵抗Ｒ_４の抵抗値の比まで圧縮される。すなわち、ＡＰＤ１１の内部抵抗をＲ_ＡＰＤとすると、バイアス電源の変動ΔＶ_ＡＰＤは
ΔＶ_ＡＰＤ＝ΔＶ_Ｈ×Ｒ_ＡＰＤ／（Ｒ_ＡＰＤ＋Ｒ_４）
となる。

以下では、抵抗Ｒ_４の抵抗値を１０ｋΩとした場合について説明する。

光入力が無いとき、帰還制御回路１６の出力はＡＰＤ１１で信号電流が生成されないので高電位に維持され、電圧制御回路１５のトランジスタＱ１は導通し、高電圧電源１３からの高電圧Ｖ_ＨはほぼそのままＡＰＤ１１に印加されている。したがって、ＡＰＤ１１は５５Ｖでバイアスされていることになる。光入力を大きくしてゆき、ＡＰＤ１１が有意な信号電流Ｉ_ＡＰＤを生成すると、カレントミラー回路１４の作用により、その信号電流Ｉ_ＡＰＤの２倍の電流が抵抗Ｒ_４を流れる。

信号電流Ｉ_ＡＰＤが１ｍＡまで大きくなると、帰還制御回路１６が動作を開始し、この状態で、抵抗Ｒ_４での電圧降下が２０Ｖとなる、すなわち、信号電流Ｉ_ＡＰＤ、これは１ｍＡの２倍の電流２ｍＡが１０ｋΩの抵抗を流れるため。したがって、ＡＰＤ１１には３５Ｖの電圧がバイアスとして印加される。図３を参照すると、ＡＰＤ１１が１ｍＡの電流をバイアス３５Ｖの条件下で生成する時、入力光強度は約−４ｄＢｍである。すなわち、抵抗Ｒ_４を高電圧源１２と電圧制御回路１５の間に挿入することで、帰還制御回路１６の動作開始光入力強度が−７ｄＢｍから−４ｄＢｍに増加したことになる。

この抵抗Ｒ_４は、光入力が弱い場合、すなわち、帰還制御回路１６の動作が開始されるまでの間の条件下において効果を発揮する。帰還制御回路１６の動作が開始されると、信号電流Ｉ_ＡＰＤは自動的に所定の値１ｍＡに設定されるので、抵抗Ｒ_４は単に高電圧電源Ｖ_Ｈを分圧するための電位降下を発生させているに過ぎない。従って、この抵抗Ｒ_４の抵抗値を大きくした場合には、この抵抗Ｒ_４での電位降下が大きくなり過ぎ、その結果、ＡＰＤ１１に適正バイアスを与えるために高電圧源の出力Ｖ_Ｈを大きくしなければならに事態が生ずる。これを避けるために、抵抗Ｒ_４に並列にツェナーダイオードを接続し、抵抗Ｒ_４での電位降下をツェナー電圧にクランプすることも効果的である。

本発明の好ましい実施の形態について図面を元に説明した。以上の説明では主にＡＰＤを前提として説明しているが、本発明はＰＩＮフォトダイオード等の他の素子についても同様に適用可能である。

本発明の第１の実施の形態に係る光受信機の回路図である。 アバランシェフォトダイオードの印加電圧と信号電流の関係を示すグラフである。 種々の強度の信号光が入力されるアバランシェフォトダイオードについて、所定の信号電流値を生成するためのバイアス電圧の関係示すグラフである。 本発明の第２の実施の形態に係る光受信機の回路図である。 アバランシェフォトダイオードのバイアス電圧と増倍係数Ｍの関係を示すグラフである。

符号の説明

１…光受信回路、１１…アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）、１２…高電圧源、１３…プリアンプ、１３ａ…反転アンプ、１３ｂ…帰還インピーダンス素子、１４…カレントミラー回路、１４ａ…入力端子、１４ｂ，１４ｃ…出力端子、１５…電圧制御回路、１６…帰還制御回路、１６ａ，１６ｂ…コンパレータ。

Claims (5)

1. 光信号を受け該光信号に対応する信号電流を生成する受光素子と、
   該受光素子にバイアス電圧を提供するバイアス電圧源と、
   帰還制御回路であって、前記信号電流を受けて該信号電流が所定値に維持される様に前記バイアス電圧を調整する帰還制御回路と、
   で構成される光受信回路。
2. 前記バイアス電圧源は、高電圧電源と、該高電圧電源に接続された電圧制御回路とを含み、前記帰還制御回路は、前記電圧制御回路を帰還制御する請求項１に記載の光受信回路。
3. 前記バイアス電圧源は、前記高電圧電源に一端が、前記電圧制御回路に他端が接続された抵抗素子をさらに含む請求項２に記載の光受信回路。
4. 前記光受信回路は、さらにカレントミラー回路を含み、
   該カレントミラー回路は、前記バイアス電圧源の出力に接続された一の入力端子と、少なくとも二つの出力端子とを有し、該出力端子の一は前記受光素子に接続され、該出力端子の他の一が基準抵抗に接続されており、前記帰還制御回路が該基準抵抗の端子間に発生する電圧を入力信号とする、
   請求項１乃至３のいずれか１に記載の光受信回路。
5. 前記受光素子がアバランシェフォトダイオードである請求項１乃至３のいずれか１に記載の光受信回路。

Images