JP2006005761A

JP2006005761A - 光受信器

Info

Publication number: JP2006005761A
Application number: JP2004181477A
Authority: JP
Inventors: Toyoaki Uo; 豊明卯尾; Masaki Noda; 雅樹野田; Masamichi Nogami; 正道野上; Junichi Nakagawa; 潤一中川
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2004-06-18
Filing date: 2004-06-18
Publication date: 2006-01-05
Anticipated expiration: 2024-06-18
Also published as: JP4597589B2

Abstract

【課題】光受信器において、前置増幅器の入力部から分流する電流量を電源電圧変動や周囲温度の変化の影響を受けることなく一定に制御すること。
【解決手段】受光素子から出力される出力電流信号を電圧信号に変換する負帰還増幅回路を構成してなる前置増幅器６と、前置増幅器６の出力電圧の平均値を検出する平均値検出回路７と、平均値検出回路７から出力される平均値電圧に基づいて電流信号を出力する電圧・電流変換回路８と、前置増幅器６と同一な回路により構成される前置増幅器レプリカ回路１２と、前置増幅器レプリカ回路１２から出力される出力電圧に基づいて受光素子２から出力される出力電流信号を分流させる電流制御回路１３とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、光受信器に関するものであり、受信特性を向上させた光受信器に関するものである。

光受信器は、受光素子、前置増幅器、等化増幅器などから構成されている。前置増幅器は、受光素子によって光信号から変換された信号である電流信号を電圧信号に変換する。等化増幅器は、変換された電圧信号を一定振幅の電圧信号にしている。一方、光受信器は、受信する光強度が異なる様々な条件のシステムに適用されるので、光受信器のフロントエンドに備えられる前置増幅器には、広ダイナミックレンジ特性が要求される。

従来、この種の前置増幅器において、広ダイナミックレンジ特性を有する前置増幅器としての開示例がある（例えば、特許文献１、２）。

特開平１０−１３５９１７号公報特開２００１−１２７５６０号公報

しかしながら、上記特許文献１、２に示される前置増幅器では、電源電圧変動や周囲温度変動があると電流制御回路の特性が変化し、前置増幅器の入力部から分流する電流が変化するという課題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、電源電圧変動や周囲温度の変化があっても、前置増幅器の入力部から分流する電流量が一定になるような光受信器を提供することを目的とするものである。

上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明にかかる光受信器は、受光素子から出力される出力電流信号を電圧信号に変換する負帰還増幅回路を構成してなる前置増幅器と、前記前置増幅器の出力電圧の平均値を検出する平均値検出回路と、前記平均値検出回路から出力される平均値電圧に基づいて電流信号を出力する電圧・電流変換回路と、前記前置増幅器と同一な回路により構成される前置増幅器レプリカ回路と、前置増幅器レプリカ回路から出力される出力電圧に基づいて前記受光素子から出力される出力電流信号を分流させる電流制御回路と、を備えたことを特徴とする。

この発明によれば、前置増幅器と同一の回路で構成される前置増幅器レプリカ回路が光受信器内に備えられ、この前置増幅器レプリカ回路が、前置増幅器に生ずる温度変動や電源電圧変動によるバイアスの変化に追従し、一定の電流を入力光電流から分流させるように作用する。

本発明にかかる光受信器によれば、光受信器内に備えられた前置増幅器レプリカ回路が、前置増幅器に生ずる温度変動や電源電圧変動によるバイアスの変化に追従し、一定の電流を入力光電流から分流させるようにしているので、広ダイナミックレンジ特性に優れた光受信器を実現できるという効果を奏する。

以下に、本発明にかかる光受信器の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかる光受信器１の構成を示す図である。同図に示す光受信器１は、前置増幅器６と、平均値検出回路７と、電圧・電流変換回路８と、前置増幅器６と同一あるいは同等の回路で構成される前置増幅器レプリカ回路１２と、電流制御回路１３と、を備えている。光受信器１の入力端には受光素子２が接続され、入力端と出力端との間には前置増幅器６が接続される。また、出力端から入力端に向かって、平均値検出回路７、電圧・電流変換回路８、前置増幅器レプリカ回路１２および電流制御回路１３がこの順序で接続された直列回路が挿入され、前置増幅器６との間でフィードバックループを構成している。さらに、前置増幅器６は、帰還抵抗３と増幅器５を備えており、これらの構成部にて電流帰還回路を構成している。

つぎに、図１に示す光受信器１の動作について説明する。同図において、電源Ｖ_PDに接続された受光素子２に光信号が入射すると、受光素子２で電流信号に変換された光電流Ｉ_INが入力端子１４に流れる。増幅器５は入力された光電流Ｉ_INに基づいて、出力端子１５に出力電圧Ｖ_OUTを発生する。この際、帰還抵抗３を介した負帰還作用が働き、広帯域にわたって一定の増幅度が得られる。平均値検出回路７は出力電圧Ｖ_OUTの平均電圧Ｖ_OUT ^*（＊は平均値を示す記号であり、以下、平均値を同一記号で表記）を発生して電圧・電流変換回路８に出力する。電圧・電流変換回路８は、平均電圧Ｖ_OUT ^*と参照電圧Ｖｒｆの差に基づく電流Ｉ_CONを発生し、出力端子１７を通じて前置増幅器レプリカ回路１２に出力する。前置増幅器６と同一な回路により構成される前置増幅器レプリカ回路１２は、電流Ｉ_CONに基づく出力電圧Ｖ_CONを発生し、出力端子１６を通じて電流制御回路１３に出力する。電流制御回路１３は、出力電圧Ｖ_CONに基づいて入力端子１４から光電流Ｉ_INの平均値である平均電流Ｉ_IN ^*を接地側に分流させ、増幅器５の回路飽和を防止する。

つぎに、温度変化などにより、入力端子１４の電位Ｖ_INが上昇した場合を考える。もし、入力端子１４の電位Ｖ_INが上昇すると、出力端子１５の電位Ｖ_OUTも上昇するため、平均電圧Ｖ_OUT ^*も上昇する。すると、参照電圧Ｖｒｆと平均電圧Ｖ_OUT ^*の差が小さくなり、電流Ｉ_CONは減少するため、出力端子１５の電位Ｖ_CONは上昇する。ここで、前置増幅器６と前置増幅器レプリカ回路１２とは同一回路として構成しているため、温度変動や電源電圧変動によるバイアスの変化は同一となる。したがって、入力端子１４と、前置増幅器レプリカ回路１２の出力端子１６との電位差Ｖ_IN−Ｖ_CONは一定になり、常に一定の電流Ｉ_IN ^*を接地側に分流させることができる。

図２は、図１に示した光受信器１の一部の構成部をより具体化した回路構成例を示す図である。図２において、前置増幅器６は、負荷抵抗４から取り出した出力がトランジスタＱ２のベースに接続され、トランジスタＱ２の出力が帰還抵抗３を介してトランジスタＱ１のベースに帰還するように動作させるエミッタ接地型電流帰還回路を構成している。前置増幅器レプリカ回路１２も同一構成の回路であり、前置増幅器６と同様にエミッタ接地型電流帰還トランスインピーダンス回路を構成している。また、電流制御回路１３は、ダイオード接続のトランジスタを備えるように構成している。

つぎに、図２に示す光受信器１の動作について説明する。受光素子２からの光電流Ｉ_INが入力された前置増幅器６は、トランジスタＱ１，Ｑ２にて光電流Ｉ_INを増幅し、出力電圧Ｖ_OUTの電気信号として出力端子ＯＵＴから出力する。一方、平均値検出回路７は、出力電圧Ｖ_OUTの平均値Ｖ_OUT ^*を発生して電圧・電流変換回路８に出力する。電圧・電流変換回路８は、平均出力電圧Ｖ_OUT ^*と参照電圧Ｖｒｆとの差電圧に基づいて決まる電流Ｉ_CONを発生して前置増幅器６と同一な回路により構成される前置増幅器レプリカ回路１２に出力する。前置増幅器レプリカ回路１２は、入力された電流Ｉ_CONに基づいた出力電圧Ｖ_CONを出力する。なお、参照電圧Ｖｒｆを光電流Ｉ_IN＝０における平均出力電圧Ｖ_OUT ^*(０)に等しくなるように設定しておけば、電流制御回路１３に分流する電流である分流電流Ｉ_IN ^*は、光電流Ｉ_IN＝０のときにＩ_IN ^*＝０となる。

図示のように、電流制御回路１３をトランジスタＱ５のダイオード接続で構成すれば、電流制御回路１３に流れる分流電流Ｉ_IN ^*はＶ_CONに比例する。したがって、温度変化などにより入力端子の電位Ｖ_INが変動しても、前置増幅器レプリカ回路１２の出力電圧であるＶ_CONが追従して変化するため、Ｖ_IN−Ｖ_CONは一定の値になり、図１に示した光受信器１の機能を実現することができる。

以上説明したように、この実施の形態の光受信器によれば、前置増幅器に生ずる温度変動や電源電圧変動によるバイアスの変化に追従し、一定の電流を入力光電流から分流させるようにしているので、広ダイナミックレンジ特性に優れた光受信器を実現できるという効果を奏する。

なお、この実施の形態の電流制御回路１３では、ダイオード接続されたトランジスタを備えるようにしているが、このダイオード接続されたトランジスタに限定されるものではなく、一般的なダイオードを使用してもよい。ダイオードを用いた場合には、ダイオード接続されたトランジスタに比べて導通時の電圧降下値が大きいという欠点が存在するが、使用する素子に併せて参照電圧Ｖｒｆを調整すれば、上述したような光受信器を実現することができる。

実施の形態２．
図３は、本発明の実施の形態２にかかる光受信器１の構成を示す図である。同図に示す光受信器１の前置増幅器６では、負荷抵抗４および帰還抵抗３のそれぞれに並列に接続されるダイオード接続されたトランジスタＱ６，Ｑ７をさらに備えており、負荷抵抗４およびトランジスタＱ６にて負荷抵抗部を構成し、帰還抵抗３およびトランジスタＱ７にて帰還抵抗部を構成している。なお、その他の構成については、図２に示す実施の形態１の構成と同一、あるいは同等であり、これらの構成部には同一符号を付して示している。

ところで、図２の光受信器１のように、電流制御回路１３の電流制御に基づく制御のみでは、制御が収束するまでに所定の時間が必要となる。したがって、受光電力が急に増大した場合の過渡状態において、過大な電流が流れ、前置増幅器６に回路飽和が生じる可能性がある。場合によっては、前置増幅器６を構成する各素子の耐圧を超えてしまい各素子が破壊するおそれがある。

そこで、この実施の形態の光受信器１では、前置増幅器６を構成する帰還抵抗３および負荷抵抗４のそれぞれに、ダイオード接続したトランジスタを並列に接続するようにしている。一般に、ダイオード接続されたトランジスタは、ベース端子−エミッタ端子間の電圧が約０．９Ｖ以上になると導通状態となり、コレクタ端子―エミッタ端子間の等価抵抗が小さくなることが知られている。したがって、受信した光信号の光強度によって帰還抵抗部の合成抵抗値が小さくなり、変換利得が小さくなるように作用する。同様に、負荷抵抗部の両端に印加される電圧も約０．９Ｖ以上になると、負荷抵抗部の合成抵抗値が小さくなり、開ループ利得が小さくなるように作用する。

したがって、この実施の形態のような帰還抵抗３および負荷抵抗４と並列にダイオード接続したトランジスタＱ７、Ｑ６を利用した前置増幅器では、トランジスタＱ６、Ｑ７のベース端子―エミッタ端子間電圧が約０．９Ｖ以上になると、ビットごとに瞬時に動作するため、上述のような受光電力の急激な増大による過渡状態下においても、前置増幅器６の回路飽和や素子破壊を防止することができる。

また、実施の形態１と同様に、電流制御回路１３をトランジスタＱ５のダイオード接続で構成しているので、電流制御回路１３に流れる電流Ｉ_IN ^*が、Ｖ_IN−Ｖ_CONに依存することになり、温度変化などによる入力端子の電位Ｖ_INが変動しても、Ｖ_CONも追従して変化し、Ｖ_IN−Ｖ_CONが一定の値に維持されるので、温度変動や電源電圧変動の影響を受けない光受信器を実現している。

以上説明したように、この実施の形態の光受信器によれば、実施の形態１の構成から、さらに帰還抵抗および負荷抵抗のそれぞれにダイオード接続されたトランジスタを並列に接続するようにしているので、実施の形態１の効果に加え、過大電流に基づく前置増幅器の回路飽和や、素子破壊を確実に防止することができる。

なお、この実施の形態の電流制御回路１３では、ダイオード接続されたトランジスタを備えるようにしているが、ダイオード接続されたトランジスタに限定されるものではなく、実施の形態１の場合と同様に、一般的なダイオードを用いてもよい。

実施の形態３．
図４は、本発明の実施の形態３にかかる光受信器１の構成を示す図である。同図に示す光受信器１の前置増幅器６では、負荷抵抗４に並列に接続されるダイオード接続されたトランジスタＱ６のベース端子に所定の基準電圧Ｖ_ref0を供給するように構成している。なお、その他の構成については、図３に示す実施の形態２の構成と同一、あるいは同等であり、これらの構成部には同一符号を付して示している。

ここで、トランジスタＱ１のコレクタ端子電圧を入力側端子電圧Ｖ_ref1と定義するとき、無信号入力時のトランジスタＱ１のコレクタ端子電圧を基準電圧Ｖ_ref0とする。すなわち、基準電圧Ｖ_ref0は、トランジスタＱ１のベースに電流が流れないときのコレクタ端子電圧に設定する。

つぎに、図４に示した光受信器１の動作について説明する。受光素子２からの光電流Ｉ_INが入力された前置増幅器６は、帰還抵抗３に電流Ｉ₁が流れたものとすると、トランジスタＱ１のコレクタ端子電圧Ｖ_ref1は次式で表される。

Ｖ_ref1＝Ｖ_ref0−Ｒ_f×Ｉ₁ ・・・・・（１）

式（１）の関係は、つぎのように考えることができる。すなわち、所定の光強度の光信号を受信した場合に流れる光電流Ｉ₁が帰還抵抗３を通じて流れるとき、トランジスタＱ２のエミッタ端子電圧は、光信号入力がないときのエミッタ端子電圧からＲ_f×Ｉ₁だけ降下する。また、トランジスタＱ２では、ベース端子−エミッタ端子間で所定の電圧降下（約０．８Ｖ）が維持されるように動作するので、トランジスタＱ２のベース端子電圧に等しいトランジスタＱ６のコレクタ端子電圧もＲ_f×Ｉ₁だけ降下する。この電圧降下は、負荷抵抗４を流れる電流変化によって引き起こされるので、結果的に、無信号入力時の入力側端子電圧Ｖ_ref0と、電流Ｉ₁が帰還抵抗３を通じて流れるときの入力側端子電圧Ｖ_ref1との差は、Ｒ_f×Ｉ₁にほぼ等しくなる。

したがって、トランジスタＱ６のベース電圧を、無信号入力時のトランジスタＱ６のコレクタ端子電圧Ｖ_ref0にすると、トランジスタＱ６のベース端子−エミッタ端子間電圧はＲｆ×Ｉ₁となり、帰還抵抗３と並列接続したトランジスタＱ７のベース端子−エミッタ端子間電圧と等しくなる。したがって、過度な電流が帰還抵抗３に流れ、トランジスタＱ７が導通状態になると同時にトランジスタＱ６も導通状態となるように動作する。

ここで、トランジスタＱ７が導通状態で、トランジスタＱ６が遮断状態となると、変換利得が高いのにもかかわらず開ループ利得が低いので、遮断周波数が低くなり、出力電圧波形が歪む可能性がある。一方、トランジスタＱ７が遮断状態で、トランジスタＱ６が導通状態となると、変換利得が低いのにもかかわらず閉ループ利得が高いので、位相余裕を確保できずに回路が発振するなど、回路動作が不安定になる可能性がある。

しかしながら、この実施の形態では、受信する光信号の光強度が大きい場合に、トランジスタＱ７と、トランジスタＱ６とがほぼ同時にオンするように動作するため、回路の安定性を損なうことなく、波形歪みを抑制することができる。

以上説明したように、この実施の形態の光受信器によれば、負荷抵抗部に並列に接続されたトランジスタのベース電圧を外部から付与するようにしているので、回路の安定性を損なうことなく、波形歪みを抑制することができる。

実施の形態４．
図５は、本発明の実施の形態４にかかる光受信器１の構成を示す図である。同図に示す光受信器１は、図３などに示した前置増幅器６と同一な構成である基準バイアス生成回路２３を備え、基準バイアス生成回路２３のトランジスタＱ９のコレクタ端子が、負荷抵抗４に並列に接続されたトランジスタＱ６のベース端子に接続されるように構成している。なお、その他の構成については、図４に示す実施の形態３の構成と同一、あるいは同等であり、これらの構成部には同一符号を付して示している。

つぎに、図５に示した光受信器１の動作について説明する。同図に示す基準バイアス生成回路２３は、無信号入力時の前置増幅器６と同じバイアス条件になる。したがって、トランジスタＱ９のコレクタ端子電位は、無信号入力時のトランジスタＱ１のコレクタ端子電位Ｖ_ref0となる。一方、電源電圧変動や、環境温度変動により、無信号入力時のトランジスタＱ１のコレクタ端子電位Ｖ_ref0は変動するが、図４に示した回路では、このＶ_ref0の変動がトランジスタＱ６とＱ７とを導通状態にするタイミングの差として表れ、回路の不安定、出力電圧波形の歪みの原因になる。

しかしながら、基準バイアス生成回路２３は、前置増幅器６と同一な構成であるため、電源電圧変動や周囲温度変動によるＶ_ref0の変化が相殺され、トランジスタＱ６のベース端子−エミッタ端子間電圧が一定になるように動作するので、電源電圧変動や周囲温度変動にかかわらずトランジスタＱ６とトランジスタＱ７を同時に導通状態にすることができる。

以上説明したように、この実施の形態の光受信器によれば、負荷抵抗部に並列に接続されたトランジスタのベース電圧を前置増幅器と同一な回路により構成された基準バイアス生成回路によって付与するようにしているので、電源電圧変動や周囲温度変動があっても、回路の安定性を高め、波形歪みを抑制することができる。

実施の形態５．
図６は、本発明の実施の形態５にかかる光受信器１の構成を示す図である。同図に示す光受信器１は、基準バイアス生成回路２３の出力端と負荷抵抗４に並列に接続したトランジスタＱ６のベース端子とを電圧フォロワ回路２４を介して接続するように構成している。なお、その他の構成については、図５に示す実施の形態４の構成と同一、あるいは同等であり、これらの構成部には同一符号を付して示している。

つぎに、図６に示した光受信器１の動作について説明する。同図において、オペアンプを備えた電圧フォロワ回路２４は、高入力インピーダンスであり、低出力インピーダンスであるという特性を有するとともに、入力電位と出力電位とが等しくなるという特性を有している。したがって、基準バイアス生成回路２３からみた電圧フォロワ回路２４のインピーダンスは極めて大きいため、トランジスタＱ１０のコレクタ端子に接続しても、基準バイアス生成回路２３の動作バイアスに影響を与えることはない。一方、トランジスタＱ７のベース端子から電圧フォロワ回路２４をみると、内部抵抗の極めて小さい電圧源が接続されているのと同等である。このため、トランジスタＱ６のベース端子にバイアス電圧を供給するための基準バイアス生成回路２３を接続しても、バイアス条件を変えることなく、理想的な形で前置増幅器６を動作させることができる。

以上説明したように、この実施の形態の光受信器によれば、基準バイアス生成回路と、負荷抵抗と並列に接続されたトランジスタのベース端子と、の間に電圧フォロワ回路を挿入するようにしているので、バイアス条件を変えることなく、所定のバイアス電圧を印加することができる。

以上のように、本発明にかかる光受信器は、広ダイナミックレンジ特性に優れた光受信器として有用であり、特に、電源電圧変動や周囲温度変動などの影響を局限できる光受信器として好適である。

本発明の実施の形態１にかかる光受信器１の構成を示す図である。図１に示した光受信器１の一部の構成部をより具体化した回路構成例を示す図である。本発明の実施の形態２にかかる光受信器１の構成を示す図である。本発明の実施の形態３にかかる光受信器１の構成を示す図である。本発明の実施の形態４にかかる光受信器１の構成を示す図である。本発明の実施の形態５にかかる光受信器１の構成を示す図である。

符号の説明

１光受信器
２受光素子
３帰還抵抗
４負荷抵抗
５増幅器
６前置増幅器
７平均値検出回路
８電圧・電流変換回路
１２前置増幅器レプリカ回路
１３電流制御回路
１４入力端子
１５出力端子
１６出力端子
１７出力端子
２３基準バイアス生成回路
２４電圧フォロワ回路
Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４，Ｑ５、Ｑ６，Ｑ７，Ｑ８，Ｑ９，Ｑ１０トランジスタ。

Claims

受光素子から出力される出力電流信号を電圧信号に変換する負帰還増幅回路を構成してなる前置増幅器と、
前記前置増幅器の出力電圧の平均値を検出する平均値検出回路と、
前記平均値検出回路から出力される平均値電圧に基づいて電流信号を出力する電圧・電流変換回路と、
前記前置増幅器と同一な回路により構成される前置増幅器レプリカ回路と、
前置増幅器レプリカ回路から出力される出力電圧に基づいて前記受光素子から出力される出力電流信号を分流させる電流制御回路と、
を備えたことを特徴とする光受信器。
前記負帰還増幅回路は、
固定抵抗素子と、該固定抵抗素子に並列に接続されるダイオード接続されたトランジスタと、を有する負荷抵抗部と、
固定抵抗素子と、該固定抵抗素子に並列に接続されるダイオード接続されたトランジスタと、を有する帰還抵抗部と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載の光受信器。
前記負荷抵抗部に並列に接続されたトランジスタのベース電圧を、外部から付与することを特徴とする請求項２に記載の光受信器。
前記負帰還増幅回路と同一な回路により構成される基準バイアス生成回路をさらに備え、
前記基準バイアス生成回路の出力端子と、前記負帰還増幅回路の負荷抵抗と並列に接続されたトランジスタのベース端子と、が接続されていることを特徴とする請求項２に記載の光受信器。
前記基準バイアス生成回路の出力端子と、前記負帰還増幅回路の負荷抵抗と並列に接続されたトランジスタのベース端子と、の間に電圧フォロワ回路が接続されていることを特徴とする請求項４に記載の光受信器。