JP2006166387A - 光学的制限増幅を用いた超高速光受信装置 - Google Patents

光学的制限増幅を用いた超高速光受信装置 Download PDF

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Abstract

【課題】 例えば４０Ｇｂ/ｓ以上の超高速光通信システムでも高い受信感度と広い光電力受信範囲を獲得できるようにする。
【解決方法】 光通信システムでの光受信装置において、外部から光信号を受信して所定のレベルの光信号に増幅するための光学的制限増幅手段と、該光学的制限増幅手段から出力される光信号を電流信号に変換するための光電変換手段と、前記電流信号から、線形的に増幅された電圧信号と前記電圧信号に対する反転信号(反転電圧信号)とを生成するためのトランスインピーダンス増幅手段と、該トランスインピーダンス増幅手段から出力される前記電圧信号と前記反転電圧信号のうち、いずれかを受け取って、クロックを抽出するためのクロック抽出手段と、該クロック抽出手段から抽出されたクロックを利用して、前記トランスインピーダンス増幅手段から出力される残りの信号を受け取って、データ信号を復元するためのデータ判別手段とを備えることを特徴とする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、光通信システムにおける超高速光受信装置、特に光学的制限増幅を利用することによって、例えば４０Ｇｂ／ｓ以上の超高速光通信システムにおいても高い受信感度と広い光電力受信範囲を獲得できるようにする、光学的制限増幅を用いた超高速光受信装置に関する。
図１は、従来の電気的制限増幅器を用いた光受信機の構成例示図である。
従来の光受信機は、大きく光受信モジュール１００と、クロック及びデータ再生(ＣＤＲ：Ｃｌｏｃｋ ａｎｄ Ｄａｔａ Ｒｅｃｏｖｅｒｙ：以下「ＣＤＲ」と記す)モジュール１１０から構成され、各モジュールは細部素子から構成されている。従来の１０Ｇｂ／ｓ以下の光受信機では各モジュールは一つに集積されていることが一般的である。
光受信モジュール１００は、光信号を電気信号に変換するフォトダイオード(ＰＤ:Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ)１０１、フォトダイオード１０１を介して変換された電流を電圧に変えながら少し増幅するトランスインピーダンス増幅器ＴＩＡ１０２、トランスインピーダンス増幅器(ＴＩＡ:Ｔｒａｎｓ‐Ｉｍｐｅｄａｎｃｅ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ)１０２の出力を受けて、次の段のＣＤＲモジュールのデジタル回路の入力条件に合うように増幅する主増幅器である電気的制限増幅器(Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｌｉｍｉｔｉｎｇ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ)１０３から構成される。この時、電気的制限増幅器は、入力信号の大きさと関係なしに一定の大きさで出力する制限増幅機能を有することが一般的である。
広帯域信号分配器１１１は、光受信モジュール１００を経て、一定の大きさに増幅されて出力される信号をクロック抽出器１１２とデータ判別機１１３に分配する。この時、データ信号は、広帯域にわたって情報を有している。例えば、従来の１０Ｇｂ／ｓ ＮＲＺデータの場合も１０ｋＨｚ〜７．５ＧＨｚに該当する広い帯域幅を有する。したがって、広帯域信号分配器１１１の周波数特性が非常に重要であり、特に抵抗素子を別に利用する場合、データの大きさに対する損失が非常に大きいという問題点がある。
分配されたデータ信号は、各々クロック抽出器１１２とデータ判別機１１３とに入力される。この２つの回路は、主にデジタル回路から構成されるため、一定の入力レベルを維持しなければならない。例えば、１０Ｇｂ/ｓ場合には約１．０Ｖｐ-ｐ、４０Ｇｂ/ｓの場合には５００ｍＶｐ-ｐの大きさが要求される。一旦、クロックが抽出されれば、このクロックを利用してデータを再復元するようになる。この時、データとクロックとの間の微細な位相差を調節するための位相調節器１１４がクロックパスに置かれる。最終的にＣＤＲモジュール１１０から出力される信号は、完全に復元されたデータ信号とそのデータに同期されたクロック信号となる。
一方、４０Ｇｂ／ｓ以上の超高速光信号を受信するためには、この速度と帯域幅を満足する光素子と電子素子の開発が必須である。しかし、このような超高速信号に対する光-電変換用ｐ‐ｉ‐ｎ ＰＤの場合には、１０Ｇｂ／ｓ以下の相対的に低速の光信号に対するフォトダイオードのような-３０ｄＢｍの受信感度と２０ｄＢ以上の有効な受信光電力範囲(ｄｙｎａｍｉｃ ｒａｎｇｅ)を有する特性を表すことは非常に困難である。仮に、フォトダイオードがそのような特性を満足しているとしても、そのような受信光電力範囲(ｄｙｎａｍｉｃ ｒａｎｇｅ)を満足させる電気的制限増幅器を開発することは非常に困難な課題である。
従来の光受信機における電気的制限増幅器１０３の役割は、フォトダイオードに受信される光電力が変わっても(例えば、-３０ｄＢｍから-１０ｄＢｍまで)フォトダイオードから光-電変換された電気信号を一定の大きさの出力信号に増幅するものである。
しかし、このような電気的制限増幅器１０３を４０Ｇｂ/ｓ以上の超高速信号用に製作することは非常に困難であるという問題点がある。なぜなら、このような電気的制限増幅器は１０ｋＨｚ〜３０ＧＨｚに該当する広帯域(特に、ｌｏｗ‐ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｕｔ‐ｏｆｆを実現することが難しい)特性が実現されなければならなくて、光-電変換により光電力が電気信号に変わりながら(すなわち、電流あるいは電圧になりながら)、電気的電力の範囲は光電力の範囲の２倍に該当する範囲を電気的制限増幅器が担当しなければならないためである。したがって、従来の光受信機では受信感度及び受信光電力の許容範囲側面において長距離伝送用光受信機の要求事項を満足させることができないという問題点がある。
つまり、４０Ｇｂ/ｓ以上の超高速光通信システムにおいては、光-電変換用フォトダイオードのような受信感度特性及び受信光電力範囲の特性、そして電気的制限増幅器の電力範囲特性によって、１０Ｇｂ/ｓ以下の場合のような従来の光受信機構成では所望の要求事項を満足させることができないという問題点があった。
本発明は、前記問題点を解決するためになされたものであって、その目的は光学的制限増幅を利用することによって、例えば４０Ｇｂ/ｓ以上の超高速光通信システムでも高い受信感度と広い光電力受信範囲を獲得できるようにする、光学的制限増幅を利用した超高速光受信装置を提供することである。
前記目的を達成するための本発明は、 光通信システムでの光受信装置において、外部から光信号を受信して所定のレベルの光信号に増幅するための光学的制限増幅手段と、該光学的制限増幅手段から出力される光信号を電流信号に変換するための光電変換手段と、前記電流信号から、線形的に増幅された電圧信号と前記電圧信号に対する反転信号(反転電圧信号)とを生成するためのトランスインピーダンス増幅手段と、該トランスインピーダンス増幅手段から出力される前記電圧信号と前記反転電圧信号のうち、いずれかを受け取って、クロックを抽出するためのクロック抽出手段と、該クロック抽出手段から抽出されたクロックを利用して、前記トランスインピーダンス増幅手段から出力される残りの信号を受け取って、データ信号を復元するためのデータ判別手段とを備えることを特徴とする。
本発明は、電気的制限増幅器を除去し、これに代え、ＥＤＦＡ(光学的制限増幅器)を光-電変換器(例を上げれば、ＰＤ等)の前に置いて、光学的に制限増幅の効果を与えることによって、所望の受信感度及び受信光電力範囲の特性を得ることができるという効果がある。
また、本発明は、クロック及びデータ復元回路に各々データを入力するために広帯域特性を有する信号分配器あるいは基板上のパターンを実現しなければならない従来のＣＤＲモジュールをＴＩＡの差動出力に替えることによって、信号の損失を最大限に減らすことができ、また低雑音ＥＤＦＡだけを使用してＣＤＲのデジタル素子を駆動するのに充分の大きさの出力を得ることができるという効果がある。
以下、添付された図面を参照して本発明に係る好ましい一実施の形態を詳細に説明する。
図２は、本発明に係る光学的制限増幅を利用した超高速光受信装置の一実施の形態の構成図である。
図２に示されたように、本発明に係る光受信装置は、従来の光受信機から電気的制限増幅器１０３と広帯域信号分配器１１１を除去し、光学的制限増幅器２０１と、出力のトランスインピーダンス増幅器(ＴＩＡ)２０３を用いるという点に特徴がある。
先ず、光リンクを介して伝送された光信号は、光-電変換用フォトダイオード２０２に入力される前に、光学的制限増幅器２０１を経て一定の出力の光電力で光電変換器２０２に入力される。ここで、光-電変換用フォトダイオードは、光電変換器２０２の一実施の形態である。
フォトダイオード２０２は、光-電変換をして光電力(光信号)を電流に変換する。この時、電流はフォトダイオードの効率によって異なるが、一般的には非常に小さな値になり、これを次の段の電子素子と接続するためにはインピーダンス整合が行われなければならない。したがって、電流を電圧に変換させながら入力電流値に対して線形的に出力電圧値に増幅する素子が必要となり、このような素子をトランスインピーダンス増幅器(ＴＩＡ:Ｔｒａｎｓ‐Ｉｍｐｅｄａｎｃｅ Ａｍｐ．)２０３という。
図２で用いたトランスインピーダンス増幅器(ＴＩＡ)２０３は、差動(ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ)出力を出す素子であって、両出力端子を有し、このうち１つは、本来データの０、１値をそのまま維持する出力端子であり、残り１つは入力データを反転させる出力端子である。両端子の出力値は反転されているという点を除いては出力の大きさや位相などは全て同じ特性を有する。
トランスインピーダンス増幅器(ＴＩＡ)２０３を介して出力された２つのデータ(電圧信号と反転電圧信号）は、各々クロック抽出器２０４とデータ判別機２０５とに入力される。ここで、トランスインピーダンス増幅器(ＴＩＡ)２０３の２つの出力のいずれかがクロック抽出器２０４やデータ判別機２０５に入力されてもよい。
光学的制限増幅器２０１から一定の電力でフォトダイオード２０２に入力され、トランスインピーダンス増幅器(ＴＩＡ)２０３は、入力電流値に線形的な電圧値を出力するので、クロック抽出器２０４とデータ判別機２０５とに入力されるデータの大きさは常に一定の大きさの電圧を有する。したがって、使用したクロック抽出器とデータ判別機の入力レベル要求事項に合せて光学的制限増幅器２０１の出力電力を調整すれば、最適の性能を有する超高速光受信機を構成できるようになる。
一方、一旦分配されたデータ信号(電圧信号、反転電圧信号）は、各々クロック抽出器２０４とデータ判別機２０５とに入力される。クロック抽出器２０４がクロックを抽出すれば、データ判別機２０５はこのクロックを利用してデータを復元するようになる。この時、データとクロックとの間の微細な位相差を調節するための位相調節器２０６がクロックパスに置かれる。したがって、最終的に本発明に係る光受信装置から出力される信号は、完全に復元されたデータ信号とそのデータに同期されたクロック信号となる。
図３は、本発明に係る図２の光学的制限増幅器の一実施の形態の詳細構成図である。
図面に示されるように、光学的制限増幅器２０１は、エルビウムドープトファイバーＥＤＦＡ(ＥＤＦＡ:Ｅｒｉｂｉｕｍ‐Ｄｏｐｅｄ Ｆｉｂｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ：以下、［ＥＤＦＡ］と記す)３０１、光学的帯域通過フィルタ３０２、光学的タップカプラ３０３、光電力モニタ(ｐｏｗｅｒ ｍｏｎｉｔｏｒ)用フォトダイオード３０４、及びＥＤＦＡの利得調節器３０５を含んでなる。ここで、ＥＤＦＡ３０１は低雑音ＥＤＦＡのー例である。
図２の光学的制限増幅器２０１は、単独に使用する場合、信号以外の帯域にＡＳＥ(Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ)雑音が発生する。したがって、これをそのまま平均電力と見て、この電力ｐｏｗｅｒを一定に維持するようにする場合は、ＡＳＥ雑音による電力値のため、実際信号の電力値は低くなる。したがって、この場合は光-電変換用フォトダイオードＰＤ２０２とトランスインピーダンス増幅器(ＴＩＡ)２０３を経た後の電圧値が小さくなってビットエラーが増加するようになる。
このような問題点を緩和するためには、ＥＤＦＡ３０１の後に光学的帯域通過フィルタ３０２があることが好ましい。この光学的帯域通過フィルタ３０２は、信号の帯域だけ通過させ、残りの帯域は遮断させることによって、少なくとも信号帯域以外のＡＳＥ雑音は除去する効果を得ることができる。
但し、信号帯域に混ざるＡＳＥ雑音は分離できないため、ＥＤＦＡ３０１は低雑音特性を有することを使用することが好ましい。光学的帯域通過フィルタ３０２の後には光電力をモニタするために、一旦光学的タップカプラ３０３を利用して、光学的帯域通過フィルタ３０２から出力される信号の非常に小さな一部だけ(例えば、１％)光電力モニタ用フォトダイオード３０４に送り、残りは受信装置のフォトダイオード２０２に通過させる。
光電力モニタ用フォトダイオードＰＤ３０４と利得調節器３０５は、「光電力モニタリング及び利得調節部」の具体的な構成のー例である。「光電力モニタリング及び利得調節部」は、光学的タップカプラ３０３から分岐された光信号から光電力の大きさをモニタリングし、モニタリングされた光電力の大きさによって光学的帯域通過フィルタ３０２から一定のレベルの光電力が出力されるように、ＥＤＦＡ３０１の利得を調節する。
さらに詳細に、光電力モニタ用フォトダイオード３０４が光電力を電気信号に線形的に変化させれば、利得調節器３０５ではその変換された電気信号の大きさによってＥＤＦＡ３０１の利得を調節して、最終的に出力される光電力が一定に維持されるようにする。
尚、本発明は、上記の本実施の形態に限定されるものではなく、本発明に係る技術的思想から逸脱しない範囲内で様々の変更が可能であり、それらも本発明の技術的範囲に属する。
従来の電気的制限増幅器を利用した光受信機の構成の例示図である。 本発明に係る光学的制限増幅を利用した超高速光受信装置の一実施の形態の構成図である。 本発明に係る図２の光学的制限増幅器の一実施の形態の詳細構成図である。
符号の説明
２０１ 光学的制限増幅器
２０２ 光電変換器
２０３ トランスインピーダンス増幅器
２０４ クロック抽出器
２０５ データ判別機
２０６ 位相調節器
３０１ ＥＤＦＡ
３０２ 光学的帯域通過フィルタ
３０３ 光学的タップカプラ
３０４ 光電力モニタ用フォトダイオード
３０５ 利得調節器

Claims (5)

  1. 光通信システムでの光受信装置において、
    外部から光信号を受信して所定のレベルの光信号に増幅するための光学的制限増幅手段と、
    該光学的制限増幅手段から出力される光信号を電流信号に変換するための光電変換手段と、
    前記電流信号から、線形的に増幅された電圧信号と前記電圧信号に対する反転信号(反転電圧信号)とを生成するためのトランスインピーダンス増幅手段と、
    該トランスインピーダンス増幅手段から出力される前記電圧信号と前記反転電圧信号のうち、いずれかを受け取って、クロックを抽出するためのクロック抽出手段と、
    該クロック抽出手段から抽出されたクロックを利用して、前記トランスインピーダンス増幅手段から出力される残りの信号を受け取って、データ信号を復元するためのデータ判別手段と
    を備えることを特徴とする光学的制限増幅を利用した超高速光受信装置。
  2. 前記クロック抽出手段から抽出されたクロックと前記データ判別手段から復元されるデータとの間の位相差を調節するための位相調節手段をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の光学的制限の増幅を利用した超高速光受信装置。
  3. 前記光学的制限の増幅手段が、
    外部から光信号を受信して所定のレベルの光信号に増幅する光増幅手段と、
    該光増幅手段から増幅された光信号から雑音を除去するための光学的帯域通過フィルタリング手段と、
    該光学的帯域通過フィルタリング手段から出力される光信号を分岐するための光学的カップリング手段と、
    該光学的カップリング手段から分岐された光信号から光電力の大きさをモニタリングし、前記光電力の大きさによって前記光学的帯域通過フィルタリング手段から所定レベルの光電力が出力されるように、前記光増幅手段の利得を調節するための光電力モニタリング及び利得調節手段と
    を備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光学的制限増幅を利用した超高速光受信装置。
  4. 前記光電力モニタリング及び利得調節手段が、
    前記光学的カップリング手段から分岐された光信号を電気的信号に変換するための光電力モニタ用光電変換手段と、
    該光電力モニタ用光電変換手段から変換された電気信号の大きさによって前記光学的帯域通過フィルタリング手段から所定レベルの光電力が出力されるように、前記光増幅手段の利得を調節するための利得調節手段と
    を備えることを特徴とする請求項３に記載の光学的制限増幅を利用した超高速光受信装置。
  5. 前記光信号は、
    ４０Ｇｂ／ｓ以上の超高速光信号であることを特徴とする請求項４に記載の光学的制限増幅を利用した超高速光受信装置。
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