JP2006211381A - 増幅装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 高精度なモニタ信号を出力することができ、製造コストの低減が可能な増幅装置を提供する。
【解決手段】 プリアンプ部品９は、前置増幅回路１０とモニタ回路１１とを単一基板上に一体的に集積化して形成する。ここで、前置増幅回路１０は受光素子８のアノード側に直列接続し、モニタ回路１１は受光素子８のカソード側に直列接続する。また、モニタ回路１１は、受光素子８と駆動電源との間に接続された抵抗素子１２と、抵抗素子１２の両端に接続されたモニタ信号出力回路１３とによって構成する。これにより、前置増幅回路１０を用いて検出電流Ｉpを増幅して各種の信号処理を行うことができると共に、モニタ回路１１を用いて検出電流Ｉpに応じたモニタ信号Ｖmを出力することができる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、受光素子に接続される前置増幅回路を備えた増幅装置に関する。

一般に、フォトダイオード等の受光素子に直列接続される前置増幅回路を備えた増幅装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。このとき、受光素子が光信号を検出すると、受光素子には光信号に応じた検出信号として検出電流が流れる。このため、前置増幅回路は、受光素子から出力される検出電流を電圧に変換して増幅し、後段のリミット増幅器等に向けて出力し、光信号からデータ信号を抽出する構成となっている。

特開２００３−３１８８３２号公報

ところで、光ＬＡＮ（Local Area Network）等の光信号を検出する場合、例えば受光の有無を検知して断線確認等を行うために、光信号の大きさを監視することがある。また、例えばＳＦＦ(Small Form Factor）−８４７２規格では、受光モジュール等に対して光信号の大きさに応じたモニタ信号を出力するように義務付けている。このため、従来技術では、受光素子にモニタ信号用の部品を接続する構成、前置増幅回路からの検出信号を用いてモニタ信号を出力する構成等が用いられていた。

しかし、受光素子にモニタ信号用の部品を接続した場合には、その部品と受光素子との間のリード線等で接続する必要がある。このとき、受光素子の検出電流は非常に微弱であるため、リード線等からノイズが混入し易く、モニタ信号の精度が低下する傾向がある。また、部品点数が増加するから、製造コストが上昇するという問題もある。一方、前置増幅回路からの検出信号を用いてモニタ信号を出力した場合には、前置増幅回路によって検出電流の波形が変化するから、前置増幅回路を挟む分だけモニタ信号の精度が劣化するという問題がある。

本発明は上述した従来技術の問題に鑑みなされたもので、本発明の目的は、高精度なモニタ信号を出力することができ、製造コストの低減が可能な増幅装置を提供することにある。

上述した課題を解決するために請求項１の発明は、受光素子に直列接続されて該受光素子から出力される検出信号を増幅する前置増幅回路を備えた増幅装置において、前記受光素子のうち前記前置増幅回路と反対側に直列接続されて前記検出信号の状態を監視するモニタ回路を設け、該モニタ回路を前記前置増幅回路と一緒に集積化したことを特徴としている。

請求項２の発明では、前記モニタ回路と受光素子との間には、前記前置増幅回路、モニタ回路と一緒に集積化された低域通過フィルタを設ける構成としている。

請求項３の発明では、前記モニタ回路は、前記受光素子に直列接続された抵抗素子と、該抵抗素子の両端に接続され該抵抗素子の両端電圧を用いて前記検出信号に応じたモニタ信号を出力するモニタ信号出力回路とによって構成している。

請求項１の発明によれば、受光素子のうち前置増幅回路と反対側にモニタ回路を接続したから、モニタ回路を用いて受光素子の検出信号を直接検出することができ、モニタ信号の精度を高めることができる。また、モニタ回路は前置増幅回路と一緒に集積化したから、部品点数を減らして製造コストを低減できると共に、受光素子に対してモニタ回路と前置増幅回路とを一緒に接続することができる。この結果、モニタ回路を前置増幅回路とは別部品で形成した場合に比べて、モニタ回路と受光素子との間のリード線等を省くことができ、リード線等からのノイズの混入を防止し、高精度なモニタ信号を出力することができる。さらに、モニタ回路は受光素子を挟んで前置増幅回路の反対側に接続されるから、モニタ回路と前置増幅回路とが相互に干渉することがなくなる。この結果、２つの回路が干渉したときには前置増幅回路の受信感度特性が劣化するのに対し、相互干渉に基づく前置増幅回路の受信感度の低下を防止でき、前置増幅回路を用いて光信号を高感度に検出することができる。

請求項２の発明によれば、モニタ回路と受光素子との間には低域通過フィルタを設けたから、例えば受光素子を駆動電源に接続したときに、該駆動電源を通じて高周波ノイズが受光素子に向けて供給されるときでも、この高周波ノイズを低域通過フィルタを用いて除去することができる。このため、受光素子から出力される検出信号の精度を高めることができる。

請求項３の発明によれば、モニタ回路を抵抗素子とモニタ信号出力回路とによって構成したから、モニタ信号出力回路は、抵抗素子の両端で検出信号に応じた電圧降下が生じるのを検出することができ、抵抗素子の両端の電位差を用いて光信号（検出信号）に応じたモニタ信号を出力することができる。

以下、本発明の実施の形態による増幅装置を光受信モジュールに適用した場合を例に挙げて、添付図面を参照して詳細に説明する。

まず、図１ないし図３は本発明の第１の実施の形態による光受信モジュールを示し、図において、１は光受信モジュールの外殻をなすパッケージで、該パッケージ１は、例えばＴＯキャンと呼ばれる略筒状の中空ケース等によって構成されている。そして、パッケージ１の内部には、後述する受光素子８、プリアンプ部品９等が収容されている。

ここで、パッケージ１は、略円板状の基板２と、該基板２の表面を覆って設けられた有蓋筒状のキャップ３とにより構成されている。そして、基板２とキャップ３とは、例えば金属等の導電性材料を用いて形成され、グランドに接続されている。また、キャップ３には、基板２の中央部と対向する位置に受光レンズ３Ａが設けられている。

また、基板２には、外部の電源に接続されるピン状の電源端子４と、パッケージ１をグランドに接続するＧＮＤ端子５と、外部回路等に接続され出力信号Ｖoutを出力する例えば２本の出力信号端子６と、光信号に応じたモニタ信号Ｖmを出力するモニタ信号端子７とが設けられている。そして、電源端子４、出力信号端子６、モニタ信号端子７は、基板２と絶縁した状態で基板２を貫通し、受光素子８、プリアンプ部品９に接続されている。

８は例えばパッケージ１内の中央位置に配置された受光素子で、該受光素子８は、例えばフォトダイオード（ＰＤ）を用いて構成されている。また、受光素子８は、その両端が後述するプリアンプ部品９の素子電極９Ｃ，９Ｄにそれぞれ接続されている。これにより、受光素子８は、そのカソード端子がプリアンプ部品９のモニタ回路１１を介して電源端子４に接続されると共に、アノード端子がプリアンプ部品９の前置増幅回路１０に接続されている。そして、受光素子８は、受光レンズ３Ａを介してパッケージ１内に光信号が入射されると、この光信号に応じた検出信号として検出電流Ｉpを出力するものである。

９は受光素子８に隣接してパッケージ１内に配置された増幅装置としてのプリアンプ部品で、該プリアンプ部品９は、後述する前置増幅回路１０とモニタ回路１１とを含んで構成されている。また、プリアンプ部品９は、前置増幅回路１０、モニタ回路１１等に駆動電圧Ｖccを供給するための電源電極９Ａと、前置増幅回路１０等をグランドに接続するＧＮＤ電極９Ｂと、受光素子８の両端が接続される素子電極９Ｃ，９Ｄと、前置増幅回路１０の出力信号Ｖoutを出力する出力信号電極９Ｅと、モニタ回路１１のモニタ信号を出力するモニタ信号電極９Ｆとを備えている。そして、プリアンプ部品９は、例えばパッケージ型のＩＣ部品等を用いて構成され、前置増幅回路１０とモニタ回路１１とはガリウム砒素等の半導体材料を用いて単一半導体基板上に一緒に集積化した状態で形成されている。

１０はプリアンプ部品９内に設けられたトランスインピーダンスアンプ（Transimpedance Amplifier：ＴＩＡ）からなる前置増幅回路で、該前置増幅回路１０は、受光素子８のアノード端子側に直列接続されている。また、前置増幅回路１０の電源端子は、電源電極９Ａを介してパッケージ１の電源端子４に接続されると共に、前置増幅回路１０のＧＮＤ端子は、ＧＮＤ電極９Ｂを介してパッケージ１のＧＮＤ端子５に接続されている。このため、前置増幅回路１０は、外部の駆動電源（図示せず）から一定の駆動電圧Ｖccがその電源端子に供給されることによって駆動する。

また、前置増幅回路１０は、その入力端子が素子電極９Ｄを介して受光素子８のアノード端子に接続されると共に、正負の出力信号端子が出力信号電極９Ｅを介してパッケージ１の２つの出力信号端子６にそれぞれ接続されている。そして、前置増幅回路１０は、受光素子８側のインピーダンスを変換すると共に、受光素子８から出力される検出電流Ｉpを電圧に変換して増幅する。これにより、前置増幅回路１０は、増幅した電圧信号からなる出力信号Ｖoutを正負の出力信号端子（出力信号電極９Ｅ）からそれぞれ出力する構成となっている。

１１はプリアンプ部品９内に設けられたモニタ回路１１で、該モニタ回路１１は、受光素子８のカソード端子（素子電極９Ｃ）と電源端子（電源電極９Ａ）との間に位置して、受光素子８のうち前置増幅回路１０とは反対側となるカソード端子側に直列接続されている。また、モニタ回路１１は、受光素子８に直列接続された抵抗素子１２と、該抵抗素子１２の両端に接続されたモニタ信号出力回路１３とによって構成されている。さらに、抵抗素子１２は、受光素子８（素子電極９Ｃ）と駆動電源（電源電極９Ａ）との間に接続されると共に、モニタ信号出力回路１３は、その入力端子が抵抗素子１２の両端に接続され、出力端子がモニタ信号電極９Ｆを介してパッケージ１のモニタ信号端子７に接続されている。

このとき、抵抗素子１２は、駆動電圧Ｖccを用いて受光素子８に光電流（検出電流Ｉp）を流すために設けられると共に、その両端に検出電流Ｉpに応じた電圧降下を生じさせる。このため、モニタ信号出力回路１３は、例えば抵抗素子１２の両端電圧を用いて差動増幅を行うことによって、図４に示すように受光素子８の検出電流Ｉpに略比例したモニタ信号Ｖmを出力する。

本実施の形態による光受信モジュールは上述の如き構成を有するもので、次にその作動について説明する。

まず、光ファイバ（図示せず）等から受光レンズ３Ａを介してパッケージ１内に光信号が入射されると、受光素子８は、この光信号に応じた光電流（検出電流Ｉp）を出力する。このとき、プリアンプ部品９の前置増幅回路１０には、受光素子８から検出電流Ｉpが入力されるから、前置増幅回路１０は、検出電流Ｉpを増幅して電圧に変換し、出力信号Ｖoutとして出力する。これにより、出力信号Ｖoutは、パッケージ１の出力信号端子６を通じて外部のリミット増幅器等に入力され、ディジタル形式の信号に変換されて各種の処理が施されるものである。

一方、プリアンプ部品９のモニタ回路１１には、受光素子８に流れる検出電流Ｉpに応じて抵抗素子１２の両端で電圧降下が生じる。このため、モニタ信号出力回路１３は、抵抗素子１２の両端電圧を用いて検出電流Ｉpの大きさ（電流値）に応じた電圧値をもつモニタ信号Ｖmを出力する（図４参照）。これにより、モニタ信号Ｖmは、モニタ信号端子７を通じて外部の処理回路等に出力され、光ファイバの断線等の検出に用いられる。

ここで、光受信パッケージを光ＬＡＮに用いたときには、光受信パッケージは、例えば１．２５Ｇｂｐｓ、２．５Ｇｂｐｓ等のように伝送ビットレートが高い光信号を受信する。このとき、受光素子８は、光信号を数μＡ程度の極めて微弱な検出信号（検出電流Ｉp）に変換して出力する。このため、プリアンプ部品９の前置増幅回路１０は、高周波数で微弱な検出信号が増幅可能となるように、その受信感度が非常に高くなっている。

この場合、第１の比較例として、前置増幅回路１０に並列に検出電流Ｉpの大きさを検出するモニタ回路を設けた場合には、前置増幅回路１０の受信感度が非常に高いから、モニタ回路と前置増幅回路１０とが相互に干渉する傾向がある。この結果、前置増幅回路１０の受信感度特性が劣化し、伝送ビットレートが高い光信号を受信できないという問題がある。

また、第２の比較例として、前置増幅回路１０からの出力信号Ｖoutを用いて例えばリミット増幅器から光信号（検出電流Ｉp）に応じたモニタ信号を取り出す場合には、前置増幅回路１０によって検出電流Ｉpの波形が変化するから、前置増幅回路１０を挟む分だけモニタ信号の精度が劣化するという問題がある。

これら第１，第２の比較例に対し、本実施の形態では、受光素子８のうち前置増幅回路１０とは反対側にモニタ回路１１を直列接続したから、モニタ回路１１を用いて受光素子８の検出電流Ｉpを直接的に検出することができ、モニタ信号Ｖmの精度を高めることができる。また、モニタ回路１１は受光素子８を挟んで前置増幅回路１０の反対側に接続するから、モニタ回路１１と前置増幅回路１０とが相互に干渉することがなくなる。この結果、２つの回路の相互干渉に基づく前置増幅回路１０の受信感度の低下を防止でき、前置増幅回路１０を用いて光信号を高感度に検出することができる。

特に、本実施の形態では、モニタ回路１１は前置増幅回路１０と一緒に単一基板上に集積化したから、受光素子８に対してモニタ回路１１と前置増幅回路１０とを一緒に接続することができる。これにより、モニタ回路１１を前置増幅回路１０とは別部品で形成した場合に比べて、モニタ回路１１と受光素子８との間のリード線等を省くことができる。この結果、受光素子８による微弱な検出電流Ｉpにリード線等を通じてノイズが混入するのを防止することができるから、高周波な光信号を確実に受信できると共に、高精度なモニタ信号Ｖmを出力することができる。

また、モニタ回路１１は前置増幅回路１０と一緒に集積化したから、部品点数を減らして製造コストを低減することができる。さらに、モニタ回路１１は抵抗素子１２とモニタ信号出力回路１３とによって構成したから、モニタ信号出力回路１３は、検出電流Ｉpを流すための抵抗素子１２を用いて検出電流Ｉpを検出し、モニタ信号Ｖmを出力することができる。このため、実質的に作動増幅回路等からなるモニタ信号出力回路１３を追加するだけでモニタ信号Ｖmを出力することができ、プリアンプ部品９のうちモニタ回路１１用の回路面積を小さくすることができ、製造コストを低減することができる。

次に、図５は本発明による第２の実施の形態による光受信モジュールを示し、本実施の形態の特徴は、モニタ回路と受光素子との間には低域通過フィルタを設けたことにある。なお、本実施の形態では前記第１の実施の形態と同一の構成要素に同一の符号を付し、その説明を省略するものとする。

２１は第２の実施の形態による増幅装置としてのプリアンプ部品で、該プリアンプ部品２１は、第１の実施の形態によるプリアンプ部品９と同様に、電源電極２１Ａ、ＧＮＤ電極２１Ｂ、素子電極２１Ｃ、２１Ｄ、出力信号電極２１Ｅ、モニタ信号電極２１Ｆを備えている。そして、プリアンプ部品２１は、素子電極２１Ｄを介して受光素子８のアノード端子側に前置増幅回路１０が直列接続され、素子電極２１Ｃを介してカソード端子側にモニタ回路１１が接続される構成となっている。しかし、プリアンプ部品２１は、第１の実施の形態によるプリアンプ部品９と異なり、モニタ回路１１と受光素子８のカソード端子（素子電極２１Ｃ）との間には、低域通過フィルタ２２（以下、ＬＰＦ２２という）が設けられている。このとき、ＬＰＦ２２は、光信号が受信可能（復元可能）となるように、光信号の最高の伝送ビットレートに基づく周波数は通過可能とするものの、それ以上の高い周波数は遮断する構成となっている。また、ＬＰＦ２２は、前置増幅回路１０、モニタ回路１１と一緒に単一半導体基板上に一体的に集積化されるものである。

かくして、本実施の形態でも、第１の実施の形態とほぼ同様な作用効果を得ることができる。特に、本実施の形態では、モニタ回路１１と受光素子８との間にはＬＰＦ２２を設けたから、ＬＰＦ２２を用いて例えば駆動電源側の高周波ノイズを除去することができ、受光素子８から出力される検出信号（検出電流Ｉp）の精度を高めることができる。また、ＬＰＦ２２は、前置増幅回路１０、モニタ回路１１と一緒に集積化したから、受光素子８とＬＰＦ２２とを接続するリード線等を省くことができ、リード線等からのノイズの混入を防止できる。また、ＬＰＦ２２を別部材として接続した場合に比べて、部品点数を少なくし、製造コストを低減することができる。

なお、前記各実施の形態では、受光素子８としてフォトダイオードを用いるものとしたが、例えばフォトトランジスタを用いる構成としてもよい。

本発明の第１の実施の形態による光受信モジュールを示す斜視図である。 光受信モジュールの内部を図１中の矢示II−II方向からみた拡大断面図である。 図１中の光受信モジュールの回路構成を示す回路図である。 図３中の検出電流とモニタ信号との関係を示す特性線図である。 第２の実施の形態による光受信モジュールの回路構成を示す回路図である。

符号の説明

８ 受光素子
９，２１ プリアンプ部品（増幅装置）
１０ 前置増幅回路
１１ モニタ回路
１２ 抵抗素子
１３ モニタ信号出力回路
２２ 低域通過フィルタ（ＬＰＦ）

Claims (3)

1. 受光素子に直列接続されて該受光素子から出力される検出信号を増幅する前置増幅回路を備えた増幅装置において、
   前記受光素子のうち前記前置増幅回路と反対側に直列接続されて前記検出信号の状態を監視するモニタ回路を設け、該モニタ回路を前記前置増幅回路と一緒に集積化したことを特徴とする増幅装置。
2. 前記モニタ回路と受光素子との間には、前記前置増幅回路、モニタ回路と一緒に集積化された低域通過フィルタを設けてなる請求項１に記載の増幅装置。
3. 前記モニタ回路は、前記受光素子に直列接続された抵抗素子と、該抵抗素子の両端に接続され該抵抗素子の両端電圧を用いて前記検出信号に応じたモニタ信号を出力するモニタ信号出力回路とによって構成してなる請求項１または２に記載の増幅装置。

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