JP2006345546A - トランスインピーダンス増幅回路における歪み除去 - Google Patents

Abstract

【課題】光ファイバ上をアナログ信号が伝送される光通信システムにおいて使用するための光学的受信機を提供すること。
【解決手段】光通信信号を受信するための外部光ファイバに結合された光検出器を備えたハウジングを含む。そして、トランスインピーダンス増幅回路が光検出器の出力に電気的に結合され、第二ステージのバイアス電流を予め定めた値にセットし、除去効果によって最初の増幅ステージにおいて生成される出力信号の歪を最小化する。
【選択図】図２

Description

本発明は光学的受信機に関し、特に、非線形作動特性を有し、ファイバ光通信リンクにおいて用いられるような光ファイバからの光信号を受信するフォトダイオードと、電気的ネットワーク端末装置との間のインタフェースを与えるトランスインピーダンス増幅回路に関する。

電気信号を光ファイバに結合される変調された光ビームに変換する光送信部分と、光ファイバから光信号を受信して電気信号に変換する受信部分とを含む、種々の光通信システムが当業者に知られている。伝統的に、光受信部は、光ファイバからの光を光検出器上に集束させ又は指向させるための光学組立部品を含んでおり、該光検出器は、回路基板上の増幅／リミッタ回路に接続されている。この光検出器すなわちフォトダイオードは、苛酷な環境状態から防護するために、典型的には密閉型パッケージに収められている。このフォトダイオードは、典型的には、２、３百ミクロンから２、３ミリメートル幅で、１００−５００ミクロンの厚みをもった半導体チップである。これらがマウントされているパッケージは、典型的には、３〜６ｍｍの直径、及び、２〜５ｍｍの高さであり、このパッケージの外へ引き出された何本かの電気導線を有する。そして、これらの電気導線は、電気信号を処理するための増幅／リミッタ、その他の回路を含む、回路基板に半田付けされている。

光ファイバ伝送は、長年、アナログＣＡＴＶ信号の分配のために使用されてきた。アナログＣＡＴＶ信号の光学的受信機は、一般に、パッケージされたフォトダイオードからなり、該フォトダイオードは別にパッケージされた低ノイズ電気増幅回路に電気的に接続されており、該フォトダイオードパッケージは、通常は、光ファイバからの光をフォトダイオードに結合するための光学窓キャップ又はボールレンズキャップをもつＴＯキャンからなる。

上述した装置の欠点は、別々になったフォトダイオード及び電気増幅回路パッケージに関連して顕著な寄生静電容量が存在するということである。これらの寄生静電容量は光学的受信機の性能を制限する役割を果たし、結果として、低帯域幅及び高ノイズとなり、特定の目標仕様を満たすために必要とされる高電力を消散させるものとなる。

デジタル型光学的受信機においては、標準的な実例は、ＴＯキャンの内部に、パッケージを介在させることなくフォトダイオードに隣接させて電気的増幅回路（トランスインピーダンス増幅回路又はＴＩＡとして知られる）を収めることである。このようにして、寄生静電容量は最小化され、性能が改善される。しかしながら、アナログＴＩＡの電力消費がＴＯキャンにおける消費に比べて大き過ぎたため、現在まで、これはアナログＣＡＴＶ受信機のための選択肢とはなっていなかった。この高い電力消失は、アナログＣＡＴＶシステムが非常に高い線形性と低い電気的歪みを必要とし、これは、高い定常的な電流及び電圧により増幅トランジスタを作動させることによって達成されるものであり、したがって、信号振幅は、使用できる電流及び電圧偏位の僅かな一部に制限されることに起因する。これら高い定常的な電圧及び電流は、デジタルＴＩＡとの対比でアナログＴＩＡの高い直流電力消費の原因となる。

アナログＴＩＡにおける一般的な他の技術は、偶数次の歪み、特に２次歪みを除去し、要求される線形性を遥かに簡単に達成する、プッシュプル又はバランス増幅回路の使用である。しかしながら、プッシュプル増幅回路もまた、一つの片線接地増幅回路の替わりに二つの増幅回路が必要とされるため、より高い電力消費という代償により、かつ、後段の片線接地ステージに相互連結するための平衡−非平衡変換回路を必要とするという代償により実現されるものである。

先行技術において知られているＴＩＡの具体例には、トランスインピーダンス増幅回路として構成された単一ＧａＡｓＦＥＴ入力トランジスタについて記述している米国特許第４，９９８，０１２号が含まれる。かかる回路は、トランジスタを高ドレイン電圧（当該特許の図１に示す１５Ｖ電源）及び高ドレイン電流（典型的には１００ｍＡ付近）で作動させることによって低歪みをもたらし、その結果、その交流偏位信号は、直流作動点の平均に対して小さな割合となり、ゆえに、交流増幅はトランジスタの線形作動領域に十分制限されるのである。

他の先行技術例には、米国特許第５，０１３，９０３号、米国特許第５，１７９，４６１号，米国特許第５，３４７，３８９号が含まれる。かかる先行技術は、フォトダイオードの反対端に接続された、二つのトランスインピーダンス増幅回路ステージを使用し、それによって、位相が互いに１８０度異なる略同一の信号に増幅する。この二つのトランスインピーダンス増幅回路ステージの出力は、典型的には変換手段によって互いに結合しており、したがって、互い位相が同じ信号は加算されるが、偶数次歪みの積は差し引かれて除去される。

しかしながら、上述したように、全ての先行技術例において議論された高い電力消費は、ＴＯキャンや他の低価格パッケージの内部にＴＩＡをフォトダイオードとともに共パッケージすることを排除するものである。フォトダイオード及びＴＩＡの分離パッケージは、帯域幅を減少させノイズ及び歪みを増大させる寄生静電容量を増加させることとなる。

本発明より前には、アナログＣＡＴＶのＴＩＡにおける、一般に少なくとも１ワット又はそれ以上の高い電力消費により、寄生静電容量を減少させる費用効果の高い方法でＴＩＡ及びフォトダイオードを共パッケージすることは不可能であった。

１．本発明の目的
本発明の目的は、受信機や送信機のような光ネットワークシステムユニットでの使用のための、集積されたフォトダイオード／増幅回路を提供することである。

本発明の他の目的は、業界標準であるＴＯハウジング内の光学的伝送システムにおいて使用するための光学的受信機サブアセンブリを提供することである。

本発明の目的は、ＴＯキャンにおいてフォトダイオード／増幅回路をパッケージ可能な、低消費電力増幅回路サブアセンブリを使用する、改善された光学的受信機を提供することである。

本発明の他の目的は、アナログＲＦ送信システムにおいて使用される非線形増幅回路における使用のための、歪み除去回路を提供することである。

本発明のさらに別の目的は、低電力消費での作動が可能な増幅回路を提供することにより、光学的受信機における熱放散を減少させることである。

本発明のさらに別の目的は、少なくとも第１及び第２ステージをもち、第２ステージにおける歪みは第１ステージの歪みとは逆方向である、トランスインピーダンス増幅回路を提供することである。

本発明のさらに別の目的は、内部的な歪みキャンセル作用を用いる集積回路手段による、ブロードバンドアナログＲＦ信号のための、より一般的に適用可能な増幅機能を提供することである。

２．本発明の特徴
一般用語で端的に言えば、本発明は、光信号をその光信号に関する変調された電気信号に変換するためのハウジングにおけるフォトダイオードサブアセンブリと、そのハウジングの中の増幅回路サブアセンブリとを含む、光ファイバからの光信号を含む情報の変換及び結合のための光学的受信機を提供する。

本発明の付加的な目的、利点、新規な特徴は、以下の詳細な説明を含む本開示、並びに本発明の実施から、当業者にとって明らかであろう。好ましい実施例について本発明が以下に記載される一方で、本発明はこれらに限定されるものではないと解すべきである。この教示に接した当業者であれば、ここで開示され、請求された本発明の範囲内であって本発明が有用性を有し得る他の分野において、付加的な適用、修正、及び、実施例を見出すであろう。

（図面についての概要説明）
本発明のこれら及び他の特徴は、次の添付図面を共に考慮しながら、後述する詳細な説明を参照することにより、より深く理解され、より完全に認識されるであろう。

図１は、先行技術に関する典型的な実施例における、光学的受信機／増幅回路の図式的な構造図である。

図２は、本発明に関する典型的な実施例における、光学的受信機／増幅回路の図式的な構造図である。

図３は、図１及び２における回路の代表的な出力電圧対入力電流特性を示している。図３の曲線（ａ）は、図１の先行技術回路の典型的な電圧対電流特性に対応するもので、入力電流の増加に伴って僅かに上向きに湾曲、線形性から変位して、図１の回路からの出力電圧が２次歪みを示す原因となっている。対照的に、図２に示した本発明にかかる回路の典型的な電圧対電流特性に関する、図３の曲線（ｂ）は、歪みを生じさせない線形的な電圧対電流特性を示している。

図４は、いくつかの温度での出力ソースフォロアＦＥＴ３におけるドレイン−ソース電流の関数としての、図２の回路で測定された歪み特性のグラフである。２次歪みを最小化し、温度の関数として変化する、最適なソースフォロアドレイン電流が存在することが分かる。

本発明の新規な特徴及び特性は、添付された特許請求の範囲に記載されている。しかしながら、本発明そのものは、他の特徴及びそれについての利点と同様に、具体的な実施例の詳細記述を、添付の図面と共に読み、参照することによって、最も良く理解できるであろう。

本発明の詳細について、これから、例示的な側面及びそれについての実施形態を含めて記載する。図面及び以下の記載を参照すると、同じ参照番号は、同じかあるいは機能的に類似の要素を表示するために使用されるもので、高度に簡略化された図表の手法を用いて典型的な実施形態の主要な特徴を説明するよう、意図されている。さらに、図面は、実際の実施形態の全特徴又は表現された要素の相対的な寸法を表現するようには意図されておらず、また、一定の比率で描かれてもいない。

各顧客の家庭内に置かれたアナログ光ＣＡＴＶ受信機を含む、新しいファイバ・トウ・ザ・ホーム（ＦＴＴＨ）の用途においては、ネットワークインタフェースハードウェアメーカ及びサービスプロバイダ（例えば電話又はケーブル事業会社）の側に、電力消費の低減及びより低廉なハードウェアコストに対する強い要望が存在する。このために、本発明は、ＴＯパッケージが十分可能な程の低電力消費であるにも関わらず苛酷な要求をするＣＡＴＶ仕様に十分見合う性能を伴った片線接地アナログＴＩＡのための新しい設計を与える。この設計のキーとなる特徴は内部の歪み除去にある。つまり、より後段の増幅ステージが、より前段のものとは逆となる歪み特性を有し、その結果、各ステージが個々に厳しい歪み要求を満たしたとすれば、結果として低歪みであるも関わらず高い電力消費を伴わない総合的な増幅回路がもたらされる。

本発明は、ＦＴＴＨシステムのアナログＣＡＴＶ部分のための前置増幅回路又は後置増幅回路の何れとしても使用可能な、低ノイズ、低歪み増幅回路を提供する。この増幅回路の低電力消費は、ＴＯキャン内で前置増幅回路をフォトダイオードと共にパッケージ可能であるという点で独特であり、それによって、入力静電容量を低減し、システム性能を改善するものである。低歪みは、入力ステージのものとは逆の歪み特性を伴い結果として歪みを除去する出力緩衝ステージを用いることにより、もたらされる。この出力ステージバイアス電流の温度補償は、性能を最適化するのに利用できる。本発明は、他のＦＴＴＨアナログ受信機の解決方法と比較して、ノイズ、歪み、電力消費、コストの点で競争的利点を与える。

本発明の図式的な構造図を図２に示す。これは、カスコード接続駆動ステージとして接続された最初の二つのトランジスタ（ＦＥＴ１及びＦＥＴ２）、及び、ソースフォロアとして接続された第３のトランジスタ（ＦＥＴ３）を伴った、３つのトランジスタから構成されている。この配置は、広帯域幅増幅回路として広く使用されており、例えば、Design and Applications of Analog Integrated Circuits, S. Soclof, Prentice Hall, Englewood Cliffs, NJ, 1991, P.664のような文献においても見られる。この回路は、入力に接続されたフォトダイオードＰＤ１、及び、入力と出力との間に接続された帰還抵抗Ｒ１を伴った、光学的受信機トランスインピーダンス増幅回路を形成する。使用されたトランジスタは、回路動作における３つの主要な要求である低ノイズ、高帯域幅、高い線形を備えた、ガリウムヒ素疑似ヘテロ接合電界効果トランジスタ（ＧａＡｓＰＨＥＭＴ、ＧａＡｓフェムト）デバイスである。

上記回路のＳＰＩＣＥによるシミュレーション中においては、歪み特性は、トランジスタ電流及び電圧バイアス状態に強く依存しているように見える。しかしながら、光バイアス状態においては、第２及び第３次歪みは共に非常に低い。関連する電力消費は、単一トランジスタＰＨＥＭＴ増幅回路をもつ類似の歪み作動のために要求されているものよりは遥かに低い。

出力ソースフォロアＦＥＴ３のための最適なドレイン−ソース電流を選択することによって２次歪みが最小化されるということが、シミュレーション及び実際の回路計測の両方から見いだされた。典型的な結果例を図４に示す。ここでは、２次歪み対ＦＥＴ３ドレイン−ソース電流の曲線が、４つの異なった温度についてプロットされている。それぞれのケースにおいて、２次歪みを最小にするドレイン−ソース電流の最適値が見出されている。この最小値は、ＦＥＴ３がＦＦＴ１及びＦＦＴ２の組み合わせによって導かれた歪みの逆である歪み特性を持っていることから生じ、この最適電流にて全体の歪みを最小化する相殺効果が生じるのである。図４に示した通り、最も低い歪みのための最適電流は温度の関数として変化する。それゆえ、回路バイアシングに対する温度補償を加えることによって、動作を最適化することが可能になる。図２では、この温度補償を遂行させるための方法が、素子Ｔｈｅｒｍｉｓｔｏｒ１をＦＥＴ３に並列に付加するものとして示されている。適切な抵抗値及び温度係数を持ったサーミスタが、特定の温度範囲の操作を通して受信機歪みを最小化させるために、この位置に使用される。温度制御された供給電圧Ｖ_dd又はＶ_ssの変化、ＦＥＴ１及びＦＥＴ２のドレイン−ソースバイアス電流について温度制御された変化も含めた、他の多くの温度補償手段も使用可能である。上述の各変化は、ＦＥＴ３のドレイン−ソース電流変化の直接的又は非直接的な効果を有し、全体的な受信機歪みを整調するために使用され得る。温度補償は、正又は負何れかの温度係数のサーミスタを使って、或いは、典型的には内蔵型ディジタルルックアップテーブルの利用により制御される温度依存性ディジタルポテンショメータを使うことによって、達成される。ダイオード又はディジタルマイクロコントローラの温度依存接合電圧を使うといった、他のよく知られた温度補償手段も利用可能である。

現在の製品と比較すると、上記回路の低電力消費によって、ＴＯキャン内にフォトダイオードと共にアナログＴＩＡをパッケージすることができ、与えられた電力消費に対するノイズ及び帯域幅効率を大幅に改善できる。

この、アナログトランスインピーダンス増幅回路としての用途に加えて、本発明は、ＲＦ増幅回路としても使用することができる。このように、ＦＴＴＨ ＣＡＴＶシステムのための後置増幅回路として機能し、高い線形及び低電力消費が要求されるＣＡＴＶ及び一般的なＲＦ適用の変形において、広く使用できる。

本発明に修正及び改善を加えることは、当業者にとって明らかであろう。従って、ここに記載し、説明した部品の具体的な組み合わせは、本発明のいくつかの実施形態を示すものに過ぎないということを意図するものであり、また、本発明の思想及び範囲内での代替的デバイスに関する制限として作用することを意図するものではない。

上述した要素の各々が、或いは、二又はそれ以上の要素が一緒になって、上述の類型とは異なる構造の他の類型においても、有益な用途を見出すであろうことが理解できよう。

本発明について、光通信ネットワークにおける光学的受信機のための増幅回路の実施例として説明し、言及してきたが、多くの修正及び構造的変更が本発明の趣旨を逸脱しない範囲において可能であるので、ここに示した項目に限定する意図ではない。

さらなる分析を要することなく、上述した事項により本発明の骨子が完全に明らかにされたので、当業者は、従来技術の観点から、現行の知識を適用することにより、本発明の一般的又は具体的側面における本質的性質を明確に構成する特徴を省くことなく、多くの適用に本発明を容易に適合させることができる。それゆえ、かかる適合は、後述する特許請求の範囲と同趣旨又は均等範囲内にあるものと理解されるべきであり、また、そのように意図される。

先行技術に関する典型的な実施例における光学的受信機／増幅回路の図式的な構造図。 本発明に関する典型的な実施例における光学的受信機／増幅回路の図式的な構造図。 図１及び２における回路の代表的な出力電圧対入力電流特性を説明する説明図。 図２の回路の測定された歪み特性を説明する説明図。

Claims (10)

1. 光ファイバ上にアナログ信号が送信される光通信システムにおける光学的受信機であって、
   光通信信号を受信するために外部光ファイバに結合された光検出器と、
   前記光検出器の電気的出力に結合され、第１及び第２のステージを有し、前記第２ステージにおける前記電流バイアスが、前記第１の増幅ステージにおいて生成される出力信号の歪みを最小化するように選択されたトランスインピーダンス増幅回路と、
   を含むことを特徴とする光学的受信機。
2. 前記アナログ信号は広帯域ＲＦ信号であることを特徴とする請求項１に記載の光学的受信機。
3. 前記増幅回路の第１のステージはカスコード増幅回路として接続された二つのトランジスタを含み、前記第２のステージはソースフォロアとして接続された第三のトランジスタを含むことを特徴とする請求項１に記載の光学的受信機。
4. 前記三つのトランジスタはガリウムヒ素疑似ヘテロ接合電界効果トランジスタ（ＧａＡｓＰＨＥＭＴ）デバイスであることを特徴とする請求項３に記載の光学的受信機。
5. 光通信システムにおいて使用される光学的受信機であって、
   光通信信号を受信するために受信機を外部光ファイバに結合する窓又は開口を含む一体化されたハウジングと、
   前記光信号を電気信号に変換するための前記ハウジング内の光検出器と、
   前記光検出器の電気的出力に結合された、前記ハウジング内のトランスインピーダンス増幅回路と、
   を含むことを特徴とする光学的受信機。
6. 前記光信号はアナログビデオ信号であることを特徴とする請求項５に記載の光学的受信機。
7. 前記ハウジングはＴＯのような低コストパッケージであり、外部回路に対する前記受信機の電気的接続のために複数のピンを備えうることを特徴とする請求項５に記載の光学的受信機。
8. 前記トランスインピーダンス増幅回路は、少なくとも第１及び第２のステージを含み、前記第１のステージにおける増幅過程において歪みが導入され前記第２のステージにおいて除去されることを特徴とする請求項５に記載の光学的受信機。
9. 前記増幅回路は、低ノイズ、高帯域幅、高線形性のトランジスタを利用することを特徴とする請求項５に記載の光学的受信機。
10. 第１のステージ及び第２のステージを備え、前記第１のステージで生成した歪みを前記第２のステージが最小化することを特徴とするトランスインピーダンス増幅回路。

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