JP2008147416A - アバランシェフォトダイオードのバイアス制御回路 - Google Patents

Abstract

【課題】周囲温度の変化、信号光にＤＣ成分が含まれ、またＤＣ成分のみであってもＡＰＤの増倍率を適正に制御する。
【解決手段】バイアス電圧出力手段１は、増倍バイアス電圧Ｖａと非増倍バイアス電圧Ｖｂとを出力する。第１のＡＰＤ３には、平滑手段２で平滑された電圧が印加され、信号光が入力される。第２のＡＰＤ４は、第１のＡＰＤ３と同一特性を備え、増倍バイアス電圧Ｖａと非増倍バイアス電圧Ｖｂとが印加され、信号光が入力される。増倍率算出手段６は、電流検出手段５で検出される、増倍バイアス電圧Ｖａが印加されたときに流れる増倍電流Ｉａと非増倍バイアス電圧Ｖｂが印加されたときに流れる非増倍電流Ｉｂとから、第２のＡＰＤ４の増倍率を算出する。制御手段７は、増倍率算出手段６の増倍率と設定された設定増倍率とに基づいて、バイアス電圧出力手段１の増倍バイアス電圧Ｖａを制御する。
【選択図】図１

Description

本発明はアバランシェフォトダイオードのバイアス制御回路に関し、特にアバランシェフォトダイオードの増倍率を一定に制御するアバランシェフォトダイオードのバイアス制御回路に関する。

ＡＰＤ（Avalanche Photo Diode）は、高いバイアス電圧下におけるキャリアのなだれ降伏を利用した光ダイオードであり増倍率を有する。ＡＰＤは、高感度受信を構築する光伝送装置の受信素子に用いられる。ＡＰＤ素子の増倍率は、バイアス電圧で制御されるが、温度変動を有しているため、環境温度の変化に応じて、バイアス電圧を制御する必要がある。

図１１は、ＡＰＤのバイアス制御回路のブロック構成図である。図に示すＡＰＤのバイアス制御回路のＡＰＤバイアス部１１１は、抵抗Ｒ１０１を介して、光受信部１００のＡＰＤ１０１にバイアス電圧を印加している。光受信部１００のＡＰＤ１０１には、伝送路１２１からの信号光が入力され、信号光に応じた光電流が流れる。ＴＩＡ（Transfer Impedance Amplifier）１０２は、ＡＰＤ１０１に流れる光電流を電圧値に変換し、後段の回路へと出力する。

ＡＰＤ１０１は、温度によって増倍率が変化する。そこで、ＡＰＤのバイアス制御回路では、温度センサ１１２によって周囲の温度をモニタし、ＡＰＤバイアス制御部１１３によって、ＡＰＤ１０１の増倍率が一定となるように、ＡＰＤバイアス部１１１のバイアス電圧をフィードフォワード制御する。

ＡＰＤバイアス制御部１１３は、例えば、ＡＰＤ１０１のメーカが提供する添付データに基づいて、温度に対するバイアス電圧の制御を行う。ＡＰＤ１０１の添付データには、例えば、２５℃時のブレークダウン電圧および１次の温度傾斜が示されている。

また、ＡＰＤの増倍率を一定に制御するバイアス電圧制御回路として、以下のような回路が提供されている（例えば、特許文献１参照）。この回路では、増倍作用を有する受光領域（ＡＰＤ素子中央部の限られた領域Ｐｓ）と、増倍作用を有しない受光領域（領域Ｐｓを囲むようにして形成された外周リング状の領域Ｐｍ）とで信号光を受光する。そして、ＴＩＡ出力をＨＰＦ（High Pass Filter）とＬＰＦ（Low Pass Filter）とに分岐し、ＨＰＦとＬＰＦの出力情報を演算して増倍作用を有しない受光領域で受光したモニタ信号を抽出し、このモニタ信号を基準に増倍率を一定制御する。
特開２００５−９３８３４号公報

ところで、ＡＰＤの添付データは、実際のＡＰＤとの間にずれが生じる。そのため、増倍率の一定制御にずれが生じるという問題点があった。
図１２は、ＡＰＤの添付データの例を示した図である。図の特性１３１は、ＡＰＤの温度に対するブレークダウン電圧（ＶＢ電圧）を示している。添付データでは、ＡＰＤのＶＢ電圧は、特性１３１に示すように一次曲線となっている。

しかし、実際のＡＰＤのＶＢ電圧は、特性１３２に示すように、添付データの特性１３１とずれる。そのため、特性１３１と特性１３２とのずれ１３３によって、バイアス電圧の制御にずれが生じ、温度変化に対する増倍率の一定制御にずれが生じる。

また、特許文献１では、伝送路からの入力光のＤＣ（Direct Current）成分が増加した場合、モニタ信号の精度が悪くなり、増倍率制御が不可能になる場合があるという問題点があった。また、ＤＣ光のみが入力された場合、ＨＰＦの出力情報が得られなくなり、増倍率制御が不能になるという問題点があった。

図１３は、信号光のＤＣ成分が増加した場合および信号光がＤＣ光のみの場合のバイアス電圧制御回路の動作を説明する図である。図の光入力信号は、伝送路から入力される信号光を示している。ＡＰＤ信号は、ＡＰＤの信号光の受光によって流れる電流を示している。また、図のＩｓは、領域Ｐｓで受光した電流成分を示し、Ｉｍは、領域Ｐｍで受光した電流成分を示す（モニタ信号）。Ｉｎｏは、両電流成分に含まれるノイズ成分を示している。

なお、領域Ｐｓは、特許文献１の図１の第１の受光領域Ｐｓに対応し、領域Ｐｍは、第２の受光領域Ｐｍに対応する。また、Ｉｓ，Ｉｍ，Ｉｎｏも、特許文献１の図４で説明されているＩｓ，Ｉｍ，Ｉｎｏに対応する。

ＡＰＤに図の１．に示すような信号光が入力されたとする。この場合、ＡＰＤでは、信号光の受光によって、１．のＡＰＤ信号の欄に示すような波形の電流（Ｉｓ＋Ｉｎｏ＋Ｉｍ）が流れる。ＨＰＦでは、Ｉｓ＋Ｉｎｏ＋Ｉｍの電流のうち、Ｉｓ＋Ｉｎｏの電流成分が検出される（Ｉｍは低域周波数のため遮断される）。ＬＰＦからは、Ｉｓ＋Ｉｎｏ＋Ｉｍが出力され、ＨＰＦの出力Ｉｓ＋Ｉｎｏを減算すれば、Ｉｍ成分を抽出できる。ＡＰＤの増倍率Ｍは、Ｍ＝（Ｉｓ＋Ｉｎｏ）／Ｉｍと算出できる。

ＡＰＤに図の２．に示すようなＤＣ成分の多い信号光が入力されたとする。この場合、ＡＰＤでは、信号光の受光によって、２．のＡＰＤ信号の欄に示すような波形の電流（Ｉｓ＋Ｉｎｏ＋Ｉｍ＋Ｉｄｃ）が流れる。なお、Ｉｄｃは、信号光のＤＣ成分による電流成分を示す。ＨＰＦでは、Ｉｓ＋Ｉｎｏ＋Ｉｍ＋Ｉｄｃの電流のうち、Ｉｓ＋Ｉｎｏの電流成分が検出される。ＬＰＦからは、Ｉｓ＋Ｉｎｏ＋Ｉｍ＋Ｉｄｃが出力され、ＨＰＦの出力Ｉｓ＋Ｉｎｏを減算すれば、ＩｍにＩｄｃが加算されたＩｍ＋Ｉｄｃが得られる。ＡＰＤの増倍率Ｍは、Ｍ＝（Ｉｓ＋Ｉｎｏ）／（Ｉｍ＋Ｉｄｃ）となり、Ｉｄｃの影響で、Ｍが小さく制御される。

ＡＰＤに図の３．に示すようなＤＣ成分のみの信号光が入力されたとする。この場合、ＡＰＤでは、信号光の受光によって、３．のＡＰＤ信号の欄に示すような波形の電流（Ｉｎｏ＋Ｉｍ＋Ｉｄｃ）が流れる。ＨＰＦでは、Ｉｓ成分がないためＩｎｏのみが検出される。ＬＰＦからは、Ｉｎｏ＋Ｉｍ＋Ｉｄｃが出力され、ＨＰＦの出力Ｉｎｏを減算すれば、Ｉｍ＋Ｉｄｃが得られる。ＡＰＤの増倍率Ｍは、Ｍ＝Ｉｎｏ／（Ｉｍ＋Ｉｄｃ）となり、信号光がＤＣ成分のみの場合、増倍率Ｍは、信号成分（Ｉｓ）による増倍率を示していないため、増倍率Ｍの制御が不能となる。

このように、信号光にＤＣ成分が多く含まれる場合、ＩｍにＩｄｃが加算（Ｉｍ＋Ｉｄｃ）され適正な増倍率の制御が行われなくなる。また、信号光がＤＣ成分のみの場合、増倍率Ｍを算出できず、適正な増倍率の制御が行われなくなる。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、周囲温度の変化に対しても、ＤＣ成分が含まれる信号光が受光される場合でも、また、ＤＣ成分のみの信号光が受光される場合でも、ＡＰＤの増倍率を適正に制御することができるＡＰＤのバイアス制御回路を提供することを目的とする。

本発明では上記問題を解決するために、図１に示すような増倍作用を有する増倍バイアス電圧Ｖａと増倍作用を有さない非増倍バイアス電圧Ｖｂとを出力するバイアス電圧出力手段１と、バイアス電圧出力手段１から出力される増倍バイアス電圧Ｖａと非増倍バイアス電圧Ｖｂとを平滑する平滑手段２と、平滑手段２によって平滑された増倍バイアス電圧Ｖａと非増倍バイアス電圧Ｖｂとの平滑電圧が印加され、信号光を入力する第１のＡＰＤ３と、バイアス電圧出力手段１から出力される増倍バイアス電圧Ｖａと非増倍バイアス電圧Ｖｂとが印加され、伝送路８の信号光が入力される、第１のＡＰＤ３と同一特性を備えた第２のＡＰＤ４と、第２のＡＰＤ４の増倍バイアス電圧Ｖａが印加されたときの信号光の受光により流れる増倍電流Ｉａと、非増倍バイアス電圧Ｖｂが印加されたときの信号光の受光により流れる非増倍電流Ｉｂとを検出する電流検出手段５と、電流検出手段５によって検出される増倍電流Ｉａと非増倍電流Ｉｂとから、第２のＡＰＤの増倍率を算出する増倍率算出手段６と、増倍率算出手段６によって算出された増倍率と設定された設定増倍率とに基づいて、バイアス電圧出力手段１の増倍バイアス電圧Ｖａを制御する制御手段７と、を有することを特徴とするＡＰＤのバイアス制御回路が提供される。

このようなＡＰＤのバイアス制御回路によれば、第１のＡＰＤ３と同一特性を備える第２のＡＰＤ４に、増倍作用を有する増倍バイアス電圧Ｖａと増倍作用を有さない非増倍バイアス電圧Ｖｂとを印加する。第１のＡＰＤ３には、増倍バイアス電圧Ｖａと非増倍バイアス電圧Ｖｂとを平滑した平滑電圧を印加する。そして、第２のＡＰＤ４に流れる増倍電流Ｉａと非増倍電流Ｉｂとから、第２のＡＰＤ４の増倍率を算出し、第２のＡＰＤ４の増倍率が設定増倍率となるように制御する。

本発明のＡＰＤのバイアス制御回路では、第１のＡＰＤと同一特性を有する第２のＡＰＤに、増倍バイアス電圧と非増倍バイアス電圧とを印加して増倍率を算出するようにした。これによって、周囲温度の変化に対しても、第１のＡＰＤの増倍率を適正に制御することができ、信号光にＤＣ成分が多く含まれても、また、ＤＣ成分のみであっても、第１のＡＰＤの増倍率を適正に制御することができる。

以下、本発明の原理を図面を参照して詳細に説明する。
図１は、ＡＰＤのバイアス制御回路の概要を示した図である。図に示すようにＡＰＤのバイアス制御回路は、バイアス電圧出力手段１、平滑手段２、第１のＡＰＤ３、第２のＡＰＤ４、電流検出手段５、増倍率算出手段６、制御手段７、およびＴＩＡ９を有している。第１のＡＰＤ３、第２のＡＰＤ４、およびＴＩＡ９は、光受信部を構成している。

バイアス電圧出力手段１は、第１のＡＰＤ３と第２のＡＰＤ４とが増倍作用を有する増倍バイアス電圧Ｖａと、増倍作用を有さない非増倍バイアス電圧Ｖｂとを出力する。具体的には、増倍バイアス電圧Ｖａは、増倍率が１より大きくなる電圧であり、非増倍バイアス電圧Ｖｂは、増倍率が１となる電圧である。

平滑手段２は、バイアス電圧出力手段１から出力される増倍バイアス電圧Ｖａと非増倍バイアス電圧Ｖｂとを平滑した平滑電圧を出力する。平滑手段２は、例えば、ＬＰＦであり、図に示すように平滑電圧が増倍バイアス電圧Ｖａとなるように平滑する。

第１のＡＰＤ３は、平滑手段２から出力される平滑電圧（増倍バイアス電圧Ｖａ）が印加され、伝送路８からの信号光が入力される。
第２のＡＰＤ４は、バイアス電圧出力手段１から出力される増倍バイアス電圧Ｖａと非増倍バイアス電圧Ｖｂとが印加され、伝送路８の信号光が入力される。第２のＡＰＤ４は、第１のＡＰＤ３と同一特性を備えている。

電流検出手段５は、第２のＡＰＤ４の増倍バイアス電圧Ｖａが印加されたときの信号光の受光により流れる増倍電流Ｉａと、第２のＡＰＤ４の非増倍バイアス電圧Ｖｂが印加されたときの信号光の受光により流れる非増倍電流Ｉｂとを検出する。

増倍率算出手段６は、電流検出手段５によって検出される増倍電流Ｉａと、非増倍電流Ｉｂとから、第２のＡＰＤ４の増倍率を算出する。具体的には、増倍電流Ｉａ（増倍率Ｍに対応する電流）を非増倍電流Ｉｂ（増倍率１に対応する電流）で除算して、増倍率（Ｍ）を算出する。

制御手段７は、増倍率算出手段６によって算出された増倍率と、設定された設定増倍率とに基づいて、バイアス電圧出力手段１の増倍バイアス電圧Ｖａを制御する。具体的には、増倍率算出手段６によって算出された増倍率が、設定された設定増倍率以下の場合、増倍バイアス電圧Ｖａを上げるように制御する。増倍率算出手段６によって算出された増倍率が、設定された設定増倍率より大きい場合、増倍バイアス電圧Ｖａを下げるように制御する。このように、増倍バイアス電圧Ｖａを制御して、第１のＡＰＤ３の増倍率が設定された設定増倍率となるように制御する。

電流電圧変換９は、第１のＡＰＤ３の信号光の受光によって流れる電流を電圧変換し、後段の回路へと出力する。
このように、ＡＰＤのバイアス制御回路は、第１のＡＰＤ３と同一特性を備える第２のＡＰＤ４を用いて、第１のＡＰＤ３の増倍率を算出する。このとき、ＡＰＤのバイアス制御回路は、第２のＡＰＤ４に、増倍作用を有する増倍バイアス電圧Ｖａと、増倍率１の非増倍バイアス電圧Ｖｂとを印加し、第２のＡＰＤ４の信号光の受光によって流れる増倍電流Ｉａと、非増倍電流Ｉｂとから第１のＡＰＤ３の増倍率を求める。

ここで、増倍率１のときの第１のＡＰＤ３と第２のＡＰＤ４の増倍率は、以下で説明するが温度依存しない。従って、増倍率算出手段６は、温度依存しない増倍率１に対応する電流Ｉｂと、温度依存する増倍率Ｍに対応する電流Ｉａとから、周囲の温度変化に応じた増倍率（Ｍ＝Ｉａ／Ｉｂ）を算出する。

これによって、ＡＰＤのバイアス制御回路は、周囲の温度変化に応じた、第１のＡＰＤ３の増倍率を制御することができる。
また、信号光にＤＣ成分が含まれ、また、信号光がＤＣ成分のみであっても、第２のＡＰＤ４に、増倍作用を有する増倍バイアス電圧Ｖａと、増倍率が１の非増倍バイアス電圧Ｖｂとを印加するので、第２のＡＰＤ４には、増倍電流Ｉａと非増倍電流Ｉｂとが流れる。

これによって、信号光にＤＣ成分が含まれ、また、信号光がＤＣ成分のみであっても、第１のＡＰＤ３の増倍率を求めることができ、第１のＡＰＤ３の増倍率を適正に制御することができる。

次に、本発明の第１の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
図２は、第１の実施の形態に係るＡＰＤのバイアス制御回路を示した図である。ＡＰＤのバイアス制御回路は、ＡＰＤバイアス部１１、平滑回路１２、電流モニタ回路１３、Ｍ算出部１４、Ｍ設定部１５、Ｍ比較部１６および光受信部２０を有している。

光受信部２０は、ＡＰＤ２１、モニタ用ＡＰＤ２２、およびＴＩＡ２３を有している。ＡＰＤ２１とモニタ用ＡＰＤ２２には、伝送路３１からの信号光が入力される。ＡＰＤ２１とモニタ用ＡＰＤ２２は、ＶＢ電圧が同一特性のものを使用する。同一ウェハ内の近隣形成されたＡＰＤまたは同一ロット内のＡＰＤを用いることで、同一特性のＡＰＤ２１とモニタ用ＡＰＤ２２とを得ることができる。ＴＩＡ２３は、ＡＰＤ２１の信号光の受光によって流れる電流を電圧変換し、後段の回路へと出力する。

ＡＰＤバイアス部１１は、バイアス電圧Ｖ１とバイアス電圧ＶＭとの２値で変調されたバイアス電圧を出力する。例えば、図に示すようにバイアス電圧Ｖ１とバイアス電圧ＶＭのパルス電圧を出力する。バイアス電圧Ｖ１，ＶＭは、平滑回路１２と電流モニタ回路１３とに出力される。

ＡＰＤバイアス部１１から出力される変調信号の周波数は、信号光（主信号）に対して十分低い周波数にする。例えば、ＡＰＤ２１で受信する信号光が１０Ｇｂ／ｓとすると、変調信号の周波数は、１ＭＨｚとする。信号光に対してモニタ用ＡＰＤ２２の変調信号の周波数を十分抑えないと、モニタ用ＡＰＤ２２の変調信号がＡＰＤ２１側に漏れ込み、受信感度劣化やＡＬＭ特性劣化を引き起こすからである。

バイアス電圧Ｖ１は、ＡＰＤ２１とモニタ用ＡＰＤ２２とが増倍作用を有さない電圧である（増倍率１）。バイアス電圧ＶＭは、ＡＰＤ２１とモニタ用ＡＰＤ２２とが増倍作用を有する電圧である（増倍率Ｍ）。

平滑回路１２は、ＡＰＤバイアス部１１から出力されるバイアス電圧Ｖ１，ＶＭを平滑化し、ＡＰＤ２１に印加する。平滑回路１２は、図に示すようにバイアス電圧ＶＭとなるようにバイアス電圧Ｖ１，ＶＭを平滑化する。従って、ＡＰＤ２１は、増倍率Ｍを有することになる。

電流モニタ回路１３は、ＡＰＤバイアス部１１から出力されるバイアス電圧Ｖ１，ＶＭをそのままモニタ用ＡＰＤ２２に印加する。従って、モニタ用ＡＰＤ２２は、バイアス電圧Ｖ１が印加されたとき、増倍率が１となり、バイアス電圧ＶＭが印加されたとき、増倍率がＭとなる。よって、モニタ用ＡＰＤ２２は、バイアス電圧ＶＭが印加されたとき、ＡＰＤ２１と同じ増倍率Ｍを持つことになる。

モニタ用ＡＰＤ２２には、ＡＰＤ２１と同様に、伝送路３１からの信号光が入力される。従って、モニタ用ＡＰＤ２２と接続されている電流モニタ回路１３には、バイアス電圧Ｖ１が印加されたときの信号光に対する電流Ｉ１と、バイアス電圧ＶＭが印加されたときの信号光に対する電流ＩＭとが流れる。例えば、図に示すように、電流Ｉ１と電流ＩＭのパルス状のモニタ電流が電流モニタ回路１３に流れる。電流モニタ回路１３は、このモニタ電流をモニタし、Ｍ算出部１４へ出力する。

なお、ＡＰＤ２１の信号光の受光によって流れる電流は、モニタ用ＡＰＤ２２に流れる電流ＩＭと同じである。同じバイアス電圧ＶＭが印加されるからである。モニタ用ＡＰＤ２２は、前述したようにＡＰＤ２１と同一特性であるので、温度によってＡＰＤ２１に流れる電流が変化すると、モニタ用ＡＰＤ２２の電流ＩＭも同様に変化する。

Ｍ算出部１４は、電流モニタ回路１３によってモニタされた電流Ｉ１，ＩＭによって、モニタ用ＡＰＤ２２の増倍率を算出する。電流ＩＭは、前述したようにバイアス電圧ＶＭのときの電流値であり、電流Ｉ１は、バイアス電圧Ｖ１（増倍率１）のときの電流値である。従って、増倍率Ｍは、Ｍ＝ＩＭ／Ｉ１で算出することができる。ＡＰＤ２１には、モニタ用ＡＰＤ２２と同じバイアス電圧ＶＭが印加されており、Ｍ算出部１４で算出した増倍率は、ＡＰＤ２１の増倍率でもある。Ｍ算出部１４で算出された増倍率は、Ｍ比較部１６に出力される。

Ｍ設定部１５は、ＡＰＤ２１に設定する増倍率が設定される。Ｍ設定部１５に設定される増倍率は、Ｍ比較部１６に出力される。
Ｍ比較部１６は、Ｍ算出部１４で算出された増倍率と、Ｍ設定部１５に設定された増倍率とを比較する。Ｍ比較部１６は、比較結果に基づいて、ＡＰＤバイアス部１１のバイアス電圧ＶＭを制御する。

例えば、Ｍ算出部１４の増倍率（モニタ用ＡＰＤ２２の実測の増倍率）が、温度変化によってＭ設定部１５で設定した増倍率より大きくなったとする。この場合、Ｍ比較部１６は、ＡＰＤバイアス部１１のバイアス電圧ＶＭを小さくなるように制御する。また、Ｍ算出部１４の増倍率が、温度変化によってＭ設定部１５で設定した増倍率より小さくなったとする。この場合、Ｍ比較部１６は、ＡＰＤバイアス部１１のバイアス電圧ＶＭを大きくなるように制御する。これにより、ＡＰＤ２１の増倍率は、Ｍ設定部１５に設定された増倍率になるよう一定に保たれる。

なお、Ｍ算出部１４とＭ比較部１６は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）によって構成される。Ｍ設定部１５は、例えば、メモリによって構成される。
図３は、バイアス電圧と増倍率の関係を説明する図である。図には、ＡＰＤに印加するバイアス電圧と、各温度（１０℃，２５℃，７０℃，８５℃）における増倍率との関係が示してある。

図に示すようにＡＰＤは、増倍率が１の範囲では、その温度依存性が極めて小さい。図３の例では、バイアス電圧が約４Ｖから約１１Ｖの間では、温度に関係なくＡＰＤの増倍率は１となる。増倍率が大きくなるとＡＰＤの温度依存性も大きくなり、増倍率にばらつきが生じる。例えば、ＡＰＤの増倍率を１０にするには、１０℃の場合、バイアス電圧を約２４Ｖ、２５℃の場合、バイアス電圧を約２６Ｖにする必要がある。

ＡＰＤバイアス部１１は、増倍率が１となるバイアス電圧Ｖ１を出力する。図３の例では、４Ｖから１１Ｖの範囲内となるバイアス電圧Ｖ１を出力する。具体的には、７．５Ｖのバイアス電圧Ｖ１を出力する。

一方、バイアス電圧ＶＭは、モニタ用ＡＰＤ２２の増倍率がＭ設定部１５に設定される増倍率となるように、Ｍ比較部１６によって制御される。ここで、モニタ用ＡＰＤ２２の増倍率は、モニタ用ＡＰＤ２２に流れる電流Ｉ１，ＩＭから、次の式（１）により求めることができる。

Ｍ＝ＩＭ／Ｉ１…（１）
増倍率１（バイアス電圧Ｖ１）に対応する電流Ｉ１は、温度依存性を持たない。増倍率Ｍ（バイアス電圧ＶＭ）に対応する電流ＩＭは、温度依存性を持つ。よって、Ｍ比較部１６は、式（１）で算出されるモニタ用ＡＰＤ２２の実測の増倍率に基づいて、バイアス電圧ＶＭを制御することになる。

すなわち、図２のＡＰＤのバイアス制御回路では、ＡＰＤ２１の添付データを用いず、ＡＰＤ２１と同じ特性を備えたモニタ用ＡＰＤ２２の増倍率に基づいてバイアス電圧を制御するので、周囲の温度変化に対しても、ＡＰＤ２１の増倍率を適正に制御することができる。

また、モニタ用ＡＰＤ２２に、変調したバイアス電圧Ｖ１，ＶＭを印加するので、信号光のＤＣ成分が増加した場合や、ＤＣ光のみがＡＰＤ２１に入力された場合でも、電流Ｉ１，ＩＭが流れ、式（１）よりＡＰＤ２１の増倍率を求めることができる。

図４は、ＡＰＤの増倍率と信号光の光強度との関係を説明する図である。図には光強度が異なる２つの信号光におけるモニタ用ＡＰＤ２２の電流Ｉ１１，ＩＭ１１と電流Ｉ１２，ＩＭ１２とが示してある。バイアス電圧Ｖ１，ＶＭが一定ならば、信号光の光強度が異なっても、電流Ｉ１１，ＩＭ１１の比と、電流Ｉ１２，ＩＭ１２の比は同じである。すなわち、信号光の光強度が異なっても、増倍率は変わらない。これは、光信号の光強度が変化すると、それに応じて電流Ｉ１１，ＩＭ１１の両方が変化し、その比が変わらないからである。

図５は、平滑回路の詳細を示した図である。図には、平滑回路１２とともに図２で示したＡＰＤバイアス部１１、ＡＰＤ２１、およびＴＩＡ２３が示してある。平滑回路１２は、構成しやすいＲＣ回路であり、抵抗Ｒ１およびコンデンサＣ１のＬＰＦによって構成されている。

ＡＰＤバイアス部１１から出力されるバイアス電圧Ｖ１，ＶＭのパルス信号の周波数を１ＭＨｚとする。この場合、パルス信号をバイアス電圧ＶＭに平滑するために、平滑回路１２の遮断周波数は、５０Ｈｚ程度に設定する。

パルス信号のパルスを限りなく除去し、バイアス電圧ＶＭに平滑するには、ＲＣ定数を大きくすればよいが、搭載面積、各部品の耐圧の関係から、例えば、抵抗Ｒ１を３ｋΩ、コンデンサＣ１を１μＦ程度に設定するのが好ましい。

平滑回路１２でパルス信号を平滑すると、ｅｘｐ（−ｔ／ＲＣ）に沿った緩やかな放電カーブを描く。Ｒ１＝３ｋΩ、Ｃ＝１μＦでは、ｅｘｐ（−ｔ／ＲＣ）＝０．９９９７となる。すなわち、平滑回路１２によるバイアス電圧ＶＭの変動は、±０．０３％程度に抑制される。これを、以下の式（２）を用いて、増倍率の変動に換算すると、平滑回路１２による増倍率の変動は、０．０７％程度内に収まる。つまり、ＡＰＤ２１には、平滑回路１２の影響が無視できるレベルで、バイアス電圧ＶＭが印加される。

Ｍ＝１／｛１−（ＶＡＰＤ／ＶＢ）ⁿ｝…（２）
なお、ＶＡＰＤはＡＰＤのバイアス電圧、ＶＢはＡＰＤのブレークダウン電圧、ｎはフィッティング係数（ｎ＝１．２）を示す。

図６は、バイアス電圧の平滑による増倍率の誤差を示した図である。図の横軸は、目標とする増倍率を示す。縦軸は、バイアス電圧Ｖ１，ＶＭを平滑回路１２で平滑したときのＡＰＤ２１の増倍率を示している。すなわち、図６は、バイアス電圧Ｖ１，ＶＭを平滑回路１２で平滑したときの増倍率の影響を示している。

例えば、横軸の増倍率が１０（目標とする増倍率が１０）ならば、縦軸の増倍率も１０（平滑回路１２によってバイアス電圧Ｖ１，ＶＭを平滑したときのＡＰＤ２１の増倍率も１０）であることが望ましい。

上述したように、平滑回路１２の抵抗Ｒ１が３ｋΩ、コンデンサＣ１が１μＦの場合、ＡＰＤ２１に印加するバイアス電圧ＶＭの変動は、±０．０３％程度である。そして、このバイアス電圧ＶＭの変動による増倍率の変動は、±０．０７％程度である。

図６には、バイアス電圧ＶＭが＋０．０３％変動した場合の増倍率の誤差の関係と、バイアス電圧ＶＭが−０．０３％変動した場合の増倍率の誤差の関係と、増倍率の理想の関係とが示してある。図に示すように、ＡＰＤ２１に印加するバイアス電圧Ｖ１，ＶＭを、抵抗Ｒ１が３ｋΩ、コンデンサＣ１が１μＦの平滑回路１２で平滑しても、増倍率は、理想の増倍率とほぼ重なることが分かる。

図７は、信号光のＤＣ成分が増加した場合および信号光がＤＣ光のみの場合のバイアス電圧制御回路の動作を説明する図である。図の光入力信号は、伝送路から入力される信号光を示している。ＡＰＤ信号は、モニタ用ＡＰＤ２２の信号光の受光によって流れる電流を示している。電流ＩＭは、モニタ用ＡＰＤ２２のバイアス電圧ＶＭが印加されたときの、信号光の受光により流れる電流を示し、電流Ｉ１は、モニタ用ＡＰＤ２２のバイアス電圧Ｖ１が印加されたときの、信号光の受光により流れる電流を示している。

モニタ用ＡＰＤ２２に図の１．に示すような信号光が入力されたとする。この場合、モニタ用ＡＰＤ２２では、信号光の受光によって、１．のＡＰＤ信号の欄に示すような波形の電流が流れる。

ここで、電流Ｉ１は、前述したようにバイアス電圧Ｖ１のときに流れる電流である。バイアス電圧Ｖ１は、モニタ用ＡＰＤ２２の増倍率が１となる電圧である。つまり、電流Ｉ１は、増倍率１に対応した電流であり、かつ、温度依存しない電流である。

一方、電流ＩＭは、バイアス電圧ＶＭのときに流れる、増倍率Ｍに対応した電流であり、モニタ用ＡＰＤ２２の温度変化に応じて変化する。
従って、電流ＩＭを電流Ｉ１で除算して求まる増倍率Ｍ（Ｍ＝ＩＭ／Ｉ１）は、モニタ用ＡＰＤ２２の温度変化に応じて変化する実際の増倍率を表している（モニタ用ＡＰＤ２２の実測増倍率）。そして、モニタ用ＡＰＤ２２は、ＡＰＤ２１と同一特性を有しており、モニタ用ＡＰＤ２２から求まる実測増倍率は、ＡＰＤ２１の実際の増倍率を表している。よって、モニタ用ＡＰＤ２２の実測増倍率を、Ｍ設定部１５に設定される増倍率となるように制御することにより、周囲の温度変化に対しても、ＡＰＤ２１の適正な増倍率の制御を行うことができる。

モニタ用ＡＰＤ２２に図の２．に示すようなＤＣ成分の多い信号光が入力されたとする。この場合であっても、ＤＣ成分の光の大小に関わらず、バイアス電圧Ｖ１が印加されたときの電流Ｉ１と、バイアス電圧ＶＭが印加されたときの電流ＩＭとから増倍率Ｍ（Ｍ＝ＩＭ／Ｉ１）が求まる。

モニタ用ＡＰＤ２２に図の３．に示すようなＤＣ成分のみの信号光が入力されたとする。この場合であっても、バイアス電圧Ｖ１が印加されたときの電流Ｉ１と、バイアス電圧ＶＭが印加されたときの電流ＩＭとが流れるので、電流Ｉ１，ＩＭから増倍率Ｍ（Ｍ＝ＩＭ／Ｉ１）を求めることができる。

このように、ＡＰＤのバイアス制御回路は、ＡＰＤ２１と同一特性を備えるモニタ用ＡＰＤ２２を用いて、ＡＰＤ２１の増倍率を算出する。このとき、ＡＰＤのバイアス制御回路は、モニタ用ＡＰＤ２２に、増倍率がＭとなるバイアス電圧ＶＭと、増倍率が１となるバイアス電圧Ｖ１との変調電圧を印加して、モニタ用ＡＰＤ２２に流れる、増倍率Ｍに対応した電流ＩＭと、増倍率１に対応した電流Ｉ１とから、ＡＰＤ２１の増倍率を求める。

ここで、増倍率１のときのＡＰＤ２１とモニタ用ＡＰＤ２２の増倍率は、図３で説明したように温度依存しない。従って、Ｍ算出部１４は、温度依存しない増倍率１に対応する電流Ｉ１と、温度依存する増倍率Ｍに対応する電流ＩＭとから、周囲の温度変化に応じた増倍率（Ｍ＝ＩＭ／Ｉ１）を算出する。

これによって、ＡＰＤのバイアス制御回路は、周囲の温度変化に応じた、ＡＰＤ２１の増倍率を制御することができる。
また、信号光にＤＣ成分が含まれ、また、信号光がＤＣ成分のみであっても、モニタ用ＡＰＤ２２にバイアス電圧ＶＭとバイアス電圧Ｖ１を印加するので、モニタ用ＡＰＤ２２には、増倍率Ｍに対応した電流ＩＭと、増倍率１に対応した電流Ｉ１とが流れる。

これによって、信号光にＤＣ成分が含まれ、また、信号光がＤＣ成分のみであっても、ＡＰＤ２１の増倍率（Ｍ＝ＩＭ／Ｉ１）を求めることができ、ＡＰＤ２１の増倍率を適正に制御することができる。

さらに、ＡＰＤ２１の増倍率を同一特性のモニタ用ＡＰＤ２２で実測して制御することにより、ＡＰＤ２１の添付データとＡＰＤ２１の実際の増倍率とのずれが発生せず、受信感度特性の劣化やＡＬＭの発生等に影響を与えることがない。

次に、本発明の第２の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。第２の実施の形態では、信号光の光強度に応じて、設定すべき増倍率を変える。例えば、信号光の光強度が小さければ、設定すべき増倍率が大きくなるようにし、信号光の光強度が大きければ、設定すべき増倍率が小さくなるようにする。

図８は、第２の実施の形態に係るＡＰＤのバイアス制御回路を示した図である。図２と同じものには同じ符号を付し、その説明を省略する。
図８では、パワーモニタ部４１が設けられている。パワーモニタ部４１は、電流モニタ回路１３によってモニタされている電流Ｉ１に基づいて、モニタ用ＡＰＤ２２（ＡＰＤ２１）で受光されている信号光の光強度を検出する。

図８のＭ設定部４２は、入力される信号光の光強度に対する、設定すべき増倍率を記憶した設定増倍率テーブルを有している。Ｍ設定部４２は、パワーモニタ部４１によって検出された光強度に対応する増倍率を、設定増倍率テーブルに基づいて取得し、Ｍ比較部１６に出力する。

図９は、設定増倍率テーブルの例を示した図である。図の横軸は、ＡＰＤ２１（モニタ用ＡＰＤ２２）に入力される信号光の光強度を示している。縦軸は、設定すべき増倍率を示している。

例えば、パワーモニタ部４１が、電流Ｉ１に基づいてＡＰＤ２１に入力される信号光の光強度を−２２ｄＢｍと検出したとする。この場合、Ｍ設定部４２は、図の設定増倍率テーブルより、設定すべき増倍率として、増倍率１０を取得する。Ｍ比較部１６は、Ｍ算出部１４から出力される実測の増倍率と、Ｍ設定部４２から出力される増倍率とを比較し、比較結果に基づいて、ＡＰＤバイアス部１１のバイアス電圧ＶＭを制御する。

パワーモニタ部４１は、次の式（３）に基づいて、電流Ｉ１から光強度Ｐｉｎ_(AVR.)を算出する。
Ｉ_APD(AVR.)＝｛（ｅ・λ）／（ｈ・ｃ）｝×η×Ｍ×Ｐｉｎ_(AVR.)…（３）
なお、Ｉ_APD(AVR.)［Ａ］は、ＡＰＤ２１（モニタ用ＡＰＤ２２）に流れる光電流平均値（パワーモニタ部４１によって検出される電流Ｉ１の平均値）、ｅ［Ｃ］は、素電荷（１．６０Ｅ−１９）、λ［ｍ］は、ＡＰＤ２１の入力波長（１．５６Ｅ−０６）、ｈ［Ｊ＊ｓ］は、プランク定数（６．６３Ｅ−３４）、ｃ［ｍ／ｓ］は、光速（３．００Ｅ＋０８）、ηは、ＡＰＤ２１の量子効率（０．６）、Ｍは、ＡＰＤ２１の増倍率（１）、Ｐｉｎ_(AVR.)［Ｗ］は、ＡＰＤの入力光電力の平均（光強度）である。

図１０は、バイアス電圧制御を示したフローチャートである。図８に示したＡＰＤのバイアス制御回路は、以下のステップに従って、バイアス電圧ＶＭを制御する。
［ステップＳ１］電流モニタ回路１３は、モニタ用ＡＰＤ２２の信号光の受光によって流れるモニタ電流信号（電流Ｉ１，ＩＭ）を入力する。

［ステップＳ２］電流モニタ回路１３は、入力したモニタ電流信号から電流Ｉ１，ＩＭを抽出する。
［ステップＳ３］パワーモニタ部４１は、電流モニタ回路１３によって抽出された電流Ｉ１に基づいて、ＡＰＤ２１で受光されている信号光の光強度を算出する。具体的には、上述した式（３）を用いて信号光の光強度を算出する。

［ステップＳ４］Ｍ設定部４２は、例えば、図９に示した設定増倍率テーブルを参照し、パワーモニタ部４１によって算出された光強度に対応する増倍率（設定増倍率）を取得する。

［ステップＳ５］Ｍ算出部１４は、電流モニタ回路１３によって抽出された電流Ｉ１，ＩＭから、モニタ用ＡＰＤ２２の実測の増倍率を算出する。
［ステップＳ６］Ｍ比較部１６は、Ｍ算出部１４で算出されたモニタ用ＡＰＤ２２の実測の増倍率と、Ｍ設定部４２で取得された設定増倍率とを比較する。

［ステップＳ７］Ｍ比較部１６は、比較結果に基づいて、ＡＰＤバイアス部１１のバイアス電圧ＶＭを制御する。例えば、Ｍ比較部１６は、実測の増倍率が設定増倍率以下であれば、バイアス電圧ＶＭを上げるように制御する。実測の増倍率が設定増倍率より大きければ、バイアス電圧ＶＭを下げるように制御する。

このように、ＡＰＤのバイアス制御回路は、設定増倍率テーブルを参照し、入力される信号光に応じた設定すべき増倍率を取得するので、入力される信号光の光強度に応じた増倍率の設定が可能になる。

また、従来では、光強度をモニタする回路は、増倍率を換算する補正が必要であったが、図８のＡＰＤのバイアス制御回路では、増倍率１の電流Ｉ１から光強度を算出するので、増倍率を換算することなく光強度を取得できる。

ＡＰＤのバイアス制御回路の概要を示した図である。 第１の実施の形態に係るＡＰＤのバイアス制御回路を示した図である。 バイアス電圧と増倍率の関係を説明する図である。 ＡＰＤの増倍率と信号光の光強度との関係を説明する図である。 平滑回路の詳細を示した図である。 バイアス電圧の平滑による増倍率の誤差を示した図である。 信号光のＤＣ成分が増加した場合および信号光がＤＣ光のみの場合のバイアス電圧制御回路の動作を説明する図である。 第２の実施の形態に係るＡＰＤのバイアス制御回路を示した図である。 設定増倍率テーブルの例を示した図である。 バイアス電圧制御を示したフローチャートである。 ＡＰＤのバイアス制御回路のブロック構成図である。 ＡＰＤの添付データの例を示した図である。 信号光のＤＣ成分が増加した場合および信号光がＤＣ光のみの場合のバイアス電圧制御回路の動作を説明する図である。

符号の説明

１ バイアス電圧出力手段
２ 平滑手段
３ 第１のＡＰＤ
４ 第２のＡＰＤ
５ 電流検出手段
６ 増倍率算出手段
７ 制御手段
８ 伝送路
９ ＴＩＡ

Claims (10)

1. 増倍作用を有する増倍バイアス電圧と前記増倍作用を有さない非増倍バイアス電圧とを出力するバイアス電圧出力手段と、
   前記バイアス電圧出力手段から出力される前記増倍バイアス電圧と前記非増倍バイアス電圧とを平滑する平滑手段と、
   前記平滑手段によって平滑された前記増倍バイアス電圧と前記非増倍バイアス電圧との平滑電圧が印加され、信号光を入力する第１のアバランシェフォトダイオードと、
   前記バイアス電圧出力手段から出力される前記増倍バイアス電圧と前記非増倍バイアス電圧とが印加され、前記伝送路の前記信号光が入力される、前記第１のアバランシェフォトダイオードと同一特性を備えた第２のアバランシェフォトダイオードと、
   前記第２のアバランシェフォトダイオードの前記増倍バイアス電圧が印加されたときの前記信号光の受光により流れる増倍電流と、前記非増倍バイアス電圧が印加されたときの前記信号光の受光により流れる非増倍電流とを検出する電流検出手段と、
   前記電流検出手段によって検出される前記増倍電流と前記非増倍電流とから、前記第２のアバランシェフォトダイオードの前記増倍率を算出する増倍率算出手段と、
   前記増倍率算出手段によって算出された前記増倍率と設定された設定増倍率とに基づいて、前記バイアス電圧出力手段の前記増倍バイアス電圧を制御する制御手段と、
   を有することを特徴とするアバランシェフォトダイオードのバイアス制御回路。
2. 前記平滑手段は、前記平滑電圧が前記増倍バイアス電圧となるように、前記増倍バイアス電圧と前記非増倍バイアス電圧とを平滑することを特徴とする請求項１記載のアバランシェフォトダイオードのバイアス制御回路。
3. 前記平滑回路は、抵抗とコンデンサとによって構成されたローパスフィルタであることを特徴とする請求項１記載のアバランシェフォトダイオードのバイアス制御回路。
4. 前記非増倍電流から、前記第２のアバランシェフォトダイオードに入力される前記信号光の光強度を算出する光強度算出手段と、
   前記光強度に対応した前記設定増倍率を記憶した設定増倍率記憶手段と、
   前記光強度算出手段によって算出された前記光強度に対応する前記設定増倍率を取得する設定増倍率取得手段と、
   をさらに有することを特徴とする請求項１記載のアバランシェフォトダイオードのバイアス制御回路。
5. 前記制御手段は、前記増倍率算出手段によって算出された前記増倍率と、前記設定増倍率取得手段によって取得された前記設定増倍率とに基づいて、前記バイアス電圧出力手段の前記増倍バイアス電圧を制御することを特徴とする請求項４記載のアバランシェフォトダイオードのバイアス制御回路。
6. 前記第１のアバランシェフォトダイオードと前記第２のアバランシェフォトダイオードとは、同一ウェハ内で近隣形成されたものであることを特徴とする請求項１記載のアバランシェフォトダイオードのバイアス制御回路。
7. 前記第１のアバランシェフォトダイオードと前記第２のアバランシェフォトダイオードとは、同一ロット内で製造されたものであることを特徴とする請求項１記載のアバランシェフォトダイオードのバイアス制御回路。
8. 前記バイアス電圧出力手段が出力する前記増倍バイアス電圧と前記非増倍バイアス電圧との周波数は、前記信号光の周波数より低いことを特徴とする請求項１記載のアバランシェフォトダイオードのバイアス制御回路。
9. 前記増倍率算出手段は、前記増倍電流を前記非増倍電流で除算して前記第２のアバランシェフォトダイオードの前記増倍率を算出することを特徴とする請求項１記載のアバランシェフォトダイオードのバイアス制御回路。
10. 前記第１のアバランシェフォトダイオードに流れる電流を電圧変換して出力する電流電圧変換手段を有することを特徴とする請求項１記載のアバランシェフォトダイオードのバイアス制御回路。

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