JP2008270558A - 光受信モジュールの調整方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＡＰＤを用いた光受信モジュールの調整の精度を向上させること。
【解決手段】この光受信モジュールの調整方法は、光受信モジュール１により光ファイバＦから光信号Ｏ_ｉｎを受信させる第１ステップと、ＡＰＤ２を電流の増倍係数Ｍが１のＰＩＮ−ＰＤモードで動作させるための逆バイアス電圧Ｖ_ａｐｄ１を該ＡＰＤ２に印加する第２ステップと、第２ステップにおいて出力された出力電流Ｉ_ａｐｄに基づいて、光ファイバＦをＡＰＤ２との間で光学的に調芯する第３ステップと、ＡＰＤ２を電流の増倍係数Ｍのより大きいＡＰＤモードで動作させるための逆バイアス電圧Ｖ_ａｐｄ２を該ＡＰＤ２に印加するように光受信モジュール１を設定する第４ステップとを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、光受信モジュールの調整方法に関するものである。

従来から、伝送路として光ファイバを使用した光通信において光信号を受信するために光受信モジュールが用いられている。この光受信モジュールには、光ファイバからの光信号を電気信号に変換するアバランシェフォトダイオード（以下、ＡＰＤと言う）、ＰＩＮフォトダイオード等の受光素子と、その受光素子にバイアス電圧を印加するためのＤＣ−ＤＣコンバータ等のＤＣ電源回路とが内蔵されている。この種の光受信モジュールにおいて、バイアス電圧を適正値に制御する技術としては、例えば、下記特許文献１〜４に記載されている。
米国特許第６，６０７，３０７号明細書 特開２００５−２９５７５４号公報 特開２００４−２９７６１５号公報 特開２００４−３３６３２０号公報

上述した光受信モジュールは、光ファイバの出射端と受光素子の受光面との位置関係の調整、すなわち調芯を精度良く行うことが重要となる。ＡＰＤはバイアスさえ変化させれば、光入力パワーに関係なくＡＰＤ電流をどんな値にも設定することが可能なため、両者間の状態によってはＡＰＤの増倍係数Ｍを適正値に定めることができない場合があった。

そこで、本発明は、かかる課題に鑑みて為されたものであり、ＡＰＤを用いた光受信モジュールの調整の精度を向上させることが可能な光受信モジュールの調整方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の光受信モジュールの調整方法は、光ファイバからの光信号を受信して、該光信号をＡＰＤを用いて電気信号に変換する光受信モジュールの調整方法であって、光受信モジュールにより光ファイバから光信号を受信させる第１ステップと、ＡＰＤを電流の増倍係数が１であるフォトダイオード（ＰＩＮ−ＰＤ）モードで動作させるための第１のバイアス電圧を該ＡＰＤに印加する第２ステップと、第２ステップにおいて出力された電気信号に基づいて、光ファイバをＡＰＤとの間で光学的に調芯する第３ステップと、ＡＰＤを電流の増倍係数のより大きいＡＰＤモードで動作させるための第２のバイアス電圧を該ＡＰＤに印加するように光受信モジュールを設定する第４ステップとを備える。

このような調整方法によれば、光受信モジュールにおいて光ファイバから光信号が受信されるとともに、ＡＰＤに第１のバイアス電圧が印加されてＡＰＤがＰＩＮ−ＰＤモードで動作するように設定された状態で調芯された後、ＡＰＤに第２のバイアス電圧が印加されてＡＰＤモードで動作するように設定される。これにより、調整時に使用するファイバ端面の状態や、光受信モジュールへのファイバの挿入具合が良好な状態であることを確認したうえで、ＡＰＤモード動作が可能になる。従って、ＡＰＤを用いた光受信モジュールの調整の精度を向上させることができる。

光受信モジュールは、ＡＰＤに印加するバイアス電圧を生成するＤＣ−ＤＣコンバータを備えており、第２ステップ及び第４ステップでは、ＤＣ−ＤＣコンバータによって生成されるバイアス電圧が、第１のバイアス電圧又は第２のバイアス電圧となるように光受信モジュールを切り替えることが好ましい。

この場合、ＡＰＤのバイアス電圧の切り替えが、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧を切り替えることによって行われるので、電源回路を含む光受信モジュールの内部回路の構成が簡略化される。

本発明の光受信モジュールの調整方法によれば、ＡＰＤを用いた光受信モジュールの調整の精度を向上させることができる。

以下、図面を参照しつつ本発明に係る光受信モジュールの調整方法の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本発明の好適な一実施形態にかかる調整方法の対象となる光受信モジュール１を示す回路図である。同図に示すように、光受信モジュール１は、光ファイバＦからの入力光Ｏ_ｉｎを受光してその入力光Ｏ_ｉｎを入力光強度に応じた電流信号Ｉ_ａｐｄに変換するＡＰＤ（受光素子）２と、ＡＰＤ２のカソードに抵抗を介して接続されたＤＣ−ＤＣコンバータ３及び電圧制御回路４とを備えている。

ＤＣ−ＤＣコンバータ３は、以下のような構成により、ＡＰＤ２に逆バイアス電圧を印加する。すなわち、ＤＣ−ＤＣコンバータ３は、一端がダイオード５及びコンデンサ６からなる平滑化部７を介してＡＰＤ２のカソードに接続され、他端が正電源８に接続されたチョークコイル９と、ドレインが平滑化部７を介してＡＰＤ２のカソードに接続され、ソースが接地されたｎチャネルＭＯＳＦＥＴ１０と、ＭＯＳＦＥＴ１０のゲートに接続された制御回路１１とを有する。制御回路１１は、いわゆるＰＷＭ回路であり、後述する電圧制御回路４の制御によりパルス幅変調された電圧信号を生成する。このようなＤＣ−ＤＣコンバータ３では、制御回路１１によってＭＯＳＦＥＴ１０のゲートにパルス幅変調された電圧が印可されてチョークコイル９に電磁エネルギーが蓄積される。そして、この電磁エネルギーがチョークコイル９から平滑化部７を経由してＡＰＤ２側に出力されることにより、逆バイアス電圧Ｖ_ａｐｄがＡＰＤ２に印加される。この場合、逆バイアス電圧Ｖ_ａｐｄの大きさは、制御回路１１によってＭＯＳＦＥＴ１０のゲートに与えられる電圧信号のデューティー比が変更されることにより制御される。

電圧制御回路４は、ＤＣ−ＤＣコンバータ３の出力及びＡＰＤ２のカソードに直列に接続された分圧抵抗１２，１３と、メカニカルスイッチであるスイッチＳＷ１と、スイッチＳＷ１を挟んで分圧抵抗１２，１３に直列に接続された分圧抵抗１４と、差動増幅器１５とを備える。分圧抵抗１２と分圧抵抗１３とは、ＤＣ−ＤＣコンバータ３の出力にこの順で接続され、両者間の接続点Ｔ１に差動増幅器１５の非反転入力が接続されている。また、この差動増幅器１５の反転入力には、基準電圧Ｖ_ｒｅｆが印加されている。分圧抵抗１３の接続点Ｔ１と反対側の端子Ｔ２は、スイッチＳＷ１を介して分圧抵抗１４が接続され、分圧抵抗１３のスイッチＳＷ１と反対側の端子は接地されている。スイッチＳＷ１は、端子Ｔ２と接地線１６及び分圧抵抗１４との間に設けられ、端子Ｔ２を分圧抵抗１４又は接地線１６と接続するように切り替える機能を有する。ここで、分圧抵抗１３は、逆バイアス電圧Ｖ_ａｐｄの微調整を可能にするための可変抵抗である。

上記構成の電圧制御回路４において、スイッチＳＷ１が接地線１６側に切り替えられている場合は、ＡＰＤ２に印加される逆バイアス電圧Ｖ_ａｐｄが分圧抵抗１２と分圧抵抗１３との抵抗比によって決まる電圧値でモニタされ、モニタされた電圧値と基準電圧Ｖ_ｒｅｆとの差分に対応する電圧信号が制御回路１１に送られる。そして、逆バイアス電圧Ｖ_ａｐｄが基準電圧Ｖ_ｒｅｆに対応する電圧値になるようにフィードバック制御される。具体的には、逆バイアス電圧Ｖ_ａｐｄが低下して差動増幅器１５の出力が低下したときは、ＤＣ−ＤＣコンバータ３の出力電圧が大きくなり、逆バイアス電圧Ｖ_ａｐｄが上昇して差動増幅器１５の出力が上昇したときは、ＤＣ−ＤＣコンバータ３の出力電圧が小さくなるように制御回路１１におけるデューティー比が制御される。一方、スイッチＳＷ１が分圧抵抗１４側に切り替えられている場合は、ＡＰＤ２に印加される逆バイアス電圧Ｖ_ａｐｄが分圧抵抗１２と分圧抵抗１３，１４からなる合成抵抗との抵抗比によって決まる電圧値でモニタされ、モニタされた電圧値に基づいて、逆バイアス電圧Ｖ_ａｐｄが基準電圧Ｖ_ｒｅｆに対応する電圧値になるようにフィードバック制御される。スイッチＳＷ１が分圧抵抗１４側に切り替えられているときにモニタされる電圧値は、スイッチＳＷ１が接地線１６に切り替えられている場合よりも大きくなるので、スイッチＳＷ１が分圧抵抗１４側に切り替えられている場合のほうが逆バイアス電圧Ｖ_ａｐｄがより小さくなるように制御されることになる。

図２は、ＡＰＤ２に印加される逆バイアス電圧Ｖ_ａｐｄとＡＰＤ２の出力電流Ｉ_ａｐｄとの関係の一例を示すグラフである。同図に示すように、逆バイアス電圧Ｖ_ａｐｄが５Ｖ〜２５Ｖの領域Ａ１では、出力電流Ｉ_ａｐｄが逆バイアス電圧Ｖ_ａｐｄにかかわらずほぼ一定となり、その領域Ａ１はキャリアの増倍係数Ｍが１のＰＩＮ−ＰＤモードに対応する。これに対して、逆バイアス電圧Ｖ_ａｐｄが２５Ｖ以上の領域Ａ２では、出力電流Ｉ_ａｐｄが逆バイアス電圧Ｖ_ａｐｄの上昇に従って急激に上昇し、その領域Ａ２はキャリアの増倍係数Ｍの大きいＡＰＤモードに対応する。なお、電圧制御回路４における分圧抵抗１２，１３，１４の抵抗値及び基準電圧Ｖ_ｒｅｆは、スイッチＳＷ１が接地線１６側に切り替えられている場合の逆バイアス電圧Ｖ_ａｐｄが領域Ａ２の範囲にあり、且つスイッチＳＷ１が分圧抵抗１４側に切り替えられている場合の逆バイアス電圧Ｖ_ａｐｄが領域Ａ１の範囲に入るように設定される。

ここで、通常、光受信モジュールを使用する際には、ＡＰＤは感度を最良にする増倍係数Ｍの個体ばらつきが大きいため、最小受信感度特性を優先してバイアスを調整することが多いが、場合によっては光受信モニタ精度などの制限から、ＡＰＤ電流の絶対値に着目して調整を行う。しかし、ＡＰＤはバイアスさえ変化させれば、光入力パワーに関係なくＡＰＤ電流をどんな値にも設定することが可能なため、ＡＰＤ電流に着目した調整を行う場合は、光の結合状態（例えば、調整時に使用するファイバ端面の状態や、光受信モジュールへのファイバの挿入具合）が調整に大きく影響を及ぼすことになる。

このような問題を解決するために、ＡＰＤバイアス調整前に、光信号の結合状態を確認することが必要である。具体的には、出力電流Ｉ_ａｐｄをモニタしながら光ファイバＦとＡＰＤ２の受光面との位置関係を光学的に調整（調芯）することが必要で、そのためには動作電圧許容範囲が広く、光電変換効率の個体ばらつきが小さい動作条件が求められる。このような問題に対処するために、本実施形態の光受信モジュールを対象にして、以下のような調整方法を用いて調芯を行う。

図１を参照して、まず、光ファイバＦを光受信モジュール１に挿入後に、光受信モジュール１により光信号Ｏ_ｉｎを受信させる（第１ステップ）。このとき、光ファイバＦとＡＰＤ２との光結合状態に対応した出力電流Ｉ_ａｐｄが得られ、図示しない検出回路によってその出力電流Ｉ_ａｐｄの値が測定される。

次に、スイッチＳＷ１を分圧抵抗１４側に切り替えることによって、ＡＰＤ２に対してＡＰＤ２をＰＩＮ−ＰＤモードで動作させるための逆バイアス電圧Ｖ_ａｐｄ１を印加する（第２ステップ）。そして、この状態で光ファイバＦから入力された光信号Ｏ_ｉｎを基に得られる出力電流Ｉ_ａｐｄをモニタしながら、光ファイバＦとＡＰＤ２との位置関係を光学的に調整する（第３ステップ）。具体的には、光ファイバＦの出射端における光軸あるいは距離をＡＰＤ２の受光面に対して調整する。その時、ＰＩＮ−ＰＤモードは、動作電圧許容範囲が広く、光電変換効率の個体ばらつきが小さいため、使用するファイバの端面や光受信モジュールへの挿入具合が適切な状態になっているのかを確認することが可能となる。

調芯が終了すると、スイッチＳＷ１を接地線１６側に切り替えることによって、ＡＰＤ２に対してＡＰＤ２をＡＰＤモードで動作させるための逆バイアス電圧Ｖ_ａｐｄ２を印加するように設定する（第４ステップ）。その後、分圧抵抗１３の抵抗値を変更しながら、出力電流Ｉ_ａｐｄが所望の範囲に入るようにＡＰＤ２の逆バイアス電圧Ｖ_ａｐｄ２を調整する。これにより、光受信モジュールによる光ファイバＦを経由したデータの正常な受信が可能になる。

上述した光受信モジュールの調整方法によれば、光受信モジュール１において光ファイバＦから光信号Ｏ_ｉｎが受信されるとともに、ＡＰＤ２に逆バイアス電圧Ｖ_ａｐｄ１が印加されてＡＰＤ２がＰＩＮ−ＰＤモードで動作するように設定された状態で調芯された後、ＡＰＤ２に逆バイアス電圧Ｖ_ａｐｄ２が印加されてＡＰＤモードで動作するように設定される。これにより、調整時に使用するファイバＦ端面の状態や、光受信モジュール１へのファイバＦの挿入具合が良好な状態であることを確認したうえで、ＡＰＤモード動作が可能になる。これは、ＰＩＮ−ＰＤモードで動作するＡＰＤ２は、動作領域の電圧範囲が広く、光電変換効率の個体ばらつきも小さいことによる。

ただし、ＰＤと同様の動作になるまで逆バイアス電圧を下げるためには、当然ＤＣ−ＤＣコンバータ３の出力の可変範囲を拡げることになり、信頼性の低下やコストアップを招きがちである。そこで、本実施形態では、光の結合状態を確認するために必要なバイアス値と、通常動作として調整すべきバイアス値に開きがあることに着目して、スイッチによってＤＣ−ＤＣコンバータ３の出力の可変範囲を選択する方法を採用した。これにより、信頼性も維持でき、且つ回路構成も簡素化される。

なお、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではない。例えば、本発明の調整方法の対象としては、図３に示すような構成の光受信モジュール２１を用いることもできる。同図に示すように、光受信モジュール２１の電圧制御回路２４は、電圧制御回路４のスイッチＳＷ１、分圧抵抗１４、及び接地線１６に代わりに、抵抗２５，２６、ダイオード２７、スイッチＳＷ２及び電源２８を備える。抵抗２５，２６は直列抵抗をなし、その直列抵抗の抵抗２５側の一端は、スイッチＳＷ２を介して電源２８に接続され、抵抗２６側の他端は、接地されている。また、抵抗２５と抵抗２６との間の接続点Ｔ３は、ダイオード２７を介して分圧抵抗１２と分圧抵抗１３との間の接続点Ｔ１に接続されている。

上記構成の電圧制御回路２４では、スイッチＳＷ２が閉じられると、接続点Ｔ３から接続点Ｔ１を経由して分圧抵抗１３に電流が供給される。これにより、分圧抵抗１３における電圧降下が大きくなるため、分圧抵抗１３の抵抗値が見かけ上大きくされる。従って、スイッチＳＷ２が閉じられている場合は、開かれている場合に比較して、逆バイアス電圧Ｖ_ａｐｄがより小さくなるように制御されるので、このスイッチＳＷ２を開閉することによってもＡＰＤ２をＡＰＤモードとＰＩＮ−ＰＤモードとの間で切り替えることができる。なお、この場合も、電圧制御回路２４における抵抗２５，２６の抵抗値及び電源２８の電圧値は、スイッチＳＷ２が開かれている場合の逆バイアス電圧Ｖ_ａｐｄが領域Ａ２の範囲にあり、且つスイッチＳＷ３が閉じられている場合の逆バイアス電圧Ｖ_ａｐｄが領域Ａ１の範囲に入るように設定される（図２）。

本発明の好適な一実施形態にかかる調整方法の対象となる光受信モジュール１を示す回路図である。 図１のＡＰＤの逆バイアス電圧と出力電流との関係の一例を示すグラフである。 図１の光受信モジュールの別の構成を示す回路図である。

符号の説明

１，２１…光受信モジュール、２…ＡＰＤ、３…ＤＣ−ＤＣコンバータ、Ｆ…光ファイバ、Ｉ_ａｐｄ…出力電流（電気信号）、Ｏ_ｉｎ…入力光（光信号）、Ｖ_ａｐｄ…逆バイアス電圧。

Claims (2)

1. 光ファイバからの光信号を受信して、該光信号をアバランシェフォトダイオードを用いて電気信号に変換する光受信モジュールの調整方法であって、
   前記光受信モジュールにより前記光ファイバから光信号を受信させる第１ステップと、
   前記アバランシェフォトダイオードを電流の増倍係数が１であるフォトダイオード（ＰＩＮ−ＰＤ）モードで動作させるための第１のバイアス電圧を該アバランシェフォトダイオードに印加する第２ステップと、
   前記第２ステップにおいて出力された前記電気信号に基づいて、前記光ファイバを前記アバランシェフォトダイオードとの間で光学的に調芯する第３ステップと、
   前記アバランシェフォトダイオードを電流の増倍係数のより大きいアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）モードで動作させるための第２のバイアス電圧を該アバランシェフォトダイオードに印加するように前記光受信モジュールを設定する第４ステップと、
   を備えることを特徴とする光受信モジュールの調整方法。
2. 前記光受信モジュールは、前記アバランシェフォトダーオードに印加するバイアス電圧を生成するＤＣ−ＤＣコンバータを備えており、
   前記第２ステップ及び前記第４ステップでは、前記ＤＣ−ＤＣコンバータによって生成される前記バイアス電圧が、前記第１のバイアス電圧又は前記第２のバイアス電圧となるように前記光受信モジュールを切り替える、
   ことを特徴とする請求項１記載の光受信モジュールの調整方法。

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