JP2008282922A - 光電変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】メンテナンスの手間を増やすことなく、長時間の停電時にも動作を継続することができる、光電変換装置を提供すること。
【解決手段】光伝送システムにおいて光信号を電気信号に変換する光電変換装置であって、無バイアス状態としたＰＤ（フォトダイオード）１と、このＰＤ１から出力される信号の交流成分のみを取り出すコンデンサ２と、このコンデンサ２を介して交流成分が取り出された信号を出力する出力端子３とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、光伝送システムにおいて光信号を電気信号に変換する光電変換装置であって、特に無給電にて動作可能な光電変換装置に関する。

近年では、光通信技術の進展に伴い、光ケーブルを用いた光伝送システムが普及している。この光伝送システムによれば、数１０Ｋｍ程度の無中継伝送が可能となるため、伝送システムを容易に広域化できる。この光伝送システムは、概略的には、図９に示すように、送信者側に配置した光送信機１００や光増幅器１０１と、受信者側に配置した光回線終端装置（ＯＮＵ：Optical Network Unit）１０２とを、光ケーブル１０３にて構成された長距離伝送路を介して接続して構成されている。そして、ＴＶ信号や告知放送信号を混合し、この混合された電気信号を光送信機１００によって光信号に変換し、この光信号を光増幅器１０１にて増幅した後、光ケーブル１０３を介して光回線終端装置１０２に出力する。この光回線終端装置１０２では、光信号をＲＦ信号に変換して、ＴＶ受像機１０４や告知放送受信機１０５に出力する。

ここで、光回線終端装置１０２には、光信号を電気信号に変換するためのＰＤ（Photo Diode）が組み込まれている。このＰＤ周辺の回路図を図１０に示す。例えば、ＰＤ１１０がＰＩＮフォトダイオードである場合、ＰＤ１１０には＋Ｖｃｃの逆電圧が印加されているため、ＰＩＮ構造の中のｉ層内に空乏層ができる。この状態において、ＰＤ１１０の外部からエネルギ・バンドキャップ以上の光エネルギーが入射されると、この光エネルギーが空乏層で吸収され、伝導電子と正孔との生成及びドリフトが行われることにより、光強度変化に比例した電流（逆電流）が流れ、光電変換を行うことができる。そして、このようにＰＤ１１０から出力される信号における交流成分をコンデンサ１１１によるＡＣ結合によって取り出して、出力端子１１２に出力していた。

ここで、緊急告知放送を行う放送システムにおいては、災害等に伴う停電時においても放送を継続できる体制が必要になる。しかしながら、停電によって光回線終端装置に対する電源供給が停止すると、ＰＤ１１０に逆電圧が印加されなくなるため、光電変換を行うことができなくなる。このような事態を防止するため、従来は、乾電池や大容量キャパシタをバックアップ電源として光回線終端装置に内蔵することで、停電時においても逆電圧を印加し、光電変換を継続可能としていた（例えば特許文献１には大容量キャパシタを用いる例が開示されている）。

特開２００６−１７４２１１号公報

しかしながら、乾電池をバックアップ電源として用いた場合には、乾電池の寿命や自然放電を監視したり、必要に応じて乾電池を交換したりする等、光回線終端装置のメンテナンスに手間を要するという問題があった。また、大容量キャパシタをバックアップ電源として用いた場合には、最長でも１時間程度しか逆電圧を印加することができず、長時間のバックアップ体制を構築することが困難であった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、メンテナンスの手間を増やすことなく、長時間の停電時にも動作を継続することができる、光電変換装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、請求項１に記載の本発明は、光伝送システムにおいて光信号を電気信号に変換する光電変換装置であって、無バイアス状態としたフォトダイオードと、前記フォトダイオードから出力される信号の交流成分のみを取り出すコンデンサと、前記コンデンサを介して取り出された交流成分の信号を出力する出力端子とを備えることを特徴とする。

請求項２に記載の本発明は、請求項１に記載の本発明において、前記フォトダイオードの端子間容量を低減するための容量低減手段、を備えることを特徴とする。

請求項３に記載の本発明は、請求項２に記載の本発明において、前記容量低減手段を経て前記フォトダイオードに至る交流成分を遮断する交流分離手段、を備えることを特徴とする。

請求項４に記載の本発明は、請求項１から３のいずれか一項に記載の本発明において、前記フォトダイオードからの直流成分を当該フォトダイオードに還流させる直流成分還流手段、を備えることを特徴とする。

請求項５に記載の本発明は、請求項１から４のいずれか一項に記載の本発明において、前記出力端子に接続される機器との間のインピーダンス整合を行う整合用手段、を備えることを特徴とする。

請求項６に記載の本発明は、請求項５に記載の本発明において、前記整合用手段は抵抗を含み、当該抵抗に至る直流成分を遮断する直流分離手段を備えること、を特徴とする。

請求項７に記載の本発明は、請求項５又は６に記載の本発明において、前記整合用手段は整合トランスを含むこと、を特徴とする。

このように、請求項１に記載の本発明によれば、フォトダイオードから出力される信号の交流成分のみを取り出して出力端子を介して出力することで、逆電圧を印加することなく光電変換を行うことができるので、停電時においても乾電池や大容量キャパシタを用いることなく光電変換を継続することができ、メンテナンスの手間を増やすことなく、長時間の停電時にも動作を継続することができる。

請求項２に記載の本発明によれば、ＰＤの端子間容量を低減することができるので、ＰＤの高速性（ＲＦ信号における高帯域特性）を維持することができると共に、ＰＤの端子間容量による交流成分の阻止を低減することができる。

請求項３に記載の本発明によれば、交流成分が容量低減手段で消費されることなくコンデンサに入力されるので、ＲＦ信号の全ての交流成分を出力端子に出力することができる。

請求項４に記載の本発明によれば、フォトダイオードからの直流成分を直流成分還流手段を介して当該フォトダイオードに還流させることで、フォトダイオードの高速性を維持することができる。

請求項５に記載の本発明によれば、整合用手段を用いて後段機器との間のインピーダンス整合を行うことが可能になる。

請求項６に記載の本発明によれば、抵抗に至る直流成分を直流分離手段を介して遮断することができるので、ＲＦ信号の交流成分のみを出力端子に出力することができる。

請求項７に記載の本発明によれば、整合用手段のインピーダンスと後段の機器のインピーダンスとが相互に一致しない場合であっても、インピーダンス整合を行うことが可能になるため、整合用手段のインピーダンスを極力大きくすることで出力端子から出力されるＲＦ信号を大きくすることができる。

以下に添付図面を参照して、この発明に係る光回線終端装置の各実施の形態を詳細に説明する。ただし、これら各実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

〔実施の形態１〕
最初に、実施の形態１について説明する。この実施の形態１は、ＰＤの起電力の交流成分をコンデンサを介して取得する形態である。図１は実施の形態１に係るＰＤ周辺の回路図である。ＰＤ１はコンデンサ２によるＡＣ結合を介して出力端子３に接続されている。この構成において、ＰＤ１は、逆電圧の印加のない無バイアスモード（太陽電池モード）で使用される光電変換手段である。

図２はＰＤ１の電圧−電流特性図である。ＰＤ１にエネルギ・バンドキャップ以上の光エネルギーが入射されると、この光エネルギーが空乏層で吸収され、伝導電子と正孔との生成及びドリフトが行われることにより、光強度に比例した起電力が発生する。この起電力は、コンデンサ２によるＡＣ結合によって直流成分が落とされることによって、交流成分のみが出力端子３に出力される。従って、この出力端子３からＲＦ信号を取り出して後段側に供給することができる。

（実施の形態１の効果）
このように実施の形態１によれば、逆電圧を印加することなく光電変換を行うことができるので、停電時においても乾電池や大容量キャパシタを用いることなく光電変換を継続することができ、メンテナンスの手間を増やすことなく、長時間の停電時にも動作を継続することができる。

〔実施の形態２〕
次に、本発明に係る実施の形態２について詳細に説明する。この実施の形態２は、フォトダイオードの端子間容量を低減するための容量低減手段を備えた形態である。ただし、特に説明なき構成においては実施の形態１と同様であるものとし、実施の形態１と同様の構成要素には、必要に応じて、実施の形態１で使用したものと同一の符号を付する。

上述した実施の形態１の回路では、光エネルギーによって生じた起電力の直流成分がＰＤ１の接合部分（空乏層）に生じる端子間容量（接合容量）に充電されるため、ＰＤ１に順方向バイアスが加わって、ＰＤ１の空乏層が狭くなる。この状態では、ＰＤ１の高速性（ＲＦ信号における高帯域特性）が失われる。さらに、この図１の回路では、ＰＤ１の端子間容量に溜った電荷を消費することができないため、ＰＤ１の端子間電圧はその最大起電力が一定（ただし、実際には漏れ電流があるために低周波帯域の振動成分がある）となり、交流成分出力が小さくなる。

このような点を改善するため、実施の形態２では、ＰＤ１の端子間容量を低減するための容量低減手段を備えている。図３は実施の形態２に係るＰＤ周辺の回路図である。ここでは、ＰＤ１に抵抗４が並列接続されている。この抵抗４は、特許請求の範囲における容量低減手段である。この回路では、並列接続された抵抗４の値が小さい程、ＰＤ１の起電力を下げることができるので、結果としてＰＤ１の端子間容量を低減することができる。

（実施の形態２の効果）
このように実施の形態２によれば、ＰＤ１の端子間容量を低減することができるので、ＰＤ１の高速性（ＲＦ信号における高帯域特性）を維持することができると共に、ＰＤ１の端子間容量による交流成分の阻止を低減することができる。

〔実施の形態３〕
次に、本発明に係る実施の形態３について詳細に説明する。この実施の形態３は、容量低減手段を経てフォトダイオードに至る交流成分を遮断する交流分離手段を備えた形態である。ただし、特に説明なき構成においては実施の形態２と同様であるものとし、実施の形態２と同様の構成要素には、必要に応じて、実施の形態２で使用したものと同一の符号を付する。

上述した実施の形態２の回路では、ＲＦ信号の成分の一部が抵抗４で消費されてしまう。このような点を改善するため、実施の形態３では、容量低減手段を経てＰＤ１に至る信号成分を遮断する交流分離手段を備えている。図４は実施の形態３に係るＰＤ周辺の回路図である。ここでは、抵抗４にコイル５が直列接続されている。このコイル５は、特許請求の範囲における交流分離手段である。この回路ではＰＤ１で発生した起電力のうち、直流成分がコイル５で直流結合されると共に、交流成分（ＲＦ信号）がコンデンサ２で交流結合される。すなわち、これらコンデンサ２とコイル５とが協働して交流／直流分離フィルタを構成することになり、直流成分がコンデンサ２で遮断されるために抵抗４に入力され、交流成分がコイル５で遮断されるためにコンデンサ２に入力される。

（実施の形態３の効果）
このように実施の形態３によれば、交流成分が抵抗４で消費されることなくコンデンサ２に入力されるので、ＲＦ信号の全ての交流成分を出力端子３に出力することができる。

〔実施の形態４〕
次に、本発明に係る実施の形態４について詳細に説明する。この実施の形態４は、フォトダイオードからの直流成分を当該フォトダイオードに還流させる直流成分還流手段と、出力端子に接続される機器との間のインピーダンス整合を行う整合用手段とを備える形態である。ただし、特に説明なき構成においては実施の形態３と同様であるものとし、実施の形態３と同様の構成要素には、必要に応じて、実施の形態３で使用したものと同一の符号を付する。

上述した実施の形態１〜３までの回路では、出力端子３に接続される後段側の機器との間のインピーダンス整合が問題になる可能性がある。すなわち、実施の形態２の回路では、出力端子３側からＰＤ１を見たときのインピーダンスをＲ_Ｓ（＝抵抗４の抵抗値）、出力端子３に接続される機器のインピーダンスをＲ_ＲＦとすると、インピーダンス整合を行うためにはＲ_Ｓ＝Ｒ_ＲＦとする必要がある。しかしながら、この場合には、ＰＤ１に、インピーダンスＲ_Ｓに比例した電圧（＝インピーダンスＲ_Ｓ×ＰＤ１の電流の直流成分）が生じるため、ＰＤ１の高速性が損なわれる可能性がある。この課題は、インピーダンスＲ_Ｓ＝０とすれば解決できるが、この場合には、出力端子３側からＰＤ１を見たときのインピーダンスが零（短絡）になり、インピーダンス整合を行うことができなくなる。また実施の形態１、３の回路においても、出力端子３側からＰＤ１を見たときのインピーダンスが零（短絡）になるため、やはりインピーダンス整合を行うことができなくなる。

このような点を改善するため、実施の形態４では、直流成分還流手段及び整合用手段を備えている。図５は実施の形態４に係るＰＤ周辺の回路図である。ここでは、図４のコイル５に代えてコンデンサ６が抵抗４に直列接続されており、またコイル７がＰＤ１に並列に接続されている。

このうち、コイル７は、ＰＤ１の電流の直流成分を当該ＰＤ１に還流するインダクタであり、特許請求の範囲における直流成分還流手段に対応する。このコイル７を理想的には無限大とすることで、ＰＤ１で発生する直流成分が理想的には０になり、当該ＰＤ１の高速性を維持することができる。

出力端子３側からＰＤ１を見たときのインピーダンスＲ_Ｓは抵抗４の抵抗値であるから、この抵抗４は、出力端子３に接続された後段の機器とのインピーダンス整合を行うための整合用手段として機能する。すなわち、この抵抗４の抵抗値を、後段の機器のインピーダンスＲ_ＲＦと一致させることで、インピーダンス整合を行うことができる。ここでコンデンサ２及びコンデンサ６は、ＡＣ結合コンデンサであり、特許請求の範囲における直流分離手段に対応する。これらコンデンサ２及びコンデンサ６を理想的には無限大にして直流成分を落とすことで、交流成分のみが出力端子３に出力される。なお、コンデンサ６の位置は、抵抗４をＡＣ結合できる限りにおいて任意に変更することができ、例えば、図６のように配置したり、あるいは、接地側のラインに挿入してもよい。

（実施の形態４の効果）
このように実施の形態４によれば、ＰＤ１の電流の直流成分をコイル７によって当該ＰＤ１に還流させることで、ＰＤ１の高速性を維持することができる。また、抵抗４の抵抗値を後段の機器のインピーダンスＲ_ＲＦと一致させることで、インピーダンス整合を行うことができる。

〔実施の形態５〕
最後に、本発明に係る実施の形態５について詳細に説明する。この実施の形態５は、整合用手段として整合トランスを備える形態である。ただし、特に説明なき構成においては実施の形態４と同様であるものとし、実施の形態４と同様の構成要素には、必要に応じて、実施の形態４で使用したものと同一の符号を付する。

上述した実施の形態４の回路では、出力端子３から出力される交流成分（ＲＦ信号）を最大化するためには、抵抗４の抵抗値が大きい程よい。その一方で、上述のように、インピーダンス整合を行うためには抵抗４の抵抗値を後段の機器のインピーダンスＲ_ＲＦと一致させる必要があるため、抵抗４の抵抗値を大きくすることによるＲＦ信号の増大を図ることは実際には困難になる。

このような点を改善するため、実施の形態５では、整合用手段として整合トランスを備える。図７は実施の形態５に係るＰＤ周辺の回路図である。ここでは、図５のコンデンサ２と出力端子３との相互間に整合トランス８を接続している。この回路構成では、抵抗４の抵抗値と後段の機器のインピーダンスＲ_ＲＦとが相互に一致しない場合であっても、インピーダンス整合を行うことが可能になるため、抵抗４の抵抗値を極力大きくすることで出力端子３から出力されるＲＦ信号を大きくすることができる。なお、実際には整合トランス８の巻線抵抗による損失が生じるので、この損失を考慮した上で出力端子３から出力されるＲＦ信号が最大化されるように、抵抗４の抵抗値を決定することが好ましい。なお、この回路においても、コンデンサ６の位置は、抵抗４をＡＣ結合できる限りにおいて任意に変更することができ、例えば、図８のように配置したり、あるいは、接地側のラインに挿入してもよい。

（実施の形態５の効果）
このように実施の形態５によれば、抵抗４の抵抗値と後段の機器のインピーダンスＲ_ＲＦとが相互に一致しない場合であっても、インピーダンス整合を行うことが可能になるため、抵抗４の抵抗値を極力大きくすることで出力端子３から出力されるＲＦ信号を大きくすることが可能になる。

〔各実施の形態に対する変形例〕
以上、本発明の各実施の形態について説明したが、本発明の具体的な構成及び手段は、特許請求の範囲に記載した各発明の技術的思想の範囲内において、任意に改変及び改良することができる。以下、このような変形例について説明する。

（解決しようとする課題や発明の効果について）
まず、発明が解決しようとする課題や発明の効果は、前記した内容に限定されるものではなく、本発明によって、前記に記載されていない課題を解決したり、前記に記載されていない効果を奏することもでき、また、記載されている課題の一部のみを解決したり、記載されている効果の一部のみを奏することがある。

（各実施の形態の相互の組み合わせについて）
各実施の形態１から５の構成を、相互に組み合わせてもよい。例えば、１台の光電変換装置に、各実施の形態１から５の構成を組み込んでもよい。

（光電変換装置について）
なお、本発明に係る光電変換装置は、光回線終端装置に限定されず、光信号を電気信号に変換するための任意の目的の装置に適用することができる。

この発明は、光伝送システムにおいて光信号を電気信号に変換する光電変換装置に適用でき、メンテナンスの手間を増やすことなく、長時間の停電時にも動作を継続することに有用である。

本発明の実施の形態１に係るＰＤ周辺の回路図である。 ＰＤの電圧−電流特性図である。 実施の形態２に係るＰＤ周辺の回路図である。 実施の形態３に係るＰＤ周辺の回路図である。 実施の形態４に係るＰＤ周辺の回路図である。 実施の形態４の変形例に係るＰＤ周辺の回路図である。 実施の形態５に係るＰＤ周辺の回路図である。 実施の形態５の変形例に係るＰＤ周辺の回路図である。 光伝送システムの構成を示すブロック図である。 従来の光回線終端装置におけるＰＤ周辺の回路図である。

符号の説明

１、１１０ ＰＤ
２、６、１１１ コンデンサ
３、１１２ 出力端子
４ 抵抗
５、７ コイル
８ 整合トランス
１００ 光送信機
１０１ 光増幅器
１０２ 光回線終端装置
１０３ 光ケーブル
１０４ ＴＶ受像機
１０５ 告知放送受信機

Claims (7)

1. 光伝送システムにおいて光信号を電気信号に変換する光電変換装置であって、
   無バイアス状態としたフォトダイオードと、
   前記フォトダイオードから出力される信号の交流成分のみを取り出すコンデンサと、
   前記コンデンサを介して取り出された交流成分の信号を出力する出力端子と、
   を備えることを特徴とする光電変換装置。
2. 前記フォトダイオードの端子間容量を低減する容量低減手段、
   を備えることを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
3. 前記容量低減手段を経て前記フォトダイオードに至る交流成分を遮断する交流分離手段、
   を備えることを特徴とする請求項２に記載の光電変換装置。
4. 前記フォトダイオードからの直流成分を当該フォトダイオードに還流させる直流成分還流手段、
   を備えることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の光電変換装置。
5. 前記出力端子に接続される機器との間のインピーダンス整合を行う整合用手段、
   を備えることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の光電変換装置。
6. 前記整合用手段は抵抗を含み、
   当該抵抗に至る直流成分を遮断する直流分離手段を備えること、
   を特徴とする請求項５に記載の光電変換装置。
7. 前記整合用手段は整合トランスを含むこと、
   を特徴とする請求項５又は６に記載の光電変換装置。

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