JP2009218852A - バースト光信号受信方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高感度特性と広ダイナミックレンジ特性を実現する。
【解決手段】強度の異なるバースト光信号をＡＰＤ２０で受信し電流信号としてプリアンプ３０で増幅／電圧変換するバースト光信号受信方法において、ＡＰＤ２０の増倍率および前記プリアンプ３０の利得を高値に設定してバースト光信号を受信し、プリアンプ３０の出力レベルが予め設定した閾値を超えるとき、プリアンプ３０の利得を低値に設定し、プリアンプ３０の利得を変更した後にプリアンプの出力レベルが同じ閾値を再度を超えるとき、ＡＰＤ２０の増倍率を低値に設定してバースト光信号を受信する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光伝送システム、特に通信事業者の局舎内設備と加入者宅を接続する光アクセスネットワークのＰＯＮ（Passive Optical Network）システムのような強度の異なるバースト光信号を間欠的に受信するバースト光信号受信方法および装置に関するものである。

ＰＯＮシステムは、図５に示すように、光ファイバ１００や光スプリッタ２００等の光伝送路や通信事業者の局舎内に設置される加入者収容装置３００（ＯＬＴ：Optical Line Terminal）を、サービスを受ける複数の加入者終端装置（ＯＮＵ：Optical Network Unit）間で共有可能なため、１人当たりのコストを抑制できる光アクセスシステムである。日本においては、Ｂ−ＰＯＮやＧＥ−ＰＯＮ等のＰＯＮシステムがサービス展開されており、その加入者数も１０００万人を超える等広く普及しつつある。

ＰＯＮシステムでは、ＯＮＵから送信される信号（上り信号）は各ＯＮＵから送信される信号同士の衝突を防ぐため、ＯＮＵ毎に送信タイミングの制御がＯＬＴによって行われており、各ＯＮＵ毎の信号送出時間の間にガードタイムと呼ばれる無信号区間が挿入されている。

そのため、ＯＬＴからＯＮＵへ送信される信号（下り信号）が連続信号になるのと異なり、上り信号は間欠的なバースト状の信号となり、かつ、一般的には、ＯＬＴと各ＯＮＵまでの距離が異なるため、ＯＬＴで受信する信号の強度が、図６の強バースト信号４０１と弱バースト信号４０２に示すように、異なるという特徴を有する。４０３はガードタイムである。

従ってＰＯＮシステムの上り信号のバースト光信号受信装置では、高感度特性が求められると同時に、広ダイナミックレンジ特性を備えることが求められている。

バースト光信号受信装置の高感度化を達成する方法として、光信号を電気信号に変換する際に増倍作用を有するＡＰＤ（アバランシェフォトダイオード）が受光素子として用いられている。

しかし、ＡＰＤを用いる場合、受信するバースト光信号の光強度に対して過度に大きな増倍率で受信すると、ＡＰＤ後の大きな光電流が後段に設置されるプリアンプの線形動作領域を超過して入力され、出力波形に歪みが生じたり、ＡＰＤ自身が過電流により破損するという問題を抱えている。

このため、大きなダイナミックレンジが要求されるＰＯＮシステムのバースト光信号受信装置においては、ＡＰＤを比較的小さな増倍率で用いて、ダイナミックレンジを確保することが多く、ＡＰＤが本来備えている高感度特性を十分に活用できていない。

バースト光信号受信装置のダイナミックレンジを拡大する方法には、光電変換後の電流信号を電圧信号に線形増幅変換するプリアンプの出力電圧からバースト光信号の強度を判定し、その値に応じてプリアンプの帰還抵抗値を変更することで、受信する信号毎にプリアンプの利得を制御する方法（非特許文献１）や、プリアンプの利得ではなくＡＰＤの増倍率を制御する方法が考えられている（特許文献１）。
M.Nakamura et al.,"1.25-Gb/s Burst-Mode Receiver ICs With Quick Response for PON Systems",IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS,VOL.40,NO.12,Dec.2005. 特開２００７−１２９６３９号公報

ＡＰＤを用いたバースト光信号受信装置では、高感度特性を実現する為にＡＰＤ増倍率とプリアンプ利得を高値に設定するのが有効である。ここで、ダイナミックレンジの拡大を図るために、プリアンプの出力レベルが予め設定した閾値を超過する時、プリアンプの利得抵抗値を低値に変更し、利得を抑えることで出力信号の飽和を防ぐ方法が、非特許文献１で提案されている。

この方法では、図７に示すように、高利得Ａで動作する領域（Ａ）ではプリアンプ出力が飽和出力レベルを超過する点をＸとして低利得Ｂへ、また、低利得Ｂで動作する領域（Ｂ）ではプリアンプ出力が飽和出力レベルを超過する点をＹとしてさらに低利得Ｃへ、それぞれプリアンプ利得を切替えることで、ＡＰＤへの許容入力光強度を高く設定できる。

しかし、ＡＰＤ増倍率に対して過度に強い光信号が入力される場合、高強度の光信号を高増倍率状態で受信することになり、プリアンプが線形動作範囲内であっても、ＡＰＤの出力限界レベルＺに到達してしまい、結果的にダイナミックレンジはＡＰＤの入力光強度により制限されることになる。

一方、特許文献１では、プリアンプの出力レベルが予め設定した閾値を超過する時、ＡＰＤの増倍率を低値に変更し、プリアンプに入力される光電流を抑制する方法が提案されている。

この方法では、図８に示すように、プリアンプを高利得Ａで動作する領域（Ａ）で常に駆動させ、プリアンプ出力が飽和出力レベルを超過する点Ｘに達する時にＡＰＤ増倍率を低値に切替えて、ＡＰＤの許容入力光強度を高く設定できる。

しかし、プリアンプ利得が常時高値に設定されているため、プリアンプの線形動作入力範囲が狭くなり、飽和閾値に達する回数が多くなる。

現状の高利得プリアンプでは、少なくとも３回以上のＡＰＤ増倍率切替が必要になり、ＡＰＤバイアス電圧に対してＡＰＤ増倍率は非常に敏感に応答することから、複雑な制御回路が必要となる。また、複数回の切替が、バーストレベル調整区間内に完了するように高速な応答回路も必要となる。

また、現状の高利得プリアンプでは、ＰＩＮ−ＰＤを用いた場合においても、約−１０ｄＢｍ程度の光入力で飽和してしまうのが一般的であり、ＡＰＤ増倍率を切り替える方法だけで広ダイナミックレンジを達成するのは困難である。

本発明はこのような背景の下になされたものであり、その目的は、高感度化と広ダイナミックレンジ化の両方を同時にそして簡易に実現するバースト光信号受信方法および装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１にかかる発明は、強度の異なるバースト光信号をＡＰＤで受信し電流信号としてプリアンプで線形増幅するとともに電圧信号に変換するバースト光信号受信方法において、前記ＡＰＤの増倍率および前記プリアンプの利得を高値に設定して前記バースト光信号を受信し、前記プリアンプの出力レベルに応じて前記プリアンプの利得を低値に制御したとき、その後の前記プリアンプの出力レベルに応じて前記ＡＰＤの増倍率を低値に制御することを特徴とする。
請求項２にかかる発明は、請求項１に記載のバースト光信号受信方法において、前記プリアンプの出力レベルが予め設定した閾値を超えるとき、前記プリアンプの利得を低値に設定し、前記プリアンプの利得を変更した後に前記プリアンプの出力レベルが前記閾値を再度を超えるとき、前記ＡＰＤの増倍率を低値に設定することを特徴とする。
請求項３にかかる発明は、請求項２に記載のバースト光信号受信方法において、前記閾値は、前記プリアンプの飽和レベルであることを特徴とする。
請求項４にかかる発明は、強度の異なるバースト光信号を受信するバースト光信号受信装置において、前記バースト光信号を電流信号に変換するＡＰＤと、該ＡＰＤの出力電流を線形増幅すると共に電圧信号に変換するプリアンプと、前記プリアンプの出力レベルを判定するレベル検出回路と、予め高値に設定された前記ＡＰＤの増倍率および前記プリアンプの利得を前記レベル検出回路の出力値に基づいて低値に制御する増倍率・利得切替制御回路とを備え、前記増倍率・利得切替制御回路は、前記プリアンプの利得を低値に制御したとき、その後の前記プリアンプの出力レベルに応じて前記ＡＰＤの増倍率を低値に制御することを特徴とする。
請求項５にかかる発明は、請求項４に記載のバースト光信号受信装置において、前記増倍率・利得切替制御回路は、前記ＡＰＤの増倍率および前記プリアンプの利得を高値に設定して前記バースト光信号を受信し、前記プリアンプの出力レベルが予め設定した閾値を超えるとき、前記プリアンプの利得を低値に設定し、前記プリアンプの利得を変更した後に前記プリアンプの出力レベルが前記閾値を再度を超えるとき、前記ＡＰＤの増倍率を低値に設定することを特徴とする。
請求項６にかかる発明は、請求項５に記載のバースト光信号受信装置において、前記閾値は、前記プリアンプの飽和レベルであることを特徴とする。

本発明によれば、ＡＰＤ増倍率とプリアンプ利得を高値に設定して、高感度特性を実現しながら、入力される光強度に応じてプリアンプ利得およびＡＰＤ増倍率の双方を段階的に切替えることが可能となり、広ダイナミックレンジ特性も備えるバースト光信号受信を簡易に実現できる。

高感度特性かつ広ダイナミックレンジ特性を備えるバースト光信号受信装置を実現するには、プリアンプの前段のＡＰＤ増倍率を高値に設定し、かつプリアンプ利得を高値にすることで微弱な光信号を検波しながら、高強度の光信号を受信した場合には、ＡＰＤ増倍率とプリアンプ利得の双方を切替えてダイナミックレンジを確保することが重要である。

図１は本発明の実施例のバースト光信号受信装置の概略構成を示すブロック図である。本実施例のバースト光信号受信装置は、入射するバースト光信号１０を光電流信号に変換するＡＰＤ２０と、該ＡＰＤ２０が出力する光電流信号を線形増幅／電圧変換するプリアンプ３０と、該プリアンプ３０の出力信号から入力光強度を検出するレベル検出回路４０と、該レベル検出回路４０の出力値に基づきＡＰＤ増倍率やプリアンプ利得を制御する増倍率・利得切替制御回路５０と、該増倍率・利得切替制御回路５０によってＡＰＤバイアスを制御されるＡＰＤバイアス電源６０と、プリアンプ３０の出力信号を一定レベルの信号に変換するリミッタアンプ７０と、から横成される。

本実施例のバースト光信号受信装置は、レベル検出回路４０において、プリアンプ３０の出力値を推定し、プリアンプ３０の出力信号（つまり、レベル検出回路４０で推定した出力値）が予め設定した閾値（飽和出力レベル）を超過した場合、増倍率・利得切替制御回路５０はプリアンプ３０内の利得抵抗Ｒｆの値を変更し、プリアンプ３０の出力が飽和出力レベルに達するのを抑制する。その後、再度レベル検出回路４０からの出力レベルが前記閾値を超過した場合は、ＡＰＤバイアス電源６０のバイアス値を変更し、増倍率を低値に切替える。前記プリアンプ３０の出力値の推定は、プリアンプ３０の出力電圧のピーク値とボトム値の中間点をリファレンス電圧として行い、レベル検出回路４０から出力する。プリアンプ３０の出力電圧自体は線形となるので、このリファレンス電圧を利用して、レベル検出回路４０にて、ＡＰＤ２０に入力されたバースト光信号の強度を推定する。

図２は増倍率・利得切替制御回路５０の内部構成を示すブロック図である。５１は予め設定された閾値（プリアンプ３０の飽和出力レベル）によりレベル検出回路４０の出力レベルを判定する第１比較器、５２はその第１比較器５１の判定結果に応じてプリアンプの利得を制御するプリアンプ利得制御器、５３はその第１比較器４１の判定結果を所定時間遅延させる遅延器、５４は遅延器５３の出力によってオン／オフが制御されるスイッチ、５５は第１比較器４１と同じ閾値が設定され、スイッチ５４から入力するレベル検出回路４０の出力レベルを判定する第２比較器、５６はその第２比較器５５の判定結果に応じてＡＰＤバイアス電源６０のバイアス値を制御するＡＰＤ増倍率制御器である。

増倍率・利得切替制御回路５０では、レベル検出回路４０からの出力信号が、第１比較器５１で設定された閾値電圧を超過するとき、プリアンプ利得制御器５２へ利得切替信号を出力し、プリアンプ３０の帰還抵抗Ｒｆが小さな値に切り替えられ、その利得が高利得から低利得に切り替えられる。

同時に、第１比較器５１を通過した信号は遅延器５３に入力し、所定時間の経過後にスイッチ５４をオンさせる。これによりレベル検出回路４０からの出力信号は第２比較器５５にも入力されるようになる。この遅延器５３は、利得が変更された後のプリアンプ３０の出力信号がレベル検出回路４０を経て再度増倍率・利得切替制御回路５０に入力されるまでの遅延を与えるものである。

利得が高利得から低利得に変更されたプリアンプ３０で受信された信号は、再度レベル検出回路４０を経て、その検出レベルが増倍率・利得切替制御回路５０に入力される。第２比較器５５は第１比較器５１と同じ閾値が設定されており、再入力された出力レベルがこの閾値を超過するとき、ＡＰＤ増倍率制御器５６へ増倍率切替信号を出力し、ＡＰＤバイアス電源６０のバイアス値が切り替えられて、ＡＰＤ増倍率が低値に切り替えられる。

増倍率・利得切替制御回路５０内のスイッチ５４のオン動作、プリアンプ利得制御器５２とＡＰＤ増倍率制御器５６の切替操作は、バースト信号終了後にリセット信号が入力されるまで、切替後の状態が維持される。

以上のように、この実施例によれば、初期状態においてプリアンプ３０が高利得かつＡＰＤ２０が高増倍率で動作し、プリアンプ３０の出力が飽和レベルに達すると、まずプリアンプ利得が低値に切替えられ、その後、プリアンプ３０の出力レベルが再度飽和出力レベルに達するとＡＰＤ２０の増倍率が低値に切替えられる（図３参照）。

従って、ＡＰＤ増倍率の切り替えは、必ずプリアンプ３０の利得が低い利得に抑えられた状態で行われるため、プリアンプ３０の線形入力動作範囲が広がり、ＡＰＤ増倍率切替の効果を大きくすることが可態である。

図４に本実施例のバースト光信号受信装置の動作のフローチャートを示す。バースト光信号が入力される以前のガードタイム区間にリセット信号が入力される受信装置は、ステップＳ１において、ＡＰＤ増倍率、およびプリアンプ利得が、ＡＰＤ増倍率＝高値、プリアンプ利得＝高値、に初期設定される。

この後、バースト光信号が受信されると、レベル検出回路４０の出力電圧Ｖｏｕｔが増倍率・利得切替制御回路５０に入力され、第１比較器５１において予め設定された閾値Ｖｔｈと比較される（ステップＳ２）。

ステップＳ２において、Ｖｏｕｔ＜Ｖｔｈが成立する場合、本受信装置ではプリアンプ３０の利得およびＡＰＤ２０の増倍率とも現状のままバースト光信号を受信し（ステップＳ６）、次のバースト信号に備える。

ステップＳ２において、Ｖｏｕｔ＜Ｖｔｈが成立しない場合、プリアンプ利得制御器５２を経てプリアンプ３０の利得が高値から低値に切替られる（Ｓ３）とともに、遅延器５３による遅延の後にスイッチ５４がオンし、第２比較器５５においてレベル検出回路４０の出力電圧Ｖｏｕｔが、予め設定された閾値Ｖｔｈと比較される（ステップＳ４）。

ステップＳ４において、Ｖｏｕｔ＜Ｖｔｈが成立する場合、ＡＰＤの増倍率は現状のままステップＳ６へ移行し、Ｖｏｕｔ＜Ｖｔｈが成立しない場合、ＡＰＤ増倍率制御器５６によってＡＰＤバイアス電源６０のバイアス値が切替られ、ＡＰＤ２０の増倍率が高値から低値に切り替えられて（ステップＳ５）から、ステップＳ６へ移行する。

ステップＳ６での信号判定の処理後、全体がリセットされてから、次のバースト光信号を受信するため再びステップＳ１に移行する。

以上のように、本実施例では、ＰＯＮシステムのような強度の異なるバースト光信号を受信するバースト光信号受信装置において、プリアンプ利得およびＡＰＤ増倍率を高値に設定して高感度特性を達成しながら、プリアンプの出力レベルの検出を行い、プリアンプ出力レベルが予め設定した閾値（プリアンプ飽和レベル）を超える場合、まずプリアンプ利得を低値に設定して信号を受信し、プリアンプ利得変更後のプリアンプ出力レベルが再度前記と同一閾値を超える場合、ＡＰＤ増倍率を低値に設定して信号を受信する。

このように、プリアンプ利得の切替によりプリアンプ飽和を防止するのに加えて、ＡＰＤ増倍率切替により許容光入力を改善できるため、各々の利得および増倍率のみを切替える場合に比べて、高感度特性と広ダイナミックレンジ特性を備える、バースト光信号受信器を簡易に実現することができる。

本発明の実施例のバースト光信号受信装置の概略構成を示すブロック図である。 図１のバースト光信号受信装置の増倍率・利得切替制御回路の内部構成を示すブロック図である。 図１のバースト光信号受信装置の動作特性図である。 図１のバースト光信号受信装置の動作のフローチャートである。 ＰＯＮシステムの構成図である。 ＰＮＯシステムの上り光信号の説明図である。 従来のバースト光信号受信装置の動作特性図である。 従来の別の例のバースト光信号受信装置の動作特性図である。

符号の説明

１００：光ファイバ、２００：光スプリッタ、３００：ＯＬＴ、４００：ＯＮＵ
１０：バースト光信号、２０：ＡＰＤ、３０：プリアンプ、４０：レベル検出回路、５０：増倍率・利得切替制御回路、６０：ＡＰＤバイアス電源、７０：リミッタアンプ
５１：第１比較器、５２：プリアンプ利得制御器、５３：遅延器、５４：スイッチ、５５：第２比較器、５６：ＡＰＤ増倍率制御器

Claims (6)

1. 強度の異なるバースト光信号をＡＰＤで受信し電流信号としてプリアンプで線形増幅するとともに電圧信号に変換するバースト光信号受信方法において、
   前記ＡＰＤの増倍率および前記プリアンプの利得を高値に設定して前記バースト光信号を受信し、前記プリアンプの出力レベルに応じて前記プリアンプの利得を低値に制御したとき、その後の前記プリアンプの出力レベルに応じて前記ＡＰＤの増倍率を低値に制御することを特徴とするバースト光信号受信方法。
2. 請求項１に記載のバースト光信号受信方法において、
   前記プリアンプの出力レベルが予め設定した閾値を超えるとき、前記プリアンプの利得を低値に設定し、前記プリアンプの利得を変更した後に前記プリアンプの出力レベルが前記閾値を再度を超えるとき、前記ＡＰＤの増倍率を低値に設定することを特徴とするバースト光信号受信方法。
3. 請求項２に記載のバースト光信号受信方法において、前記閾値は、前記プリアンプの飽和レベルであることを特徴とするバースト光信号受信方法。
4. 強度の異なるバースト光信号を受信するバースト光信号受信装置において、
   前記バースト光信号を電流信号に変換するＡＰＤと、該ＡＰＤの出力電流を線形増幅すると共に電圧信号に変換するプリアンプと、前記プリアンプの出力レベルを判定するレベル検出回路と、予め高値に設定された前記ＡＰＤの増倍率および前記プリアンプの利得を前記レベル検出回路の出力値に基づいて低値に制御する増倍率・利得切替制御回路とを備え、
   前記増倍率・利得切替制御回路は、前記プリアンプの利得を低値に制御したとき、その後の前記プリアンプの出力レベルに応じて前記ＡＰＤの増倍率を低値に制御することを特徴とするバースト光信号受信装置。
5. 請求項４に記載のバースト光信号受信装置において、
   前記増倍率・利得切替制御回路は、前記ＡＰＤの増倍率および前記プリアンプの利得を高値に設定して前記バースト光信号を受信し、前記プリアンプの出力レベルが予め設定した閾値を超えるとき、前記プリアンプの利得を低値に設定し、前記プリアンプの利得を変更した後に前記プリアンプの出力レベルが前記閾値を再度を超えるとき、前記ＡＰＤの増倍率を低値に設定することを特徴とするバースト光信号受信装置。
6. 請求項５に記載のバースト光信号受信装置において、前記閾値は、前記プリアンプの飽和レベルであることを特徴とするバースト光信号受信装置。
   

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