JP2010041158A - 光受信器 - Google Patents

Abstract

【課題】バランスド受光入力に対応し、シングル−差動変換に対するリファレンス電圧の調整が不要で、トランスインピーダンスアンプの出力とリミッタアンプの入力を接続するための広帯域な信号に対応した大容量のコンデンサも不要な光受信器を提供すること。
【解決手段】同一極性方向に直列接続された２個の受光素子より構成された２方向の電流を有するバランスドフォトダイオードと、このバランスドフォトダイオードの出力信号が差動入力ペアトランジスタの一方のトランジスタのベースに入力される差動増幅部と、この差動増幅部のそれぞれの出力信号をレベルシフトするエミッタフォロワ部と、このエミッタフォロワ部の出力信号を前記差動増幅部の各入力端子にそれぞれ帰還する帰還抵抗と、前記差動入力ペアトランジスタの他方のトランジスタのベースに接続されているコンデンサ、とで構成されたことを特徴とする光受信器。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光受信器に関し、詳しくは、次世代光通信用として期待される位相変調方式に対応し、差動出力が可能であり、２個のフォトダイオードがモノリシック集積化されたバランスドフォトダイオードを用いた光受信器に関するものである。

図８は、従来のトランスインピーダンスアンプを用いた光受信器の一例を示すブロック図である。この光受信器は、光信号が入力される１個のフォトダイオード１と、このフォトダイオード１で受光され変換された電気信号を線形に増幅するトランスインピーダンスアンプ２と、直流電流をカットし、広帯域周波数を有する信号を通過させることのできる大容量コンデンサ３と、２個のバイアス発生回路４ａ，４ｂと、これらバイアス発生回路４ａ，４ｂから適切な動作をするように所定の直流電圧が与えられトランスインピーダンスアンプ２で増幅された小信号出力を一定の出力振幅に制限されるまで増幅する差動のリミッタアンプ５で構成されている。

図９は、図８に示したブロック図の具体的な回路例図である。図９において、トランスインピーダンスアンプ２は、増幅部２１とエミッタフォロワ部２２および帰還抵抗２３で構成されている。フォトダイオード１の出力は増幅部２１のベースに入力され、増幅部２１のコレクタはエミッタフォロワ部２２のベースに接続され、エミッタフォロワ部２２のエミッタは帰還抵抗２３を介して増幅部２１のベースに帰還されるとともに別の増幅部およびコンデンサ３を介してリミッタアンプ５に接続されている。

リミッタアンプ５は、差動増幅部５１と２系統のエミッタフォロワよりなるエミッタフォロワ部５２とで構成されている。差動増幅部５１を構成する差動入力ペアの一方のベースにはコンデンサ３が接続されるとともにバイアス発生回路４ａが接続され、他方のベースにはバイアス発生回路４ｂが接続されている。これら差動入力ペアと直列接続される電流源側のトランジスタのベースには電流源電流調整用バイアス発生回路４ｃが接続されている。

差動入力ペアの一方のコレクタはエミッタフォロワ部５２の一方のエミッタフォロワのベースに接続され、差動入力ペアの他方のコレクタはエミッタフォロワ部５２の他方のエミッタフォロワのベースに接続されている。エミッタフォロワ部５２の一方のエミッタフォロワのエミッタには出力端子Ｏｕｔが接続され、エミッタフォロワ部５２の他方のエミッタフォロワのエミッタには出力端子ＯｕｔＢが接続されている。

このような構成において、エミッタフォロワ部２２の出力の一部が帰還抵抗２３を介してトランスインピーダンスアンプ２の入力端子へ帰還されることにより、帰還された信号はトランスインピーダンスアンプ２の入力トランジスタへ最適なバイアスを与える。この回路は、フォトダイオード１からトランスインピーダンスアンプ２側へ電流を流す（吸込み方向）動作を前提に用いられている。

特許文献１は、シングル−バランス変換におけるリファレンス電圧を高速に引き込むことができ、また、出力のＤｕｔｙ比を、理想値５０％に近づける光受信器に関するものである。

特開２００３−５１７２３号公報

しかし、図８に示す従来の光受信器は強度変調方式であるため、トランスインピーダンスアンプ側へ吸い込む方向とトランスインピーダンスアンプ側から吐き出す方向の電流を有する２個の受光素子を用いたバランスド受光器に対応できないという問題がある。

また、リミッタアンプ５内の差動入力を有する差動増幅部５１へトランスインピーダンスアンプ２の出力を接続するため、シングル−差動増幅変換が必要になるという問題とトランスインピーダンスアンプ２の出力とリミッタアンプ５の入力を接続するための広帯域
な信号に対応した大容量のコンデンサ３が必要になるという問題がある。

さらに、差動増幅部５１からの出力信号のＤｕｔｙ比（クロスポイント）を安定に維持するため、差動入力ペアに対し、外部回路などを用いた高精度なリファレンス電圧の調整が必要になるという問題もある。

本発明は、上記のような問題点を解決するものであり、バランスド受光入力に対応し、シングル−差動変換に対するリファレンス電圧の調整が不要で、トランスインピーダンスアンプの出力とリミッタアンプの入力を接続するための広帯域な信号に対応した大容量のコンデンサも不要な光受信器を提供することを目的とする。

上記のような目的を達成するために、本発明の請求項１では、
同一極性方向に直列接続された２個の受光素子より構成された２方向の電流を有するバランスドフォトダイオードと、
このバランスドフォトダイオードの出力信号が差動入力ペアトランジスタの一方のトランジスタのベースに入力される差動増幅部と、
この差動増幅部のそれぞれの出力信号をレベルシフトするエミッタフォロワ部と、
このエミッタフォロワ部の出力信号を前記差動増幅部の各入力端子にそれぞれ帰還する帰還抵抗と、
前記差動入力ペアトランジスタの他方のトランジスタのベースに接続されているコンデンサ、
とで構成されたことを特徴とする光受信器である。

請求項２では、請求項１記載の光受信器において、
前記バランスドフォトダイオードのいずれかの受光素子に、光信号が入射されることを特徴とする。

請求項３では、請求項１または２記載の光受信器において、
前記エミッタフォロワ部の出力端子と接続されるとともに、前記エミッタフォロワ部から出力される信号のクロスポイントを補償する補償回路を有することを特徴とする。

請求項４では、請求項１〜３いずれかに記載の光受信器において、
各回路がモノリシック集積回路で構成されることを特徴とする。

請求項５では、請求項１〜４いずれかに記載の光受信器において、
前記トランジスタは、電界効果型（ＦＥＴ）であることを特徴とする。

このように構成することにより、バランスド受光入力に対応し、シングル−差動変換に対するリファレンス電圧の調整が不要で、トランスインピーダンスアンプの出力とリミッタアンプの入力を接続するための広帯域な信号に対応した大容量のコンデンサも不要な光受信器が実現できる。

以下、図面を用いて、本発明の光受信器を説明する。図１は、本発明の一実施例を示すブロック図である。本発明の光受信器は、同一極性方向に直列接続された２個の受光素子より構成された２方向の電流を有するバランスドフォトダイオード６と、リファレンス電圧を安定化するためのコンデンサ７と、差動トランスインピーダンス回路８と、補償回路９とから構成されている。

バランスドフォトダイオード６の両端には電源電圧が印加され、その接続中点は差動トランスインピーダンス回路８のＤＴ側の入力端子に接続されている。差動トランスインピーダンス回路８のＤＣ側の入力端子はコンデンサ７を介して接地され、コンデンサ７により安定化されたリファレンス電圧が入力される。補償回路９は、リミッタアンプ９１とリミッタアンプ９１のリミット動作範囲を制御するスレッシュホールド制御器９２と図示しない出力クロスポイント補償回路とから構成されている。

バランスドフォトダイオード６は、受光した光入力データＤｉｎを電気信号（電流）に変換して、差動トランスインピーダンス回路８のＤＴ側に入力する。差動トランスインピーダンス回路８のＤＣ側入力には、コンデンサ７により安定化されたリファレンス電圧が入力されている。これにより、バランスドフォトダイオード６から変換出力される電気信号は差動トランスインピーダンス回路８で線形に増幅されて、リミッタアンプ９１に入力される。リミッタアンプ９１は、スレッシュホールド制御器９２で制御されるリミット動作範囲まで一定の出力振幅になるように電気信号を増幅する。

ここで、差動トランスインピーダンス回路８は、差動入力の一方にコンデンサ７を設けていることにより、バランスド受光入力に対応したシングル−差動変換に対するリファレンス電圧の調整を行うことができる。

そして、従来の光受信器では、１個のフォトダイオード１が用いられ電流が一方向にのみ流れていたのに対して、同一極性方向に直列接続された２個の受光素子より構成された２方向の電流を有するバランスドフォトダイオード６を用いることにより、図１（Ａ）点で吸い込み方向および吐き出し方向の両方向に電流を流すことができる。

図２は、図１に示したブロック図の具体的な回路例図である。図１において、差動型トランスインピーダンス回路８は、差動増幅部８１とエミッタフォロワ部８２で構成されている。補償回路９は、リミッタアンプ９１と出力クロスポイント補償回路９３で構成されている。なお、スレッシュホールド制御器９２は図示しない。

差動トランスインピーダンス回路８の差動増幅部８１は、エミッタを共通とする差動入力ペアトランジスタによって構成され、この差動入力ペアトランジスタの一方のトランジスタのベースは入力端子（Ａ）に接続されてバランスドフォトダイオード６で受光変換された電流が入力され、他方のトランジスタのベースは入力端子（Ｂ）に接続されてコンデンサ７により安定化され、入力端子（Ａ）と対を成すリファレンス信号として機能する。

一方、エミッタフォロワ部８２は２系統のエミッタフォロワで構成されていて、電源電圧ＶＤＤがトランジスタＴｒａ，Ｔｒｂのコレクタに印加されると電流が流れる。各エミッタフォロワは、負荷抵抗ＲＬａ，ＲＬｂを介して差動トランスインピーダンス回路８の入力端子（Ａ），（Ｂ）に接続されていて、差動トランスインピーダンス回路８の入力は回路的に対称構造になっている。

補償回路９は、電位差調整を行うことにより、出力信号のＤｕｔｙ比（クロスポイント）を５０％にすることができる。

つまり、コンデンサ７を設けることにより、バランスド受光入力に対応したシングル−差動変換に対するリファレンス電圧の調整を行うことができる。また、帰還抵抗とコンデンサ７は、自動オフセット調整回路の機能を持っている。

すなわち、エミッタフォロワ部８２の各エミッタフォロワが、それぞれが動作する直流電圧が等しいことら、入力端子(Ａ)の信号に対し、入力端子(Ｂ)の電圧は、常に最適化されたリファレンス電圧として動作することができる。

図３は、バランスド入力波形に対応した受信器出力の復調データの一例を示す説明図である。バランスド入力信号Ｉｒｉｎ波形は、図１（Ａ）点において両極方向にそれぞれ電流が流れていることが確認できる。また、補償回路９を用いたリミッタ出力Ｖｒｉｎ波形は、重ね合わせると波形は”０”になり、一定値を出力する。つまり、バランスド入力により、バランスドフォトダイオード６が交互に受光することがこの波形から確認できる。

図４は、本発明のバランスド電流入力Ｉｒｉｎ波形の一例を示す図である。これらの波形から、吸い込み方向（Ｉｓ）と吐き出し方向（Ｉｈ）の両極方向にそれぞれ電流が流れていることが確認できる。
このようなバランスド入力により、バランスドフォトダイオード６が交互に受光するため、従来よりも倍の振幅を得ることができる。

入力信号は、差動トランスインピーダンス回路８において増幅されると同時にシングル−バランス変換され、さらに、エミッタフォロワ部８２がインピーダンス変換とレベルシフトとを行う。帰還抵抗によって、エミッタフォロワ部８２の出力信号の一部が差動トランスインピーダンス回路８の入力端子に帰還されることにより、広帯域化が実現される。

また、図１（Ａ）点での動作点(平均電圧値)は、差動トランスインピーダンス回路８のエミッタフォロワ部８２での直流動作点となる。つまり、バランスド入力により直流電流が流れないため、回路内部の動作点がそのまま動作点となる。

次いで、図２（Ｂ）点は、トランジスタと対を成すエミッタフォロワ部８２の出力から動作点を抽出している。また、図２（Ｂ）点には、（Ａ）点での信号周波数範囲内においてインピーダンスが十分小さくなるように容量値を選択して、広帯域な安定化を実現している。

図５は、本発明のバランスド電圧入力Ｖｒｉｎ波形の一例を示す図である。図２（Ａ）点での信号に対し、図２（Ｂ）点はリファレンス電圧として入力信号電流によらないで、識別中心点として動作しているのが確認できる。つまり、図２（Ｂ）点は、入力を調整しなくても常に一定値を取っていることが確認できる。

図６は、復調受信データの出力波形の一例を示す図である。図６より、Ｖｌｏｕｔ、Ｖｌｏｕｔｂの波形をみると、出力信号のＤｕｔｙ比が理想値である５０％に近くなっていることが確認できる。つまり、図１の受信器の回路を用いることにより、出力信号のＤｕｔｙ比（クロスポイント）を理想値である５０％にでき、光受信器の最少受光感度を改善できる。

図７は、差動トランスインピーダンス回路８０の出力モニタに対する出力波形の一例を示す図である。リミッタ回路は、Ｖｏｕｔ、Ｖｏｕｔｑの波形をみると、モニタ波形信号を飽和動作した信号レベルに達するまで増幅していることが確認できる。

なお、本発明は、Ｂｉｐｏｌａｒ（接合型トランジスタ）に限らず、ＦＥＴ（電界効果トランジスタ)を用いた集積回路にも適用できる。

なお、バランスドフォトダイオードは、モノリシック集積回路で構成されていてもよい。

以上説明したように、本発明によれば、従来、用いていたフォトダイオード１に代えてバランスドフォトダイオード６を用い、リファレンス電圧を安定化するためにコンデンサ７を用いることにより、バランスド受光入力に対応でき、シングル−差動変換に対するリファレンス電圧の調整が不要で、トランスインピーダンスアンプ２の出力とリミッタアンプ５の入力を接続するための広帯域な信号に対応した大容量のコンデンサも不要な光受信器を実現できる。

本発明の光受信器の一実施例を示すブロック図である。 本発明の光受信器の一実施例を示す回路図である。 本発明のバランスド電流入力波形の一例を示す図である。 本発明のバランスド電圧入力波形の一例を示す図である。 本発明のバランスド入力に対応した受信器出力波形の一例を示す図である。 本発明の復調受信データの出力波形の一例を示す図である。 本発明の受信器出力波形の一例を示す図である。 従来の光受信器の一実施例を示すブロック図である。 従来の光受信器の一実施例を示す回路図である。

符号の説明

１ フォトダイオード
２ トランスインピーダンスアンプ
３ コンデンサ
４ バイアス発生回路
５ リミッタアンプ
６ バランスドフォトダイオード
７ コンデンサ
８ 差動トランスインピーダンス回路
８１ 差動増幅部
８２ エミッタフォロワ部
９ 補償回路
９１ リミッタアンプ
９２ スレッシュホールド制御器
９３ 出力クロスポイント補償回路

Claims (5)

1. 同一極性方向に直列接続された２個の受光素子より構成された２方向の電流を有するバランスドフォトダイオードと、
   このバランスドフォトダイオードの出力信号が差動入力ペアトランジスタの一方のトランジスタのベースに入力される差動増幅部と、
   この差動増幅部のそれぞれの出力信号をレベルシフトするエミッタフォロワ部と、
   このエミッタフォロワ部の出力信号を前記差動増幅部の各入力端子にそれぞれ帰還する帰還抵抗と、
   前記差動入力ペアトランジスタの他方のトランジスタのベースに接続されているコンデンサ、
   とで構成されたことを特徴とする光受信器。
2. 前記バランスドフォトダイオードのいずれかの受光素子に、光信号が入射されることを特徴とする請求項１記載の光受信器。
3. 前記エミッタフォロワ部の出力端子と接続されるとともに、前記エミッタフォロワ部から出力される信号のクロスポイントを補償する補償回路を有することを特徴とする請求項１または２記載の光受信器。
4. 各回路がモノリシック集積回路で構成されることを特徴とする請求項１〜３いずれかに記載の光受信器。
5. 前記トランジスタは、電界効果型（ＦＥＴ）であることを特徴とする請求項１〜４いずれかに記載の光受信器。