JP2010068195A

JP2010068195A - 光電変換装置

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Publication number: JP2010068195A
Application number: JP2008232007A
Authority: JP
Inventors: Akira Mazaki; 明真崎
Original assignee: Hochiki Corp
Current assignee: Hochiki Corp
Priority date: 2008-09-10
Filing date: 2008-09-10
Publication date: 2010-03-25
Anticipated expiration: 2028-09-10
Also published as: JP5253057B2

Abstract

【課題】１台のＰＤを給電時と無給電時で兼用化する光電変換装置において、回路を簡易かつ安価に構成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受信機１であって、光信号を電気信号に変換するＰＤ２と、当該光受信機１への給電時に、ＰＤ２に逆電圧を印加する正電源＋Ｖｃや抵抗Ｒ１等と、当該光受信機１への給電時には逆電圧に基づくＰＤ２からの出力を増幅するＦＥＴトランジスタ７であって、当該光受信機１への無給電時にはＰＤ２の短絡回路を形成するＦＥＴトランジスタ７と、ＰＤ２から出力された電気信号を出力するＲＦ出力端子３及びＦＭ出力端子４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送信機から光伝送路を介して送信された光信号を受信して電気信号に変換する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、送信者側に配置した光送信機と、受信者側に配置した光受信機としての光回線終端装置（ＯＮＵ：ＯｐｔｉｃａｌＮｅｔｗｏｒｋＵｎｉｔ）とを、光ケーブルにて構成された長距離用の光伝送路を介して接続して構成されている。そして、送信者側において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によって光信号に変換し、この光信号を光伝送路を介して光回線終端装置に送信する。この光回線終端装置では、光信号を電気信号（ＲＦ信号）に変換してＴＶ受像機に出力する。この光電変換装置には、光信号を電気信号に変換するためのＰＤ（ＰｈｏｔｏＤｉｏｄｅ）が組み込まれており、このＰＤに逆電圧を印加することで、ＰＤに入射した光エネルギーの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。この際、ＰＤ単体では所望のＲＦ出力レベルが得られないため、ＦＥＴ（ＦｉｅｌｄＥｆｆｅｃｔＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やその他のトランジスタを使ってＲＦ信号を増幅した上で出力している。

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告知放送を継続できる体制が必要になる。しかしながら、停電によって光電変換装置に対する電源供給が停止すると、ＰＤ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、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電変換装置に内蔵し、停電時においても逆電圧を印加することで光電変換を継続可能とすることが提案されていた（例えば特許文献１参照）。

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、乾電池のメンテナンスに手間を要するという問題があるため、ＰＤを逆電圧印加のない無バイアスモード（太陽電池モード）で使用し、このＰＤから出力される信号を出力端子を介して出力することで、乾電池を用いることなく光電変換を行うことが提案されている。このようにＰＤを無バイアスモードで使用可能とする場合、給電時に逆電圧を印加するＰＤと無給電時に無バイアスモードで使用するＰＤとを別々に設ける構成と、給電時と無給電時で１台のＰＤを兼用化する構成とが考えられ、光電変換装置の製造コスト面からは後者の方がより好ましい。

例えば、特許文献２には、実施形態２から５として、給電時と無給電時とで１台のＰＤを兼用化する光電変換装置（光受信機）が開示されている。この光電変換装置では、概略的には、１台のＰＤを、給電時の逆電圧印加用の回路と、無給電時の無バイアスモード用の回路とに、リレー等から構成された切換スイッチを介して切換えている。

特開２００６−１７４２１１号公報特開２００８−７８９８８号公報

しかしながら、従来のように１台のＰＤを給電時と無給電時で兼用化する光電変換装置においては、ＦＥＴ等を有する給電時用の回路と、無給電時用の回路と、これら回路を相互に切り替えるためのリレー等の切換スイッチを設ける必要があったので、回路構成が全体として複雑になったり、装置コストが大きく上昇してしまうという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、１台のＰＤを給電時と無給電時で兼用化する光電変換装置において、回路を簡易かつ安価に構成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に記載の光電変換装置は、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、前記光信号を前記電気信号に変換するフォトダイオードと、当該光電変換装置への給電時に、前記フォトダイオードに逆電圧を印加する逆電圧印加手段と、当該光電変換装置への給電時には前記逆電圧印加手段にて印加された逆電圧に基づく前記フォトダイオードからの出力を増幅する増幅手段であって、当該光電変換装置への無給電時には前記フォトダイオードの短絡回路を形成する増幅手段と、前記フォトダイオードから出力された電気信号を出力する出力端子とを備えることを特徴とする。

また、請求項２に記載の光電変換装置は、請求項１に記載の光電変換装置において、前記増幅手段は、ＦＥＴトランジスタであり、前記ＦＥＴトランジスタのドレイン端子には前記フォトダイオードのカソード側が接続されると共に、前記ＦＥＴトランジスタのソース端子には接地を介して前記フォトダイオードのアノード側が接続され、当該光電変換装置への給電時に、前記ＦＥＴトランジスタのゲート端子に負電源を印加する負電源印加手段を備えたことを特徴とする。

また、請求項３に記載の光電変換装置は、請求項２に記載の光電変換装置において、前記負電源印加手段は、前記ＦＥＴトランジスタのゲート端子を抵抗を介して接地させることを特徴とする。

また、請求項４に記載の光電変換装置は、請求項１から３のいずれか一項に記載の光電変換装置において、前記出力端子は、前記フォトダイオードから出力された電気信号の交流成分のみを出力する第１出力端子であり、前記第１出力端子の前段に、前記フォトダイオードから出力された電気信号の交流成分のみを取り出すコンデンサを設けたことを特徴とする。

また、請求項５に記載の光電変換装置は、請求項１から４のいずれか一項に記載の光電変換装置において、前記出力端子は、前記フォトダイオードから出力された電気信号の所定周波数成分のみを出力する第２出力端子であり、前記第２出力端子の前段に、前記フォトダイオードから出力された電気信号の所定周波数成分のみを通過させる濾過手段を設けたことを特徴とする。

請求項１に記載の光電変換装置によれば、給電時には、逆電圧がフォトダイオードに印加され、フォトダイオードから出力された電気信号が増幅手段にて増幅された上で出力端子から出力されることで、光電変換出力を行うことが可能となる。また、無給電時には、フォトダイオードの短絡回路が形成され、無バイアスモードのフォトダイオードから出力された電気信号が出力端子から出力されることで、光電変換出力を行うことが可能となる。特に、従来から光電変換装置においてフォトダイオード出力の増幅用に用いられていた増幅手段を利用してフォトダイオードを短絡できるので、短絡用の特別な手段を用いることなく給電時の経路と無給電時の経路を自動的に切換えることができ、光電変換装置を簡易かつ低コストに構成することが可能となる。

請求項２に記載の光電変換装置によれば、１つのＦＥＴトランジスタを介して、給電時におけるフォトダイオード出力の増幅と、無給電時におけるフォトダイオードの短絡を行うことができる。

請求項３に記載の光電変換装置によれば、ＦＥＴトランジスタのゲート端子を抵抗を介して接地させることで、給電時において負電源の回路やＦＥＴトランジスタに溜まった電荷を、抵抗を介して引き抜くことができ、ＦＥＴトランジスタのゲート電圧を迅速かつ確実に０Ｖとすることができる。

請求項４に記載の光電変換装置によれば、電気信号の交流成分のみをコンデンサにて取り出して第１出力端子から出力できるので、第１出力端子からＲＦ信号を出力できる。

請求項５に記載の光電変換装置によれば、電気信号の所定周波数成分のみを濾過手段にて取り出して第２出力端子から出力できるので、第２出力端子から例えばＦＭ信号を出力できる。

以下に添付図面を参照して、この発明に係る光電変換装置の各実施の形態を詳細に説明する。ただし、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。

（構成）
図１は本実施の形態１に係る光受信機の回路図である。この光受信機１は、光電変換を行うＰＤ２と、ＲＦ信号を出力するＲＦ出力端子３と、ＦＭ信号を出力するＦＭ出力端子４とを、線路を介して接続して構成されている。

ＰＤ２のアノード側には、負電源−ＶｃｃがコイルＬ１、抵抗Ｒ１、及びコンデンサＣ１を介して接続されている。また、負電源−Ｖｃｃには、抵抗Ｒ５が並列接続されており、この抵抗Ｒ５は接地されている。また、ＰＤ２のアノード側には、抵抗Ｒ２とコイルＬ２が直列接続されており、これら抵抗Ｒ２とコイルＬ２との間にはコンデンサＣ２と制御回路５が接続されている。抵抗Ｒ２は、ＰＤ２による光電変換の光入力レベルを検出するためのものであり、この光入力レベルが制御回路５に入力され、この制御回路５において、光入力レベルに応じた各種の制御が行われる。特に、直流カット用コンデンサとしてコンデンサＣ１を設けており、このコンデンサＣ１によって負電源−Ｖｃｃをカットすることで、後述する正電源＋Ｖｃによって生成されるＰＤ２の光電変換レベルを、抵抗Ｒ２で正確に測定することが可能となる。

ＰＤ２のカソード側には、抵抗Ｒ３が接続されている。この抵抗Ｒ３は、ＲＦ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、ＲＦ出力端子３側からＰＤ２を見たときのインピーダンスＲ_Ｓは抵抗Ｒ３の抵抗値であるから、この抵抗Ｒ３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。この抵抗Ｒ３の両端にはコンデンサＣ３とコンデンサＣ４がそれぞれ接続されている。また、ＰＤ２のカソード側とＦＭ出力端子４との間には、ＦＭＢＰＦ（ＦＭＢａｎｄＰａｓｓＦｉｌｔｅｒ）６が接続されている。また、これらＲＦ出力端子３及びＦＭ出力端子４は特許請求の範囲における出力端子に対応し、特に、ＲＦ出力端子３は特許請求の範囲における第１出力端子、ＦＭ出力端子４は特許請求の範囲における第２出力端子にそれぞれ対応する。

また、光受信機１にはＦＥＴトランジスタ７が設けられている。このＦＥＴトランジスタ７は、特許請求の範囲における増幅手段に対応するもので、そのゲート端子は、抵抗Ｒ１及びコンデンサＣ１を介してＰＤ２のアノード側に接続されていると共に、負電源−Ｖｃｃがコイル（インダクタ）Ｌ１を介して接続されている。また、ＦＥＴトランジスタ７のドレイン端子は、抵抗Ｒ４を介して正電源＋Ｖｃに接続されている。この抵抗Ｒ４は、ＦＥＴトランジスタ７のドレイン端子に対する入力電流を調整する。これらドレイン端子と抵抗Ｒ４の間に、コンデンサＣ５を介してＲＦ出力端子３が接続されている。このコンデンサＣ５は、ＡＣ結合コンデンサであり、このコンデンサＣ５を理想的には無限大にすることで、ＰＤ２にて変換された電気信号の直流成分を落として、交流成分（ＲＦ信号）のみをＦＭ出力端子４に出力する。ＦＥＴトランジスタ７のソース端子は、接地されている。

このような構成において、正電源＋Ｖｃは、抵抗Ｒ３を介してＰＤ２のカソード側に印加される。すなわち、これら正電源＋Ｖｃ及び抵抗Ｒ３は、特許請求の範囲における逆電圧印加手段に対応する。

（動作−給電時）
次に、このように構成された回路の動作について説明する。給電時には、正電源＋Ｖｃより逆電圧がＰＤ２に印加され、このＰＤ２にて光電変換され、ＰＤ２から電気信号が出力される。また負電源−ＶｃｃがＦＥＴトランジスタ７のゲート端子に印加される。よって、ＰＤ２の電気信号のうちの交流成分（ＲＦ信号）が、コンデンサＣ１、抵抗Ｒ１、ＦＥＴトランジスタ７、コンデンサＣ５を介してＲＦ出力端子３から出力される。このように、ＲＦ信号がＦＥＴトランジスタ７を介することで、ＰＤ２から出たＲＦ信号が、規定レベルに増幅されて出力される。

（動作−無給電時）
図２は、図１の回路における無給電時における信号の流れを模式的に示す図である。停電等によって無給電状態になった時には、ＦＥＴトランジスタ７のゲート電圧がゼロになるため、ソース端子とドレイン端子間の抵抗がゼロになる。特に、抵抗Ｒ５を設けているため、給電時において負電源−Ｖｃｃの回路やＦＥＴトランジスタ７に溜まった電荷を、抵抗Ｒ５を介して引き抜くことができ、ＦＥＴトランジスタ７のゲート電圧を迅速かつ確実に０Ｖとすることができる。

このため、図２において二点鎖線にて示すように、ＰＤ２のカソード側、抵抗Ｒ３、抵抗Ｒ４、ＦＥＴトランジスタ７のドレイン端子、ＦＥＴトランジスタ７のソース端子、接地、抵抗Ｒ２、コイルＬ２、ＰＤ２のアノード側に順次至る閉回路が形成される。ここで、抵抗Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４の抵抗値をゼロにすることができれば、ＰＤ２を短絡でき、無バイアスモードで駆動することができる。仮に、抵抗Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４の抵抗値を完全にゼロにすることができない場合であっても、当該抵抗値を極力小さくすることで、ＰＤ２を無バイアスモードで駆動することができる。図３はＰＤ２の電圧−電流特性図である。無バイアスモードで駆動されたＰＤ２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。このような動作により、例えば、ＣＡＴＶ信号を伝送する場合、給電時には、全チャンネルの放送信号を所要性能を満足した高品質で伝送し、無給電時には、緊急告知放送等を行うＦＭ帯の放送信号のみがＦＭＢＰＦ６を介してＦＭ信号としてＦＭ出力端子４から出力される。

（効果）
これまで説明したように実施の形態１によれば、給電時には、逆電圧がＰＤ２に印加され、ＰＤ２から出力された電気信号がＦＥＴトランジスタ７にて増幅された上でＲＦ出力端子３から出力されることで、光電変換出力を行うことが可能となる。また、無給電時には、ＰＤ２の短絡回路が形成され、無バイアスモードのＰＤ２から出力された電気信号がＦＭ信号としてＦＭ出力端子４から出力されることで、光電変換出力を行うことが可能となる。特に、従来から光受信機１においてＰＤ２の出力の増幅用に用いられていたＦＥＴトランジスタ７を利用してＰＤ２を短絡できるので、短絡用の特別な手段を用いることなく給電時の経路と無給電時の経路を自動的に切換えることができ、光受信機１を簡易かつ低コストに構成することが可能となる。

また、１つのＦＥＴトランジスタ７を介して、給電時におけるＰＤ２の出力の増幅と、無給電時におけるＰＤ２の短絡を行うことができる。

また、ＦＥＴトランジスタ７のゲート端子を抵抗Ｒ５を介して接地させることで、給電時において負電源−Ｖｃｃの回路やＦＥＴトランジスタ７に溜まった電荷を、抵抗Ｒ５を介して引き抜くことができ、ＦＥＴトランジスタ７のゲート電圧を迅速かつ確実に０Ｖとすることができる。

また、電気信号の交流成分のみをコンデンサＣ５にて取り出してＲＦ出力端子３から出力できるので、ＲＦ出力端子３からＲＦ信号を出力できる。

また、電気信号の所定周波数成分のみをＦＭＢＰＦ６にて取り出してＦＭ出力端子４から出力できるので、ＦＭ出力端子４からＦＭ信号を出力できる。

〔実施の形態２〕
次に、実施の形態２について説明する。この形態は、実施の形態１よりも無給電時の短絡効果を高めた形態である。なお、実施の形態２の構成は、特記する場合を除いて実施の形態１の構成と略同一であり、実施の形態１の構成と略同一の構成についてはこの実施の形態１で用いたものと同一の符号及び／又は名称を必要に応じて付して、その説明を省略する。

（構成）
図４は本実施の形態２に係る光受信機の回路図である。この光受信機１０は、図１の光受信機１に対して、抵抗Ｒ３をコイル（インダクタ）Ｌ３に置換し、さらに、ＦＭＢＰＦ６の前段に、抵抗Ｒ６及びコンデンサＣ６を設け、このコンデンサＣ６を接地して構成されている。この構成では、ＰＤ２の短絡路から抵抗Ｒ３がなくなるため、無給電時における短絡効果を高めることができる。なお、この場合には、ＦＭ出力端子４側からＰＤ２を見たときのインピーダンスＲ_Ｓは抵抗Ｒ６の抵抗値であるから、この抵抗Ｒ６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。

（効果）
これまで説明したように実施の形態２によれば、実施の形態１と同様の効果に加えて、無給電時における短絡効果を高めることができる。

〔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、このような変形例の一部について説明する。

（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。

（ＦＭ出力について）
ＦＭＢＰＦ６は必須ではなく、ＦＭＢＰＦ６を設けなくてもＦＭ信号の所望の品質を維持できる場合には、ＦＭＢＰＦ６を省略してもよい。また、無給電時に出力する信号（バックアップすべき信号）は、ＦＭ信号に限られず、例えばＶＨＦ信号であってもよく、この場合には、ＦＭＢＰＦ６に代えて、ＶＨＦ帯域の信号のみを通過させるＢＰＦを設け、ＦＭ出力端子４からＶＨＦ信号を出力させてもよい。

（その他の回路構成について）
上述した回路構成は一例であり、公知の技術を用いて任意に変更することができる。例えば、ＦＭＢＰＦ６の入力はＰＤ２のカソードではなくアノードに接続してもよい。また、ＲＦ信号が通るコンデンサＣ１の入力は、ＰＤ２のアノードではなくカソードに接続してもよい。また、ＦＭ出力端子４の前段に適度な大きさのトランスを設けることで、無給電時におけるＦＭ信号の出力向上を図ってもよい。この場合には、インピーダンス整合用の抵抗Ｒ３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３の抵抗値を極力大きくすることでＲＦ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、実際にはトランス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ＲＦ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Ｒ３の抵抗値を決定することが好ましい。

本発明の実施の形態１に係る光受信機の回路図である。図１の回路における無給電時における信号の流れを模式的に示す図である。ＰＤ２の電圧−電流特性図である。実施の形態２に係る光受信機の回路図である。

符号の説明

１、１０光受信機
２ＰＤ
３ＲＦ出力端子
４ＦＭ出力端子
５制御回路
６ＦＭＢＰＦ
７ＦＥＴトランジスタ
＋Ｖｃ正電源
−Ｖｃｃ負電源
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３コイル
Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６抵抗
Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４、Ｃ５、Ｃ６コンデンサ

Claims

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、
前記光信号を前記電気信号に変換するフォトダイオードと、
当該光電変換装置への給電時に、前記フォトダイオードに逆電圧を印加する逆電圧印加手段と、
当該光電変換装置への給電時には前記逆電圧印加手段にて印加された逆電圧に基づく前記フォトダイオードからの出力を増幅する増幅手段であって、当該光電変換装置への無給電時には前記フォトダイオードの短絡回路を形成する増幅手段と、
前記フォトダイオードから出力された電気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。
前記増幅手段は、ＦＥＴトランジスタであり、
前記ＦＥＴトランジスタのドレイン端子には前記フォトダイオードのカソード側が接続されると共に、前記ＦＥＴトランジスタのソース端子には接地を介して前記フォトダイオードのアノード側が接続され、
当該光電変換装置への給電時に、前記ＦＥＴトランジスタのゲート端子に負電源を印加する負電源印加手段を備えたこと、
を特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
前記負電源印加手段は、前記ＦＥＴトランジスタのゲート端子を抵抗を介して接地させること、
を特徴とする請求項２に記載の光電変換装置。
前記出力端子は、前記フォトダイオードから出力された電気信号の交流成分のみを出力する第１出力端子であり、
前記第１出力端子の前段に、前記フォトダイオードから出力された電気信号の交流成分のみを取り出すコンデンサを設けたこと、
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。
前記出力端子は、前記フォトダイオードから出力された電気信号の所定周波数成分のみを出力する第２出力端子であり、
前記第２出力端子の前段に、前記フォトダイオードから出力された電気信号の所定周波数成分のみを通過させる濾過手段を設けたこと、
を特徴とする請求項１から４のいずれか一項記載の光電変換装置。