JP2010157963A

JP2010157963A - 光受信回路

Info

Publication number: JP2010157963A
Application number: JP2009000186A
Authority: JP
Inventors: Katsumi Kamisaka; 勝己上坂
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2009-01-05
Filing date: 2009-01-05
Publication date: 2010-07-15
Also published as: US8218976B2; US20100172657A1

Abstract

【課題】光入力信号の周波数特性に正確に対応した光入力のダイナミックレンジの拡大とともに、低電圧動作及び小型化を実現すること。
【解決手段】この光受信回路１は、光信号を受けて該光信号に対応する電流信号Ｉｐｄに変換するフォトダイオード２と、電流信号Ｉｐｄを電圧信号に変換するトランスインピーダンスアンプ３と、該電圧信号の瞬時状態に対応して電流信号Ｉｐｄがトランスインピーダンスアンプ３をバイパスするように動作するＦＥＴ１２とを備えることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、光信号を受信する光受信回路に関するものである。

従来から、光信号受信用の前置増幅器であるトランスインピーダンスアンプにおいて、入力ダイナミックレンジを拡大するための構成が検討されている。例えば、トランスインピーダンスアンプの帰還部の帰還抵抗と並列にダイオードを接続するような構成が知られている（下記特許文献１参照。）。このような構成では、トランスインピーダンスアンプへの大電流入力時に自動的にダイオードがオンして帰還抵抗値を変化させている。

また、トランスインピーダンスアンプの帰還部の帰還抵抗と並列に可変抵抗素子としてのＦＥＴを接続する構成（下記特許文献２，３参照。）や、トランスインピーダンスアンプへの大電流入力時に、その平均値であるローパスフィルタを通過した後の信号に応答してトランスインピーダンスアンプに入力される光電流をバイパスする構成（下記特許文献４参照。）も知られている。
特開平１０−３３５９５７号公報特開２００３−１６３５４４号公報特開平９−２３２８７７号公報米国特許第７，４１８，２１３号

しかしながら、上述した特許文献１に記載の構成では、信号振幅を制限するためにダイオードを使用するが、光受信回路全体の低電圧動作を実現するためには、低順方向電圧のデバイスであるショットキーダイオードが必要となる。しかしながら、ショットキーダイオードが利用できないプロセスを採用した場合等、この構成を用いることができない場合がある。

また、上記特許文献２，３に記載の構成では、可変抵抗素子を制御するための負帰還ループを構成する必要があり、このような負帰還ループに起因して低域カットオフ周波数が生じてしまう。この低域カットオフ周波数を下げるためには負帰還ループの時定数を大きくする必要があり、オンチップ容量、すなわちモノリシック化されたコンデンサでこれを実現しようとするとチップサイズが大きくなる。また、このようなコンデンサをモノリシック化できない場合には外付けの容量が必要になり、回路が大型化する傾向にある。

さらに、上記特許文献３に記載の構成では、入力信号の平均値に対して光電流をバイパスしており、周波数特性に正確に対応してその入力信号のダイナミックレンジを拡大することが困難であった。

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、光入力信号の周波数特性に正確に対応した光入力のダイナミックレンジの拡大とともに、低電圧動作及び小型化を実現可能な光受信回路を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の光受信回路は、光信号を受けて該光信号に対応する電流信号に変換するフォトダイオードと、電流信号を電圧信号に変換するトランスインピーダンスアンプと、該電圧信号の瞬時状態に対応して電流信号がトランスインピーダンスアンプをバイパスするように動作するトランジスタとを備えることを特徴とする。

このような光受信回路によれば、フォトダイオードによって生成された光信号に対応する電流信号がトランスインピーダンスアンプに入力され、その電流信号はトランスインピーダンスアンプによって電圧信号に変換される。このとき、トランスインピーダンスアンプからの電圧信号を受けるトランジスタによって、その電流信号は電圧信号の瞬時状態に対応してトランスインピーダンスアンプをバイパスされるので、光信号の瞬時状態に直接対応して光電流がバイパスされることになり、入力信号の周波数特性に正確に追随して入力ダイナミックレンジを拡大することができる。さらには、ダイオードを使用する場合に比較してプロセス上の制約が少なくされるとともに、帰還部としての可変抵抗素子を有しておらずそれを制御する負帰還ループも不要とされるので、回路の小型化も容易となる。

ここで、トランスインピーダンスアンプは、帰還抵抗を有し、トランジスタは、電流信号の一部が帰還抵抗をバイパスするように動作する、ことが好ましい。この場合、光信号の瞬時状態に対応して帰還抵抗を流れる光電流の振幅が調整され、入力信号のダイナミックレンジを確実に拡大することができる。

また、トランジスタは、電界効果トランジスタであり、そのゲート端子が所定電圧でバイアスされており、電圧信号に対応する電圧がソース端子に印加される、ことも好ましい。こうすれば、電圧信号の瞬時状態に直接対応してトランジスタがオン／オフされることにより、光信号の周波数特性に正確に追随して、フォトダイオードからの電流信号をトランジスタで吸収させることができる。

本発明の光受信回路によれば、光入力信号の周波数特性に正確に対応した光入力のダイナミックレンジの拡大とともに、低電圧動作及び小型化を実現することができる。

以下、図面を参照しつつ本発明に係る光受信回路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光受信回路１の構成を示す回路図である。同図に示す光受信回路１は、光受信モジュールに内蔵されて光信号を受信して電気信号に変換するための回路であり、光信号を受光してその強度に応じた電流信号Ｉｐｄに変換するフォトダイオード（以下、「ＰＤ」と言う。）２と、その電流信号Ｉｐｄを電圧信号Ｖｏｕｔに変換するトランスインピーダンスアンプ（電流電圧変換部）３とを含んでいる。

このＰＤ２は、カソードが所定電圧ＶＰＤでバイアスされ、アノードがトランスインピーダンスアンプ３の入力に接続されており、光信号に対応してＰＤ２の生成する電流信号Ｉｐｄが、トランスインピーダンスアンプ３に入力される。

トランスインピーダンスアンプ３は、２つのＮＰＮトランジスタ４ａ，４ｂ、それぞれのＮＰＮトランジスタ４ａ，４ｂのコレクタに接続された抵抗５ａ，５ｂ、それぞれのＮＰＮトランジスタ４ａ，４ｂのエミッタに接続された抵抗６ａ，６ｂ、及び電流電圧変換利得（トランスインピーダンス利得）を決定する帰還抵抗７によって構成されている。このＮＰＮトランジスタ４ａは、トランスインピーダンスアンプ３の入力側に設けられ、ベースにＰＤ２のアノードが接続され、コレクタは抵抗５ａを介して所定電圧ＶＣＣ１でバイアスされ、エミッタは抵抗６ａを介して接地されている。また、ＮＰＮトランジスタ４ｂは、トランスインピーダンスアンプ３の出力側に設けられ、ベースにＮＰＮトランジスタ４ａのコレクタが接続され、コレクタは抵抗５ｂを介して所定電圧ＶＣＣ２でバイアスされるとともに出力端子８に接続され、エミッタは抵抗６ｂを介して接地されている。さらに、トランスインピーダンスアンプ３の入出力間、すなわち、ＮＰＮトランジスタ４ａのベースとＮＰＮトランジスタ４ｂのエミッタとの間には帰還抵抗７が接続されている。

上記構成のトランスインピーダンスアンプ３においては、これらのＮＰＮトランジスタ４ａ，４ｂがエミッタ接地回路として機能し、ＮＰＮトランジスタ４ａ，４ｂは電流信号Ｉｐｄの大きさ（瞬時状態）に対応して増幅動作する。これにより、電流信号Ｉｐｄを帰還抵抗７の抵抗値で決まるトランスインピーダンス利得で電圧信号Ｖｏｕｔに変換し、その電圧信号Ｖｏｕｔを出力端子８に出力する。このときの電圧信号Ｖｏｕｔの大きさは、電流信号Ｉｐｄのうち帰還抵抗７を流れる電流によって決定される。

さらに、トランスインピーダンスアンプ３には、それに付属する回路素子として、ＮＰＮトランジスタ９、ＮＰＮトランジスタ９のエミッタに接続された抵抗１０、定電圧源１１によってゲート端子がバイアスされた電界効果トランジスタ（以下、「ＦＥＴ」と言う。）１２、及び抵抗１３が接続されている。

ＮＰＮトランジスタ９は、ＮＰＮトランジスタ４ｂと並列に接続され、ベースにＮＰＮトランジスタ４ａのコレクタが接続され、コレクタは所定電圧ＶＣＣ２でバイアスされ、エミッタは抵抗１０を介して接地されている。これにより、ＮＰＮトランジスタ９は、ＮＰＮトランジスタ４ｂと同様に、電流信号Ｉｐｄの大きさに同期して動作する。

このＮＰＮトランジスタ９のエミッタとＮＰＮトランジスタ４ａのベースとの間に抵抗１３が接続され、抵抗１３に並列にＦＥＴ１２が接続されている。具体的には、ＮＰＮトランジスタ９のエミッタにＦＥＴ１２のソース端子が接続され、ＮＰＮトランジスタ４ａのベースにＦＥＴ１２のドレイン端子が接続されている。このような接続構成により、ＦＥＴ１２は、電流信号Ｉｐｄが比較的小さい場合には、ゲート−ソース間の電圧が小さいのでオフ状態となる。これに対して、ＦＥＴ１２は、電流信号Ｉｐｄが比較的大きい場合には、ＮＰＮトランジスタ９のエミッタ電圧が下がることでゲート−ソース間の電圧が増大し自動的にオン状態となる。従って、ＦＥＴ１２は、ＮＰＮトランジスタ４ｂが出力端子８に生成する電圧信号に対応する電圧信号を、ＮＰＮトランジスタ９からソース端子に受けて、電流信号Ｉｐｄの一部を、出力端子８の電圧信号の大きさ（瞬時状態）に対応して帰還抵抗７をバイパスさせて吸収するように動作する。ここでは、ＦＥＴ１２がＮＰＮトランジスタ４ｂと別に設けられたＮＰＮトランジスタ９に接続されることで、ＦＥＴ１２のスイッチング動作が光電流Ｉｐｄの大きさ（瞬時状態）に直接対応したものとなるとともに、帰還部を制御する負帰還ループ及びその制御部も不要にされる。

上記のトランスインピーダンスアンプ３においては、光入力強度が小さい場合は、電流信号Ｉｐｄが帰還抵抗７を流れ、ＮＰＮトランジスタ４ｂに流れるコレクタ電流の変化を通じて電流信号Ｉｐｄに応じた電圧信号が出力端子８に現れる。一方、光入力強度が大きい場合には、ＦＥＴ１２が自動的にオン状態に変化することで電流信号Ｉｐｄの一部を迂回させることにより、出力する電圧信号に寄与する帰還抵抗７を流れる電流を減少させる。これにより、トランスインピーダンス利得が光入力強度に応じて増減され、大入力電流時の出力飽和が緩和されて入力ダイナミックレンジが拡大する。

以上説明した光受信回路１によれば、ＰＤ２によって生成された電流信号Ｉｐｄがトランスインピーダンスアンプ３に入力され、その電流信号Ｉｐｄはトランスインピーダンスアンプ３によって電圧信号Ｖｏｕｔに変換される。このとき、トランスインピーダンスアンプ３からの電圧信号を受けるＦＥＴ１２によって、その電流信号Ｉｐｄは電圧信号Ｖｏｕｔの大きさに対応してトランスインピーダンスアンプ３をバイパスされるので、光信号の大きさに直接対応して帰還抵抗７を流れる光電流の振幅が調整され、入力信号の周波数特性に正確に追随して入力ダイナミックレンジを拡大することができる。さらには、ダイオードを使用する場合に比較してプロセス上の制約が少なくされるとともに、帰還部としての可変抵抗素子を有しておらずそれを制御する負帰還ループも不要とされるので、回路の小型化も容易となる。

また、通常のトランスインピーダンスアンプでは帰還抵抗の値により雑音特性と入力ダイナミックレンジがトレードオフの関係となるが、光受信回路１によれば、入力電流に応じて自動的にトランスインピーダンス利得を下げる機能により雑音特性とダイナミックレンジ拡大の両立が可能となる。

さらに、光受信回路１は、入力電流をバイパスする際には、そのバイパス量は入力電流の平均値に基づくものではなく、入力電流の瞬時値を基準にしているので、ビット毎に入力電流をバイパスしていることになる。また、光受信回路１のトランジスタ９はトランジスタ４ｂと同様の性能を有するものであるので、トランジスタ９のエミッタに現れる信号は入力光信号を正確に（周波数特性を変えることなく）トレースするものである。その結果、入力信号のビット毎の周波数特性に正確に追随して入力ダイナミックレンジを拡大することができる。

図２には、光受信回路１における入力電流に対する出力電圧の特性のシミュレーション結果を、比較例と対比して示している。ここでは、本実施形態の比較例として、図４に示すように、ＮＰＮトランジスタ９、抵抗１０、定電圧源１１、ＦＥＴ１２、及び抵抗１３を含まない光受信回路９０１を想定している。また、このシミュレーションにおいては、抵抗６ａの抵抗値を0Ω、抵抗５ｂ，６ｂ，１０の抵抗値を400Ω、抵抗５ａの抵抗値を100Ω、帰還抵抗７の抵抗値500Ω、抵抗１３の抵抗値を20kΩ、ＶＰＤ，ＶＣＣ１＝2.5V、ＶＣＣ２＝3.3V、定電圧源１１の電圧値を1.33Vとした。

この結果により、光受信回路１では入力電流が0.5mAを超えた付近からトランスインピーダンス利得（図２の傾き）が減少し、入力電流が2mAを超える範囲まで出力電圧の飽和が見られなかった。これに対して、光受信回路９０１では、トランスインピーダンス利得が入力電流1.2mA付近まで一定であり、それを超えると出力電圧が飽和してしまっていることが分かる。

さらに、図３及び図５には、それぞれ、光受信回路１，９０１における出力波形のシミュレーション結果を示す。このときの入力電流信号は2mApp、消光比を無限大（∞）とした。この結果からも、光受信回路１では大電流入力にもかかわらず良好な出力波形が得られることが分かる。

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、光受信回路１の抵抗１３は省略されてもよい。また、ＮＰＮトランジスタ９のコレクタ側に抵抗を設けてもよい。また、抵抗６ｂ，１０は定電流回路に置き換えてもよい。また、光受信回路１に含まれるトランジスタに関して、ＮＰＮトランジスタの変わりにＰＮＰトランジスタを使用してもよいし、バイポーラトランジスタやＦＥＴ等の様々なトランジスタで代用することもできる。

本発明の好適な一実施形態にかかる光受信回路の構成を示す回路図である。図１の光受信回路における入力電流に対する出力電圧の特性のシミュレーション結果を示すグラフである。図１の光受信回路における出力波形のシミュレーション結果を示す図である。本発明の比較例にかかる光受信回路の構成を示す回路図である。図４の光受信回路における出力波形のシミュレーション結果を示す図である。

１…光受信回路、２…フォトダイオード、３…トランスインピーダンスアンプ、７…帰還抵抗、１２…ＦＥＴ、Ｉｐｄ…電流信号。

Claims

光信号を受けて該光信号に対応する電流信号に変換するフォトダイオードと、
前記電流信号を電圧信号に変換するトランスインピーダンスアンプと、
該電圧信号の瞬時状態に対応して前記電流信号が前記トランスインピーダンスアンプをバイパスするように動作するトランジスタと
を備えることを特徴とする光受信回路。
前記トランスインピーダンスアンプは、帰還抵抗を有し、
前記トランジスタは、前記電流信号の一部が前記帰還抵抗をバイパスするように動作する、
ことを特徴とする請求項１記載の光受信回路。
前記トランジスタは、電界効果トランジスタであり、そのゲート端子が所定電圧でバイアスされており、前記電圧信号に対応する電圧がソース端子に印加される、
ことを特徴とする請求項１又は２記載の光受信回路。