JP2010178256A - 光受信器の増幅器 - Google Patents

Abstract

【課題】初期応答速度特性と安定度特性を両立した増幅器とする。
【解決手段】ＰＤ１１１により光電変換して得た電流信号は、その一部が電流源１１２より引き抜かれ残りが増幅器１２０に入力される。増幅器１２０では、インピーダンス変換増幅器１２１により電流信号を電圧信号に変換し、この電圧信号を増幅器１２３により増幅する。信号検出器１２４は電圧信号の有無を検出し、自動オフセット補償回路１２５は電圧信号を積分する。電圧信号がないと検出されたときには、自動オフセット補償回路１２５は小さい時定数で積分をし、電圧信号があると検出されたときには、自動オフセット補償回路１２５は大きい時定数で積分する。そして自動オフセット補償回路１２５の出力（積分値）に応じて、電流源１１２による引き抜き量が制御される。
【選択図】図１

Description

本発明は、光通信方式におけるディジタル信号伝送を行う光受信技術に係り、詳しくは受光素子により光信号を電気信号（電流信号）に変換した後、その電流信号を電圧信号に変換し波形整形・増幅する技術に関するものである。特に本発明はバースト的なデータ信号の入力に対して高速に応答し、また、微小信号から大信号まで受信できる、高感度かつ広ダイナミックレンジな光受信技術に関するものである。

光アクセスシステムには加入者側装置（Optical network unit：ＯＮＵ）と局側装置（Optical line terminal：ＯＬＴ）とが１対１で接続されるシングルスター構成（Single star：ＳＳ）と、複数のＯＮＵが受動光分岐素子を介して１つのＯＬＴに接続される受動光ネットワーク（Passive optical network：ＰＯＮ）構成とがある。

ＳＳ方式においてはＯＮＵがＯＬＴを占有出来るので高速通信が可能であるが、装置コストが高いという欠点がある。
一方、ＰＯＮ方式においては複数のＯＮＵが１つのＯＬＴや光ファイバ設備を共有するために経済性に優れるという理由から、多くの光アクセスシテムではＰＯＮ方式が採用されている。

ＰＯＮ方式の下り伝送は連続モードで、各ＯＮＵへの信号は時分割多重（Time division multiplexing：ＴＤＭ）されて伝送される。下り信号は全てのＯＮＵにブロードキャストされ、各ＯＮＵは自分宛の信号のみ選択受信する。
一方、上り伝送では、時分割多元接続（Time division multiple access：ＴＤＭＡ）によって、信号の衝突を避けるために各ＯＮＵはＯＬＴから指定されたタイミングで信号を伝送する。ＯＮＵとＯＬＴ間の伝送距離がＯＮＵ毎に異なるために、各ＯＮＵからの上り信号は互いに強度と位相の異なる間欠的な信号であるという特徴があり、上り信号はバーストモードと呼ばれる。

光受信器は一般に、フォトダイオード（Photodiode：ＰＤ）、等化増幅器（Equalizing amplifier:ＥＱＡ）、クロックデータ再生器（Clock and date recovery：ＣＤＲ）によって構成される。
ＥＱＡはインピーダンス変換増幅器（Transimpedance amplifier：ＴＩＡ）と振幅制限増幅器（Limiting amplifier：ＬＩＡ）により構成され、ＣＤＲはクロック再生回路（Clock recovery circuit：ＣＲＣ）と識別再生回路（Decision circuit：ＤＥＣ）により構成される。

光受信器への入力光信号は、ＰＤによって電流信号に、次にＴＩＡにおいて電圧信号に変換され、更にＬＩＡにおいては後段のＣＤＲで識別再生可能なレベルに振幅制限されて増幅される。

ＣＤＲにおいてはＣＲＣが入力信号からクロック信号を抽出・再生し、その再生クロックによって与えられる識別タイミングでＤＥＣが入力信号を識別再生する。

ＰＯＮ方式においては、上り信号はバーストモードであるため、ＯＬＴ光受信器を構成するＴＩＡ、ＬＩＡは強度の著しく異なるバースト信号を歪み無く増幅し、ＣＲＣは互いに異なる位相のバースト信号からクロック信号を抽出する必要がある。その際にはバースト信号毎に各々の受信回路は最適化される必要があるが、各回路はある一定の応答時間を必要とする。

上り通信サービスを提供するという観点からは、広域収容のためにＯＮＵ−ＯＬＴ間の距離によって伝送路損失に大きな差を生じるため、等化増幅器（ＥＱＡ）には高感度かつ広ダイナミックレンジな受信性能が求められる。
また、高い上り伝送効率の実現という観点から、上りバースト信号間のガードタイムやプリアンブル長等の物理的オーバーヘッドを短くする必要があるため、ＴＩＡ、ＬＩＡ、ＣＲＣに対しては瞬時応答性能が要求される。

高速なＰＯＮシステムを実現するためには、上記のような高速バースト信号受信技術の確立が極めて重要な役割を担う。また、より高速なシステムを導入する際には従来から使用してきた既存の光ファイバ設備・装置を有効利用し、かつ既存の低速なサービスの加入者に対しても変わることなく通信サービスを提供する必要がある。

従って、ＯＬＴの光受信器に対してはバーストモードの信号だけでなく、複数の異なる伝送速度の信号に対しても高い受信性能が求められるが、従来の受信器では複数の異なる伝送速度の信号に対して、特に、バースト信号に対して高速、高感度かつ広ダイナミックレンジな受信性能を担保することが困難であるという問題があった。

西原他"A burst-mode 3R receiver for 10-Gbit/s PON systems with high sensitivity, wide dynamic range, and fast response", (IEEE J. Lightwave technology, vol.26, no.1, January 1, 2008)

非特許文献１において、従来技術の光受信器に関しての、高速なバースト信号に対する高感度・広ダイナミックレンジな受信性能と高速応答性能が報告されている。しかし、互いに伝送速度が異なる複数の信号が光受信器に対して入力された場合に関する動作については未解決のままであった。

また、強度の異なる光信号を受信する光伝送システムにおいては、強度の大きな光信号を光受信器が受信したときに、光受信器の等価増幅器（ＥＱＡ）に対する入力信号レベルが過大になり増幅器の動作領域が非線形領域に入って波形歪みを引き起こすことが懸念されていた。

本発明は、上記従来技術に鑑み、高感度・広ダイナミックレンジな受信性能と高速応答性能を有すると共に、伝送速度が異なる光信号を確実に受信することができる、光受信器の増幅器を提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明の構成は、
受光した光信号を電流信号に変換する受光素子と、
オフセット補償用制御電圧が入力されるとオフセット補償用制御電圧の値に応じた値の電流信号を、前記受光素子から出力された電流信号から引き抜く電流源と、
前記受光素子から出力されてから前記電流源により引き抜かれた状態の電流信号が入力され、入力された電流信号を電圧信号に変換してから増幅する増幅器と、
を備えた光受信器において、
前記増幅器は、信号検出器と自動オフセット補償回路を有しており、
前記信号検出器は、前記電圧信号の有無を検出し、前記電圧信号がないと検出したときには第１の時定数切替制御電圧を前記自動オフセット補償回路に出力し、前記電圧信号があると検出したときには第２の時定数切替制御電圧を前記自動オフセット補償回路に出力し、
前記自動オフセット補償回路は、前記電圧信号を積分する機能を有すると共に、積分に用いる時定数として第１の時定数と第１の時定数より値の大きな第２の時定数を選択することができる機能を有しており、前記第１の時定数切替制御電圧が入力されると第１の時定数を用いて積分をして得た電圧を前記オフセット補償用制御電圧として出力し、前記第２の時定数切替制御電圧が入力されると第２の時定数を用いて積分をして得た電圧を前記オフセット補償用制御電圧として出力することを特徴とする。

また本発明の構成は、
受光した光信号を電流信号に変換する受光素子と、
オフセット補償用制御電圧が入力されるとオフセット補償用制御電圧の値に応じた値の電流信号を、前記受光素子から出力された電流信号から引き抜く電流源と、
前記受光素子から出力されてから前記電流源により引き抜かれた状態の電流信号が入力される増幅器と、
を備えた光受信器において、
前記増幅器は、前記電流信号を単相の電圧信号に変換するインピーダンス変換増幅器と、このインピーダンス変換増幅器から出力される単相の電圧信号を差動信号に変換するシングルバランス変換器と、このシングルバランス変換器から出力される差動信号を予め決めた振幅制限の下に増幅して増幅した電圧信号を出力する振幅制限増幅器と、この振幅制限増幅器から出力される電圧信号をモニタする信号検出器と、前記シングルバランス変換器から出力される差動信号をモニタする自動オフセット補償回路を有しており、
前記信号検出器は、前記振幅制限増幅器から出力される電圧信号の有無を検出し、前記振幅制限増幅器から出力される電圧信号がないと検出したときには第１の時定数切替制御電圧を前記自動オフセット補償回路に出力し、前記振幅制限増幅器から出力される電圧信号があると検出したときには第２の時定数切替制御電圧を前記自動オフセット補償回路に出力し、
前記自動オフセット補償回路は、前記差動信号を積分する機能を有すると共に、積分に用いる時定数として第１の時定数と第１の時定数より値の大きな第２の時定数を選択することができる機能を有しており、前記第１の時定数切替制御電圧が入力されると第１の時定数を用いて積分をして得た電圧を前記オフセット補償用制御電圧として出力し、前記第２の時定数切替制御電圧が入力されると第２の時定数を用いて積分をして得た電圧を前記オフセット補償用制御電圧として出力することを特徴とする。

また本発明の構成は、
前記の光受信器の増幅器において、
受信する光信号の伝送速度を示す速度通知制御電圧が外部から入力される共に、入力された速度通知制御電圧の値に応じて透過帯域が変化するフィルタが備えられていることを特徴とする。

また本発明の構成は、
前記光受信器の増幅器において、
受信する光信号の伝送速度を示す速度通知制御電圧が外部から入力される共に、入力された速度通知制御電圧の値に応じて遮断周波数特性が変化する遮断周波数可変増幅器が備えられていることを特徴とする。

また本発明の構成は、
前記の光受信器の増幅器において、
前記自動オフセット補償回路は、積分器と、この積分器の入力端子に接続された抵抗と、前記抵抗に対して並行に接続されたスイッチ素子を有しており、
前記スイッチ素子は、前記第１の時定数切替制御電圧が入力されると導通状態となり、前記第２の時定数切替制御電圧が入力されると遮断状態になることを特徴とする。

本発明が対象とする光受信器では、受光素子により光電変換された電流信号から、電流源により電流信号を引き抜いた後の電流信号が増幅器に入力され、増幅器では入力された電流信号を電圧信号に変換し波形整形・増幅する。かかる増幅器において、本発明では、信号検出器により電圧信号の有無を検出し、電圧信号がないと検出したときには、電圧信号を積分する自動オフセット補償回路の時定数を小さくし、電圧信号があると検出したときには自動オフセット補償回路の時定数を大きくしている。そして自動オフセット補償回路の出力の値に応じて、電流源による電流信号の引き抜き量を調整している。
このため、電圧信号がないときには、自動オフセット補償回路の積分時定数が小さくなり、フィードバック補償の初期応答速度が向上し、電圧信号があるときには、連続符号を受信しても信号のベースライン変動を抑制できアイ開口を大きくでき安定度が向上する。つまり、相反する特性である、初期応答速度特性と安定度特性を両立しつつ確保することができる。
また入力される光信号が大きいときには、自動オフセット補償回路の出力が大きくなり電流源による電流信号の引き抜き量を多くすることができるので、増幅器における増幅動作が非線形動作領域で行われることを防止でき、波形歪みの発生を防止することができ、ダイナミックレンジを広くすることができる。

また本発明では、増幅器に透過帯域が可変のフィルタや遮断周波数特性が可変の増幅器を備え、光信号の伝送速度に応じて前記フィルタの透過帯域や前記増幅器の遮断周波数特性を変化させるようにしたので、伝送速度が異なる複数の光信号が光受信器に入力された時であっても、誤り無く光信号を受信することが可能となる。

本発明の実施例１に係る光受信装置を示す機能ブロック図である。 実施例１におけるＡＯＣの機能を示すブロック図である。 実施例１における光受信装置に信号が入力されたときの各機能ブロックの出力および透過帯域の変化を示す特性図である。 実施例１における伝送速度１Ｇｂ／ｓ時と１０Ｇｂ／ｓ時のｔ−ＬＰＦの透過特性を示す特性図である。 実施例１におけるＡＯＣの回路構成の一例を示す回路図である。 本発明の実施例１の変形例に係る光受信装置を示す機能ブロック図である。 実施例１におけるｔ−Ａｍｐを示すブロック図である。 実施例２における光受信装置に信号が入力されたときの各機能ブロックの出力および透過帯域の変化を示す特性図である。 実施例３における光受信装置に信号が入力されたときの各機能ブロックの出力および透過帯域の変化を示す特性図である。

以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき詳細に説明する。

図１は本発明の第１の実施例における光受信装置の機能ブロック図を示すものである。
本実施例の光受信装置１００は、光受信器１１０の他に、この光受信器１１０を制御する光受信装置制御部１０１とで構成されている。

光受信器１１０は、増幅器１２０の他に、増幅器１２０の前段に配置された受光素子であるフォトダイオード（ＰＤ）１１１及びオフセット補償用の電流源１１２と、増幅器１２０の後段に配置された複数の伝送速度の信号に対応したクロックデータ再生器（ＭＲ−ＣＤＲ：Multi-rate-CDR）１１３と、速度通知制御電圧（Ｖ₁，Ｖ₂）を増幅器１２０に送る伝送速度通知器１１４とで構成されている。

フォトダイオード（ＰＤ）１１１は、受光した入力光信号に応じた電流信号を出力する。
オフセット補償用の電流源１１２は、この電流源１１２に入力されるオフセット補償用制御電圧（Ｖ_INT1，Ｖ_INT2）の値に応じた値の電流信号を引き抜く。
このため、増幅器１２０には、ＰＤ１１１から出力された電流信号から、電流源１１２が引き抜いた後の状態（電流値）の電流信号が入力される。
ＭＲ−ＣＤＲ１１３は、増幅器１２０から出力された複数の伝送速度の信号を識別再生して出力する。

増幅器１２０は、インピーダンス変換増幅器（Transimpedance amplifier：ＴＩＡ）１２１と、シングルバランス変換器（Single-balance transformation circuit：Ｓ／Ｂ）１２２と、振幅制限増幅器（Limiting amplifier：ＬＩＡ）１２３と、信号検出器（Signal detect：ＳＤ）１２４と、自動オフセット補償回路（Automatic offset compensation：ＡＯＣ）１２５と、透過帯域可変の低域フィルタ（tunable-LPF：ｔ−ＬＰＦ）１２６を有する。
なお、ｔ−ＬＰＦ１２６は、ＬＩＡ１２３の後段に配置しているが、ＬＩＡ１２３の前段に配置してもよい。

一般に光通信ネットワークにおいては、物理的に離れた複数の光伝送装置が光ファイバを介して互いに接続されて通信データの送受信を行っている。その際には実データを送受信する前に、正しく通信を行うための手続きのプロセスが存在する。
例えばＩＥＥＥ８０２．３ａｈにおいては、イーサネット（登録商標）技術を用いて高速光アクセスシステムを実現するための標準規格が定められており、物理的に離れた装置間で通信が正しく行われるためのプロトコルとしてMultipoint control protocol（ＭＰＣＰ）というものが規定されている。

一般に光伝送装置は、光ファイバを介して接続された他の光伝送装置との間で通信する際に、互いに信号を送受信する際のタイミングや伝送速度に関する情報等を事前にやり取りし合う。本発明においてはその点に着目し、光受信装置１００の内部に伝送速度通知器１１４を設けた。

伝送速度通知器１１４は光受信装置制御部１０１と通信し、光受信器１１０に対する入力光信号の伝送速度やタイミングを該制御部１０１から受け取って、増幅器１２０のｔ−ＬＰＦ１２６に対して適切なタイミンで速度通知制御電圧Ｖ₁，Ｖ₂を発出する。

ここで増幅器１２０の各構成要素について、更に説明する。
ＴＩＡ１２１は、ＰＤ１１１から入力された電流信号を、単相信号である電圧信号に変換する。なお前述したように、増幅器１２０のＴＩＡ１２１には、ＰＤ１１１から出力された電流信号から、電流源１１２が引き抜いた後の状態（電流値）の電流信号が入力される。

Ｓ／Ｂ１２２は、ＴＩＡ１２１の後段に接続されており、ＴＩＡ１２１から出力される単相信号を差動信号に変換する。一般に電子回路では差動信号が用いられ、それによって同相雑音耐性の向上、チャネルあたりの電圧振幅低下、後段のロジック回路との相互接続性確保を実現する。

振幅制限増幅器１２３は、後段のＭＲ−ＣＤＲ１１３にて識別再生可能なレベルに振幅制限をして、Ｓ／Ｂ１２２から出力される差動信号を増幅し、増幅した電圧信号を出力する。

ｔ−ＬＰＦ１２６の透過帯域は、伝送速度通知器１１４から与えられる速度通知制御電圧Ｖ₁，Ｖ₂によって制御される。例えば、ｔ−ＬＰＦ１２６に速度通知制御電圧Ｖ₁が入力されると、ｔ−ＬＰＦ１２６の透過帯域は７．５ＧＨｚとなり、ｔ−ＬＰＦ１２６に速度通知制御電圧Ｖ₂が入力されると、ｔ−ＬＰＦ１２６の透過帯域は７５０ＭＨｚとなる。

ＳＤ１２４は、ＬＩＡ１２３の出力（電圧信号）をモニタすることにより、光受信器１１０に対する入力信号の有無を検出し、その結果を電圧信号でＡＯＣ１２５に出力する。すなわち、ＳＤ１２４は、ＬＩＡ１２３の出力信号値（電圧信号値）と予め設定した設定値とを比較し、ＬＩＡ１２３の出力信号値が予め設定した設定値よりも大きいときには信号があると検出し、ＬＩＡ１２３の出力信号値が予め設定した設定値よりも小さいときには信号がないと検出する。そしてＳＤ１２４は、光受信器１１０に対する入力信号がないときには、時定数切替制御電圧Ｖ_AOC1を出力し、光受信器１１０に対する入力信号があるときには、時定数切替制御電圧Ｖ_AOC2を出力する。

ＡＯＣ１２５は、ＴＩＡ１２１やＬＩＡ１２３における差動信号対間、すなわち非反転信号と反転信号との間のＤＣオフセットレベルを補償するもので、例えば等価的な機能ブロック図である図２に示すように、等価的には、積分時定数が異なる２つの積分器１２５ａ，１２５ｂと２対１スイッチ１２５ｃによりその機能を表すことができる。

ＡＯＣ１２５は、ＴＩＡ１２１の出力を積分回路（積分器１２５ａ，１２５ｂ）によってモニタし、ＴＩＡ１２１への入力信号が大きい時に、ＰＤ１１１から発生した電流信号を電流源１１２が引き抜く値を大きくする制御をすることにより、ＴＩＡ１２１への入力電流を減少させ、非線形領域に入って波形歪を引き起こすことを防ぐ。

このようなＡＯＣ１２５の機能によって、ＴＩＡ１２１への入力信号強度が大きい時の非線形動作を抑制し、受信器の広ダイナミックレンジ化が可能となる。ＴＩＡ１２１への入力信号強度が大きいほど電流源１１２による引き抜き電流が大きくなるように、信号振幅をモニタしながらＡＯＣ１２５に対してフィードバック制御する。

本実施例におけるＡＯＣ１２５が有する、互いに時定数の異なる積分器は、それぞれ時定数τ₁の積分器（ＩＮＴ₁）１２５ａ、時定数τ₂の積分器（ＩＮＴ₂）１２５ｂであり、τ₁＜τ₂とする。

ＡＯＣ１２５が有する該２対１スイッチ１２５ｃは、ＳＤ１２４から出力される時定数切替制御電圧Ｖ_AOC1，Ｖ_AOC2によって制御される。つまり、スイッチ１２５ｃに時定数切替制御電圧Ｖ_AOC1が与えられると積分器（ＩＮＴ₁₎の出力電圧（オフセット補償用制御電圧）Ｖ_INT1を出力するように制御され、該スイッチ１２５に時定数切替制御電圧Ｖ_AOC2が与えられると積分器ＩＮＴ₂の出力電圧（オフセット補償用制御電圧）Ｖ_INT2を出力するように制御される。

なお、小さい時定数τ₁となっている積分器（ＩＮＴ₁）１２５ａから出力される出力電圧（オフセット補償用制御電圧）Ｖ_INT1は、時間的に急峻に値が大きくなり、大きい時定数τ₂となっている積分器（ＩＮＴ₁）１２５ｂから出力される出力電圧（オフセット補償用制御電圧）Ｖ_INT2は、時間的にゆっくりと値が大きくなる。

またこの時、所定の応答時間（ｔ_preamble）以内に時定数の制御を済ませる。一般にイーサネットやＡＴＭなどの伝送方式においてパケット信号を送受信する際には、パケットの先頭部にはプリアンブルと呼ばれる特殊な符号が付加され、信号の始まりの通知や同期に用いられる。プリアンブルの後にペイロードと呼ばれる正味のデータ部分が伝送される。許容される最大プリアンブル時間は光受信器が用いられる通信システムによって定められる。プリアンブル区間は実データ部分ではない、余剰のオーバーヘッド成分なので、応答時間ｔ_preambleが長すぎるとシステムの伝送効率を低下させてしまうので好ましくない。
本例では図３に示すように時刻ｔ₁に光受信器１１０に対して信号が入力されてから、時刻ｔ_set1までのｔ_preamble以内に透過帯域を７．５ＧＨｚ程度に制御した後に実データ部分を時刻ｔ₂まで受信する。

伝送効率向上の観点からｔ_preambleを短くするためにはバーストモード受信器には高速応答性能が求められる。従ってＡＯＣ１２５においては高速フィードバック制御を行うために、ＡＯＣ１２５が有する積分器の時定数を小さく設定することが好ましい。

一方、プリアンブルパターンの受信後は実データのペイロード区間になり、正味のデータを受信する。この時、ＡＯＣ１２５が有する積分器のＡＯＣの時定数が小さいと、ＴＩＡ１２１への入力信号が、例えば「１１１１１１１１．．．」のような長い連続符号の場合に同符号連続のベースラインが変動してしまい、アイ開口度を小さくして符号誤りを引き起こす原因となる。
従って、光受信器１１０がペイロード区間の信号を受信している間は、取り扱う伝送路符号が含む最大の同符号連続に対して十分耐えうるように、ＡＯＣ１２５が有する積分器の時定数を大きく設定することが好ましい。

上記ＡＯＣ１２５が有する積分器の時定数は、ＬＩＡ１２３の後段のＳＤ１２４によって電圧制御される。
ＳＤ１２４が、光受信器１１０に対して入力信号があることを検出すると、ＡＯＣ１２５に対して時定数切替制御電圧Ｖ_AOC2を出力し、ＡＯＣ１２５が有する積分器のうち、時定数の大きな積分器（ＩＮＴ₂）１２５ａを用いるように制御する。
このため、ＡＯＣ１２５からは、時間的にゆっくりと値が大きくなるオフセット補償用制御電圧Ｖ_INT2が出力され、電流源１１２はオフセット補償用制御電圧Ｖ_INT2の値に応じてＰＤ１１１から発生した電流信号を引き抜く。

一方、ＳＤ１２４が光受信器１１０に対して入力信号がないことを検出すると、ＡＯＣ１２５に対して時定数切替制御電圧Ｖ_AOC1を出力し、ＡＯＣ１２５が有する積分器のうち、時定数の小さな積分器（ＩＮＴ₁）を用いるように制御する。
このため、ＡＯＣ１２５からは、時間的に急峻に値が大きくなるオフセット補償用制御電圧Ｖ_INT1が出力され、電流源１１２はオフセット補償用制御電圧Ｖ_INT1の値に応じてＰＤ１１１から発生した電流信号を引き抜く。

次に、図３を用いて本発明の増幅器１２０の動作に関して、光受信器１１０に対して時刻ｔ₁からｔ₂の間に伝送速度１０Ｇｂｉｔ／ｓの光信号が入力され、時刻ｔ₄からｔ₅の間に伝送速度１Ｇｂｉｔ／ｓの光信号が入力される場合を例に説明する。
本実施例では、光受信器１１０に入力される光信号の振幅は、伝送速度１０Ｇｂｉｔ／ｓの光信号の振幅が、伝送速度１Ｇｂｉｔ／ｓの光信号の振幅よりも大きくなっている。
なお、本実施例における光信号の振幅の大小関係は、伝送速度１０Ｇｂｉｔ／ｓの光信号の振幅が、伝送速度１Ｇｂｉｔ／ｓの光信号の振幅よりも大きくなっているが、本発明はこれに限定されるものではなく、光信号の振幅の大小関係が逆であってもよい。

時刻ｔ₁に１０Ｇｂｉｔ／ｓの光信号が入力されると、既に記述したように光信号はＰＤ１１１で光電変換され、ＴＩＡ１２１で電圧信号に変換して増幅される。

一方、伝送速度通知器１１４はそれに先んじて光受信装置制御部１０１から時刻ｔ₀に速度通知制御電圧Ｖ₁を受け取り、時刻ｔ₁にｔ−ＬＰＦ１２６に対して速度通知制御電圧Ｖ₁を発出し、それを受けてｔ−ＬＰＦ１２６は透過帯域をｆ₁＝７．５ＧＨｚ程に設定する。
前述したように、ＭＰＣＰプロトコルにより、情報伝送用の光信号が光受信器１００に伝送される前（時間的に前）に、どのような種類（例えば伝送速度）の情報伝送用の光信号がどのようなタイミングや順番で送信されてくるかが、この光受信装置１００に送られてきており、そのような情報は光受信装置制御部１０１に記憶されている。このように記憶されている情報に基づき、時刻ｔ₀において光受信装置制御部１０１から速度通知制御電圧Ｖ₁を出力しているのである。

前記ＳＤ１２４は光受信器１１０に対して入力信号があることを時刻ｔ₁からｔ_set1までの時間ｔ_preamble以内に検出し、時定数切替制御電圧Ｖ_AOC2をＡＯＣ１２５に対して出力する。これを受けてＡＯＣ１２５が有する２対１スイッチ１２５ｃは、時定数の大きな積分器（ＩＮＴ₂）１２５ｂの出力であるオフセット補償用制御電圧Ｖ_INT2が、ＡＯＣ１２５から電流源１１２に出力されるように、スイッチの方路を切り替える。

このように光受信器１１０に対して入力信号があるときに、ＡＯＣ１２５の時定数を大きくするため、長い連続符号を受信してもベースラインが変動せず、アイ開口を大きくすることができる。
また、時定数の大きな積分器（ＩＮＴ₂）１２５ｂから出力されるオフセット補償用制御電圧Ｖ_INT2は、振幅の大きな伝送速度１０Ｇｂｉｔ／ｓの光信号の振幅に応じた値となっている。このため、電流源１１２は、振幅の大きな伝送速度１０Ｇｂｉｔ／ｓの光信号の振幅に応じた値となっているオフセット補償用制御電圧Ｖ_INT2に応じて電流信号を引き抜くため、ＴＩＡ１２１には過大入力が加わることはなく、波形歪みを引き起こすことを防止することができる。

伝送速度１０Ｇｂｉｔ／ｓの光信号の受信を時刻ｔ₂で終えると時刻ｔ₄まではＴＩＡ１２１への入力信号が存在しない。ＳＤ１２４はＴＩＡ１２１の出力をモニタし、光受信器１１０への入力信号が無いと判定し、ＡＯＣ１２５に時定数切替制御電圧Ｖ_AOC1を出力し、ＡＯＣ１２５が有する積分器（ＩＮＴ₁）１２５ａの出力であるオフセット補償用制御電圧Ｖ_INT1が、ＡＯＣ１２５から電流源１１２に出力されるように、スイッチ１２５ｃの方路を切り替える。

このように光受信器１１０に対して入力信号がないときに、ＡＯＣ１２５の時定数を小さくするため、フィードバックの初期応答速度が向上し高速フィードバック制御を行うことができる。

時刻ｔ₄からは伝送速度１Ｇｂｉｔ／ｓの光信号が光受信器１１０に入力される。１０Ｇｂｉｔ／ｓの信号の時と同様、伝送速度通知器１１４はそれに先んじて光受信装置制御部１０１から時刻ｔ₃に速度通知制御電圧Ｖ₂を受け取り、時刻ｔ₃にｔ−ＬＰＦ１２６に対して速度通知制御電圧Ｖ₂を発出し、それを受けてｔ−ＬＰＦ１２６は通過帯域をｆ₂＝７５０ＭＨｚ程に設定する。

光受信器１１０への入力信号が１０Ｇｂｉｔ／ｓの時と同様に、前記ＳＤ１２４は光受信器１１０に対して入力信号があることを時刻ｔ₄からｔ_set2までの時間ｔ_preamble以内に検出し、時定数切替制御電圧Ｖ_AOC2をＡＯＣ１２５に対して出力する。これを受けてＡＯＣ１２５が有する２対１のスイッチ１２５ｃは、時定数の大きな積分器（ＩＮＴ₂）１２５ｂの出力であるオフセット補償用制御電圧Ｖ_INT2が、ＡＯＣ１２５から電流源１１２に出力されるように、スイッチの方路を切り替える。

このように光受信器１１０に対して入力信号があるときに、ＡＯＣ１２５の時定数を大きくするため、長い連続符号を受信してもベースラインが変動せず、アイ開口を大きくすることができる。
また、時定数の大きな積分器（ＩＮＴ₂）１２５ｂから出力されるオフセット補償用制御電圧Ｖ_INT2は、伝送速度１Ｇｂｉｔ／ｓの光信号の振幅に応じた値となっている。このため、電流源１１２は、伝送速度１Ｇｂｉｔ／ｓの光信号の振幅に応じた値となっているオフセット補償用制御電圧Ｖ_INT2に応じて電流信号を引き抜くため、ＴＩＡ１２１には過大入力が加わることはなく、波形歪みを引き起こすことを防止することができる。

伝送速度１Ｇｂｉｔ／ｓの光信号の受信を時刻ｔ₅で終えるとＴＩＡ１２１への入力信号が存在しなくなり、ＳＤ１２４は光受信器１１０への入力信号が無いと判定し、ＡＯＣ１２５に時定数切替制御電圧Ｖ_AOC1を出力し、ＡＯＣ１２５が有する積分器（ＩＮＴ₁）１２５ａの出力であるオフセット補償用制御電圧Ｖ_INT1が、ＡＯＣ１２５から電流源１１２に出力されるように、スイッチ１２５ｃの方路を切り替える。

また、本実施例におけるｔ−ＬＰＦ１２６の透過特性を図４に示す。図４に示した増幅器の透過特性は米国Cadence社のＩＣ設計ツール“Vurtuso composer”を用いて設計した回路におけるシュミレーション結果である。Cadence社の設計ツールは業界標準として広く用いられており、高い信頼性、汎用性を有している。

また、図５に本実施例のＡＯＣ１２５の具体的な回路構成の一例を示す。先に示した図２はＡＯＣ１２５の備える機能を等価回路的に示したものであり、図５は、図２に示すＡＯＣ１２５の機能を実現するための具体的な回路の一例を示すものである。

図５に示すように、ＡＯＣ１２５は、積分器１２５−１と、スイッチ用ＦＥＴ（ｐチャネルＭＯＳＦＥＴ）１５２−２，１５２−３と、抵抗１５２−４を主要部材として構成されている。抵抗１５２−４は積分器１２５−１の入力端子に接続されており、スイッチ用ＦＥＴ１５２−２，１５２−３は、抵抗１５２−４に対して並行に接続されている。
外部から信号レベルの高い時定数切替制御電圧Ｖ_AOC2が入力されるとＦＥＴ１５２−２，１５２−３のゲートに電圧が印加され、ＦＥＴのドレイン電流が流れなくなる。すると、抵抗１５２−４の抵抗値が上がるために時定数が大きく制御される。
また、外部からの信号レベルの低い時定数切替制御電圧Ｖ_AOC1が入力されるとＦＥＴ１５２−２，１５２−３のドレイン電流が流れるようになり、抵抗１５２−４の抵抗値が下がるために時定数が小さく制御される。

以上のように、光受信器１１０の透過帯域、具体的にはｔ−ＬＰＦ１２６の透過帯域を、光伝送装置１００内の信号速度通知器１１４によって与えられる伝送速度の情報（速度通知制御電圧Ｖ₁，Ｖ₂）を基に適切に設定することによって、異なる伝送速度の信号を１つの光受信器１１０で誤り無く受信することが可能となる。

なお、本実施例においては２つの異なる伝送速度の信号が光受信器１１０に入力された時の動作を説明したが、２つ以上でも適用可能である。例えばＮ種類の異なる伝送速度の光信号が入力される時には、伝送速度通知器１１４がｔ−ＬＰＦ１２６に対して発出する速度通知制御電圧もＮ通りの値を取る。ただし、Ｎは自然数とする。また、ｔ−ＬＰＦ１２６をＬＩＡ１２３の後段に配備したが、ＬＩＡ１２３の前段に配置しても良い。

また本実施例においては、Ｓ／Ｂ１２２によりＴＩＡ１２１から出力される単相信号を差動信号に変換しているが、Ｓ／Ｂ１２２を設けずにＴＩＡから出力される単相信号のままであっても、本発明を適用することができることは勿論である。

＜実施例１の変形例＞
次に上述した実施例１の変形例を説明する。
図１に示す実施例１の増幅器１２０においては、透過帯域可変の低域フィルタ（ｔ−ＬＰＦ）１２６を用いていたが、図６に示す変形例では、ｔ−ＬＰＦ１２６の代わりに、遮断周波数可変の増幅器（ｔ−Ａｍｐ：tunable-Amplifier）１２７を用いている。

ｔ−Ａｍｐ１２７は、図７に示すように、並列接続された複数（本例では２つ）の増幅器１２７ａ，１２７ｂと、セレクタ１２７ｃにより構成されている。
増幅器１２７ａ，１２７ｂには、ＬＩＡ１２３により増幅された差動信号が入力される。増幅器１２７ａの遮断周波数（透過帯域）は７．５ＧＨｚになっており、増幅器１２７ｂの遮断周波数（透過帯域）は７５０ＭＨｚになっている。

ｔ−Ａｍｐ１２７のセレクタ１２７ｃに速度通知制御電圧Ｖ₁が入力されると、セレクタ１２７ｃは増幅器１２７ａを透過してきた差動信号のみを選択してＭＲ−ＣＤＲ１１３に向けて出力する。また、ｔ−Ａｍｐ１２７のセレクタ１２７ｃに速度通知制御電圧Ｖ₂が入力されると、セレクタ１２７ｃは増幅器１２７ｂを透過してきた差動信号のみを選択してＭＲ−ＣＤＲ１１３に向けて出力する。

このように、光受信器１１０の透過帯域、具体的にはｔ−Ａｍｐ１２７の遮断周波数特性（透過帯域）を、信号速度通知器１１４によって与えられる伝送速度の情報（速度通知制御電圧Ｖ₁，Ｖ₂）を基に適切に切り替えることによって、異なる伝送速度の信号を１つの光受信器１１０で誤り無く受信することが可能となる。

なお、ｔ−Ａｍｐ１２７は、ＬＩＡ１２３の後段に配置しているが、ＬＩＡ１２３の前段に配置してもよい。

ｔ−Ａｍｐ１２７を用いたときの光受信器の増幅器１２０の動作は、基本的にｔ−ＬＰＦ１２６を用いたときと同じであり、図３に記載の特性図においては、ｔ−ＬＰＦをｔ−Ａｍｐと読み替え、ｆ₁，ｆ₂は「ｔ−Ａｍｐの遮断周波数」と読み替えればよい。

本発明の第２の実施例における光受信装置１００の機能ブロック図は実施例１と同様で、図１および図２に示す通りである。ｔ−ＬＰＦ１２６の透過特性の透過特性も実施例１と同様に図４に示す通りである。また、ＡＯＣ１２５、ＳＤ１２４の特性と動作も実施例１と同様であるとする。

本実施例においては、光受信装置１００に入力される光信号の伝送速度を示す速度通知制御電圧Ｖ₁，Ｖ₂を、該光受信装置１００内で光受信装置制御部１０１、伝送速度通知器１１４、光受信器１１０の間でやりとりする信号の形式が実施例１と異なる。
実施例２における光受信装置制御部１０１と伝送速度通知器１１４との間では、図８に示すように光受信器１１０への入力光信号が存在する期間は速度通知制御電圧Ｖ₁，Ｖ₂のレベルを保持するような形式で制御信号のやり取りをする。

本実施例では光受信器１１０への入力光信号の伝送速度が１０Ｇｂｉｔ／ｓと１Ｇｂｉｔ／ｓの２種類存在する場合について説明したが、本発明は光受信器１１０に入力される光信号の伝送速度が２種類の時のみに限定されるものではない。例えば１０Ｇｂｉｔ／ｓ、２．５Ｇｂｉｔ／ｓ、１Ｇｂｉｔ／ｓ、６００Ｍｂｉｔ／ｓの４種類の異なる伝送速度の光信号が光受信器１１０に入力される場合の速度通知制御信号は、それぞれＶ₁、Ｖ₂、Ｖ₃、Ｖ₄の４種類の異なる速度通知制御電圧を取り扱えば良い。

ｔ−ＬＰＦ１２６は、速度通知制御電圧Ｖ₁が入力されると透過帯域を７．５ＧＨｚ程度にし、速度通知制御電圧Ｖ₂入力されると透過帯域を１．８７５ＧＨｚ程度にし、速度通知制御電圧Ｖ₃入力されると透過帯域を７５０ＭＨｚ程度にし、速度通知制御電圧Ｖ₄が入力されると透過帯域を４５０ＭＨｚ程度にする。

実施例２においても実施例１と同様に、ｔ−ＬＰＦの代わりにｔ−Ａｍｐを用いてもかまわない。この場合には、図８に記載の特性図においては、ｔ−ＬＰＦをｔ−Ａｍｐと読み替え、ｆ₁，ｆ₂は「ｔ−Ａｍｐの遮断周波数」と読み替えればよい。

本発明の第３の実施例における光受信装置１００の機能ブロック図は実施例１と同様で、図１および図２に示す通りである。ｔ−ＬＰＦ１２６の透過特性の透過特性も実施例１と同様に図４に示す通りである。また、ＡＯＣ１２５、ＳＤ１２４の特性と動作も実施例１と同様であるとする。

本実施例においては、光受信装置１００に入力される光信号の伝送速度を示す速度通知制御電圧Ｖ₁，Ｖ₂を、該光受信装置１００内で光受信装置制御部１０１、伝送速度通知器１１４、光受信器１１０の間でやりとりする信号の形式が実施例１、２と異なる。
実施例３における光受信装置制御部１０１と伝送速度通知器１１４との間では、１Ｇｂｉｔ／ｓの光信号が光受信器１１０に入力される場合は、光受信装置制御部１０１から図９の黒色を示されたタイミング（Ａ）内で「１０」と出力される。一方、１０Ｇｂｉｔ／ｓの光信号が光受信器１１０に入力される場合は同じく（Ｂ）内で「０１」と出力される。

本実施例では光受信器１１０への入力光信号の伝送速度が１０Ｇｂｉｔ／ｓと１Ｇｂｉｔ／ｓの２種類存在する場合について説明したが、本発明は光受信器１１０に入力される信号の伝送速度が２種類の時のみに限定されるものではない。例えば１０Ｇｂｉｔ／ｓ、２．５Ｇｂｉｔ／ｓ、１Ｇｂｉｔ／ｓ、６００Ｍｂｉｔ／ｓの４種類の異なる伝送速度の信号が光受信器に入力される場合の速度通知制御信号は、１０Ｇｂｉｔ／ｓの時は「１１」、２．５Ｇｂｉｔ／ｓの時は「１０」、１Ｇｂｉｔ／ｓの時は「０１」、６００Ｍｂｉｔ／ｓの時は「００」のようなシーケンスで制御信号のやり取りを行えば良い。

ｔ−ＬＰＦ１２６は、速度通知制御電圧として「１１」が入力されると透過帯域を７．５ＧＨｚ程度にし、速度通知制御電圧とし「１０」入力されると透過帯域を１．８７５ＧＨｚ程度にし、速度通知制御電圧として「０１」が入力されると透過帯域を７５０ＭＨｚ程度にし、速度通知制御電圧として「００」が入力されると透過帯域を４５０ＭＨｚ程度にする。

実施例３においても実施例１と同様に、ｔ−ＬＰＦの代わりにｔ−Ａｍｐを用いてもかまわない。この場合には、図９に記載の特性図においては、ｔ−ＬＰＦをｔ−Ａｍｐと読み替え、ｆ₁，ｆ₂は「ｔ−Ａｍｐの遮断周波数」と読み替えればよい。

１００ 光受信装置
１０１ 光受信装置制御部
１１０ 光受信器
１１１ フォトダイオード（ＰＤ：Photodiode）
１１２ オフセット補償用の電流源
１１３ 複数速度対応のクロックデータ再生器（ＭＲ−ＣＤＲ：Multi-rate-CDR）
１１４ 伝送速度通知器
１２０ 増幅器
１２１ インピーダンス変換増幅器（ＴＩＡ：Transimpedance amplifier）
１２２ シングルバランス変換器（Ｓ／Ｂ：Single-balance transformation circuit）
１２３ 振幅制限増幅器（ＬＩＡ：Limiting amplifier）
１２４ 信号検出器（ＳＤ：Signal detector）
１２５ 自動オフセット補償回路（ＡＯＣ：Automatic offset compensation circuit）
１２６ 透過帯域可変の低域透過フィルタ（ｔ−ＬＰＦ：tunable-LPF）
１２７ 遮断周波数可変の増幅器（ｔ−Ａｍｐ：tunable-Amplifier）
Ｖ₁，Ｖ₂ 速度通知制御電圧
Ｖ_AOC1，Ｖ_AOC2 時定数切替制御電圧
Ｖ_INT1，Ｖ_INT2 オフセット補償用制御電圧

Claims (5)

1. 受光した光信号を電流信号に変換する受光素子と、
   オフセット補償用制御電圧が入力されるとオフセット補償用制御電圧の値に応じた値の電流信号を、前記受光素子から出力された電流信号から引き抜く電流源と、
   前記受光素子から出力されてから前記電流源により引き抜かれた状態の電流信号が入力され、入力された電流信号を電圧信号に変換してから増幅する増幅器と、
   を備えた光受信器において、
   前記増幅器は、信号検出器と自動オフセット補償回路を有しており、
   前記信号検出器は、前記電圧信号の有無を検出し、前記電圧信号がないと検出したときには第１の時定数切替制御電圧を前記自動オフセット補償回路に出力し、前記電圧信号があると検出したときには第２の時定数切替制御電圧を前記自動オフセット補償回路に出力し、
   前記自動オフセット補償回路は、前記電圧信号を積分する機能を有すると共に、積分に用いる時定数として第１の時定数と第１の時定数より値の大きな第２の時定数を選択することができる機能を有しており、前記第１の時定数切替制御電圧が入力されると第１の時定数を用いて積分をして得た電圧を前記オフセット補償用制御電圧として出力し、前記第２の時定数切替制御電圧が入力されると第２の時定数を用いて積分をして得た電圧を前記オフセット補償用制御電圧として出力することを特徴とする光受信器の増幅器。
2. 受光した光信号を電流信号に変換する受光素子と、
   オフセット補償用制御電圧が入力されるとオフセット補償用制御電圧の値に応じた値の電流信号を、前記受光素子から出力された電流信号から引き抜く電流源と、
   前記受光素子から出力されてから前記電流源により引き抜かれた状態の電流信号が入力される増幅器と、
   を備えた光受信器において、
   前記増幅器は、前記電流信号を単相の電圧信号に変換するインピーダンス変換増幅器と、このインピーダンス変換増幅器から出力される単相の電圧信号を差動信号に変換するシングルバランス変換器と、このシングルバランス変換器から出力される差動信号を予め決めた振幅制限の下に増幅して増幅した電圧信号を出力する振幅制限増幅器と、この振幅制限増幅器から出力される電圧信号をモニタする信号検出器と、前記シングルバランス変換器から出力される差動信号をモニタする自動オフセット補償回路を有しており、
   前記信号検出器は、前記振幅制限増幅器から出力される電圧信号の有無を検出し、前記振幅制限増幅器から出力される電圧信号がないと検出したときには第１の時定数切替制御電圧を前記自動オフセット補償回路に出力し、前記振幅制限増幅器から出力される電圧信号があると検出したときには第２の時定数切替制御電圧を前記自動オフセット補償回路に出力し、
   前記自動オフセット補償回路は、前記差動信号を積分する機能を有すると共に、積分に用いる時定数として第１の時定数と第１の時定数より値の大きな第２の時定数を選択することができる機能を有しており、前記第１の時定数切替制御電圧が入力されると第１の時定数を用いて積分をして得た電圧を前記オフセット補償用制御電圧として出力し、前記第２の時定数切替制御電圧が入力されると第２の時定数を用いて積分をして得た電圧を前記オフセット補償用制御電圧として出力することを特徴とする光受信器の増幅器。
3. 請求項１または請求項２に記載の光受信器の増幅器において、
   受信する光信号の伝送速度を示す速度通知制御電圧が外部から入力される共に、入力された速度通知制御電圧の値に応じて透過帯域が変化するフィルタが備えられていることを特徴とする光受信器の増幅器。
4. 請求項１または請求項２に記載の光受信器の増幅器において、
   受信する光信号の伝送速度を示す速度通知制御電圧が外部から入力される共に、入力された速度通知制御電圧の値に応じて遮断周波数特性が変化する遮断周波数可変増幅器が備えられていることを特徴とする光受信器の増幅器。
5. 請求項１乃至請求項４の何れか一項に記載の光受信器の増幅器において、
   前記自動オフセット補償回路は、積分器と、この積分器の入力端子に接続された抵抗と、前記抵抗に対して並行に接続されたスイッチ素子を有しており、
   前記スイッチ素子は、前記第１の時定数切替制御電圧が入力されると導通状態となり、前記第２の時定数切替制御電圧が入力されると遮断状態になることを特徴とする光受信器の増幅器。

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