JP2010199953A - Optical reception circuit, optical reception device, and method of protecting optical reception circuit - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光受信回路、光受信装置、及び光受信回路の保護方法に関する。特に、光トランシーバの受光部に用いられる光受信回路に関する。 The present invention relates to an optical receiver circuit, an optical receiver, and a method for protecting an optical receiver circuit. In particular, the present invention relates to an optical receiving circuit used in a light receiving unit of an optical transceiver.
PON(Passive Optical Network)システムなどの光通信では、電気信号を光信号に変換して送信する光送信回路と、受信した光信号を電気信号に変換する光受信回路を備えた光トランシーバが用いられる。 In optical communication such as a PON (Passive Optical Network) system, an optical transceiver including an optical transmission circuit that converts an electrical signal into an optical signal and transmits the optical signal and a received optical signal that converts the received optical signal into an electrical signal is used. .
図1は、従来の光受信回路100のブロック図である。アバランシェフォトダイオード1は、光電変換素子として用いられ、入射した光を電流に変換する。高電圧発生回路3は、アバランシェフォトダイオード1のカソードに高電圧を与え、光の入射によってアバランシェフォトダイオードがブレークダウンするように制御する。前置増幅回路2は、アバランシェフォトダイオード1が出力する電流を電圧に変換して増幅する。抵抗R1と容量C1は、高電圧発生回路3からの雑音成分を減らして光受信回路の動作を安定させる。
FIG. 1 is a block diagram of a conventional
また、抵抗R1と容量C1はローパスフィルタの機能を果たし、アバランシェフォトダイオードに平均的に強い光が入射し、大きな電流が流れるときは、逆バイアス電圧を低下させることによってアバランシェフォトダイオードの増倍率を低下させる。一方、アバランシェフォトダイオードに平均的に弱い光が入射するときは、容量C1に高電圧発生回路3から供給される電荷が蓄積されることによりアバランシェフォトダイオードの逆バイアス電圧が増加させ、アバランシェフォトダイオードの増倍率を増加させる。
The resistor R1 and the capacitor C1 function as a low-pass filter. When a strong light is incident on the avalanche photodiode on average and a large current flows, the reverse bias voltage is reduced to increase the multiplication factor of the avalanche photodiode. Reduce. On the other hand, when light that is weak on average enters the avalanche photodiode, the charge supplied from the high
また、特許文献1には、上記図1の光受信回路に、アバランシェフォトダイオード(APD)に流れる電流を検出する電流検出回路を設け、電流検出回路にて電圧変換された検出電圧が、所定の基準電圧と略同一になるように高電圧発生回路の出力電圧を制御し、入力される光信号の光強度に応じてAPDに印加する電圧を任意に、あるいは一定に制御することにより、APDあるいは前置増幅器の破損を防止することが記載されている。 Further, in Patent Document 1, a current detection circuit that detects a current flowing in an avalanche photodiode (APD) is provided in the optical receiver circuit of FIG. 1, and a detection voltage that is converted into a voltage by the current detection circuit is a predetermined voltage. The output voltage of the high voltage generation circuit is controlled so as to be substantially the same as the reference voltage, and the voltage applied to the APD is controlled arbitrarily or constant according to the light intensity of the input optical signal. It is described to prevent preamplifier damage.
さらに、特許文献2には、強い光信号が入力した場合に、抵抗による電圧降下によりアバランシェフォトダイオードにDCバイアスがかからなくなるのを防ぐため、アバランシェフォトダイオードのカソードが一定の電圧以下に下がらないようにするアバランシェフォトダイオードのバイアス回路が記載されている。 Further, in Patent Document 2, when a strong optical signal is input, the cathode of the avalanche photodiode does not drop below a certain voltage in order to prevent a DC bias from being applied to the avalanche photodiode due to a voltage drop due to resistance. An avalanche photodiode bias circuit is described.
以下の分析は本発明において与えられる。上記光受信器において、電源切断時や電源投入時の過渡応答によって光素子や受信回路の故障が生じる可能性がある。特に、電源切断前に光入射がなかった場合には、容量C1には大きな電荷が蓄積されており、光電変換素子の増倍率は高い状態にある。電源切断によってもしばらくは、容量C1の電荷は保持される。その状態で強い光が入射し、その状態で再び電源が投入された場合には、光電変換素子の増倍率が高い状態で強い光を受けることになり、光素子や受信回路の故障が生じる可能性がある。 The following analysis is given in the present invention. In the above optical receiver, there is a possibility that a failure of the optical element or the receiving circuit may occur due to a transient response at power-off or power-on. In particular, when no light is incident before the power is turned off, a large charge is accumulated in the capacitor C1, and the multiplication factor of the photoelectric conversion element is high. Even after the power is turned off, the charge of the capacitor C1 is held for a while. If strong light is incident in that state and the power is turned on again in that state, the photoelectric conversion element will receive strong light with a high gain, which may cause failure of the optical element and the receiving circuit. There is sex.
本発明の1つの側面による光受信回路は、制御電圧の大きさによって増倍率が制御可能な光電変換素子と、前記光電変換素子に入射される光量によって前記光電変換素子の増倍率を制御する増倍率制御回路と、電源から電力が供給され前記光電変換素子の出力する電気信号を増幅する増幅回路と、前記電源の電圧低下を検出したときに前記増倍率を強制的に低下させる保護回路と、を含む。 An optical receiving circuit according to one aspect of the present invention includes a photoelectric conversion element whose multiplication factor can be controlled by the magnitude of a control voltage, and an amplification factor that controls the multiplication factor of the photoelectric conversion element by the amount of light incident on the photoelectric conversion element. A magnification control circuit, an amplification circuit that amplifies an electric signal supplied from a power source and output from the photoelectric conversion element, a protection circuit that forcibly reduces the multiplication factor when a voltage drop of the power source is detected, including.
また、本発明の他の側面による光受信装置は、制御電圧の大きさによって増倍率が制御可能な光電変換素子を備えた光受信装置であって、前記光受信装置の電源切断時において前記制御電圧をグランドにショートさせる第1保護手段と、前記光受信装置の電源投入時において前記電源電圧の上昇によって前記電源電圧との電位差が一定電圧以上生じないように前記制御電圧を制御する第2保護手段と、を備える。 An optical receiver according to another aspect of the present invention is an optical receiver including a photoelectric conversion element whose multiplication factor can be controlled by the magnitude of a control voltage, and the control is performed when the optical receiver is turned off. A first protection means for shorting the voltage to ground; and a second protection for controlling the control voltage so that a potential difference from the power supply voltage does not exceed a certain voltage due to an increase in the power supply voltage when the optical receiver is turned on. Means.
本発明のさらに別の側面による光受信回路の保護方法は、制御電圧の大きさによって増倍率が制御可能な光電変換素子と、前記光電変換素子の出力する電気信号を増幅する増幅回路と、前記光電変換素子に制御電圧を与える高電圧発生回路と、前記制御電圧を保持する容量と、を含む光受信回路の保護方法であって、前記光受信回路の電源切断時に前記容量に蓄積された電荷を強制的に放電するステップと、前記電源切断前における前記光電変換素子の増倍率の如何に係わらず、倍増率が低い状態で前記光受信回路を電源投入するステップと、を有する。 According to still another aspect of the present invention, there is provided a method for protecting an optical receiving circuit, a photoelectric conversion element capable of controlling a multiplication factor according to a magnitude of a control voltage, an amplification circuit that amplifies an electric signal output from the photoelectric conversion element, A method for protecting an optical receiver circuit, comprising: a high voltage generation circuit that applies a control voltage to a photoelectric conversion element; and a capacitor that holds the control voltage, wherein the electric charge accumulated in the capacitor when the optical receiver circuit is powered off And forcibly discharging the optical receiver circuit in a state where the multiplication factor is low irrespective of the multiplication factor of the photoelectric conversion element before the power is turned off.
本発明によれば、電源投入や電源切断時の過渡応答による光素子や受信回路の故障を防ぐことのできる光受信回路が得られる。特に、光入射がない状態で電源切断し、その直後に強い光が入射した状態で電源投入される場合の故障を防ぐ。 According to the present invention, it is possible to obtain an optical receiving circuit capable of preventing a failure of an optical element or a receiving circuit due to a transient response at power-on or power-off. In particular, a failure is prevented when the power is turned off in a state where no light is incident and the power is turned on in a state where a strong light is incident immediately after that.
本発明の実施形態について、必要に応じて図面を参照して説明する。なお、実施形態の説明において引用する図面及び図面の符号は実施形態の一例として示すものであり、それにより本発明による実施形態のバリエーションを制限するものではない。 Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings as necessary. In addition, drawing quoted in description of embodiment and the code | symbol of drawing are shown as an example of embodiment, and, thereby, the variation of embodiment by this invention is not restrict | limited.
本発明の一実施形態による光受信回路は、例えば図2、図7に示すように、制御電圧(カソード電圧)の大きさによって増倍率が制御可能な光電変換素子1と、光電変換素子1に入射される光量によって光電変換素子1の増倍率を制御する増倍率制御回路R1と、電源Vccから電力が供給され、光電変換素子1の出力する電気信号を増幅する増幅回路2と、電源Vccの電圧低下を検出したときに増倍率を強制的に低下させる保護回路4と、
を含む。保護回路4は電源電圧の低下を検出すると容量C1の電荷を放電するので、光電変換素子の制御電圧(カソード電圧)を下げ、光電変換素子の増倍率を低下させる。従って、電源切断時には、容量C1の電荷は放電された状態で電源がオフする。従って、電源投入時に如何に強い光が入射した状態で電源が立ち上がっても、容量C1の電荷は放電されているので、光電変換素子の増倍率は低く、光素子や受信回路が故障することはない。
An optical receiver circuit according to an embodiment of the present invention includes, for example, a photoelectric conversion element 1 whose multiplication factor can be controlled by the magnitude of a control voltage (cathode voltage), and a photoelectric conversion element 1 as shown in FIGS. The multiplication control circuit R1 that controls the multiplication factor of the photoelectric conversion element 1 according to the amount of incident light, the amplification circuit 2 that amplifies the electrical signal that is supplied with power from the power supply Vcc and that is output from the photoelectric conversion element 1, and the power supply Vcc
including. When the
また、本発明の一実施形態による光受信回路は、例えば図2、図7に示すように、制御電圧を保持する容量C1をさらに含み、保護回路4が、電源電圧Vccと容量が保持する制御電圧とを比較する電源電圧検出回路41と、電源電圧検出回路41が電源電圧Vccの低下を検出したときに、容量C1の電荷を放出する放電回路(42、R4)とを含む保護回路4である。すなわち、容量が保持する光電変換素子の制御電圧と電源電圧とを比較して、電源電圧が低下していたら電源電圧より制御電圧が低くなるように制御するので、電源電圧切断時には、容量に保持された制御電圧を低下させた状態で電源切断される。
The optical receiver circuit according to the embodiment of the present invention further includes a capacitor C1 that holds a control voltage as shown in FIGS. 2 and 7, for example, and the
また、本発明の一実施形態による光受信回路は、例えば図2、図7に示すように、保護回路4は、容量C1が保持する制御電圧が電源として供給され、容量が保持する制御電圧を分圧した電圧と電源電圧とを比較する。保護回路4には、容量C1から電源が供給されるので、電源が切断された後も、容量C1に電荷が残っている限り動作する。したがって、電源切断時に確実に容量C1の電荷を放電することができる。なお、容量C1の電荷が完全に放電されなくとも、光電変換素子の増倍率を低くすることができれば、目的は達成される。
In addition, in the optical receiver circuit according to the embodiment of the present invention, as shown in FIGS. 2 and 7, for example, the
また、本発明の一実施形態による光受信回路は、例えば図2、図7に示すように、容量C1と前記光電変換素子1との間に抵抗R5が接続されている。抵抗R5によって放電時に光電変換素子1から放電回路(42、R4)に過電流が流れるのを防ぐことができる。 In the optical receiver circuit according to the embodiment of the present invention, for example, as shown in FIGS. 2 and 7, a resistor R <b> 5 is connected between the capacitor C <b> 1 and the photoelectric conversion element 1. The resistor R5 can prevent an overcurrent from flowing from the photoelectric conversion element 1 to the discharge circuit (42, R4) during discharge.
また、本発明の一実施形態による光受信回路は、例えば図2に示すように、光電変換素子1はアノードが増幅回路2の入力端子に接続されたアバランシェフォトダイオード1であって、アバランシェフォトダイオード1のカソードに制御電圧を与える高電圧発生回路3をさらに含み、倍増率制御回路R1は一端が高電圧発生回路3の高電圧出力端子に、他端が容量C1の一端に接続された抵抗R1であって、容量C1の他端が接地されている。アバランシェフォトダイオードを動作させるためには、カソードに高い逆バイアス電圧を印加させる必要があるので、高電圧発生回路が設けられている。アバランシェフォトダイオードの増倍率は逆バイアス電圧に依存するので、容量C1を放電すれば、増倍率は低下する。なお、容量C1の他端が設置されているので、普通に電源投入された場合には、倍増率が低い状態から動作を開始するので問題ない。しかし、上述したように、電源切断前に光入射がない場合には、容量C1に電荷が蓄積された状態で電源切断されるので、上記構成が必要となる。
In the optical receiver circuit according to the embodiment of the present invention, for example, as shown in FIG. 2, the photoelectric conversion element 1 is an avalanche photodiode 1 whose anode is connected to the input terminal of the amplifier circuit 2. 1 further includes a high
また、本発明の一実施形態による光受信回路は、例えば図2に示すように、保護回路4を第1保護回路としたとき、アバランシェフォトダイオード1のカソード電圧が電源の電圧に対して一定電圧以下に低下しないように制御する第2保護回路5を、さらに含む。電源投入時に高電圧発生回路3が動作していなければ、アバランシェフォトダイオード1が順バイアスされ、増幅回路2から容量C1へ大電流が流れる恐れがある。上記構成によれば、第2保護回路によって、たとえ、高電圧発生回路3が動作していなくとも、第2保護回路5により過剰に順バイアスされるのを防ぐことができる。
Further, in the optical receiver circuit according to the embodiment of the present invention, for example, as shown in FIG. 2, when the
また、本発明の一実施形態による光受信回路は、例えば図2に示すように、第2保護回路5が電源Vccから高電圧発生回路3の高電圧出力端子への間に順方向にダイオード接続されたトランジスタ又は順方向に接続されたダイオードを含む。順方向にダイオード接続されたトランジスタ又は順方向に接続されたダイオードにより電源電圧Vccに対しアバランシェフォトダイオードの制御電圧が一定電圧以下にならないように制御できる。
In the optical receiver circuit according to the embodiment of the present invention, for example, as shown in FIG. 2, the
また、本発明の一実施形態による光受信回路は、例えば図7に示すように、光電変換素子はアノードが増幅回路2の入力端子に接続されたフォトダイオード1であって、制御電圧がフォトダイオードに対する逆バイアス電圧であって、倍増率制御回路は一端が前記電源に、他端が前記容量の一端に接続された抵抗R1であって、容量C1の他端が接地されている。 Further, in the optical receiver circuit according to the embodiment of the present invention, for example, as shown in FIG. 7, the photoelectric conversion element is the photodiode 1 whose anode is connected to the input terminal of the amplifier circuit 2, and the control voltage is the photodiode. The multiplication factor control circuit has a resistor R1 having one end connected to the power source and the other end connected to one end of the capacitor, and the other end of the capacitor C1 being grounded.
また、本発明の一実施形態による光受信装置は、例えば図2に示すように、制御電圧の大きさによって増倍率が制御可能な光電変換素子を備えた光受信装置10であって、光受信装置10の電源切断時において制御電圧をグランドにショートさせる第1保護手段4と、光受信装置10の電源投入時において電源電圧の上昇によって電源電圧との電位差が一定電圧以上生じないように制御電圧を制御する第2保護手段と、を備える。
An optical receiver according to an embodiment of the present invention is an
また、本発明の一実施形態による光受信回路の保護方法は、例えば図2に示すように、制御電圧の大きさによって増倍率が制御可能な光電変換素子1と、光電変換素子の出力する電気信号を増幅する増幅回路2と、光電変換素子に制御電圧を与える高電圧発生回路3と、制御電圧を保持する容量C1と、を含む光受信回路10の保護方法であって、光受信回路10の電源切断時に容量C1に蓄積された電荷を強制的に放電するステップと、電源切断前における光電変換素子1の増倍率の如何に係わらず、倍増率が低い状態で光受信回路10を電源投入するステップと、を有する。
The optical receiver circuit protection method according to an embodiment of the present invention includes, as shown in FIG. 2, for example, a photoelectric conversion element 1 whose multiplication factor can be controlled by the magnitude of a control voltage, and an electric power output from the photoelectric conversion element. A method of protecting an
また、本発明の一実施形態による光受信回路10の保護方法は、例えば図2に示すように、光受信装置を電源投入するステップにおいて、電源電圧の上昇につれて制御電圧との電位差が一定電圧を越えないよう電源電圧と制御電圧との電位差を一定電圧以下に保持しつつ電源投入し、電源投入するステップの後で、電源が立ち上がってから高電圧発生回路3を動作させるステップをさらに含む。電源投入時に高電圧発生回路を後から動作させることにより、電源投入時の突入電流を防ぐことができるが、そのことによって、電源投入時に光電変換素子が順バイアスされてしまう恐れがあるので、電源電圧の上昇につれて制御電圧との電位差が一定電圧を越えないよう電源電圧と制御電圧との電位差を一定電圧以下に保持しつつ電源投入する。以下、実施例について、図面を参照して詳しく説明する。
Further, in the method for protecting the
図2は、実施例1の光受信回路10のブロック図である。図2において、図1と構成、動作が同一である部分は同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。図2では、第1保護回路4と第2保護回路5を備えている。
FIG. 2 is a block diagram of the
第1保護回路4は、容量C1(A点)に蓄積されるアバランシェフォトダイオード1の逆バイアス電圧を抵抗分割する抵抗R2、R3と電源電圧Vccと抵抗R2、R3により分割された逆バイアス電圧とを比較し、電源電圧Vccの電圧の方が低いときにローレベルの信号を出力する電源電圧検出回路(コンパレータ)41と、電源電圧検出回路41の出力信号がローレベルになったときにオンして容量C1(A点)に蓄積された逆バイアス電圧を放電するPNPトランジスタ42と、PNPトランジスタ42のコレクタ抵抗R4と、容量C1(A点)とアバランシェフォトダイオード1のカソードとの間に接続された抵抗R5を含んで構成される。なお、電源電圧検出回路41の電源は、容量C1(A点)に接続され、容量C1から電源が供給される。抵抗R4は、PNPトランジスタ42がオンしたときの電流を制限し、PNPトランジスタ42と抵抗R4は電源電圧検出回路41が電源電圧の低下を検出したときに、容量C1(A点)の電荷を放出する放電回路として機能する。さらに、抵抗R5は、PNPトランジスタ42がオンして、アバランシェフォトダイオード1のカソード電圧が下がったときに、増幅回路2やアバランシェフォトダイオード1から逆流する電流を制限する機能を有している。
The
なお、抵抗R2、R3は、容量C1の電荷を無駄に放電しないような大きな抵抗値が設定され、かつ、抵抗R2、抵抗R3で分圧されるB点の電位が通常仕様状態において、常に電源電圧Vccより小さい電圧になるような抵抗値が設定される。PNPトランジスタが、通常使用時にはオンせず、電源切断時のオンするようにするためである。 The resistors R2 and R3 are set to have a large resistance value that does not wastefully discharge the charge of the capacitor C1, and the potential at the point B divided by the resistors R2 and R3 is always the power supply in the normal specification state. A resistance value is set such that the voltage is lower than the voltage Vcc. This is because the PNP transistor is not turned on during normal use but turned on when the power is turned off.
また、第2保護回路5は、ベースとコレクタが電源Vccに、エミッタが高電圧発生回路3の出力端子(E点)に接続されたNPNトランジスタにより構成される。第2保護回路は、E点の電位が電源電圧Vccより一定電圧以上低下しないようにして、高電圧発生回路3が機能していない場合に、アバランシェフォトダイオードが順バイアスされアバランシェフォトダイオード1を介して増幅回路2から容量C1や高電圧発生回路3に電流が逆流するのを防いでいる。
The
また、抵抗R1は、流れる電流による電圧低下によりアバランシェフォトダイオードの制御電圧となるカソードの逆バイアス電圧を制御する。すなわち、アバランシェフォトダイオードに入射する光量が多いときは、アバランシェフォトダイオード1に流れる電流が増加することによって、抵抗R1による電圧降下が増加し、アバランシェフォトダイオード1に与える逆バイアス電圧が低下し、アバランシェフォトダイオード1の増倍率を低下する。 The resistor R1 controls the reverse bias voltage of the cathode that becomes the control voltage of the avalanche photodiode due to the voltage drop caused by the flowing current. That is, when the amount of light incident on the avalanche photodiode is large, the current flowing through the avalanche photodiode 1 increases, so that the voltage drop due to the resistor R1 increases, the reverse bias voltage applied to the avalanche photodiode 1 decreases, and the avalanche photodiode 1 decreases. The multiplication factor of the photodiode 1 is reduced.
一方、アバランシェフォトダイオード1光の入射がないときは、アバランシェフォトダイオードには暗電流しか流れないので抵抗R1の流れる電流は減少し、抵抗R1による電圧降下も減少するので、逆バイアス電圧が増加し、アバランシェフォトダイオードの増倍率が増加する。すなわち、抵抗R1は、光量が多いときはアバランシェフォトダイオートの増倍率を減少させ、逆に光量が少ないときは増倍率を増加させることによって、受光する光量によって増倍率を自動的に制御する増倍率制御回路として機能する。 On the other hand, when no light is incident on the avalanche photodiode 1, since only a dark current flows through the avalanche photodiode, the current flowing through the resistor R1 decreases and the voltage drop due to the resistor R1 also decreases, so the reverse bias voltage increases. The multiplication factor of the avalanche photodiode increases. That is, the resistor R1 automatically increases the multiplication factor according to the amount of light received by decreasing the multiplication factor of the avalanche photo die auto when the light amount is large, and conversely increasing the multiplication factor when the light amount is small. Functions as a magnification control circuit.
次に、図2に示す実施例1の光受信回路10の動作について第1保護回路の動作から説明する。図3は、アバランシェフォトダイオード1が受ける光受信パワーの大きさと、電源電圧Vccの電圧と、A点〜G点の電圧を時系列でプロットしたタイミング図である。
Next, the operation of the
図3において、タイミングT2で一度電源Vccを切断した後、タイミングT5で再び電源を投入している。このT2からT5の電源を切断している最中に入射する光受信パワーがマイナス無限大からPrに増大している。光受信パワーがマイナス無限大の状態はアバランシェフォトダイオード1に光信号が入射していない状態であり、光受信パワーがPrの状態は、強い光信号を受信している状態である。すなわち、タイミングT2で電源を切断する前は、光信号が入射していない状態であったのに対し、電源を切断している最中のタイミングT4から強い光信号が入射され、その状態でタイミングT5に再び電源が投入されている。このタイミングT2からタイミングT5までの経過時間は容量C1が自然に放電する時間より短いものとする。 In FIG. 3, after the power supply Vcc is once cut off at the timing T2, the power supply is turned on again at the timing T5. The received optical power that is incident while the power supply from T2 to T5 is cut off increases from minus infinity to Pr. The state where the optical reception power is minus infinity is a state where no optical signal is incident on the avalanche photodiode 1, and the state where the optical reception power is Pr is a state where a strong optical signal is received. That is, the optical signal is not incident before the power supply is cut off at the timing T2, whereas a strong optical signal is inputted from the timing T4 while the power supply is turned off. The power is turned on again at T5. The elapsed time from the timing T2 to the timing T5 is shorter than the time during which the capacitor C1 is naturally discharged.
タイミングT2以前は、光信号の入射がないので、アバランシェフォトダイオード1はオンしておらず、高電圧発生回路3が出力する高電圧(E点、Vapd)は抵抗R1を介して、容量C1に蓄積される(A点)。このとき、電源電圧Vccが接続されるC点の電位よりA点の電位を抵抗R2とR3で分割した電位が入力されるB点の電位が高くなるので、電源電圧検出回路41はハイレベルを出力し(D点)、PNPトランジスタ42はオフの状態にある。このときは、アバランシェフォトダイオード1のカソード電圧(F点)はE点の電圧(Vapd)から抵抗R1と抵抗R5による電圧降下分(Vr1、Vr5)だけ低下した電位(Vapd−Vr1−Vr5)となる。アバランシェフォトダイオード1には、暗電流しか流れていないので、Vr1、Vr5はいずれも小さな値となり、F点には高電圧が印加させるため、アバランシェフォトダイオード1は増倍率が高い状態である。
Prior to timing T2, since no optical signal is incident, the avalanche photodiode 1 is not turned on, and the high voltage (point E, Vapd) output from the high
次にタイミングT2に電源Vccが切断される。電源Vccが切断された直後は、容量C1のA点の電位はその状態を維持する。従って、電源電圧検出回路41は、電源Vccが切断された後も、容量C1に電荷が残っている限りそのまま動作を継続する。しかし、電源Vccに接続されたC点の電位が下がるので、電源電圧検出回路41の出力(D点)が反転し、PNPトランジスタ42がオンし、容量C1(A点)に蓄積された電荷を放出する。すなわち、このPNPトランジスタ42が導通して容量C1の電荷を放出するのは、電源が切断された後である。このA点の電位の低下に伴って、E点、F点の電位も低下する。
Next, the power supply Vcc is disconnected at timing T2. Immediately after the power supply Vcc is cut off, the potential at the point A of the capacitor C1 maintains that state. Therefore, the power supply voltage detection circuit 41 continues to operate as long as charge remains in the capacitor C1 even after the power supply Vcc is cut off. However, since the potential at the point C connected to the power supply Vcc is lowered, the output (point D) of the power supply voltage detection circuit 41 is inverted, the
次に、タイミングT4から強い光の受信が開始される。ただし、この時点では、光受信回路10の電源が切断された状態なので、光受信回路10自体は動作しない。
Next, reception of strong light is started from timing T4. However, at this time, the
次に、タイミングT5で電源Vccが再び投入される。電源Vccが投入されるとアバランシェフォトダイオード1、前置増幅回路2はすぐに動作を開始するが、容量C1(A点)に蓄積されていた電荷は第1保護回路により放電されているので、A点、E点、F点の電圧はいずれも低い電圧からスタートすることになる。従って、アバランシェフォトダイオード1の増倍率は低い状態からスタートすることとなり、アバランシェフォトダイオード1に強い光が入射されている状態で電源投入されても、倍増率が低い状態で電源投入されることになるので、光受信回路10は保護される。
Next, the power supply Vcc is turned on again at timing T5. When the power supply Vcc is turned on, the avalanche photodiode 1 and the preamplifier circuit 2 start operating immediately, but the charge accumulated in the capacitor C1 (point A) is discharged by the first protection circuit. The voltages at points A, E, and F all start from a low voltage. Therefore, the multiplication factor of the avalanche photodiode 1 starts from a low state, and even if the power is turned on while strong light is incident on the avalanche photodiode 1, the power is turned on with a low multiplication factor. Therefore, the optical receiving
ここで比較のため、図1の光受信回路において、図3と同じ、光入射がない状態で電源切断し、その直後から強い光信号の受信が開始され、その直後に電源が再投入された場合の動作について、図4のタイミング図を用いて説明する。 Here, for comparison, in the optical receiver circuit of FIG. 1, as in FIG. 3, the power is turned off in the absence of light incidence, the reception of a strong optical signal is started immediately thereafter, and the power is turned on again immediately thereafter. The operation in this case will be described with reference to the timing chart of FIG.
図4では、図3と同様に光の入射がない状態でタイミングT2に電源が切断され、電源切断中のタイミングT3から強い光信号の入射が開始され、その直後のタイミングT4に電源を再投入した場合のタイミング図である。タイミングT2以前の動作は図2と同一である。しかし、図1では、第1保護回路が設けられていないので、タイミングT2で電源を切断した後もアバランシェフォトダイオードのカソード(J点)の電位はしばらく高いまま保持される。従って、タイミングT4で電源が再投入された直後は、増倍率が高い状態で強い光を受信する状態からスタートすることになる。したがって、アバランシェフォトダイオード1は、タイミングT4の電源再投入直後に容量C1の電荷を急速に引き抜こうとして動作するため、瞬間的にアバランシェフォトダイオード1や前置増幅回路2へ定格を超えるようなサージ電流を流し、故障に至る恐れがある。 In FIG. 4, as in FIG. 3, the power is turned off at timing T <b> 2 in the absence of light incidence, and a strong optical signal is started at timing T <b> 3 during power off, and the power is turned on again at timing T <b> 4 immediately thereafter. FIG. The operation before timing T2 is the same as that in FIG. However, in FIG. 1, since the first protection circuit is not provided, the potential of the cathode (point J) of the avalanche photodiode is kept high for a while even after the power is turned off at timing T2. Therefore, immediately after the power is turned on again at the timing T4, the process starts from a state of receiving strong light with a high multiplication factor. Accordingly, since the avalanche photodiode 1 operates so as to rapidly extract the charge of the capacitor C1 immediately after the power is turned on again at the timing T4, a surge that instantaneously exceeds the rating to the avalanche photodiode 1 or the preamplifier circuit 2 Current may flow, leading to failure.
次に、図2の実施例1の光受信回路10に戻り、第2保護回路5の動作について、図5のタイミング図を用いて説明する。図5は、実施例1の光受信回路10における電源VccとA点〜G点の電圧波形を示すタイミング図である。図5において、電源VccはタイミングT1にグランドレベル(GND)からVccに立ち上がっている。この電源投入直後は、高電圧発生回路3は動作を開始していない。高電圧発生回路3は、DC−DCコンバータなどの回路を経由して高電圧を発生させる必要があることや、電源投入時に光受信回路10を含む光トランシーパへの突入電流を防ぐ必要があるためである。
Next, returning to the
しかし、前置増幅回路2には、電源投入と同時に電源が供給されるため、E点やA点の電圧がグランドレベルであると、アバランシェフォトダイオード1が順方向にバイアスされ、図示しない前置増幅回路2の帰還回路からアバランシェフォトダイオード1を介して容量C1へ電流が逆流する。容量C1の容量が大きい場合には、瞬時に流れる電流がアバランシェフォトダイオード1の順電流耐力を超えてアバランシェフォトダイオードの破壊に至る可能性がある。 However, since power is supplied to the preamplifier circuit 2 at the same time as the power is turned on, the avalanche photodiode 1 is forward-biased when the voltages at the points E and A are at the ground level. A current flows backward from the feedback circuit of the amplifier circuit 2 to the capacitor C <b> 1 through the avalanche photodiode 1. When the capacitance of the capacitor C1 is large, the current that flows instantaneously may exceed the forward current proof strength of the avalanche photodiode 1, leading to destruction of the avalanche photodiode.
そこで、第2保護回路5により、タイミングT1での電源Vccの立ち上りに追従して、E点の電圧を第2保護回路の電圧ドロップ分Vfだけ低い電圧Vcc−Vfに立ち上げている。これにつれてA点、F点の電位も立ち上がる。立ち上がる電圧は、それぞれ抵抗R1、抵抗R5の電圧ドロップを考慮してVcc−Vf−Vr1とVcc−Vf−Vr1−Vr5だけ低い電圧になる。なお、A点の電位の立ち上げは、抵抗R1、容量C1による時定数だけ遅れてタイミングT3に立ち上がる。
Therefore, the
また、G点の電位も前置増幅回路2のバイアス電圧によりタイミングT2に一定の電圧(Vpda)に立ち上がるが、第2保護回路5によりA点、F点に一定の電圧が与えられるため、アバランシェフォトダイオード1が順方向電流により破壊されるほどの電位差は生じない。なお、A点の電位が立ち上がると第1保護回路が動作を開始するが、第1保護回路のC点には電源Vccの立ち上がりと同時に電源Vccが与えられるので、電源電圧検出回路41は常にハイレベルをD点に出力し、PNPトランジスタ42がオンすることはない。
The potential at point G rises to a constant voltage (Vpda) at timing T2 due to the bias voltage of the preamplifier circuit 2, but the
次に、タイミングT4になると、高電圧発生回路3が動作を開始し、E点に第2保護回路5が供給するVcc−Vfより高い電圧を供給し始める。E点の電位の上昇につれてA点、F点の電位も上昇する。さらに、一定時間が経過すると高電圧発生回路がE点に定常状態の電圧Vapdを出力し、それにつれてA点、F点も一定の安定した電圧まで上昇して電源投入動作は完了する。
Next, at timing T4, the high
すなわち、電源投入直後に高電圧発生回路3が動作を開始まで第2保護回路5によりE点、A点、F点に一定の電圧が与えているので、アバランシェフォトダイオード1が順方向にバイアスされ大電流が前置増幅回路2から容量C1へ流れ、光受信回路10が破壊されることを防ぐことができる。
That is, the avalanche photodiode 1 is forward-biased because a constant voltage is applied to the points E, A, and F by the
ここで比較のため、図1の光受信回路100において、図5と同一の条件で電源投入を行ったときのタイミング図を図6に示す。図6では、電源VccがタイミングT1で立ち上がり、タイミングT2では、前置増幅回路2が動作を開始し、タイミングT2以降、その入力端子であるK点に入力バイアス電圧Vpdaを与えている。このタイミングT2では、まだ高電圧発生回路3は高電圧を供給するまでにはいたっていない。ここで、図1では、実施例1の第2保護回路のような高電圧発生回路3が動作していないときに、アバランシェフォトダイオード1のカソード(J点)に一定の電圧を与える手段は設けられていない。従って、前置増幅回路2が立ち上がってから(タイミングT2)から高電圧発生回路3が高電圧を供給することができるようになるまで、アバランシェフォトダイオードが順バイアスされ、破壊する可能性がある。なお、T3により高電圧発生回路が高電圧を発生するようになった後は、アバランシェフォトダイオードが順方向にバイアスされることはなくなる。
For comparison, FIG. 6 shows a timing chart when the
図7は、実施例2による光受信回路11のブロック図である。本発明は、アバランシェフォトダイオード以外のPINフォトダイオードやフォトトランジスタ等の光電変換素子にも適用できる。図7では、アバランシェフォトダイオードに代えて、PINフォトダイオードを光電変換素子1として用いている。PINフォトダイオードでは、制御電圧(逆バイアス電圧)として高電圧は不要なので、高電圧発生回路3は設けず、電源Vccから直接逆バイアス電圧を与えている。従って、高電圧発生回路の電源の立ち上がりの遅れに起因する順方向電流による光電変換素子1の破壊の恐れはないので、第2保護回路は設けていない。その他は実施例1と構成、動作は基本的に同一である。すなわち、光入射がなく、容量C1、光電変換素子1に大きな電圧が印加された状態で電源を切断し、切断直後から強い光の受信を開始し、さらに、その直後に電源が投入された場合であっても、電源切断後、容量C1に電荷が残っている状態であれば、容量C1から電源の供給を受ける第1保護回路4により容量C1に蓄積されていた電荷が放電される。従って、電源再投入される場合は、光電変換素子1の増倍率は低い状態からスタートするので、光電変換素子1や増幅回路2に電源再投入直後に大電流が流れ、破壊させたりすることを防ぐことができる。
FIG. 7 is a block diagram of the optical receiver circuit 11 according to the second embodiment. The present invention can also be applied to photoelectric conversion elements such as PIN photodiodes and phototransistors other than avalanche photodiodes. In FIG. 7, a PIN photodiode is used as the photoelectric conversion element 1 instead of the avalanche photodiode. Since the PIN photodiode does not require a high voltage as a control voltage (reverse bias voltage), the high
なお、近年、PONシステムなどでは、長距離化や接続数を増やすために光トランシーバの高出力化や、最小受光感度特性の向上が必要とされている。その際に、アバランシェフォトダイオードを用いてロスバジェットを拡大する事により、必要な特性を得ることが器可能となるが、同時に高受光パワー時にアバランシェフォトダイオード素子の故障が懸念される。例えば、評価を行う時に局舎側と光例路を直結したり、受光している状態で電源断、再投入などが繰り返されたりするなどの想定外の作業を行う事が発生し得る。このような場合であっても本発明によれば、光トランシーバが故障することを防ぐことができる。 In recent years, in a PON system and the like, it is necessary to increase the output of an optical transceiver and improve the minimum light receiving sensitivity characteristic in order to increase the distance and the number of connections. At that time, it is possible to obtain the required characteristics by enlarging the loss budget by using the avalanche photodiode, but at the same time, there is a concern that the avalanche photodiode element may fail at the time of high light receiving power. For example, it may occur that an unexpected operation such as connecting the central office side and the optical path directly when performing the evaluation, or repeatedly repeating the power-off and the power-on while receiving light. Even in such a case, according to the present invention, it is possible to prevent the optical transceiver from failing.
本発明によれば、光トランシーバの受信部において、電源投入及び断時の過渡応答による光素子及び受信回路の故障を防ぐ事ができる。 According to the present invention, it is possible to prevent a failure of an optical element and a receiving circuit due to a transient response when power is turned on and off in a receiving unit of an optical transceiver.
本発明を適用する事により、過渡応答時に発生する光素子や増幅回路への過電流を防ぎ、例えば評価を行う時に局舎側と光経路を直結したり、受光している状態で電源断、再投入などが繰り返されたりするなどの想定外の作業を行った場合においても故障を防ぐ事が可能となる。 By applying the present invention, an overcurrent to an optical element and an amplifier circuit that occurs at the time of a transient response is prevented, for example, when an evaluation is performed, the optical path is directly connected to the office building side, or the power is cut off in a state of receiving light, It is possible to prevent a failure even when an unexpected work such as re-insertion is repeated.
特にアバランシェフォトダイオードを用いた光トランシーバでは、アバランシェフォトダイオードの順電流及び逆電流耐力が低いため、これを保護することができる。 In particular, an optical transceiver using an avalanche photodiode can protect the avalanche photodiode because the forward current and the reverse current resistance are low.
小型化した光トランシーバでは、光モジュール内外からの雑音成分による特性劣化が懸念されるため、電源フィルタのカットオフ周波数をより低くしたい(すなわちコンデンサの容量を大きくしたい)場合があるが、本発明の実施形態を適用しない場合は容量の大きなコンデンサから、サージ電流が流れる可能性があるため、大容量コンデンサは適用できない。 In a downsized optical transceiver, there is a concern about characteristic deterioration due to noise components from inside and outside of the optical module, so there is a case where it is desired to lower the cutoff frequency of the power supply filter (that is, to increase the capacitance of the capacitor). When the embodiment is not applied, a surge current may flow from a capacitor having a large capacity, and thus a large capacity capacitor cannot be applied.
本発明の実施形態を用いれば、大容量コンデンサを接続する事が可能となり、雑音耐力が向上する。 By using the embodiment of the present invention, it is possible to connect a large-capacity capacitor, and noise immunity is improved.
以上、実施例について説明したが、本発明は上記実施例の構成にのみ制限されるものでなく、本発明の範囲内で当業者であればなし得るであろう各種変形、修正を含むことは勿論である。 Although the embodiments have been described above, the present invention is not limited only to the configurations of the above embodiments, and of course includes various modifications and corrections that can be made by those skilled in the art within the scope of the present invention. It is.
1:光電変換素子[アバランシェフォトダイオード、PINフォトダイオード]
2:増幅回路[前置増幅回路]
3:高電圧発生回路
4:保護回路[第1保護回路]
5:第2保護回路[NPNトランジスタ]
10、11、100:光受信回路
41:電源電圧検出回路[コンパレータ]
42:PNPトランジスタ
C1:容量
R1〜R5:抵抗
1: Photoelectric conversion element [avalanche photodiode, PIN photodiode]
2: Amplifier circuit [Preamplifier circuit]
3: High voltage generation circuit 4: Protection circuit [first protection circuit]
5: Second protection circuit [NPN transistor]
10, 11, 100: Optical receiver circuit 41: Power supply voltage detection circuit [comparator]
42: PNP transistor C1: Capacitance R1-R5: Resistance
Claims (11)
前記光電変換素子に入射される光量によって前記光電変換素子の増倍率を制御する増倍率制御回路と、
電源から電力が供給され、前記光電変換素子の出力する電気信号を増幅する増幅回路と、
前記電源の電圧低下を検出したときに前記増倍率を強制的に低下させる保護回路と、
を含むことを特徴とする光受信回路。 A photoelectric conversion element whose multiplication factor can be controlled by the magnitude of the control voltage;
A multiplication factor control circuit for controlling the multiplication factor of the photoelectric conversion element by the amount of light incident on the photoelectric conversion element;
An amplifying circuit that is supplied with power from a power source and amplifies an electrical signal output from the photoelectric conversion element;
A protection circuit for forcibly reducing the multiplication factor when detecting a voltage drop of the power supply;
An optical receiver circuit comprising:
前記保護回路が、前記電源電圧と前記容量が保持する制御電圧とを比較する電源電圧検出回路と、前記電源電圧検出回路が前記電源電圧の低下を検出したときに、前記容量の電荷を放出する放電回路とを含む保護回路であることを特徴とする請求項1記載の光受信回路。 A capacitor for holding the control voltage;
A power supply voltage detection circuit for comparing the power supply voltage with a control voltage held by the capacitor; and a discharge of the capacitor when the power supply voltage detection circuit detects a decrease in the power supply voltage. 2. The optical receiver circuit according to claim 1, wherein the optical receiver circuit is a protection circuit including a discharge circuit.
前記アバランシェフォトダイオードのカソードに前記制御電圧を与える高電圧発生回路をさらに含み、
前記倍増率制御回路は一端が前記高電圧発生回路の高電圧出力端子に、他端が前記容量の一端に接続された抵抗であって、
前記容量の他端が接地されていることを特徴とする請求項2乃至4いずれか1項記載の光受信回路。 The photoelectric conversion element is an avalanche photodiode having an anode connected to an input terminal of the amplifier circuit,
A high voltage generating circuit for applying the control voltage to a cathode of the avalanche photodiode;
The multiplication factor control circuit is a resistor having one end connected to the high voltage output terminal of the high voltage generation circuit and the other end connected to one end of the capacitor.
5. The optical receiver circuit according to claim 2, wherein the other end of the capacitor is grounded.
前記アバランシェフォトダイオードのカソード電圧が前記電源の電圧に対して一定電圧以下に低下しないように制御する第2保護回路を、
さらに含むことを特徴とする請求項5記載の光受信回路。 When the protection circuit is a first protection circuit,
A second protection circuit for controlling the cathode voltage of the avalanche photodiode so as not to drop below a certain voltage with respect to the voltage of the power supply;
6. The optical receiver circuit according to claim 5, further comprising:
前記制御電圧が前記フォトダイオードに対する逆バイアス電圧であって、
前記倍増率制御回路は一端が前記電源に、他端が前記容量の一端に接続された抵抗であって、
前記容量の他端が接地されていることを特徴とする請求項2乃至4いずれか1項記載の光受信回路。 The photoelectric conversion element is a photodiode having an anode connected to an input terminal of the amplifier circuit,
The control voltage is a reverse bias voltage for the photodiode;
The multiplication factor control circuit is a resistor having one end connected to the power source and the other end connected to one end of the capacitor,
5. The optical receiver circuit according to claim 2, wherein the other end of the capacitor is grounded.
前記光受信装置の電源切断時において前記制御電圧をグランドにショートさせる第1保護手段と、
前記光受信装置の電源投入時において前記電源電圧の上昇によって前記電源電圧との電位差が一定電圧以上生じないように前記制御電圧を制御する第2保護手段と、
を備えたことを特徴とする光受信装置。 An optical receiver including a photoelectric conversion element whose multiplication factor can be controlled by the magnitude of a control voltage,
First protection means for short-circuiting the control voltage to ground when the optical receiver is powered off;
Second protection means for controlling the control voltage so that a potential difference from the power supply voltage does not occur above a certain voltage due to an increase in the power supply voltage when the optical receiver is turned on;
An optical receiver characterized by comprising:
前記光電変換素子の出力する電気信号を増幅する増幅回路と、
前記光電変換素子に制御電圧を与える高電圧発生回路と、
前記制御電圧を保持する容量と、
を含む光受信回路の保護方法であって、
前記光受信回路の電源切断時に前記容量に蓄積された電荷を強制的に放電するステップと、
前記電源切断前における前記光電変換素子の増倍率の如何に係わらず、倍増率が低い状態で前記光受信回路を電源投入するステップと、
を有することを特徴とする光受信回路の保護方法。 A photoelectric conversion element whose multiplication factor can be controlled by the magnitude of the control voltage;
An amplification circuit for amplifying an electric signal output from the photoelectric conversion element;
A high voltage generating circuit for applying a control voltage to the photoelectric conversion element;
A capacity for holding the control voltage;
A method for protecting an optical receiver circuit including:
Forcibly discharging the charge accumulated in the capacitor when the optical receiver circuit is powered off;
Regardless of the multiplication factor of the photoelectric conversion element before turning off the power, turning on the optical receiver circuit in a state where the multiplication factor is low;
A method for protecting an optical receiver circuit, comprising:
前記電源投入するステップの後で、電源が立ち上がってから前記高電圧発生回路を動作させるステップをさらに含むことを特徴とする請求項10記載の光受信回路の保護方法。 In the step of turning on the optical receiver, the power is turned on while maintaining the potential difference between the power supply voltage and the control voltage below a certain voltage so that the potential difference from the control voltage does not exceed a certain voltage as the power supply voltage increases. And
11. The method of protecting an optical receiver circuit according to claim 10, further comprising the step of operating the high voltage generation circuit after the power is turned on after the step of turning on the power.
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