JP2011086994A - 光受信器および光電変換回路のバイアス電圧制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】分散による波形劣化を良好に補正することが可能な光受信器および光電変換回路のバイアス電圧制御方法を提供すること。
【解決手段】この光受信器１は、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）２を含む光電変換回路５と、ＡＰＤ２にバイアス電圧を印加するＡＰＤバイアス回路６と、光電変換回路５から出力される電気信号Ｖ_１の波形を補正する電子式分散補償回路７と、電気信号Ｖ_１の振幅を検出するピークホールド回路８と、ピークホールド回路８の出力に基づいて、ＡＰＤバイアス回路６が出力するバイアス電圧を制御するコントローラ１０と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、光受信器および光電変換回路のバイアス電圧制御方法に関するものである。

近年、光通信分野において電子式分散補償（ＥＤＣ：Electronic Dispersion Compensation）回路の適用が進められている。このＥＤＣ回路は、光ファイバの伝搬中に生じる分散によって波形劣化した信号を補正することを目的とした回路である（下記非特許文献１，２参照）。

一般的には、光ファイバを通じて伝搬された光信号は光受信器によって電気信号に変換される。このような光受信器には、光電変換素子としてアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）と、ＡＰＤに直流のバイアス電圧を印加するバイアス制御回路とが内蔵されている（下記特許文献１参照）。バイアス制御回路では、ＡＰＤに流れる光電流を監視しつつ、光電流強度に基づいてＡＰＤのカソード端子に印加する直流バイアス電圧の値を調整する。これにより、大きな光入力に対してＡＰＤの光／電気変換の増倍率を抑え、大電流によるＡＰＤの破損を防止する。

特開２００７−１６６０９６号公報

Jack H. Winters, Richard D. Gitlin, "Electrical Signal Processing Techniques in Long-HaulFiber-Optic System", Transactions On Communications, vol. 38, No.9,p.1439-1453, 1990. P.Pepeljugoski, J.Schaub, J.Tierno, J.Kash, S.Gowda, B.Wilson, H.Wu,A.hajimiri, "ImprovedPerformance of 10 Gb/s Multimode Fiber Optic Links Using Equalization", Technical Digest ofOptical Fiber Conference, 2003, ThG4.

しかしながら、ＥＤＣ回路を光受信器に内蔵させて信号劣化を補正しようとする場合には、従来のバイアス制御回路を含む光受信器によっては忠実に電気信号に変換することが困難な傾向にあった。すなわち、バイアス制御回路によって制御された増倍率で光信号が電気信号に変換され、その後にその電気信号がＥＤＣ回路によって補正されることになり、ＥＤＣ回路によって光ファイバ中の分散に起因する波形劣化を補正することが事実上難しくなる。

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、分散による波形劣化を良好に補正することが可能な光受信器および光電変換回路のバイアス電圧制御方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の光受信器は、アバランシェフォトダイオードを含む光電変換回路と、アバランシェフォトダイオードにバイアス電圧を印加するバイアス発生回路と、光電変換回路から出力される電気信号の波形を補正する電子式分散補償回路と、電気信号の振幅を検出するピークホールド回路と、ピークホールド回路の出力に基づいて、バイアス発生回路が出力するバイアス電圧を制御する制御部と、を備える。

或いは、本発明の光電変換回路のバイアス電圧制御方法は、アバランシェフォトダイオードを含む光電変換回路と、光電変換部から出力される電気信号の波形を補正する電子式分散補償回路とを有する光受信器におけるアバランシェフォトダイオードに対するバイアス電圧を制御するバイアス電圧制御方法であって、光電変換回路から出力される電気信号の振幅を検出し、振幅の検出信号に基づいて、バイアス電圧を制御する。

このような光受信器及び光電変換回路のバイアス電圧制御方法によれば、アバランシェフォトダイオード（以下、ＡＰＤという）を含む光電変換回路から出力される電気信号の振幅が検出され、その振幅に応じてＡＰＤに印加されるバイアス電圧が制御されると同時に、その電気信号が電子式分散補償回路によって補正されて出力される。これにより、光電変換回路によって生成される電気信号の振幅を、分散による波形劣化を補償可能な大きさに制御することができ、その結果、電子式分散補償回路によってその波形劣化を良好に補正することが可能になる。

ここで、制御部は、ピークホールド回路の出力が所定の閾値を超えた場合にはバイアス電圧を減少させるように制御する、ことが好ましい。この場合、電気信号の振幅が所定値よりも大きくなった場合に光電変換における増倍率を小さくすることで、波形劣化を確実に補正することが可能になる。

また、所定の閾値は、光電変換回路によって線形変換が可能な電気信号の振幅に対応して設定されている、ことも好ましい。こうすれば、光電変換回路により線形変換された電気信号が生成されるので、電子式分散補償回路によってその波形劣化をより良好に補正することが可能になる。

本発明の光受信器によれば、分散による波形劣化を良好に補正することができる。

本発明の好適な一実施形態にかかる光受信器の構成を示す回路図である。 図１の光電変換回路における全高調波歪み（ＴＨＤ）と電気信号の出力振幅との関係を示すグラフである。 図１の光受信器におけるバイアス電圧制御方法を示すフローチャートである。 ＡＰＤの光電変換の増倍率が一定の条件下での光電変換回路の代表的なＴＨＤ特性を示すグラフである。 図１の光受信器によって処理される光信号及び電気信号の波形を模式的に示す図である。 図１の光受信器に入力される光信号の強度変化を示すタイミングチャートである。

以下、図面を参照しつつ本発明に係る光受信器及びそれを用いたバイアス電圧制御方法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器１の構成を示す回路図である。同図に示す光受信器１は、光通信において用いられ、受信光信号を基にデータを表す電気信号を生成するための装置であり、光トランシーバの一部を構成するものである。

光受信器１は、同図に示すように、入力された光信号Ｏ_ｉｎを光電流Ｉ_ａｐｄに変換するＡＰＤ２と、ＡＰＤ２のアノードに接続されて、ＡＰＤ２からの光電流Ｉ_ａｐｄを所定の変換効率で電気信号（電圧信号）Ｖ_１に変換するトランスインピーダンスアンプ３と、を有する光電変換回路５を備えている。トランスインピーダンスアンプ３は、帰還抵抗３ａ及び反転増幅器３ｂを含んでおり、その出力電気信号Ｖ_１に関しては、光電変換回路５による光電変換が線形変換である場合には、下記式（１）；
Ｖ_１＝Ｒ×Ｉ_ａｐｄ …（１）
の関係が成立する。なお、Ｒは帰還抵抗３ａの抵抗値である。

光受信器１には、さらに、ＡＰＤバイアス回路（バイアス発生回路）６、電子式分散補償回路７、ピークホールド回路８、ＡＤコンバータ９、及びコントローラ（制御部）１０が備えられている。

ＡＰＤバイアス回路６は、ＡＰＤ２のカソードに接続され、ＡＰＤ２にバイアス電圧を印加する。このバイアス電圧によって、ＡＰＤ２における光信号Ｏ_ｉｎから光電流Ｉ_ａｐｄに変換する際の増倍率が決定される。

電子式分散補償回路７は、トランスインピーダンスアンプ３の出力に接続され、光信号Ｏ_ｉｎの伝搬時の分散に起因する電気信号Ｖ_１の波形劣化を補正する回路である。この電子式分散補償回路７によって補正された電気信号Ｖ_１は、光受信器１の外部のホスト装置等に出力される。

ピークホールド回路８は、トランスインピーダンスアンプ３の出力に接続され、電気信号Ｖ_１の振幅を検出する。具体的には、ピークホールド回路８は、電気信号Ｖ_１の極大値Ｖ_ＭＡＸ及び極小値Ｖ_ＭＩＮを検出し、それらの差分をとることで得られる電気信号Ｖ_１の振幅を示す検出信号Ｖ_２を、ＡＤコンバータ９を介してコントローラ１０に向けて出力する。ここで、ピークホールド回路８は、検出した極大値Ｖ_ＭＡＸ及び極小値Ｖ_ＭＩＮをそのままコントローラ１０に出力してもよい。

コントローラ１０は、ピークホールド回路８からの検出信号Ｖ_２を基に、ＡＤコンバータ９によってデジタル値に変換された検出信号Ｄ_２を受け、この検出信号Ｄ_２を基にＡＰＤバイアス回路６が生成するバイアス電圧を調整するように制御する。具体的には、コントローラ１０は、検出信号Ｄ_２が予め設定された閾値Ｄ_ｔｈを超えた場合には、バイアス電圧設定値の初期値Ｂ_０から減少させるようにバイアス電圧設定値Ｂ_１を設定し、そのバイアス電圧設定値Ｂ_１を反映した設定信号Ｖ_３をＡＰＤバイアス回路６に出力する。これにより、コントローラ１０によって繰り返しバイアス電圧が調整され、ＡＰＤバイアス回路６によりバイアス電圧設定値Ｂ_１に基づいたバイアス電圧がＡＰＤ２に印加される。また、コントローラ１０は、極大値Ｖ_ＭＡＸ及び極小値Ｖ_ＭＩＮがそのままピークホールド回路８から出力された場合は、それらの差分をとって電気信号Ｖ_１の振幅を得るようにしてもよい。

ここで、コントローラ１０に記憶される閾値Ｄ_ｔｈは、光電変換回路５によって線形変換が可能となるような電気信号Ｖ_１の振幅に対応して予め設定されている。

光電変換回路５における変換の線形性の程度を表す指標としては、全高調波歪み（ＴＨＤ：Total Harmonic Distortion）が挙げられる。ＴＨＤとは、基本波のパワーＰ_１に対する高調波のパワーＰ_２，Ｐ_３，…，Ｐ_ｎの総和の割合であり、下記式（２）；
ＴＨＤ ＝ （Ｐ_２＋Ｐ_３＋…＋Ｐ_ｎ）／Ｐ_１ …（２）
で表される。このＴＨＤが小さいほど光電変換における線形性が高いことを意味する。ＡＰＤの光電変換の増倍率が一定の条件下での光電変換回路５の代表的なＴＨＤ特性を、図４に示す。同図に示すように、ＴＨＤは入力される光入力パワー（振幅）の増加に従って増加傾向を示す。光通信用としての分散補償回路が正常に動作するためには、ＴＨＤが５％以下となる程度に光電変換における線形性が維持されることが望ましい。例えば、図４のようなＴＨＤ特性においては、光入力パワー（振幅）が-12,2dBm以下であれば、ＴＨＤが５％以下に維持されることが分かる。

この条件を分散補償回路による分散補償を利用した光受信器１に適用して、閾値Ｄ_ｔｈが設定される。図２は、光電変換回路５におけるＴＨＤと電気信号Ｖ_１の出力振幅との関係の一例を示すグラフである。このグラフに示すように、出力振幅が小さい場合は、ＴＨＤはほぼ一定に保たれているが、出力振幅が一定以上大きくなると、ＴＨＤが急激に劣化（増大）している。この場合、閾値Ｄ_ｔｈは、ＴＨＤが５％となる出力振幅に一致するように設定される。

次に、図３を参照して、光受信器１における光電変換回路５に印加されるバイアス電圧の制御方法を説明する。図３は、光受信器１におけるバイアス電圧制御方法を示すフローチャートである。

まず、光受信器１の動作が開始されると、コントローラ１０により、ＡＰＤ２に印加するバイアス電圧のオフセット値が０に設定される（ステップＳ０１）。次に、コントローラ１０により、バイアス電圧設定値Ｂ_１が初期値Ｂ_０にオフセット値を反映させた値に設定される（ステップＳ０２）。そして、コントローラ１０からＡＰＤバイアス回路６にバイアス電圧設定値Ｂ_１が反映された設定信号Ｖ_３が出力され（ステップＳ０３）、ＡＰＤバイアス回路６によってＡＰＤ２にバイアス電圧設定値Ｂ_１に対応したバイアス電圧が印加される。

その後、ピークホールド回路８により、光電変換回路５からの出力電気信号Ｖ_１の振幅が検出され、ＡＤコンバータ９を経由してコントローラ１０によって検出信号（デジタル値）Ｄ_２として取得される（ステップＳ０４）。そうすると、コントローラ１０により、予め記憶された閾値Ｄ_ｔｈとデジタル値Ｄ_２とが比較される（ステップＳ０５）。

比較の結果、デジタル値Ｄ_２が閾値Ｄ_ｔｈを超えている場合には、オフセット値が所定値だけ減算される（ステップＳ０６）。そして、処理がステップＳ０２に戻されることにより、バイアス電圧設定値Ｂ_１が減少するように制御されて、ＡＰＤ２に供給されるバイアス電圧が減少する。

一方で、デジタル値Ｄ_２が閾値Ｄ_ｔｈ以下である場合には、オフセット値が前回値のままで維持される（ステップＳ０７）。そして、処理がステップＳ０２に戻されることにより、バイアス電圧設定値Ｂ_１が一定値のままで維持され、ＡＰＤ２に供給されるバイアス電圧が維持される。

以上説明した光受信器１及びバイアス電圧制御方法においては、ＡＰＤ２を含む光電変換回路５から出力される電気信号Ｖ_１の振幅が検出され、その振幅に応じてＡＰＤ２に印加されるバイアス電圧が制御されると同時に、その電気信号Ｖ_１が電子式分散補償回路７によって補正されて出力される。これにより、光電変換回路５によって生成される電気信号Ｖ_１の振幅を、分散による波形劣化を補償可能な大きさに制御することができ、その結果、電子式分散補償回路７によってその波形劣化を良好に補正することが可能になる。

上記効果が生じる理由について述べると、電子式分散補償回路を備える光受信器では、光電変換部は光入力信号の強弱をそのまま再現した出力、すなわち、線形変換された出力が必要である。言い換えれば、電子式分散補償回路を効果的に機能させるためには、光電変換部では光信号が伝送による劣化分も含めて忠実に電気信号に変換される必要がある。具体的には、図５（ａ）に示すような信号波形の光信号が入力された際には、図５（ｃ）に示すような信号波形を有する電気信号に線形変換された後に、分散補償回路に入力されて分散を補償され、その後に、図５（ｂ）に示すような信号波形を有する電気信号に非線形変換される必要がある。本実施形態の光受信器１では電気信号Ｖ_１の振幅に応じてバイアス電圧が調整されることで、光電変換回路５における光電変換が線形変換となるように制御される。

一方、従来の光受信器のようにカレントミラー回路を利用したＡＰＤ電流の監視回路では、光信号の振幅（ＯＭＡパワー）の検出が困難である。この監視回路は高速応答性能が不足しているため、図６に示すような光強度波形を有する光信号を受信した場合には、ハイレベルＬ_ＨとローレベルＬ_Ｌの差であるＯＭＡパワーを検出できず、光強度の平均値Ｌ_Ａを検出できるに過ぎない。ＡＰＤの破損を防止するのが目的であれば平均パワーが検出できればよいが、分散補償回路が正常に動作するためにはＴＨＤを所定値以下に抑える必要がある。すなわち、従来の光受信器ではＴＨＤが所定値以下になるように制御するという目的に適うことはできなかった。

これに対して、本実施形態のコントローラ１０は、ピークホールド回路８の検出信号Ｄ_２が閾値Ｄ_ｔｈを超えた場合にはバイアス電圧を減少させるように制御しており、その閾値Ｄ_ｔｈは光電変換回路５によって線形変換が可能な電気信号Ｖ_１の振幅に対応して設定されている。具体的には、ＴＨＤが５％以下を満足するように制限されている。ここで、光電変換回路のＴＨＤを直接モニタし、そのモニタ情報に基づいてバイアス電圧制御を行うのが望ましいが、ＴＨＤを直接測定することは難しい。ＴＨＤを直接モニタするためには光電変換回路への入力光信号の周波数成分が既知でなければならないが、入力光信号の周波数成分は伝送路による波形劣化など個々の状況によって劣化の具合が異なるため、直接モニタすることは現実的でない。そこで、本実施形態では、ＴＨＤと相関を有し、かつ容易に検出できる代替パラメータとして光電変換回路の出力振幅を用いることとした。これにより、電気信号の振幅が大きくなった場合に光電変換における増倍率が小さくされ、光電変換回路５により線形変換された電気信号Ｖ_１が生成されるので、電子式分散補償回路７によってその波形劣化をより良好に補正することが可能になる。

１…光受信器、２…ＡＰＤ、５…光電変換回路、６…ＡＰＤバイアス回路（バイアス発生回路）、７…電子式分散補償回路、８…ピークホールド回路、１０…コントローラ（制御部）、Ｉ_ａｐｄ…光電流、Ｏ_ｉｎ…光信号。

Claims (4)

1. アバランシェフォトダイオードを含む光電変換回路と、
   前記アバランシェフォトダイオードにバイアス電圧を印加するバイアス発生回路と、
   前記光電変換回路から出力される電気信号の波形を補正する電子式分散補償回路と、
   前記電気信号の振幅を検出するピークホールド回路と、
   前記ピークホールド回路の出力に基づいて、前記バイアス発生回路が出力する前記バイアス電圧を制御する制御部と、
   を備えることを特徴とする光受信器。
2. 前記制御部は、前記ピークホールド回路の出力が所定の閾値を超えた場合には前記バイアス電圧を減少させるように制御する、
   ことを特徴とする請求項１記載の光受信器。
3. 前記所定の閾値は、前記光電変換回路によって線形変換が可能な前記電気信号の振幅に対応して設定されている、
   ことを特徴とする請求項１又は２記載の光受信器。
4. アバランシェフォトダイオードを含む光電変換回路と、前記光電変換部から出力される電気信号の波形を補正する電子式分散補償回路とを有する光受信器における前記アバランシェフォトダイオードに対するバイアス電圧を制御するバイアス電圧制御方法であって、
   前記光電変換回路から出力される電気信号の振幅を検出し、
   前記振幅の検出信号に基づいて、前記バイアス電圧を制御する、
   ことを特徴とする光電変換回路のバイアス電圧制御方法。

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