JP2011124711A

JP2011124711A - 光受信器

Info

Publication number: JP2011124711A
Application number: JP2009279613A
Authority: JP
Inventors: Atsunobu Ota; 篤伸太田
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2009-12-09
Filing date: 2009-12-09
Publication date: 2011-06-23

Abstract

【課題】帰還抵抗を極端に大きくすることなく、高感度に広帯域な動作を実現できる光受信器を提供する。
【解決手段】同一極性方向に直列接続された２個の受光素子より構成されたバランスドフォトダイオードと、このバランスドフォトダイオードの出力信号が入力されるチェリーホッパー型増幅部と、このチェリーホッパー型増幅部を構成している差動入力ペアトランジスタからのそれぞれの出力信号をレベルシフトするエミッタフォロワ部と、このエミッタフォロワ部の出力信号を前記チェリーホッパー型増幅部の各入力端子に帰還する経路に設けられた第１および第２の帰還抵抗と、この第２の帰還抵抗と前記チェリーホッパー型増幅部を構成している差動増幅回路の一方のトランジスタのベースに接続されている第１のコンデンサとを有することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、光受信器に関し、詳しくは、次世代光通信用として期待される位相変調方式に対応し、差動出力が可能であり、２個のフォトダイオードがモノリシック集積化されたバランスドフォトダイオードを用いた光受信器に関するものである。

図８は、従来のトランスインピーダンスアンプを用いた光受信器の一例を示すブロック図である。この光受信器は、光信号が入力される１個のフォトダイオード１と、このフォトダイオード１で受光され変換された電気信号を線形に増幅するトランスインピーダンスアンプ２と、直流電流をカットし、広帯域周波数を有する信号を通過させることのできる大容量のコンデンサ３と、２個のバイアス発生回路４ａ，４ｂと、これらバイアス発生回路４ａ，４ｂから適切な動作をするように所定の直流電圧が与えられトランスインピーダンスアンプ２で増幅された小信号出力を一定の出力振幅に制限されるまで増幅する差動のリミッタアンプ５で構成されている。

図９は、図８に示したブロック図の具体的な回路構成例を示した図である。図９において、バイポーラトランジスタを用いたトランスインピーダンスアンプ２は、増幅部２１とエミッタフォロワ部２２および帰還抵抗２３で構成されている。フォトダイオード１の出力は増幅部２１のベースに入力され、増幅部２１のコレクタはエミッタフォロワ部２２のベースに接続され、エミッタフォロワ部２２のエミッタは帰還抵抗２３を介して増幅部２１のベースに帰還されるとともに後段の増幅部およびコンデンサ３を介して差動リミッタアンプ５に接続されている。

リミッタアンプ５は、差動増幅部５１と差動用として対を成すエミッタフォロワよりなるエミッタフォロワ部５２とで構成されている。差動増幅部５１を構成する差動入力ペアの一方のベースにはコンデンサ３が接続されるとともにバイアス発生回路４ａが接続され、他方のベースにはバイアス発生回路４ｂが接続されている。これら差動入力ペアと直列接続される電流源として機能するトランジスタのベースには電流源電流調整用バイアス発生回路４ｃが接続されている。

差動入力ペアの一方のコレクタはエミッタフォロワ部５２の一方のエミッタフォロワのベースに接続され、差動入力ペアの他方のコレクタはエミッタフォロワ部５２の他方のエミッタフォロワのベースに接続されている。エミッタフォロワ部５２の一方のエミッタフォロワのエミッタには出力端子Ｏｕｔが接続され、エミッタフォロワ部５２の他方のエミッタフォロワのエミッタには出力端子ＯｕｔＢが接続されている。

このような構成において、エミッタフォロワ部２２の出力の一部が帰還抵抗２３を介してトランスインピーダンスアンプ２の入力端子へ帰還されることにより、帰還された信号はトランスインピーダンスアンプ２の入力トランジスタへ最適なバイアスを与える。この回路は、フォトダイオード１からトランスインピーダンスアンプ２側へ電流を流す（吸込み方向）動作を前提に用いられている。

特許文献１は、シングル−バランス変換におけるリファレンス電圧を高速に引き込むことができ、また、出力のＤｕｔｙ比を、理想値５０％に近づける光受信器に関するものである。

特開２００３−５１７２３号公報

しかし、図８に示す従来の光受信器は強度変調方式であるため、トランスインピーダンスアンプ側へ吸い込む方向の電流とトランスインピーダンスアンプ側から吐き出す方向の電流を有する２個の受光素子を用いたバランスド受光器に対応できないという問題がある。

また、リミッタアンプ５内の差動入力を有する差動増幅部５１へトランスインピーダンスアンプ２の出力を接続するため、シングル−差動増幅変換が必要になるという問題とトランスインピーダンスアンプ２の出力とリミッタアンプ５の入力を接続するための広帯域な周波数成分を有する信号に対応できる大容量のコンデンサ３が必要になり、トランスインピーダンスアンプと差動増幅回路が集積化できないという問題がある。

また、差動増幅部５１からの出力信号のＤｕｔｙ比（クロスポイント）を安定に維持するため、差動入力ペアに対し、外部回路などを用いた高精度なリファレンス電圧の調整が必要になるという問題がある。

さらに、帰還抵抗２３が大きい場合、飽和動作により、波形の歪みや動作帯域を制限する原因になるという問題もある。

本発明は、これらの問題点を解決するものであり、その目的は、バランスド受光入力に対応し、シングル−差動変換に対するリファレンス電圧の調整が不要で、トランスインピーダンスアンプの出力とリミッタアンプの入力を接続するための広帯域な信号に対応した大容量のコンデンサも不要で、帰還抵抗を極端に大きくすることなく、高感度に広帯域な動作を実現できる光受信器を提供することにある。

このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
光信号を電気信号に変換する光受信器において、
同一極性方向に直列接続された２個の受光素子より構成されたバランスドフォトダイオードと、
このバランスドフォトダイオードの出力信号が入力されるチェリーホッパー型増幅部と、
このチェリーホッパー型増幅部を構成している差動入力ペアトランジスタからのそれぞれの出力信号をレベルシフトするエミッタフォロワ部と、
このエミッタフォロワ部の出力信号を前記チェリーホッパー型増幅部の各入力端子に帰還する経路に設けられた第１および第２の帰還抵抗と、
この第２の帰還抵抗と前記チェリーホッパー型増幅部を構成している差動増幅回路の
一方のトランジスタのベースに接続されている第１のコンデンサと
を有することを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の光受信器において、
前記第１および第２の帰還抵抗の一端と、前記エミッタフォロワ部のトランジスタのエミッタ側との間に、それぞれ正帰還を補償する第２および第３のコンデンサが設けられていることを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の光受信器において、
前記差動入力ペアトランジスタは、トランジスタのコレクタ側にペアトランジスタそれぞれに抵抗あるいは抵抗およびインダクタを接続することを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項１から３のいずれかに記載の光受信器において、
前記エミッタフォロワ部の出力端子と接続されるとともに、前記エミッタフォロワ部から出力される信号のクロスポイントを補償する補償回路を有することを特徴とする。

請求項５記載の発明は、請求項１から４のいずれかに記載の光受信器において、
前記トランジスタは、接合型トランジスタ、あるいは電界効果型トランジスタであることを特徴とする。

このように構成することにより、バランスド受光入力に対応し、シングル−差動変換に対するリファレンス電圧の調整が不要で、さらにトランスインピーダンスアンプの出力とリミッタアンプの入力を接続するための広帯域な信号に対応した大容量のコンデンサも不要で、帰還抵抗を極端に大きくすることなく、高感度に広帯域な動作を実現できる光受信器が実現できる。

本発明の光受信器の一実施例を示すブロック図である。図１に示したブロック図の具体的な回路構成例を示した図である。時間に対する(Ａ)点および(Ｂ)点の電位波形の一例を示す図である。（Ａ）点、（Ｃ）点での論理反転動作波形の一例を示す図である。補償の効果（位相特性改善の効果）の一例を示す図である。差動型ＴＩＡ回路の出力波形の一例を示す図である。インダクタピーキング負荷を用いた高機能差動型ＴＩＡの他の構成例を示す図である。従来のトランスインピーダンスアンプを用いた光受信器の一例を示すブロック図である。図８に示したブロック図の具体的な回路構成例を示した図である。

以下本発明を、図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明に基づく光受信器を示すブロック図の一実施例である。本発明の光受信器は、同一極性方向に直列接続された２個の受光素子より構成されたバランスドフォトダイオード６と、リファレンス電圧を安定化するための第１のコンデンサ（以下、コンデンサＣ１という）と、差動トランスインピーダンス回路７と、補償回路８とから構成されている。また、受光素子は、フォトダイオードのことである。

バランスドフォトダイオード６の両端には電源電圧が印加され、その接続中点は差動トランスインピーダンス回路７のＤＴ側の入力端子に接続されている。差動トランスインピーダンス回路７のＤＣ側の入力端子はコンデンサＣ１を介して接地され、コンデンサＣ１により安定化されたリファレンス電圧が入力される。補償回路８は、リミッタアンプ８１とリミッタアンプ８１のリミット動作範囲を制御するスレッシュホールド制御器８２と図示しない出力クロスポイント補償回路とから構成されている。

バランスドフォトダイオード６は、受光した光入力データＤｉｎを電気信号（電流）に変換して、差動トランスインピーダンス回路７の（Ａ）点側に入力する。差動トランスインピーダンス回路７の（Ｂ）点側入力には、コンデンサＣ１により安定化されたリファレンス電圧が入力されている。これにより、バランスドフォトダイオード６から変換出力される電気信号は差動トランスインピーダンス回路７で線形に増幅されて、リミッタアンプ８１に入力される。リミッタアンプ８１は、スレッシュホールド制御器８２で制御されるリミット動作範囲まで一定の出力振幅になるように電気信号を増幅する。

ここで、差動トランスインピーダンス回路７は、差動入力の一方にコンデンサＣ１を設けていることにより、バランスド受光入力に対応したシングル−差動変換に対するリファレンス電圧の設定を行うことができる。

そして、従来の光受信器では、１個のフォトダイオード１が用いられ電流が一方向にのみ流れていたのに対して、同一極性方向に直列接続された２個の受光素子より構成された２方向の電流を有するバランスドフォトダイオード６を用いることにより、図１（Ａ）点で吸い込み方向および吐き出し方向の両方向に電流を流すことができる。

図２は、図１に示したブロック図の具体的な回路構成例を示した図である。図１において、差動トランスインピーダンス回路７は、チェリーホッパー（Ｃｈｅｒｒｙ−Ｈｏｏｐｅｒ）型増幅部７１と、エミッタフォロワ部７２と、第１の帰還抵抗Ｒｆ１と第２の帰還抵抗Ｒｆ２とリファレンス電圧を安定化するためのコンデンサＣ１とで構成されている。補償回路８は、リミッタアンプ８１と出力クロスポイント補償回路９３で構成されている。なお、図１で示したスレッシュホールド制御器８２は、ここでは図示しない。ここで、第１および第２の帰還抵抗Ｒｆ１、Ｒｆ２とは、エミッタフォロワ部７２の出力信号をチェリーホッパー型増幅部７１の各入力端子に帰還する経路に設けられた抵抗のことをいう。

また、正帰還を補償する第２のコンデンサ（以下、コンデンサＣ２という）は、エミッタフォロワ部７２のトランジスタのエミッタ側と、第１の帰還抵抗Ｒｆ１との間に接続されている。同様に、正帰還を補償する第３のコンデンサ（以下、コンデンサＣ３という）は、エミッタフォロワ部７２のトランジスタのエミッタ側と、第２の帰還抵抗Ｒｆ２との間に接続されている。また、第１の帰還抵抗Ｒｆ１は正帰還を補償するコンデンサＣ２と入力端子（Ａ）との間に接続され、第２の帰還抵抗Ｒｆ２は正帰還を補償するコンデンサＣ３とリファレンス電圧を安定化するためのコンデンサＣ１との間に接続されている。

差動トランスインピーダンス回路７のチェリーホッパー型増幅部７１は、エミッタを共通とする差動入力ペアトランジスタ７１ａの両側に一段分の差動増幅回路７１ｂ、７１ｃが構成され、この一段分の差動増幅回路７１ｂ、７１ｃの一方のトランジスタＴｒ２のベースは入力端子（Ａ）に接続されている。また、入力端子（Ａ）に接続されているチェリーホッパー型増幅部７１のトランジスタＴｒ２のコレクタは差動入力ペアトランジスタ７１ａのトランジスタＴｒ３の一方のベースと接続されている。また、トランジスタＴｒ２のコレクタと抵抗ＲＬ２の一端が接続され、抵抗ＲＬ２のもう一方の端がトランジスタＴｒ１のエミッタと接続されている。

コンデンサＣ２、Ｃ３は、第１および第２の帰還抵抗Ｒｆ１、Ｒｆ２の一端と、エミッタフォロワ部７２のトランジスタのエミッタ側との間に接続されている。ここで、コンデンサＣ２は、エミッタフォロワ部７２のトランジスタのエミッタ側と入力端子（Ａ）との間に第１の帰還抵抗Ｒｆ１を介して接続され、コンデンサＣ３は、エミッタフォロワ部７２のトランジスタのエミッタ側とリファレンス電圧を安定するためのコンデンサＣ１との間に第２の帰還抵抗Ｒｆ２を介して接続されている。また、コンデンサＣ２とコンデンサＣ３は、エミッタフォロワ部７２からチェリーホッパー型増幅部７１への負帰還動作が正帰還動作になることを防止する目的をもっている。

また、チェリーホッパー型増幅部７１において差動変換された信号は、エミッタフォロワ部７２および第１および第２の帰還抵抗Ｒｆ１、Ｒｆ２を介して帰還閉ループが構成されている。この帰還閉ループの構成は、負帰還動作となるように信号の論理が反転するように接続されている。

図２の動作について、説明する。バランスドフォトダイオード６で受光した光入力データＤｉｎは電気信号（電流）に変換され、変換された電気信号がチェリーホッパー型増幅部７１に入力され、このチェリーホッパー型増幅部７１で差動変換された信号がエミッタフォロワ部７２に入力され、エミッタフォロワ部７２からの出力信号が、入力端子（Ａ）に帰還する信号と、補償回路８に入力される信号に分岐される。

バランスドフォトダイオード６で受光変換された電流が同一極性方向に直列接続された２個の受光素子（フォトダイオード）の中間点を通り、入力端子（Ａ）と接続されているチェリーホッパー型増幅部７１に入力される。この入力端子（Ａ）において、入力された信号の論理がＨｉｇｈレベルの場合、チェリーホッパー型増幅部７１内の差動増幅回路７１ｂ、７１ｃの一方のトランジスタＴｒ２のベースがオン状態となるため、このトランジスタＴｒ２に電流が流れ、トランジスタＴｒ２のコレクタの電圧が降下し、トランジスタＴｒ３はオフ状態となる。この際、トランジスタＴｒ１には、トランジスタＴｒ２に流れる電流と同じ電流を流すために必要なバイアス電圧(ＶＢＥ)が印加されるため、トランジスタＴｒ１は、オン状態となる。

そして、トランジスタＴｒ２のコレクタの電圧がＬｏｗレベルとなり、トランジスタＴｒ３には電流が流れないため、トランジスタＴｒ１のベースの電圧がＨｉｇｈレベルとなる。また、トランジスタＴｒ１のベースにはトランジスタＴｒ１の制御電圧として印加されているため、トランジスタＴｒ１にＨｉｇｈレベル信号が帰還され、増幅される。

補償回路８は、電位差調整を行うことにより、出力信号のＤｕｔｙ比（クロスポイント）を５０％にすることができる。

また、同一の対構造を有するエミッタフォロワ８２に対し、(Ｃ)点と(Ｄ)点は、同じ直流電圧にて動作する。(Ａ)点に接続されたバランスドフォトダイオード６にて駆動される吸い込み方向と吐き出し方向の光電流は、(Ｃ)点に接続された第１の帰還抵抗Ｒｆ１によって帰還電圧信号として(Ａ)点に印加される。また、(Ｂ)点の電位は、(Ｄ)点の電位からコンデンサＣ１を用いて抽出された平均電圧値である。

図３は、時間に対する(Ａ)点および(Ｂ)点の電位波形の一例を示す図である。また、横軸は時間(ｓ)であり、縦軸は(Ａ)点および(Ｂ)点の電位(Ｖ)を表している。

(Ａ)点の電位は、必ず(Ｂ)点の電位を基準(中心)として光電流の吸い込みおよび吐き出しを行う。そのため、(Ｂ)点の電位は、(Ａ)点での信号電位に対して、０信号か１信号かを識別できる最適動作点として与えられる。

すなわち、エミッタフォロワ部７２の各エミッタフォロワが、それぞれが動作する直流電圧が等しいことら、入力端子(Ａ)の信号に対し、入力端子(Ｂ)の電圧は、常に最適化されたリファレンス電圧として動作することができる。

図４は、（Ａ）点、（Ｃ）点での論理反転動作波形の一例を示す図である。また、横軸は時間(ｓ)であり、縦軸は(Ａ)点での電位Ｖ_Ａ(V)および(Ｂ)点での電位Ｖ_Ｂ(V)を表している。

（Ａ）点と（Ｃ）点での動作波形は、（Ａ）点の論理と（Ｃ）点の論理が反転していることが動作波形で確認できる。つまり、帰還閉ループ構成による負帰還動作がこの波形から確認できる。

図５は、補償の効果（位相特性改善の効果）の一例を示す図であり、すなわち、エミッタフォロワ部７２からチェリーホッパー型増幅部７１に正帰還になることを防止するコンデンサの補償効果の一例を示す図である。また、横軸は入力周波数(ＧＨｚ)であり、縦軸はトランスインピーダンス増幅器(Transimpedance Amplifier;以下ＴＩＡとする)出力位相特性(Ｄｅｇｒｅｅ)を表している。

ＴＩＡの位相特性に対するコンデンサＣ２、すなわち帰還用コンデンサの影響を表している。帰還用コンデンサの有無によるそれぞれの入力周波数に対するＴＩＡ出力位相特性を確認できる。帰還用コンデンサがない場合に比べて、帰還用コンデンサが有る場合、たとえばＴＩＡ出力位相が１８０°の場合の位相余裕が約１０ＧＨｚ高いことが確認できる。つまり、帰還用コンデンサを設けることで、高い周波数の信号にも対応できることがこの特性から確認できる。

また、帰還閉ループの遅延時間が長いため、数１０ＧＨｚ程度の周波数において、帰還状態が正帰還動作に近づいている。正帰還動作では、帰還増幅器が不安定となるため、帰還量によっては、発振動作を引き起こす原因になる。そこで、正帰還補償用コンデンサＣｐｈ１、２は、正帰還を補償するために使用され、エミッタフォロワ部７２などに用いたレベルシフトダイオードなどの微分抵抗、すなわちシリーズ抵抗からの高周波における正帰還、すなわち信号遅れを補償するために使用されている。

図６は、差動型ＴＩＡ回路の出力波形の一例を示す図である。また、横軸は時間(5.0ps/div)であり、縦軸は差動型ＴＩＡ回路からの出力(0.02V/div)を表している。

帰還抵抗Ｒｆを用いることにより、約０．４程度の出力振幅が得られることがこの波形から確認できる。

図７は、インダクタピーキング負荷を用いた高機能な差動型ＴＩＡの一例を示す図である。図１との違いは、チェリーホッパー型増幅部７１内の差動入力ペアトランジスタ７１ａのトランジスタＴｒ３に接続されている抵抗ＲＬ１に直列にインダクタＬ１が接続された点である。つまり、特定の周波数領域に対し、負荷抵抗として機能するインダクタンスを備えることで、駆動能力、すなわち出力振幅を大きくできる。

また、本発明と特許文献１との違いは、特許文献１では、同一極性方向に直列接続された２個の受光素子より構成されたバランスドフォトダイオード６を用いることはできない。これに対して、本発明では、同一極性方向に直列接続された２個の受光素子より構成されたバランスドフォトダイオード６に対応できる。ただし、特許文献１と比較して、トランスインピーダンス回路の入力端子と接続するフォトダイオードが２個になるため、フォトダイオード容量が、回路の動作帯域に与える影響が無視できなくなるが、ファイバ伝送で発生した波形歪みを改善する効果もある。

つまり、本発明では、高速および広帯域性能については特許文献１が優れているが、実伝送回線にて要求される帯域は、本発明構成が実現できる動作帯域である。本発明は、２入力の光信号に対してバランスのとれた動作ができると共に、ファイバ伝送で発生する波長分散による信号歪みを改善できる一面もあり、優位性もある。

なお、本発明は、接合型トランジスタ(Bipolar Transistor)に限らず、電界効果トランジスタ（Field Effect Transistor、ＦＥＴ）を用いた集積回路にも適用できる。

なお、バランスドフォトダイオード６は、モノリシック集積回路で構成されていてもよい。

以上のように、本実施形態の光受信器によれば、第１および第２の帰還抵抗Ｒｆ１、Ｒｆ２の抵抗値を波形ひずみが発生するほど、極端に大きくすることなく、高感度に広帯域な動作を実現できる。

以上説明したように、本発明によれば、従来、用いていたフォトダイオードに代えてバランスドフォトダイオードを用い、リファレンス電圧を安定化するためにコンデンサを用いることにより、バランスド受光入力に対応でき、シングル−差動変換に対するリファレンス電圧の調整が不要で、トランスインピーダンスアンプの出力とリミッタアンプの入力を接続するための広帯域な信号に対応した大容量のコンデンサも不要で、チェリーホッパー型増幅部を設けることにより帰還抵抗を極端に大きくすることなく、高感度に広帯域な動作を実現できる光受信器が実現できる。

７差動トランスインピーダンス回路
７１チェリーホッパー型増幅部
７２エミッタフォロワ部
Ｒｆ１、Ｒｆ２第１、第２の帰還抵抗
Ｃ１〜Ｃ３第１〜第３のコンデンサ
６バランスドフォトダイオード
８補償回路

Claims

光信号を電気信号に変換する光受信器において、
同一極性方向に直列接続された２個の受光素子より構成されたバランスドフォトダイオードと、
このバランスドフォトダイオードの出力信号が入力されるチェリーホッパー型増幅部と、
このチェリーホッパー型増幅部を構成している差動入力ペアトランジスタからのそれぞれの出力信号をレベルシフトするエミッタフォロワ部と、
このエミッタフォロワ部の出力信号を前記チェリーホッパー型増幅部の各入力端子に帰還する経路に設けられた第１および第２の帰還抵抗と、
この第２の帰還抵抗と前記チェリーホッパー型増幅部を構成している差動増幅回路の
一方のトランジスタのベースに接続されている第１のコンデンサと
を有することを特徴とする光受信器。
前記第１および第２の帰還抵抗の一端と、前記エミッタフォロワ部のトランジスタのエミッタ側との間に、それぞれ正帰還を補償する第２および第３のコンデンサが設けられていることを特徴とする請求項１記載の光受信器。
前記差動入力ペアトランジスタは、トランジスタのコレクタ側にペアトランジスタそれぞれに抵抗あるいは抵抗およびインダクタを接続することを特徴とする請求項１または２記載の光受信器。
前記エミッタフォロワ部の出力端子と接続されるとともに、前記エミッタフォロワ部から出力される信号のクロスポイントを補償する補償回路を有することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の光受信器。
前記トランジスタは、接合型トランジスタ、あるいは電界効果型トランジスタであることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の光受信器。