JP2011171812A - 光受信器 - Google Patents

Abstract

【課題】バランスド受光入力に対応し、入力光電力によらず、出力振幅が入力振幅によらず常に一定振幅であり、ファイバ伝送状態により変化する入力に対し、自動利得制御が追従する広帯域な動作ができる光受信器を提供する。
【解決手段】受信した光信号を電気信号に変換する光受信手段と、この光受信手段からの電気信号を増幅する増幅手段と、この増幅手段で増幅された信号に対して線形動作を行い、線形動作を行った後に、入力振幅に対して一定の振幅を出力する利得制御手段を備え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、差動信号に対して低電圧で動作可能な利得可変回路と、それを用いた自動制御増幅器に関するものである。

特許文献２は、光通信システムの受信装置などに用いられ、入力レベルの変化に対して出力レベルを一定に保持する自動制御利得回路に関するものである。

特開２００７−１７４０２９号公報 特開平１０−８４２３８号公報 太田 篤伸、他３名「長距離光伝送システム向け４３Gbps RZ−DQPSKトランスポンダ」、横河技報、vol.52 No.3 p.７７−８０

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が必要になるという問題がある。

さらに、図９の自動利得制御（Automatic Gain Control;以下ＡＧＣとする）回路では、広帯域な動作が困難であ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、入力光電力によらず、出力振幅が入力振幅によらず常に一定振幅であり、ファイバ伝送状態により変化する入力に対し、自動利得制御が追従する広帯域な動作が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、
受信した光信号を電気信号に変換する光受信手段と、
この光受信手段からの電気信号を増幅する増幅手段と、
この増幅手段で増幅された信号に対して線形動作を行い、線形動作を行った後に、入力振幅に対して一定の振幅を出力する利得制御手段
を備え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、
前記利得制御手段は、
前記増幅手段から入力された信号の振幅が線形に増幅され、増幅された振幅を出力する自動利得制御機能付き増幅器と、
この自動利得制御機能付き増幅器から出力された振幅のピーク値を検出するピーク検出機能付き増幅器と、
このピーク検出機能付き増幅器から出力されたピーク検出値が入力されるとともに、振幅設定電圧が入力され、この振幅設定電圧から前記ピーク検出値を引いた電圧値に利得を乗算した値を前記自動利得制御機能付き増幅器に帰還する電圧比較器
を備え、
これら増幅器および電圧比較器によりフィードバック・ループを構成していることを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項２記載の光受信器において、
前記自動利得制御機能付き増幅器は、
チェリーホッパー増幅部と、
カレントミラー部
から構成されることを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項２記載の光受信器において、
前記ピーク検出機能付き増幅器は、差動回路の複数のオープンコレクタ出力のエミッタが共通になっている信号出力であるエミッタコモンの動作点を用いて、振幅のピーク値を検出することを特徴とする。

請求項５記載の発明は、請求項２〜４いずれかに記載の光受信器において、
前記自動利得制御機能付き増幅器および前記ピーク検出機能付き増幅器は、接合型トランジスタ、あるいは電界効果型トランジスタを使用してい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、入力光電力によらず、広帯域に動作が可能なＡＧＣ回路が実現できるとともに、ＡＧＣ回路の設定、つまり制御する振幅設定電圧Vsetからピーク検出値Vpdetを引いた電圧値に利得A1を乗算した値(以下ΔVagcという)を設定することにより線形動作かつ、一定出力の広帯域動作が可能となる光受信器が実現できる。

本発明のＡＧＣ機能付き光受信器の一実施例を示すブロック図である。 広帯域化ＡＧＣ回路の利得特性の一例を示す図である。 ピーク検出回路のピーク検出特性の一例を示す図である。 図１に示した広帯域化したＡＧＣ回路の具体的な回路構成例を示した図である。 広帯域化したＡＧＣ回路出力波形を示す図である。 ΔVagcを0.6Vと0Vに設定した場合の出力波形の一例を示す図である。 図１に示したピーク検出機能付き増幅回路の具体的な回路構成例を示した図である。 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ＡＧＣ機能付き光受信器を示すブロック図の一実施例である。

また、特許請求の範囲でいう光受信手段はバランスドフォトダイオード６のことであり、増幅手段は差動トランスインピーダンス回路８のことであり、利得制御手段はＡＧＣ回路９のことである。また、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コンデンサ７と、差動トランスインピーダンス回路８と、ＡＧＣ回路９とから構成されている。また、受光素子は、受信した光信号を電気信号に変換する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８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８のＤＣ側の入力端子はコンデンサ７を介して接地され、コンデンサ７により安定化されたリファレンス電圧が入力される。ＡＧＣ回路９は、このＡＧＣ回路９に入力された光電力に対して線形動作を行い、線形動作を行った後に、入力振幅に対して常に一定の振幅を出力することを実現する機能を有する、ＡＧＣ機能付き増幅器９１と、ピーク検出機能付き増幅器９２と、電圧比較器９３とから構成されている。

ここで、線形動作を行うのは、線形で動作する信号からは、リミット動作している信号とは異なり、信号に含まれる重要な情報を抽出することができるためである。すなわち、ＡＧＣ回路９に入力された光電力に対して、重要な情報を抽出するために線形動作を行った後に、入力振幅に対して常に一定の振幅を出力している。

バランスドフォトダイオード６は、受光した光信号、すなわち光入力データ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８のＤＴ側に入力する。差動トランスインピーダンス回路８のＤＣ側入力には、コンデンサ７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８で線形に増幅されて、ＡＧＣ回路９に入力される。ＡＧＣ回路９では、差動トランスインピーダンス回路８で線形に増幅されたデータＤｉｎがＡＧＣ機能付き増幅器９１に入力されて線形動作が行われ、線形動作が行われた後に、線形動作を行った後に、入力振幅に対して常に一定の振幅を出力する。すなわち、ＡＧＣ機能付き増幅器９１に入力振幅Din(Vpp)が入力され、この入力された振幅を線形に増幅し、増幅された振幅を出力振幅Vout(Vpp)として出力する。

この出力振幅Vout(Vpeak to peak:以下Vppといい、交流振幅を意味する)がピーク検出機能付き増幅器９２に入力され、入力された出力振幅Vout(Vpp)のピーク値が検出され、この検出されたピーク検出値Vpdetが出力される。この出力されたピーク検出値Vpdetは、電圧比較器９３の一方の入力端子に入力され、もう一方の入力端子に振幅設定電圧Vsetが入力される。電圧比較器９３では、この入力されたピーク検出値Vpdetと振幅設定電圧Vsetとを比較し、振幅設定電圧Vsetからピーク検出値Vpdetを引いた電圧値に利得“Ａ１”を乗算した値ΔVagcが出力される。この出力された値ΔVagcがＡＧＣ機能付き増幅器９１にフィードバックされる構成になっている。ここで、Vpdetとは、ピーク検出機能付き増幅器９２に入力された出力振幅Vout(Vpp)のピーク値を検出した値であり、ピーク検出値と呼んでいる。

点線で囲ったＡＧＣ回路９は、自動利得制御のフィードバック・ループに関するブロック図である。ここで、ＡＧＣ機能付き増幅器９１の入力振幅をDin(Vpp)、出力振幅をVout(Vpp)とした場合、出力振幅は（１）式より求まる。また、f(Din)は、ＡＧＣ機能付き増幅器９１の利得であり、入力振幅の関数で定義される。
Vout= ｆ(Din) × ΔVagc ・・・（１）

図２は、広帯域化ＡＧＣ回路の利得特性の一例を示す図である。横軸はＡＧＣ回路の設定、つまり制御する振幅設定電圧Vsetからピーク検出値Vpdetを引いた電圧値に利得A1を乗算した値、ΔVagcを表し、縦軸は振幅利得を表している。

また、上記（１）式のように、ΔVagcの値が大きくなるに従い、傾きｆ(Din)の値が大きくなっている直線、たとえば傾きｆ(Din)が0.3Vppの直線は、他の傾きｆ(Din)0.1Vppや0.2Vppと比較すると、ＡＧＣ機能付き増幅器９１の利得が大きいことが確認できる。たとえば、傾きｆ(Din)が0.1Vpp、ΔVagcが0.9の場合、振幅利得が約0.7倍であるのに対して、傾きｆ(Din)が0.2Vpp、ΔVagcが0.9の場合、振幅利得が約1.4倍になっていることが確認できる。つまり、傾きが２倍になると、振幅利得が約２倍になることが確認できる。

図１に戻って、ΔVsetは、電圧比較器９３に入力された振幅設定電圧Vsetからピーク検出値Vpdetを引いた電圧値を表し、（２）式のようになる。
ΔVset ＝ Vpdet − Vset ・・・（２）

次に、ΔVagcは、振幅設定電圧Vsetからピーク検出値Vpdetを引いた電圧値に電圧比較器９３の利得“Ａ１”を乗算した値を表し、（３）式のようになる。
ΔVagc ＝ A1 × ΔVset ・・・（３）

次いで、（３）式に（２）式を代入すると、（４）式のようになる。
ΔVagc ＝ A1 × ΔVset
＝ A1 × (Vpdet- Vset) ・・・（４）

この（４）式を（１）式に代入すると、（５）式のようになる。
Vout= ｆ(Din) × ΔVagc
= ｆ(Din) × A1 × (Vpdet- Vset) ・・・（５）

また、ピーク検出値Vpdetは、ピーク検出機能付き増幅器９２のピーク検出の特性から（６）式のように定義できる。
Vpdet ＝ Vout×A2 ＋ Voffset ・・・（６）

図３は、ピーク検出回路のピーク検出特性の一例を示す図である。横軸はピーク検出機能付き増幅器９２に入力された出力振幅Vout(Vpp)を入力した場合の振幅値を表し、縦軸はピーク検出機能付き増幅器９２に入力された出力振幅Vout(Vpp)のピーク値を検出した値、ピーク検出値Vpdetを表している。

また、図３および上記（６）式からも、出力振幅Voutを入力した場合の振幅値がゼロの場合、ピーク検出値が約−1.6［ｖ］となり、この値がVoffsetの値となることが確認できる。すなわち、ピーク検出器へ入力する信号がない場合、ピーク検出機能付き増幅器９２では、ピーク検出値が−1.6［ｖ］程度のデフォルト状態のオフセット電圧が出力されていることが確認できる。また、出力振幅Voutを入力した場合の振幅値が、ゼロの場合と0.1［Ｖｐｐ］の場合の傾きがＡ２であることも確認できる。

図１に戻って、上記式（６）について、出力振幅Voutを求める式に変形すると、式（７）のようになる。
Vpdet ＝ Vout×A2 ＋ Voffset ・・・（６）
Vout ＝ (Vpdet−Voffset)／A2 ・・・（７）
この式（７）を式（５）のVoutに代入すると、式（８）のようになる。
Vout ＝ ｆ(Din) × A1 × (Vpdet- Vset) ・・・（５）
ｆ(Din) × A1 × (Vpdet- Vset) ＝(Vpdet−Voffset)／A2 ・・・（８）

ここで、振幅設定電圧 VsetをVoffsetとした場合、式（８）は式（９）のような関係式が得られる。また、この場合、A2は、ｆ(Din)特性のΔVagcを設定することにより、定めることができる。
ｆ(Din) × A1 × (Vpdet- Voffset) ＝ (Vpdet−Voffset)／A2 ・・・（８）
ｆ(Din) ＝ 1／（A1 × A2） ・・・（９）

図４は、図１に示した広帯域化したＡＧＣ回路の具体的な回路構成例を示した図である。ＡＧＣ機能付き増幅器は、カレントミラー部９１aとチェリーホッパー増幅部（カレントミラー部９１a以外の部分）から構成されている。また、従来のＡＧＣ回路９１ｂに対して、チェリーホッパー型と呼ばれるエミッタフォロワ帰還部９１ｃ,９１ｄを用いた回路構成を加えて広帯域化を実現した回路である。

図５は、広帯域化したＡＧＣ回路出力波形を示す図である。横軸は時間ｔを表し、縦軸はＡＧＣ回路の設定、つまり制御する振幅設定電圧Vsetからピーク検出値Vpdetを引いた電圧値に電圧比較器９３の利得“Ａ１”を乗算した値、ΔVagcを表している。

また、ΔVagcを0.6V, 0.4V, 0.2Vに設定した場合の広帯化ＡＧＣ回路の出力波形である。たとえば、ΔVagcを0.2Vに設定した場合とΔVagcを0.6Vに設定した場合を比較すると、ΔVagcを0.6Vに設定した場合の方が、ΔVagcを0.2Vに設定した場合よりも、振幅が2倍になっていることが確認できる。すなわち、

また、図６はΔVagcを0.6Vと0Vに設定した場合の出力波形の一例を示す図である。横軸は時間ｔを表し、縦軸はＡＧＣ回路の設定、つまり制御する振幅設定電圧Vsetからピーク検出値Vpdetを引いた電圧値に電圧比較器９３の利得“Ａ１”を乗算した値、ΔVagcを表している。

また、ΔVagcを0.0Vに設定した場合は、ＡＧＣ回路からの変調振幅が得られないことが確認できる。

図７は、図１に示したピーク検出機能付き増幅回路の具体的な回路構成例を示した図である。入力端子Dinに入力される振幅に応じて、差動回路のエミッタコモンの動作点が変化する増幅回路である。また、差動回路のエミッタコモンの動作点を用いて、振幅のピーク値を検出する。ここで、エミッタコモンとは、複数のオープンコレクタ出力のエミッタが共通になっている信号出力のことをいう。

また、図４のＡＧＣ回路と図７のピーク検出機能付き増幅回路の具体的な回路図を用いて、ＡＧＣ回路のフィードバック・ループを構成し、制御状態のＡＧＣ回路のΔVagc電圧を設定することで、フィードバック・ループ定数を定めることができる。

ここで、差動トランスインピーダンス回路８は、差動入力の一方にコンデンサ７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調整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。

また、バランスド光受信器にＡＧＣ回路を設けたことにより、バランスドダイオードで受信した光信号が電気信号に変換され、この変換された電気信号が差動トランスインピーダンス回路８に入力され、入力された電気信号が線形に増幅され、この線形に増幅されたデータＤｉｎがＡＧＣ回路に入力されると、線形動作を行った後に、入力信号の振幅に対して常に一定の振幅を出力できる。

なお、本発明は、Ｂｉｐｏｌａｒ（接合型トランジスタ）に限らず、ＦＥＴ（電界効果型トランジスタ)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、広帯域に動作が可能なＡＧＣ回路が実現できるとともに、ＡＧＣ回路の設定、つまり制御するΔVagcを設定することにより、線形動作かつ、一定出力の広帯域な動作が可能となる光受信器が実現できる。

６ バランスドフォトダイオード
８ 差動トランスインピーダンス回路
９ ＡＧＣ回路
９１ ＡＧＣ機能付き増幅器
９１ａ カレントミラー部
９２ ピーク検出機能付き増幅器
９３ 電圧比較器

Claims (5)

1. 受信した光信号を電気信号に変換する光受信手段と、
   この光受信手段からの電気信号を増幅する増幅手段と、
   この増幅手段で増幅された信号に対して線形動作を行い、線形動作を行った後に、入力振幅に対して一定の振幅を出力する利得制御手段
   を備えることを特徴とする光受信器。
2. 前記利得制御手段は、
   前記増幅手段から入力された信号の振幅が線形に増幅され、増幅された振幅を出力する自動利得制御機能付き増幅器と、
   この自動利得制御機能付き増幅器から出力された振幅のピーク値を検出するピーク検出機能付き増幅器と、
   このピーク検出機能付き増幅器から出力されたピーク検出値が入力されるとともに、振幅設定電圧が入力され、この振幅設定電圧から前記ピーク検出値を引いた電圧値に利得を乗算した値を前記自動利得制御機能付き増幅器に帰還する電圧比較器
   を備え、
   これら増幅器および電圧比較器によりフィードバック・ループを構成していることを特徴とする請求項１記載の光受信器。
3. 前記自動利得制御機能付き増幅器は、
   チェリーホッパー増幅部と、
   カレントミラー部
   から構成されることを特徴とする請求項２記載の光受信器。
4. 前記ピーク検出機能付き増幅器は、差動回路の複数のオープンコレクタ出力のエミッタが共通になっている信号出力であるエミッタコモンの動作点を用いて、振幅のピーク値を検出することを特徴とする請求項２記載の光受信器。
5. 前記自動利得制御機能付き増幅器および前記ピーク検出機能付き増幅器は、接合型トランジスタ、あるいは電界効果型トランジスタを使用していることを特徴とする請求項２〜４いずれかに記載の光受信器。

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