JP2011525777A - 高利得増幅器と等化回路とを用いた高感度光受信機 - Google Patents

Abstract

光受信機は、光信号を第１の帯域幅を有する電気信号に変換する受光素子と、電気信号を増幅する増幅器とを含む。増幅器は、第１の帯域幅より狭い第２の帯域幅を得る第１のゲイン応答を有する。また、光受信機は、増幅器と動作可能に接続された等化回路を含む。等化回路は、増幅器および等化回路により実質的に一定の最終的なゲインが第１の帯域幅の電気信号に付与されるように、増幅器の第１のゲイン応答を補償する第２のゲイン応答を有する。

Description

本出願は、一般的に光受信機に関し、特に、ＰＩＮフォトダイオードを用いて感度を増加させる光受信機に関する。

受光素子として動作する光検出器を含む光受信機は、光ファイバー送信ネットワーク内の主要な素子の一つである。光受信機は、一般的に、光信号を電気信号に変換するように機能する。標準的な光受信機は、増幅器（例えば、トランスインピーダンス増幅器）の入力に接続された光検出器を含む。光検出器は、光検出器が受光した光信号を、増幅器に供給する電流に変換する。増幅器は、その電流に比例した電圧又は電流を出力で生成する。フォトダイオードは、一般的に、アバランシェ・フォトダイオード（avalanche photodiode:ＡＰＤ）又はＰＩＮ（P-intrinsic-n）の何れか一方である。最近の広帯域ネットワークの拡大に伴って、光受信機（および光送信機）は高速化し、一般的に、ビットレートが６２２Ｍｂｐｓから２．５Ｇｐｓに速くなっている。近年、１０Ｇｂｐｓまでのビットレートは、広く使用され始めている。

通常、より高いビットレートのために再構成する必要がないように、光受信機の感度は、ビットレートが速くなっても一定に維持する必要がある。例えば、ＰＩＮダイオードを用いる場合、６２２Ｍｂｐｓおよび１．２５Ｇｂｐｓのビットレートに対する光受信機の検出能は、それぞれ約−３２ｄＢｍおよび−２９ｄＢｍである。さらに、２．５Ｇｂｐｓのビットレートに対する光受信機の検出能は、ＰＩＮダイオードを用いる場合に約−２６ｄＢｍであり、ＡＰＤを用いる場合に約−３２ｄＢｍである。１．２５Ｇｂｐｓの多くのシステムは２．５Ｇｂｐｓまで高速化されるが、一つの懸念として、光受信機の感度が２．５Ｇｂｐｓにおいて弱い。多くの場合に、受信機の感度を向上させるためにＰＩＮダイオードより電力感度が優れていることから、ＡＰＤダイオードが望ましい。しかし、一般的に、ＡＰＤダイオードのコストはＰＩＮフォトダイオードより高く、且つＡＰＤダイオードの信頼性は、ＰＩＮフォトダイオードより低い。さらに、一つにはアバランシェ増倍率（avalanche multiplication factor）が周辺温度に伴って変化するため、ＡＰＤダイオードを調整し、且つ校正することが困難である。

従って、例えば２．５ＧＨｚおよび１０ＧＨｚでＰＩＮフォトダイオードが動作するような高速ネットワークにおいて用いるのに好適な向上した感度を有するＰＩＮフォトダイオードを用いた光受信機を提供することが望ましい。

本願発明によれば、光受信機が提供される。光受信機は、光信号を、第１の帯域幅を有する電気信号に変換する受光素子と、電気信号を増幅する増幅器とを含む。増幅器は、第１の帯域幅より狭い第２の帯域幅を生成する第１のゲイン応答を有する。光受信機は、また増幅器と動作可能に接続された等化回路を含む。等化回路は、増幅器および等化回路が第１の帯域幅の電気信号に実質的に一定の最終的なゲインを付与するように、増幅器の第１のゲイン応答を補償する第２のゲイン応答を有する。本発明の一形態によれば、受光素子は、ＰＩＮフォトダイオードでもよい。

本発明の他の形態によれば、増幅器は、相互インピーダンス増幅器（transimpedance amplifier:ＴＩＡ）でもよい。
本発明の他の形態によれば、第１の帯域幅は、２．５Ｇｂｐｓの信号ビットレートに対応し、第２の帯域幅は、１．２５Ｇｂｐｓの信号ビットレートに対応してもよい。

本発明の他の形態によれば、第２のゲイン応答は、第１のゲイン応答の周波数依存を補償する周波数依存を有してもよい。
本発明の他の形態によれば、フォワード誤り訂正ユニットは、等化回路からの出力信号を受信するように動作的に接続されてもよい。

本発明の他の形態によれば、等化回路は、同時に合計された出力電流を生成するように構成された一対のハイインピーダンス・相互コンダクタンス増幅器を含んでもよい。
本発明の他の形態によれば、等化回路は、増幅器の極・零点の伝達関数の逆数である伝達関数を有してもよい。

本発明の他の形態によれば、光信号を電気信号に変換する方法が提供される。方法は、光信号を検出すること、光信号を電気信号に変換すること、および電気信号にゲインを付与することを含む。増幅器の全周波数帯域において選択されたゲインレベルで電気信号を増幅するのに十分な帯域幅が得られる増幅器のゲイン・帯域幅積に対するゲインレベルより大きな選択されたゲインレベルを有する増幅器が、電気信号にゲインを付与する。電気信号に付与されたゲインは、増幅器の全周波数帯域において選択されたゲインレベルで電気信号を増幅するように等化される。

明細書中の方法および技術に基づいて構成された光受信機の一例の回路ブロック図である。 帯域幅とゲインとの関係を説明するための相互インピーダンス増幅器（ＴＩＡ）の簡略化された一例である。 用いられたＴＩＡが２．５Ｇｂｐｓの信号の１．８ＧＨｚの帯域幅全体に適応可能である場合に、且つ９００ＭＨｚの帯域幅で用いられたＴＩＡが１．２５Ｇｂｐｓの信号に適応可能である場合の２．５Ｇｂｐｓの周波数対ゲインを示す。 図１に図示された光受信機に用いられた等化回路の周波数依存のゲイン応答を重ね合わした図３のゲイン対周波数のグラフである。 図１に図示された光受信機等の光受信機に用いられた等化回路の一例である。 高いビットレート（例えば、２．５Ｇｂｐｓ）での使用に好適なＴＩＡの一例である。 明細書中に記載された方法および技術に基づいて構成された光受信機の別例の回路図である。 極および零点と、図５に図示された等化回路に用いられるネガティブ・フィードバック回路の全周波数依存の応答との関係である。 光受信機が光信号を電気信号に変換する方法の一例である。

図１は、明細書中に記載された方法および技術に基づいて構成された光受信機の回路図である。光ファイバー１０１からの光は、ＰＩＮフォトダイオード検出器１０２に供給され、ＰＩＮフォトダイオード検出器１０２は、電流ＩＰＤを生成する。相互インピーダンス増幅器（ＴＩＡ）１０３は、デジタル回路（図示せず）に出力する電圧ＶＥＣを生成するため、フォトダイオードで生成された比較的小さな電流を、等化回路１０４でさらに処理される大きな信号電圧ＶＴＩＡに変換する。

相互インピーダンス増幅器１０３の２つの重要な動作特性は、相互インピーダンス増幅器１０３の相互インピーダンス・ゲインおよび相互インピーダンス増幅器１０３の帯域幅である。図２は、比較的簡略に図示された相互インピーダンス増幅器を示す。相互インピーダンス増幅器１０は、プラス（＋）およびマイナス（−）入力と、Ｖｏ−およびＶｏ＋で表示された差動出力を有する高速演算増幅器Ｕを含む。フォトダイオードＰＤ（例えば、ＰＩＮフォトダイオード１０２）は、バイアス電圧源Ｖｂと演算増幅器Ｕのマイナス（−）入力との間に接続される。演算増幅器Ｕのプラス（＋）入力は、グランドに接続される。負出力Ｖｏ−は、コモン電圧増幅器を備えるポスト処理増幅器への電圧出力を有する。フィードバック抵抗Ｒｆは、マイナス出力Ｖｏ−とマイナス（−）入力との間に接続される。相互インピーダンス増幅回路１０の帯域幅は、
ＢＷ＝１／（２π×Ｒｆ×Ｃｉｎ×Ａ）
で定義され、ここで、Ｃｉｎは、増幅器の入力容量とフォトダイオードＰＤの寄生容量とを含む入力容量であり、Ａは、演算増幅器Ｕの開ループゲインである。この帯域幅の式は、増幅器のゲインと帯域幅との間の周知の反比例関係の一例を示す。この関係は、増幅器の閉ループゲインとカットオフ周波数との積が一定であるということを説明することにより明確に示すことができ、これは、増幅器のゲイン・帯域幅積と称される。

前述のように、図１に示すＡＰＤの代わりにＰＩＮフォトダイオードを用いた光受信機のタイプは、特に２．５Ｇｂｐｓおよび上記のビットレートの感度要求を満たさないことがしばしばあり得る。ＴＩＡ１０３のゲインが増加することでＰＩＮフォトダイオード部分において減少した感度に対する補償は、この問題に適切に対処しない。その理由は、ゲインを増加させた結果、ＴＩＡ１０３の帯域幅は、２．５Ｇｂｐｓ以上のビットレートを有する信号に適応するために必要な帯域幅より狭くなるからである。

図３は、用いられたＴＩＡが２．５Ｇｂｐｓの信号の１．８Ｇｂｐｓの帯域幅全体において適応するのに十分である場合に２．５Ｇｂｐｓに対して信号に付与可能なゲインを示す。また、図３は、ＴＩＡの帯域幅の減少を犠牲にして、増加したゲインが得られることを示す。ＴＩＡの帯域幅が９００ＭＨｚまで減少する場合、ＴＩＡの帯域幅は、１．２５Ｇｂｐｓの信号には適応可能であるが、２．５Ｇｂｐｓの信号には適応可能でない。

帯域幅が狭くなるが、より高いゲインのＴＩＡは、図１に示す等化回路１０４をさらに用いることで２．５Ｇｂｐｓの信号を増幅するように用いられる。ＴＩＡ１０３の下流に配置された等化回路は、ＴＩＡ１０３の周波数依存のゲイン応答を補償する周波数依存のゲイン応答を有する。

ケーブル等の伝送媒体を介して伝送された信号が受ける損失を補償するため、従来、等化回路１０４等の等化回路が用いられる。これにより、等化回路は、ケーブルの周波数依存を無効化するように動作する。このため、等化回路は、ケーブル等化器又はバックプレーンの等化器と称されることもある。このような伝送媒体の損失は、一般的に、より高い周波数で最大となる。

本実施形態では、等化回路を用いて伝送媒体の損失を補償する代わりに、等化回路は、ＴＩＡの制限された帯域幅を補償するように用いられる。図３，４は、信号の１．８Ｇｂｐｓの帯域幅全体において適応可能である帯域幅を有するＴＩＡが用いられる場合、および１．２５Ｇｂｐｓの信号のみ適用可能な９００ＭＨｚの帯域幅を有するＴＩＡが用いられる場合の２．５Ｇｂｐｓの信号のゲインを再度示す。また、図４は、等化回路１０４のゲイン応答を示す。図に示すように、等化回路１０４の非線形のゲイン応答は、２．５Ｇｂｐｓの信号を周波数全域が等しく増幅されるように、より高いゲインのＴＩＡの制限された帯域幅を補償する。

光学回路内に等化回路を用いることにより、ゲイン・帯域幅積に応じた犠牲帯域幅により増加したゲインを有するＴＩＡを用いることができる。増幅器により信号に付与された周波数依存の歪みは、等化回路により効率的に改善される。ＴＩＡにＳＮＲが設定され、フィードバック抵抗の熱雑音は、増幅器のゲインを考慮しないため、ゲインＺが増加するにつれて、雑音はゲインＺの累乗根として上昇する。さらに、等化回路の使用により入力関連の雑音密度が変化しないので、この構成の信号対雑音比率（ＳＮＲ）は、ＴＩＡにより決定される。

図５は、等化回路の一例を示す。等化回路は、ＴＩＡの極・零点の伝達関数を逆数である伝達関数を有する。回路は、２つのハイインピーダンス・相互コンダクタンス増幅器を含む。相互インピーダンス増幅器の出力電流は、加算されてバッファ出力される。ネガティブ・フィードバック回路は、回路全体の周波数依存のゲインを制御する周波数依存要素を含む。図８は、ネガティブ・フィードバック回路の全周波数依存の応答とともにネガティブ・フィードバック回路の極・零点との関係を示す。

図６は、２．５Ｇｂｐｓの光受信機内に用いるのに好適なＴＩＡ１００の一例を示す。ＴＩＡは、例えば、ＣＭＯＳ、バイポーラ、又はＧａＡｓ ＭＥＳＦＥＴ技術等の何れかの好適なプロセス技術で実施され得る複数段の増幅器である。３つのゲイン段１０，２０，３０は、ＴＩＡ１００内で直列接続される。当然ながら、追加又はより少ないゲイン段が用いられてもよい。光検出器により生成された入力電流Ｉｉｎは、第１ゲイン段の入力に供給され、第１ゲイン段の出力は、第２ゲイン段２０の入力である。第１受動帰還素子２５は、第２ゲイン段２０に適用されて、ＴＩＡ１００の出力インピーダンスを小さくする。第１受動フィードバック素子２５は、抵抗で実現されてもよく、例えばｎチャネル素子、又は容量と並列に接続されたｎチャネル素子により実現可能である。第３ゲイン段３０に第２受動フィードバック素子３５を追加することにより、ＴＩＡ１００の出力インピーダンスは、さらに低減される。このことは、ＴＩＡ１００の安定性をさらに向上させる。第１受動帰還素子２５および第２受動帰還素子３５により提供される局所的な変化の結果として、出力インピーダンスはより低減され、ＴＩＡ１００の安定性は向上する。さらに、全体的なフィードバック素子８５が、第１ゲイン段１０、第２ゲイン段２０、および第３ゲイン段と並列に接続されて、ＴＩＡ１００の安定性はさらに向上する。

差働出力は、ＴＩＡ１００のＤＣポイントを追跡するＤＣポイントを有する複製バイアス段４０を用いることにより生成される。複製バイアス段４０は、複製バイアス段４０の入力と出力との間に配置された複製フィードバック素子４５を有して自己バイアスされる。本実施形態では、複製バイアス段４０は、バイアス生成器として動作する。差働増幅器９５の第１入力には、３つのゲイン段１０，２０，３０からの第１出力８０が入力される。差働増幅器９５の第２入力には、複製バイアス段４０からの第２出力９０が入力される。差働増幅器９５は、図１の出力信号ＶＴＩＡを供給する出力バッファとして動作する。自動ゲイン制御（Automatic gain control:ＡＧＣ）は、第１ゲイン段１０に変性型フィードフォワード素子を適用することにより図６のＴＩＡに追加される。変性型フィードフォワード素子は、演算増幅器の出力により制御可能である。

特定の実施形態では、図７に示すように、等化回路の出力にフォワード誤り訂正（forward error correction:ＦＥＣ）ユニット１０７を配置することが好ましい。ＦＥＣユニット１０７は、光受信機により受信されたデータストリームに含まれる追加データを用いてエラーから回復することにより光受信機の感度がさらに向上するように、使用可能である。図１，７では、同様の要素は、同様の参照番号により示される。

図９は、光受信機が光信号を電気信号に変換する方法の一例を示す。ステップ２１０において、方法は、光信号を検出することにより開始する。ステップ２２０において、光信号は、電気信号に変換される。ステップ２３０において、ＴＩＡ等の増幅器のゲインは、選択されたゲインレベルにおいて全周波数帯域において電気信号を増幅するのに十分な帯域幅を得るゲイン・帯域幅積に対するゲインレベルより大きな選択されたゲインレベルに設定される。ステップ２４０において、増幅器は、選択されたゲインレベルを電気信号に付与する。ステップ２５０において、電気信号に付与されたゲインは、周波数全域において一定のゲインレベルで電気信号が増幅されるように等化される。

方法および装置では、光信号を受信して、光信号を電気信号に変換することが説明される。増幅器に接続された等化回路を用いることにより、装置の感度は、等化回路を用いない場合にあり得る増幅器のゲインレベルより高い増幅器のゲインレベルを用いることで増大する。この場合、ＰＩＮフォトダイオードは、例えば２．５Ｇｂｐｓ又は１０Ｇｂｐｓで動作するネットワーク等の高速ネットワークで用いるために設計された光受信機内に用いられる。

Claims (20)

1. 光受信機であって、
   光信号を第１の帯域幅を有する電気信号に変換する受光素子と、
   前記電気信号を増幅する増幅器であって、第１の帯域幅より狭い第２の帯域幅を得る第１のゲイン応答を有する前記増幅器と、
   前記増幅器と動作可能に接続された等化回路であって、前記増幅器および前記等化回路により実質的に一定の最終的なゲインが前記第１の帯域幅の電気信号に付与されるように、前記増幅器の第１のゲイン応答を補償する第２のゲイン応答を有する前記等化回路と
   を備える光受信機。
2. 前記受光素子は、ＰＩＮフォトダイオードである、請求項１に記載の光受信機。
3. 前記増幅器は、相互インピーダンス増幅器（ＴＩＡ）である、請求項１に記載の光受信機。
4. 前記第１の帯域幅は、２．５Ｇｂｐｓの信号ビットレートに対応し、前記第２の帯域幅は、１．２５Ｇｂｐｓの信号ビットレートに対応する、請求項１に記載の光受信機。
5. 前記第２のゲイン応答は、前記第１のゲイン応答の周波数依存を補償する周波数依存を有する、請求項１に記載の光受信機。
6. 前記等化回路からの出力信号を受信するように動作的に接続されたフォワード誤り訂正ユニットをさらに備える、請求項１に記載の光受信機。
7. 前記等化回路は、加算された出力電流を生成するように構成された一対のハイインピーダンス・相互コンダクタンス増幅器を含む、請求項１に記載の光受信機。
8. 前記等化回路は、前記増幅器の極・零点の伝達関数の逆数である伝達関数を有する、請求項１に記載の光受信機。
9. 光信号を電気信号に変換する方法であって、
   前記光信号を検出する段階と、
   前記光信号を前記電気信号に変換する段階と、
   選択されたゲインレベルを有する増幅器を用いてゲインを前記電気信号に付与する段階であって、前記選択されたゲインレベルは、全周波数帯域において前記選択されたゲインレベルで前記電気信号を増幅するのに十分な帯域幅を得るゲイン・帯域幅積に対するゲインレベルより高い、前記ゲインを電気信号に付与する段階と、
   全周波数帯域において前記選択されたゲインレベルで前記電気信号を増幅するように、前記電気信号に付与されるゲインを等化する段階と
   を備える、方法。
10. 前記ゲインを付与する段階は、前記電気信号の信号電流を信号電圧に変換することを含む、請求項９に記載の方法。
11. 前記増幅器の帯域幅は、１．２５Ｇｂｐｓの信号ビットレートに対応し、前記電気信号の全周波数帯域は、２．５Ｇｂｐｓの信号ビットレートに対応する、請求項９に記載の方法。
12. 前記ゲインは、前記増幅器の極・零点の伝達関数の逆数である伝達関数を有する前記等化回路により一定にされる、請求項９に記載の方法。
13. 光受信機であって、
    光信号を、第１の帯域幅を有する電気信号に変換する受光素子と、
    前記電気信号を増幅するとともに、前記電気信号に周波数依存の歪みを付与する増幅器と、
    前記増幅器に動作的に接続された等化回路であって、前記電気信号に付与された周波数依存の歪みを低減する周波数依存のゲイン応答を有する前記等化回路と
    を備える光受信機。
14. 前記等化回路の前記周波数依存のゲイン応答は、前記増幅器および前記等化回路により実質的に一定の最終的なゲインを前記電気信号に付与するように、前記増幅器のゲイン応答を補償する、請求項１３に記載の光受信機。
15. 前記受光素子は、ＰＩＮフォトダイオードである、請求項１３に記載の光受信機。
16. 前記増幅器は、相互インピーダンス増幅器（ＴＩＡ）である、請求項１５に記載の光受信機。
17. 前記等化回路からの出力信号を受信するように動作的に接続されたフォワード誤り訂正ユニットをさらに備える、請求項１５に記載の光受信機。
18. 前記等化回路は、前記増幅器の極・零点の伝達関数の逆数である伝達関数を有する、請求項１３に記載の光受信機。
19. 前記ＴＩＡは、９００ＭＨｚの帯域幅を有する、請求項１６に記載の光受信機。
20. 前記等化回路の前記周波数依存のゲイン応答は、９００ＭＨｚおよび１．８Ｇｂｐｓ間の前記電気信号に付与される周波数依存の歪みを低減する、請求項１９に記載の光受信機。

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