JP2012065277A - 光受信機 - Google Patents

Abstract

【課題】従来よりも生成される信号の電力が大きい光受信機を提供する。
【解決手段】光フィルタ３が、入力された光信号の周波数成分に基づいて強度変調された互いに位相が１８０度異なる第一光信号及び第二光信号を生成する変換する。第一受光素子１２が、第一光信号を第一電流信号に変換する。第二受光素子２２が、第二光信号を第二電流信号に変換する。第一整合回路１４が、第一電流信号の電力が大きくなるようにインピーダンス整合を行う。第二整合回路２４が、第二電流信号の電力が大きくなるようにインピーダンス整合を行う。１８０度ハイブリッド回路４が、第一出力ポート及び第二出力ポートにそれぞれ分配される２つの電流信号の位相が１８０度ずれるように第一電流信号を分配すると共に、第一出力ポート及び第二出力ポートにそれぞれ分配される２つの電流信号の位相が同じになるように第二電流信号を分配する。
【選択図】図１

Description

この発明は、入力された光信号を電気信号に変換する光受信機に関する。

従来の光受信機の例を、図１０を参照して説明する（例えば、特許文献１参照。）。

従来の光受信機は、フォトダイオード９１、直流電流バイアス回路９２、電流電圧変換回路９３から構成されていた。

フォトダイオード９１は、光ファイバから出力された光の強度に比例した大きさを有する光電流を生成する。直流電流バイアス回路９２は、フォトダイオード９１の量子効率が高くなるようにフォトダイオード９１の電極に逆方向の直流電流を加える。電流電圧変換回路９３は、光電流を電圧に変換する。

特開２００２−１７１１４２号公報

しかしながら、従来の光受信機は周波数帯域の広い光アナログ信号を受信できるように設計されており、生成される信号の電力が必ずしも大きくないという問題があった。

この発明は、生成される信号の電力が従来よりも大きい光受信機を提供することを目的とする。

この発明の光受信機は、入力された光信号の周波数成分に基づいて強度変調された互いに位相が１８０度異なる第一光信号及び第二光信号を生成する変換する光フィルタと、第一光信号を第一電流信号に変換する第一受光素子と、第二光信号を第二電流信号に変換する第二受光素子と、第一電流信号の電力が大きくなるように、インピーダンス整合を行う第一整合回路と、第二電流信号の電力が大きくなるように、インピーダンス整合を行う第二整合回路と、第一出力ポート及び第二出力ポートにそれぞれ分配される２つの電流信号の位相が１８０度ずれるように第一電流信号を分配すると共に、第一出力ポート及び第二出力ポートにそれぞれ分配される２つの電流信号の位相が同じになるように第二電流信号を分配する１８０度ハイブリッド回路と、を含む。

第一整合回路及び第二整合回路を用いてインピーダンス整合を行うことにより、光受信機により生成される信号の電力を大きくすることができる。

第一実施形態の光受信機の例のブロック図。 第二実施形態の光受信機の例のブロック図。 第三実施形態及び第四実施形態の光受信機の例のブロック図。 第三実施形態の制御回路の例のブロック図。 第四実施形態の制御回路の例のブロック図。 光フィルタの特性を説明するための図。 １８０度ハイブリッド回路の特性を説明するための図。 １８０度ハイブリッド回路の特性を説明するための図。 整合回路の具体例を説明するための図。 従来の光受信機の例のブロック図。

［第一実施形態］
第一実施形態の光受信機は、図１に示すように、光フィルタ３、光ファイバ１１、第一受光素子１２、第一受光素子バイアス回路１３、第一整合回路１４、光ファイバ２１、第二受光素子２２、第二受光素子バイアス回路２３、第二整合回路２４、１８０度ハイブリッド回路４を例えば含む。

光フィルタ３は、入力ポート３１、通過ポート３２及び反射ポート３３に接続されている。入力ポート３１には、光ファイバが接続されている。この光ファイバから周波数変調された光信号が入力ポート３１に入力される。

光フィルタ３は、入力された光信号の周波数成分に基づいて強度変調された互いに位相が１８０度異なる第一光信号及び第二光信号を生成する。第一光信号は通過ポート３２に出力され、第二光信号は反射ポート３３に出力される。通過ポート３２に出力された光信号は、第一経路を通って電流信号に変換され、その電流信号は後述する１８０度ハイブリッド回路４の第一入力ポート４１に出力される。反射ポート３３を通過する光信号は、第二経路を通って電流信号に変換され、その電流信号は後述する１８０度ハイブリッド回路４の第二入力ポート４２に出力される。

光フィルタ３は、例えば光信号の周波数が高いほど高い強度を有する光信号を出力するハイパスフィルタで構成されている。そのハイパスフィルタを通過する第一光信号が通過ポート３２に出力され、そのハイパスフィルタで反射された第二光信号が反射ポート３３に出力される。この場合、図６に例示するように、光信号の周波数が高いほど、第一光信号の強度は高く、第二光信号の強度は低くなる。このように、周波数変調された光信号は、強度変調された２つの光信号（第一光信号、第二光信号）に変換される。

光フィルタ３に入力される光信号の周波数が図６に例示する光フィルタの動作の中心周波数に概ね一致する場合には、上記のように入力された光信号の周波数成分に基づいて変換された、第一光信号の強度成分の位相と、第二光信号の強度成分の位相とは１８０度異なることになる。また、光フィルタ３に入力される光信号の強度成分は、第一光信号及び第二光信号に同位相同振幅に乗ることになる。

光フィルタ３に入力される光信号は、理想的には、周波数のみが変化して、強度が一定であることが望ましい。しかし、現実的には、光信号を生成するレーザダイオード等の注入電流対光強度特性により、光フィルタ３に入力される光信号の強度は変化し得る。このような場合であっても、光フィルタ３に入力される光信号の強度成分が第一光信号及び第二光信号に同位相同振幅に乗れば、後述する１８０度ハイブリッド回路４により、この光信号の強度成分はキャンセルされることになる。

光フィルタ３の詳細は、特願２０１０−０９４６５５号明細書を参照のこと。

通過ポート３２を始点とする第一経路は、図１に示すように、光ファイバ１１、第一受光素子１２、第一受光素子バイアス回路１３、第一整合回路１４で例えば構成される。第一経路の終点は、１８０度ハイブリッド回路４の第一入力ポート４１である。反射ポート３３を始点とする第二経路は、図１に示すように、光ファイバ２１、第二受光素子２２、第二受光素子バイアス回路２３、第二整合回路２４で例えば構成される。第二経路の終点は、１８０度ハイブリッド回路４の第二入力ポート４２である。

通過ポート３２から入力された第一光信号は、光ファイバ１１を通って、第一受光素子１２に出力される。第一受光素子１２は、第一光信号を第一電流信号に変換する。第一受光素子１２は、例えばフォトダイオードである。第一受光素子１２は、第一光信号の強度に比例した光電流を生成して第一電流信号とする。第一電流信号は、第一整合回路１４に出力される。。

第一受光素子バイアス回路１３は、第一受光素子１２の量子効率が高くなるように、第一受光素子１２の電極に逆方向の直流電力を加える。

第一整合回路１４は、第一電流信号の電力が大きくなるように、インピーダンス整合を行う。この実施形態では、第一整合回路１４は、第一受光素子１２の出力インピーダンスと、この光受信機に接続される負荷の入力インピーダンスとを整合する。すなわち、第一整合回路１４は、第一受光素子１２の出力インピーダンスと、負荷の入力インピーダンスとが複素共役の関係になるようにする。これにより、第一電流信号の電力を大きくすることができ、この光受信機により生成される信号のレベルを大きくすることができる。第一整合回路１４から出力された第一電流信号は、第一入力ポート４１を通って１８０度ハイブリッド回路４に入力される。

反射ポート３３を始点とする第二経路は、図１に示すように、光ファイバ２１、第二受光素子２２、第二受光素子バイアス回路２３、第二整合回路２４で例えば構成される。第二経路の終点は、１８０度ハイブリッド回路４の第二入力ポート４２である。

反射ポート３３から入力された第二光信号は、光ファイバ２１を通って、第二受光素子２２に出力される。第二受光素子２２は、第二光信号を第二電流信号に変換する。第二受光素子２２は、例えばフォトダイオードである。第二受光素子２２は、第二光信号の強度に比例した光電流を生成して第二電流信号とする。第二電流信号は、第二整合回路２４に出力される。。

第二受光素子バイアス回路２３は、第二受光素子２２の量子効率が高くなるように、第二受光素子２２の電極に逆方向の直流電流を加える。

第二整合回路２４は、第二電流信号の電力が大きくなるように、インピーダンス整合を行う。この実施形態では、第二整合回路２４は、第二受光素子２２の出力インピーダンスと、この光受信機に接続される負荷の入力インピーダンスとを整合する。すなわち、第二整合回路２４は、第二受光素子２２の出力インピーダンスと、負荷の入力インピーダンスとが複素共役の関係になるようにする。これにより、第二電流信号の電力を大きくすることができ、この光受信機により生成される信号のレベルを大きくすることができる。第二整合回路２４から出力された第二電流信号は、第二入力ポート４２を通って１８０度ハイブリッド回路４に入力される。

１８０度ハイブリッド回路４は、第一入力ポート４１、第二入力ポート４２、第一出力ポート４３、第二出力ポート４４に接続されている。１８０度ハイブリッド回路４は、第一出力ポート４３及び第二出力ポート４４にそれぞれ分配される２つの電流信号の位相が１８０度ずれるように第一電流信号を分配すると共に、第一出力ポート４３及び第二出力ポート４４にそれぞれ分配される２つの電流信号の位相が同じになるように第二電流信号を分配する。

例えば、図７に示すように、第一入力ポート４１から位相が０度の第一信号が入力され、第二入力ポートから位相が１８０度の第二信号が入力されとする。この場合、位相が０度の第一信号は、位相が９０度の第一出力信号と、位相が２７０度の第二出力信号とに分配される。第一出力信号は第二出力ポート４４に出力され、第二出力信号は第一出力ポート４３に出力される。位相が１８０度の第二信号は、位相が２７０度の第三出力信号と、位相が２７０度の第四出力信号とに分配される。第三出力信号は第二出力ポート４４に出力され、第四出力信号は第一出力ポート４３に出力される。

位相が９０度の第一出力信号と位相が２７０度の第三出力信号とは逆相であるためこれらの信号は相殺される。一方、位相が２７０度の第二出力信号と位相が２７０度の第四出力信号とは同相であるためこれらの信号は強め合う。

このように、第一入力ポート４１に入力される信号と第二入力ポート４２に入力される信号とが逆相である場合には、いわゆる逆相ポートである第一出力ポート４３に求めようとしていた信号が現れ、いわゆる同相ポートである第二出力ポート４４からの信号の出力レベルは理想的には０となる。

一方、例えば、図８に示すように、第一入力ポート４１から位相が０度の第一信号が入力され、第二入力ポートから位相が０度の第二信号が入力されとする。この場合、位相が０度の第一信号は、位相が９０度の第一出力信号と、位相が２７０度の第二出力信号とに分配される。第一出力信号は第二出力ポート４４に出力され、第二出力信号は第一出力ポート４３に出力される。位相が０度の第二信号は、位相が９０度の第三出力信号と、位相が９０度の第四出力信号とに分配される。第三出力信号は第二出力ポート４４に出力され、第四出力信号は第一出力ポート４３に出力される。

位相が９０度の第一出力信号と位相が９０度の第三出力信号とは同相であるためこれらの信号は強め合う。一方、位相が２７０度の第二出力信号と位相が９０度の第四出力信号とは逆相であるためこれらの信号は相殺する。

このように、第一入力ポート４１に入力される信号と第二入力ポート４２に入力される信号とが同相である場合には、いわゆる同相ポートである第二出力ポート４４からの信号が出力され、いわゆる逆相ポートである第一出力ポート４３からの信号の出力レベルは理想的には０に近づく。

したがって、例えばレーザダイオードの注入電流対光強度特性等に応じて生じ得るノイズである、第一入力ポート４１に入力される信号と第二入力ポート４２に入力される信号と中の同相の成分は、１８０度ハイブリッド回路４によって打ち消されて、第一出力ポート４３からは出力されない。

このように、第一整合回路１４及び第二整合回路２４を用いて、インピーダンス整合を行うことにより、光受信機から出力される信号の電力を増加させることができる。

［第二実施形態］
第二実施形態の光受信機は、第一実施形態の光受信機に増幅素子を追加したものである。以下、第一実施形態と異なる部分を中心に説明し、同様の部分については重複説明を省略する。

第二実施形態の光受信機は、図２に示すように、第一増幅素子１５、第一増幅素子バイアス回路１６、第二増幅素子２５、第二増幅素子バイアス回路２６を更に含む。第二実施形態の第一整合回路１４は、第一入力整合回路１４１及び第一出力整合回路１４２から構成される。第二実施形態の第二整合回路２４は、第二入力整合回路２４１及び第二出力整合回路２４２から構成される。

第一受光素子１２が出力した第一電流信号は、第一入力整合回路１４１に入力される。第一入力整合回路１４１は、第一受光素子１２の出力インピーダンスと、第一増幅素子１５の入力インピーダンスとを整合する。第一受光素子１２の出力インピーダンスと、第一増幅素子１５の入力インピーダンスとが複素共役の関係になるようにする。これにより、第一受光素子１２が出力する第一電流信号の有能電力を高めることができる。

第一増幅素子１５は、第一入力整合回路１４１が出力した第一電流信号を増幅する。増幅された第一電流信号は、第一出力整合回路１４２に出力される。第一増幅素子バイアス回路１６は、第一増幅素子１５が第一電流信号を増幅するために必要な直流バイアスを第一増幅素子１５に供給する。

第一出力整合回路１４２は、第一増幅素子１５の出力インピーダンスと、光受信機に接続される負荷の入力ピーダンスとを整合する。すなわち、第一増幅素子１５の出力インピーダンスと、光受信機に接続される負荷の入力ピーダンスとが複素共役の関係になるようにする。これにより、第一増幅素子１５が出力する第一電流信号の有能電力を高めることができる。第一出力整合回路１４２が出力した第一電流信号は、１８０度ハイブリッド回路４の第一入力ポート４１に入力される。

第二受光素子２２が出力した第二電流信号は、第二入力整合回路２４１に入力される。第二入力整合回路２４１は、第二受光素子２２の出力インピーダンスと、第二増幅素子２５の入力インピーダンスとを整合する。第二受光素子２２の出力インピーダンスと、第二増幅素子２５の入力インピーダンスとが複素共役の関係になるようにする。これにより、第二受光素子２２が出力する第一電流信号の有能電力を高めることができる。

第二増幅素子２５は、第二入力整合回路２４１が出力した第二電流信号を増幅する。増幅された第二電流信号は、第二出力整合回路２４２に出力される。第二増幅素子バイアス回路２６は、第二増幅素子２５が第二電流信号を増幅するために必要な直流バイアスを第二増幅素子２５に供給する。

第二出力整合回路２４２は、第二増幅素子２５の出力インピーダンスと、光受信機に接続される負荷の入力ピーダンスとを整合する。すなわち、第二増幅素子２５の出力インピーダンスと、光受信機に接続される負荷の入力ピーダンスとが複素共役の関係になるようにする。これにより、第二増幅素子２５が出力する第二電流信号の有能電力を高めることができる。第二出力整合回路２４２が出力した第二電流信号は、１８０度ハイブリッド回路４の第二入力ポート４２に入力される。

このように、第一入力整合回路１４１及び第一出力整合回路１４２から構成される第一整合回路１４、第二入力整合回路２４１及び第二出力整合回路２４２から構成される第二整合回路２４を用いてインピーダンス整合を行うことにより、光受信機から出力される信号の電力を増加させることができる。

［第三実施形態］
第三実施形態の光受信機は、１８０度ハイブリッド回路４のいわゆる同相ポートである第二出力ポート４４から出力される信号の電力を小さくするために、図３に例示するように、第一増幅素子１５及び第二増幅素子２５の増幅率を制御する制御回路５を第二実施形態の光受信機に加えたものである。

以下、第二実施形態と異なる部分を中心に説明する。第二実施形態と同様の部分については重複説明を省略する。

制御回路５は、図４に例示するように、第一検波回路５１、第一平均化回路５２、バイアス制御回路５３、第一増幅素子入力バイアス回路５４、第二増幅素子入力バイアス回路５５を例えば含む。

第一検波回路５１は、１８０度ハイブリッド回路４のいわゆる同相ポートである第二出力ポート４４に接続されている。第一実施形態で説明したように、第二出力ポート４４から出力される信号のレベルは理想的には０になる。しかし、実際には、光受信機に入力される光信号を生成するレーザダイオードの注入電流対強度特性等に基づくノイズにより、第二出力ポート４４から出力される信号のレベルが０にならない場合がある。

第一検波回路５１には、この第二出力ポート４４から出力された、ノイズを含み得る信号が入力される。第一検波回路５１は、入力された信号を検波する。検波された信号は、第一平均化回路５２に出力される。

第一平均化回路５２は、検波された信号を平均化する。平均化された信号は、バイアス制御回路５３に出力される。

バイアス制御回路５３は、平均化された信号に基づいて、第二出力ポート４４から出力される信号の電力が小さくなるように、第一増幅素子入力バイアス回路５４及び第二増幅素子入力バイアス回路５５を制御する。

バイアス制御回路５３は、第一増幅素子１５及び第二増幅素子２５の少なくとも一方の増幅率を段階的に変化させるように、第一増幅素子入力バイアス回路５４及び第二増幅素子入力バイアス回路５５の制御を行う。

例えば、まず、第一増幅素子１５の増幅率を上げるように第一増幅素子入力バイアス回路５４を制御する。この結果、第一平均化回路５２からの出力が小さくなった場合には、さらに第一増幅素子１５の増幅率を上げるように第一増幅素子入力バイアス回路５４を制御する。第一増幅素子１５の増幅率は、１８０度ハイブリッド回路のいわゆる逆相ポートである第一出力ポート４３からの信号の出力波形が歪まない範囲で行う。

第一増幅素子１５の増幅率を上げた結果、第一平均化回路５２からの出力が大きくなった場合には、第一増幅素子１５の増幅率を下げるように第一増幅素子入力バイアス回路５４を制御するか、第二増幅素子２５の増幅率を上げるか下げるように第二増幅素子入力バイアス回路５５を制御する。

このように、制御回路５は、第一増幅素子１５及び第二増幅素子２５の増幅率を適宜段階的に変更して、第二出力ポート４４から出力される信号の電力を小さくなるようにする。これにより、第一出力ポート４３から出力される信号の電力を大きくすることができる。

このように、制御回路５を設けることにより、第一出力ポート４３から出力される信号の電力をさらに大きくすることができる。

［第四実施形態］
第四実施形態の光受信機は、１８０度ハイブリッド回路４のいわゆる逆相ポートである第一出力ポート４３から出力される信号の電力をより大きくするために、図５に例示するように、第一出力ポート４３から出力される信号を監視する第二検波回路５６及び第二平均化回路５７を第三実施形態の制御回路５に加えたものである。

以下、第三実施形態と異なる部分を中心に説明する。第三実施形態と同様の部分については重複説明を省略する。

第二検波回路５６は、１８０度ハイブリッド回路４のいわゆる逆相ポートである第一出力ポート４３に接続されている。第一実施形態で説明したように、第一出力ポート４３から出力される信号が、この光受信機により生成しようとした信号である。第二検波回路５６は、第一出力ポート４３から出力された信号を検波する。検波された信号は、第二平均化回路５７に出力される。

第二平均化回路５７は、検波された信号を平均化する。平均化された信号は、バイアス制御回路５３に出力される。

バイアス制御回路５３は、第三実施形態と同様にして、第一出力ポート４３から出力される信号の電力が大きく、かつ、第二出力ポート４４から出力される信号の電力が小さくなるように、第一増幅素子入力バイアス回路５４及び第二増幅素子入力バイアス回路５５を制御して、第一増幅素子１５及び第二増幅素子２５の増幅率を適宜変更する。

［変形例］
光フィルタ３は、ハイパスフィルタではななく、光信号の周波数が高いほど高い強度を有する光信号を出力するローパスフィルタで構成されていてもよい。

第一整合回路１４、第一入力整合回路１４１、第一出力整合回路１４２、第二整合回路２４、第二入力整合回路２４１、第二出力整合回路２４２は、図９に例示するマイクロストリップ線路により実現することができる。図９のマイクロストリップ線路は、主線路であるマイクロストリップ線路Ｌ１に、先端開放のスタブＬ２を並列に挿入することにより構成したものである。もちろん、コプレーナ導波路等他の線路構造を用いてこれらの整合回路を構成してもよい。

第一増幅素子１５及び第二増幅素子２５として、電解効果トランジスタ（Field Effect Transistor）を用いてもよい。

移動通信用の基地局において通信装置とアンテナとを光ファイバで接続し、通信装置とアンテナとのデータ通信をメタリックの線路ではなくこの光受信機を用いて光ファイバを介して行うことにより、基地局の設備を簡素化することができる。また、メタリックの線路を用いた場合と比較して低損失でデータ通信を行うことができる。

この発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、その他、この発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能である。

１２ 第一受光素子
１４ 第一整合回路
１４１ 第一入力整合回路
１４２ 第一出力整合回路
１５ 第一増幅素子
２２ 第二受光素子
２４ 第二整合回路
２４１ 第二入力整合回路
２４２ 第二出力整合回路
２５ 第二増幅素子
３ 光フィルタ
４ １８０度ハイブリッド回路
５ 制御回路

Claims (4)

1. 入力された光信号の周波数成分に基づいて強度変調された互いに位相が１８０度異なる第一光信号及び第二光信号を生成する変換する光フィルタと、
   上記第一光信号を第一電流信号に変換する第一受光素子と、
   上記第二光信号を第二電流信号に変換する第二受光素子と、
   上記第一電流信号の電力が大きくなるように、インピーダンス整合を行う第一整合回路と、
   上記第二電流信号の電力が大きくなるように、インピーダンス整合を行う第二整合回路と、
   第一出力ポート及び第二出力ポートにそれぞれ分配される２つの電流信号の位相が１８０度ずれるように上記第一電流信号を分配すると共に、上記第一出力ポート及び第二出力ポートにそれぞれ分配される２つの電流信号の位相が同じになるように上記第二電流信号を分配する１８０度ハイブリッド回路と、
   を含む光受信機。
2. 請求項１に記載の光受信機において、
   上記第一電流信号を増幅する第一増幅素子と、
   上記第二電流信号を増幅する第二増幅素子と、
   を更に含む光受信機。
3. 請求項１又は２に記載の光受信機において、
   上記第一出力ポート及び上記第二出力ポートの一方から出力される電流信号が小さくなるように、上記第一増幅素子及び上記第二増幅素子の増幅率を制御する制御回路、
   を更に含む光受信機。
4. 請求項３に記載の光受信機において、
   上記制御回路は、上記第一出力ポート及び上記第二出力ポートの他方から出力される電流信号が大きくなるように、上記第一増幅素子及び上記第二増幅素子の増幅率を更に制御する、
   光受信機。

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