JP2014075746A - 充放電型ｍｓｍ−ｐｄ回路 - Google Patents

Abstract

【課題】高速に繰り返し電気パルスを発生することが可能な充放電型ＭＳＭ−ＰＤ回路を提供すること。
【解決手段】ＭＳＭ−ＰＤ_１１１０は、バイアス電圧（Ｖ_ｉｎ）が印加された入力抵抗１２０、充電用キャパシタ１３０、可変電流源１５０と並列接続され、他端に並列抵抗１４０が接続されている。可変電流源１５０は、ゲート端子とドレイン端子を接続した、飽和モードで動作するＨＥＭＴ１５１、ＨＥＭＴ１５１のソース端子と充電用キャパシタ１３０との間に配置されたＭＳＭ−ＰＤ_２１５２からなる。ＨＥＭＴ１５１は、ゲート端子とドレイン端子にチャージ電圧（Ｖ_{ｃｈａｒｇｅ}）が印加されており、定電流源として機能する。ＭＳＭ−ＰＤ_２１５２は、照射される光トリガパルスに従って、正確なタイミングでＨＥＭＴ１５１から出力される電流のオン／オフを行うバルブとして機能する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光トリガパルスで制御する充放電型ＭＳＭ−ＰＤ回路に関する。

近年、インターネットに代表されるデータ通信の爆発的増加に伴い、光通信の高速化と大容量化の要求が高まっている。さらに、今後の光通信ネットワークは、様々なネットワークサービスに対応可能な柔軟性、及びサービスの種類とユーザーの増大に対応可能な拡張性が必要となってくる。

上記の課題に対して、光パケットを用いた通信は、細かなデータ粒度により、最も帯域利用効率、柔軟性、拡張性が高いネットワークを実現することができる。光パケット通信の実現には幾つかの機能が必要であるが、まず、もとの信号である非同期バースト光パケットの生成が必要である。

このパケット生成動作においては、もとのパケットデータが保持されているメモリー媒体は、シリコン系Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ（ＲＡＭ）が主流であるが、シリコンＲＡＭ自身のインターフェイス速度は１Ｇｂｐｓあたりの制限があるので、メモリー媒体から直接パケット信号を出力するのは困難である。

そこで、パケット信号の生成には、データを複数の低速なパラレル電気信号としてメモリー媒体から出力し、高速電子回路技術を用いた電気クロック信号発生器と電気パラレル−シリアル変換器により、パラレル電気信号を高速なシリアル電気信号に変換することが考えられている。そして、その後の電光変換により、光パケット信号が生成される。

しかし、このように複数の低速な信号を高速の信号に変換する場合、低速な電気信号を順次倍の速度に逓倍する（すなわち、数１００ＭＨｚ→・・・→２０ＧＨｚ→４０ＧＨｚとする）必要があるため、かなりの段数が必要となり、また、それぞれの段におけるクロック生成が必要となる。さらに、それぞれの段に対する入力パラレル信号の位相ずれの問題がある。

これに対して、位相制御を行うＳｅｒｄｅｓ−Ｆｒａｍｅｒ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ（ＳＦＩ）の規格などあるが、この制御を実行する電子回路技術は非常に複雑であり、デバイス数（Ｆｌｉｐ−Ｆｌｏｐ）も多くなることから、デバイス全体の消費電力が大きくなってしまう。さらに、本制御方式はそれぞれのパラレル信号に対してクロック再生を行っているが、非同期バースト的に入力する信号に対しては、瞬時にクロックを抽出することができない。

これらの問題を解決する方法として、光クロック型トランジスタアレイ（ＯＣＴＡ）光電子回路が開発され、電光パラレル−シリアル変換器を実現されている（非特許文献１参照）。

図３に、従来の光クロック型トランジスタアレイ（ＯＣＴＡ）の構成を示した模式図を示す。尚、図３において、３０１−１〜３０１−ＮはＭＳＭ−ＰＤ（Ｍｅｔａｌ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ−Ｍｅｔａｌ Ｐｈｏｔｏ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）、（Ｖ_Ｍ）はＭＳＭ−ＰＤバイアス電圧、３０２−１〜３０２−Ｎは入力抵抗、３０３−１〜３０３−Ｎは充電用キャパシタ、３０４−１〜３０４−Ｎは高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）、（Ｐ）は光パルス、（Ｖ_ｂ）はバイアス電圧、３０５−１〜３０５−Ｎは並列抵抗、（Ｓ_ＯＮ）はＯＮ信号、（ＳＰ）は入力パラレル電気信号、（ＳＳ）は出力シリアル電気信号を示す。

図３に示すように、従来のＯＣＴＡは、Ｎ個の光トリガ型トランジスタ回路３００−１〜３００−Ｎが一つの伝送線路３１０に並列に取り付けられており、それぞれの光トリガ型トランジスタ回路３００−１〜３００−Ｎは、主にＨＥＭＴ３０４−１〜３０４−ＮとＨＥＭＴ３０４−１〜３０４−Ｎのゲート端子に取り付けられたＭＳＭ−ＰＤ３０１−１〜３０１−Ｎから構成されている。

パケットデータは、ＣＭＯＳメモリーから入力パラレル電気信号（ＳＰ_１〜ＳＰ_Ｎ）として出力され、それぞれがＨＥＭＴ３０４−１〜３０４−Ｎのドレイン端子に供給される。ＨＥＭＴ３０４−１〜３０４−Ｎのゲート端子には、バイアス電圧（Ｖ_ｂ）を与えることでノーマリオフの状態に設定されており、入力パラレル電気信号（ＳＰ_１〜ＳＰ_Ｎ）は、伝送線路３１０に流れ込まないようになっている。

次に、ＭＳＭ−ＰＤ３０１−１〜３０１−Ｎに光トリガパルス（Ｐ_１〜Ｐ_Ｎ）を照射すると、そこで発生した電気パルスがゲート電圧の閾値を超えるまで上昇し、ＨＥＭＴ３０４−１〜３０４−ＮをＯＮとするため、電気パルスが消滅する間（すなわち、ＨＥＭＴ３０４−１〜３０４−ＮがＯＮである間）は、入力パラレル電気信号（ＳＰ_１〜ＳＰ_Ｎ）が伝送線路３１０上に出力される。この時、入力された入力パラレル電気信号（ＳＰ_１〜ＳＰ_Ｎ）が“１”の場合は電気パルスが伝送線路３１０上を伝播し、“０”の場合は出力されないこととなる。

したがって、Ｎ個のＭＳＭ−ＰＤ３０１−１〜３０１−Ｎに、一定の時間差τを与えて光トリガパルス（Ｐ_１〜Ｐ_Ｎ）を順次照射することにより、ＣＭＯＳメモリーから出力されたＮ個の入力パラレル電気信号（ＳＰ_１〜ＳＰ_Ｎ）と同じデータを有する出力シリアル電気信号（ＳＳ）へ変換されることとなる。

出力された出力シリアル電気信号（ＳＳ）は、光変調器等を用いて電気−光変換することにより、シリアル光信号に変換される。さらに、各光トリガ型トランジスタ回路３００−１〜３００−Ｎにおける光トリガパルス（Ｐ_１〜Ｐ_Ｎ）の照射、及び入力パラレル電気信号（ＳＰ_１〜ＳＰ_Ｎ）のビット入力を一定の周期（Ｔ＝Ｎｘτ）で繰り返すことにより、任意長のバースト光パケットを生成することができる。

Ｒｙｏｈｅｉ Ｕｒａｔａ、外４名、"Ａｎ Ｏｐｔｉｃａｌｌｙ Ｃｌｏｃｋｅｄ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ Ａｒｒａｙ ＦＯＲ Ｈｉｇｈ-Ｓｐｅｅｄ Ａｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｌａｂｅｌ Ｓｗａｐｐｉｎｇ： ４０ Ｇｂ／ｓ ＡＮＤ Ｂｅｙｏｎｄ"、ＩＥＥＥ、ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＬＩＧＨＴＷＡＶＥ ＴＥＣＨ ＮＯＬＯＧＹ、ＶＯＬ．２６、ＮＯ．６、２００８年３月１５日、ｐ．６９２−７０３

しかしながら、低速充電／高速放電（Slow-charge/Fest-discharge）型のＭＳＭ−ＰＤを用いる従来のパラレル−シリアル変換器では、一度放電すると再び充電されるまでに時間を要するため、高速繰り返し動作ができないという課題があった。このため、従来のパラレル−シリアル変換器の適用対象は、短いデータ信号、例えば光パケットのラベル信号に限定されていた。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、高速に繰り返し電気パルスを発生することが可能な充放電型ＭＳＭ−ＰＤ回路を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明は、充放電型ＭＳＭ−ＰＤ回路であって、バイアス電圧が印加された第１のＭＳＭ−ＰＤと、前記バイアス電圧で充電され、前記第１のＭＳＭ−ＰＤに放電可能なように接続されたキャパシタと、定電流源と前記定電流源のオン／オフを行う第２のＭＳＭ−ＰＤとを含み、前記キャパシタに充電可能なように接続された可変電流源と、を備え、前記第１のＭＳＭ−ＰＤに照射する光トリガパルスは、前記第２のＭＳＭ−ＰＤに光トリガパルスが照射されて生じた電荷が無くなった後に照射されることを特徴する。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の充放電型ＭＳＭ−ＰＤ回路において、前記定電流源は、ゲート端子とドレイン端子を接続した、飽和モードで動作するＨＥＭＴであることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、光トリガ型トランジスタ回路であって、請求項１又は２に記載の充放電型ＭＳＭ−ＰＤ回路と、前記充放電型ＭＳＭ−ＰＤ回路の出力端がゲート端に接続されたＨＥＭＴとを備えたことを特徴とする。

本発明は、充放電型ＭＳＭ−ＰＤ回路において、高速に繰り返し電気パルスを発生することが可能になる。また、本発明は、充放電型ＭＳＭ−ＰＤ回路を用いた光トリガ型トランジスタ回路における高速な再充電を可能にし、光トリガ型トランジスタ回路の高速繰り返し動作を可能にする。

本発明の一実施形態に係る充放電型ＭＳＭ−ＰＤ回路の構成を示した模式図である。 本発明の充放電型ＭＳＭ−ＰＤ回路における充電用キャパシタの電圧とＭＳＭ−ＰＤ_１、ＭＳＭ−ＰＤ_２を光トリガパルスで照射するタイミングとＭＳＭ−ＰＤ_１、ＭＳＭ−ＰＤ_２内の電荷量を示す図である。 従来の光クロック型トランジスタアレイ（ＯＣＴＡ）の構成を示した模式図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。

図１に、本発明の一実施形態に係る充放電型ＭＳＭ−ＰＤ回路の構成を示す。ＭＳＭ−ＰＤ_１１１０は、バイアス電圧（Ｖ_ｉｎ）が印加された入力抵抗１２０、充電用キャパシタ１３０、可変電流源１５０と並列接続され、他端に並列抵抗１４０が接続されている。

可変電流源１５０は、ゲート端子とドレイン端子を接続した、飽和モードで動作するＨＥＭＴ１５１、ＨＥＭＴ１５１のソース端子と充電用キャパシタ１３０との間に配置されたＭＳＭ−ＰＤ_２１５２からなる。ＨＥＭＴ１５１は、ゲート端子とドレイン端子にチャージ電圧（Ｖ_{ｃｈａｒｇｅ}）が印加されており、定電流源として機能する。ＭＳＭ−ＰＤ_２１５２は、照射される光トリガパルスに従って、正確なタイミングでＨＥＭＴ１５１から出力される電流のオン／オフを行うバルブとして機能する。

ＭＳＭ−ＰＤ_１１１０、ＭＳＭ−ＰＤ_２１５２に照射される光トリガパルスＰ_１、Ｐ_２は、以下で説明するように、光トリガパルスＰ_１が光トリガパルスＰ_２に対して所定の時間だけ遅延するよう制御されている。そのような光トリガパルスＰ_１は、例えばＰＬＣ（平面光波回路）上で光トリガパルスＰ_２を２つの信号に分岐し、片方はそのまま光トリガパルスＰ_２として出力し、もう片方は以下で説明する動作に必要な遅延量に相当する遅延線を通して光トリガパルスＰ_１として出力する事で得られる。他にも、光ファイバカプラ（分岐回路）と必要な遅延量に相当する長さを持った光ファイバ（遅延回路）の組み合わせなど、でも実現可能である。

尚、充放電型ＭＳＭ−ＰＤ回路１００の出力端をＨＥＭＴ２００のゲート端に接続することで、光トリガ型トランジスタ回路を構成することができる。

図２に、本発明の充放電型ＭＳＭ−ＰＤ回路における充電用キャパシタの電圧とＭＳＭ−ＰＤ_１、ＭＳＭ−ＰＤ_２を光トリガパルスで照射するタイミングとＭＳＭ−ＰＤ_１、ＭＳＭ−ＰＤ_２内の電荷量を示す。

先ず、ＭＳＭ−ＰＤ_２１５２に光トリガパルスＰ_２が照射され、ＭＳＭ−ＰＤ_２１５２内に光励起キャリア、すなわち電子およびホールからなる電荷が生じる。すると、充電用キャパシタ１３０が電圧（Ｖ_Ｒ）に達するまで、ＭＳＭ−ＰＤ_２１５２から充電用キャパシタ１３０へ電流が印加される。この過程は、入力抵抗１２０の抵抗値に依存しないため、従来例よりも急速に電荷が充電用キャパシタ１３０に充電される。

充電用キャパシタ１３０の電圧が（Ｖ_Ｒ）に達すると、ＭＳＭ−ＰＤ_２１５２の両端の電位差が小さくなることからＭＳＭ−ＰＤ_２１５２から出力される電流は止まる（図２、（ｂ））。一方で、充電用キャパシタ１３０は、入力抵抗１２０から印加される電流によりさらに充電される。

ＭＳＭ−ＰＤ_２１５２内の電荷は、ＭＳＭ−ＰＤ_２１５２からの電流が止まっている間も、電子とホールの再結合により減少を続け、ＭＳＭ−ＰＤ_２１５２の抵抗は大きくなっていく（図２、（ａ））。

充電用キャパシタ１３０の電圧が（Ｖ_Ｒ＋Δ）に達すると、ＭＳＭ−ＰＤ_２１５２内の電荷がＨＥＭＴ１５１側に動くことで生じる漏れ電流が発生する（図２、（ｃ））。この漏れ電流は非常に小さいため、充電用キャパシタ１３０の充電量に対する影響は小さく、ＭＳＭ−ＰＤ_２１５２内の電荷が無くなるとともにゼロになる。

ＭＳＭ−ＰＤ_２１５２内の電荷が無くなったところで、光トリガパルスＰ_１がＭＳＭ−ＰＤ_１１１０に照射される（図２、（ｄ））。ＭＳＭ−ＰＤ_２１５２内には電荷が無いので、ＭＳＭ−ＰＤ_１１１０内の全電荷は所望の並列抵抗１４０の側に流れる。つまり、ＭＳＭ−ＰＤ_２１５２がＭＳＭ−ＰＤ_１１１０の出力パルスに影響を与えることは無い。

このように、本発明では、充電用キャパシタ１３０の電圧（Ｖ_Ｒ）に達するまでの時間は大幅に短縮する一方、出力パルスは従来と同じものを生成することができる。

本発明は、従来の光トリガ型トランジスタ回路の充放電型ＭＳＭ−ＰＤ回路に可変電流源を付与することによって、光トリガ型トランジスタ回路の高速なパルス応答特性（放電特性）を変えることなく、動作に必要な電荷を高速に再充電することができる。

１００ 充放電型ＭＳＭ−ＰＤ回路
１１０、１５２ ＭＳＭ−ＰＤ
１２０ 入力抵抗
１３０ 充電用キャパシタ
１４０ 並列抵抗
１５０ 可変電流源
１５１ ＨＥＭＴ

Claims (3)

1. バイアス電圧が印加された第１のＭＳＭ−ＰＤと、
   前記バイアス電圧で充電され、前記第１のＭＳＭ−ＰＤに放電可能なように接続されたキャパシタと、
   定電流源と前記定電流源のオン／オフを行う第２のＭＳＭ−ＰＤとを含み、前記キャパシタに充電可能なように接続された可変電流源と、
   を備え、前記第１のＭＳＭ−ＰＤに照射する光トリガパルスは、前記第２のＭＳＭ−ＰＤに光トリガパルスが照射されて生じた電荷が無くなった後に照射されることを特徴する充放電型ＭＳＭ−ＰＤ回路。
2. 前記定電流源は、ゲート端子とドレイン端子を接続した、飽和モードで動作するＨＥＭＴであることを特徴とする請求項１に記載の充放電型ＭＳＭ−ＰＤ回路。
3. 請求項１又は２に記載の充放電型ＭＳＭ−ＰＤ回路と、
   前記充放電型ＭＳＭ−ＰＤ回路の出力端がゲート端に接続されたＨＥＭＴと
   を備えたことを特徴とする光トリガ型トランジスタ回路。

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