JP2014165728A - 光受信器 - Google Patents

Abstract

【課題】低消費電力で信頼性の高いクロックデータ再生を実現すること。
【解決手段】この光受信器１は、複数の光信号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４を電気信号に変換して出力する光受信器であって、該複数の光信号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４の中から一の光信号を選択する光強度判定回路１９及びセレクター回路２１と、一の光信号に含まれるクロック信号ＣＬＫを抽出するＰＬＬ回路２３と、クロック信号ＣＬＫにより複数の電気信号ＶＬ１，ＶＬ２，ＶＬ３，ＶＬ４のデータを再生する遅延ロックループ回路９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄ及びＤフリップフロップ回路１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄと、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、光信号を受信する光受信器に関するものである。

近年、データ通信に対する需要の高まりにより、通信システムにおける伝送レートは１０Ｇｂｐｓを超え、４０Ｇｂｐｓや１００Ｇｂｐｓの伝送速度が実現されている。一方で、これらの伝送速度はＮＲＺ（Non Return to Zero）信号を用いた強度変調を扱う実用的な光素子の動作速度を超えているため、波長多重伝送技術を用いて通信システムの高速化を図っている。このような波長多重伝送技術に関して、IEEE （Institute of Electrical and Electronics Engineers）では、１００Ｇｂｐｓのイーサネット規格として、１００ＧＢＡＳＥ−ＬＲ４という規格が策定されている。この規格では、１．３μｍ帯の光源を４波分用いることを特徴としており、１波あたりの伝送速度を４分の１の２５Ｇｂｐｓに抑えることができる。

また、光通信システムにおいては、光信号に重畳されたジッタを取り除くために、広くクロックデータ再生（ＣＤＲ：Clock Data Recovery）回路が用いられている。上記規格に規定された４波伝送においても、クロックデータ再生は必要であるが、４波長ともに同じ装置との対向通信となるため、４波の信号源は同じ発振器から生成されている。４波は、１本のファイバで多重化されているものの、ファイバの波長分散や、光送信器側の合波器又は光受信器側の分波器の波長間で生じる光路差によって、位相がずれた状態で光受信器内の各フォトダイオードに到達する。フォトダイオードからの受光電流を増幅するトランスインピーダンスアンプ（ＴＩＡ）においても、４つの光源の光パワー偏差、合波器又は分波器での損失差によって入力パワーが異なることから、位相がさらにずれることがある。

下記特許文献１記載のＣＤＲ回路によると、特定の１波（１チャネル）の光源を用いて周波数同期を行い、各波のクロックデータ再生が行われている。このように、周波数同期を１波で行い、その周波数同期したクロック、あるいは１波長に位相同期したクロックを用いて、各波長（チャネル）の位相同期をとることで、回路規模と消費電力を削減することができる。

米国特許第７，８６０，４００号公報

上記の従来のＣＤＲ回路では、各波間に光パワー偏差が存在するため、特定の１波で光パワーが低下する場合を想定しなければならない。上記ＣＤＲ回路の場合、精度の高い（例えば、精度が±１００ｐｐｍ）参照クロックを外部から供給することで、周波数引き込み初期における周波数誤差を小さくすることはできるが、光送受信器のサイズやシステム的な制約により参照クロックが供給できない場合には、内部発振器の周波数精度が低いため、受光パワーや振幅の大きいＮＲＺ信号のうちのＳ／Ｎの良い波長（チャネル）から回復されたクロックにより周波数同期を行うことが好ましい。１００ＧＢＡＳＥ−ＬＲ４規格では、各波（各チャネル）間の光変調パワー偏差として最大５ｄＢが定義されているが、周波数同期を行う対象の波長の光パワーが低い場合、周波数同期不良や位相同期不良が発生してしまう場合がある。

さらに、上記ＣＤＲ回路において高精度の参照クロックを使用しない場合に、周波数同期を行う対象の波長（チャネル）を固定してしまうと、その波長（チャネル）のＮＲＺ信号が障害により遮断された場合、周波数同期が大きく外れ、不具合からの復旧に時間を要してしまう場合があった。

そこで、本発明は、かかる課題に鑑みて為されたものであり、低消費電力で信頼性の高いクロックデータ再生を実現する光受信器を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の一側面に係る光受信器は、複数の光信号を電気信号に変換して出力する光受信器であって、該複数の光信号の中から一の光信号を選択する信号選択部と、一の光信号に含まれるクロック信号を抽出する位相同期回路と、クロック信号により該複数の電気信号のデータを再生する複数のデータ再生部と、を備える。

かかる光受信器によれば、信号選択部により複数の光信号から一の光信号が選択され、位相同期回路により選択された一の光信号からクロック信号が抽出され、複数のデータ再生部によりこのクロック信号を用いて複数の電気信号のデータが再生される。これにより、複数の光信号のうちから適した信号を用いてクロックデータ再生が実行され、外部から精度の高い参照クロックを供給する必要もないので、低消費電力で信頼性の高いクロックデータ再生が実現できる。

複数の光信号に対応した複数の受光素子と、複数の受光素子が生成する電流信号を電気信号に変換する複数のトランスインピーダンスアンプと、をさらに備え、一の光信号は、該複数の受光素子の電流信号に基づいて選択される、ことが好適である。この場合、複数の光信号のうちから、受光素子によって生成された電流信号を基に、クロックデータ再生に適した一の光信号を選択できる。

また、複数の光信号に対応した複数の受光素子と、複数の受光素子が生成する電流信号を電気信号に変換する複数のトランスインピーダンスアンプと、をさらに備え、一の光信号は、該複数のトランスインピーダンスアンプの出力信号に基づいて選択される、ことも好適である。この場合、複数の光信号のうちから、受光素子によって生成された電流信号から変換された電気信号を基に、クロックデータ再生に適した一の光信号を選択できる。

さらに、一の光信号は、複数の光信号のうちで最大強度を有する信号である、ことも好適である。こうすれば、適した光信号を用いて周波数同期を安定して実行させることができる。

またさらに、一の光信号は、位相同期回路の出力が一定の周波数で安定化されるまでの時間が最も短い光信号である、ことも好適である。こうすれば、適した光信号を用いて周波数同期を安定して実行させることができる。

さらにまた、一の光信号は、複数の光信号のうちで強度が所定値に最も近い信号である、ことも好適である。こうすれば、適した光信号を用いて周波数同期を安定して実行させることができる。

本発明によれば、低消費電力で信頼性の高いクロックデータ再生を実現することができる。

本発明の好適な一実施形態に係る光受信器の構成を示すブロック図である。 図１の光受信器によって受信された４波長分の光信号の受光パワーを示すグラフである。 本発明の変形例に係る光受信器の構成を示すブロック図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明による光受信器の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本実施形態に係る光受信器の構成概略図である。この光受信器１は、光伝送路を経由して波長多重された光信号を受信し、その光信号をデータ信号（電気信号）に変換して出力する装置である。図１に示すように、光受信器１は、光伝送路Ｆから光信号を受信する分波器３と、分波器３の光出力を受ける４つのフォトダイオード（受光素子）ＰＤａ，ＰＤｂ，ＰＤｃ，ＰＤｄと、フォトダイオードＰＤａ，ＰＤｂ，ＰＤｃ，ＰＤｄにそれぞれ接続された４つのトランスインピーダンスアンプ５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄと、トランスインピーダンスアンプ５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄの出力にそれぞれ接続された飽和増幅回路（リミッティングアンプ）７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄと、飽和増幅回路（リミッティングアンプ）７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄの出力にそれぞれ接続された遅延ロックループ（ＤＬＬ）回路９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄと、遅延ロックループ（ＤＬＬ）回路９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄの出力側にそれぞれ接続されたＤフリップフロップ回路１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄと、フォトダイオードＰＤａ，ＰＤｂ，ＰＤｃ，ＰＤｄと遅延ロックループ（ＤＬＬ）回路９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄとの間に接続されたクロック抽出回路１３とを備えている。遅延ロックループ回路９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄとそれぞれに対応して接続されたＤフリップフロップ回路１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄとで４系統のデータ再生部が構成される。

１００ＧＢＡＳＥ−ＬＲ４等の規格に従って波長多重された光信号が光伝送路Ｆを伝搬し光受信器１に入力される。各波長の光信号は、同じ発振器から生成されたＮＲＺ信号であるが、光ファイバを含む光伝送路Ｆでの波長分散、合波器あるいは分波器の光路差によって位相がずれて光受信器１に到来する。例えば、波長多重された状態で光受信器１に入力された光信号は、分波器３によって４つの波長λ１，λ２，λ３，λ４の光信号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４に分離される。

分波器３によって分離された各波長の光信号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４は、それぞれ、フォトダイオードＰＤａ，ＰＤｂ，ＰＤｃ，ＰＤｄによって受光されて電流信号Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３，Ｉ４に変換される。フォトダイオードＰＤａ，ＰＤｂ，ＰＤｃ，ＰＤｄによって検出された電流信号Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３，Ｉ４は、それぞれ、トランスインピーダンスアンプ５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄによって電圧信号ＶＴ１，ＶＴ２，ＶＴ３，ＶＴ４に変換される。このトランスインピーダンスアンプ５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄは、それぞれ、増幅器１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄと、増幅器１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄの入出力間に接続された帰還抵抗１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄを含んで構成される。

トランスインピーダンスアンプ５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄによって変換された電圧信号ＶＴ１，ＶＴ２，ＶＴ３，ＶＴ４は、それぞれ、飽和増幅回路７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄによって一定の振幅を有する電圧信号ＶＬ１，ＶＬ２，ＶＬ３，ＶＬ４に増幅される。これらの電圧信号ＶＬ１，ＶＬ２，ＶＬ３，ＶＬ４は、それぞれ、後段の遅延ロックループ回路９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄに入力され、遅延ロックループ回路９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄにより、クロック抽出回路１３からのクロック信号ＣＬＫとＮＲＺ信号である電圧信号ＶＬ１，ＶＬ２，ＶＬ３，ＶＬ４とを対象に位相同期処理が行われる。この遅延ロックループ回路９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄの構成としては、可変遅延線を用いて、周波数同期されたクロック信号ＣＬＫの位相を可変させて、電圧信号ＶＬ１，ＶＬ２，ＶＬ３，ＶＬ４からのＮＲＺ信号の位相にクロック信号ＣＬＫＤ１，ＣＬＫＤ２，ＣＬＫＤ３，ＣＬＫＤ４を同期させる構成が用いられる。例えば、このような回路として、位相比較器、チャージポンプ、フィルタ、及び可変遅延線を含む回路が挙げられる。そして、位相同期されたクロック信号ＣＬＫＤ１，ＣＬＫＤ２，ＣＬＫＤ３，ＣＬＫＤ４を用いて、Ｄフリップフロップ回路１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄのそれぞれによって、電圧信号ＶＬ１，ＶＬ２，ＶＬ３，ＶＬ４のそれぞれから、データがリタイミングされてクロックとデータの再生処理（クロックデータ再生処理）が実行される。その結果、各Ｄフリップフロップ回路１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄからデータ信号ＤＡＴＡ１，ＤＡＴＡ２，ＤＡＴＡ３，ＤＡＴＡ４が出力される。

次に、クロック抽出回路１３の構成について説明する。クロック抽出回路１３は、フォトダイオードＰＤａ，ＰＤｂ，ＰＤｃ，ＰＤｄに対応して設けられた光入力パワー測定回路１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄと、光強度判定回路（信号選択部）１９と、セレクター回路（信号選択部）２１と、ＰＬＬ回路（位相同期回路）２３とを含んでいる。

光入力パワー測定回路１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄは、それぞれ、フォトダイオードＰＤａ，ＰＤｂ，ＰＤｃ，ＰＤｄに接続されており、電流信号Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３，Ｉ４の大きさを測定することにより、フォトダイオードＰＤａ，ＰＤｂ，ＰＤｃ，ＰＤｄにおける受光パワーの測定値を光強度判定回路１９に出力する。光強度判定回路１９は、フォトダイオードＰＤａ，ＰＤｂ，ＰＤｃ，ＰＤｄにおける受光パワーの測定値を基に、フォトダイオードＰＤａ，ＰＤｂ，ＰＤｃ，ＰＤｄの受光した光信号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４のうちから、一の光信号を選択し、選択した光信号を示す信号をセレクター回路２１に出力する。すなわち、光強度判定回路１９は、受光パワーの最も高い（最大強度を有する）光信号を選択する。セレクター回路２１は、光強度判定回路１９によって選択された一の光信号に対応する電圧信号ＶＬ１，ＶＬ２，ＶＬ３，ＶＬ４を、飽和増幅回路７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄの出力から選択してＰＬＬ回路（位相同期回路）２３に向けて出力する。

クロック抽出回路１３の構成要素であるＰＬＬ回路２３は、選択された一の光信号に対応する電圧信号ＶＬ１，ＶＬ２，ＶＬ３，ＶＬ４を対象に周波数同期処理を行い、その結果再生されたクロック信号ＣＬＫを出力する。詳細には、ＰＬＬ回路２３は、位相回転検出器（ＲＦＤ：Rotational Frequency Detector）、及び電圧制御発振器（ＶＣＯ：Voltage Controlled Oscillator）を含む周波数粗調整回路を内蔵し、入力された電圧信号ＶＬ１，ＶＬ２，ＶＬ３，ＶＬ４からその信号に含まれるクロック信号を抽出する。なお、ＰＬＬ回路２３の構成としては、電圧制御発振器（ＶＣＯ）を用いたＰＬＬには限定されず、遅延前後のＮＲＺ信号どうしを排他的論理和をとってクロックを再生する構成や、ＮＲＺ信号を微分した後に二乗検波してクロックを再生する構成であってもよい。このようにして再生したクロック信号ＣＬＫは各波長の信号に対して位相同期は取れていないので、上述した各波長に対応する遅延ロックループ回路９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄが個別に位相同期を取ることにより、各波長のデータ及びクロックの再生が可能となる。

図２には、光受信器１によって受信された４波長分の光信号の受光パワーの一例を示している。図２（ａ）に示す例では、波長λ４の光信号の受光パワーが最大となっているため、波長λ４に対応する電圧信号ＶＬ４を基にクロック信号ＣＬＫが抽出されて、そのクロック信号ＣＬＫを用いて、４波長の信号を対象にクロックデータ再生処理が行われる。その後に、図２（ｂ）に示すように波長λ４の光信号が何らかの障害により遮断された場合は、光強度判定回路１９によって２番目に強度の高かった波長λ２の信号に切り替えられ、その信号を基にクロック信号ＣＬＫが抽出される。このように、光受信器１によれば、光信号の障害発生時に周波数同期を大きく外すことなく、その障害の復旧時にも即座に自動で最適な光信号を基にしたクロックが再生される。

以上説明した光受信器１によれば、光強度判定回路１９及びセレクター回路２１により複数の光信号から一の光信号が選択され、ＰＬＬ回路２３により選択された一の光信号からクロック信号ＣＬＫが抽出され、Ｄフリップフロップ回路１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄによりクロック信号ＣＬＫを用いて電圧信号ＶＬ１，ＶＬ２，ＶＬ３，ＶＬ４のデータが再生される。これにより、複数の光信号のうちから適した信号を用いてクロックデータ再生が実行され、外部から精度の高い参照クロックを供給する必要もないので、低消費電力で信頼性の高いクロックデータ再生が実現できる。

なお、光強度判定回路１９及びセレクター回路２１により選択される一の光信号は、複数のフォトダイオードＰＤａ，ＰＤｂ，ＰＤｃ，ＰＤｄの電流信号に基づいて選択されるので、クロックデータ再生に適した一の光信号を簡易かつ確実に選択できる。さらに、この一の光信号は複数の光信号のうちで最大受光パワーを有する信号であるので、最適な光信号を用いて周波数同期を安定して実行させることができる。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。

例えば、本発明は、図３に示すような光受信器１０１の構成を採用してもよい。この光受信器１０１の図１の光受信器１との相違点は、クロック抽出回路１１３の構成が異なる点である。すなわち、クロック抽出回路１１３は、トランスインピーダンスアンプ５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄの出力にそれぞれ接続された振幅検出回路１１８ａ，１１８ｂ，１１８ｃ，１１８ｄと、光強度判定回路（信号選択部）１１９とを含んで構成されている。振幅検出回路１１８ａ，１１８ｂ，１１８ｃ，１１８ｄは、それぞれ、トランスインピーダンスアンプ５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄから出力された電圧信号ＶＴ１，ＶＴ２，ＶＴ３，ＶＴ４の振幅を測定することにより、フォトダイオードＰＤａ，ＰＤｂ，ＰＤｃ，ＰＤｄにおける受光パワーの測定値を光強度判定回路１１９に出力する。光強度判定回路１１９は、フォトダイオードＰＤａ，ＰＤｂ，ＰＤｃ，ＰＤｄにおける受光パワーの測定値を基に、フォトダイオードＰＤａ，ＰＤｂ，ＰＤｃ，ＰＤｄの受光した光信号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４のうちから、一の光信号を選択し、選択した光信号を示す信号をセレクター回路２１に出力する。つまり、光受信器１０１は、トランスインピーダンスアンプの出力振幅が最大となっている波長の光信号を選択するように動作する。その他の構成は、光受信器１と同一である。なお、光受信器１０１においては、光入力パワー測定回路１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄが存在しないため、フォトダイオードに所望の逆バイアスを印加するためにフォトダイオードＰＤａ，ＰＤｂ，ＰＤｃ，ＰＤｄに電圧ＶＰＤが印加されている。

また、光受信器１，１０１においては、フォトダイオードＰＤａ，ＰＤｂ，ＰＤｃ，ＰＤｄにおける受光パワーの測定値が最大の光信号を選択してクロックを抽出していたが、他の選択方法を採用してもよい。光パワーが光受信器の最大レベル近くになるとフォトダイオードや回路の飽和により信号にジッタが発生する場合があるので、そのことを考慮して受光パワーの測定値が予め設定された所定値に最も近い波長の光信号を選択してもよいし、場合によっては受光パワーが最小の波長を選択してもよい。また、ＰＬＬ回路２３の出力が一定の周波数で安定化されるまでの時間が最も短い光信号を選択してもよい。例えば、フォトダイオードＰＤａ，ＰＤｂ，ＰＤｃ，ＰＤｄに対応する受光信号（電流信号又は電圧信号）のジッタ成分を測定してそのジッタ成分が最も少ない光信号を選択することができる。あるいは、単位時間あたりに遷移（0から1、1から0）の多い光信号を選択しても良い。

１，１０１…光受信器、フォトダイオード…ＰＤａ，ＰＤｂ，ＰＤｃ，ＰＤｄ、５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ…トランスインピーダンスアンプ、９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄ…遅延ロックループ回路（データ再生部）、１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ…フリップフロップ回路（データ再生部）、１９，１１９…光強度判定回路（信号選択部）、２１…セレクター回路（信号選択部）、２３…ＰＬＬ回路（位相同期回路）、Ｆ…光伝送路、Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３，Ｉ４…電流信号、Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４…光信号、ＶＬ１，ＶＬ２，ＶＬ３，ＶＬ４，ＶＴ１，ＶＴ２，ＶＴ３，ＶＴ４…電圧信号（電気信号）。

Claims (6)

1. 複数の光信号を電気信号に変換して出力する光受信器であって、
   該複数の光信号の中から一の光信号を選択する信号選択部と、
   前記一の光信号に含まれるクロック信号を抽出する位相同期回路と、
   前記クロック信号により該複数の電気信号のデータを再生する複数のデータ再生部と、
   を備えることを特徴とする光受信器。
2. 前記複数の光信号に対応した複数の受光素子と、
   前記複数の受光素子が生成する電流信号を電気信号に変換する複数のトランスインピーダンスアンプと、をさらに備え、
   前記一の光信号は、該複数の受光素子の電流信号に基づいて選択される、
   ことを特徴とする請求項１記載の光受信器。
3. 前記複数の光信号に対応した複数の受光素子と、
   前記複数の受光素子が生成する電流信号を電気信号に変換する複数のトランスインピーダンスアンプと、をさらに備え、
   前記一の光信号は、該複数のトランスインピーダンスアンプの出力信号に基づいて選択される、
   ことを特徴とする請求項１記載の光受信器。
4. 前記一の光信号は、前記複数の光信号のうちで最大強度を有する信号である、
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光受信器。
5. 前記一の光信号は、前記位相同期回路の出力が一定の周波数で安定化されるまでの時間が最も短い光信号である、
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光受信器。
6. 前記一の光信号は、前記複数の光信号のうちで強度が所定値に最も近い信号である、
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光受信器。

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