JP2016163164A - 光電変換回路 - Google Patents
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Abstract
Description
図8は、従来の発光ダイオードを用いた可視光通信用途の電気・光変換回路(以下、光電変換回路という)構成を示す図である。
図8に示すように、可視光通信用途の光電変換回路1は、RFin端子と、電力増幅器1と、図示しない伝送線路上に設けられたバイアス回路2と、光電変換素子としての発光ダイオード3と、光受光素子としてのフォトダイオード4と、図示しない伝送線路上に設けられたバイアス回路5と、高周波の低雑音増幅に適した低雑音増幅器(low noise amplifier)6と、RFout端子と、を備える。なお、伝送線路の特性インピーダンスZ0は、一般的な装置で使用されている50Ωである。
電力増幅器1は、一段または複数段のスイッチング素子(例えばFET)からなり、最終段に電力増幅段を設けて増幅電流を出力する。
発光ダイオード3は、図示しない伝送線路の出力側と接地との間に接続され、フォトダイオード4は、図示しない伝送線路の入力側と接地との間に接続される。
バイアス回路2は、伝送線路を通る高周波信号に影響を与えないように、キャリア周波数に対して外乱が小さくなるようにするものであり、図示しない電流源が発生する電流を発光ダイオード3に流す。
バイアス回路5は、フォトダイオード4をいわゆる光導電モードで使用する逆バイアスをかける。
低雑音増幅器6は、GaAs FETやGaAs HEMT等の増幅素子を使用し、静電保護回路等を含む整合回路をパッケージ化した例えばGPS(Global Positioning System)用低雑音増幅器である。
発光ダイオード3で強度変調された光は、光学的に接続されたフォトダイオード4で受光され、光・電気変換される。変換された電気信号の信号レベルは、非常に小さいので、低雑音増幅器6で復調可能な信号レベルまで増幅し、RFout端子から出力される。
図9は、高速動作が可能とされる発光ダイオードの可視光帯域における周波数特性を示す図である。
図9に示すように、3dB利得帯域で70MHzまで周波数特性が伸びていることが分かる。一般に購入できる発光ダイオードは、これよりも周波数特性は低く、発光強度の大きい発光ダイオードは更に周波数特性が低くなる。論文発表レベルの発光ダイオードでも動作周波数は数百MHzである。
また、一般的な発光ダイオードの周波数特性内での伝送容量は小さく、今後のデータ容量増大に向けて変調帯領域を大きくする必要がある。キャリア周波数の低い領域、例えば数十MHz程度のキャリア周波数において、数十MHz程度の変調帯域を用いる場合、数GHz帯で用いる場合に比べ、相対的に変調帯域幅が非常に大きいと考えられる。
発光ダイオードの周波数特性とほぼ同じ変調帯域幅を使用する場合、変調帯域内の平坦度が伝送特性に大きな影響を与え、特に利得が圧縮される利得圧縮部にかかる領域(図9の70〜100MHzの領域)では伝送特性を悪化させる問題がある。
図11(b)に示すように、周波数特性が平坦でない場合、コンスタレーションは劣化する。
このように、変調帯域内で利得変動がある場合、伝送特性の指標であるEVM(Error Vector Magnitude)が劣化し、伝送品質の劣化・データ伝送容量の低下、そして最終的には伝送できなくなるという問題がある。
現在のところ、可視光通信に用いる光電変換素子を使用した光電変換回路は提案されていない。
その他の手段については、発明を実施するための形態のなかで説明する。
(第1の実施の形態)
図1は、本発明の第1の実施の形態に係る光電変換回路100の構成を示すブロック図である。本実施の形態の光電変換回路100は、可視光通信に用いる発光ダイオードを使用した電気・光変換回路や、フォトダイオード等を用いた光・電気変換回路に適用した例である。
発光ダイオード等を用いた電気・光変換回路において、特にIEEE802.11a/n/acに代表されるOFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)信号と、例えば10MHz以上の広帯域変調帯域幅を用いて、大容量データ伝送を実現するものがある。
本実施の形態は、可視光通信に用いる発光ダイオードを使用した光電変換回路について、可視光通信向け高周波アナログ回路構成を提案する。
第2バイアス回路150は、低雑音増幅モジュール160を通る高周波信号に影響を与えないように、キャリア周波数に対して外乱が小さくなるようにするものであり、図示しない電圧源が発生する電圧VPDをフォトダイオード140に逆バイアスで印加する。
なお、図1に示す光電変換回路100は、見かけの構成は、図8に示す従来の光電変換回路10の構成と同じである。
図2に示すように、可視光通信用途の光電変換回路100は、RFin端子と、カップリングキャパシタC1と、電力増幅モジュールモジュール110と、第1バイアス回路120と、光電変換素子としての発光ダイオード130と、光受光素子としてのフォトダイオード140(光電変換素子)と、第2バイアス回路150と、低雑音増幅モジュール160と、RFout端子と、を備える。
特に、入出力インピーダンス整合回路111,112は、発光ダイオード130の周波数特性において、高周波領域にピークを持つようなインピーダンス整合に調整されている。なお、出力インピーダンス整合回路112のみで、上記高周波領域にピークを持つようなインピーダンス整合に調整することも可能であるが、電力増幅器113の前段に入力インピーダンス整合回路111を設けることで、インピーダンス整合の調整がより容易となる。
第2バイアス回路150は、直列にL14を挿入し、並列にキャパシタC14を挿入して構成され、低雑音増幅モジュール160を通る高周波信号に影響を与えないように、キャリア周波数に対して外乱が小さくなるようにするものであり、図示しない電圧源が発生する電圧VPDをフォトダイオード140に逆バイアスで印加する。これにより、フォトダイオード140は、光導電モードで動作する。バイアス回路150は、低雑音増幅器163の駆動方式や電圧電流値がそれぞれ異なるので、フォトダイオード140の直近に設ける。
低雑音増幅器(LNA:Low Noise Amplifier)163は、光電変換された微弱な信号にノイズを付加しないで増幅する。低雑音増幅器163は、GaAs FETやGaAs HEMT等の増幅素子を使用し、図示しない静電保護回路等を含んでパッケージ化されている。図2では、低雑音増幅器163は、FETを用いた一段構成を示したが多段構成であってもよい。
カップリングキャパシタC1〜C4は、直流成分遮断用のカップリングコンデンサである。カップリングキャパシタC1〜C4は、DC入力を認めている場合は、挿入する必要はない。カップリングキャパシタC1〜C4は、キャリア周波数が低くなると,1/2πfc(c=const.)より抵抗成分が大きくなる性質を有している。なお、カップリングキャパシタC1〜C4は、例えば、GHz帯ならば数十pFあれば十分であるが、MHz帯では1μF程度である。
図3は、高速動作が可能とされる発光ダイオード130の可視光帯域における周波数特性を示す図である。
図3の太破線に示すように、発光ダイオード130単体では、可視光帯域における周波数特性は右肩下がりの特性となっている。
発光ダイオード130と電力増幅器113は、入出力インピーダンス整合回路111,112によりインピーダンス整合される。ここで、図3の細破線に示すように、入出力インピーダンス整合回路111,112は、発光ダイオード130の周波数特性において、高周波領域にピークを持つようなインピーダンス整合に調整されている。
入出力インピーダンス整合回路111,112は、発光ダイオード130の右肩下がりの周波数特性を補償するようなインピーダンス整合の調整を行うので、図3の実線に示すように、電力増幅器113による電力増幅後の発光ダイオード130の周波数特性は、変調帯域特性が平坦、かつ、高周波帯域側での落ち込みが減少する。これにより、使用の変調帯域幅を増大することができる。
図4は、本発明の第2の実施の形態に係る光電変換回路200の構成を示すブロック図である。図2と同一構成部分には同一符号を付して重複箇所の説明を省略する。
図4に示すように、可視光通信用途の光電変換回路200は、RFin端子と、電力増幅器210と、インピーダンス整合回路211と、図示しない伝送線路上に設けられたバイアス回路220と、発光ダイオード130と、フォトダイオード140と、図示しない伝送線路上に設けられたバイアス回路250と、高周波の低雑音増幅に適した低雑音増幅器260と、RFout端子と、を備える。なお、伝送線路の特性インピーダンスZ0は、一般的な装置で使用されている50Ωである。
電力増幅器260は、汎用品であり周波数特性が規格内に限定されているものである。電力増幅器260は、一段または複数段のスイッチング素子(例えばFET)からなり、最終段に電力増幅段を設けて増幅電流を出力する。電力増幅器260は、汎用品であるので、インピーダンス整合回路211を別体で伝送線路上に挿入する。インピーダンス整合回路211は、発光ダイオード130の前段に挿入する。この場合、発光ダイオード130の前段であればよく、この例ではバイアス回路220の前段である。バイアス回路220の構成によっては、バイアス回路220の後段でもよい。
バイアス回路220は、伝送線路を通る高周波信号に影響を与えないように、キャリア周波数に対して外乱が小さくなるようにするものであり、図示しない電流源が発生する電流を発光ダイオード130に流す。
バイアス回路250は、フォトダイオード140をいわゆる光導電モードで使用する逆バイアスをかける。
低雑音増幅器260は、GaAs FETやGaAs HEMT等の増幅素子を使用し、静電保護回路等を含む整合回路をパッケージ化した例えばGPS(Global Positioning System)用低雑音増幅器である。
図5に示すように、可視光通信用途の光電変換回路200Aは、図2の光電変換回路100と異なり、入出力インピーダンス整合回路111,112および電力増幅器210とがモジュール化されていない。すなわち、光電変換回路200Aは、電力増幅器260が、汎用品であり、インピーダンス整合回路211も別体で伝送線路上に挿入される。同様に、入出力インピーダンス整合回路161,162および低雑音増幅器260とがモジュール化されていない。
図6の太破線に示すように、発光ダイオード130単体では、可視光帯域における周波数特性は右肩下がりの特性となっている。これに対して、図6の太実線に示すように、入出力インピーダンス整合回路111,112は、発光ダイオード130の右肩下がりの周波数特性を補償するようなインピーダンス整合の調整を行うので、電力増幅器113による電力増幅後の発光ダイオード130の周波数特性は、変調帯域特性が平坦、かつ、高周波帯域側での落ち込みが減少する。これにより、使用の変調帯域幅を増大することができる。
本発明は、上記実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、変更実施が可能であり、例えば、次の(a)〜(d)のようなものがある。
(a) 上記各実施の形態では、電気・光変換部に本インピーダンス整合回路を適用した例について説明したが、光・電気変換部に本インピーダンス整合回路を適用してもよく、フォトダイオード140と低雑音増幅器163とのインピーダンス整合において、同様の効果を得ることができる。
110 電力増幅モジュールモジュール
111,161 入力インピーダンス整合回路
112,162 出力インピーダンス整合回路
113,210,260 電力増幅器
120 第1バイアス回路
130 発光ダイオード(光電変換素子)
140 フォトダイオード(光電変換素子)
150 第2バイアス回路
160 低雑音増幅モジュール
163 低雑音増幅器
211 インピーダンス整合回路
220,250 バイアス回路
L,L11〜L16 インダクタ
C,C11〜C16 キャパシタ
C1〜C4 カップリングキャパシタ
Claims (3)
- インピーダンス整合回路と、可視光通信可能な周波数帯域を発光する光電変換素子とを、備える光電変換回路であって、
前記インピーダンス整合回路は、前記光電変換素子の周波数特性の落ち込み分を補償するインピーダンス整合を行う
ことを特徴とする光電変換回路。 - 前記光電変換素子に入力される信号の電力を増幅する電力増幅器を備え、
前記インピーダンス整合回路は、前記電力増幅器と前記光電変換素子とのインピーダンス整合を行う
ことを特徴とする請求項1に記載の光電変換回路。 - 前記光電変換素子は、発光ダイオードである
ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の光電変換回路。
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