JP2024060711A

JP2024060711A - Photoreceiver circuit

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Publication number: JP2024060711A
Application number: JP2022168151A
Authority: JP
Inventors: 英輝小野
Original assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Current assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Priority date: 2022-10-20
Filing date: 2022-10-20
Publication date: 2024-05-07

Abstract

【課題】光信号がＯＦＦ状態のときの出力を小さくすることにより、受光回路の出力の信号雑音比を改善させる受光回路を提供する。【解決手段】受光素子１０と、増幅部２０とを備えて構成される。受光素子１０は、第１端子１１及び第２端子１２を有し、光信号を受光して電流信号に変換して、第２端子１２から出力電流信号を出力する。増幅部２０は、出力電流信号を出力電圧信号に変換する。そして、出力電圧信号が第１端子１１に入力される。【選択図】図１[Problem] To provide a light receiving circuit that improves the signal-to-noise ratio of the output of the light receiving circuit by reducing the output when the optical signal is in the OFF state. [Solution] The circuit is configured with a light receiving element 10 and an amplifier 20. The light receiving element 10 has a first terminal 11 and a second terminal 12, receives an optical signal, converts it to a current signal, and outputs an output current signal from the second terminal 12. The amplifier 20 converts the output current signal into an output voltage signal. The output voltage signal is then input to the first terminal 11. [Selected Figure] Figure 1

Description

この発明は、受光回路、例えば、光センシングにおいて用いられる光モジュールに設けられる受光回路に関する。 This invention relates to a light receiving circuit, for example, a light receiving circuit provided in an optical module used in optical sensing.

光センシングにおいて、光ファイバを通しての光信号の送受信、及び、光信号と電気信号との相互変換を行うのが光モジュールである。特に、光ファイバを通ってきた光信号をフォトダイオード（ＰＤ：ＰｈｏｔｏＤｉｏｄｅ）などの受光素子で受光して、受光した光信号を電気信号に変換する回路が受光回路である。 In optical sensing, an optical module transmits and receives optical signals through optical fibers and converts optical signals to and from electrical signals. In particular, a light-receiving circuit is a circuit that receives optical signals that have passed through optical fibers using a light-receiving element such as a photodiode (PD) and converts the received optical signals into electrical signals.

ＰＤには、ＰＩＮフォトダイオード（ＰＩＮ－ＰＤ）とアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）がある。 PDs include PIN photodiodes (PIN-PDs) and avalanche photodiodes (APDs).

ＰＩＮ－ＰＤはＡＰＤと比べると、光信号を電気信号に変換する効率である受光感度に劣る。しかし、ＰＩＮ－ＰＤの作動に必要な電源電圧は、ＡＰＤの作動に必要な電源電圧よりも低い。また、ＰＩＮ－ＰＤは、ＡＰＤと比べると光信号が無い状態における漏れ電流（暗電流）が小さいという特徴を持つ。 Compared to APDs, PIN-PDs have inferior light receiving sensitivity, which is the efficiency of converting optical signals into electrical signals. However, the power supply voltage required to operate a PIN-PD is lower than that required to operate an APD. In addition, PIN-PDs have the advantage of having a smaller leakage current (dark current) when there is no optical signal, compared to APDs.

一方、ＡＰＤは、ＰＩＮ－ＰＤと比べると、内部増幅効果による高い受光感度を有する。しかし、ＡＰＤの作動に必要な電源電圧は、ＰＩＮ－ＰＤよりも高い。また、ＡＰＤは、ＰＩＮ－ＰＤと比べると、暗電流も内部増幅効果によって大きくなるという特徴を持つ。 On the other hand, APDs have higher light receiving sensitivity due to the internal amplification effect compared to PIN-PDs. However, the power supply voltage required to operate APDs is higher than that of PIN-PDs. Also, APDs have the characteristic that the dark current is larger due to the internal amplification effect compared to PIN-PDs.

高感度の光センシングにおいては、弱い光信号を効率良く電気信号に変換する必要がある。このため、光モジュールに搭載される受光素子としてＡＰＤが用いられることが多くなってきた。 High-sensitivity optical sensing requires efficient conversion of weak optical signals into electrical signals. For this reason, APDs are increasingly being used as the light-receiving elements mounted in optical modules.

図５を参照して、従来の受光回路を説明する。図５は、従来の受光回路を説明するための模式的なブロック図である。 A conventional light receiving circuit will be described with reference to FIG. 5. FIG. 5 is a schematic block diagram for explaining a conventional light receiving circuit.

従来の受光回路は、ＡＰＤ１０、トランスインピーダンスアンプ（ＴＩＡ）７２及びリミティングアンプ（ＬＡ）７４を備えて構成される。 The conventional photodetector circuit is composed of an APD 10, a transimpedance amplifier (TIA) 72, and a limiting amplifier (LA) 74.

ＡＰＤ１０には一定の逆バイアスＶ_ＡＰＤが印加されている。ＡＰＤ１０は、光ファイバ６０から受光した光信号を電流信号に変換して、出力電流信号として出力する。出力電流信号は、ＴＩＡ７２に送られる。 A constant reverse bias V _APD is applied to the APD 10. The APD 10 converts an optical signal received from the optical fiber 60 into a current signal and outputs it as an output current signal. The output current signal is sent to the TIA 72.

ＴＩＡ７２は、電流値Ｉ_ＡＰＤの出力電流信号を、トランスインピーダンス利得Ｇ_ＴＩＡをもって、ＴＩＡ信号に変換する。このＴＩＡ信号の電圧であるＴＩＡ出力電圧Ｖ_ＴＩＡは、Ｇ_ＴＩＡ×Ｉ_ＡＰＤで与えられる。ＴＩＡ信号は、ＬＡ７４に送られる。 The TIA 72 converts the output current signal having a current value I _APD into a TIA signal with a transimpedance gain G _TIA . The voltage of this TIA signal, that is, the TIA output voltage V _TIA , is given by G _TIA ×I _APD . The TIA signal is sent to the LA 74 .

ＬＡ７４は、ＴＩＡ信号を、利得Ｇ_ＬＡで増幅して、ＬＡ信号を得る。このＬＡ信号の電圧であるＬＡ出力電圧Ｖ_ＬＡは、最大定格電圧Ｖ_{ＬＡＭＡＸ}で制限される。 The LA 74 amplifies the TIA signal with a gain G _LA to obtain the LA signal. The voltage of this LA signal, that is, the LA output voltage V _LA , is limited to a maximum rated voltage V _LAMAX .

光信号がオン（ＯＮ）状態のときの、ＡＰＤ１０の出力電流信号の電流値Ｉ_ＡＰＤを、Ｉ_ＯＮとする。また、光信号がオフ（ＯＦＦ）状態のときの、ＡＰＤ１０の出力電流信号の電流値Ｉ_ＡＰＤを、Ｉ_ＯＦＦとする。Ｉ_ＯＮは、光の入射により生じる光電流の電流値Ｉ_ＰＣと、暗電流の電流値Ｉ_ＤＡＲＫの和で与えられる。この、光信号がＯＮ状態のときのＴＩＡ出力電圧Ｖ_{ＴＩＡＯＮ}は、Ｇ_ＴＩＡ×Ｉ_ＯＮで与えられる。このとき、ＬＡ出力電圧Ｖ_ＬＡＯＮは、ＬＡ７４の最大定格出力電圧Ｖ_{ＬＡＭＡＸ}となる。 The current value I _APD of the output current signal of the APD 10 when the optical signal is in the ON state is defined as I _ON . The current value I _APD of the output current signal of the APD 10 when the optical signal is in the OFF state is defined as I _OFF . I _ON is given by the sum of the current value I _PC of the photocurrent generated by the incidence of light and the current value I _DARK of the dark current. The TIA output voltage V _TIAON when the optical signal is in the ON state is given by G _TIA ×I _ON . At this time, the LA output voltage V _LAON is the maximum rated output voltage V _LAMAX of the LA 74.

一方、Ｉ_ＯＦＦは、暗電流Ｉ_ＤＡＲＫと同値である。この光信号がＯＦＦ状態のときのＴＩＡ出力電圧Ｖ_{ＴＩＡＯＦＦ}は、Ｇ_ＴＩＡ×Ｉ_ＯＦＦである。このとき、ＬＡ７４に入力されるＴＩＡ出力電圧Ｖ_{ＴＩＡＯＦＦ}は、光信号がＯＮ状態の時のＴＩＡ出力電圧Ｖ_{ＴＩＡＯＮ}より小さく、リニア応答領域となる。このため、Ｖ_{ＬＡＯＦＦ}は、Ｇ_ＬＡ×Ｖ_{ＴＩＡＯＦＦ}となる。 On the other hand, _IOFF is equal to the dark current _IDARK . The TIA output voltage _VTIAOFF when this optical signal is in the OFF state is _GTIA x _IOFF . At this time, the TIA output voltage _VTIAOFF input to the LA 74 is smaller than the TIA output voltage _VTIAON when the optical signal is in the ON state, and falls within the linear response region. Therefore, _VLAOFF is _GLA x _VTIAOFF .

従って、従来の受光回路の信号雑音比（ＳＮＲ_ＣＯＮ）は、ＳＮＲ_ＣＯＮ＝（Ｖ_ＬＡＯＮ／Ｖ_{ＬＡＯＦＦ}）^２＝（Ｖ_{ＬＡＭＡＸ}／（Ｇ_ＬＡ×Ｇ_ＴＩＡ×Ｉ_ＤＡＲＫ））^２で与えられる。 Therefore, the signal-to-noise ratio (SNR _CON ) of the conventional optical receiver circuit is given by SNR _CON =(V _LAON /V _LAOFF ) ² =(V _LAMAX /( G _LA ×G _TIA ×I _DARK )) ² .

ここで、ＡＰＤは、周囲温度の変化により増倍率が変化する。このため、一定の増倍率を保つために、周囲温度の変化に合わせて、ＡＰＤに印加するバイアス電圧を変化させる技術がある（例えば、非特許文献１参照）。 Here, the multiplication factor of an APD changes with changes in the ambient temperature. For this reason, there is a technique for changing the bias voltage applied to the APD in accordance with changes in the ambient temperature in order to maintain a constant multiplication factor (see, for example, Non-Patent Document 1).

米津宏雄，光通信素子工学，工学図書，東京，１９８４Hiroo Yonezu, Optical Communication Device Engineering, Kogaku Tosho, Tokyo, 1984

上述した、ＡＰＤを備える従来の受光回路では、ＡＰＤの高い受光感度により、光信号がＯＮ状態のときの出力電流は大きくなる。しかし、ＡＰＤの大きな暗電流のために、光信号がＯＦＦ状態のときの出力電流も大きくなる。従って、受光回路の出力の信号雑音比（ＳＮＲ：ＳｉｇｎａｌｔｏＮｏｉｓｅＲａｔｉｏ）はＡＰＤの内部増幅効果ほどには改善しない。 In the conventional light receiving circuit equipped with the APD described above, the high light receiving sensitivity of the APD results in a large output current when the optical signal is in the ON state. However, due to the large dark current of the APD, the output current is also large when the optical signal is in the OFF state. Therefore, the signal to noise ratio (SNR) of the output of the light receiving circuit does not improve as much as the internal amplification effect of the APD.

この発明は、上述の状況に鑑みてなされたものである。この発明の目的は、光信号がＯＦＦ状態のときの出力を小さくすることにより、出力のＳＮＲを改善させる、受光回路を提供することにある。 This invention was made in consideration of the above situation. The purpose of this invention is to provide a light receiving circuit that improves the SNR of the output by reducing the output when the optical signal is in the OFF state.

上述した目的を達成するために、この発明の受光回路は、受光素子と、増幅部とを備えて構成される。受光素子は、第１端子及び第２端子を有し、光信号を受光して第２端子から出力電流信号を出力する。増幅部は、出力電流信号を出力電圧信号に変換する。そして、出力電圧信号が第１端子に入力される。 To achieve the above-mentioned object, the light receiving circuit of the present invention is configured to include a light receiving element and an amplifier. The light receiving element has a first terminal and a second terminal, receives an optical signal, and outputs an output current signal from the second terminal. The amplifier converts the output current signal into an output voltage signal. The output voltage signal is then input to the first terminal.

この発明の受光回路の好適実施形態によれば、さらに、受光素子用電源と、増幅部を駆動させる駆動電圧を生成する増幅部用電源とを備える。受光素子用電源で生成される受光素子用電圧と、出力電圧信号の電圧とが、重畳されて、受光素子に印加される。 According to a preferred embodiment of the light receiving circuit of the present invention, the circuit further includes a power supply for the light receiving element, and a power supply for the amplifier section that generates a drive voltage for driving the amplifier section. The voltage for the light receiving element generated by the power supply for the light receiving element and the voltage of the output voltage signal are superimposed and applied to the light receiving element.

また、この発明の受光回路の他の好適実施形態によれば、さらに、増幅部を駆動させる駆動電圧を生成する増幅部用電源を備える。増幅部用電源で生成され、増幅部を経た駆動電圧と、出力電圧信号の電圧とが重畳されて、受光素子に印加される。 In addition, according to another preferred embodiment of the light receiving circuit of the present invention, the circuit further includes an amplifier power supply that generates a drive voltage for driving the amplifier. The drive voltage generated by the amplifier power supply and passed through the amplifier is superimposed on the voltage of the output voltage signal and applied to the light receiving element.

また、この発明の受光回路の好適実施形態によれば、増幅部は、出力電流信号を電圧信号に変換してＴＩＡ信号を生成するトランスインピーダンスアンプと、ＴＩＡ信号を、一定の最大電圧に制限して増幅することにより、ＬＡ信号を生成するリミティングアンプとを備える。このＬＡ信号は出力電圧信号である。 In addition, according to a preferred embodiment of the photodetector circuit of the present invention, the amplifier section includes a transimpedance amplifier that converts the output current signal into a voltage signal to generate a TIA signal, and a limiting amplifier that generates an LA signal by limiting the TIA signal to a certain maximum voltage and amplifying it. This LA signal is an output voltage signal.

また、この発明の受光回路の他の好適実施形態によれば、増幅部は、出力電流信号を電圧信号に変換して、ＴＩＡ信号を生成するトランスインピーダンスアンプを備える。このＴＩＡ信号は出力電圧信号である。 In addition, according to another preferred embodiment of the photodetector circuit of the present invention, the amplifier section includes a transimpedance amplifier that converts the output current signal into a voltage signal to generate a TIA signal. This TIA signal is an output voltage signal.

この発明の受光回路によれば、受光素子の後段に設けられた増幅部の出力電圧信号の電圧を、受光素子にフィードバックすることにより、受光回路の出力電圧信号の信号雑音比を改善できる。 The photodetector circuit of this invention improves the signal-to-noise ratio of the output voltage signal of the photodetector circuit by feeding back the voltage of the output voltage signal of the amplifier section provided after the photodetector to the photodetector.

第１受光回路を説明するための模式図である。FIG. 4 is a schematic diagram for explaining a first light receiving circuit. ＡＰＤに印加されるバイアス電圧と、ＡＰＤの出力電流信号の関係を説明するための模式図である。4 is a schematic diagram for explaining the relationship between a bias voltage applied to an APD and an output current signal of the APD. FIG. 第２受光回路を説明するための模式図である。FIG. 4 is a schematic diagram for explaining a second light receiving circuit. 第３受光回路を説明するための模式図である。FIG. 13 is a schematic diagram for explaining a third light receiving circuit. 従来の受光回路を説明するための模式図である。FIG. 1 is a schematic diagram for explaining a conventional light receiving circuit.

以下、図を参照して、この発明の実施の形態について説明するが、各図は、この発明が理解できる程度に概略的に示したものに過ぎない。また、以下、この発明の好適な構成例につき説明するが、単なる好適例にすぎない。従って、この発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、この発明の構成の範囲を逸脱せずにこの発明の効果を達成できる多くの変更又は変形を行うことができる。 The following describes an embodiment of the present invention with reference to the drawings, but each drawing is merely a schematic view to allow the invention to be understood. In addition, the following describes a preferred configuration example of the present invention, but this is merely a preferred example. Therefore, the present invention is not limited to the following embodiment, and many modifications or variations can be made that achieve the effects of the present invention without departing from the scope of the configuration of the present invention.

（第１受光素子）
図１を参照して、この発明の第１実施形態に係る受光回路（以下、第１受光回路とも称する。）を説明する。図１は、第１受光回路を説明するための模式図である。 (First light receiving element)
A light receiving circuit according to a first embodiment of the present invention (hereinafter, also referred to as a first light receiving circuit) will be described with reference to Fig. 1. Fig. 1 is a schematic diagram for explaining the first light receiving circuit.

第１受光回路は、受光素子としてアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）１０と、増幅部２０と、受光素子用電源３０と、増幅部用電源４０とを備えて構成される。第１受光回路は、例えば、光ファイバを通して光信号の送受信を行う光モジュールに設けられる。 The first light receiving circuit is configured with an avalanche photodiode (APD) 10 as a light receiving element, an amplifier 20, a power supply 30 for the light receiving element, and a power supply 40 for the amplifier. The first light receiving circuit is provided, for example, in an optical module that transmits and receives optical signals through an optical fiber.

ここでは、第１受光回路が、強度変調直接検波（ＩＭ－ＤＤ：ＩｎｔｅｎｓｉｔｙＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ－ＤｉｒｅｃｔＤｅｔｅｃｔｉｏｎ）方式に適用される例を説明する。ＩＭ－ＤＤでは、送受信される情報の「１」「０」に応じて光信号が強度変調され、受信側の光モジュールにおいて、光信号の強度を直接検出する。例えば、送受信される情報が「１」の場合、光信号は、オン（ＯＮ）状態となり、送受信される情報が「０」の場合、光信号は、オフ（ＯＦＦ）状態となる。 Here, an example will be described in which the first light receiving circuit is applied to the Intensity Modulation-Direct Detection (IM-DD) method. In IM-DD, the optical signal is intensity modulated according to the "1" or "0" of the transmitted and received information, and the intensity of the optical signal is directly detected in the receiving optical module. For example, when the transmitted and received information is "1", the optical signal is in the ON state, and when the transmitted and received information is "0", the optical signal is in the OFF state.

ＡＰＤ１０には、光ファイバ６０を伝送した光信号が入力される。ＡＰＤ１０は、第１端子１１及び第２端子１２を備える。ＡＰＤ１０は、受光した光信号を電流信号に変換して、第２端子１２から出力電流信号として出力する。ＡＰＤ１０の出力電流信号の電流強度は、受光する光信号の強度に応じて定まる。ＡＰＤ１０の第１端子１１にはバイアス電圧を与える電圧信号が入力される。ＡＰＤ１０の第２端子１２から出力された出力電流信号は、増幅部２０に送られる。 The optical signal transmitted through the optical fiber 60 is input to the APD 10. The APD 10 has a first terminal 11 and a second terminal 12. The APD 10 converts the received optical signal into a current signal and outputs it as an output current signal from the second terminal 12. The current intensity of the output current signal of the APD 10 is determined according to the intensity of the received optical signal. A voltage signal that provides a bias voltage is input to the first terminal 11 of the APD 10. The output current signal output from the second terminal 12 of the APD 10 is sent to the amplifier section 20.

増幅部２０は、電流信号である出力電流信号を、出力電圧信号に変換して出力する。増幅部２０は、例えば、トランスインピーダンスアンプ（ＴＩＡ）７２及びリミティングアンプ（ＬＡ）７４を備えて構成される。 The amplifier 20 converts the output current signal, which is a current signal, into an output voltage signal and outputs it. The amplifier 20 is configured, for example, with a transimpedance amplifier (TIA) 72 and a limiting amplifier (LA) 74.

増幅部２０に送られた出力電流信号は、ＴＩＡ７２に入力される。ＴＩＡ７２は、電流の大きさがＩ_ＡＰＤの出力電流信号を、トランスインピーダンス利得Ｇ_ＴＩＡをもって、電圧の大きさがＴＩＡ出力電圧Ｖ_ＴＩＡの電圧信号であるＴＩＡ信号に変換する。このとき、ＴＩＡ出力電圧Ｖ_ＴＩＡは、Ｇ_ＴＩＡ×Ｉ_ＡＰＤで与えられる。ＴＩＡ信号は、ＬＡ７４に送られる。 The output current signal sent to the amplifier 20 is input to the TIA 72. The TIA 72 converts the output current signal, whose current magnitude is I _APD , into a TIA signal, which is a voltage signal whose voltage magnitude is the TIA output voltage V _TIA , with a transimpedance gain G _TIA . At this time, the TIA output voltage V _TIA is given by G _TIA ×I _APD . The TIA signal is sent to the LA 74.

ＬＡ７４は、第１受光回路の後段でのディジタル信号処理のために、ＴＩＡ信号を、利得Ｇ_ＬＡで増幅して、ＬＡ信号を生成する。このＬＡ信号の電圧であるＬＡ出力電圧Ｖ_ＬＡは、最大定格電圧Ｖ_{ＬＡＭＡＸ}で制限される。ＬＡ出力電圧Ｖ_ＬＡは、入力されるＴＩＡ信号の電圧が小さいリニア応答領域の場合は、Ｇ_ＬＡ×Ｖ_ＴＩＡとなる。また、入力されるＴＩＡ信号の電圧が最大定格電圧Ｖ_{ＬＡＭＡＸ}以上の場合は、最大定格電圧Ｖ_{ＬＡＭＡＸ}となる。ＬＡ信号が、出力電圧信号となる。 The LA 74 amplifies the TIA signal by a gain G _LA to generate an LA signal for digital signal processing in the subsequent stage of the first light receiving circuit. The LA output voltage V _LA , which is the voltage of this LA signal, is limited by the maximum rated voltage V _LAMAX . When the voltage of the input TIA signal is in the linear response region where it is small, the LA output voltage V _LA is G _LA ×V _TIA . When the voltage of the input TIA signal is equal to or greater than the maximum rated voltage V _LAMAX , the LA output voltage V LA is the maximum rated voltage V _LAMAX . The LA signal becomes the output voltage signal.

出力電圧信号は２分岐される。２分岐された一方は、第１受光回路から出力されて、後段のディジタル信号処理回路に送られた後、所定の処理が行われる。また、出力電圧信号が２分岐された他方は、ＡＰＤ１０に送られる。 The output voltage signal is split into two. One of the two is output from the first light receiving circuit and sent to a downstream digital signal processing circuit, where it is subjected to a specified process. The other of the two output voltage signals is sent to the APD 10.

ＡＰＤ１０の第１端子１１には、受光素子用電源３０で生成された定バイアス電圧Ｖ_ＡＰＤと、出力電圧信号の電圧であるフィードバックバイアス電圧Ｖ_ＬＡがバイアスティー５０で重畳されて印加される。従って、ＡＰＤ１０に印加されるバイアス電圧Ｖ_{ＡＰＤＳＵＭ}は、Ｖ_{ＡＰＤＳＵＭ}＝Ｖ_ＡＰＤ＋Ｖ_ＬＡの式で与えられる。 A constant bias voltage V _APD generated by the light receiving element power supply 30 and a feedback bias voltage V _LA , which is the voltage of the output voltage signal, are superimposed on each other by the bias T 50 and applied to the first terminal 11 of the APD 10. Therefore, the bias voltage V _APDSUM applied to the APD 10 is given by the equation V _APDSUM = V _APD + V _LA .

また、増幅部２０が備えるＴＩＡ７２及びＬＡ７４には、増幅部用電源４０で生成された駆動電圧Ｖ_ＣＣが印加される。 A drive voltage _Vcc generated by an amplifier power supply 40 is applied to the TIA 72 and LA 74 included in the amplifier 20 .

以上、説明したように、第１受光回路は、第１受光回路の出力信号の電圧が、受光素子のバイアス電圧にフィードバックされる、という構成上の特徴を有する。 As described above, the first light receiving circuit has a configuration feature in which the voltage of the output signal of the first light receiving circuit is fed back to the bias voltage of the light receiving element.

（第１受光回路の動作）
第１受光回路の動作を説明する。 (Operation of the first light receiving circuit)
The operation of the first light receiving circuit will be described.

光信号がＯＮ状態のときの、出力電流信号の電流値Ｉ_ＡＰＤを、Ｉ_ＯＮとする。Ｉ_ＯＮは、光の入射により生じる光電流の電流値Ｉ_ＰＣと、暗電流の電流値Ｉ_ＤＡＲＫの和で与えられる。すなわち、Ｉ_ＯＮ＝Ｉ_ＡＰＤ＋Ｉ_ＤＡＲＫとなる。このとき、ＴＩＡ出力電圧Ｖ_{ＴＩＡＯＮ}は、Ｖ_{ＴＩＡＯＮ}＝Ｇ_ＴＩＡ×Ｉ_ＯＮで与えられる。また、ＬＡ出力電圧Ｖ_ＬＡは、最大定格電圧Ｖ_{ＬＡＭＡＸ}となる。 The current value I _APD of the output current signal when the optical signal is in the ON state is defined as I _ON . _{I ON} is given by the sum of the current value I _PC of the photocurrent generated by the incidence of light and the current value I _DARK of the dark current. That is, I _ON = I _APD + I _DARK . At this time, the TIA output voltage V _TIAON is given by V _TIAON = G _TIA × I _ON . Also, the LA output voltage V _LA is the maximum rated voltage V _LAMAX .

一方、光信号がＯＦＦ状態のときの、出力電流信号の電流値Ｉ_ＡＰＤを、Ｉ_ＯＦＦとする。Ｉ_ＯＦＦは、暗電流の電流値Ｉ_ＤＡＲＫと同値である。このとき、ＴＩＡ出力電圧Ｖ_{ＴＩＡＯＮ}は、Ｖ_{ＴＩＡＯＦＦ}＝Ｇ_ＴＩＡ×Ｉ_ＯＦＦで与えられる。また、Ｖ_{ＴＩＡＯＦＦ}は、ＬＡ７４のリニア応答領域となり、ＬＡ出力電圧Ｖ_ＬＡは、Ｖ_{ＬＡＯＦＦ}＝Ｇ_ＴＩＡ×Ｖ_{ＴＩＡＯＦＦ}となる。 On the other hand, when the optical signal is in the OFF state, the current value I _APD of the output current signal is I _OFF . _{I OFF} is the same value as the dark current current value I _DARK . At this time, the TIA output voltage V _TIAON is given by V _TIAOFF = G _TIA × I _OFF . Furthermore, V _TIAOFF is in the linear response region of the LA 74, and the LA output voltage V _LA is given by V _LAOFF = G _TIA × V _TIAOFF .

ここで、ＬＡ信号は、第１受光回路の出力電圧信号であり、ＡＰＤ１０にフィードバックされる。このため、光信号がＯＮ状態のときの、ＡＰＤ１０に印加されるバイアス電圧Ｖ_{ＡＰＤＯＮ}は、Ｖ_ＡＰＤ＋Ｖ_{ＬＡＭＡＸ}となる。一方、光信号がＯＦＦ状態のときの、ＡＰＤ１０に印加されるバイアス電圧Ｖ_{ＡＰＤＯＦＦ}は、Ｖ_ＡＰＤ＋Ｖ_{ＬＡＯＦＦ}となる。 Here, the LA signal is an output voltage signal of the first light receiving circuit, and is fed back to the APD 10. Therefore, when the optical signal is in the ON state, the bias voltage V _APDON applied to the APD 10 is V _APD +V _LAMAX . On the other hand, when the optical signal is in the OFF state, the bias voltage V _APDOFF applied to the APD 10 is V _APD +V _LAOFF .

このとき、Ｖ_{ＡＰＤＯＮ}がＡＰＤ１０の最適逆バイアスＶ_ＯＰＴに一致するよう、Ｖ_ＡＰＤを選択して設定しておく。 At this time, V _APD is selected and set so that V _APDON coincides with the optimum reverse bias V _OPT of the APD 10 .

この結果、光信号がＯＦＦ状態のときのバイアス電圧Ｖ_{ＡＰＤＯＦＦ}は、光信号がＯＮ状態のときの最適バイアス電圧Ｖ_ＯＰＴ（＝Ｖ_{ＡＰＤＯＮ}）に比べて、Ｖ_{ＡＰＤＯＮ}－Ｖ_{ＡＰＤＯＦＦ}＝Ｖ_{ＬＡＭＡＸ}－Ｖ_{ＬＡＯＦＦ}だけ小さくなる。 As a result, the bias voltage V _APDOFF when the optical signal is in the OFF state is smaller than the optimum bias voltage V _OPT (=V _APDON ) when the optical signal is in the ON state by V _APDON -V _APDOFF =V _LAMAX -V _LAOFF .

図２を参照して、受光素子に印加されるバイアス電圧と、受光素子の出力電流信号の関係を説明する。図２は、受光素子に印加されるバイアス電圧と、受光素子の出力電流信号の関係を説明するための模式図である。図２では、横軸に、バイアス電圧をとって示し、縦軸に出力電流の大きさの絶対値をとって示している。図２中、曲線Ａは、光信号がＯＮ状態の場合を示し、曲線Ｂは、光信号がＯＦＦ状態の場合、すなわち、暗電流を示している。 Referring to Figure 2, the relationship between the bias voltage applied to the light receiving element and the output current signal of the light receiving element is explained. Figure 2 is a schematic diagram for explaining the relationship between the bias voltage applied to the light receiving element and the output current signal of the light receiving element. In Figure 2, the horizontal axis shows the bias voltage, and the vertical axis shows the absolute value of the magnitude of the output current. In Figure 2, curve A shows the case when the optical signal is in the ON state, and curve B shows the case when the optical signal is in the OFF state, i.e., the dark current.

上述のように、第１受光回路は、出力電圧信号の電圧が、ＡＰＤ１０のバイアス電圧にフィードバックされる。このため、光信号がＯＮ状態とＯＦＦ状態とで、暗電流Ｉ_ＤＡＲＫの大きさが異なり、ＯＦＦ状態のバイアス電圧は、ＯＮ状態のバイアス電圧に比べて小さくなる。 As described above, in the first light receiving circuit, the voltage of the output voltage signal is fed back to the bias voltage of the APD 10. For this reason, the magnitude of the dark current I _DARK differs depending on whether the optical signal is in the ON state or the OFF state, and the bias voltage in the OFF state is smaller than the bias voltage in the ON state.

従って、光信号がＯＮ状態の暗電流をＩ_{ＤＡＲＫＯＮ}、光信号がＯＦＦ状態の暗電流をＩ_{ＤＡＲＫＯＦＦ}とすると、ＯＦＦ状態の暗電流Ｉ_{ＤＡＲＫＯＦＦ}の大きさは、ＯＮ状態のＩ_{ＤＡＲＫＯＮ}に比べて、ΔＩ（＝Ｉ_{ＤＡＲＫＯＮ}－Ｉ_{ＤＡＲＫＯＦＦ}）だけ減少する。 Therefore, if the dark current when the optical signal is ON is I _DARKON and the dark current when the optical signal is OFF is I _DARKOFF , the magnitude of the dark current I _DARKOFF in the OFF state is reduced by ΔI (=I _DARKON −I _DARKOFF ) compared to I _DARKON in the ON state.

この結果、ＯＮ状態の受光信号の電流値Ｉ_ＯＮは、Ｉ_ＯＮ＝Ｉ_ＡＰＤ＋Ｉ_{ＤＡＲＫＯＮ}と書き換えられる。また、ＯＦＦ状態の受光信号の電流値Ｉ_ＯＦＦは、Ｉ_ＯＦＦ＝Ｉ_ＡＰＤ＋Ｉ_{ＤＡＲＫＯＦＦ}と書き換えられる。 As a result, the current value I _ON of the light receiving signal in the ON state is rewritten as I _ON =I _APD +I _DARKON , and the current value I _OFF of the light receiving signal in the OFF state is rewritten as I _OFF =I _APD +I _DARKOFF .

以上のことから、第１受光回路のＳＮＲ１は、ＳＮＲ１＝（Ｖ_ＬＡＯＮ／Ｖ_{ＬＡＯＦＦ}）^２＝（Ｖ_{ＬＡＭＡＸ}／（Ｇ_ＬＡ×Ｇ_ＴＩＡ×Ｉ_{ＤＡＲＫＯＦＦ}））^２となる。 From the above, the SNR1 of the first light receiving circuit is given _by SNR1=( _VLAON / _VLAOFF ) ² =( _VLAMAX / _{(GLA.times.GTIA.times.IDARKOFF} ₎ ) ² .

一方、従来の受光回路では、ＯＮ状態とＯＦＦ状態とで暗電流の大きさは変わらずにＩ_ＤＡＲＫ＝Ｉ_{ＤＡＲＫＯＮ}＝Ｉ_{ＤＡＲＫＯＦＦ}となる。すなわち、従来の受光回路のＳＮＲは、ＳＮＲ＝（Ｖ_ＬＡＯＮ／Ｖ_{ＬＡＯＦＦ}）^２＝（Ｖ_{ＬＡＭＡＸ}／（Ｇ_ＬＡ×Ｇ_ＴＩＡ×Ｉ_{ＤＡＲＫＯＮ}））^２である。 On the other hand, in a conventional light receiving circuit, the magnitude of the dark current does not change between the ON state and the OFF state, and I _DARK = I _DARKON = I _DARKOFF . In other words, the SNR of the conventional light receiving circuit is SNR = (V _LAON /V _LAOFF ) ² = (V _LAMAX /(G _LA ×G _TIA ×I _DARKON )) ² .

従って、第１受光回路の、従来の受光回路に対するＳＮＲの改善割合Ｒ_ＳＮＲは、Ｒ_ＳＮＲ＝ＳＮＲ１／ＳＮＲ_ＣＯＮ＝（Ｉ_{ＤＡＲＫＯＮ}／Ｉ_{ＤＡＲＫＯＦＦ}）^２となる。 Therefore, the improvement ratio R _SNR of the SNR of the first light receiving circuit relative to the conventional light receiving circuit is R _SNR =SNR1/SNR _CON =(I _DARKON /I _DARKOFF ) ² .

以上説明したように、第１受光回路によれば、出力電圧信号を、バイアスティー５０を介してＡＰＤ１０へフィードバックすることにより、光信号がＯＮ状態の時は高いバイアス電圧を、ＯＦＦ状態の時は低いバイアス電圧を、１ビットごとに受光素子に印加する。従って、第１受光回路の出力電圧信号の信号雑音比を（Ｉ_{ＤＡＲＫＯＮ}／Ｉ_{ＤＡＲＫＯＦＦ}）^２の割合で改善できる。 As described above, according to the first light receiving circuit, a high bias voltage is applied to the light receiving element for each bit when the optical signal is in the ON state and a low bias voltage is applied to the light receiving element for each bit when the optical signal is in the OFF state by feeding back the output voltage signal to the APD 10 via the bias Tee 50. Therefore, the signal-to-noise ratio of the output voltage signal of the first light receiving circuit can be improved by a ratio of (I _DARKON /I _DARKOFF ) ² .

例えば、第１受光回路を用いた光モジュールにおいて、光信号がＯＮ状態での暗電流Ｉ_{ＤＡＲＫＯＮ}が１μＡ、光信号がＯＦＦ状態での暗電流Ｉ_{ＤＡＲＫＯＦＦ}が０．５μＡだとすると、ＳＮＲの改善割合は（１μＡ／０．５μＡ）^２＝４となり、ＳＮＲは、４倍に向上する。 For example, in an optical module using the first light receiving circuit, if the dark current I _DARKON when the optical signal is ON is 1 μA and the dark current I _DARKOFF when the optical signal is OFF is 0.5 μA, the improvement rate of the SNR is (1 μA/0.5 μA) ² = 4, and the SNR is improved by four times.

（第２受光回路）
図３を参照して、この発明の第２実施形態に係る受光回路（以下、第２受光回路とも称する。）を説明する。図３は、第２受光回路を説明するための模式図である。 (Second light receiving circuit)
A light receiving circuit according to a second embodiment of the present invention (hereinafter also referred to as a second light receiving circuit) will be described with reference to Fig. 3. Fig. 3 is a schematic diagram for explaining the second light receiving circuit.

第２受光回路は、ＡＰＤ１０と、増幅部２０と、増幅部用電源４０とを備えて構成される。 The second light receiving circuit is composed of an APD 10, an amplifier 20, and an amplifier power supply 40.

第１受光回路では、ＡＰＤ１０の第１端子１１には、受光素子用電源で生成された定バイアス電圧Ｖ_ＡＰＤと、フィードバックバイアス電圧Ｖ_ＬＡがバイアスティー５０で重畳されて印加される。これに対し、第２受光回路は、受光素子用電源を備えず、ＡＰＤ１０の第１端子１１には、増幅部用電源４０で生成された駆動電圧Ｖ_ＣＣと、フィードバックバイアス電圧Ｖ_ＬＡがバイアスティー５１で重畳されて印加される。 In the first light receiving circuit, a constant bias voltage V _APD generated by the light receiving element power supply and a feedback bias voltage V _LA are superimposed by a bias T 50 and applied to the first terminal 11 of the APD 10. In contrast, the second light receiving circuit does not include a light receiving element power supply, and a drive voltage V _CC generated by the amplifier power supply 40 and a feedback bias voltage V _LA are superimposed by a bias T 51 and applied to the first terminal 11 of the APD 10.

このため、第２受光回路では、ＡＰＤ１０に印加されるバイアス電圧Ｖ_ＡＰＤが、ＯＮ状態では、Ｖ_{ＡＰＤＯＮ}＝Ｖ_ＣＣ＋Ｖ_{ＬＡＭＡＸ}で与えられ、ＯＦＦ状態では、Ｖ_{ＡＰＤＯＦＦ}＝Ｖ_ＣＣ＋Ｖ_{ＬＡＯＦＦ}で与えられる。 Therefore, in the second light receiving circuit, the bias voltage V _APD applied to the APD 10 is given by V _APDON =V _CC +V _LAMAX in the ON state, and V _APDOFF =V _CC +V _LAOFF in the OFF state.

第２受光回路は、増幅部用電源４０で生成され、増幅部２０のＴＩＡ７２を経た駆動電圧Ｖ_ＣＣと、フィードバックバイアス電圧Ｖ_ＬＡがバイアスティー５１で重畳されて、ＡＰＤ１０に印加される点が、第１受光回路と異なり、それ以外の構成は同様なので、重複する説明を省略する。 The second light receiving circuit differs from the first light receiving circuit in that a drive voltage V _CC generated by the amplifier power supply 40 and passing through the TIA 72 of the amplifier 20 is superimposed on a feedback bias voltage V _LA by a bias T 51 and applied to the APD 10. Since the other configurations are similar, a duplicated description will be omitted.

第１受光回路と同様に、第２受光回路についても、出力電圧信号を、バイアスティー５１を介してＡＰＤ１０へフィードバックすることにより、第２受光回路の信号雑音比（ＳＮＲ）を（Ｉ_{ＤＡＲＫＯＮ}／Ｉ_{ＤＡＲＫＯＦＦ}）^２の割合で改善することができる。 Similar to the first light receiving circuit, the output voltage signal of the second light receiving circuit can be fed back to the APD 10 via the bias Tee 51 to improve the signal-to-noise ratio (SNR) of the second light receiving circuit by a ratio of (I _DARKON /I _DARKOFF ) ² .

（第３受光回路）
図４を参照して、この発明の第３実施形態に係る受光回路（以下、第３受光回路とも称する。）を説明する。図４は、第３受光回路を説明するための模式図である。 (Third light receiving circuit)
A light receiving circuit according to a third embodiment of the present invention (hereinafter also referred to as a third light receiving circuit) will be described with reference to Fig. 4. Fig. 4 is a schematic diagram for explaining the third light receiving circuit.

第３受光回路は、増幅部２２が、ＴＩＡ７２を備えて構成される。第３受光回路は、増幅部２２がＬＡを備えない点が、第１受光回路と異なる。第３受光回路では、ＴＩＡ出力が、出力信号として用いられる。 The third light receiving circuit is configured such that the amplifier 22 includes a TIA 72. The third light receiving circuit differs from the first light receiving circuit in that the amplifier 22 does not include an LA. In the third light receiving circuit, the TIA output is used as the output signal.

このため、第３受光回路では、ＡＰＤ１０に印加されるバイアス電圧Ｖ_ＡＰＤが、ＯＮ状態では、Ｖ_{ＡＰＤＯＮ}＝Ｖ_ＡＰＤ＋Ｖ_{ＴＩＡＯＮ}で与えられ、ＯＦＦ状態では、Ｖ_{ＡＰＤＯＦＦ}＝Ｖ_ＡＰＤ＋Ｖ_{ＴＩＡＯＦＦ}で与えられる。 Therefore, in the third light receiving circuit, the bias voltage V _APD applied to the APD 10 is given by V _APDON = V _APD + V _TIAON in the ON state, and V _APDOFF = V _APD + V _TIAOFF in the OFF state.

第３受光回路は、増幅部２２がＬＡを備えない点を除いて、第１受光回路と同様に構成できるので、重複する説明を省略する。 The third light receiving circuit can be configured in the same way as the first light receiving circuit, except that the amplifier unit 22 does not have an LA, so a duplicated explanation will be omitted.

第１受光回路と同様に、第３受光回路についても、ＴＩＡ信号を、バイアスティー５０を介してＡＰＤ１０へフィードバックすることにより、受信モジュール出力電圧の信号雑音比を（Ｉ_{ＤＡＲＫＯＮ}／Ｉ_{ＤＡＲＫＯＦＦ}）^２の割合で改善することができる。 As with the first receiving circuit, in the third receiving circuit, the signal-to-noise ratio of the receiving module output voltage can be improved by a ratio of (I _DARKON /I _DARKOFF ) ² by feeding back the TIA signal to the APD 10 via the bias tee 50.

なお、ここでは、第３受光回路として、図１を参照して説明した第１受光回路からＬＡを取り除いた構成を説明したが、これに限定されない。第３受光回路として、図３を参照して説明した第２受光回路からＬＡを取り除いた構成としてもよい。 Note that, although the third light receiving circuit has been described here as being configured by removing LA from the first light receiving circuit described with reference to FIG. 1, the present invention is not limited to this. The third light receiving circuit may also be configured by removing LA from the second light receiving circuit described with reference to FIG. 3.

（その他の実施形態）
上述の第１～第３受光回路では、受光素子としてＡＰＤを用いる例を説明したがこれに限定されない。この発明は、例えば、ＰＩＮ－ＰＤなど、バイアス電圧が大きくなると、光信号がＯＦＦ状態における信号出力も大きくなる受光素子を用いた受光回路に適用可能である Other Embodiments
In the above-mentioned first to third light receiving circuits, an example was described in which an APD is used as the light receiving element, but the present invention is not limited to this. The present invention is applicable to light receiving circuits using a light receiving element such as a PIN-PD, in which the signal output when the optical signal is in the OFF state increases as the bias voltage increases.

１０アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）
２０増幅部
３０受光素子用電源
４０増幅部用電源
５０バイアスティー
６０光ファイバ
７２トランスインピーダンスアンプ（ＴＩＡ）
７４リミティングアンプ（ＬＡ） 10 Avalanche photodiode (APD)
20 Amplification section 30 Power supply for light receiving element 40 Power supply for amplification section 50 Bias Tee 60 Optical fiber 72 Transimpedance amplifier (TIA)
74 Limiting Amplifier (LA)

Claims

a light receiving element having a first terminal and a second terminal, receiving an optical signal and outputting an output current signal from the second terminal;
an amplifier for converting the output current signal into an output voltage signal;
The output voltage signal is input to the first terminal.

moreover,
A power supply for the light receiving element;
an amplifier power supply that generates a drive voltage for driving the amplifier;
2. The light receiving circuit according to claim 1, wherein a voltage for the light receiving element generated by the power supply for the light receiving element and a voltage of the output voltage signal are superimposed and applied to the light receiving element.

moreover,
an amplifier power supply that generates a drive voltage for driving the amplifier;
2. The light receiving circuit according to claim 1, wherein a drive voltage generated by the amplifier power supply and passed through the amplifier is superimposed on a voltage of the output voltage signal and applied to the light receiving element.

The amplifier unit is
a transimpedance amplifier that converts the output current signal into a voltage signal to generate a TIA signal;
a limiting amplifier for limiting the TIA signal to a certain maximum voltage and amplifying the TIA signal to generate an LA signal;
4. The light receiving circuit according to claim 1, wherein the LA signal is the output voltage signal.

The amplifier unit is
a transimpedance amplifier that converts the output current signal into a voltage signal to generate a TIA signal;
4. The light receiving circuit according to claim 1, wherein the TIA signal is the output voltage signal.