JP3047525B2

JP3047525B2 - アバランシェフォトダイオードのバイアス回路

Info

Publication number: JP3047525B2
Application number: JP3173748A
Authority: JP
Inventors: 義則須永; 武彦所
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 1991-07-15
Filing date: 1991-07-15
Publication date: 2000-05-29
Anticipated expiration: 2015-05-29
Also published as: JPH0522075A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光受信装置における新
規なアバランシェフォトダイオード（以下ＡＰＤと呼
ぶ）のバイアス回路に係り、特に、調整を必要とせず、
温度補償なしで広い温度範囲で安定動作し、経年変化に
よる受信性能劣化が小さく、且つダイナミックレンジの
広いＡＰＤのバイアス回路に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ＡＰＤは受光電流Ｉｐを増倍する作用が
あるため、高感度な光受信器に用いられる。増倍率Ｍは
ＡＰＤに印加されるバイアス電圧Ｖによって変化する。
高感度を得るには、バイアス電圧を高くしてＡＰＤのブ
レークダウン電圧Ｖb 近くに設定し、増倍率Ｍを大きく
すると共に最適増倍率ＭOPT にする。しかし、増倍率Ｍ
が大きくなるような高バイアス電圧の下ではバイアス電
圧の変化に対する増倍率Ｍの変化が急峻であるため、Ａ
ＰＤを最適増倍率ＭOPT に保って高感度を実現するため
には、一般に、印加するバイアス電圧Ｖを正確に制御す
る必要がある。また、ＡＰＤの特性は温度に依存し、ブ
レークダウン電圧及びバイアス電圧に対応する増倍率Ｍ
が温度によっても変化することになる。このため、ＡＰ
Ｄのバイアス回路は多くの場合温度補償手段を必要とす
る。さらに、ＡＰＤの特性は経年変化するものである。

【０００３】以上のような性質を有するＡＰＤを用いた
光受信装置のバイアス回路には、従来、定電圧バイアス
回路或いは定電流バイアス回路が採用されている。これ
ら定電圧バイアス回路及び定電流バイアス回路について
以下説明する。

【０００４】図２は従来の定電圧バイアス回路の一例で
ある。定電圧バイアス回路２においては、ＡＰＤ１０に
定電圧回路３０が接続され、定電圧回路３０に電圧制御
回路９０が接続されている。高圧電源５０より高電圧を
定電圧回路３０に供給してＡＰＤのバイアス電圧を定電
圧駆動する。ＡＰＤ１０の受信出力は前置増幅器８０を
経由しＡＧＣ（ＡｕｔｏｍａｔｉｃＧａｉｎＣｏｎ
ｔｒｏｌ）増幅器８１に入力され、ＡＧＣ増幅器８１の
出力が定電圧バイアス回路２の出力として取り出され
る。ＡＧＣ増幅器８１の働きにより出力信号振幅は一定
に保たれる。また、ＡＧＣ増幅器８１においては、入力
信号レベルが検出され、その結果が電圧制御回路９０に
入力される。電圧制御回路９０はこの入力信号レベルに
応じてＡＰＤ１０の増倍率Ｍをフィードバック制御す
る。この時、バイアス電圧は、光入力電力の変化に対応
して、増倍率Ｍが予め設定した目標値となるように決定
される。また、温度検出回路１００が設けられ、ここで
得られた温度情報が電圧制御回路９０に送られる。電圧
制御回路９０は温度変化によるＡＰＤ１０の特性の変化
によらず増倍率Ｍが目標値になるようにバイアス電圧を
制御する。

【０００５】以上のように、定電圧回路を用いた図２の
バイアス回路２は、光入力信号の電力に対応して増倍率
Ｍが最適になるようフィードバックしているため、高い
受信感度と広いダイナミックレンジを両立させることが
できる。また、温度検出回路１００と電圧制御回路９０
内の温度補償回路によって、周囲温度に従ってバイアス
電圧の補償を行い、温度変化によらず光受信器の受信性
能を維持することができる。

【０００６】次に、従来の定電流バイアス回路の例を図
３を用いて説明する。定電流バイアス回路３において
は、高圧電源５０が定電流回路２０に接続され、定電流
回路２０にＡＰＤ１０が接続されている。ＡＰＤ１０に
は高周波領域におけるインピーダンスを下げるため、コ
ンデンサ６０が接続されている。定電流回路２０により
ＡＰＤ１０に流れる平均電流Ｉｓは一定に保たれる。Ａ
ＰＤ１０の光信号出力は前置増幅器８０において増幅さ
れる。定電流回路２０の電流出力値Ｉｓは、目標とする
最小受信電力ＰMIN においてＭ＝ＭOPT となるように下
式に従って設定する。

【０００７】ここで、Ｉｐは受光電流、Ｓは受信感度で
ある。

【０００８】Ｉｓ＝ＭOPT ・Ｓ・ＰMIN 光入力がない場合、ＡＰＤ１０はブレークダウン状態で
ある。目標とした最小受信電力ＰMIN が入力した場合、
Ｍ＝ＭOPT となる。光受信電力が大きくなるに従い、Ａ
ＰＤ１０のインピーダンスが下がるため、ＡＰＤバイア
ス電圧は下がり、増倍率Ｍは光入力電力に反比例して低
下する。受光電流Ｉｐ＝ＩｓとなったときＭ＝１とな
る。光入力電力の変化に対してＡＰＤ１０の平均電流Ｉ
ｓは一定であるため、光信号のマーク率が一定の場合、
光受光信号電流の振幅も変化しない。このため、自動的
にＡＧＣ動作が行われる。周囲温度が変化してＡＰＤ１
０のブレークダウン電圧等の特性が変化した場合でも、
ＡＰＤ１０を流れる平均電流値は常に一定に保たれる。
このため、暗電流が特に大きくならない限り、温度変化
によって増倍率Ｍは変化しない。

【０００９】以上のように、定電流回路を用いたＡＰＤ
のバイアス回路３においては、フィードバック制御を必
要としないため、回路が単純化される。温度変化に伴う
ＡＰＤ特性の変化によらず、バイアス電流値Ｉｓによっ
てのみ増倍率Ｍが決まるため温度補償回路も必要とせ
ず、回路は更に簡素化できる。また、ＡＧＣ増幅回路を
必要としない。定電流回路の電流値の誤差による回路特
性への影響は比較的小さいため、電流値を精密に設定す
る必要はなく、回路の無調整化が可能である。加えて、
ＡＰＤの特性、例えばブレークダウン電圧が経年変化し
ても受信性能への影響は小さい。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ところで、定電圧バイ
アス回路２においては、高バイアス電圧の下ではバイア
ス電圧の変化に対する増倍率Ｍの変化が急峻であるた
め、増倍率Ｍを安定させるためにはバイアス電圧を正確
に制御しなければならない。これにはＡＰＤや他の素子
のばらつきに対応するために調整をすることが不可欠で
ある。また、ＡＰＤが温度依存することから温度補償が
必要になるが、温度補償を閉ループで行うので正確な温
度補償を行うためには、ＡＰＤの温度特性のばらつきに
応じて調整を行う必要がある。特に、ＡＰＤの増倍率Ｍ
が高い領域、つまり光入力信号の小さい領域では、印加
バイアス電圧の変化による増倍率Ｍの変化が急峻である
ため、極めて高精度な電圧制御が要求されることになる
ので上記ばらつきに対応する調整は極めて困難である。
更にＡＰＤ特性は経年変化するものであり、増倍率Ｍを
安定に保つためにこの経年変化に対応して電圧を変化さ
せることは困難である。以上のような理由から、定電圧
回路を用いたＡＰＤのバイアス回路２により光入力信号
の小さい領域では、安定してバイアスをかけることは難
しい。

【００１１】一方、定電流バイアス回路３にあっては、
定電圧バイアス回路２と異なり、無調整で安定に動作
し、非常に簡単な回路で実現できるほか、ＡＧＣ回路も
必要としない。しかし、定電流バイアス回路３には以下
述べる光入力電力のダイナミックレンジが狭いという欠
点がある。即ち、増倍率Ｍが２未満では光電変換の応答
速度が急激に低下するという特性を有しているので、増
倍率Ｍが２未満になるような高い光入力電力下では高速
信号の光受信が不可能になる。また、定電流バイアス回
路３を用いると光入力電力に反比例して増倍率Ｍが変化
するため、低い光入力電力下では光入力電力の変化に対
する増倍率Ｍの変化が大きい。そこで、増倍率Ｍの上限
を例えば４０として考えるならば、増倍率Ｍが２〜４０
の範囲で受信可能ということになる。この範囲に対応す
る光入力電力のダイナミックレンジは略１３ｄＢという
ことになり、大変に狭い。定電流バイアス回路３は光入
力電力のダイナミックレンジが狭いという欠点があり、
この欠点の主な要因は光入力電力が高い時に高速信号の
光受信が不可能になることである。このように、定電流
バイアス回路３は定電圧バイアス回路２とは逆に光入力
信号の大きい領域で問題を有している。

【００１２】そこで、本発明の目的は、上記課題を解決
し、調整を必要とせず、温度補償なしで広い温度範囲で
安定動作し、経年変化による受信性能劣化が小さく、且
つダイナミックレンジの広いＡＰＤのバイアス回路を提
供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、光信号を電気信号に変換する光受信装置
におけるＡＰＤのバイアス回路において、定電流回路と
定電圧回路とを具備し、これら定電流回路と定電圧回路
とが上記ＡＰＤに、定電圧バイアスの印加・遮断を切替
える切替手段を介して接続されている。

【００１４】そして、上記切替手段は、光入力信号電力
が予め任意に決定した設定値に満たないときには定電流
回路よりＡＰＤに定電流バイアスのみ印加し、光入力信
号電力が設定値以上のときには定電圧回路よりＡＰＤに
定電圧バイアスが印加されるように構成されてなるもの
である。

【００１５】ここで、上記切替手段はダイオードによっ
て構成されてなるものである。

【００１６】また、第二の発明は、上記定電圧回路と上
記アバランシェフォトダイオードとの間に抵抗器を備え
てなるものである。

【００１７】

【作用】上記構成により、光入力信号電力が予め任意に
決定した設定値に満たないときには切替手段が働いて、
定電流回路よりＡＰＤに定電流バイアスのみが印加され
ることになる。ＡＰＤに定電流バイアスが印加される
時、低電流バイアスを使用する時の利点が生かされるこ
とになる。即ち、フィードバック制御や温度補償の回路
が必要なく、素子のばらつきや温度変化に起因する過大
なブレークダウン電流や増倍率Ｍの大幅なずれがなくな
り、調整も必要でない。また、定電流回路には高い精度
が必要でないので、簡単な回路構成で実現できる。さら
に、ＡＰＤの特性の経年変化によっても大きな影響を受
けない。

【００１８】一方、光入力信号電力が予め任意に決定し
た設定値以上のときには切替手段が働いて、定電圧回路
よりＡＰＤに定電圧バイアスが印加されることになる。
ＡＰＤに定電圧バイアスが印加される時、低電圧バイア
スを使用する時の利点が生かされることになる。即ち、
光入力電力の変化に関わらず増倍率Ｍを略一定に保つこ
とができるので、光入力電力がある程度大きくても光受
信装置は作動することになり、ダイナミックレンジが広
がることになる。また、増倍率Ｍが２乃至３と比較的小
さい領域では、バイアス電圧の変化に対する増倍率Ｍの
変化が小さいのでバイアス電圧の設定は高い精度を必要
としない。従って、定電圧回路は簡単に構成できること
になる。

【００１９】また、切替手段はダイオードによって構成
されるので簡単である。

【００２０】以上述べたように、簡単な構成による低電
流回路と簡単な構成による定電圧回路を用いてダイナミ
ックレンジの広い光受信装置が構成できることになる。
この光受信装置は、調整を必要とせず、温度に対して安
定であり、ＡＰＤの特性の経年変化の影響が小さい。

【００２１】

【実施例】以下、本発明の実施例を添付図面に基づいて
詳述する。

【００２２】図１に示すように、ＡＰＤ１０を用いて光
信号を電気信号に変換する光受信装置１には、ＡＰＤ１
０に定電流バイアスをかけるための定電流回路２０とＡ
ＰＤ１０に定電圧バイアスをかけるための定電圧回路３
０とが備えられている。これら定電流回路２０及び定電
圧回路３０は、共に従来一般に知られているなかでも極
めて簡単な回路で構成されている。光受信装置１には、
高い電圧を発生する高電圧発生回路５０が設けられ、こ
の出力が定電流回路２０と定電圧回路３０とにそれぞれ
接続されて電源を供給すべく構成されている。定電流回
路２０の出力は直接切替手段４０の定電流側端子４２に
接続され、一方、定電圧回路３０の出力は抵抗７０を介
して切替手段４０の定電圧側端子４３に接続されてい
る。

【００２３】切替手段４０は本実施例にあっては、ダイ
オード４１のみで構成されている。切替手段４０の定電
流側端子４２は直接切替手段４０の出力端子４４に接続
されている。切替手段４０の定電圧側端子４３はダイオ
ード４１のアノード側に接続され、ダイオード４１のカ
ソード側は切替手段４０の出力端子４４に接続されてい
る。即ち、定電流側端子４２の電圧より定電圧側端子４
３の電圧が高いときのみ、ダイオード４１が導通するよ
うに構成されている。

【００２４】切替手段４０の出力端子４４はＡＰＤ１０
のカソード側に接続され、高周波領域のインピーダンス
を下げるためのコンデンサ６０に接続されている。ＡＰ
Ｄ１０のアノード側は電流を制限するための抵抗６１を
介して接地されていると共にＡＰＤ１０から得られる小
信号を増幅する前置増幅器８０に入力されている。前置
増幅器８０の出力は増幅率を自動調整して後段の回路に
適切な振幅の信号を伝えるためのＡＧＣ増幅器８１に入
力されている。ＡＧＣ増幅器８１の出力が光受信装置１
の出力となる。

【００２５】上記抵抗７０にあっては、ダイオード４１
が導通する時、定電圧回路３０の出力をＡＰＤ１０に供
給すべく、定電圧回路３０とＡＰＤ１０との間に備えら
れている。

【００２６】ここで、ＡＰＤ１０のバイアス回路側とグ
ランドとの間の電圧をＶ、定電圧回路の電圧出力をＶｓ
とする。

【００２７】次に、実施例の作用を述べる。

【００２８】まず、ＡＰＤ１０に光入力がない場合、電
圧Ｖは最も高くなり、ＡＰＤ１０はブレークダウン状態
にある。また、電圧Ｖが定電圧回路３０の電圧出力Ｖｓ
より高いので、切替手段４０を構成するダイオード４１
は遮断されてＡＰＤ１０には定電流回路２０より定電流
バイアスが印加されることになる。ＡＰＤ１０に光入力
が入った場合、コンデンサ６０によって高周波領域のイ
ンピーダンスが下げられているため、光入力信号に対応
して電流が変化する。しかし、平均の電流値は定電流回
路２０によって、一定値に制御されているため、ＡＰＤ
１０の増倍率Ｍは次式で表される。

【００２９】Ｍ＝Ｉｓ／Ｉｐ＝Ｉｓ／（Ｐ・Ｓ）ここで、Ｉｓはバイアス電流、Ｉｐは平均受光電流、Ｓ
は受光感度、Ｐは平均受光電力である。

【００３０】光入力電力が増えるに従い、平均受光電力
Ｐが増大し増倍率Ｍはこれに反比例して小さくなり、次
第に電圧Ｖも下がる。この間、ＡＰＤ１０の出力信号の
振幅は一定である。周囲温度が変化してＡＰＤ１０の特
性が変化しても一定である。このようにして、光入力電
力が小さいとき、定電流回路２０より定電流バイアスが
印加され、ＡＰＤ１０の出力信号が安定に得られること
になる。

【００３１】次に、光入力電力がさらに増加して平均受
光電力Ｐが増大すると、増倍率Ｍは減少し電圧Ｖが低下
する。電圧Ｖが定電圧回路の電圧出力Ｖｓ以下になる
と、切替手段４０を構成するダイオード４１が導通し
て、抵抗器７０を介して電圧Ｖを一定に与えることにな
る。即ち、ＡＰＤ１０に定電圧バイアスが印加されるこ
とになる。以後、光入力が増えても電圧Ｖは一定に保た
れ、従って増倍率Ｍも一定に保たれることになる。増倍
率Ｍが著しく小さくなることがないので、光電変換の応
答速度が急激に低下することがない。また、定電圧バイ
アス電圧が充分に小さいことから、定電圧回路３０の精
度が高くなくても安定な動作が得られることになる。こ
の時は、ＡＰＤ１０の出力信号の振幅は光入力の振幅に
略比例して大きくなるため、ＡＧＣ増幅器８１が働いて
光受信装置１の出力が安定に得られる。このようにし
て、光入力電力が大きいとき定電圧回路３０より定電圧
バイアスが印加され、ＡＰＤ１０の出力信号が安定に得
られることになる。

【００３２】過大な光入力が入った時は、接地された抵
抗６１によって電流が制限されてＡＰＤ１０が過電流に
よる破壊から守られる。

【００３３】以上説明したように、本発明によれば、定
電圧バイアス回路の利点と定電流バイアス回路の利点と
を兼ね備えたＡＰＤのバイアス回路を構成することがで
きる。また、定電圧バイアスの印加・遮断を切替えるた
めに設けた切替手段がダイオード１個のみで実現されて
いる。即ち、調整を必要とせず、温度補償なしで広い温
度範囲で安定動作し、経年変化による受信性能劣化が小
さく、且つダイナミックレンジの広いＡＰＤのバイアス
回路が簡単な回路で実現できることになる。このような
ＡＰＤのバイアス回路は、光入力信号のマーク率が一定
となるデジタル光信号の受信機において特に有効であ
る。

【００３４】

【発明の効果】本発明は以下の如き優れた効果を発揮す
る。

【００３５】（１）調整が必要ない。

【００３６】（２）広い温度範囲で安定動作する。

【００３７】（３）ＡＰＤの経年変化の影響が少ない。

【００３８】（４）ダイナミックレンジが広い。

【００３９】（５）高精度の部品を必要としない。

【００４０】（６）回路構成が簡単である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す回路図である。

【図２】従来の定電圧バイアス回路の回路図である。

【図３】従来の定電流バイアス回路の回路図である。

【符号の説明】

１光受信装置１０アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）２０定電流回路３０定電圧回路４０切替手段４１ダイオード７０抵抗器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩＨ０４Ｂ 10/28 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H04B 10/14 H01L 31/10 H04B 10/06 H04B 10/26 H04B 10/28

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】光信号を電気信号に変換する光受信装置に
おけるアバランシェフォトダイオードのバイアス回路に
おいて、定電流回路と定電圧回路とを具備し、これら定
電流回路と定電圧回路とが上記アバランシェフォトダイ
オードに、定電圧バイアスの印加・遮断を切替えるダイ
オードからなる切替手段を介して接続されており、該切
替手段が光入力信号電力が予め任意に決定した設定値に
満たないときには定電流回路よりアバランシェフォトダ
イオードに定電流バイアスのみ印加し、光入力信号電力
が設定値以上のときには定電圧回路よりアバランシェフ
ォトダイオードに定電圧バイアスが印加されるように構
成されていることを特徴とするアバランシェフォトダイ
オードのバイアス回路。
【請求項２】上記定電圧回路と上記アバランシェフォト
ダイオードとの間に抵抗器を備えることを特徴とする請
求項１に記載のアバランシェフォトダイオードのバイア
ス回路。