JP3058922B2 - 広ダイナミックレンジ光受信器 - Google Patents

広ダイナミックレンジ光受信器

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JP3058922B2
JP3058922B2 JP2418380A JP41838090A JP3058922B2 JP 3058922 B2 JP3058922 B2 JP 3058922B2 JP 2418380 A JP2418380 A JP 2418380A JP 41838090 A JP41838090 A JP 41838090A JP 3058922 B2 JP3058922 B2 JP 3058922B2
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optical receiver
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英明 山川
博之 井辺
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    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03GCONTROL OF AMPLIFICATION
    • H03G11/00Limiting amplitude; Limiting rate of change of amplitude ; Clipping in general
    • H03G11/02Limiting amplitude; Limiting rate of change of amplitude ; Clipping in general by means of diodes
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03GCONTROL OF AMPLIFICATION
    • H03G7/00Volume compression or expansion in amplifiers
    • H03G7/001Volume compression or expansion in amplifiers without controlling loop

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  • Amplifiers (AREA)
  • Optical Communication System (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、光通信一般に用いら
れる広いダイナミックレンジを持つ光受信器に関する。
【0002】
【従来の技術】従来の光通信用光受信器にあっては、図
5に示すように、ピンフォトダイオード等の受光素子1
の出力端を低雑音増幅器(以下、フロントエンドと称す
る)2の入力端に直接接続するトランスインピーダンス
型と、図6に示すように、受光素子1にバイアス抵抗3
を直列接続し、両者の接続点とフロントエンド2の入力
端との間に直流阻止用のコンデンサ4を接続するハイイ
ンピーダンス型のものがある。
【0003】しかし、これらの構成では、低受光側で最
適化すると高受光側で適性動作以上の電流もしくは電圧
がフロントエンド2に印加されてしまうため、出力波形
が歪み、正しい出力波形が得られなくなる。特に近年、
光通信加入者系では各種伝送距離に対応できるように、
高受光でも誤りなく応答可能な広ダイナミックレンジ特
性を有する光受信器が要望されている。
【0004】このような広ダイナミックレンジの光受信
器として、すでに1990年電子情報通信学会、講演番
号B−922に発表されている。その内容について、図
7を参照して簡単に説明する。
【0005】この光受信器は、図5に示したトランスイ
ンピーダンス型のものに改良を加えたもので、前記フロ
ントエンド2をFET増幅器21、帰還抵抗22及び直
流阻止用コンデンサ23からなる並列帰還型増幅器で構
成し、そのコンデンサ23を介して出力Voutを取り
出して電流検出器5でその電流値を検出する。この電流
値は電圧変化となって誤差増幅器6へ出力され、ここで
基準電圧Vrefとの誤差電圧が検出される。この誤差
電圧はFET7のソース入力となり、FET7はこの入
力レベルに応じて受光素子1の出力をバイアスする。
【0006】すなわち、受光素子1とフロントエンド2
を直流結合した場合には、高受信レべル時のフロントエ
ンド2の入力バイアスが上昇して出力側が飽和してしま
い、ダイナミックレンジが制限される。このため、フロ
ントエンド2の入力にFET7を配して入力DCレベル
制御機能を持たせ、高受信側ではFET7側に電流を多
く流すように制御している。この方式によれば、ダイナ
ミックレンジは32dBほどの値を得ることができる
が、回路構成が複雑である等の問題を抱えている。
【0007】また、従来の広ダイナミックレンジ光受信
器として、特開平2−226923号にその構成が記載
されている。その内容について、図8を参照して簡単に
説明する。
【0008】この光受信器は、トランスインピーダンス
型フロントエンドをコンデンサで結合し、図6に示した
ハイインピーダンス型のように使用し、改良を加えたも
ので、抵抗8及び一対のショットキーバリアダイオード
9,10からなるバイアス回路を設け、受光素子1の出
力端をあるバイアス点にバイアスするように、予め所定
の電流を流しておく。高受光側では、ダイオード10の
抵抗が下がり、またダイオード9については抵抗が増大
するために、初期バイアス電流以上はフロントエンド2
側には流れ込まないようになっている。このため、高受
光側での受光劣化を回避することができる。
【0009】しかしながら、この方式は、初期にバイア
スが必要であり、また最小受光側ではダイオード9,1
0の抵抗値が等しく、電流を等しく分配してしまうた
め、最小受光レベルを3dBほど劣化させてしまうとい
う欠点がある。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】以上述べたように、従
来の広ダイナミックレンジ光受信器では、回路構成が複
雑であったり、高受光レベルまでダイナミックレンジを
拡大しても最小受光レベルを悪化させてしまう等の問題
を抱えている。
【0011】この発明は上記の問題を解決するためにな
されたもので、簡単な回路構成で、最小受光レベルを悪
化させることなく、高受光レベルまでダイナミックレン
ジを拡大させることのできる広ダイナミックレンジ光受
信器を提供することを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
にこの発明に係る広ダイナミックレンジ光受信器は、信
号光を受けて電流信号に変換する受光素子と、この受光
素子に直列接続され、該受光素子の出力が最小受光レベ
ルで高抵抗となって実質的に非通電状態となり、出力の
増大に応じて抵抗値が指数的に低下する非線形抵抗と、
前記受光素子と非線形抵抗との接続点から取り出される
電流信号を増幅出力する低雑音増幅器と、前記受光素子
及び非線形抵抗の接続点と前記低雑音増幅器の入力端と
の間に直列接続され、前記非線形抵抗の抵抗値の最大値
より低くかつ最小値より高い抵抗値を有する抵抗値固定
の純抵抗と、この純抵抗に直列に接続されるコンデンサ
とを具備して構成される。
【0013】
【作用】上記の構成による広ダイナミックレンジ光受信
器では、非線形抵抗の抵抗値は受光素子の受光レベルの
低下に伴って増大して純抵抗の抵抗値よりも高くなり、
最小受光レベルでは実質的に非通電状態となる。このた
め、最小受光レベルでの受光素子の出力電流は、ほとん
ど損失なく、純抵抗及びコンデンサを介して低雑音増幅
器に送られる。また、非線形抵抗の抵抗値は受光素子の
受光レベルが高くなるにつれて指数的に低下し、純抵抗
の抵抗値よりも低くなる。このため、受光素子の出力電
流はある点から急激に非線形抵抗へ流れ込むようにな
る。このため、受光素子が高受光レベルになると、低雑
音増幅器に送られる電流は制限されるようになる。
【0014】
【実施例】以下、図1乃至図4を参照してこの発明の一
実施例を説明する。
【0015】図1はこの発明に係る広ダイナミックレン
ジ光受信器の構成を示すもので、PDは受光素子なるピ
ンフォトダイオードである。このタイオードPDのカソ
ードはVB電源に接続されると共に、コンデンサC1を
介して接地される。また、アノードは純抵抗R、カップ
リングコンデンサC2を介してフロントエンドなるトラ
ンスインピーダンスアンプによるフロントエンドF/E
の入力端に接続されると共に、ショットキーバリアダイ
オードDのアノードに接続される。このタイオードDの
カソードは接地される。
【0016】上記構成において、ピンフォトダイオード
PDから出力される電流をi、ショットキーバリアダイ
オードDに流れる電流をi1、フロントエンドF/Eに
入力される電流をi2とする。また、ピンフォトダイオ
ードPDのアノード及びショットキーバリアダイオード
Dのカソードとの接続点をAとする。i1,i2はiの
分岐電流である。
【0017】図2は、この光受信器に入力される平均入
力電力とショットキーバリアダイオードDの順方向電圧
との関係を示している。図3は、ショットキーバリアダ
イオードDの順方向電圧と電流i1,i2,iとの関係
を示している。これらの図を参照し、伝送レートが15
5.52Mbit/sとして、上記実施例の作用を説明
する。
【0018】まず、低受光側から説明するに、伝送レー
ト155.52Mbit/sのパルス信号光がピンフォ
トダイオードPDに入射された場合、最小受光レベルは
−35dBm付近である。このとき、図2から明らかな
ように、ショットキーバリアダイオードDの順方向電圧
は0.1Vで、図3のショットキーバリアダイオードD
の電圧ー電流特性から明らかなように、電流i1はほと
んど変化しない。すなわち、このダイオードDは高抵抗
状態であり、フォトダイオードPDで受信した電流iは
ほとんどフロントエンドF/Eへ流れ込むことになる。
【0019】今、ショットキーバリアダイオードDの抵
抗値をRshotとし、フロントエンドF/Eの入力イ
ンピーダンスをZinとすると、フロントエンドF/E
に入力される電流i2は、分流の法則より、 i2=i・Rshot/(R1+Zin+Rshot) となる。ここで、Rshot=2MΩ、R1=100
Ω、Zin=100Ωとすると、 i2=i・2000
0/(100+100+20000)=0.99iであ
る。したがって、最小受光時のペナルティはほとんど無
視することができる。
【0020】尚、ショットキーバリアダイオードDを付
加したことによる入力容量の増加は、フロントエンドF
/Eの入力換算雑音を増加させることが懸念されるが、
この上記の設定値で雑音を測定したところ、図4に示す
結果が得られ、低雑音性を有することが確認された。図
4において、帯域内平均で2.5pA/Hzである。こ
れにより、雑音の観点からも最小受光レベルをほとんど
悪化させることはない。
【0021】−方、高受光側、例えば受光パワーを0d
Bとすると、ショットキーバリアダイオードDの順方向
電圧は約0.3Vとなる。このとき、このダイオードD
の抵抗値は低くなり、電流i1が流れる。受光パワーが
大きくなっても、ショットキーバリアダイオードDの順
方向電圧は約0.3Vに抑圧されるので、結果的にフロ
ントエンドF/Eへ流れる電流i2も制限される。この
電流i2の制限値は、簡単には図1に示すように抵抗R
を当該電流i2の電流路に直列に挿入することで設定す
ることができ、入力インピーダンスZinと共に、 i2=0.3/(R+Zin) で決定される。前述の例では、Rは約100Ωである。
【0022】したがって、高受光側でも、フロントエン
ドF/Eに向かう電流i2が制限されるため、フロント
エンドF/Eは安定に動作可能であり、これによって出
力波形を歪ませることなく広ダイナミックレンジ化を達
成することができる。
【0023】尚、上記説明は、光入力が0レベルの場合
には発光成分がないと仮定したが、0レベルでレーザが
しきい値以上にバイアスしてある場合には、図1に示す
ように抵抗Rと直列にコンデンサC2を接続し、このコ
ンデンサC2によってi2の直流分をカットした方がフ
ロントエンドF/Eの動作点が安定し、上記効果が顕著
に現れるようになる。
【0024】かくして、上記構成による光受信器は、最
小受光レベルにおいて、ピンフォトダイオードPDに直
列接続されたショットキーバリアダイオードDが高抵抗
状態となって、フォトダイオードPDで受信した電流i
をほとんどフロントエンドF/Eへ流し込んで接続点A
をバイアスし、高受光状態において、ショットキーバリ
アダイオードDが低抵抗状態となってその順方向電圧を
抑圧し、抵抗Rと相俟ってフロントエンドF/Eへの電
流を制限するので、フロントエンドF/Eを安定に動作
させることができ、これによって出力波形を歪ませるこ
となく広ダイナミックレンジ化を達成することができ
る。
【0025】
【発明の効果】以上詳述したようにこの発明によれば、
簡単な回路構成で、最小受光レベルを悪化させることな
く、高受光レベルまでダイナミックレンジを拡大させる
ことのできる広ダイナミックレンジ光受信器を提供する
ことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の一実施例に係る広ダイナミックレン
ジ光受信器の構成を示す回路図。
【図2】図1の光受信器に入力される平均入力電力とシ
ョットキーバリアダイオードの順方向電圧との関係を示
す特性図。
【図3】図1のショットキーバリアダイオードの順方向
電圧と電流i1,i2,iとの関係を示す特性図。
【図4】図1の光受信器の低雑音性を説明するための波
形図。
【図5】従来のトランスインピーダンス型の光受信器の
構成を示す回路図。
【図6】従来のハイインピーダンス型の光受信器の構成
を示す回路図。
【図7】従来の広ダイナミックレンジ光受信器の第1の
例を示す回路図。
【図8】従来の広ダイナミックレンジ光受信器の第2の
例を示す回路図。
【符号の説明】
1…受光素子、2…フロントエンド、3…バイアス抵
抗、4…直流阻止用コンデンサ、21…FET増幅器、
22…帰還抵抗、23…直流阻止用コンデンサ、5…電
流検出器,6…誤差増幅器、7…FET、8…抵抗、
9,10…ショットキーバリアダイオード、PD…ピン
フォトダイオード、C1…コンデンサ、R…純抵抗、C
2…カップリングコンデンサ、F/E…フロントエン
ド。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI H04B 10/26 (56)参考文献 特開 平2−226923(JP,A) 特開 昭56−90614(JP,A) 特開 昭62−49679(JP,A) 実開 昭60−66144(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H04B 10/00 - 10/28 H03F 3/08

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 信号光を受けて電流信号に変換する受光
    素子と、 この受光素子に直列接続され、該受光素子の出力が最小
    受光レベルで高抵抗となって実質的に非通電状態とな
    り、出力の増大に応じて抵抗値が指数的に低下する非線
    形抵抗と、 前記受光素子と非線形抵抗との接続点から取り出される
    電流信号を増幅出力する低雑音増幅器と、前記受光素子及び非線形抵抗の接続点と前記低雑音増幅
    器の入力端との間に直列接続され、前記非線形抵抗の抵
    抗値の最大値より低くかつ最小値より高い抵抗値を有す
    る抵抗値固定の純抵抗と、 この純抵抗に直列に接続されるコンデンサとを具備する
    広ダイナミックレンジ光受信器。
  2. 【請求項2】 前記非線形抵抗はショットキーバリアダ
    イオードであることを特徴とする請求項1記載の広ダイ
    ナミックレンジ光受信器。
JP2418380A 1990-12-26 1990-12-26 広ダイナミックレンジ光受信器 Expired - Lifetime JP3058922B2 (ja)

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