JP3327237B2 - アレイ光受信器 - Google Patents
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Description
関し、特に大容量通信装置や超並列計算機などの装置
間、あるいは装置内の並列光インタコネクションとして
用いられるアレイ光受信器に関するものである。
置間、あるいは装置内の並列光インタコネクションで
は、高スループットのデータ転送、装置の小型化が強く
望まれている。特に、1チャンネル当たりの伝送速度が
数100Mbpsから数Gbps程度の送信回路あるい
は受信回路をアレイ状に並べて、LSI1チップ上で多
チャンネル集積化したアレイ光送信器あるいはアレイ光
受信器の実現が重要となっている。
信器の出力光パワー、伝送路損失などのチャンネル間偏
差により、各チャンネル間で入力光パワーにレベル差が
生ずるため、チャンネル間のクロストークの低減が重要
となる。したがって、広帯域で、しかもチャンネル間ク
ロストークの小さい受信回路構成を、LSI1チップ上
に多チャンネル集積することが要求されている。
えば、スイス連邦工科大学において研究されているアレ
イ光受信器では、図9に示すように、各チャンネルの受
光素子に印加する逆バイアスをLSIから供給すること
が提案されている。図9において、各チャンネル(Ch
1,Ch2‥ChN)の受光素子のカソードCa1,C
a2‥CaNは増幅回路最高電位電源端子Vccにそれ
ぞれボンディングワイヤで接続され、アノードAn1,
An2‥AnNはLSIの増幅回路正相入力端子In1
+,In2+‥InN+にそれぞれボンディングワイヤ
で接続されている。
クタンスを持つため、インダクタとして表す。増幅回路
逆相入力端子In1−,In2−‥InN−と最高電位
電源端子Vccとの間には、受光素子の寄生容量Cpd
1,Cpd2‥CpdNに相当する容量CAmp1,C
Amp2‥CAmpNが接続されている。また、全チャ
ンネルの増幅回路最高電位電源端子と最低電位電源端子
は、端子パッド数の低減のため共通化されている。
電源端子Vccから供給されているため、Ch1に着目
した場合、Ch1以外から共通電源線を介してCh1の
増幅回路Amp1に回り込むクロストークは、受光素子
Pd1にも回り込む。この場合、受光素子から増幅回路
に入力される電流信号に含まれるクロストーク成分と、
増幅回路の電源線より回り込んだクロストーク成分は同
等であるため、増幅回路での増幅時に互いに弱め合い、
出力ではクロストークがキャンセルされる。
り示す。なお、シミュレーションでは、増幅回路のプリ
アンプは光受信回路のフロントエンドとして最も一般的
なトランスインピーダンス型増幅回路を差動構成にした
回路を採用しており、そのトランジスタにはfTが20
GHzのSi−バイポーラトランジスタを用いている。
また、すべての寄生インダクタンスは1nHとしてい
る。
信号を印加した場合の周波数特性のシミュレーション結
果を示す説明図である。クロストークの影響が現れるの
は信号振幅の小さい増幅回路初段のみであるため、プリ
アンプ出力のみを示している。図10において、特性8
1はAmp1のプリアンプ出力、特性82はAmp2の
プリアンプ出力すなわちCh1からCh2へのクロスト
ークを示している。
印加する逆バイアスをLSIの電源とは独立して供給し
ていること以外は図9と構成を同じにした回路を示す。
また、図12には、この回路でのシミュレーション結果
を示す。図12の特性102に比べて、図10の特性8
2ではクロストークレベルが低減されており、各チャン
ネルの受光素子に印加する逆バイアスをLSIから供給
することがクロストーク低減に有効であることがわか
る。
うな従来のアレイ光受信器では、受光素子を搭載する基
板(図示せず)の寄生容量を考慮し、より実際的な等価
回路として図13に示すように、寄生容量CCa1,C
Ca2‥CCaN、およびCAn1,CAn2‥CAn
Nを考慮した場合、これら寄生容量とボンディングワイ
ヤの寄生インダクタンスLAn1,LAn2‥LAnN
により共振が生ずるため、回路動作が不安定になるとい
う問題点があった。
2と同一の条件でシミュレーションを行った場合の結果
である。ここでは、すべての寄生容量を1pFとし、す
べての寄生インダクタンスを1nHとしている。Amp
1のプリアンプ出力(特性121)にCAn1,CCa
1とLAn1による共振が現れており、また、Amp2
のプリアンプ出力(特性122)すなわちCh1からC
h2へのクロストークレベルは寄生容量を考慮しない場
合(図10の特性82)に比べて、高周波側で増加して
いる。
が非常に高くなるように寄生容量および寄生インダクタ
ンスを低減しなければならず、ボンディングや受光素子
搭載用基板、さらにはLSIの実装の容易性を考慮する
と、この共振の除去は非常に困難である。本発明はこの
ような課題を解決するためのものであり、実装に関わる
寄生素子の影響を低減し、アレイ光受信器の電源パッド
数低減のため各チャンネルの電源を共通化した場合でも
各チャンネル間のクロストークを低減して、良好な受光
特性が得られる光受信器を提供することを目的としてい
る。
るために、本発明によるアレイ光受信器は、各受光素子
のカソードを、それぞれ対応する増幅回路の最高電位電
源端子に接続し、各受光素子のアノードを、それぞれ対
応する増幅回路の入力端子に接続し、各増幅回路ごと
に、当該増幅回路の最高電位電源端子とアレイ受信回路
の最高電位電源端子との間および当該増幅回路の最低電
位電源端子とアレイ受信回路の最低電位電源端子との間
のうち少なくともいずれか一方の間に接続された高域遮
断フィルタをさらに備えたものである。
対応する増幅回路の入力端子に接続し、各受光素子のア
ノードを、それぞれ対応する増幅回路の最低電位電源端
子に接続し、各増幅回路ごとに、当該増幅回路の最高電
位電源端子とアレイ受信回路の最高電位電源端子との間
および当該増幅回路の最低電位電源端子とアレイ受信回
路の最低電位電源端子との間のうち少なくともいずれか
一方の間に接続された高域遮断フィルタをさらに備えた
ものである。
は最低電位電源端子の一部または全部を、それぞれの高
域遮断フィルタを介してアレイ光受信回路の最高電位電
源端子または最低電位電源端子に共通して接続するよう
にしたものである。したがって、受光素子搭載用基板の
寄生容量と、受光素子−増幅回路間のボンディングワイ
ヤの寄生インダクタンスとにより生ずる共振が抑制さ
れ、同時に、他チャンネルから共通電源線を介して回り
込むクロストークの高周波成分が遮断される。
して説明する。図1は本発明によるアレイ光受信器の概
念ブロック図である。このアレイ光受信器は、N個の受
光素子Pd1,Pd2‥PdNと、N個の増幅回路Am
p1,Amp2‥AmpNを集積したアレイ光受信回路
と、各チャンネルの最高電位電源端子Vcc側と最低電
位電源端子Vee側に、それぞれ1個ずつの高域遮断フ
ィルタFcc1,Fee1,Fcc2,Fee2‥Fc
cN,FeeNを有する。
電気信号に変換し、増幅回路においてこの電気信号を増
幅してNチャンネルの電気信号を出力する。ここで、各
受光素子のカソードCa1,Ca2‥CaNは、それぞ
れ対応する増幅回路の最高電位電源端子Vcc1,Vc
c2‥VccNに接続され、また各受光素子のアノード
は、それぞれ対応する増幅回路の入力端子In1,In
2‥InNに接続されている。
c1,Vcc2‥VccNおよび最低電位電源端子Ve
e1,Vee2‥VeeNは、それぞれ高域遮断フィル
タを介してアレイ光受信回路の最高電位電源端子Vcc
および最低電位電源端子Veeに接続されている。受光
素子のカソードに与える逆バイアスを、増幅回路の最高
電位電源端子から供給することにより、他チャンネルか
らのクロストークは、増幅回路に回り込むと同時に受光
素子にも回り込む。
れる電流信号に含まれるクロストーク成分と、増幅回路
の電源線より回り込んだクロストーク成分は同等である
ため、増幅回路での増幅時に互いに弱め合い、出力では
クロストークがキャンセルされる。また、電源線に高域
遮断フィルタを挿入することにより、他チャンネルから
共通電源線を介して回り込むクロストークの高周波成分
が遮断され、これと同時に、受光素子搭載用基板(図示
せず)の寄生容量と、受光素子カソード−増幅回路最高
電位電源端子間のボンディングワイヤの寄生インダクタ
ンスとにより生ずる共振が抑制される。
レイ光受信器を示すブロック図であり、同図において、
図1と同じまたは同等部分には同一符号を付してある。
ここでは、前述した各増幅回路は、入出力とも差動構成
とする。受光素子のカソードは各増幅回路最高電位電源
端子にそれぞれボンディングワイヤで接続され、アノー
ドは増幅回路正相入力端子In1+,In2+‥InN
+にそれぞれボンディングワイヤで接続されている。ま
た、Vcc,Veeはボンディングワイヤで電源に接続
されている。
クタンスを持つため、インダクタとして表している。増
幅回路逆相入力端子In1−,In2−‥InN−と最
高電位電源端子Vccとの間には、受光素子の寄生容量
CPd1,CPd2,・・・CPdNに相当する容量C
Amp1,CAmp2,・・・CAmpNが接続されて
いる。さらに、各高域遮断フィルタF1,F2,・・・
FNは抵抗と容量で構成され、最高電位電源端子側と最
低電位電源端子側で容量を共有している。
低減効果について、シミュレーション結果を用いて説明
する。シミュレーションでは、図2に示すように、受光
素子を搭載する基板の寄生容量CCa1,CCa2‥C
CaN、およびCAn1,CAn2‥CAnNを考慮す
る。
回路のプリアンプは、光受信回路のフロントエンドとし
て最も一般的なトランスインピーダンス型増幅回路を差
動構成にした回路としており、そのトランジスタにはf
Tが20GHzのSi−バイポーラトランジスタを用い
ている。さらに、すべての寄生インダクタンス、寄生容
量はそれぞれ1nH、1pFとしている。
力信号を印加した場合の周波数特性のシミュレーション
結果を示す。クロストークの影響が現れるのは信号振幅
の小さい増幅回路初段のみであるため、プリアンプ出力
のみを示している。
アンプ出力、特性32はAmp2のプリアンプ出力すな
わちCh1からCh2へのクロストークを示している。
従来のアレイ光受信器によるシミュレーション結果を示
す図14を比較すると、共振のレベルが低減され、高周
波側でのクロストークレベルが低減されていることが示
されている。
評価するために、図3におけるCh1からCh2へのク
ロストークレベルの帯域内平均値を、帯域の関数として
計算した結果を示している。同様に、図15は図14に
おけるCh1からCh2へのクロストークレベルの帯域
内平均値である。
ら、Amp1のプリアンプ出力での帯域は両方とも1.
5GHzであるから、図4と図15におけるクロストー
クレベル帯域内平均値の比較点を1.5GHzとする。
図4では−51.4dBであるのに対して図15では−
39.4dBであり、12.0dBのクロストークレベ
ルの低減が達成されていることがわかる。なお、第1の
形態では、高域遮断フィルタを構成する容量を最高電位
電源端子側と最低電位電源端子側で共用しているが、そ
れぞれで独立して構成してもよい。
施の形態について説明する。図5は本発明の第2の実施
の形態によるアレイ光受信器を示すブロック図である。
本発明の第2の実施の形態では、その基本的構成は前述
の通りであるが、高域遮断フィルタの挿入箇所について
さらに工夫している。同図において、高域遮断フィルタ
は増幅回路の初段増幅部Pre1,Pre2‥PreN
の電源線部分に挿入されている。
幅部を流れる電流だけが高域遮断フィルタを流れること
になり、増幅回路を流れる電流がすべて高域遮断フィル
タに流れていた図2の場合と比較して、高域遮断フィル
タ部での電位降下を減少させることができる。このよう
に、本実施の形態では、高域遮断フィルタ部での電位降
下を低減し、増幅回路に印加する電圧を増加させるとい
う効果が得られる。
のカソードは増幅回路の最高電位電源端子に接続され、
受光素子のアノードは増幅回路の入力端子に接続されて
いるが、受光素子の極性を逆にしても、同様の作用・効
果を得ることができる。
説明する。本発明の第3の実施の形態では、その基本的
構成は前述の第1、第2の実施の形態と同様であるが、
各増幅回路、すなわち、図2における増幅回路Amp
1,Amp2‥AmpN、および図5におけるAmp0
1,Amp02‥Amp0Nが、特開平10−3039
92号公報に開示されている識別レベル制御手段を有し
ている。
図であり、その構成および動作の詳細は、特開平10−
303992号公報において述べられている。同図にお
いて、定電圧源8の出力Mは、差動増幅器2の正相出力
D+と逆相出力D−との平均値にほぼ等しく設定されて
いる。この出力Mは、ピーク検出回路4を介して加算器
5に入力されている。ピーク検出回路4は、ピーク検出
回路3と同一の構成であり、ピーク検出回路3の内部オ
フセットをキャンセルするために挿入されている。
INに変換され、差動増幅器2にて電流・電圧変換され
て、正相出力D+,逆相出力D−を得る。光信号パルス
は基底レベルを中心に片側方向のみに信号強度が増減す
る単極性符号のため、これらのパルス信号もまた単極性
符号である。このため、以下のアナログ演算により、双
極性符号に変換することで識別レベルを常にパルス振幅
の中心近傍に設定する。
出器4により、差動増幅器2の正相出力のピーク値Pe
ak(D+)、および定電圧源8の出力Mのピーク値P
eak(M)を得る。定電圧源8の出力Mは、差動増幅
器2の正相出力D+と逆相出力D−の平均値にほぼ等し
く設定されている。加算器5により、正相出力D+とピ
ーク値Peak(M)との加算信号Q+を得る。
相出力のピーク値Peak(D+)との加算信号Q−を
得る。識別回路7aでは、加算信号Q+とQ−との差電
圧を比較し、論理レベル「1」,「0」の決定を行って
出力する。すなわち、入力差電圧レベルが閾値Vthを
上回る場合は論理レベル「1」を、下回る場合は論理レ
ベル「0」を出力する。
信器のある1チャンネルに着目し、その入出力波形につ
いて図7を用いて説明する。図7は、各増幅回路が図6
に示す識別レベル制御手段を有する場合のアレイ光受信
器に、論理レベル「0」レベルが連続した後、「1」レ
ベル、「0」レベルが交番し、その後「1」レベルが連
続する光信号が入力された際の入出力波形を示す波形図
である。同図において、図6中の信号と同等の信号は同
一符号により示されている。
中心に片側方向のみに信号強度が増減する単極性符号の
ため、入力電流信号INもまた単極性信号である。図6
の識別レベル制御手段は、この単極性符号を双極性符号
に変換することで、識別レベルを常にパルス振幅の中心
近傍に設定する。すなわち、識別回路7において、加算
信号Q+とQ−との差電圧を比較し、入力差電圧レベル
が閾値Vthを上回る場合は論理レベル「1」を、下回
る場合は論理レベル「0」を出力する。閾値Vthは、
正の値に設定されている。
ピーク検出回路3が完全な放電状態となると、識別回路
7の入力差電圧(Q+)−(Q−)は0に漸近する。こ
のとき、アレイ光受信器各チャンネル間のクロストーク
が大きければ、論理レベル「0」の連続時に重畳したク
ロストークが閾値Vthを上回り、「0」を「1」と誤
る確率が大きくなるが、本発明ではクロストークの低減
が達成されるので、閾値Vthを上回ることはない。か
くして、入力光信号が論理レベル「0」の連続であって
も、論理レベル「1」,「0」の判別が正しく行われ
る。
の概念ブロック図である。すなわち図8では、受光素子
のカソードを増幅回路の入力端子に接続し、受光素子の
アノードを増幅回路の最低電位電源端子に接続してい
る。増幅回路に入力される電流の向きが逆になり、信号
の極性が反転するだけであるため、本発明の目的は達成
される。
回路の電源線を各チャネルで共通化した場合を例に説明
したが、各チャネルごとに電源が独立して外部から供給
される場合でも、前述と同様に本発明を適用できる。さ
らに、全てのチャネルで電源線を共通化せず、その一部
だけで共通化する場合にも適用可能である。
なく、いずれか一方に高域遮断フィルタを設けてもよ
く、前述と同様の作用効果が得られる。なお、本発明が
上記各実施の形態に限定されず、本発明の技術思想の範
囲内において、各実施例は適宜変更され得ることは明ら
かである。
子のカソード(アノード)を増幅回路の最高電位電源端
子(最低電位電源端子)に、アノード(カソード)を増
幅回路の入力端子にそれぞれ接続し、各増幅回路ごと
に、当該増幅回路の最高電位電源端子とアレイ受信回路
の最高電位電源端子との間および当該増幅回路の最低電
位電源端子とアレイ受信回路の最低電位電源端子との間
のうち少なくともいずれか一方の間に接続された高域遮
断フィルタをさらに備えたので、実装に関わる寄生素子
によって生ずる共振を低減でき良好な受光特性が得られ
るとともに、電源パッド数低減のため各チャンネルの電
源を共通化しつつ、各チャンネル間のクロストークを低
減できる。
図である。
信器を示すブロック図である。
を示す説明図である。
帯域の関係を示す説明図である。
信器を示すブロック図である。
ク図である。
御手段を用いた場合の入出力波形を示す図である。
ック図である。
る。
性を示す図である。
図である。
特性を示す図である。
図である。
特性を示す図である。
値と帯域の関係を示す図である。
のカソード、An1〜AnN…受光素子のアノード、A
mp1〜AmpN…増幅回路、Vcc1〜VccN…増
幅回路の最高電位電源端子、Vee1〜VeeN…増幅
回路の最高電位電源端子、In1〜InN…増幅回路の
入力端子、Vcc…最高電位電源端子、Vee…最低電
位電源端子、Fcc1〜FccN…高域遮断フィルタ
(最高電位電源端子Vcc側)、Fee1〜FeeN…
高域遮断フィルタ(最低電位電源端子Vee側)、1…
受光素子、2…差動増幅器、3,4…ピーク検出器、
5,6…加算器、7…識別回路,8…定電圧源。
Claims (5)
- 【請求項1】 それぞれのチャンネルの光信号を電気信
号に変換する複数の受光素子と、これら各受光素子ごと
に設けられ対応する受光素子からの電気信号を増幅して
出力する複数の増幅回路を集積したアレイ光受信回路と
からなるアレイ光受信器において、 各受光素子のカソードは、それぞれ対応する増幅回路の
最高電位電源端子に接続され、 各受光素子のアノードは、それぞれ対応する増幅回路の
入力端子に接続され、前記各増幅回路ごとに、当該増幅回路の最高電位電源端
子と前記アレイ受信回路の最高電位電源端子との間およ
び当該増幅回路の最低電位電源端子と前記アレイ受信回
路の最低電位電源端子との間のうち少なくともいずれか
一方の間に接続された高域遮断フィルタをさらに備える
ことを特徴とするアレイ光受信器。 - 【請求項2】 それぞれのチャンネルの光信号を電気信
号に変換する複数の受光素子と、これら各受光素子ごと
に設けられ対応する受光素子からの電気信号を増幅して
出力する複数の増幅回路を集積したアレイ光受信回路と
からなるアレイ光受信器において、 各受光素子のカソードは、それぞれ対応する増幅回路の
入力端子に接続され、 各受光素子のアノードは、それぞれ対応する増幅回路の
最低電位電源端子に接続され、前記各増幅回路ごとに、当該増幅回路の最高電位電源端
子と前記アレイ受信回路の最高電位電源端子との間およ
び当該増幅回路の最低電位電源端子と前記アレイ受信回
路の最低電位電源端子との間のうち少なくともいずれか
一方の間に接続された高域遮断フィルタをさらに備える
ことを特徴とするアレイ光受信器。 - 【請求項3】 請求項1または2記載のアレイ光受信器
において、 各増幅回路の最高電位電源端子または最低電位電源端子
の一部または全部が、それぞれの高域遮断フィルタを介
してアレイ光受信回路の最高電位電源端子または最低電
位電源端子に共通して接続されていることを特徴とする
アレイ光受信器。 - 【請求項4】 請求項1または2記載のアレイ光受信器
において、 高域遮断フィルタは、アレイ光受信回路と同一のチップ
上に集積された抵抗素子と容量素子からなることを特徴
とするアレイ光受信器。 - 【請求項5】 請求項1または2記載のアレイ光受信器
において、 高域遮断フィルタは、各増幅回路の初段増幅部の最高電
位電源端子とアレイ光受信回路の最高電位電源端子の
間、または各増幅回路の初段増幅部の最低電位電源端子
とアレイ光受信回路の最低電位電源端子の間のうち、少
なくとも一方の間に挿入されていることを特徴とするア
レイ光受信器。
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