JP3357772B2

JP3357772B2 - 受信回路、光受信回路、光受信モジュール及び光配線モジュールセット

Info

Publication number: JP3357772B2
Application number: JP28599895A
Authority: JP
Inventors: 克二上西; 信之伊藤
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1995-03-31
Filing date: 1995-11-02
Publication date: 2002-12-16
Anticipated expiration: 2015-11-02
Also published as: EP0735707B1; US5777507A; DE69637744D1; EP0735707A2; EP0735707A3; JPH08331064A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光受信回路に係
り、特に任意パターンのバースト信号の伝送が必要な光
データ伝送装置の光受信回路に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、マルチメディアの発達に伴い、情
報・通信機器の大容量化と高速化の要求が高まり、機器
内および機器間の電気配線は高周波化と結線数の増大が
深刻な問題となってきている。光通信の成功は、高速で
大容量の信号伝達を光信号として伝送する技術の優位性
を明らかにし、光伝送が電気信号に代わって実用的なこ
とを証明した。当然、これらの光の特長を利用して、上
記電気配線の問題を解決する光配線技術が考えられ、現
在開発が活発になってきている。しかし、情報機器等で
の配線を伝搬する信号は、光通信のデータとは異なって
直流成分を含み、かつ、マーク率も一定でないバースト
信号を含む任意のパターンのディジタル信号である。当
然、光配線では、これらの信号を正しく伝送できること
が不可欠である。また、電気配線を置き換える光配線で
は、複雑な制御に伴う周辺機器や回路を排除し、コンパ
クトであること、低消費電力と低コスト化も実用上必須
条件と考えられている。

【０００３】従来の光通信で利用されているＡＣ結合型
光受信器では、連続したマーク率一定のデータ信号が入
力することを前提としており、そのためにデータにコー
ディング処理回路を付加して実現している。同様の発想
で、光配線でもコーディング回路を導入して、光通信と
同様な構成で光受信回路を実現しようとする試みもある
が、回路規模が大きくなることに加えて、データの転送
効率が落ち、かつ、データ伝送の内部遅延時間が増大す
る問題があった。

【０００４】一方、ＡＣ結合を止めて加工しないデータ
信号を直接伝送するＤＣ結合型光受信回路がある。図８
に、従来のＤＣ結合型光受信回路の一例を示す。入射し
た光信号１００は、逆バイアスＶＢの印加されたｐｉｎ
フォトダイオード（ｐｉｎ−ＰＤ）１０１にて電流Ｉin
に変換され、トランスインピーダンス増幅器１０２に与
えられる。識別器１０３は、トランスインピーダンス増
幅器１０２の出力を再生識別して電圧Ｖ_D を出力する。
しかし、図８の例では、識別器１０３で再生識別すると
きの識別レベルの参照電圧Ｖｒｅｆが一定であるため、
入力レベルの変動に伴って入力波形の全振幅に対する識
別レベルの割合が変わって、出力パルスの幅が変動した
り、伝送信号の誤り率が変わる問題があった。勿論、最
適な識別レベルに設定するために、伝送系全体を実際に
結合した状態で微妙な手動調節を行なうことを必要とし
ており、光配線のように沢山の結線が求められる場合に
は沢山の手動調整箇所があって実用的ではない。

【０００５】図９に示す光受信回路の場合には、トラン
スインピーダンス増幅器２０２が差動出力になっている
ため識別器２０２の識別レベルが差動入力となって、図
８の場合よりは基準電圧のＶｒｅｆの調整が多少容易に
はなるが、図８と同様の本質的問題は残されたままであ
る。

【０００６】また、識別レベルの変動や外部調節を避け
るため、内部で識別レベルを自動的に決めるようにした
ＤＣ結合型光受信回路が、Ｊ．Ｎｉｓｈｉｋｉｄｏらに
より提案されている（“Ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｉｏｎ
ｏｆｍｕｌｔｉｇｉａｇａｂｉｔｏｐｔｉｃａｌ
ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｕｓｉｎｇｏｆｆ
ｓｅｔｌａｓｅｒｄｒｉｖｉｎｇｆｏｒａｂ
ｒｏａｄｂａｎｄｓｗｉｔｃｈｉｎｇｎｅｔｗｏｒ
ｋ”，ＯＦＣ／Ｉ００Ｃ’９３Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ
Ｄｉｇｅｓｔ．ｐａｐｅｒＴｈＣ３，ｐ１６８，
１９９３）。そのような光受信回路の構成を図１０に示
す。この光受信回路では、トランスインピーダンス増幅
器１０２の信号を差動増幅回路３０４の同相入力端子へ
入力し、差動出力信号Ｖ⁺ ，Ｖ^- の各々の正のピーク値
を各ピーク検出器３０６で検出し、その差が零となるよ
うに差動増幅器３０５で誤差増幅し、その出力を差動増
幅器３０４の逆相入力端子に帰還している。この場合、
回路構成上はＤＣ結合しているが、光入力信号の論理レ
ベル１と０に対応する各電圧レベルがピーク検出器３０
６に保持されることが、回路が正常に動作する条件であ
り、ピーク検出器３の保持時間以内には論理レベル１と
０が少なくとも１回以上反転することが必要である。実
際に、Ｎｉｓｈｉｋｉｄｏらのこれを使った送信系で
は、多重化回路の中にこの機能が組み込まれている。従
って、図１０の光受信回路をバースト信号の伝送に使用
することは不可能である。

【０００７】さらに、図８や図９で示した問題がなく、
かつ、バースト信号も受信できるようにした光受信回路
が、Ｙ．Ｏｔａらにより提案されている（“Ｂｕｒｓｔ
ｍｏｄｅｄｉｇｉｔａｌｄａｔａｒｅｃｅｉｖ
ｅｒ”，ＵＳＰＮｏ．５０２５４５６，Ｊｕｎ
ｅ１８，１９９１； “ＤＣ−１Ｇｂ／ｓＢｕｒｓ
ｔＭｏｄｅＣｏｍｐａｔｉｂｌｅＲｅｃｅｉｖｅ
ｒｆｏｒＯｐｔｉｃａｌＢｕｓＡｐｐｌｉｃａ
ｔｉｏｎｓ”．Ｊｏｕｒ．Ｄｉｄｉｔ．Ｔｅｃｈ．
Ｖｏｌ．１０，ｐ２４４，１９９２）。そのような光受
信回路の概略を図１１に示す。この光受信回路では、受
信したデータ信号の差動信号を出力し、しかも、差動出
力信号が論理全振幅の中点で交差する出力となるように
自動的にオフセットを調整できる帰還構造を備えてい
る。基本構成は、差動トランスインピーダンス増幅器５
０１とピーク検出器５０２が負帰還パスに介在する回路
である。差動プリアンプ５０５の差動入力の一方は受信
入力データ、もう一方の入力には負帰還で発生される基
準電圧５０３に繋がっている。出力パルスの正のピーク
値を検出するピーク検出器５０２では、トランスインピ
ーダンス増幅器５０１への帰還信号を発生して基準電圧
５０３を決めている他、過渡特性を利用して入力信号の
状態に応じてトランスインピーダンス利得を約２倍だけ
変える作用を回路に及ぼす。結果的に、入力信号の論理
振幅の中点で識別された矩形パルスが得られる。また、
比較的少ないトランジスタ数で回路全体が構成されてい
る。しかし、上記のような理想的な動作を得るために
は、ＩＣの半導体プロセスに合わせた高速の帰還回路を
最適設計することが鍵であり、負帰還回路の不安定性を
抑え、かつ、所望の動作をさせる設計を行なうことは現
実にはかなり難しい。加えて、入力回路に直接帰還が懸
かっているため、入力信号のレベルが大きくなったとき
には、入力の動作電圧が信号のレベルによって大きく変
動し、結果的にｐｉｎ−ＰＤ１０１の逆バイアス電圧が
変動してｐｉｎ−ＰＤ１０１の接合容量が変調され、周
波数特性が変わったり、内部回路の動作点が変動してダ
イナミックレンジが制限されるという問題を抱えてい
る。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】以上のように、従来の
ＤＣ結合型光受信回路では、入力レベルの変動によっ
て、出力パルスの幅が変動したり、伝送信号の誤り率が
変わる問題があった。また、沢山の手動調整箇所があ
り、実用的ではなかった。

【０００９】また、他の従来のＤＣ結合型光受信回路で
は、識別レベルの変動や外部調節を避けるため、内部で
識別レベルを自動的に決めるようにしたものがあるが、
バースト信号の伝送に使用することは不可能であった。

【００１０】さらに他の従来のＤＣ結合型光受信回路で
は、内部で識別レベルを自動的に決めるようにしもの
で、バースト信号の伝送にも使用できるようにしたもの
もあるが、入力回路に直接帰還を懸けているため、安定
に動作させることが難しく、また、入力レベルの変動に
より回路の特性や動作に大きく影響を受ける欠点があっ
た。

【００１１】このように従来のＤＣ結合型光受信回路に
は、電気信号の代わりに光に置き換えて信号結線を実現
する光配線に必須な特性を十分備えているものはなかっ
た。また、入力信号を識別再生する一般的な受信回路に
おいても、上記と同様のことが言える。

【００１２】本発明は、上記事情を考慮してなされたも
のであり、簡易な構成で、バースト信号を含めた任意パ
ターンの論理信号データ入力に対し、その振幅に依ら
ず、入力波形と同じ波形を識別再生できる光受信回路お
よび該光受信回路を用いた光受信モジュール、光配線モ
ジュールセットを提供することにある。

【００１３】また、本発明は、簡易な構成で、バースト
信号を含めた任意パターンの論理信号データ入力に対
し、その振幅に依らず、入力波形と同じ波形を識別再生
できる受信回路を提供することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明に係る光受信回路
は、受信した光信号を電流信号に変換する光半導体検出
器と、変換された前記電流信号を入力し、正相と逆相の
同じ大きさの電圧信号を出力する差動型トランスインピ
ーダンス増幅器と、前記正相の電圧信号のピーク値を検
出するピーク検出器と、このピーク検出器の出力信号と
前記正相の電圧信号と前記逆相の電圧信号とを元に加算
演算を行って、振幅が等しく互いに振幅の中点で交差す
る２種類の電圧信号を生成する抵抗回路網と、生成され
た前記２種類の電圧信号が互いに交差する電位を識別
し、これに応じて論理レベルの反転する矩形信号を発生
する識別器とを具備したことを特徴とする。

【００１５】好ましくは、前記識別器は、差動増幅器か
らなり、前記抵抗回路網は、互いの抵抗値の間に所定の
関係を有する４つの抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４からな
り、前記ピーク検出器の出力に接続した抵抗Ｒ１と前記
逆相の電圧信号に接続した抵抗Ｒ２との接続点の電位を
前記識別器の逆相入力端子に与え、前記正相の電圧信号
に接続した抵抗Ｒ３と前記逆相の電圧信号に接続した抵
抗Ｒ４との接続点の電位を前記識別器の正相入力端子に
与えるようにしたことを特徴とする。

【００１６】また、好ましくは、前記４つの抵抗Ｒ１，
Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４の抵抗値を、２・Ｒ１＝２・Ｒ２＝３
・Ｒ３＝Ｒ４なる関係に設定したことを特徴とする。ま
た、好ましくは、前記抵抗回路網を構成する抵抗のうち
所定のものについて、その抵抗値を、他の内部回路の利
得とオフセットのアンバランスを補償する量だけ理論値
からずらして設定するようにしたことを特徴とする請求
項１ないし３のいずれか１項に記載の光受信回路。

【００１７】また、好ましくは、前記正相の電圧信号と
前記逆相の電圧信号の平均電圧を、前記差動型トランス
インピーダンス増幅器を構成する差動増幅器の逆相入力
端子に、基準電圧として与えることを特徴とする。

【００１８】また、好ましくは、前記ピーク検出器を構
成する負帰還増幅器の利得に２段ロールオフ特性を設け
たことを特徴とする。また、好ましくは、前記ピーク検
出器の過渡応答に伴うオーバーシュートを抑圧するダン
ピング回路を設けたことを特徴とする。

【００１９】また、好ましくは、前記差動型トランスイ
ンピーダンス増幅器の代わりに、単相型トランスインピ
ーダンス増幅器および差動増幅器を具備することを特徴
とする。

【００２０】また、好ましくは、前記差動型トランスイ
ンピーダンス増幅器の代わりに、単相型トランスインピ
ーダンス増幅器、可変利得回路および差動増幅器を具備
することを特徴とする。

【００２１】また、好ましくは、前記光半導体検出器に
印加する一定の逆バイアス電圧を発生する手段をさらに
具備することを特徴とする。また、本発明に係る光受信
モジュールは、上記いずれかの光受信回路を少なくとも
１つ、パッケージ内に搭載し、これを気密封止してなる
ことを特徴とする。

【００２２】また、好ましくは、前記光受信回路を有す
る少なくとも１つの光入力部に光コネクターが具備され
ていることを特徴とする。また、本発明に係る光配線モ
ジュールセットは、上記いずれかの光受信モジュール
と、光ディジタル信号を送出する光送信モジュールと、
前記光受信モジュールと前記光送信モジュールを接続す
る手段とを具備したことを特徴とする。接続する手段と
しては、例えば光ファイバーケーブルまたは光リボンフ
ァイバーを用いることができる。

【００２３】本発明に係る受信回路は、電流信号を入力
し、正相と逆相の同じ大きさの電圧信号を出力する差動
型トランスインピーダンス増幅器と、前記正相の電圧信
号のピーク値を検出するピーク検出器と、このピーク検
出器の出力信号と前記正相の電圧信号と前記逆相の電圧
信号とを元に加算演算を行って、振幅が等しく互いに振
幅の中点で交差する２種類の電圧信号を生成する抵抗回
路網と、生成された前記２種類の電圧信号が互いに交差
する電位を識別し、これに応じて論理レベルの反転する
矩形信号を発生する識別器とを具備したことを特徴とす
る。

【００２４】また、本発明に係る受信回路は、電圧信号
を入力し、正相と逆相の同じ大きさの電圧信号を出力す
る差動増幅器と、前記正相の電圧信号のピーク値を検出
するピーク検出器と、このピーク検出器の出力信号と前
記正相の電圧信号と前記逆相の電圧信号とを元に加算演
算を行って、振幅が等しく互いに振幅の中点で交差する
２種類の電圧信号を生成する抵抗回路網と、生成された
前記２種類の電圧信号が互いに交差する電位を識別し、
これに応じて論理レベルの反転する矩形信号を発生する
識別器とを具備したことを特徴とする。

【００２５】（作用）本発明に係る光受信回路では、一
定の逆バイアス電圧を印加したｐｉｎ−ＰＤなどの半導
体光検出器で受光された光信号を電流に変換し、その電
流を差動型トランスインピーダンス増幅器に入力する。
差動型トランスインピーダンス増幅器は、入力電流に比
例した電圧信号に変換すると同時に、正相と逆相の同じ
大きさの振幅の差動信号として出力する。その正相出力
信号をピーク検出器に入力する。ピーク検出器では、入
力パルスの振幅によらず正パルスのピーク値を検出する
（理想的には伝送データの最小パルス幅以内、または、
悪くともその２倍以内で検出できる機能を持たせる）。
差動増幅器の逆相出力と正相出力間、および、逆相出力
とピーク検出器の出力間に抵抗分割回路網を接続し、各
出力電圧間の加算演算を行い、例えば正相信号の０レベ
ルが変わらず振幅が１／２の波形と、最初のデータ信号
入力と同時に逆相信号の振幅が１／２でその値だけ正側
にオフセットを懸けた波形を出力する。原理的に、これ
らの演算出力電圧の交差点は、入力論理信号の全振幅の
中点となっている。交差電位を識別して矩形波形を発生
する識別器の出力を得れば、入力された光信号の振幅の
大きさに依らず、常に振幅の中点を識別レベルとした再
生波形を得ることができる。

【００２６】このため、バースト信号を含めた任意パタ
ーンの論理信号データ入力に対してもパルス幅を保持し
たまま伝送することが可能であり、伝送信号のコーティ
ングなどを必要としないのでデータの伝送効率も高く、
遅延時間も小さく光配線に最適な機能を備えている。

【００２７】また、本発明では、光受信回路を構成する
回路ブロックは全てＤＣ結合されており、比較的単純な
回路構成で回路規模も小さく、複雑な帰還を使っていな
いため、設計が容易であることに加えて、半導体プロセ
スのバラツキによる特性の変化が小さい特徴を持つ。

【００２８】また、本発明では、入力部への電圧帰還を
懸けない標準的なトランスインピーダンス増幅器の使い
方をしているので、増幅器の入力電位は変動せず、その
後の回路の動作中心が変動し予期せぬダイナミックレン
ジの制限が生じるおそれもない。

【００２９】以上から、多チャンネルの光配線に使った
ときには、伝送信号の時間スキューが小さくて同期配線
が可能となるため光バス回路に適用可能な利点も兼ね備
えている。

【００３０】また、本発明に係る受信回路では、上記と
同様に、入力された信号の振幅の大きさに依らず、常に
振幅の中点を識別レベルとした再生波形を得ることがで
きるなどの作用を奏し、同様の効果を得ることができ
る。

【００３１】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら発明の
実施の形態を説明する。図１は、本発明の実施形態に係
る光受信回路の基本構成を示すブロック図である。

【００３２】図１のように、本実施形態の光受信回路
は、入射した光信号を電流信号に変換するｐｉｎフォト
ダイオード（ｐｉｎ−ＰＤ）１、電流を入力し正相出力
Ｖ⁺ と逆相出力Ｖ^- を差動出力する差動型トランスイン
ピーダンス増幅器２、正相出力Ｖ⁺ のピーク値を検出す
るピーク検出器６、その出力と正相出力Ｖ⁺ と逆相出力
Ｖ^- を元に、振幅が等しく互いに振幅の中点で交差する
２つの信号を生成するための抵抗回路網４、該２つの信
号の交差電位を識別して矩形波形を発生するための識別
器３を備えている。

【００３３】本実施形態では、差動型トランスインピー
ダンス増幅器２は、前置増幅器（差動型プリアンプ）２
１と帰還抵抗Ｚ_T から構成する。また、抵抗回路網４
は、４つの抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４から構成し、ピ
ーク検出器６の出力に接続した抵抗Ｒ１と逆相出力Ｖ^-
に接続した抵抗Ｒ２との接続点の電位を識別器３の正相
入力端子に与え、正相出力Ｖ⁺ に接続した抵抗Ｒ３と逆
相出力Ｖ^- に接続した抵抗Ｒ４との接続点の電位を識別
器３の逆相入力端子に与えるようにしている。上記のよ
うにピーク検出器６の出力と正相出力Ｖ⁺ と逆相出力Ｖ
^- を元に、振幅が等しく互いに振幅の中点で交差する２
つの信号を生成するためには、４つの抵抗Ｒ１，Ｒ２，
Ｒ３，Ｒ４の間に、一定の関係を成立させる必要があ
り、本実施形態では、後述するように、Ｒ１＝Ｒ２＝２
Ｒｃ、Ｒ３＝４Ｒｃ／３、Ｒ４＝４Ｒｃなる抵抗値を選
ぶこととする。

【００３４】上記のような構成の光受信回路において、
逆バイアスＶ_B の印加されたｐｉｎ−ＰＤ１に、送信側
（図示せず）から送られてきた光信号１００が入射され
ると、ｐｉｎ−ＰＤ１では、受信した光信号１００を電
流Ｉinに変換し出力する。

【００３５】差動型トランスインピーダンス増幅器２
は、この電流出力Ｉinを入力し、同様の振幅を有する正
相出力Ｖ⁺ と逆相出力Ｖ^- を差動出力する。電流出力Ｉ
inが論理“０”に対応する大きさ（すなわち零あるいは
ほぼ零）のとき、正相出力Ｖ⁺は、逆相出力Ｖ^- とほぼ
同じ電位を持っているが、最終的論理出力Ｖ_D が論理出
力０となる電圧レベルを発生させるのに十分な大きさの
オフセット電圧分だけ低い電位にある。電流出力Ｉinが
論理“１”に対応する大きさのときは、正相出力Ｖ⁺ と
して所定の振幅を有する正のパルスを出力し、逆相出力
Ｖ^- として同様の振幅を有する負のパルスを出力する。

【００３６】差動型トランスインピーダンス増幅器２の
一方の出力である正相出力Ｖ⁺ はピーク検出器６に入力
され、ここでピーク値Ｖｐが検出される。電流出力Ｉin
が論理“０”に対応する大きさのとき、ピーク検出器６
からの出力電圧Ｖｐはオフセット電圧と同じ低い電圧で
ある。

【００３７】一方、電流出力Ｉinが論理“１”に対応す
る大きさになると、ピーク検出器６の出力Ｖｐは、ピー
ク検出器６の内部応答時間の遅れを持って立上がる。そ
して、理想的には、伝送データの最小パルス幅以内、悪
くともその２倍以内でパルスのピーク値に等しくなる。
ピーク値の減衰時間は、最小パルス幅の５倍以上１００
０倍以下の時定数を選んでいる。

【００３８】さて、トランスインピーダンス増幅器２の
正相出力Ｖ⁺ と逆相出力Ｖ^- 、およびピーク検出器６の
出力Ｖｐは、後段に差動増幅器からなる識別器３を有す
る抵抗回路網４に入力される。抵抗回路網４では、３つ
の出力Ｖ⁺ 、Ｖ^- 、Ｖｐを元に加算演算を行ない、互い
に振幅が等しく、該振幅の中点で交差する２つの信号を
生成し、識別器３に供給する。

【００３９】本実施形態では、図１のように、逆相出力
Ｖ^- と出力Ｖｐ、正相出力Ｖ⁺ と逆相出力Ｖ^- に、抵抗
Ｒ１とＲ２、Ｒ３とＲ４をそれぞれ接続して、これらの
電圧の加算演算を行う。理想条件として、例えば、Ｒ１
＝Ｒ２＝２Ｒｃ、Ｒ３＝４Ｒｃ／３、Ｒ４＝４Ｒｃなる
抵抗値を選ぶと、抵抗Ｒ１とＲ２の接続点には、電圧
｛（Ｖｐ）＋（Ｖ^- ）｝／２が、抵抗Ｒ３とＲ４の接続
点には、電圧｛３（Ｖ⁺）＋（Ｖ^- ）｝／４が夫々発生
する。従って、識別器３の入力端には、出力インピーダ
ンスがＲｃで、｛（Ｖｐ）＋（Ｖ^- ）｝／２なる電圧
（正相入力端子側）と｛３（Ｖ⁺ ）＋（Ｖ^- ）｝／４な
る電圧（逆相入力端子側）が入力することになる。

【００４０】識別器３は、上記のようにして与えられた
２つの信号の交差電位を識別して再生信号Ｖ_D を発生す
る。ここで、これらの電圧の変化の様子を図２に示す。
図２の（ａ）にＶ⁺ の波形を、（ｂ）にＶｐの波形を、
（ｃ）にＶ^- の波形を、（ｄ）に実線で｛（Ｖｐ）＋
（Ｖ^- ）｝／２の波形を、破線で｛３（Ｖ⁺ ）＋（Ｖ
^- ）｝／４の波形を、（ｅ）に識別器３からの出力Ｖ_D
の波形を夫々示す。

【００４１】（ｄ）に示す２つの波形から明らかなよう
に、識別器３に対する差動入力信号は、最初のパルス入
力の立下がり以降では、必ず振幅の中点で交差してい
る。識別器３からの出力Ｖ_D は、（ｅ）に示すように、
電圧の交差反転から内部応答遅延だけ遅れて出力論理レ
ベルが反転されるような出力波形として得られる。出力
Ｖ_D は、最初の信号入力の立上がりがパルス振幅の中点
では交差しないが、それ以外では、光データ入力の振幅
に依らず、常に入力パルス振幅の中点で識別再生可能と
なっていることが判る。

【００４２】ここで、本実施形態では、光受信回路を構
成するブロック内では比較的簡単な帰還回路を使ってい
るものもあるが、ブロック間に亘る複雑な帰還は懸けて
いない。基準電圧の高速帰還を入力回路に懸ける従来例
の図１１の回路とは、使っている回路ブロックの機能は
似ているものの、大きく異なる点である。複雑な帰還回
路を使わなくて済む分、回路設計が容易であること、プ
ロセスによって変動する素子特性のバラ付きにそれ程影
響されない特徴がある。また、従来例の図１１の回路と
異なり、入力部への電圧帰還を懸けない標準的なトラン
スインピーダンス増幅器の使い方をしているので、一般
に増幅器の入力電位は変動せず、その後の回路の動作中
心が変動して予期せぬダイナミックレンジの制限が生じ
るおそれもない。回路構成も比較的簡単であるので、コ
ンパクトでチップサイズが小さくて、消費電力の少ない
回路が実現できる。

【００４３】このように、本実施形態によれば、光受信
回路を構成する回路ブロックは全てＤＣ結合されてお
り、等価的に入力信号の論理振幅の中点を自動的に識別
レベルとして伝送波形を再生できる回路構成となってい
る。このため、バースト信号を含めた任意パターンの論
理信号データ入力に対してもパルス幅を保持したまま伝
送することが可能であり、伝送信号のコーティングなど
を必要としないのでデータの伝送効率も高く、遅延時間
も小さく光配線に最適な機能を備えている。また、比較
的単純な回路構成であり回路規模も小さく、複雑な帰還
を使っていないため設計が容易であることに加えて、半
導体プロセスのバラ付きによる特性の変化が小さい特徴
を持つ。以上の特徴から、多チャンネルの光配線に使っ
たときには、伝送信号の時間スキューが小さくて同期配
線が可能となるため光バス回路に適用可能な特徴も兼ね
備える。

【００４４】次に、本発明を適用した受信回路をＩＣと
して実際に試作した場合の詳細な回路構成例について説
明する。図３と図４にそれぞれ同回路構成例を示す。な
お、図４は、図３のピーク検出器に後述するダンピング
回路を付加したものである。また、図４の回路のＡ−Ａ
´の左側の部分には、図３の回路のＡ−Ａ´の左側の部
分と同じ回路が存在するが、図面上では省略してある。

【００４５】まず、本回路例では、トランジスタＱ１，
Ｑ２と負荷抵抗Ｒ１０，Ｒ１１、およびトランジスタＱ
２１，Ｖｃｓ，負荷抵抗Ｒ２３の定電流源で構成される
差動増幅器と、それらのトランジスタＱ４，Ｑ５，Ｑ
６，Ｑ７，Ｑ２３，Ｑ２４によるエミッタフォロワ、帰
還抵抗Ｒｆ、帰還容量Ｃｆにより、トランスインピーダ
ンス増幅器２を形成している。

【００４６】図示しないＰｉｎ−ＰＤ１の電流出力Ｉin
は、Input 端子より入力され、Ｑ１のベースに入る。こ
こで、差動出力の平均電圧を、差動増幅器の逆相入力端
子の基準電圧とすると好ましい。例えば、図３や図４の
回路例では、２つの抵抗Ｒc1，Ｒc2（Ｒc1＝Ｒc2＝２Ｒ
ｆとする）で正相出力Ｖ⁺ と逆相出力Ｖ^- の中点を取
り、その電位をトランジスタＱ２のベースに入力してい
る。これによって、理想値に近いトランスインピーダン
ス利得を得ることと、バランス良い差動出力を得ること
ができる。

【００４７】また、Input 端子をＶccに対して−３Ｖ程
度の電圧を取るように設計することができ、この電圧は
Ｐｉｎ−ＰＤ１の逆バイアスとして利用することができ
る。この一定の逆バイアス電圧によって、Ｐｉｎ−ＰＤ
１を高速動作させることができる。

【００４８】次に、本回路例では、トランジスタＱ８，
Ｑ９と負荷抵抗Ｒ１２，Ｒ１３、およびトランジスタＱ
２５，Ｖｃｓ，Ｒ２６からなる定電流源で構成される差
動増幅器と、スイッチおよびエミッタフォロワの役目を
果たすトランジスタＱ１０、電圧保持容量ＣＰＤ、その
トランジスタＱ１１，Ｑ２６によるエミッタフォロワに
より、ピーク検出器６を構成する。

【００４９】正相出力Ｖ⁺ 信号は、このピーク検出器６
を構成するトランジスタＱ８のベースに入力される。ピ
ーク検出器６では、正のパルスが入力したとき、トラン
ジスタＱ１０がオンして電圧保持容量Ｃ_PDがチャージさ
れ、パルスのピーク値がＶｐとして出力される。実際に
回路を作って見ると、帰還回路の伝搬遅延が作用して信
号入力が小さいときには２倍程度のオーバーシュートが
観測された。トランジスタＱ１０のエミッタと電圧保持
容量Ｃ_PDの間に数１０から数１００Ωの抵抗を挿入する
と、オーバーシュートを改善することができる。しか
し、入力振幅の大きさによって、最適な値が変わった。

【００５０】ところで、図３や図４の回路例のように、
抵抗Ｒ１２と抵抗Ｒ１３の間に容量ＣＢと抵抗ＲＢを直
列に接続すると、ピーク検出器の誤差増幅器の利得特性
を図５の実線のように変形できる。遮断周波数ｆＢと利
得Ｇ１の値は、容量ＣＢと抵抗ＲＢの値を変えることに
よって自由に設定することができ、最適化を試みること
によって入力変動に対して立上がり時間をほぼ一定にす
ることができた。最適値は、ＩＣのプロセスに依存して
一概には言えないが、利得Ｇ１＝Ｇ０／２〜４、遮断周
波数ｆＢ＝ｆｃ／２〜５であった。このように、ピーク
検出器３を構成する負帰還増幅回路の利得に２段ロール
オフ特性を持たせることによって、ピーク検出器のダイ
ナミックレンジを振幅に対して広くすることができる。

【００５１】帰還増幅器の利得Ｇ０を稼ぐため、抵抗Ｒ
１２を零とした変形も可能であるが、出力のオフセット
電圧が変わることと、容量ＣＢと抵抗ＲＢの最適値が変
わることに注意しなければならない。

【００５２】もちろん、容量ＣＢと抵抗ＲＢを接続しな
くても構わない。通常、図３のような回路構成によって
ピーク検出器の必要なダイナミックレンジを確保でき
る。しかし、さらに広いダイナミックレンジを得るため
には、図４のようにダンピング回路を付加する回路構成
が効果的である。

【００５３】ピーク検出器は、原理的には前記と同様に
設計した後、トランジスタＱ１０のトランジスタサイズ
を２〜４倍に大きくする。これによってピーク検出器
は、入力の大きさに依らず出力は常にオーバーシュート
気味の特性を持つ。オーバーシュートを持つピーク検出
信号出力の過渡応答を、抵抗Ｒ１４，Ｒ１５、容量Ｃ１
と、トランジスタＱ１２，Ｑ１３からなる差動増幅器で
検出し増幅する。トランジスタＱ１２，Ｑ１３からなる
差動増幅器は、抵抗負荷Ｒ１６で発生する過渡信号電圧
をＱ１４によるエミッタフォロワを介し、さらに抵抗Ｒ
１６，Ｒ２９を通じてＱ１２，Ｑ１３の共通エミッタに
供給する電流を発生する電流発生トランジスタＱ２７の
ベースに供給され、全体的には帰還増幅器となってい
る。

【００５４】通常過渡信号が入力されていないときの共
通エミッタへのバイアス電流は、１００μＡ以下で増幅
回路の必要とする帯域幅が確保できる範囲で出来るだけ
小さい値になるように、帰還増幅回路の定数を決めた。
同時に、Ｑ１２のコレクターはピーク保持容量ＣＰＤに
接続されており、過渡応答が入っているときだけ最大ｍ
Ａオーダーの電流が流れて、ピーク検出器のオーバーシ
ュート分を速やかに減衰させるように回路定数を決め
た。

【００５５】以上のように、ピーク検出器に過渡応答に
伴うオーバーシュートを抑圧するダンピング回路を付加
した組合わせ回路に依り、広いダイナミックレンジで過
渡応答を含めて精度良く作動するピーク検出器を構成で
きた。ただし、この場合には高速の帰還型ダンピング回
路の最適化が必要となり、トランジスタの性能が影響す
るので多少プロセス依存性が存在する。

【００５６】次に、正相出力Ｖ⁺ 、そのピーク値出力Ｖ
ｐ、逆相出力Ｖ^- の電圧間の加算演算を行う抵抗Ｒ１，
Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４の理想的な値の関係は前述した通りで
あり、実際に設計したところでも、殆ど理想値のままで
差し支えなかった。ただし、厳密には、差動信号の大き
さと波形のバランスが多少崩れているので、抵抗値を理
想値から多少振ってやることによって、他の内部回路の
利得とオフセットのアンバランスを補正することができ
た。

【００５７】次に、本回路例では、トランジスタＱ１
５，Ｑ１６と負荷抵抗Ｒ１７，Ｒ１８、共通抵抗Ｒ１
９、およびＱ２８，Ｖｃｓ，Ｒ３０の定電流源で構成さ
れる差動増幅器は、リミッタ増幅器として設計してお
り、トランジスタＱ１７，Ｑ１８、およびＱ２９，Ｑ３
０，Ｖｃｓ，Ｒ３１，Ｒ３２の定電流源で構成されるエ
ミッタフォロワを通して出力される。これと後段の出力
回路とを組み合わせて識別器３を構成する。

【００５８】なお、入力部に接続されているトランジス
タＱ２０は、制御信号ＣＴＲＬによって上記の正相出力
Ｖ⁺ と逆相出力Ｖ^- のオフセット量を調節するためのも
のである。

【００５９】この回路例によれば、回路規模はコンパク
トであり、消費電力の低減とチップサイズの縮小が可能
なことは明らかである。また、回路をアレイ化して多チ
ャンネルの光受信器に利用することは容易である。必然
的に、光配線の受信回路に適用できることは明白であ
る。

【００６０】次に、図１の差動型トランスインピーダン
ス増幅器２の変形例を示す。図６は、差動型トランスイ
ンピーダンス増幅器２として、単相のトランスインピー
ダンス増幅器２と差動増幅器１３との組合わせを用いた
ものである。

【００６１】図７は、差動型トランスインピーダンス増
幅器２として、単相のトランスインピーダンス増幅器１
２と可変利得回路１４と差動増幅器１３との組合わせを
用いたものである。ここでは、図８のトランスインピー
ダンス増幅器１２と差動増幅器１３の間に可変利得回路
１４を挿入して、入力のダイナミックレンジを拡大して
いる。

【００６２】以上、本実施形態の光受信回路について説
明してきたが、以下では、この光受信回路を用いた装置
の例として、光受信モジュールと光配線モジュールセッ
トの構成例を示す。

【００６３】（第１の応用例）上記した本実施形態の光
受信回路のＰｉｎ−ＰＤ以外の部分をＩＣ化して試作し
た光受信回路ＩＣをＰｉｎ−ＰＤと共にパッケージに搭
載し、気密封止したモジュールとして仕上げた。ピグテ
ールの光入力構造とする１、４、６、８、１０、１２チ
ャンネルの光受信モジュールは、任意パターン波形のデ
ータを伝送できることが確認できた。また、出来上がっ
た光受信モジュールは、従来のものに比べて、小型化と
低コスト化が可能となった。

【００６４】なお、光入力をピグテールとする代わり
に、レンズ結合としても同様の効果が得られることは明
白である。（第２の応用例）さらに、光データリンクの受信器とし
て実装する際、ピグテール入力によるファイバーの破損
を防ぎ、光受信モジュールの自動マウントが可能なよう
に光コネクタから光信号を入力できる構造とした。これ
ら機器製造上の効果に加えて、モジュールを使用してい
る機器の保守が容易になった。

【００６５】（第３の応用例）上記のようにして作られ
た光受信モジュールと、小型かつ単純な構成で光ディジ
タル信号を送出する光送信モジュールを作り、これらを
接続する光ファイバーケーブルまたは光リボンファイバ
ーとで繋いだ光データリンクを試作した。光通信機器の
ボード間や機器間の接続に使用できるほか、任意パター
ン波形のデータを転送できるため、計算機関連のデータ
接続に使用できる光配線モジュールセットが実現でき
た。電気的機能に留まらず、サイズ、コスト、消費電力
ともに、光配線の要求仕様を満たすものである。

【００６６】ところで、以上の実施形態では、Ｓｉバイ
ポーラ・トランジスタを使った回路を使って説明した
が、ＭＯＳＦＥＴや、ＧａＡｓＭＥＳＦＥＴ、ＧａＡ
ｓＨＢＴ、ＩｎＰＨＥＭＴ、ＩｎＰＨＢＴなどの
能動素子で構成することもできる。また、光半導体検出
器として、ｐｉｎ−ＰＤを例に説明してきたが、ＡＰＤ
やＭＳＭ光検出器や、フォト・トランジスタでも良い。

【００６７】さて、以上の実施形態では、差動型トラン
スインピーダンス増幅器２の前段に、入射した光信号を
電流信号に変換するｐｉｎフォトダイオードを接続した
例を示した。しかし、本発明は、光受信器への適用に限
定されない。例えば、ｐｉｎフォトダイオードを備えて
いないものであっても、差動型トランスインピーダンス
増幅器へ入力する識別再生すべき信号が電流信号である
ような送受信システムにおける受信回路であれば、本発
明を適用することができる。

【００６８】また、受信回路への入力が電流信号ではな
く、電圧信号であるような送受信システムにおける受信
回路であっても、電流−電圧変換を行なう差動型トラン
スインピーダンス増幅器を、電圧信号を入力し正相と逆
相の電圧信号を出力する差動増幅器に変えることで、本
発明を適用することができる。

【００６９】いずれの場合においても、識別すべき信号
のレベル変動に強く、バースト信号も識別でき、かつ簡
易な構成で設計が容易であり安定に動作する受信回路を
得ることができる。本発明は、上述した実施の形態に限
定されるものではなく、その技術的範囲において種々変
形して実施することができる。

【００７０】

【発明の効果】本発明によれば、入力波形パルス振幅の
中点を自動識別することによって、バースト信号を含め
た任意パターンの論理信号データ入力に対し、その振幅
の大きさに依らず、元々の入力波形と同じ波形を識別再
生することができる。

【００７１】また、本発明によれば、比較的単純な回路
構成で回路規模が小さくて済むこと、複雑な帰還を使用
せずに設計が容易であること、プロセスのバラ付きによ
る特性の変化が小さいことなどの利点を有し、低コスト
化、多チャンネル化が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係る光受信回路の基本構
成を示す図

【図２】図１の信号の電圧波形を示す図

【図３】同実施形態のさらに詳細な回路構成例を示す図

【図４】図３のピーク検出器にダンピング回路を付加し
た回路構成例を示す図

【図５】ピーク検出器における誤差増幅回路の周波数特
性の一例を示す図

【図６】差動型トランスインピーダンス回路の一変形例
を示す図

【図７】差動型トランスインピーダンス回路の他の変形
例を示す図

【図８】従来の光受信回路の一例を示す図

【図９】従来の光受信回路の他の例を示す図

【図１０】従来の光受信回路のさらに他の例を示す図

【図１１】従来の光受信回路のさらに他の例を示す図

【符号の説明】

１…ｐｉｎフォトダイオード２…トランスインピーダンス増幅器３…識別器４…抵抗回路網６…ピーク検出器１２…プリアンプ１３…差動増幅器１４…可変利得回路２１…差動型プリアンプ１００…入力光信号１０１…ｐｉｎフォトダイオード１０２…プリアンプ１０３…識別器２０２…差動型プリアンプ３０４…差動増幅器３０５…誤差増幅器５０１…差動トランスインピーダンス増幅器５０２…ピーク検出器５０５…差動プリアンプ５０６…ピーク検出用誤差増幅器

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩＨ０４Ｂ 10/28 Ｈ０４Ｌ 25/03 (56)参考文献特開平８−293838（ＪＰ，Ａ) 特開平８−84160（ＪＰ，Ａ) 特開平１−286655（ＪＰ，Ａ) 特開昭56−107628（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H04B 10/00 - 10/28 H04J 14/00 - 14/08 H03K 5/1252 H04L 25/03

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】受信した光信号を電流信号に変換する光半
導体検出器と、変換された前記電流信号を入力し、正相と逆相の同じ大
きさの電圧信号を出力する差動型トランスインピーダン
ス増幅器と、前記正相の電圧信号のピーク値を検出するピーク検出器
と、このピーク検出器の出力信号と前記正相の電圧信号と前
記逆相の電圧信号とを元に加算演算を行って、振幅が等
しく互いに振幅の中点で交差する２種類の電圧信号を生
成する抵抗回路網と、生成された前記２種類の電圧信号が互いに交差する電位
を識別し、これに応じて論理レベルの反転する矩形信号
を発生する識別器とを具備したことを特徴とする光受信
回路。
【請求項２】前記識別器は、差動増幅器からなり、前記抵抗回路網は、互いの抵抗値の間に所定の関係を有
する４つの抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４からなり、前記ピーク検出器の出力に接続した抵抗Ｒ１と前記逆相
の電圧信号に接続した抵抗Ｒ２との接続点の電位を前記
識別器の逆相入力端子に与え、前記正相の電圧信号に接
続した抵抗Ｒ３と前記逆相の電圧信号に接続した抵抗Ｒ
４との接続点の電位を前記識別器の正相入力端子に与え
るようにしたことを特徴とする請求項１に記載の光受信
回路。
【請求項３】前記４つの抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４の
抵抗値を、２・Ｒ１＝２・Ｒ２＝３・Ｒ３＝Ｒ４なる関
係に設定したことを特徴とする請求項２に記載の光受信
回路。
【請求項４】前記抵抗回路網を構成する抵抗のうち所定
のものについて、その抵抗値を、他の内部回路の利得と
オフセットのアンバランスを補償する量だけ理論値から
ずらして設定するようにしたことを特徴とする請求項１
ないし３のいずれか１項に記載の光受信回路。
【請求項５】前記正相の電圧信号と前記逆相の電圧信号
の平均電圧を、前記差動型トランスインピーダンス増幅
器を構成する差動増幅器の逆相入力端子に、基準電圧と
して与えることを特徴とする請求項１または４に記載の
光受信回路。
【請求項６】前記ピーク検出器を構成する負帰還増幅器
の利得に２段ロールオフ特性を設けたことを特徴とする
請求項１、４または５に記載の光受信回路。
【請求項７】前記ピーク検出器に、過渡応答に伴うオー
バーシュートを抑圧するダンピング回路を設けたことを
特徴とする請求項１、４、５または６に記載の光受信回
路。
【請求項８】前記差動型トランスインピーダンス増幅器
の代わりに、単相型トランスインピーダンス増幅器およ
び差動増幅器を具備することを特徴とする請求項１、
４、６または７に記載の光受信回路。
【請求項９】前記差動型トランスインピーダンス増幅器
の代わりに、単相型トランスインピーダンス増幅器、可
変利得回路および差動増幅器を具備することを特徴とす
る請求項１、４、６または７に記載の光受信回路。
【請求項１０】前記光半導体検出器に印加する一定の逆
バイアス電圧を発生する手段をさらに具備することを特
徴とする請求項１、５、８または９に記載の光受信回
路。
【請求項１１】請求項１ないし１０のいずれか１項に記
載の光受信回路を少なくとも１つ、パッケージ内に搭載
し、これを気密封止してなることを特徴とする光受信モ
ジュール。
【請求項１２】前記光受信回路を有する少なくとも１つ
の光入力部に光コネクターが具備されていることを特徴
とする請求項１１に記載の光受信モジュール。
【請求項１３】請求項１１または１２に記載の光受信モ
ジュールと、光ディジタル信号を送出する光送信モジュールと、前記光受信モジュールと前記光送信モジュールを接続す
る手段とを具備したことを特徴とする光配線モジュール
セット。
【請求項１４】電流信号を入力し、正相と逆相の同じ大
きさの電圧信号を出力する差動型トランスインピーダン
ス増幅器と、前記正相の電圧信号のピーク値を検出するピーク検出器
と、このピーク検出器の出力信号と前記正相の電圧信号と前
記逆相の電圧信号とを元に加算演算を行って、振幅が等
しく互いに振幅の中点で交差する２種類の電圧信号を生
成する抵抗回路網と、生成された前記２種類の電圧信号が互いに交差する電位
を識別し、これに応じて論理レベルの反転する矩形信号
を発生する識別器とを具備したことを特徴とする受信回
路。
【請求項１５】電圧信号を入力し、正相と逆相の同じ大
きさの電圧信号を出力する差動増幅器と、前記正相の電圧信号のピーク値を検出するピーク検出器
と、このピーク検出器の出力信号と前記正相の電圧信号と前
記逆相の電圧信号とを元に加算演算を行って、振幅が等
しく互いに振幅の中点で交差する２種類の電圧信号を生
成する抵抗回路網と、生成された前記２種類の電圧信号が互いに交差する電位
を識別し、これに応じて論理レベルの反転する矩形信号
を発生する識別器とを具備したことを特徴とする受信回
路。