JP3758750B2 - 光受信装置 - Google Patents

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JP3758750B2
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光信号を受信して電気信号に変換する光受信装置に関し、特に、受光素子の低周波応答に起因するオフセットレベル上昇を補償するようにした光受信装置に関する。
【0002】
近年、情報伝送量の増大に伴い光通信が注目されている。そうした光通信において重要な役目を果たす装置として、パルス状の光信号を受信して電気信号に変換する光受信装置がある。
【0003】
【従来の技術】
一般に、光受信装置を構成する受光素子には低周波応答が含まれ、これが原因となって、パルス状の光信号のゼロレベルに相当する、受光素子から出力された電気信号のオフセットレベルが時間経過に伴い上昇する。
【0004】
この低周波応答の原因の1つとして、受光素子の構造が考えられている。すなわち、図13に一般的な受光素子であるPINフォトダイオードの断面構造を示すが、この図において、PINフォトダイオードは、P層、I層(空乏層)、N層の3層からなり、P層とN層との間にI層が挟まれ、P層とN層とに対して電圧が印加される。I層が受光すると、キャリアが生成され、これがP層とN層との間にできている電界で加速されて受光素子のアノード側またはカソード側に到達する。これによって、入力光が電気信号に変換される。
【0005】
ところで、印加電極から面方向に離れた部分では電界強度が低くなるが、そうした電界強度が低いI層部分にも光が当たることにより、キャリアが生成される。こうしたキャリアは、電界により殆ど加速されることなく、徐々に拡散して受光素子のアノード側またはカソード側に到達する。その結果、受光素子は非常に大きな時定数を持つことになる。この場合の受光素子の周波数応答特性を図14(A)に示すが、数〜数100kHz付近に段差が生ずることとなる。
【0006】
こうした周波数応答特性を持つ受光素子に、図14(B)に示すような強度変調が行われた光信号が入力されると、図14(C)に示すようなオフセットレベルが時間経過に伴い上昇した電気信号を出力する。
【0007】
受光素子から出力される電気信号のオフセットレベルが時間経過に伴い上昇するために、次のような問題が生じる。
先ず第1に、光通信をコンピュータ間のデータ転送に使用した場合を説明する。こうした転送では、比較的伝送距離が短いため、大きなダイナミックレンジを要求されない。したがって、光受信装置の簡単化によるコスト低減を狙い、固定しきい値方式により振幅識別を行う。ところで、オフセットレベルが時間経過に伴い上昇する電気信号を基に、固定しきい値方式により振幅識別を行った場合、図15(A)に示すように、受光素子から出力される電気信号の「0」レベルが、しきい値を越えてしまうことが生じる。この結果、図15(B)に示すように、「0」信号を「1」信号と誤ってしまう(図中に「エラー」と表示)という問題がある。
【0008】
つぎに第2の問題を説明する。
光受信装置では、低消費電力を狙って光受信装置の電源電圧を低くすることが行われているが、こうした装置で、受光素子に大振幅信号が入力された場合、受光素子の後段に設けられる前置増幅器が飽和してしまう。これを回避するために、前置増幅器にログアンプ形式が採用されている。すなわち、前置増幅器の入出力特性を、図16(A)に示すように、一定レベル以上の入力に対してフラットな出力となるようにしている。ところが、図16(B)に示すような、振幅が大きく、且つオフセットレベルが時間経過に伴い上昇する信号が、この前置増幅器に入力された場合、図16(C)に示すように、本来の「0」レベルが「1」レベルに近づき、ついには「1」レベルと区別がつかない状態になってしまうという問題が生じる。
【0009】
こうした問題を解決した従来技術として、前置増幅器出力の「0」レベル変動を検出し、これを前置増幅器に帰還してオフセットをキャンセルするようにした回路が知られている(1995年電子情報通信学会エレクトロニクスソサイエティ大会予稿集C−502)。また、特開平6−232916号公報および特開平6−232917号公報に開示された従来技術がある。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、電子情報通信学会エレクトロニクスソサイエティ大会予稿集に掲載の従来技術では、「1」レベルが連続して入力した場合に、「1」レベルを「0」レベルに近づけるように帰還がかかるため、「1」レベルを「0」レベルと誤認する可能性がある。そのため、この従来技術では、同符号連続数を制限する必要がある。また、特開平6−232916号公報および特開平6−232917号公報に開示された従来技術では、回路構成が非常に複雑であり、低消費電力化や回路構成の簡略化によるコスト低減等の観点で問題がある。
【0011】
こうしたことから、本発明は、受光素子のオフセット上昇に伴う前述の問題を解決する手段として、こうした従来技術とは異なる他の手段を提供するものである。
【0012】
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、受光素子のオフセット上昇に伴う振幅識別不能の問題を解決し、かつ、同符号連続入力に対しても振幅識別が可能であり、構成が簡単である光受信装置を提供することを目的とする。
【0013】
【課題を解決するための手段】
本発明では上記目的を達成するために、図1に示すように、入力した光信号を電流量に変換する受光素子1と、受光素子1の出力した電流量のうちで、光信号のゼロレベルに相当するオフセット電流量を表す電気量を検出するオフセット検出回路2と、オフセット検出回路2が検出した電気量からオフセット電流量を再生し、再生されたオフセット電流量を、受光素子1の出力した電流量から引抜く電流引抜き回路3とを有することを特徴とする光受信装置が提供される。
【0014】
以上のような構成において、オフセット検出回路2を、抵抗器とコンデンサとの並列接続回路で構成する。これらの並列回路の時定数を適切に選択することにより、オフセット検出回路2は、図2(A)に示すように、受光素子1の出力した電流量IPDのうちのオフセット電流量I0のカーブとほぼ相似な電流量カーブI2を検出することができる。
【0015】
電流引抜き回路3は、この電流量カーブI2を基に、図2(B)に示すようなオフセット電流量I0とほぼ同じカーブを有する引抜き電流I1を作成し(即ち、「オフセット電流量の再生」と同義)、受光素子1の出力した電流量IPDからこの引抜き電流I1を引き抜く。この結果、前置増幅器4には、図2(C)に示すような、オフセットの補償が行われた電流が入力される。
【0016】
また、図3に示すように、「1」レベルが連続して入力された場合でも、オフセット検出回路2は、図3(A)に示すように、受光素子1のオフセット電流量I0のカーブとほぼ相似な電流量カーブI2を検出することができる。したがって、上記と同様に、電流引抜き回路3は、この電流量カーブI2を基に、図3(B)に示すようなオフセット電流量I0とほぼ同じカーブを有する引抜き電流I1を作成し、受光素子1の出力した電流量IPDからこの引抜き電流I1を引き抜く。この結果、前置増幅器4には、図3(C)に示すような、オフセットの補償が行われた電流が入力される。
【0017】
以上のようにして、受光素子1のオフセット上昇に伴う振幅識別不能の問題が解決されるとともに、同符号連続入力に対しても振幅識別が可能であり、また構成が簡単である光受信装置が提供される。
【0018】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
まず、本発明の光受信装置に係る第1の実施の形態の原理構成を、図1を参照して説明する。第1の実施の形態は、入力した光信号を電流量に変換する受光素子1と、受光素子1の出力した電流量のうちで、光信号のゼロレベルに相当するオフセット電流量を表す電気量を検出するオフセット検出回路2と、オフセット検出回路2が検出した電気量からオフセット電流量を再生し、再生されたオフセット電流量を、受光素子1の出力した電流量から引抜く電流引抜き回路3とを備える。
【0019】
図4は、第1の実施の形態の詳しい構成を示すブロック図である。図中、電流引抜き回路3が電圧バッファ3aと電圧制御電流源3bとから構成される。このブロック図に対応する回路図を図5に示す。
【0020】
図5において、受光素子1はPINフォトダイオードPDで構成され、フォトダイオードPDのカソード側にオフセット検出回路2が接続される。オフセット検出回路2は、可変抵抗R1とコンデンサC1との並列接続回路となっている。フォトダイオードPDのアノード側は、前置増幅器4の入力端であるトランジスタQ3のベースに接続される。受光素子1とオフセット検出回路2との接続点が、電圧バッファ3aの入力端であるトランジスタQ1のベースに、抵抗R2を介して接続される。電圧バッファ3aはエミッタフォロアで構成される。電圧バッファ3aの出力端は、電圧制御電流源3bの入力端であるトランジスタQ2のベースに接続される。電圧制御電流源3bのトランジスタQ2のコレクタは、前置増幅器4のトランジスタQ3のベースに接続される。
【0021】
つぎに図5の回路の動作を説明する。
可変抵抗R1とコンデンサC1との並列接続回路は、図2(A)に示したように、フォトダイオードPDに流れる電流IPDを積分して、電流量カーブI2に相当する電圧値を検出する。この電流量カーブI2の形状は、可変抵抗R1の抵抗値を変化させることによって変化するので、この電流量カーブI2の形状がフォトダイオードPDのオフセット電流量I0のカーブと相似となるように、可変抵抗R1の抵抗値を調整する。実際には、前置増幅器4の出力を監視して、図2(C)のような波形が得られるように、可変抵抗R1の抵抗値を調整する。
【0022】
電流量カーブI2に相当する電圧が、電圧バッファ3aのトランジスタQ1のベースに入力されると、トランジスタQ1のエミッタに接続されたダイオードD1と抵抗R3との接続点には、図2(B)に示す引抜き電流I1に相当する電圧が発生する。この電圧に応じて電圧制御電流源3bのトランジスタQ2が電流を発生する。この電流が、図2(B)の引抜き電流I1に相当する。引抜き電流I1は、トランジスタQ2のコレクタに流入する方向に流れるので、フォトダイオードPDから前置増幅器4のトランジスタQ3のベースに流れる筈の電流IPDから、引抜き電流I1だけが差し引かれた電流(IPD−I1)がトランジスタQ3のベースに流れることになる。
【0023】
前置増幅器4はトランスインピーダンス型の通常の構成である。ダイオードD4は、大振幅信号の入力によって飽和することを防ぐために設けられたログアンプ形式を構成するダイオードであり、ダイオードD3は大振幅信号の入力による発振を防止するためのダイオードである。
【0024】
以上のようにして、フォトダイオードPDのオフセット電流量I0の上昇に伴う振幅識別不能の問題が解決されるとともに、同符号連続入力に対しても、引抜き電流I1の形状をオフセット電流量I0の形状とほぼ同じにすることができるので、振幅識別が可能である。その上、回路構成が簡単であり、IC化も容易に実現可能である。
【0025】
つぎに、第2の実施の形態を説明する。
図6は第2の実施の形態の構成を示すブロック図であり、図7はこのブロック図に対応する回路図である。なお、第2の実施の形態の構成は、第1の実施の形態の構成と基本的には同じであるので、同じ構成部分には同じ参照符号を付してその説明を省略する。
【0026】
第2の実施の形態では、第1の実施の形態の構成に、電圧バッファ3cと増幅器3dとを新たに追加する。すなわち、図6に示すように、電圧バッファ3cと増幅器3dとを、オフセット検出回路2と電圧バッファ3aとの間に追加する。回路構成で説明すれば、図7に示すように、受光素子1とオフセット検出回路2との接続点が、電圧バッファ3cの入力端であるトランジスタQ5のベースに抵抗R9を介して接続される。電圧バッファ3cの出力端は、増幅器3dの入力端であるトランジスタQ6のベースに接続される。増幅器3dの出力端であるトランジスタQ7のコレクタは、電圧バッファ3aのトランジスタQ1のベースに接続される。増幅器3dは、可変抵抗R16の抵抗値を可変することにより利得を可変できる差動増幅器である。
【0027】
こうした、電圧バッファ3cと増幅器3dとを追加し、増幅器3dの増幅量を調整することにより、電圧制御電流源3bで発生する引抜き電流I1の大きさを調整することができる。
【0028】
なお、第2の実施の形態では増幅器3dを追加して、引抜き電流I1の大きさを増やす方向で調整しているが、引抜き電流I1の形状とフォトダイオードPDのオフセット電流量I0の形状との大小関係によっては、増幅器3dに代わって、減衰量を可変できる減衰器を設け、引抜き電流I1の大きさを減らす方向で調整するようにした方がよい場合もあり得る。
【0029】
つぎに、第3の実施の形態を説明する。
図8は第3の実施の形態の構成を示すブロック図であり、図9はこのブロック図に対応する回路図である。第3の実施の形態の構成は、第1の実施の形態の構成と基本的には同じであるので、同じ構成部分には同じ参照符号を付してその説明を省略する。
【0030】
第3の実施の形態では、第1の実施の形態の電流引抜き回路3が、電圧バッファ3eと抵抗R20とで構成される。回路構成で説明すれば、図9に示すように、受光素子1とオフセット検出回路2との接続点が、電圧バッファ3eの入力端であるトランジスタQ10のベースに、抵抗R21を介して接続される。電圧バッファ3eの出力端は抵抗R20の一端に接続され、抵抗R20の他端は、前置増幅器4のトランジスタQ3のベースに接続される。
【0031】
つぎに、前置増幅器4のトランジスタQ3のベースに流れこむ筈の電流量IPDから、抵抗R20を介して引き抜かれる引抜き電流I1について説明する。すなわち、オフセット検出回路2で電圧ΔVの出力が得られ、それが電圧バッファ3eに入力したとする。電圧バッファ3eは原理的に利得が「1」であるので、抵抗R20の一端には電圧ΔVがそのまま伝わる。一方、前置増幅器4はトランスインピーダンス型であるため、抵抗R7により帰還がかかっており、したがって、抵抗R20の他端の電位は変動しない。これにより、抵抗R20には電圧ΔVがかかることになり、引抜き電流I1はΔV/R20となる。ここで、ΔV∝R1の関係にあるので、I1∝R1/R20となる。よって、引抜き電流I1の大きさは、抵抗R1と抵抗R20との比によって設定できる。
【0032】
つぎに、第4の実施の形態を説明する。
図10は第4の実施の形態の構成を示すブロック図であり、図11はこのブロック図に対応する回路図である。第4の実施の形態の構成は、第3の実施の形態に、第2の実施の形態の電圧バッファ3cと増幅器3dとを新たに追加したものである。したがって、第4の実施の形態の説明では、第3の実施の形態および第2の実施の形態の構成と同じ部分には同じ参照符号を付して、その説明を省略する。
【0033】
第4の実施の形態では、増幅器3dによって引抜き電流I1の大きさを調整することができるので、抵抗R20の抵抗値は固定であってよい。抵抗R20を固定抵抗器にすることにより、帯域を狭くする分布容量を無くすことができ、また、IC化し易い構成となる。
【0034】
なお、第4の実施の形態でも、増幅器3dに代わって、減衰量を可変できる減衰器を設け、引抜き電流I1の大きさを減らす方向で調整するようにしてもよい。
【0035】
つぎに、第5の実施の形態を説明する。
図12は第5の実施の形態の構成を示すブロック図である。すなわち、上記のいずれの実施の形態においても、図2や図3に示す引抜き電流I1の形状を、フォトダイオードPDのオフセット電流量I0の形状に近づける調整が必要であるが、この調整は、実際には前置増幅器4の出力を監視して、図2(C)のような波形が得られるように行われる。しかし、前置増幅器4の出力インピーダンスは高く、一方、出力監視用のオシロスコープ等の測定器6では、高周波数の信号を扱うためには入力インピーダンスが低い必要があり、このままでは前置増幅器4の出力監視ができないという事情があった。そこで、前置増幅器4の出力端を分岐して、分岐された出力端にインピーダンス変換回路5を設けるようにする。このインピーダンス変換回路5によって、前置増幅器4の出力インピーダンスを、例えば50Ω程度の低出力インピーダンスに変換して、低入力インピーダンスの測定器6を接続するようにする。これにより、容易に上記引抜き電流I1の調整ができるとともに、光信号の監視等も可能となる。
【0036】
なお、上述した各実施の形態では、図5、図7、図9、図11、および図12で具体的回路を示したが、これは例示しただけに過ぎず、同一の機能を達成する回路であれば他の回路構成であってもよい。
【0037】
また、上述した各実施の形態では、オフセット検出回路2をコンデンサC1と抵抗R1との並列回路で構成しているが、フォトダイオードPDの特性に応じて、オフセット検出回路2を、こうした並列回路を複数、直列に接続して構成するようにしてもよい。
【0038】
【発明の効果】
以上説明したように本発明では、受光素子の出力した電流量のうちで、光信号のゼロレベルに相当するオフセット電流量を表す電気量を検出し、これを基に、オフセット電流量を再生する。そして、再生されたオフセット電流量を、受光素子の出力した電流量から引抜くようにする。
【0039】
これにより、受光素子のオフセットが上昇しても振幅識別ができ、また、同符号連続入力に対しても振幅識別ができるとともに、回路構成が非常に簡単となり、また消費電力の低い光受信装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の原理説明図である。
【図2】(A)は受光素子から出力される電流を示す図であり、(B)は本発明によって発生される引抜き電流を示す図であり、(C)は本発明における前置増幅器に入力される電流を示す図である。
【図3】(A)は同符号連続入力時に受光素子から出力される電流を示す図であり、(B)は同符号連続入力時に本発明によって発生される引抜き電流を示す図であり、(C)は同符号連続入力時に本発明における前置増幅器に入力される電流を示す図である。
【図4】第1の実施の形態の構成を示すブロック図である。
【図5】第1の実施の形態の回路構成を示す図である。
【図6】第2の実施の形態の構成を示すブロック図である。
【図7】第2の実施の形態の回路構成を示す図である。
【図8】第3の実施の形態の構成を示すブロック図である。
【図9】第3の実施の形態の回路構成を示す図である。
【図10】第4の実施の形態の構成を示すブロック図である。
【図11】第4の実施の形態の回路構成を示す図である。
【図12】第5の実施の形態の構成を示すブロック図である。
【図13】PINダイオードの断面構造を示す図である。
【図14】(A)は受光素子の周波数応答特性を示す図であり、(B)は受光素子に入力する光信号を示す図であり、(C)は受光素子から出力された電気信号を示す図である。
【図15】(A)は受光素子の出力と、振幅識別用のしきい値との従来の関係を示す図であり、(B)は従来の振幅識別器の出力を示す図である。
【図16】(A)は従来のログアンプ形式の前置増幅器の入出力特性を示す図であり、(B)はこの前置増幅器に入力される従来の大振幅信号の波形を示す図であり、(C)はこの前置増幅器から出力された従来の信号波形を示す図である。
【符号の説明】
1 受光素子
2 オフセット検出回路
3 電流引抜き回路
4 前置増幅器
IPD 受光素子の出力電流
I1 引抜き電流

Claims (5)

  1. 光信号を受信して電気信号に変換する光受信装置において、
    入力した光信号を電流量に変換する受光素子と、
    前記受光素子の出力した電流量のうちで、光信号のゼロレベルに相当するオフセット電流量を表す電気量を検出するオフセット検出回路と、
    前記オフセット検出回路が検出した電気量から前記オフセット電流量を再生し、当該再生されたオフセット電流量を、前記受光素子の出力した電流量から引抜く電流引抜き回路と、
    前記電流引抜き回路からの出力信号を増幅する前置増幅器と、
    前記前置増幅器の出力端に接続されて、当該前置増幅器の出力インピーダンスを低インピーダンスに変換するインピーダンス変換回路と、
    を有することを特徴とする光受信装置。
  2. 光信号を受信して電気信号に変換する光受信装置において、
    入力した光信号を電流量に変換する受光素子と、前記受光素子の出力した電流量のうちで、光信号のゼロレベルに相当するオフセット電流量を表す電気量を検出するオフセット検出回路と、前記オフセット検出回路が検出した電気量から前記オフセット電流量を再生し、当該再生されたオフセット電流量を、前記受光素子の出力した電流量から引抜く電流引抜き回路と、を含み、
    前記オフセット検出回路は、第1の抵抗器とコンデンサとの並列接続回路で構成され、
    前記電流引抜き回路は、
    前記オフセット検出回路が検出した電気量を調整して電圧値として出力する電圧バッファと、
    前記受光素子と前置増幅器との接続点と、前記電圧バッファの出力端との間に接続された第2の抵抗器と、
    を有することを特徴とする光受信装置。
  3. 光信号を受信して電気信号に変換する光受信装置において、
    入力した光信号を電流量に変換する受光素子と、前記受光素子の出力した電流量のうちで、光信号のゼロレベルに相当するオフセット電流量を表す電気量を検出するオフセット検出回路と、前記オフセット検出回路が検出した電気量から前記オフセット電流量を再生し、当該再生されたオフセット電流量を、前記受光素子の出力した電流量から引抜く電流引抜き回路と、を含み、
    前記オフセット検出回路は、第1の抵抗器とコンデンサとの並列接続回路で構成され、
    前記電流引抜き回路は、
    前記オフセット検出回路が検出した電気量を調整して電圧値として出力する第1の電圧バッファと、
    前記第1の電圧バッファが出力する電圧値を所定の利得量だけ増幅する増幅器と、
    前記増幅器が出力した電圧値の電圧調整を行う第2の電圧バッファと、
    前記受光素子と前置増幅器との接続点と、前記第2の電圧バッファの出力端との間に接続された第2の抵抗器と、
    を有することを特徴とする光受信装置。
  4. 光信号を受信して電気信号に変換する光受信装置において、
    入力した光信号を電流量に変換する受光素子と、前記受光素子の出力した電流量のうちで、光信号のゼロレベルに相当するオフセット電流量を表す電気量を検出するオフセット検出回路と、前記オフセット検出回路が検出した電気量から前記オフセット電流量を再生し、当該再生されたオフセット電流量を、前記受光素子の出力した電流量から引抜く電流引抜き回路と、を含み、
    前記オフセット検出回路は、第1の抵抗器とコンデンサとの並列接続回路で構成され、
    前記電流引抜き回路は、
    前記オフセット検出回路が検出した電気量を調整して電圧値として出力する第1の電圧バッファと、
    前記第1の電圧バッファが出力する電圧値を所定の減衰量だけ減衰させる減衰器と、
    前記減衰器が出力した電圧値の電圧調整を行う第2の電圧バッファと、
    前記受光素子と前置増幅器との接続点と、前記第2の電圧バッファの出力端との間に接続された第2の抵抗器と、
    を有することを特徴とする光受信装置。
  5. 光信号を受信して電気信号に変換する光受信装置において、
    入力光信号を電流量に変換する受光手段と、
    前記受光手段の出力した電流量のうち、光信号のゼロレベルに相当するオフセット電流量を表す電気量を検出するオフセット検出手段と、
    前記オフセット検出手段が検出した電気量から前記オフセット電流量を再生し、該再生されたオフセット電流量を、前記受光手段の出力した電流量から引くオフセット除去手段と、
    前記オフセット電流量が引かれた信号について増幅を行うログアンプと、
    を備え、前記オフセット検出手段が前記オフセット電流量の検出に用いる信号は、前記ログアンプで増幅される前の入力信号と、該ログアンプで増幅された出力信号とのうち、増幅される前の入力信号に制限した、
    ことを特徴とする光受信装置。
JP17221996A 1996-07-02 1996-07-02 光受信装置 Expired - Lifetime JP3758750B2 (ja)

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