JP3858304B2 - 光受信回路 - Google Patents
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Description
【産業上の利用分野】
本発明は光信号を受けこれを電気信号に変換する光受信回路の関し、なかんずくCATV(Cable Television)等におけるアナログ高周波光信号を受信する光受信器に関する。
【0002】
【従来の技術】
光受信器は、光信号を受けこれに対応する微少な電流を発生するフォトダイオード(PD)等の受光デバイスと、この微少電流を電流−電圧変換した上で後段に接続されるテレビ受像器等に必要な受信感度にまでその信号を増幅する前置増幅により構成される。このような光受信器の扱う信号の周波数帯域は、CATV等の場合にはチャネル数の増加につれて高周波側に伸び、現在では1GHzにまで達しようとしている。
【0003】
この様な高周波信号を処理する際には信号を伝える伝送系のインピーダンスマッチングが非常に重要になってくる。特にインピーダンスマッチングのとれていない伝送系の上で微少信号を伝えようとする時には、不整合点での信号の反射が生じ、これが雑音・信号歪の原因となるため信頼性の高い伝送が不可能になってしまう。
【0004】
光受信器の中で上記インピーダンスマッチングを考えてみる。PD(PhotoDiode:フォトダイオード)の出力インピーダンスは数十MHzから1GHzの周波数帯域で数百Ωから数kΩある。一方アナログ高周波信号の増幅に適する前置増幅器の入力インピーダンスを、この様な高い値で設計することは困難で、一般には50Ωあるいは75Ωの入力インピーダンスの増幅器が使用される。そしてPDを50Ωあるいは75Ωの抵抗で終端することでインピーダンスマッチングを擬似的に実現している。しかし、この方法では増幅器の等価入力雑音を大きくさせることになり、雑音特性の面で好ましくない。そこでPDと前置増幅器の間に一次側数百Ω、二次側50Ωあるいは75Ωのインピーダンスマッチングトランスを挿入することがしばしば行われている。
【0005】
ここでマッチングトランスは高周波特性の優れた磁性材料をドーナッツ状、あるいはめがね状に整形したものをコアとし、二本の巻線を所定のインピーダンス値に対応する回数だけこのコアに巻き付け、両巻線の一端を相互に接続したものが使用される。一般に1GHzもの高周波ではデバイス、回路素子の寄生容量、寄生インダクタンスをも考慮しなければ、回路の正確な特性は把握できない。
【0006】
PDは図2に示されるように、入射光信号に対応する電流源Isとこれに並列に接続された半導体の接合容量Cj、およびこの並列回路と直列に接続された拡散抵抗Rjとで表される。またPDチップとパッケージのリードピンとを結ぶボンディングワイヤの寄生インダクタンスをLs、リードピンとパッケージ外蓋との間等に形成される寄生容量をCsで集中定数的に表すことができる。ボンディングワイヤは径が数十μmの細線を使用するが、約1nH/mmのインダクタンス成分がある。1GHzの周波数では数Ωから数十Ωになり、PDの拡散抵抗Rjと同程度の値となって無視できなくなる。
【0007】
この等価回路における光信号の伝達特性Vo/Isは、PDの光−電気変換効率、前置増幅器の利得Aには周波数特性がないと仮定すると、低周波側は前置増幅器の入力インピーダンスと段間結合コンデンサCcとで決められる。一方高周波側はPDの寄生素子、マッチングトランスのインダクタンス分、巻線間の寄生容量、トランスコアの損失等が複雑に関係するが、おおよそ100MHz付近からしだいに減衰が始まり、1GHzでは低周波側に比較し7〜8dBも落ち込んでしまう。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
従来この高周波側での落ち込みを補償する目的で、例えば欧州特許出願第372、742号に報告されているPDとマッチングトランスとの間に周波数特性補正用コイルLcを挿入する方法があった。LcはPDの回路素子Cj、Csあるいはマッチングトランスの寄生容量との間で鈍い共振を引き起こす。このことによって数百MHz帯の利得を増加させるのには効果があった。しかし、この方法で1GHz付近の利得まで増加させて帯域特性を平坦化するには、PDの接合容量Cj、寄生容量Cs、マッチングトランスの寄生容量等をきわめて小さい値にする必要があった。
【0009】
このため、PDチップをセラミックチップキャリア上に実装して寄生容量を減少させたり、周波数特性補正用コイルLcに空芯コイル用いるなどのコスト高の実装方法が必要であった。PDのパッケージに光ファイバとの調芯、固定が容易なもの、あるいは表面実装可能なトランス、コイル等の一般的な部品を採用した場合には、600MHzの帯域を確保するのが限界であり、光CATVで使用する700MHz〜1GHz帯には対応できなかった。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る光受信器では、上記の課題を克服するためにPDのバイアス電源に接続される側の端子に、バイアス電源との間に周波数特性補正用のコイルを挿入する。 PDのバイアス電源側の端子にも周波数特性補正素子を接続することで、中低域の特性を損なうことなく帯域上限近傍の利得を高めることが可能となる。
【0011】
【発明の実施の態様】
以下実施例をもとに本発明の具体例と原理を説明する。
図1は本発明に係る光受信器の回路図であり、図2はその等価回路である。PD1と電源5との間には周波数特性補正用のコイルLd7を挿入する。またPD1と前置増幅器2との間にはマッチングトランス3が挿入され、さらにPD1とマッチングトランス3の間には第2の周波数特性補正用素子としてコイルLCを接続する。マッチングトランス3の出力は直流遮断用の段間接続コンデンサCCを介して前置増幅器2に導かれる。前置増幅器2は入力インピーダンスが75Ωで、帯域が50MHz〜850MHzの市販のビデオ増幅器を用いた。
【0012】
PD1は光CATVで使用される波長1.3μmあるいは1.55μmで感度を有し、かつ高速応答に優れたGaInAsを主材料とするPINフォトダイオードを、一般のTO型パッケージに封止したものを用いた。この時の寄生容量をCs、ボンディングワイヤ等の寄生インダクタンスLsはそれぞれ、0.4pF、2nH程度と見積もることができる。また拡散抵抗Rj、接合容量Cjはダイオードのバイアス条件にも左右されるが、それぞれ約10Ω、0.5pF程度である。
【0013】
マッチングトランスはコア材をNiZn(ジルコニア)とし、これをめがね状に整形加工したものに、二本の導線を各々4回ずつ巻き付けたものを使用した。このトランスの形状、巻数に対し一次側、二次側のインピーダンスはそれぞれ300Ω、75Ωとなる。
【0014】
PDの一端は本発明に係るコイルLdを介してバイアス電源Vddに接続される。バイアス電源は交流的には接地とみなされるため、本受信器の等価回路は図2で表されるものとなる。図2でマッチングトランスは理想的なトランスと仮定し、一次側はN2×Rinの純抵抗、二次側は電流源として表した。
【0015】
以下本発明の原理について説明する。
【0016】
第2の周波数特性補正用コイル(Lc)からみた信号源インピーダンスをZsとして表すと、図2の等価回路図はさらに簡略化されて図3のように表すことができる。この回路の伝達関数G(s)=Vo/Isは前置増幅器の利得をAとすれば、
【数1】
で表される。すなわち、G(s)は信号源インピーダンスZsの関数となり、PDが理想的な信号源とみなせZSが大きい低周波では飽和値G0=A・N・Rinに等しく、Zsが小さくなるのにつれて伝達関数G(s)は小さくなる。伝達関数の値を高域側でも低下させないためには、Zsを高周波側でも小さくしない周波数特性の補正が必要となる。
【0017】
ここで信号源インピーダンスについてさらに検討する。図4は本発明に係る周波数特性補正用コイルLdを備えている時の信号源の等価回路である。まず補正コイルLdを備えていない従来の例はLd=0の場合、すなわちLdが短絡された場合にについて検討する。信号源の出力電圧をVsとすると、信号源インピーダンスZs=Vs/Isは
【数2】
で表される。PDの寄生容量、接合容量、寄生インダクタンス、拡散抵抗、をそれぞれ0.5pF、0.5pF、2nH、10Ωとして、周波数1GHzでの各項の寄与分を見積もると、2式の分母の第2括弧内の項は近似的に1とみなせ、信号源インピーダンスは寄生容量と接合容量のみにほぼ依存する関係、Zs=1/s/(Cs+Cj)となる。そしてこの時の伝達関数G(s)は
【数3】
となる。周波数特性補正用コイルLcのない場合には(第3式でLc=0の場合で周波数特性補正が一切なされていない回路に相当する)、理想的なインピーダンスマッチングトランスを使用しても
【数4】
の関係で決定される遮断周波数fcより高域側では伝達特性、すなわち利得は低下してしまう。寄生容量Cs、接合容量Cj、Rin、Nにそれぞれ実際の値を代入してこの時の遮断周波数fcを計算すると、fc=530MHzとなる。
【0018】
次に、周波数特性補正用コイルLcを挿入した時には、3式の分母第1項と第2項の和が共振項として作用し、f0=1/2π√[Lc(Cs+Cj)]で共振現象が起こる。例えばLcとして70nHのコイルを用いたとするとf0〜600MHzとなり、この周波数近傍の利得を増加させることが可能となる。但し、共振が最も作用している周波数f=f0での伝達関数の値は
【数5】
であり、Lcの挿入されていない時のカットオフ周波数fcより高い周波数(f0>fc)では、例えLcを挿入して共振現象を起こし利得を増加させたとしても、その時の利得は低周波での利得G0を上回ることはできない。すなわちLcの挿入をもってしても、f0より高域側の補償はできないことが示される。
【0019】
次に本発明に係る周波数特性補正用コイルLdが接続された場合について検討する。すなわち図4においてLdが有限の値を持つ場合について考える。この時の信号源インピーダンスZsは近似的に
【数6】
となり、その時の伝達関数G(s)は第6式を第1式に代入することで与えられ、
【数7】
となる。この場合には式7の分母第2括弧内も共振項として作用し、この項に起因する共振周波数f1は
【数8】
となる。そして周波数f1での伝達関数の値はG(f=f1)=G0となり、Ldの挿入によりfcより高い周波数で、少なくとも低周波側と同じ利得を得ることが可能となる。
【0020】
図5は本発明による周波数特性補正効果を表すグラフである。実線aは補正用回路素子が一切挿入されていない場合、bはPDとマッチングトランスとの間にコイルLcのみ挿入した場合、そしてcはLcに加えてPDの電源バイアス端子側に本発明に係るLdを挿入した時の様子を表す。ここで寄生容量、接合容量については各々0.5pF、寄生インダクタンスは2nH、拡散抵抗は10Ωを用い、周波数特性補正用コイルLc、Ldはそれぞれ図に示された値を用いた。
周波数特性補正の一切ない場合の高域カットオフ周波数は低域側の値を基準にこれより3dB低下した周波数として約550MHz、Lcだけの補正の場合には第1の共振周波数f0として610MHzが求められる。しかし、上記検討にもある様にf=f0の点では出力レベルは低周波の値まで回復されるには至らず、出力レベルの低下を補う程度にとどまっている。補正用コイルLdを追加した時、このコイルによる共振周波数f1は980MHzと計算され、出力レベルは低周波での値を上回るまで補正されることが示される。
【0021】
受光デバイスとしてはPINフォトダイオードに限らずアバランシェダイオード、金属−半導体−金属(Metal−Semiconductor−Metal:MSM)型のデバイスを用いても同様な効果が期待できる。前置増幅器の入力インピーダンスも75Ωに限らず50Ω系の回路を用いることももちろん可能である。
【0023】
【効果】
本発明による周波数特性補正回路を光受信器の受光デバイスのバイアス端子側に接続することで、中低域の周波数特性に影響を及ぼすことなく高域側の遮断周波数より高い周波数でも適切に補正を施すことが可能となる。その結果、従来は受光デバイス自身の高周波特性の改善、あるいは特殊パッケージの採用等の手段に限られていた光受信器の高域特性の改善に、回路技術で対応することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に係る光受信器の回路接続を説明する図。
【図2】 寄生素子を考慮し、これを集中定数的に表した本発明の光受信器の等価回路。
【図3】 図2の等価回路でフォトダイオードを内部抵抗Zsと光入力に対応する電流源Isとで表した等価回路図。
【図4】 寄生素子も考慮した信号源の等価回路。
【図5】 周波数特性の補正効果を説明するグラフ。
【符号の説明】
1:受光デバイス PD
2:前置増幅器
3:インピーダンスマッチングトランス
4:第2の周波数特性補償用インダクタ Lc
5:バイアス電源 Vdd
6:段間結合コンデンサ Cc
7:第1の周波数特性補償用インダクタ Ld
Claims (1)
- 一端がバイアス電源に接続され光入力信号を電気信号に変換する受光デバイスと、
該受光デバイスの他端に接続され前記電気信号を増幅する前置増幅器と、
該受光デバイスと該前置増幅器との間に挿入され一次側は該受光デバイスの出力インピーダンスに、二次側が該前置増幅器の入力インピーダンスに整合するインピーダンスマッチングトランスと
で構成される光受信器において、
該バイアス電源と該受光デバイスの一端との間に第1のコイルを備え、前記受光デバイスと前記インピーダンスマッチングトランスとの間に第2のコイルを備えることを特徴とする光受信器。
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