JP3912626B2 - 光受信回路 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光受信回路に関し、より特定的には、パルス変調された光信号を受信して電気信号に変換して増幅再生する光受信回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図５は、特公平７−１０７９４３号公報に開示された光受信器の構成を示したブロック図である。図６は、図５に示す光受信器の各部の電圧レベルを示した図である。以下、図５および図６を参照して、従来の光受信器について説明する。
【０００３】
図５において、従来の光受信器は、フォトダイオード５１と、電流電圧変換部５２と、電圧源５３と、ピーク検出部５４と、コンパレータ５５と、抵抗５６および５７とを備えている。フォトダイオード５１は、受信した光信号を電気信号に変換する。電流電圧変換部５２は、電流信号を電圧信号に変換する。電圧源５３は、無入力時の電流電圧変換部の出力電圧と同じ電圧を発生する。ピーク検出部５４は、電流電圧変換部５２の出力信号のピーク値（この場合は最小値）を検出保持する。抵抗５６および５７は、互いに同一の抵抗値を有しており、ピーク検出部５４の出力と電圧源５３の出力電圧との中間値を出力するために用意される。
【０００４】
図６において、Ｖ５０は電流電圧変換部５２の出力、Ｖ５１はピーク検出部５４の出力、Ｖ５２は電圧源５３の出力、Ｖ５３は抵抗５６および５７により生成され、コンパレータ５５の参照入力に印加される電圧レベルを示している。
【０００５】
パルス変調された受信光信号は、フォトダイオード５１により電流信号に変換される。変換された電流信号は、電流電圧変換部５２により電圧信号（Ｖ５０）に変換される。変換された電圧信号は、そのパルス信号の最小となるピーク値（Ｖ５１）がピーク検出部５４により検出、保持される。
【０００６】
一方、電圧源５３は、電流電圧変換部５２と同一回路構成で、かつフォトダイオードが接続されていない構成であるため、その出力（Ｖ５２）は、光信号を受信していない場合の電流電圧変換部５２の出力レベルと同一となる。
【０００７】
抵抗５６および抵抗５７の分圧回路により生成される電圧レベルＶ５３は、ピーク検出部５４の出力Ｖ５１と電圧源５３の出力Ｖ５２との丁度中間値を示す。すなわち、電圧レベルＶ５３は、電流電圧変換部５２の出力信号Ｖ５０の中間値に設定されることとなる。そして、コンパレータ５５において、出力信号Ｖ５０が電圧レベルＶ５３をしきい値として弁別されてパルス信号が再生される。
【０００８】
上記従来の光受信器においては、電流電圧変換部５２における回路の出力振幅範囲の最大値で、最大受光レベルが決まる。また、電流電圧変換部５２における雑音レベルに応じて、最小受光レベルが決まる。すなわち、この光受信器では、最大受光レベルと最小受光レベルとの間の受光レベルの光信号については再生が可能である。
【０００９】
しかし、近年、伝送距離をさらに長くしたシステムへの適用や、分岐数の多いシステムへの適用が検討されており、光受信器としてダイナミックレンジをさらに拡大することが求められつつある。
【００１０】
そこで、受信可能な光信号のダイナミックレンジを拡大する試みとして、本願出願人は、新たな光受信器を先に提案した（特願平０８−２８１９６４号；ただし、本願出願時未公開）。図７は、この先に提案された光受信器の光受信部の構成を示すブロック図である。図８は、図７に示す光受信部の出力波形を示す波形図である。
【００１１】
図７において、本願出願人提案の光受信器における光受信部は、フォトダイオード６１と、電流電圧変換部６２と、バイパス用電流源６３とを備えている。
【００１２】
受信する光信号の信号電力が小さい場合には、バイパス用電流源６３は動作せず、その電流値は０である。従って、フォトダイオード６１にて変換された電流信号は、全て電流電圧変換部６２へ供給され、出力電圧信号が得られる。図８における出力電圧信号波形６０１は、この場合の出力を表している。
【００１３】
次に、受信する光信号の信号電力が大きい場合について説明する。パルス信号の立ち下がり時の始めには、電流源６３は動作せず、フォトダイオード６１にて変換された電流信号は、全て電流電圧変換部６２に供給され、電圧信号として取り出される。そして、パルス信号の立ち下がりに従って、電流電圧変換部６２からの出力として、その振幅値が一定値を越えると、電流源６３を構成しているトランジスタが導通を始め、フォトダイオード６１からの電流信号の一部が電流源６３へとバイパスされることとなる。パルス信号として、電流電圧変換部６２からの出力電圧信号が一定値を越えた時点で電流信号の一部がバイパスされることで、パルス信号の先端がリミットされた波形の信号が得られることとなる。出力電圧信号波形６０２は、この場合の出力を表している。受信信号光レベルが大きくなり、バイパスされる信号電流量が多くなるほど、出力パルスの中心におけるパルス幅の歪みが大きくなる。
【００１４】
このようにして、受信信号が大電力の場合でも受信することが可能となり、その受信可能なダイナミックレンジが拡大可能となるが、電流源６３にて一部の電流がバイパスされた場合の、電流電圧変換部６２からの出力信号波形は、その振幅中心におけるパルス幅歪が大きく現れることとなる。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
この図７に示す構成の光受信部を、図５に示すフォトダイオード５１と電流電圧変換部５２とから構成される光受信部に置き換えて、広いダイナミックレンジを備えた光受信器として実現した場合、受信光信号の信号電力レベルが小さい場合には問題ないが、信号電力レベルが大きくなり、電流電圧変換部６２からパルス信号の先端がリミットされた波形が出力される場合には、その振幅中心ではパルス幅歪が大きく現れる。そのため、コンパレータ５５の出力信号が、パルス幅歪の大きな信号となってしまうという問題点があった。このことは、コンパレータ５５の出力信号のデューティー比が変動することを意味し、後段の図示しないＰＬＬ（位相同期ループ）で正確なクロックが再生できなくなる。その結果、誤った情報を再生してしまうおそれがあった。
【００１６】
それ故に、本発明の目的は、大電力の光信号を受信した場合であっても、パルス歪の無い再生信号が得られる光受信回路を提供することである。
【００１７】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
本発明は、パルス変調された光信号を受信して再生する光受信回路であって、
光信号を電流信号に変換するフォトダイオードと、
フォトダイオードによって取り出された電流信号を電圧信号に変換する電流電圧変換回路と、
所定電力以上の光信号を受信した場合に、フォトダイオードから取り出される電流信号の一部をバイパスするための電流源と、
電流源によりバイパスされる電流値が０の場合は、電流電圧変換部の出力振幅の中心値を出力し、電流値が０を越える場合は、当該バイパスされる電流値に比例して、電流電圧変換部の出力信号の振幅中心から出力信号の極値に近づく方向に変化した値を出力すると共に、その出力が電流電圧変換回路の出力信号の振幅値の範囲を越えないように制御されるリファレンス制御部と、
電流電圧変換回路の出力を信号入力として受け、リファレンス制御部の出力を参照入力として受け、当該参照入力をしきい値として当該信号入力を弁別するコンパレータとを備え、
電流電圧変換回路は、トランスインピーダンス型のプリアンプにより構成され、
リファレンス制御部は、
プリアンプの出力の最小値を検出、保持する第１の最小値保持回路と、プリアンプの無入力時の出力レベルと同一レベルの出力電圧を発生する電圧源と、
電流源によってバイパスされる電流と同等の電流値の電流を取り出すためのカレントミラー回路と、
電圧源とカレントミラー回路との間に接続される電圧降下用抵抗と、
電圧降下用抵抗の端子電圧の最低値を検出、保持する第２の最小値保持回路と、
第１および第２の最小値保持回路の中間の出力電圧を取り出す分圧回路とを含むものである。
本発明によれば、リファレンス制御部の出力レベルは、電流源によりバイパスされる電流値かつ従って受信した光信号の電力値に応じて変わるので、受信信号が大電力光信号であった場合、コンパレータの参照入力レベルすなわちしきい値レベルが自動的に適切な値に変化し、パルス幅歪の無い再生信号を得ることができる。
また、リファレンス制御部は、電流源によりバイパスされる電流値が０を越える場合のみ電流電圧変換部の出力振幅の中心値からシフトするため、小電力の光信号を受信した場合であっても、パルス幅歪の無い再生信号を得ることができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の一実施形態に係る光受信回路の構成を示すブロック図である。図１において、本実施形態の光受信回路は、光信号を電流信号に変換するフォトダイオード１１と、電流電圧変換を行うトランスインピーダンス型プリアンプ１２と、大電力光信号を受信した場合に一部の電流をバイパスする電流バイパス部１３と、無入力時のプリアンプ１２の出力レベルと同一レベルの電圧を発生する電圧源１４と、電圧降下用抵抗１５と、最小値保持回路１６１および１６２と、抵抗分割による中間値を得るための抵抗１７１および１７２と、プリアンプ１２の出力を信号入力として受け、抵抗１７１および１７２から得られる分圧出力を参照入力として受け、当該参照入力をしきい値として当該信号入力を弁別するコンパレータ１８とを備えている。なお、電流バイパス部１３は、バイパス電流を決定するトランジスタ１３１と、バイパスする電流値を取り出すカレントミラーを構成するトランジスタ１３２および１３３とを含む。
【００２３】
図２は、図１に示す光受信回路が小電力信号を受信した場合の各部電流と電圧の波形を示している。図２において、波形２０は電流バイパス部１３で取り出される電流波形を、波形２１はプリアンプ１２の出力信号波形を、波形２２は最小値保持回路１６２の出力信号を、波形２４は最小値保持回路１６１の出力信号を、波形２３は抵抗１７１および１７２により抵抗分割された出力信号を、波形２５はコンパレータ１８の出力信号を、それぞれ示している。
【００２４】
図３は、図１に示す光受信回路が大電力信号を受信した場合の各部電流と電圧の波形を示している。図３において、波形３０は電流バイパス部１３で取り出される電流波形を、波形３１はプリアンプ１２の出力信号波形を、波形３２は最小値保持回路１６２の出力を、波形３２０は最小値保持回路１６２の入力を、波形３４は最小値保持回路１６１の出力信号を、波形３３は抵抗１７１および１７２により抵抗分割された出力信号を、波形３５はコンパレータ１８の出力信号を、それぞれ示している。
【００２５】
図４は、トランジスタ１３３の動作特性曲線を示した図である。図４では、トランジスタ１３３のドレイン・ソース間電圧を横軸に、ドレイン電流を縦軸に取り、ゲート−ソース間電圧をパラメータとして、動作特性曲線を記述している。さらに、図４では、抵抗１５を含めた動作特性曲線を重ねて示している。
【００２６】
以下、これら図２〜図４を参照して、図１に示す光受信回路の動作を説明する。
まず、小電力の光信号を受信する場合について説明する。フォトダイオード１１により変換された電流信号は、プリアンプ１２へ流入し、電圧信号に変換される。プリアンプ１２は、負帰還回路で構成されるため、その電圧波形は、光信号が入力されると、無入力時のレベルから下方向に凸な波形として現れる。
【００２７】
この場合、プリアンプ１２で発生される電圧信号の振幅は比較的小さく、電流バイパス用トランジスタ１３１を導通させないため、フォトダイオード１１からの電流信号は、全てプリアンプ１２へ供給される。従って、プリアンプ１２の出力信号波形２１は、振幅中心におけるパルス幅歪の無い波形となる。
【００２８】
電圧源１４は、光信号が無入力時のプリアンプ１２の出力と等しい出力電位レベルを発生している。トランジスタ１３３を流れるバイパス電流が無いため、カレントミラーで取り出される電流は０であり、電位降下用抵抗１５の両端の電位差も０となる。このため、最小値保持回路１６２の入力は、電圧源１４の出力レベルと同一となり、最小値保持回路１６２の出力は、波形２２として示すように、プリアンプ１２の出力信号波形の上端のレベルと同一となる。
【００２９】
一方、プリアンプ１２からの出力波形２１を入力とする最小値保持回路１６１の出力は、波形２４として示すように、信号振幅の最下端のレベルとなる。このため、抵抗１７１および１７２によって抵抗分割された電位レベルとしては、波形２３として示す通り、プリアンプ１２の出力信号振幅の中間値が得られる。従って、この中間値のレベルをしきい値としてコンパレータ１８でしきい値弁別を行えば、コンパレータ１８からは、パルス幅歪みがほぼ無い出力（波形２５）が得られる。
【００３０】
次に、大電力の光信号を受信する場合について説明する。フォトダイオード１１により変換された電流信号は、プリアンプ１２へ流入し、電圧信号に変換される。
【００３１】
この場合、プリアンプ１２で発生される電圧信号は、その振幅が大きくなり、あるしきい値を越えた時点で電流バイパス用トランジスタ１３１を導通させる。その結果、フォトダイオード１１からの電流信号の一部はバイパスされ、残りの電流信号がプリアンプ１２へ供給される。この時のバイパスされる電流波形を、波形３０に示す。信号電流の一部がバイパスされることにより、プリアンプ１２の出力信号の波形３１は、歪むこととなる。
【００３２】
ここで、バイパスされた電流量をｉｂと置く。トランジスタ１３２および１３３によりカレントミラーが構成されるため、トランジスタ１３１を流れるバイパスされた電流と同一の電流量の電流が、トランジスタ１３３を流れる。このため、抵抗１５には、電流ｉｂが流れる。抵抗１５の抵抗値をＲとすると、抵抗１５の両端の電位差は、ｉｂ・Ｒとなる。よって、最小値保持回路１６２の入力信号波形は、波形３２０に示す通りとなり、最小値保持回路１６２の出力は、波形３２として示すように、無入力時のレベルからｉｂ・Ｒだけ下回るレベルとなる。
【００３３】
一方、プリアンプ１２からの出力（波形３１）を入力とする最小値保持回路１６１の出力は、波形３４として示すように、プリアンプ１２の出力信号振幅の最下端のレベルとなる。このため、抵抗１７１および１７２により抵抗分割された電圧レベルとしては、波形３３に示す通り、最小値保持回路１６１および１６２の出力レベル３２および３４の中間値が得られる。この波形３３のレベルは、プリアンプ１２の出力（波形３１）の振幅中心から（ｉｂ・Ｒ）／２だけ下回るレベルとなる。
【００３４】
上記のように、波形３３の電圧レベルは、プリンアンプ１２の出力の振幅中心から下方向へシフトされているが、このシフトは、パルス幅歪みをキャンセルする方向へのシフトである。さらに、バイパス電流が大きくなるほど、そのシフト量を比例して増大させることが可能となる。これによって、コンパレータ１８からは、受信光電力レベルの広い範囲に渡り、パルス幅歪のほぼ無い出力（波形３５）が得られる。
【００３５】
上記のような構成とすることで、バイパス電流が大きくなるほど、プリアンプ１２の出力振幅に対して、コンパレータ１８のリファレンス入力レベルは相対的に中心から下回ることとなる。
【００３６】
トランジスタ１３３のドレイン電流をＩｂとし、ドレイン・ソース間電圧をＶ_DSとし、抵抗１５の抵抗値をＲとし、電圧源１４の出力電圧をＶｔとした場合、次式（１）が成立する。
Ｖ_DS＋Ｉｂ・Ｒ＝Ｖｔ …（１）
【００３７】
トランジスタ１３３のドレイン・ソース間電圧を横軸に、ドレイン電流を縦軸に取った特性に、上式（１）で示される直線を重ねて記述した図４に示すグラフにおいて、最大受信電力の光信号を受信した場合にバイアスされる電流値が流れた場合におけるカレントミラーを構成するトランジスタ１３３のゲート電圧をＶ２とした場合、上式（１）に示される直線との交点におけるドレイン・ソース間電圧はＶＬである。この電位レベルＶＬが、最小値保持回路１６２における出力電圧レベルとなる。この電位レベルＶＬがプリアンプ１２の出力振幅値の最下端レベルを下回らないように、トランジスタ１３３のパラメータを決定することで、確実に最大受光レベルまでにわたり、パルス信号を再生することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る光受信器の構成を示すブロック図である。
【図２】図１に示す光受信回路が小電力信号を受信した場合の各部の電流と電圧の波形を示す図である。
【図３】図１に示す光受信回路が大電力信号を受信した場合の各部の電流と電圧の波形を示す図である。
【図４】図１におけるトランジスタ１３３の動作特性曲線を示した図である。
【図５】従来の光受信器の構成を示したブロック図である。
【図６】図５に示す光受信器の各部の電圧レベルを示した図である。
【図７】本願出願人により先に提案された光受信器の光受信部の構成を示すブロック図である。
【図８】図７に示す光受信部の出力波形を示す波形図である。
【符号の説明】
１１…フォトダイオード
１２…トランスインピーダンス型プリアンプ
１３…電流バイパス部
１４…電圧源
１５、１７１、１７２…抵抗
１６１、１６２…最小値保持回路
１８…コンパレータ

Claims (1)

1. パルス変調された光信号を受信して再生する光受信回路であって、
   前記光信号を電流信号に変換するフォトダイオードと、
   前記フォトダイオードによって取り出された電流信号を電圧信号に変換する電流電圧変換回路と、
   所定電力以上の光信号を受信した場合に、前記フォトダイオードから取り出される電流信号の一部をバイパスするための電流源と、
   前記電流源によりバイパスされる電流値が０の場合は、前記電流電圧変換部の出力振幅の中心値を出力し、電流値が０を越える場合は、当該バイパスされる電流値に比例して、前記電流電圧変換部の出力信号の振幅中心から出力信号の極値に近づく方向に変化した値を出力すると共に、その出力が前記電流電圧変換回路の出力信号の振幅値の範囲を越えないように制御されるリファレンス制御部と、
   前記電流電圧変換回路の出力を信号入力として受け、前記リファレンス制御部の出力を参照入力として受け、当該参照入力をしきい値として当該信号入力を弁別するコンパレータとを備え、
   前記電流電圧変換回路は、トランスインピーダンス型のプリアンプにより構成され、
   前記リファレンス制御部は、
   前記プリアンプの出力の最小値を検出、保持する第１の最小値保持回路と、前記プリアンプの無入力時の出力レベルと同一レベルの出力電圧を発生する電圧源と、
   前記電流源によってバイパスされる電流と同等の電流値の電流を取り出すためのカレントミラー回路と、
   前記電圧源と前記カレントミラー回路との間に接続される電圧降下用抵抗と、
   前記電圧降下用抵抗の端子電圧の最低値を検出、保持する第２の最小値保持回路と、
   第１および第２の最小値保持回路の中間の出力電圧を取り出す分圧回路とを含む、光受信回路。

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