JP3920289B2 - 光受信装置 - Google Patents

Description

本発明は光受信装置に関し、特に光信号を受信し、光入力断の検出を行う光受信装置に関する。

インターネットをはじめとするマルチメディア時代を迎え、基幹通信系の光ネットワーク通信技術は、一層のサービスの高度化、広域化が望まれており、情報化社会に向けて急速に発展している。また、近年の光通信回線の大容量高速化に伴って、光伝送系の受信部でも、より高性能化した機能が必要とされており、例えば、光入力が断した場合におけるアラーム信号の高速発出動作などが要求されている。

光ファイバ通信における光受信器では、受光感度が高いＡＰＤ（Avalanche Photo-Diode：アバランシェ・フォトダイオード）が受光素子として広く用いられている。ＡＰＤは、光を電気信号に変換する光半導体素子であり、ダイオードの電流を通しにくい方向（カソード→アノード）に電圧をかけた状態（逆バイアス状態）で使用される。

この状態でＡＰＤに光をあてると、光を吸収してＡＰＤ内で電子が励起され、励起された高いエネルギーの電子が移動する際に、他の電子がさらに励起される。このような現象が繰り返されることで（アバランシェ（雪崩）効果を引き起こすことで）、電気信号が得られる。

また、ＡＰＤは、アバランシェ効果による電流の増倍作用を有しており、ＡＰＤへ印加する電圧により変化する（すなわち、ＡＰＤのバイアス電圧が変化すると、ＡＰＤ内部での信号の増幅率が変化する）。さらに、この電流増倍作用は、周辺温度にも強く依存している（温度特性を持っている）。

したがって、ＡＰＤの増倍率を一定にするためには、温度変動に対しては、周辺温度に応じたバイアス電圧を可変設定する制御を行う必要がある。また、電源が変動した場合には、電源変動に対してバイアス電圧を一定値に保つような制御を行う必要がある。

一方、光信号の入力が断すると、ＡＰＤにより変換された電気信号の電流（光電流）がゼロに近づくので、ＡＰＤのバイアス電流も変化することになる。このため、従来の光入力断の検出制御としては、ＡＰＤのバイアス電流に反比例する制御電流の値を、しきい値と比較し、比較結果にもとづいて、光入力断と判定した場合にアラームを発生させている。このように、従来では、ＡＰＤのバイアス電流に反比例する制御電流を、光入力断の検出情報として使っていた。

従来の光入力断検出制御では、光入力が断したか否かを制御電流で見ているが、上述したように、温度、電源変動によってバイアス電圧が変化するため、制御電流の値も変化する。したがって、温度、電源変動に伴って、検出すべきしきい値のレベルも補正する必要があり、このための補正回路が設けられていた。

しかし、補正回路は、アナログ素子で構成されているために、基板毎に回路誤差が生じてしまい、また、微弱な制御電流に対する補正を行っているので、従来では、光受信器が搭載された基板毎に、光入力断の検出レベルが異なってしまうといった現象が生じ、品質及び信頼性の低下を招くといった問題があった。

一方、近年になって、光入力断からアラームが発出するまでの応答速度の高速性が要求されているが（例えば、ベルコア規格（現 テルコーディア規格）では１００μｓ以内）、従来の光入力断検出制御では、アラーム発出速度が遅いため、例えば、クロックデータリカバリ回路からの高速なアラームを用いて論理をとることで、アラーム発出時間を規格内に収めるよう制御していた。このため、従来では、論理をとるための回路素子や配線パターンが増加してしまい、効率的な設計がなされていなかった。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、光入力断の検出精度を高め、かつアラームの応答を速くして、高品質な光入力断検出制御を行う光受信装置を提供することを目的とする。

本発明では上記課題を解決するために、図１に示すような、光信号を受信し、光入力断の検出を行う光受信装置１において、光信号を受信して電気信号に変換する受光素子１０と、温度及び電源の変動に対応して、受光素子１０へのバイアス電圧Ｖ０を安定化させるバイアス制御部３０と、光入力断時に、バイアス電圧Ｖ０が過剰電圧となって受光素子１０が破壊されないように、保護電圧Ｖapdにより受光素子１０を保護する光入力断保護部４０と、受光素子１０の光電流Ｉapdをモニタし、バイアス電圧Ｖ０と保護電圧Ｖapdとが一致したときに、光入力断を認識してアラームＲＩＮ−ＡＬＭを発出するアラーム発出部５０と、を有することを特徴とする光受信装置１が提供される。

ここで、受光素子１０は、光信号を受信して電気信号に変換する。バイアス制御部３０は、温度及び電源の変動に対応して、受光素子１０へのバイアス電圧Ｖ０を安定化させる。光入力断保護部４０は、光入力断時に、バイアス電圧Ｖ０が過剰電圧となって受光素子１０が破壊されないように、保護電圧Ｖapdにより受光素子１０を保護する。アラーム発出部５０は、受光素子１０の光電流Ｉapdをモニタし、バイアス電圧Ｖ０と保護電圧Ｖapdとが一致したときに、光入力断を認識してアラームＲＩＮ−ＡＬＭを発出する。

本発明の上記および他の目的、特徴および利点は本発明の例として好ましい実施の形態を表す添付の図面と関連した以下の説明により明らかになるであろう。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は本発明の光受信装置の原理図である。本発明の光受信装置１は、受光素子（以下、ＡＰＤ）１０、バイアス部２０、バイアス制御部３０、光入力断保護部４０、アラーム発出部５０、アンプ２などの回路から構成され、光信号の受信処理を行い、また光入力断が発生した場合には、これを検出してアラームを発出する装置である。

各構成要素の接続関係としては、バイアス部２０は、直列に接続したＲ１、Ｒ２を有し、抵抗Ｒ１の一端は電源電圧ＶＤＤと接続し、抵抗Ｒ１、Ｒ２の接続点にはバイアス制御部３０とアラーム発出部５０の一方のモニタ端子ｍ１が接続する。

また、抵抗Ｒ２の一端とＡＰＤ１０のカソードが接続し、抵抗Ｒ２とＡＰＤ１０の接続点にアラーム発出部５０の他方のモニタ端子ｍ２と、光入力断保護部４０が接続する。そして、ＡＰＤ１０のアノード側にアンプ２が接続し、アンプ２の出力段には図示しないＣＤＲ（Clock Data Recovery）などが接続する。

ＡＰＤ１０は、光信号を受信して電気信号に変換する。バイアス部２０は、ＡＰＤ１０へのバイアス電圧Ｖ０（基準電位はＧＮＤ）を生成する。バイアス制御部３０は、温度及び電源の変動に対応して、バイアス電圧Ｖ０を安定化させる。すなわち、温度変動に対しては、周辺温度に応じてバイアス電圧Ｖ０を可変に設定制御し、電源変動に対しては、バイアス電圧Ｖ０を一定値に保つように制御する。

光入力断保護部４０は、光入力断時に、バイアス電圧Ｖ０が過剰電圧（ＡＰＤ１０のブレイクダウン電圧）となってＡＰＤ１０が破壊されないように、保護電圧ＶapdによりＡＰＤ１０を保護する（保護電圧Ｖapdは、バイアス電圧Ｖ０の範囲内の電圧であって、ＡＰＤ１０の両端に生じる電圧である）。

アラーム発出部５０は、ＡＰＤ１０において光／電気変換された際の光電流Ｉapdをモニタし、光入力断の発生を認識した際にアラーム（光受信アラームＲＩＮ−ＡＬＭ）を発出する。具体的には、バイアス電圧Ｖ０と保護電圧Ｖapdとが一致したときに（光電流Ｉapdがゼロに近づいたときに）、光入力断が発生したと認識して、光受信アラームＲＩＮ−ＡＬＭを発出する。

なお、アラーム発出部５０での、光入力断から光受信アラームＲＩＮ−ＡＬＭを発出するまでのアラーム発生時間は、バイアス制御部３０の時定数と、光入力断保護部４０の時定数とにもとづいて制御する。詳細は図５で後述する。

次に本発明が解決したい問題点について詳しく説明する。図２は光受信器の構成を示す図である。従来の光受信器１００は、ＡＰＤ１０１、バイアス回路１０２、バイアス制御回路１０３、光入力断保護回路１０４、アラーム発出回路１０５、アンプ１０６、ＣＤＲ１０７、ＯＲ素子１０８から構成される。

各構成要素の接続関係としては、バイアス回路１０２は、直列に接続したＲ１、Ｒ２からなり、抵抗Ｒ１の一端は電源電圧ＶＤＤと接続し、抵抗Ｒ１、Ｒ２の接続点にはバイアス制御回路１０３が接続し、バイアス制御回路１０３の後段にアラーム発出回路１０５が接続する。また、抵抗Ｒ２の一端とＡＰＤ１０１のカソードが接続し、抵抗Ｒ２とＡＰＤ１０１の接続点に光入力断保護回路１０４が接続する。そして、ＡＰＤ１０１のアノード側にアンプ１０６が接続し、アンプ１０６の出力段にＣＤＲ１０７が接続する。

さらに、アラーム発出回路１０５から出力される光入力断アラームＡＬＭ１と、ＣＤＲ１０７から出力されるＰＬＬアラームＡＬＭ２とのＯＲ論理をとって、光受信アラームＲＩＮ−ＡＬＭを出力するＯＲ素子１０８が設けられている。光受信器１００では、この光受信アラームＲＩＮ−ＡＬＭ３が、光信号を正常に受信しているか否かを示す最終的なアラーム信号である。

このような構成に対し、バイアス制御回路１０３は、制御電流（Ｉcont）の引き込み量を変化させることにより、温度、電源変動に対してバイアス電圧Ｖ０を安定に制御する。
アラーム発出回路１０５は、Ｉcontを使って光入力断の検出制御を行い、断検出時には光入力断アラームＡＬＭ１を発出させる。また、アラーム発出回路１０５は、上述した補正回路１０５ａを内部に持っている。

光入力断保護回路１０４は、光入力断時に、バイアス電圧Ｖ０がブレイクダウン電圧となってＡＰＤ１０１が破壊されないように、保護電圧ＶapdによりＡＰＤ１０１を保護する。ＡＰＤ１０１は、受信した光信号を電気信号に変換し、アンプ１０６は電気信号を増幅する。

ＣＤＲ１０７は、ＰＬＬ回路（図示せず）を内部に含んでおり、アンプ１０６から出力される信号から、タイミング情報であるクロックをＰＬＬ回路で抽出して、抽出したクロックでデータ再生を行う。

ここで、光入力が断した場合の光受信器１００の動作について説明する。光入力が断すると、光電流Ｉapdがゼロに近づくので（雑音などの影響により、光入力が断しても光電流Ｉapdは完全にはゼロにならない）、バイアス電圧Ｖ０は電源電圧ＶＤＤに近づく。すると、光信号を正常に受信していたときのＩcontよりも、光入力断時のＩcontの電流量は増加する。

アラーム発出回路１０５は、このＩcontの電流量の変化をしきい値で見ており、設定したしきい値を超えた場合には光入力断とみなして、光入力断アラームＡＬＭ１を発生する。

ただし、Ｉcontは温度、電源変動により変化するので、アラーム発出回路１０５に含まれる補正回路１０５ａが温度、電源変動に伴うしきい値のレベルを補正している。補正回路１０５ａの具体的な動作について説明すると、例えば、ある電源電圧ＶＤＤにおいて、Ｉcontの引き込み量が１μＡであり、この状態におけるしきい値のレベルが１．５μＡであったとする（したがって、この場合、Ｉcontが１．５μＡを超えると光入力断とみなされる）。

その後、電源電圧ＶＤＤが上昇して、Ｉcontの引き込み量が２μＡになったとする（バイアス電圧Ｖ０を一定にするためにＩcontの引き込み量が大きくなった）。この場合には、しきい値は２．５μＡ（＝２．０＋０．５）に補正してやらなくてはならない。補正回路１０５ａでは、このような補正制御を行っている。

ところが、補正回路１０５ａは、アナログ素子で構成されているために、基板毎に回路誤差が生じてしまう。すなわち、各基板で、しきい値レベルがわずかに異なることになる。補正回路１０５ａでは、微弱なＩcontに対するしきい値補正を行っているので、しきい値レベルのわずかな違いでも、光受信器１００が搭載された基板毎に、光入力断の検出レベルが異なってしまうといった不都合が生じてしまう。

次に光受信器１００に対し、ＯＲ素子１０８を用いてアラームの論理をとっている理由について説明する。図３はアラームのタイミングチャートを示す図である。光入力が断した場合、規格上、断発生時点から１００μｓ以内でアラームは出力されなくてはならない。なお、図中の光信号は、“Ｈ”で光あり、“Ｌ”で光なしであり、各アラーム信号は“Ｈ”のときにアラーム・イネーブルとする。

ところが、アナログ受動素子で構成される図２のアラーム発出回路１０５における光入力断アラームＡＬＭ１の応答速度は遅く、数ｍｓ単位である。したがって、この光入力断アラームＡＬＭ１だけを最終の光受信アラームとして用いることはできない。このため、従来では、低速な光入力断アラームＡＬＭ１に対して、ＣＤＲ１０７からの高速なＰＬＬアラームＡＬＭ２とＯＲ論理をとって、光受信アラームＲＩＮ−ＡＬＭ３を生成することで対応している。

ＣＤＲ１０７は、光伝送速度と同じ速度で動作しているので（例えば、２．４Ｇｂ／ｓの光通信を行っているならば、ＣＤＲ１０７も２．４Ｇｂ／ｓで動いている）、ＣＤＲ１０７内部のＰＬＬロック外れを示すＰＬＬアラームＡＬＭ２の応答速度も速く、数ｎｓ単位である。

したがって、このＰＬＬアラームＡＬＭ２と光入力断アラームＡＬＭ１とのＯＲ論理をとれば、図３に示すような１００μＳ以内のアラーム信号を作ることができ、従来ではこれを光受信アラームＲＩＮ−ＡＬＭ３としている。なお、ＰＬＬアラームＡＬＭ２は、パルス信号なので、実際は光入力断アラームＡＬＭ１と論理がとれる時間まで、ワンショット等で波形を伸ばしている（図中の点線波形）。

しかし、このようにして光受信アラームＲＩＮ−ＡＬＭ３を生成すると、本来の光入力断だけで作ったアラームではないため（ＰＬＬのロック外れの原因は、光入力断だけでなく、光信号を受信していても、ＰＬＬの性能により、入力データの遷移率が変化した場合などでも起こりうる）、最適な光入力断検出とはいえず、また、論理をとるための回路素子や配線パターンが増加してしまい、必ずしも望ましい設計とはいえなかった。

このように、従来の光受信器１００では、制御電流Ｉcontで光入力断検出を行っていたために、上記で説明したような問題点があった。本発明ではＡＰＤを流れる光電流を直接モニタする光入力断検出制御を行って、これらの問題点を解決し、光入力断検出の精度を高め、かつ応答速度の速いアラームを生成して、高品質で信頼性の高い光受信装置を実現するものである。

次にＡＰＤ１０のブレイクダウン電圧について説明する。図４はＡＰＤのブレイクダウン電圧を示す図である。図は、ＡＰＤ単体における印加電圧と光電流との関係を示した静特性のグラフを示しており、横軸に印加電圧Ｖd、縦軸に光電流Ｉｄをとる。

ＡＰＤは、ある印加電圧Ｖｄでは、入射光量に比例した電流を流すが、印加電圧Ｖｄを増していくと、入射光量に比例した出力を得る領域ではなくなり、ブレイクダウンと呼ばれる現象がおこり、大電流が流れる。このときの印加電圧をブレイクダウン電圧と呼ぶ。

本発明では、光電流Ｉｄが１０μＡになる印加電圧をブレイクダウン電圧ＶＢと定義し、光入力断保護部４０では、このブレイクダウン電圧ＶＢがＡＰＤ１０にかからないように保護している。

次に時定数による電圧の波形変化について説明する。図５は時定数による電圧の波形変化を示す図である。図５には波形Ｈ１〜Ｈ３が示されている。波形Ｈ１は、光受信レベルを示しており、縦軸は光受信レベル、横軸は時間である。

波形Ｈ２は、バイアス制御部３０及び光入力断保護部４０それぞれの時定数によって決まる電圧変化を示しており、縦軸は電圧、横軸は時間である。なお、光入力断保護部４０の時定数をτ１、バイアス制御部３０の時定数をτ２とする。

また、点線で示す電圧Ｖａは、光入力断保護部４０を光受信装置内に設置しなかった場合のバイアス電圧波形である。さらに、実線で示す電圧Ｖｂは、光入力断保護部４０が光受信装置に設置されている際のバイアス電圧波形であり、太実線で示す電圧Ｖｃは、光入力断保護部４０の保護電圧波形である（なお、それぞれの波形が重なる部分は実線で示した）。

波形Ｈ３は、本発明の光受信アラームＲＩＮ−ＡＬＭを示しており、縦軸は信号レベル、横軸は時間である（“Ｌ”でアラーム・イネーブルである）。
まず、光入力断保護部４０を設けなかった場合のバイアス電圧Ｖａの変化について説明する。光受信装置１は、区間Ｔ０に対し、光信号を正常に受信している場合、バイアス制御部３０で制御されるバイアス電圧ＶａはＶ０一定となる。また、光受信アラームＲＩＮ−ＡＬＭは非発出である。

時間Ｔ１に対し、このときに光入力断が発生したとする。光信号が入力しなくなるとＡＰＤ１０の光電流Ｉapdはゼロに近づく。このとき、バイアス電圧Ｖａは、光入力断保護を行っていない場合なので、急峻な立ち上りで電源電圧ＶＤＤに向かう。この際、図からわかるようにバイアス電圧Ｖａはブレイクダウン電圧ＶＢを超えてしまっている。

区間Ｔ２〜区間Ｔ４に対し、バイアス制御部３０は、バイアス電圧ＶａをＶ０の一定値に戻そうとする。この場合、バイアス制御部３０の時定数τ２の時間をかけて、バイアス電圧ＶａはＶ０に漸近していく。

このように、光入力断保護部４０を設置しない場合には、光入力が断すると、バイアス電圧ＶａがＡＰＤ１０のブレイクダウン電圧ＶＢを超えてしまい、ＡＰＤ１０の破壊を生じてしまうおそれがある。

次に本発明における波形変化について説明する。光受信装置１は、区間Ｔ０に対し、光信号を正常に受信している場合、バイアス制御部３０で制御されるバイアス電圧ＶｂはＶ０一定となり、光入力断保護部４０で制御される保護電圧ＶｃはＶapd一定となる。また、光受信アラームＲＩＮ−ＡＬＭは非発出である。

時間Ｔ１に対し、このときに光入力断が発生したとする。光信号が入力しなくなるとＡＰＤ１０の光電流Ｉapdはゼロに近づく。区間Ｔ２に対し、光入力断保護部４０の保護電圧Ｖｃは、ブレイクダウン電圧ＶＢを超えないように、時定数τ１を設定してあるので、図に示すような曲線を描きながら上昇して下降する。また、このときに、バイアス電圧Ｖｂも保護電圧Ｖｃに応じて、図に示すような曲線を描きながら上昇して下降する。

ここで、後述の回路図（図６、図７）を見るとわかるように、バイアス制御部３０の時定数τ２と、光入力断保護部４０の時定数τ１とは独立の関係ではなく、互いに影響を受ける。この場合、光入力断保護部４０内の時定数回路の抵抗を大きくし、またはコンデンサの静電容量を大きくして、時定数τ１の時間変化を大きくすれば、バイアス制御部３０の時定数τ２の時間変化も大きくなる。したがって、区間Ｔ２では、バイアス電圧Ｖｂは、保護電圧Ｖｃの変化に対応した波形となる。

時間Ｔ３に対し、バイアス電圧Ｖｂと保護電圧Ｖｃとが一致する。このときに、光受信アラームＲＩＮ−ＡＬＭが発出するようにする。その後、区間Ｔ４で、バイアス電圧Ｖｂ及び保護電圧ＶｃはＶ０に漸近していく。

次にアラーム発出時間と時定数の関係について説明する。バイアス制御部３０の時定数をτ２、光入力断保護部４０の時定数τ１、光受信アラームＲＩＮ−ＡＬＭの発出時間をｔとすると、バイアス電圧Ｖ０と保護電圧Ｖapdは、以下の関数の式で表せる。

Ｖ０＝ｆ１（τ２，ｔ） ・・・（１）
Ｖapd＝ｆ２（τ１，ｔ） ・・・（２）
また、Ｖ０＝Ｖapdより、
ｆ１（τ２，ｔ）＝ｆ２（τ１，ｔ） ・・・（３）
となるので、光受信アラームＲＩＮ−ＡＬＭの発出時間ｔは、
ｔ＝ｆ３（τ１，τ２） ・・・（４）
で与えられる。すなわち、光入力断保護部４０の時定数τ１とバイアス制御部３０の時定数τ２との２つの時定数により、光受信アラームＲＩＮ−ＡＬＭの発出時間を制御できることがわかる。

以上説明したように、本発明のアラーム発出時間の制御には、光入力断保護部４０の時定数τ１と、バイアス制御部３０の時定数τ２とにもとづいて制御する。また、時定数を決める場合には、バイアス電圧Ｖｂ及び保護電圧Ｖｃが、光入力断時にＡＰＤ１０のブレイクダウン電圧ＶＢを超えないように、かつ、光入力断からバイアス電圧Ｖｂと保護電圧Ｖｃとが一致するまでの時間がアラーム発出時間の規格（例えば、１００μｓ以内）を満たすように、時定数τ１、τ２を決めることになる。

なお、アラーム発出時間の実測値としては、光信号を−７ｄＢｍで断とした場合には、光受信アラームＲＩＮ−ＡＬＭの発出時間は８４μｓであり、光信号を−２２ｄＢｍで断とした場合には、光受信アラームＲＩＮ−ＡＬＭの発出時間は４１μｓとなった。

次に本発明の光受信装置１の具体的な回路構成について説明する。図６〜図９は光受信装置の回路構成を示す図である。光受信装置１−１は、ＡＰＤ１０、バイアス部２０、バイアス設定制御部３０ａ、温度補償部３０ｂ、光入力断保護部４０、光電流モニタ部５０ａ、アラームアンプ部５０ｂ、アラーム識別部５０ｃ、光パワーモニタアンプ部６０ａ、光パワーモニタレベルシフト部６０ｂから構成される。

図６にＡＰＤ１０、バイアス部２０、光入力断保護部４０、光電流モニタ部５０ａを示し、図７にバイアス設定制御部３０ａ、温度補償部３０ｂを示し、図８にアラームアンプ部５０ｂ、アラーム識別部５０ｃを示し、図９に光パワーモニタアンプ部６０ａ、光パワーモニタレベルシフト部６０ｂを示す。

なお、バイアス設定制御部３０ａと温度補償部３０ｂは、本発明のバイアス制御部３０に該当し、光電流モニタ部５０ａ、アラームアンプ部５０ｂ、アラーム識別部５０ｃは、本発明のアラーム発出部５０に該当する。さらに、本発明の光パワーモニタ部は、光パワーモニタアンプ部６０ａと光パワーモニタレベルシフト部６０ｂからなる。

最初に各構成素子の接続関係について記す。抵抗Ｒ０の一端は、電源電圧ＶＤＤと接続し、抵抗Ｒ０の他端は、抵抗Ｒ１の一端とオペアンプＯＰ１の一方の電源端子と接続する。抵抗Ｒ１の他端は、抵抗Ｒ２の一端と、抵抗Ｒ６の一端と、抵抗Ｒ８（図７）の一端及びＮＰＮトランジスタＴｒ２のコレクタ端子（図７）と接続する。抵抗Ｒ２の他端は、コンデンサＣ０の一端と、ＡＰＤ１０のカソードと、抵抗Ｒ３の一端と、ダイオードＤ１のアノードと、抵抗Ｒ７の一端と接続する。コンデンサＣ０の他端はＧＮＤに接続し、ＡＰＤ１０のアノードはアンプ２と接続し、アンプ２の出力段には、図示しないＣＤＲなどの回路が接続する。

抵抗Ｒ３の他端は、オペアンプＯＰ１の入力端子（＋）と接続し、オペアンプＯＰ１の入力端子（−）は、抵抗Ｒ５の一端とコンデンサＣ１の一端と接続する。オペアンプＯＰ１の出力端子は、コンデンサＣ１の他端と抵抗Ｒ４の一端と接続し、オペアンプＯＰ１の他方の電源端子はＧＮＤに接続する。

ＰＮＰトランジスタＴｒ１のエミッタは、抵抗Ｒ５及び抵抗Ｒ６の他端と接続し、ベースは抵抗Ｒ４の他端と接続し、コレクタは、抵抗Ｒ９及び抵抗Ｒ１０（図８）の一端と接続する。ダイオードＤ１のカソードは抵抗Ｒ７の他端とコンデンサＣ２の一端と接続し、コンデンサＣ２の他端はＧＮＤに接続する。

ＮＰＮトランジスタＴｒ２のエミッタは抵抗Ｒ１２の一端と接続し、ベースは抵抗Ｒ１１の一端と接続する。抵抗Ｒ１２の他端と、抵抗Ｒ１３の一端と、オペアンプＯＰ２、ＯＰ３の一方の電源端子は、電源ＶＤＤと接続する。抵抗Ｒ１１の他端は、抵抗Ｒ１３の他端と、オペアンプＯＰ２の出力端子と、コンデンサＣ４の一端と接続する。

オペアンプＯＰ２の入力端子（＋）は、コンデンサＣ３の一端と、抵抗Ｒ１４及び抵抗Ｒ１６の一端と接続する。オペアンプＯＰ２の入力端子（−）は、コンデンサＣ４の他端と抵抗Ｒ１５の一端と接続し、オペアンプＯＰ２の他方の電源端子及びコンデンサＣ３の他端はＧＮＤに接続する。

抵抗Ｒ８の他端と抵抗Ｒ１４の他端は接続し、抵抗Ｒ１６の他端と、抵抗Ｒ２１の一端と、Ｒ２３の一端は電源ＶＤＤと接続する。抵抗Ｒ１５の他端はオペアンプＯＰ３の出力端子と、抵抗Ｒ１７の一端と接続する。オペアンプＯＰ３の他方の電源端子はＧＮＤに接続し、オペアンプＯＰ３の入力端子（＋）は抵抗Ｒ２０の一端と抵抗Ｒ２１の他端と接続する。

抵抗Ｒ１７の他端と抵抗Ｒ１８の一端は接続し、抵抗Ｒ１８の他端は、オペアンプＯＰ３の入力端子（−）と、抵抗Ｒ１９の一端と接続する。抵抗Ｒ２０の他端と抵抗Ｒ２２の一端はＧＮＤに接続し、抵抗Ｒ１９の他端は抵抗Ｒ２２の他端とダイオード温度センサＤ２のアノードに接続し、ダイオードセンサＤ２のカソードは、抵抗Ｒ２３の他端と接続する。

抵抗Ｒ９の他端はオペアンプＯＰ４の入力端子（＋）と接続し、抵抗Ｒ１０の他端は、抵抗Ｒ２９及び抵抗Ｒ３０（図９）の一端と接続する。オペアンプＯＰ４の入力端子（−）は、抵抗Ｒ２４及び抵抗Ｒ２５の一端と接続し、抵抗Ｒ２５の他端はＧＮＤに接続する。オペアンプＯＰ４の一方の電源端子はＶＤＤと接続し、他方の電源端子はＧＮＤに接続する。

オペアンプＯＰ４の出力端子は、抵抗Ｒ２４の他端と、抵抗Ｒ２６の一端と接続し、抵抗Ｒ２６の他端は、オペアンプＯＰ５の入力端子（＋）と接続する。抵抗Ｒ２８の一端は電源ＶＤＤと接続し、抵抗Ｒ２８の他端は、ボリュームＶＲ１の一方の端子と接続し、ボリュームＶＲ１の他方の端子はＧＮＤに接続する。

ボリュームＶＲ１のコモン端子は、抵抗Ｒ２７の一端と接続し、抵抗Ｒ２７の他端はオペアンプＯＰ５の入力端子（−）と接続する。オペアンプＯＰ５の一方の電源端子はＶＤＤと接続し、他方の電源端子はＧＮＤに接続し、オペアンプＯＰ５の出力端子は、光受信アラームＲＩＮ−ＡＬＭを出力する。

抵抗Ｒ２９の他端はオペアンプＯＰ６の入力端子（＋）と接続し、抵抗Ｒ３０の他端はＧＮＤに接続する。オペアンプＯＰ６の入力端子（−）は、抵抗Ｒ３１及び抵抗Ｒ３２の一端と接続し、抵抗Ｒ３１の他端はＧＮＤに接続する。オペアンプＯＰ６の一方の電源端子はＶＤＤと接続し、他方の電源端子はＧＮＤに接続する。

オペアンプＯＰ６の出力端子は、抵抗Ｒ３２の他端と、抵抗Ｒ３３の一端と接続する。抵抗Ｒ３３の他端は、オペアンプＯＰ７の入力端子（＋）と、抵抗Ｒ３４の一端と接続する。抵抗Ｒ３６の一端はＧＮＤと接続し、抵抗Ｒ３６の他端は、抵抗Ｒ３５及び抵抗Ｒ３７の一端と接続し、抵抗Ｒ３５の他端はオペアンプＯＰ７の入力端子（−）と接続する。抵抗Ｒ３７の他端は、ボリュームＶＲ２の一方の端子と接続し、ボリュームＶＲ２の他方の端子は抵抗Ｒ３８の一端と接続し、抵抗Ｒ３８の他端はＶＤＤに接続する。

ボリュームＶＲ２のコモン端子は、リファレンス電圧ＰＤ−ＲＥＦとなる。オペアンプＯＰ７の一方の電源端子はＶＤＤと接続し、他方の電源端子は−ＶＤＤに接続し、オペアンプＯＰ７の出力端子は、抵抗Ｒ３４と接続し、光パワーモニタ電圧ＰＤ−ＭＯＮとなる。

次に各構成ブロックの動作について説明する。バイアス部２０（図６）は、ＡＰＤ１０にバイアス電圧Ｖ０を与え、バイアス設定制御部３０ａ（図７）では、温度及び電源の変動に応じてバイアス電圧Ｖ０の安定化制御を行う。

光入力断保護部４０（図６）内の抵抗Ｒ７とコンデンサＣ２の素子は、時定数τ１を決定する時定数回路となる。バイアス設定制御部３０ａの時定数τ２は、オペアンプＯＰ２（図７）及びオペアンプＯＰ２周辺のディスクリート素子（コンデンサＣ３、Ｃ４、抵抗Ｒ８、Ｒ１４、１５など）によって決定する。

また、時定数τ２の速度を上げるため（時定数τ２の速度を上げることで、図５で示した区間Ｔ２におけるバイアス電圧Ｖｂを速く下降させる）、オペアンプＯＰ２には高速のオペアンプを使い、かつカットオフ周波数が小さい値となるようにオペアンプＯＰ２の周辺ディスクリート素子の値を決定する。

ここで、バイアス設定制御部３０ａは、オペアンプＯＰ２の入力端子（＋）でバイアス電圧Ｖ０をモニタしている。電源変動に対しては、オペアンプＯＰ２の入力端子（＋）のモニタ電圧が、オペアンプＯＰ２の入力端子（−）に与えられている現時点の電圧となるように、フィードバック制御を行って（オペアンプＯＰ２の出力をトランジスタＴｒ２のベースに与えて、Ｉcontの引き込み量を制御する）、バイアス電圧Ｖ０を一定に制御する。

また、温度変動に対しては、温度補償部３０ｂ（図７）内のオペアンプＯＰ３の入力端子（＋）には、抵抗Ｒ２０と抵抗Ｒ２１で抵抗分割された電圧が与えられ、オペアンプＯＰ３の入力端子（−）には、ダイオード温度センサＤ２（図７）を介して得られる電圧が与えられているため、オペアンプＯＰ３からは温度補償電圧が出力される。そして、バイアス設定制御部３０ａ内のオペアンプＯＰ２（図７）は、入力端子（＋）のモニタ電圧が入力端子（−）の温度補償電圧となるようにフィードバック制御を行って、温度に応じてバイアス電圧Ｖ０を可変に設定する。

光電流モニタ部５０ａ（図６）は、ＡＰＤ１０（図６）に流れるIapdの電流情報を取り出して、アラームアンプ部５０ｂ（図８）と光パワーモニタアンプ部６０ａ（図９）にその情報を渡す（光電流モニタ部５０ａは、実際には、抵抗Ｒ２（図６）の両端の電圧をモニタして、その電圧をトランジスタＴｒ１（図６）を介して電流に変換して、アラームアンプ部５０ｂと光パワーモニタアンプ部６０ａへ渡している）。

一方、光電流モニタ部５０ａでも、バイアス設定制御部３０ａと同じように、バイアス電圧Ｖ０をモニタしてフィードバック制御を行うループ構造をとっているため、光電流モニタ部５０ａのループは、バイアス設定制御部３０ａのループの中の二重ループになっている（光電流モニタ部５０ａ及びバイアス設定制御部３０ａ共に、バイアス電圧Ｖ０をモニタして電流に変換するフィードバックループ構造をとっている）。

この場合、ループの時定数が接近していると、発振等の問題が発生するおそれがあるので、ここでは、光電流モニタ部５０ａ側の応答速度を高速にして対応している。このように設計すれば、光電流モニタ部５０ａ側の時定数は無視でき、バイアス設定制御部３０ａ側の時定数のみを考慮すればよいことになる（光電流モニタ部５０ａの時定数は無視できるので、図５で上述した区間Ｔ２では、バイアス設定制御部３０ａの時定数τ２で代表させている）。

したがって、光電流モニタ部５０ａの応答速度は、バイアス設定制御部３０ａの応答速度よりも十分速くなるように、オペアンプＯＰ１には超高速のオペアンプを使用する。また、オペアンプＯＰ１は、ＡＰＤ１０の高電位のバイアス電圧を入力できる高い駆動電圧で動作させる。さらに、光電流モニタ部５０ａのループの応答速度はできるだけ高速にするために、ループの時定数はオペアンプＯＰ１の周辺素子で決まるように設計する。

なぜなら、オペアンプＯＰ１自身のカットオフ周波数（オペアンプＯＰ１のオープンループのときのカットオフ周波数）がループの時定数に強く関係してくると、電源変動などがあった場合に、オペアンプＯＰ１の変動分がループの時定数に現れることになるからである（なお、周辺の抵抗やコンデンサで時定数を決めるようにすれば一意に決まり、電源変動などの影響は受けにくい）。

アラームアンプ部５０ｂ（図８）は、光電流モニタ部５０ａからの情報を必要な識別余裕が確保できるまで増幅する。ただし、アラーム発出時間を短くするために、オペアンプＯＰ４（図８）は高速なオペアンプを用いる。また、後段のアラーム識別部５０ｃで十分に識別余裕が確保できるように（光入力断か否かを判断するための十分なレベル差を確保できるように）、アラームアンプ部５０ｂの利得を決定する。

アラーム識別部５０ｃ（図８）のオペアンプＯＰ５（コンパレータ）は、アラームアンプ部５０ｂで増幅されたモニタ電圧と、あらかじめボリュームＶＲ１で設定してある電圧とを比較し、光入力断時には、光受信アラームＲＩＮ−ＡＬＭを発出する。

光パワーモニタアンプ部６０ａ（図９）は、光電流モニタ部５０ａからの情報を増幅して光パワーモニタ電圧に変換する。光パワーモニタレベルシフト部６０ｂ（図９）では、光パワーモニタ電圧の振幅については、光パワーモニタアンプ部６０ａの利得ですでに得られているので、レベルシフトのみを行って、光パワーモニタ電圧ＰＤ−ＭＯＮとして出力する（本発明の装置では、複数の他の信号に関するモニタ電圧も見れるようになっているため、これらのモニタ電圧の振幅電圧の範囲を一律にするために、レベルをシフトできるようにしている）。また、安定化電圧を抵抗分割し、リファレンス電圧ＰＤ−ＲＥＦを外部へ出力する。

次に図６〜図９で示した光受信装置１−１の変形例について説明する。図１０〜図１３は光受信装置の構成を示す図である。変形例である光受信装置１−２の構成ブロックは、上述した光受信装置１−１の構成ブロックと同じである。

光受信装置１−１と光受信装置１−２の相違点は、光受信装置１−１の光パワーモニタアンプ部６０ａでは、光電流モニタ部５０ａからの電流情報を受信しているが、光受信装置１−２の光パワーモニタアンプ部６０ａでは、バイアス設定制御部３０ａからの電流情報を受信している点である。

構成素子の接続箇所が異なる部分について説明すると、トランジスタＴｒ１（図１０）のコレクタは、抵抗Ｒ９と抵抗Ｒ１０（図１２）の一端と接続し、抵抗Ｒ１０の他端はＧＮＤに接続する。トランジスタＴｒ２（図１１）のエミッタは、抵抗Ｒ１２（図１１）の一端と抵抗Ｒ２９（図１３）の一端と接続する。その他の構成及び動作は同じであるので説明は省略する。

次に本発明の光受信装置１の適用例として、ＷＤＭ（Wavelength Division Multiplex）に本発明を適用した場合のＷＤＭ受信装置について説明する。図１４はＷＤＭ受信装置の構成を示す図である。ＷＤＭ受信装置７は、分波器７１と光受信部７２−１〜７２−ｎとから構成される。分波器７１は、光ファイバを通じてＷＤＭ信号を受信して、多重されている波長λ１〜λｎ毎に光信号を分波する。光受信部７２−１〜７２−ｎそれぞれは、本発明の光受信装置１に該当し、分波された波長の光信号を受信して電気信号に変換する。また、光入力断時には、アラーム信号を発生する。

次に本発明の他の適用例について説明する。図１５は光受信制御装置の構成を示す図である。光受信制御装置８は、光受信部８１（本発明の光受信装置１に該当）と、光受信部８１の前段に設けられた光制御部８２（光増幅器または光減衰器に該当）とから構成される。

光受信部８１からの光パワーモニタ信号（光パワーモニタ電圧ＰＤ−ＭＯＮに該当）を光制御部８２へ与え、光制御部８２では、光増幅量または光減衰量を制御する。このように利得のフィードバック制御を行うことで、広い入力パワーを実現することが可能になる。また、図１４で上述したＷＤＭ受信装置７に対して、光受信部７２−１〜７２−ｎの代わりに光受信制御装置８を用いることもできる。

以上説明したように、本発明の光受信装置１は、受光素子の光電流をモニタし、バイアス電圧と保護電圧とが一致したときに、時定数により制御された光入力断のアラームを発出する構成とした。これにより、従来必要としていたしきい値補正を行う補正回路が不要となり、また、クロックデータリカバリ回路等からの高速アラームを用いて、アラーム発出時間を規格内に収めるといった処理も不要となる。したがって、本発明では、光入力断の検出精度を高め、かつアラーム発出時間を規格内に収めて、高品質な光受信装置を実現することが可能になる。

なお、上記の説明では、本発明の光受信装置１をＷＤＭ受信装置に適用した場合の一例を示したが、ＷＤＭに限らずＳＯＮＥＴ／ＳＤＨの伝送系や光加入者アクセスの伝送系などの幅広い光通信分野に本発明は適用可能である。

以上説明したように、本発明の光受信装置は、温度、電源の変動に対応して、受光素子のバイアス電圧を安定化させるバイアス制御部と、保護電圧により受光素子を保護する光入力断保護部を含み、受光素子の光電流をモニタし、バイアス電圧と保護電圧とが一致したときに、光入力断を認識してアラームを発出する構成とした。これにより、直接、光電流の情報にもとづいて、光入力断検出が行われるので、従来必要としていたしきい値補正を行う補正回路が不要となり、光入力断検出の精度を高めることができるので、品質及び信頼性の向上を図ることが可能になる。

また、バイアス電圧及び保護電圧の変動と、クロック抽出部によるアラームとにもとづき、光入力断を認識することにより、光入力断による電圧の変化を検出し、確実に光入力断を検出しつつブレイクダウン電圧を超えない検出を可能とし、光伝送速度と同じ速度で動作しているクロック抽出部による高速検出が可能となる。

上記については単に本発明の原理を示すものである。さらに、多数の変形、変更が当業者にとって可能であり、本発明は上記に示し、説明した正確な構成および応用例に限定されるものではなく、対応するすべての変形例および均等物は、添付の請求項およびその均等物による本発明の範囲とみなされる。

図１は、本発明の光受信装置の原理図である。
図２は、光受信器の構成を示す図である。
図３は、アラームのタイミングチャートを示す図である。

図４は、ＡＰＤのブレイクダウン電圧を示す図である。
図５は、時定数による電圧の波形変化を示す図である。
図６は、光受信装置の回路構成を示す図である。

図７は、光受信装置の回路構成を示す図である。
図８は、光受信装置の回路構成を示す図である。
図９は、光受信装置の回路構成を示す図である。

図１０は、光受信装置の回路構成を示す図である。
図１１は、光受信装置の回路構成を示す図である。
図１２は、光受信装置の回路構成を示す図である。

図１３は、光受信装置の回路構成を示す図である。
図１４は、ＷＤＭ受信装置の構成を示す図である。
図１５は、光受信制御装置の構成を示す図である。

符号の説明

１ 光受信装置
２ アンプ
１０ 受光素子
２０ バイアス部
３０ バイアス制御部
４０ 光入力断保護部
５０ アラーム発出部
ｍ１、ｍ２ モニタ端子

Claims (4)

1. バイアス部よりバイアス電圧が印加され、光信号を受信して電気信号に変換する受光素子と、
   前記バイアス部に接続され、前記バイアス部より引き込む制御電流により、前記受光素子への前記バイアス電圧を制御するバイアス制御部と、
   前記バイアス部に接続され、保護電圧を前記バイアス部に供給する光入力断保護部と、
   前記受光素子の光電流からＰＬＬ回路によりクロック抽出を行い、前記ＰＬＬ回路によるＰＬＬロック外れのときはアラームを出力するクロック抽出部と、
   前記バイアス電圧及び前記保護電圧の変動と、前記クロック抽出部による前記アラームとにもとづき、光入力断を認識してアラームを発出するアラーム発出部と、
   を有することを特徴とする光受信装置。
   
2. 前記アラーム発出部での、光入力断検出からアラームを発出するまでのアラーム発出時間は、前記バイアス制御部の時定数と、前記光入力断保護部の時定数とにもとづいて定められることを特徴とする請求項１記載の光受信装置。
3. 前記バイアス制御部の時定数と、前記光入力断保護部の時定数は、前記バイアス電圧及び前記保護電圧が、光入力断時に前記受光素子のブレイクダウン電圧を超えないように、かつ、光入力断から前記バイアス電圧と前記保護電圧とが一致するまでの時間が、前記アラーム発出時間の規格を満たすように決められることを特徴とする請求項２記載の光受信装置。
4. 前記アラーム発出部からの電流情報または前記バイアス制御部からの制御電流情報にもとづいて、前記光信号の入力光パワーをモニタする光パワーモニタ部をさらに有することを特徴とする請求項１記載の光受信装置。

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