JP3957304B2 - Ａｐｄ光受信器の温度補償装置 - Google Patents

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Description

本発明は光受信器に関し、特にＡＰＤ(Avalanche Photo Diode)を利用した光受信器での温度に応じた損失を補償するための温度補償装置に関する。
一般的にＡＰＤは、光ダイオードに光を入射させ、逆バイアス電圧を徐々に増加させると、発生した電子が高い電界で加速され、原子と衝突する結果、新たな電子と正孔(hole)が発生する雪崩現象(Avalanche Phenomenon)を利用して光信号を電気信号に変換するもので、光通信用の受光素子として利用されている。
また、ＡＰＤはそれ自体の利得(gain)を有しており、非常に小さいレベル(level)の光も検出する能力があるので、ファイバ−光(fiber-optic)受信器で最適の感度(optimum sensitivity)を要求する開発者に選好される。
しかし、このような内部利得の満足のいくレベルを得るためにＡＰＤは、高いバイアス(bias)(３０〜４０Ｖ)供給を必要とする。またＡＰＤは温度に敏感な利得関数(gain function)を有する。従って、ＡＰＤの定数利得(constant gain)を得るための、かつ高い電圧を供給するＡＰＤを利用した光受信システムで、温度変化に応じた補償回路が必須的である。さらに、ＡＰＤは高速デジタル回線には適合するが、ＡＰＤ自体の雪崩効果による電流増幅作用に、信号対雑音比(Ｓ／Ｎ:Signal/Noise)とバイアス電圧が高く、温度依存性が高いとの欠点がある。
現在、ＡＰＤを導入した光受信システムの制御回路(control circuit)は、高い電圧を供給する電力供給部(power generator)で、電流量を抑制しつつ電圧を大幅に増加させる“ＰＷＭ(Pulse Width Modulation)”という電力スイッチング(power switching)技術を利用している。
例えば、“Maxim Integrated Products(120 San Gabriel Dr., Sunnyvale, CA 94086 USA)”社の“ＭＡＸＩＭ１７７１”チップ(chip)が電圧増幅のためのコアチップ(core chip)として使用される。このようなチップの電圧レベルは温度変化に応じて変化する。この温度変化に応じた電圧レベルの変化は、チップのフィードバック(feedback)端子に印加される電圧レベルにより調節される。フィードバック(feedback)端子による調節で電圧の変化量が決定されるが、そのために、電圧の変化量の傾斜を調節する抵抗と温度に応じた抵抗の線形的動作のために使用されるＡＰＤ内部に含まれたサーミスタ(Thermistor)に接続された抵抗とを組み合わせて温度補償回路を構成している。
図１は一般的なＡＰＤ光受信器の構成図である。図示したように、一般的なＡＰＤ光受信器は、低い入力電圧に対して高い出力の逆バイアスを生成させる電圧生成(Voltage Generator)部１１、ＡＰＤ１３１とＡＰＤの温度変化を感知するためのサーミスタ１３２を含むＡＰＤ受信部１３、及びＡＰＤ１３１の温度変化に応じた利得要素の減少部分を補償して、電圧生成部１１の線形化された出力電圧を生成するための温度補償部１２を備えている。
図２は図１のＡＰＤ光受信器の詳細回路図である。
図２を参照すると、電圧生成部１１はＰＷＭ電力スイッチング(power switching)技術を利用する前述した“ＭＡＸＩＭ１７７１”チップを含んで構成され、５〜８Ｖの入力電圧に対して３０〜４０Ｖの逆バイアスを生成する。ここで、電圧生成部１１の出力(Ｖｏ)と接続されたＡＰＤ１３１は、温度上昇に応じて０.２％／℃の利得要素の減少があるので、同一の受信感度を維持するために、温度上昇に応じて同じ変化率で逆バイアスを増加させるべきである。
このような温度に応じた逆バイアス増加のために、温度補償部１２の抵抗をＡＰＤのサーミスタ１３２と並列接続することにより、回路全体で電圧生成部１１の出力電圧(Ｖｏ)のための温度変化に応じた抵抗変化の比率をサーミスタ１３２の抵抗(ＲＴ)と温度補償部１２の選択された抵抗(Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４)の組み合わせに合わせることができ、結果的に基準電圧(Ｖｒｅｆ)と出力抵抗の関係式である下記数式１を通じて回路全体で電圧生成部１１の出力電圧(Ｖｏ)の量を調節することができる。
Figure 0003957304
即ち、“ＭＡＸＩＭ１７７１”チップを有した電圧生成部１１により電力スイッチングに応じた電圧生成が遂行され、この電圧生成は数式１の比率に応じた電圧増幅からなるので、ここに関係する抵抗Ｒ２とＲ３はそれぞれ温度変化に応じたＡＰＤの電圧増幅のスロップ利得(slop gain)と温度線形化(temperature linearization)を担当するようになる。この時、抵抗Ｒ２、Ｒ３の決定に応じた電圧変化及び電圧増幅は、図３Ａ及び図３Ｂのようである。
図３Ａは並列抵抗値(ＲＴ)と温度の相関関係を示す。図３ＡのＸ軸はＡＰＤ１３１の温度を表示し、Ｙ軸はサーミスタ１３２の抵抗値を示す。そして、図３Ｂは出力電圧(Ｖｏ)と温度の相関関係を表示する。図３ＢのＸ軸はＡＰＤ１３１の温度を表示し、Ｙ軸は回路全体の出力電圧(Ｖｏ)を示す。
図２及び図３に示した一般的なＡＰＤ光受信器の動作をより詳細に説明すると、先ず、全体的な電圧増幅の傾斜及び電圧の大きさを温度補償部１２の抵抗Ｒ２により選択すべきであり、また、サーミスタ１３２と並列接続された温度補償部１２の抵抗Ｒ３の選択により温度に応じた抵抗変化の線形性を合わせるべきである。
しかし、ＡＰＤ１３１ごとに、固有の利得要素(Gain factor)を得るために必要な逆バイアス(reverse bias)の値は相異しており、温度補償部１２の抵抗であるＲ２、Ｒ３の抵抗変化に応じて電圧変化が敏感に反応する。
従って、一つの回路ボードでＡＰＤ１３１を交換する度に、また、周囲温度が変化する度に、一定の受信感度を維持するために(即ち、出力電圧が線形化されるようにするために)、温度補償部１２の抵抗Ｒ２と抵抗Ｒ３を設定することが必要である。しかし、図２に示した装置のように抵抗Ｒ２を可変抵抗にして前記のように受信感度が一定であるようにすることは、全体温度変化領域で始端と終端の０.２％変化との巨視的な条件に合わせることは可能であるが、それぞれの温度区間別０.２％／℃との変化量の電圧変化は得ることが難しい。また、得たとしてもＲ２とＲ３、二つの抵抗値をデバッグすべきである問題点がある。
また、アナログ的にその抵抗値を作るための前記数式１を見ると、分数関数に表現されることにより、線形的な値を作るのが難しい問題点がある。
以上の問題点を解決するための本発明の目的は、ＡＰＤの温度変化に応じた利得減少補償において、データルックアップを通じて線形的な補償が可能なＡＰＤ光受信器の温度補償装置を提供することにある。
この目的を達成するため、本発明は、ＡＰＤ(Avalanche Photo Diode)と、ＡＰＤの温度変化を感知するためのサーミスタと、ＡＰＤのバイアス用の出力電圧を生成する電圧生成(Voltage Generator)部と、を備えたＡＰＤ光受信器の温度補償装置において、サーミスタと接続されて該サーミスタから第１抵抗値を受信し、この第１抵抗値を利用してＡＰＤの温度データを決定し、このＡＰＤの温度データに応じた出力電圧データを決定し、この出力電圧データに応じた出力電圧を生成するための第２抵抗値データを決定するように制御するための制御手段と、その第２抵抗値データに従う第２抵抗値を電圧生成部の入力端に提供する抵抗手段と、を備え、温度補償装置の制御手段は、ＡＰＤ光受信器の基準電圧値、第１抵抗値に応じたＡＰＤの温度データ、ＡＰＤの温度データに応じた出力電圧データ、及び出力電圧−第２抵抗値間の関係データを含む初期値を貯蔵する第１段階と、ＡＰＤとサーミスタの間の温度係数が変化したか否かを確認して、変化したときは“Steinhart & hart”式に応じた新たな関係データを貯蔵する第２段階と、サーミスタから第１抵抗値を受信してＡＰＤの温度変化を監視する第３段階と、第３段階の監視結果、ＡＰＤの温度変化が感知されると、第１抵抗値に応じたＡＰＤの温度データ、該ＡＰＤの温度データに応じた出力電圧データ、及び出力電圧−第２抵抗値間の関係データを通じて第２抵抗値データを決定する第４段階と、その第２抵抗値データを抵抗手段に伝達して該抵抗手段に第２抵抗値を設定する第５段階と、を実行することを特徴とする。
このような制御手段は、サーミスタと接続されて該サーミスタから第１抵抗値を受信する温度感知手段と、第１抵抗値に応じたＡＰＤの温度データを貯蔵する温度−抵抗貯蔵手段と、ＡＰＤの温度データに応じた出力電圧データを貯蔵する温度−電圧貯蔵手段と、出力電圧を決定するための値である基準電圧値及び出力電圧−第２抵抗値間の関係データを含む初期値を貯蔵するための初期値貯蔵手段と、温度感知手段から第１抵抗値を受信して温度−抵抗貯蔵手段に伝達し、該温度−抵抗貯蔵手段から第１抵抗値に応じたＡＤＰの温度データを受信して温度−電圧貯蔵手段に伝達し、該温度−電圧貯蔵手段からＡＤＰの温度データに応じた出力電圧データを受信して初期値貯蔵手段に伝達し、該初期値貯蔵手段から出力電圧に応じた第２抵抗値データを受信するように制御する抵抗制御手段と、この抵抗制御手段から第２抵抗値データを受信して抵抗手段に伝達する抵抗値設定手段と、を備える構成とすることができる。また、抵抗手段は、１〜１０ｋΩの範囲で２チャネル２５６ステップの抵抗値を出力可能なデジタルポテンショメータとすることが可能である。
また、温度補償装置の制御手段が実行する第２段階において、温度係数変化有無は、ＡＰＤの交換を感知することにより確認するようにしてもよい。
本発明の場合、第２抵抗値データは、“出力電圧／基準電圧”の値にすることが可能である。
本発明は、デジタル制御されるＡＰＤ受信器の温度補償装置を提供して、既存のアナログ温度補償回路に比べて簡単であり、かつ精密な受信感度を有する温度補償装置を提供することができる効果がある。
また、本発明は、相異なる利得要素(Gain factor)を有するＡＰＤを使用しても温度変化に応じた補償電圧の変化を一定に維持させ、不確実な抵抗デバッグの限界を克服していずれのＡＰＤを使用しても最適の受信感度を維持することができる効果がある。
以下、本発明に従う好適な実施形態について添付図を参照しつつ詳細に説明する。下記の説明において、本発明の要旨のみを明瞭にする目的で、関連した公知機能又は構成に関する具体的な説明は省略する。
図４は本発明に従う温度補償装置を設けたＡＰＤ光受信器の実施形態を示した構成図である。図４を参照すると、電圧生成部１１はＰＷＭ電力スイッチング(power switching)技術を利用する“Maxim Integrated Products (120 San Gabriel Dr., Sunnyvale、CA 94086 USA)”社の“ＭＡＸＩＭ１７７１”チップで構成され、５〜８Ｖの入力電圧に対して３０〜４０Ｖの逆バイアスを生成する。ここで、電圧生成部１１の出力(Ｖｏ)と接続されたＡＰＤ１３１は、温度上昇に応じて０.２％／℃の利得要素の減少があるので、同一の受信感度を維持するために、温度上昇に応じて同じ変化率で逆バイアスを増加させるべきである。その温度上昇に応じた０.２％／℃の利得要素の減少はMaximチップとは別にＡＰＤの固有特性によるものである。このようなＡＰＤは半導体のＰ−Ｎ接合により形成される。印加電圧をブレイクダウン(breakdown)電圧まで加えると、雪崩(avalanche)効果により高い電流を放出するようになるが、温度が上昇するほど熱励起(Thermal excitation)効果により暗電流(dark current)が増え、光伝送率が低下することになる。
このような温度に応じた逆電圧増加のために、電圧生成部１１の入力部に接続され、その入力電圧のレベルを調節する温度補償部１２を通じて、電圧生成部１１の入力電圧を変化させることにより、その温度に応じた出力電圧変化を補償する。
温度補償部１２は抵抗部４０１と制御部４０２で構成される。制御部４０２はサーミスタ１３２の抵抗値を受信して当該抵抗値からＡＰＤ１３１の温度を把握し、該温度に合うＶｏを決定してそれを補償する抵抗値を抵抗部４０１に伝達して該当抵抗値を示すようにする。通常、各ＡＰＤ製造会社は、室温でＡＰＤの利得要素に応じて印加すべき逆バイアス(Ｖｏ)をデータシート(datasheet)で提供している。温度変化に応じた利得要素の変化率が０.２％であるので、室温でのＶｏが決定されれば、温度変化に応じたＶａｐｐ(温度変化に応じてＡＰＤに加える逆バイアス)はＶｏを基準に０.２％で変化させればよい。
そして、抵抗部４０１は、ステップ式のデジタル抵抗器に制御部４０２から伝達された抵抗値を出力し、電圧生成部１１の入力電圧のレベルを調節する。この本発明に従う温度補償部１２について、図５を参照してさらに説明する。ここで、ステップ式のデジタル抵抗器は０〜１０ｋΩの領域で１０２４(１０ビット)の変化値を有する。
図５は本発明に従う温度補償装置の詳細構成例である。本例の温度補償装置は、ＡＰＤ１３１の温度を感知して該温度による電圧生成部１１の出力電圧値の減少を補償するように制御するための制御部４０２と、制御部４０２の制御に応じてその抵抗値を決定する抵抗部４０１とで構成される。
制御部４０２は、サーミスタ１３２と接続されサーミスタ１３２からその抵抗値(ＲＴ)を受信して抵抗制御部５２に伝達する温度感知部５１と、サーミスタ１３２の抵抗値に応じたＡＰＤ１３１の温度関係データを貯蔵する温度−抵抗(ＲＴ)貯蔵部５３と、ＡＰＤの温度に応じた出力電圧(Ｖｏ)データを貯蔵する温度−電圧(Ｖｏ)貯蔵部５４と、基準電圧(Ｖｒｅｆ)値及び電圧(Ｖｏ)−抵抗(Ｒ)関係データを含む初期値を貯蔵する初期値貯蔵部５５と、温度感知部５１からの抵抗値(ＲＴ)を温度−抵抗(ＲＴ)貯蔵部５３に伝達して温度データを受信し、受信した温度データを温度−電圧(Ｖｏ)貯蔵部５４に伝達して当該温度に応じた出力電圧(Ｖｏ)データを受信し、受信した出力電圧(Ｖｏ)データを初期値貯蔵部５５に伝達して出力電圧(Ｖｏ)に応じた抵抗値(Ｒ)データを求めるように制御する抵抗制御部５２と、抵抗制御部５２から抵抗値(Ｒ)を受信して抵抗部４０１に伝達し、該当抵抗を設定するようにする抵抗値設定部５６と、を備えている。
出力電圧Ｖｏに応じた抵抗値Ｒは次のように計算される。
先ず、ＭＡＸＩＭ１７７１の電圧生成部１１は数式１を満足することを考慮して、数式１にステップ式デジタル抵抗を適用すると、数式２の通りである。
Figure 0003957304
この時、室温ではＶｏ、Ｖｒｅｆ、Ｒ１、Ｖ(印加された電圧)を利用してＲｐを求めることができ、Ｒｐは２チャネルデジタルポテンショメーターを使用する場合、Ｒｐ＝Ｒｐ１+Ｒｐ２でＲｐ１は固定値を入力させ、Ｒｐ２のみを自動変化するようにする。
また、室温でない場合には０.２％／℃を適用してＶｏを求めることができ、従って、Ｒｐ２も求めることができる。結局、温度に応じて入力されるべきＲｐ２値に対する公式が得られて、温度に関係なくその対応したＲｐ２値を制御部で回路に供給することができるようになる。
一方、抵抗部４０１は、制御部４０２からの制御によりその抵抗値が決定され、一般的なデジタルポテンショメーター(digital potentiometer)で構成する場合、現在出ている一般的な高いスペックのポテンショメーターの場合、２チャネル２５６ステップの抵抗値を有するので、１ｋ〜１０ｋΩ範囲で抵抗値を発生できるように構成される。
図６Ａ及び図６Ｂは本発明に従う温度補償装置を設けた場合、温度に応じた抵抗と電圧グラフの例示図である。図６ＡでＸ軸はＡＰＤ１３１の温度を表示し、Ｙ軸はサーミスタ１３２の抵抗値を示す。そして、図６ＢのＸ軸はＡＰＤ１３１の温度を表示し、Ｙ軸は回路全体の出力電圧(Ｖｏ)を示す。
図７は本発明に従う温度補償装置の動作例を示したフローチャートである。本発明の温度補償装置は、先ず、本発明を適用するためのＡＰＤの温度とサーミスタ抵抗(ＲＴ)間の関係データ、ＡＰＤの温度と出力電圧(Ｖｏ)の関係データ及び出力電圧(Ｖｏ)と抵抗(Ｒ)間の関係データを初期値として貯蔵する(７０１)。
そして、現在のＡＰＤに対する情報を通じて、サーミスタとＡＰＤの温度との関係である温度係数の変更が必要であるかを確認する(７０２)。そして、温度係数の変更が必要な場合は“Steinhart&hart”式を利用してサーミスタとＡＰＤの温度との関係データを再作成する(７０３)。この方法を通じて、ＡＰＤが変わっても本発明に従う温度補償装置は変わりなく動作することができる。即ち、ＡＰＤの交換を感知してＡＰＤ内のサーミスタの抵抗値と温度との新たな関係データを作成するものである。そして、現在貯蔵されているデータを新たに作成されたデータに置き換えて貯蔵する(７０４)。
温度係数が変更された場合、または温度係数の変更が必要でない場合、貯蔵されているＡＰＤの温度とサーミスタ抵抗(ＲＴ)間の関係データをローディングして(７０５)、ＡＰＤの温度を監視する。即ち、サーミスタ抵抗(ＲＴ)値の変化を監視する（７０６）。
そして、ＡＰＤの温度(即ち、サーミスタ抵抗(ＲＴ)値)が変わると(７０７)、ＡＰＤの温度と出力電圧(Ｖｏ)の関係データを通じて現在の温度に応じた出力電圧(Ｖｏ)をルックアップ(Look-Up)する(７０８)。ルックアップされた温度対応出力電圧(Ｖｏ)を利用して、“Ｖｏ＝Ｖｒｅｆ×Ｒ”を満足する抵抗(Ｒ)を設定して出力するようにする(７０９)。
上述した本発明の詳細な説明では具体的な実施形態について説明したが、本発明の範囲を外れない限り多様な変形が可能なことはもちろんである。したがって、本発明の範囲は説明した実施形態に局限して定められてはいけないし、特許請求の範囲だけでなくこの特許請求の範囲と均等なものにより定められなければならない。
一般的なＡＰＤ光受信器の構成図。 図１の一般的なＡＰＤ光受信装置の詳細構成図。 従来の温度補償に応じた電圧変化及び電圧増幅の例示図。 本発明に従う温度補償装置を設けたＡＰＤ光受信器の実施形態を示した構成図。 本発明に従う温度補償装置の実施形態を示した構成図。 本発明に従う温度補償装置を設けた場合の温度に応じた抵抗と電圧グラフの例示図。 本発明に従う温度補償装置の動作例を説明するフローチャート。
符号の説明
１２ 温度補償部（温度補償装置）
５１ 温度感知部
５２ 抵抗制御部
５３ 温度−抵抗貯蔵部
５４ 温度−電圧貯蔵部
５５ 初期値貯蔵部
５６ 抵抗値設定部
４０１ 抵抗部
４０２ 制御部

Claims (5)

  1. ＡＰＤと、該ＡＰＤの温度変化を感知するためのサーミスタと、前記ＡＰＤのバイアス用の出力電圧を生成する電圧生成部と、を備えたＡＰＤ光受信器の温度補償装置において、
    前記サーミスタと接続されて該サーミスタから第１抵抗値を受信し、この第１抵抗値を利用して前記ＡＰＤの温度データを決定し、このＡＰＤの温度データに応じた出力電圧データを決定し、この出力電圧データに応じた前記出力電圧を生成するための第２抵抗値データを決定するように制御するための制御手段と、
    前記第２抵抗値データに従う第２抵抗値を前記電圧生成部の入力端に提供する抵抗手段と、を備え、
    前記制御手段は、
    ＡＰＤ光受信器の基準電圧値、第１抵抗値に応じたＡＰＤの温度データ、前記ＡＰＤの温度データに応じた出力電圧データ、及び前記出力電圧−第２抵抗値間の関係データを含む初期値を貯蔵する第１段階と、
    前記ＡＰＤとサーミスタの間の温度係数が変化したか否かを確認して、変化したときは“Steinhart & hart”式に応じた新たな関係データを貯蔵する第２段階と、
    前記サーミスタから前記第１抵抗値を受信して前記ＡＰＤの温度変化を監視する第３段階と、
    前記第３段階の監視結果、前記ＡＰＤの温度変化が感知されると、前記第１抵抗値に応じた前記ＡＰＤの温度データ、該ＡＰＤの温度データに応じた前記出力電圧データ、及び前記出力電圧−第２抵抗値間の関係データを通じて第２抵抗値データを決定する第４段階と、
    前記第２抵抗値データを抵抗手段に伝達して該抵抗手段に第２抵抗値を設定する第５段階と、を実行することを特徴とする温度補償装置。
  2. 制御手段は、
    サーミスタと接続されて該サーミスタから第１抵抗値を受信する温度感知手段と、
    前記第１抵抗値に応じたＡＰＤの温度データを貯蔵する温度−抵抗貯蔵手段と、
    前記ＡＰＤの温度データに応じた出力電圧データを貯蔵する温度−電圧貯蔵手段と、
    基準電圧値及び前記出力電圧−第２抵抗値間の関係データを含む初期値を貯蔵するための初期値貯蔵手段と、
    前記温度感知手段から前記第１抵抗値を受信して前記温度−抵抗貯蔵手段に伝達し、該温度−抵抗貯蔵手段から前記第１抵抗値に応じた前記ＡＰＤの温度データを受信して前記温度−電圧貯蔵手段に伝達し、該温度−電圧貯蔵手段から前記ＡＰＤの温度データに応じた前記出力電圧データを受信して前記初期値貯蔵手段に伝達し、該初期値貯蔵手段から前記出力電圧に応じた第２抵抗値データを受信するように制御する抵抗制御手段と、
    前記抵抗制御手段から前記第２抵抗値データを受信して抵抗手段に伝達する抵抗値設定手段と、を備える請求項１記載の温度補償装置。
  3. 抵抗手段は、１〜１０ｋΩの範囲で２チャネル２５６ステップの抵抗値を出力可能なデジタルポテンショメータである請求項１記載の温度補償装置。
  4. 第２抵抗値データは、“出力電圧／基準電圧”の値にする請求項１〜３のいずれか１項記載の温度補償装置。
  5. 第２段階の温度係数変化有無は、ＡＰＤの交換を感知することにより確認する請求項１記載の温度補償装置。
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