JP4107067B2 - 光受信器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光信号を電気信号に変換する光受信器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図３は光受信器の従来例を示すブロック図である。
【０００３】
この光受信器１は、光信号を電気信号に変換する受光素子（ＰＤ）２と、受光素子２で変換された電気信号を、後段に接続される図示しない機器が検出できるレベルに増幅する増幅器（前置増幅器）３とで構成されたものである。同図において、４は電源電圧Ｖｃｃが印加される電源端子であり、５は増幅された信号が出力する出力端子である。尚、入力端子は図には示されていないが受光素子２の受光面が入力端子に相当する（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
光信号が伝搬する伝送路の損失は、光ファイバの種類やその敷設状況によって変わるため、光受信器１は、入力信号のレベル範囲が広くなるように設計されている。光受信器１は増幅器３を有するため、その出力レベルは入力信号（光信号）のレベルに比例して大きくなる。
【０００５】
図４は光受信器の他の従来例を示すブロック図である。
【０００６】
図４に示した光受信器６の図３に示した光受信器１との相違点は、図３に示した光受信器１（１−１、１−２、…、１−ｎ）を複数並列に配置した点である。
【０００７】
しかし、図４に示すように複数の光受信器１−１、１−２、…、１−ｎを高密度実装する場合、受光素子２−１、２−２、…、２−ｎや増幅器３−１、３−２、…、３−ｎを近接して配置したり、アレイ状に構成された部品を用いたりするため、各部品間の分布容量が増加する。このため、例えば光受信器１−１で増幅された電気信号が、光受信器１−２の受光素子２−２で変換された電気信号や光受信器１−ｎの増幅器３−ｎで増幅された電気信号等から干渉を受け、信号対雑音比（ＳＮ比）が低下するという問題があった。
【０００８】
そこで、ＳＮ比の問題を解決するため、図５に示すような電流制限回路８を用いることが提案された。
【０００９】
図５は本発明の前提となった光受信器のブロック図である。
【００１０】
図５に示す光受信器７は、光信号を電気信号に変換する受光素子２と、受光素子２で変換された電気信号を増幅する増幅器３と、受光素子２のカソードに接続され受光素子２に流れるフォト電流を制限する電流制限回路８とで構成されたものである。
【００１１】
図６は図５に示した光受信器に用いられる電流制限回路について詳述するためのブロック図である。
【００１２】
この電流制限回路８は、一端（図では上側）が電源端子４に接続された電流検出抵抗９と、二つの入力端子が電流検出抵抗９の両端にそれぞれ接続された電圧増幅器１０と、ドレインが電流検出抵抗９の他端（この場合下側）に接続され、ソースが受光素子２のカソードに接続されたＭＯＳトランジスタ１１と、陰極がアースされた基準電圧源１２と、非反転入力端子が基準電圧源１２の陽極に接続され、反転入力端子が電圧増幅器１０の出力端子に接続され、出力端子がＭＯＳトランジスタ１１のゲートに接続された比較増幅器１３とで構成されている。
【００１３】
この電流制限回路の動作について説明する。
【００１４】
受光素子２に光信号が入射されると、電源端子４より受光素子２のカソードに向かって電流（カソード電流）が流れる。このカソード電流が流れると、電流検出抵抗９の両端に電圧が発生し、その電圧が電圧増幅器１０で増幅される。電圧増幅器１０で増幅された電圧は、比較増幅器１３で基準電圧源１２の電圧と比較され、その差に比例した電圧がＭＯＳトランジスタ１１のゲートに印加される。ＭＯＳトランジスタ１１はゲートに印加された電圧に依存した電流以上の電流がソース、ドレイン間に流れないように制限する。そのため、受光素子２から増幅器３に流れる電気信号（フォト電流）の大きさが必要最小限となるため、隣接部（他の受光素子や増幅器等）からの干渉量を低く抑えることができる。
【００１５】
【特許文献１】
特開平６−６１７５２号公報
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、図５に示した光受信器７の−３ｄＢ帯域幅Ｂｗは、数１式のように受光素子２の静電容量Ｃと、増幅器３の入力インピーダンスＲｆとに依存する。
【００１７】
【数１】
Ｂｗ≒１／（Ｃ×Ｒｆ）
受光素子２は、アノード、カソード間の電圧、すなわち印加されるバイアスが低下するに従い、受光素子２の内部静電容量が増加する性質を有する。通常、増幅器３の入力インピーダンスは高インピーダンスに設計されているため、受光素子２のバイアスが低下するに従い、光受信器７の−３ｄＢ帯域幅Ｂｗが狭くなる。その結果、光受信器７が必要とする−３ｄＢ帯域幅Ｂｗが確保できなくなるため、ＳＮ比が低下するという問題があった。
【００１８】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、ＳＮ比を低下させることなく高密度実装が可能な光受信器を提供することにある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１の発明は、光信号を電気信号に変換する複数の受光素子と、各受光素子の一方の電極にそれぞれ接続され光信号を増幅する増幅器と、各受光素子の他方の電極にそれぞれ直列に接続され受光素子に流れるフォト電流を所定値以下に制限する電流制限回路とを備えた光受信器において、電流制限回路により所定値以下とされたフォト電流の増加に応じてインピーダンスが低下する調整手段を各増幅器の入出力端子間に設けたものである。
【００２０】
請求項２の発明は、請求項１に記載の構成に加え、調整手段は、増幅器の入力端子及び出力端子にソース及びドレインがそれぞれ接続された電界効果トランジスタと、基準電圧源と、増幅器の出力電圧レベルと基準電圧源の電圧レベルとを比較し、その差に比例した電圧を増幅して電界効果トランジスタのゲートに印加することで電界効果トランジスタのソース、ドレイン間のインピーダンスを変化させる比較増幅器とを有するのが好ましい。
【００２１】
請求項３の発明は、請求項１または２に記載の構成に加え、受光素子は、ＰＩＮ型フォトダイオードであるのが好ましい。
【００２２】
本発明によれば、受光素子に流れるフォト電流が大きくなると、電流制限回路が作動して電圧降下が生じ、受光素子のアノード、カソード間のバイアスが低下し、受光素子の静電容量が増加するが、受光素子に流れるフォト電流の増加に伴って増幅器の出力が増大し、調整手段の比較増幅器の反転入力端子と非反転入力端子との間の電圧レベルの差が大きくなり、その差が比較増幅器で増幅されて電界効果トランジスタのゲートに入力される。電界効果トランジスタのゲートに印加される電圧が増加すると、ソース、ドレイン間のインピーダンスが減少する。従って、電界効果トランジスタに並列接続された増幅器の入出力間のインピーダンスが減少し、入力インピーダンスが減少するので、光受信器の−３ｄＢ帯域幅の狭まりが防止される。
【００２３】
受光素子にＰＩＮ型フォトダイオードを用いることにより、光信号の電気信号への変換が高速で行われるので、信号の伝送速度を向上させることができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００２５】
図１は本発明の光受信器の一実施の形態を示す概念図である。本実施の形態では受光素子、電流制限回路、増幅器及び調整手段が一つの場合で説明する。
尚、図３〜図６に示した従来例と同様の部材には共通の符号を用いた。
【００２６】
図１に示す光受信器２０は、受光素子２と、受光素子２に流れるフォト電流を制限する電流制限回路８と、受光素子２からの光信号を増幅する増幅器３と、増幅器３の入出力端子間に接続されフォト電流に応じてインピーダンスが変化する調整手段２１とで構成されている。
【００２７】
図２は図１に示した光受信器の調整手段の一実施の形態を示すブロック図である。
【００２８】
図２に示す調整手段２１は、増幅器３の入力端子及び出力端子にソース及びドレインがそれぞれ接続されたｎチャネル型のＭＯＳトランジスタ２２と、陰極がアースされた基準電圧源２３と、増幅器３の出力電圧レベルと基準電圧源２３の電圧レベルとを比較し、その差に比例した電圧を増幅してＭＯＳトランジスタ２２のゲートに印加することでＭＯＳトランジスタ２２のソース、ドレイン間のインピーダンスを変化させる比較増幅器２４とで構成されている。
【００２９】
これら増幅器３、ＭＯＳトランジスタ２２、基準電圧源２３及び比較増幅器２４で電流帰還型の可変入力インピーダンス型増幅器（以下「可変Ｚｉｎ型増幅器」という。）２５が構成されている。この場合、ＭＯＳトランジスタ２２は帰還抵抗器として機能しており、可変Ｚｉｎ型増幅器２５のインピーダンスはＭＯＳトランジスタ２２のソース、ドレイン間の抵抗値となる。
【００３０】
尚、図２ではｎチャネル型のＭＯＳトランジスタ２２が示されているが、本発明はこれに限定されるものではなく、ｐチャネル型のＭＯＳトランジスタや接合型の電界効果トランジスタを用いてもよい。また、ＭＯＳトランジスタ２２のソース、ドレイン間に固定抵抗器を並列接続したり、固定抵抗器と可変抵抗器（半固定抵抗器）とを直列接続したものと並列接続してもよい。
【００３１】
受光素子２としてはＰＩＮ型フォトダイオードを用いるのが好ましい。ＰＩＮ型フォトダイオードを用いることにより、光信号の電気信号への変換を高速で行うことができ、信号の伝送速度が向上する。
【００３２】
基準電圧源２３としては、例えば電池が用いられるが、ツェナーダイオードと固定抵抗器とを組み合わせたものを用いてもよい。
【００３３】
次に本光受信器の作用を図２を参照して説明する。
【００３４】
光受信器２０の受光素子２に微弱な光信号が入射されると、電源端子４より受光素子２のカソードにフォト電流が流れ、そのフォト電流が可変Ｚｉｎ型増幅器２５に入力される。可変Ｚｉｎ型増幅器２５は入力したフォト電流を増幅し電圧レベルで出力する。
【００３５】
可変Ｚｉｎ型増幅器２５の内部では、入力信号を増幅する増幅器３が出力する電圧レベルと、基準電圧源２３の電圧レベルとの差を比較増幅器２４が比較して増幅した電圧が、ＭＯＳトランジスタ２２のゲートに印加される。ＭＯＳトランジスタ２２は、ゲートに印加された電圧によってコンダクタンスが変化するので、ソース、ドレイン間の抵抗値（帰還抵抗値）が変化することになる。ＭＯＳトランジスタ２２の帰還抵抗値が変化した後、出力信号の振幅を比較増幅器２４が比較、増幅するので、可変Ｚｉｎ型増幅器２５の出力振幅はある値以上にならないように制限される。
【００３６】
通常、可変Ｚｉｎ型増幅器の入力電流が大きくなった場合、ＭＯＳトランジスタ２２の帰還抵抗値は小さくなる。可変Ｚｉｎ型増幅器２５は、入力信号の大きさによってＭＯＳトランジスタ２２の帰還抵抗値が変化するので、可変Ｚｉｎ型増幅器２５の入力インピーダンスが変化する。
【００３７】
光受信器２０の受光素子２に入力する光信号が大きくなると、電流制限回路８により電圧降下が生じ、受光素子２のカソード、アノード間のバイアスが低くなるので、受光素子２の静電容量が増加するが、可変Ｚｉｎ型増幅器２５の入力インピーダンスが減少するので、光受信器２０の−３ｄＢ帯域幅Ｂｗの狭まりが防止される。
【００３８】
尚、本実施の形態では受光素子、電流制限回路、増幅器及び調整手段が一つの場合で説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、複数であってもよい。
【００３９】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば、ＳＮ比を低下させることなく高密度実装が可能な光受信器の提供を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光受信器の一実施の形態を示す概念図である。
【図２】図１に示した光受信器の調整手段の一実施の形態を示すブロック図である。
【図３】光受信器の従来例を示すブロック図である。
【図４】光受信器の他の従来例を示すブロック図である。
【図５】本発明の前提となった光受信器のブロック図である。
【図６】図５に示した光受信器に用いられる電流制限回路について詳述するためのブロック図である。
【符号の説明】
２ 受光素子（ＰＤ）
３ 増幅器
４ 電源端子
５ 出力端子
８ 電流制限回路
２０ 光受信器
２１ 調整手段
２２ 電界効果トランジスタ（ＭＯＳトランジスタ）
２３ 基準電圧源
２４ 比較増幅器
２５ 可変入力インピーダンス型増幅器（可変Ｚｉｎ増幅器）

Claims (3)

1. 光信号を電気信号に変換する複数の受光素子と、各受光素子の一方の電極にそれぞれ接続され上記光信号を増幅する増幅器と、各受光素子の他方の電極にそれぞれ直列に接続され上記受光素子に流れるフォト電流を所定値以下に制限する電流制限回路とを備えた光受信器において、上記電流制限回路により所定値以下とされたフォト電流の増加に応じてインピーダンスが低下する調整手段を各増幅器の入出力端子間に設けたことを特徴とする光受信器。
2. 上記調整手段は、上記増幅器の入力端子及び出力端子にソース及びドレインがそれぞれ接続された電界効果トランジスタと、基準電圧源と、上記増幅器の出力電圧レベルと上記基準電圧源の電圧レベルとを比較し、その差に比例した電圧を増幅して上記電界効果トランジスタのゲートに印加することで上記電界効果トランジスタのソース、ドレイン間のインピーダンスを変化させる比較増幅器とを有する請求項１に記載の光受信器。
3. 上記受光素子は、ＰＩＮ型フォトダイオードである請求項１または２に記載の光受信器。

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