JP4253308B2 - Optical receiver circuit device - Google Patents
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Description
本発明は、光通信等の光信号を光電変換して得られる電気信号を受信する光受信回路装置、特に光電変換素子に接続する集積化光受信回路装置に関する。 The present invention relates to an optical receiver circuit device that receives an electrical signal obtained by photoelectrically converting an optical signal such as optical communication, and more particularly to an integrated optical receiver circuit device connected to a photoelectric conversion element.
光通信装置の一例としてPIN型フォトダイオードとトランスインピーダンス型増幅回路を用いた高速光受信装置の従来技術を説明する。一般にPIN型フォトダイオードとトランスインピーダンス型増幅器は素子が異なるため、それぞれ別プロセスでPIN型フォトダイオードは素子チップとして、トランスインピーダンス型増幅器は集積回路として作製される。両者は電気的に結合されることになるが、その手法は一般には高周波特性を劣化させないために、基板上にそれぞれを近接実装してボンディングワイヤで電気的に結合される。 As an example of an optical communication apparatus, a conventional technique of a high-speed optical receiver using a PIN photodiode and a transimpedance amplifier circuit will be described. In general, since a PIN photodiode and a transimpedance amplifier have different elements, the PIN photodiode is manufactured as an element chip and the transimpedance amplifier is manufactured as an integrated circuit by different processes. The two are electrically coupled. In general, however, the method does not deteriorate the high frequency characteristics, so that they are mounted on the substrate in close proximity and are electrically coupled by bonding wires.
光受信装置は一般に微小な光信号から大きな光信号までの広いダイナミックレンジで動作する必要がある。フォトダイオードから出力される信号に含まれるDC(直流)電流成分は微小な光信号時の場合は少ないDC電流が発生し、大きな光信号の場合は大DC電流が発生するため、入力信号パワーに応じて信号振幅が変化すると共に、DC電流も変化する。このDC電流はトランスインピーダンスアンプへ流入すると回路の動作状態がずれるため、トランスインピーダンスアンプの入力部で、DC電流を吸入する回路で処理が行われる。 In general, an optical receiver needs to operate in a wide dynamic range from a minute optical signal to a large optical signal. The DC (direct current) current component included in the signal output from the photodiode generates a small DC current in the case of a minute optical signal, and generates a large DC current in the case of a large optical signal. Accordingly, the signal amplitude changes and the DC current also changes. When this DC current flows into the transimpedance amplifier, the operation state of the circuit is shifted. Therefore, processing is performed by a circuit that sucks in the DC current at the input part of the transimpedance amplifier.
一方、入力信号成分はそのままトランスインピーダンスアンプへ入力されるため、大信号がフォトダイオードより発生した場合、トランスインピーダンスアンプが飽和し、正常動作ができない問題があった。これを避けるためにはトランスインピーダンスアンプの利得を下げれば良いが、その場合、小信号入力時にノイズが増加する問題が生じる。これらの問題から、トランスインピーダンスアンプはダイナミックレンジが大きく取れない問題があった。 On the other hand, since the input signal component is directly input to the transimpedance amplifier, when a large signal is generated from the photodiode, the transimpedance amplifier is saturated and there is a problem that normal operation cannot be performed. In order to avoid this, the gain of the transimpedance amplifier may be lowered. In this case, however, there is a problem that noise increases when a small signal is input. Because of these problems, the transimpedance amplifier has a problem that the dynamic range cannot be increased.
この課題を解決するために、従来例として特許文献1に記載されているような自動利得切替型バースト光受信回路が提供されている。このバースト光受信回路では、フォトダイオードの受光電流を電圧信号に変換するトランスインピーダンスアンプ、このトランスインピーダンスアンプの利得を決める負帰還回路部に通過用のMOSトランジスタ及び受光電流のピークを検出するピーク検出回路を設け、フォトダイオードが大振幅信号を出力すると、ピーク検出によりゲートを開き、信号成分を通過させる。これにより大振幅信号時に回路の飽和を避けると共に、小信号時にはゲートを閉じ、利得を増加させ、ノイズ特性も向上させる。
従来のバースト光受信回路によって、大信号が入力された場合も、小信号が入力された場合もトランスインピーダンスアンプは動作が可能となり、ダイナミックレンジが広く取れる。しかしながら、従来の光受信回路では、ピーク検出回路が必要であり、回路構成が非常に複雑となり、誤動作の問題、チップ面積の拡大、試験の複雑さなどの問題があり、ひいてはコストの増加、消費電力の増加など欠点があった。更に、ピーク検知の場合は、高周波を検知しなければならないので制御系に誤差が生じてしまう。 With a conventional burst light receiving circuit, the transimpedance amplifier can operate regardless of whether a large signal is input or a small signal is input, and a wide dynamic range can be obtained. However, the conventional optical receiver circuit requires a peak detection circuit, which makes the circuit configuration very complicated, causing problems such as malfunction, enlargement of chip area, and complexity of testing, which in turn increases cost and consumption. There were drawbacks such as increased power. Further, in the case of peak detection, since a high frequency must be detected, an error occurs in the control system.
この発明は、簡易な回路構成で大信号振幅の信号入力を検知し、検知結果に基づいて利得制御し、広ダイナミックレンジで動作する光受信回路装置を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide an optical receiver circuit device that detects a signal input having a large signal amplitude with a simple circuit configuration, performs gain control based on the detection result, and operates in a wide dynamic range.
本発明の一局面は、光信号を電流信号に変換する受光素子と、当該受光素子の電流信号を電圧信号に可変的に変換増幅する変換増幅器と、前記受光素子から発生する直流電流分を引き抜く直流電流吸収回路と、前記直流電流吸収回路に吸収される電流を検知する吸収電流量検知回路と、前記吸収電流量検知回路の検知結果を元に前記トランスインピーダンスアンプの増幅量の制御する増幅率制御回路とを具備することを特徴とする光受信回路装置を提供する。 One aspect of the present invention extracts a light receiving element that converts an optical signal into a current signal, a conversion amplifier that variably converts the current signal of the light receiving element into a voltage signal, and a DC current generated from the light receiving element. DC current absorption circuit, absorption current amount detection circuit for detecting current absorbed in the DC current absorption circuit, and amplification factor for controlling the amplification amount of the transimpedance amplifier based on the detection result of the absorption current amount detection circuit An optical receiver circuit device comprising a control circuit is provided.
本発明では、直流電流吸収回路により引き抜かれる受光素子のDC電流を検知することにより、変換増幅器の利得を制御しているので回路構成は簡易となる。また、信号流入阻止回路を付加する事により、小信号入力時のノイズを低下させ、ダイナミックレンジを拡大させる効果がある。 In the present invention, the circuit configuration becomes simple because the gain of the conversion amplifier is controlled by detecting the DC current of the light receiving element drawn out by the DC current absorption circuit. In addition, the addition of a signal inflow prevention circuit has the effect of reducing the noise when inputting a small signal and expanding the dynamic range.
以下、図面を参照しながら本実施の形態について詳細に説明する。 Hereinafter, the present embodiment will be described in detail with reference to the drawings.
この発明の第1の実施形態を図1を参照して説明する。図1において、点線枠で囲んだ部分が電気信号増幅ICモジュール11を示している。フォトダイオードを含む光電変換回路12はICモジュール11の外部に配置され、ICモジュール12にボンディング接続される。
A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In FIG. 1, the electric signal
電気信号増幅ICモジュール11には、電気信号増幅回路13と直流電流吸収回路14が設けられる。電気信号増幅回路13は光電変換回路12の受光信号を増幅するために光電変換回路12の出力部に接続され、直流電流吸収回路14は受光信号の直流(DC)電流を全て吸収するために直流電流吸収回路14の出力部に接続される。直流電流吸収回路14は吸収電流検知回路15を介して増幅率制御回路16に接続される。増幅率制御回路16が吸収電流検知回路15によって検知されたDC電流の吸収量に応じて電気信号増幅回路13の利得を制御する。
The electric signal
第2図に光信号の小信号入力時と大信号入力時の波形が示されている。小信号入力時には、振幅の小さい信号と或るバイアス電流値Ib1を示すが、大信号入力時には、信号振幅が増大すると共に、それに応じてバイアス電流値Ib2も増大していることが分かる。この関係から、大信号を検出するためにはバイアス電流値Ib2の値を検出すれば良く、信号のピークを検出する必要は無い。従って、第1図の回路構成はDC吸収電流によって信号振幅を検知し、その結果で電気信号増幅回路13の増幅率を制御する。
FIG. 2 shows waveforms when a small signal and a large signal of an optical signal are input. When a small signal is input, a signal with a small amplitude and a certain bias current value Ib1 are shown. When a large signal is input, the signal amplitude increases, and the bias current value Ib2 increases accordingly. From this relationship, in order to detect a large signal, it is only necessary to detect the value of the bias current value Ib2, and it is not necessary to detect the peak of the signal. Therefore, the circuit configuration of FIG. 1 detects the signal amplitude by the DC absorption current, and controls the amplification factor of the electric
上記の回路構成によって、大光信号が入力した時に電気信号増幅回路13が飽和状態に入ることが無くなり、安定した動作が可能となる。また、小信号入力時には電流吸収回路14は殆ど電流を吸収しないため、電気信号増幅回路13の増幅率は最大の状態となる。従って、ノイズの低い高利得の状態を保つことができる。この結果、広ダイナミックレンジの光信号に対応して、本発明の光受信回路装置は動作することが可能となる。
With the above circuit configuration, the electric
第3図は、本発明の第2の実施形態の光受信回路を示す。点線枠で囲んだ部分が電気信号増幅ICモジュール11を示している。第1の実施形態と同様に光電変換回路12はICモジュール11の外部に設けられる。この第2の実施形態では、第1の実施形態に更に信号阻止回路17が電流吸収回路14の前段に設けられている。
FIG. 3 shows an optical receiver circuit according to a second embodiment of the present invention. A portion surrounded by a dotted frame indicates the electric signal
第2の実施形態においても、光電変換回路12は光信号を光電変換して電気信号を出力する。出力された電気信号はICモジュール11の電気信号増幅回路13へ入力される。入力された電気信号は電圧増幅されてICモジュール11の外部に出力される。
Also in the second embodiment, the
電気信号増幅回路13の信号入力部には、信号阻止回路17を介して電流吸収回路14が接続されている。電流吸収回路14は、一般に光電変換回路12もしくは電気信号増幅回路13の出力部に設けた電流検知回路で制御され、光電変換回路12から発生するDC電流を全て吸収する。電流吸収回路14によって吸収されるDC電流値は吸収電流検知回路15により検知され、吸収DC電流値がある値になると電気信号増幅回路13の増幅率、即ち利得を制御する増幅率制御回路16を制御する。この結果、電気信号増幅回路13は電流吸収回路14の吸収電流量によって利得が制御されることになる。
A
信号阻止回路17は電気信号が電流吸収回路14へ流入することを阻止するための回路であり、その阻止量は吸収電流量検知回路15の検知結果に応じて調整される。
The
この回路構成によって、図1の実施形態で述べた効果と共に、信号を電流吸収回路14へ流入させない効果があり、さらに阻止量を調整できるために、電流吸収回路14は正常なバイアスレベルを保ちつつ、最大限の効果を得ることができる。即ち、小信号入力時には信号阻止量を大きく設定し、大信号入力時は信号阻止量を小さく設定する。これにより、小信号時にはノイズ特性を向上させ、大信号時には電流吸収量を向上させることができ、図1の実施形態よりもさらなる広ダイナミックレンジの光信号に対応して、電気信号増幅回路13は動作できる。
With this circuit configuration, in addition to the effects described in the embodiment of FIG. 1, there is an effect that the signal does not flow into the
図4は、図3の回路を具体的にしました光受信回路装置を示している。この回路装置によると、図3の電気信号増幅回路l3が電気信号アンプ21とこの電気信号アンプ21に並列に接続される抵抗26により構成され、光変換回路12のフォトダイオード22からの光電信号を電圧信号に可変的に変換増幅する。信号阻止回路17はフォトダイオード22と電流吸収器23との間に接続された抵抗24とこの抵抗24の両端にソース及びドレインがそれぞれ接続されたMOSトランジスタ25によって構成される。MOSトランジスタ25のゲートは吸収電流量検知回路15の出力端子に接続される。増幅率制御回路16は抵抗26の両端にソース及びドレインがそれぞれ接続されるMOSトランジスタ27によって構成される。
FIG. 4 shows an optical receiver circuit device that is a specific implementation of the circuit of FIG. According to this circuit device, the electric
図4の回路において、フォトダイオード22から出力される光電変換電流の直流電流が抵抗24を介して電流吸収器23によって吸収される。このとき、電流吸収器23により小さい直流電流が吸収されているときには、電流量検知回路15はMOSトランジスタ25のゲートに直流電流に応じたゲート信号を供給し、MOSトランジスタ25をOFFにする。これにより、小信号の流出が抵抗により制限され、信号阻止回路の電流阻止量が大きくなる。これに対して、大きな直流電流が電流吸収器23に取り込まれると、電流量検知回路15はMOSトランジスタ25のゲートに大直流電流に応じたゲート信号を供給し、MOSトランジスタ25をONにする。これにより、大信号はMOSトランジスタ25を介して流出する。即ち、信号阻止回路の電流阻止量が小さくなる。
In the circuit of FIG. 4, the direct current of the photoelectric conversion current output from the
吸収電流量検知回路15の検知信号は増幅率制御回路のMOSダイオード27のゲートにも供給されるが、フォトダイオード22から大電流が供給されたとき、吸収電流量検知回路15の検知信号はMOSダイオード27をONにし、増幅回路13の増幅率を低下させ、増幅回路13が飽和状態になることを防止する。
The detection signal of the absorption current
第5図は、本発明の第3の実施形態に従った受信回路を示している。本実施形態では、電気信号増幅ICモジュール11では、信号阻止回路17は直列接続された抵抗32,33と抵抗33の両端子にそれぞれソース及びドレインが接続されたMOSトランジスタ34とによって構成される。抵抗33の両端子がDC電流量検知回路15の入力部に接続される。DC電流量検知回路15の出力部は制御回路35を介してMOSトランジスタ27のゲートに接続される。制御回路35の制御出力はMOSトランジスタ34のゲートに接続される。
FIG. 5 shows a receiving circuit according to the third embodiment of the present invention. In the present embodiment, in the electric signal
MOSトランジスタ36は電流吸収回路を構成し、DC電流吸収量制御回路37からの制御信号に応じてフォトダイオード22からのDC電流を全て吸収する。DC電流吸収量制御回路37は、通常、アンプを飽和させる−3dbmの電流信号がアンプ21に入力されるときにオン信号をMOSトランジスタ36に入力し、このMOSトランジスタ36をオンにする。
The
信号阻止回路17は、MOSトランジスタ34によって信号阻止量を制御する。トランスインピーダンスアンプ21と抵抗26は電気信号増幅回路を構成し、MOSトランジスタ27が増幅率制御回路を構成する。Vpdはフォトダイオード22の電源電圧であり、フォトダイオードのカソード端子に接続される。
The
フォトダイオード22には光信号が入力され、光電変換によりアノード端子に電気信号が出力される。出力された電気信号は電気信号増幅回路13に入力される。フォトダイオード22からの信号電流は、阻止回路の抵抗32によって電流吸収回路36へは信号は流れ込まず、電気信号増幅回路13へと流れ込む。
An optical signal is input to the
吸収電流量検出回路15は抵抗32によって電圧降下した電圧値を算出する。この値がある一定値よりも下がると、吸収電流量検知回路15は大電流が入力されたと判断し、制御回路35を制御し、MOSトランジスタ27をオン状態とする。この結果、抵抗26へ流れていた電流信号はMOSトランジスタ27へ流れ込み、利得が下がることになる。従って、大電流が入力されても電気信号増幅回路13は飽和することなく正常に動作することが可能となる。また、小電流入力時は制御回路35はオフとなり、MOSトランジスタ27もオフ状態で入力された信号は全て抵抗26を通り、増幅へ寄与しノイズを低減する。この結果、本回路を用いることにより、広ダイナミックレンジの回路を提供できる。
The absorption current
図6は、図5の第3の実施形態の変形例であり、図5の回路にヒステリシス回路38と高周波補償抵抗39が設けられている。ヒステリシス回路38は制御回路35と増幅率制御回路用MOSトランジスタ27のゲートとの間に接続され、MOSトランジスタ27のON/OFF動作の揺れを補償するために設けられている。高周波補償抵抗39はMOSトランジスタ27がOFF時の高周波信号劣化の影響を防ぐために設けられている。
FIG. 6 is a modification of the third embodiment of FIG. 5, and a hysteresis circuit 38 and a high
図7を参照して第4の実施形態を説明する。この第3の実施形態によると、ダミー回路を設け、主回路とダミー回路との直流差分に従って直流電流の引き込み量を制御している。 A fourth embodiment will be described with reference to FIG. According to the third embodiment, a dummy circuit is provided, and the amount of direct current drawn is controlled according to the direct current difference between the main circuit and the dummy circuit.
図7の光受信回路によると、主回路は、光変換回路12のフォトダイオード22からの光電信号を電圧信号に可変的に変換増幅する主電気信号アンプ21と電気信号アンプ21に並列に接続される抵抗26とこの抵抗26の両端にそれぞれ接続されるソース及びドレインを有するMOSトランジスタ27とによって構成される。これに対して、ダミー回路は、ダミー電気信号アンプ41とこのダミー電気信号アンプ41に並列に接続される抵抗42とこの抵抗42の両端にそれぞれ接続されるソース及びドレインを有するMOSトランジスタ43とによって構成される。主電気信号アンプ21及びダミー電気信号アンプ41の出力部はDC差分検出回路44及び出力差動増幅器45に接続される。DC差分検出回路44の出力部は電流吸収器23の制御入力部に接続される。
According to the optical receiver circuit of FIG. 7, the main circuit is connected in parallel to the main
上記構成の光受信回路によると、主電気信号アンプ21及びダミー電気信号アンプ41の直流出力電圧成分の差分がDC差分検出回路44により検出され、この差分に応じて電流吸収器23がDC電流の引き込み量を制御する。
According to the optical receiver circuit having the above configuration, the difference between the DC output voltage components of the main
図8は、図1の実施形態の光信号受光装置に光信号を入力し、電気信号増幅回路13から出力される信号の符号誤り率を測定した結果を示している。図8では、同時に従来からの技術を用いた場合の光信号受光装置に対する符号誤り率の測定結果も示されている。実線が本発明の実施形態の測定結果を示し、点線が従来例の測定結果を示している。符号誤り率は規格で設定された一定値で評価する。この場合、破線の位置の符号誤り率が規定値である。従来例では小信号入力時はノイズが大きいため低いレベルの信号を受信できない。また、大信号入力時はDC電流が電気信号増幅回路に流入するため、大信号を受信できない。この結果、ダイナミックレンジは18dBに留まる。一方、本発明では、小信号時はノイズが小さいため、低いレベルまで受信ができ、また、大信号時にはPDからのDC電流をDC電流吸収回路が吸収するため、受信可能となる。この結果、ダイナミックレンジは従来に比べ10dB広い28dBを得ることができる。
FIG. 8 shows the result of measuring the code error rate of the signal output from the electrical
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。 Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment as it is, and can be embodied by modifying the constituent elements without departing from the scope of the invention in the implementation stage. In addition, various inventions can be formed by appropriately combining a plurality of components disclosed in the embodiment. For example, some components may be deleted from all the components shown in the embodiment. Furthermore, constituent elements over different embodiments may be appropriately combined.
本発明は光通信システムとして、長距離光通信システム或いは、ギガビットイーサ等家庭用光送受信システムに適用できる。 The present invention is applicable as an optical communication system to a long-distance optical communication system or a home optical transmission / reception system such as Gigabit Ethernet.
11…電気信号増幅ICモジュール、12…光電変換回路、13…電気信号増幅回路、14…電流吸収回路、15…吸収電流量検知回路、16…増幅率制御回路、17…信号阻止回路、21…電気信号アンプ、22…フォトダイオード、23…電流吸収器、25…MOSトランジスタ、27、34,36…MOSトランジスタ、35…制御回路、37…DC電流吸収量制御回路、38…ヒステリシス回路、41…ダミー電気信号アンプ、44…DC差分検出回路
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