JP4320569B2

JP4320569B2 - 光受信装置

Info

Publication number: JP4320569B2
Application number: JP2003168307A
Authority: JP
Inventors: 敦中澤
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2003-06-12
Filing date: 2003-06-12
Publication date: 2009-08-26
Anticipated expiration: 2023-06-12
Also published as: JP2005006119A; US7041957B2; US20050001151A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、光通信システムに適用される光受信装置に関し、特にアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）を用いた光受信装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
親局と複数の子局との間を、光データ通信ネットワークを使って双方向通信するシステムにおいて、親局と複数の子局とが、光ファイバおよび受動型光分岐器によって結ばれたＰＯＮ(Passive Optical Network)システムが知られている。
このＰＯＮシステムにおいて、親局は、各子局の光信号の送信時間を予め指定しており、これらの送信時間の時間割データを各子局に配布する。各子局は、これらのデータに基づいて、光信号を順次親局に送信する。
【０００３】
親局の光受信装置には、光増倍作用を持つアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ；Avalanche Photo Diode）が用いられている。このＡＰＤは、逆バイアスされたＰＮ接合部の増倍作用により、弱い光信号でも高感度で受信できるが、強い光信号が入力されると容易に飽和してしまい、正確な光信号の受信を行えない。このため、光受信装置では、ＡＰＤの増倍率を、弱い入力光信号に対しては大きく、強い入力光信号に対しては小さく設定するために、ＡＰＤのバイアス電圧の調整が行われている。
【０００４】
たとえば、ＡＰＤに対して固定抵抗が直列に接続されており、ＡＰＤに大きな電流が流れると、抵抗に大きな電圧降下が発生することを利用して、ＡＰＤにかかるバイアス電圧を小さくすることのできる自己バイアス方式の光受信装置が知られている。
また、特許文献１には、各子局から送信される上り光信号の強度および上り光信号のビットエラーを測定して、それらの測定値に応じてＡＰＤのバイアス電圧の調整を行うことのできるフィードバック方式の光受信装置が開示されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００３−６９５００号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、前記自己バイアス方式の光受信装置は、受光回路に存在する浮遊容量によりバイアス電圧の設定に時間的遅れが生じる。したがって、光受信装置に順次与えられる光信号の受信強度に急峻な落差がある場合、迅速にバイアス電圧を設定できないという問題がある。
また、前記特許文献１記載の光受信装置が、短い時間間隔（１ナノ秒程度）毎に光信号を受信する場合、ビットエラーの測定に時間がかかることに加えて、フィードバックループが時定数を持っているので、光信号の受信に十分に追従できないという問題がある。
【０００７】
そこで、本発明は、順次与えられる光信号に急峻な落差があっても検出感度が低下せず、かつ、光強度の強い信号が入力されても飽和せず受信することのできるＡＰＤを用いた光受信装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するための請求項１記載の発明は、光信号を受信するアバランシェフォトダイオードと、前記アバランシェフォトダイオードにバイアス電圧を供給する直流電源と、そのアバランシェフォトダイオードの受信感度を設定する受信制御部とを有する光受信装置において、前記直流電源は、出力電圧可変型の複数の電源と、それらの電源を切り換えるスイッチ回路とを含み、前記受信制御部は、受信している光信号の受信強度に応じて出力電圧値を設定するための電圧値設定信号を前記複数の電源のうちの１つの電源に与え、前記複数の電源の他の１つの電源において次に受信される光信号の受信強度に応じた出力電圧値を設定しておき、前記受信制御部は、前記１つの電源を用いてアバランシェフォトダイオードにバイアス電圧を供給し、受信している光信号が終了し、次の光信号を受信する前の時点に前記他の１つの電源を選択するための切換タイミング信号を前記スイッチ回路に与えることによって、前記他の１つの電源において設定したバイアス電圧をアバランシェフォトダイオードに供給するものである。
【００１３】
この構成によれば、スイッチ回路に切換タイミング信号を与えることによって、１つの電源を用いてＡＰＤの受信感度が良好となるような値のバイアス電圧をＡＰＤに与えることができる。また、ＡＰＤが次に受信する光信号の受信感度が良好となるような値のバイアス電圧を他の電源にバイアス電圧を設定しておく。そして、次に光信号が入ってくる直前にスイッチ回路を切り換えることにより、次の光信号を受信するときに、その設定したバイアス電圧をＡＰＤに供給することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、添付図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、この発明の一実施形態に係る光受信装置が適用されるＰＯＮシステムの一例を示すブロック図である。
局舎内のＰＯＮシステム構成部分を親局又は親局装置といい、加入者宅内のＰＯＮシステム構成部分を子局という。ＰＯＮシステムは、親局１、複数の子局５、及び光分岐器３ａ、３ｂを備え、親局１と光分岐器３ａとの間を幹線光ファイバ２で接続し、光分岐器３ａと光分岐器３ｂとの間、光分岐器３ａと子局５との間、及び光分岐器３ｂと子局５との間をそれぞれ支線光ファイバ４で接続している。幹線光ファイバ２と支線光ファイバ４とを総称して「光ファイバ」という。光ファイバはシングルモードファイバを用いている。
【００１５】
親局１から子局５への下り光信号及び子局５から親局１への上り光信号は、それぞれパケットで構成される。
親局１は、幹線光ファイバ２との接続端となる光伝送路終端装置（ＯＬＴ；Optical Line Terminals）、レイヤ２スイッチ、及び上位のネットワークの接続端となるブロードバンドアクセスルータ等を備えている。
ＯＬＴには、子局５から送られてきた上りパケットを受信するための光受信装置６や、子局５に下りパケットを送信するための光送信装置等が含まれている。
【００１６】
親局１は、上位のネットワーク（インターネットなど）から送られてくるパケットを光送信装置によって子局５に送信したり、光受信装置６が受信したパケットを上位のネットワークに送り出す機能を持っている。
子局５は、宅内に設置されるパーソナルコンピュータ、パーソナルコンピュータのブロードバンド光信号を光ネットワークに送受する光加入者線終端装置（ＯＮＵ；Optical Network Unit）等を備えている。
【００１７】
前記ＰＯＮシステムの動作を簡単に説明すると、上位のネットワークから親局１に入ってくる下りパケットは、親局１においてレイヤ２スイッチで所定の処理が行われる。そして、光送信装置によって、光信号は光ファイバを介して各子局５に一斉に送信される。この送信された光信号は、光分岐器３ａ、３ｂで分岐され、光分岐器３ａ、３ｂにつながる子局５に送信されるが、送信先アドレスの合致した子局５がその光信号を取り込み、パケットを復号解読する。
【００１８】
一方、子局５から送信される上りパケットは、光分岐器３ａ、３ｂを経由して親局１に送信される。親局１では、光受信装置６によりこのパケットが受信されて、レイヤ２スイッチで所定の処理が行われた後に、ここからブロードバンドアクセスルータを介して上位のネットワークに送信される。
子局５から送信される上りパケットは、互いに時間的に競合しないようにする必要がある。そのために、親局１から子局５に下りパケットを一斉送信するときに、各子局５に対して上り光信号時間スロット（以下単に「スロット」という）を割り当てる。スロットを割り当てられた子局５は、その割り当てられたスロットに上りパケットを送出する。したがって、子局５間の上りパケットの競合は回避される。なお、親局１と子局５との間で時計を共有している必要があるが、この時計の時刻合わせは、パケットの通信を行うときに、時刻情報をパケットの中に含ませることによって行うことができる。
【００１９】
親局１は、各子局５から順次、上りパケットを受けることになるが、その光信号強度は、光ファイバの経路によって異なる。たとえば、光ファイバの長さが子局５ごとに違うし、光分岐器３ｂを通るか通らないかでも異なる。
図２は、各子局５からの上りパケットの強度の違いを説明するためのグラフであり、横軸に時間、縦軸に受信強度をとっている。
受信装置６は、時刻ｔ１〜ｔ２の間にパケット１を、時刻ｔ３〜ｔ４の間にパケット２を、時刻ｔ５〜ｔ６の間にパケット３を、及び時刻ｔ７〜ｔ８の間にパケット４をそれぞれ受信しており、パケット１〜４で、受信強度が様々に異なっている。なお、各パケットを構成するオンオフ信号の単位周期は、１ナノ秒程度となっている。
【００２０】
図３は、光伝送路終端装置ＯＬＴにおける光受信装置６の構成を示すブロック図である。
光受信装置６には、上り光信号を受光するＡＰＤが設けられており、ＡＰＤの受光信号は、電流信号を電圧信号に変換するためのトランスインピーダンスアンプ１１を通して、ポストアンプに入力されている。さらにＡＰＤにバイアス電圧を与える電圧可変型の直流電源１２と、光受信装置６の受光感度を制御するための光受信制御回路１３とが設けられている。
【００２１】
光受信制御回路１３は、ＡＰＤのバイアス電圧を制御するためのバイアス制御部１４と、各子局５からの受信時期と光受信制御回路１３とをシンクロナイズさせるための時計１５と、各子局５に対して割り当てたスロットのタイムスケジュールを記憶するタイムスケジュール記憶部１６と、各子局５からの受信強度を記憶する受信強度記憶部１７とを備えている。
なお、前記光受信制御回路１３、バイアス制御部１４、時計１５、タイムスケジュール記憶部１６および受信強度記憶部１７の以下に説明する機能は、光受信装置６に設けられたコンピュータが所定のプログラムを実行することによって実現されるものである。
【００２２】
光受信制御回路１３は、各子局５から受ける光の強度を測定し、その強度情報を受信強度記憶部１７に記憶している。測定時点は、任意であるが、たとえばこのＰＯＮシステムの立ち上げ時や当該子局５の加入時に測定する。測定方法は、ＡＰＤのバイアス電圧をある値に固定して、そのときにＡＰＤを流れる電流を測定することによって、ＡＰＤの特性に基づき光の強度を決定する。
また、光受信制御回路１３は、タイムスケジュール記憶部１６に記憶されているタイムスケジュールおよび受信強度記憶部１７に記憶されている前記強度情報を参照することにより、どの時刻にどの子局５からどの光強度の上りパケットが受信されるかが予め分かっている。
【００２３】
図４は、ＡＰＤの増倍率Ｍと逆バイアス電圧との関係を示すグラフである。
光受信制御回路１３は、小さな受信強度に対しては大きな増倍率Ｍを設定し、強い入力光信号に対しては小さな増倍率Ｍを設定する。そのために、光受信制御回路１３は、このグラフに基づいて、受信強度とＡＰＤの最適バイアス電圧との関係を規定したテーブルに持っている。したがって、光受信制御回路１３は、たとえばＡＰＤの増倍度を図４のＭ１にしたいとき、ＡＰＤの最適バイアス電圧をＶ１に、ＡＰＤの増倍度をＭ２にしたいとき、ＡＰＤの最適バイアス電圧をＶ２に、ＡＰＤの増倍度をＭ３にしたいとき、ＡＰＤの最適バイアス電圧をＶ３にそれぞれ決定する。
【００２４】
光受信制御回路１３がＡＰＤの最適バイアス電圧を決定すると、バイアス制御部１４は、特定の子局５から上りパケットが受信される時刻にその最適バイアス電圧がＡＰＤに与えられるように設定する。具体的には、前の子局から上りパケットの受信が終わり、当該特定の子局５から上りパケットが受信されるまでの空いた時間帯（たとえば、図２の時刻ｔ２〜ｔ３の間や、時刻ｔ４〜ｔ５の間など）に、直流電源１２に対して、出力電圧を変化させるタイミングを設定するためのタイミング信号と、出力電圧値を設定するための電圧値設定信号とを直流電源１２に与える。
【００２５】
図５は、直流電源１２の回路構成例を示すブロック図である。
直流電源１２は、バイアス制御部１４から与えられるタイミング信号および電圧値設定信号を受信し、そのタイミング信号に基づいて、電圧値設定信号を出力する論理回路（ＦＰＧＡ）２０と、論理回路２０から出力される電圧値設定信号を、その信号に対応する電圧値であるアナログ電圧に変換するＤ／Ａデジタル・アナログコンバータ２１と、そのアナログ電圧を増幅するパワーオペアンプとを備えている。パワーオペアンプから出力される電圧は、バイアス電圧としてＡＰＤに与えられるようになっている。
【００２６】
直流電源１２にはさらに、直流電源１２の入力電圧（３．３Ｖまたは５Ｖ）を、Ｄ／Ａデジタル・アナログコンバータ２１およびパワーアンプに入力電圧（８０Ｖなど）に変換するためのＤＣ−ＤＣコンバータ（たとえばLinear Technology LT1930/LT1930A）２２が備えられている。
この回路において、バイアス制御部１４から与えられる電圧値設定信号に対応する電圧値であるバイアス電圧が、タイミング信号に基づいて最適なタイミングでＡＰＤに与えられる。これによって、特定の子局５から上りパケットが受信される時刻にＡＰＤに受信感度を最良としたバイアス電圧が供給されるので、光受信装置６は当該特定の子局５からの上り光信号を適正な感度で受信することができる。そしてＡＰＤに時間的に様々な強度の光信号が入力されても対応できるので、Ｓ／Ｎ比を確保し、かつ飽和することなく、光信号を受信することができる。
【００２７】
図６は、光受信装置６の構成の他の例を示すブロック図である。
ここでは、３つの異なる電圧の直流電源１２０、１２１、１２２を、スイッチ回路１８によって切り換えている。光受信制御回路１３は、各直流電源１２０〜１２２の電圧値を記憶し、受信強度記憶部１７に記憶された各子局５の受信強度とそれらの電圧値とを比較し、ＡＰＤに最適バイアス電圧を供給することのできる直流電源を決定する。そして、バイアス制御部１４は、特定の子局５から上りパケットが受信される時間にあわせて、直流電源１２０〜１２２の切り換えを制御するための切換タイミング信号をスイッチ回路１８に与える。これによって、スイッチ回路１８は直流電源１２０〜１２２を切り換えるようになるので、電圧可変型の直流電源を用いる必要がなくなり、それぞれの直流電源の回路構成を単純化できる。しかしながら、各子局５から与えられる上りパケットの受信レベルの数にきめ細かく対応するには、用意する直流電源の数が多く必要となる。
【００２８】
図７は、ＡＰＤの逆バイアス電圧を時系列的に示すグラフであり、図７（ａ）は、図３の光受信制御回路１３に上りパケットが与えられた場合を示しており、図７（ｂ）は、図６の光受信制御回路１３に上りパケットが与えられた場合を示している。
図６の直流電源１２０〜１２２の出力電圧は、常に一定であるので、図７（ｂ）に示すように、スイッチ回路１８で切り換えることにより、ＡＰＤには、安定したバイアス電圧が瞬時に供給される。一方、図３の直流電源１２は、タイミング信号および電圧値設定信号に基づいて出力電圧の調整を行っているので、図７（ａ）に示すように、ＡＰＤに供給される電圧の昇降に時間がかかる。
【００２９】
図８は、光受信装置６の構成のさらに他の例を示すブロック図である。この図８の構成は、請求項１記載の発明に対応する構成となる。
ここでは、電圧可変型の直流電源１２３ａ、１２３ｂが用意され、切換スイッチ１９はこれらの直流電源１２３ａ又は１２３ｂを切り換えている。光受信制御回路１３は、特定の子局から受信される上りパケットにあわせて、最適バイアス電圧Ｖ１を決定し、その次の子局から受信される上りパケットにあわせて、次の最適バイアス電圧Ｖ２を決定する。そして、バイアス制御部１４は、一方の直流電源１２３ａに対して、電圧値を最適バイアス電圧Ｖ１に設定するための電圧値設定信号を供給する。また、スイッチ回路１９に対して、直流電源１２３ａに切り換えるための切換タイミング信号を供給する。
【００３０】
前記「特定の子局」から上りパケットが受信されている間、バイアス制御部１４は、他方の直流電源１２３ｂに対して、電圧値を次の最適バイアス電圧Ｖ２に設定するための電圧値設定信号を供給する。これによって、他方の直流電源１２３ｂは、最適バイアス電圧Ｖ２に設定された状態で待機していることになる。
前記「特定の子局」からの上りパケットの受信が終了し、「次の子局」からの上りパケットの受信が始まる前に、バイアス制御部１４は、スイッチ回路１９に対して、直流電源１２３ｂに切り換えるための切換タイミング信号を供給する。これによって、他方の直流電源１２３ｂからの電圧の供給が速やかに始まる。他方の直流電源１２３ｂは、最適バイアス電圧Ｖ２に設定された状態で待機した後なので、電源電圧が安定している。
【００３１】
他方の直流電源１２３ｂからの電圧の供給が行われている間、バイアス制御部１４は、さらに次の最適バイアス電圧Ｖ３を設定するための電圧値設定信号を、一方の直流電源１２３ａに供給する。一方の直流電源１２３ａは、「さらに次の子局」からの上り光信号のために、最適バイアス電圧Ｖ３に設定された状態で待機していることになる。このような手順を繰り返すことによって、ＡＰＤに対して、常に安定したバイアス電圧を供給できる。
【００３２】
図９は、図８の直流電源１２３の回路構成例を示すブロック図である。
直流電源１２３は、バイアス制御部１４から与えられる電圧値設定信号を、その信号に対応する電圧値であるアナログ電圧に変換するＤ／Ａデジタル・アナログコンバータ２３と、Ｄ／Ａデジタル・アナログコンバータ２３から出力されるアナログ電圧と、直流電源１２３に入力される電圧Ｖｃｃ（たとえば５Ｖ）とを選択的に切り換えて出力することのできるスイッチングＤＣ／ＤＣ回路２４とを備えている。
【００３３】
スイッチングＤＣ／ＤＣ回路２４の出力信号はＦＥＴ１のゲート端子に入力されているので、Ｄ／Ａデジタル・アナログコンバータ２３から出力されるアナログ電圧が、直流電源１２３から出力される。
図１０は、図８のスイッチ回路１９の回路構成例を示すブロック図である。
スイッチ回路１９は、バイアス制御部１４から与えられた切換タイミング信号を増幅する増幅器２６、切換タイミング信号を反転する反転器２５、その反転された信号を増幅する増幅器２７、および直流電源１２３ａに設定されている最適バイアス電圧の供給と、直流電源１２３ｂに設定されている最適バイアス電圧の供給とを選択的に切り換えるためのＦＥＴ２、３を備えている。なお、この図において、スイッチ回路１９に直流電源１２３ａおよび直流電源１２３ｂがそれぞれ接続されているが、直流電源１２３ａに設定されているバイアス電圧は、直流電源１２３ｂに設定されているバイアス電圧より大きいものとする。
【００３４】
スイッチ回路１９に切換タイミング信号「０」が与えられると、ＦＥＴ２のドレインーソース間がオフとなるので、スイッチ回路１９と直流電源１２３ａとは切断される。また、ＦＥＴ３のドレインーソース間はオンとなるが、直流電源１２３ｂからＦＥＴ３に向かう途中にダイオード２８が逆向きに接続されているので、直流電源１２３ｂに設定されている低いバイアス電圧がＡＰＤに供給される。
【００３５】
スイッチ回路１９に切換タイミング信号「１」が与えられると、ＦＥＴ２のドレインーソース間がオンとなり、ＦＥＴ３のドレインーソース間がオフとなる。これによって、直流電源１２３ａに設定されている高いバイアス電圧がＡＰＤに供給される。
スイッチ回路１９は、上述のような回路動作を行うので、切換タイミング信号が与えられてから短時間（約８０ｎｓｅｃ）で、直流電源１２３ａに設定されているバイアス電圧、または直流電源１２３ｂに設定されているバイアス電圧をＡＰＤに供給することができる。
【００３６】
以上で、本発明の実施の形態を説明したが、本発明の実施は、前記の形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変更を施すことが可能である。たとえば、今までの実施形態では、受信強度記憶部１７に記憶されている各子局５からの受信強度に基づいて最適なバイアス電圧を決定していた。しかし、この構成に代えて、各子局からの受信強度に対応する最適なバイアス電圧を予め記憶しておき、このバイアス電圧に基づいてバイアス制御部１４が、ＡＰＤのバイアス電圧を制御するような構成としてもよい。
【００３７】
また、逆バイアス電圧と増倍率との関係は、温度によって変動する。従って、本発明において、逆バイアス電圧の設定に従来から一般に行われているように温度条件を加えてもよい。
【００３８】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、子局からの上り光信号の受信強度の変化に追従して、ＡＰＤの受光感度を適切に、かつ迅速に設定することができるので、高感度受信と耐強入力特性を同時に実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施形態に係る光受信装置が適用されるＰＯＮシステムの一例を示すブロック図である。
【図２】光受信装置が受信する上り光信号を説明するためのグラフである。
【図３】光伝送路終端装置ＯＬＴにおける光受信装置の構成の一例を示すブロック図である。
【図４】ＡＰＤの増倍率Ｍと逆バイアス電圧との関係を示すグラフである。
【図５】直流電源１２の回路構成例を示すブロック図である。
【図６】光受信装置の構成の他の例を示すブロック図である。
【図７】ＡＰＤの逆バイアス電圧を時系列的に示すグラフである。
【図８】光受信装置の構成のさらに他の例を示すブロック図である。
【図９】直流電源１２３の回路構成例を示すブロック図である。
【図１０】スイッチ回路１９の回路構成例を示すブロック図である。
【符号の説明】
１親局
５子局
６光受信装置
１２、１２０〜１２３直流電源
１３光受信制御回路
１４バイアス制御部
ＡＰＤアバランシェフォトダイオード
ＯＬＴ親局の光伝送路終端装置
ＯＮＵ子局の光加入者線終端装置

Claims

光信号を受信するアバランシェフォトダイオードと、前記アバランシェフォトダイオードにバイアス電圧を供給する直流電源と、そのアバランシェフォトダイオードの受信感度を設定する受信制御部とを有する光受信装置において、
前記直流電源は、出力電圧可変型の複数の電源と、それらの電源を切り換えるスイッチ回路とを含み、
前記受信制御部は、受信している光信号の受信強度に応じて出力電圧値を設定するための電圧値設定信号を前記複数の電源のうちの１つの電源に与え、前記複数の電源のうちの他の１つの電源において次に受信される光信号の受信強度に応じた出力電圧値を設定しておき、
前記受信制御部は、前記１つの電源を用いてアバランシェフォトダイオードにバイアス電圧を供給し、受信している光信号が終了し、次の光信号を受信する前の時点に、前記他の１つの電源を選択するための切換タイミング信号を前記スイッチ回路に与えることによって、前記他の１つの電源において設定したバイアス電圧をアバランシェフォトダイオードに供給することを特徴とする光受信装置。