JP4760312B2

JP4760312B2 - 光受信器

Info

Publication number: JP4760312B2
Application number: JP2005322486A
Authority: JP
Inventors: 哲村山
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2005-11-07
Filing date: 2005-11-07
Publication date: 2011-08-31
Anticipated expiration: 2025-11-07
Also published as: US20070104494A1; US7787781B2; JP2007129655A

Description

本発明は、光通信において光信号を受信する光受信器に関するものである。

光通信に用いられる光データリンクとして、下記非特許文献１に記載の活線挿抜可能なＳＦＰ（Small Formfactor Pluggable）型光データリンクが広く製品化されている。この光データリンクは光ファイバが接続され、この光ファイバからの光信号を電気信号に変換して出力する。

ここで、光データリンクは、光ファイバの破損や接続不良、又は光信号の送信側の出力不能や出力低下により光データリンクへの光信号のパワーが所定値以下となった場合（信号断状態）には、ＬＯＳ（Loss of Signal）アラーム信号を出力する機能を有する。また、光データリンクは、この状態から光受信モジュールへの光信号のパワーが所定値以上に復帰した場合には、ＬＯＳアラーム信号を解除する。なお、ＳＰＦ型光データリンクの規格においては、ＬＯＳアラーム信号の発生、解除を光信号の消失／回復から１００μｓ以内に行うことが規定されている。
"INF-8074iSpecification for SFP(Small Formfactor Pluggable) Transceiver Rev 1.0"、［online］、２００１年５月１２日、SFF Committee、［平成１７年６月１５日検索］、インターネット＜URL: ftp://ftp.seagate.com/sff/INF-8074.PDF＞、ｐ２２,２４,２９

上述した従来の光データリンクは、光信号の入力の有無を光電変換によって得られた電気信号におけるＡＣ成分の大きさによって判定している。このため、光信号が入力されていない場合において、例えばステップ状の光信号が入力された場合には、ステップ信号の立ち上がり部において擬似的に真の光信号とみなせる様な状況が発生する。その結果、ＬＯＳアラーム信号が一時的に誤って解除されてしまう。また、光信号が入力されている場合においても、例えばバースト状の光信号が入力された場合には、バースト信号の立ち上がり部において擬似的に光信号が入力されていないとみなせる様な状況が発生する。その結果、ＬＯＳアラーム信号を一時的に発出してしまう。

具体的に説明すると、光データリンクには変換された電気信号の平均値に対する振幅が一定となるように、ＡＧＣ（Auto Gain Control）方式のプリアンプ（可変利得アンプ）が備えられている。このような光データリンクにおいて光入力が信号断の状態から復帰した場合、すなわち、バースト信号の立ち上がり部において、ＡＧＣ利得が最大値から最適値に下がるまでの間は光入力に対するＡＧＣ利得が大きすぎる状態に陥る。その結果、光入力が復帰した直後は、プリアンプの出力がハイレベルに張り付いてしまうことでステップ状の出力波形が発生する。ＬＯＳアラーム信号は、上述したようにプリアンプからの出力波形のＡＣ成分に応じて出力されるので、ステップ状の出力波形に応じて一時的にＬＯＳアラーム信号が解除されてから再び発生し、その後、ＡＧＣ利得が最適値に下がることにより最終的にＬＯＳアラーム信号が解除される。従来の光受信モジュールでは、このようなＬＯＳアラーム信号の一時的な解除により光信号の復帰の正確な検知が困難である。

そこで、本発明は、光信号の信号断状態からの復帰の誤検出を防止することが可能な光受信器を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の光受信器は、入力光信号を電流に変換する受光素子と、電流を電圧信号に変換し出力する増幅回路と、増幅回路の出力信号に基づいて入力光信号のレベルの低下を検出する異常検出回路とを備え、異常検出回路は、増幅回路の出力信号の極小値を保持するボトムホールド回路と、ボトムホールド回路の出力と第１の基準電圧とを比較することによって、ボトムホールド回路の出力信号が第１の基準電圧より大きい場合に第１のアラーム信号をセットして出力する第１の比較回路と、増幅回路の出力信号の極大値を保持するピークホールド回路と、ピークホールド回路の出力と該第１の基準電圧より大きい第２の基準電圧とを比較することによって、ピークホールド回路の出力信号が第２の基準電圧より小さい場合に第２のアラーム信号をセットして出力する第２の比較回路と、第１及び第２の比較回路の出力に接続され、第１及び第２のアラーム信号を選択して出力アラーム信号として出力するセレクタとを有し、セレクタは、該セレクタの出力がセットされている時は該第１のアラーム信号を、該出力がリセットされている時は該第２のアラーム信号を選択する。

このような光受信器においては、入力光信号の強度に応じた電流が生成され、この電流は電圧信号に変換されて出力される。同時に、異常検出回路において、出力された電圧信号の極小値が保持され、その極小値が第１の基準電圧より大きい場合にアラーム信号が出力される。これにより、光信号復帰時等に電圧信号がステップ状に増加する場合であっても、ステップ信号の立ち上がり部において誤って光信号を検出することが無いので、光信号の信号断状態からの復帰を正確に検知することができる。また、光信号の信号断時等に電圧信号がステップ状に減少する場合であっても、誤って光信号の断を検出することが無いので、光信号の信号断状態への変化をも正確に検知することができる。また、光信号の信号断状態からの復帰及び光信号の信号断状態への変化を同時に効率的に検知することができる。

本発明の光受信器によれば、光信号の信号断状態からの復帰の誤検出を防止することができる。

以下、図面を参照しつつ本発明に係る光送信器の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本発明の好適な一実施形態である光受信器１の構成を示す回路図である。同図示す光受信器１は、光ファイバから入力された入力光信号Ｏ_ｉｎを電気信号に変換して出力するデバイスである。光受信器１は、受光素子２とプリアンプ（増幅回路）３と結合コンデンサ４ａ，４ｂと、ポストアンプ５と、ＬＯＳ検出回路（異常検出回路）６とを備えている。受光素子２は、入力光信号Ｏ_ｉｎを受光してその強度に応じた電流信号を生成する。プリアンプ３は、受光素子２から出力された電流信号を正相信号Ｓ_１ａ及び逆相信号Ｓ_１ｂの差動信号（電圧信号）に変換する。プリアンプ３とポストアンプ５及びＬＯＳ検出回路６とは、結合コンデンサ４ａ，４ｂを介して交流的に結合されている。

プリアンプ３には、受光素子から入力された電流信号をその強度に応じた電圧信号に変換する電流電圧変換器７が備えられ、電流電圧変換器７は、変換した電圧信号の振幅が一定となるように、ある一定の時定数をもって電圧信号の利得を可変に制御する可変利得機能を有する。また、電流電圧変換器７は、変換した電圧信号を正相信号Ｓ_１ａ及び逆相信号Ｓ_１ｂとして並列に出力する。

プリアンプ３の正相信号Ｓ_１ａの出力に接続されたコンデンサ４ａは、正相信号Ｓ_１ａからＤＣ成分をカットしＡＣ成分のみを通過させてポストアンプ５に正相信号Ｓ_２ａとして出力する。一方、プリアンプ３の逆相信号Ｓ_１ｂの出力に接続されたコンデンサ４ｂは、逆相信号Ｓ_１ｂからＤＣ成分をカットしＡＣ成分のみを通過させて逆相信号Ｓ_２ｂとしてポストアンプ５に出力する。

ポストアンプ５は、２つの差動増幅器８，９を含んでおり、差動増幅器８の非反転入力にはコンデンサ４ａを介して正相信号Ｓ_２ａが入力され、差動増幅器８の反転入力にはコンデンサ４ｂを介して逆相信号Ｓ_２ｂが入力されている。この差動増幅器８は、正相信号Ｓ_２ａ及び逆相信号Ｓ_２ｂに基づいて新たに正相信号Ｓ_３ａ及び逆相信号Ｓ_３ｂを生成する。

ＬＯＳ検出回路６は、ＬＯＳアラーム信号を出力する回路であり、差動増幅器１０とボトムホールド回路１１ａとピークホールド回路１１ｂと比較器（第１の比較回路）１２ａと比較器（第２の比較回路）１２ｂとセレクタ１３とから構成されている。

差動増幅器１０は、その非反転入力及び反転入力が、それぞれ、差動増幅器８の正相出力及び逆相出力に接続され、非反転入力に正相信号Ｓ_３ａが入力され、反転入力に逆相信号Ｓ_３ｂが入力される。差動増幅器１０は、正相信号Ｓ_３ａ及び逆相信号Ｓ_３ｂを差動増幅して正相信号Ｓ_４を出力する。

差動増幅器１０の出力は、並列にボトムホールド回路１１ａ及びピークホールド回路１１ｂの入力に接続され、ボトムホールド回路１１ａは、正相信号Ｓ_４の極小値を保持して、極小値のボトム電圧信号Ｖ_Ｂを出力する。ピークホールド回路１１ｂは、正相信号Ｓ_４の極大値を保持して、極大値のピーク電圧信号Ｖ_Ｐを出力する。

ボトムホールド回路１１ａから出力されたボトム電圧信号Ｖ_Ｂは、比較器１２ａの反転入力に入力される。比較器１２ａの非反転入力には、閾値電圧（第１の基準電圧）Ｖ_{ｔｈ（−）}が入力される。比較器１２ａは、閾値電圧Ｖ_{ｔｈ（−）}とボトム電圧信号Ｖ_Ｂとを比較し、ボトム電圧信号Ｖ_Ｂが閾値電圧Ｖ_{ｔｈ（−）}よりも大きい場合はその出力Ｗ_ａをセットし、ボトム電圧信号Ｖ_Ｂが閾値電圧Ｖ_{ｔｈ（−）}よりも小さい場合は出力Ｗ_ａをリセットする。この閾値電圧Ｖ_{ｔｈ（−）}は、信号Ｓ_４の交流成分の平均電圧値、つまり、差動増幅器１０の出力Ｓ_４のＤＣレベルよりも小さい値に設定されている。

一方、ピークホールド回路１１ｂから出力されたピーク電圧信号Ｖ_Ｐは、比較器１２ｂの非反転入力に入力される。比較器１２ｂの反転入力には、閾値電圧Ｖ_{ｔｈ（−）}より大きい閾値電圧（第２の基準電圧）Ｖ_{ｔｈ（＋）}が入力され、比較器１２ｂは、閾値電圧Ｖ_{ｔｈ（＋）}とピーク電圧信号Ｖ_Ｐとを比較し、ピーク電圧信号Ｖ_Ｐが閾値電圧Ｖ_{ｔｈ（＋）}よりも小さい場合はその出力Ｗ_ｂをセットし、ピーク電圧信号Ｖ_Ｐが閾値電圧Ｖ_{ｔｈ（＋）}よりも大きい場合は出力Ｗ_ｂをリセットする。この閾値電圧Ｖ_{ｔｈ（＋）}は、信号Ｓ_４の交流成分の平均電圧値、つまり、差動増幅器１０の出力Ｓ４のＤＣレベルより大きい値に設定されている。

このような比較器１２ａ，１２ｂの出力には、セレクタ１３が接続されており、セレクタ１３は、比較器１２ａ，１２ｂからの出力を選択してＬＯＳアラーム信号Ｗ_ｏｕｔを外部に出力する。このとき、セレクタ１３は、ＬＯＳアラーム信号に応じて出力を選択するように動作する。詳細には、セレクタ１３は、所定時間Δｔ前のＬＯＳアラーム信号がセットされている場合は比較器１２ａの出力を、所定時間Δｔ前のＬＯＳアラーム信号がリセットされている場合は比較器１２ｂの出力を、それぞれ選択する。この所定時間Δｔは、ＡＧＣ利得制御の応答時間よりも十分に大きく設定される。

以上説明した光受信器１において処理される各種信号の波形について、図２〜図４を参照しつつ説明する。

図２において、（ａ）は、入力光信号Ｏ_ｉｎの強度変化、（ｂ）は、このときのプリアンプ３の正相信号Ｓ_１ａの時間変化、（ｃ）は、ポストアンプ５に入力される正相信号Ｓ_２ａの時間変化、（ｄ）は、比較器１２ａの出力Ｗ_ａの時間変化を示す。図２（ａ）に示すように入力光信号Ｏ_ｉｎが信号断の状態から復帰した直後（時刻ｔ＝ｔ_１）においては、プリアンプ３のＡＧＣ利得がその時定数によって最大値になっているため、正相信号Ｓ_１ａは、その出力が張り付いてしまいステップ状に電圧が増加する（図２（ｂ））。このとき、正相信号Ｓ_２ａは正相信号Ｓ_１ａの波形を微分したものとなるため、正相信号Ｓ_２ａにおいては時刻ｔ＝ｔ_１において正方向のパルスが発生する（図２（ｃ））。その後、プリアンプ３のＡＧＣ利得の制御が追いつくと、正相信号Ｓ_１ａの交流成分の振幅が安定し（時刻ｔ＝ｔ_２）、正相信号Ｓ_２ａの極小値が閾値電圧Ｖ_{ｔｈ（−）}以下となる。その結果、比較器１２ａの出力Ｗ_ａは、時刻ｔ＝ｔ_２においてハイレベルからローレベルに遷移するが（図２（ｄ））、時刻ｔ＝ｔ_１においては、正相信号Ｓ_２ａの極小値が閾値電圧Ｖ_{ｔｈ（−）}を下回ることはないのでレベル変動が発生しない。

図３には、上記のようにプリアンプ出力においてステップ状に増加する波形が発生した場合の各種信号の時間変化を詳細に示す。同図において、（ａ）は、プリアンプ３の正相信号Ｓ_１ａの時間変化、（ｂ）は、ポストアンプ５に入力される正相信号Ｓ_２ａの時間変化、（ｃ）は、比較器１２ａの出力Ｗ_ａの時間変化、（ｄ）は、比較器１２ｂの出力Ｗ_ｂの時間変化、（ｅ）は、セレクタ１３から出力されるＬＯＳアラーム信号Ｗ_ｏｕｔの時間変化を示すグラフである。ここで、正相信号Ｓ_１ａにおいて時刻ｔ＝ｔ_１にステップ状の電圧変化が生じた場合（図３（ａ））、比較器１２ａの出力Ｗ_ａはハイレベルの状態を維持する（図３（ｃ））。これに対して、比較器１２ｂの出力Ｗ_ｂは、正相信号Ｓ_２ａのパルスが閾値電圧Ｖ_{ｔｈ（＋）}を超えるので、一時的にローレベルの状態に遷移する（図３（ｄ））。このとき、セレクタ１３は、時刻ｔ＝ｔ_１−ΔｔにおいてＬＯＳアラーム信号Ｗ_ｏｕｔがハイレベルであるので、時刻ｔ＝ｔ_１の前後において常に比較器１２ａからの出力を選択する。その結果、ＬＯＳアラーム信号Ｗ_ｏｕｔは時刻ｔ＝ｔ_１の前後に渡ってハイレベルの状態を維持する（図３（ｅ））。

図４は、プリアンプ出力においてステップ状に減少する波形が発生した場合の各種信号の時間変化を示す。同図において、（ａ）は、プリアンプ３の正相信号Ｓ_１ａの時間変化、（ｂ）は、ポストアンプ５に入力される正相信号Ｓ_２ａの時間変化、（ｃ）は、比較器１２ａの出力Ｗ_ａの時間変化、（ｄ）は、比較器１２ｂの出力Ｗ_ｂの時間変化、（ｅ）は、セレクタ１３から出力されるＬＯＳアラーム信号Ｗ_ｏｕｔの時間変化を示すグラフである。プリアンプ出力におけるステップ状に減少する波形の発生は、入力光信号Ｏ_ｉｎの強度が正常レベルから徐々に低下してＡＧＣゲインが最大値に達するような状況下で起こりうるものである。ここで、正相信号Ｓ_１ａにおいて時刻ｔ＝ｔ_３にステップ状の電圧減少が生じた場合（図４（ａ））には、比較器１２ａの出力Ｗ_ａは正相信号Ｓ_２ａのパルス波形が閾値電圧Ｖ_{ｔｈ（−）}を下回るので、一時的にローレベルの状態に遷移する。（図３（ｃ））。これに対して、比較器１２ｂの出力Ｗ_ｂは、時刻ｔ＝ｔ_３の前後において常にハイレベルの状態を維持する。このとき、セレクタ１３は、時刻ｔ＝ｔ_１−Δｔにおいては入力光信号Ｏ_ｉｎの強度が正常でありＬＯＳアラーム信号Ｗ_ｏｕｔがローレベルであるので、時刻ｔ＝ｔ_３の前後において比較器１２ｂの出力を選択する。その結果、ＬＯＳアラーム信号Ｗ_ｏｕｔは時刻ｔ＝ｔ_３の前後に渡ってハイレベルの状態を維持する。

以上説明した光受信器１の作用効果について、比較例である光受信器９０１と比較しつつ説明する。

図６は、比較例である光受信器９０１の構成を示す回路図である。光受信器９０１のＬＯＳ検出回路９０６においては、差動増幅器１０の出力にピークホールド回路９１１のみが接続され、ピークホールド回路９１１の出力が比較器９１２の非反転入力に接続されている。比較器９１２の反転入力には基準電圧Ｖ_{ｔｈ（＋）}が入力され、比較器９１２の出力がＬＯＳアラーム信号Ｗ_ｏｕｔとして外部に出力される。

この光受信器９０１で処理される各種信号の波形は、図７（ａ）〜（ｄ）に示すとおりである。同図に示すように、光受信器１と同様に、入力光信号Ｏ_ｉｎが信号断の状態から復帰した直後（時刻ｔ＝ｔ_１）においては、正相信号Ｓ_１ａはステップ状に電圧が増加する（図７（ａ）〜（ｂ））。このとき、正相信号Ｓ_２ａにおいては時刻ｔ＝ｔ_１において正方向のパルス波形が発生して極大値が閾値電圧Ｖ_{ｔｈ（＋）}を上回るので（図７（ｃ））、ＬＯＳアラーム信号が一時的に解除されてしまう（図７（ｄ））。

これに対して本実施形態にかかる光受信器１においては、入力光信号Ｏ_ｉｎの強度に応じた電流が生成され、この電流は一定の電圧振幅を有する正相信号Ｓ_１ａに変換されて出力される。同時に、この正相信号Ｓ_１ａはＬＯＳ検出回路６に入力され、ＬＯＳ検出回路６において、その極小値が閾値電圧Ｖ_{ｔｈ（−）}より大きい場合に比較器１２ａの出力Ｗ_ａがセットされる。これにより、光信号復帰時等に正相信号Ｓ_１ａがステップ状に増加する場合であっても、正相信号Ｓ_３ａにおける正方向のパルスを誤って検出することが無いので、光信号の信号断状態からの復帰を正確に検知することができる。

また、ピークホールド回路１１ｂ及び比較器１２ｂを更に備えることで、光信号の信号断時等に正相信号Ｓ_１ａがステップ状に減少する場合であっても、正相信号Ｓ_３ａにおける負方向のパルスを誤って検出することが無いので、光信号の信号断状態への変化をも正確に検知することができる。

さらには、セレクタ１３により比較器１２ａ，１２ｂの出力を選択することで、光信号の信号断状態からの復帰及び光信号の信号断状態への変化を同時に効率的に検知することができる。

なお、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではない。例えば、光受信器１におけるＬＯＳ検出回路６においては、ピークホールド回路１１ｂ及び比較器１２ｂが省かれていても、光信号の信号断状態からの復帰を正確に検知する光受信器として機能しうる。図５には、このような場合の本発明の変形例である光受信器１０１の構成を示す。

本発明の好適な一実施形態である光受信器の構成を示す回路図である。図１の光受信器において処理される各種信号の波形を示す図であり、（ａ）は、入力光信号の強度変化を示すグラフ、（ｂ）は、プリアンプの正相信号の時間変化を示すグラフ、（ｃ）は、ポストアンプに入力される正相信号の時間変化を示すグラフ、（ｄ）は、比較器の出力の時間変化を示すグラフである。図１の光受信器において処理される各種信号の波形を示す図であり、（ａ）は、プリアンプの正相信号の時間変化、（ｂ）は、ポストアンプに入力される正相信号の時間変化、（ｃ）は、一方の比較器の出力の時間変化、（ｄ）は、他方の比較器の出力の時間変化、（ｅ）は、セレクタから出力されるＬＯＳアラーム信号の時間変化を示すグラフである。図１の光受信器において処理される各種信号の波形を示す図であり、（ａ）は、プリアンプの正相信号の時間変化、（ｂ）は、ポストアンプに入力される正相信号の時間変化、（ｃ）は、一方の比較器の出力の時間変化、（ｄ）は、他方の比較器の出力の時間変化、（ｅ）は、セレクタから出力されるＬＯＳアラーム信号の時間変化を示すグラフである。本発明の変形例である光受信器の構成を示す回路図である。比較例である光受信器の構成を示す回路図である。図６の光受信器において処理される各種信号の波形を示す図であり、（ａ）は、入力光信号の強度変化を示すグラフ、（ｂ）は、プリアンプの正相信号の時間変化を示すグラフ、（ｃ）は、ポストアンプに入力される正相信号の時間変化を示すグラフ、（ｄ）は、ＬＯＳ検出回路から出力されるＬＯＳアラーム信号の時間変化を示すグラフである。

符号の説明

１，１０１…光受信器、２…受光素子、３…プリアンプ（増幅回路）、４ａ，４ｂ…コンデンサ、６…ＬＯＳ検出回路（異常検出回路）、１１ａ…ボトムホールド回路、１１ｂ…ピークホールド回路、１２ａ…比較器（第１の比較回路）、１２ｂ…比較器（第２の比較回路）、１３…セレクタ、Ｏ_ｉｎ…入力光信号、Ｓ_１ａ…正相信号（電圧信号）、Ｓ_２ａ…正相信号（電圧信号）、Ｗ_ｏｕｔ…ＬＯＳアラーム信号（出力アラーム信号）。

Claims

入力光信号を電流に変換する受光素子と、
前記電流を電圧信号に変換し出力する増幅回路と、
前記増幅回路の出力信号に基づいて前記入力光信号のレベルの低下を検出する異常検出回路とを備え、
前記異常検出回路は、
前記増幅回路の出力信号の極小値を保持するボトムホールド回路と、
前記ボトムホールド回路の出力と第１の基準電圧とを比較することによって、前記ボトムホールド回路の出力信号が前記第１の基準電圧より大きい場合に第１のアラーム信号をセットして出力する第１の比較回路と、
前記増幅回路の出力信号の極大値を保持するピークホールド回路と、
前記ピークホールド回路の出力と該第１の基準電圧より大きい第２の基準電圧とを比較することによって、前記ピークホールド回路の出力信号が前記第２の基準電圧より小さい場合に第２のアラーム信号をセットして出力する第２の比較回路と、
前記第１及び第２の比較回路の出力に接続され、前記第１及び第２のアラーム信号を選択して出力アラーム信号として出力するセレクタとを有し、
前記セレクタは、該セレクタの出力がセットされている時は該第１のアラーム信号を、該出力がリセットされている時は該第２のアラーム信号を選択する、
ことを特徴とする光受信器。