JP4773905B2 - Ａｐｄバイアス回路 - Google Patents

Description

本発明は、受光素子であるＡＰＤ（Avalanche Photodiode；アバランシェ・フォトダイオード）を過電流による破壊から保護する技術に関する。

光伝送システムにおいて光信号を受信する装置として、ＡＰＤ（Avalanche Photodiode；アバランシェ・フォトダイオード）モジュールを搭載した光受信モジュールが知られている。ＡＰＤモジュールは、例えば、３０Ｖ前後の高いバイアス電圧を印加した状態で光信号を入力すると、内部のＡＰＤ受光素子にて電子雪崩効果よる増倍率が発生し電流が流れ、後段のトランスインピーダンスアンプで電流−電圧変換され、電気信号として出力される。

ＡＰＤモジュールを光受信モジュールに搭載した場合には、光信号の入力パワーによって印加するＡＰＤバイアス電圧を変化させ、光信号の入力パワーが弱い程ＡＰＤバイアス電圧を高くして増倍率を上げ、光信号の入力パワーが強い程ＡＰＤバイアス電圧を低くして増倍率を下げる制御を行うようにしている。

光ファイバーの接続や光受信モジュールの電源投入時等において瞬時的に、もしくは定常的に強いパワーの光信号Ｐｉが入力されると、ＡＰＤバイアス電圧Ｖａｐｄは低くなり、増倍率は下がる方向であるが、何らかの保護対策をとらないと、ＡＰＤ電流が最大定格を超えてＡＰＤモジュールが破壊に至ることがある。

これに関して、特許文献１には、本来の性能を劣化させることなく、光増幅器の過渡的な応答に起因して発生する瞬時的な過大電流を制限し、過大電流から受光素子や前置増幅器を保護する光受信器が記載されている。

また、特許文献２には、光信号を入力して電流に変換するＡＰＤバイアス回路について、光入力パワーの急変時においてもＡＰＤを保護する技術が記載されており、特許文献３には、高電圧発生回路、ＡＰＤバイアス電圧制御回路、電流検出回路、ＡＰＤ、電流降下回路を備えた光受信増幅装置において、ＡＰＤの受光レベルが最大受光レベルを超えた場合に、高電圧発生回路の出力電圧を、バイアス電圧がＡＰＤの増幅不能電圧になるまで降下させることが記載されている。
特開平９−９３２０３号公報 特開２０００−２４４４１９号公報 特開２００４−３３６３２０号公報

特許文献１に記載された技術は、電圧比較器と引き算器とを用いて電圧源からの電圧を制御するものであり、自己バイアス抵抗を用いる方式に適用することはできない。

特許文献２に記載された技術は、瞬時的な過大電流に対する保護に関するものであり、定常的な過大電流に対する保護は考慮されていない。一方、特許文献３に記載された技術は、ＤＣ／ＤＣコンバータを使用した高電圧発生回路の出力電圧を直接変化させる方式であり、ＤＣ／ＤＣコンバータを構成している周辺回路部品の時定数により電圧の変化に時間を要し、その程度によっては瞬時的な光過大入力に追随してＡＰＤを保護できない可能性がある。

本発明は、自己バイアス抵抗方式に適用可能で、光信号の瞬時的な過大入力および定常的な過大入力のいずれからもＡＰＤモジュールを保護可能なＡＰＤバイアス回路を実現することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明によれば、
ＡＰＤ（Avalanche Photodiode；アバランシェ・フォトダイオード）モジュールにバイアス電圧を供給するＡＰＤバイアス回路であって、
バイアス電圧の電圧源に接続される第１の抵抗と、
前記第１の抵抗と前記ＡＰＤモジュールとの間に接続される第２の抵抗と、
前記第２の抵抗に流れる電流が所定の値を超えたことを検出する過電流検出手段と、
過電流が検出された場合に前記第１の抵抗を流れる電流の一部が前記第２の抵抗を流れないようにバイパスするバイパス手段と
を備えることを特徴とするＡＰＤバイアス回路が提供される。

過電流が検出された場合には、前記第１の抵抗を流れる電流の一部が前記第２の抵抗を流れないようにバイパスすることにより、光信号の瞬時的な過大入力および定常的な過大入力のいずれからもＡＰＤモジュールを保護することができる。

また、本発明は、ＡＰＤモジュールにバイアス電圧を供給するＡＰＤバイアス回路であって、
バイアス電圧の電圧源に接続される第１の抵抗と、
前記第１の抵抗と前記ＡＰＤモジュールとの間に接続される第２の抵抗と、
前記第２の抵抗に流れる電流をモニタするモニタ手段と、
前記第２の抵抗に流れる電流が所定の値を超えたことを検出する過電流検出手段と、
前記過電流検出手段の出力結果を入力するループフィルタと、
前記ループフィルタの出力によりオンオフが切り替えられ、オンの場合に前記第１の抵抗を流れる電流の一部が前記第２の抵抗を流れないようにバイパスするバイパス手段と
を備えることができる。

ここで、前記ループフィルタは前記バイパス手段側方向への時定数と、前記過電流検出手段方向への時定数とが異なっており、前記過電流検出手段方向への時定数の方が大きいことが望ましい。これにより、過大電流に迅速に対応することができるとともに、バイアス電圧の急激な上昇を避けることができる。

より具体的には、前記ループフィルタは、第３の抵抗と前記バイパス手段側方向を順方向とするダイオードとが接続された回路と、第４の抵抗とが並列に接続された回路を含み、第４の抵抗≫第３の抵抗とすることができる。

また、前記モニタ手段は、電流モニタＩＣあるいはカレントミラー回路で構成することができる。

本発明によれば、信号の瞬時的な過大入力および定常的な過大入力のいずれからもＡＰＤモジュールを保護可能なＡＰＤバイアス回路が実現される。

本発明の実施例について図面を参照して説明する。

図１は、本発明を適用したＡＰＤバイアス回路を含む光受信モジュール１０の基本構成を示すブロック図である。

本図に示すように、光受信モジュール１０は、入力した光信号を電気信号に変換（光電変換）するＡＰＤモジュール３と、定電圧源１から供給されるＡＰＤバイアス電圧Ｖｏに基づくＡＰＤバイアス電流Ｉａｐｄの制御を行う自己バイアス抵抗Ｒ１およびＲ２と、ＡＰＤモジュール３に流れるＡＰＤ電流Ｉａｐｄをモニタする電流モニタ部２と、電流モニタ部２がモニタした電流が所定の値を超過したことを検出する過電流検出部４と、ループフィルタ５と、オン／オフの状態が切り替えられ、オン状態において、過電流がＡＰＤモジュール３に流れないようにバイパス電流Ｉｂとして電流を放出するＡＰＤ電流バイパス回路６とを備えて構成される。ここで、ループフィルタ５は、過電流検出部４の検出結果に基づいてＡＰＤ電流バイパス回路６のオンオフを切り替える役割を担っている。通常動作、すなわち、過電流が発生していない状況においては、ＡＰＤ電流バイパス回路６はオフ状態にあり、バイパス電流Ｉｂは流れないようになっている。

図２は、ＡＰＤモジュール３の構成の一例を示す図である。本図に示すようにＡＰＤモジュール３は、ＡＰＤ受光素子とトランスインピーダンスアンプＴＩＡとを備えて構成される。ＡＰＤモジュール３は、ＡＰＤバイアス電圧Ｖａｐｄが印加された状態で光信号ｐｉを入力すると、ＡＰＤ受光素子にて電子雪崩効果よる増倍率が発生し電流が流れる。そして、後段のトランスインピーダンスアンプＴＩＡで電流−電圧変換され、電気信号Ｖｐｐとして出力される。

図１に戻って、光信号Ｐｉが入力されると、ＡＰＤモジュール３にて光電変換され、光信号Ｐｉのパワーに対応したＡＰＤ電流Ｉａｐｄが流れる。上述のように通常動作においてはバイパス電流Ｉｂは流れないため、ＡＰＤ電流Ｉａｐｄは、定電圧源１から自己バイアス抵抗Ｒ１およびＲ２を介してＡＰＤモジュール３に流れ、光−電気変換出力Ｖｐｐとして取り出される。

ＡＰＤバイアス電圧Ｖａｐｄは、自己バイアス抵抗Ｒ２により光信号Ｐｉの入力パワーに対応して制御され、ＡＰＤモジュール３はそのＡＰＤバイアス電圧Ｖａｐｄを供給されることにより、光送受信モジュールとしての性能を得る。通常動作時では、過電流検出部４は過電流を検出しないため、ＡＰＤ電流バイパス回路６はオフ状態である。

一方、光信号Ｐｉの過大入力により過電流が流れ始めると、ＡＰＤ電流Ｉａｐｄをモニタする過電流検出部４が過電流を検出する。この検出に基づいて、ループフィルタ５がＡＰＤ電流バイパス回路６をオンにする。その結果、ＡＰＤモジュール３に流れるＡＰＤ電流Ｉａｐｄは、強制的に抵抗Ｒ３に流される。ＡＰＤ電流バイパス回路６に強制的に流される電流により自己バイアス抵抗Ｒ１に大きな電圧降下が発生し、ＡＰＤバイアス電圧Ｖａｐｄは十分低い電圧となって過電流が解消される。

ここで、ループフィルタ５のＡＰＤ電流バイパス回路６方向への応答速度を速くするようにループフィルタ５の時定数を設定することで、過電流が検出されたときのＡＰＤ電流バイパス回路６の応答速度を速めることができる。また、反対方向（過電流検出部４方向）への応答速度を遅くするようにループフィルタ５の時定数を設定することで、過電流が解消したときのＡＰＤバイアス電圧Ｖａｐｄの急激な上昇を避けることができる。

図３は、光受信モジュール１０を具体的な回路構成例で示したブロック図である。

本図の例では、電流モニタ部２として電流モニタＩＣ２ａを用い、ＡＰＤ電流Ｉａｐｄに連動したモニタ電流Ｉｍを過電流検出部４に出力するようになっている。

過電流検出部４は、抵抗Ｒ４とコンパレータＣｏｍｐにより構成される。電流モニタＩＣ２ａからのモニタ電流Ｉｍは、抵抗Ｒ４を流れ、電圧Ｖ１（＝Ｒ４×Ｉｍ）を生じさせる。コンパレータＣｏｍｐは、定電圧Ｖｒｅｆを基準として、Ｖ１≦Ｖｒｅｆの場合はＬｏｗ出力となり、Ｖ１＞Ｖｒｅｆの場合はＨｉｇｈ出力となる。

過電流検出部４がＬｏｗ出力の時は、ループフィルタ５の出力電圧ＶｂがＬｏｗとなるため、ＡＰＤ電流バイパス回路６はオフである。このため、通常動作となる。一方、過電流検出部４がＨｉｇｈ出力の時は、ループフィルタ５の出力電圧ＶｂがＨｉｇｈとなるため、ＡＰＤ電流バイパス回路６はオンである。このため、バイパス電流Ｉｂが流れることになる。

ループフィルタ５は、「抵抗Ｒ５＋ダイオードＤ１」回路と「抵抗Ｒ６」回路の並列回路とし、その後段にコンデンサＣ１を配置して構成している。

過電流検出部４の出力がＬｏｗからＨｉｇｈに変化したときには「抵抗Ｒ５＋ダイオードＤ１」回路とコンデンサＣ１のフィルタを機能させる。一方、過電流検出部４の出力がＨｉｇｈからＬｏｗに変化したときにはコンデンサＣ１と抵抗Ｒ６のフィルタが機能させる。

過電流検出部４の出力がＬｏｗからＨｉｇｈに変化したときに素早い応答速度を得るには、時定数を小さくすればよいため、抵抗Ｒ５を小さくする。一方、過電流検出部４の出力がＨｉｇｈからＬｏｗに変化したときにゆっくりとした応答速度とするには、時定数を大きくすればよいため、抵抗Ｒ６を大きくする。

つまり、本実施例において、抵抗Ｒ５は抵抗Ｒ６に比べ十分小さい値（Ｒ６≫Ｒ５）とするのが望ましい。図４は、抵抗Ｒ５を抵抗Ｒ６に比べ十分小さい値とした場合のコンパレータＣｏｍｐの出力と、ループフィルタ５の出力電圧Ｖｂの関係を示した図である。本図に示すように、コンパレータＣｏｍｐがＬｏｗからＨｉｇｈに変化した場合には、小さい時定数により、素早くＶｂが増加し、コンパレータＣｏｍｐがＨｉｇｈからＬｏｗに変化した場合には、大きい時定数により、ゆっくりとＶｂが減少するようになっている。

過電流を放出するＡＰＤ電流バイパス回路６は、トランジスタＴＲ１と抵抗Ｒ３により構成している。ループフィルタ５の出力電圧ＶｂがＨｉｇｈのときは、トランジスタＴＲ１がオンとなり、コレクタからエミッタへバイパス電流Ｉｂが強制的に流れ、抵抗Ｒ３を介してＧＮＤへ放出される。ループフィルタ５の出力電圧ＶｂがＬｏｗのときは、トランジスタＴＲ１がオフとなり、バイパス電流Ｉｂは流れず、光受信モジュール１０として通常動作となる。

すなわち、光信号入力Ｐｉが通常動作範囲内の場合、光信号Ｐｉの入力パワーに対応したＡＰＤ電流Ｉａｐｄが流れ、ＡＰＤモジュール３には定電圧源Ｖｏから自己バイアス抵抗Ｒ１およびＲ２を介した電圧降下により制御されたＡＰＤバイアス電圧Ｖａｐｄが供給される。

一方、光信号Ｐｉが過大入力となった場合、ＡＰＤ電流バイパス回路６がオンとなり、上記の保護動作をする。このとき、ループフィルタの５の抵抗Ｒ５を小さくしているため、素早く保護動作を行なうことができる。保護動作においては、バイパス電流Ｉｂにより自己バイアス抵抗Ｒ１に電圧降下が発生し、ＡＰＤバイアス電圧Ｖａｐｄは充分低い電圧とすることができる。ＡＰＤバイアス電圧Ｖａｐｄが低くなると、Ｖ１≦Ｖｒｅｆとなるので、ＡＰＤ電流バイパス回路６はオフとなる。

すると、ＡＰＤモジュール３に流れるＡＰＤ電流Ｉａｐｄは増加し、ＡＰＤバイアス電圧Ｖａｐｄも高くなるが、ループフィルタ５の抵抗Ｒ６を大きくしているため、ゆっくりと解除させることができ、ＡＰＤモジュール３に急激な負荷を与えないようにすることができる。

定常的な光信号Ｐｉの過大入力の場合は、解除とほぼ同時に再度ＡＰＤ電流バイパス回路６がオンとなり、素早い保護動作とゆっくりとした解除とが繰り返されることになる。このように、本実施例によれば、光信号Ｐｉの瞬時的および定常的な過大入力からＡＰＤモジュールを保護可能なＡＰＤバイアス回路を実現することができる。

瞬時的な光過大入力に対しては、少なくとも「抵抗Ｒ５＋ダイオードＤ１」回路とコンデンサＣ１により構成されたループフィルタ５での時定数と過電流検出部４のコンパレータＣｏｍｐの応答時間以上の瞬時的な光信号の過大入力の速度に対応することができる。これにより定電圧源１としてＤＣ／ＤＣコンバータを使用した場合にも、ＤＣ／ＤＣコンバータの電圧を直接変化させずに、ＤＣ／ＤＣコンバータを構成している周辺回路部品の時定数に関係なく、素早い応答速度で瞬時的な光過大入力に対応するＡＰＤバイアス回路とすることができる。

図５は、光信号入力Ｐｉに対するＡＰＤ電流ＩａｐｄおよびＡＰＤバイアス電圧Ｖａｐｄの変化の一例を示す図である。

本図では、時刻ｔ１からｔ２にかけて光信号Ｐｉが急激に増加し、過大入力となり時刻ｔ３まで過大入力の状態が続いた場合を例としている。

光信号Ｐｉが急激に増加すると、ＡＰＤ電流バイパス回路６がオンとなるため、ＡＰＤ電流Ｉａｐｄは、ある一定の電流Ｉｔｈで頭打ちとなる。このため、ＡＰＤ最大定格の超過を防ぐことができる。

ＡＰＤバイアス電圧Ｖａｐｄは、ＡＰＤ電流バイパス回路がオンとなり、抵抗Ｒ３に電流が流れ込むため、自己バイアス抵抗Ｒ１の電圧降下により十分低くなる。ｔ１からｔ２間の速度は、過電流検出部４の応答時間とループフィルタ５の時定数により最小値が決まる。

時刻ｔ３において光信号入力Ｐｉが通常動作範囲内に戻ると、ＡＰＤ電流ＩａｐｄはＩｔｈ以下となり、ＡＰＤバイアス電圧Ｖａｐｄは光信号入力Ｐｉに対応した制御電圧となる。時刻ｔ３直後のＡＰＤ電流Ｉａｐｄ、ＡＰＤバイアス電圧Ｖａｐｄは、ループフィルタ５の時定数によりゆっくりとした解除とすることができる。

図６は、カレントミラー回路で電流モニタ部２を構成した場合を示す図である。図３に示した回路では、電流モニタ部２として電流モニタＩＣを用いていたため電源を必要とするが、電流モニタ部２としてカレントミラー回路を用いるとトランジスタと抵抗で構成することができるため、回路をシンプルにすることができる。その他の構成、機能は図３に示した回路図と同様とすることができる。

なお、本発明は上述した実施の形態の例に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を取り得ることはもちろんである。

図１は、光受信モジュール１０の基本構成を示すブロック図である。 図２は、ＡＰＤモジュール３の構成の一例を示す図である。 図３は、光受信モジュール１０を具体的な回路構成例で示したブロック図である。 図４は、コンパレータＣｏｍｐの出力と、ループフィルタ５の出力電圧Ｖｂの関係を示した図である。 図５は、光信号入力Ｐｉに対するＡＰＤ電流ＩａｐｄおよびＡＰＤバイアス電圧Ｖａｐｄの変化の一例を示す図である。 図６は、カレントミラー回路で電流モニタ部２を構成した場合を示す図である。

符号の説明

１…定電圧源
２…電流モニタ部
３…ＡＰＤモジュール
４…過電流検出部
５…ループフィルタ
６…電流バイパス回路

Claims (3)

1. ＡＰＤ（Avalanche Photodiode；アバランシェ・フォトダイオード）モジュールにバイアス電圧を供給するＡＰＤバイアス回路であって、
   バイアス電圧の電圧源に接続される第１の抵抗と、
   前記第１の抵抗と前記ＡＰＤモジュールとの間に接続される第２の抵抗と、
   前記第２の抵抗に流れる電流をモニタするモニタ手段と、
   前記第２の抵抗に流れる電流が所定の値を超えたことを検出する過電流検出手段と、
   前記過電流検出手段の出力結果を入力するループフィルタと、
   前記ループフィルタから過電流が検出された旨の入力があった場合にオンとなって、前記第１の抵抗を流れる電流の一部が前記第２の抵抗を流れないようにバイパスするバイパス手段と、
   を備え、
   前記ループフィルタは、前記バイパス手段をオフからオンにする時定数と、前記バイパス手段をオンからオフにする時定数とが異なっており、
   前記バイパス手段をオンからオフにする時定数の方が大きいこと
   を特徴とするＡＰＤバイアス回路。
2. 請求項１に記載のＡＰＤバイアス回路であって、
   前記ループフィルタは、第３の抵抗と前記バイパス手段側方向を順方向とするダイオードとが直列に接続された回路と、当該回路に第４の抵抗が並列に接続された回路と、を含み、第４の抵抗≫第３の抵抗であること
   を特徴とするＡＰＤバイアス回路。
3. 請求項１に記載のＡＰＤバイアス回路であって、
   前記モニタ手段は、電流モニタＩＣあるいはカレントミラー回路で構成されること
   を特徴とするＡＰＤバイアス回路。

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