JP4838154B2 - Automatic gain control circuit - Google Patents
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Description
本発明は、光信号を受信して電気信号に変換し、所望の信号レベルで出力する為の自動利得制御回路に関する。 The present invention relates to an automatic gain control circuit for receiving an optical signal, converting it into an electrical signal, and outputting it at a desired signal level.
受信した光信号を電気信号に変換し、その電気信号を所定のレベルに増幅して出力する光受信回路は、出力レベルを安定化する為の自動利得制御回路を含むものである。又光信号を電気信号に変換する受光素子は、高速信号を処理する場合、InGaAs3元半導体化合物によるアバランシェ・フォトダイオード(以下APD(Avalanche Photodiode)と略称する)が用いられている。このAPDを受光素子として用いた光受信回路の自動利得制御回路は、例えば、図5に示す構成が知られている。同図に於いて、38はAPD、39は前置増幅器、40は可変利得増幅器、41はリミッタ、42はDC/DCコンバータ、43は振幅検出回路、44は比較器、45は利得制御部を示す。 An optical receiving circuit that converts a received optical signal into an electric signal, amplifies the electric signal to a predetermined level, and outputs the electric signal includes an automatic gain control circuit for stabilizing the output level. In the case of processing a high-speed signal, an avalanche photodiode (hereinafter abbreviated as APD (Avalanche Photodiode)) using an InGaAs ternary semiconductor compound is used as a light receiving element that converts an optical signal into an electrical signal. For example, a configuration shown in FIG. 5 is known as an automatic gain control circuit of an optical receiving circuit using this APD as a light receiving element. In this figure, 38 is an APD, 39 is a preamplifier, 40 is a variable gain amplifier, 41 is a limiter, 42 is a DC / DC converter, 43 is an amplitude detection circuit, 44 is a comparator, and 45 is a gain control unit. Show.
光信号を入力するAPD38は、DC/DCコンバータ42から逆バイアス電圧として、所定の一定電圧を印加する場合を示し、APD38の出力信号を前置増幅器39により増幅し、可変利得増幅器40により増幅し、リミッタ41により所定の振幅に制限して、受信出力信号とする。又振幅検出回路43により、可変利得増幅器40の出力信号振幅を検出し、比較器44に於いて基準値と比較し、その比較出力信号を利得制御部45に入力し、利得制御部45により可変利得増幅器40の利得を制御して、入力された光信号のレベルが変動しても、所定の出力信号振幅となるように制御するものである。
The
又受光素子としてのAPD38は、逆バイアス電圧により電流増倍率を制御できるものであるから、図6に示す構成が知られている。同図に於いて、図5の各部の符号と同一符号は同一名称部分を示し、APD逆バイアス電圧制御部46を設けて、比較器44による出力信号振幅値と基準値との比較結果を所定の比率で利得制御部45とAPD逆バイアス電圧制御部46とに分配し、APD逆バイアス電圧制御部46によりDC/DCコンバータ42を制御し、DC/DCコンバータ42からAPD38に印加する逆バイアス電圧を制御して、APD38の電流増倍率と、可変利得増幅器40の増幅利得とを制御することにより、所定の出力信号振幅となるように制御するものである。
Further, since the
又図6に示す構成に於いて、APD38の電流増倍率の制御と、可変利得増幅器40の増幅利得と共に、前置増幅器39の増幅利得を制御する構成を設け、出力信号のピーク検出値に従って、APD38と、可変利得増幅器40とを制御し、出力信号の直流成分検出値に従って、前置増幅器39を制御し、それぞれの制御ループの応答速度をサンプリング周波数の選択により相違させた可変利得制御回路も知られている(例えば、特許文献1参照)。
Further, in the configuration shown in FIG. 6, a configuration for controlling the amplification gain of the
又APDは、電流増倍率を所定値以下に低下させると、帯域が急激に減少して、高速な光信号を電気信号に変換することができなくなる。そこで、出力電気信号の中の高周波成分のピーク値を検出してAPDに印加する逆バイアス電圧を制御すると共に、この逆バイアス電圧と電流増倍率との関係から、電流増倍率が所定値以下に低下しないように逆バイアス電圧を制限する光受信回路も知られている(例えば、特許文献2参照)。又このようなAPDの逆バイアス電圧の制御と共に可変利得増幅器により出力信号レベルを一定化する回路構成も知られている(例えば、特許文献3参照)。 In addition, when the current multiplication factor is reduced to a predetermined value or less, the band of the APD is drastically reduced, and a high-speed optical signal cannot be converted into an electrical signal. Therefore, the peak value of the high frequency component in the output electric signal is detected and the reverse bias voltage applied to the APD is controlled, and the current multiplication factor is reduced to a predetermined value or less from the relationship between the reverse bias voltage and the current multiplication factor. An optical receiver circuit that limits the reverse bias voltage so as not to decrease is also known (see, for example, Patent Document 2). A circuit configuration is also known in which the output signal level is made constant by a variable gain amplifier together with the control of the reverse bias voltage of the APD (see, for example, Patent Document 3).
又APDに印加する逆バイアス電圧の制御と,可変利得増幅器の利得制御とを、検出した出力信号レベルが所定値以下の時に、可変利得増幅器の利得制御を行い、出力信号レベルが所定値より大きくなった時に、APDの逆バイアス電圧を制御し、且つ可変利得増幅器の利得を制御する制御電圧が所定の判定値より大きくなった時に、入力光信号断とする構成も知られている(例えば、特許文献4参照)。又APDは,温度によって電流増倍率が変化するから、APDの温度を検出し、そのAPDの温度に対する逆バイアス電圧と電流増倍率との関係をメモリから読み出して、その関係に従って逆バイアス電圧を制御する制御ループと、可変利得増幅器の利得を制御する制御ループとを設けた光受信回路も知られている(例えば、特許文献5参照)。 The control of the reverse bias voltage applied to the APD and the gain control of the variable gain amplifier are performed when the detected output signal level is below a predetermined value, the gain control of the variable gain amplifier is performed, and the output signal level is greater than the predetermined value. There is also known a configuration in which the input optical signal is cut off when the control voltage for controlling the reverse bias voltage of the APD and the gain of the variable gain amplifier becomes larger than a predetermined determination value (for example, (See Patent Document 4). Since the current multiplication factor of the APD changes depending on the temperature, the temperature of the APD is detected, the relationship between the reverse bias voltage and the current multiplication factor with respect to the temperature of the APD is read from the memory, and the reverse bias voltage is controlled according to the relationship. There is also known an optical receiving circuit provided with a control loop for controlling and a control loop for controlling the gain of a variable gain amplifier (see, for example, Patent Document 5).
又APDと前置増幅器と可変利得増幅器とを、温度検出値に対応して制御することにより、光信号をAPDにより電気信号に変換し、所望のレベルの電気信号として出力できる自動利得制御回路を先に提案した(特許文献6参照)。この自動利得制御回路は、例えば、図7に一例を示すもので、51は受光素子としてのAPD、52は前置増幅器、53は可変利得増幅器、54はリミッタ、55は振幅検出回路、56,61はA/Dコンバータ、57は比較器、58はディジタルフィルタ、59はレジスタ、60はメモリ(EEPROM)、62は温度検出回路、63,64,65,67はD/Aコンバータ、66は光信号入力断検出回路、68はサンプリング周波数発生回路を示す。
In addition, an automatic gain control circuit capable of converting an optical signal into an electric signal by APD and outputting it as an electric signal of a desired level by controlling the APD, the preamplifier, and the variable gain amplifier according to the temperature detection value. Previously proposed (see Patent Document 6). FIG. 7 shows an example of this automatic gain control circuit. For example, 51 is an APD as a light receiving element, 52 is a preamplifier, 53 is a variable gain amplifier, 54 is a limiter, 55 is an amplitude detection circuit, 56, 61 is an A / D converter, 57 is a comparator, 58 is a digital filter, 59 is a register, 60 is a memory (EEPROM), 62 is a temperature detection circuit, 63, 64, 65 and 67 are D / A converters, and 66 is a light A signal input
光信号を入力するAPD51と、前置増幅器52と、可変利得増幅器53と、リミッタ54とについては、図5及び図6に示す構成と同様である。又APD51の逆バイアス電圧の制御と、前置増幅器52の電流−電圧変換利得制御と、可変利得増幅器53の増幅利得制御とは、それぞれディジタル処理により行って、D/Aコンバータ63,64,65によりアナログ値に変換して行う構成を備えている。又前置増幅器52は、トランスインピーダンス型増幅器を適用することができるもので、このトランスインピーダンス型増幅器は、広帯域特性を有する利点があり、既に知られている各種の構成を適用することができる。
The
又振幅検出回路55は、可変利得増幅器53の出力信号の振幅レベルを検出し、A/Dコンバータ56によりディジタル値に変換して比較器7に入力する。このA/Dコンバータ56は、サンプリング周波数発生回路68からのサンプリング信号に従って振幅検出回路55の出力信号をサンプリングしてディジタル値に変換するものであり、この場合のサンプリング周波数を高くすることにより、振幅検出回路55の出力信号の変化の検出速度を早くすることができるから、利得制御ループの応答速度を向上することが可能である。しかし、それぞれの特性を考慮して選択することが好適である。又比較器57は、A/Dコンバータ56による振幅検出信号のディジタル値と、レジスタ59から読み出した基準値とを比較し、この比較出力を、ディジタルフィルタ58を介してレジスタ59のアドレスとする。このディジタルフィルタ58は、ローパスフィルタ特性とする場合が一般的であり、例えば、ディジタル積算回路の機能を適用して構成することができる。従って、振幅検出信号が増加傾向又は減少傾向の場合の同一極性の比較出力が所定回数連続すると、レジスタ59に入力するアドレスを変化させる構成とすることができる。
The amplitude detection circuit 55 detects the amplitude level of the output signal of the
又温度検出回路62によりAPD51の温度或いはその周辺温度を検出し、A/Dコンバータ61によりディジタル値に変換してメモリ60のアドレスとする。このメモリ60は、電気的に消去可能なプログラマブルメモリ(EEPROM)を用いた場合を示す。このメモリ60に、温度対応のAPD51の複数種類の逆バイアス電圧と、前置増幅器52の複数種類の電流−電圧変換利得値(トランスインピーダンス)と、可変利得増幅器53の複数種類の増幅利得値とのデータを含む利得テーブルを格納する。この利得テーブルから読み出した温度対応のデータをレジスタ59に書込み、ディジタルフィルタ58の出力信号をアドレスとして、逆バイアス電圧と電流−電圧変換利得値と増幅利得値とを読み出して、それぞれD/Aコンバータ63,64,65によりアナログ値に変換し、APD51に印加する逆バイアス電圧、前置増幅器52に加える制御電圧、可変利得増幅器53に加える利得制御電圧とする。
Further, the
又光信号入力断検出回路66は、レジスタ59に対するアドレス信号を基に光信号の入力断を検出するものであり、光信号入力断は、光信号レベルの低下に相当するから、APD51の逆バイアス電圧と前置増幅器52のトランスインピーダンスと可変利得増幅器53の増幅利得とを増大させるようなレジスタ59に対するアドレス信号となる。そのアドレス信号と、検出温度等に対応した比較アドレスとにより、光信号断を検出する。又レジスタ59に対するアドレス信号は、光信号の入力レベルと温度等の環境情報とに従って変化するものであるから、そのアドレス信号をモニタ用ディジタル出力信号とし、又D/Aコンバータ67によりアナログ値に変換して、モニタ用アナログ信号とする。
The optical signal input
光信号を入力するAPD51は、GaInAs3元化合物のアバランシェフォトダイオードが一般的に採用されており、図8の(A),(B)に示すような特性を有するものである。同図の(A)は逆バイアス電圧VR[V]と電流増倍率Mとの関係を、温度をパラメータとして示すもので、逆バイアス電圧を増加することにより、電流増倍率Mを大きくすることができるが、同一の逆バイアス電圧でも、温度が上昇すると、電流増倍率Mが低下することになる。従って、温度が上昇した場合は、逆バイアス電圧を上昇させることが必要となる。又同図の(B)は電流増倍率Mと遮断周波数fc[GHz]との関係を示すもので、電流増倍率Mがほぼ2〜10程度の範囲内であると、2〜5GHz程度の範囲の帯域で動作可能となる。
An
そこで、図7に於けるメモリ60に格納した利得テーブルは、例えば、図8にその一部を示すように、温度対応に、APD51に対する逆バイアス電圧[V]と、前置増幅器52に対する電流−電圧変換利得値としてのトランスインピーダンス[kΩ]と、可変利得増幅器53に対する増幅利得制御値としての電圧利得[dB]との組み合わせを、アドレス1,2,3,・・・の領域に保持して構成し、温度検出回路62による検出温度をA/Dコンバータ61によりディジタル値に変換して、温度対応のアドレスとする。従って、検出温度が例えば25℃の場合、その25℃の領域内の全データがレジスタ59に書込まれる。又利得制御過程に於いて温度が変化すると、その温度対応の利得テーブルの温度領域の全データが、メモリ60から読出されて、レジスタ59に設定される。又各温度領域のアドレスは、1〜10の場合を示しているが、更に細かく設定する場合は、アドレスを、例えば、1〜256とすることができる。
Therefore, the gain table stored in the in the
受光素子としてのAPDに印加する逆バイアス電圧を、従来例の図5に示すように、固定値とすると、制御回路は簡単となるが、温度変動によるAPDの電流増倍率の変化によって受光出力信号レベルが変化し、逆バイアス電圧の設定は、最小受信感度とダイナミックレンジとのトレードオフとなり、両方を満足するように最適化することが困難である問題がある。そこで、従来例の図6に示すように、APDの逆バイアス電圧を制御する構成により、温度変動による電流増倍率の変化に対しても或る程度追従して制御することができ、ダイナミックレンジの拡大が容易となるが、利得制御部45に対する制御とAPD逆バイアス電圧制御部46に対する制御との配分比率の最適化が容易でなく、又高速応答化が容易でない問題がある。
If the reverse bias voltage applied to the APD as the light receiving element is a fixed value as shown in FIG. 5 of the conventional example, the control circuit becomes simple, but the light reception output signal is caused by the change in the current multiplication factor of the APD due to temperature fluctuation. The level changes, and the setting of the reverse bias voltage becomes a trade-off between the minimum reception sensitivity and the dynamic range, and there is a problem that it is difficult to optimize to satisfy both. Therefore, as shown in FIG. 6 of the conventional example, the configuration for controlling the reverse bias voltage of the APD can control the current multiplication factor due to temperature fluctuations to some extent, and can control the dynamic range. Although it is easy to enlarge, there is a problem that it is not easy to optimize the distribution ratio between the control for the
又APDと前置増幅器と可変利得増幅器とをそれぞれ制御する制御ループを、サンプリング周波数の選択により、それぞれ独立的に応答速度の制御を行う従来例の構成(前記特許文献1参照)は、各制御ループ間の調整が容易でない問題と、温度によりAPDの特性が大きく変化する問題がある。そこで、APDの逆バイアス電圧と電流増倍率との関係を温度対応に記憶したメモリを設けて、検出温度に対応した逆バイアス電圧をAPDに印加する従来例(前記特許文献5参照)が提案されており、前置増幅器の出力信号の高周波成分のピーク値を検出して、逆バイアス電圧制御を行って、APDの高域側の低下を防止するものであるが、前置増幅器と可変利得増幅器とを含めた連携制御が行われていないので、安定性に問題がある。 In addition, the configuration of the conventional example in which the control speed for controlling the APD, the preamplifier, and the variable gain amplifier is controlled independently by selecting the sampling frequency (see Patent Document 1) There is a problem that adjustment between loops is not easy and a problem that the characteristics of the APD greatly change depending on the temperature. Therefore, a conventional example is proposed in which a memory in which the relationship between the reverse bias voltage of the APD and the current multiplication factor is stored corresponding to the temperature is provided, and the reverse bias voltage corresponding to the detected temperature is applied to the APD (see Patent Document 5). The high frequency component peak value of the output signal of the preamplifier is detected and the reverse bias voltage control is performed to prevent the lowering of the high frequency side of the APD. There is a problem in stability because cooperative control is not performed.
又先に提案した特許文献6の自動利得制御回路は、温度変化に対応して安定なフィードバック制御により、各部を安定に制御可能としている。又光信号伝送システムに於いては、連続的なデータの“1”,“0”に対応して光信号のオン、オフを対応させ、オン時の光信号レベルとオフ時の光信号レベルとの差を示す消光比を、受信側で光信号レベル識別が可能となるように制御するものであり、これに対してバースト的にデータを伝送する為のバースト光信号伝送システムに於いては、光信号を送信しない期間が生じて、受信側で入力光信号断の状態が発生する。この入力光信号断検出により、APDと前置増幅器と可変利得増幅器とによる増幅利得が異常に上昇して、ノイズ光成分のみを増幅出力することになるが、これを回避する為に、APDの電流増倍率と前置増幅器及び可変利得増幅器の増幅率とを最小値に制御する手段が知られている。その場合、入力光信号断状態からの入力されるバースト光信号のレベルは、零レベルから所定のレベルに上昇して定常状態のデータ伝送が行われるが、フィードバック制御ループの応答特性が、通常は定常状態に於ける安定動作を保証できるように設定されている場合が一般的である。従って、バースト光信号入力に対しては、光信号入力立ち上がりから、安定動作となるまでの時間が長く、バースト光信号の安定な受信処理が困難である問題もある。
In addition, the automatic gain control circuit of
本発明は、前述の問題点を解決するもので、連続的光信号入力に対しても、又バースト光信号入力に対しても、高速応答特性と安定動作特性とが得られる構成を提供することを目的とする。 The present invention solves the above-mentioned problems, and provides a configuration capable of obtaining high-speed response characteristics and stable operation characteristics for both continuous optical signal input and burst optical signal input. With the goal.
本発明の自動利得制御回路は、光信号を入力する受光素子としてのAPDと、前置増幅器と、可変利得増幅器と、この可変利得増幅器の出力信号振幅を検出する振幅検出回路とを含み、振幅検出回路による検出値を基に、APDと前置増幅器と可変利得増幅器とを制御する自動利得制御回路に於いて、APDに印加する逆バイアス電圧と入力光信号とに応じて流れる電流を検出するAPD電流検出器と、このAPD電流検出器と並列に接続して、このAPD電流検出器をバイパスするか否かを制御するアナログスイッチと、このアナログスイッチを前記光信号の入力検出によりオンとし、前記光信号の入力断検出により、アナログスイッチをオフとし、このアナログスイッチをオフとした時のAPDの電流増倍率を所定の初期応答特性となるように選択した逆バイアス電圧を、APD電流検出器を介してAPDに印加する制御を行うAPD電流検出制御回路とを備えている。 An automatic gain control circuit of the present invention includes an APD as a light receiving element for inputting an optical signal, a preamplifier, a variable gain amplifier, and an amplitude detection circuit for detecting an output signal amplitude of the variable gain amplifier. In an automatic gain control circuit that controls the APD, preamplifier, and variable gain amplifier based on the detection value of the detection circuit, a current that flows according to the reverse bias voltage applied to the APD and the input optical signal is detected. An APD current detector, an analog switch connected in parallel with the APD current detector to control whether or not to bypass the APD current detector, and the analog switch is turned on by detecting the input of the optical signal; When the optical signal input interruption is detected, the analog switch is turned off, and the current multiplication factor of the APD when the analog switch is turned off becomes a predetermined initial response characteristic. A reverse bias voltage urchin selected, and a APD current detection control circuit for controlling the application of the APD through the APD current detector.
又温度対応のAPDの逆バイアス電圧と、前置増幅器の利得と、可変利得増幅器の利得とを制御する制御データを設定した利得テーブルと、検出温度に従って利得テーブルの温度対応領域の制御データを読出して設定するレジスタと、可変利得増幅器の出力振幅値を検出して、この出力振幅値が所定値となるように、レジスタから制御データを読出して、APDの逆バイアス電圧と、前置増幅器の利得と、可変利得増幅器の利得とを制御し、且つ光信号の入力断検出時の温度に対応し、且つAPDの電流増倍率が光信号入力を検出可能とする最低の固定値となる制御データをレジスタから読出し、この制御データに従った逆バイアス電圧を、APD電流検出器を介して印加する制御構成を備えている。 Also, a gain table in which control data for controlling the reverse bias voltage of the temperature-compatible APD, the gain of the preamplifier, and the gain of the variable gain amplifier is set, and the control data in the temperature-corresponding area of the gain table is read according to the detected temperature. The output amplitude value of the register to be set and the variable gain amplifier is detected, the control data is read from the register so that the output amplitude value becomes a predetermined value, the reverse bias voltage of the APD, and the gain of the preamplifier Control data that controls the gain of the variable gain amplifier, corresponds to the temperature at the time of detection of optical signal input interruption, and is the lowest fixed value that enables the APD current multiplication factor to detect optical signal input. A control structure is provided that reads out from the register and applies a reverse bias voltage according to the control data via the APD current detector.
又APD電流検出制御回路は、光信号の入力開始によるAPDの逆バイアス電圧と光信号のレベルとに対応して、APDに流れる電流をAPD電流検出器により検出した検出信号を基に、利得テーブルからAPDの電流増倍率と前置増幅器及び可変利得増幅器の利得とを初期値とする制御データを読出して制御し、且つアナログスイッチをオンに制御する構成を備えている。 The APD current detection control circuit is a gain table based on the detection signal obtained by detecting the current flowing through the APD by the APD current detector corresponding to the reverse bias voltage of the APD and the level of the optical signal when the input of the optical signal is started. To read and control the control data having the initial values of the current multiplication factor of the APD and the gains of the preamplifier and the variable gain amplifier, and the analog switch is turned on.
又APD電流検出制御回路は、光信号の入力開始時に、APDの逆バイアス電圧によるAPDに流れる電流を、APD電流検出器により検出して所定時間経過した後に、APD電流検出器と並列に接続したアナログスイッチをオンに制御する構成を備えている。 The APD current detection control circuit is connected in parallel with the APD current detector after the APD current detector detects the current flowing through the APD due to the reverse bias voltage of the APD at the start of optical signal input, and after a predetermined time has elapsed. An analog switch is controlled to be turned on.
光信号断状態に於いては、APDの電流増倍率Mを、例えば、M=2等の最低の所定値となるように、レジスタから制御データを読出して、その電流増倍率Mとなる逆バイアス電圧を、APD電流検出器を介して印加し、バースト光信号入力時点に於いては、APD電流検出器に流れるAPDの電流を検出することにより、バースト光信号入力を迅速に検出可能とし、その結果により、APD電流検出器をバイパスして逆バイアス電圧をAPDに印加し、APDの電流増倍率を制御すると共に、前置増幅器及び可変利得増幅器の利得とを、バースト光信号入力レベルに対応して制御することにより、安定なバースト光信号の受信処理を行うことが可能となる。 In the optical signal cut-off state, the control data is read from the register so that the current multiplication factor M of the APD becomes the lowest predetermined value such as M = 2, and the reverse bias that becomes the current multiplication factor M is read. A voltage is applied via the APD current detector, and at the time of burst optical signal input, the current of the APD flowing through the APD current detector is detected, thereby enabling rapid detection of the burst optical signal input. As a result, the APD current detector is bypassed, a reverse bias voltage is applied to the APD, the current multiplication factor of the APD is controlled, and the gains of the preamplifier and the variable gain amplifier correspond to the burst optical signal input level. This makes it possible to perform stable burst optical signal reception processing.
本発明の自動利得制御回路は、図1を参照して説明すると、光信号を入力する受光素子としてのAPD1と、前置増幅器2と、可変利得増幅器3と、この可変利得増幅器3の出力信号振幅を検出する振幅検出回路5とを含み、振幅検出回路5による検出値を基に、APD1と前置増幅器2と可変利得増幅器3とを制御する自動利得制御回路であって、APD1に印加する逆バイアス電圧と入力光信号とに応じて流れる電流を検出するAPD電流検出器19と、このAPD電流検出器19と並列に接続して、このAPD電流検出器19をバイパスするか否かを制御するアナログスイッチ21と、このアナログスイッチ21を前記光信号の入力検出によりオンとし、前記光信号の入力断検出により、アナログスイッチ21をオフとし、このアナログスイッチ21をオフとした時のAPD1の電流増倍率を所定の初期応答特性となるように選択した逆バイアス電圧を、APD電流検出器19を介してAPDに印加する制御を行うAPD電流検出制御回路22とを備えている。
The automatic gain control circuit according to the present invention will be described with reference to FIG. 1. An
図1は、本発明の実施例1の説明図であり、1は受光素子としてのAPD、2は前置増幅器、3は可変利得増幅器、4はリミッタ、5は振幅検出回路、6,11,20はA/Dコンバータ、7は比較器、8はディジタルフィルタ、9はレジスタ、10は利得テーブルを形成したメモリ(EEPROM)、12は温度検出回路、13,14,15,17はD/Aコンバータ、16は光信号入力断検出用比較器、18はサンプリング周波数発生回路、19はAPD電流検出器、21はアナログスイッチ、22はAPD電流検出制御回路を示す。
FIG. 1 is an explanatory diagram of
光信号を入力するAPD1の出力信号を、前置増幅器2と可変利得増幅器3とにより増幅し、リミッタ4により2値化して出力する為の基本的な構成は、図7に示す従来例と同様であるが、この実施例1に於いては、APD電流検出器19とA/Dコンバータ20とアナログスイッチ21とAPD電流検出制御回路22とを設け、APD電流検出器19に並列に接続したアナログスイッチ21のオン、オフをAPD電流検出制御回路22により制御し、アナログスイッチ21をオンとすると、APD電流検出器19をバイパスし、APD1に、D/Aコンバータ13とアナログスイッチ21とを介して逆バイアス電圧を印加する状態となり、反対にアナログスイッチ21をオフとすると、APD電流検出器19を介してAPD1に逆バイアス電圧を印加し、APD1に流れる電流を検出する動作状態となる。APD電流検出器19の電流検出値をA/Dコンバータ20によりディジタル信号に変換して、APD電流検出制御回路22に入力する。
The basic configuration for amplifying the output signal of the
APD電流検出制御回路22は、光信号入力断検出用比較器16からの光入力断検出出力信号、又は図示を省略した検出手段による光入力断検出出力信号を入力すると、アナログスイッチ21をオフに制御し、レジスタ10からAPD1の電流増倍率をその時点の温度に対応した所定の最低値となる制御データを読出して、D/Aコンバータ13とAPD電流検出器19とを介して、APD1に逆バイアス電圧として印加する。この場合のAPD1の電流増倍率をMとすると、例えば、所定の最低値を、M=2とする制御データをレジスタ9から読出してAPD1の逆バイアス電圧とする。この逆バイアス電圧は、バースト光信号入力時に、APD1に流れる電流をAPD電流検出器19により検出可能とする値に選定する。又光信号入力断の状態に於ける前置増幅器2と可変利得増幅器3との利得は、バースト光信号入力時に、振幅検出回路5に於いて振幅検出が可能となる値となるように、レジスタ9から読出される制御データに従って制御される。
The APD current detection control circuit 22 turns off the
バースト光信号の入力により、APD1は、そのバースト光信号のレベルと、逆バイアス電圧とに対応した電流が流れ、その電流をAPD電流検出器19により検出し、A/Dコンバータ20によりディジタル信号に変換して、APD電流検出制御回路22に入力する。APD電流検出回路22は、APD電流検出により直ちに、或いは、内部のタイマ等による所定時間後に、アナログスイッチ21をオンとし、且つレジスタ9から、振幅検出回路5とA/Dコンバータ6と比較器7とディジタルフィルタ8とを介した経路でアドレス制御して制御データを読出し、APD1の電流増倍率と、前置増幅器2及び可変利得増幅器3の利得とを制御する。
By inputting the burst optical signal, a current corresponding to the level of the burst optical signal and the reverse bias voltage flows through the
又APD1の逆バイアス電圧の制御と、前置増幅器2の電流−電圧変換利得制御と、可変利得増幅器3の増幅利得制御とは、それぞれディジタル処理により行って、レジスタ9から読出した制御データをD/Aコンバータ3,4,5によりアナログ値に変換して行うものであり、APD1は、例えば、InGaAs三元化合物半導体により形成されたアバランシェフォトダイオードとすることができる。又前置増幅器2は、例えば、トランスインピーダンス型増幅器を適用することができる。このトランスインピーダンス型増幅器は、広帯域特性を有することから、既に各種の構成が知られており、所望の構成を適用することができる。又APD電流検出器19は抵抗により構成し、その抵抗の両端の電圧を電流値として検出する構成とすることができる。又アナログスイッチ21はトランジスタ等の半導体スイッチング素子により構成することができる。
The control of the reverse bias voltage of the
又各部について簡単に説明すると、振幅検出回路5は、可変利得増幅器3の出力信号の振幅レベルを検出し、A/Dコンバータ6によりディジタル値に変換して比較器7に入力する。このA/Dコンバータ6は、サンプリング周波数発生回路8からのサンプリング信号に従って振幅検出回路5の出力信号をサンプリングしてディジタル値に変換するものであって、サンプリング周波数を高くすることにより、利得制御ループの応答速度を早くすることが可能となるが、他の制御ループ等の特性を考慮して選択したサンプリング周波数とするものである。又比較器7は、A/Dコンバータ6による振幅検出信号のディジタル値と、レジスタ9から読出した基準値とを比較し、この比較出力を、ディジタルフィルタ8を介してレジスタ9のアドレスとするものであり、ディジタルフィルタ8は、ローパスフィルタ特性とする場合が一般的であって、例えば、ディジタル積算回路の機能を適用した構成することができる。このような構成の場合、振幅検出信号が増加傾向又は減少傾向が継続した時に、同一極性の比較出力が所定回数連続することになるから、積算値が変化して、レジスタ9に入力するアドレスを変化させることになる。
Briefly explaining each part, the
又温度検出回路12によりAPD1の温度或いはその周辺温度を検出し、A/Dコンバータ11によりディジタル値に変換してメモリ10に形成した利得テーブルのアドレスとするもので、メモリ10は、電気的に消去可能なプログラマブルメモリ(EEPROM)を用いた場合を示す。このメモリ10に形成した利得テーブルは、温度対応のAPD1の複数種類の逆バイアス電圧と、前置増幅器2の複数種類の電流−電圧変換利得値(トランスインピーダンス)と、可変利得増幅器3の複数種類の増幅利得値との制御データを含むテーブルである。この利得テーブルから読出した温度対応のデータをレジスタ9に書込み、ディジタルフィルタ8の出力信号をアドレスとして、逆バイアス電圧と電流−電圧変換利得値と増幅利得値との制御データを読出して、それぞれD/Aコンバータ13,14,15によりアナログ値に変換し、APD1に印加する逆バイアス電圧、前置増幅器2に加える制御電圧、可変利得増幅器3に加える利得制御電圧とする。
Further, the
又光信号入力断検出用比較器16は、光信号レベル低下に伴う振幅検出回路5の出力信号のサンプル値が連続的に低下することによるレジスタ9に対するアドレス信号の変化を基に光信号の入力断を検出する構成の場合を示す。なお、他の構成により、光信号入力断検出を行う構成を適用することも可能であり、光入力断検出出力信号を、APD電流検出制御回路22にも入力する。この光信号入力断検出信号により、APD電流検出制御回路22は、アナログスイッチ21をオフとし、且つレジスタ9からその時点の温度に対応し、且つ固定のAPD電流増倍率となる逆バイアス電圧を、D/Aコンバータ13とAPD電流検出器19を介してAPD1に印加する。この場合のAPD電流増倍率は、前述のように、光信号が入力された時に検出可能の最低値とする。
The optical signal input
この状態に於いてバースト光信号がAPD1に入力されると、その時の逆バイアス電圧に応じたAPD電流増倍率に従ってAPD電流が流れるから、そのAPD電流をAPD電流検出器19により検出し、A/Dコンバータ20によりディジタル信号に変換して、APD電流検出制御回路22に入力する。APD電流検出制御回路22は、直ちに又はタイマ等による所定時間後に、アナログスイッチ21をオンに制御し、又レジスタ9からはディジタルフィルタ8を介して入力されるアドレス信号に従った制御データを読出して、D/Aコンバータ13,14,15によりアナログ信号に変換し、APD1の逆バイアス電圧、前置増幅器2の利得制御電圧、可変利得増幅器3の利得制御電圧とする。即ち、バースト光信号入力時点では、APD1の制御ループはオフ状態であり、その時のAPD1の電流増倍率は、バースト光信号入力時点の光信号検出可能の所定の最低値に維持されていることにより、迅速に光信号を検出することが可能となる。光信号検出後は、APD1の制御ループはオン状態とするものであるから、安定な光信号受信処理が可能となる。
When a burst optical signal is input to the
図2は、APD制御特性説明図であり、(A)は図8の(A)と同様のAPDの逆バイアス電圧と電流増倍率とを、温度をパラメータとして示すAPD特性説明図であり、縦軸は電流増倍率M、横軸は逆バイアス電圧VRを示し、光信号断時のAPD電流増倍率Mを例えば、所定の最低値のM=2とした場合を示す。又図2の(B)は、電流増倍率M=2とした場合の温度と逆バイアス電圧との関係の一例を示し、温度検出回路12により検出した温度に対応した逆バイアス電圧のデータを、メモリ10に形成した利得テーブル読出して、レジスタ9に設定しておくことにより、光信号断時の温度に対応した逆バイアス電圧をレジスタ9から読出して、APD1の逆バイアス電圧とし、その時の電流増倍率を設定最低値のM=2とすることができる。
FIG. 2 is an explanatory diagram of APD control characteristics, and FIG. 2A is an explanatory diagram of APD characteristics showing the reverse bias voltage and current multiplication factor of APD similar to FIG. axis current multiplication factor M, the horizontal axis represents the reverse bias voltage V R, the APD current multiplication factor M when the optical signal loss for example, shows a case where the M = 2 for a predetermined minimum value. FIG. 2B shows an example of the relationship between the temperature and the reverse bias voltage when the current multiplication factor M = 2, and the reverse bias voltage data corresponding to the temperature detected by the
図3は、APDの制御構成の要部のみを示すもので、APD1と、逆バイアス電圧供給用のD/Aコンバータ13と、例えば、100kΩの抵抗として、1μAの電流を検出可能としたAPD電流検出器19と、APD電流検出用のA/Dコンバータ20と、トランジスタ等の半導体スイッチ素子により構成したアナログスイッチ21とを示し、APD電流検出用のA/Dコンバータ20は、抵抗からなるAPD電流検出器19の両端の電圧を、APD電流として検出し、図1に於けるAPD電流検出制御回路22に入力する。
FIG. 3 shows only the main part of the control configuration of the APD. The
図4は、EEPROM等のメモリ10に形成した利得テーブルの一例の要部を示すもので、メモリ10のアドレス(利得テーブルのアドレス)対応に、APD1の逆バイアス電圧〔V〕と、前置増幅器2の電流−電圧変換利得としてのトランスインピーダンス〔kΩ〕と、可変利得増幅器3の増幅利得値としての電圧利得〔dB〕との組み合わせを示すもので、温度検出回路12により検出した温度をA/Dコンバータ11によりディジタル信号に変換して、メモリ10のアドレス(利得テーブルのアドレス)とし、温度対応の領域内のデータを読出してレジスタ9に設定する。この場合、検出温度が25度であると、アドレス1〜10の範囲の逆バイアス電圧30〜39と、トランスインピーダンス1〜9と、電圧利得1〜9とを読出して、レジスタ9に設定する。それにより、例えば、ディジタルフィルタ8を介したアドレスが3の場合、そのアドレス3の逆バイアス電圧32と、トランスインピーダンス3と、電圧利得3とをそれぞれ読出して、D/Aコンバータ13,14,15に入力することになる。なお、メモリ10に形成した利得テーブルは、アドレスを更に多数の例えば1〜256として、それぞれのアドレス対応に制御データを設定することも可能である。
FIG. 4 shows a main part of an example of a gain table formed in the
又光信号入力断検出時は、APD電流検出制御回路22からレジスタ9をアクセスして、その時の温度に対応し、且つAPD1の電流増倍率M=2となる逆バイアス電圧を示す制御データが読出されることになり、且つアナログスイッチ21はオフに制御されるから、バースト光信号入力時には、APD1は過大な電流増倍率となることはなく、且つ迅速にAPD電流検出器19により検出し、アナログスイッチ21を直ちに或いは所定時間後にオンとし、通常の制御ループにより光信号の安定な受信処理を行うことができる。即ち、光信号入力開始時点のシステム対応の最適応答時間が存在する場合、それに対応して、アナログスイッチ21のオン制御タイミングを設定可能とすることができる。
When the optical signal input interruption is detected, the
1 APD
2 前置増幅器
3 可変利得増幅器
4 リミッタ
5 振幅検出回路
6,11,20 A/Dコンバータ
7 比較器
8 ディジタルフィルタ
9 レジスタ
10 メモリ
11 A/Dコンバータ
12 温度検出回路
13,14,15,17 D/Aコンバータ
16 光信号入力断検出用比較器
18 サンプリング周波数発生回路
19 APD電流検出器
21 アナログスイッチ
22 APD電流検出制御回路
1 APD
2
Claims (4)
前記APDに印加する逆バイアス電圧と入力光信号とに応じて該APDに流れる電流を検出するAPD電流検出器と、
該APD電流検出器と並列に接続して該APD電流検出器をバイパスするか否かを制御するアナログスイッチと、
該アナログスイッチを前記光信号の入力検出によりオン、入力断検出によりオフに制御し、該アナログスイッチをオフに制御した時の前記APDの電流増倍率を所定の初期応答特性となるように選択した逆バイアス電圧を、前記APD電流検出器を介して前記APDに印加する制御構成を有するAPD電流検出制御回路と
を備えたことを特徴とする自動利得制御回路。 APD as a light receiving element for inputting an optical signal, a preamplifier for amplifying the output signal of the APD, a variable gain amplifier for amplifying the output signal of the preamplifier , and detecting an output signal amplitude of the variable gain amplifier An automatic gain control circuit for controlling the APD, the preamplifier, and the variable gain amplifier based on a detection value by the amplitude detection circuit.
An APD current detector for detecting a current flowing through the APD in accordance with a reverse bias voltage applied to the APD and an input optical signal;
An analog switch connected in parallel with the APD current detector to control whether to bypass the APD current detector;
The analog switch is controlled to be turned on by detecting the input of the optical signal and turned off by detecting the input interruption, and the current multiplication factor of the APD when the analog switch is controlled to be turned off is selected to have a predetermined initial response characteristic. An automatic gain control circuit comprising: an APD current detection control circuit having a control configuration for applying a reverse bias voltage to the APD via the APD current detector.
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