JP5090318B2 - 受信モジュール - Google Patents

Description

本発明は、光通信用の受信モジュール、特に異なる信号速度の光信号を受信可能な小型の受信モジュールに関する。

近年、インターネットのブロードバンド化や動画の高精細化などの技術の発展に伴い、大容量の光通信システムが様々なネットワークに導入されてきている。このような光通信システムにおいては、用途や適用されるネットワークにより光信号の信号速度は異なり、信号速度は今後さらに多様化して行く傾向にある。

そこで、信号速度の異なる光信号が混在するネットワークにおいて、その異なる信号速度の光信号を一つのモジュールで受信することが可能なマルチレート光受信技術が、今後の多様化する光通信システム及びそのネットワークを実現すための重要な基盤技術として期待されている。

従来、マルチレート光受信技術としては受信する光信号の信号速度に応じた所望の動作ができるように、信号速度切替え端子を有する構成が用いられていた（例えば、下記特許文献１や下記非特許文献１）。
図６は、従来の受信モジュールを示した模式図である。
図６に示すように、従来の受信モジュールは、ホトダイオード６１のカソード側にはサージ保護用の容量６２，６７及び過電流防止用抵抗６３を介して定電圧源６４が接続され、アノード側にはトランスインピーダンスアンプ６５の入力端子が接続され、トランスインピーダンスアンプ６５には、信号速度切替え端子６６が接続され、また、トランスインピーダンスアンプ６５からは出力端子が出ている構成となっている。

一般的に受信器の性能指標として、利得と帯域の積（＝ＧＢ積）がよく用いられ、信号速度が遅いシステムでは高い受信感度、信号速度が速いシステムでは広い受信帯域が要求される。つまり、従来のマルチレート光受信技術では、信号速度が遅い場合はトランスインピーダンスアンプ６５に信号速度切替え信号が入力されると帰還抵抗を大きくして利得を高くし、信号速度が速い場合は帰還抵抗を小さくして受信帯域を広くする回路がトランスインピーダンスアンプ６５の帰還抵抗部分に導入されている。これにより、従来のマルチレート光受信技術では、信号速度に応じて適切な受信を可能としている。

特開２００４−２７４１７３号公報 田中啓二、外９名、「マルチレート対応小型プラガブル光リンクの技術開発」、ＳＥＩテクニカルレビュー、第１７２号、２００８年１月、ｐ．１３３−１３８

光アクセスシステムにおいては、近年の高速化の流れにしたがい、信号速度１０Ｇｂｐｓを基本とした１０ＧＥ−ＰＯＮ（Ｇｉｇａｂｉｔ Ｅｔｈｅｒｎｅｔ（登録商標）−Ｐａｓｓｉｖｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｎｅｔｗｏｒｋ）システムの標準化が進められている。この標準化の中では、既存のＧＥ−ＰＯＮシステムと混在した形での適用も提案されており、この形態では、基地局側の受信モジュールには低速と高速の光信号を共に受信可能なマルチレート光受信機能が必要とされている。

このような１Ｇｂｐｓ／１０Ｇｂｐｓ混在のＰＯＮシステムに用いる受信モジュールには、マルチレート対応の受信動作のみならず、低コストで、且つ、制御回路からの操作性（オペラビリティ）が高いことも強く求められる。しかしながら、上述した従来の制御信号を必要とするマルチレート対応の受信モジュールでは、モジュールの構成や制御方法が複雑になり、マルチレート対応の受信モジュール、及び、それを用いた伝送装置全体のコスト増の要因となっている。

以上のことから、本発明は、上述した従来技術における問題点を解消するものであって、受信速度に応じて最適な受信を行う場合において、従来必要であった信号速度切替え端子が不要で、複雑なモジュール構成や複雑な制御の不要な、低コストでマルチレートに対応可能な受信モジュールを提供することを目的とする。

上記の課題を解決する第１の発明に係る受信モジュールは、
受信した光信号を電気信号に変換する光受光素子と、
変換された電気信号を増幅する電気増幅素子と
を備える受信モジュールにおいて、
前記電気増幅素子は、信号速度の異なる２つの光信号の両方を一つの電気増幅素子で対応できるよう、各光信号の信号速度に適した利得及び各光信号の周波数帯域を有する信号増幅特性を加算した周波数特性を備え、
前記光信号は、ＮＲＺ方式で変調され、かつ、光信号ごとに１．２５Ｇｂｐｓと１０．３１２５Ｇｂｐｓのどちらか一方の信号速度で送信されるマルチレート信号であり、
前記各光信号の信号速度に適した利得は、前記１０．３１２５Ｇｂｐｓの信号速度に対する利得よりも前記１．２５Ｇｂｐｓの信号速度に対する利得の方が高く、
前記各光信号の周波数帯域を有する信号増幅特性は、前記１０．３１２５Ｇｂｐｓの信号速度に対しては少なくとも周波数３ＧＨｚから８ＧＨｚまで利得がフラットであり、前記１．２５Ｇｂｐｓの信号速度に対しては少なくとも周波数０ＧＨｚからＮＲＺ方式で変調された１．２５Ｇｂｐｓの信号を通すのに必要な周波数までは利得がフラットで、かつ、周波数１．５ＧＨｚ以下である
ことを特徴とする。

上記の課題を解決する第２の発明に係る受信モジュールは、第１の発明に係る受信モジュールにおいて、
前記電気増幅素子は、前記利得及び前記周波数帯域の異なる少なくとも２つのトランスインピーダンスアンプを並列に配置又は並列と直列とを組み合わせて配置して構成される
ことを特徴とする。

上記の課題を解決する第３の発明に係る受信モジュールは、第１の発明に係る受信モジュールにおいて、
前記電気増幅素子は、少なくとも１つのトランスインピーダンスアンプで構成され、該トランスインピーダンスアンプにおける帰還回路を１つ又は複数の受動素子及び能動素子を組み合わせて構成する
ことを特徴とする。

上記の課題を解決する第４の発明に係る受信モジュールは、第３の発明に係る受信モジュールにおいて、
少なくとも２つの前記電気増幅素子を並列に配置又は並列と直列とを組み合わせて配置した回路構成が１つのモノシリック集積回路上に形成される
ことを特徴とする。

本発明に係る受信モジュールによれば、信号速度の異なる少なくとも２つの光信号に対して、各光信号の信号速度に適した利得及び各光信号の周波数帯域を有する信号増幅特性を加算した周波数特性を有する電気増幅素子を構成することにより、信号速度に応じて前記電気増幅素子の利得及びその周波数帯域を切り替えるための制御信号を入力することなく複数の信号速度に対応することが可能となり、モジュールの構成の簡素化を図ることができる。また、制御信号に係る制御回路を省略することが可能となり、低コスト化、且つ、動作の安定化を図ることができる。

また、前記電気増幅素子において、利得及びその周波数帯域の異なる少なくとも２つのトランスインピーダンスアンプを並列に配置又は並列と直列とを組み合わせて配置して構成することにより、各トランスインピーダンスアンプの特性の和に相当する各信号速度に適した利得及びその周波数帯域を有する信号増幅特性を加算した周波数特性を実現することが可能なため、構成が簡単で設計性のよい安定した特性を得ることができる。

また、前記電気増幅素子が少なくとも１つのトランスインピーダンスアンプで構成され、そのトランスインピーダンスアンプにおける帰還回路を１つ又は複数の受動素子及び能動素子を組み合わせて構成し、帰還率を信号速度に応じて変化させることにより各信号速度に適した利得及びその周波数特性を有するトランスインピーダンスアンプを構成することが可能となり、設計の自由度が増大し、多様な特性要求に応える設計が可能となる。

また、少なくとも２つの電気増幅素子を並列に配列又は並列と直列とを組み合わせて配列した回路構成が１つのモノシリック集積回路上に形成されているため、少なくとも２つの電気増幅素子の特性の和に相当する各信号速度に適した利得及びその周波数帯域を有する信号増幅特性を加算した周波数特性を実現することが可能となり、且つ、モノシリック化により小型、低消費電力化を図ることができる。

以下、本発明に係る受信モジュールの実施例について図面を参照して説明する。

図１は、本発明の第１の実施例に係る受信モジュールを示した模式図である。
図１に示すように、本発明に係る受信モジュールは、ホトダイオード１１、容量１２，１７、固定抵抗１３、定電圧源１４、トランスインピーダンスアンプ１５，１６とにより構成されている。

ホトダイオード１１のカソード側、つまりバイアス回路側には、ホトダイオード１１と並列にサージ防止用の容量１２、１７が接続されており、ホトダイオード１１と直列に過電流防止用の固定抵抗１３とバイアス用の定電圧源１４が接続されている。ここで、容量１２，１７としては、それぞれ容量１００ｐＦ，０．１μＦ程度、固定抵抗１３としては抵抗値２ｋΩ程度のものを使用している。

そして、本願発明者は種々の検討を行った結果、信号速度の異なる２つの信号を受信する場合において、各信号速度に応じて利得及び周波数帯域を最適化したトランスインピーダンスアンプ１５，１６を、ホトダイオード１１のアノード側に並列に接続することによって、異なる受信信号に対しても最適な感度が得られることを見出し、本願発明を成すに至った。なお、具体的な各トランスインピーダンスアンプ１５，１６の設計は、汎用の回路シミュレータ等の汎用ツールを用いることにより設計することが可能である。また、ここでは、信号速度の異なる２つの信号を受信する構成について説明するが、信号速度の異なる３つ以上の信号を受信する構成とすることも可能である。

図２は、本発明の第１の実施例に係る受信モジュールの受信利得の周波数依存性を示した図である。なお、図２においては、実際に試作した受信モジュールの周波数特性を示すものであって、横軸に周波数、縦軸に利得を取っている。また、本試作の受信モジュールでは、信号周波数１．２５Ｇｂｐｓ及び１０．３Ｇｂｐｓの異なる２種類の信号を受信できるように各周波数でトランスインピーダンスアンプを最適化している。

図２に示すように、本実施例に係る受信モジュールでは、１．５ＧＨｚ程度までは利得が７０ｄＢΩと大きいが、１．５ＧＨｚより周波数が高くなると利得が急激に小さくなり、３ＧＨｚから８ＧＨｚ程度までは利得が６５ｄＢΩ程度とほぼ一定となり、８ＧＨｚを越えると利得が周波数増加と共に減少するといった周波数特性が得られている。

このような周波数特性を有する受信モジュールが、最適な受信感度特性を有しているかどうか確かめるために、１．２５Ｇｂｐｓ及び１０．３Ｇｂｐｓで変調した光源を用いて、ビット誤り率測定を行った。光源の変調方式は、ＮＲＺ方式とし、信号形式は疑似ランダム信号、１．２５Ｇｂｐｓでは段数７段、１０．３Ｇｂｐｓでは段数３１段、マーク率は５０％とした。

図３は、本発明の第１の実施例に係る受信モジュールのビット誤り率の受信電力依存性を示した図である。なお、図３においては、各信号速度でのビット誤り率の測定結果を示すものであって、横軸に平均受信電力、縦軸にビット誤り率を取っている。

図３に示すように、本実施例に係る受信モジュールでは、受信電力が小さいとビット誤り率が大きくなっているが、受信電力が大きくなってくると、ビット誤り率は小さくなっている。１．２５Ｇｂｐｓでの最小受信感度（１０^-12での受信電力）は−３０ｄＢｍ、一方１０．３Ｇｂｐｓでの最小受信感度は−２０．５ｄＢｍが得られた。

本試作の受信モジュールでは、１．５ＧＨｚ程度の比較的低い周波数帯域において高く利得を設定できているため、信号速度が遅い場合（例えば、１．２５Ｇｂｐｓ）には、高い受信感度が得られている。一方で、３〜８Ｇ程度までは比較的利得は小さいが、広い帯域が得られているため、信号速度が速い場合（例えば、１０．３Ｇｂｐｓ）においても比較的高い受信感度が得られた。

以上、説明したように、本実施例に係る受信モジュールによれば、利得及び周波数帯域の異なる２つのトランスインピーダンス１５，１６を並列に接続することによって、２つの信号速度に適した周波数特性を得ることが可能となり、従来必要であった信号速度切替え信号によるトランスインピーダンスアンプの帰還抵抗の切替えが不要な、マルチレート対応の受信モジュールを実現することができる。なお、ここでは、利得及び周波数帯域の異なる２つのトランスインピーダンス１５，１６を用いる構成について説明するが、３つ以上のトランスインピーダンスを用いる構成とすることも可能である。

また、上述した例においては、２つの異なるシングルエンドのトランスインピーダンスアンプ受信モジュールを並列接続したが、差動のトランスインピーダンスアンプを接続して構成してもよい。
図４は、本発明の第１の実施例に係る受信モジュールの差動出力形態を示した模式図である。
図４に示すように、本実施例に係る受信モジュールの差動出力形態においては、受信信号速度よりも広い周波数帯域を有する差動のトランスインピーダンスアンプ４５の正相出力に低速の信号速度に最適化した差動のトランスインピーダンスアンプ４６を接続し、逆相出力に高速の信号に最適化した差動のトランスインピーダンスアンプ４７を接続し、トランスインピーダンスアンプ４６，４７の正相及び逆相の出力端子をそれぞれ接続する構成とした。

本実施例に係る受信モジュールの差動出力形態によれば、差動のトランスインピーダンスアンプ４５〜４７を用いることによって、受信モジュールのノイズ耐性が上がり、より受信感度を高くすることができるというメリットも有する。

なお、ここでは、電気信号増幅器としてトランスインピーダンスアンプを例に挙げたが、これに制限を受けることなく、ハイインピーダンスアンプや分布型増幅器等、種々のアンプを組み合わせて設計するものとしてもよい。また、単純な並列接続ではなく、直列接続と並列接続とを種々組み合わせて、所望の増幅周波数帯域を設定することも可能であることは言うまでもない。また、少なくとも２つの電気増幅素子を並列に配列又は並列と直列とを組み合わせて配列した回路構成を１つのモノシリック集積回路上に形成するようにすることも可能である。

また、詳細については特に明記していないが、光パケット通信やＰＯＮ等で信号速度が同一で光強度が異なるバースト光信号を受信する場合に、利得切替え等の動作切替えに必要なリセット信号端子を本実施例に係る受信モジュールに設けた構造も、実用上、有益であることも付言しておく。

図５は、本発明の第２の実施例に係る受信モジュールの利得が信号速度に応じて変化する形態を示した模式図である。
図５に示すように、本実施例に係る受信モジュールは、ホトダイオード１１のアノード側に接続されたトランスインピーダンスアンプ５１の帰還抵抗部分にローパスフィルタを設けている。このトランスインピーダンスアンプ５１は、オペアンプ５２の出力端子側から抵抗５３が接続され、さらに抵抗５４と容量５５との並列回路が抵抗５３に直列に接続されて、オペアンプ５２の入力端子側に帰還されている構成となっている。

ここで、例えば、抵抗５３を４００ｋΩ、抵抗５４を８００Ω、容量５５を０．２ｐＦとした場合、１ＧＨｚではトランスインピーダンス利得５８ｄＢΩ程度が得られ、１０ＧＨｚでは５３ｄＢΩ程度が得られる。このように、トランスインピーダンスアンプ５１の帰還抵抗の代りに、ローパスフィルタを用いることによって、低速の信号に対しては利得を高く設定することができ、高速の信号に対しては利得を小さく設定することができるので、信号速度に応じて適切な受信設定を行うことが可能となる。

なお、上述したローパスフィルタの構成は一例を示したものであって、この構成に限定されるものではなく、各種の抵抗や容量などの受動素子やトランジスタなどの能動素子を適宜組み合わせることによって、ローパスフィルタを構成することが可能である。また、各種素子のパラメータは、汎用の回路シミュレータにより設計することが可能である。

以上説明した本発明に係る受信モジュールの構成は、上述した構成に限定されるものではなく、本発明の範囲及び本発明の精神を逸脱することなく様々に変形が可能であるということは、当該技術分野における常識的な知識を持つものには明らかであり、本発明の範囲は上述の実施形態に限定されるべきではなく、特許請求の範囲の記載及びこれと均等なものの範囲内で定められるべきものである。

以上のように、本発明に係る受信モジュールは、受信した光信号を電気信号に変換する光受光素子と、変換された電気信号を増幅する電気増幅素子とを備える受信モジュールにおいて、前記電気増幅素子は、信号速度の異なる少なくとも２つの光信号に対して、各光信号の信号速度に適した利得及び各光信号の周波数帯域を有する信号増幅特性を加算した周波数特性を備えることにより、信号速度に応じて前記電気増幅素子の利得及びその周波数帯域を切り替えるための制御信号を入力することなく複数の信号速度に対応することが可能となり、モジュールの構成の簡素化を図ることができる。また、制御信号に係る制御回路を省略することが可能となり、低コスト化、且つ、動作の安定化を図ることができる。

したがって、本発明によれば、受信速度に応じて最適な受信を行う場合において、従来必要であった信号速度切替え端子不要で、複雑なモジュール構成や複雑な制御の不要な、低コストでマルチレートに対応可能な受信モジュールを実現することが可能となる。

本発明の第１の実施例に係る受信モジュールを示した模式図である。 本発明の第１の実施例に係る受信モジュールの受信利得の周波数依存性を示した図である。 本発明の第１の実施例に係る受信モジュールのビット誤り率の受信電力依存性を示した図である。 本発明の第１の実施例に係る受信モジュールの差動出力形態を示した模式図である。 本発明の第２の実施例に係る受信モジュールの利得が信号速度に応じて変化する形態を示した模式図である。 従来の受信モジュールを示した模式図である。

符号の説明

１１ ホトダイオード
１２，１７ 容量
１３ 抵抗
１４ 定電圧源
１５，１６ トランスインピーダンスアンプ
４５，４６，４７ 差動トランスインピーダンスアンプ
５１ トランスインピーダンスアンプ
５２ オペアンプ
５３，５４ 抵抗
５５ 容量
６１ ホトダイオード
６２，６７ 容量
６３ 抵抗
６４ 定電圧源
６５ トランスインピーダンスアンプ
６６ 信号速度切替え端子

Claims (4)

1. 受信した光信号を電気信号に変換する光受光素子と、
   変換された電気信号を増幅する電気増幅素子と
   を備える受信モジュールにおいて、
   前記電気増幅素子は、信号速度の異なる２つの光信号の両方を一つの電気増幅素子で対応できるよう、各光信号の信号速度に適した利得及び各光信号の周波数帯域を有する信号増幅特性を加算した周波数特性を備え、
   前記光信号は、ＮＲＺ方式で変調され、かつ、光信号ごとに１．２５Ｇｂｐｓと１０．３１２５Ｇｂｐｓのどちらか一方の信号速度で送信されるマルチレート信号であり、
   前記各光信号の信号速度に適した利得は、前記１０．３１２５Ｇｂｐｓの信号速度に対する利得よりも前記１．２５Ｇｂｐｓの信号速度に対する利得の方が高く、
   前記各光信号の周波数帯域を有する信号増幅特性は、前記１０．３１２５Ｇｂｐｓの信号速度に対しては少なくとも周波数３ＧＨｚから８ＧＨｚまで利得がフラットであり、前記１．２５Ｇｂｐｓの信号速度に対しては少なくとも周波数０ＧＨｚからＮＲＺ方式で変調された１．２５Ｇｂｐｓの信号を通すのに必要な周波数までは利得がフラットで、かつ
   、周波数１．５ＧＨｚ以下である
   ことを特徴とする受信モジュール。
2. 前記電気増幅素子は、前記利得及び前記周波数帯域の異なる少なくとも２つのトランスインピーダンスアンプを並列に配置又は並列と直列とを組み合わせて配置して構成されることを特徴とする請求項１に記載の受信モジュール。
3. 前記電気増幅素子は、少なくとも１つのトランスインピーダンスアンプで構成され、該トランスインピーダンスアンプにおける帰還回路を１つ又は複数の受動素子及び能動素子を組み合わせて構成する
   ことを特徴とする請求項１に記載の受信モジュール。
4. 少なくとも２つの前記電気増幅素子を並列に配置又は並列と直列とを組み合わせて配置した回路構成が１つのモノシリック集積回路上に形成される
   ことを特徴とする請求項３に記載の受信モジュール。

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