JP5266785B2

JP5266785B2 - 光検出装置および光検出方法

Info

Publication number: JP5266785B2
Application number: JP2008037990A
Authority: JP
Inventors: 智明竹山; 恵子佐々木; 真一郎室
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2008-02-19
Filing date: 2008-02-19
Publication date: 2013-08-21
Anticipated expiration: 2028-02-19
Also published as: US8026538B2; US20090206437A1; JP2009200124A

Description

本発明は、フォトダイオードを用いた光検出装置および光検出方法に関し、特に微弱な光の強度を高精度に検出する光検出装置および光検出方法に関する。

近年、マルチメディアネットワークの進展に伴い、通信トラフィックの需要は飛躍的に増大している。そのため、光増幅器を用いて光信号を多段中継増幅するＷＤＭ伝送システムが、マルチメディア社会における通信システムの経済化を図る上で大きな役割を果たしている。

ＷＤＭ伝送システムで想定する伝送距離は、ＷＤＭ伝送システムの技術的な進歩とともに増大の傾向にあり、現在では、大きい場合で３５ｄＢ程度にもなっている。このことは、例えば、前段の光増幅器の出力が１ｄＢｍであっても、次段の光増幅器の入力パワーは、−３４ｄＢｍと非常に小さくなることを意味する。

図７に示すように、光増幅器１では、一般に入力パワーを感知し、そのパワーによって光増幅器内部に搭載しているＥＤＦ(Er-doped fiber)の利得、もしくは、ＶＯＡ（Variable Optical Attenuator）３の減衰量を決めて動作するため、小さい入力パワーでも、±０．１ｄＢという高精度で光パワーを検知する必要がある。

図７に示した光分波器２の分岐比は、光検出装置側に大きなパワーを分岐させるほど、フォトダイオードにおける暗電流の影響を小さく抑えることができるが、主信号系の光パワーが弱くなってしまい、光増幅器で増幅された後のＯＳＮＲが大きく劣化してしまう。従って、１３ｄＢダウン程度の分岐比の光分波器を用いる必要がある。この時、光検出装置の受光パワーは−４７ｄＢｍと非常に小さく暗電流の影響が無視できない領域となる。

フォトダイオードで検出する電流に含まれる暗電流を識別し、暗電流分だけ補正することができれば、小さい光パワーでも精度良く検出することが可能となる。しかし、光増幅装置の置かれる環境温度範囲は、０から６５℃までであり、一日の昼と夜の温度差、もしくは、季節によって任意に変化するが、暗電流は温度依存性が非常に大きく、この温度領域で温度上昇とともに１０倍程度も変化してしまう。そのため、この暗電流の温度特性も考慮して補正しなければいけない。

単純にその瞬間の暗電流を知るには、フォトダイオードに入る光パワーを一旦遮断して、暗電流を測定し、その量を補正する方法（例えば特許文献１参照。）や、入射光を遮断した周囲温度に依存する暗電流のみを発生する補助受光素子を用いて、暗電流を補正する方法（例えば特許文献２参照。）が知られている。

特開平８−２７８１１０号公報特開平８−１８１３４８号公報

しかしながら、光伝送システムでは光増幅器は常時決まった出力レベルで動作することを保証しなければいけない都合上、入力パワーは常時監視しておく必要がある。そのため、入射光を遮断して暗電流を直接測定する方法は、光伝送システムにおける光増幅器の光検出装置には適用できない。

また、補助受光素子を用いる方法では、フォトダイオードの追加によるコストアップが問題となる。さらに、温度計を用意して、予め用意した暗電流−温度特性の関係式より、暗電流を算出し補正する方法も、同様に温度計の追加によるコストアップが問題となる。

そのため、環境温度の急激な変化に対しても、常時、正しく光パワーをモニタしながら、コストアップすることなく、暗電流を正しく補正することが重要な課題となっていた。

本発明は、上述した従来技術における問題点を解消し、課題を解決するためになされたものであり、常時、正しく光パワーをモニタしながら、コストアップすることなく、暗電流を正しく補正することで、微弱な光の強度を高精度に検出する光検出装置および光検出方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、フォトダイオードにかける逆電圧を切り替えることによって生じるフォトダイオードの出力電流の変化量を電流差分として検出し、検出した電流差分に基づいて電流差分と暗電流との対応関係を参照し、暗電流量を算出してフォトダイオードの出力電流を補正し、光電変換によって得られた光電流量を求める。

本発明によれば、常時、正しく光パワーをモニタしながら、コストアップすることなく、暗電流を正しく補正することで、微弱な光の強度を高精度に検出する光検出装置および光検出方法を提供することができるという効果を奏する。

以下に、本発明にかかる光検出装置および光検出方法の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明の実施例にかかる光検出装置の概要構成を説明する概要構成図である。同図に示したように、本実施例にかかる光検出装置１０は、フォトダイオード１１、電流検出部１２、暗電流補正部１３、逆電圧切替部１４、電流差分検出部１５、暗電流算出部１６、対応関係保持部１７を有する。

フォトダイオード１１は、光を電気に変換する光電変換素子であり、電流検出部１２は、フォトダイオード１１の出力電流を検出する回路である。また、逆電圧切替部１４は、フォトダイオード１１の逆電圧（逆バイアス）を切り替える回路である。

電流差分検出部１５は、逆電圧切替部１４による逆電圧の切替によって電流検出部１２が検出する電流に生じる電流値の変化量を検出する回路である。

また、対応関係保持部１７は、逆電圧の切替によって生じる電流差分と暗電流との対応関係とを保持する記憶部であり、暗電流算出部１６は、電流差分検出部１５が検出した電流差分と上述の対応関係とを用いて暗電流の値を算出する。

電流検出部１２が検出した値は、フォトダイオード１１が受光した光の強度に対応して発生する光電流と、受光状態に関わらず発生する暗電流との合計値であるので、暗電流補正部１３は、電流検出部１２が検出した値から暗電流算出部１６が算出した値を引くことで暗電流分を補正し、光電流の検出結果を出力する。

すなわち、本発明では、フォトダイオードの暗電流は温度依存性を持つとともに、図２に示すような逆電圧依存性を持つことを利用している。暗電流は逆電圧の増加とともに増加し、温度の増加とともに増加する性質を持つ。

ここで、逆電圧を駆動する電圧を切り替えることを考える。例えば、逆電圧５Ｖと逆電圧３Ｖを切り替えるとすると、図３のような特性となる。さらに、逆電圧切替時の暗電流の差分に着目すると、高温になるほど、暗電流が増加するとともに、逆電圧切替時の暗電流の差分も大きくなることが分かる。

暗電流と逆電圧切替時の暗電流の差分の関係を示したものが図４である。環境温度の変動があっても、逆電圧を切り替えることで現在の暗電流の絶対値を知ることが可能であることが分かる。

一方、光パワーを光電流に変換する効率、つまり、受光感度の逆電圧依存性は図５に示すように、０．０１ｄＢ未満であり、無視できる。

したがって、このようなフォトダイオードの性質を利用して、暗電流を補正することができる。図１に示したように、まず入力光をフォトダイオード１１で受光し、発生した光電流と暗電流の和を電流検出部１２で検出する。

次に、逆電圧切替部１４により、別の逆電圧に切替え、同様に、光電流と暗電流の和を検出し、逆電圧を切替えた時の電流の差分を算出する。この電流差分は暗電流の差分と考えてよく、予め用意しておいた、図４に示したような逆電圧切替えによる暗電流差と暗電流との対応関係式により、それぞれの逆電圧における暗電流を算出する。最終的に最初に検出した電流値から、暗電流を差し引くことで、正しい光電流を算出する。

例えば、図７に示したような光増幅器１に本発明を適用する場合を考え、光増幅器１の入力パワーを−３４ｄＢｍとする。図７に示す光分波器２の分岐比は、光検出装置１０側に大きなパワーに分岐させるほど、光電変換素子であるフォトダイオード（ＰＤ）の受光パワーが大きくなり、フォトダイオードの暗電流の影響は小さく抑えられるが、主信号系の光パワーが弱くなってしまい、光増幅器で増幅された後のＯＳＮＲ（光信号／雑音比）が大きく劣化してしまう。従って、１３ｄＢダウン程度の分岐比の光分波器を用いる必要がある。

この時、光検出装置１０の受光パワーは−４７ｄＢｍ（＝２０ｎＷ）となる。ここでフォトダイオードの受光感度は例えば１Ａ／Ｗであり、光電流は、２０ｎＡとなる。それに対して、暗電流は、例えば、図２のような特性を示し、逆電圧３Ｖ、６５℃では、１．５ｎＡとなる。この暗電流を無視した場合、０．３１ｄＢの入力パワーの測定誤差を生じてしまい、アンプで要求される測定精度±０．１ｄＢを超えてしまう。従って、この暗電流をうまく補正する必要がある。

まず、予め使用するフォトダイオードについて、図３に示すように、逆バイアス５Ｖ、３Ｖで動作させた時の暗電流の温度依存性を測定し、関係式を入手する。この２点の逆バイアスは、受光感度の逆電圧依存性が小さい領域を選ぶ必要がある。図６に示すように、逆電圧１２Ｖ以上では、受光感度の逆電圧依存性が発生しており使用できない。今回はこれを考慮して５Ｖ、３Ｖの２点を選んだ。このデータを図４のように、暗電流と５Ｖ時と３Ｖ時の暗電流差分との関係式に書き直す。

次に図１に示す実回路構成では、まず、フォトダイオード１１の逆電圧を３Ｖにし、２０ｎＷの入力光をフォトダイオードで受光し、発生した光電流と暗電流の和を電流検出部１２で検出すると、４．５ｎＡであった。

その後、逆電圧切替部１４によって逆電圧を５Ｖに切り替え、同様に光電流と暗電流の和を検出すると、５．６ｎＡであった。したがって、電流差分検出部１５の検出結果は１．１ｎＡとなる。

図５に示すように受光感度の逆電圧依存性は０．０１ｄＢ程度で無視できるため、この電流差分は暗電流の差分と考えてよい。例えば、現在、６５℃であるなら、逆電圧５Ｖ時の暗電流と逆電圧３Ｖ時の暗電流との差分は１．１ｎＡと観測される。

この電流差分が得られると、予め用意しておいた、図4の逆電圧切替えによる暗電流差と暗電流との関係式により、それぞれの逆電圧における暗電流を算出する。現在、逆電圧５Ｖ時の暗電流と逆電圧３Ｖ時の暗電流との差分は１．１ｎＡである場合、逆電圧５Ｖでの暗電流が２．６ｎＡ、逆電圧３Ｖでの暗電流が１．５ｎＡであることがわかる。最終的に最初に検出した光電流と暗電流の和から、算出した暗電流を差し引けば、暗電流を正しく補正した光電流を認識することが可能である。

ここでは、逆電圧５Ｖの場合の光電流と暗電流の和が５．６ｎＡであるので、光電流は３ｎＡである。また、逆電圧３Ｖの場合の光電流と暗電流の和が４．５ｎＡであるので、こちらから光電流を求めても３ｎＡとなる。

以上説明してきたように、本実施例にかかる光検出装置１０は、フォトダイオード１０にかける逆電圧を切り替えるとともに、逆電圧切替によって生じるフォトダイオード１０の出力電流の差分を検出する。この差分電流値を、暗電流の逆電圧依存性を利用して予め求めた差分電流と暗電流との対応関係を参照することで暗電流値に変換して、フォトダイオード１０の出力電流から暗電流分を差し引いて光電流の値を求める。そのため、環境温度の急激な変化に対しても、常時正しく光パワーをモニタしながら、コストアップすることなく、暗電流を補正して正しい光電流を検出することが可能となる。

なお、本実施例では、フォトダイオード１０としてＰＩＮダイオードを用いることを想定してその特性を説明したが、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）であっても、暗電流特性は同一であるので適用可能である。ＡＰＤを用いる場合、受光感度の逆電圧依存性が非常に大きいので、受光感度の逆電圧が無視できる１８Ｖから２８Ｖの間で逆電圧を切り替える２つの値を選ぶ必要がある。

また、本実施例に示した構成および動作はあくまで一例であり、本発明を限定するものではない。例えば、図１に示した各処理部（電流検出部１２、暗電流補正部１３、逆電圧切替部１４、電流差分検出部１５、暗電流算出部１６、対応関係保持部１７）は、それぞれ個別の電気回路として実現してもよいし、その一部また全部をソフトウェアによって実現しても良い。

以上のように、本発明は、微弱な光の検出に有用であり、特に光伝送システムの光増幅における信号光強度の検出に適している。

本発明の実施例にかかる光検出装置の概要構成を説明する概要構成図である。暗電流の逆バイアス依存性を説明する説明図である。暗電流の温度依存性を説明する説明図である。暗電流値と逆電圧切替時の暗電流差分との対応関係について説明する説明図である。受光感度の逆バイアス依存性を説明する説明図である（その１）。受光感度の逆バイアス依存性を説明する説明図である（その２）。光伝送システムと光増幅器について説明する説明図である。

符号の説明

１光増幅器
２光分派器
３ＶＯＡ
１０光検出装置
１１フォトダイオード
１２電流検出部
１３暗電流補正部
１４逆電圧切替部
１５電流差分検出部
１６暗電流算出部
１７対応関係保持部

Claims

光を電気に変換するフォトダイオードと、
前記フォトダイオードにかける逆電圧を切り替える逆電圧切替部と、
前記逆電圧の切替によって生じるフォトダイオードの出力電流の変化量を電流差分として検出する電流差分検出部と、
前記電流差分と暗電流との対応関係を保持する対応関係保持部と、
前記電流差分検出部が検出した電流差分に基づいて前記対応関係を参照し、暗電流量を算出する暗電流算出部と、
前記暗電流量に基づいて前記フォトダイオードの出力電流を補正し、光電変換によって得られた光電流量を求める暗電流補正部と、
を備えたことを特徴とする光検出装置。
前記フォトダイオードは、ＰＩＮフォトダイオードであることを特徴とする請求項１に記載の光検出装置。
前記逆電圧切替部は、１２Ｖ以下の２つの電圧間で切替を行なうことを特徴とする請求項１または２に記載の光検出装置。
光を電気に変換するフォトダイオードの出力電流に基づいて光を検出する光検出方法であって、
前記フォトダイオードにかける逆電圧を切り替える逆電圧切替ステップと、
前記逆電圧の切替によって生じるフォトダイオードの出力電流の変化量を電流差分として検出する電流差分検出ステップと、
前記電流差分検出部が検出した電流差分に基づいて前記電流差分と暗電流との対応関係を参照し、暗電流量を算出する暗電流算出ステップと、
前記暗電流量に基づいて前記フォトダイオードの出力電流を補正し、光電変換によって得られた光電流量を求める暗電流補正ステップと、
を含んだことを特徴とする光検出方法。
前記逆電圧切替ステップは、１２Ｖ以下の２つの電圧間で切替を行なうことを特徴とする請求項４に記載の光検出方法。