JP5295007B2

JP5295007B2 - 高周波用光受信モジュール

Info

Publication number: JP5295007B2
Application number: JP2009145189A
Authority: JP
Inventors: 成孝板倉
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2009-06-18
Filing date: 2009-06-18
Publication date: 2013-09-18
Anticipated expiration: 2029-06-18
Also published as: JP2011004133A

Description

この発明は、高周波で変調された光信号を光電流に変換する高周波用光受信モジュールに関する。

例えば下記特許文献１に開示された従来の高周波用光受信モジュールは、フォトダイオードと、前記フォトダイオードに逆バイアス電圧を供給するためのバイアス手段と、前記フォトダイオードの逆バイアス電圧を変化させるための手段と、負荷へのカップリングのためのインピーダンス整合手段とを備えており、前記フォトダイオードへのバイアス電圧を変化させることによって前記フォトダイオードのデプレッションキャパシタンスを変化させ、電子的に同調周波数の制御を行っていた。

特表平０１−５０２４７２号公報

上記のような従来の高周波用光受信モジュールは、フォトダイオードに印加するバイアス電圧の制御によりフォトダイオードのキャパシタンス成分を変化させてインピーダンス整合の調整を行っている。しかしながら、フォトダイオードへのバイアス電圧を低下させるとフォトダイオードの量子効率がわずかに低下するため、バイアス電圧を低下させることでインピーダンス整合しても、高バイアス電圧時にインピーダンス整合した場合と比較して同等の出力特性が得られない課題があった。

また、フォトダイオードから大電力の高周波(ＲＦ)信号を得ようとした場合、フォトダイオードへの入射光強度を増加して多くの光電流を流す必要がある。上記のようにフォトダイオードに大電流を流す場合、微弱光を受信する光通信用のフォトダイオードではあまり問題にならなかった温度上昇や空間電荷効果の影響により、フォトダイオードの抵抗成分及びキャパシタンス成分が大きく変化する。従って特許文献１に開示されているバイアス電圧の制御によるフォトダイオードのキャパシタンス成分の調整だけでは正確なインピーダンス整合は困難であり、常に効率良く大電力のＲＦ信号が得られないという課題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、高周波用光受信モジュールにおいて、受光素子のインピーダンス整合回路をアクティブに制御することで、大電力のＲＦ信号を得ることができる高周波用光受信モジュールを提供することを目的とする。

この発明は、高周波で変調された光信号を検出して光電流に変換する受光素子と、前記受光素子に接続線路を介して並列に接続された負荷抵抗と、前記接続線路に挿入され前記受光素子と負荷抵抗のインピーダンス整合を行う、インダクタンス成分およびキャパシタンス成分の変更が可能なインピーダンス整合回路と、前記受光素子が発生する光電流を検出する光電流検出部と、前記光電流検出部で検出した電流値に従って前記インピーダンス整合回路にインダクタンス成分およびキャパシタンス成分を変更するための制御信号を送る制御部と、を備えたことを特徴とする高周波用光受信モジュールである。

この発明では、受光素子のインピーダンス整合回路をアクティブに制御することで、大電力のＲＦ信号を得ることができる高周波用光受信モジュールを提供できる。

この発明の実施の形態１による高周波用光受信モジュールの構成を示す図である。フォトダイオードの一般的なＲＦ等価回路を示す図である。インピーダンス整合のずれをスミスチャート上で示した図である。インピーダンス整合のずれを反射特性で示した図である。この発明の実施の形態１による高周波用光受信モジュールの変形例の構成を示す図である。この発明の実施の形態２による高周波用光受信モジュールの構成を示す図である。

以下、この発明による高周波用光受信モジュールを実施の形態に従って図面を用いて説明する。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による高周波用光受信モジュールの構成を示す図である。図１において、高周波用光受信モジュールは、受光素子であるフォトダイオード１と、フォトダイオード１と接続線路１０を介して接続された負荷抵抗Ｒ_Ｌと、フォトダイオード１と負荷抵抗Ｒ_Ｌとをインピーダンス整合するインピーダンス整合回路２と、フォトダイオード１への光入力により流れる平均光電流をモニタする平均光電流モニタ部(光電流検出部)３と、接続線路１０を介してフォトダイオード１に逆バイアス電圧を印加するバイアス電圧印加端子−Ｖ_biasと、平均光電流モニタ部３でモニタした電流値に応じてインピーダンス整合回路２を制御する制御部４で構成されている。

Ｌａは交流成分遮断用のインダクタであり、Ｃ_ａ，Ｃ_ｂ，Ｃ_ｃは直流成分遮断用の接続線路１０のキャパシタンス成分、Ｌ_１，Ｌ_２は整合用の接続線路１０のインダクタンス成分、Ｃ_１，Ｃ_２は整合用の例えばバラクタダイオードからなる容量可変ダイオード(容量可変キャパシタンス成分)、Ｒ_１，Ｒ_２は容量可変ダイオードＣ_１，Ｃ_２にそれぞれ端子Ｖ_１，Ｖ_２から逆電圧を与えるためのバイアス抵抗である。

次に動作について説明する。図１に示した高周波用光受信モジュールの構成要素であるフォトダイオード１のＲＦ等価回路は、一般的に図２のように示される。フォトダイオード１は入力光強度に比例した光電流を発生させる定電流源１ａとみなすことができ、入力光強度の変化に伴い主に変化するパラメータは、図２のＲＦ等価回路におけるジャンクションキャパシタンスＣｊ及び抵抗Ｒｊである。なお、ＲＦ等価回路はその他に、定電流源１ａに対して直列に接続された抵抗成分Ｒ_ｓとインダクタンス成分Ｌ_ｐと、定電流源１ａに対して並列に接続されたキャパシタンス成分Ｃ_ｐが含まれる。

一般的な光通信用のフォトダイオードでは、流せる光電流の上限が１０ｍＡ以下と少量であり、ある一条件でインピーダンス整合しても入力光強度の変化により大幅なインピーダンス整合のずれは生じないため、ＲＦ信号を取り出す際に問題とならない。しかし大電力のＲＦ信号出力を目的としたフォトダイオードでは、１０ｍＡ以上の光電流を流すことが可能であるため、温度上昇や空間電荷効果の影響を受け易く、ジャンクションキャパシタンスＣｊ及び抵抗Ｒｊが大きく変化する。また、発熱による温度上昇は抵抗Ｒｊの変化だけではなく、空間電荷効果を悪化させるようにも働く。

例えば、図３のフォトダイオードの出力端における反射特性(Ｓ２２特性)を示すスミスチャート及び、図４のグラフ(周波数(ＧＨｚ)−Ｓ２２(ｄＢ)特性)からわかるように、フォトダイオード１の逆バイアス電圧(図１の右端の−Ｖ_bias参照)を−１０Ｖとして、平均光電流２０ｍＡ時に５.１ＧＨｚでインピーダンス整合したとしても、平均光電流８０ｍＡ時では、インピーダンス整合が大幅にずれてしまう。従って、常に大電力のＲＦ信号を出力可能な高周波用光受信モジュールを提供するためには、インピーダンス整合回路をアクティブに制御する必要がある。

一般的なインピーダンス整合回路では、直列にインダクタンス成分を挿入し、並列にキャパシタンス成分を挿入することで構成される。しかし、直列に接続したインダクタンス成分を電子的に制御するのは困難であり、機械的な制御が必要となってしまう。そこで図１に示した高周波用光受信モジュールのインピーダンス整合回路２では、点線で囲った回路(Ｌ_１，Ｌ_２，Ｃ_ａ，Ｃ_１，Ｒ_１，Ｖ_１含む)を１つの直列接続したインダクタンス成分Ｌ_３とみなすことで制御する。

インダクタンス成分Ｌ_３は、接続線路１０のインダクタンス成分であるフォトダイオード１に対して直列に接続されたインダクタンス成分Ｌ_１及びＬ_２の直列回路のインダクタンス成分Ｌ_１とＬ_２の間から、接続線路１０のキャパシタンス成分であるキャパシタンス成分Ｃ_ａがフォトダイオード１に対して並列に接続され、このキャパシタンス成分Ｃ_ａに容量可変ダイオードＣ_１が直列に接続され、さらにキャパシタンス成分Ｃ_ａと容量可変ダイオードＣ_１の接続点にバイアス抵抗Ｒ_１を介して端子Ｖ_１が接続されるように構成される。容量可変ダイオードＣ_１を制御部４からの印加電圧Ｖ_１により制御することで、インダクタンス成分Ｌ_３が変化し、インダクタンス成分の調整が可能となる(可変インダクタンス部)。

なお、接続線路１０のインダクタンス成分(Ｌ_１，Ｌ_２)が３つ以上直列接続され、各インダクタンス成分間に、接続線路１０のキャパシタンス成分(Ｃ_ａ)と容量可変ダイオード(Ｃ_１)の直列回路とバイアス抵抗(Ｒ_１)およびバイアス端子(Ｖ_１)からなる回路がそれぞれ接続されるようにしてもよい。

また、接続線路１０のインダクタンス成分であるインダクタンス成分Ｌ_１及びＬ_２の直列回路のインダクタンス成分間に容量可変ダイオードＣ_１が接続される構成を実現するには、例えば容量可変ダイオードＣ_１を接続線路１０のインピーダンス整合回路２の領域の端部ではなく中程(内側)に接続する。

また、インピーダンス整合回路２では、接続線路１０上のインダクタンス成分Ｌ_３の後段に、容量調整可能なキャパシタンス成分をフォトダイオード１に対して並列に接続する構成としている。前記インダクタンス成分Ｌ_３の構成と同様に、フォトダイオード１に対して並列に接続線路１０のキャパシタンス成分であるキャパシタンス成分Ｃ_ｂが接続され、このキャパシタンス成分Ｃ_ｂに容量可変ダイオードＣ_２が直列に接続され、さらにキャパシタンス成分Ｃ_ｂと容量可変ダイオードＣ_２の接続点にバイアス抵抗Ｒ_２を介して端子Ｖ_２が接続されている構成を有する。容量可変ダイオードＣ_２を制御部４からの印加電圧Ｖ_２により制御することで、容量可変ダイオードＣ_２のキャパシタンス成分Ｃ_２の調整が可能となる(可変キャパシタンス部)。

なお、図１では接続線路１０のキャパシタンス成分(Ｃ_ｂ)と容量可変ダイオード(Ｃ_２)の直列回路とバイアス抵抗(Ｒ_１)およびバイアス端子(Ｖ_１)からなる回路が、接続線路１０の直列接続されたインダクタンス成分(Ｌ_１，Ｌ_２)の後段側に接続されているが、フォトダイオード１に近い前段側に接続されてもよく、さらには前段側と後段側のそれぞれに接続されてもよく、さらにそれぞれ所望数だけ接続されるようにしてもよい。

また、容量可変ダイオードＣ_２を接続線路１０のインピーダンス整合回路２の領域の端部に接続することで上記構成が実現される。

また、図１ではフォトダイオードのバイアス電圧印加端子−Ｖ_biasがインピーダンス整合回路２の後段側に接続されているが、図５に示す通りインピーダンス整合回路２の前段側に接続してもよい。

インピーダンス整合回路２を調整するための容量可変ダイオードＣ_１，Ｃ_２に印加する電圧Ｖ_１，Ｖ_２は、平均光電流モニタ部３でフォトダイオード１に流れた平均光電流値Ｉ_１をモニタし、その平均光電流値Ｉ_１に応じて制御部４で制御する。端子−Ｖ_biasから印加されるフォトダイオード１へのバイアス電圧−Ｖ_biasが一定であれば、フォトダイオード１のＳパラメータ(透過・反射特性)はフォトダイオード１に流れた平均光電流値Ｉ_１と常に対応しているため、予めフォトダイオード１のＳパラメータと平均光電流値の関係を整理しておけば、制御部４で例えばマイコンを用いて、インピーダンス整合回路２における容量可変ダイオードＣ_１，Ｃ_２を印加電圧Ｖ_１，Ｖ_２で常に最適値となるよう調整し、アクティブにインピーダンス整合回路２を制御可能である。

すなわち例えば、制御部４をメモリを設けたマイコンで構成し(共に図示省略)、該フォトダイオード１のＳパラメータと平均光電流値の関係を考慮した、平均光電流モニタ部３で得られる平均光電流値Ｉ_１に対する容量可変ダイオードＣ_１，Ｃ_２のためのそれぞれの印加電圧Ｖ_１，Ｖ_２の値を示したテーブル又は数式をメモリに格納し、これらに従って印加電圧Ｖ_１，Ｖ_２を決定すればよい。

以上のように、この実施の形態による高周波用光受信モジュールにおいては、フォトダイオード１に流れる平均光電流値Ｉ_１をモニタしアクティブにインピーダンス整合回路２を調整するため、平均光電流値によらず常に効率良く大電力のＲＦ信号が出力可能である。上記効果により、従来、フォトダイオードの後段に接続する必要のあるＲＦ増幅器が不要となるため、ＲＦ増幅器の特性に制限されることがなくなる。また、低消費電力化、コスト削減につながる。また、インピーダンス整合回路は機械的ではなく電気的に制御しているため精度の高い整合が可能である。また、常にインピーダンス整合状態が一定であるため、フォトダイオードの出力特性の線形性が保たれ、歪特性が向上する。

実施の形態２．
この実施の形態による高周波用光受信モジュールは、上記実施の形態１による高周波用光受信モジュールと同様の構成に加え、アクティブ制御可能なインピーダンス整合回路の前段に一般的なインピーダンス整合回路を挿入したものである。

図６はこの発明の実施の形態２による高周波用光受信モジュールの構成を示す図である。上記実施の形態と同一もしくは相当部分は同一符号で示し説明を省略する。図６において、フォトダイオード１とインピーダンス整合回路２の間に、スイッチＳＷ_１の開閉により１つのインダクタ(インダクタンス成分)Ｌ_４又は互いに並列接続された複数のインダクタ(インダクタンス成分)Ｌ_４，Ｌ_５からなる可変インダクタンス部が直列に接続され、さらにスイッチＳＷ_２の開閉により１つのキャパシタＣ_３又は互いに並列接続された複数のキャパシタＣ_３，Ｃ_４からなる可変キャパシタンス部が並列に接続されるようにそれぞれ配置されている。上記のようにインダクタンス成分とキャパシタンス成分を追加するように構成した以外は、上記実施の形態による高周波用光受信モジュールと同様の構成である。

次に動作について説明する。実施の形態１では、アクティブ制御可能なインピーダンス整合回路２のみでフォトダイオード１をインピーダンス整合する構成としているが、インピーダンス整合回路２で可変できるインダクタンス成分及びキャパシタンス成分には限界があり、フォトダイオード１のＳパラメータ値によっては制御が困難となる場合が考えられる。これに対しこの実施の形態では、インピーダンス整合回路２の前段に、フォトダイオード１に対して直列に接続されたインダクタＬ_４，Ｌ_５およびスイッチＳＷ_１からなる可変インダクタンス部と、フォトダイオード１に対して並列に接続されたキャパシタＣ_３，Ｃ_４およびスイッチＳＷ_２からなる可変キャパシタンス部からなる第２のインピーダンス整合回路で大まかにインピーダンス整合する構成となっている。これにより、第１のインピーダンス整合回路であるインピーダンス整合回路２での制御は微調整のみで済み、確実にアクティブ制御が可能である。

なお、各スイッチＳＷ_１，ＳＷ_２の開閉制御に関しては、上記実施の形態で説明した容量可変ダイオードＣ_１，Ｃ_２の印加電圧Ｖ_１，Ｖ_２の制御と同様な方式で、制御部４からの別の制御信号(図示省略)で、大まかにインピーダンス整合するようにしてもよい。

なお上記の例では、平均光電流値Ｉ_１のモニタ結果、ひいてはフォトダイオード１のＳパラメータに応じてインダクタンスとキャパシタンスを調整するために、直列接続のインダクタ及び並列接続のキャパシタは各々２つずつとしているが、インダクタ及びキャパシタの数は任意であり、いくつでも良い。また、図６ではインダクタＬ_４、Ｌ_５及びキャパシタＣ_３、Ｃ_４をスイッチにより合成(互いに並列接続)する構成としたが、インダクタンス、キャパシタタンスがそれぞれ異なるインダクタ及びキャパシタを複数ずつ各々独立にし、その中から各々１つのインダクタ及び１つのキャパシタをスイッチにより選択的に接続する構成としても良い。

１フォトダイオード(受光素子)、２インピーダンス整合回路、３平均光電流モニタ部(光電流検出部)、４制御部、１０接続線路、Ｃ_１，Ｃ_２容量可変ダイオード(容量可変キャパシタンス成分)、Ｃ_３，Ｃ_４キャパシタ(キャパシタンス成分)、Ｃ_ａ，Ｃ_ｂ，Ｃ_ｃ，Ｃ_ｐキャパシタンス成分、Ｃｊジャンクションキャパシタンス、Ｉ_１平均光電流値、Ｌ_１，Ｌ_２，Ｌ_３，Ｌ_ｐインダクタンス成分、Ｌ_４，Ｌ_５インダクタ(インダクタンス成分)Ｒ_１，Ｒ_２バイアス抵抗、Ｒｊジャンクション抵抗、Ｒ_Ｌ負荷抵抗、Ｒ_ｓ抵抗成分、ＳＷ_１，ＳＷ_２スイッチ。

Claims

高周波で変調された光信号を検出して光電流に変換する受光素子と、
前記受光素子に接続線路を介して並列に接続された負荷抵抗と、
前記接続線路に挿入され前記受光素子と負荷抵抗のインピーダンス整合を行う、インダクタンス成分およびキャパシタンス成分の変更が可能なインピーダンス整合回路と、
前記受光素子が発生する光電流を検出する光電流検出部と、
前記光電流検出部で検出した電流値に従って前記インピーダンス整合回路にインダクタンス成分およびキャパシタンス成分を変更するための制御信号を送る制御部と、
を備えたことを特徴とする高周波用光受信モジュール。
前記インピーダンス整合回路が、
前記受光素子に対して直列に接続された前記接続線路の複数のインダクタンス成分と、前記インダクタンス成分の間で前記受光素子に対して並列に接続された１つ以上の容量可変キャパシタンス成分と、からなる可変インダクタンス部と、
前記接続線路の複数のインダクタンス成分の前段又は後段に前記受光素子に対して並列に接続された１つ以上の容量可変キャパシタンス成分からなる可変キャパシタンス部と、
を有し、
前記制御信号に従ってそれぞれの容量可変キャパシタンス成分の容量が変更されることを特徴とする請求項１に記載の高周波用光受信モジュール。
前記各容量可変キャパシタンス成分が可変容量ダイオードからなり、前記制御部からの制御信号により逆電圧が印加されて容量値が変化することを特徴とする請求項２に記載の高周波用光受信モジュール。
前記接続線路の前記インピーダンス整合回路の前段に、前記インピーダンス整合回路より粗いインピーダンス整合を行う第２のインピーダンス整合回路を備えたことを特徴とする請求項１から３までのいずれか１項に記載の高周波用光受信モジュール。
前記第２のインピーダンス整合回路が、前記受光素子に対して直列に接続された複数のインダクタの接続を切り換えてインダクタンスを変更する可変インダクタンス部と、前記受光素子に対して並列に接続された複数のキャパシタの接続を切り換えてキャパシタンスを変更する可変キャパシタンス部と、を有することを特徴とする請求項４に記載の高周波用光受信モジュール。