JP5747532B2 - 光受信器 - Google Patents

Description

本発明は、光受信器に関するものである。

下記の非特許文献１には、１００ＧＢイーサネット（登録商標）用の光トランシーバの規格が記載されている。この光トランシーバは、互いに異なる波長の２５Ｇｂｐｓの四つの光信号を波長多重することにより１００ＧＢの光信号を伝送している。そのため、この光トランシーバは、四つの光送信サブアセンブリ（ＴＯＳＡ）及び四つの光受信サブアセンブリ（ＲＯＳＡ）を備えている。

かかる規格は、ＥＡ（電界吸収）変調型のレーザの他に直接変調型のレーザをＴＯＳＡに用いることを考慮して、定められている。直接変調型のレーザにより２５Ｇｂｐｓの信号を電気光変換するためには、当該レーザへの注入電流を大きくとる必要がある。その結果、ＴＯＳＡからの光出力パワーは大きくなる。

この規格では、ＲＯＳＡに対して大きなパワーの光入力、即ち、オーバーロード入力（例えば４．５ｄＢｍ以上の光入力）がある場合であっても、所定の通信品質を満足すべきことが規定されている。一方で、１０ｋｍ程度の距離での伝送を想定する場合には、通常、オーバーロード入力よりもパワーの低い、−６．０ｄＢｍ前後のパワーの光入力が用いられる。

したがって、このような規格では、光トランシーバの受信側、特にフォトダイオードが大きなパワーの光入力にも耐え得ることが要求されている。

Ｃｈｒｉｓ Ｃｏｌｅ 他、"１００ＧＢＥ−ＯＰＴＩＣＡＬ ＬＡＮ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＩＥＳ"、ＩＥＥＥ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ＆ Ｐｒａｃｔｉｃｅ、２００７年１２月、第１２頁〜第１９頁

一般的なフォトダイオードでは、当該フォトダイオードへの光入力パワーが大きくなると、その出力電気波形におけるジッタが増大することがある。ジッタは、フォトダイオードの逆バイアス電圧を上昇させることによって低減され得る。フォトダイオードの逆バイアス電圧は、光トランシーバへの供給電源（通常は、３．３Ｖ）に対して昇圧ＤＣ−ＤＣコンバータを利用して、上昇され得る。

しかしながら、オーバーロード入力を考慮して逆バイアス電圧を上昇させた状態を維持することにより、不要電力が常に生じ得る。

したがって、当技術分野においては、電力を効率良く利用し得る光受信器が要請されている。

本発明の一側面に係る光受信器は、高電圧発生回路、光電気変換素子、カレントミラー回路、及び、電圧変換回路を備え得る。高電圧発生回路は、例えば、ＤＣ−ＤＣコンバータであり得る。光電気変換素子は、高電圧発生回路の出力電圧を逆バイアス電圧として受ける。カレントミラー回路は、光電気変換素子に電気的に接続されている。カレントミラー回路は、光電気変換素子が発生する光電流のミラー電流を生成する。電圧変換回路は、カレントミラー回路に電気的に接続されている。電圧変換回路は、ミラー電流を受けて当該ミラー電流に応じた電圧を生成する。高電圧発生回路は、電圧変換回路によって生成される電圧がフィードバックされる入力端子を有する誤差増幅器を含む。高電圧発生回路は、電圧変換回路によって生成される電圧の大きさに応じた大きさの出力電圧を発生する。

かかる光受信器によれば、光電気変換素子が発生する電流のミラー電流に基づく電圧の大きさに応じた逆バイアス電圧が、当該光電気変換素子に与えられる。即ち、光電気変換素子への光入力パワーの大きさに応じた逆バイアス電圧が与えられる。したがって、光入力パワーが大きいときには逆バイアス電圧が上昇され、出力電気波形におけるジッタが低減され得る。また、光入力パワーが小さいときには逆バイアス電圧が抑えられ、電力が効率良く使用され得る。さらに、カレントミラー回路を用いて光入力パワーに応じた電圧を生成しているので、光入力パワーの変化に対する逆バイアス電圧の変化の追従速度が高められ得る。なお、特開２０００−２４４４１８号公報には、アバランシェフォトダイオードを用いた光受信器が記載されているが、アバランシェフォトダイオードに対しては、光入力パワーの増大に対して逆バイアス電圧を下げる制御が行われる。したがって、このアバランシェフォトダイオードに対する逆バイアス電圧の制御は、本発明の光受信器における逆バイアス電圧の制御と逆方向の制御である。

以上説明したように、本発明によれば、電力を効率良く利用し得る光受信器が提供され得る。

一実施形態に係る光受信器を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態について詳細に説明する。図１は、一実施形態に係る光受信器を示す図である。図１に示す光受信器１０は、高電圧発生回路１２、光電気変換回路１４、カレントミラー回路１６、及び、電圧変換回路２０を備えている。

高電圧発生回路１２は、昇圧型のＤＣ−ＤＣコンバータを構成している。この高電圧発生回路１２は、インダクタ２２、ダイオード２４、抵抗素子２６、スイッチングトランジスタ２８、コンデンサ３０、発信器３２、誤差増幅器３４、及び、基準電圧発生器３６を有し得る。

インダクタ２２の一端は、直流電圧源４０に電気的に接続されている。インダクタ２２の他端は、ダイオード２４のアノード及びトランジスタ２８の第１端子に電気的に接続されている。ダイオード２４のカソードは、抵抗素子２６の一端及びコンデンサ３０の一端に電気的に接続されている。コンデンサ３０の他端は、グランドに接続されている。

トランジスタ２８は、例えば、ＦＥＴである。トランジスタ２８は、第１端子（ドレイン）、第２端子（ソース）及び制御端子（ゲート）を有しており、制御端子に入力されるパルス信号に応じて第１端子と第２端子間の導通（ＯＮ）又は非導通（ＯＦＦ）を切り替える。このトランジスタ２８の制御端子には、発信器３２が電気的に接続されている。発信器３２は、パルス信号をトランジスタ２８の制御端子に出力する。発信器３２は、誤差増幅器３４からの出力電気信号に応じてパルス信号のデューティ幅を変更する。

高電圧発生回路１２では、トランジスタ２８がＯＮとなっている間に、インダクタ２２に電流エネルギーを蓄え、トランジスタ２８がＯＦＦになった直後に、抵抗素子２６に電力を供給する。これにより、高電圧発生回路１２は、昇圧動作を行う。高電圧発生回路１２の出力電圧、即ち、抵抗素子２６の一端における電圧は、発信器３２のパルスのデューティ幅が大きい程、大きくなる。この高電圧発生回路１２の出力電圧Ｖｃは、光電気変換回路１４の光電気変換素子４２の逆バイアス電圧として使用される。

光電気変換回路１４は、光電気変換素子４２、トランスインピーダンスアンプ４４、及び、クロックデータ抽出部４６を有し得る。光電気変換素子４２は、例えば、ＰＩＮ型のフォトダイオードである。

フォトダイオード４２のカソードは、上述した高電圧発生回路１２の出力に、カレントミラー回路１６を介して電気的に接続され得る。また、フォトダイオード４２のアノードは、トランスインピーダンスアンプ４４の入力に接続されている。

トランスインピーダンスアンプ４４は、フォトダイオード４２が発生する光電流Ｉｐｄを受けて、当該光電流Ｉｐｄに応じた電圧を発生する。トランスインピーダンスアンプ４４の出力には、クロックデータ抽出部４６が接続されている。クロックデータ抽出部４６は、トランスインピーダンスアンプ４４の出力信号から、クロック成分とデータ成分を分離する。

光受信器１０では、フォトダイオード４２の光電流Ｉｐｄのミラー電流を得るために、カレントミラー回路１６が設けられている。このカレントミラー回路１６は、二つのトランジスタ５０及び５２を有している。トランジスタ５２及び５２の第１端子（エミッタ）は、高電圧発生回路１２の出力に電気的に接続されている。トランジスタ５０の第２端子（コレクタ）は、フォトダイオード４２のカソードに電気的に接続されている。トランジスタ５０の制御端子（ベース）は、トランジスタ５２の制御端子（ベース）及びトランジスタ５０の第２端子（コレクタ）に電気的に接続されている。また、トランジスタ５２の第２端子は、電圧変換回路２０に電気的に接続されている。

かかる構成のカレントミラー回路１６は、フォトダイオード４２の光電流Ｉｐｄのミラー電流Ｉを、トランジスタ５２から電圧変換回路２０に供給する。

電圧変換回路２０は、ミラー電流Ｉを電圧に変換する。電圧変換回路２０は、トランジスタ６０、抵抗素子６２、及び抵抗素子６４を有し得る。トランジスタ６０の第１端子（コレクタ）は、抵抗素子２６の他端に電気的に接続されている。トランジスタ６０の第２端子（エミッタ）は、抵抗素子６２の一端に接続されている。この抵抗素子６２の他端は、グランドに接続されている。また、トランジスタ６０の制御端子（ベース）は、抵抗素子６４の一端に接続されている。抵抗素子６４の一端は、トランジスタ５２の第２端子に接続されている。抵抗素子６４の他端は、グランドに接続されている。

電圧変換回路２０においては、ミラー電流Ｉが抵抗素子６４に供給される。抵抗素子６４は、その抵抗値をＲ３とすると、その両端にＶ＝Ｉ×Ｒ３の電圧を発生する。また、トランジスタ６０の制御端子（ベース）と第２端子（エミッタ）との間の電圧を０．６［Ｖ］とすると、抵抗素子６２の両端間には、（Ｖ−０．６）の電圧が発生する。また、抵抗素子２６の両端間の電圧は、抵抗素子２６の抵抗値をＲ１、抵抗素子６２の抵抗値をＲ２とすると、Ｒ１／Ｒ２×（Ｖ−０．６）となる。したがって、抵抗素子２６の他端とトランジスタ６０の第１端子（コレクタ）との間のノードの電圧Ｖａは、次式（１）により定義される。
Ｖａ＝Ｖｃ−Ｒ１／Ｒ２＊（Ｖ−０．６） …（１）
また、この電圧Ｖａは、式（１）にＶ＝Ｉ×Ｒ３を代入することにより、次式（２）のように定義される。
Ｖａ＝０．６×Ｒ１／Ｒ２＋Ｖｃ−Ｒ１／Ｒ２×Ｒ３＊Ｉ …（２）

図１に戻り、誤差増幅器３４は、基準電圧発生器３６に電気的に接続された非反転入力端子と、抵抗素子２６の他端とトランジスタ６０の第１端子（コレクタ）との間のノードに電気的に接続された反転入力端子と、を備えている。誤差増幅器３４の反転入力端子には電圧Ｖａが与えられる。したがって、上述した式（１）と図１からわかるように、誤差増幅器３４の一入力端子には電圧Ｖがフィードバックされる。また、誤差増幅器３４の出力は、上述した発信器３２に接続されている。この誤差増幅器３４は、基準電圧発生器３６によって発生される基準電圧Ｖｒｅｆと電圧Ｖａとの間の誤差を増幅した出力電気信号を発生する。

誤差増幅器３４からの出力電気信号は、発信器３２に与えられる。発信器３２は、上述したように、誤差増幅器３４からの出力電気信号に応じてデューティ幅を調整したパルス信号をトランジスタ２８の制御端子に与える。即ち、発信器３２は、電圧Ｖａが基準電圧Ｖｒｅｆと等しくなるように、パルス信号のデューティ幅を調整する。これにより、高電圧発生回路１２では、電圧Ｖａが基準電圧Ｖｒｅｆに等しくなるように、即ち、電圧Ｖａが一定値となるように出力電圧Ｖｃを変更する。したがって、式（２）から分かるように、ミラー電流Ｉ（即ち、光入力パワー）が大きくなる程、高電圧発生回路１２の出力電圧Ｖｃは大きくなる。

故に、光受信器１０によれば、光入力パワーが大きくなる程、フォトダイオード４２に与えられる逆バイアス電圧が大きくなる。その結果、光入力パワーが大きい場合には、出力電気波形におけるジッタが低減され得る。一方、光入力パワーが小さい場合には逆バイアス電圧が小さくなるので、電力が効率良く利用され得る。また、カレントミラー回路１６を用いて光入力パワーをモニターしているので、光入力パワーの変化に対する逆バイアス電圧の変化の追従速度が高められ得る。

以上、一実施形態に係る光受信器について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されることなく種々の変形が可能である。例えば、上述したカレントミラー回路１６は、光電流とミラー電流の比を１：１とするものであるが、この比をＮ：１とするカレントミラー回路が採用されてもよい。この場合には、トランジスタ５０及び５２の第１端子（エミッタ側）に適切な大きさの抵抗値を有する抵抗素子が接続され得る。

１０…光受信器、１２…高電圧発生回路、１４…光電気変換回路、１６…カレントミラー回路、２０…電圧変換回路、２２…インダクタ、２４…ダイオード、２６…抵抗素子、２８…スイッチングトランジスタ、３０…コンデンサ、３２…発信器、３４…誤差増幅器、３６…基準電圧発生器、４０…直流電圧源、４２…光電気変換素子（フォトダイオード）、４４…トランスインピーダンスアンプ、５０，５２…トランジスタ、６０…トランジスタ、６２，６４…抵抗素子。

Claims (3)

1. 高電圧発生回路と、
   前記高電圧発生回路の出力電圧を逆バイアス電圧として受ける光電気変換素子と、
   前記光電気変換素子に電気的に接続され、該光電気変換素子が発生する光電流のミラー電流を生成するカレントミラー回路と、
   前記カレントミラー回路に電気的に接続され、前記ミラー電流を受けて該ミラー電流に応じた電圧を生成する電圧変換回路と、
   を備え、
   前記高電圧発生回路は、前記電圧変換回路によって生成される前記電圧がフィードバックされる入力端子を有する誤差増幅器を含み、前記電圧変換回路によって生成される前記電圧の大きさに応じた大きさの前記出力電圧を発生し、
   前記出力電圧は、前記光電流が大きくなるにつれて大きくなり、前記光電流が小さくなるにつれて小さくなる、
   光受信器。
2. 前記高電圧発生回路は、前記出力電圧が該高電圧発生回路に供給される電源電圧よりも高い電圧となるよう昇圧動作を行う、請求項１に記載の光受信器。
3. 前記誤差増幅器は、基準電圧が入力される端子を更に有し、前記入力端子に入力される前記電圧と前記基準電圧との差に応じた大きさの誤差電圧を出力し、
   前記高電圧発生回路は、前記誤差電圧に応じて前記出力電圧を出力する、
   請求項２に記載の光受信器。

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