JP6609937B2 - 光電変換回路 - Google Patents

Description

本発明は、光電変換回路に関し、特に、無線用途の高周波増幅器、レーザダイオード等を用いた電気・光変換回路に関する。

一般に光通信用途の電気・光変換回路及び光・電気変換回路は、主にデジタル信号を扱うために、変換回路において周波数依存性の小さい抵抗器を用いて、装置やレーザダイオードとのインピーダンス整合を図っている。つまり、この回路は、２つの伝送線路の間に抵抗器を介挿したものであり、抵抗値と装置の負荷インピーダンスとの合成インピーダンスを伝送線路のインピーダンスに近似させて、信号の反射を低減させている。

特許文献１には、ドライバ用ＦＥＴ（Field Effect Transistor）のゲート−ドレイン間に、帰還抵抗を挿入し、且つバイアス電流生成用の定電流源にインダクタを挿入した半導体レーザ駆動回路が記載されている。この半導体レーザ駆動回路は、周波数帯域を確保しつつ高速変調を実現している。

特開２００７−２３４９０１号公報

ところで、Radio over(on)Fiber（以下、ＲｏＦ）のような無線方式にとらわれない通信方法においては、従来から使用していた周波数をそのまま利用して伝送することが理想である。ここで、ＲｏＦとは、放送や無線電波と同じ高周波信号で光をアナログ変調し、この光を光ファイバに通して送信し、光検出器により元の高周波信号に戻され、アンテナから放射される無線方式である。各無線方式は、その利用目的によって離散した周波数帯域に存在するＬＤ（Laser Diode）を駆動するためにこれらの周波数帯域をカバーするような広帯域レーザダイオードドライバや広帯域電力増幅器を用いる。しかしながら、広帯域整合の増幅器は、狭帯域、ワイドバンド電力増幅器に比べ電力効率が低くなる問題がある（図２参照）。

そこで、本発明は、各々の信号源の周波数帯における電力効率を高くすることができる光電変換回路を提供することを目的とする。

前記課題を解決するため、本発明は、周波数帯が異なる複数の信号源（例えば、ベースバンドＩＣ７のＶｏｕｔ）と光電変換素子（３０，３２）とを備え、それらを接続する光電変換回路（１００）であって、各々の前記信号源と前記光電変換素子との間は、各々の前記信号源の電力を増幅する電力増幅器（例えば、狭帯域電力増幅器５０）を介挿しており、各々の前記信号源と前記電力増幅器との間は、第一のインピーダンス整合回路（２０）が介挿されており、前記電力増幅器と前記光電変換素子との間は、第二のインピーダンス整合回路（２１）が介挿されており、前記光電変換素子は、一端が光ファイバとの接続端であり他端が複数に分岐されているシリコン導波路と、前記他端に接続された複数のレーザダイオードからなるレーザダイオードアレイと、を含んで形成されたシリコンフォトニクスチップであることを特徴とする。なお、（ ）内の記号や符号は、例示である。また、「光電変換」とは、光と物質の相互作用により、光の持つ情報を電気信号に変換すること、あるいは逆に、電気信号を光信号に変換することも光電変換という。

本発明によれば、各々の信号源の周波数帯における電力効率を高くすることができる。

本発明の第１実施形態である光電変換回路の構成図である。 光電変換回路に備えられるシリコンフォトニクスチップの構成図である。 インピーダンス整合回路、及び狭帯域電力増幅器の一例を示す回路図である。 本発明の比較例である光電変換回路の構成図である。 狭帯域整合、ワイドバンド整合、及び広帯域整合の効率−周波数特性を示す図である。 本発明の第２実施形態である光電変換回路の構成図である。 本発明の第３実施形態である光電変換回路の構成図である。 波長可変レーザダイオードの構造図である。 波長可変レーザダイオードの波長−温度の関係を示す特性図である。 本発明の第４実施形態である光電変換回路の構成図である。 本発明の第５実施形態である光電変換回路の構成図である。 本発明の第６実施形態である光電変換回路の構成図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態（以下、「本実施形態」と称する）につき詳細に説明する。なお、各図は、本発明を十分に理解できる程度に、概略的に示してあるに過ぎない。よって、本発明は、図示例のみに限定されるものではない。また、各図において、共通する構成要素や同様な構成要素については、同一の符号を付し、それらの重複する説明を省略する。

(第１実施形態)
（構成の説明）
図１は、本発明の第１実施形態である光電変換回路の構成図である。
光電変換回路１００は、複数の出力端を有するベースバンドＩＣ７と、複数の狭帯域電力増幅器５０と、シリコンフォトニクスチップ６０と、光ファイバ６と、バイアス回路３５と、電流源３６とを備える電気・光変換回路である。ここで、シリコンフォトニクスチップ６０は、破線で示すレーザダイオードアレイ８を内部に含んでいる。また、光電変換回路１００は、ベースバンドＩＣ７の各出力端と狭帯域電力増幅器５０との間にインピーダンス整合回路２１が挿入され、狭帯域電力増幅器５０とレーザダイオードアレイ８の内部のレーザダイオード３０との間にインピーダンス整合回路２１及びカップリングキャパシタ４０の直列回路が挿入されている。

ベースバンドＩＣ７は、複数の周波数帯の高周波信号を出力するＩＣであり、例えば、各無線アプリケーションや携帯電話に使用される複数の周波数帯の高周波信号を出力するものである。つまり、ベースバンドＩＣ７は、内部インピーダンスＺｓを有する複数の高周波信号源Ｖｏｕｔを有し、各々の高周波信号源Ｖｏｕｔは、各々の周波数帯の高周波信号を生成している。なお、ベースバンドＩＣ７は、通常の無線システムの場合、各々の出力に狭帯域電力増幅器を接続し、スイッチを介してアンテナから高周波電力を送信するように使用される。

インピーダンス整合回路２０，２１は、コイル、及びコンデンサにより構成され、ベースバンドＩＣ７の出力インピーダンスと狭帯域電力増幅器５０の入力インピーダンスとのインピーダンスの不整合を小さくする。インピーダンス整合回路２１は、狭帯域電力増幅器５０の出力インピーダンスとレーザダイオードアレイ８内部のレーザダイオード３０の入力インピーダンスとのインピーダンス不整合を小さくする。また、インピーダンス整合回路２０，２１は、信号源の周波数帯毎に、回路定数が異なることもあり、同一の回路定数であることもある。なお、後記するが、インピーダンス整合回路２０，２１は、伝送線路２２，２３（図１１）を含み、伝送線路２２，２３の特性インピーダンスに整合させることもある。

狭帯域電力増幅器５０は、単純なディスクリート部品、つまりトランジスタやＦＥＴ（Field Effect Transistor）のような電力増幅素子から構成される増幅回路である。なお、素子の材料Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＧａＮ、ＩｎＰや、ＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor）、バイポーラ等は問わない。

レーザダイオードアレイ８は、複数のレーザダイオード３０を備え、レーザダイオード３０は、電気信号を特定波長（例えば、１．３１０ｎｍ、１．４９ｎｍ）のレーザ光に変換するものであり、電気信号が高周波で変調されていると、高周波で変調されたレーザ光を出射する。なお、レーザダイオード３０のアノードは接地されている。

バイアス回路３５は、伝送線路を通る高周波信号に影響を与えないように、キャリア周波数に対して外来が小さくなるようにするものであり、電流源３６が発生するバイアス電流をレーザダイオード３０のカソードに流す。カップリングキャパシタ４１は、直流阻止用コンデンサであり、ＤＣ入力を認めている場合は、挿入する必要はない。なお、カップリングキャパシタ４０は、例えば、ＧＨｚ帯ならば数十ｐＦあれば十分であるが、ＭＨｚ帯では１μＦ程度である。

図２は、シリコンフォトニクスチップの構造図である。
シリコンフォトニクスチップ６０は、一芯双方向通信モジュールであり、Ｓｉ基板６６と、Ｓｉ基板６６の表面に形成された光回路６１、及び電気回路６２とを備えた有線・無線融合高周波アナログ回路である。電気回路６２は、受光素子としてのフォトダイオードアレイ９と発光素子としてのレーザダイオードアレイ８とトランスインピーダンスアンプ６５とモニタ用フォトダイオード６７とを備え、光回路６１は、スポットサイズ変換器６３と波長合分波器６４とが形成されている。

波長合分波器６４は、シリコン細線導波路により構成されており、レーザダイオードアレイ８が発光したレーザ光をスポットサイズ変換器６３に導くものであり、また、スポットサイズ変換器６３から導かれた異なる波長のレーザ光をフォトダイオードアレイ９に入射させるものである。

また、１本の光ファイバで、双方向通信を行うため、フォトダイオードアレイ９が入射する光の波長は、光ファイバの他端に設けられているレーザダイオードアレイ８が発光した光の波長を遮断するようにしている。例えば、レーザダイオードアレイ８の送信波長を１．３１０ｎｍとし、フォトダイオードアレイ９の受信波長を１．４９ｎｍとした場合、フォトダイオードアレイ９が入射する光の波長は、光ファイバの他端に設けられているレーザダイオードが発光した光の波長１．３１０ｎｍを遮断するようにしている。なお、シリコン細線導波路は、コア材をシリコンとし、クラッド材を石英とする光導波路であり、従来から用いられる石英光導波路に比べて光の経路を鋭く曲げることができる。

スポットサイズ変換器６３、図示しない光ファイバとシリコン細線導波路との間を結合するものであり、先細テーパ型を用いている。つまり、スポットサイズ変換器６３は、光のビームスポットの大きさを変換する機能を持ち、光入出力における光パワー損失を低減するために設けられている。なお、レーザダイオードアレイ８と導波路との間は、テーパ型スポットサイズ変換を用い、フォトダイオードアレイ９と導波路との間は、グレーティング型を採用している。

受光素子としてのフォトダイオードアレイ９と、発光素子としてのレーザダイオードアレイ８は、Ｓｉ基板６６の表面に表面実装により搭載されている。トランスインピーダンスアンプ６５は、フォトダイオードアレイ９の両端電圧を仮想接地させつつ、フォトダイオードアレイ９が発生する電流を電圧に変換するものである。モニタ用フォトダイオード６７は、レーザダイオードアレイ８の光出力をモニタして帰還制御するためのものであり、レーザダイオードアレイ８と近接配置されている。

図３は、インピーダンス整合回路、及び狭帯域電力増幅器の一例を示す回路図である。
インピーダンス整合回路２０は、伝送線路と２つのキャパシタ４５，４６とコイル４７とを備えた共振回路であり、伝送線路の一端がベースバンドＩＣ７の出力端に接続されており、伝送線路の他端がキャパシタ４５の一端に接続されており、キャパシタ４５の他端がコイル４７の一端とキャパシタ４６の一端に接続されている。コイル４７の他端は、狭帯域電力増幅器５０のトランジスタＴｒのゲートに接続されており、キャパシタ４６の他端は接地されている。なお、トランジスタＴｒのドレインは、伝送線路を介してカップリングキャパシタ４０（図１）の一端に接続されている。ここで、トランジスタＴｒは、ＬＣ共振回路と共に、狭帯域電力増幅器として機能する。つまり、インピーダンス整合回路２０は、回路定数（キャパシタ４５，４６のキャパシタンス、コイル４７のインダクタンス）は、増幅する周波数帯に応じて異なるものである。
また、伝送線路は、位相を回すための小さなインダクタンス成分Ｌを含んでおり、整合回路としても機能する。

（動作の説明）
光電変換回路１００は、ベースバンドＩＣ７から出力された各周波数帯域にわたるアナログ電気信号を狭帯域電力増幅器５０が電力増幅し、電力増幅された高周波電力をレーザダイオード３０が光信号に変換する。また、光電変換回路１００は、シリコンフォトニクスチップ６０、及び光ファイバ６により、ＷＤＭ−ＰＯＮ（Wavelength Division Multiplexing Passive Optical Network）等の多重化技術を用いることができる。

図４は、本発明の比較例である光電変換回路の構成図である。
光電変換回路１１０は、主にデジタル信号を扱うために、周波数依存性の小さい抵抗器１５を用いて、負荷としてのレーザダイオード３０とインピーダンス整合を図っている。光電変換回路１１０は、広帯域レーザダイオードドライバ２４と、２つの伝送線路２２，２３と、ＲＦｉｎ端子と伝送線路２２との間に挿入されたカップリングキャパシタ４１と、２つの伝送線路２２，２３の間に介挿された抵抗器１５と、伝送線路２３の出力側と接地との間に接続されたレーザダイオード３０と、伝送線路２３の入力側（レーザダイオード３０の非接続側）に接続されたバイアス回路３５と、電流源３６とを備えた電気・光変換回路である。

広帯域レーザダイオードドライバ２４は、内部インピーダンスＺｓ、出力電圧Ｖｏの信号源を有し、広帯域の高周波電力を発生する。なお、広帯域レーザダイオードドライバ２４の代わりに、広帯域電力増幅器を用いてもよい。高周波電力は、カップリングキャパシタ４１、伝送線路２２、抵抗器１５、伝送線路２３を介して、レーザダイオード３０に供給される。そして、レーザダイオード３０は、電気光変換を行い、変換された光信号が出力される。なお、カップリングキャパシタ４１は、ＤＣ成分をカットする目的で挿入しているが、ＤＣ入力を認めている場合は、挿入する必要はない。ここで、伝送線路２２，２３の特性インピーダンスＺ₀は、一般的な装置で使用されている５０Ωである。

抵抗器１５の抵抗値は、レーザダイオード３０のインピーダンスに近似させるのが好ましい。結果的に、抵抗器１５の抵抗値と、レーザダイオード３０のインピーダンスとの和が伝送線路２２，２３の特性インピーダンスＺ₀に略等しくなっている。なお、抵抗器１５は２つの伝送線路２２，２３の間に直列に接続されているが、抵抗値Ｚ₀＝５０Ωの抵抗器の一端を２つの伝送線路２２，２３の間に接続し、他端を接地する並列接続によりインピーダンス整合してもよい。

図５は、狭帯域整合、ワイドバンド整合、及び広帯域整合の効率−周波数特性を示す図である。
比較例の広帯域レーザダイオードドライバ２４や広帯域電力増幅器は、実線で示す広帯域整合を用いており、本発明の実施形態の狭帯域電力増幅器５０（図１）は、破線で示す狭帯域整合を用いている。なお、一点鎖線は、ワイドバンド整合を示しており、狭帯域整合よりも周波数帯域が広いが広帯域整合よりも狭い。また、実施形態の狭帯域電力増幅器５０で用いた狭帯域整合やワイドバンド整合は、広帯域整合よりも効率が良い。つまり、本実施形態の光電変換回路１００は、比較例の光電変換回路１１０よりも効率が良い。

以上説明したように、第１実施形態の光電変換回路１００によれば、比較例の光電変換回路１１０に比べ、レーザダイオード３０の入力端での周波数領域において、インピーダンス不整合がなくなり、かつ広帯域レーザダイオードドライバ２４を用いた回路よりも、効率が高くなる。また、レーザダイオードアレイ８やシリコンフォトニクスチップ６０を用いることにより、従来に比べ小型かつマルチチャネル無線システムにおいて高効率な電気・光変換回路を構成することが可能となる。

（第２実施形態）
前記実施形態の光電変換回路１００は、ベースバンドＩＣ７が出力可能な複数の周波数帯の全てで狭帯域電力増幅器５０、及びレーザダイオード３０を駆動していたが、何れか一つの周波数帯を選択出力させることができる。

図６は、本発明の第２実施形態である光電変換回路の構成図である。
光電変換回路１２０は、前記第１実施形態の光電変換回路１００に比較して、１回路多接点のスイッチ５５をさらに設け、スイッチ５５が複数の狭帯域電力増幅器５０を選択し、バイアス電流を流すレーザダイオード３０を選択する点で相違する。

ベースバンドＩＣ７は、何れか一つ周波数帯の出力回路を機能させるCTRL信号を出力し、CTRL信号がバイアス回路３５、及びスイッチ５５を制御している。スイッチ５５は、１回路多接点の半導体スイッチであり、ベースバンドＩＣ７のCTRL信号により、接点が切り替えられる。狭帯域電力増幅器５０は、制御端子が設けられており、スイッチ５５の切り替えにより、出力電力が供給／停止される。スイッチ５５は、バイアス電流を流すレーザダイオード３０を選択する。

（動作の説明）
第２実施形態の光電変換回路１２０は、ベースバンドＩＣ７からの制御信号CTRLにより、使用している無線システムの狭帯域電力増幅器５０、及びレーザダイオード３０のみが動作する。又は、使用している回路以外は、小電力待機モード等の状態に移行できる。以上のように、第２実施形態の光電変換回路１２０は、何れか一つの狭帯域電力増幅器５０、及び何れか一つのレーザダイオード３０しか駆動状態でないので、第１実施形態の光電変換回路１００に比較して消費電力が低い。

（第３実施形態）
前記実施形態は、レーザダイオード３０を用いたが、波長可変レーザダイオードを用いることができる。
図７は、本発明の第３実施形態である光電変換回路の構成図である。
光電変換回路１３０は、第２実施形態の光電変換回路１２０に対して、レーザダイオード３０の代わりに波長可変レーザダイオード３２を用い、スイッチ５５の代わりに、スイッチ兼ＬＤ波長コントローラ５６を用いている点で相違する。なお、整合条件を変更することが難しくコストが高くなるが、可能な限りインピーダンス整合を取るようにする。このインピーダンス整合により、光電変換回路１３０は、全体の効率が高くなる。

図８は、波長可変レーザダイオードの構造図であり、図９は、波長可変レーザダイオードの波長−温度の関係を示す特性図である。
波長可変レーザダイオード３２は、λ／４位相シフトＤＦＢレーザアレイ３２ａと、導波路３２ｂと、光合流器３２ｃと、光増幅器（ＳＯＡ：semiconductor optical amplifier）３２ｄとを備える。λ／４位相シフトＤＦＢレーザアレイ３２ａは、例えば、８個のＤＦＢ（Distributed Feedback）レーザを集積化したものであり、各ＤＦＢレーザは３．２ｎｍの波長差を持っており、図９に示すように温度を変えることによりチューニングを行うことができる。また、１個のＤＦＢレーザは、例えば、０．８ｎｍ間隔の４波のグリッド波長をカバーしているので、波長可変レーザダイオード３２は、合計３２波の任意の１波を出力させることができる。

（動作の説明）
本実施形態の光電変換回路１３０は、第２実施形態の光電変換回路１２０と同様の動作をするが、ベースバンドＩＣ７の制御信号CTRLにより、使用している狭帯域電力増幅器５０、及び波長可変レーザダイオード３２がＯＮ／ＯＦＦ制御される。ただし、ＯＮ状態ではない他の狭帯域電力増幅器５０は、ＯＦＦ状態とすることなく、待機状態等にすることができる。ＯＦＦ状態と待機状態とは、仕様と消費電力との兼ね合いで調整する。光電変換回路１３０は、波長可変レーザダイオード３２の波長可変により、それぞれの無線システムに適合した波長の電気光変換が可能となる。なお、ベースバンドＩＣ７は、通常、ＬＤ波長コントローラのような機能は含まれていないので、光電変換回路１３０は、スイッチ兼ＬＤ波長コントローラ５６を用いて、波長制御するように構成した。この点、ＬＤの波長コントロール可能なベースバンドＩＣを作成してもよい。

（効果の説明）
以上説明したように、光電変換回路１３０は、第２実施形態の光電変換回路１２０に対して、波長可変レーザダイオードアレイ３３を使用しているので、それぞれの無線システムに割り当てられた波長を柔軟に切り替えて使用することができる。このため、光ネットワークの状況に合わせて柔軟な波長割り当てが可能となり、伝送効率や耐障害性が向上する効果が得られる。

（第４実施形態）
第３実施形態の光電変換回路１３０は、波長可変レーザダイオード３２を複数用いていたが、波長可変レーザダイオード３２を一つにした構成にすることができる。

図１０は、本発明の第４実施形態である光電変換回路の構成図である。
光電変換回路１４０は、各々のカップリングキャパシタ４０の一端が互いに接続されて、該接続点が波長可変レーザダイオード３２のカソード、及びバイアス回路３５に接続されている。また、ベースバンドＩＣ７は、バイアス回路３５を制御する制御信号CTRLが出力されており、波長可変レーザダイオード３２に流すバイアス電流を制御する。他の構成は、第１実施形態の光電変換回路１００（図１）と同様である。つまり、光電変換回路１４０は、第３実施形態の光電変換回路１３０に比較して、波長可変レーザダイオード３２が一個であり、スイッチ兼ＬＤ波長コントローラ５６を備えていない点で相違する。なお、波長可変レーザダイオード３２のアノードは、接地されている。

（動作の説明）
光電変換回路１４０によれば、ベースバンドＩＣ７が出力する全ての周波数帯の高周波信号を各々の狭帯域電力増幅器５０で電力増幅し、増幅された全ての周波数帯の高周波電力を波長可変レーザダイオード３２に供給する。このとき、ベースバンドＩＣ７は、制御信号CTRLをバイアス回路３５に出力し、バイアス回路３５は、何れか一の周波数帯に対応するバイアス電流を波長可変レーザダイオード３２に流す。

ここで、レーザダイオードは、一般的に、周波数ゆらぎを有しているので、波長可変レーザダイオード３２を駆動する高周波電力の周波数帯は、例えば、隣接周波数帯と１ＧＨｚ以上離間している必要がある。このため、光電変換回路１４０は、高速通信規格８０２．１１ａｃや８０２．１１ａｄの用途に適している。

（第５実施形態）
前記各実施形態のインピーダンス整合回路２０，２１は、ＬＣ回路でインピーダンス整合を図っていたが、ベースバンドＩＣ７、狭帯域電力増幅器５０、カップリングキャパシタ４０、レーザダイオード３０の間は伝送線路で接続されることが多い。本実施形態のインピーダンス整合回路２１は、レーザダイオード３０に接続される伝送線路（特性インピーダンス２５Ω）と狭帯域電力増幅器５０に接続される伝送線路（特性インピーダンス５０Ω）との間でインピーダンス整合を図るものである。

（構成の説明）
図１１は、本発明の第５実施形態である光電変換回路の構造図である。
光電変換回路１５０は、第１実施形態におけるインピーダンス整合回路２１（図１）が伝送線路２２及びπ型インピーダンス変換器１０に置き換わり、カップリングキャパシタ４０とレーザダイオード３０との間に伝送線路２３が介挿されている。なお、光電変換回路１５０が複数備えられ、ベースバンドＩＣ７により、高周波信号が入力され、シリコンフォトニクスチップ６０を介して、光ファイバ６からレーザ光が出力される点は、第１実施形態の光電変換回路１００と同様である。また、レーザダイオード３０は、その代わりに波長可変レーザダイオード３２（図８）であってもよい。

狭帯域電力増幅器５０は、内部インピーダンスＺｓ＝５０Ω、出力電圧Ｖｏの信号源を有し、信号源がＲＦｉｎ端子に接続されている。この信号源は、複数の周波数帯の何れか一つの高周波電力を出力するものとする。２つの伝送線路２２，２３は、π型抵抗型インピーダンス変換器１０と、カップリングキャパシタ４０とを間に介挿している。レーザダイオード３０は、カソードが伝送線路２３の出力側に接続されており、アノードが接地されている。バイアス回路３５は、伝送線路２３の入力側、つまり、レーザダイオード３０の接続側と反対側に接続されている。レーザダイオード３０の負荷インピーダンスは、例えば２０〜２５Ωである。

伝送線路２２の特性インピーダンスＺ₀₁は、この例では、Ｚ₀₁＝５０［Ω］であり、伝送線路２３の特性インピーダンスＺ₀₂は、レーザダイオード３０の入力インピーダンスと近似させ、この例では、Ｚ₀₂＝２５［Ω］である。このとき、レーザダイオード３０の入力インピーダンスは周波数依存性を持つので、使用する周波数帯域の高域側の入力インピーダンスとすればよい。ここで、レーザダイオード３０の負荷インピーダンスは２０〜２５Ωであり、伝送線路２３の特性インピーダンスＺ₀₂は、Ｚ₀₂＝２５［Ω］であるので、必ずしも整合状態とならず、非整合状態を含む。また、伝送線路２２，２３は、特性インピーダンスがＺ₀₁とＺ₀₂とで異なるので反射が起こる。このため、π型抵抗型インピーダンス変換器１０を用いて、インピーダンス整合を図る。

π型抵抗型インピーダンス変換器１０は、抵抗値Ｒ２の抵抗器２の前段に、一端が接地された抵抗値Ｒ１の抵抗器１が接続されており、抵抗器２の後段に、接地された抵抗値Ｒ３の抵抗器３が接続されており、構造的に軸対称回路になっている。
π型抵抗型インピーダンス変換器１０は、例えばＺ₀₁＝５０Ω、Ｚ₀₂＝２５Ωとして、Ｒ１＝３６５Ω、Ｒ２＝１．３ｋΩ及びＲ３＝３６Ω（Ｅ２４系列にあてはめて）により、８ｄＢ損失型のインピーダンス変換器を構成している。８ｄＢの損失があるのでお互いの反射係数（信号源に戻る往復の反射係数）としては−１６ｄＢ以下となり良好な値である。また、Ｒ１≠Ｒ３であるので、π型抵抗型インピーダンス変換器１０は、抵抗器２の中心を軸としてインピーダンス特性が非対称の減衰回路として構成されている。

ところで、前記した抵抗値Ｒ１＝３６５Ω、Ｒ２＝１．３ＫΩ、及びＲ２＝３６Ωは、伝送線路２２，２３の特性インピーダンスＺ₀₁，Ｚ₀₂と整合が取れるように選択されたものである。つまり、抵抗器が周波数依存性を有しない低い周波数（直流や低周波）で整合を取ったものであり、抵抗器１，２，３は周波数依存性を有しているので、レーザダイオード３０の変調周波数（使用周波数）では、整合がズレて、反射波が発生する。しかしながら、π型抵抗型インピーダンス変換器１０は、減衰回路として機能するので、この反射波（特に、信号源に戻る反射波）は減衰してしまう。さらに、伝送線路２２，２３の間を繰り返して反射する多重反射波の減衰量は、信号波の減衰量よりも大きい。

（効果の説明）
以上説明したように、本実施形態の光電変換回路１５０によれば、抵抗器１５を伝送線路２２，２３の間に介挿した比較例の光電変換回路１１０に比べ、レーザダイオード３０の入力端での周波数領域において、広帯域でインピーダンス不整合が低減する。つまり、平坦な通過特性となり、各周波数帯域におけるそれぞれの無線方式を利用することが可能となる。つまり、光電変換回路１５０は、抵抗器１，２，３が周波数依存性を有しており、ベースバンドＩＣ７が出力する高周波信号の一の周波数帯で整合状態であっても、他の周波数帯で非整合状態になってしまい、反射波が発生する。しかしながら、π型抵抗型インピーダンス変換器１０が減衰回路として機能するので、信号源に戻る反射波が低減する。

また、抵抗器１，２，３の抵抗値は、伝送線路２２，２３の特性インピーダンスＺ₀を用いて演算されたものであり、周波数依存性を考慮していない。つまり、抵抗器１，２，３の抵抗値は、特性インピーダンスＺ₀と、抵抗器１，２，３の直流や低周波での抵抗値を用いて演算した演算値であり、レーザダイオード３０の変調周波数では、非整合状態となり、反射波が発生する。しかしながら、π型抵抗型インピーダンス変換器１０が減衰器として機能するので、信号源に戻る反射波が低減する。

（第６実施形態）
前記第４実施形態の光電変換回路１４０（図１０）は、複数の周波数帯の高周波電力を、一つの波長可変レーザダイオード３２に供給していたが、何れか一の周波数帯の高周波電力を一つの波長可変レーザダイオード３２に供給することができる。

図１２は、本発明の第６実施形態である光電変換回路の構造図である。
光電変換回路１６０は、光電変換回路１４０に対して、スイッチ５５を設けている点で相違する。スイッチ５５は、１回路多接点の半導体スイッチであり、ベースバンドＩＣ７のCTRL信号を用いて、狭帯域電力増幅器５０の出力電力を供給／停止している。これにより、光電変換回路１６０は、ベースバンドＩＣ７が出力する複数の周波数帯の高周波信号の何れか一つを狭帯域電力増幅器５０で増幅することができ、この増幅された高周波電力を単一の波長可変レーザダイオード３２に供給するように構成されている。なお、電流源３６は、バイアス回路３５を介して、波長可変レーザダイオード３２にバイアス電流を流している点は、光電変換回路１４０と同一である。

（効果の説明）
以上説明したように，本実施形態の光電変換回路１６０は、第２実施形態の光電変換回路１２０に比較して、レーザダイオード（波長可変レーザダイオード）が１つであり、波長可変レーザダイオード３２のオンオフ切り替え時間が少ない。そのため、光電変換回路１６０は、レーザダイオードのオン時の安定性に関して有利であり、より高速な無線システム間の切り替えが可能であり、伝送効率を高める効果が得られる。また、レーザダイオードアレイに比ベレーザダイオード素子が１つであるため実装エリアの縮小、システムコストや故障率の低減といった効果も得られる。

（変形例）
本発明は前記した実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような種々の変形が可能である。
（１）前記各実施形態の光電変換回路は、レーザダイオード３０や波長可変レーザダイオード３３を用いた電気・光変換回路を例に説明したが、光電変換素子としてフォトダイオードを用いた光・電気変換回路とすることもできる。ここで、フォトダイオードは、ＴＩＡ（Trans Impedance Amplifier）を用いて、出力電流（信号電流）を電圧として取り出すことができ、ＴＩＡの出力インピーダンスと伝送線路の特性インピーダンスとを整合させる。

（２）前記第５実施形態は、π型インピーダンス変換器１０を用いて説明したが、Ｔ型回路や、π型抵抗減衰器（π型アッテネータ）の回路網を用いてもよい。また、π型インピーダンス変換器１０は、構造的に軸対称であるがインピーダンス特性が非対称である。π型インピーダンス変換器１０は、抵抗器を用いた構造的に軸対称な回路（回路網）であればよい。この構造的に軸対称な回路網は、逆Ｌ型回路を従属接続したはしご形回路が含まれる。また、インピーダンス特性が対称であるので、軸対称回路（回路網）である。また、バートレットの二等分定理を用いて、π型回路やＴ型回路と等価な回路を構成することができる。

１，２，３，１５ 抵抗器
６ 光ファイバ
７ ベースバンドＩＣ（複数の信号源）
８ レーザダイオードアレイ
９ フォトダイオードアレイ
１０ π型抵抗型インピーダンス変換器（回路網）
２０ インピーダンス整合回路（第一のインピーダンス整合回路）
２１ インピーダンス整合回路（第二のインピーダンス整合回路）
２２，２３ 伝送線路
２４ 広帯域レーザダイオードドライバ
３０ レーザダイオード（光電変換素子）
３２ 波長可変レーザダイオード（光電変換素子）
３３ 波長可変レーザダイオードアレイ
３５ バイアス回路
３６ 電流源
４０，４１ カップリングキャパシタ
４５，４６ キャパシタ
４７ コイル
５０ 狭帯域電力増幅器
５５ スイッチ
５６ スイッチ兼ＬＤ波長コントローラ
６０ シリコンフォトニクスチップ
６１ 光回路
６２ 電気回路
６３ スポットサイズ変換器
６４ 波長合分波器
６５ トランスインピーダンスアンプ
６６ Ｓｉ基板
６７ モニタ用フォトダイオード
１００，１１０，１２０，１３０，１４０，１５０，１６０ 光電変換回路

Claims (14)

1. 周波数帯が異なる複数の信号源と光電変換素子とを備え、それらを接続する光電変換回路であって、
   各々の前記信号源と前記光電変換素子との間は、各々の前記信号源の電力を増幅する電力増幅器を介挿しており、
   各々の前記信号源と前記電力増幅器との間は、第一のインピーダンス整合回路が介挿されており、
   前記電力増幅器と前記光電変換素子との間は、第二のインピーダンス整合回路が介挿されており、
   前記光電変換素子は、
   一端が光ファイバとの接続端であり他端が複数に分岐されているシリコン導波路と、
   前記他端の各々に接続されたレーザダイオードからなるレーザダイオードアレイと、
   を含んで形成されたシリコンフォトニクスチップである
   ことを特徴とする光電変換回路。
2. 請求項１に記載の光電変換回路であって、
   前記シリコンフォトニクスチップは、複数のフォトダイオードからなるフォトダイオードアレイをさらに含み、
   前記シリコン導波路は、前記一端及び前記他端の中間部で、さらに分岐されている合分波器として構成されており、
   一方の前記分岐は、前記レーザダイオードアレイに接続されており、
   他方の前記分岐の端部は、複数に分岐され、
   前記端部の各々は、各々の前記フォトダイオードに接続されており、
   前記合分波器は、前記光ファイバから入力された光を前記フォトダイオードアレイに出力し、前記レーザダイオードアレイの出力光を前記光ファイバに出力する
   ことを特徴とする光電変換回路。
3. 請求項１又は請求項２に記載の光電変換回路であって、
   前記レーザダイオードは、前記複数の信号源と同数備えられ、
   前記第二のインピーダンス整合回路は、前記電力増幅器と各々の前記レーザダイオードとの間に介挿されている
   ことを特徴とする光電変換回路。
4. 請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の光電変換回路であって、
   前記シリコンフォトニクスチップが含む前記レーザダイオードのうち任意の一つが選択駆動され、
   前記第二のインピーダンス整合回路は、各々の前記電力増幅器と前記光電変換素子との間に直流阻止用のカップリングキャパシタを介して介挿されている
   ことを特徴とする光電変換回路。
5. 請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の光電変換回路であって、
   各々の前記信号源と前記電力増幅器との間に介挿されている複数の前記第一のインピーダンス整合回路、又は前記第二のインピーダンス整合回路は、回路定数が各々異なっている
   ことを特徴とする光電変換回路。
6. 請求項４に記載の光電変換回路であって、
   選択駆動される任意の前記レーザダイオードは、波長可変レーザダイオードであり、
   前記電力増幅器は、前記波長可変レーザダイオードに各周波数帯の電力を供給する
   ことを特徴とする光電変換回路。
7. 請求項１乃至請求項６の何れか一項に記載の光電変換回路であって、
   前記第一のインピーダンス整合回路、及び前記第二のインピーダンス整合回路は、２つの伝送線路と、該２つの伝送線路の間が複数の抵抗器で構成された回路網が介挿されたものであり、
   前記複数の抵抗器は、周波数依存性を有しており、
   前記回路網は、前記信号源の特定の周波数帯で前記２つの伝送線路と整合状態であり、他の周波数帯で非整合状態になる
   ことを特徴とする光電変換回路。
8. 請求項１乃至請求項６の何れか一項に記載の光電変換回路であって、
   前記第一のインピーダンス整合回路、及び前記第二のインピーダンス整合回路は、２つの伝送線路と、該２つの伝送線路の間が複数の抵抗器で構成された回路網が介挿されたものであり、
   前記複数の抵抗器は、周波数依存性を有しており、
   前記回路網は、前記２つの伝送線路の特性インピーダンスと、低周波における抵抗値で演算した入出力インピーダンス演算値とが略一致している
   ことを特徴とする光電変換回路。
9. 請求項７に記載の光電変換回路において、
   前記回路網は、何れか一の前記周波数帯で、前記整合状態になり、他の前記周波数帯で前記非整合状態になる
   ことを特徴とする光電変換回路。
10. 請求項４に記載の光電変換回路であって、
    前記光電変換素子は、単一の波長可変レーザダイオードであり、
    何れか一の前記電力増幅器は、前記単一の波長可変レーザダイオードに対する電力供給を行い、他の前記電力増幅器は、電力供給を停止する
    ことを特徴とする光電変換回路。
11. 請求項３に記載の光電変換回路であって、
    前記光電変換素子は、レーザダイオードであり、
    何れか一の前記電力増幅器は、前記第二のインピーダンス整合回路を介して接続されたレーザダイオードに対する電力供給を行い、他の前記電力増幅器は、電力供給を停止する
    ことを特徴とする光電変換回路。
12. 請求項１１に記載の光電変換回路であって、
    前記レーザダイオードは、波長可変レーザダイオードである
    ことを特徴とする光電変換回路。
13. 請求項７に記載の光電変換回路において、
    前記光電変換素子は、レーザダイオードであり、
    前記レーザダイオードを接続している伝送線路は、該レーザダイオードの非接続側に、バイアス電流を流す電流源が接続されている
    ことを特徴とする光電変換回路。
14. 周波数帯が異なる複数の電気信号源と、光電変換素子とを備え、それらを接続する複数の回路からなる光電変換回路であって、
    前記複数の回路のそれぞれは、２つのインピーダンス整合回路と、該２つのインピーダンス整合回路との間に配置される電力増幅器とを備え、
    前記光電変換素子は、
    一端が光ファイバとの接続端であり他端が複数に分岐されているシリコン導波路と、
    前記他端に接続された複数のレーザダイオードからなるレーザダイオードアレイと、
    を含んで形成されたシリコンフォトニクスチップである
    ことを特徴とする光電変換回路。

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