JP6825248B2 - 光受信器、これを用いた光トランシーバ、及び光信号の受信制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、光受信器とこれを用いた光トランシーバ、及び光信号の受信制御方法に関する。

１００ギガビットイーサネット（登録商標）などの高速光通信において、ＣＦＰｘ、ＱＳＦＰ２８といった標準規格の光モジュールがクライアント側に採用されている。これらの光モジュールは、伝送速度を達成するため、２５Ｇｂｐｓ×４チャネル（４波長）によるＡＭ変調を用いた伝送方式を採用している。受信側の光電変換及び増幅に用いられる光受信サブアセンブリ（ＲＯＳＡ：receiver optical subassembly）では、小型化の目的で４チャネルを１つのパッケージに集積している。

標準規格の光モジュールのうち、４０Ｋｍまでの伝送を行うＥＲ４規格では、光電力ロスによる光受信電力のダイナミックレンジを確保するため、光受信器内に半導体光アンプ（ＳＯＡ：semiconductor optical amplifier）と可変光減衰器（ＶＯＡ：variable
optical attenuator）を用いている。小電力信号の受信時はＳＯＡで一括して増幅し、大電力信号の受信時はＶＯＡで一括して減衰させた後に、各チャネルに分波してＰＩＮフォトダイオード（ＰＤ：photodiode）で受光する。

しかし、小型化を目的とするＣＦＰ４やＱＳＦＰ２８では、実装サイズの制約によりＳＯＡやＶＯＡを配置するのが困難である。そのため、アバランシェ型フォトダイオード（ＡＰＤ：avalanche photodiode）を用いた受光方式が採用されつつある。ＡＰＤは逆バイアス（電圧）の印加により光電流を増幅し、高い受光感度を実現する。

米国特許出願公開第２０１２／０１５５８６４号 米国特許出願公開第２００６／００１６８９４号

多チャネルを１つのパッケージに集積する場合、受信チャネル間のクロストークによる受信感度劣化の影響を無視することはできない。従来は、各チャネルに１つのＲＯＳＡを配置する、あるいはチャネル間に電波シールド用の壁を配置するなどにより、クロストークを防止していた。しかし、ＲＯＳＡの小型化を実現する場合、実装面積が制約され、従来の対策を用いることは困難である。

そこで、チャネル間のクロストークの影響を低減した小型の光受信器を提供することを課題とする。

一つの態様では、光受信器は、
複数のチャネルで入力される光信号をチャネルごとに分波する分波器と、
前記複数のチャネルに応じた数の受光素子を有し、チャネルごとに光信号を電気信号に変換する光電変換器と、
前記光電変換器により電気信号に変換された前記光信号の振幅特性をチャネルごとにモニタするモニタ回路と、
前記モニタ回路のモニタ結果に基づいて、前記振幅特性のチャネル間のばらつきを最小または所定範囲内にするように前記受光素子に印加されるバイアス電圧を制御する制御回路と、
を有する。

多チャネルの光信号を受信する小型の光受信器で、チャネル間のクロストークの影響を低減することができる。

チャネル間のクロストークの影響を説明する図である。 チャネル間のクロストークの影響を説明する図である。 チャネル間のクロストークの影響を説明する図である。 チャネル間のクロストークの影響を説明する図である。 チャネル間のクロストークの影響を説明する図である。 第１実施形態の光受信器の概略図である。 プロセッサの機能ブロック図である。 第１実施形態の制御フローである。 第１実施形態でメモリに格納される情報の例を示す図である。 第２実施形態の光受信器の概略図である。 第２実施形態の制御フローである。 第２実施形態でメモリに格納される情報の例を示す図である。 第３実施形態の制御フローである。 温度変化への対応を説明する図である。 第３実施形態の変形例のフローチャートである。 ＡＰＤの電流増倍率とＳＮ比の関係を説明する図である。 ＡＰＤの電流増倍率と帯域の関係を示す図である。 実施形態の光受信器を用いた光トランシーバの概略図である。

実施形態の構成と手法を説明する前に、図１〜図５を参照して、発明者が見出した光受信モジュール（ＲＯＳＡ）におけるクロストークの影響について説明する。図１は、実施形態の光受信器に適用されるＲＯＳＡの概略図である。ＲＯＳＡに入力される光信号は、光分波器で波長ごとに分波され、対応するアバランシェ型フォトダイオード（ＡＰＤ）で光検出される。それぞれのＡＰＤにバイアス電圧Ｖapd0〜Ｖapd_nが印加され、増幅された光電流が出力される。一般的に、各チャネルで最適な固定の電圧値が設定されている。ＡＰＤの出力は、プリアンプ１１３−１〜１１３−ｎ（適宜「プリアンプ１１３」と総称する）によって電圧信号に変換されて出力される。

多チャネルの光信号がＲＯＳＡに入力されると、プリアンプ１１３相互間でクロストークが発生する。光信号がＡＰＤで光電流に変換されプリアンプ１１３で電圧信号に変換されるとき、データの変化点（立ち上がりと立下り）で所定の振幅で電圧がスイングする。この電圧スイングで生じる電磁波がＲＯＳＡの内部で他のチャネルに回り込んで、チャネル間の干渉すなわちクロストークが生じる。クロストークが起きると、後段の識別器でのデータ識別精度が劣化し、受信感度が低下する。

図２は、クロストークによる信号波形の劣化を説明する図である。ノイズ源となるチャネルでの信号波形の立ち上がりと立下りの電圧スイングで、中段に示す波形の電磁波がＲＯＳＡ内に放射される。この電磁波（ノイズ）の影響により、下段に示すように他のチャネルの信号波形が劣化する。

図３は、チャネル間のクロストークによる受信感度劣化を説明する図である。横軸は光入力パワー、縦軸は誤り率である。光入力パワーが同じ場合、クロストークの影響により規格で決まる誤り率を維持することができなくなる。規格で決まる誤り率を維持しようとすると、光入力パワーを大きくしなければならない。しかし、光入力パワーは伝送路損失で決まり、規格で決まる入力パワーの範囲を満たさないといけない。

図４は、クロストークによる波形劣化に対する入力パワーのチャネル間の偏差の影響を説明する図である。図の左側はチャネル間偏差が小さい場合を示し、図の右側はチャネル間偏差が大きい場合を示す。ＲＯＳＡに入力される光信号は、送信側の光出力パワーのチャネル間のばらつき、及び／または伝送路損失のチャネル間のばらつきにより、光入力パワーがチャネル間でばらつく。チャネル間の偏差が小さい場合は、各チャネルの信号の振幅はほぼ同等になる。この場合、ノイズ源からの電波波形によって他チャネルの信号波形が多少劣化しても、波形劣化は許容される範囲内にとどまり、閾値判定によるデータの識別余裕への影響は少ない。

チャネル間の偏差が大きいと、チャネルによって振幅に差異が生じ、振幅の大きいチャネルで発生するノイズの影響で、他のチャネルの信号波形の劣化が増大する。固定のバイアス電圧が印加されるＡＰＤでは、入力パワーの偏差が補償されず、入力パワーの偏差分のクロストークの影響をそのまま受ける。その結果、閾値に基づく識別余裕が減少し、データ値（たとえば「１」、「０」）の判定を誤るおそれがある。あるチャネルからのノイズはＲＯＳＡ内のすべてのチャネルに影響する。

図５は、チャネル間偏差と誤り率劣化の相関を示す図である。横軸は光入力パワーのチャネル間偏差、縦軸は、誤り率劣化量である。チャネル間の偏差が大きいほど、誤り率の劣化量も大きくなる。規格で決まる誤り率を維持するには、光入力パワーと関連する要因（電流振幅、電圧振幅など）についてチャネル間での偏差を小さくすることが有効であるとわかる。

上述した現象と考察を踏まえて、実施形態では多チャネルが集積されたＲＯＳＡでチャネル間の偏差を低減することでクロストークの影響を低減する。
＜第１実施形態＞
図６は、第１実施形態の光受信器１０Ａの概略図である。第１実施形態では、アバランシェ型フォトダイオード（ＡＰＤ）の電流モニタ値に基づいてＡＰＤへの印加電圧を制御することで、チャネル間の光電流の振幅差を一定の範囲内に保つ。

光受信器１０Ａは、光受信モジュール１１Ａと、電源回路１５−０〜１５−ｎ（適宜、「電源回路１５」と総称する）と、モニタ回路としての電流検出回路１６−０〜１６−ｎとを有する。光受信器１０Ａでは、クロックデータリカバリ（ＣＤＲ）１２、温度検出回路１７、及び制御ＩＣ（Integrated Circuit）３０も用いられているが、これらは光トランシーバの中で光送信器と共通に用いられていてもよい。

光受信モジュール１１Ａは「ＲＯＳＡ」とも呼ばれ、光分波器１１１と、ＡＰＤ１１２−０〜１１２−ｎと、プリアンプ１１３−０〜１１３−ｎを有する。ＡＰＤ１１２−０〜１１２−ｎとプリアンプ１１３−０〜１１３−ｎで光電気（Ｏ／Ｅ）変換器を形成する。

光分波器１１１は、入力される光信号をチャネルごとに分離して、分波された信号光を出力する。多チャネルの光信号の入力形態と光分波器１１１の構成は任意である。たとえば、１本の光ファイバに波長多重された信号光が入力される場合、光分波器１１１で波長ごとに分波して波長λ０〜λｎの光信号を出力する。光分波器として、アレイ導波路（ＡＷＧ：Arrayed Waveguide Gratin）を用いてもよいし、特定の波長の光だけを通すバンドパスフィルタとミラーの組み合わせでもよい。また、多心ファイバケーブルでファイバごとに異なる波長の光を空間的に束ねて入力される場合は、個々の光ファイバに分離する構成であってもよい。

分波された各光信号は対応するＡＰＤ１１２−０〜１１２−ｎに入射する。多心ファイバケーブルを用いる場合は、たとえば分離された光ファイバの出射面を対応するＡＰＤ１１２−０〜１１２−ｎの受光面に対向させる。波長多重の場合は、光分波器１１１で分波された各波長の光をマイクロレンズアレイで直接ＡＰＤ１１２−０〜ＡＰＤ１１２−ｎに集光してもよい。

ＡＰＤ１１２−０〜１１２−ｎのカソードは、対応する電源回路１５−０〜１５−ｎに接続されている。電源回路１５−０〜１５−ｎは、制御ＩＣ３０からの制御信号に基づいて、ＡＰＤ１１２−０〜１１２−ｎのカソードに印加される正電圧のバイアス電圧Ｖapd0〜Ｖapd_nを生成する。バイアス電圧Ｖapd0〜Ｖapd_nを調整することで、ＡＰＤ１１２−０〜１１２−ｎで生成される光電流の増倍率を可変にする。電源回路１５−０〜１５−ｎの各々は、たとえば光送信器と共通に用いられる電源ＩＣから供給される電圧を所望の電圧に変換するＤＣ−ＤＣコンバータと抵抗で形成されてもよい。

ＡＰＤ１１２−０〜１１２−ｎのアノードは、プリアンプ１１３−０〜１１３−ｎに接続され、生成された光電流がプリアンプ１１３−０〜１１３−ｎで電圧に変換され、後段の識別器１２１−１〜１２１−ｎの入力に適したレベルに増幅されて出力される。プリアンプ１１３−０〜１１３−ｎの出力はＲＯＳＡの出力となり、電気信号がＣＤＲ１２に入力される。各チャネルの電気信号は、ＣＤＲ１２の識別器１２１−０〜１２１−ｎで閾値に基づくデータ値判定され、タイミング抽出され、波形整形されてデータ判定される。

第１実施形態では、電源回路１５−０〜１５−ｎとＡＰＤ１１２−０〜１１２−ｎの間に、電流検出回路１６−０〜１６−ｎが配置される。電流検出回路１６−０〜１６−ｎはＡＰＤ１１２−０〜１１２−ｎに流れる光電流Ｉapd0〜Ｉapd_nを検出し、電流モニタ値Ｉmon_0〜Ｉmon_nを出力する。各チャネルの電流モニタ値Ｉmon_0〜Ｉmon_nは、制御ＩＣ３０内のプロセッサ３１に入力される。図６では、電流検出回路１６−０〜１６−ｎは光受信モジュール１１Ａの外に配置されているが、電流検出回路１６−０〜１６−ｎをたとえばカレントミラー回路等の公知の電流検出回路で形成して、光受信モジュール１１Ａ内に配置してもよい。

プロセッサ３１は、電流モニタ値Ｉmon_0〜Ｉmon_nに基づいて、ＡＰＤ１１２−０〜１１２−ｎに流れる光電流の振幅差がチャネル間で最小または所定の範囲内となるように制御信号Ｖset0〜Ｖset_nを生成し、電源回路１５−０〜１５−ｎに出力する。電源回路１５−０〜１５−ｎは、プロセッサ３１からの制御信号に基づいて、ＡＰＤ１１２−０〜１１２−ｎに印加するバイアス電圧Ｖapd0〜Ｖapd_nを調整する。

制御ＩＣ３０内のメモリ３２は、ＡＰＤ１１２−０〜１１２−ｎに流れる光電流のチャネル間での振幅差を所定の範囲内に制限するための制限値を記憶してもよい。また、ＡＰＤ１１２−０〜１１２−ｎの光電流増倍率は温度依存性があるため、メモリ３２はＡＰＤ１１２−０〜１１２−ｎに印加される初期バイアス値を、温度と対応付けて記憶してもよい。初期バイアス値としては、たとえば温度ごとに信号対雑音（Ｓ／Ｎ）比が最も良くなる電圧値が選択される。温度検出回路１７で検出される温度をプロセッサ３１にてモニタし、プロセッサ３１にてメモリ３２を参照して温度に応じた電圧制御を行ってもよい。

図７は、プロセッサ３１の機能ブロック図である。プロセッサ３１は、基準値検出部３１１と、比算出部３１２と、比較部３１４と、電圧設定部３１５と、出力部３１６と、温度取得部３１７を有する。

基準値検出部３１１は、電流検出回路１６−０〜１６−ｎで検出された電流モニタ値Ｉmon_0〜Ｉmon_nを受け取り、複数の電流モニタ値の中で基準値をひとつ決定する。基準値は最小値、最大値、中間値、平均値など、任意の値を用いることができる。この例では、最小の電流モニタ値を基準値とする。

基準値検出部３１１は、各チャネルの電流モニタ値Ｉmon_0〜Ｉmon_nと、基準値（たとえば最小値）を、比算出部３１２に出力する。比算出部３１２は、各チャネルについて、最小値に対する電流モニタ値の比を計算する。計算された各チャネルの比の値は、比較部３１４に入力される。

比較部３１４は、メモリ３２から制限値を読み込み、制限値と各チャネルの比を比較する。比較結果は、電圧設定部３１５に入力される。電圧設定部３１５は、比較結果に基づいて、ＡＰＤ１１２−０〜１１２−ｎに印加されるバイアス電圧を設定する。バイアス電圧を変更（再設定）する場合は、電圧設定部３１５は、メモリ３２からバイアス電圧の調整に用いる再設定変化量を読み出して、再設定変化量単位でバイアス電圧値を変化させて新たな電圧を設定する。

温度取得部３１７は、温度検出回路１７で検知された温度を取得して、電圧設定部３１５に温度情報を供給する。電圧設定部３１は、光受信器１０Ａの電源オン時などに電源回路１５−０〜１５−ｎに初期電圧を設定する際に、メモリ３２を参照して、取得された温度に応じた電源電圧の初期値をチャネルごとに設定する。

電圧設定部３１５で設定された電圧値は、電圧設定値を示す制御信号Ｖset0〜Ｖset_nとして、出力部３１６から電源回路１５−０〜１５−ｎに出力される。制御信号Ｖset0〜Ｖset_nにより、ＡＰＤ１１２−０〜１１２−ｎを流れる光電流のチャネル間での振幅差が常に制限値の範囲内にあるように、逆バイアス電圧が調整される。その結果、チャネル間での偏差が低減され、クロストークの影響が低減される。

図８は、第１実施形態の光受信器１０Ａで行われる電圧制御のフローチャートである。この処理は、制御ＩＣ３０のプロセッサ３１により行われる。まず、ＡＰＤ１１２−０〜１１２−ｎに印加される初期電圧値を、温度に対応してチャネルごとに設定する（Ｓ１１）。たとえば、チャネル０については、Ｖset0は電源回路１５−０に設定される電圧値、Ｖadp（Ｔ，ch0）は、温度Ｔのときにチャネル０でＡＰＤ１１２−０に印加される逆バイアス、ｋは再設定変化量とループ回数で決まるチャネルごとの電圧調整量である。初期設定の場合、すべてのチャネルで電圧調整量ｋはゼロ（ｋ＝０）である。電源回路１５−０〜１５−ｎにおける温度に応じた初期設定値は、メモリ３２に記録されている。

光受信器１０Ａの動作中、ＡＰＤ１１２−０〜１１２―ｎに流れる光電流のモニタ値がプロセッサ３１で取得され、基準値として、たとえば最小の電流モニタ値が決定される（Ｓ１２）。プロセッサ３１は、各チャネルについて、電流モニタ値の最小値に対する比を算出し（Ｓ１３）、比の値がメモリ３２に格納された制限値以下であるか否かを判断する（Ｓ１４）。基準チャネルでは比の値は１となり、基準チャネル以外のチャネルで、比の値は１より大きくなる。制限値として、たとえば、「１．２」のような値が設定される。

すべてのチャネルで比の値が制限値以下の場合は（Ｓ１４でＹＥＳ）、チャネル間の電流振幅のばらつきは許容範囲内として次のループ開始まで待機し（Ｓ１６）、ステップＳ１２に戻る。比の値が制限値を超えるチャネルがある場合は（Ｓ１４でＮＯ）、そのチャネルの電源回路１５の電圧値を、所定の変化量、たとえばメモリ３２に記憶された再設定変化量のステップサイズで下げて、最小値チャネルとの間の偏差を低減する（Ｓ１５）。Ｓ１５の処理の結果、制限値を超える偏差を有するチャネルの電圧調整量ｋはゼロでなくなる（ｋ≠０）。その後、ステップＳ１６で次のループ開始まで待機し、次の処理タイミングで（Ｓ１６でＹＥＳ）、Ｓ１２からの処理を繰り返す。

図８の処理は、光受信器１０Ａの運用中、繰り返し行われる。基準チャネルとの差が安定して制限値の範囲内にあるチャネルでは、ループが繰り返された後も電圧調整量ｋがゼロ（ｋ＝０）に維持される場合もある。逆に、基準チャネルからの逸脱が大きいチャネルでは偏差が許容範囲内に収束するまで、電圧調整量ｋが値が変化する。

この制御により、光電変換の段階で、複数のチャネル間での振幅特性の偏差が常に一定の範囲内に収まるように制御され、クロストークの影響を低減することができる。

図９は、メモリ３２に格納されるデータの例を示す。アドレスごとに、種々の温度Ｔに対応する各チャネルのＡＰＤ印加用の初期バイアス値が記録される。温度間隔は一定でもよいし、低温側では温度間隔を小さく、高温側では温度間隔を広げてもよい。メモリ３２には、基準チャネル（たとえば最小の電流モニタ値を有するチャネル）に対する各チャネルで検出された電流モニタ値の基準値からの許容偏差、たとえば基準値に対する各チャネルのモニタ値の比の制限値も記録されている。さらに、ＡＰＤ１１２に印加される逆バイアスを調整するための再設定変化量が記録されている。プロセッサ３１は適宜メモリ３２に格納された値を読み出して電源回路１５−０〜１５−ｎに設定される電圧値を調整し、チャネル間の偏差が所定範囲内にあるように制御する。
（第１実施形態の変形例）
第１実施形態の構成と手法は、上述した例に限定されない。複数チャネルの中の基準チャネルとして、最小電流値のチャネルに替えて、最大の光電流が流れるチャネルを選択してもよい。他チャネルに対するノイズ量の低減を優先する場合は、電流モニタ値が最小のチャネルを基準とし、他のチャネルを基準チャネルの光電流の増倍率に合わせることでＳ／Ｎ比を最適化する。しかし、正確なデータ検出のためには一定レベル以上の入力パワーを有することが望ましい。したがって、複数のチャネルの光電流量を最大の電流モニタ値に合わせてＳ／Ｎ比を最適化する制御もクロストークの影響低減のために有効である。この場合、たとえば、基準チャネルの電流モニタ値を分子として各チャネルの電流モニタ値との比を計算し、比が制限値以下となるように各チャネルのバイアス電圧を上げる制御を行ってもよい。

また、基準チャネルと他のチャネルの比を取る替わりに、差分をとってもよい。最小の電流モニタ値を有するチャネルを基準チャネルとする場合は、制限値の値は電流量で表される。電圧設定部３１５は、基準チャネルとの差分が制限値以下となるように、対応するチャネルの電源回路１５の電圧値を下げる。

あるいは、最大の電流モニタ値を有するチャネルを基準チャネルとして、電流モニタ値の差分に基づいて電圧制御を行ってもよい。電圧設定部３１５は、基準チャネルとの差分が制限値以下となるように、対応するチャネルの電源回路１５の電圧値を上げる。

さらに、比または差分を制限値以下とする制御に替えて、チャネル間の偏差を最小にする制御、具体的には比を１に近づける制御、または差分を０に近づける制御を行ってもよい。この場合、たとえば平均値または中央値を基準値として、ステップＳ１４で比が１より大きいか小さいか、あるいは差が０よりも大きいか小さいかで、Ｓ１５の制御の方向を変える。この制御では制限値を用いる必要がなくチャネル間の偏差低減をより精密に行うことができる。

さらに、ＡＰＤに印加されるバイアス電圧の再設定変化量を、温度に対応付けてメモリ３２に格納してもよい。温度ごとに異なる再設定変化量を用いる場合は、チャネル間の偏差が所定範囲内に収束する速度が速くなる。この処理については、第３実施形態でより詳細に説明する。図９のように、ひとつの再設定変化量を用いる場合は、たとえば、光受信器１０Ａの使用環境で最も低い温度での再設定変化量をあらかじめ決定しておく。温度が上がると結晶の格子振動が大きくなり、加速されたキャリアのエネルギーが十分に大きくならないうちに結晶と衝突して増倍率の変化が小さくなる。そこで、増倍率の変化のスロープが大きい低温側の再設定変化量を用いて制御する。

上述した変形例を２以上組み合わせてもよい。これにより、より効率的にクロストークの影響を低減することができる。
＜第２実施形態＞
図１０は、第２実施形態の光受信器１０Ｂの概略図である。第２実施形態では、ＡＰＤに流れる光電流をモニタする替わりに、プリアンプ１１３−０〜１１３−ｎから出力される電圧信号の振幅をモニタし、モニタ結果に基づく電圧制御を行う。

光受信器１０Ｂは、光受信モジュール１１Ｂと、電源回路１５−０〜１５−ｎと、モニタ回路としての振幅検出回路１１５−０〜１１５−ｎを有する。光受信器１０Ｂでは、クロックデータリカバリ（ＣＤＲ）１２、温度検出回路１７、及び制御ＩＣ（Integrated Circuit）３０も用いられているが、これらは光トランシーバの中で光送信器と共通に用いられてもよい。

第１実施形態と同様に、光受信モジュール１１Ｂでは、多チャネルの入力光信号が光分波器１１１で各チャネルに分波され、ＡＰＤ１１２−０〜１１２−ｎで光検出される。ＡＰＤ１１２−０〜１１２−ｎのカソードは対応する電源回路１５−０〜１５−ｎに接続されてＡＰＤ１１２−０〜１１２−ｎに逆バイアスが印加される。逆バイアスの印加により、ＡＰＤ１１２−０〜１１２−ｎへの光入射により生成される光電流が増倍される。ＡＰＤ１１２−０〜１１２−ｎのアノードは、プリアンプ１１３−０〜１１３−ｎに接続され、生成された光電流がプリアンプ１１３−０〜１１３−ｎで電圧信号に変換される。プリアンプ１１３−０〜１１３−ｎから出力される電気信号は、ＣＤＲ１２の識別器１２１−０〜１２１−ｎで波形整形されデータ判定される。

第２実施形態では、プリアンプ１１３−０〜１１３−ｎの出力が分岐されて、電圧振幅が振幅検出回路１１５−０〜１１５−ｎでモニタされる。各チャネルの電圧振幅値は、ＡＰＤ１１２−０〜１１２−ｎに流れる光電流の振幅と相関する。振幅検出回路１１５−０〜１１５―ｎとしては、ピークディテクタ回路、ピークホールド回路など、任意の構成を採用できる。

振幅検出回路１１５−０〜１１５−ｎで検出された各チャネルの電圧信号の振幅値Ｖppmon_0〜Ｖppmon_nは、制御ＩＣ３０内のプロセッサ３１に入力される。プロセッサ３１は、振幅モニタ値Ｖppmon_0〜Ｖppmon_nに基づいて、チャネル間の電圧振幅差が最小または所定の範囲内となるように制御信号Ｖset0〜Ｖset_nを生成する。制御信号は、電源回路１５−０〜１５−ｎに入力される。電源回路１５−０〜１５−ｎは、プロセッサ３１からの制御信号に基づいて、ＡＰＤ１１２−０〜１１２−ｎに印加されるバイアス電圧Ｖapd0〜Ｖapd_nを調整する。バイアス電圧Ｖapd0〜Ｖapd_nを調整することで、ＡＰＤ１１２−０〜１１２−ｎで生成される光電流の増倍率を可変にし、チャネル間での振幅ばらつきを低減する。

制御ＩＣ３０内のメモリ３２は、振幅検出回路１１５−１〜１１５−ｎで検出された電圧振幅のチャネル間の偏差またはばらつきを所定の範囲内に制限するための制限値を記憶する。プロセッサ３１は適宜メモリ３２を参照して電圧制御を行う。プロセッサ３１の機能ブロックは、第１実施形態と同じであり、図７を参照して説明したとおりである。

図１１は、光受信器１０Ｂで行われる電圧制御のフローチャートである。この処理は、制御ＩＣ３０のプロセッサ３１により行われる。第１実施形態と同じステップには同じ符号を付けて説明を簡略化する。

まず、温度検出回路１７の検出値とメモリ３２を参照して、ＡＰＤ１１２−０〜１１２−ｎに印加される初期電圧値を、温度に応じて設定する（Ｓ１１）。初期設定では、すべてのチャネルで電圧調整量ｋはゼロ（ｋ＝０）である。電源回路１５−０〜１５−ｎにおける温度に応じた初期設定値は、メモリ３２に記録されている。

光受信器１０Ａの動作中、振幅検出回路１１５−０〜１１５−ｎからの入力により、プリアンプ１１３−０〜１１３―ｎから出力される電圧信号の振幅を取得し、基準値としてたとえば最小の振幅モニタ値が決定される（Ｓ２２）。プロセッサ３１は、各チャネルでモニタされた振幅モニタ値と最小値との比を算出し（Ｓ２３）、比の値がメモリ３２に格納された制限値以下であるか否かを判断する（Ｓ１４）。

すべてのチャネルで比の値が制限値以下の場合は（Ｓ１４でＹＥＳ）、チャネル間の偏差は許容範囲内として次のループ開始まで待機し（Ｓ１６）、ステップＳ２２に戻る。比の値が制限値を超えるチャネルが存在する場合は（Ｓ１４でＮＯ）、そのチャネルの電源回路１５の電圧値を所定の変化量、たとえばメモリ３２に記憶された再設定変化量のステップサイズで下げて、最小値チャネルとの偏差を低減する（Ｓ１５）。その後、ステップＳ１６で次のタイミングまで待機してＳ２２へ戻る。Ｓ１５の処理の結果、制限値を超える偏差を有するチャネルの電圧調整量ｋはゼロでなくなる（ｋ≠０）。

図１１の処理は、光受信器１０Ａの運用中、繰り返し行われる。基準チャネルからの逸脱が安定して制限値の範囲内にあるチャネルでは、ループが繰り返された後も電圧調整量ｋがゼロ（ｋ＝０）に維持される場合もある。逆に、基準チャネルからの逸脱が大きいチャネルでは偏差が許容範囲内に収束するまで、電圧調整量ｋの値が変化する。

この制御により、光電変換の段階で、複数のチャネル間での振幅特性のばらつきが常に一定の範囲内に収まるように制御され、クロストークの影響を低減することができる。

図１２は、メモリ３２に格納されるデータの例を示す。第１実施形態と同様に、アドレスごとに、温度Ｔに対応する各チャネルのＡＰＤ印加用の初期バイアス値が記録される。また、基準チャネル（たとえば最小の電圧振幅のモニタ値を有するチャネル）と各チャネルの偏差の制限値が記録されている。さらに、ＡＰＤ１１２に印加される逆バイアスを調整するための再設定変化量が記録されている。プロセッサ３１は、適宜メモリ３２に格納された値を読み出して電源回路１５−０〜１５−ｎに設定される電圧値を調整し、チャネル間の偏差が所定範囲内にあるように制御する。
＜第３実施形態＞
図１３は、第３実施形態の電圧制御のフローチャートである。ＡＰＤ１１２−０〜１１２−ｎの光電流の倍増率は温度依存性があることから、クロストークの影響を低減するバイアス制御に、温度変化に応じた制御を取り込んでもよい。

図１４は、ＡＰＤの光電流増倍率の温度依存性を説明する図である。図１４（Ａ）は、異なる温度でのＡＰＤバイアス電圧（Ｖapd）と光電流（Ｉapd）の関係を示す図、図１４（Ｂ）は、温度（Ｔ）とバイアス電圧（ＶＢ）の関係を示す図である。図１４（Ａ）に示すように、低温側では印加バイアス電圧に対する光電流の変化の傾きが大きい。第１実施形態で説明したように、あらかじめ低温側に合わせたひとつの再設定変化量を用いることで、高温側でもループを繰り返すうちに、最適な増倍率に収束させることができる。しかし、温度変化が大きいときは、電源回路１５全体のバイアス電圧を温度に応じた最適値に再設定することで、制御の速度と精度を向上することができる。そこで、図１３では、温度情報を取り入れた制御を行う。

図１３の処理は、制御ＩＣ３０のプロセッサ３１により行われ、第１実施形態の光受信器１０Ａにも、第２実施形態の光受信器１０Ｂにも適用することができる。第１実施形態及び第２実施形態と同じステップには同じ符号を付けて説明を簡略化する。

まず、温度検出回路１７の検出値とメモリ３２を参照して、ＡＰＤ１１２−０〜１１２−ｎに印加される初期電圧値を、温度に応じて設定する（Ｓ１１）。初期設定では、すべてのチャネルで電圧調整量ｋはゼロ（ｋ＝０）である。

光受信器１０Ａまたは１０Ｂの動作中、プロセッサ３１は、光電気変換における振幅特性のモニタ値を電流検出回路１６、振幅検出回路１１５などのモニタ回路から取得し、モニタ値の中で基準値を決定する（Ｓ３２）。基準値は、最小値、最大値、平均値、中間値など任意の値を用いることができる。

プロセッサ３１で、各チャネルでモニタされたモニタ値の基準値からの偏差が算出される（Ｓ３３）。偏差として、基準値に対する比、基準値との差分など、基準値からの逸脱の度合いを表わす任意の値を用いることができる。さらに、各チャネルの偏差が所定の範囲内にあるか否かが判断される（Ｓ３４）。

偏差が所定の範囲を超えるチャネルがある場合は（Ｓ３４でＮＯ）、偏差の方向に応じてそのチャネルの電源回路１５の電圧値を、再設定変化量のステップサイズで減少または増加して、基準チャネルとの偏差を低減する（Ｓ３５）。その後、ステップＳ３２に戻って次の処理タイミングでＳ３２以降の処理を繰り返す。

すべてのチャネルで偏差が所定の範囲内にある場合（Ｓ３４でＹＥＳ）、プロセッサ３１は温度検出回路１７から温度モニタ値を取得して（Ｓ３６）、初期温度からの温度変化量（絶対値）が所定値を超えるか否かを判断する（Ｓ３７）。温度変化が所定の範囲以内であれば（Ｓ３７でＮＯ）、ステップＳ３２に戻って、次の処理タイミングでＳ３２以降の処理を繰り返す。

初期温度からの温度変化量が所定値を超える場合は（Ｓ３７でＹＥＳ）、全チャネルについて温度に対応するＡＰＤ印加用のバイアス電圧値をメモリ３２から読み出して、電源回路１５の電圧値を再設定する（Ｓ３８）。その後、ステップＳ３２に戻って次の処理タイミングでＳ３２以降の処理を繰り返す。

図１３の処理は、光受信器１０Ａまたは１０Ｂの運用中、繰り返し行われる。この処理により、温度変化が生じた場合でも、チャネル間の偏差を迅速に所定の範囲内に収束させることができる。温度変化の大きい環境でも、ＡＰＤ１１２−０〜１１２−ｎに印加される逆バイアスがチャネル間の偏差を小さくする方向に効率的に調整されるので、クロストークの影響を低減することができる。

図１５は、第３実施形態の変形例のフローチャートである。変形例では、温度に対応してバイアス電圧の再設定変化量を異ならせる。図１４（Ａ）に示したように、ＡＰＤの光電流増倍率は、温度依存性がある。低温側では、印加電圧Ｖapdに対する光電流Ｉapdの傾斜の傾きが大きいが、温度が高くなると傾斜の傾きは小さくなる。図１４（Ｂ）に示すように、所定の増倍率を達成するには、温度が高いほどＡＰＤに印加されるバイアス電圧が高くなる。これは、温度上昇値ΔＴが０以上（ΔＴ≧０）、すなわち電圧変化量ΔＶが０以上（ΔＶ≧０）のときは、Ｖapd対Ｉapd特性の傾斜が小さくなるので、現在のバイアス電圧の調整量ｋは不足する。しかし、各チャネルでの振幅特性の基準値からの逸脱に応じた電圧調整ループ（Ｓ３２〜Ｓ３５）により、チャネル間の偏差を所定の範囲内に収束させることができる。

これに対し、温度上昇値ΔＴが０より小さい（ΔＴ＜０）、すなわち電圧変化量ΔＶが０より小さい（ΔＶ＜０）のときは、Ｖapd対Ｉapd特性の傾斜が大きくなり、現在のバイアス電圧の調整量ｋは過剰になる。この場合は、再設定変化量を小さくする方向に制御することが望ましい。そこで、図１５では、温度変化に応じて、再設定変化量を変える制御を行う。

図１５で図１３と同じステップには同じ符号を付けて説明を簡略化する。まず、光受信器１０Ａまたは１０Ｂの動作開始時に、ＡＰＤ１１２−０〜１１２−ｎに印加される初期電圧値を温度に応じて設定する（Ｓ１１）。光受信器１０Ａまたは１０Ｂの動作中、プロセッサ３１は、光電気変換における振幅特性のモニタ値を電流検出回路１６、振幅検出回路１１５などのモニタ回路から取得し、モニタ値の中で基準値を決定する（Ｓ３２）。各チャネルでモニタされたモニタ値の基準値からの偏差を算出し（Ｓ３３）、各チャネルの偏差が所定の範囲内にあるか否かを判断する（Ｓ３４）。偏差が所定の範囲を超えるチャネルがある場合は（Ｓ３４でＮＯ）、偏差の方向に応じてそのチャネルの電源回路１５の電圧値を、再設定変化量のステップサイズで減少または増加して、基準チャネルとの偏差を低減する（Ｓ３５）。その後、ステップＳ３２に戻って、次の処理タイミングでＳ３２以降を繰り返す。

すべてのチャネルで偏差が所定の範囲内にある場合は（Ｓ３４でＹＥＳ）、プロセッサ３１は温度検出回路１７から現在の温度モニタ値を取得して（Ｓ３６）、全チャネルについて温度に対応するバイアス電圧値を再設定する（Ｓ３８）。再設定されたＡＰＤ印加用の電圧値の変化量が０以上であるか否かを判断する（Ｓ４１）。電圧値の変化量が０以上の場合は（Ｓ４１でＹＥＳ）、ステップＳ３２に戻って、次の処理タイミングをＳ３２以降を繰り返す。

再設定されたバイアス電圧の変化量が０より小さい場合は（Ｓ４１でＮＯ）、低温側に変化していることを意味し、再設定変化量を小さくする（Ｓ４２）。その後、ステップＳ３２に戻って、次の処理タイミングでＳ３２以降を繰り返す。

図１５の処理により、温度に応じてバイアス電圧の再設定変化量を調整し、チャネル間で光電流の倍増率を合わせることができる。その結果、マルチチャネル受信でクロストークの影響を低減し、誤り率の増大を防止することができる。
＜ＡＰＤの光電流増倍率の最適化について＞
図１６及び１７を参照して、ＡＰＤ１１２の光電流増倍率の最適値について説明する。図１６は、光電流増倍率Ｍと信号対雑音（Ｓ／Ｎ）比の関係を示す図、図１７は、光電流増倍率Ｍと帯域の関係を示す図である。

第１〜第３実施形態を通して、チャネル間での振幅特性を揃えるだけでなく、各ＡＰＤ１１２の光電流増倍率が最適化されていることが望ましい。光電流増倍率Ｍを大きくすることで、信号振幅も大きくなるが、図１６に示すように、ショット雑音も増加する。Ｓ／Ｎ比は、希望信号の雑音に対する比であり、雑音はショット雑音と熱雑音を含む。熱雑音は抵抗体内の自由電子の不規則な熱振動（ブラウン運動）によって生じる雑音であり、光電流増倍率Ｍに依存せず一定である。これに対し、ショット雑音は光電流増倍率Ｍに比例して大きくなる。したがって、熱雑音及びショット雑音とのバランスを考慮して光電流増倍率Ｍを設定するのが望ましい。

図１６において、熱雑音とショット雑音を合わせた全雑音（実線）に対する信号電流の差が最大になる点がＳＮ比が最も高くなる点（SN_max）であり、このときの光電流増倍率Ｍが最適なＭである。

また、図１７に示すように、光電流増倍率Ｍによって、受信帯域も変動する。したがって光電流増倍率Ｍの設定には、帯域劣化による波形干渉や雑音透過帯域も合わせて考慮するのが望ましい。

図９及び図１２でメモリ３２に記憶されている温度に応じた電圧設定値は、光電流増倍率Ｍが最適となるように（最良のＳ／Ｎ比が得られるように）、かつ受信帯域が安定するように、あらかじめ決定されている。第１〜第３実施形態では、大電流のチャネルで光電流増倍率を下げる場合も、小電流のチャネルで光電流増倍率を上げる場合も、光電流増倍率が最適値からずれることによるＳ／Ｎ比の劣化を抑制する制御となっている。すなわち、全チャネルの光電流が必ずしも一致していなくても、クロストークの影響による振幅特性の劣化が許容される範囲内でバイアス電圧、すなわち光電流増倍率Ｍを調整して、光受信器１０Ａまたは１０Ｂ全体として、最良の受信特性を維持している。
＜光トランシーバへの適用＞
図１８は、実施形態の光受信器１０Ａまたは１０Ｂが適用される光トランシーバ１の概略図である。光トランシーバ１は、光受信器１０と、光送信器２０を有する。光受信器１０は、第１実施形態の光受信器１０Ａでもよいし、第２実施形態の光受信器１０Ｂであってもよい。光受信器１０に入力された光信号は、電気信号として出力される。光送信器２０に入力された電気信号は、光信号として出力される。なお、図１８では電気信号の入出力インタフェースは発明と直接関連しないので省略してある。

光受信器１０は、光受信モジュール（ＲＯＳＡ）１１と、電源回路１５と、受信側ＣＤＲ１２と、モニタ制御ＩＣ３０を有する。光受信モジュール１１は、光分波器（ＤＥＭＵＸ）と、光電気（Ｏ／Ｅ）変換器１１０と、モニタ回路１６０を有する。信器２０は、光送信モジュール（ＴＯＳＡ：transmitter optical subassembly）２１と、ドライバチップ２２と、 送信側ＣＤＲ２３を有する。制御ＩＣ３０は光送信器２０と共通に用いられてもよい。受信側ＣＤＲ１２と送信側ＣＤＲ２３は一つのチップで形成されてもよい。

光受信器１０に入力される光信号は、光受信モジュール１１の光分波器（ＤＥＭＵＸ）でチャネルごとに分波され、Ｏ／Ｅ変換器１１０で電気信号に変換された後、ＣＤＲ１２で波形整形およびデータ判定を受ける。ＣＤＲ１２で再生されたデータが電気信号として出力される。

Ｏ／Ｅ変換器１１０は、チャネルごとに光検出器（受光素子）であるＡＰＤ１１２を有する。ＡＰＤに印加される逆バイアスは、電源回路１５から供給される。図示の便宜上、電源回路１５からＯ／Ｅ変換器１１０に入力される電圧ラインが１本の線で記載されているが、図６及び図１０で説明したとおり、各ＡＰＤに個別のバイアス電圧が印加される。ＡＰＤから出力される光電流は、プリアンプ１１３（図６及び図１０参照）でＣＤＲ１２に適したレベルの電圧信号に増幅され、ＣＤＲ１２に出力される。

Ｏ／Ｅ変換器１１０でのチャネルごとの振幅特性（光入力特性）は、モニタ回路１６０でモニタされる。Ｏ／Ｅ変換器１１０の振幅特性は、ＡＰＤに流れる光電流であってもよいし、プリアンプ１１３で生成される電圧信号であってもよい。図１４の場合、電源回路１１５からＡＰＤのカソードに正電圧が印加される。モニタ結果は、制御ＩＣ３０に供給される。制御ＩＣ３０は、各チャネルのモニタ結果に基づいて、チャネル間での光入力特性の偏差が最小または所定範囲内になるように、ＡＰＤに印加されるバイアス電圧を制御する。制御ＩＣから出力される制御信号は電源回路１５に供給されて、各ＡＰＤに印加されるバイアス電圧が調整される。これにより、光受信モジュール１１で多チャネルのＡＰＤ及びプリアンプ１１３が集積されている場合でも、ＣＤＲ１２への入力前にクロストークの影響を低減することができる。

光送信器２０では、データを表わす電気信号がＣＤＲ２３で波形整形され、ドライバチップ２２で高速の駆動信号に変換されて光送信モジュール２１に入力される。光送信モジュール２１の構成は本発明に直接関係しないので具体的な構成は省略するが、たとえば、光変調器と光源であるレーザダイオードが集積され、チャネルごとに入力駆動信号で変調された光信号が出力される。各チャネルの光信号は光合波器（ＭＵＸ）で多重されて出力される。

実施形態の光受信器１０Ａまたは１０Ｂを用いた光トランシーバは、小型で、かつ受信信号間のクロストークの影響が抑制されている。

第１実施形態で説明した変形例は、第２実施形態にも同様に当てはまる。また、第１実施形態及び第２実施形態で、第３実施形態のように、温度変化が大きいときに全チャネルでバイアス電圧を再設定してチャネル間偏差を迅速に所定範囲内に収束させてもよい。また、第１実施形態及び第２実施形態で、第３実施形態の変形例のように、温度変化の方向に応じてＡＰＤに印加されるバイアス電圧の再設定変化量を調整して、全チャネルの光電流増倍率の制御を最適化してもよい。

以上の説明に対し、以下の付記を提示する。
（付記１）
複数のチャネルで入力される光信号をチャネルごとに分波する分波器と、
前記複数のチャネルに応じた数の受光素子を有し、チャネルごとに光信号を電気信号に変換する光電変換器と、
前記光電変換器により電気信号に変換された前記光信号の振幅特性をチャネルごとにモニタするモニタ回路と、
前記モニタ回路のモニタ結果に基づいて、前記振幅特性のチャネル間のばらつきを最小または所定範囲内にするように前記受光素子に印加されるバイアス電圧を制御する制御回路と、
を有することを特徴とする光受信器。
（付記２）
前記制御回路は、前記モニタ結果に基づいて前記複数のチャネルの中から基準チャネルを決定し、前記基準チャネルに対する各チャネルの偏差を最小または所定範囲内にするように前記バイアス電圧を制御することを特徴とする付記１に記載の光受信器。
（付記３）
前記制御回路は、前記基準チャネルのモニタ結果に対する各チャネルのモニタ結果の比を計算し、前記比の値が所定範囲内にあるように前記バイアス電圧を制御することを特徴とする付記２に記載の光受信器。
（付記４）
前記振幅特性は、前記受光素子に流れる光電流の振幅であり、
前記モニタ回路は、前記受光素子に流れる光電流を検出して前記光電流の振幅情報を前記制御回路に供給することを特徴とする付記１〜３のいずれかに記載の光受信器。
（付記５）
前記光電変換器は、前記受光素子の出力に接続される増幅器を有し、
前記振幅特性は、前記増幅器で生成される電圧信号の振幅であり、
前記モニタ回路は、前記電圧信号を検出して前記電圧信号の振幅情報を前記制御回路に供給することを特徴とする付記１〜３のいずれかに記載の光受信器。
（付記６）
前記受光素子に逆方向のバイアス電圧を印加する電圧回路、
をさらに有し、
前記制御回路は、前記モニタ結果に基づいて前記電圧回路で生成されるバイアス電圧を制御することを特徴とする付記１〜５のいずれかに記載の光受信器。
（付記７）
前記バイアス電圧を調整する電圧変化量を記録するメモリ、
をさらに有し、
前記制御回路は前記電圧変化量を用いて前記バイアス電圧を制御することを特徴とする付記１〜６のいずれかに記載の受信器。
（付記８）
温度検出回路、
をさらに有し、
前記制御回路は、前記メモリを参照し、温度に応じた前記電圧変化量を選択して前記バイアス電圧を制御することを特徴とする付記７に記載の光受信器。
（付記９）
温度検出回路、
をさらに有し、
前記制御回路は、検出された温度が初期温度から所定の範囲を超えて変化した場合に、前記バイアス電圧を再設定することを特徴とする付記１〜７のいずれかに記載の光受信器。
（付記１０）
温度検出回路、
をさらに有し、
前記制御回路は、温度が低い側に変化したときに、前記バイアス電圧を調整する電圧変化量を小さくすることを特徴とする付記１〜７のいずれかに記載の光受信器。
（付記１１）
前記光信号は波長多重または空間多重された信号であることを特徴とする付記１〜１１のいずれかに記載の光受信器。
（付記１２）
付記１〜１１のいずれかに記載の光受信器と、
光送信器と、
を有する光トランシーバ。
（付記１３）
複数のチャネルで入力される光信号を受光素子でチャネルごとに受光し、
光電変換により電気信号に変換された前記光信号の振幅特性をチャネルごとにモニタし、
モニタ結果に基づいて、前記振幅特性のチャネル間のばらつきを最小または所定範囲内にするように前記受光素子に印加されるバイアス電圧を制御する、
ことを特徴とする光信号の受信制御方法。

１ 光トランシーバ
１０、１０Ａ、１０Ｂ 光受信器
１１、１１Ａ，１１Ｂ 光受信モジュール
１２ クロックデータリカバリ（ＣＤＲ）回路
１５、１５−０〜１５−ｎ 電源回路
１６−０〜１６−ｎ 電流検出回路
１７ 温度検出回路
２０ 光送信器
３０ 制御ＩＣ
３１ プロセッサ
３２ メモリ
１１０ Ｏ／Ｅ変換器
１１２−０〜１１２−ｎ ＡＰＤ（受光素子）
１１３−０〜１１３−ｎ プリアンプ（増幅器）
１６０ モニタ回路

Claims (6)

1. 複数のチャネルで入力される光信号をチャネルごとに分波する分波器と、
   前記複数のチャネルに応じた数の受光素子を有し、チャネルごとに光信号を電気信号に変換する光電変換器と、
   前記光電変換器により電気信号に変換された前記光信号の振幅特性をチャネルごとにモニタするモニタ回路と、
   前記モニタ回路のモニタ結果に基づいて、前記振幅特性のチャネル間のばらつきを最小または所定範囲内にするように前記受光素子に印加されるバイアス電圧を制御する制御回路と、
   を有することを特徴とする光受信器。
2. 前記振幅特性は、前記受光素子に流れる光電流の振幅であり、
   前記モニタ回路は、前記受光素子に流れる光電流を検出して前記光電流の振幅情報を前記制御回路に供給することを特徴とする請求項１に記載の光受信器。
3. 前記光電変換器は、前記受光素子の出力に接続される増幅器を有し、
   前記振幅特性は、前記増幅器で生成される電圧信号の振幅であり、
   前記モニタ回路は、前記電圧信号を検出して前記電圧信号の振幅情報を前記制御回路に供給することを特徴とする請求項１に記載の光受信器。
4. 温度検出回路、
   をさらに有し、
   前記制御回路は、温度が低い側に変化したときに、前記バイアス電圧を調整する現在のステップサイズを小さくすることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光受信器。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の光受信器と、
   光送信器と、
   を有する光トランシーバ。
6. 複数のチャネルで入力される光信号を受光素子でチャネルごとに受光し、
   光電変換により電気信号に変換された前記光信号の振幅特性をチャネルごとにモニタし、
   モニタ結果に基づいて、前記振幅特性のチャネル間のばらつきを最小または所定範囲内にするように前記受光素子に印加されるバイアス電圧を制御する、
   ことを特徴とする光信号の受信制御方法。

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