JP7248154B2

JP7248154B2 - 光受信器

Info

Publication number: JP7248154B2
Application number: JP2021577732A
Authority: JP
Inventors: 祐太石村
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2020-02-10
Filing date: 2020-02-10
Publication date: 2023-03-29
Anticipated expiration: 2040-02-10
Also published as: WO2021161382A1; JPWO2021161382A1

Description

本開示は、ＰＯＮ（ＰａｓｓｉｖｅＯｐｔｉｃａｌＮｅｔｗｏｒｋ）システムに適用される光受信器に関するものであり、特に、受光素子ＡＰＤ（ＡｖａｌａｎｃｈｅＰｈｏｔｏＤｉｏｄｅ、アバランシェフォトダイオード）を用いた光バースト信号受信回路が構成された光受信器に関する。

ＰＯＮシステムは、局側に設置される局側光回線終端装置（ＯＬＴ：ＯｐｔｉｃａｌＬｉｎｅＴｅｒｍｉｎａｌ）と加入者宅内に設置される加入者側光回線終端装置（ＯＮＵ：ＯｐｔｉｃａｌＮｅｔｗｏｒｋＵｎｉｔ）とを、光スプリッタを介して光ファイバで接続することで構成される光通信システムである。ＰＯＮシステムは、１台のＯＬＴに対して複数のＯＮＵが接続される構成となる。
ＯＬＴとＯＮＵ間の上り信号・下り信号は光波長多重通信手段により一本の光ファイバで伝送される。ＯＬＴから各ＯＮＵへの下り方向の通信では、一般的な連続した信号が用いられるが，各ＯＮＵからＯＬＴへの上り信号はユーザごとに個別に送信されるバースト状のパケット信号を時分割多重した信号が用いられる。また、ＯＬＴと各ＯＮＵの距離に差異があるため、ＯＬＴで受信する光信号の信号強度はＯＮＵ毎に大きく変化する。
ＰＯＮシステムにおいて、ＯＬＴ側の光受信器が各ＯＮＵからのバースト状のパケット信号を受信する。光受信器の光受信回路に用いられた光受信モジュールとして、受光素子ＡＰＤおよび受光素子ＡＰＤ後段の電流電圧変換増幅器（ＴＩＡ：Ｔｒａｎｓ－ＩｍｐｅｄａｎｃｅＡｍｐｌｉｆｉｅｒ）を有するＡＰＤモジュールが知られている。受光素子ＡＰＤは、バイアス電圧を印加することで、光信号が入力された際に、電子雪崩現象が発生し、バイアス電圧に依存する増倍率に応じたＡＰＤ電流を生成する。ＡＰＤ電流は受光素子ＡＰＤ後段の電流電圧変換増幅器ＴＩＡによって、電流から電圧へ変換され、電圧信号として出力される。

ＡＰＤモジュールでは、受信する光信号の光強度に応じて受光素子ＡＰＤの増倍率を変化させる必要がある。増倍率はバイアス電圧に依存するため、受光素子ＡＰＤに印加するバイアス電圧を制御するためのバイアス電圧制御回路では、光信号の光強度によってバイアス電圧を変化させる。光信号の光強度が弱い程、バイアス電圧を高くして受光素子ＡＰＤの増倍率を上げるように制御し、光信号の光強度が強い程、バイアス電圧を低くして受光素子ＡＰＤの増倍率を下げるように制御している。

特許文献１では、受信する光信号の光強度情報に応じて受光素子ＡＰＤに印加するバイアス電圧を変化させ、増倍率を制御する技術が提案されている。
光受信器は光強度が異なる光信号を受信する際に、受信回路が動作安定した主信号時間であるデータ（ペイロードとも言う）の前に、電流電圧変換増幅器ＴＩＡの利得Ｇａｉｎを調整し、動作安定化に必要な時間であるオーバヘッド（プリアンブルとも言う）が設けられている。安定した受信感度を維持するためにはオーバヘッド内で受光素子ＡＰＤに印加するバイアス電圧の過渡応答を収束させておく必要がある。
特許文献１に係る技術では、受信光強度検出部にて光信号を検知し、検知された光信号の光強度に応じてＡＰＤバイアス電圧制御回路にてバイアス電圧を変化させるが、高速通信の場合には光信号のオーバヘッド内に受光素子ＡＰＤに印加するバイアス電圧の過渡応答時間が長くなることが懸念される。弱い光強度を持つ光信号から数ｎｓ～数１０ｎｓの短時間に強い光強度を持つ光信号へ急激に変化する光信号を受信した場合、バイアス電圧の過度応答がオーバヘッド内で収束できないため、バイアス電圧に依存する増倍率の変化も収束できず、ＡＰＤ電流も安定できない可能性がある。これにより、受光素子ＡＰＤ後段の電流電圧変換増幅器ＴＩＡによる出力電圧がデータ内においても変化し続け、安定した受信感度を維持できないため、光強度の異なる光信号を受信できない可能性がある。

特開２００５－４５５６０号公報

本開示は、上記のような問題点を解決するためになされたもので、ＡＰＤモジュールが受信した光信号の光強度に応じて、受光素子に印加するバイアス電圧の過度応答をオーバヘッド内に収束可能に制御し、バイアス電圧に依存する受光素子の増倍率の変化時間を短縮することによりＡＰＤモジュールの受信感度の安定性を高めることができる光受信器を提供する。

本開示に係る光受信器は、受信した光信号の光強度に対応した電流を生成する受光素子と、受光素子にバイアス電圧を供給するバイアス電圧昇圧回路と、受光素子で生成された電流を電圧に変換する電流電圧変換増幅器と、バイアス電圧昇圧回路と受光素子とを接続し、自己バイアス抵抗ＲおよびインダクタＬを並列に接続した第１経路と、第１経路に対して並列に接続され、第１経路に比べてインピーダンスが小さい第２経路と、光強度が予め設定された光強度閾値を超過する場合は第１経路に切り替え、光強度が光強度閾値以下の場合は第２経路に切り替えることにより、バイアス電圧を制御するバイアス電圧制御部とを備える。

本開示に係る光受信器によれば、予め設定された光強度閾値に基づいて経路を切り替えることにより受光素子に印加するバイアス電圧を制御する。光強度閾値を超過する光強度を持つ光信号を受信した際に、バイアス電圧の応答時間を短くするように制御し、バイアス電圧に依存する受光素子の増倍率の変化時間を短縮させることにより、ＡＰＤモジュールの受信感度の安定性を高めることができる。

本開示の実施の形態１に係る光受信器のバースト信号受信回路の構成図である。本開示に係る光受信器のバースト信号受信回路の動作を示すタイミングチャート図である。本開示に係る光受信器のバースト信号受信回路の動作を示すタイミングチャート図である。本開示の実施の形態２に係る光受信器のバースト信号受信回路の構成図である。

以下、本開示に係る実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の各実施形態において、同様の構成要素については同一の符号を付している。

実施の形態１．
図１は実施の形態１に係る光受信器の構成図である。バースト信号受信回路で構成された光受信器１００は、受信した光信号の光強度に対応した電流を生成する受光素子１と、受光素子１にバイアス電圧を供給するバイアス電圧昇圧回路２と、受光素子１で生成された電流を電圧に変換する電流電圧変換増幅器３と、バイアス電圧昇圧回路２と受光素子１とを接続し、自己バイアス抵抗ＲおよびインダクタＬを並列に接続した第１経路１６と、第１経路１６に対して並列に接続され、第１経路１６に比べてインピーダンスが極めて小さい第２経路１７と、光信号の光強度に応じて、第１経路１６または第２経路１７を切り替えることにより、バイアス電圧を制御するバイアス電圧制御部１１と、を有する。
また、第１経路１６に開閉スイッチである第１トランジスタ６が設けられ、第２経路１７に開閉スイッチである第２トランジスタ７が設けられる。スイッチ素子である第１トランジスタ６と第２トランジスタ７との開閉を制御することにより、第１経路１６と第２経路１７との切り替えを行うため、高速での切り替えが可能である。

受光素子１はＡＰＤである。バイアス電圧昇圧回路２は受光素子１に印加するバイアス電圧を供給する。受光素子１はバイアス電圧が印加された状態で光強度Ｐｉｎの光信号を受信すると、バイアス電圧に依存する増倍率Ｍに応じたＡＰＤ電流Ｉａｐｄを生成する。
電流電圧変換増幅器３は、受光素子１で生成されたＡＰＤ電流Ｉａｐｄをインピーダンスによって増倍し、さらに電圧に変換し、出力電圧信号Ｖｏｕｔとして出力する。
ここで、受光素子１と電流電圧変換増幅器３とがＡＰＤモジュールを構成している。

実施の形態１に係る光受信器１００において、バイアス電圧制御部１１は、受光素子１で生成されたＡＰＤ電流Ｉａｐｄに比例する第１モニタ電流Ｉｍｏｎ１を生成する第１カレントミラー回路４と、第１モニタ電流Ｉｍｏｎ１に比例する電流である第２モニタ電流Ｉｍｏｎ２を生成する第２カレントミラー回路５と、第１モニタ電流Ｉｍｏｎ１および第２モニタ電流Ｉｍｏｎ２を検知してそれぞれ電圧に変換し、得られた２つの電圧間の電位差に基づいて、第１経路１６に設けられた開閉スイッチである第１トランジスタ６および第２経路１７に設けられた開閉スイッチである第２トランジスタ７を制御することにより第１経路１６および第２経路１７を切り替える電流検知回路８とを有する。

受信した光信号の強弱を判定するため、予め光信号の光強度閾値Ｐｍａｘを設定し、光強度閾値Ｐｍａｘに対応する電圧値を電圧閾値Ｖｍａｘとして設定する。バイアス電圧制御部１１における電流検知回路８は、光信号を受信した際に、光強度閾値Ｐｍａｘに対応して設けられた電圧閾値Ｖｍａｘに基づいて、第１経路１６と第２経路１７とを切り替える。

具体的に、電流検知回路８は、第１モニタ電流Ｉｍｏｎ１と第２モニタ電流Ｉｍｏｎ２とを検知し、第１モニタ電流Ｉｍｏｎ１と第２モニタ電流Ｉｍｏｎ２とをそれぞれ別々の抵抗等で電圧に変換する。変換された２つの電圧の間の電位差と電圧閾値Ｖｍａｘとを比較する。
受光素子１は受信する光信号の光強度Ｐｉｎが過大になると、ＡＰＤ電流Ｉａｐｄが高い値を示し、ＡＰＤ電流Ｉａｐｄに比例する第１モニタ電流Ｉｍｏｎ１、および、第１モニタ電流Ｉｍｏｎ１に比例する第２モニタ電流Ｉｍｏｎ２も高い値になる。
第１モニタ電流Ｉｍｏｎ１と第２モニタ電流Ｉｍｏｎ２で変換された２つの電圧間の電位差が予め決定された電圧閾値Ｖｍａｘを超過する場合に、受信した光信号の光強度Ｐｉｎが光強度閾値Ｐｍａｘを超過する（光信号の光強度Ｐｉｎ＞光強度閾値Ｐｍａｘ）ことと判断する。この場合、電流検知回路８は、第１トランジスタ６がＯＮ状態になるように制御し、受光素子１に印加するバイアス電圧の経路を第１経路１６に切り替える。第１経路１６における自己バイアス抵抗ＲとインダクタＬにより受光素子１に印加するバイアス電圧を低下させるように動作する。

第１モニタ電流Ｉｍｏｎ１と第２モニタ電流Ｉｍｏｎ２で変換された２つの電圧間の電位差が予め決定された電圧閾値Ｖｍａｘ以下の場合に、受信した光信号の光強度Ｐｉｎが光強度閾値Ｐｍａｘ以下（光信号の光強度Ｐｉｎ≦光強度閾値Ｐｍａｘ）であると判断する。この場合、電流検知回路８は、第２トランジスタ７がＯＮ状態になるように制御し、受光素子１に印加するバイアス電圧の経路を第２経路１７に切り替える。第１経路１６に比べてインピーダンスが極めて小さい第２経路１７により、受光素子１に印加するバイアス電圧を低下させず、受光素子１の増倍率を維持する。
なお、実施の形態１に係る光受信器１００において、自己バイアス抵抗ＲおよびインダクタＬを並列に接続した第１経路１６に対して、第２経路１７は抵抗が挿入されていない経路となる。

自己バイアス抵抗Ｒは、受光素子１に印加するバイアス電圧を変化させるために挿入されており、光信号の光強度Ｐｉｎは過大になり、光強度閾値Ｐｍａｘを超過する場合に受光素子１に印加するバイアス電圧を低下させる効果を持っている。しかしながら、急激な電流変化に対しては寄生容量の影響を受けることで自己バイアス抵抗Ｒによるバイアス電圧を変化させる応答時間が長くなるため、バイアス電圧を変化させる応答時間を短縮させる目的で自己バイアス抵抗ＲとインダクタＬを並列に接続するようにする。これにより、受光素子１に印加するバイアス電圧の応答時間を短くし、オーバヘッド内に収束させることが確保できる。

次に上記により構成される光受信器１００のバースト信号受信回路の動作について説明する。
図２に実施の形態１に係る光受信器１００のバースト信号受信回路の動作におけるタイミングチャートを示す。図２において、横軸は時間ｔを示し、光受信器１００が光強度の異なる光信号を続けて受信する例を示す。

図２（ａ）に受光素子１が受信した各光信号の光強度Ｐｉｎを示す。受光素子１は、光強度がそれぞれ異なる光信号ＯＮＵ１、光信号ＯＮＵ２、光信号ＯＮＵ３、光信号ＯＮＵ４、および光信号ＯＮＵ５を順に受信する。光信号ＯＮＵ１と光信号ＯＮＵ３の光強度Ｐｉｎは光強度閾値Ｐｍａｘより小さい値であるが、光信号ＯＮＵ２、光信号ＯＮＵ４と光信号ＯＮＵ５の光強度Ｐｉｎは光強度閾値Ｐｍａｘを超過する値となる。すなわち、光信号ＯＮＵ１と光信号ＯＮＵ３の光強度Ｐｉｎに対応する電圧信号は予め決定された電圧閾値Ｖｍａｘより小さい値となり、光信号ＯＮＵ２、光信号ＯＮＵ４と光信号ＯＮＵ５の光強度Ｐｉｎに対応する電圧信号は予め決定された電圧閾値Ｖｍａｘを超過する値となる。

図２（ａ）に示すように、光信号ＯＮＵ１の受光後に、光信号ＯＮＵ１の光強度より強く、光強度閾値Ｐｍａｘを超過する光強度を有する光信号ＯＮＵ２を受信する。光信号ＯＮＵ２の受光後に、光信号ＯＮＵ２の光強度より弱く、光強度閾値Ｐｍａｘ以下の光強度を有する光信号ＯＮＵ３を受信する。光信号ＯＮＵ３の受光後に、光信号ＯＮＵ３の光強度がより強く、光強度閾値Ｐｍａｘを超過する光強度を有する光信号ＯＮＵ４を受信する。光信号ＯＮＵ４の受光後に、光信号ＯＮＵ４の光強度がより弱いが、光強度閾値Ｐｍａｘを超過する光強度を有する光信号ＯＮＵ５を受信する。

各光信号を受信する際に、受信回路の動作安定した時間であるデータの前に、動作安定化に必要な時間であるオーバヘッドが設けられている。図２（ａ）に、左から右への時間の進行方向において、光信号ＯＮＵ１のデータ１０２、光信号ＯＮＵ２のオーバヘッド２０１とデータ２０２、光信号ＯＮＵ３のオーバヘッド３０１とデータ３０２、光信号ＯＮＵ４のオーバヘッド４０１とデータ４０２および光信号ＯＮＵ５のオーバヘッド５０１とデータ５０２を示す。また、Ｘ２からＹ２は光信号ＯＮＵ２のオーバヘッド２０１の時間であり、Ｘ３からＹ３は光信号ＯＮＵ３のオーバヘッド３０１の時間であり、Ｘ４からＹ４は光信号ＯＮＵ４のオーバヘッド４０１の時間であり、Ｘ５からＹ５は光信号ＯＮＵ５のオーバヘッド５０１の時間である。なお、光信号ＯＮＵ１のオーバヘッド１０１の時間については図に示していない。

受信した光信号の光強度の変化に応じて、増倍率Ｍ、ＡＰＤ電流Ｉａｐｄ、電流電圧変換増幅器３のＴＩＡ利得Ｇａｉｎおよび出力電圧信号Ｖｏｕｔの変化をそれぞれ図２（ｂ）、図２（ｃ）、図２（ｄ）および図２（ｅ）に示す。
図３は図２の一部であり、図２に示すタイミングチャートにおける光信号ＯＮＵ１と光信号ＯＮＵ２を続けて受信する場合の動作を詳細に説明するための図である。光信号ＯＮＵ１の受光後に、光信号ＯＮＵ２の光強度に応じて、増倍率Ｍ、ＡＰＤ電流Ｉａｐｄ、電流電圧変換増幅器３のＴＩＡ利得Ｇａｉｎおよび出力電圧信号Ｖｏｕｔの変化をそれぞれ図３（ｂ）、図３（ｃ）、図３（ｄ）および図３（ｅ）に示す。

まずは、図３を用いて、光受信器１００のバースト信号受信回路の動作について説明する。
図３に示すように、受光素子１が光強度閾値Ｐｍａｘ以下となる光強度を有する光信号ＯＮＵ１を受信した後、光信号ＯＮＵ１の光強度がより強く、光強度閾値Ｐｍａｘを超過する光強度を有する光信号ＯＮＵ２を受信する。
光信号ＯＮＵ２を受信した際に、光信号ＯＮＵ２の光強度Ｐｉｎに対応するＡＰＤ電流Ｉａｐｄが高くなり、ＡＰＤ電流Ｉａｐｄに比例する第１モニタ電流Ｉｍｏｎ１、第２モニタ電流Ｉｍｏｎ２も高い値になる。第１モニタ電流Ｉｍｏｎ１、第２モニタ電流Ｉｍｏｎ２から変換された２つの電圧間の電位差は光強度閾値Ｐｍａｘに対応する電圧閾値Ｖｍａｘを超過することになる。光信号の光強度Ｐｉｎが光強度閾値Ｐｍａｘを超過することと判断し、電流検知回路８は第１トランジスタ６がＯＮ状態になるように制御し、第２経路１７から第１経路１６に切り替える。バイアス電圧昇圧回路２は自己バイアス抵抗ＲおよびインダクタＬを並列に接続した第１経路１６から受光素子１にバイアス電圧を印加する。

光信号ＯＮＵ２を受信した時点Ｘ２から、急激な電流増加に対してインダクタＬは自己バイアス抵抗Ｒに比べてインピーダンスが高くなる傾向を示すため、バイアス電圧昇圧回路２から受光素子１に印加されたバイアス電圧は自己バイアス抵抗Ｒによって低下する。時間経過と共にインダクタＬのインピーダンスは小さくなるため、受光素子１に印加するバイアス電圧は徐々に光信号ＯＮＵ２を受信した直後の状態に遷移する。インダクタＬのインピーダンスが自己バイアス抵抗Ｒより小さくなるのに伴い、バイアス電圧が低下から急激に増加する方向へ変わる。

増倍率Ｍはバイアス電圧に依存する。図３（ｂ）に増倍率Ｍの変化を示す。図３（ｂ）において、実線で示す増倍率Ｍ１は、第１経路１６によりオーバヘッド２０１内において変化が収束する増倍率の応答イメージである。光信号ＯＮＵ２を受信したＸ２から受信回路の動作安定したＹ２までのオーバヘッド２０１において、増倍率Ｍ１は、一旦バイアス電圧の低下によって低下する。時間経過と共にインダクタＬのインピーダンスは小さくなり、オーバヘッド２０１内のＺ２から増倍率Ｍ１が低下から増加する方向へ変わる。すなわち、オーバヘッド２０１のＸ２からＺ２においては増倍率Ｍ１が低下する状態となり、Ｚ２からＹ２においては増倍率Ｍ１が増加する状態となる。オーバヘッド２０１後のデータ２０２において、増倍率Ｍ１は、光信号ＯＮＵ２を受信する前と同様に安定した値になる。このように、バイアス電圧の変化と共に増倍率Ｍ１は光信号ＯＮＵ２を受信した直後に低下し、また低下から急激に増加する特性となり、増倍率Ｍ１の変化はオーバヘッド２０１内で収束できる。
第１経路１６の自己バイアス抵抗ＲとインダクタＬを並列に接続することにより、バイアス電圧の応答時間を短くし、バイアス電圧に依存する増倍率の変化時間も短縮させることができる。

オーバヘッド２０１内において、バイアス電圧が低下から増加へ逆転する時点Ｚ２はインダクタＬのインピーダンスと自己バイアス抵抗Ｒが同値になる時点でもある。インダクタＬのインピーダンスと自己バイアス抵抗Ｒとの設定値によって、バイアス電圧が低下から増加へ逆転するＺ２の時間位置を変動させ、バイアス電圧の応答を加速させることによりオーバヘッド内に収束させることが確保できる。

なお、図３（ｂ）において、破線で示す増倍率Ｍ２は、バイアス電圧昇圧回路２と受光素子１と間に自己バイアス抵抗を挿入してバイアス電圧を低下させる方法による増倍率の応答イメージである。増倍率Ｍ２は、バイアス電圧の低下に伴って低下するが、オーバヘッド内において変化が収束できず、Ｙ２からＷ２のデータの先頭部の「Ａ」においても変化し続くことになる。
また、図３（ｂ）のオーバヘッド２０１内における一点鎖線は、自己バイアス抵抗を挿入せず、バイアス電圧昇圧回路２と受光素子１を直接接続した場合における増倍率Ｍ３の応答イメージを示す。バイアス電圧を制御しないため、増倍率M３が変化しない。

図３（ｃ）にＡＰＤ電流Ｉａｐｄの変化を示す。図３（ｃ）において、実線で示すＡＰＤ電流Ｉ１は、第１経路１６によりオーバヘッド２０１内において変化が収束するＡＰＤ電流Ｉａｐｄの応答イメージである。
図３（ｃ）に示すように、光強度閾値Ｐｍａｘを超過する光強度を有する光信号ＯＮＵ２に対応してＡＰＤ電流Ｉ１が増加する。オーバヘッド２０１のＸ２からＺ２の時間帯において、増倍率Ｍ１の低下に伴ってＡＰＤ電流Ｉ１は急激に増加せず、徐々に増加する特性を示す。時間経過と共にインダクタＬのインピーダンスが小さくなるのに伴って、オーバヘッド２０１のＺ２からＹ２の時間帯においてＡＰＤ電流Ｉ１は急激に増加する特性を示す。ＡＰＤ電流Ｉ１の変化はオーバヘッド２０１内に収束する特性を示す。
なお、図３（ｃ）において、破線で示すＡＰＤ電流Ｉ２は、バイアス電圧昇圧回路２と受光素子１と間に自己バイアス抵抗を挿入してバイアス電圧を低下させる方法によるＡＰＤ電流Ｉａｐｄの応答イメージである。ＡＰＤ電流Ｉ２は、増倍率Ｍ２の低下に伴って急激に増加せず、徐々に増えるが、オーバヘッド内において変化が収束できず、Ｙ２からＷ２のデータの先頭部の「Ａ」においても変化し続くことになる。
また、図３（ｃ）のオーバヘッド２０１内において、一点鎖線で示すＡＰＤ電流Ｉ３は、自己バイアス抵抗を挿入せず、バイアス電圧昇圧回路２と受光素子１を直接接続した場合におけるＡＰＤ電流Ｉａｐｄの応答イメージである。ＡＰＤ電流Ｉ３は、光信号ＯＮＵ２を受信すると伴に急激に増加する。

電流電圧変換増幅器３の利得ＧａｉｎはＡＰＤ電流Ｉａｐｄの値に基づいて調整される。図３（ｄ）に示すように、オーバヘッド２０１内において、利得ＧａｉｎはＡＰＤ電流Ｉａｐｄの増加に従って、徐々に低下する特性を示す。

電流電圧変換増幅器３による出力電圧信号ＶｏｕｔはＡＰＤ電流Ｉａｐｄおよび電流電圧変換増幅器３の利得Ｇａｉｎによって変化する。図３（ｅ）において、実線で示す出力電圧信号Ｖ１は、第１経路１６によりオーバヘッド２０１内に徐々に増加して収束する出力電圧信号Ｖｏｕｔの応答イメージである。
受光素子１が光強度閾値Ｐｍａｘを超過する光強度を有する光信号ＯＮＵ２を受信した場合、出力電圧信号Ｖ１は図３（ｅ）に示すように、光信号ＯＮＵ２を受信した時点Ｘ２から徐々に増加する。ＡＰＤ電流Ｉ１の変化はオーバヘッド２０１内に収束するため、出力電圧信号Ｖ１の変化もオーバヘッド２０１内に収束する特性を示す。光信号ＯＮＵ２を受信した直後に、電流電圧変換増幅器３の利得Ｇａｉｎがまだ高い状態であるが、第１経路１６によりＡＰＤ電流Ｉ１が急激に増加しないようになっているため、出力電圧信号Ｖ１は急激に過大な出力となることはない。
なお、図３（ｅ）において、破線で示す出力電圧信号Ｖ２は、バイアス電圧昇圧回路２と受光素子１と間に自己バイアス抵抗を挿入してバイアス電圧を低下させる方法による出力電圧信号Ｖｏｕｔの応答イメージである。出力電圧信号Ｖ２は、急激に過大な出力とはならないが、オーバヘッド内において変化が収束できず、Ｙ２からＷ２のデータの先頭部の「Ａ」においても変化し続くことになる。
また、図３（ｅ）のオーバヘッド２０１内において、一点鎖線で示す出力電圧信号Ｖ３は、自己バイアス抵抗を挿入せず、バイアス電圧昇圧回路２と受光素子１を直接接続した場合における急激に過大な出力となる出力電圧信号Ｖｏｕｔの応答イメージである。

ここで、実施の形態１に係る光受信器１００のバースト信号受信回路により、光信号ＯＮＵ１から光信号ＯＮＵ２を受信する場合における増倍率Ｍ、ＡＰＤ電流Ｉａｐｄ、電流電圧変換増幅器３のＴＩＡ利得Ｇａｉｎおよび出力電圧信号Ｖｏｕｔの応答について、図２と図３に同様な結果に示す。
図２、図３に示すように、増倍率Ｍ、ＡＰＤ電流Ｉａｐｄ、および出力電圧信号Ｖｏｕｔの変化はオーバヘッド２０１内に収束する特性となり、オーバヘッド２０１終了後のデータ２０２において、増倍率Ｍ、ＡＰＤ電流Ｉａｐｄ、利得Ｇａｉｎおよび出力電圧信号Ｖｏｕｔはそれぞれ安定した値となる。

次に、図２を用いて、光信号ＯＮＵ２から光信号ＯＮＵ５を受信する場合における増倍率Ｍ、ＡＰＤ電流Ｉａｐｄ、電流電圧変換増幅器３のＴＩＡ利得Ｇａｉｎおよび出力電圧信号Ｖｏｕｔの変化を説明する。
図２に示すように、受光素子１が光信号ＯＮＵ２を受信した後、光信号ＯＮＵ２の光強度がより弱く、光強度閾値Ｐｍａｘ以下となる光強度を有する光信号ＯＮＵ３を受信する。光信号ＯＮＵ３を受信した際に、光信号ＯＮＵ２の受信した場合に比べて光信号ＯＮＵ３の光強度に対応するＡＰＤ電流Ｉａｐｄが低くなる。ＡＰＤ電流Ｉａｐｄに比例する第１モニタ電流Ｉｍｏｎ１、第２モニタ電流Ｉｍｏｎ２も光信号ＯＮＵ２の受信した場合に比べて低い値となる。第１モニタ電流Ｉｍｏｎ１、第２モニタ電流Ｉｍｏｎ２から変換された２つの電圧間の電位差は光強度閾値Ｐｍａｘに対応する電圧閾値Ｖｍａｘ以下になる。
電流検知回路８は第２トランジスタ７がＯＮ状態になるように制御し、第１経路１６に比べてインピーダンスが極めて小さい第２経路１７に切り替える。

第２経路１７を経過することにより、受光素子１に印加されたバイアス電圧を低下させないため、図２（ｂ）に示すように増倍率Ｍも低下しないで維持される。
図２（ｃ）に示すように、光信号ＯＮＵ２の光強度より弱い光信号ＯＮＵ３を受光し、オーバヘッド３０１内において、ＡＰＤ電流Ｉａｐｄは光信号ＯＮＵ３の光強度に応じて低下する特性を示す。
図２（ｄ）に示すように、電流電圧変換増幅器３の利得ＧａｉｎはＡＰＤ電流Ｉａｐｄの値に基づいて調整されるため、オーバヘッド３０１において、ＡＰＤ電流Ｉａｐｄの低下に従って、徐々に増加する特性を示す。
電流電圧変換増幅器３による出力電圧信号ＶｏｕｔはＡＰＤ電流Ｉａｐｄと電流電圧変換増幅器３の利得Ｇａｉｎによって変化する。図２（ｅ）に示すように、オーバヘッド３０１内において、出力電圧信号Ｖｏｕｔは徐々に低下する特性を示す。

なお、オーバヘッド３０１終了後のデータ３０２において、増倍率Ｍ、ＡＰＤ電流Ｉａｐｄ、利得Ｇａｉｎおよび出力電圧信号Ｖｏｕｔはそれぞれ安定した値となる。

次に、受光素子１が光信号ＯＮＵ３を受信した後、光信号ＯＮＵ３の光強度がより強く、光強度閾値Ｐｍａｘを超過する光強度を有する光信号ＯＮＵ４を受信する。
光信号ＯＮＵ４を受信した際に、光信号ＯＮＵ４の光強度に対応するＡＰＤ電流Ｉａｐｄが高くなり、ＡＰＤ電流Ｉａｐｄに比例する第１モニタ電流Ｉｍｏｎ１、第２モニタ電流Ｉｍｏｎ２も高い値になる。第１モニタ電流Ｉｍｏｎ１、第２モニタ電流Ｉｍｏｎ２から変換された２つの電圧間の電位差は光強度閾値Ｐｍａｘに対応する電圧閾値Ｖｍａｘを超過することになる。

光信号ＯＮＵ１から光信号ＯＮＵ２を受信した場合と同様に、電流検知回路８は第１トランジスタ６がＯＮ状態になるように制御し、第２経路１７から第１経路１６に切り替える。
バイアス電圧昇圧回路２は自己バイアス抵抗ＲおよびインダクタＬを並列に接続した第１経路１６から受光素子１にバイアス電圧を印加する。受光素子１に印加されたバイアス電圧は最初自己バイアス抵抗Ｒによって低下する。時間経過と共にインダクタＬのインピーダンスは小さくなるため、受光素子１に印加するバイアス電圧は徐々に光信号ＯＮＵ４を受信した直後の状態に遷移する。インダクタＬのインピーダンスが自己バイアス抵抗Ｒより小さくなるのに伴い、バイアス電圧が低下から急激に増加する方向へ変わる。

増倍率Ｍはバイアス電圧の変化によって変化する。図２（ｂ）に示すように、光信号ＯＮＵ４を受信したＸ４から受信回路の動作安定したＹ４までのオーバヘッド４０１において、増倍率Ｍは、一旦バイアス電圧の低下によって低下する。時間経過と共にインダクタＬのインピーダンスは小さくなり、オーバヘッド４０１内のＺ４から増倍率Ｍが低下から増加する方向へ変わる。すなわち、オーバヘッド４０１のＸ４からＺ４は増倍率Ｍが低下する状態となり、Ｚ４からＹ４は増倍率Ｍが増加する状態となる。
このように、第１経路１６の自己バイアス抵抗ＲとインダクタＬを並列に接続することにより、バイアス電圧を変化させる応答時間が短縮されるため、バイアス電圧の変化と共に増倍率Ｍの変化はオーバヘッド４０１内で収束することができる。

図２（ｃ）に示すように、オーバヘッド４０１のＸ４からＺ４において、光信号ＯＮＵ４に対応してＡＰＤ電流Ｉａｐｄが増加するが、増倍率Ｍの低下に伴って急激に増加せず、徐々に増加する特性を示す。時間経過と共にインダクタＬのインピーダンスが小さくなるのに伴って、オーバヘッド４０１のＺ４からＹ４においてＡＰＤ電流Ｉａｐｄは急激に増加する特性を示す。ＡＰＤ電流Ｉａｐｄの変化はオーバヘッド４０１内に収束する特性を示す。

電流電圧変換増幅器３の利得ＧａｉｎはＡＰＤ電流Ｉａｐｄの値に基づいて調整される。図２（ｄ）に示すように、オーバヘッド４０１内において、利得ＧａｉｎはＡＰＤ電流Ｉａｐｄの増加に従って、徐々に低下する特性を示す。

電流電圧変換増幅器３による出力電圧信号Ｖｏｕｔは、図２（ｅ）に示すように、光信号ＯＮＵ４を受信した時点Ｘ４から徐々に増加する。出力電圧信号Ｖｏｕｔの変化はオーバヘッド４０１内に収束する特性を示す。
なお、オーバヘッド４０１終了後のデータ４０２において、増倍率Ｍ、ＡＰＤ電流Ｉａｐｄ、利得Ｇａｉｎおよび出力電圧信号Ｖｏｕｔはそれぞれ安定した値となる。

次に、受光素子１が光信号ＯＮＵ４を受信した後、光信号ＯＮＵ４の光強度がより弱いが、光強度閾値Ｐｍａｘを超過する光強度を有する光信号ＯＮＵ５を受信する。
光信号ＯＮＵ５を受信した際に、光信号ＯＮＵ５の光強度に対応するＡＰＤ電流Ｉａｐｄに比例する第１モニタ電流Ｉｍｏｎ１、および第２モニタ電流Ｉｍｏｎ２を検知して電圧に変換する。第１モニタ電流Ｉｍｏｎ１、第２モニタ電流Ｉｍｏｎ２から変換された２つの電圧間の電位差は光強度閾値Ｐｍａｘに対応する電圧閾値Ｖｍａｘを超過することになる。

電流検知回路８は第１トランジスタ６がＯＮ状態のままに制御し、バイアス電圧昇圧回路２は第１経路１６に接続されたままとなるため、受光素子１に印加されたバイアス電圧は変化しない。
図２（ｂ）に示すように、光信号ＯＮＵ５を受信したオーバヘッド５０１において、増倍率Ｍは、バイアス電圧とともに変化しない。

ＡＰＤ電流Ｉａｐｄは、図２（ｃ）に示すように、光信号ＯＮＵ５を受信した時点Ｘ５から光信号ＯＮＵ５の光強度に対応して徐々に低下する。
光強度閾値Ｐｍａｘを超過する光強度を有する光信号ＯＮＵ４と光信号ＯＮＵ５を受光し続けるため、図２（ｄ）に示すように、前段の光信号ＯＮＵ４の受光時に電流電圧変換増幅器３の利得Ｇａｉｎはすでに小さくなっているため、低い値で維持される特性を示す。したがって、ＡＰＤ電流Ｉａｐｄが急激に増加せず、ＡＰＤ電流Ｉａｐｄの変化もオーバヘッド５０１内に収束することが可能である。

また、図２（ｅ）に示すように、ＡＰＤ電流Ｉａｐｄの変化とともに、電流電圧変換増幅器３による出力電圧信号Ｖｏｕｔは、光信号ＯＮＵ５を受信した時点Ｘ５から徐々に低下する。出力電圧信号Ｖｏｕｔの変化もオーバヘッド５０１内に収束する特性を示す。
なお、オーバヘッド５０１終了後のデータ５０２において、増倍率Ｍ、ＡＰＤ電流Ｉａｐｄ、利得Ｇａｉｎおよび出力電圧信号Ｖｏｕｔはそれぞれ安定した値となる。

実施の形態１に係る光受信器によれば、予め設定された光強度閾値に基づいて経路を切り替えることにより受光素子に印加するバイアス電圧を制御する。光強度閾値を超過する光強度を持つ光信号を受信した際に、バイアス電圧の応答時間を短くするように制御し、バイアス電圧に依存する受光素子の増倍率の変化時間を短縮させることにより、ＡＰＤモジュールの受信感度の安定性を高めることができる。
また、バイアス電圧制御部は光信号の光強度に応じて、スイッチ素子による第１経路と第２経路との切り替えを高速に行うことが可能であるため、急激に光強度が大幅に異なる光信号を続けて受信する際にも、バイアス電圧に依存する増倍率の変化をオーバヘッド内に収束させることが確保できるため、ＡＰＤモジュールの受信感度の安定性を高めることができる。

実施の形態２．
実施の形態２では、本開示の実施の形態１と同一の構成要素には同一の符号を使用し、同一または対応する部分についての説明は省略する。以下、図面を参照して、実施の形態２に係る光受信器２００について説明する。

図４は実施の形態２に係る光受信器２００の構成図である。図４に示すように、バースト信号受信回路で構成された光受信器２００は、受信した光信号の光強度に対応した電流を生成する受光素子１と、受光素子１にバイアス電圧を供給するバイアス電圧昇圧回路２と、受光素子１で生成された電流を電圧に変換する電流電圧変換増幅器３と、バイアス電圧昇圧回路２と受光素子１とを接続し、自己バイアス抵抗ＲおよびインダクタＬを並列に接続した第１経路１６と、第１経路１６に対して並列に接続され、第１経路１６に比べてインピーダンスが極めて小さい第２経路１７と、光信号の光強度に応じて、第１経路１６または第２経路１７を切り替えることにより、バイアス電圧を制御するバイアス電圧制御部２１と、を有する。

また、第１経路１６の開閉スイッチである第１トランジスタ６と、第２経路１７の開閉スイッチである第２トランジスタ７とを有する。スイッチ素子である第１トランジスタ６と第２トランジスタ７との開閉を制御することにより、第１経路１６と第２経路１７との切り替えを行うため、高速での切り替えが可能である。

光信号の光強度は、局側光回線終端装置（ＯＬＴ）と加入者側光回線終端装置（ＯＮＵ）との間の距離により決定される。ＯＬＴとＯＮＵとの間の距離が短いほど、ＯＮＵから送信された光信号の光強度が強くなる。
実施の形態２に係る光受信器２００において、バイアス電圧制御部２１は、ＯＮＵ毎からＯＬＴへ送信される光信号の光強度に関する情報が記憶されたメモリ９と、決定されたＯＮＵからＯＬＴへの上り信号の送信タイミングに基づき、ＯＬＴの受信時間より前に、メモリ９に記憶された当該ＯＮＵの光強度に関する情報と予め設定された光強度閾値Ｐｍａｘとを比較することにより、第１経路１６と第２経路１７を切り替えるスイッチング制御部１０とを有する。
なお、実施の形態２に係る光受信器２００においても、自己バイアス抵抗ＲおよびインダクタＬを並列に接続した第１経路１６に対して、第２経路１７は抵抗が挿入されていない経路となる。

実施の形態２に係る光受信器２００のバイアス電圧制御部２１以外の構成要素は実施の形態１の光受信器１００と同様である。
バイアス電圧制御部２１のスイッチング制御部１０は、送信される光信号の光強度Ｐｉｎと予め設定された光強度閾値Ｐｍａｘとを比較することにより、受光素子１に印加するバイアス電圧の経路を切り替える。光信号の光強度Ｐｉｎが光強度閾値Ｐｍａｘを超過する場合は第１経路１６に接続し、光信号の光強度Ｐｉｎが光強度閾値Ｐｍａｘ以下の場合は第２経路１７に接続することにより、バイアス電圧を制御する。
すなわち、実施の形態１では、光信号の光強度閾値に対応する電圧閾値に基づいて、光強度の強弱を判定する。これに対して、実施の形態２では、ＯＮＵ毎の光信号の光強度を記憶し、光強度閾値と比較することにより受信する予定の光強度の強弱を判定する。

また、実施の形態２に係る光受信器２００では、決定されたＯＮＵからＯＬＴへの上り信号の送信タイミングも予め決定されてメモリ９に記憶する。スイッチング制御部１０は、ＯＮＵ毎からＯＬＴへの所定の送信タイミングに基づき、ＯＬＴの受信時間より前に、メモリ９に記憶された当該ＯＮＵの光強度に関する情報と光強度閾値Ｐｍａｘとを比較した結果により、スイッチング制御部１０は第１経路１６と第２経路１７とを切り替えるように制御する。

実施の形態２に係る光受信器２００のバースト信号受信回路では、バイアス電圧制御部２１は、受信する光信号の光強度の変化に応じて、ＯＬＴの受信時間より前に、光強度Ｐｉｎが予め設定された光強度閾値Ｐｍａｘを超過する場合は第１経路１６に接続し、光強度Ｐｉｎが光強度閾値Ｐｍａｘ以下の場合は第２経路１７に接続するように、第１経路１６と第２経路１７とを切り替えることにより、バイアス電圧を制御する。
このため、例えば、図２（ａ）に示す光信号ＯＮＵ１、光信号ＯＮＵ２、光信号ＯＮＵ３、光信号ＯＮＵ４および光信号ＯＮＵ５を順に受信する際に、増倍率Ｍ、ＡＰＤ電流Ｉａｐｄ、電流電圧変換増幅器３のＴＩＡ利得Ｇａｉｎおよび出力電圧信号Ｖｏｕｔの変化はそれぞれ図２（ｂ）、図２（ｃ）、図２（ｄ）および図２（ｅ）に示す応答イメージと同様になる。つまり、実施の形態２に係る光受信器２００のバースト信号受信回路によって、図２と図３に示すように、各々の光信号に対するバイアス電圧の過度応答時間を短縮させ、増倍率Ｍ、ＡＰＤ電流Ｉａｐｄおよび出力電圧信号Ｖｏｕｔの変化は各々のオーバヘッド内に収束でき、オーバヘッド終了後のデータにおいてはそれぞれ安定した値となる特性となる。

実施の形態２に係る光受信器２００のバースト信号受信回路では、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。実施の形態１に係る光受信器のバースト信号受信回路におけるタイミングチャートと同様であるため、説明を省略する。

実施の形態２に係る光受信器によれば、予め設定された光強度閾値に基づいて経路を切り替えることにより受光素子に印加するバイアス電圧を制御する。光強度閾値を超過する光強度を持つ光信号を受信した際に、バイアス電圧の応答時間を短くするように制御し、バイアス電圧に依存する受光素子の増倍率の変化時間を短縮させることにより、ＡＰＤモジュールの受信感度の安定性を高めることができる。
また、バイアス電圧制御部は光信号の光強度に応じて、ＯＮＵからＯＬＴへの上り信号の送信タイミングに基づき、ＯＬＴの受信時間より前に、第１経路または第２経路を切り替えることにより、光強度が大幅に異なる光信号を続けて受信する際にも、バイアス電圧に依存する増倍率の変化をオーバヘッド内に収束させることが確保できるため、ＡＰＤモジュールの受信感度の安定性を高めることができる。

なお、以上の実施の形態に示した構成は、本開示の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本開示の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１受光素子、２バイアス電圧昇圧回路、３電流電圧変換増幅器、４第１カレントミラー回路、５第２カレントミラー回路、６第１トランジスタ、７第２トランジスタ、８電流検知回路、９メモリ、１０スイッチング制御部、１１、２１バイアス電圧制御部、１６第１経路、１７第２経路、１００、２００光受信器

Claims

受信した光信号の光強度に対応した電流を生成する受光素子と、
前記受光素子にバイアス電圧を供給するバイアス電圧昇圧回路と、
前記受光素子で生成された電流を電圧に変換する電流電圧変換増幅器と、
前記バイアス電圧昇圧回路と前記受光素子とを接続し、自己バイアス抵抗RおよびインダクタLを並列に接続した第１経路と、
前記第１経路に対して並列に接続され、前記第１経路に比べてインピーダンスが小さい第２経路と、
前記光強度が予め設定された光強度閾値を超過する場合は前記第１経路に切り替え、前記光強度が前記光強度閾値以下の場合は前記第２経路に切り替えることにより、前記バイアス電圧を制御するバイアス電圧制御部と、
を備える光受信器。
前記第１経路に開閉スイッチである第１トランジスタが設けられ、
前記第２経路に開閉スイッチである第２トランジスタが設けられ、
前記バイアス電圧制御部は、前記第１トランジスタと前記第２トランジスタとの開閉を制御することにより、前記第１経路と前記第２経路とを切り替えることを特徴とする請求項１に記載の光受信器。
前記バイアス電圧制御部は、
前記光強度閾値に対応して設けられた電圧閾値に基づいて、前記第１経路と前記第２経路とを切り替える電流検知回路を備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光受信器。
前記バイアス電圧制御部は、
前記光強度に応じて生成した電流に比例する第１モニタ電流を生成する第１カレントミラー回路と、
前記第１モニタ電流に比例する電流である第２モニタ電流を生成する第２カレントミラー回路と、をさらに備え、
前記電流検知回路は、前記第１モニタ電流および前記第２モニタ電流を検知してそれぞれ電圧に変換し、得られた２つの前記電圧の間の電位差と前記電圧閾値とを比較することにより、前記電位差が前記電圧閾値を超過する場合は、前記光強度が前記光強度閾値を超過することと判断して前記第１経路に切り替え、前記電位差が前記電圧閾値以下の場合は、前記光強度が前記光強度閾値以下であると判断して前記第２経路に切り替えることを特徴とする請求項３に記載の光受信器。
前記バイアス電圧制御部は、
加入者側光回線終端装置（ＯＮＵ）毎から局側光回線終端装置（ＯＬＴ）へ送信される光信号の光強度を記憶するメモリと、
前記光強度と前記光強度閾値とを比較することにより前記第１経路と前記第２経路とを切り替えるスイッチング制御部と、
を備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光受信器。
前記スイッチング制御部は、
前記加入者側光回線終端装置（ＯＮＵ）毎から前記局側光回線終端装置（ＯＬＴ）への所定の送信タイミングに基づき、前記局側光回線終端装置（ＯＬＴ）の受信時間より前に、前記メモリに記憶された前記光強度と前記光強度閾値とを比較することにより前記第１経路と前記第２経路とを切り替えることを特徴とする請求項５に記載の光受信器。