JPH06164501A - Bais system for avalanche photodiode - Google Patents
Bais system for avalanche photodiodeInfo
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- JPH06164501A JPH06164501A JP4336575A JP33657592A JPH06164501A JP H06164501 A JPH06164501 A JP H06164501A JP 4336575 A JP4336575 A JP 4336575A JP 33657592 A JP33657592 A JP 33657592A JP H06164501 A JPH06164501 A JP H06164501A
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、屋外使用される光空間
通信のように、本来の信号に用いる情報を含む光以外の
背景光の多いシステムにおける光受信器に使用されるア
バランシェ・フォトダイオードのバイアス方式に関する
ものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an avalanche photodiode used in an optical receiver in a system having a lot of background light other than light containing information used for an original signal, such as optical space communication used outdoors. The bias method of.
【０００２】[0002]
【従来の技術】光通信における受信器に使用されるアバ
ランシェ・フォトダイオード（以下ＡＰＤと略す）は、
光起電流に対する増倍作用があり、その増倍率Ｍはバイ
アス電圧VBの関数として次式で表され、１〜数１００の
範囲で変化する。 Ｍ＝１／｛１−（VB／Vbr ）N ｝ …(1)2. Description of the Related Art An avalanche photodiode (hereinafter abbreviated as APD) used for a receiver in optical communication is
There is a multiplication effect on the photovoltaic current, and its multiplication factor M is represented by the following equation as a function of the bias voltage VB, and varies in the range of 1 to several hundreds. M = 1 / {1- (VB / Vbr) N } (1)
【０００３】ここで、Vbr はブレークダウン電圧、Ｎは
実験的に定まる定数で通常１以下である。Here, Vbr is a breakdown voltage, and N is an experimentally determined constant, which is usually 1 or less.
【０００４】図４はＡＰＤのバイアス電圧VBと増倍率Ｍ
の関係を各温度について示したグラフ図であり、ブレー
クダウン電圧Vbr は点線で示されている。また、ＡＰＤ
に受信される光信号のパワーPOに対して、出力される電
気信号のＳ／Ｎ比を最大にする最適増倍率MBが存在し、
次式で表される。 MB＝ [４ｋ・Ｆ・Ｔ／ {ｘ・ｑ・RO（IP＋ID＋IB)}] 1/(x+2) …(2) FIG. 4 shows the bias voltage VB of the APD and the multiplication factor M.
FIG. 3 is a graph showing the relationship of V for each temperature, and the breakdown voltage Vbr is indicated by a dotted line. Also, APD
There is an optimum multiplication factor MB that maximizes the S / N ratio of the electrical signal output with respect to the power PO of the optical signal received by
It is expressed by the following equation. MB = [4k ・ F ・ T / {x ・ q ・ RO (IP ＋ ID ＋ IB)}] 1 / (x + 2) … (2)
【０００５】ここで、ｋはボルツマンの定数（１．３８
×１０-23 Ｊ／〓Ｋ）、Ｆは増幅器の雑音指数（通常２
〜３程度）、Ｔは絶対温度、ｘはＡＰＤの過剰雑音系数
（０．２〜０．３程度）、ｑは電子の電荷（１．６０×
１０-19 Ｃ）、ROはＡＰＤの負荷抵抗、IPは信号光によ
る光電流、IDはＡＰＤの暗電流、IBは信号光以外の背景
光等による光電流を表している。Where k is Boltzmann's constant (1.38
× 10 -23 J / 〓K, F is the noise figure of the amplifier (usually 2
~ About 3), T is the absolute temperature, x is the excess noise coefficient of the APD (about 0.2 to 0.3), and q is the electric charge of the electron (1.60 ×).
10 -19 C), RO is the load resistance of the APD, IP is the photocurrent due to the signal light, ID is the dark current of the APD, and IB is the photocurrent due to background light other than the signal light.
【０００６】図５、図６はそれぞれ従来のＡＰＤを用い
た光受信器のブロック回路構成図である。図５でＡＰＤ
１の入力にはバイアス電源２が接続されており、ＡＰＤ
１の出力は接地された抵抗３及び結合コンデンサ４に接
続されている。結合コンデンサ４の出力は前置増幅器５
を介してＡＧＣ増幅器６に接続され、ＡＧＣ(Auto Gain
Control) 増幅器６の出力はそのまま光受信器の出力と
なる他に検波器７に接続されている。検波器７の出力は
ＡＧＣ増幅器６及びバイアス制御部８に接続され、バイ
アス制御部８の出力はバイアス電源２に接続されてい
る。FIGS. 5 and 6 are block circuit configuration diagrams of an optical receiver using a conventional APD. APD in Figure 5
Bias power supply 2 is connected to the input of 1, and APD
The output of 1 is connected to a resistor 3 and a coupling capacitor 4 which are grounded. The output of the coupling capacitor 4 is the preamplifier 5
Connected to the AGC amplifier 6 via the AGC (Auto Gain
Control) The output of the amplifier 6 becomes the output of the optical receiver as it is and is also connected to the detector 7. The output of the detector 7 is connected to the AGC amplifier 6 and the bias controller 8, and the output of the bias controller 8 is connected to the bias power supply 2.
【０００７】ＡＰＤ１で受信された光信号はＡＰＤ１で
光電流に変換され、更にＡＰＤ１の負荷抵抗である抵抗
３で電圧に変換される。電圧に変換された信号はこの電
圧の交流信号成分を結合コンデンサ４で取り出され、前
置増幅器５に入力される。前置増幅器５で増幅された信
号はＡＧＣ増幅器６で自動的に利得制御され、ＡＰＤを
用いた光受信器の出力信号となる。また、出力信号はそ
の振幅等を検波器７で検出された後に、ＡＧＣ増幅器６
にフィードバックされ光受信器の出力信号を安定化させ
る他に、バイアス制御部８を介してバイアス電源２にも
フィードバックされ、増倍率Ｍを変化させて光受信器の
出力信号の振幅等を安定化させる。更に、増倍率Ｍが入
力光信号レベルに対して最適値近くになるようにしてい
る。An optical signal received by the APD1 is converted into a photocurrent by the APD1, and further converted into a voltage by a resistor 3 which is a load resistance of the APD1. The AC signal component of this voltage converted into a voltage is taken out by the coupling capacitor 4 and input to the preamplifier 5. The signal amplified by the preamplifier 5 is automatically gain controlled by the AGC amplifier 6 and becomes an output signal of the optical receiver using the APD. In addition, the output signal is detected by the detector 7 for its amplitude and the like, and then the AGC amplifier 6
In addition to stabilizing the output signal of the optical receiver by being fed back to the bias power source 2, it is also fed back to the bias power source 2 via the bias control unit 8 to change the multiplication factor M and stabilize the amplitude of the output signal of the optical receiver. Let Further, the multiplication factor M is set to be close to the optimum value with respect to the input optical signal level.
【０００８】図６でＡＰＤ１の入力にはバイアス電源２
が接続されており、ＡＰＤ１の出力は結合コンデンサ４
及び抵抗３を介してバイアス制御部８に接続されてい
る。結合コンデンサ４の出力は前置増幅器５を介してＡ
ＧＣ増幅器６に接続され、ＡＧＣ増幅器６の出力はその
まま光受信器の出力となる他に検波器７に接続されてい
る。検波器７の出力はＡＧＣ増幅器６及びバイアス制御
部８に接続され、バイアス制御部８の出力はバイアス電
源２に接続されている。抵抗３の出力はバイアス制御部
８に接続されている他に、抵抗９を介して接地されても
いる。In FIG. 6, the bias power source 2 is connected to the input of the APD 1.
Is connected, and the output of APD1 is the coupling capacitor 4
And the bias control unit 8 via the resistor 3. The output of the coupling capacitor 4 is passed through the preamplifier 5 to A
The output of the AGC amplifier 6 is directly connected to the GC amplifier 6, and the output of the AGC amplifier 6 is directly connected to the detector 7. The output of the detector 7 is connected to the AGC amplifier 6 and the bias controller 8, and the output of the bias controller 8 is connected to the bias power supply 2. The output of the resistor 3 is connected to the bias controller 8 and is also grounded via the resistor 9.
【０００９】図６に示した従来例は、バイアス制御部８
が検波器７で検出された光受信器の出力信号のみなら
ず、ＡＰＤ１に流れる光電流も検出してバイアス電源２
を制御する点が図５に示した従来例と異なっている。In the conventional example shown in FIG. 6, the bias controller 8 is used.
Not only the output signal of the optical receiver detected by the detector 7 but also the photocurrent flowing through the APD 1 and detected by the bias power supply 2
Is different from the conventional example shown in FIG.
【００１０】このように従来のＡＰＤを用いた光受信器
では、ＡＰＤ１に印加するバイアス電圧VBによる増倍率
Ｍの変化を利用して、入射した光強度に対して利得制御
を行い、出力信号を安定化させたり、また増倍率Ｍが最
適増倍率MBの近傍になるようにバイアス電圧VBの制御を
行ったりする方式が一般的である。As described above, in the conventional optical receiver using the APD, the gain control is performed on the incident light intensity by utilizing the change of the multiplication factor M by the bias voltage VB applied to the APD 1, and the output signal is output. A general method is to stabilize or control the bias voltage VB so that the multiplication factor M is close to the optimum multiplication factor MB.
【００１１】[0011]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら上述の従
来例の方式は、光ファイバを用いたような背景光を無視
できるシステムでは有効であるが、開放された自由空間
を伝搬する光ビームを通信路とするような光空間システ
ムにおいては、背景光も同時にＡＰＤに入射し、その背
景光の強度が無視できる程度ではないために問題が生ず
る。このＡＰＤに入射する背景光の強度は、気象条件や
時間等の設置環境や受信光学系の構成で異なるが、信号
光の波長近傍の波長のみを通過する干渉フィルタ等の狭
帯域フィルタを用いて、極力背景光を除去した場合でも
晴天時の日中の南向きの場合に、概ね−３０ｄＢｍ程度
のレベルになる。However, the above-mentioned conventional method is effective in a system in which the background light can be ignored, such as an optical fiber, but a light beam propagating in an open free space is used as a communication path. In such an optical space system, the background light also enters the APD at the same time, and the intensity of the background light is not negligible, which causes a problem. The intensity of the background light incident on the APD varies depending on the weather environment, the installation environment such as time, and the configuration of the receiving optical system. However, a narrow band filter such as an interference filter that passes only the wavelength near the wavelength of the signal light is used. Even when the background light is removed as much as possible, the level becomes approximately -30 dBm in the southward direction during fine weather.
【００１２】図７はＡＰＤに入射する信号光レベルと検
出信号のＳ／Ｎ比を最大にする最適増倍率MBの関係を、
各背景光レベルについて示したグラフ図である。この図
７から最適増倍率MBを得るためには、背景光のレベルを
考慮した方式でなくてはならないことが分かる。FIG. 7 shows the relationship between the signal light level incident on the APD and the optimum multiplication factor MB that maximizes the S / N ratio of the detection signal.
It is the graph figure which showed about each background light level. It can be seen from FIG. 7 that a method considering the level of background light must be used in order to obtain the optimum multiplication factor MB.
【００１３】ここで、従来例の方式について考察する
と、先ず図５に示した方式では背景光を完全に無視し
て、信号光の強度の情報だけで制御されているため、こ
こで述べているような光空間通信に対しては適切な方式
とは云えない。Considering the conventional method, the background light is completely ignored in the method shown in FIG. 5 and the control is performed only by the information on the intensity of the signal light, and therefore the method is described here. It cannot be said that it is an appropriate method for such optical space communication.
【００１４】また図６に示した方式では、検出されるの
は式(2) における（IP＋ID＋IB）に増倍率Ｍを乗じて表
されるＡＰＤ１に流れる光電流である。ここで、光空間
通信では気象条件等で光電流IP、IBが大きく変化し、ま
たバイアス電圧VBに対する増倍率Ｍの値もＡＰＤによっ
てばらつきが大きい。そのため、検出されるＭ(IP ＋ID
＋IB）の値から、増倍率Ｍと（IP＋ID＋IB）の成分を分
離することが難しく、式(2) に示したように（IP＋ID＋
IB）より求められる最適増倍率MBを基に、Ｍ（IP＋ID＋
IB）を制御することが困難である。Further, in the system shown in FIG. 6, what is detected is the photocurrent flowing through the APD 1 represented by multiplying (IP + ID + IB) in the equation (2) by the multiplication factor M. Here, in the optical space communication, the photocurrents IP and IB greatly change due to weather conditions and the value of the multiplication factor M with respect to the bias voltage VB also varies greatly depending on the APD. Therefore, the detected M (IP + ID
It is difficult to separate the multiplication factor M and the components of (IP + ID + IB) from the value of (+ IB), and as shown in equation (2), (IP + ID + IB)
Based on the optimum multiplication factor MB obtained from IB), M (IP + ID +
IB) is difficult to control.
【００１５】これを実現可能とするためには複雑な信号
処理回路を必要とし、その回路構成も大規模なものとな
る。また背景光レベルにより、信号光レベルに対する最
適増倍率MBが異なるために、暗電流IDは小さいので無視
するとしても、光電流IP、IBを分離する必要もある。こ
れを実現するためには、図６の点線で示したように、出
力信号の情報もバイアス制御部８に送り、処理を行わな
くてはならず、更に処理の過程と回路構成が複雑化する
ことになる。In order to realize this, a complicated signal processing circuit is required, and its circuit configuration becomes large in scale. Further, since the optimum multiplication factor MB with respect to the signal light level differs depending on the background light level, the dark current ID is small, so even if it is ignored, it is necessary to separate the photocurrents IP and IB. In order to realize this, as shown by the dotted line in FIG. 6, the information of the output signal must also be sent to the bias controller 8 for processing, which further complicates the processing process and circuit configuration. It will be.
【００１６】以上は光空間通信の場合の従来例の問題点
についての説明であるが、一般的に図５、図６のような
従来例では、増倍率Ｍを最適増倍率MBに制御する機構
や、出力を安定化する機構の他に、バイアス電力VBがブ
レークダウン電圧Vbr を越えると暗電流IDが急激に増加
してＳ／Ｎ比が劣化し、場合によってはＡＰＤが破壊さ
れるため、バイアス電圧VBがブレークダウン電圧Vbr を
越えないように制御する機構や、ＡＰＤの周波数特性が
劣化しない程度にバイアス電圧VBの下限値を制御する機
構等が必要である。このようなことから信号処理回路に
よる制御では、処理回路の規模が大きくなり、コスト高
を招くという問題点が存在する。The above is a description of the problems of the conventional example in the case of the optical space communication. Generally, in the conventional example as shown in FIGS. 5 and 6, a mechanism for controlling the multiplication factor M to the optimum multiplication factor MB. In addition to the mechanism for stabilizing the output, when the bias power VB exceeds the breakdown voltage Vbr, the dark current ID rapidly increases, the S / N ratio deteriorates, and in some cases, the APD is destroyed. A mechanism for controlling the bias voltage VB so as not to exceed the breakdown voltage Vbr, a mechanism for controlling the lower limit value of the bias voltage VB so that the frequency characteristic of the APD is not deteriorated, and the like are required. For this reason, the control by the signal processing circuit has a problem that the processing circuit becomes large in scale and the cost is increased.
【００１７】本発明の目的は、信号処理回路を使用せ
ず、構成が簡単で光空間通信のような背景光の大きな受
信状態であっても、常に最適な増倍率が得られるアバラ
ンシェ・フォトダイオードのバイアス方式を提供するこ
とにある。An object of the present invention is to use an avalanche photodiode which does not use a signal processing circuit and has a simple structure and can always obtain an optimum multiplication factor even in a receiving state of large background light such as optical space communication. It is to provide the bias method of.
【００１８】[0018]
【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
めの本発明に係るアバランシェ・フォトダイオードのバ
イアス方式は、バイアス電源に、少なくとも１個のダイ
オードと、アバランシェ・フォトダイオードの光起電流
による電圧降下を発生するための第１の抵抗と、前記ア
バランシェ・フォトダイオードのアノードとを直列に接
続し、前記アバランシェ・フォトダイオードのアノード
は第１のコンデンサを介して基準電位にも接続し、前記
アバランシェ・フォトダイオードのカソードは、前記ア
バランシェ・フォトダイオードの光起電流を電圧に変換
するための他端を基準電位に接続した第２の抵抗と、直
接又は第２のコンデンサを介して増幅器とを接続したこ
とを特徴とする。In order to achieve the above-mentioned object, the avalanche photodiode bias system according to the present invention uses at least one diode and a photovoltaic current of the avalanche photodiode as a bias power source. A first resistor for generating a voltage drop and an anode of the avalanche photodiode are connected in series, and the anode of the avalanche photodiode is also connected to a reference potential via a first capacitor, The cathode of the avalanche photodiode has a second resistor having the other end connected to a reference potential for converting the photocurrent of the avalanche photodiode into a voltage, and an amplifier directly or via a second capacitor. It is characterized by being connected.
【００１９】[0019]
【作用】上述の構成を有するアバランシェ・フォトダイ
オードのバイアス方式は、ダイオードと抵抗をバイアス
電源の出力に直列に接続し、ダイオードの順方向電圧降
下と抵抗の電圧降下によりアバランシェ・フォトダイオ
ードのバイアス電圧を制御する。According to the avalanche photodiode bias system having the above-mentioned configuration, the diode and the resistor are connected in series to the output of the bias power supply, and the forward voltage drop of the diode and the voltage drop of the resistor cause the bias voltage of the avalanche photodiode to be To control.
【００２０】[0020]
【実施例】本発明を図１〜図４に図示の実施例に基づい
て詳細に説明する。図１は本発明のＡＰＤのバイアス方
式を光受信器に使用した際の実施例のブロック回路構成
図である。ＡＰＤ１１の出力は接地された抵抗１２及び
結合コンデンサ１３に接続されている。結合コンデンサ
１３の出力は前置増幅器１４を介してＡＧＣ増幅器１５
に接続され、ＡＧＣ増幅器１５の出力の一部はそのまま
光受信器の出力となる他に、検波器１６に接続されてい
る。検波器１６の出力はＡＧＣ増幅器１５に接続されて
いる。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will be described in detail with reference to the embodiments shown in FIGS. FIG. 1 is a block circuit configuration diagram of an embodiment when the bias method of the APD of the present invention is used in an optical receiver. The output of the APD 11 is connected to the grounded resistor 12 and the coupling capacitor 13. The output of the coupling capacitor 13 is transmitted through the preamplifier 14 to the AGC amplifier 15
, And a part of the output of the AGC amplifier 15 becomes the output of the optical receiver as it is, and is also connected to the detector 16. The output of the detector 16 is connected to the AGC amplifier 15.
【００２１】また、ＡＰＤ１１の図示しないパッケージ
又はパッケージ近傍には、接地されたツェナダイオード
１７が設けられており、ツェナダイオード１７の出力は
差動増幅器１８に接続されている。この差動増幅器１８
の入力には接地された基準電圧源１９も接続されてい
る。差動増幅器１８の出力は抵抗２０を介して加算器２
１に接続されており、加算器２１の出力はバイアス電源
２２に接続されている。加算器２１の入力端には抵抗２
３を介して接地されたバイアス電源用基準電圧源２４も
接続されている。バイアス電源２２の出力はダイオード
２５、抵抗２６を介してＡＰＤ１１に接続されている。
また、ＡＰＤ１１の入力には接地されたバイパスコンデ
ンサ２７も接続されている。A grounded Zener diode 17 is provided in the APD 11 in the package (not shown) or in the vicinity of the package, and the output of the Zener diode 17 is connected to a differential amplifier 18. This differential amplifier 18
A grounded reference voltage source 19 is also connected to the input of. The output of the differential amplifier 18 is added via the resistor 20 to the adder 2
1 and the output of the adder 21 is connected to the bias power supply 22. A resistor 2 is provided at the input end of the adder 21.
A bias voltage reference voltage source 24, which is grounded via 3, is also connected. The output of the bias power supply 22 is connected to the APD 11 via the diode 25 and the resistor 26.
A grounded bypass capacitor 27 is also connected to the input of the APD 11.
【００２２】ＡＰＤ１１で受信された光信号はＡＰＤ１
１で光電流に変換され、更にＡＰＤ１１の負荷抵抗であ
る抵抗１２で電圧に変換される。電圧に変換された信号
はこの電圧の交流信号成分を結合コンデンサ１３で取り
出され、前置増幅器１４に入力される。前置増幅器１４
で増幅された信号はＡＧＣ増幅器１５で自動的に利得制
御され、光受信器の出力信号となる。また、出力信号は
その振幅等を検波器１６で検出され、ＡＧＣ増幅器１５
にフィードバックされ、光受信器の出力信号を安定化さ
せる。The optical signal received by the APD 11 is the APD 1
It is converted into a photocurrent by 1, and further converted into a voltage by a resistor 12 which is a load resistor of the APD 11. The signal converted into the voltage has the AC signal component of this voltage extracted by the coupling capacitor 13 and input to the preamplifier 14. Preamplifier 14
The signal amplified in step 1 is automatically gain controlled by the AGC amplifier 15 and becomes the output signal of the optical receiver. The amplitude of the output signal is detected by the detector 16 and the AGC amplifier 15
Is fed back to stabilize the output signal of the optical receiver.
【００２３】ツェナダイオード１７ではＡＰＤ１１の温
度検出を行い、その端子電圧と基準電圧源１９との電位
差を差動増幅器１８で増幅し、更にバイアス電源用基準
電圧源２４の電位と加算器２１で加算して、バイアス電
源２２の入力端子に印加する。これにより、ＡＰＤ１１
の温度に応じてＡＰＤ１１のブレークダウン電圧Vbrに
ほぼ等しい電圧がバイアス電源２２より出力される。バ
イアス電源２２より出力された電圧は、ＡＰＤ１１を流
れる光電流に応じて変化するダイオード２５の順方向電
圧降下及び抵抗２６の電圧降下により制御され、ＡＰＤ
１１のバイアス電圧VBとなる。バイパスコンデンサ２７
はＡＰＤ１１を流れる電流の交流信号成分を通すための
ものである。The Zener diode 17 detects the temperature of the APD 11, the potential difference between its terminal voltage and the reference voltage source 19 is amplified by the differential amplifier 18, and the potential of the bias power source reference voltage source 24 is added by the adder 21. Then, it is applied to the input terminal of the bias power supply 22. As a result, APD11
A voltage substantially equal to the breakdown voltage Vbr of the APD 11 is output from the bias power supply 22 according to the temperature of the. The voltage output from the bias power supply 22 is controlled by the forward voltage drop of the diode 25 and the voltage drop of the resistor 26, which change according to the photocurrent flowing through the APD 11.
The bias voltage VB becomes 11. Bypass capacitor 27
Is for passing the AC signal component of the current flowing through the APD 11.
【００２４】ＡＰＤ１１に流れる電流をIA、バイアス電
源２２の出力をVO、抵抗２６、１２の抵抗値をそれぞれ
R1、R2とすると、ＡＰＤ１１のバイアス電圧VBは次式で
表される。 VB＝VO−ｎ・VD−IA（R1＋R2） …(3) IA＝Ｍ（IP＋ID＋IB）The current flowing through the APD 11 is IA, the output of the bias power supply 22 is VO, and the resistance values of the resistors 26 and 12 are respectively.
Assuming R1 and R2, the bias voltage VB of the APD 11 is expressed by the following equation. VB = VO-n ・ VD-IA (R1 + R2) (3) IA = M (IP + ID + IB)
【００２５】ｎは接続されるダイオード２５の個数（実
施例ではｎ＝６）、VDはダイオード２５の順方向電圧降
下であり、次式で表される。 VD＝（ｋ・Ｔ／ｑ）・ln（Ｉ／IS＋１） …(4)N is the number of diodes 25 connected (n = 6 in the embodiment), VD is the forward voltage drop of the diode 25, and is represented by the following equation. VD = (kT / q) ln (I / IS + 1) (4)
【００２６】ここでISはダイオード２５の逆方向電流
で、一般のシリコンダイオードは概略−１０-11 Ａ程度
のものである。バイアス電源２２の出力VOはＡＰＤ１１
のブレークダウン電圧Vbr にほぼ等しく、かつそれを越
えないような値に設定されている。IS is a reverse current of the diode 25, and a general silicon diode has a current of about -10 -11 A. The output VO of the bias power supply 22 is APD11.
It is set to a value that is almost equal to the breakdown voltage Vbr of and does not exceed it.
【００２７】図２はブレークダウン電圧Vbr が２００Ｖ
のＡＰＤ１１の入力に、２００ｋΩの抵抗２６を接続し
た場合の信号光レベルと増倍率Ｍの関係を各背景光レベ
ルについて示したグラフ図である。この場合に、増倍率
Ｍの値は図２の点線で示す最適増倍率MBに対して信号光
レベルの大きい領域では小さくなる傾向があり、また信
号光レベルの小さい領域では背景光レベルが−４０ｄＢ
ｍ以下の小さい場合を除き、最適増倍率MB値よりも大き
くなる傾向を示している。即ち、信号光レベルが大きい
時は抵抗による電圧降下が過剰であり、逆に信号光レベ
ルが小さい時は抵抗による電圧降下が不足であると云え
る。FIG. 2 shows that the breakdown voltage Vbr is 200V.
FIG. 7 is a graph showing the relationship between the signal light level and the multiplication factor M for each background light level when a 200 kΩ resistor 26 is connected to the input of the APD 11. In this case, the value of the multiplication factor M tends to be smaller in the region where the signal light level is higher than the optimum multiplication factor MB shown by the dotted line in FIG. 2, and the background light level is −40 dB in the region where the signal light level is low.
Except when it is smaller than m, it tends to be larger than the optimum multiplication factor MB value. That is, it can be said that when the signal light level is high, the voltage drop due to the resistance is excessive, and conversely, when the signal light level is low, the voltage drop due to the resistance is insufficient.
【００２８】従って、これを補償するためには信号光レ
ベルが大きい時、即ちＡＰＤを流れる光電流IAが大きい
時に小さな抵抗値を示し、逆に信号光レベルが小さい
時、即ちＡＰＤを流れる光電流IAが小さい時には大きな
抵抗値を示す要素を付加すればよいことになる。これは
実施例のように抵抗２６とダイオード２５の組合わせに
よって実現することができる。ダイオード２５の電流Ｉ
に対する順方向電圧降下VDは式(4) に示す通りであり、
ダイオード２５の実効直流抵抗VD／Ｉは、 (4)より明
らかなように電流値Ｉが増加すると減少するので、ダイ
オード２５と抵抗２６を組合わせることにより、必要な
電流に対する電圧降下特性を得ることができる。Therefore, in order to compensate for this, when the signal light level is high, that is, when the photocurrent IA flowing through the APD is large, a small resistance value is exhibited, and conversely, when the signal light level is low, that is, the photocurrent flowing through the APD. When IA is small, it is only necessary to add an element showing a large resistance value. This can be realized by a combination of the resistor 26 and the diode 25 as in the embodiment. Current I of diode 25
The forward voltage drop VD for is as shown in equation (4),
The effective DC resistance VD / I of the diode 25 decreases as the current value I increases, as is clear from (4). Therefore, by combining the diode 25 and the resistor 26, the voltage drop characteristic for the required current can be obtained. You can
【００２９】ここで、ダイオード２５による電圧降下は
抵抗２６による電圧降下に比べて小さく、ＡＰＤ１１に
流れる最大電流を考えても高々ダイオード１個当たり
０．５Ｖ程度であり、余り効果がないように思われる
が、実際は入射光レベルが小さい領域ではブレークダウ
ン電圧Vbr に近い条件で使用するので、図４に示すバイ
アス電圧VBと増倍率Ｍの関係を表すグラフ図から分かる
通り、僅かのバイアス電圧VBの変化が増倍率Ｍに大きく
影響を与える。また、抵抗２６による電圧降下について
は、抵抗値をＡＰＤ１１のブレークダウン電圧Vbr ×１
０００Ω程度に選定すると、或る程度の制御効果が得ら
れる。Here, the voltage drop due to the diode 25 is smaller than the voltage drop due to the resistor 26, and considering the maximum current flowing through the APD 11, it is at most about 0.5 V per diode, and it seems that there is not much effect. However, in actuality, in a region where the incident light level is low, the voltage is used under the condition close to the breakdown voltage Vbr, so as can be seen from the graph showing the relationship between the bias voltage VB and the multiplication factor M shown in FIG. The change greatly affects the multiplication factor M. Further, regarding the voltage drop due to the resistor 26, the resistance value is set to the breakdown voltage Vbr × 1 of the APD 11.
If selected to about 000Ω, a certain degree of control effect can be obtained.
【００３０】使用するダイオード２５の個数の決定には
或る程度の試行が必要であるが、ダイオード２５の種類
と個数が決まれば、抵抗２６の値は式(1) 〜式(3) と使
用するＡＰＤ１１の特性により決定することができる。
ブレークダウン電圧２００ＶのＡＰＤ１１の例では、ダ
イオード２５に通常のシリコンダイオードを用いた場合
に、個数ｎは５〜１０個、抵抗２６の抵抗値は１００ｋ
〜２００ｋΩの間が適当である。図３は本発明のＡＰＤ
のバイアス方式を適用した場合の信号光レベルと増倍率
Ｍの関係を各背景光レベルについて示したグラフ図であ
り、図２のグラフ図と比較して点線で示した最適増倍率
MBに近い値で制御されていることが分かる。A certain amount of trial is required to determine the number of the diodes 25 to be used, but if the type and the number of the diodes 25 are determined, the value of the resistor 26 can be calculated by using the equations (1) to (3). It can be determined by the characteristics of the APD 11 to be processed.
In the example of the APD 11 having a breakdown voltage of 200 V, when a normal silicon diode is used as the diode 25, the number n is 5 to 10 and the resistance value of the resistor 26 is 100 k.
A value between ˜200 kΩ is suitable. FIG. 3 shows the APD of the present invention.
3 is a graph showing the relationship between the signal light level and the multiplication factor M for each background light level when the bias method of FIG. 2 is applied, and the optimum multiplication factor shown by the dotted line in comparison with the graph of FIG.
You can see that it is controlled with a value close to MB.
【００３１】以上の説明では、温度変化がなくＡＰＤ１
１のブレークダウン電圧Vbr が一定としたが、実際は図
４の点線で示されているように、ＡＰＤ１１のブレーク
ダウン電圧Vbr は温度特性を持つため、温度補償を行う
必要がある。この温度補償の回路は図１の点線部に示す
ようにＡＰＤ１１に近接して設けられ、ＡＰＤ１１と熱
的に結合しているツェナダイオード１７により温度検出
を行っている。これによりＡＰＤ１１の温度に拘らずＡ
ＰＤ１１のブレークダウン電圧Vbr にほぼ等しい電圧が
バイアス電源２２により出力される。また、この温度補
償の回路はＡＰＤ１１のバイアス電圧VBの制御と独立し
て動作しており、極めて簡単な回路構成で済む。In the above description, there is no temperature change and APD1
Although the breakdown voltage Vbr of No. 1 is constant, the breakdown voltage Vbr of the APD 11 actually has a temperature characteristic as shown by the dotted line in FIG. 4, and therefore it is necessary to perform temperature compensation. This temperature compensation circuit is provided close to the APD 11 as shown by the dotted line in FIG. 1, and the temperature is detected by the Zener diode 17 thermally coupled to the APD 11. As a result, regardless of the temperature of APD11, A
A voltage approximately equal to the breakdown voltage Vbr of the PD 11 is output by the bias power supply 22. Further, this temperature compensation circuit operates independently of the control of the bias voltage VB of the APD 11, so that an extremely simple circuit configuration is sufficient.
【００３２】本発明でのＡＰＤのバイアス方式はＳ／Ｎ
比を最適にするように制御されるため、出力信号の振幅
を安定化するためには、図１に示すようにＡＧＣ増幅器
１５を設ける必要がある。このＡＧＣ増幅器１５も本発
明のＡＰＤのバイアス方式と独立して動作するもので、
複雑な相互の信号のやりとりが不要であり、全体の構成
が簡単な上に動作も確実なものとなっている。The bias method of the APD in the present invention is S / N.
Since the ratio is controlled to be optimum, it is necessary to provide the AGC amplifier 15 as shown in FIG. 1 in order to stabilize the amplitude of the output signal. This AGC amplifier 15 also operates independently of the bias method of the APD of the present invention.
No complicated mutual exchange of signals is required, and the overall configuration is simple and the operation is reliable.
【００３３】上記の実施例の説明では、背景光レベルが
大きいという光空間通信特有の問題に対する効果につい
て説明したが、本発明は光空間通信に限らず光ファイバ
を用いた光通信用にも当然応用することができる。その
場合に、従来例に比べて回路構成の簡単さ、能動素子を
使わずにダイオードと抵抗の電圧降下による自動的なバ
イアス制御の動作の確実性等の点で有効性が高い。In the above description of the embodiments, the effect to the problem peculiar to the optical space communication that the background light level is high has been described, but the present invention is not limited to the optical space communication and is naturally applicable to the optical communication using the optical fiber. It can be applied. In that case, it is more effective than the conventional example in terms of simplicity of circuit configuration, reliability of automatic bias control operation by voltage drop of diode and resistor without using active element, and the like.
【００３４】[0034]
【発明の効果】以上説明したように本発明に係るアバラ
ンシェ・フォトダイオードのバイアス方式は、制御信号
によらず、アバランシェ・フォトダイオードに流れる光
電流に応じて変化するダイオードの順方向電圧降下及び
抵抗の電圧降下を用いて、アバランシェ・フォトダイオ
ードのバイアス電圧を制御することにより簡単な構成で
あるにも拘らず、光空間通信のような背景光の大きな光
受信状態であっても、常に最適の増倍率が得られる光受
信器を実現することができる。As described above, the bias system of the avalanche photodiode according to the present invention has a forward voltage drop and a resistance of the diode which changes according to the photocurrent flowing through the avalanche photodiode regardless of the control signal. Despite the simple configuration by controlling the bias voltage of the avalanche photodiode by using the voltage drop of, it is always optimal even in the light receiving state of large background light such as optical space communication. An optical receiver that can obtain a multiplication factor can be realized.
【図１】実施例のブロック回路構成図である。FIG. 1 is a block circuit configuration diagram of an embodiment.
【図２】信号光レベルと増倍率の関係のグラフ図であ
る。FIG. 2 is a graph showing a relationship between a signal light level and a multiplication factor.
【図３】信号光レベルと増倍率の関係のグラフ図であ
る。FIG. 3 is a graph showing the relationship between signal light level and multiplication factor.
【図４】バイアス電圧と増倍率のグラフ図である。FIG. 4 is a graph showing a bias voltage and a multiplication factor.
【図５】従来例のブロック回路構成図である。FIG. 5 is a block circuit configuration diagram of a conventional example.
【図６】従来例のブロック回路構成図である。FIG. 6 is a block circuit configuration diagram of a conventional example.
【図７】信号光レベルと最適増倍率の関係のグラフ図で
ある。FIG. 7 is a graph showing the relationship between the signal light level and the optimum multiplication factor.
１１ アバランシェ・フォトダイオード １２、２０、２３、２６ 抵抗 １３ 結合コンデンサ １４ 前置増幅器 １５ ＡＧＣ増幅器 １６ 検波器 １７ ツェナダイオード １８ 差動増幅器 １９ 基準電圧源 ２１ 加算器 ２２ バイアス電源 ２４ バイアス電源用基準電圧源 ２５ ダイオード ２７ バイパスコンデンサ 11 Avalanche Photodiode 12, 20, 23, 26 Resistance 13 Coupling Capacitor 14 Preamplifier 15 AGC Amplifier 16 Detector 17 Zener Diode 18 Differential Amplifier 19 Reference Voltage Source 21 Adder 22 Bias Power Source 24 Bias Power Source Reference Voltage Source 25 diode 27 bypass capacitor
【手続補正書】[Procedure amendment]
【提出日】平成５年２月２５日[Submission date] February 25, 1993
【手続補正１】[Procedure Amendment 1]
【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement
【補正対象項目名】請求項１[Name of item to be corrected] Claim 1
【補正方法】変更[Correction method] Change
【補正内容】[Correction content]
【手続補正２】[Procedure Amendment 2]
【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement
【補正対象項目名】００１８[Correction target item name] 0018
【補正方法】変更[Correction method] Change
【補正内容】[Correction content]
【００１８】[0018]
【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
めの本発明に係るアバランシェ・フォトダイオードのバ
イアス方式は、バイアス電源に、少なくとも１個のダイ
オードと、アバランシェ・フォトダイオードの光起電流
による電圧降下を発生するための第１の抵抗と、前記ア
バランシェ・フォトダイオードのカソードとを直列に接
続し、前記アバランシェ・フォトダイオードのカソード
は第１のコンデンサを介して基準電位にも接続し、前記
アバランシェ・フォトダイオードのアノードは、前記ア
バランシェ・フォトダイオードの光起電流を電圧に変換
するための他端を基準電位に接続した第２の抵抗と、直
接又は第２のコンデンサを介して増幅器とを接続したこ
とを特徴とする。In order to achieve the above-mentioned object, the avalanche photodiode bias system according to the present invention uses at least one diode and a photovoltaic current of the avalanche photodiode as a bias power source. a first resistor for generating a voltage drop, and a cathode of the avalanche photodiode is connected in series, cathode <br/> of the avalanche photodiode to a reference potential via a first capacitor The anode of the avalanche photodiode is connected via a second resistor having the other end connected to a reference potential for converting the photovoltaic current of the avalanche photodiode to a voltage, directly or via a second capacitor. It is characterized in that it is connected to an amplifier.
Claims (3)
オードと、アバランシェ・フォトダイオードの光起電流
による電圧降下を発生するための第１の抵抗と、前記ア
バランシェ・フォトダイオードのアノードとを直列に接
続し、前記アバランシェ・フォトダイオードのアノード
は第１のコンデンサを介して基準電位にも接続し、前記
アバランシェ・フォトダイオードのカソードは、前記ア
バランシェ・フォトダイオードの光起電流を電圧に変換
するための他端を基準電位に接続した第２の抵抗と、直
接又は第２のコンデンサを介して増幅器とを接続したこ
とを特徴とするアバランシェ・フォトダイオードのバイ
アス方式。1. A bias power supply in which at least one diode, a first resistor for generating a voltage drop due to a photocurrent of an avalanche photodiode, and an anode of the avalanche photodiode are connected in series. However, the anode of the avalanche photodiode is also connected to the reference potential via the first capacitor, and the cathode of the avalanche photodiode is used for converting the photovoltaic current of the avalanche photodiode into a voltage. A biasing system for an avalanche photodiode, characterized in that a second resistor whose end is connected to a reference potential is connected to an amplifier directly or via a second capacitor.
出力電圧を変化させることができるものであり、前記制
御入力電圧端子には、前記アバランシェ・フォトダイオ
ードのパッケージの温度又は前記パッケージ近傍の温度
を検出し、その検出信号を基に前記アバランシェ・フォ
トダイオードのブレークダウン電圧の温度による変化に
追従して検出された前記パッケージの温度又は前記パッ
ケージ近傍の温度における前記アバランシェ・フォトダ
イオードのブレークダウン電圧にほぼ等しいか或いはブ
レークダウン電圧を越えない電圧を出力するような信号
を与えるようにした請求項１に記載のアバランシェ・フ
ォトダイオードのバイアス方式。2. The bias power supply is capable of changing an output voltage according to a control input voltage, and the control input voltage terminal detects a temperature of a package of the avalanche photodiode or a temperature near the package. However, the breakdown voltage of the avalanche photodiode at the temperature of the package or the temperature near the package detected by following the change in the breakdown voltage of the avalanche photodiode with temperature based on the detection signal is approximately The avalanche photodiode biasing method according to claim 1, wherein a signal that outputs a voltage equal to or not exceeding the breakdown voltage is applied.
り、少なくともそのうちの１つのブロックは、出力信号
の振幅を一定に保つように制御を行う自動利得制御機能
を持っている請求項１に記載のアバランシェ・フォトダ
イオードのバイアス方式。3. The amplifier according to claim 1, wherein the amplifier is composed of one or more blocks, and at least one of the blocks has an automatic gain control function for controlling so as to keep the amplitude of the output signal constant. Avalanche photodiode bias method.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP33657592A JP3299576B2 (en) | 1992-11-24 | 1992-11-24 | Optical space communication device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| JP33657592A JP3299576B2 (en) | 1992-11-24 | 1992-11-24 | Optical space communication device |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06164501A true JPH06164501A (en) | 1994-06-10 |
| JP3299576B2 JP3299576B2 (en) | 2002-07-08 |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2010147093A (en) * | 2008-12-16 | 2010-07-01 | Renesas Electronics Corp | Light receiving circuit |
| KR101490810B1 (en) * | 2012-04-16 | 2015-02-06 | 삼성탈레스 주식회사 | Bias voltage setting appratus of avalanche photo diode detector for laser range finder |
-
1992
- 1992-11-24 JP JP33657592A patent/JP3299576B2/en not_active Expired - Fee Related
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| KR101490810B1 (en) * | 2012-04-16 | 2015-02-06 | 삼성탈레스 주식회사 | Bias voltage setting appratus of avalanche photo diode detector for laser range finder |
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