JPH07505508A - 高性能光学受信機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は光フアイバ通信網に使用するための電子光学受信装置に関する。より詳 しくは、本発明は、拡大されたダイナミックレンジを有する光学受信機を得るた めの方法および装置に関する。

発明の背景 トランスインピーダンス増幅器はフォトダイオード検出器に印加された光信号に 対応する非常に小さい電流を変換するために光学受信機に採用されている。これ らの小さい電流は振幅の大きい信号電圧に変換される。地理的に分布している複 数のユーザが共通の光ファイバを使用するような光フアイバ通信網では、近くの 送信機からの入力光信号は高い信号レベルで受信されるが、遠方の送信機から受 信される入力光信号は非常に低い信号レベルで受信されることがある。したがっ て、有効な受信を行うためには、上記光学受信機のトランスインピーダンス前段 回路（ｔｒａｎｓｉｍｐｅｄａｎｃｅ　ｆｒｏｎｔ　ｅｎｄ）は最も弱い光信号 を受信できるほど感度が十分に高いものでなけばならず、また、最も強い光信号 を受信する場合では、検出された信号電圧が飽和してその結果歪むことがないよ うに、制御可能でなければならない。

光学受信機のトランスインピーダンス前段回路にとって、高感度と高い飽和レベ ルとは互いに矛盾する要求である。光学受信機の典型的なトランスインピーダン ス前段回路の概略を図１に示す。図１の構成を説明すれば、もしも増幅率−Ａが 十分大きいならば、トランスインピーダンスはフィードバック抵抗ＲＬに等しい 。そこで、高感度のためには、上記フィードバック抵抗により導入されるノイズ 電流はその抵抗値に逆比例するので、上記ＲＬの値は大きくすべきである。他方 、高い飽和レベルを実現するためには、上記ＲＬの値は信号の動作範囲を制限す るために小さくすべきである。

ダイナミックレンジを増加させる改善を行った従来技術に報告されている技術は 一般に、トランスインピーダンス増幅器の感応ノード（ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ　ｎ ｏｄｅｓ）にて能動素子を使用することを含んでいる。その−例を図２に示す。

図２では、高い信号レベルでは光電流を分路するために上記増幅器の入力にＦＥ Ｔ素子を接続することで、増幅器の飽和を避けている。図３では、信号レベルが 高いときに抵抗値を低くするために、ＦＥＴ素子がフィードバック抵抗Ｒ，のＲ Ｌ、部分を分路している。これらの従来技術で採用されているＦＥＴ素子は、感 応ノード点に配置されている、すなわち、図２では増幅器の入力に、また図３で は上記フィードバック抵抗の両端間に配置されている。上記ＦＥＴ素子は上記増 幅回路に寄生容量を付加しており、これらの寄生容量は増幅回路の総合的な性能 に大きな影響を及ぼしている。上記寄生容量の影響を最小限にするためには、上 記ＦＥＴ素子の特性を慎重に選択するとともに、狭い許容範囲内で正確に制御し なければならない。

通常、上記ＦＥＴ素子は集積回路の増幅器に組み込まれており、その場合、上記 能動素子の設計は特定の用途に応じてカスタマイズされていることもある。

設計者が標準［規格品（ｏｆｆ−ｔｈｅ−ｓｈｅｌｆ）Ｊとしてのディスクリー ト回路部品および素子に制約される場合には、図２および図３に図示された技術 はいずれも、光受信機のダイナミックレンジを拡大するためには具合がわるい。

発明の趣旨 本発明の一般的な目的は、従来技術の限界および欠点を克服しつつ、ダイナミッ クレンジを増加させた光学受信機のトランスインピーダンス前段回路を提供する ことである。

本発明の他の目的は、標準「規格品」としての電子部品で、回路を可及的に複雑 にせず、特別な調整もしくは補償が不要で、しかも相対的に低いコストで、光学 受信機のためのトランスインピーダンス前段回路を実現することである。

本発明によれば、光信号を受信するために光ファイバに光学的に結合されるとと もに、トランスインピーダンス前段回路とは電気的に接続された光検出器を含む 光学受信機のためのトランスインピーダンス前段回路を提供する。上記前段回路 は、上記光検出器と接続したバッファと、第１モード低光信号レベル増幅器を構 成するために第１スイツチと第１高抵抗値フイードバツク抵抗とを介して上記バ ッファに選択的に接続される第１増幅器と、第２モード高光信号レベル増幅器を 構成するために第２スイツチと第２切替低抵抗とを介して上記バッファに選択的 に接続される第２増幅器と、入射する光信号レベルを検知するとともに、入射光 信号レベルに応じて上記第１増幅器と第２増幅器とを切り替えるために上記光検 出器に接続された光レベル検出およびスイッチング制御回路とを含んでいる。

本発明の関連する原理によれば、光検出器と、入力光信号レベル検出器と、制御 信号発生器と、第１および第２の切替可能なトランスインピーダンス増幅器とを 含む光学受信機において広いダイ六ミックレンジの光信号を受信するための方法 を提供する。上記方法は、 上記光信号レベル検知手段により入力する光信号レベルを検出するステップと、 検出された入射光信号レベルの関数として上記制御信号発生器によりスイッチン グ制御信号を発生するステップと、 上記スイッチング制御信号にしたがって第１と第２の切替可能なトランスインピ ーダンス増幅器の切替を行うステップとで構成されている。

本発明のさらに他の観点によれば、トランスインピーダンス前段回路では、増幅 される検出電流のレベルに応じて開回路構成と閉回路構成との間で選択的に切り 替えるためにスイッチが上記増幅器に組み込まれており、互いに分離しかつ独立 した第１および第２増幅器を備えるとともに、互いに分離しかつ独立した第１お よび第２フイードバツク抵抗をも備えてなり、一方の増幅器は一方のモード（低 利得）時に動作することができ、他方の増幅器は他のモード（高利得）時に動作 することができる。上記低利得増幅器およびフィードバック抵抗は受動部品と能 動部品とを含んでおり、これら部品は全て（その間を接続する導体を除いて）、 上記高利得増幅器およびフィードバック抵抗を形成する部品とは分離されている 。

本発明のこれらのおよび他の目的、利点、観点および特徴は、添付の図面ととも に提示された以下の好ましい実施例の詳細な説明を考察することにより、より完 全に理解されるとともに認識されるであろう。

図面の簡単な説明 図１は、従来の光学受信機のトランスインピーダンス前段回路の概略ブロック回 路図である。　。

図２は、図１の前段回路のダイナミックレンジを拡大するための従来技術の一つ の手法を示す概略ブロック回路図である。

図３は、図１の前段回路のダイナミックレンジを拡大するための従来技術の他の 手法を示す概略ブロック回路図である。

図４は、本発明の原理にかかる光学受信機のトランスインイーダンス前段回路を 示す概略ブロック回路図である。

図５は、図４のトランスインイーダンス前段回路のさらに詳細な回路図である。

好ましい実施例の詳細な説明 図４は光受信機のトランスインピーダンス前段回路１０の概略を図示しており、 このトランスインピーダンス前段回路１０は、標準的で安価なトランジスタと他 　−の部品を使用して、問題なくダイナミックレンジの拡大を達成している。フ ォトダイオード１２はバッファ増幅器１４の入力に接続されている。低信号レベ ルを高利得で増幅する第１動作モードでは、上記バッファ増幅器１４はスイッチ １８を介して増幅器１６に接続されている。上記増幅器１４と１６は相対的に高 い値を有するフィードバック抵抗２０で相互接続されているから、トンスインピ ーダンス増幅器を構成している。

検出された光信号が最大感度がもはや要求されない値となると、増幅器１４と１ ６を含む上記第１動作モードは中断されて、飽和を生じることなく大きい光信号 を取り扱うのに適した第２動作モードとなる。この第２動作モードではトランス インピーダンス増幅器は、上記バッファ１４とスイッチ２２を介して上記ノ＜・ ソファ１４に接続された増幅器２４とで構成される。上記増幅器２４の出力端に 接続したスイッチ２８と上記バッファ１４の入力端との間には、小さい値を有す るフィードバック抵抗２６が接続されている。低抵抗値のフィードバック抵抗２ ６で上記第２モードの構成に置き換えることにより、トランスインピーダンス前 段回路１０の飽和レベルが拡大される。上記光信号はいまや大きくなっているの で、上記抵抗２６の低抵抗値が上記光受信機の総合的な性能に悪影響をもたらす ようなことはない。信号電圧出力はアナログデマルチプレクサ回路３０を介して 出力される。

光レベル検出器は検出抵抗３２およびキャパシタ３４を有しており、これら検出 抵抗３２およびキャパシタ３４は上記フォトダイオード１２からの光電流入力を 受けるために接続されている。上記検出抵抗は平均光電流に比例する電圧を発生 するようになっており、この電圧はコンパレータ３６により基準電圧ｖｌｌと比 較される。上記コンパレータ３６は制御出力３８を出力するが、この制御出力３ ８は上記入力光信号のレベルが既知のプリセット値である上記基準電圧ＶＲを越 えると、上記前段回路１０を第１モードから第２モードへ切り替えるために上記 スイッチ１８．２２および２８を動作させる。他方、上記入力信号の平均値が上 記基準電圧Ｖｒよりも低くなると、上記コンパレータは上記前段回路１０を第２ モードから第１モードへ切り替えるために上記スイッチ２２および２８を動作さ せるようになる。

上記キャパシタ３４は抵抗３２とともに十分に長い時定数を与えており、そのた め上記検出電圧は平均の光信号パワーを示す。また、ヒステリシスが上記スイッ チの制御機能に付与されており、そのため上記制御は上記２つの動作モードの間 でディザを起すようなことはない。

図５は図４の回路１０の実際の回路図である。図４を説明するのに使用したのと 同じ符号が、図５の回路図の対応する機能素子を同定するために使用されている 。図５の例では、３つのスイッチングトランジスタＱ２．Ｑ３およびＱ６は、増 幅される検出電流レベルに応じて実質的に開回路状態と閉回路状態との間で切り 替わる。トランジスタＱ２は増幅器１６および高利得抵抗２０を切り替え、トラ ンジスタＱ３は増幅器２４を切り替え、そしてトランジスタＱ６は低利得抵抗２ ６を切り替えるようになっている。

トランジスタＱ８およびＱ９．３９は、コンパレータ３６への平均光信号のパワ ーを表わす光電流を反映する「電流ミラー（ｃｕｒｒｅｎｔ　ｍ１ｒｒｏｒ）Ｊ を形成している。

上記バッファ増幅器１４はＧａＡｓＭＥＳＦＥＴ　トランジスタＱ１で構成され ている。低い光信号レベルに対する第１動作モードにおいて、上記バッファＱ１ は、ＰＮＰ）ランジスタＱ２とコンパレータ１８（ＵＩＢ）を含むスイッチ１８ を介してＮＰＮトランジスタＱ５とＰＮＰトランジスタＱ２により形成される増 幅罷工６に結合される。トランジスタＱ２は増幅Ｒ１６とスイッチェ８の２つの 機能を果たす。

（ＬＭ２９０１のような、４オーブンコレクタのコンパレータアレイの第１コン パレータＵＩＡを使用した）コンパレータ３６により設定された基準電圧レベル よりも低いローレベル信号に対しては、ライン３８の出力制御信号はローである 。これによりコンパレータＵＩＢの出力がローとなるとともに、スイッチトラン ジスタＱ２を導通させ、それによりバッファＱ１からトランジスタＱ５のベース へ出力が供給されるようになる。

同時に、回路エレメント２２．２４．２６および２８により形成される低利得回 路構成は不作動（ｉｎａｃｔｉｖｅ）になる。スイッチ２２はＰＮＰスイッチン グトランジスタＱ３のベースを制御する第３コンパレータＵＩＤを含んでいる。

高利得回路構成では、第３コンパレータＵＩＤの出力はハイで、トランジスタＱ ３を高インピーダンス状態とし、それによりトランジスタＱ４をカットオフさせ るとともに、ダイオードＣＲＩを逆バイアスさせる。同様に、上記スイッチ２８ は低抵抗２６（１２キロオーム）をアース（Ｇ　ｒ　ｄ）から遮断する。上記ス イッチ２８は第４コンパレータＵＩＣ，スイッチングトランジスタＱ６およびダ イオードＣＲ１を含んでいる。このモードでは、上記第４コンパレータＵＩＤの 出力はローで、トランジスタＱ６からベースバイアスを除去し、トランジスタＱ ６はまた高インピーダンスとなる。正味の効果は低抵抗２６を通して流れる電流 の導通路が除去されることである。したがって、第１動作モードでは、図５のト ランジスタＱｌ、Ｑ２．Ｑ５．Ｑ７および直列に接続した１５０キロオームおよ びｌＯキロオームの抵抗で構成されたフィードバック抵抗２０を含む高感度、高 利得のトランスインピーダンス増幅器となる。上記エレメントＱ７およびＱ５と Ｑ４のワイヤ「０リングＪ　（ｗｉｒｅ　”Ｏ−ｒｉｎｇ″ｏｆ　Ｑ５　ａｎｄ 　Ｑ４）を含む出力バッファ３０はこの第１回路構成において動作する。

光信号が−２６ｄ　Ｂｍのような有意のレベルに達すると、レベル検出器３６（ ＵＩＡ）はローからハイへ変化する。ＵＩＢがハイとなるとトランジスタＱ２を オフにしてバッファトランジスタＱ１と増幅器１６　（Ｑ２．Ｑ５）との間の線 路を開成する。これは上記高利得回路構成をディセーブルとする。同時に、上記 スイッチ２２がオンとなって、それによりバッファＱ１を（ＰＮＰＩ−ランジス タＱ３とＮＰＮトランジスタＱ４とを含む）増幅器２４に接続する。また、スイ ッチ２８がオンとなって（ＵＩＤがハイとなって、トランジスタＱ６を順方向バ イアスすることになり、その結果またトランジスタＱ５のエミッターベース接合 が順方向バイアスされ、上記回路における低抵抗２６が接続されることになる。

上記低利得回路構成（抵抗２６．Ｑ３．Ｑ４）が動作し、それにより上記光受信 機の飽和レベルが増加する。上記高利得回路構成では、トランジスタＱ２は増幅 器２４とスイッチ２２との両方に機能する。

このようにして実現されたデュアルモード光受信機により、−４３ｄＢｍの感度 、−１ＱｄＢｍの飽和レベル、および３３ｄＢの総合的なダイナミックレンジが 実現された。図５の回路は標準的な規格部品により実現される。上記ＮＰＮトラ ンジスタＱ４．　Ｑ６．およびＱ７は、ＭＰＳＨ１０タイプもしく相当品であっ てもよい。上記ＰＮＰ　トランジスタＱ２．Ｑ３は、ＭＰＳＨ８１もしくは相当 品であってもよい。カッドコンパレータＵＩＡ、ＵＩＢ、ＵＩＣおよびＵＩＤは 、型品番ＬＭ２９０１もしくは相当品であってもよい。他の回路エレメントは、 図５に示されているようにそれらの記号の近くに付された値を有している。

本発明に関連する当業者にとっては、多くの多様な異なる実施例が本発明の思想 および範囲を逸脱することな（上記実施例により示唆されるであろう。以上の説 明および開示は単に実施例を説明するためのものであって、以下の請求の範囲に より詳細に規定される本発明の範囲を限定するものとして解されるべきではない 。

フロントページの続き （５１）　Ｉｎｔ、　Ｃ１，’　識別記号　庁内整理番号ＨＯ４８１０／１４ Ｉ

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. １．光学受信機のためのトランスインピーダンス前段回路であって、光信号を受 信するために光ファイバに光学的に結合されるとともに上記前段回路に電気的に 結合されてなる光検出器を含み、上記前段回路が上記光検出器に接続されたバッ ファと、第１モードの低い光信号レベル増幅器を構成するために第１スイッチン グ手段を介しかつ第１高抵抗値フィードバック抵抗手段を介して上記バッファに 選択的に接続される第１増幅器と、 第２モードの高い光信号レベル増幅器を構成するために第２スイッチング手段を 介しかつ第２切替低抵抗値フィードバック抵抗手段を介して上記バッファに選択 的に接続される第２増幅器と、 入射する光信号レベルを検知するとともにその機能として上記第１増幅器と第２ 増幅器とを切り替えるために上記光検出器に接続された光レベル検出および切替 制御手段と、 を含むトランスインピーダンス前段回路。
2. ２．各々の増幅器の構成部が少なくとも２つの増幅トランジスタを含む請求の範 囲第１項記載のトランスインピーダンス前段回路。
3. ３．上記第１増幅器の構成部が選択的に上記バッファに接続されたときに、上記 第１増幅器の構成部を上記バッファに選択的に接続するスイッチとして、かつ信 号を増幅する増幅トランジスタとしての２重のモードで第１トランジスタを使用 し、上記第２増幅器の構成部が上記バッファに接続されたときに、上記第２増幅 器の構成部を上記バッファに選択的に接続するスイッチとして、かつ信号を増幅 する増幅トランジスタとしての２重のモードで第２トランジスタを使用する請求 の範囲第１項記載のトランスインピーダンス前段回路。
4. ４．各増幅器の構成部が個々の追加の増幅トランジスタを含む請求の範囲第３項 記載のトランスインピーダンス前段回路。
5. ５．各増幅器の構成はその各々の２重モードトランジスタに結合された出力と、 光レベル検出および切替制御手段に接続されている比較器の入力とを有する請求 の範囲第３項記載のトランスインピーダンス前段回路。
6. ６．上記第２切替手段がさらに本質的に開回路構成部と閉回路構成部との間で低 抵抗値トランジスタ手段との接続を選択的に切り替えるための第３スイッチング トランジスタを含む請求の範囲第３項記載のトランスインピーダンス前段回路。
7. ７．上記光レベル検出および切替制御手段が検出された光信号レベルの値を平均 するための手段を含むとともに上記第１と第２レベル増幅器の構成部の間でディ ザスイッチングを避けるために十分長い時定数手段を含んでいる請求の範囲第１ 項記載のトランスインピーダンス前段回路。
8. ８．上記高抵抗値フィードバック抵抗手段が低抵抗値フィードバック抵抗手段の 抵抗性フィードバック経路のどの部分も含まない抵抗性フィードバック経路を構 成している請求の範囲第１項記載のトランスインピーダンス前段回路。
9. ９．光学受信機のためのトランスインピーダンス前段回路であって、光信号を受 信するための光ファイバに光学的に結合されるとともに上記前段回路に電気的に 結合された光検出器を含み、上記前段回路が上記光検出器に接続される入力接続 点と、上記入力接続点に接続されるベース電極を有するとともにコレクタ出力を 有するバッファトランジスタと、 上記コレクタ出力に接続されたエミッターコレクタ信号経路を有する第１スイッ チトランジスタと、スイッチング制御信号にしたがって上記第１スイッチトラン ジスタのベース電極を制御するための第１コンパレータを含む第１スイッチング 手段と、 上記第１スイッチトランジスタの上記エミッターコレクタ信号経路に接続された 入力を有するとともに出力バッファに接続された出力を有する第１トランジスタ 増幅手段と、 上記第１トランジスタ増幅器手段の出力から上記入力接続点へ接続された高抵抗 値フィードバック抵抗手段と、 上記コレクタ出力に接続されたエミッターコレクタ信号経路を有する第２スイッ チトランジスタと、上記スイッチング制御信号に従って上記第２スイッチトラン ジスタのベース電極を制御するための第２コンパレータとを含む第２スイッチ手 段と、 上記第２スイッチトランジスタのエミッターコレクタ信号経路に接続された入力 を有するとともに上記出力バッファに接続された出力を有する第２トランジスタ 増幅器手段と、 上記第２トランジスタ増幅器手段の出力から第３スイッチング手段を通して上記 入力接続点へ接続されており、上記第３スイッチング手段が第３スイッチトラン ジスタと上記スイッチング制御信号によって上記第３スイッチトランジスタ手段 のベース電極を制御するための第３比較器とを含んでいる低抵抗値フィードバッ ク抵抗手段と、 入力光信号レベルを検出するとともに検出された光のレベルの関数として上記ス イッチング制御信号を発生しかつ出力するために上記光検出器に接続された光レ ベル検出およびスイッチング制御手段と、を含むトランスインピーダンス前段回 路。
10. １０．光検出器と、入力光信号レベル検出器と、スイッチング制御信号発生器と 、第１および第２の分離した切替可能なトランスインピーダンス増幅器とを含み 、上記第１および第２増幅器の各々がフィードバック経路を含み、上記第１増幅 器は高利得フィードバック経路を含み、上記第２増幅器は低利得フィードバック 経路を含んでいて、光学受信機内にて広いダイナミックレンジの光信号を受信す るための方法であって、 上記光信号レベル検知手段により入力する光信号レベルを検出するステップと、 入力する光信号レベルの関数としてスイッチング制御信号発生手段によりスイッ チング制御信号を発生するステップと、上記スイッチング制御信号にしたがって 第１と第２の分離した切替可能なトランスインピーダンス増幅器の間で切替を行 うステップとを有する方法。