JPH08213957A - 光受信回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】高受光時のアイ開口度を大きく取ることがで
き、これにより大きな受信ダイナミックレンジを得るこ
とを可能とする。 【構成】受光素子１にて光信号を光電変換して得られた
電気信号を、可変利得増幅回路３に入力する前に位相反
転回路１０によって位相を反転する。可変利得増幅回路
３は利得制御回路５の制御の下に、位相反転回路１０に
よって位相が反転された電気信号のレベルが一定となる
ように当該信号を増幅し、識別回路４に与える。識別回
路４は、入力される電気信号のレベルが識別レベルＶth
以上である場合には“Ｌ”レベル、また入力される電気
信号のレベルが識別レベルＶthよりも小さい場合には
“Ｈ”レベルとそれぞれ識別してディジタル信号を識別
・再生する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ディジタル信号を光で
伝送する光伝送システムに適用され、伝送路を介して到
来した光信号を受信してディジタル信号を再生する光受
信回路に関する。

【０００２】

【従来の技術】図８は従来の光受信回路の一般的な構成
を示す図である。この光受信回路は、受光素子１、前置
増幅器２、可変利得増幅回路３、識別回路４、利得制御
回路５、タイミング抽出回路６および出力端子７を有し
て構成される。

【０００３】受光素子１は、例えばアバランシュ・フォ
トダイオードまたはＰＩＮダイオードよりなり、光ファ
イバ８を伝送された光信号を電気信号に変換する。この
受光素子１で得られる電気信号の振幅は微弱であるた
め、前置増幅器２により所定の利得で十分な振幅に増幅
された後、さらに可変利得増幅回路３により増幅され、
識別回路４へと入力される。可変利得増幅回路３は、出
力の振幅が一定となるように利得制御回路５によって利
得制御されており、識別回路４には一定の振幅の電気信
号が入力される。識別回路４は、タイミング抽出回路６
にて可変利得増幅回路３の出力信号から抽出されたクロ
ック信号に同期したタイミングで、可変利得増幅回路３
から与えられる電気信号のレベルが所定の識別レベルＶ
thよりも大きいか否かを識別し、入力される電気信号の
レベルが識別レベルＶth以上である場合には“Ｈ”レベ
ルを、また入力される電気信号のレベルが識別レベルＶ
thよりも小さい場合には“Ｌ”レベルをそれぞれ出力す
る。これにより、再生されたディジタル信号（ＮＲＺデ
ータ信号）が出力端子７より出力される。なお、受光素
子１は利得制御回路５によってバイアス電圧が制御さ
れ、増倍率が制御されている。

【０００４】ところで、光送信器（図示せず）ではレー
ザダイオードの直接強度変調により光信号を生成する
が、この際、光信号にはマーク側に緩和振動が生じる。
この緩和振動の振動周波数は使用するレーザにより異な
るが、その周波数が低いと光受信回路の受光素子１で得
られる電気信号のマーク側に、図９に示すようにオーバ
ーシュート９１ａおよびアンダーシュート９１ｂとして
残留してしまう。

【０００５】一方、光信号の強度が小さいか中程度であ
り、入力される電気信号の振幅が比較的小さければ、可
変利得増幅回路３は波形に歪を生じさせることなく電気
信号の増幅を行うことができる。しかし、入力される電
気信号の振幅が大きくなると、飽和が生じ、出力信号の
波形に歪が生じる。

【０００６】具体的には、例えば可変利得増幅回路３に
正弦波信号を入力した場合を例にとると、入力の振幅が
比較的小さい場合の可変利得増幅回路３の出力信号波形
は、図１０（ａ）に示すように歪は生じない。これに対
して入力の振幅が比較的大きい場合の可変利得増幅回路
３の出力信号波形は、図１０（ｂ）、図１０（ｃ）にそ
れぞれ示すように歪が生じる。なお図１０（ｂ）、図１
０（ｃ）は、可変利得増幅回路３の回路構成により決ま
る飽和特性の違いにより生じるものであり、図１０
（ｂ）は高レベル側と低レベル側とで対称的に飽和が生
じる特性の可変利得増幅回路３を用いた場合を、また図
１０（ｃ）は主として低レベル側で飽和が生じる特性の
可変利得増幅回路３を用いた場合をそれぞれ示してい
る。

【０００７】ここで可変利得増幅回路３が、図１０
（ｃ）に示すような、主として低レベル側で飽和が生じ
る飽和特性を有している場合、疑似ランダムデータによ
り変調された光信号を受光素子１に与えた場合の可変利
得増幅回路３の出力波形（疑似ランダムパタン出力波
形：アイパタン）は例えば図１１に示すようなものとな
る。なお、図１１（ａ）は低・中受光時を、また図１１
（ｂ）は高受光時をそれぞれ示している。

【０００８】この図から分かるように、マーク側では、
送信側において光信号に生じた緩和振動に起因するアン
ダーシュート１１０，１１１が各受光レベル時において
見られ、これによりマーク側が圧縮されている。またス
ペース側では、特に高受光時において可変利得増幅回路
３の飽和の影響を受けており、これによりスペース側が
圧縮されている。

【０００９】図１２は受光レベルとアイ開口度との関係
を示す図である。この図において、上下の曲線は符号誤
りが発生する領域と発生しない領域との境界を示し、こ
れらの曲線に挟まれる領域に識別レベルＶthが設定され
れば符号誤りが発生しないことを示している。この図か
ら分かるように、低受光時にはアイ開口度（上下の曲線
どうしの間隔）が小さくなる。これは、前置増幅器２に
おける熱雑音によりＳＮ比が低下することに起因する。

【００１０】さて、識別回路４で用いる識別レベルＶth
は、受光レベルに拘らずに一定の値に固定される。そし
て識別レベルＶthは一般的には、低受光時にアイ開口度
が小さいことを考慮し、低受光側においてマーク側に対
する識別レベル余裕（上側の曲線と識別レベルＶthとの
間隔）と、スペース側に対する識別レベル余裕（下側の
曲線と識別レベルＶthとの間隔）とをともに十分にとる
ように、例えば図１２に一点鎖線で示すＶth0 のような
値に設定する。

【００１１】しかしながら高受光時には、前述したよう
にアンダーシュートの影響によるマーク側の圧縮と、可
変利得増幅回路３の飽和の影響によるスペース側の圧縮
との影響をともに受けてアイ開口度が小さくなってい
る。このため、上述のように設定された識別レベルＶth
では、図示のように識別レベル余裕が小さくなり、符号
誤りを生じる恐れがある。このような符号誤りが生じる
ことがないのは、可変利得増幅回路３で波形歪みが生じ
ない範囲に限定されるので、ダイナミックレンジが狭く
なってしまう。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】以上のように従来の光
受信回路では、主として低レベル側で飽和が生じる飽和
特性を有した可変利得増幅回路を用いている場合、送信
側にて光信号に生じる緩和振動に起因したアンダーシュ
ートによるマーク側の圧縮に加えて、特に高受光時には
可変利得増幅回路での飽和の影響によるスペース側の圧
縮が生じ、これらの相乗作用によりアイ開口が縮小し、
受信ダイナミックレンジを減少させるという不具合があ
った。

【００１３】本発明はこのような事情を考慮してなされ
たものであり、その目的とするところは、高受光時のア
イ開口度を大きく取ることができ、これにより大きな受
信ダイナミックレンジを得られる光受信回路を提供する
ことにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】以上の目的を達成するた
めに本発明は、ディジタル信号により強度変調された光
信号を受けて電気信号に変換する例えば受光素子などの
受光手段と、この受光手段により得られた電気信号の位
相を反転させる例えば位相反転回路などの位相反転手段
と、この位相反転手段により位相が反転されたのちの電
気信号の振幅を所定の振幅とするような利得で前記電気
信号を増幅するものであり、高レベル側に比べて低レベ
ル側が大きく歪む出力波形飽和特性を有する例えば可変
利得増幅回路などの増幅手段と、この増幅手段により増
幅されたのちの電気信号のレベルが所定の識別レベルよ
りも大きいか否かを識別して前記ディジタル信号を再生
する例えば識別回路などの識別手段とを備えた。

【００１５】

【作用】このような手段を講じたことにより、増幅手段
には、受光手段により得られた電気信号は、増幅手段に
入力されるのに先立って、位相反転手段により位相が反
転される。従って、増幅手段にはマーク側が低レベル側
であり、スペース側が高レベル側である電気信号が入力
されることになり、増幅手段における飽和の影響は主と
してマーク側に生じることになる。これにより、マーク
側にオーバーシュートおよびアンダーシュートが生じて
いれば、増幅手段における飽和の影響がこのオーバーシ
ュートおよびアンダーシュートを圧縮するように働く。

【００１６】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の一実施例につ
き説明する。図１は本実施例に係る光受信回路の構成を
示す図である。なお、図８と同一部分には同一符号を付
する。

【００１７】この光受信回路は、受光素子１、前置増幅
器２、可変利得増幅回路３、識別回路４、利得制御回路
５、タイミング抽出回路６、出力端子７および位相反転
回路１０を有して構成される。

【００１８】受光素子１は、例えばアバランシュ・フォ
トダイオードまたはＰＩＮダイオードよりなり、光ファ
イバ８を伝送された光信号を受けて光電変換し、これに
より得られる電気信号を前置増幅器２に与える。なお、
この受光素子１は、利得制御回路５によってバイアス電
圧が制御され、増倍率が制御されている。

【００１９】前置増幅器２は、受光素子１から与えられ
る電気信号を所定の利得で十分な振幅に増幅したのち、
位相反転回路１０へと与える。位相反転回路１０は、前
置増幅器２から与えられる電気信号の位相を反転させた
のちに可変利得増幅回路３に与える。

【００２０】可変利得増幅回路３は、位相反転回路１０
から与えられる電気信号を利得制御回路５により指定さ
れた利得で増幅したのちに識別回路４に与える。この可
変利得増幅回路３は、主として低レベル側で飽和が生じ
る飽和特性を有する。

【００２１】利得制御回路５は、可変利得増幅回路３が
識別回路４へと与える電気信号を分岐入力してその振幅
を監視し、当該電気信号の振幅が一定となるように可変
利得増幅回路３の利得を制御する。

【００２２】タイミング抽出回路６は、可変利得増幅回
路３が識別回路４へと与える電気信号を分岐入力し、当
該電気信号からクロック成分を抽出して識別回路４での
識別タイミングを示すクロック信号を生成し、これを識
別回路４に与える。

【００２３】識別回路４は、タイミング抽出回路６から
与えられるクロック信号に同期したタイミングで、可変
利得増幅回路３から与えられる電気信号のレベルが所定
の識別レベルＶthよりも大きいか否かを識別し、ディジ
タル信号（ＮＲＺデータ信号）を再生するものである。
なお、識別回路４は、反転出力端子に出力端子７が接続
されており、従って電気信号のレベルが識別レベルＶth
以上である場合には“Ｌ”レベルを、また電気信号のレ
ベルが識別レベルＶthよりも小さい場合には“Ｈ”レベ
ルをそれぞれ出力端子７より出力する。

【００２４】以上のように本実施例の光受信回路は、図
８に示した従来の光受信回路と共通な構成の部分が多い
が、本実施例の光受信回路は前置受信回路２と可変利得
増幅回路３との間に位相反転回路１０を介挿してある点
が異なる。

【００２５】図２は位相反転回路１０の具体的な構成の
一例を示す回路図である。この位相反転回路１０は、例
えばガリウム・砒素の電界効果トランジスタＴｒ１、抵
抗器Ｒ１１〜Ｒ１３およびコンデンサＣ１１〜Ｃ１３よ
り構成され、電界効果トランジスタのソース接地回路を
なす。

【００２６】図３は位相反転回路１０の具体的な構成の
別の例を示す回路図である。この位相反転回路１０は、
バイポーラトランジスタＴｒ２、抵抗器Ｒ２１〜Ｒ２４
およびコンデンサＣ２１〜Ｃ２３より構成され、バイポ
ーラトランジスタのエミッタ接地回路をなす。

【００２７】図４は位相反転回路１０の具体的な構成の
別の例を示す回路図である。この位相反転回路１０は、
入出力反転型のマイクロ波モノリシック集積回路（反転
増幅回路）ＩＣおよびコンデンサＣ３１，Ｃ３２より構
成される。

【００２８】次に以上のように構成された光受信回路の
動作を説明する。まず、光ファイバ８を伝送された光信
号は、受光素子１に入射する。そうすると受光素子１
は、光電変換を行って光信号に対応する電気信号を生成
し、これを前置増幅器２に与える。前置増幅器２では、
受光素子１で得られる電気信号の振幅が微弱であるた
め、十分な振幅となるように所定の利得で増幅する。

【００２９】さて、前置増幅器２で増幅がなされた電気
信号は、可変利得増幅回路３に入力されるのに先立っ
て、位相反転回路１０に入力される。この位相反転回路
１０では、電気信号の位相が反転され、マーク側が低レ
ベル、スペース側が高レベルでそれぞれ表された信号に
変換される。

【００３０】可変利得増幅回路３は、上述のように位相
反転回路１０により位相が反転さた電気信号が入力され
ると、これを利得制御回路５から指定される利得で増幅
する。ここで可変利得増幅回路３は主として低レベル側
で飽和が生じる飽和特性を有するので、高レベル側であ
るスペース側は可変利得増幅回路３の飽和の影響がほと
んどなく、低・中受光時および高受光時のいずれにおい
ても、図５に示すように波形の歪はほとんど生じない。
一方、低レベル側であるマーク側は、可変利得増幅回路
３の飽和の影響を受ける。これにより、図５に示すよう
にマーク側に生じているオーバーシュートは圧縮され、
これにともなってアンダーシュートも圧縮される。かく
して、従来において高受光時のアイ開口度の減少をもた
らしていたスペース側の圧縮およびアンダーシュートが
ともに低減され、高受光時においてもアイ開口度が十分
に確保される。なお図５（ａ）は低・中受光時の出力波
形例を、また図５（ｂ）は高受光時の出力波形例をそれ
ぞれ示している。

【００３１】このようにして可変利得増幅回路３で増幅
された電気信号は、識別回路４へと入力され、タイミン
グ抽出回路６にて可変利得増幅回路３の出力信号から抽
出されたクロック信号に同期したタイミングで識別がな
される。なお、識別回路４に入力される電気信号は、位
相反転回路１０で位相が本来の位相から反転されている
ので、識別回路４は反転出力端子から識別・再生したデ
ィジタル信号を出力する。すなわち識別回路４は、入力
される電気信号のレベルが識別レベルＶth以上である場
合には“Ｌ”レベル、また入力される電気信号のレベル
が識別レベルＶthよりも小さい場合には“Ｈ”レベルと
それぞれ識別することにより、ディジタル信号における
論理レベルを本来のレベルに正す。

【００３２】かくして本実施例によれば、可変利得増幅
回路３から出力される電気信号におけるアイ開口度と受
光レベルとの関係は例えば図６に示すようになる。この
ため、識別レベルＶthは低受光時を基準に、例えば図６
に一点鎖線で示すＶth0 の値に設定しておけば、識別回
路４では低受光時から高受光時の全領域（ただし、受光
素子固有の最大許容光入力まで）において符号誤りを生
じることなく識別を行うことができる。これにより、受
光レベルに対する符号誤り率の関係は例えば図７の如く
となり、ダイナミックレンジが従来に比べて大幅に拡大
される。

【００３３】なお、本発明は上記実施例に限定されるも
のではない。例えば上記実施例では、識別回路４が入力
される電気信号のレベルが識別レベルＶth以上である場
合には“Ｌ”レベル、また入力される電気信号のレベル
が識別レベルＶthよりも小さい場合には“Ｈ”レベルと
それぞれ識別するものとしているが、入力される電気信
号のレベルが識別レベルＶth以上である場合には“Ｈ”
レベル、また入力される電気信号のレベルが識別レベル
Ｖthよりも小さい場合には“Ｌ”レベルとそれぞれ識別
するものとし、その結果の論理を反転するインバータ等
の手段を別途設けるようにしても良い。

【００３４】また、位相反転回路１０の具体的な構成
は、図２乃至図４に示したものには限定されず、電気信
号の位相を反転する機能を有していれば、例えば差動増
幅器のような他の構成であっても良い。

【００３５】また位相反転回路１０は、可変利得増幅回
路３よりも前段に設けられていれば良く、例えば受光素
子１と前置増幅器２との間に介挿しても良い。このほ
か、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形実施が
可能である。

【００３６】

【発明の効果】本発明によれば、ディジタル信号により
強度変調された光信号を受けて電気信号に変換する例え
ば受光素子などの受光手段と、この受光手段により得ら
れた電気信号の位相を反転させる例えば位相反転回路な
どの位相反転手段と、この位相反転手段により位相が反
転されたのちの電気信号の振幅を所定の振幅とするよう
な利得で前記電気信号を増幅するものであり、高レベル
側に比べて低レベル側が大きく歪む出力波形飽和特性を
有する例えば可変利得増幅回路などの増幅手段と、この
増幅手段により増幅されたのちの電気信号のレベルが所
定の識別レベルよりも大きいか否かを識別して前記ディ
ジタル信号を再生する例えば識別回路などの識別手段と
を備えたので、マーク側にオーバーシュートおよびアン
ダーシュートが生じていれば、増幅手段における飽和の
影響がこのオーバーシュートおよびアンダーシュートを
圧縮するように働いて高受光時のアイ開口度を大きく取
ることができ、これにより大きな受信ダイナミックレン
ジを得られる光受信回路となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る光受信回路の構成を示
す図。

【図２】図１中の位相反転回路１０の具体的な構成の一
例を示す回路図。

【図３】図１中の位相反転回路１０の具体的な構成の別
の例を示す回路図。

【図４】図１中の位相反転回路１０の具体的な構成の別
の例を示す回路図。

【図５】図１中の可変利得増幅回路３の出力波形例を示
す図であり、（ａ）は低・中受光時を示す図、また
（ｂ）は高受光時を示す図。

【図６】図１中の可変利得増幅回路３から出力される電
気信号におけるアイ開口度と受光レベルとの関係を示す
図。

【図７】図１に示す光受信回路における受光レベルに対
する符号誤り率の関係を示す図。

【図８】従来の光受信回路の一般的な構成を示す図。

【図９】送信側において光信号に生じるオーバーシュー
トおよびアンダーシュートを示す図。

【図１０】図８中の可変利得増幅回路３に正弦波信号を
入力した場合の出力信号波形例を示す図であり、（ａ）
は入力振幅が比較的小さい場合を示す図、（ｂ）は入力
振幅が比較的大きく、かつ高レベル側と低レベル側とで
対称的に飽和が生じる特性を有している場合を示す図、
（ｃ）は入力振幅が比較的大きく、かつ主として低レベ
ル側で飽和が生じる特性を有している場合を示す図。

【図１１】疑似ランダムデータにより変調された光信号
を図８中の受光素子１に与えた場合の図８中の可変利得
増幅回路３の出力波形例を示す図であり、（ａ）は低・
中受光時を示す図、（ｂ）は高受光時を示す図。

【図１２】図８中の可変利得増幅回路３から出力される
電気信号における受光レベルとアイ開口度との関係を示
す図。

【符号の説明】

１…受光素子 ２…前置増幅器 ３…可変利得増幅回路 ４…識別回路 ５…利得制御回路 ６…タイミング抽出回路 ７…出力端子 ８…光ファイバ １０…位相反転回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０４Ｂ 10/04 10/06 10/02 10/18

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ディジタル信号により強度変調された光
   信号を受けて電気信号に変換する受光手段と、 この受光手段により得られた電気信号の位相を反転させ
   る位相反転手段と、 この位相反転手段により位相が反転されたのちの電気信
   号の振幅を所定の振幅とするような利得で前記電気信号
   を増幅するものであり、高レベル側に比べて低レベル側
   が大きく歪む出力波形飽和特性を有する増幅手段と、 この増幅手段により増幅されたのちの電気信号のレベル
   が所定の識別レベルよりも大きいか否かを識別して前記
   ディジタル信号を再生する識別手段とを具備したことを
   特徴とする光受信回路。