JPH098744A - Bias system for avalanche photodiode - Google Patents

Bias system for avalanche photodiode

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JPH098744A
JPH098744A JP7176836A JP17683695A JPH098744A JP H098744 A JPH098744 A JP H098744A JP 7176836 A JP7176836 A JP 7176836A JP 17683695 A JP17683695 A JP 17683695A JP H098744 A JPH098744 A JP H098744A
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bias
voltage
apd
resistor
avalanche photodiode
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JP7176836A
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Japanese (ja)
Inventor
Tetsuo Sakanaka
徹雄 坂中
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Canon Inc
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Abstract

PURPOSE: To enable an operation with an optimum bias voltage regardlessly of the value of optical input power. CONSTITUTION: An optical signal received by an avalanche photodiode APD 31 is automatically gain controlled by an AGC amplifier 35 and becomes the output signal of a light receiver. The output signal is fed back, and the output signal of the light receiver is stabilized. At a Zener diode 37, the temperature of the APD 31 is detected and corresponding to the temperature, a voltage almost equal with a breakdown voltage Vbr is outputted from a first bias power source 42 and becomes a bias voltage VB of the APD 31. When the light input of the APD 31 is enlarged and the potential of the cathode of the APD 31 is made lower than the output voltage of a second bias power source 49 by voltage drop caused by a resistor 45, a diode 47 is conducted and the bias voltage VB of the APD 31 is applied from the second bias power source 49. The output voltage value of the second bias power source 49 and the value of a resistor 48 are selected so that the APD 31 can not be saturated and thermal destruction can be prevented from occurring by letting a large photoelectric current flow.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、屋外で使用される光空
間通信のように、受信光強度の変動範囲が広く、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 light in a system having a wide variation range of received light intensity and a lot of background light other than light containing information used for an original signal, such as optical space communication used outdoors. The present invention relates to a biasing method for an avalanche photodiode used in a receiver.

【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}
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 }

【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以下であり、このブレーク
ダウン電圧Vbr は温度により変化する。
Here, Vbr is a breakdown voltage, and N is an experimentally determined constant, which is usually 1 or less, and this breakdown voltage Vbr changes with temperature.

【0004】APDの制御には、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
イアス電圧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が必要と
なる。
To control the APD, the multiplication factor M is set to the optimum multiplication factor.
In addition to the mechanism to control to MB and the mechanism to stabilize the output, when the bias voltage VB exceeds the breakdown voltage Vbr, the dark current ID sharply increases and the S / N ratio deteriorates. Since it is destroyed, a mechanism for controlling the bias voltage VB so as not to exceed the breakdown voltage Vbr is required.

【0005】図7はAPDのバイアス方式を光受信器に
使用した際の従来例のブロック回路構成図である。AP
D1の出力は接地された抵抗2及び結合コンデンサ3に
接続されている。結合コンデンサ3の出力は前置増幅器
4を介してAGC増幅器5に接続され、AGC増幅器5
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6に接続されている。検波器6の出力はAGC増幅
器5に接続されている。
FIG. 7 is a block circuit diagram of a conventional example when the bias method of APD is used in an optical receiver. AP
The output of D1 is connected to a grounded resistor 2 and a coupling capacitor 3. The output of the coupling capacitor 3 is connected to the AGC amplifier 5 via the preamplifier 4,
A part of the output of is the output of the optical receiver as it is, and is also connected to the detector 6. The output of the detector 6 is connected to the AGC amplifier 5.

【0006】また、APD1の図示しないパッケージ又
はその近傍には、接地された温度測定用のツェナダイオ
ード7が設けられており、このツェナダイオード7の出
力は差動増幅器8に接続されており、この差動増幅器8
の入力には接地された基準電圧源9も接続されている。
差動増幅器8の出力は抵抗10を介して加算器11に接
続されており、加算器11の出力はバイアス電源12に
接続されている。加算器11の入力端には抵抗13を介
して接地されたバイアス電源用基準電圧源14も接続さ
れている。バイアス電源12の出力は抵抗15を介して
APD1に接続され、APD1の入力には接地されたバ
イアスコンデンサ16も接続されている。
A zener diode 7 for temperature measurement, which is grounded, is provided in a package (not shown) of the APD 1 or in the vicinity thereof, and the output of the zener diode 7 is connected to a differential amplifier 8. Differential amplifier 8
A grounded reference voltage source 9 is also connected to the input of the.
The output of the differential amplifier 8 is connected to the adder 11 via the resistor 10, and the output of the adder 11 is connected to the bias power supply 12. A bias voltage reference voltage source 14 grounded via a resistor 13 is also connected to the input terminal of the adder 11. The output of the bias power source 12 is connected to the APD 1 via the resistor 15, and the grounded bias capacitor 16 is also connected to the input of the APD 1.

【0007】APD1で受信された光信号は光電流に変
換され、更にAPD1の負荷抵抗である抵抗2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3で取り出され、前置増幅器4
に入力される。前置増幅器4で増幅された信号はAGC
増幅器5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6で検出
され、AGC増幅器5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。更に、増倍率Mが入力光信
号レベルに対して最適増倍率MBの近くになるようにして
いる。
An optical signal received by the APD 1 is converted into a photocurrent and further converted into a voltage by a resistor 2 which is a load resistance of the APD 1. The signal converted into the voltage has the AC signal component of this voltage taken out by the coupling capacitor 3, and the preamplifier 4
Is input to The signal amplified by the preamplifier 4 is AGC
The gain is automatically controlled by the amplifier 5 and becomes the output signal of the optical receiver. Further, the output signal has its amplitude and the like detected by the detector 6 and is fed back to the AGC amplifier 5 to stabilize the output signal of the optical receiver. Further, the multiplication factor M is set to be close to the optimum multiplication factor MB with respect to the input optical signal level.

【0008】ツェナダイオード7はAPD1の温度検出
を行い、その端子電圧と基準電圧源9との電位差を差動
増幅器8で増幅し、更にバイアス電源用基準電圧源14
の電位と加算器11で加算して、バイアス電源12の入
力端子に印加する。これにより、APD1の温度に応じ
てAPD1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12より出力される。バイアス電源12
から出力された電圧は、APD1を流れる光電流に応じ
て変化する抵抗15の電圧降下により制御され、APD
1のバイアス電圧VBとなる。バイアスコンデンサ16は
APD1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 7 detects the temperature of the APD 1, amplifies the potential difference between its terminal voltage and the reference voltage source 9 by the differential amplifier 8, and further, the reference voltage source 14 for the bias power source.
The voltage is added by the adder 11 and applied to the input terminal of the bias power supply 12. As a result, the bias power supply 12 outputs a voltage substantially equal to the breakdown voltage Vbr of the APD1 according to the temperature of the APD1. Bias power supply 12
The voltage output from the APD 1 is controlled by the voltage drop across the resistor 15 that changes according to the photocurrent flowing through the APD 1.
A bias voltage of 1 is VB. The bias capacitor 16 is for passing the AC signal component of the current flowing through the APD 1.

【0009】図8はブレークダウン電圧Vbr が200V
のAPD1の入力に、200kΩの抵抗15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。背景光は信号光以外
のAPD1の周辺から入射する自然光であり、気象条件
や設置環境により異なる。点線はADP1に受信される
信号光レベル及び背景光レベルの光信号のパワーに対し
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を示し、APD1の増倍率Mはほぼ光入力に対す
る最適倍増率MBの近くに制御されている。
FIG. 8 shows that the breakdown voltage Vbr is 200V.
FIG. 6 is a graph showing the relationship between the signal light level and the multiplication factor M in the case where a 200 kΩ resistor 15 is connected to the input of the APD 1 for each background light level. The background light is natural light that is incident from the periphery of the APD 1 other than the signal light, and varies depending on weather conditions and installation environment. The dotted line shows the optimum multiplication factor MB that maximizes the S / N ratio of the output electric signal with respect to the power of the signal light level and the background light level of the optical signal received by the ADP1, and the multiplication factor M of the APD1 is It is controlled to be close to the optimum multiplication factor MB for the optical input.

【0010】図9は他の従来例のブロック回路構成図で
あり、図7に示した従来例とほぼ同様の構成図である
が、バイアス電源12と抵抗15との間にダイオード1
7が接続されている。
FIG. 9 is a block circuit diagram of another conventional example, which is almost the same as the conventional example shown in FIG. 7, except that the diode 1 is provided between the bias power source 12 and the resistor 15.
7 is connected.

【0011】図10は信号光レベルと増幅率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、点線は
最適増倍率MBを示している。ダイオード17の電流−電
圧特性の非直線性により、ADP1の特性が図8に示し
たADP1の特性よりも更に最適増倍率MBの近くになっ
ている。
FIG. 10 is a graph showing the relationship between the signal light level and the amplification factor M for each background light level, and the dotted line shows the optimum multiplication factor MB. Due to the non-linearity of the current-voltage characteristic of the diode 17, the characteristic of ADP1 is closer to the optimum multiplication factor MB than the characteristic of ADP1 shown in FIG.

【0012】[0012]

【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、信号光レベルが1mW以下での使用条件
下では良好な制御特性が得られるが、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通信
においては、伝送路の減衰量が雨や霧等の気象条件によ
り大きく変化する。また、伝送距離も数1000m〜数
10mまで範囲が広いため、光受信器は入力光レベルに
対して広いダイナミックレンジを持たせる必要がある。
However, in the above-mentioned conventional method, although a good control characteristic can be obtained under the use condition where the signal light level is 1 mW or less, the light beam propagating in the open free space is In the optical space communication using a communication path, the attenuation amount of the transmission path greatly changes depending on the weather conditions such as rain and fog. Also, since the transmission distance is wide from several thousand meters to several tens of meters, it is necessary for the optical receiver to have a wide dynamic range with respect to the input light level.

【0013】そこで伝送距離を長くして、かつ気象条件
の悪い場合でも使用できるように光送信機の出力を大き
くすると、大気の減衰の少ない気象条件下や伝送距離が
短い場合には、光受信器に大きなレベルの受信光が入力
し、ダイナミックレンジを十分に大きく取っておかない
と、光受信器への入力が過大で飽和し、信号を正常に検
出することができない。また、信号光レベルが適度であ
っても、背景光レベルが例えば太陽光のように非常に強
い光であれば、それによる光起電流のために光受信器が
飽和する可能性がある。
Therefore, by increasing the transmission distance and increasing the output of the optical transmitter so that it can be used even when the weather conditions are bad, the optical reception can be performed under the weather conditions where the atmospheric attenuation is small and when the transmission distance is short. If a large level of received light is input to the receiver and the dynamic range is not sufficiently large, the input to the optical receiver will be excessive and saturated, and the signal cannot be detected normally. Further, even if the signal light level is moderate, if the background light level is extremely strong light such as sunlight, the photoreceiver may saturate the photoreceiver current.

【0014】図11はADPのバイアス電圧に対する特
性を測定するために用いた光送信器及び光受信器の実験
系の構成図であり、信号源21が接続された光送信器2
2に対向して、レンズ23、可変光減衰器24、レンズ
25、図7、図9に示すADP1が順次に配列されてい
る。このADP1の出力には、図7、図9に示す接地さ
れた抵抗2、結合コンデンサ3、バイアス電圧VBが接続
され、結合コンデンサ3の出力は前置増幅器4を介して
光受信器の出力となる。
FIG. 11 is a block diagram of an experimental system of an optical transmitter and an optical receiver used for measuring the characteristics of the ADP with respect to a bias voltage. The optical transmitter 2 to which a signal source 21 is connected is shown in FIG.
The lens 23, the variable optical attenuator 24, the lens 25, and the ADP 1 shown in FIGS. 7 and 9 are sequentially arranged to face 2. The output of the ADP1 is connected to the grounded resistor 2, the coupling capacitor 3 and the bias voltage VB shown in FIGS. 7 and 9, and the output of the coupling capacitor 3 is connected to the output of the optical receiver via the preamplifier 4. Become.

【0015】図12はAPD1に入力した光入力パワー
に対する信号の出力レベルのグラフ図であり、APD1
に対するバイアス電圧VBが零の場合は、1.5mW程度
の入力で飽和して出力が急激に低下するが、バイアス電
圧VBが1Vの場合は、飽和する光入力パワーは5mWま
で増加する。
FIG. 12 is a graph showing the output level of the signal with respect to the optical input power input to the APD1.
When the bias voltage VB is zero, the output saturates with an input of about 1.5 mW, and the output sharply decreases, but when the bias voltage VB is 1 V, the saturated optical input power increases to 5 mW.

【0016】図7、図9に示した従来例では、APD1
のバイアス特性を最適増倍率MBの特性に近付けるため、
抵抗15には大きな抵抗値のものを使用しており、AP
D1に対する光の入力が大きくなると、光電流による電
圧下降も大きくなり、APD1に加わるバイアス電圧VB
は小さくなる。例えば、バイアス電源12の出力電圧を
200V、抵抗15の値を200KΩ、APD1の感度
を0.5A/Wとすると、光入力パワーが2mWの場合
にはAPD1の光電流は1mAとなり、図7に示した実
施例では抵抗15による電圧効果が200Vに達し、A
PD1に対するバイアス電圧VBは0Vとなる。
In the conventional example shown in FIGS. 7 and 9, APD1 is used.
In order to bring the bias characteristics of to the characteristics of the optimum multiplication factor MB,
A resistor with a large resistance value is used for the resistor 15.
When the light input to D1 increases, the voltage drop due to the photocurrent also increases, and the bias voltage VB applied to APD1 increases.
Becomes smaller. For example, assuming that the output voltage of the bias power source 12 is 200 V, the value of the resistor 15 is 200 KΩ, and the sensitivity of the APD1 is 0.5 A / W, the photocurrent of the APD1 is 1 mA when the optical input power is 2 mW, and FIG. In the embodiment shown, the voltage effect of the resistor 15 reaches 200 V,
The bias voltage VB for PD1 becomes 0V.

【0017】このとき、図12からこの光入力パワーで
はAPD1は飽和して出力が低下し、図9に示した他の
従来例では、ダイオード17による電圧降下の分だけ、
更に飽和する光入力が小さくなる。このように、従来の
APDのバイアス方式では、光入力パワーの大きな領域
ではAPDが飽和し易く、信号の出力が低下するという
問題点がある。
At this time, from FIG. 12, the APD 1 is saturated with this optical input power and the output is lowered, and in the other conventional example shown in FIG.
Further, the light input to be saturated becomes smaller. As described above, the conventional APD bias method has a problem in that the APD is easily saturated in a region where the optical input power is large and the signal output is reduced.

【0018】本発明の目的は、上述の問題点を解消し、
光入力が大きな場合でもAPDのバイアス電圧が低下し
て検出信号の出力が低下することを防止し、光信号及び
背景光の入力パワーの値に拘わらず常に最適のバイアス
電圧で動作し、広い入力パワーに対するダイナミックレ
ンジを確保できるアバランシェ・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。
The object of the present invention is to solve the above-mentioned problems,
Even when the optical input is large, the bias voltage of the APD is prevented from lowering and the output of the detection signal is prevented from lowering, and the APD always operates with the optimum bias voltage regardless of the input power values of the optical signal and the background light. It is to provide a bias method for an avalanche photodiode that can secure a dynamic range with respect to power.

【0019】[0019]

【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、第1のバイアス電源に抵抗又は該抵抗と
少なくとも1個のダイオードとの直列回路を接続した第
1のバイアス回路と、前記第1のバイアス電源よりも出
力電圧の低い第2のバイアス電源にダイオード又は該ダ
イオードと抵抗との直列回路を接続した第2のバイアス
回路とを備え、前記第1、第2のバイアス回路を直接又
は抵抗を介してアバランシェ・フォトダイオードのカソ
ードに接続し、該アバランシェ・フォトダイオードのア
ノードを直接又は抵抗を介して基準電位に接続すること
を特徴とする。
In order to achieve the above-mentioned object, the avalanche photodiode bias system according to the present invention comprises a first bias power source of a resistor or a series circuit of the resistor and at least one diode. And a second bias circuit in which a diode or a series circuit of the diode and a resistor is connected to a second bias power supply whose output voltage is lower than that of the first bias power supply, The first and second bias circuits are connected to the cathode of the avalanche photodiode directly or via a resistor, and the anode of the avalanche photodiode is connected to a reference potential directly or via a resistor. .

【0020】[0020]

【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、第1のバイアス電源の他に、
第1のバイアス電源よりも出力電圧の低い第2のバイア
ス電源を設け、光入力パワーが小さいときは第1のバイ
アス電源よりバイアス電圧を供給し、光入力パワーが大
きいときは第1のバイアス電源に接続したバイアス電圧
制御用の抵抗による電圧降下が大きくなり、第2のバイ
アス電源よりバイアス電圧を供給する。
In the bias system of the avalanche photodiode having the above-mentioned structure, in addition to the first bias power source,
A second bias power supply having an output voltage lower than that of the first bias power supply is provided, the bias voltage is supplied from the first bias power supply when the optical input power is small, and the first bias power supply when the optical input power is large. The voltage drop due to the bias voltage control resistor connected to the switch becomes large, and the bias voltage is supplied from the second bias power supply.

【0021】[0021]

【実施例】本発明を図1〜図6の実施例に基づいて詳細
に説明する。図1は実施例のブロック回路構成図であ
り、APD31の出力は接地された抵抗32及び結合コ
ンデンサ33に接続されている。結合コンデンサ33の
出力は前置増幅器34を介してAGC増幅器35に接続
され、AGC増幅器35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36に接続されている。検
波器36の出力はAGC増幅器35に接続されている。
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 the embodiment. The output of the APD 31 is connected to a grounded resistor 32 and a coupling capacitor 33. The output of the coupling capacitor 33 is connected to the AGC amplifier 35 via the preamplifier 34, and a part of the output of the AGC amplifier 35 is directly used as the output of the optical receiver and is also connected to the detector 36. The output of the detector 36 is connected to the AGC amplifier 35.

【0022】また、APD31の図示しないパッケージ
又はその近傍には、接地されたツェナダイオード37が
設けられており、ツェナダイオード37の出力は差動増
幅器38に接続されている。この差動増幅器38の入力
には接地された基準電圧源39も接続されている。差動
増幅器38の出力は抵抗40を介して加算器41に接続
されており、加算器41の出力は第1のバイアス電源4
2に接続されている。加算器41の入力端には、抵抗4
3を介して接地されたバイアス電源用基準電圧源44も
接続されている。第1のバイアス電源42の出力は、増
倍率制御用の抵抗45を介してAPD31に接続され、
APD31の入力には接地されたバイアスコンデンサ4
6も接続されている。
A grounded Zener diode 37 is provided in a package (not shown) of the APD 31 or in the vicinity thereof, and the output of the Zener diode 37 is connected to a differential amplifier 38. A grounded reference voltage source 39 is also connected to the input of the differential amplifier 38. The output of the differential amplifier 38 is connected to the adder 41 via the resistor 40, and the output of the adder 41 is the first bias power supply 4
Connected to 2. At the input end of the adder 41, a resistor 4
A bias voltage reference voltage source 44, which is grounded via 3, is also connected. The output of the first bias power supply 42 is connected to the APD 31 via a gain control resistor 45.
Bias capacitor 4 grounded to the input of APD 31
6 is also connected.

【0023】更に、APD31のカソードにはダイオー
ド47、抵抗48、第2のバイアス電源49が順次に接
続されている。なお、第2のバイアス電源49の出力電
圧は、第1のバイアス電源42の出力電圧に比べてかな
り小さく設定され、抵抗48の値も抵抗45の値に比べ
てかなり小さい。
Further, a diode 47, a resistor 48, and a second bias power source 49 are sequentially connected to the cathode of the APD 31. The output voltage of the second bias power source 49 is set to be considerably smaller than the output voltage of the first bias power source 42, and the value of the resistor 48 is also considerably smaller than the value of the resistor 45.

【0024】APD31で受信された光信号はAPD3
1で光電流に変換され、更にAPD31の負荷抵抗であ
る抵抗32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33で取り
出され、前置増幅器34に入力される。前置増幅器34
で増幅された信号はAGC増幅器35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36で検出され、AGC増幅器35
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。更に、増倍率Mが入力光信号レベルに対して最適
増倍率MBの近くになるようにしている。
The optical signal received by the APD 31 is the APD 3
It is converted into a photocurrent by 1, and further converted into a voltage by a resistor 32 which is a load resistance of the APD 31. The signal converted into the voltage has the AC signal component of this voltage extracted by the coupling capacitor 33 and input to the preamplifier 34. Preamplifier 34
The AGC amplifier 35 automatically controls the gain of the signal thus amplified, and becomes the output signal of the optical receiver. The amplitude of the output signal is detected by the detector 36, and the AGC amplifier 35
Is fed back to stabilize the output signal of the optical receiver. Further, the multiplication factor M is set to be close to the optimum multiplication factor MB with respect to the input optical signal level.

【0025】ツェナダイオード37ではAPD31の温
度検出を行い、その端子電圧と基準電圧源39との電位
差を差動増幅器38で増幅し、更にバイアス電源用基準
電圧源44の電位と加算器41で加算して、第1のバイ
アス電源42の入力端子に印加する。これにより、AP
D31の温度に応じてAPD31のブレークダウン電圧
Vbr にほぼ等しい電圧が、第1のバイアス電源42より
出力される。第1のバイアス電源42から出力された電
圧は、APD31を流れる光電流に応じて変化する抵抗
45の電圧降下により制御され、APD31のバイアス
電圧VBとなる。バイアスコンデンサ46はAPD31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 37 detects the temperature of the APD 31, the potential difference between the terminal voltage of the APD 31 and the reference voltage source 39 is amplified by the differential amplifier 38, and the potential of the bias power source reference voltage source 44 is added by the adder 41. Then, the voltage is applied to the input terminal of the first bias power supply 42. This allows the AP
Breakdown voltage of APD31 depending on the temperature of D31
A voltage approximately equal to Vbr is output from the first bias power supply 42. The voltage output from the first bias power source 42 is controlled by the voltage drop of the resistor 45 that changes according to the photocurrent flowing through the APD 31, and becomes the bias voltage VB of the APD 31. The bias capacitor 46 is for passing the AC signal component of the current flowing through the APD 31.

【0026】APD31の光入力が小さいときは、抵抗
45の光電流による電圧降下が小さく、APD31のカ
ソードの電位は第2のバイアス電源49の出力電圧より
も高いのでダイオード47は導通しない。そのため、第
2のバイアス電源49からバイアス電圧VBは供給されな
い。
When the light input to the APD 31 is small, the voltage drop due to the photocurrent of the resistor 45 is small and the potential of the cathode of the APD 31 is higher than the output voltage of the second bias power source 49, so that the diode 47 does not conduct. Therefore, the bias voltage VB is not supplied from the second bias power source 49.

【0027】APD31の光入力が大きくなり、抵抗4
5による電圧降下でAPD31のカソードの電位が第2
のバイアス電源49の出力電圧以下になるとダイオード
47が導通し、APD31のバイアス電圧VBは第2のバ
イアス電源49より供給される。
The light input to the APD 31 becomes large, and the resistance 4
The voltage drop by 5 causes the potential of the cathode of the APD 31 to reach the second
When the output voltage of the bias power source 49 becomes lower than the output voltage of the bias power source 49, the diode 47 becomes conductive, and the bias voltage VB of the APD 31 is supplied from the second bias power source 49.

【0028】第2のバイアス電源49の出力電圧値と抵
抗48の値は、検出可能な光入力パワーの大きさに対す
る要求で決定され、第2のバイアス電源49の出力電圧
から抵抗32、48、ダイオード47による電圧降下を
差し引いた電圧が、必要とする光パワーに対してAPD
31が飽和しないようなバイアス電圧VBとなり、かつA
PD31に大きな光電流が流れてAPD31の熱破壊を
起こさないような値に選ぶ。なお、第2のバイアス電源
49の出力電圧と抵抗32の値次第で、APD31に過
大電流が流れる可能性がなければ、抵抗48を設けなく
ともよい。
The output voltage value of the second bias power source 49 and the value of the resistor 48 are determined by the requirement for the magnitude of the optical input power that can be detected. The voltage obtained by subtracting the voltage drop due to the diode 47 is the APD for the required optical power.
The bias voltage VB is such that 31 does not saturate, and A
The value is selected so that a large photocurrent flows through the PD 31 and thermal destruction of the APD 31 does not occur. The resistor 48 may be omitted if there is no possibility that an excessive current will flow through the APD 31 depending on the output voltage of the second bias power source 49 and the value of the resistor 32.

【0029】図2はAPD31に入力した光入力パワー
に対する信号の出力レベルのグラフ図であり、実線は本
実施例における200KΩの抵抗45、1KΩの抵抗4
8、12Vの第2のバイアス電源49を接続した場合を
示し、点線は従来例の場合を示している。これらを比較
すると、APD31が飽和して信号レベルが低下する光
入力パワーが、ダイオード47、抵抗48、第2のバイ
アス電源49を設けない場合よりも10倍近く大きくな
って、光入力パワーの大きな領域でのダイナミックレン
ジが広くなっている。
FIG. 2 is a graph showing the output level of the signal with respect to the optical input power input to the APD 31, and the solid line indicates the resistance 45 of 200 KΩ and the resistance 4 of 1 KΩ in this embodiment.
The case where the second bias power source 49 of 8 and 12 V is connected is shown, and the dotted line shows the case of the conventional example. Comparing these, the optical input power at which the APD 31 is saturated and the signal level is lowered is about 10 times larger than in the case where the diode 47, the resistor 48, and the second bias power source 49 are not provided, and the optical input power is large. Wide dynamic range in the area.

【0030】本実施例では、第2のバイアス電源49に
より、光入力パワーの大きな領域では、バイアス電圧値
が検出信号のS/N比を最大にする最適バイアス条件か
ら外れることになるが、これだけ光入力の大きな領域で
は信号のS/N比が十分大きいため、最適バイアス条件
から少々外れても問題にならない。
In the present embodiment, the second bias power source 49 causes the bias voltage value to deviate from the optimum bias condition that maximizes the S / N ratio of the detection signal in a region where the optical input power is large, but this is the only condition. Since the S / N ratio of the signal is sufficiently large in the region where the optical input is large, it does not matter even if it deviates slightly from the optimum bias condition.

【0031】図3は他の実施例のブロック回路構成図で
あり、図1とほぼ同様の構成であるが、第1のバイアス
電源42と抵抗45との間にダイオード50が接続され
ている。このとき、光入力パワーが大きい領域での動作
は、図1に示す実施例と同様であるが、光入力パワーが
小さい領域では、図1に示す実施例よりも最適増倍率MB
に近い増倍率制御をすることができる。
FIG. 3 is a block circuit configuration diagram of another embodiment, which has substantially the same configuration as that of FIG. 1, but a diode 50 is connected between the first bias power source 42 and the resistor 45. At this time, the operation in the region where the optical input power is large is the same as that of the embodiment shown in FIG. 1, but in the region where the optical input power is small, the optimum multiplication factor MB is larger than that in the embodiment shown in FIG.
It is possible to control the multiplication factor close to.

【0032】図4は図1、図3に示すAPD31のカソ
ードと抵抗45との間に、電流制御用の抵抗51を設け
た場合のブロック回路構成図である。抵抗45、51の
抵抗値をそれぞれR1、R2としたとき、R1≫R2とすると、
図1、図3に示す実施例と同等の特性が得られる。
FIG. 4 is a block circuit configuration diagram in the case where a resistor 51 for current control is provided between the cathode of the APD 31 shown in FIGS. 1 and 3 and the resistor 45. When the resistance values of the resistors 45 and 51 are R1 and R2 respectively, and R1 >> R2,
The characteristics equivalent to those of the embodiments shown in FIGS. 1 and 3 can be obtained.

【0033】図5は図1、図3に示すAPD31のアノ
ードに抵抗32を設ける代りに、APD31のカソード
に抵抗52を設けた場合のブロック回路構成図である。
また、図6も同様に図4に示すAPD31のアノードに
抵抗32を設ける代りに、APD31のカソードに抵抗
52を設けた場合のブロック回路構成図である。これら
は信号の取り出し方が異なるだけで、バイアスの動作は
図1、図3、図4に示す実施例と同じである。
FIG. 5 is a block circuit configuration diagram in which a resistor 52 is provided at the cathode of the APD 31 instead of providing the resistor 32 at the anode of the APD 31 shown in FIGS.
FIG. 6 is also a block circuit configuration diagram in which a resistor 52 is provided at the cathode of the APD 31 instead of providing the resistor 32 at the anode of the APD 31 shown in FIG. The operation of bias is the same as that of the embodiments shown in FIGS. 1, 3 and 4 except that the way of extracting signals is different.

【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、電圧の異
なる2種類のバイアス電源を用いてアバランシェ・フォ
トダイオードの増倍率を制御するもので、光入力パワー
が比較的小さいときは第1のバイアス電源と抵抗によ
り、アバランシェ・フォトダイオードのバイアス電圧が
最適増倍率を与えるように制御され、光入力パワーが大
きいときは第2のバイアス電源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保持してアバランシェ
・フォトダイオードの飽和を防ぐため、空間伝搬の光通
信のような使用環境により光信号入力レベルや背景光入
力レベルの変化の大きなシステムにおいても、最適バイ
アス条件での制御と広いダイナミックレンジの確保が可
能となる。
As described above, the avalanche photodiode bias system according to the present invention controls the multiplication factor of the avalanche photodiode by using two types of bias power supplies having different voltages. When the input power is relatively small, the bias voltage of the avalanche photodiode is controlled by the first bias power supply and the resistance so as to give the optimum multiplication factor. When the optical input power is large, the second bias power supply controls the avalanche photodiode. In order to prevent the saturation of the avalanche photodiode by holding the bias voltage of, the optimum bias condition is maintained even in the system where the optical signal input level and the background light input level change greatly due to the usage environment such as spatial propagation optical communication. It is possible to control and secure a wide dynamic range.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【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】光入力パワーに対するアバランシェ・フォトダ
イオードの出力応答特性のグラフ図である。
FIG. 2 is a graph showing output response characteristics of an avalanche photodiode with respect to optical input power.

【図3】他の実施例のブロック回路構成図である。FIG. 3 is a block circuit configuration diagram of another embodiment.

【図4】アバランシェ・フォトダイオードのカソードに
新たに抵抗を設けた場合のブロック回路構成図である。
FIG. 4 is a block circuit configuration diagram when a new resistor is provided at the cathode of the avalanche photodiode.

【図5】アバランシェ・フォトダイオードの抵抗をカソ
ードに設けた場合のブロック回路構成図である。
FIG. 5 is a block circuit configuration diagram in the case where a resistor of an avalanche photodiode is provided in the cathode.

【図6】アバランシェ・フォトダイオードの抵抗をカソ
ードに設けた場合のブロック回路構成図である。
FIG. 6 is a block circuit configuration diagram when a resistance of an avalanche photodiode is provided at a cathode.

【図7】従来例のブロック回路構成図である。FIG. 7 is a block circuit configuration diagram of a conventional example.

【図8】信号光レベルと最適増倍率の関係のグラフ図で
ある。
FIG. 8 is a graph showing the relationship between the signal light level and the optimum multiplication factor.

【図9】他の従来例のブロック回路構成図である。FIG. 9 is a block circuit configuration diagram of another conventional example.

【図10】信号光レベルと最適増倍率の関係のグラフ図
である。
FIG. 10 is a graph showing the relationship between the signal light level and the optimum multiplication factor.

【図11】光送信器及び光受信器の構成図である。FIG. 11 is a configuration diagram of an optical transmitter and an optical receiver.

【図12】光入力パワーに対するアバランシェ・フォト
ダイオードの出力応答特性のグラフ図である。
FIG. 12 is a graph of output response characteristics of an avalanche photodiode with respect to optical input power.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

31 アバランシェ・フォトダイオード 33 結合コンデンサ 34 前置増幅器 35 AGC増幅器 36 検波器 37 ツェナダイオード 38 差動増幅器 39 基準電圧源 41 加算器 42 第1のバイアス電源 44 バイアス電源用基準電圧源 46 バイアスコンデンサ 47、50 ダイオード 49 第2のバイアス電源 31 Avalanche Photodiode 33 Coupling Capacitor 34 Preamplifier 35 AGC Amplifier 36 Detector 37 Zener Diode 38 Differential Amplifier 39 Reference Voltage Source 41 Adder 42 First Bias Power Supply 44 Bias Power Supply Reference Voltage Source 46 Bias Capacitor 47, 50 diode 49 second bias power supply

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 第1のバイアス電源に抵抗又は該抵抗と
少なくとも1個のダイオードとの直列回路を接続した第
1のバイアス回路と、前記第1のバイアス電源よりも出
力電圧の低い第2のバイアス電源にダイオード又は該ダ
イオードと抵抗との直列回路を接続した第2のバイアス
回路とを備え、前記第1、第2のバイアス回路を直接又
は抵抗を介してアバランシェ・フォトダイオードのカソ
ードに接続し、該アバランシェ・フォトダイオードのア
ノードを直接又は抵抗を介して基準電位に接続すること
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 first bias circuit in which a resistor or a series circuit of the resistor and at least one diode is connected to a first bias power source, and a second bias circuit whose output voltage is lower than that of the first bias power source. A bias power supply is provided with a diode or a second bias circuit in which a series circuit of the diode and a resistor is connected, and the first and second bias circuits are connected to the cathode of the avalanche photodiode directly or through the resistor. A bias method for an avalanche photodiode, characterized in that the anode of the avalanche photodiode is connected to a reference potential directly or via a resistor.
【請求項2】 前記第1のバイアス電源は制御入力電圧
により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又はその近傍の温度を検出し、
該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又は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
ぼ等しいか又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 first bias power supply is capable of changing an output voltage according to a control input voltage,
The control input voltage terminal detects the temperature of the package of the avalanche photodiode or the vicinity thereof,
Based on the detection signal, the breakdown voltage of the avalanche photodiode is approximately equal to or is equal to the breakdown voltage of the avalanche photodiode at or near the temperature of the package detected by following a change in the breakdown voltage of the avalanche photodiode with temperature. The bias system for an avalanche photodiode according to claim 1, wherein a signal that outputs a voltage that does not exceed the threshold is provided.
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7115963B2 (en) 2002-12-09 2006-10-03 Quantum Semiconductor Llc Circuitry for image sensors with avalanche photodiodes
JP2006303524A (en) * 2006-06-08 2006-11-02 Oki Comtec Ltd Bias voltage control circuit for avalanche photodiode and its adjusting method
KR101490810B1 (en) * 2012-04-16 2015-02-06 삼성탈레스 주식회사 Bias voltage setting appratus of avalanche photo diode detector for laser range finder
CN110597341A (en) * 2019-10-21 2019-12-20 苏州玖物互通智能科技有限公司 Current type open loop temperature-dependent regulating system based on FPGA chip

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