JPWO2008111186A1

JPWO2008111186A1 - 光検出回路、光伝送装置および光検出方法

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Publication number: JPWO2008111186A1
Application number: JP2009503827A
Authority: JP
Inventors: 小川　一恭; 一恭小川
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2007-03-14
Filing date: 2007-03-14
Publication date: 2010-06-24
Also published as: WO2008111186A1; US20100166437A1

Abstract

光検出回路６０は、入力された光の光レベルに応じた電圧を発生させるＰＤ受信部６１０と、ＰＤ受信部６１０によって生成された電圧を増幅させるＨｉｇｈレンジ増幅部６３１と、ＰＤ受信部６１０によって生成された電圧をさらに高い増幅率で増幅させるＬｏｗレンジ増幅部６３２と、Ｈｉｇｈレンジ増幅部６３１およびＬｏｗレンジ増幅部６３２の出力電圧の電圧レベルをデジタル値化するＡＤ変換部６４０と、ＡＤ変換部６４０の変換結果を閾値と比較して、Ｈｉｇｈレンジ増幅部６３１の出力電圧の電圧レベルがデジタル値化された値と、Ｌｏｗレンジ増幅部６３２の出力電圧の電圧レベルがデジタル値化された値のいずれを出力するかを選択する選択部６５１と、選択部６５１の選択結果に応じた補正値を補正テーブル６５５ｂから取得し、選択部６５１によって選択された値に加算する出力補正部６５３とを備える。

Description

この発明は、入力された光の光レベルを検出して出力する光検出回路および光検出方法と、その光検出回路を有する光伝送装置に関し、特に、高精度かつ低コストで光レベルを検出することができる光検出回路、光伝送装置および光検出方法に関する。

近年、光ネットワークにおいて光信号を伝送するための伝送装置としてＷＤＭ（Wavelength Division Multiplexing）伝送装置が広く利用されるようになりつつある。ＷＤＭ伝送装置は、複数の波長の光信号を波長分割多重することにより、回線あたりの通信容量を増大させることができる装置である。

ＷＤＭ伝送装置には、長距離通信を可能にするために光増幅器を備えているものがある。このような光増幅器を備えたＷＤＭ伝送装置においては、光増幅器から出力される光信号の光レベルを一定に保つため、自動利得制御（ＡＧＣ：Auto Gain Control）がおこなわれる。

光増幅器の自動利得制御は、電気回路によって実現される。すなわち、光増幅器の出力の光レベルは、フォトダイオード（以下、「ＰＤ」という）を備える受光部によって電圧レベルへ変換され、電気回路が、この電圧レベルを基準値と比較し、その比較結果に基づいて光増幅器の増幅量を補正する。

安定した長距離通信を実現するには、この自動利得制御の精度を向上させることが非常に重要となるが、ここで、フォトダイオードの出力の指数関数特性が問題となる。フォトダイオードの出力は、光入力レベルが小さくなるほど小さくなり、分解能が低くなるため、制御誤差が大きくなり易い。この問題を解決するため、フォトダイオードの出力を、ログアンプを用いて増幅する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００３−２４９８９５号公報

しかしながら、ログアンプは、増幅器として使用される一般的なオペアンプと比較して大型かつ高価であり、回路の大規模化とコストの増大を招くという問題がある。特に、特許文献１において開示されている技術では、ログアンプの出力特性を改善するため、２つのログアンプを組み合わせて使用する必要があり、回路規模とコストへの影響が大きくなっている。

この発明は、上述した従来技術による問題点を解消するためになされたものであり、高精度かつ低コストで光レベルを検出することができる光検出回路、光伝送装置および光検出方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明の一つの態様では、入力された光の光レベルを検出して出力する光検出回路であって、入力された光の光レベルに応じた電圧を発生させる受光手段と、前記受光手段によって生成された電圧を増幅させる第１の増幅手段と、前記受光手段によって生成された電圧を前記第１の増幅手段よりも高い増幅率で増幅させる第２の増幅手段と、前記第１の増幅手段および第２の増幅手段の出力電圧の電圧レベルをデジタル値化するＡＤ変換手段と、前記ＡＤ変換手段の変換結果を閾値と比較して、前記第１の増幅手段の出力電圧の電圧レベルがデジタル値化された値と、前記第２の増幅手段の出力電圧の電圧レベルがデジタル値化された値のいずれを出力するかを選択する選択手段と、前記選択手段の選択結果に応じた補正値を記憶手段から取得し、前記選択手段によって選択された値に加算する出力補正手段とを備えたことを特徴とする。

この発明の態様によれば、受光手段によって生成された電圧を増幅するための増幅手段として、増幅率の異なる２つの増幅手段を設け、閾値判定によって適切な増幅手段の出力を選択するように構成したので、十分なダイナミックレンジを確保しつつ高精度に光レベルの検出をおこなうことができる。

また、この態様では、増幅結果をデジタル値化した値を、予め記憶された補正値を用いて補正するように構成したので、増幅手段として安価なオペアンプを用いても、オペアンプの出力がもつ指数関数特性を簡単な構成で補正することができ、高精度かつ低コストで光レベルの検出をおこなうことができる。

また、本発明の他の態様では、上記の発明の態様において、予め記憶手段に記憶された変換テーブルに基づいて、前記選択手段によって選択された値を対数ＬＯＧ変換する対数ＬＯＧ変換手段をさらに備えたことを特徴とする。

この発明の態様によれば、増幅手段の出力がもつ指数関数特性を補正するための変数テーブルを設け、このテーブルを用いて指数関数特性の補正をおこなうこととしたので、指数関数特性の補正のための補正量と、その他の要因のための補正量を独立させて管理し、設計変更時の修正量を最小限に抑えることができる。

また、本発明の他の態様では、上記の発明の態様において、前記受光手段は、駆動抵抗として固定抵抗が用いられることを特徴とする。

この発明の態様によれば、受光手段の駆動抵抗として可変抵抗ではなく、固定抵抗を用いることとしたので、可変抵抗の偏差に起因する精度の低化を回避することができる。

なお、本発明の構成要素、表現または構成要素の任意の組合せを、方法、装置、システム、コンピュータプログラム、記録媒体、データ構造などに適用したものも本発明の態様として有効である。

本発明の一つの態様によれば、受光手段によって生成された電圧を増幅するための増幅手段として、増幅率の異なる２つの増幅手段を設け、閾値判定によって適切な増幅手段の出力を選択するように構成したので、十分なダイナミックレンジを確保しつつ高精度に光レベルの検出をおこなうことができるという効果を奏する。

また、本発明の一つの態様によれば、増幅結果をデジタル値化した値を、予め記憶された補正値を用いて補正するように構成したので、増幅手段として安価なオペアンプを用いても、オペアンプの出力がもつ指数関数特性を簡単な構成で補正することができ、高精度かつ低コストで光レベルの検出をおこなうことができるという効果を奏する。

また、本発明の一つの態様によれば、増幅手段の出力がもつ指数関数特性を補正するための変数テーブルを設け、このテーブルを用いて指数関数特性の補正をおこなうこととしたので、指数関数特性の補正のための補正量と、その他の要因のための補正量を独立させて管理し、設計変更時の修正量を最小限に抑えることができるという効果を奏する。

また、本発明の一つの態様によれば、受光手段の駆動抵抗として可変抵抗ではなく、固定抵抗を用いることとしたので、可変抵抗の偏差に起因する精度の低化を回避することができるという効果を奏する。

図１は、ＷＤＭ伝送装置の構成を示すブロック図である。図２は、本実施例に係る光検出回路の構成を示すブロック図である。図３は、ＰＤ受信部と電気レベル安定部の構成を示す図である。図４は、Ｌｏｗレンジ増幅部の増幅率を５倍とした場合の分解能を説明するための図である。図５は、Ｌｏｗレンジ増幅部の増幅率を２０倍とした場合の分解能を説明するための図である。図６は、Ｌｏｗレンジ増幅部の増幅率を１００倍とした場合の分解能を説明するための図である。図７は、変換テーブルの一例を図７に示す図である。図８は、６つのＰＤを備える光検出回路の構成を示すブロック図である。図９は、従来の光検出回路の構成を示すブロック図である。図１０は、ＰＤ受信部の構成を示す図である。図１１は、従来の他の光検出回路の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１０、２０ＷＤＭ伝送装置
３０ａ〜３０ｎ、４０ａ〜４０ｎ伝送装置
５０、５１、６０、７０光検出回路
１１０光ＭＵＸ
１２０ＷＤＭ送信部
１２１光増幅器
１２２波長フィルタ
１３０制御部
１３１光検出回路
１３２光レベル比較部
１３３光入力設定テーブル
１３４光ＭＵＸ制御部
２１０ＷＤＭ受信部
２１１光増幅器
２１２波長フィルタ
２２０光ＤＭＵＸ
２３０制御部
２３１光検出回路
２３２光レベル比較部
２３３光ＤＭＵＸ設定テーブル
５１０ＰＤ受信部
５１１ＰＤ
５１２可変抵抗
５２０電気レベル安定部
５３０ログアンプ部
５４０ＡＤ変換部
５５０増幅部
５６０対数ＬＯＧ演算部
６１０ＰＤ受信部
６１１ＰＤ
６１２固定抵抗
６２０電気レベル安定部
６２１オペアンプ
６２２固定抵抗
６３１Ｈｉｇｈレンジ増幅部
６３２Ｌｏｗレンジ増幅部
６４０ＡＤ変換部
６５０デジタル処理部
６５１選択部
６５２対数ＬＯＧ変換部
６５３出力補正部
６５４ＲＯＭ
６５４ａ判定閾値
６５５不揮発メモリ
６５５ａ変換テーブル
６５５ｂ補正テーブル
７１０ＰＤ受信部
７１１〜７１６ＰＤ
７２０電気レベル安定部
７２１〜７２６オペアンプ
７２７ａ、７２７ｂポート選択部
７３１ａ、７３１ｂＨｉｇｈレンジ増幅部
７３２ａ、７３２ｂＬｏｗレンジ増幅部
７４０ＡＤ変換部
７５０デジタル処理部
７５１リードレジスタ
７５２選択部
７５３対数ＬＯＧ変換部
７５４出力補正部
７５５ＲＯＭ
７５５ａ判定閾値
７５６不揮発メモリ
７５６ａ変換テーブル
７５６ｂ補正テーブル
７５７ポート選択制御部
７５８ＡＤ変換制御部

以下に添付図面を参照して、本発明に係る光検出回路、光伝送装置および光検出方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。

まず、ＷＤＭ伝送装置の構成について説明する。図１は、ＷＤＭ伝送装置の構成を示すブロック図である。なお、説明を簡単にするため、同図においては、ＷＤＭ伝送装置１０は、光信号の送信のための構成のみを有し、ＷＤＭ伝送装置２０は、光信号の受信のための構成のみを有するものとして説明するが、これらの構成を併せもたせることにより、光信号の送信と受信のいずれも可能なＷＤＭ装置を実現することができる。

同図に示すように、ＷＤＭ伝送装置１０は、光ＭＵＸ１１０と、ＷＤＭ送信部１２０と、制御部１３０とを有する。光ＭＵＸ１１０は、伝送装置３０ａ〜３０ｎから送信された光信号を波長分割多重する処理部である。伝送装置３０ａ〜３０ｎは、例えば、ＳＤＨ（Synchronous Digital Hierarchy）伝送装置等であり、それぞれ、λ１〜λｎという波長の異なる光信号をＷＤＭ伝送装置１０へ送信する。

ＷＤＭ送信部１２０は、光ＭＵＸ１１０によって多重された光信号を対向装置（この例では、ＷＤＭ伝送装置２０）へ送信する処理部であり、光増幅器１２１と、波長フィルタ１２２とを有する。光増幅器１２１は、伝送経路での減衰に備えて光信号を増幅するための増幅器であり、光信号を電気信号へ変換することなく、光信号のまま増幅する。光増幅器１２１によって増幅された光信号は、対向装置へ送信されるとともに、自動利得制御のために、分岐されて、波長フィルタ１２２へ入力される。波長フィルタ１２２は、入力された光信号に含まれる各波長を分離させるフィルタである。

制御部１３０は、自動利得制御を実行する制御部であり、光検出回路１３１と、光レベル比較部１３２と、光入力設定テーブル１３３と、光ＭＵＸ制御部１３４とを有する。光検出回路１３１は、波長フィルタ１２２によって分離された各波長の光信号の光レベルを検出する回路である。

光レベル比較部１３２は、光検出回路１３１において検出された光レベルと、光入力設定テーブル１３３に設定されている値と比較し、その差分量を光ＭＵＸ制御部１３４へ通知する処理部であり、光ＭＵＸ制御部１３４は、通知された差分量に従って、光ＭＵＸ制御部１３４の出力を制御する制御部である。

ＷＤＭ伝送装置２０は、ＷＤＭ受信部２１０と、光ＤＭＵＸ２２０と、制御部２３０とを有する。ＷＤＭ受信部２１０は、対向装置（この例では、ＷＤＭ伝送装置１０）から送信された光信号を受信する処理部であり、光増幅器２１１と、波長フィルタ２１２とを有する。

光増幅器２１１は、伝送経路において減衰した光信号を増幅するための増幅器であり、光信号を電気信号へ変換することなく、光信号のまま増幅する。光増幅器２１１によって増幅された光信号は、光ＤＭＵＸ２２０へ出力されるとともに、自動利得制御のために、分岐されて、波長フィルタ２１２へ入力される。波長フィルタ２１２は、入力された光信号に含まれる各波長を分離させるフィルタである。

光ＤＭＵＸ２２０は、波長分割多重されている光信号を分離して、多重化前の各波長の光信号を取り出し、取り出された各光信号を伝送装置４０ａ〜４０ｎへ送信する処理部である。伝送装置４０ａ〜４０ｎは、例えば、ＳＤＨ伝送装置であり、それぞれ、λ１〜λｎという波長の異なる光信号をＷＤＭ伝送装置２０から受信する。

制御部２３０は、自動利得制御を実行する制御部であり、光検出回路２３１と、光レベル比較部２３２と、光ＤＭＵＸ設定テーブル２３３とを有する。光検出回路２３１は、波長フィルタ２１２によって分離された各波長の光信号の光レベルを検出する回路である。光レベル比較部２３２は、光検出回路２３１において検出された光レベルと、光ＤＭＵＸ設定テーブル２３３に設定されている値と比較し、その差分量に従って、光増幅器２１１を制御する制御部である。

このように、ＷＤＭ伝送装置においては、光信号の送信側の処理においても、受信側の処理においても光増幅器の出力光レベルの自動利得制御がおこなわれ、光増幅器の出力光レベルを検出するために光検出回路が用いられる。

次に、従来の光検出回路の構成について説明する。図９は、従来の光検出回路５０の構成を示すブロック図である。光検出回路５０は、図１に示した光検出回路１３１や光検出回路２３１に相当する回路であり、ＰＤ受信部５１０と、電気レベル安定部５２０と、ログアンプ部５３０と、ＡＤ変換部５４０とを有する。

ＰＤ受信部５１０は、入力された光信号の光レベルを電圧レベルに変換する処理部であり、図１０に示すように、ＰＤ５１１と、可変抵抗５１２とを有する。ＰＤ５１１は、電圧（Ｖｃｃ）を与えた状態（Ｖｃｃ）で光を受信すると電流（Ｉ）を発生させ、ＰＤ５１１の駆動抵抗である可変抵抗５１２は、生成された電流に応じた大きさの電圧（Ｖｏｕｔ）を発生させる。

ＰＤ５１１は、入力光レベル（単位：ｄＢ／ｄＢｍ）を電力（単位：Ｗ）に変換する特性をもち、単位電力当たりで発生する電流を受光感度（単位：ｍＡ／Ｗ）という。ＰＤ受信部５１０の出力電圧（Ｖｏｕｔ）は、下記の式（１）で算出される。

Ｐｏｐｔは、ＰＤ受光レベルに対する電力変換値であり、ηは、ＰＤ受光感度であり、ＲＶは、ＰＤ駆動抵抗値である。それぞれのパラメータの一般的な単位を示すと、
Ｖｏｕｔ：ｍＶ
Ｐｏｐｔ：ｍＷ
η：ｍＡ／ｍＷ
ＲＶ：Ω
である。

ＰＤ５１１は、ダイオード基本特性である指数関数特性をもち、ＰＤ受信部５１０の出力電圧（Ｖｏｕｔ）は、光入力レベルが小さくなるほど小さくなる。また、ＰＤ５１１の受光感度は、ＰＤ素子そのものの特性に依存する。具体的には、０．０１〜０．０７ｍＡ／ｍＷと感度範囲が広いＰＤ素子もあれば、０．０２〜０．０４ｍＡ／ｍＷと感度範囲が狭いＰＤ素子も存在する。可変抵抗５１２は、ＰＤ５１１の受光感度に応じて、後段の処理部に適した大きさの電圧が生成されるように抵抗値を設定される。

ＰＤ受信部５１０の出力（Ｖｏｕｔ）は、電気レベル安定部５２０によって安定化され、光レベル比較部１３２等での比較処理に適した信号とするために、ログアンプ部５３０によって指数関数特性を補正される。そして、ＡＤ変換部５４０によって、電圧レベルの大きさを示すデジタル信号へ変換されて出力される。

このように、従来の光検出回路５０においては、可変抵抗５１２によってＰＤ５１１の受信感度のバラツキが補正され、ログアンプ部５３０によってＰＤ受信部５１０の出力の指数関数特性が補正される。しかしながら、一般的に知られているように、可変抵抗５１２の精度は、約±２０％程度が最小偏差であり、この分だけ光検出回路５０の出力の精度は損なわれている。また、ログアンプ部５３０に用いられるログアンプは、大型かつ高価な部品であり、光検出回路５０のコストを増大させる。

図１１は、従来の他の光検出回路５１の構成を示すブロック図である。光検出回路５１は、図１に示した光検出回路１３１や光検出回路２３１に相当する回路であり、ＰＤ受信部５１０と、電気レベル安定部５２０と、増幅部５５０と、ＡＤ変換部５４０と、対数ＬＯＧ演算部５６０とを有する。

光検出回路５１は、ログアンプ部５３０の代わりに、通常のオペアンプを用いて電圧の増幅をおこなう増幅部５５０を備え、ＰＤ受信部５１０の出力の指数関数特性を、ＡＤ変換部５４０の後段に設けた対数ＬＯＧ演算部５６０においてデジタル演算処理によっておこなう点において光検出回路５０と異なっている。

しかしながら、この構成においても、ＰＤ５１１の受信感度のバラツキを補正するための可変抵抗５１２がＰＤ受信部５１０に設けられていることに起因する出力の精度の低化の問題は解決しておらず、また、対数ＬＯＧ演算部５６０も大きな回路となるため、回路規模とコストの問題は解決されない。

次に、本実施例に係る光検出回路６０の構成について説明する。図２は、本実施例に係る光検出回路６０の構成を示すブロック図である。光検出回路６０は、図１に示した光検出回路１３１や光検出回路２３１に相当する回路であり、ＰＤ受信部６１０と、電気レベル安定部６２０と、Ｈｉｇｈレンジ増幅部６３１と、Ｌｏｗレンジ増幅部６３２と、ＡＤ変換部６４０と、デジタル処理部６５０とを有する。

ＰＤ受信部６１０は、入力された光信号の光レベルを電圧レベルに変換する処理部であり、図３に示すように、ＰＤ６１１と、固定抵抗６１２とを有する。このように、ＰＤ受信部６１０は、ＰＤ６１１から、後段の処理部に適した大きさの電圧が生成するための抵抗として可変抵抗ではなく、固定抵抗を用いる。これにより、可変抵抗に起因する光検出回路６０の出力精度の問題は解決される。

電気レベル安定部６２０は、ＰＤ受信部６１０の出力を安定化させる処理部であり、図３に示すように、オペアンプ６２１と、固定抵抗６２２とを有する。

ここで、固定抵抗６１２の選択について説明しておく。ＰＤ受信部６１０の出力電圧は、後段の処理部に適した大きさでなくてはならない。具体的には、ＰＤ受信部６１０の出力電圧は、まず、十分な利得を得るため、電気レベル安定部６２０のオペアンプ６２１の入力オフセット電圧よりも高いことが必要である。

また、ＰＤ受信部６１０の出力電圧は、Ｈｉｇｈレンジ増幅部６３１による増幅後の電圧が、ＡＤ変換部６４０のフルスケール（測定可能範囲の上限）以下であることが必要である。Ｈｉｇｈレンジ増幅部６３１による増幅後の電圧が、ＡＤ変換部６４０のフルスケールを超えると、入力された光信号の光レベルを測定できなくなってしまうためである。

Ｈｉｇｈレンジ増幅部６３１およびＬｏｗレンジ増幅部６３２は、電気レベル安定部６２０の出力電圧を増幅する処理部である。Ｈｉｇｈレンジ増幅部６３１とＬｏｗレンジ増幅部６３２は、異なる増幅率をもつ。具体的には、Ｈｉｇｈレンジ増幅部６３１は、電気レベル安定部６２０から出力される最大電圧が、ＡＤ変換部６４０のフルスケールに丁度収まるような増幅率をもち、ダイナミックレンジを向上させる。

一方、Ｌｏｗレンジ増幅部６３２は、電気レベル安定部６２０から出力される低い電圧に十分な分解能をもたせることができるだけの増幅率をもつ。既に説明したように、ＰＤ受信部６１０の出力電圧は、指数関数的特性をもつため、入力される光信号の光レベルが小さくなるにしたがって、ＰＤ受信部６１０の出力電圧も小さくなり、分解能も低くなる。そこで、Ｌｏｗレンジ増幅部６３２は、Ｈｉｇｈレンジ増幅部６３１よりも高い増幅率をもち、ＰＤ受信部６１０の出力電圧を大きく増幅して、低出力時の分解能を向上させる。

Ｈｉｇｈレンジ増幅部６３１およびＬｏｗレンジ増幅部６３２の増幅率の組合せは、ＰＤ６１１の特性や必要とされる精度等に応じて適宜決定することができる。ここで、Ｈｉｇｈレンジ増幅部６３１およびＬｏｗレンジ増幅部６３２の増幅率の組合せの具体例をいくつか示す。なお、以下に示す例は、ＡＤ変換部６４０のフルスケールが４０００ｍＶであり、電気レベル安定部６２０のオペアンプ６２１の出力オフセット電圧が１０ｍＶであり、Ｈｉｇｈレンジ増幅部６３１の倍率が１倍の場合の例である。

図４は、Ｌｏｗレンジ増幅部６３２の増幅率を５倍とした場合の分解能を説明するための図である。同図に示すように、この場合、Ｈｉｇｈレンジ増幅部６３１の最小出力電圧は、８００ｍＶであり、分解能は、０．００５ｄＢ／ｓｔｅｐとなる。また、Ｌｏｗレンジ増幅部６３２の最小出力電圧は、５０ｍＶであり、分解能は、０．０８６ｄＢ／ｓｔｅｐとなる。

図５は、Ｌｏｗレンジ増幅部６３２の増幅率を２０倍とした場合の分解能を説明するための図である。同図に示すように、この場合、Ｈｉｇｈレンジ増幅部６３１とＬｏｗレンジ増幅部６３２の最小出力電圧は、いずれも、２００ｍＶとなり、分解能は、０．０２２ｄＢ／ｓｔｅｐとなる。

図６は、Ｌｏｗレンジ増幅部６３２の増幅率を１００倍とした場合の分解能を説明するための図である。同図に示すように、この場合、Ｈｉｇｈレンジ増幅部６３１の最小出力電圧は、４０ｍＶであり、分解能は、０．１０７ｄＢ／ｓｔｅｐとなる。また、Ｌｏｗレンジ増幅部６３２の最小出力電圧は、１０００ｍＶであり、分解能は、０．００４ｄＢ／ｓｔｅｐとなる。

ここで、ＰＤ受信部６１０、Ｈｉｇｈレンジ増幅部６３１およびＬｏｗレンジ増幅部６３２の具体的な設計例として、光受信レベル範囲＝−１５．０〜＋４．４ｄＢｍ、分解能＝０．１ｄＢ／Ｓｔｅｐ、ＰＤ受光感度（ＰＤ素子特性）＝０．０１７〜０．０８０ｍＡ／ｍＷ、ＡＤ変換部６４０のフルスケールが４０００ｍＶのケースのケースで説明する。

まず、回路設計条件として、電気レベル安定部６２０のオペアンプ６２１の入力オフセット電圧値を考慮する必要がある。一般的なオペアンプのオフセット電圧値は約３．５ｍＶ以下である。そこで、ＰＤ受信部６１０から得られる最低電圧を、マージンを考慮して、５ｍＶ以上にすることとし、固定抵抗６１２の抵抗値を仮決めする。

上記の条件において、オフセット電圧値が影響する条件は、光最低受信レベル＝−１５．０ｄＢｍ、かつ、ＰＤ受光感＝０．０１７ｍＡ／ｍＷのときである。このときにおける条件で、式（１）を活用してＰＤ６１１からの最低出力電圧を算出し、この電圧値が、５ｍＶ以上になるように固定抵抗６１２の抵抗値を仮決めする。

また、最大光受信レベル時のＡＤ変換部６４０の入力電圧がフルスケールを超えないように設計する必要がある。最大条件は、光最大受信レベル＝＋４．４ｄＢｍ、かつ、ＰＤ受光感度＝０．０８０ｍＡ／ｍＷのときである。このときにおけるＰＤ受信部６１０の出力電圧Ｖｏｕｔを、先ほど仮決めした固定抵抗６１２の抵抗値を用いて式（１）で算出する。

そして、電気レベル安定部６２０およびＨｉｇｈレンジ増幅部６３１の増幅率を考慮して、Ｈｉｇｈレンジ増幅部６３１の出力電圧が、ＡＤ変換部６４０のフルスケールを超えないように、固定抵抗６１２の抵抗値を調整する。

図２の説明に戻って、ＡＤ変換部６４０は、Ｈｉｇｈレンジ増幅部６３１およびＬｏｗレンジ増幅部６３２の出力電圧をデジタル化する処理部である。デジタル処理部６５０は、ＡＤ変換部６４０によってデジタル化された電圧値をデジタル処理して出力する処理部であり、選択部６５１と、対数ＬＯＧ変換部６５２と、出力補正部６５３と、ＲＯＭ（Read Only Memory）６５４と、不揮発メモリ６５５とを有する。

選択部６５１は、Ｈｉｇｈレンジ増幅部６３１の出力電圧をＡＤ変換部６４０がデジタル化した値と、Ｌｏｗレンジ増幅部６３２の出力電圧をＡＤ変換部６４０がデジタル化した値から、ＡＤ変換部６４０のフルスケールを超えておらず、かつ、分解能が高い方の値を選択して出力する処理部である。

具体的には、選択部６５１は、Ｌｏｗレンジ増幅部６３２の出力電圧をＡＤ変換部６４０がデジタル化した電圧値が、ＲＯＭ６５４に記憶されている判定閾値６５４ａを超えていなければ、Ｌｏｗレンジ増幅部６３２の出力電圧をＡＤ変換部６４０がデジタル化した電圧値を出力し、さもなければ、Ｈｉｇｈレンジ増幅部６３１の出力電圧をＡＤ変換部６４０がデジタル化した電圧値を出力する。

この場合、判定閾値６５４ａの値は、例えば、ＡＤ変換部６４０のフルスケールにすることにより、Ｌｏｗレンジ増幅部６３２の出力電圧の分解能の高さを有効活用することができる。なお、Ｈｉｇｈレンジ増幅部６３１の出力電圧をデジタル化した電圧値と判定閾値６５４ａを比較して、出力を選択することとしてもよい。

対数ＬＯＧ変換部６５２は、ＥＰＲＯＭやフラッシュメモリ等からなる不揮発メモリ６５５に記憶されている変換テーブル６５５ａを用いて、選択部６５１の出力を対数ＬＯＧ変換し、指数関数特性を補正する処理部である。対数ＬＯＧ変換部６５２は、対数ＬＯＧ変換を演算により実現するのではなく、予め演算結果が格納されたテーブルを参照して行うため、小さい回路規模で実現される。

なお、判定閾値６５４ａは、不揮発メモリ６５５に記憶されていてもよく、また、ＲＯＭ６５４および不揮発メモリ６５５は、光検出回路６０以外の回路と共有されていてもよい。

変換テーブル６５５ａの一例を図７に示す。このテーブルには、以下の式（２）を用いて予め演算された値が格納される。

ここで、Ｖｉは、変換前の電圧値であり、Ｖｏは、変換後の電圧値である。

出力補正部６５３は、不揮発メモリ６５５に記憶されている補正テーブル６５５ｂを用いて対数ＬＯＧ変換部６５２の出力を補正する処理部であり、出力補正部６５３の出力が、光検出回路６０の出力となる。具体的には、出力補正部６５３は、補正テーブル６５５ｂから光モニタ補正の値を取得し、以下の式（３）に示すように、この値を対数ＬＯＧ変換部６５２の出力に加算して出力する。

光モニタ補正は、増幅がＨｉｇｈレンジ増幅部で行われた値であるか否か、および、選択部６５１の出力値毎に予め設定される。具体的には、以下の式（４）および式（５）によって計算上の出力値ＰＭが算出され、以下の式（６）に示すように、試験等で求めた期待値Ｐｒｅｆとの差分として光モニタ補正の値は得られる。

ここで、Ｒ１は、固定抵抗６１２の抵抗値であり、Ａ１は、電気レベル安定部６２０における電圧の増幅率であり、Ａ２は、Ｈｉｇｈレンジ増幅部６３１における電圧の増幅率もしくはＬｏｗレンジ増幅部６３２における電圧の増幅率である。

以上、説明してきたように、光検出回路６０は、可変抵抗を含まないため、可変抵抗に起因する精度の低下がない。また、光入力レベルが低く、ＰＤ受信部６１０の出力が小さい場合でも、Ｌｏｗレンジ増幅部が高い倍率で増幅をおこなうので、十分な分解能を確保することができる。また、対数ＬＯＧ変換部６５２および出力補正部６５３が、予め算出された値をテーブルから取得して、ＰＤ受信部６１０の出力の指数関数特性を補正するので、単純な回路で、後段の処理部の処理に適した値を出力することができる。

なお、図２の例では、１つの波長の光信号の光レベルを検出する光検出回路の例を示したが、複数の波長の光信号の光レベルを検出することができるように光検出回路を構成することもできる。図８は、６つのＰＤを備える光検出回路７０の構成を示すブロック図である。同図に示すように、光検出回路７０は、ＰＤ受信部７１０と、電気レベル安定部７２０と、Ｈｉｇｈレンジ増幅部７３１ａおよび７３１ｂと、Ｌｏｗレンジ増幅部７３２ａおよび７３２ｂと、ＡＤ変換部７４０と、デジタル処理部７５０とを有する。

ＰＤ受信部７１０は、ＰＤ７１１〜７１６という６つのＰＤを有し、それぞれが異なる光信号を受信する。なお、同図においては、駆動抵抗である固定抵抗の図示を省略している。ＰＤ７１１〜７１６の出力電圧は、それぞれ、電気レベル安定部７２０のオペアンプ７２１〜７２６に入力されて、安定化される。

電気レベル安定部７２０は、さらに、ポート選択部７２７ａおよび７２７ｂを有し、オペアンプ７２１〜７２３の出力は、ポート選択部７２７ａに入力され、オペアンプ７２４〜７２６の出力は、ポート選択部７２７ｂに入力される。ポート選択部７２７ａおよび７２７ｂは、デジタル処理部７５０のポート選択制御部７５７の指示に従って、入力のいずれか１つを選択して出力する。

Ｈｉｇｈレンジ増幅部７３１ａは、ポート選択部７２７ａの出力電圧を所定の増幅率で増幅し、Ｌｏｗレンジ増幅部７３２ａは、ポート選択部７２７ａの出力電圧を、Ｈｉｇｈレンジ増幅部７３１ａよりも高い所定の増幅率で増幅する。同様に、Ｈｉｇｈレンジ増幅部７３１ｂは、ポート選択部７２７ｂの出力電圧を所定の増幅率で増幅し、Ｌｏｗレンジ増幅部７３２ｂは、ポート選択部７２７ｂの出力電圧を、Ｈｉｇｈレンジ増幅部７３１ｂよりも高い所定の増幅率で増幅する。

ＡＤ変換部７４０は、Ｈｉｇｈレンジ増幅部７３１ａおよび７３１ｂと、Ｌｏｗレンジ増幅部７３２ａおよび７３２ｂの出力電圧をデジタル値へ変換して出力する。ＡＤ変換部７４０は、デジタル処理部７５０のＡＤ変換制御部７５８の指示に従って、変換対象となる出力電圧を切り替える。

デジタル処理部７５０は、リードレジスタ７５１と、選択部７５２と、対数ＬＯＧ変換部７５３と、出力補正部７５４と、ＲＯＭ７５５と、不揮発メモリ７５６と、ポート選択制御部７５７と、ＡＤ変換制御部７５８とを有する。リードレジスタ７５１は、ＡＤ変換部７４０の変換結果を一時的に記憶する記憶部である。

選択部７５２、対数ＬＯＧ変換部７５３、出力補正部７５４、ＲＯＭ７５５および不揮発メモリ７５６は、それぞれ、図２に示した選択部６５１、対数ＬＯＧ変換部６５２、出力補正部６５３、ＲＯＭ６５４および不揮発メモリ６５５と同様であるので、説明を省略する。なお、ＲＯＭ７５５および不揮発メモリ７５６の内容は、ＰＤ受信部７１０で受信される光信号の波長毎に異なる値を保持するようにしてもよい。

ポート選択制御部７５７は、ポート選択部７２７ａおよび７２７ｂにおける出力の選択を制御し、ＡＤ変換制御部７５８は、ポート選択制御部７５７の制御と同期して、ＡＤ変換部７４０における変換対象の選択を制御する。このように、光検出回路７０は、ポート選択制御部７５７の制御等により、６つのＰＤを備えながら、デジタル処理部を共用できるように構成されており、回路規模が小さく低コストな回路となっている。

上述してきたように、本実施例では、ＰＤ受信部によって生成された電圧を増幅するための増幅手段として、増幅率の異なる２つの増幅手段を設け、閾値判定によって適切な増幅手段の出力を選択するように構成したので、十分なダイナミックレンジを確保しつつ高精度に光レベルの検出をおこなうことができる。

また、増幅結果をデジタル値化した値を、予め記憶された補正値を用いて補正するように構成したので、増幅手段として安価なオペアンプを用いても、オペアンプの出力がもつ指数関数特性を簡単な構成で補正することができ、高精度かつ低コストで光レベルの検出をおこなうことができる。

以上のように、本発明に係る光検出回路、光伝送装置および光検出方法は、入力された光の光レベルの検出に有用であり、特に、高精度かつ低コストで光レベルを検出することが必要な場合に適している。

Claims

入力された光の光レベルを検出して出力する光検出回路であって、
入力された光の光レベルに応じた電圧を発生させる受光手段と、
前記受光手段によって生成された電圧を増幅させる第１の増幅手段と、
前記受光手段によって生成された電圧を前記第１の増幅手段よりも高い増幅率で増幅させる第２の増幅手段と、
前記第１の増幅手段および第２の増幅手段の出力電圧の電圧レベルをデジタル値化するＡＤ変換手段と、
前記ＡＤ変換手段の変換結果を閾値と比較して、前記第１の増幅手段の出力電圧の電圧レベルがデジタル値化された値と、前記第２の増幅手段の出力電圧の電圧レベルがデジタル値化された値のいずれを出力するかを選択する選択手段と、
前記選択手段の選択結果に応じた補正値を記憶手段から取得し、前記選択手段によって選択された値に加算する出力補正手段と
を備えたことを特徴とする光検出回路。
予め記憶手段に記憶された変換テーブルに基づいて、前記選択手段によって選択された値を対数ＬＯＧ変換する対数ＬＯＧ変換手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の光検出回路。
前記受光手段は、駆動抵抗として固定抵抗が用いられることを特徴とする請求項１または２に記載の光検出回路。
光増幅器によって増幅された光信号の光レベルを検出して出力する光検出回路を備えた光伝送装置であって、
前記光検出回路は、
入力された光の光レベルに応じた電圧を発生させる受光手段と、
前記受光手段によって生成された電圧を増幅させる第１の増幅手段と、
前記受光手段によって生成された電圧を前記第１の増幅手段よりも高い増幅率で増幅させる第２の増幅手段と、
前記第１の増幅手段および第２の増幅手段の出力電圧の電圧レベルをデジタル値化するＡＤ変換手段と、
前記ＡＤ変換手段の変換結果を閾値と比較して、前記第１の増幅手段の出力電圧の電圧レベルがデジタル値化された値と、前記第２の増幅手段の出力電圧の電圧レベルがデジタル値化された値のいずれを出力するかを選択する選択手段と、
前記選択手段の選択結果に応じた補正値を記憶手段から取得し、前記選択手段によって選択された値に加算する出力補正手段と
を備えたことを特徴とする光伝送装置。
予め記憶手段に記憶された変換テーブルに基づいて、前記選択手段によって選択された値を対数ＬＯＧ変換する対数ＬＯＧ変換手段をさらに備えたことを特徴とする請求項４に記載の光伝送装置。
前記受光手段は、駆動抵抗として固定抵抗が用いられることを特徴とする請求項４または５に記載の光伝送装置。
入力された光の光レベルを検出して出力する光検出方法であって、
入力された光の光レベルに応じた電圧を受光素子を用いて発生させる受光工程と、
前記受光工程において生成された電圧を増幅させる第１の増幅工程と、
前記受光工程において生成された電圧を前記第１の増幅工程よりも高い増幅率で増幅させる第２の増幅工程と、
前記第１の増幅工程および第２の増幅工程の出力電圧の電圧レベルをデジタル値化するＡＤ変換工程と、
前記ＡＤ変換工程の変換結果を閾値と比較して、前記第１の増幅工程の出力電圧の電圧レベルがデジタル値化された値と、前記第２の増幅工程の出力電圧の電圧レベルがデジタル値化された値のいずれを出力するかを選択する選択工程と、
前記選択工程の選択結果に応じた補正値を記憶手段から取得し、前記選択工程によって選択された値に加算する出力補正工程と
を含んだことを特徴とする光検出方法。
予め記憶手段に記憶された変換テーブルに基づいて、前記選択工程において選択された値を対数ＬＯＧ変換する対数ＬＯＧ変換工程をさらに備えたことを特徴とする請求項７に記載の光検出方法。