JPWO2014112051A1 - 前置増幅器、光受信器、光終端装置及び光通信システム - Google Patents

Abstract

受光素子（１００）から出力される光電流の一部を流す電流側流回路（２３０）を電流電圧変換増幅回路（２１０）の入力端子に接続する。電流電圧変換増幅回路（２１０）の帰還抵抗（２１２）と並列に接続されているダイオード（２２０）がＯＮ状態となる光電流よりも小さい光電流で電流側流回路（２３０）がＯＮ状態となるように、電圧レベル変換回路（２４０）で出力電圧をレベル変換した電圧を電流側流回路（２３０）に入力する。これにより、受光レベルに応じた光電流の大きさによって、３段階に電流電圧変換利得を切り替える。

Description

本発明は、前置増幅器、光受信器、光終端装置及び光通信システムに関する。

近年、マルチメディアサービス（Multimedia Service）を各家庭に提供するためのアクセス系ネットワーク（Access Network）では、光ファイバを用いた公衆回路網で実現するＰＯＮ（Passive Optical Network）システムと呼ばれるポイント・トゥ・マルチポイント（Point to Multi-point）のアクセス系光通信システムが広く用いられている。

ＰＯＮシステムは、局側装置である１台のＯＬＴ（Optical Line Terminal：光加入者線終端装置）と、光スターカプラ（Star Coupler）を介して接続される複数の加入者側端末装置であるＯＮＵ（Optical Network Unit：光ネットワーク装置）により構成される。複数のＯＮＵに対して、ＯＬＴと伝送路である光ファイバの大部分を共有できるため運用コストの低減が期待できることや、受動部品である光スターカプラには給電が必要なく屋外設置が容易であり、信頼性も高いという利点がある。これらの利点から、ブロードバンドネットワークを実現する光通信システムとして活発に導入が進められている。

このようなＰＯＮシステムにおいて、各ＯＮＵはＯＬＴから異なる距離に位置するため、各ＯＮＵが送信した光信号のＯＬＴにおける受光レベルは、各ＯＮＵからＯＬＴが受信する受信パケット毎に異なる。よって、ＯＬＴの光受信器には異なる受光レベルのパケットを安定に再生する広ダイナミックレンジ特性（Wide Dynamic Range）が求められる。広ダイナミックレンジ特性を実現することを目的として、光受信器に搭載される前置増幅器にはＡＧＣ(Automatic Gain Control)回路が一般的に備えられている。

例えば、特許文献１に開示された光受信装置では、前置増幅器の変換利得をパケット（Packet）毎に能動的に切り替えている。しかしながら、このような方式では、変換利得を受光レベルに応じて最適値に設定するための帰還抵抗を選択する選択回路などが必要になり、回路規模が大型化してしまう。さらに，パケット毎に切り替えを行うため、最適な変換利得に収束するまでに時間がかかる。

これに対し、例えば特許文献２に開示された光受信器は、前置増幅器の変換利得を受光レベルに応じて受動的に変化させている。つまり、受光素子によって変換される光電流の大きさに応じて変換利得を受動的に変化させている。具体的には、光受信器の前置増幅器は、受光レベルに対応する光電流を電圧信号に変換する電流電圧変換回路を備えており、電流電圧変換回路は、増幅器と帰還抵抗で構成されている。電流電圧変換回路の帰還抵抗と並列にダイオード等が接続されている。

このような光受信器において、受光レベルが高くなり受光素子によって生成される光電流が増大した場合は、帰還抵抗での電圧降下が増加し、電流電圧変換回路の入出力電圧差が増大する。そして、電流電圧変換回路の入出力電圧差が、ダイオードの閾値電圧を越えた時、ダイオードに電流が流れ、並列接続している帰還抵抗とダイオードの全体の抵抗が減少する。これにより、電流電圧変換回路の変換利得が減少することから、光電流に応じて変換利得を受動的に変化させることが可能となっている。

つまり、光電流が大きい場合、光電流のほとんどを、電圧降下が略一定のダイオードに流すことで，帰還抵抗で発生する電圧降下を抑え、受光レベルが高い入力光でも電圧信号である受信信号を出力でき、広ダイナミックレンジ特性を実現している。また、特許文献２の前置増幅器は、光デジタル信号の１ｂｉｔ毎にＡＧＣ動作を行うことが可能なため，高速動作が可能となっている。

特開２００４−２６０３９６号公報 特開２００７―２７４０３２号公報

特許文献２に記載の光受信器の前置増幅器は、入力される光電流が小さい場合、ダイオードがＯＦＦ状態にあり、ほぼ全ての光電流が電流電圧変換回路の帰還抵抗に流れるため、光電流の変化に対して出力電圧は線形に変化する。ここで、光電流に対する出力電圧の関係を示す直線の傾きは負であり、光電流がＨｉレベルのとき、出力電圧はＬｏレベルとなっている。

一方、入力される光電流が大きい場合、ダイオードがＯＮ状態になり、ある一定以上の光電流はダイオードを流れるため、電流電圧変換回路の出力電圧は一定値でクリップ（Clip）される。これにより光デジタル信号の光電流のＨｉレベルのときの出力電圧が十分に降下しないため、信号の立ち上がりと立ち下がりのクロスポイント（Cross-Point）が降下し、受信信号の波形が劣化し歪みが大きくなるという問題があった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、入力される電流を電流電圧変換して出力される電圧信号の波形歪を低減した前置増幅器等を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の前置増幅器は、
信号電流の全部又は一部を、信号電圧に変換かつ増幅して出力する電流電圧変換増幅回路と、
前記電流電圧変換増幅回路の入力電流の大きさが第１閾値である時を変化点とするように前記電流電圧変換増幅回路の変換利得を変化させる利得可変手段と、
前記信号電流の大きさに応じて、前記信号電流の一部を側流する電流側流回路と、
前記信号電圧を所定の割合でレベル変換したレベル変換電圧を、前記電流側流回路に対して出力する電圧レベル変換回路と、
を有し、
前記電圧レベル変換回路から出力する前記レベル変換電圧が、前記電流側流回路の側流を実行するか否かを切り替える閾値の電圧となるときの、前記電流電圧変換増幅回路の前記入力電流の大きさである第２閾値が、前記第１閾値より小さくなるように構成されている。

本発明によれば、入力される電流を電流電圧変換して出力される電圧信号の波形歪を低減することができる。

実施の形態に係る光通信システムの構成を示すブロック図である。 実施の形態１に係る光受信器の前置増幅器の回路構成を示す図である。 従来の光受信器の前置増幅器の回路構成を示す図である。 従来の前置増幅器の光電流に対する出力電圧の変化を説明するための図である。 実施の形態１に係る前置増幅器の光電流に対する出力電圧の変化を説明するための図である。 実施の形態２に係る光受信器の前置増幅器の回路構成を示す図である。 実施の形態３に係る光受信器の前置増幅器の回路構成を示す図である。 実施の形態４に係る光受信器の前置増幅器の回路構成を示す図である。 実施の形態５に係る光受信器の前置増幅器の回路構成を示す図である。 出力電圧の波形歪の評価結果を示す図である。

実施の形態１．
本発明の実施の形態１について、図面を参照して詳細に説明する。

実施の形態１に係る光通信システム１は、ポイント・トゥ・マルチポイント（Point to Multi-point）の形式を採ったＰＯＮ（Passive Optical Network）システムである。光通信システム１は、図１に示すように、局側装置である１台のＯＬＴ（Optical Line Terminal：光加入者線終端装置）１０と、複数の加入者側端末装置であるＯＮＵ（Optical Network Unit：光ネットワーク装置）２０と、光信号を受動的に分岐・合流する光スターカプラ３０と、を備えている。全てのＯＮＵ２０は、１以上の光スターカプラ３０と、光ファイバ３２を介して、ＯＬＴ１０に接続されている。

ＯＬＴ１０は、光受信器１１、光送信器１２、波長多重カプラ１３、伝送制御部１４から構成される。波長多重カプラ１３は、光波長の異なる上り信号と下り信号を所定の方向に出力するためのものである。ＯＮＵ２０から出力され光ファイバ３２を伝送してきた光信号を光受信器１１側に出力し、光送信器１２から出力される光信号を、ＯＮＵ２０が接続されている光ファイバ３２側に出力している。

伝送制御部１４は、インターネットなどの外部ネットワーク４０から入力されたベースバンド信号に基づいて変調信号を生成して光送信器１２に入力する。光送信器１２は、半導体レーザなどの発光素子が発光する光を、伝送制御部１４から入力される変調信号で変調する。変調された光信号が下り信号として波長多重カプラ１３を介して出力され、光ファイバ３２を伝送し、各ＯＮＵ２０で受光される。

ＯＮＵ２０から送信され光ファイバ３２を伝送してきた上り信号の光信号は波長多重カプラ１３を介して光受信器１１に入力される。光受信器１１は、入力された光信号を光電変換し、電圧信号の受信信号に復調し、伝送制御部１４に出力する。伝送制御部１４は、入力された受信信号をベースバンド信号に変換し、外部ネットワーク４０に出力する。

ここで、各ＯＮＵ２０から送信される光信号は、バースト（burst）状のパケット信号であり、それらを時分割多重した光信号がＯＬＴ１０に入力される。各ＯＮＵ２０は、任意の長さの光ファイバ３２と、任意の個数の光スターカプラ３０を介してＯＬＴ１０に接続されているため、ＯＬＴ１０の光受信器１１が受光する光信号の強度はパケット毎に大きく異なる。つまり、このような光信号から安定して受信信号を得るためには、光受信器１１が、広幅なダイナミックレンジに対応可能な構成である必要がある。

ＯＬＴ１０の光受信器１１は、受光素子１００、前置増幅器（Pre-Amplifier：Ｐｒｅ−ＡＭＰ）２００、リミッティングアンプ（Limiting Amplifier：ＬＩＭ−ＡＭＰ）１１０から構成される。

受光素子１００は、フォトダイオード等から構成され、受光した光信号の強度、すなわち受光レベルに対応する光電流を生成し出力する。前置増幅器２００は、受光素子１００から入力された光電流を電圧信号である受信信号に変換、かつ増幅して出力する。リミッティングアンプ１１０は、前置増幅器２００から入力された受信信号を所定の強度の電圧信号に増幅、リミッティングして出力する。

前置増幅器２００の構成及び機能について、図２乃至５を用いて詳細に説明する。前置増幅器２００は、図２に示すように、電流電圧変換増幅回路２１０、ダイオード２２０、電流側流回路２３０、電圧レベル変換回路２４０から構成される。

電流電圧変換増幅回路２１０は、オペアンプなどの増幅器２１１と増幅器２１１の入出力端子間に挿入した帰還抵抗２１２からなる。受光素子１００の出力端子と増幅器２１１の入力端子が接続されている。ダイオード２２０は、増幅器２１１の入出力端子間に挿入されている。つまり、ダイオード２２０と帰還抵抗２１２は互いに並列に接続されている。

電流側流回路２３０は、ＰＮＰ型バイポーラトランジスタ２３１（以下、ＰＮＰトランジスタ２３１と呼ぶ）から構成される。ＰＮＰトランジスタ２３１のエミッタ端子が受光素子１００の出力端子に接続され、コレクタ端子が接地されている。電圧レベル変換回路２４０は抵抗２４１と抵抗２４２を直列接続した構成であり、抵抗分圧により電圧レベルを変換している。ＰＮＰトランジスタ２３１のベース端子に抵抗分圧された電圧が入力される。

以上のように構成された前置増幅器２００は、ダイオード２２０がＯＮ状態かＯＦＦ状態か、電流側流回路２３０がＯＮ状態かＯＦＦ状態かで、動作が切り替わる。ダイオード２２０は、増幅器２１１の出力電圧Ｖｏｕｔが閾値電圧Ｖｔｈ１を下回った時ＯＮ状態となり、閾値電圧Ｖｔｈ１以上の時ＯＦＦ状態となる。ここで、増幅器２１１の出力信号は例えば矩形波であるので、出力電圧Ｖｏｕｔは電圧信号の振幅である。

閾値電圧Ｖｔｈ１は、以下の（１）式で表される。

Ｖｔｈ１＝Ｖｉｎ−Ｖｔｈ３ （１）

（１）式において、Ｖｉｎは増幅器の入力電圧であり、Ｖｔｈ３は、ダイオード２２０が有する閾値電圧である。

一方、電流側流回路２３０は、増幅器２１１の出力電圧Ｖｏｕｔが閾値電圧Ｖｔｈ２を下回った時ＯＮ状態となり、閾値電圧Ｖｔｈ２以上の時ＯＦＦ状態となる。閾値電圧Ｖｔｈ２は、以下の（２）式で表される。

Ｖｔｈ２＝（Ｒ１＋Ｒ２）／Ｒ２×（Ｖｉｎ−Ｖｔｈ４） （２）

（２）式において、Ｖｉｎは増幅器の入力電圧であり、Ｖｔｈ４は、ＰＮＰトランジスタ２３１が有する閾値電圧であり、Ｒ１、Ｒ２はそれぞれ抵抗２４１、抵抗２４２の抵抗値である。

前置増幅器２００の動作を、従来の構成の前置増幅器８００の動作と比較して説明する。従来の前置増幅器８００は、図３に示すようにダイオード２２０が帰還抵抗２１２と並列に接続されているだけであり、本実施の形態に係る前置増幅器２００の電流側流回路がない構成である。

図４は、従来の前置増幅器８００の、入力される光電流に対する出力電圧の変化を表したものである。受光レベルが低く、光電流が小さい場合は、ダイオード２２０がＯＦＦ状態であり、全ての光電流が電流電圧変換増幅回路２１０の帰還抵抗２１２に流れるため、光電流の変化に対して出力電圧は線形に変化する。

一方、受光レベルが高く光電流が大きい場合は、帰還抵抗２１２の電圧降下が大きくなり出力電圧Ｖｏｕｔが閾値Ｖｔｈ１を下回るため、ダイオード２２０がＯＮ状態となり、光電流の一部がダイオード２２０に流れることとなる。言い換えると、光電流Ｉｏｐが閾値Ｉｔｈ１を超えたとき、抵抗値Ｒの帰還抵抗２１２の電圧降下（Ｒ×Ｉｏｐ）がダイオード２２０の閾値電圧Ｖｔｈ３を超えるため、ダイオード２２０がＯＮ状態となり、光電流の一部がダイオード２２０に流れることとなる。これにより、出力電圧Ｖｏｕｔは一定値でクリップされることとなる。

なお、実際の回路では、ダイオード２２０がＯＮ状態になった場合の変換利得を補償するために、ダイオード２２０と直列に補償用抵抗を挿入させて光電流に対して若干の傾きを持たせている。

図４に示すような光電流と出力電圧の関係を有する電流電圧変換増幅回路２１０に、入力光信号を光電変換した光電流が入力されると、受光レベルが低いときは、入力光信号の波形と同等の歪みがほぼない波形が出力される。一方、受光レベルが高いときは、光信号の１レベルの時出力電圧が十分に降下しないため、信号の立ち上がりと立ち下がりのクロスポイントが降下し、受信信号の波形が劣化し歪みが大きくなる。

これに対して、本実施の形態に係る前置増幅器２００は、図５に示すような、光電流と出力電圧の関係を有することとなる。

受光レベルが低く、光電流が小さい場合は、電流側流回路２３０とダイオード２２０がＯＦＦ状態であり、全ての光電流が電流電圧変換増幅回路２１０に流れ、特に帰還抵抗２１２にほとんどの電流が流れるため、光電流の変化に対して出力電圧は線形に変化する。

受光レベルが高く光電流が大きくなるにつれ、帰還抵抗２１２の電圧降下が大きくなり出力電圧が下がる。光電流Ｉｏｐが閾値Ｉｔｈ２を超えると、出力電圧ＶｏｕｔがＶｔｈ２を下回り、電流側流回路２３０がＯＮ状態となり、受光素子１００から入力される光電流の一部が電流側流回路２３０に流れる。これにより、帰還抵抗２１２に流れる電流が低減し、光電流に対する出力電圧の変化の傾きが大きくなる。また、電流側流回路２３０がＯＮ状態になることで、電流電圧変換増幅回路２１０の入出力間の全体の抵抗値が小さくなり、前置増幅器２００の変換利得が小さくなる。

さらに、受光レベルが高く光電流Ｉｏｐが大きくなりＩｔｈ１を超えて出力電圧ＶｏｕｔがＶｔｈ１を下回った場合には、ダイオード２２０がＯＮ状態となり、光電流の一部がダイオード２２０にも流れることとなる。これにより、帰還抵抗２１２に流れる電流がさらに低減し、光電流Ｉｏｐに対する出力電圧Ｖｏｕｔの変化の傾きがさらに大きくなる。また、ダイオード２２０がＯＮ状態になることで、電流電圧変換増幅回路２１０の入出力間の全体の抵抗値が小さくなり、前置増幅器２００の変換利得がさらに小さくなる。

ここで、（１）式と（２）式で決定するそれぞれの閾値電圧は以下の（３）式を満たす必要がある。

Ｖｔｈ１＜Ｖｔｈ２ （３）

すなわち、電流側流回路２３０がＯＮ状態になる閾値電圧Ｖｔｈ２の方が、ダイオード２２０がＯＮ状態になる閾値電圧Ｖｔｈ１より高くなるように、つまり、電流側流回路２３０の方がより低い受光レベル（光電流の大きさ）でＯＮ状態になるようにする。（３）式を光電流の閾値の関係に置き換えると以下の（４）になる。

Ｉｔｈ１＞Ｉｔｈ２ （４）

前置増幅器２００をこのような構成にすることにより、光電流に対する出力電圧の変化、つまり、電流電圧変換利得は３段階の傾きを持つことが可能となる（図５の＜１＞）。この動作により、従来構成（図５の＜２＞）に比べ光電流に対する出力電圧の変化の全体の傾きを線形に近づけることが可能となり、出力電圧の信号の立ち上がりと立ち下がりのクロスポイントを、従来構成に比べ光電流の“０”レベルに対応する出力電圧に近づけることができる。これにより、波形歪を改善することが可能となる。

この前置増幅器２００の動作は利得を自動で制御するＡＧＣ（Auto Gain Control）動作であり、光電流の大きさに応じて前置増幅器２００の利得を受動的に変化させるものである。よって、１ｂｉｔ毎の高速なＡＧＣ動作が可能であり、かつ、波形歪の低減を実現するものである。

以上説明したように、本実施の形態によれば、受光素子１００から出力される光電流の一部を流す電流側流回路２３０を備え、ダイオード２２０がＯＮ状態となる光電流よりも小さい光電流で電流側流回路２３０がＯＮ状態となるように、電圧レベル変換回路２４０で出力電圧をレベル変換した電圧を電流側流回路２３０に入力し、受光レベルに応じた光電流の大きさによって、３段階に電流電圧変換利得を切り替えることとした。これにより、異なる受光レベルのパケットを安定に再生する広ダイナミックレンジ特性を有し、波形歪を低減した受信信号を出力することができる。

実施の形態２．
本発明の実施の形態２について、図面を参照して詳細に説明する。

本発明の実施の形態２における光通信システム１、ＯＬＴ１０の構成は、実施の形態１と同じである。ＯＬＴ１０の光受信器１１に備えられる前置増幅器３００の構成が実施の形態１と異なるため、前置増幅器３００の構成について、図６を用いて説明する。

前置増幅器３００は、図６に示すように、電流電圧変換増幅回路２１０、ダイオード２２０、電流側流回路３３０、電圧レベル変換回路２４０から構成される。電流電圧変換増幅回路２１０、ダイオード２２０、電圧レベル変換回路２４０の構成、機能は、実施の形態１と同様である。

電流側流回路３３０は、ＰＮＰトランジスタ３３１、バイアス電源３３２、Ｎ型チャネル金属−酸化物−半導体接合電界効果トランジスタ（N channel Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor：以下、ＮＭＯＳと呼ぶ）３３３から構成される。ＮＭＯＳ３３３は、受光素子１００とＰＮＰトランジスタ３３１の間に挿入し、ＮＭＯＳ３３３のゲートには、バイアス電源３３２により所定のバイアス電圧が印加されている。

このように、ＮＭＯＳ３３３を、受光素子１００とＰＮＰトランジスタ３３１の間に挿入することにより、電流電圧変換増幅回路２１０の入力容量を抑えることができ、帯域幅の狭窄化を防止することができる。ＮＭＯＳ３３３は、キャリア移動度の関係からＰＮＰトランジスタ３３１と同等の電流容量を有し、かつ小さなサイズで実現することができる。

以上のように構成された前置増幅器３００は、ダイオード２２０がＯＮ状態かＯＦＦ状態か、電流側流回路３３０がＯＮ状態かＯＦＦ状態かで、動作が切り替わる。ダイオード２２０は、増幅器２１１の出力電圧Ｖｏｕｔが閾値電圧Ｖｔｈ１を下回った時ＯＮ状態となり、閾値電圧Ｖｔｈ１以上の時ＯＦＦ状態となる。閾値電圧Ｖｔｈ１は、前述の（１）式で表される。

一方、電流側流回路３３０は、増幅器２１１の出力電圧Ｖｏｕｔが閾値電圧Ｖｔｈ５を下回った時ＯＮ状態となり、閾値電圧Ｖｔｈ５以上の時ＯＦＦ状態となる。閾値電圧Ｖｔｈ５は、以下の（５）式で表される。

Ｖｔｈ５＝（Ｒ１＋Ｒ２）／Ｒ２×｛Ｖｂ−（Ｖｔｈ５１＋Ｖｔｈ６）｝ （５）

ここで、Ｖｂは、バイアス電源３３２のバイアス電圧値、Ｖｔｈ５１は、ＮＭＯＳ３３３が有する閾値電圧、Ｖｔｈ６は、ＰＮＰトランジスタ３３１が有する閾値電圧であり、Ｒ１、Ｒ２はそれぞれ抵抗２４１、抵抗２４２の抵抗値である。電流電圧変換増幅回路２１０の出力電圧ＶｏｕｔがＶｔｈ５を下回った場合に、電流側流回路３３０がＯＮ状態になる。

式（５）において、ＮＭＯＳ３３３やＰＮＰトランジスタ３３１の閾値電圧は，ほぼ固定値を有しているため、バイアス電源３３２のバイアス電圧値Ｖｂに依存して、Ｖｔｈ５を決定することが可能となり、微細な設定を行うことが出来る。つまり、ＮＭＯＳ３３３の挿入は、電流側流回路３３０がＯＮ状態になる閾値電圧Ｖｔｈ５の設定に、自由度を与える効果もある。

ここで、（１）式と（５）式で決定するそれぞれの閾値電圧は以下の（６）式を満たす必要がある。

Ｖｔｈ１＜Ｖｔｈ５ （６）

すなわち、電流側流回路３３０がＯＮ状態になる閾値電圧Ｖｔｈ５の方が、ダイオード２２０がＯＮ状態になる閾値電圧Ｖｔｈ１より高くなるように、つまり、電流側流回路３３０の方がダイオード２２０より、低い受光レベル（光電流の大きさ）でＯＮ状態になるようにする。

前置増幅器３００がこのような構成とすることにより、実施の形態１と同様に、光電流に対する出力電圧の変化、つまり、電流電圧変換利得は３段階の傾きを持つことが可能となり、光電流に対する出力電圧の変化の全体の傾きを線形に近づけることが可能となる。これにより波形歪を改善することが可能となる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、受光素子１００から出力される光電流の一部を流す電流側流回路３３０において、バイアス電源３３２よりバイアス電圧をゲート端子に印加したＮＭＯＳ３３３を、受光素子１００とＰＮＰトランジスタ３３１の間に挿入することとした。これにより、受信電圧の波形歪みを低減できることに加えて、電流電圧変換増幅回路２１０の帯域幅の狭窄化を防止することができ、また、バイアス電圧値を調整することで、電流側流回路３３０がＯＮ状態になる閾値電圧Ｖｔｈ５を設定することができる。

実施の形態３．
本発明の実施の形態３について、図面を参照して詳細に説明する。

本発明の実施の形態３における光通信システム１、ＯＬＴ１０の構成は、実施の形態１と同じである。ＯＬＴ１０の光受信器１１に備えられる前置増幅器４００の構成が実施の形態１と異なるため、前置増幅器４００の構成について、図７を用いて説明する。

前置増幅器４００は、図７に示すように、電流電圧変換増幅回路２１０、ダイオード２２０、電流側流回路３３０、電圧レベル変換回路４４０から構成される。電流電圧変換増幅回路２１０、ダイオード２２０、電流側流回路３３０の構成、機能は、実施の形態１又は２と同様である。

本実施の形態に係る電圧レベル変換回路４４０は、ＮＰＮ型バイポーラトランジスタ４４１（以下、ＮＰＮトランジスタ４４１と呼ぶ）と電流源４４２が、直列に接続した構成を有している。ＮＰＮトランジスタ４４１のベース端子は、電流電圧変換増幅回路２１０の出力端子に接続されており、電流電圧変換増幅回路４４０の出力電圧信号である、受信信号が入力される。

ＮＰＮトランジスタ４４１と電流源４４２の設定を適宜調整することで、実施の形態１に係る電圧レベル変換回路２４０で使用した抵抗分圧と同様の効果が得られる。電流電圧変換増幅回路２１０の出力電圧Ｖｏｕｔをレベル変換した電圧が電流側流回路３３０に入力され、電流側流回路３３０は、入力された電圧信号に基づいて、側流のＯＮ／ＯＦＦを切り替える。なお、電流レベル変換回路４４０のＮＰＮトランジスタ４４１は、ＮＭＯＳに置き換えても良い。

以上説明したように、本実施の形態によれば、電流側流回路２３０のＯＮ／ＯＦＦ状態を切り替えるために電流側流回路２３０に入力する電圧を生成する電圧レベル変換回路を、ＮＰＮトランジスタ４４１と電流源４４２で構成することとした。これにより、前置増幅器４００は、ＮＰＮトランジスタ４４１と電流源４４２の設定を適宜調整することで電圧レベル変換回路４４０が出力する電圧を調整することができ、その結果として電流側流のＯＮ／ＯＦＦの閾値を調整することができる。

実施の形態４．
本発明の実施の形態４について、図面を参照して詳細に説明する。

本発明の実施の形態４における光通信システム１、ＯＬＴ１０の構成は、実施の形態１と同じである。ＯＬＴ１０の光受信器１１に備えられた前置増幅器５００の構成が実施の形態１と異なるため、前置増幅器５００の構成について、図８を用いて説明する。

前置増幅器５００は、図８に示すように、電流電圧変換増幅回路２１０、ダイオード２２０、第１の電流側流回路４３０、第２の電流側流回路５３０、電圧レベル変換回路５４０から構成される。電流電圧変換増幅回路２１０、ダイオード２２０の構成、機能は、実施の形態１と同様である。

本実施の形態に係る電圧レベル変換回路５４０は、抵抗５４１、５４２、５４３を直列に接続し、抵抗５４１と抵抗５４２の接続点から出力電圧Ｖｏｕｔを電圧レベル変換した電圧を出力し、抵抗５４２と抵抗５４３の接続点から出力電圧Ｖｏｕｔを電圧レベル変換した電圧を出力する構成となっている。抵抗５４１と抵抗５４２の接続点から出力される電圧と抵抗５４２と抵抗５４３の接続点から出力される電圧は、互いに異なる割合で、電流電圧変換増幅回路２１０の出力電圧Ｖｏｕｔをレベル変換した電圧である。

第１の電流側流回路４３０と第２の電流側流回路５３０は、実施の形態２の電流側流回路３３０と同じ構成の回路であり、互いに並列に電流電圧変換増幅回路２１０の入力端子に接続されている。第１の電流側流回路４３０のＰＮＰトランジスタ４３１のベース端子には抵抗５４１、５４２の接続点から出力される電圧が入力され、第２の電流側流回路５３０のＰＮＰトランジスタ５３１のベース端子には抵抗５４２、５４３の接続点から出力される電圧が入力されている。これにより、第１の電流側流回路４３０と第２の電流側流回路５３０は、電流電圧変換増幅回路２１０の出力電圧Ｖｏｕｔが互いに異なる値を下回る時にＯＮ状態になる。

この構成により、変換利得を４段階に切り替えることが可能となり、光電流に対する出力電圧変化を、より線形に近づけることが可能となる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、第１の電流側流回路４３０、第２の電流側流回路５３０を互いに並列に電流電圧変換増幅回路２１０の入力端子に接続し、電流レベル変換回路５４０から出力する互いに異なるレベルの電圧を第１の電流側流回路４３０、第２の電流側流回路５３０それぞれに入力することとした。これにより、変換利得を４段階に切り替えて光電流に対する出力電圧変化を、より線形に近づけることで、出力電圧の波形歪みをさらに低減させることができる。

実施の形態５．
本発明の実施の形態５について、図面を参照して詳細に説明する。

本発明の実施の形態５における光通信システム１、ＯＬＴ１０の構成は、実施の形態１と同じである。ＯＬＴ１０の光受信器１１に備えられた前置増幅器６００の構成が実施の形態１と異なるため、前置増幅器６００の構成について、図９を用いて説明する。

前置増幅器３００は、図９に示すように、電流電圧変換増幅回路２１０、ダイオード２２０、電圧レベル変換回路２４０、ダイオード６２０から構成される。電流電圧変換増幅回路２１０、ダイオード２２０、電圧レベル変換回路２４０の構成、機能は、実施の形態１と同様である。

ダイオード６２０は、ダイオード２２０と同じものであるが、ここでは、電流側流回路として機能する。ダイオード６２０のアノードが電流電圧変換増幅回路２１０の入力に接続されている。また、抵抗２４１と抵抗２４２の接続点にダイオード５２０のカソードが接続されている。つまり、ダイオード６２０のカソードの電圧は、電圧レベル変換回路２４０の出力電圧Ｖｏｕｔをレベル変換した電圧値となっている。

出力電圧Ｖｏｕｔが前述の式（１）に示すＶｔｈ１を超えたときに、ダイオード２２０がＯＮになるのに対し、出力電圧Ｖｏｕｔが以下の式（７）に示すＶｔｈ７を超えたとき、ダイオード６２０がＯＮになる。

Ｖｔｈ７＝（Ｒ１＋Ｒ２）／Ｒ２×（Ｖｉｎ−Ｖｔｈ３） （７）

つまり、ダイオード６２０がＯＮ状態になる閾値電圧Ｖｔｈ７の方が、ダイオード２２０がＯＮ状態になる閾値電圧Ｖｔｈ１より高く、ダイオード６２０の方がより低い受光レベル（光電流の大きさ）でＯＮ状態になることになる。よって、他の実施の形態の電流側流回路を設けた場合と同様に、光電流に対する出力電圧の変化の全体の傾きを線形に近づけることが可能となり、波形歪を改善することが可能となる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、ダイオード６２０を電流電圧変換増幅回路２１０の入力端子と電流レベル変換回路の間に接続し、ダイオード６２０を側流回路として機能するようにした。これにより、簡易な構成で、変換利得を３段階に切り替えて光電流に対する出力電圧変化を、より線形に近づけることができ、出力電圧の波形歪みを低減させることができる。

＜実施例＞
本発明における波形歪みの改善効果について、評価した結果を図１０に示す。実施の形態２の前置増幅器３００の構成（電流側流回路あり）と、図３に示した従来の前置増幅器８００の構成（電流側流回路なし）において、ダイオード２２０の代わりにダイオード接続したＮＰＮトランジスタと電流電圧変換利得補償用の抵抗を直列接続したものを用いている。また、波形歪は、光電流の“１”レベルに対応する受信信号のパルス幅を用いて計算したものである。

図５に示すように、従来構成では、ダイオード２２０がＯＮ／ＯＦＦと切り替わる受光レベルにおいて、光電流に対する出力電圧変化の非線形性が大きくなる。この非線形性が大きくなる高受光レベル側において、大きな波形歪が発生し、受光レベル＝−１４ｄＢｍで最大４２．５％の歪が確認できる（図１０の実線）。しかし、実施の形態２の構成では、光電流に対する出力電圧変化の非線形性を改善したため、波形歪も改善されている。受光レベル＝−１４ｄＢｍで３０．３％となっており、最大１２．２％の改善効果を実現できている（図１０の破線）。

このように本発明は、入力電流の第１閾値を境に異なる利得を有する電流電圧変換増幅回路の入力段に電流電圧変換増幅回路に入力する電流の一部を側流する電流側流回路を設け、電流電圧変換増幅回路の出力電圧をレベル変換した電圧に基づいて、電流側流回路の側流を実行するか否かを切り替え、側流を実行するか否かを切り替える時の入力電流の第２閾値が第１閾値より小さくなるようにした。これにより、入力電流を電流電圧変換して出力される電圧信号の波形歪を低減することができる。

なお、本発明は、上記実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲での種々の変更は勿論可能である。

例えば、上記実施の形態においては、ダイオード２２０を電流電圧変換増幅回路の入出力間に接続するとしたが、ダイオード２２０に替えて、ダイオード接続したＮＰＮ型バイポーラトランジスタやＮＭＯＳや、ベース端子にバイアス電圧を印加したＮＰＮ型バイポーラトランジスタや、ゲート端子にバイアス電圧を印加したＮＭＯＳであってもよい。

また、上記の実施の形態において、電流側流回路としてＰＮＰトランジスタを用いる構成としたが、ＰＮＰトランジスタに替えて、Ｐ型チャネル金属−酸化物−半導体接合電界効果トランジスタ（P channel Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor：ＰＭＯＳ）を接続する構成としても良い。

また、本実施の形態４において、実施の形態２の電流側流回路３３０の構成と同じ構成の第１の電流側流回路４３０と第２の電流側流回路５３０を並列に接続するとしたが、他の実施の形態の電流側流回路を並列に接続した構成でも良い。

また、本実施の形態４において、第１の電流側流回路４３０と第２の電流側流回路５３０を並列に接続する構成としたが、３以上の電流側流回路を接続し、バイアス電源のバイアス電圧及び電圧レベル変換回路５４０から互いに異なる電圧をそれぞれの電流側流回路に入力するようにしてもよい。これにより、変換利得を５以上の段階に切り替えて光電流に対する出力電圧変化を、より線形に近づけることができ、出力電圧の波形歪みをさらに低減させることができる。

また、上記の実施の形態においては、受光素子１００から出力される光電流を電圧信号に変換して出力する構成としたが、これに限られず、ダイナミックレンジの大きい電流信号が入力され、それに基づく電圧信号を出力する、任意の電流電圧変換増幅回路に適用することが可能である。

１ 光通信システム、１０ ＯＬＴ、２０ ＯＮＵ、３０ 光スターカプラ、３２ 光ファイバ、４０ 外部ネットワーク、１１ 光受信器、１００ 受光素子、２００，３００，４００，５００，６００，８００ 前置増幅器（Ｐｒｅ−ＡＭＰ）、１１０ リミッティングアンプ（ＬＩＭ−ＡＭＰ）、１２ 光送信器、１３ 波長多重カプラ、１４ 伝送制御部、２１０ 電流電圧変換増幅回路、２１１ 増幅器、２１２ 帰還抵抗、２２０，６２０ ダイオード、２３０，３３０ 電流側流回路、４３０ 第１の電流側流回路、５３０ 第２の電流側流回路、２３１，３３１，４３１，５３１ ＰＮＰトランジスタ、３３２，４３２，５３２ バイアス電源、３３３，４３３，５３３ ＮＭＯＳ、２４０，４４０ 電流レベル変換回路、２４１，２４２，５４１，５４２，５４３ 抵抗、４４１ ＮＰＮトランジスタ、４４２ 電流源

上記目的を達成するため、本発明の前置増幅器は、
信号電流を信号電圧に変換かつ増幅して出力する電流電圧変換増幅回路と、
前記信号電流の大きさが第１閾値を超えた場合に、前記電流電圧変換増幅回路に入力する信号電流を低減させて前記電流電圧変換増幅回路の変換利得を小さくする利得可変手段と、
前記信号電流の大きさが前記第１閾値より小さい第２閾値を超えた場合に、前記信号電流の一部を側流して前記電流電圧変換増幅回路に入力する信号電流を低減させる電流側流回路と、
前記信号電圧を予め定めた割合でレベル変換したレベル変換電圧を、前記電流側流回路に対して出力する電圧レベル変換回路と、
を有し、
前記電流側流回路は、前記信号電流が前記第２閾値を超えたときに、前記電流側流回路に入力される前記レベル変換電圧が閾値電圧を下回ることに基づいて側流を実行するように構成されている。

このように、ＮＭＯＳ３３３を、受光素子１００とＰＮＰトランジスタ３３１の間に挿入することにより、電流電圧変換増幅回路２１０の入力容量を抑えることができ、帯域幅の狭窄化を防止することができる。ＮＭＯＳ３３３は、キャリア移動度の関係からＰＮＰトランジスタ３３１と同等の電流容量を有し、かつ小さなサイズで実現することができる。なお、ＮＭＯＳ３３３に代えて、所定電位にバイアスされたベースを有するＮＰＮ型バイポーラトランジスタを、受光素子１００とＰＮＰトランジスタ３３１の間に挿入するようにしてもよい。

上記目的を達成するため、本発明の前置増幅器は、
受信光を光電変換して得られる光電流が入力され、光電流に基づく受信信号を出力する前置増幅器であって、
増幅器と、増幅器の入出力間に帰還抵抗を備えた回路であって、光電流の少なくとも一部であって当該回路に入力する電流を電圧に変換かつ増幅した受信信号を出力する電流電圧変換増幅回路と、
光電流の大きさが第１閾値を超えた場合に、帰還抵抗に入力する電流を低減させて電流電圧変換増幅回路の変換利得を小さくする利得可変手段と、
光電流の大きさが第１閾値より小さい第２閾値を超えた場合に、光電流の一部を側流して電流電圧変換増幅回路に入力する電流を低減させる電流側流回路と、
受信信号を予め定めた割合でレベル変換したレベル変換電圧信号を、電流側流回路に対して出力する電圧レベル変換回路と、
を有し、
電流側流回路は、光電流の大きさが第２閾値を超えたときに、電流側流回路に入力されるレベル変換電圧信号が閾値電圧を下回ることに基づいて側流を実行するように構成されている。

Claims (12)

1. 信号電流の全部又は一部を、信号電圧に変換かつ増幅して出力する電流電圧変換増幅回路と、
   前記電流電圧変換増幅回路の入力電流の大きさが第１閾値である時を変化点とするように前記電流電圧変換増幅回路の変換利得を変化させる利得可変手段と、
   前記信号電流の大きさに応じて、前記信号電流の一部を側流する電流側流回路と、
   前記信号電圧を所定の割合でレベル変換したレベル変換電圧を、前記電流側流回路に対して出力する電圧レベル変換回路と、
   を有し、
   前記電圧レベル変換回路から出力する前記レベル変換電圧が、前記電流側流回路の側流を実行するか否かを切り替える閾値の電圧となるときの、前記電流電圧変換増幅回路の前記入力電流の大きさである第２閾値が、前記第１閾値より小さい、
   前置増幅器。
2. 前記信号電流は、受光素子が受信光を光電変換して生成する、前記受信光の強度に対応する光電流であり、
   前記電流電圧変換増幅回路は、前記信号電圧を受信信号として出力する、
   請求項１に記載の前置増幅器。
3. 前記電流電圧変換増幅回路は、前記増幅器の入出力間に帰還抵抗を備え、
   前記利得可変手段は、前記増幅器の入出力間に前記帰還抵抗と並列に接続した第１のダイオードを有し、
   前記第１閾値は、前記第１のダイオードの両端の電圧の値が、前記第１のダイオードの閾値電圧となるときの前記電流電圧変換増幅回路の前記入力電流である、
   請求項１又は２に記載の前置増幅器。
4. 前記電流側流回路は、前記電流電圧変換増幅回路の入力にエミッタ接続されたＰＮＰ型バイポーラトランジスタを有し、
   前記電圧レベル変換回路から前記電流側流回路に入力される前記レベル変換電圧は、前記ＰＮＰ型バイポーラトランジスタのベースに入力される、
   請求項１乃至３のいずれか１項に記載の前置増幅器。
5. 前記電流側流回路は、所定電位にバイアスされたゲートを有するＮ型チャネル電界効果トランジスタ、又は、所定電位にバイアスされたベースを有するＮＰＮ型バイポーラトランジスタをさらに有し、
   前記Ｎ型チャネル電界効果トランジスタのソース、又は、前記ＮＰＮ型バイポーラトランジスタのエミッタが、前記ＰＮＰ型バイポーラトランジスタのエミッタに接続されている、
   請求項４に記載の前置増幅器。
6. 前記電流側流回路は、第２のダイオードを有し、
   前記電圧レベル変換回路から前記電流側流回路に入力される前記レベル変換電圧は、前記第２のダイオードのカソードに入力される、
   請求項３に記載の前置増幅器。
7. 前記電圧レベル変換回路は、複数の抵抗を直列に接続しており、前記複数の抵抗で分圧した電圧を前記レベル変換電圧として出力する、
   請求項１乃至６のいずれか１項に記載の前置増幅器。
8. 前記電圧レベル変換回路は、ＮＰＮ型バイポーラトランジスタ又はＮ型チャネル電界効果トランジスタと、電流源を直列に接続した構成を有しており前記電流源の入力端の電圧を前記レベル変換電圧として出力する、
   請求項１乃至６のいずれか１項に記載の前置増幅器。
9. 前記電流側流回路は、互いに同じ構成からなる複数の電流側流部を並列に接続した構成からなり、
   前記電圧レベル変換回路は、異なる割合でレベル変換した複数の前記レベル変換電圧を、複数の前記電流側流部に対してそれぞれ出力し、
   それぞれの前記電流側流部において、前記レベル変換電圧に基づいて前記電流側流部の側流を実行するか否かを切り替える、
   請求項１乃至７のいずれか１項に記載の前置増幅器。
10. 受信光を光電変換して前記受信光の強度に対応する光電流を出力する受光素子と、前記光電流に基づく受信信号を出力する前置増幅器を備えた光受信器であって、
    前記前置増幅器は、
    信号電流の全部又は一部を、信号電圧に変換かつ増幅して出力する電流電圧変換増幅回路と、
    前記電流電圧変換増幅回路の入力電流の大きさが第１閾値である時を変化点とするように前記電流電圧変換増幅回路の変換利得を変化させる利得可変手段と、
    前記信号電流の大きさに応じて、前記信号電流の一部を側流する電流側流回路と、
    前記信号電圧を所定の割合でレベル変換したレベル変換電圧を、前記電流側流回路に対して出力する電圧レベル変換回路と、
    を有し、
    前記電圧レベル変換回路から出力する前記レベル変換電圧が、前記電流側流回路の側流を実行するか否かを切り替える閾値の電圧となるときの、前記電流電圧変換増幅回路の前記入力電流の大きさである第２閾値が、前記第１閾値より小さい、
    光受信器。
11. 請求項１０に記載の光受信器を備えた光終端装置。
12. 請求項１１に記載の光終端装置を備えた光通信システム。

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