JPWO2017208310A1 - 光受信器および光信号受信方法 - Google Patents

Abstract

受信した光信号の光強度に対応した電流を出力するＡＰＤ（１）と、ＡＰＤ（１）から出力された電流を増倍し、さらに電流電圧変換を行うプリアンプ（２）と、ＡＰＤ（１）に電圧を印加する電圧発生部（３）と、ＡＰＤ（１）に流れる電流を検出し、電圧値に変換して出力する電流検出部（４）と、光信号の受信開始を周知するための信号である受信周知信号を生成する受信周知信号生成部（５）と、光信号の受信終了を周知するための信号である終了周知信号を生成する終了周知信号生成部（６）と、電流検出部（４）から出力された電圧値、受信周知信号、終了周知信号、およびＡＰＤ（１）の増倍率の制御に用いる増倍率切り替え閾値に基づいて、電圧発生部（３）がＡＰＤ（１）に印加する電圧を制御する制御部（７）と、を備える。

Description

本発明は、光信号を受信する光受信器および光信号受信方法に関する。

近年、一本の光ファイバを複数の利用者で共有できるＰＯＮ（Passive Optical Network）システムと呼ばれる一対多数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）、および、電源を必要としない受動素子である光スターカプラ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）により構成される。ＰＯＮシステムは、複数のＯＮＵとＯＬＴとの間の伝送路である光ファイバの大部分を共有できるため、運用コストが低く抑えられる。また、ＰＯＮシステムでは、受動素子である光スターカプラは給電を必要とせず設置が容易である。これらの理由からＰＯＮシステムが普及している。

ＰＯＮシステムにおいて、ＯＬＴが備える光受信器は、複数のＯＮＵから時分割多重された光信号を受信して、瞬時に電気信号に再生するバースト受信機能が必要とされる。また、ＯＮＵの収容数増加のため、ＰＯＮシステムには、ＯＬＴとＯＮＵとの間の距離の長延化、およびＯＮＵ分岐数の増加が要求される。この結果、ＯＬＴと複数のＯＮＵとの間の距離に差異が発生し、ＯＬＴでは、信号強度変化の大きい光信号を受信しなければならない。ＯＬＴでは、（１）光強度の小さい光信号を受信するために光受信器の感度を高めなければならない、および（２）光強度の大きい光信号受信時に、受光素子に流れる電流による素子破損を回避しなければならない、という課題の解決が必要となる。

（１）の課題に対して、光受信器では、受信感度を高めるため、受光素子としてアバランシェフォトダイオード（以下、ＡＰＤ（Avalanche Photo Diode）とする）が一般的に用いられる。ＡＰＤは、逆バイアス電圧を印加することで高い増倍作用が実現でき、ＰＩＮフォトダイオードなどの受光素子と比較して、高い受信感度を実現できる。しかしながら、光受信器では、ＡＰＤを高い増倍率で運用した場合、光強度の大きい光信号受信時にＡＰＤに過電流が流れ、（２）の課題のようにＡＰＤが破損する可能性がある。ＯＬＴの光受信器には、最小受信感度を高めつつ、光強度の大きい光信号受信時に問題無く受信することが要求される。このような要求に対して、特許文献１および特許文献２には、受信した光信号の光強度によってＡＰＤの増倍率を制御する技術が開示されている。

特許文献１に記載の光受信器は、受光素子としてＡＰＤを備え、ＡＰＤの出力電流を電圧値に変換して検出する手段を備える。ＡＰＤには入力された光信号の光強度に対応して電流が流れるため、光受信器は、ＡＰＤに流れる電流を検出することで受信した光信号の光強度を推定できる。また、特許文献１に記載の光受信器は、ＡＰＤの逆バイアス電圧発生回路を制御する制御回路を備える。受信した光信号の光強度が大きいと判定すると、制御回路は、ＡＰＤにかける逆バイアス電圧を低下させてＡＰＤの増倍率を低くする。これにより、特許文献１に記載の光受信器は、ＡＰＤに過電流が流れ続けることを防ぐことができる。受信した光信号の光強度が小さいと判定すると、制御回路は、ＡＰＤにかける逆バイアス電圧を増加させてＡＰＤの増倍率を高くする。特許文献１に記載の光受信器は、ＡＰＤ本来の機能である高い受信感度を実現できる。

特許文献２に記載の光受信器は、受光素子としてＡＰＤと、受信した光信号の光強度を判定する回路と、を備え、判定した光信号の光強度によってＡＰＤの増倍率を制御する。特許文献２に記載の光受信器は、光信号が無い区間である光信号受信待機時では、逆バイアス電圧を低い値に設定している。

特許第５３６８３７０号公報 特許第４８０９８１１号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術によれば、ＡＰＤの増倍率の切り替えが必要になるほど光強度の大きい光信号をバースト的に受光した場合、光信号を受光してから実際にＡＰＤの増倍率が切り替わるまでに時間がかかる。そのため、ＡＰＤの増倍率が切り替わるまではＡＰＤに過電流が流れてしまう、という問題があった。

また、特許文献２に記載の技術によれば、ＡＰＤの増倍率を低くした状態で光信号を受信しているため、バースト的に光強度の大きい光信号を受信してもＡＰＤに過電流が流れず、ＡＰＤの破損を回避できる。しかしながら、特許文献２に記載の光受信器では、受信した光信号の光強度をプリアンプの後段で判定している。本来、ＡＰＤの増倍率を高くし、かつ、プリアンプの持つ高利得を掛け合わせることで、光強度の小さい光信号が受光可能である。そのため、特許文献２に記載の光受信器では、低いＡＰＤの増倍率で光信号を受信した場合、高いＡＰＤの増倍率で辛うじて受信可能な光強度の小さい光信号を検知することが困難である、という問題があった。検知可能な光信号の光強度が制限されることは、結果として最小受信感度が劣化するため、ＡＰＤの特長を十分に活用できないことを意味する。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、受光素子の破損を回避しつつ光信号の検出精度を向上可能な光受信器を得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に、本発明の光受信器は、受信した光信号の光強度に対応した電流を出力するアバランシェフォトダイオードと、アバランシェフォトダイオードから出力された電流を増倍し、さらに電流電圧変換を行うプリアンプとを備える。また、光受信器は、アバランシェフォトダイオードに電圧を印加する電圧発生部と、アバランシェフォトダイオードに流れる電流を検出し、電圧値に変換して出力する電流検出部とを備える。また、光受信器は、光信号の受信開始を周知するための信号である受信周知信号を生成する受信周知信号生成部と、光信号の受信終了を周知するための信号である終了周知信号を生成する終了周知信号生成部とを備える。また、光受信器は、電流検出部から出力された電圧値、受信周知信号、終了周知信号、およびアバランシェフォトダイオードの増倍率の制御に用いる増倍率切り替え閾値に基づいて、電圧発生部がアバランシェフォトダイオードに印加する電圧を制御する制御部を備えることを特徴とする。

本発明にかかる光受信器は、受光素子の破損を回避しつつ光信号の検出精度を向上できる、という効果を奏する。

実施の形態１にかかる光受信器の構成例を示すブロック図 実施の形態１にかかる光受信器において光強度の大きい光信号受信時の各構成の動作を説明するためのタイミングチャート 実施の形態１にかかる光受信器において光強度の小さい光信号受信時の各構成の動作を説明するためのタイミングチャート 実施の形態１にかかる光受信器の回路構成の例を示す図 実施の形態１にかかる光受信器において図４の回路構成時における動作シミュレーションの結果を示す図 実施の形態１にかかる光受信器の光信号受信処理を示すフローチャート 実施の形態１にかかる光受信器の処理回路をＣＰＵおよびメモリで構成する場合の例を示す図 実施の形態１にかかる光受信器の処理回路を専用のハードウェアで構成する場合の例を示す図 実施の形態２にかかる光受信器の構成例を示すブロック図 実施の形態３にかかる光受信器の構成例を示すブロック図 実施の形態３にかかる光受信器の回路構成の例を示す図 実施の形態３にかかる光受信器において光強度の大きい光信号受信時の各構成の動作を説明するためのタイミングチャート 実施の形態３にかかる光受信器において光強度の小さい光信号受信時の各構成の動作を説明するためのタイミングチャート

以下に、本発明の実施の形態にかかる光受信器および光信号受信方法を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかる光受信器１０の構成例を示すブロック図である。光信号を受信する光受信装置および光信号を送信する光送信装置を備える光通信装置がＰＯＮシステムのＯＬＴに搭載されているとすると、図１に示す光受信器１０は、前述の光受信装置に含まれる。光受信器１０は、ＡＰＤ１と、プリアンプ２と、電圧発生部３と、電流検出部４と、受信周知信号生成部５と、終了周知信号生成部６と、制御部７と、を備える。

ＡＰＤ１は、受信したパケットである光信号を電気信号に変換し、受信した光信号の光強度に対応した電流を出力する光電変換素子である。

プリアンプ２は、ＡＰＤ１から出力された電流を増倍し、さらに電流電圧変換し、出力信号として電圧信号を出力する。

電圧発生部３は、制御部７の制御によりＡＰＤ１に印加する逆バイアス電圧の大きさを切り替えて、電流検出部４を介してＡＰＤ１に逆バイアス電圧を印加する。なお、以降の説明において、電圧発生部３が電流検出部４を介してＡＰＤ１に逆バイアス電圧を印加する場合に、「電流検出部４を介して」を省略することがある。

電流検出部４は、ＡＰＤ１に流れる電流を検出し、電圧値に変換して出力する。

受信周知信号生成部５は、光信号の受信開始を周知するための信号である受信周知信号を生成して制御部７に出力する。受信周知信号生成部５は、受信周知信号を光受信器１０内の制御部７以外の構成に出力してもよいし、図示しない前述の光受信装置内の構成に出力してもよい。受信周知信号生成部５については、光受信装置が備えていれば、光受信装置のものを使用してもよい。

終了周知信号生成部６は、光信号の受信終了を周知するための信号である終了周知信号を生成して制御部７に出力する。終了周知信号生成部６は、終了周知信号を光受信器１０内の制御部７以外の構成に出力してもよいし、図示しない前述の光受信装置内の構成に出力してもよい。終了周知信号生成部６については、光受信装置が備えていれば、光受信装置のものを使用してもよい。

制御部７は、電流検出部４から出力された電圧値、受信周知信号生成部５で生成された受信周知信号、終了周知信号生成部６で生成された終了周知信号、およびＡＰＤ１の増倍率の制御に用いる増倍率切り替え閾値の４信号に基づいて、電流検出部４から出力された電圧値と増倍率切り替え閾値との比較によって、電圧発生部３がＡＰＤ１に印加する逆バイアス電圧の大きさを制御する。

つづいて、光受信器１０において、ＡＰＤ１にかける逆バイアス電圧を制御して、ＡＰＤ１の倍増率を制御する動作について説明する。図２は、実施の形態１にかかる光受信器１０において光強度の大きい光信号受信時の各構成の動作を説明するためのタイミングチャートである。また、図３は、実施の形態１にかかる光受信器１０において光強度の小さい光信号受信時の各構成の動作を説明するためのタイミングチャートである。光受信器１０では、バースト的に光強度の大きい光信号を受光してもＡＰＤ１が破損することがないように、光信号受信待機時のＡＰＤ１の増倍率を設定する。この時の増倍率を増倍率Ｍ₀とする。増倍率Ｍ₀を第１の増倍率とする。増倍率Ｍ₀は、光受信器１０で規定される最大光強度の光信号受信時に流れる電流によりＡＰＤ１が破損しない値とする。増倍率Ｍ₀として設定可能な値はある程度の範囲から選択できるが、選択可能な範囲において大きい値にすることが望ましい。

図２のタイミングチャートは、電流検出部４から出力された電圧値が増倍率切り替え閾値以上、すなわち光強度の大きい光信号を受光した時の光受信器１０の動作を説明するものである。光受信器１０は、図２に示すように、時間（ａ）において、ＡＰＤ１が、光強度の大きい光信号を受光する。この時、電流検出部４から出力される電圧値は、光信号の光強度に対応して変化する。制御部７は、増倍率切り替え閾値と、電流検出部４の出力信号である電圧値とを比較する。制御部７は、実際には、光信号を受光してからしばらくした後、時間（ｂ）に示す受信周知信号生成部５から出力される受信周知信号の立ち上がり遷移のタイミングで比較を行う。制御部７は、次のパケットである光信号が受光されて、増倍率切り替え閾値と、電流検出部４の出力信号である電圧値とを比較するまで、比較結果を保持する。制御部７は、比較結果に基づいて、ＡＰＤ１の増倍率を光信号受信待機時と同じ増倍率Ｍ₀で維持することを指示する制御信号を電圧発生部３に出力する。

電圧発生部３は、制御信号に従って、ＡＰＤ１の増倍率を光信号受信待機時と同じ増倍率Ｍ₀にするための第１の電圧である低値のＡＰＤバイアス電圧をＡＰＤ１に印加する。

制御部７は、ＡＰＤ１で受光する光信号が時間（ｃ）で終了すると、光信号の受光が終了してしばらくした後、時間（ｄ）に示す終了周知信号生成部６から出力される終了周知信号の立ち上がり遷移のタイミングで、ＡＰＤ１の増倍率を光信号受信待機時の増倍率Ｍ₀にすることを指示する制御信号を電圧発生部３に出力する。なお、制御部７は、受信周知信号および終了周知信号の検出については、各信号の立ち下がり遷移のタイミングで行ってもよい。

電圧発生部３は、制御信号に従って、ＡＰＤ１の増倍率を光信号受信待機時の増倍率Ｍ₀にするための第１の電圧である低値のＡＰＤバイアス電圧をＡＰＤ１に印加する。

図２に示すように、制御部７は、電流検出部４から出力された電圧値が増倍率切り替え閾値以上の場合、光信号受信待機時にＡＰＤ１に印加する電圧と同じ第１の電圧を印加することを指示する制御信号を電圧発生部３に出力する。電圧発生部３は、光信号受信待機時および第１の電圧を印加することを指示する制御信号を受けている間、ＡＰＤ１に第１の電圧を印加する。なお、光信号受信待機時について、制御部７が第１の電圧を印加することを指示する制御信号を電圧発生部３に出力し、電圧発生部３が第１の電圧を印加することを指示する制御信号を受けている間、ＡＰＤ１に第１の電圧を印加してもよい。または、光信号受信待機時について、制御部７が制御信号を電圧発生部３に出力せず、電圧発生部３が制御信号を受けていない間、ＡＰＤ１に第１の電圧を印加してもよい。

図３のタイミングチャートは、電流検出部４から出力された電圧値が増倍率切り替え閾値未満、すなわち光強度の小さい光信号を受光した時の光受信器１０の動作を説明するものである。光受信器１０は、図３に示すように、時間（ｅ）において、ＡＰＤ１が、光強度の小さい光信号を受光する。この時、電流検出部４から出力される電圧値は、光信号の光強度に対応して変化する。制御部７は、増倍率切り替え閾値と、電流検出部４の出力信号である電圧値とを比較する。制御部７は、実際には、光信号を受光してからしばらくした後、時間（ｆ）に示す受信周知信号生成部５から出力される受信周知信号の立ち上がり遷移のタイミングで比較を行う。制御部７は、次のパケットである光信号が受光されて、増倍率切り替え閾値と、電流検出部４の出力信号である電圧値とを比較するまで、比較結果を保持する。制御部７は、比較結果に基づいて、ＡＰＤ１の増倍率を光信号受信待機時の増倍率Ｍ₀より大きい増倍率Ｍ₁に増大させることを指示する制御信号を電圧発生部３に出力する。増倍率Ｍ₁を第２の増倍率とする。増倍率Ｍ₁は、図示しない前述のＯＬＴまたは光通信装置などで規定される最小光強度の光信号受信時に受信品質、例えば、ＢＥＲ（Bit Error Rate）の要求仕様を満足する値に設定する。増倍率Ｍ₁として設定可能な値はある程度の範囲から選択できるが、選択可能な範囲において小さい値にすることが望ましい。なお、増倍率Ｍ₀および増倍率Ｍ₁については、光受信器１０が搭載されたＯＬＴが使用されるＰＯＮシステムの管理者などが、実際のシステムにあわせて設定することができる。

電圧発生部３は、制御信号に従って、ＡＰＤ１の増倍率を増倍率Ｍ₁にするため、ＡＰＤ１に印加するＡＰＤバイアス電圧の大きさを瞬時に変更する。電圧発生部３は、制御部７から増倍率Ｍ₁に増大させることを指示する制御信号を受けている間、ＡＰＤ１の増倍率を増倍率Ｍ₁にするための第２の電圧である高値のＡＰＤバイアス電圧をＡＰＤ１に印加する。

制御部７は、ＡＰＤ１で受光する光信号が時間（ｇ）で終了すると、光信号の受光が終了してしばらくした後、時間（ｈ）に示す終了周知信号生成部６から出力される終了周知信号の立ち上がり遷移のタイミングで、ＡＰＤ１の増倍率を光信号受信待機時の増倍率Ｍ₀にすることを指示する制御信号を電圧発生部３に出力する。なお、制御部７は、受信周知信号および終了周知信号の検出については、各信号の立ち下がり遷移のタイミングで行ってもよい。

電圧発生部３は、制御信号に従って、ＡＰＤ１の増倍率を増倍率Ｍ₀にするため、ＡＰＤ１に印加するＡＰＤバイアス電圧の大きさを瞬時に変更する。電圧発生部３は、ＡＰＤ１の増倍率を増倍率Ｍ₀にするための第１の電圧である低値のＡＰＤバイアス電圧をＡＰＤ１に印加する。

図３に示すように、制御部７は、電流検出部４から出力された電圧値が増倍率切り替え閾値未満の場合、受信周知信号を受けてから終了周知信号を受けるまでの間、光信号受信待機時にＡＰＤ１に印加する第１の電圧よりも高い第２の電圧を印加することを指示する制御信号を電圧発生部３に出力する。電圧発生部３は、第２の電圧を印加することを指示する制御信号を受けている間、ＡＰＤ１に第２の電圧を印加する。

ＡＰＤ１は、第１の電圧が印加されている場合、規定された最大光強度の光信号受信時に流れる電流によって破損しない増倍率Ｍ₀を適用し、第２の電圧が印加されている場合、規定された最小光強度の光信号受信時に要求される受信品質を確保する増倍率Ｍ₁を適用する。

このように、光受信器１０は、受光する光信号の光強度によらず、光信号の光強度を判定することができる。すなわち、光受信器１０は、光強度の大きい光信号受信時にＡＰＤ１の破損を回避するようにＡＰＤ１の増倍率を低増倍率で運用した場合でも、光強度の小さい光信号の検知が可能となるため、最小受信感度を改善できる。

つぎに、光受信器１０の具体的な回路構成について説明する。図４は、実施の形態１にかかる光受信器１０の回路構成の例を示す図である。

電圧発生部３は、増倍率Ｍ₀用電圧回路３１と、増倍率Ｍ₁用電圧回路３２と、スイッチ３３と、を備える。増倍率Ｍ₀用電圧回路３１は、ＡＰＤ１の増倍率を増倍率Ｍ₀にするためのＡＰＤバイアス電圧を生成する。増倍率Ｍ₁用電圧回路３２は、ＡＰＤ１の増倍率を増倍率Ｍ₁にするためのＡＰＤバイアス電圧を生成する。スイッチ３３は、制御部７から受けた制御信号Ｖｇによって、増倍率Ｍ₀用電圧回路３１および増倍率Ｍ₁用電圧回路３２の出力を切り替えて、電流検出部４を介してＡＰＤ１にＡＰＤバイアス電圧Ｖｈを印加する。具体的に、スイッチ３３は、光信号受信待機時および増倍率切り替え閾値よりも電流検出部４から出力される電圧値が大きくなる光強度の大きい光信号を受光した時に、増倍率Ｍ₀用電圧回路３１で生成されたＡＰＤバイアス電圧をＡＰＤ１に印加する。また、スイッチ３３は、増倍率切り替え閾値よりも電流検出部４から出力される電圧値が小さくなる光強度の小さい光信号を受光した時に、増倍率Ｍ₁用電圧回路３２で生成されたＡＰＤバイアス電圧をＡＰＤ１に印加する。

電流検出部４は、バイポーラトランジスタ２つを用いたカレントミラー回路４１と、電流電圧変換用の抵抗４２と、を備える。カレントミラー回路４１は、バイポーラトランジスタのエミッタ端子、コレクタ端子、またはエミッタ端子およびコレクタ端子の両方の端子に直列に抵抗素子を持つ構成でもよい。また、カレントミラー回路４１は、ＡＰＤ１のカソード端子との接続経路上にコンデンサが並列に接続される構成でもよい。また、電流検出部４は、抵抗４２と並列にコンデンサを追加してもよい。電流検出部４は、カレントミラー回路４１で検出された電流を抵抗４２で電圧に変換し、電圧値Ｖａを制御部７に出力する。

受信周知信号生成部５は、図示しないＯＬＴまたは光通信装置などから供給される、パケットである光信号の受信時において光信号の先頭部において光受信器１０に入力されるパルス信号であるリセット信号Ｖｄを生成するリセット信号生成回路５１を用いることができる。受信周知信号生成部５では、例えば、あらかじめ光信号の受信時刻および受信期間が決まっているような運用形態の場合、ＯＬＴまたは光通信装置などからの通知によって、リセット信号Ｖｄを生成することができる。

終了周知信号生成部６は、図示しないＯＬＴまたは光通信装置などから供給されるＬＯＳ（Loss Of Signal）信号Ｖｆ、または光受信器１０内で生成される信号であるＬＯＳ信号Ｖｆを生成するＬＯＳ信号生成回路６１を用いることができる。終了周知信号生成部６では、例えば、あらかじめ光信号の受信時刻および受信期間が決まっているような運用形態の場合、ＯＬＴまたは光通信装置などからの通知によって、ＬＯＳ信号Ｖｆを生成することができる。

制御部７は、電流検出部４から出力される電圧値Ｖａと増倍率切り替え閾値Ｖｂとを比較するための比較器７１と、リセット信号Ｖｄの立ち上がりタイミングで比較器７１の出力レベルＶｃを保持するためのＤ−ＦＦ（Delay−Flip Flop）７２と、Ｄ−ＦＦ７２の出力ＶｅとＬＯＳ信号Ｖｆの論理否定信号の論理積を取るためのＡＮＤゲート７３と、を備える。制御部７は、ＡＮＤゲート７３の論理積の結果を制御信号Ｖｇとして出力する。

図５は、実施の形態１にかかる光受信器１０において図４の回路構成時における動作シミュレーションの結果を示す図である。図５に示す各電圧の電圧値は、図４に記載の各電圧点の電圧値を示す。図５において、横軸は時間を示し、縦軸は各電圧の電圧値を示す。制御部７の比較器７１の出力レベルＶｃは、電流検出部４から出力される電圧値Ｖａ＜増倍率切り替え閾値Ｖｂのときはハイ、電流検出部４から出力される電圧値Ｖａ≧増倍率切り替え閾値Ｖｂのときはローとなる。シミュレーション結果が示すように、光受信器１０は、光信号受信待機時および光強度の大きい光信号受信時、低い増倍率Ｍ₀でＡＰＤ１を運用するため、ＡＰＤバイアス電圧Ｖｈを低く設定する。一方、光受信器１０は、光強度の小さい光信号受信時、リセット信号Ｖｄの立ち上がりのタイミングで光信号の光強度を判定し、ＡＰＤ１の増倍率を増倍率Ｍ₁に切り替えるため、ＡＰＤバイアス電圧Ｖｈの切り替えを遅延することなくできる。

図６は、実施の形態１にかかる光受信器１０の光信号受信処理を示すフローチャートである。まず、光受信器１０において、ＡＰＤ１が、光信号を受信すると、受信した光信号の光強度に対応した電流を出力する（ステップＳ１）。電流検出部４は、ＡＰＤ１に流れる電流を検出し、電圧値に変換して出力する（ステップＳ２）。

制御部７は、電流検出部４から出力された電圧値と、増倍率切り替え閾値とを比較する（ステップＳ３）。電圧値が増倍率切り替え閾値以上の場合（ステップＳ４：Ｙｅｓ）、制御部７は、低値の第１の電圧をＡＰＤ１に印加することを指示する制御信号を出力する（ステップＳ５）。電圧発生部３は、制御部７から第１の電圧を印加することを指示する制御信号を受けている間、ＡＰＤバイアス電圧として低値の第１の電圧をＡＰＤ１に印加する（ステップＳ６）。

一方、電圧値が増倍率切り替え閾値未満の場合（ステップＳ４：Ｎｏ）、制御部７は、第１の電圧よりも高い高値の第２の電圧をＡＰＤ１に印加することを指示する制御信号を出力する（ステップＳ７）。電圧発生部３は、制御部７から第２の電圧を印加することを指示する制御信号を受けている間、ＡＰＤバイアス電圧として高値の第２の電圧をＡＰＤ１に印加する（ステップＳ８）。

つづいて、光受信器１０のハードウェア構成について説明する。光受信器１０の各部の構成は図４に示す回路によって実現される。ここで、電圧発生部３および制御部７については、処理回路により実現してもよい。処理回路は、メモリに格納されるプログラムを実行するＣＰＵ（Central Processing Unit）およびメモリであってもよいし、専用のハードウェアであってもよい。

図７は、実施の形態１にかかる光受信器１０の処理回路をＣＰＵおよびメモリで構成する場合の例を示す図である。処理回路がＣＰＵ９１およびメモリ９２で構成される場合、電圧発生部３および制御部７の各機能は、ソフトウェア、ファームウェア、またはソフトウェアとファームウェアとの組み合わせにより実現される。ソフトウェアまたはファームウェアはプログラムとして記述され、メモリ９２に格納される。処理回路では、メモリ９２に記憶されたプログラムをＣＰＵ９１が読み出して実行することにより、各機能を実現する。すなわち、光受信器１０は、電圧発生部３および制御部７が処理回路により実行されるときに、電流検出部４の電圧値と増倍率切り替え閾値とを比較するステップ、電圧値が増倍率切り替え閾値未満の場合に光信号受信待機時にＡＰＤ１に印加する第１の電圧よりも高い第２の電圧をＡＰＤ１に印加するステップ、電圧値が増倍率切り替え閾値以上の場合に第１の電圧をＡＰＤ１に印加するステップが結果的に実行されることになるプログラムを格納するためのメモリ９２を備える。また、これらのプログラムは、光受信器１０の手順および方法をコンピュータに実行させるものであるともいえる。ここで、ＣＰＵ９１は、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、プロセッサ、またはＤＳＰ（Digital Signal Processor）などであってもよい。また、メモリ９２とは、例えば、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ（Erasable Programmable ＲＯＭ）、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically ＥＰＲＯＭ）などの、不揮発性または揮発性の半導体メモリ、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、またはＤＶＤ（Digital Versatile Disc）などが該当する。

図８は、実施の形態１にかかる光受信器１０の処理回路を専用のハードウェアで構成する場合の例を示す図である。処理回路が専用のハードウェアである場合、図８に示す処理回路９３は、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、またはこれらを組み合わせたものが該当する。電圧発生部３および制御部７の各機能を機能別に処理回路９３で実現してもよいし、各機能をまとめて処理回路９３で実現してもよい。

なお、電圧発生部３および制御部７の各機能について、一部を専用のハードウェアで実現し、一部をソフトウェアまたはファームウェアで実現するようにしてもよい。このように、処理回路は、専用のハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、またはこれらの組み合わせによって、上述の各機能を実現することができる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、光受信器１０は、光信号受信待機時は小さい増倍率Ｍ₀でＡＰＤ１の動作を行い、光信号を受信した場合、ＡＰＤ１に流れる電流を検出する電流検出部４から出力される電圧値と、増倍率切り替え閾値とを比較する。光受信器１０は、電圧値が増倍率切り替え閾値以上の場合はＡＰＤ１の増倍率を増倍率Ｍ₀とし、電圧値が増倍率切り替え閾値未満の場合はＡＰＤ１の増倍率を増倍率Ｍ₀より大きい増倍率Ｍ₁とする。これにより、光受信器１０は、光信号の光強度によらず、受光素子であるＡＰＤ１の破損を回避しつつ光信号を検知することができる。光受信器１０は、光強度の大きい光信号受信時にＡＰＤ１の破損を回避するようにＡＰＤ１の増倍率を低増倍率で運用した場合でも、光強度の小さい光信号の検知が可能となり、光信号の検出精度を向上できることから最小受信感度を改善できる。

実施の形態２．
実施の形態２では、具体的な光受信器の構成として、受信周知信号生成部および終了周知信号生成部が電流検出部４と接続する。実施の形態１と異なる部分について説明する。

図９は、実施の形態２にかかる光受信器１０ａの構成例を示すブロック図である。光受信器１０ａは、光受信器１０の受信周知信号生成部５および終了周知信号生成部６を、受信周知信号生成部５ａおよび終了周知信号生成部６ａに置き換えたものである。受信周知信号生成部５ａおよび終了周知信号生成部６ａは、電流検出部４と接続している。

受信周知信号生成部５ａは、電流検出部４から出力される電圧値に基づいて光信号の受信開始を検知し、光信号の受信開始を周知するための信号である受信周知信号を生成して制御部７に出力する。受信周知信号生成部５ａは、例えば、電流検出部４から出力される電圧値が規定された電圧値を超えた場合に、光信号の受信開始を検知したと判断する。受信周知信号生成部５ａは、受信周知信号を光受信器１０ａ内の制御部７以外の構成にも出力してよいし、図示しない前述の光受信装置内の構成にも出力してよい。

終了周知信号生成部６ａは、電流検出部４から出力される電圧値に基づいて光信号の受信終了を検知し、光信号の受信終了を周知するための信号である終了周知信号を生成して制御部７に出力する。終了周知信号生成部６ａは、例えば、電流検出部４から出力される電圧値が、規定された電圧値を超えた後に規定された電圧値より低くなった場合に、光信号の受信終了を検知したと判断する。終了周知信号生成部６ａは、終了周知信号を光受信器１０ａ内の制御部７以外の構成にも出力してよいし、図示しない前述の光受信装置内の構成にも出力してよい。

光受信器１０ａのその他の各構成の動作は光受信器１０の各構成の動作と同様である。

以上説明したように、本実施の形態によれば、光受信器１０ａでは、受信周知信号生成部５ａおよび終了周知信号生成部６ａが電流検出部４と接続する構成とした。これにより、光受信器１０ａは、光信号の受信開始および受信終了を自己検知できるとともに、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

実施の形態３．
実施の形態３では、光受信器１０ａの受信周知信号生成部５ａおよび終了周知信号生成部６ａの機能を１つの構成で行う。実施の形態１，２と異なる部分について説明する。

図１０は、実施の形態３にかかる光受信器１０ｂの構成例を示すブロック図である。光受信器１０ｂは、電流検出部４を電流検出部４ｂに置き換え、制御部７を制御部７ｂに置き換え、光受信器１０ａの受信周知信号生成部５ａおよび終了周知信号生成部６ａを受信継続周知信号生成部８に置き換えたものである。受信継続周知信号生成部８は、電流検出部４ｂと接続している。

電流検出部４ｂは、ＡＰＤ１に流れる電流を検出し、電圧値に変換して制御部７ｂに出力する。また、電流検出部４ｂは、受信継続周知信号生成部８の一部の構成を用いてカレントミラー回路を実現する。

受信継続周知信号生成部８は、電流検出部４ｂの一部の構成を用いてカレントミラー回路を実現して電流検出部４ｂからＡＰＤ１に流れる電流の情報を取得し、ＡＰＤ１での光信号の受信開始および受信終了を検知する。ここで説明したカレントミラー回路と、電流検出部４ｂのところで説明したカレントミラー回路は同一のものである。受信継続周知信号生成部８は、光信号の受信を開始してから終了するまでの期間において光信号を受信継続中であることを周知するための信号である受信継続周知信号を生成して制御部７ｂに出力する。受信継続周知信号生成部８は、受信継続周知信号を光受信器１０ｂ内の制御部７ｂ以外の構成にも出力してよいし、図示しない前述の光受信装置内の構成にも出力してよい。受信継続周知信号生成部８については、光受信装置が備えていれば、光受信装置のものを使用してもよい。

制御部７ｂは、電流検出部４から出力された電圧値、受信継続周知信号生成部８で生成された受信継続周知信号、およびＡＰＤ１の増倍率の制御に用いる増倍率切り替え閾値の３信号に基づいて、電流検出部４から出力された電圧値と増倍率切り替え閾値との比較によって、電圧発生部３がＡＰＤ１に印加する逆バイアス電圧を制御する。

つぎに、光受信器１０ｂの具体的な回路構成について説明する。図１１は、実施の形態３にかかる光受信器１０ｂの回路構成の例を示す図である。電圧発生部３の構成は、図４に示す実施の形態１の電圧発生部３の構成と同様である。電流検出部４ｂの構成は、図４に示す実施の形態１の電流検出部４の構成と同様であるが、カレントミラー回路４１ｂのベース端子と受信継続周知信号生成部８とが接続している。

受信継続周知信号生成回路８は、ＡＰＤ１の電流を検出するためのバイポーラトランジスタ８１と、電流電圧変換用の抵抗８２と、電流電圧変換された電圧値と信号検知用のための閾値である信号検知用閾値とを比較する比較器８３と、比較器８３の出力を遅延させる遅延素子８４と、を備える。電流検出部４ｂにおいてＡＰＤ１と接続するバイポーラトランジスタとバイポーラトランジスタ８１によってカレントミラー回路を構成する。

制御部７ｂは、比較器７１と、受信継続周知信号生成回路８から出力される受信継続周知信号の立ち上がりのタイミングで比較器７１の出力レベルを保持するためのＤ−ＦＦ７２ｂと、Ｄ−ＦＦ７２ｂの出力および受信継続周知信号の論理積を取るためのＡＮＤゲート７３ｂと、を備える。

つづいて、光受信器１０ｂにおいて、ＡＰＤ１にかける逆バイアス電圧を制御して、ＡＰＤ１の倍増率を制御する動作について説明する。図１２は、実施の形態３にかかる光受信器１０ｂにおいて光強度の大きい光信号受信時の各構成の動作を説明するためのタイミングチャートである。また、図１３は、実施の形態３にかかる光受信器１０ｂにおいて光強度の小さい光信号受信時の各構成の動作を説明するためのタイミングチャートである。光受信器１０ｂで使用するＡＰＤ１の増倍率Ｍ₁および増倍率Ｍ₀は、実施の形態１と同様である。

基本的な動作は実施の形態１の光受信器１０と同様である。実施の形態３の光受信器１０ｂにおいて、制御部７ｂは、図１２の時間（ｂ）および図１３の時間（ｆ）に示すように、光信号の受信開始を受信継続周知信号生成部８から出力される受信継続周知信号の立ち上がり遷移のタイミングで検知する。また、制御部７ｂは、図１２の時間（ｄ）および図１３の時間（ｈ）に示すように、光信号の受信終了を受信継続周知信号の立ち下がり遷移のタイミングで検知する。受信継続周知信号生成部８は、光信号受信時はハイレベルの受信継続周知信号を出力する。光信号受信時では受信継続周知信号はハイレベルで遷移するため、受信継続周知信号を実施の形態１のＬＯＳ信号の論理否定信号のように扱うことができる。制御部７ｂは、図１２の時間（ｄ）および図１３の時間（ｈ）に示す、受信継続周知信号生成部８から出力される受信継続周知信号の立ち下がり遷移のタイミングで、ＡＰＤ１の増倍率を増倍率Ｍ₀にすることを指示する制御信号を電圧発生部３に出力する。この場合においても、電圧発生部３は、制御部７ｂからの制御信号に基づいて、ＡＰＤバイアス電圧を瞬時に変更することができる。

図１２に示すように、制御部７ｂは、電流検出部４ｂから出力された電圧値が増倍率切り替え閾値以上の場合、光信号受信待機時にＡＰＤ１に印加する電圧と同じ第１の電圧を印加することを指示する制御信号を電圧発生部３に出力する。電圧発生部３は、光信号受信待機時および第１の電圧を印加することを指示する制御信号を受けている間、ＡＰＤ１に第１の電圧を印加する。

また、図１３に示すように、制御部７ｂは、電流検出部４ｂから出力された電圧値が増倍率切り替え閾値未満の場合、受信継続周知信号を受けている間、光信号受信待機時にＡＰＤ１に印加する第１の電圧よりも高い第２の電圧を印加することを指示する制御信号を電圧発生部３に出力する。電圧発生部３は、第２の電圧を印加することを指示する制御信号を受けている間、ＡＰＤ１に第２の電圧を印加する。

ＡＰＤ１は、第１の電圧が印加されている場合、規定された最大光強度の光信号受信時に流れる電流によって破損しない増倍率Ｍ₀を適用し、第２の電圧が印加されている場合、規定された最小光強度の光信号受信時に要求される受信品質を確保する増倍率Ｍ₁を適用する。

以上説明したように、本実施の形態によれば、光受信器１０ｂでは、受信継続周知信号生成部８で生成される受信継続周知信号により、光信号の受信開始および受信終了を検知することとした。この場合においても、実施の形態１，２と同様の効果を得ることができる。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１ ＡＰＤ、２ プリアンプ、３ 電圧発生部、４，４ｂ 電流検出部、５，５ａ 受信周知信号生成部、６，６ａ 終了周知信号生成部、７，７ｂ 制御部、８ 受信継続周知信号生成部、１０，１０ａ，１０ｂ 光受信器、３１ 増倍率Ｍ₀用電圧回路、３２ 増倍率Ｍ₁用電圧回路、３３ スイッチ、４１，４１ｂ カレントミラー回路、４２，８２ 抵抗、７１，８３ 比較器、７２，７２ｂ Ｄ−ＦＦ、７３，７３ｂ ＡＮＤゲート、８１ バイポーラトランジスタ、８４ 遅延素子。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の光受信器は、受信した光信号の光強度に対応した電流を出力するアバランシェフォトダイオードと、アバランシェフォトダイオードから出力された電流を増倍し、さらに電流電圧変換を行うプリアンプとを備える。また、光受信器は、アバランシェフォトダイオードに電圧を印加する電圧発生部と、アバランシェフォトダイオードに流れる電流を検出し、電圧値に変換して出力する電流検出部とを備える。また、光受信器は、光信号の受信開始を周知するための信号である受信周知信号を生成する受信周知信号生成部と、光信号の受信終了を周知するための信号である終了周知信号を生成する終了周知信号生成部とを備える。また、光受信器は、電流検出部から出力された電圧値、受信周知信号、終了周知信号、およびアバランシェフォトダイオードの増倍率の制御に用いる増倍率切り替え閾値に基づいて、電圧発生部がアバランシェフォトダイオードに印加する電圧を制御する制御部を備える。制御部は、光信号受信待機時にアバランシェフォトダイオードを規定された最大光強度の光信号受信時に流れる電流によって破損しない第１の増幅率で駆動するように電圧発生部に制御信号を出力する。また、電圧発生部は、制御部からの制御信号に基づいて第１の電圧をアバランシェフォトダイオードに印加することを特徴とする。

Claims (11)

1. 受信した光信号の光強度に対応した電流を出力するアバランシェフォトダイオードと、
   前記アバランシェフォトダイオードから出力された電流を増倍し、さらに電流電圧変換を行うプリアンプと、
   前記アバランシェフォトダイオードに電圧を印加する電圧発生部と、
   前記アバランシェフォトダイオードに流れる電流を検出し、電圧値に変換して出力する電流検出部と、
   前記光信号の受信開始を周知するための信号である受信周知信号を生成する受信周知信号生成部と、
   前記光信号の受信終了を周知するための信号である終了周知信号を生成する終了周知信号生成部と、
   前記電流検出部から出力された電圧値、前記受信周知信号、前記終了周知信号、および前記アバランシェフォトダイオードの増倍率の制御に用いる増倍率切り替え閾値に基づいて、前記電圧発生部が前記アバランシェフォトダイオードに印加する電圧を制御する制御部と、
   を備えることを特徴とする光受信器。
2. 前記制御部は、前記電流検出部から出力された電圧値が前記増倍率切り替え閾値未満の場合、前記受信周知信号を受けてから前記終了周知信号を受けるまでの間、光信号受信待機時に前記アバランシェフォトダイオードに印加する第１の電圧よりも高い第２の電圧を印加することを指示する制御信号を前記電圧発生部に出力し、
   前記電圧発生部は、前記第２の電圧を印加することを指示する制御信号を受けている間、前記アバランシェフォトダイオードに前記第２の電圧を印加する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の光受信器。
3. 前記制御部は、前記電流検出部から出力された電圧値が前記増倍率切り替え閾値以上の場合、前記第１の電圧を印加することを指示する制御信号を前記電圧発生部に出力し、
   前記電圧発生部は、前記第１の電圧を印加することを指示する制御信号を受けている間、前記アバランシェフォトダイオードに前記第１の電圧を印加する、
   ことを特徴とする請求項２に記載の光受信器。
4. 前記アバランシェフォトダイオードは、前記第１の電圧が印加されている場合、規定された最大光強度の光信号受信時に流れる電流によって破損しない第１の増倍率を適用し、前記第２の電圧が印加されている場合、前記第１の増倍率より大きく、規定された最小光強度の光信号受信時に要求される受信品質を確保する第２の増倍率を適用する、
   ことを特徴とする請求項２または３に記載の光受信器。
5. 前記受信周知信号生成部は、前記電流検出部から出力される前記電圧値に基づいて、前記光信号の受信開始を検知し、
   前記終了周知信号生成部は、前記電流検出部から出力される前記電圧値に基づいて、前記光信号の受信終了を検知する、
   ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の光受信器。
6. 受信した光信号の光強度に対応した電流を出力するアバランシェフォトダイオードと、
   前記アバランシェフォトダイオードから出力された電流を増倍し、さらに電流電圧変換を行うプリアンプと、
   前記アバランシェフォトダイオードに電圧を印加する電圧発生部と、
   前記アバランシェフォトダイオードに流れる電流を検出し、電圧値に変換して出力する電流検出部と、
   前記光信号の受信を継続中であることを周知するための信号である受信継続周知信号を生成する受信継続周知信号生成部と、
   前記電流検出部から出力された電圧値、前記受信継続周知信号、および前記アバランシェフォトダイオードの増倍率の制御に用いる増倍率切り替え閾値に基づいて、前記電圧発生部が前記アバランシェフォトダイオードに印加する電圧を制御する制御部と、
   を備えることを特徴とする光受信器。
7. 前記制御部は、前記電流検出部から出力された電圧値が前記増倍率切り替え閾値未満の場合、前記受信継続周知信号を受けている間、光信号受信待機時に前記アバランシェフォトダイオードに印加する第１の電圧よりも高い第２の電圧を印加することを指示する制御信号を前記電圧発生部に出力し、
   前記電圧発生部は、前記第２の電圧を印加することを指示する制御信号を受けている間、前記アバランシェフォトダイオードに前記第２の電圧を印加する、
   ことを特徴とする請求項６に記載の光受信器。
8. 前記制御部は、前記電流検出部から出力された電圧値が前記増倍率切り替え閾値以上の場合、前記第１の電圧を印加することを指示する制御信号を前記電圧発生部に出力し、
   前記電圧発生部は、前記第１の電圧を印加することを指示する制御信号を受けている間、前記アバランシェフォトダイオードに前記第１の電圧を印加する、
   ことを特徴とする請求項７に記載の光受信器。
9. 前記アバランシェフォトダイオードは、前記第１の電圧が印加されている場合、規定された最大光強度の光信号受信時に流れる電流によって破損しない第１の増倍率を適用し、前記第２の電圧が印加されている場合、前記第１の増倍率より大きく、規定された最小光強度の光信号受信時に要求される受信品質を確保する第２の増倍率を適用する、
   ことを特徴とする請求項７または８に記載の光受信器。
10. 前記受信継続周知信号生成部は、前記電流検出部から前記アバランシェフォトダイオードに流れる電流の情報を取得し、前記光信号の受信開始および受信終了を検知する、
    ことを特徴とする請求項６から９のいずれか１つに記載の光受信器。
11. 光受信器における光信号受信方法であって、
    アバランシェフォトダイオードが、受信した光信号の光強度に対応した電流を出力する受信ステップと、
    電流検出部が、前記アバランシェフォトダイオードに流れる電流を検出し、電圧値に変換して出力する電流検出ステップと、
    制御部が、前記電圧値と、前記アバランシェフォトダイオードの増倍率の制御に用いる増倍率切り替え閾値とに基づいて、前記電圧値が前記増倍率切り替え閾値未満の場合、光信号受信待機時に前記アバランシェフォトダイオードに印加する第１の電圧よりも高い第２の電圧を前記アバランシェフォトダイオードに印加することを指示する制御信号を出力し、前記電圧値が前記増倍率切り替え閾値以上の場合、前記第１の電圧を前記アバランシェフォトダイオードに印加することを指示する制御信号を出力する制御ステップと、
    電圧発生部が、前記第１の電圧を印加することを指示する制御信号を受けている間は前記アバランシェフォトダイオードに前記第１の電圧を印加し、前記第２の電圧を印加することを指示する制御信号を受けている間は前記アバランシェフォトダイオードに前記第２の電圧を印加する電圧印加ステップと、
    を含むことを特徴とする光信号受信方法。

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