JPWO2017221880A1

JPWO2017221880A1 - 光受信機

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Publication number: JPWO2017221880A1
Application number: JP2018524076A
Authority: JP
Inventors: 敏洋伊藤; 百合子川村; 清史菊池; 都築　健; 健都築; 福田　浩; 浩福田; 亀井　新; 新亀井
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2016-06-20
Filing date: 2017-06-19
Publication date: 2018-11-22
Anticipated expiration: 2037-06-19
Also published as: CN109314582A; JP6560825B2; CA3028361A1; WO2017221880A1; CA3028361C; US20190181961A1; EP3474467A4; EP3474467B1; US10601522B2; EP3474467A1; CN109314582B

Abstract

光送受信機において、内部に高い雑音が発生するような場合であっても、光受信機がこれらの雑音の影響を極力受けないように、光受信機を構成する。デュアルフォトダイオード構成の２つのフォトダイオード（PD）とトランスインピーダンスアンプ（TIA）を接続する接続部であって、デュアルフォトダイオードからの信号線が、各チャネル毎それぞれに、信号線と接続されていない導電性パタンで囲まれていて、これら導電性パタンは、トランスインピーダンスアンプのグランドパタン、もしくはPD用の電源パタンに接続されている接続部を有することを特徴とする光受信機とした。

Description

本発明は、光通信ネットワークに用いられる、光受信機に関する。

近年、画像や動画の共有も含むSNS、低価格化が進むVODなどのサービスや、それを支える携帯情報端末・STBが普及している。これらのサービスや端末などに対して十分な通信容量を確保するため、インターネットを支える光通信ネットワークの伝送容量拡幅への要求は高まっている。

光通信ネットワークの中でも、比較的短距離で都市間などを伝送する短・中距離の光ネットワークは、データセンタ内での伝送にも使用されるので容量拡幅の要求が非常に大きい。ダイナミックレンジの広いディジタルコヒーレント光通信方式は、その高い分散耐性や広いダイナミックレンジなどの理由により超長距離の光通信で主に導入が進んできたが、光部品の小型・低価格化に伴い、近年ではより短距離への適用が検討されている。特に、シリコンフォトニクス技術を用いると、光送信機・光受信機の大幅な小型化・一体化を行うことができるため、このような比較的近い距離での光部品の低コスト化にも大きく貢献すると期待されている。

従来、このディジタルコヒーレント光通信方式に用いられるディジタルコヒーレント光受信機では、OIF(Optical Internetworking Forum)で規定された図１に示すような光受信機が使用されてきた。図１は、下記非特許文献１のFigure1抜粋である。

"Implementation Agreement for Integrated Dual Polarization Intradyne Coherent Receivers," Optical Internetworking Forum, IA # OIF-DPC-RX-01.2, November 14, 2013, http://www.oiforum.com/public/documents/OIF_DPC_RX-01.2.pdf

図１の従来の光受信機は、Ｘ偏波（X-Pol)，Ｙ偏波（Y-Pol）対応の２つのハイブリッドミキサよりなる二重偏波光ハイブリッド(Dual Polarization Optical Hybrid)において、受信信号光（SIGNAL）を光源（LOCAL OSCILLATOR）からの参照光とミキシングして光復調する。光復調出力は、Ｘ偏波，Ｙ偏波の各I,Qで４つの復調光となり、２つのフォトダイオードを対として近接配置して使用する４対８個のデュアルフォトダイオード（PD）により、４対の電気信号に変換される。このPD出力の４対の復調電気信号は、４チャネル分のトランスインピーダンスアンプ(TIA)に入力されて増幅される。

これらの構成要素を一つのパッケージに集積して、光受信機を構成する。ここで、PDとTIAは構成する半導体基板が違うため、通常は別チップで構成される。このため、PDとTIAの両チップの間を、電気的な信号線で接続する必要がある。また、PDチップの8個のフォトダイオード(PD)の電源は、独立に受信機の外部から供給される。

図２のブロック図に、この光受信機に光送信機を加えて、一般的なディジタルコヒーレント光送受信機とした全体構成を示す。

図２の従来例において、ディジタルコヒーレント光送受信機１は光受信機２と光送信機３からなる。光受信機２に入力された入力光信号は、二重偏波光ハイブリッド４を介して４チャネルのデュアルフォトダイオード(PD)５で電気信号に変換され、４チャネルのトランスインピーダンスアンプ(TIA)６で増幅されて、入力電気信号として出力される。

光送信機３に入力された出力電気信号は、４チャネルドライバ７で電気的に増幅されて、４チャネルの光変調器８においてＣＷ光を変調して、出力光信号となる。

図３には、この従来の光受信機２の、フォトダイオード（PD、PD チップ）５とトランスインピーダンスアンプ（TIA,TIA チップ）６の接続部（PD-TIA接続部）の４チャネル分全体の構成を示す。図３では、回路の概要は１チャネル分のみ示しているが、他のチャネルも同様な回路である。

図４には、図３のPD-TIA接続部の詳細回路図を１チャネル分示す。

図４で入力信号光は、PDチップ５上のデュアルフォトダイオードを構成する２つのPD（PD1,PD2）によって２系統１組の電気信号に変換されて、１対２本の信号線IN、INCによりトランスインピーダンスアンプ（TIA）チップ６に接続される。図４では、TIAアンプ自体の記号の図示は省略している。

図４の従来の光受信機においては、デュアルフォトダイオードを構成する２つのPDの電源（VPD1,VPD2）は、PDチップ５の外部から直接それぞれのPDに与えられており、PDチップ５にはコンデンサ（C51,C52）が配置されていた。

しかし、小型化が進展してくると、フォトダイオードの電源をTIAチップ６側から供給し、フォトダイオードの電源部に使用するコンデンサなどもTIAチップ６に集積してしまうのが小型化に大きな効果がある。

このような小型化の従来技術として、通常のコヒーレントでない光受信機では、図５のような構成が知られている。この図５の従来技術では、デュアル構成ではないフォトダイオード（PD)５の電源は、トランスインピーダンスアンプ（TIA）６側から供給されている。

また、この形式を単純にコヒーレント光受信機で用いるデュアルフォトダイオードに拡張したものが、図６、図７、図８に示される従来技術の形態である。

図６は、この従来技術のPD-TIA接続部の４チャネル全体を表すブロック図である。図７は、PD電源をTIAチップ６から供給するときに２つのPD電源が独立の場合（VPD1,VPD2）の、１チャネル分のPD-TIA接続部の回路図である。図８は、２つのPD電源を共通化した場合（VPD）の、１チャネル分のPD-TIA接続部の回路図である。

しかしこのような従来技術の形態ではいずれも、PD-TIA接続部の信号線IN、INCやその端子を電磁的に保護する部分がない。特に、TIA入力側の増幅前のPD出力電気信号は微弱なため、外部からの電磁場の影響を受けやすく、他の受信チャネルからの影響を受けることになる。

さらに、集積化・小型化を進展して、シリコンフォトニクス技術で究極の送受信機一体化チップを実現する場合は、送信機と受信機を完全に分離することができず、両者の間の距離も近いので、送信機の発する電磁波が受信機に与える影響が無視できなくなる。

このように従来技術では、光受信機内部の電気信号線や端子が、外部の電磁場環境の影響を直接受けるようになっていて、受信感度の劣化や増幅雑音耐性の劣化を招いていた。

本発明の目的は、光送信機と同じ筐体に内蔵された光受信機などにおいて、内部に高い電気的雑音が発生する場合でも、光受信機がこれら雑音の影響を極力受けないように構成することにある。

本発明は、このような目的を達成するために、以下のような構成を備えることを特徴とする。

（発明の構成１）
各チャネル毎にそれぞれデュアルフォトダイオードを構成する２つのフォトダイオード（PD）を搭載するPDチップと、各チャネルに対応するトランスインピーダンスアンプ（TIA）を搭載するTIAチップを有する光受信機であって、
前記PDチップと前記TIAチップを接続する信号線が、各チャネル毎にそれぞれ信号線と接続されていない導電性パタンで囲まれていて、これら導電性パタンは、前記TIAチップのグランドパタン、もしくはPD用の電源パタンに接続されている
ことを特徴とする光受信機。

（発明の構成２）
前記導電性パタンは各チャネル毎にそれぞれ２つの前記PDに対応して独立な２つの導電性パタンであって、独立に前記TIAチップに接続され、前記TIAチップ内でそれぞれグランドパタンに容量結合されている、
ことを特徴とする発明の構成１記載の光受信機。

（発明の構成３）
前記デュアルフォトダイオードを構成する２つの前記PDは、そのカソードが対向して接続され、該カソード接続点は前記TIAチップのPD電源パタンに接続されており、
２つの前記PDの２つのアノードからは、２本の信号線が引き出されて、前記TIAチップに入力されており、
前記カソード接続点からは前記導電性パタンが、前記PDチップの外周側に向かって２つの前記PDを囲むように分岐して、２本の前記信号線を挟む位置から２本のPD電源パタンとして引き出されて、前記TIAチップのPD電源パタンに接続されており、
前記TIAチップの前記PD電源パタンは前記TIAチップのコンデンサによって高周波的に接地されている、
ことを特徴とする発明の構成１記載の光受信機。

（発明の構成４）
前記デュアルフォトダイオードを構成する２つの前記PDは、そのカソードが対向して接続され、該カソード接続点は前記TIAチップのPD電源パタンに接続されており、
２つの前記PDの２つのアノードからは、２本の信号線が引き出されて、前記TIAチップに入力されており、
前記カソード接続点からは前記導電性パタンが、コンデンサを介して前記PDチップの外周側に向かって２つの前記PDを囲むように分岐して、２本の前記信号線を挟む位置から２本のグランドパタンとして引き出されて、前記TIAチップのグランドパタンに接続されており、
前記TIAチップのPD電源パタンは前記TIAチップのコンデンサによって高周波的に接地されている、
ことを特徴とする発明の構成１記載の光受信機。

（発明の構成５）
前記デュアルフォトダイオードを構成する２つの前記PDは、そのアノードが対向して配置され、両アノードから２本の信号線が引き出されて、前記TIAチップに入力されており、
前記導電性パタンは、２つの前記PDのカソードを前記PDチップの外周側で接続するとともに、それぞれ外周側で分岐して、２本の前記信号線を挟む位置から引き出されて前記TIAチップのPD電源パタンに接続されており、
前記TIAチップの前記PD電源パタンは前記TIAチップのコンデンサによって高周波的に接地されている、
ことを特徴とする請求項１記載の光受信機。

（発明の構成６）
前記デュアルフォトダイオードを構成する２つの前記PDは、そのアノードが対向して配置され、両アノードから２本の信号線が引き出されて、前記TIAチップに入力されており、
前記導電性パタンは、２つの前記PDのカソードを前記PDチップの外周側でコンデンサを介して交流的に接続するとともに、それぞれ外周側で分岐して、２本の前記信号線を挟む位置から引き出されて前記TIAチップの２つのPD電源パタンにそれぞれ接続されており、
前記TIAチップの２つの前記PD電源パタンは前記TIAチップの２つのコンデンサによってそれぞれ高周波的に接地されている、
ことを特徴とする発明の構成２記載の光受信機。

以上記載したように、本発明によれば、光送信機と同じ筐体に内蔵された光受信機において、内部に高い雑音が発生する場合でも、光受信機がこれらの雑音の影響を極力受けないように構成することが可能となる。

従来のディジタルコヒーレント光受信機の一例を示す図である。従来のディジタルコヒーレント光送受信機全体のブロック図である。従来のディジタルコヒーレント光受信機のフォトダイオード・トランスインピーダンスアンプ（PD-TIA）接続部において、4チャネル全体を表すブロック図である。図３のPD-TIA接続部において1チャネル分の詳細の回路図である。従来技術による、PD電源をTIAから供給するときのPD-TIA接続部の概要図である。従来技術において、PD電源をTIAから供給するときのコヒーレント光受信機のPD-TIA接続部の4チャネル全体を表すブロック図である。従来技術において、PD電源をTIAから供給するときに２つのPD電源が独立の場合の1チャネル分のPD-TIA接続部の回路図である。従来技術において、PD電源をTIAから供給するときに２つのPD電源を共通化した場合の1チャネル分のPD-TIA接続部の回路図である。本発明の第１実施形態による光受信機のPD-TIA接続部の１チャネル分の回路図の一例である。本発明の第１実施形態による光受信機のPD-TIA接続部の回路図の別の例である。本発明の第２実施形態による光受信機のPD-TIA接続部の回路図の一例である。本発明の第２実施形態による光受信機のPD-TIA接続部の回路図の別の例である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。

（第１実施形態）
図９は、本発明の第１実施形態による光受信機の、PD-TIA接続部の１チャネル分を表す回路図である。この図は、図２に示される従来のディジタルコヒーレント光送受信機において、４チャネルのデュアルフォトダイオード(PD)チップ５と、４チャネルのトランスインピーダンスアンプ(TIA)チップ６の接続部（PD-TIA接続部）の１チャネル分にあたる回路図である。

図９では、複数チャネル分のデュアルフォトダイオード構成のPD（PD1,PD2）を搭載するPDチップ５と、同数チャネル分のトランスインピーダンスアンプ（TIA）を搭載したTIAチップ６を接続するPD-TIA接続部の１チャネル分を示している。本発明においては、各チャネルの信号線（IN、INC）が、TIAチップ６よりPDチップ５に電源を供給するPD用のPD電源線（PD電源パタン）VPDによってそれぞれ囲まれている。図９では、TIAアンプ自体の記号の記載は省略している。

図９の第１実施形態では、PDチップ５に搭載された１チャネル分のデュアルフォトダイオード構成の２つのPD（PD1,PD2）は、そのカソードが対向して接続され、該カソード接続点はPDチップ５から引き出されてTIAチップ６のPD電源線（PD電源パタン）VPDに接続されている。

また、デュアルフォトダイオード構成の２つのPD（PD1,PD2）の２つのアノードからは、信号線INおよびINCが引き出されて、TIAチップ６に入力されている。

また、前述のカソード接続点からはPD電源線が、PDチップ５の外周側に向かって２つのPDを囲むように分岐して、２本のPD電源線が信号線INおよびINCの端子を挟む位置の端子から引き出されて、TIAチップ６のPD電源線VPDに接続されている。またこのPD電源線VPDは、TIAチップ６のコンデンサC60によって高周波的に接地され安定化している。

これらのPD電源線は、回路の実装形態としては通常、導電性の金属薄膜のパタンとして基板上に構成されるので、電源パタン、導電性パタンということができる。この導電性パタンにより、隣接チャネルや送信機などから発せられる外部からの電磁波の大部分は、直接フォトダイオードからの信号線IN, INCや信号端子に入力することなく、周囲のPD電源パタンVPDや電源端子で遮蔽される。

これにより、光受信機内の隣接チャネルや光送受信機内部の光送信機から発生する電磁波を光受信機が受け取る量を大幅に減らし、光受信機の感度を上げることが可能になる。

（第１実施形態の別の例）
図１０は、本発明の第１実施形態による光受信機の、PD-TIA接続部の1チャネル分にあたる回路図の別の例である。この例は、PD電源線VPDの代わりにグランド線（グランドパタン）でPDチップ5からの信号線IN, INCを囲い、これをTIAチップ６のグランドパタンに接続した場合の回路図である。

図１０に示すように、PDチップ５に搭載されたデュアルフォトダイオード構成の２つのPD（PD1,PD2）は、そのカソードが対向して接続され、該カソード接続点はPDチップ５から引き出されてTIAチップ６のPD電源線VPDに接続されている。

また、前述のカソード接続点からは導電性パタンが、コンデンサC50を介してPDチップ５の外周側に向かって２つのPDを囲むように分岐して、信号線INおよびINCの端子を挟む位置の端子から２本のグランド線として引き出されて、TIAチップ６のグランド線に接続されている。

また、PD電源線VPDは、TIAチップ６のコンデンサC60およびPDチップ５のコンデンサC50によって高周波的に接地され安定化している。

これらのグランド線もPD電源線と同様に、回路の実装形態としては通常、導電性の金属薄膜パタンとして基板上に構成されるので、グランドパタン、導電性パタンということができる。この導電性パタンにより、隣接チャネルや送信機などから発せられる外部からの電磁波の大部分は、直接フォトダイオードからの信号線IN, INCなどの信号端子に入力することなく、周囲のグランドパタンで遮蔽される。

（本発明の第２実施形態）
図１１は、本発明の第２実施形態による光受信機のPD-TIA接続部の１チャネル分の回路図である。

この第２実施形態では、回路構成としては、フォトダイオードからの２つの信号線IN,INCの端子間にPD電源線の端子を設けることをやめて、フォトダイオードおよび２つの信号線IN,INCを囲む外側にPD電源線VPDを配置したものである。

図１１の第２実施形態では、PDチップ５に搭載されたデュアルフォトダイオード構成の２つのPD（PD1,PD2）は、そのアノードが対向して配置され、両アノードから信号線INおよびINCが引き出されて、TIAチップ６に入力されている。

導電性パタンが、２つのPDのカソードをPDチップ５の外周側で接続するとともに、それぞれ外周側で分岐して、信号線INおよびINCの端子を挟む位置の端子から引き出されて、TIAチップ６のPD電源線VPDに接続されている。

また、このPD電源線VPDは、TIAチップ６のコンデンサC60によって高周波的には接地され安定化している。

この構成によっても、隣接チャネルや送信機などから発せられる外部からの電磁波の大部分は、直接フォトダイオードからの信号線IN, INCなどの信号端子に入力することなく、周囲のPD電源線VPDで遮蔽される。

（第２実施形態の別の例）
図１２には、本発明の第２実施形態の回路図の別の例を示す。この例では、各チャネル毎にデュアルフォトダイオードを構成する２つのPDの電源（VPD1,VPD2）を独立にとり、フォトダイオード（PD1,PD2）および２つの信号線IN,INCを囲む外側に、２系統のPD電源線VPD1,VPD2を配置する。この構成によって、それぞれのフォトダイオードを流れる光電流を独立にモニタすることが可能である。

この場合、デュアルフォトダイオードとなる２つのPD（PD1,PD2）のカソード間を直流的に分離し高周波的に接続するコンデンサC53を設けている。

図１２に示すように、PDチップ５に搭載されたデュアルフォトダイオード構成の２つのPD（PD1,PD2）は、そのアノードが対向して配置され、両アノードより信号線INおよびINCが引き出されて、TIAチップ６に入力されている。

導電性パタンが、２つのPDのカソードをPDチップ５の外周側でコンデンサC53を介して交流的に接続している。また２つのPDのカソードからは該導電性パタンが、それぞれ外周側で分岐されて、信号線INおよびINCの端子を挟む位置の両側の端子から引き出されて、TIAチップ６のPD電源線VPD1、VPD2にそれぞれ接続されている。

また、このPD電源線VPD1、VPD2はそれぞれ、TIAチップ６の２つのコンデンサC61,C62によって高周波的に接地され安定化している。PDチップ５のコンデンサC53は、左右のPD電源線VPD1、VPD2のバランスが崩れた時に安定化させる効果もある。

この構成によっても、隣接チャネルや送信機などから発せられる外部からの電磁波の大部分は、直接フォトダイオードからの信号線IN, INCなどの信号端子に入力することなく、周囲のPD電源線VPD1、VPD2で遮蔽される。

以上４チャネル構成の例を前提に説明したが、４以外の複数チャネル構成でも本発明は適用可能であるのはもちろんである。さらに、１チャネルの構成であっても光送受信機内部の送信機から発生する電磁波に対する遮蔽効果を有するのは明らかである。結局、本発明は１ないし複数のチャネル分のデュアルフォトダイオードを搭載したPDチップと、同数チャネル分のトランスインピーダンスアンプを搭載したTIAチップの接続部（PD-TIA接続部）を有する光受信機にも適用可能である。

また、これらの実施形態では、ディジタルコヒーレント光通信方式での光受信機の例を示したが、この方式だけでなくデュアルフォトダイオードおよびトランスインピーダンスアンプを用いた光受信機であれば本発明は適用可能である。また、送信機が一体になった送受信機では、隣接チャネルに加えて送信機からのクロストークの影響が追加されるため本発明の効果がより大きくなる。

以上記載したように、本発明によれば、光送信機を光受信機と同じ筐体に内蔵する光送受信機などにおいて内部に高い雑音が発生するような場合であっても、光受信機がこれらの雑音の影響を極力受けないように信号線を遮蔽した光送受信機を構成することが可能となる。

１ディジタルコヒーレント光送受信機
２光受信機
３光送信機
４二重偏波光ハイブリッド
５デュアルフォトダイオード(PD、PDチップ)
６トランスインピーダンスアンプ(TIA、TIAチップ)
７ドライバ
８光変調器
PD1,PD2 フォトダイオード
C50〜C53、C60〜C62 コンデンサ
VPD、VPD1、VPD2 PD電源線（PD電源パタン）
IN、INC 信号線

Claims

各チャネル毎にそれぞれデュアルフォトダイオードを構成する２つのフォトダイオード（PD）を搭載するPDチップと、各チャネルに対応するトランスインピーダンスアンプ（TIA）を搭載するTIAチップを有する光受信機であって、
前記PDチップと前記TIAチップを接続する信号線が、各チャネル毎にそれぞれ信号線と接続されていない導電性パタンで囲まれていて、これら導電性パタンは、前記TIAチップのグランドパタン、もしくはPD用の電源パタンに接続されている
ことを特徴とする光受信機。
前記導電性パタンは各チャネル毎にそれぞれ２つの前記PDに対応して独立な２つの導電性パタンであって、独立に前記TIAチップに接続され、前記TIAチップ内でそれぞれグランドパタンに容量結合されている、
ことを特徴とする請求項１記載の光受信機。
前記デュアルフォトダイオードを構成する２つの前記PDは、そのカソードが対向して接続され、該カソード接続点は前記TIAチップのPD電源パタンに接続されており、
２つの前記PDの２つのアノードからは、２本の信号線が引き出されて、前記TIAチップに入力されており、
前記カソード接続点からは前記導電性パタンが、前記PDチップの外周側に向かって２つの前記PDを囲むように分岐して、２本の前記信号線を挟む位置から２本のPD電源パタンとして引き出されて、前記TIAチップのPD電源パタンに接続されており、
前記TIAチップの前記PD電源パタンは前記TIAチップのコンデンサによって高周波的に接地されている、
ことを特徴とする請求項１記載の光受信機。
前記デュアルフォトダイオードを構成する２つの前記PDは、そのカソードが対向して接続され、該カソード接続点は前記TIAチップのPD電源パタンに接続されており、
２つの前記PDの２つのアノードからは、２本の信号線が引き出されて、前記TIAチップに入力されており、
前記カソード接続点からは前記導電性パタンが、コンデンサを介して前記PDチップの外周側に向かって２つの前記PDを囲むように分岐して、２本の前記信号線を挟む位置から２本のグランドパタンとして引き出されて、前記TIAチップのグランドパタンに接続されており、
前記TIAチップのPD電源パタンは前記TIAチップのコンデンサによって高周波的に接地されている、
ことを特徴とする請求項１記載の光受信機。
前記デュアルフォトダイオードを構成する２つの前記PDは、そのアノードが対向して配置され、両アノードから２本の信号線が引き出されて、前記TIAチップに入力されており、
前記導電性パタンは、２つの前記PDのカソードを前記PDチップの外周側で接続するとともに、それぞれ外周側で分岐して、２本の前記信号線を挟む位置から引き出されて前記TIAチップのPD電源パタンに接続されており、
前記TIAチップの前記PD電源パタンは前記TIAチップのコンデンサによって高周波的に接地されている、
ことを特徴とする請求項１記載の光受信機。
前記デュアルフォトダイオードを構成する２つの前記PDは、そのアノードが対向して配置され、両アノードから２本の信号線が引き出されて、前記TIAチップに入力されており、
前記導電性パタンは、２つの前記PDのカソードを前記PDチップの外周側でコンデンサを介して交流的に接続するとともに、それぞれ外周側で分岐して、２本の前記信号線を挟む位置から引き出されて前記TIAチップの２つのPD電源パタンにそれぞれ接続されており、
前記TIAチップの２つの前記PD電源パタンは前記TIAチップの２つのコンデンサによってそれぞれ高周波的に接地されている、
ことを特徴とする請求項２記載の光受信機。