WO2020012593A1 - 光受信回路、光受信器、光終端装置および光通信システム - Google Patents

光受信回路、光受信器、光終端装置および光通信システム Download PDF

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optical
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light receiving
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大介 三田
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三菱電機株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to an optical receiving circuit, an optical receiver, an optical terminator, and an optical communication system for receiving an optical signal.
  • an optical termination device for transmitting and receiving an optical signal includes an optical receiver for converting the optical signal into an electric signal.
  • An optical receiver is an optical receiver circuit that includes a light receiving element that converts an optical signal sent from a transmission line such as an optical fiber into a current signal, and a preamplifier that converts the current signal into a voltage signal, an electric signal, and amplifies it. And a limiting amplifier that amplifies the electric signal and limits it to a desired amplitude.
  • the preamplifier generally uses a negative feedback amplifier circuit in which a feedback resistor is inserted between the input and output of the inverting amplifier circuit. An output terminal of the negative feedback amplifier circuit is connected to an input terminal of the single-phase differential conversion circuit.
  • the single-phase differential conversion circuit converts the electric signal of the single-phase signal into an electric signal of a differential signal, and outputs the electric signal to a limiting amplifier at a subsequent stage.
  • the negative feedback amplifier circuit is configured to return a part of the output signal to the input signal having the opposite phase.
  • the phase difference between the phase of the input signal of the negative feedback amplifier circuit and the phase of the output signal to be fed back must be smaller than 180 ° in a frequency region where the open loop gain of the preamplifier is 0 dB or more. This is because the negative feedback amplifier circuit oscillates when the phase difference exceeds 180 ° and cannot operate in a normal state.
  • the preamplifier is designed so that the phase difference is basically smaller than 180 ° so as not to oscillate.
  • the preamplifier may be affected by the above-described phase difference depending on the circuit configuration of the optical receiving circuit connected to the input terminal.
  • the optical receiving circuit includes a light receiving element, a submount substrate, and a filter circuit.
  • the light receiving element is mounted on the submount substrate.
  • An external bias voltage is applied to the cathode pad of the light receiving element via a wire and a wiring on the submount substrate, from which noise is removed by a filter circuit.
  • the anode pad of the light receiving element is connected to the preamplifier by a wire via a wiring on the submount substrate.
  • the inductance of the wire and the parasitic inductance of the submount board contribute significantly to the occurrence of the peak.
  • the open loop gain characteristic of the preamplifier is affected by the inductance of the RLC resonance circuit, and the peak value greatly differs depending on the value of the inductance of the RLC resonance circuit. Normally, the phase rotation increases in the high frequency region, and if the phase rotates 180 ° or more in the frequency region where the open loop gain is 0 dB or more, the preamplifier oscillates.
  • Patent Document 1 discloses that an electronic circuit element including a preamplifier is used as a submount, and a waveguide-type optical element is mounted on the electronic circuit element to reduce a wiring length of a wire or the like. Techniques for shortening the length and reducing the influence of parasitic inductance are disclosed.
  • Patent Literature 1 there is a problem in that there is a limitation in manufacturing and there is a limit in shortening the wiring. Further, there is a problem that the effect of the inductance component of the wiring on the submount substrate cannot be reduced even if the wiring can be made short.
  • the present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to provide an optical receiving circuit capable of suppressing oscillation in a pre-amplifier at a subsequent stage without being restricted in manufacturing.
  • an optical receiving circuit of the present invention includes a light receiving element that converts an optical signal into a current signal, a submount substrate on which the light receiving element is mounted, and a submount substrate. , A first wiring connected to the anode pad of the light receiving element, and a wire connected to the preamplifier.
  • the optical receiving circuit includes a second wiring to which a bias voltage is applied on the submount substrate, a third wiring to be connected to a cathode pad of the light receiving element on the submount substrate, A first resistance element connected to the third wiring and serving as a path when a bias voltage is applied to the light receiving element via the second wiring.
  • the resistance value of the first resistance element is determined so that the resonance peak between the preamplifier and the ground is suppressed, and the oscillation in the preamplifier is suppressed.
  • the optical receiving circuit according to the present invention has an effect that the oscillation in the preamplifier at the subsequent stage can be suppressed without being restricted by the manufacturing.
  • FIG. 2 is a diagram showing a configuration example of an optical communication system according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a configuration example of an optical receiver according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating an example of a circuit configuration of the optical receiving circuit according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of an equivalent circuit of the circuit configuration of the optical receiving circuit according to the first embodiment shown in FIG. 4 is a diagram illustrating an example of an open-loop gain characteristic of the preamplifier of the optical receiver according to Embodiment 1.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating an example of a circuit configuration of an optical receiving circuit according to a second embodiment.
  • FIG. 6 is a diagram showing an example of an equivalent circuit of the circuit configuration of the optical receiving circuit according to the second embodiment shown in FIG.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating an example of a circuit configuration of an optical receiving circuit according to a third embodiment.
  • FIG. 8 is a diagram showing an example of an equivalent circuit of the circuit configuration of the optical receiving circuit according to the third embodiment shown in FIG.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration example of an optical communication system 10 according to Embodiment 1 of the present invention.
  • the optical communication system 10 includes an OLT (Optical Line Terminal) 7 and an ONU (Optical Network Unit) 8.
  • the optical communication system 10 is a system in which the OLT 7 and the ONU 8 perform communication by transmitting and receiving optical signals via the transmission line 9.
  • the OLT 7 is an optical terminating device installed at the station providing the service.
  • the ONU 8 is an optical terminal device installed in a home or the like that receives a service.
  • the transmission path 9 is a transmission path through which an optical signal is transmitted and received, and is, for example, an optical fiber.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating a configuration example of an optical communication system 10 according to Embodiment 1 of the present invention.
  • the optical communication system 10 includes an OLT (Optical Line Terminal) 7 and an ONU (Optical Network Unit) 8.
  • the optical communication system 10 is a system in which the OLT 7 and the
  • the OLT 7 and the ONU 8 each include an optical receiver 5 and an optical transmitter 6.
  • the optical receiver 5 converts the received optical signal into an electric signal.
  • the optical transmitter 6 converts an electric signal into an optical signal and transmits the optical signal.
  • the configuration of the optical receiver 5 will be specifically described.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration example of the optical receiver 5 according to the first embodiment.
  • the optical receiver 5 includes an optical receiving circuit 1, a preamplifier 2, and a limiting amplifier 3.
  • the optical receiving circuit 1 includes a light receiving element 11 and a filter circuit 12.
  • the light receiving element 11 receives an optical signal via the transmission line 9 and converts the optical signal into a current signal.
  • the filter circuit 12 removes noise from the bias voltage with respect to the bias voltage applied to the light receiving element 11 from an external power supply (not shown).
  • the filter circuit 12 includes a resistor and a capacitor as shown in FIG. 2, but is an example, and the configuration of the filter circuit 12 is not limited to this.
  • the preamplifier 2 includes an inverting amplifier circuit 21, a feedback resistor 22, and a single-phase differential conversion circuit 23.
  • the inverting amplifier circuit 21 and the feedback resistor 22 form a negative feedback amplifier circuit.
  • the negative feedback amplifier circuit converts the current signal converted in the optical receiving circuit 1 into a voltage signal, that is, an electric signal, and amplifies the electric signal.
  • the single-phase differential conversion circuit 23 converts an electric signal from a single-phase signal to a differential signal and outputs the signal.
  • the limiting amplifier 3 amplifies the electric signal of the differential signal, restricts the electric signal to a desired amplitude, and outputs the signal.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating an example of a circuit configuration of the optical receiving circuit 1 according to the first embodiment.
  • the optical receiving circuit 1 includes a light receiving element 11, a filter circuit 12, and a submount substrate 13.
  • the filter circuit 12 includes a resistor 121 and a capacitor 122.
  • the light receiving element 11 is mounted on the submount substrate 13.
  • the anode pad 111 of the light receiving element 11 is connected to the input terminal 20 of the preamplifier 2 via a wire 131 and a wire 41 on the submount substrate 13 on which the light receiving element 11 is mounted.
  • the wiring 131 is a first wiring connected to the anode pad 111 of the light receiving element 11 and the wire 41 connected to the input terminal 20 of the preamplifier 2 on the submount substrate 13.
  • the noise component is removed from the externally applied bias voltage by passing through the filter circuit 12.
  • a bias voltage applied from the outside is described as an external bias voltage.
  • the bias voltage is applied to the cathode of the light receiving element 11 through the filter circuit 12, the wire 42, the wiring 132 on the submount substrate 13, the resistor 14 generated on the submount substrate 13, and the wiring 133 on the submount substrate 13. Applied to pad 112.
  • the wiring 132 is a second wiring on the submount substrate 13 to which a bias voltage is applied.
  • a bias voltage is externally applied to the wiring 132 via the filter circuit 12.
  • the wiring 133 is a third wiring connected to the cathode pad 112 of the light receiving element 11 on the submount substrate 13.
  • the resistor 14 is a first resistance element connected to the wiring 132 on the submount substrate 13 and serving as a path when a bias voltage is applied to the light receiving element 11 via the wiring 132. Note that the circuit configuration shown in FIG. 3 is an example, and the present invention is not limited to this.
  • FIG. 4 is a diagram showing an example of an equivalent circuit of the circuit configuration of the optical receiving circuit 1 according to the first embodiment shown in FIG.
  • the light receiving element 11 is simulated by a junction resistor 113, an electrode pad capacitance 114, and a junction capacitance 115.
  • the submount substrate 13 is simulated by a parasitic inductance 1311 and a parasitic capacitance 1312 caused by the wiring 131, a parasitic inductance 1321 and a parasitic capacitance 1322 caused by the wiring 132, a parasitic inductance 1331 caused by the wiring 133, and the resistor 14.
  • the wire 41 is simulated by the inductance 411.
  • the wire 42 is simulated with an inductance 421. Note that the equivalent circuit shown in FIG. 4 is a simple one and is an example, and the present invention is not limited to this.
  • the optical receiving circuit 1 when viewed from the input terminal 20 side of the preamplifier 2, the optical receiving circuit 1 is regarded as one RLC resonance circuit configured between the input terminal 20 of the preamplifier 2 and the GND 19. And a resonance peak occurs at a specific frequency.
  • the GND 19 is a ground in the sub-mount substrate 13 as shown in FIG.
  • the inductance 411 of the wire 41, the inductance 421 of the wire 42, the parasitic inductance 1311 of the submount substrate 13, and the parasitic inductance 1321 of the submount substrate 13 greatly contribute to generation of a peak at a specific frequency.
  • the resistor 14 between the wiring 131 and the wiring 132 also becomes a part of the RLC resonance circuit.
  • the resistance in the RLC resonance circuit can reduce the sharpness of a peak generated by resonance, that is, the Q value.
  • the resistance in the RLC resonance circuit there is also an element resistance represented by a junction resistance 113 of the light receiving element 11, which varies depending on the light receiving element 11, but the resistance value of the element resistance is about several tens ⁇ .
  • the optical receiving circuit 1 includes the resistor 14 on the submount substrate 13.
  • the resistance value of the resistor 14 is determined so that the influence of the inductance of the RLC resonance circuit between the preamplifier 2 and the GND 19 is reduced and the resonance peak of the RLC resonance circuit is suppressed. .
  • the designer of the optical receiving circuit 1 determines the resistance value of the resistor 14.
  • the preamplifier 2 also reduces the inductance of the RLC resonance circuit. The influence is reduced, and the oscillation in the preamplifier 2 is suppressed.
  • the optical receiving circuit 1 suppresses the resonance peak of the RLC resonance circuit with a small mounting area without requiring extra components. It is possible. In addition, the optical receiving circuit 1 can improve the yield at the time of manufacturing by reducing the number of components and wiring.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating an example of an open-loop gain characteristic of the preamplifier 2 of the optical receiver 5 according to the first embodiment.
  • FIG. 5 shows, by way of example, in the equivalent circuit of the optical receiving circuit 1 shown in FIG. This is an open loop gain characteristic taking into account the inductance of the case.
  • the graph also shows the open-loop gain characteristics at each resistance value when the resistance value of the resistor 14 is changed from 0 ⁇ to 50 ⁇ in steps of 10 ⁇ .
  • the open-loop gain characteristic greatly differs depending on the resistance value of the resistor 14. As the resistance value of the resistor 14 increases, the influence of inductance is reduced, and the oscillation peak of the preamplifier 2 can be suppressed. . Practically, by setting the resistance of the resistor 14 to about 20 ⁇ as shown in FIG. 5, it is possible to suppress the peak in the high frequency region existing at 15 GHz, and to avoid the oscillation of the preamplifier 2. It becomes possible.
  • the resistor 14 is provided between the wirings 132 and 133.
  • the resistance value of the resistor 14 is determined so that the resonance peak of the RLC resonance circuit between the preamplifier 2 and the GND 19 is suppressed, and the oscillation in the preamplifier 2 is suppressed.
  • the optical receiving circuit 1 can suppress the oscillation of the preamplifier 2 at the subsequent stage without being restricted by manufacturing.
  • the optical receiving circuit 1 does not have a three-dimensional and complicated structure as described in Patent Document 1, improvement in manufacturing yield is expected compared to Patent Document 1. Further, the optical receiving circuit 1 does not need to add a decoupling capacitor or the like for suppressing the oscillation of the preamplifier 2, so that the mounting area is not restricted.
  • Embodiment 2 FIG. In the second embodiment, a configuration in a case where the optical receiving circuit 1 does not include the filter circuit 12 will be described.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating an example of a circuit configuration of the optical receiving circuit 1 according to the second embodiment.
  • the optical receiving circuit 1 includes a light receiving element 11, a submount substrate 13, and a capacitor 16.
  • the light receiving element 11 is mounted on the submount substrate 13.
  • the anode pad 111 of the light receiving element 11 is connected to the input terminal 20 of the preamplifier 2 via the wiring 131 and the wire 41 on the submount substrate 13.
  • the wiring 134 on the submount substrate 13 is connected to the capacitor 16 through the wire 43.
  • the wiring 134 is a fourth wiring connected to the resistor 14 and the resistor 15 on the submount substrate 13.
  • the resistance 15 is a second resistance element connected to the wiring 132 on the submount substrate 13.
  • a filter circuit is configured by combining the capacitor 16 connected to the wiring 134 and the resistor 15 generated on the submount substrate 13.
  • An external bias voltage is applied to the wiring 132 on the submount substrate 13.
  • the bias voltage includes the wiring 132 on the submount substrate 13, the resistor 15 generated on the submount substrate 13, the wiring 134 on the submount substrate 13, the resistor 14 generated on the submount substrate 13, and the submount substrate.
  • the voltage is applied to the cathode pad 112 of the light receiving element 11 via the wiring 133 on the line 13.
  • the resistance value of the resistor 15 is set to 100 ⁇ or less. Note that the circuit configuration shown in FIG. 6 is an example, and the present invention is not limited to this.
  • FIG. 7 is a diagram showing an example of an equivalent circuit of the circuit configuration of the optical receiving circuit 1 according to the second embodiment shown in FIG.
  • the light receiving element 11 is simulated by a junction resistor 113, an electrode pad capacitance 114, and a junction capacitance 115.
  • the submount substrate 13 includes a parasitic inductance 1311 and a parasitic capacitance 1312 caused by the wiring 131, a parasitic inductance 1321 and a parasitic capacitance 1322 caused by the wiring 132, a parasitic inductance 1331 caused by the wiring 133, and a parasitic inductance 1341 and parasitic caused by the wiring 134. This is simulated by the capacitance 1342, the resistor 14, and the resistor 15.
  • the wire 41 is simulated by the inductance 411.
  • the wire 43 is simulated by the inductance 431.
  • the capacitance 16 is a capacitance connected to the wiring 134 via the wire 43. Note that the equivalent circuit shown in FIG. 7 is a simple example, and is not limited to this.
  • the optical receiving circuit 1 when viewed from the input terminal 20 side of the preamplifier 2, the optical receiving circuit 1 is regarded as one RLC resonance circuit configured between the input terminal 20 and the GND 19 of the preamplifier 2. And a resonance peak occurs at a specific frequency.
  • the resistor 14 also becomes a part of the RLC resonance circuit.
  • the resistance value of the resistor 14 is determined according to the inductance such that the resonance peak of the RLC resonance circuit is suppressed.
  • the optical receiver 5 suppresses the oscillation peak of the preamplifier 2 by suppressing the resonance peak of the RLC resonance circuit of the optical receiving circuit 1.
  • the optical receiving circuit 1 can configure a filter circuit by combining the resistor 15 and the capacitor 16.
  • the optical receiving circuit 1 does not use the expensive and large mounting area of the filter circuit 12, but forms a filter circuit with the inexpensive and small capacity 16 and the resistor 15 on the submount substrate 13.
  • the optical receiving circuit 1 of the second embodiment can obtain the same effect as that of the first embodiment while reducing the mounting area as compared with the optical receiving circuit 1 of the first embodiment.
  • Embodiment 3 FIG. In the third embodiment, a configuration different from the second embodiment when the optical receiving circuit 1 does not include the filter circuit 12 will be described.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating an example of a circuit configuration of the optical receiving circuit 1 according to the third embodiment.
  • the optical receiving circuit 1 includes a light receiving element 11, a submount substrate 13, and a capacitor 16.
  • the light receiving element 11 is mounted on the submount substrate 13.
  • the anode pad 111 of the light receiving element 11 is connected to the input terminal 20 of the preamplifier 2 via the wiring 131 and the wire 41 on the submount substrate 13.
  • the wiring 135 on the submount substrate 13 is connected to the capacitor 16 through the wire 43.
  • the wiring 135 is a fifth wiring connected to the three-terminal resistor 17 on the submount substrate 13.
  • An external bias voltage is applied to the wiring 132 on the submount substrate 13.
  • the bias voltage is applied to the cathode pad 112 of the light receiving element 11 via the wiring 132 on the submount substrate 13, the regular hexagonal three-terminal resistor 17 generated on the submount substrate 13, and the wiring 133 on the submount substrate 13. Is applied.
  • the three-terminal resistor 17 is a first resistance element having three terminals. The first terminal of the three-terminal resistor 17 is connected to the wiring 132, and an external bias voltage is applied via the wiring 132. The second terminal of the three-terminal resistor 17 is connected to the wiring 133 and is connected to the cathode pad 112 of the light receiving element 11 via the wiring 133.
  • the third terminal of the three-terminal resistor 17 is connected to the wiring 135, and is connected to the capacitor 16 via the wiring 135 and the wire 43.
  • the shape of the three-terminal resistor 17 is a regular hexagon, but this is an example, and the shape is not limited to this.
  • the resistance value between the terminals is equal to or less than a specified resistance value, for example, 200 ⁇ or less. Note that the circuit configuration shown in FIG. 8 is an example, and the present invention is not limited to this.
  • FIG. 9 is a diagram showing an example of an equivalent circuit of the circuit configuration of the optical receiving circuit 1 according to the third embodiment shown in FIG.
  • the light receiving element 11 is simulated by a junction resistor 113, an electrode pad capacitance 114, and a junction capacitance 115.
  • the submount substrate 13 includes a parasitic inductance 1311 and a parasitic capacitance 1312 caused by the wiring 131, a parasitic inductance 1321 and a parasitic capacitance 1322 caused by the wiring 132, a parasitic inductance 1331 caused by the wiring 133, and a parasitic inductance 1341 and parasitic caused by the wiring 134.
  • the wire 41 is simulated by the inductance 411.
  • the wire 43 is simulated by the inductance 431.
  • the capacitance 16 is the capacitance 16 connected to the wiring 134 via the wire 43. Note that the equivalent circuit shown in FIG. 9 is a simple example, and is not limited thereto.
  • the optical receiving circuit 1 when viewed from the input terminal 20 side of the preamplifier 2, the optical receiving circuit 1 is regarded as one RLC resonance circuit configured between the input terminal 20 of the preamplifier 2 and the GND 19. And a resonance peak occurs at a specific frequency.
  • the resistors 171 to 173 when the three-terminal resistor 17 is a regular hexagon, the resistors 171 to 173 all have the same value, and the resistance value between the terminals is twice the resistance value of the resistors 171 to 173. At this time, the resistors 171 and 173 become a part of the RLC resonance circuit similarly to the resistor 14 of the first and second embodiments.
  • the resistances of the resistors 171 and 173, that is, the resistance of the three-terminal resistor 17 are determined according to the inductance so that the resonance peak of the RLC resonance circuit is suppressed.
  • the optical receiver 5 suppresses the oscillation peak of the preamplifier 2 by suppressing the resonance peak of the RLC resonance circuit of the optical receiving circuit 1.
  • the optical receiving circuit 1 can configure a filter circuit by combining the capacitor 16 and the resistor 172 connected to the wiring 135. As in the second embodiment, the optical receiving circuit 1 does not use the expensive and large mounting area of the filter circuit 12, but forms a filter circuit with the inexpensive and small-sized capacitor 16 and the resistor 172, thereby reducing the mounting area. The same effect as that of the first embodiment can be realized while reducing the amount. In addition, in the third embodiment, the yield of the submount substrate 13 can be improved as compared with the second embodiment by using one resistance element generated on the submount substrate 13.

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Abstract

光信号を電流信号に変換する受光素子(11)と、受光素子(11)が実装されるサブマウント基板(13)と、サブマウント基板(13)上で、受光素子(11)のアノードパッド(111)と、前置増幅器(2)に接続されるワイヤ(41)と、に接続される配線(131)と、サブマウント基板(13)上で、バイアス電圧が印加される配線(132)と、サブマウント基板(13)上で、受光素子(11)のカソードパッド(112)に接続される配線(133)と、サブマウント基板(13)上で、配線(133)に接続され、配線(132)を介してバイアス電圧が受光素子(11)に印加される際の経路となる抵抗(14)と、を備え、前置増幅器(2)とグラウンドとの間における共振のピークが抑圧され、前置増幅器(2)での発振が抑圧されるように、抵抗(14)の抵抗値が決定される。

Description

光受信回路、光受信器、光終端装置および光通信システム
 本発明は、光信号を受信する光受信回路、光受信器、光終端装置および光通信システムに関する。
 光通信システムにおいて、光信号を送受信する光終端装置は、光信号を電気信号に変換する光受信器を備えている。光受信器は、光ファイバなどの伝送路から送られてきた光信号を電流信号に変換する受光素子を含む光受信回路と、電流信号を電圧信号いわゆる電気信号に変換して増幅する前置増幅器と、電気信号を増幅し、所望の振幅に制限するリミッティングアンプと、によって構成される。前置増幅器では、一般的に、反転増幅回路の入出力間に帰還抵抗が挿入される負帰還増幅回路が用いられている。負帰還増幅回路の出力端子は単相差動変換回路の入力端子に接続される。単相差動変換回路は、単相信号の電気信号を差動信号の電気信号に変換して、後段のリミッティングアンプに出力する。
 負帰還増幅回路は、出力信号の一部を逆相の入力信号に戻す構成となっている。ここで、負帰還増幅回路の入力信号の位相と帰還される出力信号の位相との位相差は、前置増幅器のオープンループゲインが0dB以上の周波数領域で180°よりも小さくなければならない。負帰還増幅回路は、位相差が180°以上になると発振し、正常な状態で動作ができなくなるためである。前置増幅器は、基本的に発振しないように位相差が180°よりも小さくなるように設計されている。しかしながら、前置増幅器は、入力端子に接続される光受信回路の回路構成によっては、前述の位相差に影響を受けることがある。
 光受信回路は、受光素子と、サブマウント基板と、フィルタ回路と、で構成される。受光素子は、サブマウント基板上に実装される。外部からのバイアス電圧は、フィルタ回路でノイズが除去され、ワイヤ、およびサブマウント基板上の配線を介して、受光素子のカソードパッドに印加される。受光素子のアノードパッドは、サブマウント基板上の配線を介してワイヤで前置増幅器と接続される。光受信回路を等価回路で表すと、前置増幅器の入力端子側から見た場合、光受信回路は、1つのRLC共振回路とみなすことができ、特定の周波数で共振のピークが発生する。特に、ワイヤのインダクタンス、およびサブマウント基板の寄生インダクタンスがピークの発生に大きく寄与する。また、前置増幅器のオープンループゲイン特性も、RLC共振回路のインダクタンスの影響を受け、RLC共振回路のインダクタンスの値によってピーク値が大きく異なる。通常、高周波領域では位相回転が大きくなり、オープンループゲインが0dB以上の周波数領域で位相が180°以上回転していると、前置増幅器は発振してしまう。
 現在の光通信システムは、伝送容量が年々増加しており、伝送容量の増加に伴って光受信器に要求される伝送速度も上昇している。伝送速度の上昇に伴って、前置増幅器では、高周波領域でのピークを抑圧する必要がある。このような問題に対して、特許文献1には、前置増幅器を含む電子回路素子をサブマウントとして用いて、電子回路素子上に導波路型光素子を実装することでワイヤなどによる配線長を短くし、寄生インダクタンスの影響を低減する技術が開示されている。
特開2000-28872号公報
 しかしながら、特許文献1に記載の技術によれば、製造上の制約があり、短くワイヤリングすることには限界がある、という問題があった。また、短くワイヤリングできても、サブマウント基板上の配線のインダクタンス成分の影響は低減できない、という問題があった。
 本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、製造上の制約を受けることなく、後段の前置増幅器での発振を抑圧することが可能な光受信回路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、本発明の光受信回路は、光信号を電流信号に変換する受光素子と、受光素子が実装されるサブマウント基板と、サブマウント基板上で、受光素子のアノードパッドと、前置増幅器に接続されるワイヤと、に接続される第1の配線と、を備える。また、光受信回路は、サブマウント基板上で、バイアス電圧が印加される第2の配線と、サブマウント基板上で、受光素子のカソードパッドに接続される第3の配線と、サブマウント基板上で、第3の配線に接続され、第2の配線を介してバイアス電圧が受光素子に印加される際の経路となる第1の抵抗素子と、を備える。前置増幅器とグラウンドとの間における共振のピークが抑圧され、前置増幅器での発振が抑圧されるように、第1の抵抗素子の抵抗値が決定される、ことを特徴とする。
 本発明にかかる光受信回路は、製造上の制約を受けることなく、後段の前置増幅器での発振を抑圧することができる、という効果を奏する。
実施の形態1に係る光通信システムの構成例を示す図 実施の形態1に係る光受信器の構成例を示す図 実施の形態1に係る光受信回路の回路構成の例を示す図 図3で示した実施の形態1に係る光受信回路の回路構成の等価回路の例を示す図 実施の形態1に係る光受信器の前置増幅器のオープンループゲイン特性の例を示す図 実施の形態2に係る光受信回路の回路構成の例を示す図 図6で示した実施の形態2に係る光受信回路の回路構成の等価回路の例を示す図 実施の形態3に係る光受信回路の回路構成の例を示す図 図8で示した実施の形態3に係る光受信回路の回路構成の等価回路の例を示す図
 以下に、本発明の実施の形態に係る光受信回路、光受信器、光終端装置および光通信システム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に係る光通信システム10の構成例を示す図である。光通信システム10は、OLT(Optical Line Terminal)7と、ONU(Optical Network Unit)8と、を備える。光通信システム10は、OLT7およびONU8が、伝送路9を介して光信号を送受信して通信を行うシステムである。OLT7は、サービスを提供する局側に設置される光終端装置である。ONU8は、サービスの提供を受ける家庭などに設置される光終端装置である。伝送路9は、光信号が送受信される伝送経路であり、例えば、光ファイバである。なお、図1に示す光通信システム10では、OLT7が1つのONU8と通信を行う場合を示しているが一例であり、OLT7が複数のONU8と通信を行うことも可能である。OLT7およびONU8は、各々、光受信器5と、光送信器6と、を備える。光受信器5は、受信した光信号を電気信号に変換する。光送信器6は、電気信号を光信号に変換して送信する。本実施の形態では、具体的に、光受信器5の構成について説明する。
 図2は、実施の形態1に係る光受信器5の構成例を示す図である。光受信器5は、光受信回路1と、前置増幅器2と、リミッティングアンプ3と、を備える。光受信回路1は、受光素子11と、フィルタ回路12と、を備える。受光素子11は、伝送路9を介して光信号を受信し、光信号を電流信号に変換する。フィルタ回路12は、図示しない外部の電源から受光素子11に印加されるバイアス電圧に対して、バイアス電圧からノイズを除去する。フィルタ回路12は、図2に示すように、抵抗および容量から構成されるが一例であり、フィルタ回路12の構成はこれに限定されない。前置増幅器2は、反転増幅回路21と、帰還抵抗22と、単相差動変換回路23と、を備える。反転増幅回路21および帰還抵抗22によって負帰還増幅回路が構成される。前置増幅器2では、負帰還増幅回路が、光受信回路1において変換された電流信号を、電圧信号いわゆる電気信号に変換し、電気信号を増幅する。単相差動変換回路23は、電気信号を単相信号から差動信号に変換して出力する。リミッティングアンプ3は、差動信号の電気信号を増幅し、所望の振幅に制限して出力する。
 光受信回路1の構成について説明する。図3は、実施の形態1に係る光受信回路1の回路構成の例を示す図である。光受信回路1は、受光素子11と、フィルタ回路12と、サブマウント基板13と、を備える。フィルタ回路12は、抵抗121と、容量122とから構成される。受光素子11は、サブマウント基板13上に実装される。受光素子11のアノードパッド111は、受光素子11が実装されるサブマウント基板13上の配線131およびワイヤ41を介して、前置増幅器2の入力端子20に接続される。配線131は、サブマウント基板13上で、受光素子11のアノードパッド111と、前置増幅器2の入力端子20に接続されるワイヤ41と、に接続される第1の配線である。外部から印加されるバイアス電圧は、フィルタ回路12を通ることでノイズ成分が除去される。なお、図3では、外部から印加されるバイアス電圧を外部バイアス電圧と表記している。以降の図においても同様とする。バイアス電圧は、フィルタ回路12、ワイヤ42、サブマウント基板13上の配線132、サブマウント基板13上に生成された抵抗14、およびサブマウント基板13上の配線133を介して、受光素子11のカソードパッド112に印加される。配線132は、サブマウント基板13上で、バイアス電圧が印加される第2の配線である。実施の形態1では、配線132には、外部からフィルタ回路12を介してバイアス電圧が印加される。配線133は、サブマウント基板13上で、受光素子11のカソードパッド112に接続される第3の配線である。抵抗14は、サブマウント基板13上で、配線132に接続され、配線132を介してバイアス電圧が受光素子11に印加される際の経路となる第1の抵抗素子である。なお、図3に示す回路構成は一例であり、これに限定されない。
 図4は、図3で示した実施の形態1に係る光受信回路1の回路構成の等価回路の例を示す図である。受光素子11は、ジャンクション抵抗113と、電極パッド容量114と、接合容量115と、で模擬されている。サブマウント基板13は、配線131によって生じる寄生インダクタンス1311および寄生容量1312と、配線132によって生じる寄生インダクタンス1321および寄生容量1322と、配線133によって生じる寄生インダクタンス1331と、抵抗14と、で模擬されている。ワイヤ41は、インダクタンス411で模擬されている。ワイヤ42は、インダクタンス421で模擬されている。なお、図4に示す等価回路は簡易的なものであって一例であり、これに限定されない。
 図4に示す通り、前置増幅器2の入力端子20側から見た場合、光受信回路1は、前置増幅器2の入力端子20からGND19までの間に構成される1つのRLC共振回路とみなすことができ、特定の周波数で共振のピークが発生する。GND19は、図4に示すように、サブマウント基板13内のグラウンドである。特に、ワイヤ41のインダクタンス411、ワイヤ42のインダクタンス421、サブマウント基板13の寄生インダクタンス1311、および、サブマウント基板13の寄生インダクタンス1321が特定の周波数でのピークの発生に大きく寄与する。ここで、配線131と配線132との間の抵抗14も、RLC共振回路の一部となる。一般的に、RLC共振回路内の抵抗は、共振によって発生するピークの鋭さ、すなわちQ値を下げることが可能となる。RLC共振回路内には、受光素子11のジャンクション抵抗113で表される素子抵抗もあり、受光素子11によって異なるが、素子抵抗の抵抗値は数十Ω程度となる。ただし、Q値を下げるために素子抵抗を大きく作ることは可能だが、高周波特性を劣化させてしまうことになる。そのため、本実施の形態では、光受信回路1は、サブマウント基板13上に抵抗14を設ける。光受信回路1では、前置増幅器2とGND19との間におけるRLC共振回路のインダクタンスの影響が低減され、RLC共振回路の共振のピークが抑圧されるように、抵抗14の抵抗値が決定される。具体的には、光受信回路1の設計者が、抵抗14の抵抗値を決定する。光受信器5では、RLC共振回路のインダクタンスの影響が低減されて光受信回路1のRLC共振回路の共振のピークが抑圧されると、結果的に、前置増幅器2でもRLC共振回路のインダクタンスの影響が低減され、前置増幅器2での発振が抑圧される。
 また、本実施の形態では、光受信回路1は、サブマウント基板13上に抵抗14を設けることで、余計な部品を必要とせずに少ない実装面積で、RLC共振回路の共振のピークを抑圧することが可能である。また、光受信回路1は、部品点数およびワイヤリングを少なくすることで、製造時の歩留りを向上させることが可能となる。
 図5は、実施の形態1に係る光受信器5の前置増幅器2のオープンループゲイン特性の例を示す図である。図5は、一例として、図4に示す光受信回路1の等価回路において、インダクタンス411およびインダクタンス421を500pH、寄生インダクタンス1311および寄生インダクタンス1321を200pH、寄生容量1312および寄生容量1322を10fFと設定した場合のインダクタンスを考慮したオープンループゲイン特性である。また、抵抗14の抵抗値を0Ωから50Ωまで10Ω刻みで変化させた場合の各抵抗値でのオープンループゲイン特性を示している。図5に示すように、抵抗14の抵抗値によってオープンループゲイン特性は大きく異なり、抵抗14の抵抗値が大きいほどインダクタンスの影響が低減され、前置増幅器2の発振のピークを抑圧することができる。実用的には、図5に示すように抵抗14の抵抗値を20Ω程度にすることで、15GHzに存在した高周波領域のピークを抑圧することができ、前置増幅器2の発振を回避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、光受信回路1では、受光素子11が実装されるサブマウント基板13において、受光素子11のカソードパッド112とフィルタ回路12とを接続するための配線132,133間に抵抗14を設ける。光受信回路1では、前置増幅器2とGND19との間におけるRLC共振回路の共振のピークが抑圧され、前置増幅器2での発振が抑圧されるように、抵抗14の抵抗値が決定される。これにより、光受信回路1は、製造上の制約を受けることなく、後段の前置増幅器2での発振を抑圧することができる。また、光受信回路1は、特許文献1に記載されたような立体的で複雑な構造にはならないため、特許文献1と比較して、製造上の歩留りの面でも改善が見込まれる。また、光受信回路1は、前置増幅器2の発振抑圧用にデカップリングコンデンサなどを追加する必要が無いため、実装面積の制約を受けない。
実施の形態2.
 実施の形態2では、光受信回路1がフィルタ回路12を備えない場合の構成について説明する。
 図6は、実施の形態2に係る光受信回路1の回路構成の例を示す図である。光受信回路1は、受光素子11と、サブマウント基板13と、容量16と、を備える。受光素子11は、サブマウント基板13上に実装される。受光素子11のアノードパッド111は、サブマウント基板13上の配線131およびワイヤ41を介して、前置増幅器2の入力端子20に接続される。サブマウント基板13上の配線134は、ワイヤ43を通して、容量16と接続される。配線134は、サブマウント基板13上で、抵抗14と、抵抗15と、に接続される第4の配線である。抵抗15は、サブマウント基板13上で、配線132に接続される第2の抵抗素子である。配線134に接続される容量16とサブマウント基板13上に生成された抵抗15とを組み合わせることで、フィルタ回路が構成される。外部からのバイアス電圧は、サブマウント基板13上の配線132に印加される。バイアス電圧は、サブマウント基板13上の配線132、サブマウント基板13上に生成された抵抗15、サブマウント基板13上の配線134、サブマウント基板13上に生成された抵抗14、およびサブマウント基板13上の配線133を介して、受光素子11のカソードパッド112に印加される。抵抗15の抵抗値は100Ω以下とする。なお、図6に示す回路構成は一例であり、これに限定されない。
 図7は、図6で示した実施の形態2に係る光受信回路1の回路構成の等価回路の例を示す図である。受光素子11は、ジャンクション抵抗113と、電極パッド容量114と、接合容量115と、で模擬されている。サブマウント基板13は、配線131によって生じる寄生インダクタンス1311および寄生容量1312と、配線132によって生じる寄生インダクタンス1321および寄生容量1322と、配線133によって生じる寄生インダクタンス1331と、配線134によって生じる寄生インダクタンス1341および寄生容量1342と、抵抗14と、抵抗15と、で模擬されている。ワイヤ41は、インダクタンス411で模擬されている。ワイヤ43は、インダクタンス431で模擬されている。容量16は、ワイヤ43を介して配線134に接続される容量である。なお、図7に示す等価回路は簡易的なもので一例であり、これに限定されない。
 図7に示す通り、前置増幅器2の入力端子20側から見た場合、光受信回路1は、前置増幅器2の入力端子20からGND19までの間に構成される1つのRLC共振回路とみなすことができ、特定の周波数で共振のピークが発生する。実施の形態1と同様、抵抗14も、RLC共振回路の一部となる。実施の形態2においても、光受信回路1では、RLC共振回路の共振のピークが抑圧されるように、インダクタンスに応じて抵抗14の抵抗値が決定される。光受信器5は、光受信回路1のRLC共振回路の共振のピークを抑圧することで、結果的に、前置増幅器2での発振を抑圧する。
 また、実施の形態2では、光受信回路1は、抵抗15と容量16とを組み合わせてフィルタ回路を構成できる。光受信回路1は、高価で実装面積の大きいフィルタ回路12を用いずに、安価で小型の容量16と、サブマウント基板13上の抵抗15とでフィルタ回路を構成する。実施の形態2の光受信回路1は、実施の形態1の光受信回路1と比較して、実装面積を低減しつつ、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、光受信回路1がフィルタ回路12を備えない場合において、実施の形態2と異なる構成について説明する。
 図8は、実施の形態3に係る光受信回路1の回路構成の例を示す図である。光受信回路1は、受光素子11と、サブマウント基板13と、容量16と、を備える。受光素子11は、サブマウント基板13上に実装される。受光素子11のアノードパッド111は、サブマウント基板13上の配線131およびワイヤ41を介して、前置増幅器2の入力端子20に接続される。サブマウント基板13上の配線135は、ワイヤ43を通して、容量16と接続される。配線135は、サブマウント基板13上で、3端子抵抗17に接続される第5の配線である。外部からのバイアス電圧は、サブマウント基板13上の配線132に印加される。バイアス電圧は、サブマウント基板13上の配線132、サブマウント基板13上に生成された正六角形の3端子抵抗17、およびサブマウント基板13上の配線133を介して、受光素子11のカソードパッド112に印加される。3端子抵抗17は、3つの端子を有する第1の抵抗素子である。3端子抵抗17の1つ目の端子は、配線132に接続され、配線132を介して外部バイアス電圧が印加される。3端子抵抗17の2つ目の端子は、配線133に接続され、配線133を介して受光素子11のカソードパッド112に接続される。3端子抵抗17の3つ目の端子は、配線135に接続され、配線135およびワイヤ43を介して容量16に接続される。3端子抵抗17の形状を正六角形としているが一例であり、これに限定されない。3端子抵抗17において、各端子間の抵抗値は規定された抵抗値以下、例えば、200Ω以下とする。なお、図8に示す回路構成は一例であり、これに限定されない。
 図9は、図8で示した実施の形態3に係る光受信回路1の回路構成の等価回路の例を示す図である。受光素子11は、ジャンクション抵抗113と、電極パッド容量114と、接合容量115と、で模擬されている。サブマウント基板13は、配線131によって生じる寄生インダクタンス1311および寄生容量1312と、配線132によって生じる寄生インダクタンス1321および寄生容量1322と、配線133によって生じる寄生インダクタンス1331と、配線134によって生じる寄生インダクタンス1341および寄生容量1342と、3端子抵抗17によって生じる抵抗171,172,173と、で模擬されている。ワイヤ41は、インダクタンス411で模擬されている。ワイヤ43は、インダクタンス431で模擬されている。容量16は、ワイヤ43を介して配線134に接続される容量16である。なお、図9に示す等価回路は簡易的なもので一例であり、これに限定されない。
 図9に示す通り、前置増幅器2の入力端子20側から見た場合、光受信回路1は、前置増幅器2の入力端子20からGND19までの間に構成される1つのRLC共振回路とみなすことができ、特定の周波数で共振のピークが発生する。実施の形態3では、3端子抵抗17が正六角形の場合、抵抗171~173は全て同じ値となり、端子間の抵抗値は、抵抗171~173の抵抗値の2倍となる。このとき、抵抗171,173は、実施の形態1,2の抵抗14と同様、RLC共振回路の一部となる。そのため、実施の形態3では、RLC共振回路の共振のピークが抑圧されるように、インダクタンスに応じて抵抗171,173、すなわち3端子抵抗17の抵抗値が決定される。光受信器5は、光受信回路1のRLC共振回路の共振のピークを抑圧することで、結果的に、前置増幅器2での発振を抑圧する。
 また、実施の形態3では、光受信回路1は、配線135に接続される容量16と抵抗172とを組み合わせてフィルタ回路を構成できる。実施の形態2と同様、光受信回路1は、高価で実装面積の大きいフィルタ回路12を用いずに、安価で小型の容量16と、抵抗172とでフィルタ回路を構成することで、実装面積を低減しつつ、実施の形態1と同様の効果を実現できる。加えて、実施の形態3では、サブマウント基板13上に生成する抵抗素子を1つとすることで、実施の形態2と比較して、サブマウント基板13の歩留りを向上させることが可能となる。
 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 光受信回路、11 受光素子、111 アノードパッド、112 カソードパッド、113 ジャンクション抵抗、114 電極パッド容量、115 接合容量、12 フィルタ回路、121,14,15,171,172,173 抵抗、122,16 容量、13 サブマウント基板、131,132,133,134,135 配線、1311,1321,1331,1341 寄生インダクタンス、1312,1322,1342 寄生容量、17 3端子抵抗、19 GND、2 前置増幅器、20 入力端子、21 反転増幅回路、22 帰還抵抗、23 単相差動変換回路、3 リミッティングアンプ、41,42,43 ワイヤ、411,421,431 インダクタンス、5 光受信器、6 光送信器、7 OLT、8 ONU、9 伝送路、10 光通信システム。

Claims (7)

  1.  光信号を電流信号に変換する受光素子と、
     前記受光素子が実装されるサブマウント基板と、
     前記サブマウント基板上で、前記受光素子のアノードパッドと、前置増幅器に接続されるワイヤと、に接続される第1の配線と、
     前記サブマウント基板上で、バイアス電圧が印加される第2の配線と、
     前記サブマウント基板上で、前記受光素子のカソードパッドに接続される第3の配線と、
     前記サブマウント基板上で、前記第3の配線に接続され、前記第2の配線を介して前記バイアス電圧が前記受光素子に印加される際の経路となる第1の抵抗素子と、
     を備え、
     前記前置増幅器とグラウンドとの間における共振のピークが抑圧され、前記前置増幅器での発振が抑圧されるように、前記第1の抵抗素子の抵抗値が決定される、
     ことを特徴とする光受信回路。
  2.  前記バイアス電圧からノイズを除去するフィルタ回路、
     を備え、
     前記第2の配線には、前記フィルタ回路を介して前記バイアス電圧が印加され、
     前記バイアス電圧は、前記フィルタ回路、前記第2の配線、前記第1の抵抗素子、および前記第3の配線を介して、前記受光素子に印加される、
     ことを特徴とする請求項1に記載の光受信回路。
  3.  前記サブマウント基板上で、前記第2の配線に接続される第2の抵抗素子と、
     前記サブマウント基板上で、前記第1の抵抗素子と、前記第2の抵抗素子と、に接続される第4の配線と、
     前記第4の配線に接続される容量と、
     を備え、
     前記第2の抵抗素子および前記容量でフィルタ回路が構成され、
     前記バイアス電圧は、前記第2の配線、前記第2の抵抗素子、前記第4の配線、前記第1の抵抗素子、および前記第3の配線を介して、前記受光素子に印加される、
     ことを特徴とする請求項1に記載の光受信回路。
  4.  前記サブマウント基板上で、前記第1の抵抗素子に接続される第5の配線と、
     前記第5の配線に接続される容量と、
     を備え、
     前記第1の抵抗素子は、3つの端子を有し、前記第2の配線、前記第3の配線、および前記第5の配線に接続され、各端子間の抵抗値が規定された抵抗値以下となる3端子抵抗素子であり、
     前記バイアス電圧は、前記第2の配線、前記第1の抵抗素子、および前記第3の配線を介して、前記受光素子に印加される、
     ことを特徴とする請求項1に記載の光受信回路。
  5.  請求項1から4のいずれか1つに記載の光受信回路を備えることを特徴とする光受信器。
  6.  請求項5に記載の光受信器を備えることを特徴とする光終端装置。
  7.  請求項6に記載の光終端装置を備えることを特徴とする光通信システム。
PCT/JP2018/026297 2018-07-12 2018-07-12 光受信回路、光受信器、光終端装置および光通信システム WO2020012593A1 (ja)

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