JP2001069088A

JP2001069088A - 光受信回路

Info

Publication number: JP2001069088A
Application number: JP24192099A
Authority: JP
Inventors: Takashi Otobe; 孝乙部; Yujiro Ito; 雄二郎伊藤
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1999-08-27
Filing date: 1999-08-27
Publication date: 2001-03-16

Abstract

(57)【要約】【課題】光無線の環境下で、信頼性の高い安定した受
光機能を発揮することができる光受信回路を提供する。【解決手段】電流電圧変換回路１５は、受光素子１１
の出力電流を該出力電流の電流量に比例した電圧に変換
する。差動増幅器１４は、電流電圧変換回路１５の出力
電圧と所定の指示値の電圧との差分を出力する。高圧制
御回路１２は、高電圧源１３から供給される電圧を上記
差動増幅器の出力電圧により制御して上記受光素子のバ
イアス電圧に変換して出力する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光受信回路に関
し、特に、受光素子としてアバランシェホトダイオード
を用いた光無線システム対応の光受信回路に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、一般に、光通信システム内に設置
される光受信回路には、受光素子としてアバランシェホ
トダイオード（以下「ＡＰＤ」と称する）が用いられて
いる。利得制御は、このＡＰＤに印加するバイアス電圧
を変化させる方法で行われている。

【０００３】図１３は、従来の固定利得制御方式の光受
信回路の構成を示す回路図である。同図において、ＡＰ
Ｄ１３１のカソード電極側には、前置増幅器１３２の入
力端子側が接続されている。このＡＰＤ１３１では、光
信号を受信すると、その光信号が出力電流に変換され
る。

【０００４】また、前置増幅器１３２では、ＡＰＤ１３
１から送出された出力電流に基づいて一定の増幅率から
なる帰還増幅出力の出力電圧が得られる。その前置増幅
器１３２の出力端子には、自動利得制御増幅器１３３の
入力端子が接続されている。

【０００５】自動利得制御増幅器１３３は、受光レベル
に比例して変化する出力電圧が一定の振幅を保って出力
されるように自動制御する。自動利得制御増幅器１３３
の出力端子側には、上位回路（図示は省略）及びピーク
電圧検出回路１３４が接続されている。このピーク電圧
検出回路１３４では、自動利得制御増幅器１３３の出力
振幅が繰り返し検出される。

【０００６】一方、ＡＰＤ１３１のアノード側には、逆
バイアス回路が接続されており、ＡＰＤ１３１に最小受
信レベルの最適増倍量になるように固定の逆バイアスが
かけられる。上記ＡＰＤでは、温度変化により最適増倍
量が異なるから、温度補償をする必要がある。そのた
め、逆バイアス回路の入力端子にはＡＰＤ１３１に逆バ
イアス制御信号を送出する逆バイアス回路１３６と逆バ
イアス制御回路１３５を介してＡＰＤ１３１の温度補償
をする温度補償回路が接続されている。なお、以上のバ
イアス方式は、いわゆる固定バイアス方式によるもので
ある。

【０００７】上記の固定バイアス方式では、バイアス点
を、小さな光入力に最適化しておくと、大きな光入力に
より、前置増幅器１３２が飽和してしまい、結果的にダ
イナミックレンジが取れなくなるという問題点がある。

【０００８】図１４は、従来の光受信回路の逆バイアス
印加方法を改善した逆バイアス印加回路の構成を示す回
路図である。上記の固定バイアス方式の問題点を改善す
るために、光電流により、逆バイアスを可変にする工夫
が行われている。最も簡単な方法では、図１４に示すよ
うに、高圧電源とＡＰＤ１４１の間に高抵抗Ｒｓを挿入
することにより定電流性を持たせることである。光入力
が大きい時は、大きな光電流が高抵抗Ｒｓを流れること
により、高抵抗Ｒｓでの電圧降下が大きくなり、ＡＰＤ
１４１に印加されるバイアス電圧が低下するように構成
するものである。なお、特開平４−１８３１２４号公報
には、上記の定電流性を良くするために、ＦＥＴを挿入
した例が開示されている。

【０００９】以下、図１４に示す従来の光受信回路の動
作特性を吟味する。ここで、ＡＰＤ１４１に印加される
バイアスは、図１４において、高抵抗：Ｒｓと、デカッ
プコンデンサ：Ｃｄで決まる、τ＝Ｒｓ×Ｃｄの時定数
を持つ。

【００１０】具件的に、下記の表１で示す仕様のＡＰＤ
を使うものとする。

【００１１】

【表１】

【００１２】光、電流変換係数を０．５Ａ／Ｗとし、高
圧電源をＶｈとして、表１の数値を代入して上記バイア
ス電圧の各々が満たすべき関係から連立方程式を組む
と、１００Ｖ＝Ｖｈ−１００μＡ×Ｒｓ２００Ｖ＝Ｖｈ− ５０μＡ×Ｒｓ上式から、Ｒｓ＝２Ｍオームが必要になる。

【００１３】次に、図１４に示す逆バイアス印加回路に
おいて、ＡＰＤ１４１からの信号出力電流は、前置増幅
器の入力インピーダンス（Ｚｉ）を通って、デカップコ
ンデンサ（Ｃｄ）を通して、ＡＰＤ１４１へ戻る。その
結果、ＡＰＤ１４１からの信号出力は、前置増幅器１４
２の入力インピーダンス（Ｚｉ）と、デカップコンデン
サ（Ｃｄ）で分圧されて、前置増幅器１４２の信号入力
Ｖｉとなる。そこで、有効に信号を、後段へ伝えるため
には、デカップコンデンサ（Ｃｄ）は、前置増幅器１４
２の入力インピーダンス（Ｚｉ）に対して十分小さいイ
ンピーダンスを示す必要があり、すなわち十分大きな容
量を必要とする。ところで、ＡＰＤ１４１には、寄生容
量（Ｃｐ）があり、これと前置増幅器の入力インピーダ
ンスの積で決まる時定数は、帯域を延ばすために小さく
する必要がある。仮に、この入力インピーダンスを５０
オームとすると、使用する下限周波数で、デカップコン
デンサ（Ｃｄ）が担うインピーダンスは、５オーム以下
にする必要がある。仮に、下限周波数を１００ＫＨｚと
すると、Ｃｄ＝１／（２×π×１００＾３×５）＝０．
３μＦとなる。

【００１４】そこで、先ほどの直列抵抗Ｒｓ＝２Ｍとデ
カップコンデンサ：Ｃｄ＝０．３μＦによる時定数は、
τ＝Ｒｓ×Ｃｄ＝０．６秒となる。つまり、この構成で
は、数ＨＺで変動する入力光のレベル変動にはとても追
随できないことになる。

【００１５】次に、従来技術の一つとして、信号出力に
より、ＡＰＤバイアスと、可変利得増幅器の増幅率の両
方を変える方式を説明する。このバイアス方式は、フル
自動利得制御（Ｆｕｌｌ−ＡＧＣ）方式と呼ばれ、信号
成分の大きさにより制御を行う。

【００１６】図１５は、従来のフル自動利得制御方式の
光受信回路の構成を示す回路図である。この光受信回路
では、ピーク電圧検出回路１５４の出力端子は２つあ
り、一方の出力端子は自動利得制御増幅器１５３に接続
され、他方の出力端子はヒステリシス回路１５７を介し
て逆バイアス制御回路１５５に接続されている。この逆
バイアス制御回路１５５では、ピーク電圧検出回路で検
出した、ピーク検出電圧に基づいて、逆バイアス制御回
路１５５を動作させる制御信号を出力する。ヒステリシ
ス回路１５７は、ピーク検出電圧の履歴情報による制御
を行う。

【００１７】従来のＡＰＤを用いた光ファイバー光信号
伝送系は、概ね、上記のような構成のＡＧＣ回路を有し
ているが、この改良技術として、幾つかの発明がなされ
ている。

【００１８】以上説明した光受信回路の例としては、特
開平３−２１３０２４号公報、特開平３−１８８７０６
号公報、特開平３−８０２３０号公報、特開昭５６−１
４７５３３号公報及び特開昭６２−２８３７１０号公報
に記載の光受信回路などがある。特開平３−２１３０２
４号公報に記載の光受信回路では、図１３に記載の光受
信回路の構成に加えて最小受光レベルでの増幅率の逆バ
イアスを保持するようにしたバイアスモードを最低電圧
ＶＬで切り換える回路を設けることにより、伝送信号の
有無に関係なく、増幅器系の出力が安定し、良好な受信
状態を得ることが可能である。また特開平３−１８８７
０６号公報に記載の光受信回路では、ＡＰＤの最適増幅
率を求めてから、さらに、それよりＡＰＤの最適増幅率
を求め、その結果に基づいて制御信号を出力することに
より、ＡＰＤを最適増幅率に設定するとしている。一
方、特開平３−８０２３０号公報に記載の光受信回路で
は、受信信号を直線的に復調可能にすることにより、感
度が良好で、かつダイナミックレンジの広い光受信回路
が提供できるとしている。また、特開昭５６−１４７５
３３号公報に記載の光受信回路では、負荷抵抗値制御回
路を追加することにより、レベル信号に応じた負荷の抵
抗回路における抵抗値を変動させることができて、光受
信のパワーの変動に対して負荷砥抗出力の変動を小さく
することができるので、出力波形の歪みを少なくできる
としている。さらに、特開昭６２−２８３７１０号公報
に記載の光受信回路では、複雑な非線形型の入出力特性
を実現すると共に、高精度の信号処理が可能になるとし
ている。

【００１９】

【発明が解決しようとする課題】ところで、従来、光無
線において、大きなレベル変動を抑えて良好な信号を強
調するには、電気系のＡＧＣを必須としていた。但し、
電気ＡＧＣで信号帯域に必要な平坦な特性を実現するこ
とと、大きな範囲をカバーすることは、なかなか難し
い。すなわち、前述の、従来のＡＰＤを含んだＡＧＣ
は、主として光ファイバー伝送用であり、本案が使われ
る光無線とは使用環境が異なるので、下記の問題点があ
った。

【００２０】（１）光ファイバーシステムでの入射光
は、信号光のみであるが、光無線では、信号光以外に、
他の光無線装置からの光、太陽光、人工的な照明光など
が入射するので、これらに対処する対策が必要である。

【００２１】（２）光無線システムでの入射光の変動
は、光ファイバーシステムでの入射光の変動に比べ、ダ
イナミックレンジが３０ｄＢと大きく、変動周波数も最
大１ＫＨＺに及ぶことが知られている。

【００２２】上記の（１）で述べた問題点については、
従来技術は、基本的に信号光のみを対象にしていたの
で、受光レベルと信号レベルは１対１の関係にある性質
を用いており、それゆえ、増幅後の信号のピーク値を制
御の目標値にしてＡＧＣを掛けている。それゆえ信号光
以外の、例えば、太陽光が入射した時でも、信号成分が
小さければ、それを大きくするために高いバイアスが加
わり、ＡＰＤ素子の破壊につながる可能性があった。

【００２３】また、ＡＰＤに帰還するための帰還信号の
経路が前置増幅器等を介して長くなるので、帰還信号に
遅れが生じ、迅速な追随特性が得られない。上記の従来
技術の説明では、ＡＰＤに直列に高抵抗を挿入して、Ａ
ＰＤを流れる平均電流によりバイアスを下げる手法を説
明した。光無線でも、この方法で、多少の対応は可能で
あるが、この方法で大きなレベル変化に対応するには、
メグオーム単位の高低抗の挿入が必要となる。実際、図
１４に示す従来技術でも、直列の高低抗（ＲＳ）とデカ
ップコンデンサとの積で定まる時定数は、応答時間の上
限を決めている。以下では、その事情を説明する。

【００２４】今、図１４に示す回路で、具体的に、直列
の高低抗（ＲＳ）＝１Ｍオーム、デカップコンデンサ
（Ｃｄ）＝０．２μＦとして計算すると、時定数は０．
２秒となる。これでは、とても、シンチレーションの１
ＫＨＺには対応できない。つまり、光無線では、ファイ
バー伝送とは異なる技術が求められる。

【００２５】本発明は、以上のような従来の光受信回路
における問題点に鑑みてなされたものであり、光無線の
環境下で、信頼性の高い安定した受光機能を発揮するこ
とができる光受信回路を提供することを目的とする。

【００２６】

【課題を解決するための手段】本発明では上記課題を解
決するために、ＡＰＤを範疇に含む受光素子を備え、前
記受光素子に入射された入射光を電流に変換する光受信
回路において、前記受光素子の出力電流を該出力電流の
電流量に比例した電圧に変換する電流電圧変換回路と、
前記電流電圧変換回路の出力電圧と所定の指示値の電圧
との差分を出力する差動増幅器と、電圧源から供給され
る電圧を前記差動増幅器の出力電圧により制御して前記
受光素子のバイアス電圧に変換して出力する高圧制御回
路とを有することを特徴とする光受信回路が提供され
る。

【００２７】すなわち、本発明では、光無線の環境下で
生じる状況、すなわち、信号光以外の、例えば、太陽光
が入射する状況に対処するため、受光素子の平均値を検
出して、それに基づいてバイアス制御を行うことによ
り、信号成分が小さい時でも、信号成分を大きくするた
めに高いバイアスを印加して、周波数特性をほぼ平坦に
したまま、信号レベル変動を吸収している。

【００２８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態に係
る光受信回路の構成を示す回路図である。

【００２９】本実施の形態に係る光受信回路は、入射光
を電流に変換する受光素子１１と、受光素子１１にバイ
アス電圧を印加する高圧制御回路１２と、高圧制御回路
１２に高電圧を供給する高電圧源１３と、帰還回路の一
部として受光素子１１の出力電流を該電流に対応した電
圧に変換する電流電圧変換回路１５と、電流電圧変換回
路１５の出力電圧と所定の指示値との差分電圧を高圧制
御回路１２に帰還する差動増幅器１４を含む。

【００３０】受光素子１１は、ＡＰＤ（アバランシェホ
トダイオード）を使用して構成することができる。ま
た、電流電圧変換回路１５は、受光素子１１を流れる電
流の出力端子を所定値の抵抗を介して接地し、該抵抗両
端の電圧降下を取り出す回路として構成することができ
る。

【００３１】以下、本実施の形態に係る光受信回路の受
光素子１１としてＡＰＤを使用した場合の動作を説明す
る。受光素子１１へ入射した入射光の光エネルギーは上
記素子内で、電子とホールに分離され、バイアス電圧で
加速されて、それぞれカソード、アノードへ移動して光
電流となる。ＡＰＤ内では、この移動の際に衝突により
電子、ホールのペアがねずみ算的に増え、増倍作用が起
こる。図１に示す光受信回路において、発生した光電流
は、電流電圧変換回路１５により、受光素子１１を流れ
る電流に対応した電圧となり、さらに差動増幅器１４に
おいて帰還回路の指示値との差分が取られ、該差分値
が、制御回路で検出するエラー電圧となる。このエラー
電圧は高圧制御回路１２へ入り、受光素子１１を流れる
電流が規定値になるように、高圧制御回路１２において
高電圧のバイアス電圧が決められ、高圧制御回路１２内
の適当な駆動回路を通して受光素子１１へ印加される。

【００３２】上記の構成で、入射光が減ると、電流電圧
変換回路１５の出力電圧が低下して該出力電圧と上記指
示値との差が大きくなり、その結果、高圧制御回路１２
を介して、受光素子１１へ印加されるバイアス電圧が上
昇し、受光素子１１を流れる電流を増大せしめるように
動作する。

【００３３】上記の構成で、入射光が増えた場合は、上
記と逆の動作が取られる。図２は、本発明の実施の形態
に係る光受信回路における一実施例としてのＡＰＤを流
れる電流を検出する検出回路の構成を示す回路図であ
る。

【００３４】図２に示す実施例において、上位の回路
（図示は省略）に引き渡す信号を取り出す前置増幅器２
２の入力インピーダンス（＝Ｚｉ）は、ＡＰＤ２１の寄
生容量の影響を抑えるために、通常十分低く抑えられて
いる。ここで、図２に示す直流負荷抵抗（＝Ｒｄｃ）を
Ｒｄｃ＞＞Ｚｉに取ることで、信号成分に与える影響を
十分小さく抑えることが可能で、上記の直流負荷抵抗
（＝Ｒｄｃ）の両端の電圧をＡＰＤ２１を流れる光電流
のモニター値として使うことができる。

【００３５】次に、得られたＡＰＤ２１の電流値を基に
高圧バイアスを制御する部分を説明する。図３は、本発
明の実施の形態に係る光受信回路における一実施例とし
てのＡＰＤ印加バイアスを制御する回路の構成を示す回
路図である。

【００３６】従来技術の問題点として、光無線システム
の環境下では、高抵抗を挿入する方法によっては、回路
安定動作の目的を達成できないことを説明した。そこ
で、図３に示す実施例では、能動素子を用いて、ＡＰＤ
印加バイアスを与える。

【００３７】図３に示す実施例において、ＡＰＤ３１を
流れる電流は、負荷抵抗Ｒ１の両端の電圧降下となって
差動増幅器３２へ入力される。差動増幅器３２では、上
記の電圧降下と基準値との差分で、高圧電源に接続され
た高圧回路を制御する。

【００３８】今、ＡＰＤ３１への入射光が減って、ＡＰ
Ｄ３１を流れる電流が減ると、基準値との上記の差分が
増えて、ＮＰＮトランジスタのベース電位が高くなる。
すると、ＮＰＮトランジスタのコレクター電流が抵抗Ｒ
２を介して流れ、ＰＮＰトランジスタのべース、エミッ
タ間電位（抵抗Ｒ３の電圧降下）が増えて、ＰＮＰトラ
ンジスタは導通状態となり、ＡＰＤ３１へのバイアス電
圧は上昇する。導通時の抵抗は十分低いので、バイパス
コンデンサＣｂの充電も高速に行われ、入射光低下分を
補うバイアス電圧がＡＰＤへ印加される。なお、ＮＰＮ
トランジスタのエミッタは、抵抗Ｒ４を介して接地され
ている。

【００３９】ＡＰＤへバイアスを印加するには、アノー
ド側に印加する方法と、カソード側に印加する方法との
種別の他に、該バイアス印加回路系と信号（ＡＰＤを流
れる電流）取り出し回路系との構成の仕方に対応した種
別もあるので、これら種別の組み合わせにより、幾つか
の方法がある。

【００４０】図４は、本発明の実施の形態に係る光受信
回路における一実施例としてのＡＰＤへバイアスを印加
する回路の構成を示す回路図である。図４に示す実施例
では、ＡＰＤ４１へのバイアスは、抵抗Ｒを介して接続
された高圧電源によって印加される。この場合、ＡＰＤ
４１からの信号は、上記の高圧電源からの高電圧がかか
った状態で、高耐圧のコンデンサ（Ｃｓ）を介して前置
増幅器４２へ取り込まれる。

【００４１】図５は、本発明の実施の形態に係る光受信
回路における一実施例としてのＡＰＤへバイアスを印加
する回路の他の構成を示す回路図である。図５に示す実
施例では、ＡＰＤ５１へのバイアスは、電圧可変回路５
２を介して接続された高圧電源によって印加される。上
記のバイアス印加回路とは別に、ＡＰＤ５１の出力を抵
抗Ｒを介して接地した電流路が構成されている。ＡＰＤ
５１からの信号は、上記抵抗Ｒ両端の電圧降下を高耐圧
のコンデンサ（Ｃｓ）を介して前置増幅器５３へ取り込
まれる構成となっている。

【００４２】図６は、ＡＰＤ一般の印加電圧と増倍率と
の関係を示すグラフである。例えば、図３に示す駆動回
路（高圧バイアスを制御する回路）では、ＡＰＤ３１を
流れる電流が増えると、帰還される電圧が増え、ＡＰＤ
３１へのバイアスは０Ｖに近づいてしまう。図６に示す
グラフで見られるように、ＡＰＤ一般の特性として、印
加電圧（バイアス）が下がると増倍率が下がる。

【００４３】また、印加電圧（バイアス）が下がると、
高周波特性が変化する。これは、空乏層の容量、アバラ
ンシュ領域を通過する走行時間が、バイアス依存性を持
つためである。通常、増倍率を急激に増加させる直前の
バイアスが、良好な高周波特性を維持するためには必要
である。

【００４４】図７は、本発明の実施の形態に係る光受信
回路における一実施例としての帰還回路の構成を示す回
路図である。図７に示す実施例では、図３に示す駆動回
路（高圧バイアスを制御する回路）と同じ構成の回路に
加えて、帰還回路の途中、すなわち抵抗Ｒ５と差動増幅
器７２とを接続する接続線を、ツェナーダイオード
（Ｄ）を介して接地することにより、帰還電圧が、ツェ
ナーダイオード（Ｄ）で決まる値よりも大きくならない
ように工夫している。

【００４５】ツェナーダイオード（Ｄ）の導通電圧は、
理想的な折り曲がり特性であることが望ましい条件であ
る。なお、上記のツェナーダイオードにはオペアンプな
どを充当すれば理想的なダイオード特性を持たせること
ができるので、良い結果が得られる。

【００４６】図８は、本発明の実施の形態に係る光受信
回路における一実施例としての高圧電源の構成を示す回
路図である。上限高圧電源８４を電源とし、帰還回路で
制御されるバイアス電圧は高圧ダイオードＤ２を介して
ＡＰＤ８１に印加される。また、下限高圧電源８３から
のバイアス電圧は、高圧ダイオードＤ１を介してＡＰＤ
８１に印加される。

【００４７】前記の図７に示す実施例では、ツェナーダ
イオード（Ｄ）の働き始める時点の特性がかなり微妙に
なることがある。そこで、図８に示す本実施例の高圧電
源の構成では、大きく電圧が動く点で、電圧の合成を考
える。例えば、下限高圧電源８３の電圧を１００Ｖ，上
限高圧電源８４の電圧を２５０Ｖとすると、上限高圧電
源８４からの電圧がＡＰＤ８１を流れる電流による帰還
作用により、１００Ｖ以下になると、下限高圧電源８３
からの電流供給が始まる。図７に示す実施例でツェナー
ダイオード（Ｄ）の導通電圧が理想的な折り曲がり特性
であることが望ましい条件であったが、この方法によれ
ば、上記の条件が満たされなくても実用上差し支えない
という特徴がある。

【００４８】なお、一般に、ＡＰＤは、印加される電圧
がある値、すなわちＶＢ（ｂｒｅａｋｄｏｗｎ）を生
じる電圧を超えると、急に大きな電流が流れ、最後には
破壊に至る。

【００４９】この電圧は、予め知ることができるので、
上限高圧電源８４の電圧を、上記のＶＢ直前の電圧に設
定しておくことで、帰還回路が不調でも、ＡＰＤ素子の
破壊を避けることができる。

【００５０】上記のブレークダウン電圧ＶＢは、＋０．
１〜０．２％／℃の温度係数を持つ。また、バイアス電
圧ＶｂがＶＢ以下の場合、バイアス電圧をＶｂ、ブレー
クダウン電圧をＶＢ、ｋを常数として、Ｖｂ＜ＶＢでの
増倍率Ｍｂは、Ｍｂ＝１／（１−｜Ｖｂ／ＶＢ｜^k）と
して、経験的に表される。

【００５１】ＶＢが温度依存性を持つので、Ｍｂも温度
依存性を持ち、仮に、下限高圧電源８３の電庄を与える
条件として、Ｍｂ＝２に固定すると、それを与えるＶｂ
は、ＶＢの温度特性を補償する値にする必要がある。

【００５２】図９は、本発明の実施の形態に係る光受信
回路における一実施例としての温度補償回路付きの高圧
電源の構成を示す回路図である。本実施例では、温度セ
ンサー９３から温度情報を受け、該温度情報に対してＣ
ＰＵ９２で必要な処理を行って、該処理結果の出力によ
り高圧電源９１を制御する構成を有する。

【００５３】なお、図９に示す回路で、高圧電源９１
は、図８に示す実施例の帰還回路の構成における下限高
圧電源８３と上限高圧電源８４とを含む構成に相当する
ものとする。

【００５４】図１０は、本発明の実施の形態に係る光受
信回路における一実施例としての吸い込み回路付きのバ
イアス電圧供給回路の構成を示す回路図である。今まで
説明してきた、バイアス電圧供給回路は、光無線固有の
大きなレベル変動の対策として有効である。しかしなが
ら、一つの問題点は、受光レベルが下がって、帰還が掛
かり、ＡＰＤに高圧が供給された後で、急激に受光レベ
ルが上昇すると、バイパスコンデンサ（Ｃｂ）に貯えら
れている高圧により、ＡＰＤに短時間ではあるが、高い
バイアス電圧が供給され、大きな増倍率となり、その結
果、ＡＰＤに大きな電流（跳ね返り電流）が流れること
である。

【００５５】これを防止するには、図１０の回路に示す
ようにトランジスタ（Ｑ２）とダイオードＤ１，Ｄ２で
構成された吸い込み回路を設ける。これにより、ＡＰＤ
１０１には、上記の跳ね返り電流は流れず、その結果、
受光レベルに応じた正確な電庄を供給することができ
る。

【００５６】図１１は、本発明の実施の形態に係る光受
信回路を構成する回路要素の一実施例としての物理的な
配置を示す説明図である。我々の経験によれば、一般
に、ＡＰＤは非常に微弱な信号を扱い、外部回路からの
妨害を受け易い。そこで、高圧制御回路をＡＰＤ回路か
ら離して構成した場合、外部からの雑音を防ぐために、
何らかのＬＰＦをＡＰＤと高圧回路の間に挿入すること
が必要になる。我々の実験によれば、十分に外部雑音を
防ぐようなＬＰＦを挿入すると、時定数が大きくなり、
所要の速度でのＡＰＤバイアスの制御ができなくなる。

【００５７】上記の問題を解決するには、図１１に示す
ように、ＡＰＤ回路１１１を高圧制御回路１１５の近傍
に置くことが非常に有効であることが判明している。そ
こで、より望ましい構成として、ＡＰＤ回路１１１と高
圧制御回路１１５とを一体化した構成としてもよい。こ
のような構成を採用した場合、ＡＰＤ回路では、外部か
らの雑音を除去するための、大きな時定数を持つフィル
ターを入れる必要がなくなり、回路が簡便化され、応答
特性も改善される。

【００５８】なお、旧知の情報によれば、シンチレーシ
ョンの周波数スペクトルは、通常、１ＫＨＺまでの応答
特性があれば、大方のシンチレーションの対策になる。
そこで、帰還系の応答周波数は上記の１ＫＨＺを十分超
えるように構成することで、シンチレーションの影響を
抑えることができる。

【００５９】図１２は、本発明の実施の形態に係る光受
信回路と従来の光受信回路とで、経過時間に対応するＡ
ＰＤ印加電圧を測定した測定結果を示すグラフである。
本実施の形態に係る光受信回路の上記ＡＰＤ帰還回路を
用いることにより、図１２のグラフからも理解されるよ
うに、特に、大きな受光レベル変動に伴ってＡＰＤ電流
が大きく減少していた従来の問題箇所では、ＡＰＤ印加
電圧のレベルを特に大きく圧縮することが示され、後段
のＡＧＣの負担を小さくすることが期待できる。

【００６０】

【発明の効果】以上に説明したとおり、本発明では、Ａ
ＰＤの印加電圧（バイアス電圧）を制御することによ
り、周波数特性をほぼ平坦に維持したまま大きな信号レ
ベル変動を吸収することを可能にし、例えば、増倍率２
から、２００までを使う場合には、４０ｄＢの受光レベ
ル変動を吸収することができる。

【００６１】また、ＡＰＤ出力が一定になるように制御
を掛けることで、上位の回路への前段に置かれる前置増
幅器への入力変動を大きく抑えることができる。さら
に、ＡＰＤへの電圧供給を動的なインピーダンスの低い
状態で行うため、ＡＰＤのバイアス変化を高速で行うこ
とが可能となり、例えば、高速のシンチレーションを含
む周囲環境の変化にも、十分に追随した対応が可能とな
る。

【００６２】さらに、信号光以外の直流的なノイズ成分
にも対応するため、太陽光等の信号光に比べ大きな成分
が入った場合は、帰還によりＡＰＤに印加するバイアス
電圧を下げるので、ＡＰＤの保護を行うことができる。

【００６３】また、単なる帰還回路のみでは、大きな受
光レベルに対して、大きくバイアス電圧が低下し、ＡＰ
Ｄの高周波特性が維持できなくなるが、本案では、下限
を補償する実施例も与えているので、常にＡＰＤの高周
波特性を維持することも可能となる。

【００６４】また、一旦受光レベルが下がり、直後に大
きくなった時に、バイパスコンデンサに貯えられた電荷
の高圧で、ＡＰＤを流れる電流が一旦大きく跳ね返って
いた従来の跳ね返り現象については、ＡＰＤのバイアス
印加回路に供給と吸い込みの両方の回路を備えることで
防止するので、後段のＡＧＣへの負担を減少せしめるこ
とができる。

【００６５】さらに、ＡＰＤ回路と高圧制御回路との物
理的な配置において両者を接近させる構成、又は一体化
する構成とすることで、高圧制御回路で制御後の高圧
を、他からの影響を受けさせることなくＡＰＤへ供給す
ることができる。また、この構成を採用した場合、ＡＰ
Ｄ回路では、外部からの雑音を除去するための大きな時
定数を持つフィルターを入れる必要がなくなり、回路が
簡便化され、応答特性も改善される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係る光受信回路の構成を
示す回路図である。

【図２】本発明の実施の形態に係る光受信回路における
一実施例としてのＡＰＤを流れる電流を検出する検出回
路の構成を示す回路図である。

【図３】本発明の実施の形態に係る光受信回路における
一実施例としてのＡＰＤ印加バイアスを制御する回路の
構成を示す回路図である。

【図４】本発明の実施の形態に係る光受信回路における
一実施例としてのＡＰＤへバイアスを印加する回路の構
成を示す回路図である。

【図５】本発明の実施の形態に係る光受信回路における
一実施例としてのＡＰＤへバイアスを印加する回路の他
の構成を示す回路図である。

【図６】ＡＰＤ一般の印加電圧と増倍率との関係を示す
グラフである。

【図７】本発明の実施の形態に係る光受信回路における
一実施例としての帰還回路の構成を示す回路図である。

【図８】本発明の実施の形態に係る光受信回路における
一実施例としての高圧電源の構成を示す回路図である。

【図９】本発明の実施の形態に係る光受信回路における
一実施例としての温度補償回路付きの高圧電源の構成を
示す回路図である。

【図１０】本発明の実施の形態に係る光受信回路におけ
る一実施例としての吸い込み回路付きのバイアス電圧供
給回路の構成を示す回路図である。

【図１１】本発明の実施の形態に係る光受信回路を構成
する回路要素の一実施例としての物理的な配置を示す説
明図である。

【図１２】本発明の実施の形態に係る光受信回路と従来
の光受信回路とで、経過時間に対応するＡＰＤ印加電圧
を測定した測定結果を示すグラフである。

【図１３】従来の固定利得制御方式の光受信回路の構成
を示す回路図である。

【図１４】従来の光受信回路の逆バイアス印加方法を改
善した逆バイアス印加回路の構成を示す回路図である。

【図１５】従来のフル自動利得制御方式の光受信回路の
構成を示すを示す回路図である。

【符号の説明】

１１……受光素子、１２，１１５……高圧制御回路、１
３……高電圧源、１４，３２，７２，８２……差動増幅
器、１５……電流電圧変換回路、２１，３１，４１，５
１，７１，８１，１０１，１３１，１４１，１５１……
ＡＰＤ、２２，４２，５３，１３２，１４２，１５２…
…前置増幅器、５２……電圧可変回路、８３……下限高
圧電源、８４……上限高圧電源、９１，１０２，１４３
……高圧電源、９２……ＣＰＵ、９３……温度センサ
ー、１１１……ＡＰＤ回路、１１２……受光回路、１１
３……シールドケース、１１４……コネクター、１３
３，１５３……自動利得制御増幅回路、１３４，１５４
……ピーク電圧検出回路、１３５，１５５……逆バイア
ス制御回路、１３６，１５６……逆バイアス回路、Ｃｂ
……バイパスコンデンサ、Ｃｄ……デカップコンデン
サ、Ｃｐ……寄生容量、Ｃｓ……高耐圧のコンデンサ、
Ｄ……ツェナーダイオード、Ｄ１，Ｄ２……高圧ダイオ
ード、ＮＰＮＴｒ……ＮＰＮトランジスタ、ＰＮＰＴｒ
……ＰＮＰトランジスタ、Ｑ１，Ｑ２……トランジス
タ、Ｒ，Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３……抵抗、Ｒｄｃ……直流負
荷抵抗、Ｒｓ……高抵抗、Ｚｉ……入力インピーダンス

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０１Ｌ 31/10 Ｈ０３Ｆ 3/08 Ｆターム(参考） 5F049 MA07 NA04 NA17 NB01 UA05 UA11 UA20 5J092 AA01 AA56 CA32 CA61 CA92 FA10 HA08 HA19 HA20 HA25 HA29 HA43 HA44 KA02 KA12 KA27 KA38 KA61 TA01 TA02 TA06 UL03 5K002 AA03 BA15 CA11 CA18 FA01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】受光素子を備え、前記受光素子に入射さ
れた入射光を電流に変換する光受信回路において、前記受光素子の出力電流を該出力電流の電流量に比例し
た電圧に変換する電流電圧変換回路と、前記電流電圧変換回路の出力電圧と所定の指示値の電圧
との差分を出力する差動増幅器と、電圧源から供給される電圧を前記差動増幅器の出力電圧
により制御して前記受光素子のバイアス電圧に変換して
出力する高圧制御回路と、を有することを特徴とする光受信回路。
【請求項２】前記電流電圧変換回路を、前記受光素子
の出力端子を直流負荷抵抗を介して接地した回路構成と
し、前記直流負荷抵抗を前記受光素子の出力電流を上位
回路に入力する電流路の入力インピーダンスよりも十分
に大きい値としたことを特徴とする請求項１記載の光受
信回路。
【請求項３】高圧電源に接続され、外部からの制御量
に応じた電圧を前記受光素子に印加するＮＰＮトランジ
スタを範疇に含む第１の能動素子と、前記第１の能動素子に与える前記制御量を、前記差動増
幅器の出力電圧に対応して出力するＮＰＮトランジスタ
を範疇に含む第２の能動素子と、を有することを特徴と
する請求項１記載の光受信回路。
【請求項４】前記受光素子の片方の端子に高圧電源の
高圧を印加し、かつ、前記受光素子の他方の端子から光
電流による信号成分を取り出すように構成したことを特
徴とする請求項１記載の光受信回路。
【請求項５】前記受光素子の出力電流を帰還電圧に変
換して前記差動増幅器に入力するための前記差動増幅器
の入力端子を、ツェナーダイオードを介して接地したこ
とを特徴とする請求項１記載の光受信回路。
【請求項６】前記受光素子の正常動作を補償する最高
限度のバイアス電圧を前記受光素子に印加することがで
きる上限電圧源と、前記受光素子の周波数特性の電圧依存性から決まる最低
限度の電圧を前記受光素子のバイアス電圧として印加す
ることができる下限電圧源と、を備えたことを特徴とす
る請求項１記載の光受信回路。
【請求項７】前記上限電圧源を起源とする最終的なバ
イアス電圧と、前記下限電圧源からのバイアス電圧と
が、それぞれ高圧ダイオード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記載の光受信回路。
【請求項８】前記受光素子の温度を計測する温度セン
サーと、該温度センサーからの温度情報を入力して温度
補償制御のための制御変数を出力するセントラル・プロ
セシング・ユニット（ＣＰＵ）を範疇に含む温度制御回
路とを備え、前記温度制御回路から出力される制御変数
により前記上限電圧源と前記下限電圧源を含む高圧電源
を制御することを特徴とする請求項１記載の光受信回
路。
【請求項９】前記受光素子に印加するバイアス電圧を
供給する回路に、バイパスコンデンサの影響により生じ
る跳ね返り電流を吸収するための吸い込み回路を挿入し
たことを特徴とする請求項１記載の光受信回路。
【請求項１０】前記受光素子又は前記受光素子を中心
とする部分回路と、前記受光素子に印加するバイアス電
圧を制御する高圧制御回路とを、互いに物理的に接近し
て配置したことを特徴とする請求項１記載の光受信回
路。
【請求項１１】前記受光素子の出力電流を制御するた
めの帰還系の制御回路の応答周波数の上限を、シンチレ
ーション入力の周波数を上回るように設定したことを特
徴とする請求項１記載の光受信回路。
【請求項１２】前記受光素子としてアバランシェホト
ダイオード（ＡＰＤ）素子を使用したことを特徴とする
請求項１記載の光受信回路。