JP2006262003A - 光受信回路装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ピーク検知を行うことなく、簡易な回路構成で大信号振幅の信号入力を検知し、利得制御する光受信回路装置を提供する。
【解決手段】光信号を電流信号に変換する光電変換回路（１２）と、光電変換回路の電流信号を電圧信号に可変的に変換増幅する電気信号増幅回路（１３）と、光電変換回路から発生する直流電流分を引き抜く直流電流吸収回路（１４）と、直流電流吸収回路に吸収される電流を検知する吸収電流量検知回路（１５）と、吸収電流量検知回路の検知結果を元に電気信号増幅回路の増幅量の制御する増幅率制御回路（１６）とを具備する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光通信等の光信号を光電変換して得られる電気信号を受信する光受信回路装置、特に光電変換素子に接続する集積化光受信回路装置に関する。

光通信装置の一例としてＰＩＮ型フォトダイオードとトランスインピーダンス型増幅回路を用いた高速光受信装置の従来技術を説明する。一般にＰＩＮ型フォトダイオードとトランスインピーダンス型増幅器は素子が異なるため、それぞれ別プロセスでＰＩＮ型フォトダイオードは素子チップとして、トランスインピーダンス型増幅器は集積回路として作製される。両者は電気的に結合されることになるが、その手法は一般には高周波特性を劣化させないために、基板上にそれぞれを近接実装してボンディングワイヤで電気的に結合される。

光受信装置は一般に微小な光信号から大きな光信号までの広いダイナミックレンジで動作する必要がある。フォトダイオードから出力される信号に含まれるＤＣ（直流）電流成分は微小な光信号時の場合は少ないＤＣ電流が発生し、大きな光信号の場合は大ＤＣ電流が発生するため、入力信号パワーに応じて信号振幅が変化すると共に、ＤＣ電流も変化する。このＤＣ電流はトランスインピーダンスアンプへ流入すると回路の動作状態がずれるため、トランスインピーダンスアンプの入力部で、ＤＣ電流を吸入する回路で処理が行われる。

一方、入力信号成分はそのままトランスインピーダンスアンプへ入力されるため、大信号がフォトダイオードより発生した場合、トランスインピーダンスアンプが飽和し、正常動作ができない問題があった。これを避けるためにはトランスインピーダンスアンプの利得を下げれば良いが、その場合、小信号入力時にノイズが増加する問題が生じる。これらの問題から、トランスインピーダンスアンプはダイナミックレンジが大きく取れない問題があった。

この課題を解決するために、従来例として特許文献１に記載されているような自動利得切替型バースト光受信回路が提供されている。このバースト光受信回路では、フォトダイオードの受光電流を電圧信号に変換するトランスインピーダンスアンプ、このトランスインピーダンスアンプの利得を決める負帰還回路部に通過用のＭＯＳトランジスタ及び受光電流のピークを検出するピーク検出回路を設け、フォトダイオードが大振幅信号を出力すると、ピーク検出によりゲートを開き、信号成分を通過させる。これにより大振幅信号時に回路の飽和を避けると共に、小信号時にはゲートを閉じ、利得を増加させ、ノイズ特性も向上させる。
特開２０００−２５２７７５

従来のバースト光受信回路によって、大信号が入力された場合も、小信号が入力された場合もトランスインピーダンスアンプは動作が可能となり、ダイナミックレンジが広く取れる。しかしながら、従来の光受信回路では、ピーク検出回路が必要であり、回路構成が非常に複雑となり、誤動作の問題、チップ面積の拡大、試験の複雑さなどの問題があり、ひいてはコストの増加、消費電力の増加など欠点があった。更に、ピーク検知の場合は、高周波を検知しなければならないので制御系に誤差が生じてしまう。

この発明は、簡易な回路構成で大信号振幅の信号入力を検知し、検知結果に基づいて利得制御し、広ダイナミックレンジで動作する光受信回路装置を提供することを目的とする。

本発明の一局面は、光信号を電流信号に変換する受光素子と、当該受光素子の電流信号を電圧信号に可変的に変換増幅する変換増幅器と、前記受光素子から発生する直流電流分を引き抜く直流電流吸収回路と、前記直流電流吸収回路に吸収される電流を検知する吸収電流量検知回路と、前記吸収電流量検知回路の検知結果を元に前記トランスインピーダンスアンプの増幅量の制御する増幅率制御回路とを具備することを特徴とする光受信回路装置を提供する。

本発明では、直流電流吸収回路により引き抜かれる受光素子のＤＣ電流を検知することにより、変換増幅器の利得を制御しているので回路構成は簡易となる。また、信号流入阻止回路を付加する事により、小信号入力時のノイズを低下させ、ダイナミックレンジを拡大させる効果がある。

以下、図面を参照しながら本実施の形態について詳細に説明する。

この発明の第１の実施形態を図１を参照して説明する。図１において、点線枠で囲んだ部分が電気信号増幅ＩＣモジュール１１を示している。フォトダイオードを含む光電変換回路１２はＩＣモジュール１１の外部に配置され、ＩＣモジュール１２にボンディング接続される。

電気信号増幅ＩＣモジュール１１には、電気信号増幅回路１３と直流電流吸収回路１４が設けられる。電気信号増幅回路１３は光電変換回路１２の受光信号を増幅するために光電変換回路１２の出力部に接続され、直流電流吸収回路１４は受光信号の直流（ＤＣ）電流を全て吸収するために直流電流吸収回路１４の出力部に接続される。直流電流吸収回路１４は吸収電流検知回路１５を介して増幅率制御回路１６に接続される。増幅率制御回路１６が吸収電流検知回路１５によって検知されたＤＣ電流の吸収量に応じて電気信号増幅回路１３の利得を制御する。

第２図に光信号の小信号入力時と大信号入力時の波形が示されている。小信号入力時には、振幅の小さい信号と或るバイアス電流値Ｉｂ１を示すが、大信号入力時には、信号振幅が増大すると共に、それに応じてバイアス電流値Ｉｂ２も増大していることが分かる。この関係から、大信号を検出するためにはバイアス電流値Ｉｂ２の値を検出すれば良く、信号のピークを検出する必要は無い。従って、第１図の回路構成はＤＣ吸収電流によって信号振幅を検知し、その結果で電気信号増幅回路１３の増幅率を制御する。

上記の回路構成によって、大光信号が入力した時に電気信号増幅回路１３が飽和状態に入ることが無くなり、安定した動作が可能となる。また、小信号入力時には電流吸収回路１４は殆ど電流を吸収しないため、電気信号増幅回路１３の増幅率は最大の状態となる。従って、ノイズの低い高利得の状態を保つことができる。この結果、広ダイナミックレンジの光信号に対応して、本発明の光受信回路装置は動作することが可能となる。

第３図は、本発明の第２の実施形態の光受信回路を示す。点線枠で囲んだ部分が電気信号増幅ＩＣモジュール１１を示している。第１の実施形態と同様に光電変換回路１２はＩＣモジュール１１の外部に設けられる。この第２の実施形態では、第１の実施形態に更に信号阻止回路１７が電流吸収回路１４の前段に設けられている。

第２の実施形態においても、光電変換回路１２は光信号を光電変換して電気信号を出力する。出力された電気信号はＩＣモジュール１１の電気信号増幅回路１３へ入力される。入力された電気信号は電圧増幅されてＩＣモジュール１１の外部に出力される。

電気信号増幅回路１３の信号入力部には、信号阻止回路１７を介して電流吸収回路１４が接続されている。電流吸収回路１４は、一般に光電変換回路１２もしくは電気信号増幅回路１３の出力部に設けた電流検知回路で制御され、光電変換回路１２から発生するＤＣ電流を全て吸収する。電流吸収回路１４によって吸収されるＤＣ電流値は吸収電流検知回路１５により検知され、吸収ＤＣ電流値がある値になると電気信号増幅回路１３の増幅率、即ち利得を制御する増幅率制御回路１６を制御する。この結果、電気信号増幅回路１３は電流吸収回路１４の吸収電流量によって利得が制御されることになる。

信号阻止回路１７は電気信号が電流吸収回路１４へ流入することを阻止するための回路であり、その阻止量は吸収電流量検知回路１５の検知結果に応じて調整される。

この回路構成によって、図１の実施形態で述べた効果と共に、信号を電流吸収回路１４へ流入させない効果があり、さらに阻止量を調整できるために、電流吸収回路１４は正常なバイアスレベルを保ちつつ、最大限の効果を得ることができる。即ち、小信号入力時には信号阻止量を大きく設定し、大信号入力時は信号阻止量を小さく設定する。これにより、小信号時にはノイズ特性を向上させ、大信号時には電流吸収量を向上させることができ、図１の実施形態よりもさらなる広ダイナミックレンジの光信号に対応して、電気信号増幅回路１３は動作できる。

図４は、図３の回路を具体的にしました光受信回路装置を示している。この回路装置によると、図３の電気信号増幅回路ｌ３が電気信号アンプ２１とこの電気信号アンプ２１に並列に接続される抵抗２６により構成され、光変換回路１２のフォトダイオード２２からの光電信号を電圧信号に可変的に変換増幅する。信号阻止回路１７はフォトダイオード２２と電流吸収器２３との間に接続された抵抗２４とこの抵抗２４の両端にソース及びドレインがそれぞれ接続されたＭＯＳトランジスタ２５によって構成される。ＭＯＳトランジスタ２５のゲートは吸収電流量検知回路１５の出力端子に接続される。増幅率制御回路１６は抵抗２６の両端にソース及びドレインがそれぞれ接続されるＭＯＳトランジスタ２７によって構成される。

図４の回路において、フォトダイオード２２から出力される光電変換電流の直流電流が抵抗２４を介して電流吸収器２３によって吸収される。このとき、電流吸収器２３により小さい直流電流が吸収されているときには、電流量検知回路１５はＭＯＳトランジスタ２５のゲートに直流電流に応じたゲート信号を供給し、ＭＯＳトランジスタ２５をＯＦＦにする。これにより、小信号の流出が抵抗により制限され、信号阻止回路の電流阻止量が大きくなる。これに対して、大きな直流電流が電流吸収器２３に取り込まれると、電流量検知回路１５はＭＯＳトランジスタ２５のゲートに大直流電流に応じたゲート信号を供給し、ＭＯＳトランジスタ２５をＯＮにする。これにより、大信号はＭＯＳトランジスタ２５を介して流出する。即ち、信号阻止回路の電流阻止量が小さくなる。

吸収電流量検知回路１５の検知信号は増幅率制御回路のＭＯＳダイオード２７のゲートにも供給されるが、フォトダイオード２２から大電流が供給されたとき、吸収電流量検知回路１５の検知信号はＭＯＳダイオード２７をＯＮにし、増幅回路１３の増幅率を低下させ、増幅回路１３が飽和状態になることを防止する。

第５図は、本発明の第３の実施形態に従った受信回路を示している。本実施形態では、電気信号増幅ＩＣモジュール１１では、信号阻止回路１７は直列接続された抵抗３２，３３と抵抗３３の両端子にそれぞれソース及びドレインが接続されたＭＯＳトランジスタ３４とによって構成される。抵抗３３の両端子がＤＣ電流量検知回路１５の入力部に接続される。ＤＣ電流量検知回路１５の出力部は制御回路３５を介してＭＯＳトランジスタ２７のゲートに接続される。制御回路３５の制御出力はＭＯＳトランジスタ３４のゲートに接続される。

ＭＯＳトランジスタ３６は電流吸収回路を構成し、ＤＣ電流吸収量制御回路３７からの制御信号に応じてフォトダイオード２２からのＤＣ電流を全て吸収する。ＤＣ電流吸収量制御回路３７は、通常、アンプを飽和させる−３ｄｂｍの電流信号がアンプ２１に入力されるときにオン信号をＭＯＳトランジスタ３６に入力し、このＭＯＳトランジスタ３６をオンにする。

信号阻止回路１７は、ＭＯＳトランジスタ３４によって信号阻止量を制御する。トランスインピーダンスアンプ２１と抵抗２６は電気信号増幅回路を構成し、ＭＯＳトランジスタ２７が増幅率制御回路を構成する。Ｖｐｄはフォトダイオード２２の電源電圧であり、フォトダイオードのカソード端子に接続される。

フォトダイオード２２には光信号が入力され、光電変換によりアノード端子に電気信号が出力される。出力された電気信号は電気信号増幅回路１３に入力される。フォトダイオード２２からの信号電流は、阻止回路の抵抗３２によって電流吸収回路３６へは信号は流れ込まず、電気信号増幅回路１３へと流れ込む。

吸収電流量検出回路１５は抵抗３２によって電圧降下した電圧値を算出する。この値がある一定値よりも下がると、吸収電流量検知回路１５は大電流が入力されたと判断し、制御回路３５を制御し、ＭＯＳトランジスタ２７をオン状態とする。この結果、抵抗２６へ流れていた電流信号はＭＯＳトランジスタ２７へ流れ込み、利得が下がることになる。従って、大電流が入力されても電気信号増幅回路１３は飽和することなく正常に動作することが可能となる。また、小電流入力時は制御回路３５はオフとなり、ＭＯＳトランジスタ２７もオフ状態で入力された信号は全て抵抗２６を通り、増幅へ寄与しノイズを低減する。この結果、本回路を用いることにより、広ダイナミックレンジの回路を提供できる。

図６は、図５の第３の実施形態の変形例であり、図５の回路にヒステリシス回路３８と高周波補償抵抗３９が設けられている。ヒステリシス回路３８は制御回路３５と増幅率制御回路用ＭＯＳトランジスタ２７のゲートとの間に接続され、ＭＯＳトランジスタ２７のＯＮ／ＯＦＦ動作の揺れを補償するために設けられている。高周波補償抵抗３９はＭＯＳトランジスタ２７がＯＦＦ時の高周波信号劣化の影響を防ぐために設けられている。

図７を参照して第４の実施形態を説明する。この第３の実施形態によると、ダミー回路を設け、主回路とダミー回路との直流差分に従って直流電流の引き込み量を制御している。

図７の光受信回路によると、主回路は、光変換回路１２のフォトダイオード２２からの光電信号を電圧信号に可変的に変換増幅する主電気信号アンプ２１と電気信号アンプ２１に並列に接続される抵抗２６とこの抵抗２６の両端にそれぞれ接続されるソース及びドレインを有するＭＯＳトランジスタ２７とによって構成される。これに対して、ダミー回路は、ダミー電気信号アンプ４１とこのダミー電気信号アンプ４１に並列に接続される抵抗４２とこの抵抗４２の両端にそれぞれ接続されるソース及びドレインを有するＭＯＳトランジスタ４３とによって構成される。主電気信号アンプ２１及びダミー電気信号アンプ４１の出力部はＤＣ差分検出回路４４及び出力差動増幅器４５に接続される。ＤＣ差分検出回路４４の出力部は電流吸収器２３の制御入力部に接続される。

上記構成の光受信回路によると、主電気信号アンプ２１及びダミー電気信号アンプ４１の直流出力電圧成分の差分がＤＣ差分検出回路４４により検出され、この差分に応じて電流吸収器２３がＤＣ電流の引き込み量を制御する。

図８は、図１の実施形態の光信号受光装置に光信号を入力し、電気信号増幅回路１３から出力される信号の符号誤り率を測定した結果を示している。図８では、同時に従来からの技術を用いた場合の光信号受光装置に対する符号誤り率の測定結果も示されている。実線が本発明の実施形態の測定結果を示し、点線が従来例の測定結果を示している。符号誤り率は規格で設定された一定値で評価する。この場合、破線の位置の符号誤り率が規定値である。従来例では小信号入力時はノイズが大きいため低いレベルの信号を受信できない。また、大信号入力時はＤＣ電流が電気信号増幅回路に流入するため、大信号を受信できない。この結果、ダイナミックレンジは１８ｄＢに留まる。一方、本発明では、小信号時はノイズが小さいため、低いレベルまで受信ができ、また、大信号時にはＰＤからのＤＣ電流をＤＣ電流吸収回路が吸収するため、受信可能となる。この結果、ダイナミックレンジは従来に比べ１０ｄＢ広い２８ｄＢを得ることができる。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明は光通信システムとして、長距離光通信システム或いは、ギガビットイーサ等家庭用光送受信システムに適用できる。

本発明の第１の実施形態である光受信回路装置のブロック回路図 光小信号波形と光大信号波形の波形図 本発明の第２の実施形態である光受信回路装置のブロック回路図 図３の光受信回路装置の回路図 本発明の第３の実施形態である光受信回路装置の回路図 図５の第３の実施形態の変形例である光受信回路装置の回路図 本発明の第４の実施形態である光受信回路装置の回路図 本発明と従来例による特性を示すグラフ

符号の説明

１１…電気信号増幅ＩＣモジュール、１２…光電変換回路、１３…電気信号増幅回路、１４…電流吸収回路、１５…吸収電流量検知回路、１６…増幅率制御回路、１７…信号阻止回路、２１…電気信号アンプ、２２…フォトダイオード、２３…電流吸収器、２５…ＭＯＳトランジスタ、２７、３４，３６…ＭＯＳトランジスタ、３５…制御回路、３７…ＤＣ電流吸収量制御回路、３８…ヒステリシス回路、４１…ダミー電気信号アンプ、４４…ＤＣ差分検出回路

Claims (5)

1. 光信号を電流信号に変換する受光素子と、当該受光素子の電流信号を電圧信号に可変的に変換増幅する変換増幅回路と、前記受光素子からの電流信号のうち直流電流を吸収する直流電流吸収回路と、前記直流電流吸収回路に吸収される前記直流電流を検知する吸収電流量検知回路と、前記吸収電流量検知回路の検知結果に基づいて前記変換増幅回路の増幅率を制御する増幅率制御回路とを具備することを特徴とする光受信回路装置。
2. 前記直流電流吸収回路と前記変換増幅回路の入力端子との間に設けられる可変信号流入阻止回路を更に具備することを特徴とする請求項１に記載の光受信回路装置。
3. 前記吸収電流量検知回路は前記信号流入阻止回路を通過する直流電流量を検知する手段を含むことを特徴とする請求項２に記載の光受信回路装置。
4. 前記増幅率制御回路は前記変換増幅回路の負帰還素子に並列に接続されたＭＯＳトランジスタにより構成されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１に記載の光受信回路装置。
5. 前記吸収電流量検知回路と前記増幅率制御回路との間に接続されるヒステリシス回路を具備することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１に記載の光受信回路装置。

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