JPH0353726A - 広帯域光受信器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［概要］ 特にコヒーレント光通信ヘテロダイン検波方式用などに
適した広帯域光受信器に関し、低雑音化と、広帯域化を
同時に実現可能とすることを目的とし、 受光素子が直列キャパシタを介して分布形増幅回路の入
力端に接続され、分布形増幅回路は増幅素子の電極間容
量を構成要素とする定Ｋ形フィルタを複数縦段接続して
なり、受光素子の電極間容量および直列キャパシタの容
量の合成容量と、受光素子および分布形増幅回路入力端
間に存在するインダクタンス要素とで分布形増幅回路の
定Ｋ形フィルタの半区間が構成されてなる。

［産業上の利用分野］ 本允明は広帯域光受信器に係り、特にコヒーレント光通
信ヘテロダイン検波方式用に適した光受信器に関する。

高度情報化社会における大容量の情報伝達手段として光
通信が注目されており、その伝送速度（ビットレート）
の向上に対する要求も年々高まっできている。ＩＭ−Ｄ
Ｄ　（強度変調直接検波）方式光通信においては、１．
６ＧＢＰＳあるいは２．４ＧＢＰＳが実用段階に達して
おり、研究レベルでは１　０　ＧＢＰＳも現実のものと
なっている。また、ＩＭ−ＤＤ方式に比べて長距離・大
容量伝送が可能な、次世代の光通信として期待されてい
るコヒーレント方式光通信においても４　ＧＢＰＳの伝
送速度が達成されている。

一方、受光素子単体ではＰＩＮフォトダイオードに限れ
ば２０〜３０ＧＨｚとかなり広帯域のものが実現されて
おり、素子単体から見ればさらに一層のビットレ〜ト向
上の可能性がある。しかしながら上記ビットレートの向
上を阻むｔ要因として後続される増幅２３の帯域制限が
ある。このため、上記受光素子の広帯域性を活かすこと
のできる広帯域フロントエンド増幅器の開発が必要とな
る。

［従来の技術］ 第９図には従来の一般的な光受信器のフロントエンド増
幅器の構成例が示される。図中、３ｌは受光素子、３２
と３４はＦＥＴ、３３はＦＥＴ３２と３４間をレベルシ
フトしつつ結合するツェナーダイオードである。

この光受信器は、受光素子および増幅素子をただ単に直
接接続しただけの構成である。したがってその高速化は
構成素子の高速化に頼っているのみであり、素子間の整
合については何ら考慮されていない。すなわちこの形の
光受信器は、本質的に不整合回路で構成されているため
、５ＧＨｚを越える高周波領域における設計性がなく、
また後続の前置増幅器に対する電圧定在波比（ＶＳＷＲ
）も高周波領域になると劣化するという問題がある。

かかる問題を解決する光受信器として、本出願人にかか
る特願昭６３−２９１０７２号では発明の名称「直流結
合型光受信器」と称する定Ｋ形フィルタで段間の整合を
とった広帯域光受信器が提案されている。第７図はかか
る広帯域受信器の構成例を示すものである。

第７図において、１１はアバランシエフオトダイオード
（ＡＰＤ）あるいはＰＩＮフォトダイオード等の受光素
子、ｌ２は分布形増幅器である。受光素子１ｌはマイク
ロストリップライン等を介して分布形増幅器１２の入力
端に直結されている。

分布形増幅器ｌ２は進行波形増幅器とも称されるもので
あり、複数の電界効果トランジスタｌ３と、マイクロス
トリップライン等からなる複数のインダクタンス要素ｌ
４、１５とを備えている。

この分布形増幅２３１２は、等価回路的には、トランジ
スタｌ３の電極間容量（すなわちゲートソース間容潰Ｃ
　ｇｓとドレインソース間容ｉ１ｃｄｓ）とインダクタ
ンス要素１４、１５を構成要素とする定Ｋ形フィルタが
複数段カスケードに接続された構成となっており、それ
により増幅器内部の整合がとられて広帯域化が図られる
。

さらに分市形増幅藩１２の入力側においては、受光素子
１１の電極間容量Ｃｄと分布形増幅器１２の初段トラン
ジスタｌ４のゲートソース間容遺Ｃｇｓとは２Ｃｄ＝Ｃ
ｇｓの関係となるように素子が選ばれており、それによ
りこの電極間容電Ｃｄと受光素子ｌ１と初段トランジス
タ１３間に存在するマイクロストリップライン等のイン
ダクタンス要素１４とで分布形増幅器ｌ２の定Ｋ形フィ
ルタの半区間が構成されるようにしてある。

この結果・、受素子１１と分布形増幅器ｌ２の段間にお
いても整合がとられた状態となっており、光受信器の広
域化が実現可能となっている。

なお、分布形増幅器ｌ２の出力側においても、各トラン
ジスタｌ３のドレインソース間容量Ｃｄｓとインダクタ
ンス要素ｌ５によって定Ｋ形フィルタが構成されており
、トランジスタ１３の入出力アイソレーショーンにより
良好な電圧定在波比（ＶＳＷＲ）が広帯域にわたって得
られるようになっている。

上述の広帯域光受信藩をコヒーレント光通信ヘテロダイ
ン検波用の光受信器に適用する場合の構成例が第８図に
示される。この光受信器では、直列接続された２つの受
光素子２ｌ、２２を備え、これらの受光素子２１、２２
の接続点を分布形増幅器１２の入力端に直結している。

コヒーレント光通信用光受信器では直流結合のため強力
な局発光による直流成分が後段の増幅器の飽和を招くな
どして問題となるが、上述の光受信器では受光素子２ｌ
、２２のアノードとカソードを接続して、その接続点よ
り中間周波数信号あるいはベースバンド信号を取り出す
バランス型構成をとることにより、この直流成分をキャ
ンセルするようにしたものである。

［発明が解決しようとする課題１ 上述の受信器を構成する定Ｋ形フィルタの共振周波散ｆ
ｃと入力インピーダンスＺｉｎは次式で与えられる。

いま例えば０．５μｍケード幅の電界効果トランジスタ
を想定すると、Ｃ＝０．２ｐＦであり、Ｚ　ｉｎ＝　５
　０Ωとすると、Ｌ＝０．５ｎＨで、共振周波教は１５
．９ＧＨｚとなり，かなりの広帯域化が可能である。

一方、低雑音化を図るために人力インピーダンスＺｉｎ
を例えばＺｉｎ＝２００Ωとすると、Ｌ＝８ｎＨ，ｆｃ
　＝４ＧＨｚとなって広帯域特性が劣化する。このよう
に上述の光受信器では広帯域化と低雑音化がトレードオ
フの関係にあり、広帯域化を重視すれば雑音特性を犠牲
にしなければならない。

また、上述の広帯域受信器では受光素子の素子容量と分
布形増幅器のトランジスタの電極間容量との間には一定
の関係が必要となるため、受光素子とトランジスタの神
類の選定の自由度が低い。

さらに上述の光受信器をコヒーレント光通信ヘテロダイ
ン検波方式に用いる場合には受光素子が２つ必要となり
、特に多数の光受信器を必要とする光通信システムでは
不経済である。

したがって本発明の目的は，光受信器の低雑音化と広帯
域化を同時に実現可能とすることにあり，またコヒーレ
ント光通信に適用される場合には経済的に回路を構成で
きるようにすることにある。

［課題を解決するための千段］ 第ｌ図は本発明に係る原理説明図である。

本発明に係る広帯域光受信器は、受光素子７１が直列キ
ャパシタ７２を介して分布形増幅回路７３の入力端に接
続され、分布形増幅回路７３は増幅素子の電極間容遣を
構成要素とする定Ｋ形フィルタ７３１をｗＩ敦縦段接続
してなり、受光素子７１の電極間容量および直列キャパ
シタ７２の容電の合成容ｔ【と、受光素子７１および分
布形増幅回路７３の人力端間に仔仔するインダクタンス
要素７４とで分布形増幅回路７３の定Ｋ　形フィルタ７
３ｌの半区間が購成されてなるものである。

Ｌ作ｆＭ　］ 受光素子７１と分布形増幅回路７３間、および分市形増
幅回路７３の内部の増幅素子間はそれぞれ定Ｋ形フィル
タにより段間の整合がとれた状態にあるため、広帯域化
が可能となっている。しかも直列キャパシタ７２の挿入
により、インダクタンス分を大きくすることなく定Ｋ形
フィルタの人力インピーダンスを高めることができるの
で低雉音化にも寄与し、また受素子７１と増幅素子の選
定の自由度が増す。

この広帯域光受信器をコヒーレント光通信ヘテロダイン
検波方式に適用する場合には、直列キャパシタ７２の直
流カット作用により、受光素子を２つ用意する必要がな
くなり、装置の経済化が図られる。

［実廁例１ 以下、図面を参１■シて本発明の実施を説明する。第２
図には本発明の一実施例としての広帯域光受信器が示さ
れる。

第２図において、ｌは受光素子であり、アバランシェホ
トダイオードあるいはＰＩＮホトダイオード等を用いる
ことができる。この受光素子ｌはハイインピーダンス（
　教Ｋ　−　Ｒ　ＭΩ）のバイアス抵抗５を介して接地
されている。この受光素子ｌはアノード・カソード間に
Ｃｓの素子容墳を有している。受光素子ｌのカソード（
ｉｊｌｌは直列キャパシタ２とインダクタンス要素３と
を介して分布形増幅器４の人力端に接続される。インダ
クタンス要素３としては受光素子ｌと分布形増幅器４と
を接続するマイクロストリップラインあるいはボンディ
ングワイヤ等が持つインダクタンス分を利用することが
できる。ここでは直列キャパシタの容丑をＣｃ，インダ
クタンス要素３のインダクタンスなＬ／２とする。

分布形増幅器４の構成例が第３図に示される。

図示の如く、電界効里トランジスタ４ｌと、そのトラン
ジスタ４ｌのゲートに接続された２つのインダクタンス
要素４２と、そのトランジスタ４ｌのドレインに接続さ
れた２つのインダクタンス要素４３とを回路単位として
、この回路単位が複数段カスケードに接続された構成と
なっている。

これらのインダクタンス要素４２．４３はそれぞれＬ／
２，Ｌｄ／２，のインダクタンスを持ち、素子間を接続
するマイクロストリップライン，あるいはボンディング
ワイヤ等で構成することができる。なお、４４はゲート
バイアス電圧印加用のゲート抵抗、４５はドレインバス
アス電圧印加用のドレイン抵抗である。

この分布形増幅器４の入力側回路の等価回路が第４図に
、また出力側回路の等価回路が第５図にそれぞれ示され
る。入力測等価回路は、トランジスタ４ｌのゲートソー
ス間容ｉ７ｃｇｓと２つのインダクタンス要素４２のイ
ンダクタ，ンスＬ／２とで構成される丁字形回路を１区
間とする定Ｋ形フィルタが複数段にわたり縦段接続され
た形となっている。また出力側等価回路は、トランジス
タ４ｌのドレインソース間容墳（：，　ｄＳおよびドレ
インソース間抵抗Ｒｄｓと、２つのインダクタンス要素
４３のインダクタンスＬｄ／２とで構成される丁字形回
路を１区間とする定Ｋ　Ｉｆ’，フィルタが複数段にわ
たり縦段接続された形となっている。

このように分布形増幅４は等価回路的には複数の定Ｋ形
フィルタが複数段力スケードに接続された形となってお
り、よって増幅素子間の整合がとれた状態となっていて
、広帯域化が可能である。

第６図は受光素子１１と分布形増幅器４人力段との接続
部分の交流等両回路である。図示の如く、受光素子１ｌ
は電流源ｉｓと容嘔ＣＳで表わされ、容肴Ｃｓはキャパ
シタ２の容看Ｃｃと直列に接続された形となる。よって
この容量ＣＳとＣの合成容はをＣとすると， である。この合成容κＣとインダクタンス要素３のイン
ダクタンスＬ／２は定Ｋ形フィルタのπ型回路半区間を
構成しており，合成容電Ｃの値をＣ＝Ｃｇｓ／２ となるように調整すると、分布形増幅２３４の入力側の
定Ｋ形フィルタと同じ特性となり、それにより受光素子
ｌと分布形増幅器４との段間においても整合がとれた状
態となり、光受信オ３全体の広帯域化が実現できる。

この場合、入力側の定Ｋ形フィルタの共振周波数ｆ’ｃ
は ？■「「『ー 人力インピーダンスＺ．ｉｎは、 である。

さて、 低雑音化を図るために入力インビーダンスＺｉｎを大き
くとる場合、インダクタンスＬの値を大きくするか、あ
るいは容＠Ｃの値を小さくするかである。しかしＬの値
を大きくした場合には共振周波数ｆｃが下がってしまい
、広帯域化を図る観点からは望ましくない。

一方、受光素子ｌの容１ｃｓを調整して入力インピーダ
ンスＺｉｎを大きくとろうとする場合、第７図で説明し
た光受信器では、この容ｆｆｌ　Ｃ　ｓは受光素子１に
固有の素子容看であり、かつ後段の分布形増幅器４のト
ランジスタ４ｌのゲートソース間容量Ｃｇｓとの間で一
定の関係が必要であるため，その調整は困難である。

これに対して、実施例の光受信器では、直列キャパシタ
２を受光素子１に直列に挿入することにより、その合成
容看Ｃを受光素子ｌの素子容電Ｃｓを変えることなく小
さな値に設定することができ、かつ分布形増幅′ｊ９Ｉ
４　ｆｕｌｌの定Ｋ形フィルタとの特性合わせも容易に
行えるようになる。このように元々の素子容ｍ　Ｃ　Ｓ
に容量Ｃｃを直列に付加することにより等価的に、定Ｋ
形フィルタπ形半区間を形成する容漿サセブタンスの値
を小さくすることができ、高入力インピーダンス（すな
わち低雑ａ）で広帯域な特性が得られるようになる。

なお、分布形増幅器４のトランジスタ４ｌのゲートソー
ス間容堅Ｃ　ｇｓが大き過ぎるような場合には、そのゲ
ート側に１ａ列に調整用のキャパシタを挿入して全体の
合成容噴を適当な値に調整するとよい。

［発明の効果］ 本発明は以下のような効果を奉するものである。

■光受信２３の各素子の段間が定Ｋフィルタで整合がと
れた状態となるから、広帯域化が可能である。

■直列挿入キャパシタにより広帯域性を維持しつつ入力
インピーダンスを高めて低雑音化を図ることが可能であ
る。

■受光素子｛１ｉ１１と分布形増幅器側の定Ｋ形フィル
夕の特性合わせが直列挿入キャパシタの容量選定で容易
に行えるようになり、使用する受光素子とトランジスタ
素子の選定の自由度が増す。

■コヒーレント光通信ヘテロダイン検波方式に用いる場
合、直列挿入キャパンタの直流カット作用により、従来
のように受光素子を２つ使用する構成とする必要がなく
なり、装置を経済的に構成することが可能となる。

■分布形増幅器にＦＥＴを用いているため人出力アイソ
レーションが大きく、出力１ｌ１１を独立に設計できる
ためＶＳＷＲが広帯域にわたって向上され、後段の増幅
器との整合が容易にとれるようになる。

【図面の簡単な説明】

第ｌ図は本発明に係る原理説明図、 第２図は本発明の一実施例としての広帯域光受信２３を
示す構成図、 第３図は実施例の分布形増幅黙の構成例を示す回路図， 第４図は分布形増幅器の入力測の等価回路図、 第５図は分布形増幅器の出力側の等価回路図、 第６図は実施例の受光素子部分の等価回路図、 第７図は先に提案された広帯域光受信器の構成を示す図
、 第８図は第７図の光受信器をコヒーレント光通信ヘテロ
ダイン検波方式に適用した場合の回路構成を示す図、 第９図は従来の光受信器の構成を示す図である。 図において、 １、１ｌ、２ｌ、２２・・・受光素子 ２・・・直列キャパシタ ３、４２、４３・・・インダクタンス要素４、ｌ２・・
・分布形増幅器 ４１・・・電界効果トランジスタ ４４・・・ゲート抵抗 ４　５　・ ｃｄ　・ Ｃｇｓ・ Ｃｄｓ・ ・ドレイン抵抗 ・受光素子の素子容暖 ・トランジスタのゲートソース間容遺 ・トランジスタのドレインソース間容 遣 第１ 図 第２ 図 Ｔ型１区珂 第４図 ２分布形増輻春 第７ 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 受光素子（７１）が直列キャパシタ（７２）を介して分
   布形増幅回路（７３）の入力端に接続され、 該分布形増幅回路（７３）は増幅素子の電極間容量を構
   成要素とする定Ｋ形フィルタを複数縦段接続してなり、 該受光素子（７１）の電極間容量および該直列キャパシ
   タ（７２）の容量の合成容量と、該受光素子（７１）お
   よび該分布形増幅回路（７３）の入力端間に存在するイ
   ンダクタンス要素（７４）とで該分布形増幅回路（７３
   ）の定Ｋ形フィルタの半区間が構成されてなる広帯域光
   受信器。