JPS6016763B2 - 光受信装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はアバランシフオトダイオードを用いた光受信装
置に関するものである。

アバランシフオトダィオードは光電流の増倍作用を有す
るＰＮ接合半導体光検出器であり、ブレークダウン電圧
近くまで逆バィアスした状態で使用され、強電界下にあ
る接合部に照射された光を光電流に交換し、この光電流
で衝撃なだれをおこして光電流の増倍を行うものである
。

この糟情作用がある為に通常のフオトダィオードでは受
信できない様な微弱な光信号でもアバランシフオトダィ
オードを使えば受信することが可能になる。この特徴を
生かす為には光電流増情度がある程度大きな状態で使用
する必要があり、その様な状態ではブレークダウン電圧
と印加電圧の差はごくわずかである。また光電流増倍度
はブレークダウン電圧と印加電圧の差にほぼ逆比例する
ことが知られており、従って印加電圧やブレークダウン
電圧がわずかに変動した場合でも、光電流増倍度は大幅
に変動する。それゆえアバランシフオトダイオードを用
いる場合には、装置を安定に動作させる為に光電流増情
度の安定化を行うことが必要とされるがブレークダウン
電圧が温度によって変化するので印加電圧の安定化だけ
では不十分であり、従来はブレークダウン電圧の温度係
数と同機な温度係数の定電圧電源を使用することによっ
て温度補償を行う方法か、または定電流電源を使用する
ことによってアバランシ電流を一定とする方法が用いら
れている。

しかし前者の方法では印加電圧の温度係数を必要な精度
までブレークダウン電圧の温度係数に合わせることがむ
ずかしく、さらに温度係数が同じ場合でも部品の実装位
置によって温度変化の様子が異なる為に、十分な温度補
償を行うことは困難である。

また後者の方法は光入力電力がほぼ一定の場合には良い
が、光入力電力が増加した場合には光電流増倍度が小さ
くすなわち印加電圧が低くなる傾向にあり、その際に印
加電圧がある程度以上低下するとアバランシフオトダィ
オードのＰＮ接合静電容量の増加により周波数特性が劣
化するなどの欠点があり、両者とも好ましい方法とは云
えなＬ、。

またアバランシフオトダィオードは光電流の増倍にとも
なって光電流増倍度の定数案に比例する様な過剰なショ
ット雑音を発生するので、アバランシフオトダィオード
を用いた光受信装置では信号対雑音比が最良となる様な
最適光電流増倍度が存在すること、およびその値は変調
方式や復調方式などによって異なるが、最適光電流増倍
度をＭｏｐｔ、光入力電力をＰｏｔ アバランシフオト
ダィオードの雑音増情指数を又とすると、最適光電流増
倍度Ｍｏｐｔは一般に【１｝式で表わされることが知ら
れている。

ＭＯＰｔＭＸ−一戸 ‘１）なお、雑音増
倍指数ｘはアバランシフオトダィオードの構造や使用材
料などによって決まる定数で、々・さし・ほど特性が良
く、最近では２，３前後のものが得られている。

従って光入力電力Ｐｏが変化した場合にも、光電流増倍
度が常に‘１｝式で表わされる最適光電流増倍度Ｍｏｐ
ｔになる様に印加電圧を制御できれば理想的であるが、
その様な理想的な光電流増倍度の制御を安定に行う方法
は知られていない。

従って本発明の目的は温度変化などの影響を受けること
なく安定に動作し、光入力電力が増加した場合でも周波
数応答の劣化がほとんどなく、かつ光入力電力が変化し
た場合でも常に信号対雑音比が良好になる様に、アバラ
ンシフオトダィオードの光電流増倍度を制御することが
可能な光受信装置を提供することになる。

本発明によれば、アバランシフオトダィオードと、この
アバランシフオトダイオードに印加する電圧もしくは電
流に微弱な変調信号を重畳する手段と、変調信号の重畳
することによって生じる電流変動又は電圧変動の振幅を
検出しアバランシフオトダィオードの微分抵抗を求める
手段と、この微分抵抗を一定とするように前記アバラン
シフオトダィオードの印加電圧ないいま印加電流を制御
する手段とを含み、微分抵抗が一定となるように印加電
圧もしくは印加電流を負帰還制御することにより間接的
はアバランシフオトダィオードの光電流増倍度を制御し
た光受信装置が得られる。

次に図面を参照して本発明について詳細に説明する。第
１図はアバランシフオトダィオードの電圧電流特性を示
したものである。

図中実線は光電流をパラメータとして印加電圧とアバラ
ンシ電流の関係を図示したもので、数式では、光電流を
ｉｐ、光電流増倍度をＭとすると、アバランシ電流ｌｏ
は｛２）式で表わされる。ｌｏ＝Ｍ・ｉｐ
【２｝また、印加電圧をＶａ、ブ
レークダウン電圧をＶｂとすると光電流増倍度Ｍは定数
ｎを使って‘３’式のごとく表わされることが知られて
いる。

Ｍ＝ゴ守 ■従って糊式を【２’式に代入す
ることによって印加電圧ｙａとアバランシ電流ｌｏの関
係を求めることができる。

また第１図中の破線は光電流が変化した場合に、光電流
増倍度が‘１｝式に示した最適値になる様な印加電圧と
アバランシ電流の関係を表わしたものである。

第２図は本発明の原理の説明図で、ァバランシフオトダ
ィオードの印加電圧に一定振幅の微弱な変調信号１を重
畳した場合の動作を表わしたものである。

この印加電圧の変調によって生ずるアバランシ電流の変
動分を検出すると、変調信号１に対応して変化する検出
信号２が得られる。

変調信号１の振幅電圧を△Ｖの検出信号２の振幅電流を
△１とすると、両者の関係は｛２１式より求めることが
でき、■式のごとく表わされる。△１＝砦・△ｖ＝ｉｐ
・鰐・△ｖ ‘４’また｛４）式の織ま‘３’式より
求めるこ沙で棚式で表わされる。

鰐‐叢（１‐毒）申 ‘５）通常光電流増倍度
Ｍは１よりもかなり大きな領域で使用されることを考慮
すると、【５｝式は簡単な式に近似でき、それと‘４）
式からアバランシフオトダィオ−ドの微分抵抗友ｄは【
６ー式のように表わされる。

Ｒｄ＝斜：ｎ芋Ｍ２ 【６’ ‘６）式および｛３｝式より明らかなように印加電圧Ｖ
ａをブレークダウン電圧Ｖｂに近づけるに従って微分抵
抗Ｒｄは単調に減少する複向にあるので微分抵抗公ｄを
一定とする様に印加電圧Ｖａを負帰還制御することが可
能である。

この様な制御を行うことによって、間接的ではあるが光
電流増倍度Ｍの安定な制御が可能になり、光電流ｉｐと
ブレークダウン電圧ｙｂが一定の場合には光電流増倍度
Ｍは一定になり、また温度などによってブレークダウン
電圧Ｖｂが変化した場合でも、その変化率はごくわずか
なので、■式から明らかなように光電流増倍度Ｍはほと
んど一定に保たれることが分る。さらに光電流ｉｐが変
化した場合には、光電流増倍度Ｍは【７｝式のように制
御される。

Ｍは市 の・ ｛７１式の関係は、光電流ｉｐが光入力電力Ｐｏに比例
することを考えると、先に｛１｝式で示した理想的な関
係とよく似ており、その差は■式で表わされる。

様恥吏−？ 【８’ 具体的な数値例を示すと雑音増倍指数ｘが２，３の場合
には、光入力電力Ｐｏが一桁変化してもＭ／Ｍｏｐｔは
１５％程度の変化であり、この程度の変化では信号対雑
音比の劣化はごくわずかであるので、光入力電力の変化
に追随して光電流増倍度をほぼ適切な値に制御できるこ
とが判る。

また前述したごと〈定電流電源でアバランシフオトダィ
オードを動作させる方法では光入力電力の増加によって
周波数特性が劣化する欠点があったが、本発明の制御方
法によれば光入力電力が増加した場合にも光電流増倍度
はあまり４・さくならないので周波数特性の劣化はわず
かである。

なお以上は光入力信号が変調されていない場合の説明で
あるが、変調されている場合でも平均光電流をｉｐとす
れば、微分抵抗は‘６｝式で表わされるので、上記と同
様な光電流増情度の制御が可能である。印加電圧の変調
信号１はごく微弱でよいので光受信装置の信号対雑音比
の劣化はほとんどなく、さらに変調信号１の変調周波数
を光入力信号の信号帯域外とすることによっても信号対
雑音比の劣化を低減でき、また逆に光入力信号からアバ
ランシフオトダイオードの制御回路への影響は狭帯城ろ
波器を使用して検出信号２から所要成分のみを抽出する
ことによって防ぐことができるので、本発明を光通信機
−般に適用することが可能である。なお、上記の方法は
印加電圧に変調信号を童畳し、印加電流の変動分を検出
する方法であるが逆に、印加電流に変調信号を蚤畳して
、電圧の変動分を検出する方法でも同様な制御が可能で
ある。

第３図は本発明の一実施例のブロック図を示したもので
ある。光入力信号３はアバランシフオトダィオード４で
電気信号に変換された後、塊軸函器５で増幅され受信信
号として使用される。

またアバランシフオトダィオード４には定電圧電源６の
出力電圧に変調信号として低周波発振器７の微弱な出力
信号を童畳した電圧が印加されている。印加電圧の変調
によって生じた電流変動はトランス８で検出され、必要
な場合には増幅したのち振幅比較器９で振幅を検出し変
調信号の振幅と比較することにより微分抵抗が求められ
、さらに微分抵抗が設定した値よりも大きい場合には、
定電圧電源６の出力電圧を上げる信号が出力され、また
逆に微分抵抗が設定した値より小さい場合には定電圧電
源６の出力電圧を下げる信号が出力される。この信号に
よって微分抵抗が設定値になる様にアバランシフオトダ
ィオードの印加電圧が制御され前述した原理に従って、
間接的にアバランシフオトダィオードの光電流増倍度の
制御を行うことができる。第４図は第三の実施例のブロ
ック図を示したもので、第一の実施例とは逆にアバラン
シフオトダィオード４には定電流電源１０の出力電流に
低周波発振器７の微弱出力を蚤畳した電流が印加されて
おり、印加電流の変調によって生じた電圧変動の振幅を
検出し、第一の実施例と同様に微分抵抗を求め、微分抵
抗が一定となる様に定電流電源１０の出力電流を制御す
ることによって間接的に光電流増倍度の制御を行うこと
ができる。また他の実施例として変調信号を重畳するこ
とによって出力電圧と出力電流の両方が変化する様な電
源を使用する場合には、印加電圧変動と印加電流変動の
両方の振幅を検出して比較することによって同様に光電
流増情度の制御ができる。

前記各実施例において変調信号の振幅が一定ならば、振
幅比較器９は不要になり、検出信号の振幅を−定とする
様な制御を行うことによって前記の各実施例と同じ性能
を得ることができる。以上詳述した様に本発明によれば
、アバランシフオトダィオードの印放電圧ないいま印加
電流に微弱な変調を行い、それによって生ずる電圧変動
と電流変動の振幅から微分抵抗を述べ、その値が一定と
なる様な制御を行うことによって、光電流増倍を安定に
かつ適切な値に制御した光受信装置を得ることができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図はアバランシフオトダィオードの電圧電流特性曲
線図、第２図は本発明の原理の説明図、第３図と第４図
は本発明の実施例のブロック図である。 図において、１……変調信号、２・・・・・・検出信号
、３・・・・・・光入力信号、４・・・・・・アバラン
シフオトダィオード、５・・…・増幅器、６・・・・・
・定電圧電源、７・・・・・・低周波発振器、８・・・
・・・トランス、９・・・・・・振幅比較器、１０・・
・・・・定電流電源。 多／図 多峯２ 図 貧るＪ 図 猪仏図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 光信号を受信するアバランシフオトダイオードと、
   該アバランシフオトダイオードに印加する電圧もしくは
   電流に微弱な変調信号を重畳する手段と、前記変調信号
   の重畳によつて生じる電流変動又は電圧変動の振幅を検
   出してアバランシフオトダイオードの微分抵抗を求める
   手段と前記微分抵抗を一定とするように前記アバランシ
   フオトダイオードの印加電圧もしくは印加電流を制御す
   る手段とを含み、前記微分抵抗が一定となるように印加
   電圧もしくは印加電流を負帰還制御することによりアバ
   ランシフオトダイオードの光電流増倍度を制御すること
   を特徴とする光受信装置。