WO1982000073A1 - Light receiving circuit - Google Patents

Description

明 細 書

発明の 名称

光受信回路

技術分野

本発明は光通信方式 において 中継器 . 端局等に使 用 される 光受信回路に関する も ので あ る。

背景技術

光通信方式にお ては、 光信号を遠隔地の端局ま で伝送するた め、 複数の 中継器が用い られ る。 こ の 中継器は受信 した光信号を電気信号に変換 し、 波形 等化整形を行な つ た後再び光信号に変換 し て送信す る。 一方端局にお ては、 受信 した光信号を電気信 号に変換 した後復調等の処理を行 ¾ う。

こ こ で、 中谜器， 端局におい ては 受信 した光信号 の レ ベ ル にかかわ らず一定 レ ベ ル の電気信号を得る 様に 自動利得制御 （ A G C ) を行な っ て いる。 第 1 図は一般に用い られ ている 自 動利得制御を行 う 光 受信回路を示す。 図に おいて 1 1 は光信号 ， 1 2 は ア バ ラ ン シ ヱ ホ ト ダ イ オ ー ド （ A P D ) , 1 3 は増 幅器 ， 1 4 は レ ベ ル検出器， 1 5 は 出力 端子， 1 6 は A G C 回路で ある。

第 1 図に示す回路を 用 いて、 A G C を行 る う には 従来か ら 以下の形式が提案され てい る。

(a) APD1 2 の增倍率 Mのみを 制御す る形式、 た

と え ば光入力 レ ベ ル力 s 2倍 な つ た と き、 APD

ΟΪ.ΤΠ IFO' 1 2 の Mを 1 / 2 と す る。

(b) 低入力 レ ベ ル時は（a)の方法、

高入力レ ベ ル時は A P D の Mを 固定 し増幅器 1 3 の利得を制御する。

(c) 特開昭 53— 58 748号に て提案されて る様 に低入力 レ ベ ル時は（a)の方法、

高入力レ ベ ル時は増幅器 1 3 の利得を階段的 に切 換えて同時に A P D 1 2 の M ¾制御する。 以上の方式に よ ]? 、 受信 した光レ ベ ル の大小にか かわ らず、 一定レ ベ ル の電気信号を出力で き る。 第 2 図（1)〜（3)に上記形式（a)〜（c)における 光入力 レ ベ ル P, APDの M , 増幅器の利得 G の関係を示す。

図中、 実線は Mを、 铍線は G を、 一点鎖線は後述 する Mの最適値 ¾表わ してい る。

11は ？ 0の 使用可能な増倍率の最小値を示す o Mく M mi n では A P D の応答速度が容量成分の増加に よ つ て非常に 遅 く ¾ ]3 実用上使用 でき ない。

一方増幅器 1 3 の 岀力 信号の信号対雜音比（ SNR) は基本的に次式で与え られる。

こ こ に、

単位光入力時の A P D 出力電流 （ M = l の と さ )

P A P D光入力パ ワ ー

O FI " M ： A P D 增倍率

Ns ： 単位光入力時の A P D シ ョ ッ ト ノ イ ズ電流 パ ワ ー （ M - 1 の と き ）

X : A P D の過剰雑音指数

Nth ： A P D の次段増幅 器の入力換算雑音電流パ ヮ 一

(1)式 よ U S N R は P お よ び M—に依存 しゝ S N R'を極 大 と する Mの最適値 Moが存在する。 Mo の光入カ レ へ ル依存性は式（1) よ

2 Nth , 2+χ

Mo = ( ― ) (2)

X Ns ρ であるので

と る。 通常 X は 0. 3 〜 ： L の間の 値を と る。 尚増幅 器の利得 G は、 増幅器の 出力 を一定にする と 言う 条 件か ら Mo に対応して自動的に決定され、 こ れが最適 と る る。 こ こ で電気信号を一定 レ ベルに す る た めの M と 上記 Mo との間にはずれがあ る ため、 単に電気信 号 レ ベ ルを一定にする だけでは S N R が劣化する。

こ の様子を 第 3 図（1) , (2) , (3) に示す。 図は 前記形式 (a) , (b), (c) に対応する 光入力対 S N R の 関係 ¾示す。 図中実線 3 1 は理想的 る値 ， 破線 3 2， 3 3 , 34はそ れぞれ形式 (a), (b), (c)に よ る値を示す。

こ こ で P。 において実線 3 1 と 破線 32 , 3 3， 34が

O PI 交わ .り ゝ P₃ に お て実線 3 1と 镀線 3 3 ' 3 4が交わ る理由 を 説明する と、 ま ず PQ ， P₃ に いて、 第 2 図（1)， (2) , (3)の如 く Mの値が最適値 Mo と 交わる ため で ある。 尚 P。 におい ては、 M = M。 と ¾ る 様に設定 し てお D ゝ 又 P₃ においては、 M =M。 と ¾ る点を P₃ と して る。 この S N R を改良するために、 従来考 え られている方法の一 つは Mの値を M miii ま で下げ ずに、 ある 値 ( >Mmin )の値以上で使用する こ と である。 こ う す る こ と に よ J3 S N Rが M = M。時の値 SNRo か ら大き く ずれ る前に、 Mが M!で押えられ、 SNRは改善される。 これ ¾形式（b)を例に と ]? 第 4 図 に示す。 図 中実議 41 , 44 , 47 は理想状態を 示 し、 破線 42- , 4 5 , 48は形式 (b)の場合、 鎖線 4 3 ， 4 6 , 4 9 は Mを M! 以上で動作さ せた場合で ある。 しかし Mを Mi以上で動作させる よ う に した方式 において も 次の欠点が残っ ている。 それは、 Mの最小値が Mr ( M mi n ) と る つたために所要のダイ ナ ミ ッ ク レ ン ジを 確保するためには （ Mi /Mmin ) の 分だけ増幅 器の利得可変幅が余分に必要と な る こ と である。 第 4 図を見て も わかる よ う に増幅器利得が M>Mmin と した時は Gi か ら G₂ で よ の に対 し、 M >M!と し た時は か ら G₃ ( G₂ > G₃ ) と変化さ せなければ - ら な い。 このため に特開昭 5 3— 90 802号に よ

提案さ れて い る様に、 光入力 レ ベ ルの変勳に対 し、 ' 第 2 図（4)の様に A P D の Mが常に式（3)を満足する よ

OMPI 01 8

5

う に、 A P D の M、 増幅器の利得を 同時 に組合せて 制御す る こ と が考え られ るが、 制御 回路が複雑に る 欠； ： ^あ る 0

発明の開示

本発明の 目 的は、 前述の従来形式の回路の問題点 に鑑み、 S N R を最適にす るた めの Mお よ び増幅器 利得の光入力 に対応す る最適値を折線近似する と い う 着想に基 き、 最適 S N R か ら大 き く 劣化 させる こ と る く 、 増幅器の所要可変利得幅を増大 させる こ と る く 、 光入力ダイ ナ ミ ッ ク レ ン ジを確保で き る光受 信回路を 得る こ と に あ る。

上記 目 的は、 光信号 ¾電気信号に変換す る ァバ ラ ン シ - フ ォ ト ダイ ォ ー.ドの増倍率と 、 該ァ バ ラ ン シ ェ フ ォ ト ダイ ォ ー ドの 出力を 増幅す る増幅器の 自 動 利得制御 ¾ 行る っ て、 該増幅器 出力を 一定にする 光 受信回路に おいて、 該 ァバ ラ ン シ ェ フ ォ ト ダィ ォ — ドの増倍率制御端子の電圧に比例する電圧 と 第 1 の 基準電圧を比較する第 1 の比較手段、 該増幅器の 出 力 と 第 2 の 基準電圧 ¾比較する 第 2 の比較手段、 3 の基準電圧 と増.幅器の 自 動利得制御用制御電圧を 比較する 第 3 の比較手段、 該ア バ ラ ッ シ ェ フ ォ ト ダ ィ ォ 一 ドの増倍率制御端子へ出力 を供給する高圧発 生回路、 お よ び該第 1 お よ び第 2 の比較器の 出力を 選択的に切換え る切換え装置を 設け、 該第 1 お よ び 第 2 の比較手段の出力 を該切換え装置に接続 し、 該

OMFI

WIPO 切換装置の 出力を該電圧発生回路の入力へ接続 し、 該第 2 の比較手段の 出力を 該自 動利得制御 S制御電 圧入力端子に接続 し、 第 3 の比較手段の 出力を 前記 第 1 の基準電 Eの発生回路に結合 し、 それに よ D 、 該ァバ ラ ン シ ェ フ ォ ト ダイ オ ー ドの増倍率制御端子 には、 最適信号対雜音比を満足する了 パ ラ ン シ ェ フ ォ ト ダイ ォー ドの 増倍率に折線近似する 増倍率を与 える 電圧出力が、 該 自 動利得制御用制御電圧入力端 子には、 該増倍率に応 じ、 該増倍幅器の 出力電圧が 一定と る 様な 電圧 出力が得 られ る こ と を特徵と す る光受信回路に よ ！） 達成される。

図面の簡単 説明 ·

第 1 図は光受信回路 ¾ 説明す るための ブ ロ ッ ク回 路図、 第 2 図は従来形の光受信回 路の各形式につい て光入力対 A P D の Mお よ び増幅器の利得 G の関係 を示す特性図、 第 3 図は 第 2 図の 各形式につ て光 入力対 S N R の関係を示す特性図、 第 4 図は従来形 の光受信回路の 形式（b)において Mの値 ¾ 以上で使 用 した場合の光入力対 S N R , Mお よ び G の関係を示 す特性図、 第 5 図は本発明の一実施例 と しての光受 信回路の 回路図、 第 6 図は第 5 図 の回路の各部電圧, M及び G の 光入 力 に対す る 特性図 、 第 7 図は第 5 図の回路に よ ] 制御される S N R ， Μおよ び G と 光 入力の 関係の特性図 、 第 8 図は A P D における VAPD と Mの 関係を示す特性図-、 第 9 図は増幅器の V_AGC

一 OMPI_ んー O く Gの関係を示す特性図ゝ 第 1 0 図は高圧発生回路の 入力電 BE V₇対出 力電圧 VAPDの関係を示す特性図、 第 1 1 図 は、 本発明の他の実施例を示す図、 第 1 2 図 は第 1 1 図における 動作説明図、 第 1 3 図は 本発 明 の他の実施例を 示す図ゝ 第 1 4 図は第 1 3 図の動作 説明 図 であ る。

発明 を実施する ための最良の形態

以下本発明 の実施例について 第 5 図 ない し第 1 4 図を参照 して説明す る。 第 5 図は本発明の一実施例 の回路図 を示す。 光信号 1 1 は A P D 1 2 に加え ら れ A P D 出力は増幅器 1 3 で増幅され出 力端子 1 5 に 出力 され る。 増幅器 1 3 の 出力は分岐され て レべ ル検出器 1 4 へ接続 され、 レ ベ ル検出器 1 4 の出力 電 V は差動増幅器か らるる第 2 の比較器 5 2 の反 転入力へ接続され る。 第 2 の比較器 5 2 の非反転入 力 には第 2 の基準電圧 Vrei₂ が印加 される。 第 2 の 比較器 5 2 の 出カ電 V₂は抵抗 5 8 を介 して増幅器 1 3 の A G C の制御端子入力へ接続 され A G C 制御 電圧 VAGCを供給する。 第 2 の比較器 5 2 の 出 力はほ かにダイ ォ ー ド 5 6 に よ る切換装置を通 っ て高圧発 生回路 5 4 の 入力電圧 V₇ を供給する。 高圧発生回路 5 4 の 出力電圧 VAPDは A P D 1 2へ入力 され、 同時 VAPD は 抵抗 5 6を介 して分圧され電圧 V₆ と る 差動 増幅器か ら る 第 1 の比較器 5 1 の反転入力へ印加 される。 第 1 の比較器 5 1 の非反転入力は第 1 の基

_ΟΜΡΙ 準電圧 Vrefjを分圧 して得 られる 電圧 V₄が印加され る。 第 1 の比較器 5 1 の 出力は、 ダイ オ ー ド 5 5 に よ る 切渙装置を 通っ て高圧発生回路 5 4 へ入力され る。 差動増幅器か らな る第 3 の比較器 5 3 の非反転 入力には電圧 VAGCが供給され、 反耘入力には第 3 の 基準電 E Vref ₃ が印加さ れる。 第 3 の比較器 .5 3 の 出力電圧 V₅ は第 1 の基準電圧 Vref！ と 共に電圧 V₄ を決定する 0

次に前述の 回路の動作につ て第 6 図を参照 して 説明する。 ま ず光入力が低い レ ベ ル で Mが最適値に 調整され増幅器 1 3 の利得 Gが最大であ る 状態から 開始され光入力 が徐々 に増加する と 、 電圧 は図の よ う に上昇する。 従っ て第 2の比較器 52の 出力電圧 V₂ は徐々 に低下する。 電圧 V₂が正であるのでダイ 才 ー ド 5 6 ¾通 っ て高圧発生回路 5 4へ加え られ、 そ の 出力 に電 VAPDを得る。 電圧 VAPD は電 E V₂の低 下に従い低下す る。 従 っ て A P Dの M も 低下する。

電 E VAPDを分圧した電圧 V₈ が第 1 の 基準電圧 Vref！ ¾ 分圧 した電圧 V₄ に達する迄電圧 VAPD は低下する。 光入力が P₂ の時点で電 V₆ が電圧 V₄ に'達 し第 1 の比較器 5 1 の 出力 に正の電圧が出力 されダイ ォ ー ド 5 5 が導通 して、 第 1 の比較器 5 1 と 高圧発生回 路 5 4 のループがで き VAPDが一定に保たれる。 従 つ て Mの値 も 一定 な る。 上述の よ う に第 6 図の p の光入力迄は電 EV₂ は正であ っ て、 ダイ 才— ド 57

fURど Λ

ΟΜΡΙ WIFO でク ラ ン プされ て る が、 さ ら に光入力が増加 し電 圧 が上昇 し、 電圧 V₂ が低下 し て負に達する と 、 VAGCが低下するので、 増幅器 1 3 の利得 G も こ れに つれ て低下する。 電 V₂ がさ らに低下 し、光入力が P₃ の時第 3 の基準電 E Vrei₃に達する。 これに よ 第 3 の比較器 5 3 の 出力電圧 V₅の電圧は正か ら負に 変 J3 、 電圧 V₃ を負に変化させる。 そ し て 出力電圧 V₅ は光入力が P₄ の時飽和 し、 電圧 V₃ は 電圧 V₅ が負 の飽和 レ ベ ル に達する ま で低下す る。 従っ て電圧 V₄ も それに従い-低下 して電圧 V₅の飽和レ ベル に対応す る ま で低下する。 .これに よ VAPDおよ び M値 も 同様 に低下 し、 Mが V₅の飽和 レベ ルに対応す る 一定値に 達十る と 、 そこ で固定 される。 M の値が一定値に固 定される と 、 つ いで VAGCがさ らに低下 し 、 利得 Gが 低 く る。 光入力が P ₃ と P₄ の 間において、 利得 G は VAGCが低下するの で 低く な る 力 Mの 変化に比較 して比較器 5 3 の利得分の 1 と 小さいの で、 便宜上 一定値 と して 図示 して い る。 第 7 図 には SNR, Mお よ び Gの 光入力 に対する 最適値が実^ 7 1 , 7 3 , 75 でそれぞれ示され、 対応する 本発明の実 ¾例の光受 信回路に よ る近似 ί直が破線 72 , 7 4 , 7 6 ('てそれぞれ 示されてい る。 第 8 図 は APD 1 2 の VAPD対 Mの関係 の一例を示す特性図で あ 、 第 9 図は V_AGC対増幅器 1 3 の利得 G の関係の 一例を示す特性図 で ある。 第

0 図は 高圧発生回路 5 4 の入力 電圧 V₇ 対出 力電

OMPI " 圧 VAPDの 関係を示す特性図 であ る o

前述の実施例におい ては、 A P D の増倍率 Mにつ いて 3 箇所の屈折点を 有する折線近似で最適値 Mo に近似さ せて るが （ G につい ては 、 自 動的に現想 状態 に近似する。 ) 第 1 1 図の回路の如 く 第 3 の 比較器を複数個並列に増設 し、 第 3 の基準電 Eに対 応する基準電圧を他の値に設定する こ と に よ U 、 第 1 1 図に示すよ う に最適 S N R に一層近似させる こ と の でき る実施例の変形を得る こ と が可能で ある。

すなわ ち比較器 5 3 に対 し、 比較器 53 — 1 , 53 一 2〜53— nを並置 し、 夫々 の反転入力に基準電圧 Vref ₄ Vrefs〜 Vref n ¾入力 し、 非反転入力に VAGC ¾入力 している。 そ して夫々の比較器 53— 1〜5 3— nの出 力 に抵抗 I ， R₅ 〜 Rn , ダ イ 才 ー ド E 〜D n , D₄_i 〜 D_n→ を接続 してい る。

こ こ で、 Vref ₃ , Vre ， Vref ₅〜 Vref ϋの大小 関係 は Vref₃ Vref₄ Vref₅ > Vref n と る つ てお D 、 抵抗 H₃ , R₄ , R₅〜 Rn の大小関係は R₃ > IU > I 〜 >Rn と な っ ている。 動作を説明 する と 、 比較器

5 3 の 出力電 BEが飽和する では、 第 5 図の 回路と 同一である。 そ して第 1 2 の如 く VAGCが更に低く ¾D ' 基準電圧 Vre よ ]? 低 く る る と 、 比較器 5 3— 1の 出力 電 E -V5.!は負 と ¾ i? 、 これに よ U 電王 V₄ も低 下する。 電圧 V は出力電圧 Vs-i が飽和するま で低下 するので、' VAPD 電圧 V₄に従っ て低 く な る。 従っ て I£

O PI

wipo も 出 力電圧 V₅-!が飽和する ま で低 ぐ る。 Μは 出力 電圧 、が飽和 してか ら、 電圧 VAGCが基準電圧 Vi:ef₅ よ J3 低 く ¾ る ま で一定値を保ち 、 以下前述 と 同様に して低下する。 尚第 1 2図におい て 一点鎖線は最適 の 値を示す。

第 1 3 図 に よ ]? 本発明 の他の 実施例を示 す。 図の 回路は第 5 図の 回路 と 同等の機能を 有する。 第 5 図 と 異な る点は、 比較器 5 2 , ダ イ オ ー ド 5 5 , 抵抗 5 9 を 削除し、 高圧発生回路 5 4 の 出力を ダイ 才 一 ド D, を介 して基準電源 Vref!に接続 した抵抗 H₂に接 続 した こ と で あ る。

回路動作を 第 1 4 図 を用いて説明す る。 光入力が 低い レベル の時 V は基準電圧 Vref ₂ よ 低いた め比 較器 5 2 の 出 力電圧 V₂は正で あ ]?、 ダイ ォ 一 ド 5 6 を介 し て V₇ と して高圧発生回路 5 4 に入力 する。 そ し て光入力が大 き く ¾ る と、 V₇ は低 く 、 VAPD も 小 さ ぐ る。 光入力力 ：？ ₂ ' に ¾ る と が基準電 圧 Vref ₂ と 等 し く ¾ ]? 出力 電 EV₂は負 とな 、 ダイ オ ー ド 5 6 はオ フ と な る と と も に VAPD は電圧 V₄ と 等 し く な ]? 、 VAPDは電圧 V₄ に ク ラ ン プされ る。 こ れに よ J9 Mは一定値 と な ]) 、 利得 G は VAGCが低く る るので小さ く る る。 允入力が； P₃ を趣え る と VAGCは基 準電圧 Vref 3 よ 小さ く な 、 出力電圧 V₅が負とる U 、 電圧 V₄ 小さ く なる。 従っ て VAPD も 電圧 V₄ に従 つ て低 く な るの で、 再 び Mが小さ ぐ な る。 そ して.

OMPI WIPO P TJP 00138

1 2 光入力が にな る と 出力 電 E V₅ 飽和す るの で、 こ れ以後 Mは一定値 と な ]; 、 VAGCだけが低く ¾ J? 利得 Gが小さ く な る。 これに よ J3 Mを一点鎖籙で示す最 適値に近似さ せる こ と がで き る。

以上述べた こ と か ら 明 らかる様に 本発明 に よれば 簡単 撵成に よ ij 、 最適 S N Rが大 き く 劣化させず 又増幅器の所要可変利得幅を増大 さ せる こ と な く 、 光入力ダ イ ナ ミ ッ ク レン ジを大 き く と る こ と が可倉 光受信回路を得る こ と がで き る。

ヒ匕

O PI WIPO

Claims

3 s主 求 の 範 囲

1. 光信号を 電気信号に変換する アバ ラ ン シ ェ フ ォ ト ダ イ オ ー ドの増倍率 と 、 該ァバ ラ ン シ ヱ フ ォ ト ダ イ 才 ー ドの 出力を増幅する増幅器の 自動利得制 御を行 つ て、 該増幅器出力を一定にする光受信 回路において、 該ァバ ラ ン シ ェ フ ォ ト ダ イ オ ー ド の増倍率制御端子の電圧に比例する 電圧 と 第 1 の 基準電圧を 比較する第 1 の比較手段、 該増幅器の 出 力 と 第 2 の基準電圧を比較する 第 2 の比較手段、 第 3 の基準電圧と 増幅器の 自動利得制御用制御電 圧を比較する第 3 の比較手段ゝ 該ァバ ラ ン シ ヱ フ 才 ト ダイ ォ ー ドの 増倍率制御端子へ 出力を 供給す る電圧発生回路、 お よ び該第 1 お よ び第 2 の比較 器の 出力 を選択的 に切換え る切換え装置 ¾設け、 該第 1 およ び第 2 の比較手段の出力 ¾ 該切換え装 ' 置に接続 し、 該切換え装置の 出力 を該電圧発生回 路の入力へ接続 し、 該第 2 の比較手段の 出力を該 自 動利得制御用制御電圧入力端子に接続 し、 第 3 の比較手段の 出力を 前 記第 1 の 基準電圧の発生回 路に結岔 し、 それに よ ]? 、 該ァバ ラ ン シ ヱ フ ォ ト ダ イ オ ー ドの増倍率制御端子に は、 最適信号対雜 音比 を満足する アバ ラ ン シ ヱ フ ォ ト ダ イ オ ー ドの 増倍率に折線近似する 増倍率を与える 電圧 出力が、 該 自勣利得制御用制御電圧入力端子には、 該増倍 率に応 じ、 該瑨幅器の 出力が一定と な る 様な 電圧

OMPI 出 力が得 られる こ と を特徵 と する 光受信回路。

2. 請求の範囲第 1 項記載の光受信回路におい て、 該第 1 の比較手段 ， 第 2 の比較手段， 第 3 の比較 手段 と し てそれぞれ差動増幅器を用 、 該ァバ ラ ン シ ェ フ ォ ト ダイ ォ 一 ドの 増倍率制御端子電 Eに 比例する 電圧 と、 該増幅器の 出力 と 第 3 の基準電 Eを該差動増幅器の反転入力端子に、 第 1 の基準 電圧と第 2 の基準電圧 と 自動利得制御用制御電圧 を 該差動増幅器の非反転入力端子にそれぞれ入力 したこ と を特徵と する光受信回路。

3. 請求の範囲第 1 項記載の光受信回路に て、 第 3 の比較手段 ¾複数設け、 互いに異 る 電 の 第 3 の基準電圧と 自動利得制御用制御電圧 と比較 し、 夫 々 の 出力を 該第 1 の 基準電圧発生回路に結 合 したこ と を特徵 と す る光受信回路。

4. 請求の範囲第 3 項記載の光受信回路において、 第 3 の比較手段 と して、 差動増幅器を用 、 第 3 の基進電圧を夫々の反転入力端子に、 自 動利得制 御用制御電圧を非反転入力端子に入力 したこ と を 特徵 と する光受信回路。

5. 請求の範求第 1 項記載の光受信回路に おいて、 該第 1 の 比較手段 と し て ダイ オ ー ドを、 第 2 , 第 3 の比較手段 と して差勳増幅 ¾それぞれ用い、 該 ダイ オー ドの ア ノ ー ドを 第 1 の基準電圧に、 カ ン — ド ¾該高圧発生回路の 出力に接続 し、 該第 2 の 基準電圧 と き 動利得制 ] i用制御電圧 を該差動増幅 器の 非反転入力端子に、 該第 3 の基準電圧 と 増幅 器の 出力電圧を反転入力端子に入力 した こ と を特 徴 と する 光受信回路コ

OMPI

、 IPO"