(57)【特許請求の範囲】
【請求項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と、
前記アバランシェフォトダイオードのアノード側に接続され、前記電気信号を増幅する増幅回路素子と、
前記アバランシェフォトダイオードのカソード側に接続され、前記アバランシェフォトダイオードのアノード及びカソードの間のバイアス電圧を印加するための定電圧を入力するバイアス電圧端子と、
前記アバランシェフォトダイオードのカソード及び前記バイアス電圧端子の間に接続されるバイアス抵抗、及び前記アバランシェフォトダイオードのカソード及び前記バイアス抵抗の間から分岐する経路上に接続されるバイアス容量からなるバイアス回路と、
を備える光電変換増幅装置であって、
前記アバランシェフォトダイオードが受信したバースト光信号の強度が変化してから規定の時間の範囲内で、強度変化後のバースト光信号に関するビットエラーレートが規定のビットエラーレートに遷移するように、前記バイアス抵抗の値は、２９０Ωより大きくかつ５６０Ωより小さく設定され、前記バイアス抵抗の値及び前記バイアス容量の値の積で表される前記バイアス回路の時定数は、２０ｎｓより大きく５６ｎｓより小さく設定されることを特徴とする光電変換増幅装置。
【請求項２】
前記アバランシェフォトダイオードが受信したバースト光信号の強度に関する規定のダイナミックレンジの範囲内で、前記アバランシェフォトダイオードの出力電流の値が前記増幅回路素子の定格電流の値を超えないように、前記バイアス抵抗の値が設定されていることを特徴とする、請求項１に記載の光電変換増幅装置。
【請求項３】
前記アバランシェフォトダイオードの出力電流のうち最低周波数を有する出力電流が前記バイアス電圧端子側に漏洩する電流量が、前記バイアス回路が配置されていないと仮定したときより規定の減衰量で減衰するように、前記バイアス抵抗の値及び前記バイアス容量の値が設定されていることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の光電変換増幅装置。
【請求項４】
前記増幅回路素子は、利得を固定されていることを特徴とする、請求項１から請求項３のいずれかに記載の光電変換増幅装置。
【請求項５】
前記増幅回路素子は、前記アバランシェフォトダイオードが受信するバースト光信号の強度が変化したときに、リセット信号を入力したことをトリガとして、利得を変化させることを特徴とする、請求項１から請求項３のいずれかに記載の光電変換増幅装置。
【請求項６】
前記アバランシェフォトダイオードが受信したバースト光信号の強度の変化は、−６ｄＢｍ以上の強度及び−２８ｄＢｍ以下の強度の間の変化であり、
前記規定の時間は、１００ｎｓ以下であり、
前記規定のビットエラーレートは、１０−３以下である
ことを特徴とする、請求項１に記載の光電変換増幅装置。
【請求項７】
前記アバランシェフォトダイオードの出力電流の値が、前記バイアス抵抗が配置されていないと仮定したときより１ｄＢ以上小さくなるように、前記バイアス抵抗の値が設定されていることを特徴とする、請求項２に記載の光電変換増幅装置。
【請求項８】
前記最低周波数は、７８ＭＨｚ以上であり、
前記規定の減衰量は、２０ｄＢ以上である
ことを特徴とする、請求項３に記載の光電変換増幅装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バースト光信号を受信する光電変換増幅装置において、高速応答化、広ダイナミックレンジ化及び高感度化を実現する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
映像配信等の大容量コンテンツの利用に伴うトラフィックの増大に対応するべく、パッシブ・オプティカル・ネットワーク（Ｐａｓｓｉｖｅ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｎｅｔｗｏｒｋ：ＰＯＮ）システムの構築が進められている。異なる光伝送路に収容される複数のユーザを、光合分波器を介して１つの光伝送路にまとめ基地局につなげることにより、基地局に設置された１台の光送受信装置を複数のユーザで共有するため、ネットワークの構築費用を大幅に下げることができる。
【０００３】
このＰＯＮシステムでは、光強度の異なる複数のバースト光信号を極めて短い時間で等価増幅し、一定の振幅を持った電気信号に変換して出力することのできるバースト光受信器が必須となる。このバースト光受信器に求められる主要な性能として、以下の３つが挙げられる。
【０００４】
（１）各バースト光信号に対して、それらの先頭部の信号を受信してから信号が一定の振幅電圧に等価増幅されるまでの所要時間（応答時間、または、応答速度）をできるだけ短くすること（高速応答化）。
（２）振幅強度の異なったバースト光信号に対して、バースト光受信器が受信し識別できる入力光振幅強度の範囲（ダイナミックレンジ）を大きくすること（広ダイナミックレンジ化）。
（３）できるだけ小さな入力光信号振幅強度のバースト光信号を光受信器が受信し識別できるようにすること（高感度化）。
【０００５】
１つ目の要求である高速応答化は、ユーザのニーズ増大に応えるために、伝送速度を上げると共に（１Ｇｂｐｓ以上）、経済化の観点からより多くのユーザを、基地局に収容させるようになってきているため、各ユーザが送るデータを効率的に伝送する必要が生じていることに起因する。例えば、１ユーザ当たり最小で１μｓのデータ送出時間が割り当てられたとすると、伝送効率を９０％以上にするためには、バースト信号の先頭部から１００ｎｓ以下の応答速度がバースト光受信器に必要となる。また、光通信システムの国際標準化機関であるＩＴＵ−Ｔにおいて勧告されたＰＯＮシステムの仕様では、１．２Ｇｂｉｔ／ｓ、あるいは、２．４Ｇｂｉｔ／ｓで変調されたバースト光信号を受信するためのバースト光受信器に対して、その応答時間を７７．２ｎｓ以下にすることが求められている（非特許文献１）。
【０００６】
２つ目の要求である広ダイナミックレンジ化は、基地局からさまざまな距離にあるユーザ側光送受信装置から送出されるバースト光信号を受信するため、最小受信感度付近の微弱な入力光振幅強度の光信号（基地局から最も離れたユーザからの送出信号）から、その１０〜１００倍大きな振幅強度をもつ光信号（基地局から最も近いユーザからの送出信号）まで確実に受信できる広い受信振幅強度範囲を有する性能がバースト光受信器に求められることに起因する。
【０００７】
３つ目の要求である高感度化は、より多くのユーザを収容するためには、光合分波器による分岐数を多くする必要があり、その結果、より微弱な入力光振幅強度の信号を受信できるバースト光受信器が求められていることに起因する。
【０００８】
バースト光受信器を構成する光電変換増幅モジュールの一例として、非特許文献２の光電変換増幅装置の外部構成を図１に示し、非特許文献２の光電変換増幅装置の回路構成を図２に示す。非特許文献２の光電変換増幅装置１は、アバランシェフォトダイオード１１、増幅回路素子１２、バイアス電圧端子１３、バイアス抵抗１４及びバイアス容量１５から構成される。
【０００９】
非特許文献２の光電変換増幅装置１は、アバランシェフォトダイオード１１としてのＡＰＤ（Ａｖａｌａｎｃｈｅ  Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ）及び増幅回路素子１２としてのバースト電気前置増幅器を、金属製ＣＡＮパッケージ内に収容したＡＰＤ−ＲＯＳＡ（Ｒｅｃｉｅｖｅｒ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｓｕｂ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）である。
【００１０】
２つ目の要求である広ダイナミックレンジ化のため、アバランシェフォトダイオード１１を用いた連続信号用の光電変換増幅装置１で用いられる電流制限用の数ｋΩのバイアス抵抗１４を用いる。電源への信号の回り込みやサージ耐力を上げるために、数百ｐＦのバイアス容量１５を併用する。バイアス抵抗１４及びバイアス容量１５で構成したローパスフィルタが、バイアス電圧端子１３とアバランシェフォトダイオード１１との間に挿入されている。
【００１１】
その結果、非特許文献２の光電変換増幅装置１は、平均光入力強度が−６ｄＢｍのバースト光信号の直後に平均光入力強度が−２８ｄＢｍの微弱なバースト光信号を続けて入力した場合でも、劣化のない良好なバースト受信動作を行え、ダイナミックレンジとして２２ｄＢｍ以上得られることが実証されている。
【００１２】
バースト光受信器を構成する光電変換増幅モジュールの一例として、非特許文献３の光電変換増幅装置の外部構成を図３に示し、非特許文献３の光電変換増幅装置の回路構成を図４及び図５に示す。図４に示した非特許文献３の光電変換増幅装置１は、アバランシェフォトダイオード１１、バイアス電圧端子１３及び増幅回路素子１６から構成される。図５に示した非特許文献３の光電変換増幅装置１は、アバランシェフォトダイオード１１、バイアス電圧端子１３、増幅回路素子１６、結合容量１７及びリミッティングアンプ１８から構成される。
【００１３】
非特許文献３の光電変換増幅装置１は、アバランシェフォトダイオード１１としてのＡＰＤ及び増幅回路素子１６としてのトランスインピーダンスアンプ（Ｔｒａｎｓ  Ｉｍｐｅｄａｎｃｅ  Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ：ＴＩＡ）を、金属製ＣＡＮパッケージ内に収容したＡＰＤ−ＲＯＳＡである。増幅回路素子１６は、入力信号レベルに応じて自動的に利得を制御する自動利得制御回路１６１（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ  Ｇａｉｎ  Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ：ＡＧＣ）を備える。
【００１４】
１つ目の要求である高速応答化を図るため、図４に示すように、ＡＧＣ１６の時定数を調整し、または、図５に示すように、ＡＧＣ１６１の時定数を調整し結合容量１７の容量の値を小さくし（０．５ｎＦ）、３００ｎｓ以下の応答速度が実現されている。
【００１５】
上記（１）〜（３）の３つのバースト光受信器への要求に同時に応えるべく、光電変換増幅装置１内に搭載される増幅回路素子１２、１６として、バースト信号が入力される毎に外部からリセット信号を入力するリセット型ＴＩＡがある（非特許文献４）。このＴＩＡは、振幅強度の異なるバースト光信号の受信の際に、各バースト信号の受信開始直前にパルス状のリセット信号を入力することによって、ＴＩＡの入力電気信号に対する利得を瞬時（〜数ｎｓ）に切り換えると共に、ＴＩＡの出力端子から出力される差動電気信号間に生じるオフセット電圧をキャンセルしてゼロに近づける機能を有している。これにより、ｐ−ｉ−ｎ型フォトダイオードと組み合わせた光電変換増幅装置を用いて構成したバースト光受信器構成においては、１０ｎｓの高速応答が実現されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１６】
【非特許文献１】ＩＴＵ−Ｔ  Ｒｅｃｏｍｍｅｎｄａｔｉｏｎ  Ｇ９８４．２（０３／２００３），“Ｇｉｇａｂｉｔ−ｃａｐａｂｌｅ  Ｐａｓｓｉｖｅ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｎｅｔｗｏｒｋｓ  （ＧＰＯＮ）；Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｍｅｄｉａ  Ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ  （ＰＭＤ）  ｌａｙｅｒ  ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ”，Ａｐｐｅｎｄｉｘ  Ｉ，ｐｐ．２５−２７．
【非特許文献２】Ｔ．  Ｉｔｏ，  Ｔ．  Ｋｕｒｏｓａｋｉ，  Ｍ．  Ｎａｋａｍｕｒａ，  Ｓ．  Ｎｉｓｈｉｈａｒａ，  Ｙ．  Ｏｈｔｏｍｏ  ａｎｄ  Ａ．  Ｏｋａｄａ，  “Ｂｕｒｓｔ−Ｍｏｄｅ  ＡＰＤ−ＲＯＳＡ  Ｕｓｉｎｇ  Ｒｅｓｅｔ  Ｓｉｇｎａｌ  ｆｏｒ  １Ｇ／１０Ｇ−Ｄｕａｌ−Ｒａｔｅ  ＯＬＴ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｔｒａｎｓｃｅｉｖｅｒ，”  ｉｎ  ｔｈｅ  １４ｔｈ  Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  ａｎｄ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  （ＯＥＣＣ）  ＩＥＥＥ，  ＦＵ６．
【非特許文献３】原弘、澤田宗作、「１０Ｇ−ＥＰＯＮ  ＯＬＴ用バースト対応ＴＩＡ」、２０１０年電子情報通信学会総合大会（２０１０年３月開催）予稿集、Ｃ−１２−９．
【非特許文献４】Ｍ．Ｎａｋａｍｕｒａ，Ｓ．Ｎｉｓｈｉｈａｒａ，Ｋ．Ｎｉｓｈｉｍｕｒａ，Ｋ．Ｋｉｓｈｉｎｅ，Ｓ．Ｋｉｍｕｒａ，Ｔ．Ｙｏｓｈｉｄａ，Ｙ．Ｏｈｔｏｍｏ，Ｎ．ＹｏｓｈｉｍｏｔｏａｎｄＫ．Ｋａｔｏ，“Ａ  １０Ｇ  ｂｕｒｓｔ−ｍｏｄｅ  ＰＩＮ−ＴＩＡ  ｍｏｄｕｌｅ  ｗｉｔｈ  １０−ｎｓｅｃ  ｒｅｓｐｏｎｓｅ  ｆｏｒ  ＰＯＮ  ｓｙｓｔｅｍｓ，”ＭＨ２，２０ｔｈ  Ｌａｓｅｒｓ  ａｎｄ  Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｏｐｔｉｃｓ  Ｓｏｃｉｅｔｙ（ＬＥＯＳ‘０７），Ｌａｋｅ  Ｂｕｅｎａ  Ｖｉｓｔａ，ＦＬ，Ｏｃｔｏｂｅｒ  ２００７，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ，ｐｐ．６７−６８．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
高感度化と広ダイナミックレンジ化との両立化を図るべく、図１及び図２に示した光電変換増幅装置１（非特許文献２）において、増幅回路素子１２をリセット型ＴＩＡ（非特許文献４）に交換し、結合容量１７及びリミッティングアンプ１８（非特許文献３）を追加し、２３０ｎｓの応答速度が実現できている（非特許文献２）。
【００１８】
しかし、バイアス電圧端子１３及びアバランシェフォトダイオード１１の間に接続された、バイアス抵抗１４及びバイアス容量１５で構成したローパスフィルタの影響で、アバランシェフォトダイオード１１のバイアス電圧がバースト光信号の入力毎に過渡的に変化して、アバランシェフォトダイオード１１の増倍特性が安定するのに時間が掛かる。よって、ｐ−ｉ−ｎ型フォトダイオードと組み合わせた場合に実現されていた１０ｎｓ以下の応答速度（非特許文献４）は得られていなかった。
【００１９】
また、従前のアバランシェフォトダイオード１１の増倍特性を制御する技術として、バイアス抵抗１４及びバイアス容量１５で構成したバイアス回路に、複数の時定数を設ける手法が提案されている。しかし、この技術ではバイアス抵抗１４の値を大きく設定する必要があり、結果として、数μｓから数百μｓ程度の応答しかできなくなり、１００ｎｓ以下の高速応答を必要とするバースト光電変換増幅装置に適用するのは困難であった。
【００２０】
また、図３から図５までに示した光電変換増幅装置１において、ＡＧＣ１６１の時定数を調整する方法では、ＡＧＣ１６１の時定数を短くするほど、制御が困難になり、やはり、１００ｎｓ以下の応答を実現するのが難しいという問題があった。
【００２１】
そこで、前記課題を解決するために、本発明は、バースト光信号を受信する光電変換増幅装置において、簡単な構成で高速応答化、広ダイナミックレンジ化及び高感度化を実現する技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
上記目的を達成するために、アバランシェフォトダイオードが受信したバースト光信号の強度が広いダイナミックレンジで変化してから規定の時間の範囲内で、強度変化後のバースト光信号に関するビットエラーレートが規定のビットエラーレートに遷移するように、バイアス抵抗の値及びバイアス容量の値を設定することとした。
【００２３】
具体的には、本発明は、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と、前記アバランシェフォトダイオードのアノード側に接続され、前記電気信号を増幅する増幅回路素子と、前記アバランシェフォトダイオードのカソード側に接続され、前記アバランシェフォトダイオードのアノード及びカソードの間のバイアス電圧を印加するための定電圧を入力するバイアス電圧端子と、前記アバランシェフォトダイオードのカソード及び前記バイアス電圧端子の間に接続されるバイアス抵抗、及び前記アバランシェフォトダイオードのカソード及び前記バイアス抵抗の間から分岐する経路上に接続されるバイアス容量からなるバイアス回路と、を備える光電変換増幅装置であって、前記アバランシェフォトダイオードが受信したバースト光信号の強度が変化してから規定の時間の範囲内で、強度変化後のバースト光信号に関するビットエラーレートが規定のビットエラーレートに遷移するように、前記バイアス抵抗の値及び前記バイアス容量の値が設定されていることを特徴とする光電変換増幅装置である。
【００２４】
また、本発明は、前記アバランシェフォトダイオードが受信したバースト光信号の強度の変化は、−６ｄＢｍ以上の強度及び−２８ｄＢｍ以下の強度の間の変化であり、前記規定の時間は、１００ｎｓ以下であり、前記規定のビットエラーレートは、１０−３以下であることを特徴とする光電変換増幅装置である。
【００２５】
この構成によれば、バースト光信号の強度が広いダイナミックレンジで変化したとしても、バイアス抵抗の値及びバイアス容量の値を設定するという簡単な構成を用いることにより、バースト光信号の変化への応答時間を短縮することができる。
【００２６】
また、本発明は、前記アバランシェフォトダイオードが受信したバースト光信号の強度に関する規定のダイナミックレンジの範囲内で、前記アバランシェフォトダイオードの出力電流の値が前記増幅回路素子の定格電流の値を超えないように、前記バイアス抵抗の値が設定されていることを特徴とする光電変換増幅装置である。
【００２７】
また、本発明は、前記アバランシェフォトダイオードの出力電流の値が、前記バイアス抵抗が配置されていないと仮定したときより１ｄＢ以上小さくなるように、前記バイアス抵抗の値が設定されていることを特徴とする光電変換増幅装置である。
【００２８】
この構成によれば、バイアス抵抗の値を設定するという簡単な構成を用いることにより、バースト光信号の受信のダイナミックレンジを拡大することができる。
【００２９】
また、本発明は、前記アバランシェフォトダイオードの出力電流のうち最低周波数を有する出力電流が前記バイアス電圧端子側に漏洩する電流量が、前記バイアス回路が配置されていないと仮定したときより規定の減衰量で減衰するように、前記バイアス抵抗の値及び前記バイアス容量の値が設定されていることを特徴とする光電変換増幅装置である。
【００３０】
また、本発明は、前記最低周波数は、７８ＭＨｚ以上であり、前記規定の減衰量は、２０ｄＢ以上であることを特徴とする光電変換増幅装置である。
【００３１】
この構成によれば、バイアス抵抗の値及びバイアス容量の値を設定するという簡単な構成を用いることにより、定電圧源への電流の漏洩を防止することができる。
【００３２】
また、本発明は、前記バイアス抵抗の値は、２９０Ωより大きくかつ５６０Ωより小さく設定され、前記バイアス抵抗の値及び前記バイアス容量の値の積で表される前記バイアス回路の時定数は、２０ｎｓより大きく５６ｎｓより小さく設定されることを特徴とする光電変換増幅回路である。
【００３３】
この構成によれば、バイアス抵抗の値及びバイアス容量の値を設定するという簡単な構成を用いることにより、バースト光信号の変化への応答時間を短縮することができ、バースト光信号の受信のダイナミックレンジを拡大することができ、定電圧源への電流の漏洩を防止することができる。
【００３４】
また、本発明は、前記増幅回路素子は、利得を固定されていることを特徴とする光電変換増幅装置である。
【００３５】
この構成によれば、ＡＧＣの時定数制御による応答速度の劣化をなくすことができる。
【００３６】
また、本発明は、前記増幅回路素子は、前記アバランシェフォトダイオードが受信するバースト光信号の強度が変化したときに、リセット信号を入力したことをトリガとして、利得を変化させることを特徴とする光電変換増幅装置である。
【００３７】
この構成によれば、バースト光信号の変化への応答時間をより短縮することができる。
【発明の効果】
【００３８】
本発明は、バースト光信号を受信する光電変換増幅装置において、簡単な構成で高速応答化、広ダイナミックレンジ化及び高感度化を実現する技術を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】非特許文献２の光電変換増幅装置の外部構成を示す図である。
【図２】非特許文献２の光電変換増幅装置の回路構成を示す図である。
【図３】非特許文献３の光電変換増幅装置の外部構成を示す図である。
【図４】非特許文献３の光電変換増幅装置の回路構成を示す図である。
【図５】非特許文献３の光電変換増幅装置の回路構成を示す図である。
【図６】本発明の光電変換増幅装置の外部構成を示す図である。
【図７】本発明の光電変換増幅装置の回路構成を示す図である。
【図８】ダイナミックレンジの調整におけるバイアス抵抗の設定方法を示す図である。
【図９】透過減衰量の調整におけるバイアス回路の時定数の設定方法を示す図である。
【図１０】応答時間の調整におけるバイアス抵抗の設定方法を示す図である。
【図１１】本発明及び参照例の光電変換増幅装置のパラメータを示す図である。
【図１２】本発明における過渡応答を示す図である。
【図１３】参照例Ａにおける過渡応答を示す図である。
【図１４】本発明及び参照例Ａにおけるプリアンブル長に対する感度を示す図である。
【図１５】本発明及び参照例Ｂにおける平均光入力電力に対するビットエラーレートを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施の例であり、本発明は以下の実施形態に制限されるものではない。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。
【００４１】
（本発明の光電変換増幅装置の構成）
本発明の光電変換増幅装置の外部構成を図６に示し、本発明の光電変換増幅装置の回路構成を図７に示す。本発明の光電変換増幅装置１は、アバランシェフォトダイオード１１、増幅回路素子１２、バイアス電圧端子１３、バイアス抵抗１４及びバイアス容量１５から構成される。
【００４２】
アバランシェフォトダイオード１１は、光信号を電気信号に変換し、ＡＰＤである。増幅回路素子１２は、アバランシェフォトダイオード１１のアノードＡ側に接続され、電気信号を増幅する。バイアス電圧端子１３は、アバランシェフォトダイオード１１のカソードＣ側に接続され、アバランシェフォトダイオード１１のアノードＡ及びカソードＣの間のバイアス電圧を印加するための定電圧を入力する。
【００４３】
バイアス抵抗１４は、アバランシェフォトダイオード１１のカソードＣ及びバイアス電圧端子１３の間に接続される。バイアス容量１５は、アバランシェフォトダイオード１１のカソードＣ及びバイアス抵抗１４の間から分岐する経路上に接続され、グランドに接続される。バイアス抵抗１４及びバイアス容量１５は、バイアス回路又はローパスフィルタを形成する。
【００４４】
アバランシェフォトダイオード１１及び増幅回路素子１２は、同一のパッケージである同一のステム２１に搭載される。ステム２１は、ＴＯ−ＣＡＮパッケージ用のステムであり、円板状の金属材料又は円板状のセラミック材料で作製される。貫通孔２２は、ステム２１に複数形成され、中心近傍に金属リードピン２３を貫通され、中心以外をガラスで充填される。金属リードピン２３は、貫通孔２２に挿入され、貫通孔２２に充填されたガラスで固定され、気密封止がなされており、端子を形成する。上記のバイアス電圧端子１３及び後述のリセット信号端子は、金属リードピン２３である。不図示の金属製のキャップは、アバランシェフォトダイオード１１及び増幅回路素子１２を覆うようにステム２１に溶接され、アバランシェフォトダイオード１１に光信号を入力するように光学的な窓又はレンズを取り付けられる。
【００４５】
（バイアス抵抗及びバイアス容量の設定の方針）
光電変換増幅回路１がどのような特性を満たすようにするかに応じて、バイアス抵抗１４及びバイアス容量１５の設定の方針が決められる。
【００４６】
バイアス抵抗１４及びバイアス容量１５の設定において、以下の条件が想定されているが、想定される条件は以下の条件に限定されない。アバランシェフォトダイオード１１及び増幅回路素子１２は、それぞれの入出力特性として、３ｄＢ帯域が７ＧＨｚ以上の周波数応答特性を有する。ディジタルデータ信号は、１１Ｇｂｉｔ／ｓ以下の任意の変調速度を有する。バースト電気信号は、１μｓから１ｍｓまでの任意の時間幅に収容される。第１のバースト電気信号の直後に、該第１のバースト電気信号の１／１０以下の信号振幅電圧を有する第２のバースト電気信号が入力された場合でも、光電変換増幅回路１は、該第２のバースト電気信号の先頭から１００ｎｓ以内に、該第２のバースト電気信号を規定のビットエラーレート以内で増幅して出力できる高速バースト信号応答特性を有するようにする。
【００４７】
１つ目の設定の方針として、アバランシェフォトダイオード１１が受信したバースト光信号の強度が変化してから規定の時間の範囲内で、強度変化後のバースト光信号に関するビットエラーレートが規定のビットエラーレートに遷移するように、バイアス抵抗１４の値及びバイアス容量１５の値が設定される。
【００４８】
これにより、バースト光信号の強度が広いダイナミックレンジで変化したとしても、バイアス抵抗１４の値及びバイアス容量１５の値を設定するという簡単な構成を用いることにより、バースト光信号の変化への応答時間を短縮することができる。
【００４９】
２つ目の設定の方針として、アバランシェフォトダイオード１１が受信したバースト光信号の強度に関する規定のダイナミックレンジの範囲内で、アバランシェフォトダイオード１１の出力電流の値が増幅回路素子１２の定格電流の値を超えないように、バイアス抵抗１４の値が設定される。
【００５０】
これにより、バイアス抵抗１４の値を設定するという簡単な構成を用いることにより、バースト光信号の受信のダイナミックレンジを拡大することができる。
【００５１】
３つ目の設定の方針として、アバランシェフォトダイオード１１の出力電流のうち最低周波数を有する出力電流がバイアス電圧端子１３側に漏洩する電流量が、バイアス抵抗１４の値及びバイアス容量１５で構成したバイアス回路が配置されていないと仮定したときより規定の減衰量で減衰するように、バイアス抵抗１４の値及びバイアス容量１５の値が設定される。
【００５２】
これにより、バイアス抵抗１４の値及びバイアス容量１５の値を設定するという簡単な構成を用いることにより、定電圧源への電流の漏洩を防止することができる。
【００５３】
（バイアス抵抗及びバイアス容量の設定の一例）
本実施形態では、上記の３つの設定の方針を満足させる。そして、最初に２つ目の設定の方針を満足させ、次に３つ目の設定の方針を満足させ、最後に１つ目の設定の方針を満足させる。変形例としては、上記の３つの設定の方針のいずれを満足させるかは問わない。そして、上記の３つの設定の方針を満足させる順序も問わない。
【００５４】
まず、２つ目の設定の方針を満足させる段階について説明する。アバランシェフォトダイオード１１が受光して生成した光電流Ｉａｐｄがバイアス抵抗１４へ流れ、バイアス抵抗１４での電圧降下が生じ、アノードＡ−カソードＣ間でのバイアス電圧の低下が起こる。このバイアス電圧の低下によって、アバランシェフォトダイオード１１の増倍率が低下し、光電流Ｉａｐｄが減少する。
【００５５】
この増倍率の低下は光入力パワーが強くなるほど顕著になり、また、この光電流Ｉａｐｄの低下はバイアス抵抗１４が大きくなるほど顕著になる。したがって、バイアス抵抗１４を大きくすることによって、増幅回路素子１２の定格電流を超えないような光入力パワーの上限を大きくでき、ダイナミックレンジの拡大が可能となる。
【００５６】
ダイナミックレンジの拡大幅として、効果のある有意な値として１ｄＢ以上となるように、シミュレーションによる検討を行う。光電流Ｉａｐｄの強度は、アバランシェフォトダイオード１１の増倍特性に依存している。一般的に、増倍率（Ｍ）は、アバランシェフォトダイオード１１の増倍層に印加される、アノードＡ−カソードＣ間でのバイアス電圧の関数として数式１で表される。
【数１】
0005421313.tif 000002
ここで、Ｖａｐｄ、ＶＢ、ｎは、それぞれ、アノードＡ−カソードＣ間でのバイアス電圧、アノードＡ−カソードＣ間でのブレークダウン電圧、フィッティング係数である。
【００５７】
アバランシェフォトダイオード１１のバースト光信号に対する過渡応答を調べるため、カソードＣにおける節点方程式を立てると、次の数式２の時間微分方程式が得られる。
【数２】
0005421313.tif 000003
ここで、Ｖｃ（ｔ）は、カソードＣでの電圧である。
【００５８】
数式１のＶａｐｄ及び数式２のＩａｐｄは、それぞれ数式３及び数式４で表わされる。
【数３】
0005421313.tif 000004
【数４】
0005421313.tif 000005
ここで、Ｖａ（ｔ）は、アノードＡでの電圧であり、ηは、アバランシェフォトダイオード１１でのＭ＝１での光入力パワーに対する出力電流の比（受光感度）であり、ＲＬは、増幅回路素子１２の入力抵抗である。
【００５９】
定常状態における増幅回路素子１２に入力する過入力電流を評価するため、ＩａｐｄのＲｂｉａｓに関する定常解として、数式１から数式４を用いて数式５を得る。
【数５】
0005421313.tif 000006
【００６０】
ダイナミックレンジの調整におけるバイアス抵抗の設定方法を図８に示す。図８は、ＲＬ＝５０Ω、１００Ω、２００Ωに対して、数式５を用いて計算したダイナミックレンジ拡大量を、バイアス抵抗１４の値に対してプロットした結果である。ここで、ダイナミックレンジ拡大量は、バイアス抵抗１４が５０Ωであるときに得られるＩａｐｄから、バイアス抵抗１４がＲｂｉａｓであるときに得られるＩａｐｄへの減少量として定義した。そして、ＶＢ＝３０Ｖ、Ｖｂｉａｓ＝２８．７５Ｖ、η＝０．８５、Ｐｉｎ＝−６ｄＢｍ、ｎ＝３である。ダイナミックレンジを少なくとも１ｄＢ以上拡大するためには、ＲＬ＝５０Ωのとき、バイアス抵抗１４は２９０Ω以上に設定することが必要である。
【００６１】
次に、３つ目の設定の方針を満足させる段階について説明する。バイアス抵抗１４及びバイパス容量１５によって、フィルタ回路が形成されており、このフィルタ回路によって、アバランシェフォトダイオード１１で生成された光電流に含まれる高周波信号がバイアス電圧端子１３側へ漏洩することを防ぎ、受光動作の安定化を図ることができる。このためには、フィルタ回路の透過特性により低周波域から高周波域にわたる信号を遮断できなければならない。
【００６２】
しかし、このフィルタ回路は、アバランシェフォトダイオード１１側から見たとき、ローパスフィルタを形成しているので、フィルタの透過帯域を信号の低周波域に合わせればよい。たとえば、１０Ｇ−ＥＰＯＮで使用される信号は、最長で６６ビットの同符号連続パタンを含むため、フィルタ回路の透過特性としては、低周波側で７８ＭＨｚまで帯域が必要となる。この周波数において、電流振幅を１／１００（透過減衰量で２０ｄＢ）にまで低下させるのに必要な時定数を、ＣＲ回路の計算から種々検討した。
【００６３】
透過減衰量の調整におけるバイアス回路の時定数の設定方法を図９に示す。図９は、１０ｎｓ、２０ｎｓ、３０ｎｓの三種類の時定数を有するフィルタ回路の透過特性を示しており、横軸に周波数、縦軸に０Ｈｚ（直流）で透過する電圧振幅で規格化した場合の、横軸の周波数で透過する電圧振幅を示している。検討結果からＣＲ回路の時定数を２０ｎｓより長く設定することが必要であることがわかった。
【００６４】
次に、１つ目の設定の方針を満足させる段階について説明する。ＣＲ回路の過渡応答によって、カソードＣでの過渡的な電圧応答を伴うため、アバランシェフォトダイオード１１のバイアス電圧の過渡変化をもたらし、バースト光信号を受光した際の応答時間が制約される。
【００６５】
アバランシェフォトダイオード１１の過渡応答と感度を関連づけるため、受光信号のノイズ分布のガウシアン近似理論をベースとする信号―雑音比（Ｓｉｇｎａｌ  ｔｏ  Ｎｏｉｓｅ  Ｒａｔｉｏ：ＳＮＲ）に関するＳＮＲ理論から得られるＱファクタを考える。Ｑファクタを用いると、ビットエラーレート（Ｂｉｔ  Ｅｒｒｏｒ  Ｒａｔｅ：ＢＥＲ）は、数式６となる。
【数６】
0005421313.tif 000007
一般的に、Ｑファクタと関連するパラメータは、数式７となる。
【数７】
0005421313.tif 000008
ここで、Ｉ１とＩ０は、１、０の値を有する電気信号のレベルの期待値であり、σ０、σ１は、１、０の値を有する電気信号に含まれる雑音幅の期待値である。
【００６６】
応答時間の調整におけるバイアス抵抗の設定方法を図１０に示す。図１０は、ＲＬ＝５０Ω、１００Ω、２００Ωに対して、数式６及び数式７を用いて応答時間を計算した結果であって、縦軸に応答時間、横軸にバイアス抵抗１４の値を示している。ここで、応答時間は、アバランシェフォトダイオード１１の増倍特性の過渡応答のために要する、微弱な信号が受光されてから所望のＢＥＲが得られるまでの時間として得られたものである。そして、応答時間は、数式７のＱファクタ及び数式２のＩａｐｄ（ｔ）（数式７のＩ１とＩ０に対応）の過渡応答特性を取り入れて計算したものである。
【００６７】
光入力信号の前提となる条件としては、立ち上がり・立ち下がり時間の極めて短いバースト光信号を受信するうえに、平均光パワーＰｉｎ＝−６ｄＢｍのバースト信号を受光した直後に、最小受光感度近傍の極めて微弱な、平均光パワーＰｉｎ＝−２８ｄＢｍのバースト信号を受光するといった、応答時間に対しては最悪ケースを設定して計算した。ここで、Ｃｂｉａｓ＝１００ｐＦであり、上記の所望のＢＥＲは１０−３である。
【００６８】
図１０の結果から、バイアス抵抗１４の値が２９０Ω以上で、尚且つフィルタ回路の時定数が２０ｎｓ以上の範囲内で、応答速度が１００ｎｓ以下となるような、バイアス抵抗１４の値とフィルタ回路の時定数（バイアス抵抗１４の値×バイアス容量１５の値）の制約条件を検討した。その結果、ＲＬ＝５０Ωのとき、バイアス抵抗１４の値が５６０Ω以下で、尚且つフィルタ回路の時定数が５６ｎｓ以下であることが少なくとも必要であるという結論に至った。
【００６９】
以上の説明から、本発明では、バイアス抵抗１４の値の範囲とフィルタ回路の時定数の範囲は、以下のように設定されるものである。
２９０Ω＜バイアス抵抗１４の値＜５６０Ω
２０ｎｓ＜バイアス抵抗１４の値×バイアス容量１５の値＜５６ｎｓ
【００７０】
以上の説明では、３つ目の設定の方針において、最低周波数を７８ＭＨｚとし、規定の減衰量を２０ｄＢとした。そして、１つ目の設定の方針において、アバランシェフォトダイオード１１が受信したバースト光信号の強度の変化を、−６ｄＢｍの強度及び−２８ｄＢｍの強度の間の変化とし、規定の時間を１００ｎｓとし、規定のビットエラーレートを１０−３とした。しかし、変形例では、光電変換増幅装置１の性能をより向上させる。変形例では、３つ目の設定の方針において、最低周波数を７８ＭＨｚ以上とし、規定の減衰量を２０ｄＢ以上とする。そして、１つ目の設定の方針において、アバランシェフォトダイオード１１が受信したバースト光信号の強度の変化を、−６ｄＢｍ以上の強度及び−２８ｄＢｍ以下の強度の間の変化とし、規定の時間を１００ｎｓ以下とし、規定のビットエラーレートを１０−３以下とする。
【００７１】
なお、増幅回路素子１２は、入力信号レベルに応じて自動的に利得を切り換える自動利得制御回路（ＡＧＣ）を搭載しない固定利得の増幅回路素子（より具体的には、トランスインピーダンスアンプ（ＴＩＡ）、高インピーダンスＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）増幅器、高インピーダンス型バイポーラトランジスタ増幅器、分布増幅型電気増幅器などを指す）であってもよい。この固定利得の増幅回路素子を用いる場合は、一般的に起こるＡＧＣ回路の制御時定数による応答速度劣化がないため、本発明の光電変換増幅装置１を構成する増幅回路素子１２としては好適である。
【００７２】
また、増幅回路素子１２は、ＡＧＣ回路を搭載していない増幅回路素子ではなく、リセット信号によって、バースト信号に対する応答速度が１０ｎｓ以下で動作可能な、リセット型ＴＩＡ（非特許文献４に具体的な技術内容が記載されている）であってもよい。このリセット型ＴＩＡを用いる場合は、強い光レベルのバースト信号を受信した直後に微弱な信号を受信した場合に生じるオフセット電圧を瞬時にゼロ近傍にキャンセルするため、レベル差のより大きなバースト光信号に対して、所望の応答を実現することが可能となる。なお、図６のひとつの金属リードピン２３に、リセット信号端子を割り当てた構成になる。
【００７３】
（本発明及び参照例の光電変換増幅装置の比較）
以上で説明した本発明の光電変換増幅装置１において、バイアス抵抗１４の値、及び、バイアス抵抗１４の値×バイアス容量１５の値で示される時定数が、所望の効果を有しているかどうか調べるため、実際にモジュールを作製してその特性を確認した。
【００７４】
本発明及び参照例の光電変換増幅装置１のパラメータを図１１に示す。図１１は、本発明のバイアス抵抗１４の値の範囲とフィルタ回路の時定数の範囲（斜線で示す菱形の領域）を図示したグラフであって、横軸にバイアス抵抗１４の値、縦軸にバイアス容量１５の値をそれぞれ対数スケールで取っている。図１１のグラフ中に黒丸で示す下記３種類の試作条件で作製した光電変換増幅装置１を用いて、その特性を比較した。ここで、下記３種類のパラメータは、順にバイアス抵抗１４の値、フィルタ回路の時定数、バイアス容量１５の値である。なお、試作では、増幅回路素子１２としてリセット型ＴＩＡを用いた。
試作条件１（本発明の光電変換増幅装置１）：５００Ω、５０ｎｓ（１００ｐＦ）
試作条件２（参照例Ａの光電変換増幅装置１）：２０００Ω、２００ｎｓ（１００ｐＦ）
試作条件３（参照例Ｂの光電変換増幅装置１）：５０Ω、５ｎｓ（１００ｐＦ）
【００７５】
まず、本発明の光電変換増幅装置１及び参照例Ａの光電変換増幅装置１を用意し、本発明の光電変換増幅装置１を用いて構成した本発明のバースト光受信器及び参照例Ａの光電変換増幅装置１を用いて構成した参照例Ａのバースト光受信器を作成した。そして、１０Ｇ−ＥＰＯＮの光送受信評価システムを用いて、本発明のバースト光受信器及び参照例Ａのバースト光受信器の種々のバースト受信応答を調べた。
【００７６】
本発明における過渡応答を図１２に示し、参照例Ａにおける過渡応答を図１３に示す。図１２及び図１３は、本発明のバースト光受信器及び参照例Ａのバースト光受信器において、１０Ｇｂｐｓのバースト光信号を用いて、強バーストから弱バーストへと変化する時間領域で、光電変換増幅装置１からの弱バーストの出力信号振幅が、アバランシェフォトダイオード１１の増倍特性によって徐々に増大して安定化する過程を観察したものである。
【００７７】
弱バースト信号のパワーＰｉｎ＝−２９ｄＢｍ、プリアンブル長は８００ｎｓ、ペイロード長は２００μｓ、強バースト信号のパワーＰｉｎ＝−６ｄＢｍである。図１２及び図１３を比較して、本発明のバースト光受信器では、出力信号振幅がほぼ瞬時に安定化しており、振幅回復時間が参照例Ａのバースト光受信器に比較して非常に短いことがわかる。
【００７８】
次に、本発明のバースト光受信器及び参照例Ａのバースト光受信器において、プリアンブル長が２５ｎｓから８００ｎｓ、ペイロード長が１００ｎｓの短いバースト信号を用いて、強バースト（Ｐｉｎ＝−６ｄＢｍ）から弱バースト（Ｐｉｎ＝−２９ｄＢｍ）への遷移後のバースト信号に対する１０−３での感度を、プリアンブル長を変化させ調べた。この測定では、応答時間よりもプリアンブル長を短くすると、ペイロードの先頭で波形劣化が起こり、感度に悪い影響を与えると考えられるので、応答時間の評価として適している。ペイロードパタンは、２３１−１ビットの繰り返し長の疑似ランダム信号を用いた。
【００７９】
本発明及び参照例Ａにおけるプリアンブル長に対する感度を図１４に示す。図１４は、室温でのバースト光信号のプリアンブル長に対する符号誤り率（ＢＥＲ）＝１０−３での感度変化を示すものである。本発明のバースト光受信器においては、プリアンブル長が８００ｎｓから７５ｎｓへと短くなっても感度は変化せず、プリアンブル長が７５ｎｓから２５ｎｓへとさらに短くなって感度が劣化する。参照例Ａのバースト光受信器においては、プリアンブル長が１５０ｎｓよりプリアンブル長が短くなると、感度劣化が起こった。
【００８０】
図１４には、本発明のバースト光受信器における、光入力パワーＰｉｎ＝−３０ｄＢｍでの微弱な信号に対するペイロードの先頭のアイパタンも示している。プリアンブル長がおよそ７５ｎｓの場合、比較的明瞭なアイパタンが見えているが、プリアンブル長がおよそ２５ｎｓと短くなると、アイパタンにノイズが増えている。これらの結果から、プリアンブル長が７５ｎｓ以上であるときには、感度劣化のない応答が実現でき、所望の１００ｎｓ以下の応答が実現できていることを確認した。
【００８１】
次に、本発明の光電変換増幅装置１及び参照例Ｂの光電変換増幅装置１を用意し、本発明の光電変換増幅装置１を用いて構成した本発明のバースト光受信器及び参照例Ｂの光電変換増幅装置１を用いて構成した参照例Ｂのバースト光受信器を作成した。そして、プリアンブル長が感度劣化のない７５ｎｓであり、ペイロード長が１００μｓである１０Ｇバースト光信号を用いて、強バースト（Ｐｉｎ＝−６ｄＢｍ）後の弱バースト信号（Ｐｉｎを様々に変化させる）に対して、ＢＥＲ測定を行った。バイアス電圧Ｖｂｉａｓは、ＢＥＲ＝１０−３での感度がもっとも良くなるように調整している。
【００８２】
本発明及び参照例Ｂにおける平均光入力電力に対するビットエラーレートを図１５に示す。図１５は、室温での１０Ｇバースト光信号に対するＢＥＲ特性を示している。本発明のバースト光受信器においては、１０Ｇバースト光信号（ＥＲ＝６ｄＢ、ＰＲＢＳパタン長＝２３１−１）に対して、受信感度として−２９．３ｄＢｍが得られた。そして、−１．６ｄＢｍの過入力までに対してＢＥＲ＝１０−３の感度が得られ、受信入力ダイナミックレンジは２７．７ｄＢを達成した。参照例Ｂのバースト光受信器においては、１０Ｇバースト光信号に対して、本発明のバースト光受信器と比較して、応答速度による受信感度劣化はない。しかし、−３．４ｄＢｍの過入力までに対してしかＢＥＲ＝１０−３の感度が得られず、受信ダイナミックレンジは２５．９ｄＢしか達成できず、本発明のバースト光受信器と比較して、２ｄＢ弱小さくなっている。この結果から、バイアス抵抗１４の値を、本発明のバイアス抵抗１４の値の範囲より小さく設定してしまうと、受信ダイナミックレンジが小さくなってしまうことが分かった。
【産業上の利用可能性】
【００８３】
本発明に係る光電変換増幅装置は、高速化及び大規模化を図る光通信ネットワークにおいて、高速応答化、広ダイナミックレンジ化及び高感度化を図るときに適用できる。
【符号の説明】
【００８４】
１：光電変換増幅装置
１１：アバランシェフォトダイオード
１２：増幅回路素子
１３：バイアス電圧端子
１４：バイアス抵抗
１５：バイアス容量
１６：増幅回路素子
１７：結合容量
１８：リミッティングアンプ
２１：ステム
２２：貫通孔
２３：金属リードピン
１６１：ＡＧＣ
Ａ：アノード
Ｃ：カソード
【図１】
0005421313.tif 000009
【図２】
0005421313.tif 000010
【図３】
0005421313.tif 000011
【図４】
0005421313.tif 000012
【図５】
0005421313.tif 000013
【図６】
0005421313.tif 000014
【図７】
0005421313.tif 000015
【図８】
0005421313.tif 000016
【図９】
0005421313.tif 000017
【図１０】
0005421313.tif 000018
【図１１】
0005421313.tif 000019
【図１２】
0005421313.tif 000020
【図１３】
0005421313.tif 000021
【図１４】
0005421313.tif 000022
【図１５】
0005421313.tif 000023