(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アバランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ）を備えた光受信器であって、前記ＡＰＤへの入射光量を制御する手段と、前記ＡＰＤに印加する逆バイアス電圧を制御する手段を備え、前記ＡＰＤの電流増倍率が一定となるように前記入射光量と前記逆バイアス電圧を制御することを特徴とする光受信器。
【請求項２】
ＡＰＤと、前記ＡＰＤに印加する逆バイアスの電圧を制御する手段と、前記ＡＰＤに流れる光電流をモニタする手段と、前記モニタ手段の出力に応じて前記ＡＰＤへの入射光量を制御する手段を備え、前記ＡＰＤの電流増倍率が一定となるように前記入射光量と前記逆バイアス電圧を制御することを特徴とする光受信器。
【請求項３】
前記入射光量を制御する手段が、光に対する反射率を可変する手段であることを特徴とする前記請求項２記載の光受信器。
【請求項４】
前記反射率を可変する手段が、２次元に配列した複数のマイクロミラーで構成されていることを特徴とする前記請求項３記載の光受信器。
【請求項５】
前記２次元に配列した複数のマイクロミラーの一部または全部のマイクロミラーの光反射面の反射角度を可変することを特徴とする前記請求項４記載の光受信器。
【請求項６】
前記逆バイアスの電圧を制御する手段が、前記ＡＰＤの温度を検知する温度検出手段と、前記ＡＰＤの温度と前記逆バイアスを印加する手段の最適印加電圧値との対応を記憶させたメモリを備え、前記温度検出手段の検出温度に対して前記メモリから読み出された前記最適印加電圧値を前記逆バイアス印加手段に指示することを特徴とする前記請求項２記載の光受信器。
【請求項７】
フォトダイオード（ＰＤ）と、前記ＰＤに流れる光電流を電圧に変換する手段と、前記光電流をモニタする手段と、前記モニタ手段の出力に応じて前記ＰＤへの入射光量を制御する手段を備えた光受信器であって、
前記ＰＤへの入射光量を制御する手段が、２次元に配列した複数のマイクロミラーで構成され光に対する反射率を可変する手段であり、前記ＰＤに流れる光電流が前記光電流を電圧に変換する手段の最大入力電流制限を超えないように、前記ＰＤへの入射光量を制御することを特徴とする光受信器。
【請求項８】
前記２次元に配列した複数のマイクロミラーの一部または全部のマイクロミラーの光反射面の反射角度を可変することを特徴とする前記請求項７記載の光受信器。
【請求項９】
アバランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ）を備えた光受信器の制御方法であって、前記ＡＰＤへの入射光量を制御し、前記ＡＰＤに印加する逆バイアス電圧を制御して、前記ＡＰＤの電流増倍率を一定化することを特徴とする光受信器の制御方法。
【請求項１０】
ＡＰＤを備えた光受信器の制御方法であって、前記ＡＰＤに印加する逆バイアスの電圧を制御し、前記ＡＰＤに流れる光電流をモニタし、前記モニタ出力に応じて前記ＡＰＤへの入射光量を制御して、前記ＡＰＤの電流増倍率を一定化することを特徴とする光受信器の制御方法。
【請求項１１】
前記入射光量の制御が、光に対する反射率を可変する手段によることを特徴とする前記請求項１０記載の光受信器の制御方法。
【請求項１２】
前記反射率を可変する手段が、２次元に配列した複数のマイクロミラーで構成されていることを特徴とする前記請求項１１記載の光受信器の制御方法。
【請求項１３】
前記２次元に配列した複数のマイクロミラーの一部または全部のマイクロミラーの光反射面の反射角度を可変することを特徴とする前記請求項１２記載の光受信器の制御方法。
【請求項１４】
前記光受信器は、前記ＡＰＤの温度を検知する温度検出手段と、前記ＡＰＤの温度と前記印加する逆バイアスの最適印加電圧値との対応を記憶させたメモリを備え、前記印加する逆バイアス電圧の制御は、前記温度検出手段の検出温度に対して前記メモリから読み出された前記最適印加電圧値であることを特徴とする前記請求項１０記載の光受信器の制御方法。
【請求項１５】
フォトダイオード（ＰＤ）と、前記ＰＤに流れる光電流を電圧に変換する手段と、前記光電流をモニタする手段と、前記モニタ手段の出力に応じて前記ＰＤへの入射光量を制御する手段を備えた光受信器の制御方法であって、
前記ＰＤへの入射光量を制御する手段が、２次元に配列した複数のマイクロミラーで構成され光に対する反射率を可変する手段であり、前記ＰＤに流れる光電流が前記光電流を電圧に変換する手段の最大入力電流制限を超えないように、前記ＰＤへの入射光量を制御することを特徴とする光受信器の制御方法。
【請求項１６】
前記２次元に配列した複数のマイクロミラーの一部または全部のマイクロミラーの光反射面の反射角度を可変することを特徴とする前記請求項１５記載の光受信器の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光伝送システムに用いられる光受信回路に関し、とくに光入力に対して広いダイナミックレンジを有する光受信器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光伝送システムに用いられる、高速・広帯域の従来の光受信回路としては、図７に示すような回路構成がある（米津宏雄著「光通信素子工学」、工学図書刊（昭和５９年２月）参照）。この従来例の受信回路では、受光素子としてバイアス印加されたアバランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ）を用い、光電流を電圧に変換し、信号出力として取り出している。そして、受信信号レベルと最適受信状態のレベル（基準電圧）の差を検出して、その差が絶えず０になるよう、信号が大きい場合は増倍率Ｍが小さくなるように、信号が小さい場合は増倍率Ｍが大きくなるようにバイアス電圧を調整するフィードバック回路が設けられている。基準電圧に対応するバイアス電圧は最適な増倍率（Ｍ）を与えるように調整される。
【０００３】
このような、ＡＰＤを含んだ従来回路では、大光入力時に動作不良が起こるという欠点があった。大光入力のリミットはＡＰＤの許容光電流値で決まる。受光パワーが大きくなってきた場合、規定されている電流リミットを越えないように、ＡＰＤは電流増倍率Ｍの低い状態で動作させる。しかし、Ｍが低い場合には、図８（メーカー発行の光半導体デバイス・データブックより引用）に示すように応答帯域が劣化する。従って、Ｍによる帯域制限と最大許容光電流との兼ね合いによって最大受信特性が制限される。
例えば、２．４Ｇｂｐｓの光受信器の場合を考えると、十分な応答帯域を確保するには、通常Ｍ＝４〜５に設定する必要がある。光電流リミット値が１ｍＡｐｐ（ｐｅａｋ  ｔｏ  ｐｅａｋ）である場合、最大許容光受信レベルは、−９ｄＢｍ〜−１０ｄＢｍ（波長は１５５０ｎｍ、ＡＰＤの量子効率は８０％として計算）程度でしかなく、光受信器として十分なダイナミックレンジの値ではない。
【０００４】
一方、入力光信号レベルが小さい場合、必要な光電流を得るためにＡＰＤは増倍率Ｍを上げて動作させる。しかし、図９に示すように、ＡＰＤの逆バイアス特性には大きな温度依存性がある。たとえば、常温（２５℃）で最適なＭが得られる逆バイアスに設定しても、温度が高くなった場合は、図９に示すように逆バイアス特性が高温側へシフトし、Ｍが下がり最小受信感度特性の劣化となる。また、温度が低くなった場合は、逆バイアス特性が低温側へシフトするため暗電流が増加し、受信感度特性は劣化する。従来回路では、ある程度は電圧振幅値によって、間接的に温度によって変動する逆バイアスを制御しているが、広い温度範囲で最適な逆バイアスを印加することは困難であった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、このような従来技術に難点に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、光伝送システムに用いられる光受信器において、大光入力に対して受光素子または受信回路の飽和動作を抑制し、また、同時に広い温度範囲にわたって最適な逆バイアスを印加することができ、常に安定した受信動作が可能な光結合系および回路構成を提供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係わる発明の光受信器は、アバランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ）を備えた光受信器であって、前記ＡＰＤへの入射光量を制御する手段と、前記ＡＰＤに印加する逆バイアス電圧を制御して前記ＡＰＤの電流増倍率が一定となるように前記入射光量と前記逆バイアス電圧を制御する手段とを併せ備えることを特徴とする。
また、本発明の請求項２に係わる発明の光受信器は、ＡＰＤと、前記ＡＰＤに逆バイアスを印加する手段と、前記逆バイアスの電圧を制御して前記ＡＰＤの電流増倍率が一定となるように前記入射光量と前記逆バイアス電圧を制御する手段と、前記ＡＰＤに流れる光電流をモニタする手段と、前記モニタ手段の出力に応じて前記ＡＰＤへの入射光量を制御する手段を備えることを特徴とする。
また、本発明の請求項３に係わる発明の光受信器は、前記請求項２に係わる発明記載の前記入射光量を制御する手段が、光に対する反射率を可変する手段であることを特徴とする。
また、本発明の請求項４に係わる発明の光受信器は、前記請求項３に係わる発明記載の前記反射率を可変する手段が、２次元に配列した複数のマイクロミラーで構成されていることを特徴とする。
また、本発明の請求項５に係わる発明の光受信器は、前記請求項４に係わる発明記載の前記２次元に配列した複数のマイクロミラーの一部または全部のマイクロミラーの光反射面の反射角度を可変することを特徴とする。
また、本発明の請求項６に係わる発明の光受信器は、前記請求項２に係わる発明記載の前記逆バイアスの電圧を制御する手段が、前記ＡＰＤの温度を検知する温度検出手段と、前記ＡＰＤの温度と前記逆バイアスを印加する手段の最適印加電圧値との対応を記憶させたメモリを備え、前記温度検出手段の検出温度に対して前記メモリから読み出された前記最適印加電圧値を前記逆バイアス印加手段に指示することを特徴とする。
また、本発明の請求項７に係わる発明の光受信器は、フォトダイオード（ＰＤ）と、前記ＰＤに流れる光電流を電圧に変換する手段と、前記光電流をモニタする手段と、前記モニタ手段の出力に応じて前記ＰＤへの入射光量を制御する手段を備えた光受信器であって、
前記ＰＤへの入射光量を制御する手段が、２次元に配列した複数のマイクロミラーで構成され光に対する反射率を可変する手段であり、前記ＰＤに流れる光電流が前記光電流を電圧に変換する手段の最大許容入力電流を超えないように、前記ＰＤへの入射光量を制御することを特徴とする。
また、本発明の請求項８に係わる発明の光受信器は、前記請求項７に係わる発明記載の前記２次元に配列した複数のマイクロミラーの一部または全部のマイクロミラーの光反射面の反射角度を可変することを特徴とする。
また、本発明の請求項９に係わる発明の光受信器の制御方法は、アバランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ）を備えた光受信器の制御方法であって、前記ＡＰＤへの入射光量を制御し、前記ＡＰＤに印加する逆バイアス電圧を制御して、前記ＡＰＤの電流増倍率を一定化することを特徴とする。
また、本発明の請求項１０に係わる発明の光受信器の制御方法は、ＡＰＤを備えた光受信器の制御方法であって、前記ＡＰＤに印加する逆バイアスの電圧を制御し、前記ＡＰＤに流れる光電流をモニタし、前記モニタ出力に応じて前記ＡＰＤへの入射光量を制御して、前記ＡＰＤの電流増倍率を一定化することを特徴とする。
また、本発明の請求項１１に係わる発明の光受信器の制御方法は、前記請求項１０記載の前記入射光量の制御が、光に対する反射率を可変する手段によることを特徴とする。
また、本発明の請求項１２に係わる発明の光受信器の制御方法は、前記請求項１１記載の前記反射率を可変する手段が、２次元に配列した複数のマイクロミラーで構成されていることを特徴とする。
また、本発明の請求項１３に係わる発明の光受信器の制御方法は、前記請求項１２記載の前記２次元に配列した複数のマイクロミラーの一部または全部のマイクロミラーの光反射面の反射角度を可変することを特徴とする。
また、本発明の請求項１４に係わる発明の光受信器の制御方法は、前記請求項１０記載の前記光受信器が、前記ＡＰＤの温度を検知する温度検出手段と、前記ＡＰＤの温度と前記印加する逆バイアスの最適印加電圧値との対応を記憶させたメモリを備え、前記印加する逆バイアス電圧の制御は、前記温度検出手段の検出温度に対して前記メモリから読み出された前記最適印加電圧値であることを特徴とする。
また、本発明の請求項１５に係わる発明の光受信器の制御方法は、フォトダイオード（ＰＤ）と、前記ＰＤに流れる光電流を電圧に変換する手段と、前記光電流をモニタする手段と、前記モニタ手段の出力に応じて前記ＰＤへの入射光量を制御する手段を備えた光受信器の制御方法であって、前記ＰＤへの入射光量を制御する手段が、２次元に配列した複数のマイクロミラーで構成され光に対する反射率を可変する手段であり、前記ＰＤに流れる光電流が前記光電流を電圧に変換する手段の最大入力電流制限を超えないように、前記ＰＤへの入射光量を制御することを特徴とする。
また、本発明の請求項１６に係わる発明の光受信器の制御方法は、前記請求項１５記載の前記２次元に配列した複数のマイクロミラーの一部または全部のマイクロミラーの光反射面の反射角度を可変することを特徴とする。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
図１には、ＡＰＤ（アバランシェ・フォト・ダイオード）を用いた本発明の光受信器の第１の実施形態の回路ブロック図を、図２に光受信器の光学系を示す。
図１を参照すると、本光受信器の電気系は、ＡＰＤ１と、電流ッ電圧変換をするトランスインピーダンス型増幅器２と、高電圧電源３と、高電圧電源を制御する高電圧電源制御部４と、ＡＰＤに流れる光電流を監視する光電流レベルモニタ５と、光の反射方向を可変する反射可変ミラー６と、光電流レベルモニタ５からの信号を受けて反射可変ミラーを制御するミラー制御部７とで構成される。
また、図２の本光受信器の光学系は、光ファイバ８と、光ファイバから出射された光を集光するレンズ９と、光を反射する反射可変ミラー１０と、集光された光を受光するＡＰＤ１とから構成される。
【０００８】
次に、図１、図２を用いて、本発明の光受信器の動作を説明する。
【０００９】
本光受信器において、ＡＰＤ１から送出される光信号電流は、トランスインピーダンス型増幅器２によって電圧信号に変換され、電圧信号として出力される。
ＡＰＤ１には、最も良好なＳ／Ｎ比が得られる最適増倍率Ｍｏｐｔ（下記（１）式）が存在する。Ｍｏｐｔは所望の最小受光パワーを受信したときに最適となるように設定される。２．４Ｇｂｐｓの受信器の場合、通常は最小受信感度が−３３ｄＢｍ付近になるように設定している。高電圧電源制御部４で制御された高電圧は、前述のＭｏｐｔの状態を常に保つように逆バイアスをＡＰＤに印加している。
Ｍｏｐｔ＝（４ｋＴＦt ／（ｑ（Ｉp ＋Ｉdm）Ｒl））1/(2+x)        （１）
ここで、ｋはボルツマン係数、Ｔは温度、Ｆt は雑音指数、ｑは電荷、Ｉp は光電流、Ｉdmは増倍暗電流、Ｒl は負荷抵抗、ｘは過剰雑音指数をそれぞれ表す。
【００１０】
光電流レベルモニタ５は、常にＡＰＤに流れる電流を監視している。通常、受光素子には、動作可能な最大受光電流が規格化されている。この規格に合わせて、入力光パワーが大きい場合は、電流増倍率Ｍを下げて過電流が流れないようにしている。しかし、図８に示すように、通常Ｍが低くなりすぎると応答帯域が劣化してくる。これら過電流防止と帯域劣化抑制のため、所定以上の電流を検出した場合、ミラー制御部７は反射可変ミラー６を制御してＡＰＤに入力する光量を抑制し、最適なＭのままで規定値以上の電流が流れないように制御を行っている。
【００１１】
反射可変ミラー６は、図４に示すようなマイクロ・ミラー・アレイで構成している。マトリックス・アレイを形成している個々のミラーは、たとえば図４に示すような断面構造をしており、本例では下部電極の電圧を制御することでミラーが静電力によって引力や斥力を受けて、支柱を支点にして角度を可変することができる構造となっている。このマイクロ・ミラー・アレイはシリコン・マイクロマシーンなどで製造可能である。反射可変ミラーは、マトリックスアレイ状に並べられた多数のミラー片の一部または全部の角度を変えることによってミラー全体としての反射率を変え、ＡＰＤへ入射する光量を調節している。上記の構成によって、例えば、従来の２．４Ｇｂｐｓで用いられている光受信器では、最大光受信レベルは−１０ｄＢｍ程度であったが、本発明では反射可変ミラーを用いることで、０ｄＢｍ以上の光入力に対しても正常に動作させることが可能である。
【００１２】
次に、広い温度範囲で最適な逆バイアスを印加する手段と。その作用について説明する。前述の如く、図８（前掲、光半導体デバイスデータブック）に示されているように、ＡＰＤの逆バイアス特性は＋１〜２％／℃の傾斜特性を持っている。従って、各動作温度によってＭｏｐｔが得られる逆バイアスの大きさは異なる。
高電圧電源制御部４は、図５に示すように、温度センサ部１１と、メモリ部１２とコントロール部１３とから構成されている。メモリ部１２はＲＯＭであってセンサー部が検知する各温度で最適な増倍率を与える逆バイアス値を得るための情報が書き込まれている。コントロール部１３は温度センサー部１１の検知する温度の情報を受け、各温度に対応したＡＰＤ１の逆バイアス値に関する情報を読み出し、高電圧電源３に出力する。従って、本構成では、ＡＰＤに設定される増倍率Ｍは、温度変動に対して常に最適な増倍率Ｍｏｐｔから外れることなく光受信モジュールの動作が可能である。
【００１３】
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図６は、ＡＰＤに代えてＰＩＮ−ＰＤ１０（ＰＩＮフォトダイオード）を用いた場合の実施例である。ＰＩＮ−ＰＤはアバランシェ効果を用いないため、増倍率最適化を施す手段は必要ない。また、受光素子自体の入力光に対するダイナミックレンジが広く、ＰＩＮ−ＰＤ１０の最大光電流制限よりトランスインピーダンス型増幅器２の最大入力電流制限の方が小さい場合が多い。従って、この場合は光入力パワー制御系のみを備え、しかも、ＰＩＮ−ＰＤの入力光による飽和ではなく、トランスインピーダンス型増幅器の最大入力電流に合わせて制御動作を設定する。
なお、上記の第２の実施形態の説明では、ＰＩＮ−ＰＤを無バイアスで用いる場合をのべたが、応答速度を高めるために、ブレークダウン電圧未満の逆バイアスを印加して用いてもよい。
また、上記の第２の実施形態の説明では、ＰＩＮ−ＰＤを用いる場合をのべたが、ｉ層を有することは必ずしも必要はなく、単にｐｎ接合を有する受光素子であっても同様の動作が可能である。
【００１４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の光受信器においては、ＡＰＤと、光電流レベルモニタとミラー制御部と反射可変ミラーとで構成されるＡＰＤへの光入力パワー制御系と、高電圧電源と高電圧電源制御部から構成されるＡＰＤへの高電圧逆バイアス制御系を備えることによって、以下に記載するような効果を奏する。
光入力パワーに関係なく常にＡＰＤを最適な条件で動作させることが可能となり、最小受信レベルから最大受信レベルまで広範囲にわたって良好な受信感度特性が得られる。
ＡＰＤに入力する光パワーを反射可変ミラーによって制限するため、特に最大受信側の大幅な特性改善が可能であり、広いダイナミックレンジを持つ光受信器の構成が可能である。
個々のＡＰＤやその周辺部の温度特性に合わせた温度補償が可能となるため、光受信器の温度変動による特性劣化を抑制することができ、広温度範囲で良好な受信感度が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光受信器の第１の実施形態の構成を表すブロック図である。
【図２】本発明の光受信器の第１の実施形態が備える光入力パワー制御系の構成を表す図である。
【図３】本発明の光受信器の第１の実施形態の有する光入力パワー制御系が備える反射可変ミラーの平面構成を表す図である。
【図４】本発明の光受信器の第１の実施形態の有する光入力パワー制御系が備える反射可変ミラーを構成するミラー要素の構造を表す図である。
【図５】本発明の光受信器の第１の実施形態が備える逆バイアス高電圧電源制御系の構成を表す図である。
【図６】本発明の光受信器の第２の実施形態の構成を表すブロック図である。
【図７】従来の光受信回路の構成を表す図である。
【図８】ＡＰＤの電流増倍率と受信帯域幅との関係の一例を示す図である。
【図９】ＡＰＤの温度に対する暗電流と逆バイアス電圧との関係を示す図である。
【符号の説明】
１    ＡＰＤ
２    トランスインピーダンス型増幅器
３    高電圧電源
４    高電圧電源制御部
５    光電流レベルモニタ
６    反射可変ミラー
７    ミラー制御部
１０    ＰＩＮ−ＰＤ
１１    温度センサー部
１２    メモリ部
１３    コントロール部
【図１】
0003700575.tif 000002
【図２】
0003700575.tif 000003
【図３】
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【図４】
0003700575.tif 000005
【図５】
0003700575.tif 000006
【図６】
0003700575.tif 000007
【図７】
0003700575.tif 000008
【図８】
0003700575.tif 000009
【図９】
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