(57)【要約】【課題】シンチレーションに起因する信号のエラーの発生を防ぎ、揺らぎのある大気伝送路でも優れた通信品質を実現することができる光受信回路を提供すること。【解決手段】バイアス電源に、アバランシェ・フォトダイオードの光起電流による電圧降下を発生するための第１の抵抗Ｒ１と、前記アバランシェ・フォトダイオードのアノードとを直列に接続し、前記アバランシェ・フォトダイオードのアノードは第１のコンデンサＣ１を介して基準電位にも接続し、前記アバランシェ・フォトダイオードのカソードは、前記アバランシェ・フォトダイオードの光起電流を電圧に変換するための他端を基準電位に接続した第２の抵抗Ｒ２を接続し、抵抗Ｒ１とコンデンサＣ１の時定数が、その逆数である周波数を大気の揺らぎによるシンチレーションの周波数以上とするように設定されたことを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
バイアス電源に、アバランシェ・フォトダイオードの光起電流による電圧降下を発生するための第１の抵抗Ｒ１と、前記アバランシェ・フォトダイオードのアノードとを直列に接続し、前記アバランシェ・フォトダイオードのアノードは第１のコンデンサＣ１を介して基準電位にも接続し、前記アバランシェ・フォトダイオードのカソードは、前記アバランシェ・フォトダイオードの光起電流を電圧に変換するための他端を基準電位に接続した第２の抵抗Ｒ２を接続し、抵抗Ｒ１とコンデンサＣ１の時定数が、その逆数である周波数を大気の揺らぎによるシンチレーションの周波数以上とするように設定されたことを特徴とする光受信回路。
【請求項２】
抵抗Ｒ１が３０ｋΩ以上で、且つ、コンデンサＣ１が０．３３μＦ以下であって、抵抗Ｒ１とコンデンサＣ１の値の積（時定数）が０．０１秒以下あることを特徴とする請求項１記載の光受信回路。
【請求項３】
バイアス電源に、前記抵抗Ｒ１に比べて十分小さな抵抗値を持つ第３の抵抗Ｒ３と、前記抵抗Ｒ１と、前記アバランシェ・フォトダイオードのアノードとを直列に接続し、前記アバランシェ・フォトダイオードのアノードは第１のコンデンサＣ１を介して基準電位に接続し、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ３の間は第２のコンデンサＣ２を介して基準電位に接続し、前記アバランシェ・フォトダイオードのカソードは、前記アバランシェ・フォトダイオードの光起電流を電圧に変換するための他端を基準電位に接続した第２の抵抗Ｒ２を接続し、抵抗Ｒ１とコンデンサＣ１の時定数が、その逆数である周波数を大気の揺らぎによるシンチレーションの周波数以上とするように設定されたことを特徴とする光受信回路。
【請求項４】
抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ３との直列抵抗が３０ｋΩ以上で、且つ、コンデンサＣ１が０．３３μＦ以下であって、且つ、抵抗Ｒ１とコンデンサＣ１の値の積（時定数）が０．０１秒以下あることを特徴とする請求項３記載の光受信回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、屋外設置して、自由空間を伝搬する光信号による通信を行う光空間通信に使用される光受信回路に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光通信における受信器に使用されるアバランシェ・フォトダイオード（以下、「ＡＰＤ」と略す）は、光起電流に対する増倍作用があり、その増倍率Ｍはバイアス電圧Ｖｂの関数として次式で表され、１〜数１００の範囲で変化する。
【０００３】
Ｍ＝１／｛１−（Ｖｂ／Ｖbr）Ｎ｝    …  （１）
ここで、Ｖbrはブレークダウン電圧、Ｎは実験的に定まる定数で通常１以下である。
【０００４】
又、ＡＰＤに受信される光信号のパワーＰo に対して、出力される電気信号のＳ／Ｎ比を最大にする最適増倍率Ｍｂが存在し、光信号のパワーＰo
が小さいときは最適増倍率Ｍｂは大きく、Ｐo の増加とともにＭｂは小さな値となる。従って、式（１）から、光信号のパワーＰo が小さいときはバイアス電圧Ｖｂを大きくし、逆に光信号のパワーＰo が大きいときはバイアス電圧Ｖｂを小さくするような制御が必要になる。
【０００５】
図５は従来の光空間通信に使用される光受信回路を示す。
【０００６】
５１はバイアス電源で、抵抗５３（Ｒ１）を介してＡＰＤ５２にバイアス電圧を与える。ＡＰＤ５２は、光信号を受信すると光電流を発生する。光電流は、抵抗５４（Ｒ２）で電圧に変換され、そのうち信号成分（交流成分）はコンデンサ５６からプリアンプ５７に入力される。コンデンサ５５は、光電流の信号成分を規準電位に流すためのバイパスコンデンサである。光信号が強い時は光電流の直流成分による抵抗５３の電圧降下が大きくなりＡＰＤ５２のバイアス電圧が低くなり、その結果増倍率Ｍｂは小さくなる。逆に光信号が弱い時は光電流の直流成分による抵抗５３（Ｒ１）の電圧降下が小さくなってＡＰＤ５２のバイアス電圧が高くなり、その結果、増倍率Ｍｂは大きくなる。
【０００７】
抵抗５３（Ｒ１）は、光電流による電圧降下によるＡＰＤのバイアス電圧の変化が、その時の光受信強度に対してＡＰＤの増倍率が最適になるように、ＡＰＤのブレークダウン電圧Ｖbrに対応した数１０ｋΩ〜数１００ｋΩの高い値に設定されている。
【０００８】
又、コンデンサ５５は、あらゆるノイズ成分やバイアス電源のリップルを除去できるよう、更にあらゆる光電流の交流成分をバイパスできるように、通常は数μＦ以上の大きな値に設定されている。ダイオード群５８は、受信強度に対するＡＰＤの増倍率がより最適となるように、電流に対する電圧降下に非線形な要素を加えるためのものである。
【０００９】
【特許文献１】特開平６−１６４５０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、屋外設置して、自由空間を伝搬する光信号による通信を行う光空間通信においては、かげろう等見られるような、通信路である大気の屈折率の揺らぎのため、シンチレーションと呼ばれる受信信号の強度変動が生じる。これは特に気温の高い晴天の日中において顕著である。
【００１１】
シンチレーションで光受信強度が変動した場合、光受信強度が急に強くなった時は、コンデンサＣ１の放電が間に合わず電位が低下しないため、一時的に過剰なバイアス電圧となって受信信号が飽和して波形歪を起こす。逆に光受信強度が急に低下した時は、コンデンサＣ１の充電が間に合わず電位が上昇しないため、一時的にバイアス電圧が不足して受信信号レベルが低下する。何れの場合も受信信号のエラーを発生する可能性がある。
【００１２】
本発明は上記問題に鑑みてなされたもので、その目的とする処は、シンチレーションに起因する信号のエラーの発生を防ぎ、揺らぎのある大気伝送路でも優れた通信品質を実現することができる光受信回路を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するため、本発明は、バイアス電源に、アバランシェ・フォトダイオードの光起電流による電圧降下を発生するための第１の抵抗Ｒ１と、前記アバランシェ・フォトダイオードのアノードとを直列に接続し、前記アバランシェ・フォトダイオードのアノードは第１のコンデンサＣ１を介して基準電位にも接続し、前記アバランシェ・フォトダイオードのカソードは、前記アバランシェ・フォトダイオードの光起電流を電圧に変換するための他端を基準電位に接続した第２の抵抗Ｒ２を接続し、抵抗Ｒ１とコンデンサＣ１の時定数が、その逆数である周波数を大気の揺らぎによるシンチレーションの周波数以上とするように設定されたことを特徴とする。
【００１４】
又、本発明は、バイアス電源に、前記抵抗Ｒ１に比べて十分小さな抵抗値を持つ第３の抵抗Ｒ３と、前記抵抗Ｒ１と、前記アバランシェ・フォトダイオードのアノードとを直列に接続し、前記アバランシェ・フォトダイオードのアノードは第１のコンデンサＣ１を介して基準電位に接続し、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ３の間は第２のコンデンサＣ２を介して基準電位に接続し、前記アバランシェ・フォトダイオードのカソードは、前記アバランシェ・フォトダイオードの光起電流を電圧に変換するための他端を基準電位に接続した第２の抵抗Ｒ２を接続し、抵抗Ｒ１とコンデンサＣ１の時定数が、その逆数である周波数を大気の揺らぎによるシンチレーションの周波数以上とするように設定されたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、バイアス電源とアバランシェ・フォトダイオードのアノードとの間に接続された、バイアス電圧を制御するための抵抗Ｒ１と、アバランシェ・フォトダイオードのアノードと基準電位の間に接続されたコンデンサＣ１との時定数が、その逆数である周波数を大気の揺らぎによるシンチレーションの周波数（約１００Ｈｚ）以上となり、且つ、コンデンサＣ１の値をノイズ成分やバイアス電源のリップルを実用上除去でき、又、信号に存在する交流成分の必要な部分をバイパスできるのに十分な値となるように設定することにより、シンチレーションに起因する信号のエラーの発生を防ぎ、揺らぎのある大気伝送路でも優れた通信品質を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
【００１７】
＜実施の形態１＞
本発明の実施の形態１を図１に示す。動作は図５の従来例とほぼ同じであり、１１はバイアス電源で、抵抗１３（Ｒ１）を介してＡＰＤ１２にバイアス電圧を与える。ＡＰＤ１２は、光信号を受信すると光電流を発生する。光電流は抵抗１５（Ｒ２）で電圧に変換され、プリアンプに入力される。コンデンサ１４（１）は、光電流の信号成分を規準電位に流すためのバイパスコンデンサである。
【００１８】
抵抗１３（Ｒ１）は、光電流による電圧降下によるＡＰＤのバイアス電圧の変化が、その時の光受信強度に対してＡＰＤの増倍率が最適になるようにその値が決められ、ＡＰＤのブレークダウン電圧Ｖbrに依存するが、通常は３０ｋΩ以上である。又、コンデンサ１４（１）の値は、あらゆるノイズ成分やバイアス電源のリップルを除去できるよう、更にあらゆる光電流の交流成分をバイパスできるように、通常は数μＦ以上の大きな値に設定されている。
【００１９】
しかし、本実施の形態では、ＡＰＤの増倍率がシンチレーションによる光受信強度の変動に応じて変化して、検出された信号が安定するように、バイアス電圧を制御することを可能にするため、コンデンサＣ１の値をノイズ成分やバイアス電源のリップルを実用上除去でき、又、信号に存在する交流成分の必要な部分をバイパスできる最低限の小さな値として、抵抗Ｒ１とコンデンサＣ１の時定数が、シンチレーションの周波数に十分応答できる値とする。
【００２０】
図３は夏の晴天の日の正午頃のシンチレーションの観測例である。伝送距離は約２０００ｍである。横軸の時間は全スケールで１．５秒間で、縦軸は受信光強度相対的な対数強度を示し約３ｄＢ／Ｖであるから、１．５秒間の間にほぼ１２ｄＢ程度の光強度変動が発生していることが分かる。
【００２１】
図４は同じ条件下でシンチレーションの周波数成分を測定したもので、横軸は周波数、縦軸はその周波数の成分の信号強度を示す。この測定により、低周波成分が強く、周波数が高くなるに連れて強度が弱くなるが、２００Ｈｚ程度までの周波数成分を含んでいることが分かった。しかし、１００Ｈｚ以上では成分が微弱になるので、実用上は１００Ｈｚまでを考慮すれば十分であると考えられる。
【００２２】
上の測定結果より、シンチレーションの影響を除くためには、バイアス電圧の制御が１００Ｈｚ以上の周波数に応答させる必要があることが分かる。抵抗Ｒ１とコンデンサＣ１の時定数が１００Ｈｚの変動に応答できるためには、Ｒ１を上記のように３０ｋΩ以上とすると、コンデンサ１の値は、（１／１００）／３０ｋ＝０．３３μＦから０．３３μＦ以下となる。この程度の値であれば、ノイズ成分やバイアス電源のリップルを実用上十分除去することが可能であり、又、信号についても、数Ｍbps 以上の速度であれば、通常のデジタル信号に含まれる周波数成分は問題なくバイパスすることができる。
【００２３】
又、必要に応じてバイアス電源とＲ１の間に図５にある非線形な要素を加えるためのダイオード群５８を付け加えても良い。
【００２４】
＜実施の形態２＞
本発明の実施の形態２を図２に示す。
【００２５】
本実施の形態は、実施の形態１に対して抵抗１６（Ｒ３）とコンデンサ１７（Ｃ２）を付け加えて、ノイズ成分やバイアス電源のリップルを除去する効果をより増やしたものである。
【００２６】
ここで、抵抗Ｒ３の値は、抵抗Ｒ１の電圧効果によるバイアス電圧の制御に影響を与えないように、Ｒ１に対して十分小さい（１／５程度以下）値とし、その代わりコンデンサＣ２をコンデンサＣ１に対して十分大きな値（特に制限はない）とすることで、Ｒ２とＣ２で十分なノイズとリップルの除去効果を持たせる。
【００２７】
又、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ３との直列抵抗を３０ｋΩ以上とすることでバイアス電圧の制御を行い、Ｃ１で交流成分のバイパスを行う。更に、コンデンサＣ１の値を０．３３μＦ以下とすることで、抵抗Ｒ１とコンデンサ１の時定数が、シンチレーションの周波数である１００Ｈｚ程度の光強度変動に十分応答できる値としている。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の実施の形態１に係る光受信回路の構成図である。
【図２】本発明の実施の形態２に係る光受信回路の構成図である。
【図３】シンチレーションの波形図である。
【図４】シンチレーションの周波数分布図である。
【図５】従来の光受信回路の構成図である。
【符号の説明】
【００２９】
１１        バイアス電源
１２        アバランシェ・フォトダイオード
１３，１５，１６  抵抗
１４，１７  コンデンサ
【図１】
2006270616.tif 000003
【図２】
2006270616.tif 000004
【図３】
2006270616.tif 000005
【図４】
2006270616.tif 000006
【図５】
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