(57)【要約】光通信システムは、前方誤り訂正（ＦＥＣ）を利用して、システムによって搬送される信号の誤りを訂正する。システムにおける光信号は、ノードでドロップされ、ノード受信機でアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤｓ）によって電気信号に変換される。ＦＥＣチップは、電気信号に関して動作し、誤りを訂正する。誤り率は、信号ノイズとこれによる誤り率に影響を及ぼすＡＰＤバイアス電圧を制御するのに用いられる。所定の間隔における誤りがカウントされ、誤り率が時間と共に上昇しているかどうかに関する決定がなされる。バイアス電圧は、カウントが間隔毎に増加されているカウンタの値から導出される。誤り率が上昇している場合、カウント方向は変更される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
前方誤り訂正を含む光通信システムにおけるアバランシェフォトダイオードのバイアス電圧を制御する方法であって、
前記アバランシェフォトダイオードによって光信号から変換された電気信号の誤り率を測定すること、及び
前記電気信号の誤り率を最小化するように前記アバランシェフォトダイオードに与えられる前記バイアス電圧を調整すること、を備える方法において、
前記誤り率は、複数のサンプル期間にわたって測定され、
前記誤り率が時間と共に増加しているか又は減少しているかについての決定がなされることを特徴とする方法。
【請求項２】
前記バイアス電圧は、サンプル期間毎に増加させられているか又は減少させられているカウンタの値によって決定されることを特徴とする方法であって、前記誤り率が時間と共に増加する場合に前記カウンタのカウント方向を変更することを含んでいる請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記誤り率がゼロである場合にクロックの動作を抑止することを備える請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記サンプル期間は、クロックティックによって決定されることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の方法。
【請求項５】
クロックティック間の間隔は、可変であることを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項６】
クロック間の間隔は、測定される誤り率に応じて変化することを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項７】
複数の可能な間隔の長さを備え、
前記誤り率が第１のレベルより低い場合、選定される間隔は増加され、
前記誤り率が第２のレベルより高い場合、選定される間隔が減少されることを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前方誤り訂正（ＦＥＣ）を含む光通信システムにおけるアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）のバイアス電圧を制御するための装置であって、
前記ＡＰＤによって光信号から変換される電気信号の誤り率を測定するための誤り測定器と、
測定される誤り率を最小化するように前記ＡＰＤに与えられる前記バイアス電圧を調整するための調整回路と、を備える装置において、
前記調整回路は、前記誤り率が時間と共に増加しているか又は減少しているかを決定するための決定論理を備えることを特徴とする装置。
【請求項９】
前記調整回路は、
カウンタと、
前記バイアス電圧のレベルを決定する値と、
前記誤り率が増加していることを前記決定論理が決定する場合に、カウント方向を変更する手段と、を備えることを特徴とする請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
カウント方向を変更するための前記手段は、トグルであることを特徴とする請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
カウンタ値をアナログＡＰＤバイアス電圧に変換するためのデジタルアナログ変換器を備えている請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記調整回路は、
所定の間隔にわたって誤りパルスをカウントするための誤りパルスカウンタと、
複数のより早期の間隔に対する誤りカウントを保持するための記憶装置と、
を備えることを特徴とする請求項８から１１のいずれか１つに記載の装置。
【請求項１３】
前記決定論理は、前記記憶装置に保持されている誤りカウントに関して動作することを特徴とする請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
誤りパルスが測定される間隔を変更するための手段を備えている請求項１２又は１３に記載の装置。
【請求項１５】
間隔変更手段は、前記誤り率に応じて前記間隔を変更することを特徴とする請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
前記間隔変更手段は、複数の異なる間隔の長さのうちの１つの長さの間で間隔を変更することを特徴とする請求項１４又は１５に記載の装置。
【請求項１７】
測定される誤り率がゼロである場合にカウンタの動きを抑止する抑止装置を備えている請求項９から１１のいずれか１つに記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アバランシェフォトダイオード（ＡＤＰｓ）の制御に関する。特に、本発明は、光通信回路におけるＡＰＤｓの制御に関係する。
【背景技術】
【０００２】
ＡＰＤｓは、光通信において光学的データを電気信号に変換するのに広く用いられている。受信した光信号の変動は、ＡＰＤ素子を通過して電気信号の共振変動に変換される。
【０００３】
任意の通信システムと同様に光通信システムにおいて、ノイズは重要な要素であり、性能に影響を及ぼす。ＡＰＤに到達する光信号は、何キロメートルもの光ファイバを通過し、また、幾つかの関連する光アンプを通過している。従って、光信号はノイズを収集している。入力ノイズ成分に加えて、ＡＰＤそれ自体は、電気的ノイズを発生させ、ＡＰＤによって出力される信号のノイズをその全体に構成する。ＡＰＤによって発生させられるノイズは、入力光信号によって発生させられる素子の電気的な最新の変動に重畳される。
【０００４】
ＡＰＤｓは、適当に機能するように逆電圧によってバイアスされる。逆電圧、すなわちバイアス電圧は、負端子がＡＰＤ陽極に接続され、かつ正端子がＡＰＤ陰極に接続されて供給される。光が放射されていない場合、バイアスにより、リーク電流が素子に少量流れる。電流の流れは、入射光強度の増加とともに増大する。最適なバイアス電圧を選定することはＡＰＤｓの高性能のために重要である。
【０００５】
最適なバイアス電圧を選定することは難しい。それは素子間、製造間で変化するだけでなく、特定の一群内でも様々である。従って、バイアスは、素子が最初に製造される時に正確に設定されなければならない。さらに、最適バイアス値は、温度とともに変化する。従って、バイアス電流はその場所の温度を監視し、それに応じてバイアス電圧を調整しなければならない。
【０００６】
実行温度範囲を通して有効な結果を得るためには、製造と同時に温度係数の補正回路を設定することが必要である。
【０００７】
さらなる問題は、ＡＰＤ特性が年々わずかに変化することにおいて生じる。これは、結果として適用される最適バイアス電圧を生じ得ない。
【０００８】
幾つか存在するＡＰＤバイアス回路は、入力信号強度に応じてバイアス電圧を変化させる。しかしながら、与えられる性能での改善は小さい傾向にある。
【０００９】
バイアス電圧制御の問題は、フォトダイオードの性質を考慮することによってより認識される。一般には、アバランシェフォトダイオード入射光子は、素子の光感度部分によって吸収されない。各光子吸収に対して、近接電子が幾つかの又は全てのそのエネルギーを受信するという合理的な機会が存在する。適当な電子が十分なエネルギーを受信する場合、それは、そのケイ素原子から自らを開放し、素子の結晶構造を介して原子から原子へ進行し得る移動電荷キャリアになる。素子に対して電界を与える際、電荷キャリアは、それが吸収される場合には、ダイオードの陽極端子に対して進行し、その電荷を外部回路に引き渡し、結果としてインパルス電流を生じる。素子の感光性部分が安定照度に感光させられる場合、電荷キャリアの連続的な流れが存在し、それによって外部素子には電流が存在する。
【００１０】
素子の感光性は、内部電界を与えることによって作られ、電圧がダイオード端子にわたって与えられることを必要とする。素子が入射光を電流に変換するのに用いられる際、ダイオードの電圧バイアスは、不導体すなわち逆方向でなければならず、発生させられる電流は、入射光相当のみである。
【００１１】
アバランシェダイオードにおいて、その活性領域は薄く、バイアス電圧は特に高く、素子内に非常に高い電界強度を作る。入射光子によって作り出される電荷キャリアは、陽極端子に向けて迅速に加速され、エネルギーを増す。それらが別の原子と衝突する場合、それらは２つ又は３つ以上の電子を解放するのに十分なエネルギーを得ている。それらの新たに解放される電子は、電荷キャリアになり、陽極に向けて加速する。各電子は、順番に他の原子と衝突し、２つ又は３つ以上のさらなるキャリアを解放し、それによって、電荷キャリアの電子なだれを提供し、入射光子の影響を増幅させる。
【００１２】
光子によって解放される電荷キャリアの数は、ＡＰＤのゲインＭとして参照される。単一のキャリアを解放する光子を考えると、そのキャリアは加速し、２つのさらなるキャリアを解放する。それらの各々は、２つのさらなるキャリアを加速し、解放し、合計４つを作る。陽極に達する前に１０回の前記衝突が存在する場合、１０２４個の電子がそれらの電荷を外部回路に放出し、ＰＡＤゲイン、すなわち示される倍増要素は１０２４である。
【００１３】
ゲインは、バイアス電圧と温度の両方に依存し、３つの温度、２５度、５０度、７５度で動作させた素子のバイアス電圧に対するゲインをプロットする図１から分かるように非常に非線形である。
【００１４】
述べてきたアバランシェプロセスは統計的性質であり、素子内に様々な高周波ノイズ源を生じることが認識される。ノイズ発生は、とりわけＭの値に敏感であるため、バイアス電圧及び温度に対する感度が高い。
【００１５】
ファイバ光ケーブル、ＡＰＤ素子及び低ノイズ高周波アンプのようなファイバ光伝送機構を有するシステムを考えると、アンプは、それが電流変動を電圧信号に変換するのでインピーダンス変換増幅回路として参照される。それは、最適性能が、
ＮT＝ＮF＋ＮA
である場合に達成されることが示され得る。
【００１６】
ここで、ＮTはインピーダンス変換増幅回路によるノイズ寄与率であり、ＮFは光ファイバによるノイズ寄与率であり、ＮAはＡＰＤ素子によるノイズ寄与率である。図の全ては、システムにおいて同じ位置を参照しており、アンプの出力である。ＮTは一定であり、ＮFは入力光信号に依存しているため光受信機の制御の外側に存在する。従って、最適性能はＮAを調整することによってのみ成し遂げられ、ＡＰＤ素子のバイアス電圧を調整することによって順番に成し遂げられる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
ＡＰＤ素子におけるバイアス制御の重要性、及びバイアス電圧の最適制御を成し遂げる際の問題と困難性を考慮すると、ＡＰＤバイアス電圧制御を改善する必要性が存在する。本発明は、上述した前記必要性と問題と困難性に取り組むことが目的である。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明は、フィードバックループを用いてバイアス電圧を設定するために信号において測定される誤り率を利用することにある。
【００１９】
より詳細には、前方誤り訂正を含む光通信システムにおけるアバランシェフォトダイオードのバイアス電圧を制御する方法であって、
前記アバランシェフォトダイオードによって光信号から変換された電気信号の誤り率を測定すること、及び
前記電気信号の誤り率を最小化するように前記アバランシェフォトダイオードに与えられる前記バイアス電圧を調整すること、を備える方法を提供する。
【００２０】
また、本発明は、前方誤り訂正（ＦＥＣ）を含む光通信システムにおけるアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）の前記バイアス電圧を制御するための装置であって、
前記ＡＰＤによって光信号から変換された電気信号の前記誤り率を測定するための誤り率測定器と、
測定される誤り率を最小化するように前記バイアス電圧を調整するための調整回路と、を備えている装置を提供する。
【００２１】
本発明の実施例は、前記ＡＰＤバイアス電圧が通常の動作条件下で最適化され、又はほぼ最適化され得るという利点を有する。それにより、製造中にＡＰＤ電圧を正確に設定する必要性がなくなり、非常に正確かつ温度補償されたＡＰＤ電圧供給の必要性がなくなる。
【００２２】
望ましくは、誤り率は、多くのサンプル期間を介して測定され、誤り率が時間と共に増大するか又は減少するかに関する決定がなされる。幾つかのサンプル期間を介してこの決定をすることによって、誤り率の短期間での変動は、バイアス電圧設定に影響を及ぼさない。
【００２３】
望ましくは、バイアス電圧は、サンプル期間毎に増大されているカウンタ値によって設定される。誤り率が増大する場合、カウント方向は変化する。この方法において、カウントは、バイアス電圧の最適値に向かう。カウンタは、望ましくは、初期的には中間点に設定される。
【００２４】
望ましくは、サンプル間隔は可変である。これは、測定された誤り率に従うものであり、それによって、バイアス電圧は、それが最適値からほど遠い場合には迅速に変更され、それが最適値に近い場合にはよりゆっくりと変更される。
【００２５】
本発明に係る望ましい実施例は、ゲートクロックによる時間間隔設定を介して前方誤り訂正によって検出される誤りをカウントするパルスカウンタを備えている。それぞれの新たな間隔において、現存するパルスカウントは記憶装置に移され、パルスカウントは再度始まる。多数カウント、例えば６のカウントが記憶された後、決定論理は、アルゴリズムを用いて誤り率が増加しているか又は減少しているかを決定する。アップダウンカウンタは、中間点に設定され、バイアス電圧の値を決定する。カウントは、それぞれの時間間隔で増加されるか又は減少される。誤り率が増加していることが決定される場合、カウント方向は変更される。誤り率が減少されている場合、カウント方向は変更されない。カウンタの出力は、ＤＡ変換器によってアナログ信号に変換され、ＡＰＤに与えられるバイアス電圧を形成する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
ここで、もっぱら例を通し、添付図を参照して本発明の実施例を描写する。
【００２７】
図２は、光ネットワークであって、例えば３２チャネルＤＥＤＭ（高密度波長多重）信号を搬送する２つのファイバ１０ＧＨｚ光ネットワークのノードのドロップ側を概略的に示す。光学的ＤＷＤＭ信号は、信号スプリッター１２によってネットワークから分割される。光学的ＤＷＤＭ信号は、ドロップされる信号出力１４を作り出すために信号スプリッター１２によってネットワークから分割される。スプリッターの他の出力は、ネットワーク上に存続するＴと称したトラフィックに通り抜ける。ドロップされる信号は、３２：１スプリッター１６に進行し、信号を３２の分離した信号に分割する。図示されている、残る回路は、実際には、それが各チャネルに対して繰り返されるが、出力うちの１つだけに適用される。
【００２８】
信号スプリッター１６からの出力は、調整可能フィルタ２０に入力される。フィルタは、本質的には、中心周波数がサーボモータによって制御される機械式構成要素である。
【００２９】
フィルタの出力１８は、単一チャネル光信号であり、光信号を電気信号に変換するＡＰＤ２３を含む受信機２２に入力され、その後はさらに処理するために出力され、そして最終的にはエンドユーザに配信される。
【００３０】
さらなる処理の部分は、誤り訂正である。データ誤りを訂正する手段として前方誤り訂正を利用することは光通信ネットワークにおいて周知である。冗長コード化の程度が、多くのコード化アルゴリズムのうちの１つに従ってデータストリームに誘導される。前記アルゴリズムの１つは、ブロックベースの誤り訂正コードであるリードソロモンアルゴリズムであり、入力としてＫデータ符号のアレーをエンコードし、Ｎ符号のアレーを返す。１０ＧＨｚ環境おいて動作させると、リードソロモンエンコーダは９．９Ｇｂｐｓ符号ストリームを１０．７Ｇｂｐｓストリームに変換する。
【００３１】
受信機２２からの電気的出力は、２つの主要部分を備えた前方誤り訂正（ＦＥＣ）チップ２４に進行する。デコーダ２６は、電気的データ符号をデコードし、デコーダ２６からの訂正データの制御下で動作する訂正器２８はデコードされたデータを訂正する。訂正されたデータは、その後、その意図した宛先に出力される。
【００３２】
ＦＥＣは、エンドユーザに明白であるという利点を有する。我々は、符号ストリームの誤り率が変化する場合、仮に誤り率が過剰でないとすれば、誤りは訂正され、エンドユーザは誤り率の変動に気付くことはないということを評価した。さらに、我々は、誤り率の変化がＡＰＤ２３に対する最適バイアス電圧を見つけるために監視され得るということを評価した。
【００３３】
従って、図２において、デコーダからの誤りパルス２９は、デジタルアナログ変換器ＤＡＣ３２による変換後にバイアス電圧Ｖbをアバランシェフォトダイオード２３に提供する信号を出力する制御ユニット３０に対する入力を提供する。
【００３４】
図３は、図２のコントローラ３０をより詳細に示す。ＦＥＣチップから受信される誤りパルスは、検出されているデータ誤りに対応しており、エンドユーザに渡る前に訂正される。ゲートクロック３４（図２には示されていない）は、回路がその内部計算を再評価する時のポイントを決定する周期的ティックを提供する。
【００３５】
誤りパルスは、クロックティック間のパルスカウンタ３６によって最初にカウントされる。各クロックティックで、最新カウンタ値は、履歴記憶装置３８に転送される。カウンタ３６は、その後、次のカウントする間隔に向けてリセットされる。記憶装置３８は、最新の誤りカウントを記録する。記憶装置は、他の構造も可能ではあるが、シフトレジスタ構造に基づいている。それは、各クロックティックでパルスカウンタからの最新のサンプルにシフトし、古いサンプルを廃棄する。他の値も利用され得るが、記憶装置は、典型的には、６つの最新サンプルを保持する。
【００３６】
決定論理４０は、誤りカウントが時間を経て増加しているか又は減少しているかを決定するのに用いられる。これは、任意の便利な手法でなされ得るが、１つの最新の望ましい方法は、６つの連続するサンプル及びＥ１が最新である場合のサンプルＥ１からＥ６の単純なガウスフィルタを用いるアルゴリズムによるものである。誤り率は、増加している場合には、以下の条件で性能が悪化する。
【００３７】
悪化する条件：（Ｅ1＋２Ｅ2＋Ｅ3）＞（Ｅ4＋２Ｅ5＝Ｅ6）
【００３８】
‘悪化’という結果は、ブール量であり、真または偽（１または０）である。各クロックティックで、真の値は、トグルステージ４２を状態変化させるが、偽値は前記トグルを変化させない。前記トグルステージは、アップ／ダウンカウンタ４４に出力し、また、クロック３４によって記録され、前記トグルステージの値に依存してアップ又はダウンを記録する。従って、増加している誤り率により、カウンタは各クロックティックで方向転換し、一方、減少している又は不変の誤りにより、それは同じ方向に傾斜し続ける。
【００３９】
最新カウント値は、ＤＡＣ３２によってアナログバイアス電圧Ｖbも接続され、その後、ＡＰＤ陽極に与えられる。カウンタは、初期値に設定され、バイアス電圧を提供し、トグルステージに応じてクロックティック毎にアップ又はダウンされる。
【００４０】
制御ループの応答速度は、ＮビットＤ／Ａ変換器３２と共に、ティック間隔及びＮビットアップ／ダウンカウンタに対する、ゲートクロック３４の速度及びアップ／ダウンカウンタ４４のサイズによって決定される。その中間点の値から可動域極値までＡＰＤ電圧を変更するのに２N-1ｔ秒かかる。従って、ビットカウンタ及び５０ｍｓのサンプル範囲は、可動域を遂行するのに６．４秒かかる。ループの目的は、長時間一定を許容し得るように、低速動作や静的パラメータに依存する電圧を正確に調整することである。
【００４１】
パルスカウンタ３６は、最悪起こり得るビット誤り率の下で適当なシステム動作に適応した十分な誤りを獲得するのに十分大きいサイズを有するように選定されなければならない。システムは、過剰誤り率状態を識別し得る（示されていない）誤り率監視を含んでいる。
【００４２】
初期的には、アップ／ダウンカウンタは、その中間点の値に設定される。これにより、初期設定点の上下の等しいタイミングが許容される。これにより、典型的な動作バイアス電圧がＡＰＤ素子に与えられ得る。
【００４３】
偽状態が進展する場合、誤り率は、高すぎてシステムが現実的な性能指示を得ることができない値に増大する。高い誤り率が検出される場合、ＤＡＣ３２からの出力電圧は、中間点の値に事前設定される。これは、誤り率監視の制御下で成し遂げられる。
【００４４】
過剰バイアス又は過剰電流は、敏感かつ高価なＡＰＤｓに損害を与え、コントローラは、そこでパラメータを安全動作値に制限するのに用いられる。
【００４５】
図４は、上述されたプロセスをフローチャートとして示す。ステップ１００において、初期バイアス電圧は、典型的な中間点の値に設定される。これは、ルックアップテーブルから得られる。ステップ１０２において、ＦＥＣチップからの誤りパルスは、パルスカウンタ３６によってカウントされる。ステップ１０４において、カウンタの内容が次のティックで記憶装置２８に渡される。ステップ１０２及び１０４は、連続的に繰り返される。６カウントの後、１０６における決定論理は、誤り率が悪くなっているか否かを決定するために上述したアルゴリズムを適用する。それが悪化している場合、トグル状態は、１０８で変更され、アップ／ダウンカウンタ４４のカウント方向が変更される。ステップ１１０において、アップ／ダウンカウンタ４４の出力が読み出され、ＡＰＤにバイアス制御電圧として与えるためにＤＡＣに渡される。
【００４６】
描写してきた実施例において、ＡＰＤバイアス電圧は、規則的な間隔で小さい試験的な電圧によって調整され、ＦＥＣ誤り率は、前のサンプルと最新のサンプルで監視される。決定は、誤り性能が良くなっているか又は悪くなっているかに関してなされる。それが悪くなっている場合、電圧増加の極性が調整される。
【００４７】
本発明の実施例は、ＡＰＤが温度変化又は劣化影響に関わり無く最適又は最適に近いバイアス電圧で動作するので、全体システム性能が改善され得るという利点を有する。結果として、製造中にＡＰＤを正確に設定する必要がなく、また、非常に正確かつ温度補償されたＡＰＤバイアス電圧供給を備える必要がない。
【００４８】
上述した実施例は、本発明の範囲から出発することなしに様々な方法で変更され得る。例えば、可変ティック速度又はクロックが用いられ得る。これは、訂正最適バイアス電圧に近い場合に解像度及び精度を改善する一方で最適バイアス電圧における初期収束を速度アップさせるという利点を有する。高速ティックは、誤りカウントが高い場合に用いられ、回路をその最終解決に向けて迅速に後押しする。誤り率が低い場合、回路は、その最終的な収束に正確に近づけられる。多数の速度が用いられ得る。
【００４９】
一実施例において、１０、２０、４０、８０及び１６０ｍｓのクロック速度が用いられ得る。３２以上の誤りが１クロック間隔で絶えず生じる場合、間隔は、既に最小であるということでなければ、二等分される。８以下の誤りがクロック間隔でカウントされる場合、間隔は、既に最大であるということでなければ、二倍にされる。もちろん、他の値も利用され得る。
【００５０】
さらなる変更において、アップ／ダウンカウンタは、誤りがカウントされない場合には抑止される。これにより、最適動作バイアス電圧の周囲に絶えず続く捜索ができなくなる。誤り解放動作が達成される場合、ループは動きを止め、誤り解放動作は、外部条件が変化するまでそのままを維持する。
【００５１】
様々な他の変更が可能であり、当業者であれば請求項によってのみ制限される本発明から出発することなしに思い浮かぶであろう。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】３つの温度で動作しているＡＰＤのバイアス電圧に対するゲインのグラフである。
【図２】ＡＰＤｓ及び前方誤り訂正の利用を示している光通信ネットワークの一部の概略表現である。
【図３】本発明を具現化するシステムのブロック図である。
【図４】バイアス電津が最適化され得る方法を示すフローチャートである。
【図１】
2005520430.tif 000003
【図２】
2005520430.tif 000004
【図３】
2005520430.tif 000005
【図４】
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【国際調査報告】
2005520430.tif 000007
2005520430.tif 000008