(57)【要約】【課題】オーバーシュートが生じている光信号であっても、正確な情報を出力することのできる増幅回路を提供する。【解決手段】一方の入力端子に信号が入力し、前記信号を増幅する第１の増幅器と、前記第１の増幅器の正負の出力がそれぞれ入力する第２の増幅器と、前記第２の増幅器の出力が入力する第１のローパスフィルタと、前記第１の増幅器の出力が入力するハイパスフィルタと、前記ハイパスフィルタの出力が入力する第２のローパスフィルタと、前記第１のローパスフィルタの出力と前記第２のローパスフィルタの差分を出力する差分回路と、を有し、前記差分回路の出力は、前記第１の増幅器の他方の入力端子に入力していることを特徴とする増幅回路を提供することにより上記課題を解決する。【選択図】  図５
2019186740.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方の入力端子に信号が入力し、前記信号を増幅する第１の増幅器と、
前記第１の増幅器の正負の出力がそれぞれ入力する第２の増幅器と、
前記第２の増幅器の出力が入力する第１のローパスフィルタと、
前記第１の増幅器の出力が入力するハイパスフィルタと、
前記ハイパスフィルタの出力が入力する第２のローパスフィルタと、
前記第１のローパスフィルタの出力と前記第２のローパスフィルタの差分を出力する差分回路と、
を有し、
前記差分回路の出力は、前記第１の増幅器の他方の入力端子に入力していることを特徴とする増幅回路。
【請求項２】
前記第１のローパスフィルタの出力が入力する第１の差動アンプと、
前記第２のローパスフィルタの出力が入力する第２の差動アンプと、
を更に備え、
前記差分回路は、前記第１の差動アンプの出力と前記第２の差動アンプの出力との差分を出力することを特徴とする、請求項１に記載の増幅回路。
【請求項３】
前記差分回路は、差動アンプであることを特徴とする、請求項１に記載の増幅回路。
【請求項４】
前記第２の増幅器は、イコライザ機能を有していることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の増幅回路。
【請求項５】
前記第１の増幅器の前記一方の入力端子は、フォトダイオードが接続されていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の増幅回路。
【請求項６】
請求項５に記載の増幅回路と、
前記フォトダイオードと、
半導体レーザと、
を有することを特徴とする光トランシーバ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、増幅回路及び光トランシーバに関する。
【背景技術】
【０００２】
大容量の情報通信を実現するために、高速光通信システムの普及が進んでいる。光通信システムでは光送信器と光受信器が用いられている。光受信器は、受信した光信号をフォトダイオードにより電流信号に変換し、電流信号を増幅して出力する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１６−１２７４９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
光送信器の発光素子として、ＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting LASER）等の半導体レーザが用いられており、半導体レーザを直接変調して光信号を生成している。半導体レーザを直接変調させて生成された光信号は、緩和振動によりオーバーシュートが生じ、振幅方向に対して波形が非対称となるため、１と０との判断を誤り、誤った情報が出力される可能性がある。
【０００５】
このため、オーバーシュートが生じている光信号であっても、正確な情報を出力することのできる増幅回路が求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本実施の形態の一観点によれば、一方の入力端子に信号が入力し、前記信号を増幅する第１の増幅器と、前記第１の増幅器の正負の出力がそれぞれ入力する第２の増幅器と、前記第２の増幅器の出力が入力する第１のローパスフィルタと、前記第１の増幅器の出力が入力するハイパスフィルタと、前記ハイパスフィルタの出力が入力する第２のローパスフィルタと、前記第１のローパスフィルタの出力と前記第２のローパスフィルタの差分を出力する差分回路と、を有し、前記差分回路の出力は、前記第１の増幅器の他方の入力端子に入力していることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
開示の増幅回路によれば、オーバーシュートが生じている光信号であっても、正確な情報を出力できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】増幅回路の回路図
【図２】増幅回路に入力する信号の説明図（１）
【図３】フォトダイオードで検出される信号の説明図
【図４】増幅回路に入力する信号の説明図（２）
【図５】第１の実施の形態の増幅回路の回路図
【図６】第１の実施の形態の増幅回路による信号処理の説明図
【図７】ローパスフィルタ及びハイパスフィルタの説明図（１）
【図８】ローパスフィルタ及びハイパスフィルタの説明図（２）
【図９】線形アンプの構成の一例を示す回路図
【図１０】リミットアンプの構成の一例を示す回路図
【図１１】出力段の構成の一例を示す回路図
【図１２】差動アンプの構成の一例を示す回路図
【図１３】イコライザ機能を有するリミットアンプの構成の一例を示す回路図
【図１４】第１の実施の形態の光トランシーバの説明図
【図１５】第２の実施の形態の増幅回路の回路図
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明を実施するための形態について、以下に説明する。尚、同じ部材等については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００１０】
オーバーシュートが生じた光信号の受信した場合に生じる２値化の判定誤りを説明する。図１はフォトダイオードが受光した光信号を増幅し電気信号として出力する増幅回路である。
【００１１】
図１に示す増幅回路は、線形アンプ２０、リミットアンプ３０、出力段４０、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）５０、差動アンプ６０を有している。光信号を受光するフォトダイオード１０は、カソードが電源電位に接続され、アノードが線形アンプ２０の一方の入力端子（＋）に接続されている。線形アンプ２０の入力端子（−）には差動アンプ６０の出力が入力する。
【００１２】
フォトダイオード１０の出力の電流信号ｉｐは線形アンプ２０により電圧信号に変換され、リミットアンプ３０で増幅され、出力段４０を介し出力信号ｏｕｔｐ、ｏｕｔｎとして出力される。また、リミットアンプ３０の出力と反転出力は分岐してローパスフィルタ５０に入力し、ローパスフィルタ５０で高周波成分を除去してＤＣ成分の信号とした後、差動アンプ６０に入力する。差動アンプ６０の出力は差動アンプ６０の正負の入力信号の平均値になり、線形アンプ２０の入力端子（−）に信号ｉｎとして入力する。図１に示す増幅回路では、ローパスフィルタ５０と差動アンプ６０を用いてＤＣ成分によるフィードバックをかけている。ローパスフィルタ５０及び差動アンプ６０を含む破線で囲まれた部分はＤＣフィードバック回路である。
【００１３】
ＤＣフィードバックを行うことで、差動アンプ６０の出力信号は、図２の実線に示す線形アンプ２０に入力する電流信号ｉｐを平均化したものとなり、図２では破線で示されている。図２の破線で示すように、入力信号が振幅方向に対称である場合には、差動アンプ６０の出力信号である信号ｉｎは、二値信号である０と１との略中央となり、電流信号ｉｐを二値化する最適な識別しきい値となる。
【００１４】
図４は、図１の増幅回路に入力する信号のアイパターンを示す。フォトダイオード１０が受信する光信号は、光送信器の半導体レーザを直接変調して生成された信号である。半導体レーザを直接変調させた場合、緩和振動により光信号が０から１に遷移する際にオーバーシュートが生じ、フォトダイオード１０が受光する光信号も、図３に示すようにオーバーシュートする、振幅方向に非対称な信号となる。このため、線形アンプ２０の入力端子（＋）に入力する信号は、図２に示す理想的な信号波形ではなく、図４に示すようにオーバーシュートが生じているため、図４の破線で示す差動アンプ６０より出力される信号ｉｎは、一点鎖線で示される最適なしきい値ｉｎ０よりずれてしまう。差動アンプ６０の出力信号が最適なしきい値よりずれてしまうと、光信号の二値判定に誤りが生じる可能性がある。
【００１５】
（増幅回路）
次に、本実施の形態による増幅回路を図５に基づき説明する。本実施の形態による増幅回路は、線形アンプ２０、リミットアンプ３０、出力段４０、第１のローパスフィルタ（ＬＰＦ）１５０、第１の差動アンプ１６０、ハイパスフィルタ（ＨＰＦ）１７０、第２のローパスフィルタ１８０、第２の差動アンプ１９０、減算回路２００を有している。フォトダイオード１０は、カソードが電源電位に接続されており、アノードが線形アンプ２０の入力端子（＋）に接続されている。
【００１６】
フォトダイオード１０から出力される電流は線形アンプ２０により電圧信号に変換され、リミットアンプ３０で増幅されて出力段４０から出力信号ｏｕｔｐ、ｏｕｔｎとして出力される。また、リミットアンプ３０の出力と反転出力は第１のローパスフィルタ１５０に入力し、高周波成分を除去してＤＣ成分の信号とした後、第１の差動アンプ１６０に入力する。第１の差動アンプ１６０の出力は、減算回路２００の入力端子（＋）に入力する。
【００１７】
また、線形アンプ２０の出力と反転出力は分岐してハイパスフィルタ１７０に入力し、第２のローパスフィルタ１８０を介して第２の差動アンプ１９０に入力する。第２の差動アンプ１９０の出力は、減算回路２００の入力端子（−）に入力する。
【００１８】
本実施の形態では、第１のローパスフィルタ１５０、第１の差動アンプ１６０、ハイパスフィルタ１７０、第２のローパスフィルタ１８０、第２の差動アンプ１９０を用いて、線形アンプ２０にフィードバックをかけている。
【００１９】
図６（ａ）に示すように、線形アンプ２０の入力端子（＋）に入力する電流信号ｉｐがオーバーシュートしている場合、線形アンプ２０で電圧信号に変換した後にハイパスフィルタ１７０を通すことにより、低周波成分が除去され、図６（ｂ）に示すように高周波成分が抽出される。尚、線形アンプ２０の出力はハイパスフィルタ１７０により微分された状態になる。図６(ａ）ではオーバーシュートが発生しているため、図６（ｂ）の波形ではオーバーシュートの分だけ立ち上がり部分の振幅の方が大きくなる。この後、ハイパスフィルタ１７０の出力を第２のローパスフィルタ１８０に通すことにより、図６（ｃ）に示すＤＣ成分が出力される。この後、第２のローパスフィルタ１８０の出力信号は第２の差動アンプ１９０により差分が取られ、減算回路２００の入力端子（−）に入力する。
【００２０】
減算回路２００からは、第１の差動アンプ１６０の出力から第２の差動アンプ１９０の出力を減算した信号が出力され、線形アンプ２０の入力端子（−）に信号ｉｎとして入力する。
【００２１】
このため、増幅回路に入力する電流信号ｉｐに生じたオーバーシュートの影響を低減して、線形アンプ２０の入力端子（−）に入力する信号ｉｎを図６（ｄ）に一点鎖線で示す最適なしきい値に近づけることができ、光信号の二値判別に誤りが生じることを防ぐことができる。
【００２２】
第１のローパスフィルタ１５０及び第２のローパスフィルタ１８０は、図７（ａ）に示すように遮断周波数ｆｃＬよりも高い周波数成分を除去し、ハイパスフィルタ１７０は、図７（ｂ）に示すように遮断周波数ｆｃＨよりも低い周波数成分を除去する。フォトダイオード１０に入射する光信号の周波数が２５Ｇｂｐｓ以上の高速光モジュールでは、第１のローパスフィルタ１５０及び第２のローパスフィルタ１８０の遮断周波数ｆｃＬを数百ｋＨｚとし、ハイパスフィルタ１７０の遮断周波数ｆｃＨを約１ＧＨｚとする。第１のローパスフィルタ１５０及び第２のローパスフィルタ１８０の遮断周波数ｆｃＬとハイパスフィルタ１７０の遮断周波数ｆｃＨとの関係はｆｃＬ＜ｆｃＨである。
【００２３】
第１のローパスフィルタ１５０及び第２のローパスフィルタ１８０は、図８（ａ）に示すように抵抗ＲとコンデンサＣとを組み合わせ、信号ラインの入力（ｉｎ）と出力（ｏｕｔ）との間に抵抗Ｒを設け、接地電位と信号ラインとの間にコンデンサＣを設けることにより形成できる。
【００２４】
また、ハイパスフィルタ１７０は、図８（ｂ）に示すように抵抗ＲとコンデンサＣとを組み合わせ、信号ラインの入力（ｉｎ）と出力（ｏｕｔ）との間にコンデンサＣを設け、接地電位と信号ラインとの間に抵抗Ｒを設けることにより形成できる。
【００２５】
線形アンプ２０は、例えば、図９に示すようにトランジスタＱ１１、トランジスタＱ１２、トランジスタＱ１３、トランジスタＱ１４を有する回路により形成される。トランジスタＱ１１、トランジスタＱ１２、トランジスタＱ１３、トランジスタＱ１４はｎｐｎトランジスタである。
【００２６】
線形アンプ２０では、抵抗Ｒ１１、トランジスタＱ１１、抵抗Ｒ１２が直列に接続されている。トランジスタＱ１１のエミッタＥと抵抗Ｒ１１の一端とが接続され、この接続部分に入力端子ｉｎｐが接続されている。また、トランジスタＱ１１のコレクタＣと抵抗Ｒ１２の一端とが接続され、この接続部分にはトランジスタＱ１３のベースＢが接続されている。トランジスタＱ１３のコレクタＣは抵抗Ｒ１５の一端が接続されており、この接続部分には出力端子ｏｕｔｎが接続されている。抵抗Ｒ１１の他端は接地され、抵抗Ｒ１２の他端及び抵抗Ｒ１５の他端は電源電位ＶＣＣに接続されている。
【００２７】
また、抵抗Ｒ１３、トランジスタＱ１２、抵抗Ｒ１４が直列に接続されている。トランジスタＱ１２のエミッタＥと抵抗Ｒ１３の一端とが接続され、この接続部分には入力端子ｉｎｎが接続されている。また、トランジスタＱ１２のコレクタＣと抵抗Ｒ１４の一端とが接続され、この接続部分にはトランジスタＱ１４のベースＢが接続されている。トランジスタＱ１４のコレクタＣは抵抗Ｒ１６の一端が接続されており、この接続部分には出力端子ｏｕｔｐが接続されている。抵抗Ｒ１３の他端は接地され、抵抗Ｒ１４の他端及び抵抗Ｒ１６の他端は電源電位ＶＣＣに接続されている。
【００２８】
トランジスタＱ１１のベースＢと接地電位との間にはコンデンサＣ１１が設けられており、トランジスタＱ１１のベースＢとトランジスタＱ１２のベースＢにはＶバイアスが印加されている。トランジスタＱ１３のエミッタＥ及びトランジスタＱ１４のエミッタＥは、ともに電流源Ｉｓ１１に接続されている。
【００２９】
線形アンプ２０の入力端子ｉｎｐに入力した電流信号ｉｐは、電圧信号に変換されて出力端子ｏｕｔｎより出力される。入力端子ｉｎｎに入力した信号ｉｎは、電圧信号に変換され出力端子ｏｕｔｐより出力される。
【００３０】
また、リミットアンプ３０は、例えば、図１０に示すようにトランジスタＱ２１、トランジスタＱ２２、トランジスタＱ２３、トランジスタＱ２４を有する回路により形成されている。トランジスタＱ２１、トランジスタＱ２２、トランジスタＱ２３、トランジスタＱ２４は、ｎｐｎトランジスタである。
【００３１】
リミットアンプ３０では、抵抗Ｒ２１とトランジスタＱ２１との直列回路と、抵抗Ｒ２２とトランジスタＱ２２との直列回路とが並列に接続されている。
【００３２】
抵抗Ｒ２１は、トランジスタＱ２１のコレクタＣと電源電位ＶＣＣの間に接続されている。抵抗２２は、トランジスタＱ２２のコレクタＣと電源電位ＶＣＣの間に接続されている。トランジスタＱ２１のエミッタＥとトランジスタＱ２２のエミッタＥとは電流源Ｉｓ２１に接続されている。トランジスタＱ２２のベースＢは入力端子ｉｎｐに接続され、トランジスタＱ２１のベースＢは入力端子ｉｎｎに接続されている。尚、入力端子ｉｎｐは例えば図９の出力端子ｏｕｔｐに、同じく入力端子ｉｎｎは図９の出力端子ｏｕｔｎに接続される。
【００３３】
トランジスタＱ２１のコレクタＣはトランジスタＱ２３のベースＢに接続され、トランジスタＱ２３のコレクタＣは電源電位ＶＣＣに接続されている。トランジスタＱ２３のエミッタＥは電流源Ｉｓ２２に接続されるとともに出力端子ｏｕｔｐに接続されている。
【００３４】
トランジスタＱ２２のコレクタＣはトランジスタＱ２４のベースＢに接続され、トランジスタＱ２４のコレクタＣは電源電位ＶＣＣに接続されている。トランジスタＱ２４のエミッタＥは電流源Ｉｓ２３に接続されるとともに出力端子ｏｕｔｎに接続されている。
【００３５】
リミットアンプ３０の入力端子ｉｎｐより入力した信号及び入力端子ｉｎｎより入力した信号は、トランジスタＱ２１及びトランジスタＱ２２を有する差動増幅回路により差動増幅され、更にトランジスタＱ２３及びトランジスタＱ２４において増幅され、出力端子ｏｕｔｎ及び出力端子ｏｕｔｐより出力される。リミットアンプ３０からは入力信号に対し反転した出力信号が出力される。尚、必要な利得を得るために、トランジスタを多段に接続してもよい。
【００３６】
出力段４０は、例えば、図１１に示すように、トランジスタＱ３１、トランジスタＱ３２を有する回路により形成されている。トランジスタＱ３１、トランジスタＱ３２は、ｎｐｎトランジスタである。
【００３７】
出力段４０では、抵抗Ｒ３１とトランジスタＱ３１の直列回路と、抵抗Ｒ３２とトランジスタＱ３２の直列回路が並列に接続されている。
【００３８】
トランジスタＱ３１のコレクタＣと抵抗Ｒ３１の一端とが接続され、この接続部分に出力端子ｏｕｔｐが接続され、抵抗Ｒ３１の他端は電源電位ＶＣＣに接続されている。トランジスタＱ３２のコレクタＣと抵抗Ｒ３２の一端とが接続され、この接続部分に出力端子ｏｕｔｎが接続され、抵抗Ｒ３２の他端は電源電位ＶＣＣに接続されている。トランジスタＱ３１のエミッタＥとトランジスタＱ３２のエミッタＥとが電流源Ｉｓ３１に接続されている。トランジスタＱ３２のベースＢは入力端子ｉｎｐに接続され、トランジスタＱ３１のベースＢは入力端子ｉｎｎに接続されている。尚、入力端子ｉｎｐは図１０の出力端子ｏｕｔｐに、入力端子ｉｎｎは図１０の出力端子ｏｕｔｎに、それぞれ接続される。
【００３９】
出力段４０では、入力端子ｉｎｐより入力した信号及び入力端子ｉｎｎより入力した信号は、それぞれ出力端子ｏｕｔｎ及び出力端子ｏｕｔｐより反転した出力信号（図５のｏｕｔｎ、ｏｕｔｐ）として出力される。
【００４０】
次に、第１の差動アンプ１６０、第２の差動アンプ１９０について説明する。第１の差動アンプ１６０、第２の差動アンプ１９０は、ＯＰアンプにより形成してもよく、図１２に示すような差動増幅回路により形成してもよい。図１２に示す差動増幅回路は、５つの電界効果トランジスタ（ＦＥＴ：Field effect transistor）を有する。図１２に示す差動増幅回路は、電界効果トランジスタＱ４１と電界効果トランジスタＱ４２との直列回路と、電界効果トランジスタＱ４３と電界効果トランジスタＱ４４との直列回路が並列に接続されている。また、この並列回路には直列に電流源Ｉｓ４１が接続されている。また、電界効果トランジスタＱ４５と電流源Ｉｓ４２は直列に接続されている。
【００４１】
電界効果トランジスタＱ４２のゲートと電界効果トランジスタＱ４４のゲートとが接続され、更にこの接続部分に電界効果トランジスタＱ４３と電界効果トランジスタＱ４４の接続部分が接続されている。電界効果トランジスタＱ４１と電界効果トランジスタＱ４２の接続部分は、電界効果トランジスタＱ４５のゲートに接続されている。
【００４２】
差動増幅回路では、電界効果トランジスタＱ４１のゲートが入力端子ｉｎｎに接続され、電界効果トランジスタＱ４３のゲートが入力端子ｉｎｐに接続されている。また、電界効果トランジスタＱ４５と電流源Ｉｓ４２との接続部分には出力端子ｏｕｔが接続されている。
【００４３】
図１２の差動増幅回路では、入力端子ｉｎｎに入力した入力信号と入力端子ｉｎｐに入力した入力信号との差動増幅出力が、出力端子ｏｕｔより出力される。
【００４４】
（リミットアンプの変形例）
図１３に示すように、リミットアンプはイコライザ機能を有するものでもよい。図１３のリミットアンプのイコライザ機能は、信号の高周波成分の強度を強くする機能である。
【００４５】
図１３に示すリミットアンプでは、トランジスタＱ２１のエミッタＥに電流源Ｉｓ５１が接続され、トランジスタＱ２２のエミッタＥに電流源Ｉｓ５２が接続されている。また、トランジスタＱ２１のエミッタＥとトランジスタＱ２２のエミッタＥとの間には、抵抗Ｒ５１及びコンデンサＣ５１が各々接続されている。抵抗Ｒ５１とコンデンサＣ５１とを設けることにより、図１３のリミットアンプにイコライザ機能を持たせることができる。
【００４６】
（光トランシーバ）
本実施の形態による増幅回路は、光トランシーバに用いることができる。図１４に示す光トランシーバ３００は、フォトダイオード１０、ＴＩＡ（Trans Impedance Amplifier）３２０、発光素子３３０、ドライバ３４０を有している。ＴＩＡ３２０は、本実施の形態による増幅回路により形成されている。発光素子３３０はＶＣＳＥＬ等の半導体レーザであり、ドライバ３４０は半導体レーザを直接変調するため駆動電流を制御するものである。
【００４７】
２つの光トランシーバ３００は、光ファイバ３６０により接続される。光ファイバ３６０の両端には光コネクタ３５０が各々設けられており、それぞれの光コネクタ３５０に光トランシーバ３００を接続する。これにより、光ファイバ３６０を介して２つの光トランシーバ３００の間で光情報通信を行うことができる。一方の光トランシーバ３００の発光素子３３０により生成された光信号を、他方の光トランシーバ３００のフォトダイオード１０が受光し、ＴＩＡ３２０を介し電気信号として出力される。
【００４８】
〔第２の実施の形態〕
次に、第２の実施の形態による増幅回路を説明する。本実施の形態による増幅回路は、第１の実施の形態による第１の差動アンプ１６０、第２の差動アンプ１９０、減算回路２００を１つにしたものである。
【００４９】
本実施の形態では、図１５に示すように４つの入力端子を有する差動アンプ２６０が設けられており、第１の入力端子（＋）及び第１の入力端子（−）には第１のローパスフィルタ１５０の出力が入力し、第２の入力端子（＋）及び第２の入力端子（−）には第２のローパスフィルタ１８０の出力が入力する。本実施の形態においては、第２のローパスフィルタ１８０の出力は、差動アンプ２６０の第２の入力端子（＋）及び第２の入力端子（−）に、反転入力している。
【００５０】
尚、上記以外の内容については、第１の実施の形態と同様である。
【００５１】
以上、本発明の実施に係る形態について説明したが、上記内容は、発明の内容を限定するものではない。
【符号の説明】
【００５２】
１０        フォトダイオード
２０        線形アンプ
３０        リミットアンプ
４０        出力段
１５０      第１のローパスフィルタ
１６０      第１の差動アンプ
１７０      ハイパスフィルタ
１８０      第２のローパスフィルタ
１９０      第２の差動アンプ
２００      減算回路
【図１】
2019186740.tif 000003
【図２】
2019186740.tif 000004
【図３】
2019186740.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
2019186740.tif 000008
【図７】
2019186740.tif 000009
【図８】
2019186740.tif 000010
【図９】
2019186740.tif 000011
【図１０】
2019186740.tif 000012
【図１１】
2019186740.tif 000013
【図１２】
2019186740.tif 000014
【図１３】
2019186740.tif 000015
【図１４】
2019186740.tif 000016
【図１５】
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