(57)【要約】【課題】高速応答が可能であり、また、広い周波数帯域にわたって安定した利得調整を行うことを可能にする。【解決手段】光受信装置１０は、受光パワーに応じた電流値の受光信号Ｉｉｎを出力するとともに、前記電流値を制御可能なフォトダイオード１１と、前記フォトダイオード１１が出力する受光信号Ｉｉｎを一定の利得で増幅し出力する帰還増幅器１５と、前記帰還増幅器１５が出力する出力信号Ｖｏｕｔの電圧に基づいて、前記フォトダイオード１１が出力する電流値を制御する逆バイアス電圧制御回路１６とを備え、前記帰還増幅器１５が出力する信号に基づいてデジタル信号を復調する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
受光パワーに応じた電流値の受光信号を出力するとともに、前記電流値を制御可能な受光素子と、
前記受光素子が出力する受光信号を一定の利得で増幅し出力する増幅器と、
前記増幅器が出力する信号の電圧に基づいて、前記受光素子が出力する電流値を制御する制御回路と
を備えることを特徴とする増幅装置。
【請求項２】
請求項１に記載の増幅装置において、
前記制御回路は、
前記増幅器が出力する信号の電圧値を検出する電圧検出回路と、
前記電圧検出回路が検出した電圧値に応じて、前記受光素子に加える逆バイアス電圧を可変する逆バイアス電圧可変回路と
を備えることを特徴とする増幅装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の増幅装置において、
前記増幅器は、抵抗値が固定の帰還抵抗を含む帰還型の増幅器であることを特徴とする増幅装置。
【請求項４】
受光パワーに応じた電流値の受光信号を出力するとともに、前記電流値を制御可能な受光素子と、
前記受光素子が出力する受光信号を一定の利得で増幅し出力する増幅器と、
前記増幅器が出力する信号の電圧に基づいて、前記受光素子が出力する電流値を制御する制御回路とを備え、
前記増幅器が出力する信号に基づいてデジタル信号を復調する
ことを特徴とする光受信装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信に用いて好適な増幅装置及び光受信装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、光通信を用いたＦＴＴＨ（Fiber To The Home）などのネットワークサービスの普及により、Ｇ（ギガ）ｂｐｓ級で高速動作しバースト信号に対応するアナログＩＣの必要性が益々高まっている。
また、光通信においては、送信側から出力された光のパワーは通信路の影響を受けるため、受信側で受信される光パワーは一定にならない。そのため、光受信装置には、受信光パワーに応じて利得を可変して出力を一定に維持する回路が必要となる。
特に、高速動作を可能しつつ受信光パワーのダイナミックレンジを拡大させるためには、受信光パワーの変動に対して高速応答可能な可変利得回路が重要である。
【０００３】
そこで、従来の光受信装置は、一般に、受信光の受光パワーに応じた電流を出力するフォトダイオード（PD：Photo Diode）などの受光素子と、受光素子の電流出力を電圧変換すると共に増幅して出力する前置増幅回路とを備え、この前置増幅回路に帰還型増幅器が採用されている。帰還型増幅器は、図６に示すように、位相特性を周波数で微分した群遅延特性が、一般的な増幅器よりも広い周波数帯域にわたり平坦になるため、この帰還型増幅器を前置増幅回路に採用することで、広い周波数帯域にわたり安定した増幅動作が可能になる。
【０００４】
この種の前置増幅回路においては、受光パワーが大きい場合でも前置増幅回路が出力する信号波形のデューティ比を略一定に維持するために、図７に示すように、前置増幅回路が備える帰還型増幅器１の帰還抵抗を可変型の帰還抵抗Ｒ１としたものもある。
近年では、図８に示すように、抵抗値固定の帰還抵抗Ｒ２に対して並列にＭＯＳトランジスタＭ１を接続して実質的に可変型の帰還抵抗Ｒ２を構成し、さらに、このＭＯＳトランジスタＭ１のゲート（バイポーラトランジスタの場合はベース）に、前置増幅回路の出力電圧を帰還するように構成した帰還型増幅器２を用いることで、受光素子が受光する受光パワーが大きくなった場合でも、前置増幅回路の出力信号波形のデューティ比を略一定に保つように、帰還型増幅器２の利得が調整されるようにした技術が提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００６−１４８６５１号公報
【特許文献２】特開２００５−２２３６３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の帰還型増幅器１、２においては、帰還抵抗Ｒ１、Ｒ２を可変にしているため、帰還型増幅器１、２の増幅動作の安定性が損なわれる、という問題がある。
より具体的には、帰還抵抗Ｒ１、Ｒ２の抵抗値と、位相を安定させる理想的な抵抗値とのずれや、帰還抵抗Ｒ１、Ｒ２の周りに寄生する容量などにより、図９に示すように、帰還型増幅器１、２においては、一般的な帰還型増幅器に比べ、高周波領域で群遅延が大きくなり増幅動作が不安定になってしまう。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、高速応答が可能であり、また、広い周波数帯域にわたって安定した利得調整を行うことが可能な増幅装置及び光受信装置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】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明は、受光パワーに応じた電流値の受光信号を出力するとともに、前記電流値を制御可能な受光素子と、前記受光素子が出力する受光信号を一定の利得で増幅し出力する増幅器と、前記増幅器が出力する信号の電圧に基づいて、前記受光素子が出力する電流値を制御する制御回路とを備えることを特徴とする増幅装置を提供する。
【０００７】
この構成によれば、受光素子が出力する電流値を一定の利得で増幅した信号の電圧に基づいて、受光素子が出力する電流値が制御回路により制御される。これにより、受光素子が出力する電流値がフィードバック制御されることとなり、受光パワーの大小によらず、電流値を一定に保ち、増幅器が出力する信号の電圧を所定の値に維持することが可能となる。
すなわち、従来のように、可変抵抗を帰還抵抗とした帰還型増幅器により利得を調整する必要が無いため、高周波領域で増幅器の動作が不安定になることがなく、高速に、かつ、広い周波数帯域にわたって利得調整が可能となる。
【０００８】
また本発明は、上記発明において、前記制御回路は、前記増幅器が出力する信号の電圧値を検出する電圧検出回路と、前記電圧検出回路が検出した電圧値に応じて、前記受光素子に加える逆バイアス電圧を可変する逆バイアス電圧可変回路とを備えることを特徴とする。
この構成によれば、受光素子に加える逆バイアス電圧が増幅器の出力電圧に応じて可変される。これにより、受光素子の変換効率が可変され、受光素子が出力する電流を簡単に制御することができる。
【０００９】
また本発明は、上記発明において、前記増幅器は、抵抗値が固定の帰還抵抗を含む帰還型の増幅器であることを特徴とする。
この構成によれば、広い周波数帯域にわたって、安定した増幅動作が実現される。
【００１０】
また上記目的を達成するために、本発明は、受光パワーに応じた電流値の受光信号を出力するとともに、前記電流値を制御可能な受光素子と、前記受光素子が出力する受光信号を一定の利得で増幅し出力する増幅器と、前記増幅器が出力する信号の電圧に基づいて、前記受光素子が出力する電流値を制御する制御回路とを備え、前記増幅器が出力する信号に基づいてデジタル信号を復調することを特徴とする光受信装置を提供する。
この構成によれば、受信光パワーの変動に対して高速に利得を可変し、かつ、広い周波数帯域にわたって安定して受信信号を復調して出力できる光受信装置が実現可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図１は、本実施形態に係る光受信装置１０の構成を示す図である。
光受信装置１０は、送信側である光送信装置から送信された光信号を受信し、デジタル信号に復調して出力するものである。
すなわち、光受信装置１０は、受信光を受けて光−電気変換を行い、受光パワーに応じた受光信号Ｉｉｎを出力するフォトダイオード１１と、フォトダイオード１１が出力する受光信号Ｉｉｎを増幅して増幅信号Ｖａを出力する前置増幅回路１２と、基準電圧Ｖｒｅｆを発生する基準電圧発生回路１３と、前置増幅回路１２で増幅した増幅信号Ｖａの電圧を基準電圧Ｖｒｅｆと比較し、増幅信号Ｖａの電圧が基準電圧Ｖｒｅｆ以上であるときはハイレベルの信号を出力し、増幅信号Ｖａの電圧が基準電圧Ｖｒｅｆ未満であるときはローレベルの信号を出力することでデジタル信号Ｄｓを復調する比較器（コンパレータ）１４とを備えている。
【００１２】
さらに詳述すると、前置増幅回路１２は、帰還増幅器１５と、逆バイアス電圧制御回路１６とを有し、フォトダイオード１１は、そのアノード端子１１０を逆バイアス電圧制御回路１６の出力側に接続し、そのカソード端子１１１を前置増幅回路１２の入力側に接続しており、光信号を受光したときは、その光信号を電気信号に光電変換し、受光パワーに応じた電流レベルの受光信号Ｉｉｎを出力する。なお、フォトダイオード１１に入射される光信号は、ハイレベルの状態とローレベルの状態とを平均的に同じ割合でとり得るように送信側で変調された信号である。
【００１３】
帰還増幅器１５は、図２に示すように、増幅器Ａ１５と、増幅器Ａ１５の出力の一部を入力（反転入力）に戻す帰還抵抗Ｒ１５とを有した負帰還型の増幅器であり、受光信号Ｉｉｎの電流レベルに応じた電圧の出力信号Ｖｏｕｔを出力する電流−電圧変換回路として動作する。ここで、帰還増幅器１５の帰還抵抗Ｒ１５には、抵抗値が固定の抵抗素子が用いられている。したがって、帰還増幅器１５のトランスインピーダンス利得は一定となり、出力信号Ｖｏｕｔの電圧は受光信号Ｉｉｎの電流レベルに対して比例することになる。
【００１４】
また、前置増幅回路１２には、帰還増幅器１５の出力信号Ｖｏｕｔをさらに増幅する図示しない増幅器が上記帰還増幅器１５の後段に設けられており、前置増幅回路１２において、所定の電圧レベルにまで増幅された（所定の利得で増幅された）増幅信号Ｖａが比較器１４に入力される。
【００１５】
逆バイアス電圧制御回路１６は、帰還増幅器１５の出力信号Ｖｏｕｔに基づいて、フォトダイオード１１が出力する受光信号Ｉｉｎの電流レベルを一定に維持するように、フォトダイオード１１のアノード端子１１０の電位、すなわち、フォトダイオード１１に印加する逆バイアス電圧をフィードバック制御する回路であり、ピークホールド回路１６０と、レベル変換器１６１とを備えている。
そして、この逆バイアス電圧制御回路１６と、上記帰還増幅器１５と、フォトダイオード１１とを備えて、受光パワーの変動に応じて利得を高速に調整し出力信号Ｖｏｕｔの電圧を略一定に保つ増幅装置１００が構成されている。
【００１６】
図３は逆バイアス電圧制御回路１６の具体的な構成を示す回路図である。
ピークホールド回路１６０は、増幅器Ａ１６０と、ダイオードＤ１６０と、ホールド容量Ｃ１６０と、Ｎ型のＭＯＳトランジスタＭ１６０とを備えている。
より具体的には、増幅器Ａ１６０はコンパレータとして動作し、その非反転入力に帰還増幅器１５の出力信号Ｖｏｕｔが入力され、また、反転入力に増幅器Ａ１６０の出力信号Ｖｐの一部が入力され、出力信号Ｖｏｕｔ及び出力信号Ｖｐの差分に応じた電圧の出力信号Ｖｐを出力する。
【００１７】
ダイオードＤ１６０は、半波整流回路として機能し、そのアノード端子が増幅器Ａ１６０の出力に接続され、そのカソード端子が容量Ｃ１６０の一端に接続されており、増幅器Ａ１６０の出力信号Ｖｐの電位をホールド容量Ｃ１６０に与える。ホールド容量Ｃ１６０の他端は接地電位に保持されている。
これにより、ホール容量Ｃ１６０の両端電位差が増幅器Ａ１６０の出力信号Ｖｏｕｔの電位と等しくなるまで、すなわち、増幅器Ａ１６０の出力端のノードＮ１における電位が出力信号Ｖｏｕｔの電位と等しくなるまでホール容量Ｃ１６０に充電が行われる。
このノードＮ１はレベル変換器１６１の入力端に接続され、ノードＮ１の電位がレベル変換器１６１に入力される。
【００１８】
ＭＯＳトランジスタＭ１６０は、増幅器Ａ１６０の出力端のノードＮ１における電位を接地電位にリセットする回路であり、そのドレインがノードＮ１に接続され、ソースが接地され、また、ゲートがリセット端子Ｔ１６０に接続されている。このリセット端子Ｔ１６０には一定時間ごとに、図示しない制御回路からＨレベルのリセット信号が入力されており、リセット信号が入力されるごとにノードＮ１がＭＯＳトランジスタＭ１６０により接地され、その電位が接地電位にリセットされる。ノードＮ１の電位のリセットに伴ってホールド容量Ｃ１６０の電位差も接地電位にリセットされる。
【００１９】
レベル変換器１６１は、ピークホールド回路１６０の出力信号Ｖｐの電圧に応じた電圧の逆バイアス電圧信号Ｖｂを出力し、フォトダイオード１１のアノード端子１１０に与える回路である。さらに詳述すると、レベル変換器１６１は、電圧レベル変換器として動作する増幅器Ａ１６１を備えている。増幅器Ａ１６１は、ピークホールド回路１６０の出力信号Ｖｐの電位が高くなるほど、電位を低くした逆バイアス電圧信号Ｖｂを生成する。
【００２０】
図４は、フォトダイオード１１の変換効率ηと逆バイアス電圧Ｖｃとの関係を示す図である。
フォトダイオード１１の変換効率η、すなわち、受光パワー（Ｗ）に対する出力電流（Ａ）は、カソードの電位を基準としたアノードの電位である逆バイアス電圧Ｖｃに依存し、逆バイアス電圧Ｖｃに比例して変換効率ηは高くなり、逆バイアス電圧Ｖｃが一定の電圧Ｖｈをこえると変換効率ηが飽和する。
【００２１】
フォトダイオード１１の変換効率ηが逆バイアス電圧Ｖｃに比例する範囲においては、受光パワーをＰ、フォトダイオード１１が出力する受光信号Ｉｉｎの電流レベルをＡｉｎ、比例係数をαとした場合、次式（１）の関係が成り立つ。
電流レベルＡｉｎ＝比例係数α×逆バイアス電圧Ｖｃ×受光パワーＰ      （１）
ここで、帰還増幅器１５の出力信号Ｖｏｕｔの電圧レベルは、帰還増幅器１５のトランスインピーダンス利得をＡｖとした場合、Ａｖ×Ａｉｎとなるため、上記式（１）は次式（２）のように表すことができる。
出力信号Ｖｏｕｔの電圧
＝利得Ａｖ×比例係数α×逆バイアス電圧Ｖｃ×受光パワーＰ          （２）
【００２２】
したがって、帰還増幅器１５の出力信号Ｖｏｕｔの電圧が増加した場合には、逆バイアス電圧Ｖｃを下げることで帰還増幅器１５の出力信号Ｖｏｕｔの電圧が下がり、また、出力信号Ｖｏｕｔの電圧が低下した場合には、逆バイアス電圧Ｖｃを上げることで帰還増幅器１５の出力信号Ｖｏｕｔの電圧が上がるため、逆バイアス電圧Ｖｃを制御することで、受光パワーＰの大小によらず、出力信号Ｖｏｕｔを一定に保持することが可能となる。
【００２３】
そこで、レベル変換器１６１は、ピークホールド回路１６０の出力信号Ｖｐの電圧が変動した場合、すなわち、帰還増幅器１５の出力信号Ｖｏｕｔの電圧レベルが変動した場合には、上記（２）式に基づいて、帰還増幅器１５の出力信号Ｖｏｕｔ（ピークホールド回路１６０の出力信号Ｖｐ）を所定の電圧値に維持する電圧の逆バイアス電圧信号Ｖｂを生成し、フォトダイオード１１のアノード端子１１０に加える。
【００２４】
次に、このような構成からなる実施形態の動作について説明する。
いま、送信側で送信された信号光をフォトダイオード１１が受けているものとすると、フォトダイオード１１は、上記式（１）に基づく電流レベルＡｉｎの受光信号Ｉｉｎを前置増幅回路１２の帰還増幅器１５に出力する。これにより、トランスインピーダンス利得Ａｖ×電流レベルＡｉｎにより示される電圧の出力信号Ｖｏｕｔが帰還増幅器１５から出力され、この出力信号Ｖｏｕｔが後段の増幅器、及び、逆バイアス電圧制御回路１６に入力される。
逆バイアス電圧制御回路１６においては、帰還増幅器１５の出力信号Ｖｏｕｔのピーク電圧がピークホールド回路１６０により検出され、出力信号Ｖｐとしてレベル変換器１６１に出力され、レベル変換器１６１が出力信号Ｖｐに応じた逆バイアス電圧信号Ｖｂを生成し、フォトダイオード１１のアノード端子１１０に加える。
【００２５】
このとき、図５に示すように、タイミングｔ１において、受光パワーＰが大きくなると、これに伴いピークホールド回路１６０の出力信号Ｖｐの電圧が大きくなる。この場合、レベル変換器１６１は、出力信号Ｖｐを所定の電圧値まで下げるように上記（２）式に基づいて電圧を下げた逆バイアス電圧信号Ｖｂを生成し、フォトダイオード１１のアノード端子１１０に加えることとなり、結果として、フォトダイオード１１の変換効率ηとのトレードオフにより、このフォトダイオード１１から出力される受光信号Ｉｉｎの電流レベルＡｉｎが一定に保たれ、また、帰還増幅器１５から出力される出力信号Ｖｏｕｔの電圧も一定に保たれる。
【００２６】
このように、本実施形態によれば、逆バイアス電圧制御回路１６がフォトダイオード１１に加える逆バイアス電圧Ｖｃを制御し、受光パワーＰの大小によらず、フォトダイオード１１が出力する受光信号Ｉｉｎの電流レベルＡｉｎを一定に保つため、可変抵抗を帰還抵抗とした帰還型増幅器により利得を調整せずとも、帰還増幅器１５が出力する出力信号Ｖｏｕｔの電圧を一定に維持することができる。
これにより、高周波領域で増幅器の動作が不安定になることがなく、高速に、かつ、広い周波数帯域にわたって利得調整が可能となる。この結果、受光パワーの広ダイナミックレンジにおいて、高速なデジタル信号Ｄｓを良好に受信することができる。
【００２７】
また本実施形態によれば、フォトダイオード１１の逆バイアス電圧Ｖｃの制御により利得を調整するため、簡単な回路構成で利得調整が実現される。
特に、従来の帰還型増幅器においては、高周波領域における位相補償のために、アナログ回路設計を行う必要が生じるが、本実施形態によれば、このような設計を行う必要がなく、設計のリワーク低減にもつながる。
なお、上述した実施の形態は、あくまでも本発明の一態様を示すものであり、本発明の範囲内で任意に変形および応用が可能であることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の実施形態に係る光受信装置の構成を示すブロック図である。
【図２】前置増幅回路の構成を示すブロック図である。
【図３】前置増幅回路の具体的な構成を示す回路図である。
【図４】フォトダイオードの変換効率と逆バイアス電圧との関係を示す図である。
【図５】光受信装置の動作を示すタイミングチャートである。
【図６】増幅器と帰還型増幅器の群遅延特性を示す図である。
【図７】従来の光受信装置が備える帰還型増幅器の構成を示す回路図である。
【図８】従来の光受信装置が備える帰還型増幅器の構成を示す回路図である。
【図９】従来の光受信装置が備える帰還型増幅器の群遅延特性を示す図である。
【符号の説明】
【００２９】
１０…光受信装置、１１…フォトダイオード（受光素子）、１２…前置増幅回路、１５…帰還増幅器（増幅器）、１６…逆バイアス電圧制御回路（制御回路）、１００…増幅装置、１６０…ピークホールド回路（電圧検出回路）、１６１…レベル変換器（逆バイアス電圧可変回路）、Ｉｉｎ…受光信号、Ｐ…受光パワー、Ｖｃ…逆バイアス信号。
【図１】
2008236506.tif 000003
【図２】
2008236506.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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