(57)【要約】【課題】短時間で出力信号が安定し、感度特性に影響を与えることなく、また大規模で高精度の回路が不要で、広ダイナミックレンジが得られる光受信装置を実現する。【解決手段】受光素子１で発生する電流を電流‐電圧器２により電圧に変換し、ポストアンプ１１で参照電圧と比較あるいは増幅して出力する。また、変換された電圧を検出するキャリア検出回路３と、検出された電圧に応じた電流を出力する電流‐電圧変換器７と、該変換器７の出力を一定時間有効にするためのスイッチ８を有した充電回路１０により、信号が入力されたことを検出したときに該入力信号に応じた電流をあらかじめ充電することで正常な信号が出力されるまでの時間を短縮する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
受光素子と、該受光素子で発生する電流を電圧に変換する変換回路と、変換された電圧を検出する検出回路と、検出された電圧に応じた電流を出力する変換回路と、該変換回路の出力を一定時間有効にするためのスイッチとを有し、信号が入力されたことを検出したときに該入力信号に応じた電流をあらかじめ充電することで正常な信号が出力されるまでの時間を短縮することを特徴とする光受信装置。
【請求項２】
受光素子に電圧制限回路が接続されていることを特徴とする請求項１に記載の光受信装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特に光ディジタル信号を受信するための増幅部を有した光受信装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１２及び図１３にこの種の光受信装置の従来例を示す。図１２に示すものは、受光素子の出力を電流‐電圧変換器１０１及びハイパスフィルタ（ＨＰＦ）１０２を通してポストアンプ（演算増幅器）に入力するものである。図１３に示すものは、受光素子の出力を電流‐電圧変換器１１１及び、ピークホールド（Ｐｅａｋ  Ｈｏｌｄ）回路１１２とボトムホールド（Ｂｏｔｔｏｍ  Ｈｏｌｄ）回路１１３を有した変換回路１１４を通してポストアンプに入力するものである。
【０００３】
上記の回路で、受光素子に発生する電流を図１４に示すものとすると、図１２、図１３に示す回路共に電流‐電圧変換器１０１、１１１により図１５に示す電圧Ｖ１１、Ｖ２１を発生する。
【０００４】
そして、図１２の回路では、ハイパスフィルタ１０２により電流‐電圧変換器１０１以前の直流成分を除去することによって、出力電圧Ｖ１２の直流成分が参照電圧Ｖ１３と等しくなるようにし、電圧Ｖ１２とＶ１３との差を増幅あるいは比較することでパルス幅の変動が少ない信号（Ｖ１４）を出力する。
【０００５】
また、図１３の回路では、ピークホールド回路１１２、ボトムホールド回路１１３の出力電圧として図４に示すＶＨ、ＶＬの電圧を発生し、これによって（ＶＨ＋ＶＬ）／２の電圧Ｖ２４を発生し、この電圧Ｖ２４と電流‐電圧変換器１１１の出力電圧Ｖ２１との差を増幅あるいは比較することでパルス幅の少ない信号（Ｖ２５）を出力する。
【０００６】
また、他の光受信回路として、例えば入力信号の低レベルが過大であってもデューティ比に変動を生じさせないようにすることも提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００１−２１１０４０号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記のような従来の光受信装置にあっては、次のような問題点があった。
【０００９】
図１２の回路では、ハイパスフィルタ１０２の出力電圧Ｖ１２の直流成分が安定するまでの時間はハイパスフィルタ１０２の時定数により決定されるが、高速光伝送ではベースバンド信号を伝送するため、低域の周波数を通過させる必要がある。このため、ハイパスフィルタ１０２の時定数は大きくなってしまい、信号が安定するまでに長い時間を要する。
【００１０】
図１３の回路では、高速伝送時にはピークホールド回路１１２及びボトムホールド回路１１３は高精度かつ高速で応答する必要があるが、これを実現するには巨大な回路規模が必要となってしまう。
【００１１】
そして、この回路では出力のＶＨあるいはＶＬの電圧が線形領域を越えてしまうと正しい信号が再生できない。このため、ダイナミックレンジが狭くなり、広ダイナミックレンジを要求されるアプリケーションには不向きとなる。
【００１２】
本発明は、上記のような問題点に鑑みてなされたもので、短時間で出力信号が安定し、感度特性に影響を与えることなく、また大規模で高精度の回路が不要で、広ダイナミックレンジが得られる光受信装置を提供することを目的としている。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る光受信装置は、受光素子と、該受光素子で発生する電流を電圧に変換する変換回路と、変換された電圧を検出する検出回路と、検出された電圧に応じた電流を出力する変換回路と、該変換回路の出力を一定時間有効にするためのスイッチとを有し、信号が入力されたことを検出したときに該入力信号に応じた電流をあらかじめ充電することで正常な信号が出力されるまでの時間を短縮するように構成したものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面について説明する。
【００１５】
図１は本発明に係る光受信装置の回路構成を示すブロック図である。同図において、１はホトダイオード等の受光素子、２は受光素子１で発生する電流を電圧に変換する電流‐電圧変換器（ＴＩＡ）、３はその電圧を検出するためのキャリア検出回路、４はローパスフィルタ（ＬＰＦ）、５はサンプルホールド回路、６はワンショットパルス発生回路、７は上記検出された電圧に応じた電流を出力する電圧‐電流変換器、８はその変換出力を所定時間有効にするためのスイッチ、９は電圧制限回路、１０は充電回路、１１はポストアンプである。また、Ｒ１は抵抗、Ｃ１は容量（コンデンサ）である。
【００１６】
上記構成の回路において、初期状態ではキャリア検出回路３はキャリアを検出しておらず、スイッチ８は開放状態で、電圧制限回路９は動作しない領域にあるものとする。そして、この状態における受光素子１により発生する電流ｉ１に対する電圧ｖ１、ｖ２の伝達関数を考える。
【００１７】
図１の回路から電圧制限回路９、充電回路１０及びポストアンプ１１を除いた回路は、図２に示す回路となる。そして、電流‐電圧変換器２の変換インピーダンス、入力インピーダンスをそれぞれＲ２、Ｒ３、受光素子１を電流源１２とすると、その交流等価回路は図３に示す回路となり、上記の伝達関数は次式で表されるようになる。
【００１８】
【数１】
2004350193.tif 000003
【００１９】
ここで、Ｒ１≫Ｒ３、かつ使用する信号の角周波数をωとしたときに１≫ω・Ｃ１・Ｒ３、Ｃ１・Ｒ１＝τとすると、式（１）、（２）は次のようになる。
【００２０】
【数２】
2004350193.tif 000004
【００２１】
式（３）からｖ１はローパスフィルタの出力であることが分かる。ここで、入力電流ｉ１の直流成分をｉ２、交流成分をｉ３とすると、入力電流ｉ１は次式で表される。
【００２２】
ｉ１＝ｉ２＋ｉ３………（５）
式（３）と式（５）より、電圧ｖ１は次式で表される。
【００２３】
【数３】
2004350193.tif 000005
【００２４】
電流ｉ１の交流成分ｉ３が時定数τを持つローパスフィルタで十分減衰するものとした場合、式（６）より電圧ｖ１は次式で表される。
【００２５】
ｖ１＝ｉ２・Ｒ１・１／（１＋ｓ・τ）………（７）
ここで、ｉ２、Ｒ１及びτは時間に依存しない定数であるから、時間ｔ＝０におけるｖ１の電圧を０とすると、式（７）より時間ｔにおけるｖ１の電圧（ｔ）の出力は次式で表される。
【００２６】
【数４】
2004350193.tif 000006
【００２７】
式（８）より、ｔ→∞において、ｖ１はｉ２・Ｒ１に収束する。
【００２８】
一方、電流‐電圧変換器２に流れる電流をｉ４とすると、この電流ｉ４は次式で表される。
【００２９】
ｉ４＝ｉ１−ｖ１／Ｒ１………（９）
式（５）と式（９）より、電圧ｖ１に対する電圧ｖ２は次式のようになる。
【００３０】
【数５】
2004350193.tif 000007
【００３１】
ここで、式（１０）の各項の意味は次の通りである。
【００３２】
ｉ２；入力信号の直流成分
ｉ３；入力信号の交流成分
−ｖ１／Ｒ１；Ｃ１及びＲ１により生じる低周波成分
【００３３】
図４は上記の回路における入力電流ｉ１に対する電圧ｖ１、ｖ２の波形を示す図である。式（１０）から明らかなように、ｖ１の電圧が収束することにより、ｖ２の低周波成分も収束する。そこで、ｖ１の電圧を短時間で収束させるための条件を考える。今、時間ｔ１におけるｖ１の電圧をｖ３、収束する電圧をｖ４とすると、式（８）よりｖ３、ｖ４はそれぞれ次式で表される。
【００３４】
【数６】
2004350193.tif 000008
【００３５】
そして、ｖ１の電圧部分に発光素子を電流源としたときの電流ｉ５を一定時間ｔ２の間注入することにより、ｖ１の電圧をｖ３からｖ４に変化させるための状件は、次のようになる。
【００３６】
【数７】
2004350193.tif 000009
【００３７】
上記の式（８）と（１０）から、時間ｔ１におけるｖ２の電圧ｖ２（ｔ１）は次のようになる。
【００３８】
【数８】
2004350193.tif 000010
【００３９】
そして、この信号が図１のローパスフィルタ４を通過することによって高周波成分ｉ３が除去されるとすると、ローパスフィルタ４の出力電圧ｖ５は次式で表される。
【００４０】
【数９】
2004350193.tif 000011
【００４１】
上記の式（１３）と（１５）から、ｉ４・ｔ２は次のようになる。
【００４２】
ｉ４・ｔ２＝Ｃ１・（Ｒ１／Ｒ２）・ｖ５………（１６）
ここで、時間ｔ１においてキャリア検出回路３が入力信号を検出するものとすると、このキャリア検出回路３からの信号によりローパスフィルタ４の出力電圧ｖ５がサンプルホールド回路５により保持され、ワンショットパルス発生回路６から一定時間ｔ２のワンショットパルスが出力され、その間スイッチ８はクローズ（閉）となり、電圧‐電流変換器７からの出力電流ｉ４がｖ１の電圧の部分に注入される。このときのローパスフィルタ４の出力電圧ｖ５、サンプルホールド回路５の出力電圧ｖ６、キャリア検出回路３の出力電圧ｖ７及びワンショットパルス発生回路６の出力電圧ｖ８を図５に示す。
【００４３】
上記のスイッチ８がクローズの状態では、サンプルホールド回路５は常に電圧保持状態となっている。したがって、帰還ループが動作している状態は存在しないので、ローパスフィルタ４の時定数をどのように設定しても発振する可能性はない。そして、このキャリア検出回路３と、ローパスフィルタ４と、サンプルホールド回路５と、ワンショットパルス発生回路６と、電圧‐電流変換器（Ｇｍアンプ）７とから充電回路１０が構成されている。
【００４４】
また、電圧‐電流変換器７の伝達関数をＧｍとすると、電圧‐電流変換器７の出力電流ｉ４は次式で表される。
【００４５】
ｉ４＝Ｇｍ・ｖ５………（１７）
よって、式（１６）は次のようになる。
【００４６】
【数１０】
2004350193.tif 000012
【００４７】
以上より、図１に示す回路で、式（１８）を満たすように条件を設定することで、キャリア検出回路３がキャリアを検出した後、時間ｔ２後に正しいパルスが再生される。また、時間ｔ２を抵抗と容量の積のみに依存させることは容易であり、その積で決定されるものとすると、式（１８）の条件は各定数の比によってのみ決定され、絶対値には依存しない。このため、容易に高精度を得ることができる。図６にその回路例を示す。
【００４８】
そして、サンプルホールド回路５あるいは電圧‐電流変換器７が飽和してしまう強入力領域では、図１の回路において電圧制限回路９として使用しているダイオードがオンし、インピーダンスが低下するので、並列に接続されている抵抗Ｒ１が低下した場合と同じ効果を持つ。このため、Ｃ１・Ｒ１の時定数が見かけ上低下し、ｖ１及びｖ２の低周波成分は短時間で収束する。また、一般にハイパスフィルタの時定数が低下すると、冗長量によってパルス幅が変動してしまうが、図１の回路では時定数の低下は強入力時のみであるので、受信特性には影響を与えない。
【００４９】
図７に二値化回路１３を用いた構成例を示す。図８及び図９はこの図７の回路に対するシミュレーション結果を示したものであり、図８の（ａ）は従来の充電回路が存在しない場合の波形を示し、図９の（ａ）は実施例の充電回路１０が存在する場合の波形を示している。また、図８、図９の（ｂ）は同図の（ａ）のそれぞれの枠線の部分を拡大して示している。
【００５０】
図１０の（ａ）、（ｂ）は他の実施例の回路構成を示す図である。この回路における電圧制限回路９の構成例を図１１の（ａ）、（ｂ）に示す。ここでは、トランジスタＴｒ１、Ｔｒ２を用いた場合を示している。入力の範囲によっては、この電圧制限回路９は必要ではない。
【００５１】
このように、本実施例では、短時間で出力信号が安定し、感度特性に影響を与えることなく、また大規模で高精度の回路が不要で、広ダイナミックレンジが得られる光受信装置を実現することができる。
【００５２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、短時間で出力信号が安定し、感度特性に影響を与えることなく、また大規模で高精度の回路が不要で、広ダイナミックレンジが得られるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例の回路構成を示すブロック図
【図２】図１の回路から要部を除いた回路図
【図３】図２の回路の交流等価回路図
【図４】実施例の回路の各部の出力波形図
【図５】実施例の回路の各部の出力波形図
【図６】図１の回路の変化回路例を示す図
【図７】図１の回路の変化回路例を示す図
【図８】図７の回路に対するシミュレーション結果を示す図
【図９】図７の回路に対するシミュレーション結果を示す図
【図１０】他の実施例の回路構成を示す図
【図１１】図１０の電圧制御回路の構成例を示す図
【図１２】従来例の回路構成を示すブロック図
【図１３】他の従来例の回路構成を示すブロック図
【図１４】図１２及び図１３の各部の出力波形図
【図１５】図１２及び図１３の各部の出力波形図
【符号の説明】
１  受光素子
２  電流‐電圧変換器
３  キャリア検出回路
４  ローパスフィルタ
５  サンプルホールド回路
６  ワンショットパルス発生回路
７  電圧‐電流変換器
８  スイッチ
９  電圧制限回路
１０  充電回路
１１  ポストアンプ
【図１】
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【図２】
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【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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