(57)【要約】【課題】  ダイナミックレンジを広くできる光受信回路を提供する。【解決手段】  光信号を電流に変換する受光素子１０１と、前記受光素子に流れた電流を帰還抵抗１０２の大きさに応じて増幅する負帰還増幅器１０３と、負帰還増幅器１０３が出力する受光増幅信号Ｖｂに基づいて帰還抵抗１０２の大きさを制御する帰還抵抗制御回路１０４とを有する光受信回路において、帰還抵抗制御回路１０４が出力する帰還抵抗制御信号Ｖｂのレベルに基づき帰還抵抗１０２の抵抗値が可変範囲の最小値以下とならないように帰還抵抗制御信号Ｖｂのレベルに比例して増加・減少する電流制御信号Ｖｄを出力する制御限界監視回路１０５と、その電流制御信号Ｖｄに応じて受光素子１０１に電流Ｉｅを供給する電流源１０６とを設けた。【選択図】  図１
2005318397.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光信号を電流に変換する受光素子と、前記受光素子に流れた電流を帰還抵抗の大きさに応じて増幅する負帰還増幅器と、前記負帰還増幅器が出力する受光増幅信号に基づいて前記帰還抵抗の大きさを制御する帰還抵抗制御回路とを有する光受信回路において、前記帰還抵抗制御回路が出力する帰還抵抗制御信号のレベルに基づき前記帰還抵抗の抵抗値が可変範囲の最小値以下とならないように前記帰還抵抗制御信号のレベルに比例して増加・減少する電流制御信号を出力する制御限界監視回路と、その電流制御信号に応じて前記受光素子に電流を供給する電流源とを設けたことを特徴とする光受信回路。
【請求項２】
前記電流源は、ＭＯＳトランジスタのゲートに前記制御限界監視回路からの電流制御信号を入力し、電源に接続されたソースから前記受光素子が接続されたドレインへ流す電流を前記電流制御信号に比例させ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】
前記負帰還増幅器は、ＮＰＮトランジスタのベースに前記受光素子に流れる電流に依存した電流を入力し、負荷抵抗を介して電源に接続されたコレクタからアースに接地されたエミッタへ増幅電流を流すことにより、負荷抵抗端に受光増幅信号としての電圧を得るよう構成すると共に、コレクタとベースとの間に前記帰還抵抗を有することを特徴とする請求項１又は２記載の光受信回路。
【請求項４】
前記受光素子は、ＰＩＮ型フォトダイオードからなり、アノードに逆バイアスが印加され、カソードに前記電流源と前記負帰還増幅器とが接続されることを特徴とする請求項１〜３いずれか記載の光受信回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、受光電流を増幅する光受信回路に係り、ダイナミックレンジを広くできる光受信回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信などで使用される光受信回路には、光信号を電流に変換する受光素子としてＰＩＮ型フォトダイオードやアバランシェフォトダイオードなどのフォトダイオードやフォトトランジスタが使用される。フォトダイオードを使用する光受信回路には、アノードを増幅器に接続する方式とカソードを増幅器に接続する方式の２通りあるが、本発明はカソード接続方式に関するものである。
【０００３】
図６に示されるように、背景技術の光受信回路は受光素子６０１とその受光素子６０１で変換した電流を増幅する負帰還増幅器６０２とからなり、負帰還増幅器６０２は増幅器６０３とその増幅器６０３の出力端入力端間を繋ぐ固定帰還抵抗６０４とからなる。受光素子６０１のアノードに逆バイアスが印加される。逆バイアスの電圧は負帰還増幅器６０２の入力端より低い電圧である。
【０００４】
受光素子６０１に光信号が入射して電流が流れると、その電流は負帰還増幅器６０２で増幅され、その電流に比例した電圧が出力端子から出力される。この方式では、光信号のダイナミックレンジは固定帰還抵抗６０４の大きさと増幅器６０３の利得で決まる。
【０００５】
増幅器６０３にはＮＰＮトランジスタが使用される。すなわち図６の光受信回路は詳しくは図７に示される。図示のように、ＮＰＮトランジスタ６０５のベースに受光素子６０１側からの電流に比例した電流を入力し、負荷抵抗６０６を介して電源に接続されたコレクタからアースに接地されたエミッタへ増幅電流を流すことにより、負荷抵抗端に出力電圧を得るようになっている。このコレクタが接続されたこの負荷抵抗端の出力電圧が光受信回路の出力端子に現れる。固定帰還抵抗６０４はコレクタとベースとの間に設けられる。
【０００６】
図７の光受信回路において、ノイズを小さくするためには、負荷抵抗６０６を大きくすると共に固定帰還抵抗６０４を大きくする必要がある。しかし、受光素子６０１に流れる電流が増えると、負荷抵抗６０６及び固定帰還抵抗６０４による電圧降下が大きくなる。この電圧降下によってＮＰＮトランジスタ６０５のベース・エミッタ間電圧がこのＮＰＮトランジスタ６０５の規定の電圧より低くなると、ＮＰＮトランジスタ６０５はオフ状態となり、増幅作用がなくなる。このように、入射する光信号が大きすぎると正しい出力が得られなくなる。つまり、この光受信回路には、光信号が大きいほうに限界がある。すなわちダイナミックレンジがある。この光受信回路では、ダイナミックレンジが電源電圧、負荷抵抗６０６、固定帰還抵抗６０４で決まることになる。
【０００７】
ダイナミックレンジを広げる発明が特許文献１に開示されている。この発明をカソード接続方式に適用した場合の光受信回路は、図８に示されるように、受光素子８０１のアノードと逆バイアス端子との間に受光素子８０１に流れる電流を電圧に変換する電流検出抵抗８０２が挿入され、その電流検出抵抗８０２の両端間に現れる電圧のピークを検出するピーク検出回路８０３が設けられている。一方、負帰還増幅器８０４の帰還抵抗８０５は、固定帰還抵抗８０６と可変帰還抵抗８０７とを並列にして構成してある。可変帰還抵抗８０７はＦＥＴトランジスタで実現され、ゲートにピーク検出回路８０３の出力が接続される。負帰還増幅器８０４に用いる増幅器８０８の内部は図７と同じである。
【０００８】
この光受信回路では、受光素子８０１に光信号が入射して電流が流れると、電流検出抵抗８０２の両端間には電流に比例した電圧が発生する。ピーク検出回路８０３は、この電圧に比例させて可変帰還抵抗８０７の抵抗値を下げるか又はこの電圧があるレベルに達すると可変帰還抵抗８０７の抵抗値を下げる。可変帰還抵抗８０７の抵抗値が下がることで帰還抵抗８０５の合成抵抗値が下がり、負帰還増幅器８０４の利得が小さくなる。負帰還増幅器８０４の利得が小さくなると、受光素子８０１への光信号が大きくても増幅器８０８が飽和しない。このようにして、負荷抵抗（図示せず；増幅器８０８内）及び帰還抵抗８０５による電圧降下が抑えられるので、入射する光信号が大きくなってもＮＰＮトランジスタ（図示せず；増幅器８０８内）はオフ状態になりにくくなる。その結果、光信号が小さい場合も大きい場合も光信号に応じた出力が取り出せるようになり、ダイナミックレンジを広げることができる。
【０００９】
ダイナミックレンジを広げる発明が特許文献２にも開示されている。この発明をカソード接続方式に適用した場合の光受信回路は、図９に示されるように、受光素子９０１と負帰還増幅器９０２とを有し、負帰還増幅器９０２には、図７と同じ内部構造を持つ増幅器９０３が用いられ、帰還抵抗９０４は、固定帰還抵抗９０５と可変帰還抵抗９０６とを並列にして構成してある。そして、負帰還増幅器９０２の出力振幅のピークを検出するピーク検出回路９０７が設けられ、可変帰還抵抗９０６を構成するＦＥＴトランジスタのゲートにピーク検出回路９０７の出力が接続される。
【００１０】
この光受信回路においても、受光素子９０１の電流が増えて負帰還増幅器９０２のコレクタ電流が増加すると、出力振幅が大きくなる。ピーク検出回路９０７は、この出力電圧に比例させて可変帰還抵抗９０６の抵抗値を下げるか又はこの電圧があるレベルに達すると可変帰還抵抗９０６の抵抗値を下げる。可変帰還抵抗９０６の抵抗値が下がることで帰還抵抗９０４の合成抵抗値が下がり、負帰還増幅器９０２の利得が小さくなる。負帰還増幅器９０２の利得が小さくなると、受光素子９０１への光信号が大きくても増幅器９０３が飽和しない。従って、前述と同様にダイナミックレンジを広げることができる。
【００１１】
【特許文献１】特開平１１−１２７０３９号公報
【特許文献２】特開平８−２３２３９号公報
【特許文献３】特開平１１−１９６０５３号公報
【特許文献４】特開平３−１７８２０９号公報
【特許文献５】特開平４−３０６９０４号公報
【特許文献６】特開平６−１３９８２号公報
【特許文献７】特開平７−１９３５４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
背景技術の光受信回路（図８、図９）において、可変帰還抵抗には、ＦＥＴトランジスタ、ＭＯＳトランジスタ等の能動素子を用いるが、これらの能動素子は抵抗値を０（非常に小さい値）にすることはできない。つまり可変帰還抵抗には制御範囲の限界がある。よって、受光素子に流れる電流がある程度より大きくなると、可変帰還抵抗に印加している電圧が制御範囲の限界付近に達するため、帰還抵抗を十分に小さくすることができない。このため、負帰還増幅器の駆動電圧であるＮＰＮトランジスタのベース電圧が低くなるに従い、言い換えると負荷抵抗及び帰還抵抗による電圧降下が大きくなるに従い、ＮＰＮトランジスタのオフ状態が発生しやすくなる。このため、これらの光受信回路における入力のダイナミックレンジはＮＰＮトランジスタがオフ状態にならない範囲に狭められる。
【００１３】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、ダイナミックレンジを広く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】
【００１４】
上記目的を達成するために本発明は、光信号を電流に変換する受光素子と、前記受光素子に流れた電流を帰還抵抗の大きさに応じて増幅する負帰還増幅器と、前記負帰還増幅器が出力する受光増幅信号に基づいて前記帰還抵抗の大きさを制御する帰還抵抗制御回路とを有する光受信回路において、前記帰還抵抗制御回路が出力する帰還抵抗制御信号のレベルに基づき前記帰還抵抗の抵抗値が可変範囲の最小値以下とならないように前記帰還抵抗制御信号のレベルに比例して増加・減少する電流制御信号を出力する制御限界監視回路と、その電流制御信号に応じて前記受光素子に電流を供給する電流源とを設けたものである。
【００１５】
前記電流源は、ＭＯＳトランジスタのゲートに前記制御限界監視回路からの電流制御信号を入力し、電源に接続されたソースから前記受光素子が接続されたドレインへ流す電流を前記電流制御信号に比例させてもよい。
【００１６】
前記負帰還増幅器は、ＮＰＮトランジスタのベースに前記受光素子に流れる電流に依存した電流を入力し、負荷抵抗を介して電源に接続されたコレクタからアースに接地されたエミッタへ増幅電流を流すことにより、負荷抵抗端に受光増幅信号としての電圧を得るよう構成すると共に、コレクタとベースとの間に前記帰還抵抗を有してもよい。
【００１７】
前記受光素子は、ＰＩＮ型フォトダイオードからなり、アノードに逆バイアスが印加され、カソードに前記電流源と前記負帰還増幅器とが接続されてもよい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明は次の如き優れた効果を発揮する。
【００１９】
（１）ダイナミックレンジを広くできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００２１】
図１に示されるように、本発明に係る光受信回路は、アノードに逆バイアスが印加され光信号（光強度が変調された信号）を電流に変換するＰＩＮ型フォトダイオード等の受光素子１０１と、その受光素子１０１のカソードに入力側が接続され受光素子１０１に流れた電流Ｉａに依存する電流を入力して帰還抵抗１０２の大きさに応じて増幅して受光増幅信号Ｖｂとして出力する負帰還増幅器１０３と、その負帰還増幅器１０３が出力する受光増幅信号Ｖｂのピークレベルを検出してそのピークレベルを表す帰還抵抗制御信号Ｖｃを出力して帰還抵抗１０２の大きさを制御する帰還抵抗制御回路１０４とを有する光受信回路において、帰還抵抗制御回路１０４が出力する帰還抵抗制御信号Ｖｃのレベルに基づき帰還抵抗１０２の抵抗値が可変範囲の最小値以下とならないように前記帰還抵抗制御信号Ｖｃのレベルに比例して増加・減少する電流制御信号Ｖｄを出力する制御限界監視回路１０５と、その電流制御信号Ｖｄに応じて受光素子１０１に電流を供給する電流源１０６とを設けたものである。従って、この光受信回路では、受光素子１０１のカソードには電流源１０６と負帰還増幅器１０３とが接続されることになる。
【００２２】
負帰還増幅器１０３は、増幅器１０７とその増幅器１０７の出力端入力端間を繋ぐ帰還抵抗１０２とからなり、その帰還抵抗１０２は、固定帰還抵抗１０８と可変帰還抵抗１０９とを並列にして構成してある。可変帰還抵抗１０９は、ＦＥＴトランジスタで実現され、ゲートに帰還抵抗制御回路１０４の出力端が接続される。これにより、可変帰還抵抗１０９は、ゲート電圧に比例させてドレイン電流をリニアに変化させることが可能である。また、可変帰還抵抗１０９は、ゲートがオフ又はそれに近い状態のときに高抵抗を示す。
【００２３】
増幅器１０７にはＮＰＮトランジスタが使用され、電流源１０６にはＭＯＳトランジスタが使用される。すなわち図１の光受信回路は詳しくは図２に示される。
【００２４】
図２に示されるように、負帰還増幅器１０３は、ＮＰＮトランジスタ１１０のベースに受光素子１０１に流れた電流Ｉａに比例して増加・減少する電流Ｉｈを入力し、負荷抵抗１１１を介して電源に接続されたコレクタからアースに接地されたエミッタへ増幅電流Ｉｇを流すことにより、コレクタに接続された負荷抵抗１１１端に受光増幅信号Ｖｂの出力電圧を得るようになっている。この受光増幅信号Ｖｂがこの光受信回路の出力端子に取り出されるようになっている。帰還抵抗１０２はコレクタとベースとの間に設けられる。
【００２５】
電流源１０６は、ＭＯＳトランジスタ１１２のゲートに制御限界監視回路１０５からの電流制御信号Ｖｄを入力し、電源に接続されたソースから受光素子１０１が接続されたドレインへ流れる電流Ｉｅを電流制御信号Ｖｄの大きさに比例させるようになっている。なお、電流源１０６は受光素子１０１に比べてインピーダンスが高いものが好適であるため、ＭＯＳトランジスタやＦＥＴトランジスタを用いるのがよい。
【００２６】
図３に示されるように、帰還抵抗制御回路１０４は、入力端子から入力された信号を一定時間保持するピークホールド回路３０１と、そのピークホールド回路３０１がホールドしている電圧（ピークレベル）と基準電圧との差を増幅する差動増幅回路３０２と、その基準電圧を設定する基準電圧源３０５とから構成される。ピークホールド回路３０１の一例としては、入力端子をアノード側とするダイオード３０３のカソード側とアース間にコンデンサ３０４を配したものがある。なお、ピークホールド回路３０１における保持時間は図１、図２の受光素子１０１に入射する光信号の強度変調周波数の逆数である周期より長く設定してあるものとする。基準電圧源３０５の基準電圧Ｖｓは、図１、図２の可変帰還抵抗１０９の抵抗値を変化させる基準となる。
【００２７】
この帰還抵抗制御回路１０４の入力端子は図１、図２のように負帰還増幅器１０３の出力側に接続されている。従って、ピークホールド回路３０１は、受光増幅信号Ｖｂのピークレベル電圧Ｖｂｐを保持し、そのピークレベル電圧Ｖｂｐを差動増幅回路３０２に入力する。差動増幅回路３０２は、基準電圧源３０５が出している基準電圧Ｖｓとピーク電圧Ｖｂｐとを比較し（両者の差を求め）、その差を増幅して出力端子から帰還抵抗制御信号Ｖｃとして出力する。
【００２８】
図４に示されるように、制御限界監視回路１０５は、入力端子から入力された信号を基準電圧と比較し、その差を増幅する差動増幅回路４０１と、その基準電圧を設定する基準電圧源４０２とから構成される。基準電圧源４０２の基準電圧は図１、図２の電流源１０６を動作させる基準となる。
【００２９】
この制御限界監視回路１０５の入力端子は、図１、図２のように帰還抵抗制御回路１０４の出力側に接続されている。従って、差動増幅回路４０１は、基準電圧源４０２が出している基準電圧Ｖｔと入力端子からの帰還抵抗制御信号Ｖｃとを比較し（両者の差を求め）、その差を増幅して出力端子から電流制御信号Ｖｄとして出力する。
【００３０】
以下、本発明の作用を図２及び図５により説明する。図５は、横軸に時間をとり、縦軸に光強度をとり、光強度の大きい信号と光強度の小さい信号とを示したものである。
【００３１】
受光素子１０１に光信号が入射して電流Ｉａが流れると、その電流Ｉａの一部である電流Ｉｆは電源から帰還抵抗１０２を経由して受光素子１０１に流れる。なお、説明のため当初は電流源１０６から受光素子１０１に流れる電流Ｉｅはないものとすると、受光素子１０１に流れる電流Ｉａの全てが帰還抵抗１０２を経由して流れることになる。つまり、Ｉａ＋Ｉｈ＝Ｉｆである。
【００３２】
このとき負帰還増幅器１０３の原理から負荷抵抗１１１に受光増幅信号Ｖｂの電圧が表れる。
【００３３】
入射する光信号の強度（光の平均エネルギ）が大きくなると、受光素子１０１に流れる電流Ｉａが増加する。その結果、帰還抵抗１０２を経由する電流Ｉｆが増加するため、負帰還増幅器１０３の増幅電流Ｉｇが増加して出力端子の電圧（受光増幅信号Ｖｂ）が低くなる。帰還抵抗制御回路１０４は、受光増幅信号Ｖｂのピークレベルを検出し、そのピークレベル電圧Ｖｂｐにより帰還抵抗１０２の大きさを制御する。すなわち、ピークレベル電圧Ｖｂｐの変動量（光入力がないときと光入力があるときとの出力端子電圧のレベル差）が大きいときには、可変帰還抵抗１０９であるＦＥＴトランジスタのゲート電圧（帰還抵抗制御信号Ｖｃ）を高くすることで抵抗値を小さくする。可変帰還抵抗１０９の抵抗値が下がることで帰還抵抗１０２の合成抵抗値が下がり、負帰還増幅器１０３の利得が小さくなる。負帰還増幅器１０３の利得が小さくなると、増幅電流Ｉｇが減少し、受光増幅信号Ｖｂが高くなる。また、負荷抵抗１１１及び帰還抵抗１０２による電圧降下が抑えられ、増幅器１０７であるＮＰＮトランジスタのベース電圧Ｖｈが高くなる。
【００３４】
入射する光信号の強度が小さくなると、増幅電流Ｉｇが減少して受光増幅信号Ｖｂが高くなる。帰還抵抗制御回路１０４は帰還抵抗制御信号Ｖｃを低くするので、帰還抵抗１０２の合成抵抗値が上がり、負帰還増幅器１０３の利得が増大し、増幅電流Ｉｇが増大して受光増幅信号Ｖｂが低くなる。
【００３５】
このように、帰還抵抗制御回路１０４は、受光増幅信号Ｖｂがある一定レベルになるように可変帰還抵抗１０９を制御する。このため、増幅器１０７であるＮＰＮトランジスタのベース電圧Ｖｈは、このＮＰＮトランジスタがオン状態を保つためのしきい値を下回ることがない。
【００３６】
しかし、さらに受光素子１０１に流れる電流Ｉａが増加すると、可変帰還抵抗１０９に印加している電圧（帰還抵抗制御信号Ｖｃ）が制御範囲の限界付近に達する。制御限界監視回路１０５は、帰還抵抗制御信号Ｖｃのレベルと基準電圧Ｖｔとを比較して両者の差を取り、その差を増幅して電流制御信号Ｖｄとして出力する。この電流制御信号Ｖｄが電流源１０６であるＭＯＳトランジスタのゲートに入力されている。電流制御信号Ｖｄの電圧が高くなると、ソースからドレインへ流れ始めるので、電流源１０６から受光素子１０１に供給される電流Ｉｅが現れることになる。これによって、帰還抵抗１０２を経由して受光素子１０１に供給される電流Ｉｆは少なくなり、負荷抵抗１１１及び帰還抵抗１０２による電圧降下が抑えられる。このため、増幅器１０７であるＮＰＮトランジスタのベース電圧Ｖｈは、このＮＰＮトランジスタがオン状態を保つためのしきい値を下回ることがない。
【００３７】
このように、本発明では、可変帰還抵抗１０９に印加している電圧が制御範囲の限界に近づく以前は負荷抵抗１１１及び帰還抵抗１０２のみから受光素子１０１に電流を供給し、可変帰還抵抗１０９に印加している電圧が制御範囲の限界に近づいたら、電流源１０６からも受光素子１０１に電流を供給することにより、負荷抵抗１１１及び帰還抵抗１０２による電圧降下が抑えられるので、入射する光信号が大きくなってもＮＰＮトランジスタはオフ状態になりにくくなる。その結果、ダイナミックレンジを広げることができる。
【００３８】
本発明では、電流源１０６から受光素子１０１に電流を供給したことによって電流に多少のノイズが加わることになるが、所定の信号対雑音比以上は確保することができる。よって、本発明は、信号対雑音比を低下させることなくダイナミックレンジを広げることができる。
【００３９】
また、本発明では、負帰還増幅器１０３の増幅率が必要に応じてリニアに変化される。そのため受光増幅信号Ｖｂの振幅が小さくなる。その結果、光受信回路の消費電力を従来に比べて小さく抑えることができる。さらに、電流源１０６の電流値が必要に応じてリニアに変化される。そのため受光増幅信号Ｖｂの振幅が小さくなる。その結果、光受信回路の消費電力を従来に比べて小さく抑えることができる。
【００４０】
上記実施の形態では、負帰還増幅器１０３にＮＰＮトランジスタを用いたが、ＭＯＳトランジスタ又はＦＥＴランジスタを用いた場合でもゲート電圧が低下してオフ状態になる問題を本発明により解決することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の一実施形態を示す光受信回路の回路図である。
【図２】図１の光受信回路の詳細を示した回路図である。
【図３】図１中の帰還抵抗制御回路の回路図である。
【図４】図１中の制御限界監視回路の回路図である。
【図５】本発明の光受信回路に入射する光信号の波形図である。
【図６】背景技術の光受信回路の回路図である。
【図７】図７の光受信回路の詳細を示した回路図である。
【図８】背景技術の光受信回路の回路図である。
【図９】背景技術の光受信回路の回路図である。
【符号の説明】
【００４２】
１０１  受光素子
１０２  帰還抵抗
１０３  負帰還増幅器
１０４  帰還抵抗制御回路
１０５  制御限界監視回路
１０６  電流源
１０９  可変帰還抵抗
１１１  負荷抵抗
【図１】
2005318397.tif 000003
【図２】
2005318397.tif 000004
【図３】
2005318397.tif 000005
【図４】
2005318397.tif 000006
【図５】
2005318397.tif 000007
【図６】
2005318397.tif 000008
【図７】
2005318397.tif 000009
【図８】
2005318397.tif 000010
【図９】
2005318397.tif 000011