(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光検出器を補償するための装置であって、
光検出器の温度と出力電流レベルとをそれぞれ検出するように構成された温度センサおよび電流センサと、
デジタルコントローラであって、
温度センサに接続されて、検知された光検出器の温度を、同温度に対応するバイアス電圧オフセットと関連付けるべく動作する、検知された光検出器の温度の変化に対応してバイアス電圧を補償する温度補償器と、
電流センサに接続されて、光検出器の電流レベルをバイアス電圧目標と関連付けるべく動作する電流補償器と、
バイアス電圧目標履歴を格納するメモリと、
最大バイアス電圧目標と最大光検出器電流レベルとを関連付け、最小目標バイアス電圧と最小光検出器電流レベルとを関連付ける、表／式を備える前記デジタルコントローラと、からなり、
前記表／式および前記メモリは電流補償器に接続され、
前記電流補償器は、電流センサによって検出された光検出器電流レベルとメモリに記憶されたバイアス電圧目標履歴とに基づき、次の目標バイアス電圧を、前記最大及び最小目標バイアス電圧レベル間の値の範囲で切替え、それによって、前記切替えの際にヒステリシスを生じさせる、前記電流補償器と、
前記デジタルコントローラと光検知器との間に接続されて、入力信号に応答して動作することによって、光検知器に対するバイアス電圧を生成する可変電源と、
出力が前記可変電源に接続される加算器であって、同加算器は、温度補償器と電流補償器との出力と接続する入力を含み、バイアス電圧オフセットと目標バイアス電圧とを加算して、光検知器が要求するバイアス電圧に対応する加算結果を可変電源に提供する前記加算器と、からなる装置。
【請求項２】
光送受信器であって、
電気的入力を光出力に変換するための発信器と、
受信器であって、
光入力をアナログの電気的出力に変換するための光検出器と、
前記光検出器に接続されて、光検出器の温度と電流レベルをそれぞれ検出する、温度セ
ンサと電流センサと、であって同電流センサは電流ミラーからなることと、前記電流センサに接続されて、温度依存オフセットを目標バイアス電圧に関連付けると共に、光検出器温度及び電流レベルを目標バイアス電圧と関連付けるデジタルコントローラと、
バイアス電圧目標履歴を格納するメモリと、
最大目標バイアス電圧と最大光検出器電流レベルとを関連付け、最小目標バイアス電圧と最小光検出器電流レベルとを関連付ける表／式と、を備える前記デジタルコントローラと、からなり、
前記表／式および前記メモリは電流補償器に接続され、
前記電流補償器は、電流センサによって検出された光検出器電流レベルとメモリに記憶されたバイアス電圧目標履歴とに基づき、次の目標バイアス電圧を、前記最大及び最小目標バイアス電圧レベル間の値の範囲で切替え、それによって、前記切替えの際にヒステリシスを生じさせる、前記電流補償器と、
バイアス電圧を光検出器に供給すべく動作する可変電源であって、バイアス電圧の大きさはデジタルコントローラからの入力に基づき、同入力は、目標バイアス電圧と温度に関連するオフセットに基づく、可変電源と、からなる前記受信器と、
からなる光送受信器。
【請求項３】
前記コントローラには、更に、
前記温度センサに接続されて、対応する温度依存バイアス電圧オフセットに前記温度センサからの前記光検出器温度を関係付ける温度補償器であって、前記バイアス電圧オフセットは、前記温度センサによって検出された前記光検出器温度の変動に対して前記バイアス電圧を補償する前記温度補償器が含まれる請求項２に記載の光送受信器。
【請求項４】
前記光検出器には、更に、アバランシェホトダイオード（ＡＰＤ）光検出器及びピン（ＰＩＮ）光検出器の内の少なくとも１つが含まれる請求項２に記載の光送受信器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の分野は、一般的に、光ネットワークに関し、特に、光受信器に関する。
【背景技術】
【０００２】
通信システムでは、情報を送信するために次第に光ビームが用いられつつある。通信帯域幅に対する要請によって、長距離及び短距離通信幹線は、銅線から光ファイバ（デジタル）通信へ変わってきた。光ファイバのスペクトル特性は広いため、超高速データ速度すなわちギガビット毎秒の広帯域信号がサポートされる。
【０００３】
一般的に、光源すなわち発信器は、デジタル又はアナログの電気信号を光ビームに変調変換し、この光ビームは、光ファイバを通過して光検出器すなわち受信器に到達し、受信器は、受信光ビームから電気信号を抽出する。ファイバは、周波数、時間又は他の形態の多重化を用いて、異なる通信チャネルで共有し得る。通常の光リンクでは、光ファイバ（１つ又は複数）とファイバの対向端のローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）との間の光電変換を扱う送受信器ユニットによって通信システムの範囲が拡張される。光送受信器は、長距離大洋横断ケーブル又は大都市圏における短距離リンク上でギガビットの通信速度を提供する。
【０００４】
通常の発信器は、固定パワーレベルで動作する。光リンクの距離は、数メートルから数百キロメートルまで分布し、これによって、光受信器に広範囲の光信号レベルを配信し得る。光受信器は、その広範囲の受信光信号レベルに渡って、高い精度及び正確さの双方で機能しなければならない。通常、光受信器は、ピン（ＰＩＮ）型又はアバランシェホトダイオード（ＡＰＤ）型の光検出器を含む。２つの型の光検出器は、異なる利得及び信号対雑音特性を有し、双方共、バイアス電圧及び温度等の動作パラメータと共に変動する。両型の光検出器は、受信光パワー及び温度等のパラメータを監視し受信信号が適切な範囲にあることを保証して、受信器でデータの適切な復号化が確実に行われるようにする必要がある。通常、利得及び信号対雑音特性の調整は、アナログ回路及びデジタル回路による監視で解決される。
【０００５】
必要とされるのは、従来技術による解決策の複雑さや費用を回避する光検出器の調整及び監視のための新しい手段である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
光受信器又はトランスデューサの一部になり得る光検出器を補償するための方法及び装置を開示する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この補償によって、光検出器の調整及び監視の双方を共通のデジタルコントローラで行い得る。コントローラは、受信信号強度及び温度を含むモニタ動作パラメータの入力を受け取る。コントローラは、光検出器の正又は負側バイアス電圧電源を調整するバイアス制御信号を出力として供給する。コントローラは、光検出器の利得及び信号対雑音比を最適化するレベルに光検出器へのバイアス電圧を維持し、これによって、広範囲の信号強度及び温度に渡り受信信号の復号化が容易になる。コントローラには、目標バイアス電圧を出力する対応するデジタル信号強度補償器と、光検出器温度の変動に対してバイアス電圧を補償する温度依存電圧オフセットを出力する温度補償器と、が含まれる。加算器は、信号強度及び温度補償器の出力を合計して、バイアス電圧電源を駆動するバイアス制御信号を
供給する。またデジタル信号強度補償器は、モニタ信号を出力として供給するが、このモニタ信号のレベルは、バイアス電圧レベルに起因する光検出器の可変利得の補償後、光検出器によって受信された実際の光信号強度に対応する。
【０００８】
また、本発明の他の実施形態では、送受信器並びに光検出器を監視するための方法及び手段を開示し、権利を主張する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明のこれらの及び他の特徴及び利点は、添付の図面と共に以下の詳細な説明から当業者には更に明らかになるであろう。
図１は、複数のローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）間の通信を処理するワイドエリア光ネットワーク（ＷＡＮ）を形成する互いに接続した複数の光送受信器を示す。ＬＡＮ１１２、１３２は、企業本社１００に示す。ＬＡＮ１６２は、企業倉庫１５０に示す。ＬＡＮ１８２は、企業工場１７０に示す。全てのＬＡＮは、高速光バックボーンネットワークによってリンクされている。光ネットワークの光セグメントの長さは、数メートルから数百キロメートルまでの範囲であってよい。各企業位置において、対応するＬＡＮは、電気的通信リンクをネットワーク化されたワークステーション、サーバ、プロセス機械等に供給する。ＬＡＮ間の高帯域幅通信を処理する場合、図示のように、光送受信器カード１１０、１３０、１６０及び１８０がそれぞれＬＡＮ１１２、１３２、１６２及び１８２に接続される。これらの光送受信器カードは、光学的に共にリンクされ、ＬＡＮ間の高速通信を処理する光バックボーンネットワークのノードを形成する
図示した実施形態では、各光送受信器カードは、一対の二重ポート送受信器及びルータを含む。各送受信器カードは、光ネットワークのノードを形成する。光ネットワークは、ＬＡＮをリンクする。送受信器カードは、リングセグメント１９０、１９２、１９４、１９６を有する二重リングトポロジで接続される。図示した各送受信器は、光学変調された情報を二重リングのいずれか一方で送信及び受信を行う。各送受信器は、各リングの対応するセグメントに接続された受信ポート及び送信ポートを有する。情報は、二重リングの一方のリングでは時計方向に、また、他方では反時計方向に通過すると考えてよい。全ての送受信器は、受信データに対して光電変換を行い、そして、このデータは、内臓ルータによって解析され、その送信先が判断される。ルータの１つによって、情報が、送受信器カードが接続されているＬＡＮ向けであると判断された場合、そのルータは、その情報を光ネットワークから対応するＬＡＮに移行する。
【００１０】
光カード１１０は、２つの送受信器１１８、１２０及びルータ１１４を含む。ルータ１１４は、ＬＡＮインターフェイス１１６を経てＬＡＮ１１２に接続する。送受信器は、対応する対の送信及び受信ポートを介して、二重光リングトポロジを形成する対応するネットワークセグメントに接続する。光ファイバケーブル１２６及び１２４は、リングセグメント１９６を介して、ラインカード１１０と１８０との間で、それぞれ情報の送信及び受信を処理する。他の一対の光ファイバケーブル（図示せず）は、リングセグメント１９０を介して、ラインカード１１０と１３０との間で情報の送信及び受信を処理する。送受信器１１８−１２０の監視は、モニタインターフェイス１２２を介して行う。
【００１１】
光カード１３０は、２つの送受信器１３８、１４０及びルータ１３４を含む。ルータ１３４は、ＬＡＮインターフェイス１３６を経てＬＡＮ１３２に接続する。送受信器は、対応する対の送信及び受信ポートを介して、二重光リングトポロジを形成する対応するネットワークセグメントに接続する。光ファイバケーブル（図示せず）は、リングセグメント１９２を介して、ラインカード１３０と１６０との間で情報の送信及び受信を処理する。送受信器１３８−１４０の監視は、モニタインターフェイス１４２を介して行う。ラインカード１６０及び１８０は、リングセグメント１９４で互いに接続する。
【００１２】
各送受信器の受信器部の監視及び調整は、共通デジタルコントローラで行う。コントローラは、光検出器の利得及び信号対雑音比を最適化するレベルに受信器の光検出器部へのバイアス電圧を維持し、これによって、広範囲の信号強度及び温度に渡って受信信号の復号化が容易になる。また、デジタル信号強度補償器は、モニタ信号を出力として供給するが、そのレベルは、受信器の実際の受信信号強度に対応する。受信器監視は、モニタパラメータに基づき、構成要素をいつ交換すべきか決定する等、診断又は予防保守目的のために用いられる。構成要素の経時劣化又はライフサイクル段階は、モニタパラメータに基づき判断して、故障する前に構成要素を交換し得る。
【００１３】
図２Ａは、発信器２００、受信器２１０及び補償回路２５０を有する光送受信器１１８（図１参照）に関する本発明の実施形態の回路図である。発信器２００には、関連するＬＡＮからの高速デジタルデータ入力用の１つ又は複数の差動信号入力２０６−２０８と、光ネットワークのセグメントを形成する対応する光ファイバ１２６に高周波データで変調された光ビーム２０４を送信するホトダイオード２０２と、が含まれる。
【００１４】
受信器には、光ファイバ１２４を介して光学的に光ネットワークに接続され、そこから光学変調された情報搬送信号を受信する光検出器２３２が含まれる。本発明の実施形態では、光検出器は、ピン（ＰＩＮ）又はアバランシェホトダイオード（ＡＰＤ）を含む。ＰＩＮは、５ボルトバイアス電圧レベルで動作し、ＡＰＤは、４０−６０ボルトで動作し得る。受信光ビームの信号強度は、ビーム２３４及び２３６によって表されるように、４乃至６オーダ以上変動し得る。図２Ａに示す本発明の実施形態では、光検出器のカソードは、光検出器の電流シンクとして動作するトランスインピーダンス型増幅器２２６の入力に接続される。ＴＩＡは、広いダイナミックレンジ及び例外的な線形性能を有する。通常の遠距離通信用途では、ＴＩＡが、０．０１μＡ未満から２．５ｍＡまでの範囲の入力電流に対して線形トランスインピーダンス特性を維持する必要がある。高周波変調され増幅された電気的データは、ＡＣカプラ２１４を介して受信器回路の他の部分とインピーダンス整合され、また、ＡＣ接続された差動信号線でＴＩＡから出力される。図示した実施形態では、ＡＣカプラには、直列及び並列接続された抵抗器２２４、２１６、２１８と共に、インピーダンス整合ネットワークを形成する高周波接続コンデンサ２２０−２２２が含まれる。ＡＣカプラの差動出力は、増幅器２１２で何らかの後段増幅を受け、光電変換信号は、受信器によって、１つ又は複数の信号線２３８−２４０で、受信経路回路の他の部分に、例えば、ルータ１１４に出力される（図１参照）。
【００１５】
補償回路２５０は、受信器の高周波側に接続し、送受信器の受信器部の調整及びモニタの双方を行う。補償回路は、光検出器の利得及び信号対雑音比を最適化するレベルに光検出器２３２へのバイアス電圧を維持し、これによって、広範囲の信号強度及び温度に渡って受信信号の復号化が容易になる。また、補償回路は、モニタ信号２９０を出力として供給するが、そのレベルは、受信器の実際の受信信号強度に対応する。補償回路は、電流センサ２７６を含む。
【００１６】
電流センサは、複雑さの点で直流接続抵抗器から電流ミラーまで多岐に渡り得る。電流センサは、受信信号強度に比例する低周波信号を出力として供給する。抵抗器の実施形態では、この低周波信号は、抵抗器間の電圧降下と一致する。電流ミラーの実施形態では、電流ミラーは、２つの脚部、別称、光検出器脚部及びミラー脚部を有し、それぞれ光検出器電流“Ｉｐ”及びミラー電流“Ｉｍ”がこれらを通過する。ミラー電流は、受信信号強度に比例する低周波信号を供給する。電流ミラーの両脚部は、図示した例では、可変ＤＣ電源２７０である電圧源ノード２７８に正側で接続する。電流ミラーの制御脚部は、ライン２８０を介して光検出器２３２のアノードに接続する。図示した例では、電源電圧は、３０−６０ボルト間で制御可能であり、また、光検出器は、ＡＰＤである。本発明の他の実施形態では、ＰＩＮ型光検出器を利用して、例えば、対応する３−５ボルトに電源電圧
レベルを低減し得る。電流ミラーのミラー脚部２８２は、ミラー電流Ｉｍを供給するが、そのレベルは、光検出器によって検出される受信光信号レベルに一致する。図示した実施形態では、モニタノード２８４における電流に比例する電圧に変換することによってＩｍをモニタする。このことは、抵抗によりモニタノードを電気的シンク２８６に接続することによって実現される。この機能を実行するために、モニタノードを接地する抵抗器２７４が用いられる。モニタノード２８４は、オペアンプ２６８の入力に接続される。オペアンプ２６８は、ミラー電流に比例する増幅出力をアナログ・デジタル（Ａ／Ｄ）変換器２６６に供給する。ミラー電流に一致するデジタル値は、Ａ／Ｄによってデジタルコントローラ２５２に供給される。また、デジタルコントローラは、光検出器２３２の温度と一致するデジタル値を入力として受け取る。温度センサ２７２は、光検出器温度を検出し、また、対応する信号をＡ／Ｄ変換器に供給し、Ａ／Ｄ変換器は、対応するデジタル値をコントローラ２５２に供給する。
【００１７】
コントローラは、プロセッサ、マイクロコントローラ、プログラム可能なロジックアレイ（ＰＬＡ）、現場でプログラム可能なロジックアレイ（ＦＰＧＡ）、特定用途集積回路（ＡＳＩＣ）、又は状態機械を実現可能な任意の論理回路で実現し得る。本発明の実施形態では、コントローラは、電流補償器２５４及び温度補償器２５６を含む。
【００１８】
電流補償器は、モニタ光検出器電流に対応するデジタル値を入力として受け取る。電流補償器には、上方及び下方目標レベル間でのバイアス電圧の遷移が起こる最大及び最小モニタ電流レベル等、モニタ電流レベルＩｍとバイアス電圧目標レベルＶｔｎとを関係付けるためのテーブル及び／又は式２６０が含まれる。また、テーブル／式は、センサが検出した光検出器電流レベルのスケール変更を行い、光検出器の受信光信号強度に一致させるための利得スケーラと目標バイアス電圧とを関係付ける。また、電流補償器には、履歴バイアス電圧目標レベルを記憶するためのメモリ２６２が含まれる。電流補償器は、モニタ電流レベルと一致する各新しいデジタル入力を実際の電流レベルに変換する。この変換は、履歴レジスタ、別称、メモリ２６２の目標バイアス電圧及びテーブル／式２６０からその目標バイアス電圧用の利得スケーラを決定することによって実現される。光検出器の実際の受信光信号強度は、利得スケーラを検出電流レベルに分割することによって決定する。電流補償器は、ライン２９０上で実際の受信光信号強度に対応する信号を出力する。
【００１９】
また、電流補償器２５４は、バイアス電圧目標について様々な受信電流レベルの補償を処理する。電流補償器は、メモリ２６２のバイアス電圧目標履歴及びノード２８４の検出ミラー電流レベルに基づき、バイアス電圧目標の切替えが適切であるかどうか決定する。電流補償器は、上方及び下方バイアス目標電圧間における遷移点付近のミラー電流レベルでのバイアス電圧の不必要な切替えを回避するように、バイアス電圧目標レベルを決定する際、デジタルヒステリシスを用いる。ヒステリシスは、以前の目標バイアス電圧レベル並びに上方及び下方バイアス電圧目標レベル間での遷移が起こるミラー電流レベルの最大及び最小値を示すテーブル／式２６０を記憶するメモリ２６２を用いて実現される。目標バイアス電圧レベルが電流補償器によって一旦決定されると、対応する値が、電流補償器によって加算器２５８に入力として供給される。加算器の他の入力は、温度補償器２５６が供給する。
【００２０】
温度補償器２５６は、モニタ光検出器温度に対応するデジタル値を入力として受け取る。温度補償器には、バイアス電圧オフセットをモニタ温度Ｔｐｄに関係付けるテーブル又は式２６４が含まれる。光検出器の各新しい決定が行われる度に、テーブル／式２６４からのパラメータを用いて、対応するバイアス電圧オフセットを決定する。バイアス電圧に対する温度依存オフセットは、現在の温度と受信器較正時の基準温度との間の差異に補償係数ｋ（ボルト／℃）を乗算することによって決定する。この結果得られた値は、温度補償器によって、加算器２５８の残りの入力に出力される。加算器は、電流補償器からのバ
イアス電圧と、温度補償器からのバイアス電圧オフセットとを合計する。この結果得られた合計値は、要求バイアス電圧レベルに一致する。要求バイアス電圧レベルと一致する加算器からの信号は、可変ＤＣ電源２７０に入力として供給する。可変ＤＣ電源の出力は、対応するバイアス電圧を光検出器２３２に供給する。
【００２１】
図２Ｂは、補償回路２５０が光受信器２１０の低周波側に接続され受信信号強度をモニタする光送受信器の本発明の実施形態による回路図である。受信器には、光ファイバ１２４を介して光ネットワークに光学的に接続され、そこから光学変調された情報搬送信号を受信する光検出器２３２が含まれる。本発明の実施形態では、光検出器は、ピン（ＰＩＮ）又はアバランシェホトダイオード（ＡＰＤ）を含む。受信光ビームの信号強度は、ビーム２３４及び２３６よって表されるように４乃至６オーダ以上変動し得る。図２Ｂに示す本発明の実施形態では、光検出器のアノードは、光検出器の電流源として動作するトランスインピーダンス型増幅器２２６の入力に接続する。ＴＩＡは、０．０１μＡ未満から２．５ｍＡまでの範囲の電流において、広いダイナミックレンジ及び例外的線形性能を有する。ＴＩＡは、補償回路の一部である可変ＤＣ電源２７０に接続するＶ電源入力２３０を有する。ＴＩＡのＶシンク入力２２８は、電源のレベルより小さいレベルの電圧シンクに接続する。ＴＩＡは、その入力が接続された光検出器のアノードに電流を供給する。高周波変調増幅された電気的データは、ＴＩＡから差動信号線でＡＣカプラ２１４に出力する。ＡＣカプラの出力は、後段増幅器２１２での増幅を受ける。後段増幅器の出力は、１つ又は複数の高周波データ出力２３８−２４０に接続する。
【００２２】
補償回路２５０は、受信器の低周波側に接続して、光検出器２３２が測定する受信信号強度をモニタする。補償回路は、電流センサ２７６を含む。電流センサは、直列抵抗器及び電流ミラーを含む様々な手段によって実現し得る。電流ミラーの実施例では、電流ミラーは、２つの脚部、別称、光検出器脚部及びミラー脚部を有し、これらをそれぞれ光検出器電流“Ｉｐ”及びミラー電流“Ｉｍ”が通過する。電流ミラーの双方の脚部は、図示した例ではアナログ接地であるノード２７８の電圧シンクに負側が接続する。電流ミラーの制御脚部は、線２８０を介して、光検出器２３２のカソードに接続する。電流ミラーのミラー脚部２８２は、ミラー電流Ｉｍをライン２８２で供給する。ミラー電流のレベルは、光検出器が検出する受信光信号レベルに一致する。図示した実施形態では、モニタノード２８４の電流に比例する電圧に変換することによってＩｍをモニタする。このことは、モニタノードを電源、例えば、Ｖｃｃ＝５ボルトに接続する抵抗器２７４で実現する。モニタノード２８４は、オペアンプ２６８の入力に接続する。オペアンプは、対応するデジタル出力をコントローラ２６２に供給するアナログ・デジタル（Ａ／Ｄ）変換器２６６にミラー電流に比例する増幅された出力を供給する。温度センサ２７２は、Ａ／Ｄ変換器を介して、他の入力をコントローラに供給する。コントローラ２６２は、モニタ温度及びミラー電流レベルに対応するデジタル信号入力を受け取って、電流及び温度補償器において上述したバイアス電圧調整及び監視機能を実行する。それぞれ電流及び温度補償器２５４、２５６からの合計出力は、可変ＤＣ電源２７０の駆動に用いる。実際の電流レベルは、信号ライン２９０で電流補償器が出力する。
【００２３】
図３Ａ−Ｂは、図２Ａに示す補償回路の他の実施形態及び特に、その電流ミラー２７６部の詳細な回路図である。電流ミラーには、電流ミラーとして構成された一対の背中合わせのバイポーラ型トランジスタ３０２及び３０４が含まれる。センストランジスタ３０２は、光検出器電流Ｉｐ基準値３２０が流れる電流ミラーの光検出器（Ｐｄ）脚部３３０を画成する。ミラートランジスタ３０４は、ミラー電流Ｉｍ基準値３２２が流れるモニタ脚部３３２を画成する。センス及びミラートランジスタのベースは、互いに接続され、また、ミラートランジスタのコレクタに接続される。図３Ａ−Ｂに示す高周波側実施形態では、センス及びミラートランジスタは、‘ｐｎｐ’型バイポーラトランジスタを含む。
【００２４】
一対のトランジスタ３０２−３０４のみによって形成された電流ミラーの性能は、これらのトランジスタの組合せによって生成されたミラー電流Ｉｍが、実用的には、５オーダの上方範囲に制限されるため、容認できない。その範囲内であっても、センス及びミラートランジスタのみによって形成されたミラーは、極めて非線形的である。Ｉｐ及びＩｍは、絶対値が、その範囲全体において、例えば、７５％を超える差だけ異なり、更に、相対値線形性が、その範囲全体において、例えば、１０％ばらつく。
【００２５】
バイポーラトランジスタのエバーズモル（Ｅｂｅｒｓ−Ｍｏｌｌ）モデルは、非線形性源に対する識見及びその資格を与え、また、これを次式１に記す。
【００２６】
【数１】
0004429912.tif 000002
ここで、Ｉｃは、コレクタ電流、Ｖｂｅは、ベース・エミッタ間電圧降下、Ｉｏは、エミッタからベースへの逆漏れ電流、ｃは、電気素量、ｋは、ボルツマン定数、及びＴは、絶対温度（単位：°Ｋ）である。通常の不純物添加レベルの場合、純粋な半導体の”固有の”振る舞いから生じる漏れ電流は、極めて小さく、また、第２項ｌｏは、無視でき、ＩｃのＶｂｅに対する単純な指数関数的な依存性が与えられる。
【００２７】
電流ミラーにおいて考慮しなければならないエバーズモルに対する拡張は、初期効果のそれである。初期効果は、コレクタ・エミッタ間電圧の変化に伴って生じるバイポーラトランジスタのベース・エミッタ間電圧の比例的な変化を説明する。ミラー電流と光検出器電流との間の非線形性は、２つのトランジスタのコレクタ・エミッタ間電圧降下の差異及び初期効果による２つのトランジスタベース・エミッタ間電圧に付随する差異に起因する。
【００２８】
コレクタ・エミッタ間電圧差異は、ＡＰＤでは４０ボルト、また、ＰＩＮの実施例では４ボルトが可能である。センストランジスタは、通常、０．７ボルトの電圧降下を受け、他方、ミラートランジスタは、ほぼ総電源電圧に等しい電圧降下を受ける。センス及びミラートランジスタのコレクタ電流は、２つのトランジスタ間のベース・エミッタ間電圧の差異に対して極めて敏感である。センストランジスタとミラートランジスタとの間のベース・エミッタ間電圧降下における不一致は、ミラー電流と光検出器電流との間の実質的及び非線形的差異になる。
【００２９】
一対の各トランジスタ３０２、３０４間におけるコレクタ・エミッタ間電圧降下の差異を低減するために、ミラー脚部に非線形絶縁要素を導入し、一方の端子をミラートランジスタ３０４のコレクタに接続し、他方の端子をモニタノード２８４に接続する。適切な非線形絶縁要素としては、シュミット又はツェナーダイオード、電界効果トランジスタ、及びバイポーラトランジスタが挙げられる。これらの各非線形絶縁要素は、ミラー電流の変動するレベルに応答して、少なくとも２つの端子間で非線形電圧降下を呈する。少なくとも２つの端子間の電圧降下は、実質的にミラー電流とは独立である。この特性によって、センストランジスタとミラートランジスタ間のコレクタ・エミッタ間電圧差異、及びこれによってベース・エミッタ間電圧差異を低減することによって、ミラー電流と光検出器電流との間の適合性が改善される。従って、初期効果による性能の不一致は、ほぼ低減される。
【００３０】
適合性は、Ｉｐ／Ｉｍの商と定義される。図３Ａに示す実施形態では、非線形絶縁要素は、バイポーラトランジスタ３０６であり、エミッタ端子がミラートランジスタのコレクタに接続され、コレクタがモニタノード２８４に接続される。ベースは、信号ライン３１２を介して、センストランジスタ３０２のコレクタに接続される。ＡＰＤ実施例におけるこの電流ミラーの適合性は、図５のライン５２０に示す。
【００３１】
図３Ｂは、高周波側電流ミラー２７６の他の実施形態を示し、この実施形態では、他の非線形絶縁要素が、センストランジスタ３０２と光検出器２４２との間における追加の光検出器脚部である。適切な非線形絶縁要素としては、シュミット又はツェナーダイオード及びバイポーラトランジスタが挙げられる。図３Ｂに示す実施形態では、非線形絶縁要素は、バイポーラトランジスタ３０８であり、エミッタ端子がセンストランジスタのコレクタに接続され、コレクタが光検出器２４２に接続される。ベースは、センストランジスタ３０２のコレクタに接続される。ＡＰＤ実施例におけるこの電流ミラーの適合性は、図５のライン５３０に示す。
【００３２】
図３Ａ−Ｂに示す実施形態では、センス及びミラートランジスタのエミッタは、抵抗器３００を介して電圧源２７８に接続する。この抵抗器は、光検出器がＡＰＤ型を含む本発明の実施形態に適する。抵抗器３００は、受信光信号の強度に反比例して電源電圧を変える機能を提供する。従って、電流ミラーへの電源電圧は、光信号強度が大きくなるにつれて減少し、これによってＡＰＤの性能が改善される。このような抵抗器は、ＰＩＮ型光検出器が用いられた本発明の実施形態では不要である。
【００３３】
図４Ａ−Ｂは、図２Ｂに示す補償回路の他の実施形態による詳細回路図であり、補償回路２６０は受信器の低周波側に接続され、光検出器２４２によって測定される受信信号強度をモニタする。補償回路は、電流ミラー２７６を含む。図４Ａ−Ｂに示す電流ミラーは、図３Ａ−Ｂに示すものとそれぞれ同様であるが、トランジスタが‘ｎｐｎ’バイポーラ型であり、センス及びミラートランジスタのエミッタが電圧シンクに接続され、また、モニタノード２８４が抵抗器２７４を経て電圧源に接続されている点が異なる。
【００３４】
図５Ａは、光受信器における光検出器利得５００及び感度５０２対高周波側光検出器バイアス回路を有する代表的なＡＰＤ型の光検出器のバイアス電圧を示すグラフである。様々な曲線上の実際の値は、例としてのみ与える。異なる電圧値を有する同様な利得及び感度曲線は、低周波側光検出器バイアス回路の場合に生じる。
【００３５】
ＡＰＤの利得曲線５００は、Ｍ＝２．５の倍数からＭ＝６．０の倍数まで、３０から５５ボルトのバイアス電圧範囲に渡って上昇する。利得スケーラは、ＡＰＤにおける受信光信号レベル２３４−２３６を光検出器電流レベルに関係付けるが、この光検出器電流レベルは、それがコントローラに供給されたレベルで電流センサによって検出されたものである。利得スケーラは、１より大きくても小さてもよい。感度曲線５０２は、ＡＰＤが許容可能な信号対雑音比を呈する光信号レベルを示す。ＡＰＤの感度は、２つの別々の領域５０４−５０６上で比較的平坦なプロファイルを呈する。これらの領域の第１領域である低感度領域５０４では、ＡＰＤは、３６ボルトから４６ボルトまでのパンチスルー間のバイアス電圧に対して、−１２ｄＢｍの光電応答を呈する。これらの領域の第２領域である高感度領域５０６では、ＡＰＤは、４８ボルトと、５１ボルトでのブレークダウンとの間のバイアス電圧に対して、−１８ｄＢｍの光電応答を呈する。高又は低感度領域のいずれにおいても、あらゆる利得増加が、信号対雑音比を小さくすることによってオフセットされる。高及び低感度領域間において、例えば、４６−４８ボルトバイアスレベル間において、光検出器利得の増加が光検出器のあらゆる信号対雑音比の減少を抑えるにつれて、感度は上昇する。高入力信号レベルでは、ＡＰＤバイアス電圧をより低いバイアス電圧レベル
Ｖｔ低（例えば、４６ボルト）に引下げ、ＡＰＤの感度を低くしてＴＩＡの飽和を回避する必要がある。低入力信号レベルでは、ＡＰＤバイアス電圧を高バイアス電圧レベルＶｔ高（例えば、４８ボルト）に引上げ、ＡＰＤの感度を高くして、また、信号対雑音比を大きくして、受信器においてデータを適切に復号化できるようにする必要がある。例えば、４６ボルトの低感度領域の上端、及び、例えば、４８ボルトの高感度領域の下端における目標バイアス電圧レベルの選択によって、受信器全体の動作範囲を５オーダ拡張し得る。上方及び下方目標電圧範囲は、実験的に算出したり、あるいは、代表的な光検出器の実際の測定によって決定したりできる。
【００３６】
図５Ｂは、曲線５１０が、バイアス電圧オフセット対光検出器動作温度の範囲の温度を示すグラフである。通常、一次近似として、温度及びＡＰＤバイアスレベルは、線形的に反比例して関係付けられる。ＡＰＤの温度が上昇するにつれて、バイアス電圧が上昇して、同じ利得特性を維持しなければならない。１℃当たり０．０５ボルトの電圧オフセットを示す。オフセットは、光検出器の場合、実際の電流レベルとモニタ電流レベルとの間の相関関係が決定される温度と同じ基準温度Ｔｒｅｆに対して決定される。
【００３７】
図５Ｃは、曲線５２０が、光受信器での光検出器利得及び感度対ミリアンペア単位の受信信号強度を示すグラフである。０．０００１ｍＡから０．２ｍＡまでのモニタ電流レベルでは、正側バイアスのＡＰＤのバイアス電圧５２２は、Ｖｔ高（例えば、４８ボルト）である。０．３ｍＡから１０ｍＡまでのモニタ電流レベルでは、正側バイアスのＡＰＤのバイアス電圧５２８は、Ｖｔ低（例えば、４６ボルト）である。０．２ｍＡ−０．３ｍＡの間では、バイアス電圧レベルは、バイアス電圧履歴を基にして決定する。バイアス電圧のデジタル履歴は、上方及び下方目標バイアス電圧領域間の遷移にデジタル的にヒステリシスを与えるために用いる。目標バイアス電圧曲線５２０のそれぞれ正及び負の遷移進捗部５２４−５２６を用いて、ヒステリシスをグラフで表す。
【００３８】
図６は、変動する動作温度及び受信信号強度に応答して、補償回路によって実行されるプロセスを示すプロセスフロー図である。初期化６００の後、制御は、プロセス６０２に進み、バイアス電圧目標レベルＶｔｎをモニタ電流レベルＩｉｎ及び利得スケーラに関係付けるテーブル及び／又は関数が、電流相関器（図２Ａ−Ｂの２６０参照）にロードされる。これらのテーブル／関数には、上方及び下方目標値間の遷移が起こる最大及び最小のモニタ電流レベルが含まれる。次に、プロセス６０４では、バイアス電圧オフセットをモニタ温度Ｔｐｄに関係付けるテーブル及び／又は関数が温度相関器（図２Ａ−Ｂの２６４参照）にロードされる。次に、プロセス６０６−６０８において、バイアス電圧及びバイアス電圧履歴レジスタは、それぞれ低バイアス電圧目標Ｖｔ低に設定する。制御は、次に、プロセス６１０に進む。
【００３９】
次の組のプロセス６１０−６１６では、実際の受信光信号レベル２３４−２３６を決定する。プロセス６１０−６１２では、それぞれモニタ電流レベルｌｉｎ及び電流バイアス電圧目標レベルを決定する。次に、プロセス６１４では、バイアス電圧目標は、テーブル／関数２６０の値（図２Ａ−Ｂ参照）と関係付けられ、電流利得スケーラを決定する。次に、プロセス６１６では、電流補償器２５４に供給される検出光検出器電流レベルを関連するテーブル／関数２６０の利得スケーラで除算することによって、実際の受信光信号強度を決定する。この商は、信号ライン２９０で出力する。（図２Ａ−Ｂ参照）
次の組のプロセス６１８−６２８では、異なる受信電流レベルに対するバイアス電圧目標の補償を処理する。メモリ２６２のバイアス電圧目標履歴及び電流センサ２７６からのモニタ電流レベル（図２Ａ−Ｂ参照）に基づき、バイアス電圧目標の切替えが適切であるかどうかについて決定を行う。判断プロセス６１８では、以前のバイアス電圧設定値が、高レベル又は低レベルであったかについて決定を行う。以前のバイアス電圧設定値が低レベルであったならば、制御は、判断プロセス６２４に進む。以前のバイアス電圧設定値が
高レベルであったならば、制御は、判断プロセス６２０に進む。
【００４０】
低バイアス電圧レベルの場合、判断プロセス６２４では、モニタ電流レベルが、プロセス６０２で記憶された最小値を超えたかどうかについて決定を行う。そうである場合、目標バイアス電圧は、プロセス６２２で低レベルに維持され、その後、プロセス６２８でバイアス電圧履歴の更新を行う。そうでない場合、判断プロセス６２４では、モニタ電流は、最小値より小さく、制御は、次に、プロセス６２６に進み、バイアス電圧目標を高電圧レベルに再設定し、これによって受信器の感度が上昇する。その後、バイアス電圧履歴をプロセス６２８で更新する。
【００４１】
高バイアス電圧レベルの場合、判断プロセス６２０では、モニタ電流レベルが、プロセス６０２で記憶された最大値を超えたかどうかについて決定する。そうである場合、次に、目標バイアス電圧をプロセス６２２で低レベルに再設定し、これによって装置の感度が減少する。その後、プロセス６２８でバイアス電圧履歴を更新する。そうでない場合、判断プロセス６２０では、モニタ電流は、最大値より小さく、従って、制御は、プロセス６２６に進み、バイアス電圧目標を高電圧レベルに維持し、その後、プロセス６２８でバイアス電圧履歴を更新する。
【００４２】
プロセス６１８−６２８は、光検出器電流レベルが最大光検出器電流レベルを超えた時、上方目標バイアス電圧から下方目標バイアス電圧へ、また、光検出器電流レベルが最小電流レベルを下回った時、下方目標バイアス電圧から上方目標バイアス電圧へ、電流補償器の出力を切り替える効果を有し、これによって光検出器電流レベルと目標バイアス電圧レベルとの間でヒステリシスを呈する。
【００４３】
次の組のプロセス６３２−６３６では、異なる温度レベルに対するバイアス電圧目標の補償を処理する。プロセス６３２では、光検出器の温度を決定する。次に、プロセス６３４では、プロセス６０４でアップロードされたパラメータを用いて、モニタ温度に対する要求バイアス電圧オフセットを決定する。バイアス電圧に対する温度依存オフセット、例えば、＋／−＃ボルトが、補償係数ｋ（ボルト／℃）に現在の温度と受信器が較正された基準温度との間の差を乗算することによって決定される。この結果得られた値は、プロセス６３６において、プロセス６１８−６２８で決定したバイアス電圧目標レベルを調整するために用いる。制御は、次に、接合ブロック６３８を介して、プロセス６１０に戻り、次の回の電流及び温度補償を行う。
【００４４】
本発明の好適な実施形態の上述した説明は、例示及び説明の目的で提示した。これは、包括的であることを意図するものでなく、また、開示した形態に本発明を厳密に限定することを意図するものではない。明らかに、数多くの修正や変更が、当業者には明白であろう。本発明の範囲は、次の請求項及びそれらの等価物によって規定されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】互いに接続されワイドエリアネットワーク（ＷＡＮ）を形成する複数の光送受信器を示す図。
【図２Ａ】バイアス電圧補償回路が光検出器高周波側に接続された光送受信器の本発明の実施形態による回路図。
【図２Ｂ】バイアス電圧補償回路が光検出器低周波側に接続された光送受信器の本発明の実施形態による回路図。
【図３Ａ】図２Ａに示す補償回路の他の実施形態による詳細回路図。
【図３Ｂ】図２Ａに示す補償回路の他の実施形態による詳細回路図。
【図４Ａ】図２Ｂに示す補償回路の他の実施形態による詳細回路図。
【図４Ｂ】図２Ｂに示す補償回路の他の実施形態による詳細回路図。
【図５Ａ】光受信器の光検出器利得及び感度対バイアス電圧を示すグラフ。
【図５Ｂ】光検出器動作温度範囲のバイアス電圧オフセット対温度を示すグラフ。
【図５Ｃ】光受信器の光検出器利得及び感度対ミリアンペア単位での受信信号強度を示すグラフ。
【図６】変動する動作温度及び受信信号強度に応答して補償回路で実行されるプロセスを示すプロセスフロー図。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６】
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