(57)【要約】【課題】  共振周波数が受光素子のキャパシタンスの変動にロバストな光受信装置を提供する。【解決手段】  本発明の実施の形態に係わる光受信装置１００は、光信号を受信して電流信号に変換する受光素子であるフォトダイオード１０１と、フォトダイオード１０１のアノード端子に直列に接続されたインダクタ１０２と、インダクタ１０３ａおよびキャパシタ１０３ｂからなり、インダクタ１０２に直列に接続された並列共振回路１０３と、インダクタ１０２と並列共振回路１０３との間に接続されたキャパシタ１０４と、キャパシタ１０４に接続された増幅器１０５とを備えている。そして、増幅器１０５は、復調器１０６に接続され、復調器１０６は、増幅器１０５で増幅された電圧からデータ信号を復調する。【選択図】  図１
2007049456.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光信号を受信して電流信号に変換する受光素子と、
前記受光素子の第１の端子に直列に接続された第１のインダクタと、
前記第１のインダクタに接続された第１のキャパシタと、
前記第１のキャパシタに接続された増幅器と、
前記第１のインダクタと前記第１のキャパシタとの間に接続された、第２のインダクタおよび第２のキャパシタを含む並列共振回路と
を備えることを特徴とする光受信装置。
【請求項２】
前記受光素子がフォトダイオードであり、前記第１の端子および第２の端子がそれぞれアノード端子およびカソード端子であることを特徴とする請求項１に記載の光受信装置。
【請求項３】
光信号を受信して電流信号に変換する受光素子と、
前記受光素子の第１の端子に直列に接続された第１のインダクタと、
第２のインダクタおよび第１のキャパシタからなり、前記第１のインダクタに直列に接続された並列共振回路と、
前記第１のインダクタと前記並列共振回路との間に接続された第２のキャパシタと、
前記第２のキャパシタに接続された増幅器とを備える光受信装置と、
副搬送波の周波数が前記光受信装置の最も高い共振周波数と一致する光送信装置と
を備えることを特徴とする光通信システム。
【請求項４】
前記光送信装置が、振幅変調、周波数変調、もしくは、位相変調された副搬送波により光信号の強度変調を行うことを特徴とする請求項３に記載の光通信システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光受信装置および光通信システムに係わり、特に共振周波数が受光素子のキャパシタンスの変動にロバストな光受信装置および光通信システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、半導体レーザやＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）から発光される光をデータ信号に応じて強度変調し、この強度変調された光信号を用いてデータの送受信を行う光空間通信技術が開発されている（例えば、特許文献１を参照）。このような光空間通信では、空間を伝播する光信号を光受信装置の受光素子で受信し、これを電気信号に変換することで光信号に重畳されたデータ信号を復調する。
【０００３】
ここで、このような光受信装置においては、光信号を効率よく受光するためには、受光素子の受光面積は大きいほうが望ましい。
【０００４】
しかし一方で、受光素子の受光面積を大きくすると、受光素子のキャパシタンス（寄生容量）が大きくなるため、受光素子の温度の変化やフォトダイオードに印加されるバイアス電圧の変化など、受光素子の使用環境の変化によるキャパシタンスの変動も大きくなる。そのため、光受信装置の共振周波数の変動が大きくなり、安定した光通信が行えないという問題が生じる。
【特許文献１】特開２００２‐１１１５９３公報（６頁、図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述したように、従来の光受信装置では、光信号を効率よく受信するために受光素子の面積を大きくすると、使用環境の変化による受光素子のキャパシタンスの変動が大きくなり、これに応じて光受信装置の共振周波数が大きく変動するため、安定した光通信が行えない、という問題があった。
【０００６】
本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであって、共振周波数が受光素子のキャパシタンスの変動にロバストな光受信装置および光通信システム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】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明の光受信装置は、光信号を受信して電流信号に変換する受光素子と、前記受光素子の第１の端子に直列に接続された第１のインダクタと、前記第１のインダクタに接続された第１のキャパシタと、前記第１のキャパシタに接続された増幅器と、前記第１のインダクタと前記第１のキャパシタとの間に接続された、第２のインダクタおよび第２のキャパシタを含む並列共振回路とを備えることを特徴とする。
【０００８】
また、本発明の光通信システムは、光信号を受信して電流信号に変換する受光素子と、前記受光素子の第１の端子に直列に接続された第１のインダクタと、第２のインダクタおよび第１のキャパシタからなり、前記第１のインダクタに直列に接続された並列共振回路と、前記第１のインダクタと前記並列共振回路との間に接続された第２のキャパシタと、前記第２のキャパシタに接続された増幅器とを備える光受信装置と、副搬送波の周波数が前記光受信装置の最も高い共振周波数と一致する光送信装置とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、光受信装置の共振周波数を受光素子のキャパシタンスの変動に対してロバストにすることができるので、受光素子の受光面積を大きくして効率よく光信号を受信し、安定した光通信を行うことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態について説明する。
【００１１】
図１は、本発明の実施形態に係わる光受信装置１００の構成を示す図である。
【００１２】
この実施形態に係わる光受信装置１００は、光信号を受信して電流信号に変換する受光素子であるフォトダイオード１０１と、フォトダイオード１０１のアノード端子に直列に接続されたインダクタ１０２と、インダクタ１０３ａおよびキャパシタ１０３ｂからなり、インダクタ１０２に直列に接続された並列共振回路１０３と、インダクタ１０２と並列共振回路１０３との間に接続されたキャパシタ１０４と、キャパシタ１０４に接続された増幅器１０５とを備えている。このとき、フォトダイオード１０１で発生する光電流は、並列共振回路１０３を負荷として電圧信号に変換され、この電圧信号はキャパシタ１０４を介して増幅器１０５で増幅される。そして、増幅器１０５で増幅された電圧信号は、増幅器１０５に接続された復調器１０６で、データ信号へと復調される。
【００１３】
ここで、並列共振回路１０３は、グラウンドに接地されており、フォトダイオード１０１のカソード端子とグラウンドとの間には、電圧制御回路（図示しない）によって、逆バイアス電圧（Ｖｂ）が印加されている。
【００１４】
また、インダクタ１０２およびインダクタ１０３ａのインダクタンスを、それぞれ、Ｌ１およびＬ２、キャパシタ１０３ｂおよびキャパシタ１０４のキャパシタンスを、それぞれ、Ｃ１およびＣ２とする。
【００１５】
ここで、フォトダイオード１０１は、電流源と、その電流源に並列に接続されたキャパシタと等価と考えられる。そして、バイアス電圧は交流的にはショートと等価であるので、図１に示す光受信装置１００の等価回路は、図２に示す回路のようになる。なお、図２では、フォトダイオード１０１のキャパシタンス（寄生容量）をＣ０、フォトダイオード１０１に流れる光電流をＩとした。
【００１６】
このとき、図２における並列共振回路１０３の両端の電圧、すなわち、光受信装置１００の出力電圧Ｖと光電流Ｉとの間の変換係数（電流電圧変換係数）Ｚは、（１）式のように表すことができる。ここで、ωは角周波数である。
【数１】
2007049456.tif 000003
【００１７】
なお、ここでは各インダクタに存在する抵抗は無視している。
【００１８】
ここで、光受信装置１００の共振周波数は、（１）式の分母が０となる角周波数である。したがって、共振周波数は、（２）式によって求めることができる。
【数２】
2007049456.tif 000004
【００１９】
さらに、（２）式を変形すると、（３）式が得られる。
【数３】
2007049456.tif 000005
【００２０】
（２）式において、電流電圧変換係数の絶対値を大きくするためには、（２）式の分子に含まれるインダクタンスＬ２の値を大きく設定する必要がある。一方で、インダクタンスＬ１とキャパシタンスＣ１の値は自由に設定することができる。そこで、キャパシタンスＣ１とインダクタンスＬ１との積を、キャパシタンスＣ０とインダクタンスＬ２との積に比較して十分小さくなるように設定すると、（４）式に示す近似式が成り立つ。
【数４】
2007049456.tif 000006
【００２１】
したがって、（３）式は、（５）式のように近似することができる。
【数５】
2007049456.tif 000007
【００２２】
ここで、フォトダイオード１０１のキャパシタンスＣ０は、上述したように、使用環境などによって大きく変動する場合がある。しかし、キャパシタンスＣ１をキャパシタンスＣ０に比較して十分小さく設定すれば、（５）式の第２項は無視することができるので、光受信装置１００の共振周波数は（６）式のように表すことができる。
【数６】
2007049456.tif 000008
【００２３】
したがって、この場合、光受信装置１００の共振周波数は、フォトダイオード１０１のキャパシタンスＣ０に依存しなくなる。すなわち、光受信装置１００の共振周波数は、使用環境などの変化によるキャパシタンスＣ０の変動の影響を受けにくくなる。
【００２４】
図３に、フォトダイオード１０１のキャパシタンスＣ０を１０００ｐＦ、インダクタ１０３ａのインダクタンスＬ２を１μＨ、インダクタ１０２のインダクタンスＬ1を２００ｎＨ、キャパシタ１０３ｂのキャパシタンスＣ１を１００ｐＦとした場合の電流電圧変換係数の絶対値の様子を示す。図６に示すように、この場合、５ＭＨｚ付近に第１の共振周波数が現れ、４０ＭＨｚ付近に第２の共振周波数が現れている。ここで、第２の共振周波数が、上述した（６）式によって求まる共振周波数（約３９ＭＨｚ）に相当する。
【００２５】
増幅器１０５は、並列共振回路１０３の両端間の電圧（出力電圧Ｖ）を、キャパシタ１０４を介して増幅する。
【００２６】
ここで、上述した光受信装置１００には、光送信装置から送信される光信号のほかに、例えば、太陽光などの背景光雑音なども入力される。このような背景光雑音は直流成分である場合が多い。
【００２７】
そこで、このような背景光雑音を除去し、耐雑音性の高い光通信を行うためには、まず、光送信装置から送信される光信号の副搬送波の周波数を、上述した第２の共振周波数と一致させる。そして、増幅器１０５では、上記の第２の共振周波数である４０ＭＨｚ付近の周波数の電圧を選択的に増幅するようにする。このようにすることで、光受信装置１００が受光した信号のうち、太陽光などの背景光雑音を含む直流成分は増幅器１０５で除去されることになるため、耐雑音性の高い光通信を行うことが可能となる。
【００２８】
さらに、このとき、第２の共振周波数がより高周波領域に存在すれば、光送信装置より送信された光信号を、精度よく背景光雑音から分離することが可能になる。ここで、本実施形態に係わる光受信装置１００の共振周波数は、（６）式に示すように、フォトダイオード１０１のキャパシタンスＣ０に依存せず、インダクタンスＬ１、インダクタンスＬ２およびキャパシタンスＣ１の値によって定まる。そこで、これらの値を適切に設定し、上記の第２の共振周波数をより高い周波数領域に設定する。そして、その第２の共振周波数に一致させるように、光送信装置から送信される光信号の副搬送波の周波数を設定すれば、背景光雑音と光信号とを光受信装置１００において精度よく分離することが可能になる。なお、このとき副搬送波の周波数は、背景光雑音と光信号とを分離できるように設定されていればよく、必ずしも第２の共振周波数と完全に一致している必要はない。
【００２９】
そして、このようにして増幅器１０５で増幅された電圧を復調器１０６に入力することで、光信号に重畳されたデータ信号を復調することが可能となる。
【００３０】
このように、本発明の実施形態に係わる光受信装置によれば、光受信装置の共振周波数に対するフォトダイオードのキャパシタンスの影響を小さくでき、共振周波数をフォトダイオードのキャパシタンスの変動に対してロバストにすることが可能になる。
【００３１】
なお、上述した実施形態では、フォトダイオード１０１のアノード端子をインダクタ１０２と直列に接続するようにしたが、フォトダイオード１０１のカソード端子をインダクタ１０２と接続するようにしてもよい。この場合、フォトダイオード１０１のアノード端子とグラウンドとの間に、フォトダイオード１０１に対して逆バイアス電圧となるような電圧が印加されるようにする。ただし、一般にフォトダイオードのアノード端子をインダクタ１０２と接続して逆バイアス電圧を印加するほうが光受信装置の実装が容易となるため望ましい。
【００３２】
また、上述した実施形態では、受光素子としてフォトダイオードを用いたが、このほかフォトトランジスタやアバランシェフォトダイオードなどを用いることも可能である。
【００３３】
次に、本実施形態に係わる光受信装置１００に対して光信号を送信する側の光送信装置２００の実施形態について説明する。なお、ここでは、光送信装置２００として、副搬送波を変調して、その出力によって可視光半導体レーザ（以下、可視光ＬＤ：Ｌａｓｅｒ  Ｄｉｏｄｅと呼ぶ）から発光される光信号を強度変調する形態について説明をするが、光信号の強度変調は、例えば、直流成分を除去したベースバンドアナログ信号により行うことも可能である。また、副搬送波の変調として位相変調を行う例を説明するが、このほかに、振幅変調や周波数変調を行うことも可能である。
【００３４】
図４は、本実施形態に係わる光受信装置１００と光送信装置２００とからなる光通信システムの構成を示す図である。また、図５は、光送信装置２００の構成を示す図である。
【００３５】
図５に示す光送信装置２００は、可視光ＬＤ２０１と、可視光ＬＤ２０１に直列に接続されたインダクタ２０２と、可視光ＬＤ２０１とインダクタ２０２との間に接続されたキャパシタ２０３と、キャパシタ２０３に接続され、入力されたデータ信号に対応して副搬送波の位相を変調する副搬送波位相変調器２０４とを備えている。
【００３６】
ここで、インダクタ２０２はグラウンドに接地されており、可視光ＬＤ２０１にはバイアス電圧（Ｖｂ）が印加されている。これにより、可視光ＬＤ２０１にはバイアス電流（Ｉｂ）が流れる。このような構成により、副搬送波位相変調器２０４の出力によって、可視光ＬＤ２０１から発光される光の強度を変調し、データ信号が重畳された光信号を送信することが可能となる。なお、バイアス電流Ｉｂは、副搬送波位相変調器２０４からの出力と加算された場合の最低値が、可視光ＬＤ２０１の発振しきい電流値以上になるように設定する。
【００３７】
副搬送波位相変調器２０４の位相変調方法としては、例えば、２値位相変調（ＢＰＳＫ：Ｂｉｎａｒｙ  Ｐｈａｓｅ  Ｓｈｉｆｔ  Ｋｅｙｉｎｇ）方式を用いることができる。２値位相変調方式を用いた場合、入力されるデータ信号のデジタル値「１」および「０」に対応して、特定の周波数の副搬送波の位相が１８０度変化するような位相変調が行われる。
【００３８】
このような副搬送波位相変調器２０４は、具体的には、図６に示すように、フリップフロップと排他的論理和回路を用いて構成することが出来る。
【００３９】
図６に示す副搬送波位相変調器２０４の副搬送波発生器２０４ａは、出力電圧レベルが論理レベルで、クロック信号を発生する。ここで、クロック信号源の発振周波数（クロック周波数）は、上述した光受信装置１００の第２の共振周波数と一致させることが望ましい。
【００４０】
そして、データ信号入力と同期を取る目的で、Ｄ型フリップフロップ（以下、Ｄ−ＦＦと呼ぶ）２０４ｂを用いて、クロック信号の遷移点でデータ信号の識別を行う。なお、入力するデータ信号は、Ｄ−ＦＦ２０４ｂに入力する以前に、クロック信号と同期をとっておくことが望ましい。しかし、データ信号のビットレートが、クロック信号に対して十分低い場合には、Ｄ−ＦＦ２０４ｂのみで同期処理を行うことができる。
【００４１】
データ信号のビットレートとしては、例えば、９．６ｋｂｉｔ／ｓ、あるいは、１９．２ｋｂｉｔ／ｓを用いることができる。９．６ｋｂｉｔ／ｓのタイムスロットは、約０．１ｍｓｅｃであり、クロック周波数を４０ＭＨｚとした場合、その１周期の約４２００倍となる。
【００４２】
そして排他的論理和回路２０４ｃにおいて、Ｄ−ＦＦ２０４ｂで同期を取ったデータ信号とクロック信号との間の排他的論理和を求めることにより、２値位相変調波形を得ることができる。
【００４３】
なお、本実施形態の光受信装置１００に対して用いることができる光送信装置は、上述した実施形態には限られない。
【００４４】
例えば、可視光ＬＤ２０１の代わりに可視光ＬＥＤを用いることも可能である。この場合の光送信装置３００の構成を図７に示す。
【００４５】
可視光ＬＥＤ３０１を用いる場合には発振しきい値は存在しないので、バイアス電流Ｉｂと副搬送波位相変調器３０２の出力による電流との和の最低値は、ゼロとすることができる。すなわち、バイアス電流Ｉｂと副搬送波位相変調器３０２の出力による電流の振幅を等しくすることができる。
【００４６】
そこで、図７に示すように、バイアス電流と副搬送波位相変調器３０２の出力による電流との間で振幅を調整することなく、トランジスタを用いた電流スイッチ回路３０３により、バイアス電流２×Ｉｂをスイッチすることで送信器を構成することができる。
【００４７】
このように電流スイッチにより可視光ＬＥＤ３０１を駆動するようにしたことで、可視光ＬＥＤ３０１から出力される光信号には高調波成分が含まれることになる。このような高調波成分は、送信信号が電波の場合には他の無線システムに悪影響を与える場合があるが、光信号の場合、信号の直進性が強いために、そのような高調波成分による干渉の問題は生じない。
【００４８】
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の実施形態に係わる光受信装置の構成図。
【図２】本発明の実施形態の光受信装置の一部の等価回路を示す図。
【図３】本発明の実施形態の光受信装置の電流電圧変換係数と周波数との関係を示す図。
【図４】本発明の実施形態に係わる光通信システムの構成図。
【図５】本発明の実施形態の光送信装置の構成図。
【図６】本発明の実施形態の副搬送波変調器の構成図。
【図７】本発明の実施形態のほかの光送信装置の構成図。
【符号の説明】
【００５０】
１００・・・光受信装置
１０１・・・フォトダイオード
１０２、１０３ａ、２０２・・・インダクタ
１０３ｂ、１０４、２０３・・・キャパシタ
１０５・・・増幅器
１０６・・・復調器
２００、３００・・・光送信装置
２０１・・・可視光ＬＤ
２０４、３０２・・・副搬送波変調器
３０１・・・可視光ＬＥＤ
３０３・・・電流スイッチ回路
【図１】
2007049456.tif 000009
【図２】
2007049456.tif 000010
【図３】
2007049456.tif 000011
【図４】
2007049456.tif 000012
【図５】
2007049456.tif 000013
【図６】
2007049456.tif 000014
【図７】
2007049456.tif 000015