(57)【要約】【課題】待機時の消費電力を低減可能な受光回路および光伝送システムを提供する。【解決手段】受光回路は、光信号が入射する受光素子と、ウェークアップ回路と、増幅回路と、を有する。ウェークアップ回路は、光起電力セルと、第１のＭＯＳトランジスタと、タイマーと、第２のＭＯＳトランジスタと、を有する。また、ウェークアップ回路は、ウェークアップ信号に対応した光信号の入射により光起電力セルは第１のＭＯＳトランジスタをオンに転じ、第１のＭＯＳトランジスタはタイマーをオンに転じ、タイマーは第２のＭＯＳトランジスタをオンに転じる。増幅回路は、第１および第２のＭＯＳトランジスタがオンに転じた期間内に電源電圧が供給され、受光素子の出力のうちのデータ信号に対応する電気信号を増幅して出力する。タイマーは、所定のオン時間が経過したのち第２のＭＯＳトランジスタをオフに転じ、増幅回路への電源電圧の供給を停止する。【選択図】図６
2013175944.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ウェークアップ信号と、前記ウェークアップ信号のあとに出力されるデータ信号と、を含む光信号を受けて、前記データ信号に対応する光信号を電気信号に復調して出力する受光回路であって、
前記光信号が入射する受光素子と、  
光起電力セルと、前記光起電力セルと接続されたゲート端子を有する第１のＭＯＳトランジスタと、前記第１のＭＯＳトランジスタの出力信号が入力されるタイマーと、前記タイマーからの出力が入力されるゲート端子を有する第２のＭＯＳトランジスタと、を有するウェークアップ回路であって、前記ウェークアップ信号に対応した前記光信号の入射により前記光起電力セルは前記第１のＭＯＳトランジスタをオンに転じ、前記第１のＭＯＳトランジスタは前記タイマーをオンに転じ、前記タイマーは前記前記第２のＭＯＳトランジスタをオンに転じるウェークアップ回路と、
前記第１および第２のＭＯＳトランジスタがオンに転じた期間内に電源電圧が供給され、前記受光素子の出力のうちの前記データ信号に対応する前記電気信号を増幅して出力する増幅回路と、
を備え、  
前記タイマーは、所定のオン時間が経過したのち前記第２のＭＯＳトランジスタをオフに転じ、前記増幅回路への前記電源電圧の供給を停止する受光回路。
【請求項２】
ウェークアップ信号と、前記ウェークアップ信号のあとに出力されるデータ信号と、を含む光信号を受けて、前記データ信号に対応する光信号を電気信号に復調して出力する受光回路であって、
前記光信号が入射する受光素子と、
電源電圧端子と、
光起電力セルと、前記光起電力セルと接続されたゲート端子を有する第１のＭＯＳトランジスタと、を有するウェークアップ回路であって、前記ウェークアップ信号に対応した前記光信号の入射により前記光起電力セルは前記第１のＭＯＳトランジスタをオンに転じるウェークアップ回路と、
前記第１のＭＯＳトランジスタがオンに転じた期間内に前記電源電圧端子から電源電圧が供給され、前記受光素子の出力のうちの前記データ信号に対応する前記電気信号を増幅して出力する増幅回路と、
を備え、
前記第１のＭＯＳトランジスタの前記ゲート端子の電圧がゲートしきい値よりも低下すると、前記第１のＭＯＳトランジスタはオフに転じ、前記増幅回路への前記電源電圧の供給を停止する受光回路。
【請求項３】
前記ウェークアップ回路は、前記増幅回路と接地との間、または前記電源電圧端子と前記増幅回路との間に設けられた請求項２記載の受光回路。
【請求項４】
第１のウェークアップ信号と、前記第１のウェークアップ信号のあとに出力される第１のデータ信号と、を含む光信号を出力可能な第１の光送信器と、
受光素子と、前記受光素子の出力電気信号を増幅する増幅回路と、ＭＯＳトランジスタと光起電力セルとを有するウェークアップ回路と、を有する光受信器であって、前記第１のウェークアップ信号に対応する光信号の入射により、前記光起電力セルは前記ＭＯＳトランジスタをオンに転じ前記増幅回路に電源電圧を加え、前記増幅回路は前記第１のデータ信号に対応した電気信号を出力する光受信器と、
第１の端部と第２の端部とを有する光ファイバーであって、前記第１の光送信器から放出された前記光信号は前記第１の端部に入射し、前記第２の端部から放出された前記光信号は前記光受信器に入射する光ファイバーと、
を備えた光伝送システム。
【請求項５】
前記光受信器に接続され、第２のウェークアップ信号と、前記第２のウェークアップ信号のあとに出力され前記第１のデータ信号を含む第２のデータ信号と、を含む光信号を出力可能な第２の光送信器をさらに備えた請求項４記載の光伝送システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、受光回路および光伝送システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
光伝送システムにおいて、必要な期間内でデータを送受信すればよい場合がある。この場合、信号が伝送されない期間を待機モードとすると、消費電力を低減できる。
【０００３】
しかしながら、低消費電力で待機モードとしても、電力消費をゼロにすることは困難である。特に、電源が蓄電池である場合は、待機モードを長時間続けると、端子電圧が低下することがある。
【０００４】
もし、光信号が到達したことを検出してから電源電圧をオンにできれば、待機電力を十分に低くすることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−２８０９７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
待機時の消費電力を低減可能な受光回路および光伝送システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
実施形態の受光回路は、ウェークアップ信号と、前記ウェークアップ信号のあとに出力されるデータ信号と、を含む光信号を受けて、前記データ信号に対応する光信号を電気信号に復調して出力する受光回路であって、前記光信号が入射する受光素子と、光起電力セルと、前記光起電力セルと接続されたゲート端子を有する第１のＭＯＳトランジスタと、前記第１のＭＯＳトランジスタの出力信号が入力されるタイマーと、前記タイマーからの出力が入力されるゲート端子を有する第２のＭＯＳトランジスタと、を有するウェークアップ回路であって、前記ウェークアップ信号に対応した前記光信号の入射により前記光起電力セルは前記第１のＭＯＳトランジスタをオンに転じ、前記第１のＭＯＳトランジスタは前記タイマーをオンに転じ、前記タイマーは前記前記第２のＭＯＳトランジスタをオンに転じるウェークアップ回路と、前記第１および第２のＭＯＳトランジスタがオンに転じた期間内に電源電圧が供給され、前記受光素子の出力のうちの前記データ信号に対応する前記電気信号を増幅して出力する増幅回路と、を備える。前記タイマーは、所定のオン時間が経過したのち前記第２のＭＯＳトランジスタをオフに転じ、前記増幅回路への前記電源電圧の供給を停止する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１の実施形態にかかる受光回路の構成図である。
【図２】第１の実施形態の受光回路の変形例である。
【図３】図３（ａ）は光送信器の構成図、図３（ｂ）は本実施形態にかかる光伝送システムの構成図、図３（ｃ）は信号のタイミング図、である。
【図４】光中継器を備えた光伝送システムの構成図である。
【図５】光伝送システムを用いた蓄電池監視システムを説明する模式図である。
【図６】第２の実施形態にかかる受光回路の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、第１の実施形態にかかる受光回路の構成図である。
受光回路１１は、受光素子１２と、増幅回路１３と、ウェークアップ回路１４と、を有する。
【００１０】
受光素子１２は、たとえば、シリコンやゲルマニウムなどからなるフォトダイオードとすることができる。増幅回路１３は、受光素子１２により光−電気変換された電流を増幅するトランスインピーダンスアンプなどを含むことができる。
【００１１】
ウェークアップ回路１４は、半導体ｐｎ接合からなる光起電力セル１５と、光起電力セル１５と接続された入力端子（ゲート）を有するＭＯＳトランジスタ１６と、を有する。図１において、ウェークアップ回路１４は、増幅回路１３と、接地ＧＮＤとの間に設けられている。なお、光起電力セル１５は、フォトトランジスタを含んでもよい。
【００１２】
光起電力セル１５は、ウェークアップ信号ＷＳに対応する光信号が入射されるとゲートしきい値以上の電圧を出力し、ＭＯＳトランジスタ１６をオンに転じるようにする。このため、増幅回路１３に電源電圧端子ＶＤを介して電源電圧を加えることができる電源電圧がプラスの場合、ＭＯＳトランジスタ１６はｎチャンネル型とする。この場合、そのゲートしきい値を０．４Ｖ以上、かつ０．７Ｖよりも低くでき、光起電力セル１５により生じる電圧をしきい値以上にすることが容易となる。また、電源電圧がマイナスの場合、ＭＯＳトランジスタ１６は、ｐチャンネル型とする。
【００１３】
光起電力セル１５は、たとえば、太陽電池セルのように、シリコンなどの半導体ｐｎ接合などからなるＰＶ（photovoltaic)素子とすることができる。一例として、バイアス電圧を実質的に印加しないフォトダイオードを用いることができる。このように、ウェークアップ回路１４を設けると、受光回路１１の待機モードの消費電力をゼロに近くすることが容易である。
【００１４】
受光素子１２により光−電気変換されたデータ信号ＤＡＴＡは、増幅されて、出力端子ＶＯから出力される。なお、受光回路１１は、たとえば、シリコン基板に集積化すると小型化が可能である。
【００１５】
また、光受信器１０は、たとえば、光入射部１０ａと、筐体と、受光回路１１と、を有することができる。光ファイバー６０の端部にフェルールが装着されている場合、筐体にフェルールガイド部１０ａを設けると、レセプタクル型光受信器となる。また、筐体に設けられた光ファイバーを光入射部としてもよい。光入射部１０ａは、受光素子１２と、光起電力セル１５と、に光ファイバー６０から放出された光を効率よく照射するように設ける。
【００１６】
図２は、第１の実施形態の受光回路の変形例である。
ウェークアップ回路１４は、電源電圧端子ＶＤと、増幅回路１３と、の間に、設けられてもよい。電源電圧がプラスの場合、ウェークアップ回路１４のＭＯＳトランジスタ１９は、ｐチャンネル型とする。ＭＯＳトランジスタ１９がオンに転じた場合、増幅回路１３の電源電圧端子ＶＤは、導通したＭＯＳトランジスタ１９を介して電源に接続される。
【００１７】
図３（ａ）は光送信器の構成図、図３（ｂ）は本実施形態にかかる光伝送システムの構成図、図３（ｃ）は信号のタイミング図、である。
図３（ａ）のように、光送信器２０は、発光ダイオード（ＬＥＤ：Light  Emitting  Diode)や半導体レーザ（ＬＤ：Laser Diode）などからなる発光素子２２と、その駆動回路２４と、光出射部２０ａと、を有する。光出射部２０ａを、たとえば、フェルールガイド部とすると、光ファイバー６０のフェルール６０ａと嵌合されて、発光素子２２からの光が光ファイバー６０へ導入される。
【００１８】
発光素子２２は、たとえば、可視〜赤外光波長範囲の光を放出するものとする。この場合、半導体材料は、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＡｌＧａＰなどとすると、６５０〜１０００ｎｍの波長とすることができる。
【００１９】
駆動回路２４へは、データ信号ＤＡＴＡと、ウェークアップ信号ＷＳと、が入力される。データ信号ＤＡＴＡやウェークアップ信号ＷＳがパルス列であると、発光素子２２にパルス電流信号を加え、直接変調された光信号を生成できる。また、アナログ信号を用いても直接変調ができる。さらに、発光素子２２を直流電流で駆動してもよい。
【００２０】
図３（ｂ）の光伝送システムは、図１に示した光受信器１０と、光信号を放出する光送信器２０と、その間に設けられる光ファイバー６０と、を有しており最も簡素なシステム構成を示す。本実施形態では、伝送したいデータは、図３（ｃ）のＤＡＴＡの時間内にパルス列として含まれるものとする。また、データ信号ＤＡＴＡの前に、ウェークアップ信号ＷＳが設けられる。
【００２１】
光送信器２０から出力された光信号は、光ファイバー６０の第１の端部６０ａに入射し、光ファイバー６０内を伝搬し、第２の端部６０ｂから放出される。この場合、伝送距離が１０００ｍ以下であればプラスチック・クラッド石英光ファイバーを用いることができる。また、伝送距離が５０ｍ以下であれば、オールプラスチック光ファイバを用いることができる。
【００２２】
図３（ｃ）のように、光受信器１０の光入射部１０ａから入射した光信号のうちウェークアップ信号ＷＳが、時間Ｔ１で光起電力セル１５を照射し始め、時間Ｔ２でＭＯＳトランジスタ１６をオンに転じる。増幅回路１０は導通したＭＯＳトランジスタ１６を介して接地に接続される。このため、増幅回路１３には、電源電圧を加えることができる。
【００２３】
ウェークアップ信号ＷＳは、データ信号ＤＡＴＡを伝送する期間（Ｔ３〜Ｔ４）内でＭＯＳトランジスタ１６のゲート電圧をしきい値以上に保てればよい。すなわち、パルス列である必要はなく、直流に近い長いパルスでよく、増幅回路１３の応答速度よりも遅い応答速度でよい。なお、データ信号に対応する光信号が、ＭＯＳトランジスタ１６のゲート電位をしきい値以上に保つことに寄与することもある。
【００２４】
時間Ｔ３で、データ信号ＤＡＴＡに対応した光パルス列が、受光素子１２を照射し始める。また、時間Ｔ４で光パルス列は停止するものとする。光起電力セル１５の容量と、放電抵抗１７の抵抗値と、により決まる時定数を長くすることにより、ＭＯＳトランジスタ１６を時間Ｔ５までオン状態に保つことができる。このため、データ信号ＤＡＴＡのパルス列が時間Ｔ４まで続いても信号を受信できる。なお、図１、図３（ｃ）において、出力端子ＶＯからは、データ信号ＤＡＴＡのＮＯＴ演算値（否定）が出力されることを示している。もちろん、ＮＯＴ演算しない信号を出力することもできる。
【００２５】
このように、次のウェークアップ信号ＷＳが照射されない限り、受光回路１１内で電力消費は実質的にゼロとできる。  
【００２６】
図４は、光中継器を備えた光伝送システムの構成図である。
光伝送システムは、光送信器２０と、光ファイバー６０と、光受信器１０と、データ処理部６２と、を有する。ｊ番目の光送信器２０は、ｊ番目のデータ信号Ｄｊとｊ番目のウェークアップ信号Ｗｊとを含む電気信号により変調された光信号を出力可能である。光中継器６４は、光受信器１０と、データ処理部６２と、光送信器２０と、を含む。
【００２７】
光ファイバー６０は、光送信器２０からの光信号が入射する第１の端部６０ａと、光受信器１０に向けて光信号を放出する第２の端部６０ｂと、を有する。ｊ番目の光受信器１０は、ｊ番目のウェークアップ信号ＷＳｊに対応する光信号が照射されると、光起電力セル１５はＭＯＳトランジスタ１９をオンに転じ増幅回路１３に電源電圧を加え、増幅回路１３はｊ番目のデータ信号Ｄｊに対応した電気信号を出力する。
【００２８】
（ｊ＋１）番目のデータ処理部６２は、（ｊ＋１）番目のデータ信号Ｄｊ＋１と（ｊ＋１）番目のウェークアップ信号Ｗｊ＋１とを含む電気信号を出力する。（ｊ＋１）番目の光送信器２０は、この電気信号により変調された光信号を、光ファイバー６０を介して次段の光中継器６４へ伝送する。
【００２９】
このように、２つの光ファイバーの間には、光受信器１０と、光送信器２０と、含む光中継器６４を設け、それぞれの中継点でのデータを新たに追加することができる。
【００３０】
もし、光伝送システムの代わりに電気システムを用いると、中継点が多い場合や、伝送距離が長い場合、ＥＭＩ（Electro-Magnetic  Interference)を生じ周辺の機器に影響を及ぼすことがある。また、外来ノイズによるＢＥＲ（Bit Error Rate)が劣化し、伝送特性が劣化することがある。これに対して、光伝送システムではこのような問題が抑制される。
【００３１】
図５は、光伝送システムを用いた蓄電池監視システムを説明する模式図である。
たとえば、太陽電池パネル４０が複数個配置されているものとする。太陽電池パネル４０は、所定の電圧、電流が取り出せるように、太陽電池セルが直並列に複数個配置されている。また、太陽電池パネル４０は、蓄電池（または二次電池）４２をそれぞれ充電するものとする。この蓄電池４２は、たとえば、直列接続して所望の電圧を取り出すものとする。この場合、それぞれの蓄電池４２に監視ユニット４８を設けると、蓄電池４２の間で、端子電圧がアンバランスとなることが抑制できる。
【００３２】
それぞれの蓄電池４２の端子電圧を定期的に監視し、そのデータ信号を制御部５０に収納する。この結果、たとえば蓄電池４２の残量などを常に正確に把握できる。さらに、太陽電池パネル４０、スイッチ４４、監視ユニット４８に対して、適正な制御信号を出力することができる。このような監視システムは、風力発電などの発電システム、電気自動車充電システム、などにも用いることができる。
【００３３】
蓄電池監視システムの場合、それぞれの監視ユニット４８はそれぞれの蓄電池４２から電源が供給されているものとする。この場合、待機電力が常時消費される問題がある。また、中継点が多くなると、データ伝送系統を、電源系統から電気的に分離するため複雑な回路構成となる。
【００３４】
これに対して、本実施形態では、監視ユニット４８の間における信号伝送には光を用いている。このため、それぞれの監視ユニット４８は互いに電気的に絶縁することが容易である。また、光変調回路は、電気変調回路よりも簡素な構成とすることができる。
【００３５】
図６（ａ）は第２の実施形態にかかる光受信器の受光回路の構成図、図６（ｂ）はそのタイミング図、である。
受光回路１１は、受光素子１２と、増幅回路１３と、ウェークアップ回路１４と、を有する。ウェークアップ回路１４は、光起電力セル１５と、カウンタ３０と、第１のＭＯＳトランジスタ３１、第２のＭＯＳトランジスタ、ＭＯＳトランジスタ３２、３３と、ＮＯＴ回路３６と、発振器３８と、ＡＮＤ回路３７と、有している。ＡＮＤ回路３７には、ＮＯＴ回路３６の出力と、発振器３８の出力と、が入力される。
【００３６】
図６（ｂ）のように、時間Ｔ１でウェークアップ信号ＷＳに対応する光信号が光起電力セル１５を照射すると、時間Ｔ２で第１のＭＯＳトランジスタ３１がオンに転じ、カウンタ３０がスタートする。また、イネーブル信号電圧Ｖenable信号も、時間Ｔ２でオンとなるので、ＭＯＳトランジスタ３４もオンし、増幅回路１３が、ＤＡＴＡのＮＯＴ演算（否定）信号を出力する。
【００３７】
時間Ｔ４でデータＤＡＴＡが停止する。時間Ｔ４ののち、カウンタ３０が所定の時間を経過したことを検出すると、時間Ｔ６でリセット信号電圧Ｖresetがオンとなり、ＭＯＳトランジスタ３２がオンに転じる。こののち、時間Ｔ７で第１のＭＯＳトランジスタ３１がオフに転じ、カウンター３０の出力であるイネーブル信号電圧Ｖenableもオフに転じる。
【００３８】
この結果、第２のＭＯＳトランジスタ３４と、ＭＯＳトランジスタ３３がオフに転じ、電源電圧の供給が停止された増幅回路１３もオフに転じる。こののち、次のウェークアップ信号ＷＳが照射されるまでは、待機モードとなり、消費電力は主として発振器３８で僅かに消費される分だけとなる。このように、カウンタ３０から出力されるリセット信号電圧Ｖresetおよびイネーブル信号電圧Ｖenableにより受光回路１１の駆動を制御することができる。
【００３９】
第２の実施形態では、カウンタ３０と発振器３８とがタイマーを構成する。すなわち、光起電力セル１５からの出力がデータ信号に対応する光信号により変化し、第１のＭＯＳトランジスタ３１、第２のＭＯＳトランジスタ３４がオフに転じる時間が変化することが抑制できる。このため、増幅回路１３を所定の時間で確実にオフとすることができる。
【００４０】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００４１】
１０  光受信器（ＲＸ）、１１  受光回路、１２  受光素子、１３  増幅回路、１４ウェークアップ回路、１５  光起電力セル、１６、１９、３１  （第１の）ＭＯＳトランジスタ、２０  光送信器（ＴＸ）、３０  カウンタ、３４  第２のＭＯＳトランジスタ、６０  光ファイバー、ＤＡＴＡ  データ信号、ＷＳ  ウェークアップ信号、ＶＤ  電源電圧端子
【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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