(57)【要約】【課題】従来よりも消費電力が小さく、従来よりも雑音が発生しない光受信機を提供する。【解決手段】光受信機は、第一フォトダイオード１１と、第一コイル２１と、第一バイパスコンデンサ３１と、第二フォトダイオード１２と、第二コイル２２と、第二バイパスコンデンサ３２と、第三コイル２３と、抵抗器４と、第一フォトダイオードと第二フォトダイオードとの間に一端が接続された直流阻止コンデンサ３３と、直流カットコンデンサの他端に接続され、受信対象となる信号の周波数帯域においてインピーダンスの整合を行う整合回路５とを備える。トランジスタのような能動素子を使わないことにより、従来よりも消費電力が小さく、従来よりも雑音が発生しないようにすることができる。【選択図】図１
2013131796.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
カソード側に接続された第一バイアス供給端子から逆バイアスがかけられた第一フォトダイオードと、
上記第一バイアス供給端子と上記第一フォトダイオードのカソード側との間に接続された第一コイルと、
上記第一フォトダイオードと上記第一コイルとの間に接続された第一バイパスコンデンサと、
アノード側に接続された第二バイアス供給端子から逆バイアスがかけられた、上記第一フォトダイオードのアノード側に接続された第二フォトダイオードと、
上記第二バイアス供給端子と上記第二フォトダイオードのアノード側との間に接続された第二コイルと、
上記第二フォトダイオードと上記第二コイルとの間に接続された第二バイパスコンデンサと、
上記第一フォトダイオードと上記第二フォトダイオードとの間に一端が接続された第三コイルと、
上記第三コイルの他端とグランド導体との間に接続された抵抗器と、
上記第一フォトダイオードと上記第二フォトダイオードとの間に一端が接続された直流阻止コンデンサと、
上記直流カットコンデンサの他端に接続され、受信対象となる信号の周波数帯域においてインピーダンスの整合を行う整合回路と、
を含む光受信機。
【請求項２】
請求項１に記載された光受信機において、
入力された光信号の周波数成分に基づいて強度変調された互いに位相が１８０度異なる第一光信号及び第二光信号を生成する変換する光フィルタを更に含み、
上記第一光信号は上記第一フォトダイオードに入力され、上記第二光信号は上記第二フォトダイオードに入力される、
光受信機。
【請求項３】
請求項１又は２に記載された光受信機において、
上記第一フォトダイオードに印加する逆バイアスを上記第一バイアス供給端子に供給する第一バイアス供給電源と、
上記第二フォトダイオードに印加する逆バイアスを上記第二バイアス供給端子に供給する第二バイアス供給電源と、
を更に含む光受信機。
【請求項４】
請求項３に記載された光受信機において、
上記整合回路から出力される受信対象となる信号のレベルが大きくなるように上記第一フォトダイオード及び上記第二フォトダイオードに印加する逆バイアスを制御する信号を上記第一バイアス供給電源及び上記第二バイアス供給電源に送信するバイアス制御部、
を更に含む光受信機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、入力された光信号を電気信号に変換する光受信機に関する。
【背景技術】
【０００２】
アナログ電気信号を光変調信号として光ファイバで伝送する方法として、光の強度変調、光の周波数変調、光の位相変調を利用する方法がある。このうち、光の周波数変調と位相変調とを利用する場合、周波数変調及び位相変調された光変調信号をアナログ電気信号に変換するために、図８に例示された光受信機が用いられている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
図８の光受信機は、第一フォトダイオード１１、第二フォトダイオード１２及び電流電圧変換回路１０を備える。第一フォトダイオード１１及び第二フォトダイオードは直列に接続されており、第一フォトダイオード１１と第二フォトダイオードとの間に、電流電圧変換回路１０が接続されている。
【０００４】
第一フォトダイオード１１及び第二フォトダイオード１２のそれぞれは、光ファイバから出力された光の強度に比例した大きさを有する光電流を生成する。第一フォトダイオード及び第二フォトダイオードに入力される光の中の同相の雑音成分としての光振幅成分は、電流電圧変換回路１０の入力側でキャンセルされる。このため、図８の光受信機は、光の振幅性雑音の影響受けにくい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開2009-005141号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、電流電圧変換回路１０は通常広帯域に設計されており、消費電力が大きく、雑音の発生があり、信号対雑音特性の劣化の原因となっていた。
【０００７】
この発明の課題は、従来よりも消費電力が小さく、従来よりも雑音が発生しない光受信機を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明の一態様による光受信機は、カソード側に接続された第一バイアス供給端子から逆バイアスがかけられた第一フォトダイオードと、第一バイアス供給端子と第一フォトダイオードのカソード側との間に接続された第一コイルと、第一フォトダイオードと第一コイルとの間に接続された第一バイパスコンデンサと、アノード側に接続された第二バイアス供給端子から逆バイアスがかけられた、第一フォトダイオードのアノード側に接続された第二フォトダイオードと、第二バイアス供給端子と第二フォトダイオードのアノード側との間に接続された第二コイルと、第二フォトダイオードと第二コイルとの間に接続された第二バイパスコンデンサと、第一フォトダイオードと第二フォトダイオードとの間に一端が接続された第三コイルと、第三コイルの他端とグランド導体との間に接続された抵抗器と、第一フォトダイオードと第二フォトダイオードとの間に一端が接続された直流阻止コンデンサと、直流カットコンデンサの他端に接続され、受信対象となる信号の周波数帯域においてインピーダンスの整合を行う整合回路と、を含む。
【発明の効果】
【０００９】
トランジスタのような能動素子を使わないことにより、従来よりも消費電力が小さく、従来よりも雑音が発生しないようにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第一実施形態の光受信機の例のブロック図。
【図２】第二実施形態の光受信機の例のブロック図。
【図３】第二実施形態の光受信機の例のブロック図。
【図４】第三実施形態の光受信機の例のブロック図。
【図５】第三実施形態の光受信機の例のブロック図。
【図６】第四実施形態の光受信機の例のブロック図。
【図７】光フィルタの特性を説明するための図。
【図８】従来の光受信機の例のブロック図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照しながら、この発明の実施形態について説明する。
【００１２】
［第一実施形態］
第一実施形態の光受信機は、図１に示すように、第一フォトダイオード１１、第二フォトダイオード、第一コイル２１、第二コイル２２、第三コイル２３、第一バイパスコンデンサ３１、第二バイパスコンデンサ３２、抵抗器４、整合回路５を例えば備えている。
【００１３】
第一フォトダイオード１１及び第二フォトダイオード１２は、直列に接続されている。具体的には、第一フォトダイオード１１のアノード側と、第二フォトダイオード１２のカソード側とが接続されている。
【００１４】
第一フォトダイオード１１には、カソード側から逆バイアスがかけられている。この例では、第一フォトダイオード１１には、第一バイアス供給端子８１から正の直流バイアス電圧がかけられている。この正の直流バイアス電圧により、第一フォトダイオード１１の接合容量が定まる。
【００１５】
第二フォトダイオード１２には、アノード側から逆バイアスがかけられている。この例では、第二フォトダイオード１２には、第二バイアス供給端子８２から負の直流バイアス電圧がかけられている。この負の直流バイアス電圧により、第二フォトダイオード１２の接合容量が定まる。
【００１６】
第一フォトダイオード１１には、第一光信号が入力される。第一フォトダイオード１１は、第一光信号の強度に比例したフォト電流を生成して第一フォト電流ｉＰＤ１とする。第一フォト電流ｉＰＤ１は、第一光信号の強度変動の平均値に比例した電流ｉａｖｇ１と、受信対象となる信号の周波数成分を持つ光強度変動に比例した電流ｉＲＦ１とから、次式のように表すことができる。受信対象となる信号とは、例えばＲＦ信号である。
ｉＰＤ１＝ｉａｖｇ１＋ｉＲＦ１
【００１７】
第二フォトダイオード１２には、第二光信号が入力される。第二フォトダイオード１２は、第二光信号の強度に比例したフォト電流を生成して第二フォト電流ｉＰＤ２とする。第二フォト電流ｉＰＤ２は、第二光信号の強度変動の平均値に比例した電流ｉａｖｇ２と、受信対象となる信号の周波数成分を持つ光強度変動に比例した電流ｉＲＦ２とから、次式のように表すことができる。
ｉＰＤ２＝ｉａｖｇ２＋ｉＲＦ２
【００１８】
第一コイル２１は、第一バイアス供給端子８１と第一フォトダイオード１１のカソード側との間に接続されている。第二コイル２２は、第二バイアス供給端子８２と第二フォトダイオード１２のアノード側との間に接続されている。第三コイル２３の一端は、第一フォトダイオード１１と第二フォトダイオード１２との間に接続されている。
【００１９】
第一コイル２１、第二コイル２２及び第三コイル２３は、例えばチョークコイルであり、受信対象となる信号の周波数帯域において、十分高いインピーダンスを持つ。
【００２０】
第一バイパスコンデンサ３１は、第一フォトダイオード１１のカソード側に接続されている。この例では、第一バイパスコンデンサ３１は、第一コイル２１と第一フォトダイオード１１のカソード側との間に接続されている。
【００２１】
第二バイパスコンデンサ３２は、第二フォトダイオード１２のアノード側に接続されている。この例では、第二バイパスコンデンサ３２は、第二コイル２２と第二フォトダイオード１２のアノード側との間に接続されている。
【００２２】
直流阻止コンデンサ３３の一端は、第一フォトダイオード１１と第二フォトダイオード１２との間に接続されている。
【００２３】
第一バイパスコンデンサ３１、第二バイパスコンデンサ３２及び直流阻止コンデンサ３３は、受信対象となる信号の周波数帯域において、十分小さなインピーダンスを持つ。
【００２４】
このように、第一コイル２１、第二コイル２２及び第三コイル２３は受信対象となる信号の周波数帯域において十分高いインピーダンスを持ち、第一バイパスコンデンサ３１、第二バイパスコンデンサ３２及び直流阻止コンデンサ３３は受信対象となる信号の周波数帯域において十分小さなインピーダンスを持つ。したがって、直流阻止コンデンサ３３に流れる電流ｉＣｃは、次式のように表すことができる。
ｉＣｃ＝ｉＲＦ１−ｉＲＦ２
【００２５】
このように、第一フォトダイオード１１及び第二フォトダイオード１２の直列接続は、受信対象となる信号の周波数成分に対して差動的に動作する。
【００２６】
一方、第三コイル２３は受信対象となる信号の周波数帯域において十分高いインピーダンスを持つため、第三コイル２３には受信対象となる信号の周波数成分の電流は流れない。このため、第三コイル２３に流れる電流ＩＬ３は、次式にように表すことができる。
ＩＬ３＝ｉａｖｇ１−ｉａｖｇ２
【００２７】
ところで、第三コイル２３の他端は、抵抗器４に接続されている。抵抗器４は、例えばブリーダ抵抗である。抵抗器４は、第三コイル２３とグランド導体との間に接続されている。抵抗器４の抵抗値をＲｂとすると、抵抗器４の両端に生じる電圧ｖＤＣは、次式のように表すことができる。
ｖＤＣ＝Ｒｂ・ｉＬ３
【００２８】
第一フォトダイオード１１の光強度変動成分と第二フォトダイオード１２の光強度変動成分とが等しい場合、ｉａｖｇ１＝ｉａｖｇ２となるので、抵抗器４の両端に生じる電圧ｖＤＣはゼロとなる。この抵抗器４の両端に生じる電圧ｖＤＣを、例えば端子８３に接続されたモニターで観測することにより、第一光信号の強度及び第二光信号の強度に対するバランスの状態を監視することができる。
【００２９】
直流阻止コンデンサ３３の他端には、整合回路５が接続されている。整合回路５は、受信対象となる信号の周波数帯域において入力インピーダンスと出力インピーダンスとを整合する。すなわち、整合回路５は、受信対象となる信号の周波数帯域において、直流阻止コンデンサ３３から第一フォトダイオード１１及び第二フォトダイオード１２側を観測したインピーダンスと負荷６の負荷インピーダンスとを整合する。これにより、整合損失を生じることなく、受信対象となる信号を検出することができる。
【００３０】
ここで、受信対象となる例えばＲＦ信号等の信号は、特定の周波数を中心とする帯域に制限されている。このため、整合回路５は、マイクロストリップ線路、集中定数のコンデンサやインダクタで構成することができる。このような、受動素子で整合回路を構成すれば、バイアス電源を外部から供給する必要がない。また、トランジスタのような能動素子を使用しないことにより、整合回路５から雑音成分が付加的に生じることがない。
【００３１】
第一実施形態の光受信機において、必要な電源は第一フォトダイオード１１及び第二フォトダイオード１２にかけるバイアス電圧である。このような光受信機の光入力レベルは、最大でも１０ｍＷ程度である。第一フォトダイオード１１及び第二フォトダイオード１２の量子効率を仮に１００％とすると、第一フォト電流及び第二フォト電流は１０ｍＡとなる。バイアス電圧を１０Ｖとすると、第一フォトダイオード１１及び第二フォトダイオード１２の消費電力は、１０Ｖ×１０ｍＡ×２＝０．２Ｗとなる。従来の光受信機は、広帯域の電流電圧変換回路を用いるために、総消費電力は数Ｗ程度と大きくなる。これに対して、第一実施形態の光受信機は、バイアス電圧を必要としないパッシブな整合回路５を用いるため、消費電力は第一フォトダイオード１１及び第二フォトダイオード１２のバイアス電源のみとなる。
【００３２】
このように、第一実施形態の光受信機は、従来よりも消費電力が小さく、従来よりも雑音が発生しないという効果を有する。
【００３３】
［第二実施形態］
第二実施形態の光受信機は、第一フォトダイオード１１に入力される第一光信号及び第二フォトダイオード１２に入力される第二光信号を生成するための光フィルタ７を更に備えている点で第一実施形態の光受信機とは異なる。他の部分は、第一実施形態の光受信機と同様である。
【００３４】
以下、第一実施形態の光受信機と異なる部分を中心に説明する。
【００３５】
光フィルタ７は、入力ポート８４、通過ポート８５及び反射ポート８６に接続されている。入力ポート８４には、光ファイバが接続されている。この光ファイバから周波数変調された光信号が入力ポート８４に入力される。
【００３６】
光フィルタ７は、入力された光信号の周波数成分に基づいて強度変調された互いに位相が１８０度異なる第一光信号及び第二光信号を生成する。第一光信号は通過ポート８５に出力され、第二光信号は反射ポート８６に出力される。通過ポート８５に出力された第一光信号は、第一光ファイバ７１を通って第一フォトダイオード１１に入力される。反射ポート８６に出力された第二光信号は、第二光ファイバ７２を通って第二フォトダイオード１２に入力される。
【００３７】
光フィルタ７は、例えば光信号の周波数が高いほど高い強度を有する光信号を出力するハイパスフィルタで構成されている。そのハイパスフィルタを通過する第一光信号が通過ポート８５に出力され、そのハイパスフィルタで反射された第二光信号が反射ポート８６に出力される。この場合、図７に例示するように、光信号の周波数が高いほど、第一光信号の強度は高く、第二光信号の強度は低くなる。このように、周波数変調された光信号は、強度変調された２つの光信号（第一光信号、第二光信号）に変換される。
【００３８】
光フィルタ７に入力される光信号の周波数が図７に例示する光フィルタの動作の中心周波数ｆｃに概ね一致する場合には、上記のように入力された光信号の周波数成分に基づいて変換された、第一光信号の強度成分の位相と、第二光信号の強度成分の位相とは１８０度異なることになる。第一光信号の特性カーブと第二光信号の特性カーブとの交叉点の周波数が、光フィルタの動作の中心周波数ｆｃに一致するように光フィルタは設定されている。光フィルタ７の詳細は、特願２０１０−０９４６５５号明細書を参照のこと。
【００３９】
第二実施形態の光受信機は、第一実施形態の光受信機と同様に、従来よりも消費電力が小さく、従来よりも雑音が発生しないという効果を有する。
【００４０】
なお、光フィルタ７は、例えば誘電体材料を用いた光入力用の導波路、光分波用のアレイ導波路、光出力用の導波路で構成されるアレイドウェーブガイドグレーティングフィルタ等で構成される。この場合、例えば図３に例示するように、第一フォトダイオード１１及び第二フォトダイオード１２は光導波路である光フィルタ７の端部に直接実装することができるため、第一光ファイバ７１及び第二光ファイバ７２は不要となる。この場合も、第一光信号は第一フォトダイオード１１に入力され、第二光信号は第二フォトダイオード１２に入力される。
【００４１】
このように、第一光ファイバ７１及び第二光ファイバ７２を用いないことにより、第二実施形態の光受信機を小型化することができる。
【００４２】
［第三実施形態］
第三実施形態の光受信機は、図４及び図５に例示するように、第一バイアス供給電源１１１及び第二バイアス供給電源１１２を更に備えている点で第一実施形態及び第二実施形態の光受信機とは異なる。他の部分は、第一実施形態及び第二実施形態の光受信機と同様である。
【００４３】
以下、第二実施形態の光受信機に第一バイアス供給電源１１１及び第二バイアス供給電源１１２を設けた場合を例に挙げて、第三実施形態の光受信機を説明する。
【００４４】
図４に例示するように、第一バイアス供給電源１１１は、第一バイアス供給端子８１に接続されている。第一バイアス供給電源１１１は、第一フォトダイオード１１に印加する逆バイアスを第一バイアス供給端子８１に供給している。言い換えれば、第一バイアス供給電源１１１は、正の直流バイアス電圧を第一フォトダイオード１１にかけている。
【００４５】
また、第二バイアス供給電源１１２は、第二バイアス供給端子８２に接続されている。第二バイアス供給電源１１２は、第二フォトダイオード１２に印加する逆バイアスを第二バイアス供給端子８２に供給している。言い換えれば、第二バイアス供給電源１１２は、負の直流バイアス電圧を第二フォトダイオード１２にかけている。
【００４６】
第一フォトダイオード１１の接合容量と第二フォトダイオード１２の接合容量とが一致していれば、電流ｉＲＦ１及び電流ｉＲＦ２は互いに逆相となる。言い換えれば、第一フォトダイオード１１の接合容量と第二フォトダイオード１２の接合容量とが一致していない場合には、電流ｉＲＦ１及び電流ｉＲＦ２は互いに逆相とならない。
【００４７】
ここで、第一フォトダイオード１１の接合容量及び第二フォトダイオード１２の接合容量は、それぞれ第一フォトダイオード１１にかけられたバイアス電圧及び第二フォトダイオード１２にかけられたバイアス電圧により変化する。そこで、第一フォトダイオード１１の接合容量と第二フォトダイオード１２の接合容量とが一致していない場合には、第一バイアス供給電源１１１が第一フォトダイオード１１に印加するバイアス電圧と、第二バイアス供給電源１１２が第二フォトダイオード１２に印加するバイアス電圧との少なくとも一方を調整することにより、第一フォトダイオード１１の接合容量及び第二フォトダイオード１２の接合容量を一致させて、電流ｉＲＦ１及び電流ｉＲＦ２を互いに逆相に保つことができる。これにより、光受信機から出力される信号の出力を大きくすることができる。
【００４８】
もちろん、図５に例示するように、誘電体材料を用いた光導波路により光フィルタ７を構成した場合の第二実施形態の光受信機に、第一バイアス供給電源１１１及び第二バイアス供給電源１１２を上記と同様に設けてもよい。
【００４９】
第三実施形態の光受信機は、第一実施形態及び第二実施形態の光受信機と同様に、従来よりも消費電力が小さく、従来よりも雑音が発生しないという効果を有する。
【００５０】
［第四実施形態］
第四実施形態の光受信機は、電力分配回路９１及びバイアス制御回路９２を更に備えている点で第一実施形態から第三実施形態の光受信機とは異なる。他の部分は、第一実施形態から第三実施形態の光受信機と同様である。
【００５１】
以下、第二実施形態の光受信機に電力分配回路９１及びバイアス制御回路９２を設けた場合を例に挙げて、第四実施形態の光受信機を説明する。
【００５２】
図６に例示するように、整合回路５と負荷６との間に電力分配回路９１が接続されている。電力分配回路９１は、整合回路５が出力した信号を、負荷６及びバイアス制御回路９２に分配する。
【００５３】
電流ｉＲＦ１及び電流ｉＲＦ２が互いに逆相のときに、光受信機から出力される信号の出力が最大となる。電流ｉＲＦ１の位相及び電流ｉＲＦ２の位相は、それぞれ第一フォトダイオード１１にかけられたバイアス電圧及び第二フォトダイオード１２にかけられたバイアス電圧により変化する。そこで、バイアス制御回路９２は、電力分配回路９１から得られる受信対象となる信号の振幅が最大となるように、第一バイアス供給電源１１１及び上記第二バイアス供給電源１１２を制御する。例えば、第一バイアス供給電源１１１の電圧を上げたときに、バイアス制御回路９２が電力分配回路９１から得られる信号の振幅が大きくなった場合、バイアス制御回路９２は、さらに第一バイアス供給電源１１１の電圧をさらに上げる。また、第一バイアス供給電源１１１の電圧を上げたときに、バイアス制御回路９２が電力分配回路９１から得られる信号の振幅が小さくなった場合、バイアス制御回路９２は、第一バイアス供給電源１１１の電圧を下げる。バイアス制御回路９２は、これらの制御を繰り返すことで、バイアス制御回路９２が電力分配回路９１から得られる信号の振幅が最大となるように、第一バイアス供給電源１１１の電圧を制御する。また、バイアス制御回路９２は、第二バイアス供給電源１１２の電圧についても、第一バイアス供給電源１１１と同様に制御する。さらに、第一バイアス供給電源１１１と第二バイアス供給電源１１２を総合的に制御することで、信号の振幅を最大とする。
【００５４】
このようにして、バイアス制御回路９２は、整合回路５から出力される受信対象となる信号のレベルが大きくなるように第一フォトダイオード１１及び第二フォトダイオード１２に印加する逆バイアスを制御する信号を第一バイアス供給電源１１１及び上記第二バイアス供給電源１１２に送信する。これにより、光受信機から出力される信号の出力を大きくすることができる。
【００５５】
第四実施形態の光受信機は、第一実施形態から第三実施形態の光受信機と同様に、従来よりも消費電力が小さく、従来よりも雑音が発生しないという効果を有する。
【００５６】
［変形例］
光フィルタ７は、ハイパスフィルタではななく、光信号の周波数が高いほど高い強度を有する光信号を出力するローパスフィルタで構成されていてもよい。
【００５７】
この発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、その他、この発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能である。
【符号の説明】
【００５８】
１１   第一フォトダイオード
１２   第二フォトダイオード
２１   第一コイル
２２   第二コイル
２３   第三コイル
３１   第一バイパスコンデンサ
３２   第二バイパスコンデンサ
３３   直流阻止コンデンサ
４     抵抗器
５     整合回路
６     負荷
７     光フィルタ
８１   第一バイアス供給端子
８２   第二バイアス供給端子
９１   電力分配回路
９２   バイアス制御回路
１１１ 第一バイアス供給電源
１１２ 第二バイアス供給電源
【図１】
2013131796.tif 000003
【図２】
2013131796.tif 000004
【図３】
2013131796.tif 000005
【図４】
2013131796.tif 000006
【図５】
2013131796.tif 000007
【図６】
2013131796.tif 000008
【図７】
2013131796.tif 000009
【図８】
2013131796.tif 000010