(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
反転増幅器と、該反転増幅器の入出力端子間に接続された電流電圧変換素子とを備えた光受信用前置増幅器であって、
前記反転増幅器は、前記反転増幅器の入力端子にゲートが接続された第１のトランジスタと、前記第１のトランジスタのドレインにソースが接続され且つゲートに所定の電圧が与えられた第２のトランジスタと、前記第２のトランジスタのドレインに接続された負荷とを有し、
前記反転増幅器の入力端子と前記第２のトランジスタのソースとの間に接続された第３のトランジスタをさらに備えていることを特徴とする光受信用前置増幅器。
【請求項２】
請求項１において、
前記第２のトランジスタのゲートに与えられる前記所定の電圧は、前記反転増幅器の入力端子電圧と前記第２のトランジスタのソース電圧とが一致するように制御されることを特徴とする光受信用前置増幅器。
【請求項３】
請求項２において、
前記第２のトランジスタのソースに反転入力端子が接続され、前記反転増幅器の入力端子に非反転入力端子が接続され、且つ前記第２のトランジスタのゲートに出力端子が接続された演算増幅器をさらに備えていることを特徴とする光受信用前置増幅器。
【請求項４】
請求項２において、
前記第２のトランジスタのソースに反転入力端子が接続され且つ前記第２のトランジスタのゲートに出力端子が接続された演算増幅器と、
前記演算増幅器の非反転入力端子に出力端子が接続され且つ前記反転増幅器の入力端子電圧と同じ大きさの電圧を出力する電圧発生回路とをさらに備えていることを特徴とする光受信用前置増幅器。
【請求項５】
請求項１において、
前記第３のトランジスタのゲートに接続された複数のスイッチよりなるスイッチ群と、
前記スイッチ群を構成する各スイッチと接続された複数の電圧源とをさらに備え、
前記第３のトランジスタのゲートには、前記複数の電圧源のそれぞれの出力電圧の中から前記スイッチ群により選択された電圧が与えられることを特徴とする光受信用前置増幅器。
【請求項６】
請求項５において、
一方の入力端子に前記反転増幅器から出力された電圧が与えられ且つ他方の入力端子に所定の電圧が与えられた少なくとも１つのコンパレータよりなるコンパレータ群をさらに備え、
前記コンパレータ群の比較結果に基づいて前記スイッチ群が制御されることを特徴とする光受信用前置増幅器。
【請求項７】
請求項５において、
前記反転増幅器の入力端子にソースが接続され且つ前記反転増幅器の出力端子にゲートが接続された第４のトランジスタと、
前記第４のトランジスタのドレインに接続された他の電流電圧変換素子と、
一方の入力端子に前記他の電流電圧変換素子に加えられた電圧が与えられ且つ他方の入力端子に所定の電圧が与えられた少なくとも１つのコンパレータよりなるコンパレータ群とをさらに備え、
前記コンパレータ群の比較結果に基づいて前記スイッチ群が制御されることを特徴とする光受信用前置増幅器。
【請求項８】
請求項１において、
前記第３のトランジスタは複数個あって、
前記各第３のトランジスタのゲートに接続された複数のスイッチよりなるスイッチ群と、
前記スイッチ群を構成する各スイッチと接続された複数の電圧源とをさらに備え、
前記各第３のトランジスタのゲートにはそれぞれ、前記複数の電圧源のそれぞれの出力電圧の中から前記スイッチ群により選択された電圧が与えられることを特徴とする光受信用前置増幅器。
【請求項９】
請求項８において、
一方の入力端子に前記反転増幅器から出力された電圧が与えられ且つ他方の入力端子に所定の電圧が与えられた少なくとも１つのコンパレータよりなるコンパレータ群をさらに備え、
前記コンパレータ群の比較結果に基づいて前記スイッチ群が制御されることを特徴とする光受信用前置増幅器。
【請求項１０】
請求項８において、
前記反転増幅器の入力端子にソースが接続され且つ前記反転増幅器の出力端子にゲートが接続された第４のトランジスタと、
前記第４のトランジスタのドレインに接続された他の電流電圧変換素子と、
一方の入力端子に前記他の電流電圧変換素子に加えられた電圧が与えられ且つ他方の入力端子に所定の電圧が与えられた少なくとも１つのコンパレータよりなるコンパレータ群とをさらに備え、
前記コンパレータ群の比較結果に基づいて前記スイッチ群が制御されることを特徴とする光受信用前置増幅器。
【請求項１１】
請求項１において、
前記反転増幅器の出力端子に入力端子が接続され且つ該入力端子に入力される信号の振幅に応じた電圧を出力する振幅検出回路をさらに備え、
前記振幅検出回路から出力された電圧が前記第３のトランジスタのゲートに与えられることを特徴とする光受信用前置増幅器。
【請求項１２】
請求項１において、
前記第１のトランジスタ及び前記第２のトランジスタはそれぞれバイポーラトランジスタであることを特徴とする光受信用前置増幅器。
【請求項１３】
請求項１に記載の光受信用前置増幅器を備えた光通信用光受信機であって、
光ファイバを通じて伝送されてきた光信号を電流信号に変換するフォトダイオードを備え、
前記電流信号が前記光受信用前置増幅器により電圧信号に変換されることを特徴とする光通信用光受信機。
【請求項１４】
請求項１に記載の光受信用前置増幅器を備えた光検出器であって、
集光された光信号を電流信号に変換するフォトダイオードを備え、
前記電流信号が前記光受信用前置増幅器により電圧信号に変換されることを特徴とする光検出器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信システム等において使用される光受信用前置増幅器に関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信システム等に用いられる光受信回路では、光ファイバからの光信号がフォトダイオードにより電流に変換された後、該電流が光受信用前置増幅器により電圧信号に変換される。光ファイバによる信号伝送距離が長い場合、ファイバ内での伝送損失が大きくなるため、フォトダイオードから光受信用前置増幅器に入力される電流信号は非常に微小な振幅の電流信号となる。逆に、光ファイバによる信号伝送距離が短い場合、ファイバ内での伝送損失が小さくなるため、フォトダイオードから光受信用前置増幅器に入力される電流信号は大きな振幅の電流信号となる。このように、光受信用前置増幅器に入力される電流信号は、小さな振幅から大きな振幅までの様々な振幅を持った電流信号となる。
【０００３】
従って、微小な信号を検出するために光受信用前置増幅器の電流電圧変換利得（トランスインピーダンス利得）を上げると、大きな信号が入力された時に出力電圧が飽和して波形が歪むので、正確に信号を検出することができなくなる。一方、出力電圧の飽和を低減するために電流電圧変換利得を下げると、微小信号が入力された時に十分に増幅することができないので、微小信号の検出が困難になる。
【０００４】
このような問題点を解決するために、特許文献１に開示された光受信用前置増幅器においては、反転増幅器の入出力端子間に接続された帰還抵抗（Ｒｆ）に並列にダイオードを接続している。これにより、帰還抵抗での電圧降下をクランプすることができるので、出力電圧の飽和を低減することができる。また、特許文献２に開示された光受信用前置増幅器においては、前記の帰還抵抗に並列にトランジスタを接続すると共に該トランジスタのインピーダンスを変調している。これにより、帰還抵抗値つまり電流電圧変換利得を変化させ、それによって出力電圧の飽和を防止している。
【特許文献１】特開平０３ー０６０２０８号公報
【特許文献２】特開平０９ー２３２８７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、前述の従来技術においては、帰還抵抗の値を直接変調しているので、光受信用前置増幅器の動作が不安定になるという欠点がある。
【０００６】
具体的には、ワンポールシステムの反転増幅器を想定した場合、トランスインピーダンス型前置増幅器の伝達関数は次式のように表される。
【０００７】
ＺT （Ｓ）＝−ＺT0／（１＋２ζＳ／ωn ＋Ｓ2 ／ωn2）
ここで、反転増幅器の伝達関数はＡ（Ｓ）＝−Ａ0 ／（１＋Ｓ／ωh ）である。また、低周波トランスインピーダンス利得はＺT0＝Ｒf Ａ0 ／（１＋Ａ0 ）である。また、ダンピング係数はζ＝（１＋ＣinＲf ωh ）・ωn ／（２・（１＋Ａ0 ）・ωh ）である。また、トランスインピーダンス帯域はωn ＝（ωh ・（１＋Ａ0 ）／ＣinＲf ）0.5
＝（１＋ＣinＲf ωh ）／２ＣinＲf ζである。尚、Ｃinは入力端子の全寄生容量であり、Ｒf は帰還抵抗であり、Ａ0 は反転増幅器の低周波利得であり、ωhは反転増幅器帯域である。
【０００８】
以上のように、従来の光受信用前置増幅器においては、過大電流の入力時に、帰還抵抗Ｒf に並列に接続されたトランジスタ又はダイオードの作用により帰還抵抗Ｒf が等価的に減少すると、ダンピング係数ζが減少するので、帰還量が増大する。これに伴いトランスインピーダンス帯域ωn が増大する一方、反転増幅器帯域ωh には変化がないので、ωn がωh に漸近することになる。しかしながら、安定した動作のためにはωh ≫ωn であることが必要なため、ωn がωh に漸近するにしたがって、従来の光受信用前置増幅器の動作は不安定になり、最終的には出力電圧が発振してしまうことになる。
【０００９】
前記に鑑み、本発明は、従来トレードオフの関係にあった安定動作と広入力ダイナミックレンジ特性とを同時に実現できる光受信用前置増幅器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】
【００１０】
前記の目的を達成するために、本発明に係る光受信用前置増幅器は、反転増幅器と、該反転増幅器の入出力端子間に接続された電流電圧変換素子とを備えた光受信用前置増幅器であって、反転増幅器は、反転増幅器の入力端子にゲートが接続された第１のトランジスタと、第１のトランジスタのドレインにソースが接続され且つゲートに所定の電圧が与えられた第２のトランジスタと、第２のトランジスタのドレインに接続された負荷とを有し、反転増幅器の入力端子と第２のトランジスタのソースとの間に接続された第３のトランジスタをさらに備えている。
【００１１】
本発明の光受信用前置増幅器によると、大電流の入力時には第３のトランジスタのゲート電圧を上昇させてそのインピーダンスを下げることにより、入力電流の一部が第３のトランジスタに流れるようになるので、その分だけ電流電圧変換素子に流れる電流が減少する。このため、出力電圧の飽和を抑制することができ、それによって入力ダイナミックレンジを拡大することができる。
【００１２】
また、本発明の光受信用前置増幅器によると、従来構成のように、電流電圧変換素子に並列に接続されたトランジスタにより帰還抵抗の値を直接変調するのではなく、第３のトランジスタの作用により、過剰な入力電流をバイパスさせると共に反転増幅器の開放利得を減少させるので、動作が不安定になることがない。
【００１３】
以上のように、本発明の光受信用前置増幅器によると、動作の安定性を保持しつつ、入力ダイナミックレンジの大幅な拡大が可能となる。言い換えると、従来トレードオフの関係にあった安定動作と広入力ダイナミックレンジ特性とを同時に実現できる。
【００１４】
本発明の光受信用前置増幅器において、第２のトランジスタのゲートに与えられる所定の電圧（つまりゲート電圧）は、反転増幅器の入力端子電圧と第２のトランジスタのソース電圧とが一致するように制御されることが好ましい。
【００１５】
このようにすると、出力電圧レベルの変動を抑制しつつ、安定した動作と広入力ダイナミックレンジ特性とを同時に実現できる。
【００１６】
また、この場合、第２のトランジスタのソースに反転入力端子が接続され、反転増幅器の入力端子に非反転入力端子が接続され、且つ第２のトランジスタのゲートに出力端子が接続された演算増幅器をさらに備えていると、反転増幅器の入力端子電圧と第２のトランジスタのソース電圧とが一致するように第２のトランジスタのゲート電圧を確実に制御することができる。すなわち、出力電圧レベルの変動を抑制しつつ、安定した動作と広入力ダイナミックレンジ特性とを同時に実現できる。また、演算増幅器を付加するという簡単な構成によって、前述の効果を達成できる。
【００１７】
また、この場合、第２のトランジスタのソースに反転入力端子が接続され且つ第２のトランジスタのゲートに出力端子が接続された演算増幅器と、演算増幅器の非反転入力端子に出力端子が接続され且つ反転増幅器の入力端子電圧と同じ大きさの電圧を出力する電圧発生回路とをさらに備えていると、反転増幅器の入力端子電圧と第２のトランジスタのソース電圧とが一致するように第２のトランジスタのゲート電圧を確実に制御することができる。すなわち、出力電圧レベルの変動を抑制しつつ、安定した動作と広入力ダイナミックレンジ特性とを同時に実現できる。また、演算増幅器の入力端子を反転増幅器の入力端子に接続する必要がないので、光受信用前置増幅器の入力端子の寄生容量を増加させることなく、前述の効果を達成できる。
【００１８】
本発明の光受信用前置増幅器において、第３のトランジスタのゲートに接続された複数のスイッチよりなるスイッチ群と、スイッチ群を構成する各スイッチと接続された複数の電圧源とをさらに備え、第３のトランジスタのゲートには、複数の電圧源のそれぞれの出力電圧の中からスイッチ群により選択された電圧が与えられることが好ましい。
【００１９】
このようにすると、スイッチ群を用いて、入力信号振幅に応じた適切な電圧源に第３のトランジスタのゲートを高速で接続することができるので、第３のトランジスタによってバイパスされる電流量を高速で変化させることができる。このため、信号振幅が急速に変化する入力信号に対しても入力ダイナミックレンジを拡大させることができる。
【００２０】
本発明の光受信用前置増幅器において、第３のトランジスタは複数個あって、各第３のトランジスタのゲートに接続された複数のスイッチよりなるスイッチ群と、スイッチ群を構成する各スイッチと接続された複数の電圧源とをさらに備え、各第３のトランジスタのゲートにはそれぞれ、複数の電圧源のそれぞれの出力電圧の中からスイッチ群により選択された電圧が与えられることが好ましい。
【００２１】
このようにすると、スイッチ群を用いて、入力信号振幅に応じた適切な電圧源に各第３のトランジスタのゲートを高速で接続することができるので、第３のトランジスタによってバイパスされる電流量を高速で変化させることができる。このため、信号振幅が急速に変化する入力信号に対しても入力ダイナミックレンジを拡大させることができる。
【００２２】
本発明の光受信用前置増幅器において、反転増幅器の出力端子に入力端子が接続され且つ該入力端子に入力される信号の振幅に応じた電圧を出力する振幅検出回路をさらに備え、振幅検出回路から出力された電圧が第３のトランジスタのゲートに与えられることが好ましい。
【００２３】
このようにすると、光受信用前置増幅器の出力信号の振幅が大きくなるに従って、第３のトランジスタのゲート電圧が上昇してそのインピーダンスが減少するため、第３のトランジスタによってバイパスされる電流量が大きくなる。これにより、光受信用前置増幅器の出力電圧の飽和が抑制されるので、入力ダイナミックレンジを拡大させることができる。また、振幅検出回路を付加するという簡単な構成によって、前述の効果を達成できる。
【００２４】
本発明の光受信用前置増幅器において、前記のスイッチ群（第３のトランジスタのゲートと複数の電圧源との間に接続されたスイッチ群）を備えている場合、一方の入力端子に反転増幅器から出力された電圧が与えられ且つ他方の入力端子に所定の電圧が与えられた少なくとも１つのコンパレータよりなるコンパレータ群をさらに備え、コンパレータ群の比較結果に基づいてスイッチ群が制御されることが好ましい。このようにすると、光受信用前置増幅器の出力信号の振幅が大きくなってコンパレータに与えられている所定の電圧を超えると、コンパレータの出力が反転するため、該出力結果に基づいてスイッチ群が第３のトランジスタのゲート電圧を適切な電圧値（複数の電圧源のいずれかの出力電圧）に高速で切り替えることができる。このため、第３のトランジスタによってバイパスされる電流量を高速で変化させることができ、それにより、入力信号の振幅の急速な変化に対しても出力電圧の飽和を抑制できるので、入力ダイナミックレンジを拡大させることができる。
【００２５】
本発明の光受信用前置増幅器において、前記のスイッチ群（第３のトランジスタのゲートと複数の電圧源との間に接続されたスイッチ群）を備えている場合、反転増幅器の入力端子にソースが接続され且つ反転増幅器の出力端子にゲートが接続された第４のトランジスタと、第４のトランジスタのドレインに接続された他の電流電圧変換素子と、一方の入力端子に他の電流電圧変換素子に加えられた電圧が与えられ且つ他方の入力端子に所定の電圧が与えられた少なくとも１つのコンパレータよりなるコンパレータ群とをさらに備え、コンパレータ群の比較結果に基づいてスイッチ群が制御されることが好ましい。このようにすると、反転増幅器つまり光受信用前置増幅器への入力電流が大きくなって出力電圧が降下すると、第４のトランジスタがオンとなり、過剰な入力電流に比例した電流が他の電流電圧変換素子に流れることになる。また、これによって生じる他の電流電圧変換素子での電圧降下により、過剰な入力電流の大きさをより広い範囲でモニターすることができる。すなわち、他の電流電圧変換素子に加えられた電圧をコンパレータを用いて所定の電圧と比較し、その結果に基づいてスイッチ群が第３のトランジスタのゲート電圧を適切な電圧値（複数の電圧源のいずれかの出力電圧）に高速で切り替えることができる。従って、入力信号の振幅の急速な変化に対しても出力電圧の飽和を抑制できるので、入力ダイナミックレンジを拡大させることができる。
【００２６】
本発明の光受信用前置増幅器において、第１のトランジスタ及び第２のトランジスタはそれぞれバイポーラトランジスタであることが好ましい。
【００２７】
このようにすると、より広帯域の光受信用前置増幅器を実現できる。
【００２８】
本発明に係る光通信用光受信機は、本発明の光受信用前置増幅器を備えた光通信用光受信機を前提とし、光ファイバを通じて伝送されてきた光信号を電流信号に変換するフォトダイオードを備え、該電流信号が本発明の光受信用前置増幅器により電圧信号に変換される。
【００２９】
本発明の光通信用光受信機によると、本発明の光受信用前置増幅器を用いているため、バースト信号等の信号振幅が急速に変化する入力信号に対しても出力電圧の飽和を抑制でき、それにより入力ダイナミックレンジの拡大が可能となる。すなわち、安定した動作と広入力ダイナミックレンジ特性とを併せ持った光通信用光受信機を実現できる。
【００３０】
本発明に係る光検出器は、本発明の光受信用前置増幅器を備えた光検出器であって、集光された光信号を電流信号に変換するフォトダイオードを備え、該電流信号が本発明の光受信用前置増幅器により電圧信号に変換される。
【００３１】
本発明の光検出器によると、本発明の光受信用前置増幅器を用いているため、信号振幅が急速に変化する入力信号に対しても出力電圧の飽和を抑制できるので、入力ダイナミックレンジを拡大することができる。すなわち、安定した動作と広入力ダイナミックレンジ特性とを併せ持った光検出器を実現できる。
【発明の効果】
【００３２】
本発明によると、入力電流の一部を第３のトランジスタに流すことによって、電流電圧変換素子に流れる電流を低減できるため、出力電圧の飽和を抑制することができるので、入力ダイナミックレンジを拡大することができる。また、従来構成のように、電流電圧変換素子に並列に接続されたトランジスタにより帰還抵抗の値を直接変調するのではなく、第３のトランジスタの作用により、過剰な入力電流をバイパスさせると共に反転増幅器の開放利得を減少させるので、動作が不安定になることがない。従って、従来トレードオフの関係にあった安定動作と広入力ダイナミックレンジ特性とを同時に実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態に係る光受信用前置増幅器について図面を参照しながら説明する。
【００３４】
図１は、第１の実施形態に係る光受信用前置増幅器の概略構成を示している。
【００３５】
図１に示すように、第１の実施形態に係る光受信用前置増幅器は、反転増幅器１と、反転増幅器１の入力端子Ｉｎと出力端子Ｏｕｔとの間に接続された電流電圧変換素子（Ｒｆ）２とを備えたトランスインピーダンス型の前置増幅器である。ここで、電流電圧変換素子２としては例えば通常抵抗が用いられる。
【００３６】
本実施形態の第１の特徴は、反転増幅器１が、ソースがグランドに接続され且つゲートが反転増幅器１の入力端子Ｉｎに接続された第１のトランジスタ（Ｍ１）３と、該第１のトランジスタ３のドレインにソースが接続され且つゲートに所定の電圧Ｖｂが与えられた第２のトランジスタ（Ｍ２）４と、該第２のトランジスタ４のドレインに接続された負荷５とを有することである。ここで、負荷５としては、例えば抵抗、又はダイオード接続されたトランジスタ（ドレインとゲートとが接続されたトランジスタ）が用いられる。ここで、第１のトランジスタ３、第２のトランジスタ４及び負荷５によってカスコード増幅器が構成されている。また、該カスコード増幅器の出力ノードの電圧、つまり第２のトランジスタ４のドレインの電圧は、ソースフォロワ１５を通して反転増幅器１の出力端子Ｏｕｔに与えられている。
【００３７】
また、本実施形態の第２の特徴は、電流バイパス用トランジスタである第３のトランジスタ６が、反転増幅器１の入力端子Ｉｎと第２のトランジスタ４のソースとの間に接続されていることである。
【００３８】
以上のような本実施形態の構成においては、大電流の入力時に第３のトランジスタ６のゲート電圧Ｖｃｔを上昇させてそのインピーダンスを下げることにより、入力電流Ｉ1 の一部Ｉ3 が第３のトランジスタ６に流れるようになるので、電流電圧変換素子２に流れる電流がＩ2 ＝Ｉ1 −Ｉ3 と減少する。これにより、出力電圧の飽和を抑制することができるので、入力ダイナミックレンジの拡大が可能となる。しかも、本実施形態の構成によれば、従来構成のように、電流電圧変換素子２に並列に接続されたトランジスタにより帰還抵抗の値を直接変調するのではなく、第３のトランジスタ６の作用により、過剰な入力電流をバイパスさせると共に前記のカスコード増幅器の利得（つまり反転増幅器１の開放利得Ａ0 ）を減少させるので、動作が不安定になることがない。
【００３９】
従って、第１の実施形態によると、動作の安定性を保持しつつ、入力ダイナミックレンジの大幅な拡大が可能となる。言い換えると、従来トレードオフの関係にあった安定動作と広入力ダイナミックレンジ特性とを同時に実現できる。
【００４０】
図２は、従来構成の光受信用前置増幅器に大電流を入力した場合における出力電圧のシミュレーション結果を示し、図３は、本実施形態の光受信用前置増幅器に大電流を入力した場合における出力電圧のシミュレーション結果を示す。図２に示すように、従来構成によると、出力電圧が完全に発振している一方、図３に示すように、本実施形態によると、安定した出力電圧波形が得られている。
【００４１】
（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態に係る光受信用前置増幅器について図面を参照しながら説明する。
【００４２】
図４は、第２の実施形態に係る光受信用前置増幅器の概略構成を示している。尚、図４において、図１に示す第１の実施形態と同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００４３】
図４に示すように、第２の実施形態が第１の実施形態と異なっている点は、演算増幅器７を備えていることである。すなわち、第２の実施形態は、第１の実施形態の構成に演算増幅器７が付加された構成を有している。ここで、演算増幅器７の反転入力端子は第２のトランジスタ４のソースに接続されている。また、演算増幅器７の非反転入力端子は反転増幅器１の入力端子Ｉｎに接続されている。さらに、演算増幅器７の出力端子は第２のトランジスタ４のゲートに接続されている。
【００４４】
以上のような本実施形態の構成によって、反転増幅器１の入力端子電圧と第２のトランジスタ４のソース電圧とが等しくなるように、第２のトランジスタ４のゲート電圧（Ｖｂ）が制御される。
【００４５】
ところで、第１の実施形態によれば、簡単な構成によって、動作の安定性を確保しつつ入力ダイナミックレンジを拡大することが可能であった。しかし、第１の実施形態においては、反転増幅器１の入力端子電圧と第２のトランジスタ４のソース電圧とが大きく異なる場合、出力電圧の振幅レベルが変化してしまうという問題点がある。具体的には、図３は、反転増幅器１の入力端子電圧と第２のトランジスタ４のソース電圧とが大きく異なっている状態で第１の実施形態の光受信用前置増幅器に大電流を入力した場合の出力電圧のシミュレーション結果を示している。図３に示すように、第１の実施形態によると、出力電圧レベルが変化している。
【００４６】
図５は、本実施形態の構成により反転増幅器１の入力端子電圧と第２のトランジスタ４のソース電圧とが等しい状態を保ちながら第３のトランジスタ６のゲート電圧Ｖｃｔを上昇させた場合における出力電圧のシミュレーション結果を示す。図５に示すように、本実施形態によると、出力電圧レベルは変化せず、一定に保たれている。
【００４７】
以上に説明したように、第２の実施形態によると、第１の実施形態と同等の効果に加えて次のような効果が得られる。すなわち、演算増幅器７を付加するという簡単な構成によって、反転増幅器１の入力端子電圧と第２のトランジスタ４のソース電圧とが一致するように第２のトランジスタ４のゲート電圧を制御できる。これにより、出力電圧レベルを一定に保持しつつ、安定動作と入力ダイナミックレンジの拡大とを同時に実現できる。
【００４８】
（第３の実施形態）
以下、本発明の第３の実施形態に係る光受信用前置増幅器について図面を参照しながら説明する。
【００４９】
図６は、第３の実施形態に係る光受信用前置増幅器の概略構成を示している。尚、図６において、図１に示す第１の実施形態と同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００５０】
図６に示すように、第３の実施形態が第１の実施形態と異なっている点は、演算増幅器７及び電圧発生回路８を備えていることである。すなわち、第３の実施形態は、第１の実施形態の構成に演算増幅器７及び電圧発生回路８が付加された構成を有している。ここで、演算増幅器７の反転入力端子は第２のトランジスタ４のソースに接続されている。また、演算増幅器７の非反転入力端子は電圧発生回路８の出力端子に接続されている。また、演算増幅器７の出力端子は第２のトランジスタ４のゲートに接続されている。さらに、電圧発生回路８は、反転増幅器１の入力端子電圧と同じ大きさの電圧を出力する。
【００５１】
以上のような本実施形態の構成によって、反転増幅器１の入力端子電圧と第２のトランジスタ４のソース電圧とが等しくなるように、第２のトランジスタ４のゲート電圧（Ｖｂ）が制御される。
【００５２】
ところで、第２の実施形態によれば、演算増幅器７の入力端子が反転増幅器１の入力端子Ｉｎに接続されていたため、トランスインピーダンス型前置増幅器（光受信用前置増幅器）の入力端子の寄生容量が増加してしまうという問題点があった。ここで、既述したように、トランスインピーダンス帯域は、
ωn ＝（ωh ・（１＋Ａ0 ）／ＣinＲf ）0.5
と表されるので、入力端子の寄生容量Ｃinの増加はトランスインピーダンス帯域の減少をもたらすものとなる。
【００５３】
それに対して、第３の実施形態によると、演算増幅器７の入力端子を反転増幅器１の入力端子Ｉｎに接続する必要がないため、トランスインピーダンス型前置増幅器の入力端子の寄生容量を増加させることなく、第２の実施形態と同等の効果を得ることができる。
【００５４】
（第４の実施形態）
以下、本発明の第４の実施形態に係る光受信用前置増幅器について図面を参照しながら説明する。
【００５５】
図７は、第４の実施形態に係る光受信用前置増幅器の概略構成を示している。尚、図７において、図６に示す第３の実施形態と同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００５６】
図７に示すように、第４の実施形態が第３の実施形態と異なっている点は、第３のトランジスタ６のゲートに接続された複数のスイッチ（ＳＷ１、ＳＷ２、・・・）よりなるスイッチ群９と、スイッチ群９を構成する各スイッチと接続された複数の電圧源１０とを備えていることである。すなわち、第４の実施形態は、第３の実施形態の構成にスイッチ群９及び複数の電圧源１０が付加された構成を有している。ここで、複数の電圧源１０はそれぞれ異なる電圧Ｖ１、Ｖ２、・・・を出力している。また、第３のトランジスタ６のゲートには、複数の電圧源１０の出力電圧の中からスイッチ群９により選択された電圧（例えば電圧Ｖ１）が与えられる。
【００５７】
第４の実施形態によると、第３の実施形態と同等の効果に加えて次のような効果が得られる。すなわち、スイッチ群９を用いて、入力信号振幅に応じた適切な電圧源１０に第３のトランジスタ６のゲートを高速で接続することができるため、第３のトランジスタ６によってバイパスされる電流量を高速で変化させることができる。このため、入力信号の振幅の急激な変化に応答して出力電圧の飽和を抑制することができるので、入力ダイナミックレンジの拡大が可能となる。
【００５８】
尚、第４の実施形態において、第３の実施形態の構成にスイッチ群９及び複数の電圧源１０を付加したが、これに代えて、第１又は第２の実施形態の構成にスイッチ群９及び複数の電圧源１０を付加してもよいことは言うまでもない。
【００５９】
また、第４の実施形態において、スイッチ群９の各スイッチに１つずつ電圧源１０が接続された構成を用いたが、スイッチ群９と電圧源１０との接続関係は特に限定されるものではない。
【００６０】
（第５の実施形態）
以下、本発明の第５の実施形態に係る光受信用前置増幅器について図面を参照しながら説明する。
【００６１】
図８は、第５の実施形態に係る光受信用前置増幅器の概略構成を示している。尚、図８において、図６に示す第３の実施形態と同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００６２】
図８に示すように、第５の実施形態が第３の実施形態と異なっている点は、第３のトランジスタ６が複数個のトランジスタ（Ｍ３ａ、Ｍ３ｂ、Ｍ３ｃ、・・・）であって、各第３のトランジスタ６のゲートに接続された複数のスイッチ（ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３、・・・）よりなるスイッチ群９と、スイッチ群９を構成する各スイッチと接続された複数の電圧源（本実施形態では２個の電圧源）１０とを備えていることである。ここで、２個の電圧源１０はそれぞれ異なる電圧Ｖ１及びＶ２を出力している。また、各第３のトランジスタ６のゲートには、２個の電圧源１０の出力電圧Ｖ１及びＶ２の中からスイッチ群９により選択されたいずれかの電圧（Ｖ１又はＶ２）が与えられる。
【００６３】
第５の実施形態によると、第３の実施形態と同等の効果に加えて次のような効果が得られる。すなわち、スイッチ群９を用いて、各第３のトランジスタ６のゲート電圧を２個の電圧源１０の出力電圧Ｖ１又はＶ２に高速で切り替えることができる。このため、反転増幅器１の入力端子Ｉｎと第２のトランジスタ４のソースとの間のインピーダンスを高速に切り替えることができる。従って、第３のトランジスタ６によってバイパスされる電流量を高速で変化させることができるため、バースト信号等の振幅が急速に変化する入力信号に対しても、入力ダイナミックレンジを拡大することができる。
【００６４】
尚、第５の実施形態において、第３の実施形態の構成を前提として複数の第３のトランジスタ６、スイッチ群９及び複数の電圧源１０を用いたが、これに代えて、第１又は第２の実施形態の構成を前提として複数の第３のトランジスタ６、スイッチ群９及び複数の電圧源１０を用いてもよいことは言うまでもない。
【００６５】
また、第５の実施形態において、複数の電圧源１０の個数が限定されるものではないことは言うまでもない。また、各第３のトランジスタ６にスイッチ群９のスイッチが１つずつ接続され且つ該各スイッチに複数の電圧源１０が接続された構成を用いたが、第３のトランジスタ６とスイッチ群９との接続関係及びスイッチ群９と電圧源１０との接続関係は特に限定されるものではない。
【００６６】
（第６の実施形態）
以下、本発明の第６の実施形態に係る光受信用前置増幅器について図面を参照しながら説明する。
【００６７】
図９は、第６の実施形態に係る光受信用前置増幅器の概略構成を示している。尚、図９において、図６に示す第３の実施形態と同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００６８】
図９に示すように、第６の実施形態が第３の実施形態と異なっている点は、振幅検出回路１１を備えていることである。すなわち、第６の実施形態は、第３の実施形態の構成に振幅検出回路１１が付加された構成を有している。ここで、振幅検出回路１１は、入力信号の振幅に比例した電圧を出力する（本実施形態では、入力信号の振幅が増大するに伴い出力電圧が増大する振幅検出回路１１を想定する）。また、振幅検出回路１１の入力端子は反転増幅器１の出力端子Ｏｕｔに接続されていると共に、振幅検出回路１１の出力端子は第３のトランジスタ６のゲートに接続されている。すなわち、振幅検出回路１１から出力された電圧が第３のトランジスタ６のゲートに与えられる。
【００６９】
第６の実施形態によると、第３の実施形態と同等の効果に加えて次のような効果が得られる。すなわち、反転増幅器１の出力信号つまり光受信用前置増幅器の出力信号の振幅が大きくなるに従って、振幅検出回路１１により第３のトランジスタ６のゲート電圧が上昇してそのインピーダンスが減少するため、第３のトランジスタ６によってバイパスされる電流量（図１の電流Ｉ3 の大きさ）が大きくなる。これにより、電流電圧変換素子２に流れる電流（図１の電流Ｉ2 ）が減少するため、光受信用前置増幅器の出力電圧の飽和が抑制されるので、入力ダイナミックレンジを拡大させることができる。また、振幅検出回路１１を付加するという簡単な構成によって、前述の効果を達成できる。
【００７０】
（第７の実施形態）
以下、本発明の第７の実施形態に係る光受信用前置増幅器について図面を参照しながら説明する。
【００７１】
図１０は、第７の実施形態に係る光受信用前置増幅器の概略構成を示している。尚、図１０において、図７に示す第４の実施形態と同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００７２】
図１０に示すように、第７の実施形態は、第４の実施形態の構成に、例えば２個のコンパレータ１２よりなるコンパレータ群が付加された構成を有している。具体的には、各コンパレータ１２の一方の入力端子は反転増幅器１の出力端子Ｏｕｔに接続されている。すなわち、各コンパレータ１２の一方の入力端子には反転増幅器１から出力された電圧が与えられる。また、各コンパレータ１２の他方の入力端子にはそれぞれ所定の電圧（互いに異なる電圧：例えばＶｒ１及びＶｒ２）が与えられる。さらに、スイッチ群９の動作は各コンパレータ１２の比較結果に基づいて制御される。
【００７３】
第７の実施形態によると、第４の実施形態と同等の効果に加えて次のような効果が得られる。すなわち、反転増幅器１の出力信号つまり光受信用前置増幅器の出力信号の振幅が大きくなって、いずれかのコンパレータ１２に与えられている所定の電圧（Ｖｒ１又はＶｒ２）を超えると、該コンパレータ１２の出力が反転するため、該出力結果に基づいてスイッチ群９が第３のトランジスタ６のゲート電圧を適切な電圧値（複数の電圧源１０のいずれかの出力電圧）に高速で切り替えることができる。このため、第３のトランジスタ６によってバイパスされる電流量を高速で変化させることができる。従って、入力信号の振幅の急速な変化に対しても出力電圧の飽和を抑制できるので、入力ダイナミックレンジを拡大させることができる。
【００７４】
尚、第７の実施形態において、第４の実施形態の構成にコンパレータ１２を付加したが、これに代えて、第５の実施形態の構成にコンパレータ１２を付加してもよいことは言うまでもない。
【００７５】
また、第７の実施形態において、コンパレータ１２の個数が限定されるものではないことは言うまでもない。
【００７６】
（第８の実施形態）
以下、本発明の第８の実施形態に係る光受信用前置増幅器について図面を参照しながら説明する。
【００７７】
図１１は、第８の実施形態に係る光受信用前置増幅器の概略構成を示している。尚、図１１において、図７に示す第４の実施形態と同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００７８】
図１１に示すように、第８の実施形態は、第４の実施形態の構成に、例えば２個のコンパレータ１２よりなるコンパレータ群と、第４のトランジスタ（Ｍ４）１３と、他の電流電圧変換素子１４とが付加された構成を有している。ここで、他の電流電圧変換素子１４としては、例えば抵抗が用いられる。具体的には、第４のトランジスタ１３のソースが反転増幅器１の入力端子に接続されており、第４のトランジスタ１３のゲートが反転増幅器１の出力端子に接続されており、第４のトランジスタ１３のドレインが他の電流電圧変換素子１４の一方の端子に接続されている。また、他の電流電圧変換素子１４の他方の端子はグランドに接続されている。また、各コンパレータ１２の一方の入力端子には他の電流電圧変換素子１４に加えられた電圧が与えられると共に、各コンパレータ１２の他方の入力端子にはそれぞれ所定の電圧（互いに異なる電圧：例えばＶｒ３及びＶｒ４）が与えられる。さらに、スイッチ群９の動作は各コンパレータ１２の比較結果に基づいて制御される。
【００７９】
第８の実施形態によると、第４の実施形態と同等の効果に加えて次のような効果が得られる。すなわち、反転増幅器１つまり光受信用前置増幅器への入力電流が大きくなって出力電圧が降下すると、第４のトランジスタ１３がオンとなり、過剰な入力電流に比例した電流が他の電流電圧変換素子１４に流れることになる。また、これによって生じる他の電流電圧変換素子１４での電圧降下により、過剰な入力電流の大きさをより広い範囲でモニターすることができる。従って、他の電流電圧変換素子１４に加えられた電圧をコンパレータ１２を用いて所定の電圧（Ｖｒ３又はＶｒ４）と比較し、その結果に基づいてスイッチ群９が第３のトランジスタ６のゲート電圧を適切な電圧値（複数の電圧源１０のいずれかの出力電圧）に高速で切り替えることができる。これにより、第３のトランジスタ６によってバイパスされる電流量を高速で変化させることができるため、入力信号の振幅の急速な変化に対しても出力電圧の飽和を抑制できるので、入力ダイナミックレンジを拡大させることができる。
【００８０】
尚、第８の実施形態において、第４の実施形態の構成にコンパレータ１２、第４のトランジスタ１３及び他の電流電圧変換素子１４を付加したが、これに代えて、第５の実施形態の構成にコンパレータ１２、第４のトランジスタ１３及び他の電流電圧変換素子１４を付加してもよいことは言うまでもない。
【００８１】
また、第８の実施形態において、コンパレータ１２の個数が限定されるものではないことは言うまでもない。
【００８２】
また、図１１に示す第８の実施形態の構成と、図１０に示す第７の実施形態の構成とを組み合わせた構成（図１２参照）を用いてもよいことは言うまでもない。
【００８３】
また、第１〜第８の実施形態において、第１のトランジスタ３及び第２のトランジスタ４としてバイポーラトランジスタを用いてもよい。この場合、第１〜第８の実施形態の前述の各説明において、ゲートをベースに、ソースをエミッタに、ドレインをコレクタにそれぞれ置き換えて考えればよい。このようにすると、より広帯域の光受信用前置増幅器を実現できる。
【００８４】
（第９の実施形態）
以下、本発明の第９の実施形態に係る光通信用光受信機、具体的には、第１の実施形態に係る光受信用前置増幅器を用いた光通信用光受信機について図面を参照しながら説明する。
【００８５】
図１３は、第９の実施形態に係る光通信用光受信機の概略構成を示している。尚、図１３において、図１に示す第１の実施形態と同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００８６】
図１３に示すように、本実施形態の光通信用光受信機は、第１の実施形態に係る光受信用前置増幅器に加えて、光ファイバ１７を通じて伝送されてきた光信号を電流信号に変換するフォトダイオード１６を備えている。具体的には、図１に示す第１の実施形態に係る光受信用前置増幅器の入力端子にフォトダイオード１６が接続されていると共に、フォトダイオード１６と光ファイバ１７とが結合されている。
【００８７】
第９の実施形態によると、フォトダイオード１６からの電流信号が、第１の実施形態に係る光受信用前置増幅器により電圧信号に変換され且つ増幅されるので、バースト信号等の信号振幅が急速に変化する入力信号に対しても出力電圧の飽和を抑制でき、それにより入力ダイナミックレンジの拡大が可能となる。すなわち、安定した動作と広入力ダイナミックレンジ特性とを併せ持った光通信用光受信機を実現できる。
【００８８】
尚、第９の実施形態において、第１の実施形態に係る光受信用前置増幅器を用いたが、これに代えて、第２〜第８の実施形態のいずれかに係る光受信用前置増幅器を用いてもよい。
【００８９】
（第１０の実施形態）
以下、本発明の第１０の実施形態に係る光検出器、具体的には、第１の実施形態に係る光受信用前置増幅器を用いた光検出器について図面を参照しながら説明する。
【００９０】
図１４は、第１０の実施形態に係る光検出器の概略構成を示している。尚、図１４において、図１に示す第１の実施形態と同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００９１】
図１４に示すように、本実施形態の光検出器は、第１の実施形態に係る光受信用前置増幅器に加えて、レンズ１８によって光１９が集光されてなる光信号２０を電流信号に変換するフォトダイオード１６を備えている。具体的には、図１に示す第１の実施形態に係る光受信用前置増幅器の入力端子にフォトダイオード１６が接続されていると共に、フォトダイオード１６とレンズ１８とが結合されている。
【００９２】
第１０の実施形態によると、フォトダイオード１６からの電流信号が、第１の実施形態に係る光受信用前置増幅器により電圧信号に変換され且つ増幅されるので、信号振幅が急速に変化する入力信号に対しても出力電圧の飽和を抑制でき、それにより入力ダイナミックレンジの拡大が可能となる。すなわち、安定した動作と広入力ダイナミックレンジ特性とを併せ持った光検出器を実現できる。
【００９３】
尚、第１０の実施形態において、第１の実施形態に係る光受信用前置増幅器を用いたが、これに代えて、第２〜第８の実施形態のいずれかに係る光受信用前置増幅器を用いてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００９４】
本発明は、光受信用前置増幅器に関し、光通信システム等に用いられる光受信回路に適用した場合に特に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００９５】
【図１】図１は本発明の第１の実施形態に係る光受信用前置増幅器の構成図である。
【図２】図２は従来構成の光受信用前置増幅器に大電流を入力した場合における出力電圧のシミュレーション結果を示す図である。
【図３】図３は本発明の第１の実施形態に係る光受信用前置増幅器に大電流を入力した場合における出力電圧のシミュレーション結果を示す図である。
【図４】図４は本発明の第２の実施形態に係る光受信用前置増幅器の構成図である。
【図５】図５は本発明の第２及び第３の実施形態に係る光受信用前置増幅器に大電流を入力した場合における出力電圧のシミュレーション結果を示す図である。
【図６】図６は本発明の第３の実施形態に係る光受信用前置増幅器の構成図である。
【図７】図７は本発明の第４の実施形態に係る光受信用前置増幅器の構成図である。
【図８】図８は本発明の第５の実施形態に係る光受信用前置増幅器の構成図である。
【図９】図９は本発明の第６の実施形態に係る光受信用前置増幅器の構成図である。
【図１０】図１０は本発明の第７の実施形態に係る光受信用前置増幅器の構成図である。
【図１１】図１１は本発明の第８の実施形態に係る光受信用前置増幅器の構成図である。
【図１２】図１２は本発明の第７の実施形態に係る光受信用前置増幅器の構成と、本発明の第８の実施形態に係る光受信用前置増幅器の構成とを組み合わせた光受信用前置増幅器の構成図である。
【図１３】図１３は本発明の第９の実施形態に係る光受信用前置増幅器の構成図である。
【図１４】図１４は本発明の第１０の実施形態に係る光受信用前置増幅器の構成図である。
【符号の説明】
【００９６】
１    反転増幅器
２    電流電圧変換素子
３    第１のトランジスタ
４    第２のトランジスタ
５    負荷
６    第３のトランジスタ
７    演算増幅器
８    電圧発生回路
９    スイッチ群
１０    電圧源
１１    振幅検出回路
１２    コンパレータ
１３    第４のトランジスタ
１４    他の電流電圧変換素子
１５    ソースフォロワ
１６    フォトダイオード
１７    光ファイバ
１８    レンズ
１９    光
２０    光信号
【図１】
0004137123.tif 000002
【図２】
0004137123.tif 000003
【図３】
0004137123.tif 000004
【図４】
0004137123.tif 000005
【図５】
0004137123.tif 000006
【図６】
0004137123.tif 000007
【図７】
0004137123.tif 000008
【図８】
0004137123.tif 000009
【図９】
0004137123.tif 000010
【図１０】
0004137123.tif 000011
【図１１】
0004137123.tif 000012
【図１２】
0004137123.tif 000013
【図１３】
0004137123.tif 000014
【図１４】
0004137123.tif 000015