(57)【要約】【課題】広ダイナミックレンジで高速応答可能な受光パワーモニタを実現する。【解決手段】受光パワーモニタ回路は、受光素子（ＰＤ１）からの入力電流を可変利得で増幅して電圧信号に変換する第１の増幅器（ＴＩＡ２）と、第１の増幅器の出力を増幅して主信号出力に変換する第２の増幅器（ＬＩＭ３）と、第１の増幅器の出力を可変利得で増幅してモニタ出力に変換する第３の増幅器（ＡＭＰ４）と、第１の増幅器の出力に応じて、第１の増幅器の利得と第３の増幅器の利得とを可変する利得可変手段（振幅比較器５）と、を有する。【選択図】図１
2009232380.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
受光素子からの入力電流を可変利得で増幅して電圧信号に変換する第１の増幅器と、
前記第１の増幅器の出力を増幅して主信号出力に変換する第２の増幅器と、
前記第１の増幅器の出力を可変利得で増幅してモニタ出力に変換する第３の増幅器と、
前記第１の増幅器の出力に応じて、前記第１の増幅器の利得と前記第３の増幅器の利得とを可変する利得可変手段と、
を有することを特徴とする受光パワーモニタ回路。
【請求項２】
前記利得可変手段は、前記第１の増幅器の出力に対応する受光パワーの大小に応じて前記第１の増幅器の利得を可変すると共に、前記第１の増幅器の利得に応じて前記第３の増幅器の利得を可変することを特徴とする請求項１に記載の受光パワーモニタ回路。
【請求項３】
前記利得可変手段は、前記第１の増幅器の出力に対応する受光パワーの大小に応じて前記第１の増幅器の利得を可変すると共に、前記第１の増幅器の利得に応じて前記モニタ出力が線形になるように前記第３の増幅器の利得を可変することを特徴とする請求項２に記載の受光パワーモニタ回路。
【請求項４】
前記利得可変手段は、前記第１の増幅器の出力に対応する受光パワーの大小に応じて前記第１の増幅器の利得を予め設定された複数の利得のいずれかに可変すると共に、前記第１の増幅器の利得に応じて前記第３の増幅器の利得を予め設定された複数の利得のいずれかに可変することを特徴とする請求項３に記載の受光パワーモニタ回路。
【請求項５】
前記利得可変手段は、前記第１の増幅器の出力に対応する受光パワーの関数として、前記第１の増幅器の利得と前記第３の増幅器の利得とを連続して可変することを特徴とする請求項１に記載の受光パワーモニタ回路。
【請求項６】
前記第１の増幅器は、トランスインピーダンスアンプで構成され、
前記第２の増幅器は、リミッティングアンプで構成されることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の受光パワーモニタ回路。
【請求項７】
請求項１から６までのいずれか１項に記載の受光パワーモニタ回路を有することを特徴とする光モジュール。
【請求項８】
請求項１から６までのいずれか１項に記載の受光パワーモニタ回路を有することを特徴とする光トランシーバ。
【請求項９】
請求項１から６までのいずれか１項に記載の受光パワーモニタ回路を有することを特徴とする光受信器。
【請求項１０】
受光素子からの入力電流を可変利得で増幅して電圧信号に変換する第１の増幅器と、
前記第１の増幅器の出力を増幅して主信号出力に変換する第２の増幅器と、
前記第１の増幅器の出力を可変利得で増幅してモニタ出力に変換する第３の増幅器と、
前記第１の増幅器の出力に応じて、前記第１の増幅器の利得と前記第３の増幅器の利得とを可変する利得可変手段と、
を有することを特徴とする増幅回路。
【請求項１１】
請求項１０に記載の増幅回路を有することを特徴とする集積回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、受光パワーモニタ回路、光トランシーバ、光モジュール、光受信器、増幅回路、及び集積回路に係り、特に受信機能を有する光モジュールにおいて、受光パワーを広ダイナミックレンジかつ高速に測定する受光パワーモニタ回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信において、小型化、低コスト化等のため、光を受信して電気信号に変換する光受信器（光受信回路、光受信モジュール）と、電気信号を光に変換して送信する光送信器（光送信回路、光送信モジュール）とを一体化した光モジュールである光トランシーバが採用されるようになってきている。このような光モジュールの光受信回路に関する関連技術の構成例を図７および図８に示す。
【０００３】
図７に示す第１の関連技術による光受信回路は、光を電流信号に変換する受光素子であるフォトダイオード（ＰＤ）１１と、ＰＤ１１からの電流信号を入力し、帰還抵抗Ｒの値に比例する利得で増幅して電圧信号に変換するプリアンプ（前置増幅器）としてのトランスインピーダンスアンプ（ＴＩＡ）２１と、ＴＩＡ出力を規定の振幅まで増幅して主信号出力に変換するポストアンプとしてのリミッティングアンプ（ＬＩＭ）３１と、ＴＩＡ出力を増幅してその受光パワー（入力電流の信号振幅）をモニタするためのモニタ出力に変換するモニタ出力用のアンプ（ＡＭＰ）４１とを有している。
【０００４】
ＴＩＡ１１は、一般的に利得が固定であり、大きな受光パワーが入った場合に大入力保護回路が動作し、図９のようなＴＩＡ出力特性となる。すなわち、同図に示すように、受光パワーが所定値Ｐｍａｘよりも小さい入力時には受光パワーに応じて線形にＴＩＡ出力されるが、受光パワーが所定値Ｐｍａｘ以上の大入力時には受光パワーに対してＴＩＡ出力が飽和して変動しない。このため、後段のＡＭＰ４１の出力も同様となり、大入力時の受光パワーをモニタすることができない。この場合、ＴＩＡ１１では広ダイナミックレンジの受光が困難となる。
【０００５】
そのため、ＴＩＡ１１の広ダイナミックレンジの受光を実現するために、利得を可変制御してＴＩＡ出力の振幅の変化を一定範囲内に抑制する回路構成も知られている（例えば、特許文献１、２参照）。しかし、特許文献１、２に記載されている回路は、ＴＩＡ１１の利得を切り替える構成が付加されているものの、モニタ出力用のＡＭＰ４１について特に意識したものではない。
【０００６】
一方、図８に示す第２の関連技術による光受信回路は、前述同様のＰＤ１１、ＴＩＡ２１、およびＬＩＭ３１のほか、ＰＤ１１のカソード側にカレントミラー回路５１を介して電流−電圧変換回路（Ｉ→Ｖ回路）４２を接続している。このような回路構成は、例えば特許文献３に記載されている。
【０００７】
本回路では、主信号系を扱うＴＩＡ２１およびＬＩＭ３１と、受光パワーをモニタする回路であるＩ→Ｖ回路４２およびカレントミラー回路５１とが完全に独立している。これによると、受光パワーは、ＰＤ１１で電流に変換されるが、カレントミラー回路５１によりＰＤ１１に流れた電流に応じた電流がＩ→Ｖ回路４２に入力される。Ｉ→Ｖ回路４２は、電流を電圧に変換する回路であり、この出力がモニタ出力となる。
【０００８】
本回路は、ＰＤ１１に流れる電流のコピーをそのまま扱うことから、広ダイナミックレンジであることが特徴である。しかし、本回路は、ＰＤ１１のカソード側の電流を扱うため、一般的にＰＤ１１のカソード側に接続するバイパス用コンデンサや低域カットフィルタＣによって動作速度が遅くなる。また、カレントミラー回路５１の応答速度も充分な速度が得られない。
【特許文献１】特開２００４−２６０３９６号公報
【特許文献２】特開２００５−０８６４６６号公報
【特許文献３】特開２００６−３１９４２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
このように、上述した関連技術にあっては、図７の回路ではダイナミックレンジに問題があり、図８の回路では高速応答性に問題がある。
【００１０】
本発明は、上述した課題を解決して、広ダイナミックレンジで高速応答可能な受光パワーモニタを実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するため、本発明に係る受光パワーモニタ回路は、受光素子からの入力電流を可変利得で増幅して電圧信号に変換する第１の増幅器と、前記第１の増幅器の出力を増幅して主信号出力に変換する第２の増幅器と、前記第１の増幅器の出力を可変利得で増幅してモニタ出力に変換する第３の増幅器と、前記第１の増幅器の出力に応じて、前記第１の増幅器の利得と前記第３の増幅器の利得とを可変する利得可変手段と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、広ダイナミックレンジで高速応答可能な受光パワーモニタを実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
次に、本発明に係る受光パワーモニタ回路、光トランシーバ、光モジュール、光受信器増幅回路、及び集積回路を実施するための最良の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１４】
本実施の形態に係る受光パワーモニタ回路は、受信機能を有する光モジュールに搭載される。この光モジュールは、光を電流信号に変換する受光素子であるフォトダイオード（以下「ＰＤ」と略称する）と、ＰＤからの電流信号を入力し、帰還抵抗の値に比例する利得で増幅して電圧信号に変換するプリアンプ（前置増幅器）としてのトランスインピーダンスアンプ（第１の増幅器、以下「ＴＩＡ」と略称する）と、ＴＩＡ出力を規定の振幅まで増幅して主信号出力に変換するポストアンプとしてのリミッティングアンプ（第２の増幅器、以下「ＬＩＭ」と略称する）と、ＴＩＡ出力を入力し、帰還抵抗の値に比例する利得で増幅して、その受光パワーをモニタするためのモニタ出力に変換するモニタ出力用のアンプ（第３の増幅器、以下「ＡＭＰ」と略称する）とを有している。
【００１５】
このうち、ＴＩＡおよびＡＭＰは、それぞれの帰還抵抗を可変抵抗で構成し、ＴＩＡ出力の値に応じて可変することにより、それぞれの利得を最適な利得に可変する機能を備えている。
【００１６】
本実施の形態による受光パワーモニタ回路は、上記の受信機能を有する光モジュールにおいて、その受光パワーを広ダイナミックレンジかつ高速に測定することを実現する回路である。
【００１７】
本回路において、受信した光は、ＰＤで電流に変換され、受光パワーに応じたＴＩＡの最適な利得にて電圧変換される。その電圧出力は、ＬＩＭおよびＡＭＰに入力され、ＬＩＭでは受信信号を復調する。一方、ＡＭＰはＴＩＡの可変利得に応じて増幅または減衰を行い、受光パワーに対して線形な電圧レベルを出力する。すなわち、ＴＩＡにて最適な利得を選択することによって広ダイナミックレンジの受光パワーモニタが可能となり、また、ＴＩＡ出力電圧を測定することによって高速なモニタ機能が実現できる。
【００１８】
従って、本実施の形態によれば、ＴＩＡおよびＡＭＰの利得を可変にすることにより、広ダイナミックレンジで高速応答可能な受光パワーモニタを実現することができる。
【００１９】
なお、本実施の形態において、ＴＩＡ出力に対応する受光パワーの大小に応じてＴＩＡの利得を可変すると共に、ＴＩＡの利得に応じてＡＭＰの利得を可変してもよい。この場合、ＴＩＡ出力に対応する受光パワーの大小に応じてＴＩＡの利得を可変すると共に、ＴＩＡの利得に応じてモニタ出力が線形になるようにＡＭＰの利得を可変してもよい。その一例として、ＴＩＡ出力に対応する受光パワーの大小に応じてＴＩＡの利得を予め設定された複数の利得のいずれかに可変すると共に、ＴＩＡの利得に応じてＡＭＰの利得を予め設定された複数の利得のいずれかに可変してもよい。その他の例として、ＴＩＡ出力に対応する受光パワーの関数として、ＴＩＡの利得とＡＭＰの利得とを連続して可変してもよい。
【００２０】
以下、図１〜図６を参照して、本発明の実施例について説明する。
【実施例１】
【００２１】
まず、図１〜図５を参照して、本発明の第１の実施例について説明する。
【００２２】
図１に示す本実施例に係る受光パワーモニタ回路は、受信機能（受信部）を有する光モジュールに搭載されている。この光モジュールは、光を電流信号に変換するＰＤ（受光素子）１と、ＰＤ１からの電流信号を入力し、帰還抵抗Ｒ１の値に比例する利得で増幅して電圧信号に変換するＴＩＡ（第１の増幅器）２と、ＴＩＡ出力を規定の振幅まで増幅して主信号出力に変換するＬＩＭ（第２の増幅器）３と、ＴＩＡ出力を入力し、帰還抵抗Ｒ２の値に比例する利得で増幅して、その受光パワーをモニタするためのモニタ出力に変換するモニタ出力用のＡＭＰ（第３の増幅器）４と、振幅比較器（利得可変手段）５とを有している。なお、図中の符号Ｃは、ＰＤ１のカソード側に接続するバイパス用コンデンサや低域カットフィルタを表している。
【００２３】
振幅比較器５は、ＴＩＡ出力を入力し、その振幅と、予め設定された、しきい値（振幅基準値）とを比較し、その比較結果からＴＩＡ出力の大小に応じてＴＩＡ２の利得を可変する第１の制御指令（制御信号）Ｓ１と、ＡＭＰ４の利得を可変する第２の制御指令Ｓ２とをそれぞれＴＩＡ２およびＡＭＰ４に出力する。
【００２４】
ＴＩＡ２は、帰還抵抗Ｒ１が可変抵抗で構成され、振幅比較器５からの第１の制御指令Ｓ１に基づいて、帰還抵抗Ｒ１の値をＴＩＡ出力の値に応じて予め設定された利得となるように可変する機能を備えている。
【００２５】
同様に、ＡＭＰ４も、帰還抵抗Ｒ２が可変抵抗で構成され、振幅比較器５からの第２の制御指令Ｓ２に基づいて、帰還抵抗Ｒ２の値をＴＩＡ出力の値に応じて予め設定された利得となるように可変する機能を備えている。
【００２６】
なお、図１に示す光モジュールの受信部の増幅回路を構成するアンプ、すなわちＴＩＡ２、ＬＩＭ３、及びＡＭＰ４は、それぞれ個別のＩＣ（集積回路）でも、一体化されたＩＣでも、いずれでも構成可能である。また、振幅比較器５は、増幅回路を構成するＩＣ内に一体に作り込んでよく、あるいは図示しない制御回路（コントローラ）等を構成する他のＩＣ内に一体に作り込んでもよく、あるいは専用のＩＣで構成してもよい。
【００２７】
次に、本実施例の動作を説明する。
【００２８】
まず、図１に示す光モジュールにて受信した光は、ＰＤ１で電流に変換され、ＴＩＡ２に入力され、ＴＩＡ２によりその電流信号が電圧信号に変換される。
【００２９】
図２は、その際のＴＩＡ２の利得切り替え動作を説明するものである。ここでは、理解を容易にするために、一例として、ＴＩＡ２の利得をデジタル的に３値に切り替える回路を採用した場合を説明する。なお、本発明は３値に限らず、２値であっても、３値より多い多値であっても適用可能である。
【００３０】
図２の例では、ＴＩＡ２は、利得Ａ、利得Ｂ、利得Ｃの３つの利得を切り替えることができるものとする。ここで、ＴＩＡ２は、帰還抵抗Ｒ１の値を可変することにより、受光パワー、すなわち、ＴＩＡ２への入力電流に応じて利得を選択する機能を有する。この場合、ＴＩＡ出力は、振幅比較器５に入力され、振幅比較器５にて、予め設定された受光パワー（入力電流）の第１及び第２のしきい値と比較され、その比較結果に基づく第１の制御指令Ｓ１により、ＴＩＡ出力に応じた利得にＴＩＡ２の利得を切り替える。図２の例では、受光パワーが、第１のしきい値Ｐ１よりも小さい場合には利得Ａを選択し、第１のしきい値Ｐ１よりも大きく第２のしきい値Ｐ２よりも小さい中程度の場合には利得Ｂを選択し、第２のしきい値Ｐ２よりも大きい場合には利得Ｃを選択する。このようにして、ＴＩＡ２の利得を受光パワーの大小に応じて３つの利得Ａ、Ｂ、Ｃを選択して可変するため、ＴＩＡ出力は飽和せず、広ダイナミックレンジの受光が可能となる。
【００３１】
次に、ＴＩＡ出力は、ＬＩＭ３およびＡＭＰ４に入力される。
【００３２】
まず、ＬＩＭ３では、ＴＩＡ出力が規定の振幅まで増幅される。なお、このＬＩＭ３の機能は、光モジュールの基本機能であり、既知の機能であるため、その詳細について省略する。
【００３３】
一方、ＡＭＰ４では、ＴＩＡ出力がモニタ出力に変換される。このとき、ＴＩＡ２において利得切り替えを実施したため、ＴＩＡ出力は図２に示すように適用した利得によって信号強度が変わる。このため、ＡＭＰ４では、ＴＩＡ２の利得に応じた増幅もしくは減衰を行う。すなわち、ＴＩＡ２の利得切り替えと同様に、振幅比較器５からの第２の制御指令Ｓ２によって、ＴＩＡ出力に応じた利得にＡＭＰ４を切り替える。
【００３４】
図３は、その際のＴＩＡ２の利得とＡＭＰ４の利得の関係を示したグラフである。ここでは、ＴＩＡ２とＡＭＰ４の合計利得を予めｇ倍と設定する。図３の例では、ＴＩＡ２の利得Ａでの利得を予めｘ倍と設定すると、そのときのＡＭＰ４の利得Ｄを予めｇ／ｘ倍と設定する。こうすることで、合計利得はｇ倍となる。同様に利得Ｂ、利得Ｃに対して、それぞれの利得を予めｙ倍、ｚ倍と設定したとき、ＡＭＰ４での利得Ｅ、利得Ｆを予めｇ／ｙ倍、ｇ／ｚ倍と設定する。こうすることで、すべての受光パワーの範囲において利得ｇ倍となる。
【００３５】
図４は、その際のＡＭＰ４の出力電圧を示している。上記のようにＴＩＡ２の利得に応じた増幅もしくは減衰を行うことにより、ＡＭＰ４では、受光パワーに対して線形な電圧振幅を出力することができる。
【００３６】
図５は、ＴＩＡ出力およびＡＭＰ出力の振幅の推移を示した図である。受光パワーが第２のしきい値Ｐ２よりも大きい場合、ＴＩＡ２の利得は利得Ｃが選択される。同様に受光パワー第１のしきい値Ｐ１よりも大きく第２のしきい値Ｐ２よりも小さい中程度の場合も、第１のしきい値Ｐ１よりも小さい場合も、それぞれ受光パワーに応じて利得が選択される。このようにＴＩＡ出力は、選択された利得によって出力振幅が異なる。そして、ＡＭＰ４で、ＴＩＡ２の利得に対応する利得（例えば、利得Ａの場合は利得Ｃ）を選択することにより、受光パワーに対して比例する出力振幅に変換される。ＴＩＡ出力は、非常に高速に動作する。このため、本実施例では、そのＴＩＡ出力をモニタすることで高速応答可能な受光パワーモニタが可能となる。
【００３７】
従って、本実施例によれば、受信した光は、ＰＤ１で電流に変換され、ＴＩＡ２の最適な利得にて電圧変換される。最適な利得は、前述したように、振幅比較器５に入力されるＴＩＡ出力で決められる。ＴＩＡ出力は、ＬＩＭ３およびＡＭＰ４に入力される。ＬＩＭ３は、受信信号を復調し、規定の出力振幅で信号を出力する。ＡＭＰ４は、前述したように、ＴＩＡ２の可変利得に応じて増幅または減衰を行い、受光パワーに対して線形な電圧レベルを出力する。
【００３８】
よって、本実施例によれば、次のような効果を得ることができる。
【００３９】
１）第１の効果は、ＴＩＡ出力に応じてＴＩＡ２の利得およびＡＭＰ４の利得を切り替えることにより、受光パワーを広ダイナミックレンジでモニタできることである。
【００４０】
２）第２の効果は、ＡＭＰ４により高速応答可能なＴＩＡ出力をモニタするため、受光パワーを高速にモニタできることである。
【００４１】
３）第３の効果は、受光パワーモニタ回路を光モジュールの受信部におけるＴＩＡ２およびＬＩＭ３−ＡＭＰ４を構成するＩＣ内に一体に作りこむことができ、これにより、部品点数の削減ができることである。
【００４２】
以上説明したように、本実施例によれば、ＴＩＡ２およびＡＭＰ４の利得を可変にすることにより、広ダイナミックレンジで高速応答可能な受光パワーモニタを実現することができる。
【実施例２】
【００４３】
次に、図６を参照して、本発明の第２の実施例について説明する。
【００４４】
本実施例は、図３に示すＴＩＡ２およびＡＭＰ４の利得可変特性とは異なる他の実施例である。
【００４５】
図６は、本実施例で採用したＴＩＡ２の利得可変特性を示す。同図に示すように、ＴＩＡ２の利得を受光パワーＰの関数ｆ（Ｐ）で連続に可変すると共に、ＡＭＰ４の利得も受光パワーＰの関数ｇ（Ｐ）で可変している。こうすることにより、前述した第１の実施例と同様に広ダイナミックレンジで高速応答可能な受光パワーモニタを実現することができる。
【００４６】
なお、上記実施の形態及び実施例では、広ダイナミックレンジかつ高速な受光パワーモニタ回路を、受信機能を有する光モジュールに適用しているが、単独の光受信器（光受信モジュール）のみに適用してもよく、あるいは光受信器に加え、電気信号を光に変換する光送信器（光送信モジュール）を一体化した光トランシーバに適用してもよい。この場合、光トランシーバの光送信モジュールでは、発光素子としてＬＤ（Laser Diode）等の半導体レーザを採用したものを用いることができ、その場合にはＬＤを駆動するＬＤドライバを搭載したものを用いてもよい。あるいは、上記受光パワーモニタ回路を光受信器に用いる増幅回路や、その増幅回路を構成するＩＣ（集積回路）等の半導体装置に適用してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明は、光通信で用いる光モジュール、光トランシーバ、光受信器、増幅回路、集積回路等の用途に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の第１の実施例に係る受光パワーモニタ回路を搭載した光モジュールの構成を示すブロック図である。
【図２】受光パワーに応じたＴＩＡの利得可変特性を示すグラフである。
【図３】受光パワーに応じたＴＩＡの利得可変特性とＡＭＰの利得可変特性との関係を示すグラフである。
【図４】受光パワーに応じたＡＭＰの出力電圧（モニタ出力）を示すグラフである。
【図５】受光パワーが大、中、小の場合のＴＩＡの出力振幅とＡＭＰの出力振幅との推移を説明する図である。
【図６】本発明の第２の実施例に係る受光パワーモニタ回路における受光パワーに応じたＴＩＡおよびＡＭＰの利得可変特性を示すグラフである。
【図７】第１の関連技術に係る回路の構成を示すブロック図である。
【図８】第２の関連技術に係る回路の構成を示すブロック図である。
【図９】第１の関連技術に係る回路のＴＩＡ出力特性を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４９】
１  フォトダイオード（ＰＤ）
２  トランスインピーダンスアンプ（ＴＩＡ）
３  リミッティングアンプ（ＬＩＭ）
４  アンプ（ＡＭＰ）
５  振幅比較器
【図１】
2009232380.tif 000003
【図２】
2009232380.tif 000004
【図３】
2009232380.tif 000005
【図４】
2009232380.tif 000006
【図５】
2009232380.tif 000007
【図６】
2009232380.tif 000008
【図７】
2009232380.tif 000009
【図８】
2009232380.tif 000010
【図９】
2009232380.tif 000011