(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一端がバイアス電源に接続され光入力信号を電気信号に変換する受光デバイスと、
該受光デバイスの他端に接続され前記電気信号を増幅する前置増幅器と、
該受光デバイスと該前置増幅器との間に挿入され一次側は該受光デバイスの出力インピーダンスに、二次側が該前置増幅器の入力インピーダンスに整合するインピーダンスマッチングトランスと
で構成される光受信器において、
該バイアス電源と該受光デバイスの一端との間に第１のコイルを備え、前記受光デバイスと前記インピーダンスマッチングトランスとの間に第２のコイルを備えることを特徴とする光受信器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は光信号を受けこれを電気信号に変換する光受信回路の関し、なかんずくＣＡＴＶ（Ｃａｂｌｅ  Ｔｅｌｅｖｉｓｉｏｎ）等におけるアナログ高周波光信号を受信する光受信器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光受信器は、光信号を受けこれに対応する微少な電流を発生するフォトダイオード（ＰＤ）等の受光デバイスと、この微少電流を電流−電圧変換した上で後段に接続されるテレビ受像器等に必要な受信感度にまでその信号を増幅する前置増幅により構成される。このような光受信器の扱う信号の周波数帯域は、ＣＡＴＶ等の場合にはチャネル数の増加につれて高周波側に伸び、現在では１ＧＨｚにまで達しようとしている。
【０００３】
この様な高周波信号を処理する際には信号を伝える伝送系のインピーダンスマッチングが非常に重要になってくる。特にインピーダンスマッチングのとれていない伝送系の上で微少信号を伝えようとする時には、不整合点での信号の反射が生じ、これが雑音・信号歪の原因となるため信頼性の高い伝送が不可能になってしまう。
【０００４】
光受信器の中で上記インピーダンスマッチングを考えてみる。ＰＤ（ＰｈｏｔｏＤｉｏｄｅ：フォトダイオード）の出力インピーダンスは数十ＭＨｚから１ＧＨｚの周波数帯域で数百Ωから数ｋΩある。一方アナログ高周波信号の増幅に適する前置増幅器の入力インピーダンスを、この様な高い値で設計することは困難で、一般には５０Ωあるいは７５Ωの入力インピーダンスの増幅器が使用される。そしてＰＤを５０Ωあるいは７５Ωの抵抗で終端することでインピーダンスマッチングを擬似的に実現している。しかし、この方法では増幅器の等価入力雑音を大きくさせることになり、雑音特性の面で好ましくない。そこでＰＤと前置増幅器の間に一次側数百Ω、二次側５０Ωあるいは７５Ωのインピーダンスマッチングトランスを挿入することがしばしば行われている。
【０００５】
ここでマッチングトランスは高周波特性の優れた磁性材料をドーナッツ状、あるいはめがね状に整形したものをコアとし、二本の巻線を所定のインピーダンス値に対応する回数だけこのコアに巻き付け、両巻線の一端を相互に接続したものが使用される。一般に１ＧＨｚもの高周波ではデバイス、回路素子の寄生容量、寄生インダクタンスをも考慮しなければ、回路の正確な特性は把握できない。
【０００６】
ＰＤは図２に示されるように、入射光信号に対応する電流源Ｉｓとこれに並列に接続された半導体の接合容量Ｃｊ、およびこの並列回路と直列に接続された拡散抵抗Ｒｊとで表される。またＰＤチップとパッケージのリードピンとを結ぶボンディングワイヤの寄生インダクタンスをＬｓ、リードピンとパッケージ外蓋との間等に形成される寄生容量をＣｓで集中定数的に表すことができる。ボンディングワイヤは径が数十μｍの細線を使用するが、約１ｎＨ／ｍｍのインダクタンス成分がある。１ＧＨｚの周波数では数Ωから数十Ωになり、ＰＤの拡散抵抗Ｒｊと同程度の値となって無視できなくなる。
【０００７】
この等価回路における光信号の伝達特性Ｖｏ／Ｉｓは、ＰＤの光−電気変換効率、前置増幅器の利得Ａには周波数特性がないと仮定すると、低周波側は前置増幅器の入力インピーダンスと段間結合コンデンサＣｃとで決められる。一方高周波側はＰＤの寄生素子、マッチングトランスのインダクタンス分、巻線間の寄生容量、トランスコアの損失等が複雑に関係するが、おおよそ１００ＭＨｚ付近からしだいに減衰が始まり、１ＧＨｚでは低周波側に比較し７〜８ｄＢも落ち込んでしまう。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従来この高周波側での落ち込みを補償する目的で、例えば欧州特許出願第３７２、７４２号に報告されているＰＤとマッチングトランスとの間に周波数特性補正用コイルＬｃを挿入する方法があった。ＬｃはＰＤの回路素子Ｃｊ、Ｃｓあるいはマッチングトランスの寄生容量との間で鈍い共振を引き起こす。このことによって数百ＭＨｚ帯の利得を増加させるのには効果があった。しかし、この方法で１ＧＨｚ付近の利得まで増加させて帯域特性を平坦化するには、ＰＤの接合容量Ｃｊ、寄生容量Ｃｓ、マッチングトランスの寄生容量等をきわめて小さい値にする必要があった。
【０００９】
このため、ＰＤチップをセラミックチップキャリア上に実装して寄生容量を減少させたり、周波数特性補正用コイルＬｃに空芯コイル用いるなどのコスト高の実装方法が必要であった。ＰＤのパッケージに光ファイバとの調芯、固定が容易なもの、あるいは表面実装可能なトランス、コイル等の一般的な部品を採用した場合には、６００ＭＨｚの帯域を確保するのが限界であり、光ＣＡＴＶで使用する７００ＭＨｚ〜１ＧＨｚ帯には対応できなかった。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る光受信器では、上記の課題を克服するためにＰＤのバイアス電源に接続される側の端子に、バイアス電源との間に周波数特性補正用のコイルを挿入する。 ＰＤのバイアス電源側の端子にも周波数特性補正素子を接続することで、中低域の特性を損なうことなく帯域上限近傍の利得を高めることが可能となる。
【００１１】
【発明の実施の態様】
以下実施例をもとに本発明の具体例と原理を説明する。
図１は本発明に係る光受信器の回路図であり、図２はその等価回路である。ＰＤ１と電源５との間には周波数特性補正用のコイルＬｄ７を挿入する。またＰＤ１と前置増幅器２との間にはマッチングトランス３が挿入され、さらにＰＤ１とマッチングトランス３の間には第２の周波数特性補正用素子としてコイルＬＣを接続する。マッチングトランス３の出力は直流遮断用の段間接続コンデンサＣＣを介して前置増幅器２に導かれる。前置増幅器２は入力インピーダンスが７５Ωで、帯域が５０ＭＨｚ〜８５０ＭＨｚの市販のビデオ増幅器を用いた。
【００１２】
ＰＤ１は光ＣＡＴＶで使用される波長１．３μｍあるいは１．５５μｍで感度を有し、かつ高速応答に優れたＧａＩｎＡｓを主材料とするＰＩＮフォトダイオードを、一般のＴＯ型パッケージに封止したものを用いた。この時の寄生容量をＣｓ、ボンディングワイヤ等の寄生インダクタンスＬｓはそれぞれ、０．４ｐＦ、２ｎＨ程度と見積もることができる。また拡散抵抗Ｒｊ、接合容量Ｃｊはダイオードのバイアス条件にも左右されるが、それぞれ約１０Ω、０．５ｐＦ程度である。
【００１３】
マッチングトランスはコア材をＮｉＺｎ（ジルコニア）とし、これをめがね状に整形加工したものに、二本の導線を各々４回ずつ巻き付けたものを使用した。このトランスの形状、巻数に対し一次側、二次側のインピーダンスはそれぞれ３００Ω、７５Ωとなる。
【００１４】
ＰＤの一端は本発明に係るコイルＬｄを介してバイアス電源Ｖｄｄに接続される。バイアス電源は交流的には接地とみなされるため、本受信器の等価回路は図２で表されるものとなる。図２でマッチングトランスは理想的なトランスと仮定し、一次側はＮ2×Ｒｉｎの純抵抗、二次側は電流源として表した。
【００１５】
以下本発明の原理について説明する。
【００１６】
第２の周波数特性補正用コイル（Ｌｃ）からみた信号源インピーダンスをＺｓとして表すと、図２の等価回路図はさらに簡略化されて図３のように表すことができる。この回路の伝達関数Ｇ（ｓ）＝Ｖｏ／Ｉｓは前置増幅器の利得をＡとすれば、
【数１】
0003858304.tif 000002
で表される。すなわち、Ｇ（ｓ）は信号源インピーダンスＺｓの関数となり、ＰＤが理想的な信号源とみなせＺＳが大きい低周波では飽和値Ｇ0＝Ａ・Ｎ・Ｒｉｎに等しく、Ｚｓが小さくなるのにつれて伝達関数Ｇ（ｓ）は小さくなる。伝達関数の値を高域側でも低下させないためには、Ｚｓを高周波側でも小さくしない周波数特性の補正が必要となる。
【００１７】
ここで信号源インピーダンスについてさらに検討する。図４は本発明に係る周波数特性補正用コイルＬｄを備えている時の信号源の等価回路である。まず補正コイルＬｄを備えていない従来の例はＬｄ＝０の場合、すなわちＬｄが短絡された場合にについて検討する。信号源の出力電圧をＶｓとすると、信号源インピーダンスＺｓ＝Ｖｓ／Ｉｓは
【数２】
0003858304.tif 000003
で表される。ＰＤの寄生容量、接合容量、寄生インダクタンス、拡散抵抗、をそれぞれ０．５ｐＦ、０．５ｐＦ、２ｎＨ、１０Ωとして、周波数１ＧＨｚでの各項の寄与分を見積もると、２式の分母の第２括弧内の項は近似的に１とみなせ、信号源インピーダンスは寄生容量と接合容量のみにほぼ依存する関係、Ｚｓ＝１／ｓ／（Ｃｓ＋Ｃｊ）となる。そしてこの時の伝達関数Ｇ（ｓ）は
【数３】
0003858304.tif 000004
となる。周波数特性補正用コイルＬｃのない場合には（第３式でＬｃ＝０の場合で周波数特性補正が一切なされていない回路に相当する）、理想的なインピーダンスマッチングトランスを使用しても
【数４】
0003858304.tif 000005
の関係で決定される遮断周波数ｆcより高域側では伝達特性、すなわち利得は低下してしまう。寄生容量Ｃｓ、接合容量Ｃｊ、Ｒｉｎ、Ｎにそれぞれ実際の値を代入してこの時の遮断周波数ｆcを計算すると、ｆc＝５３０ＭＨｚとなる。
【００１８】
次に、周波数特性補正用コイルＬｃを挿入した時には、３式の分母第１項と第２項の和が共振項として作用し、ｆ0＝１／２π√［Ｌｃ（Ｃｓ＋Ｃｊ）］で共振現象が起こる。例えばＬｃとして７０ｎＨのコイルを用いたとするとｆ０〜６００ＭＨｚとなり、この周波数近傍の利得を増加させることが可能となる。但し、共振が最も作用している周波数ｆ＝ｆ0での伝達関数の値は
【数５】
0003858304.tif 000006
であり、Ｌｃの挿入されていない時のカットオフ周波数ｆcより高い周波数（ｆ0＞ｆc）では、例えＬｃを挿入して共振現象を起こし利得を増加させたとしても、その時の利得は低周波での利得Ｇ0を上回ることはできない。すなわちＬｃの挿入をもってしても、ｆ0より高域側の補償はできないことが示される。
【００１９】
次に本発明に係る周波数特性補正用コイルＬｄが接続された場合について検討する。すなわち図４においてＬｄが有限の値を持つ場合について考える。この時の信号源インピーダンスＺｓは近似的に
【数６】
0003858304.tif 000007
となり、その時の伝達関数Ｇ（ｓ）は第６式を第１式に代入することで与えられ、
【数７】
0003858304.tif 000008
となる。この場合には式７の分母第２括弧内も共振項として作用し、この項に起因する共振周波数ｆ1は
【数８】
0003858304.tif 000009
となる。そして周波数ｆ1での伝達関数の値はＧ（ｆ＝ｆ1）＝Ｇ0となり、Ｌｄの挿入によりｆcより高い周波数で、少なくとも低周波側と同じ利得を得ることが可能となる。
【００２０】
図５は本発明による周波数特性補正効果を表すグラフである。実線ａは補正用回路素子が一切挿入されていない場合、ｂはＰＤとマッチングトランスとの間にコイルＬｃのみ挿入した場合、そしてｃはＬｃに加えてＰＤの電源バイアス端子側に本発明に係るＬｄを挿入した時の様子を表す。ここで寄生容量、接合容量については各々０．５ｐＦ、寄生インダクタンスは２ｎＨ、拡散抵抗は１０Ωを用い、周波数特性補正用コイルＬｃ、Ｌｄはそれぞれ図に示された値を用いた。
周波数特性補正の一切ない場合の高域カットオフ周波数は低域側の値を基準にこれより３ｄＢ低下した周波数として約５５０ＭＨｚ、Ｌｃだけの補正の場合には第１の共振周波数ｆ0として６１０ＭＨｚが求められる。しかし、上記検討にもある様にｆ＝ｆ0の点では出力レベルは低周波の値まで回復されるには至らず、出力レベルの低下を補う程度にとどまっている。補正用コイルＬｄを追加した時、このコイルによる共振周波数ｆ1は９８０ＭＨｚと計算され、出力レベルは低周波での値を上回るまで補正されることが示される。
【００２１】
受光デバイスとしてはＰＩＮフォトダイオードに限らずアバランシェダイオード、金属−半導体−金属（Ｍｅｔａｌ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ−Ｍｅｔａｌ：ＭＳＭ）型のデバイスを用いても同様な効果が期待できる。前置増幅器の入力インピーダンスも７５Ωに限らず５０Ω系の回路を用いることももちろん可能である。
【００２３】
【効果】
本発明による周波数特性補正回路を光受信器の受光デバイスのバイアス端子側に接続することで、中低域の周波数特性に影響を及ぼすことなく高域側の遮断周波数より高い周波数でも適切に補正を施すことが可能となる。その結果、従来は受光デバイス自身の高周波特性の改善、あるいは特殊パッケージの採用等の手段に限られていた光受信器の高域特性の改善に、回路技術で対応することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る光受信器の回路接続を説明する図。
【図２】  寄生素子を考慮し、これを集中定数的に表した本発明の光受信器の等価回路。
【図３】  図２の等価回路でフォトダイオードを内部抵抗Ｚｓと光入力に対応する電流源Ｉｓとで表した等価回路図。
【図４】  寄生素子も考慮した信号源の等価回路。
【図５】  周波数特性の補正効果を説明するグラフ。
【符号の説明】
１：受光デバイス  ＰＤ
２：前置増幅器
３：インピーダンスマッチングトランス
４：第２の周波数特性補償用インダクタ  Ｌｃ
５：バイアス電源  Ｖｄｄ
６：段間結合コンデンサ  Ｃｃ
７：第１の周波数特性補償用インダクタ  Ｌｄ
【図１】
0003858304.tif 000010
【図２】
0003858304.tif 000011
【図３】
0003858304.tif 000012
【図４】
0003858304.tif 000013
【図５】
0003858304.tif 000014