JP2008135974A - 光受信回路 - Google Patents
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Abstract
【課題】信号光量が小さい場合であっても信号振幅を精度よく検出できる光受信回路を提供する。
【解決手段】光受信回路1aは、光信号Pinを受けるPD2からの光電流Ipdに基づいて電気的な受信信号Srを生成する回路であって、光信号Pinの振幅を検出する振幅検出回路9を備えている。振幅検出回路9は、光電流Ipdに基づく信号S2と閾値電圧V0との比較を示す二値信号Saを出力する識別部17と、振幅が所定の確率密度分布を有する重畳信号Sxを信号S2または閾値電圧V0のいずれか一方に重畳する信号重畳部13と、二値信号Saを平均化する平均化部19とを有する。振幅検出回路9は、光信号Pinの振幅を示す信号Sampを平均化部19の出力に基づいて生成する。
【選択図】 図1
【解決手段】光受信回路1aは、光信号Pinを受けるPD2からの光電流Ipdに基づいて電気的な受信信号Srを生成する回路であって、光信号Pinの振幅を検出する振幅検出回路9を備えている。振幅検出回路9は、光電流Ipdに基づく信号S2と閾値電圧V0との比較を示す二値信号Saを出力する識別部17と、振幅が所定の確率密度分布を有する重畳信号Sxを信号S2または閾値電圧V0のいずれか一方に重畳する信号重畳部13と、二値信号Saを平均化する平均化部19とを有する。振幅検出回路9は、光信号Pinの振幅を示す信号Sampを平均化部19の出力に基づいて生成する。
【選択図】 図1
Description
本発明は、光受信回路に関するものである。
一般的に、光通信に用いられる光受信器においては、入力した光信号を電気信号に復号する信号系回路とは別に、通信状態が良好か否かを確認する目的から、光信号の有無や光強度を検出するためのSD(Signal Detect)回路が設けられている。通常、その方式としては例えば次の二つがある。一つは、光電流を平均化した後に電流電圧変換を行う方式である。これには、フォトダイオード(以下、PDと略記する)のバイアス端子(入力した光信号を電気信号に復号する信号系回路の電流電圧変換部が接続される端子と反対側の端子)に光電流の平均化回路を接続し、高周波のパルス状である光電流の平均値に応じたDC信号を生成するものが多い。また、他の一つは、光電流を電流電圧変換して得られた電圧信号の振幅に応じた信号を生成する方式である。
このうち、後者の方式は、SD回路以外にも、バースト信号を受信する回路における閾値決定に用いられる場合があり、様々な方式が考えられている。例えば、特許文献1に記載された回路は、図10に示すように、光信号Pinを光電流Iに変換する受光素子101と、光電流Iを電圧信号Sに変換する電流電圧変換部103と、電圧信号Sのピークを平滑化し、この平滑化信号から閾値信号Sthを生成するピークホールド回路105及び分圧回路107と、電圧信号S及び閾値信号Sthの差電圧を増幅する差動増幅部109と、差動増幅部109の出力の大きさに応じて信号を識別するコンパレータ111とを備えている。また、特許文献2に記載された回路は、電流電圧変換部に入力される光電流の一部をモニタし、ピーク検出を行うことによりバイアス電圧を生成して、このバイアス電圧を後段の主増幅器(オートゲインコントロールアンプ)に提供している。
特開平5−7113号公報
特開平11−234056号公報
しかしながら、上述した従来のSD回路には次の問題点がある。すなわち、従来のSD回路の入力信号においては、入力される光信号の光量が少ないと、前置増幅器や主増幅器において発生するノイズが支配的となってしまう。図11は、光信号の光量とSD回路の出力との典型的な相関を示すグラフである。このグラフに示すように、光信号の光量が大きい場合は光量とSD回路出力とが良好な比例関係を保つが、光信号の光量が小さくなると、SD回路出力がノイズに影響されてしまい、SD回路出力と光信号の光量とが乖離してしまう。
本発明は、上記した問題点を鑑みてなされたものであり、信号光量が小さい場合であってもノイズの影響を抑えて信号振幅を精度よく検出できる光受信回路を提供することを目的とする。
上記した課題を解決するために、本発明による光受信回路は、光信号を受けるフォトダイオードからの光電流に基づいて電気的な受信信号を生成する光受信回路であって、光信号の振幅を検出する振幅検出回路を備えており、振幅検出回路が、光電流と閾値との比較を示す二値信号を出力する識別部と、振幅が所定の確率密度分布を有する重畳信号を光電流または閾値のいずれか一方に重畳する信号重畳部と、二値信号を平均化する平均化部とを有し、振幅検出回路は、光信号の振幅を示す信号を平均化部の出力に基づいて生成することを特徴とする。
上記した光受信回路においては、識別部に入力される前の光電流または閾値のいずれか一方に、重畳信号が重畳される。重畳信号は、所定の確率密度分布を有する信号であり、例えばガウス分布に従って変動する白色雑音や、或いは所定の電圧範囲内に一様に分布する正弦波などが好適に用いられる。以下、白色ガウス雑音が光電流に重畳された場合を例に説明する。このとき、識別部に入力される光電流の値は、白色雑音が重畳される前のHレベルに相当する電圧値及びLレベルに相当する電圧値を極大とする二つのガウス分布の重ね合わせに応じた頻度で出現することとなる。
識別部は、白色ガウス雑音が重畳された光電流と閾値とを比較して二値信号を生成する。このとき、重畳前における光電流のHレベルが大きいほど、光電流が閾値を頻繁に超えることとなり、光電流が閾値を超えたことを示す二値信号値(例えば1[V])の合計出現時間が増大する。逆に、重畳前における光電流のHレベルが小さいほど、光電流が閾値を超える頻度が少なくなり、この二値信号値の合計出現時間が減少する。
そして、二値信号は平均化部により時間的に平均化される。例えば、二値信号値の他方(光電流が閾値を超えないことを示す二値信号値)が0[V]である場合、平均化部からの出力の大きさは、光電流が閾値を超えたことを示す信号値1[V]の出現確率と同値となる。すなわち、平均化部からの出力は、白色ガウス雑音が重畳される前の光電流のHレベルに応じた値となる。従って、光信号の振幅を示す信号を平均化部の出力に基づいて生成することにより、信号振幅を好適に検出できる。なお、白色ガウス雑音が光電流ではなく閾値に重畳された場合であっても、識別部において上記と同様の二値信号が得られるので、信号振幅を同様に検出できる。
重畳信号が白色ガウス雑音である場合について説明したが、重畳信号が所定の確率密度分布で時間的に変動する信号であれば、上記作用と同様の作用が得られる。このように、上記した光受信回路によれば、重畳信号を光電流または閾値に重畳し、光電流が閾値を超える合計時間(すなわち平均化部からの出力)に基づいて信号振幅を検出するので、前置増幅器などでノイズが発生してもその影響は極めて軽微であり、光信号の振幅を精度よく検出できる。
また、光受信回路は、閾値が一定値であることを特徴としてもよい。或いは、閾値が平均化部の出力に応じて変化することを特徴としてもよい。例えばこれらの構成によって、上述した本発明の効果を好適に得ることができる。
また、光受信回路は、所定の確率密度分布がガウス分布であることを特徴としてもよく、或いは、所定の確率密度分布が、所定の電圧範囲内における一様分布であることを特徴としてもよい。これらのうち何れかの確率密度分布を有する重畳信号を光電流または閾値に重畳することにより、光電流のHレベルに応じた二値信号を好適に得ることができる。
本発明による光受信回路によれば、光信号の光量が小さい場合であってもノイズの影響を抑えて光信号の振幅を精度よく検出できる。
以下、添付図面を参照しながら本発明による光受信回路の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
(第1の実施の形態)
図1は、本発明による光受信回路の第1実施形態として、光受信回路1aの構成を示すブロック図である。同図に示す光受信回路1aは、フォトダイオード(以下PDとする)2といった受光素子に入力された光信号Pinを、電気信号である受信信号Srに変換する。光受信回路1aは、バイアス回路3、前置増幅器5、主増幅器7、及び振幅検出回路9を備えている。
図1は、本発明による光受信回路の第1実施形態として、光受信回路1aの構成を示すブロック図である。同図に示す光受信回路1aは、フォトダイオード(以下PDとする)2といった受光素子に入力された光信号Pinを、電気信号である受信信号Srに変換する。光受信回路1aは、バイアス回路3、前置増幅器5、主増幅器7、及び振幅検出回路9を備えている。
バイアス回路3は、PD2のカソード側に接続されており、PD2にバイアス電圧を供給する。これにより、PD2には光信号Pinに応じた大きさの光電流Ipdが高速に流れる。
前置増幅器5は、PD2が出力する光電流Ipdを電圧信号S1に変換する。前置増幅器5は、いわゆるトランスインピーダンスアンプか、またはハイインピーダンスアンプといった回路を含む。前置増幅器5は、光電流Ipdを入力し、光電流Ipdに応じた大きさの信号S1を出力する。
主増幅器7は、前置増幅器5から出力された信号S1に対して波形成形および増幅を行い、受信信号Srを生成する。主増幅器7から出力された受信信号Srは、出力端子8を介して光受信回路1aの外部へ提供される。
振幅検出回路9は、前置増幅器5の出力端に接続されており、前置増幅器5から出力された信号S1に基づいて、光信号Pinの振幅を示す信号Sampを生成する。本実施形態の振幅検出回路9は、バッファ11、信号重畳部13、定電圧源15、識別部17、及び平均化部19を有する。
バッファ11は、前置増幅器5の後段に設けられており、信号S1を受けて同信号を出力する。信号重畳部13は、バッファ11から出力された信号S1に重畳信号Sxを重畳する。ここで、重畳信号Sxとは、その振幅がガウス分布などの所定の確率密度分布を有する信号であり、例えば白色ガウス雑音とすることができる。信号重畳部13は、重畳信号源13a及び加算器13bを含み、加算器13bは、バッファ11からの信号S1に重畳信号源13aからの重畳信号Sxを重畳した信号S2を識別部17へ出力する。なお、本実施形態では、加算器13bと識別部17との間に交流結合用のコンデンサ21が接続されており、加算器13bから出力された信号S2の直流成分が除去される。なお、加算器13bはトランジスタを用いたアナログ加算器を用いてもよいが、重畳信号源13aの出力を、抵抗を介してコンデンサ21に接続し、バッファ11の出力も別の抵抗を介してコンデンサ21に接続するという抵抗ネットワークでも簡易に構成できる。
定電圧源15は、識別部17へ入力される閾値電圧V0を生成する。なお、本実施形態では閾値電圧V0を定電圧源15において生成しているが、閾値電圧V0は、光受信回路1aの外部から入力されてもよい。なお、コンデンサ21と識別部17を結ぶ配線もV0とは異なる電圧でバイアスされていなければならない。以下では説明のため、当該配線は接地電位にバイアスされているものとする。
識別部17は、信号S2と閾値電圧V0とを比較した結果を示す二値信号Saを生成する。その同相入力は加算器13b及びバッファ11を介して前置増幅器5に接続されており、逆相入力は定電圧源15に接続されている。識別部17は、信号S2が閾値電圧V0を超えた場合に、二値信号Saとして所定電圧(例えば1V)を出力する。また、信号S2が閾値電圧V0よりも小さい場合に、別の所定電圧(例えば0V)を出力する。
平均化部19は、識別部17から出力された二値信号Saを平均化する。平均化部19は、例えば抵抗及び容量からなる積分回路とすることができる。平均化部19は、二値信号Saを入力してその平均値を出力する。平均化部19の出力は外部出力端子23に接続されており、平均化部19からの出力信号は、光信号Pinの振幅を示す信号Sampとして、外部出力端子23を介して光受信回路1aの外部に取り出される。
続いて、光受信回路1aによる作用について詳細に説明する。なお、以下の説明において、光信号PinがHレベルの時の光強度に対応する信号S1の値をVHとし、光信号PinがLレベルの時の光強度に対応する信号S1の値をVLとする。
いま、説明を容易にするため、識別部17に入力される信号S2が閾値電圧V0を超えたときに識別部17から出力される二値信号Saの大きさを1Vとし、信号S2が閾値電圧V0を超えないときに識別部17から出力される二値信号Saの大きさを0Vとする。また、図2に示すグラフのように、前置増幅器5から出力される信号S1のHレベルの割合、すなわち光信号Pinのマーク率が1/2で、且つ信号S1の各ビットの立ち上がり及び立ち下がりが瞬時に行われるような場合を仮定する。
今、説明のために、重畳される信号の振幅がガウス分布に従う雑音信号(信号S1とは無相関)であるとする。信号S1には重畳信号Sxが加算されて(S2=S1+Sx)識別部17に入力される。ここで、図3(a)及び図3(b)は、この例において信号S2の振幅分布を説明する図である。図3(a)は信号S1の波形であり、図3(b)は信号S2の振幅分布(すなわち、各電圧値の出現確率を示す確率密度関数)を示している。図3(a)に示す信号S1に、振幅がガウス分布を有する信号Sxが重畳された場合、識別部17に入力される信号S2の値は、図3(b)に示すように、Hレベルの電圧値VH及びLレベルの電圧値VLを極大とする二つのガウス分布の重ね合わせに応じた頻度で出現することとなる。なお、本実施形態では信号S2が交流結合用のコンデンサ21を通過しているので、電圧値VH及びVLの中間値(VH+VL)/2は接地電位となる。
本実施形態の光受信回路1aでは、図3(b)に示したような信号S2の電圧分布を利用して、信号S1の振幅(Hレベルの電圧値VHとLレベルの電圧値VLとの差)を以下のように求める。
二値信号Saが1Vになる頻度(すなわち、信号S2が閾値電圧V0を超える頻度)をP(V0)とすると、二値信号Saが0Vになる頻度は、1−P(V0)である。なお、P(V0)は、信号S2の確率密度分布に対応し、V0から+∞まで積分したもの(図3(b)参照)である。従って、二値信号Saを平均化した信号Sampが、P(V0)となる。いま、光信号Pinの振幅が増大して電圧VHが大きくなると、P(V0)も増大するので信号Sampの値が大きくなる。逆に、光信号Pinの振幅が減少して電圧VHが小さくなると、P(V0)も減少するので信号Sampの値が小さくなる。つまり、信号Sampの値は、光信号Pinの振幅に応じて変動することとなり、信号Sampの値を参照することによって光信号Pinの振幅を知ることができる。
図4(a)〜図4(c)は、重畳信号Sxとして好ましくない信号の一例を説明するための図である。図4(a)は、信号S1の波形を示し、図4(b)及び図4(c)は、重畳信号Sxが重畳された信号S2の振幅分布のうち、Hレベル電圧値VHに対応する電圧分布の一例(図4(b))及びLレベル電圧値VLに対応する電圧分布の一例(図4(c))をそれぞれ示す。この例では、重畳信号Sxとして一定範囲内での電圧分布が一様である信号(三角波など)を例に挙げて説明する。
図4(a)〜図4(c)に示すように、重畳信号Sxの分布の半分(振幅a)が信号S1の振幅(VH−VL)よりも大きい場合、Hレベル時の信号S2の電圧分布(図4(b))とLレベル時の信号S2の電圧分布(図4(c))とが部分的に打ち消し合ってしまう。このような場合には、重畳信号Sxとして不適となる。なお、重畳信号Sxの電圧分布がガウス分布などの一様でない分布である場合には、このような問題は生じない。
従って、重畳信号Sxが三角波のように電圧分布が一様である場合には、例えば図5(b),図5(c)に示すように、重畳信号Sxの分布範囲(振幅a)を信号S1の振幅(VH−VL)より小さく設定することが望ましい。なお、図5(b)及び図5(c)は、信号S2の振幅分布のうち、Hレベル電圧値VHに対応する確率密度分布の一例(図5(b))及びLレベル電圧値VLに対応する確率密度分布の一例(図5(c))をそれぞれ示す。また、図5(a)は、図5(a)と同様の信号S1の波形を示す。図5(b),図5(c)に示すグラフにおいては、重畳信号Sxの分布の半分(振幅a)が信号S1の振幅(VH−VL)よりも十分に小さくなっており、P(V0)すなわち信号Sampの値が光信号Pinの振幅を好適に表すことができる。この場合においては、平均化部19の出力からフィードバックをかけて、振幅aを制御した方が回路のダイナミックレンジを大きく取れる。
なお、本実施形態の前置増幅器5は、トランスインピーダンスアンプ及びハイインピーダンスアンプの何れであってもよい。トランスインピーダンスアンプは、大きな利得を実現できる。また、ハイインピーダンスアンプは、一般的にオフセット(無入力時の出力電圧)の変動が小さい。また、重畳信号Sxとしては、デジタル回路を用いて擬似ランダム信号を発生させることにより生成された擬似ノイズを用いてもよい。また、前置増幅器5の出力雑音が十分大きい場合には、信号重畳部13を前置増幅器5に兼ねさせることができる。
次に、本実施形態の光受信回路1aにおいて、従来のピーク検出方式と比較してノイズによる影響が軽微である理由について説明する。
従来のピーク検出方式においては、電流電圧変換によって得られた信号に関し、或る時間内で最も高い電圧値を保持する方式が採用されていた。従って、信号にノイズが重畳されると、そのノイズによるピークレベルを保持してしまう。これにより、検出されたピークレベルは、本来のピークレベルに対して大きな誤差を含むこととなる。
これに対し、本実施形態の光受信回路1aにおいては、信号S1の電圧値に分布を与え、所定値(閾値電圧V0)を超えた時間(すなわち確率密度関数における閾値電圧V0以上の積分値)を測定し、その測定結果(すなわち平均化部19からの出力信号Samp)に基づいて光信号Pinの振幅を推定している。従って、ノイズによって瞬間的に信号S1の電圧値が高くなったとしても、平均化部19において平均化することにより、その影響を極めて小さくできる。また、信号S1に重畳されるノイズの多くは、時間的に平均化すると相殺されてほぼゼロになるので、平均化部19においてその影響をほぼ相殺できる。
次に、重畳信号Sxを信号S1に重畳する理由、及び重畳信号Sxの電圧分布としてガウス分布が好ましい理由について説明する。
いま、仮に重畳信号Sxを重畳しない場合について検討する。ここで、図6(a)〜図6(c)は、重畳信号Sxを重畳しない場合の信号の電圧分布を示す。図6(a)に示すようなHレベル電圧値VH、Lレベル電圧値VLの信号S1がそのまま識別部17に入力されると、その振幅の確率密度分布は、図6(b)に示すように二つのデルタ関数B1,B2からなる分布となる。この場合、Hレベル電圧値VHが識別部17の閾値電圧V0よりも小さければ識別部17は二値信号Saとしてローレベル(0V)を出力し続ける。逆に、Hレベル電圧値VHが閾値電圧V0より大きいと、識別部17が二値信号Saとしてハイレベル(1V)を出力し続ける。従って、信号Sampは連続的な量ではなくなり、光信号Pinの振幅の大きさを表すことはできない。
これに対し、本実施形態のように信号S1に重畳信号Sxを重畳して識別部17へ入力すれば、識別部17からの二値信号Saを平均化することによって信号S1と閾値電圧V0との乖離の程度がわかる。これにより、光信号Pinの振幅の大きさを知ることができる。
特に、重畳信号Sxとしてその振幅の確率密度がガウス分布に従う信号(白色ガウス雑音など)を用いると、(1)重畳信号Sxのパワー(電力)の制御精度は低くてもよい、(2)信号S1のHレベル電圧値VHがいかなる電圧値であっても安定的に光信号Pinの振幅を知ることができる、といった利点が得られる。
なお、図6(a)〜(c)に基づいて説明したような現象は、重畳信号Sxの電圧範囲が極端に狭いとき(すなわちHレベル電圧値VH及びLレベル電圧値VLの近傍でのみ0にならないような分布のとき)にも生じ易い。つまり、Hレベル電圧値VHが閾値電圧V0に近く、閾値電圧V0が重畳信号Sxの狭い電圧範囲内にあれば問題ないが、Hレベル電圧値VHが閾値電圧V0から離れてしまうと、前記現象と同様の現象が引き起こされる。このことからも、所定の電圧範囲内で一様に分布するような信号を重畳信号Sxとして用いる場合には、その電圧範囲を、予想される信号S1の振幅変動幅に応じて設定することが好ましい。なお、ガウス分布は平均値近傍に大部分が集中しており、平均値から離れるにつれて減少している。重畳信号Sxとしてこのような分布を有する雑音信号を用いた場合には、この電圧範囲(ガウス分布の場合には電力)の設定をしてもよいが、その制御精度が低くてもよいという利点がある。
以上に説明したように、本実施形態の光受信回路1aにおいては、光電流Ipdに基づく信号S1に重畳信号Sxを重畳し、重畳後の信号S2が閾値電圧V0を超える頻度(すなわち平均化部19からの出力信号Samp)に基づいて光信号Pinの振幅を検出している。従って、信号S1にノイズが含まれていてもその影響は極めて軽微であり、光信号Pinの振幅を精度よく検出できる。
また、重畳信号Sxとしてその振幅がガウス分布を有する雑音信号を用いると、前置増幅器5の低い入力インピーダンスに起因する雑音とほぼ同じ分布のため設計も簡易である。
なお、ここまでは主に光受信回路1a内で発生した雑音に対する効果について記述したが、本実施形態は外部からのノイズに対しても有効である。外部から回り込んでくる雑音は、単発的ではあるが、従来の技術ではやはり、雑音のレベルを保持してしまうという欠点がある。しかしながら、外部からの雑音も、その回りこみの経路が静電結合にせよ、誘導型にせよ、時間平均すれば0になるため、上記の理由により本実施形態は外部からのノイズの影響を殆ど受けないのである。
(第2の実施の形態)
図7は、本発明による光受信回路の第2実施形態の構成を示すブロック図である。同図に示す光受信回路1bは、PD2に入力された光信号Pinを、電気信号である受信信号Srに変換する。光受信回路1bは、バイアス回路3、前置増幅器5、主増幅器7、及び振幅検出回路91を備えている。これらのうち、バイアス回路3、前置増幅器5、及び主増幅器7の構成については、上記した第1実施形態と同様なので詳細な説明を省略する。
図7は、本発明による光受信回路の第2実施形態の構成を示すブロック図である。同図に示す光受信回路1bは、PD2に入力された光信号Pinを、電気信号である受信信号Srに変換する。光受信回路1bは、バイアス回路3、前置増幅器5、主増幅器7、及び振幅検出回路91を備えている。これらのうち、バイアス回路3、前置増幅器5、及び主増幅器7の構成については、上記した第1実施形態と同様なので詳細な説明を省略する。
本実施形態の振幅検出回路91は、バッファ11、信号重畳部13、識別部25、平均化部27、誤差アンプ29、及び可変電圧源31を有する。
バッファ11は、前置増幅器5の後段に設けられており、信号S1を受けて同信号を出力する。信号重畳部13は、バッファ11から出力された信号S1に重畳信号Sxを重畳する。信号重畳部13の構成(重畳信号源13a及び加算器13b)および機能(重畳信号Sxの性質)については、第1実施形態と同様である。また、本実施形態においても、加算器13bの後段に交流結合用のコンデンサ21が接続されており、信号S2の直流成分が除去される。
識別部25は、後述する可変電圧源31から出力された閾値電圧V1と信号S2とを比較した結果を示す二値信号Saを生成する。その同相入力は加算器13b及びバッファ11を介して前置増幅器5に接続されており、逆相入力は可変電圧源31に接続されている。識別部25は、信号S2が閾値電圧V1を超えた場合に、二値信号Saとして所定電圧(例えば1V)を出力する。また、信号S2が閾値電圧V1よりも小さい場合に、別の所定電圧(例えば0V)を出力する。
平均化部27は、識別部25から出力された二値信号Saを平均化する。平均化部27は、例えば抵抗及び容量からなる積分回路とすることができる。平均化部27は、二値信号Saを入力し、その平均値を示す信号Saveを誤差アンプ29へ出力する。誤差アンプ29は、平均化部27からの信号Saveと所定の電圧値V2との差電圧を示す信号Sdを出力する。
可変電圧源31は、識別部25へ入力される閾値電圧V1を信号Sdに基づいて生成する。可変電圧源31は、誤差アンプ29から信号Sdを受け、信号Sdが大きくなると閾値電圧V1を上昇させ、信号Sdが小さくなると閾値電圧V1を低下させる。つまり、光信号Pinの振幅が小さくなり信号Saveが低下すると、可変電圧源31は閾値電圧V1を下げることによって信号Saveを上昇させる。逆に、光信号Pinの振幅が大きくなり信号Saveが上昇すると、可変電圧源31は閾値電圧V1を上げることによって信号Saveを低下させる。
誤差アンプ29の出力には外部出力端子33が接続されており、光信号Pinの振幅を示す信号として信号Sdが取り出される。或いは、図7に破線で示すように、可変電圧源31の出力に外部出力端子35が接続され、光信号Pinの振幅を示す信号として閾値電圧V1が取り出されても良い。
本実施形態のように、光受信回路1bにおいては閾値電圧V1が平均化部27の出力に応じて変化してもよい。このような構成の場合、光信号Pinの振幅が小さくなると信号Sd及び閾値電圧V1が低下し、光信号Pinの振幅が大きくなると信号Sd及び閾値電圧V1が上昇する。従って、信号Sd及び閾値電圧V1が光信号Pinの振幅を表すこととなり、外部出力端子33において信号Sdを参照するか、或いは外部出力端子35において閾値電圧V1を参照することによって、光信号Pinの振幅を好適に検出できる。なお、本実施形態においても第1実施形態と同様、信号S1に重畳信号Sxが重畳されるので、前置増幅器5等において発生するノイズの影響を軽減し、光信号Pinの振幅を精度よく検出できる。
(第3の実施の形態)
図8は、本発明による光受信回路の第3実施形態の構成を示すブロック図である。同図に示す光受信回路1cは、PD2に入力された光信号Pinを、電気信号である受信信号Srに変換する。光受信回路1cは、バイアス回路3、前置増幅器51、主増幅器71、及び振幅検出回路93を備えている。
図8は、本発明による光受信回路の第3実施形態の構成を示すブロック図である。同図に示す光受信回路1cは、PD2に入力された光信号Pinを、電気信号である受信信号Srに変換する。光受信回路1cは、バイアス回路3、前置増幅器51、主増幅器71、及び振幅検出回路93を備えている。
前置増幅器51は、PD2が出力する光電流Ipdを、差動電圧信号である信号S3に変換する。前置増幅器51は、いわゆるトランスインピーダンスアンプか、またはハイインピーダンスアンプといった回路を含む。前置増幅器51は、光電流Ipdを入力し、光電流Ipdに応じた大きさの信号S3を出力する。主増幅器71は、前置増幅器51から出力された信号S3に対して波形成形および増幅を行い、受信信号Srを生成する。主増幅器71から出力された受信信号Srは、出力端子8を介して光受信回路1cの外部へ提供される。
振幅検出回路93は、前置増幅器51の出力端に接続されており、前置増幅器51から出力された信号S3に基づいて、光信号Pinの振幅を示す信号を生成する。本実施形態の振幅検出回路93は、バッファ35、信号重畳部37、識別部39、平均化部27、誤差アンプ29、及び可変電圧源45を有する。これらのうち、平均化部27及び誤差アンプ29の構成は、第2実施形態と同様である。
バッファ35は、前置増幅器51の後段に設けられており、差動信号である信号S3を受けて同信号を出力する。信号重畳部37は、バッファ35から出力された信号S3の正相信号及び逆相信号の双方に重畳信号Sxを重畳する。本実施形態の信号重畳部37は、重畳信号源37a及び加算器37b,37cを含む。加算器37bは、バッファ35からの信号S3の正相側に重畳信号源37aからの重畳信号Sx1を重畳し、識別部39へ出力する。加算器37cは、バッファ35からの信号S3の逆相側に重畳信号源37aからの重畳信号Sx2を重畳し、識別部39へ出力する。重畳信号Sx1及びSx2は、第1実施形態の重畳信号Sxと同様の信号(振幅がガウス分布や一様分布といった所定の確率密度分布を有する信号)であり、信号Sx1と信号Sx2とは互いに反転した関係にある。なお、加算器37bと識別部39との間、及び加算器37cと識別部39との間には、それぞれ交流結合用のコンデンサ47a及び47bが接続されており、加算器37b,37cから出力された差動信号S4の直流成分が除去される。
識別部39は、可変電圧源45によって生成される閾値電圧V2と差動信号S4とを比較した結果を示す二値信号Saを生成する。識別部39の同相入力は加算器37b及びバッファ35を介して前置増幅器51に接続されており、逆相入力は加算器37c及びバッファ35を介して前置増幅器51に接続されている。また、可変電圧源45は、可変電流源45a及び抵抗45bを有する。抵抗45bは識別部39の同相入力と逆相入力との間に接続されており、可変電流源45aは抵抗45bへ電流を供給する。この構成によって、抵抗45bの両端に閾値電圧V2が発生し、この閾値電圧V2が差動信号S4にバイアス成分として重畳される。識別部39は、信号S4が入力される同相入力端子の電圧と逆相入力端子の差が−V2を超えた場合に、二値信号Saとして所定電圧(例えば1V)を出力する。また、信号S4が閾値電圧−V2よりも小さい場合に、二値信号Saとして別の所定電圧(例えば0V)を出力する。二値信号Saは、平均化部27において平均化される。
可変電圧源45の可変電流源45aは、抵抗45bへ流す電流を信号Sdに基づいて生成する。可変電流源45aは、誤差アンプ29から信号Sdを受け、信号Sdが大きくなると閾値電圧−V2が上昇し、信号Sdが小さくなると閾値電圧−V2が低下するように、電流を生成する。つまり、光信号Pinの振幅が小さくなり信号Saveが低下すると、可変電圧源45は閾値電圧−V2を下げることによって信号Saveを上昇させる。逆に、光信号Pinの振幅が大きくなり信号Saveが上昇すると、可変電圧源45は閾値電圧−V2を上げることによって信号Saveを低下させる。
誤差アンプ29の出力には外部出力端子33が接続されており、光信号Pinの振幅を示す信号として信号Sdが取り出される。
本実施形態の光受信回路1cのように、前置増幅器51の後段が差動ラインを構成している場合であっても、光信号Pinの振幅を好適に検出できる。また、信号S3の正相側及び逆相側のそれぞれに重畳信号Sx1,Sx2が重畳されるので、前置増幅器51等において発生するノイズの影響を軽減し、光信号Pinの振幅を精度よく検出できる。また、本実施形態の光受信回路1cは前述の光受信回路1bの変形例である。この変形例では、簡易な回路構成で識別器39の正相入力と逆相入力の間に精度よく電位差V2を発生させることができるという利点もある。
(第4の実施の形態)
図9は、本発明による光受信回路の第4実施形態の構成を示すブロック図である。同図に示す光受信回路1dは、PD2に入力された光信号Pinを、電気信号である受信信号Srに変換する。光受信回路1dは、バイアス回路3、前置増幅器5、主増幅器7、及び振幅検出回路95を備えている。これらのうち、振幅検出回路95を除く構成については第1実施形態と同様である。
図9は、本発明による光受信回路の第4実施形態の構成を示すブロック図である。同図に示す光受信回路1dは、PD2に入力された光信号Pinを、電気信号である受信信号Srに変換する。光受信回路1dは、バイアス回路3、前置増幅器5、主増幅器7、及び振幅検出回路95を備えている。これらのうち、振幅検出回路95を除く構成については第1実施形態と同様である。
本実施形態の振幅検出回路95は、前置増幅器5の出力端に接続されており、前置増幅器5から出力された信号S1に基づいて、光信号Pinの振幅を示す信号Sampを生成する。振幅検出回路95は、バッファ11、定電圧源15、平均化部19、信号重畳部41、及び識別部43を有する。
バッファ11は、前置増幅器5の後段に設けられており、信号S1を受けて同信号を識別部43へ出力する。バッファ11と識別部43との間には交流結合用のコンデンサ49が接続されており、バッファ11から出力された信号S1の直流成分が除去される。
定電圧源15は、識別部43へ入力される閾値電圧V0を生成する。信号重畳部41は、定電圧源15から出力された閾値電圧V0に重畳信号Sxを重畳する。信号重畳部41は、重畳信号源41a及び加算器41bを含む。加算器41bは、定電圧源15からの閾値電圧V0に重畳信号源41aからの重畳信号Sxを重畳した電圧V4を識別部43へ出力する。なお、重畳信号Sxは、その振幅がガウス分布や一様分布といった所定の確率密度分布を有する信号である。また、閾値電圧V0は、光受信回路1dの外部から入力されてもよい。
識別部43は、信号S1と電圧V4とを比較した結果を示す二値信号Saを生成する。その同相入力はバッファ11を介して前置増幅器5に接続されており、逆相入力は加算器41bを介して定電圧源15に接続されている。識別部43は、信号S1が電圧V4を超えた場合に、二値信号Saとして所定電圧(例えば1V)を出力する。また、信号S1が電圧V4よりも小さい場合に、別の所定電圧(例えば0V)を出力する。平均化部19は、識別部17から出力された二値信号Saを平均化し、光信号Pinの振幅を示す信号Sampを出力する。信号Sampは外部出力端子23を介して光受信回路1aの外部に取り出される。
本実施形態のように、その振幅が所定の確率密度分布を有する重畳信号Sxは、PD2からの光電流Ipdに基づいて生成された信号S1ではなく閾値電圧V0に重畳されてもよい。これにより、識別部43において第1実施形態と同様の二値信号Saが得られるので、光信号Pinの振幅を好適に検出できる。従って、本実施形態の光受信回路1dによれば、前置増幅器5等において発生するノイズの影響を軽減し、光信号Pinの振幅を精度よく検出できる。前述した各実施形態の光受信回路1a〜1cでは、高周波成分を持つ信号ラインに重畳信号が加算されていた。しかしながら、本実施形態の光受信回路1dでは重畳信号は定電圧源15の出力に加えられるため、回路構成が簡易という利点もある。
本発明による光受信回路は、上記した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上記各実施形態では、光信号の振幅を示す信号として平均化部の出力を採用しているが、平均化部の後段にアナログ−デジタル変換器及びデジタルプロセッサを設けてもよい。この場合、デジタルプロセッサが、その内部に予め記憶されたルックアップテーブルを参照しつつ、平均化部の出力値に基づいて振幅情報を線形化(光信号の振幅に比例する量に換算)してもよい。
また、前置増幅器のノイズが温度によって変動するような場合には、光受信回路の温度に応じて、信号重畳部の重畳信号の大きさや、識別部に入力される閾値の大きさを変化させてもよい。
1a〜1d…光受信回路、3…バイアス回路、5,51…前置増幅器、7,71…主増幅器、8…出力端子、9,91,93,95…振幅検出回路、13,37,41…信号重畳部、15…定電圧源、17,25,39,43…識別部、19,27…平均化部、29…誤差アンプ、31,45…可変電圧源。
Claims (5)
- 光信号を受けるフォトダイオードからの光電流に基づいて電気的な受信信号を生成する光受信回路であって、
前記光信号の振幅を検出する振幅検出回路を備えており、
前記振幅検出回路が、
前記光電流と閾値との比較を示す二値信号を出力する識別部と、
振幅が所定の確率密度分布を有する重畳信号を前記光電流または前記閾値のいずれか一方に重畳する信号重畳部と、
前記二値信号を平均化する平均化部と
を有し、
前記振幅検出回路は、前記光信号の振幅を示す信号を前記平均化部の出力に基づいて生成することを特徴とする、光受信回路。 - 前記閾値が一定値であることを特徴とする、請求項1に記載の光受信回路。
- 前記閾値が前記平均化部の出力に応じて変化することを特徴とする、請求項1に記載の光受信回路。
- 前記所定の確率密度分布がガウス分布であることを特徴とする、請求項1〜3のいずれか一項に記載の光受信回路。
- 前記所定の確率密度分布が、所定の電圧範囲内における一様分布であることを特徴とする、請求項1〜3のいずれか一項に記載の光受信回路。
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2010166567A (ja) * | 2009-01-19 | 2010-07-29 | Avago Technologies Fiber Ip (Singapore) Pte Ltd | 光受信機で自動利得制御を用いて光変調振幅の診断モニタリングを行うシステム及び装置 |
-
2006
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