JP2013535934A - 位相アンバランスおよび振幅アンバランスの自動補償を用いた差動受光用光電子デバイス - Google Patents

Abstract

光電子デバイス（ＯＤ）が、第１および第２の相補光信号を第１および第２の相補電流に変換するように構成された光検出手段（ＰＤＭ）と、これらの第１および第２の相補電流を処理して少なくとも第１の出力電圧（Ｖ１）を出力するように構成された処理手段（ＰＭ）とを備える。この処理手段（ＰＭ）は、ｉ）第１および第２の相補電流を第１および第２の動作電圧に別々に変換するように構成された変換手段（ＣＭ）と、ｉｉ）第１および第２の動作電圧の位相および振幅のバランスをとるように構成されたバランス手段（ＢＭ）と、ｉｉｉ）バランスのとれた位相および振幅を有する第１および第２の動作電圧に減算関数を適用して、バランスのとれた位相および振幅を有する第１と第２の動作電圧の差に比例する第１の出力電圧（Ｖ１）を少なくとも生成するように構成された差動増幅手段（ＤＡＭ）とを備える。

Description

本発明は光電子工学に関し、詳細には、少なくとも受光機能を提供する、または受光器を構成する光電子デバイスに関する。

当業者には知られているように、光通信などのいくつかの技術分野では、差動信号方式が、ある一定の数の寄生信号に対する耐性がより良好な、情報データを搬送する効率的な方法になり得る。情報データは、２つの相補信号の減算を行うことによって回復されるが、これらの相補信号は、その減算が行われるまで位相および振幅のバランスがよく保たれている必要がある。

光通信の場合、これら２つの相補信号は通常、１つまたはいくつかの入力光信号から光構成要素によって生成される。その場合、光電子デバイスを使用することができ、このデバイスは通常、第１および第２の相補光信号を第１および第２の相補電流に変換するように構成された光検出手段と、第１および第２の相補電流を処理して第１と第２の相補電流間の差に比例する電圧を出力するように通常は構成された処理手段とを備える。任意選択で、出力部で差動信号方式がさらに必要な場合に、１つだけの出力電圧ではなく２つの相補出力電圧を生成することもできる。

上述の光電子デバイスには２つのタイプがあり得る。第１のタイプは、いわゆるバランス型受光器を備え、その光検出手段は通常、２つの相補入力光信号間の差に比例するシングルエンド電流を出力するように接続された２つのフォトダイオードから成るバランス型光検出器を備え、その処理手段はトランスインピーダンス増幅器を備え、この増幅器は、２つのフォトダイオードの共通出力部に接続された入力部を有すると共に、シングルエンド出力電圧を供給し、任意選択で、出力部で差動信号方式がさらに必要な場合に相補出力電圧を供給する。

第２のタイプは通常、いわゆる差動受光器を備え、その光検出手段は、２つの独立した同一のフォトダイオードを備え、その処理手段は差動トランスインピーダンス増幅器を備え、この増幅器は、フォトダイオードの各出力部にそれぞれ接続された第１および第２の入力部を有すると共に、２つの相補入力電流間の差に比例するシングルエンド出力電圧を供給し、任意選択で、出力部で差動信号方式がさらに必要な場合に第２の相補出力電圧を供給する。

しかし、これらの光電子デバイスを生成するために組み合わされる構成要素と、これらの構成要素および光電子デバイスの製造プロセスとでは、２つの相補信号が減算される前にこれらの信号間でアンバランスを引き起こす欠陥が生じることが多く、それによって受信性能が劣化する。

通常は、これらの光電子デバイスによってアンバランス補償を行うことができないので、差動信号方式が用いられる構成要素（例えば、２つの相補光信号を供給する光復調器出力部から受光器の光検出手段まで）を含む構成要素および製造プロセスには、特殊かつ厳しい要求の特性が必要とされる可能性がある。このことが、コストのかかる構成要素および製造プロセスにつながり得る。さらに、どんな構成要素および製造プロセスの特性でも、光電子デバイスは残存する欠陥と、その寿命中にありうる特性変化とを有することがあり、したがって、差動検出をもたらすはずの最終的な動作上の利点を実現することが困難になり得る。

本発明のいくつかの実施形態は、振幅アンバランスおよび位相アンバランスの自動補償を光電子デバイスで可能にすることを目的とし、この電子デバイスは、第１および第２の相補光信号を第１および第２の相補電流に変換するように構成された光検出手段と、第１および第２の相補電流を処理して少なくとも第１の出力電圧（任意選択で、出力部で差動信号方式がさらに必要な場合に第２の相補出力電圧）を出力するように構成された処理手段とを備える。

この目的のために、このような光電子デバイスの処理手段は、
第１および第２の相補電流を第１および第２の動作電圧に別々に変換するように構成された変換手段と、
第１および第２の動作電圧の位相および振幅のバランスをとるように構成されたバランス手段と、
バランスのとれた位相および振幅を有する第１および第２の動作電圧に減算関数を適用して、バランスのとれた位相および振幅を有する第１の動作電圧と第２の動作電圧の差に比例する第１の出力電圧を少なくとも生成するように（任意選択で、第２の相補出力電圧を生成するように）構成された差動増幅手段と
を備える。

本発明による光電子デバイスは、別々に、または組み合わせて考察される追加の特徴を含み、とりわけ、
その変換手段は、第１および第２の相補電流をそれぞれ第１および第２の動作電圧に変換するように構成された第１および第２の独立したトランスインピーダンス増幅手段を備えることが可能であり、
そのバランス手段は、ｉ）第１および第２の動作電圧を制御信号（電流または電圧）の関数としてそれぞれ調整するように構成された第１および第２の独立した位相振幅調整手段と、ｉｉ）第１および第２の独立した位相振幅調整手段によって出力される、バランスのとれた位相および振幅を有する第１および第２の動作電圧のそれぞれの位相および振幅を比較して位相アンバランスおよび振幅アンバランスを判定するように構成され、かつ判定された位相アンバランスおよび振幅アンバランスを補償するために、第１および第２の独立した位相振幅調整手段によって実施されるべき位相調整および振幅調整を表す制御信号（電流または電圧）を生成するように構成された位相振幅誤差検出器とを備えることが可能であり、
第１および第２の独立した位相振幅調整手段のそれぞれは、位相を調整するように構成された可変遅延手段と、振幅を調整するように構成された可変利得手段とを備えることが可能であり、
位相振幅誤差検出器は、バランスのとれた位相および振幅を有する第１および第２の動作電圧にＸＯＲ論理関数を適用するように構成されたＸＯＲ手段を含む位相比較器と、ピーク検出器、およびバランスのとれた位相および振幅を有する第１および第２の動作電圧の振幅を比較するように構成された差動増幅器を含む振幅比較器とを備えることが可能であり、
その光検出手段は、第１および第２の相補光信号をそれぞれ第１および第２の相補電流に変換するように構成された第１および第２の独立したフォトダイオードを備えることが可能であり、
光電子デバイスは、差動受光器を構成することが可能である。

本発明の他の特徴および利点は、以下の詳細な明細書および添付の図面を考察すれば明らかになろう。

本発明の諸実施形態による光電子デバイスの実施形態の一例に接続された光復調器を概略的および機能的に示す図である。

添付の図面は、本発明を完全なものにするだけでなく、必要に応じてその定義の一助となる役割も果たす。

本発明の諸実施形態は、振幅アンバランスおよび位相アンバランスを自動的に補償できる光電子デバイスＯＤを提供することを目的とする。

以下の説明では、例として、光電子デバイスＯＤは差動受光器であると考えられたい。しかし、光電子デバイスＯＤはまた、いくつかの機能、とりわけ受光を提供するデバイスでもあり得る。

図１に示されるように、本発明による光電子デバイスＯＤは、少なくとも１つの光検出手段ＰＤＭ、および処理手段ＰＭを備える。

光検出手段ＰＤＭは第１および第２の入力部を備え、これらはそれぞれ、光復調器ＤＭの第１および第２の出力部に接続することができる。光復調器ＤＭは、その入力部で受け取った各入力光信号を復調して、その第１および第２の出力部に出力する第１および第２の光相補信号ＤＳ１、ＤＳ２を生成するように構成される。

光検出手段ＰＤＭは、（その第１および第２の入力部でそれぞれ受け取る）第１および第２の相補光信号ＤＳ１、ＤＳ２を第１および第２の相補電流Ｃ１、Ｃ２に変換するように構成することができる。

例えば、図１に示されているように、光検出手段ＰＤＭは、独立した（好ましくは）同一の第１ＰＤ１および第２ＰＤ２のフォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２を備え得る。本明細書では、「独立した」という語は、２つのフォトダイオードＰＤ１とＰＤ２が結合されていないことを指すと理解されたい。

これらの第１および第２のフォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２は、それぞれ第１および第２の相補光信号ＳＤ１、ＳＤ２を第１および第２の相補電流Ｃ１、Ｃ２に変換するように構成される。

光検出手段ＰＤＭはさらに、バイアス回路網およびデカップリング回路網などの別の典型的な補助構成要素を備えることがあり、これらはそれ自体がコンデンサおよび抵抗を備え得る。

処理手段ＰＭは、電子回路または集積構成要素であり得る。処理手段ＰＭは、第１および第２の相補電流Ｃ１、Ｃ２（光検出手段ＰＤＭから出力される）を処理して、少なくとも第１の出力電圧Ｖ１を出力するように、任意選択で、出力部で差動信号方式がさらに必要な場合に第２の相補出力電圧Ｖ２を出力するように構成される。

例えば、第１の出力電圧Ｖ１と相補である第２の出力電圧Ｖ２は、この第１の出力電圧Ｖ１の反対のものと等しい（すなわち、Ｖ２＝−Ｖ１）。

より詳細には、本発明のいくつかの実施形態によれば、図１に示されるように処理手段ＰＭは変換手段ＣＭ、バランス手段ＢＭ、および差動増幅手段ＤＡＭを備え得る。

変換手段ＣＭは、それぞれ第１および第２の相補電流Ｃ１、Ｃ２を供給する光検出手段ＰＤＭの出力部にそれぞれ接続される第１および第２の入力部を備え得る。変換手段ＣＭは、受け取った第１および第２の相補電流Ｃ１、Ｃ２を、変換手段ＣＭが第１および第２の出力部にそれぞれ出力する第１および第２の動作電圧ＳＶ１、ＳＶ２に別々に変換するように構成される。本明細書では、「動作電圧」という語は、このような電圧をそれぞれの入力部（１つまたは複数）で受け取る変換手段の正常動作に適合されている期間に含まれる値を有する電圧を指すと理解されたい。

例えば、図１に示されるように、変換手段ＣＭは、第１および第２の相補電流Ｃ１、Ｃ２をそれぞれ第１および第２の動作電圧ＳＶ１、ＳＶ２に変換するように構成されている第１および第２の独立した、好ましくは同一のトランスインピーダンス増幅手段ＴＡ１、ＴＡ２を備え得る。例えば、各トランスインピーダンス増幅手段ＴＡ１、ＴＡ２は、シングルエンドトランスインピーダンス増幅器である。

変換手段ＣＭは、信号をさらに最適化するために、２つのトランスインピーダンス増幅手段ＴＡ１およびＴＡ２の下流に追加の処理手段を、とりわけバランス手段ＢＭを備え得る。

このバランス手段ＢＭは第１および第２の入力部を備え、これらの入力部はそれぞれ、第１および第２の動作電圧ＳＶ１、ＳＶ２をそれぞれ供給する変換手段ＣＭの第１および第２の出力部に接続されている。バランス手段ＢＭは、これらの第１および第２の動作電圧の位相および振幅のバランスをとるように構成される。

例えば、図１に示されるように、バランス手段ＢＭは、第１および第２の独立した、好ましくは同一の位相振幅調整手段ＰＡＡ１、ＰＡＡ２と、位相振幅誤差検出器ＥＤとを備え得る。

第１の位相振幅調整手段ＰＡＡ１は、第１の動作電圧ＳＶ１を供給する変換手段ＣＭの第１の出力部に接続された第１の入力部と、第１の制御信号（電流または電圧）ＣＣ１を供給する位相振幅誤差検出器ＥＤの第１の出力部に接続された第２の入力部とを有する。第２の位相振幅調整手段ＰＡＡ２は、第２の動作電圧ＳＶ２を供給する変換手段ＣＭの第２の出力部に接続された第１の入力部と、第２の制御信号（電流または電圧）ＣＣ２を供給する位相振幅誤差検出器ＥＤの第２の出力部に接続された第２の入力部とを有する。

これらの第１および第２の位相振幅調整手段ＰＡＡ１、ＰＡＡ２は、第１および第２の動作電圧ＳＶ１、ＳＶ２の位相および振幅をそれぞれ第１および第２の制御信号ＣＣ１、ＣＣ２（電流または電圧）の関数として調整するように構成されると共に、それぞれ位相および振幅が調整された第１および第２の動作電圧ＳＶ１’、ＳＶ２’を出力する出力部を備える。

例えば、第１および第２の位相振幅調整手段ＰＡＡ１、ＰＡＡ２のそれぞれは、第１の動作電圧ＳＶ１または第２の動作電圧ＳＶ２の位相を調整するように構成されている可変遅延手段と、第１の動作電圧ＳＶ１または第２の動作電圧ＳＶ２の振幅を調整するように構成されている可変利得手段とを備え得る。

本明細書で「可変遅延手段」という語は、信号に導入する遅延を制御信号（電流または電圧）の関数として修正できる電子構成要素を指すと理解されたい。このような可変遅延手段は、例えば、制御信号（電流または電圧）に応じて入力信号のいくつかの遅延バージョンの中から選択することを受けもつ、いわゆる「セレクタ」を用いて実施することができる。さらに、本明細書で「可変利得手段」という語は、利得を制御信号（電流または電圧）の関数として修正できる電子構成要素を指すと理解されたい。このような可変利得手段は、例えば、よく知られているギルバートセルを用いて実施することができる。

位相振幅誤差検出器ＥＤは、第１および第２の位相振幅調整手段ＰＡＡ１、ＰＡＡ２の出力部にそれぞれ接続された第１および第２の入力部と、第１および第２の位相振幅調整手段ＰＡＡ１、ＰＡＡ２の第２の入力部にそれぞれ接続された第１および第２の出力部とを備える。位相振幅誤差検出器ＥＤはとりわけ、起こりうる位相間および振幅間のアンバランスを判定するために、第１および第２の位相振幅調整手段ＰＡＡ１、ＰＡＡ２の出力部からそれぞれ出力される、バランスのとれた位相および振幅を有する第１および第２の動作電圧ＳＶ１’、ＳＶ２’のそれぞれの位相および振幅を比較するように構成される。位相振幅誤差検出器ＥＤはまた、第１および第２の制御信号ＣＣ１、ＣＣ２（電流または電圧）を生成するように構成され、これらの制御信号は、それぞれ第１および第２の位相振幅調整手段ＰＡＡ１、ＰＡＡ２の動作を制御するためのものであり、また、これら第１および第２の位相振幅調整手段ＰＡＡ１、ＰＡＡ２によって実施されるべき、これらの手段がそれぞれ出力したバランスのとれた位相および振幅を有する第１の動作電圧ＳＶ１’と第２の動作電圧ＳＶ２’の間の、判定された位相アンバランスおよび振幅アンバランスを補償するための位相調整および振幅調整を表す。

例えば、位相振幅誤差検出器ＥＤは、位相比較器および振幅比較器を備え得る。前記位相比較器は、バランスのとれた位相および振幅を有する第１および第２の動作電圧ＳＶ１’、ＳＶ２’にＸＯＲ論理関数を適用するように構成されたＸＯＲ（排他的ＯＲ）手段を備え得る。本明細書で「ＸＯＲ手段」という語は、２つの入力信号に適用されたＸＯＲ論理関数の結果を表す信号を出力することができる電子構成要素を指すと理解されたい。位相比較器はさらに、第１の動作電圧ＳＶ１’と第２の動作電圧ＳＶ２’の間の位相差に比例する、または少なくとも何らかの方法で位相差を表す適切な信号（電圧または電流）を最終的に生成するために、いくつかの通常の処理手段を用いた何らかの低域通過フィルタ（１つまたは複数）をＸＯＲ手段の後に備え得る。

振幅比較器は、ピーク検出器と、バランスのとれた位相および振幅を有する第１および第２の動作電圧ＳＶ１’、ＳＶ２’のそれぞれの振幅を比較するように構成された差動増幅器とを備え得る。振幅比較器は、第１および第２の動作電圧ＳＶ１’、ＳＶ２’それぞれの振幅に比例する信号、または何らかの方法で振幅を表す信号を作り出すためのコンデンサ（１つまたは複数）およびダイオード（１つまたは複数）と、前記第１および第２の動作電圧ＳＶ１’とＳＶ２’を比較する差動増幅器と、更に、適切な振幅誤差信号を生成するための既知の処理手段とを備え得る。

このように、バランス手段ＢＭは、第１の動作電圧ＳＶ１と第２の動作電圧ＳＶ２の間の振幅アンバランスおよび位相アンバランスを補償することができる自動フィードバック・ループとして働く。

差動増幅手段ＤＡＭは、バランスのとれた位相および振幅を有する第１および第２の動作電圧ＳＶ１’、ＳＶ２’がそれぞれ供給されるバランス手段ＢＭの第１および第２の出力部（すなわち、第１および第２の位相振幅調整手段ＰＡＡ１、ＰＡＡ２の出力部）にそれぞれ接続されている第１および第２の入力部を備える。

この差動増幅手段ＤＡＭは、バランスのとれた位相および振幅を有する第１の動作電圧ＳＶ１’と第２の動作電圧ＳＶ２’の差に比例する第１の出力電圧Ｖ１を生成するために、任意選択で、出力部で差動信号方式がさらに必要な場合に第２の相補出力電圧Ｖ２を生成するために、バランスのとれた位相および振幅を有する第１および第２の動作電圧ＳＶ１’、ＳＶ２’に減算関数を適用するように構成される。

本発明はいくつかの利点を提供するが、その中でも以下は特に言及する価値がある。
− 差動検出の簡略化およびコスト低減
− バランス形光検出器を必要とせずに効率的に差動検出を実施するための効果的な解決策
− 構成要素の許容誤差および製造品の許容誤差の改善と、その結果のコスト低減

本発明は、単に例としての、上述の光電子デバイスの実施形態に限定されるのではなく、当業者が添付の特許請求の範囲内と考えられるすべての代替実施形態を包含する。

Claims (8)

1. 第１および第２の相補光信号を第１および第２の相補電流に変換するように構成された光検出手段（ＰＤＭ）と、前記第１および第２の相補電流を処理して少なくとも第１の出力電圧（Ｖ１）を出力するように構成された処理手段（ＰＭ）とを備える光電子デバイス（ＯＤ）であって、前記処理手段（ＰＭ）が、ｉ）前記第１および第２の相補電流を第１および第２の動作電圧に別々に変換するように構成された変換手段（ＣＭ）と、ｉｉ）前記第１および第２の動作電圧の位相および振幅のバランスをとるように構成されたバランス手段（ＢＭ）と、ｉｉｉ）バランスのとれた位相および振幅を有する前記第１および第２の動作電圧に減算関数を適用して、バランスのとれた位相および振幅を有する前記第１と第２の動作電圧の差に比例する前記第１の出力電圧（Ｖ１）を少なくとも生成するように構成された差動増幅手段（ＤＡＭ）とを備える、光電子デバイス。
2. 前記変換手段（ＣＭ）が、前記第１および第２の相補電流をそれぞれ前記第１および第２の相補動作電圧に変換するように構成された第１および第２の独立したトランスインピーダンス増幅手段（ＴＡ１、ＴＡ２）を備える、請求項１に記載の光電子デバイス。
3. 前記バランス手段（ＢＭ）が、ｉ）前記第１および第２の動作電圧を制御信号の関数としてそれぞれ調整するように構成された第１および第２の独立した位相振幅調整手段（ＰＡＡ１、ＰＡＡ２）と、ｉｉ）前記第１および第２の独立した位相振幅調整手段（ＰＡＡ１、ＰＡＡ２）によって出力される、バランスのとれた位相および振幅を有する前記第１および第２の動作電圧の位相および振幅を比較して位相アンバランスおよび振幅アンバランスを判定するように構成され、かつ前記判定された位相アンバランスおよび振幅アンバランスを補償するために、前記第１および第２の独立した位相振幅調整手段（ＰＡＡ１、ＰＡＡ２）によって実施されるべき位相調整および振幅調整を表す前記制御信号を生成するように構成された位相振幅誤差検出器（ＥＤ）とを備える、請求項１又は２に記載の光電子デバイス。
4. 前記第１および第２の独立した位相振幅調整手段（ＰＡＡ１、ＰＡＡ２）のそれぞれが、前記位相を調整するように構成された可変遅延手段と、前記振幅を調整するように構成された可変利得手段とを備える、請求項３に記載の光電子デバイス。
5. 前記位相振幅誤差検出器（ＥＤ）が、バランスのとれた位相および振幅を有する前記第１および第２の動作電圧にＸＯＲ論理関数を適用するように構成されたＸＯＲ手段を含む位相比較器と、ピーク検出器、およびバランスのとれた位相および振幅を有する前記第１および第２の動作電圧の振幅を比較するように構成された差動増幅器を含む振幅比較器とを備える、請求項３又は４に記載の光電子デバイス。
6. 前記光検出手段（ＰＤＭ）が、前記第１および第２の相補光信号をそれぞれ前記第１および第２の電流に変換するように構成された第１および第２の独立したフォトダイオード（ＰＤ１、ＰＤ２）を備える、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光電子デバイス。
7. 前記差動増幅手段（ＤＡＭ）が、前記第１の出力電圧（Ｖ１）と相補である第２の出力電圧（Ｖ２）を出力するように構成される、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光電子デバイス。
8. 差動受光器を構成する、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光電子デバイス。

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