JP2017152776A - 光受信回路 - Google Patents

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大典 岡本
Daisuke Okamoto
大典 岡本
鈴木　康之
Yasuyuki Suzuki
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Abstract

【課題】光信号を入力するフォトダイオード(ＰＤ)、光信号を入力しないダミーフォトダイオード(ＰＤ)とトランスインピーダンスアンプ(ＴＩＡ)を備える光受信回路において、コモンモードノイズを低減させることと、オフセットを消去することを両立させる。
【構成】信号光が入射するフォトダイオード(ＰＤ)、光信号を入力しないダミーフォトダイオード(ＰＤ)とトランスインピーダンスアンプ(ＴＩＡ)を備える光受信回路において、フォトダイオード(ＰＤ)とダミーフォトダイオード(ＰＤ)のみならず、それらとトランスインピーダンスアンプ(ＴＩＡ)を接続する配線も含めて同一の特性にするとともに、トランスインピーダンスアンプ(ＴＩＡ)の入力側に対称な形で電流源を設けオフセットを調整する。
【選択図】図１

Description

本発明は光受信回路に関し、より詳細には、トランスインピーダンスアンプ(ＴＩＡ)のオフセットを抑制する光受信回路に関する。
従来のフォトダイオード(ＰＤ)とトランスインピーダンスアンプ(ＴＩＡ)を備える光受信回路として、特許文献１〜３には、例えば図４に示されるような、ダミー増幅器１０６の入力に、光信号を入力しないダミーフォトダイオード(ＰＤ)１０２を付加し、フォトダイオード(ＰＤ)１０１とダミーフォトダイオード(ＰＤ)１０２に誘起される雑音を一致させることを目的として構造を同一とすることによって、コモンモードノイズを低減する光受信回路が記載されている。
特公平７−１０５５２４号公報 特許第２５３１０７０号公報 特許第３２０２８３１号公報
しかしながら、このような差動増幅器を用いたトランスインピーダンスアンプ(ＴＩＡ)において、コモンモードノイズを低減させることと、オフセット電流を消去することを両立させることは知られていない。
本発明は、トランスインピーダンスアンプ(ＴＩＡ)１０８の前段を対称とすることで、コモンモードノイズを低減する光受信回路において、オフセットを処理するための対称な形の回路を設けた光受信回路である。
本発明は、コモンモードノイズを低減するという従前の目的を損なうことなく、出力に現れるオフセットを調整することができる。
本発明の実施例１である光受信回路を示す回路図である。 本発明の実施例２である光受信回路を示す回路図である。 本発明の実施例３である光受信回路を示す回路図である。 背景技術の例を示す回路図である。
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。各図面で共通する構成部分については、理解を助けるため、共通する番号を付与している。
図１は、本発明の実施例１である光受信回路を示す回路図である。
図１に記載される実施例１の光受信回路は、信号光が入射するフォトダイオード(ＰＤ)１０１と、光信号を入力しないダミーフォトダイオード(ＰＤ)１０２と、トランスインピーダンスアンプ(ＴＩＡ)１０８の第一の入力を介して入力されるフォトダイオード(ＰＤ)１０１の信号を増幅する増幅器１０５、トランスインピーダンスアンプ(ＴＩＡ)１０８の第二の入力を介して入力されるダミーフォトダイオード(ＰＤ)１０２の信号を増幅するダミー増幅器１０６、増幅器１０５の出力とダミー増幅器１０６の出力を入力とする差動増幅器１０７からなるトランスインピーダンスアンプ(ＴＩＡ)１０８、そして、フォトダイオード(ＰＤ)１０１とトランスインピーダンスアンプ(ＴＩＡ)１０８の第一の入力を電気的に接続するＰＤ用配線１０３、ダミーフォトダイオード(ＰＤ)１０２とトランスインピーダンスアンプ(ＴＩＡ)１０８の第二の入力を電気的に接続するダミーＰＤ用配線１０４を設け、フォトダイオード(ＰＤ)１０１とダミーフォトダイオード(ＰＤ)１０２の特性を同一とし、ＰＤ用配線１０３とダミーＰＤ用配線１０４の特性を同一とするとともに、第一の入力に接続された第一の電流源１０９、第二の入力に接続された第二の電流源１１０、更には、第一の電流源１０９と第二の電流源１１０を制御するためのオフセット電流調整回路１１１を設けたものである。
図１に記載される実施例１の光受信回路と、図４に示される背景技術と比較すると、図１に記載される実施例１の光受信デバイスは、ＰＤ用配線１０３とダミーＰＤ用配線１０４について、特性を同一としたうえで、第一の入力に接続された第一の電流源１０９、第二の入力に接続された第二の電流源１１０、第一の電流源１０９と第二の電流源１１０を制御するためのオフセット電流調整回路１１１を設けたという点が相違している。
なお、ここでいう「特性」とは、フォトダイオード(ＰＤ)１０１、ダミーフォトダイオード(ＰＤ)１０２、ＰＤ用配線１０３、ダミーＰＤ用配線１０４について、それらに誘起される雑音の量を含む電気的特性のことを指す。これらの特性を同一とするために、フォトダイオード(ＰＤ)１０１とダミーフォトダイオード(ＰＤ)１０２の構造、ＰＤ用配線１０３とダミーＰＤ用配線１０４の構造として、できるだけ同一の構造を採用することが最も容易な手法である。しかしながら、この「特性を同一」とすることは、必ずしも完全に特性を同一とすることを意味するものではなくある程度の許容範囲があること、更には、実際に製造するときの製造誤差等があることを踏まえれば、この「同一の構造」も完全に同一の構造にすることを意味するものではなく、ある程度の許容範囲がある。
このように、ＰＤ用配線１０３とダミーＰＤ用配線１０４の特性を同一とすることによって、分布定数回路とみなすことができるＰＤ用配線１０３、ダミーＰＤ用配線１０４による波形の変化が一致し、ＰＤ用配線１０３、ダミーＰＤ用配線１０４に誘起される雑音も一致するから、結局、雑音は差動増幅器１０７によって打ち消され、その出力に現れないこととなる。
実施例１は、フォトダイオード(ＰＤ)１０１とダミーフォトダイオード(ＰＤ)１０２を同一の特性にすることに加え、ＰＤ用配線１０３とダミーＰＤ用配線１０４の特性を同一とすることによって、コモンモードノイズをより低減させるものである。差動増幅器のオフセットを調節するときには、その正相入力又は逆相入力のいずれか一方に、直流電流ないし直流電圧を印加し調節することが通例であるが、このような場合、オフセットを調節するための回路を、トランスインピーダンスアンプ(ＴＩＡ)１０８の２つの入力のいずれか一方に設けることは好ましくない。
図１に記載される実施例１の光受信回路では、この点を解決するために、第一の入力に接続された第一の電流源１０９、第二の入力に接続された第二の電流源１１０、第一の電流源１０９と第二の電流源１１０を制御するためのオフセット電流調整回路１１１を設け、対称の形としている。
オフセット電流調整回路１１１を介して、第一の電流源１０９と第二の電流源１１０を制御することにより、トランスインピーダンスアンプ(ＴＩＡ)１０８の出力に現れるオフセットを消去することができる。具体的には、第一の電流源１０９の電流値と第二の電流源１１０の電流値の差分によってオフセットを消去することになるが、第一の電流源１０９の電流値と第二の電流源１１０の電流値そのものが、トランスインピーダンスアンプ(ＴＩＡ)１０８の直線性等に影響を与えるので、第一の電流源１０９の電流値と第二の電流源１１０の電流値の差分のみならず、第一の電流源１０９の電流値と第二の電流源１１０の電流値そのものも適切な値に設定する必要がある。
オフセット電流調整回路１１１に与えられる入力は、第一の電流源１０９の電流値と第二の電流源１１０の電流値をそれぞれ独立して直接制御するものと、第一の電流源１０９の電流値と第二の電流源１１０の電流値の差分を制御するものとのいずれでもよい。また、その入力も必ずしも外部からの電気的な入力である必要はなく、例えば、オフセット電流調整回路１１１に含まれる抵抗などを製造時や検査時にレーザートリミングすることによって行われるものでもよい。
実施例１の光受信回路を実際に実現することを考えると、これら第一の電流源１０９、第二の電流源１１０、オフセット電流調整回路１１１は、図１に示されるように、トランスインピーダンスアンプ(ＴＩＡ)１０８の一部として構成し、ＰＤ用配線１０３と増幅器１０５の接続点、ないし、ダミーＰＤ用配線１０４とダミー増幅器１０６の接続点に、これら第一の電流源１０９、第二の電流源１１０を接続することによって、第一の入力に接続された第一の電流源１０９、第二の入力に接続された第二の電流源１１０を構成することが望ましい。
しかしながら、これら第一の電流源１０９と第二の電流源１１０は直流電流源であることを考えれば、少なくとも、第一の電流源１０９、第二の電流源１１０を、トランスインピーダンスアンプ(ＴＩＡ)１０８に対して外付けとして構成し、フォトダイオード(ＰＤ)１０１とＰＤ用配線１０３との接続点、ないし、ダミーフォトダイオード(ＰＤ)１０２とダミーＰＤ用配線１０４との接続点に、これら第一の電流源１０９と第二の電流源１１０を接続したとしても、電気的には、第一の入力に接続された第一の電流源１０９、第二の入力に接続された第二の電流源１１０を構成することができることには違いはない。
更に、これら第一の電流源１０９と第二の電流源１１０を具体的にどのような回路で実現してもよく、例えば、図３に示されるような、ＦＥＴ３０１，３０２、電流源３０３の組み合わせで実現してもよい。
図２は、本発明の実施例２である光受信回路を示す回路図である。
図２に示される実施例２である光受信回路と、図１に示される実施例１である光受信回路の相違は、実施例２におけるオフセット電流調整回路２０１は、実施例１におけるオフセット電流調整回路１１１が有する機能に加え、トランスインピーダンスアンプ(ＴＩＡ)１０８が有する差動増幅器の出力に現れるオフセットを検出し、それを打ち消すように第一の電流源１０９の電流値と第二の電流源１１０の電流値を制御する機能を有していることである。 このオフセット電流調整回路２０１が検出するオフセットは、トランスインピーダンスアンプ(ＴＩＡ)１０８の出力のオフセットである必要は必ずしもなく、図４に記載されるように、トランスインピーダンスアンプ(ＴＩＡ)１０８が多段差動増幅器２０２を有する場合には、その多段差動増幅器２０２の中間段の出力のオフセットであってもよい。また、実施例１と同様に、第一の電流源１０９，第二の電流源１１０をトランスインピーダンスアンプ(ＴＩＡ)１０８の一部として構成し、ＰＤ用配線１０３と増幅器１０５の接続点、ないし、ダミーＰＤ用配線１０４とダミー増幅器１０６の接続点に接続しても、また、トランスインピーダンスアンプ(ＴＩＡ)１０８に対して外付けとして構成し、フォトダイオード(ＰＤ)１０１とＰＤ用配線１０３との接続点、ないし、ダミーフォトダイオード(ＰＤ)１０２とダミーＰＤ用配線１０４との接続点に接続してもよい。更に、実施例１と同様に、これら第一の電流源１０９と第二の電流源１１０を具体的にどのような回路で実現してもよい。
図３は、本発明の実施例３である光受信回路を示す回路図である。
実施例１や実施例２では、できるだけ同一の構造を採用することなどによって、フォトダイオード(ＰＤ)１０１、ダミーフォトダイオード(ＰＤ)１０２の特性を同一としている。
しかしながら、実際には製造時のばらつきなどにより、フォトダイオード(ＰＤ)１０１、ダミーフォトダイオード(ＰＤ)１０２に光が入射しない時に流れる電流、すなわち、暗電流が異なることがある。この場合、この暗電流が異なることに対応して、トランスインピーダンスアンプ(ＴＩＡ)１０８の入力におけるバイアス電流を制御する必要がある。
図３に示される実施例３である光受信回路と、図１に示される実施例１、図２に示される実施例２である光受信回路の相違は、この暗電流が異なることに対応するために、オフセット電流調整回路１１１，２０１として、又は、その一部として、ローパスフィルタ３０４を置き、トランスインピーダンスアンプ(ＴＩＡ)１０８の出力のオフセットの平均値を検出し、それに基づいて、トランスインピーダンスアンプ(ＴＩＡ)１０８の入力におけるバイアス電流を制御する点である。
このバイアス電流の制御の具体的な手法は以下のとおりである。
フォトダイオード(ＰＤ)１０１，ダミーフォトダイオード(ＰＤ)１０２の暗電流とバイアス電流をそれぞれ、Idark1、Idark2、Ibias1、Ibias2、フォトダイオード(ＰＤ)１０１の信号光による光電流をIsignal、定電流源３０３に流れる電流をIdcとしたときに、以下の式（１）が成立する。
そして、トランスインピーダンスアンプ(ＴＩＡ)１０８の出力のオフセットの平均値をローパスフィルタ３０４によって検出し、検出された平均値に基づいて以下の式（２）が成立するように、ＦＥＴ３０１，３０２を制御する。
この式（２）に示されるように制御することによって、フォトダイオード(ＰＤ)１０１、ダミーフォトダイオード(ＰＤ)１０２の暗電流を考慮しつつ、トランスインピーダンスアンプ(ＴＩＡ)１０８の出力のオフセットを打ち消すことができる。
なお、図３に示される実施例３の回路図では、ＦＥＴ３０１，３０２、電流源３０３の組み合わせを用いているが、ＦＥＴ３０１と電流源３０３の組み合わせが、実施例１，２の第一の電流源１０９に対応し、ＦＥＴ３０２と電流源３０３の組み合わせが、実施例１，２の第二の電流源１１０に対応する。実施例１，２でも述べたのと同様に、これら電流源はどのような回路で実現してもよく、上記式（１）（２）を満たすのであれば、これらＦＥＴ３０１，３０２、電流源３０３の組み合わせの代わりに、図１，２で示すような２つの独立の電流源を用いることでも問題はない。
また、実施例２のオフセット電流調整回路２０１と同様に、この実施例３のローパスフィルタ３０４が検出するオフセットは、トランスインピーダンスアンプ(ＴＩＡ)１０８の出力のオフセットである必要は必ずしもなく、図３に記載されるように、トランスインピーダンスアンプ(ＴＩＡ)１０８が多段差動増幅器２０２を有する場合には、その多段差動増幅器２０２の中間段の出力のオフセットであってもよい。また、実施例１の第一の電流源１０９，第二の電流源１１０と同様に、ＦＥＴ３０１，３０２、電流源３０３をトランスインピーダンスアンプ(ＴＩＡ)１０８の一部として構成し、ＰＤ用配線１０３と増幅器１０５の接続点、ないし、ダミーＰＤ用配線１０４とダミー増幅器１０６の接続点に接続しても、また、トランスインピーダンスアンプ(ＴＩＡ)１０８に対して外付けとして構成し、フォトダイオード(ＰＤ)１０１とＰＤ用配線１０３との接続点、ないし、ダミーフォトダイオード(ＰＤ)１０２とダミーＰＤ用配線１０４との接続点に接続してもよい。
１０１ フォトダイオード(ＰＤ)
１０２ ダミーフォトダイオード(ＰＤ)
１０３ ＰＤ用配線
１０４ ダミーＰＤ用配線
１０５ 増幅器
１０６ ダミー増幅器
１０７ 差動増幅器
１０８ トランスインピーダンスアンプ(ＴＩＡ)
１０９ 第一の電流源
１１０ 第二の電流源
１１１ オフセット電流調整回路
２０１ オフセット電流調整回路
２０２ 多段差動増幅器
３０１ ＦＥＴ
３０２ ＦＥＴ
３０３ 電流源
３０４ ローパスフィルタ
Ｓ 信号光

Claims (5)

  1. フォトダイオード、ダミーフォトダイオード、トランスインピーダンスアンプ、第一の電流源、第二の電流源及びオフセット電流調整回路を備え、
    前記フォトダイオードの出力がＰＤ用配線を介して前記トランスインピーダンスアンプの第一の入力に入力され、
    前記ダミーフォトダイオードの出力がダミーＰＤ用配線を介して前記トランスインピーダンスアンプの第二の入力に入力され、
    前記第一の電流源は前記第一の入力に接続され、
    前記第二の電流源は前記第二の入力に接続され、
    前記フォトダイオードと前記ダミーフォトダイオードは同一の特性を有し、
    前記ＰＤ用配線と前記ダミーＰＤ用配線は同一の特性を有し、
    前記オフセット電流調整回路は、前記トランスインピーダンスアンプのオフセットを消去するために、前記第一の電流源と前記第二の電流源を制御することを特徴とする、
    光受信回路。
  2. 前記フォトダイオードと前記ダミーフォトダイオードを同一の構造とした、請求項１に記載の光受信回路。
  3. 前記ＰＤ用配線と前記ダミーＰＤ用配線を同一の構造とした、請求項１又は２に記載の光受信回路。
  4. 前記オフセット電流調整回路は、前記トランスインピーダンスアンプのオフセットを検出し、それを打ち消すように前記第一の電流源と前記第二の電流源を制御す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。
  5. 前記オフセット電流調整回路が、前記トランスインピーダンスアンプのオフセットの平均値を検出するローパスフィルタを含み、検出された平均値に基づいて、前記第一の電流源と前記第二の電流源を制御することを特徴とする、請求項４に記載の光受信回路。
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