JP2020048168A - Optical light receiving device and power monitor method of optical light receiving device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光受信装置および光受信装置のパワーモニタ方法に関するものである。 The present invention relates to an optical receiving device and a power monitoring method of the optical receiving device.
特許文献１には、受信光強度をモニタするためのモニタ回路を備える光受信器が開示されている。このモニタ回路は、前段カレントミラー回路と、前段カレントミラー回路の出力の対数変換を行う後段カレントミラー回路とを備える。後段カレントミラー回路は、ダイオードによる抵抗負荷を入力端側に有すると共に、定抵抗負荷を出力端側に有する。これにより、ダイナミックレンジを広くすることを企図している。
光受信装置では、受信した光信号の強度をモニタするために、カレントミラー回路が用いられる。従来のカレントミラー回路は、互いに制御端子同士が接続された一対のトランジスタと、各トランジスタに直列に接続された一対の抵抗とを有する。このような構成によれば、ミラー電流の大きさが一対の抵抗の比によって決まり、測定対象の電流の大きさに対して線形に変化するミラー電流を得ることができる。しかしながら、例えばアバランシェフォトダイオードを流れる電流の大きさを測定する場合等、対象となる電流の変化幅が大きい場合がある。そこで、カレントミラー回路のダイナミックレンジを拡大することが求められる。 In an optical receiver, a current mirror circuit is used to monitor the intensity of a received optical signal. A conventional current mirror circuit has a pair of transistors whose control terminals are connected to each other, and a pair of resistors connected in series to each transistor. According to such a configuration, the magnitude of the mirror current is determined by the ratio of the pair of resistors, and a mirror current that changes linearly with the magnitude of the current to be measured can be obtained. However, for example, when the magnitude of the current flowing through the avalanche photodiode is measured, the change width of the target current may be large. Therefore, it is required to expand the dynamic range of the current mirror circuit.
なお、特許文献１に記載されたモニタ回路は、カレントミラー回路のダイナミックレンジを拡大することを企図している。しかし、前段カレントミラー回路及び後段カレントミラー回路といった２つのカレントミラー回路を用いているため、回路規模が大きくなってしまうという問題がある。
Note that the monitor circuit described in
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、カレントミラー回路のダイナミックレンジを拡大することができる光受信装置および光受信装置のパワーモニタ方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such a problem, and an object of the present invention is to provide an optical receiving device and a power monitoring method of the optical receiving device that can expand the dynamic range of a current mirror circuit.
上述した課題を解決するために、一実施形態に係る光受信装置は、光信号を電流に変換する受光素子と、受光素子を流れる電流の流路に設けられ、第１のトランジスタ及び第２のトランジスタを有し、第１のトランジスタの経路に流れる電流を第２のトランジスタの経路に流れるミラー電流に反映させるカレントミラー回路と、を備える。第１のトランジスタは、流路上に設けられ、一方の電流端子が直接第１のノードに接続され、他方の電流端子が受光素子に接続される。第２のトランジスタは、ミラー電流が流れる流路上に設けられ、制御端子が第１のトランジスタの制御端子と接続され、一方の電流端子が抵抗を介して第１のノードに接続される。 In order to solve the above-described problem, an optical receiving device according to an embodiment is provided in a light receiving element that converts an optical signal into a current, and a current path that flows through the light receiving element, and includes a first transistor and a second transistor. A current mirror circuit that includes a transistor and reflects a current flowing in a path of the first transistor to a mirror current flowing in a path of the second transistor. The first transistor is provided on the flow path, and one current terminal is directly connected to the first node, and the other current terminal is connected to the light receiving element. The second transistor is provided on a flow path through which a mirror current flows, a control terminal is connected to a control terminal of the first transistor, and one current terminal is connected to the first node via a resistor.
一実施形態に係る光受信装置のパワーモニタ方法は、光信号を電気的な受信信号に変換する受光素子と、受光素子を流れる電流の流路に設けられ、第１のトランジスタ及び第２のトランジスタを有し、第１のトランジスタの経路に流れる電流を第２のトランジスタの経路に流れるミラー電流に反映させるカレントミラー回路とを備える光受信装置において、光信号のパワーをモニタする方法であって、第１のトランジスタは、流路上に設けられ、一方の電流端子が直接第１のノードに接続され、他方の電流端子が受光素子に接続され、第２のトランジスタは、ミラー電流が流れる流路上に設けられ、制御端子が第１のトランジスタの制御端子と接続され、一方の電流端子が抵抗を介して第１のノードに接続され、当該方法は、カレントミラー回路の周囲温度を検出するステップと、カレントミラー回路からの出力信号と周囲温度との相関に関する情報に基づいて光信号のパワーを評価するステップと、を含む。 A power monitoring method for an optical receiving device according to an embodiment includes a light receiving element that converts an optical signal into an electrical received signal, and a first transistor and a second transistor that are provided in a flow path of a current flowing through the light receiving element. And a current mirror circuit for reflecting a current flowing in the path of the first transistor to a mirror current flowing in the path of the second transistor, wherein the power of the optical signal is monitored. The first transistor is provided on a channel, one current terminal is directly connected to the first node, the other current terminal is connected to the light receiving element, and the second transistor is provided on a channel through which a mirror current flows. Wherein a control terminal is connected to a control terminal of the first transistor, one current terminal is connected to the first node via a resistor, the method comprising: And detecting the ambient temperature of the road, a step of evaluating the power of the optical signal based on the information on the correlation between the output signal and the ambient temperature from the current mirror circuit.
本発明による光受信装置および光受信装置のパワーモニタ方法によれば、カレントミラー回路のダイナミックレンジを拡大することができる。 According to the optical receiver and the power monitoring method of the optical receiver according to the present invention, the dynamic range of the current mirror circuit can be expanded.
［本発明の実施形態の説明］
最初に、本発明の実施形態の内容を列記して説明する。一実施形態に係る光受信装置は、光信号を電流に変換する受光素子と、受光素子を流れる電流の流路に設けられ、第１のトランジスタ及び第２のトランジスタを有し、第１のトランジスタの経路に流れる電流を第２のトランジスタの経路に流れるミラー電流に反映させるカレントミラー回路と、を備える。第１のトランジスタは、流路上に設けられ、一方の電流端子が直接第１のノードに接続され、他方の電流端子が受光素子に接続される。第２のトランジスタは、ミラー電流が流れる流路上に設けられ、制御端子が第１のトランジスタの制御端子と接続され、一方の電流端子が抵抗を介して第１のノードに接続される。
[Description of Embodiment of the Present Invention]
First, the contents of the embodiment of the present invention will be listed and described. An optical receiving device according to one embodiment includes a light receiving element that converts an optical signal into a current, and a first transistor and a second transistor that are provided in a flow path of a current flowing through the light receiving element. And a current mirror circuit for reflecting a current flowing in the path of the second transistor to a mirror current flowing in the path of the second transistor. The first transistor is provided on the flow path, and one current terminal is directly connected to the first node, and the other current terminal is connected to the light receiving element. The second transistor is provided on a flow path through which a mirror current flows, a control terminal is connected to a control terminal of the first transistor, and one current terminal is connected to the first node via a resistor.
この光受信装置は、受光素子を流れる電流の大きさをモニタするためのカレントミラー回路を備える。このカレントミラー回路は、制御端子が互いに接続された一対のトランジスタを有するが、そのうち受光素子を流れる電流の流路上に設けられた第１のトランジスタの電流端子は、直接（抵抗を介さずに）第１のノードに接続されている。このような場合、受光素子を流れる電流の大きさは、カレントミラー回路から取り出されるミラー電流の大きさの二次関数として表される。従って、受光素子を流れる電流の大きさとミラー電流の大きさとの関係が線形となる従来のカレントミラー回路と比較して、ダイナミックレンジを拡大することができる。また、このような構成によれば、特許文献１に記載された構成と異なり単一のカレントミラー回路で足りるため、回路規模の拡大を抑制することができる。
This optical receiver includes a current mirror circuit for monitoring the magnitude of a current flowing through a light receiving element. This current mirror circuit has a pair of transistors whose control terminals are connected to each other. Among them, a current terminal of a first transistor provided on a flow path of a current flowing through a light receiving element is directly (without a resistor). Connected to the first node. In such a case, the magnitude of the current flowing through the light receiving element is expressed as a quadratic function of the magnitude of the mirror current extracted from the current mirror circuit. Therefore, the dynamic range can be expanded as compared with a conventional current mirror circuit in which the relationship between the magnitude of the current flowing through the light receiving element and the magnitude of the mirror current is linear. Further, according to such a configuration, a single current mirror circuit is sufficient unlike the configuration described in
上記の光受信装置は、カレントミラー回路の周囲温度を検出する測温素子と、カレントミラー回路からの出力信号と周囲温度との相関に関する情報を予め記憶し、該情報に基づいて光信号のパワーを評価する演算部と、を更に備え、演算部は、光信号のパワーを、下記の数式により算出されたＩ２に基づいて評価してもよい。
但し、Ｉ１はカレントミラー回路におけるミラー電流の大きさであり、Ｔ０は周囲温度の基準値であり、ΔＴは基準値からの周囲温度の変化量であり、ａ１１、ａ１２、ａ２１、及びａ２２は定数である。
The above-mentioned optical receiving device stores in advance a temperature measuring element for detecting the ambient temperature of the current mirror circuit, and information relating to the correlation between the output signal from the current mirror circuit and the ambient temperature, and based on the information, the power of the optical signal. Additionally and a computation unit that evaluates the arithmetic unit, the power of the optical signal may be evaluated on the basis of I 2 calculated by the following equation.
Here, I 1 is the magnitude of the mirror current in the current mirror circuit, T 0 is the reference value of the ambient temperature, ΔT is the amount of change in the ambient temperature from the reference value, and a 11 , a 12 , a 21 , And a 22 are constants.
上記のカレントミラー回路においては、受光素子を流れる電流の大きさとミラー電流の大きさとの関係式に、第２のトランジスタの制御端子と電流端子との間の電圧（例えばベース・エミッタ間電圧）が残ってしまう。この電圧は、第２のトランジスタの温度により変動するので、電流モニタの精度を低下させる要因となる。そこで、この光受信装置は、カレントミラー回路の周囲温度を検出する測温素子と、カレントミラー回路からの出力信号と周囲温度との相関に関する情報を予め記憶し、該情報に基づいて光信号のパワーを評価する演算部と、を更に備える。このような構成によれば、温度変化に起因するカレントミラーからの出力信号の変動を抑制し、光信号のパワーを精度良く評価することができる。また、例えばこのような関係式に基づいて受光素子を流れる電流の大きさＩ２を算出することにより、光信号のパワーを精度良く評価することができる。 In the above current mirror circuit, the voltage between the control terminal and the current terminal of the second transistor (for example, the voltage between the base and the emitter) is expressed by the relational expression between the magnitude of the current flowing through the light receiving element and the magnitude of the mirror current. Will remain. Since this voltage varies depending on the temperature of the second transistor, it becomes a factor that lowers the accuracy of the current monitor. Therefore, this optical receiver stores in advance a temperature measuring element for detecting the ambient temperature of the current mirror circuit, and information relating to the correlation between the output signal from the current mirror circuit and the ambient temperature, and based on the information, A calculating unit for evaluating power. According to such a configuration, it is possible to suppress the fluctuation of the output signal from the current mirror due to the temperature change and accurately evaluate the power of the optical signal. Further, for example, by calculating the magnitude of I 2 of the current flowing in the light receiving element based on such relationship, the power of the optical signal can be accurately evaluated.
上記の光受信装置において、受光素子はアバランシェフォトダイオードであってもよい。この場合、受光素子を流れる電流の大きさの変化範囲は、通常のフォトダイオードと比べて大きくなる。従って、上記の作用効果がより顕著となる。 In the above optical receiving device, the light receiving element may be an avalanche photodiode. In this case, the change range of the magnitude of the current flowing through the light receiving element is larger than that of a normal photodiode. Therefore, the above-described effects are more remarkable.
一実施形態に係る光受信装置のパワーモニタ方法は、光信号を電気的な受信信号に変換する受光素子と、受光素子を流れる電流の流路に設けられ、第１のトランジスタ及び第２のトランジスタを有し、第１のトランジスタの経路に流れる電流を第２のトランジスタの経路に流れるミラー電流に反映させるカレントミラー回路とを備える光受信装置において、光信号のパワーをモニタする方法であって、第１のトランジスタは、流路上に設けられ、一方の電流端子が直接第１のノードに接続され、他方の電流端子が受光素子に接続され、第２のトランジスタは、ミラー電流が流れる流路上に設けられ、制御端子が第１のトランジスタの制御端子と接続され、一方の電流端子が抵抗を介して第１のノードに接続され、当該方法は、カレントミラー回路の周囲温度を検出するステップと、カレントミラー回路からの出力信号と周囲温度との相関に関する情報に基づいて光信号のパワーを評価するステップと、を含む。 A power monitoring method for an optical receiving device according to an embodiment includes a light receiving element that converts an optical signal into an electrical received signal, and a first transistor and a second transistor that are provided in a flow path of a current flowing through the light receiving element. And a current mirror circuit for reflecting a current flowing in the path of the first transistor to a mirror current flowing in the path of the second transistor, wherein the power of the optical signal is monitored. The first transistor is provided on a channel, one current terminal is directly connected to the first node, the other current terminal is connected to the light receiving element, and the second transistor is provided on a channel through which a mirror current flows. Wherein a control terminal is connected to a control terminal of the first transistor, one current terminal is connected to the first node via a resistor, the method comprising: And detecting the ambient temperature of the road, a step of evaluating the power of the optical signal based on the information on the correlation between the output signal and the ambient temperature from the current mirror circuit.
この方法は、カレントミラー回路の周囲温度を検出するステップと、カレントミラー回路からの出力信号と周囲温度との相関に関する情報に基づいて光信号のパワーを評価するステップと、を含む。このパワーモニタ方法によれば、上述した光受信装置と同様に、カレントミラー回路のダイナミックレンジを拡大することができる。また、温度変化に起因するカレントミラーからの出力信号の変動を抑制し、受光素子を流れる電流の大きさを精度良くモニタすることができる。 The method includes detecting an ambient temperature of a current mirror circuit, and evaluating a power of the optical signal based on information regarding a correlation between an output signal from the current mirror circuit and the ambient temperature. According to this power monitoring method, it is possible to expand the dynamic range of the current mirror circuit as in the case of the above-described optical receiver. Further, it is possible to suppress the fluctuation of the output signal from the current mirror due to the temperature change, and accurately monitor the magnitude of the current flowing through the light receiving element.
［本発明の実施形態の詳細］
本発明の実施形態に係る光受信装置および光受信装置のパワーモニタ方法の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。以下の説明では、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。
[Details of Embodiment of the Present Invention]
A specific example of an optical receiving device and a power monitoring method of the optical receiving device according to an embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. It should be noted that the present invention is not limited to these exemplifications, but is indicated by the claims, and is intended to include all modifications within the scope and meaning equivalent to the claims. In the following description, the same elements will be denoted by the same reference symbols in the description of the drawings, without redundant description.
図１は、本発明の一実施形態に係る光受信装置を備える光通信装置（光トランシーバ）の構成を示すブロック図である。図１に示されるように、光通信装置１は、光送信モジュール（Transmitter Optical SubAssembly；ＴＯＳＡ）２と、光受信モジュール（Receiver Optical SubAssembly；ＲＯＳＡ）３と、ドライバ回路４と、クロック・データ・リカバリ（ＣＤＲ）５と、パワーモニタ回路６と、増幅器７と、演算部８とを備える。ドライバ回路４、ＣＤＲ５、パワーモニタ回路６、増幅器７、及び演算部８は、筐体２０に収容される。筐体２０は、例えば金属製である。
FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration of an optical communication device (optical transceiver) including an optical receiving device according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the
光送信モジュール２は、光ファイバに接続され、該光ファイバを通じて光信号Ｐａを外部へ送信する。光送信モジュール２は、半導体レーザ素子及びレンズを内蔵しており、半導体レーザ素子から出力された光信号Ｐａを、レンズによって光ファイバの一端に集光する。半導体レーザ素子は、レーザダイオードであってもよく、レーザダイオードと半導体光変調器とがモノリシックに集積された集積素子であってもよい。ドライバ回路４は、光送信モジュール２の半導体レーザ素子と電的的に接続されており、半導体レーザ素子を駆動するための駆動電流Ｉｄを半導体レーザ素子に提供する。ＣＤＲ５は、ドライバ回路４と電的的に接続されている。ＣＤＲ５は、光通信装置１の外部から送信信号ＴｘＳｉｇを受け、送信信号ＴｘＳｉｇのタイミングを受信信号ＲｘＳｉｇと同期させたのち、送信信号ＴｘＳｉｇをドライバ回路４に提供する。
The
光受信モジュール３は、別の光ファイバに接続され、該光ファイバを通じて光信号Ｐｂを外部から受信する。光受信モジュール３は、半導体受光素子及びレンズを内蔵しており、光ファイバから取り込んだ光信号Ｐｂを、レンズによって半導体受光素子の受光面に集光する。半導体受光素子は、光信号Ｐｂを電流に変換する。この電流は、光信号Ｐｂの強度に応じた大きさを有する。半導体受光素子は、通常のフォトダイオードであってもよく、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）であってもよい。光送信モジュール２及び光受信モジュール３は、筐体２０の一端において並んで配置され、筐体２０の端壁に固定される。
The
パワーモニタ回路６は、光受信モジュール３の半導体受光素子と電的的に接続されており、光信号Ｐｂの強度に応じた電流Ｉｒを半導体受光素子から受ける。パワーモニタ回路６は、半導体受光素子からの電流Ｉｒの大きさを検出する。すなわち、パワーモニタ回路６は、半導体受光素子からの電流Ｉｒの大きさに応じた電圧信号であるパワーモニタ信号Ｓｍを生成し、パワーモニタ信号Ｓｍを演算部８に出力する。電流Ｉｒは、パワーモニタ回路６を経たのち増幅器７に入力される。増幅器７は、パワーモニタ回路６と電的的に接続されており、電流Ｉｒを電圧信号である受信信号ＲｘＳｉｇに変換する。受信信号ＲｘＳｉｇは、ＣＤＲ５を経て光通信装置１の外部へ出力される。
The
図２は、パワーモニタ回路６の詳細な構成を示す回路図である。パワーモニタ回路６は、バイアス電源１１と、抵抗１２，１３と、トランジスタ１４，１５と、抵抗１６とを有する。抵抗１３と、トランジスタ１４，１５とは、半導体受光素子を流れる電流Ｉｒの流路に設けられたカレントミラー回路１７を構成する。なお、電流Ｉｒの流路とは、バイアス電源１１、抵抗１２、及びトランジスタ１５を経由する流路を指す。更に、パワーモニタ回路６は、半導体受光素子のカソードに接続されて電流Ｉｒの流路となる端子１８と、演算部８に接続されてパワーモニタ信号Ｓｍを出力する端子１９と、を有する。
FIG. 2 is a circuit diagram showing a detailed configuration of the
バイアス電源１１は、半導体受光素子に供給されるバイアス電圧を生成する直流電源である。バイアス電源１１は、パワーモニタ回路６の外部に設けられてもよく、光通信装置１の外部に設けられてもよい。その場合、パワーモニタ回路６は、バイアス電源１１から延びる電源配線を有する。バイアス電源１１の正側端子は抵抗１２に接続されており、負側端子は基準電位線２１に接続されている。抵抗１２は、バイアス電源１１とノードＮ１（第１のノード）との間に接続されている。抵抗１２は、電流Ｉｒの大きさを制限するために設けられ、例えばチップ抵抗といった抵抗素子である。抵抗１２の抵抗値は、例えば０〜１０ｋΩの範囲内である。
The
トランジスタ１５は、本実施形態における第１のトランジスタである。トランジスタ１５は、電流Ｉｒの流路上に設けられている。なお、電子部品が或る電流の流路上に設けられるとは、その電子部品に該電流が流れることを意味する。トランジスタ１５は、例えばＰＮＰ型のバイポーラトランジスタである。トランジスタ１５の一方の電流端子（例えばエミッタ）は、抵抗を介さずにノードＮ１に接続されている。なお、抵抗を介さずに接続されるとは、例えばチップ抵抗といった抵抗素子若しくは有意な抵抗値を有する電子部品を介さずに、導電体を介して直接に接続されることを意味し、配線が有する抵抗成分は該抵抗には含まれない。トランジスタ１５の他方の電流端子（例えばコレクタ）は、端子１８を介して半導体受光素子に接続されると共に、ノードＮ２に接続されている。ノードＮ２は、トランジスタ１４，１５の各制御端子（ベース）に接続されている。これにより、トランジスタ１４，１５の各制御端子の電位は、互いに同電位となり、且つトランジスタ１５の他方の電流端子の電位と一致する。
The
トランジスタ１４は、本実施形態における第２のトランジスタである。トランジスタ１４は、ミラー電流Ｉｍの流路上に設けられている。トランジスタ１４は、トランジスタ１５と同種類のトランジスタであり、例えばＰＮＰ型のバイポーラトランジスタである。トランジスタ１４の一方の電流端子（例えばエミッタ）は、抵抗１３を介してノードＮ１に接続されている。抵抗１２は、ミラー電流Ｉｍの大きさを規定するために設けられ、例えばチップ抵抗といった抵抗素子である。抵抗１３の抵抗値は、例えば０〜１０ｋΩの範囲内である。トランジスタ１４の他方の電流端子（例えばコレクタ）は、抵抗１６を介して基準電位線２１に接続されるとともに、端子１９を介して演算部８に接続される。端子１９からは、ミラー電流Ｉｍにより抵抗１６において生じた電圧降下に相当するパワーモニタ信号Ｓｍが演算部８に出力される。なお、パワーモニタ信号Ｓｍの大きさは、ミラー電流Ｉｍの大きさを表す。
The
ここで、半導体受光素子を流れる電流Ｉｒとミラー電流Ｉｍとの関係について述べる。トランジスタ１４のベース・エミッタ間電圧をＶｂｅ１、トランジスタ１５のベース・エミッタ間電圧をＶｂｅ２、ミラー電流Ｉｍの大きさをＩ１、抵抗１３の抵抗値をＲ２とすると、
の関係が成り立つ。従って、電流Ｉｒの大きさをＩ２とすると、Ｉ１とＩ２との比は、
となる。故に、Ｉ１とＩ２との関係は
となり、Ｉ２はＩ１の二次関数として表される。
Here, the relationship between the current Ir flowing through the semiconductor light receiving element and the mirror current Im will be described. Assuming that the base-emitter voltage of the
Holds. Therefore, when the magnitude of the current Ir and I 2, the ratio of I 1 and I 2 are
Becomes Therefore, the relationship between I 1 and I 2 is
And I 2 is represented as a quadratic function of I 1 .
この（１）式には、トランジスタ１４のベース・エミッタ間電圧Ｖｂｅ１が含まれている。ベース・エミッタ間電圧Ｖｂｅ１は、トランジスタ１４の温度変化に応じて変動する。従って、このままでは温度変化による誤差がＩ２の算出結果に含まれてしまう。そこで、本実施形態では、カレントミラー回路１７の周囲温度（特に、トランジスタ１４の周囲温度）を測定し、Ｉ２の算出結果を周囲温度により補正する。
This equation (1) includes the base-emitter voltage Vbe 1 of the
具体的には、次の通りである。一般的に、トランジスタのベース・エミッタ間電圧Ｖｂｅは、
と表される。ここで、ｋはボルツマン定数、Ｔは温度、ｑは電気素量、αはベース接地電流増幅率、ＩＣ０はコレクタ逆方向飽和電流、ＩＥ０はエミッタ逆方向飽和電流である。温度Ｔを除く他の要素は物理定数若しくはトランジスタの各個体毎に固有の定数であるから、ベース・エミッタ間電圧Ｖｂｅは温度Ｔの関数
と表される。故に、
と表される。このように、Ｉ２はＩ１およびＴを変数とした関数で表され、またＩ１の次数は２となる。
Specifically, it is as follows. Generally, the base-emitter voltage Vbe of a transistor is
It is expressed as Here, k is the Boltzmann constant, T is the temperature, q is the elementary charge, α is the base ground current amplification factor, IC0 is the collector reverse saturation current, and IE0 is the emitter reverse saturation current. Elements other than the temperature T are physical constants or constants peculiar to each individual transistor, so that the base-emitter voltage Vbe is a function of the temperature T.
It is expressed as Therefore,
It is expressed as Thus, I 2 is represented by a function using I 1 and T as variables, and the order of I 1 is 2.
実際には、上記の温度変動に加えて、バイアス電源１１から出力されるバイアス電圧の調整誤差など、Ｉ２に誤差を生じさせる他の要因も存在する。そこで、上の数式（３）にオフセットを加味し、本実施形態では下記の数式（４）を用いる。
但し、Ｔ０は周囲温度の基準値であり、ΔＴは基準値からの周囲温度の変化量であり、ａ１１、ａ１２、ａ２１、及びａ２２は補正係数（定数）である。ａ１１、ａ１２、ａ２１、及びａ２２のいずれかは、０であってもよい。周囲温度の基準値Ｔ０は、例えばパワーモニタ回路６及びバイアス電源１１を調整したときの周囲温度であって、当該温度のときにＩ２の誤差が０となる。
In fact, in addition to the above temperature change, such as adjustment error of the bias voltage output from the
Here, T 0 is a reference value of the ambient temperature, ΔT is a change amount of the ambient temperature from the reference value, and a 11 , a 12 , a 21 , and a 22 are correction coefficients (constants). Any of a 11 , a 12 , a 21 , and a 22 may be 0. Reference value T 0 of the ambient temperature is, for example, at ambient temperature when adjusting the
再び図１を参照する。演算部８は、アナログ・ディジタル変換器（ＡＤＣ）９と、測温素子１０とを有する。ＡＤＣ９は、パワーモニタ回路６から受けた電圧信号であるパワーモニタ信号Ｓｍをディジタル信号に変換する。演算部８は、例えばＣＰＵ及びメモリを有するコンピュータにより構成され、ディジタル変換されたパワーモニタ信号Ｓｍを用いて、上記の数式（４）に示される演算を行う。また、測温素子１０は、カレントミラー回路１７の周囲温度として、筐体２０内の温度を検出する。測温素子１０は、例えば温度に応じて抵抗値が変化するサーミスタであり、演算部８は、サーミスタの抵抗値に基づいて筐体２０内の温度を知得する。なお、本実施形態では測温素子１０が演算部８に含まれているが、測温素子１０は筐体２０内における演算部８の外部に設けられてもよい。
FIG. 1 is referred to again. The
演算部８は、パワーモニタ信号Ｓｍとカレントミラー回路１７の周囲温度との相関に関する情報（前述した周囲温度の基準値Ｔ０、補正係数ａ１１、ａ１２、ａ２１、及びａ２２）を予め不揮発性のメモリに記憶している。これらの情報は、個々の光通信装置１毎に固有の値を有する。演算部８は、これらの情報に基づいて、光信号Ｐｂのパワーを評価する。すなわち、演算部８は、上記の数式（４）を演算するためのプログラムを予め不揮発性のメモリに記憶しており、上記の数式（４）によりＩ２を算出し、Ｉ２に基づいて光信号ＰｂのパワーのデータＤｂを光通信装置１の外部へ出力する。
The
図３は、演算部８の動作内容を示すフローチャートである。図３を参照しつつ、本実施形態に係る光信号のパワーモニタ方法について説明する。まず、カレントミラー回路１７の周囲温度を検出する（ステップＳＴ１）。測温素子１０がサーミスタである場合、演算部８は、サーミスタの抵抗値の変化をディジタル値として取得し、該ディジタル値を周囲温度の値に換算する。次に、演算部８は、カレントミラー回路１７からの出力信号すなわちパワーモニタ信号ＳｍをＡＤＣ９において入力し、パワーモニタ信号Ｓｍをディジタル信号に変換する（ステップＳＴ２）。続いて、演算部８は、パワーモニタ信号ＳｍをＩ１に換算した上で、メモリに記憶された情報（Ｔ０、ａ１１、ａ１２、ａ２１、及びａ２２）に基づいて、上記の数式（４）によりＩ２を算出する（ステップＳＴ３）。その後、演算部８は、Ｉ２と光信号Ｐｂのパワーとの関係を示すルックアップテーブルを参照して、光信号Ｐｂのパワーを評価する（ステップＳＴ４）。最後に、演算部８は、評価した光信号ＰｂのパワーのデータＤｂを光通信装置１の外部へ出力する（ステップＳＴ５）。光通信装置１の外部に設けられた表示装置は、このデータＤｂに基づいて受信光のパワーを表示する。これにより、作業者が受信光のパワーを確認できる。
FIG. 3 is a flowchart showing the operation content of the
以上に説明した、本実施形態による光通信装置１及びパワーモニタ方法により得られる効果について、従来のパワーモニタ回路が有する課題とともに説明する。図４は、従来のパワーモニタ回路６Ａの構成を示す回路図である。図４に示されるパワーモニタ回路６Ａと本実施形態によるパワーモニタ回路６（図２を参照）との相違点は、ノードＮ１とトランジスタ１５との間の抵抗の有無である。すなわち、本実施形態ではトランジスタ１５とノードＮ１との間に抵抗が介在しないのに対し、図４に示されるパワーモニタ回路６Ａでは、トランジスタ１５とノードＮ１との間に抵抗３１が介在している。このようなカレントミラー回路では、ミラー電流Ｉｍの大きさＩ２と電流Ｉｒの大きさＩ２との比は
となる（Ｒ４は抵抗３１の抵抗値）。従って、Ｉ２は
と表される。すなわち、Ｉ１とＩ２との比と抵抗１３，３１の抵抗値の比とが互いに等しいので、Ｉ２がＩ１の線形関数として表され、光信号Ｐｂのパワーを簡易な計算により評価することができる。しかしながら、このようにＩ１とＩ２との比が固定されると、ダイナミックレンジが不十分となる場合がある。特に、電流増幅作用を有するＡＰＤが半導体受光素子として用いられる場合には、そのような問題が顕著となる。
The effects obtained by the
Become (resistance value of R 4 is resistor 31). Therefore, I 2 is
It is expressed as That is, since the ratio of the resistance values of the ratio between the
そこで、本実施形態では、一対のトランジスタのうち受光素子に接続されたトランジスタ１５の電流端子が、抵抗を介さずにノードＮ１に接続されている。前述したように、このような場合、受光素子を流れる電流の大きさは、カレントミラー回路１７から取り出されるミラー電流Ｉｍの大きさの二次関数として表される。従って、受光素子を流れる電流の大きさとミラー電流Ｉｍの大きさとの関係が線形となる従来のカレントミラー回路１７と比較して、ダイナミックレンジを拡大することができる。また、このような構成によれば、特許文献１に記載された構成と異なり単一のカレントミラー回路１７で足りるため、回路規模の拡大を抑制することができる。
Therefore, in the present embodiment, the current terminal of the
また、このような回路構成を採用すると、前述したように、受光素子を流れる電流Ｉｒの大きさとミラー電流Ｉｍの大きさとの関係式に、トランジスタ１４の制御端子と電流端子との間の電圧（例えばベース・エミッタ間電圧）が残ってしまう。この電圧は、トランジスタ１４の温度により変動するので、電流モニタの精度を低下させる要因となる。そこで、本実施形態の光通信装置１は、カレントミラー回路１７の周囲温度を検出する測温素子１０と、カレントミラー回路１７からの出力信号と周囲温度との相関に関する情報を予め記憶し、該情報に基づいて光信号Ｐｂのパワーを評価する演算部８と、を備える。このような構成によれば、温度変化に起因するパワーモニタ信号Ｓｍの変動を抑制し、光信号Ｐｂのパワーを精度良く評価することができる。
Further, when such a circuit configuration is employed, as described above, the voltage between the control terminal and the current terminal of the transistor 14 (the voltage between the control terminal and the current terminal of the transistor 14) For example, a base-emitter voltage remains. This voltage fluctuates depending on the temperature of the
図５は、温度変化による影響を考慮しない場合における、光信号Ｐｂのパワーの評価結果の誤差を示すグラフである。また、図６は、温度変化による影響を考慮した本実施形態における、光信号Ｐｂのパワーの評価結果の誤差を示すグラフである。これらの図において、縦軸は評価結果の誤差（単位：ｄＢ）を表し、横軸は光信号Ｐｂのパワー（単位：ｄＢｍ）を表している。また、これらの図において、グラフＧ１１及びＧ２１は周囲温度Ｔが−２０℃である場合を示し、グラフＧ１２及びＧ２２は周囲温度Ｔが４０℃である場合を示し、グラフＧ１３及びＧ２３は周囲温度Ｔが８５℃である場合を示す。 FIG. 5 is a graph illustrating an error in the evaluation result of the power of the optical signal Pb when the influence of the temperature change is not considered. FIG. 6 is a graph showing an error in the evaluation result of the power of the optical signal Pb in the present embodiment in which the influence of the temperature change is considered. In these figures, the ordinate represents the error (unit: dB) of the evaluation result, and the abscissa represents the power (unit: dBm) of the optical signal Pb. In these figures, graphs G11 and G21 show the case where the ambient temperature T is −20 ° C., graphs G12 and G22 show the case where the ambient temperature T is 40 ° C., and graphs G13 and G23 show the case where the ambient temperature T is Is 85 ° C.
図５を参照すると、周囲温度による影響を考慮しない場合、光信号Ｐｂのパワーが大きくなるほど（すなわち電流Ｉｒが大きくなるほど）誤差が大きくなっていることがわかる。これに対し、図６を参照すると、光信号Ｐｂのパワーにかかわらず誤差が小さく抑えられている。このように、本実施形態によれば、温度変化による影響を抑え、光信号Ｐｂのパワーを精度良く評価することができる。 Referring to FIG. 5, when the influence of the ambient temperature is not taken into account, it can be seen that the error increases as the power of the optical signal Pb increases (that is, as the current Ir increases). On the other hand, referring to FIG. 6, the error is kept small regardless of the power of the optical signal Pb. As described above, according to the present embodiment, it is possible to suppress the influence of the temperature change and accurately evaluate the power of the optical signal Pb.
また、本実施形態のように、演算部８は、光信号Ｐｂのパワーを、上記の数式（４）により算出されたＩ２に基づいて評価してもよい。例えばこのような関係式に基づいてＩ２を算出することにより、光信号Ｐｂのパワーを精度良く評価することができる。なお、Ｉ１とＩ２との関係式は上記の数式（４）に限られず、他の適切な非線形の関係式を用いてＩ２を算出してもよい。
Also, as in the present embodiment, the
また、前述したように、受光素子はアバランシェフォトダイオードであってもよい。この場合、受光素子を流れる電流Ｉｒの大きさの変化範囲は、通常のフォトダイオードと比べて大きくなる。従って、本実施形態の光通信装置１による上述した作用効果がより顕著となる。
Further, as described above, the light receiving element may be an avalanche photodiode. In this case, the change range of the magnitude of the current Ir flowing through the light receiving element is larger than that of a normal photodiode. Therefore, the above-described functions and effects of the
本発明による光受信装置および光受信装置のパワーモニタ方法は、上述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、トランジスタ１４，１５は、バイポーラトランジスタに限られず、例えばＦＥＴであってもよい。その場合、上述した説明において、ベースはゲートに、エミッタはソース、コレクタはドレインとそれぞれ読み替えられる。また、本発明は、図２に示された構成のカレントミラー回路に限らず、他の様々な構成のカレントミラー回路に適用可能である。また、上記実施形態はミラー電流Ｉｍを電圧信号に変換するために抵抗１６を有しているが、ミラー電流Ｉｍを電圧信号に変換するための回路構成はこれに限られない。また、上記実施形態では双方向光通信を行う光通信装置に本発明を適用したが、本発明は光信号の受信のみを行う装置に適用されてもよい。
The optical receiving device and the power monitoring method of the optical receiving device according to the present invention are not limited to the above-described embodiment, and various other modifications are possible. For example, the
１…光通信装置、２…光送信モジュール、３…光受信モジュール、４…ドライバ回路、５…ＣＤＲ、６，６Ａ…パワーモニタ回路、７…増幅器、８…演算部、１０…測温素子、１１…バイアス電源、１２，１３，１６，３１…抵抗、１４，１５…トランジスタ、１７…カレントミラー回路、１８，１９…端子、２０…筐体、２１…基準電位線、Ｉｄ…駆動電流、Ｉｍ…ミラー電流、Ｉｒ…電流、Ｎ１，Ｎ２…ノード、Ｐａ，Ｐｂ…光信号、ＲｘＳｉｇ…受信信号、Ｓｍ…パワーモニタ信号、ＴｘＳｉｇ…送信信号。
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記受光素子を流れる電流の流路に設けられ、第１のトランジスタ及び第２のトランジスタを有し、前記第１のトランジスタの経路に流れる電流を前記第２のトランジスタの経路に流れるミラー電流に反映させるカレントミラー回路と、
を備え、
前記第１のトランジスタは、前記流路上に設けられ、一方の電流端子が直接第１のノードに接続され、他方の電流端子が前記受光素子に接続され、
前記第２のトランジスタは、前記ミラー電流が流れる流路上に設けられ、制御端子が前記第１のトランジスタの制御端子と接続され、一方の電流端子が抵抗を介して前記第１のノードに接続される、光受信装置。 A light-receiving element that converts an optical signal into a current,
A first transistor and a second transistor provided in a flow path of a current flowing through the light receiving element, wherein a current flowing through the path of the first transistor is reflected on a mirror current flowing through a path of the second transistor A current mirror circuit for
With
The first transistor is provided on the flow path, one current terminal is directly connected to the first node, the other current terminal is connected to the light receiving element,
The second transistor is provided on a flow path through which the mirror current flows, a control terminal is connected to a control terminal of the first transistor, and one current terminal is connected to the first node via a resistor. Optical receiver.
前記カレントミラー回路からの出力信号と前記周囲温度との相関に関する情報を予め記憶し、該情報に基づいて前記光信号のパワーを評価する演算部と、を更に備え、
前記演算部は、前記光信号のパワーを、下記の数式により算出されたＩ２に基づいて評価する、請求項１に記載の光受信装置。
但し、Ｉ１は前記カレントミラー回路におけるミラー電流の大きさであり、Ｔ０は前記周囲温度の基準値であり、ΔＴは前記基準値からの前記周囲温度の変化量であり、ａ１１、ａ１２、ａ２１、及びａ２２は定数である。 A temperature measuring element for detecting an ambient temperature of the current mirror circuit,
An arithmetic unit that stores in advance information relating to the correlation between the output signal from the current mirror circuit and the ambient temperature, and evaluates the power of the optical signal based on the information.
The arithmetic unit, the power of the optical signal is evaluated on the basis of I 2 calculated by the following equation, the optical receiving apparatus according to claim 1.
Here, I 1 is the magnitude of the mirror current in the current mirror circuit, T 0 is the reference value of the ambient temperature, ΔT is the amount of change in the ambient temperature from the reference value, and a 11 and a 11 12 , a 21 and a 22 are constants.
前記第１のトランジスタは、前記流路上に設けられ、一方の電流端子が直接第１のノードに接続され、他方の電流端子が前記受光素子に接続され、
前記第２のトランジスタは、前記ミラー電流が流れる流路上に設けられ、制御端子が前記第１のトランジスタの制御端子と接続され、一方の電流端子が抵抗を介して前記第１のノードに接続され、
当該方法は、
前記カレントミラー回路の周囲温度を検出するステップと、
前記カレントミラー回路からの出力信号と前記周囲温度との相関に関する情報に基づいて前記光信号のパワーを評価するステップと、
を含む、光受信装置のパワーモニタ方法。 A light-receiving element that converts an optical signal into an electric reception signal; and a first transistor and a second transistor that are provided in a flow path of a current flowing through the light-receiving element and that flow through a path of the first transistor A current mirror circuit for reflecting a current to a mirror current flowing in a path of the second transistor, wherein the optical receiver comprises:
The first transistor is provided on the flow path, one current terminal is directly connected to the first node, the other current terminal is connected to the light receiving element,
The second transistor is provided on a flow path through which the mirror current flows, a control terminal is connected to a control terminal of the first transistor, and one current terminal is connected to the first node via a resistor. ,
The method is
Detecting the ambient temperature of the current mirror circuit;
Evaluating the power of the optical signal based on information about the correlation between the output signal from the current mirror circuit and the ambient temperature,
A power monitoring method for an optical receiving device, comprising:
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