JP3912626B2 - 光受信回路 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、光受信回路に関し、より特定的には、パルス変調された光信号を受信して電気信号に変換して増幅再生する光受信回路に関する。
【0002】
【従来の技術】
図5は、特公平7−107943号公報に開示された光受信器の構成を示したブロック図である。図6は、図5に示す光受信器の各部の電圧レベルを示した図である。以下、図5および図6を参照して、従来の光受信器について説明する。
【0003】
図5において、従来の光受信器は、フォトダイオード51と、電流電圧変換部52と、電圧源53と、ピーク検出部54と、コンパレータ55と、抵抗56および57とを備えている。フォトダイオード51は、受信した光信号を電気信号に変換する。電流電圧変換部52は、電流信号を電圧信号に変換する。電圧源53は、無入力時の電流電圧変換部の出力電圧と同じ電圧を発生する。ピーク検出部54は、電流電圧変換部52の出力信号のピーク値(この場合は最小値)を検出保持する。抵抗56および57は、互いに同一の抵抗値を有しており、ピーク検出部54の出力と電圧源53の出力電圧との中間値を出力するために用意される。
【0004】
図6において、V50は電流電圧変換部52の出力、V51はピーク検出部54の出力、V52は電圧源53の出力、V53は抵抗56および57により生成され、コンパレータ55の参照入力に印加される電圧レベルを示している。
【0005】
パルス変調された受信光信号は、フォトダイオード51により電流信号に変換される。変換された電流信号は、電流電圧変換部52により電圧信号(V50)に変換される。変換された電圧信号は、そのパルス信号の最小となるピーク値(V51)がピーク検出部54により検出、保持される。
【0006】
一方、電圧源53は、電流電圧変換部52と同一回路構成で、かつフォトダイオードが接続されていない構成であるため、その出力(V52)は、光信号を受信していない場合の電流電圧変換部52の出力レベルと同一となる。
【0007】
抵抗56および抵抗57の分圧回路により生成される電圧レベルV53は、ピーク検出部54の出力V51と電圧源53の出力V52との丁度中間値を示す。すなわち、電圧レベルV53は、電流電圧変換部52の出力信号V50の中間値に設定されることとなる。そして、コンパレータ55において、出力信号V50が電圧レベルV53をしきい値として弁別されてパルス信号が再生される。
【0008】
上記従来の光受信器においては、電流電圧変換部52における回路の出力振幅範囲の最大値で、最大受光レベルが決まる。また、電流電圧変換部52における雑音レベルに応じて、最小受光レベルが決まる。すなわち、この光受信器では、最大受光レベルと最小受光レベルとの間の受光レベルの光信号については再生が可能である。
【0009】
しかし、近年、伝送距離をさらに長くしたシステムへの適用や、分岐数の多いシステムへの適用が検討されており、光受信器としてダイナミックレンジをさらに拡大することが求められつつある。
【0010】
そこで、受信可能な光信号のダイナミックレンジを拡大する試みとして、本願出願人は、新たな光受信器を先に提案した(特願平08−281964号;ただし、本願出願時未公開)。図7は、この先に提案された光受信器の光受信部の構成を示すブロック図である。図8は、図7に示す光受信部の出力波形を示す波形図である。
【0011】
図7において、本願出願人提案の光受信器における光受信部は、フォトダイオード61と、電流電圧変換部62と、バイパス用電流源63とを備えている。
【0012】
受信する光信号の信号電力が小さい場合には、バイパス用電流源63は動作せず、その電流値は0である。従って、フォトダイオード61にて変換された電流信号は、全て電流電圧変換部62へ供給され、出力電圧信号が得られる。図8における出力電圧信号波形601は、この場合の出力を表している。
【0013】
次に、受信する光信号の信号電力が大きい場合について説明する。パルス信号の立ち下がり時の始めには、電流源63は動作せず、フォトダイオード61にて変換された電流信号は、全て電流電圧変換部62に供給され、電圧信号として取り出される。そして、パルス信号の立ち下がりに従って、電流電圧変換部62からの出力として、その振幅値が一定値を越えると、電流源63を構成しているトランジスタが導通を始め、フォトダイオード61からの電流信号の一部が電流源63へとバイパスされることとなる。パルス信号として、電流電圧変換部62からの出力電圧信号が一定値を越えた時点で電流信号の一部がバイパスされることで、パルス信号の先端がリミットされた波形の信号が得られることとなる。出力電圧信号波形602は、この場合の出力を表している。受信信号光レベルが大きくなり、バイパスされる信号電流量が多くなるほど、出力パルスの中心におけるパルス幅の歪みが大きくなる。
【0014】
このようにして、受信信号が大電力の場合でも受信することが可能となり、その受信可能なダイナミックレンジが拡大可能となるが、電流源63にて一部の電流がバイパスされた場合の、電流電圧変換部62からの出力信号波形は、その振幅中心におけるパルス幅歪が大きく現れることとなる。
【0015】
【発明が解決しようとする課題】
この図7に示す構成の光受信部を、図5に示すフォトダイオード51と電流電圧変換部52とから構成される光受信部に置き換えて、広いダイナミックレンジを備えた光受信器として実現した場合、受信光信号の信号電力レベルが小さい場合には問題ないが、信号電力レベルが大きくなり、電流電圧変換部62からパルス信号の先端がリミットされた波形が出力される場合には、その振幅中心ではパルス幅歪が大きく現れる。そのため、コンパレータ55の出力信号が、パルス幅歪の大きな信号となってしまうという問題点があった。このことは、コンパレータ55の出力信号のデューティー比が変動することを意味し、後段の図示しないPLL(位相同期ループ)で正確なクロックが再生できなくなる。その結果、誤った情報を再生してしまうおそれがあった。
【0016】
それ故に、本発明の目的は、大電力の光信号を受信した場合であっても、パルス歪の無い再生信号が得られる光受信回路を提供することである。
【0017】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
本発明は、パルス変調された光信号を受信して再生する光受信回路であって、
光信号を電流信号に変換するフォトダイオードと、
フォトダイオードによって取り出された電流信号を電圧信号に変換する電流電圧変換回路と、
所定電力以上の光信号を受信した場合に、フォトダイオードから取り出される電流信号の一部をバイパスするための電流源と、
電流源によりバイパスされる電流値が0の場合は、電流電圧変換部の出力振幅の中心値を出力し、電流値が0を越える場合は、当該バイパスされる電流値に比例して、電流電圧変換部の出力信号の振幅中心から出力信号の極値に近づく方向に変化した値を出力すると共に、その出力が電流電圧変換回路の出力信号の振幅値の範囲を越えないように制御されるリファレンス制御部と、
電流電圧変換回路の出力を信号入力として受け、リファレンス制御部の出力を参照入力として受け、当該参照入力をしきい値として当該信号入力を弁別するコンパレータとを備え、
電流電圧変換回路は、トランスインピーダンス型のプリアンプにより構成され、
リファレンス制御部は、
プリアンプの出力の最小値を検出、保持する第1の最小値保持回路と、プリアンプの無入力時の出力レベルと同一レベルの出力電圧を発生する電圧源と、
電流源によってバイパスされる電流と同等の電流値の電流を取り出すためのカレントミラー回路と、
電圧源とカレントミラー回路との間に接続される電圧降下用抵抗と、
電圧降下用抵抗の端子電圧の最低値を検出、保持する第2の最小値保持回路と、
第1および第2の最小値保持回路の中間の出力電圧を取り出す分圧回路とを含むものである。
本発明によれば、リファレンス制御部の出力レベルは、電流源によりバイパスされる電流値かつ従って受信した光信号の電力値に応じて変わるので、受信信号が大電力光信号であった場合、コンパレータの参照入力レベルすなわちしきい値レベルが自動的に適切な値に変化し、パルス幅歪の無い再生信号を得ることができる。
また、リファレンス制御部は、電流源によりバイパスされる電流値が0を越える場合のみ電流電圧変換部の出力振幅の中心値からシフトするため、小電力の光信号を受信した場合であっても、パルス幅歪の無い再生信号を得ることができる。
【0022】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明の一実施形態に係る光受信回路の構成を示すブロック図である。図1において、本実施形態の光受信回路は、光信号を電流信号に変換するフォトダイオード11と、電流電圧変換を行うトランスインピーダンス型プリアンプ12と、大電力光信号を受信した場合に一部の電流をバイパスする電流バイパス部13と、無入力時のプリアンプ12の出力レベルと同一レベルの電圧を発生する電圧源14と、電圧降下用抵抗15と、最小値保持回路161および162と、抵抗分割による中間値を得るための抵抗171および172と、プリアンプ12の出力を信号入力として受け、抵抗171および172から得られる分圧出力を参照入力として受け、当該参照入力をしきい値として当該信号入力を弁別するコンパレータ18とを備えている。なお、電流バイパス部13は、バイパス電流を決定するトランジスタ131と、バイパスする電流値を取り出すカレントミラーを構成するトランジスタ132および133とを含む。
【0023】
図2は、図1に示す光受信回路が小電力信号を受信した場合の各部電流と電圧の波形を示している。図2において、波形20は電流バイパス部13で取り出される電流波形を、波形21はプリアンプ12の出力信号波形を、波形22は最小値保持回路162の出力信号を、波形24は最小値保持回路161の出力信号を、波形23は抵抗171および172により抵抗分割された出力信号を、波形25はコンパレータ18の出力信号を、それぞれ示している。
【0024】
図3は、図1に示す光受信回路が大電力信号を受信した場合の各部電流と電圧の波形を示している。図3において、波形30は電流バイパス部13で取り出される電流波形を、波形31はプリアンプ12の出力信号波形を、波形32は最小値保持回路162の出力を、波形320は最小値保持回路162の入力を、波形34は最小値保持回路161の出力信号を、波形33は抵抗171および172により抵抗分割された出力信号を、波形35はコンパレータ18の出力信号を、それぞれ示している。
【0025】
図4は、トランジスタ133の動作特性曲線を示した図である。図4では、トランジスタ133のドレイン・ソース間電圧を横軸に、ドレイン電流を縦軸に取り、ゲート−ソース間電圧をパラメータとして、動作特性曲線を記述している。さらに、図4では、抵抗15を含めた動作特性曲線を重ねて示している。
【0026】
以下、これら図2〜図4を参照して、図1に示す光受信回路の動作を説明する。
まず、小電力の光信号を受信する場合について説明する。フォトダイオード11により変換された電流信号は、プリアンプ12へ流入し、電圧信号に変換される。プリアンプ12は、負帰還回路で構成されるため、その電圧波形は、光信号が入力されると、無入力時のレベルから下方向に凸な波形として現れる。
【0027】
この場合、プリアンプ12で発生される電圧信号の振幅は比較的小さく、電流バイパス用トランジスタ131を導通させないため、フォトダイオード11からの電流信号は、全てプリアンプ12へ供給される。従って、プリアンプ12の出力信号波形21は、振幅中心におけるパルス幅歪の無い波形となる。
【0028】
電圧源14は、光信号が無入力時のプリアンプ12の出力と等しい出力電位レベルを発生している。トランジスタ133を流れるバイパス電流が無いため、カレントミラーで取り出される電流は0であり、電位降下用抵抗15の両端の電位差も0となる。このため、最小値保持回路162の入力は、電圧源14の出力レベルと同一となり、最小値保持回路162の出力は、波形22として示すように、プリアンプ12の出力信号波形の上端のレベルと同一となる。
【0029】
一方、プリアンプ12からの出力波形21を入力とする最小値保持回路161の出力は、波形24として示すように、信号振幅の最下端のレベルとなる。このため、抵抗171および172によって抵抗分割された電位レベルとしては、波形23として示す通り、プリアンプ12の出力信号振幅の中間値が得られる。従って、この中間値のレベルをしきい値としてコンパレータ18でしきい値弁別を行えば、コンパレータ18からは、パルス幅歪みがほぼ無い出力(波形25)が得られる。
【0030】
次に、大電力の光信号を受信する場合について説明する。フォトダイオード11により変換された電流信号は、プリアンプ12へ流入し、電圧信号に変換される。
【0031】
この場合、プリアンプ12で発生される電圧信号は、その振幅が大きくなり、あるしきい値を越えた時点で電流バイパス用トランジスタ131を導通させる。その結果、フォトダイオード11からの電流信号の一部はバイパスされ、残りの電流信号がプリアンプ12へ供給される。この時のバイパスされる電流波形を、波形30に示す。信号電流の一部がバイパスされることにより、プリアンプ12の出力信号の波形31は、歪むこととなる。
【0032】
ここで、バイパスされた電流量をibと置く。トランジスタ132および133によりカレントミラーが構成されるため、トランジスタ131を流れるバイパスされた電流と同一の電流量の電流が、トランジスタ133を流れる。このため、抵抗15には、電流ibが流れる。抵抗15の抵抗値をRとすると、抵抗15の両端の電位差は、ib・Rとなる。よって、最小値保持回路162の入力信号波形は、波形320に示す通りとなり、最小値保持回路162の出力は、波形32として示すように、無入力時のレベルからib・Rだけ下回るレベルとなる。
【0033】
一方、プリアンプ12からの出力(波形31)を入力とする最小値保持回路161の出力は、波形34として示すように、プリアンプ12の出力信号振幅の最下端のレベルとなる。このため、抵抗171および172により抵抗分割された電圧レベルとしては、波形33に示す通り、最小値保持回路161および162の出力レベル32および34の中間値が得られる。この波形33のレベルは、プリアンプ12の出力(波形31)の振幅中心から(ib・R)/2だけ下回るレベルとなる。
【0034】
上記のように、波形33の電圧レベルは、プリンアンプ12の出力の振幅中心から下方向へシフトされているが、このシフトは、パルス幅歪みをキャンセルする方向へのシフトである。さらに、バイパス電流が大きくなるほど、そのシフト量を比例して増大させることが可能となる。これによって、コンパレータ18からは、受信光電力レベルの広い範囲に渡り、パルス幅歪のほぼ無い出力(波形35)が得られる。
【0035】
上記のような構成とすることで、バイパス電流が大きくなるほど、プリアンプ12の出力振幅に対して、コンパレータ18のリファレンス入力レベルは相対的に中心から下回ることとなる。
【0036】
トランジスタ133のドレイン電流をIbとし、ドレイン・ソース間電圧をVDSとし、抵抗15の抵抗値をRとし、電圧源14の出力電圧をVtとした場合、次式(1)が成立する。
VDS+Ib・R=Vt …(1)
【0037】
トランジスタ133のドレイン・ソース間電圧を横軸に、ドレイン電流を縦軸に取った特性に、上式(1)で示される直線を重ねて記述した図4に示すグラフにおいて、最大受信電力の光信号を受信した場合にバイアスされる電流値が流れた場合におけるカレントミラーを構成するトランジスタ133のゲート電圧をV2とした場合、上式(1)に示される直線との交点におけるドレイン・ソース間電圧はVLである。この電位レベルVLが、最小値保持回路162における出力電圧レベルとなる。この電位レベルVLがプリアンプ12の出力振幅値の最下端レベルを下回らないように、トランジスタ133のパラメータを決定することで、確実に最大受光レベルまでにわたり、パルス信号を再生することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態に係る光受信器の構成を示すブロック図である。
【図2】図1に示す光受信回路が小電力信号を受信した場合の各部の電流と電圧の波形を示す図である。
【図3】図1に示す光受信回路が大電力信号を受信した場合の各部の電流と電圧の波形を示す図である。
【図4】図1におけるトランジスタ133の動作特性曲線を示した図である。
【図5】従来の光受信器の構成を示したブロック図である。
【図6】図5に示す光受信器の各部の電圧レベルを示した図である。
【図7】本願出願人により先に提案された光受信器の光受信部の構成を示すブロック図である。
【図8】図7に示す光受信部の出力波形を示す波形図である。
【符号の説明】
11…フォトダイオード
12…トランスインピーダンス型プリアンプ
13…電流バイパス部
14…電圧源
15、171、172…抵抗
161、162…最小値保持回路
18…コンパレータ
Claims (1)
- パルス変調された光信号を受信して再生する光受信回路であって、
前記光信号を電流信号に変換するフォトダイオードと、
前記フォトダイオードによって取り出された電流信号を電圧信号に変換する電流電圧変換回路と、
所定電力以上の光信号を受信した場合に、前記フォトダイオードから取り出される電流信号の一部をバイパスするための電流源と、
前記電流源によりバイパスされる電流値が0の場合は、前記電流電圧変換部の出力振幅の中心値を出力し、電流値が0を越える場合は、当該バイパスされる電流値に比例して、前記電流電圧変換部の出力信号の振幅中心から出力信号の極値に近づく方向に変化した値を出力すると共に、その出力が前記電流電圧変換回路の出力信号の振幅値の範囲を越えないように制御されるリファレンス制御部と、
前記電流電圧変換回路の出力を信号入力として受け、前記リファレンス制御部の出力を参照入力として受け、当該参照入力をしきい値として当該信号入力を弁別するコンパレータとを備え、
前記電流電圧変換回路は、トランスインピーダンス型のプリアンプにより構成され、
前記リファレンス制御部は、
前記プリアンプの出力の最小値を検出、保持する第1の最小値保持回路と、前記プリアンプの無入力時の出力レベルと同一レベルの出力電圧を発生する電圧源と、
前記電流源によってバイパスされる電流と同等の電流値の電流を取り出すためのカレントミラー回路と、
前記電圧源と前記カレントミラー回路との間に接続される電圧降下用抵抗と、
前記電圧降下用抵抗の端子電圧の最低値を検出、保持する第2の最小値保持回路と、
第1および第2の最小値保持回路の中間の出力電圧を取り出す分圧回路とを含む、光受信回路。
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